KR20140132818A - 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 전동발전장치(Motor-Generator set: M-G set)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자가 설계한 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 M-G세트를 통해 풍력 발전 시스템을 시뮬레이션하고 그 피드백(feed-back)으로 위 시뮬레이션 결과를 사용자에게 제시함으로써 사용자의 풍력 발전 시스템에 대한 전반적 이해 증진은 물론 풍력 발전 시스템의 설계 능력을 배양할 수 있다.

Description

풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치{The educational simulation method and apparatus for wind power generation system}
본 발명은 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 전동발전장치(Motor-Generator set: M-G set)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
근래 화석 에너지 자원의 고갈에 따른 대체 에너지로 풍력, 태양열, 수력, 지열, 조력 등 자연력을 이용한 신 재생 에너지에 대한 관심은 나날이 높아지고 있는 추세이며 실제 이를 이용한 다양한 발전 시스템이 상용화되어 있기도 하다.
위 신 재생 에너지 중 풍력 에너지는 그 자원이 광범위한 지역에 걸쳐 분포되어 있을 뿐 아니라 환경 오염의 우려 또한 적어 유력한 차세대 대체 에너지로 각광받고 있으나, 풍력을 이용한 발전은 시시각각 변화하는 바람을 이용한다는 점에 그 실효성 있는 운영을 위해서는 사전 풍력 터빈의 실증 시험이 필수적으로 요구되었다.
이에 따라 풍력 에너지의 발전원리를 이해시키고 다양한 풍력 조건하 실험/실습을 위한 교육용 장치가 개발되었으나, 종래의 풍력 발전 시스템에 관한 교육용 장치는 풍력 발전의 기본 원리 이해나 다양한 풍속에 따른 날개 회전 속도의 변화 및 출력 전력의 변화만을 시각화하여 표시하는 일반적 수준의 교육에 그치고 있어 풍력 터빈 구성의 설계 등 풍력 발전 관련 전문 인재 양성을 위한 교육 장치로는 부적합하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 풍력 발전 시스템에 대한 이해는 물론 풍력 터빈 설계 관련 전문화 교육을 위해 사용자(교육생)가 수립하는 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 따라 풍력 발전 시스템의 동작을 모의하는 풍력 발전 시스템에 대한 교육용 시험 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 M-G(Motor-Generator) 세트를 이용한 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치는 사용자에 의해 설계되는 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 포함하는 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사전 설정된 풍력 패턴에 따라 토크 지령값을 산출하는 제어부, 상기 토크 지령값에 기초하여 상기 M-G 세트 모터의 토크를 제어하는 모터 드라이브, 상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보를 검출하는 센서부 및 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초한 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과를 표시하는 상태 표시부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 풍력 터빈 설계 데이터는 풍력 터빈의 정격 풍속, 회전 날개 길이 및 풍력 터빈의 출력 계수 함수를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴에 기초하여 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 산출하고, 산출된 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트의 발전 용량에 따라 환산하여 토크 지령값을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 센서부로부터 검출되는 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초하여 풍력 터빈의 모의에 따른 회전 날개의 회전 속도, 발생 전력을 산출하고, 상기 상태 표시부는 상기 회전 날개의 회전 속도 및 상기 발생 전력 정보를 표시할 수 있다.
한편, 상기 M-G 세트의 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하기 위한 풍력용 인버터를 더 포함하되, 상기 풍력용 인버터는 상기 제어부에서 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 산출하는 전력 지령값에 따라 전력 계통으로 전력을 전송할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 M-G(Motor-Generator) 세트를 이용한 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법은 (a) 사용자로부터 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 포함하는 풍력 터빈 설계 데이터를 입력받는 단계, (b) 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 사전 설정된 풍력 패턴에 기초하여 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 산출하는 단계, (c) 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트의 발전 용량에 따라 환산하여 토크 지령값을 산출하는 단계, (d) 상기 토크 지령값에 기초하여 상기 M-G 세트의 모터를 구동하는 단계, (e) 상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하는 단계, (f) 상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보를 검출하는 단계 및 (g) 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초한 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과를 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (a) 단계는 (a-1) 사용자로부터 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 입력받는 단계, (a-2) 사용자로부터 풍력 터빈의 정격 풍속 정보를 입력받는 단계, (a-3) 사용자로부터 회전 날개 길이 정보를 입력받는 단계 및 (a-4) 사용자로부터 풍력 터빈의 출력 계수 정보를 입력받는 단계를 포함하되, 상기 (a-1) 내지 (a-4) 단계는 순차적으로 수행할 수 있다.
상기 (a-3) 단계는 상기 회전 날개 길이가 상기 발전 용량 정보 및 상기 정격 풍속 정보에 기초하여 적합하지 않은 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 상기 회전 날개 길이 정보를 반복하여 입력받을 수 있다.
상기 (a-4) 단계는 상기 풍력 터빈의 출력 계수 정보가 상기 발전 용량 정보 및 상기 정격 풍속 정보에 기초하여 적합하지 않은 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 상기 풍력 터빈의 출력 계수 정보를 반복하여 입력받을 수 있다.
한편, 상기 (e) 단계는 (e-1) 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 최적 주속비를 산출하는 단계, (e-2) 상기 풍력 터빈 설계 데이터, 상기 풍속 패턴 정보 및 상기 최적 주속비에 기초하여 전력 지령값을 산출하는 단계 및 (e-3) 상기 전력 지령값에 따라 상기 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자가 설계한 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 M-G세트를 통해 풍력 발전 시스템을 시뮬레이션하고 그 피드백(feed-back)으로 위 시뮬레이션 결과를 사용자에게 제시함으로써 사용자의 풍력 발전 시스템에 대한 전반적 이해 증진은 물론 풍력 발전 시스템의 설계 능력을 배양할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법을 나타내는 절차도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 설계 학습 방법을 나타내는 절차도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 모의 방법을 나타내는 절차도이다.
본 발명은 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 사용자에 의해 입력되는 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 전동발전장치(Motor-Generator set: M-G set)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)는 전동발전장치(110, Motor-Generator set: M-G 세트), 모터 드라이브(120), 제어부(130), 센서부(140), 상태 표시부(150) 및 풍력용 인버터(160)를 포함할 수 있다.
상기 M-G 세트(110)는 사용자에 의해 입력되는 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 실제 풍력 발전 시스템의 동작을 모의하기 위한 장치로, 상기 M-G 세트(110)는 모터(111)와 발전기(113)를 벨트나 증속기(gear box) 등을 통해 기계적으로 결합(coupling)하고 이를 동일한 받침대(115, M-G set용 BED) 상에 설치하는 형태로 구현할 수 있다.
구체적으로 상기 M-G 세트(110)의 상기 모터(111)는 상기 모터 드라이버(120)의 구동 제어에 따라 다양한 토크(torque)로 구동됨으로써 실제 풍력 발전 시스템의 풍력 터빈을 모의할 수 있고, 상기 발전기(113)는 상기 모터(111)의 구동을 통해 발생하는 회전력으로부터 실제 전력을 생산하고 이를 풍력용 인버터(160)를 통해 전력 계통으로 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)는 상기 M-G 세트(110)의 정상 작동을 보장하고 풍력 발전 시스템의 실시간 동작을 감시 및 제어하기 위하여 모터(111)와 모터 드라이버(120)간 전압계, 전류계, 회로 차단기, 전압 변환 스위치 등을 장착할 수 있으며, 마찬가지 상기 발전기(113)와 풍력용 인버터(160)간에도 전압계, 전류계, 전압 조정장치 등을 장착할 수 있다. 또한, 상기 모터(111)의 구동에 따른 토크를 실시간 검출하기 위하여 토크 센서(117)를 상기 모터(111) 및 상기 발전기(113)간에 장착할 수 있다.
상기 모터 드라이브(120)는 상기 모터(111)의 일단에 연동되어 상기 모터(111)의 토크를 제어하는 장치로, 구체적으로 상기 모터 드라이브(120)는 제어부(130)로부터 수신되는 토크 지령치에 기초하여 상기 모터(111)의 토크를 제어할 수 있다.
상기 제어부(130)는 사용자에 의해 입력되는 다양한 발전 용량의 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사전 설정된 풍속 패턴에 따라 실제 풍력 발전 시스템에서의 풍력 터빈 토크를 모의하기 위한 토크 지령치를 산출하고 이를 상기 모터 드라이브(120)로 전달할 수 있다.
상기 풍력 터빈 설계 데이터는 사용자에 의해 설계되는 풍력 터빈 구성과 관련된 정보를 포괄적으로 지칭하는 것으로, 상기 풍력 터빈 설계 데이터는 풍력 발전 시스템의 발전 용량, 풍력 터빈의 정격 풍속, 회전 날개(blade)의 길이, 풍력 터빈의 출력 계수에 관한 정보를 포함할 수 있다.
이때, 상기 풍력 터빈 설계 데이터는 상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)와 연동되는 교육용 컴퓨터(10)에 설치된 본 발명 실시예와 관련된 풍력 교육 프로그램을 통해 사용자에 의해 입력되어 상기 제어부(130)로 전송될 수 있다.
상기 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보는 풍력 발전 시스템에서의 발전가능한 최대 전력량을 나타내는 것으로, 상기 발전 용량은 사용자의 선택에 따라 다양한 수치로 설정될 수 있으며 이에 기초하여 정격 풍속, 회전 날개의 길이 및 출력 계수 등이 설계될 수 있다.
상기 정격 풍속은 풍력 발전 시스템의 발전을 일으킬 수 있는 최소 풍력을 지칭하며, 상기 회전 날개의 길이는 바람의 운동에너지에 의해 회전이 발생하는 회전 날개 장치의 날개 길이를 지칭한다. 상기 날개 길이는 상기 발전 용량 및 상기 정격 풍속에 기초하여 사전 설정된 풍속 패턴에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기 풍력 터빈의 출력 계수는 바람이 갖는 운동 에너지의 기계적 회전 에너지로의 에너지 변환 효율을 나타내는 것으로, 상기 풍력 터빈의 출력 계수는 주속비(Tip-speed Ratio) 및 회전 날개의 피치각에 기초하여 설계될 수 있다.
여기서, 상기 주속비(Tip-speed Ratio)는 풍속에 대한 회전 날개의 회전 속도 비율을 나타내며, 상기 회전 날개의 피치각은 풍력 터빈을 정격 풍속에서 지속 운전하기 위한 회전 날개의 각도를 나타낸다.
상기 풍속 패턴은 상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)를 통해 풍력 발전 시스템의 발전 동작을 시뮬레이션하기 위한 바람의 세기 및 바람의 방향 등에 관한 가상 데이터로서 교육 목적에 따라 적절히 변경하여 설정될 수 있으며, 상기 풍속 패턴 정보는 상기 풍력 터빈 설계 시 사용자에게 사전 제공될 수 있다.
상기 제어부(130)는 상기 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사전 설정된 풍속 패턴에 따라 실제 풍력 발전 시스템에서의 풍력 터빈 토크를 모의하기 위한 토크 지령치를 산출할 수 있다.
구체적으로 상기 토크 지령치는 상기 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈의 토크를 산출하는 과정 및 산출된 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트(110)의 발전 용량에 따라 환산하는 과정을 통해 산출할 수 있다.
상기 제어부(130)는 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈의 토크를 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 사전 설정된 풍속 패턴에 기초하여 아래의 수학식을 통해 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 상기 T wt 는 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈의 토크, 상기 r 은 회전 날개의 반지름, 상기 C p (λ,β)는 풍력 터빈의 출력 계수, 상기 v 는 풍속, 상기 ω는 풍력 터빈의 회전 각속도, 상기 ρ는 공기밀도를 나타내며, 상기 풍력 터빈의 출력 계수에서 λ는 주속비, β는 회전 날개의 피치각을 나타낸다.
상기 제어부(130)는 산출한 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크 T wt 를 아래 수학식을 통해 상기 M-G 세트(110)의 발전 용량에 따라 환산하는 과정을 통해 토크 지령치를 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, 상기 T ref 는 모터 드라이브(120)로 전달되는 토크 지령치, 상기 T wt 는 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈의 토크, 상기 T rated - wt 는 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈의 정격 토크, 상기 T B 는 모터(111)의 기준 토크(base torque)를 나타낸다. 이때, 상기 T rated - wt 는 상기 <수학식 1>에서의 풍속 v 가 정격 풍속인 경우의 토크를 나타낸다.
한편, 상기 제어부(130)는 산출한 상기 토크 지령치를 아날로그 출력 채널(Analog output channel)을 통하여 모터 드라이브(120)로 전송할 수 있다.
상기 모터 드라이브(120)는 상기 제어부(130)로부터 수신되는 토크 지령치에 따라 상기 모터(111)의 토크를 제어하며, 상기 모터(111)에서 발생하는 회전력에 의해 상기 발전기(113)가 동작하여 전력을 생산하게 되고, 생산된 전력은 풍력용 인버터(160)를 통해 전력 계통으로 전송될 수 있다.
상기 풍력용 인버터(160)는 상기 모터(111)의 회전 속도 변화에 따라 생산되는 전력의 전압 및 주파수의 크기가 불규칙하게 변동되므로 이를 전력 계통으로 안정적으로 공급하기 위해 이를 직류 형태로 정류한 후 다시 일정 주파수의 교류 형태로 변환하여 전력 계통으로 전송할 수 있다.
이때, 상기 풍력용 인버터(160)는 모터(111)의 회전으로부터 최대 출력을 획득하기 위하여 제어부(130)로부터 수신되는 전력 지령값에 따라 전력 계통으로 공급하는 전력의 크기를 제어할 수 있으며, 상기 전력 지령값은 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 사전 설정된 풍속 패턴에 기초하여 아래의 수학식을 통해 제어부(130)로부터 산출될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 상기 P ref 는 제어부(130)에서 풍력용 인버터(160)로 전달하는 전력 지령치, 상기 P B 는 발전기(113)의 기준 출력(base power), 상기 P rated - wt 는 사용자가 설계한 풍력 터빈의 정격 출력, 상기 C pmax 는 풍력 터빈의 출력 계수 C p (λ,β)의 최대값, 상기 r 은 회전 날개의 반지름, 상기 ω는 풍력 터빈의 회전 각속도, 상기 λ는 주속비를 나타낸다.
이때, 상기 C pmax 는 풍력 터빈의 출력 계수 C p (λ,β)에서 λ 가 λ opt , β 가 0°일 때의 풍력 터빈의 출력 계수일 수 있으며, 상기 λ opt 는 아래의 수학식으로부터 산출될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, 상기 λ opt 는 최적 주속비, 상기 ωopt 는 회전 날개에 의해 발전기(113)로부터 최대 출력을 발생하기 위한 회전 각속도, 상기 r 은 회전 날개의 반지름, 상기 v 는 풍속을 나타낸다.
즉, 상기 제어부(130)는 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 최적 주속비를 산출하고, 산출된 최적 주속비, 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 상기 전력 지령값을 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)는 사용자가 수립한 풍력 터빈 설계 데이터에 따른 피드백(feed-back)으로 M-G 세트(110)를 통한 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과를 사용자에게 제시/표시하기 위한 상태 표시부(150)를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 상태 표시부(150)는 제어부(130)로부터 수신되는 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과로 예컨대, 실시간 풍속, 발생 전력, 회전 날개의 회전 속도, 회전 날개의 피치각, 풍력 터빈의 출력 계수에 관한 정보를 표시할 수 있으며, 이를 위해 상기 상태 표시부(150)는 상기 제어부(130)와 전기적으로 연결되는 LCD(liquid crystal display) 또는 LED(light emitting diode) 등의 표시창으로 적절히 구현할 수 있다. 물론, 상기 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과는 교육용 컴퓨터(10)의 모니터를 통해서도 출력될 수 있다.
상기 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과 정보를 산출하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)는 풍력 발전 시스템을 모의 하는 M-G 세트(110)의 운전 상태 정보를 수집하고 이를 제어부(130)로 제공하는 센서부(140)를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 센서부(140)는 M-G 세트(110)의 모터(111) 및 발전기(113)의 동작에 따른 실시간 전압, 전류 및 토크를 검출하고 이를 제어부(130)에 제공/전달할 수 있으며, 상기 제어부(130)는 상기 센서부(140)를 통해 수집되는 상기 모터(111) 및 상기 발전기(113)의 실시간 전압, 전류 및 토크에 기초하여 회전 날개의 회전 속도, 발생 전력 등에 관한 정보를 산출할 수 있다.
이를 위해 상기 센서부(140)는 상기 모터(111) 및 상기 발전기(113)에 장착되는 전압계, 전류계 및 상기 모터(111)의 구동에 따른 발생 토크를 실시간 검출하기 위한 토크 센서를 포함하여 구현될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)를 이용한 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법을 나타내는 절차도이다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법은 교육용 컴퓨터(10)를 통해 사용자의 선택에 따라 풍력 터빈 설계 학습 모드 및 실습 교육 모드가 수행될 수 있음은 물론 상기 설계 학습 및 실습 교육의 원활한 진행을 위한 사전 교육으로 풍력 발전 시스템 관련 개념 학습 모드가 수행될 수 있다(S201).
상기 풍력 터빈 설계 학습 및 상기 풍력 발전 시스템 관련 개념 학습 과정은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)와 연동되는 교육용 컴퓨터(10)에 설치된 본 발명의 실시예와 관련된 풍력 발전 교육 프로그램을 통해 수행될 수 있으며, 상기 풍력 터빈 설계 실습 과정은 상기 설계 학습 과정을 통해 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 설계 데이터를 상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)로 전송하여 풍력 발전 시스템을 모의하는 과정으로 수행될 수 있다.
상기 S201 단계에서 사용자에 의해 풍력 발전 시스템에 대한 개념 학습 모드가 선택된 경우, 상기 풍력 발전 교육 프로그램을 통해 풍력 발전 시스템 관련 개념 학습이 시작될 수 있으며(S211), 풍력 발전기, 풍력 터빈, 풍력용 발전기, 풍력용 전력 변환 장치 등 풍력 발전 시스템 관련 장치의 기본 개념을 사용자의 선택에 따른 적절한 방식으로 상기 교육용 컴퓨터(10)의 모니터, 스피커 등을 이용해 표시/설명할 수 있다(S213).
상기 S201 단계에서 사용자에 의해 풍력 터빈 설계 학습 모드가 선택된 경우, 상기 풍력 교육 프로그램을 통해 풍력 터빈 설계 학습이 시작될 수 있으며(S221), 사용자의 선택에 따른 풍력 발전 시스템의 발전 용량, 정격 풍속, 회전 날개(blade)의 길이, 풍력 터빈의 출력 계수에 관한 정보 등 풍력 터빈 설계 데이터의 입력을 통해 상기 설계 학습이 진행될 수 있다(S223).
이때, 상기 S223 단계는 사용자에게 체계적/전문적 풍력 터빈 설계 학습 과정을 제공하고, 사용자로 하여금 풍력 발전 시스템의 다양한 발전 용량에 따른 풍력 터빈 구성의 구체적 설계 과정에 대한 이해의 증진은 물론 나아가 이를 평가하는 용도로 활용하기 위해 사용자로부터 상기 풍력 터빈 설계 데이터를 단순히 입력받는 것이 아닌 실제 풍력 터빈의 설계 과정을 반영해 상기 풍력 터빈 설계 데이터의 입력 순서를 배정하고 입력되는 데이터의 적합성 판단 과정을 포함하여 수행할 수 있다.
이하에서는 상기 적합성 판단 과정을 포함하는 풍력 터빈 설계 학습 방법과 관련하여 새로운 도면을 이용해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 터빈 설계 학습 방법을 나타내는 절차도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 사용자의 선택에 따라 풍력 터빈 설계 학습 모드가 개시되면, 먼저 사용자로부터 설계하려는 풍력 발전 시스템에서의 발전 가능한 최대 전력량 정보 즉, 풍력 발전 용량 정보를 입력 받으며(S301), 이어서 풍력 발전 시스템의 발전을 일으킬 수 있는 최소 풍속 정보 즉, 정격 풍속 정보를 입력받는다(S303).
다음으로 사용자로부터 회전 날개의 길이에 대한 정보를 입력 받되(S305), 상기 회전 날개 길이가 입력된 상기 풍력 발전 용량 및 상기 정격 풍속에 적합한 길이인지 여부를 확인하고(S307), 확인 결과 부적합한 것으로 판단되는 경우 회전 날개 길이의 설정 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
상기 S307 단계에서의 확인 결과 적합한 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 주속비(Tip speed ratio)에 따른 출력 계수 함수 및 회전 날개의 피치각에 따른 출력 계수 함수(Cp curve)를 입력받는다(S309).
이때, 상기 출력 계수 함수가 입력된 상기 풍력 발전 용량 및 상기 정격 풍속에 적합한지 여부를 확인하고(S311), 확인 결과 부적합한 것으로 판단되는 경우 상기 출력 계수 함수의 설계 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
상기 S311 단계에서의 확인 결과 적합한 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 입력받은 상기 발전 용량, 상기 정격 풍속, 상기 회전 날개 길이, 상기 출력 계수 함수에 기초하여 전력 지령값 산출을 위한 최적 주속비를 설정(S313)하는 과정을 통해 상기 S223 단계가 수행될 수 있다.
상기 S223 단계의 수행을 통해 사용자로부터 입력받은 상기 발전 용량, 상기 정격 풍속, 상기 회전 날개 길이, 상기 출력 계수 함수 및 상기 최적 주속비를 포함하는 풍력 터빈 설계 데이터를 저장할 수 있다(S225).
상기 S201 단계에서 사용자에 의해 풍력 터빈 실습 교육 모드가 선택됨에 따라 상기 풍력 교육 프로그램을 통해 풍력 터빈 실습 교육이 시작되면(S231), 전술한 단계 S221 내지 S225의 풍력 터빈 설계 학습 수행을 통해 생성/저장한 풍력 터빈 설계 데이터 중 사용자의 선택에 따라 상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하려는 풍력 터빈 설계 데이터를 불러올 수 있다(S233).
상기 풍력 터빈 설계 데이터에 기초한 풍력 발전 시스템을 모의하기 위해 상기 풍력 터빈 설계 데이터는 교육용 컴퓨터(10)로부터 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)의 제어부(130)로 전송될 수 있다.
상기 제어부(130)는 수신한 상기 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 M-G 세트(110)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하고, 위 모의 결과를 상태 표시부(150)에 표시할 수 있다(S235).
상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)를 통한 풍력 발전 시스템 모의 방법에 대하여는 새로운 도면을 이용해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 모의 방법을 나타내는 절차도이다.
상기 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치(100)의 제어부(130)는 교육용 컴퓨터(10)로부터 수신되는 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사전 설정된 풍속 패턴에 따라 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 산출한다(S401).
상기 제어부(130)는 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트(110)를 통해 풍력 발전 시스템을 모의하기 위하여 상기 M-G 세트(110)의 용량에 따라 이를 환산함으로써 토크 지령치를 산출한다(S403).
상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크 및 상기 토크 지령치의 산출 방법은 전술한 바와 같다.
상기 제어부(130)는 상기 토크 지령치를 모터 드라이브(120)로 전송하고, 상기 모터 드라이브(120)는 상기 토크 지령치에 따라 상기 모터(111)의 토크을 제어함으로써 풍력 발전 시스템을 모의할 수 있다(S405).
상기 모터(111)의 회전력에 의해 M-G 세트(110)의 발전기(113)가 동작하면서 전력을 생산하고, 생산된 전력은 풍력용 인버터(160)를 통해 전력 계통으로 전송될 수 있다(S407).
이때, 사용자가 수립한 풍력 터빈 설계 데이터에 따른 피드백으로 센서부(140)는 상기 M-G 세트(110)의 운전 결과를 검출하고, 상기 제어부(130)는 상기 센서부(140)를 통해 검출된 결과를 풍력 발전 시스템의 운전 결과로 환산하여 상태 표시부(150)에 이를 표시할 수 있다.
또한, 상기 제어부(130)는 상기 발전기(113)를 통해 생산된 전력을 상기 풍력용 인버터(160)를 통해 안정적/효율적으로 전력 계통망에 공급하기 위하여 전력 지령값을 산출하여 이를 상기 풍력용 인버터(160)로 전송할 수 있으며, 상기 풍력용 인버터(160)는 상기 전력 지령값에 기초하여 상기 발전기(113)로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 공급할 수 있다. 상기 전력 지령값의 산출 방법은 전술한 바와 같다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. M-G(Motor-Generator) 세트를 이용한 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치에 있어서,
    사용자에 의해 설계되는 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 포함하는 풍력 터빈 설계 데이터에 기초하여 사전 설정된 풍력 패턴에 따라 토크 지령값을 산출하는 제어부;
    상기 토크 지령값에 기초하여 상기 M-G 세트 모터의 토크를 제어하는 모터 드라이브;
    상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보를 검출하는 센서부; 및
    상기 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초한 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과를 표시하는 상태 표시부를 포함하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력 터빈 설계 데이터는,
    풍력 터빈의 정격 풍속, 회전 날개 길이 및 풍력 터빈의 출력 계수 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴에 기초하여 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 산출하고, 산출된 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트의 발전 용량에 따라 환산하여 토크 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서부로부터 검출되는 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초하여 풍력 터빈의 모의에 따른 회전 날개의 회전 속도, 발생 전력을 산출하고,
    상기 상태 표시부는,
    상기 회전 날개의 회전 속도 및 상기 발생 전력 정보를 표시하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 M-G 세트의 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하기 위한 풍력용 인버터를 더 포함하되,
    상기 풍력용 인버터는,
    상기 제어부에서 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 산출하는 전력 지령값에 따라 전력 계통으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 장치.
  6. M-G(Motor-Generator) 세트를 이용한 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법에 있어서,
    (a) 사용자로부터 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 포함하는 풍력 터빈 설계 데이터를 입력받는 단계;
    (b) 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 사전 설정된 풍력 패턴에 기초하여 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 산출하는 단계;
    (c) 상기 사용자에 의해 설계된 풍력 터빈 토크를 상기 M-G 세트의 발전 용량에 따라 환산하여 토크 지령값을 산출하는 단계;
    (d) 상기 토크 지령값에 기초하여 상기 M-G 세트의 모터를 구동하는 단계;
    (e) 상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하는 단계;
    (f) 상기 모터의 구동에 따른 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보를 검출하는 단계; 및
    (g) 상기 M-G 세트의 운전 상태 정보에 기초한 풍력 발전 시스템의 모의 운전 결과를 표시하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 사용자로부터 풍력 발전 시스템의 발전 용량 정보를 입력받는 단계;
    (a-2) 사용자로부터 풍력 터빈의 정격 풍속 정보를 입력받는 단계;
    (a-3) 사용자로부터 회전 날개 길이 정보를 입력받는 단계; 및
    (a-4) 사용자로부터 풍력 터빈의 출력 계수 정보를 입력받는 단계를 포함하되, 상기 (a-1) 내지 (a-4) 단계는 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (a-3) 단계는,
    상기 회전 날개 길이가 상기 발전 용량 정보 및 상기 정격 풍속 정보에 기초하여 적합하지 않은 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 상기 회전 날개 길이 정보를 반복하여 입력받는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 (a-4) 단계는,
    상기 풍력 터빈의 출력 계수 정보가 상기 발전 용량 정보 및 상기 정격 풍속 정보에 기초하여 적합하지 않은 것으로 판단되는 경우, 사용자로부터 상기 풍력 터빈의 출력 계수 정보를 반복하여 입력받는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e-1) 상기 풍력 터빈 설계 데이터 및 상기 풍속 패턴 정보에 기초하여 최적 주속비를 산출하는 단계;
    (e-2) 상기 풍력 터빈 설계 데이터, 상기 풍속 패턴 정보 및 상기 최적 주속비에 기초하여 전력 지령값을 산출하는 단계; 및
    (e-3) 상기 전력 지령값에 따라 상기 발전기로부터 생산되는 전력을 전력 계통으로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템의 교육용 시험 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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