KR101442789B1 - 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법 - Google Patents

보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 1대의 수차에 2대의 발전기가 대응하는 방식으로 1대는 주발전기, 또 다른 1대는 보조발전기로 되어 있고, 수차발전시스템의 정상적인 작동시, 기존의 수차발전시스템과 같이 주 발전기만을 가동하여 발전을 하는데, 수차의 유량과 낙차 등이 변하여 주 발전기의 운전이 불가능한 경우에는 보조발전기를 사용하여 발전을 지속함으로써, 수차발전시스템의 총합효율이 증가 및 최적상태에서 운전이 가능한 특징이 있다.

Description

보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법{Hydro turbine generation system having sub generator and its control method}
본 발명은 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 1대의 수차에 2대의 발전기가 대응하는 방식으로 1대는 주발전기, 또 다른 1대는 보조발전기로 되어 있고, 수차발전시스템의 정상적인 작동시, 기존의 수차발전시스템과 같이 주 발전기만을 가동하여 발전을 하는데, 수차의 유량과 낙차 등이 변하여 주 발전기의 운전이 불가능한 경우에는 보조발전기를 사용하여 발전을 지속함으로써, 수차발전시스템의 총합효율이 증가 및 최적상태에서 운전이 가능한 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법에 관한 것이다.
지금까지는 물을 이용하여 전기를 발전하는 장치는 댐에 저장된 물이 갖는 위치 에너지를 이용하는데 치중하였으나, 물의 위치에너지를 확보하기 위한 자연의 입지가 제한되어 있고, 댐의 건설로 인한 환경오염의 문제가 부각되어 수력에너지를 확보하기가 어려운 실정이다.
하천에 건설되는 소수력발전소는 발전소용량이 크고 계절적, 또는 강우상태에 따라 유량과 낙차의 변화가 크기 때문에 여러 대의 수차발전기를 채택하여 유량과 낙차변화에 대응한다. 이때, 소수력발전의 출력은 P= ρ g Q H ηs로 표시되며, 여기서 ρ는 물의 밀도, g는 중력가속도, Q는 유량, H는 낙차 그리고 ηs는 시스템효율을 나타낸다.
또한 시스템효율 ηs는 수차효율 ηt와 발전기효율 ηg의 곱으로 표시된다. 물의 밀도와 중력가속도는 일정한 상수이므로 소수력발전은 4가지 변수에 의하여 변하게 된다. 하천에서의 소수력발전은 여러 대의 수차발전기를 사용하게 되므로 4가지 변수가 최적의 조건이 되도록 작동여건을 조성하여 운전할 수 있다.
이에 비하여 농업용 저수지나 농업용 보에 건설되는 대부분의 소수력발전소는 용량이 작기 때문에 여러 대의 수차발전기를 구비하지 못하고 수차발전기 한대만으로 운전해야 하기 때문에 4가지 변수가 최적상태에서 운전하기 어려운 실정이다.
먼저 유량이 변하는 경우, 유량변화에도 효율이 좋은 상태로 유지하는 수차를 사용할 수 있다. 수차가 사용되는 비속도 범위에 따라 사용되는 수차의 종류가 다르지만, 저 낙차의 경우(고 비속도) 횡류 수차와 카프란 수차 등이 사용되며, 중낙차의 경우(중간 비속도) 프란시스 수차가, 고 낙차의 경우(저비속도) 펠턴 수차가 사용된다. 이와 같이 사용여건에 따라 상기의 수차를 사용하면 유량변화에는 무난히 대응할 수 있다.
그러나 낙차가 변하는 경우, 유량변화와는 무관하게 수차의 효율이 낮아진다. 1대의 수차발전기를 갖는 경우에는 낙차변화에 대한 대응능력이 감소하는 문제점이 발생한다.
이와 같이 유량과 낙차가 변하는 경우에 발전기의 운전상태는 일정한 출력까지는 효율이 유지되지만, 한계점을 지나게 되면 급격히 저하되어 발전할 수 없는 상태에 이르게 된다.
이렇듯, 기존의 수차발전시스템은 수차 1대에 발전기 1대가 대응하는 형식을 취하며, 이때 발전기는 수차의 정격을 모두 흡수할 수 있는 정격용량을 갖는다.
그러나, 수차에 비해 발전기의 경우에는 대략 30%의 출력에서 효율이 급감하여 상대효율이 50% 정도밖에 안 되고, 따라서 이러한 상태에서는 수차의 효율을 비교적 높게 유지하였다 하여도 총합효율이 많이 감소하여 최종출격은 매우 낮아져 운전이 불가능하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1208613호 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0109933호
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
1대의 수차에 2대의 발전기가 대응하는 방식으로 1대는 주발전기, 또 다른 1대는 보조발전기로 되어 있고, 수차발전시스템의 정상적인 작동시, 기존의 수차발전시스템과 같이 주 발전기만을 가동하여 발전을 하는데, 수차의 유량과 낙차 등이 변하여 주 발전기의 운전이 불가능한 경우에는 보조발전기를 사용하여 발전을 지속함으로써, 수차발전시스템의 총합효율이 증가 및 최적상태에서 운전이 가능한 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차와;
상기 수차와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기와;
상기 주 발전기와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보조발전기가 설치된 수차발전시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법에 있어서,
수차의 작동에 의해 주 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S100);
상기 주 발전기 운전 중, 수차에 유입되는 물의 유량 감소로 수차의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 주 발전기는 정지되고, 보조 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S200);
상기 보조 발전기 운전 중, 수차에 유입되는 물의 유량 증가로 수차의 운동에너지가 보조 발전기의 설정 용량 이상일 경우, 보조 발전기는 정지되고, 상기 주 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 보조발전기가 설치된 수차발전시스템 및 이에 따른 제어방법은 1대의 수차에 2대의 발전기가 대응하는 방식으로 1대는 주발전기, 또 다른 1대는 보조발전기로 되어 있고, 수차발전시스템의 정상적인 작동시, 기존의 수차발전시스템과 같이 주 발전기만을 가동하여 발전을 하는데, 수차의 유량과 낙차 등이 변하여 주 발전기의 운전이 불가능한 경우에는 보조발전기를 사용하여 발전을 지속함으로써, 수차발전시스템의 총합효율이 증가 및 최적상태에서 운전이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템을 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 다른 실시예를 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템을 나타낸 그래프도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수차발전시스템의 제어를 나타낸 순서도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차와;
상기 수차와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기와;
상기 주 발전기와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차와;
상기 수차와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기와;
상기 주 발전기의 반대측인 수차와 직렬로 축에 의해 연결되어 수차의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법에 있어서,
수차의 작동에 의해 주 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S100);
상기 주 발전기 운전 중, 수차에 유입되는 물의 유량 감소로 수차의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 주 발전기는 정지되고, 보조 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S200);
상기 보조 발전기 운전 중, 수차에 유입되는 물의 유량 증가로 수차의 운동에너지가 보조 발전기의 설정 용량 이상일 경우, 보조 발전기는 정지되고, 상기 주 발전기가 운전되어 발전되는 단계(S300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 다른 실시예를 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보조발전기가 설치된 수차발전시스템을 나타낸 그래프도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 보조발전기가 설치된 수차발전시스템은 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차(10)와; 상기 수차(10)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기(20)와; 상기 주 발전기(20)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기(30)를 포함하여 구성된다.
여기서, 도 2에서처럼, 다른 실시예로써, 상기 보조 발전기(30)가 주 발전기(20)와 직렬로 연결되는 것이 아닌 주 발전기(20)의 반대측인 수차(10)와 직접적으로 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다.
상기 수차(10)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 물의 흐름이 있는 개수로 및 농수로 등의 수로 내에 설치되거나, 댐 등에 설치되어 물의 운동에너지를 회전 운동에너지로 변환한다.
여기서, 상기 수차(10)는 횡류 수차, 펠톤 수차, 프란시스 수차, 카프란 수차 중 어느 하나를 선택적으로 사용되는데, 본 발명에서는 별도로 한정하지 않았다. 다만, 본 발명에서는 유량변화에 따른 수차의 효율 변화가 적은 펠톤수차 및 카프란수차에 적합하다.
그리고, 상기 수차(10)는 회전축(11)이 형성되어 회전력을 전달하는데, 상기 회전축(11)은 주 발전기(20)와 보조 발전기(30)를 직렬로 연결하여 회전력을 주 발전기(20) 또는 보조 발전기(30)에 전달한다.
상기 주 발전기(20)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 수차(10)의 회전축(11)에 직렬로 연결되어 수차(10)의 회전력을 전달받아 전기에너지를 생성하는 발전기이다. 이때, 상기 주 발전기(20)는 보조 발전기(30)보다 용량이 크게 형성된다.
여기서, 상기 주 발전기(20)는 보조 발전기(30)의 작동시, 작동되지 않는 시스템으로 즉, 상기 주 발전기(20)가 작동시에는 보조 발전기(30)는 작동되지 않는다.
그리고, 상기 주 발전기(20)는 수차(10)의 회전축(11)에 직렬로 연결되고, 상기 수차에 유입된 유량에 따라 보조 발전기(30)와 개별적으로 운전할 수 있다. 이때, 상기 주 발전기(20)가 상황에 따라 운전되기 위해 유도발전기(induction generator)를 사용하고, 상기 유도발전기는 무부하 상태로 공회전시킬 수 있으며, 그러기 위해 여자전류를 차단하여 무부하 상태로 공회전 되기에 발전에 따른 운전을 제어할 수 있다.
상기 보조 발전기(30)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지가 전달되어 전기에너지로 변환하는 발전기로 주 발전기(20)와 동일한 유도발전기이다.
여기서, 상기 보조 발전기(30)는 주 발전기(20)보다 용량이 작은 소형이지만, 상기 보조 발전기(30)는 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량보다 이하일 경우에는 작동이 정지된다.
즉, 상기 주 발전기(20)를 가동하는 중 수차의 출력이 감소하여 주 발전기(20)를 통해 발전할 수 없는 경우에는 주 발전기(20)의 운전을 멈추고 보조 발전기(30)를 가동하여 계속적으로 발전한다.
이하에서는 상기에서 기술된 보조발전기가 설치된 수차발전시스템에 대한 제어방법에 대해 도면을 참고하여 기술한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수차발전시스템의 제어를 나타낸 순서도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법은 먼저, 물의 낙차 또는 흐름에 의해 수차(10)가 작동되고, 상기 수차(10)의 작동에 의해 주 발전기(20)가 운전되어 발전된다.(S100)
그리고, 상기 주 발전기(20) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 감소로 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 제어부(Control)에서는 주 발전기(20)를 정지하고, 보조 발전기(30)는 작동시켜 계속적으로 발전한다.(S200)
여기서, 상기 보조 발전기(30) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 감소로 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량 이하일 경우, 제어부에서는 보조 발전기(30)도 정지시킨다.(S400)
마지막으로, 상기 보조 발전기(30) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 증가로 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량 이상일 경우, 제어부에서는 보조 발전기(30)를 정지되고, 상기 주 발전기(20)는 작동시켜 계속적으로 발전한다.(S300)
10 : 수차 11 : 회전축
20 : 주 발전기 30 : 보조 발전기

Claims (9)

  1. 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차(10)와;
    상기 수차(10)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기(20)와;
    상기 주 발전기(20)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기(30);를 포함하여 구성되고,
    상기 주 발전기(20)는 보조 발전기(30)의 작동시, 작동되지 않는 시스템으로써,
    상기 보조 발전기(30)는 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지가 전달되어 전기에너지로 변환하고, 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량보다 이하일 경우, 작동이 정지되며,
    상기 주 발전기(20)와 보조 발전기(30)는 수차(10)에 유입되는 물의 유량에 따라 선택적으로 작동하기 위해 무부하 상태에서 공회전되는 유도발전기가 사용되고,
    상기 주 발전기(20)를 가동하는 중 수차의 출력이 감소하여 주 발전기(20)를 통해 발전할 수 없는 경우에는 주 발전기(20)의 운전을 멈추고 보조 발전기(30)를 가동하여 계속적으로 발전하는 것을 특징으로 하는 보조발전기가 설치된 수차발전시스템.
  2. 물의 흐름에 의해 회전되어 운동에너지가 발생되고, 유량 조절이 가능하게 구성되는 수차(10)와;
    상기 수차(10)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 주 발전기(20)와;
    상기 주 발전기(20)의 반대측인 수차(10)와 직렬로 축(11)에 의해 연결되어 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 보조 발전기(30);를 포함하여 구성되고,
    상기 주 발전기(20)는 보조 발전기(30)의 작동시, 작동되지 않는 시스템으로써,
    상기 보조 발전기(30)는 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 수차(10)의 운동에너지가 전달되어 전기에너지로 변환하고, 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량보다 이하일 경우, 작동이 정지되며,
    상기 주 발전기(20)와 보조 발전기(30)는 수차(10)에 유입되는 물의 유량에 따라 선택적으로 작동하기 위해 무부하 상태에서 공회전되는 유도발전기가 사용되고,
    상기 주 발전기(20)를 가동하는 중 수차의 출력이 감소하여 주 발전기(20)를 통해 발전할 수 없는 경우에는 주 발전기(20)의 운전을 멈추고 보조 발전기(30)를 가동하여 계속적으로 발전하는 것을 특징으로 하는 보조발전기가 설치된 수차발전시스템.
  3. 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법에 있어서,
    수차의 작동에 의해 주 발전기(20)가 운전되어 발전되는 단계(S100);
    상기 주 발전기(20) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 감소로 수차(10)의 운동에너지가 주 발전기(20)의 설정 용량 이하일 경우, 주 발전기(20)는 정지되고, 보조 발전기(30)가 운전되어 발전되는 단계(S200);
    상기 보조 발전기(30) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 증가로 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량 이상일 경우, 보조 발전기(30)는 정지되고, 상기 주 발전기(20)가 운전되어 발전되는 단계(S300);를 포함하여 이루어지고,
    상기 보조 발전기(30)가 운전되어 발전되는 단계(S200)에서,
    상기 보조 발전기(30) 운전 중, 수차(10)에 유입되는 물의 유량 감소로 수차(10)의 운동에너지가 보조 발전기(30)의 설정 용량 이하일 경우, 보조 발전기(30)는 정지되고,
    상기 주 발전기(20)와 보조 발전기(30)는 두 대가 동시에 작동되지 않고, 설정 조건에 따라 한 대씩 선택적으로 작동되는데, 상기 주 발전기(20)를 가동하는 중 수차의 출력이 감소하여 주 발전기(20)를 통해 발전할 수 없는 경우에는 주 발전기(20)의 운전을 멈추고 보조 발전기(30)를 가동하여 계속적으로 발전하는 것을 특징으로 하는 보조발전기가 설치된 수차발전시스템의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR960012687A (ko) * 1994-09-19 1996-04-20 발전설비 및 그 제어방법
KR20110031519A (ko) * 2009-09-21 2011-03-29 홍문표 3단계 내지 5단계로 발전하는 복합 복조식 조력발전소

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