KR100785278B1 - 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법 및 그장치 - Google Patents

마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법 및 그장치 Download PDF

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전진홍
조창희
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Abstract

마이크로터빈 분산 발전 시스템에서 사용하고 있는 전력 변환 장치를 이용하여 동기발전기의 이상 상태를 진단하는 마이크로터빈용 영구자석 동기 발전기를 진단하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 방법은 a) 동기발전기로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하는 단계; b) 단계 a)에 의해 검출되는 전압 및 전류를 기초로, 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산하는 단계; c) 상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산하는 단계; 및 d) 상기 동기 발전기의 이상을 판정하기 위해, 단계 b) 및 c)에서 연산한 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법 및 그 장치 {Diagnosis Method for Permanent Magnet Synchronous Generator in Microturbine System and its Device}
도 1은 본 발명이 적용되는 마이크로터빈 분산 발전 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 발전기 고장 진단 방식 및 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로터빈 분산 발전 시스템에서 전력 변환 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로터빈 분산발전 시스템에서의 전력 변환 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 전력 변환 장치가 적용된 발전기에서의 발전기 단자 전압 및 전류 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 전력 변환 장치가 적용된 발전기에서의 발전기 단자 전압 및 전류 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기의 속도를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 속도 센서와 전압 검출에 의한 속도 검출의 이상을 판단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 마이크로터빈 2 : 영구자석 동기발전기
3 : 전력변환장치 4 : 승압용 컨버터(정류기)
11, 15 : 전압센서 10, 16 : 전류센서
12 : 부하 13 : 인버터 제어장치
18 : 엔진제어장치 19 : 발전기 제어장치
21 : 베터리제어장치 23 : 주제어장치
본 발명은 마이크로터빈용 영구자석 동기 발전기를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것으로 특히, 마이크로터빈 분산 발전 시스템에서 사용하고 있는 전력 변환 장치를 이용하여 동기발전기의 이상 상태를 진단하는 마이크로터빈용 영구자석 동기 발전기를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 2는 종래의 마이크로터빈 시스템에서의 발전기 고장진단 장치를 도시한 도면이다.
도 2에서, 마이크로터빈 시스템의 동기발전기2)를 감시 및 진단하는 종래의 방법은 크게 베어링(54)의 감시와 동기발전기(2)의 권선온도 감시이다. 먼저, 마이크로터빈(1)과 동기발전기(2)는 축(50)으로 연결되어 구동되며. 이 축(50)은 베어링(54), 일반적으로는 공기 베어링으로 지지된다. 이 베어링(54)의 움직이지 않는 지지부분에 온도센서(55)를 설치하여 베어링의 이상을 감지하게 되며 이는 특히 동기발전기(2)의 회전자(51)와 고정자(53) 사이에 존재하는 공극의 감시 측면에서 중요한 발전기의 감시 부분이 된다.
동기발전기(2)는 영구자석으로 구성된 회전자(51)가 축(54)상에 고정되어 마이크로터빈(1)에 의해 구동되며 고정자(53)는 일반적으로는 3상의 권선(52)이 감겨져 있고 회전자(51)의 회전에 의해 이 고정자(53)에 전압이 유기되게 된다. 회전자(51)와 고정자(53) 사이에 존재하는 공극이 베어링 등의 원인으로 일정하게 유지되지 않거나 혹은 고정자(53)의 권선(52)이 단락, 혹은 지락 등의 사고가 발생한 경우 동기발전기(2)는 심각한 고장 상태가 되며 이를 감시할 필요가 있다. 그래서 고정자(53)에 설치된 권선(52)에 온도센서(56)를 설치, 사고에 따른 과전류에 의한 온도상승을 검출하여 발전기(2)를 보호하고 시스템을 안전하게 운전하게 된다. 베어링 온도센서(55) 및 권선온도센서(56)는 해당 부분에 다수를 설치해야 하며 이 센서의 출력은 신호처리부(57)에 의해 증폭된 후에 발전기제어장치(19)에 입력되며 여기서 필요한 진단 및 감시제어를 수행하게 된다.
상술한 종래의 발전기 진단 장치에 의하면, 먼저, 온도센서(55, 56)의 설치 및 신호처리부(57) 등 하드웨어적인 추가가 비용을 증가시키며 고장이나 노이즈 등에 의한 오동작의 가능성을 높인다는 점이다. 또한, 발전기의 지락, 단락, 단선 등 고장에 대해서 직접적인 검출이 아닌 온도 상승이라는 간접적인 방법을 사용하므로 사고 발생 시, 즉각적인 대응이 상대적으로 느린 단점이 있다.
따라서 종래의 대부분의 고장진단장치들은 고장의 파급효과를 최소로 줄이는데 기여할 뿐 고장을 빠른 시간에 검출하여 고장이 확대되지 않도록 하는 데는 한계가 있었다.
또한, 속도센서를 이용한 과속도 보호기능의 경우 속도센서나 혹은 제어장치의 고장으로 인해 실제 과속도가 발생했을 경우 이를 차단하지 못하고 시스템의 파괴에 이르는 결과를 초래할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 이중으로 속도센서를 설치하는 등의 후비용 보호장치를 두는 경우도 있다. 그러나 이 경우도 제어장치 자체의 고장이나 혹은 속도센서의 설치 이상 등의 요인으로 완벽한 이중의 보호기능을 수행하는 데는 한계가 있다.
이에 본 발명은 상술한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 장치를 부가하지 않고 발전기의 고장 상태를 진단하고, 발전기 고장이 아닐 경우 이로부터 검출한 속도 정보를 터빈 시스템의 과속도 후비 보호용으로 제공함으로서 보다 확실하고 독립된 이중의 과속도 보호기능을 제공하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법은 a) 동기발전기로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하는 단계; b) 단계 a)에 의해 검출되는 전압 및 전류를 기초로, 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산하는 단계; c) 상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산하는 단계,
Va=Ea-IaㆍRa,
Ea=Keㆍωr ,
ωr=2πf
여기서, Va는 단자 전압 예측 실효치(V), Ea는 동기 발전기의 내부 유기전압(V), Ia는 동기발전기(2)의 상전류(A), Ra는 동기발전기(2)의 상당 권선저항(Ω), Ke는 전압계수, ωr는 동기발전기(2)의 회전자 각속도(rad/sec), 및 f는 동기발전기의 운전 주파수(Hz)이며; 및 d) 상기 동기 발전기의 이상을 판정하기 위해, 단계 b) 및 c)에서 연산한 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 f) 상기 동기 발전기의 출력 단자에서 검출한 단자 전압을 기초로 속도를 검출하는 단계; g) 속도 센서를 이용하여 상기 동기 발전 기의 속도를 검출하는 단계; h) 주파수 검출 이상을 판단하기 위해, 단계 f) 및 g)에 의해 검출된 속도들에 따른 주파수들의 편차가 소정의 기준치 이상인지를 판단하는 단계; i) 단계 h)에서 상기 편차가 소정의 기준치 이상인 것으로 판단하는 경우, 상기 주파수들을 기초로 전압 예측치들을 각각 연산하는 단계; j) 단계 i)에 의한 상기 전압 예측치들의 편차가 소정의 전압 기준치 이상인 경우, 상기 동기 발전기의 이상으로 판단하고, 상기 편차가 소정의 전압 기준치 미만인 경우, 센서의 고장으로 판단하는 단계; k) 단계 j)에서 센서의 고장으로 판단하는 경우, 상기 검출되는 전류가 과 전류인지를 판단하는 단계; 및 l) 단계 k)의 판단 결과, 상기 전류가 과전류인 경우, 3상 단락 또는 지락으로 판단하며, 상기 전류가 과전류가 아닌 경우에는 위상 고정 루프의 이상으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 단계 f)는 f-1) 상기 동기 발전기에 연결되는 정류기 방식을 판단하는 단계; f-2) 단계 f-1)의 판단 결과에 대응하게 필터의 계수를 조정하고, 상기 동기 발전기의 출력 단자로부터 출력되는 단자 전압을 필터링하는 단계; f-3) 단계 f-2)에 의해 필터링된 전압을 DQ 변환하는 단계; f-4) 단계 f-3)에 의해 변환된 D-축 전압값을 이용한 위상고정루프 방식의 연산을 통하여 상기 속도를 연산하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 f-2)에서의 필터 계수 조정은 상기 단계 f-1)의 판단 결과, 상기 정류기 방식이 다이오드 정류기인 경우, 상기 필터 계수를 저주파 대역으로 조정하며, 상기 단계 f-1)의 판단 결과, 상기 정류기 방식이 승압형 컨버터인 경우, 상기 필터 계수를 고주파수 대역으로 설정한다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장 치는 마이크로터빈 분산 발전 시스템에 있어서, 동기 발전기로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하기 위한 전압 및 전류 센서들; 및 상기 전압 및 전류 센서들 의해 검출되는 전압 및 전류를 기초로, 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산하기 위한 제어 장치를 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산하고,
Va=Ea-IaㆍRa,
Ea=Keㆍωr ,
ωr=2πf
여기서, Va는 단자 전압 예측 실효치(V), Ea는 동기 발전기의 내부 유기전압(V), Ia는 동기발전기(2)의 상전류(A), Ra는 동기발전기(2)의 상당 권선저항(Ω), Ke는 전압계수, ωr는 동기발전기(2)의 회전자 각속도(rad/sec), 및 f는 동기발전기의 운전 주파수(Hz)이며, 상기 동기 발전기의 이상을 판정하기 위해, 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단한다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 동기 발전기의 출력 단자에서 검출한 단자 전압을 기초로 속도를 검출하고, 속도 센서를 이용하여 상기 동기 발전기의 속도를 검출하며, 주파수 검출 이상을 판단하기 위해, 상기 검출된 속도들에 따른 주파수들의 편차가 소정의 기준치 이상인지를 판단하며, 상기 편차가 소정의 기준치 이상인 것으로 판단하는 경우, 상기 주파수들을 기초로 전압 예측치들을 각각 연산하고, 상기 전압 예측치들의 편차가 소정의 전압 기준치 이상인 경우, 상기 동기 발전기의 이상으로 판단하고, 상기 편차가 소정의 전압 기준치 미만인 경우, 센서의 고장으로 판단하며, 상기 센서의 고장으로 판단하는 경우, 상기 검출되는 전류가 과 전류인지를 판단하며, 상기 판단 결과, 상기 전류가 과전류인 경우, 3상 단락 또는 지락으로 판단하고, 상기 전류가 과전류가 아닌 경우에는 위상 고정 루프의 이상으로 판단한다.
보다 바람직하게는, 상기 제어 장치는 상기 동기 발전기에 연결되는 정류기 방식을 판단하고, 상기 판단 결과에 대응하게 필터의 계수를 조정하고, 상기 동기 발전기의 출력 단자로부터 출력되는 단자 전압을 필터링하며, 상기 필터링된 전압을 DQ 변환하여, 상기 변환된 D-축 전압값을 이용한 위상고정루프 방식의 연산을 통하여 상기 속도를 연산한다. 여기서, 상기 제어 장치는 상기 정류기 방식이 다이오드 정류기인 경우, 상기 필터 계수를 저주파 대역으로 조정하며, 상기 정류기 방식이 승압형 컨버터인 경우, 상기 필터 계수를 고주파수 대역으로 설정한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 마이크로터빈 분산 발전 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로터빈 분산 발전 시스템에서 전력 변환 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로터빈 분산발전 시스템에서의 전력 변환 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 전력 변환 장치가 적용된 발전기에서의 발전기 단자 전압 및 전류 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 전력 변환 장치가 적용된 발전기에서의 발전기 단자 전압 및 전류 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기의 속도를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 속도 센서와 전압 검출에 의한 속도 검출의 이상을 판단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 마이크로터빈을 이용한 분산발전 시스템은 마이크로터빈(1), 영구자석 동기 발전기(2), 전력 변환 장치(3) 및 각종 제어장치(13, 18, 19, 21, 23)로 구성된다.
상기 마이크로터빈(1)은 분당 수만 회전의 고속으로 운전되는 터빈으로서 연 료시스템(14)과 엔진 제어 장치(18)에 의해 속도 혹은 출력이 제어된다. 마이크로터빈(1)이 발생한 축동력은 영구자석 동기발전기(2)에 의해 전기적인 에너지로 변환되나 발생한 전기적인 출력은 상용전원(9)의 주파수 보다는 훨씬 높은 고주파의 전력을 발생하므로 이를 상용의 전원 주파수 즉, 50/60Hz로 변환해서 사용해야 한다. 이러한 목적을 위해서 전력변환장치(3)가 사용되며, 상기 전력변환장치(3)는 교류-직류-교류의 형태를 거치게 된다. 먼저, 교류-직류변환장치(4)는 동기발전기(2)의 고주파 전압 출력을 직류로 변환하는데 사용되며 이를 위한 제어장치가 발전기제어장치(19)라 표시된 것이다. 발전기 제어 장치(19)는 동기발전기(2)의 출력 전압 및 전류를 계측하는 센서들, 즉 전압센서(15) 및 전류센서(16)의 입력을 받아서 교류-직류 변환 장치(4)의 스위칭소자를 적절히 스위칭한 신호(26)를 전력 변환 장치(4)로 보내어 전력변환을 수행하게 된다. 교류-직류 변환 장치(4)와 동기발전기(2) 사이에는 전류를 제한하고 제어하기 위한 목적의 리액터(17)가 설치된다. 이 교류-직류변환장치(4)는 마이크로터빈(1)의 기동시에 동기발전기(2)를 동기전동기로 구동하여 기동에 필요한 토오크를 제공하는 역할도 담당하게 된다. 이때 직류단의 전압은 직류단의 필터 캐패시터(5)에 연결된 베터리 시스템(22) 혹은 상용전원(9)이 있는 경우는 직류-교류 전력변환장치(6)에 의해 공급받을 수 있다.
교류단에는 필터 캐패시터(5)를 설치하여 직류로 변환된 출력을 평활하며, 이 직류 전원은 직류-교류 변환 장치(6) 즉, 인버터에 의해 상용의 교류 전원으로 변환되어 상용 전원(9) 혹은 부하(12)에 전력을 공급하게 된다.
또한, 상기 직류-교류 변환 장치(6)는 인버터 제어 장치(13)와 전압 센 서(11), 전류 센서(10) 및 연계용 리액터(7), 개폐기(8)로 구성되어 제어된다.
한편, 베터리 시스템(22)은 전술한 기동시의 전력 공급 목적 이외에 다음의 기능을 수행하게 된다. 마이크로터빈(1)은 부하 및 속도의 응답에 제한이 따르기 때문에 전기적인 출력 혹은 부하가 급변할 경우 과도한 속도의 상승 혹은 강하가 발생하게 되며 시스템이 불안정하거나 혹은 파괴에 이르게 된다. 따라서, 베터리 시스템(22)은 이러한 마이크로터빈(1)의 출력과 전기적인 출력의 불균형을 순시적으로 해소하는 목적으로 사용되며 부족시 직류단으로 전력을 공급하거나 과도한 출력시에는 직류단의 출력을 흡수하는 역할을 함으로서 시스템이 안정적으로 운전하도록 도와준다. 상기 베터리 시스템(22)은 베터리(20), 전력 변환 장치, 및 베터리 제어 장치(21)로 구성된다. 상기 베터리 시스템의 전력 변환 장치는 베터리를 방전 혹은 충전할 때 필요한 전류 혹은 전압을 제어하는 역할을 한다.
마이크로터빈(1) 시스템은 전술한 것처럼 여러 개의 장치들로 구성되기 때문에 이들을 통합적으로 제어하는 주제어장치(23)가 필요하며 이는 엔진 제어 장치(18), 발전기 제어 장치(19), 베터리 시스템(22) 및 인버터제어장치(13)와 통신(27-1, 27-2, 27-3, 27-4)으로 연계하여 감시 및 제어를 수행하게 된다. 주제어장치(23)는 사용자용 운전용 표시 및 조작을 위한 표시장치(24)를 갖추고 있다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로터빈(1)을 이용한 분산 발전 시스템의 전력 변환 장치(3)의 일 예를 도시한 도면으로서, 동기 발전기(2)의 고주파 교류 출력을 직류로 변환하기 위해서 다이오드 정류기(100)를 사용하는 구성 방식이다.
도 3에서, 상기 다이오드 정류기(100)에 의해 변환된 직류를 상용 주파수의 교류로 변환하기 위해서는 직류-교류 변환 장치인 인버터(6)가 사용된다. 이 방식의 장점은 전력 변환 장치의 구성이 비교적 간단하다는 점이나 단점으로서는 마이크로터빈(1)이 기동할 때 기동 토오크를 제공하는 동기 발전기(2)의 동기 전동기로의 구동이 이 구조로서는 불가능하기 때문에 개폐기 등의 조작 장치를 통해서 다이오드 정류기(100)와 인버터(6)의 배치를 뒤집어 연결하는 별도의 과정이 필요하다는 점과, 다이오드 정류기(100)는 직류를 승압하는 기능이 없기 때문에 마이크로터빈(1)의 속도 저하시 비례해서 감소하는 동기 발전기(2)의 출력 전압에 대해서 직류 전압의 강하로 인해 인버터(6)의 동작 영역이 축소되는 점, 그리고 다이오드 정류기(100)에 의한 교류-직류 변환이 필연적으로 가져오는 발전기 전압 및 전류의 왜곡(제 5도의 200, 201 참조)에 의한 고조파의 다량 함유로 발전기 내부의 고조파 전압, 전류에 의한 온도 상승 등 효율이 저하한다는 점이다.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로터빈 분산발전 시스템에서의 전력 변환 장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3과는 달리, 도 4에 도시된 전력 변환 장치는 동기 발전기(2)의 고주파 출력 교류 전압을 직류로 변환하기 위해 소위 승압형 컨버터(150)를 사용하는 구조로서 직류-교류 전력 변환 장치(6)는 도 3에 도시된 장치와 동일하다. 또한, 승압형 컨버터(150)의 구조도 전력의 흐름 방향만 다를 뿐 도 3의 인버터(6)와 동일하다.
그러나, 도 4에 도시된 전력 변환 장치는 그 구조가 다소 복잡한 면은 있지만 이 구조 그대로 제어기법에 의해 마이크로터빈(1)의 기동이 가능하며, 동기 발 전기(2)의 출력 전압과 전류를 도 6에 나타난 것처럼 정현파로 제어할 수 있기 때문에 동기 발전기(2)의 내부에 고조파로 인한 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한, 상기 승압형 컨버터(150)는 그 자체의 제어 기능에 의해 주어진 교류전압에 대해서 다이오드 정류기(100)가 출력할 수 있는 직류 전압보다 높게 승압할 수 있어서 마이크로터빈(1)의 속도 저하 등에 의한 동기 발전기(2)의 전압강하 시에도 인버터(6)가 계속 운전될 수 있는 충분한 직류 전압을 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 도 3의 전력 변환 장치로 구성된 마이크로터빈 시스템의 동기 발전기(2)의 단자 상에서의 상전압(200) 및 상전류(201)를 보여주고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 전압(200)과 전류(201)는 정현파와는 다른 매우 왜곡된 것을 확인할 수 있으며, 이는 높은 고주파 함유율을 의미하게 되고 이로 인해 동기 발전기 내부에 고조파손실이 증가하게 된다.
도 6은 도 4에 도시된 전력 변환 장치로 구성된 마이크로터빈시스템의 동기발전기(2)의 단자 상에서의 상전압(210) 및 상전류(211)를 보여 주고 있다. 도 4에 서는, 승압형 전력 변환 장치(150)와 연계 리액터(151)의 작용에 의해 전압(210)과 전류(211)는 스위칭에 의한 고조파가 있지만 정현파에 근사한 것을 볼 수 있다.
한편, 후술할 본 발명에 따른 진단 방법은 그 밖의 제어 장치에서 구현하는 것도 가능하지만, 상기 발전기 제어 장치(19)에 의해 수행되는 것이 바람직하므로, 본 실시 예에서는 발전기 제어 장치(19)에 의해 본 발명이 구현되는 것으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 별도의 제어 장치를 두어 구현할 수 있음을 당업자라면 이 해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 발전기 제어 장치(19)는 전압 및 전류 센서(15, 16)에 의해 검출되는 동기 발전기(2)로부터 출력되는 전압 및 전류를 기초로 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산한다. 이어, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산한다. 상기 단자 전압 예측 실효치 Va는 하기의 식을 이용하여 연산할 수 있다.
Va=Ea-IaㆍRa,
Ea=Keㆍωr ,
ωr=2πf
여기서, Va는 단자 전압 예측 실효치(V), Ea는 동기 발전기의 내부 유기전압(V), Ia는 동기발전기(2)의 상전류(A), Ra는 동기발전기(2)의 상당 권선저항(Ω), Ke는 전압계수, ωr는 동기발전기(2)의 회전자 각속도(rad/sec), 및 f는 동기발전기의 운전 주파수(Hz)이다.
이어, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상기 동기 발전기(2)의 이상을 판정하기 위해, 앞서 연산한 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단한다.
또한, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상기 전압 센서(15)에 의해 상기 동기 발전기(2)의 출력 단자에서 검출한 단자 전압을 기초로 속도를 검출하고, 다른 한 편으로는 속도 센서를 통해 상기 동기 발전기의 속도를 검출한다. 그리고, 상기 검출된 속도들에 따른 주파수들의 편차가 소정의 기준치 이상인지를 판단하여 주파수 검출 이상을 판단한다.
이어, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상기 편차가 소정의 기준치 이상인 경우, 상기 주파수들을 기초로 전압 예측치들을 각각 연산하고, 상기 연산된 전압 예측치들의 편차가 소정의 전압 기준치 이상인 경우, 상기 동기 발전기(2)의 이상으로 판단한다. 이와 달리, 상기 편차가 소정의 전압 기준치 미만인 경우, 센서의 고장으로 판단한다.
이어, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상술한 과정에 의해 센서의 고장으로 판단하는 경우, 상기 검출되는 전류가 과 전류인지를 판단하며, 판단 결과, 상기 전류가 과전류인 경우, 3상 단락 또는 지락으로 판단하고, 아닌 경우에는 위상 고정 루프의 이상으로 판단하여, 해당 조치를 취하게 된다.
한편, 상기 발전기 제어 장치(19)는 단자 전압을 기초로 하는 속도를 다음과 같이 검출한다.
상기 발전기 제어 장치(19)는 먼저, 상기 동기 발전기(2)에 연결되는 정류기 방식을 판단한다. 그리고, 상기 발전기 제어 장치(19)는 판단 결과에 대응하게 필터의 계수를 조정하고, 상기 동기 발전기의 출력 단자로부터 출력되는 단자 전압을 필터링한다. 이어, 상기 필터링된 전압을 DQ 변환한 후, 상기 발전기 제어 장 치(19)는 변환된 D-축 전압값을 이용한 위상고정루프 방식의 연산을 통하여 상기 속도를 연산한다. 또한, 상기 발전기 제어 장치(19)는 상기 정류기 방식이 다이오드 정류기인 경우, 상기 필터 계수를 저주파 대역으로 조정하며, 상기 정류기 방식이 승압형 컨버터인 경우, 상기 필터 계수를 고주파수 대역으로 설정한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상술한 본 발명에 따른 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장치의 동작을 보다 상세히 설명한다.
도 7을 참조하면, 먼저 진단을 시작하면(220), 마이크로터빈(1)이 운전 중인가를 검사한다(221).
운전 중이 아닐 경우에는 전류 및 전압이 검출되지 않기 때문에 진단 기능을 수행할 수 없다. 운전 중이 아닐 경우에는 계속 운전 중인지를 검사하게 되고 운전 중일 때는 진단 알고리즘을 수행하게 된다. 진단 알고리즘을 수행하기 위해서는 동기발전기(2)의 상태를 검출하는 전압 센서(15), 전류 센서(16)로부터 검출된 전압, 전류로부터 운전 주파수, 각 상전압의 상전류의 실효치 및 최대치를 연산한다(222). 주파수의 연산에 대한 자세한 설명은 이하에서 보다 상세히 설명한다.
마이크로터빈(1)이 일정한 속도로 운전되고 있고 동기발전기(2)가 건전한 경우에 부하 전류의 크기에 관계없이 동기발전기(2)의 출력 상전압(200, 210) 및 상전류(201, 211)의 실효치와 최대치는 거의 동일하다. 따라서, 3상 상전압의 실효치와 최대치를 서로 비교하여 설정치보다 편차가 클 경우에는 동기발전기(2)의 이상으로 판정한다(223). 상전류에 대해서도 동일하게 판정할 수 있다(224).
3상의 전압 및 전류가 동일하다해도 3상 단락 등의 사고 시에는 이 조건을 만족할 수 있기 때문에 추가의 전압예측기법을 적용하였다. 즉, 동기발전기(2)의 운전 주파수는 검출된 상태이고 동기 발전기(2)의 상당 권선 저항을 알고 있을 경우에 검출된 전류를 이용하여 앞서 설명한 식으로 동기 발전기의 단자 전압을 예측할 수 있다.
전압 예측치를 연산하고(230), 이 값을 실측한 전압의 실효치와 비교하여 그 편차가 설정치를 초과하는 경우(225), 동기 발전기(2)의 이상으로 판정할 수 있다. 위의 3가지 종류의 판정에 의해, 동기 발전기(2)의 고장을 판단하고(226-1, 2, 3) 이들 중의 하나라도 만족하면(227), 동기 발전기(2)의 고장으로 판정하여(228), 마이크로터빈(1)의 운전을 정지하도록 한다(229). 고장이 아닐 경우 처음으로 돌아가서 계속 수행하게 된다.
이어, 도 8을 참조하여, 발전기의 속도를 검출하는 과정을 설명한다.
도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 동기 발전기(2)에 연결되는 교류-직류 변환 장치의 종류에 따라 전압 및 전류의 파형이 다름을 알 수 있었다. 따라서, 교류-직류 변환 장치의 종류에 따라 전압 및 전류의 파형을 정현파로 필터링하기 위한 조치가 필요하게 된다. 먼저, 동기 발전기(2)에 연결되는 교류-직류 변환 장치의 종류는 미리 알 수 있으므로 설정할 수 있다(250).
다이오드 정류기(100)인가를 검사하여(251) 이 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 전압이 많이 왜곡되고 저주파에 고조파가 다수 함유되므로 필터계수조정을 저주파 대역으로 한다(253).이와 달리, 승압형 컨버터(150)인 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 고차의 고조파가 많이 함유되므로 필터 계수 조정을 고주파수 대 역으로 설정한다(252). 이렇게 필터의 계수를 조정하는 이유는 필터는 그 자체로 시간 및 위상 지연의 특성을 가지기 때문에 필터 통과 후 지연을 최소화하기 위하여 필요한 만큼만 필터링하기 위해서 이다.
전압의 파형 형태에 따라 필터 계수를 조정한 후에 검출된 3상의 전압을 필터링하고(254) 이를 DQ변환을 실시한다(255). DQ변환을 위해서는 주파수 및 위상정보기 필요한데 이는 이 알고리즘의 한 단계 이전의 결과치를 이용하게 된다. 변환된 D-축 전압값으로부터 위상을 추종하는 소위 위상고정루프 방식의 연산을 통하여(256) 출력주파수를 연산할 수 있고, 이 출력주파수를 다시 필터링하면(257), 3상의 전압 신호로부터 주파수와 위상을 연산할 수 있다. 이외에도, 다양한 DQ-변환방식이 있으며, 본 발명이 이러한 방식들에 의해 제한되지 않음에 주지할 필요가 있다.
이어, 상술한 검출된 속도 및 주파수 즉, 2개의 주파수 정보를 이용하여 속도 및 주파수 검출의 이상을 판단하는 과정을 설명한다.
도 9를 참조하면, 먼저 속도센서의 입력을 받아(300) 이를 필터링하여 속도를 검출하면(301) 계측된 실제의 속도가 얻어진다. 그리고 또한, 도 8에서 설명한 전압에 의한 속도 검출 신호를 이용하여(257), 두 주파수의 편차를 계산할 수 있다(257).
상기 두 주파수의 편차가 일정 기준치 이상이 되면, 주파수 검출에 이상이 있는 것으로 판단한다(305). 그러나, 이 경우에도 센서 고장인지 동기 발전기(2)의 이상인지는 결정할 수 없다. 따라서, 각 주파수에 대해서 도 7에서 기술한 전압예 측치를 연산하여(230) 그 예측값이 실제 전압 측정치와 근사한 쪽의 주파수가 정상적인 동기 발전기(2)의 운전 주파수가 된다. 즉, a상을 예로 들면, 속도 센서로부터 계측한 주파수를 fs, 전압 검출에 의한 주파수를 fv라 하면 각각에 대해서 전압예측치를 구할 수 있고 그 값은 Vas,Vav라 하면, 이 값과 실제로 계측된 전압을 비교함으로서(306) 발전기(2) 혹은 속도센서 이상을 검출할 수 있다. 만약 Vas 및 Vav의 편차가 일정 값 이하라면 즉, 계측된 전압과 예측된 전압이 거의 일치한다면, 일단 고장으로 판정하고(308), 과전류 상태인가 검사하여(309), 상전류가 정상 범위이면 즉, 과전류가 아니면 위상고장루프 이상으로 판정하고(311) 상전류가 과전류 상태이면 3상 단락 혹은 지락으로 판정하게 된다(310). 또한, 예측된 전압이 실제 계측전압보다 크거나 작은 경우(307)는 발전기 이상으로 판정하게 된다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 마이크로터빈 분산 발전 시스템에 있어서 고속으로 운전되는 영구자석 동기발전기의 고장 상태를 별도의 장치나 센서를 이용하지 않고 진단하여 시스템을 안전하게 정지시키도록 하는 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다. 한편, 마이크로터빈 시스템은 수만 rpm의 고속으로 구동되므로 영구자석 동기발전기의 출력전압은 상용의 전원주파수 보다는 높은 교류전압을 출력하게 되고 이는 전력변환장치에 의해 50/60Hz의 상용전원으로 변환하는 것이 필요하며, 마이크로터빈시스템을 위한 별도의 터빈제어장치로 구성된다. 제어의 이상이나 순시적인 부하 차단 등에 의한 과속도는 시스템을 파괴할 수 있으므로 마이크로터빈의 축상에 속도센서를 설치하여 터빈제어장치가 이 속도 정보로부터 과속도를 차단하 게 된다. 그러나 속도센서나 터빈제어장치의 고장에 의해 치명적인 손상이 발생할 수 있으므로 후비적인 보호장치가 필요하며, 발전기의 출력 전압과 주파수는 회전수 정보를 포함하고 있으므로 이를 이용할 수 있다. 따라서 발전기의 진단 기능은 발전기 자체뿐만 아니라 마이크로터빈 전체 시스템의 과속도 후비보호 기능을 제공할 수 있으므로 보다 안전한 제어 및 보호시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 고속으로 운전되는 영구자석 동기발전기의 이상상태를 신속하게 검출하여 운전정지 신호를 발생함으로서 사고가 크게 파급되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
둘째, 발전기의 고장 이외에 터빈제어장치의 이상이나 갑작스런 부하의 이탈로 인한 순시적인 과속도를 검출하는데 있어 속도센서의 후비 보호용으로 사용할 수 있어 보호기능의 이중화로 시스템의 안전성에 기여할 수 있다.
셋째, 본 발명은 별도의 센서나 하드웨어적인 수단의 추가 없이 단순히 소프트웨어적인 수단에 의해 기능이 구현되므로 원가의 상승이나 부품의 증가에 따른 고장 요인의 증대 등의 단점이 없다.
넷째, 본 고안은 전력변환장치의 구성방식에 크게 구애받지 않고 적용할 수 있으므로 경제적으로 구현할 수 있으며 표준화가 가능하다.
이상 설명한 본 발명에 의하면, 별도의 장치를 부가하지 않고 발전기의 고장 상태를 진단하고, 발전기 고장이 아닐 경우 이로부터 검출한 속도 정보를 터빈 시스템의 과속도 후비 보호용으로 제공함으로써, 보다 확실하고 독립된 이중의 과속도 보호기능을 제공하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법 및 그 장치를 실현할 수 있게 된다.
본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위 내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (10)

  1. a) 동기발전기로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하는 단계;
    b) 단계 a)에 의해 검출되는 전압 및 전류를 기초로, 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산하는 단계;
    c) 상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산하는 단계,
    Va=Ea-IaㆍRa,
    Ea=Keㆍωr ,
    ωr=2πf
    여기서, Va는 단자 전압 예측 실효치(V), Ea는 동기 발전기의 내부 유기전압(V), Ia는 동기발전기(2)의 상전류(A), Ra는 동기발전기(2)의 상당 권선저항(Ω), Ke는 전압계수, ωr는 동기발전기(2)의 회전자 각속도(rad/sec), 및 f는 동기발전기의 운전 주파수(Hz)이며; 및
    d) 상기 동기 발전기의 이상을 판정하기 위해, 단계 b) 및 c)에서 연산한 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자 석 동기발전기의 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은
    f) 상기 동기 발전기의 출력 단자에서 검출한 단자 전압을 기초로 속도를 검출하는 단계;
    g) 속도 센서를 이용하여 상기 동기 발전기의 속도를 검출하는 단계;
    h) 주파수 검출 이상을 판단하기 위해, 단계 f) 및 g)에 의해 검출된 속도들에 따른 주파수들의 편차가 소정의 기준치 이상인지를 판단하는 단계;
    i) 단계 h)에서 상기 편차가 소정의 기준치 이상인 것으로 판단하는 경우, 상기 주파수들을 기초로 전압 예측치들을 각각 연산하는 단계;
    j) 단계 i)에 의한 상기 전압 예측치들의 편차가 소정의 전압 기준치 이상인 경우, 상기 동기 발전기의 이상으로 판단하고, 상기 편차가 소정의 전압 기준치 미만인 경우, 센서의 고장으로 판단하는 단계;
    k) 단계 j)에서 센서의 고장으로 판단하는 경우, 상기 검출되는 전류가 과 전류인지를 판단하는 단계; 및
    l) 단계 k)의 판단 결과, 상기 전류가 과전류인 경우, 3상 단락 또는 지락으로 판단하며, 상기 전류가 과전류가 아닌 경우에는 위상 고정 루프의 이상으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단계 f)는
    f-1) 상기 동기 발전기에 연결되는 정류기 방식을 판단하는 단계;
    f-2) 단계 f-1)의 판단 결과에 대응하게 필터의 계수를 조정하고, 상기 동기 발전기의 출력 단자로부터 출력되는 단자 전압을 필터링하는 단계;
    f-3) 단계 f-2)에 의해 필터링된 전압을 DQ 변환하는 단계;
    f-4) 단계 f-3)에 의해 변환된 D-축 전압값을 이용한 위상고정루프 방식의 연산을 통하여 상기 속도를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 f-2)에서의 필터 계수 조정은
    상기 단계 f-1)의 판단 결과, 상기 정류기 방식이 다이오드 정류기인 경우, 상기 필터 계수를 저주파 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 f-2)에서의 필터 계수 조정은
    상기 단계 f-1)의 판단 결과, 상기 정류기 방식이 승압형 컨버터인 경우, 상 기 필터 계수를 고주파수 대역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 방법.
  6. 마이크로터빈 분산 발전 시스템에 있어서,
    동기 발전기로부터 출력되는 전압 및 전류를 검출하기 위한 전압 및 전류 센서들;
    상기 전압 및 전류 센서들 의해 검출되는 전압 및 전류를 기초로, 운전 주파수, 및 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치 및 최대치를 연산하기 위한 제어 장치를 포함하며,
    상기 제어 장치는
    상기 운전 주파수, 및 동기발전기의 상당 권선저항, 및 상기 검출된 전류를 기초로 단자 전압 예측 실효치 Va를 연산하고,
    Va=Ea-IaㆍRa,
    Ea=Keㆍωr ,
    ωr=2πf
    여기서, Va는 단자 전압 예측 실효치(V), Ea는 동기 발전기의 내부 유기전압(V), Ia는 동기발전기(2)의 상전류(A), Ra는 동기발전기(2)의 상당 권선저항(Ω), Ke는 전압계수, ωr는 동기발전기(2)의 회전자 각속도(rad/sec), 및 f는 동기발전기의 운전 주파수(Hz)이며,
    상기 동기 발전기의 이상을 판정하기 위해, 각 상전압 또는/및 상전류의 실효치와 최대치를, 그리고 상기 전압 예측치를 상기 검출한 전압의 실효치와 서로 비교하여, 그 각각의 편차가 그 각각의 소정 기준치들 이상인지를 판단하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 장치는
    상기 동기 발전기의 출력 단자에서 검출한 단자 전압을 기초로 속도를 검출하고, 속도 센서를 이용하여 상기 동기 발전기의 속도를 검출하며, 주파수 검출 이상을 판단하기 위해, 상기 검출된 속도들에 따른 주파수들의 편차가 소정의 기준치 이상인지를 판단하며, 상기 편차가 소정의 기준치 이상인 것으로 판단하는 경우, 상기 주파수들을 기초로 전압 예측치들을 각각 연산하고, 상기 전압 예측치들의 편차가 소정의 전압 기준치 이상인 경우, 상기 동기 발전기의 이상으로 판단하고, 상기 편차가 소정의 전압 기준치 미만인 경우, 센서의 고장으로 판단하며, 상기 센서의 고장으로 판단하는 경우, 상기 검출되는 전류가 과 전류인지를 판단하며, 상기 판단 결과, 상기 전류가 과전류인 경우, 3상 단락 또는 지락으로 판단하고, 상기 전류가 과전류가 아닌 경우에는 위상 고정 루프의 이상으로 판단하는 것을 특징으 로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 장치는
    상기 동기 발전기에 연결되는 정류기 방식을 판단하고, 상기 판단 결과에 대응하게 필터의 계수를 조정하고, 상기 동기 발전기의 출력 단자로부터 출력되는 단자 전압을 필터링하며, 상기 필터링된 전압을 DQ 변환하여, 상기 변환된 D-축 전압값을 이용한 위상고정루프 방식의 연산을 통하여 상기 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치는
    상기 정류기 방식이 다이오드 정류기인 경우, 상기 필터 계수를 저주파 대역으로 조정하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치는
    상기 정류기 방식이 승압형 컨버터인 경우, 상기 필터 계수를 고주파수 대역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈용 영구자석 동기발전기의 진단 장 치.
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