KR101486753B1 - 초전도 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은 무부하 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제1 초전도 계자 권선과 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제2 초전도 계자 권선을 포함하는 초전도 발전기와, 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급할 교류 전원을 생성하는 여자기와, 상기 여자기를 통해 발생한 교류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 필요한 직류 전원으로 각각 변환하는 제1 정류기 및 제2 정류기와, 상기 제1 정류기 및 상기 제2 정류기를 통해 변환된 각각의 직류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 제1 변환기 및 제2 변환기, 그리고 상기 제1 변환기 및 상기 제2 변환기와 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 사이에 배치되어 부하 변동에 따라 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급되는 직류 전원을 제어하고 퀀치 발생시 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 보호하는 계자 제어 및 보호 회로를 포함한다.

Description

초전도 발전 시스템{SYSTEM FOR SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION}
본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 전기자 권선을 가지는 회전자를 포함한 여자기와 다중 초전도 계자 권선을 가지는 회전자를 포함한 초전도 발전기를 갖는 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 0K, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다.
초기의 초전도 발전기는 절대온도 4K 내지 20K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재를 사용하다가, 근래에는 상대적으로 높은 절대온도 30K 내지 77K에서 초전도 현상을 나타내는 소재가 발견되면서, 초전도 발전기에 대한 개발이 가속화되고 있다.
현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 권선을 초전도 권선으로 대체한 구조를 갖는다.
이와 같이, 초전도 권선으로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실 없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이에, 초전도 발전기는 상전도 발전기와 대비하여 향상된 효율과 감소된 크기 및 무게를 가질 수 있다.
그런데, 초전도 권선은 높은 인덕턴스(high inductance)와 영 위치 저항(zero resistance) 특성으로 인해 큰 시정수을 가지므로, 초전도 발전기의 경우 상전도 발전기와 같은 인가 전압 변환 방식의 제어 방법으로는 일정 출력 전압 제어가 사실상 불가능하다.
구체적으로, 상전도 발전기는 초전도 발전기와 대비하여 계자 권선의 시정수가 현저히 낮기 때문에 자동 전압 조정 장치를 이용하여 발전기의 부하 조건에 따라 변동되는 출력 전압을 일정하게 제어하는 것이 상대적으로 용이하다. 여기서, 출력 전압은 발전기에서 출력되어 계통부로 인가되는 전압을 의미하며 전압 센서를 통해 계측할 수 있다.
하지만, 초전도 발전기에 사용되는 초전도 계자 권선의 높은 인덕턴스(high inductance)와 영 위치 저항(zero resistance) 특성으로 인해 시정수가 매우 커 계자 전류 제어의 속응성이 현저히 낮다. 즉, 부하 변동에 따라 초전도 발전기의 계자 전류를 증가시키거나 감소시킬 때 실시간으로 제어하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.
또한, 초전도 발전기의 높은 시정수를 낮추기 위해선 대용량의 저항이 요구되는데, 단순히 시정수를 낮추기 위해 대용량의 저항을 추가할 경우, 저항의 용량만큼 손실이 발생되어 초전도 발전기의 전체적인 효율이 저하된다.
또한, 초전도 선재로 형성된 계자 권선에 저항 없이 전류가 흐르다가 어떤 원인에 의해 과전류가 발생할 경우 초전도 상태가 깨지면서 퀀치(Quench)가 발생되는데, 이때 초전도 선재로 형성된 계자 권선이 손상되는 문제점도 있다.
본 발명의 실시예는 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선하고 퀀치(Quench) 발생시 초전도 계자 권선을 보호할 뿐만 아니라 저항에 의한 손실은 최소화한 초전도 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 무부하 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제1 초전도 계자 권선과 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제2 초전도 계자 권선을 포함하는 초전도 발전기와, 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급할 교류 전원을 생성하는 여자기와, 상기 여자기를 통해 발생한 교류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 필요한 직류 전원으로 각각 변환하는 제1 정류기 및 제2 정류기와, 상기 제1 정류기 및 상기 제2 정류기를 통해 변환된 각각의 직류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 제1 변환기 및 제2 변환기, 그리고 상기 제1 변환기 및 상기 제2 변환기와 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 사이에 배치되어 부하 변동에 따라 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급되는 직류 전원을 제어하고, 퀀치(Quench) 발생시 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 보호하는 계자 제어 및 보호 회로를 포함한다.
상기 계자 제어 및 보호 회로는 상기 제1 변환기와 상기 제1 초전도 계자 권선을 연결하는 제1 전원 공급 배선과, 상기 제2 변환기와 상기 제2 초전도 계자 권선을 연결하는 제2 전원 공급 배선과, 상기 제2 전원 공급 배선 상에 배치된 제1 저항 소자와, 상기 제1 저항 소자와 상기 제2 초전도 계자 권선 사이에 배치된 제2 저항 소자와, 상기 제1 저항 소자와 상기 제1 전원 공급 배선을 연결하는 연결 배선과, 상기 연결 배선 상에 배치된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 저항 소자와 상기 제2 저항 소자 사이에 배치된 제2 스위칭 소자와, 상기 제2 전원 공급 배선에서 상기 제1 저항 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 우회하는 우회 배선, 그리고 상기 우회 배선에 배치된 제3 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 저항 소자 및 상기 제2 저항 소자 중 하나 이상은 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 중 하나 이상의 시정수를 저감할 수 있다.
상기 계자 제어 및 보호 회로는 무부하 상태, 부하 변동 상태, 일정 부하 상태, 및 퀀치 발생 상태 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
상기 무부하 상태에서 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 및 상기 제3 스위칭 소자는 모두 오프(OFF)될 수 있다.
상기 부하 변동 상태에서 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프(OFF)되고 상기 제2 스위칭 소자는 온(ON)될 수 있다.
상기 일정 부하 상태에서 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자는 오프(OFF)되고 상기 제3 스위칭 소자는 온(ON)될 수 있다.
상기 퀀치 발생 상태에서 상기 제1 스위칭 소자는 온(ON)되고 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프(OFF)될 수 있다.
상기한 초전도 발전 시스템은 상기 초전도 발전기로부터 부하로 출력되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교하여 상기 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 상기 제1 초저도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 중 어느 하나로 피드백하여 상기 피드백한 계자 권선의 전류를 조정하게 하는 자동 전압 조정 장치(AVR)를 더 포함할 수 있다.
상기한 초전도 발전 시스템은 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 장치를 더 포함하며, 상기 여자기는 상기 극저온 냉각 장치에 교류 전원을 공급할 수 있다.
상기 여자기는 상기 제1 초전도 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제1 전기자 권선과, 상기 제2 초전도 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제2 전기자 권선, 그리고 상기 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제3 전기자 권선을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선하고 퀀치(Quench) 발생시 초전도 계자 권선을 보호할 뿐만 아니라 저항에 의한 손실은 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 여자기의 전기자 권선을 도시한 부분 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 초전도 발전 시스템의 계자 제어 및 보호 회로의 부하 변동에 따른 동작 상태를 나타낸 구성도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(700), 여자기(200), 제1 정류기(310), 제2 정류기(320), 제1 변환기(410), 제2 변환기(420), 그리고 계자 제어 및 보호 회로(500)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 자동 전압 조정 장치(auto voltage regulator; AVR)(900) 및 극저온 냉각 장치(800)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(700)는 초전도 계자 권선(715)을 사용하는 반경자속 회전 계자형(revolving field type)으로 형성된다.
구체적으로, 초전도 발전기(700)는 초전도 계자 권선(715)을 갖는 회전자(710)와, 회전자(710)의 외주면과 공극을 두고 회전자(710)와 대향 배치되는 고정자(720)를 포함한다. 그리고 회전자(710)가 회전축(711)을 중심으로 회전하면서 고정자(720)와 회전자간 사이에 발생하는 자기장에 의해 전기를 발생시킨다.
본 발명의 일 실시예에서는, 초전도 계자 권선(715)이 이중으로 마련된다. 즉, 초전도 발전기(700)의 회전자(710)는 제1 초전도 계자 권선(7151)과 제2 초전도 계자 권선(7152)을 포함한다.
제1 초전도 계자 권선(7151)은 무부하 전압을 생성하기 위한 자속(Superconducting Field Winding for No Load: SFWNL)을 형성한다. 즉, 제1 초전도 계자 권선(7151)은 부하 변동과 관계없이 항상 무부하 전압을 발생시키기 위한 자속을 유도한다.
제2 초전도 계자 권선(7152)은 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속(Superconducting Field Winding for Variable Load: SFWVL)을 형성한다. 즉, 제2 초전도 계자 권선(7152)는 가변 부하에 따른 전압을 발생시키기 위한 자속을 유도한다.
또한, 초전도 발전기(700)의 회전자(710)는 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)을 고정하고 전도 냉각시키기 위한 보빈(bobbin: 714), 그리고 회전력 전달을 위한 토크 디스크(Torque Disk: 712)를 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전기(700)의 고정자(720)는 부하에 전력을 공급하는 3상 고정자 전기자 권선(725)과, 고정자 전기자 권선(725)을 고정시키기 위한 공심형 코어(air core: 726), 그리고 원통 형태의 자기 차폐 실드(727)를 더 포함할 수 있다.
공심형 코어(726)는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic)으로 형성될 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 공심형 코어(726)는 공기와 같은 특성을 가지고 있어 자기포화 없이 초전도 계자 권선(715)에서 발생된 고자장을 고정자 전기자 권선(725)으로 전달할 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 공심형 코어(726)는 상전도 발전기에 일반적으로 사용되는 철심과 대비하여 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖는다.
자기 차폐 실드(727)는 규소 강판으로 형성될 수 있으며, 보빈(714)은 알루미늄 포함한 소재로 형성될 수 있다.
또한, 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)은 극저온, 즉 절대온도 4K 내지 100K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 초전도 선재로 만들어진다. 초전도(superconductor) 선재는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.
제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)에 저항이 극히 낮은 상태에서 전류가 흐르면 고자장이 발생된다. 그리고 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)의 높은 운전 전류를 생성하기 위해서는, 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)이 임계온도 이하의 극저온 상태로 유지되어야 한다.
극저온 냉각 장치(800)는 초전도 발전기(700)의 회전자(710)에 극저온의 냉매를 공급하여 제1 초전도 계자 권선(7151)과 제2 초전도 계자 권선(7152)을 냉각시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉각 장치(800)는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 여자기(200)는 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)에 각각 공급할 전원과 극저온 냉각 장치(800)에 공급할 전원을 생성한다.
여자기(200)를 통해 발생하는 전원은 교류(AC) 전원이며, 각 발생 전원을 제1 정류기(310)와 제2 정류기(320), 및 극저온 냉각 장치(800)로 인가한다.
여자기(200)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 3중의 전기자 권선(215)을 포함하는 회전자(210)를 가질 수 있다. 즉, 여자기(200)의 회전자(210)는 제1 전기자 권선(2151), 제2 전기자 권선(2152), 및 제3 전기자 권선(2153)을 포함할 수 있다.
제1 전기자 권선(2151)은 초전도 발전기(700)의 제1 초전도 계자 권선(7151)에 전원을 공급하고, 제2 전기자 권선(2152)은 초전도 발전기(700)의 제2 초전도 계자 권선(7152)에 전원을 공급하며, 제3 전기자 권선(2153)은 극저온 냉각 장치(800)에 전원을 공급할 수 있다.
즉, 제1 전기자 권선(2151)은 제1 초전도 계자 권선(7151)과 전기적으로 연결되고, 제2 전기자 권선(2152)은 제2 초전도 계자 권선(7152)과 전기적으로 연결되며, 제3 전기자 권선(2153)은 극저온 냉각 장치(800)와 전기적으로 연결된다.
또한, 여자기(200)는, 도시하지는 않았으나, 영구 자석으로 형성되는 여자기 계자(고정자)를 더 포함할 수 있다.
여자기(200)의 고정자는 원통형으로 형성되어 여자기(200)의 회전자(210)를 둘러싼다. 여자기(200)의 고정자는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 구조를 가질 수 있다.
또한, 여자기(200)의 회전자(210)는 제1 전기자 권선(2151), 제2 전기자 권선(2152), 및 제3 전기자 권선(2153)을 지지하고 자속을 집속하기 위한 철심 코어(214)와, 제1 전기자 권선(2151), 제2 전기자 권선(2152), 및 제3 전기자 권선(2153)의 이탈을 방지하는 웨지(wedge, 218)를 더 포함할 수 있다.
앞서 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 정류기(310) 및 제2 정류기(320)는 여자기(200)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 인가 받아 직류(DC) 전원으로 변환한다.
구체적으로, 제1 정류기(310)는 여자기(200)의 제1 전기자 권선(2151)에서 발생한 교류 전원을 초전도 발전기(700)의 제1 초전도 계자 권선(7151)에 필요한 직류 전원으로 변환한다.
제2 정류기(320)는 여자기(200)의 제2 전기자 권선(2152)에서 발생한 교류 전원을 초전도 발전기(700)의 제2 초전도 계자 권선(7152)에 필요한 직류 전원으로 변환한다.
제1 변환기(410)는 제1 정류기(310)를 통해 변환된 직류 전원을 초전도 발전기(700)에서 제1 초전도 계자 권선(7151)의 제어를 위해 필요한 직류 전압 크기로 변환한다.
제2 변환기(420)는 제2 정류기(320)를 통해 변환된 직류 전원을 초전도 발전기(700)에서 제2 초전도 계자 권선(7152)의 제어를 위해 필요한 직류 전압 크기로 변환한다.
따라서, 제1 초전도 계자 권선(7151)은 제1 변환기(410)를 통해 변환된 직류 전압에 의해 자기장을 발생하며, 제2 초전도 계자 권선(7152)은 제2 변환기(420)를 통해 변환된 직류 전압에 의해 자기장을 발생한다.
자동 전압 조정 장치(900)는 초전도 발전기(700)에서 계통부로 출력되는 출력 전압이 정격 전압을 유지하도록 조절하는 장치이다. 자동 전압 조정 장치(900)는 계통부에 공급되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교한다. 그리고, 검출한 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 제2 변환기(420)로 피드백하여 제2 초전도 계자 권선(7152)의 전류를 조절하도록 제어한다. 여기서, 참조값은 계통부에 공급할 정격 전압을 의미한다. 또한, 출력 전압은 전압 센서(미도시)를 통해 계측할 수 있다.
이와 같이 구성에 의하여, 초전도 발전기(700)는 회전축(711)이 일정 속도, 일례로, 720RPM으로 회전하면 초전도 발전기(700)의 제1 초전도 계자 권선(7151)과 제2 초전도 계자 권선(7152)을 포함한 회전자(710)가 회전하면서 자기장을 발생시켜, 초전도 발전기(700)의 설비 용량에 따라 발전한다. 초전도 발전기(700)의 설비 용량이, 일례로, 2MW 이라면 제1 초전도 계자 권선(7151)에 의한 출력 전압은 부하의 변동량과 관계없이 발전 설비 용량만큼의 전압 즉, 6600V를 일정하게 출력하고, 제2 초전도 계자 권선(7152)에 의한 출력 전압은 자동 전압 조정 장치(900)를 통해 1초 내지 2초 이내에 부하 변동량에 따라 전압을 조절하여 출력할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)에서는 초전도 발전기(700)가 하나의 회전자(710)에 무부하 전압을 발생하는 제1 초전도 계자 권선(7151)과 가변 부하에 따른 전압을 발생하는 제2 초전도 계자 권선(7152)을 구분하여 이중 발전함으로써, 발전 용량을 높이는 것은 물론 부하 변동에 따라 실시간 속응 제어가 가능하다.
계자 제어 및 보호 회로(500)는 제1 변환기(410) 및 제2 변환기(420)와 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152) 사이에 배치된다. 계자 제어 및 보호 회로(500)는 부하 변동에 따라 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)에 각각 공급되는 직류 전원을 제어하고, 퀀치(Quench) 발생시 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)을 보호할 수 있다.
구체적으로, 계자 제어 및 보호 회로(500)는 제1 변환기(410)와 제1 초전도 계자 권선(7151)을 연결하는 제1 전원 공급 배선(501)과, 제2 변환기(420)와 제2 초전도 계자 권선(7152)을 연결하는 제2 전원 공급 배선(502)과, 제2 전원 공급 배선(502) 상에 배치된 제1 저항 소자(511)와, 제1 저항 소자(511)와 제2 초전도 계자 권선(7152) 사이에 배치된 제2 저항 소자(512)와, 제1 저항 소자(511)와 제1 전원 공급 배선(501)을 연결하는 연결 배선(503)과, 연결 배선(503) 상에 배치된 제1 스위칭 소자(531)와, 제1 저항 소자(511)와 제2 저항 소자(512) 사이에 배치된 제2 스위칭 소자(532)와, 제2 전원 공급 배선(502)에서 제1 저항 소자(511)와 제2 스위칭 소자(532)를 우회하는 우회 배선(504), 그리고 우회 배선(504)에 배치된 제3 스위칭 소자(533)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 저항 소자(511) 및 제2 저항 소자(512) 중 하나 이상은 초전도 발전기의 초전도 계자 권선(715)이 갖는 높은 시정수를 저감한다.
본 발명의 일 실시예에서, 계자 제어 및 보호 회로(500)는 부하 변동 상태에 따라 크게 4 단계로 동작할 수 있다. 구체적으로, 계자 제어 및 보호 회로(500)는 초전도 발전기(700)의 무부하 상태, 부하 변동 상태, 일정 부하 상태, 또는 퀀치(Quench) 발생 상태에 따라 구분 동작한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)의 계자 제어 및 보호 회로(500)의 동작 원리를 구체적으로 설명한다.
초전도 발전기(700)가 무부하 상태일 때, 도 3에 도시한 바와 같이, 계자 제어 및 보호 회로(500)의 제1 스위칭 소자(531), 제2 스위칭 소자(532), 및 제3 스위칭 소자(533)는 모두 오프(OFF)된다.
따라서, 제2 초전도 계자 권선(7152)에 대한 전원 공급이 차단되고, 초전도 발전기(700)는 여자기(200)의 제1 전기자 권선(2151)으로부터 전원을 공급받는 제1 초전도 계자 권선(7151)이 무부하 전압을 생성하기 위한 자속을 형성한다.
이때, 제1 초전도 계자 권선(7151)에 공급되는 전원은 제1 저항 소자(511) 및 제2 저항 소자(512)를 거치지 않으므로, 무부하 상태에서 저항에 의한 손실은 발생하지 않는다.
초전도 발전기(700)가 부하 변동 상태가 되면, 도 4에 도시한 바와 같이, 계자 제어 및 보호 회로(500)의 제1 스위칭 소자(531) 및 제3 스위칭 소자(533)는 오프(OFF)되고 제2 스위칭 소자(532)는 온(ON)된다.
따라서, 초전도 발전기(700)의 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)은 각각 여자기(200)의 제1 전기자 권선(2151) 및 제2 전기자 권선(2152)으로부터 전원을 공급받아 자속을 형성한다. 특히, 제2 초전도 계자 권선(7152)은 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속을 형성한다. 이때, 제1 저항 소자(511)와 제2 저항 소자(512)는 함께 제2 초전도 계자 권선(7152)의 시정수를 제어할 수 있다.
초전도 발전기(700)가 부하 변동 후 일정 부하를 유지하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 계자 제어 및 보호 회로(500)의 제1 스위칭 소자(531) 및 제2 스위칭 소자(532)는 오프(OFF)되고 제3 스위칭 소자(533)는 온(ON)된다.
따라서, 초전도 발전기(700)의 제1 초전도 계자 권선(7151) 및 제2 초전도 계자 권선(7152)은 각각 여자기(200)의 제1 전기자 권선(2151) 및 제2 전기자 권선(2152)으로부터 전원을 공급받아 자속을 형성하지만, 제2 초전도 계자 권선(7152)에 공급되는 전원은 제1 저항 소자(511)를 우회하여 제2 저항 소자(512)만 거치게 된다. 즉, 제2 저항 소자(512)만 제2 초전도 계자 권선(7152)의 시정수를 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에서는, 초전도 발전기(700)가 일정 부하를 유지할 경우에는 시정수를 낮추기 위한 저항 용량을 감소시켜 저항 용량에 의한 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 초전도 계자 권선(7151)이나 제2 초전도 계자 권선(7152)에 퀀치(Quench) 발생시, 계자 제어 및 보호 회로(500)가 제1 초전도 계자 권선(7151)이나 제2 초전도 계자 권선(7152)을 보호할 수 있다.
초전도 발전기(700)에 급격한 부하 변동이 일어나면 초전도 계자 권선(715)의 운전 전류 변화 및 이에 따른 초전도 계자 권선(715)의 급격한 온도 증가로 초전도 선재에 퀀치(Quench) 현상이 발생될 수 있다. 즉, 퀀치 현상은 제1 초전도 계자 권선(7151)이나 제2 초전도 계자 권선(7152)의 초전도 상태가 깨지면서 발생되며, 퀀치 발생시 과전류가 흘러 제1 초전도 계자 권선(7151)이나 제2 초전도 계자 권선(7152)을 손상시키거나 열화에 의한 성능 저하를 야기할 수 있다.
퀀치(Quench) 발생시, 도 6에 도시한 바와 같이, 계자 제어 및 보호 회로(500)의 제1 스위칭 소자(531)는 온(ON)되고 제2 스위칭 소자(532) 및 제3 스위칭 소자(533)는 오프(OFF)된다. 이에, 퀀치 발생시 계자 제어 및 보호 회로(500)의 제1 스위칭 소자(531)가 제1 초전도 계자 권선(7151)에 과전류가 흐르는 것을 억제하고, 제2 스위칭 소자(532)가 제2 초전도 계자 권선(7152)에 과전류가 흐르는 것을 억제하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선하고 퀀치(Quench) 발생시 초전도 계자 권선(715)을 보호할 뿐만 아니라 저항에 의한 손실은 최소화할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 초전도 발전 시스템 200: 여자기
310: 제1 정류기 320: 제2 정류기
410: 제1 변환기 420: 제2 변환기
500: 계자 제어 및 보호 회로 501: 제1 전원 공급 배선
502: 제2 전원 공급 배선 503: 연결 배선
504: 우회 배선 511: 제1 저항 소자
512: 제2 저항 소자 531: 제1 스위칭 소자
532: 제2 스위칭 소자 533: 제3 스위칭 소자
700: 초전도 발전기 710: 회전자
711: 회전축 712: 토크 디스크
714: 보빈 715: 초전도 계자 권선
720: 고정자 725: 전기자 권선
726: 공심형 코어 727: 자기 차폐 실드
800: 극저온 냉각 장치 900: 자동 전압 조정 장치
7151: 제1 초전도 계자 권선 7152: 제2 초전도 계자 권선

Claims (11)

  1. 무부하 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제1 초전도 계자 권선과, 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속을 형성하는 제2 초전도 계자 권선을 포함하는 초전도 발전기;
    상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급할 교류 전원을 생성하는 여자기;
    상기 여자기를 통해 발생한 교류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 필요한 직류 전원으로 각각 변환하는 제1 정류기 및 제2 정류기;
    상기 제1 정류기 및 상기 제2 정류기를 통해 변환된 각각의 직류 전원을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 제1 변환기 및 제2 변환기; 그리고
    상기 제1 변환기 및 상기 제2 변환기와 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 사이에 배치되어, 부하 변동에 따라 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선에 각각 공급되는 직류 전원을 제어하고, 퀀치(Quench) 발생시 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 보호하는 계자 제어 및 보호 회로; 그리고
    상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 장치
    를 포함하며,
    상기 여자기는 상기 극저온 냉각 장치에 교류 전원을 공급하는 초전도 발전 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 계자 제어 및 보호 회로는,
    상기 제1 변환기와 상기 제1 초전도 계자 권선을 연결하는 제1 전원 공급 배선과;
    상기 제2 변환기와 상기 제2 초전도 계자 권선을 연결하는 제2 전원 공급 배선과;
    상기 제2 전원 공급 배선 상에 배치된 제1 저항 소자와;
    상기 제1 저항 소자와 상기 제2 초전도 계자 권선 사이에 배치된 제2 저항 소자와;
    상기 제1 저항 소자와 상기 제1 전원 공급 배선을 연결하는 연결 배선과;
    상기 연결 배선 상에 배치된 제1 스위칭 소자와;
    상기 제1 저항 소자와 상기 제2 저항 소자 사이에 배치된 제2 스위칭 소자와;
    상기 제2 전원 공급 배선에서 상기 제1 저항 소자와 상기 제2 스위칭 소자를 우회하는 우회 배선; 그리고
    상기 우회 배선에 배치된 제3 스위칭 소자
    를 포함하는 초전도 발전 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 저항 소자 및 상기 제2 저항 소자 중 하나 이상은 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 중 하나 이상의 시정수를 저감하는 초전도 발전 시스템.
  4. 제2항에서,
    상기 계자 제어 및 보호 회로는 무부하 상태, 부하 변동 상태, 일정 부하 상태, 및 퀀치 발생 상태 중 어느 하나의 상태로 동작하는 초전도 발전 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 무부하 상태에서 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 및 상기 제3 스위칭 소자는 모두 오프(OFF)되는 초전도 발전 시스템.
  6. 제4항에서,
    상기 부하 변동 상태에서 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프(OFF)되고 상기 제2 스위칭 소자는 온(ON)되는 초전도 발전 시스템.
  7. 제4항에서,
    상기 일정 부하 상태에서 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자는 오프(OFF)되고 상기 제3 스위칭 소자는 온(ON)되는 초전도 발전 시스템.
  8. 제4항에서,
    상기 퀀치 발생 상태에서 상기 제1 스위칭 소자는 온(ON)되고 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자는 오프(OFF)되는 초전도 발전 시스템.
  9. 제1항에서,
    상기 여자기는,
    상기 제1 초전도 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제1 전기자 권선과;
    상기 제2 초전도 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제2 전기자 권선; 그리고
    상기 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제3 전기자 권선
    을 포함하는 초전도 발전 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서,
    상기 초전도 발전기로부터 부하로 출력되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교하여 상기 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 상기 제1 초전도 계자 권선 및 상기 제2 초전도 계자 권선 중 어느 하나로 피드백하여 상기 피드백한 계자 권선의 전류를 조정하게 하는 자동 전압 조정 장치(AVR)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  11. 삭제
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