KR101358276B1 - Wind power generating system and operating method under emergency condition - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wind power generation system and an operating method thereof in an emergency operation state.
현재 계통 전원의 신재생에너지의 이용도가 기존의 발전 계통(화력, 수력, 원자력)의 측면과 비교하여 무시하지 못할 정도로 커지고 있다.The utilization of renewable energy in the current grid power supply is growing beyond the level of the existing power generation system (fired, hydro, nuclear).
더불어 대용량 계통 연계형 풍력 발전 시스템의 경우 기존의 발전 계통과 밀접한 관계를 가지고 있기에 시스템의 계통 사고가 발생할 경우 그 파급 효과는 기존의 계통 안정도에 많은 영향을 미치고 있다. In addition, the large-scale grid-tied wind power generation system is closely related to the existing power generation system. Therefore, when the system accident occurs, the ripple effect has a great influence on the stability of the existing system.
이러한 파급 효과 등을 막기 위해 여러 형태의 신재생에너지원에 대한 규격이 만들어지고 있으며 이 중에서 풍력 발전 시스템의 경우 단시간 정전 후 복귀 시 일정시간 계통에서 분리가 되지 않도록 하는 LVRT(Low Voltage Ride Through)라는 규격을 만들어 계통 내부 규격에 따라 운전되도록 규정을 하고 있다. In order to prevent such ripple effects, standards for various types of renewable energy sources are being made. Among them, the wind power generation system is called LVRT (Low Voltage Ride Through), which prevents separation from the system for a certain time when returning after a short power outage. The specification is made to operate according to the system internal standard.
LVRT 상황 시 또는 계통 전압 상실 시 풍력 발전 시스템의 블레이드 날개 각도를 미리 규정된 설정 각도(예를 들어, 92도)로 접어 시스템의 기계 에너지 입력이 감소될 수 있도록 정지운전 한다. 정지운전 도중 계통 전압 복원 상황이 발생될 경우 시스템은 다시 정상 운전할 수 있도록 제작이 되어 있다. 한국공개특허공보 제10-2011-0030655호에도 이처럼 전력 계통에서 사고가 발생한 경우 풍차 날개의 피치각을 제어하여 발전기 회전수를 조절하는 기술이 개시되어 있다. In LVRT situations or when the grid voltage is lost, the blade vane angle of the wind power generation system is folded to a predefined set angle (eg 92 degrees) to stop the system's mechanical energy input. If the system voltage restoration situation occurs during the stop operation, the system is designed to resume normal operation. Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2011-0030655 also discloses a technique for controlling the number of revolutions of the generator by controlling the pitch angle of the windmill blades in the event of an accident in the power system.
또한, 전력 변환 장치의 경우 부하 저항을 부착시켜 풍력 발전 시스템 사고 발생시 입력된 전기 에너지를 열에너지로 소모하도록 설계가 되어 있다. In addition, the power converter is designed to consume the input electrical energy as thermal energy in the event of a wind power system accident by attaching a load resistor.
하지만 정격 운전 상황에서 계통 차단 후 시스템 제어 지연으로 인한 많은 양의 에너지가 전력 변환 장치 내에 공급될 경우 전기 에너지를 소모시키지 못한다면 전력 변환 장치는 파손될 우려가 여전히 존재하고 있다. However, if a large amount of energy is supplied to the power converter due to the system control delay after the system is shut down in the rated operation situation, there is still a risk that the power converter will be damaged unless it consumes electrical energy.
본 발명은 LVRT 상황 혹은 계통 전압 상실 상황과 같은 비상 운전 상태에서 블레이드 날개각 제어 이외에 요 각도 제어를 함께 수행하여 풍력 발전 시스템으로의 입력 에너지를 좀 더 빠른 시간 내에 감소시킬 수 있는 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템 및 그 운전 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention performs an yaw angle control in addition to the blade wing angle control in an emergency operation state such as an LVRT situation or a grid voltage loss situation in an emergency operation state in which the input energy to the wind power generation system can be reduced more quickly. It is to provide a wind power generation system and a driving method thereof.
본 발명은 전력 변환 장치 및 풍력 발전 시스템의 안정도를 높이고 발전량 극대화를 통해 안정적인 시스템 운용이 가능한 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템 및 그 운전 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a wind power generation system and its operating method in an emergency operation state that can increase the stability of the power converter and the wind power generation system and maximize the amount of power generation to enable stable system operation.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 비상 운전 상태에서 블레이드의 날개각 및 요(Yaw) 각도를 제어하는 풍력 발전 시스템으로서, 발전기와 계통 사이에 연결되어 상기 발전기에서 생산된 전력을 상기 계통으로 넘겨주는 전력 변환 장치; 제어 신호에 따라 블레이드 날개각 조절용 모터를 구동시켜 날개각 제어를 수행하며, 비상 운전 상태에서는 배터리로부터 동작 전원을 공급받는 날개각 제어부; 제어 신호에 따라 요 모터를 구동시켜 요 각도 제어를 수행하는 요 각도 제어부; 제1 스위치를 통해 상기 계통에 연결되고, 제2 스위치를 통해 상기 전력 변환 장치에 연결되며, 상기 요 각도 제어부에 동작 전원을 공급하는 요 구동부; 및 상기 풍력 발전 시스템의 운전 상태에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 개폐 동작을 제어하여 상기 요 각도 제어부로 동작 전원이 공급되도록 하는 시스템 제어부를 포함하는 풍력 발전 시스템이 제공된다. According to an aspect of the present invention, a wind power generation system that controls the blade angle and yaw angle of the blade in the emergency operation state, the power is connected between the generator and the grid to pass the power produced by the generator to the grid A conversion device; According to the control signal to drive the blade blade angle control motor to perform the wing angle control, in the emergency operation state wing angle control unit receives the operating power from the battery; A yaw angle control unit configured to drive a yaw motor according to a control signal to perform yaw angle control; A yaw driver connected to the system via a first switch, and connected to the power converter through a second switch, and supplying operation power to the yaw angle controller; And a system controller configured to control an opening and closing operation of the first switch and the second switch according to an operating state of the wind power generation system so that operating power is supplied to the yaw angle control unit.
상기 시스템 제어부는 비상 운전 상태에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF) 시키고 상기 제2 스위치를 온(ON) 시켜 상기 전력 변환 장치에 저장된 전원이 상기 요 각도 제어부의 입력 전원이 되도록 할 수 있다.The system controller may turn off the first switch and turn on the second switch in an emergency operation state so that the power stored in the power converter is the input power of the yaw angle controller.
상기 시스템 제어부는 비상 운전 상태에서 상기 블레이드의 바람 맞음각 면적이 최소가 되도록 날개각 및 요 각도를 변경하는 상기 제어 신호를 생성하여 상기 날개각 제어부 및 상기 요 각도 제어부로 각각 출력할 수 있다.The system control unit may generate the control signal for changing the wing angle and yaw angle so that the wind hit angle area of the blade is minimum in the emergency operation state, and output the control signal to the wing angle control unit and the yaw angle control unit, respectively.
상기 비상 운전 상태는 LVRT 상황 혹은 계통 사고 상황일 수 있다. The emergency operation state may be an LVRT situation or a system accident situation.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 비상 운전 상태에서 시스템 제어부가 블레이드의 날개각 및 요 각도를 제어하는 풍력 발전 시스템의 운전 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, there is provided an operating method of a wind power generation system in which the system control unit controls the blade angle and yaw angle of the blade in the emergency operation state and a recording medium in which a program for performing the same is recorded.
일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템 운전 방법은, (a) 계통 전원이 상실되면 상기 날개각을 정지 각도로 제어하는 단계; (b) 요 구동부의 입력 전원을 상기 계통 전원에서 전력 변환 장치의 전원으로 변경하는 단계; 및 (c) 상기 요 각도를 정지 방향으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of operating a wind power generation system in an emergency operation state includes: (a) controlling the vane angle to a stop angle when system power is lost; (b) changing the input power of the yaw driver to the power of the power converter from the system power; And (c) controlling the yaw angle in the stop direction.
(d) 소정 시간 이내에 계통 전원이 복구되는지 판단하는 단계; (e) 복구되는 경우 LVRT 상황으로 인식하여 처리하고, 복구되지 않는 경우 계통 사고 상황으로 인식하여 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.(d) determining whether the system power is restored within a predetermined time; (e) The method may further include recognizing and processing as an LVRT situation when recovering, and recognizing and processing as a system accident situation when not recovering.
LVRT 상황으로 인식한 경우, 상기 단계 (e)는, (e1) 상기 요 구동부의 입력 전원을 상기 전력 변환 장치의 전원에서 상기 계통 전원으로 변경하는 단계와; (e2) 발전 방향으로 요 각도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.In the case of recognizing an LVRT situation, the step (e) may include: (e1) changing the input power of the yaw driver from the power of the power converter to the system power; (e2) controlling the yaw angle in the direction of power generation.
계통 사고 상황으로 인식한 경우, 상기 단계 (e)는, (e1) 상기 계통 전원이 복구될 때까지 발전기 운전을 정지시키는 단계와; (e2) 상기 계통 전원이 복구되면 상기 시스템을 초기 운전 모드로 전환한 후 상기 요 구동부의 입력 전원을 상기 전력 변환 장치의 전원에서 상기 계통 전원으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.If it is recognized as a system accident, step (e) includes: (e1) stopping operation of the generator until the system power is restored; (e2) after the system power is restored, switching the system to an initial operation mode and changing the input power of the yaw driver from the power of the power converter to the system power.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
본 발명의 실시예에 따르면, LVRT 상황 혹은 계통 전압 상실 상황과 같은 비상 운전 상태에서 블레이드 날개각 제어 이외에 요 각도 제어를 함께 수행하여 풍력 발전 시스템으로의 입력 에너지를 좀 더 빠른 시간 내에 감소시킬 수 있는 효과가 있다. According to an embodiment of the present invention, in addition to blade blade angle control in an emergency operation state such as LVRT situation or grid voltage loss situation, yaw angle control can be performed together to reduce the input energy to the wind power generation system in a shorter time. It works.
또한, 전력 변환 장치 및 풍력 발전 시스템의 안정도를 높이고 발전량 극대화를 통해 안정적인 시스템 운용이 가능하다. In addition, it is possible to increase the stability of the power converter and wind power generation system and to maximize the amount of power generation.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 동작을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 운전 방법의 순서도. 1 is a view showing the operation of the wind power generation system in the emergency operation state according to an embodiment of the present invention,
2 is a view schematically showing the structure of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention;
3 is a flow chart of a driving method of a wind power generation system in an emergency driving state according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the terms “… unit”, “… unit”, “… module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. Can be.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the embodiments and may be embodied in other embodiments without departing from the spirit of the invention. It is to be understood that although the description is omitted, multiple embodiments may be implemented again in one integrated embodiment.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 동작을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the operation of the wind power generation system in the emergency operation state according to an embodiment of the present invention.
도 1의 (a)를 참조하면, 정상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템(100)은 바람이 불어오는 주 풍향을 향해 허브(11)가 바라보도록 타워 상부(나셀(20))를 회전시키며, 블레이드(10) 역시 바람을 최대한 받아들일 수 있도록 바람 맞음각 면적이 최대가 되도록 하는 날개각(예를 들어, 0도)을 가지고 있다. Referring to FIG. 1A, in a normal operation state, the wind
하지만, 예를 들어 LVRT 상황 혹은 계통 사고 상황 같은 비상 운전 상태에 있을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(100)은 우선 블레이드(10)의 날개각을 제어하여 바람 맞음각 면적이 최소가 되도록 하는 날개각(예를 들어, 90도)이 되도록 하고, 다음으로 주 풍향에 대하여 소정의 설정 각도(예를 들어, 90도)를 가지도록 요 각도를 제어하여 타워 상부(나셀(20))를 회전(요잉(Yawing) 운동)시킴으로써 그 입력 에너지 값을 좀 더 빠른 시간 내에 감소시킬 수 있도록 할 수 있다. 여기서, 블레이드 날개각 제어와 요 각도 제어는 임의의 순서로 수행되거나 동시에 수행될 수 있다. However, the wind
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구조 및 운전 방법에 대하여 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a structure and a driving method of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 2 is a view schematically showing the structure of a wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 도 1에서 설명한 것과 같이 비상 운전 상태(예를 들어, LVRT 상황 혹은 계통 사고 상황)에서 블레이드의 날개각 제어뿐만 아니라 요 각도 제어(요잉(Yawing) 운동)를 동시에 수행하여 풍력 발전 시스템으로의 입력 에너지 값을 좀 더 빠른 시간 내에 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. As described in FIG. 1, the wind power generation system according to the present embodiment simultaneously performs yaw angle control (yawing motion) as well as blade angle control of the blade in an emergency operation state (eg, LVRT situation or system accident situation). By doing so, it is possible to reduce the input energy value to the wind power generation system in a shorter time.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(100)은 발전기(110), 전력 변환 장치(130), 시스템 제어부(140), 날개각 제어부(150), 요 각도 제어부(160), 요 구동부(165)를 포함한다. 2, the wind
발전기(110)는 터빈의 회전으로부터 가변 주파수의 3상 교류 전력을 발생시킨다. 발전기(110)에 의해 발생된 3상 교류 전력은 예를 들어 3.3kV의 전압 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 발전기(110)는 풍력 등과 같은 신재생에너지원을 이용하여 터빈을 회전시키는 신재생에너지 발전기일 수 있다. The
계통(120)은 그리드(Grid)라고도 하며, 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들어, 계통(120)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적 연계(連繫)이다. The
전력 변환 장치(130)는 발전기(110)에 의해 발생된 전력을 계통(120)에 안정적으로 전달하는 기능을 수행한다. 전력 변환 장치(130)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 구조 혹은 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 후 다시 교류 전력으로 변환하는 구조 중 하나일 수 있다. The
전력 변환 장치(130)는 발전기측 컨버터(132), 직류링크(134), 계통측 컨버터(136)를 포함할 수 있다. 발전기측 컨버터(132)는 발전기(110) 측에 연결되어 발전기의 출력을 제어하며, 계통측 컨버터(136)는 계통(120) 측에 연결되어 계통 전원의 위상에 동기화시켜 발전기(110)에서 생산된 전력을 계통(120)으로 넘겨주는 역할을 담당한다. 발전기측 컨버터(132)와 계통측 컨버터(136) 사이의 직류링크(134)는 순시적인 전력 불균형을 보상하는 부분으로, 일반적으로 용량이 매우 큰 커패시터가 사용된다. The
날개각 제어부(150)는 시스템 제어부(140)의 제어에 따라 나셀 선단의 허브에 설치된 블레이드의 날개각을 소정 각도만큼 회전시키게 된다. 날개각 제어부(150)는 블레이드 날개각 조절용 모터를 포함하며, 블레이드 날개각 조절용 모터를 구동시켜 블레이드의 날개각을 조절함으로써 바람 맞음각 면적을 최대로 하거나 최소로 하는 날개각 제어가 수행될 수 있다. The
요 각도 제어부(160)는 시스템 제어부(140)의 제어에 따라 타워 상부(나셀)를 소정 각도만큼 회전시키게 된다. 요 각도 제어부(160)는 요 모터를 포함하며, 필요에 따라 요 모터의 현재 위치(현재 요 각도)를 나타내는 요 엔코드(미도시)를 더 포함할 수 있다. 요 각도 제어부(165)가 요 모터를 구동시켜 주 풍향과 평행하게 혹은 주 풍향과 직각되게 타워 상부를 위치시키는 요 각도 제어가 수행될 수 있다. The
여기서, 날개각 제어부(150) 및 요 각도 제어부(160)는 정상 운전 상태에서는 계통 전원을 공급받아 동작한다. 비상 운전 상태의 경우 날개각 제어부(150)에는 별도의 전원 저장 장치(예를 들어, 배터리)가 설치되어 있어, 계통 전원이 공급되지 않더라도 그 동작에는 문제가 없다. Here, the wing
하지만, 요 각도 제어부(160)의 경우 별도의 전원 저장 장치가 없기 때문에 계통 전원이 공급되지 않는 비상 운전 상태에서 이를 구동할 수 있도록 하는 구성이 필요하다.However, since the yaw
본 실시예에서는 스위치 동작에 따라 계통(120) 및 전력 변환 장치(130)에 선택적으로 연결되는 요 구동부(165)를 이용하여 정상 운전 상태 및 비상 운전 상태에서 요 각도 제어부(160)에 원활한 전원 공급이 이루어지도록 한다. In the present embodiment, smooth power supply to the yaw
이를 위해, 요 구동부(165)는 제1 AC/DC 컨버터(166), 직류단 커패시터(167), 제2 DC/AC 컨버터(168)를 포함한다. To this end, the
제1 AC/DC 컨버터(166)는 계통(120)에 연결되어 있으며, 그 사이에 제1 스위치(170)가 배치되어 있어 제1 스위치(170)의 온/오프(ON/OFF)에 따라 계통(120)으로부터의 교류 전원 입력이 허용되거나 차단된다. The first AC /
직류단 커패시터(167)는 제1 AC/DC 컨버터(166)와 제2 DC/AC 컨버터(168) 사이에 배치되며, 전력 변환 장치(130)의 직류링크(134)에 연결되어 있고, 직류링크(134)와의 사이에 제2 스위치(175)가 배치되어 있어 제2 스위치(175)의 온/오프(ON/OFF)에 따라 전력 변환 장치(130)로부터의 직류 전원 입력이 허용되거나 차단된다. The
제1 스위치(170)와 제2 스위치(175)는 상보적으로 동작하여 어느 하나가 온(ON)되면 다른 하나는 오프(OFF)되어 요 구동부(160)로 하나의 전원만이 인입되도록 한다. 이러한 제1 스위치(170) 및 제2 스위치(175)는 예를 들어 전자 코일에 의해 접점의 개폐가 이루어지는 전자 접촉기(MC, Magnetic Contactor)일 수 있다. The
제1 스위치(170)가 온 되고 제2 스위치(175)가 오프 되면 요 구동부(160)는 계통(120)과 연결되어 계통 전원이 입력되며, 제1 스위치(170)가 오프 되고 제2 스위치(175)가 온 되면 요 구동부(160)는 전력 변환 장치(130)와 연결되어 직류링크(134)에 저장된 발전기(110)의 발전 전원이 입력된다. When the
제2 DC/AC 컨버터(168)는 후단이 요 각도 제어부(160)에 연결되어 있으며, 계통 전원 혹은 직류링크 전원을 이용하여 요 각도 제어부(160)를 동작시킨다. The second DC /
이하에서는 풍력 발전 시스템의 운전 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of operating the wind power generation system will be described in detail.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 운전 방법의 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating a method of operating a wind power generation system in an emergency driving state according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 운전 방법은 비상 운전 상태의 종류에 따라 LVRT 상황(제1 비상 운전 상태)과 계통 사고 상황(제2 비상 운전 상태)으로 구분되어 그 운전 방법이 차이가 있게 된다. Operation method of the wind power generation system in the emergency operation state according to an embodiment of the present invention is divided into LVRT situation (first emergency operation state) and system accident situation (second emergency operation state) according to the type of emergency operation state The driving method is different.
우선 계통 전원이 상실된 경우를 가정한다. LVRT 상황은 계통 전원이 일시적으로 상실되어 곧 복구되는 경우를 의미하며, 계통 사고(Grid Loss) 상황은 소정 시간 이상 계통 전원의 복구가 이루어지지 않는 경우를 의미한다. First assume that the system power is lost. The LVRT situation refers to a case in which the system power is temporarily lost and is restored soon. The grid loss situation refers to a case in which the system power is not restored for a predetermined time or more.
단계 S210에서 시스템 제어부(140)는 계통 전원 상실을 감지하고서 정지 각도로 날개각 제어를 수행한다. 날개각 제어는 블레이드의 날개각을 바람 맞음각 면적이 최소가 되도록 미리 규정된 설정 각도('정지 각도'로서, 예를 들어, 92도)로 접어 시스템의 기계 에너지 입력이 감소될 수 있도록 정지운전 하는 것이다. 시스템 제어부(140)는 현재 날개각에 대해서 미리 규정된 설정 각도가 되도록 그 차이각만큼 블레이드의 날개각을 회전시키는 명령을 날개각 제어부(150)로 전송하여 날개각 제어가 이루어지도록 한다. In step S210, the
날개각 제어부(150)는 별도의 전원 공급 장치를 가지고 있어 계통 전원이 상실된 경우에도 전술한 동작이 가능하지만, 요 각도 제어부(160)의 경우에는 별도의 전원 공급 장치를 가지고 있지 않다. 따라서, 명령 전송 이전에 전원 공급이 이루어질 수 있도록 하는 단계가 선행되어야 한다. The wing
단계 S220에서 계통(120)과의 연결을 담당하는 제1 스위치(170)를 오프 시키고 전력 변환 장치(130)와의 연결을 담당하는 제2 스위치(175)를 온 시켜 요 각도 제어부(160)의 입력 전원을 변경한다. 제1 스위치(170)가 오프되어 계통(120)과의 연결이 해제되고, 제2 스위치(175)가 온되어 전력 변환 장치(130)의 직류링크(134)와의 연결이 수립된다. 즉, 사고가 발생한 것으로 예상되는 계통 전원 대신에 현재 발전기에서 생성된 전력을 이용하여 요 각도 제어부(160)를 구동시키게 된다. In operation S220, the
단계 S230에서 시스템 제어부(140)는 정지 방향으로 요 각도 제어를 수행하여 타워 상부(나셀)을 주 풍향에 대하여 미리 설정된 각도(예를 들어, 90도)가 되도록 회전시켜 바람에 의한 영향을 최소화시킨다. In step S230, the
요 각도 제어를 위해 시스템 제어부(140)는 요 모터 변경 각도를 계산한다. 요 모터 변경 각도는 현재 요 각도와 바람 맞음각 면적을 최소로 할 수 있는 각도 사이의 차이각이다. 바람 맞음각 면적 최소 각도는 예를 들어 주 풍향에 대해서 시계 방향(혹은 반시계 방향)으로 90도 회전한 각도일 수 있다. The
날개각 제어(단계 S210) 및 요 각도 제어(단계 S230)가 수행됨으로써, 비상 운전 상태(예를 들어, LVRT 상황 혹은 계통 사고 상황)에서 블레이드의 날개각 제어뿐만 아니라 요 각도 제어(요잉(Yawing) 운동)를 동시에 수행하여 풍력 발전 시스템으로의 입력 에너지 값을 좀 더 빠른 시간 내에 감소시킬 수 있다. By performing wing angle control (step S210) and yaw angle control (step S230), the blade angle control as well as yaw angle control (yawing) as well as blade angle control of the blade in an emergency operation state (for example, LVRT situation or system accident situation). Can be reduced simultaneously to reduce the input energy to the wind power system.
단계 S240에서 시스템 제어부(140)는 미리 설정된 시간 내에 계통 전원이 복구되는지 판단한다. In operation S240, the
계통 전원이 복구되는 경우에는 단계 S242으로 진행하여 시스템 제어부(140)는 현재 풍력 발전 시스템 상황을 LVRT 상황으로 인식한다. When the system power is restored, the process proceeds to step S242 and the
LVRT 상황에서는 계통 전원이 금방 복구되기 때문에, 단계 S244에서 요 각도 제어부(160)로의 입력 전원 라인을 계통 전원으로 재변경한다. 이를 위해서 제1 스위치(170)를 온 시키고 제2 스위치(175)를 오프 시킨다. In the LVRT situation, since the system power is quickly restored, the input power line to the yaw
이후 단계 S246에서 시스템 제어부(140)는 요 각도 제어를 수행하여 발전 방향으로 요잉 운동이 일어나게 한다. 즉, 타워 상부(나셀)를 주 풍향 위치로 이동시켜 주 풍향과 평행하게 놓이도록 하여 바람 맞음각이 최대가 되도록 하여 원활한 발전이 이루어지게 한다. Thereafter, in step S246, the
이후 단계 S300으로 진행하여 시스템 제어부(140)는 자동 운전 모드로 ?력 발전 시스템(1)을 운전한다. 자동 운전 모드는 시스템 제어부(140)가 소정의 측정 데이터에 상응하여 바람을 추종하면서 최적의 발전 효율이 나오도록 하는 명령을 생성하여 해당 구성요소에 출력함으로써 타워 상부의 회전각(요 각도) 및 블레이드 날개각을 제어하는 운전 모드를 의미한다. 여기서, 측정 데이터는 풍속 데이터, 발전기 회전속도(예를 들어, RPM), 시스템 운전 상태, 계통 전원 속성(계통 전압(Vgrid), 계통 전류(Igrid), 계통 주파수(Fgrid), 역률 등) 등 중 적어도 하나이며, 명령은 요 각도, 토크 레퍼런스, 날개각 등 중 적어도 하나에 관한 것일 수 있다. Thereafter, the process proceeds to step S300, and the
단계 S240에서의 판단 결과, 계통 전원이 복구되지 않은 경우에 단계 S250에서 시스템 제어부(140)는 현재 풍력 발전 시스템 상황을 계통 전원 상실(Grid Loss) 상황으로 인식한다. As a result of the determination in step S240, when the system power is not restored, in step S250, the
단계 S260에서 발전기 운전을 정지시키고, 단계 S270에서 계통 전원이 복구될 때까지 기다린다. The generator operation is stopped in step S260, and waits until the system power is restored in step S270.
계통 전원이 복구되면, 단계 S280에서 시스템 제어부(140)는 초기 운전 모드로 풍력 발전 시스템(100)을 운전한다. 초기 운전 모드는 완전 정지 상태에 있던 풍력 발전 시스템(100)을 기동시키기 위한 운전 모드로서, 시스템 내부 점검을 수행하고, 날개각 제어부(150) 및 전력 변환 장치(130)를 초기 운전 상태로 변경한다. 그리고 블레이드의 날개각은 현재 바람 맞음각 면적이 최소가 되는 각도에서 바람 맞음각 면적이 최대가 되는 각도(예를 들어, 0도)로 변경할 수 있다. When the system power is restored, the
단계 S290에서 요 각도 제어부(160)로의 입력 전원 라인을 계통 전원으로 변경한다. 이를 위해서 제1 스위치(170)를 온 시키고 제2 스위치(175)를 오프 시킨다. In step S290, the input power line to the yaw
이후 단계 S300으로 진행하여, 시스템 제어부(140)는 풍력 발전 시스템(100)을 자동 운전 모드로 운전한다. Subsequently, the process proceeds to step S300, and the
본 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 운전 방법에 따르면, 풍력 발전기의 정격 운전 상황에서 계통 전원이 상실되면 풍력 발전 시스템이 받는 입력 에너지를 줄이고자 계통 측에 연결된 스위치(제1 스위치)를 차단시키고 전력 변환 장치 측에 연결된 스위치(제2 스위치)를 연계하여 요 모터를 구동시키며, 날개각 제어부와 함께 요 각도 제어부를 구동시켜 블레이드와 나셀이 동시에 회전하여 바람 맞음각 면적이 최소가 되도록 하여 입력 에너지 양을 줄이게 된다. According to the operating method of the wind power generation system according to the present embodiment, when the power supply is lost in the rated operation of the wind power generator, the switch (first switch) connected to the grid side is cut off to reduce the input energy received by the wind power generation system. The yaw motor is driven by connecting a switch (second switch) connected to the converter, and the yaw angle control unit is driven together with the wing angle control unit so that the blade and nacelle rotate simultaneously to minimize the wind angle. Will be reduced.
다만, LVRT 상황 시에는 계통 전원이 복구되면, 전력 변환 장치 측에 연결된 스위치(제2 스위치)를 차단시키고 계통 측에 연결된 스위치(제1 스위치)를 연계시켜 블레이드와 나셀의 각도 조정으로 바람 맞음각 면적이 최대가 되도록 하여 입력 에너지 양을 최대로 늘리게 된다. However, in the case of LVRT, when the grid power is restored, the switch (second switch) connected to the power converter is cut off and the switch (first switch) connected to the grid side is connected to adjust the angle of the blade and nacelle. The area is maximized to maximize the amount of input energy.
이를 통해 전력 변환 장치 및 풍력 발전 시스템의 안정도를 높일 수 있으며, 발전량 극대화를 통해 좀 더 안정적인 시스템 운용이 가능하게 된다. Through this, the stability of power converter and wind power generation system can be increased, and more stable system operation is possible by maximizing power generation.
도 3에 예시된 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 운전 방법에서의 각 단계별 주체는 도 2에 예시된 각 구성부로 한정되지 아니하고, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템으로서도 해석될 수 있을 것이다.The subject in each step in the method of operating the wind power generation system in the emergency operation illustrated in FIG. 3 is not limited to each component illustrated in FIG. 2, and may be interpreted as a wind power generation system according to an embodiment of the present invention. .
도 3에서 상술한 비상 운전 상태에서의 풍력 발전 시스템의 운전 방법은 풍력 발전 시스템의 출력 제어 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.It is natural that the method of operating the wind power generation system in the emergency operation state described above with reference to FIG. 3 may be performed in an automated procedure according to a time series sequence by a program embedded in or installed in an output control device of the wind power generation system. The codes and code segments that make up the program can be easily deduced by a computer programmer in the field. In addition, the program is stored in a computer readable medium readable by the digital processing apparatus, and is read and executed by the digital processing apparatus to implement the method. The information storage medium includes a magnetic recording medium, an optical recording medium, and a carrier wave medium.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
100: 풍력 발전 시스템 110: 발전기
120: 계통 130: 전력 변환 장치
132: 발전기측 컨버터 134: 직류링크
136: 계통측 컨버터 140: 시스템 제어부
150: 날개각 제어부 160: 요 각도 제어부
165: 요 구동부 170: 제1 스위치
175: 제2 스위치100: wind power generation system 110: generator
120: system 130: power converter
132: generator side converter 134: DC link
136: grid-side converter 140: system control
150: wing angle control unit 160: yaw angle control unit
165: yaw drive unit 170: first switch
175: second switch
Claims (8)
발전기와 계통 사이에 연결되어 상기 발전기에서 생산된 전력을 상기 계통으로 넘겨주는 전력 변환 장치;
제어 신호에 따라 블레이드 날개각 조절용 모터를 구동시켜 날개각 제어를 수행하며, 비상 운전 상태에서는 배터리로부터 동작 전원을 공급받는 날개각 제어부;
제어 신호에 따라 요 모터를 구동시켜 요 각도 제어를 수행하는 요 각도 제어부;
제1 스위치를 통해 상기 계통에 연결되고, 제2 스위치를 통해 상기 전력 변환 장치에 연결되며, 상기 요 각도 제어부에 동작 전원을 공급하는 요 구동부; 및
상기 풍력 발전 시스템의 운전 상태에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 개폐 동작을 제어하여 상기 요 각도 제어부로 동작 전원이 공급되도록 하는 시스템 제어부를 포함하는 풍력 발전 시스템. Wind power generation system that controls the blade angle and yaw angle of the blade in the emergency operation state,
A power conversion device connected between the generator and the grid and transferring the power generated by the generator to the grid;
According to the control signal to drive the blade blade angle control motor to perform the wing angle control, in the emergency operation state wing angle control unit receives the operating power from the battery;
A yaw angle control unit configured to drive a yaw motor according to a control signal to perform yaw angle control;
A yaw driver connected to the system via a first switch, and connected to the power converter through a second switch, and supplying operation power to the yaw angle controller; And
And a system controller for controlling an opening and closing operation of the first switch and the second switch according to an operating state of the wind power generation system to supply operating power to the yaw angle controller.
상기 시스템 제어부는 비상 운전 상태에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF) 시키고 상기 제2 스위치를 온(ON) 시켜 상기 전력 변환 장치에 저장된 전원이 상기 요 각도 제어부의 입력 전원이 되도록 하는 풍력 발전 시스템. The method of claim 1,
And the system controller turns off the first switch and turns on the second switch in an emergency operation state such that the power stored in the power converter is the input power of the yaw angle controller.
상기 시스템 제어부는 비상 운전 상태에서 상기 블레이드의 바람 맞음각 면적이 최소가 되도록 날개각 및 요 각도를 변경하는 상기 제어 신호를 생성하여 상기 날개각 제어부 및 상기 요 각도 제어부로 각각 출력하는 풍력 발전 시스템. 3. The method of claim 2,
The system control unit generates a control signal for changing the wing angle and yaw angle so that the wind hit angle area of the blade to the minimum in the emergency operation state and outputs to the wing angle control unit and the yaw angle control unit, respectively.
상기 비상 운전 상태는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황 혹은 계통 사고 상황인 풍력 발전 시스템. The method of claim 1,
The emergency operation state is a wind power generation system is a LVRT (Low Voltage Ride Through) situation or a system accident situation.
(a) 계통 전원이 상실되면 상기 날개각을 정지 각도로 제어하는 단계;
(b) 요 구동부의 입력 전원을 상기 계통 전원에서 전력 변환 장치의 전원으로 변경하는 단계; 및
(c) 상기 요 각도를 정지 방향으로 제어하는 단계를 포함하는 비상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템 운전 방법. A method of operating a wind power generation system in which the system controller controls the blade angle and yaw angle of a blade in an emergency operation state,
(a) controlling the vane angle to a stop angle when system power is lost;
(b) changing the input power of the yaw driver to the power of the power converter from the system power; And
and (c) controlling the yaw angle in a stop direction.
(d) 소정 시간 이내에 계통 전원이 복구되는지 판단하는 단계;
(e) 복구되는 경우 LVRT(Low Voltage Ride Through) 상황으로 인식하여 처리하고, 복구되지 않는 경우 계통 사고 상황으로 인식하여 처리하는 단계를 더 포함하는 비상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템 운전 방법. 6. The method of claim 5,
(d) determining whether the system power is restored within a predetermined time;
(e) Recognizing and processing as a Low Voltage Ride Through (LVRT) situation when recovered, and processing and recognizing as a system accident situation if not recovered.
LVRT 상황으로 인식한 경우, 상기 단계 (e)는,
(e1) 상기 요 구동부의 입력 전원을 상기 전력 변환 장치의 전원에서 상기 계통 전원으로 변경하는 단계와;
(e2) 발전 방향으로 요 각도를 제어하는 단계를 포함하는 비상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템 운전 방법.The method according to claim 6,
In the case of recognizing the LVRT situation, step (e) may include:
(e1) changing the input power of the yaw driver from the power of the power converter to the system power;
(e2) a method of operating a wind power generation system in an emergency operation state comprising controlling the yaw angle in the direction of generation.
계통 사고 상황으로 인식한 경우, 상기 단계 (e)는,
(e1) 상기 계통 전원이 복구될 때까지 발전기 운전을 정지시키는 단계와;
(e2) 상기 계통 전원이 복구되면 상기 시스템을 초기 운전 모드로 전환한 후 상기 요 구동부의 입력 전원을 상기 전력 변환 장치의 전원에서 상기 계통 전원으로 변경하는 단계를 포함하는 비상 운전 상태에서 풍력 발전 시스템 운전 방법.
The method according to claim 6,
If it is recognized that the system accident situation, step (e),
(e1) stopping generator operation until the system power is restored;
(e2) after the system power is restored, converting the input power of the yaw driving unit from the power of the power converter to the system power after switching the system to an initial operation mode; Driving way.
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