KR20130124028A

KR20130124028A - 풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20130124028A
Application number: KR1020120047615A
Authority: KR
Inventors: 김용규; 백원덕
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-11-13
Also published as: KR101337651B1

Abstract

풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지의 출력을 제어하는 풍력발전단지 제어 시스템은, 각 풍력발전기로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값을 체크하는 출력 전력량 체크부, 상기 각 풍력발전기의 개별 풍속을 수집하고 상기 각 풍력발전기의 운용을 위한 제어신호를 전송하는 통신부, 상기 각 풍력발전기의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 파악하는 출력 성능 비교부, 상기 풍력발전단지의 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값을 설정하고, 상기 출력 전력 값 및 상기 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출하는 출력 요구량 산출부, 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기를 선택하여 그룹핑(Grouping)하는 풍력발전기 선택부 및 상기 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 조절하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OUTPUT CONTROL OF WIND FARM}

본 발명은 풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전단지는 육상이나 해상에서 바람으로 발전기를 돌려 에너지를 생산하는 풍력발전기가 복수로 설치된 장소를 의미한다.

이러한 풍력발전단지의 규모가 증가 함에 따라 풍력발전단지의 전력 출력량이 증가하여 기존의 전력망에 많은 영향을 끼치게 된다.

특히, 초기 풍력발전단지의 급격한 전력 투입은 전력계통의 전압 및 주파수의 불안정성을 초래 할 수 있으므로 풍력발전단지에서 출력되는 에너지를 서서히 증가 시켜야 한다. 그래서 각 국가의 기관 또는 전력회사에서는 대규모 풍력발전단지의 계통 투입 시 일정한 기울기로 출력량을 증가시키는 내용에 대해 규정으로 관리하고 있다.

한편, 종래에는 풍력발전단지에서의 전력 투입시의 문제점을 방지하고자 풍력발전단지의 전력 출력량을 서서히 증가시키는 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식을 풍력발전단지 운영 시스템을 통해 구현하고 있다.

한편, 풍력발전단지내의 각 풍력발전기들은 서로 수십 내지 수 킬로미터로 이격 설치되고 풍력발전단지내의 지형 및 이웃한 풍력발전기의 영향 등의 주변환경에 따라 풍속 조건이 서로 다른 상태에 놓이게 된다.

반면, 종래의 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식은 풍력발전단지의 전력 출력량을 일정하게 유지하기 위하여 풍력발전단지내의 모든 풍력발전기의 피치각을 일괄 조절하여 전력 출력량을 조절한다.

즉, 종래의 전력 출력량 제어는 각 풍력발전기의 개별 풍속을 고려하지 않고, 각 풍력발전기가 출력량을 일정하게 증가 시키기 위해 피치각을 제어하여 출력량을 조절하게 된다.

그러나, 위와 같이 모든 풍력발전기들의 피치시스템을 이용하여 풍력발전단지의 전력 출력량을 제어할 경우, 전체 풍력발전기의 피치시스템 기동에 따른 전력 손실이 발생하게 되는 문제가 있다.

또한, 풍력발전기의 나셀에 설비되는 고가의 핵심 부품인 피치 시스템의 피로도 증가로 인한 유지보수비용의 증가 및 그 내구성이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명의 실시 예는 풍력발전단지에 설치된 개별 풍력발전기의 풍속정보와 파워 커브를 고려하여 풍력발전단지의 전력 출력량을 안정적으로 증가시키고, 동시에 각 풍력발전기의 피치 시스템 가동을 최소화하여 내구성을 향상시키는 풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전단지의 출력을 제어하는 풍력발전단지 제어 시스템은, 각 풍력발전기로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값을 체크하는 출력 전력량 체크부; 상기 각 풍력발전기의 개별 풍속을 수집하고 상기 각 풍력발전기의 운용을 위한 제어신호를 전송하는 통신부; 상기 각 풍력발전기의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 파악하는 출력 성능 비교부; 상기 풍력발전단지의 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값을 설정하고, 상기 출력 전력 값 및 상기 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출하는 출력 요구량 산출부; 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기를 선택하여 그룹핑(Grouping)하는 풍력발전기 선택부; 및 상기 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 조절하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 통신부는, 내부 네트워크를 통해 상기 풍력발전기들로부터 상기 개별 풍속을 수집하고 각 풍력발전기의 운용을 위한 제어신호를 전송하는 통신부를 더 포함한다.

또한, 상기 풍력발전기는, 내부 네트워크를 통해 상기 풍력발전단지 제어 시스템의 통신부와 연결되는 통신 모듈; 나셀의 상부에 설치되어 상기 풍력발전기로 불어오는 풍속을 측정하는 풍속 측정 모듈; 인가되는 상기 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각도를 조절하여 로터(Rotor)의 회전속도에 따른 출력전력을 조절하는 피치 제어 모듈; 로터의 회전력으로 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 발전 모듈; 상기 생산되는 전력을 계통망으로 전달하기 위한 전력으로 변환하여 출력하는 전력 변환 모듈; 및 상기 전력 변환 모듈에서 출력되는 전력 값을 체크하여 상기 통신 모듈을 통해 상기 통신부로 전달하는 제어 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 출력 전력량 체크부는, 계통망에 연결되는 다기능 릴레이(Multi-Function Relay) 장비를 통해 상기 각 풍력발전기의 주파수 및 전압을 측정할 수 있다.

또한, 상기 출력 성능 비교부는, 상기 풍력발전기의 출력 기준 값에서 상기 풍속에 따른 현재 출력 값을 뺀 값으로 상기 증가 출력 가능한 전력 값을 계산할 수 있다.

또한, 상기 출력 요구량은, 운영자에 의해 설정된 상기 풍력발전단지의 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식에 따른 상기 풍력발전단지의 유효전력 출력 기울기를 포함할 수 있다.

상기 풍력발전기 선택부는, 상기 풍력발전기를 선택적으로 그룹핑하기 위한 릴레이 스위치 장비를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 풍력발전단지의 출력 증가 시 이미 한계 출력 상태에 있는 풍력발전기는 출력 증가를 위한 그룹핑 대상에서 제외시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 복수의 풍력발전기를 운용하는 풍력발전단지 제어 시스템이 풍력발전단지의 출력을 제어하는 방법은, a) 각 풍력발전기로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 풍력발전단지의 출력 전력 값을 산출하는 단계; b) 각 풍력발전기의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 각 풍력발전기에서 증가출력 가능한 전력 값을 산출하는 단계; c) 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값 및 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출하는 단계; d) 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기를 선택하여 그룹핑(Grouping)하는 단계; 및 e) 상기 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 조절하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 a) 단계 이전에, 상기 풍력발전단지의 목표 출력 값 및 출력 기울기 값을 포함하는 상기 출력 기준 값을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값과 상기 출력 기준 값을 비교하여 오차 값을 계산하는 단계; 및 상기 오차 값을 이용하여 풍력발전단지의 출력 요구량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는, 상기 증가 출력 가능한 전력 값의 합이 상기 출력 요구량을 충족시키는 복수의 풍력발전기를 선택할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는, 한계 출력 상태에 있는 풍력발전기는 출력 증가를 위한 상기 그룹핑 대상에서 제외시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 풍력발전단지 내의 개별 풍력발전기들의 풍속정보와 파워 커브를 고려한 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식에 따라 풍력발전기들을 선택적으로 제어함으로써 풍력발전단지의 전력 출력량을 안정적으로 증가시킬 수 있다.

그리고, 풍력발전기들을 선택적으로 그룹핑하고 그 출력량을 조절함으로써, 종래에 풍력단지내의 각 풍력발전기의 피치각을 일괄 조절하여 출력량을 조절함에 따라 발생되는 전력손실과 그로 인한 각 피치 시스템의 내구성 감소를 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 커브 테이블(Power Curve Table)을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파워 커브와 시동풍속 및 정지풍속을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지의 출력 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서 풍력발전기의 출력은 각 풍력발전기의 개별 전력 값을 의미하고, 풍력발전단지의 출력은 풍력발전단지에 설치된 개별 풍력발전기들의 개별 전력 값을 모두 합산한 출력 전력 값을 의미한다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지의 출력 제어 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지를 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지는 풍력발전단지 내에 복수로 설치되는 풍력발전기(10) 및 각 풍력발전기(10)들과 내부 네트워크로 연결되어 전력 출력량을 제어하는 풍력발전단지 제어 시스템(Wind Farm Control System)(100)을 포함한다.

도 1에서는 풍력발전단지에 모두 12기의 풍력발전기들(10-1~10-12)이 설치된 것으로 가정하였으나 그 수가 이에 한정되지 않는다.

풍력발전기들(10-1~10-12)은 풍력발전단지 내의 지형 및 이웃한 풍력발전기의 영향 등의 이유로 서로 다른 풍속(m/s) 크기를 갖는다.

또한, 각 풍력발전기들(10-1~10-12)의 풍속이 서로 다르기 때문에 그 로터 블레이드의 회전속도에 따라 생산되는 출력 전력(Power output) 또한 서로 다르다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 파워 커브 테이블(Power Curve Table)을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파워 커브와 시동풍속 및 정지풍속을 나타낸 그래프이다.

첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 파워 커브 테이블 및 파워 커브 그래프는 풍속이 3.0 m/s 내지 20.0 m/s 일 때에 대응되는 풍력발전기(10)의 출력 전력이 0.04 MW 내지 2.5 MW로 변화되는 것을 보여준다. 여기서, 파워 커브(Power Curve)는 풍력발전기(10)의 출력성능을 나타내는 중요한 지표로서 출력곡선 또는 성능곡선이라고도 한다.

상기 도 3에서 시동 풍속(Cut-in speed)은 풍력발전기(10)가 실제 가동하기 시작하는 풍속(3.0 m/s)을 의미하고, 정지 풍속(Cut-out speed)은 풍력발전기(10)를 정지 시키는 풍속(20 m/s)을 의미한다.

상기 시동풍속(Cut-in speed)은 풍력발전기(10)를 실제 가동하여 전력을 생산하기 시작하는 풍속이기 때문에 가급적 낮을수록 좋지만, 너무 낮은 풍속에서 가동되는 경우 터빈이 자체적으로 소모하는 전력보다 생산된 전력이 적을 수 있으므로 약 3.0m/s 정도로 설정된다.

반면, 상기 정지풍속(Cut-out speed)은 태풍 또는 돌풍 등으로 풍속이 너무 커졌을 때 풍력발전기(10)를 보호하기 위해 정지시키는 한계 풍속으로써 발전기마다 설정이 다를 수 있지만 안정성 확보를 위해 20m/s 정도의 풍속에서 가동을 중지한다.

또한, 도 2 및 도 3의 파워 커브 테이블 및 그래프를 참조하면, 풍속이 15 m/s 내지 20 m/s 에서는 한계 출력(Rated output power)을 유지하기 때문에 실질적인 한계 출력을 위한 풍속은 15 m/s이므로, 풍력발전기(10)를 운용함에 있어서 적절한 풍속은 약 12 내지 15 m/s인 것으로 볼 수 있다.

여기에서, 상기한 도 2의 파워 커브는 2.5 MW급 풍력발전기를 가정한 것임으로 이에 한정되지 않으며 그 시동풍속 및 정지풍속 또한 운용자의 설정에 따라 조정될 수 있다.

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 각 풍력발전기(10-1~10-12)와 통신을 통해 개별 제어가 가능하다.

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 풍력발전단지의 전력 출력량이 개별 풍력발전기(10-1~10-12)들의 개별 출력량의 합으로 계산되는 점과 풍력발전단지내의 지형, 이웃한 풍력발전기의 영향 등의 이유로 각 풍력발전기로 불어오는 풍속의 크기는 다르다는 점을 이용하여 출력 증발율 제어(Ramp Rate Limitation Control)를 구현한다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기(10)는 통신 모듈(11), 풍속 측정 모듈(12), 피치 제어 모듈(13), 발전 모듈(14), 전력 변환 모듈(15) 및 제어 모듈(16)을 포함한다.

통신 모듈(11)은 풍력발전단지의 내부 네트워크를 통해 풍력발전단지 제어 시스템(100)과 연결되고, 풍력발전기의 출력 제어를 위한 정보를 주고 받는다.

풍속 측정 모듈(12)은 나셀의 상부에 설치되는 나셀 풍속계(Nacelle anemometer)로 당해 풍력발전기(10)로 불어오는 풍속을 측정한다.

피치 제어 모듈(13)은 인가되는 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각도를 조절하여 로터(Rotor)의 회전속도에 따른 출력전력을 능동적으로 조절한다.

발전 모듈(14)은 로터의 회전력으로 터빈을 구동하여 전력을 생산한다.

전력 변환 모듈(15)은 발전 모듈(14)에서 생산되는 전력을 전송 선로를 통해전력 계통(Grid)으로 전달하기에 적절한 전력으로 변환하여 출력한다.

제어 모듈(16)은 전력 변환 모듈(15)에서 출력되는 전력 값을 체크하여 상위 풍력발전단지 제어 시스템(100)으로 전달한다.

한편, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지 제어 시스템(100)은 출력 전력량 체크부(110), 통신부(120), 출력 성능 비교부(130), 출력 요구량 산출부(140), 풍력발전기 선택부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.

출력 전력량 체크부(110)는 각 풍력발전기(10)로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 풍력발전단지의 현재 출력 전력 값을 체크한다.

이 때, 출력 전력량 체크부(110)는 계통망에 연결되는 다기능 릴레이(Multi-Function Relay) 장비를 통해 각 풍력발전기(10)의 주파수 및 전압을 측정할 수 있다.

통신부(120)는 풍력발전단지의 내부 네트워크를 통해 각 풍력발전기(10)의 풍속정보를 수집하고 각 풍력발전기(10)의 운용을 위한 제어신호를 전송한다.

출력 성능 비교부(130)는 수집되는 각 풍력발전기(10)의 개별 풍속과 저장된 파워 커브 테이블(도2 참조)을 비교하여 각 풍력발전기(10)의 증가 출력 가능한 전력 값을 파악한다.

여기서, 상기 증가 출력 가능한 전력 값은 출력 기준 값에서 현재 출력 값을 뺀 값으로 각 풍력발전기(10)의 현재 전력 출력량에서 추가적인 출력 증가가 가능한 성능정보를 의미한다.

출력 요구량 산출부(140)는 풍력발전단지의 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값을 설정하고, 상기 현재 출력 값 및 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출한다.

여기서, 상기 출력 기준 값은 풍력발전 단지의 규모 및 계통망과의 연계를 고려한 규정에 따라 설정되는 것으로 풍력발전단지의 목표 출력 값 및 출력 기울기 값(안정적인 출력 증가 속도)을 포함한다.

즉, 출력 요구량 산출부(140)는 풍력발전단지의 현재 출력 값과 상기 출력 기준 값을 비교하여 오차 값을 산출하고, 산출되는 상기 오차 값을 이용하여 풍력발전단지의 출력 전력 값을 현재 출력 값에서 출력 기준 값 까지 안정된 속도로 일정하게 증가시키기 위한 출력 요구량을 계산한다.

이 때, 상기 출력 요구량은 풍력발전단지 운영자 또는 계통망 운영자에 의해 설정된 풍력발전단지의 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식에 따른 안정적인 유효전력 출력 기울기를 포함한다.

풍력발전기 선택부(150)는 출력 성능 비교부(130) 및 출력 요구량 산출부(140)로부터 개별 풍력발전기(10)들의 증가 출력 가능한 전력 값 및 출력 요구량을 수신하면, 수신된 각 풍력발전기(10)의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기(10)를 선택하여 그룹핑(Grouping)한다.

또한, 풍력발전기 선택부(150)는 서로 다른 증가율로 제어하기 위한 복수의 그룹을 생성할 수 있으며, 각 풍력발전기(10)들의 풍속조건이 변화됨에 따라 필요시 그룹을 해제하거나 변경할 수 있다.

또한, 풍력발전기 선택부(150)는 풍력발전기(10)를 선택적으로 그룹핑하기 위한 릴레이 스위치 장비를 포함할 수도 있다.

제어부(160)는 풍력발전단지의 출력 제어를 위한 상기 각 부의 동작을 제어한다.

특히, 제어부(160)는 풍력발전기 선택부(150)에 의해 선택되거나 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 출력 요구량에 맞게 조절하여 안정적인 출력 증가와 함께 풍력발전단지의 전체 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어한다.

예컨대, 규정에 의해 정해진 출력 기준 값이 2.1MW/min일 경우를 가정할 때 풍력발전기 선택부(150)는 각 풍력발전기(10)들의 개별 풍속 데이터와 여기에 해당하는 풍력발전기들(10)의 파워 커브(Power Curve)를 참조하여 증가 출력 가능한 전력 값이 출력 요구량을 맞출 수 있는 풍력발전기들(10)을 선택하여 그룹핑 하게 된다.

가령, 상기 도 2의 파워 커브 테이블(Power Curve Table)과 같은 특성을 각 풍력발전기들(10-1~10-12)이 가질 경우, 제어부(160)는 증가 출력이 가능한 제3 풍력발전기(10-3, 풍속:11m/s, 출력:1.8MW) 및 제6 풍력발전기(10-6, 풍속:6m/s, 출력:0.3MW)가 하나로 그룹핑된 상태에서 운전을 시작하도록 제어할 수 있다.

또한, 제어부(160)는 증가 출력이 가능한 제4 풍력발전기(10-4, 풍속:10m/s, 출력:1.3MW)와 제7 풍력발전기(10-7(풍속:9m/s, 출력:0.8MW))가 하나로 그룹핑된 상태로 출력을 제어할 수 있다.

반면, 제어부(160)는 풍력발전단지의 출력 증가 시 이미 한계 출력(15 m/s, 2.5MW) 상태에 있는 풍력발전기(10)를 출력 증가를 위한 그룹핑 대상에서 제외(해제)시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지 제어 시스템(100)은 지정된 출력량의 범위에 있는 개별 풍력발전기(10)를 선택적으로 그룹핑하여 가동을 시킴으로써 풍력발전단지의 출력 증가량을 일정하게 유지할 수 있으며, 피치 제어를 사용하지 않아 피치 시스템의 내구성을 증가할 수 있게 된다.

한편, 도 6을 통하여 상기한 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지 제어 시스템(100)의 구성을 바탕으로 하는 풍력발전단지의 출력 제어 방법을 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지의 출력 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전단지 제어 시스템(100)은 계통망 규정 또는 풍력발전단지의 운영자에 의해 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어를 위한 풍력발전단지의 목표 출력 값 및 출력 기울기 값을 입력 받는다. 그리고, 이를 풍력발전단지의 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값으로 설정한다(S110).

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 각 풍력발전기(10)로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고, 이를 합산하여 풍력발전단지의 현재 출력 전력 값을 산출한다(S120).

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 각 풍력발전기(10)의 풍속정보를 수집하고, 수집된 각 풍력발전기(10)의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 각 풍력발전기(10)에서 증가출력 가능한 전력 값을 산출한다(S130).

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 풍력발전단지의 현재 출력 전력 값과 상기 출력 기준 값을 비교하여 오차 값을 산출하고, 산출되는 오차 값을 이용하여 풍력발전단지의 현재 출력 전력 값을 출력 기준 값까지 일정하게 증가시키기 위한 출력 요구량을 계산한다(S140).

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 각 풍력발전기(10)의 출력 가능한 전력 값을 참조하여 상기 증가 출력 가능한 전력 값의 합이 상기 출력 요구량을 충족시키는 복수의 풍력발전기(10)를 선택하여 그룹핑한다(S150).

풍력발전단지 제어 시스템(100)은 상기 그룹핑된 풍력발전기(10)들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 가동하여 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어한다(S160).

즉, 풍력발전단지 제어 시스템(100)은 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어를 통해 안정적인 출력 기울기 값을 갖도록 출력 전력 값을 증가시켜 목표 출력 값에 도달할 수 있도록 그룹핑된 풍력발전기(10)들을 제어한다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 풍력발전단지내의 개별 풍력발전기(10)의 풍속정보와 파워 커브를 고려한 출력 증발율 제어 방식에 따라 풍력발전기들을 선택적으로 제어함으로써 풍력발전단지의 전력 출력량을 안정적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 풍력발전기들을 선택적으로 그룹핑하여 그 출력량을 조절함으로써 종래에 풍력단지내의 각 풍력발전기의 피치각을 일괄 조절하여 출력량을 조절함에 따라 발생되는 전력손실과 그로 인한 각 피치 시스템의 내구성 감소를 예방할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 풍력발전기 11: 통신 모듈
12: 풍속 측정 모듈 13: 피치 제어 모듈
14: 발전 모듈 15: 전력 변환 모듈
16: 제어 모듈 100: 풍력발전단지 제어 시스템
110: 출력 전력량 체크부 120: 통신부
130: 출력 성능 비교부 140: 출력 요구량 산출부
150: 풍력발전기 선택부 160: 제어부

Claims

풍력발전단지의 출력을 제어하는 풍력발전단지 제어 시스템에 있어서,
각 풍력발전기로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값을 체크하는 출력 전력량 체크부;
상기 각 풍력발전기의 개별 풍속을 수집하고 상기 각 풍력발전기의 운용을 위한 제어신호를 전송하는 통신부;
상기 각 풍력발전기의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 파악하는 출력 성능 비교부;
상기 풍력발전단지의 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값을 설정하고, 상기 출력 전력 값 및 상기 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출하는 출력 요구량 산출부;
상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기를 선택하여 그룹핑(Grouping)하는 풍력발전기 선택부; 및
상기 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 조절하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어하는 제어부
를 포함하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 통신부는,
내부 네트워크를 통해 상기 풍력발전기들로부터 상기 개별 풍속을 수집하고 각 풍력발전기의 운용을 위한 제어신호를 전송하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 풍력발전기는,
내부 네트워크를 통해 상기 풍력발전단지 제어 시스템의 통신부와 연결되는 통신 모듈;
나셀의 상부에 설치되어 상기 풍력발전기로 불어오는 풍속을 측정하는 풍속 측정 모듈;
인가되는 상기 제어신호에 따라 블레이드의 피치 각도를 조절하여 로터(Rotor)의 회전속도에 따른 출력전력을 조절하는 피치 제어 모듈;
로터의 회전력으로 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 발전 모듈;
상기 생산되는 전력을 계통망으로 전달하기 위한 전력으로 변환하여 출력하는 전력 변환 모듈; 및
상기 전력 변환 모듈에서 출력되는 전력 값을 체크하여 상기 통신 모듈을 통해 상기 통신부로 전달하는 제어 모듈
중 적어도 하나를 포함하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 전력량 체크부는,
계통망에 연결되는 다기능 릴레이(Multi-Function Relay) 장비를 통해 상기 각 풍력발전기의 주파수 및 전압을 측정하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 성능 비교부는,
상기 풍력발전기의 출력 기준 값에서 상기 풍속에 따른 현재 출력 값을 뺀 값으로 상기 증가 출력 가능한 전력 값을 계산하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 요구량은,
운영자에 의해 설정된 상기 풍력발전단지의 출력 증발율(Ramp Rate Limitation) 제어 방식에 따른 상기 풍력발전단지의 유효전력 출력 기울기를 포함하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 풍력발전기 선택부는,
상기 풍력발전기를 선택적으로 그룹핑하기 위한 릴레이 스위치 장비를 포함하는 풍력발전단지 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 풍력발전단지의 출력 증가 시 이미 한계 출력 상태에 있는 풍력발전기는 출력 증가를 위한 그룹핑 대상에서 제외시키는 풍력발전단지 제어 시스템.
복수의 풍력발전기를 운용하는 풍력발전단지 제어 시스템이 풍력발전단지의 출력을 제어하는 방법에 있어서,
a) 각 풍력발전기로부터 출력되는 개별 전력 값을 수집하고 이를 합산하여 풍력발전단지의 출력 전력 값을 산출하는 단계;
b) 각 풍력발전기의 개별 풍속과 파워 커브 테이블을 비교하여 각 풍력발전기에서 증가출력 가능한 전력 값을 산출하는 단계;
c) 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값 및 안정적인 출력 증가를 위한 출력 기준 값 대비 출력 요구량을 산출하는 단계;
d) 상기 각 풍력발전기의 증가 출력 가능한 전력 값을 바탕으로 상기 출력 요구량을 충족시킬 수 있는 복수의 풍력발전기를 선택하여 그룹핑(Grouping)하는 단계; 및
e) 상기 그룹핑된 풍력발전기들의 출력을 상기 출력 요구량에 맞게 조절하여 상기 풍력발전단지의 출력 전력 값이 상기 출력 기준 값을 유지하도록 제어하는 단계
를 포함하는 풍력발전단지의 출력 제어 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 a) 단계 이전에,
상기 풍력발전단지의 목표 출력 값 및 출력 기울기 값을 포함하는 상기 출력 기준 값을 설정하는 단계를 더 포함하는 풍력발전단지의 출력 제어 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 c) 단계는,
상기 풍력발전단지의 출력 전력 값과 상기 출력 기준 값을 비교하여 오차 값을 계산하는 단계; 및
상기 오차 값을 이용하여 풍력발전단지의 출력 요구량을 산출하는 단계
를 포함하는 풍력발전단지의 출력 제어 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 d) 단계는,
상기 증가 출력 가능한 전력 값의 합이 상기 출력 요구량을 충족시키는 복수의 풍력발전기를 선택하는 풍력발전단지의 출력 제어 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 d) 단계는,
한계 출력 상태에 있는 풍력발전기는 출력 증가를 위한 상기 그룹핑 대상에서 제외시키는 풍력발전단지의 출력 제어 방법.