KR20190082945A - 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법 - Google Patents

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요하네스 브롬바흐
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 네트워크 연결 지점에서 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 의해 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것으로서, 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함하고, 로터는 관성 모멘트를 포함하고, 가변적인 로터 회전 속도로 작동될 수 있고, 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 발전기 출력을 생성하기 위한 발전기를 포함하고, 복수의 에너지 생성기는 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하고, 그리고 복수의 소비 장치는 전기 공급 네트워크로부터 전력을 취출하여, 전기 공급 네트워크에서는 공급된 전력과 취출된 전력 사이의 전력 밸런스가 생성되고, 이러한 전력 밸런스는 취출된 것보다 더 많은 전력이 공급되는 경우, 양의 값이다. 이러한 방법은 다음과 같은 단계들: 이용 가능한 풍력에 따라 기본 전력을 공급하는 단계, 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하는 단계, 및 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 사전 설정되어 추가적으로 공급될 보조 전력을 추가적으로 공급하는 단계를 포함하고, 여기서 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양이 결정되고, 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하는 단계는 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 수행된다.

Description

전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법
본 발명은 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지에 의해 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하는 것은 공지되어 있다. 한편, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지가 소위 시스템 서비스 전력을 제공하는 것도 또한 공지되어 있고, 이러한 시스템 서비스 전력은 전기 공급 네트워크를 전기적으로 지원하도록 그리고/또는 개선하도록 도움을 준다.
풍력 발전 설비는 현재 바람으로부터 취출할 수 있는 만큼의 전력의 양을 정상적으로 공급하기 때문에, 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 공급될 전력이 증가되어야 하는 경우가 특히 문제가 된다. 이를 위해, 개선을 위한 것으로서, 회전하는 로터의 플라이휠 매스로부터의 전력을 사용하는 것이 단기간의 전력 증가를 위해 이미 제안되어 있다. 그러나, 증가된 전력이 공급되고 이를 위해 회전하는 로터로부터의 전력이 사용되면, 이러한 로터의 속도가 느려지므로, 이에 대응하는 증가되어 공급된 전력은 단지 짧은 기간 동안만 공급될 수 있다.
따라서, 여기서 단기간의 전력 증가를 위한 해결 방안이 제안되지만, 상기 해결 방안은 이러한 단기간의 전력 증가에 의해 각각의 풍력 발전 설비 상에 가해지는 영향을 감수해야 하거나 또는 고려하지 않거나 또는 적게 고려해야 한다. 플라이휠 매스로부터의 전력 취출을 통해 풍력 발전 설비의 회전 속도가 감소된다. 이것은 관련 풍력 발전 설비에 영향을 줄뿐만 아니라, 관련 전기 공급 네트워크도 또한 약화된 상태로 만들 수 있다. 예를 들어 운동 에너지가 너무 많이 취출될 때, 풍력 발전 설비는 자체의 작동점을 잃을 수 있으며, 그 후 경우에 따라서는 우선, 존재하는 바람으로 인해 가능한 것보다 더 적은 전력 공급을 가능하게 하는 작동점으로 더 작동되어야 한다.
또한, 관련 풍력 발전 설비 또는 전체적으로 관련된 풍력 발전 설비가 자체의 포텐셜을 보조 에너지로 전달한 경우, 이러한 보조 에너지의 회수는 또한 우선 추가의 보조 에너지가 더 이상 취출될 수 없게 할 수도 있다. 이 경우 운동 에너지를 다시 사용할 수 있기 위해서는, 경우에 따라 오랜 시간 동안 정지되는 공정에서 오직 관련 풍력 발전 설비의 회전 속도가 다시 증가되어야만 한다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술들을 조사하였다: DE 10 2011 006 670 A1호, DE 10 2015 208 554 A1호, WO 2012/171 532 A2호 및 EP 1 665 494 B1호.
따라서, 본 발명의 과제는 상기 언급된 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 하나 이상의 풍력 발전 설비가 단기간의 전력 증가에 대해 대응하는 보조 전력을 제공할 수 있지만, 그러나 이 경우 안정적인 동작점을 잃지 않도록 하는 해결 방안이 제안되어야 한다. 특히, 하나 이상의 풍력 발전 설비가 보조 전력의 이러한 제공에 의해 불안정해지거나 또는 심지어 정지하는 것이 방지되어야 한다. 적어도 지금까지 공지된 방법들에 대한 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항에 따른 방법이 제안된다. 이러한 방법은 네트워크 연결 지점에서 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 의해 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하는 단계에 관한 것이다. 즉, 풍력 발전 설비는 네트워크 연결 지점에서 전기 공급 네트워크에 전력을 공급한다. 이러한 방법은 또한 복수의 풍력 발전 설비, 즉 특히 풍력 발전 단지에 조직되어 있고 네트워크 연결 지점에서 전기 공급 네트워크에 공동으로 전력을 공급하는 복수의 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
적어도 하나의 풍력 발전 설비는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함하고, 로터는 관성 모멘트를 가지며, 가변적인 로터 회전 속도로 작동될 수 있다. 즉, 소위 회전 속도가 가변적인 풍력 발전 설비를 기초로 한다. 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 또한 발전기 출력을 생성하기 위한 발전기를 포함한다.
또한, 복수의 에너지 생성기가 전력 공급 네트워크에 전력을 공급하는 것을 기초로 한다. 즉, 적어도 하나의 풍력 발전 설비가 전기 공급 네트워크에 전력을 공급할 뿐만 아니라, 적어도 하나의 추가적인 에너지 생성기, 특히 복수의 또는 많은 에너지 생성기도 또한 전력을 공급한다. 또한, 복수의 소비 장치가 전기 공급 네트워크로부터 전력을 취출하는 것을 기초로 한다. 이 경우, 전기 공급 네트워크에서는 공급된 전력과 취출된 전력 사이의 전력 밸런스가 생성된다. 이러한 전력 밸런스는 취출된 것보다 더 많은 전력이 공급되는 경우, 양의 값으로 간주된다. 이상적으로는, 즉 정확히 취출된 만큼의 전력의 양이 공급되는 경우, 이러한 전력 밸런스는 0이다.
이제 이러한 방법에 대해, 이용 가능한 풍력에 따라 기본 전력이 적어도 하나의 풍력 발전 설비를 통해 전기 공급 네트워크로 공급되는 것이 제안된다. 따라서, 이러한 기본 전력은 기본적으로 풍력 발전 설비가 바람으로부터 직접 취출하여 전기 공급 네트워크로 공급하는 전력이다. 이러한 관찰에서, 풍력 발전 설비의 전달된 또는 변환된 요소에서의 예를 들어 라인 손실 및/또는 열 손실을 통한 전력 손실은 고려되지 않는다. 즉, 설명을 위해, 바람으로부터 취출된 전력이 이러한 기본 전력으로서 또한 전기 공급 네트워크에 공급되는 것으로 가정된다.
또한, 추가적으로 공급될 보조 전력이 사전 설정된다. 따라서, 이러한 공급될 보조 전력은 기본 전력을 초과하고, 이에 따라 그 순간에 관련 풍력 발전 설비에 의해 바람으로부터 취출될 수 있는 전력을 초과한다.
그 다음, 이러한 사전 설정된 보조 전력은 추가적으로, 즉 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해, 기본 전력에 추가적으로 공급된다.
이제 이를 위해, 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양이 결정되는 것이 제안된다. 사전 설정되어 추가적으로 공급될 보조 전력은 바람 외에 추가적인 에너지원을 필요로 한다. 이는 예를 들어 공기 역학적 로터의 회전 에너지일 수 있다. 또한, 예를 들어 배터리 저장 장치와 같은 다른 또는 추가적인 에너지원이 존재할 수 있고, 사용될 수 있다. 이제 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 이러한 보조 에너지의 양을 결정하는 것이 제안된다. 다시 말하면, 보조 전력에 대해 사용할 수 있는 에너지원에 존재하는 에너지의 양이 결정된다. 여기서 그 순간에 이용 가능한 보조 전력이 결정되는 것이 아니라, 이용 가능한 보조 에너지의 양이 의도적으로 결정되어, 이에 따라 현재 시간을 초과하여 고려하는 것을 가능하게 한다.
마지막으로, 보조 전력은 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 사전 설정된다. 즉, 보조 전력은 그 순간에 전기 공급 네트워크의 보조 전력에 대한 필요성에 의존할 뿐만 아니라, 그리고 또한 예를 들어 전류 제한과 같은, 이러한 추가적인 보조 전력을 공급하기 위한 기술적인 제한 인자에 의존할 뿐만 아니라, 이용 가능한 보조 에너지의 양도 의식적으로 또한 고려된다.
따라서, 특히 어떤 기간 동안 기본 전력에 대해 추가적으로 얼마나 많은 보조 전력이 공급될 수 있는지가 또한 계획될 수 있다. 다시 말하면, 추가적인 에너지원에서의 에너지 예비량의 완전한 고려가 제안된다. 따라서, 특히 이용 가능한 보조 에너지의 양이 갑자기 소비되고, 즉 대응하는 에너지원이 소비되고, 그 다음 보조 전력이 갑자기 감소되어야 하는 것이 또한 방지될 수 있다. 또한, 현재의 지원 필요성과 단기간 후에 더 필요로 하는 지원 필요성 사이에 균형을 이룰 수 있는 가능성이 제공된다. 또한, 공급 가능한 보조 전력에 대한 시간적인 프로파일을 계획할 수 있는 가능성도 또한 제공된다. 이 경우, 이러한 계획은 수 초의 범위, 특히 5초 내지 30초 범위의 기간과 관련된다.
바람직하게는, 전력을 공급하기 위해 적어도 하나의 인버터가 사용된다. 이는 매우 일반적으로 임의의 실시예에 대해서도 또한 제안된다. 바람직하게는, 추가적으로 공급될 보조 전력은 적어도 하나의 인버터의 가동률에 의존하여 결정된다. 기본적으로, 공급될 보조 전력은 특히 전력 밸런스에 따라, 특히 전력 밸런스의 양호한 지표가 될 수 있는 전기 공급 네트워크의 주파수에 의존하여 결정된다. 이를 위해, 적어도 하나의 인버터의 가동률을 고려하는 것이 추가적으로 제안된다. 이것은 특히 여기서 보조 전력의 추가적인 공급의 실행 가능성이 고려된다는 것을 의미한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 공급된 무효 전력이 고려될 수 있으며, 이에 의존하여 대응하게 추가적으로 공급될 보조 전력이 결정될 수 있다. 또한, 공급된 무효 전력은 적어도 하나의 인버터의 가동률에 기여하며, 따라서 추가적인 보조 전력을 결정할 때 공급된 무효 전력을 고려하는 것이 유리할 수 있다는 것이 인식되었다.
바람직하게는, 더 높은 보조 전력을 공급할 수 있도록 공급된 무효 전력을 감소시키는 것이 제안된다. 따라서, 이러한 무효 전력 감소는 추가적으로 공급될 보조 전력을 결정할 때 이미 고려될 수 있다. 따라서 다시 말하면, 추가적으로 공급될 보조 전력은 경우에 따라서는, 공급된 무효 전력이 새로운 값으로 감소되는 경우, 현재 공급된 무효 전력으로 인해 생성되는 것보다 더 높은 값으로 결정될 수 있다. 이러한 경우, 공급될 보조 전력을 결정하기 위해 공급된 무효 전력의 이러한 새로운 값이 고려된다.
바람직하게는, 이용 가능한 보조 에너지의 양은 로터의 관성 모멘트, 풍력 발전 설비의 현재 작동점의 적어도 하나의 작동 변수 및 허용 하한 로터 회전 속도로부터 확인된다. 이를 위해, 특히 풍력 발전 설비의 로터에 저장된 회전 에너지는 이용 가능한 보조 에너지의 양에 대한 에너지원인 경우가 가정된다. 추가적인 에너지원이 존재하는 한, 이는 추가적으로 고려될 수 있다.
따라서, 로터의 회전 에너지로부터 이용 가능한 보조 에너지의 양을 여기서 제안된 바와 같이 결정할 때, 우선 로터의 관성 모멘트가 고려된다. 여기서는 여전히 발전기의 로터의 관성 모멘트가 추가될 수도 있지만, 그러나 이는 정상적으로 공기 역학적 로터의 관성 모멘트보다 상당히 더 작은 값을 갖는다.
또한, 풍력 발전 설비의 현재 작동점의 적어도 하나의 작동 변수가 고려되고, 이는 특히 현재 로터 회전 속도이다. 그러나, 여기서 로터의 로터 블레이드의 현재 블레이드 입사각 및 그 순간에 전달되는 전기 발전기 출력과 같은 다른 변수도 또한 고려될 수 있거나 또는 여기에 추가될 수 있다. 로터의 관성 모멘트 및 로터 회전 속도로부터, 로터의 현재 회전 운동에 저장된 운동 에너지가 계산될 수 있다.
그러나 회전하는 로터의 이러한 운동 에너지, 즉 회전 에너지는, 반드시 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양인 것은 아닌데, 왜냐하면 이러한 회전 에너지는 종종 완전히 회수될 수 없거나 또는 종종 이를 완전히 회수하는 것이 유용하지 않기 때문이다. 이를 완전히 회수한다는 것은 로터를 0으로 감소시키는 것을 의미한다. 그러나, 이는 많은 관점에서 불리할 것인데, 왜냐하면 이에 따르면 풍력 발전 설비가 초기에 어떠한 전력도 공급할 수 없기 때문이며, 이는 전체 상황을 악화시킨다. 또한, 로터 회전 속도가 매우 낮은 값 또는 심지어 0으로 감소되면, 바람으로부터 취출할 수 있는 전력이 감소하므로, 공급된 전체 전력은 감소할 수 있고, 이에 따라 사실상 추가적으로 더 적은 보조 전력이 공급된다.
따라서, 허용 하한 로터 회전 속도를 추가적으로 고려하는 것이 제안된다. 이러한 허용 하한 로터 회전 속도는 이러한 지원을 위해 로터가 감속될 수 있는 속도이다. 따라서, 이러한 허용 하한 로터 회전 속도는 특히 풍력 발전 설비의 추가 작동이 여전히 가능하다는 것을 고려한다. 추가적으로, 이는 바람으로부터의 전력 취출의 감소를 고려할 수 있고, 이에 따라 바람으로부터 취출 가능한 전력이 바람직하게는 가능한 한 작게 선택되는 사전 결정된 값만큼만 감소되는 값으로 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 현재 작동점의 적어도 하나의 작동 변수는 그 다음 변수, 즉 현재 로터 회전 속도, 현재 발전기 출력 및 우세한 풍속 중 적어도 하나를 포함하는 것이 제안된다.
현재 로터 회전 속도는 특히 존재하는 운동 에너지, 즉 회전하는 로터의 회전 에너지를 결정하기 위해 사용된다.
현재 발전기 출력은 특히 로터 회전 속도와 함께, 풍력 발전 설비의 현재 작동점의 중요한 작동 변수이다. 이로부터 풍력 발전 설비가 현재 많은 또는 적은 전력을 구현하는지의 여부가 인식될 수 있으며, 이로부터 풍력 발전 설비가 자체의 작동점을 변위하기 위해 예비량을 얼마나 많이 갖고 있는지도 또한 추론될 수 있다. 회전 에너지의 회수는 풍력 발전 설비의 작동점이 변위되도록 하고, 이러한 작동점이 어느 위치에 있는지에 따라, 이에 대응하게 작동점의 큰 또는 작은 변위가 가능하다. 특히 풍력 발전 설비가 많은 전력을 구현하는 경우, 일반적으로 우세한 풍속도 또한 높다. 이 경우 작동점이 자체의 최적 위치로부터 더 적은 최적의 위치로 변위되면, 그러나 특히 강한 바람에서, 즉 높은 우세한 풍속에서는 이전 작동점으로 더 쉽게 다시 복귀될 수 있다.
다른 한편으로는, 현재 회전 속도와 관련하여 비교적 높은 전력은 풍력 발전 설비가 최적의 작동점에서 작동하지 않는다는 것을 나타낼 수 있다. 이는 또한 작동점이 회전 속도/전력 특성 곡선에서 플랭크 상에 위치하고, 따라서 회전 속도의 변화가 비교적 큰 전력 감소로 이어질 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 경우, 회전 에너지의 취출은 비교적 강한 전력 손실을 초래할 것이다. 이는 회전 속도가 단지 약간만 감소될 수도 있다는 것을 또한 의미할 수 있다. 발전기 출력을 고려함으로써, 이는 이용 가능한 보조 에너지의 결정 시 고려될 수 있다.
추가적으로 또는 그 대신에, 우세한 풍속이 고려될 수 있다. 이를 위해 이러한 우세한 풍속이 측정될 수 있고, 여기서 풍력 발전 설비에서 대응하는 측정 장치에 의해 측정하거나 또는 그러나 근처에 위치된 측정 마스트에 의해 측정하는 것도 또한 고려된다. 풍속의 측정이 종종 정확하지 않기 때문에, 로터 회전 속도와 발전기 출력으로부터 풍속을 유도하는 것도 또한 고려된다.
어떤 경우든, 이로부터, 작동점이 얼마나 멀리 변경될 수 있는지, 특히 로터 회전 속도가 얼마나 감소될 수 있는지, 이에 따라 실제로 얼마나 많은 회전 에너지가 취출될 수 있는지가 더 잘 인식될 수 있다. 그 다음, 이러한 취출 가능한 회전 에너지가 이용 가능한 보조 에너지의 양을 발생시킨다. 다른 에너지원이 존재하지 않고 손실이 고려되지 않는 한, 이러한 취출 가능한 회전 에너지는 이용 가능한 보조 에너지의 양이다.
다른 실시예에 따르면, 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위해 로터 회전 속도의 감소를 통한 전력 손실이 고려되는 것이 제안된다. 전력 취출을 위해 로터 회전 속도가 감소되면, 느려진 로터에 의해 바람으로부터의 전력 취출도 또한 악화될 수 있다. 이는 실제로 이용 가능한 보조 에너지의 양을 줄이며, 이에 따라 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정할 때 고려될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 추가적으로 공급될 보조 전력의 사전 설정은 로터 회전 속도의 감소에 의한 전력 손실에 따라 수행되는 것이 제안된다. 이를 통해, 보조 전력의 대응하는 조정에 의해 전력 손실이 보상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 보조 전력을 제공하기 위한 적어도 하나의 풍력 발전 설비가 적어도 하나의 전기 저장 장치에 결합되고, 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위해 로터의 회전 에너지 및 적어도 하나의 전기 저장 장치의 각각의 저장 유닛을 고려하는 것이 제공된다. 보조 전력은 이러한 경우, 복수의 에너지원, 즉 회전하는 로터의 회전 에너지의 일부 및 적어도 하나의 전기 저장 장치에 의존할 수 있다. 특히, 이러한 전기 저장 장치는 가능한 보조 에너지의 양을 증가시키도록, 즉 회전하는 로터로부터 사용될 수 있는 양을 통해 증가시키도록 제공될 수 있다.
전기 저장 장치는 배터리일 수 있고, 그 외에도 또는 추가적으로 업계에서 슈퍼-캡 또는 울트라-캡으로도 또한 지칭되는 고전력 커패시터일 수 있다. 특히, 이러한 고전력 커패시터의 사용이 제안되는데, 왜냐하면 유지 보수가 쉽고, 에너지 또는 전력을 매우 신속하게 제공할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 여기서 어떤 저장 내용을 갖는지, 즉 얼마나 강하게 저장 장치가 충전되어 있는지가 또한 중요하다. 또한 배터리뿐만 아니라 고전력 커패시터에도 또한 적용하는 이러한 전기 저장 장치에 대해서도, 이들이 완전히 방전될 수 있는 것은 아니라는 것이 고려될 수 있다. 이는 커패시터에서 특히 감소하는 전압으로 인해 그리고 배터리에서 특히 방전 시 상승하는 내부 저항으로 인해 발생한다. 따라서, 존재하는 에너지의 얼마나 많은 양이 실제로 취출될 수 있는지를 고려하는 것이 여기에서 또한 제안된다. 이는 또한 전기 저장 장치로부터 각각 에너지를 취출하는 전자 스위칭 유닛에 의존할 수 있다. 따라서, 이는 예를 들어 800 볼트의 전압으로 충전된 커패시터가 예를 들어 단지 300 볼트까지만 방전될 수 있는데, 왜냐하면 300 볼트 또는 그 미만의 이러한 낮은 전압은 풍력 발전 설비에서 사용하기 위해 이러한 전압을 대응하게 높게 설정하는 전자 유닛을 필요로 하기 때문이다. 이것은 단지 예시일 뿐이며, 언급된 전압의 값은 또한 예시적으로만 언급된다. 배터리에도 이와 유사한 문제가 발생할 수 있다. 배터리의 경우에는 과도한 방전으로 인해 파손될 수 있다는 사실이 덧붙여진다.
이러한 모든 영향은 바람직하게는 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정할 때 고려된다.
일 실시예에 따르면, 보조 전력을 공급할 때 이용 가능한 보조 에너지의 양이 업데이트되고, 특히 연속적으로 업데이트되는 것이 제안된다. 즉, 이러한 업데이트는 보조 전력을 공급할 때 발생하고, 이에 대응하게 신속하게 또는 공급과 동시에 업데이트되어야 한다. 이 경우, 이러한 업데이트는 공급된 보조 전력에 따라 수행되는 것이 제안된다. 따라서, 공급된 보조 전력이 모니터링되고, 이러한 정보는 이용 가능한 보조 에너지의 양을 지속적으로 업데이트하기 위해 사용된다. 이를 위해, 특히 공급된 보조 전력이 시간이 지남에 따라 공급된 보조 에너지에 지속적으로 통합되는 것이 간주된다. 여기서, 특히 이용 가능한 보조 에너지의 양이 이를 허용하는 한, 보조 전력은 전기 공급 네트워크의 주파수에 따라 공급된다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 주파수의 변동은 보조 전력의 변동을 또한 발생시킬 수 있다. 또한, 제공된 보조 전력, 즉 보조 전력 설정값과, 실제로 공급된 보조 전력, 즉 보조 전력의 실제 값 사이의 차이가 존재할 수 있다는 것을 고려하는 것이 제안된다. 그럼에도 불구하고 고려되어야 할 것은, 공급된 보조 전력의 측정 외에도, 설정값에 대한 공급된 보조 전력을 고려하고, 경우에 따라서는 설정 전력과 실제 전력 사이의 알려진 특히 다이내믹 편차를 고려하는 것이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 보조 전력의 공급에 대한 응답으로서 풍력 발전 설비의 변화 거동을 고려하여 이용 가능한 보조 에너지의 양이 업데이트되는 것이 제안된다. 여기서, 로터의 회전 에너지의 전달에 대한 응답으로서 로터 회전 속도의 감소를 고려하는 것이 특히 간주된다.
특히, 로터 회전 속도는 정상적으로는 매우 정확하고 신속하게 검출될 수 있다. 로터의 관성 모멘트가 상당한 만큼 변화하지는 않기 때문에, 따라서 현재 로터에 존재하는 회전 에너지도 또한 검출 가능하다. 특히, 현재의 지원의 경우에 대해 허용 하한 로터 회전 속도가 변하지 않는다는 가정 하에, 로터 회전 속도의 감소를 관찰함으로써, 이용 가능한 보조 에너지의 양의 변화가 신속하고 정확하게 검출될 수 있다.
하나 이상의 존재하는 전기 저장 장치에 존재하는 에너지의 감소는 정상적으로는 이러한 전기 저장 장치의 출력 전압의 모니터링에 의해 인식될 수 있다. 그러나, 특히 배터리 저장 장치에 대해서는 다른 방법도 또한 간주되고, 이는 당업자에게는 기본적으로 알려져 있다.
이용 가능한 보조 에너지의 양을 업데이트함으로써, 특히 현재 사전 설정되는 추가적으로 공급될 보조 전력도 또한 간단한 방식으로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 자체의 소비가 제어 가능하게 감소될 수 있는 적어도 하나의 소비 장치와 결합되고, 이용 가능한 보조 에너지의 양의 결정은 제어 가능하게 감소될 수 있는 적어도 하나의 소비 장치의 감소를 통해 이용 가능한 에너지의 양을 고려하는 것이 제안된다. 여기서, 특히 풍력 발전 설비와 결합된 소비 장치가 풍력 발전 설비의 전력을 소비한다는 기본 사상을 기초로 한다. 따라서, 풍력 발전 설비는 이러한 전력을 더 적게 전기 공급 네트워크에 공급한다. 이러한 소비 장치가 최소한 짧은 시간 및 또한 단기간에 감소되거나 또는 차단될 수 있다면, 일반적으로는 공급 시에 존재하지 않는, 이러한 소비 장치에 의해 소비되는 전력이 이제 지원을 위해 사용될 수 있다. 이는 바람직하게는 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정할 때 고려된다.
지원 중에 소비 장치가 소비하지 않는 이러한 전력은 보조 전력에 직접적으로 가산될 수 있다는 점을 유의해야 한다. 이는 또한 일 실시예에 따라 제안되는 바와 같이, 그러나 보조 전력의 일부, 특히 큰 부분이 로터의 회전 에너지로부터 취해진다는 사실을 고려하여 전체적인 상황을 관찰하고, 이를 위해 또한, 자체의 소비가 감소된 소비 장치에 의해 이용 가능하게 될 수 있는 전력을 이용 가능한 에너지로 전환하고, 이를 이용 가능한 보조 에너지의 양에 추가하거나 또는 소비 장치에 의해 이용 가능하게 되는 이러한 에너지를 고려하여 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정할 수 있는 것이 제안된다. 이를 위해, 예를 들어 소비 장치에 의해 이용 가능하게 되는 전력은 예상되는 지원의 경우에 대한 기간 동안 에너지에 통합될 수 있다. 이러한 기간이 변경되면, 이용 가능한 보조 에너지의 양의 계산이 업데이트될 수 있다. 대안적으로, 소비 장치에 의해 이용 가능하게 되는 전력은 보조 전력에 직접 영향을 준다.
풍력 발전 설비와 고정적으로 결합되어 자체의 소비가 제어 가능하게 감소될 수 있는 소비 장치인 경우, 기본 전력은 이러한 소비 전력만큼, 바람으로부터 생성되는 전력의 미만이라는 점에 유의해야 한다.
일 실시예에 따르면, 보조 전력을 사전 설정하기 위해, 보조 에너지의 양에 따른 보조 전력의 프로파일이 사전 설정되는 것이 제안된다. 특히, 보조 전력의 사전 설정은 보조 에너지의 양에 의존하여 시간 의존적인 프로파일을 통해 수행되는 것이 제공된다. 보조 에너지의 양에 따른 보조 전력의 이러한 프로파일은, 특히 보조 에너지의 양이 시작 시에 충분히 존재하는 경우에 보조 전력으로서 인버터의 가동률과 같은 경계 조건으로 인해 일정한 보조 전력이 사전 설정되는 것으로 보일 수 있다. 이용 가능한 보조 에너지의 양이 이제 사전 설정 가능한 최소 보조 에너지의 양의 미만으로 감소되면, 따라서 이용 가능한 보조 에너지의 양이 계속 감소됨에 따라 보조 전력이 감소된다. 바람직하게는, 이용 가능한 보조 에너지의 양과 공급되거나 또는 이에 대응하게 사전 설정된 보조 전력 사이의 비례적인 관계가 여기서 제공될 수 있다. 이러한 경우, 계속하여 천천히 감소하는 보조 전력이 생성되고, 이는 이상적으로는 값 0에 점근적으로 근사하게 된다. 다른 변형예에 따르면, 언급된 잔여 최소 보조 에너지의 양에 대해, 전력이 시간에 따라 0에 비례적으로 감소하고 여기서 다른 예시를 언급하자면 이 경우 이러한 잔여 최소 보조 에너지의 양을 정확하게 공급하는 잔여 시간 간격이 계산되는 것이 제안된다.
시간 의존적인 프로파일이 사용된다면, 시간에 따른 보조 전력의 프로파일이 이미 이용 가능한 총 보조 에너지의 양에 대해 사전 결정되어, 이용 가능한 보조 에너지의 양을 정확하게 소비하도록 하는 것이 제공될 수도 있다. 물론, 전기 공급 네트워크의 지원이 더 이상 필요하지 않는 경우, 보조 전력의 공급은 이에 따라 항상 중단된다.
일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 회전 에너지의 전달 시 우선 개선되는 작동점에서 작동되고, 특히 풍력 발전 설비는 로터 회전 속도가 운동 에너지, 즉 회전 에너지의 전달에 의해 일시적으로 전력 최적의 로터 회전 속도로 감소될 정도의 높은 로터 회전 속도로 작동되는 것이 제안된다. 이는 특히 풍속이 여전히 정격 풍속보다 훨씬 낮은, 예를 들어 정격 풍속의 최대 50 %인 하한 부분 부하 작동에 대해 제안된다.
여기서, 이론적으로 단지 최적의, 즉 풍력 발전 설비에 대한 전력 최적의 작동점만이 존재하고, 이론적인 전력 최적의 작동점보다 단지 최소한으로만 유리하지 않은 작동 범위가 이러한 최적의 작동점 근방에 위치된다는 지식을 기초로 한다. 특히, 특히 바람으로부터의 전력의 취출과 관련하여 또한 최적인 전력 최적의 로터 회전 속도가 종종 존재한다. 높은 로터 회전 속도뿐만 아니라 적은 로터 회전 속도도 또한 덜 유리하지만, 그러나 약간만 덜 유리하다. 따라서, 특히 전력 최적의 로터 회전 속도보다 높은 로터 회전 속도는 동작점의 최소한의 악화만을 초래하지만, 그러나 이와 동시에 상당히 더 높은 회전 에너지, 특히 상당히 더 높은 이용 가능한 회전 에너지를 생성한다는 것이 인식되었다. 심지어 종종 동작점의 악화가 이를 통해 측정 기술적으로 거의 증명될 수 없을 수도 있다. 특히, 이러한 경우 풍력 발전 설비를 대응하게 변위된 작동점에서, 즉 대응하게 더 높은 회전 속도로 작동시키는 것이 제안된다.
바람직하게는, 이용 가능한 보조 에너지의 양, 즉 여기서 이용 가능한 이른바 유용한 방식으로 여전히 취출 가능한 회전 에너지의 양은 로터 회전 속도가 전력 최적으로 계산된 로터 회전 속도 이상으로 얼마나 강하게 상승하는지에 대한 척도로 취해진다. 여기서, 한편으로는 증가되는 이용 가능한 보조 에너지의 양과 다른 한편으로는 로터 회전 속도의 증가로 인한 작동점의 악화된 효율 사이의 균형이 맞춰질 수 있다. 특히, 전기 공급 네트워크에서 지원의 경우가 예상되는지의 여부 또는 전기 공급 네트워크에 다른 생성기가 충분한 지원을 수행할 수 있는지 또는 전기 공급 네트워크에 다른 생성기가 얼마나 많이 충분한 지원을 수행할 수 있는지의 여부에 따라, 이러한 균형에 의해 대응하는 로터 회전 속도가 설정될 수 있거나 또는 변경될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 보조 전력은 전기 공급 네트워크의 네트워크 상태에 따라, 특히 전기 공급 네트워크의 전력 밸런스에 따라 사전 설정되고, 추가적으로 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 전력 상한이 결정되어 준수되며, 그리고 사전 설정된 보조 전력은 시간적으로 감소하는 프로파일로, 특히 이용 가능한 보조 에너지의 양이 사전 설정된 한계값에 도달하는 즉시, 시간적으로 감소하는 플랭크로 감소되는 것이 제안된다.
따라서, 보조 전력은 우선 전기 공급 네트워크의 네트워크 상태에 따라 사전 설정된다. 이것은 특히 네트워크 주파수, 즉 전력 밸런스의 지표가 될 수 있는 전기 공급 네트워크의 전기 전압의 주파수일 수 있다. 경우에 따라 고려되는 것은, 전기 공급 네트워크의 전력 밸런스를 다른 방식으로 고려하는 것이다. 이는 예를 들어 네트워크 작동자에게 보낼 수 있는, 예를 들어 외부적으로 전달된 정보에 의해 수행될 수 있다.
이러한 점에서 전기 공급 네트워크는 보조 전력을 결정하는데, 왜냐하면 보조 전력이 전기 공급 네트워크를 지원하기 때문이다. 그러나, 풍력 발전 설비는 단지 제한된 보조 전력만을 제공할 수 있으며, 따라서 보조 전력을 절약하는 것이 제안된다. 이를 위해, 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 전력 상한을 결정하고, 물론 따라서 이를 준수하는 것이 제안된다. 이를 위해, 경험에 따라 예상되는 지원 기간이 기반이 될 수 있다. 이를 위해, 10초의 기간을 기초로 하는 것이 고려된다. 바람직하게는, 이러한 기간은 5초 내지 30초 범위이다. 이로부터, 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 보조 전력에 대한 전력값이 생성된다. 가장 단순한 경우에, 보조 전력의 이러한 전력값, 즉 이러한 전력 상한은, 보조 전력이 일정하게 공급될 때 이용 가능한 보조 에너지의 양이 이러한 전력 상한에 의해 가정된 지원 기간이 종료될 때까지 소비되거나 또는 잔여 최소 보조 에너지의 양까지 소비되도록 선택된다는 것을 의미한다. 그 다음, 이러한 보조 전력의 갑작스런 종료를 방지하기 위해, 사전 설정된 보조 전력을 시간적으로 감소하는 프로파일에 의해 종료 시까지 감소시키는 것이 제안된다.
또한 본 발명에 따르면, 풍력 발전 설비가 제안되고, 이는 네트워크 연결 지점에서 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위해 준비된다. 이러한 풍력 발전 설비는 로터 블레이드를 구비하는 공기 역학적 로터를 포함하고, 로터는 관성 모멘트를 갖 고, 가변적인 로터 회전 속도로 작동될 수 있다. 또한, 발전기 출력을 생성하기 위한 발전기를 포함하고, 이용 가능한 풍력에 따라 기본 전력의 공급을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 이러한 제어 유닛은 예를 들어 풍력 발전 설비의 제어의 일부 또는 모든 제어를 수행하는 프로세스 컴퓨터일 수 있다. 이러한 제어 유닛은 예를 들어 인버터 및 경우에 따라서는 풍력 발전 설비의 다른 요소를 제어할 수 있다.
또한, 풍력 발전 설비는 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하기 위한 사전 설정 수단을 포함한다. 이러한 사전 설정 수단은 풍력 발전 설비의 제어 프로세서와 같은 제어 장치의 부분일 수 있다. 그러나, 이러한 사전 설정 수단은 또한 별도의 제어 수단으로 또는 적어도 별도의 제어 프로그램으로 제공될 수 있다. 예를 들어 전기 공급 네트워크에서 검출된 주파수에 따라 또는 외부 요청 신호에 기초하여 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정한다. 사전 설정된 보조 전력은 절대적인 값으로 또는 상대적인 값으로도 또한 사전 설정될 수 있다. 예를 들어 사전 설정값은 풍력 발전 설비의 정격 전력과 관련하여 상대적인 값으로의 고려되거나 또는 그 순간에 실제로 공급된 전력과 관련하여 상대적인 값으로의 고려된다.
또한, 풍력 발전 설비는 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 사전 설정된 보조 전력을 공급하기 위한 공급 장치를 포함한다. 이러한 공급 장치는, 예를 들어 발전기로부터의 전력을 DC 전압 또는 직류로 획득하고 이로부터 공급될 교류를 생성하는 예를 들어 인버터일 수 있다. 이 경우, 공급 장치는 공급될 전력을 공급하기 위해 동시에 전체적으로 제공되는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 인버터와 같은 일반적인 공급 장치가 사용될 수 있고, 또한 이 경우 전기 공급 네트워크의 지원을 위해 사전 설정된 보조 전력을 추가적으로 공급하는 작업을 수행할 수 있다.
또한, 풍력 발전 설비는 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위한 계산 유닛을 포함하는 것이 제공된다. 따라서, 이러한 계산 유닛은 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하고, 이러한 보조 에너지의 양은 공급될 보조 전력의 소스로서 사용될 수 있다. 보조 전력은 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 사전 설정된다. 따라서, 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하는 사전 설정 수단은 계산 유닛에 의해 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 결정된 양을 고려하고, 이에 의존하여 보조 전력을 결정한다. 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하기 위한 사전 설정 수단 및 보조 에너지의 양을 결정하기 위한 계산 유닛은 또한 예를 들어 공통 마이크로 프로세서와 같은 유닛에 통합될 수 있다.
바람직하게는, 풍력 발전 설비는 설명된 실시예들 중 적어도 하나에 따른 방법을 수행하도록 준비된다.
또한, 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지가 제안되고, 여기서 이러한 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비는 풍력 발전 설비의 설명된 실시예들 중 적어도 하나에 따라 형성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 풍력 발전 단지는 설명된 실시예에 따른 방법을 구현하도록 준비된다. 따라서, 이러한 구현은 풍력 발전 단지의 각각의 풍력 발전 설비가 그 자체로 대응하는 방법을 수행하도록 이루어질 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 풍력 발전 단지는 유닛으로서 설명된 실시예에 따른 적어도 하나의 방법을 수행하는 것이 또한 제공될 수 있다. 특히, 보조 전력을 사전 설정하기 위해 그리고/또는 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위해, 중앙 발전 단지 컴퓨터 또는 발전 단지에 대한 이러한 작업을 전체적으로 수행하는 다른 중앙 유닛이 제공될 수 있다. 그 결과는 구체적인 구현을 위해, 예를 들어 개별 풍력 발전 설비에 분배될 수 있다. 이 경우, 사전 설정된 보조 전력은 개별 풍력 발전 설비 및/또는 이용 가능한 보조 에너지의 양에 분배될 수 있다. 특히, 바람 안에 있는 중앙 에너지 저장 장치를 사용할 때, 그 내부에 포함된 보조 에너지의 양은 풍력 발전 설비로 분할되고, 풍력 발전 설비의 로터의 회전 에너지의 이용 가능한 보조 에너지의 양에 추가되고, 가산될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 이러한 중앙 에너지 저장 장치가 발전 단지 내에 제공되는 경우에, 이러한 중앙 에너지 저장 장치로부터 직접 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하는 공급 장치가 제공될 수 있다. 또한, 이러한 경우 풍력 발전 설비를 사용하지 않고 발전 단지에 의해 직접 공급되는 이러한 보조 전력은 발전 단지 조절기를 통해, 또는 다른 방법으로 조정되는 것이 제안된다. 이 경우, 또한 공급된 이러한 보조 전력을, 풍력 발전 설비에 의해 공급된 또는 공급을 위해 제공된 전력과 조정하는 것이 수행된다. 이용 가능한 보조 에너지의 양의 계산은 두 가지 유형의 에너지원, 즉 회전 에너지 및 배터리 저장 에너지를 고려한다.
이제 본 발명은 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 기초하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 풍력 발전 설비의 사시도를 도시한다.
도 2는 풍력 발전 단지의 개락도를 도시한다.
도 3은 풍력 발전 설비의 제어 구조를 개략적으로 도시한다.
도 4는 전력 및 에너지 시간 다이어그램을 도시한다.
도 5는 회전 속도에 따른 회전 에너지의 프로파일의 다이어그램을 개략적으로 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내에서 발전기를 구동한다.
도 2는 동일하거나 또는 상이할 수 있는 3개의 풍력 발전 설비(100)를 구비하는 풍력 발전 단지(112)를 예시적으로 도시한다. 따라서, 3개의 풍력 발전 설비(100)는 실질적으로 풍력 발전 단지(112)의 임의의 개수의 풍력 발전 설비를 나타낸다. 풍력 발전 설비(100)는 그들의 전력, 즉 특히 생성된 전류를 전기 발전 단지 네트워크(114)를 통해 제공한다. 이 경우, 개별 풍력 발전 설비(100)의 각각 생성된 전류 또는 전력이 합산되고, 대부분 변압기(116)가 제공되는데, 상기 변압기는 일반적으로 PCC로도 지칭되는 공급 지점(118)에서 공급 네트워크(120)로 전력을 공급하기 위해 발전 단지 내의 전압을 고변압시킨다. 도 2는 물론 제어기가 존재함에도 불구하고 예를 들어 제어기가 도시되어 있지 않은 풍력 발전 단지(112)의 단지 간략화된 도면이다. 또한, 예를 들어 풍력 발전 단지(114)는 다르게 설계될 수 있는데, 예를 들어 단지 하나의 다른 실시예를 언급하자면, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 변압기가 또한 존재한다.
도 3은 공급 장치를 형성하는 인버터(6)를 포함하는 제어 구조(4)를 갖는 풍력 발전 설비 나셀(2)을 개략적 및 예시적인 구조로 도시한다. 또한, 배터리 저장 장치(8)는 추가의 에너지원으로서 존재한다. 공급 장치(6), 즉 인버터에 의해, 변압기(10)를 통해 개략적으로 도시된 전기 네트워크(12)에 전력이 공급된다. 이러한 전기 네트워크(12)에는 또한 추가의 에너지 생성기가 전력을 공급하고, 전기 소비 장치가 여기에 연결되며, 여기서 이 두 가지는 여기에 도시되지는 않았다.
나셀(2) 및 타워 부착물(14)이 도시된 풍력 발전 설비의 작동 방식은 이하에서 우선 일반적으로 설명될 것이다. 나셀(2) 상에는, 즉 스피너(20)의 허브의 영역에는 마찬가지로 개략적으로 도시된 로터 블레이드(16)가 배치된다. 바람직하게는 3개가 존재하지만 그러나 도 3에는 단지 2개만 도시되어 있는 이러한 로터 블레이드(16)는 바람에 의해 구동되고, 실질적으로 로터 블레이드(16), 허브(18) 및 스피너(20)로 구성된 로터(22)를 회전 운동시킨다. 이로부터, 발전기(24)에 의해 전력, 즉 발전기 출력이 생성된다. 발전기(24)는 이를 위해 회전자(26) 및 스테이터(28)를 포함한다. 회전자라는 용어는 공기 역학적 로터(22)와의 혼동을 방지하기 위해, 여기서 발전기(24)의 유형과는 독립적으로 사용된다. 이 경우, 회전자(26)는 허브(18) 및 이에 따라 로터(22)와 고정적으로 연결된다. 그러나, 원칙적으로 변속기가 또한 그 사이에 삽입될 수도 있다.
바람직한 발전기(24)는 동기식 발전기이다. 특히, 분리 여자 동기식 발전기가 제안된다. 분리 여자 동기식 발전기의 여자 전력을 제공하기 위해, 회전자(26)에 여자 전류를 공급하는 전류 조절기(30)가 제공된다. 이를 위해 사용되는 슬립 링은 여기에 도시되지는 않는다.
발전기(24)에 의해 생성된 발전기 출력은 스테이터(28)에 의해 정류기(32)에 제공되고, 상기 정류기는 이를 정류하고 대응하는 DC 전압을 갖는 대응하게 정류된 직류를 또한 버스 바(34)에 제공한다. 작동 중에, 전류 조절기(30)는 또한 버스 바(34)로부터 그 에너지를 얻을 수 있다. 공급 및 네트워크 지원의 후속적인 고려 사항에 대해, 전류 조절기(30)가 필요로 하는 전력 성분은 무시된다.
반드시 레일로 설계될 필요는 없고 라인 또는 라인 번들에 의해서도 구현될 수 있는 버스 바(34)는 인버터(6)의 입력부와 결합된다.
따라서, 인버터(6)는 버스 바(34)의 직류 또는 DC 전압을, 변압기(10)를 통해 변압되어 전기 네트워크(12)에 공급되는 교류 또는 교류 전압으로 변환시킨다.
이제 예를 들어 전기 공급 네트워크(12)의 전력 밸런스가 음의 값이 되기 때문에, 전력 요구량이 갑작스럽게 많거나 또는 적은 경우, 인버터(6)를 통해 추가적으로 보조 전력을 공급할 수 있는 것이 제공될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 배터리 저장 장치(8)로부터의 전력 또는 로터(22)의 회전 에너지로부터의 전력을 사용하는 것이 특히 고려된다. 이를 위해, 제어 유닛(36)은 인버터(6)에 대응하는 설정 전력(Ps)을 사전 설정할 수 있다. 또한, 제어 유닛(36)은 인버터(6)에 무효 전력(Qs)을 또한 사전 설정할 수 있는 것이 도시된다. 또한, 인버터(6)는 피상 전력(S)을 정보로서 제어 유닛(36)에 제공할 수 있다.
이와 관련하여 설정 전력을 나타내는 이러한 공급될 전력(Ps)은 기본 전력과 공급될 보조 전력으로 함께 구성된다. 보조 전력의 필요성이 존재하지 않는 정상적인 경우, 설정 전력(Ps)은 실질적으로 기본 전력에 대응한다. 따라서, 이를 통해 정상 작동 시에도 또한 풍력 발전 설비의 전력 전달이 제어된다. 추가적으로 보조 전력이 공급되어야 하는 경우, 이러한 설정 전력(Ps)의 값이 또한 추가적으로 증가해야 하기 때문에, 제어 유닛(36)은 우선 이를 위한 동기를 가져야 한다. 종종 그 동기는 네트워크 주파수(f)의 검출로부터 생성된다. 특히, 네트워크 주파수(f)가 감소하는 경우, 네트워크 지원을 위한 추가적인 전력을 공급할 이러한 필요성이 발생할 수 있다. 이를 위해, 인버터(6)의 출력 전압(U) 외에도 또한 네트워크 주파수(f)를 검출하여 제어 유닛(36)에 공급하는 전압 측정 장치(38)가 제공된다. 대안적으로, 전압 및 주파수의 측정은, 예를 들어 변압기(10)와 전기 공급 네트워크(12) 사이에서, 즉 네트워크 연결 지점(40)에서와 같이 다른 위치에서도 또한 수행될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 도 3에서 "ext"로 도시된 외부 신호를 통해서도 또한 네트워크 지원의 필요성이 인식되거나 또는 트리거링될 수 있다. 신호 "ext"는 네트워크 작동자에 의해 제공될 수 있다.
따라서, 제어 유닛(36)은 이러한 언급된 적어도 하나의 변수에 기초하여, 네트워크 지원을 위해 추가적인 보조 전력을 공급하기 위한 필요성을 인식할 수 있다.
이제 공급될 보조 전력을 계산하기 위해 추가적으로, 이러한 필요성을 나타내는 이러한 변수에 의존하여 우선 전체적으로 존재하는 보조 에너지의 양이 검출되어 고려되는 것이 제안된다.
이용 가능한 보조 에너지(Ev)를 결정하기 위해, 계산 유닛(42)이 제공된다. 장치에서 또는 프로세스 제어기에서 제어 유닛(36)과 또한 통합될 수 있는 계산 유닛(42)은 도 3의 실시예에서 로터(22)의 회전 에너지로부터 이용 가능한 에너지뿐만 아니라, 배터리 저장 장치(8)의 저장 에너지도 또한 고려한다. 이를 통해 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 총량(Ev)은 보조 전력을 사전 설정하기 위해 고려되며, 이를 위해 도 3의 구조에 따라 제어 유닛(36)에 전달된다.
이 경우, 이용 가능한 보조 에너지의 양(Ev)은 로터(22) 및 배터리 저장 장치(8)의 개별적으로 이용 가능한 보조 에너지 부분의 양을 더하여 구성된다. 즉, 로터(22)의 이용 가능한 회전 에너지 및 배터리 저장 장치(8)의 이용 가능한 저장 에너지로 구성된다.
배터리 저장 장치(8)의 이용 가능한 저장 에너지는 예를 들어 배터리 전압(UB)에 의존하여 결정될 수 있다. 이를 위해, 배터리 저장 장치는 배터리 전압(UB)의 이러한 값을 계산 유닛(42)에 전송할 수 있다. 대안적으로, 배터리 저장 장치(8)는 특히 복수의 유닛을 갖는 복잡한 저장 장치 뱅크인 경우, 자체적으로 이용 가능한 저장 에너지를 결정하여 계산 유닛(42)으로 전송하거나 또는 예를 들어 계산 유닛(42)에 충전 상태를 전송하고, 이로부터 계산 유닛(42)은 이용 가능한 저장 에너지의 양을 결정할 수 있다.
로터(22)의 이용 가능한 회전 에너지를 결정하거나 또는 계산하기 위해, 계산 유닛(42)은 특히 회전 속도 센서(44)에 의해 검출될 수 있는 회전 속도(n)를 획득한다. 로터(22)의 질량 관성 모멘트는 계산 유닛(42)에 이용 가능하게 제공되며, 따라서 회전 속도(n)에 따라 회전 에너지가 계산될 수 있다.
그러나, 현재의 회전 속도(n)에 의해 로터(22)에 저장된 회전 에너지는 실제로는 완전히 이용 가능할 수는 없는데, 왜냐하면 특히 네트워크가 지원되어야 하는 순간에 로터가 0으로 감소되거나 또는 다른 너무 낮은 회전 속도로 감소되어서는 안 되고 또는 감소될 수 없기 때문이다.
이에 대응하여, 계산 유닛(42)은 또한 전체적으로 풍력 발전 설비의 작동점을 고려하고, 이는 동작점으로도 지칭될 수 있다. 이를 위해 고려되어야 할 것은, 현재의 전력(P), 즉 현재의 시스템 전력, 즉 풍력 발전 설비가 현재 전달하는 전력을 고려하는 것이다.
이러한 현재 전력(P)을 계산 유닛(42)은 제어 유닛(36)으로부터 획득한다. 제어 유닛(36)은 이러한 현재 전력(P)을 통상적으로 알게 되는데, 왜냐하면 제어 유닛은 풍력 발전 설비의 제어를 위해 자체적으로 이러한 전력(P)을 사용하기 때문이다. 특히, 제어 유닛(36)은 풍력 발전 설비의 동작점을 설정한다.
예비적으로, 풍력 발전 설비의 이러한 제어는 다른 제어 유닛에서도 또한 실행될 수 있거나 또는 제어 유닛(36) 및 계산 유닛(42)의 과제를 함께 달성하는 공통의 중앙 제어 유닛도 또한 제공될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
따라서 계산 유닛(42)이 적어도 회전 속도(n) 및 전력(P)에 대해 알고 있는 이러한 작동점에 의해, 이제 로터(22)가 어느 회전 속도까지 감속될 수 있는지가 추정될 수 있다. 이로부터, 존재하는 회전 에너지가 결정될 수 있을 뿐만 아니라, 존재하는 총 회전 에너지의 일부인 이용 가능한 회전 에너지도 또한 결정될 수 있다.
또한, 계산 유닛(42)은 회전 속도가 증가될 수 있는 회전 속도의 증가를 위한 제안 또는 설정값을 제어 유닛(36)에 제공할 수 있고, 이를 통해 더 높은 회전 에너지를 생성하여, 그 후 이용 가능한 더 높은 회전 에너지를 달성할 수 있다. 그러나, 이는 도 3에 추가적으로 도시되지는 않는다.
추가적으로, 작동점의 평가를 위해 로터 블레이드의 블레이드 각도가 또한 고려될 수 있다. 이러한 블레이드 각도(α)는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 로터 블레이드(16) 상에서 측정될 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛(36)은 또한 이러한 블레이드 각도를 사전 설정할 수 있고, 이를 동시에 계산 유닛(42)에 전달할 수 있다. 예를 들어 블레이드 각도가 부분 부하 작동에서, 즉 풍력 발전 설비가 정격 전력으로 작동하지 않는 경우, 이러한 작동에 대해 일반적인 부분 부하 각도보다 크다면, 이는 회전 속도 및 전력에 의해 상정되는 것보다 더 강한 바람이 분다는 것을 의미한다. 이것은 예를 들어 현재의 작동점이 회전 속도/전력 특성 곡선의 플랭크에 위치하고, 이는 강한 전력 손실로 이어질 수 있기 때문에, 이에 따라 회전 속도가 강하게 감소될 수 없다는 것을 의미할 수 있다. 이는 존재하는 보조 에너지를 결정할 때 고려된다. 이제 이러한 이용 가능한 보조 에너지의 양(Ev)이 결정되면, 제어 유닛(36)은 이에 따라 추가적으로 공급될 보조 전력을 결정하고, 설정 전력(Ps)은 이에 대응하게 증가하고, 대응하는 설정값을 인버터(6)로 제공할 수 있다.
이에 대해 추가적으로, 제어 유닛(36)은 여자 전류(IE)를 증가시킬 수 있고, 이에 대해 대응하는 신호를 전류 조절기(30)에 제공할 수 있다.
원칙적으로, 수동 정류기(32) 대신에 제어된 정류기를 사용하고 이에 대해 스테이터 전류를 변경하여 이를 통해 발전기 출력을 변경하는 것도 또한 고려된다. 발전기 출력을 변경시킴으로써, 특히 여자 전류(IE)를 증가시킴으로써, 로터(22)가 감속되고, 이를 통해 회전 에너지가 취출된다.
이제 이용 가능한 보조 에너지의 양에 비추어 네트워크 지원을 위해 공급될 보조 전력이 이미 사전에 계획될 수 있고, 이를 통해 전기 공급 네트워크에 대한 지원을 달성하고 동시에 풍력 발전 설비가 어떠한 시점에 대해서도 안정적인 작동점을 포함하는 것을 보장하는 것이 가능해진다. 특히 이를 통해, 풍력 발전 설비가 전기 공급 네트워크에 추가적으로 보조 전력을 공급하는 동안 전력 전달이 갑작스럽게 감소되는 것이 방지된다.
이용 가능한 보조 에너지(Ev)에 따라 보조 전력(PA)을 계획할 수 있는 가능성이 도 4에 도시되어 있다. 여기서, 이용 가능한 보조 에너지의 양 또는 이용 가능한 보조 에너지(Ev)는 시간(t)에 따라 도시되고, 동일한 다이어그램에서는 보조 전력(PA)도 마찬가지로 도시된다. 거기에 도시된 실시예는 보조 전력(PA)이 우선 전기 공급 네트워크에서 검출된 저주파수에 따라 사전 설정되고, 보조 에너지의 양(Ev)에 대해, 이것이 사전 설정된 한계값을 초과하는지 또는 그 미만인지의 여부, 즉 최소 보조 에너지의 양(Emin)의 미만인지의 여부가 검사되는 것을 제공한다. 이를 위해, 보조 전력(PA)을 트리거하는 기준, 기본적으로 예를 들어 너무 낮은 주파수가 일정한 보조 전력(PA)으로 이어진다는 것이 단순화되어 가정된다. 이에 대응하게, 공급될 보조 전력(PA)에 대해 우선 일정한 값이 가정된다. 그러나 이것은 또한, 예를 들어 네트워크 주파수 설정값과 네트워크 주파수의 편차에 의존하여 변화될 수 있거나 또는 네트워크 주파수의 주파수 기울기에 따라 결정될 수 있다.
따라서, 이러한 보조 전력(PA)은 우선 값(PA0)을 포함하며, 시점(t0)으로부터 시점(t1)까지 이러한 값을 유지한다. 이용 가능한 보조 에너지의 양(Ev)은 시점(t0)에 대해 최대 보조 에너지의 양의 값(Emax)으로 시작하고, 일정하게 공급된 보조 전력(PA)으로 인해 시점(t1)까지 선형적으로 감소한다.
시점(t1)에 도달하면, 최소 보조 에너지의 양의 값(Emin) 아래로 떨어지고, 이것은 보조 전력(PA)이 감소되는 것을 유도한다.
이 경우, 여기에 도시된 실시예는 보조 전력(PA)이 시점(t1)으로부터 선형적으로 0으로 감소되고, 보다 정확히 말하자면 여기서 시점(t1)에 대해 여전히 이용 가능한 보조 에너지의 양이 정확히 소비되는 것을 제안한다. 전력이 선형적으로 초기 값으로부터, 즉 여기서 일정한 보조 전력 값(PA0)으로부터 0으로 감소되는 특별한 경우에, 여기서 요구되는 에너지(E)는 공식(E=1/2P·t)으로 계산될 수 있다. 여기서 소비될 에너지는 시점(t1)에서 여전히 존재하는 에너지에 대응하고, 즉 최소 보조 에너지의 양(Emin) 및 전력(PA0)의 초기 전력에 대응하기 때문에, 전력이 선형적으로 0으로 감소되는 시간이 공식(t=2·Emin/PA0)으로 계산된다. 이렇게 계산된 시간은 시점(t1)에서 시점(t2)까지의 도 4의 다이어그램에 따른 시간이다. 이러한 프로파일은 도 4에 도시되어 있으며, 이러한 변형예에서 우선 큰 보조 전력(PA)이 공급될 수 있으며, 이는 이후에만 감소되고 또한 초기에는 감소된 값으로도 여전히 지원에 기여할 수 있다. 동시에, 이용 가능한 보조 에너지의 양(Ev)이 최적으로 이용된다.
도 5는 회전 속도(n)와 이용 가능한 회전 에너지 사이의 관계를 도시한다. 이러한 다이어그램은 0의 값으로부터 확장된 회전 속도(ne) 이상까지의 회전 속도(n)를 가로축 상에 도시한다. 이를 위해, 회전 에너지(ER)는 회전 속도(n)에 따라 도시된다. 회전 에너지(ER)는 값이 0인 회전 속도에서 마찬가지로 0이고, 여기서부터 회전 속도(n)에 따라 2차적으로 상승한다는 것을 알 수 있다.
도 5의 다이어그램에서, 풍력 발전 설비는 회전 속도(n0)로 작동되는 것이 가정된다. 이는 특히 여기서 우세한 풍속에서 일반적으로 사용되는 정상적인 회전 속도를 나타낸다. 따라서, 이러한 회전 속도(n0)에는 회전 에너지(ER0)가 할당된다. 그러나, 이러한 회전 에너지(ER0)는, 회전 속도가 최소 회전 속도(nmin)까지만 감소될 수 있기 때문에, 이용 가능한 회전 에너지의 양인 것은 아니다. 이에 대응하게, 여기에서 이용 가능한 회전 에너지의 양은 단지 EV0로 표시된 정상적으로 이용 가능한 회전 에너지의 양이다. 정확히 이러한 정상적으로 이용 가능한 회전 에너지의 양(EV0)은, 다른 에너지원이 존재하지 않는다는 가정 하에, 여기서 이용 가능한 보조 에너지의 양으로 계산된다.
도 5는 또한 풍력 발전 설비가 더 높은 회전 속도로 작동되는 경우, 이용 가능한 회전 에너지의 양의 증가가 가능하다는 것을 도시한다. 이를 위해, 증가되거나 또는 확장된 회전 속도(ne)가 예시적으로 제안된다. 이는 로터의 확장된 회전 에너지로서 에너지 값(ERe)을 유도한다. 따라서, 이러한 확장된 회전 속도(ne)로 이러한 회전 속도를 증가시킴으로써, 이용 가능한 회전 에너지의 양이 확장된 이용 가능한 회전 에너지의 양(EVe)의 값으로 증가될 수 있다. 회전 에너지(ER)와 회전 속도(n) 사이의 2차 관계로 인해, 이러한 제안된 회전 속도의 증가는 매우 큰 영향을 갖는다. 예비적으로, 도 5는 예시적인 것이며, 각 작동점에 따라 더 작은 회전 속도의 증가가 또한 고려되며, 이와 관련하여 도 5는 단지 예시적일 뿐이라는 것을 유의해야 한다.

Claims (14)

  1. 네트워크 연결 지점에서 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 의해 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 방법으로서,
    - 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 포함하고, 상기 로터는 관성 모멘트를 가지며, 가변적인 로터 회전 속도로 작동될 수 있고,
    - 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 발전기 출력을 생성하기 위한 발전기를 포함하고,
    - 복수의 에너지 생성기가 상기 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하고, 그리고
    - 복수의 소비 장치가 상기 전기 공급 네트워크로부터 전력을 취출하여, 상기 전기 공급 네트워크에서는 상기 공급된 전력과 상기 취출된 전력 사이의 전력 밸런스가 생성되고, 상기 전력 밸런스는 취출된 것보다 더 많은 전력이 공급되는 경우, 양의 값이고,
    상기 전력 공급 방법은:
    - 이용 가능한 풍력에 따라 기본 전력을 공급하는 단계,
    - 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하는 단계, 및
    - 상기 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 상기 사전 설정되어 추가적으로 공급될 보조 전력을 추가적으로 공급하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양이 결정되고,
    - 상기 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하는 단계는 상기 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 수행되는, 전력 공급 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이용 가능한 보조 에너지의 양은 적어도
    - 상기 로터의 상기 관성 모멘트,
    - 상기 풍력 발전 설비의 현재 작동점의 적어도 하나의 작동 변수, 및
    - 허용 하한 로터 회전 속도
    로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    - 상기 현재 작동점의 상기 적어도 하나의 작동 변수는
    - 현재 로터 회전 속도,
    - 현재 발전기 출력 및
    - 우세한 풍속
    으로 구성된 리스트로부터 선택되는 적어도 하나의 변수를 포함하고,
    추가적으로 또는 대안적으로
    - 상기 허용 하한 로터 회전 속도는 상기 현재 작동점에 의존하여, 특히 상기 현재 회전 속도에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력을 공급하기 위해 적어도 하나의 인버터가 사용되고, 상기 추가적으로 공급될 보조 전력은 상기 적어도 하나의 인버터의 가동률에 의존하여 그리고 추가적으로 또는 대안적으로 공급된 무효 전력에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위해, 상기 로터 회전 속도의 감소에 의한 전력 손실이 고려되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 상기 보조 전력을 제공하기 위해 적어도 하나의 전기 저장 장치와 결합되고, 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위해 상기 로터의 회전 에너지 및 상기 적어도 하나의 전기 저장 장치의 각각의 저장 내용이 고려되고, 상기 적어도 하나의 전기 저장 장치는 배터리 및/또는 고전력 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    보조 전력을 공급할 때에 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양은
    - 상기 공급된 보조 전력에 따라 그리고 추가적으로 또는 대안적으로
    - 상기 보조 전력의 상기 공급에 대한 응답으로서 상기 풍력 발전 설비의 변화 거동을 고려하여, 특히 상기 로터의 회전 에너지의 전달에 대한 응답으로서 상기 로터 회전 속도의 감소를 고려하여
    업데이트되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비는, 자체의 소비가 제어 가능하게 감소될 수 있는 적어도 하나의 소비 장치와 결합되고, 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양의 결정은 상기 제어 가능하게 감소될 수 있는 적어도 하나의 소비 장치의 감소를 통한 이용 가능한 에너지의 양을 고려하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 전력을 사전 설정하기 위해, 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따른 상기 보조 전력의 프로파일이 사전 설정되고, 특히 상기 보조 전력의 상기 사전 설정은 상기 보조 에너지의 양에 의존하여 시간 의존적인 프로파일을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비는 회전 에너지의 전달 시에 우선 개선되는 작동점에서 작동되고, 특히 상기 로터 회전 속도가 운동 에너지의 전달에 의해 일시적으로 전력 최적의 로터 회전 속도로 감소될 정도의 높은 로터 회전 속도로 작동되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 보조 전력은 상기 전기 공급 네트워크의 네트워크 상태에 따라, 특히 상기 전기 공급 네트워크의 상기 전력 밸런스에 따라 사전 설정되고,
    - 추가적으로, 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 전력 상한이 결정되어 준수되며 그리고
    - 상기 사전 설정된 보조 전력은 시간적으로 감소하는 프로파일로, 특히 시간적으로 감소하는 플랭크로 상기 이용 가능한 보조 에너지의 양이 사전 설정된 한계값, 특히 최소 보조 에너지의 양에 도달하는 즉시 감소되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  12. 네트워크 연결 지점에서 전기 공급 네트워크에 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 설비로서,
    - 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터 - 상기 로터는 관성 모멘트를 갖고, 가변적인 로터 회전 속도로 작동될 수 있음 -,
    - 발전기 출력을 생성하기 위한 발전기,
    - 이용 가능한 풍력에 따라 기본 전력의 공급을 제어하기 위한 제어 유닛,
    - 추가적으로 공급될 보조 전력을 사전 설정하기 위한 사전 설정 수단,
    - 상기 전기 공급 네트워크를 지원하기 위해 상기 사전 설정된 보조 전력을 공급하기 위한 공급 장치,
    - 상기 공급될 보조 전력을 위해 이용 가능한 보조 에너지의 양을 결정하기 위한 계산 유닛
    을 포함하고,
    - 상기 보조 전력은 상기 결정된 이용 가능한 보조 에너지의 양에 따라 사전 설정되는, 풍력 발전 설비.
  13. 제12항에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 준비되는, 풍력 발전 설비.
  14. 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지로서,
    - 제12항 또는 제13항에 따른 풍력 발전 설비가 사용되고, 그리고/또는
    - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법이 이용되는, 풍력 발전 단지.
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