풍력발전기(Wind Turbine) 분류
현재까지 개발되어 사용중인 풍력발전기들의 종류는 제작사별로 다양합니다.
일반적으로는 4가지 타입으로 구별하며 그 내용은 아래와 같습니다.
Type 1 : Fixed-speed wind turbine (고정속도)
Type 2 : Variable-slip wind turbine(가변속도)
Type 3 : DFIG wind turbine(Doubly Fed Induction Generator)
Type 4 : Full converter wind turbine (PMSG, Permanent magnet synchronous generator)
Type 1은 풍력발전기 초창기 모델로 농형 유도발전기를 사용합니다.
농형유도 발전기는 농형(Squirrel) 모양의 Rotor와 자계를 생성하는 Stator로 구성되어 있습니다.
Fix-speed이기 때문에 별도 속도제어를 위한 장치는 없고 기어박스만 존재합니다.
가장 큰 단점은, 고정속도이기 때문에 풍력발전기를 최대 운전점(Maximum power)에서 운전하기가 어렵고 풍속의 변화에 기계적 스트레스가 많다는 점입니다.
자세한 구조는 아래 유투브 영상을 보시면 도움이 됩니다.
https://www.youtube.com/watch?v=AQqyGNOP_3o
Type 2는 Variable-Speed 터빈으로 기존에 Fixed-Speed 터빈이 가진 단점을 보완하기 위해 만들어졌습니다.
Wound Rotor를 이용하면 슬립링(Slip ring)을 통해 저항(resistance)를 활용한 속도제어가 가능합니다.
Wound rotor generator(slip ring generator)는 아래 유투브 영상을 보시면 도움이 됩니다.
https://www.youtube.com/watch?v=JPn5Ou-N0b0
Type 3는 Doubly-fed 타입으로 작은 용량의 컨버터를 이용해 Rotor에 공급되는 전압를 제어함으로써 풍력터빈의 속도를 제어합니다.
Doubly-fed라고 불리우는 이유는 Rotor는 컨버터와, Stator는 AC계통과 연결되어 있는, 2중으로 연결되어 있는 구조이기 때문입니다.
컨버터에서 Rotor로 슬립링을 통해 전압를 공급하되, Rotor의 자계를 감쇠시키도록 하면 Rotor의 회전속도가 빨라져서 super synchronous 상태가 되며 발전기 역할을 하게 됩니다. 반대로 Rotor의 자계를 증가시키게하면 Rotor의 회전속도는 더욱 늦어져 풍력발전기가 전력을 흡수하게 됩니다.
Type 4는 Permanent magnet synchronous generator로 Rotor에 영구자석을 사용하기 때문에 이렇게 불립니다.
Type 4는 AC계통과 직접 연결되어 있지않고 RSC(Rotor side converter)와 GSC(Grid side converter)로 구성되어 있습니다. Type 3와 가장 큰 차이점입니다.
이렇기 때문에 Full converter 타입이라고 하며, Stator에 공급되는 전압을 제어함으로써 풍력터빈의 속도를 제어합니다. 또한 Type 4의 장점으로는 유효전력과 무효전력 제어가 가능하다는 점입니다. BTB(Back to back) 컨버터를 사용하기 때문에 가능합니다.
풍력터빈에 이러한 속도제어가 필요한 이유는 최대운전점에서 운전하기 위함인데, 이를 위해 Type 4와 같은 Full converter형 풍력발전기가 등장하게 된 것입니다.
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