KR20140027598A - 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법이 개시된다. 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치는, 블레이드의 회전에 따른 회전력을 전달하는 회전축에 순차 연결되어, 저풍속 범위 및 고풍속 범위에서 각각 발전 가능한 저속 발전기 및 고속 발전기, 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나에서 발전된 전력을 전력망으로 송전하거나 상기 전력망의 전력을 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나로 송전하는 전력 변환부 및 측정된 풍속에 따라 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기의 전력망에의 연결 혹은 분리를 제어하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
도 1은 풍력 발전 장치의 기본적인 구성을 나타낸 도면이다.
수평식 풍력 발전 장치(1)의 경우, 타워의 상단에 나셀(nacelle)이 수직축을 중심으로 수평으로 회전 가능하게 설치되고, 나셀 선단의 허브(hub)에 하나 이상의 블레이드(blade)가 설치되며, 허브의 후방으로 즉, 나셀의 내부로 회전축(rotor shaft)이 설치된다. 회전축의 단부에는 기어 장치(10)와 발전기(20)가 순차 연결되며, 회전축을 감속시키거나 회전을 정지시킬 수 있는 제동 장치가 설치된다.
종래 풍력 발전 장치(1)에는 회전자의 회전축에 하나의 발전기만이 부착되어 있어, 발전기의 발전 가능 RPM에 맞춰져 풍력 발전 장치(1)의 발전 가능한 풍속 범위가 설계된다. 즉, 바람이 설계 풍속 범위 내로 불어줄 때에만 풍력 발전이 가능하고, 설계 풍속 범위를 벗어날 때에는 사용되지 못함으로써 발전 효율이 낮다.
다시 말하면, 허브 높이의 풍속이 시동 풍속(cut-in wind speed, 발전 개시를 위한 최저 풍속)과 종단 풍속(cut-out wind speed, 발전 최대 풍속)을 벗어나면 풍력 발전 장치가 발전을 하지 못하도록 발전 가능한 풍속 범위가 제한되어 있는 것이다.
도 2는 풍속에 따른 발전량을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 시동 풍속이 대략 5m/s 이어서 바람이 시동 풍속 이하로 부는 경우에는 발전기의 발전 RPM이 충족되지 않아 발전 하지 못함을 확인할 수 있다.
풍력 발전 장치는 설치 장소, 날씨, 시간대 등의 다양한 환경 조건에 따라 풍속이 가변적이어서 바람이 시동 풍속 이하로 불게 되는 경우도 많이 있다. 따라서, 이러한 경우에도 풍력 발전이 가능하도록 하여 발전 효율을 높일 필요가 있다.
한국공개특허 10-2011-0060771호에서는 바람의 속도에 따라 전후 이동하여 회전자와 발전기의 축을 탈부착하는 동력전달탈부착이동 장치를 이용하여, 풍속 변화에 따라 별개의 샤프트에 연결된 발전기에서 발전이 가능하도록 하고 있으며, 한국공개특허 10-2011-0071071호에서는 저속에서 동작하는 파일럿 로터 유닛과 고속에서 동작하는 메인 로터 유닛을 이용하여 저속의 풍속에서도 이상적인 시동 토크를 제공하고자 하고 있다.
하지만, 이 경우에도 여전히 발전기의 발전 가능 RPM에 따라 풍력 발전 장치의 발전 가능한 풍속 범위가 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 풍력 발전 장치의 발전 가능한 풍속 범위가 서로 다른 RPM을 가지는 발전기로 인해 1차 확장 가능하고, 저속 발전기의 시동 풍속 이하와 고속 발전기의 종단 풍속 이상으로 2차 확장까지 가능한 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 저속 발전기의 시동 풍속 이하에서는 전력망의 전력을 활용하여 고속 발전기가 모터로서 기능함으로써 발전에 필요한 토크가 보상되어 발전이 가능하게 되어 전체 발전 효율이 상승된 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 고속 발전기의 종단 풍속 이상에서는 저속 발전기가 고속 발전기의 발전에 필요한 양보다 큰 토크를 감쇄시켜 발전이 가능하게 되어 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치에 있어서, 블레이드의 회전에 따른 회전력을 전달하는 회전축에 순차 연결되어, 저풍속 범위 및 고풍속 범위에서 각각 발전 가능한 저속 발전기 및 고속 발전기; 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나에서 발전된 전력을 전력망으로 송전하거나 상기 전력망의 전력을 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나로 송전하는 전력 변환부; 및 측정된 풍속에 따라 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기의 전력망에의 연결 혹은 분리를 제어하는 제어부를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치가 제공된다.
상기 측정된 풍속이 저풍속 범위에 속하는 경우, 상기 제어부는 상기 저속 발전기를 상기 전력망에 연결시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에서 분리시킬 수 있다.
상기 측정된 풍속이 고풍속 범위에 속하는 경우, 상기 제어부는 상기 저속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에 연결시킬 수 있다.
상기 측정된 풍속이 상기 저풍속 범위 이하인 경우, 상기 제어부는 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키고, 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 부족한 토크에 상응하는 전력을 상기 전력망으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 고속 발전기로 송전하여 상기 고속 발전기가 모터링 동작을 수행하도록 하고, 상기 모터링 동작에 의해 상기 회전축의 토크가 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 도달하면 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 할 수 있다.
상기 측정된 풍속이 상기 고풍속 범위 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키고, 상기 고속 발전기의 종단 풍속 토크를 넘어서는 과다한 토크에 상응하여 상기 저속 발전기에서 역토크를 걸도록 하여 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 할 수 있다.
상기 전력 변환부는, 상기 저속 발전기에 연결되며 상기 저속 발전기에서 발전된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 저속 발전기측 컨버터; 상기 고속 발전기에 연결되며 상기 고속 발전기에 발전된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 고속 발전기측 컨버터; 상기 저속 발전기측 컨버터 및 사기 고속 발전기측 컨버터의 직류 전원의 DC 에너지를 전압 연계를 통해 전달하는 직류 링크단; 상기 직류 링크단과 상기 전력망 사이에 연결되어 상기 DC 에너지를 전달받고 교류 전원으로 변환하는 계통측 컨버터; 상기 저속 발전기와 상기 저속 발전기측 컨버터 사이에 개재되어 상기 저속 발전기와 상기 저속 발전기측 컨버터를 연결 혹은 분리시키는 제1 컨택터; 및 상기 고속 발전기와 상기 고속 발전기측 컨버터 사이에 개재되어 상기 고속 발전기와 상기 고속 발전기측 컨버터를 연결 혹은 분리시키는 제2 컨택터를 포함할 수 있다.
모터링 동작 시에는 상기 저속 발전기측 컨버터, 상기 고속 발전기측 컨버터, 상기 직류 링크단, 상기 계통측 컨버터에서의 전력 흐름이 반대로 동작할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 회전축을 공유하는 저속 발전기 및 고속 발전기를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어부에서의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
일 실시예에 따른 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법은, 측정된 풍속이 속하는 풍속 범위를 판별하는 단계; 및 상기 판별된 풍속 범위에 따라 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기의 전력망에의 연결 혹은 분리를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정된 풍속이 저풍속 범위에 속하는 경우, 상기 저속 발전기를 상기 전력망에 연결시키고, 상기 고속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 측정된 풍속이 고풍속 범위에 속하는 경우, 상기 저속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에 연결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 측정된 풍속이 상기 저풍속 범위 이하인 경우, 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키는 단계; 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 부족한 토크를 계산하는 단계; 상기 부족한 토크에 상응하는 전력을 상기 전력망으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 고속 발전기로 송전하여 상기 고속 발전기가 모터링 동작을 수행하도록 하는 단계; 및 상기 모터링 동작에 의해 상기 회전축의 토크가 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 도달하면 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정된 풍속이 상기 고풍속 범위 이상인 경우, 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키는 단계; 상기 고속 발전기의 종단 풍속 토크를 넘어서는 과다한 토크를 계산하는 단계; 상기 과다한 토크에 상응하여 상기 저속 발전기에서 역토크를 걸도록 하는 단계; 및 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 발전 장치의 발전 가능한 풍속 범위가 범위가 서로 다른 RPM을 가지는 발전기로 인해 1차 확장 가능하고, 저속 발전기의 시동 풍속 이하와 고속 발전기의 종단 풍속 이상으로 2차 확장까지 가능한 효과가 있다.
또한, 저속 발전기의 시동 풍속 이하에서는 전력망의 전력을 활용하여 고속 발전기가 모터로서 기능함으로써 발전에 필요한 토크가 보상되어 발전이 가능하게 되어 전체 발전 효율이 상승된 효과가 있다.
또한, 고속 발전기의 종단 풍속 이상에서는 저속 발전기가 고속 발전기의 발전에 필요한 양보다 큰 토크를 감쇄시켜 발전이 가능하게 되는 효과가 있다.
도 1은 수평축 풍력 발전 장치의 기본적인 구성을 나타낸 도면,
도 2는 풍속에 따른 발전량을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 발전 가능 풍속 범위를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법의 순서도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 저풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도,
도 7은 부족 토크 보완을 통한 발전 토크 확보를 설명하기 위한 그래프,
도 8은 확장 저풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 고풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도,
도 10은 확장 고풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면.
도 2는 풍속에 따른 발전량을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 발전 가능 풍속 범위를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법의 순서도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 저풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도,
도 7은 부족 토크 보완을 통한 발전 토크 확보를 설명하기 위한 그래프,
도 8은 확장 저풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 고풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도,
도 10은 확장 고풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 저속 발전기의 발전 가능 풍속 범위 및 고속 발전기의 발전 가능 풍속 범위뿐만 아니라 저속 발전기의 시동 풍속 이하의 일부분 및 고속 발전기의 종단 풍속 이상의 일부분까지 발전 가능 풍속 범위의 확장이 가능한 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 풍력 발전 장치(100)는 기어 장치(110)의 후단에 연결되어 하나의 회전축을 공유하는 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140)와, 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140)에서 발생된 전력을 변환하여 전력망(160)에 전달하는 전력 변환부(150)와, 발전기 및 전력 변환부(150)의 동작을 제어하는 제어부(170)를 포함한다.
풍력 발전 장치(100)는, 타워의 상단에 나셀이 수직축을 중심으로 수평으로 회전 가능하게 설치되고, 나셀 선단의 허브에 하나 이상의 블레이드가 설치된다. 허브의 후방, 즉 나셀의 내부로 회전축이 설치되며, 회전축의 단부에는 기어 장치(110)가 연결된다.
그리고 기어 장치(110)의 후단에 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140)가 제1 커플링(122) 및 제2 커플링(124)을 통해 순차 연결된다. 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140)는 각각 제1 커플링(122) 및 제2 커플링(124)에 의해 블레이드의 회전에 따른 회전력을 전달받을 수 있게 되어, 저속 발전기(130)와 고속 발전기(140)는 하나의 회전축을 공유한다고 볼 수 있다. 여기서, 저속 발전기(130)와 고속 발전기(140)는 그 연결 순서가 변경될 수도 있다.
상대적으로 낮은 RPM을 가지는 저속 발전기(130)와 상대적으로 높은 RPM을 가지는 고속 발전기(140)가 순차 연결되어 있음으로 인해, 종래 하나의 발전기만이 회전축에 연결되어 있는 경우와 비교할 때 발전 가능 풍속 범위가 저풍속 범위 혹은 고풍속 범위까지 확대되는 효과가 있다. 이 경우 저속 발전기(130)의 발전 가능 풍속 범위와 고속 발전기(140)의 발전 가능 풍속 범위가 일부분 중첩될 수 있을 것이다.
전력 변환부(150)는 발전기(저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140) 중 적어도 하나)와 전력망(160) 사이에 연결되어 발전기가 발전 동작을 수행한 결과 발전된 전력을 전력망(160)에 안정적으로 전달하는 기능을 수행한다. 또한, 전력 변환부(150)는 전력망(160)의 전력을 발전기에 안정적으로 전달하여 발전기가 모터링 동작을 수행하도록 할 수도 있다.
여기서, 발전 동작은 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140) 중 적어도 하나가 본연의 기능인 발전기로서 기능하여 회전축의 회전력에 의해 발생된 전력을 전력망(160)으로 전달하는 것을 의미한다. 모터링 동작은 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140) 중 적어도 하나가 전력망(160)으로부터 전달된 전력을 이용하여 모터로서 기능하는 것을 의미한다.
전력 변환부(150)는, 저속 발전기(130)에 연결되는 저속 발전기측 컨버터(152)와, 고속 발전기(140)에 연결되는 고속 발전기측 컨버터(154)와, 저속 발전기측 컨버터(152)와 고속 발전기측 컨버터(154)가 공유하는 직류 링크단(156)과, 전력망(160)에 연결되는 계통측 컨버터(158)를 포함하며, 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후 다시 교류 전원으로 변환하는 구조를 가진다.
저속 발전기(130)와 저속 발전기측 컨버터(152) 사이에는 제1 컨택터(151)가 개재되어 있고, 고속 발전기(140)와 고속 발전기측 컨버터(154) 사이에는 제2 컨택터(153)가 개재되어 있어 제1 컨택터(151) 및 제2 컨택터(153)의 온오프(ON/OFF) 상태에 따라 발전기와 발전기측 컨버터 사이의 연결 상태가 결정된다. 여기서, 제1 컨택터(151) 및 제2 컨택터(153) 중 하나 이상은 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), GTO(Gate Turn-off Thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등과 같은 반도체 스위칭 소자일 수 있다.
발전기측 컨버터(저속 발전기측 컨버터(152) 및 고속 발전기측 컨버터(154))는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 교류/직류 컨버터이고, 계통측 컨버터(158)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 직류/교류 컨버터일 수 있다.
직류 링크단(156)은 직렬 연결된 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있으며, 발전기측 컨버터에 의해 변환된 직류 전원의 DC 에너지를 전압 연계(link)를 통해 계통측 컨버터(158)로 전달한다.
계통측 컨버터(158)는 전력망(160)과 직류 링크단(156) 사이에 연결되며, 직류 링크단(156)을 통해 전달된 발전기에서 발전된 전력을 전력망(160)으로 송전할 수 있다. 제3 컨택터(159)가 계통측 컨버터(158)와 직류 링크단(156) 사이에 개재되어 있어 온오프(ON/OFF) 상태에 따라 이들을 연결시키거나 분리시킨다.
전력 변환부(150)는 발전 상태인 경우에는 전술한 것과 같이 동작하지만, 발전기(저속 발전기(130) 혹은 고속 발전기(140))를 모터로 이용하게 되는 모터링 상태인 경우에는 그 동작이 반대로 이루어질 수 있다.
즉, 계통측 컨버터(158)는 교류 전원인 전력망(160)의 전력을 직류 전원으로 변환하고, 직류 링크단(156)은 전압 연계를 통해 계통측 컨버터(158)에 의해 변환된 직류 전원의 DC 에너지를 발전기측 컨버터로 전달하며, 발전기측 컨버터는 이를 교류 전원으로 변환하여 발전기가 모터로서 기능하도록 발전기를 구동시킬 수도 있다.
전력망(160)은 그리드(Grid) 혹은 계통이라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들어, 전력망(160)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계(連繫)이다.
제어부(170)는 풍속에 따라 발전기의 동작, 전력 변환부(150)의 동작을 제어하여 발전기가 발전 동작 혹은 모터링 동작을 수행하도록 한다. 제어부(170)에서의 제어에 대해서는 추후 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 발전 가능 풍속 범위를 나타낸 도면이다.
저속 발전기(130)의 발전 가능 RPM에 상응하는 저풍속 범위(222) 및 고속 발전기(140)의 발전 가능 RPM에 상응하는 고풍속 범위(224)가 기본 풍속 범위(220)에 해당한다.
저풍속 범위(222)는 시동 풍속이 V2이고 종단 풍속이 V3 이상이며, 고풍속 범위(224)는 시동 풍속이 V3 이하이고 종단 풍속이 V4이다. 여기서, 저풍속 범위(222)와 고풍속 범위(224)가 일부분이 서로 중첩되어 발전 가능 풍속 범위가 연속될 수 있도록 저속 발전기(130) 및 고속 발전기(140)의 발전 가능 RPM을 설정할 수 있다.
저풍속 범위(222)에서는 저속 발전기(130)가 발전 동작을 수행하며, 고풍속 범위(224)에서는 고속 발전기(140)가 발전 동작을 수행하게 된다.
종래에는 하나의 발전기에 상응하는 풍속 범위 내에서만 발전이 가능하였던 것에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치에서는 저속 발전기 및 고속 발전기가 각각 발전함으로써 각 발전기에 상응하는 풍속 범위의 합집합에 해당하는 기본 풍속 범위(220)로 발전 가능한 풍속 범위가 1차 확장된 효과가 있다.
또한, 본 실시예에서는 고속 발전기(140)가 모터링 동작을 수행하도록 하여 저풍속 범위(222)의 시동 풍속 V2 이하의 풍속(확장 저풍속 범위(210) 내의 풍속, V1~V2)에서도 저속 발전기(130)에서 발전이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 고속 발전기(140)의 모터링 동작에 의해 회전축이 토크를 전달받아 시동 풍속 V2에 상응하는 발전 가능 RPM까지 도달하여 저속 발전기(130)가 발전 동작을 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 고속 발전기(140) 및 저속 발전기(130)가 모두 발전 동작을 수행하여 고풍속 범위(224)의 종단 풍속 V4 이상의 풍속(확장 고풍속 범위(230) 내의 풍속, V4~V5)에서도 발전이 이루어지도록 할 수 있다. 고속 발전기(140)의 종단 상태(cut-out 상태)에서도 저속 발전기(130)를 통해 적절히 역토크를 걸어 주어 고속 발전기(140)뿐만 아니라 저속 발전기(130)에서도 발전이 이루어지게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 제어 방법의 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 저풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도이며, 도 7은 부족 토크 보완을 통한 발전 토크 확보를 설명하기 위한 그래프이고, 도 8은 확장 저풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 확장 고풍속 범위에서의 제어 방법의 순서도이고, 도 10은 확장 고풍속 범위에서 풍력 발전 장치에서의 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 9의 각 단계들은 풍력 발전 장치의 제어부(170)에서 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계 S300에서, 허브 높이의 풍속을 측정한다. 풍속의 측정은 예를 들어, 허브 외측에 장착된 풍속 센서를 통해서 이루어질 수 있다.
단계 S305에서, 제어부(170)는 측정된 풍속에 속하는 발전 가능 풍속 범위를 판별한다. 도 4에 예시된 것과 같이 풍력 발전 장치의 발전 가능 풍속 범위가 미리 결정되어 있을 수 있으며, 각 범위의 경계는 저속 발전기의 발전 가능 RPM, 고속 발전기의 발전 가능 RPM 등에 의해 정해질 수 있다.
우선 측정된 풍속이 기본 풍속 범위(220)에 속하는 경우, 단계 S310에서 제어부(170)는 풍속이 저풍속 범위(222)와 고풍속 범위(224) 중 어디에 속하는지를 판별한다.
풍속이 저풍속 범위(222)에 속하는 경우에는 단계 S315로 진행하여 제어부(170)는 제1 컨택터(151)를 온(ON) 시키고 제2 컨택터(153)를 오프(OFF) 시켜 저속 발전기(130)만이 전력망(160)에 연결되도록 한다. 단계 S320에서 저속 발전기(130)는 전력망(160)에 연결되어 적절한 토크 제어를 통해 발전을 수행한다. 이 과정에서 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 제어하여 최대 효율 운전을 할 수 있다.
풍속이 가변하여 저풍속 범위(222)에서 고풍속 범위(224)로 넘어갈 때에, 단계 S325에서 제어부(170)는 제1 컨택터(151) 및 제2 컨택터(153)를 모두 온(ON) 시키고, 단계 S330에서 저속 발전기(130)의 토크를 줄이면서 고속 발전기(140)의 토크를 증가시켜 고속 발전기(140)로 부하 토크를 넘기면서 저속 발전기(130)에서 고속 발전기(140)로 발전 주체가 전환되도록 한다.
반대로 풍속이 고풍속 범위(224)에 속하는 경우에는 단계 S310에서 단계 S335로 진행하여 제어부(170)는 제1 컨택터(151)를 오프(OFF) 시키고 제2 컨택터(153)를 온(ON) 시켜 고속 발전기(140)만이 전력망(160)에 연결되도록 한다. 단계 S340에서 고속 발전기(140)는 전력망(160)에 연결되어 적절한 토크 제어를 통해 발전을 수행한다.
풍속이 가변하여 고풍속 범위(224)에서 저풍속 범위(222)로 넘어갈 때에는, 단계 S345에서 제어부(170)는 제1 컨택터(151) 및 제2 컨택터(153)를 모두 온(ON) 시키고, 단계 S350에서 고속 발전기(140)의 토크를 줄이면서 저속 발전기(130)의 토크를 증가시켜 고속 발전기(140)에서 저속 발전기(130)로 발전 주체가 전환되도록 한다.
다음으로, 단계 S305에서의 판별 결과 측정된 풍속이 확장 저풍속 범위(210)에 속하는 경우의 제어 방법이 도 6에 도시되어 있다.
단계 S400에서 제어부(170)는 저속 발전기(130)의 시동 풍속에 이르기까지 부족한 토크를 계산한다. 이는 저속 발전기(130)에 대하여 정해져 있는 시동 풍속과 현재 측정된 풍속의 차이 혹은 저속 발전기(130)에 대하여 정해져 있는 시동 풍속 토크와 현재 측정된 풍속에 대응되는 토크의 차이로부터 계산될 수 있다.
도 7을 참조하면, 저속 발전기(130)의 시동(cut-in) 풍속 토크를 100%로 가정할 때 현재 측정된 바람에 의한 풍속 토크가 80%인 경우가 예시되어 있다. 이 경우 20% 정도 토크가 부족한 상황이다.
단계 S410에서 제어부(170)는 전력망(160)의 전력을 이용하여 저속 발전기(130)가 발전하기에 부족한 토크에 상응하여 고속 발전기(140)가 모터링 동작을 수행하도록 한다. 즉, 고속 발전기(140)가 20% 정도의 부족한 토크를 회전축에 가해주게 된다.
이로 인해 단계 S420에서 회전축에 걸리는 토크는 바람에 의한 80%의 토크와 고속 발전기(140)의 모터링에 의한 20% 토크로 인해 저속 발전기(130)가 발전을 시작할 수 있는 시동 풍속 토크에 도달하여 저속 발전기(130)의 발전이 수행된다.
즉, 도 8에 도시된 것과 같이 제2 컨택터(153)를 온(ON) 시키고 전력망(160)에서 계통측 컨버터(158), 직류 링크단(156), 고속 발전기측 컨버터(154)를 거쳐 소정의 전력(예를 들어, 시동 풍속 토크의 20%에 해당하는 토크 인가가 가능한 전력)이 고속 발전기(140)에 전달되어 고속 발전기(140)가 회전축에 토크를 인가할 수 있게 된다.
그리고 회전축의 토크가 저속 발전기(130)의 시동 풍속 토크에 도달하면, 제1 컨택터(151)를 온(ON) 시켜 저속 발전기(130)에서 발전된 전력이 저속 발전기측 컨버터(152), 직류 링크단(156), 계통측 컨버터(158)를 거쳐 전력망(160)으로 전달되도록 할 수 있다.
종래 발전에 이용하지 못하고 흘려버려야 했던 저풍속 시(도 4의 V2 이하 풍속)에도 발전이 가능하여 최대 발전 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
다음으로, 단계 S305에서의 판별 결과 측정된 풍속이 확장 고풍속 범위(230)에 속하는 경우의 제어 방법이 도 9에 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 단계 S500에서 제어부(170)는 고속 발전기(140)의 종단 풍속을 넘어서는 과다한 토크를 계산한다. 이는 고속 발전기(140)에 대하여 정해져 있는 종단 풍속과 현재 측정된 풍속의 차이 혹은 고속 발전기(140)에 대하여 정해져 있는 종단 풍속 토크와 현재 측정된 풍속에 대응되는 토크의 차이로부터 계산될 수 있다.
단계 S510에서 제어부(170)는 고속 발전기(140)뿐만 아니라 저속 발전기(130)도 발전을 수행할 수 있도록 제2 컨택터(153) 이외에 제1 컨택터(151)도 온(ON) 시켜서 저속 발전기(130)가 과다 토크에 상응하는 역토크를 회전축에 대하여 블레이드의 회전 방향으로 걸어줄 수 있도록 한다.
단계 S520에서 고속 발전기(140)는 종단 풍속 토크에 상응하여 발전을 수행하고, 저속 발전기(130)는 과다 풍속 토크에 상응하여 발전을 수행함으로써 고속 발전기(140) 및 저속 발전기(130)가 모두 발전 주체로 참여하게 된다.
도 10을 참조하면, 제1 컨택터(151) 및 제2 컨택터(153)가 모두 온(ON) 상태에 있어 고속 발전기(140)의 발전에 필요로 하는 양보다 큰 토크(과다 풍속 토크)에 대해서는 저속 발전기(130)가 역토크를 걸어줄 수 있게 된다.
즉, 고속 발전기(140)는 발전 가능한 최대량을 발전하여 고속 발전기측 컨버터(154), 직류 링크단(156), 계통측 컨버터(158)를 거쳐 전력망(160)으로 발전 전력을 전달하게 되며, 저속 발전기(130)는 과다 풍속 토크에 상응하는 양만큼 발전하여 저속 발전기측 컨버터(152), 직류 링크단(156), 계통측 컨버터(158)를 거쳐 전력망(160)으로 발전 전력을 전달하게 된다.
따라서, 발전기에 과도한 부하가 걸리는 것을 방지하면서 기존의 고풍속 범위를 확장시킬 수 있게 된다.
본 발명에 실시예에 의하면, 발전 가능한 풍속 범위를 확장시킴으로써 버려지는 바람 에너지를 유효 에너지로 변환할 수 있어 발전기 효율이 상승하고 발전 단가가 감소되는 효과가 있다.
상술한 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법은 풍력 발전 장치의 제어부에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 풍력 발전 장치 110: 기어 장치
122, 134: 커플링 130: 저속 발전기
140: 고속 발전기 150: 전력 변환부
151, 153, 159: 컨택터 152: 저속 발전기측 컨버터
154: 고속 발전기측 컨버터 156: 직류 링크단
158: 계통측 컨버터 160: 전력망
170: 제어부
122, 134: 커플링 130: 저속 발전기
140: 고속 발전기 150: 전력 변환부
151, 153, 159: 컨택터 152: 저속 발전기측 컨버터
154: 고속 발전기측 컨버터 156: 직류 링크단
158: 계통측 컨버터 160: 전력망
170: 제어부
Claims (13)
- 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치에 있어서,
블레이드의 회전에 따른 회전력을 전달하는 회전축에 순차 연결되어, 저풍속 범위 및 고풍속 범위에서 각각 발전 가능한 저속 발전기 및 고속 발전기;
상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나에서 발전된 전력을 전력망으로 송전하거나 상기 전력망의 전력을 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기 중 적어도 하나로 송전하는 전력 변환부; 및
측정된 풍속에 따라 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기의 전력망에의 연결 혹은 분리를 제어하는 제어부를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 저풍속 범위에 속하는 경우,
상기 제어부는 상기 저속 발전기를 상기 전력망에 연결시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 고풍속 범위에 속하는 경우,
상기 제어부는 상기 저속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에 연결시키는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 상기 저풍속 범위 이하인 경우,
상기 제어부는 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키고, 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 부족한 토크에 상응하는 전력을 상기 전력망으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 고속 발전기로 송전하여 상기 고속 발전기가 모터링 동작을 수행하도록 하고, 상기 모터링 동작에 의해 상기 회전축의 토크가 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 도달하면 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 상기 고풍속 범위 이상인 경우,
상기 제어부는 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키고, 상기 고속 발전기의 종단 풍속 토크를 넘어서는 과다한 토크에 상응하여 상기 저속 발전기에서 역토크를 걸도록 하여 상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 변환부는,
상기 저속 발전기에 연결되며 상기 저속 발전기에서 발전된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 저속 발전기측 컨버터;
상기 고속 발전기에 연결되며 상기 고속 발전기에 발전된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 고속 발전기측 컨버터;
상기 저속 발전기측 컨버터 및 사기 고속 발전기측 컨버터의 직류 전원의 DC 에너지를 전압 연계를 통해 전달하는 직류 링크단;
상기 직류 링크단과 상기 전력망 사이에 연결되어 상기 DC 에너지를 전달받고 교류 전원으로 변환하는 계통측 컨버터;
상기 저속 발전기와 상기 저속 발전기측 컨버터 사이에 개재되어 상기 저속 발전기와 상기 저속 발전기측 컨버터를 연결 혹은 분리시키는 제1 컨택터; 및
상기 고속 발전기와 상기 고속 발전기측 컨버터 사이에 개재되어 상기 고속 발전기와 상기 고속 발전기측 컨버터를 연결 혹은 분리시키는 제2 컨택터를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 제6항에 있어서,
모터링 동작 시에는 상기 저속 발전기측 컨버터, 상기 고속 발전기측 컨버터, 상기 직류 링크단, 상기 계통측 컨버터에서의 전력 흐름이 반대로 동작하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치. - 회전축을 공유하는 저속 발전기 및 고속 발전기를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어부에서의 제어 방법으로서,
측정된 풍속이 속하는 풍속 범위를 판별하는 단계; 및
상기 판별된 풍속 범위에 따라 상기 저속 발전기 및 상기 고속 발전기의 전력망에의 연결 혹은 분리를 제어하는 단계를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 저풍속 범위에 속하는 경우,
상기 저속 발전기를 상기 전력망에 연결시키고, 상기 고속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키는 단계를 더 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 고풍속 범위에 속하는 경우,
상기 저속 발전기를 상기 전력망에서 분리시키고 상기 고속 발전기를 상기 전력망에 연결시키는 단계를 더 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 상기 저풍속 범위 이하인 경우,
상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키는 단계;
상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 부족한 토크를 계산하는 단계;
상기 부족한 토크에 상응하는 전력을 상기 전력망으로부터 상기 전력 변환부를 통해 상기 고속 발전기로 송전하여 상기 고속 발전기가 모터링 동작을 수행하도록 하는 단계; 및
상기 모터링 동작에 의해 상기 회전축의 토크가 상기 저속 발전기의 시동 풍속 토크에 도달하면 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 단계를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 측정된 풍속이 상기 고풍속 범위 이상인 경우,
상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기를 전력망에 연결시키는 단계;
상기 고속 발전기의 종단 풍속 토크를 넘어서는 과다한 토크를 계산하는 단계;
상기 과다한 토크에 상응하여 상기 저속 발전기에서 역토크를 걸도록 하는 단계; 및
상기 고속 발전기 및 상기 저속 발전기가 발전 동작을 수행하도록 하는 단계를 포함하는 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법. - 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치의 제어 방법을 수행하기 위해 디지털 처리 장치에서 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 기록되어 있으며, 상기 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120082197A KR101400317B1 (ko) | 2012-07-27 | 2012-07-27 | 발전 가능 풍속 범위가 확장된 풍력 발전 장치 및 그 제어 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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