KR102057121B1 - 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 풍력발전 시스템 - Google Patents

풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 풍력발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최대 소비 전력보다 낮게 수전용량을 선정하고, 수전시 구동 장비들의 소비 전력이 수전용량을 상회하면, 상회하는 초과분에 대해서는 보조 전력 공급부로부터 공급받을 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 풍력발전 설비들을 구동시키기 위한 구동 장비; 발전기와 계통을 연결하는 전력 라인에서 분기되어 상기 구동 장비로 전력을 공급하는 라인에 설치되며, 상기 구동 장비로 전력을 공급하는 보조 전력 공급부; 및 수전용량이 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 경우, 수전시 상기 구동 장비의 소비 전력이 수전용량을 초과하게 되는 경우 수전용량을 초과하는 초과분에 대해서는 상기 보조 전력 공급부에서 공급하도록 하는 주 제어부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 수전용량을 상회하는 구동 장비들의 소비 전력에 대해서는 보조 전력 공급부를 통해 공급할 수 있게 됨에 따라, 수전용량을 감소시킬 수 있게 된다.

Description

풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 풍력발전 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING PEAK POWER CONSUMPTION OF WIND POWER GENERATION SYSTEM AND WIND POWER GENERATION SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법, 그리고 이를 이용하는 풍력발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 최대 소비 전력보다 낮게 수전용량을 선정하고, 수전시 구동 장비들의 소비 전력이 수전용량을 상회하면, 상회하는 초과분에 대해서는 보조 전력 공급부로부터 공급받을 수 있도록 하여, 풍력발전 단지의 수전용량을 낮게 선정할 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 전력 수요의 급증에 따라 전력 인프라의 확충이 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 전력 수요의 증가는 전기를 사용하는 가정용 생활기기의 증가와 함께 상가, 공장용 전력 부하의 증가에 따른 것이다. 이러한 전력 수요의 경우 특정 계절, 특정 시간대에 사용되는 전력 부하가 급격하게 증가하면서 상시 대기전력의 부족분을 초래하고, 정전과 같은 사고 발생의 원인이 된다. 이러한 문제의 발생 방지를 위해 전력 인프라를 확충하고 사용을 제한하는 등의 다양한 시도가 이루어지고 있다.
이를 해소하기 위한 방안 중 하나로 태양광, 풍력, 파력, 지열발전, 메탄가스를 이용한 화력발전 등과 같은 대체에너지 또는 천연의 청정에너지를 이용한 방법이 주목받고 있다. 특히 자연 바람에 의해 얻을 수 있는 풍력 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다.
자연 바람에 의해 풍력 에너지를 얻는 풍력발전 시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 시스템으로, 환경 친화적이고, 무한정의 자원을 이용하는 등 여러 가지 이점이 많은 신 재생에너지원이라 할 수 있다.
이러한, 풍력발전 시스템은 일반적으로 풍력발전기를 대규모 병렬 연계하는 대규모 단지를 조성하여 전력을 생산하고, 이를 전력계통에 연계하여 운영한다.
한편, 풍력발전 시스템에는 블레이드(Blade), 기어 박스(Gear Box), 발전기(Generator) 등과 같은 풍력발전 설비들을 구동시키기 위한 장비(이하, '구동 장비'라 한다.)들이 존재하며, 이러한 구동 장비들은 항상 전력을 소비하고 있다.
전술한, 구동 장비들이 소비하는 전력은 풍력발전 시스템이 발전을 수행하는 경우에는 풍력발전 시스템으로부터 공급받고, 풍력발전 시스템이 발전을 수행하지 않을 경우에는 계통으로부터 공급받는다.
도 1은 풍력발전 설비들을 구동시키는 구동 장비들의 소비 전력 패턴을 예시적으로 보인 도면으로, 구동 장비들의 소비 전력의 패턴은 일정치 않다.
이로 인해, 계통으로부터 구동 장비들이 소비하는 전력을 공급받을 때, 최대 소비 전력을 고려하여 수전용량을 선정하게 된다. 이때, 수전용량을 최대 소비 전력보다 낮게 선정하게 되면, 계통운영자는 풍력발전 단지의 계약된 수전용량을 고려한 계통 운영을 하게 되는 데, 낮게 선정된 수전용량으로 인해 배전선로에 과부하가 발생하므로, 최대 소비 전력을 고려하여 수전용량을 선정한다. 또한, 최근 계통의 예비력 저하로 인한 문제가 발생하고 있는 상황에서 계약 용량을 초과하는 소비 전력의 사용은 풍력발전 단지 운영자 및 계통 운영자 양측에 모두에게 큰 피해를 초래하게 된다.
따라서, 계통으로부터 공급받는 수전용량을 감소시킬 필요가 있다.
한국등록특허공보 제10-1180391호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 최대 소비 전력보다 낮게 수전용량을 선정하고, 수전시 구동 장비들의 소비 전력이 수전용량을 상회하면, 상회하는 초과분에 대해서는 보조 전력 공급부로부터 공급받을 수 있도록 하는 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치는, 풍력발전 설비들을 구동시키기 위한 구동 장비; 발전기와 계통을 연결하는 전력 라인에서 분기되어 상기 구동 장비로 전력을 공급하는 라인에 설치되며, 상기 구동 장비로 전력을 공급하는 보조 전력 공급부; 및 수전용량이 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 경우, 수전시 상기 구동 장비의 소비 전력이 수전용량을 초과하게 되는 경우 수전용량을 초과하는 초과분에 대해서는 상기 보조 전력 공급부에서 공급하도록 하는 주 제어부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법은, 수전용량이 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 경우, 수전시 주 제어부에서 구동 장비의 소비 전력을 실시간 모니터링하여 구동 장비의 소비 전력이 수전용량을 초과하게 되면, 초과분에 대해 보조 전력 공급부가 전력을 공급하도록 하는 과정; 수전시 상기 구동 장비의 소비 전력이 수전용량 이하로 되어 잉여 전력이 발생하면, 상기 보조 전력 공급부의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 잉여 전력을 이용하여 상기 보조 전력 공급부를 충전하는 과정; 및 발전시 잉여 전력이 발생하면, 상기 보조 전력 공급부의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 잉여 전력을 이용하여 상기 보조 전력 공급부를 충전하는 과정을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법에 따르면, 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 수전용량을 상회하는 구동 장비들의 소비 전력에 대해서는 보조 전력 공급부를 통해 공급할 수 있게 됨에 따라, 수전용량을 감소시킬 수 있게 된다.
도 1은 풍력발전 설비들을 구동시키는 구동 장비들의 소비 전력 패턴을 예시적으로 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 3은 본 발명에 적용되는 보조 전력 공급부의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명에 적용되는 수전용량은 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 것임을 밝힌다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치는, 발전기(10), 계통(20), 구동 장비(30), 보조 전력 공급부(40), 주 제어부(50) 등을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 발전기(10)는 블레이드(미도시)에 연결되며, 바람에 의해 회전하는 블레이드(미도시)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산한다.
계통(20)은 발전기(10)가 연계되는 전력 계통으로, 발전기(10)에서 생산된 전력은 계통(20)으로 공급된다.
구동 장비(30)는 블레이드, 기어 박스, 발전기 등의 풍력발전 설비들을 구동시키고 운전상태를 유지하기 위한 장비로, 항상 전력을 소비하고 있다.
이러한, 구동 장비(30)는 발전기(10)가 발전을 수행하는 경우에는 발전기(10)로부터 전력을 공급받아 구동하고, 발전기(10)가 발전을 수행하지 않는 경우에는 계통(20)으로부터 전력을 공급받아 구동하는 데, 도 1에 도시하는 바와 같이 구동 장비(30)의 소비 전력 패턴은 일정치 않다.
보조 전력 공급부(40)는 발전기(10)와 계통(20)을 연결하는 전력 라인에서 분기되어 구동 장비(30)로 전력을 공급하는 라인에 설치되며, 주 제어부(50)의 제어하에 수전시 구동 장비(30)의 소비 전력이 수전용량을 초과하게 되는 경우, 수전용량을 초과하는 초과분에 해당하는 전력을 구동 장비(30)로 공급한다. 그리고, 수전시와 발전시에 주 제어부(50)의 제어하에 잉여 전력으로 충전을 수행한다.
주 제어부(50)는 수전용량이 최대 소비 전력보다 낮게 선정된 경우, 수전시 구동 장비(30)의 소비 전력을 실시간 모니터링하고 있다가 구동 장비(30)의 소비 전력이 수전용량을 초과하게 되면, 보조 전력 공급부(40)를 제어하여 수전용량을 초과하는 초과분에 대해서는 보조 전력 공급부(40)가 전력을 공급할 수 있도록 한다.
또한, 주 제어부(50)는 수전시, 구동 장비(30)의 소비 전력이 수전용량을 하회하는 경우, 보조 전력 공급부(40)의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 보조 전력 공급부(40)를 제어하여 잉여 전력으로 충전이 이루어지도록 할 수도 있다.
또한, 주 제어부(50)는 발전시, 발전 전력의 일부를 공급받아 구동 장비(30)로 공급하는 중에 잉여 전력이 발생하면, 보조 전력 공급부(40)의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 보조 전력 공급부(40)를 제어하여 충전이 이루어지도록 한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 보조 전력 공급부의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 적용되는 보조 전력 공급부(40)는 에너지 저장 모듈(41), 양방향 인버터(43), 컨버터(45)를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구성에 있어서, 에너지 저장 모듈(41)은 전력을 충방전한다.
양방향 인버터(43)는 에너지 저장 모듈(41)에 연결되어 에너지 저장 모듈(41)의 충방전에 따라 교류-직류 또는 직류-교류로 전력을 인버팅하는 것으로, 에너지 저장 모듈(41)의 충전시에는 발전기(10)로부터 인가되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 에너지 저장 모듈(41) 측으로 인가하고, 방전시에는 에너지 저장 모듈(41)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전력을 필요로 하는 구동 장비(30) 측으로 인가한다.
컨버터(45)는 에너지 저장 모듈(41)에 연결되어 에너지 저장 모듈(41)의 방전 전력을 직류-직류로 컨버팅하는 것으로, 방전시 에너지 저장 모듈(41)에서 출력되는 직류 전력을 구동 장비(30)가 원하는 크기의 전압으로 변환하여 직류 전력을 필요로 하는 구동 장비(30) 측으로 인가한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로, 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
우선, 도 5에 도시하는 바와 같이 발전기(10)에서 전력 발전을 수행하지 않아 계통(20)으로부터 전력을 수전하는 경우(S10), 계통(20)으로부터 수전한 전력을 구동 장비(30)로 공급하는 데(S12), 구동 장비(30)의 소비 전력을 실시간 모니터링하는 주 제어부(50)는 도 7에 도시하는 바와 같이 구동 장비(30)의 소비 전력이 수전용량을 상회하는 경우(S14), 상회하는 초과분(도 7의 박스 부분)에 대해서는 보조 전력 공급부(40)를 통해 전력을 공급하도록 한다(도 6의 점선)(S16).
반면, 수전시 구동 장비(30)의 소비 전력이 수전용량 이하로 되어 잉여 전력이 발생하는 경우, 주 제어부(50)는 보조 전력 공급부(40)의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 잉여 전력을 이용하여 보조 전력 공급부(40)를 충전하도록 한다(S18, S20).
한편, 도 5에 도시하는 바와 같이 발전기(10)가 전력 발전을 하는 경우에는 발전기(10)에서 발전된 전력의 일부를 공급받아 이를 구동 장비(30)로 공급하는 데(S22), 구동 장비(30)의 소비 전력을 실시간 모니터링하는 주 제어부(50)는 잉여 전력이 발생하는 경우(S24), 보조 전력 공급부(40)의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면(S26), 잉여 전력을 이용하여 보조 전력 공급부(40)를 충전하도록 한다(S28).
본 발명의 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치 및 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. 발전기, 13. 전력 변환부,
15. 트랜스포머, 20. 계통,
30. 구동 장비, 40. 보조 전력 공급부,
41. 에너지 저장 모듈, 43. 양방향 인버터,
45. 컨버터, 50. 주 제어부

Claims (11)

  1. 발전기 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 풍력발전 설비들을 구동시키는 구동 장비;
    상기 구동 장비로 전력을 공급하는 보조 전력 공급부; 및
    상기 보조 전력 공급부를 제어하는 주 제어부;를 포함하고,
    상기 주 제어부는 상기 구동 장비의 소비 전력을 실시간으로 모니터링하며,
    상기 주 제어부는 상기 구동 장비의 소비 전력이 상기 발전기 또는 상기 계통으로부터 공급되는 전력을 초과하는 경우, 상기 발전기 또는 상기 계통의 전력이 상기 구동 장비에 공급되는 상태에서 소비 전력 초과분에 대해서 상기 보조 전력 공급부가 상기 구동 장비에 전력을 공급하도록 제어하고,
    상기 주 제어부는 상기 발전기 또는 상기 계통으로부터 공급되는 전력이 상기 구동 장비의 소비 전력을 초과하여 잉여 전력이 발생되는 경우에, 상기 보조 전력 공급부의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 상기 보조 전력 공급부가 상기 잉여 전력에 의해 충전이 되도록 제어하는
    풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 전력 공급부는,
    에너지 저장 모듈;
    상기 에너지 저장 모듈에 연결되어 상기 에너지 저장 모듈의 충방전에 따라 교류-직류 또는 직류-교류로 전력을 인버팅하는 양방향 인버터; 및
    상기 에너지 저장 모듈에 연결되어 상기 에너지 저장 모듈의 방전 전력을 직류-직류로 컨버팅하는 컨버터를 포함하는
    풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터는
    상기 에너지 저장 모듈에서 출력되는 직류 전력을 상기 구동 장비가 원하는 크기의 전압으로 변환하는
    풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 장치.
  4. 삭제
  5. 전력을 생산하는 발전기;
    상기 발전기와 연계되며, 발전기로부터 전력을 공급받는 계통; 및
    상기 발전기 또는 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 풍력발전 설비들을 구동시키되, 구동 설비의 최대 소비 전력보다 낮은 전력을 공급받아 풍력발전 설비를 구동시키는 최대 소비 전력 저감 장치;를 포함하고,
    상기 최대 소비 전력 저감 장치는,
    발전기 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 풍력발전 설비들을 구동시키는 구동 장비;
    상기 구동 장비로 전력을 공급하는 보조 전력 공급부; 및
    상기 구동 장비의 소비 전력을 실시간 모니터링하며, 상기 구동 장비의 소비 전력이 상기 발전기 또는 상기 계통으로부터 공급되는 전력을 초과하는 경우에, 상기 발전기 또는 상기 계통의 전력이 상기 구동 장비에 공급되는 상태에서 소비 전력 초과분에 대해서 상기 보조 전력 공급부가 상기 구동 장비에 전력을 공급하도록 제어하는 주 제어부;를 포함하며,
    상기 주 제어부는 상기 발전기 또는 상기 계통으로부터 공급되는 전력이 상기 구동 장비의 소비 전력을 초과하여 잉여 전력이 발생되는 경우에, 상기 보조 전력 공급부의 충전 상태를 판단하여 완충 상태가 아니면, 상기 보조 전력 공급부가 상기 잉여 전력에 의해 충전이 되도록 제어하는
    풍력발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 구동 장비가 발전기 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 풍력 발전 설비들을 구동시키는 단계;
    주 제어부가 상기 구동 장비의 소비 전력을 실시간으로 모니터링하고, 상기 구동 장비의 소비 전력이 전력 공급량을 초과하면 상기 발전기 또는 상기 계통의 전력이 상기 구동 장비에 공급되는 상태에서 보조 전력 공급부가 상기 구동 장비에 전력을 공급하도록 제어하는 단계;
    주 제어부가 상기 구동 장비의 소비 전력을 실시간으로 모니터링하여, 상기 전력 공급량이 상기 구동 장비의 소비 전력을 초과하여 잉여 전력이 발생하는 경우에, 상기 보조 전력 공급부의 충전 상태를 판단하여, 상기 보조 전력 공급부가 완충 상태가 아니면, 상기 잉여 전력에 의해 상기 보조 전력 공급부가 충전되도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보조 전력 공급부는,
    에너지 저장 모듈, 양방향 인버터, 및 컨버터를 포함하고, 상기 양방향 인버터에 의해 교류 전력을 필요로 하는 상기 구동 장비 측으로 교류 전력을 인가하고, 상기 컨버터에 의해 직류 전력을 필요로 하는 상기 구동 장비 측으로 직류 전력을 인가하는
    풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    발전기 또는 계통으로부터 공급받는 상기 전력 공급량은 상기 구동 장비의 최대 소비 전력보다 낮게 선정되는
    풍력발전 시스템의 최대 소비 전력 저감 방법.
  11. 삭제
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