풍력 터빈 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A WIND TURBINE}

본 발명은 풍력 설비를 작동하는 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 풍력 설비에 관한 것이다.

종래 기술로서, 구체적으로 1998년 지그프리드 하이어(Siegfried Heier)의 '풍력 에너지 변환 시스템의 그리드 통합(Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems)'의 특히 페이지 263 ff뿐만 아니라 미국 특허 제7,345,373호 및 제WO 01/86143호에 주목이 집중된다.

가장 관련성이 있는 종래 기술은 문헌 제WO 01/86143호이다.

이 문헌은, 네트워크 주파수, 다시 말해서 풍력 설비가 그 전력을 공급하는 네트워크의 주파수가 타겟 주파수를 상회하여 소정값을 초과할 때 풍력 설비의 전력을 감소시키는 것의 교시를 개시하고 있다.

중앙 유럽 네트워크의 경우에, 타겟 주파수는 보통 50 Hz인 반면에 미국 네트워크의 경우에는 60 Hz이다.

그러나, 동시에 전기 네트워크에 접속된 에너지 생산자에 의해 생성된 전력의 비가 얼마나 상당히 소비자, 다시 말해서 임의의 전기 장비를 작동시키기 위해 전기 네트워크에 접속되어 전기 에너지를 취하는 사람에 의해 취해진 전력과 관련하여 균형화되는지에 의존하는 약간의 네트워크 주파수 변동이 또한 항상 존재한다.

예를 들어, 발전기로부터의 전력 공급이 네트워크에 접속된 소비자가 전력의 견지에서 취하는 것을 초과하면, 네트워크 주파수가 상승하고, 역으로 제공되는 전력 공급이 네트워크에 접속된 전기 소비자에 의해 취해지는 것보다 작으면 주파수는 타겟 주파수, 예컨대 50 Hz 미만으로 강하할 수 있다.

네트워크 관리, 다시 말하면 생산자 및 또한 대형 소비자의 관리는 보통 네트워크 조작자에 의해 구현된다. 이 경우에, 네트워크 관리는 네트워크 관리가 예를 들어 특정 발전기(예컨대, 가스 연소식 발전소) 상의 자동 스위칭, 소정의 대형 소비자의 자동 스위치 오프 또는 또한 펌핑된 저장 시설 등의 사용 등을 위한 매우 상이한 조절 메커니즘을 제공할 수 있다. 정상 작동시에, 심지어 대형 공급 네트워크의 네트워크 관리는 타겟 주파수의 영역에 네트워크 주파수를 유지하는 것을 연속적으로 성공하고, 이와 관련하여 최소의 편차가 확실히 형성된다. 그러나, 이들 최소 편차는 일반적으로 ±1‰의 범위를 초과하지 않아야 한다. 네트워크 관리는 또한 네트워크에 추가의 전력을 공급하거나 네트워크로부터 이 전력을 취하고 이를 다른 네트워크에 공급하기 위해 네트워크에 접속된 추가의 네트워크 상에서의 스위칭을 수반할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

풍력 설비에서, 문헌 제WO 01/086143호는 - 이미 전술되어 있는 바와 같음 - 소정의 네트워크 주파수 값이 초과되면, 예를 들어 네트워크 주파수의 타겟값(예를 들어, 50 Hz 초과)을 3‰ 초과하는 값이면, 현재 이용 가능한 전력보다 낮게 전력을 감소시키는 것을 이미 교시하고 있다.

이 문헌은 또한 주파수가 계속 상승하면, 전력이 네트워크 주파수의 추가의 상승에 의존하여 선형적으로 더 감소되는 것을 교시하고 있다.

이제, 본 발명의 목적은 네트워크에 대한 풍력 설비의 네트워크 지원을 향상시키기 위해 종래 기술 및 전체와 비교하여 풍력 설비의 작동을 향상시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법에 의해 얻어진다. 유리한 개량은 종속 청구항에 의해 설명된다.

본 발명에 따르면, 풍력 설비는 이제 네트워크 주파수의 타겟값 미만이 소정의 주파수 값의 강하로 더 이상 스위치 오프(switch off)되지 않지만, 풍력 설비는 더 구체적으로는 증가된 전력으로, 다시 말하면 신속하게 짧은 시간 동안 계속 작동되고, 전력은 네트워크로 이전에 공급된 전력보다 높다. 이 목적으로, 예를 들어 회전자/발전기 시스템의 관성 모멘트로 저장된 회전 에너지가 사용되는데, 다시 말하면 더 많은 전력이 전체 회전자/발전기 시스템으로부터 간략하게 취해져서, 네트워크 주파수가 사전 결정된 타겟값 미만으로 강하할 때 증가된 레벨의 전력이 즉시 신속하게 이용 가능하게 된다. 이는 또한 풍력 설비가 정격 전력으로 공급을 받을 때 발생하는데, 다시 말해서 이는 그 정상 최대량, 즉 풍력 설비가 풍력으로부터 취할 수 있는 전력을 전달한다.

전력이 신속하게 증가되는 양은 정격 전력의 최대 10 내지 30%의 범위, 바람직하게는 정격 전력의 약 20%이다.

사전 결정된 주파수 값은 예를 들어 불감 대역(deadband) 주파수를 미리 설정함으로써 설정될 수 있다. 네트워크 주파수가 이 불감 대역 주파수 미만이면, 풍력 설비의 현재 우세한 전력이 상승되고 풍력 설비에 의해 전달된, 더 구체적으로는 네트워크로 공급되는 전력이 또한 상승된다. 이 경우, 불감 대역 주파수는 사전 결정된 주파수 값에 의해 네트워크의 원하는 타겟 주파수 미만이다.

사전 결정된 주파수 값은 바람직하게는 네트워크 타겟 주파수의 1 ‰, 2 ‰ 또는 3 ‰ 초과이다. 이에 따라, 네트워크 타겟 주파수가 50 Hz인 경우에, 시스템은 값이 각각 49.95, 49.90 및 49.85의 주파수 미만으로 강하할 때를 검출한다.

대안으로 또는 추가로, 상대 주파수 변화가 또한 고려될 수 있는데, 다시 말해서 상대 주파수 강하는 또한 df/dt 또는 주파수 구배로 나타낸다. 시간과 관련하는 이러한 네트워크 주파수 변화의 크기가 과도하게 크고 따라서 주파수가 과도하게 신속하게 강하하면, 네트워크로 현재 공급될 전력은 네트워크를 지원하기 위해 간략하게 증가될 수 있다. 시간과 관련하는 이러한 주파수 변화, 다시 말해서 df/dt를 검출하는 것은 네트워크 주파수 강하를 더 신속하게 검출하는 것을 가능하게 할 수 있고 따라서 가능하게는 네트워크 지원을 위한 필요성의 더 신속한 인식을 허용한다. 절대 주파수 값의 검출, 다시 말해서 값이 사전 결정된 절대 주파수 값 미만으로 강하할 때 또한 시간과 관련한 변화가 또한 조합될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 네트워크 주파수의 절대값이 정격 주파수를 초과하면 고속 네트워크 주파수 강하가 덜 임계적인 것으로서 평가되는 것이 가능하다.

추가로 또는 또한 대안으로서 주파수 구배가 검출되면, 0.1 Hz/s의 구배로부터 전력 증가를 제공하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다. 변화량, 다시 말해서 0.2 내지 7 Hz/s, 특히 0.5 내지 2 Hz/s의 구배는 전력 증가를 개시하기 위한 유리한 범위인 것으로 판명되었다. 따라서, 예를 들어 0.2 Hz/s, 0.5 Hz/s, 1 Hz/s, 2 Hz/s 및 5 Hz/s가 유리한 값이다. 예를 들어 1 Hz/s의 주파수 구배의 검출은 보통 1초의 전체 기간에 걸쳐 임의의 측정을 미리 추정하지 않는다. 오히려, 20 ms 이하의 측정 시간, 특히 10 ms가 적합한 측정 시간이다. 예를 들어 5 ms 또는 심지어 그 이하의 짧은 측정 시간이 또한 바람직한 값이다. 게다가, 측정 시간 및 또한 기초 변화량 또는 기초 주파수 구배 양자 모두는 네트워크 타겟 주파수에 따라 좌우될 수 있다. 동일한 것에 대해 제공된 주파수 구배 및 측정 시간에 대한 전술한 값은 50 Hz의 타겟 주파수에 관련된다. 타겟 주파수가 60 Hz인 경우에, 다소 큰 구배 및/또는 다소 짧은 측정 시간이 가능하게 제공될 수 있다.

단기간 전력 증가는 네트워크 주파수를 안정화하거나 평활화하고 또는 주파수 변동을 완충하는 데 또한 사용될 수 있다는 것이 역시 언급되어야 한다. 특히, 주파수 변동의 완충은 주파수 구배를 유리하게 고려할 수 있다.

바람직하게는, 단기간 전력 증가가 회전자/발전기 시스템의 관성 모멘트로 저장된 회전 에너지를 이용하여 실행된다. 따라서, 이는 하나 이상의 회전자 블레이드를 갖는 회전하는 회전자에, 그리고 또한 발전기의 회전하는 회전자 부재 양자 모두에 저장된 운동 에너지를 취하는 것과 관련된다. 더 많은 양의 전력을 취하는 것은 특히 여기 전류를 증가시킴으로써 그리고 이에 따라 발전기 회전자 부재의 발전기 카운터 모멘트를 증가시킴으로써 구현될 수 있다. 특히, 큰 직경 및 따라서 큰 질량의 회전자 부재 그리고 대응하여 큰 관성 모멘트를 갖는 무기어(gearless) 발전기는 상당한 양의 운동 에너지를 저장할 수 있다.

바람직하게는, 네트워크로 공급된 전력의 주파수는 항상 현재 우세한 네트워크 주파수에 대응한다. 따라서, 네트워크 주파수가 강하하면, 전력 증가가 실행될 수 있으나, 이 경우에 네트워크로의 공급 주파수는 현재 우세한 주파수에 적합하게 감소된다.

바람직하게는, 전력의 증가가 현재 우세한 전력을 초과하여, 다시 말하면 또한 네트워크로의 공급이 미리 정격 전력으로 실행될 때 정격 전력을 또한 초과하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법이 제안되어 있다. 따라서, 풍력 설비가 정격 모드에서 작동될 때에도, 전력 증가는 주파수의 임계적인 강하에 영향을 받는다. 이와 관련하여, 진행 중인 작동을 위한 임의의 이벤트에 보통 최대 전력을 또한 표현할 수 있는 정격 전력은 풍력 설비에 대한 손상 없이 단기간 네트워크 지원을 위해 초과될 수 있도록 실현된다.

실시예에서, 상기 방법은 10 내지 1000 ms의 기간, 특히 20 내지 500 ms, 바람직하게는 50 내지 100 ms의 기간 이내에, 주파수 값이 네트워크 주파수의 사전 결정된 주파수 값 미만으로 강하된 후에 또는 사전 결정된 변화의 양이 초과된 후에, 전력 증가가 실행되고/실행되거나 공급이 증가된 전력에서, 다시 말해서 적어도 0.5초의 추가의 기간 동안, 바람직하게는 적어도 1초 내지 최대 30초, 바람직하게는 최대 약 3 내지 6, 8, 10, 12 또는 15초의 추가의 기간 동안 미리 설정된 전력을 초과하는 전력에서 공급이 실행된다. 원칙적으로, 예를 들어 10 ms의 가능한 한 짧은 반응 시간은 전력의 증가를 구현하기 위한 이상화된 값으로서 고려되어야 한다. 특히, 10 ms의 시간은 50 Hz의 네트워크 주파수에서 반파(half-wave)에 대응한다. 최대 1초의 더 긴 반응 시간은 과잉 반응 또는 실제로 불안정한 시스템을 방지하기 위해 바람직하다. 특히, 50 내지 100 ms의 값이 유리한 절충안인 것으로 판명되었다.

전력 증가는 원칙적으로 짧은 시구간 동안 요구된다. 이 시구간은 보통 적어도 0.5초, 바람직하게는 1초 동안 지속되지만, 3, 6, 8, 10, 12, 15까지 그리고 최대 30초까지 진행한다. 더 많은 또는 현저하게는 10초 초과의 증가된 전력 공급이 요구되면, 이는 더 이상 순간적인 지지 수단으로서, 그러나 오히려 증가된 전력 요건으로서 일반적으로 고려되지 않는다. 전력 증가를 위한 유효 범위는 3 내지 6, 8, 10, 12 또는 15초인 것으로 판명되었다.

바람직하게는, 각각의 풍력 설비가 본 발명에 따른 방법에 따라 제어되는 풍력 발전 시설을 제어하는 방법이 제공된다. 특히, 각각의 풍력 설비는 주파수 저하의 경우에 네트워크로 증가된 레벨의 전력을 전달하도록 적용되어 있다. 이와 관련하여, 풍력 발전 시설은 적어도 2개의 풍력 설비, 그러나 10개의 풍력 설비와 같은 보통 현저하게 더 많은 설비를 포함한다. 50개의 풍력 설비 또는 더 많은 풍력 설비를 포함한다. 그러나, 풍력 발전 시설 내의 모든 풍력 설비 중에, 단지 또한 설명된 방법에 수반된 것들만이 고려되어야 한다.

바람직하게는, 이 경우에도, 모든 풍력 설비로부터 네트워크로 전달된 전력의 증가는 단일 관계 및/또는 중앙 관계로 실행된다. 한편으로는, 이는 풍력 발전 시설의 상이한 설비가 상이한 시간에 응답하고 가능하게는 서로 방해하는 것을 방지한다. 게다가, 풍력 발전 시설은, 풍력 발전 시설이 네트워크 연결 위치에서 네트워크로의 모든 풍력 설비의 전력을 공급하면 네트워크로의 결합을 위해 한계값과 같은 특정 조건을 받게 될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 연결 라인의 부분에서 네트워크로 공급되는 전력에 대한 상한은, 가능하게는 또한 동일한 것에 대해 중앙 변압기를 사용할 때 미리 설정될 수 있다. 중앙 제어는 이러한 경계 조건을 고려할 수 있다. 때때로, 풍력 발전 시설의 상이한 풍력 설비에서 가능하면 풍력 설비의 단일의 제어가 도움이 될 수 있다. 따라서, 예를 들어 응답 시간 및/또는 전력 증가의 기간과 관련하여 적어도 부분적으로 단일 제어를 구현하는 것이 가능하다. 예를 들어 풍력 발전 시설의 모든 또는 대부분의 풍력 설비가 정격 작동 모드에 있는 상황에서는 풍력 발전 시설을 위한 전력 공급 상한에 기인하여 모든 풍력 설비의 전력 증가가 제한되어야 한다면, 먼저 풍력 설비의 일부가 전력 증가에 기여하고 그 후에 풍력 설비의 다른 부분이 전력 증가에 기여하는 방식으로 제어가 실행될 수 있다. 게다가, 제어 레벨 및 조절 복잡성 및 비용은, 예를 들어 전력 증가를 위해 풍력 발전 시설 내의 각각의 풍력 설비로 대응하는 전력 타겟값을 단지 전달하는 중앙 제어 유닛에 의해 감소될 수 있다.

추가적으로, 본 발명에 따른 방법을 사용하도록 되어 있는 풍력 설비가 제안되어 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 복수의 풍력 설비를 포함하고 바람직하게는 중앙 제어 방법을 사용하고/사용하거나 네트워크로 전달될 풍력 설비의 전력의 증가가 적어도 부분적으로 단일하게 제어되는 풍력 발전 시설이 제안된다. 모든 풍력 설비로부터 네트워크로 전달될 전력의 증가를 위한 중앙 제어가 개별 중앙 제어 유닛에 의해 구현될 수 있고/있거나 풍력 설비는 마스터(master)로서 기능할 수 있어 다른 풍력 설비가 이 설비에 의존하게 된다. 원칙적으로, 예를 들어 제어 절차의 관점에서 각각의 경우에 동일한 또는 유사한 유형의 설비를 함께 번들화하기 위해 제어 절차와 관련하여 풍력 발전 시설을 복수의 시설부로 분할하는 것이 또한 가능하다.

전력 전달을 증가시키기 위해, 고려된 관성 모멘트의 회전 에너지를 이용할 뿐만 아니라, 지원으로서 또는 가능하게는 독점적으로 회전자 블레이드의 설정각의 변화 - 피칭이라 칭하는 피치각의 변화 - 를 실행하여 풍력 생산량을 증가시키는 것이 가능하다. 이는 특히 풍력 설비가 정격 부하 하에서 운전될 때 실행되는데, 다시 말해서 미리 정격 전력을 전달할 때 이루어지며, 특히 회전자 블레이드는 정격 회전 속도를 조절하기 위해 부분적으로 미리 피칭되어 있다.

전력 증가 후에, 회전자의 회전 속도는 운동 에너지를 빼앗기기 때문에 감소될 수 있다. 특히, 정격 부하 작동 모드의 경우 전력 증가의 이벤트에, 이러한 감소는 그러나 적을 수 있거나 또는 전혀 발생하지 않을 수도 있다. 회전 속도의 감소는 특히 부분 부하 범위에서 예측되고, 이어서 전력 증가, 다시 말해서 추가적으로 전달되는 전력의 레벨 및 기간에 따라 좌우된다.

본 발명은, 첨부 도면을 참조하여 예로서 실시예에 의해 이하에 더 상세히 설명된다.

본 발명에 따르면, 종래 기술 및 전체와 비교하여 풍력 설비의 작동을 향상시켜 네트워크에 대한 풍력 설비의 네트워크 지원을 향상시킬 수 있다.

도 1은 허브 및 발전기의 일부의 개략도와 함께 풍력 설비의 부분적으로 개방된 포드(pod)를 개략적으로 도시하고 있는 도면.
도 2는 주파수 측정부를 갖춘 무기어 회전자/발전기 결합 장치에 대한 개략도를 개략적으로 도시하고 있는 도면.
도 3은 풍력 설비의 전력/주파수 특징의 예로서 실시예를 도시하고 있는 도면.
도 4는 도 3의 변형례를 도시하고 있는 도면.
도 5는 일정한 전력 증가에 대한 전력 구성을 예시하는 예를 도시하고 있는 도면.
도 6은 회전자의 회전 속도에 따라 실행되는 전력 증가의 이벤트에 있어서 전력 구성을 예시하는 예를 도시하고 있는 도면.
도 7은 회전자의 회전 속도에 의존하는 전력 증가의 경우에 있어서 전력의 관리를 예시하는 예를 도시하고 있는 도면.
도 8은 일정한 전력 증가를 통한 전력의 관리를 도시하고 있는 도면.
도 9는 전력 증가가 전력 증가와 관련하여 상이한 조정 가능한 최대값에 대해 주파수에 의존하여 구현되도록 하는 전력값의 가능한 변동을 도시하고 있는 도면.

이하에서, 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있지만, 또한 유사하고 동일하지 않은 구성 요소를 나타낼 수 있다. 이하에서, 완전성을 위해, 전파 변환기(full-wave converter)를 갖는 무기어 디자인 및 동기 발전기를 갖는 풍력 설비가 설명된다.

도 1은 무기어 풍력 설비의 포드(1)를 개략적으로 도시하고 있다. 부분적으로 개방되어 있는 하우징(스피너)을 통해 허브(2)를 볼 수 있다. 3개의 회전자 블레이드(4)가 허브에 고정되고, 회전자 블레이드(4)는 허브 부근의 이들의 영역에만 도시되어 있다. 회전자 블레이드(4)를 갖는 허브(2)는 공기 역학적 회전자(7)를 형성한다. 허브(2)는 또한, 회전자 부재(6)라 칭할 수 있고 이하에서 회전자 부재(6)라 칭할 수 있는 발전기 회전자에 기계적으로 단단히 연결된다. 회전자 부재(6)는 고정자(8)에 대해 회전 가능하게 장착된다.

고정자(8)에 대한 그 회전 중에, 회전자 부재(6)는 또한, 여기 전류에 의해 적합하게 설정될 수 있고 변경될 수 있는 발전기 모멘트 또는 발전기 카운터-모멘트를 구성하고 자기장을 생성하기 위해, 전류, 보통 직류 전류를 공급받는다. 회전자 부재(6)가 이에 따라 전기적으로 여기될 때, 고정자(8)에 대한 그 회전은 고정자(8)에서 전기장 및 이에 따른 전기 교류 전류를 생성한다.

실질적으로 회전자 부재(6) 및 고정자(8)로 구성된 발전기(10) 내에 생성된 교류 전류는 도 2에 도시되어 있는 구조에 따라 정류기(12)를 경유하여 정류된다. 정류된 전류 또는 정류된 전압은 이어서 인버터(14)에 의해 원하는 주파수에서 3상 시스템으로 변환된다. 이 방식으로 생성된 3상 전류-전압 시스템은 특히 변압기(16)에 의해 접속된 전력 네트워크(18)로 공급될 전압이 승압된다. 이론적으로, 변압기를 생략하거나 이를 초크(choke)로 대체하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 보통 네트워크(18)에서의 전압 요건은 변압기에 의해 이를 승압할 필요가 있도록 하는 것이다.

제어는 또한, 주 제어 유닛이라 칭할 수 있고 풍력 설비의 최고 레벨 조절 및 제어 유닛을 형성하는 주 제어부(20)를 사용하여 실행된다. 주 제어부(20)는 종속된 네트워크 측정 유닛(22)으로부터 특히 네트워크 주파수에 대한 그 정보를 획득한다. 주 제어부(20)는 인버터(14) 및 정류기(12)를 제어한다. 원칙적으로 제어되지 않는 정류기를 사용하는 것이 또한 가능할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 주 제어부(20)는 발전기(10)의 일부인 회전자 부재(6)로 여기 전류를 공급하기 위해 직류 설정 부재(24)를 제어한다. 주 제어부(20)는 네트워크 주파수가 사전 결정된 네트워크 주파수 한계값 미만으로 강하될 때 특히 발전기의 작동점 또는 네트워크로의 공급을 수정한다. 발전기가 회전 속도 가변 방식으로 작동될 때, 네트워크로의 공급은 실질적으로 정류기(12) 및 인버터(14)에 의해 형성된 전파 변환기로 설명된 바와 같이 실행된다.

작동시에, 네트워크 전압 및 네트워크 주파수는 영구적으로 네트워크 측정 유닛(22)에 의해 3상 측정을 겪게 된다. 3상 전압 중 하나에 대한 새로운 값은, 네트워크 주파수가 50 Hz인 경우에 임의의 이벤트에서 매 3.3 ms마다 측정 작업으로부터 얻어진다. 따라서, 네트워크 주파수는 각각의 전압 반파로 검출되고, 필터링되고, 미리 설정된 한계값에 비교된다. 60 Hz 시스템에 대해, 3상 전압 중 하나에 대한 값은 대략적으로 매 2.7 ms마다, 더 구체적으로는 대략적으로 각각의 제로 교차(zero crossing)에서 이용 가능할 수 있다.

도 3은 관련된 전력 구성을 또한 도시하고 있는, 시간과 관련된 주파수 구성 및 주파수 범위의 개략적인 예를 도시하고 있다.

도 3으로부터, 주 제어부는 3개의 작동 범위, 주로 불감 대역 범위(30), 제어 대역 범위(32) 및 저주파수 범위(34; underfrequency range) 사이의 주파수와 관련하여 구별된다는 것을 알 수 있을 것이다. 불감 대역 범위는 정격 주파수(f _norm 또는 f _N )와 그 미만의 불감 대역 주파수(f _deadband ) 사이의 주파수 범위이다. 정격 주파수는 일반적으로 예를 들어 유럽 네트워크 시스템에서 50 Hz 또는 미국 지역에서 60 Hz와 같이 고정적으로 사전 결정된다. 불감 대역 주파수(f _deadband )는 조정될 수 있고, 이에 의해 불감 대역 범위는 임의의 이벤트에서 이 하한에 관련하여 조정될 수 있다. 불감 대역 범위 내에서는 어떠한 전력 증가도 제공되지 않는다.

제어 대역 범위(32)는 불감 대역 주파수(f _deadband )와 아래의 제어 대역 주파수(f _controlband ) 사이로 확장된다. 제어 대역 범위는 불감 대역 주파수(f _deadband )와 또한 제어 대역 주파수(f _controlband ) 양자 모두를 사전 결정함으로써 적합하게 설정될 수 있다. 제어 대역 범위에서, 즉 실제 주파수가 제어 대역 범위 내의 값을 취할 때, 유효 전력의 증가는 전력 증가(P _increase )만큼 주파수 편차, 더 구체적으로는 특히 불감 대역 주파수로부터의 실제 주파수에 의존하여 실행될 수 있다. 이 경우에, 주파수 편차에 특히 비례적으로 의존하는 유효 전력 증가가 존재한다. 따라서, 유효 전력 증가(P _increase )는 또한 제어 대역 범위의 가변 파라미터이다. 따라서, 미리 설정된 값(P _{increase_set} )으로의 0%의 추가의 전력(P _increase )만큼 주파수 편차에 의존하여 유효 전력의 증가가 존재할 수 있다. 유효 전력의 최대 증가는 P _{increase_set} 에 의해 미리 설정될 수 있고, 여기서 P _{increase_set} 은 1% 단계로 0%로부터 P _{increase_max} 로 증가될 수 있다.

저주파수 범위(34)는 제어 대역 주파수(f _controlband )로부터 하향으로 확장된다. 실제 주파수가 제어 대역 주파수(f _controlband ) 미만일 때, 미리 설정된 최대 전력 증가는 저주파수 범위에서 구현된다. 따라서, 전력 증가(P _increase )는 예를 들어 정격 전력의 10%일 수 있는 최대값을 취한다.

도 3은 실제 주파수의 예로서의 구성을 뚜렷하게 도시하고 있다. 주파수는 초기에는 시간(t ₀ )에서 강하될 때까지 정격 주파수(f _norm )의 값을 갖는다. 실제 주파수의 구성은 도면 부호 36으로 식별된다. 설정될 전력의 예로서의 구성은 도면 부호 38로 또한 식별된다. 전력은, 원하는 또는 적어도 원하는 최대 전력 증가를 수행하는 것을 가능하게 하기 위해 예로서 본 명세서에 설명되어 있는 제어부에 대해 정격 전력의 적어도 4%이어야 한다는 것이 주목된다.

실제 주파수(36)는 시간(t ₀ )에서 강하되지만, 먼저 어떠한 전력 증가도 발생하지 않도록 불감 대역 범위(30) 내에 있다. 따라서, 정격 전력의 적어도 4%인 실제 전력은 초기에 일정하게 유지된다. 시간(t ₁ )에서, 실제 주파수(36)는 불감 대역 주파수(f _deadband )에 도달하고 이 불감 대역 주파수 미만으로 강하된다. 도시되어 있는 예에서, 전력(38)은 주파수(36)의 추가의 강하로 선형적으로 상승한다. 즉, 전력 증가(P _increase ), 즉 초기값(P _A )에 대한 각각의 증가는 여기서 실제 주파수(36)와 불감 대역 주파수(f _deadband ) 사이의 차이에 비례한다. 비례 팩터는 여기서 주파수가 제어 대역 주파수(f _controlband )에 도달할 때 전력 증가(P _increase )가 정격 전력(P _n )의 10%의 그 최대값에 도달하도록 설정된다. 이러한 것은 시간(t ₂ )에서 해당한다. 따라서, 전력 증가(P _increase )는 또한 최대 시간과 같은 추가의 경계 조건이 전력 증가에 대해 관찰되는 한, 원칙적으로 P _increase = P _{increase_set} × P _N × (f _deadband - f)/(f _deadband - f _controlband )로 제어 대역 범위에 대해 지정될 수 있다.

주파수(36)가 제어 대역 주파수(f _controlband ) 미만으로 더 강하하면, 전력(38)은 더 증가될 수 없고, 따라서 시간(t ₂ )으로부터 먼저 최대값으로, 즉 초기값 + P _increase 의 최대값, 즉 정격 전력의 +10%로 유지된다. 주파수가 이제 재차 상승하고 시간(t ₃ )에서 제어 대역 주파수(f _controlband )의 값을 초과하면, 또한 이에 따라 시간(t ₄ )에서 불감 대역 주파수(f _deadband )를 초과하여 상승할 때까지 전력 증가도 또한 재차 감소된다. 시간(t ₄ )에서, 전력은 이제 초기값(P _A )에 재차 도달되고 더 이상 강하하지 않는다.

도 3은 이상화된 구성을 도시하고 있고, 임의의 조절 동특성이 초기에 무시된다는 것이 강조되어야 한다. 게다가, 언급된 예에서 - 개략적인 도면과는 대조적으로 -, 전력이 증가되는 최대 시간은 8초를 초과하지 않아야 한다. 그러나, 엄밀하게는, 더 작은 전력 증가의 경우에 이 시간의 연장이 가능하게 고려될 수 있다. 선형 주파수 강하 및 선형 주파수 상승은 제어 다이어그램을 도시하도록 선택되어 있고, 전력 공급 네트워크에서 보통 예측되는 주파수 특징과 반드시 일치할 필요는 없다는 것이 관찰되어야 한다.

도 3은 네트워크 주파수의 구성 및 그에 대한 반응으로서 풍력 설비로부터의 전력 공급의 변동을 나타내는 다이어그램을 도시하고 있다.

더욱이 소정 시간(t ₁ )에 네트워크 주파수는 저하되고 더 구체적으로는 약 50 Hz의 타겟 주파수 미만의 소정의 주파수 값으로 내려간다는 것을 알 수 있다. 주파수가 타겟값 미만의 예를 들어 1 ‰의 주파수 값 미만으로 강하하면(그리고 더 강하하면), 풍력 설비의 전력은 예를 들어 현재 우세한 전력의 20%만큼 또는 정격 전력의 최대 30% 초과만큼, 실용적으로 순간적으로, 다시 말해서 극단적으로 짧은 시간에 그리고 짧은 기간 동안, 다시 말해서 추가의 예를 들면 수 ms 이내, 예를 들어 50 내지 100 ms 또는 또한 500 내지 1000 ms 이내에 그 현재 우세한 값을 초과하여 증가된다. 도 3의 예는 정격 전력의 10%만큼의 증가에 기초한다. 극단적인 경우에, 전력이 단지 정격 전력의 4%이고 정격 전력의 10%만큼 증가될 때, 적어도 이론적으로는 현재 전력의 2.5배만큼 전력 증가를 구현하는 것이 가능할 수 있다. 이는 심지어 저전력 전달에 의해서도, 비교적 높은 회전 속도 및 따라서 대응적으로 대량의 회전 에너지가 미리 저장되어 있는 것에 특히 기초하여 정당화될 수 있다. 따라서, 예를 들어 4% 정격 전력에서, 정격 속도의 약 50%의 회전 속도에 도달하는 것이 이미 가능하다.

다수의 풍력 설비가 전술된 바와 같이 거동하면, 이때 대량의 추가의 전력이 매우 신속하게 이용 가능하게 되고, 그 결과 생산자/소비자 불균형이 매우 신속하게 보상되며, 또한 그 결과 네트워크 주파수는 더욱 더 신속하게 상승하고 심지어 그 타겟값을 신속하게 초과한다.

도시되어 있는 실시예에서, 네트워크로의 증가된 전력 공급은 어떠한 방식으로 주파수가 거동하는지에 따라, 단지 약 2 내지 10초 동안만, 바람직하게는 단지 최대 3초 동안만 실행된다.

예를 들어, 주파수가 재차 매우 신속하게 상승하면, 이때 증가된 전력 공급은 또한 오히려 재차 감소되어 마무리될 수 있는 반면 대조적으로 증가된 전력 공급은 저주파수 전력 공급이 더 긴 시구간 동안 잔류하면 더 길게 실행된다.

도 4는 예를 들어 풍력 전체가 변동되기 때문에 풍력이 변동하는 상황을 위한 증가된 전력 공급을 또한 도시하고 있다. 게다가, 도 4는 또한 다르게는 즉시 예측되는 거동에 기초하는 구성에 관련된다.

주파수(36)는 먼저 정격 주파수, 즉 50 Hz이다. 시간(t ₀ )에, 주파수(36)는 이어서 매우 신속하게 강하하고, 또한 매우 즉시 불감 대역 주파수(f _deadband ) 미만으로 강하한다. 도 4는 명백하게 주파수가 불감 대역 주파수 미만으로 강하하지만 주파수가 검출 시간(Δt _detect ) 후의 선택된 불감 대역 주파수 미만으로 강하된 후에만 검출되는 상황을 또한 수반하고, 여기서 이 검출 시간은 최대 20 ms이다. 따라서, 저주파수는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 시간(t ₁ *)에 검출되고, 전력(38)은 거기서 증가된다. ≤800 ms의 증가 시간(Δt _increase )은 시간(t ₁ *)에 여전히 우세한 전력을 초과하는 10% 정력 전력의 P _increase 의 최대 전력 증가까지 경과된다. 주파수가 선택된 불감 대역 주파수(f _deadband ) 미만으로 강하될 때, 주 제어부는 내부 제어 기능에 의해 미리 설정된 시간(t _max ) 동안 발전기로부터 풍력 설비의 정격 전력의 10%의 최대값인 전력 증가(P _increase )를 제공한다. 저주파수에 대한 인식 시간은 20 ms 미만이다. 추가의 전력(P _increase )의 레벨은 설정된 허용 가능한 최대 전력 증가 및 주파수 편차에 비례적으로 의존한다. 전력은 주파수 편차에 기초하여 임의의 이벤트에 고려되는 한, 약 250 kW/s의 고정된 구배로 증가된다. 이 방식으로, 여기에 예시되어 있는 경우에, 풍력 설비의 정격 전력의 최대 10%의 최대값으로의 전력 증가가 ≤800 ms에 성취된다. 전력 증가(P _increase )는 8초의 최대의 시간에 걸쳐 이용 가능하다. 늦어도 8초 후에, 예시되어 있는 예에서의 풍력 설비의 유효 전력은 특히 이전의 작업점에서 약 250 kW/s로부터 정상으로 회복된다.

따라서, 시간(t ₁ *)으로부터 볼 때, 최대 전력 증가는 따라서 시간(t ₂ *)에서 약 800 ms 후에 성취된다. 이제 설정되어 있는 최대 증가된 전력은 이어서 시간(t ₄ *)까지 대략 초기값 또는 풍력에 따라 새로운 값으로 점진적으로 재차 강하하기 위해 시간(t ₃ *)까지 유지된다. 또한 tmax _P-increase 라 칭할 수 있는 t ₁ *으로부터 t ₄ *까지의 시간은 예시되어 있는 예에서 최대 8초이다. 도 4는 또한 개략도이고 정확한 시간값을 포함하는 정확한 값이 거기서 정확하게 판독될 수 없다는 것을 주목해야 한다.

주파수(36)는 전력 증가 중에, 특히 시간(t ₂ *) 후에 재차 상승하고, 이는 또한 전력 증가, 다시 말해서 네트워크로 추가적으로 공급되는 전력에 기인할 수 있다는 것이 관찰될 것이다. 그럼에도 불구하고, 이것은 각각의 네트워크 및 각각의 풍력 설비에, 그리고 특히 또 다른 풍력 설비가 네트워크로의 이러한 전력 공급을 구현하는지의 여부에 결정적으로 의존한다. 그러나, 부수적으로 예시되어 있는 예에서, 주파수는 전력 증가 범위 내에서 재차 정격 주파수로 상승하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 성취된 최대 시간에 의해, 전력 증가는 감소되고 마무리된다.

네트워크로의 증가된 전력 공급에 대해, 본 발명에 따른 풍력 설비는 관성 모멘트에 의해 회전자/발전기를 포함하는 회전 시스템에 저장된 회전 에너지를 사용한다. 달리 말하면, 풍력 설비의 전력 특징에 의해 실제로 사전 결정된 것을 초과하여 취해진 전력의 추가적인 양에 기인하여, 전체 회전자/발전기 시스템은 명백하게 계속 회전하지만, 이는 회전 에너지를 손실하고, 따라서 네트워크로의 증가된 전력 공급 후에, 바람에 의해 전달된 것보다 더 많은 전력이 전체 시스템으로부터 취해지기 때문에 이전보다 더 느리게 회전한다.

그러나, 특히 풍력 설비의 본 발명에 따른 거동은, 임계적인 저주파수 상황이 현존하는 풍력 설비에 의해 성공적으로 관리되거나 성공적으로 브리징(bridging)되어, 추가의 네트워크 관리 개입이 저주파수 상황의 발생 후에 예를 들어 1 내지 8초, 특히 1 내지 3초의 임계 시구간 이내에 개시될 수 있게 되고, 이러한 네트워크 관리 개입은 풍력 설비 또는 설비들(또는 전체 풍력 발전 시설)이 네트워크로의 그 전력 또는 이들의 추가의 전력을 공급하고, 이들의 작동에 개입하고, 네트워크를 성공적으로 지원하는 결과를 갖는다.

네트워크 저주파수의 경우에 전력 증가(P _increase )의 기술적인 이용 가능성은, 정격 전력의 4%의 순간 전력(P _actual )으로부터 기본적으로 제공된다. 정격 전력에 대한 10%만큼의 전력 증가(P _increase )가 이때 가능하다. 예로서 풍력 설비에 대해 200 kW의 전력 증가가 도 5 내지 도 8에서 이하에 원칙적으로 도시되어 있다. 이 경우에, 200 kW는 정격 전력의 10%를 구성한다. 원리상, 주파수 지원 중의 전력 증가와 관련하여 거동에 대한 2개의 옵션 중에서, 즉 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 주파수 의존성 전력 증가와 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 주파수 의존성 및 회전 속도 의존성 전력 증가 중에서 선택하는 것이 가능하다.

도 4를 참조하여 또한 설명될 수 있고 그 값이 도 4에 특정되어 있는 실시예가 이하와 같이 설명될 수 있다.

불감 대역 미만으로의 주파수 변화의 경우에, 요구된 전력 증가는 약 250 kW/s의 고정된 구배로 발생한다. 풍력 설비(WPI; Wind Power Installation)의 정격 전력의 최대 10%의 전력 증가(P _increase )가 약 80 ms 후에 성취된다. 제어 대역 내의 그리고 500 kW 미만의 전력 범위의 작은 주파수 변화의 경우에, 전력 구배는 전력 변화에 대한 발전기 유도 거동에 의해 약간 감소된다. 전력 증가(P _increase )는 6.4s의 최대 시간에 걸쳐 이용 가능하다. 늦어도 7s 후에, WPI의 유효 전력은 250 kW/s에서 재차 정상 작업점으로 설정된다. 제어 안정화 시간은 구현 시간 중에 설정된 설비 회전자 속도 및 풍력 조건에 의존한다. 정상 작동시에 네트워크로의 전력의 공급에 대한 천이는 약 1s 이내에 마무리된다.

도 5는 어떠한 전력 증가도 구현되지 않을 수 있는 상황에 대해 시간과 관련하여 타겟 전력(P _order )을 도시하고 있다. 이 곡선은 또한 비교를 위해 포함되어 있다. 저주파수가 도 5에서 시간(t _B )에서 검출되고, 200 kW의 전력 증가가 사전 결정된다. 기본적으로 각도 구성으로 표현되어 있는 이 전력 곡선은 P _increase 에 의해 식별된다. 이 전력(P _increase )은 시간(t _B )에서 200 kW만큼 증가된 값으로 상승하고 종료 시간(t _E )까지 이 값을 일정하게 유지하며 이어서 정상 전력 타겟 곡선(P _order )의 값으로 강하한다. 정상 전력 곡선(P _order )은 곡선(P _increase )에 영향을 미치지 않고 평균 강하를 갖는다. 초기 시간(t _B )과 종료 시간(t _E ) 사이의 시간은 약 8초이다. 게다가, 전력 곡선(P _actual )이 또한 네트워크로의 전력 공급의 실제로 성취된 값과 대응하여 도시되어 있다. 따라서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 미리 설정된 구현 시간(t _max )에 걸친 전력 증가(P _increase )는 네트워크 주파수에 비례한다. 이것은 발생하는 풍력 설비의 회전자의 회전 속도에 독립적으로 전력 전달에 대응한다.

이하에는 또한 풍력 설비의 전력이 단지 주파수 지원 중에 네트워크 주파수에만 의존하는 것이 도 5와 관련하여 추가로 설명된다. 게다가, 주파수 편차에 비례하여 요구되는 전력 증가(P _increase )가 미리 설정된 구현 시간(t _max )에 걸쳐 발생한다. 따라서, 총 유효 전력 전달(P _actual )은 관성 에뮬레이션의 활성화시의 순간에 회전 속도 전력 특징 및 요구된 전력 증가(P _increase )에 따른 전력의 총합이다. 전체 유효 전력 전달은 풍력 설비의 최대 겉보기 전력에 의해 한계가 정해진다. 풍력 설비 구성의 이들 한계는 도 7 내지 도 10의 전력 다이어그램에 도시되어 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이 주파수 의존성 및 회전 속도 의존성 전력 증가에 관련하여, 미리 설정된 구현 시간과 관련하여 성취된 전력 증가는 네트워크 주파수에 비례하고 또한 회전자와 관련하여 설정된 회전 속도에 의존하여 변경된다. 풍속 및 회전자 회전 속도에 의존하여, 전력 증가는 회전자 속도에 적합하게 제공된다. 도 6에 사용되어 있는 명명법은 도 5의 것에 대응하고, 저주파수는 시간(t _B )에 검출되며, 약 200 kW만큼의 전력 증가가 실행된다. 종료 시간(t _E )까지의 추가의 변동에서, 전력 증가, 즉 P _order 와 관련하지 않고 회전 속도는 감소하며 그와 함께 또한 타겟 전력이 감소한다. 전력 증가(P _increase )는 각각의 현재 타겟 전력(P _order )을 초과하여 대략 200 kW의 값을 유지한다. 시간(t _E )에, 전력 증가는 이어서 종료되고, 전력(P _actual )은 타겟 전력(P _order )의 값으로 강하한다.

게다가, 도 6에 관련하는 설명으로서, 이하에 대해, 즉 풍력 설비의 전력이 풍속에 의존하여 사전 결정된 회전 속도-전력 특징을 갖는 주파수 지원 중에 제어된 상태로 유지되는 것에 주의가 집중된다. 따라서, 미리 설정된 구현 시간(t _max )에 걸친 전체 유효 전력 전달(P _actual )은 현재 우세한 회전 속도 의존성 전력(P)과 주파수 편차에 비례하여 요구되는 전력 증가(P _increase )의 합이다.

도 7 및 도 8은, 전력 타겟값(P _ref ) 및 실제로 설정된 전력값(P _actual )의, 도 6 및 도 5에 대응하는 측정 또는 기록을 도시하고 있다. 이와 관련하여, 전력 타겟값(P _ref )은 전력 증가에 관련성을 갖고 타겟 전력에 관련된다. 도 7에 도시되어 있는 전력 구성은 이와 관련하여 도 6에 도시되어 있는 것과 유사하게 주파수 의존성 및 회전 속도 의존성 전력 증가에 대응한다. 도 8에 도시되어 있는 전력 구성은 도 5에 도시되어 있는 것과 유사하게 단지 주파수 의존성 전력 증가에 대응한다. 그러나, 도 5 내지 도 8은 이들 자신의 특정 구성을 각각 표현한다는 것을 확인할 수 있어야 한다.

도 9는 실시예와 관련하여 P _{increase_set} 의 선택된 값에 의존하여 P _increase 의 다양한 가능한 주파수 의존성 증가를 도시하고 있다. 예로서의 3개의 곡선은 P _increase' , P _increase" 및 P _increase"' 에 의해 식별된다.

추가의 전력(P _increase )은 불감 대역 주파수 미만의 측정된 주파수 편차에 비례적으로 의존한다. 전력 증가는 제어 대역 주파수(f _deadband )에 도달할 때 미리 설정된 전력 증가(P _{increase_set} )에 0%의 불감 대역 주파수(f _deadband )로부터 선형적으로 증가된다. 게다가, 네트워크 공급자에 의해 요구될 때, 미리 설정된 전력 증가(P _{increase_set} )는 정격 전력으로부터 최대 허용 가능한 전력 증가(P _{increase max} )로 정격 전력의 1% 단계로 사전 결정될 수 있다. P _increase-set 은 또한 주요 주파수 편차의 경우에 초과되지 않는다. 구현 시간 중에 발생하는 주파수 변화는 전력 증가와 관련하여 직접적인 적응을 발생시킨다.

% 단위의 비(P _increase /P _rated )가 실제 주파수 또는 측정된 주파수(f _meas )에 의존하여 그리고 % 단위로 지정된 값(P _{increase_set} )에 의존하여 이하의 식으로 예시될 수 있다.

표 1은 예로서 설비를 위한 특징값 또는 설정 범위를 설명하고 있다. 원리상, 불감 대역 주파수는 f _deadband 로서 식별될 수 있고, 제어 대역 주파수는 f _controlband 로서 식별될 수 있다. 전력 증가는 P _increase 또는 P _extra 로서 식별될 수 있고, 정격 전력은 P _N 또는 P _rated 로서 식별될 수 있다. 라인 '최대 전력 증가'에서, 주파수 의존성 전력 증가 또는 주파수 의존성 및 회전 속도 의존성 전력 증가가 사용되는지 여부에 따라 P _extra = 일정 또는 P _extra = 가변을 사용하는 것 중에서 선택하는 것이 가능하다.

1: 포드 2: 허브
4: 회전자 블레이드 6: 회전자 부재
7: 회전자 8: 고정자
10: 발전기 12: 정류기
14: 인버터 16: 변압기
18: 네트워크 20: 주 제어부
22: 네트워크 측정 유닛 30: 불감 대역 범위
32: 제어 대역 범위 34: 저주파수 범위