KR20160064882A - 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법 - Google Patents

풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법에 관한 것으로, 로터의 회전력을 발전기로 전달하는 회전력 전달부 및 풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 아이들링 상태에서 전열부하, 동력부하 및 전등부하를 구동하도록 상기 회전력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 이용해서 전력을 생산하고 생산된 전력을 각 부하장치들로 공급하는 서브 발전기를 포함하는 구성을 마련하여, 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 서브 발전기를 이용해서 전열부하, 동력부하, 전등부하 등 각 부하장치의 구동에 필요한 전력을 생산할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법{WIND POWER GENERATOR AND POWER GENERATION CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 발생한 전력을 활용하는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법에 관한 것이다.
풍력 발전은 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후, 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 에너지로 점차 사용 범위가 증가하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 풍력 발전기의 사시도이다.
풍력 발전기(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 증속기, 발전기 등을 포함하는 발전장치 및 제어장치를 포함하는 나셀(nacelle)(2), 지면에 세워지는 고층의 구조물로서 상단에 나셀(2)이 설치되는 타워(tower)(3), 복수의 블레이드(blade)(5)와 블레이드(5)가 결합되는 허브(hub, 6)로 구성되는 로터(rotor)(4)를 포함한다.
로터(4)를 회동 지지하는 나셀(3)은 타워(3) 상단에 회전 가능하게 설치되고, 로터(4)의 회전력이 주축을 거쳐 발전기에 이르러 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 풍력 발전기에는 전열부하, 동력부하, 전등부하 등 풍력 발전기에 마련된 각 장치를 구동하기 위해 계통 시스템의 전원(이하 '계통 전원'이라 함)을 공급함에 따라, 종래기술에 따른 풍력 발전기는 아이들링(idling) 상태에서도 상시적으로 전력을 소비한다.
여기서, 상기 계통 시스템은 풍력 발전기에서 발생한 전력을 이용하는 가정이나 공장 등의 부하장치를 말한다.
상기 아이들링 상태는 풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 상태로서, 발전을 하지 않고, 바람의 방향을 지속적으로 찾아 바람의 방향을 향해 나셀을 회전시키는 등의 발전 운전 준비작업을 수행한다.
예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 등에 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 피치각을 제어하는 기술을 개시하여 특허 출원한 바 있다.
특허문헌 1에는 풍력 발전기의 운전대기 상태에서 아이들링에 의해 서브시스템이 일정 온도 이상을 유지하도록 프리히팅(pre-heating)이 가능하게 해서, 운전대기 상태에서 정상적인 운전 상태에 이르는 시간을 단축시켜서 출력 향상을 통한 터빈의 효율을 높일 수 있는 풍력 발전 장치의 아이들링 피치각 제어 방법이 기재되어 있다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2014-0087707호(2014년 7월 9일 공개)
상기한 바와 같이, 종래기술에 따른 풍력 발전기는 아이들링시 전열부하, 동력부하, 전등부하 등에서 소비되는 전력으로 인해 계통전원을 불가피하게 공급해야 함에 따라, 소비전력이 증가하는 문제점이 있었다.
이때, 각 부하장치에서 소비되는 전력은 약 50 내지 100kW에 달한다.
따라서, 풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 아이들링 상태에서 소비되는 전력을 직접 생산하여 각 부하장치에 공급할 수 있는 기술이 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 각 부하 장치에서 소비되는 전력을 생산해서 공급할 수 있는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 각 부하 장치의 구동에 의한 전력 소비를 최소화할 수 있는 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력 발전기는 로터의 회전력을 발전기로 전달하는 회전력 전달부 및 풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 아이들링 상태에서 전열부하, 동력부하 및 전등부하를 구동하도록 상기 회전력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 이용해서 발전하고 생산된 전력을 각 부하장치들로 공급하는 서브 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 서브 발전기에서 생산된 전력을 상기 부하장치를 구동하는 전원레벨로 변환하는 전력 변환부, 상기 서브 발전기에서 생산된 전력을 충전하는 배터리 및 풍력 발전기의 운전을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 변환부는 상기 서브 발전기에서 생산된 교류전원을 상기 배터리에 충전하도록 직류전원으로 변환하고, 상기 제어부는 상기 아이들링이 불가능한 경우, 상기 배터리에 충전된 전원을 각 부하장치로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 변환부와 각 부하장치 사이에는 과전류 또는 과전압으로부터 각 부하장치를 보호하는 차단기가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 서브 발전기는 농형 유도발전기로 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 발전 제어방법은 (a) 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 로터의 회전력을 서브 발전기로 전달하여 상기 서브 발전기를 구동해서 전력을 생산하는 단계 및 (b) 상기 (a)단계에서 생산된 전력을 아이들링 상태에서 구동되는 전열부하, 동력부하, 전등부하에 공급하여 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계는 전원 변환부를 이용해서 상기 서브 발전기에서 생산된 전력의 전압레벨을 각 부하장치의 구동에 필요한 전압레벨로 변환해서 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계는 상기 서브 발전기에서 생산된 교류전원을 직류전원으로 변환해서 배터리에 충전하고, 상기 아이들링이 불가능한 경우, 상기 배터리에 충전된 전원을 각 부하장치에 공급해서 구동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 (c) 상기 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속이 풍력 발전기의 발전운전에 필요한 하한기준풍속을 초과하는 상기 아이들링 상태를 중지하고 풍력 발전기의 발전 운전을 시작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법에 의하면, 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 서브 발전기를 이용해서 전열부하, 동력부하, 전등부하 등 각 부하장치의 구동에 필요한 전력을 생산할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 각 부하장치를 구동하기 위해 계통 전원을 공급할 필요가 없기 때문에, 각 부하장치 구동에 의한 전력 소비를 최소화하고, 풍력 발전기 전체의 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래기술에 따른 풍력 발전기의 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블록 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 서브 발전기의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기의 발전 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기 및 그의 발전 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예에서는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 구성을 원용하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기의 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 서브 발전기의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기는 도 2에 도시된 바와 같이, 로터(4)의 회전력을 발전기(12)로 전달하는 회전력 전달부(11) 및 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 회전력 전달부(11)에 의해 전달되는 회전력을 이용해서 발전하는 서브 발전기(13)를 포함한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기는 서브 발전기(13)에서 생산된 전력을 변환하는 전력 변환부(14), 서브 발전기(13)에서 생산된 전력을 충전하는 배터리(15) 및 풍력 발전기의 운전을 제어하는 제어부(16)를 더 포함할 수 있다.
회전력 전달부(11)는 블레이드(5)에 전달되는 공기의 유동에 의한 로터(4)의 회전력을 전달받아 발전기(12)로 전달하는 기능을 하며, 로터(4)의 출력축에 연결되는 기어박스(21)와 기어박스(21)의 출력축과 발전기(12)의 입력축을 연결하는 커플링(22)을 포함할 수 있다.
발전기(12)는 풍력 발전기의 발전 운전시 전력을 생산해서 계통 시스템(도면미도시)에 공급하는 메인 발전기이다.
상기 계통 시스템은 풍력 발전기에서 발생한 전력을 이용하는 가정이나 공장 등의 부하장치를 말한다.
서브 발전기(13)는 풍력 발전기의 아이들 상태에서 회전력 전달부(11)로부터 로터(4)의 회전력을 전달받아 전력을 생산한다.
예를 들어, 도 3에는 서브 발전기의 구성도이다.
서브 발전기(13)는 도 3에 도시된 바와 같이, 커플링(22)을 통해 회전력을 전달받아 회전하는 샤프트(31), 샤프트(31)에 연결되어 회전운동하는 회전자(32) 및 회전자(32)의 외측에 설치되는 고정자(33)를 포함하는 농형 유도 발전기(squirrel cage induction generator)로 마련될 수 있다.
상기 농형 유도발전기는 교류-교류(AC/AC) 링크 방식으로 구성됨에 따라 전압만을 변환하여 각 부하장치(17 내지 19)에 공급이 가능하고, 동기 발전기( synchronous generator)에 비해 기계적 특성이 매우 우수한 장점이 있다.
이러한 농형 유도발전기의 회전자(32)는 다람쥐 케이지(squirrel cage) 형상으로 형성되고, 회전운동에 의해 회전자계를 발생한다.
고정자(33)에는 루프(loop) 형태의 코일(도면 미도시)이 감기고, 회전자(32)에서 발생한 회전자계에 의해 코일에 전류가 흐름에 따라, 전력을 생산한다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 농형 유도발전기뿐만 아니라, 가변속 정주파수 운전이 가능하고 회전자 회로를 통한 여자제어로 운전영역의 확장이 가능한 권선형 유도발전기를 서브 발전기(13)로 적용하도록 변경될 수도 있다.
다시 도 2에서, 전력 변환부(14)는 서브 발전기(13)에서 생산된 전력을 전열부하(17), 동력부하(18), 전동부하(19) 등 각 부하장치를 구동하기 위한 전압레벨로 변환하는 기능을 한다.
이와 함께, 전력 변환부(14)는 서브 발전기(13)에서 생산된 교류전원를 배터리(15)에 충전할 수 있도록 직류전원으로 변환할 수도 있다.
이러한 전력 변환부(14)는 풍력 발전기의 발전 운전시 발전기(13)에서 생산된 전력을 계통 시스템으로 공급하도록 변환하는 메인 전력 변환부로 마련될 수도 있고, 상기 메인 전력 변환부와 별도로 마련될 수도 있다.
제어부(16)는 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 서브 발전기(13)를 구동해서 생산된 전력을 전열부하(17), 동력부하(18), 전등부하(19) 등 각 부하장치로 공급하고, 배터리(15)에 충전하도록 제어한다.
이러한 제어부(16)는 풍력 발전기의 운전을 제어하는 메인 제어유닛(main control unit)으로 마련되거나, 상기 메인 제어유닛과 통신 가능하게 연결되는 별도의 컨트롤러(controller)로 마련될 수도 있다.
제어부(16)는 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속이 풍력 발전기의 운전에 필요한 최소한의 풍속, 즉 하한기준풍속 미만이면 풍력 발전기를 아이들링 상태로 운전하도록 제어한다.
여기서, 제어부(16)는 아이들링 상태에서 서브 발전기(13)에서 생산된 전원을 각 부하장치(17 내지 19)에 공급해서 바람의 풍향에 따라 풍력 발전기의 피치(pitch) 제어, 요(yaw) 제어, 프리히팅(pre-heating) 등 발전 운전을 수행하기 위한 각종 준비작업을 수행하도록 제어할 수 있다.
한편, 전력 변환부(14)와 각 부하장치(17 내지 19)를 연결하는 케이블 상에는 과전류 또는 과전압으로 인한 케이블과 각 부하장치(17 내지 19)의 손상이나 파손을 방지하도록 차단기(circuit breaker)(20)가 마련될 수 있다.
다음, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기의 발전 제어방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력 발전기의 발전 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 4의 S10단계에서 제어부(16)는 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속이 미리 설정된 하한기준풍속 이하인 경우, 풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 아이들링 상태로 제어한다.
즉, 제어부(16)는 발전기(12)를 구동하지 않고, 바람의 방향을 지속적으로 찾아 바람의 방향을 향해 나셀(2)을 회전시키는 피치 제어, 요 제어 동작 등의 발전 운전 준비작업을 수행한다.
이를 위해, 제어부(16)는 회전력 전달부(11)와 발전기(12) 사이에 마련된 서브 발전기(13)를 구동해서 전열부하(17), 동력부하(18), 전동부하(19) 등 각 부하장치의 구동이 필요한 전력을 생산하도록 제어한다(S12).
이때, 서브 발전기(13)의 회전자(32)는 회전력 전달부(11)의 기어박스(21) 및 커플링(22)을 통해 로터(4)의 회전력을 전달받고, 샤프트(31)와 함께 회전운동하여 회전자계를 발생한다.
그러면, 회전자(32)의 외측에 설치된 고정자(32)의 코일에 전류가 흐르면서 전력이 생산된다.
전력 변환부(14)는 서브 발전기(13)에서 생산된 전력을 각 부하장치(17 내지 19)의 구동에 필요한 구동전압 레벨로 변환하고, 전압레벨이 변환된 전원은 각 부하장치(17 내지 19)로 공급된다(S14).
이때, 차단기(20)는 전력 변환부(14)에서 각 부하장치(17 내지 19)에 공급되는 전류 또는 전압이 미리 설정된 기준전류 또는 기준전압을 초과하는 과전류 또는 과전압 발생시 전원 공급을 차단하여 케이블과 각 부하장치(17 내지 19)의 손상이나 파손을 방지할 수 있다.
그리고 전력 변환부(14)는 서브 발전기(13)에서 생산된 교류전원을 배터리(15)에 충전할 수 있도록 직류전원으로 변환한다.
그래서 제어부(16)는 풍력 발전기의 아이들링 상태시 서브 발전기(13)에서 생산된 전원을 이용해서 각 부하장치(17 내지 19)를 구동하고, 아이들링이 불가능한 경우에는 배터리(15)에 충전된 전원을 각 부하장치(17 내지 19)로 공급해서 각 부하장치(17 내지 19)를 구동하도록 제어할 수도 있다.
한편, S16단계에서 제어부(16)는 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속과 하한기준풍속을 비교하고, 바람의 풍속이 하한기준풍속을 초과할 때까지 S12단계 내지 S16단계를 반복 수행하도록 제어한다.
반면, S16단계의 비교결과, 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속이 하한기준풍속을 초과하면, 제어부(16)는 서브 발전기(13)의 구동을 중지하고, 발전기(12)를 이용해서 전력을 생산하는 풍력 발전기의 발전 운전을 수행하도록 제어한다(S18).
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 서브 발전기를 이용해서 전열부하, 동력부하, 전등부하 등의 각 부하장치의 구동에 필요한 전력을 생산할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 각 부하장치를 구동하기 위해 계통 전원을 공급할 필요가 없기 때문에, 각 부하장치 구동에 의한 전력 소비를 최소화하고, 풍력 발전기 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상기의 실시 예에서는 풍력 발전기의 아이들링 상태에서만 서브 발전기를 이용해서 전력을 생산하고, 발전 운전시에는 서브 발전기의 구동을 중지하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은 풍력 발전기의 발전 운전시에도 서브 발전기를 이용해서 전력을 생산하여 전력 생산량을 최대화하도록 변경될 수 있다.
본 발명은 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 서브 발전기를 이용해서 생산된 전력을 이용해서 전열부하, 동력부하, 전등부하 등의 각 부하장치를 구동하여 풍력 발전기 전체의 효율을 향상시키는 기술에 적용된다.
1: 풍력 발전기 2: 나셀
3: 타워 4: 로터
5: 블레이드 6: 허브
11: 회전력 전달부 12: 발전기
13: 서브 발전기 14: 전력 변환부
15: 배터리 16: 제어부
17: 전열부하 18: 동력부하
19: 전등부하 20: 차단기
21: 기어박스 22: 커플링
31: 샤프트 32: 회전자
33: 고정자

Claims (9)

  1. 로터의 회전력을 발전기로 전달하는 회전력 전달부 및
    풍력 발전기의 발전 운전을 준비하는 아이들링 상태에서 전열부하, 동력부하 및 전등부하를 구동하도록 상기 회전력 전달부에 의해 전달되는 회전력을 이용해서 전력을 생산하고 생산된 전력을 각 부하장치들로 공급하는 서브 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 발전기에서 생산된 전력을 상기 부하장치를 구동하는 전원레벨로 변환하는 전력 변환부,
    상기 서브 발전기에서 생산된 전력을 충전하는 배터리 및
    풍력 발전기의 운전을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전력 변환부는 상기 서브 발전기에서 생산된 교류전원을 상기 배터리에 충전하도록 직류전원으로 변환하고,
    상기 제어부는 상기 아이들링이 불가능한 경우, 상기 배터리에 충전된 전원을 각 부하장치로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 변환부와 각 부하장치 사이에는 과전류 또는 과전압으로부터 각 부하장치를 보호하는 차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 서브 발전기는 농형 유도발전기로 마련되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  6. (a) 풍력 발전기의 아이들링 상태에서 로터의 회전력을 서브 발전기로 전달하여 상기 서브 발전기를 구동해서 전력을 생산하는 단계 및
    (b) 상기 (a)단계에서 생산된 전력을 아이들링 상태에서 구동되는 전열부하, 동력부하, 전등부하에 공급하여 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 발전 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b)단계는 전원 변환부를 이용해서 상기 서브 발전기에서 생산된 전력의 전압레벨을 각 부하장치의 구동에 필요한 전압레벨로 변환해서 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 발전 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 서브 발전기에서 생산된 교류전원을 직류전원으로 변환해서 배터리에 충전하고,
    상기 아이들링이 불가능한 경우, 상기 배터리에 충전된 전원을 각 부하장치에 공급해서 구동하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 발전 제어방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    (c) 상기 풍력 발전기로 불어오는 바람의 풍속이 풍력 발전기의 발전운전에 필요한 하한기준풍속을 초과하는 상기 아이들링 상태를 중지하고 풍력 발전기의 발전 운전을 시작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 발전 제어방법.
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KR20140087707A (ko) 2012-12-31 2014-07-09 대우조선해양 주식회사 풍력 발전 장치의 아이들링 피치각 제어 방법

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