KR20130031227A - 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법， 풍력 발전소 제어기 및 풍력 발전소 - Google Patents

풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법， 풍력 발전소 제어기 및 풍력 발전소 Download PDF

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사테스 쿠마르
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법, 풍력 발전소 제어기 및 풍력 발전소
본 발명은 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 풍력 발전소는 풍력 터빈 및 에너지 저장 디바이스를 포함하고, 상기 풍력 발전소는 외부 그리드에 연결되어 있고, 상기 방법은, 요구되는 유효 전력을 결정하는 단계, 요구되는 무효 전력을 결정하는 단계, 상기 풍력 터빈의 전력 생산량을 결정하는 단계, 및 상기 전력 생산량이 상기 요구되는 유효 전력, 상기 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합을 초과할 때, 상기 에너지 저장 디바이스를 충전시키는 단계를 포함한다. 또한, 대응하는 풍력 발전소 제어기들, 풍력 발전소들, 프로그램 엘리먼트들, 및 컴퓨터 판독가능 매체가 본 발명의 주제이다.

Description

풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법， 풍력 발전소 제어기 및 풍력 발전소{METHOD FOR OPERATING A WIND FARM， WIND FARM CONTROLLER AND WIND FARM}
본 발명은 풍력 터빈들에 의한 전력 발전 분야에 관한 것이다.
원자력 또는 핵 연소로 동작되는 보통의 발전소들은, 예컨대 풍력 발전소(wind farm)들, 태양광 발전소(solar power station)들 및 파력 발전소(wave farm)들과 같은 재생 에너지 소스들로 대체될 것이다. 특히, 풍력 터빈들은 생태학적 전력 발전으로 인해 점점 더 인기를 얻고 있다. 바람의 운동 에너지는 풍력 터빈 회전자 블레이드들에 의해 풍력 터빈 회전자의 회전 에너지로 변환되고, 그리고 발전기에 의해 상기 회전 에너지로부터 전기 에너지로 변환된다.
종래의 발전소들의 재생 에너지 소스들로의 대체와 연관된 주요 도전들 중 하나는, 컨슈머들에 의해 전력이 실제로 요구되는 시간에 전력을 전달하는 것이다. 종래의 발전소들은, 요구가 증가(감소)할 때, 더 많은(더 적은) 연료를 단순히 태울 수 있다.
그러나, 전력 재생 에너지 소스들 전달은 이러한 쉬운 방식으로 조절될 수 없다. 예컨대 풍량이 하루 종일 동일할 수 있다. 그러나, 전력 요구는 그날 동안 편차가 있을 수 있다, 특히 조리를 위해 정오에 더 높을 수 있다. 또한, 심지어 바람이 전혀 없을 수 있다. 다른 한편으로, 태양광 발전소들은 낮 동안에만 전력을 제공할 수 있고 그리고 조명을 위해 전력이 필요할 때에는 전력을 제공할 수 없다.
US 7 908 036 B2 및 US 2010/0138058 A1은 풍력 발전소들 ― 하나의 위치에 있는 여러 개의 풍력 터빈들의 그룹들 ― 을 설명하고, 상기 풍력 발전소들은 "램프 레이트(ramp rate)들", 즉 정상 동작시 풍력 터빈이 제공할 수 있는 전력 생산량(power production)의 변화 레이트에 기초하여 동작되고 있다.
그러나, 특히 무효 전력 지원(reactive power support) 및 전압 지원에 관한 부가적인 지원을 외부 그리드에 제공하는, 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법 및 풍력 발전소에 대한 필요가 있을 수 있다.
이러한 필요는 독립 청구항들에 따른 청구 대상에 의해 충족될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들에 의해 설명된다.
본 발명의 제1 양상에 따라, 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법이 제공되고, 상기 풍력 발전소는 풍력 터빈, 및 에너지 저장 디바이스를 포함하고, 풍력 발전소는 외부 그리드에 연결되어 있고, 상기 방법은 요구되는 유효 전력을 결정하는 단계, 요구되는 무효 전력을 결정하는 단계, 풍력 터빈의 전력 생산량을 결정하는 단계, 그리고 전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합을 초과할 때, 에너지 저장 디바이스를 충전시키는 단계를 포함한다.
풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 제1 실시예에 따라, 상기 방법은, 전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 합 미만일 때, 에너지 저장 디바이스를 방전시키는 단계를 더 포함한다.
따라서, 에너지 저장 디바이스를 방전시키는 단계는, 풍력 발전소가 외부 요건들에 더욱 잘 부합하도록 허용할 수 있다. 저풍속(low wind) 상황들에서, 부가적인 전력이 에너지 저장 디바이스에 의해 제공될 수 있으므로, 종래의 예비 발전소들의 양이 감소될 수 있다.
풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 다른 실시예에 따라, 상기 방법은, 전력 생산량이 풍력 터빈의 정격 전력 생산량을 초과할 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
전력 생산량이 풍력 터빈의 정격 전력 생산량을 초과할 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계는, 풍력 터빈에 의해 경험되는 부하들을 감소시킬 수 있고 그리고 그에 따라 풍력 터빈의 수명을 연장시킬 수 있다.
풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 또 다른 실시예에 따라, 상기 방법은, 전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합, 및 에너지 저장 디바이스의 정격 충전 전력 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합, 및 에너지 저장 디바이스의 정격 충전 전력 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계는 에너지 저장 디바이스의 수명을 개선시킬 수 있다.
풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 추가의 실시예에 따라, 상기 방법은, 전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 그리고 또한 에너지 저장 디바이스가 가득 찬 상태일 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
에너지 저장 디바이스의 과충전은 에너지 저장 디바이스의 과열을 야기할 수 있다. 따라서, 전력 생산량이 요구되는 유효 전력, 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 그리고 또한 에너지 저장 디바이스가 가득 찬 상태일 때, 전력 생산량을 감소시키는 단계는 에너지 저장 디바이스를 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 여전히 추가의 실시예에 따라, 상기 방법은, 외부 그리드 전압을 결정하는 단계, 및 외부 그리드 전압이 미리결정된 외부 그리드 전압과 상이할 때, 에너지 저장 디바이스를 통해 정정 전압을 제공하는 단계를 더 포함한다.
외부 그리드 전압을 결정하는 단계, 및 외부 그리드 전압이 미리결정된 외부 그리드 전압과 상이할 때, 에너지 저장 디바이스를 통해 정정 전압을 제공하는 단계는, 외부 그리드 전압을 통해 연결된 컨슈머들에 의해 경험되는 전압 변동(fluctuation)들을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 따라, 풍력 발전소 제어기가 제공되고, 상기 풍력 발전소 제어기는 위에 제시된 바와 같은 방법에 따라 풍력 발전소를 동작시키기 위해 적응된다.
위에 제시된 바와 같은 방법은, 운용 인력의 수동 간섭이 최소한도로 감소될 수 있거나 또는 생략될 수 있도록, 풍력 발전소 제어기에 의해 구현될 수 있다.
풍력 발전소 제어기의 실시예에 따라, 풍력 발전소 제어기는 에너지 저장 엘리먼트 내에 저장되는 에너지량을 표시하는 데이터를 저장하기 위한 메모리를 포함한다.
에너지 저장 엘리먼트 내에 저장되는 에너지량에 관한 정보는 에너지 저장 엘리먼트의 과충전을 방지하기 위해 전력 생산량이 감소되어야 할 때를 결정하는 것을 도울 수 있다. 또한, 이러한 정보는, 전력에 대한 시장 가격들이 특히 높을 때 부가적인 전력이 풍력 발전소에 의해 제공될 수 있고 그리고 제공되어야 하는지를 결정하는데 유용할 수 있다.
본 발명의 제3 양상에 따라, 풍력 터빈, 에너지 저장 엘리먼트, 그리고 위에 제시된 바와 같은 풍력 발전소 제어기를 포함하는 풍력 발전소가 제공된다. 이러한 풍력 발전소는, 상기 풍력 발전소가 에너지 저장 엘리먼트를 갖지 않는 풍력 발전소보다 바람으로부터 더 많은 에너지를 수확할 수 있으므로 더욱 수익성이 있을 수 있다.
풍력 발전소의 제1 실시예에 따라, 에너지 저장 엘리먼트는 배터리 및/또는 플라이휠 및/또는 초전도 자기 에너지 스토리지를 포함한다.
에너지를 저장하기 위한 여러 개의 방법들이 최신식으로 설명되었다. 배터리들은 집중적으로 연구되었다는 장점을 갖고, 그리고 수명에 대한 동작 조건들의 영향력이 잘 알려져 있다. 플라이휠들은 장기간이 아닌(without comprising lifetime) 짧은 시간량 동안 특히 고전력을 제공할 수 있다. 초전도 자기 에너지 스토리지들은 낮은 자기-방전을 가질 수 있다.
풍력 발전소의 다른 실시예에 따라, 에너지 저장 엘리먼트는 동적 전압 복원기(dynamic voltage restorer)를 포함한다. 외부 그리드의 전압 강하의 경우에 풍력 발전소 내의 전압을 필수적으로 일정하게 유지시키기 위해 동적 전압 복원기가 사용될 수 있다.
풍력 발전소의 또 다른 실시예에 따라, 에너지 저장 엘리먼트는 바이패스 스위치를 포함한다. 에너지 저장 엘리먼트를 풍력 발전소 그리드로부터 디커플링시키기 위해 바이패스 스위치가 사용될 수 있다. 그리드 고장들, 예컨대 전압 스파이크들이 에너지 저장 엘리먼트, 특히 배터리 또는 에너지 저장 엘리먼트의 초전도 자기 에너지 스토리지에 손상을 줄 수 있는 것을 방지하기 위해 바이패스 스위치가 유용할 수 있다.
풍력 발전소의 추가의 실시예에 따라, 에너지 저장 엘리먼트는 주입 변압기(injection transformer)를 포함한다. 주입 변압기는 풍력 발전소 그리드로부터 에너지 저장 엘리먼트의 갈바닉 절연(galvanic insulation)을 제공할 수 있다. 또한, 주입 변압기는 에너지 저장 엘리먼트를 더 낮은 전압으로 동작시키는 것을 허용할 수 있다. 더 낮은 전압에 대해 정격화(rating)된 전력 컴포넌트들이 더 저렴할 수 있다.
제4 양상에 따라, 풍력 터빈을 동작시키기 위한 프로그램 엘리먼트가 제공되고, 프로그램 엘리먼트는, 데이터 프로세서에 의해 실행되고 있을 때, 위에 제시된 바와 같은 방법을 제어하거나 그리고/또는 수행하기 위해 적응된다.
프로그램 엘리먼트는, 예컨대 자바, C++과 같은 임의의 적절한 프로그래밍 언어로 컴퓨터 판독가능 명령 코드로서 구현될 수 있고, 그리고 컴퓨터 판독가능 매체(제거가능 디스크, 휘발성 또는 비-휘발성 메모리, 내장형 메모리/프로세서 등) 상에 저장될 수 있다. 의도된 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 또는 임의의 다른 프로그램가능 디바이스를 프로그래밍하기 위하여 명령 코드가 이용될 수 있다. 프로그램 엘리먼트는 월드 와이드 웹과 같은 네트워크로부터 이용가능할 수 있고, 네트워크로부터 프로그램 엘리먼트가 다운로딩될 수 있다.
제5 양상에 따라, 컴퓨터 판독가능 매체가 제공되고, 상기 컴퓨터 판독가능 매체 상에 물리적 객체(physical object)를 프로세싱하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장되며, 컴퓨터 프로그램은, 데이터 프로세서에 의해 실행되고 있을 때, 위에 제시된 바와 같은 방법을 제어하거나 그리고/또는 수행하기 위해 적응된다.
컴퓨터-판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 또는 프로세서에 의해 판독가능할 수 있다. 컴퓨터-판독가능 매체는, 예컨대 전기적, 자기적, 광학적, 적외선 또는 반도체 시스템, 디바이스 또는 전송 매체일 수 있으나, 이들로 제한되지는 않는다. 컴퓨터-판독가능 매체는 아래의 매체들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 컴퓨터-배포가능 매체, 프로그램 저장 매체, 기록 매체, 컴퓨터-판독가능 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 소거가능 프로그램가능 읽기-전용 메모리, 컴퓨터-판독가능 소프트웨어 배포가능 패키지, 컴퓨터-판독가능 신호, 컴퓨터-판독가능 원격통신 신호, 컴퓨터-판독가능 인쇄물, 및 컴퓨터-판독가능 압축 소프트웨어 패키지.
본 발명의 실시예들이 상이한 청구 대상들을 참조하여 설명되었다는 것이 주의되어야 한다. 특히, 몇몇의 실시예들이 방법 타입 청구항들을 참조하여 설명된 반면에, 다른 실시예들은 장치 타입 청구항들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 기술 분야의 당업자는, 위와 아래의 설명으로부터, 달리 통지되지 않는 한, 하나의 타입의 청구 대상에 속하는 특징들의 임의의 조합에 부가하여, 상이한 청구 대상들에 관련된 특징들, 특히 방법 타입 청구항들의 특징들과 장치 타입 청구항들의 특징들 사이의 임의의 조합이 또한 이러한 문헌 내에 개시되는 것으로서 간주된다는 것을 추측할 것이다.
본 발명의 위에 정의된 양상들과 추가의 양상들은 아래에 설명될 실시예의 예들로부터 명백하고, 그리고 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 실시예의 예들을 참조하여 본 발명이 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이며, 그러나 본 발명이 상기 실시예의 예들로 제한되지는 않는다.
도 1은 최신식에 따른 풍력 발전소의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력 발전소의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 예시적 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적 풍력 발전소에 대한 예시적 제어 전략을 도시한다.
도 5는 제어 회로의 예시적 실시예를 나타낸다.
도 6은 예시적 충전 정지 전략을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 풍력 발전소의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다.
도 8은 예시적 전압 시나리오를 나타낸다.
도 9는 전위들의 시각화를 나타낸다.
도 10은 예시적 전압 시나리오를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 풍력 발전소의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다.
도면 내의 실례는 개략적이다.
도 1은 최신식에 따른 풍력 발전소(1)의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다. 풍력 발전소(1)는 제1 풍력 터빈(2), 제2 풍력 터빈(3), 및 제3 풍력 터빈(4)을 포함한다. 각각의 풍력 터빈들(2, 3, 4)의 풍력 터빈 발전기들(5, 6, 7)은 대응하는 풍력 터빈 변압기들(8, 9, 10)의 저전압 측에 연결된다. 변압된 전력은 각각의 풍력 터빈 변압기(8, 9, 10)의 중간 전압 측으로부터 임피던스들(15, 16, 17)을 갖는 케이블들(12, 13, 14)을 통해 공통 커플링 포인트(11)로 각각 가이드된다. 공통 커플링 포인트 이후에, 전력은 풍력 발전소 변압기(18)를 통해 훨씬 더 높은 전압으로 추가로 변압된다. 그런 다음에, 전력은 무효 전력 보상기(20)를 통해 외부 그리드(19)에 피딩된다. 풍력 발전소 제어기(21)는, 풍력 발전소 변압기(18) 이전 그리고/또는 이후의 전압, 주파수, 유효 전력, 및 무효 전력을 모니터링하고, 그리고 풍력 터빈들(2, 3, 4)에 제어 신호들(22, 23)을 제공한다. 각각의 풍력 터빈(2, 3, 4)이 생산하는 전력 그리고 각각의 풍력 터빈(2, 3, 4)의 풍력 터빈 회전자의 회전 속도를 제어하기 위해 제어 신호들(22, 23)이 사용된다.
도 2는 제1 풍력 터빈(25), 제2 풍력 터빈(26), 제3 풍력 터빈(27), 및 제4 풍력 터빈(28)을 갖는 본 발명에 따른 풍력 발전소(24)의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다. 풍력 터빈들(25, 26, 27, 28)의 풍력 터빈 발전기들(29, 30, 31, 32)은 각각 2.3 ㎿의 전력 생산량에 대해 정격화된다. 풍력 터빈 변압기들은 690 V 내지 33 ㎸의 전력을 변압한다. 임피던스들(41, 42, 43, 44)을 갖는 케이블들(37, 38, 39, 40)을 통해, 전력이 공통 커플링 포인트(45)로 가이드된다. 공통 커플링 포인트(45)로부터, 전력이 풍력 발전소 변압기(47)의 중간 전압 측으로 가이드되고, 여기서 전력은 통상적으로 33 ㎸로부터 132 ㎸로 변압된다. 그러나, 변압비는 변경가능할 수 있다. 이는, 상이한 외부 그리드들(48)에 대한 풍력 발전소의 적응성을 개선시킬 수 있다. 또한, 외부 그리드 고장들의 경우에, 변경가능한 변압비를 갖는 풍력 발전소 변압기가 개선된 외부 그리드 지원을 제공할 수 있다. 풍력 발전소 변압기(47)의 고전압 측으로부터, 전력이 무효 전력 보상기(49)를 통해 외부 그리드(48)에 제공된다. 이러한 예시적 실시예에서의 무효 전력 보상기(49)는 10의 리액턴스 대 저항의 비율을 갖는다. 에너지 저장 디바이스(46)가 공통 커플링 포인트(45)에 커플링된다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 에너지 저장 디바이스(46)는 풍력 발전소 변압기(47)의 고전압 측에도 또한 커플링될 수 있다. 에너지 저장 디바이스(46)는 배터리(50), 제어 회로(51), 컨버터(52), 필터 유닛(53), 및 주입 변압기(54)를 포함한다. 제어 회로(51)는 직류를 이용하여 배터리(50)의 충전 및 방전을 제어한다. 컨버터(52)는 직류를 공통 커플링 포인트(45)에 제공될 교류로 변환시킨다. 컨버터(52)의 출력부는 필터 유닛(53)에 연결되고, 상기 필터 유닛(53)은 전류가 주입 변압기(54)에 피딩되기 이전에 전류를 평활화 (smoothen)한다. 주입 변압기(54)는 특히 3-상 변압기일 수 있다. 주입 변압기(54)는, 공통 커플링 포인트(45)에서 교류를 주입시키기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 공통 커플링 포인트(45) 측에서의 전압을 필터(52) 측에서의 더 낮은 값으로 변압시킬 수도 있다. 이는, 에너지 저장 엘리먼트(46)에 대해 저전압 디바이스들을 사용하는 것을 허용할 수 있다. 풍력 발전소 제어기(55)는, 풍력 발전소 변압기(47) 이전 그리고/또는 이후의 전압, 주파수, 유효 전력, 및 무효 전력을 측정한다. 이들 파라미터들에 기초하여, 풍력 발전소 제어기(55)는, 제어 신호들(56, 57, 58, 59)을 통해, 풍력 터빈들(25, 26, 27, 28) 및 에너지 저장 엘리먼트(46), 특히 제어 회로(51)를 제어한다. 제어 회로(51)는, 풍력 발전소 제어기가 주파수 제어를 수행하는 것을 방지하기 위해, 풍력 발전소 제어기(55)와 양방향으로 통신할 수 있다. 풍력 발전소 제어기(55)는, 예컨대 얼마나 많은 전력이 제어 신호(58)를 통해 에너지 저장 엘리먼트(46)로부터 추출될 것인지를 결정할 수 있고 그리고 동시에 배터리(50)의 잔여 에너지 레벨에 관한 피드백을 제어 회로(51)로부터 수신할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법의 예시적 실시예를 도시한다. 도면은, 현재 불고 있는 바람을 고려하여 이용가능한 전력(PAV), 풍력 터빈들이 실제 생산하는 유효 전력(PWT), 풍력 발전소가 외부 그리드에 제공하는 유효 전력(PGG), 및 에너지 저장 엘리먼트가 저장하고 그리고 방출하는 유효 전력(PES)의 전개를 시간에 대하여 나타낸다.
t0에서, 바람이 불기 시작할 때, 풍력 터빈은 유효 전력(PWT)을 생산하기 위해 이용가능한 전력(PAV)의 본질적으로 전부를 사용할 수 있다. 에너지 저장 엘리먼트에는 아직 에너지가 저장되지 않았다. 따라서, 풍력 발전소가 외부 그리드에 제공하는 유효 전력(PGG)은 PWT 및 PAV와 동일하다. 시간(t1)에서, 이용가능한 전력(PAV)이 컨슈머들에 의해 요구되는 유효 전력(PDP)을 능가할 때, 풍력 터빈들은 유효 전력(PWT)을 발전시키기 위해 이용 가능한 유효 전력(PAV) 전부를 여전히 사용할 수 있다. 외부 그리드에 제공되는 유효 전력(PGG)이 에너지 저장 엘리먼트를 충전시키기 위해 사용되는 유효 전력(PES)만큼 감소된다. 이러한 방식으로, 보충 에너지(ESU)가 에너지 저장 엘리먼트 내에 저장 에너지(EST)로서 보유될 수 있다. 에너지 저장 엘리먼트의 충전 전력은 특정 임계 전력(PTH)에 의해 제한될 수 있다. t2에서, 이용가능한 전력(PAV)이 PTH보다 더 많은 양만큼 요구되는 유효 전력(PDP)을 초과한다면, 에너지 저장 엘리먼트를 손상시키는 것을 방지하기 위해, 풍력 터빈들에 의해 생산되는 유효 전력(PWT)은 감소될 수 있다. 바람이 감소하고 그리고 이용가능한 전력(PAV)이 요구되는 전력(PDP)보다 더 낮아질 때, 에너지(ERL)가 에너지 저장 엘리먼트로부터 방출될 수 있고, 그래서 더 많은 유효 전력(PGG)이 외부 그리드에 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 심지어 저풍속 조건들에서, 컨슈머 요구들이 더욱 잘 충족될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적 풍력 발전소에 대한 예시적 제어 전략을 도시한다. 비교기(60)는, 풍력 발전소에 의해 제공될 전력(PWF)을 풍력 발전소의 풍력 터빈들과 에너지 저장 엘리먼트의 공통 커플링 포인트에서 이용가능한 전력(PPPC)과 비교한다. 그 차이는 풍력 발전소 제어기(61)에 제공되고, 상기 풍력 발전소 제어기(61)는 풍력 터빈들에 의해 제공될 새로운 바람직한 전력(PTO)을 결정한다. 디바이저(divisor)(62)는 이러한 바람직한 전력(PTO)의 값을 관계된 풍력 터빈들의 개수로 나누고 그리고 개별 세트 포인트들(PISP)이 풍력 터빈들에 분배된다.
엘리먼트(63)는 풍력 발전소에 의해 제공될 전력(PWF), 그리고 현재 바람 조건으로 인해 이용가능한 전력(PAV)을 모니터링한다. PAV가 PWF보다 더 크다면, 엘리먼트(63)는 PAV의 값을 비교기(64)에 전송하고, 여기서 상기 PAV의 값이 PTO로부터 차감될 것이다. 결과적 차이(PEB)는 네거티브일 것이고 그리고 그에 따라 제어 회로(65)는 배터리를 포지티브 전력(PB)으로 충전시키는 것을 시작할 것이다. 제어 회로에는 배터리를 충전시키거나 그리고/또는 방전시키기 위한 상한 전력 제한치(PUL) 및 하한 전력 제한치(PLL)를 셋팅하기 위한 입력이 제공될 수 있다.
도 5는 제어 회로(65)의 예시적 실시예를 나타내고, 상기 제어 회로(65)는 도 4를 참조하여 설명된 바와 같은 구현을 위해 사용될 수 있다. PEB가 제어 회로를 통해 피딩될 수 있고, 상기 제어 회로는 안티-와인드업(anti-windup)을 갖는 PI 제어기일 수 있다. 제어 회로는 증폭기 회로들(71, 69), 디바이저(66), 비교기(67), 적분기(68), 가산기들(72, 70)을 포함할 수 있다. 또한, 레이트 제한기(73) 및 포화 동적 제어 회로(74)가 포함될 수 있다. 포화 동적 제어 회로(74)는 상한 전력 제한치(PUL) 및 하한 전력 제한치(PLL)에 대한 입력을 통해 영향받을 수 있다. 마지막으로, 제어 회로(65)는 배터리에 대한 충전 전력(PB)을 결정한다. 상한 전력 제한치(PUL) 및 하한 전력 제한치(PLL)는, 예컨대 전송 시스템 오퍼레이터, 시장 가격, 주파수 이벤트들 등으로부터의 전력 요구에 따라, 이벤트 종속적일 수 있다. 이들 제한치들 중 최고 값은 최대 충전 전력 임계치일 수 있고, 상기 최대 충전 전력 임계치는 충전/방전 동안에 얼마나 많은 전력 흐름을 배터리가 견딜 수 있는지를 지시한다.
도 6은 배터리를 과-충전시키는 것을 방지하기 위한 전략을 나타낸다. 저장된 에너지량을 획득하기 위해, 충전 전력(PB)이 모니터링되고 그리고 적분기(75)에 의해 적분된다. 적분기는 신호(SD)를 모니터링하고 또한 수신하며, 에너지 저장 엘리먼트로부터의 전력이 외부 그리드에 피딩될 때, 배터리가 방전된다. 저장된 에너지량이 배터리가 저장할 수 있는 최대 에너지 레벨(76)을 능가한다면, 비교기(77)는 충전이 정지되어야 한다는 신호(SSC)를 방출한다.
도 7은 본 발명에 따른 풍력 발전소(78)의 예시적 실시예의 개략적인 개요를 나타낸다. 도 2에 도시된 실시예와 동등하게, 풍력 터빈들(79, 80, 81) 각각은, 풍력 터빈 발전기(82, 83, 84), 풍력 터빈 변압기(85, 86, 87)를 포함하고, 그리고 임피던스들(92, 93, 94)을 갖는 케이블들(89, 90, 91)을 통해 공통 커플링 포인트(88)에 연결된다. 에너지 저장 엘리먼트(95)가 공통 커플링 포인트(88)에 역시 연결된다. 공통 커플링 포인트 이후, 전압을 외부 그리드(97)의 전압에 적응시키기 위해 풍력 발전소 변압기(96)가 제공된다. 풍력 발전소(78)는 무효 전력 보상기(98)를 통해 외부 그리드(97)에 연결된다. 에너지 저장 엘리먼트(95)는 배터리(99), 동적 전압 복원기(100), 교류를 직류로 변환시키기 위한 컨버터(101), 필터(102), 바이패스 스위치(107) 및 주입 변압기(106)를 포함한다. 필터(102)의 인덕티비티(inductivity)(103) 및 커패시티(capacity)(104)는 컨버터(101)에 의해 제공되는 교류를 평활화한다. 이는, 컨버터(101)에 의해 생성되는 불필요한 더 높은 차수 고조파 성분들을 제거함으로써 달성될 수 있다. 바이패스 스위치(107)는 공통 커플링 포인트(88)로부터 에너지 저장 엘리먼트(95)의 디커플링을 허용한다. 이는, 그리드 고장들의 경우에, 에너지 저장 엘리먼트(95)를 보호할 수 있다. 배터리(99)가 교류에 영향을 받는 것을 커패시티(105)가 방지할 수 있다. 풍력 발전소 제어기(108)는 신호(111)를 통해 동적 전압 복원기(100)를 제어할 수 있다. 풍력 발전소 제어기(108)는, 풍력 발전소 변압기(96) 이전 그리고/또는 이후의 전압, 주파수, 유효 전력 및/또는 무효 전력을 측정할 수 있다. 파라미터들에 기초하여, 풍력 발전소 제어기(108)는 제어 신호들(109, 110, 111)을 통해 풍력 터빈들(79, 80, 81)과 에너지 저장 엘리먼트(95), 특히 동적 전압 복원기(100)를 제어할 수 있다. 에너지 저장 엘리먼트(95)가 공통 커플링 포인트(88)에 전력을 주입시키도록, 동적 전압 복원기(100)는 컨버터(101) 및 배터리(99)에 영향을 끼치고, 상기 전력은 미리결정된 무효 부분 및 유효 부분뿐만 아니라 미리결정된 주파수 및 전압을 갖는다. 동적 전압 복원기(100)의 최대 보상 능력은, 배터리에 의해 제공될 수 있는 유효 전력량에 따라 좌우될 수 있다. 컨버터(101)는 펄스-폭 변조된 전압원 인버터일 수 있다. 펄스-폭 변조된 전압원 인버터는 풍력 터빈들 내에서 사용되는 것과 동일한 것일 수 있다. 주입 변압기(106)의 고전압 측이, 공통 커플링 포인트(88)를 풍력 발전소 변압기(96)와 연결하는 분배 라인과 직렬로 연결될 수 있는 반면에, 주입 변압기(106)의 저전압 측이 에너지 저장 디바이스(95)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다. 3-상 동적 전압 복원기(100)를 위해, 세 개의 단상 전압 주입 변압기들(106) 또는 하나의 3-상 전압 주입 변압기(106)가 분배 라인에 연결될 수 있다. 단상 동적 전압 복원기(100)를 위해, 하나의 단상 전압 주입 변압기(106)가 충분할 수 있다. 3-상 동적 전압 복원기(100)를 위해, 3-상 전압 주입 변압기(106)는 델타/오픈 또는 스타/오픈 구성 중 어느 쪽으로든 사용될 수 있다. 주입 변압기(106)는 컨버터(101)의 필터링된 출력에 의해 공급되는 전압을 원하는 레벨로 높일 수 있고, 그리고 동시에, 풍력 발전소(78)의 다른 컴포넌트들로부터 에너지 저장 디바이스(95)를 격리시킬 수 있다.
풍력 발전소 제어기는 전압의 강하들을 검출할 수 있고, 그리고 제어 신호들(111)을 에너지 저장 엘리먼트(95)에 배포할 수 있다. 도 8에는 통상적인 전압 시나리오가 도시된다. 도 8의 상부 도면은 외부 그리드, 예컨대 도 7에 도시된 외부 그리드(97)에서의 전압을 나타낸다. 근해 단지(offshore park)의 경우에, 예컨대 본토에 있는 연결 포인트에서 전압(114)이 측정될 수 있다. 도 8의 중간 도면에 도시된 바와 같이, 전압이 강하하는 경우에, 에너지 저장 디바이스(95)가 요구되는 전압(113)을 설정하도록, 동적 전압 복원기(100)는 풍력 발전소 제어기(108)로부터 신호들(111)을 수신할 수 있다. 그러므로, 도 8의 하부 도면에 도시된 공통 커플링 포인트(88)에서의 전압은 이들 전압들의 합(112)에 달할 것이다. 도 9는 이들 전위들의 시각화를 나타낸다.
도 10은 예시적 전압 시나리오를 나타내고, 여기서 2개의 위상들의 전압은 정격보다 더 높다(상부 도면을 보라). 동적 전압 복원기(100)에 의해, 최종적으로 세 개의 위상들 전부가 도면에서 아래에 도시된 바와 같은 정격 전압을 갖도록, 이들 두 개의 위상들의 전압은 중간 도면에 도시된 양만큼 감소될 수 있다.
본 발명의 몇몇의 실시예들에 따라, 단일 에너지 저장 엘리먼트가 공통 커플링 포인트에 연결될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에 따라, 복수 개의 에너지 저장 엘리먼트들이 제공될 수 있다. 또한, 이들 에너지 저장 엘리먼트들은 개별 풍력 터빈들 내에 포함될 수 있다.
도 11은 두 개의 에너지 저장 엘리먼트들(138, 137)을 갖는 풍력 발전소(115)의 예시적 실시예를 나타낸다. 에너지 저장 엘리먼트들은 네 개의 풍력 터빈들(116, 117, 118, 119) 중 풍력 터빈들(118, 119) 내에 포함된다. 각각의 풍력 발전소는 발전기(120, 121, 122, 123), 풍력 발전소 변압기(124, 125, 126, 127)를 포함하고, 그리고 임피던스(133, 134, 135, 136)를 갖는 케이블들(128, 129, 130, 131)을 통해 공통 커플링 포인트(132)에 연결된다. 에너지 저장 엘리먼트들(138, 137) 각각은 배터리(142), 제어 회로(143), 컨버터(144), 필터(145) 및 주입 변압기(146)를 포함한다. 제어 회로들(143)은 풍력 발전소 제어기(151)로부터의 신호(150, 149)를 통해 제어되고, 상기 풍력 발전소 제어기(151)는 또한 풍력 발전소 변압기(139) 이전 그리고/또는 이후의 값들 측정들에 기초하여 제어 신호들(147, 148)을 통해 풍력 터빈들(116, 117, 118, 119)을 제어한다. 풍력 발전소(115)는 무효 전력 보상기(141)를 통해 외부 그리드(140)에 연결된다.
용어 "포함하는"이 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제시키지 않고 그리고 단수의 사용이 복수를 배제시키지 않는다는 것이 주의되어야 한다. 또한, 상이한 실시예들과 연관되어 설명된 엘리먼트들이 결합될 수 있다. 또한, 청구항들 내의 참조 사인들이 청구항들의 범위를 제한시키는 것으로서 해석되어서는 안된다는 것이 주의되어야 한다.

Claims (15)

  1. 풍력 발전소(wind farm)를 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 풍력 발전소는 풍력 터빈 및 에너지 저장 디바이스를 포함하고,
    상기 풍력 발전소는 외부 그리드에 연결되어 있고,
    상기 방법은,
    요구되는 유효 전력을 결정하는 단계,
    요구되는 무효 전력을 결정하는 단계,
    상기 풍력 터빈의 전력 생산량을 결정하는 단계, 및
    상기 전력 생산량이 상기 요구되는 유효 전력, 상기 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합을 초과할 때, 상기 에너지 저장 디바이스를 충전시키는 단계
    를 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 생산량이 상기 요구되는 유효 전력, 상기 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합 미만일 때, 상기 에너지 저장 디바이스를 방전시키는 단계
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 생산량이 상기 풍력 터빈의 정격 전력 생산량을 초과할 때, 상기 전력 생산량을 감소시키는 단계
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 생산량이 상기 요구되는 유효 전력, 상기 요구되는 무효 전력, 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합, 및 상기 에너지 저장 디바이스의 정격 충전 전력 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 상기 전력 생산량을 감소시키는 단계
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 생산량이 상기 요구되는 유효 전력, 상기 요구되는 무효 전력, 또는 요구되는 유효 전력과 요구되는 무효 전력의 벡터 합 중 어느 것의 합이든지 초과할 때, 그리고 또한 상기 에너지 저장 디바이스가 가득 찬 상태일 때, 상기 전력 생산량을 감소시키는 단계
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 그리드 전압을 결정하는 단계, 및
    상기 외부 그리드 전압이 미리결정된 외부 그리드 전압과 상이할 때, 상기 에너지 저장 디바이스를 통해 정정 전압을 제공하는 단계
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소를 동작시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따라 제시된 방법에 따라 풍력 발전소를 동작시키기 위해 적응되어 있는 풍력 발전소 제어기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 엘리먼트 내에 저장된 에너지량을 표시하는 데이터를 저장하기 위한 메모리
    를 더 포함하는,
    풍력 발전소 제어기.
  9. 풍력 터빈,
    에너지 저장 엘리먼트, 및
    제 7 항 또는 제 8 항에 따른 풍력 발전소 제어기
    를 포함하는,
    풍력 발전소.
  10. 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 엘리먼트는 배터리 및/또는 플라이휠 및/또는 초전도 자기 에너지 스토리지를 포함하는,
    풍력 발전소.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 엘리먼트는 동적 전압 복원기(dynamic voltage restorer)를 포함하는,
    풍력 발전소.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 엘리먼트는 바이패스 스위치를 포함하는,
    풍력 발전소.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 엘리먼트는 주입 변압기(injection transformer)를 포함하는,
    풍력 발전소.
  14. 풍력 발전소를 동작시키기 위한 프로그램 엘리먼트로서,
    상기 프로그램 엘리먼트는, 데이터 프로세서에 의해 실행되고 있을 때, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 제시된 바와 같은 방법을 제어하거나 그리고/또는 수행하기 위해 적응되는,
    프로그램 엘리먼트.
  15. 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 컴퓨터 판독가능 매체 상에 물리적 객체(physical object)를 프로세싱하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장되며, 상기 컴퓨터 프로그램은, 데이터 프로세서에 의해 실행되고 있을 때, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 제시된 바와 같은 방법을 제어하거나 그리고/또는 수행하기 위해 적응되는,
    프로그램 판독가능 매체.
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