KR20140106621A - 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 풍력 발전 설비, 풍력 발전 플랜트 등과, 이와 전기적으로 연결된 전력 가스화 유닛을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트는 바람이 충분한 경우 전기 전력을 생성하고, 이 전기 전력은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트에 연결된 전력 계통 내로 공급된다. 각각의 풍력 발전 설비는 사전 결정된 전력 곡선으로 작동된다. 전기 전력은 제1 풍속(시작 풍속)에 도달한 이후부터 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트에 의해 생성된다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트는, 풍속이 제1 풍속(시작 풍속)과 제2 풍속(정격 풍속) 사이에 있는 동안, 부분 부하 작동 모드에 위치된다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트는, 풍속이 제2 풍속(정격 풍속)보다 더 높은 범위에 있다면, 정격 전력 범위에 위치된다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 전력에 의해 생성된 전기 전력, 바람직하게는 그 전기 전력 중 적어도 사전 결정된 부분은 전력 가스화 유닛에서 소모됨으로써, 전력 가스화 유닛 내에서는 가연성 가스, 특히 수소 및/또는 메탄 가스 등이 생성된다. 부분 부하 작동 모드에서 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트에 의해 생성되어 전력 가스화 유닛에서 소모되지 않는 전기 전력의 성분은, 사전 결정된 시간 기간, 예컨대 10분 또는 그 이상, 예컨대 1시간 동안 거의 일정하게 설정된다.
Description
본 발명은, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 설비, 또는 복수의 풍력 발전 설비로 구성되는 풍력 발전 플랜트는 오래전부터 공지되어 있으며, 더욱 정확하게는 온갖 종류의 형태, 유형, 크기 및 변형 형태로 공지되어 있다.
이 경우, 풍력 발전 설비는, 바람 속에 존재하는 에너지의 변환을 통해 전기에너지로 변환하는 설비이다. 상기 전기 에너지는, 특히 전력 계통 내로 공급된다.
풍력 에너지의 공지된 단점은, 풍력 에너지가 바람과 더불어 변동한다는 점, 다시 말하면 실제 풍속에 따라서 풍력 발전 설비의 생성되는 전기 에너지가 변동할 수 있다는 점에 있다. 그러나 이는 엄밀히 말하면, 부분 부하 영역에서만, 다시 말해 제1 풍속(시작 풍속)과 제2 풍속(정격 풍속) 사이의 풍력 발전 설비의 범위에서만 통용된다. 요컨대, 풍력이 정격 풍속보다 더 높다면, 정격 풍속을 상회하여 설정되는 풍속의 변동은 전기 에너지의 생성 중 변동을 야기하지 않는데, 그 이유는 풍력 발전 설비가, 예컨대 풍력 발전 설비의 로터 블레이드들의 조정을 통해, 속도 및/또는 생성되는 전기 전력이 거의 일정하게 유지되도록 제어되기 때문이다.
그러나, 풍력 발전 설비는, 그 작동 중 대부분 부분 부하 영역에 위치되며, 상기 부분 부하 영역에서는, 풍속과 더불어 직접적으로 항상 풍력 발전 설비의 생성되는 전기 전력, 다시 말하면 변동하는 풍속에 의해 지속적으로 변동하는 전력, 다시 말하면 전기 전력(즉, 유효 전력)의 변동하는 값이 전력 계통 내로 공급된다.
그에 따라, 충분한 확률로 전력 계통으로 향하는 풍력 발전 설비의 전력 기여량을 예측할 수 없기 때문에, 풍력 발전 설비는 기본 부하(basic load)를 위한 발생기로서 전력 계통 관리를 위해 많은 부분에서 고려되고 있다.
이제, 이론상, 항상 차선으로 풍력 발전 설비를 운영할 수도 있으며, 예컨대 부분 부하 영역에서 결코 최대 전력으로 운영하는 것이 아니라, 부분 부하 영역에서 풍속 변동 동안 풍력 발전 설비의 로터 블레이드는 항상 풍속의 변동이 보상되고, 그에 따라 풍력 발전 설비가 거의 일정한 전력 기여량을 전력 계통 내로 공급하도록 제어되게끔, 차선의 전력 수율로 작동시킬 수도 있다.
그러나 상기 해결 방법의 단점은, 결과적으로 풍력 발전 설비의 부분 부하 영역에서도 항상 그리고 지속적으로 풍력 발전 설비의 풍력 에너지 수율이, 예컨대 로터 블레이드들의 피치 조정(위치 조정)을 통해, 또는 적합한 제너레이터 상대 토크 또는 상응하는 또 다른 조치의 제어를 통해 재조정되어야 하며, 이는 한편으로는 풍력 발전 설비의 작동을 위해 추가로 에너지를 요구하고, 다른 한편으로는 상응하는 부품들도 부단히 요구됨으로써, 그 노화 및 마모가 가속화된다는 점에 있다.
특히, 상기 작동 방식의 경우, 전력의 유용한 기여량이 소실되고 그에 따라 전체 풍력 발전 설비는 상대적으로 낮은 효율성만을 제공하게 된다.
본 발명의 과제는, 종래 기술에서 공지된 단점을 감안하여 이루어진 것으로서, 풍력 발전 설비로부터 전력 계통으로 출력되는 전기 전력을 안정화하는 것에 있다.
종래 기술:
독일 특허 및 상표청은, 본 출원에 대한 우선권 주장 출원 중에 다음의 종래 기술을 조사하였다: DE 27 51 341 A1, GB 2 263 734 A, DE 197 16 645 A1 및 US 2004/0267466 A1.
상기 과제는, 본 발명에 따른, 특히 청구항 제1항의 특징으로 해결된다. 바람직한 개선예는 종속 청구항에 기술되어 있다.
본 발명에는, 풍력 발전 설비의 전기 전력의 안정화에 대한 요구가 실제로 어떻게 구현될 수 있는지 그 방법이 제안된다. 이를 위해, 풍력 발전 설비 또는 (복수의 풍력 발전 설비를 포함한) 풍력 발전 플랜트는, 전력 가스화 유닛(전력 가스화 변환 유닛)과 함께 작동될 수 있다. 전력 가스화 유닛은, 예컨대 전기 전력을 가연성 가스(수소, 메탄 등)로 변환한다.
분명한 점은, 풍력 발전 설비의 전기 전력의 출력에 대한 예측이 항상 확실하게 예측될 수 없다는 점이며, 바람은 끊임없이 변동하고, 동일하지 않은 하루 중 어느 시간이든 변동하며, 또한 동일하지 않은 연중 어느 시간이든 변동하기 때문에, 본 발명은, 특히, 신뢰성 있는 예측 시간이 선택되고 상기 예측 시간 이내에 전력 계통 내로 공급되는 전력이 목표 값(예측 전력)을 포함하지만, 어느 경우도 그 목표 값을 하회하지 않도록 하는 점이 중요하다.
이 경우, 먼저, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 전체 전기 전력이 전력 계통 내로 공급되는지의 여부가 중요한 것이 아니라, 한편으로는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트와 다른 한편으로는 전력 가스화 유닛이 전력 계통 측에서 볼 때 전체 유닛으로서 간주되어야 한다는 것이다.
요컨대 종국에는, 전력 계통에 연결되어 있는 부하 장치들에 어느 정도의 전기 전력이 공급되는지가 중요하며, 비록 전력 가스화 유닛이 전력 계통에 연결되어 있다고 하더라도, 전력 가스화 유닛은 상기한 고려에 있어서 전형적인 부하 장치로서 간주되는 것이 아니라, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트가 전력 계통에 공급하는 전기 전력을 일정하게 유지할 수 있는 기기로서 간주되어야 한다.
그러므로, 사전에 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 전체 전력이 전력 계통 내로 공급되었을 때, 전력 가스화 유닛이 공급받는 전기 전력이 풍력 발전 설비의 전기 중간 회로로부터 공급되는지, 또는 풍력 발전 설비의 출력단으로부터, 또는 풍력 발전 플랜트의 출력단으로부터 직접 공급되는지의 여부도 중요하지 않다.
결국, 전력 계통을 위해 중요한 사항은, 전력 계통 내로 공급되어 전력 가스화 유닛에 의해 소모되지 않는 전기 전력인 것이다. 따라서, “예측 전력” 또는 “기본 부하”로도 명명되는 상기 전기 전력이 (거의) 일정하다면, 풍력 발전 설비와 전력 가스화 유닛으로 이루어진 유닛은, 일정한 전력을 전력 계통 내로 공급할 수 있으며, 이는 전력 계통의 운영자로 하여금 그 전력 계통의 제어를 대폭 수월하게 한다.
요컨대, 바람 변동으로부터 발생하는, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 모든 전력 변동이 전력 가스화 유닛에서 소모된다면, 결국 전력 계통으로 공급되지 않은 상기 전기 전력은 결코 소실되는 것이 아니라, 상기 전기 전력은 또 다른 형태로만, 요컨대 가연성 가스, 예컨대 수소, 메탄 등으로 변환된다. 달리 말하면, 전력 가스화 유닛은 전기 전력을 가연성 가스로 변환하기 위한 변환 유닛이다.
상기 가연성 가스는, 상이한 유형 및 방식으로 저장되든지, 또는 가스 계통 내로 공급되는지의 여부와 무관하게 추가 처리될 수 있다. 또한, 전력 가스화 유닛은 출력 측에 전기 제너레이터가 연결되어 있는 제어 가능한 연소 엔진을 포함할 수 있으며, 이로써 전력 가스화 유닛에 의해 사전에 생성되어 일시 저장된 가연성 가스로 다시 전기 전력이 생성될 수 있고, 이 전기 전력은, 제너레이터가 전력 계통에 연결되어 있다면, 목표로 하는 전력 계통 내로 공급될 수 있다.
전력 가스화 유닛의 소모량이 목표로 하는 유형 및 방식으로 제어될 수 있도록 하기 위해, 전력 가스화 유닛은 데이터 라인을 통해서도 풍력 발전 플랜트 또는 풍력 발전 설비와 연결될 수 있다.
이제 풍력 발전 설비에서, 또는 풍력 발전 플랜트에서, 바람 예측 데이터는 예컨대 기상 정보 센터, 기상 관측소 등에 의해 처리되고, 상기 바람 예측 데이터를 기반으로 전력 예측이 생성된다.
예컨대, 바람에 따라 바로 다음의 30분 동안 지속적으로 6 m/sec 내지 8 m/sec 사이에서 변동하는, 다시 말하면 예측에 따라 6 m/sec를 하회하지 않으면서 8 m/sec를 초과하지 않는 바람 예측이 존재한다면, 예컨대 바로 다음의 30분 동안 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 전력 곡선을 기반으로, 예컨대 6 m/sec의 풍속에서 가능하거나, 또는 소정의 안전 여유도가 목표된다면, 예컨대 5.7m/sec의 풍속에서 가능한 전기 전력에 상응하는 전기 전력에 따라서 생성될 수 있는 신뢰성 있는 예측이 생성될 수 있다.
상기 예측 값은 예측 전력으로서 결정되고, 또한 상기 값은 데이터 라인을 통해 전력 가스화 스테이션으로, 및/또는 전력 계통의 제어 장치 또는 그 제어 센터로 전송될 수 있다.
풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 작동 동안, 지속적으로 바람에 의해 각각 사전 설정되는 실제 전력도 검출된다.
예컨대, 일정한 예측 전력이 사전 결정된 시간, 예컨대 30분 동안 초당 5.7m의 풍속을 기반으로 생성되었고, 실제 풍속은 7.7m라면, 해당 전력이 전력 가스화 유닛에서 소모량으로서도 회수되도록 하기 위해, 차이 값, 다시 말해 2 m/sec의 등가 전기 전력이 전력 가스화 유닛으로 공급되는 전기 전력이다.
풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 실제 출력 전력이 지속적으로 검출되기 때문에, 그에 상응하게 예측 전력을 상회하는 전력 값으로서 지속적으로 전력 가스화 유닛으로 공급될 수 있으며, 다시 말하면 예측을 초과하여 풍력 발전 설비/풍력 발전 플랜트에 의해 생성되는 전기 전력은 전력 가스화 유닛으로 공급될 수 있으며, 그리고 전력 가스화 유닛은 그에 상응하게, 전력 계통에서 볼 때, 한편으로는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트와 다른 한편으로는 전력 가스화 유닛으로 구성되는 유닛이 거의 일정한 전기 전력을 전력 계통으로 공급하도록 하기 위해, 항상 더 이상 전력 계통 내 부하 장치들로 공급되는 것이 아니라, 전력 가스화 유닛에서 소모되어야 하는 전기 전력을 소모하도록 제어된다.
그러므로, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 데이터 처리 장치에서는, 지속적으로 항상 다시금 사전 결정된 (새) 예측 시간에 대한 새 예측 전력들이 결정되고, 예측 시간의 경과 시에는, 결과적으로 전력이 존재하는 바람 예측에 상응하게 새로 설정되는 후속 예측 시간으로 작동이 계속 진행된다.
또한, 바람 예측 데이터의 존재에 따라서, 예측 시간 자체도 변동될 수 있으며, 예컨대 각각 제공되는 예측 데이터의 신뢰성이 어느 정도인지에 따라서, 30분에서 20분으로, 30분에서 40분으로 변동될 수 있다.
풍력 발전 설비는 전력 가스화 유닛과 전기적으로 연결된다. 전기적으로 연결된 부분은 실시예에서 전기 라인으로 구성되며, 상기 전기 라인은 전력 계통의 부분으로서도 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전력 가스화 유닛은, 전류로부터 가스, 예컨대 수소 또는 메탄 등, 다시 말해 연소를 위해, 특히 엔진용 연료로서도 적합한 가스를 생성할 수 있다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 설치를 위해서는, 종전까지 언제나 경유, 휘발유 등으로 작동되는 대형 기계, 예컨대 크레인, 화물 자동차 등이 필요하다. 이제 상기 기계들이 가스, 예컨대 CH4(메탄)의 연소용으로 전환된다면, 전력 가스화 유닛으로 생성되는 가스가 풍력 발전 설비의 건축에 이용되는 상기 기계들의 구동을 위해서도 이용될 수 있다.
예컨대, 변두리에서 풍력 발전 설비를 건설한다면, 상기 제 1 풍력 발전 설비가 생성하는 전기 에너지가 전력 가스화 유닛에서 가스의 생성을 위해 이용될 수 있으며, 그럼으로써 가스가 풍력 발전 플랜트의 풍력 발전 설비들의 건축을 위해 필요한 구동 기계들, 다시 말해 크레인, 화물 자동차, 차량 등에 공급됨으로써 가스로 풍력 발전 설비의 추가 풍력 발전 설비가 건설된다. 그러므로 풍력 발전 플랜트는 건축을 위해 화석 연료를 필요로 하는 것이 아니라, “녹색 가스”, 다시 말해, 전술한 방식의 풍력 가스(wind-gas)로 건설될 수도 있으며, 이는 전체적으로 풍력 발전 플랜트의 전과정 평가(life cycle assessement)를 개량한다. 바로 변두리에서 연료의 운송은 보통 여간 번거롭고, 어느 경우든 어려우며, 그에 따라 연료 자체도 매우 고가이므로, 이런 점에서 현장에서 연료의 생성을 통해, 풍력 발전 플랜트의 건설을 위한 기계들을 위해 필요한 연료 운송 비용은 감소될 수 있다. 이 경우, 전력 가스화 유닛이 컨테이너 등에 보관된다면, 풍력 발전 플랜트의 건설 후에 전력 가스화 유닛을 포함한 컨테이너는 이후의 건축 현장으로 운송될 수 있다.
본 발명은 하기의 일 실시예에 따라서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 풍력 발전 설비 및 전력 가스화 유닛의 개요를 도시하는 개략도이다.
도 3은 배전망, 천연 가스 계통 및 부하 장치들을 도시하는 개략도이다.
도 4는 예시에 따른 개요에서 풍력 발전 설비 또는 전력 가스화 유닛을 작동시키기 위한 본 발명에 방법을 나타내는 개략적 그래프이다.
도 5는 풍력 발전 설비의 전력 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따르는 풍력 발전 설비 및 전력 가스화 유닛의 개요를 도시하는 개략도이다.
도 3은 배전망, 천연 가스 계통 및 부하 장치들을 도시하는 개략도이다.
도 4는 예시에 따른 개요에서 풍력 발전 설비 또는 전력 가스화 유닛을 작동시키기 위한 본 발명에 방법을 나타내는 개략적 그래프이다.
도 5는 풍력 발전 설비의 전력 곡선을 나타내는 그래프이다.
동일한 도면 부호들은 본원에서 동일한 부재들, 또는 유사하지만 동일하지 않은 부재들을 지시할 수 있다. 하기에서는, 상세히 설명하기 위해, 동기 제너레이터를 포함하고 풀 인버터(full inverter)를 이용한 무기어식 컨셉(gearless concept)을 갖는 풍력 발전 설비가 설명된다.
도 1에는, 풍력 발전 설비(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 예시로서 무기어식 풍력 발전 설비의 곤돌라가 도시되어 있다. 부분 개방되어 도시된 패널부(스피너)를 바탕으로 허브(2)가 확인된다. 허브(2) 상에는 3개의 로터 블레이드(4)가 고정되며, 로터 블레이드(4)는 허브 근처의 영역의 것만으로 도시되어 있다. 로터 블레이드(4)를 포함한 허브(2)는 공기 역학적 로터(7)를 형성한다. 허브(2)는 회전자(6)로도 표현될 수 있으며, 하기에서는 회전자(6)로서 표현되는 제너레이터의 로터(6)와 기계적으로 단단히 연결된다. 회전자(6)는 스테이터(8)에 상대적으로 회전 가능하게 장착된다.
회전자(6)는 스테이터(8)에 상대적으로 회전하는 동안, 결과적으로 자계를 생성하고 상응하는 여자 전류에 의해 그에 상응하게 설정되어 변동될 수 있는 제너레이터 토크 또는 제너레이터 상대 토크를 형성하기 위해, 전류, 통상적으로 직류 전류를 공급받는다. 따라서 회전자(6)가 전기로 여기되면, 스테이터(8)에 상대적인 회전자의 회전은 스테이터(8) 내에서 전계를 생성하고 그에 따라 전기 교류 전류를 생성한다.
본 발명은 무기어식 풍력 발전 설비로 구현될 뿐 아니라, 기어 구동식 풍력 발전 설비로도 구현될 수도 있다.
도 2에는, 본 발명에 따르는 풍력 발전 설비 및 전력 가스화 유닛의 개요가 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 풍력 발전 설비와 연결된 전력 가스화 유닛과 함께, 풍력 발전 설비 내 주파수 측정 장치를 구비한 무기어식 로터-제너레이터 커플링을 포함한 개요가 도시되어 있다.
실질적으로 회전자(6)와 스테이터(8)로 구성되는 제너레이터(10) 내에서 생성되는 교류 전류는, 도 2에 도시된 구성에 따라서 정류기(12)를 통해 정류된다. 그 다음, 정류된 전류 또는 정류된 전압은 인버터(14)에 의해 목표 주파수를 갖는 3-위상 시스템으로 변환된다. 이처럼 생성된 3상 전류-전압 시스템은, 연결된 배전망(18) 내로 공급될 수 있도록, 변압기(16)에 의해 전압이, 특히 승압된다. 이론상, 변압기(16)는 배제될 수도 있거나, 또는 상기 변압기는 인덕터로 대체될 수도 있다. 그러나 통상적으로, 배전망(18) 내에서 전압 요건은, 변압기(16)에 의한 승압이 필요하도록 설정된다.
제어를 위해, 메인 컨트롤 유닛으로 표현될 수 있으며, 풍력 발전 설비의 최상위 폐회로 및 개회로 제어 유닛을 형성할 수 있는 주 제어 장치(20)가 이용된다. 주 제어 장치(20)는 하위의 전력 계통 측정 유닛(22)으로부터, 특히 전력 계통 주파수(및 예컨대, 전력 계통 전압, 위상 각도)에 대한 정보를 수신한다. 주 제어 장치(20)는 인버터(14) 및 정류기(12)를 제어한다. 물론 기본적으로 제어되지 않는 정류기도 이용될 수 있다. 또한, 주 제어 장치(20)는, 제너레이터(10)의 부분인 회전자(6) 내로 여자 전류를 공급하기 위한 직류 초퍼 컨버터(24)를 제어할 수 있다. 특히, 주 제어 장치(20)는 사전 설정된 전력 계통 주파수 한계 값이 하회하는 경우, 제너레이터(10)의 계통 병입 또는 작동점을 수정한다. 제너레이터(10)는 속도 가변 방식으로 작동되기 때문에, 전력 계통 내 병입은, 기술한 것처럼, 실질적으로 정류기(12) 및 인버터(14)에 의해 형성되는 풀 인버터로 수행된다.
작동 중에, 전력 계통 전압 및 전력 계통 주파수는, 전력 계통 측정 유닛(22)에 의해 영구적으로 3상 측정된다. 측정치로부터는 (어느 경우든 전력 계통 주파수가 50 Hz인 경우) 매 3.3 ㎳마다 3상 전압들 중 하나의 3상 전압에 대한 새 값이 생성된다. 따라서, 전력 계통 주파수는, 각각의 전압 반파마다 검출되고 필터링되어 사전 설정된 한계 값들과 비교된다. 60 Hz 시스템의 경우에는, 예컨대 매 2.7 ㎳마다, 예컨대 각각의 제로 크로싱에, 3상 전압들 중 하나의 3상 전압에 대한 값이 공급될 수도 있다.
또한, 도 2에는, 풍력 발전 설비(1)가 전력 가스화 유닛(23)과 전기적으로 연결되어 있는 점도 도시되어 있다. 전력 가스화 유닛(23)은 변압기(16)의 하류에서(또는 대체되는 방식으로 그 상류에서) 연결될 수 있다.
그 자체로서 상기 전력 가스화 유닛(23)(전기 전력을 가연성 가스로 변환하기 위한 변환 유닛)은 이미 다양한 형태로, 예컨대 WO 2009/065577에 공지되어 있다. 또한, 상기 전력 가스화 유닛(23)은 SolarFuell社(www.SolarFuel.de)에 공지되어 있으며, 도 3에도 개략적으로 도시되어 있다. 상기 전력 가스화 유닛(23)에서는, 그 목적을 위해 풍력 발전 설비(1), 태양광 발전원(solar source) 또는 (전기 생성하는) 바이오매스 연료원(biomass source)으로부터 전기 전력이 공급되는, 예컨대 전기 분해에 의해, 수소가 생성될 수 있다. 전력 가스화 유닛(23)은 메탄화 유닛도 포함할 수 있으며, 이 메탄화 유닛은 CO2 소스의 이용하에, 메탄 가스(CH4)를 제조하기 위해, 생성된 수소를 이용한다. 수소든지, 또는 메탄이든지 간에, 생성된 가스는 가스 저장 장치 내로 안내될 수 있거나, 또는 가스 라인 계통, 예컨대 천연 가스 계통 내로 공급될 수 있다.
마지막으로, 전력 가스화 유닛(23)은, 유선, 예컨대 광도파관이든지, 또는 무선이든지 간에 통신 라인(26)을 통해 풍력 발전 설비의 주 제어 장치(20)와 연결되는 제어 장치(24)도 포함할 수 있다.
전력 가스화 유닛(23) 내에서 전기 분해를 위해, 예컨대 전력 계통(18)과 연결되어, 전력 계통(18)의 전기 전력을 직류 전압으로 변환하고 그에 따라 전기 분해 장치의 전기 전력을 전력 가스화 유닛(23)으로 공급하는 정류기에 의해 생성될 수 있는 직류 전류가 필요하다. 이 경우, 정류기는 예컨대 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 스위치, 싸이리스터 또는 다이오드를 포함할 수 있고, 제어 유닛도 구비한다. 스위치들은, 전력 계통(18)으로부터 공급받는 교류 전류로부터 직류 전류를 생성하기 위해 통상적인 방식으로 제어된다.
전력 가스화 유닛은, 종국에 가스(가연성 가스)를 제조하기 위해, 전기 에너지 또는 전력이 소모되는 유닛(23)이다.
도 3에는, 배전망, 천연 가스 계통 및 부하 장치들이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 예시에는, 내부적으로 연소 가스가 연소 엔진에서 연소됨으로써 연소 엔진에 연결된 전기 제너레이터에서 다시 전기 전력이 생성되고, 그 다음, 이 전기 전력은 다시금 전력 계통으로 공급될 수 있는, 가스 및 증기 발전 설비 또는 열병합 발전 설비(28)도 형성되어 있다.
풍력 발전 설비(1)는 개별 설비일 수 있으며, 대표적으로 복수의 풍력 발전 설비로 구성되는 풍력 발전 플랜트를 들 수 있다.
풍력 발전 설비는, 데이터 처리 장치(DV)를 구비한 주 제어 장치(20)를 포함한다. 상기 데이터 처리 장치(DV)는, 특히 데이터 입력단(25)을 포함하고, 이 데이터 입력단을 통해 바람 예측 데이터가 데이터 처리 장치(DV)로 공급된다. 데이터 처리 장치(DV)는 상기 바람 예측 데이터로부터 사전 결정된 예측 시간, 예컨대 20분, 30분, 40분, 50분, 또는 60분, 또는 그보다 더 오랫동안 전력 예측을 생성하고 생성된 전력 예측을 바탕으로 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트의 전력 곡선(이에 대한 예시는 도 5에 도시되어 있음)의 처리를 기반으로 매우 신뢰성 있게 예측 전력을 결정할 수 있으며, 종국에는, 선택된 예측 시간에 확실하면서도 일정하게 전력 계통으로 공급될 수 있는 최소 전기 전력을 결정할 수 있다.
이와 동시에, 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트는, 실제로 항상 새로이, 예컨대 5초 내지 10초 (혹은 그보다 더 짧은) 간격으로 실제 바람에 따라 결정되는 풍력 발전 설비(1)의 실제 전기 전력을 결정한다.
이 경우, 예측 전력(최소 전력)을 상회하는 풍력 에너지의 실제 전력의 값들은, 예컨대 정보, 데이터, 신호 등으로서 전력 가스화 유닛(23)의 제어 및 데이터 처리 장치(24)로 공급되며, 그럼으로써 전력 가스화 유닛(23)에 전기 소모량이 사전 설정된다.
다시 말해, 예컨대 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트에서, 1메가와트(MW)의 예측 전력이 결정되었고, 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트는 실제로 1.3 MW의 전력을 생성한다면, 차이 값, 다시 말해 300 kW가 값으로서 산출되며, 전력 가스화 유닛(23)의 데이터 처리 장치(24)는 상기 값을 제어 값으로서 수신함으로써, 그 다음, 그에 상응하게 전력 가스화 유닛(23)은 300 kW의 소모량으로 작동된다.
바람이 약간 감소하고 후속하여 1.2 MW의 실제 전력만이 설정된다면, 전력 가스화 유닛(23)의 전기 소모량도 그에 상응하게 200 kW로 감소하며, 바람이 증가함으로써 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트가 1.4 MW를 생성한다면, 전력 가스화 유닛의 소모량도 그에 상응하게 400 kW로 상승한다.
예측 시간의 경과 전에, 새 예측이 생성되고, 상기 새 예측 시간 동안 다시 새 일정 전력(새 예측 전력)이 결정됨으로써, 무슨 일이 있더라도 한 예측 시간에서 바로 다음의 예측 시간으로 전환될 때 예측 전력은 변동된다.
또한, 한편으로는 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트의 주 제어 장치(20)와 다른 한편으로는 전력 가스화 유닛의 제어 및 데이터 처리 장치(24) 사이의 공통 통신 라인(26)을 통해, 실제 바람 데이터 또는 전력 가스화 유닛의 소모 전력에 대한 데이터도, 결과적으로 배전망(18) 내로 공급되는 일정한 최소 전력의 일정한 공급을 보장하기 위해, 교환될 수 있다.
또한, 그 밖에도, 주 제어 장치(20)는 배전망의 제어 장치(27) 또는 그 제어 센터와도 연결될 수 있으며, 그럼으로써 상기 제어 장치 또는 제어 센터에서는 항상 전력 계통 내로 일정한 전기 공급의 값이 회수될 수 있거나, 또는 존재하게 된다.
실제 풍속과, 그에 따라 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트의 실제 생성된 전기 전력이 예측 전력 미만으로 감소하는 경우, 전력 가스화 유닛의 전기 소모량은 “0”(또는 최대한 낮은 값)으로 이동되고, 이와 동시에 경우에 따라, 추가로 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트로부터 공급될 수 없는 전기 전력을 공급할 수 있도록 하기 위해, 증기 발전 설비 및 가스-증기 발전 설비 또는 열병합 발전 설비(28)가 운전 개시될 수 있으며, 그럼으로써 결과적으로 배전망에는 여전히 항상 예측 전기 전력이 신뢰성 있게 공급될 수 있고, 필요에 따라, 그에 상응하게 가스-증기/열병합 발전 설비가 필요한 경우보다 더 높은 전력으로 작동됨으로써 예측 전력보다 더 많은 전력이 공급될 수 있다.
도 4에는, 예시에 따른 개요에서 풍력 발전 설비(1) 또는 전력 가스화 유닛(23)을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법이 개략적으로 도시되어 있으며, 특히 본 발명의 풍력 발전 설비(1)의 전력 기여량이 어떻게 분포될 수 있는지가 도시되어 있다.
도 4의 예시에 따른 개요에는, 풍력 발전 설비(1)가 30분에 걸쳐서 어떠한 전력을 생성하는지가 도시되어 있으며, 단순화를 위해, 생성된 전력은 정확히 예측에 의해서도 예측되었던 전력에 상응하는 것으로 가정된다.
예측을 바탕으로, 사전 결정된 예측 전기 전력이 결정되었다. 상기 예측 전기 전력은 전체 예측 시간 동안 풍력 발전 설비(1)에 의해 생성되고, 상기 예측 전기 전력은 일정 전력으로서 배전망(18)에 공급된다.
그러나, 예측 시간 이내에 바람의 변동을 바탕으로, 풍력 발전 설비(1)는 예측 전기 전력보다 더 높은 전기 전력을 생성하며, 그에 따라 예측 전기 전력을 상회하는 풍력 발전 설비(1)의 전력은 전력 가스화 유닛(23) 내에서 소모되며, 그럼으로써 전체 예측 시간 동안 풍력 발전 설비로부터 배전망(18) 내로 공급된 전기 전력은 항상 일정하게 유지될 수 있다.
명백한 사실로서, 도시된 예시에서는, 예컨대 상대적으로 더 짧은 예측 시간, 예컨대 20분(P20)이 선택되면, 예측 전력도 상대적으로 더 높게 설정될 수 있으며, 그럼으로써 그 다음 일점쇄선에 따라서 상대적으로 더 높은 예측 전기 전력이 설정될 수 있다.
종국에 상대적으로 더 높은 예측 전기 전력(P20)이 설정되는지, 또는 상대적으로 더 낮은 예측 전력(P30)이 설정되는지의 여부는, 결정적으로, 전력 계통 제어 장치(27)의 측에서 어떠한 요건이 사전 설정되는지에 따라서 결정된다.
요컨대 상대적으로 더 오랜 예측 시간이 요구된다면, 도시된 예시에서처럼, 30분의 예측 시간이 요구될 때, 상대적으로 낮으면서 신뢰성 있는 예측 전기 전력만이 설정될 수 있다. 그와 반대로 최대한 높은 일정 예측 전력이 요구되고 이와 동시에 예측 시간이 단축될 수 있다면, 이도 예측 전력(P20)의 결정으로 실현된다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 풍력 발전 설비(1)의 전형적인 전력 특성 곡선(전력 곡선)이 도시되어 있다. 풍력 발전 설비(1)는 시작 풍속, 예시에서는 약 3 m/s에 도달할 때 전력 생성을 개시한다. 그 다음, 풍속이 계속해서 증가할 경우, 풍력 발전 설비(1)는, 정격 속도, 예컨대 약 13.5 m/s에 도달할 때까지, 이른바 “부분 부하 작동 모드”에 위치된다. 정격 작동 모드를 상회하는 풍속의 경우, 풍력 발전 설비는 정격 작동 모드에 위치되며, 그와 동시에 최대 전기 전력을 생성한다.
부분 부하 작동 모드가 특별히 중요한 이유는, 상기 부분 부하 작동 모드에서 생성된 전기 전력이 풍속에 따라 결정되며, 바람이 소정의 시간에 걸쳐서 변동한다면, 풍력 발전 설비(1) 또는 풍력 발전 플랜트의 생성되는 전기 전력도 변동하기 때문이다. 또한, 상응하는 제어 라인을 통해, 전력 가스화 유닛(23)은 전력 계통 제어 장치(27)에 의해, 예컨대 감소되고 그에 따라 전력 가스화 유닛(23)에서 소모되는 전기 전력과 관련된 사전 설정 값을 구현하도록, 직접 제어될 수 있다.
본 발명은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트 및 전력 가스화 유닛을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 풍력 발전 설비가 해당 시간에 공급 계통 내로 공급할 수 있는 경우보다 더 많은 에너지를 생성한다면, 상기 과량의 에너지는 전력 가스화 유닛에 전기 에너지를 공급하기 위해 이용될 수 있으며, 그 다음 상기 전력 가스화 유닛에서 가연성 가스의 변환 또는 생성을 위해 이용된다. 또한, 바람 예측을 기반으로, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트의 예측 가능하게 달성할 수 있는 전기 전력에 대한 예측도 결정할 수 있다. 그러나, 예측 시간 동안 원래 예측된 경우보다 더 많은 바람이 존재한다면, 상대적으로 더 높은 풍속을 바탕으로 풍력 발전 설비에 의해 추가로 생성되는 전기 전력은, 예컨대 공급 계통 내로 공급될 수 있는 것이 아니라, 가연성 가스를 생성하기 위해 전기 에너지를 이용하는 전력 가스화 유닛으로 전달된다.
본 발명의 한 관점에 따라서, 풍력 발전 설비가 부분 부하 작동 모드(다시 말해, 풍속이 시작 풍속보다 더 높지만 정격 풍속보다 더 낮음)에서 작동되는 경우, 예측된 전기 전력을 초과하여 생산된 전기 전력은 전력 가스화 유닛 상으로 전달될 수 있다.
Claims (11)
- 풍력 발전 설비, 복수의 풍력 발전 설비로 구성된 풍력 발전 플랜트 등과, 상기 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트와 전기적으로 연결된 전력 가스화 유닛을 작동시키기 위한 방법으로서,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트는 바람이 충분한 경우 전기 전력을 생성하여, 상기 풍력 발전 설비에, 또는 상기 풍력 발전 플랜트에 연결된 전력 계통 내로 상기 전기 전력을 공급하고,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트의 풍력 발전 설비는 사전 결정된 전력 곡선으로 작동되며,
전기 전력은 제1 풍속(시작 풍속)에 도달한 이후부터 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트에 의해 생성되고,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트는, 풍속이 제1 풍속(시작 풍속)과 제2 풍속(정격 풍속) 사이에 있는 동안, 부분 부하 작동 모드에 위치되며,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트는, 풍속이 상기 제2 풍속(정격 풍속)보다 높은 범위에 있을 때, 정격 전력 범위에 위치되고,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트에 의해 생성된 전기 전력 중 사전 결정된 부분만이 전력 가스화 유닛에서 소모됨으로써, 상기 전력 가스화 유닛 내에서 가연성 가스, 특히 수소 및/또는 메탄 가스 등이 생성되며,
상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 단자에 의해 부분 부하 작동 모드에서 생성되어 상기 전력 가스화 유닛에서 소모되는 것이 아니라, 연결된 전력 계통 내로 공급되는 전기 전력의 성분은 사전 결정된 시간 기간, 예컨대 10분 또는 그 이상, 예컨대 1시간 동안 거의 일정하게 설정되는 것인 작동 방법. - 제1항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 및 상기 전력 가스화 유닛은 데이터 통신 장치를 통해 서로 연결되고, 상기 풍력 발전 설비의 데이터, 예컨대 풍속 데이터, 실제 전기 생성 전력, 바람 예측 데이터 등은 상기 전력 가스화 유닛으로 전송되어, 상기 전력 가스화 유닛에서 상기 전력 가스화 유닛의 제어를 위해 처리되는 것인 작동 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 및 상기 전력 가스화 유닛은, 공간 상에서 서로 가깝게, 예컨대 500 m 내지 20 km의 이격 간격으로 배치되는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 및/또는 상기 풍력 발전 플랜트는, 거의 일정한 전력이 전력 계통 내로 공급되는 시간에 대한 데이터를 전력 계통을 제어하기 위한 데이터 센터로 전송하는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 가스화 유닛의 제어는, 예측 및 실제 풍황 조건과 그에 따른 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트에 의한 전기 에너지 또는 전력의 실제 생성에 따라 결정되는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 내에, 또는 상기 풍력 발전 플랜트 내에 데이터 처리 장치가 형성되거나 할당되고, 상기 데이터 처리 장치 내에서는 사전 결정된 시간 동안 유효한 바람 예측 데이터가 처리되며, 상기 바람 예측 데이터를 기반으로, 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트가 예측 시간 동안 확실하게 또는 높은 안전도로, 예컨대 90%, 바람직하게는 95% 이상의 확률로 생성할 수 있는 전력에 대한 예측 값(일정한 예측 전력)이 결정되는 것인 작동 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트는, 지속적으로 한편으로는 바람에 의해 사전 설정되는 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트의 실제 전력과 다른 한편으로는 실제 예측 값 사이의 차를 산출하고, 산출된 차이 값은 제어 신호로서 상기 전력 가스화 유닛으로 전송되며, 상기 전력 가스화 유닛 내에서 전송된 값은 상기 전력 가스화 유닛의 제어를 위해 처리됨으로써, 상기 전력 가스화 유닛은, 한편으로 바람에 의해 사전 설정되는 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트의 실제 전력과 다른 한편으로는 예측 값 사이의 산출된 차이 값에 상응하는 전력을 항상 소모하는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예측 시간은, 10분 이상, 바람직하게는 20분 이상, 또는 30분 이상, 또는 1시간 이상인 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트는 데이터 처리 시스템과 연결되는 데이터 입력단을 포함하고, 상기 데이터 입력단은 연결된 전력 계통의 제어 장치 또는 그 제어 센터와 연결되며, 상기 제어 장치 또는 제어 센터에서는 산출된 차이 값을 대체할 수 있는 값이 사전 설정될 수 있고, 데이터 라인을 통해서는 상기 산출된 차이 값이 상기 전력 계통의 제어 장치 또는 제어 센터로 전송되는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 가스화 유닛은, 상기 전력 가스화 유닛에 의해 생성된 가스가 공급되는 연소 엔진을 포함하고, 상기 연소 엔진의 하류에는 제너레이터가 배치되며, 이 제너레이터에 의해 상기 연결된 전력 계통 내로 공급될 수 있는 전기 에너지 또는 전력이 생성될 수 있으며, 상기 연소 엔진 또는 상기 제너레이터는, 상기 풍력 발전 설비 또는 상기 풍력 발전 플랜트의 생성되는 전력이 사전 결정된 시간 동안 예측 전력을 하회한 상태로 유지되는 경우, 전기 전력을 생성하는 것인 작동 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따르는 작동 방법을 실행하기 위해, 한편으로는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트(예컨대, 광전 설비)와 다른 한편으로는 상기 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 플랜트와 연결되는 전력 가스화 유닛으로 구성되는 것인 복합 발전 설비.
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