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[신재생에너지 현황과 전망] 대용량 풍력발전용 발전기의 특성 비교
2011년 3월 2일 (수) 16:12:19 |   지면 발행 ( 2011년 1월호 - 전체 보기 )



개요

풍력발전 시스템은 재생 가능 에너지로서 현재 전세계에서 도입이 진행되고 있으며, 최근 수년은 연평균 30%의 성장률로 추이되고 있어 자연 에너지이용 발전 시스템 중에서는 가장 급격하게 성장하고 있다. 본고에서는 이러한 풍력발전에 사용되는 여러 발전기에 대한 개요와 득실 비교에 관해 논한다.

풍력용 발전기에 대한 요구

최근 풍력발전 도입량이 확대됨에 따라 풍황이 좋은, 다시 말해 일 년 내내 강한 바람이 불어 풍력발전에 가장 적합한 장소(IEC61400 Class 1 : 연 평균 풍속 10m/s 이상)는 줄어들고, 평균 풍속이 7m/s 정도(Class 2, Class 3)로 비교적 평균 풍속이 낮은 장소에서 건설이 진행되고 있다. 이 때문에 이러한 장소에서도 발전 전력량을 보다 효율적으로
이끌어낼 수 있는 발전 시스템에 대한 요구가 높아지고 있다. 일정 속도의 바구니형 유도발전기를 이용한 풍력발전 시스템에서는 풍차의 효율이 낮아지는 저풍속 영역에서는 고효율 운전이 어렵기 때문에 이러한 영역에서도 효율이 좋은 가변속 풍력발전 시스템이 요구되고 있다. 가변속 풍력발전 시스템은 현시점에서는 교류 여자 동기기(Doubly-Fed Generator, 이하 DFG), 직류 여자 동기기(Synchronous Generator, 이하 SYG), 영구자석식 동기기(Permanent Magnet Generator, 이하 PMG)를 기어가 있고 없고 등 제조사마다 각양으로 개발해 나가고 있다.

풍력발전 시스템의 예
<그림 10>은 현재 가장 일반적인 가변속 풍력발전시스템의 개략을 나타낸 것이다. 각각의 특징은 다음과 같다.

1. 교류 여자 동기발전기(DFG)
풍차의 회전속도를 증속 기어를 이용해 고속화 하고 있다. 발전기의 정격회전수는 1,000~2,000min-1 정도다. 가변속 운전이 가능하며, 전력 변환기가 회전자의 여자 분 용량이면 족하기 때문에 비용 절약을 도모할 수 있어 현재 풍력발전 시스템의 주류가 되고 있다.

DFG의 발전 방식은 <그림 11>을 이용해 보충 설명한다. 고정자 측은 전력계통과 직접 연결돼 있으며 50㎐ 혹은 60㎐의 주파수로 되어 있다. 회전자는 3상 권선이 배치되어 슬립링, 브러시, 변환기를 사이에 두고 전력계통에 접속하며, 고정자 주파수에 있던 자속을 만들도록 회전자에 통전된다. 회전자는 풍차로부터 기어를 사이에 두고 접속돼 있으며, 풍속의 변동에 따라 회전속도가 바뀐다.
예를 들어 계통 주파수 50㎐, 극수 4극으로 한 경우 동기속도는 1,500min-1이기 때문에 고정자 자속(①)은 1,500min-1로 돈다. 그런데 기어에 의해 증속된 회전자(②)는 가변속 범위를 20%로 한 경우, 1,200min-1에서 1,800min-1로 회전된다. 이 때문에 고정자와 회전자의 주파수에 ±300min-1의 차이(③)가 발생하지만, 회전자에 슬립링을 사이에 두고 접속한 변환기보다 그 주파수 차이의 전력을 입출력(④)하는 것에 의해 ±300min-1의 차이(③)를 전기적으로 조정, 기내 자속이 1,500min-1로 고정자, 회전자 동기해 회전하고 있다.
동기속도보다 회전자가 빠른 경우 발전기 전력은 고정자 측 전력과 회전자 측 전력의 합이 되며, 동기속도보다 회전자가 늦는 경우는 고정자 측 전력에서 회전자 측 전력을 뺀 것이 된다.
DFG의 특성은 미끄럼 0의 점이 효율이 가장 높고, 미끄럼이 일어나면 회전자 철손이 발생하는 것에서부터 효율이 떨어져 간다. 그 결과 가변속 범위를 넓게 하면 정격점에서는 효율이 낮아지는 특성을 보인다.

2. 직류 여자 동기발전기(SYG)
풍차에 수십~수백 극 정도의 발전기가 직결되고, 발전기 용량과 같은 용량의 전력 변환기로 계통에 접속돼 있다. 기어를 이용하지 않기 때문에 기어로 인해 발생하는 소음이나 유지보수 비용의 저감이 가능하다.
계자를 만들어 내기 위한 2차 동손이 있기 때문에 동손이 전 영역에서 커지며, 저출력 시 효율 저하의 원인이 된다. PMG와 비교해 동손이 크다. 또한 변환기 용량은 발전기 용량 분이 필요(풀 컨버터)하기 때문에 DFG에 비해 변환기 비용이 증가한다.

3. 영구자석식 동기발전기(PMG)
기어리스기(機)에서는 SYG와 같은 풍차에 다극 발전기가 접속되어 있으며, 풀 컨버터로 계통에 접속돼 있다. 단순하게는 SYG는 회전자에 전자석, PMG는 회전자에 영구자석이라고 생각할 수 있다.
PMG에서는 SYG의 이점 외에 슬립링 등이 없기 때문에 유지보수 비용을 저감할 수 있으며, 계자를 만들어내기 위한 2차 동손이 없어 고효율화가 가능해진다. 효율을 가장 높게 설계하면 정격출력의 20~30% 정도까지 95% 이상의 평평한 효율 특성을 나타내는 특징이 있다. 또한 기어를 이용해 발전기 회전속도를 고속화 하는 사용 사례도 있다.

<표 1>은 ㎿급 대형 풍력발전 제조사의 대표적인 풍력발전 시스템 예를 나타낸 것으로, DFG를 채용하고 있는 제조사가 많음을 알 수 있다. 이것은 요즘 풍력발전 시장에서는 DFG가 적합하다는 방증(傍證)이 될지도 모른다. 또한 PMG를 채용하고 있는 제조사도 많음을 알 수 있다. 이것은 그리드 코드 등 계통 연계 시 풍차 운전 가이드라인이 책정된 근래에 그 제어성 문제에서 풀 컨버터의 시스템이 유리하며, 또한 이어서 논할 부분인 부하 효율이 좋기 때문인 것으로 판단된다.

풍력발전 시스템의 득실 비교

1. 시스템 비교
<그림 12>는 세 종류의 발전기의 시스템 효율 커브를 나타낸 것이다. 시스템 효율에는 1단당 2%의 기어 손실 및 변환기 손실이 포함되어 있다. 이 그림에서 기어리스 PMG가 모든 영역에 있어서 효율이 상회한다는 것을 알 수 있다. PMG에서는 회전자동손이 없어지기 때문에 고효율이 되는 결과가 된다. 또한 1단 기어 PMG와 3단 기어 DFG의 효율이 같아진다. 이것은 앞에서 말한 PMG가 발전기와 같은 용량의 변환기를 필요로 하는 것에 대해 DFG에서는 발전기 미끄럼 분의 변환기 용량으로 충분하기 때문에 변환기의 손실 분 효율 차이가 생기는 것에 기인한다.

<표 2>에 각각의 시스템의 체격 효율 등을 비교해 정리했다. 그 결과 회전속도 차이에 의해 DFG가 가장 체격이 작거나 혹은 경량임을 알 수 있다. 실제 5㎿ 프로토 타입 기(機)를 보면 3단 기어 DFG가 많으며, 나셀의 질량 저감을 목적으로 하는 것이 많다. 이것은 5㎿급의 풍차 직경이 100m를 넘기는 발전기, 기어가 들어간 나셀 등 중량물을 높은 곳에 설치하는 것이 어렵기 때문이며, 풍차 건설 시 비용을 생각했을 때 발전기만으로 수백 톤이 되면 현실적으로 불가능하기 때문이다. 따라서 1단 기어 PMG 시스템 및 3단 기어 DFG 시스템은 고효율이면서 풍차 건설 시 비용을 저감하는 것이 가능할 것으로 보인다.

2. 런닝 코스트(Running Cost) 비교
풍력발전은 자연 에너지기 때문에 상시 일정한 풍력을 이끌어내는 것은 어렵다. 현시점에서는 사업성립성을 지상 높이 30m 지점에서 연 평균 풍속 6m/s 이상으로 평가하고 있지만, 저풍속 영역(부분부하 영역)에서 얼마나 발전할 수 있느냐에 따라 풍력발전 시스템 전체의 수입이 결정되는 셈이다.
여기서 시스템 효율의 차이에 따른 연간 발전량의 평가를 한다. 풍속 출현 분포 모델을 이용해 풍차의 연간 출력량을 모의, 발전기 운전 범위 등을 고려해 산출했다.
<그림 13>은 <그림 12>에 나타낸 3단 기어 DFG와 1단 기어 PMG의 회전속도와 풍차 효율, 평균 풍속에 대한 매전(賣電) 가격 8엔/㎾h로 가정해 연간수입 차액을 나타낸 것이다. PMG는 가변속 범위가 넓기 때문에 풍차를 고효율에서 운전할 수 있다. 그러나 DFG는 가변속 범위를 ±20%로 하고 있으며, 평균 풍속 7m/s 이하에서는 가변속 범위를 넘기 때
문에 회전속도를 일정하게 운전하고 있다. 그 때문에 풍차의 효율이 저풍속 영역에서는 크게 저하하고 있다. 또한 발전기 단체(單體)의 효율 특성으로 PMG는 DFG보다도 저속에서 고효율 운전이 가능해 평균 풍속이 낮은 영역에서 발전 전력량이 커지는 경향이 있다. 그 결과 수입 격차는 평균 풍속이 5m/s 정도 지점에 세운 경우가 가장 커지며, 연간 250만 엔 정도의 차이가 시산(試算)된다.

마무리

현재 풍력발전에서 사용되고 있는 발전기의 특징에 대해 논했다. 발전기 단체의 효율에서는 PMG가 유리하지만, 기어, 변환기를 포함한 시스템 효율에 있어서 특히 평균 풍속이 높은 경우에는 DFG 시스템의 효율이 좋고, 평균 풍속이 낮은 경우에는 PMG 시스템의 효율이 높은 것으로 판단된다. 또한 향후 풍력발전의 도입량이 증가함에 따라 해상 풍차나 계통 연계 문제 등 발전기 단독에서는 해결하기 어려운 문제가 증가될 것으로 예상되며, 설치방법을 포함한 풍력발전 시스템 전체에서 최적의 조합은 실증반복을 통해 앞으로도 검토돼야 할 것이다.

 
유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)
폴리에스테르 수지에 유리 섬유를 혼입해 경화시킨 것으로, 내역성이나 기계적 강도가 크고, 절연용의 적층판이나 형조품 등을 만드는 데 사용된다.

탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)
흑연 섬유로 만든 기재(基材)에 에폭시 수지나 불소 수지 등을 함침한 것을 적층하고, 약간 가압한 것을 가열 고화해 만든다. 이를 통해 알루미늄보다 가볍고, 쇠보다 강한 것이 얻어진다. 우주 개발(특히 인공위성)을 비롯해 넓은 용도에 사용되고 있다.

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