KR20130026948A - 풍력 발전기 및 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기의 블레이드 위치 제어 장치 및 그 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 위치 제어 장치는 바람에 의해 회전되는 블레이드를 적어도 하나 이상 구비하여, 상기 블레이드의 회전에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 계통에 전달하는 풍력 발전기로서, 상기 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 회전에 따라 전압이 유기되어 전력을 상기 외부 계통으로 출력하는 고정자를 포함하는 발전부와, 상기 외부계통으로부터 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시켜서, 상기 블레이드의 회전을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력 발전기 및 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법{WIND POWER GENERATOR, AND METHOD FOR ROTATING BLADE OF THE SAME}

본 발명은 풍력 발전기 및 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법에 관한 것이다.

자연 에너지원이 고갈되어 심각한 에너지난이 예상되는 현대에 있어서 자연친화적 에너지인 풍력을 이용하여 발전을 행하는 풍력 발전기에 대한 시대적 요구가 급증하고 있다.

풍력 발전기는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도 전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 장치이다.

풍력 발전기는 구조 및 기능적인 측면에서 크게 바람으로부터 회전력을 생산하는 기계 장치 부문과, 이들 기계 장치로부터 발생되는 전력을 안정적으로 공급하는 전기 장치 부문과, 각 구성들의 운전 및 상태를 판단하여 조절하는 제어 장치 부문으로 구성될 수 있다.

풍력 발전기에서 풍력으로 회전력을 발생시키는 기계장치 부문의 대표적인 장치가 바로 블레이드(회전 날개)인데, 불규칙한 풍향과 풍속의 영향에 따라 효과적으로 최대의 회전력을 발생시킬 수 있도록 블레이드에 대한 다양한 제어기법과 제어시스템에 대한 연구 개발이 활발하다.

가변풍속 또는 풍향에 대응하는 풍력 발전기의 가장 중요한 제어 기법은 블레이드의 피치 각도를 제어하여 정격속도 이상의 바람이 불 때 일정한 최대 출력을 발생하도록 하는 것이다. 따라서 블레이드의 피치 각도를 제어하는 장치에 대한 기술은 한국특허공개번호 제2008-0030966호, 제2011-0063531호, 한국특허등록번호 제1039728호 등에서 다수 개시되어 있다.

그런데 최근 들어 풍력 발전기의 개발에 맞추어 풍력 발전기의 블레이드의 경사각 제어에 대해서는 지속적인 연구가 이루어지고 있는 반면, 풍력 발전기의 유지 보수, 설치, 데이터 계측 및 블레이드에 대한 다양한 연산을 위해서 블레이드를 상황에 따라 원하는 위치로 이동하도록 조정하는 제어기술에 대한 연구 개발은 상대적으로 저조한 실정이다. 블레이드를 원하는 위치로 이동시키기 위한 제어 기술은 일반적으로 자연적 현상인 바람을 이용한 무동력 구동에 의하거나 작업자의 인위적인 인력에 의존하여 이루어지고 있는데, 블레이드의 회전 제어가 잘못될 경우 이차적인 기계적, 전기적 손상을 가져와서 풍력 발전기 전체의 구동 제어에 위험을 초래할 수 있기 때문에 정밀하고 정확한 블레이드의 회전 제어의 필요성이 있다.

본 발명의 실시 예들은 풍력 발전기의 유지 보수, 설치, 데이터 계측, 및 블레이드 연산을 위해 블레이드의 회전을 정밀하게 조정할 수 있는 풍력 발전기와 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 바람에 의해 회전되는 블레이드를 적어도 하나 이상 구비하여, 상기 블레이드의 회전에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 계통에 전달하는 풍력 발전기로서, 상기 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 회전에 따라 전압이 유기되어 전력을 상기 외부 계통으로 출력하는 고정자를 포함하는 발전부와, 상기 외부계통으로부터 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시켜서, 상기 블레이드의 회전을 제어하는 제어부를 포함하는 풍력 발전기가 제공된다.

일단이 상기 발전부의 회전자 권선과 고정자 권선에 연결되고, 타단이 상기 외부 계통과 연결되어, 유출입하는 전력의 상태를 변환하는 전력 변환부, 및 상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 사이에 구비되어 상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 사이의 전기적 흐름을 단속하는 스위칭부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위칭부의 턴 온(turn on)과 턴오프(turn off)를 제어하여 상기 발전부를 상기 유도 전동기로 변환시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 발전부의 구동 상태에 따른 운전 모드를 결정하되, 상기 운전 모드는, 상기 발전부가 전력을 생산하는 발전 모드, 및 상기 발전부를 상기 유도 전동기로 변환시키는 인칭 운전 모드를 포함할 수 있다.

상기 스위칭부는, 상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이에 구비되는 계통 연계 스위칭부, 상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 제1 스위칭부, 상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 제2 스위칭부, 및 상기 발전부의 회전자 권선과 공통단 사이에 구비되는 제3 스위칭부를 포함할 수 있다.

상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 간의 연결선은 상기 발전부의 3상 권선에 이어지는 3개의 연결선을 포함하고, 상기 스위칭부는, 상기 3개의 연결선에 각각 구비되는 3개의 스위치 소자로 구성될 수 있다.

상기 발전부의 운전 모드가 인칭 운전 모드인 경우, 상기 계통 연계 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부를 턴 오프 하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 턴 온 할 수 있다.

상기 발전부의 운전 모드가 발전 모드인 경우, 상기 계통 연계 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부를 턴 온 하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 할 수 있다.

상기 발전부의 운전 모드가 발전 모드이고, 상기 회전자의 회전 속도가 동기 속도 미만인 경우, 상기 외부 계통으로부터 상기 발전부의 회전자에 전류를 흘릴 수 있다.

상기 제어부는, 상기 풍력 발전기의 상태 정보 또는 외부 환경 상황에 대한 감시 정보를 측정하여 취득하는 모니터링부, 상기 운전 모드를 결정하는 운전모드 제어부, 상기 운전모드에 따라 상기 스위칭부의 개폐 여부를 제어하는 스위치 제어 신호 생성부, 상기 풍력 발전기 내부의 기계 또는 전자 부품의 구동을 제어하는 구동 제어부, 및 상기 블레이드의 구동 명령값을 연산하고 출력하는 블레이드 제어부중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 바람에 의해 회전되는 블레이드를 적어도 하나 이상 구비하여, 상기 블레이드의 회전에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 계통에 전달하는 풍력 발전기에서, 상기 블레이드의 회전을 제어 방법으로서, 상기 풍력 발전기는 상기 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 회전에 따라 전압이 유기되어 전력을 상기 외부 계통으로 출력하는 고정자를 포함하는 발전부를 포함하되, 상기 외부계통으로부터 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법이 제공된다.

상기 풍력 발전기는 일단이 상기 발전부의 회전자 권선과 고정자 권선에 연결되고, 타단이 상기 외부 계통과 연결되어, 유출입하는 전력의 상태를 변환하는 전력 변환부를 더 포함하되, 상기 유도 전동기로 변환시키는 단계는, 상기 외부계통으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시킬 수 있다.

상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계는, 상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이를 끊고, 상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이를 연결할 수 있다.

상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계는, 상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이를 끊고, 상기 발전부의 회전자를 공통단으로 연결할 수 있다.

상기 블레이드의 회전에 따라 전력을 생산하는 단계를 더 포함하되, 상기 전력을 생산하는 단계는, 상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이를 연결하고, 상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이를 끊을 수 있다.

상기 전력을 생산하는 단계는, 상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이를 연결할 수 있다.

상기 전력을 생산하는 단계는, 상기 회전자의 회전 속도가 동기 속도 미만인 경우, 상기 외부 계통으로부터 상기 발전부의 회전자에 전류를 흘릴 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 기존의 풍력 발전기의 부품에 비교적 간단한 장치를 적용하여 풍력 발전기의 블레이드의 회전을 제어하는 장치와 그 제어 방법을 제공함으로써 블레이드의 위치 조정을 정밀하고 정확하게 수행할 수 있다.

또한 예측 불가능한 바람의 영향에 대비할 수 있고, 작업자의 재해 위험에 보다 안전한 작업이 가능하도록 풍력발전용 블레이드의 회전을 제어할 수 있다.

안전하고 정밀한 블레이드의 회전 제어를 수행하는 장치와 제어 방법을 제공함으로써 궁극적으로는 전체 풍력 발전기의 설치 및 유지보수와 계측 시스템의 작업 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 상기 도 1에 개시된 풍력 발전기(100)의 전기 장치부(10)의 회로 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 상기 도 1에 개시된 풍력 발전기(100)의 제어부(9)의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법에 따른 운전 모드별 전류 흐름을 나타낸 구성도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시 예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 풍력 발전기(100)는 크게 블레이드(1)와 하나 이상의 블레이드가 장착되는 허브(2)로 구성되는 기계 장치와, 바람으로부터 전기 에너지를 생산하고 각 장치를 제어하는 구성요소들로 이루어진 나셀(3)로 구성되는 전기 장치를 포함한다. 나셀(3)에서 생산된 전기 에너지는 외부 계통(4)으로 전달된다.

도 1에서는 블레이드(1)를 2개 예시하고 있으나 특별히 블레이드의 개수에 제한되는 것은 아니며, 3개 이상 또는 3개 미만의 블레이드로 구성될 수 있다. 자연의 동력인 바람으로 인해 블레이드(1)가 회전되면 회전축을 통해 나셀(3)의 전기 장치로 동력이 전달된다. 즉, 바람으로부터의 운동 에너지가 회전축의 기계적 에너지로 전환되고, 나셀(3)의 발전 장치를 통해 다시 전기 에너지로 전환되어 최종적으로 외부 계통(4)에 전력을 공급하게 된다.

본 발명의 일 실시 예로서 나셀(3)에 포함된 구성을 살펴보면, 허브(2)와 이어진 회전축에 연결되어 운동 속도(회전 속도)를 증속할 수 있는 기어 증속부(5), 상기 회전 속도를 이용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전부(6), 상기 발전부(6)에서 생성된 전류를 저장하거나 외부 계통(4)에 전달하기 위하여 전류를 변환시키는 전력 변환부(7)를 포함한다.

그리고 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드 회전 제어 장치로서 나셀(3) 내에 스위칭부(8)가 포함된다. 스위칭부(8)는 발전부(6) 및 전력 변환부(7)와 외부 계통(4)과 연결되는 결선에 위치하는 복수의 스위치 소자들로 구성되는데, 이들 복수의 스위치 소자는 온/오프 동작 신호의 제어에 따라 스위치가 온/오프 됨으로써 각 구성간의 연결선의 흐름을 변환시킨다.

구체적인 스위칭부(8)의 동작과 연결선의 변환을 통한 블레이드의 구동 제어는 이하의 도면 설명에서 후술하도록 한다.

풍력 발전기의 형태가 기어리스형인 경우 상기 기어 증속부(5)는 생략될 수 있다.

발전부(6)는 바람에 의해 블레이드(1)가 회전하게 되어 운동 에너지를 발생시킬 때, 블레이드(1)에 연결된 회전축의 기계적 에너지로 변환된 운동 에너지로부터 전력을 생산하여 외부 계통(4)에 전달한다. 본 발명의 실시 예에 따른 발전부(6)는 이중여자 유도 발전기를 사용하기 때문에 회전자 및 고정자 모두가 3상 권선을 가지고 회전자 권선으로 전류가 유입되거나 유출될 수 있다.

전력 변환부(7)는 인가되는 교류 전압 또는 직류 전압의 상태를 변환하여 출력하는 수단으로서 발전부(6)의 회전자 측에 연결되어 dc-link 전압 조정기 역할을 할 수 있다. 즉, dc-link 전압을 일정하게 유지시켜 축전기(도면 미도시)에 저장하거나, 혹은 외부 계통으로 전력 전달이 가능하게 할 수 있다. 아울러 외부 계통에서 유입되는 전류를 발전부(6)의 회전자 측으로 전달할 수 있다.

상기와 같은 발전부(6), 전력 변환부(7), 및 스위칭부(8)는 풍력 발전기(100)의 나셀(3)에서 전기 장치부(10)로 구성될 수 있다.

도 1에 따른 본 발명의 일 실시 예에서 나셀(3) 내에 제어부(9)가 더 포함되며, 상기 제어부(9)는 풍력 발전기(100)를 구성하는 각 부품들의 동작과 기능들을 제어할 수 있다.

제어부(9)는 풍력 발전기(100)가 무인 운전이 가능하도록 제어할 수 있는데, 구체적으로 기계 장치의 운전을 제어하는 시스템과 전기 장치의 동작을 제어하는 시스템뿐만 아니라, 원격지 제어 및 지상에서의 시스템 상태 판별이 가능할 수 있는 모니터링 시스템을 포함하는 제어 수단일 수 있다.

따라서, 제어부(9)는 기계 장치의 허브(2)에 장착된 블레이드(1) 및 블레이드의 구동을 조절하는 블레이드 운전 시스템으로 소정의 운전 제어 신호를 생성하여 전달할 수 있다. 이때의 운전 제어 신호는 블레이드(1)의 경사각 제어 신호 또는 위치 설정 신호 등 블레이드(1)의 동작에 관여하는 모든 제어 신호들을 포함하는 개념이다.

제어부(9)는 전기 장치부(10)에 대한 복수의 전기적 제어 신호들을 생성하여 전달할 수 있다. 즉, 발전부(6)의 발전 상태를 파악하여 그에 따라 발전부(6)의 구동을 제어하는 구동 제어 신호를 전달하거나, 전력 변환부(7)의 상태를 파악하고 발전부(6)의 발전 출력량을 제어할 수 있는 토크 명령값 등의 제어값들을 전달할 수 있다.

또한 제어부(9)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전용 블레이드를 제어하기 위하여 각 구성요소의 결선을 변환시키는 스위칭부(8)로 복수의 스위치 소자의 개폐를 제어하는 복수의 스위치 제어 신호를 생성하여 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부(9)의 기능은 상술한 내용에 한정되는 것은 아니며, 풍력 발전기(100)를 구성하는 기계적, 전기적 시스템을 제어하거나 모니터링 할 수 있는 신호 또는 명령들을 출력할 수 있다.

한편, 도 1에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 풍력 발전기는, 허브(2)에 연결된 기계 장치로서 회전축을 일정한 위치에 고정시키고 회전축의 자중(自重)과 회전축에 걸리는 하중을 지지하면서 회전축을 회전시켜서 회전 날개의 회전력을 전달하는 베어링, 발전부(6)에서 생성된 교류 전류를 직류로 정류하는 정류부, 직류 전류를 저장하는 축전부, 외부 계통(4)에 전력을 분배하는 분배부, 및 트랜스포머 등을 더 포함할 수 있다. 이에 대한 구체적인 구성은 본 발명의 블레이드 회전 제어 장치와 직접적인 관련이 없으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 나셀(3)에 포함되는 전기 장치의 구성요소는 상기의 구성들에 한정되지 않으며 기능에 따라 추가되는 구성 요소를 더 포함할 수 있음은 물론이다.

풍력 발전기(100)의 유지 보수, 설치, 데이터 계측, 또는 블레이드의 구동을 위한 각종 연산을 수행하기 위해서 블레이드(1)의 위치를 소정의 원하는 위치로 이동시킬 때, 종래에는 자연적으로 약한 바람에 의한 회전력을 이용하고 블레이드가 원하는 위치에 도달했을 때 회전축에 연결된 잠금 장치(Rotor locking system)를 작동시켜 고정하였다.

그러나 이러한 자연적 무동력 회전 제어 방법은 바람의 상황이 예측 불가능하여 정확한 블레이드의 회전 제어가 어렵게 된다.

그래서 작업자의 인력에 의한 조정 방법을 이용하게 되었으나, 이 또한 갑작스런 돌발 상황에 대해 작업자의 재해 위험성이 높고 중대한 사고가 발발될 염려가 있으므로 적합하지 않다. 이렇듯 종래에 이용되고 있는 블레이드의 회전 제어 방식은 풍력 발전기의 유지 보수 및 설치나 계측 업무에 있어서 시간 및 작업 가능성에 제약이 많고 안전성에 문제가 있으며 상황에 따라 급격한 관성 토크로 인해 드라이브 트레인(Drive train) 축계에 많은 충격을 주게 되어 풍력 발전기의 제품 수명과 고장을 야기할 수도 있기 때문에 본 발명과 같은 정밀하고 안전한 회전 제어 방법을 고안하였다. 드라이브 트레인 축계란, 메인샤프트, 기어박스, 발전기를 포함하는 동력 전달 축계를 지칭하는 구동 전달 시스템이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 블레이드의 회전 조정을 위해 발전부(6), 전력 변환부(7), 및 외부 계통(4)을 연결하는 연결선에 전류 흐름의 단락을 좌우할 수 있는 결선 변환 스위치들로 구성된 스위칭부(8)를 설치하고, 발전부(6)가 발전 모드로 동작하지 않을 때 발전부(6)를 유도 전동기로 변환하여 역으로 전기 에너지를 기계 에너지로 구동시켜 블레이드(1)의 회전을 조정시킬 수 있게 한다. 스위칭부(8)의 개폐를 제어하는 것은 제어부(9)로서, 제어부(9)에서 스위치 제어 신호를 생성하여 스위칭부(8)의 각 스위치들에게 전달한다. 스위칭부(8)의 개폐 여부에 따라 결선이 변환되므로, 발전부(6)의 운전 모드에 따라 스위칭부(8)에 포함된 복수의 스위치들의 개폐를 조정하고, 발전부(6)의 전류 방향과 흐름을 제어할 수 있다.

따라서 본 발명에서의 발전부(6)는 전력을 생산하는 발전기 모드와 전류를 공급받아 기계적으로 동작하는 전동기 모드로 운전될 수 있는 유도기기가 사용된다.

본 발명의 발전부(6)는 발전기 모드와 전동기 모드의 운전 모드가 가능한 권선형 유도기기이면 족할 것이지만, 풍력 발전기 분야에서 발전기의 대부분을 차지하고 있는 이중여자 유도 발전기(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)를 사용하는 것이 바람직하다.

이중여자 유도 발전기는 고정자 및 회전자 각각에 3상 권선(U,V,W)이 감겨져 있고, 상기 3상 권선에 여자전류를 공급할 수 있는 유도기기이다.

여기서, 회전자는 원형링과 브러쉬로 이루어진 슬립링(slip-ring) 형태로 3상 권선과 연결된다.

도 2에서 발전부(6)와 스위칭부(8)를 이용하여 풍력 발전용 블레이드의 회전 제어를 수행하는 전기 장치부(10)의 회로 구조를 구체적으로 나타내었다.

전기 장치부(10)는 발전부(6), 전력 변환부(7), 및 스위칭부(8)를 포함하고 외부 계통(4)에 연결되어 있다. 외부 계통(4)과의 연결선을 통해 발전부(6)에서 생성된 전류가 공급되거나 역으로 외부 계통(4)을 통해 여자전류가 발전부(6)에 전달된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 발전부(6)는 풍력에 의해 전력을 생성하는 발전기 모드 및 여자전류에 의해 구동되는 전동기 모드로 이용될 수 있는 이중여자 유도 발전기를 사용하기 때문에, 스위칭부(8)의 개폐 제어에 따라 블레이드의 회전을 조정할 수 있는 유도 전동기로 변환된다.

구체적으로 도 2를 참조하면 이중여자 유도 발전기인 발전부(6)는 3상 권선을 가지는 고정자(61)와 3상 권선을 가지는 회전자(62)를 포함한다. 그 외 이중여자 유도 발전기의 다른 구성 부품은 일반적으로 공지된 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략한다.

이중여자 유도 발전기인 발전부(6)는 고정자(61)와 회전자(62) 모두에 3상 권선이 감겨져 있기 때문에 고정자(61)와 회전자(62) 모두에서 자계가 발생된다. 일반적으로 이중여자 유도 발전기는 회전자(62)의 운동(회전)에 의해 고정자(61) 코일에 전압이 유기되어 전력이 발생되어 외부 계통(4)으로 출력되기 때문에, 고정자(61)의 권선은 계통 연계 스위칭부(81)을 통해 외부 계통(4)과 연결된다. 계통 연계 스위칭부(81)의 개폐 역시 스위칭 제어 되므로 계통 연계 스위칭부(81)는 본 발명의 스위칭부(8)에 포함된다. 한편, 일반적으로 이중여자 유도 발전기의 회전자(62)의 권선은 회전자 전류에 의해 풍력 발전기의 출력량이 제어되기 때문에 전력 변환부(7)와 연결되어 발전부(6)의 제어를 담당할 수 있다.

도 2의 실시 예에 따른 전기 장치부(10)에서 발전부(6)의 회전자(62)는 스위칭부(8)를 통해 전력 변환부(7)와 연결되어 있다.

스위칭부(8)는 앞서 설명하였던 계통 연계 스위칭부(81) 이외에도 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 제3 스위칭부(84)를 포함한다.

스위칭부(8)를 구성하는 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부 (82), 제2 스위칭부(83), 및 제3 스위칭부(84) 각각은 3상 권선에 이어진 결선들 각각에 위치하는 3개의 스위치 소자들로 구성된다.

즉, 계통 연계 스위칭부(81)는 발전부(6)의 고정자(61)의 3상 권선으로부터 이어진 3개의 결선에 각각 위치한 3개의 스위치 소자로 구성되고, 이들 3개의 결선은 각각 외부 계통(4)에 이어진다. 계통 연계 스위칭부(81)의 개폐 여부에 따라 발전부(6)의 고정자(61)와 외부 계통(4)의 전기적 연결이 제어된다. 따라서 계통 연계 스위칭부(81)의 개폐 여부에 따라 발전부(6)의 고정자(61)에서 발생된 출력 전류 또는 외부 계통(4)에서 인가된 여자전류의 흐름이 제어된다.

제1 스위칭부(82)는, 발전부(6)의 고정자(61)의 3상 권선과 계통 연계 스위칭부(81)를 연결하는 3개의 결선의 노드(n7,n8,n9)에 각각 일단이 연결되고, 제2 스위칭부(83)와 전력 변환부(7)를 연결하는 3개의 결선의 노드(n4,n5,n6)에 각각 타단이 연결되는 3개의 스위치 소자로 구성된다. 제1 스위칭부(82)의 개폐 여부에 따라 발전부(6)의 고정자(61)와 전력 변환부(7)의 전기적 연결이 제어된다.

제2 스위칭부(83)는, 회전자(62)의 3상 권선과 제3 스위칭부 (84) 사이를 연결하는 3개의 결선의 노드(n1,n2,n3)에 각각 일단이 연결되고, 전력 변환부(7)에 연결된 3개의 결선의 노드(n4,n5,n6)에 각각 타단이 연결된 3개의 스위치로 구성된다. 제2 스위칭부(83)의 개폐 여부에 따라 회전자(62)와 전력 변환부(7)의 전기적 연결이 제어된다.

제3 스위칭부(84)는 발전부(6)의 회전자(62)의 3상 권선으로부터 이어진 3개의 결선에 각각 위치한 3개의 스위치 소자로 구성된다. 이들 3개의 스위치 소자 각각의 일단들은 회전자(62)의 3상 권선에 연결되고, 3개의 스위치 소자 각각의 타단들은 서로 하나의 공통단으로 연결된다. 따라서 제3 스위칭부(84)의 3개의 스위치 소자는 스위치 제어 신호에 의해 턴 온 되어 스위치가 닫히게 되면 3개의 스위치 소자들을 통과하여 회전자(62)의 순환 전류가 흐르게 되고 이러한 순환전류가 통합되어 발전기(6)를 유도 전동기로 변환시키게 된다.

스위칭부(8)를 구성하는 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 및 제3 스위칭부(84) 각각을 구성하는 복수의 스위치 소자는 결선에 흐르는 전류, 전압, 사용 환경, 기타 조건에 따라 전자 스위치(electromagnet switch), 진공 차단 스위치(vacuum circuit breaker, VCB), 기중 차단 스위치(air blast circuit breaker, ACB) 등이 사용될 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 발전기에서 발생되는 발전 출력량이 커서 결선에 흐르는 전류, 전압이 커질수록 전자 스위치, 기중 차단 스위치, 진공 차단 스위치를 적용할 수 있다.

제어부(9)는 스위칭부(8)를 구성하는 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 및 제3 스위칭부(84) 각각에 연결되어 이들의 개폐를 제어하는 스위칭 제어 신호(SWS)를 생성하여 전달한다.

도 2에서 스위칭 제어 신호(SWS)는 스위칭부(8)에 전달되는 것으로 간략하게 도식화하였으나, 도 2의 스위칭 제어 신호(SWS)는 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 및 제3 스위칭부(84) 각각에 포함된 3개의 구성 스위치들에 대응하는 3개의 스위칭 제어 신호들을 포함하는 개념이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 상기 제어부(9)의 구체적인 세부 구성은 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 상기 제어부(9)는 모니터링부(91), 운전모드 제어부(92), 구동 제어부(93), 스위치 제어 신호 생성부(94), 블레이드 제어부(95), 및 출력부(96)를 포함하여 구성될 수 있으나, 반드시 이러한 구성 요소에 한정되지 않으며 풍력 발전기에 대한 제어 기능 또는 방식에 따라 추가되거나 생략되어 구성될 수 있음은 물론이다.

도 3의 제어부(9)에서 모니터링부(91)는 풍력 발전기의 각 부품에 대한 상태 정보 또는 외부 환경 상황에 대한 감시 정보를 측정하고, 이러한 측정 정보들을 전달받는 수단이다.

특히 모니터링부(91)는 풍력 발전기의 다양한 운전 모드별로 운전 상황과 관련된 상태 정보를 측정하거나 취득할 수 있다. 즉, 풍력 발전기의 구동 상황을 감시하여 전력을 생산하는 발전 모드인지, 발전이 중단된 휴지 모드 인지, 내외부 인자의 의해 풍력 발전기의 소정의 부품에 에러가 있어 발전할 수 없는 고장 모드인지, 또는 블레이드의 회전 제어를 위해 블레이드가 조금씩 움직일 수 있도록 유도 발전기를 유도 전동기로 전환해서 구동하는 인칭(inching) 운전 모드인지 감시할 수 있다. 또한 모니터링부(91)는 내부적으로 풍력 발전기의 각 부품에 대한 상태, 즉 온도, 고장여부, 습도, 가동율, 블레이드 위치, 블레이드 경사각 등의 정보를 측정하여 상태 정보들을 취득할 수 있다. 그리고 외부적으로 풍력 발전기의 설치 장소의 외부 환경 상황, 즉 온도, 습도, 풍속, 풍향, 기상예보 등의 정보를 측정하거나 취득할 수도 있다. 상기의 감시 또는 측정 정보들은 일 실시 예로서 제한적이지 않으며, 모니터링부(91)에서 취득되는 상태 정보들은 다양하다.

운전모드 제어부(92)는 상기 모니터링부(91)에서 취득되거나 측정한 정보들 중 특히 풍력 발전기의 발전부(6)의 운전 동작의 제어와 관련된 정보들을 전달받아 발전부(6)의 운전모드를 설정한다.

발전부(6)의 운전모드는 상술한 바와 같이 발전 모드, 휴지 모드, 고장 모드, 인칭 운전 모드로 구성될 수 있으나 운전 모드의 구성은 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

운전모드 제어부(92)는 풍력 발전기의 발전 상황, 외부 환경 등을 근거로 하여 모니터링부(91)에서 취득된 정보를 기초로 운전 모드 상태를 선정하고 이를 제어부의 다른 구성요소와 풍력 발전기 내의 해당 부품에 명령값으로 전달한다.

일례로, 운전모드 제어부(92)는 소정의 발전 출력량을 설정하고 출력량이 부족하다면 발전부의 운전 모드를 발전 모드로 유지하여 전기 에너지를 지속적으로 생산하게 하고, 풍력 발전기의 블레이드 유지 보수 또는 데이터 분석 등을 위해 블레이드의 위치를 선정하거나 재설정할 필요가 있는 경우 발전부의 운전 모드를 인칭 운전 모드로 선정할 수 있다.

운전모드 제어부(92)는 스위치 제어 신호 생성부(94)와 연결되어 운전 모드 설정 및 수행에 관련한 스위칭부의 각 스위치 제어 신호의 생성을 제어할 수 있다.

구동 제어부(93)는 블레이드, 기어 증속부, 발전부, 기타 전기 장치 등 풍력 발전기 내에서 구동력을 발생시키는 기계 장치 또는 전기 장치의 동작을 제어한다. 또한 이들 기계 장치 또는 전기 장치를 포함하는 전반적인 시스템 운영체계와 외부 원격지 또는 지상의 시스템과의 연계를 조정하여 풍력 발전기의 구동과 관계된 운영 체계를 제어한다.

스위치 제어 신호 생성부(94)는 운전모드 제어부(92)의 지시에 따라 설정된 운전모드에 맞도록 풍력 발전기의 스위칭부에 속하는 복수의 스위치 소자에 대한 개폐 제어 신호들을 생성하여 전달한다.

스위칭부를 구성하는 복수의 스위칭부는 3상 권선의 연결선에 위치하여 스위치의 개폐를 통해 연결선의 단락 여부를 조정하는 것이므로 복수의 스위칭부 각각은 3개의 스위치 소자로 구성될 수 있는데, 상기 3개의 스위치 소자의 개폐는 하나의 스위치 제어 신호가 3개의 스위치 소자에 전달되거나 혹은 3개의 스위치 제어 신호가 각각 대응하는 3개의 스위치 소자에 전달되어 조정될 수 있다. 구체적으로 도 2의 실시 예에서 스위칭부(8)는 4개의 스위칭부로 구성되어 있는데, 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 및 제3 스위칭부(84) 각각으로 3개의 스위치 제어 신호가 전달되거나, 혹은 하나의 스위치 제어 신호가 상기 4개의 스위칭부 각각을 제어하는 신호로서 전달될 수 있다.

도 3의 본 발명의 일 실시 예에서는 상기 스위칭부를 제어함에 있어서 무인 제어 방식을 적용하여 제어부(9)가 상기 스위칭부를 제어하도록 스위치 제어 신호를 생성하는 스위치 제어 신호 생성부(94)를 포함하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시 예로서 제어부(9)를 통한 무인 제어 방식이 아닌 인위적 제어 방식(유인 제어 방식)으로 스위칭부의 온/오프를 조정할 수도 있다.

도 3에서 블레이드 제어부(95)는 블레이드의 구동과 관련된 명령값을 연산하고 이를 전달한다. 즉, 블레이드 제어부(95)는 풍력 발전기의 블레이드 구동 시스템과 연계되어 블레이드의 피치 각도(경사각) 제어, 블레이드의 회전 제어, 풍향에 따른 블레이드의 방향 제어(요잉(yawing) 제어), 한계 풍속 이상이 되었을 때 양력이 블레이드에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상을 제어하는 스톨(stall) 제어 등에 따른 명령값을 생성하고 이를 블레이드 구동 시스템으로 출력한다. 특히 블레이드의 회전 제어와 관련하여 블레이드 제어부(95)는 블레이드별로 현재의 각 블레이드의 위치를 파악하고 적정한 위치 선정을 수행한 후 블레이드의 위치를 변경하기 위한 이동 거리, 이를 위한 기동 시간 등의 정보를 연산하고, 위치 변경을 위한 블레이드의 구동 인자별 명령값을 산출하여 전달할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서 풍력 발전기의 상황에 따라 발전부의 운전 모드를 발전 모드로 할 것인지 혹은 인칭 운전 모드로 할 것인지의 모드 설정은 운전모드 제어부(92)에서 수행하지만, 인칭 운전 모드로 설정된 후 세부적으로 블레이드의 위치를 원하는 위치(선정 위치)로 이동하도록 전력을 제어하고 구동력을 제어하는 명령값을 산출하여 제공하는 수단은 블레이드 제어부(95)가 될 수 있다.

도 3에서 출력부(96)는 제어부(9)에 속하는 각 구성 요소들로부터 산출된 제어 명령값이나 신호들이 풍력 발전기의 내부 시스템이나 외부 원격지 또는 지상의 시스템으로 전달되는 수단이다. 출력부(96)는 현재 또는 지난 이력을 포함하여 풍력 발전기의 내부 구성 요소를 제어하는 명령값 또는 신호들의 출력 상황이 관리자에게 인지되도록 문자, 소리(알람) 또는 영상 등의 다양한 형태로 표시될 수 있는 수단을 포함할 수 있다.

한편 도 3에서 도시하지 않았으나, 다른 실시 예에 따르면 제어부(9)는 제어부의 각 구성 요소로부터 산출된 제어 명령값을 전달하거나 풍력 발전기의 내부 시스템 혹은 외부 원격 제어 시스템에서 취득된 정보들을 전달받기 위해 유무선 통신을 수행할 수 있는 통신부를 추가로 포함하여 구성할 수 있다. 물론 이러한 통신부는 제어부와 별도로 풍력 발전기 내부에 설치될 수 있다.

도 3의 제어부(9)로부터 전달된 발전부의 운전 모드에 따라 풍력 발전기의 블레이드 회전을 제어하는 방법은 도 4 및 도 5의 운전 모드별 전류 흐름 구성도를 통해 구체적으로 나타내었다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드의 회전 제어 장치에서 블레이드의 회전을 조정할 수 있도록 구동력을 전달하는 인칭 운전 모드에 따른 스위칭부의 개폐를 도식화한 것이고, 도 5는 풍력 발전기의 정상적인 발전 가동 상태인 발전 모드에 따른 스위칭부의 개폐를 도식화한 것이다.

풍력 발전기의 유지보수 또는 블레이드의 연산을 위해 블레이드의 회전을 제어할 필요가 있을 때 제어부(9)의 운전모드 제어부(92)에는 인칭 운전 모드의 명령값을 산출하여 스위치 제어 신호 생성부(94)로 전달한다. 그러면 스위치 제어 신호 생성부(94)에서 복수의 스위치 소자에 대한 제어 신호를 생성하여 출력부(96)을 통해 상기 복수의 스위치 소자 각각에 전달한다. 도 4를 참조하면 스위칭부(8)을 구성하는 복수의 스위칭부, 즉 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각으로 전달된 제어 신호에 따라 복수의 스위칭부가 개폐된다. 다른 실시 예로서 스위치 소자 각각의 개폐 제어는 작업자에 의해 조작될 수 있음은 상기에서 살펴본 바와 같다.

본 발명의 블레이드 회전 제어를 위한 인칭 운전 모드에 의하면 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 턴 온된다. 즉, 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각에 전달되는 복수의 스위치 제어 신호들은, 제어부(9)의 스위치 제어 신호 생성부(94)에서 스위치 소자를 턴 온 시키는 전압 레벨로 생성되어 전달된 것이다. 그로 인해 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 닫힘 상태가 되어 스위치 소자들이 위치한 각각의 연결선이 단락되지 않고 연결되어 전류가 흐르게 된다.

이에 반하여 인칭 운전 모드에 의하면 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 턴 오프 된다. 즉, 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각에 전달되는 복수의 스위치 제어 신호들은, 제어부(9)의 스위치 제어 신호 생성부(94)에서 스위치 소자를 턴 오프 시키는 전압 레벨로 생성되어 전달된 것이다. 그로 인해 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 개방 상태가 되어 스위치 소자들이 위치한 각각의 연결선을 통해 전류가 흐르지 못하게 된다. 특히 계통 연계 스위칭부(81)는 발전부(6)에서 발전한 출력 전력을 외부 계통(4)으로 전달하기 위해 스위치의 개폐가 조정되는 것이므로 인칭 제어 모드에서는 턴 오프 시켜서 개방 상태로 둔다.

상기와 같이 스위칭부(8)에 속하는 복수의 스위칭부의 개폐가 조정되면, 발전부(6)와 발전부의 3상 권선으로부터 이어진 연결선의 노드 n7, n8, n9, 제1 스위칭부(82), 노드 n4, n5, n6, 및 전력 변환부(7)로 이어지는 3개의 연결선들이 모두 연결되어 전류가 흐를 수 있다. 따라서, 외부 계통(4)을 통해 인가되는 여자전류가 전력 변환부(7)와 제1 스위칭부(82)를 거쳐 발전부(6)로 이어지는 R1의 경로를 따라서 발전부(6)의 고정자 3상 권선으로 전달된다. 그러면, 발전부(6)의 고정자 3상 권선에 인가된 여자전류에 의해 회전하는 자계를 형성하게 되고, 이로 인해 회전자에 회전 구동력을 생성함으로써 발전부(6)의 이중여자 유도 발전기는 유도 전동기로 기능하게 된다.

인칭 운전 모드에서는 발전부(6)의 회전자 3상 권선으로부터 이어져 나온 3개의 연결선 각각에 위치한 제3 스위칭부(84)가 닫힘 상태에 있게 되고, 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자들이 공통단으로 묶이게 되므로, 발전부(6)의 회전자의 순환 전류가 통합되어 발전부(6)와 제3 스위칭부(84)를 포함하는 A 영역이 유도 전동기로 변환할 수 있는 것이다. 따라서, 유도 전동기로 변환된 A 영역에 의해 블레이드가 원하는 위치로 이동되도록 회전된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드 회전 제어 장치에서 정상적으로 풍력 발전기가 구동하여 전력을 생산하는 발전 모드의 구성을 나타낸 것이다.

풍력 발전기의 발전 모드는 제어부(9)의 운전모드 제어부(92)에서 풍력 발전기의 출력량과 전력 수급에 따라 설정된다. 운전모드 제어부(92)는 운전 모드를 발전 모드로 설정하고 나면, 운전모드 제어부(92)와 연결된 스위치 제어 신호 생성부(94)로 발전 모드의 명령값을 산출하여 전달한다.

그러면, 스위치 제어 신호 생성부(94)가 스위칭부(8)에 속하는 복수의 스위칭부 각각의 스위치 소자들에 대한 제어 신호를 생성하여 출력부(96)을 통해 상기 복수의 스위치 소자 각각에 전달한다. 도 5를 참조하여 알 수 있듯이, 발전 모드에서는 스위칭부(8)를 구성하는 복수의 스위칭부, 즉 계통 연계 스위칭부(81), 제1 스위칭부(82), 제2 스위칭부(83), 제3 스위칭부(84) 중에서 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각을 턴 오프 시키고, 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각을 턴 온 시킨다. 즉, 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각으로 스위칭 오프 레벨의 전압을 가지는 스위치 제어 신호를 전달하고, 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각으로 스위칭 온 레벨의 전압을 가지는 스위치 제어 신호를 전달한다.

그러면, 제1 스위칭부(82) 및 제3 스위칭부(84)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 개방 상태가 되어 스위치 소자들이 위치한 각각의 연결선이 끊어져서 전류가 흐르지 못하게 된다. 한편, 계통 연계 스위칭부(81) 및 제2 스위칭부(83)에 포함된 3개의 스위치 소자 각각은 닫힘 상태가 되어 스위치 소자들이 위치한 각각의 연결선을 통해 전류가 흐르게 된다.

따라서, 발전부(6)의 고정자 권선과 계통 연계 스위칭부(81)를 연결하는 3개의 연결선 제1 그룹이 외부 계통(4)에 이르기까지 연결된다. 또한 발전부(6)의 회전자 권선과 전력 변환부(7)를 연결하는 3개의 연결선 제2 그룹이 이어져서 외부 계통(4)에까지 이르게 된다. 다만, 제1 스위칭부(82)가 개방 상태이므로 상기 연결선 제1 그룹과 제2 그룹은 전기적으로 단절되고 전류의 흐름은 각각의 연결선 제1 그룹과 제2 그룹을 통해서만 이루어진다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 발전부(6)는 이중여자 유도 발전기이므로 제어부에서 운전 모드를 발전 모드로 설정한다 하더라도, 블레이드의 회전에 따른 발전부(6)의 회전자측 속도에 따라 가변속 운전을 한다. 즉, 발전부(6)의 회전자의 회전 속도가 풍력 발전기의 성능에 따라 기설정된 동기 속도 미만인 경우, 외부 계통(4)에서 발전부(6)의 회전자 측으로 회전자 출력이 유입된다. 즉, 외부 계통(4)에서 전력 변환부(7) 및 제2 스위칭부(83)를 통해 발전부(6)의 회전자 측으로 이어지는 R4 경로를 따라 전류가 유입된다.

회전자의 회전 속도가 동기 속도 미만이더라도 회전자에 전류를 흘려주면 회전자에 토크를 인가하여 발전기로 동작할 수 있게 된다.

한편, 이중여자 유도 발전기인 풍력 발전기의 발전부(6)에서 회전자 속도가 기설정된 동기 속도 이상인 경우, 발전부(6)의 회전자 측에서 외부 계통(4)의 방향으로 회전자 출력이 전달된다. 즉, 발전부(6)로 전달되는 기계적 에너지의 유입 방향과 발전부(6)의 회전자 및 고정자 출력 방향이 동일하게 된다.

발전부(6)의 회전자 측에서 제2 스위칭부(83)와 전력 변환부(7)을 경유하여 외부 계통(4)으로 이어지는 R3 경로를 통해 회전자 출력이 공급된다. 또한 발전부(6)의 고정자 측에서 계통 연계 스위칭부(81)을 경유하여 외부 계통(4)으로 이어지는 R2 경로를 통해 고정자 출력이 공급된다. 따라서, 따라서 동기 속도 이상으로 구동하는 풍력 발전기에 있어서는 발전부(6)에서 외부로 생성되어 공급되는 총 출력량은 상기 R2 경로를 통해 전달되는 고정자 출력량과 상기 R3 경로를 통해 전달되는 회전자 출력량을 합한 출력량이 된다.

도 4 및 도 5의 운전 모드에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 장치는 이중여자 유도 발전기의 동적 특성과 그의 고정자 및 회전자에 연결되는 복수의 스위칭부의 온/오프 단속을 이용함으로써, 풍력 발전기가 발전하지 않는 때에 블레이드의 위치 변경을 위한 구동력을 발생시키도록 발전부(6)의 기능을 유도 전동기로 전환하는 특징이 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1: 블레이드 2: 허브
3: 나셀 4: 외부 계통
5: 기어 증속부 6: 발전부
7: 전력 변환부 8: 스위칭부
9: 제어부 10: 전기 장치부
100: 풍력 발전기

Claims (16)

1. 바람에 의해 회전되는 블레이드를 적어도 하나 이상 구비하여, 상기 블레이드의 회전에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 계통에 전달하는 풍력 발전기로서,
   상기 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 회전에 따라 전압이 유기되어 전력을 상기 외부 계통으로 출력하는 고정자를 포함하는 발전부와,
   상기 외부계통으로부터 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시켜서, 상기 블레이드의 회전을 제어하는 제어부를 포함하는 풍력 발전기.
2. 제 1항에 있어서,
   일단이 상기 발전부의 회전자 권선과 고정자 권선에 연결되고, 타단이 상기 외부 계통과 연결되어, 유출입하는 전력의 상태를 변환하는 전력 변환부, 및
   상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 사이에 구비되어 상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 사이의 전기적 흐름을 단속하는 스위칭부를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 스위칭부의 턴 온(turn on)과 턴오프(turn off)를 제어하여 상기 발전부를 상기 유도 전동기로 변환시키는 풍력 발전기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 발전부의 구동 상태에 따른 운전 모드를 결정하되,
   상기 운전 모드는,
   상기 발전부가 전력을 생산하는 발전 모드, 및 상기 발전부를 상기 유도 전동기로 변환시키는 인칭 운전 모드를 포함하는 풍력 발전기.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 스위칭부는,
   상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이에 구비되는 계통 연계 스위칭부,
   상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 제1 스위칭부,
   상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이에 구비되는 제2 스위칭부, 및
   상기 발전부의 회전자 권선과 공통단 사이에 구비되는 제3 스위칭부를 포함하는 풍력 발전기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 발전부, 상기 전력 변환부, 및 상기 외부 계통 간의 연결선은 상기 발전부의 3상 권선에 이어지는 3개의 연결선을 포함하고,
   상기 스위칭부는, 상기 3개의 연결선에 각각 구비되는 3개의 스위치 소자로 구성되는 풍력 발전기.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 발전부의 운전 모드가 인칭 운전 모드인 경우,
   상기 계통 연계 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부를 턴 오프 하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 턴 온 하는 풍력 발전기.
7. 제 4항에 있어서,
   상기 발전부의 운전 모드가 발전 모드인 경우,
   상기 계통 연계 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부를 턴 온 하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부를 턴 오프 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 발전부의 운전 모드가 발전 모드이고, 상기 회전자의 회전 속도가 동기 속도 미만인 경우,
   상기 외부 계통으로부터 상기 발전부의 회전자에 전류를 흘리는 풍력 발전기.
9. 제 3항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 풍력 발전기의 상태 정보 또는 외부 환경 상황에 대한 감시 정보를 측정하여 취득하는 모니터링부,
   상기 운전 모드를 결정하는 운전모드 제어부,
   상기 운전모드에 따라 상기 스위칭부의 개폐 여부를 제어하는 스위치 제어 신호 생성부,
   상기 풍력 발전기 내부의 기계 또는 전자 부품의 구동을 제어하는 구동 제어부, 및
   상기 블레이드의 구동 명령값을 연산하고 출력하는 블레이드 제어부중 적어도 하나를 포함하는 풍력 발전기.
10. 바람에 의해 회전되는 블레이드를 적어도 하나 이상 구비하여, 상기 블레이드의 회전에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 외부 계통에 전달하는 풍력 발전기에서, 상기 블레이드의 회전을 제어 방법으로서,
    상기 풍력 발전기는 상기 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와, 상기 회전자의 회전에 따라 전압이 유기되어 전력을 상기 외부 계통으로 출력하는 고정자를 포함하는 발전부를 포함하되,
    상기 외부계통으로부터 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 풍력 발전기는 일단이 상기 발전부의 회전자 권선과 고정자 권선에 연결되고, 타단이 상기 외부 계통과 연결되어, 유출입하는 전력의 상태를 변환하는 전력 변환부를 더 포함하되,
    상기 유도 전동기로 변환시키는 단계는, 상기 외부계통으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 발전부의 고정자에 전류를 흘려, 상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계는,
    상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이를 끊고, 상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이를 연결하는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 발전부를 유도 전동기로 변환시키는 단계는,
    상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이를 끊고, 상기 발전부의 회전자를 공통단으로 연결하는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
14. 제 11항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전에 따라 전력을 생산하는 단계를 더 포함하되,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    상기 발전부의 고정자와 상기 외부 계통 사이를 연결하고, 상기 발전부의 고정자와 상기 전력 변환부 사이를 끊는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    상기 발전부의 회전자와 상기 전력 변환부 사이를 연결하는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 전력을 생산하는 단계는,
    상기 회전자의 회전 속도가 동기 속도 미만인 경우, 상기 외부 계통으로부터 상기 발전부의 회전자에 전류를 흘리는 풍력 발전기의 블레이드 회전 제어 방법.

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