풍력발전시스템에서 인버터의 역할 2007. 7. 11. 발송배전기술사/건축전기설비기술사 이 상 수 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

== 목 차 == 풍력발전기의 분류 ----- 3 인버터의 필요성 ----- 4 계통연계(유도발전기 A) ----- 5 계통연계(유도발전기 B) ----- 6 계통연계(동기발전기) ----- 7 주파수 동기의 원리 ----- 8 적용사례 ----- 9 참고문헌 ----- 13 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

풍력발전기의 분류 발전기는 바람이 가진 에너지가 로터에 의해 회전력으로 변환된 후 그 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 구성품으로 실제 전기에너지 생산 효율이나 전기의 품질을 좌우하는 중요한 요소이다. 유도형은 농형회전자를 사용하고, 동기형은 영구자석 또는 권선형을 사용한다. 또, 극수가 적은 일반적인 경우에는 회전계자형을 사용하지만 극수가 많은 다극기인 경우 에는 회전전기자형을 사용한다. I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

인버터의 용도 ■ 인버터(Inverter, DC-AC Converter)란 어원적으로는 직류를 교류로 변환하는 장치를 말하지만 통상적으로 주파 수변환장치(컨버터+인버터)를 통칭한다. ■ 인버터의 용도 1) 주파수 조정(Variable Frequency) - 주파수를 조정하여 계통(한전)에 연계 - 주파수 제어를 통한 속도, 토크 제한 2) 전압 제어(Variable Voltage) - 전압의 크기를 조정 3) 전류 제어 - 기동시의 충격 전류 제한 - 부하전류의 제한 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

계통 연계(유도발전기 A) ■ 인버터가 없는 경우 기어박스에서 증속(speed-up)하여 발전기를 구동하며, 발전기는 동기 전동기 토크 동기속도 3,600 속도 발전기 운전점 [2극 유도기의 속도-토크 특성곡선] ■ 인버터가 없는 경우 기어박스에서 증속(speed-up)하여 발전기를 구동하며, 발전기는 동기 속도에서 정속운전 되므로 인버터 없이 연계가 가능함.(유도발전기는 원래 정속운전이 아니지만, 연계를 할 경우 무한대의 부하가 걸리는 원리로 정속운전이 됨) 그러나, 독립운전인 경우에는 풍력에 따라 주파수가 변하여 사용하기 어렵다. I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

계통 연계(유도발전기 B) ■ 인버터가 있는 경우 원칙적으로 유도발전기는 인버터 없이 연계가 가능하나, 대용량화 되면 연계시에 돌입전류(inrush current)에 의하여 악영향이 나타나므로 이를 방지하기 위해 인버터를 사용하여 전류를 제어함. 현재 대부분의 대용량 풍력발전기에 적용됨. I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

계통 연계(동기발전기) ■ 동기발전기 동기발전기는 발전기의 속도가 극수(poles)에 따라 정해져 있고 이 속도 인버터 ■ 동기발전기 동기발전기는 발전기의 속도가 극수(poles)에 따라 정해져 있고 이 속도 는 한전의 주파수와 항상 차이가 있음. 따라서, 인버터는 필수임 이른바 Gearless형(Direct-drive)으로 Enercon사에서 제작하고 있으며, 가격이 비쌈 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

주파수 동기의 원리 AC → DC DC → AC 인버터 ② ① ③ 한전 40hz라고 가정하면 직류 변환 60hz(한전주파수) 직류변환 및 평활화 16.7ms 25ms 16.7ms 교류변환 및 평활화(PWM) I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

적용사례(Fuhrlander) I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

적용사례(Enercon) Rated power : 2,000 kW Rotor diameter:82 m Hub height:70 - 108 m Wind class (IEC):IEC/NVN II Turbine concept: Gearless, variable speed, variable pitch control Rotor Type:Upwind rotor with active pitch control Direction of rotation:Clockwise Number of blades:3 Swept area: 5,281 m2 Blade material:Fibreglass (epoxy resin); integrated lightning protection Rotational speed:Variable, 6 - 19.5 rpm Pitch control: ENERCON blade pitch system, one independent pitching system per rotor blade with allocated emergency supply Drive train with generator Hub: Rigid Main bearings:Dual-row tapered/single-row cylindrical roller bearings Generator: ENERCON direct-drive synchronous annular generator Grid feeding: ENERCON converter Braking systems: - 3 independent blade pitch systems with emergency supply - Rotor brake - Rotor lock Yaw control: Active via adjustment gears, load-dependent damping Cut-out wind speed: 28 - 34 m/s (with ENERCON storm control) Remote monitoring: ENERCON SCADA I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

적용사례(Nordex) Product Data Sheet N90 (2,5 MW) Turbine concept : variable speed, single-blade adjustment Nominal output : 2500 kW Rotor diameter : 90 metres Hub height : 80 – 100 metres (120 m in preparation) Rotor Type : upwind with active blade adjustment Number of blades : 3 Swept area : 6.362 qm Speed : 9,6 ... 14,85 U/min (LS); 16,00 U/min (HS) Tip speed : approx. 70 m/s (LS); 75 (HS) Blade material : fibreglass-reinforced plastic, integrated lightning protection Tower Hub height : 80 m, 100 m, 120 m (in preparation) Operating data Cut-in wind speed : 3 m/s Nominal output wind : approx. 13 m/s (HS), approx. 14 m/s (LS) Cut-out wind speed : 25 m/s Generator Type : twin-fed asynchronous generator Nominal output : 2500 kW Nominal voltage : 660 V Frequency : 50 or 60 Hz Speed : 740 ... 1310 U/min Gearbox Type : two-stage planetary gearbox with one spur-gear stage or crank gearbox Nominal output : 2775 kW Transmission : i= 71,9 to 92,9 ENERCON을 제외한 대부분의 풍력발전 제조사들은 유도발전기+기어박스의 제품을 생산하고 있음 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

적용사례(GE Energy) Converter Pulse-width modulated IGBT frequency converter 참고) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터) : 3단자 양극성-MOS 복합 반도체 소자. 고내압이면서 비교적 고속의 파워 트랜지스터이다. 펄스폭변조(PWM) 제어 인버터에 내장되어 모터를 구동하는 외에 파워 집적 회로(IC)의 출력부 등에 사용된다 . I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT

참고문헌 [참고문헌] 에너지관리공단 신재생에너지센터 (http://www.knrec.or.kr/) 전기공학대사전 (도서출판 기다리) ENERCON GmbH (http://www.enercon.de/en/_home.htm). NORDEX Energy GmbH (http://www.nordex-online.com/en) GE Energy(http://www.gepower.com/global/error_pages/en/page_moved.htm) 다음 지식검색(http://k.daum.net/qna/kin/home/qdetail_view.html?boardid=MD&qid=1Mupb&q=%B9%DF%C0%FC%B1%E2%C0%C7%BA%D0%B7%F9) 풍력발전단지공학 (영남대학교 이영호교수) 기타 인터넷 검색자료 참고 I’REE | 에너지환경연구소 INSTITUTE OF RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT