KR20130050310A

KR20130050310A - 재생 에너지 타입 발전 장치 및 그의 동작 방법

Info

Publication number: KR20130050310A
Application number: KR1020127034409A
Authority: KR
Inventors: 후미오 하마노; 시게루 호카조노; 겐 나카야마; 가즈히사 츠츠미; 프란체스코 발디니; 니얼 콜드웰; 다닐 덤노브; 다니엘 아브라함스; 스티븐 레어드
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-05-15

Abstract

주파수 변환 회로를 이용하지 않고 동기 발전기를 그리드에 연결될 수 있으며 그리고 저부하 동작 도중에 효율을 개선할 수 있으며 또한 발전기 고장에 의한 발전기회 손실을 회피할 수 있는 재생 에너지 타입 발전 장치를 제공하는 것이 의도된다. 재생 에너지 타입 발전 장치 (1) 는 블레이드 (4) 를 통하여 수신되는 재생 에너지에 의하여 회전되는 회전 샤프트 (8), 회전 샤프트 8 에 의하여 구동되며 압축유를 생성하는 유압 펌프 (12), 압축유에 의하여 구동되는 유압 모터들 (14_k), 및 개재 주파수 변환 회로 없이 그리드 (50) 에 연결되며 개별적으로 유압 모터들 (14_k) 커플링되는 동기 발전기 (20k) 를 포함할 수도 있다. 유압 모터들 (14_k) 의 변위들은 모터 제어 유닛 (48) 에 의하여 독립적으로 조절된다. 동기 발전기들 (20_k) 이 그리드에 연결되기 이전에, 각각의 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드 (50) 와 동기되도록, 동기화기 (120) 가 각각의 유압 모터 (14_k) 의 변위의 명령 값을 모터 제어 유닛 (48) 으로 공급한다.

Description

재생 에너지 타입 발전 장치 및 그의 동작 방법{POWER GENERATING APPARATUS OF RENEWABLE ENERGY TYPE AND OPERATION METHOD THEREOF}

본 발명은, 유압 트랜스미션을 통하여, 발전기에 회전 샤프트의 회전 에너지를 전송하여 전력을 생성하고, 이 전력을 그리드에 공급하는 재생 에너지 타입 발전 장치 및 이러한 재생 에너지 타입 발전 장치의 동작 방법에 관련한다. 재생 에너지 타입 발전 장치는, 바람, 조류 (tidal current), 해류, 하천류 (river current) 등의 재생 가능한 에너지로부터 전력을 생성하고, 재생 에너지 타입 발전 장치는, 예를 들어, 풍력 터빈 발전기, 조력 발전기, 해수력 발전기, 하천류 발전기 등을 포함한다.

최근 몇 년 동안에, 환경의 보전의 관점에서, 풍력을 이용한 풍력 터빈 발전기와 같은 재생 에너지 타입 및 조수를 이용한 조류 발전기와 같은 재생 에너지 타입 터빈 발전기를 이용하는 것이 점점 유명해지고 있다. 재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 바람, 조류, 해류 또는 하천류의 운동 에너지는 회전자의 회전 에너지로 변환되고, 그리고 회전자의 이러한 회전 에너지는 발전기에 의하여 전력으로 변환된다.

이러한 종류의 재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 통상적으로 발전기는 그리드에 연결된다. 풍력 터빈 발전기에 대해서는, 발전기들의 상이한 타입들 및 발전기를 그리드에 연결하는 상이한 방법들이 존재한다. 도 13a 및 도 13b 에 도시된 연결을 이용한 풍력 터빈 발전기는 잘 알려져 있다.

도 13a 에 도시된 타입의 풍력 터빈 발전기에서는, 증속 기어 (step-up gear) (500) 를 통하여, 2 차 권선 유도 발전기 (secondary wound-rotor induction generator; 520) 가 회전자 (2) 에 연결된다. 2 차 권선 유도 발전기 (520) 는, 그리드 (50) 에 직접 연결되는 고정자 권선 및 AC-DC-AC 컨버터 (530) 를 통하여 그리드 (50) 에 연결되는 회전자를 가진다. AC-DC-AC 컨버터 (530) 는, 발전기측 인버터 (532), DC 버스 (534) 및 그리드측 인버터 (536) 에 의하여 형성된다. 발전기측 인버터 (532) 는, 회전자 권선의 전류를 제어하여 발전기 토크를 조절함으로써 가변 속력 동작을 달성한다. 한편, 그리드측 인버터 (536) 는, 2 차 권선 유도 발전기 (520) 의 회전자 권선으로부터 수신된 전력을 그리드의 주파수에 따르는 교류 전력으로 변환한다.

도 13b 에 도시된 풍력 터빈 발전기에서는, 동기 발전기 (540) 가 회전자 (2) 에 연결된다. 동기 발전기 (540) 는, AC-DC-AC 링크 (550) 을 통하여 그리드에 연결된다. AC-DC-AC 링크 (550) 는, 컨버터 (552) , DC 버스 (554) 및 인버터 (556) 에 의하여 형성된다. AC-DC-AC 링크 (550) 는, 동기 발전기 (540) 의 토크를 조절하여 가변 속력 동작을 달성하며, 그리고 또한 동기 발전기 (540) 에서 생성된 전력을 그리드 (50) 의 주파수에 따르는 교류 전력으로 변환한다.

도 13b 에 도시된 타입과 유사한 풍력 터빈 발전기가 특허문헌 1 에 개시된다. 특허문헌 1 에 개시된 풍력 터빈 발전기에서는, 증속 기어를 통하여 회전자에 연결된 동기 발전기가, 수동형 정류기 (passive rectifier) 및 인버터를 거쳐 그리드에 연결된다.

또한, 특허문헌 1 은 증속 기어에 복수의 동기 발전기를 연결하고 그리고 수동형 정류기 및 인버터를 통하여 각 동기 발전기를 그리드에 연결하는 것을 제안한다.

최근 수년 동안에, 유압 펌프 및 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션을 이용하는 재생 에너지 타입 발전 장치들이 더 많은 관심을 끌고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 은 회전자에 의하여 회전되는 유압 펌프 및 발전기에 연결된 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션을 이용하는 풍력 터빈 발전기를 개시한다. 이러한 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션에서는, 유압 펌프 및 유압 모터가 고압 저장소 (reservoir) 및 저압 저장소를 통하여 연결된다. 이로써, 회전자의 회전 에너지는 유압 트랜스미션을 통하여 발전기에 전송된다. 더 나아가, 유압 펌프는, 피스톤들 및 실린더들의 복수의 세트들 및 실린더들 내에서 피스톤들을 주기적으로 왕복시키는 캠으로 구성된다.

PTL1 : EP 2273107

PTL 2: US 2010/0032959 A

위에서 설명된 바와 같이, 재생 에너지 타입 발전 장치의 발전기를 그리드에 연결하기 위한 기술로서 도 13a 및 도 13b 에 도시된 연결 방법 및 특허문헌 1 의 연결 방법이 주지된다. 그러나, 위의 연결 방법들 모두에서 고가의 주파수 변환 회로가 요구된다.

주파수 변환 회로는 도 13a 의 AC-DC-AC 컨버터 (530), 도 13b 의 AC-DC-AC 링크 (550), 및 특허문헌 1 의 수동형 정류기 및 인버터의 조합이다.

본 발명의 출원인들은, 특허문헌 2 에서 설명된 바와 같은 유압 펌프 및 유압 모터에 의하여 형성된 유압 트랜스미션을 가지는 재생 에너지 타입 발전 장치에서, 주파수 변환 회로 없이 동기 발전기를 그리드에 연결하는 새로운 시스템을 채용하는 것을 구상하고 있다.

그러나, 동기 발전기를 그리드에 연결하기 이전에 주파수 변환 회로 없이 동기 발전기를 그리드에 연결하려면, 동기 발전기의 단자 전압의 주파수 및 위상을 그리드와 동기시킬 필요가 있다. 슬립 (동기 속도와 발전기의 회전 속도와의 차분의 동기 속도에 대한 비) 이 소정 범위내이기만 하면 유도 발전기는 그리드에 연결될 수 있다. 유도 발전기와는 달리 동기 발전기는 발전기측 및 그리드측 사이의 전압의 순시치에 차분이 존재할 때 그리드에 연결될 수 있는데, 이것이 그리드측의 전압 주파수가 요동하도록 야기한다. 따라서, 동기 발전기를 그리드에 연결하기 이전에 전압 및 주파수 모두를 매칭시키는 것이 필요하다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2 에서는, 재생 에너지 타입 발전 장치의 동기 발전기를 주파수 변환 회로 없이 그리드에 연결할 때, 동기 발전기의 단자 전압의 주파수 및 위상의 어떤 상태에서 동기 발전기가 그리드와 동기되는지에 대해서 기술되어 있지 않다.

오직 하나의 동기 발전기가 제공되는 경우에서는, 저부하시에 고효율을 달성하는 것이 어렵다는 발전기의 특징이 재생 에너지 타입 발전 장치의 저부하 동작 도중의 효율을 향상시키는데 장벽이 될 수 있으며, 또한 발전기의 고장 동안에 재생 에너지 타입 발전 장치가 동작을 중지하도록 강제할 수도 있다.

이러한 관점에서, 특허문헌 1 은 수동형 정류기 및 인버터를 통하여 그리드에 연결된 복수의 동기 발전기를 가지는 풍력 터빈 발전기를 제안한다. 그러나, 동기 발전기들 각각을 그리드에 연결할 때 어떤 타입의 제어가 수행되는지에 대해서는 구체적인 설명이 없다. 특히, 주파수 변환 회로 없이 각 동기 발전기를 그리드에 연결하는 방법은 특허문헌 1 에는 개시되거나 언급되지 않는다. 더 나아가, 특허문헌 1 의 풍력 터빈 발전기에서는, 증속 기어 자체가 대중량이며 구조적으로 복잡하고, 그리고 증속 기어의 출력을 각 동기 발전기의 회전축으로 수 차례에 걸쳐서 추출하기 위해서는 기어가 필요한데, 이것이 중량 및 비용의 증가를 가져온다.

위의 문제들의 관점에서, 본 발명의 목적은 주파수 변환 회로 없이 동기 발전기가 그리드에 연결될 수 있고, 그리고 저부하 동작 도중의 효율을 향상시킬 수 있으며 발전기 고장에 의한 발전 기회 손실을 회피할 수 있는 재생 에너지 타입 발전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태로서, 재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지 타입 발전 장치는:

블레이드;

상기 블레이드를 통하여 수신된 재생 에너지에 의하여 회전되는 회전 샤프트;

상기 회전 샤프트에 의하여 구동되며 압축유 (pressurized oil) 를 생성하는 유압 펌프;

상기 압축유에 의하여 구동되는 복수의 유압 모터들;

개재 주파수-변환 회로없이 그리드에 연결되고 그리고 상기 복수의 유압 모터에 개별적으로 커플링되는 복수의 동기 발전기들;

상기 복수의 유압 모터들 각각의 변위를 서로 독립적으로 조절하는 모터 제어부; 및

상기 동기 발전기들이 상기 그리드에 연결되기 이전에, 동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 상기 그리드와 동기되도록, 유압 모터들 각각의 변위의 명령 값을 상기 모터 제어부로 제공하는 동기화기를 포함할 수도 있는데, 하지만 이것에 제한되는 것은 아니다.

재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 동기 발전기들이 그리드에 연결되기 이전에, 동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드와 동기되도록, 동기화기가 유압 모터들 각각의 변위의 명령 값을 이 모터 제어부로 공급한다. 그러므로, 동기 발전기들 각각 및 그리드 사이에 주파수 변환 회로가 없어도, 동기 발전기가 동기화기에 의하여 그리드에 연결되도록 하는 조건을 생성하는 것이 가능하다.

더 나아가, 복수의 유압 모터들의 변위들은 서로 독립적으로 조절되고, 따라서 동기 발전기 및 유압 모터의 복수의 세트들 중 한 세트를 동작을 위하여 이용되도록 임의로 선택하는 것이 가능하다. 그러므로, 필요에 의존하여, 동기 발전기 및 유압 모터의 오직 일부의 세트들을 이용하는 것 역시 가능하다. 예를 들어, 저부하 동작 도중에 풍력 터빈 발전기의 효율을 전체적으로 향상시키기 위해서는, 동기 발전기 및 유압 모터의 더 적은 세트들이 이용될 수도 있으며, 또는 동기 발전기 및 유압 모터의 하나 이상의 세트들에 고장이 존재할 경우에는 발전의 기회 손실이 없이 발전을 계속하기 위하여 동기 발전기 및 유압 모터의 남아 있는 손상되지 않은 세트들이 이용될 수도 있다.

상기 재생 에너지 타입 발전 장치에 있어서, 상기 모터 제어부는, 상기 동기 발전기들 각각이 그리드에 연결된 이후에, 유압 모터들 각각의 목표 출력 값에 기초하여 압축유를 목표 압력으로 유지하기 위하여 유압 모터들 각각의 변위를 제어할 수도 있다.

동기 발전기가 그리드에 연결되면, 동기 발전기의 단자 전압의 주파수 및 위상을 매칭시키도록 작용하는 능동 횡류 (active cross current) 가 동기 발전기와 그리드 사이에 발생된다. 그러므로, 동기 발전기가 그리드에 연결된 후에는, 동기 발전기의 단자 전압의 주파수 및 위상을 그리드에 적극적으로 동기시키는 이러한 제어는 필요하지 않다. 위에서 설명된 바와 같이, 동기 발전기가 그리드에 연결된 후에는, 유압 모터들 각각의 목표 출력 값에 기초하여 압축유를 목표 압력으로 유지하기 위하여 유압 모터들 각각의 변위가 조절된다. 그러므로, 재생 에너지 타입 발전 장치를 안정적인 방식으로 동작시키는 것이 가능하다.

만일 두 개 이상의 동기 발전기를 동시에 동기화하는 경우에서는, 하나의 동기 발전기를 동기화하기 위하여 유압 모터의 변위를 변경하는 것은 외란 (disturbance) 이 되며, 잔여 동기 발전기들의 동기화를 곤란하게 한다.

이러한 관점에서, 상기 재생 에너지 타입 발전 장치에서는,

동기 발전기 및 상기 유압 모터의 세트들의 개수는 N 개일 수도 있는데 여기서 N 은 2 이상의 정수이고,

N 개의 동기 발전기는, 재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 그리드에 순차적으로 연결될 수도 있으며, 그리고

동기 발전기들 각각이 그리드에 연결되기 이전에, 모터 제어부는 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 유압 모터들 각각의 변위를 조절할 수도 있다.

여기서, 재생 에너지의 유속이란, 예를 들어 재생 에너지 타입 발전 장치가 풍력 터빈 발전기의 경우에는 풍속을 의미하여, 재생 에너지 타입 발전 장치가 조석 발전기, 해류 발전기, 하천류 발전기 등의 경우에는 물의 유속을 의미한다.

위에서 설명된 바와 같이, 재생 에너지의 유속 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 그리드에 순차적으로 연결되고 그리고 동기 발전기들 각각이 그리드에 연결되기 이전에 유압 모터들 각각의 변위가 조절된다. 이를 통하여, 동기화된 상태가 동기 발전기들 각각에 대해서 용이하게 생성될 수 있다. 동기화된 상태란 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드와 동기된 상태이다.

재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 그리드에 순차적으로 연결되는 경우에서는,

N 개의 동기 발전기들 중 i 번째 동기 발전기가 그리드에 연결된 이후에, 모터 제어부는 i 번째 동기 발전기의 출력이 i 번째 동기 발전기의 정격 전력보다 낮고 i 번째 동기 발전기의 최저 부하보다 높은 설정값에 도달할 때까지, i 번째 동기 발전기에 커플링된 i 번째 유압 모터의 변위를 증가시킬 수도 있는데, 여기서 i는 1 로부터 N-1 까지의 임의의 정수이고; 그리고 이후에

N 개의 동기 발전기들 중 (i＋1) 번째 동기 발전기가 그리드에 연결되기 이전에, 모터 제어부는 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 (i＋1) 번째 동기 발전기에 연결된 (i＋1) 번째 유압 모터의 변위를 조절할 수도 있다.

이러한 방식으로 i 번째 동기 발전기가 그리드에 연결된 이후에, i 번째 동기 발전기의 전력은 최저 부하보다 큰 설정값으로까지 증가된다. i 번째의 동기 발전기의 전력이 설정값에 도달한 이후에, 저부하 동작 도중에 이용되는 발전기들의 개수를 감소시키기 위하여 (i＋1) 번째 동기 발전기의 그리드로의 연결이 준비된다. 이에 의하여, 저부하 동작 도중의 풍력 터빈 발전기의 효율을 전체적으로 향상시키는 것이 가능하다. 더 나아가, 설정값을 동기 발전기의 정격 전력 미만으로 설정함으로써, 정격 전력과 설정값과의 차분에 따른 i 번째 동기 발전기의 전력의 상승 마진이 확보되고, 그리고 (i＋1) 번째 동기 발전기의 동기화 도중에 야기되는 압축유의 불안정한 에너지가 (i 번째 유압 모터의 상승 마진에 의하여) i 번째 유압 모터 (14_i) 의 변위를 제어함으로써 흡수될 수 있다. 그러므로, (i＋1) 번째 유압 모터는 (i＋1) 번째 동기 발전기의 동기화로 전속될 수 있고 그리고 이것이 (i＋1) 번째 동기 발전기의 동기화를 용이하게 한다.

더 나아가, 위의 설정값은, i 번째 동기 발전기의 정격 전력의 50 % 이상 100 % 미만일 수도 있다.

발명자들의 지식에 따르면, 공통 동기 발전기에서는 정격 전력의 50 % 미만의 저부하 조건하에서 효율 저하가 두드러진다. 따라서, 설정값을 동기 발전기의 정격 전력의 50 % 이상으로 설정함으로써, 저부하 동작 도중의 재생 에너지 타입 발전 장치의 효율을 전체적으로 효과적으로 향상시키는 것이 가능하다. 더 나아가, 설정값을 동기 발전기의 정격 전력 미만으로 설정함으로써, 위에서 언급된 이유에 의하여 (i＋1) 번째 동기 발전기의 동기화가 용이해진다.

대안적으로는, 모터 제어부는, N 개의 동기 발전기들 중 i 번째 동기 발전기가 그리드에 연결된 이후에, 첫 번째로부터 i 번째의 동기 발전기들의 출력들을 최저 부하로 유지하기 위하여, 첫 번째로부터 i 번째 유압 모터들의 변위들을 서로로부터 독립적으로 조절할 수도 있는데, 여기서 i는 1 로부터 N-1 까지의 임의의 정수이고, 그리고

N 개의 동기 발전기들 중 (i＋1) 번째 동기 발전기가 그리드에 연결되기 이전에, 모터 제어부는 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 (i＋1) 번째 동기 발전기에 커플링된 (i＋1) 번째 유압 모터의 변위를 조절할 수도 있다.

이를 통하여, 풍속이 풍력 터빈 발전기가 발전을 개시하는 컷-인 풍속에 가까운 매우 저부하인 동작 영역을 제외하고, 풍력 터빈 발전기는 유압 모터 및 동기 발전기의 N 개의 세트들 모두를 이용하여 자신의 동작을 개시한다. 그러므로, 컷-인 풍속에 가까운 매우 저부하인 동작 영역을 제외하고, 유압 모터 및 동기 발전기의 각 세트는 유사하게 취급될 수고 있으며, 따라서 단순한 동작 제어가 달성된다. 더 나아가, 유압 모터 및 동기 발전기의 세트들 사이의 불균형 사용이 감소된다.

재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 순차적으로 연결되는 경우에서는, 위의 재생 에너지 타입 발전 장치는:

블레이드의 피치각을 조절하는 피치 제어부; 및

유압 펌프의 변위를 조절하는 펌프 제어부를 더 포함하고, 그리고

N 개의 동기 발전기들 중 첫 번째 동기 발전기가 그리드에 연결되기 이전에, 모터 제어부는 회전 샤프트의 회전 속력을 목표 회전 속력으로 유지하기 위하여 블레이드의 피치각이 피치 제어부에 의하여 조절되고 그리고 압축유를 목표 압력으로 유지하기 위하여 유압 펌프의 변위가 펌프 제어부에 의하여 조절되는 상태에서, 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 첫 번째 동기 발전기에 커플링된 첫 번째 유압 모터의 변위를 조절할 수도 있다.

재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 블레이드에 의하여 수신되는 재생 에너지의 양은 시시각각 변화하고, 따라서 회전 샤프트의 회전 속력 및 유압 모터에 공급되는 압축유의 압력도 역시 변화한다. 이것은 첫 번째 동기 발전기를 동기화할 때에 외란을 야기할 수 있다. 그러므로, 위에서 설명된 바와 같이, 블레이드의 피치각을 피치 제어기에 의하여 조절함으로써 회전 샤프트의 회전 속력이 목표 회전 속력으로 유지되고, 유압 펌프의 변위를 펌프 제어기에 의하여 조절함으로써 압축유의 압력이 목표 압력으로 유지되는데, 이에 의하여 회전 샤프트의 회전 속력 및 압축유의 압력을 안정화시킨다. 이것이 첫 번째 동기 발전기의 동기화를 용이하게 한다.

더 나아가, 재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 그리드에 순차적으로 연결되는 경우에서는,

동기 발전기들을 그리드에 연결하는 순서는, 동기 발전기 및 유압 모터의 세트들 각각의 누적 동작 시간 및 동기 발전기들 각각 및 그리드 간의 연결 상태를 전환하는 각 차단기의 개폐 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수도 있다.

이를 통하여, 동기 발전기 및 유압 모터의 복수의 세트들의 사용이 균등화되고, 그러므로 동기 발전기들 및 유압 모터들의 특정 세트들의 극단적인 열화를 회피하여 풍력 터빈 발전기의 신뢰성을 전체적으로 향상시키는 것이 가능하다.

더 나아가, 재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 그리드에 순차적으로 연결되는 경우에서는, 위의 재생 에너지 타입 발전 장치는:

N 개의 동기 발전기들 중 i 번째 동기 발전기가 그리드에 연결된 이후에, 상기 i 번째 동기 발전기의 출력을 점진적으로 증가시키도록, 펌프 제어부는 유압 펌프의 변위를 조절하고 그리고 모터 제어부가 상기 i 번째 동기 발전기에 커플링된 i 번째 유압 모터의 변위를 조절하며, 여기서 i는 1 로부터 (N－1) 까지의 임의의 정수이다.

이러한 방식으로, i 번째 동기 발전기가 그리드에 연결된 후에, i 번째 동기 발전기의 전력이 점진적으로 증가된다. 그러므로, 회전 샤프트의 회전 속력 및 유압 모터에 공급되는 압축유의 압력의 안정성을 잃지 않으면서, i 번째 동기 발전기의 출력을 증가시키는 것이 가능하다.

더 나아가, 재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 N 개의 동기 발전기가 그리드로 순차적으로 연결되는 경우에서는,

N 개의 동기 발전기들 중 M 개의 고장 동안에, 재생 에너지 타입 발전 장치는 P_rated x (N－M) /N 이하로 발전하고, 여기서 M 은 1 내지 (N－1) 의 정수이고 그리고 P_rated 는 재생 에너지 타입 발전 장치의 정격 전력이다.

이를 통하여, 하나 이상의 동기 발전기들이 고장이더라도, 풍력 터빈 발전기는 부분 부하 동작을 계속 할 수 있고, 따라서 발전 기회들의 손실을 회피한다.

위의 재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 재생 에너지의 유속이 재생 에너지 타입 발전 장치가 발전을 개시하는 컷-인 속력 이하로 떨어지면, 재생 에너지 타입 발전 장치의 발전을 중단시키기 위하여 그리드에 연결된 바 있는 동기 발전기를 모두가 단절될 수도 있다.

더 나아가, 동기 발전기들이 모두 그리드로부터 단절되면, 동기 발전기들 중 적어도 하나가 재생 에너지 타입 발전 장치의 보조 디바이스로 공급될 전력을 생성할 수도 있다.

위의 재생 에너지 타입 발전 장치에서는, 유압 모터들 각각은:

실린더 및 피스톤에 의하여 각각 둘러싸이는 복수의 작동실들;

작동실들 각각으로 압축유를 공급하기 위한 복수의 고압 밸브들;

작동실들 각각으로부터의 압축유를 배출하기 위한 복수의 저압 밸브들; 및

작동실들, 고압 밸브들 및 저압 밸브들이 배치되는 케이싱을 포함할 수도 있고, 그리고

재생 에너지 타입 발전 장치는 유압 모터들 각각에 대하여 케이싱의 외부에 제공되는 시동 밸브를 더 포함할 수도 있으며, 그리고

여기서, 유압 모터들 각각을 작동시킬 때, 모터 제어부는 시동 밸브 및 저압 밸브들의 개폐를 제어하여 유압 모터를 목표 밸브-전환 회전 속력까지 가속함으로써 압축유가 공급 및 배출되는 작동실들의 개수를 조절할 수도 있고, 그리고 고압 밸브들 및 저압 밸브들의 개폐를 제어하여 유압 모터를 목표 밸브-전환 회전 속력보다 높게 더욱 가속함으로써 모터 제어부는 압축유가 공급 및 배출되는 작동실들의 개수를 조절할 수도 있다.

작동실들, 고압 밸브들 및 저압 밸브들을 가지는 유압 모터로서, 가끔 유압 펌프 및 유압 모터간을 연결하는 오일 라인을 작동실들 각각 간의 압력 차이를 이용하여 개폐하거나 또는 개폐를 돕도록 설계된 컴팩트한 고압 밸브가 사용된다. 이러한 종류의 고압 밸브는, 유압 모터의 회전축에 충분한 관성이 생성된 경우에는 피스톤의 왕복 운동에 의하여 생성되는 위의 압력 차이에 의해서만 개폐 가능하다. 위에서 설명된 바와 같이, 시동 밸브는 케이싱의 외부에서 고압 밸브와는 별개로 제공되고, 그리고 유압 모터가 목표 밸브 전환 회전 속력으로까지 가속될 때까지는 시동 밸브 및 저압 밸브가 이용되고, 그리고 유압 모터가 더 나아가 목표 밸브 전환 회전 속력보다 높게 가속될 경우에는 케이싱에 내에 하우징된 고압 밸브들 및 저압 밸브들이 이용된다. 이를 통하여, 유압 모터를 견고하게 작동시키는 것이 가능하다.

위의 재생 에너지 타입 발전 장치는, 재생 에너지의 형태로서 풍력으로부터 전력을 생성하는 풍력 터빈 발전기일 수도 있다.

본 발명의 다른 양태로서, 블레이드를 통하여 수신된 재생 에너지에 의하여 회전되는 회전 샤프트; 회전 샤프트에 의하여 구동되며 압축유를 생성하는 유압 펌프; 압축유에 의하여 구동되는 복수의 유압 모터들; 및 복수의 유압 모터에 개별적으로 커플링되는 복수의 동기 발전기들을 포함할 수도 있는 재생 에너지 타입 발전 장치를 동작시키는 방법은,

동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드와 동기되도록, 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여, 독립적으로 복수의 유압 모터들의 변위들을 조절하는 단계; 및

상기 변위들을 조절하는 단계 이후에, 개재 주파수 변환 회로 없이 복수의 동기 발전기들을 그리드에 연결하는 단계를 포함하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.

재생 에너지 타입 발전 장치의 위의 동작 방법에 따르면, 동기 발전기들이 그리드에 연결되기 이전에, 동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드와 동기되도록, 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 유압 모터의 변위가 조절된다. 그러므로, 동기 발전기들 각각 및 그리드 사이에 주파수 변환 회로가 없어도, 동기 발전기가 동기화기에 의하여 그리드에 연결되도록 하는 조건을 생성하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여 유압 모터들 각각의 변위의 조절함으로써, 주파수 변환 회로를 이용하지 않고서 동기 발전기가 그리드에 연결되도록 하는 조건을 생성하는 것이 가능하다. 더 나아가, 복수의 유압 모터들의 변위들은 서로에 대해 독립적으로 조절되므로, 따라서 동기 발전기 및 유압 모터의 복수의 세트들 중 특정 세트(들) 을 동작을 위하여 이용되도록 자의적으로 선택하는 것이 가능하다. 그러므로, 필요에 의존하여 동기 발전기 및 유압 모터의 복수의 세트들 중 오직 특정 세트(들) 만을 이용하는 것 역시 가능하다.

도 1 은 풍력 터빈 발전기의 전체 구조의 일 예를 도시한다.
도 2 는 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션과 트랜스미션 제어부의 구조를 도시한다.
도 3 은 유압 트랜스미션의 구조를 도시한다.
도 4 는 유압 펌프의 상세한 구조의 일 예를 도시한다.
도 5 는 유압 모터의 상세한 구조의 일 예를 도시한다.
도 6 은 동기 발전기 주변의 구조의 일 예를 도시한다.
도 7 은 동기 발전기를 그리드에 연결하기 이전 및 이후의 각 파라미터의 시간적 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8 은 두 개의 동기 발전기를 그리드에 연결하는 프로세스의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 는 두 개의 동기 발전기를 그리드에 연결하는 프로세스의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 은 트랜스미션 제어부 내에서의 유압 펌프의 변위를 결정하는 신호 흐름을 도시한다.
도 11 은 회전자 회전 속력 W_r 이 가로축에 있고 회전자 토크 T 가 세로축에 있는 최대 Cp 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 12 는 트랜스미션 제어부 내에서의 유압 모터의 변위를 결정하는 신호 흐름을 도시한다.
도 13a 는 종래의 풍력 터빈 발전기의 일 예를 도시한다.
도 13b 는 종래의 풍력 터빈 발전기의 일 예를 도시한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들이 설명될 것이다. 그러나, 치수들, 재료들, 형상, 이의 상대적인 포지션들 등은, 특별히 규정되지 않는 한 예시적으로만 해석되어야 하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안된다는 것이 의도된다.

비록 본 발명은 이하에서 예시적인 실시형태들을 참조하여 설명되지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변경들이 이루어질 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백하다.

이하의 실시형태들에서는, 재생 에너지 타입 발전 장치의 일 예로서 풍력 터빈 발전기가 설명된다. 그러나, 본 발명은 이러한 예에 제한되는 것이 아니며, 그리고 조석 발전기, 해류 발전기, 및 하천류 발전기 등의 다양한 재생 에너지 타입 발전 장치들에도 적용할 수 있다.

(풍력 터빈 발전기의 구조)

도 1 은 풍력 터빈 발전기의 구조의 일 예를 도시하는 개략적인 도면이다. 도 2 는 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션과 트랜스미션 제어부의 구조를 도시한다. 도 3 은 유압 트랜스미션의 구조를 도시한다. 도 4 는 유압 펌프의 상세한 구조의 일 예를 도시한다. 도 5 는 유압 모터의 상세한 구조의 일 예를 도시한다.

도 1 에 예시되는 바와 같이, 풍력 터빈 발전기 (1) 은, 주로, 바람에 의하여 회전되는 회전자 (2), 회전자 (2) 의 회전 속력을 증가시키는 유압 트랜스미션 (10), 그리드에 연결된 동기 발전기 (20), 유압 트랜스미션 (10) 을 제어하기 위한 트랜스미션 제어부 (40) (도 2 참조) 및 압력 센서 (31) 및 회전 속력 센서들 (32, 36) 을 포함하는 각종 계측기를 포함한다.

유압 트랜스미션 (10) 및 동기 발전기 (20) 는, 엔진실 (nacelle) (22) 또는 엔진실 (22) 을 지지하는 타워 (24) 의 내부에 하우징될 수도 있다. 도 1 은 지상에 직립하여 설치된 타워 (24) 를 가지는 육상 (on-shore) 풍력 터빈 발전기를 도시한다. 그러나, 이것은 제한적인 것이 아니며 풍력 터빈 발전기 (1) 는 해상을 포함하는 임의의 장소에 설치될 수도 있다.

회전자 (2) 는, 블레이드들 (4) 을 가지는 허브 (6) 에 회전 샤프트 (8) 가 연결되도록 구성된다. 구체적으로는, 세 개의 블레이드들 (4) 이 허브 (6) 로부터 방사상으로 연장되고, 블레이드들 (4) 각각이 회전 샤프트 (8) 에 연결된 허브 (6) 에 탑재된다. 이것은 블레이드들 (4) 상에 작용하는 풍력이 전체 회전자 (2) 를 회전시키도록 허용하며, 그리고 회전자 (2) 의 회전은 회전 샤프트 (8) 를 통하여 유압 트랜스미션 (10) 으로 입력된다. 액츄에이터 (5) (도 2 참조) 는 블레이드 (4) 에 부착된다. 액츄에이터 (5) 는, 피치 제어부 (7) 의 제어하에서 동작하여 블레이드 (4) 의 피치각을 변화시킨다.

도 2 및 도 3 에 예시되는 바와 같이, 유압 트랜스미션 (10) 은 회전 샤프트 (8) 에 의하여 구동되는 가변-변이 유압 펌프 (12), 동기 발전기 (20_k) 에 연결되는 출력 샤프트 (15) 를 가지는 가변-변이 유압 모터 (14_k) (k는 1 내지 N 의 범위 내의 임의의 정수), 및 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14_k) 사이에 배치된 고압축유 라인 (16) 및 저압축유 라인 (18) 을 포함한다. 풍력 터빈 발전기 (1) 내에는, 유압 모터 (14_k) 및 동기 발전기 (20_k) 의 N 개의 세트들이 제공된다 (N 은 2 이상의 정수).

고압축유 라인 (16) 은 유압 펌프 (12) 의 토출측을 각 유압 모터의 (14_k) 의 흡입측에 연결한다. 저압축유 라인 (18) 은 유압 펌프 (12) 의 흡입측을 각 유압 모터 (14_k) 의 토출측에 연결한다. N 개의 유압 모터들 (14_k) 은 도 3 에 도시된 바와 같이 서로 평행하게 고압축유 라인 (16) 및 저압축유 라인 (18) 에 연결된다. 유압 펌프 (12) 내에서 생성된 압축유 (고압축유) 는, 고압축유 라인 (16) 을 통하여 유압 모터 (14_k) 로 유입한다. 유압 모터 (14_k) 내에서 작용한 바 있는 압축유 (저압축유) 는, 저압축유 라인 (18) 을 통하여 유압 펌프 (12) 로 유입하고, 그 후 그 압력이 유압 펌프 (12) 에 의하여 상승되며, 그리고 최종적으로 압축유는 유압 모터 (14_k) 에 유입한다.

아래 설명되는 바와 같이, 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14_k) 는 도 4 및 도 5 에 도시되는 특정 구조들을 가질 수도 있다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 유압 펌프 (12) 는, 각각이 실린더 (80) 및 피스톤 (82) 에 의하여 형성되는 복수의 작동실들 (워킹 챔버들) (83), 피스톤 (82) 에 맞물리는 캠 곡면 (cam profile) 을 가지는 링 캠 (84), 및 작동실들 (83) 각각 에 대하여 제공되는 고압 밸브 (86) 및 저압 밸브 (88) 를 포함할 수도 있다. 고압 밸브 (86) 는, 고압축유 라인 (16) 및 작동실들 (83) 각각 사이의 고압 연통로 (87) 에 배치된다. 저압 밸브 (88) 는, 저압축유 라인 (18) 및 작동실들 (83) 각각 사이의 저압 연통로 (89) 에 배치된다.

유압 펌프 (12) 의 동작시에 있어서, 링 캠 (84) 은 회전 샤프트 (8) 와 함께 회전하고 그리고 피스톤들 (82) 은 캠 곡선에 따라서 상하로 이동되어 바텀 데드 센터 (bottom dead center) 로부터 시작하여 탑 데드 센터 (top dead center) 에 도달하는 피스톤들 (82) 의 펌프 공정 및 탑 데드 센터로부터 시작하여 바텀 데드 센터에 도달하는 피스톤들의 흡입 공정을 반복한다. 그러므로, 각 작동실 (83) 은 피스톤 (82) 및 실린더 (80) 의 내벽면에 의하여 정의되며 주기적으로 변동하는 체적을 가진다.

유압 펌프 (12) 는, 고압 밸브 (86) 및 저압 밸브 (88) 를 개폐함으로써 작동실들 (83) 각각의 동작 모드를 액티브 상태 및 아이들링 상태로부터 선택할 수 있다. 작동실 (83) 에 대하여 액티브 상태가 선택되면, 흡입 공정 도중에는 고압 밸브 (86) 는 닫히고 저압 밸브 (88) 는 열려서 작동유가 해당 작동실 (83) 로 유입하게 되며, 반면에 펌프 공정 도중에는 고압 밸브 (86) 는 열리고 저압 밸브 (88) 가 닫혀서 압축유가 작동실 (83) 로부터 고압축유 라인 (16) 로 변위되게 한다. 이에 대조적으로, 아이들링 상태가 작동실 (83) 에 대해서 선택되면, 흡입 공정 및 펌프 공정의 모두 동안에 고압 밸브 (86) 는 닫힌 채로 유지되고 저압 밸브 (88) 는 열린 상태로 유지되어, 동작유가 작동실 (83) 및 저압축유 라인 (18) 사이에서 앞뒤로 흐르게 하는데, 즉, 고압축유 라인 (16) 으로의 동작유의 변위가 없다. 이에 상응하여, 액티브 상태에 있는 작동실들 (83) 의 개수의 작동실들 (83) 의 전체 개수에 대한 비율을 변경함으로써, 유압 펌프 (12) 의 알짜 변위는 조절될 수 있다. 유압 펌프 (12) 의 알짜 변위의 제어는 트랜스미션 제어기 (40) 에 의하여 수행된다. 트랜스미션 제어기 (40) 는 추후에 더 상세히 설명된다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 유압 모터 (14_k) 는 실린더 (90) 및 피스톤 (92) 사이에 형성되는 복수의 유압실들 (93), 피스톤 (92) 에 맞물리는 캠 곡면을 가지는 편심 캠 (94), 및 유압실들 (93) 각각에 대하여 제공된 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 를 포함할 수도 있다. 고압 밸브 (96) 는, 고압축유 라인 (16) 및 유실들 (93) 각각 사이의 고압 연통로 (97) 에 배치되고, 반면에 저압 밸브 (98) 는, 저압축유 라인 (18) 및 유실들 (93) 각각 사이의 저압 연통로 (99) 에 배치된다.

유압 모터 (14_k) 의 동작시에 있어서, 피스톤들 (92) 은 상하로 이동되어 탑 데드 센터로부터 시작하여 바텀 데드 센터에 도달하는 피스톤들 (92) 의 모터 공정 및 바텀 데드 센터로부터 시작하여 탑 데드 센터에 도달하는 피스톤들의 배출 공정을 반복한다. 유압 모터 (14_k) 의 동작시에 있어서, 피스톤 (92) 및 실린더 (90) 의 내벽면에 의하여 정의되는 각 작동실 (93) 의 체적은 주기적으로 변동한다.

유압 모터 (14_k) 는, 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 를 개폐함으로써 작동실들 (93) 각각의 동작 모드를 액티브 상태 및 아이들링 상태로부터 선택할 수 있다. 작동실 (93) 에 대하여 액티브 상태가 선택되면, 모터 공정 도중에는 고압 밸브 (96) 는 열리고 저압 밸브 (98) 을 닫혀서 작동유가 고압 압축유 라인 (16) 으로부터 해당 작동실 (93) 로 유입하게 되며, 반면에 배출 공정 도중에는 고압 밸브 (96) 는 닫히고 저압 밸브 (98) 가 열려서 압축유가 작동실 (93) 로부터 고압축유 라인 (16) 로 변위되게 한다. 이에 대조적으로, 아이들링 상태가 작동실 (93) 에 대해서 선택되면, 모터 및 펌프 공정들의 모두 동안에 고압 밸브 (96) 는 닫힌 채로 유지되고 저압 밸브 (98) 는 열린 상태로 유지되어, 동작유가 작동실 (93) 및 저압축유 라인 (18) 사이에서 앞뒤로 흐르게 하는데, 즉, 고압축유 라인 (16) 으로부터 작동실 (93) 로의 압축유의 공급이 없다. 유압 펌프 (12) 와 유사하게, 유압 모터 (14_k) 는 액티브 상태에 있는 작동실들 (93) 의 개수의 작동실들 (93) 의 전체 개수에 대한 비율을 변경함으로써, 자신의 알짜 변위를 조절할 수 있다. 유압 모터 (14_k) 의 알짜 변위의 제어는 추후에 상세히 설명되는 트랜스미션 제어기 (40) 에 의하여 수행된다.

더 나아가, 작동실 (93), 편심 캠 (94), 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 는 케이싱 (91) 내에 수납된다. 케이싱 (91) 의 외부에는, 시동 밸브 (17) 가 고압축유 라인 (16) 및 작동실 (93) 사이의 유로 상에 제공된다. 시동 밸브 (17) 는, 유압 모터 (14_k) 를 시동하는 동안에 유압 모터 (14) 가 설정된 회전 속력까지 가속할 수 있도록 저압 밸브 (98) 와 함께 사용된다. 시동 밸브 (17) 는, 유압실들 (93) 각각에 대하여 또는 동작실들 (93) 중 일부에 대하여 제공될 수도 있다.

도 2 는 고압축유 라인 (16) 에 연결된 어큐뮬레이터 (64) 를 도시한다. 어큐뮬레이터 (64) 는, 유압 모터 (12) 에 의하여 생성되는 에너지 및 유압 모터들 (14_k) 전부 내에서 소모되는 에너지 간의 차분에 의하여 야기되는 고압축유 라인 (16) 의 동작유의 압력의 요동을 흡수할 수 있다. 따라서, 압력 P_s 는 어큐뮬레이터 (64) 에 의하여 안정되고 그리고 동기 발전기 (20_k) 의 그리드와의 동기화 도중에 유압 모터 (14_k) 를 제어하는 것이 용이해진다.

더 나아가, 어큐뮬레이터 (64) 및 고압축유 라인 (16) 사이에는 솔레노이드 밸브 (66) 가 제공될 수도 있다. 솔레노이드 밸브 (66) 를 개폐시킴으로써, 어큐뮬레이터 (64) 는 고압축유 라인 (16) 과 유체 연통 (fluid communication) 하거나 고압축유 라인 (16) 으로부터 단절된다. 솔레노이드 밸브 (66) 가 제공되는 경우에서는, 고압축유 라인 (16) 의 압력 P_s 는 동기 발전기 (20_k) 를 동기화할 때 솔레노이드 밸브 (66) 를 개방함으로써 어큐뮬레이터 (64) 를 이용하여 안정화될 수도 있다.

고압축유 라인 (16) 및 저압축유 라인 (18) 과의 사이에는 모든 유압 모터들 (14_k) 을 바이패스하는 바이패스 라인 (60) 이 제공되고, 바이패스 라인 (60) 에는 릴리프 밸브 (62) 가 배치되어 고압축유 라인 (16) 의 유압을 규정된 압력 이하로 유지한다. 이를 통하여, 고압축유 라인 (16) 내의 압력이 릴리프 밸브 (62) 의 규정된 압력까지 상승하면, 릴리프 밸브 (62) 가 자동적으로 개방되어 고압축유가 바이패스 라인 (60) 을 통하여 저압축유 라인 (18) 으로 탈출하도록 허용한다.

더 나아가, 유압 트랜스미션 (10) 은, 오일 탱크 (70), 보충 라인 (72), 부스트 펌프 (74), 오일 필터 (76), 반송 라인 (78), 및 저압 릴리프 밸브 (79) 를 가진다.

오일 탱크 (70) 는, 보충용의 동작유를 저장한다. 보충 라인 (72) 은 오일 탱크 (70) 를 저압축유 라인 (18) 에 연결한다. 부스트 펌프 (74) 는 오일 탱크 (70) 로부터의 보충 동작유를 저압축유 라인 (18) 에 보급하기 위하여 보충 라인 (72) 에 배치된다.

반송 라인 (78) 은 오일 탱크 (70) 및 저압축유 라인 (18) 사이에 설치된다. 저압 릴리프 밸브 (79) 는 반송 라인 (78) 에 형성되고 그리고 저압축유 라인 (18) 내의 압력은 규정된 압력에서 또는 그 아래로 유지된다. 이를 통하여, 동작유를 저압축유 라인 (18) 으로 공급하는 부스트 펌프 (74) 가 있더라도, 저압 릴리프 밸브 (79) 는 저압축유 라인 (18) 내의 압력이 저압 릴리프 밸브 (79) 의 규정된 압력에 도달하면 자동적으로 개방하여 반송 라인 (78) 을 통하여 오일 탱크 (70) 로 동작유를 방출할 수 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 풍력 터빈 발전기 (1) 는 압력 센서 (31) 및 회전 속력 센서들 (32 및 34) 을 포함하는 다양한 센서들을 가진다. 회전 속력 센서 (32 및 34) 는, 회전 샤프트 (8) 의 회전 속도 및 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 의 회전 속도를 각각 측정한다. 압력 센서 (31) 는, 고압축유 라인 (16) 내의 압력을 측정한다. 또한, 풍속을 측정하기 위하여 엔진실 (22) 의 외부에 설치된 풍속계 (33) 및 풍력 터빈 발전기 (1) 의 주변 온도를 측정하기 위한 온도 센서 (34) 를 제공하는 것도 가능하다. 이러한 각종 센서들에 의한 측정 결과들은 트랜스미션 제어기 (40) 로 전송되고 그리고 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14_k) 를 제어하기 위하여 이용될 수도 있다.

동기 발전기 (20_k) 가 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 에 커플링된다. 동기 발전기 (20_k) 는 도 13a 및 도 13b 의 주파수 변환 회로들 (530, 550) 과 같은 주파수 변환 회로 없이 그리드 (50) 에 연결된다.

일반적으로, 풍력 터빈 발전기는 큰 전력 요동을 가진다. 그러므로, 다수의 풍력 터빈 발전기들을 그리드에 연결하는 것은 그리드의 주파수 요동을 유도할 수 있다. 하지만, 풍력 터빈 발전기들을 가변 속력에서 동작시키면, 전력이 평활화되고, 이에 의하여 그리드에 미치는 영향을 완화할 수 있다. 그러므로, 풍력 터빈 발전기 (1) 에서는, 유압 트랜스미션 (10) 이 트랜스미션 제어기 (40) 에 의하여 제어되어 (통상 제어 모드), 풍력 터빈 발전기 (1) 의 가변 속력 동작을 달성한다. 트랜스미션 제어기 (40) 의 통상 제어 모드는 상세히 후술된다.

도 6 은 동기 발전기 (20_k) 주변의 구조의 일 예를 도시한다. 더 나아가, 도 6 에 도시된 바와 같이, 동기 발전기 (20_k) 는 유압 모터 (14_k) 및 출력 샤프트 (15) 와 함께 회전하는 계자 권선 (21) 및 차단기 (122) 를 통하여 그리드 (50) 에 연결되는 고정 전기자 (미도시) 를 포함한다. 계자 권선 (21) 으로는, 여자기 (100) 로부터의 DC 계자 전류가 공급된다.

계자 권선 (21) 에 공급되는 계자 전류의 크기를 제어하는 여자기 제어기 (110) 가 제공된다. 단자 전압 검출기 (59) (계기용 변압기：Potential Transformer) 가 제공되어 동기 발전기 (20) 의 단자 전압을 검출한다. 동기 발전기 (20) 의 검출된 단자 전압에 기초하여, 여자 제어기 (110) 는 단자 전압이 설정된 값이 되도록 여자기 (100) 를 제어할 수도 있다.

여자기 (100) 의 구체적 구조로서 여자기 (100) 는 도 6 에 예시된 바와 같은 AC 여자기일 수도 있다. 더 구체적으로는, 여자기 (100) 는, 회전 전기자 (미도시) 및 계자 권선 (고정자) (102) 에 의하여 형성되는 AC 발전기일 수도 있다.

이러한 경우에서는, 여자기 (100) 는 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 에 직접 연결되는 AC 여자기이고, 그리고 여자기 (100) 의 회전 전기자로부터 출력되는 AC 는 정류기 (회전 정류기) (103) 에 의하여 DC 로 변환한 후, 그리고 계자 전류로서 동기 발전기 (20_k) 의 계자 권선 (21) 에 공급된다. 계자 권선 (21), 여자기 (100) 의 전기자, 및 정류기 (103) 는 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 와 함께 회전한다. 이러한 방식으로, AC 여자기 (100) 의 회전 전기자로부터의 AC 전류는 정류기 (회전 정류기) (103) 에 의하여 정류되고 그리고 회전자인 계자 권선 (21) 에 공급된다. 이를 통하여, 더 이상 브러쉬를 제공할 필요가 없으며, 이에 의하여 브러쉬의 유지 보수 (브러쉬의 정기적 교환) 의 필요성을 제거한다. 풍력 터빈 발전기가 일반적으로 산악이나 해상과 같은 원격지에 설치되기 때문에, 브러쉬의 유지 보수 (브러쉬의 정기적 교환) 가 불필요하다는 것은 그 운영 비용을 감소하는데 크게 기여한다.

도 6 에 도시된 예에서는, 동기 발전기 (20_k) 의 계자 권선 (21) 으로 공급되는 계자 전류의 크기를 조절하기 위하여 여자기 제어기 (110) 는 여자기 (100) 의 계자 권선 (102) 에 공급되는 계자 전류의 크기를 변경한다.

이러한 경우에서는, 여자기 제어기 (110) 는, 도 6 으로 도시된 바와 같이, 비교 회로 (113), 자동 전압 조정기 (AVR：Automatic Voltage Regulator) (114), 및 사이리스터 (116) 에 의하여 형성될 수도 있다. 비교 회로 (113) 에서는, 단자 전압 검출기 (59) 에 의하여 검출된 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 검출 값이 동기화기 (120) 으로부터 입력된 설정 값과 비교되며, 그리고 비교 회로 (113) 는 값들의 차분을 AVR (114) 로 출력한다. AVR (114) 에서는, 비교 회로 (113) 로부터 출력된 차분에 기초하여, 게이트 신호가 사이리스터 (116) 에 공급된다. 사이리스터 (116) 는, 여자기 (100) 의 계자 권선 (102) 및 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 에 직접 연결되는 영구자석 발전기 (PMG：Permanent Magnetic Generator) (106) 에 의하여 형성되는 보조 여자기 사이에 제공된다. 사이리스터 (116) 는, 영구자석 발전기 (보조 여자기) 를 전원으로서 이용하고, 여자기 (100) 의 계자 권선 (stator winding) (102) 을 여자한다.

이러한 방식으로, 유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15) 에 직접 연결되고 동기 발전기 (20_k) 의 공통 샤프트에 부착되는 PMG (106) 가, 동기 발전기 (20_k) 를 그리드 (50) 에 연결하기 전에도 외부 전원을 필요로 하지 않고 동기 발전기 (20_k) 를 여자하기 위하여, 사이리스터 (116) 의 전원으로서 이용된다. 이것은, 일반적으로 외부 전원으로부터 전력을 획득하는데 어려움을 겪는 풍력 터빈 발전기들에 대해서 매우 유리하다.

(동기 발전기를 그리드에 연결하기 전후의 제어)

풍력 터빈 발전기 (1) 에서는, 동기화기 (120) 가 각 동기 발전기 (20_k) 를 그리드 (50) 에 연결하기 위하여 이용된다.

동기화기 (120) 는 단자 전압 검출기 (124) 에 의하여 검출된 동기 발전기 (20_k) 의 검출된 단자 전압 및 그리드 전압 검출기 (126) 에 의하여 검출된 그리드 (50) 의 검출된 전압을 수신한다. 동기 발전기 (20_k) 의 검출된 단자 전압 및 그리드 (50) 의 검출된 전압은 각 동기 발전기 (20_k) 를 동기화하기 위하여 동기화기 (120) 내에서 이용된다. 동기 발전기 (20_k) 를 그리드 (50) 에 연결할 때, 동기화기 (120) 는 유압 모터 (14_k) 의 변위의 명령 값을 모터 제어 유닛 (48) 으로 공급함으로써, 단자 전압 검출기 (124) 로 측정된 동기 발전기 (20_k) 의 검출된 단자 전압 및 그리드 전압 검출기 (126) 로 측정된 그리드 (50) 의 검출된 전압 간의 주파수 및 단자 전압의 차분들이 규정된 범위 내에 속하도록 한다. 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 따라서, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14_k) 의 변위를 조절하고, 이에 의하여 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 주파수 및 위상을 그리드 (50) 와 동기화한다. 그러면, 차단기 (122) 는 동기화기 (120) 으로부터의 신호에 따라서 닫혀지고, 그리고 동기 발전기 (20_k) 는 그리드 (50) 에 연결된다.

동기 발전기 (20_k) 를 그리드 (50) 에 연결하기 이전에, 동기화기 (120) 로부터 입력된 규정된 값 (그리드 (50) 의 전압) 및 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압 간의 차분이 규정된 범위에 속하도록 여자기 제어기 (110) 가 제어를 수행한다. 더 상세히 설명하면, 비교 회로 (113) 로부터 출력된 차분에 기초하여, AVR (114) 은 게이트 신호를 사이리스터 (116) 로 공급한다. 이를 통하여, 동기 발전기 (20_k) 의 계자 권선 (21) 에 공급되는 계자 전류의 크기가 조절된다.

도 7 은 동기 발전기 (20_k) 를 그리드에 연결하기 전후에 있어서의 각 파라미터의 시간적 변화를 도시하는 그래프이다.

시각 T₀ 이전에는, 유압 모터 (14_k) 및 동기 발전기 (20_k) 는 정지된다.

유압 모터 (14_k) 는 시각 T₀ 에서 자신의 작동을 시작한다. t=T₀ 내지 T₁ 의 범위에서는, 시동 밸브 (17) 및 저압 밸브 (98) 는 모터 제어 유닛 (48) 의 제어 하에 회전 속력계 (36) 에 의하여 측정된 회전 속력에 기초하여 개폐되어 반복적으로 작동실 (93) 로 압축유를 공급하거나 배출한다. 작동실 (93) 로의 압축유의 공급 및 배출을 반복함으로써, 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력은 설정된 회전 속력 w₀ 까지 증가된다. t=T₁ 에서 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력이 w₀ 에 도달하면, 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 을 이용하여 유압 모터 (14_k) 의 가속으로 전환된다. 다음으로, t=T₁ 내지 T₂ 의 범위에서는, 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 는 모터 제어 유닛 (48) 의 제어 하에서 회전 속력계 (36) 에 의하여 측정된 회전 속력에 기초하여 개폐되어 반복적으로 작동실 (93) 로 압축유를 공급 및 배출한다. 작동실 (93) 로의 압축유의 공급 및 배출을 반복함으로써, 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력은 정격 회전 속력 W_rated 직전인 설정된 회전 속력 w₁ 까지 증가된다. 이러한 프로세스에서, 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력을 신속하게 회전 속력 w₁ 까지 올리기 위하여, 모든 작동실들 (93) 이 액티브 상태가 되어 유압 모터 (14_k) 의 변위를 최대화한다.

후속하여, 시각 T₂ 에서, 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 주파수를 그리드 (50) 와 동기화시키기 위하여 유압 모터 (14_k) 의 제어가 시작된다. 더 구체적으로 설명하면, 동기화기 (120) 로부터의 신호에 따라서 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14_k) 의 변위 (액티브 상태인 작동실들 (93) 의 개수) 를 조절하여 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력을 정격 회전 속력 W_rated 에 더 가깝도록 옮긴다. 본 명세서에서, 정격 회전 속력 W_rated 은 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 주파수가 그리드 (50) 와 동기화되는 유압 모터 (14_k) 의 회전 속력을 지칭한다. 이러한 제어를 개시하기 이전에, 동기 발전기 (20_k) 의 여자계 (excitation system) 가 작동된다.

시각 T₃ 에서는, 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 위상을 그리드 (50) 와 동기화시키기 위하여 유압 모터 (14_k) 의 제어가 전환된다. 더 구체적으로 설명하면, 동기화기 (120) 로부터의 신호에 따라서 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14_k) 의 변위 (액티브 상태에 있는 작동실들 (93) 의 개수) 을 조절함으로써, 동기 발전기 측 (20_k) 및 그리드 측 (50) 간의 위상차가 규정된 범위 내에 들어가도록 한다. 시각 T₄ 에서 동기 발전기 측 (20_k) 과 그리드측 (50) 간의 위상차가 규정된 범위 내에 들어가면, 그리고 다른 조건이 만족되면, 차단기 (122) 는 동기화기 (120) 로부터의 신호에 따라서 닫혀져서 동기 발전기 (20_k) 를 그리드 (50) 에 연결한다. 위에서 언급된 다른 조건이란, 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압 및 그리드 전압 간의 차분이 규정된 범위 내에 들어가는 것이다. 이러한 다른 조건은 여자기 제어기 (110) 에 의하여 계자 권선 (21) 에 흐르는 계자 전류를 제어함으로써 만족된다.

후속하여, 유압 모터 (14_k) 의 토크가 점진적으로 증가되어 동기 발전기 (20_k) 의 전력을 상승시킨다.

두 개 이상의 동기 발전기 (20_k) 를 동시에 동기화하는 경우에 있어서는, 하나의 동기 발전기의 동기화를 위하여 유압 모터의 변위의 변경이 외란이 되어, 잔여잔여기의 동기화를 곤란하게 한다.

이러한 관점에서, 본 발명의 실시 형태에서는, N 개의 동기 발전기들 (20_k) 이 그리드 (50) 에 풍속의 증가에 응답하여 순차적으로 연결됨으로써 동기 발전기들 (20_k) 을 그리드 (50) 에 상이한 타이밍들에서 연결한다. 이를 통하여, 동기화된 상태가 동기 발전기들 (20_k) 각각에 대하여 용이하게 생성될 수 있다. 동기화된 상태는 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드 (50) 와 동기화되는 상태이다.

이하, i 번째에 동기화된 발전기 (20_i) 란 그리드에 연결될 동기 발전기들 (20_k) 중 i 번째 것이다.

동기 발전기 (20_i) 를 그리드 (50) 로 순차적인 방식으로 연결하는 경우에서, 각 동기 발전기 (20_i) 를 그리드 (50) 로 연결하는 순서는, 동기 발전기 (20_i) 및 유압 모터 (14_i) 의 각 세트의 누적 동작 시간, 각 동기 발전기 (20_i) 및 그리드 (50) 간의 연결 상태를 전환하는 각 차단기 (122) 의 개폐 주파수 등에 기초하여 결정될 수도 있다.

이를 통하여, 동기 발전기 (20_i) 및 유압 모터 (14_i) 의 복수의 세트의 이용이 균등화되고, 따라서 동기 발전기들 (20) 및 유압 모터들 (14) 의 특정 세트들의 극단적인 열화를 회피하는 것 그리고 풍력 터빈 발전기 (1) 의 신뢰성을 전체적으로 개선하는 것이 가능하다.

예를 들어, i 번째 (i 는 1 부터 N-1 까지의 임의의 정수) 의 동기 발전기 (20_i) 가 그리드 (50) 에 연결된 이후에, i 번째 동기 발전기 (20_i) 의 전력은 설정된 값 X 까지 증가될 수도 있고 그 후 (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 가 동기화될 수도 있다. 더 상세히 설명하면, i 번째 동기 발전기 (20_i) 가 그리드 (50) 에 연결된 이후에, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14_i) 의 토크를 증가시켜 동기 발전기 (20_i) 의 전력을 규정된 값 X 까지 상승시킬 수도 있고, 그 후, 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 기초하여 유압 모터 (14_i+1) 의 변위를 조절한다. 더 나아가, 설정된 값 X 는 동기 발전기 (20_i) 의 최저 부하보다 크고, 동기 발전기 (20_i) 의 정격 전력 미만이다. 예를 들어, 설정 값 X 는 동기 발전기 (20_i) 의 정격 전력의 50 % 이상 100 % 미만일 수도 있다.

이러하여 방식으로, i 번째 동기 발전기 (20_i) 가 그리드에 연결된 이후에 i 번째 동기 발전기의 전력은 최저 부하보다 큰 설정 값 X 까지 증가된다. i 번째 동기 발전기의 전력이 설정 값 X 에 도달하면, 저부하 동작 도중에 이용되는 발전기들의 개수를 감소시키기 위하여 (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 의 그리드 (50) 로의 연결이 마련된다. 이를 통하여, 저부하 동작 도중의 풍력 터빈 발전기 (1) 의 효율을 전체적으로 향상시키는 것이 가능하다. 더 나아가, 설정된 값 X 를 동기 발전기 (20_i) 의 정격 전력 미만으로 설정함으로써, 정격 전력 및 설정된 값 X 와의 차분에 상응하는 i 번째 동기 발전기 (20_i) 의 전력의 상승 마진이 확보된다. (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 의 동기화 도중에 야기되는 압축유의 초과 에너지는 i 번째 유압 모터 (14_i) 의 변위의 증가에 의하여 흡수될 수 있다. 그러므로, (i＋1) 번째 유압 모터 (14_i+1) 은 (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 의 동기화에 전념할 수 있고 그리고 이것이 (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 의 동기화를 용이하게 할 수 있다.

도 8 은, 두 개의 동기 발전기들 (20_k) 을 그리드 (50) 에 연결하는 위의 프로세스의 일 예를 설명하는데 이용되는 도면이다.

우선, 풍속계 (33) 에 의하여 측정된 풍속이 t=t₀ 에서의 컷-인 풍속을 초과하고 작동 조건이 설립되면, 액츄에이터 (5) 는 피치 제어기 (7) 의 제어 하에서 블레이드 (4) 의 피치각을 정밀 포지션을 향하여 변경하여 유압 펌프 (12) 로 입력되는 기체 역학적 에너지를 증가시킨다. 이러한 프로세스에서는, 유압 펌프 (12) 의 변위는 펌프 제어 유닛 (44) 에 의하여 0 까지 감소된다. 이를 통하여, 회전 샤프트 (8) 는 유압 펌프 (12) 에 인가되는 기체 역학적 토크에 대응하는 각가속도에서 가속된다.

회전 샤프트 (8) 의 회전 속력이 t=t₁ 에서 설정된 값에 도달하면, 펌프 제어 유닛 (44) 은 유압 펌프 (12) 의 변위를 증가시켜 고압축유의 고압축유 라인 (16) 으로의 공급을 시작하고, 그리고, 압력 센서 (31) 에 의하여 측정되는 고압축유의 압력 P_s를 증가시킨다. 설정된 값은, 예를 들어 정격 회전 속력의 40 내지 60% 의 범위 내의 회전 속력이다. 고압축유의 압력 P_s 가 설정 값에 도달하면, 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력은 피치 제어기 (7) 에 의하여 블레이드 (4) 의 피치각을 조절함으로써 목표 회전 속력으로 유지되고, 그리고 또한 고압축유의 압력 P_s 는 펌프 제어 유닛 (44) 에 의하여 유압 펌프 (12) 의 변위를 조절함으로써 목표 압력으로 유지된다. 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력 및 고압축유의 압력 P_s 가 안정화되고, 첫 번째 유압 모터 (14₁) 가 작동되며, 그 후 유압 모터 (14₁) 의 회전 속력이 정격 회전 속력 W_rated 를 향하여 상승된다. 더 나아가, 유압 모터 (14₁) 를 가속할 때에는, 위에서 설명된 바와 같이, 유압 모터 (14₁) 의 변위는 규정된 회전 속력 w₀ 이 도달될 때까지는 시동 밸브 (17) 및 저압 밸브 (98) 를 이용하고, 그리고 규정된 회전 속력 w₀ 이 도달된 이후에는 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 를 이용하여 조절될 수도 있다. 유압 모터 (14₁) 의 규정된 회전 속력이 도달되면, 첫 번째 동기 발전기 (20₁) 가 작동된다. 그러면, 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 따라서, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14₁) 의 변위를 조절함으로써 동기 발전기측 (20₁) 및 그리드측 (50) 간의 주파수 차분 및 위상차가 규정된 범위 내에 속하도록 한다. 더 나아가, 동기화기 (120) 로부터의 제어 신호에 따라서, 여자기 제어기 (110) 는 계자 권선 (21) 에 흐르는 계자 전류를 조절함으로써, 동기 발전기측 (20₁) 및 그리드측 (50) 간의 전압차가 규정된 범위 내에 속하도록 한다. 이러한 방식으로, 동기 발전기측 (20₁) 및 그리드측 (50) 간의 주파수 차분, 위상차, 및 전압차가 규정된 범위 내에 속하는 동안, 동기화기 (120) 는 차단기 (122) 를 닫기 위한 신호를 공급하고, 그리고 발전기 (20₁) 는 시각 t₂ 에서 그리드 (50) 에 연결된다.

동기 발전기 (20₁) 를 그리드에 연결한 이후에, 블레이드 (4) 의 피치 제어, 및 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14₁) 의 제어는 추후에 상세히 설명되는 통상 제어 모드로 전환된다. 더 상세히 설명하면, 피치 제어기 (7) 는 블레이드 (4) 의 피치각을 대략 정밀 포지션에 고정시킨다. 더 나아가, 도 10 을 이용하여 후술되는 바와 같이, 펌프 제어 유닛 (44) 은 유압 펌프 (12) 의 변위를 조절함으로써 유압 펌프 (12) 의 토크가 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력에 대응하는 값이 되도록 한다. 더 나아가, 도 12 를 참조하여 상세히 후술되는 바와 같이, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14₁) 의 변위를 조절함으로써 고압축유의 압력 P_s 가 목표 압력으로 유지되도록 한다. 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14₁) 의 변위들은 점진적으로 증가되어 동기 발전기 (20₁) 의 전력을 점진적으로 증가시킨다.

동기 발전기 (20₁) 의 전력이 유압 모터 (14₁) 의 변위를 증가시킴으로써 설정된 값 X 에 도달하면, 두 번째 유압 모터 (14₂) 가 작동되고 두 번째 유압 모터 (14₂) 의 회전 속력이 정격 회전 속력 W_rated 을 향하여 상승된다. 유압 모터 (14₁) 에서와 동일한 방식으로, 유압 모터 (14₂) 를 가속할 때, 유압 모터 (14₂) 의 변위는 규정된 회전 속력 w₀ 이 도달될 때까지는 시동 밸브 (17) 및 저압 밸브 (98) 을 이용하여 조절될 수도 있고, 규정된 회전 속력 w₀ 에 도달한 이후에는 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 을 이용하여 조절될 수도 있다. 유압 모터 (14₂) 의 설정된 회전 속력이 도달되면, 두 번째 동기 발전기 (20₂) 가 작동된다. 그러면, 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 따라서 모터 제어 유닛 (48) 이 유압 모터 (14₂) 의 변위를 조절함으로써 동기 발전기측 (20₂) 및 그리드측 (50) 간의 주파수 차분 및 위상차가 규정된 범위 내에 속하도록 한다. 더 나아가, 동기화기 (120) 로부터의 제어 신호에 따라서 여자기 제어기 (110) 가 계자 권선 (21) 에 흐르는 계자 전류를 조절함으로써 동기 발전기 (20₂) 및 그리드측 (50) 간의 전압차가 규정된 범위 내에 속하도록 한다. 이러한 방식으로 동기 발전기 (20₂) 및 그리드측 (50) 간의 주파수 차분, 위상차, 및 전압차가 규정된 범위 내에 있는 동안에, 동기화기 (120) 는 차단기 (122) 를 닫기 위한 신호를 공급하고 동기 발전기 (20₂) 는 시각 t₄ 에서 그리드 (50) 에 연결된다.

동기 발전기 (20₂) 를 그리드 (50) 에 연결한 이후에, 유압 모터 (142) 의 제어는 통상 제어 모드로 전환된다. 더 상세히 설명하면, 도 12 를 추후에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (142) 의 변위를 조절함으로써 고압축유의 압력 P_s 가 목표 압력으로 유지되도록 한다. 그리고, 동기 발전기들 (20₁ 및 20₂) 모두의 전력들을 증가시킴으로써, 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들은 시각 t₅ 에서 정격 전력에 도달한다. 더 상세히 설명하면, 시각 t₅ 에서 풍력 터빈 발전기 (1) 의 정격 전력이 전체적으로 달성된다.

더 나아가, 풍속이 정격 풍속 이하가 되면, 유압 모터들 (14₁, 14₂) 의 변위들은 점진적으로 감소되어 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들을 낮춘다. 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들이 최저 부하에 도달하면, 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 은 그리드로부터 단절된다. 이러한 프로세스에서는, 동기 발전기들 (20) 중 하나는 다른 동기 발전기 (20) 의 전력이 정격 전력으로 유지되는 동안 단절될 수도 있다. 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 을 연결하는 순서는 동기 발전기 (20_i) 및 유압 모터 (14_i) 의 각 세트의 누적 동작 시간, 각 차단기 (122) 의 개폐 주파수 등에 기초를 두어 결정될 수도 있다.

도 8 에 도시된 예에서는, 동기 발전기 (20₁) 의 전력이 정격 전력으로 유지되는 동안 동기 발전기 (20₂) 의 전력은 최저 부하까지 낮춰지고, 그리고 차단기 (122) 는 시각 t₆ 에서 개방되어 동기 발전기 (20₂) 를 그리드 (50) 로부터 단절시킨다. 풍속이 더 감소하면, 동기 발전기 (20₁) 의 전력은 유압 모터 (14₁) 의 변위를 점진적으로 감소시킴으로써 점진적으로 감소된다. 동기 발전기 (20₁) 의 전력이 최저 부하까지 도달하면, 차단기 (122) 는 시각 t₇ 에서 개방되어 동기 발전기 (20₁) 를 그리드 (50) 로부터 단절한다.

대안적으로는, i 번째 (i 는 1 부터 N-1 까지의 임의의 정수) 의 동기 발전기 (20_i) 가 그리드 (50) 에 연결된 이후에, 첫 번째 내지 i 번째 동기 발전기 (20₁ 내지 20_i) 의 전력들이 최저 부하로 유지되는 동안에 (i＋1) 번째 동기 발전기 (20_i+1) 는 동기화될 수도 있다. 더 구체적으로 설명하면, i 번째 동기 발전기 (20_i) 가 그리드 (50) 에 연결된 이후에, 동기 발전기들 (20₁ 내지 20_i) 의 전력들이 유압 모터들 (14₁ 내지 14_i) 의 변위들을 조절함으로써 최저 부하로 유지되는 동안에, 모터 제어 유닛 (48) 은 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 기초하여 유압 모터 (14_i+1) 의 변위를 조절하여, 동기 발전기 (20_i+1) 를 동기화할 수도 있다.

이를 통하여, 풍력 터빈 발전기 (1) 가 발전을 개시하는 지점인 컷-인 풍속과 풍속이 가까운 극단적으로 낮은 부하의 동작 영역을 제외하고는, 풍력 터빈 발전기 (1) 는 유압 모터 (14) 및 동기 발전기 (20) 의 N 개의 세트들 모두를 이용하여 자신의 동작을 개시한다. 그러므로, 컷-인 풍속에 가까운 극단적으로 낮은 부하의 동작 영역을 제외하고는, 동기 발전기 (20) 및 유압 모터 (14) 의 각 세트는 유사하게 취급되고, 따라서 단순한 동작 제어가 달성될 수도 있다. 더 나아가, 동기 발전기 (20) 및 유압 모터 (14) 의 복수의 세트들 간의 불균형 사용이 감소된다.

도 9 는 두 개의 동기 발전기들 (20_k) 을 그리드 (50) 에 연결하는 프로세스의 다른 예를 설명하기 위하여 이용되는 도면이다.

첫 번째 동기 발전기 (20₁) 를 그리드 (50) 에 연결하는 프로세스 (t=t₁₀ 내지 t₁₂) 는 도 8 의 t=t₀ 내지 t₂ 까지의 프로세스와 동일하며, 따라서 더 이상 설명되지 않는다.

첫 번째 동기 발전기 (20₁) 가 그리드 (50) 에 연결되고 그리고 유압 펌프 (12) 및 유압 모터 (14₁) 의 변위들이 안정화된 이후에, 동기 발전기 (20₁) 의 전력이 최저 부하로 유지되는 상태에서는, 두 번째 유압 모터 (14₂) 가 작동되고 그리고 유압 모터 (14₂) 의 회전 속력이 정격 회전 속력 W_rated을 향하여 상승된다. 위에서 설명된 바와 같이, 유압 모터 (14₂) 를 가속할 때, 규정된 회전 속력 w₀ 이 도달될 때까지는 시동 밸브 (17) 및 저압 밸브 (98) 을 이용하고 규정된 회전 속력 w₀이 도달된 이후에는 고압 밸브 (96) 및 저압 밸브 (98) 을 이용하여 유압 모터 (14₂) 의 변위가 조절될 수도 있다. 유압 모터 (14₂) 의 규정된 회전 속력이 도달되면, 두 번째 동기 발전기 (20₂) 가 작동된다. 그러면, 동기화기 (120) 로부터의 명령 값에 따라서, 모터 제어 유닛 (48) 은 유압 모터 (14₂) 의 변위를 조절함으로써 동기 발전기측 (20₂) 과 그리드측 (50) 간의 주파수 차분 및 위상차가 설정된 범위 내에 속하도록 한다. 더 나아가, 동기화기 (120) 로부터의 제어 신호에 따라서, 여자기 제어기 (110) 는 계자 권선 (21) 에 흐르는 계자 전류를 조절함으로써 동기 발전기측 (20₂) 및 그리드측 (50) 간의 전압차가 설정된 범위 내에 속하도록 한다. 이러한 방식으로, 동기 발전기 (20₁) 및 그리드측 (50) 간의 주파수 차분, 위상차, 및 전압차가 규정된 범위 내에 있는 동안에, 동기화기 (120) 는 차단기 (122) 를 닫기 위한 신호를 공급하고, 그리고 동기 발전기 (20₂) 는 시각 t₁₃ 에서 그리드 (50) 에 연결된다.

후속하여, 동기 발전기들 (20₁ 및 20₂) 모두의 전력들을 동일한 부하에서 상승시킴으로써, 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들이 시각 t₁₄ 에서 정격 전력에 도달한다. 더 상세히 설명하면, 시각 t₁₄ 에서 풍력 터빈 발전기 (1) 의 정격 전력이 전체적으로 달성된다.

풍속이 정격 풍속 이하가 되면, 유압 모터들 (14₁, 14₂) 의 변위들은 점진적으로 감소되어 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들을 점진적으로 낮춘다. 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들이 최저 부하에 도달하면, 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 은 그리드 (50) 로부터 단절된다. 이러한 프로세스에서는, 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들이 최저 부하를 향하여 거의 동일한 레이트에서 동시에 감소될 수도 있다.

도 9 에 도시된 예에서는, 유압 모터들 (14₁, 14₂) 의 변위들은 거의 동일한 레이트에서 점진적으로 감소되어 동기 발전기들 (20₁, 20₂) 의 전력들을 감소시킨다. 그러면, 시각 t₁₅ 에서, 그 전력이 최저 부하까지 먼저 감소된 바 있는 동기 발전기 (20₁) 가 단절된다. 이에 후속하여, 시각 t₁₆ 에서는, 동기 발전기 (20₁) 보다 늦게 그 전력이 최저 부하까지 감소된 바 있는 동기 발전기 (20₂) 가 단절된다.

도 8 및 도 9 에 설명된 프로세스에 따라서 순차적으로 동기 발전기 (20_i) 를 연결시키는 경우에는, 시간의 규정된 기간보다 길게 풍속이 컷-인 풍속보다 낮으면, 그리드 (50) 에 연결된 동기 발전기들 (20) 모두가 그리드 (50) 로부터 단절되어 풍력 터빈 발전기 (1) 에 의한 발전을 정지시킬 수도 있다.

풍력 터빈 발전기 (1) 의 정격 전력이 P_rated로 설정되는 경우에서는, N 개의 동기 발전기들 (20) 중 M 개의 동기 발전기의 고장 도중에, 풍력 터빈 발전기 (1) 는 P_rated x (N-M) /N 이하의 전력으로 발전할 수도 있는데, 여기서 M 은 1 내지 (N-1) 의 정수이다. 이를 통하여, 동기 발전기들 (20) 중 하나 이상이 고장 나더라도, 풍력 터빈 발전기는 부분 부하 동작을 계속할 수 있으며, 따라서 발전 기회들의 손실을 회피할 수 있다.

동기 발전기 (20) 의 고장은 단자 전압 검출기 (59) 와 같은 모니터링 유닛에 의하여 검출될 수도 있다. 동기 발전기 (20) 의 고장이 검출되면, 모터 제어 유닛 (48) 은 고장난 발전기 (20) 에 연결된 유압 모터 (14) 의 변위를 0 으로 조절하여 유압 모터 (14) 를 정지시키고, 그리고 잔여 동기 발전기 (20) 는 그리드 (50) 와의 연결을 유지한 상태로 자신의 동작을 계속할 수도 있다.

심지어 동기 발전기들 (20) 모두가 그리드 (50) 으로부터 단절되는 경우에서도, 적어도 하나의 동기 발전기 (20) 는 발전하고 전력을 풍력 터빈 발전기 (1) 의 보조 머신들로 공급하는데 이용될 수도 있다.

(트랜스미션 제어기의 통상 제어 모드)

동기 발전기 (20_k) 의 그리드 (50) 로의 연결 전후를 제외한 풍력 터빈 발전기 (1) 의 동작 도중에, 위의 구조를 가지는 풍력 터빈 발전기 (1) 는 아래에서 설명되는 통상 제어 모드에서 유압 트랜스미션 (10) 을 제어한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 트랜스미션 제어기 (40) 는 최적 토크 결정 유닛 (41), 토크 목표 결정 유닛 (42), 펌프 요구치 결정 유닛 (43), 펌프 제어 유닛 (44), 펌프 목표 전력 결정 유닛 (45), 모터 목표 전력 결정 유닛 (46), 모터 요구치 결정 유닛 (47), 모터 제어 유닛 (48) 및 메모리 유닛 (49) 을 포함한다.

통상 제어 모드에서는, 트랜스미션 제어기 (40) 는 유압 펌프 (12) 의 토크가 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력에 대응하는 값에 도달하도록 유압 펌프 (12) 의 변위를 펌프 제어 유닛 (44) 을 이용하여 조절하고, 그리고 또한 유압 모터 (14_k) 의 목표 출력 전력 POWER_M 에 기초하여 고압축유의 압력 P_s를 목표 압력으로 유지하기 위하여 유압 모터 (14_k) 의 변위를 모터 제어 유닛 (48) 을 이용하여 조절한다. 이것은 주파수 변환 회로를 이용하지 않고 가변 속력 동작을 이네이블하고 또한 출력 평활화 및 발전 효율을 개선하는데, 여기서 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력은 풍속에 대하여 가변이다. 더 나아가, 고압축유의 압력 P_s 는 유압 모터 (14_k) 의 변위를 조절함으로써 목표 압력으로 유지되고, 따라서 풍력 터빈 발전기 (1) 의 동작을 안정된 방식으로 제어하는 것이 가능하다.

이하, 통상 제어 모드에서의 트랜스미션 제어기 (40) 의 각 유닛의 동작들이 설명된다. 트랜스미션 제어기 (40) 의 기능들은 넓게 보면 유압 펌프 (12) 의 제어 및 유압 모터 (14_k) 의 제어로 나뉘어진다. 우선, 유압 펌프 (12) 의 변위를 조절하기 위하여 유압 펌프 (12) 를 제어하는 것이 설명된다. 두 번째로, 유압 모터 (14_k) 의 변위를 조절하기 위하여 이를 제어하는 것이 설명된다.

도 10 은 트랜스미션 제어기 (40) 를 이용하여 유압 펌프 (12) 의 변위를 결정하는 신호 흐름을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 최적 토크 결정 유닛 (41) 은 회전 속력 센서 (32) 에 의하여 검출된 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력 W_r 을 수신하고, 그리고 이 회전 속력 W_r로부터 유압 펌프 (12) 의 최적 토크 T_i를 결정한다. 예를 들어, 최적 토크 결정 유닛 (41) 은 사전 설정되는 W_r-T_i 함수 (회전 속력 W_r 및 최적 토크 T_i와의 함수) 를 메모리 유닛 (49) (도 2 참조) 로부터 판독하고, 그리고 회전 속력 W_r 에 대응하는 최적 토크 T_i 를 W_r-T_i 함수로부터 획득한다.

메모리 유닛 (49) 에 저장되는 W_r-T_i 함수의 일 예가 이제 설명된다.

도 11 은, 회전자 회전 속력 W_r을 가로축에, 그리고 회전자 토크 T 를 세로축에 나타낸 최대 Cp 곡선을 도시하는 그래프이다. 최대 Cp 곡선 (300) 은 전력 계수 Cp 가 최대가 되는 좌표 (W_r, T) 를 연결함으로써 그려지는 곡선이다. 최대 Cp 곡선 (300) 은, 다양한 풍속 (예를 들어, 풍속 V₀ 내지 V₅) 에 대해서 전력 계수 Cp 가 최대가 되는 좌표들 (Z₁ 내지 Z₅) 을 통해서 그려진다.

메모리 유닛 (49) 에 저장되는 W_r-T_i 함수는, 도 11 에서 굵은 선으로 표시되는 바와 같이, 동작점 a 내지 동작점 b 의 범위에서는 최대 Cp 곡선 (300) 에 의하여 정의되고 동작점 b 내지 동작점 c 의 범위에서는 직선에 의하여 정의되는 함수 (310) 일 수도 있다. 함수 (310) 는 회전자 회전 속력이 정격 회전 속력 W_rated 에서 일정한 직선이다. 동작점 a 에 대응하는 풍속 V₀ 는 컷-인 풍속이고 그리고 동작점 c 에 대응하는 풍속 V₄ 는 정격 전력에 도달되는 풍속 (정격 풍속) 이다. 함수 (310) 로부터 최적 토크 T_i 를 결정하기 위하여, 회전 속력 센서 (32) 에 의하여 검출된 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력 W_r 에 대응하는 회전자 토크가 함수 (310) 로부터 획득될 수도 있다.

함수 (310) 를 이용함으로써, 컷-인 풍속 V₀ 내지 풍속 V₃ 사이의 풍속 영역에서는, 유압 펌프 (12) 의 회전 속력 (회전자 회전 속력) W_r 은 초기 회전 속력 w₀ 내지 정격 회전 속력 W_rated 사이의 범위 내의 풍속에 따라서 조절될 수 있음으로써, 전력 계수 Cp 가 최대인 조건에서 풍력 터빈 발전기를 동작시킬 수 있다. 더 상세히 설명하면, 초기 회전 속력 w₀ 및 정격 회전 속력 W_rated 사이의 가변 속력 범위 내에서는, 풍력 터빈 발전기 (1) 는 최대 효율에서 동작할 수 있다. 더 나아가, 풍속 V₃ 내지 정격 풍속 V₄ 사이의 풍속 영역 내에서는, 유압 펌프 (12) 의 회전 속력 W_r 이 정격 회전 속력 W_rated 으로 유지된다. 정격 풍속 V₄ 및 컷 아웃 풍속 사이의 고풍속 영역에서는, 블레이드 (4) 의 피치각이 액츄에이터 (피치 구동 메커니즘) (5) 에 의하여 조정되어 정격 전력을 유지한다.

유압 펌프 (12) 의 획득된 최적 토크 T_i 는 이제, 도 10 에 도시된 바와 같이 토크 목표 결정 유닛 (42) 에 의하여 정정되어 유압 펌프 (12) 의 토크 목표 T_d 를 결정한다.

목표 토크 결정 유닛 (42) 은, 스케일 인자 M 을 이용하여 승산함으로써 최적 토크 T_i 를 조절하여 조절된 최적 토크 MT_i 를 준다. 스케일 계수 M 은 0 내지 1 인 임의의 값일 수 있으며, 통상적으로는 0.9 내지 1 사이일 것이다. 스케일 인자 M 의 승산은, 최적 토크 T_i 에 비하여 유압 펌프 (12) 의 실제의 토크의 다소의 감소를 야기하고, 따라서 돌풍 도중에서 회전자 (2) 가 더 신속하게 가속하도록 허용한다. 이에 상응하여, 펌프 토크가 최적 토크 T_i 로부터 스케일링되지 않은 경우에 비하여 더 많은 전력을 캡쳐하는 것이 가능하다. 스케일 계수 M 은 회전자 (2) 가 더 천천히 감속하도록 야기할 것이며, 따라서 소강 상태들 (lulls) 동안에는 자신의 최적 동작점에서 벗어나서 동작하게 하는데, 하지만 돌풍들의 추적에 기인하여 이용 가능한 추가적인 전력이 소강 상태 동안의 최적-이하 동작에 기인한 전력 손실보다 훨씬 중요하다.

목표 토크 결정 유닛 (42) 에 의하여 획득되는 토크 목표 T_d 는 조절된 최적 토크 MT_i 및 토크 피드백 제어기 (201) 의 출력 전력 간의 차분일 수도 있다. 토크 피드백 제어기 (201) 는, 현재의 토크 목표 및, 회전자 (2) 의 회전 관성 모멘트 J 에 의하여 승산되는 회전자 (2) 의 각가속도 a_r로부터 유도되는 가속도 토크의 합인 추정된 공기 역학적 토크 T_aero 를 연산한다. 토크 피드백 제어기 (201) 의 출력은 추정된 공기 역학적 토크 및 조절된 최적 토크 간의 차분 T_excess 인데, 이것은 피드백 이득 G 에 의하여 승산되어 피드백 토크 T_feedback 을 획득한다. 피드백 이득 G 는 0 이상의 임의의 값일 수도 있는데, 0 의 값은 토크 피드백 제어기 (201) 를 디스에이블하도록 작용한다.

토크 피드백 제어기 (201) 는 조절된 최적 토크 MT_i 로부터 토크를 감산하여 회전자 (2) 의 가속에 응답하여 토크 목표 T_d 를 조금 감소시키고, 그리고 토크를 조절된 최적 토크 MT_i 에 가산하여 회전자 (2) 의 감속에 응답하여 토크 목표 T_d 를 조금 증가시킨다. 이것은 조절된 최적 토크 제어만의 경우에 비하여 더 빨리 입력 풍력 에너지에 응답하여 회전자 (2) 가 가속 및 감속하도록 이네이블하고, 따라서 풍력으로부터의 더 큰 전체 에너지 캡쳐를 허용한다.

토크 목표 결정 유닛 (42) 에 의하여 획득된 토크 목표 T_d 는 펌프 요구치 결정 유닛 (43) 으로 공급되고 그리고 유압 펌프 (12) 의 변위의 요구치 D_P 를 연산하기 위하여 이용된다. 펌프 요구치 결정 유닛 (43) 은 목표 토크 T_d 를 고압축유 라인 (16) 의 측정된 유압 P_s로 제산함으로써 유압 펌프 (12) 의 변위의 요구치 D_p 를 연산한다. 이러한 요구치 D_p 는 압력 리미터 (202) 에 의하여 정정될 수도 있다. 압력 리미터 (202) 는 그 출력 값이 제어기의 요구치 D_p 인 PID 타입 제어기일 수도 있다. 압력 리미터 (202) 는 고압축유 라인 (16) 의 압력을 수락 가능 범위 내에서 유지한다. 더 상세히 설명하면, 유체 전달량 (fluid quanta transfer) 의 펌프에 의하여 요구되는 레이트를 정정함으로써, 고압축유 라인 (16) 의 압력은 풍력 터빈 발전기의 안전 동작을 위하여 허용된 최대 레벨 미만으로 유지된다. 압력 한계치는, 예를 들어 풍력 터빈 발전기가 극단적인 돌풍들 도중에 정격 속력보다 높게 동작하는 것을 방해하기 위하여, 에너지를 릴리프 밸브 (62) 를 통하여 소산하는 소망될만한 몇 가지 동작 모드들에서는 디스에이블될 수도 있다. 대안적으로는, 한계치는 의도된 사용에 의존하여 변경될 수도 있다. 펌프 요구치 결정 유닛 (43) 은 고압축유 라인 (16) 의 오일 온도에 기초하여 유압 펌프 (12) 의 변위의 요구치 D_P 를 정정할 수도 있다.

더 나아가, 펌프 요구치 결정 유닛 (43) 은 조절기 (203) 를 이용하여 풍력 발전 지역 (wind farm) 의 제어기 및 디스패칭 센터 (dispatching center) 와 같은 외부 명령 센터로부터의 전력 요구치 신호에 응답하여 유압 펌프 (12) 의 토크 목표 T_d 를 정정할 수도 있다. 이를 통하여, 외부 명령 센터로부터의 요구치를 만족시키는 충분한 전력을 생산하는 것이 가능하다.

위의 방식에서 연산된 바 있는 변위의 요구치 D_P 는, 이제 펌프 제어 유닛 (44) 으로 전송되고 그리고 유압 펌프 (12) 의 변위는 펌프 제어 유닛 (44) 에 의하여 요구치 D_P 로 조절된다. 예를 들어, 펌프 제어 유닛 (44) 은 고압 밸브 (86) 및 저압 밸브 (88) 의 개폐를 제어하여 액티브 상태의 작동실들 (83) 의 개수의 작동실들의 전체 개수에 대한 비율을 변경시키고, 이에 의하여 유압 펌프 (12) 의 변위를 변위의 요구치 D_P 로 조절한다.

도 12 는 트랜스미션 제어기 (40) 에서 유압 모터 (14_k) 의 변위를 결정하는 신호 흐름을 도시한다.

도면에 도시된 바와 같이, 펌프 목표 전력 결정 유닛 (45) 은, 목표 토크 결정 유닛 (42) 에 의하여 획득된 유압 펌프 (12) 의 토크 목표 T_d 를 회전 속력 센서 (32) 에 의하여 획득된 회전 샤프트 (8) 의 회전 속력 W_r을 이용하여 승산하여 유압 펌프 (12) 의 목표 출력 전력의 베이스 값 POWER₀를 연산한다. 펌프 목표 전력 결정 유닛 (45) 에서는, 정정된 출력 전력 POWER_C 는 풍력 발전 지역의 제어기 및 디스패칭 센터와 같은 외부 명령 센터 (210) 로부터의 전력 요청치 신호 S_d 에 응답하여 조절기 (212) 에 의하여 연산된다. 그러면, 정정된 출력 전력 POWER_C 는 사전에 획득된 바 있는 목표 출력 전력의 베이스 값 POWER₀ 에 가산됨으로써, 유압 펌프 (12) 의 목표 출력 전력 POWER_P 를 연산한다.

모터 목표 출력 결정 유닛 (46) 은, 일차 저역 통과 필터를 이용하여 유압 펌프 (12) 의 목표 출력 전력 POWER_P 를 처리함으로써 유압 모터 (14_k) 의 목표 출력 전력 POWER_M을 연산하는데, 여기서 필터의 전달 함수는 H (s) = 1/ (Ts＋1) 이다.

그러면, 모터 요구치 결정 유닛 (47) 은, 유압 모터 (14_k) 의 목표 출력 전력 POWER_M을, 오일 압력 센서 (31) 에 의하여 측정된 바 있는 측정된 유압 P_s 및 회전 속력 센서 (36) 에 의하여 측정된 유압 모터 (14_k) 의 측정된 회전 속력 W_m을 이용하여 제산함으로써 유압 모터 (14_k) 의 명목 요구치 D_n을 연산한다.

모터 요구치 결정 유닛 (47) 에서는, 정정된 요구치 D_b 가 목표 출력 전력 POWER_M 으로부터 연산되고 그 후에 명목 요구치 D_n 에 가산됨으로써 유압 모터 (14) 의 변위의 요구치 D_m을 획득한다. 예를 들어, 이러한 요구 보정치 D_b 는, 고압축유 라인 (16) 의 목표 압력 P_d 및 압력 센서 (31) 에 의하여 측정된 측정된 유압 P_s간의 차분을 가변 이득 K_P 로 승산함으로써 압력 피드백 제어기 (220) 에 의하여 연산될 수도 있다.

고압축유 라인 (16) 의 목표 압력 P_d 는, 유압 모터의 현재의 목표 출력 전력 POWER_M을 사전에 설정된 목표 모터 출력 전력 및 고압축유 라인 (16) 의 목표 압력 간의 관련성을 표시하는 함수 (230) 에 입력함으로써 연산될 수도 있다. 함수 (230) 는, 모터 목표 출력 전력의 증가에 따라서 고압축유 라인 (16) 의 목표 압력이 단조 증가하는 곡선에 의하여 적어도 부분적으로 정의된다. 그러므로, 유압 모터의 모터 목표 출력 전력이 높은 (즉, 유압 펌프 (12) 의 배출 레이트가 높은) 경우보다 목표 모터 출력 전력이 작은 (즉, 유압 펌프 (12) 의 배출 레이트가 낮은) 경우에서, 고압축유 라인의 목표 압력 P_d 은 더 낮도록 설정된다. 이를 통하여, 목표 모터 출력 전력이 작은 경우에는 유압 펌프 (12) 의 배출 레이트에 대하여 동작유의 내부 누설의 양을 감소시키고, 이에 따라서 유압 트랜스미션 (10) 의 제어에 영향을 미치는 동작유의 내부 누설을 억제하는 것이 가능하다.

가변 이득 K_P 는, 고압축유 라인 (16) 의 현재 압력 (압력 센서에 의하여 검출된 압력) P_s 및 허용 범위 내의 고압축유 라인 (16) 의 최대 압력 P_max 및 최소 압력 P_min 에 따라서 함수 (232) 를 이용하여 결정된다. 예를 들어, 현재 압력 P_s 가 허용 범위 밖에 있는 경우에는 (즉, P_s<P_min 또는 P_s>P_max), 가변 이득 K_P 는 최대 이득 K_max 로 설정되고, 현재 압력 P_s 가 허용 범위 내에 있는 경우에는 (즉, P_s 가 P_min 이상이고 P_max 이하인 경우에는) 의 경우에는 현재 압력 P_s 가 최소 압력 P_min 또는 최대 압력 P_max 에 더 가까워질수록 가변 이득 K_P 는 최대 이득 K_max 를 향하여 증가될 수도 있다. 이를 통하여, 압력 P_s 가 허용 범위로부터 어긋나고 있거나 또는 압력 P_s 가 더 이상 허용 범위 내에 있지 않는 경우에는, 압력 P_s 및 목표 압력 P_d 간의 차분을 승산하는데 이용되는 가변 이득 K_P 를 증가시킴으로써 (또는 가변 이득을 최대 이득 K_max 로 설정함으로써), 고압축유 라인의 압력 P_s 는 신속히 허용 범위 내에 속하도록 조절되고 또한 목표 압력 P_d 에 더 가깝도록 조절된다.

더 나아가, 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압은, 여자기 제어기 (110) 에 의하여 여자기 (100) 를 제어함으로써 유지된다. 예를 들어, 도 6 에 도시된 바와 같이, 비교 회로 (113) 에서, 단자 전압 검출기 (59) 에 의하여 측정된 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압의 측정된 단자 전압 및 동기화기 (120) 로부터 입력된 설정 값 간의 차분이 획득될 수도 있고, 그리고 획득된 차분에 기초하여, 사이리스터 (116) 의 게이트 신호가 AVR (114) 로부터 공급될 수도 있다. 이를 통하여, 동기 발전기 (20_k) 의 계자 권선 (21) 에 공급되는 계자 전류의 크기가 조절되고 이에 따라서 동기 발전기 (20_k) 의 단자 전압이 그리드 전압으로 유지된다.

위에서 설명된 바와 같이, 본 실시 형태들에서는, 유압 모터 (14_k) 의 변위의 명령 값이 동기화기 (120) 로부터 모터 제어 유닛 (48) 으로 공급됨으로써, 동기 발전기들 (20_k) 각각을 연결시키기 이전에, 동기 발전기들 (20_k) 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드 (50) 와 동기화되게 한다. 그러므로, 동기 발전기들 (20_k) 각각 및 그리드 (50) 사이에 주파수 변환 회로가 없어도, 동기화기 (120) 를 이용하여 동기 발전기 (20_k) 가 그리드 (50) 에 연결되기 위한 조건을 생성하는 것이 가능하다.

더 나아가, 유압 모터들 (14_k) 의 변위들은 모터 제어 유닛 (48) 에 의하여 독립적으로 조절되고, 따라서 동기 발전기 (20_k) 및 유압 모터 (14_k) 의 복수의 세트들 중 어떤 세트(들)가 동작을 위하여 이용될지를 자의적으로로 선택하는 것이 가능하다. 그러므로, 필요에 따라서, 동기 발전기 (20_k) 및 유압 모터 (14_k) 의 복수의 세트들 중 일부만을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 저부하 동작 도중에 풍력 터빈 발전기 (1) 의 효율을 전체적으로 향상시키기 위하여, 동기 발전기 (20_k) 및 유압 모터 (14_k) 의 더 적은 세트들이 이용될 수도 있고, 또는 동기 발전기 (20_k) 및 유압 모터 (14_k) 의 하나 이상의 세트들 내에 고장이 존재하면, 동기 발전기 (20_k) 및 유압 모터 (14_k) 의 남아있는 무손실 세트들이 이용되어 발전 기회들을 잃지 않으면서 발전을 계속할 수도 있다.

풍력 터빈 발전기 (1) 에서는, 유압 트랜스미션 (10) 은 회전자 (2) 로부터 발전기 (20_k) 에 동력을 전송하기 위한 드라이브 트레인으로서 이용되고, 따라서 회전 샤프트 (8) 는 발전기 샤프트 (유압 모터 (14_k) 의 출력 샤프트 (15)) 로부터 분리된다. 그러므로, 회전 샤프트 (8) 로부터의 동력을 복수의 부분들로 분할하고 분할된 전력을 두 개 이상의 발전기들 (20_k) 로 입력하는 것이 용이하며, 이에 의하여 복수의 발전기들 (20_k) 을 가지는 풍력 터빈 발전기 (1) 의 단순한 구조를 달성한다.

더 나아가, 복수의 발전기들 (20_k) 을 제공함으로써, 한 대의 발전기만을 가지는 풍력 터빈 발전기에 비하여, 발전기들 (20_k) 의 고장 내성 및 발전 기회들을 향상시키는 것 그리고 또한 저부하 동작 도중에 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 특히, 도 6 의 예에 도시된 여자기 (100) 가 탑재된 동기 발전기 (20_k) 가 영구자석 동기 발전기에 비하여 저부하 동작 도중에 열악한 효율을 가진다는 것이 알려진다. 따라서, 위의 구조를 가지는 복수의 동기 발전기들 (20_k) 을 제공함으로써, 저부하 동작 도중에 효율을 개선하는 현저한 효과를 달성하는 것이 가능하다.

비록 본 발명은 위에서 예시적인 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 이루어질 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백하다.

1 풍력 터빈 발전기
2 회전자
4 블레이드
5 액츄에이터
6 허브
7 피치 제어기
8 회전 샤프트
10 유압 트랜스미션
12 유압 펌프
14 유압 모터1
15 출력 샤프트
16 고압축유 라인
18 저압축유 라인
20 동기 발전기
21 계자 권선
22 엔진실
24 타워
31 압력 센서
32 회전 속력 센서
33 풍속 센서
34 온도 센서
36 회전 속력 센서
40 트랜스미션 제어기
41 최적 토크 결정 유닛
42 목표 토크 결정 유닛
43 펌프 요구치 결정 유닛
44 펌프 제어 유닛
45 펌프 목표 전력 결정 유닛
46 모터 목표 전력 결정 유닛
47 모터 요구치 결정 유닛
48 모터 제어 유닛
49 메모리 유닛
50 그리드
59 단자 전압 검출기
60 바이패스 라인
62 릴리프 밸브
64 어큐뮬레이터
66 솔레노이드 밸브
70 오일 탱크
72 보충 라인
74 부스트 펌프
76 오일 필터
78 반송 라인
79 저압 릴리프 밸브
100 여자기 (AC 여자기)
102 계자 권선
103 회전 정류기
106 영구 자석 발전기
110 여자기 제어기
113 비교 회로
114 AVR
116 사이리스터
120 동기화기
122 차단기
124 단자 전압 검출기
126 그리드 전압 검출기
201 토크 피드백 컨트롤러
202 압력 리미터
203 조절기
210 외부 명령 센터
212 조절기
220 압력 피드백 제어기
300 최대 Cp 곡선
310 Wr-Ti 함수
500 증속 기어
520 2차 권선 유도 발전기
530 AC-DC-AC 컨버터 (주파수 변환 회로)
540 동기 발전기
550 AC-DC-AC 링크 (주파수 변환 회로)

Claims

재생 에너지로부터 전력을 생성하는 재생 에너지 타입 발전 장치로서,
블레이드;
상기 블레이드를 통하여 수신된 재생 에너지에 의하여 회전되는 회전 샤프트;
상기 회전 샤프트에 의하여 구동되며 압축유 (pressurized oil) 를 생성하는 유압 펌프;
상기 압축유에 의하여 구동되는 복수의 유압 모터들;
개재 (intervening) 주파수-변환 회로없이 그리드에 연결되고 그리고 상기 복수의 유압 모터에 개별적으로 커플링되는 복수의 동기 발전기들;
상기 복수의 유압 모터들 각각의 변위를 서로 독립적으로 조절하는 모터 제어부; 및
상기 동기 발전기들이 상기 그리드에 연결되기 이전에, 동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 상기 그리드와 동기되도록, 유압 모터들 각각의 변위의 명령 값을 상기 모터 제어부로 제공하는 동기화기를 포함하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 모터 제어부는, 상기 동기 발전기들 각각이 상기 그리드에 연결된 이후에, 상기 유압 모터들 각각의 목표 출력 값에 기초하여 상기 압축유를 목표 압력으로 유지하기 위하여 상기 유압 모터들 각각의 변위를 제어하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 동기 발전기 및 상기 유압 모터의 세트들의 개수는 N 이고 여기서 N 은 2 이상의 정수이고,
상기 N 개의 동기 발전기들은, 상기 재생 에너지의 유속의 증가에 응답하여 상기 그리드에 순차적으로 연결되며, 그리고
상기 동기 발전기들 각각이 상기 그리드에 연결되기 이전에, 상기 모터 제어부는 상기 동기화기로부터의 상기 명령 값에 기초하여 상기 유압 모터들 각각의 변위를 조절하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 모터 제어부는:
상기 N 개의 동기 발전기들 중 i 번째 동기 발전기가 상기 그리드에 연결된 이후에, 상기 i 번째 동기 발전기의 출력이 상기 i 번째 동기 발전기의 정격 전력보다 낮고 상기 i 번째 동기 발전기의 최저 부하보다 높은 설정값에 도달할 때까지 상기 i 번째 동기 발전기에 커플링된 i 번째 유압 모터의 변위를 증가시키고, 여기서 i 는 1 로부터 N－1 까지의 임의의 정수이고; 그리고 그 이후에
상기 N 개의 동기 발전기들 중 (i＋1) 번째 동기 발전기가 상기 그리드에 연결되기 이전에, 상기 동기화기로부터의 상기 명령 값에 기초하여 상기 (i＋1) 번째 동기 발전기에 커플링된 (i＋1) 번째 유압 모터의 변위를 조절하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 설정값은, 상기 i 번째 동기 발전기의 정격 전력의 50% 이상 100% 미만인, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 모터 제어부는,
상기 N 개의 동기 발전기들 중 i 번째의 동기 발전기가 상기 그리드에 연결된 이후에, 첫 번째로부터 i 번째의 동기 발전기들의 출력들을 최저 부하로 유지하기 위하여 첫 번째로부터 i 번째 유압 모터들의 변위들을 서로 독립적으로 조절하고, 여기서 i 는 1 로부터 N－1 까지의 임의의 정수이고; 그리고
상기 N 개의 동기 발전기들 중 (i＋1) 번째 동기 발전기가 상기 그리드에 연결되기 이전에, 상기 동기화기로부터의 상기 명령 값에 기초하여 상기 (i＋1) 번째 동기 발전기에 커플링된 (i＋1) 번째 유압 모터의 변위를 조절하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 블레이드의 피치각을 조절하는 피치 제어부; 및
상기 유압 펌프의 변위를 조절하는 펌프 제어부를 더 포함하고,
상기 N 개의 동기 발전기들 중 첫 번째 동기 발전기가 상기 그리드에 연결되기 이전에, 상기 회전 샤프트의 회전 속력을 목표 회전 속력으로 유지하기 위하여 상기 블레이드의 피치각이 상기 피치 제어부에 의하여 조절되고 그리고 상기 압축유를 목표 압력으로 유지하기 위하여 상기 유압 펌프의 변위가 상기 펌프 제어부에 의하여 조절되는 상태에서, 상기 모터 제어부가 상기 동기화기로부터의 상기 명령 값에 기초하여 상기 첫 번째 동기 발전기에 커플링된 첫 번째 유압 모터의 변위를 조절하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 동기 발전기들을 상기 그리드에 연결하는 순서는, 상기 동기 발전기 및 상기 유압 모터의 세트들 각각의 누적 동작 시간 및 상기 동기 발전기들 각각 및 상기 그리드 간의 연결 상태를 전환하는 각각의 차단기의 개폐 주파수 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 유압 펌프의 변위를 조절하는 펌프 제어부를 더 포함하고,
상기 N 개의 동기 발전기들 중 i 번째 동기 발전기가 상기 그리드에 연결된 이후에, 상기 i 번째 동기 발전기의 출력을 점진적으로 증가시키도록, 상기 펌프 제어부가 상기 유압 펌프의 변위를 조절하고 그리고 상기 모터 제어부가 상기 i 번째 동기 발전기에 커플링된 i 번째 유압 모터의 변위를 조절하며, 여기서 i는 1 로부터 (N－1) 까지의 임의의 정수인, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 N 개의 동기 발전기들 중 M개의 고장 동안에, 상기 재생 에너지 타입 발전 장치는 P_rated x (N－M) /N 이하로 발전하고, 여기서 M 은 1 내지 (N－1) 의 정수이고 그리고 P_rated 는 상기 재생 에너지 타입 발전 장치의 정격 전력인, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 재생 에너지의 유속이 상기 재생 에너지 타입 발전 장치가 발전을 개시하는 컷-인 유속 미만으로 떨어지면, 상기 재생 에너지 타입 발전 장치의 발전을 중단시키기 위하여 상기 그리드에 연결된 바 있는 상기 동기 발전기들 모두가 단절되는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 동기 발전기들 모두가 상기 그리드로부터 단절되면, 상기 동기 발전기들 중 적어도 하나가 상기 재생 에너지 타입 발전 장치의 보조 디바이스로 공급될 전력을 생성하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
유압 모터들 각각은:
실린더 및 피스톤에 의하여 각각 둘러싸이는 복수의 작동실들;
작동실들 각각으로 상기 압축유를 공급하기 위한 복수의 고압 밸브들;
작동실들 각각으로부터 상기 압축유를 배출하기 위한 복수의 저압 밸브들; 및
상기 작동실들, 상기 고압 밸브들 및 상기 저압 밸브들이 배치되는 케이싱을 포함하며,
상기 재생 에너지 타입 발전 장치는 상기 유압 모터들 각각에 대하여 상기 케이싱의 외부에 제공되는 시동 밸브를 더 포함하고, 그리고
상기 유압 모터들 각각을 작동시킬 때, 상기 모터 제어부는:
상기 시동 밸브 및 상기 저압 밸브들의 개폐를 제어하여 상기 유압 모터를 목표 밸브-전환 회전 속력까지 가속함으로써 상기 압축유가 공급 및 배출되는 상기 작동실들의 개수를 조절하고; 그리고
상기 고압 밸브들 및 상기 저압 밸브들의 개폐를 제어하여 상기 유압 모터를 상기 목표 밸브-전환 회전 속력보다 높게 추가 가속함으로써 상기 압축유가 공급 및 배출되는 상기 작동실들의 개수를 조절하는, 재생 에너지 타입 발전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 재생 에너지 타입 발전 장치는, 상기 재생 에너지의 형태에서 풍력으로부터 전력을 생성하는 풍력 터빈 발전기인, 재생 에너지 타입 발전 장치.
블레이드를 통하여 수신된 재생 에너지에 의하여 회전되는 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트에 의하여 구동되며 압축유를 생성하는 유압 펌프; 상기 압축유에 의하여 구동되는 복수의 유압 모터들; 및 상기 복수의 유압 모터에 개별적으로 커플링되는 복수의 동기 발전기들을 포함하는 재생 에너지 타입 발전 장치를 동작시키는 방법으로서,
상기 동기 발전기들 각각의 단자 전압의 주파수 및 위상이 그리드와 동기되도록, 동기화기로부터의 명령 값에 기초하여, 독립적으로 상기 복수의 유압 모터들의 변위들을 조절하는 단계; 및
상기 변위들을 조절하는 단계 이후에, 개재 주파수 변환 회로 없이 상기 복수의 동기 발전기들을 상기 그리드에 연결하는 단계를 포함하는, 재생 에너지 타입 발전 장치의 동작 방법.