풍력 발전에는 어떤 유형의 발전기가 적합합니까?
풍력 터빈의 핵심 역할은 풍속에 따라 끊임없이 변화하는 기계적 에너지를 효율적이고 안정적으로 전력망에 연결할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 것입니다. 따라서 풍력 발전에 적합한 발전기는 일반적인 모델이 아니라 광범위한 풍속에 적응하고, 복잡한 부하를 견디며, 계통 제어가 용이한 특성을 갖춰야 합니다. 현대 풍력 발전 산업은 크게 세 가지 기술 방향으로 발전해 왔으며, 각 방향은 고유한 장점을 가지고 있으며 다양한 시나리오에 적합합니다.
1. 이중 공급 비동기 발전기: 과거 산업의 주력 장비
오랫동안 이중 공급 비동기 발전기는 풍력 발전 시장에서 절대적인 주류를 차지해 왔습니다. 이 발전기의 작동 원리는 매우 독창적입니다. 발전기 회전자는 슬립링과 카본 브러시를 통해 소형 주파수 변환기에 연결되고, 고정자는 전력망에 직접 연결됩니다.
이 설계의 가장 큰 장점은 경제적 효율성입니다. 주파수 변환기가 회전자 회로 전력의 약 3분의 1만 처리하면 되기 때문에 장비 비용이 저렴하고 에너지 손실도 적습니다. 또한, 기술이 매우 성숙하고 완벽한 산업 체인이 구축되어 있어 지난 20년간 육상 풍력 발전, 특히 메가와트급 설비에 널리 사용되어 왔습니다.
하지만 풍력 발전 산업이 발전함에 따라 그 단점들이 점점 더 두드러지고 있습니다. 카본 브러시와 슬립링은 풍력 발전 단지의 열악한 운영 환경에서 정기적인 유지보수가 필요한 기계식 접촉 부품이며, 고장 발생 가능성이 높은 부품입니다. 또한, 고정자가 전력망에 직접 연결되어 있기 때문에 전력망의 전압 변동에 대한 내성(즉, "저전압 내성")이 상대적으로 약합니다.
2. 영구 자석 직접 구동 동기 발전기: 신뢰성의 모델
직접 구동 기술은 완전히 다른 접근 방식을 채택합니다. 고속 기어박스를 완전히 제거하여 풍력 터빈이 다극 영구 자석 동기 발전기를 직접 구동할 수 있도록 합니다. 저속으로 구동되기 때문에 방출되는 전류의 주파수 변동이 크기 때문에 모든 전기 에너지는 계통으로 보내기 전에 전력 변환기를 통해 처리해야 합니다.
이 설계는 혁신적인 이점을 제공합니다. 고장률이 가장 높은 기어박스를 제거함으로써 장치의 신뢰성과 유지보수성을 크게 향상시키며, 특히 접근성이 떨어지는 해상 풍력 발전소에 적합합니다. 영구 자석은 여자 손실 없이 자기장을 생성하여 효율을 높입니다. 더욱 중요한 것은, 완전 전력 주파수 변환기가 '방화벽' 역할을 하여 발전기를 전력망으로부터 완벽하게 차단함으로써 풍력 터빈이 전력망 변동에 매우 둔감해지고 전력망을 적극적으로 지원할 수 있게 되어 탁월한 전력 품질을 제공한다는 점입니다.
이 발전기의 과제는 저속에서 충분한 주파수의 전기를 생성하기 위해 거대한 직경과 수많은 극을 가져야 한다는 점이며, 이로 인해 부피와 무게가 엄청나게 커져 운송 및 운반에 어려움을 초래합니다. 또한, 희토류 영구 자석 소재를 사용하기 때문에 비용이 많이 듭니다.
3. 중속 영구 자석 동기 발전기(반직접 구동 방식): 현재 기술계의 총아
직접 구동 방식의 신뢰성과 기존 구조의 소형화 사이의 균형을 맞추기 위해 "반직접 구동" 또는 "중속 구동" 솔루션이 등장했으며, 특히 해상 풍력 발전 모델을 비롯한 대형 풍력 터빈에서 빠르게 주류로 자리 잡았습니다.
이 시스템은 단순하고 견고한 중속 기어박스(일반적으로 유성 기어 하나만 포함)를 유지하여 풍력 터빈의 속도를 적당한 수준으로 높이고, 소형 영구 자석 동기 발전기를 구동하며, 최종적으로 전력 주파수 변환기를 통해 전력망에 연결됩니다.
이는 '황금 조합'이라고 할 수 있습니다. 간단한 기어박스를 사용하여 발전기의 크기와 무게를 크게 줄여 직접 구동 장치의 운송 문제를 해결하는 동시에 영구 자석 모터의 높은 효율과 고출력 주파수 변환기의 뛰어난 계통 친화성을 유지합니다. 또한 기존의 이중 공급 시스템보다 신뢰성이 훨씬 높습니다. 기술 통합이 어렵고 초기 비용이 저렴하지는 않지만, 전체 수명 주기 동안의 전기 비용 측면에서 상당한 이점을 제공합니다.
요약 및 동향
전반적으로 풍력 터빈의 기술 발전 경로는 명확합니다.
이중 공급 비동기 발전기는 성숙도와 경제성 덕분에 특정 육상 시장에서 여전히 중요한 역할을 하고 있습니다.
영구 자석 직접 구동 동기 발전기는 탁월한 신뢰성으로 해양 및 저풍속 지역에서 확고한 입지를 차지하고 있습니다.
중속 영구자석 동기 발전기는 기존 두 가지 발전기의 장점을 성공적으로 통합하여 현재 대규모 및 해상 풍력 발전 개발 분야에서 절대적인 기술적 선두주자로 자리매김했으며, 산업의 미래 방향을 제시합니다.
발전기 선택은 본질적으로 초기 투자 비용, 운영 및 유지 보수 비용, 발전 효율, 그리고 계통 연계 요구 사항 사이의 최적의 균형을 찾는 것입니다. 풍력 터빈이 점점 더 커지고 해상에 설치됨에 따라 신뢰성과 계통 연계 능력에 대한 요구 사항이 매우 까다로워졌습니다. 이것이 바로 영구 자석 발전기와 전력 주파수 변환기를 결합한 기술이 채택된 근본적인 이유입니다.
