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KR101943588B1 - 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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KR101943588B1
KR101943588B1 KR1020167005917A KR20167005917A KR101943588B1 KR 101943588 B1 KR101943588 B1 KR 101943588B1 KR 1020167005917 A KR1020167005917 A KR 1020167005917A KR 20167005917 A KR20167005917 A KR 20167005917A KR 101943588 B1 KR101943588 B1 KR 101943588B1
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알프레드 베크만
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비(100) 또는 풍력 발전 단지(112)에 의해 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 경우 풍력 발전 설비(100) 또는 풍력 발전 단지(112)는 가변 풍속을 갖는 바람으로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 풍속은 바람 예보에 기초하여 예측되며, 공급될 무효 전력은, 예측된 풍속에 기초하여, 예측 무효 전력(Qp)으로서 계산된다.

Description

풍력 발전 설비를 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING WIND TURBINES}
본 발명은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지를 이용해서 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 설비에 관한 것이고, 본 발명은 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
풍력 발전 설비에 의해 또는 여러 풍력 발전 설비를 포함하는 풍력 발전 단지에 의해 전기 에너지를 전력 공급 네트워크 내로 공급하는 것은 일반적으로 공개되어 있다. 또한 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지는 단순히 에너지 공급을 책임질 뿐만 아니라 네트워크 지원을 책임진다는 것 또한 공지된다. 이와 관련해서 본 명세서에서, 교류 네트워크가 통상적인 전력 공급 네트워크인 것으로 전제된다.
풍력 발전 설비를 이용한 네트워크 지원을 설명하는 이전의 간행물이, 예를 들어 미국 특허 제6,965,174호이다. 이 간행물은 특히 풍력 발전 설비에 의한 에너지 공급시의 위상각의 조절을 설명한다. 미국 특허 제7,638,893호와 같은 이후의 간행물은 풍력 발전 단지에 대한 방법을 또한 설명한다.
이러한 방법은 네트워크를 모니터링하고, 네트워크 내의 변화에 대응할 수 있다. 현재, 적어도 일부 국가 또는 지역에서, 네트워크에서의 풍력 에너지의 비중이 실질적으로 증가하였고, 에너지 공급 및 그에 따라 가능하게는 네트워크 안정성 또한, 일반적인 바람 상태에 점점 더 의존할 수 있을 것이다. 이러한 문제는 에너지의 임시 저장에 의해 대처할 수 있다. 그러나 이러한 임시 저장 시스템은 비용이 많이 들 수 있고, 흔히 또는 전혀 충분한 양으로 이용가능하지 않다.
독일 특허청은 뒤따르는 종래기술을 조사했다: DE 10 2010 006 142 A1, US 6 965 174 B2, US 7 638 893 B2 및 US 2011/0148114 A1.
본 발명의 과제는 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히 풍력 발전 설비에 의해 추가로 네트워크 지원을 개선하는 해결 방법을 제안하는 것이다. 적어도 하나의 대안적인 해결 방법이 제안된다.
본 발명에 따라 제안되는 것은, 청구항 제 1항에 따른 전력 공급 네트워크로 전기 에너지를 공급하기 위한 방법이다. 상기 방법은 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지를 이용하고, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지는 가변 풍속을 갖는 바람으로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 비록 이 방법은 순간적인 값이 아닌 일반적인 평균값, 예를 들어 10초, 1분 또는 10분-평균값이지만, 풍속은 가변적이라는 사실이 고려된다.
추가로 바람 예보에 기초하여 풍속을 예측하는 것이 제안된다. 이러한 바람 예보 또는 풍속의 예측은, 잘 알려진 기상학적 절차에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게, 현재 풍향의 관점에서 볼 때, 여기에서 위치상으로 기본이 되는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 전방에 위치하게 되는, 다른 풍력 발전 설비 또는 다른 풍력 발전 단지의 값들이 이용된다.
이러한 예측된 풍속에 기초하여 계산되는 것은 공급될 무효 전력, 즉 예측 무효 전력(QP)이다.
이것은, 풍속의 변동이 전력 공급 네트워크의 거동 또는 심지어 상기 네트워크의 안정성에 영향을 미칠 수 있다는 사실에 기초한다. 그러나, 네트워크 지원을 위해, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지는, 풍속에 기초하는 무효 전력 또는 적어도 풍속의 관점에서 합당한 무효 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 이러한 예상되는 관련성은 반드시 명백하게 확실하지 않으며, 그리고 이들은 특히, 풍력 발전 설비와 다른 장치 또는 설비들에 대해, 예를 들어 네트워크 운영자에게도 거의 또는 전혀 예측 가능하지 않다.
풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 거동이 변화하는 바람 상태로 인해 변화하는 경우, 이는, 예를 들어 네트워크 운영자에 의해 제공되는 보상 조치를 야기할 수 있다. 그러나, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지 또한 그러한 보상 조치를 제공하며, 그리고 2세트의 보상 조치는 조악하게 조율되거나 심지어 서로 상반될 수 있다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지를 위해 제공되는 하나의 중요한 보상 조치는, 무효 전력의 공급일 수 있다. 따라서 이러한 보상 조치들을 더 양호하게 조율할 수 있도록 하기 위해, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지가 바람 예보에 기초하여 미리 무효 전력 예측을 제공하는 것이 제안된다. 이러한 방법으로, 보상 조치들을 이른 시기에 미리, 심지어 이들이 필요해지기 이전에, 조정할 수 있다.
바람직하게, 그에 따라, 예측 무효 전력을 예보 값으로서 전력 공급 네트워크를 제어하는 네트워크 제어센터에 전달하는 것이 또한 제안된다. 다시 말해서, 네트워크 운영자는 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지에 의해 즉시 공급되어야 할 무효 전력에 대해 정보를 얻는다. 네트워크 운영자, 즉 네트워크 제어센터는, 따라서, 상황에 더 잘 대비할 수 있다.
바람직하게, 또한 그러한 예측된 풍속에 기초하여 계산되는 것이, 공급될 유효 전력, 즉 예측 유효 전력(PP)이다. 평균 폭풍 풍속보다 큰 풍속이 예보되었다면, 예측 무효 전력은 양적으로 예측 유효 전력보다 많다. 여기서 폭풍 상태가 고려되고, 평균 폭풍 풍속은, 유효 전력의 감소가 시작되는 폭풍의 최소 풍속 및 공급될 유효 전력이 값 0에 도달한 최대 수용가능 풍속 사이에 놓인다. 따라서, 여기에서 제공되는 것은, 네트워크 안정성에 특히 중요할 수 있는 폭풍 상황에 에 대한 해결 방법이다. 이는 특히, 폭풍 시의 풍속이 비교적 심하게 변동할 수도 있다는 사실 및 여전히 오늘날의 많은 풍력 설비들이 자체의 보호를 위해 그들의 출력을 즉시 0으로 감소시키거나 네트워크로부터 분리하도록 설계되고 프로그래밍된다는 사실에 기인한다. 이는, 폭풍 상태에서, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지에 대한 특히 심한 공급 변동을 예상할 수 있다는 것을 의미한다.
더불어, 폭풍과 연관된 유효 전력의 감소는, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 공급 유닛들이 감소된 유효 전력으로 인해 무효 전력의 공급을 위한 더 많은 용량을 갖는 것을 초래할 수 있다. 이러한 효과는 또한 본 발명에 따라 이용되고, 따라서 유효 전력보다 더 많은 무효 전력을 네트워크 내로 공급하는 것이 제안된다. 이러한 방식으로, 적어도 네트워크 내의 전압 레벨에 영향을 미칠 수 있고, 네트워크 운영자는 이러한 영향에 대응할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 예보 시간 범위에 대한 예측 무효 전력을 예측하는 것이 제안된다. 이러한 예보 시간 범위에 관해, 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지에 대해, 실제 도달된 풍속이 예보 풍속과 상이한 경우에도, 예측 무효 전력을 실제로 공급하는 것이 제안된다. 이러한 방식으로, 예측 무효 전력의 계산 및 특히 전달에 의해, 신뢰할 수 있는 값이 생성된다. 다른 사람들, 특히 네트워크 운영자는, 그러한 값에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 신뢰할 수 있으며, 이는 네트워크의 안정성을 부가할 것이다.
더불어, 이러한 실시예는, 공급될 수 있는 무효 전력이 풍속에 단지 약간만 의존하거나 또는 경우에 따라서 전혀 의존하지 않는다는 사실에 기초한다. 이는, 바람이 다른 값을 갖더라도, 이러한 예측 무효 전력이 제공될 수 있다는 것을 의미한다. 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 공급 유닛의 용량이 예상치 않게 높은 유효 전력 공급으로 인해 예측 무효 전력을 공급할 수 없는 경우에만, 문제가 생길 수 있다. 이러한 경우에, 한편으로는, 관련자들과의 협의에 의해, 특히 네트워크 운영자와의 협의에 의해, 상기 무효 전력을 공급하지 않도록 결정할 수 있으며, 또는 필요한 경우, 예측된 그리고 그에 따라 기본적으로 약속된 무효 전력을 준수하게 위해 유효 전력 공급을 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 예측된 풍속이 폭풍의 최소 풍속보다 큰 경우에만, 예측 무효 전력이 예보 값으로서 계산되고, 경우에 따라서 예보 값으로 네트워크 제어센터에 전달된다. 따라서, 구체적으로 폭풍의 경우에만 무효 전력을 예측하도록 제안된다. 이는, 무효 전력의 예측이, 네트워크의 안정화를 위한 변수로서 이용할 수 있도록 하기 위해, 폭풍의 경우에 특히 중요하다는 사실에 대한 특별한 확인을 제공한다.
이는 또한, 덜 중요한 상태에서 불필요한 계산 및 경우에 따라서 불필요한 전달을 방지한다. 이는 또한, 풍속이 폭풍 상태의 경우보다 낮은 경우, 예측 무효 전력에 대한 임의의 개입(commitment)을 방지할 수 있도록 한다. 폭풍이 일어나지 않는 한, 특히 약한 변동이 풍력 단지에 걸쳐 균일하게 분포되며 공급 도중에 적게 인지 가능한 풍력 단지의 경우에서 풍력 발전 단지에 의해 전력이 공급되는 경우에, 덜 강하게 그리고 덜 갑작스럽게 변동하는 풍속이 흔히 예상될 수 있다. 따라서, 전체적으로 더 안정적인 상황이 이로써 이러한 약한 풍속에서 예상될 수 있고, 이러한 상황은 무효 전력 예측 없이 실행될 수 있으며 그리고 이 경우 공급은 현재 네트워크 요구, 특히 현재 네트워크 상태에 더 정밀하게 부합할 수 있다. 무효 전력이 예측되지 않은 경우에도, 무효 전력이, 예를 들어 현재 네트워크 상태에 기초하여 여전히 공급될 수 있다.
실시예에 따르면, 무효 전력을 무효 전력 함수에 의해 설정하는 것이 제안된다. 이는 바람직하게, 폭풍의 최소 풍속 내지 폭풍의 최대 수용가능 풍속의 범위 이내의 풍속에 대해 제안된다. 이러한 범위에 대해, 무효 전력 함수는, 공급될 무효 전력과 풍속 사이의 관련성을 규정한다. 이러한 무효 전력 함수는 바람직하게, 1차 또는 2차 다항 함수, 즉 기울기를 갖는 직선 또는 포물선 함수이다. 바람직하게, 히트테리시스 함수가 이용될 수 있고, 상기 함수는 이와 관련해서 감소하는 풍속에 대한 것과 달리 증가하는 풍속에 대해 무효 전력과 풍속 사이의 다른 관련성을 규정한다. 바람직하게 이러한 히스테리시스 함수는, 상이한 2개의 2차 다항 함수에 의해 구현될 수 있다. 이러한 함수들이 이용되는 것이 바람직하지만, 다른 함수, 예를 들어 더 높은 차수의 다항 함수, 삼각 함수, 예를 들어 사인 함수의 부분 또는, 다수의 격자점에 의해 설명되는 함수 관계를 나타내는 스플라인 함수가 이용될 수도 있을 것이다.
바람직하게, 다른 풍력 발전 설비 및/또는 다른 풍력 발전 단지에 의해 제공되는 정보가 바람 예보를 생성하기 위해 이용된다. 또한, 공개된 기상 서비스에 의해 제공되는 정보, 특히 고압 지역과 저압 지역 및 상응하는 대규모의 일반적 기상 상황과 공기 유동에 관한 정보를 이용할 수도 있다. 그러나, 풍력 발전 설비들 및 풍력 발전 단지들은 정보 시스템, 특히 소위 SCADA에 의해 서로 연결될 수 있기 때문에, 적어도 하나의 다른 풍력 발전 설비 및/또는 적어도 하나의 다른 풍력 발전 단지의 정보를 이용하는 것이 바람직하다. 이는, 유사한 상황의 기상 정보에 기초하게 되거나 기초하게 될 수 있는, 네트워크 시스템을 구축할 수 있도록 한다. 특히 풍속을 측정하는 것은, 수많은 인자들에, 특히 측정 센서 및 측정이 실행되는 고도에 의존할 수 있다. 풍력 발전 설비가 예를 들어 풍속을 공기 역학적 회전자에 의해 측정한다면, 이러한 풍속 측정은, 오늘날 일반적으로 100 m 초과일 수 있는 매우 높은 측정 높이에 기초하게 되고, 공기 역학적 회전자는, 적어도 넓은 면적을 스캐닝하는 통상적인 풍속계와 비교했을 때, 비교적 관성을 갖기 때문에, 상기 풍속 측정은 매우 균일화된 변수에 기초하게 된다. 다른 풍력 발전 설비 또는 풍력 발전 단지의 바람 측정 데이터를 이용함으로써, 궁극적으로 해당 풍력 발전 설비에 이후에 관련되고 유효하게 될, 목적에 부합하는 바람 측정 값들을 기초로서 취할 수 있다.
더불어 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 설비가 제안되고, 상기 풍력 발전 설비는, 전술한 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따른 방법을 실시하도록 제공된다. 바람직하게 이러한 풍력 발전 설비는, 발전기 정격 전력을 생성하도록 설계되는 발전기 및 공급 프로세스를 실행하기 위해 제공되는 공급 장치를 포함한다. 공급 장치는, 발전기 정격 전력을 공급하기 위한 공급 전류보다 큰, 최대 공급 전류를 공급하도록 설계된다.
이러한 점에서, 풍력 발전 설비는, 네트워크 내로 발전기의 지속적인 최대 전력만을 공급하기 위해 필요한 것보다 큰 전류를 공급하도록 제공된다.
바람직하게, 공급 장치는, 복수의 공급 유닛, 즉 풍력 발전 설비에 의해 생성될 수 있는 전력을 공급하기 위해 필요한 것보다 많은 공급 유닛을, 즉 특히 발전기 정격 전력을 공급하기 위해 필요한 것보다 많은 공급 유닛을 포함한다. 바람직하게, 이러한 공급 유닛들은 전력함으로서 제공되며, 정격 전력 또는 지속적으로 생성 가능한 최대 전력을 공급하기 위해 필요한 것보다 적어도 하나 많은 전력함이 제공된다. 이러한 방식으로, 동시에 정격 전력으로 공급하는 가운데, 무효 전력을 구체적으로 공급할 수 있다. 또한, 정격 전력이 공급되지 않거나, 작은 정격 전력만이 공급되는, 극단적인 경우에, 그에 따라 정격 전력보다 많은 무효 전력을 공급할 수 있다. 무효 전력과 정격 전력 사이의 이러한 비교를 위해, 단위 VAr은 단위 W와 동일시된다.
또한, 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 단지를 제공하는 것이 제안된다. 상기 풍력 발전 단지는, 공급 방법의 전술한 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따른 방법을 이용하도록 제공된다.
바람직하게, 이러한 풍력 발전 단지는, 풍력 발전 단지를 제어하기 위한 중앙 제어 유닛을 포함한다. 공급 방법을 실시하기 위한 방법 단계들은 적절하게 이러한 중앙 제어 유닛에서 구현된다. 이는, 적어도 하나의 실시예에 따라, 중앙 제어 유닛이 풍력 발전 단지의 개별 풍력 발전 설비에, 각각의 설비에 의해 공급되어야 할 유효 전력과 무효 전력의 값을 제공한다는 것을 의미한다. 이러한 설비들은 각각의 개별 설비에 의한 유효 전력 및/또는 무효 전력 공급을 실제로 이행하거나, 또는 대신에 전체 풍력 발전 단지의 이러한 공급의 상기 설비들의 몫을 이행한다. 이러한 점에서 각각의 풍력 발전 설비는 중앙 제어 유닛의 사전 설정에 상응하는 공급 전류를 제공하고, 이 경우 이러한 모든 개별 공급 전류들은 합산되어 풍력 발전 단지의 공통의 네트워크 접속점에서 네트워크로 공급된다.
바람직하게, 풍력 발전 단지는, 풍력 발전 단지가 그에 대해 설계되는, 최대 유효 전력의 공급을 위해 필요한 것보다 많은 전류를 공급하도록 설계된다. 특히 이러한 최대 유효 전력은, 풍력 발전 단지의 정격 전력에, 즉 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비의 모든 정격 전력의 합에 상응할 수 있다. 상기 풍력 발전 단지는, 그로 인해, 유효 전력보다 많은 무효 전력을 공급할 수 있으거, 또는 심지어 최대 유효 전력이 공급되는 경우에도, 여전히 무효 전력을 공급할 수 있다.
바람직하게, 풍력 발전 단지는, 풍력 발전 설비의 적어도 하나의 실시예와 관련해서 이상에 설명된 바와 같은, 복수의 풍력 발전 설비를 포함한다. 바람직하게, 모든 풍력 발전 설비들은 적어도 하나의 실시예에 따라 이상에 설명된 바와 같은 풍력 발전 설비이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 예시적인 실시예들에 기초하여 이하에 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비의 개략적 사시도를 도시한다.
도 2는 풍력 발전 단지의 개략적 도면을 도시한다.
도 3은 실제 바람, 바람 예보 및 예측 무효 전력 사이의 관련성을 설명하는 다이어그램을 도시한다.
도 4는 예측 무효 전력과 예보 풍속 사이의 바람직한 관련성을 설명하는 다이어그램을 도시한다.
도 1은 타워(102)와 기관실(104)을 구비한 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 기관실(104)에 배치된다. 로터(106)는, 작동 시, 바람에 의해 회전 운동하게 되고, 이로 인해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2는, 동일하거나 상이할 수 있는, 예를 들어 3개의 풍력 발전 설비(100)를 포함하는 풍력 발전 단지(112)를 도시한다. 3개의 풍력 발전 설비(100)는 따라서 풍력 발전 단지(112)의 기본적으로 임의의 수의 풍력 발전 설비의 대표이다. 풍력 발전 설비(100)는, 전력, 특히 생성된 전기를, 전력 네트워크(114)를 통해 제공한다. 이 경우 개별 풍력 발전 설비(100)에 의해 생성되는 각각의 전류 또는 전력은 합산된다. 가장 흔하게, 풍력 단지에서 전압을 변압하는 변압기(116)가, 일반적으로 PCC라고도 지칭되는 공급점(118)에서 공급 네트워크(120) 내로 이후에 전력을 공급하기 위해, 제공된다. 도 2는 단지 풍력 발전 단지(112)의 단순화된 개략도이고, 이는, 예를 들어 물론 제어부가 제공되었음에도, 상기 제어부를 도시하지 않는다. 또한, 풍력 단지 네트워크(114)는, 예를 들어, 단지 하나의 다른 실시예를 말하자면, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에 있는 변압기를 포함하도록, 다르게 형성될 수도 있을 것이다.
도 3은, 제1 다이어그램(D1)에서, 예를 들어 하루의 시간 범위에 걸쳐 하나의 가능한 풍속 프로파일을 개략적으로 도시한다. 중간 다이어그램(D2)은 또한 가능한 바람 예보를 제시하고, 상기 바람 예보는 설명을 위해 제공되는 도시된 예에서 6시간의 예보 시간 범위에 기초하게 된다. 이러한 중간 또는 제2 다이어그램(D2)은 따라서 6시간 앞으로 당겨져 있다. 제1 다이어그램(D1)에 따른 예보의 시간과 실제 풍속의 시간 사이의 관련성은, 시간들을, 즉 6시간, 12시간, 18시간 및 24시간을 시각적으로 연결하는, 파선에 의해 표시된다.
하부 다이어그램, 즉 제3 다이어그램(D3)은, 공급될 무효 전력(Q)의 예측의 하나의 가능한 프로파일을 제시한다.
설명을 위해, 0시 내지 9시 사이의 범위에서 대략 초당 5m의 풍속을 갖는 풍속의 프로파일(Vist)이 선택되었다. 이는 대략 3 Bft의 풍력 강도에 해당한다. 풍속은 자연적인 바람의 변화를 나타내기 위해, 매끄러운 선으로 도시되지 않는다.
9시에, 풍속은 천천히 증가하기 시작하고, 대략 12시 30분에 초당 25m의 값에 도달한다. 이는 대략 9 내지 10 Bft의 풍력 강도에 해당한다. 초당 25m는, 일반적으로 그리고 도시된 예에서, 풍력 발전 설비가 자체의 보호를 위해 제한되는 풍속이다. 이 경우, 상기 풍속은 폭풍의 최소 풍속(VSA)이다.
바람은, 더욱 증가하여 대략 14시 30분에 초당 34m의 값에 도달하고, 이는 풍력 강도 12 및 그에 따라 허리케인에 상응한다. 초당 34m의 값은 또한, 이 경우 풍력 발전 설비들이, 일반적으로 및 도시된 예에서, 유효 전력을 더 이상 공급하지 않으며 그에 따라 완전히 차단된, 그리고 가능한 경우 특히 그들의 로터 블레이드들을 베인 위치로 돌려놓은, 풍속이다. 상기한 초당 34m의 이러한 풍속은 여기에서 폭풍의 최대 수용가능 풍속이기도 하다.
대략 21시에, 바람은 다시 감소하고, 폭풍의 최대 수용가능 풍속 아래로 떨어지며, 이어서 대략 22시에 폭풍의 최소 풍속 아래로 떨어진다. 이는, 22시부터 다시, 풍력 발전 설비가, 제한되어야 할 필요 없이, 정상으로 작동하게 될 수 있다는 것을 의미한다. 다이어그램은 또한, 풍속의 변동이 또한 더 높은 풍속으로 증가할 것이라는 점을 예시하고자 한다.
다이어그램(D1)의 상기한 풍속에 대해, 바람 예보가 다이어그램(D2)에 도시되고, 상기 다이어그램은, 6시 내지 9의 시간 범위 동안 대략 초당 5m(풍력 강도 3)의 풍속을 예보한다. 9시에, 풍속은 예보에 따라 증가하고, 대략 13시 30분에 초당 25m의 폭풍의 최소 풍속에 도달한다. 이것은 다이어그램(D1)에 따른 추후의 실제 프로파일에 따른 것보다 대략 1시간 늦거나, 또는 풍속이 12시 30분의 시점에, 실제보다 낮게 예보되었던 것이다. 14시 30분에, 예보된 풍속은 초당 34m의 폭풍의 최대 수용가능 풍속에 도달하고, 계속해서 증가한다. 21시에, 예보된 풍속은 다시 폭풍의 최대 수용가능 풍속 아래로 감소하고, 23시에, 풍속은 폭풍의 최소 풍속 아래로 감소한다.
다이어그램(D3)은 공급될 무효 전력(Qpre)의 예측을 도시한다. 그러한 예측은, 다이어그램(D2)에 따른 예측된 풍속에 맞춰진다. 따라서, 13:30에, 즉 예보된 풍속이 폭풍의 최소 풍속(VSA)에 도달하여 계속 증가할 때, 예측 무효 전력(Qpre)은 증가한다. 예측 무효 전력은, 예보된 풍속이 추가로 증가함에 따라, 증가하며, 그리고 14시 30분에 예보된 풍속이 폭풍의 최대 수용가능 풍속(VSE)에 도달했을 때, 최대값에 도달한다. 이러한 예측 무효 전력(Qpre)은, 예보된 풍속이 21시 30분에 다시 폭풍의 최대 수용가능 풍속 아래로 감소할 때까지, 그의 최대값을 유지하며, 그리고 예보된 풍속이 23시까지 계속 감소함에 따라 예측 무효 전력(Qpre)또한 감소한다. 이 시점에, 예보된 풍속은 폭풍의 최소 풍속 값에 도달하고, 계속해서 그 아래로 감소한다. 예측 무효 전력(Qpre)은 이때 값 0에 도달한다.
이는, 이과 관련해서 먼저 단지 값으로만 제시되는 예측 무효 전력이, 예보된 풍속(Vfore)에 기초하여 결정된다는 것을 보여준다. 바람직하게, 이러한 예측 무효 전력(Qpre)은 이후에, 예측된 대로, 즉 도 3에 도시된 바와 같이, 공급된다. 다시 말해, 도시된 예에서, 비록 실제 풍속이 12시 30분에 이미 폭풍의 최소 풍속(VSA)에 도달하였지만, 예측 무효 전력의 증가 및 그에 따른 공급 무효 전력은 13시 30분 이후에 증가하기 시작한다. 물론, 반대의 경우가 나타날 수 있고, 이러한 경우에 예보된 풍속은 추후에는 실제 풍속보다 앞서 높은 값에 도달한다. 바람직하게, 일반적으로, 즉 도 3의 예시적 실시예에서 뿐만 아니라, 실제 풍속이 예보된 풍속에 상응하거나 그보다 작은 경우에, 예보된 무효 전력(Qpre)에 상응하는 무효 전력을 추후에 공급하는 것이 제안된다. 추가로 및 대안으로서, 일반적으로, 즉 도시된 실시예에서 뿐만 아니라, 실제 풍속이 예보된 풍속보다 높은 경우, 공급 무효 전력은 예측 무효 전력보다 높은 것이 제안된다. 그러나, 이 경우, 최대 무효 전력을 초과하지 않는 것, 즉 예측 무효 전력이 이미 최대값에 도달한 경우에 무효 전력을 증가시키지 않는 것이 제안된다.
도 3의 다이어그램(D3)에서, 예측 무효 전력은, 6시 내지 13시 30분 사이 및 23시 내지 6시 사이의 시간 동안 값 0으로 제시된다. 이는, 초기에, 값 0이 예측 무효 전력에 대해 설정되며 그리고 경우에 따라서 해당하는 제어유닛에 전송된다는 것, 또는 상기 범위에 대해, 즉 예보된 풍속이 폭풍의 최소 풍속 아래에 있는 시간 범위에 대해, 예측 무효 전력이 전혀 계산되지 않는다는 것 그리고 그에 따라 예측 무효 전력 또는 해당하는 값이 전달되지 않는 것을, 의미한다.
무효 전력이 예측되지 않았거나 또는 그 값이 0인 그러한 시간 범위에서, 그럼에도 불구하고 무효 전력은 네트워크 내로 공급될 수 있다. 이러한 무효 전력은, 특히, 네트워크 접속점에서의 또는 전력 공급 네트워크 내의 다른 지점에서의 네트워크 전압과 같은, 네트워크 상태에 의존한다.
풍속 또는 예보된 풍속이 폭풍의 최소 풍속에 도달하기 이전에, 이미 무효 전력이 공급된 경우, 상기 무효 전력을 예측 무효 전력과 관련시키는 다양한 방법이 있다.
예측 유효 전력이, 이러한 예에서 13시 30분에, 유효해지고 증가하는 경우, 실시예에 따라, 예측 무효 전력이 정확히 현재 공급되는 무효 전력의 상기 값에 도달할 때까지, 그러한 공급 무효 전력을 유지하는 것이 제안된다. 이 경우, 무효 전력 공급은 예측 무효 전력의 프로파일로 이어질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 예측 무효 전력을 그의 하단에서 이미 공급된 무효 전력까지 증가시키는 것, 즉, 공급 무효 전력이, 예측 무효 전력이 증가하는 경우에, 도시된 예에서 13시 30분에, 증가하도록, 예측 무효 전력을 세로축의 방향으로 압축하는 것이 제안된다. 이러한 경우는, 다이어그램(D3)에서, 실제로 공급되는 무효 전력(QF)을 예시하는, 일점 쇄선으로 지시된다.
또한, 도 3의 예는 예측 무효 전력(Qpre)과 실제로 공급되는 무효 전력(Qf)을 도시하고, 이들 양자 모두는 3 MVAr의 최대값을 취한다. 설명된 예는, 2 MV의 정격 전력을 갖고 따라서 영구적으로 2MV 이하 유효 전력을 생성하고 공급할 수 있는 풍력 발전 설비에 기초한다. 그럼에도 불구하고, 풍력 발전 설비는, 예에서 도시된 바와 같이, 3 MVAr의 더 높은 무효 전력을 공급하도록 제공된다.
도 3의 다이어그램들에 관해, 상기 다이어그램들은 6시간의 예시적 예보 시간 범위를 기초로 한다는 것을 알아야 한다. 그러나, 다른 예보 시간 범위들이 또한 일반적으로 가능하며, 특히 1 시간의 또는 단지 몇 시간의, 또는 바람직하게 1시간 미만, 30분 미만, 및/또는 5분 미만과 같이 더 짧은 예보 시간 범위들 또한 가능하다. 바람직하게, 이러한 예보 시간 범위는, 일반적으로, 즉 도 3의 예에 기초하는 실시예에서 뿐만 아니라 매우 보편적으로, 제안된다.
공급될 무효 전력의 이러한 예측은, 이것이 네트워크 제어를 계획하고 설계하는데 도움을 줄 수 있음에 따라, 특히 전력 공급 네트워크의 운영자에게, 유용할 수 있다. 장기간 이러한 공급 예측, 특히 신뢰할 수 있는 공급 예측이 가능할수록, 네트워크 운영자의 제어 자유도가 더 커지며, 이는 운영자가 이 경우, 완전히 또는 부분적으로 전력을 높이거나 낮추기 위해 더 긴 시간을 필요로 하는 발전소 조차 그의 계획에 포함시킬 수 있기 때문이다. 다른 한편으로, 계획 시 네트워크 운영자에게 문제를 야기할 수 있는, 단기간의 변화, 즉 여기서의 근본적인 문제점에 관련한 풍력 발전 설비의 공급 전력의 단기간 변화가, 존재한다. 이러한 돌발적인 문제들이 마찬가지로 돌발적인 예측 또는 돌발적인 신뢰할 수 있는 예보를 동반하게 도면, 이는 네트워크 운영자의 계획을 쉽게 할 수 있다.
도 4는, 풍속, 즉 실시예에 따른 예보 풍속(Vwfore)에 기초한, 예측 무효 전력(Qpre)을 나타내는 다이어그램을 도시한다. 다이어그램은, 요컨대 실질적으로, 폭풍의 최소 풍속(VSA)으로부터 폭풍의 최대 수용가능 풍속(VSE)에 이르는, 높은 풍속만이 관련된다. 이러한 예에서, 예측 무효 전력(Qpre)은, 상기 무효 전력이 폭풍의 최대 수용가능 풍속(VSE)에서 최대값에 도달할 때까지, 풍속 증가와 더불어, 예를 들어 음의 포물선 형태에 따라, 증가한다. 풍속이 다시 감소하면, 예측 무효 전력 또한 감소한다. 그러나, 도시된 예에 따르면, 예측 무효 전력은, 다른 곡선, 즉 상승 도중과 상이한 경로로 감소할 것이다. 그에 따라, 예측 무효 전력(Qpre)을 도시하는 상기 2개의 곡선은, 방향 화살표를 갖도록 제공된다.
풍속이 증가 도중에 폭풍의 최대 수용가능 풍속(VSE)에 도달하기 이전에 풍속이 변화하거나, 풍속이 감소 도중에 폭풍의 최소 풍속(VSA)에 도달하기 이전에 변화하면, 예측 무효 전력은 Qpre의 도시된 2개의 가지 사이의 수평 경로로 전환될 수 있다. 이러한 수평적 경로는 예시적으로 Qz로 표시된다. 그러나, 이러한 수평 경로는 기본적으로, 이러한 2개의 곡선 가지 사이의 임의의 지점에서 나타날 수 있다. 히스테리시스 함수의 이러한 2개의 곡선 가지 사이에서의 이러한 이동은, 무효 전력이 초기에 특정의 제어 안정성을 보장하는 안정적인 값을 유지하는 장점을 갖는다. 이에 따라, 예측 무효 전력의 히스테리시스 함수의 2개의 가지 사이의 이동은, 예측 무효 전력이 일정한 값을 유지하도록, 제안된다. 이는 일반적으로, 도 4에 도시된 예에만 국한되지 않는 유리한 실시예로서 제안된다.

Claims (14)

  1. 풍력 발전 설비(100) 또는 풍력 발전 단지(112)에 의해 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 방법으로서,
    - 상기 풍력 발전 설비(100) 또는 상기 풍력 발전 단지(112)는, 가변적인 풍속을 갖는 바람으로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고,
    - 바람 예보에 기초하여, 풍속이 예측되며,
    - 예측된 풍속에 기초하여, 공급될 무효 전력이 예측 무효 전력(QP)으로서 계산되고,
    - 상기 예측 무효 전력은 예보 시간 범위 동안 예측되고,
    - 상기 풍력 발전 설비(100) 또는 상기 풍력 발전 단지(112)는, 실제로 도달된 풍속이 예측된 풍속과 다른 경우에도, 계산된 시점 이후의 예보 시간 범위 내의 시점에 상기 예측 무효 전력을 공급하고,
    - 예측된 풍속에 기초하여, 공급될 유효 전력이 예측 유효 전력(PP)으로서 계산될 수 있고,
    - 폭풍의 최소 풍속과 폭풍의 최대 수용가능 풍속 사이에 놓이는 평균 폭풍 풍속보다 풍속이 큰 것으로 예측된 경우, 상기 예측 무효 전력은 상기 예측 유효 전력보다 큰 값을 갖고,
    - 폭풍의 최소 풍속은, 풍속이 계속해서 증가하는 경우, 유효 전력이 감소하기 시작하는 풍속을 의미하며, 그리고
    - 폭풍의 최대 수용가능 풍속은, 유효 전력이 전력 공급 네트워크 내로 더 이상 공급되지 않는 풍속을 의미하는 것인, 공급 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 예측 무효 전력(QP)은, 예보 값으로서, 전력 공급 네트워크를 제어하는 네트워크 제어센터에 전달되는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    예측 무효 전력(QP)은, 단지 예측된 풍속이 상기 폭풍의 최소 풍속보다 큰 경우만, 예보 값으로서 계산되며 그리고 네트워크 제어센터에 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    - 상기 폭풍의 최소 풍속과 상기 폭풍의 최대 수용가능 풍속 사이에서,
    - 무효 전력은, 무효 전력과 풍속 사이의 관계를 규정하는, 무효 전력 함수에 의해 설정되고,
    - 상기 무효 전력 함수는, 1차 또는 2차 다항 함수, 또는 히스테리시스 함수, 또는 1차 또는 2차 다항 함수이자 히스테리시스 함수인 것을 특징으로 하는 공급 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    바람 예보는, 다른 풍력 발전 설비(100) 및 다른 풍력 발전 단지(112) 중 적어도 하나에 의해 제공되는 정보에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 공급 방법.
  7. 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 설비(100)로서,
    제 1항 또는 제 2항에 따른 방법을 실시하도록 제공되는 것인, 풍력 발전 설비.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 풍력 발전 설비(100)는,
    - 발전기 정격 전력을 생성하기 위해 설계되는 발전기, 및
    - 공급을 위한 공급 장치를 포함하고,
    상기 공급 장치는, 상기 발전기 정격 전력을 공급하기 위한 공급 전류보다 큰 최대 공급 전류를 공급하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 공급 장치는 복수의 공급 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공급 유닛은 풍력 발전 설비에 의해 생성될 수 있는 상기 정격 전력을 공급하기 위해 필요한 것보다 더 많은 수로 제공되고, 상기 공급 유닛은 전력함인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  10. 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 단지(112)로서,
    상기 풍력 발전 단지(112)는 공급을 위해 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법을 이용하도록 구성되는 것인, 풍력 발전 단지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 풍력 발전 단지(112)는, 상기 풍력 발전 단지(112)를 제어하기 위한 중앙 제어 유닛을 포함하며, 그리고 공급 방법을 실행하기 위한 방법 단계들이 상기 중앙 제어 유닛에서 구현되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 풍력 발전 단지(112)는, 상기 풍력 발전 단지(112)가 그에 대해 설계되는, 최대 유효 전력을 공급하기 위해 요구되는 전류보다 더 큰 전류를 공급하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
  13. 전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 단지(112)로서,
    상기 풍력 발전 단지(112)는 공급을 위해 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 하나 이상의 풍력 발전 설비(100)를 포함하고,
    전력 공급 네트워크 내로 전기 에너지를 공급하기 위한 풍력 발전 설비는 발전기 정격 전력을 생성하기 위해 설계되는 발전기 및 공급을 위한 공급 장치를 포함하고, 상기 공급 장치는 상기 발전기 정격 전력을 공급하기 위한 공급 전류보다 큰 최대 공급 전류를 공급하도록 설계되는 것인 풍력 발전 단지.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 공급 장치는 복수의 공급 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공급 유닛은 풍력 발전 설비에 의해 생성될 수 있는 상기 정격 전력을 공급하기 위해 필요한 것보다 더 많은 수로 제공되고, 상기 공급 유닛은 전력함인 것인 풍력 발전 단지.
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