KR0182336B1 - 전력 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있는 가변 속도 발전기-전동기 장치 - Google Patents

전력 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있는 가변 속도 발전기-전동기 장치 Download PDF

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타까히사 까게야마
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사또 후미오
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Abstract

가변 속도 발전기-전동기 장치는 전력 시스템에 접속된 1차권선, 교류(AC)에 의해 여자되는 2차 권선 및 발전기 축을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 발전기 축과 결합된 원동기/부하; 전력 시스템에서의 주파수 및 전압 위상과 발전기 축의 회전 데이터를 포함하는 전력 데이터에 근거하여 AC 여자 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 요소; 발전기-전동기에서의 슬립 주파수 명령값을 발생하기 위한 요소; 및 AC 여자 주파수가 슬립 주파수 명령값으로 설정되도록 발전기-전동기를 제어하기 위한 주파수 제어 요소를 구비하고 있다.

Description

전력 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있는 가변 속도 발전기-전동기 장치
제1도는 제1예에 따른 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치를 나타낸 블록선도.
제2도는 제2예에 따른 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치를 나타낸 블록선도.
제3도는 동기 기계를 사용하는 종래의 발전기-전동기 장치의 동작을 나타낸 특성도.
제4도는 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치의 동작을 나타낸 특성도.
제5도는 제3예에 따른 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치를 나타낸 블록선도.
제6도는 제4예에 따른 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치를 나타낸 블록선도.
제7도는 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기본적인 개념을 나타낸 블록선도.
제8도는 본 발명의 제1특징에 관련된 제1실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제9도는 제8도에 도시된 가변 속도 발전기-전동기 장치에 설치된 PLL회로의 한 예를 나타낸 블록선도.
제10도는 제8도에 도시된 가변 속도 발전기-전동기 장치에 설치된 슬립 주파수 명령값 발생 회로를 나타낸 블록선도.
제11도는 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 동작을 나타낸 특성도.
제12도는 본 발명의 제1특징에 관련된 제2실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제13도는 본 발명의 제2특징에 관련된 제3실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제14도는 본 발명의 제3특징에 관련된 제4실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제15도는 본 발명의 제4특징에 관련된 제5실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제16도는 본 발명의 제5특징에 관련된 제6실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
제17도는 본 발명의 제6특징에 관련된 제7실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 구조를 나타낸 블록선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유도기 2 : 펌프 터어빈
3 : 사이클로컨버터 4 : 서보 모터
5 : 전압 설정기 6 : 유효전력설정기
7 : 헤드 검출기 8 : 함수 발생기
[발명의 배경]
본 발명은 전력 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있는 가변 속도 발전기-전동기 장치에 관한 것이다.
가변 속도 발전기-전동기 장치는 동기기(synchronous)를 사용하는 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치 대신에 권선형 회전자 유도 발전기-전동기에 의해 실제로 사용되고 있다. 가변 속도 발전기-전동기 장치는 전력 시스템에 접속된 1차권선과 교류(AC)에 의해 여자되는 2차 권선 및 유도기의 발전기축과 결합된 부하로서의 원동기(prime mover)를 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기(이후부터는 유도기(induction machine)라고함)를 구비하고 있다. 발전기-전동기 장치는 시스템 주파수에 의해 결정되는 동기 속도와는 다른 회전 속도로 구동될 수 있기 때문에, 동작 효율을 최적화할 수 있고 시스템 난조시에 종래의 동기기에서의 요동(jolting)을 억압할 수 있다. 그러나, 기계를 동기속도와 다른 회전 속도로 동작시키기 위하여 동기 속도와 회전 속도와의 차이로 결정되는 주파수를 갖는 교류로 2차 권선을 여자시킬 필요가 있다(1986년 3월 일본 전기협회 저널 참조).
여기서는, 동기 속도 N1가 시스템 주파수 f1과 발전기-전동기의 극수 p에 의해 결정되며 N1는 N1=120 f1/p로서 정의된다. 따라서, 동기 속도 N1는 일정한 값이 아니고 시스템 주파수 f1의 변환에 따라 변하게 된다.
가변 속도 발전기-전동기 장치는 시스템 주파수에 의해 결정된 동기 속도에 고정하지 않고 회전 속도의 최적 제어를 행할 수 있고 2차 권선은 동기 속도와 회전 속도와의 차이로 결정된 주파수를 갖는 교류로 여자되는 특징을 가지고 있다.
가변 속도 발전기-전동기 장치는 교류 여자 제어 장치에 의해 유도기의 유효 전력을 제어할 수 있고 또한 부하로서의 원동기의 토오크를 원동기/부하 제어 장치에 의해 제어할 수 있기 때문에, 교류 여자 장치 및 원동기/부하 제어 장치 모두는 회전 속도를 제어할 수 있게 된다(소화 61년(1986) 일본 전기 협회의 전체 회의의 보고서 제1026호 참조).
일본 특허 출원 공개 제61-247299호 (1986) 및 제 3-51910호 (1991)에는 AC 여자 제어 장치가 회전 속도를 제어하는 한 예가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제1-231698호(1989)에는 원동기 어느 도면에도 도시되어 있지 않지만, 원동기/부하 제어 장치가 회전 속도를 제어하고 있는 한 예를 개시하고 있다.
특허 출원 제1-241698호의 예는 단지 무효 전력만을 제어하기 위한 AC 여자 장치(사이클로 컨버터)(cycloconverter)를 가지고 있기 때문에, 회전 속도는 도면에 도시되어 있지 않은 원동기 제어 장치와 같은 다른 제어 장치에 의해 제어된다.
양수식 발전 시스템을 한 예로하여 가변 속도 발전기-전동기 장치의 종래의 구성 및 기능을 이하에 설명한다.
이하의 설명에서, 모든 변수 및 상수들은 각각의 그 표준 값에 의한 차원이 없는 값이며 심볼 εjθ1, εjθ2, εjθR, ε(jθ2+Φt)는 지수함수를 의미한다. 예를들어, εjθ1는 EXP(jθ1)이 된다. 따라서, 여러 가지 단위량들이 도면에서 사용되고 있지만, 그 값들은 무차원 처리를 한다. 다른 단위량들간에서 가산 및 감산을 직접 행하는 경우에도 실제로 아무런 문제가 없다.
우선, AC 여자 제어 장치가 회전 속도를 제어하는 가변 속도 양수식 발전 시스템의 제1예를 설명한다. 제1도는 AC 여자 제어 장치의 시스템 구조를 나타낸다.
제1도에서, 권선형 회전자 유도 발전기-전동기(1)(이후부터는 유도기라고 함)는 가역 펌프 터어빈(reversible pump turbine)(2)에 접속된 회전자 및 교류에 의한 주파수 변환기로서의 사이클로 컨버터(3)에 의해 여자되는 2차 권선을 가지고 있다. 가변 속도 동작 동안에, 함수 발생기(8)는 유효 전력 설정기(6)의 출력 p*및 헤드 검출기(7)의 출력 H에 근거하여 최적 회전 속도 및 안내 날개 개구각을 얻게 되며 회전 속도 명령 N*및 안내 날개 개구각 명령 Y*을 각각 출력하게 된다.
안내 날개 개구각 제어 장치(140)는 안내 날개 개구각 제어기(41) 및 안내 날개 개구각 명령 Y*과 실제 안내 날개 개구각 Y의 차를 계산하기 위한 감산기를 구비하고 있으며, 가역 펌프 터어빈(2)의 실제 안내 날개 개구각 Y를 제어하여 오일 압력 서보 모터(4)를 통하여 안내 날개 개구각 명령 Y*과 일치하도록 한다.
전압 제어 장치(120)는 전압 제어기(21) 및 전압설정기(5)의 출력 V*와 전압 변환기(17)와 전압 검출기(23)에 의해 검출된 유도기(1)의 1차 전압 V1사이의 차를 계산하기 위한 감산기(22)를 구비하고 있으며, d-축 전류 명령 값 Id *을 계산하여 전압 설정기(5)의 출력 V*가 유도기(1)의 1차 전압 V1과 같도록 한다.
여기에서, d-축 전류는 유도기(1)의 1차 전압 V1으로부터 90도 지연된 전류 성분이며 무효 전력에 비례한다.
속도 제어 장치(130)는 속도 제어기(31) 및 각각 속도 신호 발생기(33) 및 속도 검출기(34)에 의해 얻은 회전 속도 명령 N*과 속도 신호 NR과의 차이를 계산하기 위한 감산기(32)를 구비하고 있으며, 여기서 발생기(33)는 유도기(1)의 회전자에 설치되어 있으며 회전 속도에 비례하는 주파수를 갖는 교류 신호를 출력시키며 검출기(34)는 주파수에 비례하는 전압을 발생시킨다. 장치(130)는 q-축 전류 명령값 Iq을 계산하여 속도 신호 NR가 상기 차이에 근거하여 회전 속도 명령 N*과 같도록 한다.
Idq-축 전류 검출 장치(100)는 유도기(1)에서의 회전자의 위상을 검출하기 위한 위상 검출기(19), 전력 시스템(9)에서의 전압을 검출하기 위한 전압 변환기(17), 시스템 전력에서의 전압 벡터를 검출하기 위한 전압 벡터 검출기(18), 전압 변환기(17) 및 위상 검출기(19)에 의해 검출된 유도기(1)의 1차 전압 V1의 위상 εjθ1에 근거하여 유도기(1)의 2차 전류의 위상 기준 εjθ2를 검출하기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로(16), 유도기(1)의 2차 전류 i2를 검출하기 위한 전류 검출기(15) 및 유도기(1)의 2차 전류 i2및 2차 전류의 위상 기준 εjθ2에 근거하여 Idq-축 전류를 검출하기 위한 Idq-축 전류 검출기(14)를 구비하여, 유도기(1)의 2차 전류의 d-축 전류 Id 및 q-축, 전류 Iq를 검출하도록 되어 있다.
여기에서는, 위상 신호 εjθR, εjθ2, 및 εjθ2는 각각 회전자의 전기각 θR에 의해 결정된 벡터 cosθR+jsinθR, 전압 V1의 위상각 θ1에 의해 결정된 벡터 cosθ1+jsinθ1및 θ1-θR(θ2라고 함)에 의해 결정된 벡터 cosθ2+jsinθ2에 해당한다.
그 다음에, 종래의 가변 속도 양수식 발전 시스템의 제2예를 설명하는데 여기에서는 안내 날개 개구각 제어 장치가 그의 시스템 구조를 나타내는 제2도를 참조하여 회전 속도를 제어한다.
제2도에서, 각각의 구조가 제1도에 도시한 것들과 동일하기 때문에, 유도기(1); 펌프 터어빈(2); 사이클로 컨버터(3); 유효전력 설정기(6); 헤드 검출기(7); 함수 발생기(8); 오일 압력 서보 모터(4); 안내 날개 개구각 제어기(41) 및 감산기(47)를 포함하고 있는 안내 날개 개구각 제어 장치(140); 전압 설정기(5); 전압 변환기(17), 전압 검출기(23), 감산기(22) 및 전압 제어기(21)를 포함하고 있는 전압 제어 장치(120); 회전자의 위상 검출기(19), 전압 변환기(17), 시스템 주파수의 위상 검출기(18), PLL 회로(16), 전류 검출기(15) 및 Id/Iq 검출기(14)를 포함하고 있는 Idq-축 검출 장치(100); 및 감산기(12) 및 전류 제어기(11)를 포함하고 있는 2차 전류 제어 장치(110)에 대한 이중 설명을 생략한다.
제1도와 다른 내용은 속도 제어 장치(160)가 속도 제어 장치(130) 대신에 제공되어 있고, 속도 제어기(31), 감산기(32) 및 가산기(33)를 구비하고 있어 속도 제어기의 출력 Nc 및 안내 날개 개구각 명령 Y*을 정정하여 정정된 안내 날개 개구가 명령값 Y*1을 계산하도록 한다는 것과, 전류 검출기(71), 유효 전력 검출기(72), 감산기(73) 및 유효 전력 제어기(74)를 구비하고 있다는 것이다.
유효 전력 제어부(170)에서는, 유효 전력 제어기(74)가 유효 전력 검출기(72)의 출력 P가 유효 전력 명령값 P*와 일치하게 q-축 전류 명령값 Iq *을 출력시킨다.
게다가, 속도 제어 장치(160)는 안내 날개 개구각 명령값 Y*을 정정하여 회전 속도 NR이 속도 명령값 N*과 일치하도록 하는 신호 NC를 출력하고, 안내 날개 제어 장치(140)는 안내 날개 개구각 Y이 정정된 안내 날개 개구각 명령값 Y1 *에 일치하도록 동작한다. 함수 발생기가 제대로 동작하는 경우에, 정정된 신호 NC는 0이 된다.
따라서, 제2도에 도시된 구성이 제1도에 도시된 시스템과 동일하게 동작할 수 있기 때문에, 즉, V=V*, NR=N*, Y=Y*, Id=Id *및 Iq=Iq *이기 때문에, 전압 V*하에서 유효 전력 설정값 PR에 대하여 헤드 H를 갖는 시스템을 제대로 동작시킬 수 있게 되며 따라서 회전 속도 N*및 안내 날개 개구각 Y*에 의해 시스템을 동작시키게 된다.
종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치에서는, 시스템 주파수에 의해 결정된 동기 속도에 고정하지 않고 최적 회전 속도로 시스템을 실제로 제어할 수 있기 때문에, 여러가지 특징에도 불구하고 시스템 주파수와 별도로 회전 속도를 제어함으로써 다음과 같은 문제점이 발생하게 된다.
첫번째 문제점은 전력 시스템 주파수 또는 회전 속도의 큰 변화로 인하여 시스템 동작이 불안정하게 된다는 것이다.
유도기(1)의 2차 권선에서 발생하는 전압은 슬립 S에 비례한다. 2차 권선에서의 전압이 사이클로컨버터에서 출력된 전압 V2MAX를 넘게 되는 경우에, 사이클로컨버터는 유도기(1)의 2차 전류를 제어할 수 없게 되고 따라서 동작의 연속성이 이루어지지 않는다. 슬립 S는 동기 속도 N1과 유도기(1)의 회전 속도 NR에 의해 결정되며 이는 또한 주파수로 나타낼수 있어 다음과 같이 식(1)로 표시된다:
식(1)로부터 알수 있는 바와 같이, 회전 속도(NR, 즉 주파수 fR)이 일정하지만, 전력 시스템 주파수 f1의 큰 변화는 슬립 S를 증가시킴으로써 동작을 정지시키게 된다. 예를들어, 주파수 f1가 100%인 경우, 주파수 fR은 95%이고 슬립 S는 5%이며, 주파수 f1가 105%로 변하게 되면 슬립 S는 10%로 된다.
마찬가지로, 전력 시스템 주파수(주파수 f1, 즉 속도 N1)이 일정하지만, 회전 속도의 큰 변화는 슬립을 증가시킴으로써 동작을 정지시키게 된다. 예를들어, 속도 N1이 100%인 경우에, NR는 95%이고 슬립은 5%이고, 속도 NR가 90%로 변하게 되면, 슬립 S는 10%로 된다. 특히, 안내 날개 제어에 의해 회전 속도를 제어하는 가변 속도 발전기-전동기 장치에서는, 회전 속도는 대체로 유효 전력의 변화에 따라 변하기 때문에, 슬립은 크게 되어 동작을 정지시키게 된다. 따라서, 이 문제점에 대한 대응책을 마련할 필요가 있다.
두번째 문제점은 동기화력이 억압되기 때문에 동기화력(synchronizing power )이 전력 시스템의 주파수 변동의 억압에 기여할 수 없다는 것이다.
전력 시스템 주파수가 감소하는 경우의 일예를 설명한다. 전력 시스템 주파수 f1가 동기기를 사용하는 종래의 발전기-전동기 장치에서 제3(a)도에 도시한 바와 같이 감소하는 경우에, 발전기-전동기의 출력은 발전 동작동안에 증가하게 되며 따라서 속도가 전력 시스템 주파수 f1에 해당하는 회전 속도 NR로 감소하여 전력 시스템과 동기를 유지하게 된다. 양수식 동작을 하고 있는 동안에는, 동기기의 입력은 감소하게 되고 따라서 속도는 전력 시스템 주파수 f1에 해당하는 회전 속도 NR로 감소하여 전력 시스템과 동기를 유지하게 된다.
동기화력은 이 경우에 동기기의 출력의 증가와 입력의 감소에 대하여 요구된다. 동기화력은 억압 방향으로의 전력 시스템 주파수의 감소에 대한 변화이며 전력 시스템 주파수의 변화의 억압에 기여하도록 한다.
반면에, 가변 속도 발전기-전동기 장치에서는, 전력 시스템 주파수 f1이 제4도에 도시한 바와 같이 감소하는 경우에, 동기화력에 의해 회전 속도도 또한 감소하게 되지만 회전 속도는 전력 시스템 주파수 f1에도 불구하고 상기한 바와 같이 속도 NR로 억압되기 때문에, 유도기의 출력의 증가(또는 유도기의 입력의 감소)와 회전 속도의 감소 모두는 동기화력의 상쇄로 인하여 발생하지 않는다. 제4(b)도는 발전기-전동기 장치가 동기 속도 No보다 낮은 속도로 회전하는 한 예를 나타낸다.
이것은 가변 속도 발전기-전동기 장치가 전력 시스템의 주파수 변화의 억압에 기여하지 않는다는 것을 의미한다.
세번째 문제점은 조속기 자유 기능(soverner free fanction)때문에 전력 시스템의 주파수 변화의 억압에 기여할 수 없다는 것이다.
동기기를 갖는 종래의 발전기-전동기 장치에서는, 원동기의 제어 기능이 회전 속도를 발전동작동안 감소하게 하기 때문에 전력 시스템 주파수가 감소하게 되는 경우에, 조속기 자유 기능이라고 하는 기능이 있어 원동기의 출력이 변하여 회전 속도의 감소를 억압하게 된다. 조속기 자유 기능은 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여하게 되며 조속기 자유 기능은 원동기의 출력을 변화시켜 원동기의 회전 속도의 감소를 억압하게 하는 기능이며 이와같이 전력 시스템의 주파수가 감소하게 된다.
반면에, 종래의 가변 속도 발전기-전동기 장치에서는, 회전 속도가 변하지 않기 때문에 전력 시스템 주파수가 감소하지만 원동기의 출력이 변하지 않는다.
첫번째 문제점을 해결하기 위하여, 검출된 슬립이 설정된 값이상이 되는 양에 해당하는 AC 여자 제어 장치에 의해 유효 전력을 정정하기 위한 방법이 제공되어 있다(일본 특허 출원 공개 제1-231698호(1989) 참조).
이 방법은 제5도에 도시된 제3종래의 한 예로서 슬립 주파수 한계 장치(180)을 더 가지고 있는 유도기를 갖는 발전기-전동기 장치를 사용하며, PLL 출력 신호에 근거하여 유도기(1)의 여자 주파수 f2(즉, 슬립 주파수 fs)를 검출하기 위한 슬립 주파수 검출기(81), 슬립 주파수 fs가 슬립 폭 설정값 fm이상인 양을 검출하기 위한 슬립 초과 검출기(82), 1차 지연 계산기(83) 및 정정된 유효 전력 명령값 P1 *을 출력하기 위하여 유효 전력 명령값 P*으로부터 1차 지연 계산기(83)의 출력 Pc를 감산하기 위한 감산기(84)를 구비하고 있다.
이 방법에서는, 슬립 주파수 fs가 슬립 주파수 한계장치(180)에 의해 슬립 폭 설정값 fm을 크게 초과하지 않기 때문에, 슬립의 초과없이 시스템을 안정되게 동작시킬 수 있다.
그러나, 상기 방법은 두번째 및 세번째 문제점을 해결할 수 없기 때문에, 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 대해 종래의 방법을 변경하지 않는다.
세번째 문제점을 해결하기 위하여, 전력 시스템에서의 검출된 주파수 변화에 의해 유효 전력 설정기(6)의 출력 P*를 정정하기 위한 방법이 제공되어 있다(일본 특허 공보 제3-51910호(1991)).
이 방법은 제6도에 도시한 제4예로서 제1도에 도시한 요소에 부가하여 주파수 검출기(85), 변화율 계산기(86) 및 가산기(84)를 포함하고 있는 전력 시스템 주파수 변화 억압 수단을 구비하고 있는 발전기-전동기 장치를 사용한다. 이 방법에서는, 전력 시스템 주파수 변화 억압 수단이 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하는 유효 전력 명령값을 정정하기 때문에, 유효 전력은 전력 시스템에서의 주파수 변화를 억압하기 위하여 그 방향으로의 결과로서 변화하며 그 때문에 전력시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여하게 된다.
그러나, 이 방법은 첫번째 및 두번째 문제점을 해결할 수 없기 때문에 불완전한 개선만을 하게 된다.
[발명의 요약]
본 발명의 첫번째 목적은 전력 시스템 주파수가 크게 변하는 경우에도 오동작없는 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 동기화력의 상쇄없이 가변 속도 발전기-전동기 장치를 이용하여 전력시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여하게 하는 것이다.
본 발명의 세번째 목적은 전력 시스템에서의 주파수 변화를 억압하기 위하여 제어 기능이 부가된 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치는 전력 시스템에 접속된 1차 권선, 교류(AC)에 의해 여자되는 2차 권선 및 발전기 축을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 발전기 축과 결합된 원동기/부하; 전력 시스템에서의 주파수 및 전압 위상과 발전기 축의 데이터를 포함하는 전력 데이터에 근거하여 AC 여자 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 요소; 발전기-전동기에서의 슬립 주파수 명령값을 발생하기 위한 요소; 및 AC 여자 주파수가 슬립 주파수 명령값으로 설정되도록 발전기-전동기를 제어하기 위한 주파수 제어 요소를 구비하고 있다.
첫번째 및 두번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징은 전력 시스템에 접속된 1차 권선 및 교류로 여자되는 2차 권선을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 권선형 회전자 유도 발전기-전동기의 발전기 축에 결합된 원동기/부하; 전력 시스템의 주파수 및 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각 중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 및 AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값으로 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단을 구비한 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
상기 첫번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2특징은 제1특징의 장치에 부가하여 슬립 주파수 제어 수단으로부터 출력된 슬립 주파수 명령값을 기준 값이내에 한정하기 위한 수단을 더 구비하는 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
상기 두번째 및 세번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제3특징은 전력 시스템에 접속된 1차 권선과 교류에 의해 여자되는 2차 권선을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 권선형 회전자 유도 발전기-전동기의 발전기 축에 결합된 원동기/부하; 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도 및 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 및 AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단을 구비한 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
두번째 및 세번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제4특징은 전력 시스템에 접속된 1차 권선과 교류에 의해 여자되는 2차 권선을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 권선형 회전자 유도 발전기-전동기의 발전기 축에 결합된 원동기/부하; 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도 및 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 원동기/부하의 토오크를 정정하기 위한 원동기/부하 토오크 정정수단을 구비한 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
두번째 및 세번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제5특징은 전력 시스템에 접속된 1차 권선과 교류에 의해 여자되는 2차 권선을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 권선형 회전자 유도 발전기-전동기의 발전기 축에 결합된 원동기/부하; 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도 및 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 회전각의 회전 속도에 대응하여 슬립 주파수 명령값을 정정하기 위한 슬립 주파수 명령값 정정 수단을 구비한 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
두번째 및 세번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제6특징은 전력 시스템에 접속된 1차 권선과 교류에 의해 여자되는 2차 권선을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기; 권선형 회전자 유도 발전기-전동기의 발전기 축에 결합된 원동기/부하; 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도 및 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 슬립 주파수 명령값을 정정하기 위한 슬립 주파수 명령값 정정 수단을 구비한 가변 속도 발전기-전동기 장치를 제공하는 것이다.
상기 제1특징으로 구성된 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 발전기-전동기 장치는 슬립 주파수 제어 수단을 구비하고 있기 때문에, 슬립 주파수 fs, 즉 f1-fR는 일정하도록 제어되고 이에 따라 식(1)의 분자가 일정하게 된다. 따라서, 전력 시스템에서의 주파수가 변하게 되더라도, 슬립은 변하지 않는다. 예를들어, f1이 100%이고 fR이 95%가 되어 슬립 S가 5%가 되는 경우, f1이 105%로 변하게 되더라도 fs가 일정하기 때문에 fR은 100%가 되도록 제어되며 이에 따라 슬립 S가 5%에서 4.76%로 변할 뿐이기 때문에 슬립 S의 변화는 작게 된다.
상기한 바와 같이, 전력 시스템에서의 주파수가 변하게 되는 경우, 회전 속도는 슬립 주파수의 변화를 막기 위하여 전력 시스템에서의 주파수 변화와 동일한 율로 변하게 된다. 이 변화는 동기화력에 의한 유도기의 회전 속도의 변화와 같으며, 이는 가변 속도 발전기-전동기가 동기화력을 상쇄하지 않는 것을 의미한다.
제2특징으로 구성된 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 제2특징에 따른 장치는 슬립 주파수 명령값을 기준값내에 한정하기 위한 수단을 구비하고 있기 때무에, 슬립은 전력 시스템에서의 주파수가 변하더라도 상기한 바와 같이 기준값 이내로 한정된다.
제3특징으로 구성된 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 제3특징에 따른 장치가 회전 속도의 변화△N에 비례하는 △τM을 갖는 원동기/부하의 토오크를 정정하는 경우, 슬립 주파수는 항상 주파수 f2를 제어하기 때문에 정정량 △τM은 유도기(1)의 유효 전력을 △τM으로 정정하기 위하여 전력 시스템에서의 주파수 f1의 변화량에 비례한다. 따라서, 제3특징의 수단을 사용하는 장치는 원동기/부하의 토오크와 유도기(1)의 유효 전력을 전력 시스템의 주파수 f1의 변화에 대응하여 변하도록 하는 조속기 자유 기능을 나타낸다.
본 발명의 제4특징에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 제4특징의 장치는 원동기/부하의 토오크와 유도기(1)의 유효 전력을 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 정정하기 때문에, 제4특징의 장치는 제3특징과 동일하게 조속기 자유 기능을 나타낸다.
본 발명의 제5특징에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 제5특징의 장치는 전력 시스템의 주파수 변화 △f1를 적분한 값에 의해 슬립 주파수 명령값 fs *를 정정한다. 슬립 주파수 제어는 주파수 f2를 슬립 주파수 명령값 fs *와 일치하도록 정정하기 때문에, 유도기(1)의 유효 전력의 정정량 △PE는 전력 시스템에서의 주파수 변화 △f1에 대응하는 값이다. 유효 전력의 정정량 △PE는 이후에 설명하는 바와 같이 슬립 주파수 명령값 f2 *의 정정에 따라 변한다.
제6특징으로 구성된 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기능을 설명한다. 본 발명의 제6특징에 따른 장치는 전력 시스템 주파수와 기준 주파수사이의 차이 △f1에 대응하는 슬립 주파수 명령값 fs *를 정정한다. 슬립 주파수는 주파수 f2를 제어하여 슬립 주파수 명령값 fs *에 일치하도록 하기 때문에, 유도기(1)의 유효 전력의 정정량 △PE는 전력 시스템에서의 주파수 변화 △f1에 대응하는 값이다. 유효 전력의 정정량 △PE는 이후에 언급하는 바와 같이 슬립 주파수 명령값 f2 *의 정정으로 변하게 된다.
따라서, 전력 시스템의 주파수가 크게 변하는 경우 동기화력을 상쇄하지 않고 슬립 변화가 억압되고 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응할 수 있기 때문에, 또한 유효 전력이 전력 시스템에서의 주파수 변화를 억압하는 방향으로 변하도록 하기 때문에, 전력 시스템 주파수가 크게 변하는 경우에도 동작 오류가 발생하지 않게 되고 이에 따라 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여하기 된다.
[양호한 실시예의 상세한 설명]
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 양호한 실시예를 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 앞서, 제7도를 참조하여 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 기본적인 개념을 설명한다. 제7도에서, 발전기-전동기 장치는 전력 시스템(9)에 접속된 1차 권선(1A), 교류(AC)에 의해 여자되는 2차 권선(1B), 및 발전기 축(1C)을 포함하고 있는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기(1); 발전기 축(1C)에 결합된 원동기/부하(2); 전력 시스템(9)에서의 전력 데이터와 발전기 축(1C)의 데이터에 근거하여 AC 여자 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단(100); 발전기-전동기(1)의 슬립 주파수 명령값을 발생하기 위한 슬립 주파수 명령값 발생 수단(51); 및 주파수 검출수단(100)으로부터 출력된 AC 여자 주파수가 수단(51)으로부터 출력된 슬립 주파수 명령값과 일치하도록 발전기-전동기(1)를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단(150)을 구비하고 있다.
이하의 설명에서, 모든 변수 및 상수들은 무차원 처리로 각각의 기준값들을 부가한 값들이다.
제1실시예의 구성을 나타낸 제8도를 참조하여 본 발명의 제1특징에 관련된 제1실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다.
제5도에 도시한 전체 구성은 제1도에 도시한 종래의 장치와 동일하기 때문에 중복된 설명은 생략한다. 따라서, 발전기-전동기 장티는 유도기(1), 펌프 터어빈(2), 사이클로 컨버터(3), 유효 전력 설정기(6), 헤드 검출기(7), 함수 발생기(8), 서보 모터(4), 안내 날개 개구각 제어기(41)와 감산기(42)를 포함한 안내 날개 개구각 제어 장치(140), 전압 설정기(5), 전압 변환기(17), 전압 제어기(21), 감산기(22) 및 전압 검출기(23)를 포함한 전압 제어 장치(120), Id-Iq검출기(14), 전류 검출기(15), PLL 회로(16), 전압 변환기(17), 시스템 주파수 위상 검출기(18) 및 회전자 위상 검출기(19)를 포함한 Idq축 검출 장치(100), 및 전류 제어기(11) 및 감산기(12)를 포함한 2차 전류 제어 장치(110)를 구비하고 있다.
제9도에 도시하고 있는 바와 같이 PLL 회로(16)는 한 예로서 차이 εjθ1과 ε(jθR.jθ2)을 구하기 위한 벡터 감산기(161), 비례 및 적분 계산기(162), 벡터 발생기(163) 및 벡터 가산기(164)를 구비하고 있다.
2차 전류 제어 장치(110)는 d-축 전류 명령값 Id *과 d-축 전류 Id사이의 차이를 계산하기 위한 감산기(12), q-축 전류 명령값 Iq *과 q-축 전류 Iq사이의 차이를 계산하기 위한 감산기(13), 및 전류 제어기(11)를 구비하고 있고 이에 따라 d-축 전류 Id가 d-축 전류 명령값 Id *에 일치하고 q-축 전류 Iq가 q-축 전류 명령값 Iq *에 일치하도록 사이클로컨버터의 원호각을 제어하게 된다.
제8도에 도시한 가변 속도 양수식 발전기 시스템은 V=V*, NR=N*, Y=Y*, Id=Id *및 Iq=Iq *의 조건을 만족하도록 동작하기 때문에, 유효 전력 설정값 PR과 전압 V*하의 헤드 H로 최적 동작(즉, 회전 속도가 N*이고 안내 날개 개구각이 Y*)을 실현하는 것이 가능하게 된다.
게다가, 시스템이 Id=Id *및 Iq=Iq *의 조건하에서 동작하는 경우에, 유도기(1)의 2차 권선의 전력 시스템 주파수 f1과 회전 속도 NR에 대응하는 주파수 fR사이의 차의 주파수를 갖는 교류에 의해 여자되는 이유로 설명할 수 있다. 여기에서, 대응하는이라는 용어는 주파수와 회전 속도사이의 관계, 단순한 의미로는 유도기(1)에서의 극수로 결정되는 관계를 의미한다.
Id=Id *및 Iq=Iq *의 조건하에서, tan *=Iq */Id *인 경우에 2차 전류 i2는 다음 식(2)로 구할 수 있다:
전류 i2의 주파수 f2는 전류 i2의 위상각(θ2+Ф*)을 미분하여 구하게 된다. θ2=θ1-θR이고 Ф*은 상수값이기 때문에, 주파수 f2는 f2=d(θ2+Ф*)/dt=d(θ1-θR)/dt가 된다. θ1과 θR는 미분에 의해 f1과 fR로 되기 때문에, f2는 다음 식(3)에 의해 구할 수 있다:
유도기(1)의 여자 주파수 f2는 슬립 주파수 fs(여기서 fs=f1-fR)로 된다는 것을 알 수 있다.
제8도에 도시된 제1실시예에 따른 발전기-전동기 장치는 속도 제어 장치(130) 대신에 슬립 주파수 제어 장치(150)를 제공한다는 점에서 종래의 장치와 다르다. 슬립 주파수 제어 장치(150)는 슬립 주파수 명령값 fs *를 계산하기 위한 슬립 주파수 명령값 발생기(51), 슬립 주파수 명령값 fs *과 PLL 회로(16)의 내부 출력 f2사이의 차이를 계산하기 위한 감산기(52), 및 감산기(52)에 의해 계산된 차이에 근거하여 q-축 전류 명령값 Iq *을 출력하기 위한 슬립 주파수 제어기(53)를 구비하고 있다.
슬립 주파수 명령값 발생기(51)는 제10도에 도시된 감산기(511)와 계수 승산기(512)를 구비하고 있으며, 계산 내용은 다음 식(4)에 대응하는 값이다:
여기서, N0는 기준 동기 속도이며 전력 시스템 주파수 f1의 기준 주파수 값 f0에 대응하는 회전 속도를 의미한다.
그 다음에, 제1실시예에 따른 장치의 기능을 설명한다.
PLL 회로(16)의 내부 출력 f2가 유도기(1)의 여자 주파수이기 때문에, f2가 상기한 바와 같이 식(3)에 의해 표시되더라도 f2는 다음 식(5)에서 회전 속도에 의해 표시될 수도 있다:
슬립 주파수 제어기(53)가 동작을 제어하여 fs *=f2가 되도록 하기 때문에, 식(6)이 식(4) 및 (5)로부터 다음과 같이 성립된다:
식(6)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 회전 속도 NR는 N*+N1- N0가 되도록 제어된다.
게다가, 슬립 주파수 fs는 식(4)에 나타낸 바와 같이 전력 시스템 주파수 f1에 관계없이 제어되기 때문이다.
회전 속도가 전력 시스템 주파수가 변하는 경우에 슬립 주파수가 변하는 것을 막기 위하여 전력 시스템의 주파수 변화와 동일한 율로 변하더라도 (식(6) 참조), 이 변화는 동기화력에 의한 회전 속도의 변화와 같이 때문에, 이것은 이 장치가 동기화력의 상쇄없는 가변 속도 발전기-전동기 장치이라는 것을 의미한다. 이들 동작은 제11도의 특성도에 나타내어져 있다. 제11도에서도, 발전기-전동기 장치는 동기 속도 N0보다 낮은 속도로 회전한다.
따라서, 제1실시예에서, 가변 속도 발전기-전동기 장치의 회전 속도는 N*+N1- N0가 되도록 제어된다. N*가 N1-N0에 대해 충분히 크기 때문에, 최적 회전 속도 N*부근에서 장치를 동작시킬 수 있으며 따라서 회전 속도를 전력 시스템의 주파수 변화에 대응하여 N*로부터 N1-N0로 변하게 된다.
상기한 바와 같이, 전력 시스템의 주파수 변화에 대응하여 회전 속도의 변화는 동기화력이 상쇄되지 않음을 의미하며 따라서 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여하게 된다.
제1실시예의 장치는 원동기/부하로서 펌프 터어빈을 사용하고 있지만, 가역 펌프 터어빈, 펌프, 증기 터어빈, 플라이휘일, 및 풍차들의 관성을 갖는 회전체를 사용함으로써 제1실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. PLL 회로가 직접되어 있기 때문에 내부 출력을 얻을 수 없는 경우에는, 제2실시예로서 슬립 주파수를 검출하기 위한 다른 방법을 채택함으로써 동일한 기능 및 효과를 얻을 수 있다. 제12도를 참조하여 슬립 주파수 검출 방법의 다른 예로서 본 발명의 제2실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다.
본 발명에 따른 장치는 PLL 회로에서의 슬립 주파수의 내부 검출 대신에 전력 시스템 주파수 f1과 회전 속도 NR에 근거하여 f1-NR로서의 슬립 주파수 fs를 검출함으로써 동일한 효과를 거둘 수 있다.
제12도는 슬립 주파수 검출 회로의 다른 구성을 나타내고 있다. 제12도의 주파수 검출 회로(165)는 제8도의 장치에 부가되며 속도 신호 검출기(33), 속도 검출기(34), 시스템 주파수 검출기(35) 및 감산기(36)를 구비하고 있다. 제2실시예에 따른 장치는 제8도에 도시된 PLL 회로의 출력 신호 f2대신에 감산기(36)의 출력 신호 fs를 사용하는 점에서 서로 다르다. 기능 및 효과는 제8도에 도시된 제1실시예와 동일하기 때문에, 중복된 설명은 생략한다.
마찬가지로, PLL 회로의 다른 출력 신호로서 2차 전류 위상 기준 ε의 주파수의 검출에 의해 슬립 주파수의 검출을 할 수 있다. 검출의 한 예가 종래 기술의 제4예에서 도시된 주파수/전압 변환기(81)에 개시되어 있기 때문에, 중복된 설명을 생략한다.
상기한 설명은 슬립 주파수를 검출하기 위한 방법의 단지 한 예에 관한 것이지만, 슬립 주파수를 검출하기 위한 다른 방법들도 본 발명에 적용하여 상기한 기능 및 효과를 거둘 수 있다.
그 다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 제2특징에 대응하는 제3실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다.
제3실시예의 장치는 제10도에 도시된 제1실시예의 슬립 주파수 명령값 발생기(51)를 제13도에 도시된 구성으로 변경하였다. 즉, 리미터(limiter)(513)가 계수 승산기(512)의 출력에 부가되어 있다.
제3실시예의 기능을 설명한다. 슬립 주파수 명령값 fs *가 제3실시예에서는 기준값으로 한정되기 때문에, 여자 주파수 f2(즉, 슬립 주파수 fs)는 fs *로 제어되기 때문에 기준값을 초과하지 않게 된다.
따라서, 제3실시예에서 슬립 주파수는 기준값을 초과하지 않기 때문에, 슬립도 기준값을 초과하지 않는다. 그러므로, 전력 시스템 주파수가 크게 변하는 경우에도 동작 정지가 생기지 않게 되고 따라서 안정된 동작을 유지할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제3특징에 대응하는 제4실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다. 제14도는 제4실시예에 따른 장치의 구성을 나타낸다.
제14도에 도시된 장치는 제8도에 도시된 구성이외에 속도 신호 검출기(33) 속도 검출기(34)를 갖는 회전 속도 검출 수단 및 토오크 정정 수단(160)을 구비하고 있다. 토오크 정정 수단(160)은 속도 명령값 N*과 회전 속도 N사이의 차이를 계산하기 위한 감산기(61), 감산기(61)의 출력에 근거하여 안내 날개 개구각 명령값 Y*을 정정하기 위한 신호 τc를 계산하기 위한 토오크 정정기(62), 및 안내 날개 개구각 명령값 Y*과 정정신호 τc를 부가하기 위한 가산기(63)를 구비하고 있다.
제4실시예의 기능을 이하에 설명한다. 제4실시예에서, 정정 신호 τc는 다음 식(7)에 의해 구할 수 있다:
여기서, 심볼 K는 속도 변동율이다.
식(6)이 슬립 주파수 제어에 의해 성립될 수 있기 때문에, 다음 식(8)은 원동기/부하의 토오크가 정정 신호 τc에 의해 정정되는 양△τM을 나타낸다:
원동기/부하의 토오크가 △τM로 정정되는 경우, 유도기(1)의 회전 속도 및 슬립이 변할지라도 슬립 주파수 제어는 양 △τM로 유도기(1)에서의 유효 전력을 정정하여 슬립의 변화를 억압하게 된다: 그러므로, 유도기(1)에서의 유효 전력은 전력 시스템에서의 주파수 변화(f1-f0)에 대응하여 정정된다.
따라서, 제4실시예의 장치는 원동기/부하의 토오크 및 유도기(1)에서의 유효전력을 변화시키기 위하여 소위 조속기 자유 기능을 나타낼 수 있기 때문에, 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 더 많은 기여를 할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제4특징에 대응하는 제5실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다. 제15도는 제5실시예의 장치의 구성을 나타낸다.
제15도에서, 제5실시예에 따른 장치는 제8도에 도시된 구성 이외에 토오크 정정 수단(161)을 구비하고 있다. 토오크 정정 수단(161)은 전력 시스템 주파수와 기준 주파수사이의 편차 △f1을 검출하기 위한 주파수 편차 검출기(64), 상기 편차 △f1에 근거하여 안내 날개 개구각 명령값 Y*을 정정하기 위한 정정 신호 τc를 계산하기 위한 토오크 정정기(65), 및 안내 날개 개구각 명령값 Y*에 정정 신호 τc를가산하기 위한 가산기(63)를 구비하고 있다.
그 다음에, 제5실시예에 따른 장치의 기능을 설명한다.
제5실시예에서, 정정 신호 τc는 다음과 같이 식(9)에서 구해진다:
여기서, KF는 주파수 변동율이다.
정정 신호 τc에 의해 원동기/부하로부터 정정된 양이 △τc이 되는 경우에, 이 양 △τc은 다음 식(10)에 의해 표시될 수 있다:
상기한 바와 같이, 유도기(1)의 유효 전력은 슬립 제어에 의해 △τc로 정정된다. 제4특징의 수단을 포함하는 가변 속도 발전기-전동기 장치는 전력 시스템 주파수 f1의 변화 △f1에 대응하여 원동기/부하의 토오크와 유도기(1)에서의 유효 전력을 변화시키는 소위 조속기 자유 기능을 가지고 있다.
따라서, 제5실시예는 제1특징에 대응하는 제1 및 제2실시예의 특정 효과이외에 전력 시스템의 주파수 변화에 대응하여 원동기/부하의 토오크와 유도기(1)의 유효 전력을 변화시키는 조속기 자유기능을 나타내기 위한 특정효과를 가지고 있기 때문에, 전력 시스템의 주파수 변화의 억압에 기여할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제5특징에 대응하는 제6실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다. 제16도는 제6실시예에 따른 장치의 구성을 나타내고 있다.
제16도에서, 제6실시예에 따른 장치는 회전 속도 검출 수단, 및 슬립 주파수 제어 장치(151)를 구비하고 있다. 회전 속도 검출 수단은 제6실시예에 새로이 부가된 것이며 속도 신호 발생기(33) 및 속도 검출기(34)를 구비하고 있다. 장치(151)가 슬립 주파수 명령값 발생기(51)대신에 제공되어 있으며 속도 명령값 N*및 회전 속도 NR에 근거하여 슬립 주파수 명령값 fs *을 계산하기 위한 슬립 주파수 명령값 발생기(54)를 구비하고 있다.
제6실시예에 따른 장치의 기능을 설명한다.
제6실시예에서, 슬립 주파수 명령값 fs *은 다음 식(11)에 따라 회전 속도에 대응하여 정정된다:
여기서, fs0 *는 전력 시스템에서의 주파수 변화가 0인 경우의 슬립 주파수 명령값이고, TN은 정정 적분 시상수이며 ∫dt는 적분이다.
fs0 *는 상수이고 f2는 슬립 주파수 제어에 의해 명령값 fs *와 일치하도록 제어되기 때문에, 식(11)은 다음식(12)로 변경될 수 있다:
△PE가 유도기(1)에서의 유효 전력의 정정량이라고 가정하는 경우에, 이는 슬립 주파수 명령값 fs *를 정정함으로써 변경되어 식(13)은 다음과 같이 발전기 축에 대한 운동 방정식에 근거하여 성립될 수 있다:
여기서, TA는 발전기-전동기의 가속 시상수이고, d/dt는 미분을 나타낸다. 유효 전력, 회전 속도 및 주파수는 각각 양의 발생 방향을 갖는다.
fs *=f2의 조건하에서 식(12)로 식(13)을 대체하게 되면, 식(13)은 다음과 같이 식(14)로 변하게 된다:
식(14)로부터, 제5특징에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치는 전력 시스템에서의 주파수 변화 △f1에 대응하여 유효 전력 PE를 변화시키는 기능을 한다.
따라서, 제6실시예의 장치는 본 발명의 제1특징에 대응하는 제1 및 제2 실시예의 효과 이외에 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 장치에서의 유효 전력을 변화시킬 수 있기 때문에, 전력 시스템에서의 주파수 변동의 억압에 더 많이 기여할 수 있게 된다. 이 기능은 슬립 주파수 제어를 디스에이블하는 동기기를 사용하여 발전기-전동기 장치에 의해 구현될 수 없으며 이에 따라 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 특성을 나타내게 된다.
도면을 참조하여 본 발명의 제6특징에 대응하는 제7실시예에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치를 설명한다. 제17도는 제7실시예에 따른 장치의 블록선도이다.
제17도에 도시된 제7실시예에 따른 장치는 전력 시스템 주파수와 기준 주파수사이의 편차 △f1를 검출하기 위한 주파수 편차 검출기(64)가 부가되어 있으며, 슬립 주파수 명령값 발생기(51)에 대신하여 슬립 주파수 제어 장치(152)를 구성하기 위한 슬립 주파수 명령값 발생기(55)를 구비하고 있다. 슬립 주파수 명령값 발생기(55)는 속도 명령값 N*과 회전 속도 및 편차 △f1에 근거하여 슬립 주파수 명령값 fs *를 계산한다.
제7실시예에 따른 장치의 기능을 설명한다.
제7실시예에서는, 전력 시스템 주파수와 기준 주파수사이의 편차 △f1에 대응하는 슬립 주파수 명령값 fs *는 다음 식(15)에 따라
가 된다.
식(15)는 다음 식(16)으로 변환될 수 있다:
식(16)은 식(12)와 동일한 결과를 가지기 때문에, 제7실시예의 기능은 제6실시예의 기능과 동일하다.
따라서, 제7실시예의 장치는 제1특징에 따른 제1 및 제2실시예의 효과 이외에 전력 시스템 주파수의 변화에 대응하여 장치에서의 유효 전력을 변경시킬 수 있기 때문에, 전력 시스템에서의 주파수 변화의 억압에 기여할 수 있다. 이 기능은 직류가 동기기를 여자하기 때문에 슬립 주파수 제어를 디스에이블시키는 동기기를 사용하는 발전기-전동기 장치에 의해 실현될 수 없으며 따라서 본 발명에 따른 가변 속도 발전기-전동기 장치의 특징적 효과를 거둘 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 전력 시스템에 접속된 1차 권선, 교류(AC)에 의해 여자되는 2차 권선 및 발전기 축을 갖는 권선형 회전자 유도 발전기-전동기, 및 발전기축에 결합된 원동기/부하를 포함하고 있는 가변 속도 발전기-전동기 장치에 있어서, 전력 시스템에서의 주파수와 전압 위상 및 발전기 축의 회전 데이터를 포함하는 전력 데이터에 근거하여 AC 여자 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단과; 발전기-전동기에서의 슬립 주파수 명령값을 발생하기 위한 수단; 및 AC 여자 주파수가 슬립 주파수 명령값으로 설정되도록 발전기-전동기를 제어하기 위한 주파수 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 및 AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  3. 제2항에 있어서, 슬립 주파수 제어 수단으로부터 출력된 슬립 주파수 명령값을 기준값 이내로 한정하기 위한 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 및 AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단과; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 원동기/부하의 토오크를 정정하기 위한 원동기/부하 토오크 정정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단과; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 회전각의 회전 속도에 대응하여 슬립 주파수 명령값을 정정하기 위한 슬립 주파수 명령값 정정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 전력 시스템의 주파수와 전압 위상중 어느 것과 발전기 축의 회전 속도와 회전각중 어느 것에 근거하여 AC 여자의 주파수를 검출하기 위한 주파수 검출 수단과; AC 여자의 주파수가 슬립 주파수 명령값이 되도록 권선형 회전자 유도 발전기-전동기를 제어하기 위한 슬립 주파수 제어 수단; 및 전력 시스템에서의 주파수 변화에 대응하여 슬립 주파수 명령값을 정정하기 위한 슬립 주파수 명령값 정정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가변 속도 발전기-전동기 장치.
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