KR100993109B1 - 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 발전기의 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템은 발전기 전압의 피크치를 검출하는 피크전압 검출부, 상기 피크전압을 설정 값과 비교하는 비교기, 상기 검출된 피크전압이 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 상기 검출된 피크전압이 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키는 제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 급격한 부하 변동에 대해서 빠른 전압 응답 특성을 제공할 수 있다.

피크전압, PID, 비교기

Description

피크전압을 이용한 발전기 제어시스템 {Generator control system with peak voltage detecting}

본 발명은 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기의 실효전압(r.m.s.전압) 검출 지연에 따른 발전기 전압 제어의 응답성을 개선하기 위하여, PID 제어기와 피크전압 검출부 및 제어이득 변환부를 적용하여 급격한 부하 변동에 따른 빠른 전압 응답성을 갖는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

엔진 발전기는 선박용 전력생산 및 비상용 발전기로 많이 사용되고 있다. 최근에는 무한 모선의 연결이 어려운 낙도 지역에서 엔진 발전기를 이용한 자체 전력 생산 시스템이 적용되고 있고, 외국의 경우에는 대형 육상 플랜트 발전 설비로 전력을 공급하기 어려운 산간지역 등에서 엔진 발전기 운전 시스템의 적용이 크게 늘고 있다.

디젤-엔진 발전기는 육상 발전 및 송배전 시스템으로부터 전기가 공급되기 어려운 지역의 전원공급 장치로 널리 사용되고 있다. 특히, 선박의 경우 전원의 공 급은 전적으로 엔진-발전기로부터 공급된다. 이러한 경우, 각종 제어장비, 통신장비 및 운항장비의 전원 공급을 위해 높은 품질의 전력을 요구된다.

엔진 발전기 운전 시스템의 제어 특성은 엔진 제어를 위한 Governor와 발전기 전압을 제어하는 AVR에 의해 결정된다. 따라서 엔진 발전기 운전 시스템은 무한 모선 시스템과 달리 부하에 따라 출력전압의 가변이 심하고, 주파수의 변동이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 전력의 불안정성은 전기장치의 오동작을 일으킬 수 있다. 특히, 선박의 경우와 같이 무한 모선이 연결되지 못하는 단독 운전 시스템의 경우, 엔진 발전기는 시스템의 전 전력을 안정적으로 공급해야 하며 부하의 급변에 대해서도 안정적인 응답특성을 가져야 한다.

발전기의 전압 제어를 위한 AVR은 최근에는 SCR을 사용하는 아날로그 제어 방식에서 마이크로 프로세서 등을 활용한 PWM 제어 구조를 적용하고 있다. 이는 디지털 방식의 제어기가 다양한 발전기에 적용하기 용이하며, Droop 제어 및 병렬 제어와 같은 복잡한 계통 제어에 적합하기 때문이다. 이러한 디지털 방식의 AVR 제어기는 일반적으로 산업계에 널리 알려진 PID 제어기가 많이 적용되고 있다. 이는 제어이득의 설정에 따라 다양한 발전기에 적용이 가능하며, 사용자에게 널리 익숙해진 방식이기 때문이다. 그러나, 종래의 PID 발전 제어 시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다.

종래 발전기의 전압 제어 시스템에서 발전기 출력전압은 실효전압(r.m.s.전압)을 입력하였는데, r.m.s. 검출 신호는 실제 발전기 순시전압 출력에 대하여 시간 지연을 가지게 된다. 이러한 시간 지연의 문제로 AVR 제어기의 제어이득을 크게 설정하기 어려운 문제점이 있었다. 제어이득을 크게 설정할 경우 응답성을 향상 될 수 있으나 안정성에서 문제가 될 수 있다. 특히 본 발명과 같은 발전기 제어 시스템처럼 시지연에 의해 제어가 어려운 경우, 제어이득을 크게 설정하면 오히려 오차가 증가할 수 있기 때문에 크게 설정하기 어려운 문제점이 있었다. 반대로 제어이득을 작게 설정하면 응답성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 실제 발전기의 응답특성은 부하의 급변에 대하여 낮은 응답성을 갖는 문제점이 있다.

이는 육상용 발전기의 전압 제어 시스템에서는 d-q 변환에 의한 순시적인 r.m.s. 검출이 용이하지만, 엔진-발전기 시스템에서는 구조적으로 부하에 따라 발전기의 주파수가 가변적이고, 순시적인 주파수 검출을 위한 별도의 장치를 부착하기가 어렵기 때문이다. 따라서, 엔진-발전기 제어 시스템의 전압 제어 응답성은 AVR의 제어이득의 선정과 발전기의 시상수에 매우 의존적으로 된다.

본 발명은 발전기 실효전압(r.m.s.전압) 검출 지연으로 인해 발생하는 응답특성의 문제점을 개선할 수 있는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 급격한 부하 변동에 대하여도 안정적이고 빠른 응답성을 갖는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 발전기의 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템은 발전기 전압의 피크치를 검출하는 피크전압 검출부, 상기 피크전압을 설정 값과 비교하는 비교기, 상기 검출된 피크전압이 기설정된 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 상기 검출된 피크전압이 기설정된 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키는 제어부를 포함한다.

피크전압 검출부는 발전기의 주파수에 따라 발전 전압의 피크치를 검출하는 것이 바람직하다.

피크전압 검출부는 노이즈 및 고정된 저항(R) 및 콘덴터(C)에 의해 동작하는 것이 바람직하다.

상기 비교기는 피크전압과 하한 값을 비교하는 제1 비교기 및 피크전압과 상한 값을 비교하는 제2 비교기를 포함하는 것이 바람직하다.

피크전압이 하한 값보다 작아 언더슈트가 발생하는 경우에는 제어이득을 증 가시키는 제어이득 변환부 및 언더슈트가 발생한 경우에는 증가된 제어이득에 의한 여자기의 제어 전류지령을 선택하며, 피크전압이 상한 값보다 높아 오버슈트가 발생하는 경우에는 소정의 여자기의 제어전류 지령을 선택하는 스위치부를 포함하는 것이 바람직하다.

발전기의 실효전압(r.m.s.전압)으로 PID 제어를 수행하는 PID 제어부를 더 포함하며, 제어이득은 PID제어부의 Kp, Ki, Kd를 조절하는 것이 바람직하다.

오버슈트가 발생하는 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키도록 소정의 여자기의 제어 전류지령이 제로(0)인 것이 바람직하다.

하한 값은 여자기의 제어 지령(

)의 95%, 상기 상한 값은 여자기의 제어 지령(

)의 105%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 피크전압을 이용한 발전기 제어방법은 발전기 전압의 피크치를 검출하는 단계, 피크전압을 하한 값과 상한 값과 비교하는 단계 및 검출된 피크전압이 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 검출된 피크전압이 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

피크전압이 하한 값보다 작아 언더슈트가 발생하는 경우에는 증가된 제어이득에 의한 여자기의 제어 전류지령을 선택하며, 피크전압이 상한 값보다 높아 오버슈트가 발생하는 경우에는 소정의 여자기의 제어전류 지령을 선택하는 것이 바람직하다.

오버슈트가 발생하는 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키도록 소정의 여자기의 제어 전류지령을 제로(0)로 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 피크전압 검출부 및 제어이득 변환부를 적용함으로써 r.m.s.전압 검출 지연에 따른 발전기 전압제어의 응답성을 개선할 수 있을 있다. 뿐만 아니라 급격한 부하 변동에 대해서 빠른 응답특성을 제공할 수 있다.

또한 본 발명은 부하의 급격한 변동을 피크 전압을 검출하고, 검출된 신호에 따라 제어기의 제어이득을 변동시키며, 오버슈트를 방지하기 위한 스위치 제어방식을 적용하였다. 따라서, 본 발명은 종래의 PID 제어 방식에 비하여 안정적이고 빠른 응답특성을 제공할 수 있다. 이는 피크 전압 검출부에서 순시적으로 신호를 검출하고, 안정적인 r.m.s.전압 검출부의 신호를 이용하여 전압을 제어하기 때문이다.

이러한 본 발명에 따른 방식의 효과를 실제 선박용 200kW급 디젤엔진 발전기에 대한 실부하 시험을 통하여 검증하였다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1a는 디젤-엔지 발전기의 전압제어 구조를 도시한 도면이다.

일반적인 엔진-발전기의 경우 성능 및 신뢰성의 문제로 여자기를 가지는 브러쉬리스 발전기가 많이 사용되고 있다. 도 1a를 참조하면, 브러쉬리스 발전기는 여자기의 계자 전류에 의한 여자기의 발전전압을 발전기 내부의 반도체 정류 다이오드를 통하여 다시 주발전기의 계자를 공급하는 방식을 사용한다. 따라서 브러쉬리스 발전기는 브러쉬를 통하여 직접 계자를 공급하는 방식에 비하여 신뢰성이 높고, 유지 보수에 용이한 장점이 있다.

도 1a의 디젤-엔진 발전기의 전압 제어 구조를 참조하면, 여자기와 주발전기는 모두 발전기 내부에 장착된다. 디젤-엔진 발전기는 발전기 외부의 3상 출력선에 연결된 PT(Potential Transformer) 및 CT(Current Transducer)로부터 발전기의 전압 및 전류를 검출하여 여자기의 계자 전류를 제어한다.

PMS(Power management system)는 발전기 제어 시스템의 전원을 제어한다. 이러한 PMS는 일반적으로 AVR(Automatic voltage regulator)의 전력을 발전기의 출력단에 연결된 변압기 또는 외부 전원에 공급한다.

도 1b는 도 1a의 디젤-엔진 발전기의 제어시스템의 블록도이다.

도 1b를 참조하면, AVR은 제어이득과 시간 지연을 가지는 1차 지연요소로 모델링된다. 또한 여자기 및 발전기도 전기적 시상수에 의한 지연요소로 간략화될 수 있다.

도 1b에서 발전기의 출력전압은 다음과 같이 표현될 수 있다.

최근에 발전기의 전압 제어를 위한 AVR은 SCR을 사용하는 아날로그 제어방식에서 마이크로 프로세서 등을 활용한 PWM 제어구조를 적용하고 있다. 이는 디지털 방식의 제어기가 다양한 발전기에 적용하기 용이하며, Droop 제어 및 병렬 제어와 같은 복잡한 계통 제어에 적합하기 때문이다.

도 2는 PID 제어기를 적용한 발전기 제어 시스템의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 발전기의 제어를 위한 AVR의 제어에는 PID 제어기가 많이 적용되고 있다. 이는 제어이득의 설정에 따라 다양한 발전기에 적용이 가능하며, 사용자에게 널리 익숙해진 방식이기 때문이다.

PID 제어방식은 제어 방식 가운데서 가장 흔히 이용되는 제어방식이다. 여기서 PID란 P: Proportinal(비례) , I: Integral(적분) ,D: Differential(미분) 이며 이 3가지 조합으로 제어하는 것으로 유연한 제어가 가능하다.

도 3a는 비례제어의 특성을 도시한 도면이다.

비례제어는 조작량을 지령 값(목표 값)과 현재 출력 값과의 차에 비례한 크기가 되도록 하며 서서히 조절하는 제어 방법이다. 이러한 비례제어에서는 지령 값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표 값에 근접할 수 있다.

도 3b는 PI제어의 특성을 도시한 도면이다.

비례제어만 사용할 경우 제어량이 목표 값에 접근하면 조작량이 너무 작아지고, 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생할 수 있다. 목표 값에 아주 가까운 제어량의 상태에서 안정한 상태로 유지되어 목표 값에 가까워지지만, 아무리 시간이 지나도 제어량과 완전히 일치하지 않는 상태가 발생(잔류편차)한다. 이러한 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분 제어이다. 이러한 적분제어는 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여, 어떤 크기로 된 곳에서 조작량을 증가하여 편차를 없애는 식으로 동작시키는 방식이다. 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 "PI 제어(비례-적분 제어)" 라 할 수 있다.

도 3c는 PID제어의 특성을 도시한 도면이다.

PI 제어를 이용하면 실제 목표 값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있으나 응답속도가 느린 문제점이 있다. PI 제어에서는 확실히 목표 값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수)이 필요하며, 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다. 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고, 즉시 원래의 목표 값으로는 돌아갈 수 없는 문제점이 있다. 급격히 일어나는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 함으로써 전회와의 편차에 대한 변화차를 보는 것이 "미분"에 상당하는 것이다. PID제어는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 처음에는 상당히 overshoot하는 듯이 제어하여 신속히 목표 값이 되도록 적극적으로 제어한다.

도 3d는 PID 파라미터에 의한 특성의 차이를 도시한 도면이다.

PID제어에서는 파라미터가 큰 경우에는 미분, 적분 효과가 빨리 효력이 나타나므로 overshoot이 크게 눈에 띈다. 반면에 파라미터가 작은 경우에는 overshoot가 거의 나타나지 않았다.

이러한 PID 제어기의 응답성은 제어이득에 따라 가변적이므로, 발전기가 출하되기 전에 제어이득의 튜닝을 통하여 적합한 이득을 산정하게 된다. 발전제어 시스템에서 발전기 출력전압의 검출은 r.m.s. 전압을 입력하는데, r.m.s. 검출신호는 실제 발전기 순시전압 출력에 대하여 시간 지연을 갖는다. 이러한 시간 지연의 문제로 인하여, AVR 제어기의 제어이득을 크게 설정하기 어렵다. 또한 실제 발전기의 응답특성은 부하의 급변에 대하여 낮은 응답성을 갖는다. 육상용 발전 시스템에서는 d-q 변환에 의한 순시적인 r.m.s. 검출이 용이하지만, 엔진-발전기 시스템에서는 구조적으로 부하에 따라 발전기의 주파수가 가변적이고 순시적인 주파수 검출을 위한 별도의 장치를 부착하기가 어렵다. 따라서 엔진-발전기 제어 시스템의 전압 제어 응답성은 AVR의 제어이득의 선정과 발전기의 시상수에 매우 의존적이다.

도 4는 본 발명에 따른 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템의 블록도이다.

본 발명에 따른 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템은 발전기 실효전압(r.m.s.전압) 검출 지연으로 인한 응답특성 문제를 개선하기 위하여 발전기의 피크전압을 검출하는 피크전압 검출부(420), 피크전압을 하한 값과 상한 값과 비교하는 비교기(500), 검출된 피크전압이 상기 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 검출된 피크전압이 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키는 제어부(600)를 포함한다.

피크전압 검출부(420)는 발전기의 주파수에 따라, AC 발전 전압의 피크치를 검출한다. 피크전압 검출부(420)는 발전기의 응답에 대하여 지연 없이 발전기 전압 의 최대크기를 검출 할 수 있다. 피크전압 검출부(420)는 노이즈 및 고정된 R, C에 의해 동작하므로 연속적인 제어가 가능하며, 방전 부분에서는 피크 값보다 작은 값이 검출된다. 본 발명에 따르면, AD 컨버터를 이용하여 연속적으로 피크전압 검출부의 전압을 검출하고, 발전기 주파수 검출에 의해 그 중에서 최대 값을 찾는 방법에 의해서 각 주기 내에서의 전압 변동을 검출할 수 있다.

비교기(500)는 2개의 비교기를 이용하여 피크전압 검출부에서 검출된 전압과 설정치를 비교하는 것이 바람직하다. 제1 비교기(510)은 검출된 피크전압을 기설정된 하한 값 VL_SET과 비교하여 /UVINT 신호를 출력한다. 제2 비교기(520)은 검출된 피크전압을 기설정된 상한 값 VH_SET과 비교하여 /OVINT 신호를 출력한다. 이 때 하한 값 VL_SET과 상한 값 VH_SET은 각각 제어 지령인

의 95% 및 105%로 설정하는 것이 바람직하다. 일반적인 선박의 발전기 응답은 80% 부하에 대해서 언더슈트가 15% 이하 오버슈트가 20% 이하로 되어야 한다. 따라서 피크전압 검출부의 노이즈 및 검출 오류를 고려하여 설정값을 결정하는 것이 바람직하다.

피크전압 검출부(420)에서 검출된 전압이 VL_SET 보다 작아지거나 VH_SET 보다 커지는 경우에는 발전기에 급격한 부하가 변동된 것으로 판단할 수 있다.

오버슈트나 언더슈트가 일어나지 않는 경우, 이전의 안정화 된 제어이득(즉, 오버슈트나 언더슈트가 일어나지 않았을 경우의 제어이득)으로 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 시스템에서 제어하고자 하는 것은 발전기의 출력단 전압이다. 즉, 발전기의 출력단 전압이 사용자가 원하는 전압으로 일정하게 출력될 수 있도록 하는 것이다. 따라서 제어관점에서 보면 발전기의 출력전압이 제어대상인 출력이 되고 사용자가 원하는 출력전압이 입력이 된다. 입력은 다른 말로 지령이라고 할 수 있다. 지령은 값의 형태로 주어지므로 입력치 지령치라고 불리기도 한다. 본 발명에 따른 시스템에서는 출력전압에 대한 지령이므로 Vref로 표현하였다. 발전기의 경우 출력전압이 교류이므로 순시적으로 변화하기 때문에 이 값을 취급한다는 것이 어렵다. 따라서, RMS(Root Mean Square)라는 개념을 사용하였는데, Vrms는 발전기의 출력단 실효전압을 뜻한다.

이러한 Vrms의 값이 Vref와 같아지도록 하는 것이 본 발명에 따른 시스템에서의 제어의 목적이고, 이를 위해 사용된 방법이 PID이다. 사용자가 원하는 출력 전압 값 Vref와 실제 발전기의 출력 값 Vrms를 비교하여 현재 에러를 확인해야 한다. 발생한 에러의 양만큼 제어를 해서 Vref와 Vrms를 같아지게 한다. 에러 값을 이용하여 PID 제어부를 거쳐서 제어하여야 할 만큼의 전류 지령치 Ifd*를 생성하게 되고, 이 값을 만족하기 위한 스위칭을 수행한다.

도 5는 본 발명에 따른 동작의 일 예를 도시한 도면이다.

검출된 r.m.s.전압만으로 제어를 하는 경우 부하 변동(Load Variation)이 발생한 경우, 시간 지연(delay)이 발생하는 문제점이 있었다. 발전기에 급격한 부하인가로 전압의 감소가 발생하면, RMS 검출부는 검출 지연에 의해 서서히 변동한다.

그러나, 본 발명에 의하면, 피크전압 검출부에서는 부하의 인가를 신속하게 검출하게 된다. 검출된 /UVINT 신호에 의해 제어이득 변환부(610)는 제어이득을 크게 증가시킨다. 제어이득은 디지털 신호 처리 장치(DSP)에서 AVR 제어기의 제어이득을 크게 증가시키는 것이 바람직하다. 이 때, 작은 오차에 대해서도 강인하게 동작하도록 제어이득의 변환이 이루어지는 것이 바람직하다. 제어이득의 변환은 Kp, Ki, Kd를 조절하게 되는데, 이렇게 조절된 값은 발전기의 실효전압(r.m.s.전압)으로 PID 제어를 수행하는 PID 제어부(620)에 입력된다.

반대로, 부하가 급격하게 제거되어 발전기의 전압이 상승하게 되면, /OVINT 신호에 의해 여자기의 제어 전류 지령을 급격하게 감소시킨다. 스위치부(630)에서 여자기의 제어 전류 지령을 0으로 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 오버슈트라고 판단될 경우 PID 제어부(620)에서 생성된 Ifd*(발전기 계자전류 지령치)를 사용하지 않고 0의 값으로 처리된다. 이렇게 되면 지령치가 0이므로 이후 발전기의 전압을 출력하는 동작이 현재 상태로 유지된다. 지령이 0인 경우에는 '발전기 출력 = 목표 값'이므로 출력을 증가시키거나 감소할 필요가 없다.

특히, 오버슈트에 대해서 강한 동작을 설정하게 되는 것은 여자기의 특성상 여자 전류가 0으로 감소하는 동안에도 발전기의 전압은 부하의 제거에 의한 전압상승이 이루어지고 이에 대하여 오버슈트가 20%를 넘어갈 수 있기 때문이다.

도 6은 본 발명을 적용한 선박용 발전기 시스템의 블록도이다.

도 6을 참조하면, 발전기는 디젤 엔진에 의해 구동되고, 발전기의 계자는 여자기의 발전에 의해 동작된다. AVR은 여자기의 계자 전류를 제어하기 위한 IGBT 구동에 의한 PWM 제어에 의해 동작된다. CCS는 전류제어기(Current Control System)로 여자기의 계자 전류를 제어한다.

발전기의 전압과 전류는 발전기 출력단에 설치된 PT(Potential Transformer) 및 CT(Current Transducer)에 의해 검출된다. 전압은 U-W 상에 의해 검출되며, 전류는 V상의 전류를 검출한다.

Droop 제어기는 부하의 위상에 따라 병렬 운전에 대한 특성을 결정하기 위한 제어기이다.

디지털 AVR은 발전기의 잔류 전압에 의한 피드백 루프에 의해 기동되어야 하므로, 자기동(Self-starter) 회로가 AVR의 제어 전원을 확립하는 동안 발전기의 동작을 결정한다.

도 7a는 본 발명에 따른 제어시스템 회로의 일 예를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 제어시스템의 타당성을 검증하기 위하여 3상 380V, 200kW 디젤 엔진 발전기에 대한 실험을 수행하였다. 본 발명에 따른 발전기는 중소형 선박용 비상발전기로 설계되었으며, 발전기의 여자기 계자 저항은 16.5[]이고, 최대 출력전압은 45[V]로 설정하였다.

도 7b는 본 발명에 따른 제어시스템의 실험 환경을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 발전기의 실험은 정격 저항부하와 인덕턴스 부하에 대하여 수행되었다. 디지털 AVR의 메인 제어기는 TI(Texas Instrument)사의 TMS320F2811-100를 사용하였으며, 발전기와 모선의 전압 및 전류는 Analog Device사의 AD637과 2차 Sallen Key 필터를 사용하여 검출하도록 설계되었다. 피크 전압 검출부는 정밀 정류회로와 DSP에 내장된 고속 AD 컨버터를 사용하여 순시적으로 검출하고 있으며, DSP의 CAP에 연결된 전압 주파수 검출부와 동기하여 AD 변환된 값 중에서 최대 값을 찾도록 프로그램 되었다. 여자기 계자의 최대 전류는 15A로 설계되어 있으며, IXYS사의 FID60-060D(600V, 65A)로 구성하였다.

AVR 제어기의 자기동 회로는 트랜지스터에 의한 초기 기동전류 제어 방식으로 구성되어 있으며, 정지상태 기동 및 병렬 운전에서의 전전압 기동에 대해 안정적으로 동작하도록 병렬회로로 구성하였다. 제어기와 모니터링 장치와의 통신은 CAN과 RS-232 방식을 이용하였다. 전압 검출은 110/220/380/450V에 대하여 아날로그 스위치를 통하여 하드웨어의 변경 없이 검출 가능하도록 하였으며, CBS(Current Boosting System)은 에스시알(SCR) 모듈과 전압 제어기로 구성되었다.

도 8a, 도 8b는 일반적인 PID 제어기 및 본 발명에 따른 제어시스템의 응답특성을 각각 도시한 도면이다.

도 8a, 도 8b의 각각의 도면에는 100% 부하 인가와 부하 제거 상태에서의 PID 제어기와 본 발명에 따른 제어 구조에서의 응답특성이 각각 도시되어 있다. 또한 여자기의 계자 전류, r.m.s. 검출 전압, 발전기 출력단자 전압 및 부하 전류의 파형이 도시되어 있다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 일반적인 PID 제어기에서는 부하의 인가와 제거 상태에서 언더슈트와 오버슈트는 점선으로 표기된 설정 전압의 90%와 110% 보다 크게 변동하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 오버슈트는 약 24%까지 증가하는 것을 보이고 있다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어시스템에서는 언더슈트 및 오버슈트가 크게 감소하고 있다. 또한, 제어이득의 변화에 대하여 본 발명에 따른 제어 구조는 PID 제어기보다 빠른 응답성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 제어 구조에서는 언더슈트는 11%, 오버슈트는 12% 이내로 안정적인 제어가 이루어지고 있음을 알 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 인덕턴스 부하에 대한 응답특성의 일 예를 각각 도시한 도면이다.

도 9a를 참조하면, 인덕턴스 부하의 인가 및 제거에 대해서도 본 발명에 따른 제어시스템은 안정적인 전압 제어 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 또한 도 9b를 참조하면, Droop 10% 설정에 대한 발전기의 전압도 부하 전류의 크기와 역률에 따라 안정적으로 제어되고 있음을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 제어방법의 순서도이다.

피크 전압 검출부는 발전기 전압의 피크치를 검출한다(S1100).

비교기는 피크전압을 하한 값과 상한 값과 비교한다(S1200).

검출된 피크전압이 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절한다(S1300 및 S1350). 피크전압이 하한 값보다 작아 언더슈트가 발생하는 경우에는, 스위치부는 증가된 제어이득에 의한 여자기의 제어 전류지령을 선택한다.

검출된 피크전압이 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지한다(S1400 및 S1450)피크전압이 상한 값보다 높아 오버슈트가 발생하는 경우에는, 스위치부는 여자기의 제어전류 지령을 0으로 선택한다.

본 발명에 따른 제어 방식은 부하의 급격한 변동은 설계된 피크 전압 검출부에서 검출하고, 검출된 신호에 따라 제어기의 제어이득을 변동시키며, 오버슈트를 방지하기 위한 스위치 제어 방식을 적용하였다. 본 발명에 따른 디지털 AVR 제어기는 선박용 200kW 발전기의 실부하 시험에서 동일한 제어기의 PID 제어 방식에 비해 개선된 응답특성을 나타내었다. 또한, 초기 자기동 및 전부하 변동과 Droop 특성 시험, V/Hz 특성 시험에서 모두 안정적인 응답특성을 나타내었다.

도 1a는 디젤-엔지 발전기의 전압제어 구조를 도시한 도면,

도 1b는 도 1의 디젤-엔진 발전기의 제어시스템의 블록도,

도 2는 PID 제어기를 적용한 발전기 제어 시스템의 블록도,

도 3a는 비례제어의 특성을 도시한 도면,

도 3b는 PI제어의 특성을 도시한 도면,

도 3c는 PID제어의 특성을 도시한 도면,

도 3d는 PID 파라미터에 의한 특성의 차이를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템의 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 동작의 일 예를 도시한 도면,

도 6은 본 발명을 적용한 선박용 발전기 시스템의 블록도,

도 7a는 본 발명에 따른 제어시스템 회로의 일 예를 도시한 도면,

도 7b는 본 발명에 따른 제어시스템의 실험 환경을 도시한 도면,도 8a 및 도 8b는 일반적인 PID 제어기 및 본 발명에 따른 제어시스템의 응답특성을 각각 도시한 도면,

도 9a 및 도 9b는 인덕턴스 부하에 대한 응답특성의 일 예를 각각 도시한 도면 및

도 10은 본 발명에 따른 제어방법의 순서도이다.

Claims (11)

1. 발전기의 출력단 전압이 사용자가 원하는 전압으로 일정하게 출력될 수 있도록 하는 발전기 제어시스템으로서,

   상기 발전기의 출력 전압의 피크치를 검출하는 피크전압 검출부,

   상기 피크전압을 설정 값과 비교하는 비교기 및

   상기 검출된 피크전압이 기설정된 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 상기 검출된 피크전압이 기설정된 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 출력 전압을 현재 상태로 유지시키는 제어부를 포함하며,

   상기 제어부는 사용자가 원하는 출력 전압 값 Vref와 실제 발전기의 출력 값 Vrms이 같아지도록,

   상기 피크전압이 상기 하한 값보다 작아 언더슈트가 발생하는 경우에는 제어이득을 증가시키는 제어이득 변환부,

   상기 언더슈트가 발생한 경우에는 상기 증가된 제어이득에 의한 여자기의 제어 전류지령을 선택하며, 상기 피크전압이 상기 상한 값보다 높아 오버슈트가 발생하는 경우에는 여자기의 제어전류 지령을 선택하는 스위치부 및

   발전기의 실효전압(r.m.s.전압)으로 PID 제어를 수행하는 PID 제어부를 포함하며,

   상기 제어이득의 변환은 상기 PID제어부의 Kp, Ki, Kd를 조절하는 것에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 발전기의 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 피크전압 검출부는

   발전기의 주파수에 따라 발전 전압의 피크치를 검출하는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 피크전압 검출부는 노이즈 및 고정된 저항(R) 및 콘덴터(C)에 의해 동작하는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 비교기는

   상기 피크전압과 상기 하한 값을 비교하는 제1 비교기; 및

   상기 피크전압과 상기 상한 값을 비교하는 제2 비교기;를 포함하는 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 오버슈트가 발생하는 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키도록 상기 여자기의 제어 전류지령이 제로(0)인 발전기의 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 하한 값은 여자기의 제어 지령(

   

   )의 95%, 상기 상한 값은 여자기의 제어 지령(

   

   )의 105%인 발전기의 피크전압을 이용한 발전기 제어시스템.
9. 발전기의 출력단 전압이 사용자가 원하는 전압으로 일정하게 출력될 수 있도록 하는 발전기 제어방법으로서,

   (a) 발전기 전압의 피크치를 검출하는 단계;

   (b) 상기 피크전압을 하한 값과 상한 값과 비교하는 단계; 및

   (c) 상기 검출된 피크전압이 상기 하한 값보다 작은 경우에는 제어이득을 조절하며, 상기 검출된 피크전압이 상한 값보다 큰 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키는 단계를 포함하며,

   상기 단계 (c)는

   사용자가 원하는 출력 전압 값 Vref와 실제 발전기의 출력 값 Vrms이 같아지도록, 상기 피크전압이 상기 하한 값보다 작아 언더슈트가 발생하는 경우에는 증가된 제어이득에 의한 여자기의 제어 전류지령을 선택하며, 상기 피크전압이 상기 상한 값보다 높아 오버슈트가 발생하는 경우에는 상기 여자기의 제어전류 지령을 선택하는 것을 특징으로 하는 피크전압을 이용한 발전기 제어방법.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서,

    상기 단계 (c)에서 상기 오버슈트가 발생하는 경우에는 발전기의 전압을 현재 상태로 유지시키도록 상기 여자기의 제어 전류지령을 제로(0)로 선택하는 피크전압을 이용한 발전기 제어방법.

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