풍력발전(제어 및 응용시스템)blog.ipac.kr/filebb/%C6%AF%C7%E3%BA%D0%C0%EF%BF%B9%BA%B8%BA%B8… · 1.4. 풍력발전기 기술개발 동향 (1) 해외현황 국외의 풍력발전사업은

특허분쟁예보 보고서 No.47 풍력발전(제어 및 응용시스템)

한국전자정보통신산업진흥회 1

[ 목 차 ]

1. 기술동향

2. 출원동향

3. 핵심특허

4. 분쟁동향

붙임. 소유권변동분석 보고서

풍력발전(제어 및 응용시스템)풍력발전(제어 및 응용시스템)

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제1장 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술동향

1.1. 풍력발전 제어시스템 기술의 개요 풍력발전은 공기 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 것으로, 현재 경제성이 양호한 신재생에너지 기술의 선두주자 중 하나로 꼽히고 있는 기술이다. 풍력발전시스템은 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환하는 블레이드(Blade), 블레이드와 허브(Hub)로 구성된 회전자, 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속장치(Gear Box), 발전기 및 각종 안전장치를 제어하는 제어장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성되며, 제어 및 응용시스템과 관련하여 출력제어방식에 따라 피치제어(Pitch Control)와 실속제어(Stall Control)로 분류되고, 전력사용방식에 따라 계통연계방식과 독립전원방식으로 나누어진다.

분류 형태

회전축 방향수평축 풍력반전기(HAWT) : 프로펠라형

수직축 풍력발전기(VAWT) : 다리우스형, 사보니우스형

운전 방식정속운전 : 통상 Geared형

가변속운전 : 통상 Gearless형

출력제어방식피치제어 : Pitch Control

실속 제어 : Stall Control

전력사용방식계통연계(유도발전기, 동기발전기)

독립전원(동기발전기, 직류발전기)

<표 3> 풍력발전기의 분류

출처 : ‘풍력발전, 태양전지, 조력발전’, 한국과학기술정보연구원, 2007.12

제어시스템은 풍력발전기의 제어와 보호를 수행하는 중요 요소로서 크게 제어기능과 보호기능으로 분류할 수 있다. 제어 기능은 풍력발전기의 동작을 원활하게 수행하도록 하여 설계단계에서 고려된 성능특성을 갖기 위한 기능이며, 보호기능은 풍력발전기가 외부 또는 내부의 외란으로부터 안전하게 동작하도록 하기 위한 기능이다. 발전기 효율은 제어시스템의 성능에 많은 영향을 받으며, 제어요소, 제어대상 및 제어방식에 따라서 유지ㆍ보수, 피로하중에 의한 시스템 수명까지도 영향을 미친다. 또한, 제어 방법에 따라 풍력발전기의 효율은 크게 달라질 수 있다. 제어알고리즘을 구성하기 위해서는 이러한 두 가지 기능이 동시에 만족하여야 하며, 모든 운전조건에서 항상 풍력발전기의 안정성이 유지되도록 설계해야 한다. 풍력발전기의 출력제어 방법의 기본 동작은 정상 상태에서 풍속 및 풍향에 따라 Pitch Control, Torque Control, Automatic Yawing을 하면서 최적의 전력을 생산하게 된다. 이때 Watchdog에 의하여



에러가 발생시 사전에 정의해놓은 등급에 따라 에러가 분류되면서 각 등급에 따른 제어 과정을 따르게 된다. 예로서 에러등급 3에 해당되는 에러 발생시 Normal Stop 1이라는 알고리즘을 거쳐서 정지하며, Nomal Stop Status 2에 해당되는 상태를 유지 중 에러가 해제된 후 Reset 2 고정을 통하여 운전대기 상태로 전환되며, 대기 상태에서 운전 가동 조건을 만족하게 되면 발전기는 Startup 과정을 거쳐서 정상 운전 상태에 도달한다. 이와 같은 과정이 원활히 수행되게끔 제어 알고리즘을 구성하고 설계해야 한다.

제어 알고리즘 요소 내 용

Ready for

Operation Status

발전기 정지 후 Error 원인 제거, 정상 운전 상태에 접어들기

위한 대기 또는 준비 상태

SelftestStartup 과정에 포함되어 Rotor Brake System과 Picthing

System에 관한 테스트 과정

Basic Scheme 풍력발전기의 동작 상황에 대한 전반적인 절차

Watchdog 발전기 동작 상태에서 발생되는 모든 Error 상황을 상시 감시

Normal Stop 1 Error level 2 or 3급의 Error가 발생될 때의 정지 절차

Startup Normal Operation 상태로 전환하기 위한 절차

Reset Error level 등급에 따른 Reset 과정

Anemometer 풍속 계측 및 신호 처리 알고리즘

Windvane 풍향 계측 신호 처리 알고리즘

Rotor Rotor speed 계측 신호처리 알고리즘

Temperature 각 구성품들의 온도 계측 및 신호 처리 알고리즘

Yawing Automatic Yawing, Manual Yawing 제어 알고리즘

Pitching Pitch Angle Calculation 및 제어 알고리즘

<표 4> 풍력발전기의 제어 알고리즘 요소

출처 : ‘2MW PMSG형 풍력발전 시스템 개발’, 산업자원부, 2007.10, 재작성

<표 2>와 같은 제어 알고리즘 요소를 바탕으로 어떠한 상태에서도 풍력발전기의 안정성을 유지하면서 최대한의 출력을 생산하기 위한 제어시스템의 개발이 지속적으로 연구되어야 한다.

1.2. 제어장치 및 제어시스템의 구성

풍력발전기 제어시스템의 하드웨어 구성은 기본적으로 Nacelle Controller, Picth Controller(피치제어방식) 또는 Stall Controller(실속제어방식), Bottom Controller 등으로 이루어지며, 독립적으로 운전되고 있는 풍력발전기의 운전 사항을 원격지에서 일괄적으로 감시 및 제어하기 위한 SCADA 시스템이 일반적으로 구비된다.



<그림 1> 풍력발전기 제어시스템 전체 개념도

출처 : ‘2MW PMSG형 풍력발전 시스템 개발’, 산업자원부, 2007.10

풍력발전기의 전반적인 작동은 운전모드, 정지모드, 정지상태, 대기모드에 따라 이루어지며, 매 순간의 상태는 정지 상태와 운전 상태로 나눌 수 있다. 풍력발전기의 각 작동 상태를 제어의 관점에서 세분화하면 <표3>과 같다.

항목 내용

운전 대기 상태

(Ready for Operation)

저풍속 또는 에러 등에 의한 발전기 정지 후 에러 원인

제거에 의한 발전기 재운전 대기 상태

정상 운전 상태

(Normal Operation)풍력발전시스템이 정상적으로 운전되는 상태

일반 정지 상태

(Normal Stop)

일반 정지 1 경미한 에러발생에 의한 발전기 정지 상태

일반 정지 2발전기의 일부 부품에 영향을 미칠 수 있는 문제에 의한

발전기 정지 상태

비상 정지 상태

(Emergency

Stop)

긴급 정지 1발전기에 악영향을 미칠 수 있는 문제에 의한 발전기 정지

상태

긴급 정지 2 Personnel Safety를 위한 정지 상태

유지ㆍ보수 상태 유지ㆍ보수를 위한 발전기 정지 상태

<표 5> 제어관점에서 풍력발전기 작동 상태 분류




(1) 운전제어장치 발전기의 정력출력은 한정되어 있으므로 정격풍속 이상에서 높은 효율을 얻기 위해 Nacelle Controller, Picth/Stall Controller, Bottom Controller, Yaw Controller 등의 운전제어장치를 사용하여 풍력터빈의 출력을 제어한다. Nacelle Controller는 풍력발전기의 제어 및 보호시스템의 주제어기로서 모든 감시 및 제어기능을 총괄적으로 수행하는 장치이다. 때문에 풍력발전기와 관련된 모든 상태정보를 취합하며 어떠한 동작도 본 제어기를 통하여 수행되어야 하며, 작업자는 유저 인터페이스 장치인 스크린, 키보드 등을 통하여 원하는 정보를 보거나 동작을 지시한다. Picth Controller는 피치 제어와 관련된 모든 정보들은 나셀 제어기로 취합되며, 그에 따른 해당요구 동작정보를 받아 블레이드의 깃각을 제어하는 장치이다. 즉, 나셀 제어기와 통신을 하며 피치 제어을 담당한다. 또한 정전과 같은 비상시를 대비하여 자체 에너지원을 가지고 있는 제어기이다. Bottom Controller는 타워의 바닥에 위치하여 나셀 제어기와 외부간의 입출력 역할을 대신 수행하며, 별도의 유저 인터페이스 장치를 내장하여 작업자가 나셀로 올라가지 않고 지상에서도 제어할 수 있도록 한 장치이다. 즉, 풍력발전기와 멀리 떨어진 위치에서 해당 풍력발전기의 상태를 점검하거나 특정 명령을 지시할 수 있도록 한 제어기이다. Yaw Controller는 블레이드의 방향을 풍향에 추종하게 하는 제이기로서 프리요 제어기와 강제요 제어기가 있다. 프리요 제어는 다운윈드(Down Wind)형의 경우에 블레이드를 움직이는 공기력이 자동적으로 블레이드 풍향에 추종시키도록 하며, 강제요 제어는 풍향센서에 의해서 블레이드에 상대적인 풍향을 검지하여 유압 혹은 전동모터에 의한 요구동을 제어하도록 한다.

(2) 제어 프로그램 제어 프로그램의 구조는 기본적으로 각종 I/O 모듈 및 특수모듈의 이상 유무를 판단하고 주변의 모니터링 장치와 통신을 하면서 각 부분에 관한 시스템을 점검하면서 아날로그 입력 신호를 처리한다. 입력 신호에 따라 설계된 제어 알고리즘에 따라 각종 에러를 표시하며 정상 운전모드에서 Pitch 제어기 또는 Stall 제어기에 설계된 제어 알고리즘에 따라 운전 및 이상시 에러를 표시한다. 또한 중앙 제어기에서 가장 중요한 부분인 Basic scheme은 모든 장치에서 분석된 결과를 취합하여 전체 시스템에 관한 상황판단과 프로그램에서 발생되는 에러에 대하여 적절한 모드를 설정하고 그에 맞는 조치를 취하도록 설계된다. 풍차는 보통 풍속 12∼16 m/s 사이의 설계 풍속에서 최대의 효율을 얻도록 프로그램적으로 설계되며, 이 풍속 이상에서는 회전체의 출력은 각 블레이드에 적용하는 구동력과 풍차구조물의 하중을 감소시켜 정격출력을 유지시하도록 설계된다. 출력제어는 일반적으로 피치제어, 실속제어, 능동적 실속제어 등에 의하도록 설계된다.



○ 피치(pitch)제어 피치제어는 풍속 및 발전기 출력을 검지하여 블레이드의 피치각을 변화시켜 출력을 제어하는 것으로, 회전체 블레이드의 피치각을 길이방향 주위에서 변화시킴으로써 회전체의 출력이 정격출력에 도달한 후 일정하게 유지하도록 공기 역학적 힘을 제어한다. 전력 계통에 연계된 중․대형 풍력 발전기에서의 피치제어계통은 보통 컴퓨터에 의한 유압계통에 의해 작동되며, 일부 제작자들은 전동기에 의해 전기적으로 블레이드의 피치각을 제어한다. 피치제어 풍차에서 는 회전체 블레이드를 낮은 풍속에서도 최적 각도를 일정하게 유지할 수 있어, 낮은 풍속 지역에서 실속제어 풍차보다 좋은 출력을 얻을 수 있다.

<그림 2> 피치 제어 블록 다이어그램


○ 실속(stall)제어

스톨제어는 피치각을 고정하고 풍속이 일정 이상이 되면 블레이드 형상이 유체역학적 특성에 의해 스톨현상이 일어나서 출력저하가 되는 것을 이용하여 출력을 제어하는 것으로, 피치제어에 비하여 구조가 단순하고 가격이 낮으며, 블레이드의 과회전시에 블레이드의 선단부가 원심력의 작용에 의해서 회전하는 공력 브레이크를 구비하는 것이 많이 사용된다.

○ 능동적(active) 실속제어 능동적 실속제어는 피치제어와 실속제어를 조합한 것으로, 낮은 풍속에서는 블레이드는 피치제어 풍차와 같이 큰 회전력을 얻어 높은 효율을 이루기 위해 피치각을 제어하며, 풍차가 정격용량에 도달하였을 때, 능동적 실속제어 풍차는 피치제어 풍차보다 반대방향으로 블레이드의 피치각을 변화시키도록 제어한다. 능동적 실속제어는 피치제어 풍차와 같이 풍차출력을 원활하게 제한할 수 있다.



(3) SCADA 시스템 풍력발전단지는 풍력발전기, 풍자원을 측정하기 위한 계측타워 그리고 변전소 등으로 구성되며, 이러한 구성요소들은 개별적인 제어기를 갖고 있다. 풍력발전기는 독립적으로 운전되기 때문에 이들을 일괄적으로 감시 및 제어하기 위해서는 모든 구성요소를 하나의 네트워크로 연결하여 주는 서버가 필요하며, 원격지로부터 서버에 접속하여 풍력발전단지의 운전현황을 파악할 수 있어야 하고 문제가 발생할 경우 경미한 에러에 대해 빠른 조치를 취할 수 있도록 구성되어야 한다. <그림 3>은 이러한 SCADA 시스템에 대한 단순한 구성도를 나타내고 있다.

<그림 3> SCADA 시스템 구성도


(4) 계통연계 시스템 교류발전기의 출력을 계통으로 연계하는 경우 변압기만 경우하여 직접 계통에 접속하는 AC링크방식과 컨버터ㆍ인버터 등으로 구성되는 전력변환장치를 사용하는 DC링크 방식이 있다. DC링크 방식은 발전기의 교류출력을 일단 직류로 변환하고 다시 계통과 같은 주파수의 교류로 변환하는 것으로 비용이 증가되지만 풍력발전시슽메 고유의 문제점인 출력변동에 관게 없이 품질이 높은 전력을 계통에 연계할 수 있어서 가변속운전시스템에 주로 이용된다.

1.3. 풍력발전기 응용성 확대 분야 기술 개발 로드맵

풍력발전시스템의 응용성 확대 분야의 단계별 중점 목표는 발전기 기반기술 개발, 전기 품질의 안정화의 기반 기술 및 보호협조 계통연계기술의 기반 기술을 구축하고 이의 실용화를 목표로 설정하고 있다.



<그림 4> 풍력발전기 응용성 확대 분야 기술 개발 로드맵

출처 : ‘풍력발전 표준화 사업’, 산업자원부, 2007.08

기술개발의 최종적인 목표로는 풍력기기용 발전기의 국산화 개발, 전기품질의 평가기술 확보, 계통과의 연계 기술 확립 및 출력 안정화 기술을 설정하고 있다.



제작사 모델명 용량(MW)

IECType Class 주파수

GE 1.5sle 1.5 IEC I 50/60

GE 1.5sle 1.5 IEC II 50/60

REpower MD70 1.5 IEC II 50

Vestas V82 1.65 IEC II 50/60

Vestas V80 1.8 IEC I, II 60

REpower MM70 2 IEC I 50

REpower MM82 2 IEC I 50

REpower MM92 2 IEC II 50

Vestas V80 2 IEC I 50/60

Enercon E70 2 IEC I -

Enercon E82 2 IEC II -

Gamnsa G80 2 IEC II 50/60

<표 6> 해외 업체별 풍력 발전기 개발 모델

1.4. 풍력발전기 기술개발 동향

(1) 해외현황국외의 풍력발전사업은 1980년대 초부터 미국과 유럽을 중심으로 각국 정부의 적극적인 지원으로 풍력발전 시스템의 제작 기술이 급속하게 발전하여 독일의 Germanischer Lloyd, 덴마크의 DNV 및 RISO 등에서 설계인증ㆍ검증, 성능평가기준을 제시하고 있으며, IEA에서는 풍력발전에 관한 국제규정을 마련하고 있다. 풍력발전 시스템은 유럽을 중심으로 시스템의 대형화에 초점을 두고 2MW급이 상용화 되고 있으며, EC주관 하에 THERMIE Program으로 대형 풍력발전 시스템이 개발되었고, Vestas Ⅴ80(2MW), Bonus 2MW, NEG Micon2750 등이 상용화되었으며, 현재 4.5MW급이 개발 완료되어 시험중에 있다. 현재 유럽에서 독일은 풍력발전 선두 국가로 5MW급을 개발 중에 있으며, 덴마크는 1980년대부터 풍력발전 시스템을 집중 개발하여 현재 풍력 설비시장의 세계 1위(세계설비시장의 41.7%)를 고수하며, 풍력발전의 대형화와 해상풍력발전 등 국제적인 트렌드를 선도하고 있다. 미국은 1980년대 중반까지 세계 풍력발전시장을 주도하여 왔으나 정부지원을 줄임으로 인해 1980년 후반부터 주도권을 빼앗긴 후 1990년대 초부터 다시 DOE지원으로 NREL(National Renewable Energy Lab)과 산업체 공동으로 대형화기술을 개발하고, NASA에서 Blade개 및 지원을 적극적으로 하고 있다. 풍력발전 설비 기술개발 또는 공급을 주도하고 있는 산업체는 10여개 업체(시장 점유율 1% 이상)로서 덴마크와 독일, 네덜란드 등의 소수 유럽회사가 기술을 주도하고 있으며, 주요 업체로는 Vestas, Enercon, Gamesa(스페인), Siemens, GE-Wind(미국) 등이 있다. 이들 업체는 향후 아시아 시장 특히 인도와 중국, 한국을 겨냥하여 적극적으로 진출할 것으로 예상된다.



제작사 모델명 용량(MW)

IECType Class 주파수

Gamnsa G87 2 IEC II 50/60

Suzlon S88 2.1 IEC II 50/60

Siemens 2.3MW 340 2.3 IEC I, II 50

Siemens 2.3MW VS 2.3 -

Siemens 2.3MW VIKII 2.3 IEC II, III 50

Mitsubishi 2.4MW 92 2.4 IEC II 50/60

Nordex N90HS 2.5 IEC I 50/60

Nordex N90LS 2.5 IEC II 50/60

Clipper Wind 2.5MW Liberty 2.5 IEC II, III, S 50/60

Vestas V90/3 3 IEC I 50/60

출처 : ‘대우엔지니어링기술보 제22권’, (주)대우엔지니어링, 2006.10

동력장치 관련 증속기 구동장치 기술에 있어서 직접구동형 가변속도형 풍력발전기 상용화가 Enercon을 중심으로 진행되고 있다. 직접구동형 시스템은 기존 증속기를 이용한 방식보다 기기비용이 증가하지만 설계의 단순성, 증속기의 유지보수 필요성 제거, 변동 회전속도에서의 운전 등으로 인해 지속적인 연구개발이 이루어고 있다. 높은 토크와 낮은 회전속도를 가지는 풍력발전 시스템에 사용되는 직접구동형 발전기의 경우 직경과 중량이 비동기형 유도 발전기에 비해서 부피가 커지고 가격이 증가해 기술 개발에 장애가 되고 있으나 증속기가 필요 없어짐에 따라 유지보수비용이 절감되는 장점으로 지속적인 개발이 이루어질 것으로 예상된다.



(2) 국내 정부기술개발 전략

풍력발전의 개발 및 보급을 달성하기 위해 우리나라는 2018년까지 3단계로 목표로 나누어 진행하고 있다. 1단계(2000~2007)는 기술자립 및 산업화를 구축하는 단계로 완료되었으며, 2단계(2008~2012)는 기술고도화의 단계로 외국제품과 경쟁 가능한 1.5~3MW급의 대형 발전기의 개발을 목표로 하고 있으며, 마지막으로 3단계(2013~2018)는 고부가치 산업화를 완성하는 단계로 이루어져 있다. 각 단계별 세부 목표 내용을 살펴보면 1단계(2000~2007)는 중대형(750kW~1.5MW급) 풍력발전시스템 개발 및 상용화단계로, 단기간에 실용화하여 보급 가능한 국산제품 개발에 집중투자를 목표로 하고 있다. 설계기술에서는 제조업체, 대학, 연구소 등에서 시스템 각각의 부분 설계기술 및 조합기술을 개발하고 계통연계 기기의 가능성 및 효용성 등을 판단한 후 그에 맞도록 설계하고 제조업체에서는 풍력발전기 각각의 요소별로 제작기술이나 시스템 운전제어장치 및 계통연계기기를 제작하고 해외 인증을 받는 단계이다. 2단계(2008~2012)는 대형(1.5~3MW급) 풍력발전시스템 및 상용화단계로, 장기적으로 볼 때 외국제품과 경쟁 가능한 1.5~3MW급의 대형 발전기의 개발을 목표로 삼아 국산 기술의 고급화와 고효율 수출산업으로서의 가능성을 타진하는 단계이다. 3단계(2013~2018)는 초대형(3MW급 이상) 및 해양풍력발전시스템 개발을 목표로 하는 단계로, 내륙의 공간적 제약에서 벗어나 풍력자원이 우수한 해양풍력발전 자원조사 및 해양발전시스템 개발을 주목적으로 하는 단계이다.

(3) 국내 업체 기술개발 동향

국내 풍력발전기 기술개발의 주요 추진 성과를 살펴보면 다음과 같다. 먼저 중대형 풍력발전 시스템의 요소기술 개발로서, 2001년 한국화이바에서 750kW급 회전자를 개발하였으며, 2001년 (주)효성에서 660kw급 풍력발전기용 증속기 및 유도발전기를 개발하였으며, 2002년 한국전기연구소에서 750kW급 제어 및 계통 연계장치를 개발하였다. 중대형 풍력발전 시스템 개발로서 2001년 12월부터 2004년 12월에 걸쳐, (주)효성을 주관 기관으로 애드컴텍, 에너지기술연구원, 기계연구원, 서울대 등이 참여하여 750kW급 Geared Type 풍력발전 시스템 개발을 완료하였으며, (주)유니슨을 주관기관으로 한국화이바, 포항공대, 전북대 등이 참여하여 750kW급 Gearless Type 풍력발전 시스템 개발을 완료하였으며, (주)코윈텍을 주관기관으로 (주)정명기술단, 성진지오텍, (주)코모텍, (주)그린파워 등의 산업체와 전북대, 서울대 등이 참여하여 1MW급 Dual Rotor Type 풍력발전 시스템 개발을 완료하였다. 대형 풍력발전 시스템 개발로서 2004년 9월부터 2007년 8월에 걸쳐 (유)한진산업 자체 기술로 1.5MW급 육상용 풍력발전 시스템이 개발되었으고, (주)효성 주관으로 2MW급 풍력발전 시스템이 개발되었으며, (주)유니슨 주관으로 2MW급 Multibrid 풍력발전 시스템이 개발되었다. 또한 2004년 9월부터 2006년 2월에 걸쳐 서울대학교를 중심으로 3MW급 Offshore용 풍력발전 시스템 개념설계가 완료되었다.



(4) 국내 주요 부품 기술개발 동향 회전익 설계 제작 기술은 1997년 (주)한국화이바가 네덜란드 라거웨이의 Gearless형에 부합하는 블레이드와 가변속 피치제어방식의 설계기준을 적용하여 750kW급 블레이드 시제품을 제작하여 GL사의 인증을 획득하였으며, 산업자원부의 2001~2004년 “750kW급 풍력발전기 개발”에서 Gearless형과 Geared형 풍력발전기에 사용될 750kW급 블레이드 제작을 위한 공력설계, 구조설계, 피로설계 등을 수행하고 2005년도에 시제품을 생산하였으며, <표 5>에 연도별 로터 직경 변화를 나타내었다.

구 분 (A) (B) (C) (D) (D) (F)

년 도 1985 1989 1992 1994 1998 2002

용량(kV) 50 300 500 600 1,500 4,500

로터 직경(m) 15 30 37 46 70 120

비고 : 로터

상대 크기

<표 7 > 연도 및 발전 용량에 따른 로터 직경 변화

출처 : ‘도서 벽지 설치를 위한 100kW급 풍력 발전 시스템 국산화 개발’, 산업자원부, 2007.05 (재구성)

증속기 및 구동장치 기술은 산업자원부의 2000년 “풍력발전시스템용 증속기 및 유도 발전기 개발”에 관한 연구에서 Double Helical Gear를 이용하여 출력 피니언 1개로 모은 동력을 커플링을 통해 전달하도록 구성한 중형급 증속기를 개발한 바가 있으며, 산업자원부의 2001~2004년 “750kW급 풍력발전기 개발”에서 750kW급 Geared형 풍력발전기에 사용될 증속기를 개발하여 현재 2MW급 풍력발전기에 사용될 1단 혹은 2단 증속기의 연구개발이 진행중이다. 발전기 연계 기술은 산업자원부의 2000년 “풍력발전시스템용 증속기 및 유도 발전기 개발”에 관한 연구에서 660kW급 4극 가변 슬립 권선형 유도 발전기를 개발한 경험을 바탕으로 산업자원부의 2001~2004년 “750kW급 Gearless형 풍력발전기 개발”에서 영구자석을 사용한 Radial Flux형 영구자석 동기발전기를 개발하여 크기와 무게를 최소화하고 파워밀도를 높인 연구가 완료되었으며, “750kW급 Geared형 풍력발전기 개발”에서는 기 개발된 유도발전기를 활용하여 개량된 유도 발전기가 개발되었고, 현재 2MW급 발전기가 개발 중에 있다.



제2장 풍력발전(제어 및 응용시스템) 특허출원 동향

2.1. 기술 분류별 특허출원 동향

∎ 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술트리

풍력발전(제어 및 응용시스템)의 동향 분석을 위한 기술 분류를 국제특허분류코드(IPC)중 풍력발전(제어 및 응용시스템)이 속해 있는 F03D(풍력원동기)의 주요 서브클레스로 분류하였다.

IPC별 기술분류

F03D 1/00 거의 풍력방향으로 회전축을 갖는 풍력원동기 제어

F03D 3/00 풍력의 방향에 거의 직각인 회전축을 가진 풍력원동기

F03D 7/00 풍력원동기의 제어

F03D 9/00 풍력에너지의 특수용도에의 적응 풍력원동기와 그것에

의해 구동되는 장치와의 결합

<표 8> 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술분류

2.1-1 출원연도별 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술동향

1990 - 1999

0

10

20

30

40B60L

B63H

F02B

F03B

F03DH02H

H02J

H02K

H02P

2000 - 2009

0

50

100

150

200

250B60L

B63H

F02B

F03B

F03DH02H

H02J

H02K

H02P

<그림 6> 출원년도별 기술동향

<그림 6>은 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 특허출원 시기를 기준으로 구간별 기술 동향을 살펴본 것으로, 1990~1999년대(Commercial Technology)의 구간에서는 H02K와 H02J 분야에 관한 특허들이 다수 출원되었으며, 고성능의 풍력발전(제어 및 응용시스템) 시스템이 개발된 2000~2009년대



(Competition Technology)의 구간에는 F03D 관련 특허의 점유율이 증가한 반면 H02K와 H02J 관련 특허의 출원 점유율은 감소하고 있는 것으로 조사되었다.

2.1-2 기술 분류별 풍력발전(제어 및 응용시스템) 출원동향

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09

B60L B63H F02B F03B F03D

H02H H02J H02K H02P

B60L , 6,1%

B63H, 7,2%

F03B, 7,2%

F03D,243, 52%

H02H, 4,1%

H02J ,76, 16%

F02B, 4,1%

H02K,78, 17%

H02P,37, 8%

<그림 7> 기술 분류별 출원동향

<그림 7>은 국제특허분류코드(IPC)에 따라 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술을 분류하여 각 분류별 출원 동향을 살펴본 것으로, 2000년대 초반부터는 전 연도에 걸쳐 F03D 관련 특허의 출원이 지배적으로 우세한 것으로 조사되었다.F03D 관련 연도별 눈에 띄는 특허 출원 활동을 살펴보면, 2001년부터 2004년까지 특허 출원 증가율이 이전 연도에 비해서 점진적으로 증가하였으며, 2007년도에는 이전에 비해서 매우 큰 폭으로 증가하고 있어, 이 시기에 출원된 특허 중 분쟁 가능성이 높은 특허들이 다 수 존재할 것으로 예상된다.



2.1-3 국가별 풍력발전(제어 및 응용시스템) 역점분야 및 공백기술

<그림 8> 국가별 역점분야 및 공백기술

<그림 8>는 미국과 한국에 대한 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 세부 기술 분야별 역점 분야 및 공백기술에 관한 동향을 나타낸 것으로, B63H(선박의 추진 또는 조타), F02B(내연식 피스톤기관), H02H(비상보호회로장치), H02P(전동기, 발전기, 회전변환기의 제어 또는 조정) 관련 기술이 주요 공백기술로써 각광 받을 것으로 판단된다.



2.2. 풍력발전(제어 및 응용시스템) 주요 출원인 동향

2.2-1 전체 주요 출원인 동향

22

33

444

6

19

2

33333

44445

104

1317

1237

0 5 10 15 20 25 30 35 40

제주대학교 산학협력단케이. 알

NEC티넷

한국전기연구원DELTA ELECTRONI CS

Hawai i an El ect r i c CompanySANKYO SEI KI MFG

U. S. Wi ndpowerVes t as Wi nd Sys t ems A/ S

피에스디테크효성

한국에너지기술연구원Bl ack & DeckerNORDEX ENERGY

SUNDSTRANDCl i pper Wi ndpower Technol ogy

Bos chMi t subi shi El ect r i c

Mi t subi shi Heavy I nd.Hi t achi

DensoAl oys Wobben

Gener al El ec t r i c Company

KR US

풍력발전( 제어 및 응용시스템)주요 경쟁사

<그림 9> 풍력발전(제어 및 응용시스템) 주요출원인

<그림 9>는 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 전체 특허에 대한 주요출원인 동향을 살펴본 것으로, 국내와 미국에 Aloys Wobben사가 다수의 특허 출원을 하고 있으며, General Electric Company, Hitachi 등의 경우에는 미국에만 다수의 특허를 출원하고 있는 것으로 조사되었다. Aloys Wobben과 General Electric Company의 경우 보유 특허수가 타 기업에 비해 특히 많기 때문에 향후 특허 분쟁이 발생될 가능성이 높을 것으로 예상된다.



2.2-2 출원연도별 주요 출원인 동향

<그림 10> 출원연도별 주요 출원인 동향

<그림 10>은 풍력발전(제어 및 응용시스템) 상위 특허 출원 업체 중 주요 출원인에 대한 특허 출원 동향을 나타낸 것으로, 주요출원인들의 특허 출원이 전체적으로 2000년 초반부터 점진적으로 증가한 것으로 조사되었다. 특히, 2002년, 2005년 및 2008년도에 다수의 특허가 출원되어 출원된 특허 중 특허 분쟁 가능성이 높은 특허가 포함될 개연성이 높은 것으로 판단되어 앞으로 주의 깊게 살펴보아야할 특허 군으로 인식하여야 할 필요성이 있다.

2.2-3 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술별 주요 출원인 동향

<그림 11>은 주요 출원인의 기술동향을 나타낸 것으로, Aloys Wobben과 General Electric Company의 경우 F03(원동기)과 H02(전력의 발전, 변환, 배전) 분야에 특허 강점이 있는 것으로 판단된다.



<그림 11> 기술별 주요 출원인 동향

2.2-4 국가별 주요 출원인 동향

<그림 12> 국가별 주요 출원인 동향

<그림 12>는 주요출원인의 국가별 특허출원의 상관관계를 나타낸 것이다.



2.3. IPC 기반 특허출원 동향

2.3-1 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 IPC별 출원동향

4

2

2

28

1

114 129

77

48

37

5

7

4

4

4

20

0 50 100 150 200 250

기타

F02B

H02H

B60L

B63H

F03B

H02P

H02J

H02K

F03D

KR US

<그림 13> IPC별 출원동향

IPC 기술 내용

F03D 풍력원동기

H02J 전력급전 또는 전력배전을 위한 방식; 전기에너지 축적하기 위한 방식

H02K 발전기, 전동기

H02P 전동기, 발전기, 회전변환기의 제어 또는 조정

H03B진동의 발생, 직접 또는 주파수 변조에 의한 진동의 발생, 스위칭 동작

을 하지 않는 능동소자를 사용한 회로에 의한 진동의 발생

<표 9> 상위 출원 IPC 기술 내용

<그림 13>는 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 IPC별 출원동향을 나타낸 것으로, 한국과 미국에서 F03D과 H02J 분야에 출원 비중이 높으며, H02K와 H02P 분야는 미국에서 출원 비중이 높은 것으로 조사되었다.



양수기업 양도기업(인) 이전특허 기술내용

General Electric Company

SABAN, DANIEL M. 6388356Methods and apparatus for

controlling electromagnetic flux in dynamoelectric machines

BARBU, CORNELIU;VYAS, PARAG 2007-891870System and method for loads

reduction in a horizontal-axis wind turbine using upwind information

SCHRAM, CHRISTIAN;LUETZE, HENNING;BUECKER, ANDREAS;AND

OTHERS2007-620139

METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING ROTARY MACHINES

MILLER, NICHOLAS WRIGHT;CLARK, KARA

2005-150612Methods and systems for generating

electrical power

SUNDSTRAND CORPORATION

WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION

4988941Generator voltage regulation with

non-linear compensation

HANSON, MICHAEL J.;MYERS, SCOTT R.;LUDICKY, FRANK J.;AND OTHERS

5689175Voltage regulator for an electrical

power system

SEFFERNICK, GEORGE H.;SHAH, MAHESH J.;MALTBY, BARRY L.

5977648

Hydraulically driven low reactance, large air gap permanent magnet generator and voltage regulation

system for use therewith

Mitsubishi Heavy

Industries, Ltd

WAKASA, TSUYOSHI;IDE, KAZUNARI;HAYASHI, YOSHIYUKI;AND

OTHERS2004-590328

Wind Turbine Generator, Active Damping Method Thereof, and Windmill

Tower

ARINAGA, SHINJI;WAKASA, TSUYOSHI;MATSUSHITA, TAKATOSHI

2007-224293Wind Power Generator System and

Control Method of the Same

SHIBATA, MASAAKI;FURUKAWA, TOYOAKI;HAYASHI, YOSHIYUKI;AND

OTHERS2007-979884

Wind turbine operating apparatus and operating method

Hitachi, Ltd.

KAWAZOE, HIRONARI;FUTAMI, MOTOO;IKEDA, YOUJI;AND OTHERS

2008-015609HYBRID POWER GENERATION OF

WIND-POWER GENERATOR AND BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM

ICHINOSE, MASAYA;OOHARA, SHINYA;FUTAMI, MOTOO;AND OTHERS

2007-954453 Wind Power Generation System

Robert Bosch GmbH

KOHL, WALTER;MEYER, FRIEDHELM;MITTAG, RAINER;AND

OTHERS5198744

Apparatus and method for controlling the output power of a generator to maintain generator temperature below

an allowed limiting value

KOSS, THOMAS;FIEDLER, GERHARD;NASSWETTER, GUENTER;AND

OTHERS6153945

Generator regulator with overload protection means

ABB AB, SWEDEN

BENGTSSON, JORGEN;AGREN, ANDERS 5072714Arrangement for generator windings,

especially in ignition systems

ERIKSSON, KJELL;WIK, SUNE 6479907Plant for generating electric power and a method for operation of such a

plant

V3 CORY, KENNETH D. 2007-803837 Augmented wind power generation

<표 10> 풍력발전(제어 및 응용시스템) 기술이전 동향

2.4. 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 기술이전 동향



양수기업 양도기업(인) 이전특허 기술내용

TECHNOLOGIES, L.L.C.

system using continuously variable transmission and methd of operation

CORY, KENNETH D. 2007-803924

Augmented wind power generation system using an antecedent

atmospheric sensor and method of operation

NAVY, THE UNITED STATES OF AMERICA AS REPRESENTED

RICE, PAHL W. 6984899Wind dam electric generator and

method

ALLIEDSIGNAL INC.

SEARS, JEROME;PARFOMAK, WALTER;KLUSS, WALTER

5796227Initialization damping for a

permanent magnet motor

WIND TURBINE COMPANY

DEERING, KENNETH J. 5584655Rotor device and control for wind

turbine

Vestas Wind Systems A/S

JENSEN, JAN BISGAARD 2009-348230 Wind Turbine Testing System

INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE

GUEY, ZEN-JEY;TUNG, CHIEN-CHIANG;CHANG, YUN-YUAN

2008-330221BLADE PITCH DRIVING APPARATUS FOR

WIND DRIVEN GENERATOR

KKR IP LIMITED LIABILITY COMPANY

PARE, KAREN ANNE;LOWTHER, KELLY WILLIAM;PARE, PHILIP ROGER;AND

OTHERS2008-166687

MODULAR WIND TURBINE, MULTI-TURBINE WIND TURBINE, WIND TURBINE COMPUTER SYSTEM, AND METHOD OF USE THEREOF

ECOLOGICAL ENERGY COMPANY

GARVER, THEODORE M. 2008-157104 Wind turbine blade control system

MAKANI POWER, INC.

GRIFFITH, SAUL;HUA, WENSHENG;HARDHAM, CORWIN;AND

OTHERS2007-890313

Controlling power extraction for wind power generation

NORDEX ENERGY GMBH

KABATZKE, WOLFGANG 2007-749835METHOD FOR THE OPERATION OF A WIND

TURBINE GENERATOR SYSTEM

HIWIN MIKROSYSTEM

CORP.CHUO, YUNG-TSAI 2007-747055 Torque Motor Type Wind Generator

JETPRO TECHNOLOGY INC

CHEN, SHIH H 2006-428347Wind Guiding Hood Structure For Wind

Power Generation

THE TOKYO ELECTRIC POWER COMPANY, INC

HIRAKATA, NAOTO;TEZUKA, HIDEAKI 2006-298569

WIND-DRIVEN ELECTRICITY GENERATION DEVICE, METHOD OF CONTROLLING

WIND-DRIVEN ELECTRICITY GENERATION DEVICE, AND COMPUTER PROGRAM

<표>는 기업별 풍력발전 시스템의 제어 및 응용시스템 관련 기술이전을 받은 사례를 나타낸 것이다. 타 기업(개인)으로부터 많은 수의 기술이전을 받은 기업은 없지만 General Electric Company, SUNDSTRAND 및 Mitsubishi Heavy Industries의 경우 소수 회사로부터 소규모의 기술 이전 받은 것으로 파악되며, 등록특허 이외에 공개특허의 기술이전도 활발하게 이루어지고 있는 것으로 조사되었다. 이들 기업들은 통상적으로는 자체적으로 기술개발을 하여 특허를 취득하지만, 취득한 특허 중 적지만 타사로부터 기술이전을 받고 있으며 이는 개방적인 기술도입 전략을 펼치고 있어서 그 행보의 주목하여야 한다.이외에도 기업간 기술이전을 행하였던 기업들이 발견되지만, 대부분 적은 건수에 그치며, 지주회사나 트롤 등은 발견되지 않는 것으로 파악된다.



제3장 풍력발전(제어 및 응용시스템) 핵심 특허

3.1. 풍력발전(제어 및 응용시스템) 핵심 특허 선별 기준

3.1-1. Extended Patent Family Inside(XFI) 기반

통상적으로 특허 패밀리는 출원일, 특허성 판단시점의 소급 등 어느 일방 특허가 타방 특허에 대하여 법 연계적 효과를 부여하는 관계에 있는 특허들의 집합을 의미하며, 특히 조약우선권의 선/후출원이나, 미국 연속출원(CA, DA, CIP출원 등)이 이에 해당한다.법 연계적 효과가 부여되는 범위는 기술의 동일성이 인정되는 한도이지만, 실제 기술의 동일성 내지 유사성은 이러한 엄격한 법적 잣대로 구분하기 어려우며, 특히 특허분쟁에 있어서는 패밀리만으로 엮어내기 힘든 다수의 유사 특허들이 함께 계쟁되는 사례가 많으므로, 법적 잣대로 패밀리의 개념을 좁히기 보다는, 특허의 패밀리 개념을 보다 확장하는 것이 바람직하다.따라서 패밀리의 개념을 확장하여, IDS를 통하여 References로 제시하였던 특허가 자사의 특허인 경우로서, 본 풍력발전(제어 및 응용시스템) 분석범위에 포함되는 경우 패밀리 관계를 확장 인정하기로 한다.또한 이와 같이 확장된 패밀리 관계의 특허들(Extended Patent Family Inside. XFI)은 상호 유사한 특허들이므로, 마치 단일한 특허와 같이 취급하여 분석한다.

Extended Patent Family Inside 기반

⇒ 단일한 특허처럼 취급

- 통상의 Patent Family (CA, DA, CIP출원)

- 분석범위에 포함된 자사의 citation 관계의 출원

3.1-2. 3극특허 패밀리 수

3극특허 패밀리 수는 패밀리 출원 중 미국, 일본, 유럽(EP 또는 유럽 개별국 2개국 이상)에 대하여 출원된 국가 수를 의미한다. 미국 출원을 대상으로 분석하므로 3극특허 패밀리 수는 최소 1의 값을 가지며, 최대 3의 값을 가질 수 있다.XFI 개념을 이용하는 경우, XFI 중 각각의 특허에 대한 3극특허 패밀리 수가 다를 수 있으므로, 이러한 경우 평균을 이용하며 산출한다.

3극 특허 패밀리- 미국, 일본, 유럽(EP 또는 유럽 개별국 2개국 이상)

- 분석범위에 포함된 자사의 Backward-citation



특허권자 특허번호 명칭 CII

GENERAL ELECTRIC COMPANY

6034456 Compact bearingless machine drive system

15

6166469Method of fabricating a compact bearingless machine drive

system

6600240 Variable speed wind turbine generator

6921985 Low voltage ride through for wind turbine generators

7013203 Wind turbine system control

<표 9> 풍력발전(제어 및 응용시스템) 주요 특허

3.1-3. Citaion Inside Index(CII)

통상적으로 Citation 지수(피인용 지수)는 피인용이 자사에 의하여 이루어졌는지, 타사에 의하여 이루어졌는지에 관계없이 전체를 합산하여 산출하는 방식과 타사에 의하여 인용되는 경우만을 산출하는 방식이 병행하였다. 그러나, 기술 경쟁의 격화는 자사에 의한 인용보다는 타사에 의하여 인용되는 정도를 통하여 보다 명확히 판단할 수 있으며, 이와 같은 기술 경쟁의 격화는 분쟁과의 관련성이 크다. 따라서 Citation 지수를 개선하여 타사에 의하여 인용되는 경우만을 산출한다.또한 Citation이 전혀 다른 기술분야에서 인용된 경우, 해당 기술의 파급적 효과가 크다고 말할 수는 있지만, 상이한 기술분야에 대한 파급효과는 사실상의 의미를 가질 뿐, 상호 분쟁으로 연계될 가능성은 희박하다. 따라서 Citation을 동일 기술분야, 특히 본 풍력발전(제어 및 응용시스템) 분석범위에 포함되는 경우에 한정하여 산출하는 것이 분쟁과의 연관성이 높은 Citation 지수를 산출할 수 있다.이와 같이, 기술범위를 한정하고, 타사에 의한 인용만으로 한정하여, 특허별, XFI별, 기업별로 산출한 피인용의 빈도를 Citation Inside Index(CII)라고 하기로 한다.

Citation Inside Index

(CII)

- 타사에 의한 인용만으로 한정

- 분석범위에 포함된 특허에 의한 인용만으로 한정

3.1-4. XFI 개념과 3극특허 패밀리 수, CII 지수의 결합

기술에 대한 중요성, 핵심성의 평가는 해당 기술을 개발한 기업의 입장에서 평가될 수도 있고, 경쟁사의 입장에서 평가될 수도 있는데, 자사 입장에서의 평가는 XFI 및 3극특허 패밀리 수를 통하여 간접적으로 인지할 수 있고, 경쟁사 입장에서의 평가는 CII를 통하여 간접적으로 인지할 수 있는 바, 따라서 이들 지수를 결합하여 핵심 특허를 선출하기로 하며, 3극특허 패밀리 수와 CII는 XFI 기반으로 산출하며, 이들 지수 중 CII를 가장 핵심적인 지수로 보고, CII와 3극특허 패밀리 수가 상호 허용 가능한 오차범위 이내라고 판단되는 경우에는 기술 내용을 참고하여 핵심특허를 선별한다.

3.2. 풍력발전(제어 및 응용시스템)의 주요 특허 CII



특허권자 특허번호 명칭 CII

7119452 Voltage control for wind generators



7309930Vibration damping system and method for variable speed wind

turbines

7342323System and method for upwind speed based control of a wind

turbine

7423352 Vibration damping method for variable speed wind turbines

7573160Methods and apparatus for controlling windfarms and

windfarms controlled thereby

7608937Power generation system and method for storing electrical

energy

U.S. Windpower, Inc.

5155375 Speed control system for a variable speed wind turbine

135225712

Variable speed wind turbine with reduced power fluctuation and a static VAR mode of operation

Mitsubishi Electric Corporation

6946751 Wind power generation system

5

Hitachi, Ltd.

7145262 Wind turbine generator system



ABB AB 6479907Plant for generating electric power and a method for

operation of such a plant4

McCombs, John C. 5506453 Machine for converting wind energy to electrical energy

3

Clipper Windpower Technology, Inc.

6726439Retractable rotor blades for power generating wind and ocean current turbines and means for operating below set

rotor torque limits

VRB Power Systems Inc.

7227275 Method for retrofitting wind turbine farms

7265456Power generation system incorporating a vanadium redox battery and a direct current wind turbine generator

Clipper Windpower Technology, Inc.

7317260 Wind flow estimation and tracking using tower dynamics

7432686Wind turbine generator apparatus with utility fault

ride-through capability

7581926Servo-controlled extender mechanism for extendable rotor

blades for power generating wind and ocean current turbines

WIND TURBINE COMPANY 5584655 Rotor device and control for wind turbine

2Aloys Wobben

6676122 Wind energy facility with a closed cooling circuit

7365446Wind power plant having power module mounted on tower foundation and method for use in constructing same

7392114 Method for operating a wind park

7436084Wind energy plant and method for use in erection of a wind

energy plant

7504742Method for the erection of a wind energy plant, and wind

energy plant



제4장 풍력발전 분쟁 동향

4.1. 주요 출원인별 분쟁 현황

4.1-1 미국 특허기반 특허 분쟁 현황원고 피고 특허권 cause 제소일 법원

General

Electric

Company

MITSUBISHI HEAVY

INDUSTRIES AMERICA,

INC, MITSUBISHI HEAVY

INDUSTRIES LTD,

MITSUBISHI POWER

SYSTEMS AMERICAS, INC

5083039

6921985

7321221

15 USC 1126

PATENT

INFRINGEMENT

2009-09-03

U.S. DISTRICT COURT

SOUTHERN DISTRICT OF

TEXAS

4.2. IPC(UPC) 기반 분쟁 현황

4.2-1 UPC별 소송비율

290/44, 1,100.0%

<그림 14> IPC별 소송비율

UPC (클래스) 의미 소송건수

290/44 PRIME-MOVER DYNAMO PLANTS / Wind 1

총합계 1

<표 10> UPC별 소송 현황



4.2-2 IPC별 소송비율

H02P-009/00,1, 100.0%

<그림 15> IPC별 소송 현황

IPC 의미 심판건수

H02P-009/00전동기, 발전기, 회전변환기의 제어 또는 조정 - 소

망 출력을 얻기 위한 발전기 제어장치1

총합계 1

<표 11> IPC별 소송 현황

Documents

풍력발전(제어 및 응용시스템)blog.ipac.kr/filebb/%C6%AF%C7%E3%BA%D0%C0%EF%BF%B9%BA%B8%BA%B8… · 1.4. 풍력발전기 기술개발 동향 (1) 해외현황 국외의 풍력발전사업은