가변속 풍력터빈

가변속 풍력 터빈은 다양한 로터 속도에서 작동하도록 특별히 설계된 것이다.로터 속도가 근사적으로 일정한 고정 속도 풍력 터빈과 정비례한다.로터 속도를 변화시키는 이유는 바람의 최대 공기역학적 동력을 포착하기 위해서인데, 풍속이 다양하기 때문이다.고정 블레이드 피치 각도에 대한$$ 공기역학적 효율성 또는 출력 계수 ${\displaystyle C_{}}$ $p{\displaystyle {}_{}}$ ${\$는 다음 그래프와 같이 최적의 팁 속도 비율로 풍력 터빈을 작동시켜 얻는다.

팁 속도 비율은 다음과 같은 표현으로 주어진다.

${\displaystyle \lambda ={\frac {\omega R}{v}}}}$

여기서 $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystyle \omega}$은 로터 속도(초당 라디안 단위$),$ R {\$displaystyle R}$은 로터의 반지름, v ${\displaystyle v}$은 풍속이다.풍속이 변화함에 따라 로터 속도는 최고 효율을 유지하기 위해 변화해야 한다.

배경

풍력 터빈을 그리드에 연결해야 하기 전에 터빈은 고정 속도였다.터빈을 그리드의 주파수와 동기화할 필요가 없었기 때문에 이것은 문제가 되지 않았다.^[1]

1939년 첫 번째 터빈부터 1970년대 가변속 그리드 연결 풍력 터빈의 개발까지 모든 격자 연결 풍력 터빈은 고정 속도 풍력 터빈이었다.2003년 현재 거의 모든 그리드 연결 풍력 터빈은 정확히 일정한 속도(동기식 발전기) 또는 일정한 속도(유도 발전기)의 몇 퍼센트 이내에서 작동한다.^[1]

역사

감마 60 풍력 터빈 - 1.5 MW 2 블레이드 요 제어 터빈으로, 씨윈드 오션 테크놀로지 B.V에 의해 추가 개발 중에 있으며, 티터 힌지를 가진 세계 최초의 가변 속도 풍력 터빈이었다.^[2]

토크 로터 속도 다이어그램

풍력 터빈의 경우, 수확된 동력은 다음 공식에 의해 주어진다.

${\displaystyle P={\frac {1}{1}:{2}}\rho \pi R^{2}v^{3}C_{p}(\lambda )}$

여기서 $P{\displaystyle }$ ${\displaystyle P}$은(는) 공기역학적 출력이고 $\rho {\displaystyle }$ ${\displaystyle \rho$}은$($는) 공기의 밀도다$$.동력계수는 바람의 가용 동력이 풍력터빈에 의해 얼마나 잡히는지 나타내는 것으로, 위의 그래프에서 위를 올려다볼 수 있다.

로터 샤프트의 토크 $Q{\displaystyle }$ ${\displaystyle Q$는 로터 속도에 대해 추출된 출력의 비율로 주어진다.

${\displaystyle Q={\frac {P}{\omega}}}}$

따라서 다음과 같은 토크 및 파워 표현식을 얻을 수 있다.

${\displaystyle P={\frac {1}{2\lambda ^{3}}\rho \pi R^{5}\오메가 ^{3}C_{p}(\lambda )}}$

그리고

${\displaystyle Q={\frac {1}{2\lambda ^{3}}\rho \pi R^{5}\opho ^{2}C_{p}(\lambda )={\frac {1}{2\lambda }}}{3}pi R^{2}(lambda}).$

위의 방정식에서 우리는 풍력 터빈을 위한 토크 속도도를 만들 수 있다.이것은 복수 곡선으로 구성된다: 일정한 동력에 대한 토크와 로터 속도의 관계를 나타내는 정전력 곡선(녹색 곡선), 일정한 풍속에 대한 토크와 로터 속도의 관계를 나타내는 정전풍속 곡선(분해된 회색 곡선), 그리고 관계를 그림으로 하는 정전효율 곡선.지속적인 효율을 위한 토크 및 로터 속도, ${\displaystyle C_{}}$ p ${\$^[3]이 다이어그램은 다음과 같다.

메모들

녹색 곡선: 전력 그림 = 정격 전력으로 $P{\displaystyle }$= ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle P=Q\omega }$

회색 곡선: 풍속은 $일정$한 것으로 가정하여 Q${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {\Omega \mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle 2_{}}$ ${\displaystyle {}^{}{}_{}}$p ( ${\displaystyle )}$ )$${\$displaystyle$Q\$propto \omega ^{2}C_{p}(\lambda )}}$

파란색 곡선: 상수 ${\displaystyle C_{}}$ $p{\displaystyle {}_{}}$ (${\displaystyle {}_{}\lambda }$) ${\displaystyle C_{p}(\lambda )}$을(를) 따라서 $Q{\displaystyle }$ ${\displaystyle \propto }$ ${\displaystyle {\Omega \mathrm{}}^{}}$ 2 ${\$Q\$propto \omega$^{2}}

블레이드 힘

자세한 내용은 블레이드 요소 모멘텀 이론을 참조하십시오.

다음 그림을 고려하십시오.

이것은 칼날(그림의 왼쪽)에서 볼 수 있는 겉보기 풍속의 묘사다.겉보기 풍속은 공기의 자유 흐름 속도와 로터 속도에 의해 영향을 받는다.이 그림에서 우리는 각도 $\theta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \theta }$과 외관상 $풍속{\displaystyle }$ W$${\$displaystyle W}$이 모두 로터 속도의 함수임을 알 수 있다$.[[\displaystyle \omega$ 확장하면 리프트 및 드래그 힘도 $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystystyle \omega$}의 함수일 것이다$.$ 이것은 축과 접선도 함수를 의미한다.블레이드에 작용하는 힘은 로터 속도에 따라 달라진다.축방향의 힘은 다음 공식에 의해 주어진다.

가변속 풍력발전기 운전전략

스톨 조절

앞에서 논의한 바와 같이, 풍력 터빈은 정격 이하의 전력에서 최대 효율로 작동한다.일단 정격전력이 명중되면 그 힘은 제한된다.이는 두 가지 이유 때문이며, 제너레이터와 같은 드라이브트레인 장비에 대한 정격과 블레이드의 부하를 줄이기 위한 것이다.따라서 풍력 터빈에 대한 운영 전략은 등급이 낮은 전력 구성 요소와 정격 전력 구성 요소로 나눌 수 있다.

정격 전력 이하

정격 전력 이하에서는 풍력 터빈이 $이상적$으로 C ${\displaystyle p_{}}$= C ${\displaystyle p_{}}$ m ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\$와 같은 방식으로 작동한다$.$ 토크-로터 속도 다이어그램에서는 다음과 같이 보인다.

여기서 검은색 라인은 가변속 스톨-터빈 풍력 터빈에 대한 운영 전략의 초기 섹션을 나타낸다.이상적으로는 정격 출력이 적중될 때까지 최대 효율 곡선을 유지하고자 한다.그러나 로터 속도가 증가할수록 소음 레벨은 증가한다.이에 대응하기 위해 로터 속도가 일정 값 이상으로 증가하지 않도록 한다.이는 아래 그림에 설명되어 있다.

정격 전원 이상

일단 풍속이 정격 풍속이라고 불리는 특정 수준에 도달하면, 터빈은 더 높은 풍속을 위해 더 큰 수준의 전력을 생산할 수 없어야 한다.노점 조절 가변속 풍력 터빈은 피칭 메커니즘이 없다.그러나 로터 속도는 가변적이다.로터 속도는 적절히 설계된 컨트롤러에 의해 증가하거나 감소할 수 있다.블레이드 힘 섹션에 설명된 그림을 참조하여, 외관 풍속과 회전 평면 사이의 각도는 로터 속도에 따라 달라지는 것이 분명하다.이 각도를 공격각이라고 한다.

에어포일에 대한 리프트 및 드래그 공효율은 공격 각도와 관련이 있다.특히, 높은 각도의 공격을 위해, 에어포일이 멈췄다.즉, 끌림이 실질적으로 늘어난다.리프트와 드래그 힘은 풍력 터빈의 전력 생산에 영향을 미친다.이는 공기가 블레이드와 상호 작용하면서 블레이드에 작용하는 힘의 분석에서 확인할 수 있다(다음 링크 참조).따라서, 에어포일이 멈추도록 강요하는 것은 전력 제한을 초래할 수 있다.

그래서 풍력터빈의 전력생산을 제한하기 위해 공격각도를 높일 필요가 있다면 로터 속도를 줄여야 한다는 것을 확립할 수 있다.다시 말하지만, 이것은 블레이드 힘 부분의 그림에서 볼 수 있다.토크-로터 속도도를 고려하는 것에서도 알 수 있다.위의 토크-로터 속도 다이어그램과 관련하여, 높은 풍속에서의 로터 속도를 줄임으로써 터빈이 스톨 영역으로 들어가 전력 출력에 어느 정도 제한을 가한다.

피치 조절

따라서 피치 조절은 풍력 터빈이 날개 공기의 공격 각도를 능동적으로 바꿀 수 있도록 한다.이것은 출력 제어를 훨씬 더 크게 할 수 있기 때문에 스톨 조절 풍력 터빈보다 선호된다.

정격 전력 이하

스톨 조절 가변 속도 풍력 터빈과 마찬가지로 초기 운용 전략은 $C{\displaystyle {}_{}}$ p ${\displaystyle {\text{m}}_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$ ${\displaystyle x_{}}$ ${\$ 곡선에서$$ 작동하는 것이다.그러나 소음 수준과 같은 제약조건으로 인해 전체 범위의 하위 등급 풍속에서는 이것이 가능하지 않다.정격풍속 이하에서는 다음과 같은 운용전략을 채용한다.

정격 전원 이상

정격 풍속 이상에서는 투구 메커니즘을 채용한다.이를 통해 공격 각도를 잘 제어할 수 있어 토크를 조절할 수 있다.이전의 토크 로터 속도 다이어그램은 피치 각도인 $\beta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \beta }$이$($가) 0일 때 모두 그림이다.피치 각도의 변화를 포함하는 3차원 그림을 생성할 수 있다.

궁극적으로, 정격 풍속 이상의 2D 그림에서, 터빈은 아래 다이어그램에 'x'로 표시된 지점에서 작동하게 될 것이다.

기어박스

가변속도는 제조자의 요구에 따라 기어박스를 가질 수도 있고 아닐 수도 있다.변속 장치가 없는 풍력 터빈은 직접 구동 풍력 터빈이라고 불린다.변속기의 장점은 발전기가 일반적으로 스테이터 내에서 고속으로 회전하도록 설계되어 있다는 것이다.직접 구동 풍력 터빈은 이 특징을 나타내지 않는다.기어박스의 단점은 신뢰성과 고장률이다.^[4]

기어박스가 없는 풍력 터빈의 예는 Enercon E82이다.^[5]

제너레이터

가변속 풍력 터빈의 경우, 두 가지 유형의 발전기 중 하나를 사용할 수 있다: DFIG(이중 급유 유도 발전기) 또는 FRC(완전 정격 변환기).

DFIG 발전기는 전송 시스템에서 반응하는 전력을 끌어낸다. 이는 고장 발생 시 전송 시스템의 취약성을 증가시킬 수 있다.DFIG 구성을 위해서는 발전기가 감긴 로터가 되어야 한다.^[6] 다람쥐 케이지 로터는 그러한 구성에 사용할 수 없다.

정격 변환기는 유도 발전기 또는 영구 자석 발전기가 될 수 있다.DFIG와는 달리, FRC는 발전기에 다람쥐 케이지 로터를 사용할 수 있다. 그 예로는 Siemens SWT 3.6-107이 있는데, 이 로터는 산업계의 일꾼으로 불린다.^[7]영구 자석 발생기의 예는 Siemens SWT-2.3-113이다.^[8]영구 자석 발전기의 단점은 포함되어야 하는 재료 비용이다.^[9]

그리드 연결

영구 자석 동기식 발전기가 있는 가변 속도 풍력 터빈을 고려하십시오.발전기는 AC 전기를 생산한다.풍력 터빈에 의해 발생하는 AC 전압의 주파수는 발전기 내 로터 속도의 함수다.

${\displaystyle N={\frac {120f}{P}}$

여기서 $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$은(는) 로터 속도,$P{\displaystyle }$ {\$displaystyle P}$은(는) 제너레이터의 폴 수, $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$은(는) 출력 전압의 주파수다.즉, 풍속이 변함에 따라 로터 속도가 변하기 때문에 전압의 주파수가 변한다.이러한 형태의 전기는 송전 시스템과 직접 연결될 수 없다.대신 주파수가 일정하도록 교정해야 한다.이를 위해 동력 변환기를 채용하여 송전 시스템에서 풍력 터빈이 디커플링되는 결과를 초래한다.풍력 터빈이 국력 시스템에 더 많이 포함되면서 관성이 줄어든다.이는 단일 발전기 상실시 송전계통의 주파수가 더 큰 영향을 받는다는 것을 의미한다.

전력 변환기

이미 언급한 바와 같이 가변속 풍력 터빈에 의해 발생하는 전압은 비그리드 규격이다.이들 터빈으로부터 송전망에 전력을 공급하기 위해서는 풍력 터빈이 발생시키는 전기 전압의 주파수가 송전계통으로 전달될 때의 주파수가 되도록 하는 전원 변환기를 통해 신호가 전달되어야 한다.전원 변환기는 먼저 신호를 DC로 변환한 다음 DC 신호를 AC 신호로 변환한다.사용되는 기법에는 펄스 폭 변조가 포함된다.

참조