WO2015102398A1 - 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법 - Google Patents

풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the conventional small-scale wind generator is directly connected to the grid and the generator, the initial power is consumed as shown in Figure 1 to initially drive the generator, the generator is driven to generate power through the wind power generation When generated, it has a structure that is transmitted to the load.
  • a device that will initially provide the power needed to drive a generator.
  • a device for supplying the power required for initial operation and the energy generated after power generation are stored and stored at a desired time. You need a device that can be supplied with.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to convert a large amount of starting power required for the start of the wind power generator in the small scale micro grid (Micro Grid) environment, the converter (MSC: Machine Side Converter) ), And can be prevented from flicker, voltage drop or power outage that may occur in the micro grid by supplying it through the rechargeable / dischargeable battery, and by supplying wind power through grid side converter (GSC). It is to provide an energy storage system and method for a wind generator that can operate a micro grid.
  • the charge / discharge type battery may receive power from the system and receive power for the initial driving of the wind generator. It will charge a certain amount of power until it is filled.
  • the generator-side converter (MSC) is connected between the charge-discharge type battery and the wind generator, perform a constant voltage constant frequency (CVCF) control operation, and the electric power generated from the wind generator is the charge-discharge type Will be stored in the battery.
  • CVCF constant voltage constant frequency
  • the generator-side converter (MSC) is supplied to the charge-discharge type battery to be charged from the wind generator without being supplied to the system for the power generated differently according to climatic conditions and time.
  • the grid-side converter (GSC) is connected between the grid and the rechargeable / dischargeable battery, and performs a power quality (PQ) control operation so that power is not applied from the grid to the wind generator during operation. Will run.
  • PQ power quality
  • the voltage of the rechargeable / dischargeable battery is greater than the peak of the voltage of the grid, so that the power of the grid is not transferred to the rechargeable / dischargeable battery. It acts as a diode rectifier.
  • the generator-side converter MSC or the grid-side converter GSC may include a three-phase switching semiconductor device and a diode.
  • the energy storage method for a wind generator for achieving the above object, the wind generator and the load, including a grid, a charge and discharge battery, generator-side converter (MSC) and grid-side converter (GSC)
  • An energy storage method for a wind generator in a system comprising: (a) supplying power for initial driving from the rechargeable / dischargeable battery to the generator-side converter (MSC); (b) the generator-side converter (MSC) converts DC power required for initial driving into AC power and supplies the same to the wind generator; (c) the wind generator is initially driven by AC power supplied from the generator-side converter (MSC); (d) generating power by wind after the wind generator is driven; (e) the generator-side converter (MSC) converting the electric power generated by the wind generator into direct current power to charge the rechargeable / dischargeable battery; And (f) the grid-side converter (GSC) constantly supplying power to the load from the rechargeable battery.
  • step (e) when the power required for the initial driving of the wind generator is insufficient due to a low state of charge (SOC), the wind power generator receives power from the system. A certain amount of power is charged until the power required for the initial driving of the device is filled.
  • SOC state of charge
  • step (f) the grid-side converter (GSC) is connected between the grid and the rechargeable battery, the power quality (Power Quality) so that the power is not applied to the wind generator from the grid during operation , PQ) control operation is executed.
  • GSC grid-side converter
  • the voltage of the rechargeable / dischargeable battery is greater than the peak of the voltage of the grid so that the power of the grid is increased. It acts as a diode rectifier so that it is not delivered to the discharged battery side.
  • ESS energy storage system
  • Figure 2 is a block diagram showing a functional block of the energy storage system for a wind generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an energy storage method for a wind generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of an MSC and a GSC according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing an example of a voltage drop occurring during the initial driving of the wind generator according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • the wind generator 210 generates power by wind.
  • the MSC 250 converts the direct current (DC) power supplied from the charge / discharge type battery 240 to the alternating current (AC) power when the wind generator 210 is initially driven, and supplies the wind power generator 210.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the GSC 260 constantly supplies the load 220 with power required for the system from the rechargeable / discharged battery 240.
  • the MSC 250 and the GSC 260 may include a three-phase switching semiconductor device and a diode as shown in FIG. 4.
  • 4 is a diagram illustrating a circuit configuration example of an MSC and a GSC according to an embodiment of the present invention.
  • the three-phase switching semiconductor element may be formed of, for example, an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), an IBFT element, or the like.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the GSC 260 is supplied from the wind generator 210 to the charge-discharge type battery 240 so as to be charged without supplying power generated differently according to climatic conditions and time to the system.
  • the MSC 250 operates at a capacity capable of handling the driving power of the wind generator 210 through the high output inverter, and sequentially supplies the driving power when there are several wind generators.
  • the MSC 250 is connected between the charge-discharge type battery 240 and the wind generator 210 to execute a constant voltage constant frequency (CVCF) control operation, and to charge and generate power generated from the wind generator 210.
  • the discharge is stored in the battery 240.
  • CVCF constant voltage constant frequency

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Abstract

본 발명은 소규모 마이크로 그리드(Micro Grid) 환경에서 농형 유도 풍력발전기를 사용할 경우에 풍력 발전기의 기동에 필요한 단시간 많은 양의 기동전력을 컨버터(MSC)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있으며, 그리드측 컨버터(GSC)를 통하여 풍력발전 전력을 공급하여 안정적인 마이크로 그리드를 운영할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템은, 풍력에 의해 전력을 발생시키는 풍력 발전기; 상기 발생된 전력을 소모하는 부하; 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력이 상기 부하에 공급되도록 제어하는 그리드; 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력을 공급하고, 이후 구동된 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 충전하는 충·방전식 배터리; 상기 풍력 발전기의 초기 구동 시 상기 충·방전식 배터리로부터 공급되는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 상기 풍력 발전기에 공급하는 발전기측 컨버터(MSC:Machine Side Converter); 및 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 상기 부하에 일정하게 공급하는 그리드측 컨버터(GSC:Grid Side Converter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법
본 발명은 소규모 마이크로 그리드(Micro Grid) 환경에서 풍력 발전기의 기동에 필요한 기동전력을 컨버터(MSC:Machine Side Converter)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 농형 유도 풍력 발전기는 대규모 계통으로부터 초기 구동에 필요한 전력을 공급받아 사용하므로 크게 문제가 없었으나, 소규모 계통에서는 도 1에 도시된 바와 같이 초기 구동에 필요한 전력을 공급할 수 없다. 이러한 직입 기동식 풍력발전기를 소규모 계통 또는 마이크 그리드에 연결하기 위해서는 초기 구동 전류 문제를 해결해 줄 수 있는 장치가 필요하다.
즉, 종래 소규모 계통의 풍력 발전기는 그리드와 발전기가 직접적으로 연결되고, 초기에 발전기를 구동하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 기동 전력이 소모되며, 발전기가 구동되어 풍력에 따라 발전을 통해 전력이 발생되면 부하에 전달되는 구조를 갖는다. 따라서, 초기에 발전기를 구동하는데 필요한 전력을 공급할 장치가 필요하다.
또한, 발전사업자 입장에서 불규칙하게 발생되는 풍력 발전 에너지를 마이크로 그리드에 연결하게 되면, 수요와 공급의 평형이 원활하지 못하여 필요할 때 풍력발전이 없고, 수요전력이 적을 때는 전력이 남아도는 문제가 발생한다. 따라서 원하는 시간에 원하는 양의 전력을 공급할 수 있는 장치가 필요하다.
한편, 디젤 발전기에 의해서 전력을 공급받는 중소규모 섬지역에서 디젤 발전기 대신 신재생 에너지와 에너지 저장 시스템(ESS)을 결합하여 전력을 공급하려는 움직임이 증가하고 있다.
또한, 해외의 경우, 장거리 송전선로를 사용하여 초원, 사막, 정글, 그리고 섬 등을 대규모 계통에 연계시키는 것보다 독립형 전력을 구축하는 것이 더욱 경제적이다.
따라서, 인도네시아 등 외딴 곳에 전력 공급이 필요한 지역에 마이크로 그리드 환경에서의 직입 기동식 풍력 발전기를 구현하기 위해 초기 구동에 필요한 전력을 공급할 장치와, 발전된 이후에 생성된 에너지를 저장하였다가 원하는 시간에 일정량으로 공급할 수 있는 장치가 필요한 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 소규모 마이크로 그리드(Micro Grid) 환경에서 농형 유도 풍력발전기를 사용할 경우에 풍력 발전기의 기동에 필요한 단시간 많은 양의 기동전력을 컨버터(MSC:Machine Side Converter)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있으며, 그리드측 컨버터(GSC:Grid Side Converter)를 통하여 풍력발전 전력을 공급하여 안정적인 마이크로 그리드를 운영할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템은, 풍력에 의해 전력을 발생시키는 풍력 발전기; 상기 발생된 전력을 소모하는 부하; 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력이 상기 부하에 공급되도록 제어하는 그리드; 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력을 공급하고, 이후 구동된 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 충전하는 충·방전식 배터리; 상기 풍력 발전기의 초기 구동 시 상기 충·방전식 배터리로부터 공급되는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 상기 풍력 발전기에 공급하는 발전기측 컨버터(MSC:Machine Side Converter); 및 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 상기 부하에 일정하게 공급하는 그리드측 컨버터(GSC:Grid Side Converter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충·방전식 배터리는, 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전원이 충전 상태(SOC:State Of Charge)보다 낮아서 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 제공받아 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하게 된다.
또한, 상기 발전기측 컨버터(MSC)는 상기 충·방전식 배터리와 상기 풍력 발전기 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 상기 충·방전식 배터리에 저장하게 된다.
또한, 상기 발전기측 컨버터(MSC)는, 상기 풍력 발전기로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해 계통으로 공급하지 않고 충전되도록 상기 충·방전식 배터리에 공급하게 된다.
또한, 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 그리드와 상기 충·방전식 배터리 간에 연결되고, 작동 시에 상기 그리드로부터 상기 풍력 발전기로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하게 된다.
또한, 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 상기 부하에 일정하게 공급하게 된다.
또한, 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 작동하지 않을 경우 상기 충·방전식 배터리의 전압이 상기 그리드의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 상기 그리드의 전력이 상기 충·방전식 배터리 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기로 작용하게 된다.
그리고, 상기 발전기측 컨버터(MSC) 또는 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 3 상(Phase) 스위칭 반도체 소자와 다이오드를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 방법은, 풍력 발전기와 부하, 그리드, 충·방전식 배터리, 발전기측 컨버터(MSC) 및 그리드측 컨버터(GSC)를 포함하는 시스템의 풍력 발전기용 에너지 저장 방법으로서, (a) 상기 충·방전식 배터리로부터 초기 구동에 필요한 전력이 상기 발전기측 컨버터(MSC)에 공급되는 단계; (b) 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 초기 구동에 필요한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 풍력 발전기에 공급하는 단계; (c) 상기 풍력 발전기가 상기 발전기측 컨버터(MSC)에서 공급된 교류 전력에 의해 초기 구동하는 단계; (d) 상기 풍력 발전기가 구동된 후 풍력에 의해 전력을 발생시키는 단계; (e) 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 상기 풍력 발전기에서 발생된 전력을 직류 전력으로 변환시켜 상기 충·방전식 배터리에 충전하는 단계; 및 (f) 상기 그리드측 컨버터(GSC)가 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 상기 부하에 일정하게 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 고출력 인버터를 통해 상기 풍력 발전기의 구동 전력을 감당할 수 있는 용량으로 동작하고, 상기 풍력 발전기가 여러 대인 경우에 순차적으로 구동 전력을 공급하게 된다.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 충·방전식 배터리가 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 충전 상태(SOC:State Of Charge)보다 낮아서 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 제공받아 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하게 된다.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 상기 충·방전식 배터리와 상기 풍력 발전기 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 상기 충·방전식 배터리에 저장하게 된다.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 발전기측 컨버터(MSC)가, 상기 풍력 발전기로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해, 계통으로 공급하지 않고 상기 충·방전식 배터리에 충전하게 된다.
또한, 상기 (f) 단계는, 상기 그리드측 컨버터(GSC)가 상기 그리드와 상기 충·방전식 배터리 간에 연결되고, 작동 시에 상기 그리드로부터 상기 풍력 발전기로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하게 된다.
또한, 상기 (f) 단계는, 상기 그리드측 컨버터(GSC)가 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 상기 부하에 일정하게 공급하게 된다.
그리고, 상기 (f) 단계는, 상기 그리드측 컨버터(GSC)가 작동하지 않을 경우 상기 충·방전식 배터리의 전압이 상기 그리드의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 상기 그리드의 전력이 상기 충·방전식 배터리 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기로 작용하게 된다.
본 발명에 의하면, 풍력 발전기의 기동에 필요한 단시간 많은 양의 기동전력을 발전기측 컨버터(MSC)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있으며, 그리드측 컨버터(GSC)를 통하여 필요한 양의 전력을 공급하여 안정적인 마이크로 그리드를 운영할 수 있다.
또한, 소규모 계통을 운영하는 전력회사와 전력을 이용하는 이용자가 모두 만족할 수 있는 소규모 계통에 적합한 에너지 저장 시스템(ESS)을 제공할 수 있다.
그리고, 소규모 계통에 맞도록 전류 제어기를 제거하고, 부하에 일정한 전압의 전력을 공급할 수 있도록 제어기를 구성함에 따라 전압 변동폭이 더욱 작기 때문에 계통 전압을 일정하게 유지하기 위한 별도의 장치 및 제어기가 필요하지 않게 되므로 시스템 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 소규모 계통의 풍력 발전기 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템의 기능 블럭을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MSC 및 GSC의 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기가 초기 구동하기 위한 필요 전력을 공급하는 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 초기 구동시 발생하는 전압 강하의 예를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템의 기능 블럭을 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템(200)은, 풍력 발전기(210)와 부하(220), 그리드(230), 충·방전식 배터리(240), 발전기측 컨버터(Machine Side Converter, 이하 MSC)(250) 및 그리드측 컨버터(Grid Side Converter, 이하 GSC)(260)를 포함한다.
풍력 발전기(210)는 풍력에 의해 전력을 발생시킨다.
부하(220)는 풍력 발전기(210)에서 발생된 전력을 소모한다.
그리드(230)는 풍력 발전기(210)로부터 발생된 전력이 부하(220)에 공급되도록 제어한다.
충·방전식 배터리(240)는 풍력 발전기(210)의 초기 구동에 필요한 전력을 공급하고, 이후 구동된 풍력 발전기(210)로부터 발생된 전력을 충전한다.
또한, 충·방전식 배터리(240)는, 충전 상태(SOC:State Of Charge)가 낮아서 풍력 발전기(210)의 초기 구동에 필요한 전력이 부족한 경우, 계통으로부터 전력을 제공받아 풍력 발전기(210)의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하게 된다.
MSC(250)는 풍력 발전기(210)의 초기 구동 시 충·방전식 배터리(240)로부터 공급되는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 풍력 발전기(210)에 공급한다.
또한, MSC(250)는, 풍력 발전기(210)의 구동 전력을 감당할 수 있는 용량으로 동작하는 고출력 인버터를 포함할 수 있다.
GSC(260)는 충·방전식 배터리(240)로부터 계통에 필요한 전력을 부하(220)에 일정하게 공급하게 된다.
또한, MSC(250) 및 GSC(260)는, 도 4에 도시된 바와 같이 3 상(Phase) 스위칭 반도체 소자와 다이오드를 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 MSC 및 GSC의 회로 구성 예를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 3상 스위칭 반도체 소자로서 예를 들면, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)나 IBFT 소자 등으로 구성할 수 있다.
또한, GSC(260)는 충·방전식 배터리(240)와 풍력 발전기(210) 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 풍력 발전기(210)로부터 발생된 전력을 충전식 배터리(240)에 저장하게 된다.
또한, GSC(260)는, 풍력 발전기(210)로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해 계통으로 공급하지 않고 충전되도록 충·방전식 배터리(240)에 공급하게 된다.
또한, GSC(260)는, 그리드(230)와 충·방전식 배터리(240) 간에 연결되고, 작동 시에 그리드(230)로부터 풍력 발전기(210)로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하게 된다.
또한, GSC(260)는, 충·방전식 배터리(240)로부터 계통에 필요한 전력을 전력 관리 시스템(PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 부하(220)에 일정하게 공급하게 된다.
또한, GSC(260)는, 작동하지 않을 경우 충·방전식 배터리(240)의 전압이 그리드(230)의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 그리드(230)의 전력이 충·방전식 배터리(240) 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기로 작용하게 된다.
그리고, GSC(260)는, 풍력 발전기9210)의 순간 피크 전력이 아닌 평균 발전량으로 계통에 전력을 공급하기 위해 평균 발전량에 해당하는 용량으로 동작하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템(200)은, 먼저 충·방전식 배터리(240)로부터 초기 구동에 필요한 전력이 MSC(250))에 공급된다(S310).
이어, MSC(250)가 초기 구동에 필요한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 풍력 발전기(210)에 공급한다(S320).
이때, MSC(250)는 고출력 인버터를 통해 풍력 발전기(210)의 구동 전력을 감당할 수 있는 용량으로 동작하고, 풍력 발전기가 여러 대인 경우에 순차적으로 구동 전력을 공급하게 된다.
이어, 풍력 발전기(210)가 MSC(250)에서 공급된 교류 전력에 의해 초기 구동한다(S330).
이때, 풍력 발전기(210)가 농형 유도 풍력 발전기에 해당하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 회로 구성을 통해 초기 구동에 필요한 전력을 사용하게 된다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기가 초기 구동하기 위한 필요 전력을 공급하는 회로 구성 예를 나타낸 도면이다. 도 5에서, 250 KW급 농형 유도 풍력 발전기의 초기 구동 시에 Soft-starter를 통한 0.2초 전류 제한 후 최대값은 1100A이고, 필요한 피상 전력은 다음 수학식1과 같이 얻을 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014013085-appb-M000001
한편, 풍력 발전기(210)가 소규모 마이크로 그리드에서 사용하는 농형 유도 풍력 발전기 타입인 경우에 초기 구동 시에 도 6에 도시된 바와 같이 전압 강하가 발생한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 초기 구동시 발생하는 전압 강하의 예를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 풍력 발전기(210)는 2.2초 시점에서 초기 구동 시 전압 강하는 최대 55%가 발생하며, 이는 부하(220) 측에 공급하는 전압에도 영향을 미치게 된다. 그러나, 본 발명의 실시예와 같이 충·방전식 배터리(240)와 MSC(250) 및 GSC(260)가 구성됨에 따라 풍력 발전기(210)와 MSC(250) 간에 55%의 전압 강하가 발생하고, GSC(260)와 부하(220) 측 간에는 전압 강하가 0%가 됨을 알 수 있다.
이어, 풍력 발전기(210)가 구동된 후 풍력에 의해 전력을 발생시킨다(S340).
이어, MSC(250)가 풍력 발전기(210)에서 발생된 전력을 직류 전력으로 변환시켜 충·방전식 배터리(240)에 충전한다(S350).
이때, 충·방전식 배터리(240)는 충전 상태(SOC:State Of Charge)가 낮아서 풍력 발전기(210)의 초기 구동에 필요한 전력이 부족한 경우, 계통으로부터 전력을 제공받아 풍력 발전기(210)의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하게 된다.
또한, MSC(250)는 충·방전식 배터리(240)와 풍력 발전기(210) 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 풍력 발전기(210)로부터 발생된 전력을 충·방전식 배터리(240)에 저장하게 된다.
또한, MSC(250)는 풍력 발전기로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해, 계통으로 공급하지 않고 충·방전식 배터리(240)에 충전하게 된다.
이어, GSC(260)가 충·방전식 배터리(240)로부터 계통에 필요한 전력을 부하(220)에 일정하게 공급한다(S360).
이때, GSC(260)는 그리드(230)와 충·방전식 배터리(240) 간에 연결되고, 작동 시에 그리드(230)로부터 풍력 발전기(210)로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하게 된다.
또한, GSC(260)는 충·방전식 배터리(240)로부터 계통에 필요한 전력을 전력 관리 시스템(PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 부하(220)에 일정하게 공급하게 된다.
또한, GSC(260)가 작동하지 않을 경우 충·방전식 배터리(240)의 전압이 그리드(230)의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 그리드(230)의 전력이 충·방전식 배터리(240) 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기(Diode Rectifier)로 작용하게 된다.
그리고, GSC(260)는 풍력 발전기(210)의 순간 피크 전력이 아닌 평균 발전량으로 계통에 전력을 공급하기 위해 평균 발전량에 해당하는 용량으로 동작하게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소규모 마이크로 그리드(Micro Grid) 환경에서 농형 유도 풍력발전기를 사용할 경우에 풍력 발전기의 기동에 필요한 단시간 많은 양의 기동전력을 컨버터(MSC)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있으며, 그리드측 컨버터(GSC)를 통하여 풍력발전 전력을 공급하여 안정적인 마이크로 그리드를 운영할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 소규모 마이크로 그리드(Micro Grid) 환경에서 풍력 발전기의 기동에 필요한 기동전력을 컨버터(MSC)와 충·방전식 배터리를 통해 공급하여 마이크로 그리드에 발생할 수 있는 플리커나 전압강하 또는 정전 사태를 원천적으로 예방할 수 있으며, 그리드측 컨버터(GSC)를 통하여 풍력발전 전력을 공급하여 안정적인 마이크로 그리드를 운영할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템 및 방법에 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 풍력에 의해 전력을 발생시키는 풍력 발전기;
    상기 발생된 전력을 소모하는 부하;
    상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력이 상기 부하에 공급되도록 제어하는 그리드;
    상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력을 공급하고, 이후 구동된 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 충전하는 충·방전식 배터리;
    상기 풍력 발전기의 초기 구동 시 상기 충·방전식 배터리 로부터 공급되는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 상기 풍력 발전기에 공급하는 발전기측 컨버터(MSC:Machine Side Converter); 및
    상기 충·방전식 배터리 로부터 계통에 필요한 전력을 상기 부하에 일정하게 공급하는 그리드측 컨버터(GSC:Grid Side Converter);
    를 포함하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충·방전식 배터리는, 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 충전 상태(SOC:State Of Charge)보다 낮아서 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 제공받아 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터(MSC)는 상기 충·방전식 배터리와 상기 풍력 발전기 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 상기 충·방전식 배터리에 저장하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터(MSC)는, 상기 풍력 발전기로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해 계통으로 공급하지 않고 충전되도록 상기 충·방전식 배터리에 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 그리드와 상기 충·방전식 배터리 간에 연결되고, 작동 시에 상기 그리드로부터 상기 풍력 발전기로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 전력 관리 시스템 또는 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 상기 부하에 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 작동하지 않을 경우 상기 충·방전식 배터리의 전압이 상기 그리드의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 상기 그리드의 전력이 상기 충·방전식 배터리 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기로 작용하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터(MSC) 또는 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 3 상(Phase) 스위칭 반도체 소자와 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 시스템.
  9. 풍력 발전기와 부하, 그리드, 충·방전식 배터리, 발전기측 컨버터(MSC) 및 그리드측 컨버터(GSC)를 포함하는 시스템의 풍력 발전기용 에너지 저장 방법으로서,
    (a) 상기 충·방전식 배터리로부터 초기 구동에 필요한 전력이 상기 발전기측 컨버터(MSC)에 공급되는 단계;
    (b) 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 초기 구동에 필요한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 풍력 발전기에 공급하는 단계;
    (c) 상기 풍력 발전기가 상기 발전기측 컨버터(MSC)에서 공급된 교류 전력에 의해 초기 구동하는 단계;
    (d) 상기 풍력 발전기가 구동된 후 풍력에 의해 전력을 발생시키는 단계;
    (e) 상기 발전기측 컨버터(MSC)가 상기 풍력 발전기에서 발생된 전력을 직류 전력으로 변환시켜 상기 충·방전식 배터리에 충전하는 단계; 및
    (f) 상기 그리드측 컨버터(GSC)가 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 상기 부하에 일정하게 공급하는 단계;
    를 포함하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 충·방전식 배터리는 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 충전 상태(SOC:State Of Charge)보다 낮아서 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 제공받아 상기 풍력 발전기의 초기 구동에 필요한 전력이 채워질 때까지 일정량의 전력을 충전하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 발전기측 컨버터(MSC)는, 상기 충·방전식 배터리와 상기 풍력 발전기 간에 연결되어, CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 운전을 실행하고, 상기 풍력 발전기로부터 발생된 전력을 상기 충·방전식 배터리에 저장하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 발전기측 컨버터(MSC)는, 상기 풍력 발전기로부터 기후 조건 및 시간에 따라 상이하게 발전된 전력에 대해, 계통으로 공급하지 않고 상기 충·방전식 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 그리드와 상기 충·방전식 배터리 간에 연결되고, 작동 시에 상기 그리드로부터 상기 풍력 발전기로 전력이 인가되지 않도록 전력 품질(Power Quality, PQ) 제어 운전을 실행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 상기 충·방전식 배터리로부터 계통에 필요한 전력을 전력 관리 시스템(PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터의 전력 지령에 따라 상기 부하에 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 그리드측 컨버터(GSC)는, 작동하지 않을 경우 상기 충·방전식 배터리의 전압이 상기 그리드의 전압의 피크(Peak)보다 크게 되어 상기 그리드의 전력이 상기 충·방전식 배터리 측으로 전달되지 않도록 다이오드 정류기로 작용하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 에너지 저장 방법.
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