KR20210145162A - 전기 그리드를 자력 기동하는 방법 - Google Patents

전기 그리드를 자력 기동하는 방법 Download PDF

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KR20210145162A
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하워드 필립 존슨
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오르스테드 윈드 파워 에이/에스
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Abstract

전기 그리드(2)를 자력 기동하기 위한 방법으로서, 본 방법은, 연관 변환기(17)를 갖는 에너지 저장 장치(16)와 전기 그리드(2) 사이에 위치하는 제1 위치에서 에너지 기지(1)를 그리드로부터 연결 해제하는 단계, 동기식 콘덴서(24)를 제공하는 단계, 상기 에너지 저장 장치(16)와 연관 변환기(17)를 사용하여 AC 송출 케이블(12)에 전력을 공급하는 단계, 상기 에너지 저장 장치(16)와 연관 변환기(17)를 사용하여 상기 송출 케이블(12)을 통해 에너지 기지 전기 인프라의 적어도 일부분에 전력을 공급하는 단계, 상기 발전기(3, 4)에 의해 상기 에너지 기지 전기 인프라에 전력 공급을 재확립하는 단계, 상기 동기식 콘덴서(24)에 전력을 공급하는 단계, 및 상기 제1 위치에서 에너지 기지(1)를 상기 전기 그리드(2)에 재연결하는 단계를 포함한다.

Description

전기 그리드를 자력 기동하는 방법
본 발명은 전기 그리드를 자력 기동하는 방법에 관한 것으로, 특히 전기 그리드를 자력 기동하기 위한 풍력 기지의 방법 및 용도에 관한 것에 배타적으로 제한되지 않는다.
발전 및 송전 분야에서, 전기 그리드, 즉 송전 및 분배 시스템은 정전, 즉 그리드에서 전력이 전체 손실된 이후에 전력이 재공급될 필요가 있는 경우, 전기 그리드의 운영사, 예컨대 송전 시스템 운영사(TSO) 또는 분배 시스템 운영사(DSO)에게 제공되는 서비스가 자력 기동이다. 그리드 자체에 의존하지 않고서, 그리드 시스템에 전력을 재공급하는 능력을 자력 기동 서비스라고 한다. 이것은, 그리드 운영사가 유지 및 제공에 대해 선택한 발전소에 비용을 지급하는 서비스이다.
그리드가 정전되는 경우, 전력 플랜트와 같은 발전소뿐만 아니라 소비자로의 그리드 연결은 개방되고, 그리드는 더 작은 서브 시스템으로 분리되고, 이는 더 이상 전력이 공급되지 않는다. 그 다음, 시스템의 재가동 프로세스는 단계별로 일어나고, 여기서 전력 플랜트는 고립 모드로, 즉 그리드에 연결되지 않고 출력을 높인 다음, 그리드의 개별 부분에 연결되고 전력을 재공급한다. 이어서, 그리드의 별도 부분은 동기화되고 다시 상호 연결된다. 송전 시스템 운영사와 분배 시스템 운영사는 그리드 작동을 재확립하기 위한 세부 절차를 가지고 있지만, 정전이 얼마나 광범위한 것인지 여부에 따라 재확립 프로세스는 몇 시간이 소요될 수 있다. 죽은, 즉 전력이 공급되지 않는 그리드에 연결하고 이에 전력을 공급할 수 있는 전력 플랜트를 자력 기동 전력 플랜트라 칭하고, 언급한 바와 같이, 송전 시스템 운영사와 분배 시스템 운영사는 자력 기동 서비스를 제공하는 전력 플랜트 소유사와 계약을 맺는다. 정전의 경우에 주요 인프라를 포함한 많은 수의 소비자는 전력이 없기 때문에, 가능한 빨리 그리드와 공급을 그 곳에 재확립하는 것이 가장 중요하다. 따라서, 자력 기동 전력 플랜트의 가동 시간을 가능한 한 작게 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 모든 전력 플랜트가 자력 기동 능력을 갖지는 못하고, 예를 들어 풍력 터빈, 풍력 기지, 및 태양광 플랜트는 정상적으로 갖지 못한다. 예를 들어, 풍력 터빈에 종종 사용되는 바와 같은 비동기식 발전기는, 자화를 위해 안정적인 외부 AC 공급부에 매우 의존하며, 외부 전력 시스템, 즉 그리드에 대한 연결이 안되는 경우에 멈추지 않으면, 동기화를 잃고 비제어를 경험할 것이다. 심지어, 이중 공급 비동기식 발전기는, 멈추지 않으면 비제어를 경험하기 전에 0.1 내지 3초 범위의 짧은 기간 동안 그리드의 손실에 승차할 수 있으며, 그리드에 전력을 재공급한 후에 번거로운 재가동 절차를 수행해야 한다. 영구 자석 발전기를 갖는 풍력 터빈과 같은 다른 시스템은 AC/DC 및 DC/AC 변환에 의존하며, 후자는 또한 풍력 터빈을 이용해 전력을 만들기 시작하기 전에 AC/DC 및 DC/AC 변환기 출력을 높일 수 있도록, 외부 전력 시스템으로부터 전력을 필요로 한다. 마찬가지로, 태양광 플랜트의 DC/AC 변환기도 유사하다. 분명히, 이러한 발전기는 설계에 추가 기능이 포함되지 않는 한, 자력 기동에 아주 적합하지 않다.
결함 승차, 저전압 승차, 및 고전압 승차는, 전력 시스템에서 비정상적인 전압으로 짧은 시간 지속되는 것을 설명하기 위해 보통 사용되는 문구로, 승차는 시스템 및 구성 요소, 예컨대 풍력 터빈과 풍력 기지가 연결된 채로 남는 것을 의미한다.
따라서, 자력 기동 서비스는 통상 동기식 발전기를 가진 중앙 열 전력 플랜트에 의해 제공되었지만, 열 전력 플랜트가 단계적으로 중단되면서, 송전 시스템 운영사와 분배 시스템 운영사는 자력 기동 서비스의 신규 제공자에 대한 필요성의 증가에 직면하고 있다. 따라서, 신재생 에너지원, 예컨대 풍력 터빈, 특히 발전하는 풍력 기지가 전기 그리드, 즉 전술한 송전 및 분배 시스템에 사용될 수 있을지 여부가 관심사이다. 또한, 대형 풍력 기지는 해상에 있는 경향이 있고, 이들을 자력 기동 서비스에 사용하는 것이 특히 관심사이다.
이와 관해, 자력 기동을 위한 풍력 터빈 및 풍력 기지를 사용하는 다양한 방법이 이미 제안되어 왔다. 그 중에서도 US8000840, EP1909371, CN104836248 및 US2012/0261917의 개시에서 예시를 찾을 수 있다. 이들 개시의 방법에서 공통점은, 동기식 발전기를 갖는 중앙 열 전력 플랜트로부터의 전통적인 자력 기동과 거의 동일한 방식으로 자력 기동 문제에 접근하는 것이다. 다시 말해, 디젤 엔진 구동 발전기와 같은 소형 발전기, 또는 발전기를 구동하는 가스 연소 터빈을 가동한다. 소형 디젤 발전기는 대형 발전기, 예를 들어 가스 연소 터빈 구동 발전기 그리고 가능하면 고립 모드에서 대형 증기 구동 터보 발전기를 가동하기 위한 전력을 차례로 제공한 다음, 결국 안정적인 고립 모드에 이르는 경우 그리드에 재연결되어 출력을 높이고, 즉 자력 기동을 하고 난 다음, 차례로 그리드를 필요로 하는 다른 발전 플랜트를 가동시키고 재연결시킨다. 마찬가지로, 전술한 개시에서 단일 풍력 터빈 발전기에 가까운 공급원은, 하나의 풍력 터빈을 가동하기 위해 사용되고, 단일 풍력 터빈 발전기가 안정한 경우에만 동일한 어레이 케이블 라인 또는 버스 바에 연결된 다른 풍력 터빈 발전기도 가동될 수 있다. 따라서, 전체 풍력 기지가 고립 모드에서 충분히 안정적으로 작동하여 전기 그리드를 자력 기동하기 위해 사용될 수 있도록 하기 전에 시간이 오래 걸린다.
이러한 문제에 직면하는 경우, 풍력 기지의 자력 기동에 필요한 시간과 풍력 기지를 연결하는 케이블의 해안 말단에 위치한 배터리 저장 장치를 사용하여 자력 기동 작업의 복잡성을 감소시키고, 풍력 기지로의 케이블과 개별 풍력 터빈으로의 어레이 케이블을 초기에 충전하고, 풍력 터빈을 전력 고립 모드에서 재연결 및 작동시키도록 기준 주파수를 제공하는 것이 정말로 가능함을 인식했다.
그러나, 고립 모드에 충분히 빨리 도달할 수 있어서 풍력 기지가 자력 기동 가능한 것으로 간주될 수 있지만, 예를 들어 무전력 전기 그리드의 높은 초기 전력 요구 때문에, 그리드의 재연결이 문제가 되는 상황이 있을 수 있다. 가스 연소 터빈 구동 동기식 발전기, 또는 관성을 제공하는 증기 터빈 구동 동기식 발전기를 포함하는 종래의 자력 기동 발전기와 달리, 풍력 기지는, 풍력 터빈 구동 발전기가 시스템과 동기화되지 않기 때문에 시스템 관성을 제공하지 않는다. 즉, 비동기식 발전기 및 풍력 터빈 발전기의 회전자에 저장된 회전 에너지는 직접 이용할 수 없는데, 그 이유는 비동기식 발전기가 그리드에 직접 연결되지 않고, 오히려 정류기 및 인버터를 통해서 연결되기 때문이다. 이들 정류기와 인버터는 일반적으로, 심지어 몇 초 동안이라도 데드, 즉 무전력 그리드 또는 그 일부 조차에 연결되는 경우에 요구되는 공칭 부하의 몇 배에 달하는 지속적인 출력 전력을 제공할 수 없으며, 전기 그리드가 죽거나 충분히 빠르게 응답할 수 없기 전에 결함은 지속된다. 이 경우, 릴레이 보호 시스템은 전기 그리드의 결함을 제거하기 위해 신뢰성 있게 작동하지 않을 수 있고, 즉 보호 장비로 하여금 결함을 트리거하고 제거할 수 있도록 결함 전류가 절대로 충분히 상승하지 않는다. 동일한 것이, 인버터에 의해 출력 AC가 제공되는 다른 발전기 또는 시스템, 예컨대 태양광 발전 기지에도 적용된다.
본 발명의 제1 양태에 따라, 이들 목적은 전기 그리드를 자력 기동하기 위한 방법에 의해 달성되는데, 상기 방법은 전기 그리드를 제공하는 단계, 전기 인프라와 제1 갯수의 발전기를 갖는 에너지 기지를 제공하는 단계, 상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 연결 케이블을 제공하는 단계, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치를 제공하는 단계, 동기식 콘덴서를 제공하는 단계, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제 1위치에서 그리드로부터 에너지 기지의 연결을 해제하는 단계, 상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 AC 송출 케이블에 전력을 공급하는 단계, 상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 상기 AC 송출 케이블을 통해 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 일부에 전력을 공급하는 단계, 상기 발전기에 의해 상기 에너지 기지 전기 인프라에 전력 공급을 재확립하는 단계, 상기 제1 위치에서 상기 전기 그리드에 에너지 기지를 재연결하는 단계를 포함한다.
이렇게 하기 위한 필요한 에너지를 제공하기에 에너지 공급원이 충분히 크다면, AC 송출 케이블을 통해 고립 모드로 에너지 기지 전기 인프라에 전력을 공급하는 것은, 상기 전통적인 접근법과 비교해서 훨씬 더 빠른 자력 기동을 허용할 수 있는데, 그 이유는 많은 수의 에너지 발전기가 동시에 공급될 수 있고 따라서 그룹으로 또는 동시에 가동하기 위해 개시될 수 있기 때문이다. 또한, 이렇게 에너지 공급되지만 여전히 고립 모드에 있는 에너지 기지 인프라를 데드 전기 그리드에 재연결하는 경우에, 동기식 콘덴서는, 무전력 그리드의 높은 순간 전력 요구를 제공할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 양태의 바람직한 구현예에 따라, 풍력 기지는 해상에 있고, 동기식 콘덴서와 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치는 육상에 있다.
본 발명의 제1 양태의 또 다른 바람직한 구현예에 따라, 에너지 기지 전기 인프라는 버스 바 시스템에 연결 가능한 해당 갯수의 어레이 케이블 라인에 연결 가능한 에너지 발전기 중 두 개 이상의 그룹을 포함하되, 상기 에너지 저장 장치 및 연관 변환기를 사용하여 상기 AC 송출 케이블을 통해 전력이 공급되는 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 하나의 부분은, 상기 갯수의 어레이 케이블 라인 중 하나를 포함한다.
단일 어레이 케이블 라인만 전력이 공급되어야 하고 전체 에너지 기지가 아니라 하면, 이는 에너지 저장 장치를 덜 요구하고, 전기 그리드 및/또는 잔여 에너지 기지를 재가동할 수 있는 안정적인 고립 모드를 확립하기에 여전히 충분할 수 있다. 어느 경우든, 이는 상기 개시된 전통적인 접근법보다 빠르다.
본 발명의 제2 양태의 다른 바람직한 구현예에 따라, 변환기는 STATCOM을 포함한다. STATCOM은, 변환기에 STATCOM 능력을 제공하기 위해 변환기의 통합형 일부이거나 이로부터 분리될 수 있다. STATCOM은, 고립된 자력 기동 에너지 기지를 전기 그리드에 재연결하는 경우에 전압 안정성과 활성 전력 균형을 유지하기 위할 뿐만 아니라, AC 라인, 및 이와 연관된 고압 구성 요소에 전력을 공급하는 경우에 전압 안정성과 활성 전력 균형을 유지하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 양태의 또 다른 바람직한 구현예에 따라, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치는, 상기 제1 위치에서 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 재연결한 후에 전기 그리드에 전력을 제공한다. 이러한 방식으로, 에너지 저장 장치의 임의의 잔여 용량을 사용하여 전기 그리드의 전력 재공급 및 이 동안 이들의 안정성을 지원할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따른 추가 바람직한 구현예에 따라, 상기 방법은, 하나 이상의 덤프 부하와 덤프 부하를 제어하기 위한 제어 시스템을 제공하는 단계, 및 상기 연결 해제된 에너지 기지의 균형을 잡는 데 도움을 주도록, 즉 고립된 시스템을 안정하게 유지하는 데 도움을 주도록 덤프 부하 내에서 에너지 소산을 제어하기 위해 제어 시스템을 사용하는 단계를 추가로 포함한다. 연결 해제된, 즉 고립된 에너지 기지에 연결된 덤프 부하를 제어해서 사용하는 것은, 특히 에너지 발전기가 고립된 에너지 기지에 일단 재연결되면, 고립된 에너지 기지의 균형을 잡는 데 기여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따라, 동기화 정보는 추가 변환기로 전송된다. 이는 다른 유사한 에너지 기지를 동기식으로 자력 기동시킬 수 있고, 결국 전체 전기 그리드로 하여금 상이한 자력 기동 에너지 기지에 의해 전력이 재공급되는 분할된 부분으로서 더 빠르게 재결합시키도록 하는 것은, 이들이 서로 재연결되기 전에 동기화하기 위한 시간이 덜 필요하거나 또는 전혀 필요하지 않을 것이다.
본 발명의 제2 양태에 따라, 본 목적은 상기 방법에 따른 자력 개시 방법을 위해, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치 및 동기식 콘덴서의 사용에 의해 달성된다.
본 발명의 제3 양태에 따라, 본 목적은 전기 그리드에 전력을 재공급하기 위한 방법을 사용하여 달성되는데, 상기 방법은 전기 인프라와 제1 갯수의 에너지 발전기를 갖는 에너지 기지를 제공하는 단계, 상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 송출 케이블을 제공하는 단계, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치를 제공하는 단계, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제 1위치에서 그리드로부터 에너지 기지의 연결을 해제하는 단계, 상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 AC 송출 케이블의 전력 공급을 유지하는 단계, 그리고 상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 상기 송출 케이블을 통해 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 일부에 전력을 공급하는 단계, 상기 제1 위치에서 상기 전기 그리드에 상기 풍력 기지를 재연결하는 단계를 포함한다.
이에 의해, 에너지 저장 장치는, 고립 모드에서 분리된 에너지 기지를 지원하기 위한 무정전 전력 저장 장치로서 사용된다. 이는, 발전기가 풍력 터빈 발전기인 경우에, 고립 모드가 설정되고 풍력 기지가 연장 기간 동안 유지할 수 있는 안정 고립 모드로 들어갈 때까지 풍력 터빈을 승차할 수 있기 때문에 특히 유용하고, 이 기간 동안에 동기식 콘덴서는, 그리드가 다시 전력 공급되고 풍력 기지가 제어된 방식으로 다시 연결될 수 있거나 이러한 고립 모드로부터 풍력 기지가 본원에 설명된 대로 그리드에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있을 때까지, 고립 모드 안정성을 유지하도록 추가 기여할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제3 양태의 바람직한 구현예에 따라, 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 하나의 부분이 상기 AC 송출 케이블을 통해 전력 공급되는 것이 유지되는 경우, 상기 제1 위치에서 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 재연결하기 전에 일정 기간 동안 상기 에너지 기지의 하나의 부분은 고립 모드로 유지된다.
본 발명의 제4 양태에 따라, 본 목적은 전술한 방법을 수행하기 위해 조정된 에너지 기지를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 제5 양태에 따라, 본 목적은 본 발명의 제1 양태에 따른 방법을 실행하도록 조정된 에너지 기지에 의해 달성되며, 여기서 상기 에너지 기지는,
전기 인프라 및 외부 AC 공급에 작동 의존하는 제1 갯수의 풍력 터빈 발전기,
상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 송출 케이블,
연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치,
동기식 콘덴서,
연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제1 위치에서, 에너지 기지를 그리드로부터 연결 해제하는 스위치 기어를 포함한다.
본 발명은 비제한적인 구현 예시에 기초하고 다음 도면을 참조하여 이제 더 상세하게 기술될 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있는 풍력 기지로서 예시된 에너지 기지와 전기 그리드를 포함하는 시스템을 개략적으로 단순화해서 나타낸다.
설명을 위해, 다음 설명에서, 에너지 기지는 종래의 풍력 터빈 발전기, 즉 외부 AC 공급에 작동 의존하는 비동기식 발전기를 사용하는 해상 풍력 기지인 것으로 가정될 것이다. 도 1의 시스템의 레이아웃 또는 토폴로지 중 많은 것이 상당히 종래의 것이고, 본 발명의 본질이 에너지 기지의 고립 모드 작동과 자력 기동에 대해 완전히 새로운 접근법에 있기 때문에 단지 간략히 설명될 것이다. 토폴로지는 도 1에 나타낸 것보다 훨씬 더 복잡할 수 있지만, 설명적인 이유로 단순화되었다. 유사한 토폴로지가 종래 기술 문서 EP2573896에 개시되어 있다.
정상적인 상황 하에서 전기 그리드(2)에 연결된 풍력 기지(1)로서 예시된 에너지 기지는, 다수의 발전기, 풍력 터빈(3 및 4)을 포함한다. 에너지 기지가 태양광 발전 기지인 경우, 발전기는 대신에 외부 AC 공급에 또한 작동 의존하는 광전지 셀의 어레이일 것이다.
본 출원에서 전기 그리드(2)라는 용어는 전력 분배 시스템과 전력 송전 시스템 모두를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 전력 송전 시스템은 100 kV보다 높은 전압에서 작동되는 시스템으로서 자주 정의되는 반면, 66 kV와 같이 낮은 전압에서 작동되는 시스템은 "전력 분배 시스템"으로 자주 명명된다. 이들 시스템을 운영하는 기업은 각각 송전 시스템 운영사 및 분배 시스템 운영사로 자주 지칭된다. 따라서, 풍력 기지(1)는 전송 시스템 또는 분배 시스템에 연결된다. 따라서, 자력 기동 서비스는 송전 시스템에 또는 분배 시스템에/분배 시스템을 통해 제공될 수 있다.
풍력 터빈 발전기(3, 4)의 그룹은, 정상적으로 저 전압 발전기 출력을, 해상 MV 버스 바(9)에 사용된 중간 전압(MV)으로 변환하는 다수의 변압기(7, 8)를 통해 공통 어레이 케이블 라인(5, 6)에 각각 연결된다. 일반적으로, 저 전압(LV)은 400 내지 990 V이고, 중간 전압은 전형적으로 약 33 내지 35 kV 또는 약 66 kV이다. 일부 풍력 터빈 발전기가 중간 전압에서 작동하고, 이 경우 변압기(7, 8)가 필요하지 않을 수 있는 점에 주목해야 한다. 그러나, 현재 전형적인 풍력 터빈 발전기는 비동기식 발전기 또는 영구 자석 동기식 발전기이며, 출력부는 AC/DC/AC 변환기를 통해 결합된다. 적절한 갯수의 변압기(10)는, AC 송출 케이블(12)에 예시된 AC 연결 케이블이 연결되는 해상 고 전압 버스 바 시스템(11)과 해상 MV 버스 바 시스템(9) 사이에 연결된다. 일반적으로, AC 송출 케이블에 사용되는 고 전압(HV)은 220 kV이다. 육상 AC 송출 케이블(12)은 육상 HV 버스 바 시스템(13)에 연결된다. 육상 HV 버스 바 시스템(13)은, 그 다음 전기 그리드의 HV 시스템 전압, 통상적으로 400 kV를 나르는 그리드 변압기(15)를 통해 송전측 HV 버스 바 시스템(14)에 연결된다. 볼 수 있는 바와 같이, 시스템은 변환기(17)와 변압기(18)를 통해 육상 HV 버스 바(13)에 연결된 배터리와 같은 에너지 저장 장치(16)를 추가로 포함한다. 또한, STATCOM(21)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 별도의 변압기(22)를 통해 육상 HV 버스 바(13)에 연결될 수 있다. 덤프 부하(20)가 또한 제공될 수 있다.
STATCOM에 관하여, 다양한 전력 전자 장치 및 서브 시스템이, 전압 제어, 활성 전력 제어 및 주파수 제어와 같은 다양한 기능을 제공하기 위해, 전력 시스템에 사용되는 점에 주목해야 한다. 이러한 장치 및 서브 시스템은, 종종 STATCOM(정적 동기식 보상 장치), SVC(정적 변수 보상 장치), FACTS(유연성 AC 송전 시스템) 등으로 지칭된다. 설명을 단순화하기 위해, 본 명세서 전반에 걸쳐서 STATCOM이 사용되나 본 설명은 또한 임의의 다른 장치 또는 서브 시스템에 대해서도 적용되는 점을 이해해야 한다.
도 1에 설명된 설계는 일 구현예이고 당업자라면 다수의 가능한 다른 설계가 있음을 이해할 것이다. 특히, 변압기(18)는, 그리드 변압기(15) 상의 삼차 권취에 변환기(17)를 연결하는 그리드 변압기(15)와 조합될 수 있는 점을 명백히 해야 한다. 이것이 자주 보는 STATCOM(21)의 연결 방법이다. 마찬가지로, 변압기(18)가 HV 버스 바 시스템(14)과 같은 다른 위치에서 연결될 수 있지만, 원리상 해상 버스 바 시스템(11) 또는 해상 MV 버스 바(9)에서 또한 연결될 수 있음이 명백해야 하지만, 대형 구성 요소를 해상에 배치하는 것과 연관된 비용 때문에 덜 흥미롭다.
본 발명의 추가적인 양태에 따라, 전기 그리드(2) 손실의 경우에 이를 교체하기 위해 변환기(17)를 적절하게 제어하는 것을 구현하도록 제안된다. 즉, 그리드(2)의 손실의 경우, 이에 대한 연결은, 전형적으로 육상 위치에서 적절한 스위치 기어(25)를 사용하여, 예를 들어 그리드 변압기(15)와 해상 HV 버스 바 시스템(13) 사이에서 즉시 차단된다. 따라서, 이렇게 확립된 고립 모드는, 개별 풍력 터빈 발전기(3, 4)의 승차 용량보다 상당히 긴 시간 동안 에너지 저장 장치(16)와 변환기(17)에 의해 안정적으로 유지될 수 있고, 이에 따라 풍력 기지(1)는, 자력 기동 서비스를 그리드(2)에 제공할 준비가 되거나, 그리드에 전력이 재공급되는 경우에 그리드와 동기화되고 재연결할 준비가 되도록, 고립 모드로 바로 들어가는 것을 가능하게 한다. 하나 이상의 덤프 부하(20)를 고립된 시스템 내의 상이한 위치에서 사용하여, 이를 안정화시키는 데 도움을 주고, 즉 주파수 및 전압을 안정하게 유지할 수 있다. 이러한 위치 하나는, 에너지 저장 장치(16) 및 변환기(17)와 연결되거나 연관된 육상 서브스테이션에 있다. 도 1은 이와 관련하여 순수하게 개략적이며, 에너지 저장 장치(16), 변환기(17), 덤프 부하(20), 및 STATCOM(21)을 나타내는 블록은, 이미 상기에서 표시된 바와 실제 다르게 결합될 수 있음을 유의한다. 통상적으로, 덤프 부하(20)는, 예를 들어 전기 공급을 전자식으로 끊음으로써, 소산된 전력이 제어되는 공기 냉각식 저항기 뱅크를 포함한다.
그러나, 승차가 실패하는 경우, 풍력 기지(1)는 본 발명의 제1 및 제2 양태에 따른 방법을 여전히 구현할 수 있고, 본 신규 발명의 접근법에 따라 자력 기동 서비스를 제공할 수 있고, 이에 따르면, 다른 풍력 터빈 발전기(3, 4)를 가동하기 위해 그것이 사용될 수 있기 전에 고립 모드에서 먼저 그것 자체가 안정화되어야 하는 단일 풍력 터빈 발전기(3, 4)를 이용해 순차적으로 작동하기 보다는 오히려 풍력 터빈 발전기(3, 4)의 그룹은 공통 에너지 저장 장치(16)를 사용하여 동시에 가동될 수 있다.
그 경우, 변압기(10), HV 버스 바 시스템(11), MV 버스 바 시스템(9), 어레이 케이블 라인(5, 6) 등뿐만 아니라 송출 케이블(12)을 포함하는, 풍력 기지(1) 인프라의 다양한 부분은 종래의 스위치 기어(미도시)에 의해 서로 격리된다.
이제 에너지 저장 장치(16)의 큰 에너지 저장 용량을 활용하여, 본 발명에 따른 신규 단계별 프로세스에서 고립된 풍력 기지(1)의 인프라에 전력을 공급하는 것이 가능하다.
따라서, 변환기는 먼저 변압기(18)와 버스 바 시스템(13)에 전력을 공급할 것이다. 이와 관련하여, 본원에서 설명된 바와 같이, 시스템의 크기 및 용량의 변압기에 전력을 공급하기 위해 필요한 에너지의 양은 무시할 수 없음에 주목해야 한다. 마찬가지로, 상당한 길이를 가질 수 있고 심지어 일부 경우에서 해상 풍력 기지(1)로 100 km를 넘는 AC 송출 케이블(12)에 전력을 공급하기 위해 필요한 에너지가 있다. 그러나, 에너지 기지가 해상이 아닌 경우, 풍력 기지는 때때로 밀집된 지역으로부터 먼 위치이거나, 태양광 발전 기지가 종종 그러하듯이, AC 송출 케이블은 긴 AC 송출 케이블(12)일 필요는 없다.
그 다음, HV 버스 바 시스템(11)과 MV 버스 바 시스템(9) 사이의 변압기(10) 중 적어도 하나와, 마지막으로, 어레이 케이블 라인(5, 6) 각각에 연결된 그룹의 개별적인 터빈 발전기(3, 4)와 연관된 변환기 및/또는 변압기(7, 8)를 갖는 어레이 케이블 라인(5, 6) 중 적어도 하나에 전력을 공급하기 위해 추가 에너지가 필요하다.
일단 전력이 공급되면, 고립된 시스템의 활성 전압을 균형화하고 전압을 안정화하기 위한 STATCOM(21)의 도움을 갖거나 또는 가능하면 없이도, 전력 공급 받은 이 시스템은 에너지 저장 장치(16) 및 변환기(17)에 의해 안정적으로 유지될 수 있고, 풍력 터빈 발전기(3, 4) 전체 그룹 또는 이들의 부분은 고립된 시스템에 재연결될 수 있다. 에너지 저장 장치(16)의 저장 용량에 따라, 더 많은 어레이 케이블 라인(5, 6) 및 더 많은 변압기(10)가 동시에 전력이 공급될 수 있다. 어떤 경우든, 단일 어레이 케이블 라인(5, 6) 상의 풍력 터빈 발전기(3, 4) 중 하나의 그룹만을 동시에 전력 공급하고 연결하는 것은, 단일 풍력 터빈 발전기(3, 4)를 먼저 가동한 다음, 더 많은 풍력 터빈 발전기를 풍력 기지(1)의 고립 인프라에 추가함으로써 고립된 시스템의 전력을 증가시키는 전통적인 접근법보다 실질적으로 더 빠르다.
풍력 기지(1)의 안정적인 고립 모드를 유지하는 것은 매우 복잡한 작업이며, 풍력 터빈 발전기(3, 4)에 의해 전달되는 전력 제어를 포함하고, 예를 들어 주파수 및 전압을 안정적으로 유지하기 위해 풍력 터빈 발전기(3, 4)를 완전 생산 이하로 유지하고, 가능하게는 하나 이상의 덤프 부하(20)에서 과량의 에너지 생산을 소산시킨다.
풍력 기지(1)의 안정적인 고립 모드 또는 적어도 이들의 충분히 큰 부분이 달성되었다면, 스위치 기어(25)를 사용하여 풍력 기지(1)는 무전력 전기 그리드(2)에 재연결될 수 있다. 재연결이 즉시 필요하지 않다. 오히려, 에너지 저장 장치(16) 및 변환기(17), 덤프 부하(20), STATCOM(21) 등과 함께, 고립 시스템은 원하는 지속 시간 동안, 또는 원리상 임의의 시간 동안 안정적으로 제어될 수 있다. 전체 정전 이후 자력 기동이 필요한 경우, 전기 그리드(2)는 일반적으로 더 작은 섹션으로 나누어져서, 자력 기동을 제공하는 풍력 기지(1)에 인접한 섹션만이 풍력 기지(1)에 의해 전력이 공급된다. 전기 그리드(2)의 다른 부분만 후속으로 전력이 공급되어, 예를 들어 자력 기동 능력을 갖지 않는 다른 풍력 기지를 가동시키고 결국 모든 소비자에게 전력을 공급하여 정상 작동에 도달시키도록 할 것이다.
그러나, 처음에는 무전력 전기 그리드(2)의 작은 부분만이 전력 공급되어야 하는 경우에도, 이는, 예를 들어 무전력 전기 그리드(2)의 높은 초기 전력 요구 때문에 어려움을 제공할 수 있다.
일반적으로, 풍력 기지(1)는 공칭 전류보다 많은, 예를 들어 공칭 결함 전류의 1.1 내지 1.2배 범위의 제한된 능력을 가질 것이다. 그러나, 결함을 해결하려면, 공칭 결함 전류의 7배 전력이 필요할 수 있다. 전력이 너무 낮으면, 보호 릴레이 시스템은 전기 그리드가 죽기 전에 지속적인 결함과 같은 결함을 트리거하고 제거할 수 없다. 전기 그리드(2) 상의 부하가 전기 모터와 같은 큰 돌입 전류를 갖는 부하인 경우, 일시적인 초기 전력 요구는 또한 풍력 기지(1)를 불안정하게 할 수 있는데, 이는 본질적으로 여전히 고립 모드에 있고, 전기 그리드(2)로부터 이의 연결 해제를 다시 강제한다.
이러한 초기 전력 요구는 일시적이고 매우 짧은 상승 시간을 가지며, 따라서 에너지 저장 장치(16)와 연관된 변환기(17)의 제어 회로가 충분히 신속하게 반응하지 못할 수 있다. 동일한 것이 각각의 어레이 케이블 라인(5, 6)에 연결된 그룹의 개별 풍력 터빈 발전기(3, 4)와 연관된 전술의 변환기에 적용될 것이다.
이렇게 일시적인 초기 전력 요구를 충족하기 위해, 에너지 저장 장치(16)와 함께 동기식 콘덴서(24)가 제공된다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 경우에 따라, 이는 변환기(17) 및 STATCOM(21)를 갖는 에너지 저장 장치(16)와 동일한 버스 바(13)에 연결될 수 있다. 변환기(17) 및 STATCOM(21)을 갖는 에너지 저장 장치(16)와 같이, 동기식 콘덴서(24)로부터 버스 바(13)로의 연결은 변압기(23)를 통할 수 있다. 동기식 콘덴서(24)는, 기본적으로 출력 샤프트에 인가되는 무부하 DC 자화형 동기식 모터이다. 따라서, 동기 콘덴서(24)에 전력이 공급되는 에너지는, 임의의 제어 회로 등을 필요로 하지 않으면서, 요구 시 즉시 이용 가능한 회전 에너지로서 저장된다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 동기식 콘덴서(24)는 풍력 터빈 발전기(4)로부터, 즉 풍력 터빈 발전기(4)에서 볼 수 있는 바와 같이 송출 케이블(12)의 대향 말단에서, 예를 들어 에너지 저장 장치(16), 변환기(17) 및 STATCOM(21)과 동일한 육상 현장에서 원위로 배열된다. 즉, 스위치 기어(25), 동기식 콘덴서(24), 에너지 저장 장치(16), 변환기(17) 및 STATCOM(21)은, 제1 위치, 통상적으로 육상에 배열되고, 풍력 터빈 발전기(3, 4), 어레이 케이블(5, 6), 변압기(10) 및 버스 바 시스템(9, 11)이 있는 제2 위치, 통상적으로 해상에서 멀리 있다. 따라서, 송출 케이블(12)은, 송출 케이블(12)의 대향 말단에서 제1 위치와 제2 위치 사이에서 연장된다.
동기 콘덴서(24)는, 풍력 기지(1)가 고립 모드에 도달할 때에 전력이 공급되어, 무전력 전기 그리드(2)에 재연결 시 이용 가능하다.
자력 기동 능력을 갖는 해당 또는 동일한 다른 풍력 기지가 존재하고 전기 그리드(2)의 다른 부분에 위치하면, 적절한 채널(19)에 이들 사이에 신호를 제공하는 것이 가능할 수 있어서, 정전 이후 그리드(2)를 재확립하는 경우, 고립 모드에 있는 동안 순서대로 전기 그리드(2)의 다양한 부분의 재연결 및 재동기화를 더 빠르게 유도하면서 자력 기동 풍력 기지를 서로 이미 동기화시키도록 한다. 자력 기동 능력을 갖춘 태양광 기지에서도 동일하게 가능할 수 있다.
변압기(15)를 사용하여 전기 그리드(2)를 재연결하는 경우, 변환기는 그 중에서도 안정성을 증가시키기 위해 활성 상태로 남을 수 있다. 안정성의 관점에서, 변환기는, 동기식 콘덴서(24)에 의해 활성 전력의 생산 또는 흡수 이외에 활성 전력의 생산 또는 흡수를 허용하는 통합 또는 연관 STATCOM(21)을 가질 수 있는 점에 주목해야 한다. 그러나, 이러한 것으로서 이것은 필요한 장비 및 관련 비용을 어느 제한적인 방식으로도 복잡하게 하지 않을 것인데, 그 이유는 정상적으로 해당 전력 등급을 갖는 STATCOM(21)이, 활성 전력의 생산 및 흡수에 관한 그리드 코드 요건을 준수하기 위해서, 육상 서브스테이션에서 구현되어야 할 필요가 벌써 있기 때문이다.
또한, 변환기의 제어 시스템, 및 다른 제어 가능한 구성 요소, 예컨대 탭 체인저를 갖는 변압기, 전환가능 반응기, 탭 체인저를 갖는 반응기 및 STATCOM(21)의 제어 시스템은, 개별적으로 또는 조합하여 사용되어, 예를 들어 정상 전압보다 낮은 상태에서 전력을 공급하고 이후 전압을 올리고 이로써 전력 공급 중에 일시적인 경우를 제한함으로써 풍력 기지의 전력 공급을 용이하게 할 수 있다. 고립된 시스템을 제어하는 데에, 풍력 기지 제어 시스템, 풍력 터빈 제어 시스템, 그리고 일단 재연결된 풍력 터빈 또한 포함될 수 있다.
당업자라면 본 발명이 풍력 터빈 또는 풍력 기지 인프라와 같은 특정 유형의 에너지 기지에 제한되지 않는 점을 이해할 것이다. 전체 전력 공급원이, 예를 들어 전술한 풍력 기지에 대해 설명한 유사 방식으로 생성된 전력을 수집하고 모으는 AC/AC 변압 단계 및 DC/AC 변환 단계를 통해 어레이에 접속되는 다수의 개별 발전기 또는 공급 장치를 그리드 연결 지점으로서 포함하는 수많은 경우에 적용 가능하다. 특히, 예를 들어 인구가 많은 영역으로부터 멀고 넓고 햇빛이 많은, 예를 들어 사막에서의 태양광 기지를, 기지가 전기 그리드(2)에 연결하기 위해 AC 송출 라인을 길게 사용하면, 생각해볼 수 있다. 그러나, 전술한 풍력 터빈 및 태양광 패널과 별도로, 일반적인 아이디어는 임의 유형 또는 임의 유형의 혼합식 분배형 발전기 또는 저장 장치에 관한 것으로 파도 전력, 수 전력, 및 열 전력뿐만 아니라, 중앙 그리드 연결 지점으로 설정된 전기 차량에서의 배터리 풀과 같이 분배된 배터리 저장 장치를 포함한다.

Claims (11)

  1. 전기 그리드를 자력 기동하는 방법으로서, 상기 방법은,
    전기 인프라, 및 외부 AC 공급에 작동 의존하는 제1 갯수의 발전기를 갖는 에너지 기지를 제공하는 단계,
    상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 송출 케이블을 제공하는 단계,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치를 제공하는 단계,
    동기식 콘덴서를 제공하는 단계,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제1 위치에서, 에너지 기지를 그리드로부터 연결 해제하는 단계,
    상기 에너지 저장 장치 및 연관 변환기를 사용하여 AC 송출 케이블에 전력을 공급하는 단계,
    상기 에너지 저장 장치 및 연관 변환기를 사용하여 AC 송출 케이블을 통해 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 한 부분에 전력을 공급하는 단계,
    상기 발전기에 의해 상기 에너지 기지 전기 인프라에 전력 공급을 재확립하는 단계,
    상기 동기식 콘덴서에 전력을 공급하는 단계, 및
    상기 제1 위치에서 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 재연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 에너지 기지는 해상에 있고, 동기식 콘덴서 및 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치는 육상에 있는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 에너지 기지 전기 인프라는, 공통 버스 바 시스템에 연결 가능한 해당 갯수의 어레이 케이블 라인에 연결 가능한 발전기 중 두 개 이상의 그룹을 포함하되, 상기 에너지 저장 장치 및 연관 변환기를 사용하여 상기 AC 송출 케이블을 통해 전력이 공급되는 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 하나의 부분은, 상기 갯수의 어레이 케이블 라인 중 하나를 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기는 STATCOM을 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치는, 상기 제1 위치에서 에너지 기지를 전기 그리드에 재연결한 후에 상기 전기 그리드에 전력을 제공하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 덤프 부하와 덤프 부하를 제어하기 위한 제어 시스템을 제공하는 단계, 및 연결 해제된 에너지 기지의 균형을 잡는 데 도움을 주도록 덤프 부하 내에서 전력 공급 소산을 제어하기 위해 제어 시스템을 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 동기화 정보는 추가 변환기로 전송되는, 방법.
  8. 전기 그리드에 전력을 재공급하는 방법으로서, 상기 방법은,
    전기 인프라, 및 외부 AC 공급에 작동 의존하는 제1 갯수의 풍력 터빈 발전기를 갖는 에너지 기지를 제공하는 단계,
    상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 송출 케이블을 제공하는 단계,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치를 제공하는 단계,
    동기식 콘덴서를 제공하는 단계,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제1 위치에서, 에너지 기지를 그리드로부터 연결 해제하는 단계,
    상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 AC 송출 케이블에 전력 공급을 유지하는 단계, 및
    상기 에너지 저장 장치와 연관 변환기를 사용하여 상기 송출 케이블을 통해 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 한 부분에 전력을 공급하는 단계,
    상기 동기식 콘덴서에 전력을 공급하는 단계, 및
    상기 제1 위치에서 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 재연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 에너지 기지 전기 인프라 중 적어도 하나의 부분이 상기 송출 케이블을 통해 전력 공급되는 것이 유지되는 경우, 상기 제1 위치에서 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 재연결하기 전에 일정 기간 동안 상기 에너지 기지의 적어도 하나의 부분이 고립 모드로 유지되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 위해, 연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 동기식 콘덴서의 사용법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 조정된 에너지 기지로서, 상기 에너지 기지는,
    전기 인프라 및 외부 AC 공급에 작동 의존하는 제1 갯수의 풍력 터빈 발전기,
    상기 에너지 기지를 상기 전기 그리드에 연결하기 위한 AC 송출 케이블,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치,
    동기식 콘덴서,
    연관 변환기를 갖는 에너지 저장 장치와 전기 그리드 사이에 위치하는 제1 위치에서, 에너지 기지를 그리드로부터 연결 해제하는 스위치 기어를 포함하는, 에너지 기지.
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