| 풍력발전설비 출력제어방식의 종류 |
심태근
1. 개 요
□ 공기의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 얻는 기술로 풍력발전시스템은 형태, 동력전달장치 구조, 출력제어에 따라서 분류되고 있다.
2. 형태에 따른 분류
1) 수평축 풍력발전(프로펠라형)
수평축 풍력발전기는 회전축이 수평으로 되어 있는 발전기이다. 근래에 대부분의 풍력발전기들이 수평축 풍력발전기의 형태를 채택하고 있다.
2) 수직축 풍력발전(다리우스형,사보니우스형)
수직축 풍력발전기는 회전축이 수직으로 되어 있는 발전기로 90년대 말에는 풍력발전기에 대한 연구가 활발하였으나, 근래에 들어서는 기술이 사장되었다.
3. 동력전달장치 구조에 따른 분류
1) Geared type
(1) 회전체→기어(계자, 전기자)→유도체→속도 일정→유기 기전력 일정
(2) 회전자+기어 증속장치+유도발전기→정전압, 정주파수→KEPCO
(3) 정속운전 유도발전기 : 증속기+인버터(없음)
(4) 주로 많이 채용
Geared type은 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추고 로터의 회전속도를 증가하기 위해 Gearbox를 사용하는 풍력발전기이다. 그러나 Gearbox를 사용함으로써 유지보수가 요구되며, 기계적인 손실이 발생하게 된다. 또한 이러한 시스템은 유도발전기를 사용하게 되는데 이로 인하여 전력품질에 악영향을 미치게 된다.
2) Geareless type
| 장 점 | ○ 초기 풍력터빈의 개발 단계부터 적용된 기술적 접근방법이었으며 그동안 기술적인 발전을 거듭하면서 오늘에 이르렀고 아직도 시장의 80~90% 이상이 이 형식으로 되어 있다.○ 종속비를 높여 발전기의 크기를 감소시킬 수 있다.○ 종속기로 회전속도를 높일 수 있으므로 발전기의 극수가 작아도 된다. |
| 단 점 | ○ 기어박스에 소음과 진동이 발생한다.○ 부품수가 많아서 고장률이 높고 Gearless Type에 비해 유지보수비가 많이 든다. 환경,지형적인 이유로 인한 보수의 어려움. |
(2) Gearless Type
| 장 점 | ○ 직결식 풍력발전기는 풍력터빈용 발전기의 기술이 향상되면서 증속기(기어)가 없는 형태로 개발된 것이다.○ 기어박스가 없기 때문에 구조가 단순하고 기계적인 응력이 감소되며 기계적 소음도 작은 편이다.○ 운전 비용이 적게 소요되며 가동률이 높다.○ 부품수가 적어서 고장률이 낮다.○ 기어에서의 동력전달 손실이 없으므로 발전효율을 높일 수 있다.○ 기어오일이 필요 없고 기어오일이 누출되는 고장이 없다.○ 영구자석 여자기를 사용해서 계자에서 소비되는 전력을 절약할 수 있다.○ 자연냉각을 할 수 있어서 냉각을 위해 에너지를 소비하지 않아도 된다. |
| 단 점 | ○ 회전속도가 느려서 다극 발전기를 사용해야 하기 때문에 발전기의 크기와 무게가 증가되고 가격도 비싸진다.○ 로터와 발전기가 가까이 있어서 나셀의 무게중심이 한쪽으로 쏠릴 수 있어 이를 해소하는데 타워와 기초비용이 증가되는 단점이 있기는 하지만 최근에는 기술의 발전으로 이러한 단점이 상당부분 해소된 시스템이 개발되고 있다. |
4. 출력제어방식에 따른 분류
1) 날개각 제어(Pitch Control)방식
유선형 날개는 그 각도에 따라 양력을 받는 정도가 달라지기에 날개각도를 조정하면 다양한 범위의 회전속도를 얻는다. 이 원리를 이용해 날개 각도를 조정함으로써 회전속도와 토크를 제어하는 풍력 설비를 날개각 제어형 풍력발전기라 한다. 이 방식은 받음각을 조절할 수 있기에 정격 풍속 이상에서 출력을 효율적으로 제어해 최신 풍력 터빈에 필수적으로 채용한다.
2) 실속제어(Stall Control)방식
실속현상이란 유선형 날개의 상 · 하부로 흐르는 공기 중 빠른 속도로 흐르는 공기는 공기의 특성, 날개의 형상, 진입 공기의 입사각 등에 따른 저항을 받는다. 유속이 증가해 일정 수준 이상이면 날개 후면에서 이 저항에 의한 와류(Turbulence)가 발생해 양력을 급격하게 떨어뜨린다. 일정한 풍속 이상이면 실속 현상을 일으켜 날개의 양력을 증가시키지 않거나 감소시킴으로써 터빈의 회전속도를 제어하는 방식이다. 특히, 실속 제어 방식 중 날개 각 제어 대신 실속 제어만 하는 방식을 수동형 실속 제어(Passive Stall Control)라고 한다. 이 경우 정격출력을 유지하기 어렵다. 이러한 단점을 없애고자 날개 각을 제어하되 일정 풍속 이상에서 실속 제어하도록 한 것을 능동형 실속 제어(Active Stall Control)라고 한다. 실속 제어 방식은 풍속 변화에 대한 대응 속도가 느려 순간적으로 높은 토크를 발생하므로 대형 풍력 터빈인 경우 안전을 저해할 수 있다.
3) 출력제어방식 장, 단점
(1) 날개각 제어(Pitch Control)
| 장 점 | ○ 날개 피치각을 제어하는 방식으로써 적정출력을 능동적으로 제어 가능○ 피치각의 회전(Feathering)에 의한 공기역학적 제동 방식을 사용하여 기계적 충격 없이 부드럽게 정지 및 계통투입○ 계통 투입 시에 전압강하나 유입전류(In-rush) 최소화 |
| 단 점 | ○ 날개 피치각 회전을 위한 유압장치 실린더와 회전자 간의 기계적 링크부분의 장기적 운전 시 마모부식 등에 의한 유지보수 필요○ 외부 풍속이 빠르게 변할 경우 제어가 능동적으로 이루어지지 않아 순간적인 Peak 등이 발생할 우려 |
(2) 실속제어(Stall Control)방식
| 장 점 | ○ 회전날개의 공기역학적 형상에 의한 제어방식으로 회전자를 이용하므로 Pitch 방식보다 많은 발전량 생산(고효율 실현)○ 유압장치와 회전자간의 기계적 링크가 없어 장기운전 시에도 유지보수 불필요 |
| 단 점 | ○ 날개 피치각에 의한 능동적 출력제어 결여로 과출력 발생 가능성○ 회전날개 피치각이 고정되어 있어 비상제동 시 회전자 끝부분만이 회전되어 제동장치로서 작동하게 되므로 제동효율이 나쁠 뿐 아니라 동시에 유압제동장치가 작동해야 하므로 주축 및 기어박스에 충격이 가하여 짐.○ 계통 투입 시 전압강하나 In-rush 전류로 인한 계통영향 우려가 있음. |
5. 결 언
풍력 발전은 무한 청정에너지로서 신성장 동력이며, 향 후 풍력 발전기의 대형화 및 경쟁력 확보를 위해선 철저한 설계와 관리, 유지보수와 함께 종합적인 관리 시스템과 문제 발생 시 빠른 대처를 위한 원격 감시제어 체계가 수립되어야 한다.
참조
받음각 : 일반적으로 날개의 전연과 후연을 이은 선이 비행방향과 이루는 각도로 표시한다. 비행 중인 항공기의 주날개의 받음각은 보통 0~15˚ 정도이다. 저속 비행할 때는 양력이 발생하기 쉽도록 비행방향에 대해 기수를 올려 받음각을 크게 한다.
Pitch control : 날개의 경사각 조절로 출력을 능동적 제어
수평축 풍력시스템 : 프로펠라형
실속현상 : 날개 주의의 공기흐름이 무질서 상태가 되면서(난류, 터뷸런스) 양력(상승하려는 힘)을 급격히 상실하는 현상
항력계수 : 물체가 유체 내에서 운동할 때 받는 저항력을 말하며 유체저항이라고도 한다. 물체가 유체 내에서 운동하거나 흐르는 유체 내에 물체가 정지해 있을 때 유체에 의해서 운동에 방해되는 힘
영구자석 : 강한 자화상태를 오래 보존하는 자석
여자기 : 교류 발전기, 직류 발전기, 동기 발전기 따위의 계자 코일에 여자 전류를 공급하는 직류 발전기
요즘은 vvvf 제어방식에따라서, 토크,속도제어가 용이해서 굳이 기어를 사용하지않는다고하네요. 설명처럼 한마디로 인버터가 없었을때 얘기라고합니다. 그래서 엘리베이터에 모터도 요즘은 다 기어리스형을 채택하고다고하네용. 기어가 사실상 자동차 변속기같은건데, 토크나 속도 제어가 용이해지면서 필요가 없어진 부품
Blade : 바람이 가진 에너지를 기계적 회전에너지로 변환
Nacelle : 기계에너지를 전기에너지로 변환, 샤프트, 발전기, 제어장치 등
Hub : 블레이드와 낫셀을 연결, 피치(블레이득 각) 제어 장치등.
Tower : 풍력발전 시스템을지지, 생산된 전력을 운반하는 케이블이 통과