KR101422775B1 - 기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

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Abstract

기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법이 개시된다. 계통(Grid)에 연계된 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템은, 전단에 설치된 허브에 장착된 블레이드의 회전력을 후단의 상기 동기 발전기에 전달하는 메인 샤프트, 미들 샤프트, 보조 샤프트의 3단 샤프트 구조를 가지는 기어 박스와; RPM 제어 신호에 따라 상기 미들 샤프트의 회전을 가감하는 동기 속도 제어기와; 상기 보조 샤프트가 상기 동기 발전기에 상응하는 RPM을 가지도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하는 시스템 제어부를 포함할 수 있다.

Description

기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법{Gear control type wind power generating system and operating method thereof}
본 발명은 기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
특히 계통 연계형 풍력 발전 시스템은 기계적인 입력을 전기적으로 변환하고 계통 연계 변압기를 통해 계통에 전원을 출력하는 형태로 구성되어 있다.
하지만, 기상 조건의 잦은 변동으로 인해 기계적인 입력이 항상 고정적인 속도와 토크를 발생시키지는 않기 때문에 계통 연계형 풍력 발전 시스템의 경우 이처럼 변화하는 기계적인 입력에 대하여 실제 전력 계통에서 사용할 수 있도록 변환하는 전력 변환 장치가 연결되어 있게 된다. 이러한 전력 변환 장치는 한국공개특허공보 제10-2010-0011594호의 풍력 발전 시스템에서도 발전기와 계통 사이에 존재하는 것으로 기재되어 있다.
계통 연계형 풍력 발전 시스템에서 이용되는 전력 변환 장치는 기계적인 입력이 변환된 전기적 에너지를 직류(DC)로 전환하고, 이를 계통에서 사용 가능하도록 교류(AC)로 변환하며 계통에 연계되는 구조를 가진다.
도 1은 일반적인 계통 연계형 풍력 발전 시스템의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 계통 연계형 풍력 발전 시스템은 크게 두 개의 하드웨어를 통해 구동이 되는 것으로 볼 수 있다.
제어부(10)는 가변적인 풍속을 통한 기계적 입력을 제어하고 이를 증속 기어 박스(20)를 통해 발전기(30)의 입력부에 전달하며, 최종 출력되는 전기적 에너지를 전력 변환 장치(40)를 통해 계통(Grid)(50)에 전달하도록 구성되어 있다.
증속 기어 박스(20)와 발전기(30) 사이에 출력 토크의 제한을 위한 토크 리미터(Torque Limiter)(25)가 배치되어 있고, 전력 변환 장치(40)와 계통(50) 사이에 계통 연계 변압기(55)가 배치되어 있을 수 있다. 또한, 제어부(10)는 피치 제어기(60)로 풍속에 상응하는 피치 제어 신호를 전달하여 블레이드의 날개각이 조절되도록 할 수도 있다.
이러한 계통 연계형 풍력 발전 시스템에 포함되는 전력 변환 장치의 경우 고가이기 때문에 풍력 발전 시스템 구성에 있어 큰 부담으로 작용하게 된다. 따라서, 기계적 입력의 변동을 계통의 전원과 동기화시킬 수 있도록 하는 제어를 통해 전력 변환 장치를 이용하지 않고서도 계통 연계형 풍력 발전 시스템을 구성할 수 있는 방안의 검토가 필요한 실정이다.
한국공개특허공보 제10-2010-0011594호
본 발명은 기어 박스 내부에서 불균형하게 변동되는 토크 및 속도 특성을 별도의 모터 구동 장치를 이용함으로써 계통과 연결된 동기 발전기를 제어하여 계통의 동기 제어 방식과 유사하게 맞추어 줌으로써 고가의 전력 변환 장치를 생략할 수 있는 기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 LVRT 상황에서 모터 구동 장치를 컨버터로 전환하여 이용함으로써 계통 측 무효 전원 성분을 조정할 수 있는 기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 돌풍 상황에서 역토크를 가하여 시스템의 기계적 파손을 방지할 수 있는 기어 제어형 풍력 발전 시스템 및 그 운영방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 계통(Grid)에 연계된 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템에서, 전단에 설치된 허브에 장착된 블레이드의 회전력을 후단의 상기 동기 발전기에 전달하는 메인 샤프트, 미들 샤프트, 보조 샤프트의 3단 샤프트 구조를 가지는 기어 박스와; RPM 제어 신호에 따라 상기 미들 샤프트의 회전을 가감하는 동기 속도 제어기와; 상기 보조 샤프트가 상기 동기 발전기에 상응하는 RPM을 가지도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하는 시스템 제어부를 포함하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템이 제공된다.
상기 기어 박스는, 상기 허브와 같이 회전하며 후단부에 상기 미들 샤프트로 회전력을 전달하는 메인 기어가 결합된 상기 메인 샤프트와; 전단부에 상기 미들 샤프트로부터 회전력을 전달받는 보조 기어가 결합되어 있어 상기 회전력을 상기 동기 발전기로 전달하는 보조 샤프트와; 전단부에 상기 메인 기어와 치합하는 메인측 미들 기어가 결합되고, 후단부에 상기 보조 기어와 치합하는 보조측 미들 기어가 결합되며, 중간부에 상기 동기 속도 제어기의 구동 기어와 치합하는 구동측 미들 기어가 결합되어 있는 미들 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 동기 속도 제어기는, 상기 RPM 제어 신호에 따라 모터의 회전 속도를 제어하는 모터 구동부와; 상기 모터의 샤프트에 결합되며 상기 구동측 미들 기어와 치합하는 상기 구동 기어를 포함할 수 있다.
상기 시스템 제어부는 풍속 센서로부터의 풍속 신호를 분석한 결과 돌풍 상황이 감지되면 상기 미들 샤프트에 역토크를 가하도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하여 상기 동기 속도 제어기로 출력할 수 있다.
상기 시스템 제어부는 계통 측 전압을 측정한 결과 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황으로 감지되면 상기 동기 속도 제어기를 컨버터로 전환할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 시스템 제어부에서 수행되는 풍력 발전 시스템 운영 방법으로서, (a) 상기 시스템 제어부에서 계통 측 전압을 입력받는 단계; (b) LVRT 상황 여부를 판단하는 단계; (c) LVRT 상황이 아닌 경우 상기 기어 제어형 풍력 발전 시스템을 정상 운전 상태로 설정하여 RPM 제어를 수행하고, LVRT 상황인 경우 LVRT 운전 상태로 설정하여 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템 운영 방법이 제공된다.
상기 단계 (c)에서 LVRT 상황이 아닌 경우, (c1) 상기 동기 발전기의 RPM과 상기 미들 샤프트의 RPM을 입력받는 단계; (c2) 상기 동기 발전기의 RPM과 상기 미들 샤프트의 RPM을 비교하여 상기 미들 샤프트의 RPM이 상기 동기 발전기의 RPM에 동기화되도록 하는 RPM 제어 신호를 생성하는 단계; 및 (c3) 상기 RPM 제어 신호에 따라 상기 동기 속도 제어부의 모터 구동부가 구동 신호를 생성하여 모터를 구동시켜 상기 미들 샤프트의 회전을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)에서 LVRT 상황인 경우, (c1) 상기 동기 속도 제어기의 모터 구동부의 운전을 컨버터로 전환하는 단계; 및 (c2) 정상 운전 상태에서 상기 모터 구동부의 DC 커패시터에 충전된 전원을 이용하여 상기 계통의 무효 전원 성분을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)에서 RPM 제어 중 풍속 센서에서 입력된 풍속 신호의 분석 결과 돌풍 상황으로 감지된 경우, 상기 시스템 제어부는 상기 미들 샤프트에 역토크를 가하도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하여 상기 동기 속도 제어부에 전달할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기어 박스 내부에서 불균형하게 변동되는 토크 및 속도 특성을 별도의 모터 구동 장치를 이용함으로써 계통과 연결된 동기 발전기를 제어하여 계통의 동기 제어 방식과 유사하게 맞추어 줌으로써 고가의 전력 변환 장치를 생략할 수 있는 효과가 있다.
또한, LVRT 상황에서 모터 구동 장치를 컨버터로 전환하여 이용함으로써 계통 측 무효 전원 성분을 조정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 돌풍 상황에서 역토크를 가하여 시스템의 기계적 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 계통 연계형 풍력 발전 시스템의 구성 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 구성 블록도,
도 3은 RPM 제어를 설명하기 위한 도면,
도 4는 전력 제어를 위한 제어부의 구성 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 운영 방법의 순서도.
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.
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 명세서에서 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 명세서에서, "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.
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.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 구성 블록도이고, 도 3은 RPM 제어를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 전력 제어를 위한 제어부의 구성 블록도이다.
도 2를 참조하면, 기어 제어형 풍력 발전 시스템(100), 기어 박스(120), 토크 리미터(125, 148), 시스템 제어부(110), 동기 속도 제어기(140), 동기 발전기(130), 계통 연계 변압기(155), 계통(150), 모터 구동부(142), 모터(144), 피치 제어기(160), 제1 RPM 센서(175), 메인 샤프트(210), 미들 샤프트(220), 보조 샤프트(230), 제2 RPM 센서(170), 메인 기어(212), 보조 기어(232), 구동 기어(146), 메인측 미들 기어(224), 보조측 미들 기어(226), 구동측 미들 기어(222)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템은 기어 박스가 3단 샤프트 구조로 구성되어 있어 별도의 모터 구동 장치(동기 속도 제어기)를 통해 미들 샤프트의 토크 및/또는 회전속도를 조절함으로써 계통 측 전원 특성에 맞춘 동기 발전기의 제어가 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템(100)은 기본적으로 기어 박스(120), 동기 발전기(130), 동기 속도 제어기(140), 시스템 제어부(110)를 포함한다. 실시예에 따라 피치 제어기(160)를 더 포함할 수 있다.
기어 박스(120)는 전단에 설치된 허브에 장착된 블레이드가 바람에 의해 회전하는 경우 그 회전력을 후단의 동기 발전기(130)로 전달한다.
본 실시예에서 기어 박스(120)는 3단 샤프트 구조를 가지며, 메인 샤프트(210), 미들 샤프트(220) 및 보조 샤프트(230)를 포함한다. 기어 박스(120)는 내부의 증속 기어를 통해 메인 샤프트(210)의 속도 및 토크와 비교할 때 보조 샤프트(230)에서 속도가 증가되고 토크가 감쇄된 상태로 후단의 동기 발전기(130) 측에 전달되도록 구성된다.
메인 샤프트(210)는 전단의 허브와 함께 회전하는 로터의 플랜지 후단에 연결되며, 후단부에는 미들 샤프트(220)로 회전력을 전달하는 메인 기어(212)가 결합되어 있다.
보조 샤프트(230)는 후단에서 동기 발전기(130)에 연결되어 동기 발전기(130)에서 보조 샤프트(230)의 회전력에 따른 전기 에너지 생성이 가능하게 하며, 전단부에는 미들 샤프트(220)로부터 회전력을 전달받는 보조 기어(232)가 결합되어 있다.
미들 샤프트(220)는 메인 샤프트(210)와 보조 샤프트(230) 사이에서 로터의 회전력을 전달한다. 미들 샤프트(220)는 메인 샤프트(210)의 메인 기어(212)와 치합하는 메인측 미들 기어(224), 보조 샤프트(230)의 보조 기어(232)와 치합하는 보조측 미들 기어(226), 후술할 동기 속도 제어기(140)의 구동 기어(146)와 치합하는 구동측 미들 기어(222)를 포함한다. 예를 들어, 미들 샤프트(220)에는 메인측 미들 기어(224), 구동측 미들 기어(222), 보조측 미들 기어(226) 순서로 기어가 결합되어 있을 수 있다.
기어 박스(120)에는 동기 속도 조정을 위해 미들 샤프트(220)가 설치되어 있으며, 미들 샤프트(220)의 구동측 미들 기어(222)에 치합되는 구동 기어(146)를 가지는 동기 속도 제어기(140)에 의해 동기 속도 조절이 이루어질 수 있다.
동기 발전기(130)는 보조 샤프트(230)를 통해 전달된 회전력을 전기적 에너지로 변환한다. 동기 발전기(130)에서 생성된 전기 에너지는 계통 연계 변압기(155)를 통해 계통(150)으로 전달된다.
보조 샤프트(230)와 동기 발전기(130) 사이에는 기계적 토크값이 미리 설정된 한계치를 초과하는 경우 기계적인 동작을 통해 시스템을 보호하기 위한 토크 리미터(125)가 설치되어 있을 수 있다.
동기 속도 제어기(140)는 기어 박스(120) 내부의 회전 속도 및 토크를 제어하기 위한 수단으로, 시스템 제어부(110)로부터의 제어 신호에 따라 미들 샤프트(220)의 회전을 제어한다.
동기 속도 제어기(140)는 시스템 제어부(110)로부터의 제어 신호에 상응하는 구동 신호를 출력하는 모터 구동부(142), 모터 구동부(142)의 구동 신호에 따라 회전하는 모터(144), 모터(144)의 샤프트에 결합된 구동 기어(146)를 포함한다.
모터(144)의 회전 속도 증감에 따라 구동 기어(146)를 통한 기계적 출력이 제어되어, 미들 샤프트(220)의 회전 속도 및 토크를 제어하는 것이 가능하다.
모터(144)와 구동 기어(146) 사이에는 기계적 토크값이 미리 설정된 한계치를 초과하는 경우 기계적인 동작을 통해 모터(144)를 보호하기 위한 토크 리미터(148)가 더 설치되어 있을 수 있다.
시스템 제어부(110)는 풍력 발전 시스템에 설치되어 있는 각종 센서로부터 센싱 신호를 입력받고, 이에 따라 각종 구성요소가 정상 동작하도록 제어한다.
시스템 제어부(110)는 풍속 센서로부터 풍속 신호를 입력받고, 풍속에 따라 블레이드 각도를 제어하도록 하는 피치 제어 신호를 생성하여 피치 제어기(160)로 전송한다. 피치 제어기(160)는 시스템 제어부(110)로부터의 피치 제어 신호에 따라 블레이드 각도를 조절하여 시스템 내부로 입력되는 기계적 입력값(즉, 허브의 회전 속도 및/또는 토크)을 조정한다.
또한, 시스템 제어부(110)는 동기 발전기(130)에 설치된 제1 RPM 센서(175)와 미들 샤프트(220)의 끝단에 설치된 제2 RPM 센서(170)로부터 동기 발전기(130)의 RPM(RPM(G)) 및 미들 샤프트(220)의 RPM(RPM(g))을 입력받고, 비교한 결과에 따라 미들 샤프트(220)의 RPM을 동기 발전기(130)의 RPM에 동기화시킬 수 있도록 하는 RPM 제어 신호를 모터 구동부(142)로 전송한다(도 3 참조).
모터 구동부(142)는 RPM 제어 신호를 모터(144)의 회전 속도를 증감시키는 구동 신호로 변환하여 모터(144)를 구동한다. 모터(144)의 회전 속도 증감에 따라 기어 박스(120) 내부의 회전 속도 및 토크가 가감되어 출력단에 있는 보조 샤프트(230)의 RPM이 동기 발전기(130)의 RPM과 동기화될 수 있게 된다.
즉, 본 실시예에서는 기어의 증감 운전을 가변적으로 동작시킴으로써 동기 발전기(130)의 출력 전원과 계통(150) 측의 전원이 동상으로 움직이도록 운전하는 것이 가능하게 된다. 동기화가 이루어지지 않는다면 탈조 등의 계통 사고가 발생할 가능성이 있어 동기 발전기(130)의 출력 전원과 계통(150) 측 전원을 동상으로 동기화시키는 것은 매우 중요한 부분이다.
보조 샤프트(230)의 RPM은 미들 샤프트(220)의 RPM과 동일할 수 있는데, 이는 무부하 운전 시에는 기어 박스(120) 내부에 부하가 걸려 있지 않기 때문이다. 하지만, 전술한 RPM 제어가 수행되는 경우에는 미들 샤프트(220)의 RPM과 보조 샤프트(230)의 RPM 사이에 보조측 미들 기어(226)와 보조 기어(232)의 기어비를 이용한 보정이 필요할 수도 있다.
또한, 시스템 제어부(110)는 갑작스런 돌풍 상황이 감지된 경우, 피치 제어기(160)를 통한 피치 제어와는 별도로 동기 속도 제어기(140)로 RPM 제어 신호를 전송하여 역토크를 가하도록 기어 박스(120) 내의 미들 샤프트(220)를 제어함으로써 기계적으로 회전을 제어하여 돌발 사고를 최소화시키고 시스템 내부 장치들을 보호할 수 있다.
피치 제어기(160)를 통한 피치 제어에는 일정 시간이 소요되는 바, 시스템 제어부(110)는 갑작스런 돌풍 상황에서 동기 속도 제어기(140)를 제동 브레이크로서 활용할 수 있을 것이다. 여기서, 돌풍 상황의 감지는 풍속 센서로부터 입력된 풍속 신호의 분석에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 시스템 제어부(110)는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황 하에서는 동기 속도 제어기(140)에 전력 제어 신호를 전송하여, 모터 구동부(142)가 컨버터로 전환되도록 할 수 있다.
평상 시 발전 모드에서는 모터 구동부(142)가 모터 구동용으로 동작하지만, 계통 전원 상실 시에 LVRT 규격을 준수하기 위해 모터 구동부(142)가 컨버터로 동작하여 내부의 충전된 DC 링크 전원을 활용하여 LVRT 기준의 무효분 기준 전압을 유지하도록 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 시스템 제어부(110)는 필터(111), 전력 제어기(112), 합성부(113), 스위칭부(114), 정상 상태 동작부(115), LVRT 상태 동작부(116)를 포함한다.
필터(111)는 계통 측 전압 센서에서 감지한 계통 측 전압과 기어 박스(120) 내의 각종 파라미터를 입력받아 필터링한다. 전력 제어기(112)는 필터(111)를 거친 입력값을 이용하여 전력 레퍼런스(Power reference) Pelec을 출력한다.
합성부(113)는 전력 제어기(112)의 출력값(Pelec)과 역률 보정 파라미터를 합성한다. 역률 보정 파라미터는 LVRT 상황에서 무효 전원 성분을 제어하기 위해 필요한 역률 보정을 위한 값으로, 예를 들어 "Tan (Vref)/역률"로 설정될 수 있다.
스위칭부(114)는 LVRT 상황의 감지 여부에 따라 전력 레퍼런스를 정상 상태 동작부(115) 혹은 LVRT 상태 동작부(116)로 전달한다. 정상 상태 동작부(115)에서는 전력 레퍼런스가 "0(zero)"으로 출력되어 모터 구동부(142)가 미들 샤프트(220)의 회전 속도를 제어하기 위한 모터 구동용으로 사용되도록 한다. LVRT 상태 동작부(116)에서는 전력 레퍼런스가 "1"로 출력되어 모터 구동부(142)가 컨버터로서 기능하게 한다.
즉, 정상 운전 상태에서는 모터 구동부 운전을 위해 DC 커패시터를 충전하며, 계통 측 전압 센서를 통해 계통 측 전압 상실이 확인되는 경우 모터 구동부(142)를 계통 연계형 컨버터로 운전 전환하고, DC 커패시터의 충전 전압을 활용하여 계통 측의 무효 전원 성분을 조정할 수 있게 된다. 여기서, LVRT 규격에 맞도록 운전한다는 것은 예를 들어 LVRT 전압이 계통 전압의 3~4%로 규정되어 있고 유지 시간은 10초 이내인 것을 의미한다.
정상 운전 상태에서 DC 커패시터의 충전은 내부 전력 반도체 소자를 통해 이루어지며, 초기 운전 시작 시에는 별도의 계통 전원과 정류기(Thyristor)를 활용하여 충전하게 된다. 저용량의 경우 모터 구동부(142)에 포함되는 계통 측 컨버터 내부의 역방향 다이오드를 통해 충전이 이루어질 수 있다.
이외에도 시스템 제어부(110)는 기어 박스(120) 내부의 기어들의 동작에 따른 온도, 진동, 회전 속도 등을 실시간으로 감시하고 이와 관련된 각종 데이터를 기록 및 보존(logging)할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 운영 방법의 순서도이다. 도 5에 도시된 각 단계들은 전술한 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 각 구성요소들, 특히 시스템 제어부에서 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 단계 S300에서 시스템 제어부(110)는 계통 측 전압 센서에서 측정한 계통 측 전압을 입력받는다.
단계 S305에서 시스템 제어부(110)는 계통 측 전압이 상실되었는지 여부, 즉 LVRT 상황이 되었는지를 판단한다.
계통 측 전압이 상실되지 않은 경우에는 정상 운전 상태로 단계 S310 내지 S325에 따른 RPM 제어를 수행한다. 계통 측 전압이 상실된 경우에는 LVRT 운전 상태로 단계 S330으로 진행하여 전력 제어를 수행한다.
우선 RPM 제어를 살펴보면, 단계 S310에서 시스템 제어부(110)는 동기 발전기(130)에 설치된 제1 RPM 센서(175)와 미들 샤프트(220)의 끝단에 설치된 제2 RPM 센서(170)에서 측정된 동기 발전기 RPM(RPM(G))과 미들 샤프트 RPM(RPM(g))을 전달받는다.
단계 S315에서는 각 RPM 센서(170, 175)에서 전달받은 동기 발전기 RPM과 미들 샤프트 RPM을 비교하여 미들 샤프트 RPM이 동기 발전기 RPM에 동기화될 수 있도록 하는 RPM 제어 신호를 생성하고, 단계 S320에서 이를 동기 속도 제어기(140)의 모터 구동부(142)로 전달한다.
단계 S325에서 모터 구동부(142)는 RPM 제어 신호에 상응하는 구동 신호를 생성하여 모터(144)를 구동시킴으로써, 미들 샤프트(220)의 구동측 미들 기어(222)와 치합하는 구동 기어(146)의 회전을 제어하여 미들 샤프트(220)의 회전을 조정하고, 기어 박스(120)의 출력단에서의 RPM이 동기 발전기(130)의 RPM과 동기화되도록 한다.
다음으로 전력 제어를 살펴보면, 단계 S330에서 시스템 제어부(110)는 모터 구동부(142)의 운전 모드를 컨버터로 전환한다.
단계 S335에서 컨버터로 전환된 모터 구동부(142)는 정상 운전 상태에서 내부의 DC 링크에 포함된 커패시터에 충전된 전원을 활용하여 계통 측 전원의 무효 전원 성분을 조정할 수 있게 된다. 또한, 단계 S340에서 풍속 센서에서 측정된 풍속 신호를 바탕으로 갑작스런 돌풍 상황이 감지된 경우, 단계 S315로 진행하여 모터 구동부(142)가 기어 박스(120)에 대한 제동 브레이크로서 기능하게 하는, 즉 미들 샤프트(220)에 역토크를 가하도록 하는 RPM 제어 신호를 생성할 수도 있다.
돌풍 상황이 발생할 경우 내부의 갑작스런 기어 회전 속도 및 토크가 발생하게 되며, 이로 인해 기계적인 스트레스를 받게 되어 기계적인 파손이 발생하게 된다. 하지만, RPM 제어 신호를 통해 미들 샤프트(220)에 역토크를 가함으로써 동기 속도 제어기(140)가 기어 박스(120)의 제동 브레이크로서 기능하게 되어 기계적인 파손을 방지할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 기어 제어형 풍력 발전 시스템 110: 시스템 제어부
120: 기어 박스 130: 동기 발전기
140: 동기 속도 제어기 150: 계통
160: 피치 제어기 142: 모터 구동부
144: 모터 146: 구동 기어
210: 메인 샤프트 212: 메인 기어
220: 미들 샤프트 222: 구동측 미들 기어
224: 메인측 미들 기어 226: 보조측 미들 기어
230: 보조 샤프트 232: 보조 기어

Claims (9)

  1. 계통(Grid)에 연계된 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템에서,
    전단에 설치된 허브에 장착된 블레이드의 회전력을 후단의 상기 동기 발전기에 전달하는 메인 샤프트, 미들 샤프트, 보조 샤프트의 3단 샤프트 구조를 가지는 기어 박스와;
    RPM 제어 신호에 따라 상기 미들 샤프트의 회전을 가감하는 동기 속도 제어기와;
    상기 보조 샤프트가 상기 동기 발전기에 상응하는 RPM을 가지도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하는 시스템 제어부를 포함하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기어 박스는,
    상기 허브와 같이 회전하며 후단부에 상기 미들 샤프트로 회전력을 전달하는 메인 기어가 결합된 상기 메인 샤프트와;
    전단부에 상기 미들 샤프트로부터 회전력을 전달받는 보조 기어가 결합되어 있어 상기 회전력을 상기 동기 발전기로 전달하는 보조 샤프트와;
    전단부에 상기 메인 기어와 치합하는 메인측 미들 기어가 결합되고, 후단부에 상기 보조 기어와 치합하는 보조측 미들 기어가 결합되며, 중간부에 상기 동기 속도 제어기의 구동 기어와 치합하는 구동측 미들 기어가 결합되어 있는 미들 샤프트를 포함하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동기 속도 제어기는,
    상기 RPM 제어 신호에 따라 모터의 회전 속도를 제어하는 모터 구동부와;
    상기 모터의 샤프트에 결합되며 상기 구동측 미들 기어와 치합하는 상기 구동 기어를 포함하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 풍속 센서로부터의 풍속 신호를 분석한 결과 돌풍 상황이 감지되면 상기 미들 샤프트에 역토크를 가하도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하여 상기 동기 속도 제어기로 출력하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는 계통 측 전압을 측정한 결과 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황으로 감지되면 상기 동기 속도 제어기를 컨버터로 전환하는 기어 제어형 풍력 발전 시스템.
  6. 제1항에 기재된 상기 기어 제어형 풍력 발전 시스템의 시스템 제어부에서 수행되는 풍력 발전 시스템 운영 방법으로서,
    (a) 상기 시스템 제어부에서 계통 측 전압을 입력받는 단계;
    (b) LVRT 상황 여부를 판단하는 단계;
    (c) LVRT 상황이 아닌 경우 상기 기어 제어형 풍력 발전 시스템을 정상 운전 상태로 설정하여 RPM 제어를 수행하고, LVRT 상황인 경우 LVRT 운전 상태로 설정하여 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템 운영 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 LVRT 상황이 아닌 경우,
    (c1) 상기 동기 발전기의 RPM과 상기 미들 샤프트의 RPM을 입력받는 단계;
    (c2) 상기 동기 발전기의 RPM과 상기 미들 샤프트의 RPM을 비교하여 상기 미들 샤프트의 RPM이 상기 동기 발전기의 RPM에 동기화되도록 하는 RPM 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    (c3) 상기 RPM 제어 신호에 따라 상기 동기 속도 제어부의 모터 구동부가 구동 신호를 생성하여 모터를 구동시켜 상기 미들 샤프트의 회전을 제어하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템 운영 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 LVRT 상황인 경우,
    (c1) 상기 동기 속도 제어기의 모터 구동부의 운전을 컨버터로 전환하는 단계; 및
    (c2) 정상 운전 상태에서 상기 모터 구동부의 DC 커패시터에 충전된 전원을 이용하여 상기 계통의 무효 전원 성분을 조정하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템 운영 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 RPM 제어 중 풍속 센서에서 입력된 풍속 신호의 분석 결과 돌풍 상황으로 감지된 경우, 상기 시스템 제어부는 상기 미들 샤프트에 역토크를 가하도록 하는 상기 RPM 제어 신호를 생성하여 상기 동기 속도 제어부에 전달하는 풍력 발전 시스템 운영 방법.
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