KR20190064645A - 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법 - Google Patents

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안나 엠마뉴엘
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Abstract

본 발명은 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되고, 전기 에너지를 생성하여 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법에 관한 것으로서, 전기 공급 네트워크는 네트워크 공칭 주파수를 포함하고 네트워크 주파수에 의해 작동되며, 발전기 공칭 전력을 갖는 전기 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비는 네트워크 주파수에 따라 조절될 수 있고, 상기 방법은 전기 발전기에 의해 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성하는 단계, 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 네트워크 주파수에 따라 전기 공급 전력으로서 전기 공급 네트워크에 공급하는 단계를 포함하고, 제1 지원 단계에서 전기 발전기 전력이 네트워크 주파수에 따라 감소되어, 이에 대응하여 전기 공급 전력을 감소시키며, 그리고 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력이 전기 발전기 전력보다 작도록 전기 공급 전력은 감소된다.

Description

풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법
본 발명은 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되고, 전기 에너지를 생성하여 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되는 풍력 발전 설비 및 네트워크 연결 지점에 연결되는 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
예를 들어 50 Hz의 네트워크 공칭 주파수를 포함하는 유럽 그리드와 같은 전기 공급 네트워크에 전기 에너지를 공급하는 것은 일반적으로 잘 알려져 있다. 여기서 보편적으로, 전기 공급 네트워크는 안전한 네트워크 상태를 포함하는데, 즉 이것은 이러한 전기 공급 네트워크가 작동되는 네트워크 주파수가 안정적이다. 이 경우, 네트워크 주파수는 일반적으로 네트워크 공칭 주파수의 백분의 몇만큼만 변동한다.
그러나 전기 공급 네트워크의 다양한 유형의 결함, 예를 들어 단락과 같은 소위 네트워크 결함에 의해, 전기 공급 네트워크는 위태로운 네트워크 상태에 도달하게 될 수 있다. 이에 따라 네트워크는 장애를 포함한다. 그러나, 장애는 대형 소비 장치 또는 대형 발생 유닛의 분리에 의해서도 또한 발생할 수 있다.
이러한 장애의 영향은 예를 들어 소위 과주파수 또는 임계적인 과주파수이다. 이러한 경우, 공급 네트워크는 네트워크 공칭 주파수보다 명백히 큰 네트워크 주파수를 포함한다. 예를 들어 네트워크 공칭 주파수는 50 Hz지만, 네트워크 주파수는 50.2 Hz이다.
보통 이러한 경우 거의 모든 발생 유닛은 전력 균형의 보상에 관여하기 위해 네트워크 주파수에 따라 출력 전력을 감소시킨다. 이러한 과정은 과주파수 전력 감소로도 또한 지칭된다.
여기서 과주파수 전력 감소는 기본적으로 높은 전력 과잉 상태에서 네트워크 주파수를 안정시키도록 설계된다. 이것이 성공하지 않는 경우, 네트워크 주파수는 발생 유닛이 일반적으로 공급 네트워크로부터 분리되는 임계적인 한계값, 예를 들어 51.5 Hz까지 계속 상승한다.
풍력 발전 설비는 보통 로터 블레이드의 조정을 통해 전력 감소에 관여하며, 이에 의해 풍력 발전 설비의 출력이 감소되고, 이를 통해 전기 발전기 전력이 감소된다. 그런 다음, 풍력 발전 설비는 시간적으로 지연된 상태로 더 적은 전기 전력을 전기 공급 네트워크에 공급한다.
그런 다음, 네트워크 주파수가 다시 정상화되는 즉시, 전기 발전기 전력은 다시 시간적으로 지연된 상태로 다시 더 많은 전기 전력을 공급 네트워크에 공급하기 위해 이에 대응하여 증가된다.
예를 들어 전력 인버터를 갖고 대부분 전력 전기적으로 공급 네트워크에 결합되는, 예를 들어 풍력 발전 설비와 같은 재생 가능한 에너지를 생성하는 전기 공급 네트워크의 보급이 증가됨에 따라, 미래의 공급 네트워크 구조 또는 네트워크 토폴로지는 계속 변화될 것이다.
특히, 주로 기존의 발전소의 개수가 급격히 감소되고, 이에 따라 전기 공급 네트워크에 감쇠, 특히 주파수 변동 감쇠 효과를 갖는, 공급 네트워크에 존재하는 플라이휠 매스도 또한 감소된다.
이를 통해 네트워크의 동작이 변화될 수 있고, 네트워크의 안정화는 점점 어려워질 수 있다. 또한, 이를 통해 재생 에너지의 생산자는 네트워크의 안정화를 더욱 보장해야 할 필요가 있다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술들을 조사하였다: DE 10 2012 203 334 A1호, DE 10 2013 206 119 A1호 및 DE 10 2014 104 287 A1호.
따라서, 본 발명의 과제는 상기 언급된 문제들 중 하나를 해결하는 것이다. 특히, 풍력 발전 설비에 의해 공급 네트워크에서의 미래의 제어 문제에 대응할 수 있는 해결 방안이 제안되어야 한다. 그러나, 적어도 지금까지 알려진 것에 대한 대안이 제안되어야 한다.
따라서, 본 발명에 따르면 청구항 제1항에 따라 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되는 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법이 제안된다. 따라서, 풍력 발전 설비의 전기 발전기는 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성한다. 이러한 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 풍력 발전 설비는 네트워크 주파수에 따라 전기 공급 전력으로서 전기 공급 네트워크에 공급한다.
이제 네트워크 주파수가 변경되면, 본 발명에 따라 네트워크 주파수의 변화에 대해 2개의 단계로, 특히 제1 및 제2 지원 단계에 의해 반응하는 것이 제안된다.
제1 지원 단계에서 전기 발전기 전력이 네트워크 주파수에 따라 감소되어, 이에 대응하여 전기 공급 전력을 감소시킨다. 따라서, 전기 발전기 전력이 예를 들어 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 조정 또는 발전기의 여자 전류의 변화를 통해 이에 대응하여 감소됨으로써, 전기 공급 전력은 제1 지원 단계에서 감소된다. 이것은 발전기가 더 적은 전기 전력을 생성하거나 또는 더 적은 전기 전력을 생성할 수 있도록 유도한다. 즉, 전기 공급 전력은 제1 지원 단계에서 전기 발전기 전력을 통해 감소된다.
제2 지원 단계에서 전기 공급 전력이 전기 발전기 전력보다 작도록 전기 공급 전력이 감소된다. 이것은 예를 들어 전기 에너지를 열 에너지로 변환하도록 구성된 소위 전력 초퍼(chopper)를 통해 수행될 수 있다. 여기서 전력 초퍼는 특히 큰 전력, 특히 풍력 발전 설비의 전체 전기 공급 전력을 변환하도록 구성된다. 이 경우, 바람직하게는 전력 초퍼는 발전기의 전력 등급에 대응한다.
따라서, 전기 공급 전력의 감소라 함은 특히 일반적으로 발생하는 손실과는 명확하게 구별되는, 의도적이고 기술적인 전력 감소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 본 발명에 따르면 네트워크 지원을 위해 적어도 2개의 지원 단계가 제공된다. 각각의 지원 단계는 전기 공급 네트워크의 지원을 위해 각각의 방식으로 기여할 수 있다. 따라서, 이를 위해 특히 전기 공급 전력을 제1 지원 단계에서는 전기 발전기 전력을 통해 감소시키고, 추가적으로 또는 대안적으로 제2 지원 단계에서는 예를 들어 전력 초퍼와 같은 에너지 싱크를 통해 감소시키는 것이 제안된다. 따라서, 전력 초퍼는 특히 풍력 발전 설비의 전기 공급 전력을 직접 감소시키도록 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 풍력 발전 설비의 전기 공급 전력의 특히 신속한 전력 감소를 가능하게 한다. 특히, 제안된 방법은 따라서 0.4초 미만 이내에 전기 공급 전력을 완전히 감소시킬 수 있는 가능성을 제공하여, 풍력 발전 설비가 특히 이에 대응하여 필요할 때, 가장 짧은 시간으로, 바람직하게는 1초 이내에 더 이상 공급 네트워크로 전력을 공급하지 않게 한다.
바람직하게는, 미리 결정된 한계 기울기를 초과하는 주파수 기울기에 의해 네트워크 주파수가 변경되는 경우, 제2 지원 단계에 따라 또는 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력은 감소된다.
따라서, 전기 공급 네트워크가 미리 결정된 한계 기울기보다 더 큰 주파수 기울기를 포함하는 경우에 제2 지원 단계는 활성화된다. 예를 들어 전기 공급 네트워크의 주파수 기울기가 미리 결정된 한계 기울기를 초과하면, 풍력 발전 설비의 전기 공급 전력을 감소하기 위해 전력 초퍼가 활성화된다.
여기서 이러한 절차는 풍력 발전 설비의 방위각 배향의 조정 또는 로터 블레이드의 조정보다 현저히 더 작은 시간 상수를 포함하는 것이 특히 유리하다. 즉, 이러한 제2 지원 단계에서는 제1 지원 단계에서보다 훨씬 신속하게 전력이 감소된다. 그러나, 이러한 신속한 감소가 모든 상황에서 반드시 필요한 것은 아니라는 것이 인식되었다. 이러한 신속한 감소가 필요하거나 또는 바람직한지 여부를 신속하게 결정하기 위해, 네트워크 주파수의 변화를 그 주파수 기울기에 기초하여 평가하는 것이 여기에서 제안된다. 주파수 기울기가 한계 기울기보다 작은 경우, 예를 들어 발전기 전력이 감소되는 제1 지원 단계에서의 지원으로 충분할 수 있다.
여기서 바람직하게는, 미리 결정된 한계 기울기가 풍력 발전 설비의 네트워크 연결 지점에 대응하여 선택되는 경우, 적어도 초당 0.4 Hz, 특히 초당 0.5 Hz의 미리 결정된 한계 기울기가 유리한 것으로 입증되었다.
이 경우, 네트워크 주파수 기울기 자체는 시간에 따른 네트워크 주파수의 측정을 통해 결정될 수 있다. 이것은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지, 바람직하게는 풍력 발전 단지 제어 유닛 또는 검출된 주파수 기울기를 풍력 발전 단지 또는 풍력 발전 설비에 전달하는 공급 네트워크의 작동자에 의해 국부적으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 공급 네트워크의 작동자는 검출된 주파수 기울기에 따라 풍력 발전 단지 또는 풍력 발전 설비에 대한 설정값도 또한 전달할 수 있다.
바람직하게는, 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값보다 큰 경우, 제2 지원 단계에 따라 또는 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력은 감소된다.
따라서 바람직하게는, 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값보다 큰 경우에 제2 지원 단계가 활성화된다. 여기서 미리 결정된 주파수 값은 네트워크 공칭 주파수보다 크고, 예를 들어 50 Hz의 네트워크 공칭 주파수에서 미리 결정된 주파수 값은 50.2 Hz이다.
그런 다음, 제2 지원 단계는 제2 지원 단계가 초기에 트리거되지 않는 주파수 불감 대역을 포함한다.
주파수 기울기가 한계 기울기보다 큰지 여부에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값보다 큰 경우, 제2 지원 단계에 따라 전기 공급 전력이 감소되는 것이 수행될 수 있다.
제2 지원 단계의 적용을 위해 한계 기울기와 절대적인 주파수 값 모두가 검사되는 경우, 2개의 기준들 중 하나만이 충족되거나 또는 2개의 기준 모두 충족될 때, 제2 지원 단계가 활성화되는 것이 제공될 수 있다. 또한, 2개의 기준을 함께 고려하기 위해, 예를 들어 추가 한계값과 같은 추가적인 기준이 제공될 수도 있다.
2개의 기준의 조합으로, 네트워크 주파수의 주파수 기울기가 미리 결정된 한계 기울기를 초과하는지 여부가 주파수 불감 대역 외부에서만 검사되는 것이 제공될 수 있다. 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값보다 크고, 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 한, 전기 공급 전력은 감소되고, 특히 제2 지원 단계가 트리거되거나 또는 활성화된다.
미리 결정된 주파수 값은 네트워크 공칭 주파수의 0.1% 내지 1%의 범위, 특히 0.2% 내지 0.5%의 범위인 것이 바람직하고, 한계값의 바람직한 값은 네트워크 공칭 주파수의 0.4%이다.
바람직하게는 전기 공급 전력이 미리 결정된 기간 동안 그리고/또는 적어도 설정 전력, 특히 발전기에 의해 생성된 전기 발전기 전력보다 작은 설정 전력보다 미리 결정된 초과값만큼 큰 경우, 제2 지원 단계에 따라 또는 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력은 감소된다.
따라서 특히 바람직하게는, 전기 공급 전력이 미리 결정된 기간 동안 결정된 설정 전력보다 큰 경우, 제2 지원 단계는 이에 따라 활성화되거나 또는 전기 공급 전력은 이에 따라 감소된다. 이것은 기술적인 이유로, 예를 들어 나셀이 바람에 의해 충분히 빠르게 회전되지 않아서 풍력 발전 설비의 출력이 너무 높기 때문에 전기 발전기가 충족시키지 않거나 또는 충족시킬 수 없는 기울기에 의해 전기 공급 전력이 감소되어야 할 때의 경우이다. 설정 전력은 요구사항에 대응하여 예를 들어 조절의 결과로서 또는 다른 사양을 통해 신속히 감소되지만, 그러나 실제 감소, 즉 실제 전력이 그렇게 신속하게 뒤따르지는 않는다. 이를 위해, 제2 지원 단계의 사용이 제안된다. 따라서 이러한 경우에, 전기 공급 전력은 그 순간에 생성된 발전기 전력 아래로, 특히 전력 초퍼에 의해 감소된다.
여기서 임의의 전력 설정값을 달성하기 위해 풍력 발전 설비가 불필요하게 높은 기계적 부하를 전달할 필요가 없는 것이 특히 유리하고, 특히 이러한 실시예는 특히 풍력 발전 설비의 구동 트레인에 대한 시스템의 특히 부드러운 작동 방식을 가능하게 한다.
바람직하게는, 제2 지원 단계가 특히 전기 공급 네트워크의 작동자 또는 제어실에 의해 요구되는 경우, 제2 지원 단계에 따라 또는 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력은 감소된다.
이를 통해 예를 들어 풍력 발전 설비가 전기 에너지를 전기 공급 네트워크에 공급하지 않더라도, 공급 네트워크의 작동자에 의해 에너지 싱크 또는 소비 장치, 특히 유효 전력으로서 작동될 수 있는 것이 허용된다. 바람직하게는, 이러한 외부적인 요구 신호에 대한 제어 입력부가 이를 위해 제공될 수 있다.
따라서, 이러한 방법은 풍력 발전 설비의 발전기가 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성하지 않는 경우에도, 풍력 발전 설비에 대한 네트워크 지원 효과를 가능하게 한다. 이것은 전기 공급 네트워크에 특히 유리하게 작용한다.
바람직하게는, 제2 지원 단계는 제1 지원 단계를 통과한 후에만 실행된다.
따라서, 제2 지원 단계는 전기 발전기 전력이 네트워크 주파수에 따라 감소된 후에만 활성화되는 것이 바람직하다. 대응하는 전기 공급 전력을 제공하기 위해 전기 발전기 전력의 감소가 더 이상 충분하지 않을 때에만, 전기 공급 전력은 추가적으로 예를 들어 전력 초퍼에 의해 감소된다.
대안적으로, 제2 지원 단계는 제1 지원 단계와는 독립적으로 실행된다.
여기서, 이러한 방법은 2개의 상이한 변수에 따라, 즉 네트워크 주파수 편차와 네트워크 주파수 기울기에 따라 풍력 발전 설비의 전기 공급 전력을 조절하는 2개의 조절 라인을 포함하는 것이 특히 유리하다. 따라서, 고속 및 저속 조절 루프가 제공되거나 또는 가능하게 된다.
예를 들어 네트워크 주파수가 50 Hz에서 시작하여, 초당 0.5 Hz보다 큰 주파수 기울기에 의해 변경되면, 전기 공급 전력은 바람직하게는 전력 초퍼에 의해 감소된다. 이러한 방법에도 불구하고, 네트워크 주파수가 미리 결정된 설정 주파수, 예를 들어 50.2 Hz를 초과하면, 예를 들어 발전기의 여자를 통해 전기 발전기 전력이 추가적으로 감소된다. 따라서, 전기 발전기 전력이 감소하는 단계, 즉 제1 지원 단계는 제2 지원 단계의 전기 공급 전력을 감소시키는 단계에 추가적으로, 특히 필요할 때 실행된다.
바람직하게는, 전기 발전기에 의해 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성하는 단계는 네트워크 주파수에 따라, 특히 네트워크 공칭 주파수에 대한 네트워크 주파수의 편차에 따라 수행되고, 네트워크 주파수가 미리 결정된 설정 주파수보다 큰 경우, 전기 발전기 전력은 감소된다.
따라서, 발전기는 네트워크 주파수에 따라 조절되는 것이 바람직하다. 따라서 네트워크 주파수가 결정된 설정 주파수보다 크게, 예를 들어 50 Hz 또는 50.2 Hz를 초과할 때, 전기 발전기 전력이 감소되어 전기 공급 전력도 또한 감소된다. 대조적으로 또는 추가적으로, 예를 들어 초당 0.5 Hz보다 큰 주파수 기울기를 갖는 네트워크 주파수가 변경되면, 공급 전력은 바람직하게는 전기 발전기 전력과는 독립적으로 감소된다. 이 경우, 전기 공급 전력의 감소는 전기 발전기 전력을 전력 초퍼에 의해 열 출력으로 변환시킴으로써 이루어질 수 있다. 따라서 특히 바람직하게는, 전기 공급 전력의 감소는 전기 발전기 전력의 감소를 통해 전기 공급 전력의 감소가 실행된다. 이를 위해 바람직하게는, 발전기는 다른 변수 중 하나에 따라, 특히 전기 발전기의 네트워크 공칭 주파수에 대한 네트워크 주파수의 편차를 통해 제어되고, 따라서 전기 발전기는 주파수 기울기에 따라 제어되지 않거나 또는 주파수 기울기에 따라서만 제어되지는 않는다. 주파수 기울기는 주파수 종속 제어의 트리거가 될 수 있다.
바람직하게는, 전기 공급 전력의 감소는 전기 공급 전력이 0과 동일하게 되도록 이루어진다.
따라서, 풍력 발전 설비는 예를 들어 전력 손실 및/또는 전력 방산에 의해 단시간 내에 전기 공급 전력을 공칭 전력으로부터 0 전력으로 낮추도록 구성된다. 이를 위해, 풍력 발전 설비의 전력 초퍼는 특히 최대 소비 가능한 전기 전력, 작동 시간 및 허용 전력 기울기와 관련하여 기존의 브레이크 초퍼 또는 크로우바(crowbars)와는 명백히 구별되는, 대응하는 전력 등급을 포함한다.
바람직하게는, 특히 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되고 그리고/또는 네트워크 주파수가 미리 결정된 설정 주파수 또는 상기 미리 결정된 설정 주파수보다 큰 경우, 전기 공급 네트워크로부터 전기 전력이 취출된다.
전기 발전기 전력이 주파수 편차에 따라 제어됨으로써 그리고 전기 공급 전력이 주파수 기울기에 따라 제어됨으로써, 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 또는 시스템 공칭 전력 또는 발전기 공칭 전력보다 크거나 또는 적어도 현재 발전기 전력보다 큰 주파수 지원을 위한 기여를 제공하기 위해, 풍력 발전 설비는 전기 공급 네트워크로부터 전기 전력, 특히 유효 전력을 소비할 수 있는 것이 가능하게 된다.
바람직한 실시예에서, 풍력 발전 설비는 전기 무효 전력을 전기 공급 네트워크에 공급하고, 전기 공급 네트워크로부터 전기 유효 전력을 획득하도록 구성된다. 이를 위해, 풍력 발전 설비가 전기 공급 네트워크로 무효 전력을 계속 공급하는 동안, 유효 전력을 전기 공급 네트워크로부터 취출하고 전력 초퍼에 의해 열 출력으로 변환하기 위해, 예를 들어 풍력 발전 설비에서 풀 컨버터 개념에 의해 전력 초퍼는 풀 컨버터의 DC 전압 중간 회로에 배치되고, 풀 컨버터의 인버터는 양방향으로 실행된다.
따라서, 적어도 2-쿼드런트 작동, 즉 무효 전력을 공급하고 유효 전력을 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 이러한 방법은 이미 존재하는 풍력 발전 설비 모델에도 적용될 수 있다. 바람직하게는 전기 전력, 특히 유효 전력을 주파수 기울기에 따라 그리고/또는 주파수 편차에 따라 전기 공급 네트워크로부터 취출하는 단계가 이루어진다.
바람직하게는, 주파수 기울기의 미리 결정된 한계값이 초당 0.5 Hz인 것이 제안된다. 따라서, 초당 0.5 Hz보다 큰 주파수 기울기에 의해 네트워크 주파수가 변경되는 경우에만, 전기 공급 전력이 감소된다. 따라서 초당 0.5 Hz의 바람직한 한계값보다 작을 때, 공급된 전력은 전기 발전기 전력을 통해서만 조정된다. 따라서 전기 공급 전력은 실질적으로 완전히 전기 발전기 전력을 통해 초당 0.5 Hz의 바람직한 한계값보다 작도록 결정된다. 즉, 발전기에 의해 생성된 전기 전력은 만일의 손실 그리고 풍력 발전 설비의 자체 필요 시를 제외하고 전기 공급 네트워크에 완전히 공급된다. 초당 0.5 Hz의 미리 결정된 한계값이 초과되면, 예를 들어 전기 발전기 전력을 열 출력으로 전환시킴으로써, 전기 공급 전력이 추가적으로 감소된다.
따라서, 이러한 방법은 공급된 전기 전력을 하나의 방식으로 감소시키는, 특히 일반적으로 단순한 로터 블레이드 조정에 의해서는 달성될 수 없는 속도에 의해 감소시키는 가능성을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 신속한 전력 감소를 위해 여자가 갑자기 변경될 필요가 없고, 큰 시간 상수로 업데이트될 수 있기 때문에, 풍력 발전 설비의 발전기에 특히 유용하다.
미리 결정된 한계값은 네트워크 토폴로지에 따라 또는 특히 네트워크의 작동자에 의해 필요한 경우, 초당 0.5 Hz 내지 초당 2 Hz, 예를 들어 초당 0.6 Hz 또는 초당 1.2 Hz일 수 있다. 이것은 특히 약한 전기 공급 네트워크에 대해, 즉 기본적으로 그 토폴로지로 인해 또한 허용되는 높은 주파수 변동을 갖는 경우에 유리하다.
바람직하게는, 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값의 미만인, 특히 다시 미만이 되는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 전기 공급 전력은 전기 공급 전력이 전기 발전기 전력과 동일하게 되도록 감소된다. 즉 실시예에 따르면, 공급 전력은 높은 주파수 기울기에서만이 발전기 전력 아래로 감소된다.
따라서 전기 공급 네트워크가 다시 복구되면, 즉 네트워크 주파수의 주파수 기울기가 다시 정상화되어, 즉 작아져서, 다시 미리 결정된 한계값의 미만이 되면, 공급 전력의 감소가 조정되는 것이 바람직하다. 네트워크 주파수의 주파수 기울기가 다시 미리 결정된 한계값의 미만이 되는 경우, 전기 발전기 전력이 열 출력으로 더 이상 변환되지 않는다.
바람직한 실시예에 따르면, 초당 2 Hz의 미리 결정된 기울기의 최대 한계는 특히 유리한 것으로 인식되었는데, 왜냐하면 이러한 방법이 풍력 발전 설비의 완전한 차단에 대한 대안으로서 사용될 수도 있기 때문이다.
따라서, 이러한 방법은 풍력 발전 설비의 차단 대신에 사용될 수도 있고, 이는 그렇지 않으면 예를 들어 초당 2 Hz로 유도된다.
바람직하게는, 전기 공급 전력이 감소하는 단계는 전기 전력을 소비하는 단계, 특히 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치에 의해 적어도 부분적으로 수행되는 전기 발전기 전력의 적어도 일부를 소비하는 단계를 포함한다.
따라서, 전기 공급 전력이 감소하는 단계는 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 소비하는 단계를 통해 이루어진다. 이 경우, 전기 발전기 전력을 소비하는 단계는 예를 들어 고성능의 저항 회로 또는 대형 초퍼, 특히 전력 초퍼를 통해 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치에 의해 수행된다. 여기서 풍력 발전 설비 또는 저항 스위치 또는 초퍼는 공급된 전기 전력을 전기 발전기 전력과는 독립적으로 감소시키기 위해, 이에 대응하는 큰 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 설계된다.
바람직하게는, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치가 적어도 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 발전기 공칭 전력에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성된다.
따라서, 스위칭 장치는 적어도 3초 동안 전체 발전기 전력을 열 출력으로 변환하여, 공급된 전기 전력이 0으로 감소되도록 구성된다. 따라서, 발전기가 공칭 전력에 의해 작동되어 발전기 공칭 전력에 대응하는 전기 발전기 전력을 생성하더라도, 풍력 발전 설비는 적어도 3초 동안 전기 전력을 전기 공급 네트워크에 공급하지 않도록 구성된다.
특히 바람직하게는, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치는 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 발전기 공칭 전력의 2배에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성된다.
특히 바람직한 실시예에서, 스위칭 장치는 적어도 3초, 바람직하게는 5초 동안, 발전기 공칭 전력의 2배를 소비하거나 또는 열로 변환하도록 구성된다. 따라서, 발전기가 공칭 전력에 의해 작동되어 발전기 공칭 전력에 대응하는 전기 발전기 전력을 생성하고 추가적으로 전기 전력, 특히 발전기 전력에 대응하는 유효 전력을 전기 공급 네트워크로부터 취출할 수 있다고 하더라도, 풍력 발전 설비는 적어도 3초 동안 전기 전력을 전기 공급 네트워크에 공급하지 않도록 구성된다.
따라서, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치는 적어도 하나의 초퍼를 포함하거나 또는 초퍼 또는 저항 회로로서 형성되고, 바람직하게는 풍력 발전 설비의 인버터의 DC 전압 중간 회로, 특히 풍력 발전 설비의 풀 컨버터의 DC 전압 중간 회로에 배치된다.
따라서, 가능한 많은 전기 전력을 긴 기간에 걸쳐 열 출력, 특히 열로 변환하기 위해, 스위칭 장치는 대응하는 변수를 포함하고, 특히 서로 병렬로 배치되는 복수의 초퍼로 이루어진다. 그러나, 여러 개의 또는 복수의 초퍼는 초퍼 또는 초퍼 뱅크로도 지칭될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되는 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법이 더 제안되고, 전기 공급 네트워크는 네트워크 주파수를 포함하고, 발전기 공칭 전력을 갖는 전기 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비는 네트워크 주파수에 따라 조절될 수 있다. 이러한 방법은 전기 전력을 열 출력으로 변환하는 단계를 포함하고, 여기서 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 공급 네트워크의 네트워크 주파수를 지원하기 위해 전기 전력은 전기 공급 네트워크로부터 취출된다.
따라서, 이러한 방법은 비록 풍력 발전 설비 자체가 전력을 공급하지 않는 경우에도, 전기 공급 네트워크로부터 전기 전력, 특히 유효 전력을 소비하는 것을 가능하게 한다. 이에 따라, 풍력 발전 설비는 소비 장치로서만 작동되며, 여기서 풍력 발전 설비의 소비 장치 특성은 상기 설명된 또는 이하에서 설명되는 스위칭 장치에 의해 가능하게 된다. 또한, 풍력 발전 설비는 필요에 따라 전기 소비 장치로서, 특히 1 MW 이상의 공칭 전력을 갖는 대형 소비 장치로서 작동하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면 풍력 발전 설비는 전기 발전기 전력을 생성하기 위한 발전기 공칭 전력을 갖는 발전기를 포함하는 것이 제안되고, 풍력 발전 설비는 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 전기 공급 네트워크의 네트워크 주파수에 따라 전기 공급 전력으로서 전기 공급 네트워크에 공급하기 위해, 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되도록 준비되고, 여기서 풍력 발전 설비는 상기 설명된 또는 이하에서 설명되는 방법을 수행하도록 구성된다.
특히, 풍력 발전 설비는 제1 지원 단계에서 전기 발전기 전력이 네트워크 주파수에 따라 감소되어, 이에 대응하여 전기 공급 전력을 감소시키도록, 그리고 제2 지원 단계에서 전기 공급 전력이 전기 발전기 전력보다 작도록 전기 공급 전력이 감소되도록 구성된다. 이를 위해, 풍력 발전 설비는 바람직하게는 발전기를 제어할 수 있거나 또는 적어도 발전기의 제어를 트리거할 수 있고, 또한 제2 지원 단계의 제어를 수행할 수 있는 대응하는 공급 제어 유닛을 포함한다. 제2 지원 단계의 제어를 위해, 공급 제어 유닛은 특히 전기 에너지를 소비하기 위한 장치와 연결되어, 제2 지원 단계를 실행하기 위해 에너지를 소비하는 방식으로 이러한 장치를 제어한다.
바람직하게는, 풍력 발전 설비는 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치를 포함하며, 스위칭 장치는 전기 공급 전력을 감소시키기 위해 전기 발전기 전력의 적어도 일부를 소비하도록 구성된다. 특히, 스위칭 장치는 공급 제어 유닛과 연결되어, 공급 제어 유닛은 스위칭 장치를 제어할 수 있고, 이를 통해 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 트리거한다.
바람직하게는, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치가 적어도 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 발전기 공칭 전력의 바람직하게는 2배에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성된다.
특히 바람직하게는, 스위칭 장치는 초퍼 뱅크 또는 전력 초퍼 뱅크로서 형성되고 그리고/또는 정류기를 포함한다.
따라서 풍력 발전 설비의 전기 공급 전력을 감소시키도록 전기 발전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위해, 전력 초퍼 또는 전력 초퍼 뱅크가 DC 전압 중간 회로뿐만 아니라 풍력 발전 설비의 인버터 출력부에도 배치될 수 있다. 바람직하게는, 초퍼 뱅크는 입력부에, 풍력 발전 설비의 인버터의 출력부에서 전기 발전기 전력을 소비하도록 구성된 다이오드 정류기를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 설명된 또는 이하에서 설명되는 적어도 하나의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지가 제안되며, 여기서 풍력 발전 단지는 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비로 제어 신호를 송신하고, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비에 의해 제공되는 상태 신호를 수신하여, 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 결정하도록 구성되는 풍력 발전 단지 제어 유닛을 포함한다.
따라서, 풍력 발전 단지는 본 발명에 따른 풍력 발전 설비를 통해, 특히 상기 설명된 또는 이하에서 설명되는 방법을 실행하도록 구성되는 스위칭 장치를 통해 제공되는 풍력 발전 단지의 개별 풍력 발전 설비의 가능한 음의 전력 또는 에너지를 결정하도록 구성되는 풍력 발전 단지 제어 유닛을 포함한다. 이 경우, 음의 전력 또는 에너지는 현재 공급되는 전력 또는 에너지가 감소될 수 있는 그러한 전력 또는 에너지이다. 이를 통해, 공급된 전력의 감소가 계획되거나 또는 적어도 결정될 수 있다. 감소가 이루어질 수 있거나 또는 이루어지는 시간을 고려하는 것도 또한 중요하기 때문에, 바람직하게는 에너지를 관찰하는 것이 제안된다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 설명된 또는 이하에서 설명되는 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법이 제안되고, 상기 방법은 풍력 발전 설비, 특히 풍력 발전 설비의 스위칭 장치의 에너지 소비 수용성에 대한 상태 신호를 질의하는 단계, 질의된 풍력 발전 설비의 상태 신호에 기초하여, 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 결정하는 단계 및 결정된 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 공급 네트워크의 작동자 및/또는 풍력 발전 단지를 제어하는 제어실로 제공하는 단계를 포함한다.
풍력 발전 설비의 스위칭 장치를 통해 제공되는 개별적인 풍력 발전 설비의 결정된 음의 전력 또는 에너지는 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 형성하도록 합산되고, 예를 들어 공급 네트워크의 작동자에게 정보로서 제공된다. 그 다음, 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해, 공급 네트워크의 작동자는 필요에 따라 이렇게 제공된 음의 풍력 발전 단지 전력 또는 에너지를 회수할 수 있다. 이제 본 발명은 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 기초하여 예시적으로 보다 상세히 설명된다.
도 1은 바람직한 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따라 전기 에너지를 생성 및 공급하기 위한 풍력 발전 설비의 전기 트레인의 개략적인 구조를 도시한다.
도 3은 바람직한 실시예에서 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 풍력 발전 설비에 의한 과주파수 전력 소비를 개략적으로 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기 에너지를 생성 및 공급하기 위한 풍력 발전 단지의 개략적인 구조를 도시한다.
도 1은 전기 에너지를 생성하여 전기 공급 네트워크로 공급하기 위한 풍력 발전 설비(100)를 도시한다.
이를 위해, 풍력 발전 설비(100)는 타워(102) 및 나셀(104)을 포함한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 공기 역학적 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이를 통해 나셀(104) 내의 발전기를 구동하며, 발전기는 바람직하게는 6상 링 발전기로 형성된다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전 설비의 전기 트레인(200)을 간소화하여 도시한다.
전기 트레인(200)은 전기 발전기 전력(PGEN)을 생성하기 위한 발전기 공칭 전력을 갖는 6상 링 발전기(210)를 포함하고, 이러한 6상 링 발전기는 6상 전기 교류 전류를 생성하기 위해 풍력 발전 설비의 기계적인 구동 트레인을 통해 풍력에 의해 회전된다. 6상 교류 전류는 전기 발전기(210)로부터, DC 전압 중간 회로(230)를 통해 3상 인버터(240)와 상호 접속되는 정류기(220)로 전달된다. 이 경우, 동기식 발전기로서 형성되는 6상 링 발전기(210)는 DC 전압 중간 회로(230)로부터의 여자(250)를 통해 제어되며, 여기서 이러한 여자는 또 다른 소스로부터, 특히 별도의 전력 제어기에 의해 제공될 수도 있다.
따라서, 전기 트레인(200)은 풍력 발전 설비 변압기(260)를 통해 3상 인버터(240)에 의해 전기 공급 전력(PEIN)이 네트워크(270)로 공급되는 풀 컨버터 개념을 포함한다. 일반적으로, 이러한 네트워크(270)는 풍력 발전 단지 변압기를 통해 전기 공급 네트워크로 전력을 공급하는 풍력 발전 단지 네트워크이다.
각각의 상(U, V, W)에 대한 3상 전류(I1, I2, I3)를 생성하기 위해, 인버터(240)는 허용 오차 대역 방법에 의해 제어된다. 여기서 제어는 인버터(240)를 통해 생성되는 3개의 전류(I1, I2, I3)의 각각을 전류 검출기(244)에 의해 검출하는 컨트롤러(242)를 통해 이루어진다. 따라서, 컨트롤러(242)는 전류 검출기(244)에 의해 인버터(240)의 각각의 상을 개별적으로 제어하도록 구성된다. 이를 위해, 컨트롤러(242)에서 전류 설정값(ISOLL)이 사전 설정되고, 이에 따라 전류(11, I2, I3)가 설정된다. 전류 설정값(ISOLL)은 바람직하게는 각각의 상(U, V, W)에 대해 시스템 내부에서 개별적으로 계산되고, 컨트롤러(242)에 대해 사전 설정된다.
또한, 전기 트레인(200)은 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치(280)를 포함하고, 이러한 스위칭 장치는 적어도 5초 동안 발전기 공칭 전력의 2배에 대응하는 전기 전력을 열 출력(ΔΡTH)으로 변환하도록 구성된다.
네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 전기 공급 전력(PEIN)이 전기 발전기 전력(PGEN)보다 작도록 전기 공급 전력(PEIN)을 감소시키기 위해, 스위칭 장치(280)는 (A) DC 전압 중간 회로(230) 또는 (B) 인버터(240)와 풍력 발전 설비 변압기(260) 사이에서 다이오드 정류기(282)를 통해 상(U, V, W)과 상호 접속될 수 있다. 따라서, 스위칭 장치(280)는 큰 전력을 구현하도록 구성된다.
전기 공급 전력(PEIN)을 감소시키기 위해 스위칭 장치(280)는 풍력 발전 설비 제어기 또는 풍력 발전 단지 제어기의 제어 신호(S)를 수신하거나 또는 다른 신호를 제어기에 전송하고 또는 다시 얻도록 하는 제어 입력부(284)를 포함한다.
예를 들어 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기로 변경되면, 공급 전력(PEIN)을 감소시키기 위해 스위칭 장치(280)가 활성화된다. 즉, 발전기(210)에 의해 생성된 전기 발전기 전력(PGEN)은 스위칭 장치(280)에 의해, 공급 전력(PEIN)이 감소되도록 감소된다. 따라서, 스위칭 장치(280)는 높은 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 장치이다. 이를 위해, 바람직하게는 스위칭 장치는 높은 전력 및 에너지를 변환하기 위한 초퍼 뱅크로서 형성된다. 또한, 스위칭 장치(280)는 네트워크 주파수에 따라, 특히 주파수 기울기에 따라 제어된다.
도 3은 바람직한 실시예에서 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름(300)을 개략적으로 도시한다. 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 상기 방법은 특히 전기 공급 전력이 전기 발전기 전력보다 작도록 전기 공급 전력을 감소하는 것에 관한 것이다.
이를 위해, 풍력 발전 설비의 발전기는 공급 네트워크가 안정된 상태에 있을 때 전기 공급 네트워크로 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성한다. 이것은 특히, 네트워크 주파수(fN)가 실질적으로 네트워크 공칭 주파수(fNENN)에 대응하고, 네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)보다 작은 것을 의미한다. 네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 주파수 기울기의 미리 결정된 한계값(G)보다 작은 것이 블록(310)에 의해 표시되고 또는 네트워크 주파수(fN)가 실질적으로 네트워크 공칭 주파수(fNENN)에 대응하는 것이 블록(340)에 의해 표시된다.
네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)보다 작으면, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치는 열 출력(ΔΡTH)으로 변환시키지 않는다. 이것은 블록(320)에 의해 표시된다.
네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)보다 작은지 여부에 대한 검사는 예를 들어 네트워크 주파수(fN)의 검출을 통해 그리고 이어서 시간(t)에 걸쳐 동적으로 검출된 네트워크 주파수(fN)의 평균화를 통해 동적으로 수행된다. 네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)의 동적인 검출은 블록(325)에 의해 표시된다.
네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)보다 작으면, 계속 스위칭 장치는 열 출력(PTH)으로 변환하지 않는다.
그러나, 네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)을 초과하면, 스위칭 장치는 전기 전력, 특히 전기 발전기 전력(PGEN)의 일부를 열 출력(PTH)으로 변환한다. 이를 통해, 전기 공급 전력(PEIN)은 바로 감소된다. 전기 공급 전력(PEIN)이 전기 전력을 열 출력(ΔΡTH)으로 변환함으로써 바로 감소된다는 것이 블록(330)에 의해 표시된다.
이어서, 네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 다시 미리 결정된 한계값(G)보다 작으면, 스위칭 장치는 전기 전력의 변환을 중단한다.
네트워크 주파수의 주파수 기울기(dfN/dt)가 미리 결정된 한계값(G)을 계속 초과하면, 전기 전력이 계속 변환되거나 또는 변환된 전기 전력의 양이 더 증가된다.
스위칭 장치의 과부하를 방지하기 위해, 스위칭 장치의 온도가 모니터링되는 것이 바람직하다. 이것은 블록(335)에 의해 표시된다.
변환된 열 에너지(ΔΕTH)가 임계 한계값(EKRIT)을 초과하면, 전기 발전기 전력(PGEN)이 추가적으로 감소되거나 또는 전기 발전기가 정지되어 풍력 발전 설비가 전기 전력을 더 이상 공급하지 않게 된다. 이것은 블록(390)에 의해 표시된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은 네트워크 주파수에 따라 발전기를 조절하는 발전기 제어기와는 독립적으로 수행될 수 있다.
바람직하게는, 발전기 조절 장치는 스위칭 장치의 제어와는 독립적으로 작동된다.
네트워크 주파수(fN)가 네트워크 공칭 주파수(fNENN)보다 실질적으로 작거나 또는 동일하면, 발전기는 바람직하게는 전체적으로 생성된 전기 발전기 전력(PGEN)을 전기 공급 전력(PEIN)으로서 전기 공급 네트워크에 공급한다. 이것은 블록(350)에 의해 표시된다.
네트워크 주파수(fN)가 네트워크 공칭 주파수(fNENN)보다 작거나 또는 동일한지 또는 미리 결정된 설정 주파수(fSOLL)보다 작거나 또는 동일한지 여부에 대한 검사는 블록(355)에 의해 표시된다. 예를 들어 네트워크 공칭 주파수는 50 Hz이고, 설정 주파수는 50.1 Hz이며, 즉 이에 따라 발전기는 조절 시 일종의 불감 대역을 포함한다. 또한, 네트워크 주파수(fN)를 검출하는 단계는 네트워크 주파수(fN)가 네트워크 공칭 주파수(fNENN) 또는 설정 주파수(fSOLL)를 초과하는지 여부를 비교에 의해 결정하는, 풍력 발전 단지 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.
네트워크 주파수(fN)가 네트워크 공칭 주파수(fNENN) 또는 설정 주파수(fSOLL)보다 실질적으로 작거나 또는 동일하면, 발전기는 전체적으로 생성된 전기 발전기 전력(PGEN)을 전기 공급 전력(PEIN)으로서 전기 공급 네트워크에 계속 공급한다.
그러나, 네트워크 주파수(fN)가 네트워크 공칭 주파수(fNENN) 또는 설정 주파수(fSOLL)를 초과하면, 전기 발전기 전력(PGEN)은 감소된다. 그 다음, 발전기는 감소된 전기 발전기 전력(PGEN)을 전기 공급 전력(PEIN)으로서 전기 공급 네트워크에 공급한다. 발전기가 네트워크 주파수(fN)에 따라 설정 주파수(fSOLL)를 초과할 때 감소된 전기 발전기 전력을 전기 공급 전력(PEIN)으로서 전기 공급 네트워크에 공급하는 것은 블록(360)에 의해 표시된다.
네트워크 주파수(fN)가 이제 다시 네트워크 공칭 주파수(fNENN) 또는 설정 주파수(fSOLL)의 미만이 되거나 또는 이에 대응하게 되면, 전기 발전기는 그 상태를 유지하거나 또는 다시 작동된다.
네트워크 주파수(fN)가 계속 네트워크 공칭 주파수(fNENN) 또는 설정 주파수(fSOLL)를 초과하면, 전기 발전기 전력(PGEN)은 재차 또는 계속 감소된다.
그럼에도 불구하고 네트워크 주파수(fN)가 예를 들어 네트워크의 작동자에 의해 사전에 설정된 임계 주파수(fKRIT)를 초과하면, 전기 발전기 전력(PGEN)은 현저히 감소되거나 또는 발전기는 전기 발전기 전력을 더 이상 생성하지 않는 상태로 된다. 전기 발전기가 정지되어 풍력 발전 설비가 전기 전력을 더 이상 공급하지 않는 것이 블록(390)에 의해 표시된다.
도 4는 일 실시예에 따른 풍력 발전 설비에 의한 과주파수 전력 소비(400)를 개략적으로 도시한다. 이 경우, 특히 본 발명에 따른 방법의 작동 방식은 네트워크 주파수(fN)의 변동에 기초하여 도시된다.
상부 다이어그램(410)에는 시간(t)에 걸친 네트워크 주파수(fN)가 도시된다. 여기서 네트워크 주파수는 50 Hz의 네트워크 공칭 주파수(fNENN)보다 백분의 몇 더 크게, 예를 들어 50.02 Hz이고, 약간 변동한다. 즉, 전기 공급 네트워크는 시간(t1)까지 실질적으로 주파수 안정적으로 동작되는데, 즉 더 큰 주파수 편차를 포함하지 않거나 또는 가파른 주파수 기울기를 포함하지 않는다.
중간 다이어그램(420)에는 시간에 걸친 전기 발전기 전력(PGEN)이 도시된다. 여기서 발전기는 네트워크 주파수(fN)에 따라 제어되고, 약하게 진동하는 발전기 전력(PGEN)을 생성한다. 마찬가지로, 중간 다이어그램(420)에서도 스위칭 장치에 의해 변환된 열 출력(ΔΡTH)이 도시된다. 이 경우, 스위칭 장치는 주파수 기울기(dfN/dt)에 따라 제어된다. 전기 공급 네트워크가 미리 결정된 한계값(G)을 초과하는 주파수 기울기(dfN/dt)를 포함하지 않기 때문에, 전기 전력, 특히 전기 발전기 전력은 열 출력으로 변환되지 않는다.
전기 발전기 전력(PGEN) 및 열로 변환된 전력으로부터, 시간(t1)까지 실질적으로 전기 발전기 전력(PGEN)에 대응하는 전기 공급 전력(PEIN)이 생성된다. 이것은 하부 다이어그램(430)에 도시되어 있다.
시간(t1)에서, 전기 공급 네트워크는 미리 결정된 한계값(G)보다 큰 주파수 기울기(412)의 형태로 장애를 포함한다. 이것은 예를 들어 측정 장치에 의해 검출될 수 있다.
그 후 스위칭 장치, 특히 전력 초퍼가 활성화된다. 이것은 중간 다이어그램의 하반부 평면(422)에 도시되어 있다. 주파수 편차에 따라 제어되는 전기 발전기는 이에 의해 적어도 당분간 영향을 받지 않고 유지된다.
스위칭 장치의 스위칭 온은 전체 전기 발전기 전력(PGEN)뿐만 아니라 전기 공급 네트워크로부터 취출되는 전기 전력의 일부도, 또한 전기 공급 네트워크를 안정화시키기 위해, 열 출력, 특히 열로 변환되도록 한다. 이것은 다이어그램(430)에 도시되어 있다. 따라서, 스위칭 장치는 전기 발전기 전력을 열 출력으로 변환함으로써 전기 공급 전력을 0으로 감소시킬뿐만 아니라, 전기 공급 네트워크로부터의 추가의 초과 전력, 특히 유효 전력도 열 출력으로 변환시킨다. 따라서, 연결 지점에서 풍력 발전 설비는 음의 전력, 특히 음의 유효 전력 밸런스를 포함한다.
본 발명에 따른 이러한 방법으로 인해, 네트워크 주파수는 천천히 다시 복구되어, 네트워크 주파수가 주파수 기울기(414)에 의해 네트워크 공칭 주파수에 근접되며, 여기서 주파수 기울기(414)는 미리 결정된 한계값보다 작다.
그에 따라 스위칭 장치는, 시간(t2)에서 공급 네트워크가 다시 주파수 안정 상태를 포함할 때까지, 전기 발전기 전력의 전력 소비를 천천히 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따른 방법을 실행하는 동안, 특히 네트워크 공칭 주파수에 대한 주파수 편차가 0.2 Hz보다 크고, 5초 이상 지속되는 경우, 네트워크 주파수에 따라 전기 발전기 전력이 바람직하게는 감소된다. 이것은 영역(424)의 중간 다이어그램(420)에서 예시적으로 도시되어 있다.
도 5는 도 1에 따른 예시적인 3개의 풍력 발전 설비(100)를 갖는 풍력 발전 단지(500)를 도시한다. 따라서, 3개의 풍력 발전 설비는 기본적으로 풍력 발전 단지(500)의 임의의 개수의 풍력 발전 설비를 나타낸다. 풍력 발전 설비(100)는 전기 풍력 발전 단지 네트워크(570)를 통해 전기 공급 전력(PEIN)을 제공한다. 이러한 개별 공급 전력(PEIN)은 발전 단지 내의 전압을 고변압하는 풍력 발전 단지 변압기(590)를 통해 네트워크 연결 지점(PCC)에서 풍력 발전 단지 전력(PPARK)으로서 공급 네트워크(594)에 함께 공급된다.
이 경우, 풍력 발전 단지(500)는 팜 제어 유닛(FCU)으로도 지칭되는 풍력 발전 단지 제어 유닛(542)을 통해 제어된다. 이를 위해, 풍력 발전 단지 제어 유닛(542)은 측정 수단(544)에 의해 네트워크 주파수 및 특히 주파수 편차 및 주파수 기울기를 검출한다. 또한, 제어 라인(546)을 통해 풍력 발전 단지 제어 유닛은 개별적인 풍력 발전 설비와 통신할 수 있다. 이에 대해 특히, 예를 들어 스위칭 장치의 에너지 소비 수용성과 같은 풍력 발전 설비의 상태 신호(S)가 질의될 수 있다. 이러한 질의된 상태 신호(S)에 기초하여, 풍력 발전 단지 제어 유닛(542)은 음의 풍력 발전 단지 전기 에너지를 계산할 수 있다. 즉, 풍력 발전 단지가 소비할 준비가 된 에너지이다. 그 다음, 이렇게 계산된 음의 풍력 발전 단지 에너지는 감소 신호(R)에 의해 공급 네트워크의 작동자에게 제공된다. 따라서, 공급 네트워크의 작동자에게 각각의 시간에 풍력 발전 단지의 전기 전력, 특히 유효 전력을 얼마나 많이 소비할 수 있는지 그리고 다시 요구할 수 있는지에 대해 통지된다. 따라서, 풍력 발전 단지는 적어도 5초 동안 유효 전력에 대한 소비 장치로서, 특히 풍력 발전 단지 공칭 전력에 대응하는 음의 전력에 의해 작동하도록 구성된다.

Claims (24)

  1. 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법으로서, 상기 전기 공급 네트워크는 네트워크 공칭 주파수를 포함하고 네트워크 주파수에 의해 작동되며, 발전기 공칭 전력을 갖는 전기 발전기를 포함하는 상기 풍력 발전 설비는 상기 네트워크 주파수에 따라 조절될 수 있고,
    상기 전기 발전기에 의해 상기 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성하는 단계, 및
    상기 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 상기 네트워크 주파수에 따라 전기 공급 전력으로서 상기 전기 공급 네트워크에 공급하는 단계를 포함하고,
    제1 지원 단계에서 상기 전기 발전기 전력이 상기 네트워크 주파수에 따라 감소되어, 이에 대응하여 상기 전기 공급 전력을 감소시키며,
    제2 지원 단계에서 상기 전기 공급 전력이 상기 전기 발전기 전력보다 작도록 상기 전기 공급 전력이 감소되는 것인, 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계 기울기를 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 상기 제2 지원 단계에 따라 상기 전기 공급 전력은 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값보다 큰 경우, 상기 제2 지원 단계에 따라 상기 전기 공급 전력은 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 공급 전력이 미리 결정된 기간 동안 그리고/또는 적어도 미리 결정된 초과값만큼 설정 전력, 특히 상기 발전기에 의해 생성된 상기 전기 발전기 전력보다 작은 설정 전력보다 큰 경우, 상기 제2 지원 단계에 따라 상기 전기 공급 전력은 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지원 단계가 특히 상기 전기 공급 네트워크의 작동자 또는 제어실에 의해 요구되는 경우, 상기 제2 지원 단계에 따라 상기 전기 공급 전력은 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지원 단계는 상기 제1 지원 단계를 통과한 후에만 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지원 단계는 상기 제1 지원 단계와는 독립적으로 실행될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 발전기에 의해 상기 전기 공급 네트워크에 공급하기 위한 전기 발전기 전력을 생성하는 단계는 상기 네트워크 주파수에 따라, 특히 상기 네트워크 공칭 주파수에 대한 상기 네트워크 주파수의 편차에 따라 수행되고, 상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 설정 주파수보다 큰 경우, 상기 전기 발전기 전력은 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 공급 전력은 상기 전기 공급 전력이 0과 동일하게 되도록 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계 기울기 또는 상기 미리 결정된 한계 기울기를 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되고 그리고/또는 상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 주파수 값 또는 상기 미리 결정된 주파수 값보다 큰 경우, 상기 전기 공급 네트워크로부터 전기 전력을 취출하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 결정된 한계 기울기 또는 상기 미리 결정된 한계 기울기는,
    초당 0.5 Hz 또는
    초당 0.5 Hz 내지 초당 2 Hz 또는
    초당 2 Hz
    인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지원 단계에서 상기 전기 공급 전력이 감소되는 것은, 상기 네트워크 주파수가 상기 미리 결정된 한계 기울기의 미만인, 특히 다시 미만이 되는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 상기 전기 공급 전력은 상기 전기 발전기 전력과 동일하게 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지원 단계에서 상기 전기 공급 전력이 감소되는 것은, 전기 전력, 특히 전기 발전기 전력 및/또는 상기 공급 네트워크로부터의 전기 전력을 소비하는 것을 포함하고, 상기 소비하는 것은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히, 전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치 또는 상기 스위칭 장치는 적어도 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 상기 발전기 공칭 전력에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치 또는 상기 스위칭 장치는 적어도 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 상기 발전기 공칭 전력의 2배에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 초퍼(chopper)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 초퍼 뱅크로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되는 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법으로서, 상기 전기 공급 네트워크는 네트워크 공칭 주파수를 포함하고 네트워크 주파수에 의해 작동되며, 발전기 공칭 전력을 갖는 전기 발전기를 포함하는 상기 풍력 발전 설비는 상기 네트워크 주파수에 따라 조절될 수 있고,
    전기 전력을 열 출력으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 네트워크 주파수가 미리 결정된 한계값을 초과하는 주파수 기울기에 의해 변경되는 경우, 상기 공급 네트워크의 상기 네트워크 주파수를 지원하기 위해, 상기 전기 전력이 상기 전기 공급 네트워크로부터 취출되는 것인, 풍력 발전 설비를 작동하기 위한 방법.
  19. 전기 발전기 전력을 생성하기 위한 발전기 공칭 전력을 갖는 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비에 있어서,
    상기 풍력 발전 설비는 상기 전기 발전기 전력 또는 그 일부를 상기 전기 공급 네트워크의 네트워크 주파수에 따라 전기 공급 전력으로서 상기 전기 공급 네트워크에 공급하기 위해, 전기 공급 네트워크의 네트워크 연결 지점에 연결되도록 준비되며, 상기 풍력 발전 설비는,
    제1 지원 단계에서 상기 전기 발전기 전력이 상기 네트워크 주파수에 따라 감소되어, 이에 대응하여 상기 전기 공급 전력을 감소시키도록, 그리고
    제2 지원 단계에서 상기 전기 공급 전력이 상기 전기 발전기 전력보다 작도록 상기 전기 공급 전력이 감소되도록
    구성되고,
    특히 상기 풍력 발전 설비는 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것인, 풍력 발전 설비.
  20. 제19항에 있어서,
    전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 스위칭 장치 - 상기 스위칭 장치는 상기 전기 공급 전력을 감소시키기 위해 상기 전기 발전기 전력의 적어도 일부를 소비하도록 구성됨 - 를 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  21. 제20항에 있어서,
    전기 전력을 열 출력으로 변환하기 위한 상기 스위칭 장치는 적어도 3초 동안, 특히 적어도 5초 동안, 발전기 공칭 전력의 바람직하게는 2배에 대응하는 전기 전력을 열 출력으로 변환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 초퍼 뱅크로서 형성되고 그리고/또는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지에 있어서,
    상기 풍력 발전 단지의 상기 풍력 발전 설비로 제어 신호를 송신하고, 상기 풍력 발전 단지의 상기 풍력 발전 설비에 의해 제공되는 상태 신호를 수신하여, 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 결정하도록 구성되는 풍력 발전 단지 제어 유닛을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  24. 제23항에 따른 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 풍력 발전 설비, 특히 상기 풍력 발전 설비의 상기 스위칭 장치의 전력 또는 에너지 소비 수용성에 대한 상태 신호를 질의하는 단계,
    상기 질의된 상기 풍력 발전 설비의 상태 신호에 기초하여, 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 결정하는 단계,
    상기 결정된 음의 풍력 발전 단지 전기 전력 또는 에너지를 공급 네트워크 작동자 및/또는 상기 풍력 발전 단지를 제어하는 제어실로 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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