KR20130031303A - 재생 에너지형 발전 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

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프란체스코 발디니
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제이미 테일러
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Abstract

주파수 변환 회로를 이용하지 않고 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립할 수 있는 유압 트랜스미션을 이용한 재생 에너지형 발전 장치 및 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법을 제공하고자 한다. 재생 에너지형 발전 장치(1)에서는, 블레이드(4)를 통해 수취한 재생 에너지를 회전 샤프트(8) 및 유압 트랜스미션(10)을 통해 동기 발전기(20)에 전달한다. 동기 발전기(20)는 유압 트랜스미션(10)의 유압 모터(14)에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 동기 발전기(20)는 주파수 변환 회로를 사용하지 않고 전력 계통에 연계되어 있으며, 동기 발전기(20)에 의해 생성된 전력이 전력 계통(50)에 공급된다. 재생 에너지형 발전 장치(1)는 유압 트랜스미션(10)을 제어하는 변속기 컨트롤러(40)를 또한 구비한다. 변속기 컨트롤러(40)는 발전 장치의 통상 운전시 전력 계통(50)의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기(20)의 회전수를 유지하면서 재생 에너지의 유속에 대해 회전 샤프트(8)의 회전수가 가변되도록, 유압 펌프(12) 및 유압 모터(14)의 변위 용적을 각각 조절하는 통상 운전 모드로 유압 트랜스미션(10)을 제어한다.

Description

재생 에너지형 발전 장치 및 그 운전 방법{POWER GENERATING APPARATUS OF RENEWABLE ENERGY TYPE AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 유압 트랜스미션을 통해 발전기로 회전 샤프트의 회전 에너지를 전달하여 전력을 생산하고, 이 전력을 전력 계통(grid)에 공급하는 재생 에너지형 발전 장치 및 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법에 관한 것이다. 또한, 재생 에너지형 발전 장치는, 바람, 조류, 해류, 하류(河流) 등의 재생 가능한 에너지를 이용하여 발전하며, 예를 들어, 풍력 터빈 발전기, 조류 발전기, 해류 발전기, 하류 발전기 등을 포함한다.
최근, 지구 환경 보전의 관점에서, 조류를 이용한 조류 발전기와 같은 재생 에너지형 터빈 발전기와 풍력을 이용한 풍력 터빈 발전기와 같은 재생 에너지형 발전 장치의 보급이 진행되고 있다. 재생 에너지형 발전 장치는 바람, 조류, 해류 또는 하류의 운동 에너지를 로터(회전 샤프트)의 회전 에너지로 변환하고, 로터의 회전 에너지를 발전기에 의해 전력으로 변환한다.
이러한 유형의 재생 에너지형 발전 장치에서, 일반적으로, 발전기는 전력 계통에 연계된다. 풍력 터빈 발전기의 경우, 발전기와 전력 계통의 연계는 발전기의 종류와 전력 계통에 대한 연계 방법에 따라, 예를 들어, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이 분류된다.
도 12a에 나타낸 방식에서는, 증속기(500)를 통해 농형(squirrel case) 유도 발전기(510)가 로터(2)에 접속되어 있다. 농형 유도 발전기(510)는 소프트 스타터를 통해 전력 계통(50)에 직접 연계되어 있다. 이 방식에 따르면, 전기 기구가 단순하면서도 저렴하다. 그러나, 전력 계통(50)의 주파수가 일정하기 때문에, 로터(2)의 회전수가 고정된다. 따라서, 풍력의 변동이 직접적으로 출력의 변동으로 나타난다. 또한, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 로터의 회전수는 풍속에 따라 변하는 것으로 알려져 있다. 발전 효율 향상의 관점에서도, 로터(2)의 회전수가 풍속에 관계없이 일정한 것은 바람직하지 않다.
그래서, 도 12b 및 도 12c에 도시된 방식을 채용하여 가변속 운전을 할 수 있도록 한 풍력 터빈 발전기가 제안되고 있다.
도 12b에 나타낸 방식의 풍력 터빈 발전기에서는, 증속기(500)를 통해 2차 권선 유도 발전기(520)가 로터(2)에 접속되어 있다. 2차 권선 유도 발전기(520)에서는, 그 고정자 권선이 전력 계통(50)에 직접 접속되고 그 회전자 권선이 AC-DC-AC 컨버터(530)를 통해 전력 계통(50)에 접속되어 있다. AC-DC-AC 컨버터(530)는 발전기 측 인버터(532), DC 버스(534) 및 전력 계통 측 인버터(536)로 구성되어 있다. 발전기 측 인버터(532)는 회전자 권선으로의 전류를 제어하여 발전기 토크를 조절함으로써 가변속 운전을 가능하게 한다. 한편, 전력 계통 측 인버터(536)는 2차 권선 유도 발전기(520)의 회전자 권선으로부터 수취한 전력을 전력 계통(50)의 주파수에 적합한 AC 전력으로 변환한다.
또한, 도 12c에 나타낸 방식의 풍력 터빈 발전기에서는, 동기 발전기(540)가 로터(2)에 접속되어 있다. 동기 발전기(540)는 AC-DC-AC 링크(550)를 통해 전력 계통(50)에 접속된다. AC-DC-AC 링크(550)는 변환기(552), DC 버스(554) 및 인버터(556)로 구성된다. AC-DC-AC 링크(550)는 동기 발전기(540)의 토크를 조절함으로써 가변속 운전을 가능하게 하고, 또한, 동기 발전기(540)에서 생성된 전력을 전력 계통(50)의 주파수에 적합한 AC 전력으로 변환한다.
그런데, 최근 들어 유압 펌프와 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션을 이용한 재생 에너지형 발전 장치가 더 주목을 받고 있다.
예를 들어, 특허 문헌 1에는 로터에 의해 회전되는 유압 펌프와 발전기에 연결된 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션을 이용한 풍력 터빈 발전기가 개시되어 있다. 이 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션에서는 유압 펌프와 유압 모터가 고압 리저버(reservoir)와 저압 리저버를 통해 서로 접속되어 있다. 이에 따라, 로터의 회전 에너지가 유압 트랜스미션을 통해 발전기로 전달되도록 되어 있다. 또한, 유압 펌프는 복수 조(組)의 피스톤과 실린더, 그리고 실린더 내에서 피스톤을 주기적으로 왕복시키는 캠으로 구성되어 있다.
재생 에너지형 발전 장치의 가변속 운전 기술 및 전력 계통 연계 기술과 직접 관련된 것은 아니지만, 낙뢰 및 철탑의 붕괴 같은 송전 설비 고장으로 인한 전력 계통 전압 저하시의 풍력 터빈 발전기의 운전 기술도 알려져 있다(특허 문헌 2 내지 9 참조).
재생 에너지형 발전 장치의 가변속 운전 기술 및 전력 계통 연계 기술과 직접 관련된 것은 아니지만, 전력 계통 전압 저하시의 발전기 동요(swing) 억제 기술로서, 초속응(超速應) 여자 시스템(high initial response excitation system)과 전력 계통 안정화 장치를 이용하는 것도 알려져 있다(비 특허 문헌 1 참조). 여기서, 발전기의 "동요"는 전력 계통에 연계된 동기 발전기의 내부 위상각의 진동을 의미한다.
초속응 여자 시스템은, 전력 계통에 단락 사고 및 지락(地絡) 사고 등의 큰 교란이 발생했을 때, 발전기의 제 1 파 동요를 억제하기 위해, 발전기 단자 전압의 저하를 신속하게 감지하고, 급속하게 계자(界磁) 전류(field current)를 증가시키며, 발전기의 내부 유기 전압을 상승시켜 동기화력을 증대시키는 여자 시스템이다. 또한, 전력 계통 안정화 장치는, 초속응 여자 시스템을 사용하여 저하하는 정상 상태 안정성을 향상시키기 위해, 댐핑 토크가 증가하도록 여자기를 제어하여 발전기 동요를 신속하게 억제하는 기구이다.
미국 특허 출원 공개 번호 제 2010/0032959 호 중국 특허 출원 공개 번호 제 101964533 호 미국 특허 출원 공개 번호 제 2011/0025059 호 국제 공개 번호 제 2010/085988 호 한국 등록 특허 번호 제 10-0947075 호 국제 공개 번호 제 2009/078072 호 중국 특허 출원 공개 번호 제 101383580 호 미국 특허 번호 제 7709972 호 일본 특허 출원 공개 번호 제 2007-239599 호
야베 히로시, 니시무라 아키라의 "V. 초속응 여자 제어 시스템", 전기 학회 잡지, 사단 법인 전기 학회, 1986년 7월 20일 발행, 제 106 권 제 7 호, p. 643-645.
위에서 설명한 바와 같이, 기존의 재생 에너지형 발전 장치에서는 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립하기 위한 기술로서, 도 12b 및 도 12c에 나타낸 시스템이 확립되어 있다. 이에 대해, 최근 주목을 받고 있는 특허 문헌 1에 개시된 것과 같은 재생 에너지형 발전 장치에서는, 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립하기 위한 기술이 충분히 확립되는 것은 아니다.
또한, 도 12b 및 도 12c에 나타낸 시스템에서는, 가변속 운전과 전력 계통 연계의 양립을 실현하려면 고가의 주파수 변환 회로(530, 550)가 필수적이다. 이는 비용 절감의 장애가 된다.
본 발명은, 상술한 사정을 감안한 것이며, 주파수 변환 회로를 이용하지 않고 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립할 수 있는 유압 트랜스미션을 이용한 재생 에너지형 발전 장치 및 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 재생 에너지형 발전 장치를 제공하며, 상기 장치는, 이에 한정되는 것은 아니지만,
블레이드;
상기 블레이드를 통해 수취한 상기 재생 에너지에 의해 회전하는 회전 샤프트;
상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 유압 펌프와 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유(pressurized oil)에 의해 구동되는 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션;
주파수 변환 회로를 통하지 않고 전력 계통에 연계되어, 상기 유압 모터에 의해 구동되어 생성한 전력을 상기 전력 계통에 공급하는 동기 발전기; 및
상기 재생 에너지형 발전 장치의 통상 운전시, 상기 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 상기 동기 발전기의 회전수를 유지하면서, 상기 재생 에너지의 유속에 대해 상기 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 변위 용적을 각각 조절하는 통상 운전 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 변속기 컨트롤러를 포함할 수 있다.
"재생 에너지"는, 예를 들면, 재생 에너지형 발전 장치가 풍력 터빈 발전기인 경우, 바람을 의미한다. 그 경우에서, 상기 "재생 에너지의 유속"은 풍속이다.
이 재생 에너지형 발전 장치에서는, 발전기로서, 주파수 변환 회로를 통하지 않고 전력 계통에 연계된 동기 발전기를 채용하고 있다. 따라서, 통상 운전시 가변속 운전과 전력 계통 연계의 양립을 주파수 변환 회로에 의존하지 않고 변속기 컨트롤러를 통해 실현할 수 있다. 즉, 변속기 컨트롤러가, 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기의 회전 속도를 유지하면서 재생 에너지의 유속에 대해 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 유압 펌프와 유압 모터의 변위 용적을 각각 조절함으로써, 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 변속기 컨트롤러는, 이에 한정되는 것은 아니지만,
상기 통상 운전 모드에서, 상기 재생 에너지의 유속에 따른 상기 회전 샤프트의 이상(理想) 토크에 기초하여 상기 유압 펌프의 목표 토크를 산출하는 목표 토크 산출부;
상기 통상 운전 모드에서, 상기 유압 펌프의 상기 목표 토크로부터 상기 유압 펌프의 변위 용적 요구치(DP)를 산출하는 펌프 요구치 산출부; 및
상기 유압 펌프의 변위 용적을 상기 요구치(DP)로 조절하는 펌프 제어부를 포함할 수 있다.
이에 따라, 재생 에너지의 유속, 예컨대, 풍속에 따른 이상 토크에 기초하여 유압 펌프의 목표 토크가 산출되고, 상기 목표 토크로부터 산출된 변위 용적 요구치(DP)로 유압 펌프의 변위 용적이 조절된다. 따라서, 재생 에너지의 유속에 대해 회전 샤프트의 회전수를 가변할 수 있다. 즉, 변속기 컨트롤러에 의하여, 재생 에너지형 발전 장치의 가변속 운전이 가능하게 된다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 변속기 컨트롤러는, 이에 한정되는 것은 아니지만,
상기 유압 펌프의 목표 출력(POWERP)에 기초하여 상기 유압 모터의 목표 출력(POWERM)을 산출하는 모터 목표 출력 산출부;
상기 통상 운전 모드에서, 산출된 목표 출력(POWERM)에 기초하여, 상기 동기 발전기가 상기 동기 속도로 회전하도록, 상기 유압 모터의 변위 용적 요구치(DM)를 산출하는 모터 요구치 산출부; 및
상기 유압 모터의 변위 용적을 상기 요구치(DM)로 조절하는 모터 제어부를 포함할 수 있다.
이에 따라, 산출된 목표 출력(POWERM)에 기초하여, 동기 발전기가 동기 속도로 회전하도록, 유압 모터의 변위 용적이 유압 모터의 변위 용적 요구치(DM)로 조절되므로, 동기 발전기의 회전수를 동기 속도로 유지할 수 있다. 즉, 변속기 컨트롤러에 의하여, 동기 발전기의 전력 계통에 대한 연계가 가능하게 된다.
이를 위해, 풍력 터빈 발전기(1)에서, 변속기 컨트롤러(40)는 전력 계통(50)의 주파수(예컨대, 50㎐ 또는 60㎐)에 기초한 동기 속도로 동기 발전기(20)의 회전수를 유지하도록 유압 트랜스미션(10)을 제어한다. 변속기 컨트롤러(40)의 구체적인 제어 과정들에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
상기 재생 에너지형 발전 장치는,
상기 동기 발전기의 단자 전압을 측정하는 단자 전압 검출기;
상기 동기 발전기의 계자 권선(field winding)에 계자 전류를 공급하는 여자기; 및
상기 단자 전압 검출기에 의해 측정된 단자 전압과 상기 단자 전압의 지령값의 편차에 기초하여 상기 여자기를 제어하는 여자기 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
여자기로부터 동기 발전기의 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 조절함으로써, 동기 발전기의 단자 전압을 동기 발전기의 단자 전압의 지령값에 따라 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 단자 전압을 일정하게 유지하는 이러한 제어는 자동 전압 조정기(AVR)를 사용하여 수행할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에 있어서, 상기 여자기 컨트롤러는, 상기 전력 계통과 상기 동기 발전기 사이의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 상기 계자 전류가 증가하도록, 상기 여자기를 제어할 수 있다.
송전선이나 전력 계통에서 이상 현상이 발생하면, 발전기의 단자 전압이 급격하게 저하하고, 이에 따라, 발전기의 전기 출력(유효 전력)도 즉시 저하한다. 따라서, 유압 모터로부터의 기계적 입력이 발전기의 전기적 출력에 대해 과잉되어, 동기 발전기의 회전자를 가속되게 한다. 이는 동기 발전기의 탈조(step out)를 초래할 수 있다. 그래서, 송전선 또는 전력 계통의 이상 현상 발생으로 인해 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 계자 전류를 증가시킴으로써, 발전기 내부의 유기 전압이 커지고, 발전기의 전기적 출력이 상승하게 한다. 따라서, 동기 발전기의 동기화력이 커지고, 이상 현상 발생 후 동기 발전기의 제 1 파 동요가 억제된다. 그 결과, 과도 안정도가 향상된다. 이러한 방식으로, 동기 발전기의 탈조가 방지된다.
또한, 이와 같이 과도 안정도를 향상시키기 위한 여자기의 제어는, 사이리스터(thyristor) 여자 시스템과 같이, 응답 속도가 매우 빠른 여자 시스템인 초속응 여자 시스템에 의해 적절하게 실현될 수 있다.
이상 현상의 발생으로 인해 단자 전압이 저하한 직후 계자 전류를 증가시키는 경우에, 상기 여자기에 의해 상기 계자 전류를 증가시킨 후, 상기 여자기 컨트롤러는 상기 동기 발전기의 내부 위상각 증가시 상기 계자 전류가 증가하고 상기 동기 발전기의 내부 위상각 감소시 상기 계자 전류가 감소하도록 상기 여자기를 제어할 수 있다.
이상 현상으로 인해 단자 전압이 저하한 직후 계자 전류를 증가시키면, 전술한 바와 같이 동기 발전기의 제 1 파 동요가 억제되어 과도 안정도가 향상된다. 그러나, 응답성이 좋기 때문에 오히려 제 1 파 동요 이후에 정상 상태 안정성을 해칠 우려가 있다.
그래서, 내부 위상각 증가시 계자 전류를 증가시키고 내부 위상각 감소시 계자 전류를 감소시킴으로써, 동기 발전기의 동요를 신속하게 억제하고 정상 상태 안정성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 정상 상태 안정성을 향상시키기 위한 여자기의 제어는 전력 계통 안정화 장치(PSS: Power System Stabilizer)에 의해 적절하게 실현될 수 있다.
또한, 상기 변속기 컨트롤러는, 상기 전력 계통과 상기 동기 발전기 사이의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하하였을 때, 상기 유압 모터에 의해 상기 동기 발전기로 입력되는 토크와 상기 동기 발전기의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록, 상기 유압 모터의 변위 용적을 조절하는 이상 현상 대응 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어할 수 있다.
이상 현상이 발생하면, 이상 현상 발생과 거의 동시에 발전기의 단자 전압과 동기 발전기의 전기 출력이 저하된다. 따라서, 동기 발전기의 탈조를 방지하기 위해 이상 현상에 대한 매우 신속한 대응이 필요하다. 이러한 시점에서, 유압 모터를 통상 운전 모드로 제어하면, 발전기 토크의 급격한 변화에 대응하여 유압 모터의 토크를 충분히 조절할 수 없다. 이에 따라, 발전기의 토크와 유압 모터의 토크 사이에 불균형이 발생하고, 동기 발전기의 내부 위상각이 크게 변동하게 된다. 따라서, 이상 현상 대응 모드에서는 발전기의 토크와 유압 모터의 토크 사이의 편차가 작아지도록 유압 모터의 변위 용적을 조절한다. 이에 따라, 발전기 토크의 급격한 변화를 유압 모터 토크가 추종할 수 있음으로써, 동기 발전기의 내부 위상각의 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
이상 현상 대응 모드에서 발전기 토크의 변화에 대해 유압 모터 토크를 추종시키는 경우, 상기 변속기 컨트롤러는,
상기 이상 현상 대응 모드에서, 상기 동기 발전기에 의해 발생된 전력에 기초하여 상기 유압 모터의 변위 용적의 요구치(DM)를 산출하는 모터 요구치 산출부; 및
상기 유압 모터의 변위 용적을 상기 요구치(DM)로 조절하는 모터 제어부를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 동기 발전기에 의해 발생된 전력(전기 출력)에 기초한 요구치(DM)로 유압 모터의 변위 용적을 조절함으로써, 이상 현상 발생 후 동기 발전기에 의해 발생된 전력의 변동에 추종하여 유압 모터의 변위 용적을 변화시켜 발전기 토크와 유압 모터 토크 사이의 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
이상 현상 대응 모드에서, 동기 발전기에 의해 발생된 전력에 기초하여 산출된 요구치(DM)로 유압 모터의 변위 용적을 조절하는 경우, 상기 재생 에너지형 발전 장치는 상기 블레이드의 피치 각을 조절하는 피치 구동 기구를 더 포함할 수 있으며, 상기 피치 구동 기구는 상기 송전선 또는 상기 전력 계통에서 이상 현상 발생시 상기 블레이드의 피치 각을 페더링 위치(feathering position) 측으로 변화시킬 수 있다.
이상 현상 발생시, 동기 발전기의 단자 전압이 통상 운전시에 비해 저하하기 때문에, 동기 발전기의 전기 출력(동기 발전기에 의해 발생된 전력)도 통상 운전시에 비해 작다. 따라서, 동기 발전기에 의해 발생된 전력에 기초하여 산출된 요구치(DM)로 유압 모터의 변위 용적을 조절하면, 유압 모터의 출력이 저하되고, 유압 펌프의 출력이 과다하게 된다. 따라서, 블레이드의 피치 각을 피치 구동 기구에 의해 페더링 위치 측으로 변화시킴으로써, 유압 펌프의 가속을 억제하면서 유압 모터의 출력 저하에 따라 유압 펌프의 출력을 제한할 수 있다.
이상 현상 발생시, 블레이드의 피치 각을 페더링 위치 측으로 변화시키는 경우, 상기 이상 현상으로부터의 복구 개시 후, 상기 피치 구동 기구는 상기 블레이드의 피치 각을 최적 위치(fine position) 측으로 변화시키고, 상기 모터 요구치 산출부는 상기 동기 발전기에 의해 발전되는 전력이 증가하도록 상기 유압 모터의 변위 용적의 요구치(DM)를 증가시킨다.
이에 따라, 이상 현상으로부터의 복구 개시 후, 유압 모터의 변위 용적을 증대시켜 발전량을 늘릴 수 있다.
상기 이상 현상은, 예를 들면, 상기 전력 계통의 전압이 전력 계통 연계 규정(grid code)에 정해진 소정 전압 이하로 저하되는 상태일 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치에서, 상기 여자기 컨트롤러는 상기 여자기의 고정 계자를 여자하는 사이리스터를 포함할 수 있고, 상기 여자기는 상기 사이리스터에 의해 여자되는 상기 고정 계자 및 상기 동기 발전기의 샤프트와 함께 회전하는 회전 전기자를 포함하고, 상기 회전 전기자로부터 회전 정류기를 통해 상기 동기 발전기의 상기 계자 권선에 DC 계자 전류를 공급하는 AC 여자기일 수 있다.
이러한 방식으로, AC 여자기의 회전 전기자로부터의 AC 전류를 회전 정류기로 정류하여 동기 발전기의 계자 권선에 공급하게 된다. 이에 따라, 브러시의 구성을 실현할 수 있고, 브러시의 유지 보수(브러시의 정기적 교환)가 불필요하게 된다. 풍력 터빈 발전기는 일반적으로 산악 지역이나 해상 등의 오지에 설치되는 경우가 많기 때문에, 브러시의 유지 보수(브러시의 정기적 교환)가 필요하지 않다는 것은 운영비의 저감에 크게 기여한다.
또한, 상기 재생 에너지형 발전 장치는 상기 동기 발전기와 동축(同軸)상에 설치된 영구 자석 발전기(PMG)를 포함하는 보조 여자기를 더 포함할 수 있으며, 상기 여자기 컨트롤러의 상기 사이리스터는 상기 보조 여자기를 전원으로 이용하여 상기 여자기의 고정 계자를 여자할 수 있다.
이러한 방식으로, 동기 발전기와 동축상에 설치된 영구 자석 발전기를 여자기 컨트롤러의 사이리스터의 전원으로 이용함으로써, 동기 발전기를 전력 계통에 연계하기 전에도 외부 전원을 필요로 하지 않고 동기 발전기를 여자할 수 있다. 이는 일반적으로 외부 전원으로부터 전력을 얻기 어려운 풍력 터빈 발전기에 있어서 매우 유리하다.
또한, 상기 발전 장치는 재생 에너지로서의 바람으로부터 전력을 생산하는 풍력 터빈 발전기일 수 있다.
본 발명은, 블레이드를 통해 수취한 재생 에너지에 의해 회전하는 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 유압 펌프와 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션; 및 주파수 변환 회로를 통하지 않고 전력 계통에 연계되어, 상기 유압 모터에 의해 구동되어 생성한 전력을 상기 전력 계통에 공급하는 동기 발전기를 포함한 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법을 제공하며, 상기 운전 방법은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 발전 장치의 통상 운전시, 상기 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 상기 동기 발전기의 회전수를 유지하면서, 상기 재생 에너지의 유속에 대해 상기 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 변위 용적을 각각 조절하는 통상 운전 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법에 따르면, 발전 장치의 통상 운전시 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기의 회전 속도를 유지하면서 재생 에너지의 유속에 대해 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 유압 펌프와 유압 모터의 변위 용적이 각각 조절된다. 따라서, 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립할 수 있다.
상기 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법은,
상기 전력 계통과 상기 동기 발전기 사이의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 상기 동기 발전기의 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
송전선이나 전력 계통에서 이상 현상이 발생하면, 발전기의 단자 전압이 급격하게 저하하고, 이에 따라, 발전기의 전기 출력(유효 전력)도 즉시 저하한다. 따라서, 유압 모터로부터의 기계적 입력이 발전기의 전기적 출력에 대해 과잉되어, 동기 발전기의 회전자를 가속되게 한다. 이는 동기 발전기의 탈조를 초래할 수 있다. 그래서, 송전선 또는 전력 계통의 이상 현상 발생으로 인해 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 계자 전류를 증가시킴으로써, 발전기 내부의 유기 전압이 커지고, 발전기의 전기적 출력이 상승하게 한다. 따라서, 동기 발전기의 동기화력이 커지고, 이상 현상 발생 후 동기 발전기의 제 1 파 동요가 억제된다. 그 결과, 과도 안정도가 향상된다. 이러한 방식으로, 동기 발전기의 탈조가 방지된다.
상기 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법은,
상기 전력 계통과 상기 동기 발전기 사이의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하하였을 때, 상기 유압 모터에 의해 상기 동기 발전기로 입력되는 토크와 상기 동기 발전기의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록, 상기 유압 모터의 변위 용적을 조절하는 이상 현상 대응 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상 현상이 발생하면, 이상 현상 발생과 거의 동시에 발전기의 단자 전압과 동기 발전기의 전기 출력이 저하된다. 따라서, 동기 발전기의 탈조를 방지하기 위해 이상 현상에 대한 매우 신속한 대응이 필요하다. 이러한 시점에서, 유압 모터를 통상 운전 모드로 제어하면, 발전기 토크의 급격한 변화에 대응하여 유압 모터의 토크를 충분히 조절할 수 없다. 이에 따라, 발전기의 토크와 유압 모터의 토크 사이에 불균형이 발생하고, 동기 발전기의 내부 위상각이 크게 변동하게 된다. 따라서, 이상 현상 대응 모드에서는 발전기의 토크와 유압 모터의 토크 사이의 편차가 작아지도록 유압 모터의 변위 용적을 조절한다. 이에 따라, 발전기 토크의 급격한 변화를 유압 모터 토크가 추종할 수 있음으로써, 동기 발전기의 내부 위상각의 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기의 회전수를 유지하면서 재생 에너지의 유속에 대해 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 유압 펌프와 유압 모터의 변위 용적이 각각 조절된다. 따라서, 주파수 변환 회로를 이용하지 않고 가변속 운전과 전력 계통 연계를 양립할 수 있다.
도 1은 풍력 터빈 발전기의 예시적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션과 변속기 컨트롤러의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 유압 펌프의 구체적인 예시적 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 유압 모터의 구체적인 예시적 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 동기 발전기에서 전력 계통 사이의 송전선의 예시적 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 변속기 컨트롤러에서 유압 펌프의 변위 용적을 산출하는 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 로터 회전수(Wr)를 가로축으로 하고 로터 토크(T)를 세로축으로 하여 Cp 최대 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 8은 변속기 컨트롤러에서 유압 모터의 변위 용적을 산출하는 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 단락 사고 발생 전후의 유효 전력(Pe)과 내부 위상각(A)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 전력 계통이나 송전선에 이상 현상이 발생하였을 때 각종 파라미터의 경시 변화의 예를 나타내는 그래프이다.
도 11은 전력 계통이나 송전선에 이상 현상이 발생하였을 때 각종 파라미터의 경시 변화의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 12a는 기존의 풍력 터빈 발전기의 예를 나타내는 도면이다.
도 12b는 기존의 풍력 터빈 발전기의 예를 나타내는 도면이다.
도 12c는 기존의 풍력 터빈 발전기의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 그러나, 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 특정하여 언급하지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 취지가 아니라 단순한 예시에 불과한 것으로 해석되어야 한다.
이하, 예시적 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명했지만, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.
다음의 실시예에서는 재생 에너지형 발전 장치의 예로서 풍력 터빈 발전기에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명은 이 예에 한정되지 않고, 조류 발전기, 해류 발전기, 하류 발전기 등 다른 유형의 재생 에너지형 발전 장치에도 적용될 수 있다.
[풍력 터빈 발전기의 구성]
도 1은 풍력 터빈 발전기의 예시적 구성을 나타내는 개략도이다. 도 2는 풍력 터빈 발전기의 유압 트랜스미션과 변속기 컨트롤러의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은 유압 펌프의 구체적인 예시적 구성을 나타내는 도면이다. 도 4는 유압 모터의 구체적인 예시적 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 터빈 발전기(1)는 주로 바람에 의해 회전하는 로터(2), 로터(2)의 회전수를 증속하는 유압 트랜스미션(10), 전력 계통에 연계된 동기 발전기(20), 유압 트랜스미션(10)을 제어하는 변속기 컨트롤러(40)(도 2 참조), 및 압력 센서(31) 및 회전수 센서(32, 36)를 포함한 각종 센서들을 포함한다.
유압 트랜스미션(10)과 동기 발전기(20)는 나셀(22) 또는 상기 나셀(22)을 지지하는 타워(24) 내부에 수납될 수 있다. 도 1은 타워(24)가 지상에 입설(立說)된 육상 풍력 터빈 발전기를 도시하고 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 풍력 터빈 발전기(1)는 해상을 포함한 모든 장소에 설치될 수 있다.
로터(2)는 블레이드(4)가 설치된 허브(6)에 회전 샤프트(8)가 연결된 구성을 갖는다. 즉, 3개의 블레이드(4)가 허브(6)를 중심으로 방사형으로 연장되어 있으며, 각 블레이드(4)는 회전 샤프트(8)와 연결된 허브(6)에 설치되어 있다. 이는 블레이드(4)에 작용하는 바람의 힘에 의해 로터(2) 전체가 회전하게 하고, 로터(2)의 회전이 회전 샤프트(8)를 통해 유압 트랜스미션(10)에 입력되도록 한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 블레이드(4)에는 블레이드(4)의 피치 각을 조절하기 위한 액츄에이터(피치 구동 기구)(5)가 부착되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유압 트랜스미션(10)은, 회전 샤프트(8)에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프(12), 동기 발전기(20)에 출력 샤프트(15)가 연결된 가변 용량형 유압 모터(14), 및 유압 펌프(12)와 유압 모터(14) 사이에 설치된 고압유 라인(16) 및 저압유 라인(18)을 포함한다.
고압유 라인(16)은 유압 펌프(12)의 토출측을 유압 모터(14)의 흡입측에 접속한다. 저압유 라인(18)은 유압 펌프(12) 흡입측을 유압 모터(14)의 토출측에 접속한다. 유압 펌프(12)로부터 토출된 작동유(고압유)는 고압유 라인(16)을 통해 유압 모터(14)로 유입된다. 유압 모터(14)에 작업을 행한 작동유는 저압유 라인(18)을 통해 유압 펌프(12)로 유입되며, 유압 펌프(12)에 의해 승압된 후 다시 유압 모터(14)를 구동하기 위해 유압 모터(14)로 유입된다.
도 2는 유압 트랜스미션(10)이 유압 모터(14)를 1개만 포함한 예시적 실시예를 도시하고 있다. 그러나, 복수의 유압 모터(14)를 마련하여 각각의 유압 모터(14)를 유압 펌프(12)에 연결할 수도 있다.
하기한 바와 같이, 일 실시예에서, 유압 펌프(12)와 유압 모터(14)는 도 3 및 4에 나타낸 구체적인 구성을 가질 수 있다.
유압 펌프(12)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 실린더(80)와 피스톤(82)에 의해 각각 형성되는 복수의 작동실(83), 피스톤(82)에 계합하는 캠 곡면을 가진 링 캠(84), 및 각 작동실(83)에 대해 설치되는 고압 밸브(86)와 저압 밸브(88)를 포함할 수 있다. 고압 밸브(86)는 각 작동실(83)과 고압유 라인(16) 사이의 고압 연통로(87)에 설치되어 있다. 저압 밸브(88)는 각 작동실(83)과 저압유 라인(18) 사이의 저압 연통로(89)에 설치되어 있다.
유압 펌프(12)의 운전시, 회전 샤프트(8)와 함께 링 캠(84)이 회전하면, 캠 곡면을 따라 피스톤(82)이 주기적으로 상하로 운동하며, 피스톤(82)이 하사점에서 시작하여 상사점에 도달하는 펌프 공정과 피스톤(82)이 상사점에서 시작하여 하사점에 도달하는 흡입 공정이 반복된다. 따라서, 피스톤(82)과 실린더(80)의 내벽면에 의해 형성되는 각 작동실(83)의 용적이 주기적으로 변화한다.
유압 펌프(12)는 고압 밸브(86) 및 저압 밸브(88)를 개폐 제어하여 활성 상태 또는 유휴 상태로 각 작동실(83)의 운전 모드를 선택할 수 있다. 작동실(83)이 활성 상태로 선택된 경우, 흡입 공정에서는 고압 밸브(86)는 폐쇄되고 저압 밸브(88)는 개방되어 작동유를 작동실(83)로 유입시키는 반면, 펌프 공정에서는 고압 밸브(86)는 개방되고 저압 밸브(88)는 폐쇄되어 작동실(83)로부터 고압유 라인(16)으로 압유가 송출된다. 한편, 작동실(83)이 유휴 상태로 선택된 경우, 흡입 공정과 펌프 공정 모두에서 고압 밸브(86)는 폐쇄되고 저압 밸브(88)는 개방된 상태를 유지하여, 작동실(83)과 저압유 라인(18) 사이에서 작동유가 왕복하게 된다(즉, 고압유 라인(16)으로는 압유가 송출되지 않는다). 따라서, 전체 작동실(83)의 갯수에 대한 활성 상태의 작동실(83)의 갯수의 비율을 변화시킴으로써, 유압 펌프(12)의 전반적인 변위 용적을 조절할 수 있다. 유압 펌프(12)의 전반적인 변위 용적의 조절은 후술하는 변속기 컨트롤러(40)에 의해 실시된다.
유압 모터(14)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(90)와 피스톤(92)에 의해 각각 형성되는 복수의 작동실(93), 피스톤(92)에 계합하는 캠 곡면을 가진 편심 캠(94), 및 각 작동실(93)에 대해 설치되는 고압 밸브(96)와 저압 밸브(98)를 포함할 수 있다. 고압 밸브(96)는 각 작동실(93)과 고압유 라인(16) 사이의 고압 연통로(97)에 설치되어 있다. 저압 밸브(98)는 각 작동실(93)과 저압유 라인(18) 사이의 저압 연통로(99)에 설치되어 있다.
유압 모터(14)의 운전시, 피스톤(92)이 주기적으로 상하로 운동하며, 피스톤(92)이 상사점에서 시작하여 하사점에 도달하는 모터 공정과 피스톤(92)이 하사점에서 시작하여 상사점에 도달하는 배출 공정이 반복된다. 유압 모터(14)의 운전시, 피스톤(92)과 실린더(90)의 내벽면에 의해 형성되는 각 작동실(93)의 용적이 주기적으로 변화한다.
유압 모터(14)는 고압 밸브(96) 및 저압 밸브(98)를 개폐 제어하여 활성 상태 또는 유휴 상태로 각 작동실(93)의 운전 모드를 선택할 수 있다. 작동실(93)이 활성 상태로 선택된 경우, 모터 공정에서는 고압 밸브(96)는 개방되고 저압 밸브(98)는 폐쇄되어 작동유를 고압유 라인(16)으로부터 작동실(93)로 유입시키는 반면, 배출 공정에서는 고압 밸브(96)는 폐쇄되고 저압 밸브(98)는 개방되어 작동실(93)로부터 저압유 라인(18)으로 압유가 송출된다. 한편, 작동실(93)이 유휴 상태로 선택된 경우, 모터 공정과 펌프 공정 모두에서 고압 밸브(96)는 폐쇄되고 저압 밸브(98)는 개방된 상태를 유지하여, 작동실(93)과 저압유 라인(18) 사이에서 작동유가 왕복하게 된다(즉, 고압유 라인(16)으로부터 작동실(93)로는 압유가 송출되지 않는다). 유압 펌프(12)와 마찬가지로, 전체 작동실(93)의 갯수에 대한 활성 상태의 작동실(93)의 갯수의 비율을 변화시킴으로써, 유압 모터(14)의 전반적인 변위 용적을 조절할 수 있다. 유압 모터(14)의 전반적인 변위 용적의 조절은 후술하는 변속기 컨트롤러(40)에 의해 실시된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고압유 라인(16)에는 어큐뮬레이터(accumulator, 64)가 연결되어 있다. 고압유 라인(16)과 어큐뮬레이터(64) 사이에는 솔레노이드 밸브(66)가 구비될 수 있다. 솔레노이드 밸브(66)의 개폐에 의해, 어큐뮬레이터(64)가 고압유 라인(16)에 연통하거나 고압유 라인(16)으로부터 분리된다. 예를 들어, 고압유 라인(16)에 작동유가 과다한 경우, 솔레노이드 밸브(66)를 개방하여 어큐뮬레이터(64)의 작동유를 흡수한 후, 솔레노이드 밸브(66)를 폐쇄하면 과다한 작동유를 어큐뮬레이터(64)에 저장할 수 있다. 이 경우, 솔레노이드 밸브(66)를 다시 개방하여 어큐뮬레이터(64)에 저장된 작동유를 고압유 라인(16)으로 방출할 수도 있다. 또한, 솔레노이드 밸브(66)가 없는 운용도 가능하다.
어큐뮬레이터(64)의 압력은 압력 센서(68)에 의해 취득될 수 있다.
고압유 라인(16)과 저압유 라인(18) 사이에는 유압 모터(14)를 우회하는 바이패스 유로(60)가 설치되어 있으며, 바이패스 유로(60)에는 고압유 라인(16)의 유압을 설정 압력 이하로 유지하는 릴리프 밸브(62)가 설치되어 있다. 이에 따라, 고압유 라인(16)의 압력이 릴리프 밸브(62)의 설정 압력까지 상승하면, 릴리프 밸브(62)는 자동으로 개방되어 바이패스 유로(60)를 통해 저압유 라인(18)으로 고압유가 배출될 수 있도록 한다.
또한, 유압 트랜스미션(10)은 오일 탱크(70), 보충 라인(72), 부스트 펌프(74), 오일 필터(76), 반송 라인(78), 및 저압 릴리프 밸브(79)를 갖는다.
오일 탱크(70)는 보충용 작동유를 저장하고 있다. 보충 라인(72)은 오일 탱크(70)를 저압유 라인(18)에 연결하고 있다. 부스트 펌프(74)는 보충 라인(72)에 설치되어, 오일 탱크(70)로부터 저압유 라인(18)으로 보충용 작동유를 보충하도록 되어 있다.
반송 라인(78)은 오일 탱크(70)와 저압유 라인(18) 사이에 배치되어 있다. 저압 릴리프 밸브(79)는 반송 라인(78)에 설치되어 있으며, 저압유 라인(18)의 압력을 설정 압력과 같거나 그 이하로 유지하도록 되어 있다. 이에 의해, 부스트 펌프(74)에서 보충용 작동유를 저압유 라인(18)에 공급하여도, 저압유 라인(18)의 압력이 저압 릴리프 밸브(79)의 설정 압력에 도달하면, 저압 릴리프 밸브(79)가 자동으로 개방되어 반송 라인(78)을 통해 오일 탱크(70)로 작동유를 배출할 수 있다.
풍력 터빈 발전기(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전수 센서(32, 36)와 압력 센서(31)를 포함하여 각종 센서를 갖는다. 회전수 센서(32, 36)는 각각 회전 샤프트(8)의 회전수와 유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)의 회전수를 측정한다. 압력 센서(31)는 고압유 라인(16)의 압력을 측정한다. 또한, 나셀(22) 외부에 설치되어 풍속을 측정하는 풍속계(33)와 풍력 터빈 발전기(1) 주위의 대기 온도를 측정하는 온도 센서(34)가 설치될 수도 있다. 이러한 각종 센서의 측정 결과는 변속기 컨트롤러(40)로 송출되어, 유압 펌프(12) 및 유압 모터(14) 제어를 위해 사용될 수 있다.
유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)에는 동기 발전기(20)가 연결되어 있다. 동기 발전기(20)는 도 12b 및 도 12c의 주파수 변환 회로(530, 550)와 같은 주파수 변환 회로를 사용하지 않고 전력 계통에 연계되어 있다. 이를 위해, 풍력 터빈 발전기(1)에서는, 변속기 컨트롤러(40)가 유압 트랜스미션(10)을 제어하여 전력 계통(50)의 주파수(예를 들면, 50㎐ 또는 60㎐)에 기초한 동기 속도로 동기 발전기(20)의 회전수를 유지하고 있다. 또한, 변속기 컨트롤러(40)의 구체적인 제어 방법에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
도 5는 동기 발전기(20)와 전력 계통(50) 사이의 송전선의 예시적 구성을 나타내고 있다. 이 도면에서와 같이, 동기 발전기(20)는 승압 변압기(51)를 통해 모선(bus)(52)에 연결되어 있다. 이 모선(52)은 송전선(54)에 의해 전력 계통(50)에 연결되어 있다. 송전선(54)은 변전소 변압기(55) 및 회선(56A, 56B)을 포함하고 있다. 각 회선(56A, 56B)에는 각각 차단기(57, 58)가 설치되어 있다. 전력 계통(50)과 송전선(54)에 이상이 없으면, 차단기(57, 58)는 모두 폐쇄되어 있으며, 동기 발전기(20)에서 발생된 전력이 송전선(54)을 통해 전력 계통(50)으로 화살표 방향으로 송전된다.
또한, 동기 발전기(20)는 유압 모터(14) 및 출력 샤프트(15)와 함께 회전하는 계자 권선(21)과, 승압 변압기(51)가 연결되는 고정 전기자(미도시)를 포함한다. 계자 권선(21)에는 여자기(100)로부터 DC 자계 전류가 공급되도록 되어 있다.
계자 권선(21)에 공급되는 전류 자계의 크기를 제어하기 위한 여자기 컨트롤러(110)가 마련된다. 동기 발전기(20)의 단자 전압을 검출하기 위한 단자 전압 검출기(59)(계기용 변압기: Potential Transformer)가 마련된다. 검출된 동기 발전기(20)의 단자 전압에 기초하여, 여자기 컨트롤러(110)는 해당 단자 전압이 설정치(지령값)가 되도록 여자기(100)를 제어할 수 있다.
여자기(100)의 구체적인 구성으로서, 여자기(100)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 AC 여자기일 수 있다. 즉, 여자기(100)는 회전 전기자(미도시)와 계자 권선(고정자)(102)으로 구성된 AC 발전기일 수 있다.
이 경우, 여자기(100)는 유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)에 직접 연결된 AC 여자기이며, 여자기(100)의 회전 전기자로부터 출력되는 AC 전류를 정류기(회전 정류기)(103)에 의해 DC 전류로 변환한 후 이를 계자 전류로서 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)에 공급한다. 계자 권선(21), 여자기(100)의 전기자, 및 정류기(103)는 유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)와 함께 회전한다. 이러한 방식으로, AC 여자기(100)의 회전 전기자로부터의 AC 전류를 정류기(회전 정류기)(103)에서 정류하여 회전자인 계자 권선(21)에 공급한다. 이에 따라, 더 이상 브러시를 구비할 필요가 없으며, 브러시의 유지 보수(브러시의 정기적 교환)가 불필요하게 된다. 풍력 터빈 발전기는 일반적으로 산악 지역이나 해상 같은 오지에 설치되는 경우가 많기 때문에, 브러시의 유지 보수(브러시의 정기적 교환)가 필요하지 않다는 것은 운영비의 저감에 크게 기여한다.
도 5에 도시된 예에서는, 여자기 컨트롤러(110)가 여자기(100)의 계자 권선(102)에 공급되는 계자 전류의 크기를 변화시킴으로써, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)으로 흐르는 계자 전류의 크기를 조절하도록 되어 있다.
이 경우, 여자기 컨트롤러(110)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 전압 설정기(112), 비교 회로(113), 자동 전압 조정기(AVR: Automatic Voltage Regulator)(114), 및 사이리스터(116)로 구성될 수 있다. 전압 설정기(112)는 단자 전압의 설정치를 비교 회로(113)에 출력한다. 비교 회로(113)에서는 단자 전압 검출기(59)에 의해 검출된 동기 발전기(20)의 단자 전압의 측정값과 전압 설정기(112)로부터 입력된 설정치를 비교하여 양자의 편차를 AVR(114)에 출력한다. AVR(114)에서는, 비교 회로(113)로부터 출력된 상기 편차에 기초하여, 사이리스터(116)에 게이트 신호를 공급한다. 사이리스터(116)는 여자기(100)의 계자 권선(102)과, 유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)에 직접 연결된 영구 자석 발전기(PMG: Permanent Magnetic Generator)(106)으로 구성된 보조 여자기 사이에 설치되어 있다. 사이리스터(116)는 영구 자석 발전기(보조 여자기)를 전원으로서 이용하고, 여자기(100)의 계자 권선(고정 계자)(102)을 여자한다.
이러한 방식으로, 유압 모터(14)의 출력 샤프트(15)에 직접 연결되어 동기 발전기(20)와 동축상에 설치된 PMG(106)를 사이리스터(116)의 전원으로 이용함으로써, 동기 발전기(20)를 전력 계통(50)에 연계하기 전에도 외부 전원을 필요로 하지 않고 동기 발전기(20)를 여자할 수 있다. 이는 일반적으로 외부 전원으로부터 전력을 얻기 어려운 풍력 터빈 발전기에 있어서 매우 유리하다.
동기 발전기(20)의 정상 상태 안정성을 향상시키는 관점에서, 여자기 컨트롤러(110)에는 도 5에 도시된 바와 같이 전력 계통 안정화 장치(PSS: Power System Stabilizer)가 마련될 수 있다. PSS(118)는 동기 발전기(20)에서 발생된 유효 전력(Pe)에 기초하여 비교 회로(113)의 비교 결과를 보정할 수 있다. 또한, PSS(118)는 주로 하기된 이상 현상 대응 모드에서 발전기 동요를 억제하는 기능을 한다. 또한, 유효 전력(Pe)은 동기 발전기(20)의 고정 전기자로부터 출력되는 전류 및 전압의 측정값으로 산출 가능하다.
(통상 운전 모드에서 풍력 터빈 발전기의 운전 제어)
상기 구성의 풍력 터빈 발전기(1)는 전력 계통(50)이나 송전선(54)의 선간 단락, 단선, (송전선이 지면에 접촉하는) 지락 등의 이상 현상이 전혀 없는 통상 운전시에는 이하에 설명하는 통상 운전 모드로 유압 트랜스미션(10)을 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 변속기 컨트롤러(40)는 이상 토크 산출부(41), 목표 토크 산출부(42), 펌프 요구치 산출부(43), 펌프 제어부(44), 펌프 목표 출력 산출부(45), 모터 목표 출력 산출부(46), 모터 요구치 산출부(47), 모터 제어부(48) 및 기억부(49)를 포함한다.
통상 운전 모드에서, 변속기 컨트롤러(40)는 전력 계통(50)의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기(20)의 회전수를 유지하면서, 풍속에 대해 회전 샤프트(8)의 회전수가 가변되도록 유압 트랜스미션(10)을 제어한다. 이에 따라, 주파수 변환 회로를 통하지 않고 동기 발전기(20)를 전력 계통(50)에 연계시킴과 동시에, 풍속에 따른 회전수로 로터(2)를 회전시킴으로써 풍력 터빈 발전기(1)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 통상 운전 모드에서 변속기 컨트롤러(40)의 각 부의 기능에 대해 설명한다. 변속기 컨트롤러(40)의 역할은 유압 펌프(12)의 제어와 유압 모터(14)의 제어로 대별된다. 따라서, 유압 펌프(12)의 변위 용적을 조절하는 제어에 대해 먼저 설명한 후, 유압 모터(14)의 변위 용적을 조절하는 제어에 대해 자세히 설명한다.
도 6은 변속기 컨트롤러(40)에서 유압 펌프(12)의 변위 용적을 산출하는 신호 흐름을 나타내는 도면이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 이상 토크 산출부(41)는 회전수 센서(32)에 의해 검출된 회전 샤프트(8)의 회전수(Wr)를 수취하고, 이 회전수(Wr)로부터 유압 펌프(12)의 이상 토크(Ti)를 결정한다. 예를 들어, 이상 토크 산출부(41)는 미리 설정된 Wr-Ti 함수(회전수(Wr)와 이상 토크(Ti)의 함수)를 기억 부(49)(도 2 참조)에서 독출(讀出)하고, 상기 Wr-Ti 함수로부터 회전수(Wr)에 대응하는 이상 토크(Ti)를 구한다.
여기서, 기억부(49)에 기억된 Wr-Ti 함수의 예에 대해 설명한다.
도 7은 로터 회전수(Wr)를 가로축으로 하고 로터 토크(T)를 세로축으로 하여 Cp 최대 곡선을 나타낸 그래프이다. Cp 최대 곡선(300)은 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 좌표(Wr, T)들을 연결한 곡선이다. Cp 최대 곡선(300)은 다양한 풍속(예컨대, 풍속 V0 내지 V5)에 대해 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 좌표(Z1 내지 Z5)들을 통과하는 곡선이다.
기억부(49)에 기억되는 Wr-Ti 함수는 도 7의 굵은 선으로 표시한 바와 같이 운전점(a)과 운전점(b)의 범위에서는 Cp 최대 곡선(300)으로 규정되고, 운전점(b)과 운전점(c)의 범위에서는 직선으로 규정되는 함수(310)일 수 있다. 상기 함수(310)는 로터 회전수가 정격 회전수(Wrated)에서 일정하게 되는 직선이다. 운전점(a)에 대응하는 풍속(V0)은 컷-인(cut-in) 풍속이며, 운전점(c)에 대응하는 풍속(V4)이 정격 출력에 도달하는 풍속(정격 풍속)이다. 함수(310)로부터 이상 토크(Ti)를 결정하려면, 회전수 센서(32)에 의해 검출된 회전 샤프트(8)의 회전수(Wr)에 대응하는 로터 토크를 함수(310)로부터 구하면 된다.
함수(310)를 사용함으로써, 컷-인 풍속(V0) 내지 풍속(V3)의 풍속 영역에서, 초기 회전수(W0) 내지 정격 회전수(Wrated) 범위의 풍속에 따라 유압 펌프(12)의 회전수(로터 회전수)(Wr)를 조절하여, 파워 계수(Cp)가 최대가 되는 조건에서 풍력 터빈 발전기가 운전할 수 있다. 즉, 초기 회전수(W0) 내지 정격 회전수(Wrated)의 가변속 범위에서, 풍력 터빈 발전기가 최대의 효율로 운전할 수 있다. 또한, 풍속(V3) 내지 정격 풍속(V4)의 풍속 영역에서는 유압 펌프(12)의 회전수(Wr)가 정격 회전수(Wrated)로 유지된다. 또한, 정격 풍속(V4) 내지 컷-아웃(cut-out) 풍속의 높은 풍속 영역에서는 액츄에이터(피치 구동 기구)(5)에 의해 블레이드(4)의 피치가 조절되어 정격 출력으로 유지된다.
이렇게 얻은 유압 펌프(12)의 이상 토크(Ti)를 목표 토크 산출부(42)에서 수정하여 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td)를 구한다.
목표 토크 산출부(42)는 이상 토크(Ti)에 배율(scale factor)(M)을 곱하여 조정(調整) 이상 토크(MTi)를 산출한다. 배율(M)은 0 내지 1 범위 내의 임의의 값일 수 있으며, 바람직하게는, 0.9 내지 1 사이의 값이다. 배율(M)을 곱하면, 유압 펌프(12)의 실제 토크는 이상 토크(Ti)보다 약간 낮아지게 되며, 이에 따라, 돌풍시에는 로터(2)가 더 빠르게 가속할 수 있게 된다. 그 결과, 이상 토크(Ti)에 배율을 곱하지 않는 펌프 토크의 경우에 비해 더 큰 출력을 얻을 수 있다. 또한, 배율(M)을 사용하면 로터(2)는 더 완만하게 감속하게 되며, 이에 따라, 풍속 급감시에는 최적의 운전점에서 약간 벗어나 운전하게 되지만, 돌풍에 대해 추종하여 얻을 수 있는 추가 출력이 풍속 급감시 비최적 운전으로 인한 출력 손실보다 더 크다.
목표 토크 산출부(42)에 의해 구해진 목표 토크(Td)는 조정 이상 토크(MTi)와 토크 피드백 컨트롤러(201)의 출력의 차이일 수 있다. 토크 피드백 컨트롤러(201)는 현재 목표 토크와 가속 토크를 합하여 공기 역학적 토크의 추정치(Taero)를 산출하며, 가속 토크는 회전자(2)의 각가속도(ar)와 로터(2)의 회전 관성 모멘트(J)를 곱하여 구한다. 토크 피드백 컨트롤러(201)의 출력은 공기 역학적 토크의 추정치와 조정 이상 토크의 편차(Texcess)이며, 이 편차에 피드백 이득(G)을 곱하여 피드백 토크(Tfeedback)를 산출한다. 피드백 이득(G)은 0 이상의 임의의 값일 수 있으며, 피드백 이득(G)을 0으로 설정하면, 토크 피드백 컨트롤러(201)는 무효화 된다.
토크 피드백 컨트롤러(201)는 가속시 조정 이상 토크(MTi)로부터 토크를 감소시켜 목표 토크(Td)를 약간 감소시키는 동시에, 감속시 조정 이상 토크(MTi)에 토크를 추가하여 목표 토크(Td)를 약간 증대시킴으로써 로터(2)의 가속 및 감속에 응답한다. 따라서, 조정 이상 토크 제어만의 경우에 비해 바람으로부터의 입력 에너지변화에 대응하여 로터(2)를 더 빠르게 가속 및 감속시킬 수 있으며, 이에 따라, 바람으로부터 회수할 수 있는 에너지의 총량이 증가하게 된다.
목표 토크 산출부(42)에서 구한 목표 토크(Td)는 펌프 요구치 산출부(43)로 송출되어, 유압 펌프(12)의 변위 용적 요구치(DP)의 산출을 위해 사용된다. 펌프 요구치 산출부(43)는 목표 토크(Td)를 고압유 라인(16)에서 측정된 작동유의 압력(Ps)으로 나누어 유압 펌프(12)의 변위 용적 요구치(Dp)를 산출한다. 이 요구치(Dp)는, PID식 컨트롤러일 수도 있으며 그 출력값이 변위 용적의 요구치(Dp)인 압력 제한기(202)에 의해 보정될 수 있다. 압력 제한기(202)는 유압 펌프(12)의 압력을 허용 범위 내에서 유지한다. 즉, 펌프가 요구하는 작동유 이동량을 수정함으로써, 풍력 터빈 발전기의 안전 운전이 가능한 최대 수준 이하로 유지한다. 릴리프 밸브(62)를 통해 에너지를 소산(消散)시키는 것이 바람직한 일부 운전 모드에서는, 예컨대, 극도의 돌풍시에는 풍력 터빈 발전기가 정격 속도 이상으로 동작하는 것을 방지하기 위해, 압력 제한이 무효화되거나, 용도에 따라 달라질 수 있다. 펌프 요구치 산출부(43)는 고압유 라인(16)의 작동유 온도에 기초하여 유압 펌프(12)의 변위 용적 요구치(DP)를 보정할 수 있다.
또한, 펌프 요구치 산출부(43)는, 조정기(203)에 의해, 예를 들면, 풍력 발전소의 발전소 컨트롤러 및 급전 지령소 등의 외부 지령소로부터의 전력 요구 신호에 대응하여 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td)를 보정할 수 있다. 이에 의해, 외부 지령소로부터의 요구에 부합하는 발전을 행할 수 있다.
이와 같은 방식으로 얻어진 유압 펌프(12)의 변위 용적 요구치(DP)는 펌프 제어부(44)로 송출되며, 펌프 제어부(44)에 의해 유압 펌프(12)의 변위 용적이 요구치(DP)로 조절된다. 예를 들어, 펌프 제어부(44)는 고압 밸브(86) 및 저압 밸브(88)를 개폐 제어하여 전체 작동실의 갯수에 대한 활성 상태의 작동실(83)의 비율을 변화시킴으로써, 유압 펌프(12)의 변위 용적을 변위 용적 요구치(DP)로 조절할 수 있다.
도 8은 변속기 컨트롤러(40)에서 유압 모터(14)의 변위 용적을 산출하는 신호 흐름을 나타내는 도면이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 펌프 목표 출력 산출부(45)는 목표 토크 산출부(42)에서 구한 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td)에 회전수 센서(32)에서 취득한 회전 샤프트(8)의 회전수(Wr)를 곱하여, 유압 펌프(12)의 목표 출력 기준값(POWER0)을 산출한다. 또한, 펌프 목표 출력 산출부(45)에서는, 풍력 발전소의 발전소 컨트롤러 및 급전 지령소 등의 외부 지령소(210)로부터의 전력 요구 신호(Sd)에 대응하여 조정기(212)에 의해 출력 보정값(POWERC)을 산출한다. 그리고, 먼저 구한 목표 출력 기준값(POWER0)에 출력 보정값(POWERC)을 가산함으로써, 유압 펌프(12)의 목표 출력(POWERP)이 결정된다.
모터 목표 출력 산출부(46)는 1차 저역 통과 필터(전달 함수 H(s)=1/(Ts+1))를 사용하여 유압 펌프(12)의 목표 출력(POWERP)을 처리함으로써 유압 모터(14)의 목표 출력(POWERM)을 산출한다.
그리고, 모터 요구치 산출부(47)는 유압 모터(14)의 모터 목표 출력(POWERM)을 유압 센서(31)에서 측정된 작동유 압력(Ps)과 회전수 센서(36)에서 측정된 유압 모터(14)의 회전 수(Wm)로 나누어, 유압 모터(14)의 명목 요구치(Dn)를 산출한다.
이와 같은 방식으로 산출한 유압 모터(14)의 명목 요구치(Dn)는, 유압 펌프(12)에서 유압 모터(14)로 흐르는 단위 시간당 에너지를 고압유 라인(16)의 압력(Ps)과 유압 모터(14)의 회전수(Wm)로 나누어서 구한 것이다. 따라서, 유압 모터(14)의 회전수(Wm)가 너무 낮은 경우에는 명목 요구치(Dn)가 커져서 유압 모터(14)의 회전수(Wm)를 상승시킨다. 반대로, 유압 모터(14)의 회전수(Wm)가 너무 높은 경우에는 명목 요구치(Dn)가 작아져서 유압 모터(14)의 회전수(Wm)를 저하시킨다. 따라서, 유압 모터(14)의 회전수(Wm)를 일정하게, 즉, 동기 발전기(20)의 동기 속도로 유지할 수 있다.
모터 요구치 산출부(47)에서는 목표 출력(POWERM)으로부터 요구 보정값(Db)을 산출하여 명목 요구치(Dn)에 가산함으로써 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 구한다. 이 요구 보정값(Db)은, 예컨대, 고압유 라인(16)의 목표 압력(Pd)과 압력 센서(31)에서 측정된 작동유 압력(Ps)의 편차에 가변 이득(KP)을 곱하여 압력 피드백 컨트롤러(220)에 의해 구해질 수 있다.
고압유 라인(16)의 목표 압력(Pd)은 미리 설정된 모터 목표 출력과 고압유 라인(16)의 목표 압력 사이의 관계를 나타내는 함수(230)에 유압 모터의 현재 목표 출력(POWERM)을 입력하여 구할 수 있다. 함수(230)는, 적어도 부분적으로, 모터 목표 출력이 증가함에 따라 고압유 라인(16)의 목표 압력이 단조(單調)롭게 증가하는 곡선으로 규정된다. 따라서, 유압 모터의 목표 출력이 큰(즉, 유압 펌프(12)의 토출량이 많은) 경우에 비해 모터 목표 출력이 작은(즉, 유압 펌프(12)의 토출량이 적은) 경우에 고압유 라인의 목표 압력(Pd)이 더 작은 값으로 설정된다. 이에 따라, 모터 목표 출력이 작을 때 유압 펌프(12)의 토출량에 대한 작동유의 내부 누설량을 줄일 수 있으므로, 작동유의 내부 누설이 유압 트랜스미션(10)의 제어에 미치는 영향을 억제할 수 있다.
가변 이득(KP)은, 함수(232)를 이용하여, 고압유 라인(16)의 현재 압력(압력 센서에서 측정된 압력)(Ps), 고압유 라인(16)의 압력 허용 범위에서의 최대값(Pmax) 및 최소값(Pmin)에 따라 결정된다. 예를 들어, 현재 압력(Ps)이 허용 범위를 벗어난 경우(즉, Ps <Pmin 또는 Ps> Pmax)에는, 가변 이득(KP)은 최대 이득(Kmax)으로 설정되고, 현재 압력(Ps)이 허용 범위 이내인 경우(즉, Ps ≥Pmin 또는 Ps≤ Pmax)에는, 현재 압력(Ps)이 최소값(Pmin) 또는 최대값(Pmax)에 가까워질수록 가변 이득(KP)은 최대 이득(Kmax)을 향해 증가할 수 있다. 따라서, 압력(Ps)이 허용 범위를 벗어나고 있거나, 압력(Ps)이 허용 범위를 이미 벗어난 경우, 상기 압력(Ps)과 목표 압력(Pd)의 편차에 곱해지는 가변 이득(KP)을 크게(또는 가변 이득을 최대 이득(Kmax)으로 설정)함으로써, 고압유 라인(16)의 압력(Ps)이 신속하게 허용 범위 이내로 조절되며, 목표 압력(Pd)에 가까워진다.
또한, 통상 운전 모드에서는 동기 발전기(20)의 단자 전압이 여자기 컨트롤러(100)의 여자기 제어에 의해 유지된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 비교 회로(113)에서, 단자 전압 검출기(59)에서 측정된 동기 발전기(20)의 단자 전압의 측정값과 전압 설정기(112)로부터 입력된 설정치의 편차가 구해지고, 해당 편차에 기초하여, AVR(114)로부터 사이리스터(116)의 게이트 신호가 공급된다. 이에 따라, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류의 크기가 조절되고, 동기 발전기(20)의 단자 전압이 (전압 설정기(112)로부터 입력된 설정치로) 유지된다.
전압 설정기(112)로부터 입력되는 발전기의 설정치(지령값)는, 예를 들어, 전력 계통(50)에 적합한 전압이다.
이상 설명한 바와 같이, 변속기 컨트롤러(40)는, 통상 운전 모드에서, 전력 계통(50)의 주파수에 기초한 동기 속도로 동기 발전기(20)의 회전수를 유지하면서, 풍속에 대해 회전 샤프트(8)의 회전수가 가변되도록, 유압 트랜스미션(10)을 제어한다.
구체적으로, 변속기 컨트롤러(40)는 이상 토크 산출부(41)에 의해 회전 샤프트의 이상 토크(Ti)를 구하고, 상기 이상 토크(Ti)에 기초하여 목표 토크 산출부(42)에 의해 유압 펌프(12)의 목표 토크(Td)를 결정한다. 또한, 변속기 컨트롤러(40)는 펌프 요구치 산출부(43)에 의해 목표 토크(Td)로부터 유압 펌프(12)의 변위 용적 요구치(DP)를 결정하고, 펌프 제어부(44)에 의해 유압 펌프(12)의 변위 용적을 상기 요구치(DP)로 조절한다. 이러한 방식으로, 풍속에 따른 회전수로 로터(2)가 회전하여(즉, 가변속 운전을 행하고), 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 변속기 컨트롤러(40)는 유압 펌프(12)의 목표 출력(POWERP)에 기초하여 모터 목표 출력 산출부(46)에 의해 유압 모터(14)의 목표 출력(POWERM)을 산출한다. 유압 트랜스미션 컨트롤러(40)는 모터 요구치 산출부(47)에 의해 동기 발전기(20)가 전력 계통(50)의 주파수에 대응하는 동기 속도로 회전하도록 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 결정하고, 모터 제어부(48)에 의해 유압 모터(14)의 변위 용적을 상기 변위 용적 요구치(DM)로 조절한다. 이에 따라, 동기 발전기(20)가 동기 회전수로 유지되고, 주파수 변환 회로를 통하지 않고 동기 발전기를 전력 계통(50)에 연계시킬 수 있다.
(이상 현상 대응 모드에서 풍력 터빈 발전기의 운전 제어)
전력 계통(50)이나 송전선(54)의 선간 단락, 단선, (송전선이 지면에 접촉하는) 지락 등의 이상 현상이 발생하면, 전력 계통(50) 측으로 송출할 수 있는 전력이 제한되고 동기 발전기(20)의 전기적 출력(유효 전력)이 순간적으로 저하한다. 그 결과, 유압 모터(14)로부터의 기계적 입력이 동기 발전기(20)의 전기적 출력에 대해 과잉되어, 동기 발전기(20)의 내부 위상각이 급격히 감소하게 된다. 이는 동기 발전기(20)의 탈조를 초래할 수 있다.
이러한 현상은 이상 현상 발생 직후의 매우 짧은 기간(예를 들어, 수 밀리초 내지 수 초)에 기인한다. 따라서, 주파수 변환 회로(530, 550)가 버퍼 역할을 할 수 있는 기존의 풍력 터빈 발전기(도 12b 및 도 12c 참조)와 달리, 이상 현상이 동기 발전기(20)에 직접적으로 영향을 미치는 본 실시예의 풍력 터빈 발전기(1)에서는 이상 현상 발생 직후부터 매우 신속하게 대응할 필요가 있다.
에너지 전달 경로(로터(2) → 유압 펌프(12) → 유압 모터(14) → 동기 발전기(20))의 상류 측에서 하류 측으로 제어 파라미터를 결정해 나가는 전술한 통상 운전 모드에 의해서는 이상 현상에 대해 충분히 대응하기 어렵다. 즉, 통상 운전 모드에서는 동기 발전기(20)와 함께 유압 모터(14)의 실제 회전수가 상승함에 따라 유압 모터(14)의 변위 용적이 동기 발전기(20)에 의해 감소된다. 그러나, 이러한 제어는 동기 발전기(20)의 탈조를 효과적으로 방지하기에 불충분하다.
따라서, 본 실시예에서는, 전력 계통(50)이나 송전선(54)에서 이상 현상 발생시, 상기 통상 운전 모드와는 다른 이상 현상 대응 모드로 풍력 터빈 발전기(1)의 운전을 행한다.
이상 현상 대응 모드에서는 에너지 전달 경로의 상류 측에서 하류 측으로 제어 파라미터를 결정해 나가는 통상 운전 모드와 달리 에너지 전달 경로의 하류 측에서 상류 측으로 제어 파라미터를 결정하게 된다. 즉, 이상 현상 대응 모드에서는 이상 현상 발생 직후 동기 발전기(20)의 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 제어하고, 동기 발전기(20)의 전기적 출력(발생 전력)의 변동에 추종하도록 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 즉시 조정하고, 필요에 따라, 피치 제어나 유압 펌프(12)의 제어를 행한다.
또한, 동기 발전기(20)의 단자 전압과 동기 발전기(20)로부터의 발생 전력의 급감에 대응하여, 저전압 검출 신호(Low Voltage Detect signal)가 출력된다. 이 저전압 검출 신호에 따라 풍력 터빈 발전기(1)의 운전이 통상 운전 모드로부터 이상 현상 대응 모드로 전환될 수 있다.
이하, 단락(선간 단락 또는 지락)이 회선(56B)과 차단기(58, 58) 사이에서 발생한 경우, 여자기 컨트롤러(110)와 변속기 컨트롤러(40)에 의한 제어의 구체적인 예를 설명한다.
도 9는 단락 사고 발생 전후의 유효 전력(Pe)과 내부 위상각(A)의 관계를 나타낸 그래프이다.
회선(56B)과 차단기(58, 58) 사이에서 단락이 발생하면, 단락 사고 발생과 거의 동시에 동기 발전기(20)의 단자 전압이 급격하게 저하하고, 동기 발전기(20)로부터 출력되는 유효 전력(Pe)도 급저하한다(도 9 참조, 상태 1 → 상태 2). 그 후, 차단기(58, 58)가 개방되어 회선(56B)이 차단되면, 회선(56B)에서의 단락 사고는 제거된다. 이에 따라, 동기 발전기(20)로부터 출력되는 전력이 복구된다(상태 2로부터 상태 3으로). 그러나, 남은 회선(56A)을 통해서만 송전되기 때문에, 동기 발전기(20)로부터 출력되는 전력이 단락 사고 발생 이전의 초기 수준(상태 1)까지 회복되는 것은 아니다.
단락 사고 발생 전, 상태 1의 Pe-A 곡선의 점(l)에서 동기 발전기(20)가 운전하게 되고, 이 때의 내부 위상각(A)은 A0이다. 점(l)은 유압 모터(14)로부터의 기계적 입력(Pm)(도 8의 목표 출력(POWERM)과 거의 일치함)과 상태 1의 Pe-A 곡선의 교점이다. 내부 위상각(A)이 A0에서 조금이라도 이탈하면, 내부 위상각(A)를 A0로 되돌리려고 하는 동기화력(dP/dA)이 작용하게 된다. 따라서, 내부 위상각(A)은 A0에서 안정되어 있다.
그러나, 단락 사고가 발생하면, Pe-A 곡선은 상태 1에서 상태 2로 즉시 강하한다. 단락 사고가 발생한 직후에는 동기 발전기(20)의 회전자의 관성에 의해 내부 위상각(A)이 A0에 그대로 남아 있다. 따라서, 단락 사고 발생시, 동기 발전기(20)의 운전점은 운전점(l)에서 운전점(m)으로 순간적으로 이행한다. 이 때, 유압 모터(14)로부터의 기계적 입력(Pm)이 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)에 대해 과잉되고, 동기 발전기(20)의 회전자가 가속되어, 운전점(m)에서 운전점(n)으로 동기 발전기(20)의 운전점이 이동한다. 따라서, 내부 위상각(A)가 A0에서 A1을 향하여 증가한다.
내부 위상각(A)가 A1에 도달하면, 차단기(58, 58)가 개방되어 단락 사고가 제거된다. 이에 따라, 동기 발전기의 Pe-A 곡선이 상태 2에서 상태 3으로 증가한다. 한편, 단락 사고가 제거된 직후에는 동기 발전기(20)의 회전자의 관성에 의해 내부 위상각(A)이 A1에 그대로 남아 있다. 따라서, 단락 사고를 제거함으로써, 동기 발전기(20)의 운전점은 운전점(n)에서 운전점(o)으로 순간적으로 이행한다. 이에 따라, 동기 발전기의 전기적 출력(Pe)이 유압 모터(14)로부터의 기계적 입력(Pm)을 초과하게 되어, 동기 발전기(20)의 회전자가 감속되기 시작한다. 따라서, 내부 위상각(A)은 A2에 도달한 후 감소세로 돌아선 이후, 내부 위상각은 증가와 감소를 반복하여 진동한다. 그러나, 최종적으로 동기 발전기(20)의 덤핑력이 내부 위상각을 감쇠하여 안정시킨다.
내부 위상각(A)의 반환점인 운전점(p)은 유압 모터(14)로부터의 입력(Pm)과 상태 2의 Pe-A 곡선 사이에 형성되는 면적(S1)으로 표현된 가속 에너지가 상태 3의 Pe-A 곡선과 유압 모터의 출력(Pm) 사이에 형성되는 면적(S2)으로 표현된 감속 에너지와 일치하는 운전점이다.
본 실시예에서는 이상 현상 발생 직후, 여자기 컨트롤러(110)가 여자기(100)를 제어하여, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류를 증가시킨다. 이는 도 9에서 상태 2 또는 상태 3의 Pe-A 곡선을 상방으로 들어올리는 것을 의미한다. 내부 위상각(A)의 변화에서 보면, Pe-A 곡선을 상방으로 들어올리면, 가속 에너지(면적(S1))는 줄어들고 감속 에너지(면적 (S2))는 커진다. 따라서, 더 빠른 단계에서 가속 에너지(면적(S1))와 균형을 이루는 감속 에너지(면적 (S2))를 확보할 수 있기 때문에, 내부 위상각(A)의 반환점인 운전점(p)이 초기 운전점(l)을 향해 이동하게 된다. 따라서, 이상 현상 발생 후 동기 발전기(20)의 제 1 파 동요(A2-A0)가 억제되고, 과도 안정도가 향상될 수 있다.
이러한 과도 안정도를 향상시키기 위한 여자기(100)의 제어는, 도 5에 도시된 바와 같이, AVR(114) 및 사이리스터(116)에 의한 사이리스터 방식의 초속응 여자에 의해 바람직하게 실시될 수 있다.
초속응 여자 제어를 사용하여 동기 발전기의 과도 안정도를 향상시키는 기술은 증기 터빈과 가스 터빈을 이용한 발전 설비에서 확립되었다. 그러나, 이 기술을 재생 에너지형 발전 장치에 적용하는 것은 알려져 있지 않다. 그 이유는, 기존의 재생 에너지형 발전 장치에서는 주파수 변환 회로를 통해 발전기를 전력 계통에 연계하므로, 주파수 변환 회로가 버퍼 역할을 하여 발전기의 과도 안정도가 크게 문제가 되지 않았기 때문이다.
이상 현상 발생에 의한 발전기 단자 전압의 저하 직후 동기 발전기(20)를 자화하면, 전술한 바와 같이, 동기 발전기(20)의 제 1 파 동요가 억제되어, 과도 안정도가 향상된다. 그러나, 응답성이 좋기 때문에 오히려 제 1 파 동요 이후에 정상 상태 안정성을 해칠 우려가 있다.
이를 감안하여, 여자기 컨트롤러(110)는, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A) 증가시 계자 권선(21)의 계자 전류를 증가시키는 반면, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A) 감소시 계자 권선(21)의 계자 전류를 감소시키도록, 여자기(100)를 제어할 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 PSS(118)를 이용하여, 전력 센서(119)에 의해 검출된 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)에 기초하여, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A) 증대시에는 여자기 전류를 증가시키고, 동기화 발전기(20)의 내부 위상각(A) 감소시에는 여자기 전류를 감소시킬 수 있다.
증기 터빈을 이용한 발전 설비에서는 관리자 제어 장치가 터빈 출력을 조절하여 발전기의 회전수를 일정하게 유지하도록 되어 있다. 그러나, 관리자 제어 장치는 증기 터빈의 증기 조절 밸브나 차단 밸브를 개폐하여 증기 터빈으로 유입되는 증기량을 가감함으로써 터빈 출력을 조절한다. 따라서, 동작 개시까지 적어도 수 초가 필요하다. 이에 따라, 증기 터빈과 가스 터빈을 이용한 발전 설비에서는 이상 현상에 대한 대응을 오직 초속응 여자 제어와 PSS에 의존하고 있다.
이에 대하여, 본 실시예의 풍력 터빈 발전기(1)는 이상 현상 발생 직후 수초 내에 유압 모터(14)의 출력을 제어할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 유압 모터(14)의 경우, 출력 샤프트(15)의 회전수가 고속(예를 들어, 155 또는 1800rpm)이고, 복수의 유압실(93)이 출력 샤프트(15)의 원주 방향으로 설치되어 있음을 고려하면, 수 밀리초 내지 수십 밀리초 이내로 변위 용적을 조절하여 모터 출력을 제어하는 것이 가능하다.
이를 감안하여, 이상 현상 대응 모드에서, 변속기 컨트롤러(40)는 유압 모터(14)로부터 동기 발전기(20)에 입력되는 토크와 동기 발전기(20)의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록 유압 모터(14)의 변위 용적을 조절하여 유압 모터(14)의 출력을 제어할 수 있다. 즉, 도 9의 유압 모터(14)로부터 동기 발전기(20)로의 기계적 입력(Pm)을 상하 이동시킴으로써, 기계적 입력(Pm)과 동기 발전기(20)의 전기적 출력(발생 전력)(Pe)의 차이를 임의로 조정하여 내부 위상각(A)의 안정화에 기여할 수 있다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기(20)의 발전기 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
구체적으로, 이상 현상 대응 모드에서는 모터 요구치 산출부(47)가 동기 발전기(20)에 의해 발생된 전력에 기초하여 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 결정하고, 모터 제어부(48)가 유압 모터(14)의 변위 용적을 상기 변위 용적 요구치(DM)로 조절한다.
이러한 방식으로, 동기 발전기(20)에 의해 발생된 전력에 기초하여 결정된 변위 용적 요구치(DM)로 유압 모터(14)의 변위 용적을 조절함으로써, 이상 현상 발생 후 동기 발전기(20)에 의해 발생된 전력의 변동에 추종하여 유압 모터(14)의 변위 용적을 변화시킬 수 있다. 따라서, 동기 발전기(20)의 부하 토크의 급격한 변화에 추종하여 유압 모터(14)의 토크를 조절하므로, 이상 현상으로 인한 동기 발전기(20)의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
이상 현상 발생시, 동기 발전기의 단자 전압이 통상 운전시에 비해 저하하기 때문에, 동기 발전기(20)로부터 전력 계통(50)을 향하여 출력 가능한 전력도 통상 운전시에 비해 작다. 이에 따라, 동기 발전기(20)의 발생 전력에 기초하여 결정된 변위 용적 요구치(DM)로 유압 모터(14)의 변위 용적을 조절하면, 유압 모터(14)의 출력이 저하되고, 유압 펌프(12)의 출력이 과다하게 된다.
따라서, 유압 펌프(12)로부터 토출되는 고압유의 잉여분을 어큐뮬레이터(64)에 축적할 수 있다. 구체적으로, 어큐뮬레이터(64)와 고압유 라인(16) 사이에 솔레노이드 밸브(66)가 설치되어있는 경우, 이상 현상 발생 직후에 솔레노이드 밸브(66)를 개방하여 어큐뮬레이터(64)가 고압유 라인(16)에 연통되도록 함으로써, 여분의 고압유를 어큐뮬레이터(64)에 축적할 수 있다. 반면, 솔레노이드 밸브(66) 없이 어큐뮬레이터(64)가 고압유 라인(16)에 직접 연결되어있는 경우, 이상 현상 발생 직후에 여분의 고압유가 자연스럽게 어큐뮬레이터(64)에 축적되므로, 특별한 처리가 필요 없다.
어큐뮬레이터(64)가 고압유로 충진되면, 고압유 라인(16)의 압력(Ps)이 릴리프 밸브(62)의 설정 압력에 도달할 때까지 상승하고, 그 후, 릴리프 밸브(62)가 개방되어 바이패스 유로(60)를 통해 저압유 라인(18)으로 여분의 고압유를 배출하게 된다.
또한, 이상 현상 대응 모드에서 유압 펌프(12)의 출력과 유압 모터(14)의 출력의 균형을 맞추기 위해, 액츄에이터(5)가 블레이드(4)의 피치 각을 페더링 위치 측으로 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 유압 펌프(12)의 과속(유압 펌프(12)의 회전수가 과다하게 높아지는 것)을 방지하면서, 유압 모터(14)의 출력 저하에 대응하여 유압 펌프(12)의 출력을 어느 정도 제한할 수 있다.
또한, 유압 펌프(12)의 출력을 제한한 후에도 유압 펌프(12)의 출력과 유압 모터(14)의 출력이 서로 균형이 맞지 않으면, 어큐뮬레이터(64)에 여분의 고압유를 축적하거나, 바이패스 유로(60)를 통해 여분의 고압유를 저압유 라인(18)으로 배출할 수도 있다.
차단기(58)를 개방하여 회선(2)의 단락 사고로부터 복구한 후, 액츄에이터(피치 구동 기구)(5)가 블레이드(4)의 피치 각을 최적 위치 측으로 변화시키고, 모터 요구치 산출부(47)가 동기 발전기(20)에 의해 발전되는 전력이 증가하도록 유압 모터(14)의 변위 용적의 요구치(DM)를 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 이상 현상으로부터의 복구 개시 후, 유압 모터(14)의 변위 용적을 증대시켜 발전량을 늘릴 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 이상 현상 대응 모드에서는 이상 현상 발생 직후 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)으로 공급되는 계자 전류를 제어함과 아울러, 동기 발전기(20)에서 발생되는 전력 변동에 추종하여 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 조정하며, 필요에 따라, 피치 제어나 유압 펌프(12)의 제어를 행한다.
구체적으로, 이상 현상 발생으로 인해 동기 발전기(20)의 단자 전압이 저하 한 직후, 여자기 컨트롤러(110)는 계자 권선(21)으로 공급되는 계자 전류의 크기가 증가하도록 여자기(100)를 제어한다. 이에 따라, 동기 발전기(20)의 동기화력이 커지고, 이상 현상 발생 후 동기 발전기(20)의 제 1 파 동요가 억제된다. 그 결과, 과도 안정도가 향상된다.
또한, 여자기 컨트롤러(110)는, 계자 권선(21)으로 공급되는 계자 전류를 여자기(100)에 의해 증가시킨 후, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A) 증가시 상기 계자 전류가 증가하고, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A) 감소시 상기 계자 전류가 감소하도록, 여자기(100)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 정상 상태 안정성이 향상되고, 동기 발전기(20)의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
또한, 변속기 컨트롤러(40)는, 이상 현상 대응 모드에서 이상 현상 발생으로 인해 동기 발전기(20)의 단자 전압이 저하할 때, 유압 모터(14)로부터 동기 발전기(20)에 입력되는 토크와 동기 발전기(20)의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록 유압 모터(14)의 변위 용적을 조절한다. 예를 들어, 변속기 컨트롤러(40)는, 이상 현상 대응 모드에서, 동기 발전기(20)로부터 발생된 전력에 기초하여 유압 모터(14)의 변위 용적 요구치(DM)를 모터 요구치 산출부(47)에 의해 결정하고, 유압 모터(14)의 변위 용적을 모터 제어부(48)에 의해 상기 변위 용적 요구치(DM)로 조절할 수 있다.
이에 따라, 발전기 토크의 급격한 변화에 추종하여 유압 모터의 토크를 조절할 수 있으므로, 이상 현상으로 인한 동기 발전기(20)의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
여기서, 이상 현상 대응 모드에서의 제어를 적용한 구체적인 예를 몇 가지 설명한다. 도 10 및 도 11은 전력 계통(50) 또는 송전선(54)에 이상 현상이 발생하였을 때 각종 파라미터의 경시 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10의 예에서, 이상 현상 발생 이전에는 동기 발전기(20)의 단자 전압(Vt)이 정격 전압(Vrated)에서 안정되어 있다. 그러나, 시간(t0)에서 이상 현상이 발생하고, 단자 전압(Vt)이 즉시 저하한다. 이에 따라, 저전압 검출 신호가 출력된다. 상기 저전압 검출 신호에 대응하여, 풍력 터빈 발전기(1)의 운전이 통상 운전 모드에서 이상 현상 대응 모드로 전환된다.
이 예에서는 단자 전압(Vt)이 정격 전압의 90% 이하일 때, 저전압 검출 신호가 출력된다.
단자 전압(Vt)이 급감함에 따라, 비교 회로(113)의 출력값, 즉, 단자 전압의 지령값과 단자 전압 검출기(59)에 의해 검출된 측정값의 편차가 급격하게 커진다. 이에 따라, 여자기 컨트롤러(110)(구체적으로는, AVR(114) 및 사이리스터(116))에 의해 제어되는 여자기(100)는, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류(여자기 전류)를 증가시킨다. 그러면, 동기 발전기(20)의 내부 위상각(A)의 급격한 증가가 억제되어, 동기 발전기(20)의 과도 안정성이 향상된다. 또한, 도면에 도시되지 않았으나, AVR(114) 및 사이리스터(116)의 제어하에 여자기(100)가 계자 전류를 증가시킨 후, PSS(118)에 의해 계자 전류가 조정되어, 동기 발전기(20)의 정상 상태 안정성을 향상시키고 있다.
또한, 시간(t0)에서 이상 현상이 발생한 후, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)은 동기 발전기(20)에 의해 발생된 전력(Pe)에 기초하여 조절되어 감소한다. 그러나, 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류를 증가시킴으로써 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)이 이미 상승하였으므로, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)을 크게 감소시킬 필요는 없다. 이에 의해, 유압 모터(14)로부터의 기계적 입력(Pm)이 저하하고, 기계적 입력(Pm)과 동기 발전기(20)의 전기적 출력(발생 전력)(Pe)의 차이가 작아져, 이상 현상 발생으로 인한 내부 위상각의 증가가 억제된다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기의 동요를 신속하게 억제할 수 있다.
또한, 시간(t0)에서 이상 현상이 발생하였을 때, 액츄에이터(피치 구동 기구)(5)에 의해 블레이드(4)의 피치 각 조절이 개시되고, 피치 각은 페더링 위치 측으로 변화된다. 그러나, 액츄에이터(5)에 의한 피치 각 조절은, 예컨대, 약 3°/s 내지 6° / s 정도의 속도로만 피치 각을 변화시킬 수 있다. 따라서, 여자기 컨트롤러(110) 및 유압 모터(14)의 다른 제어에 비해 이상 현상에 대한 응답 지연이 생기기 쉽다. 또한, 블레이드(4)의 피치 각을 페더링 위치 측으로 변경한 결과, 유압 펌프(12)의 과속을 방지하면서 유압 모터(14)의 출력 저하에 따라 유압 펌프(12)의 출력을 어느 정도 제한할 수 있다.
또한, 유압 펌프(12)의 출력을 제한한 후에도 유압 펌프의 출력이 유압 모터(14)의 출력에 대해 여전히 과도한 상태이다. 따라서, 고압유 라인(16)의 압력(Ps)이 상승하게 되고, 어큐뮬레이터(64)에 여분의 고압유가 축적된다. 그 결과, 어큐뮬레이터(64)의 고압유 축적량이 시간(t0)으로부터 급격히 증가하게 된다.
그 후, 시간(t1)에서 이상 현상이 복구되면, 단자 전압(Vt)이 회복되기 시작하여, 시간(t2)에서는 단자 전압(Vt)이 정격 전압(Vrated)의 90%에 도달하게 된다. 결국, 시간(t3)에서는 단자 전압(Vt)이 정격 전압(Vrated)의 94%에 도달하게 된다. 예를 들어, 시간(t1)은 시간(t0)에서 0.14초 경과한 시점이며, 시간(t3)은 시간(t0)에서 0.5초 경과한 시점이다.
이상 현상 복구에 의한 단자 전압(Vt)의 회복에 따라, 비교 회로(113)의 출력값, 즉, 단자 전압 지령값과 단자 전압 검출기(59)에 의해 검출된 측정값의 편차가 작아진다. 따라서, 여자기(100)는, 여자기 컨트롤러(110)(즉, AVR(114) 및 사이리스터(116))의 제어하에, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)으로 공급되는 계자 전류 (여자기 전류)를 감소시킨다.
또한, 이상 현상이 복구되어 단자 전압(Vt)이 (시간(t2)에서) 정격 전압(Vrated)의 90%에 도달하면, 저전압 검출 신호의 출력이 중단되고, 풍력 터빈 발전기(1)의 운전이 이상 현상 대응 모드에서 통상 운전 모드로 전환된다.
따라서, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)이, 이상 현상이 복구되어 단자 전압(Vt)이 정격 전압(Vrated)의 90%에 도달하는 시간(t2)에서, 증가하기 시작한다. 이에 따라, 이상 현상 복구 후, 풍력 터빈 발전기(1)의 발전량을 늘릴 수 있다.
또한, 시간(t2) 이후, 액츄에이터(피치 구동 기구)(5)에 의해 블레이드(4)의 피치 각이 서서히 최적 위치 측으로 이동한다. 이에 대응하여, 유압 펌프(12)의 변위 용적(DP)도 서서히 증가한다. 이 때, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)의 증가 속도에 비해 블레이드(4)의 피치 각과 유압 펌프(12)의 변위 용적(DP)을 느리게 변화시킴으로써, 어큐뮬레이터(64)에 축적된 고압유가 방출되는 동시에 고압유 라인(16)의 압력(Ps)도 저하한다.
도 11에 도시된 예는 단자 전압(Vt)이 즉시 거의 제로까지 저하한다는 점에서 도 10에 도시된 예와 다르다. 여기에서는 이러한 차이가 이상 현상 대응 모드에서의 제어에 어떻게 영향을 미치는지를 중심으로 설명한다. 도 10의 예와 공통된 제어 내용은 설명을 생략한다.
도 11의 예에서는 시간(t1)은 시간(t0)에서 0.15초 경과한 시점이며, 시간(t2)은 시간(t0)에서 0.7초 경과한 시점이고, 시간(t3)은 시간(t0)에서 1.5초 경과한 시점이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 이상 현상 발생 이전에는 단자 전압(Vt)이 정격 전압(Vrated)에서 안정되어 있으나, 시간(t0)에서 이상 현상이 발생하면, 단자 전압(Vt)이 즉시 거의 제로까지 저하한다. 이에 따라, 저전압 검출 신호가 출력된다. 그리고, 풍력 터빈 발전기(1)의 운전이 통상 운전 모드에서 이상 현상 대응 모드로 전환된다.
단자 전압(Vt)이 급감함에 따라, 비교 회로(113)의 출력값, 즉, 단자 전압의 지령값과 단자 전압 검출기(59)에 의해 검출된 측정값의 편차가 급격하게 커진다. 이에 따라, 여자기 컨트롤러(110)(구체적으로는, AVR(114) 및 사이리스터(116))에 의해 제어되는 여자기(100)는, 동기 발전기(20)의 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류(여자기 전류)를 증가시킨다. 도 10의 예와는 달리, 시간(t0)에서 단자 전압(Vt)이 거의 제로까지 저하되었기 때문에, 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)이 거의 제로가 된다. 따라서, 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류를 증가시켜도 동기 발전기(20)의 동요 억제에 별로 효과가 없다.
시간(t0)에서 이상 현상이 발생한 후, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)은 동기 발전기(20)에 의해 발생된 전력(Pe)에 기초하여 조절되어 감소한다. 이 때, 계자 권선(21)에 공급되는 계자 전류를 증가시킨 후에도 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)이 거의 제로이기 때문에, 유압 모터(14)의 기계적 출력(Pm)과 동기 발전기(20)의 전기적 출력(Pe)의 균형을 맞추기 위해, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)이 거의 제로로 감소하게 된다. 이에 의해, 기계적 입력(Pm)과 동기 발전기(20)의 전기적 출력(발생 전력)의 차이가 작아져, 이상 현상 발생으로 인한 내부 위상각(A)의 증가가 억제된다. 따라서, 이상 현상으로 인한 동기 발전기(20)의 발전기 동요를 억제할 수 있다.
도 10의 예에서는 시간(t0) 내지 시간(t1)의 단자 전압(Vt)이 거의 제로가 아니다. 따라서, 주로 여자기 컨트롤러(110)(구체적으로는, AVR(114), 사이리스터(116) 및 PSS(118))에 의한 계자 전류 제어로 동기 발전기(20)의 동요를 억제할 수 있다. 따라서, 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)을 거의 제로로 줄일 필요가 없다.
이에 대해, 도 11의 예에서는 시간(t0) 내지 시간(t1)의 단자 전압(Vt)이 거의 제로이다. 따라서, 여자기 컨트롤러(110)(구체적으로는, AVR(114), 사이리스터(116) 및 PSS(118))에 의한 계자 전류 제어가 동기 발전기의 동요 억제에 별로 영향을 미치지 않는다. 따라서, 여자기 컨트롤러(110)(구체적으로는, AVR(114), 사이리스터(116) 및 PSS(118))에 의해 유압 모터(14)의 변위 용적(DM)을 급감함으로써, 동기 발전기(20)의 동요가 억제된다.
이와 같이, 이상 현상의 양태에 따라, 동기 발전기의 동요를 다양한 방식으로 제어할 수 있다.
이상, 예시적 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명했지만, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.
1: 풍력 터빈 발전기
2: 로터
4: 블레이드
6: 허브
8: 회전 샤프트
10: 유압 트랜스미션
12: 유압 펌프
14: 유압 모터
15: 출력 샤프트
16: 고압유 라인
18: 저압유 라인
20: 동기 발전기
21: 계자 권선
22: 나셀
24: 타워
31: 압력 센서
32: 회전수 센서
33: 풍속계
34: 온도 센서
36: 회전수 센서
40: 변속기 컨트롤러
41: 이상 토크 산출부
42: 목표 토크 산출부
43: 펌프 요구치 산출부
44: 펌프 제어부
45: 펌프 목표 출력 산출부
46: 모터 목표 출력 산출부
47: 모터 요구치 산출부
48: 모터 제어부
49: 기억부
50: 전력 계통
51: 승압 변압기
52: 모선
54: 송전선
55: 변전소 변압기
56A: 회선
56B: 회선
57, 58: 차단기
59: 단자 전압 검출기
60: 바이패스 유로
62: 릴리프 밸브
64: 어큐뮬레이터
66: 솔레노이드 밸브
68: 압력 센서
70: 오일 탱크
72: 보충 라인
74: 부스트 펌프
76: 오일 필터
78: 반송 라인
79: 저압 릴리프 밸브
100: 여자기(AC 여자기)
102: 계자 권선
103: 회전 정류기
106: 영구 자석 발전기(PMG)
110: 여자기 컨트롤러
112: 전압 설정기
113: 비교 회로
114: 자동 전압 조정기(AVR)
116: 사이리스터
118: 전력 계통 안정화 장치(PSS)
201: 토크 피드백 컨트롤러
202: 압력 제한기
203: 조정기
210: 외부 지령소
212: 조정기
220: 압력 피드백 컨트롤러
300: Cp 최대 곡선
310: Wr-Ti 함수
500: 증속기
510: 농형 유도 발전기
520: 2차 권선 유도 발전기
530: AC-DC-AC 컨버터(주파수 변환 회로)
540: 동기 발전기
550: AC-DC-AC 링크(주파수 변환 회로)

Claims (17)

  1. 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 재생 에너지형 발전 장치이며,
    블레이드;
    상기 블레이드를 통해 수취한 상기 재생 에너지에 의해 회전하는 회전 샤프트;
    상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 유압 펌프와 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션;
    주파수 변환 회로를 통하지 않고 전력 계통에 연계되어, 상기 유압 모터에 의해 구동되어 생성한 전력을 상기 전력 계통에 공급하는 동기 발전기; 및
    상기 재생 에너지형 발전 장치의 통상 운전시, 상기 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 상기 동기 발전기의 회전수를 유지하면서, 상기 재생 에너지의 유속에 대해 상기 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 변위 용적을 각각 조절하는 통상 운전 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 변속기 컨트롤러를 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변속기 컨트롤러는,
    상기 통상 운전 모드에서, 상기 재생 에너지의 유속에 따른 상기 회전 샤프트의 이상 토크에 기초하여 상기 유압 펌프의 목표 토크를 산출하는 목표 토크 산출부;
    상기 통상 운전 모드에서, 상기 유압 펌프의 상기 목표 토크로부터 상기 유압 펌프의 변위 용적 요구치(DP)를 산출하는 펌프 요구치 산출부; 및
    상기 유압 펌프의 변위 용적을 상기 요구치(DP)로 조절하는 펌프 제어부를 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변속기 컨트롤러는,
    상기 유압 펌프의 목표 출력(POWERP)에 기초하여 상기 유압 모터의 목표 출력(POWERM)을 산출하는 모터 목표 출력 산출부;
    상기 통상 운전 모드에서, 산출된 목표 출력(POWERM)에 기초하여, 상기 동기 발전기가 상기 동기 속도로 회전하도록, 상기 유압 모터의 변위 용적 요구치(DM)를 산출하는 모터 요구치 산출부; 및
    상기 유압 모터의 변위 용적을 상기 요구치(DM)로 조절하는 모터 제어부를 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기 발전기의 단자 전압을 측정하는 단자 전압 검출기;
    상기 동기 발전기의 계자 권선에 계자 전류를 공급하는 여자기; 및
    상기 단자 전압 검출기에 의해 측정된 단자 전압과 상기 단자 전압의 지령값의 편차에 기초하여 상기 여자기를 제어하는 여자기 컨트롤러를 더 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 여자기 컨트롤러는, 상기 동기 발전기로부터 상기 전력 계통으로의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 상기 계자 전류가 증가하도록, 상기 여자기를 제어하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 여자기에 의해 상기 계자 전류를 증가시킨 후, 상기 여자기 컨트롤러는 상기 동기 발전기의 내부 위상각 증가시 상기 계자 전류가 증가하고 상기 동기 발전기의 내부 위상각 감소시 상기 계자 전류가 감소하도록 상기 여자기를 제어하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 변속기 컨트롤러는, 상기 전력 계통으로부터 상기 동기 발전기로의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하하였을 때, 상기 유압 모터에 의해 상기 동기 발전기로 입력되는 토크와 상기 동기 발전기의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록, 상기 유압 모터의 변위 용적을 조절하는 이상 현상 대응 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변속기 컨트롤러는,
    상기 이상 현상 대응 모드에서, 상기 동기 발전기에 의해 발생된 전력에 기초하여 상기 유압 모터의 변위 용적의 요구치(DM)를 산출하는 모터 요구치 산출부; 및
    상기 유압 모터의 변위 용적을 상기 요구치(DM)로 조절하는 모터 제어부를 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 블레이드의 피치 각을 조절하는 피치 구동 기구를 더 포함하며, 상기 피치 구동 기구는 상기 송전선 또는 상기 전력 계통에서 이상 현상 발생시 상기 블레이드의 피치 각을 페더링 위치 측으로 변화시키는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이상 현상으로부터의 복구 개시 후, 상기 피치 구동 기구는 상기 블레이드의 피치 각을 최적 위치 측으로 변화시키고, 상기 모터 요구치 산출부는 상기 동기 발전기에 의해 발전되는 전력이 증가하도록 상기 유압 모터의 변위 용적의 요구치(DM)를 증가시키는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 이상 현상은 상기 전력 계통의 전압이 전력 계통 연계 규정에 정해진 소정 전압 이하로 저하되는 상태인,
    재생 에너지형 발전 장치.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 여자기 컨트롤러는 상기 여자기의 고정 계자를 여자하는 사이리스터를 포함하고,
    상기 여자기는 상기 사이리스터에 의해 여자되는 상기 고정 계자 및 상기 동기 발전기의 샤프트와 함께 회전하는 회전 전기자를 포함하고, 상기 회전 전기자로부터 회전 정류기를 통해 상기 동기 발전기의 상기 계자 권선에 DC 계자 전류를 공급하는 AC 여자기인,
    재생 에너지형 발전 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 동기 발전기와 동축 상에 설치된 영구 자석 발전기를 포함하는 보조 여자기를 더 포함하며,
    상기 여자기 컨트롤러의 상기 사이리스터는 상기 보조 여자기를 전원으로 이용하여 상기 여자기의 고정 계자를 여자하는,
    재생 에너지형 발전 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 장치는 재생 에너지로서의 바람으로부터 전력을 생산하는 풍력 터빈 발전기인,
    재생 에너지형 발전 장치.
  15. 블레이드를 통해 수취한 재생 에너지에 의해 회전하는 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 유압 펌프와 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 유압 모터를 포함하는 유압 트랜스미션; 및 주파수 변환 회로를 통하지 않고 전력 계통에 연계되어, 상기 유압 모터에 의해 구동되어 생성한 전력을 상기 전력 계통에 공급하는 동기 발전기를 포함한 재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법이며,
    상기 발전 장치의 통상 운전시, 상기 전력 계통의 주파수에 기초한 동기 속도로 상기 동기 발전기의 회전수를 유지하면서, 상기 재생 에너지의 유속에 대해 상기 회전 샤프트의 회전수가 가변되도록, 상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터의 변위 용적을 각각 조절하는 통상 운전 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 단계를 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 동기 발전기로부터 상기 전력 계통으로의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하한 직후 상기 동기 발전기의 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 동기 발전기로부터 상기 전력 계통으로의 송전선 또는 상기 전력 계통에서의 이상 현상 발생으로 인해 상기 동기 발전기의 단자 전압이 저하하였을 때, 상기 유압 모터에 의해 상기 동기 발전기로 입력되는 토크와 상기 동기 발전기의 부하 토크 사이의 편차가 작아지도록, 상기 유압 모터의 변위 용적을 조절하는 이상 현상 대응 모드로 상기 유압 트랜스미션을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    재생 에너지형 발전 장치의 운전 방법.
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