KR20190128712A - 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지 - Google Patents

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KR20190128712A
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요하네스 브롬바흐
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 단지에 관한 것으로, 전력을 생성하기 위한 적어도 2개의 풍력 발전 설비, 풍력 발전 설비로부터 그리드 접속점으로 전력을 송전하기 위한 DC-단지 그리드 및 DC-단지 그리드와 그리드 접속점 사이에 배치되며, 전력 공급 그리드로 풍력 발전 설비의 전력을 공급하기 위해 DC-단지 그리드의 DC-전압을 AC-전압으로 변압하도록 구성된 인버터, 적어도 하나의 풍력 발전 설비로부터 DC-단지 그리드로 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 DC-DC-변환기를 포함하고, 상기 DC-DC-변환기는 스위칭 장치 및 1차 측과 2차 측을 포함하는 변압기를 갖는다. 1차 측은 스위칭 장치에 의해 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 연결되고, 2차 측은 적어도 하나의 정류 수단, 특히 복수의 다이오드를 갖는 정류 수단에 의해 DC-단지 그리드에 연결된다. DC-DC-변환기는, 1차 측으로부터 2차 측으로 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 DC-전압을 변압하기 위해, 스위칭 장치를 이용해서 변압기의 1차 측에 교번 극성을 갖는 DC-전압을 인가하도록 구성될 수 있다.

Description

복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지
본 발명은 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 DC-전압 기반의 풍력 발전 단지 그리드를 구비한 풍력 발전 단지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 DC-전압 기반의 풍력 발전 단지 그리드에서 사용되도록 구성된 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
단순히 단지 그리드로도 지칭될 수 있는 종래의 풍력 발전 단지 그리드는 3 상 AC-전압 그리드로서 설계되는 것이 일반적으로 공개되어 있다. 이러한 풍력 발전 단지는 대개, 풍력 발전 설비에서 AC-전류가 생성되어 전기 컨버터를 이용해서 AC-전압 단지 그리드로 송전되도록 구성된다. 이중 급전 비동기 기계가 사용되는 변형예도 있으며, 상기 변형예는 컨버터도 사용한다.
전기 컨버터에서, 예를 들어 전력 반도체와 같은 능동 전력 스위치가 사용되며, 상기 스위치는 특정 주파수 및 특정 진폭을 갖는 단지 그리드 전압을 생산한다. 후속해서 단지 그리드 전압은 대개 변압기에 의해 공급 그리드의 더 높은 전압 레벨로 변압되어 단지 그리드로부터 공급 그리드로 전력의 공급을 가능하게 한다.
원칙적으로, 단지 그리드에서 풍력 발전 설비를 가능한 한 오랫동안 신뢰적으로 작동할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해 일반적인 방법은, 단지 그리드의 가능한 한 여러 구성 요소를 수동 소자로서 설계하는 것이다. 수동 소자들은 실제로 대부분의 경우에 능동 소자에 비해 높은 고장 안정성을 갖기 때문에, 풍력 발전 단지에서 수동 소자들의 사용 증가 시 결과적으로 풍력 발전 단지 또는 단지 그리드의 고정 안정성도 높아진다.
또한, 풍력 발전 단지 내의 풍력 발전 설비들은, 예를 들어 단락 또는 과전류와 같은 단지 그리드 내에 발생하는 오류의 경우 적절한 보호 조치에 의해 발생 가능한 손상 또는 파괴로부터 보호될 수 있는 것이 보장되어야 한다. 이 경우, AC-전압 기반의 단지 그리드와 비교하여 단지 그리드의 적어도 균일한 전반적인 신뢰도를 달성할 수 있는 것이 바람직하다.
조력 발전소 및 풍력 발전 설비를 위한 DC-단지 그리드는 이미 공개 공보 US 2011/0198847 A1호(Rolls Royce)에 기술되어 있다. 소위 플라이 백 컨버터(fly-back Converter 또는 buck-boost Converter)를 이용해서 DC-전압이 변압기를 통해 DC-단지 그리드로 변압된다. 그러나 도시된 플라이 백 컨버터 원리는 많은 전력 송전에 적합하지 않기 때문에, 설명된 DC-전압 변환 원리는 바람직한 DC-전압 송전을 수행하기에 적합하지 않다.
독일 특허- 및 상표청은 본 출원의 우선권 출원 시 다음과 같은 선행 기술을 조사하였다: DE 198 45 903 A1, US 2013/0197704 A1, DE 10 2004 001 478 A1, DE 10 2009 028 973 A1, DE 10 2012 002 292 A1, DE 197 11 017 A1.
따라서 본 발명의 과제는, 전술한 문제점들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 풍력 발전 단지 그리드에서 풍력 발전 설비의 작동 시, 특히 단지 그리드 내의 잠재적인 오류에 대응하여 단지 그리드의 전반적인 신뢰성을 높이기 위해, 간단한 방식으로 높은 안전성을 제공하는 해결 방법이 제안되어야 한다. 적어도 기존의 공개된 해결 방법에 대해 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제 1 항에 따른 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 단지가 제안된다. 따라서 풍력 발전 단지에서 생성된 전력은 DC-단지 그리드를 통해 전력 공급 그리드로 공급된다.
이로써 풍력 발전 단지는 풍력 발전 설비로부터 그리드 접속점으로 전력을 송전하기 위한 DC-단지 그리드를 갖는다. 따라서 발전 단지에서 전력의 송전은 DC-전압 또는 DC-전류로서 수행된다.
DC-단지 그리드로부터 AC-전류 그리드로서 작동되는 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위해 인버터 또는 중앙 인버터로서도 지칭되고 또는 설계될 수 있는 컨버터가 제공된다. 이러한 컨버터는 이를 위해 그리드 접속점에 접속되고, 풍력 발전 단지는 상기 그리드 접속점을 통해 전력 공급 그리드로 급전한다. 따라서 상기 컨버터는 단지 그리드와 그리드 접속점 사이에 배치된다.
풍력 발전 설비로부터 DC-단지 그리드로 전력을 송전하기 위해 DC-DC-변환기가 제공된다. 특히 각각의 풍력 발전 설비마다 적어도 하나의 DC-DC-변환기가 제공된다. 이로써 특히 DC-단지 그리드로 풍력 발전 설비의 DC-전압이 송전된다. DC-DC-변환기는 이로써 풍력 발전 설비 상의 제 1 DC-전압을 갖는 전력을 DC-단지 그리드에서 제 2 DC-전압으로 변환한다. 제 2 DC-전압, 즉 DC-단지 그리드 내의 전압은 바람직하게는 제 1 DC-전압, 즉 풍력 발전 설비 상의 전압보다 높다.
DC-DC-변환기는 이를 위해 스위칭 장치와 변압기를 갖는다. 스위칭 장치는 특히 복수의 스위치를 갖는다. 이러한 스위치는, 변압기의 1차 측에 교번 극성을 갖는 전압이 설정되도록 스위칭 된다. 이를 위해 예를 들어, 풍력 발전 설비의 DC-전압의 양의 전압이 교대로 1차 측의 제 1 및 제 2 접속부에 인가되도록 그리고 이와 반대로 풍력 발전 설비의 DC-전압의 음의 전압이 변압기의 1차 측의 제 2 및 제 1 접속부에 인가되도록 스위칭 된다. 이에 상응하게 전류는 1차 측을 통해 지속적으로 방향이 변하면서 흐르고, 이에 대응해서 2차 측에서 전류를 생성한다.
이로 인해 1차 측으로부터 2차 측으로 전력이 송전된다. 2차 측의 정류 수단, 특히 대응하여 결선된 다이오드는 정류를 야기하고 따라서 단지 그리드 내에서 DC-전류 및 DC-전압을 야기한다.
결과적으로 바람직하게 풍력 발전 설비와 단지 그리드 사이의 갈바닉 절연이 달성된다. 스위칭 수단의 능동 소자들은 변압기의 1차 측에 설비 측으로만, 즉 풍력 발전 설비를 향해 위치하는 것이 달성될 수도 있다. 본 발명에 따른 해결 방법은, 상기 방법이 변압기에서 동시에 양 및 음의 전류에 의해 높은 에너지 전송을 달성하기 때문에 특히 효율적이다.
또한, 거의 구형파 전압 변화를 갖는 교번 극성을 수행하는 것이 특히 효율적이다. 이를 위해 특히 고주파 변압기가 제안된다. 특히 고품질의 고주파 변압기의 사용을 보상하는 것 이상으로 양의 펄스 및 음의 펄스가 전송될 수 있기 때문에, 비교적 고품질의 변압기의 사용은 그럼에도 불구하고 결과적으로 저렴한 전반적인 해결 방법을 제공하는 것이 밝혀졌다.
따라서 풍력 발전 단지와 단지 그리드 사이의 갈바닉 절연은 변압기에 의해 달성된다. 또한, DC-기반의 단지 그리드에는 수동 소자만이 사용된다. 능동 소자들은 본 발명에 따라 AC-측에서만, 즉 설비 측에서만 풍력 발전 설비의 저전압 회로에서 사용되고, 그리드 측에서는 중앙 인버터 뒤에서 사용되고, 따라서 갈바닉 절연에 의해 DC-단지 그리드 내의 고전압으로부터 보호된다. 이로 인해 단지 그리드의 고장 안정성도 높아질 수 있고, 작은 전압 범위를 위해 설계된 비교적 저렴한 반도체 스위치가 설비 측에서 사용될 수 있다.
여기에서 바람직하게 순방향 변환 또는 공진 변환의 원리에 기초한 DC-DC-변환의 기본 원리가 이용된다.
공진 변환은, 변압기를 포함한 전력 송전 경로가 공진 회로를 형성하여 상기 경로의 소위 공진점의 영역에서 작동되는 방식으로 추가 커패시턴스와 인덕턴스를 결선하는 원리에 기반한다. 공진 변환을 수행하기 위한 예시적인 기본 회로는 예를 들어, 변압기의 1차 권선에 대해 직렬로 추가적인 인덕턴스 및 커패시턴스를 도입하는 것이다.
공진 변환기를 이용하여 DC-DC-변환을 수행하는 것은, 스위칭 과정 시 전력 손실이 최소화될 수 있는 장점을 제공한다. 이 경우 공진 변환은 전압 또는 전류의 제로 크로싱에서 스위칭을 가능하게 한다. 이러한 원리는 일반적으로 소프트 스위칭이라고도 할 수 있다.
또한, 풍력 발전 단지의 본 발명에 따른 구성에 의해 매우 콤팩트하고 저렴한 구성이 구현될 뿐만 아니라 풍력 발전 설비로부터 단지 그리드로 넓은 범위에서 자유롭게 설정 가능한 단일 단계 승압이 구현될 수 있다. 따라서 단지 그리드 전압은 변압기의 변성비
Figure pct00001
에 의해 양호하게 설정될 수 있다.
또한, DC-단지 그리드는 전력을 송전하기 위한 2개의 주 접속 라인만, 즉 양의 전압을 위한 접속 라인과 음의 전압을 위한 접속 라인을 갖는다. 이로써 DC-단지 그리드 아키텍처에 의해 종래의 AC-전압 아키텍처와 달리 적어도 하나의 접속 라인이 절약될 수 있다. 따라서 새로운 풍력 발전 단지의 구성에서 풍력 발전 단지의 케이블링 복잡성이 감소할 수 있다.
또한, DC-단지 그리드의 운영 시 DC-단락 중단으로 선택적 그리드 보호를 수행하는 것이 중요하다. DC-단지 그리드 내에 오류가 발생하는 경우 단기적인 그리드 셧 다운으로 신속한 단절 스위치를 이용한 풍력 발전 설비의 활성화가 가능해져야 한다. 이 경우 선택적 그리드 보호는, 단지 그리드 내의 다양한 위치에서 또는 설비 내에서 또는 설비 상에서 직접 발생할 수 있는 다양한 오류에 대해 오류 셧 다운 또는 다른 보호 조치를 이용해서 독립적으로 대응할 수 있는 것을 의미한다. 선택적인 그리드 보호는 이 경우 다단계로 수행되므로, 예를 들어, 단지 그리드에서 발생하는 오류와 다르게 풍력 발전 설비 내의 오류에 응답하는 경우, 전력 공급 그리드로부터 단지 그리드로 이동할 수 있는 오류가 고려될 수도 있다. 특히, 국부적으로 발생하는 오류의 경우에 국부적으로 제한된 셧 다운도 그리드 보호에 해당한다.
본 발명에 따르면, DC-기반의 단지 그리드의 경우에, 적합한 전력 송전을 보장하고 능동적 설비 보호를 가능하게 하는 특수한 DC-DC-변환기를 사용하는 것이 바람직하다는 것이 파악되었다. 예를 들어 순방향- 또는 공진 변환에 기반한 DC-DC-변환기 원리를 사용함으로써, 더 높은 전력 송전이 보장될 수 있을 뿐만 아니라, 풍력 발전 설비로부터 변압기의 완전한 분리를 수행하는 것도 가능하다. 설비 측의 모든 스위칭 수단이 변압기의 1차 측에서 개방되면, 풍력 발전 설비는 갈바닉 또는 적어도 전기적으로 단지 그리드로부터 분리된다.
또한, 풍력 발전 단지의 운영 시, 적절한 그리드 아키텍처를 사용해야 한다. 적합한 그리드 아키텍처는, 풍력 발전 단지 내에 오류가 발생하는 경우에 전체 단지 그리드가 셧 다운되지 않아도 되고, 부분 영역들에서 계속 작동될 수 있는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 단지 그리드는 링 그리드 또는 메쉬 그리드 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 단지 그리드의 부분 영역에서 오류가 발생하는 경우, 오류가 발생하는 부분 영역을 오류가 없는 나머지 단지 그리드와 분리하기 위해, 그리드 전압이 일시 중단되는 동안 오류를 제거하는 소위 단절 스위치가 사용된다. 오류가 발생하지 않는 부분 영역은 이어서 계속 작동될 수 있으며, 이러한 부분 영역에서 생성된 전력은 전력 공급 그리드로 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 실시예에 따라, 전력 송전 시 훨씬 더 높은 효율은 변압기를 구비한 적절한 스위칭 장치를 사용함으로써 달성되고, DC-단지 그리드를 위한 기본적으로 새로운 그리드 보호 개념이 제안된다.
바람직하게는 풍력 발전 설비는 스위칭 장치에 DC-전압 출력부에서 DC-전압을 제공하며, 상기 전압은 스위칭 장치를 이용해서 1차 측으로부터 2차 측으로 변압될 수 있다.
제공된 DC-전압은 예를 들어 풍력 발전 설비의 컨버터의 중간 회로로부터 생길 수 있다. 이를 위해 예를 들어, 동기식 발전기를 구비한 풍력 발전 설비에 정류기가 제공될 수 있고, 상기 정류기는 발전기에 의해 생성된 AC-전류를 정류함으로써 DC-DC-변환기를 위한 DC-전압을 제공할 수 있다.
DC-전압 출력부에서 제공되는 DC-전압은 저전압으로서 나타낼 수 있으며, 중간 회로를 위해 < 1000 V의 일반적인 전압값을 갖는다.
바람직하게 스위칭 장치는 1차 측에 교번 극성의 전압으로 DC-전압을 인가하도록 구성된 적어도 2개의 전력 스위치 및/또는 적어도 4개의 전력 스위치를 포함한다.
따라서, 예를 들어 소위 H-브리지와 같은 하프- 또는 풀 브리지 회로로서 전력 스위치의 결선이 이루어질 수 있다.
전력 스위치로서, 예를 들어, IGBT, 사이리스터, MOSFET 또는 바이폴러트랜지스터와 같은 일반적인 전력 스위치 또는 전력 트랜지스터가 사용될 수 있다.
전력 스위치는, 제 1 스위치 위치에서 DC-중간 회로의 양의 전압이 제 1 전력 스위치에 의해 1차 권선의 제 1 접속점에 인가되고 DC-중간 회로의 음의 전압이 제 2 전력 스위치에 의해 1차 권선의 제 2 접속점에 인가되어, 전류가 제 1 방향으로 1차 권선을 통해 흐르도록 제어된다.
제 2 스위치 위치에서, DC-중간 회로의 양의 전압은 제 1 전력 스위치에 의해 1차 권선의 제 2 접속점에 인가되고 DC-중간 회로의 음의 전압은 제 2 전력 스위치에 의해 1차 권선의 제 1 접속점에 인가되어, 전류가 제 2 방향으로 1차 권선을 통해 흐른다. 이 경우 2개의 스위치 위치 사이에서 교대되므로, 전류 방향은 상응하게 지속적으로 변경된다.
이것은 또한 4개의 전력 스위치에 의해서도 달성될 수 있다. 이로써 적어도 2개 또는 4개의 전력 스위치를 사용함으로써, 변압기의 1차 측에서 교번 극성을 생성하고 1차 권선에서 교번 전류를 발생시킬 수 있고, 상기 교번 전류는 2차 권선에서 교번 전류를 야기한다. 이로 인해 전력 또는 에너지가 변압기의 1차 측으로부터 2차 측으로 송전된다.
바람직하게 DC-DC-변환기의 변압기는 고주파 변압기로 설계된다. 스위칭으로 인해 때때로 고주파 성분이 발생하여 전송될 수 있다. 이러한 고주파 성분은 특히 큰 스위칭 주파수 및/또는 가파른 스위칭 에지로 인해 발생할 수 있다. 고주파 변압기를 사용함으로써 손실이 거의 없는 송전이 달성된다. 비용 효율로 인해 고주파 변압기의 사용이 유용해지기 시작하는 일반적인 크기의 스위칭 주파수는 20kHz 내지 200kHz이다. 실시예에 따르면, 이러한 범위의 스위칭 주파수를 갖는 고주파 변압기가 사용되는 것이 제안된다.
따라서 고주파 변압기를 사용함으로써, 특히 전압을 매우 낮은 손실로 고효율로 송전하는 것이 가능하다. 또한, 고주파 변압기의 사용은 특히 높은 스위칭 속도 또는 가파른 스위칭 에지를 갖는 전력 스위치의 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, IGBT 또는 SiC-MOSFET와 같은 최신 전력 트랜지스터는 수 kV/㎲의 크고 가파른 스위칭 에지를 갖는다.
또한, 종래의 변압기와 달리 고주파 변압기에 의해 스위칭 장치에서 전력 스위치의 훨씬 높은 스위칭 주파수가 실현될 수 있다. 전반적으로 고주파 변압기의 사용으로 DC-전압의 송전 시 효율이 개선된다.
바람직하게 DC-DC-변환기의 변압기는 1차 측의 저전압을 2차 측의 고전압으로 변압하기 위한 승압 변압기로서 설계된다.
본 발명에 따르면, 1차 측의 전압은 2차 측의 전압 또는 단지 그리드 전압보다 낮다. 단지 그리드 전압은 이 경우 변압기의 2차 측의 정류된 전압에만 부합한다.
이로써, 풍력 발전 설비에 의해 DC-전압 출력부에서 제공되는 DC-전압을 더 큰 전압 범위로 승압하는 것이 가능하다. 또한, 전압을 미리 정해질 수 있는 변성비
Figure pct00002
로 1차 측으로부터 2차 측으로 변압하는 것이 가능하다.
바람직하게 DC-DC-변환기의 변압기는, 풍력 발전 설비와 DC-단지 그리드 사이의 갈바닉 절연을 수행하기 위해, 갈바닉 절연 스테이지로서 설계된다. 따라서 변압기는, 1차 측으로부터 2차 측으로 및 그 반대로의 연결이 전자기 결합에 의해서만 구성되도록 설계된다. 갈바닉 연결은 구성되지 않는다.
갈바닉 절연된 변압기를 보호 절연으로서 사용하는 것은, DC-단지 그리드에서 풍력 발전 설비의 운전 시 안전성을 높인다. 특히, DC-단지 그리드에서 과전압으로 인해 풍력 발전 설비의 위험 가능성이 방지될 수 있다.
갈바닉 절연으로 인해 단락 전류는 저전압 회로로 커플링할 수 없으므로 단지 그리드에 존재하는 전체 에너지가 변압기를 통해 방전될 수 없는 것이 방지될 수 있다. 또한, 변압기의 수동 설계로 인해 단지 그리드의 신뢰성이 높아진다.
바람직하게 DC-DC-변환기의 변압기는, 고전압을 위해서도 풍력 발전 설비와 DC-단지 그리드 사이의 확실한 갈바닉 절연을 달성하기 위해, 고전압 변압기로서 설계된다. 이 경우에도 고전압 변압기의 1차 측과 2차 측 사이의 변성비
Figure pct00003
는 실질적으로 자유롭게 선택될 수 있다.
상기 또는 하기에 기술된 각각의 변압기에 기본적으로 적용되는 변압기를 위한 변성비
Figure pct00004
로서, 적어도 5, 바람직하게는 적어도 20, 특히 적어도 50의 값이 제안된다. 정상 작동 시 바람직한 DC-단지 그리드 전압은 적어도 6 kV, 바람직하게는 적어도 14 kV, 특히 적어도 20 kV 이다.
일반적으로 변압기의 변성비
Figure pct00005
는 비 U2차/U1차 = n2차/n1차에 의해 기술되며, 이 경우 U1차 및 U2차는 전압을 나타내고, n2차 및 n1차는 1차 측 및 2차 측의 각각의 와인딩 수를 나타낸다.
따라서 고전압 DC-그리드에서 1차 측과 2차 측 사이의 전압 차가 큰 경우 변압기를 작동시키는 것이 가능하고 전압비를 임의로 설정하는 것이 가능하다.
바람직하게 DC-단지 그리드는 6 kV보다 큰 대규모 전력을 송전하기 위한 전압을 갖는다.
6 kV보다 큰 단지 그리드 전압은 이로써, 풍력 발전 설비에 의해 생성된 전력을 전력 공급 그리드로 공급하기에 충분히 큰 전력 흐름을 가능하게 한다. 이 경우, 중간 회로 전압이 충분히 크기 때문에, 14 kV보다 큰 전압은 변압기 없이 그리드 측 인버터의 작동을 수행하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게 2차 측은 적어도 2개의 정류 수단을 가지며, 상기 정류 수단들은 변압된 전압을 1차 측으로부터 2차 측으로 양방향 정류를 이용해서 DC-단지 그리드의 DC-전압으로 정류하도록 구성된다.
양방향 정류란 일반적으로 정류 장치, 특히 양의 전압과 음의 전압을 모두 정류하는데 사용되는 적어도 2개의 정류 수단 또는 다이오드를 구비한 다이오드 장치이다. 이 경우 전압의 음의 성분은 물론 양의 성분 모두 단극 DC-전압으로 정류될 수 있다. 양방향 정류에 대한 다른 기술 용어는 양방향 정류 또는 전파(fullwave) 정류이다.
따라서 본 발명에 따르면, 변압기를 통해 송전되는 교번 극성을 갖는 전압은 DC-단지 그리드 전압으로 정류될 수 있다.
바람직하게는 양방향 정류는 중심-양방향-정류기 회로로서 및/또는 브리지-정류기 회로로서 구현된다.
바람직하게는 정류 수단은 고전압 다이오드로서 설계된다.
따라서 본 발명에 따르면, 2차 측의 변환된 전압을 높은 전압 등급으로 정류하는 것이 가능하다.
바람직하게는 변압기는, 중심 양방향 정류를 수행하기 위해, 중앙 탭을 갖는다.
중앙 탭의 장점은, 회로의 설계로 인해 송전된 전압의 절반만이 중심 접속점으로 강하하고 4개의 다이오드를 구비한 풀 브리지 컨버터와 달리 2개의 다이오드만을 필요로 한다는 것이다.
풍력 발전 단지의 운영 시, 예를 들어 풍력 발전 설비 내부처럼, 단지 그리드 내의 다양한 지점들 또는 풍력 발전 단지의 전체 시스템에 포함되는 다른 구성 요소에서 오류가 발생할 수 있는 것도 파악되었다. 일반적으로 오류는 예측할 수 없기 때문에, 안전한 운영을 위해 단지 그리드의 구조에 다단계 보호 개념을 제공하는 것이 제안되고, 이러한 개념은 풍력 발전 설비와 단지 그리드가 서로 분리되고 무전압 상태에서 스위칭될 수 있는 것을 가능하게 한다. 또한, 단지 그리드가 전력 공급 그리드로부터 분리될 수 있는 것과 무전압 상태에서 스위칭될 수 있는 것이 보장되어야 한다.
실시예에 따르면, 단지 그리드 측에서 인버터는 DC-단지 그리드 전체에서 및/또는 DC-단지 그리드의 부분 영역에서 무전압 상태를 달성하기 위한 방전- 또는 접지 장치를 갖는 것이 제안되며, 이 경우 방전- 또는 접지 장치는 바람직하게 초퍼 및/또는 방전 저항을 갖는다. 특히 DC-단지 그리드의 경우, 예를 들어 DC-단지 그리드에 존재하는 커패시터가 추가로 잔류 전압을 야기하기 때문에, 셧 다운 후에도 DC-단지 그리드 내에 전압이, 적어도 하나의 잔류 전압이 여전히 존재할 수 있다. 이러한 전압 또는 잔류 전압을 감소시키기 위해, 방전- 또는 접지 장치가 제안된다. 예를 들어 잔류 전압은 초퍼에 의해 펄스 방식으로 접지로 제거될 수 있다. 또한, 방전 저항을 통해 DC-단지 그리드의 2개의 전압 전위의 전기적 연결도 고려된다. 방전 저항은 접지로 전압의 유도에도 이용될 수 있다. 초퍼는 전압을 펄스 방식으로 방전 저항을 통해 제거하기 때문에, 방전 저항은 초퍼와 함께 사용될 수도 있다.
본 발명은 또한 적절한 보호 조치가 일반적으로 DC-단지 그리드에 통합된 보호 스위치 또는 선택적인 그리드 셧 다운을 보장할 수 있는 적합한 그리드 아키텍처라는 사상에 기초한다. 높은 DC-전압 등급을 위한 보호 스위치의 단점은 큰 비용 요소이다. 따라서, 신뢰적인 그리드 보호를 실현하기 위해, 적합한 DC-단지 그리드 아키텍처의 선택이 제안된다.
특히, 변압기 및 적합한 DC-DC-변환의 형태로 갈바닉 절연에 의한 풍력 발전 설비와 단지 그리드 사이의 분리를 이용해서 적절한 보호가 수행될 수 있다. 이러한 구조는 단지 그리드로부터 풍력 발전 설비의 저전압측 분리를 가능하게 한다.
또한, 오류 위치에 따라 자동 재 스위치 온 또는 일시 중단 또는 오류의 신속한 제거를 가능하게 하는 방식으로 스위칭 수단 및 단절 스위치가 단지 그리드에서 사용되는 것이 제안된다. 이로써 단지 그리드 내의 단절 스위치를 이용한 일시 중단 및 오류의 신속한 제거는, 전체 풍력 발전 단지를 셧 다운할 필요 없이, 단지 그리드의 고전압 회로 내의 오류에 반응하기 위해 가능한 추가 보호 조치이다.
또한, 일시 중단 - 자동 재 스위치 온이라고도 함 - 및 제거(clearing)라는 용어는 그리드 보호 및 전기 에너지 기술 분야에 공개된 전문 용어이다.
다른 실시예는, 전력 공급 그리드와 단지 그리드의 분리 시 단지 그리드 내에서 전력을 전기적으로 소비할 수 있도록 하기 위해, 적어도 하나의 전기 컨슈머 및/또는 에너지 저장 장치가 단지 그리드 내에 배치되는 것을 제공한다. 공급 그리드 내의 오류로 인해 또는 그리드 운영자에 의한 사전 설정으로 인해 풍력 발전 단지가 전력 공급 그리드로부터 분리되어야 하는 경우, 이로써 여전히 전력을 소비하거나 이를 위해 제공된 에너지 저장 장치로 전력을 공급하는 것이 가능하다. 이는, 오류가 일시적으로만 존재하는 경우와 풍력 발전 설비가 부하 오류로 인해 즉시 셧 다운되지 않아도 되는 경우에 바람직할 수 있다.
다단계 보호 개념이 없거나 선택적 그리드 보호가 없는 경우, 바람직하지 않을 수도 있다. 단지 그리드에서 적절한 스위칭 장치에 의한 풍력 발전 설비의 능동적 분리 또는 단절 스위치에 의한 일시 중단은 특히 공개 공보 US 2011/0198847 A1호에도 개시되어 있지 않다. 거기에 제시된 기술은 또한 부적합한 변압기로 인해 특히 높은 부유 인덕턴스를 가질 수 있고, 상기 부유 인덕턴스는 전력 송전 시 효율을 저하시킨다. 따라서 본 발명에 따라 더 적합한 해결 방법이 제안된다.
본 발명에 따라 또한 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법이 제안되고, 상기 풍력 발전 단지는,
- 전력을 생성하기 위한 적어도 2개의 풍력 발전 설비를 갖고;
- 풍력 발전 설비로부터 그리드 접속점으로 전력을 송전하기 위한 DC-단지 그리드를 갖고;
- DC-단지 그리드와 그리드 접속점 사이에 배치된 인버터를 갖고,
- 상기 인버터는, 전력 공급 그리드로 풍력 발전 설비의 전력을 공급하기 위해, DC-단지 그리드의 DC-전압을 AC-전압으로 변압하고;
- 적어도 하나의 DC-DC-변환기가 제공되어 적어도 하나의 풍력 발전 설비로부터 DC-단지 그리드로 전력을 공급하며,
- 상기 DC-DC-변환기는 스위칭 장치 및 1차 측과 2차 측을 포함하는 변압기를 가지며,
- 1차 측은 스위칭 장치에 의해 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 연결되고,
- 2차 측은 적어도 하나의 정류 수단, 특히 복수의 다이오드를 갖는 정류 수단에 의해 DC-단지 그리드에 연결되고,
- DC-DC-변환기는 스위칭 장치를 이용해서 변압기의 1차 측에 교번 극성을 갖는 DC-전압을 인가하고, 이로 인해 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 DC-전압은 1차 측으로부터 2차 측으로 변압된다.
바람직하게 이러한 방법은, 상기 또는 하기에 설명된 풍력 발전 단지와 관련하여 설명된 바와 같이 작동한다. 바람직하게 상기 방법은 이러한 풍력 발전 단지를 이용한다.
본 발명은 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 기초로 예시적으로 상세히 설명된다.
도 1은 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한 도면.
도 2는 실시예에 따른 풍력 발전 단지의 개략도를 도시한 도면.
도 3은 다른 실시예에 따른 DC-단지 그리드를 갖는 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 선택적인 그리드 보호가 구현되며, 다른 실시예에 따른 DC-단지 그리드를 갖는 본 발명에 따른 풍력 발전 단지의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 나셀(104)에 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전하여 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2는 동일하거나 상이할 수 있는, 예를 들어 3개의 풍력 발전 설비(200)를 포함하는 풍력 발전 단지(212)를 도시한다. 따라서 3개의 풍력 발전 설비(200)는 풍력 발전 단지(212)의 풍력 발전 설비의 사실상 임의의 개수를 대표한다. 풍력 발전 설비(200)는 전력, 예컨대 특히 생성된 전류를 전기 DC-단지 그리드(214)를 통해 제공한다. 이 경우 개별 풍력 발전 설비(200)의 각각 생성된 전류 또는 전력이 합산되고, 여기에서 중앙 인버터(216)가 제공되며, 상기 인버터는 단지 내의 DC-전압을 AC-전압으로 변환하므로, 일반적으로 PCC라고도 하는 공급점(218)에서 해당 전류가 공급 그리드(219)에 공급될 수 있다. 도 2는, 물론 제어부가 제공되어 있지만, 예를 들어 제어부를 도시하지 않은 풍력 발전 단지(212)의 간단한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전 단지(312)의 상세한 실시예를 도시한다. 각각의 풍력 발전 설비(300)는 기계적 에너지를 회전 가능한 로터(306)에 의해 발전기(320)를 이용해서 전력으로 변환한다. 발전기(320)는 정류기(322)에 의해 DC-전압으로 정류되는 6상 AC-전압을 생성한다. 정류기(322)는 DC-전압 측에도 에너지 저장 장치로서 커패시터(323)를 가질 수 있다. 정류기(322)는 스위칭 장치(324)에 전기적으로 연결되어, 스위칭 장치(324)의 정류기의 정류된 DC-전압이 제공될 수 있다.
스위칭 장치(324)는 총 4개의 전력 스위치(S1, S2, S3 및 S4)를 가지며, 여기서 4개의 전력 스위치는 브리지 회로 또는 H- 브리지로 지칭될 수도 있는 풀-브리지 회로에 배치된다. 직렬로 연결된 스위치(S1 및 S2)는 제 1 브리지 분기를 형성하고, 마찬가지로 직렬로 연결된 스위치(S3 및 S4)는 제 2 브리지 분기를 형성한다. 또한 변압기(326)의 1차 측(350)은 스위칭 장치(324)의 2개의 브리지 분기에 전기적으로 접속되고, 즉 제 1 접속부를 갖는 스위치 S1과 S2 사이에는 물론 스위치 S3과 S4 사이에 전기적으로 접속된다.
스위치(S2 및 S3)가 개방된 상태에서, 스위치(S1 및 S4)를 대각선으로 스위치 온 함으로써 변압기(326)의 1차 측(350)에서 양의 전압이 생성될 수 있다. 반대로, 스위치(S2 및 S3)가 도통 상태이고 스위치(S1 및 S4)가 비 도통 상태이면, 음의 부호를 갖는 전압이 변압기(326)의 1차 측(350)에 인가될 수도 있다.
전압의 극성에 따라 변압기(326)의 1차 측(350)을 통한 전류 흐름의 부호도 변한다. 이로써 스위칭 장치(324)는 변압기(326)의 1차 측(350)에서 교번 극성을 갖는 전압을 생성한다.
교번 극성을 갖는 전압은 변성비
Figure pct00006
로 변압기(326)의 2차 측(352)으로 변압된다. 이 경우 변압기(326)는 중앙 탭(354)을 갖는 분기를 갖는다. 중앙 탭(354)은 정류 수단(328)을 통한 양방향 정류를 허용한다. 이 경우 중앙 탭(354)은 단지 그리드(314)의 제 1 주 접속 라인에 전기적으로 연결되고, 정류 수단(328)은 공통의 접속점을 통해 제 2 전기 주 접속 라인에 전기적으로 연결된다.
따라서, 변압기(326)의 2차 측(352)에서 변환된 DC-전압은 정류 수단(328)에 의해 본 발명에 따라 단지 그리드 전압으로 정류된다. 중앙 인버터(316)는 단지 그리드(314)의 2개의 주 접속 라인에 전기적으로 접속된다. 그 결과 - 저장 장치로서 커패시터(323)도 포함할 수 있는 - 중앙 인버터(316)는 생성된 전력을 그리드 접속점(318)에서 단지 그리드로부터 3상 전력 공급 그리드(319)로 공급한다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전 단지(312)의 추가의 상세한 실시예를 도시하고, 실시예에 따른 다단계 및 선택적 그리드 보호 개념을 나타낸다. 명확함을 위해, 도 3 및 도 4에서 반드시 동일하지 않지만 유사한 요소는 동일한 참조 번호를 갖는다. 도시된 실시예에서 스위칭 장치(324)의 스위치(S11, S21, S31 및 S41)는 개방된다. 개방된 스위치 위치에 의해 변압기(326)의 1차 측(350)은 풍력 발전 설비로부터 전기적으로 분리되어 활성화된다.
마찬가지로 각각의 풍력 발전 설비에 대한 2차 측(352)은 단절 스위치(356, 357)를 통해 단지 그리드(314)로부터 전기적으로, 특히 갈바닉 절연된다. 도 4에 도시된 실시예에, 풍력 발전 설비(301)가 단절 스위치(357)에 의해 여전히 단지 그리드에 연결되어 있고, 어떻게 풍력 발전 설비(300)가 단지 그리드(314)로부터 전기적으로 절연되고 단절 스위치(356)가 개방되는지, 예를 들어 도시된다. 이로써 예를 들어, 풍력 발전 설비(300)에 대한 유지 보수 작업이 수행될 수 있고 동시에 풍력 발전 설비(301)는 공급 그리드(319)로 여전히 능동적으로 전력을 공급할 수 있다.
또한, 단절 스위치(356, 357, 358, 359)는 단지 그리드(314) 내에 임의로 배치될 수 있다. 예를 들어, 풍력 발전 단지(312)의 - 도 4에 더 이상 도시되지 않은 - 다른 부분 영역에서 오류가 발생하면, 단지 그리드의 다른 부분 영역은 도시된 단절 스위치(358)에 의해 분리될 수 있다.
또한, 도 4에는 부하 저항(362) 및 추가 스위칭 수단(342)을 갖는 방전 장치로도 지칭될 수 있는 접지 장치(360)가 도시된다. 스위칭 수단(364)은 초퍼로서 동작할 수 있고 펄스에 의해 부하 저항(362)을 통해 전류를 전도할 수 있으며, 상기 부하 저항은 따라서 방전 저항으로서 동작하는데, 그 이유는 예시적으로 도시된 중간 회로 커패시터(323)가 이로 인해 방전될 수 있기 때문이다. 따라서 이러한 접지 장치(360)는 예를 들어 초퍼 및 추가로 또는 대안으로서 방전 저항 또는 방전 임피던스를 가질 수 있다. 따라서 접지 장치는, 단지 그리드(314)를 방전시킬 수 있는 역할을 하며 인버터(316)의 중간 회로 커패시터(323)를 방전하는데 이용될 수도 있다. 이로써 단지 그리드(314)를 무전압 상태에서 스위칭하는 것이 가능하고, 이는 정비 인력을 보호하기 위한 유지 보수를 위해 특히 중요할 수 있다.

Claims (22)

  1. 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 단지로서,
    - 전력을 생성하기 위한 적어도 2개의 풍력 발전 설비;
    - 풍력 발전 설비로부터 그리드 접속점으로 전력을 송전하기 위한 DC-단지 그리드; 및
    - DC-단지 그리드와 그리드 접속점 사이에 배치되며, 풍력 발전 설비의 전력을 전력 공급 그리드로 공급하기 위해, DC-단지 그리드의 DC-전압을 AC-전압으로 변압하도록 구성된 인버터;
    - 적어도 하나의 풍력 발전 설비로부터 DC-단지 그리드로 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 DC-DC-변환기를 포함하고,
    - 상기 DC-DC-변환기는 스위칭 장치 및 1차 측과 2차 측을 포함하는 변압기를 갖고,
    - 1차 측은 스위칭 장치에 의해 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 연결되고,
    - 2차 측은 적어도 하나의 정류 수단, 특히 복수의 다이오드를 갖는 정류 수단에 의해 DC-단지 그리드에 연결되고,
    - DC-DC-변환기는, 1차 측으로부터 2차 측으로 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 DC-전압을 변압하기 위해, 스위칭 장치를 이용해서 변압기의 1차 측에 교번 극성을 갖는 DC-전압을 인가하도록 구성되는 것인 풍력 발전 단지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    풍력 발전 설비는 스위칭 장치에 DC-전압 출력부에서 DC-전압을 제공하고, 상기 DC-전압은 스위칭 장치를 이용해서 1차 측으로부터 2차 측으로 변압되도록 준비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    스위칭 장치는 2개의 전력 스위치 및/또는 적어도 4개의 전력 스위치를 갖고, 상기 전력 스위치들은 1차 측에 교번 극성의 전압으로 DC-전압을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-DC-변환기의 변압기는, 큰 스위칭 주파수 및/또는 큰 스위칭 에지가 존재할 때 1차 측으로부터 2차 측으로 전압의 변압 시 전기적 손실이 덜 발생하도록 하기 위해, 고주파 변압기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-DC-변환기의 변압기는, 1차 측의 저전압을 2차 측의 고전압으로 변압하기 위해, 승압 변압기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-DC-변환기의 변압기는, 풍력 발전 설비와 DC-단지 그리드 사이의 갈바닉 절연을 수행하기 위해, 갈바닉 절연 스테이지로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-DC-변환기의 변압기는, 풍력 발전 설비와 DC-단지 그리드 사이의 갈바닉 절연을 수행하기 위해, 고전압 변압기로서 설계되고, 상기 변압기는 특히 고전압 변압기의 미리 정해진 변성비
    Figure pct00007
    를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-단지 그리드는 6kV보다 큰, 특히 14kV보다 큰 대규모 전력을 송전하기 위한 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차 측은 적어도 2개의 정류 수단을 가지며, 상기 정류 수단들은 변압된 전압을 1차 측으로부터 2차 측으로 양방향 정류를 이용해서 DC-단지 그리드의 DC-전압으로 정류하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    양방향 정류는 중심-양방향-정류기 회로로서 및/또는 브리지-정류기 회로로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정류 수단은 고전압 다이오드로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    변압기는, 중심-양방향-정류를 수행하기 위해, 중앙 탭을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    변압된 DC-전압은 1차 측으로부터 2차 측으로 거의 정현파 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단지 그리드 측에서 인버터는 DC-단지 그리드 전체에서 및/또는 DC-단지 그리드의 부분 영역에서 무전압 상태를 달성하기 위한 방전- 또는 접지 장치를 갖고, 상기 방전- 또는 접지 장치는 바람직하게 초퍼 및/또는 방전 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-단지 그리드는 DC-단지 그리드의 부분 영역에서 오류를 제거하기 위한 적어도 하나의 단절 스위치를 가지며, 상기 단절 스위치는, 선택적인 DC-단지 그리드 셧 다운을 가능하게 하기 위해, 단지 그리드의 부분 영역들을 연결 및/또는 서로 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단지 그리드는 링 그리드 또는 메쉬 그리드로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    변압기의 1차 측은 스위칭 장치에 의해 전기적으로, 특히 갈바닉 절연될 수 있고, 상기 전기적 분리는 바람직하게, 풍력 발전 설비와 DC-단지 그리드 사이의 완전한 전기적 또는 갈바닉 절연을 달성하기 위해, 스위칭 장치 내에 배치된 스위칭 수단들의 개방에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DC-변환기는 순방향 변환기 및/또는 공진 변환기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 공급 그리드와 단지 그리드 사이의 분리 시 단지 그리드 내에서 전력을 전기적으로 소비할 수 있도록 하기 위해, 적어도 하나의 전기 컨슈머 및/또는 에너지 저장 장치가 단지 그리드 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    일시 중단 또는 자동 재 스위치 온의 수행을 위해 및/또는 오류의 제거를 위해 적어도 하나의 스위칭 수단 및/또는 단절 스위치가 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  21. 그리드 접속점에서 전력 공급 그리드로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 풍력 발전 단지는,
    - 전력을 생성하기 위한 적어도 2개의 풍력 발전 설비를 갖고;
    - 풍력 발전 설비로부터 그리드 접속점으로 전력을 송전하기 위한 DC-단지 그리드를 갖고;
    - DC-단지 그리드와 그리드 접속점 사이에 배치된 인버터를 갖고,
    - 상기 인버터는, 전력 공급 그리드로 풍력 발전 설비의 전력을 공급하기 위해, DC-단지 그리드의 DC-전압을 AC-전압으로 변압하고;
    - 적어도 하나의 DC-DC-변환기가 제공되어 적어도 하나의 풍력 발전 설비로부터 DC-단지 그리드로 전력을 공급하며,
    - DC-DC-변환기는 스위칭 장치 및 1차 측과 2차 측을 포함하는 변압기를 가지며,
    - 1차 측은 스위칭 장치에 의해 적어도 하나의 풍력 발전 설비에 연결되고,
    - 2차 측은 적어도 하나의 정류 수단, 특히 복수의 다이오드를 갖는 정류 수단에 의해 DC-단지 그리드에 연결되고,
    - DC-DC-변환기는 스위칭 장치를 이용해서 변압기의 1차 측에 교번 극성을 갖는 DC-전압을 인가하고, 이로 인해 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 DC-전압은 1차 측으로부터 2차 측으로 변압되는 것인 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법은 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전 단지를 이용하고, 또는 상기 풍력 발전 단지에서 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 방법.
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