강의노트 풍력 터빈의 운전모드

풍력터빈의 운전 모드는 풍속에 따라 4가지 구간으로 나눈다.

• 구간 A-B : 발전기 최소속도 운전구간
• 구간 B-C : 최대 출력 제어를 위한 가변속 구간
• 구간 C-D : 발전기 정격 속도 운전 구간
• 구간 D-E : 정격출력 제어를 위한 피치각 제어 구간

아래 그림에 각 운전 모드의 구간을 나타내었다.

발전기 최소 속도 운전 구간 (A~B)

풍속이 발전이 가능한 최소의 값 이상 되면 발전이 시각되며, 이때의 풍속을 cut-in 속도라고 한다.

가변속 운전 구간 (B~C)

풍속이 최소 제한속도보다 크고 최대 제한 속도보다 작은 경우가 이구간에 해당한다. 이 구간에서는 풍속의 변화에 따라 최대 전력 출력 추종 운전이 이루어지며, 최적의 주속비가 되도록 발전기의 속도를 제어한다. 그림에서 풍속 및 터빈속도에 따른 출력 특성을 비교할 수 있도록 하였다. 전력변환계수 $C_{P}$는 항상 최대값이 되고 발전기 기준 속도는 아래와 같다.

$$w_{b}^* =\dfrac{\lambda_{opt}v}{R}$$

이 구간에서 피치각은 항상 고정된 값을 가지며 일반적으로 $-5∼0$ 도로 유지된다.

발전기 정격 속도 운전 구간 (C~D)

운전점이 C 점에 도달하게 되면, 해당풍속에 대하여 발전기는 정격 속도로 정격출력을 내게 된다. 이 구간에서는 풍속은 더 이상 증가하더라도, 발전기는 정격 속도로 운전되며, 풍속이 증가하더라도, 발전기 출력을 정격으로 제한한다. 따라서, 전력변환 효율은 최대값보다 작게 된다.

일정 출력 구간 (D~E)

이 구간에서는 풍속이 정격 이상으로 증가하더라도 발전기의 정력 출력 전력으로 제한되며, 터빈 블레이드에서 포획되는 에너지를 발전기 정격에 맞추기 위하여 로터의 피치각을 제어한다. 풍속이 계속 증가하여 E점에 도달하게 되면, 발전기는 전력 생산을 멈추게되며, 이때의 풍속을 cut-out 속도라고 한다.

통상적인 풍력터빈의 운전 범위

통상적인 풍력터빈의 운전 범위 값은 다음과 같다.

• $v_{\mathrm{c}\mathrm{i}}$ : Cut-in Speed (3.5 ~ 4 [m/s])
• $v_{\mathrm{co}}$ : Cut-out Speed (~ 25 [m/s])
• $v_{\mathrm{r}}$ : Rated Speed (15[m/s])