KR20150033729A - 전기 발전 장치를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 그리드 연계점 상에서 전기 공급 그리드에 연결되는 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 발전 장치가 제1 작동점에서 작동되는 상태에서 전기 공급 그리드 내로 전력을 공급하는 단계와, 전기 공급 그리드 내의 외란 또는 전기 공급 그리드 내로의 공급의 외란이 존재하거나 지시된다면, 공급을 차단함으로써 전력이 공급 그리드 내로 공급되지 않게 하는 단계와, 공급을 재개함으로써 전력이 다시 공급 그리드 내로 공급되게 하는 단계를 포함하고, 발전 장치는 제2 작동점에서 공급의 재개를 실행하거나, 또는 상기 제2 작동점으로 증속되며, 그리고 제2 작동점은, 제1 작동점에 비해, 상대적으로 더 높은 안정성 여유도로 공급 그리드 내로 공급이 실행되도록 설계된다.

Description

전기 발전 장치를 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 그리드 연계점(grid connection point) 상에서 전기 공급 그리드(electric supply grid)에 연결되는 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 그 밖에도, 본 발명은 전기 공급 그리드에 연결된 전기 에너지 발전 장치에도 관한 것이다.
예컨대 유럽의 상호 연계형 그리드(interconnected grid) 또는 US 미국형 전력 그리드(power grid)와 같은 전기 공급 그리드 내로 전기 에너지의 공급은 일반적으로 공지되었다. 이 경우, 하기에서 전기 공급 그리드란, 일반적으로 용인된 것과 같은 교류 전압 그리드를 의미한다. 이는 직류 전압 섹션들이 그리드 내에 존재하는 점을 배제하지는 않는다. 똑같은 정도로 어느 경우든, 주파수와 무관한 양태들(aspect)도 원칙상 직류 전압 그리드에도 관련될 수 있다. 역사적인 관점에서, 전기 공급 그리드 내로의 공급은 예컨대 석탄, 핵 에너지 또는 가스와 같은 일차 에너지로 동기 발전기(synchronous generator)를 구동하는 대형 발전 설비로 수행된다. 동기 발전기의 극 쌍 개수 및 동기 발전기의 회전 속도에 따라서 동기 발전기는 결정된 주파수로 공급 그리드 내로 공급을 실행한다. 동기 발전기는, 예컨대 전력을 설정하기 위해, 제어 기술 측면에서 조절될 수 있다. 그러나 상기 조정 프로세스는 더딜 수 있다.
공급될 공급 그리드 내의 상황들이 변동되는 경우, 자주, 어느 경우든 단기간에, 동기 발전기의 물리적 반응은 그리드 상태의 변화에 영향을 미친다. 예컨대 공급 그리드가 동기 발전기로부터 공급되거나 공급될 수 있는 전력을 완전히 낮출 수 없으면, 동기 발전기의 회전 속도는 증가된다. 그 다음, 그에 따른 과량의 전력은 동기 발전기를 가속화하며, 이는 공급 주파수의 상승에서 확인될 수 있다. 그에 상응하게, 공급 그리드 내의 주파수도 증가될 수 있다.
또한, 공급 그리드 내로의 공급 동안, 그리드 안정성이 고려되어야 한다. 그리드 안정성의 손실, 다시 말하면 공급 그리드의 안정성의 손실은 공급 실행하는 발전 장치의 작동 중지를 초래할 수 있다. 전문 분야에서 독일어 언어 사용에서도 "Loss of Stability"로도 지칭되고 "LOS"로 축약되는 상기 안정성 손실은 추가 작동을 더 이상 허용하지 않으면서 작동 중지를 통해 종료되어야만 하는 물리적 특성의 과정들을 지시한다. 그 후에, 발전 설비의 경우, 발전 설비의 성능은 결손되고, 그 결과 이른바 성능 결손(performance deificiency)의 단계적 확대에 기여할 수 있다. 최악의 경우, 상기 안정성 손실은, 결함 연계(fault cascading) 및 결손 누적의 결과로 에너지 시스템의 완전 고장을 야기한다. 상기 완전 고장은 매우 드물지만, 그러나 예컨대 2004년 9월 24일 이탈리아에서 발생하였다.
그리드 안정성의 손실, 즉 이른바 안정성의 손실은, 우선 각 안정성(angular stability)이 소실되고, 이는 종국에 전압 안정성의 손실을 초래할 수 있는, 현상을 의미한다.
안정성 기준으로서는, 특히 안정성 손실이 발생하는 경우에 공급될 수 있어야 하는 달성될 과전류가 결정된다. 이는 시스템들의 상응하는 구성을 전제 조건으로 한다. 따라서 신규 발전 설비, 특히 신규로 건축할 발전 설비는, 이 발전 설비가 연결되어야 하는 그리드 연계점 상에서 나타나는 것처럼 공급 그리드에 매칭된다.
전기 공급 그리드에 대형 발전 설비를 연결할 때 중요한 기준은, 전문 분야에서 독일어 언어 사용에서도 "Short circuit ratio"로서 지칭되고 "Scr"로 축약되는 단락비이다. 이런 단락비는 단락 전력 대 연결 전력의 비율이다. 이 경우, 단락 전력이란, 대응하는 위치에서 단락이 발생할 때 해당 공급 그리드가 발전 설비가 연결되어야 하는 고려되는 그리드 연계점 상에서 공급할 수 있는 전력을 의미한다. 연결 전력은 연결될 발전 설비의 연결 전력이며, 특히 다시 말하면 연결될 발전기의 정격 전력이다.
확실한 작동을 보장하기 위해, 다시 말하면 안정성 손실(Loss of Stability)을 실질적으로 배제하기 위해, 발전 설비들은 통상적으로, 단락비가 10의 값을 상회하고, 통상적으로 심지어는 15의 값을 상회하도록, 해당 그리드 연계점에 부합하게 구성된다. 따라서 그 다음 공급 그리드는 비교적 높은 단락 전력을 그리드 연계점 상에서 공급할 수 있다. 이는, 그리드가 낮은 그리드 임피던스를 보유하고 강한 그리드(strong grid)로서 지칭된다는 것을 의미한다.
약한 그리드(weak grid)의 경우, 다시 말하면 높은 그리드 임피던스가 존재할 때, 그에 상응하게 적은 연결 전력으로만 공급될 수 있거나, 또는 적은 연결 전력을 갖는 발전 설비만이 연결될 수 있다. 이로 인해, 통상적으로, 상기 그리드 연계점에는 신규 발전 설비가 연결되지 않게 되거나, 또는 그리드가 특히 추가의 고성능 라인들을 제공하는 것을 통해 변경되어야 한다. 이는 일반적으로 그리드 강화로서도 지칭된다.
특히 풍력 발전 설비들과 같은 분산 발전 유닛들을 통한 전기 에너지를 공급 실행하는 경우, 그리드의 안정성 손실의 문제, 요컨대 이른바 안정성의 손실은 실제로는 알려져 있지 않다. 비록 이미 1990년대 말에 처음으로, 풍력 발전 설비들도 그리드의 전기 지원에 기여하도록 하는 제안들이 이루어지긴 했지만, 그러나 이는, 안정성 손실의 원인, 특히 공급 그리드 내로 공급 실행하는 것을 통해 안정성 손실을 야기하는 점은 고려하지 않고 있다.
따라서 예컨대 독일 특허 출원 US 6,891,281은, 풍력 발전 설비들이 그리드 주파수에 따라서 자신들의 전력 공급을 변경할 수 있는, 특히 제한할 수 있는 방법을 기술하고 있다. US 7,462,946은, 그리드 외란의 경우, 요컨대 특히 단락의 경우, 풍력 발전 설비가, 결과적으로 그리드 지원을 달성하기 위해 그리드로부터 분리되는 것 대신, 자신이 공급하는 전류를 제한하는 점을 제안하고 있다. US 6,965,174로부터는, 풍력 발전 설비를 통한 그리드 지원을 위해, 그리드 전압에 따라서 공급되는 전류의 위상 각을 설정하고, 그에 따라 전압에 따라 결과적으로 그리드를 지원하기 위해 그리드 내로 무효 전력을 공급하는 방법이 기술된다. US 6,984,898은 마찬가지로, 풍력 발전 설비가 경우에 따라, 결과적으로 특히 풍력 발전 설비를 통한 그리드의 지원을 달성하도록, 결과적으로 특히 그리드로부터의 분리를 방지하기 위해, 그리드 전압에 따라서 그리드 내로 공급될 전력을 감소시키는, 풍력 발전 설비를 이용한 그리드 지원을 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들과 같은 상기 분산 발전 유닛들이 그리드 내의 안정성 손실(안정성의 손실)에 대한 실질적인 원인일 수 있다는 점은 고려되지 않았다. "전력 그리드 내 풍력 발전 설비의 대규모 통합뿐만 아니라 근해 풍력 발전 단지 Aarhus(덴마크)에 대한 제10회 국제 워크샵(2011년 10월 25~26일)"을 위해 편집 및 발표된 V. Diedrichs 등의 논문 "풍력 발전 설비의 (각) 안정성의 손실[Loss of (Angle) Stability of Wind Power Plants]"에서는, 원칙적으로, 그리드 내의 안정성 손실(안정성의 손실)은 원칙적으로 공급을 실행하기 위한 공급 그리드에 연결되는 풍력 발전 설비들의 경우에서도 발생할 수 있다는 문제가 언급되었다. 그 외에, 상기 논문은 실질적으로 상기 문제를 일깨워주었다. 따라서 상기 논문은 분명하게 참조되며, 그리고 그 논문의 내용, 특히 논문의 기술 설명은 본 출원에도 적용된다.
원칙적으로, 공급을 실행하기 위한 공급 그리드에 연결되는 다수의 풍력 발전 설비를 포함한 대형 풍력 발전 단지를 포함하여, 풍력 발전 설비들 상의 전기 공급 그리드에 대한 대형 발전 설비들의 연결 및 작동에 대한 정보, 경험치 또는 기타 지식은 차용될 수 없다. 이미 공급 그리드에 발전 설비를 연결하여 그에 대해 운영하고자 하는 해당 당업자는 공급 그리드에 풍력 발전 설비를 연결하여 그에 대해 운영하고자 하는 당업자와는 다르다. 풍력 발전 설비들(및 하기 내용들 중 많은 사항은 또 다른 분산 발전 유닛들에도 적용됨)은 바람에 따르며, 그에 따라 변동하는 에너지원을 고려해야 한다. 요컨대 풍력 발전 설비들은 통상적으로 그리드와 직접 연결되는 동기 발전기로 공급 그리드 내로 공급을 실행하는 것이 아니라, 전압 기반 인버터를 이용한다. 그리고 풍력 발전 설비들은 대형 발전 설비와는 다른 크기를 가지며, 풍력 발전 설비들의 정격 전력은 통상적으로 대형 발전 설비의 정격 전력보다 약 10의 3승만큼 더 낮다. 그리고 풍력 발전 설비들은, 통상적으로, 이들 풍력 발전 설비에 빈번하게 전기 공급 그리드들의 운영자들을 통한 전력의 구입을 보장하는 또 다른 정책상 법률의 통제를 받는다. 그리고 풍력 발전 설비들은 통상적으로 분산 설치된다. 그리고 풍력 발전 설비들은 통상적으로 중간 전압 발전 그리드 내로 공급을 실행하며, 그에 반해 대형 발전 설비들은 통상적으로 특고압 발전 그리드 내로 공급을 실행한다.
또한, 방지할 안정성 손실이 모든 주의 및 예방 수단에도 불구하고 결국 발생하게 되는 상황도 문제가 된다. 상기 안정성 손실이 발생하면, 해당 그리드 연계점의 경우 전기 에너지 발전 장치가 작동 중지된다. 이런 작동 중지는 사전 설정된 기준들에 따라서 야기되며, 각각 해당하는 발전 장치는 상기 기준들을 모니터링하면서, 상기 기준들이 존재하는 점을 검출했다면 작동 중지된다. 그러나 그에 따라 그리드 내로 공급되는 전력과 그에 따라 그리드 내에 존재하는 전력은 즉시 변화한다. 이처럼 상기 발전 장치의 전력의 손실로 인해, 근처의 추가 그리드 연계점들은 작동 중지를 위한 기준들을 나타낼 수 있고 그에 상응하게 추가 발전 장치들을 작동 중지하게 할 수 있으며, 이는 다시 전체 공급 그리드의 완전한 정전(Blackout) 시까지 추가 발전 장치들의 작동 중지를 야기할 수 있다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원의 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술을 조사하였다: DE 10 2009 027 981 B4, DE 10 2008 062 356 A1, WO 2011/050807 A2 및 DE 10 2008 045 938 A1.
따라서 본 발명의 과제는, 전술한 문제들 중 하나 이상의 문제를 다루는 것에 있다. 특히 본 발명의 과제는, 공급 그리드 내에서 기술한 안정성 손실이 있는 경우, 또는 적어도 안정성 손실의 우려가 있는 경우, 우려되는 손상을 가능한 적게 유지하는 해결 방안을 제안하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 과제는, 적어도 대체되는 해결 방안을 제안하는 것에 있다.
따라서, 본 발명에 따라, 청구항 제1항에 따른, 그리드 연계점 상에서 전기 공급 그리드에 연결되는 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법이 제안된다. 이에 따라 전력은 전기 공급 그리드 내로 공급되고, 발전 장치는 제1 작동점에서 작동된다. 상기 작동점은 예컨대 공급되는 유효 전력과 경우에 따른 공급되는 무효 전력을 통해 결정될 수 있다. 작동점에 대한 예시는, 실례만을 들면, 발전 장치의 정격 전력에 상당하는 유효 전력의 공급, 및 공급되는 유효 전력의 10%에 상당하는 무효 전력의 공급일 수도 있다.
그 다음, 발전 장치가 상기 제1 작동점에서 작동되는 동안, 전기 공급 그리드 내의 외란 또는 전기 공급 그리드 내로의 공급의 외란이 존재하거나 지시된다면, 공급의 차단이 수행되며, 그럼으로써 전력은 공급 그리드 내로 공급되지 않는다. 따라서 상기 외란은 모니터링되며, 그리고 외란이 검출되면 공급의 차단이 야기된다. 이런 차단은 각각의 최소의 외란들의 경우에 수행되는 것이 아니라, 상기 차단을 야기하지 않으면 안 되는 외란들의 경우에만 수행된다. 이를 위해, 2가지 실례를 들면, 서로 조합될 수도 있는, 예컨대 그리드 연계점 상의 너무 심한 전압 강하 또는 그리드 연계점 상의 전압 강하의 너무 심한 기울기(gradient)와 같은 상응하는 기준들이 결정될 수 있다.
그 다음, 후속 단계로서, 공급 실행 내지 공급이 다시 재개되며, 그럼으로써 전력은 다시 공급 그리드 내로 공급된다. 이런 공급의 재개는, 가능한 신속하게 수행되어야 한다. 그 외에, 공급의 재개는, 상응하는 공급이 전반적으로 허용되는 점을 전제 조건으로 한다. 그러나 특히 외란이 제거되거나, 또는 외란의 기준이 최초 발전 장치의 공급의 유형 및 방식에서 유도되는 사례들도 발생할 수 있다. 예컨대 발전 장치의 작동점은, 상기 명확한 발전 장치에 대해 상응하는 그리드 연계점 내로 공급을 실행할 때 불안정성을 야기하는 범위로, 갑자기, 그리고 의도치 않게 변위될 수 있다. 따라서, 해당 발전 장치가 더 이상 그리드 내로 공급을 실행하지 않는다는 사실을 통해서만, 상기 발전 장치의 이전까지의 공급과 결부되는 안정성 손실은 제거될 수 있으며, 그럼으로써 발전 장치는, 적어도 이론상, 바로 이어서 다시 공급을 실행할 수도 있게 된다.
이제는, 발전 장치가, 공급을 재개할 때 제2 작동점에서 공급을 실행하거나, 또는 특히 제2 작동점에서의 도약적 시동(jumpy start)이 비물리적인 점에 한해 제2 작동점으로 증속(run-up)되는 점이 제안된다. 그에 상응하게, 상기 제2 작동점으로의 증속은 매우 신속하게 발생할 수 있다.
상기 제2 작동점은, 제1 작동점에 비해, 상대적으로 더 높은 안정성 여유도(stability margin)로 공급 그리드 내로 공급이 실행되도록 설계된다. 외란 전에 작동이 이루어졌으며, 그리고 바람직하게는 상기 발전 장치의 통상적인 작동점일 수도 있는 제1 작동점은 마찬가지로 안정적이며, 다시 말하면 통상적으로 충분한 안정성 여유도를 보유한다. 그럼에도, 이제는, 제1 작동점에 비해 상대적으로 더 높은 안정성 여유도를 갖는 제2 작동점을 선택하는 점이 제안된다.
상기와 같이 상대적으로 더 높은 안정성 여유도에 의해, 보통, 발전 장치는 더 적은 효율성으로 공급을 실행하는, 특히 더 적은 전력을 공급한다는 일관된 결과가 결부될 수 있다. 그러나 이는, 최대한 신속하게 발전 장치가 다시 공급을 실행하게 하고 그에 따라 공급의 차단 동안 발생한 상기 발전 장치의 공급 전력의 손실이 가능한 신속하게 적어도 부분적으로 다시 무효화되게 하기 위해 감수된다. 따라서, 최악의 경우에 정전으로 종료되는 작동 중지의 캐스케이드 효과를 방지하기 위해, 가능한 신속하게 다시 전력이 공급된다.
바람직하게 발전 장치는, 분산 발전 장치, 풍력 발전 설비, 또는 복수의 풍력 발전 설비를 포함한 풍력 발전 단지이다.
분산 발전 장치는, 자신이 공급을 실행하는 그리드와 관련하여 분산되어 배치되고 연결되는 발전 장치이다. 그에 따라 그리드는 분산 발전 장치를 향해 정렬되지 않으며, 그리고 분산 발전 장치는 오히려 전기 공급 그리드의 전력 중심과 관련하여 분산 배치된다. 또한, 분산 발전 장치는 통상적으로 10MW 또는 그 미만에만 달하는 비교적 적은 전력을 나타낸다. 풍력 발전 설비는 전형적으로 분산 발전 장치이다.
복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지는, 이 풍력 발전 단지 내에 통합되는 개별 풍력 발전 설비들보다 더 높은 연결 전력을 나타낸다. 그럼에도, 풍력 발전 단지는, 특히 적어도 분명하게 대형 발전 설비의 크기를 밑도는 크기를 갖는다면, 분산 발전 장치로서 제공될 수 있다. 풍력 발전 설비 및/또는 풍력 발전 단지는, 흔히, 자신의 제어성과 관련하여, 적어도 대형 발전 설비보다 더 신속하게 제어될 수 있다. 특히 전기 공급 그리드 내로의 공급은, 현대적인 풍력 발전 설비나, 또는 현대적인 풍력 발전 설비들을 포함하는 풍력 발전 단지의 경우, 충분한 풍력이 존재한다는 점을 전제 조건으로 할 때, 대형 발전 설비에서 통상적인 경우보다 훨씬 더 신속하고 더 유연하게 변동될 수 있다.
바람직하게는 전압 기반 공급이 이용된다. 이에 따라서, 발전 장치는, 원칙적으로, 제어되는 전압원으로서 형성되고, 그로 인해 공급 그리드 내로의 공급 실행 시 상응하는 유연성을 갖는다. 현대적인 풍력 발전 설비들도 흔히 상기와 같은 전압 기반 발전 장치로서 형성된다. 따라서, 어느 경우에서든, 발전 장치, 특히 풍력 발전 설비가 공급을 실행하기 위한 전압 기반 인버터를 포함한다면, 전압 기반 발전 장치 또는 전압 기반 공급에 관한 것으로 언급할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 발전 장치는, 제1 작동점에서보다 더 적은 유효 전력 및/또는 무효 전력을 갖는 제2 작동점에서 공급 그리드 내로 공급을 실행하는 점이 제안된다. 이 경우, 바람직하게는, 제2 작동점의 유효 전력에 대해, 제1 작동점의 값에 비해 최소한 10%만큼, 특히 최소한 20%만큼 감소된 값이 제안된다. 제2 작동점의 무효 전력의 경우에는, 제1 작동점의 무효 전력에 비해 최소한 10%만큼, 특히 최소한 20%만큼의 감소가 제안된다. 따라서, 결과적으로 더 안정된 작동점을 달성하기 위해, 또는 안정성 한계로부터 더 멀리 이격된 작동점을 달성하기 위해, 보다 더 적은 유효 전력 및 보다 더 적은 무효 전력의 제2 작동점에서 공급이 실행될 수 있다. 여기서 '더 멀리 이격된'이란, 상대적으로 더 높은 유효 내지 무효 전력 차이 값을 의미한다. 확인된 점에 따르면, 흔히, 제1 작동점과 관련하여, 유효 전력의 감소가 적합하고 무효 전력은 감소되지 않아도 되거나, 또는 무효 전력이 상대적으로 더 적은 값만큼만 감소되기만 하면 된다. 따라서, 공급의 차단 후에 풍력 발전 설비는 특히 우선, 비율, 특히 전기 공급 그리드 내의 비율이 정규화되고, 그리고/또는 안정화될 때까지, 감소된 유효 전력으로 작동되는 점이 제안된다.
바람직하게 본원의 방법은, 공급되는 무효 전력이 공급되는 유효 전력보다 더 신속하게 변경되며, 특히 증가되며, 그럼으로써 제2 작동점의 무효 전력 값이 제2 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되고, 그리고/또는 그럼으로써 제1 작동점의 무효 전력 값이 제1 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되도록, 공급의 재개가 수행되는 것을 특징으로 한다. 인정되는 점에 따르면, 우선 유효 전력보다 더 많은 무효 전력이, 또는 무효 전력만이 공급된다면, 재시동 시 공급 및/또는 그리드의 안정성은 증가될 수 있다. 이 경우, 기초가 되는 최종 값은 각각 무효 전력과 유효 전력 사이에서 상이할 수 있다.
따라서, 공급의 재개 동안, 적합한 무효 전력 비율을 통해 최대한 안정된 작동점을 달성하는 점이 제안된다. 따라서 예컨대 무효 전력을 공급 실행하는 것을 통해, 연계점 상의 그리드 전압은 증가될 수 있으며, 이는 안정화하는 방식으로 작용할 수 있다. 이를 위해, 우선 무효 전력만을 공급 실행하거나 추출하는 점이 바람직할 수 있다.
무효 전력이 제1 작동점과 관련하여 유효 전력보다 더 신속하게 설정된다면, 이는, 제2 작동점이, 예컨대 무효 전력이 제2 작동점의 값에 도달했을 때 설정되며, 경우에 따라서는 짧은 시간 동안만 설정되는 것을 의미한다. 이런 경우에, 제2 작동점의 유효 전력은 제1 작동점의 유효 전력에 비해 감소된다.
또한, 우선 무효 전력이, 결과적으로 그리드 지원을 달성하기 위해, 특히 제1 또는 제2 작동점의 값으로 설정되고, 이어서 유효 전력이 설정되고, 특히 증가되고, 그리고/또는 무효 전력 및 유효 전력은 각각 시간에 따른 램프 함수(ramp function)에 의해 설정되며, 그리고 램프 함수는, 제2 작동점의 무효 전력 값이 제2 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되고, 그리고/또는 제1 작동점의 무효 전력 값이 제1 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법도 바람직하다.
따라서, 안정화를 달성하기 위해, 목표하는 방식으로 맨 처음 무효 전력을 설정하는 점이 제안된다. 이 경우, 제2 작동점은 무효 전력 성분은 높지만, 유효 전력 성분은 낮은 것을 특징으로 할 수 있다. 특히 여기서 유효 전력 성분은 영(0)일 수 있다.
대체되거나 조합되는 방식으로, 무효 전력의 변경은, 유효 전력의 증속보다 더 가파른 램프 함수로 수행된다. 각각의 램프 함수들의 기울기는, 무효 전력 내지 유효 전력의 각각의 최종 값에 관련되며, 특히 제1 또는 제2 작동점의 값들에 관련된다.
추가 실시예에 따르는 방법은, 공급을 재개할 때, 공급되는 유효 전력이 사전 설정된 곡선으로, 특히 램프 형태로 증가되고, 이와 동시에 공급되는 무효 전력은 수반하는 방식으로 전압을 안정화시키는 작용을 하도록 전달되며, 특히 무효 전력은 전기 공급 그리드의 앞서 검출된 그리드 특성을 기반으로 전달되는 것을 특징으로 한다. 따라서 유효 전력은 특히, 최대한 빨리, 그러나 안정성을 해치지 않도록 충분한 시간으로, 전기 공급 그리드 내로 전력을 공급하기 위해, 램프를 따라서 증속된다. 이 경우, 무효 전력의 증속을 안정화하는 방식으로 수반하는 임무가 무효 전력에 부여된다. 이 경우, 무효 전력은 안정화를 달성하기 위해 훨씬 더 동적으로 변동될 수 있다.
안정화는 특히 최대한 일정하고, 그리고/또는 사전 설정된 공차 범위에서 유지되어야 하는 그리드 연계점 상의 전압에 관련된다. 바람직하게 이를 위해, 연결된 공급 그리드의 앞서 검출된 그리드 특성을 기반으로 하는 점이 제안된다. 그 결과, 그리드 연계점 상에서 공급 그리드의 거동도 적어도 부분적으로 알려질 수 있으며, 그리고 유효 전력의 계획된 증속에 대한 그리드 연계점 상에서 공급 그리드의 반응, 특히 그리드 연계점 상에서 전압의 반응이 예측될 수 있다. 그 결과, 무효 전력은, 유효 전력 공급의 사전 계획된 증가를 알고 있는 상태에서, 목표하는 방식으로 전달될 수 있다. 예컨대 무효 전력은 계획된 유효 전력 공급과 사전에 알려진 그리드 특성을 기반으로 개루프 제어될 수 있다. 또한, 폐루프 제어가 보충될 수 있다.
이 경우, 무효 전력은 특히, 증속 동안 안정성 한계가 엄수되도록 전달될 수 있다. 그 결과로, 각각의 선택된 안정성 한계에 따라서, 제2 작동점은 제1 작동점보다 더 높은 안정성 간격으로 제어된다.
재시동 동안 우선 풍력 발전 설비가 감소된 전력으로 작동된다면, 풍력 발전 설비는 공급 그리드 내로의 전력 공급에 기여할 수 있으며, 그 결과 그리드를 함께 지원할 수 있지만, 그러나 그와 동시에 비교적 안정된 작동점에서 작동된다.
바람직하게 공급의 재개는 차단 후 사전 결정된 재개 시간 이내에 수행되며, 바람직하게 10초 미만인 재개 시간이 선택된다. 바람직하게는 재개 동안 사전 결정된 증속 시간 이내에 제2 작동점으로 증속이 수행된다. 따라서 그리드 지원을 달성할 수 있도록 하기 위해, 설비는, 가능한 신속하게 그리드 내로 다시 공급을 실행해야 하며, 상기와 같은 공급의 신속한 재개에도 제2 작동점의 선택을 통해 공급의 신속한 재개는 안정되게 수행될 수 있고, 설비는 곧바로 다시, 앞서 이미 공급의 차단에 대한 우려를 야기했던 불안정한 공급 상태로 전환되지도 않는다. 따라서 안정성이 유지되는 것과 동시에 그리드의 신속한 재활성화 및 지원이 제안된다.
일 구성에 따라서, 안정성 여유도는 공급되는 무효 전력과 안정성 한계의 무효 전력 사이의 최소 차이인 점이 제안된다. 공급되는 무효 전력은 정확한 값이며, 그에 반해 안정성 한계는 하나 이상의 곡선이다. 따라서 공급되는 무효 전력의 값에서부터 안정성 한계, 다시 말하면 상기 한계의 곡선까지 상이한 차이들이 발생한다. 상기 차이들 중 최소 차이는 상기 제안에 따라서 안정성 여유도를 형성한다. 달리 말하면, 안정성 여유도는, 명백하게 말하면, 안정성 한계까지의 최소 이격 간격이다.
추가 실시예에 따라서, 공급되는 유효 전력과 안정성 한계의 유효 전력 사이의 최소 차이가 안정성 여유도인 점이 제안된다.
또 다른 실시예에 따라서, 그리드 연계점 상의 전압과 안정성 한계의 전압 사이의 최소 차이가 안정성 여유도인 점이 제안된다.
바람직하게 안정성 여유도는 상기 차이들로도 구성될 수 있다. 바람직하게 안정성 한계로서, 예컨대 무효 전력에 따른 유효 전력의 곡선처럼 공급될 유효 전력과 공급될 무효 전력 사이의 관계가 기초가 된다. 이런 점에 있어서 자신의 유효 전력 비율 및 무효 전력 비율을 통해 지시되는 작동점의 안정성 여유도로서는 상기와 같이 정의되는 안정성 한계까지의 최소 이격 간격이 이용될 수 있다. 이는 수학적인 측면에서 최소 제곱법을 통해 계산될 수 있다. 안정성 한계까지의 최소 이격 간격은, 안정성 한계 상에서, 무효 전력 차이의 제곱과 유효 전력 차이의 제곱의 합으로 이루어진 근이 가장 최소인 지점에 대해 제공된다.
바람직하게 안정성 한계는 공급되는 무효 전력에 따르는, 또는 공급되는 유효 전력에 따르는, 또는 두 전력에 따르는 그리드 연계점 상의 그리드 전압의 함수일 수 있으며, 함수는 형용하면 표면, 특히 만곡된 표면을 취할 수 있거나, 또는 취하게 된다. 이 경우, 상기 만곡된 표면은 공급되는 무효 전력 및 공급되는 유효 전력에 따르는 그리드 연계점 상의 그리드 전압일 수도 있다. 따라서 그리드 연계점 상의 그리드 전압, 공급되는 무효 전력, 및 공급되는 유효 전력을 통해 펼쳐 형성되는 공간 내에, 특히 테카르트 공간의 의미에서 만곡된 표면이 생성될 수도 있다.
추가 구성에 따라서, 그리드 연계점 상에서 공급 그리드, 및/또는 이 공급 그리드 내로의 공급의 안정성 손실이 발생하거나 지시된다면, 공급의 차단이 수행된다. 다시 말해, 이런 점에 한해서, 이미 최대한 방지되어야 하는 사례, 요컨대 안정성 손실이 발생했을 수도 있다. 이를 위해, 폐루프 제어의 관점에서, 바람직하게 공급 그리드 또는 공급의 상기 안정성 손실이 발생하는 점을 시그널링하는 신호가 평가된다.
또한, 또는 대체되는 방식으로, 차단은, 공급 그리드 내, 그리고/또는 그리드 연계점 상의 과전류를 통해 야기될 수 있다. 그 외에, 또는 대체되는 방식으로, 검출되었고, 그에 따라 공급의 차단을 야기하는 공급 그리드 내의 결함, 특히 단락이 발생할 수 있다.
또한, 보충되거나 대체되는 방식으로, 공급 그리드 내, 그리고/또는 그리드 연계점 상의 전압 강하도 차단을 야기할 수 있다. 따라서 특히 사전 결정된 값을 하회할 때 전압 강하는 그리드 내의 심각한 문제에 대한 명료한 지표이다. 원칙적으로, 전압 오버슈트(voltage overshoot)도 그리드 내의 문제를 지시할 수 있고 차단을 필요하게 할 수 있다. 그러나 뜻하지 않은 전압 상승의 경우, 보통, 발전 장치가 우선 그리드 내로 추가 전력을 다시 공급하지 않도록 하는 것이 적합할 수도 있다. 경우에, 따라 공급 실행은 그리드 전압의 음의 무효 전력을 상쇄시킬 수도 있다.
또한, 또는 대체되는 방식으로, 그리드 내의 전환 및/또는 공급 그리드 내의 변압기들의 승강압(step up-down)은, 특히 이런 전환 또는 변압기들의 승강압, 다시 말하면 이른바 단계 변압기들(step transformer)의 스위칭이 통상적인 범위를 초과한다면, 차단을 야기할 수 있다.
극한 돌풍의 발생도 공급의 차단을 야기할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 그리드 연계점 상에서 우려되는 안정성 손실을 검출할 때, 그리고/또는 공급을 재개할 때 정상 개루프 제어(normal open-loop control)로부터, 발전 장치를 정상 개루프 제어에 비해 상대적으로 더 높은 안정성으로 제어하는 안정화 개루프 제어(stabilization open-loop control)로 전환되는 점이 제안된다. 그 결과, 우려가 되는 안정성 손실이 발생하거나, 또는 공급의 재개가 갱신된 문제, 특히 안정성 손실 및 특히 공급의 차단을 야기하는 점은 방지된다.
바람직하게는, 기술한 안정성 손실이 우려될 때, 또는 공급을 재개할 때, 발전 장치의 공급될 유효 전력을 발전 장치의 최대값보다 더 작은 값으로, 특히 발전 장치의 정격 전력보다 더 작은 값으로 국한하는 점이 제안된다. 특히 이처럼 최대값보다 더 작은 값으로 유효 전력을 감소하는 것을 통해, 한편으로 안정성 여유도가 제공되며, 그리고 다른 한편으로는 발전 장치에 대한, 특히 풍력 발전 설비가 발전 장치를 형성한다면 풍력 발전 설비에 대한 폐루프 제어 여유도가 제공된다.
추가의 실시예에 따라서, 발전 장치가 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지인 경우 안정성 손실이 우려될 때, 또는 공급을 재개할 때, 정상 개루프 제어로부터 중앙 단지 개루프 제어(farm open-loop control)로 전환되는 점이 제안된다. 다시 말해, 상기 문제의 경우, 더 이상 풍력 발전 설비들에 개별적으로 개루프 제어를 맡기는 것이 아니라, 결과적으로 안정성 손실을 상쇄시키기 위해, 특히 공급의 관점에서 풍력 발전 설비들의 중앙 조정이 제안된다.
바람직하게는, 안정화 손실이 더 이상 우려가 되지 않는 점이 검출될 때까지, 안정화 개루프 제어로의 전환, 유효 전력의 제한, 및/또는 중앙 단지 개루프 제어의 이용이 유지된다. 따라서, 이 경우, 안정성과 관련하여 풍력 발전 설비, 풍력 발전 단지, 또는 또 다른 발전 장치를 일차적으로 제어하고 이와 동시에 유효 전력 공급의 감소를 감수하는 점이 매우 중요하다. 달리 말하면, 안정화가 중심이 되고, 심지어, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지를 이용하는 경우 바람에 포함된 에너지를 잃는 점은 감수된다.
안정화 개루프 제어로의 전환은 제1 작동점으로부터 제2 작동점으로의 전환에 상응한다. 제2 작동점에서의 작동은 안정화 개루프 제어로서 지칭될 수 있다.
바람직한 구성에 따라서, 그리드 연계점에서 우려되는 안정성 손실의 검출 후에, 그리고/또는 공급의 재개 후에, 외부 신호를 통해, 각각의 경우에 따른 안정화 개루프 제어로부터, 발전 장치의 각각의 경우에 따른 개루프 제어는 각각의 경우에 따른 정상 개루프 제어로 복귀되고, 그리고/또는 공급되는 유효 전력의 각각의 경우에 따른 제한은 상쇄되는 점이 제안된다. 따라서 원칙적으로, 증가된 안정화를 기초로 하지 않는 정상 상태로의 복귀는 외부 신호에 따라서 수행되는 점이 제안된다. 예컨대 평가 장치는 상기 외부 신호를 생성할 수 있거나, 또는 예컨대 전기 공급 그리드의 운영자가 상기 신호를 제공할 수 있다. 상기 외부 신호의 평가를 통해, 더욱 신뢰성 있게, 그리고 특히 더욱 확실히 재현 가능하게, 정상 작동으로의 복귀가 실행될 수 있다. 그 결과로, 정상 작동으로의 복귀가 너무 이른 시점에, 요컨대 앞서 검출되었거나 우려되는 안정성 문제가 실제로 제거되기 전에 수행되는 위험은 최소화된다.
일 실시예에 따라서, 복수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지가 제공되고, 각각의 풍력 발전 설비는 발전 장치를 형성하는 점이 제안된다. 하나 또는 몇몇의 풍력 발전 설비의 공급의 차단 후에, 상기 풍력 발전 설비(들)는 공급을 개별적으로 다시 개시한다. 특히 각각의 풍력 발전 설비는 각각 정상 개루프 제어로부터, 각각의 풍력 발전 설비를 정상 개루프 제어에 비해 증가된 안정성으로 제어하는 안정화 개루프 제어로 전환한다. 특히 이는, 공급의 차단이 풍력 발전 단지 전체에 관계하는 것이 아니라, 몇몇 풍력 발전 설비에만 관계하는 사례에 관계한다. 이에 대해, 예컨대 하나 또는 복수의 풍력 발전 설비가 극한 돌풍으로 인해 공급을 차단한 것처럼 여러 이유가 존재할 수 있다. 또한, 측정 부정확성으로 인해, 몇몇 풍력 발전 설비는, 차단을 필요로 하게 하지만, 그에 반해 다른 풍력 발전 설비들을 여전히 차단하지 않아도 되게 하는 사례를 출발점으로 하게 된다. 또한, 이격된 배치는, 충분히 설비들이 서로 다르게 반응하게 하는 단지 내 풍력 발전 설비들 간의 약간 상이한 전제 조건들을 초래할 수도 있다. 그 밖에도, 공급의 차단에 대한 서로 다른 기준들을 기반으로 하는 여러 설비 유형도 존재할 수 있다.
이를 위해, 어느 경우든, 자신의 공급을 차단한 풍력 발전 설비들은 가능한 신속하게 다시 활성화되며, 더욱 정확하게 말하면 캐스케이드 효과를 상쇄시키기 위해 안정된 상태로 활성화되는 점이 제안된다. 따라서 여전히 차단에 대한 기준을 검출하지 않은 풍력 발전 설비들이 다른 풍력 발전 설비들의 차단을 통해 종국에 공급 실행을 차단하지 않아도 되는 점은 방지된다. 그러므로 공급 실행을 차단한 풍력 발전 설비들은 가능한 신속하게 다시 공급 실행을 허용하지만, 그러나 최대한 안정된 작동점에서 허용하는 점이 제안된다.
바람직하게는, 공급 실행을 차단한 하나 또는 복수의 풍력 발전 설비의 경우, 공급 실행의 재개는 여전히 기초가 되는 외란이 제거되기 전에, 적어도 기초가 되는 외란이 완전히 제거되기 전에 수행된다. 원칙적으로는, 외란으로 인해 공급이 차단될 때, 상기 외란이 더 이상 존재하지 않을 때 비로소 다시 공급이 실행될 수 있다. 그러나 변경된 작동점을 이용한 제안되는 공급으로 인해, 경우에 따라 여전히 존재하는 외란에도 불구하고, 공급 실행을 다시 개시할 수 있다. 이는, 특히 차단을 방지하기 위해 이미 안정된 작동점으로 전환될 수 없었던 정도로 차단이 신속하게 수행되었던 사례에 관계한다.
하기에 기술되는 전력 조류 계산(load flow calculation)은 에너지 공급 그리드들의 고정된 작동 상태들의 분석을 위해 이용된다. 이 경우, 원리는, 도 9에 도시되어 있는, 해당 그리드 자신의 임피던스(Z) 내지 어드미턴스(Y)(복합 컨덕턴스)를 통한 상기 해당 그리드의 모델링을 형성한다.
종래의 그리드 분석에서 그리드는 n개의 노드에 대한 관계를 지시하는, 행렬 기록 방식의 하기의 선형 방정식 계를 이용하는 "오옴 법칙"을 통해 결정될 수도 있다.
Figure pct00001
또는 축약한 경우:
Figure pct00002
(선형 방정식 계).
이 경우, 전압은 n개의 그리드 노드 중 각각의 그리드 노드 상에서 요구된다(→ 전압 유지).
그러나 그리드들 내의 전류들은 알려져 있지 않지만, (계획된) 공급 내지 감소량은 알려져 있기 때문에, 전류들은 전력들을 통해 하기와 같이 표현된다.
Figure pct00003
전력들을 통해 그리드 방정식들을 표현하는 것을 통해, 이제 비선형 방정식 계는 하기와 같이 형성된다.
Figure pct00004
상기 비선형 방정식 계는 수치로 (대개는 뉴턴 방법으로) 풀이된다. 방정식 계의 수치 풀이의 범위에서, 상기 방정식 계는 선형화되어야 한다. 선형화는 미지수들, 요컨대 여기서는 노드 전압들의 진폭(U2...Un) 및 각도(δ2...δn)에 따라서 행렬 요소들의 부분 도함수들을 통해 수행된다.
부분 도함수들을 포함하는 행렬은 야코비 행렬로 지칭된다. 방정식 계의 풀이를 위해, 이 풀이는 가역적이어야 하며, 다시 말하면 정칙(regular)이어야 한다.
Figure pct00005
야코비 행렬
본 발명은 하기에서 첨부한 도면들을 참조한 실시예들에 따라서 예시로서 더 상세히 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 도시한 사시도이다.
도 2는 "Voltage Control System", 또는 축약어 VCS로서도 지칭되는 전압 제어 시스템을 기반으로 하여 그리드에 연결되는 풍력 발전 설비를 도시한 개략도이다.
도 3은 교류 전압 그리드 내로 풍력 발전 설비를 전압 제어 방식으로 공급하는 회로 장치를 도시한 개략도이다.
도 4는 하나의 공통 그리드 연계점을 통해 그리드에 연결되는 2개의 풍력 발전 설비를 도시한 개략도이다.
도 5는 그리드에 연결된 풍력 발전 설비의 민감도에 영향을 미칠 수 있는 영향 변수들의 개요도이다.
도 6은 공급되는 무효 전력 및 공급되는 유효 전력에 따르는 전압 곡선들로서 그리드 연계점 상에서 그리드의 거동 평가를 나타낸 그래프이다.
도 7은 공급되고 정규화된 무효 전력 및 유효 전력에 따라서 유효 전력의 변화량을 통해 야기되는 전압 변화량으로 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 정규화된 무효 전력 및 유효 전력에 따라서 무효 전력의 변화량을 통해 야기되는 전압 변화량으로서 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 일반화된 그리드 모델링이다.
도 10은 변경된 작동점에서 공급의 재개와 함께 안정성 손실을 나타낸 그래프이다.
하기에서 동일한 도면 부호들은 유사하지만 동일하지 않은 부재들을 위해서도 제공될 수 있거나, 또는 개략적으로, 또는 기호로만 도시되어 있고 상세하게는 상이할 수 있지만, 각각의 설명을 위해서는 중요하지 않은 부재들에 대해서도 제공될 수 있다.
도 1에는, 타워(102)와 곤돌라(104)를 포함하는 풍력 발전 설비(100)가 도시되어 있다. 곤돌라(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)(spinner)를 포함하는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 중에 바람을 통해 회전 운동되고, 그 결과 곤돌라(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2에는, 그리드 연계점(2)을 통해 전기 공급 그리드(4)에 연결되는 풍력 발전 설비(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 전기 공급 그리드(4)는 단순하게 하기에서는 그리드(4) 또는 네트워크(4)로서도 지칭되며, 이런 개념들은 동의어로서 간주해야 한다.
풍력 발전 설비(1)는, 바람을 통해 작동되고 그 결과 전기 에너지를 생성하는 발전기(6)를 포함한다. 발전기(6)는 일 실시예에서 각각 별 모양으로 연결된 2개의 3상 시스템을 포함하는 전기 여기식 다상 동기 발전기(6)로서 형성되며, 이는 도 2의 발전기(6) 내에 2개의 별 기호를 통해 도시되어 있다. 이렇게 생성된 교류 전류, 요컨대 언급한 예시에서는 6상 교류 전류는 정류기(8)로 정류되어, 직류 전류로서, 복수의 개별 라인을 포함할 수 있는 상응하는 직류 전류 라인(10)을 경유하여, 곤돌라(12)로부터 타워(14) 아래로 인버터(16)에까지 전달된다. 인버터(16)는 직류 전류로부터 교류 전류, 요컨대 도시된 예시에서는 그리드(4) 내로 공급 실행하기 위한 3상 교류 전류를 생성한다. 이를 위해, 인버터(16)에 의해 생성된 교류 전압은, 이후 그리드 연계점(2) 상에서 그리드(4) 내로 공급되도록 하기 위해, 변압기(18)에 의해 승압된다. 도시된 변압기(18)는 성형-삼각 결선을 이용하며, 요컨대 일차 측에는 성형 결선을, 그리고 이차 측에는 삼각 결선을 이용하며, 이는 여기서 일 실시예의 예시로서만 도시되어 있다. 그리드(4) 내로의 공급은 유효 전력(P)의 공급 외에 무효 전력(Q)의 공급도 포함할 수 있으며, 이는 액션 화살표(20)를 통해 도시되어 있다. 명확한 공급을 위해, 인버터(16)는 상응하는 제어 유닛(22)을 통해 제어되며, 제어 유닛(22)은 구조적으로 인버터(16)와 통합될 수 있다. 대체로 도 2에는 원칙적인 작용 구성도가 도시되어 있으며, 그리고 개별 부재들의 구체적인 배치는 도시된 것과 다르게도 선택될 수 있다. 예컨대 변압기(18)는 타워(14)의 외부에 제공될 수 있다.
제어 유닛(22)은 특히 그리드(4) 내로의 공급의 유형 및 방식이 제어되도록 인버터(16)를 제어한다. 여기서, 그리드(4) 내의 상황, 특히 그리드(4) 내 전압의 주파수, 위상 및 진폭에 대해 공급될 전류를 매칭시키는 것과 같은 과제가 인지된다. 또한, 제어 유닛(22)은 실제로 그리드(4) 내로 공급되는 전력의 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)의 비율을 제어하기 위해 제공된다. 여기서 그리드(4) 내에서, 특히 그리드 연계점(2) 상에서 측정이 실행되고 그에 상응하게 평가된다. 특히, 그리드(4) 내의 실제 전압도 특히 전압의 실제 유횻값의 형태로 측정되고 전압에 대한 사전 설정값, 요컨대 사전 설정값(VSET)과 비교된다.
그에 상응하게, 도시된 시스템 및 특히 제어 유닛(22)을 포함한 인버터(16)는 독일어 언어 사용에서도 "Voltage Control System"(축약어: VCS)으로서도 지칭되는 전압 제어 시스템을 나타낸다.
풍력 발전 설비의 발전기의 개루프 제어를 위해, 곤돌라의 영역에 전력 제어 블록(24) 및 전력 평가 블록(26)이 제공된다. 전력 제어 블록(24)은 특히 도시된 실시예의 예시에서 외부 여기식 동기 발전기의 여기, 요컨대 여자 전류를 제어한다. 전력 평가 블록(26)은 정류기(8)로 공급되는 전력을 평가하고, 이 전력을, 정류기(8)로부터 직류 전류 라인들(10)을 통해 인버터(16)로 공급되는 전력과 비교한다. 상기 평가의 결과는 계속하여 전력 제어 블록(24)으로 제공된다.
또한, 도 2에는, 그에 상응하는 지능형 공급을 위해, 도시된 시스템은, 공급 실행 시에 풍력 발전 설비를 최대한 안정되게 작동시키기 위해, 특히 안정성 한계에 가깝게 작동시키기 위해, 전압 제어 시스템을 구비해야만 하는 점도 도시되어 있다.
도 3에는, 이른바 "약한 그리드(4')"에 대한 풍력 발전 설비(1')의 연결이 도시되어 있다. 여기서 약한 그리드란, 높은 임피던스를 갖는 그리드를 의미한다. 이는, 도 3에, 직렬 임피던스(5')를 통해 도시되어 있다. 또한, 상기 직렬 임피던스(5')는, 도 3의 구조에 상응하고 약한 그리드(4') 상에서 풍력 발전 설비(1')의 거동을 조사한 검사 구성에서 제공되었다.
도 3의 구조는, 바람에 의해 구동되고 동기 발전기로서 제공되는 발전기(6')를 출발점으로 한다. 발전기(6')의 생성된 전력은 정류기(8')에서 정류되어, 중간 회로 커패시터(28')를 포함하는 직류 전압 중간 회로 상의 입력 측에서 인버터(16')로 공급된다. 도시된 구조는, 도면을 단순화하기 위해, 직류 전압 라인(10')을 인버터(16')의 입력 측 직류 전압 중간 회로와 동일시한다. 실제로 입력 측 직류 전류 라인은 중간 회로와 전기적으로 동일할 수 있거나, 또는 입력 측에 승압형 컨버터가 제공되지만, 이는 여기서는 상세하게 설명되지 않는다. 또한, 정류기(1') 및 인버터(16')는, 이미 도 2에서 정류기(8)와 인버터(16)에 대해 설명한 것처럼, 공간상 상호 간에 분리될 수 있다.
마지막으로, 중간 회로 커패시터(28')를 통해 표현되는 직류 전압 중간 회로의 에너지에서 전원을 공급받을 수 있는 여자 제어부(24')(excitation control)가 제공된다. 상기 여자 제어부(24')는 외부 여기식 발전기(6')의 여자 전류를 제어하며, 원칙적으로 도 2의 전력 제어 블록(24)에 상응한다.
인버터(16')는 유효 전력(P) 및/또는 무효 전력(Q)을 공급할 수 있다. 이 경우, 도 3에는, 인버터(16')의 출력단 상의 전압이 풍력 발전 설비의 전압(VWEC)으로서 지시되어 있다. 공급을 위해, 상기 전압은 변압기(18')를 통해 승압되고 그리드 연계점(2') 상에서 그리드(4') 내로 공급된다. 또한, 여기서 그리드(4')는 추가의 그리드 변압기(30')를 포함한다. 그리드 변압기(30') 이후에 개시되는 실질적인 그리드는 도면 부호 4"로 식별 표시되어 있다. 그리드 연계점(2') 상의 전압은 그리드 전압(VGrid)으로서 지칭된다.
약한 그리드의 도해를 위해, 직렬 임피던스(5')는 그리드 연계점(2') 전방에 표시되어 있다. 상기 직렬 임피던스(5')는 상기 검사 구성 내지 도해로 나타낸 구성에서만 존재하며, 그리드 임피던스를 지시한다. 또한, 그러므로 바로 변압기(18') 옆에 표시된 지점도 그리드 연계점(2")으로서 간주될 수 있다. 상기 두 그리드 연계점(2' 및 2") 사이의 구별은 직렬 임피던스(5')의 이용을 통해서만 제공되며, 그러지 않으면 실제 그리드들에서는 존재하지 않는다.
도 4에는, 2개의 풍력 발전 설비(1)가 공급 그리드(4)에 연결되어 있는 도해로 나타낸 추가의 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 풍력 발전 설비(1) 각각은 그 진가에 따라서 도 2에 설명된 것처럼 구성되며, 요컨대 발전기(6)와, 정류기(8)와, 실제로 2개 이상, 요컨대 양 및 음의 전류를 위한 2개 이상의 개별 라인을 구비하는 직류 전류 라인(10)을 포함하여 구성되며, 이는 그에 상응하게 도 2의 직류 전류 라인(10)에도 해당한다. 그 밖에도, 풍력 발전 설비(1)는 인버터(16)와 변압기(18)를 포함한다. 이 경우, 두 풍력 발전 설비(1) 각각으로부터, 연결 라인(32)이 각각의 경우에 따른 풍력 발전 설비 측 그리드 연계점(2')까지 연장된다. 따라서 예시로서 도시되어 있으면서 훨씬 더 많은 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지를 대표적으로 나타내는 상기 두 풍력 발전 설비(1)는 자신들의 생성된 전력을 함께 상기 풍력 발전 설비 측 그리드 연계점(2') 상에서 공급한다. 그 다음, 공급되는 전력(P)과, 그리고 존재하는 경우 공급되는 무효 전력(Q)은 그리드 측 연계점(2')으로 공급되어 전기 공급 그리드(4) 내로 공급된다.
풍력 발전 설비 측 그리드 연계점(2')과 그리드 측 연계점(2") 사이의 연결은 무시될 수 없으며, 그리고 그에 상응하게 풍력 발전 설비 측 그리드 연계점(2') 상에서 풍력 발전 설비 측 전압(VWP)을 설정하며, 그에 반해 그리드 측 연계점(2") 상에서는 전압(VGrid)이 설정된다.
개루프 제어를 위해, 풍력 발전 설비 측 전압(VWP)이 검출되어 평가 블록(34)에서 평가된다. 평가는, 우선, 측정값들이 측정 블록(36)에 의해 기록되도록 수행된다. 측정 결과들은 특히 SVCS 블록으로서도 지칭될 수 있는 안정성 제어 블록(38)으로 공급되며, SVCS는 영어 개념 "안정성 전압 제어 시스템(Stability Voltage Control System)"에 대한 축약어로 파생된 것이다. 안정성 제어 블록(38)은 공급될 무효 전력(QSet)에 대한 사전 설정값을 계산한다. 설정될 무효 전력은 상응하는 사전 설정값으로서 두 풍력 발전 설비(1)로 전달되며, 그리고 그에 상응하게 소정의 값으로 모든 풍력 발전 설비에 전달될 수도 있다. 상기 사전 설정값은, 특히 풍력 발전 설비들(1)이 동일한 크기를 보유하고 동일한 바람에 노출된다면, 절댓값으로서 전달될 수 있다. 그 밖에도, 사전 설정값으로서, 예컨대 해당 풍력 발전 설비의 정격 전력처럼, 각각의 풍력 발전 설비의 특성에 관련되는 백분율 값도 출력될 수 있다.
그 밖에도, 측정 블록(36)은 값들을 계속하여 관측기 블록(40)으로 제공하며, 관측기 블록(40)은 검출된 측정값들로부터 예컨대 공급되는 유효 전력 또는 공급되는 무효 전력과 같은 추가 상태들을 결정하며, 그리고 자신의 결과들을 계속하여 시스템 모델 블록(42)으로 전송한다. 관측기 블록(40)은 경우에 따라 전력 요구량에 대한 정보도 산출하거나 유도할 수 있다.
그 다음, 시스템 모델 블록(42)의 시스템 모델은, 최대로 공급될 유효 전력(Pmax)을 결정하여 풍력 발전 설비들(1)로 공급하기 위해 이용된다. 상기 최대로 공급될 유효 전력도 절댓값 또는 상대 값으로서 출력될 수 있다. 여기서 주지할 사항은, 평가 블록(34)의 도해가 구조를 설명하고 있다는 점이다. 원칙적으로, 평가 블록(34)이 본체와 관련하여 독립된 장치로서 형성되는 점은 요구되지 않는다.
그 다음, 사전 설정된 무효 전력(Qset) 및 최대 유효 전력(Pmax)은 각각의 풍력 발전 설비(1)의 FACTS 제어 블록(44)으로 제공된다. 또한, "FACTS"란 명칭은 독일어 언어 사용에서도 통상적으로 사용되며, "유연한 AC 전송 시스템(Flexible AC Transmission System)"의 축약어이다. 이 경우, FACTS 제어 블록(44)은 사전 설정값들을 변환하고 그에 상응하게 인버터(16)를 제어하며, 이를 위해 FACTS 제어 블록은 풍력 발전 설비의 상태들의 측정값들도 함께 고려할 수 있다.
특히, 그러나 이를 포함하여, 그리드(4) 내로의 안정된 공급 실행을 위한 안정성 관련 사전 설정은 평가 블록(34)을 통해 실현될 수 있다. 특히 공급될 에너지량 내지 전력 레벨 및 안정성과 관련하여 유리한 작동점이 사전 설정될 수 있다. 특히 이 경우 안정성 여유도를 갖는 작동점이 사전 설정될 수 있다. 이 경우, 공급될 무효 전력과 관련한 안정성 여유도는 안정성 제어 블록(38)에 의해 무효 전력(Qset)의 상응하는 사전 설정을 통해 달성될 수 있다.
도 5에는, 그리드에 연결되는 풍력 발전 설비의 민감도와 이에 대한 영향 변수들이 도시되어 있다. 요컨대 그리드 연계점 상에서 그리드의 거동에 대한 대표적인 사항으로 도 5의 그리드 블록(50)이 지시되어 있다. 그리드 블록(50)은, 그리드가 전압 변화량을 통해 영향들에 반응할 수 있음을 도시하고 있다. 여기서 영향으로서는 유효 전력의 변화량(ΔP)과 무효 전력의 변화량(ΔQ)이 도시되어 있다. 전력 변화량들의 영향은 유효 전력 블록(52)에서 고려되고, 무효 전력의 변화량들의 영향은 무효 전력 블록(54)에서 고려된다. 유효 전력 블록(52)에는, 유효 전력에 따른 전압의 부분 도함수가 도시되어 있고, 그에 상응하게 무효 전력 블록(54)에는 무효 전력에 따른 전압의 부분 도함수가 도시되어 있다. 이는, 그리드 거동, 다시 말해 그리드 민감도의 각각의 동적 거동, 요컨대 유효 전력 및 무효 전력의 변화량들에 대한 반응들을 그에 상응하는 부분 도함수를 통해 고려할 수 있는 가능성이며, 그에 따른 결과는 합산 블록(56)에서 가산된다. 따라서 합산 블록(56)과 함께 그리드 블록(50)은 2개의 변수, 요컨대 유효 전력 및 무효 전력에 대한 그리드 연계점 상의 그리드의 전압의 의존성을 고려한다. 여기서 의존성은 두 부분 도함수를 통해 고려된다.
유효 전력의 변화량들은 특히 풍력 발전 설비 블록(58)에 작용하는 풍속의 변화량들(ΔVW)로부터 생성된다. 상기 풍력 발전 설비 블록(58)은 유효 전력의 변화량(ΔP)에 대한 풍속의 변화량(ΔVW)의 영향을 도해로 설명하고 있지만, 그 밖에도 풍력 발전 설비의 개루프 제어도 고려되어야 하며, 그에 따라 상기 블록(58)에 의해 고려된다.
무효 전력의 변화량(ΔQ)은 비록 풍력 발전 설비에 따라, 적어도 풍력 발전 설비의 개루프 제어에 따라 결정될 수 있긴 하지만, 그러나 실질적으로 풍속과 무관한 또 다른 관계들에 따른다. 무효 전력의 변화량은 개루프 제어 블록(60)을 통해 도시되어 있다. 이 경우, 상기 개루프 제어 블록(60)은 설명을 위해 무효 전력 사전 설정 블록(62)과 FACTS 블록(64)으로 분할된다. 개루프 제어 블록(60)과 그에 따른 무효 전력 사전 설정 블록(62)은 우선, 사전 설정된 전압 편차(ΔV SET )와 관련하여, 요컨대 그리드 연계점 상에서의 전압 편차(ΔV)에 따라 결정된다. 상기 결과에 따른 전압 편차에서 출발하여, 무효 전력 사전 설정 블록(62)은 공급될 무효 전력을 결정하거나, 또는 전압 변화량에 따라서 공급될 무효 전력의 사전 설정된 변화량을 결정한다. 이는 FACTS 블록(64)으로 전달되며, 이 FACTS 블록은 그에 상응하게 무효 전력의 공급의 전환, 내지 무효 전력의 공급의 변화량의 전환을 실현한다.
또한, 풍력 발전 설비 블록(58) 및 개루프 제어 블록(60)은 각각의 입력 변수들의 전달 함수로서도 간주될 수 있고, 무효 전력 사전 설정 블록(62) 및 FACTS 블록(64)은 각각 개루프 제어 블록(60) 내에서 상호 간에 연결되는 개별 전달 함수들로서도 간주될 수 있다.
도 6에는, 일 실시예에 대해, 공급되는 무효 전력(Q) 및 공급되는 유효 전력(P)에 따른 그리드 연계점 상의 전압의 의존성이 도시되어 있다. 무효 전력(Q)은 조사된 그리드 연계점 상에서 그리드의 단락 전력(SSC)으로 정규화되어 가로좌표 상에 표시되어 있다. 전력(P)은 마찬가지로 동일한 그리드 연계점의 단락 전력(SSC)으로 정규화되어 세로좌표 상에 표시되어 있다. 전압(VPCC)은 정격 전압(VN)으로 정규화된 그리드 연계점 상의 전압이다. 이처럼 그리드 연계점 상에서 정규화된 전압은 여러 값들에 대해 각각 정규화된 무효 전력(Q) 및 정규화된 유효 전력(P)에 따르는 그래프로서 표시되어 있다. 그에 상응하게, 그래프 내지 1의 값을 갖는 특성곡선은, 어떠한 값들에서 무효 전력 및 유효 전력에 대해 정격 전압이 설정되는지를 나타내는 특성곡선이다.
예컨대 단락 전력(SSC)과 관련하여 10%의 무효 전력(Q) 및 50%의 유효 전력(P)이 공급될 때 정격 전압이 설정된다.
도 6의 그래프에는, 어느 경우든 해당 그리드 연계점과 관련하여 높은 임피던스를 갖는 그리드의 상기 그리드 연계점의 특성들이 도시되어 있다.
통상적으로, 예시의 그리드의 도시된 그리드 연계점에 대해, 공급은 예컨대 표준 작동 범위(200)에서 수행될 수도 있다. 다시 말하면, 단락 전력(SSC)의 약 5%의 무효 전력의 공급과 함께 단락 전력(SSC)의 약 10%의 유효 전력(P)의 공급이 수행될 수도 있다. 공급되는 유효 전력(P)은 발전기의 정격 전력 내지 연결 전력에 상응하거나, 또는 그리드 연계점에 연결되는 발전기들의 합에 상응한다는 이상적인 상정 하에서, 단락 전력(SSC)의 10%의 공급은, 연결 전력(PGen)이 단락 전력(SSC)의 10%에 달한다는 점과 동일한 의미일 수도 있다. 다시 말하면, 약 10의 단락비(Scr = SSC/PGen)가 존재한다. 이는 예컨대 도시된 표준 작동 범위(200)의 중심점에 상응한다. 도 6에는, 배향을 위해, 추가의 단락비들(Scr)은, 요컨대 10; 6; 4; 2 및 1.5의 Scr 값들에 대해 짧은 선들로 표시되어 있다.
그러나 본 발명에 따라서, 요컨대 단락 전력(SSC)의 60 내지 70%의 범위로 훨씬 더 많은 유효 전력(P)을 공급하는 점도 제안된다. 이를 위해, 그에 상응하게, 정격 전압의 100 내지 110%의 범위에서 그리드 연계점 상의 전압을 유지하기 위해, 단락 전력(SSC)과 관련하여 20 내지 30%의 무효 전력(Q)의 공급이 제공된다. 이런 점에서, 미리 배려하는 차원에서 주지할 사항은, 그리드 연계점 상의 정격 전압의 110%의 공급이, 부하 장치 상에서 110%의 증가된 전압이 측정될 수 있는 점을 의미하지는 않는다는 점이다. 한편으로, 통상적으로, 여전히 무시되지 않는 그리드 섹션이 그리드 연계점과 제1 관련 부하 장치 사이에 위치하며, 다른 한편으로는 그리드 내에 소정의 한계에서 보상을 실행할 수 있는 예컨대 단계 변압기들이 제공될 수 있다. 여기서 부하 장치들 및 발전 장치들 및 다양한 다른 한계 조건들을 포함하여 그리드에 따라 아주 개별적으로 결정되는 후속하는 조치들에 대해서는 본 출원의 범위에서 다룰 수 없다. 필요한 조치들에 대해서는 당업자라면 원칙적으로 익히 잘 알고 있다.
상기 제안되는 범위는 도 6에 증가된 작동 범위(210)로서 표시되어 있다. 상기 증가된 작동 범위에서는, 예컨대 1.5의 단락비(Scr)가 존재한다. 상기 단락비에서는 지금까지 어떠한 명목상의 발전 장치도 그리드에 연결되지 않았다.
도 6의 도면은, 고려되는 그리드 연계점과 관련하여 기초가 되는 그리드의 그리드 분석 결과이다. 이를 위해, 최초에 설명한 것처럼, 그리드 내 관련 부재들의 분석이 실행되었고, 각각 야코비 행렬의 풀이를 통해 산출되었다. 여기서는 도 6의 도면이 참조되며, 그에 따라 단순하게 표현하면, 우측으로 향하는, 다시 말하면 상대적으로 더 높은 공급되는 무효 전력(Q)을 갖는 특성 곡선들은 그리드 연계점 상의 증가하는 전압들을 재현한 것이다. 무효 전력(Q)이 감소함에 따라, 다시 말하면 좌측으로 향해 갈수록, 그리드 연계점 상의 전압은 감소한다. 이 경우, 무효 전력(Q)은 임의로 감소할 수 없으며, 무효 전력(Q)이 너무 작은(거의 음인) 경우, 각각의 대응하는 유효 전력(P)에 따라 야코비 행렬은 특이해지며(singular), 다시 말해 수학적 의미에서 해결될 수 없다. 특이한 야코비 행렬은, 불안정한 상태가 존재하는 것을 의미한다. 그에 상응하게, 안정성 한계(202)가 제공되며, 이 안정성 한계는 그에 상응하게 도 6의 도면의 좌측 테두리에 표시되어 있다. 안정성 한계(202)의 좌측에 위치하는, 다시 말해 각각 상대적으로 더 높은 유효 전력(P) 및/또는 상대적으로 더 낮은 무효 전력(Q)을 포함하는 범위는 불안정한 범위(204)이다. 순수하게 배려하는 차원에서 주지할 사항은, 안정성 한계(202)가 그리드 연계점 상의 전압 값의 개별 특성곡선과 합동되는 것이 아니라, 오히려 특성곡선 군들에 교차하는 것으로 보인다는 점이다. 실제로 특성곡선 군들은, 안정성 한계(202)의 너머에서는 값들과 그에 따른 특성곡선 군이 모두 존재하지 않기 때문에, 교차될 수 없다.
이제 바람직한 작동 범위, 요컨대 증가된 작동 범위(210)는 우선 먼저 표준 작동 범위(200)보다 안정성 한계(202)까지 더 작은 이격 간격을 보유한다. 그러나 이 경우, 지금까지, 도 6에 재현된 것처럼, 그리드 특성들과 관련한 구체적인 심사숙고 및 분석은 실행되지 않았다는 점에 유념해야 한다. 특히 도 6의 도시된 정성 및 도시된 정량에서, 도 6에서 안정성 한계(202)로서 표시된 것과 같은 안정성 한계까지의 이격 간격은 알려지지 않았거나, 또는 적어도 알려지지 않았다. 오히려 대형 발전 설비를 설치할 때 단락비의 기준을 지향했으며, 상기 단락비는 최대한 크게, 바람직하게는 10을 초과하도록, 또는 심지어 분명하게 10을 초과하도록 선택하였다. 풍력 발전 설비들과 같은 소형 발전 장치는 다시 지금까지 통상적으로 추가 풍력 발전 설비의 연결을 간단히 극복할 수 있었던 강한 그리드들에 연결되었다. 그 결과로, 원했던지, 또는 뜻하지 않았던지 간에, 높은 단락비(SSC)를 이용한 연결이 수행되었다.
제안되는 해결 방안은 우선, 도 6에, 그리고 바람직하게는 하기에 여전히 설명되는 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같은 관계들이 정량적으로 기록되면서, 제공된 그리드 연계점과 관련하여 그리드를 정확히 분석한다. 특히 상기 분석은 다양한 지점들에 대해 야코비 행렬을 반복해서 정렬하고 풀면서 수행된다. 이 경우, 상기 그리드 분석을 기반으로, 안정성 한계는 안정성 한계(202)에 따라 결정될 수 있을 뿐만 아니라, 목표하는 작동 범위도 도 6의 증가된 작동 범위(210)에 따라서 선택될 수 있다.
보충되는 방식으로, 특히 도 2 또는 도 4에도 도시되어 있는 것처럼, 폐쇄된 제어 회로의 의미에서 풍력 발전 설비의 폐루프 제어가 실행되는 점이 제안된다. 도 2에서, 제어 회로는 실질적으로 인버터(16)와, 변압기(18)와, 제어 유닛(22)으로 구성되며, 제어 유닛은 그리드 연계점(2) 상의 측정값들을 고려하며, 그리고 결과적으로 액션 화살표(20)에 따라서 공급되는 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q)을 설정하기 위해 인버터(16)를 제어한다. 폐루프 제어는 비록 발전기(6)의 영역에서 풍력 발전 설비의 개루프 제어에 영향을 미칠 수 있기는 하지만, 그러나 우선 인버터(16)와, 변압기(18)와, 제어 유닛(22)으로 이루어진 기술한 제어 회로는 기계적인 부재들 없이도 그런대로 작동할 수 있고 특히 신속하게 반응할 수 있다. 이를 위해, 그리드 연계점, 다시 말하면 도 2에 따른 그리드 연계점(2) 상의 그리드 특성들의 정보가 함께 고려될 수 있으며, 특히 제어 유닛(22)에서 함께 고려될 수 있다. 따라서 이 경우 그리드 연계점 상에서 그리드의 거동을, 특히 안정성 한계를 식별하는 신속한 폐루프 제어가 구현될 수 있다. 그 결과, 도 6의 증가된 작동 범위(210)와 같은 목표하는 작동 범위에서 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지(경우에 따라 또 다른 발전 장치)를 작동할 수 있고, 그와 동시에 그럼에도 높은 안정성 및 안전성을 보장할 수 있다.
도 7 및 도 8에는, 무효 전력(Q) 및 유효 전력(P)에 따르는 전압 민감도가 도시되어 있다. 따라서 두 도 7과 8은 가로좌표 및 세로좌표 상의 동일한 값들, 요컨대 가로좌표 상의 정규화된 무효 전력 및 세로좌표 상의 정규화된 유효 전력을 이용한다.
도시된 전압 민감도는 도 7에 따른 유효 전력의 변화량으로 인한 전압의 변화량이고 도 8에 따른 무효 전력으로 인한 전압의 변화량이다. 달리 표현하면, 유효 전력에 따른 그리드 연계점 상의 전압의 부분 도함수는 도 7에 도시되어 있고 무효 전력에 따른 전압의 부분 도함수는 도 8에 도시되어 있다. 따라서 도 7에는, 도 5의 유효 전력 블록(52)의 거동이 도시되어 있다. 도 8에는 도 5의 무효 전력 블록(54)의 거동이 도시되어 있으며, 두 사례에서 도면은, 이런 점에 있어서 각각 실제로 공급되는 무효 전력(Q) 및 공급되는 유효 전력(P)을 통해 결정되는 작동점들에 따라서 도시되어 있다. 각각의 특성곡선들의 값들은 예시로 각각 2MW의 정격 전력을 갖는 2개의 풍력 발전 설비가 연결되어야 하고 SSC = 3.73MVA의 단락 전력을 갖는 그리드 연계점에 관련된다. 따라서 상기 검사 구성으로 1보다 약간 낮은 단락비의 조건에서 검사가 실행될 수도 있다. 그러나 실행된 검사의 경우, 검사용 풍력 발전 단지의 각각의 실제 전력이 기초로서 이용되면서, 목표 풍력 발전 단지, 다시 말해 (가상으로) 조사할 풍력 발전 단지의 연결 전력으로서 결정되었다.
본 실시예, 다시 말해 예시 구성과 관련하여, 정규화된 전압의 변화량은 각각 MW 단위의 전력(P)의 변화량과 MVAr 단위의 무효 전력(Q)의 변화량과 관련하여 기술된다. 또한, 도 7 및 도 8에는 목표하는, 다시 말해 증가된 작동 범위(210)가 표시되어 있다. 그에 따라, 도 7에 따른 유효 전력 변화량과 관련된 전압 민감도는 대략 -0.2 내지 -0.4이다. 도 8에 따른 무효 전력의 변화량과 관련된, 증가된 작동 범위(210)에서의 전압 민감도는 약 0.3 내지 0.5이다. 따라서 명확한 그리드 연계점 상에 연결될 풍력 발전 설비의 구성을 위해, 예시로서 도 7에 도시된 것처럼 유효 전력의 변화량과 관련되고, 그리고/또는 예시로서 도 8에 도시된 것처럼 무효 전력의 변화량 관련된 상기 전압 민감도를 검출하여 개루프 제어에서 고려하는 점이 제안된다. 특히 상기 값들은 개루프 제어 시에도, 그리고 바람직하게는 개루프 제어의 구성 시에도 고려되어야 한다. 바람직하게는 제어기 이득(controller gain)은 민감도, 특히 전압 민감도에 따라서 선택된다.
특히 개략적으로 도 2에 도시된 부재들, 즉 인버터(16), 변압기(18) 및 제어 유닛(22)을 통해 실현되는 것과 같은 폐쇄된 제어 회로에서 상기 값들을 고려하는 점이 제안된다. 이 경우, 변압기(18)는 좀더 덜 중요하지만, 그러나 변압기는 보통 제공되어 있어야 하며, 그리고 이미 그리드 연계점(2) 상에서 그에 상응하게 높은 전압을 공급할 수 있도록 하기 위해 필요할 수도 있다. 특히 전압 민감도에 대한 정보는 제어 유닛(22) 내에서 고려된다. 따라서 상기 값들을 알고 있는 상태에서 명확한 그리드 연계점에 대한 고객 맞춤형 개루프 제어 내지 폐루프 제어가 구성 및 구현될 수 있다. 따라서, 이 경우, 지금까지 10 및 그 이상으로 높았던 단락비의 값들에서 벗어날 수 있고, 예컨대 단락비에 대해 1.5의 값처럼 낮은 값들을 제공하고 그에 따라 도해를 통한 설명을 위해 도 6 내지 도 8에 표시되어 있는 증가된 작동 범위(210)에서 풍력 발전 설비를 작동시킬 수 있다.
따라서 본 발명은, 그리드 용량이 충분하다는 상정에서, 더 이상 그리드 병렬 작동의 기존 원리에 따라서 특히 풍력 발전 설비, 그리고 종국에는 풍력 발전 단지를 연결하는 것이 아니라, 오히려 목표하는 방식으로 연계점을 평가하고 이미 사전에 결과에 따른 정보를 고려하여 그런 다음 상기 연계점에서 고객 맞춤형 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지를 연결하는 점을 제안한다. 그 외에, 바람직하게는, 특히 공급될 무효 전력(Q) 및 공급될 유효 전력(P)과 관련하여 개루프 제어 내지 폐루프 제어 및 선택될 작동 범위도 고객 맞춤형으로 제공되어, 지금까지 전문 분야에서 실행되었던 것보다 안정성 한계에 더 가깝게 정렬된다. 이 경우, 목표하는 방식으로, 요컨대 변화량들, 특히 그리드의 상태들의 변화량들에 대해 신속하게, 그리고 목표하는 방식으로 반응할 수 있는 풍력 발전 설비의 장점들이 이용된다. 그 결과, 어느 경우든, 그리드 상에 풍력 발전 설비들의 연결을 위해, 그리드, 특히 명확한 그리드 연계점의 심각한 초과 치수 설계는 방지된다. 그럼에도 불구하고, 개루프 제어부 내지 폐루프 제어부가 그리드 연계점 내지 이 그리드 연계점과 관련된 그리드의 특성들을 매우 정확하게 파악하고 그리드 내의 상태들을 관측한다면, 안정성은 엄수될 수 있고, 심지어는 개량될 수 있다.
순수하게 배려하는 차원으로 여기서 주지할 사항은, 폐루프 제어부가 원칙적으로 피드백을 이용한 폐쇄된 제어 회로를 의미하고, 개루프 제어부는 원칙적으로 개방된 "제어 회로", 다시 말하면 피드백이 없는 상황을 지칭한다는 점이다. 그럼에도 불구하고, 다시금 개루프 제어 방법을 구현하는 개루프 제어 블록은 폐루프 제어 회로에서 이용될 수 있다. 이는, 도 2의 예시의 경우, 제어 유닛이 비선형이고, 그리고/또는 도약할 수 있고, 그리고/또는 복수의 변수에 관련될 수 있는 결정된 제어 함수 또는 전달 함수를 포함하는 점에 한해, 제어 유닛(22)은 개루프 제어부라는 점을 의미한다. 그러나 상기 제어 유닛은, 도 2에 도시되어 있으면서 실질적으로 제어 유닛(22) 외에, 인버터(16), 변압기(18), 및 마지막으로 비교 유닛(23)을 구비한 그리드 연계점(2) 상의 측정 유닛을 포함하는 제어 회로에서 이용된다. 따라서 제어 유닛(22)은 인버터를 제어하며, 그리고 이를 위해 폐쇄된 제어 회로 내에 포함되고 그에 따라 폐루프 제어부의 부분이다.
도 10에서, 상부 그래프에는 시간에 따라서 공급 지점 상의 전압 곡선이 개략적으로 도시되어 있다. 하부 그래프에는, 그에 상응하게 동일한 시점에서 공급되는 유효 전력(P)의 곡선이 도시되어 있다. 그에 따라 시점(t0)에는 값(V0)을 갖는 전압(V)이 존재한다. 상기 전압(V0)은 표준 전압이면서, 예컨대 상응하는 위치 상의 정격 전압일 수 있다. 이와 동시에, 예컨대 목표하는 값(P0)에 상응하는 전력(P)이 공급되며, 이는, 특히 충분히 바람이 존재하는 한, 예컨대 해당 풍력 발전 설비의 정격 전력일 수 있다. 공급되는 전력(P)은, 여기서는 중요하지 않은 적은 변동을 나타낼 수 있다. 원칙적으로, 기초가 되는 풍력 발전 설비(풍력 발전 단지도 고려됨)는, 상기 유효 전력(P)이 예를 들어 값(P0)으로 공급되는 작동점에서 작동된다.
한편, 안정성 문제가 발생하면, 예컨대 전압(V)은 변동하기 시작하여 불안정해질 수 있다. 이를 위해, 도 10의 상부 그래프에는 예시로서 전압(V)이 종국에 한계값(Vmin)을 하회하게 될 때까지 전압이 급증하는 점이 도시되어 있다. 그러나 이런 하회는 예컨대 이전의 급증 없이도 발생할 수 있다. 어느 경우든 전압(V)은 시점(tF)에 상기 전압 한계값(Vmin)을 하회한다. 그로 인해 공급은 차단되며, 전압(V)은 0의 값으로 강하한다. 이와 동시에 공급되는 전력(P)도 0으로 강하한다.
한편, 최대한 신속하게 공급을 다시 재개하고자 하는 시도가 이루어진다. 이런 의미에서, 시점(tR)에 공급이 다시 개시되고 공급되는 유효 전력(P)은 최대한 곧바로, 그리고 최대한 신속하게 증가된다. 그에 상응하게, 전압(V)도 시점(tR)에 다시 상승한다. 이상적인 방식으로, 전압(V)은 제1 유효 전력(P)의 공급과 더불어 공칭 값(V0)으로 도약한다. 그러나 이처럼 이상적으로 표시된 곡선은 다른 방식으로도 진행될 수 있다.
유효 전력(P)의 공급을 최대한 신속하게 다시 개시할 수 있도록 하기 위해, 풍력 발전 설비는 최대한 결함의 발생 직후에도 시점(tF)에 그리드와 연결되어 유지되며, 그럼으로써 tF 내지 tR의 시간에 비록 전력(P)은 공급되지 않지만, 그러나 설비는 그리드와 연결된 상태로 유지된다. 여기서 상기 상태는 제로-전력 모드로서, 또는 이른바 "Zero Power Mode(ZPM)"로서 지칭된다.
따라서 공급을 다시 최대한 신속하게 개시할 수 있고 공급되는 유효 전력(P)을 증가시킬 수 있다. 그러나 이제는 상기 공급되는 유효 전력(P)을, 한정되고, 다시 말해 제한되고 상대적으로 더 낮은 유효 전력(PLimit)까지만 증가시키는 점이 제안된다. 이런 점에서, 이 경우 풍력 발전 설비는 시점(tL)에 제한되는 작동점에서 작동된다. 상기 제한되는 작동점은 여기서 특히 감소되어 공급되는 유효 전력(P)을 통해 도시된다. 따라서 풍력 발전 설비는, 안정성 한계까지, 안정성 여유도로서도 지칭되는 상대적으로 더 높은 안정성 간격을 갖는, 변경되고 안정화된 작동점을 취한다. 따라서 풍력 발전 설비는 그리드 지원에 이미 다시 기여할 수 있고, 이는 상대적으로 더 적은 공급되는 유효 전력(P)의 가격으로 수행된다.
여기서 실질적으로 시점(tL)에 도달되는 작동점은, 변경된 유효 전력을 통해, 풍력 발전 설비가 시점(tF) 이전에 작동되었던 작동점과 구별된다. 그 밖에도, 작동점들은 추가로, 또는 그 대신, 또 다른 매개변수들에서, 특히 공급되는 무효 전력에서 서로 구별될 수 있다.
안정성 손실의 시점(tF)에서부터 시점(tR)의 공급 재개 시까지 시간은 재개 시점(TW)으로서 지칭된다. 따라서 TW = tR - tF의 식이 적용된다. 시점(tR)의 재개 시부터 시점(tL)의 제한되는 전력 값의 도달 시까지 시간은 증속 시간(TH)으로서 지칭된다. 따라서 TH = tL - tR의 식이 적용된다.
24: 전력 제어 블록
26: 전력 평가 블록
36: 측정
40: 관측기
42: 시스템 모델
44: FACTS 제어부
58: TFWEA & 전력 제어

Claims (14)

  1. 그리드 연계점(grid connection point, 2) 상에서 전기 공급 그리드(4)에 연결되는 전기 에너지 발전 장치(1)를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    - 상기 전기 에너지 발전 장치(1)가 제1 작동점에서 작동되는 상태에서 상기 전기 공급 그리드(4) 내로 전력을 공급(feed)하는 단계;
    - 상기 전기 공급 그리드(4) 내의 외란(fault) 또는 전기 공급 그리드(4) 내로의 공급의 외란이 존재하거나 지시된다면, 공급을 차단함으로써 전력이 상기 전기 공급 그리드(4) 내로 공급되지 않게 하는 단계; 및
    - 공급을 재개함으로써 전력이 다시 상기 전기 공급 그리드(4) 내로 공급되게 하는 단계를
    포함하고,
    상기 전기 에너지 발전 장치(1)는 제2 작동점 내로의 공급의 재개를 실행하거나, 상기 공급이 상기 제2 작동점으로 증속되며(gradually increased), 상기 제2 작동점은, 상기 제1 작동점에 비해, 더 높은 안정성 여유도(stability reserve)로 상기 공급 그리드(4) 내로 공급이 실행되도록 설계되는 것인, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지 발전 장치(1)는 분산 발전 장치(1), 및/또는 풍력 발전 설비(1), 또는 복수의 풍력 발전 설비(1)들을 포함한 풍력 발전 단지이고, 그리고/또는 상기 전기 에너지 발전 장치(1)는 공급 실행을 위해 전압 기반 공급(VCS)을 이용하고, 그리고/또는 상기 전기 에너지 발전 장치(1)는 상기 전기 공급이 차단될 때 상기 전기 공급 그리드(4)와 연결되어 유지되고, 그리고/또는 작동 중인 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 에너지 발전 장치(1)는, 상기 제1 작동점에서보다 상기 제2 작동점에서 더 적은 유효 전력 및/또는 더 적은 무효 전력을 갖는 상기 공급 그리드(4) 내로 공급하고, 바람직하게는,
    - 상기 유효 전력은 적어도 10%만큼, 특히 적어도 20%만큼 감소되거나,
    - 상기 무효 전력은 적어도 10%만큼, 특히 적어도 20%만큼 감소되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급되는 무효 전력이 상기 공급되는 유효 전력보다 더 신속하게 변경되며, 특히 증가되며, 그럼으로써 상기 제2 작동점의 무효 전력 값이 상기 제2 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되고, 그리고/또는 그럼으로써 상기 제1 작동점의 무효 전력 값이 상기 제1 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되도록, 공급이 재개되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 먼저, 그리드를 지원하기 위해, 상기 무효 전력이 특히 제1 또는 제2 작동점의 값으로 조정되고, 이어서 상기 유효 전력이 조정되고, 특히 증가되고, 그리고/또는 상기 무효 전력 및 상기 유효 전력이 각각 시간에 따른 램프 함수(ramp function)에 의해 조정되거나 증가되며, 상기 램프 함수는, 상기 제2 작동점의 무효 전력 값이 상기 제2 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되고, 그리고/또는 상기 제1 작동점의 무효 전력 값이 상기 제1 작동점의 유효 전력 값보다 더 일찍 도달되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공급을 재개할 때 공급되는 유효 전력은 미리 결정된 곡선(course)에 따라 조정되고, 특히 램프 형태로 설정되고, 특히 증가되고, 이와 동시에, 공급되는 무효 전력은 전압을 안정화시키는 방식으로 전달(conduct)되며, 상기 무효 전력은 특히 상기 전기 공급 그리드의 이전에 기록된 그리드 특성을 기초로 전달되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 공급의 재개(TW)는 상기 차단 후에 미리 결정된 재개 시간 이내에 수행되고, 바람직하게 재개 시간(TW)은 10초 미만으로 선택되고, 그리고/또는
    - 공급이 재개될 때, 미리 결정된 증속 시간(run-up time; TH) 이내에 상기 제2 작동점으로 증속이 수행되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안정성 여유도는
    - 상기 공급되는 무효 전력과 안정성 한계(202)의 무효 전력 사이의 최소 차이이거나,
    - 상기 공급되는 유효 전력과 안정성 한계(202)의 유효 전력 사이의 최소 차이이거나,
    - 그리드 연계점(2) 상의 전압과 안정성 한계(202)의 전압 사이의 최소 차이이거나, 또는 상기 차이들 중 적어도 하나의 차이에 따라서 계산되고, 특히 상기 차이들 중 하나 이상의 차이로 계산되며, 상기 안정성 한계(202)는 특히
    - 상기 공급되는 무효 전력에 따르는, 그리고/또는 상기 공급되는 유효 전력에 따르는 그리드 연계점(2) 상의 그리드 전압의 함수이고, 그리고/또는
    - 상기 안정성 한계(202)는 그리드 연계점(2) 상의 상기 그리드 전압, 상기 공급되는 무효 전력, 및 상기 공급되는 유효 전력에 의해 형성되는 공간 내에 만곡된 표면으로서 제공되고, 그리고/또는
    - 상기 안정성 한계는 상기 공급되는 무효 전력에 따르는 상기 공급되는 유효 전력의 함수이거나, 또는 이와 반대되는 경우의 함수인
    것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급은,
    - 그리드 연계점(2) 상에서 상기 공급 그리드(4), 및/또는 이 공급 그리드(4) 내로의 공급의 안전성 손실이 발생하거나 표시될 때,
    - 과전류가 공급 그리드(4) 내에서, 그리고/또는 그리드 연계점(2) 상에서 식별되었을 때,
    - 결함, 특히 단락이 공급 그리드(4) 내에서 검출되었을 때,
    - 전압 강하가, 공급 그리드(4) 내에서, 그리고/또는 상기 그리드 연계점(2) 상에서 식별되었을 때,
    - 변압기들의 전환 및/또는 스테핑(stepping)이 상기 공급 그리드 내에서 수행되었을 때,
    - 극한 돌풍이 발생할 때,
    상기 공급의 차단이 수행되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드 연계점(2) 상에서 우려가 되는(threatening) 안정성의 손실이 검출되는 경우, 그리고/또는 상기 공급이 재개될 때,
    - 정상 제어로부터, 상기 전기 에너지 발전 장치(1)를 상기 정상 제어에 비해 더 높은 안정성으로 제어하는 안정화 제어로 전환되고,
    - 공급될 상기 전기 에너지 발전 장치(1)의 유효 전력은 상기 전기 에너지 발전 장치(1)의 최대값보다 작은 값으로, 특히 상기 전기 에너지 발전 장치(1)의 정격 전력보다 더 작은 값으로 제한되고, 그리고/또는
    - 복수의 풍력 발전 설비(1)들을 포함하는 풍력 발전 단지가 전기 에너지 발전 장치(1)로서 제공되고, 각각의 경우에 따른 상기 정상 제어로부터 중앙 단지 제어로의 전환이 수행되고, 상기 전환은 안정성 손실을 상쇄시키도록 상기 풍력 발전 단지 내의 상기 풍력 발전 설비(1)들을 조정 및 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 안정화 제어로의 전환, 상기 유효 전력의 제한, 및/또는 상기 중앙 단지 제어의 이용은, 안정성의 손실이 더 이상 우려되지 않는다고 식별될 때까지 유지되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그리드 연계점(2) 상에서 우려되는 안정성 손실이 식별된 후 그리고/또는 상기 공급이 재개된 후에, 상기 전기 에너지 발전 장치(1)의 제어가 안정화 제어의 외부 신호에 의해 정상 제어로 재설정되거나, 그리고/또는 상기 공급되는 유효 전력의 제한이 상쇄되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 풍력 발전 설비(1)들을 포함하는 풍력 발전 단지가 제공되고, 각각의 풍력 발전 설비(1)는 전기 에너지 발전 장치(1)이고, 그리고 하나 또는 복수의 풍력 발전 설비(1)들의 공급의 차단 후에, 상기 풍력 발전 설비들은 개별적으로 공급을 재개하고, 특히 정상 제어로부터, 정상 제어에 비해 더 높은 안정성으로 각각의 풍력 발전 설비를 제어하는 안정화 제어로 전환하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급은 외란이 완전하게, 또는 부분적으로 여전히 존재할 때, 재개되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 발전 장치를 제어하기 위한 방법.
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