KR20220149064A - 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전력 변환 장치 및 변압기가 일체화되어 형성되는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법에 있어서, 풍력에 의해 회전될 수 있는 회전부 및 상기 회전부의 일 측에 결합되는 나셀(nacelle)을 포함하고, 상기 나셀은, 발전기 및 상기 발전기의 입력 전력을 보다 높은 전압의 전력으로 변환하는 반도체 변압기 모듈을 포함하는, 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 개시한다.

Description

반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법{Wind power generation system including semiconductor transformer module and control method thereof}
본 발명은 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전력 변환 장치 및 변압기가 일체화되어 형성되는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 시스템이란, 바람의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 의미한다. 구체적으로, 바람에 의해 회전되는 블레이드의 회전력으로 전기 에너지를 생산한다.
풍력 발전 시스템은 발전기 및 전력 변환 장치가 구비된다. 발전기는 블레이드의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 발전기에서 생산된 전력은 전력 변환 장치에 의하여 소정의 출력 전력으로 변환된다.
풍력 발전 시스템이 보다 많은 전력을 공급하기 위하여는, 풍력 발전 시스템의 용량이 보다 증가될 필요성이 있다. 이때, 발전기에서 출력되는 전압은 절연 등의 이유로 크게 증가될 수 없으며 일정하게 유지된다. 따라서, 풍력 발전 시스템의 용량 증가는 전류의 증가에 의해 달성될 수 있다.
전류의 크기는 전력 케이블의 직경에 비례하는 바, 전류 증가 시 전력 케이블의 부피 및 무게 증가가 수반되는 것이 통상적이다. 그러나, 전력 케이블의 부피 및 무게가 과도하게 증가되는 경우, 풍력 발전 시스템의 전체적인 설계에 있어 제약이 발생될 수 있다.
전력 케이블의 직경 감소 방안으로서, 전력 변환 장치가 타워 상부에 위치된 나셀(nacelle)에 설치되는 풍력 발전 시스템을 고려할 수 있다. 그러나, 이는 나셀의 부피 및 무게 증가를 수반하고, 나셀을 지지하는 타워의 무게 증가 또한 유발한다. 결과적으로, 풍력 발전 시스템의 설계 측면에서 불리하게 작용될 가능성이 있다.
이에 따라, 동일 용량 대비 부피 및 무게가 감소될 수 있는 전력 변환 장치의 개발이 고려될 수 있다.
한국등록실용신안공보 제20-0489237호는 풍력 발전기용 변압기를 개시한다. 구체적으로, 타워기둥 내부에 안착되는 풍력 발전기용 변압기를 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 변압기는 풍력 발전기의 하부에 제공되는 바, 풍력 발전기의 용량 증가 시 전력 케이블의 부피 및 무게 또한 증가된다. 따라서, 풍력 발전기의 설계에 제약이 발생될 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1364243호는 풍력 발전기용 전력 변환 장치를 개시한다. 구체적으로, 제1 컨버터, 직류 링크, 제2 컨버터 및 컨버터 제어부가 구비되는 전력 변환 장치를 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 전력 변환 장치는 나셀의 부피 및 무게 증가로 인해 풍력 발전기 전체의 부피 및 무게가 증가될 가능성이 있다. 이는 풍력 발전기의 설계 측면에서 불리하게 작용될 수 있다.
한국등록실용신안공보 제20-0489237호 (2019.08.29.) 한국등록특허공보 제10-1364243호 (2014.02.17.)
본 발명의 일 목적은, 동일한 용량의 종래 변압기보다 작은 부피 및 무게로 형성되는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 목표 전압, 목표 용량 및 설치 공간에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은, 발전기의 생산 전력에 따라 최적 변환 효율로 운전될 수 있는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은, 접근성이 어려운 설비에도 용이하게 적용될 수 있는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은, 전력 케이블로 인한 나셀(nacelle)의 회전 제약이 완화될 수 있는 반도체 변압기 모듈을 포함하는 풍력 발전 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템은, 풍력에 의해 소정의 방향으로 회전될 수 있는 회전부; 및 상기 회전부의 일 측에 결합되는 나셀(nacelle)을 포함하고, 상기 나셀은, 상기 회전부의 회전축과 결합되어, 상기 회전부의 회전 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전기; 및 상기 발전기와 전기적으로 연결되고, 상기 발전기로부터 입력 전력을 받아 기 설정된 출력 전력으로 변환하는 반도체 변압기 모듈을 포함한다.
또한, 상기 출력 전력은, 상기 입력 전력의 전압보다 높은 전압으로 이루어진다.
또한, 상기 반도체 변압기 모듈은 복수 개 구비되고, 상기 나셀은, 내부에 상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈이 수용되는 공간이 형성되는 외함을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은, 횡방향 또는 종방향을 따라 나란하게 배열될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은, 상기 나셀의 무게 중심이 기 설정된 위치에 대응될 수 있도록, 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은, 그 출력 결과가 기 설정된 출력 전압 및 상기 출력 전력에 대응되도록, 직렬 및 병렬 중 어느 하나로 배치되거나 직렬 및 병렬이 혼합되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 외함은 복수 개 구비되고, 상기 복수 개의 외함은, 상기 나셀의 무게 중심이 기 설정된 위치에 대응될 수 있도록, 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 외함은, 서로에 대하여 분해되거나 합체될 수 있는 복수 개의 파트로 이루어지고, 상기 복수 개의 파트가 조립되어 제조될 수 있다.
또한, 상기 반도체 변압기 모듈은, 연선으로 형성되는 권선이 구비될 수 있다.
또한, 상기 권선은 리츠선(litz wire)으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 변압기 모듈은, 페라이트(ferrite) 또는 나노 크리스털(nano crystal) 소재로 형성되는 철심이 구비될 수 있다.
또한, 상기 나셀의 일 측은, 지면을 향하는 방향으로 연장되는 타워와 결합되고, 상기 회전부 및 상기 나셀은, 외부의 풍향 변화에 따라 상기 타워를 중심으로 회전될 수 있다.
또한, 본 발명은, 풍력 발전 시스템의 제어 방법으로서, (a) 풍력에 의해 상기 회전부의 회전 동작이 시작되는 단계; (b) 상기 회전부의 회전 에너지가 상기 발전기로 전달되는 단계; (c) 상기 발전기가 전기 에너지를 생산하는 단계; 및 (d) 상기 반도체 변압기 모듈이 상기 발전기의 생산 전력을 보다 높은 전압의 전력으로 변환하는 단계를 포함하는, 풍력 발전 시스템의 제어 방법을 개시한다.
또한, 상기 (a) 단계 이전에, (a0) 상기 회전부 및 상기 나셀이 외부의 풍향 변화에 대응하여 상기 타워를 중심으로 회전되는 단계가 수행될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 생산 전력의 변화에 따라 가동되는 상기 반도체 변압기 모듈의 개수가 조절되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d1) 단계에서, 가동되는 상기 반도체 변압기 모듈의 개수는 전력 변환 효율이 최대로 되는 개수로 조절될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d2) 상기 반도체 변압기 모듈이 상기 생산 전력을 60Hz보다 높은 주파수로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d2) 단계 이후, (d3) 상기 반도체 변압기 모듈이 기 설정된 전압의 크기 및 전류의 형태로 변환된 전력을 출력하는 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 다양한 효과 중, 상술한 해결 수단을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.
먼저, 발전기의 생산 전력이 반도체 변압기 모듈에 의해 변환되어 전기 계통으로 전달된다. 반도체 변압기 모듈은 기존의 전력 변환 장치 및 변압기가 일체화되어 형성된다.
반도체 변압기 모듈은 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환한다. 또한, 반도체 변압기 모듈의 권선은 연선 구조로 형성되고, 철심은 규소 강판보다 가벼운 페라이트(ferrite) 또는 나노 크리스털(nano crystal) 소재로 형성된다.
따라서, 반도체 변압기 모듈은 동일한 용량의 종래 변압기보다 작은 부피 및 무게로 형성될 수 있다.
또한, 반도체 변압기 모듈이 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 반도체 변압기 모듈은 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 복수 개의 반도체 변압기 모듈은 직렬 또는 병렬로 자유롭게 배치될 수 있다.
따라서, 다양한 목표 전압 및 용량에 대응 가능한 반도체 변압기 모듈이 설계될 수 있다. 더 나아가, 반도체 변압기 모듈이 내장되는 나셀(nacelle)이 보다 용이하게 설계 및 설치될 수 있다. 이는, 풍력 발전 시스템과 같이 제한된 공간에 설치되는 발전 시스템에 대하여 유리하게 작용될 수 있다.
또한, 발전기의 생산 전력 변화 시, 가동되는 반도체 변압기 모듈의 수가 상기 변화에 대응하여 조절될 수 있다.
따라서, 반도체 변압기 모듈이 발전기 생산 전력에 따른 최적 변환 효율 구간에서 구동될 수 있다. 결과적으로, 풍력 발전 시스템의 발전 효율이 보다 향상될 수 있다.
또한, 반도체 변압기 모듈의 외함이 서로에 대하여 분해되거나 합체될 수 있는 복수 개의 파트로 이루어진다. 뿐만 아니라, 반도체 변압기 모듈이 작고 가벼운 모듈 형태로 형성된다.
따라서, 반도체 변압기 모듈 및 외함이 나셀의 내부로 보다 용이하게 운반될 수 있다. 이에 따라, 반도체 변압기 모듈의 설치 및 유지 보수 시 중장비 사용 비율이 보다 감소될 수 있다. 결과적으로, 반도체 변압기 모듈이 산악이나 해상 등 접근성이 어려운 설비에도 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 반도체 변압기 모듈에서 전기 계통으로 전력을 전달하는 전력 케이블의 직경이 감소되며, 동시에 나셀의 부피 및 무게가 감소될 수 있다.
따라서, 전력 케이블로 인한 나셀(nacelle)의 회전 제약이 보다 완화될 수 있다. 즉, 전력 케이블의 최대 회전각이 보다 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전 시스템에 구비되는 나셀(nacelle)을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 변환부를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 변환부를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 변환부를 도시하는 사시도이다.
도 6은 가동되는 반도체 변압기 모듈의 개수가 조절되기 전후 상태의 전력 변환부를 도시하는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 제어 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 7의 S500 단계의 구체적인 단계를 도시하는 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템(1) 및 이의 제어 방법을 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르기 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템(1)에 대하여 설명한다.
풍력 발전 시스템(1)은 외부 풍력으로부터 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템이다. 구체적으로, 풍력 발전 시스템(1)은 회전 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 전기 에너지를 생산한다.
풍력 발전 시스템(1)은 지상 또는 해상 모두에 설치될 수 있다. 다만, 풍력 발전 시스템(1)은 바람이 잘 부는 지역에 설치되는 것이 통상적이다. 이는 발전 시스템의 발전량은 바람 세기의 세제곱에 비례하기 때문이다.
풍력 발전 시스템(1)에서 생산된 전기 에너지는 전기 계통으로 운반된다. 전기 계통에 도달된 전기 에너지는 최종적으로 가정, 기관, 사업체 등 전기 에너지가 필요한 다양한 장소로 공급된다.
도시된 실시 예에서, 풍력 발전 시스템(1)은 회전부(10), 타워(20) 및 나셀(nacelle)(30)을 포함한다.
회전부(10)는 풍력 발전 시스템(1) 외부의 풍력 에너지를 후술하는 나셀(30)로 전달한다.
회전부(10)는 풍력 발전 시스템(1)의 상측에 위치된다. 이는 바람의 세기가 지표면으로부터 높이 올라갈수록 보다 강해지기 때문이다.
바람이 회전부(10)를 통과하면, 회전부(10)가 소정의 방향으로 회전되며 회전 에너지를 갖게된다.
도시된 실시 예에서, 회전부(10)는 블레이드(110) 및 허브(120)를 포함한다.
블레이드(110)는 회전부(10)가 직접적으로 바람과 접촉되는 부분이다.
블레이드(110)는 방사상 외측으로 연장되는 판 형상으로 형성된다. 이때, 블레이드(110)는 일 방향으로 만곡되며 연장된다. 또한, 블레이드(110)는 복수 개 구비될 수 있다.
바람이 블레이드(110)를 통과하면, 블레이드(110)가 소정의 방향으로 회전된다. 상기 소정의 방향은 블레이드(110)의 만곡 방향과 연관된다. 즉, 블레이드(110)는 그 만곡 방향에 따라 회전 방향이 결정된다.
블레이드(110)의 중심부에는 허브(120)가 배치된다.
허브(120)는 블레이드(110)의 회전축으로서 기능한다. 즉, 블레이드(110)는 허브(120)를 기준으로 회전된다.
허브(120)는 블레이드(110)의 방사상 내측에 위치된다. 즉, 허브(120)의 방사상 외측에는 복수 개의 블레이드(110)가 결합된다. 달리 표현하면, 허브(120)는 복수 개의 블레이드(110)에 둘러싸이도록 배치된다.
일 실시 예에서, 허브(120)는 일 방향으로 연장되는 기둥 형상으로 형성된다. 상기 일 방향은 블레이드(110)의 연장 방향과 수직인 방향이다.
허브(120)는 블레이드(110)의 회전 시, 블레이드(110)와 함께 회전된다. 구체적으로, 블레이드(110)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되면, 허브(120) 또한 블레이드(110)와 함께 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전된다.
회전부(10)의 하측에는 타워(20)가 배치된다.
타워(20)는 회전부(10)가 상측에서 바람과 접촉될 수 있도록, 회전부(10)를 지면으로부터 이격시킨다. 또한, 후술하는 나셀(30)을 하측에서 지지한다.
타워(20)는 회전부(10)의 지면으로부터 지면에서 멀어지는 방향으로 연장되는 기둥 형상으로 형성된다.
일 실시 예에서, 타워(20)는 상하 방향으로 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 실시 예에서, 타워(20)는 상측으로 그 직경이 감소되며 연장된다. 이는 타워(20)가 풍력 발전 시스템(1)을 보다 안정적으로 지지하기 위함이다.
타워(20)는 고강도 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 타워(20)는 콘크리트 소재로 형성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 타워(20) 내부에는 전력 케이블(210)이 내장된다.
전력 케이블(210)은 풍력 발전 시스템(1)에서 생산된 전기 에너지를 외부의 전기 계통으로 전달한다.
전력 케이블(210)은 후술하는 나셀(30) 및 외부의 전기 계통 사이에 배치되어, 나셀(30) 및 외부의 전기 계통과 각각 전기적으로 연결된다. 이에 대한 상세한 설명은 나셀(30)과 함께 후술한다.
전력 케이블(210)은 타워(20)의 내부 공간을 통과한다. 이에 따라, 전력 케이블(210)은 타워(20)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장된다.
전력 케이블(210)은 내측이 도체 소재로 형성되고, 외측이 절연체 소재로 형성된다. 일 실시 예에서, 전력 케이블(210)은 내측이 금속 소재로 형성되고, 외측이 합성 고무 수지 소재로 형성된다.
타워(20)의 상측에는 나셀(30)이 설치된다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 나셀(30)에 대하여 설명한다.
나셀(30)은 회전부(10)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 부분이다.
나셀(30)은 회전부(10)의 일 측에 결합된다. 구체적으로, 나셀(30)은 회전부(10)의 허브(120)와 결합된다.
나셀(30)의 하측에는 타워(20)의 상단이 결합된다. 이에 따라, 나셀(30)은 타워(20)에 의하여 지지되어 지면과 이격될 수 있다.
또한, 나셀(30)은 전력 케이블(210)과 전기적으로 연결된다. 나셀(30)에서 출력된 전력은 전력 케이블(210)을 통해 외부의 전기 계통으로 공급된다.
나셀(30)은 회전부(10)와 함께 타워(20)를 중심으로 회전될 수 있다. 구체적으로, 나셀(30) 및 회전부(10)는 풍향의 변경을 감지하여, 이를 토대로 회전될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 나셀(30)은 기어 박스(310), 발전기(320) 및 전력 변환부(330)를 포함한다.
기어 박스(310)는 회전부(10)의 회전 에너지를 전달받아, 발전기(320)의 로터를 기 설정된 속도로 회전시킨다. 즉, 기어 박스(310)는 발전기(320)의 로터의 회전 속도를 조절한다.
기어 박스(310)는 회전부(10)의 허브(120)와 발전기(320) 사이에 배치되어, 허브(120) 및 발전기(320)와 각각 결합된다.
태풍 등에 의하여 과도한 풍속이 발생되는 경우, 발전기(320)의 로터가 과도한 속도로 회전될 가능성이 있다. 로터의 과도한 회전은 발전기(320)의 손상을 유발할 수 있다. 이에 따라, 기어 박스(310)는 로터가 과도하게 회전되지 않도록, 로터의 회전 속도를 조절한다.
다만, 기어 박스(310)는 필수 구성 요소에 해당하지 않는 바 생략될 수 있다. 즉, 허브(120)는 기어 박스(310)를 경유하지 않고 발전기(320)에 직접적으로 결합될 수 있다.
발전기(320)는 회전부(10)의 회전 에너지를 전기 에너지로 전환한다.
발전기(320)는 회전부(10)의 허브(120) 및 기어 박스(310)와 결합되어, 허브(120) 및 기어 박스(310)로부터 회전 에너지를 전달받는다.
발전기(320)는 허브(120) 및 기어박스와 결합되는 로터가 구비된다. 로터는 허브(120)와 결합되어, 허브(120)의 회전 시 허브(120)와 함께 회전된다. 일 실시 예에서, 로터의 회전 속도는 기어 박스(310)에 의해 조절될 수 있다.
발전기(320)는 로터의 회전력을 이용해 전기 에너지를 생산한다.
발전기(320)에서 생산된 전력은 전력 변환부(330)로 전달된다.
이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 전력 변환부(330)에 대하여 설명한다.
전력 변환부(330)는 발전기(320)의 생산 전력을 기 설정된 출력 전력으로 변환한다. 이때, 상기 출력 전력은 발전기(320)의 생산 전력의 전압보다 높은 전압으로 이루어진다.
전력 변환부(330)는 발전기(320)와 전력 케이블(210) 사이에 배치되어, 발전기(320)와 전력 케이블(210)에 각각 전기적으로 연결된다.
도시된 실시 예에서, 전력 변환부(330)는 외함(331) 및 반도체 변압기 모듈(332)을 포함한다.
외함(331)은 전력 변환부(330)의 외관을 형성한다.
외함(331)의 내부에는 다양한 구성 요소가 수용될 수 있는 공간이 형성된다.
도시된 실시 예에서, 외함(331)은 직육면체 형상으로 형성된다. 그러나, 외함(331)은 도시된 형상에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외함(331)은 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
외함(331)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 외함(331)은 횡방향 또는 종방향을 따라 나란하게 배열될 수 있다.
또한, 복수 개의 외함(331)은 나셀(30)의 무게 중심이 기 설정된 위치와 일치할 수 있도록, 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 외함(331)은 서로에 대하여 분해되거나 합체될 수 있는 복수 개의 파트로 이루어진다. 상기 실시 예에서, 외함(331)은 상기 복수 개의 파트가 조립되어 제조된다.
도시된 실시 예에서, 외함(331)은 도어(331a) 및 모듈함(331b)을 포함한다.
도어(331a)는 외함(331)의 일 측에 형성된다.
도어(331a)는 판 형상으로 형성된다. 또한, 도어(331a)는 적어도 하나의 모서리가 외함(331)에 대하여 고정되어, 외함(331)에 대하여 회전될 수 있다. 도어(331a)가 회전됨에 따라, 외함(331)의 내부 공간이 개폐될 수 있다.
외함(331)의 내부 공간에는 단수 개 또는 복수 개의 모듈함(331b)이 형성된다.
모듈함(331b)은 후술하는 반도체 변압기 모듈(332)이 삽입되는 공간이다. 이에 따라, 모듈함(331b)은 반도체 변압기 모듈(332)과 대응되는 형상으로 형성된다.
반도체 변압기 모듈(332)은 발전기(320)로부터 입력 전력을 받아 기 설정된 출력 전력으로 변환하고, 이를 전력 케이블(210)로 전달한다.
반도체 변압기 모듈(332)은 종래의 전력 변환 장치 및 변압기가 일체화되어 형성된다. 따라서, 반도체 변압기 모듈(332)은 동일한 용량의 종래 변압기보다 작은 부피 및 무게로 형성될 수 있다.
반도체 변압기 모듈(332)의 권선은 매우 가느다란 선으로 구성된 연선으로 형성된다. 일 실시 예에서, 상기 권선은 리츠선(litz wire)으로 형성된다. 이에 따라, 고주파 전류에 의한 표피 효과가 방지될 수 있다.
일 실시 예에서, 반도체 변압기 모듈(332)에 구비되는 철심은 고주파 전류에 대한 내구성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 철심은 페라이트(ferrite) 또는 나노 크리스털(nano crystal) 소재로 형성될 수 있다. 특히, 페라이트 및 나노 크리스털의 경우, 종래의 철심 소재인 규소 강판과 비교하였을 때 질량 측면에서 유리하다.
정리하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 변압기 모듈(332)은 동일한 용량의 종래 변압기보다 작은 부피 및 무게로 형성될 수 있다.
따라서, 반도체 변압기 모듈(332)이 나셀(30)의 내부로 보다 용이하게 운반될 수 있다. 이에 따라, 반도체 변압기 모듈(332)의 설치 및 유지 보수 시 중장비 사용 비율이 보다 감소될 수 있다. 결과적으로, 반도체 변압기 모듈(332)이 산악이나 해상 등 접근성이 어려운 설비에도 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 반도체 변압기 모듈(332)에서 계통으로 전력을 전달하는 전력 케이블(210)의 직경이 감소되며, 동시에 나셀(30)의 부피 및 무게가 감소될 수 있다. 따라서, 전력 케이블(210)로 인한 나셀(30)의 회전 제약이 보다 완화될 수 있다. 즉, 전력 케이블(210)의 최대 회전각이 보다 증가될 수 있다.
전술한 바와 같이, 반도체 변압기 모듈(332)은 발전기(320)로부터 입력 전력을 받아 기 설정된 출력 전력으로 변환하고, 이를 전력 케이블(210)로 전달한다. 이를 위해, 반도체 변압기 모듈(332)은 발전기(320) 및 전력 케이블(210)과 각각 전기적으로 연결된다. 상기 출력 전력의 전압은 상기 입력 전력의 전압보다 크게 형성된다. 변환 과정은 아래와 같다.
먼저, 반도체 변압기 모듈(332)이 저주파의 정현파를 고주파의 구형파로 변환한다. 전력이 고주파로 변환되면, 전압이 고압으로 변압된다. 변압된 전력은 최종적으로 다시 저주파로 변환되어 출력된다. 여기에서, 고주파는 상용 주파수(60Hz)보다 높은 주파수를 의미한다.
반도체 변압기 모듈(332)은 복수 개 구비될 수 있다. 이때, 복수 개의 반도체 변압기 모듈(332)은 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 복수 개의 반도체 변압기 모듈(332)은 나셀(30)의 무게 중심이 기 설정된 위치와 일치하도록 배치될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 반도체 변압기 모듈(332)의 배치 구조의 다양한 실시 예를 도시한다.
복수 개의 반도체 변압기 모듈(332)은 횡방향 또는 종방향을 따라 나란하게 배열될 수 있다. 일 실시 예에서, 복수 개의 반도체 변압기 모듈(332)은 그 출력 결과가 기 설정된 출력 전압 및 출력 전력에 대응되도록, 직렬 및 병렬 중 어느 하나로 배치되거나 직렬 및 병렬이 혼합되어 배치될 수 있다.
따라서, 다양한 목표 전압 및 용량에 대응 가능한 반도체 변압기 모듈(332)이 설계될 수 있다. 더 나아가, 반도체 변압기 모듈(332)이 내장되는 나셀(30)이 보다 용이하게 설계 및 설치될 수 있다. 이는, 풍력 발전 시스템(1)과 같이 제한된 공간에 설치되는 발전 시스템에 대하여 유리하게 작용될 수 있다.
또한, 반도체 변압기 모듈(332)은 가동 개수가 조절될 수 있다. 구체적으로, 발전기(320)의 생산 전력이 변화되면, 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 상기 변화에 대응하여 조절될 수 있다. 도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 반도체 변압기 모듈(332)이 100% 및 α%로 가동되는 전력 변환부(330)를 도시한다.
풍력 발전 시스템(1)의 경우 생산 전력의 변동 폭이 크게 형성되는 바, 생산 전력의 변화에 따라 전력 변환 효율도 변하게 된다. 전력 변환부(330)는 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수를 전력 변환 효율이 최대로 되는 개수로 조절함으로써, 반도체 변압기 모듈(332)을 최적 효율 구간에서 운전시킬 수 있다. 결과적으로, 풍력 발전 시스템(1)의 발전 효율이 보다 향상될 수 있다.
이하에서는, 도 7 내지 도 8을 참조하여 풍력 발전 시스템(1)의 제어 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템(1)의 제어 방법은 회전부(10) 및 나셀(30)이 외부의 풍향 변화에 대응하여 타워(20)를 중심으로 회전되는 단계(S100), 풍력에 의해 회전부(10)의 회전 동작이 시작되는 단계(S200), 회전부(10)의 회전 에너지가 발전기(320)로 전달되는 단계(S300), 발전기(320)가 전기 에너지를 생산하는 단계(S400) 및 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320)의 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환하는 단계(S500)를 포함한다.
먼저, 회전부(10) 및 나셀(30)이 외부의 풍향 변화에 대응하여 타워(20)를 중심으로 회전되는 단계(S100)에 대하여 설명한다.
바람은 유동적이고 가변적인 바, 풍향 또한 가변적으로 거동한다. 또한, 회전부(10)의 블레이드(110)는 풍향의 변화에 따라 최대 회전 에너지를 생산할 수 있는 위치가 변화된다.
이에 따라, 블레이드(110)는 현재 위치가 최적의 위치에 부합되지 않는 경우, 풍향의 변화에 대응하여 타워(20)를 중심으로 회전되어야 한다. 이를 위하여, 블레이드(110)를 포함하는 회전부(10) 및 회전부(10)가 결합된 나셀(30)이 타워(20)를 중심으로 회전된다.
그러나, 일부 실시 예에서, 회전부(10) 및 나셀(30)이 외부의 풍향 변화에 대응하여 타워(20)를 중심으로 회전되는 단계(S100)는 생략될 수 있다. 즉, 풍력 발전 시스템(1)의 제어 방법은 풍력에 의해 회전부(10)의 회전 동작이 시작되는 단계(S200)로 곧바로 진행될 수 있다.
공기가 회전부(10)의 블레이드(110)를 통과하며 유동되면, 블레이드(110)는 소정의 방향으로 회전된다. 이에 따라, 블레이드(110)가 구비되는 회전부(10) 또한 함께 회전된다.
다음으로, 회전부(10)의 회전 에너지가 발전기(320)로 전달되는 단계(S300) 및 발전기(320)가 전기 에너지를 생산하는 단계(S400)가 수행된다.
허브(120)를 포함한 회전부(10)가 회전됨에 따라, 허브(120)와 결합된 발전기(320)의 로터 또한 함께 회전된다. 즉, 로터가 회전 에너지를 전달받는다. 로터는 상기 회전 에너지를 동력으로 발전기(320) 내부에서 회전된다. 발전기(320)는 로터의 회전 에너지를 내부에서 전기 에너지로 전환한다.
이후, 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320)의 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환한다.
이하에서는, 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320)의 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환하는 단계(S500)에 대하여 설명한다.
도시된 실시 예에서, 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320)의 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환하는 단계(S500)는 생산 전력의 변화에 따라 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 조절되는 단계(S510), 반도체 변압기 모듈(332)이 생산 전력을 60Hz보다 높은 주파수로 변환하는 단계(S520) 및 반도체 변압기 모듈(332)이 기 설정된 전압의 크기 및 전류의 형태로 변환된 전력을 출력하는 단계(S530)를 포함한다.
먼저, 생산 전력의 변화에 따라 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 조절되는 단계(S510)에 대하여 설명한다.
풍력 발전 시스템(1)은 풍향 및 풍속 등 다양한 변수에 의하여 발전기(320)의 생산 전력이 큰 폭으로 변형될 수 있다. 이때, 발전기(320)의 생산 전력이 변화되면, 전력 변환부(330)의 전력 변환 효율 또한 변화된다.
이를 보완하기 위하여, 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 조절될 수 있다. 구체적으로, 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 전력 변환 효율이 최대로 되는 개수로 조절될 수 있다.
따라서, 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320) 생산 전력에 따른 최적 변환 효율 구간에서 구동될 수 있다. 결과적으로, 풍력 발전 시스템(1)의 발전 효율이 보다 향상될 수 있다.
다만, 일부 실시 예에서, 생산 전력의 변화에 따라 가동되는 반도체 변압기 모듈(332)의 개수가 조절되는 단계(S510)는 생략될 수 있다. 즉, 반도체 변압기 모듈(332)이 발전기(320)의 생산 전력을 보다 높은 주파수의 구형파로 변환하는 단계(S500)는 반도체 변압기 모듈(332)이 생산 전력을 60Hz보다 높은 주파수로 변환하는 단계(S520)부터 수행될 수 있다.
다음으로, 반도체 변압기 모듈(332)이 생산 전력을 60Hz보다 높은 주파수로 변환하는 단계(S520) 및 반도체 변압기 모듈(332)이 기 설정된 전압의 크기 및 전류의 형태로 변환된 전력을 출력하는 단계(S530)에 대하여 설명한다.
먼저, 반도체 변압기 모듈(332)은 저주파의 정현파를 고주파의 구형파로 변환한다. 이후, 고주파의 전력의 전압이 고압으로 변압된다. 변압된 전력은 최종적으로 다시 저주파로 변환되어 출력된다. 결과적으로, 생산 전력이 반도체 변압기 모듈(332)에 의해 기 설정된 전압의 크기 및 전류의 형태로 변환된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성에 한정되는 것이 아니다.
또한, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
더 나아가, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 풍력 발전 시스템
10: 회전부
110: 블레이드
120: 허브
20: 타워
210: 전력 케이블
30: 나셀(nacelle)
310: 기어 박스
320: 발전기
330: 전력 변환부
331: 외함
331a: 도어
331b: 모듈함
332: 반도체 변압기 모듈

Claims (18)

  1. 풍력에 의해 소정의 방향으로 회전될 수 있는 회전부; 및
    상기 회전부의 일 측에 결합되는 나셀(nacelle)을 포함하고,
    상기 나셀은,
    상기 회전부의 회전축과 결합되어, 상기 회전부의 회전 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전기; 및
    상기 발전기와 전기적으로 연결되고, 상기 발전기로부터 입력 전력을 받아 기 설정된 출력 전력으로 변환하는 반도체 변압기 모듈을 포함하는,
    풍력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전력은,
    상기 입력 전력의 전압보다 높은 전압으로 이루어지는,
    풍력 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 변압기 모듈은 복수 개 구비되고,
    상기 나셀은,
    내부에 상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈이 수용되는 공간이 형성되는 외함을 포함하는,
    풍력 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은,
    횡방향 또는 종방향을 따라 나란하게 배열되는,
    풍력 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은,
    상기 나셀의 무게 중심이 기 설정된 위치에 대응될 수 있도록, 매트릭스(matrix) 형태로 배치되는,
    풍력 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 반도체 변압기 모듈은,
    그 출력 결과가 기 설정된 출력 전압 및 상기 출력 전력에 대응되도록, 직렬 및 병렬 중 어느 하나로 배치되거나 직렬 및 병렬이 혼합되어 배치되는,
    풍력 발전 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 외함은 복수 개 구비되고,
    상기 복수 개의 외함은,
    상기 나셀의 무게 중심이 기 설정된 위치에 대응될 수 있도록, 매트릭스(matrix) 형태로 배치되는,
    풍력 발전 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 외함은,
    서로에 대하여 분해되거나 합체될 수 있는 복수 개의 파트로 이루어지고, 상기 복수 개의 파트가 조립되어 제조되는,
    풍력 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 변압기 모듈은,
    연선으로 형성되는 권선이 구비되는,
    풍력 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 권선은 리츠선(litz wire)으로 형성되는,
    풍력 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 변압기 모듈은,
    페라이트(ferrite) 또는 나노 크리스털(nano crystal) 소재로 형성되는 철심이 구비되는,
    풍력 발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 나셀의 일 측은,
    지면을 향하는 방향으로 연장되는 타워와 결합되고,
    상기 회전부 및 상기 나셀은,
    외부의 풍향 변화에 따라 상기 타워를 중심으로 회전될 수 있는,
    풍력 발전 시스템.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 풍력 발전 시스템의 제어 방법으로서,
    (a) 풍력에 의해 상기 회전부의 회전 동작이 시작되는 단계;
    (b) 상기 회전부의 회전 에너지가 상기 발전기로 전달되는 단계;
    (c) 상기 발전기가 전기 에너지를 생산하는 단계; 및
    (d) 상기 반도체 변압기 모듈이 상기 발전기의 생산 전력을 보다 높은 전압의 전력으로 변환하는 단계를 포함하는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    (a0) 상기 회전부 및 상기 나셀이 외부의 풍향 변화에 대응하여 상기 타워를 중심으로 회전되는 단계가 수행되는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 생산 전력의 변화에 따라 가동되는 상기 반도체 변압기 모듈의 개수가 조절되는 단계를 포함하는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (d1) 단계에서,
    가동되는 상기 반도체 변압기 모듈의 개수는 전력 변환 효율이 최대로 되는 개수로 조절되는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d2) 상기 반도체 변압기 모듈이 상기 생산 전력을 60Hz보다 높은 주파수로 변환하는 단계를 포함하는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 (d2) 단계 이후,
    (d3) 상기 반도체 변압기 모듈이 기 설정된 전압의 크기 및 전류의 형태로 변환된 전력을 출력하는 단계가 수행되는,
    풍력 발전 시스템의 제어 방법.
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