풍력 전력 변환 발전기 종류

 

 

풍력 전력 변환

동기발전기 (synchronous)

동기전동기에 120도 차이의 전압을 발생시켜 세 개의 상 R, Y, B가 생긴다. 
등가회로로 그리면 단상으로 보이겠지만 사인파 전압은 3상임을 명심해야한다. 

권선에 부하가 걸릴 것이기에 회로에서 저항과 인덕턴스를 그릴 수 있다. 때문에 전압원, 저항, 인덕턴스, load로 회로를 구성할 수 있다. 여기에 부하를 연결하면 전류 $I_{a}$가 흐르고 유도되는 전압을 $E_{o}$, E naught라 한다. load에 걸리는 전압을 $V_{t}$라 할 수 있다. 이를 이용해서 위상도를 그릴 수 있다. 
load는 인덕터 load나 커패시터 load가 될 수도 있다.

inductive load

위상도를 그려보면 inductive load 이므로 전류가 지연된 것으로 나타날 것이다. 저항과 인덕터 성분에 걸리는 전압은 $R_{a}I_{a}$ 와 $I_{a}X_{s}$ 로 표현할 수 있다. 리액턴스 $X_{s}$ 에 걸리는 전압은 $R_{a}$ 에 걸리는 전압에 수직일 것이다.

• 또한 저항 성분은 일반적으로 크기가 작아서 비교적 작게 그렸다. 

전압 벡터들을 합하면 $E_{o}$를 구할 수 있다.
즉 유도된 $E_{o}$ 가 load에 걸린 전압보다 크다는 것을 위상도를 통해 알 수 있다. 
그리고 이 전압은 flux와 회전 속도에 따라 달라질 것이다. 

• 회전자에 감긴 권선에 의해 flux가 생성되기에 해당 권선에 흐르는 전류를 변화시키면 자속을 변화시킬 수 있다. 

 

capacitive load

마찬가지로 capacitive load에 대해 그려보면...

$V_{t}$ 가 있고 $I_{a}$ 와 같은 방향으로 $I_{a}R_{a}$가 있다. 그리고 이와 수직으로 $I_{a}X_{s}$가 있다. 
그러면 이 전압 벡터들로 $E_{o}$ 를 그릴 수 있는데 이는 inductive load 경우와는 다르다.
유도된 $E_{o}$가 load에 걸린 전압 $V_{t}$보다 작을 수 있어보인다. 

이를 해결하기 위해 필드를 줄여서 생성된 전압을 낮출 수 있다. 

동기 발전기는 단순히 자기장을 변화시켜 reactive power를  공급할 수 있다는 것이 장점이다. (유도 발전기에서는 불가)

그러면 왜 동기발전기를 안 쓸까? - 안 쓰는데 이거 왜 설명함?;;

회전속도가 그리드 주파수에 의해 결정되어야 하는데 그게 어렵다. 
예를들어 그리드가 50Hz라면 회전속도 $n=\large{\frac{120f}{P}}$ 이기에 어려울 것이다. 

하지만 다른 시야에서 본다면.. 
전압과 전력을 생성하고 이를 DC로 정류한 다음 50Hz에서 다시 AC를 생성하는 방법이 있다.
구성은 다음과 같은데

 

우선 DC 발전기가 연결되어 있고(리플을 제거하기 위한 인덕터 포함) 이후 스위치를 포함한 AC로 다시 변환하는 부분이 있다. 

사이리스터나 IGBT와 같은 장치로 AC로 변환하는 부분을 구현할 수 있다! 만 중요하지 않다

그래서 결국 원하는 주파수로 변경된 AC 가 load나 전력선에 들어간다. 

유도발전기(Induction)

전력선에서 전원을 공급받는 고정자가 있고 회전자가 회전할 때 동기속도보다 크면 전력을 생산하고 그리드로 공급한다. 이는 정격속도에 도달할 때 까지만 가능하다. 즉 정격 전력값을 밀어내는 것이고 속도를 높이면 

전류가 많이 흘러 과열 문제가 발생한다. 또한 속도를 특정 범위 이상으로 조절할 수 없다? 때문에 독립된 회전자 모델을 도입했는데 

회전자에도 고정자가 있고, 회전자에 있는 shaft에는 슬립링이 있다. 슬립링에 접점이 있다?
이를 권선형 회전자 유도기 wound-rotor induction 라 한다.

회전자가 short되어야 하기에 슬립링의 단자는 short 되는데 ... 

터빈과 물리적으로 연결되어 있다고 생각하면... 고정자는 전력선에 연결되어 있고 회전자는 아니다. 

이를 DC로 변환하고 AC로 다시 바꾼다. 
그리고 끝에서 다시 그리드와 연결된다. 

차이점

동기발전기는 비싸고 AC - DC - AC 를 거쳐 그리드로 보낸다.

 유도발전기는 전력이 직접 전력선(전력망)으로 공급되고 회전자에서 생성된 전력만 AC - DC - AC를 거쳐 전력망으로 간다. 이는 전력을 덜 소모해 비용도 적게 든다. 

속도가 빨라지면 전류가 커지는데...
가변저항처럼 이용해 보이는 저항성분을 일정하게 맞춰 정격속도를 넘는 순간에도 전류를 일정하게 흐르게 할 수 있다. 

즉 유도 발전기는 두 개의 출력을 갖는다고 할 수 있다. (double output induction)

결론은... 동기 발전기는 별로고, 다람쥐 쳇바퀴형 유도발전기는 토크 슬립 특성의 사용 범위가 매우 좁아 단점이 있어 별로고, 유도 발전기를 써야한다. 그리고 이게 진정한 variable speed machine 이다.