KR20120100228A - 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법 - Google Patents

풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법이 개시된다.
초기 구동 장치는 바람에 의해 회전하는 블레이드의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기, 발전기의 교류 전력을 직류로 변환하는 AC/DC 컨버터, AC/DC 컨버터의 직류 전력을 교류로 변환하여 계통 방향으로 공급하는 DC/AC 인버터, AC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터의 DC 링크 단에 연결되어 전력을 충전하며, 발전기로부터 계통 방향으로 공급되는 전력의 변동이 심한 경우 방전을 통해 출력을 보상하는 에너지 저장부를 포함한다. AC/DC 컨버터는 풍속정보에 의거한 스위칭 동작을 수행하여 블레이드 방향 및 계통 방향의 양측으로 전력을 전달하는 양방향 컨버터이다. 에너지 저장부에 저장된 전력을 블레이드 측으로 보내기 위해서, 스위칭 방향에 대한 제어 알고리즘을 갖는 양방향 타입의 AC/DC 컨버터가 적용된다. 에너지 저장부의 원래 용도는 출력 보상용이나, 일정 조건을 충족한 상황에서는 풍속정보에 따라 블레이드의 회전을 위한 제어를 시작한다.
이러한 구성에 따르면, 풍력발전 시스템에서 블레이드의 빠른 초기 구동을 구현하고, 그에 따라 풍력발전 시스템의 가동율을 향상시킬 수 있다.

Description

풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법{Double-Sided Converter For Initial Operating In Wind Turbine, Apparatus And Method For Initial Operating Using The Same}
본 발명은 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 특히 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
풍력발전은 공기 역학에 의해 날개처럼 생긴 로터(Rotor)가 돌아가면서 발생하는 기계적 운동 에너지를 발전기(Generator)를 통해 전기 에너지로 변화시켜 전력을 얻는 기술이다.
풍력발전 시스템은 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되며, 이를 구성하는 요소로는 블레이드(Blade)와 허브(Hub)로 구성된 회전자, 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치(Gear box), 전기를 생산하는 발전기(Generator), 각 구성요소의 동작온도를 적정하게 조절하여 주는 냉각/난방 시스템(Cooling/Heating System), 전력 제어 시스템(Power Converter System), 철탑 등이 있다.
전술한 풍력발전 시스템은 바람에 의한 블레이드의 회전으로 초기 구동되며, 일정 풍속이 되면 블레이드에 연결된 발전기가 계통(Grid)으로 투입되어 전기 에너지를 계통에 전달한다. 그런데, 블레이드는 관성이 크므로, 이 과정에서 적정 회전력을 얻기까지는 수 분이 넘는 시간이 소모되어 초기 구동이 지연되고, 효율성이 저하되는 문제점이 있다. 만약, 풍력발전 시스템이 대형이거나 풍속이 다소 낮은 상황이 유지되는 등의 불리한 조건에서라면 블레이드가 적정 회전력을 얻기까지는 더욱 긴 시간이 필요하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 블레이드의 빠른 초기 구동을 구현하고, 그에 따라 풍력발전 시스템의 가동율(Operating ratio)을 향상시킬 수 있는 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치는 블레이드에 연결되며, 바람에 의해 회전하는 상기 블레이드의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 변환하는 AC/DC 컨버터; 상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 직류 전력을 교류로 변환하여 계통 방향으로 공급하는 DC/AC 인버터; 및 상기 AC/DC 컨버터 및 상기 DC/AC 인버터의 DC 링크 단에 연결되어 상기 발전기의 잉여전력을 충전하며, 상기 발전기로부터 계통(Grid) 방향으로 공급되는 전력의 변동이 심한 경우 방전을 통해 출력을 보상하는 에너지 저장부를 포함한다. 상기 AC/DC 컨버터는 풍속정보에 의거한 스위칭 동작을 수행하여 블레이드 방향 및 계통 방향의 양측으로 전력을 전달하는 양방향 컨버터이다.
상기 AC/DC 컨버터는 상기 발전기에서 계통 방향으로 전력을 전달하다가, 풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 블레이드 방향의 상기 발전기로 공급하도록 구성될 수 있다.
상기 에너지 저장부는 일정 비율 이상의 전력이 저장된 상태에서만 블레이드 방향으로의 전력 전달을 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 블레이드의 회전수가 미리 정해진 범위를 넘으면, 상기 AC/DC 컨버터가 다시 원래대로 스위칭하여 상기 발전기에서 계통 방향으로 전력을 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 AC/DC 컨버터는 가격정보를 추가로 확인하며, 스위칭 시 더 낮은 요금의 전력을 블레이드 방향으로 공급하여 상기 블레이드의 회전에 사용하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 AC/DC 컨버터는 블레이드에 연결되어 있는 발전기에서 생산하는 교류 전력을 직류로 변환하여 계통 방향으로 연결되는 DC/AC 인버터에 공급하고, 상기 DC/AC 인버터와의 DC 링크 단에 에너지 저장부가 연결되어 있는 풍력발전 시스템의 AC/DC 컨버터에 있어서, 풍속정보에 의거하여 스위칭 방향을 결정하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어 하에 스위칭 동작을 수행하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 블레이드 방향으로 공급하거나 상기 발전기에서 생성된 전력을 계통 방향으로 공급하되, 풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 제어부의 제어에 의해 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 사용하는 스위칭부를 포함한다.
본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 방법은 풍력발전 시스템의 블레이드에 연결된 발전기에서 생산되는 교류 전력을 직류로 변환하여 계통 방향에 연결된 DC/AC 인버터로 공급하고, 상기 DC/AC 인버터와의 DC 링크 단에 상기 발전기의 잉여전력을 저장하여 출력을 보상하는 에너지 저장부가 연결되어 있는 AC/DC 컨버터를 이용한 초기 구동 방법에 있어서, 상기 AC/DC 컨버터가 상기 발전기로부터 계통 방향으로 전력을 전달하는 단계; 상기 AC/DC 컨버터가 풍속정보를 수신하여 스위칭 여부를 판단하는 단계; 풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 AC/DC 컨버터가 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 블레이드 방향으로 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 상기 발전기에 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법에 따르면, 풍력발전 시스템에서 블레이드의 빠른 초기 구동을 구현하고, 그에 따라 풍력발전 시스템의 가동율(Operating ratio)을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 풍력발전 시스템의 초기 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치에서, 양방향 컨버터의 내부 구성을 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 3에 나타난 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 풍력발전 시스템의 초기 구동 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치를 이루는 구성요소들과 전력 흐름(Power Flow)을 도시하고 있다.
일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치는 풍력발전 시스템에서 블레이드(110)의 초기 구동 시 바람 에너지 이외의 전원을 추가로 공급하여 블레이드(110)의 회전을 돕기 위한 것으로서, 블레이드(Blade)(110), 발전기(G: Generator)(120), 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130), 에너지 저장부(ESS: Energy Storage System)(140), DC/AC 인버터(150), 트랜스포머(T/R: Transformer)(160)를 포함한다.
블레이드(110)는 바람(Wind)에 의해 회전하는 물체로서, 바람 에너지 및 전기 에너지를 이용하여 초기 구동되며, 초기 구동이 이루어지면 발전기(120)가 도 1에서와 같이 AC/DC 컨버터(130) 및 DC/AC 인버터(150)를 통해 계통 방향으로 연결되어 전력을 전달한다(A110, A120).
발전기(120)는 블레이드(110)의 회전에 따른 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전력을 생산하며, 영구자석동기기 타입으로서 AC/DC 컨버터(130) 및 DC/AC 인버터(150)를 통해 계통(Grid)과 연결되어 있다.
에너지 저장부(140)는 풍력발전 출력(A110)의 안정화 목적으로 설치되며, AC/DC 컨버터(130)와 DC/AC 인버터(150) 사이의 DC 링크(DC Link) 단에 연결되어 충전(A120)과 방전(A130)을 반복하는 동작으로 풍향조건에 따른 풍력발전 시스템의 출력 변동을 완화시키는 역할을 수행한다.
AC/DC 컨버터(130)는 발전기(120)로부터 출력되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하며, 변환된 전력을 계통(Grid)으로 전달하거나 에너지 저장부(140)로 저장한다. 발전기(120)로부터 계통(Grid)으로 공급되는 전력(A110)의 변동이 심할 때에는, 도 1에 도시된 것처럼 에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 내보내거나(A130), 에너지 저장부(140)로 전력을 저장(A120)하여 출력을 일정하게 조정할 수 있다.
그런데, 만약 AC/DC 컨버터가 단방향 컨버터라면, AC/DC 컨버터는 단방향성으로서 계통 방향으로만 전력의 흐름을 제어하게 된다. 이러한 구성의 경우, 임계 값(예컨대, 3~4m/s) 이상의 풍속이 일정 시간 이상 지속되는 조건에서만 블레이드가 적정 회전력을 얻어 발전기의 초기 구동이 시작될 수 있다는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위하여, 일 실시예는 에너지 저장부(140)의 활용도를 높여서 도 2에 도시된 것처럼 초기 구동 시 에너지 저장부(140)에 저장된 전기 에너지를 이용해 블레이드(110)의 회전력을 공급하는 구성을 채용하며, 이를 위하여 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)를 적용하여 블레이드 방향의 발전기(120) 및 계통 방향의 에너지 저장부(140) 양측으로 전력을 전달하고, 스위칭에 의해 전력의 전달 방향을 제어한다.
따라서, AC/DC 컨버터(130)는 발전기(120)로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 변환하되, 양방향 컨버터로서 스위칭 동작을 통해 발전기(120) 및 에너지 저장부(140)의 양측으로 전력을 전달한다. 스위칭 조건으로는 풍속정보가 적용되며, AC/DC 컨버터(130)는 풍속정보에 의거하여 전력 흐름 방향을 결정하게 된다.
도 1은 AC/DC 컨버터(130)가 계통 방향으로 스위칭된 경우의 전력 흐름(Power Flow)을 도시하고 있다. 여기서, AC/DC 컨버터(130)는 계통 방향으로 전력을 전달하여 에너지 저장부(140)로 발전기(120)의 잉여전력을 충전하거나 DC/AC 인버터(150)를 통해 계통(Grid)으로의 전력 전달을 수행한다.
도 2는 AC/DC 컨버터(130)가 블레이드 방향으로 스위칭되어 발전기(120)의 초기 구동을 수행하는 경우의 전력 흐름(Power Flow)을 도시하고 있다. 블레이드(110)의 초기 구동 시, AC/DC 컨버터(130)는 블레이드 방향으로 스위칭되어 에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 발전기(120)로 전달함으로써 블레이드(110)의 회전을 돕는다.
DC/AC 인버터(150)는 AC/DC 컨버터(130)에서 출력되는 직류 전력을 교류로 변환하여 계통(Grid) 방향으로 공급한다.
에너지 저장부(140)는 전기 에너지를 충/방전하는 부분으로서 AC/DC 컨버터(130) 및 DC/AC 인버터(150)의 DC 링크 단에 연결되며, 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)가 계통 방향으로 스위칭된 상태에서 발전기(120)의 잉여전력을 충전(A120)하며, 발전기(120)로부터 계통 방향으로 공급되는 전력의 변동이 심한 경우 방전(A130)을 통해 출력(A110)을 보상한다. 또한, AC/DC 컨버터(130)가 블레이드 방향으로 스위칭된 경우에는, 에너지 저장부(140)에 저장된 전력이 발전기(120)로 공급되어 블레이드(110)의 초기 구동에 사용된다.
트랜스포머(160)는 전자기 유도 현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시키는 부분으로서, 계통(Grid)에 연결된다. 여기서, 계통(Grid)이라 함은 풍력발전 시스템이 연계된 전력 계통을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치에서, 양방향 컨버터의 내부 구성을 나타낸 구성도이다.
일 실시예는 풍력발전 시스템에서 에너지 저장부(140)의 전력을 이용하여 블레이드(110) 회전의 초기 구동을 수행하기 위한 AC/DC 컨버터(130) 및 그의 제어 알고리즘에 관한 것이다.
에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 블레이드(110) 측으로 보내기 위해서는, 기본적으로 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)가 필요하며, 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)의 제어를 위한 알고리즘이 추가 적용되어야 한다. 전술한 바와 같이, 에너지 저장부(140)의 원래 용도는 출력 보상용이기 때문에 어느 정도(예컨대, 50%)의 전력이 저장된 상태에서만 블레이드(110) 측으로 전력을 전달하고, AC/DC 컨버터(130)는 이러한 조건이 충족된 상황에서 서버(Server)(210)로부터 전송되는 풍속정보에 따라 블레이드(110)의 초기 구동 동작을 위한 제어를 시작하게 된다.
일 실시예의 풍력발전 시스템에서 발전기(120)는 영구자석동기기 타입으로서 AC/DC 컨버터(130) 및 DC/AC 인버터(150)로 계통(Grid)과 연결되어 있으며, DC 링크 단에 연결된 에너지 저장부(140)의 전력을 블레이드(110)의 초기 구동 시에 사용하여 관성이 큰 블레이드(110)를 빠른 시간에 적정 회전수로 높여 주고, 풍력발전 시스템의 가동율을 향상시킨다. 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)는 서버(210)로부터 풍속정보(및 가격정보)를 입력받으며, 서버(210)에서 수신되는 정보에 의거하여 스위칭 동작을 제어하는 알고리즘을 바탕으로 발전기(120)에 전원을 공급하게 된다.
일 실시예에 따른 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)는 DSP(Digital Signal Processor)(132)를 구비한 제어부(Controller)(131)를 포함하며, 스위칭부(133)를 통해 전력의 양방향 제어를 수행한다.
제어부(131)는 풍속정보(및 가격정보)에 의거하여 스위칭 방향(A210 또는 A220)을 결정하고, 그에 따라 스위칭부(133)의 동작을 제어한다.
제어부(131) 내의 DSP(132)는 외부의 서버(Server)(210)로부터 수신되는 신호를 처리하고 정해진 제어 알고리즘을 바탕으로 스위칭부(133)를 제어한다.
스위칭부(133)는 DSP(132)의 제어 알고리즘을 바탕으로 스위칭을 수행하여 전력이 전달되는 방향을 제어한다. 전술한 스위칭부(133)는 제어부(131)의 제어 하에 스위칭 동작을 수행하여 에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 블레이드 방향(A220)으로 공급하거나 발전기(120)에서 생성된 전력을 계통 방향(A210)으로 공급한다.
제어부(131)는 서버(210)로부터 제공되는 풍속정보를 파악하여 풍속이 임계 값 이상이 되면 스위칭부(133)를 제어하여 에너지 저장부(140)에 저장된 전력이 블레이드(110)의 초기 구동을 위해 사용될 수 있도록 한다(A220).
또한, DSP(132)의 제어 알고리즘에 실시간 가격정보를 추가하면, 전력이 계통(Grid)으로부터 직접 공급되는 상황을 함께 고려할 수 있다. 이러한 경우, 발전기(120)가 계통(Grid)에 파는 전력요금과 계통(Grid)에서 공급받는 전력요금을 비교하여 보다 싼 전력을 블레이드(110)의 초기 구동에 사용하도록 제어 알고리즘을 적용할 수 있다. 즉, 계통(Grid)에서 AC/DC 컨버터(130)로의 직접적인 전력 공급이 가능한 구조라면, 제어 알고리즘이 풍속정보 이외에 가격정보를 추가로 확인하며, 스위칭 시 발전기 전력요금과 계통 전력요금을 비교하여 더 낮은 요금의 전력을 블레이드 방향으로 공급하여 블레이드(110)의 회전에 사용할 수 있다.
에너지 저장부(140)는 AC/DC 컨버터(130)의 스위칭 방향이 계통 방향(A210)인 경우에는 발전기(120)의 잉여전력을 충전하고, 필요 시 충전된 전력을 방전하여 계통(Grid)에 전력을 공급한다. AC/DC 컨버터(130)의 스위칭 방향이 블레이드 방향(A220)인 경우에는, 에너지 저장부(140)에 저장 중인 전력이 발전기(120)에 연결된 블레이드(110) 측으로 전달된다.
도 4는 도 3에 나타난 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터의 동작을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3의 서버(210)는 풍속정보, 전력의 실시간 가격정보, 기타 시스템 상태정보 등을 저장하고, 제어부(131)의 요청에 따라 저장된 정보들을 제공한다. 서버(210)에서 입력된 풍속정보, 가격정보 등에 의거하여 전력 흐름의 방향이 결정될 수 있다.
도 4에서 (a)는 풍속데이터 센서(미도시)가 감지하여 서버(210)로 입력하는 풍속정보의 변화를 예시한 것이고, (b)는 발전기(120)가 계통(Grid)에 공급하는 실시간 전력요금의 변화를 예시한 것이다. (c)는 DSP(132)의 출력으로서, 스위칭부(133)를 제어하여 스위칭 방향을 결정하는 제어신호의 생성을 예시한 것이다.
제어부(131) 내 DSP(132)는 서버(210)에서 수신되는 풍속정보를 신호 처리하여 스위칭부(133)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. DSP(132)에서 출력되는 제어신호는 스위칭부(133)의 스위칭 방향을 결정한다. 예컨대, 스위칭부(133)가 오프(off) 되어 있는 경우 스위칭 방향은 계통 방향(A210)으로서, 발전기(120)로 블레이드(110)의 초기 구동을 위한 전원이 공급되지 않으며, 에너지 저장부(140)에 전력이 충전되거나 계통 방향으로의 전력 공급이 이루어진다.
만약, 스위칭 방향이 블레이드 방향(A220)으로 전환되어 스위칭부(133)가 온(on) 되면 에너지 저장부(140)로부터 스위칭부(133)를 통해 발전기(120)로 블레이드(110)의 초기 구동을 위한 전원이 공급된다. 즉, (a)의 시간별 풍속 그래프를 기준으로 현재 풍속이 미리 정해진 임계 값을 넘으면, 제어부(131) 내 DSP(132)는 이를 인식한 후 (c)와 같이 온(on) 신호를 생성하여 스위칭부(133)를 온(on) 시킴으로써 에너지 저장부(140)에 저장된 전력이 발전기(120)로 전달되도록 한다.
또한, 온(on) 신호의 생성조건에 (b)와 같은 가격정보를 함께 고려할 수 있다. 예컨대, 현재 풍속이 일반적인 계통 연계 풍속(예컨대, 3~4m/s) 이상인 경우, 제어부(131) 내 DSP(132)는 (b)의 시간별 가격 그래프를 기준으로 발전기(120)가 계통(Grid)에 공급하는 실시간 전력요금이 높게 책정되는 시점을 판단하고, 해당 시점에 스위칭 제어를 통해 블레이드(110)에 전력이 공급되도록 할 수 있다.
(d)는 에너지 저장부(140)의 충전 및 방전에 따른 전력 변화를 예시한 것이다.
양방향 타입 AC/DC 컨버터(130)의 스위칭 방향이 계통 방향(A210)인 경우 에너지 저장부(140)의 충전이 이루어지며, 풍속정보에 의거하여 AC/DC 컨버터(130)가 블레이드 방향(A220)으로 스위칭되면 에너지 저장부(140)에서 방전된 전력이 발전기(120)로 공급되어 블레이드(110)의 회전에 사용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, AC/DC 컨버터(130)는 발전기(120)에서 계통 방향으로 전력을 전달하면서(S110), 서버(210)로부터 풍속정보를 수신(S120)하여 스위칭부(133)의 스위칭 여부를 판단한다(S130). 이때, 발전기(120)에서 출력되는 전력이 에너지 저장부(140)로 충전된다.
서버(210)는 풍속데이터 센서(미도시)를 통해 현재의 풍속을 감지(Sensing)하여 AC/DC 컨버터(130)에 전달한다(S120). 풍속이 임계 값(예컨대, 3~4m/s) 이상이 되면(S130) 양방향 타입의 AC/DC 컨버터(130)는 내부에 구비된 제어부(131) 내 DSP(132)의 알고리즘에 따라 스위칭 동작을 수행하여 에너지 저장부(140)의 전력을 발전기(120) 측으로 공급하도록 스위칭부(133)를 제어한다(S140).
즉, AC/DC 컨버터(130)가 블레이드(110)의 초기 구동에 필요한 전원을 공급하기 위하여 블레이드 방향으로 스위칭하여 에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 발전기(120)에 전달하는 것이다. 에너지 저장부(140)는 일정 비율(예컨대, 50%) 이상의 전력이 저장된 상태에서만 블레이드 방향으로의 전력 전달을 수행할 수 있다.
발전기(120)는 모터로 동작하여 '바람 에너지 + 전기 에너지'로 블레이드(110)를 회전시키게 된다(S150).
여기서, AC/DC 컨버터(130)는 서버(210)로부터 가격정보를 추가로 확인하여 스위칭 조건으로 활용할 수 있다. 예컨대, 계통에서 AC/DC 컨버터(130)로의 직접적인 전력 공급이 가능한 경우라면, 스위칭 시 AC/DC 컨버터(130)가 자체 생산되는 발전기 전력요금과 계통(Grid)에서 직접 공급되는 계통 전력요금을 비교하여 더 낮은 요금의 전력을 블레이드 방향으로 공급하여 블레이드(110)의 회전에 사용하도록 할 수 있다. 즉, 발전기 전력요금이 더 싸다면 에너지 저장부(140)에 저장된 전력을 블레이드(110)의 초기 구동에 사용하고, 계통 전력요금이 더 싸다면 계통(Grid)에서 발전기(120)로 직접 공급되는 전력을 블레이드(110)의 초기 구동 시 사용한다.
이후, AC/DC 컨버터(130)는 회전체 RPM을 검사하여 블레이드(110)의 회전수가 미리 정해진 범위를 넘으면(S160), 다시 원래대로 스위칭하여 계통 방향으로 전력을 전달하고(S170), 에너지 저장부(140)에 전력을 충전하게 된다(S180). 즉, 블레이드(110)의 회전수가 현재 풍속에 대하여 미리 정해 놓은 적정 회전수 범위에 속하게 되면, 제어부(131) 내 알고리즘에 따라 발전기(120)에서 에너지 저장부(140)로 전력이 전달되도록 스위칭부(133)가 동작하여 전력이 에너지 저장부(140)로 저장되거나 계통(Grid)으로 전달된다.
본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 초기 구동을 위한 양방향 컨버터, 그를 포함한 초기 구동 장치 및 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
110: 블레이드 120: 발전기
130: AC/DC 컨버터 131: 제어부
132: DSP 133: 스위칭부
140: 에너지 저장부 150: DC/AC 인버터
160: 트랜스포머

Claims (9)

  1. 블레이드에 연결되며, 바람에 의해 회전하는 상기 블레이드의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기;
    상기 발전기로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 변환하는 AC/DC 컨버터;
    상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 직류 전력을 교류로 변환하여 계통(Grid) 방향으로 공급하는 DC/AC 인버터; 및
    상기 AC/DC 컨버터 및 상기 DC/AC 인버터의 DC 링크 단에 연결되어 상기 발전기의 잉여전력을 충전하며, 상기 발전기로부터 계통 방향으로 공급되는 전력의 변동이 심한 경우 방전을 통해 출력을 보상하는 에너지 저장부를 포함하되,
    상기 AC/DC 컨버터는 풍속정보에 의거한 스위칭 동작을 수행하여 블레이드 방향 및 계통 방향의 양측으로 전력을 전달하는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는 상기 발전기에서 계통 방향으로 전력을 전달하다가, 풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 블레이드 방향의 상기 발전기로 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 일정 비율 이상의 전력이 저장된 상태에서만 블레이드 방향으로의 전력 전달을 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전수가 미리 정해진 범위를 넘으면, 상기 AC/DC 컨버터가 다시 원래대로 스위칭하여 상기 발전기에서 계통 방향으로 전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는 가격정보를 추가로 확인하며, 스위칭 시 더 낮은 요금의 전력을 블레이드 방향으로 공급하여 상기 블레이드의 회전에 사용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 장치.
  6. 블레이드에 연결되어 있는 발전기에서 생산하는 교류 전력을 직류로 변환하여 계통 방향으로 연결되는 DC/AC 인버터에 공급하고, 상기 DC/AC 인버터와의 DC 링크 단에 에너지 저장부가 연결되어 있는 풍력발전 시스템의 AC/DC 컨버터에 있어서,
    풍속정보에 의거하여 스위칭 방향을 결정하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어 하에 스위칭 동작을 수행하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 블레이드 방향으로 공급하거나 상기 발전기에서 생성된 전력을 계통 방향으로 공급하되, 풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 제어부의 제어에 의해 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 사용하는 스위칭부를 포함하는 AC/DC 컨버터.
  7. 풍력발전 시스템의 블레이드에 연결된 발전기에서 생산되는 교류 전력을 직류로 변환하여 계통 방향에 연결된 DC/AC 인버터로 공급하고, 상기 DC/AC 인버터와의 DC 링크 단에 상기 발전기의 잉여전력을 저장하여 출력을 보상하는 에너지 저장부가 연결되어 있는 AC/DC 컨버터를 이용한 초기 구동 방법에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터가 상기 발전기로부터 계통 방향으로 전력을 전달하는 단계;
    상기 AC/DC 컨버터가 풍속정보를 수신하여 스위칭 여부를 판단하는 단계;
    풍속이 임계 값 이상이 되면 상기 AC/DC 컨버터가 상기 블레이드의 초기 구동을 위해 블레이드 방향으로 스위칭하여 상기 에너지 저장부에 저장된 전력을 상기 발전기에 전달하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 초기 구동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 AC/DC 컨버터는 가격정보를 추가로 확인하며, 스위칭 시 더 낮은 요금의 전력을 블레이드 방향으로 공급하여 상기 블레이드의 회전에 사용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 시스템의 초기 구동 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전수가 미리 정해진 범위를 넘으면, 상기 AC/DC 컨버터가 다시 원래대로 스위칭하여 계통 방향으로 전력을 전달하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 시스템의 초기 구동 방법.
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