KR101090534B1

KR101090534B1 - 발전기 전력 자동제어장치

Info

Publication number: KR101090534B1
Application number: KR1020100023088A
Authority: KR
Inventors: 김동영
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-12-08
Also published as: KR20110104140A

Abstract

본 발명은 발전기 전력 자동제어장치에 관한 것으로, 그 목적은 발전기 전력 자동 제어와 관련된 조속기나 자동 전압 조정기 그리고 전용 제어기 등의 각 개별 제어기가 갖고 있는 제어 특성의 장점만을 취하여 엔진의 고유 특성이 감안된 안전하고 원활한 제어가 가능하도록 한 발전기 전력 자동제어장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 발전기 보호 계전기와 조속기 및 자동 전압 조정기 그리고 PLC 중앙처리장치를 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 있어서, 상기 PLC 중앙처리장치는 발전기 보호 계전기로부터 전달되는 운전 데이터와 미리 설정된 참조값을 이용하여 비례/적분/미분의 PID 연산을 수행함으로써 제어값을 구하고, 상기 제어값에 따라 자동 전압 조정기 및 조속기를 제어하는 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈을 더 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

발전기 전력 자동제어장치{Power Management System}

본 발명은 발전기 전력 자동제어장치에 관한 것으로, 특히 발전기의 기저 부하 운전, 부하 분배 운전, 첨두 부하 운전 및 단독 독립 운전의 모든 발전기 운전 환경에서 주어진 환경에 따른 발전기의 출력, 전압, 주파수 및 역율을 자동으로 제어하기 위한 발전기 전력 자동제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연 발전 기술분야에서 엔진 및 발전기의 제어기술로는 전자식 조속기(Electronic Governor)에 의한 기저 부하 운전 방식과 드루프 커브(Droop Curve)에 따른 부하 분배 운전 방식이 있고, 자동 전압 조정기(AVR) 및 전용 제어기 등의 개별 자동 제어기에 의한 단독 운전 방식과 기저 부하 운전 방식 및 부하 분배 운전 방식이 있다.

상기와 같은 종래의 제어기는 엔진의 출력 증가 특성과 관계없이 일률적으로 제어하게 되므로, 엔진 및 발전기의 과도한 출력 상승을 초래하여 엔진 및 발전기의 손상시키게 되는 문제점을 가지고 있다.

보다 구체적으로, 상기 전자식 조속기의 경우, 기저 부하 운전 방식과 드루프 커브(Droop Curve)에 따른 부하 분배 운전 방식과, 단독 운전 방식만을 운전할 수 있을 뿐, 역율과 전압에 대한 제어는 불가능하다.

상기 자동 전압 조정기의 경우, 전압 자동 제어만이 가능하다.

상기 전용 제어기의 경우, 특정 운전 방식에 따라 개별적으로 설치를 해야 원하는 운전 방식을 구현할 수 있고, 외부에서 원격 제어가 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 발전기 전력 자동 제어와 관련된 조속기나 자동 전압 조정기 그리고 전용 제어기 등의 각 개별 제어기가 갖고 있는 제어 특성의 장점만을 취하여 엔진의 고유 특성이 감안된 안전하고 원활한 제어가 가능하도록 한 발전기 전력 자동제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 싱크로나이징(Synchronizing) 직후, 자동으로 출력을 상승시켜 역전력을 방지할 수 있도록 한 발전기 전력 자동제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 엔진의 운전 상태를 자동으로 인식하여 운전 조건에 따른 출력 상승 비율을 자동으로 조절하여 최적의 운전조건을 유지할 수 있도록 한 발전기 전력 자동제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각각의 운전 방식에 따른 출력, 주파수, 전압, 역율을 모두 통합 제어하고, 운전 환경 변경시 자동으로 상황을 인지하며, 운전 방식을 자동 전환하게 함에 따라 외부 상황 변동에 발전기가 능동적으로 대처할 수 있도록 한 발전기 전력 자동제어장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 발전기 전력 자동제어장치는 발전기 보호 계전기와 조속기 및 자동 전압 조정기 그리고 PLC 중앙처리장치를 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 있어서, 상기 PLC 중앙처리장치는 발전기 보호 계전기로부터 전달되는 운전 데이터와 미리 설정된 참조값을 이용하여 비례/적분/미분의 PID 연산을 수행함으로써 제어값을 구하고, 상기 제어값에 따라 자동 전압 조정기 및 조속기를 제어하는 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈 및 원격 제어용 HMI(Human Machine Interface) 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 종래의 개별적이고 수동적 제어 방식에서 벗어나 통합되고 자동화된 제어기술을 통하여 발전기의 오동작을 방지하고, 엔진의 급격한 부하 부담 등의 위험을 예방할 수 있으며, 원격으로 각 발전기의 출력/역율 등을 입력할 수 있어 편리하고 안전하게 엔진발전기세트를 감시 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전기 전력 자동제어장치의 구성을 나타낸 구조도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전기 전력 자동제어장치의 구성을 나타낸 구조도를 도시하고 있다.

본 발명의 발전기 전력 자동제어장치는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 특성을 갖는 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈이 PLC(Programmable Logic Controller) 중앙처리장치(10)에 구비되어 발전기 전력 자동제어와 관련된 각 개별 제어기(조속기(20), 자동 전압 조정기(30) 또는 전용 제어기)가 갖고 있는 제어 특성의 장점만을 취해 엔진의 고유 특성이 감안된 안전하고 원활한 제어가 가능하도록 한 것이다.

이러한 본 발명의 발전기 전력 자동제어장치는 발전기 보호 계전기(40)와, 조속기(20)와, 자동 전압 조정기(30)와, PLC 중앙처리장치(10)와, 원격제어용 HMI(Human Machine Interface,50)를 포함하는 것으로 구성되며, 상기 PLC 중앙처리장치(10)에는 앞서 설명된 바와 같이 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈이 포함되어 있다.

상기 발전기 보호 계전기(40)는 발전기의 운전 데이터를 취득하여 PLC 중앙처리장치(10)에 제공하면서, 유사시 발전기의 파손을 방지하는 기능을 제공하고, 상기 조속기(20)는 엔진과 연결되어 엔진의 속도를 제어하는 기능을 제공하며 PLC 중앙처리장치(10)에 엔진 속도 제어 관련 정보를 제공한다. 상기 자동 전압 조정기(30)는 발전기의 출력 전압을 일정하게 유지시키는 기능을 제공하는 것으로, 이러한 발전기 보호 계전기(40)와 조속기(20) 및 자동 전압 조정기(30)는 내연 발전 기술분야에서 주지 관용된 기술이므로 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기 PLC 중앙처리장치(10)는 발전기와 엔진의 운전 정보를 바탕으로 조속기(20) 및 자동 전압 조정기(30)를 제어하는 것으로, PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈과 데이터 통신 카드(Data Communication Card) 및 디지털 입출력 카드(Digital I/O Card)를 포함하고 있다.

상기 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈은 PLC 중앙처리장치(10)의 CPU 상에 장착되며, 발전기 보호 계전기(40)로부터 엔진발전기셋트(엔진(61)+발전기(62))의 운전 데이터를 전달받아 미리 설정된 참조값을 이용하여 비례/적분/미분의 PID 연산을 수행함으로써 조속기(20) 및 자동 전압 조정기(30)를 상황에 맞추어 최적화된 상태로 제어하는 것이다.

상기와 같은 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈에 의하여 발전기 전력 자동 제어와 관련된 각 개별 제어기(조속기, 자동 전압 조정기 또는 전용 제어기)가 갖고 있는 제어 특성의 장점만을 취하여 아래의 ①,②,③번과 같은 기능의 통합이 가능하고, 엔진의 고유 특성이 감안된 안전하고 원활한 제어가 가능하게 된다.

① 싱크로나이징(Synchronizing) 직후 역전력 방지를 위한 자동 출력 상승 기능

기존 제어기는 가지 못한 기능으로 싱크로나이징 직후 발전기의 출력을 자동으로 일정 부하로 상승시켜 전력망의 변동으로 인한 역전력의 발생을 방지함으로써 발전기를 보호할 수 있게 된다. 즉, 보호계전기로부터 통신을 통해 PID 로직 컨트롤 모듈이 입수한 발전기 실제 출력 값이 모듈 내부에 설정된 설정값에 도달하도록 조속기 측으로 부하 증가 신호를 송출하게 되고 실제 출력 값이 설정치에 도달하게 되면 기 설정된 제어 방식으로 자동 전환하게 된다.

② 발전기 출력 상승 제한 기능

기존 제어기는 엔진의 출력 증가 특성과 관계없이 일률적 제어로 인해 엔진 및 발전기의 과도한 출력 상승을 초래하여 엔진이나 발전기의 손상이 발생하게 되나, 상기 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈에 의하면, 엔진의 운전 상태(예열 정도)를 자동으로 인식하여 운전 조건에 따른 출력 상승 비율을 자동으로 조절함으로써 엔진 및 발전기의 손상을 방지할 수 있게 된다. 즉, 엔진 상태에 대한 정보(자켓 냉각수 온도 및 윤활유의 온도)를 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈에 의해 인식하고 이미 설정되어 있는 세 가지의 출력 상승 비율(비상시, 예열 완료 상태 및 예열 미완 상태) 중 엔진 예열 상태에 맞는 상승 비율이 선택되고 그 비율에 따라 발전기 출력 상승이 제한되게 된다. 부하 상승 중 상승 비율 조건이 변경되면 자동으로 그 조건에 따른 비율이 적용된다.

③ 발전기 운전 방식의 통합 및 자동제어 기능

기존 조속기(20)의 경우 기저 부하 운전 방식과 드루프 커브(Droop Curve)에 따른 부하 분배 운전 방식, 단독 운전 방식만을 운전할 수 있으며 역율과 전압에 대한 제어는 불가능하고, 자동 전압 조정기(30)는 전압 자동 제어만이 가능하며, 전용 제어기의 경우, 특정 운전 방식에 따라 개별적으로 설치해야만 원하는 운전방식을 구현할 수 있고 외부에서 원격제어가 불가능하나, 상기 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈에 의하면, 각 운전 방식에 따른 출력, 주파수, 전압, 역율을 모두 통합하여 제어할 수 있고, 운전 환경 변경시 자동으로 상황을 인지하며 운전 방식을 자동으로 전환하게 함에 따라 외부 상황변동에 발전기가 능동적으로 대처할 수 있게 된다. 예컨대, 단독 독립 운전시에는 일정한 전압, 주파수 자동 제어 기능을 구현하기 위해 보호 계전기로부터 통신을 통해 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈이 발전기의 전압과 주파수 정보를 입수하고 발전기의 실제 운전값과 설정된 정격값을 비교하여 특정 제어 범위를 벗어나게 되면 조속기와 전압조정기에 상승 또는 하강 신호를 보내 일정 전압과 주파수를 구현하게 된다. 병렬 독립 운전시에는 출력 분배, 전압, 주파수 자동 제어 기능을 구현하게 되는데 단독 독립 운전에서 언급된 방식과 동일하나 2대 이상의 발전기가 병렬 운전함으로 각각의 발전기에 동일한 부하 분담을 시키기 위해 각 발전기의 출력 정보를 제어 모듈이 인식하여 각 발전기에 출력 상승과 하강 신호를 동시에 송출하여 각 발전기가 동일한 부하 분담이 가지도록 제어한다. 출력 분배 제어가 이루어지는 동안에도 일전 전압, 주파수 제어도 연동하여 동작한다. 기저 부하 운전시에는 출력 및 역률 자동 제어기능을 구현하게 되는데 이 운전 방식에서는 전압과 주파수는 국가 전력망의 운전 값을 따르게 되고 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈은 발전기의 출력 및 역율 정보를 보호 계전기를 통해 전송 받아 원격제어용 HMI(50)를 통해 설정된 값과 비교하여 차이가 많으면 빠르게 적으면 천천히 제어하게 되는 PID 제어 특성에 따라 출력 상승/하강 신호와 역율 상승/하강 신호를 조속기 및 전압조정기로 각각 송출하여 제어하게 된다. 드루프(Droop) 병렬 운전시에는 드루프 커브에 따른 출력 및 전압 자동 제어 기능을 구현하게 되는데 이 운전 방식은 통상 부하측의 급격한 주파수 또는 전압 변동에 대비하기 위한 운전 방식으로 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈 내부에 설정된 드루프 커브(Droop Curve, 주파수 및 전압과 부하간의 일정 운전 비율)에 따라 발전기의 주파수와 전압에 상응하는 발전기 출력과 역율을 유지하게 된다. 이 기능의 조속기와 전압조정기의 기능에도 포함되어 있으며 전자식 조속기나 전압조정기의 채용시에는 그 우수한 기능을 활용하기 위해 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈 내의 드루프 병렬 운전기능은 각각 조속기와 전압조정기로 이관 될수도 있다.

상기 원격 제어용 HMI(50)(Human Machine Interface)는 상기와 같이 구성된 발전기 전력 자동제어장치에 더 포함되어 PLC 중앙처리장치(10)와 원격 제어용 HMI(50)가 연동을 통해 사용자가 외부에서 원격으로 제어할 수 있도록 구성된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(10) : PLC 중앙처리장치
(20) : 조속기
(30) : 자동 전압 조정기
(40) : 발전기 보호 계전기
(50) : 원격제어용 HMI(Human Machine Interface)

Claims

발전기 보호 계전기와 조속기 및 자동 전압 조정기 그리고 PLC 중앙처리장치를 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 있어서,
상기 PLC 중앙처리장치는 발전기 보호 계전기로부터 전달되는 운전 데이터와 미리 설정된 참조값을 이용하여 비례/적분/미분의 PID 연산을 수행함으로써 제어값을 구하고, 상기 제어값에 따라 자동 전압 조정기 및 조속기를 제어하는 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈; 및
원격 제어용 HMI(Human Machine Interface)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 전력 자동제어장치.
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