KR20170002717A - 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법 - Google Patents

후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법 Download PDF

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KR20170002717A KR1020150091841A KR20150091841A KR20170002717A KR 20170002717 A KR20170002717 A KR 20170002717A KR 1020150091841 A KR1020150091841 A KR 1020150091841A KR 20150091841 A KR20150091841 A KR 20150091841A KR 20170002717 A KR20170002717 A KR 20170002717A
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치는 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 가능량을 산출하는 MPPT 제어부; 및 외부에서 수신한 상기 풍력발전단지를 제어하기 위한 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 가능량에 기초하여 복수 개의 개별 제어지령들로 분배하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각에 제공하는 풍력발전단지 제어부를 포함한다

Description

후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법{Apparatus and Method for controlling real maximum power of wind farm considering wake effect}
본 발명은 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전단지의 출력량은 후류효과로 인하여 출력이 감소되는 경향이 있다.
후류효과에 의한 풍력발전단지의 출력감소에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 풍력발전단지 내의 풍속터빈들의 배치도이다.
풍력발전단지 내에 풍력터빈이 도 1과 같이, 배치되어 있다고 가정할 때, 풍속이 처음 들어가는 풍력터빈이 맞는 바람이 10m/s 라고 하면 첫번째 풍력터빈이 바람에너지를 흡수하였기 때문에 뒤로 빠져나가서 두번 째 풍력터빈이 맞는 바람은 약 10% 정도 감소된 90%정도의 바람만 맞게 된다.
그러므로 두번째 풍력터빈은 약 9m/s에 해당하는 바람에너지만 흡수할 수 있는 것이다. 그리고 세번째 풍력터빈은 약 8.5m/s, 네번 째는 세 번째 풍력터빈에서 흡수하는 바람의 세기보다 적은 세기의 바람에너지를 흡수하게 된다.
이런식으로 앞의 풍력터빈이 바람에너지를 흡수함으로써 뒤의 풍력터빈이 에너지를 적게 흡수하게 되어 풍력발전단지 전체의 출력이 감소하게 되는 것이다.
풍력터빈 간의 이격거리를 풍력터빈 로터(블레이드들로 형성된 원궤적)의 지름의 8~10 배 정도 거리를 둔다는 후류효과에 의한 출력 저감은 거의 없다고 하지만 실제로 10 배정도 거리를 두어도 어느 정도의 출력저감은 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로는 풍력터빈이 자신이 낼 수 있는 출력의 90~95% 정도만 내도록 풍력터빈을 제어하는 방안이 있다.
예를 들어 첫 번째 풍력터빈이 10m/s에서 2MW를 낼 수 있다고 가정한다면 실제로 1.8~1.9MW 정도의 출력을 내도록 설정한다면 뒤로 흘러들어가는 바람에너지가 더 많아져서 두 번째 풍력터빈이 낼 수 있는 에너지가 증가하게 된다.
그러므로 풍력발전단지 전체의 입장에서 볼 때 풍력터빈들의 출력의 합이 최대가 되는 것이다.
이것을 룩업 테이블(Look-up table)이나 인위적인 데이터를 가공하여 제어기에 넣고 동작시키는데는 제어기(controller) 개발부터 환경변화에 대응하여 데이터를 수정해주어야 하는 불편함도 있기 때문에 풍력발전단지 제어기에서 자동으로 후류효과를 고려하여 풍력발전단지의 최대출력제어(Maximum Power Point Tracking)을 수행할 수 있도록 한다면 후류효과에 의한 풍력발전단지의 출력저감 현상을 예방할 수 있다.
대한민국 특허등록공보 제10-1418413호 (발명의 명칭: 풍력 발전 단지 제어 방법)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 후류효과를 고려하여 풍력발전단지의 최대출력제어(Maximum Power Point Tracking)을 수행하여 후류효과에 의한 풍력발전단지의 최대유효전력 저감 현상을 예방할 수 있는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치는 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 출력가능량을 산출하는 MPPT 제어부; 및 외부에서 수신한 상기 풍력발전단지를 제어하기 위한 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 출력가능량에 따라 복수 개의 개별 제어지령들로 분배하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각에 제공하는 풍력발전단지 제어부를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 풍력발전단지 제어부는 아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령을 산출한다.
[식 1]
Figure pat00001
[식 2]
풍력터빈의 개별제어지령 =
Figure pat00002
× 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
여기서,
Figure pat00003
은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
Figure pat00004
는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다.
일 실시 예에서, 상기 MPPT 제어부는 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득을 산출하여 상기 풍력발전단지 제어부로 제공하는 지령비례이득 산출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법은 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 출력가능량을 산출하는 MPPT 제어단계; 및 외부에서 수신한 상기 풍력발전단지를 제어하기 위한 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 출력가능량에 따라 복수 개의 개별 제어지령들로 분배하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각에 제공하는 풍력발전단지 제어단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 풍력발전단지 제어단계는 아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령을 산출하는 단계일 수 있다.
[식 1]
Figure pat00005
[식 2]
풍력터빈의 개별제어지령 =
Figure pat00006
× 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
여기서,
Figure pat00007
은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
Figure pat00008
는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다.
일 실시 예에서, 상기 MPPT 제어단계는 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득을 산출하여, 상기 풍력발전단지 제어단계로 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법을 이용하면, 후류효과로 인한 풍력발전단지의 일부 풍력터빈의 유효전력 출력량을 억제시킴에 따라, 결과적으로 풍력발전단지의 전체 유효전력량을 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 풍력발전단지 내의 풍속터빈들의 배치도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치를 나타낸 장치 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치 및 방법을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치를 나타낸 장치 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치(100)는 MPPT 제어부(110) 및 풍력발전단지 제어부(120)를 포함한다.
상기 MPPT 제어부(110)는 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들(W1 내지 Wn) 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 풍력발전단지의 총 유효전력이 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 출력가능량을 산출하는 기능을 수행한다.
상기 풍력발전단지 제어부(120)는 외부에서 제공된 상기 풍력발전단지의 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들(W1 내지 Wn)의 각각의 최대유효전력 출력가능량에 기초하여 상기 총 제어지령을 복수 개의 개별 제어지령들(A1~An)로 분배한 후, 해당 풍력터빈들 각각에 제공하는 기능을 수행한다.
상기 풍력발전단지 제어부(120)는 아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령을 산출한다.
[식 1]
Figure pat00009
[식 2]
풍력터빈의 개별제어지령 =
Figure pat00010
× 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
여기서,
Figure pat00011
은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
Figure pat00012
는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다. 여기서, α는 0과 1 사이의 값을 갖는다.
한편, 상기 MPPT 제어부(110)는 상기 지령비례이득(α)을 산출하는 지령비례이득 산출부(111)를 구비한다.
상기 지령비례이득 산출부(111)는 상기 지령비례이득을 산출하는 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 상기 지령비례이득 산출부(111)는 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득(α)을 산출한다.
그 예로, P&O(Perturb & Observe) 방식은 풍력터빈의 출력전압을 주기적으로 증가 감소시키고 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대 전력 동작점을 찾아 지령비례이득을 산출하는 방식일 수 있다.
그리고 IncCond(Incremental Conductance) 방식은 풍력터빈 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력동작점을 추종하여 지령비례이득을 산출하는 방식일 수 있다.
또 다른 예로 Hyterisis-band 변동제어 방식은 풍력터빈의 출력전압을 최대 전력점까지 증가시킨 후, 임의의 이득(Gain)을 최대 전력점에서의 전력과 곱하여 2개의 최소 전력값을 지정한 후, 최대 전력점을 기준으로 풍력터빈의 출력전압을 증가 혹은 감소시켜 최대 전력 동작점을 추종하여 지령비례이득을 산출하는 방식일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에서는 풍력터빈의 지령비례이득(α)를 산출하는 방식을 P&O(Perturb & Observe) 방식, IncCond(Incremental Conductance) 방식, Hysterisis-band 변동 제어 방식만을 언급하였으나, 이에 한정되지 않으며, 풍력터빈의 최대 전력동작점을 추종할 수 있는 방식이라면 모두 가능할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 '~부(unit)' 또는 블록은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(Fieldprogrammable Gate Array)나 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어 (hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부'는 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법(S100)은 MPPT 제어단계(S110) 및 풍력발전단지 제어단계(S120)를 포함한다.
상기 MPPT 제어단계(S110)는 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 풍력발전단지의 총 유효전력이 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 출력가능량을 산출하는 단계일 수 있다.
상기 풍력발전단지 제어단계(S120)는 외부에서 제공된 상기 풍력발전단지의 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 출력가능량에 기초하여 상기 총 제어지령을 복수 개의 개별제어지령들(A1 ~ An)로 분배한 후, 상기 개별 제어지령(An)으로 해당 풍력터빈들 각각을 제어하는 단계일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 풍력발전단지 제어단계(S120)는 아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령(A1…An)을 산출하는 단계일 수 있다.
[식 1]
Figure pat00013
[식 2]
풍력터빈의 개별제어지령 =
Figure pat00014
× 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
여기서,
Figure pat00015
은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
Figure pat00016
는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다.
한편, 상기 MPPT 제어단계(S110)는 상기 지령비례이득을 산출하는 지령비례이득 산출단계를 포함할 수 있다.
상기 지령비례이득 산출단계는 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득(α)을 산출하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 출력 증대 제어장치 및 방법을 이용하면, 후류효과로 인한 풍력발전단지의 출력억제가 가능하다는 이점이 있다.
이상에서 실시 예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치
110: MPPT 제어부
120: 풍력발전단지 제어부

Claims (6)

  1. 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 가능량을 산출하는 MPPT 제어부; 및
    외부에서 수신한 상기 풍력발전단지를 제어하기 위한 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 가능량에 기초하여 복수 개의 개별 제어지령들로 분배하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각에 제공하는 풍력발전단지 제어부;
    를 포함하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전단지 제어부는,
    아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령을 산출하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치.
    [식 1]
    Figure pat00017

    [식 2]
    풍력터빈의 개별제어지령 =
    Figure pat00018
    × 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
    여기서,
    Figure pat00019
    은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
    Figure pat00020
    는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MPPT 제어부는,
    상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득(α)을 산출하여 상기 풍력발전단지 제어부로 제공하는 지령비례이득산출부를 포함하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어장치.
  4. 풍력발전단지 내에 구비된 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 풍력발전단지의 최대 유효전력 출력가능량을 산출하며, 상기 최대 유효전력 출력가능량에 도달하도록 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 최대유효전력 가능량을 산출하는 MPPT 제어단계; 및
    외부에서 수신한 상기 풍력발전단지를 제어하기 위한 총 제어지령을 상기 복수 개의 풍력터빈들의 각각의 최대유효전력 가능량에 따라 복수 개의 개별 제어지령들로 분배하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각에 제공하는 풍력발전단지 제어단계;
    를 포함하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전단지 제어단계는,
    아래에 기재된 식 1 및 식 2를 이용하여 상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 개별제어지령을 산출하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법.
    [식 1]
    Figure pat00021

    [식 2]
    풍력터빈의 개별제어지령 =
    Figure pat00022
    × 풍력터빈의 유효전력 출력가능량 × α
    여기서,
    Figure pat00023
    은 풍력발전 총 유효전력 기준값,
    Figure pat00024
    는 풍력발전단지의 유효전력성능비, P1 내지 Pn은 각 풍력터빈의 유효전력 출력가능량, α는 풍력터빈의 지령비례이득을 나타낸다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 MPPT 제어단계는,
    상기 복수 개의 풍력터빈들 각각의 순시 유효전력에 기초하여 상기 지령비례이득을 산출하여, 상기 풍력발전단지 제어단계로 제공하는 단계를 포함하는 후류효과를 고려한 풍력발전단지의 최대유효전력 제어방법.
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