KR20160005755A - 전력 공급 시스템 내로 전력을 공급하기 위한 방법 - Google Patents

전력 공급 시스템 내로 전력을 공급하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그리드 전압(U)과 그리드 주파수(f)를 갖는 전력 공급 그리드(120) 내로 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100) 또는 풍력 단지(112)의 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)의 공급을 위해 제공되고, 공급되는 유효 전력(P)은 유효 전력 제어부(R1, R2)에 의해 그리드 상태(U, f)에 의존해서 프리세팅 가능하고 및/또는 공급되는 무효 전력(Q)은 무효 전력 제어부에 의해 적어도 하나의 그리드 상태(U, f)에 의존해서 프리세팅 가능하고, 유효 전력 제어부(R1, R2) 또는 무효 전력 제어부는 공급될 설정값을 사전 설정하고, 상기 설정값은 각각 설정 함수(FS)에 의해 적어도 하나의 그리드 상태(U, f)에 의존해서 설정되고, 설정 함수(FS)는 샘플링 포인트(ST1, ST2, ST3)에 의해 프리세팅되고, 상기 샘플링 포인트는 각각 유효 전력(P)의 값 또는 무효 전력(Q)의 값 및 그리드 상태(U, f)의 값으로 이루어진 값 쌍([Pi, fi])에 의해 규정된다.

Description

전력 공급 시스템 내로 전력을 공급하기 위한 방법{METHOD FOR FEEDING ELECTRIC POWER INTO AN ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 전력 공급 그리드 내로 적어도 하나의 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지의 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급하기 위한 풍력 발전 설비 및 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급하기 위한, 다수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 단지에 관한 것이다.
풍력 발전 설비는 도 1에 개략적으로 도시되고, 풍력 단지는 도 2에 개략적으로 도시된다.
풍력 발전 설비들은 일반적으로 공개되어 있고, 최근에 주로 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급하는데 이용된다. 또한 풍력 발전 설비는 공급할 전류를 주파수 및 위상에 따라서 그리고 해당하는 전압을 고려하여 전력 공급 그리드에 맞게 조정한다. 이것은 항상 충족되어야 하는 그리고 공개된 풍력 발전 설비에 의해서도 충족되는 기본 전제 조건이다. 공통의 그리드 접속점(PCC)을 통해 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급하는 다수의 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 단지에 대해서도 동일하게 적용된다. 이러한 경우에 풍력 단지가 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급한다.
최근에, 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지에 의해 가능한 한 많은 전력을 간단히 하기에서 그리드라고도 하는 전력 공급 그리드 내로 공급하는 것이 바람직할 뿐만 아니라, 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지를 그리드의 지원을 위해서 이용하는 것도 바람직하다는 사실이 알려졌다. 해당하는 해결 방법의 제안들은 특허 출원 US 6,784,564, US 6,891,281, US 6,965,174 및 US 7,462,946호에 설명된다. 상기 특허 출원들은, 전력 공급 그리드 내의 전압 또는 주파수에 의존해서 공급될 전력 또는 공급될 전류를 레벨 및/또는 종류에 따라 변경함으로써, 전력 공급 그리드를 지원하는 것을 제안한다.
현재 대부분의 나라에서는, 전력 공급 그리드에서 풍력 발전 설비들은 전체 전력의 점점 더 많은 부분을 차지하는 상황에 있다. 이로 인해, 풍력 발전 설비에 의해 그리드를 지원하는 필요성이 증가한다. 또한 그리드 내 풍력 발전 설비의 우세 현상 및 영향력도 커지고 있다. 따라서 그리드 내에서 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지에 의한 그리드 지원도 효과적일 수 있다.
본 발명의 과제는 전술한 문제들 중 적어도 하나의 문제를 해결하는 것이다. 특히 그리드의 지원을 위한 풍력 발전 설비의 중요성의 증가가 고려되고 또는 적어도 이에 기여하는 해결 방법이 제안되어야 한다. 특히 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지에 의한 그리드 지원은 정성적 및/또는 정량적으로 개선되어야 한다. 적어도 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따라 청구범위 제 1 항에 따른 방법이 제안된다. 따라서 적어도 하나의 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지의 전력이 전력 공급 그리드 내로 공급된다. 전력 공급 그리드는 그리드 전압과 그리드 주파수를 갖는다. 방법은 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)의 공급을 위해 제공된다. 방법 및 상기 방법을 실시하는 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지는 따라서 유효 전력 및 무효 전력의 공급을 위해 제공된다.
공급되는 유효 전력(P)은 유효 전력 제어부에 의해 적어도 하나의 그리드 상태에 의존해서 프리세팅 가능하다. 유효 전력은 즉 고정적으로 프리세팅되거나 주어진 풍속에 의존해서만 공급되는 것이 아니라, 적어도 하나의 그리드 상태, 예를 들어 그리드 주파수에 의존해서 설정된다.
추가로 또는 대안으로서 공급되는 무효 전력(Q)은 고정적으로 프리세팅되지 않고, 적어도 하나의 그리드 상태, 예를 들어 그리드 전압에 의존해서 설정된다.
바람직하게 유효 전력 제어 또는 무효 전력 제어는 그리드 상태로서 그리드 감도에 의존해서 이루어진다. 특히, 그리드 감도가 증가하면, 유효 전력을 줄이는 것이 제안되고, 이로 인해 그리드는 안정화될 수 있다.
더 바람직하게, 다수의, 특히 두 가지 의존성을 동시에 고려하는 것, 즉 2개의 설정 함수를 고려하는 것이 제안된다. 예를 들어 하나의 설정 함수는 그리드 주파수에 의존해서 유효 전력을 지정하는 한편, 다른 설정 함수는 그리드 감도에 의존해서 유효 전력을 지정한다. 2개의 설정 함수에 의해 각각 더 작은 값이 고려된다.
이 경우 유효 전력 제어부 또는 무효 전력 제어부는 공급될 설정값을 사전 설정하고, 상기 설정값은 각각 설정 함수에 의해 적어도 하나의 그리드 상태에 의존해서 설정된다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지, 특히 이를 위해 사용되는 전류 인버터는 이러한 사전 설정을 실행하고, 상응하는 전류, 특히 상응하는 3상 전류를 생성하고, 전력 공급 그리드 내로 소정의 유효 전력 또는 소정의 무효 전력의 공급을 구현한다.
설정 함수의 경우에, 상기 설정 함수는 샘플링 포인트에 의해 프리세팅되는 것이 제안된다. 이러한 샘플링 포인트는 각각 유효 전력의 값 또는 무효 전력의 값 및 그리드 상태, 예를 들어 그리드 주파수 또는 그리드 전압의 값으로 이루어진 값 쌍에 의해 규정된다.
이로써 적어도 2개의 상기와 같은 값 쌍이 프리세팅되고, 상기 값 쌍은 이로써 설정 함수를 결정할 수 있고, 이때 경우에 따라서 다른 정보, 예를 들어 함수의 형식과 같은 다른 정보가 유입될 수 있다. 설정 함수 또는 설정 함수의 부분을 위해 2개의 샘플링 포인트, 즉 2개의 값 쌍이 사용되면, 상기 값 쌍은 이로 인해 특히 설정 함수 또는 부분 함수의 시작점 및 종료점을 결정할 수 있다.
예를 들어 그리드 상태로서 그리드 주파수에 의존해서 유효 전력의 제어를 위해 가장 간단한 경우에 유효 전력의 설정 곡선의 하나의 섹션은 상기 샘플링 포인트를 연결하는 직선을 갖는 2개의 샘플링 포인트에 의해 규정될 수 있다. 이 경우 제 1 샘플링 포인트는 값 쌍(f1, P1)에 의해 규정될 수 있고, 제 2 샘플링 포인트는 값 쌍(f2, P2)에 의해 규정될 수 있고, 이때 f1, f2는 각각 그리드 주파수의 주파수 값을 나타내고 P1, P2는 관련된 전력값을 나타낸다. 이는 주파수에 의존하는 유효 전력의 간단한 예일 뿐이다. 바람직하게는 다른 샘플링 포인트가 지정될 수 있고, 이로 인해 그리드 주파수에 의존하는 공급될 유효 전력의 개선된 함수가 프리세팅될 수 있다.
실시예에 따라, 설정 함수는 변경 기준에 의존해서 변경되는 것이 제안된다. 변경 기준은, 정해져 있거나 대개 변하는 기준이다. 경우에 따라서는 변경 기준이 어떻게 변경되는지도 결정할 수 있다. 변경 기준은 계속해서 하기에 설명되고, 어떤 경우에는 외부 프리세팅이 이루어질 수 있다. 변경은 적어도 부분적으로, 적어도 하나의 값 쌍이 변경됨으로써 실시된다. 이로써, 가장 간단한 경우에는 하나의 값 쌍만이 변경됨으로써, 간단하게 변동된 요구에 유효 전력 및/또는 무효 전력의 조정이 이루어질 수 있다. 방법은 새로운 값 쌍 세트, 즉 새로운 샘플링 포인트 세트 및 경우에 따라서 샘플링 포인트 사이의 함수 곡선에 관한 추가 정보에 기초해서 설정 함수의 새로운 함수 곡선을 결정할 수 있다. 제안된 방법에 따라 그리고 샘플링 포인트에 기초해서 설정 함수가 계산되기 때문에, 이러한 새로운 계산은 또한 프로세스 컴퓨터에서 그렇게 복잡하지 않게 실행 가능하다.
바람직하게 설정 함수는 부분적으로 다수의 부분 함수로 조합된다. 설정 함수는 즉 상이한 섹션에 대해 상이한 함수 곡선을 구현할 수 있다. 각각 2개의 부분 함수들은 - 실시예에 따라 2개의 부분 함수만 이용됨 - 샘플링 포인트에서 조합되고, 상기 샘플링 포인트에서 동일한 값을 갖는다. 이로 인해 조합된 설정 함수는 간단하게 구현될 수 있고, 이로 인해 다양한 범위, 특히 기초가 되는 그리드 상태의 다양한 범위가 고려될 수 있다. 가장 간단한 경우에, 3개의 값 쌍, 즉 3개의 샘플링 포인트에 의해 2개의 부분 함수를 포함하는 설정 함수를 결정하는 것이 가능하다. 바람직하게 부분 함수들 또는 부분 함수들 중 적어도 하나의 부분 함수는 각각 2개 이상의 샘플링 포인트에 의해, 특히 3개 이상의 샘플링 포인트에 의해 프리세팅된다. 이로 인해 관련 설정 함수가 모델링될 수 있고, 이로 인해 예를 들어 2개의 부분 함수 사이의 이행이 변경될 수도 있다. 부분 함수들이 공통의 샘플링 포인트에서 동일한 값을 가짐으로써, 2개의 상기 부분 함수들 사이의 변동이 방지된다.
바람직하게, 설정 함수 또는 상기 함수의 적어도 하나의 부분 함수는 그 특성상,
- 1차 다항 함수,
- 2차 다항 함수,
- 3차 이상의 다항 함수,
- 지수 함수,
- 히스테리시스 함수,
- 삼각 함수 또는
- 다른 비선형 함수인 것이 제안된다.
1차 다항 함수는 직선을 나타낸다. 이로써 간단하게 2개의 샘플링 포인트 사이의 함수가 규정될 수 있다. 2차 다항 함수는 1차 다항 함수에 비해 복잡한 함수를 가능하게 하고, 상기 함수는 일종의 볼록 함수와 기본적인 직선의 비교 시 2개의 샘플링 포인트를 연결할 수 있다. 직선과 달리 이러한 볼록 함수에 의해 때로는 그리드 요구에 더 양호하게 관여할 수 있다. 이러한 2차 다항 함수의 결정은 간단하게 제 3 샘플링 포인트의 프리세팅에 의해 가능하다. 2차 다항 함수는 이로써 3개의 샘플링 포인트에 의해 명백하게 규정될 수 있다. 이로써 순수 선형 특성을 능가하는 바람직한 설정 함수가 그럼에도 불구하고 간단하게 고려되어 프리세팅될 수 있음을 쉽게 파악할 수 있다.
3차 이상의 다항 함수에 의해, 더 개별화된 설정 함수들을 구현하는 것이 가능하다. 3차 다항 함수에서 - 매개변수화에 따라 - 전환점이 발생할 수 있다. 이러한 전환점은 바람직하지 않을 수 있지만, 상기 전환점 또는 상응하는 기본적인 복소함수는 다수의 부분 함수들이 단편적으로 조합되어 설정 함수를 형성하는 것을 방지할 수 있다. 적어도, 설정 함수를 몇 개의 부분으로 세분하는 것이 달성될 수 있다.
지수 함수는 특히 천천히, 점점 더 급격해지는 기울기를 특징으로 하고, 상기 기울기는 해당 부호에서 마이너스일 수도 있다. 이로 인해 예를 들어 주파수 의존적인 유효 전력 프리세팅을 위해 먼저 주파수가 증가할수록 전력의 약한 감소가 구현될 수 있고, 이러한 감소는 그리고 나서 훨씬 더 많이 증가하고, 즉 주파수가 증가할수록 유효 전력은 더욱 빠르게 감소하고, 매우 급격한 감소가 이루어지는 최대 주파수까지 전력값 0을 달성할 수 있다. 상황에 따라, 특히 주어진 토폴러지에 따라 전력이 프리세팅된 주파수 값에서 전력값 0에 도달해야 하는 경우에, 이러한 마이너스 지수 함수는 전력을 가능한 한 오랫동안 크게 유지하는 것을 가능하게 하므로, 가용한 전력을 가급적 잃지 않게 된다.
히스테리시스 함수를 이용함으로써 예를 들어 설정 함수의 다양한 곡선들은, 기초가 되는 그리드 상태가 증가하는지 또는 감소하는지 여부에 따라 달성될 수 있다.
삼각 함수, 즉 특히 사인-, 코사인- 및 탄젠트 함수 또는 이들의 조합 또는 이에 대한 변형에 의해 설정 함수의 특수한 곡선들이 달성될 수 있고, 상기 곡선들은 샘플링 포인트의 프리세팅에 의해 비교적 간단하게 구현될 수 있다. 예를 들어 탄(tanh) 함수에 의해 포화 함수와 유사한 함수가 달성될 수 있고, 상기 함수는 연속해서 미분 가능하다. 이로 인해 예를 들어 전압 의존적인 무효 전력 제어가 규정될 수 있고, 즉 설정 함수는 공급될 무효 전력을 그리드 전압에 의존해서 프리세팅한다. 이 경우 상기 탄 함수의 영점은 그리드 전압의 정격 전압의 값에 위치할 수 있다.
다른 비선형 함수로서 예를 들자면, 예컨대 쌍곡선 함수 또는 로그 함수 또는 루트 함수가 고려될 수 있다.
실시예에 따라, 설정 함수 또는 상기 함수의 적어도 하나의 부분 함수는 적어도 2개의 샘플링 포인트 및 그 특성, 즉 설정 함수의 특성에 의해 결정되는 것이 제안된다. 함수 또는 부분 함수의 특성에 의해 특히 - 그래픽으로 설명하면 - 그 형태가 결정될 수 있다. 특히 함수 또는 부분 함수의 시작 및 끝에 배치된 샘플링 포인트에 의해 형태가 정해진 함수가 적절하게 결정될 수 있다.
바람직하게 설정 함수 또는 적어도 하나의 부분 함수는 1차 다항 함수를 이용함으로써 그리고 2개의 샘플링 포인트의 프리세팅에 의해 결정된다. 상기 함수 또는 부분 함수는 이로써 명확하게 결정된다. 대안으로서 설정 함수 또는 적어도 하나의 부분 함수는 2차 다항 함수를 이용함으로써 그리고 3개의 샘플링 포인트의 프리세팅에 의해 결정된다. 이로 인해 더 복잡한 설정 함수가 프리세팅될 수 있고, 상기 함수는 이 경우 상기 3개의 샘플링 포인트에 의해 명확하게 결정된다.
실시예에 따라 유효 전력 제어 및 추가로 또는 대안으로서 무효 전력 제어는 그리드 감도에 의존해서 변경된다.
이 경우 그리드 감도란, 특히 공통의 그리드 접속점에 대한, 즉 그리드에 작용하는 변수의 변동에 대한 그리드의 반응을 의미한다. 그리드 감도는 그리드 영향 변수의 차이와 관련하여 그리드 반응의 차이로서 규정될 수 있다. 특히 이 경우에 공급되는 유효 전력과 그리드 전압의 레벨과 관련한 규정이 고려된다. 간단히 예를 들어 그리드 감도(NS)에 대해 하기 식이 규정될 수 있다:
Figure pct00001
이 경우 ΔP는 공급된 유효 전력, 즉 공급된 풍력 단지 전력의 변동이고, ΔU는 그리드 전압 U의 결과되는 변동이다. 이러한 편차는 매우 짧은 시간 범위에 걸쳐, 특히 1초 또는 그보다 작은 범위 내에 형성되고, 바람직하게는 상기의 구체적인 식 대신에 전력의 편차와 관련해서 전압의 편차에 의해 공급된 풍력 단지 전력 P에 따른 그리드 전압 U의 편도함수가 상응하게 형성될 수 있다. 그리드 반응으로서 그리드 주파수 f의 변동도 고려된다. 그리드 감도는 또한 하기 식에 의해 고려될 수 있다:
Figure pct00002
그리드 감도는 따라서 바람직하게는 선택될 유효 전력 제어 및/또는 선택될 무효 전력 제어를 위한 기준으로서 이용된다. 감도가 적어도 현저하게 변동되면, 해당하는 유효 전력 제어 및/또는 해당하는 무효 전력 제어의 방식 및/또는 매개변수화가 변경될 수 있다. 방식의 변경은 이 경우 여기에서 동일한 의미로 사용되는 제어 유형의 변경이다. 대안으로서 그리드 감도는 요컨대 기초가 되는 그리드 상태로서, 직접적으로 제어, 특히 유효 전력 제어에 영향을 미칠 수 있다.
다른 실시예에 따라 유효 전력 제어 및/또는 무효 전력 제어는 공급점에서 단락 전류비에 의존해서 변경된다.
SCR(Short Circuit Ratio)이라고도 하는 단락 전류비는 접속 전력 대 단락 전력의 비이다. 이 경우 단락 전력이란, 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지가 접속된 관련된 그리드 접속점에서 해당 전력 공급 그리드가, 상기 그리드 접속점에서 단락이 발생할 때 제공할 수 있는 전력이다. 접속 전력은 접속된 풍력 발전 설비 또는 접속된 풍력 단지의 접속 전력이고, 따라서 특히 접속될 발전기의 정격 전력 또는 풍력 단지의 발전기들의 모든 정격 전력의 합이다. 단락 전류비는 따라서 이러한 관련된 그리드 접속점에 대한 전력 공급 그리드의 성능에 관한 기준이다. 이러한 그리드 접속점과 관련해서 강한 전력 공급 그리드는 대개 예를 들어 SCR = 10 이상의 큰 단락 전류비를 갖는다.
단락 전류비는 그리드 접속점에서 해당 전력 공급 그리드의 거동에 관한 정보도 제공할 수 있는 것이 파악되었다. 또한 단락 전류비는 변경될 수도 있다.
풍력 단지 또는 풍력 발전 설비의 신규 설치 시 단락 전류비를 고려하고, 유효 전력 제어 및 무효 전력 제어를 이에 대해 조정하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 또한, 단락 전류비를 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지의 설치와 개시 후에도 규칙적인 간격으로 검출하는 것이 제안된다. 단락 전력의 검출은 예를 들어 시뮬레이션을 이용해서 그리드 토폴로지에(topology) 관한 정보에 의해 이루어질 수 있다. 접속 전력은 간단하게 풍력 단지 내의 설치된 풍력 발전 설비들의 정보에 의해 이루어질 수 있고 및/또는 정격 풍속에서 공급된 전력의 측정에 의해 이루어질 수 있다.
바람직하게 접속 전력은 단락 전류비의 제안된 계산 및 고려를 위해 각각 현재 가용한 모든 풍력 발전 설비의 정격 전력의 합으로서 규정되고 계산된다. 접속 전력은 이와 관련해서 풍력 발전 설비의 고장 시 변경되고, 적어도 일시적으로 변경된다. 따라서 단락 전류비도 변경되고, 이에 대해서 유효 전력 제어 및/또는 무효 전력 제어의 변경이 시작될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 접속 전력은 주어진 풍력 상황의 고려 하에 풍력 단지 내에서 현재 가용한 전력의 합으로서 계산되고, 또는 풍력 단지의 접속 전력 대신 풍력 단지의 현재 가용한 전력의 합이 단락 전류비의 계산을 위해 이용되고 및/또는 유효 전력 제어 및/또는 무효 전력 제어의 변경을 위한 변경 기준으로서 이용되는 것이 제안된다. 즉 상기 변경 조건을 결정하기 위해 단락 전류비는 이와 같이 결정된 풍력 단지 전력에서 다시 계산되거나, 풍력 단지 내의 가용한 전력으로부터 직접 변경 기준이 도출될 수 있다.
예를 들어 전환 조건은, 변경 팩터 또는 함수의 기울기와 같은 파라미터가 단락 전류비 또는 다른 기준에 의존하는 것을 알 수 있다. 예를 들어 비례적 의존성이 주어질 수 있다. 전적으로는 아니지만 다른 예로서, 한계값이 결정될 수 있고, 단락 전류비 또는 다른 기준이 상기 한계값을 초과하거나 미달되면, 하나의 유효 전력 제어로부터 다른 유형의 유효 전력 제어로 전환될 수 있다. 무효 전력 제어의 변경에도 유사하게 적용된다.
바람직하게 유효 전력 제어 및/또는 무효 전력 제어의 변경은 예컨대 외부 신호와 같은 외부 프리세팅에 의해 이루어지고, 상기 신호는 유효 전력 제어 및/또는 무효 전력 제어를 실시하는 프로세스 컴퓨터에 입력된다. 바람직하게 이러한 프리세팅은 이러한 외부 신호를 송신하는 그리드 운영자에 의해 실행된다.
또한 이로써 하나 이상의 파라미터가 변경될 수 있거나 다른 유형 또는 다른 방식의 유효 전력 제어 또는 무효 전력 제어로 전환된다. 실시예에 따라 관련 유효 전력 제어 또는 무효 전력 제어의 소정의 새로운 구성도 전송될 수 있다. 즉 변경될 파라미터가 전송될 수 있거나, 새로운 알고리즘이 전송될 수 있다.
바람직하게는 이 경우 샘플링 포인트의 결정을 위한 값 쌍들이 전송된다. 적어도 값 쌍을 전송하는 것이 제안된다.
실시예에 따라, 무효 전력 제어 또는 무효 전력 제어를 위한 설정 함수는 풍력 발전 설비 또는 풍력 단지의 공급된 및/또는 공급 가능한 유효 전력에 의존해서 변경되는 것이 제안되고, 특히 공급된 또는 공급 가능한 유효 전력이 더 감소하면 무효 전력 제어로 전환되고 또는 상기 무효 전력 제어는 양적으로 더 높은 무효 전력이 공급되도록 및/또는 무효 전력 제어가 공급을 위해 양적으로 더 높은 무효 전력 최종값을 갖도록 변경되는 것이 제안된다.
또한, 전술한 실시예에 따른 방법을 실행하도록 제공된 풍력 발전 설비가 제안된다. 특히 이러한 풍력 발전 설비는 적절한 프로세스 컴퓨터 및 적절한 주파수 인버터를 포함하고, 상기 주파수 인버터는 이러한 무효 전력 공급 및/또는 유효 전력 공급의 실시에 적합하다. 특히 사용된 전류 인버터 또는 사용된 풍력 발전 설비는 유연 송전 그리드 기능(FACTS-capable)을 가져야 한다.
또한 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 방법을 실행하도록 제공된 풍력 단지가 제안된다. 특히 상기 풍력 단지는, 유효 전력 및 무효 전력을 전력 공급 그리드 내로 공급하기 위해 그리고 이를 위해 변경 가능한 유효 전력 제어 및/또는 변경 가능한 무효 전력 제어를 이용하도록 제공된다. 바람직하게 이러한 풍력 단지는 공통의 그리드 접속점을 통해 전력 공급 그리드 내로 전력을 공급한다. 풍력 단지도 유연 송전 그리드 기능을 갖는 경우에 바람직하다.
하기에서 본 발명은 실시예를 참고로 첨부된 도면과 관련해서 예시적으로 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 풍력 단지를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 공급을 위해 실시예에 따른 본 발명에 따른 방법을 이용하는 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 주파수 의존적인 유효 전력 제어를 위해 샘플링 포인트를 이용한 설정 함수의 프리세팅을 설명하는 도면.
도 5는 그리드 전압 의존적인 무효 전력 제어의 예를 위해 샘플링 포인트를 이용한 설정 함수의 프리세팅과 변형 가능성을 설명하는 도면.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 포함하는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 전기 발전기를 구동한다.
도 2는 예를 들어 동일하거나 다를 수 있는 3개의 풍력 발전 설비(100)를 포함하는 풍력 단지(112)를 도시한다. 따라서 3개의 풍력 발전 설비(100)는 기본적으로 풍력 단지(112)의 풍력 발전 설비의 임의의 개수를 대표한다. 풍력 발전 설비들(100)은 전력을, 즉 특히 생성된 전류를 풍력 단지 전기 그리드(114)를 통해 제공한다. 이 경우 개별 풍력 발전 설비(100)의 각각의 생성된 전류 또는 전력들이 합산되고, 특히 변압기(116)가 제공되고, 일반적으로 PCC라고도 하는 공급점(118)에서 전력 공급 그리드(120)에 전력을 공급하기 위해, 상기 변압기는 풍력 단지 내의 전압을 승압한다. 도 2는, 물론 제어부가 제공되어 있지만, 예를 들어 제어부가 도시되지 않은 풍력 단지(112)만을 간단히 도시한다. 또한 예를 들어 풍력 단지 그리드(114)는, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에도 변압기가 제공됨으로써, 다르게 형성될 수도 있고, 이는 다른 하나의 실시예일 뿐이다.
도 3은 예를 들어 3상 발전기 전류를 전류 인버터(4)에 연결된 정류기(2)에 공급하는 풍력 발전 설비(100)를 도시하고, 상기 전류 인버터는 3상 교류를 변압기(6)를 통해 공급점(8;PCC)에서 전력 공급 그리드(10) 내로 공급하기 위해, 상기 3상 교류를 형성한다. 전류 인버터(4)의 제어는 제어유닛(12)에 의해 이루어지고, 상기 제어유닛은 예를 들어 하나 이상의 프로세스 컴퓨터로서 형성될 수 있다. 제어유닛(12)은 예컨대 출력된 3상 전류의 진폭, 주파수 및 위상에 따라 전류 및 전압에 관한 측정값도 평가한다. 또한 측정 피드백(14)이 도시된다.
도 3의 구조는 또한, 제어유닛(12)이 전력 설정값을 고려하고, 따라서 전류 인버터(4)가 상기와 같은 소정의 전력(P)을 출력하도록 상기 전류 인버터(4)를 제어하는 것을 도시한다. 바람직하게는 전류 인버터(4)로부터 출력된 전력(P)은 설정 전력(Psoll)과 동일하므로, P = Psoll이 성립한다. 또한 이를 고려하기 위해 바람직하게, 생성된 전력(P)은 그리드(10) 내로 공급되는 전력인 것이 전제된다. 이를 고려할 때 공급 시 손실 및 설정 전력과 생성된 전력 사이의 다이내믹 과정들은 무시된다.
도 3의 구조는, 상기 유효 전력 설정값(Psoll) 및 바람직하게 공급될 유효 전력(P)은 주파수(f)에 의존해서 결정 또는 프리세팅되는 것을 설명한다. 이를 위해 2개의 설정 함수(FS1, FS2)가 이용되고, 상기 함수들은 여기에서 다른 설정 함수를 대표해서 설명된다. 스위치(S) 및 이와 함께 작동하는 스위치(S')가 도시되고, 상기 스위치들은, 각각의 스위칭 위치에 따라, 즉 선택에 따라 유효 전력(Psoll)이 제 1 또는 제 2 설정 함수(FS1 또는 FS2)에 의해 프리세팅될 수 있는 것을 설명한다. 스위치(S 또는 S')에 의한 선택 가능성은 이러한 점에서 하나의 설명일 뿐이고, 이러한 선택 가능성은 예를 들어 제어유닛(12)에서 실행될 수도 있으므로, 제어유닛(12)은 그리드 주파수(f)를 직접 수신한다. 또한 이러한 전환은 바람직하게 프로세스 컴퓨터에서, 예를 들어 선택된 설정 함수에 따라 상기 프로세스 컴퓨터가 소정의 함수가 저장된 해당하는 데이터 메모리를 이용함으로써 구현된다.
도 3은, 공급될 유효 전력을 위한 설정 함수 및 유효 전력 제어가 변경될 수 있는 것을 도시한다. 이 경우 그리드 주파수(f)에 의존하는 유효 전력 제어가 예시적으로 도시된다. 도면은 그러나, 예컨대 그리드 전압 또는 그리드 주파수의 변동과 같은 다른 그리드 상태에 의존하는 제어도 대표한다. 그리드 상태 의존적인 무효 전력 제어도 도시된 바와 같이 적절하게 실행될 수 있다. 이 경우에도 다양한 그리드 상태들이 무효 전력 제어를 위한 입력 변수로서 사용될 수 있다.
도 4는 주파수 의존적인 유효 전력 제어의 예에서 실시예에 따른 기본적인 설정 함수가 어떻게 프리세팅되는지 도시한다. 더 명확한 설명을 위해 이는 설정 함수(FS2)의 예에서 도시되고, 상기 함수는 개략적인 도면에 또한 픽토그램으로서 포함된다. 설정 함수(FS1)는 또한 도 4에 점선으로 표시된 바와 같이, 상기 함수는 설정 함수(FS2)와 다르고, 기본적으로 도 3에 이용되는 그리고 픽토그램에 표시된 것과 같은 설정 함수(FS1)에 해당한다.
도 4에 따라 정격 주파수(fN)부터 주파수(f3)에 이르는 그리드 주파수(f)에 대한 설정 함수(FS2)가 도시된다. 상기 설정 함수는 부분 함수를 포함하고, 상기 부분 함수는 주파수(f1) 부터 주파수(f3)까지 결정된다. 이러한 부분 함수는 2차 다항 함수이고, 일반적으로 하기식,
P = a + b ·f + c·f2 으로 설명된다.
이러한 부분 함수의 프리세팅을 위해 샘플링 포인트(ST1, ST2 및 ST3)가 이용된다. 상기 샘플링 포인트의 각각의 포인트들은 원으로 나타난다. 상기 샘플링 포인트들은 하기 값 쌍에 의해 규정된다:
ST1 = (f1, P1); ST2 = (f2, P2) 이고, ST3 = (f3, P3).
이로써 또한 제 1 설정 함수(FS1)와 달리 점선으로 표시된 연속하는 설정 함수(FS2)는 간단히 규정될 수 있는 장점을 갖는 것을 알 수 있다. 특히 도시된 제 2 설정 함수(FS2)는 그리드 지원에 적합한데, 그 이유는 상기 함수는 주파수 의존적으로 유효 전력을 감소시킬 수 있고, 이 경우 동시에 제 1 기준 설정 함수(FS1)에 비해 더 많은 전력이 공급될 수 있기 때문이다. 이는 제 2 샘플링 포인트(ST2)에서 가장 명확하고, 상기 포인트에서 제 2 설정 함수(FS2)는 제 1 설정 함수(FS1)보다 훨씬 더 많은 전력을 공급한다. 이러한 점에서 더 바람직한 상기 설정 함수(FS2)의 프리세팅은 또한, 도시된 3개의 샘플링 포인트들(ST1, ST2 및 ST3)의 동시 프리세팅에 의해서만 간단하게 고려될 수 있다. 제 1 및 제 3 샘플링 포인트(ST1 및 ST3)는 설정 함수(FS2)를 위해 제 2 설정 함수의 상기 부분 섹션의 목표한 시작 및 종료점에 의한 프리세팅을 가능하게 한다. 이러한 샘플링 포인트에서 제 1 및 제 2 설정 함수(FS1 및 FS2)는 동일한 값을 갖는다. 상기 값들의 일치는 이러한 점에서 간단하게, 정확히 상기 포인트들이 제 1 및 제 3 샘플링 포인트(ST1 및 ST3)로서 프리세팅됨으로써 실행 가능하다. 중간 샘플링 포인트(ST2)에 의해 상기 제 2 설정 함수(FS2)의 곡선이 간단하게 개선될 수 있다. 예를 들어 실제로 주파수(f2)에서 소정의 더 높은 전력 공급이 이로 인해 직접 프리세팅될 수 있다.
도 4는 따라서 샘플링 포인트에 의해 주파수 의존적인 유효 전력 제어 또는 해당하는 설정 함수를 프리세팅하는 가능성을 도시한다. 실제 적용 시 전력값(P1)은 기초가 되는 풍력 발전 설비 또는 기초가 되는 풍력 단지의 정격 전력에 상응할 수 있다. 주파수(f1)는 임계 주파수일 수 있고, 상기 임계 주파수부터 전력은 그리드 주파수(f)가 더 커질수록 감소되어야 한다. 값(P3)은 전력값 0에 상응할 수 있고, 관련 그리드 주파수(f3)는 상한 주파수일 수 있고, 상기 주파수 이상에서 전력은 공급되어서는 안 된다. 전력값(P2)은 보조 전력이고, 상기 보조 전력은 전술한 바와 같이, 요컨대 전력의 증가를 위해 선택될 수 있다. 따라서 상기 제 2 샘플링 포인트(ST2)의 그리드 주파수(f2)는 임계 주파수(f1)와 최고 주파수(f3) 사이의 값이고, 바람직하게 상기 2개의 값들 사이에서 등간격으로 선택된다. 또한 다이어그램에 주파수(fN)가 더 표시되고, 상기 주파수는 그리드 주파수의 정격 주파수를 나타낼 수 있다. 설정 함수(FS2)는 이 경우 제 1 샘플링 포인트와 정격 주파수(fN)일 때 전력값(P1) 사이에서 수평으로 연장되므로, 상기 범위에서 전력 감소가 이루어지지 않아도 된다.
도 5는 설정 함수(FS)의 프리세팅의 다른 예를 도시한다. 상기 설정 함수(FS)는 그리드 전압(U)에 의존해서 무효 전력(Q)을 지정한다. 도 5에 그리드 전압(U1)으로부터 그리드 전압(U3) 까지의 부분 함수가 고려된다. U1 보다 작은 그리드 전압 내지 정격 그리드 전압(UN)에서 설정 함수는 수평으로 연장될 수 있고, 값 0을 취할 수 있으므로, 상기 범위에서는 무효 전력이 공급되지 않고 또는 공급되지 않아도 된다. 그리드 전압(U3) 이상에서 무효 전력은 또한 상수값으로, 즉 값 Q3로 연장된다. 대안으로서 또한, 범위 내의 전압에서 풍력 발전 설비를 중단시키는 것이 고려될 수도 있다.
도시된 설정 함수(FS)는 도 3과 동일한 도면부호를 갖지만 완전히 다른 값을 갖는 샘플링 포인트(ST1, ST2 및 ST3)에 의해 프리세팅되고, 즉 상기 샘플링 포인트들은 하기 값 쌍에 의해 규정된다.
ST1 = (U1, Q1); ST2 = (U2, Q2) 이고 ST3 = (U3, Q3).
따라서 이 경우 무효 전력을 위한 설정 함수는 그리드 전압(U)에 의존해서 간단하게 지정된다. 그리드 전압이 전압값 U1을 아직 초과하지 않은 한, 무효 전력은 값 Q1, 특히 즉 0을 갖는다. 그리드 전압(U)이 더 증가할수록 무효 전력(Q)은 값 Q3까지 증가하고, 상기 값은 그리드 전압값 U3에서 설정된다. 처음부터 균일하게 무효 전력의 - 마이너스 부호로 - 현저한 증가를 달성할 수 있기 위해, 그리드 전압값(U2)을 위한 제 2 샘플링 포인트(ST2)는 상응하게 높은 - 양적으로 - 무효 전력(Q2)으로 프리세팅된다. 이로써, 그리드에 대한 긴 및/또는 주로 유도성의 접속 라인 또는 그리드 내 접속 라인이 제공되면, 처음부터 매우 신속하게 높은 무효 전력이 - 마이너스 부호로 - 공급될 수 있으므로, 추가적인 그리드 전압 상승이 신속하게 저지될 수 있다. 또한 유사한 또는 동일한 설정 함수는 기본적으로 포인트(UN, Q1)에 의해 포인트 대칭 방식으로 전압 강하를 위해 이용될 수 있다. 그러한 경우에, 동일한 방식으로, 즉 상응하게 그리드 전압이 정격 전압값(UN) 아래로 강하하는 경우에 플러스의 무효 전력을 공급하는 것이 제안되고, 이로써 추가 전압 강하가 저지될 수 있다.
도 5는 먼저 무효 전력 공급을 위해 양적으로 최대값을 나타내는 무효 전력값(Q3)을 양적으로 더욱 증가시킬 수 있는 가능성을 도시한다. 특히, 이러한 추가 증가는, 풍력 발전 설비 또는 설명된 이러한 무효 전력 공급에 기초하는 풍력 단지가 유효 전력을 거의 공급하지 않거나 유효 전력을 전혀 공급하지 않으면 고려될 수 있는 것이 제안된다. 예를 들어 기준으로써, 공급되는 유효 전력이 정격 전력의 예를 들어 50% 아래로 감소하면, 무효 전력 최대값을 양적으로 높이는 것이 제공될 수 있다. 또한 다른 예를 들면, 유효 전력이 전혀 공급되지 않는 경우에, 무효 전력값(Q3)의 변동이 제안된다. 즉, 더 작은 유효 전력이 공급되면, 더 높은 무효 전력이 공급될 수 있는 것이 입증되었다.
설정 함수(FS)의 이러한 변경을 실행하기 위해, 즉 점선으로 표시된 설정 함수(FS ')를 얻기 위해, 제 3 샘플링 포인트(ST3)만이 변경된 샘플링 포인트(ST3 ')로 변경되면 된다. 제 2 샘플링 포인트(ST2)도 변경될 수 있지만, 도 5에서는 변경되지 않았다. 이로써, 공급될 무효 전력의 - 양적으로 - 매우 가파른 증가 함수는 계속해서 증가하지 않아도 되고, 상기 제 3 샘플링 포인트(ST3)만이 ST3 '으로 변경되는 것이 달성될 수 있다.
도 5는 이러한 점에서 3개의 샘플링 포인트(ST1, ST2 및 ST3 또는 ST3 ')의 프리세팅을 도시하고, 이로써 2차 다항 함수를 확실하게 규정할 수 있다. 제 1 샘플링 포인트(ST1)에 설정 함수(FS)의 다른 부분 섹션이 추가되고, 또한 제 3 샘플링 포인트(ST3 또는 ST3 ')에 추가된다. 대안으로서 그러나 이 경우에 예컨대 탄젠트 함수 또는 루트 함수와 같은 다른 함수도 기초가 될 수 있다.
2 정류기
4 전류 인버터
6 변압기
8 공급점
10 전력 공급 그리드
12 제어유닛
14 측정 피드백
100 풍력 발전 설비
102 타워
104 나셀
106 로터
108 로터 블레이드
112 풍력 단지
114 풍력 단지 그리드
120 전력 공급 그리드

Claims (10)

  1. 그리드 전압(U)과 그리드 주파수(f)를 갖는 전력 공급 그리드(120) 내로 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100) 또는 풍력 단지(112)의 전력을 공급하기 위한 방법으로서,
    - 상기 방법은 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)의 공급을 위해 제공되고,
    - 공급되는 유효 전력(P)은 유효 전력 제어부(R1, R2)에 의해 적어도 하나의 그리드 상태(U, f)의 함수로서 조정될 수 있고, 그리고/또는
    - 공급되는 무효 전력(Q)은 무효 전력 제어부에 의해 적어도 하나의 그리드 상태(U, f)의 함수로서 조정될 수 있고,
    - 상기 유효 전력 제어부(R1, R2) 또는 상기 무효 전력 제어부는 각각 공급될 목표값을 지정하고, 상기 목표값은 각각 조정 함수(FS)에 의해 적어도 하나의 그리드 상태(U, f)의 함수로서 조정되고,
    상기 조정 함수(FS)는 샘플링 포인트(ST1, ST2, ST3)에 의해 지정되며, 상기 샘플링 포인트는 각각 유효 전력(P)의 값 또는 무효 전력(Q)의 값 및 상기 그리드 상태(U, f)의 값을 규정하는 값 쌍들([Pi, fi])에 의해 규정되는 것인, 전력 공급 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS)는 변경 기준의 함수로서 변경되고, 상기 변경은 적어도 상기 값 쌍들([Pi, fi]) 중 하나의 값 쌍의 변경에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS)는 부분적으로 복수의 부분 함수들로 조합되고, 상기 부분 함수들 중 적어도 두 개가 상기 샘플링 포인트(ST1)들 중 하나에서 조합되고, 상기 샘플링 포인트(ST1)에서 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS) 또는 상기 조정 함수의 부분 함수들 중 적어도 하나는 그 종류에 따라,
    - 1차 다항 함수,
    - 2차 다항 함수,
    - 3차 이상의 다항 함수,
    - 지수 함수,
    - 히스테리시스 함수,
    - 삼각 함수 또는
    - 다른 비선형 함수인 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS) 또는 상기 조정 함수의 부분 함수들 중 적어도 하나는 적어도 2개의 샘플링 포인트들(ST1, ST2, ST3) 및 그 종류에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS) 또는 상기 조정 함수의 부분 함수들 중 적어도 하나는,
    - 1차 다항 함수를 이용함으로써 그리고 2개의 샘플링 포인트(ST1, ST2)의 지정에 의해 결정되거나,
    - 2차 다항 함수를 이용함으로써 그리고 3개의 샘플링 포인트(ST1, ST2, ST3)의 지정에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS)는,
    - 그리드 감도(NS),
    - 단락 전류비(SCR) 및/또는
    - 외부 파라미터, 특히 외부 신호에 의한 것의 함수로서 변경되는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 함수(FS)는,
    - 그리드 전압,
    - 그리드 주파수 및/또는
    - 그리드 감도의 함수로서 조정되는 것을 특징으로 하는, 전력 공급 방법.
  9. 전력 공급 그리드(120) 내로 전력(P)을 공급하기 위한 풍력 발전 설비(100)로서, 전력 공급을 위해 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하는, 풍력 발전 설비(100).
  10. 전력 공급 그리드(112) 내로 전력(P)을 공급하기 위한 풍력 단지(112)로서, 전력 공급을 위해 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하는, 풍력 단지(112).
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