KR101417462B1 - 초전도 발전기 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전도 발전기 제어 시스템에 관한 것으로서, 무부하 전압을 생성하는 제1 계자 권선 및 가변 부하에 따른 전압을 생성하는 제2 계자 권선을 포함하는 이중 계자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 초전도 발전기; 상기 이중 계자 권선에 전원을 공급하기 위한 이중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 여자기; 상기 여자기의 이중 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선에 필요한 직류 전압으로 정류하는 정류기; 상기 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터; 및 상기 DC-DC 컨버터와 상기 초전도 발전기 사이에 연결되어, 상기 초전도 발전기의 제2 계자 권선의 시정수를 저감하는 저항을 포함한다.
Description
본 발명은 초전도 발전기 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 여자기와 이중 계자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 초전도 발전기를 포함하는 초전도 발전기 제어 시스템에 관한 것이다.
기존의 상전도 발전기 제어 시스템은 초전도 발전기 제어 시스템에 비해 주 발전기의 계자 권선의 시정수가 현저히 낮기 때문에 자동전압조정장치(Auto Voltage Regulator, AVR)를 이용하여 부하 조건에 따라 변화하는 주 발전기의 출력 전압을 일정하게 유지하도록 제어한다.
도 1은 종래의 상전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 상전도 발전기 제어 시스템은 계통 부하의 변화에 따라 변화하는 주 발전기(130)의 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해, 전압 센서(140)를 이용하여 주 발전기(130)의 출력 전압을 계측하고, 자동전압조정장치(150)를 이용하여 여자기(110)의 고정된 계자 전류의 크기를 제어한다.
여자기(110)의 회전하는 전기자 권선(112)에서 발생되는 교류 전력은 축에 부착된 정류기(120)를 거쳐 직류 전력으로 변환되고, 변환된 직류 전력은 주 발전기(130)의 회전하는 계자 권선(132)에 인가된다.
상술한 바와 같이, 여자기(110)의 전기자 권선(112)에서 발생한 교류 전력을 직접 제어하는 경우, 회전축에 정류기(120)가 장착되어야 하고, 자동전압조정장치(150)가 무선으로 여자기(110)의 회전하는 전기자 권선(112)의 출력을 직접 제어해야 한다.
그러나, 초전도 발전기 제어 시스템은 초전도 계자 권선의 고 인덕턴스(High Inductance)와 제로 저항(Zero Resistance) 특성에 의한 큰 시정수로 인해 상전도 발전기 제어 시스템과 같은 인가 전압 변환 방식의 제어 기법으로 초전도 발전기의 출력 전압을 일정하게 제어하는 것은 사실상 불가능하다.
도 2는 종래의 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 초전도 발전기 제어 시스템에서는 DC-DC 컨버터(230)가 여자기(210)에서 출력된 전력을 직접 전압 변조하여 제어하고, 초전도 발전기(250)의 입력단에는 시정수를 저하시키기 위한 대용량의 저항(240)이 삽입된다.
DC-DC 컨버터(230)는 초전도 발전기(250)의 출력 전압을 계측한 후 무선으로 제어 신호를 DC-DC 컨버터(230)로 송신하는 외부에 고정된 제어 시스템에 의해 제어된다.
그러나, 종래의 초전도 발전기 제어 시스템은 수백 KW급 용량의 DC-DC 컨버터 및 시정수 저하용 저항을 회전축에 고정하는 데 구조적인 곤란성이 있고, DC-DC 컨버터와 시정수 저하용 저항을 고정시킬 때 브러시와 같은 별도의 기계적인 장치를 필요로 하며, 또한 저항의 용량만큼 손실이 발생되어 시스템의 효율 저하로 인해 사실상 적용이 불가능하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시스템 용량 저감을 통해 시스템 손실을 최소화할 수 있는 초전도 발전기 제어 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 시스템 사이즈 및 용량 저감을 통해 제작 단가를 낮출 수 있는 초전도 발전기 제어 시스템을 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 초전도 발전기 제어 시스템은, 무부하 전압을 생성하는 제1 계자 권선 및 가변 부하에 따른 전압을 생성하는 제2 계자 권선을 포함하는 이중 계자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 초전도 발전기; 상기 이중 계자 권선에 전원을 공급하기 위한 이중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 여자기; 상기 여자기의 이중 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선에 필요한 직류 전압으로 정류하는 정류기; 상기 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터; 및 상기 DC-DC 컨버터와 상기 초전도 발전기 사이에 연결되어, 상기 초전도 발전기의 제2 계자 권선의 시정수를 저감하는 저항을 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 이중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 여자기와 이중 계자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 초전도 발전기를 포함하는 초전도 발전기 제어 시스템을 제공함으로써, 시스템 용량 저감을 통해 시스템 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 여자기와 시스템의 사이즈 저감을 통해 시스템 사이즈를 저감하고, 시스템 사이즈 및 용량 저감을 통해 제작 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 종래의 상전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여자기의 자세한 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기의 자세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여자기의 자세한 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기의 자세한 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 발전기 제어 시스템은 초전도 발전기(310), 여자기(320), 제1 정류기(330a), 제2 정류기(330b), 제1 DC-DC 컨버터(340a), 제2 DC-DC 컨버터(340b) 및 저항(350) 등을 포함한다.
초전도 발전기(310)는 무부하 전압을 생성하는 제1 계자 권선(Superconducting Field Winding for No Load, SFWNL)(311a)과 가변 부하에 따른 전압을 생성하는 제2 계자 권선(Superconducting Field Winding for Variable Load, SFWVL)(311b)을 가지는 회전자를 포함한다. 본 발명에 따른 초전도 발전기(310)의 자세한 구성에 대해서는 도 5에서 설명하기로 한다.
여자기(320)는 초전도 발전기(310)의 제1 계자 권선(311a)에 전원을 공급하는 제1 전기자 권선(즉, SFWNL 전원 공급용 전기자 권선)(321a)과 초전도 발전기(310)의 제2 계자 권선(311b)에 전원을 공급하는 제2 전기자 권선(즉, SFWVL 전원 공급용 전기자 권선)(321b)을 가지는 회전자를 포함한다. 본 발명에 따른 여자기(320)의 자세한 구성에 대해서는 도 4에서 설명하기로 한다.
제1 정류기(330a)는 여자기(320)의 제1 전기자 권선(321a)에서 생성된 3상 교류 전압을 초전도 발전기(310)의 제1 계자 권선(311a)에 필요한 직류 전압으로 정류한다.
제2 정류기(330b)는 여자기(320)의 제2 전기자 권선(321b)에서 생성된 3상 교류 전압을 초전도 발전기(310)의 제2 계자 권선(311b)에 필요한 직류 전압으로 정류한다.
제1 DC-DC 컨버터(340a)는 제1 정류기(330a)에 의해 정류된 직류 전압을 초전도 발전기(310)의 제1 계자 권선(311a)을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환한다.
제2 DC-DC 컨버터(340b)는 제2 정류기(330b)에 의해 정류된 직류 전압을 초전도 발전기(310)의 제2 계자 권선(311b)을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환한다.
저항(350)은 초전도 발전기(310)의 제2 계자 권선(311b)의 시정수를 저감한다.
한편, 본 발명에 따른 초전도 발전기 제어 시스템은 도시되지 않았지만, 전압 센서(Voltage Sensor)(미도시)와 전류 센서(Current Sensor)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전압 센서(미도시)는 초전도 발전기(310)의 출력 전압을 일정하게 제어하기 위해, 초전도 발전기(310)의 전기자 권선(미도시)의 출력 전압을 검출하여 DC-DC 컨버터(340a, 340b)를 제어한다.
전류 센서(미도시)는 초전도 발전기(310)의 출력 전압을 일정하게 제어하기 위해, 초전도 발전기(310)의 계자 권선(311a, 311b)의 출력 전류를 검출하여 DC-DC 컨버터(340a, 340b)를 제어한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여자기의 자세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 여자기(320)는 초전도 발전기(310)의 제1 계자 권선(311a)에 전원을 공급하는 제1 전기자 권선(321a), 초전도 발전기(310)의 제2 계자 권선(311b)에 전원을 공급하는 제2 전기자 권선(321b), 전기자 권선(321a, 321b)의 고정 및 자속의 집속을 위한 규소 강판 재질의 공심 코어(322), 계자 자속 생성을 위한 영구 자석(323) 및 영구 자석(323)의 고정 및 자속 집속을 위한 규소 강판 재질의 웨지(Wedge)(324) 등을 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전기의 자세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초전도 발전기(310)는 무부하 전압을 생성하는 제1 계자 권선(311a), 가변 부하에 따른 전압을 생성하는 제2 계자 권선(311b), 부하에 전력을 공급하는 전기자 권선(312), 원통 형태의 규소 강판 재질의 자기 차폐 실드(313), 전기자 권선(312)을 고정시키기 위한 GFRP 재질의 공심 코어(314), 초전도 선재의 고정 및 전도 냉각을 위한 알루미늄 재질의 보빈(315), 회전축 역할을 하는 샤프트(316) 및 샤프트(316)의 회전력을 전달하는 토크 디스크(317) 등을 포함한다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
310: 초전도 발전기 311a: 제1 계자 권선
311b: 제2 계자 권선 320: 여자기
321a: 제1 전기자 권선 321b: 제2 전기자 권선
330a: 제1 정류기 330b: 제2 정류기
340a: 제1 DC-DC 컨버터 340b: 제2 DC-DC 컨버터
350: 저항
311b: 제2 계자 권선 320: 여자기
321a: 제1 전기자 권선 321b: 제2 전기자 권선
330a: 제1 정류기 330b: 제2 정류기
340a: 제1 DC-DC 컨버터 340b: 제2 DC-DC 컨버터
350: 저항
Claims (5)
- 무부하 전압을 생성하는 제1 계자 권선 및 가변 부하에 따른 전압을 생성하는 제2 계자 권선을 포함하는 이중 계자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 초전도 발전기;
상기 이중 계자 권선에 전원을 공급하기 위한 이중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함하는 여자기;
상기 여자기의 이중 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선에 필요한 직류 전압으로 정류하는 정류기;
상기 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터; 및
상기 DC-DC 컨버터와 상기 초전도 발전기 사이에 연결되어, 상기 초전도 발전기의 제2 계자 권선의 시정수를 저감하는 저항;
을 포함하는 초전도 발전기 제어 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 여자기의 이중 전기자 권선은,
상기 제1 계자 권선에 전원을 공급하는 제1 전기자 권선; 및
상기 제2 계자 권선에 전원을 공급하는 제2 전기자 권선;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기 제어 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 정류기는,
상기 여자기의 제1 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전압을 상기 초전도 발전기의 제1 계자 권선에 필요한 직류 전압으로 정류하는 제1 정류기; 및
상기 여자기의 제2 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전압을 상기 초전도 발전기의 제2 계자 권선에 필요한 직류 전압으로 정류하는 제2 정류기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기 제어 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는,
상기 제1 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 상기 초전도 발전기의 제1 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환하는 제1 DC-DC 컨버터; 및
상기 제2 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 상기 초전도 발전기의 제2 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압으로 변환하는 제2 DC-DC 컨버터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기 제어 시스템.
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