KR101901945B1 - 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로 특히, 과전압으로부터 시스템을 보호할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 엔진 발전 시스템에 있어서, 엔진; 상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기; 상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되어 상 불평형이 발생하도록 제어함으로써 상기 발전기의 회전수를 제한하는 시스템 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법 {Engine generation system and method for controlling the same}
본 발명은 엔진을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로 특히, 과전압으로부터 시스템을 보호할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
열병합 발전 시스템은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.
이러한 열병합 발전 시스템에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.
엔진은 발전기를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 또한, 발전기에서 생산되는 전력은 전력변환기에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.
이와 같은 열병합 발전 시스템에서, 시스템에 고장이 발생하는 경우에는 최대 출력으로 발전하던 시스템에서 갑자기 탈락된 부하로 인하여 발전기 또는 엔진에 오버 슈트(over shoot) 현상이 발생할 수 있다.
즉, 엔진의 회전수(rpm)가 급상승하고, 이 엔진의 회전수 대비 배수의 회전수로 회전하는 발전기의 회전수도 급상승하게 된다.
그러면, 엔진의 제어가 불가능한 상태에 이를 수 있고, 발전기의 손상, 예를 들어, 베어링의 파손으로 이어질 수 있다.
이러한 사항은 선행기술문헌에 간략히 게재되어 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방안이 요구된다.
1. 공개실용신안공보 실2000-0014874 (2000년 7월 25일 공개)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시스템을 구성하는 요소 중 적어도 하나에 고장이 발생하는 경우에 이를 효율적으로 해결할 수 있는 엔진 발전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 엔진 발전 시스템에 있어서, 엔진; 상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기; 상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되어 상 불평형이 발생하도록 제어함으로써 상기 발전기의 회전수를 제한하는 시스템 보호부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 시스템 보호부는, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 선택적으로 연결되는 댐핑 저항; 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상과 상기 댐핑 저항 사이에 각각 연결되는 스위치; 및 상기 스위치를 제어하여 상 불평형이 발생하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 댐핑 저항은, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이에서 각 상에 서로 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상만이 여자되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환 장치의 전류를 감지하여, 상 전류가 상기 각 상에 연결된 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 엔진 발전 시스템에 있어서, 엔진; 상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기; 상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되는 댐핑 저항 및 상기 각 댐핑 저항과 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 시스템 보호부를 포함하고, 상기 시스템 보호부는, 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 상 전류가 상기 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 댐핑 저항이 각 상에 선택적으로 연결되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 적어도 하나 이상의 댐핑 저항이 상기 각 상에 선택적으로 연결되도록 하여, 상 불평형 조건을 이용하여 상기 발전기의 회전수를 제한할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 엔진, 상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기, 상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치 및 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되는 댐핑 저항 및 상기 각 댐핑 저항과 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 시스템 보호부를 포함하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하는 단계; 및 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장 감지시, 상 전류가 상기 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 댐핑 저항이 각 상에 선택적으로 연결되도록 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 스위치를 제어하는 단계는, 적어도 하나 이상의 댐핑 저항이 상기 각 상에 선택적으로 연결되도록 하여, 상 불평형 조건을 이용하여 상기 발전기의 회전수를 제한할 수 있다.
여기서, 상기 스위치를 제어하는 단계는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
먼저, 발전기를 정격 회전수 이하로 동작시켜 베어링과 같은 기계적 요소의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 컨버터에 유입될 수 있는 과전류를 제한할 수 있다.
이에 더하여, DC 링크 캐패시터를 과전압으로부터 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 엔진 발전 시스템의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 4는 브레이크 쵸퍼에서 이루어지는 동작을 나타내는 그래프를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 일부 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 전체 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진 발전 시스템의 스위치부의 스위칭 동작을 나타내는 타이밍 블럭도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
열병합 발전 시스템(100)은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.
이러한 열병합 발전 시스템(100)에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.
가스 연료는 제로 가버너(zero governor; 12)에 의해 입구 입력의 형태나 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 출구 압력을 유지하면서 공급될 수 있다. 제로 가버너(12)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진에 공급하는 가스 연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절해 주는 기능을 가진다. 또한, 제로 가버너(12)는 2개의 솔레노이드밸브를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
공기는 에어 클리너(air cleaner; 14)를 거쳐 깨끗한 공기로 여과되어 공급될 수 있다. 이러한 에어 클리너(14)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.
이와 같이 공급된 가스 연료와 공기는 믹서(mixer; 16)에 의해 공기와 연료의 혼합비가 일정한 혼합기로 되어 엔진에 흡입될 수 있다.
믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.
터보차저(turbo charger; 20)는 혼합기를 고온 고압 상태로 압축할 수 있다. 이 터보차저(20)는 배기가스의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 엔진의 실린더로 보내어 출력을 높이는 장치이다.
터보차저(20)는 터보(turbine)와 슈퍼차저(super charger; 과급기)를 합성한 용어로서, 터빈과 여기에 직결된 공기압축기로 구성되어 배기가스의 에너지로 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키고 공기압축기에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낼 수 있다.
이러한 터보차저(20)는 블레이드가 설치된 터빈 휠과 공기압축기의 임펠러를 하나의 축에 연결하고 각각 하우징으로 둘러싼 구조를 가지며, 엔진의 배기 매니폴드 근처에 배치될 수 있다.
혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되어 온도가 상승하기 때문에 인터쿨러(intercooler; 25)로 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(32)를 통해 엔진(30)으로 유입될 수 있다. 이 인터쿨러(25)는 혼합기를 냉각시켜 밀도를 크게 함으로써 엔진으로 유입되는 혼합기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시킬 수 있다.
인터쿨러(25)는 공기로 냉각하는 공랭식 열교환기 또는 물로 냉각하는 수냉식 열교환 경로를 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.
이러한 인터쿨러(25)와 흡기 매니폴드(32) 사이에는, 엔진(30)에 유입되는 혼합기량을 조절하기 위해 스로틀 밸브(미도시)가 마련될 수 있다. 이 스로틀 밸브는 전자 스로틀 밸브(electronic throttle control valve; ETC 밸브)가 사용되는 것이 일반적이다.
또한, 엔진은 별도의 엔진 제어 유닛(engine control unit; ECU; 31)을 통하여 엔진의 제어와 관련된 각종 제어 변수들이 제어될 수 있다. 예를 들어, ETC 밸브(38) 및 이 밸브의 제어 주기 등이 ECU(31)에 의하여 제어될 수 있다.
엔진(30)은 흡기 매니폴드(32)를 통해 유입된 혼합기를 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 통해 작동하는 내연기관이다.
엔진(30)이 작동함에 따라 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(34)를 통해 배출되며, 이때 터보차저(20)의 임펠러를 회전시킨다.
엔진(30)은 발전기(40)를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 이를 위해, 엔진(30)의 회전축 일단에 마련된 풀리(36)와 발전기(40)의 회전축 일단에 마련된 풀리(46) 사이에 벨트가 연결될 수 있다.
이러한 엔진(30)의 풀리(36)와 발전기(40)의 풀리(46)는 그 회전수 비가 대략 1:3이 되도록 마련될 수 있다. 즉, 엔진(30)이 1 회전할 때 발전기(40)는 약 3 회전할 수 있다.
발전기(40)에서 생산되는 전력은 전력 변환 장치(90)에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.
한편, 엔진(30)은 가스 연소에 의해 작동시 상당한 열이 발생하므로 냉각수를 순환시키면서 열교환시켜 엔진에서 발생하는 고온의 열을 흡수하도록 한다.
자동차에서는 냉각수 순환 유로에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 열병합 발전 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.
이를 위해, 냉각수 순환 유로에는 온수 열교환기(50)가 마련되어 냉각수와 별도로 공급되는 물 사이에 열교환 함으로써 물이 고온의 냉각수로부터 열을 전달받도록 할 수 있다.
이 온수 열교환기(50)에 의해 생성되는 온수는 온수 저장조(51)에 저장되었다가 건물 등의 온수 수요처에 공급될 수 있다.
온수 수요처에서 온수를 사용하지 않는 경우에는 온수 열교환기(50)로 물이 공급되지 않아 냉각수 온도가 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 별도의 방열기(70)를 설치하여 필요없는 냉각수의 열량을 실외로 버릴 수 있다.
이 방열기(70)는 고온의 냉각수가 다수의 핀(fin)에 의해 공기와 열교환함으로써 방열하는 것으로서, 방열 촉진을 위해 방열팬(72)이 구비될 수 있다.
엔진(30)에서 나오는 냉각수 유로는 상기 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 분기되고, 그 분기되는 지점에 삼방밸브(53)를 설치하여 냉각수의 유동 방향을 상황에 따라 제어할 수 있다. 이 삼방밸브(53)에 의해 냉각수를 온수열교환기(50)로만 보내거나 방열기(70)로만 보내거나, 상황에 따라 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 소정 비율로 나누어 보낼 수 있다.
삼방밸브(53)를 통과하여 방열기(70)에서 방열된 냉각수는 삼방밸브(53)를 통과하여 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수와 합쳐져서 엔진(30)으로 유입될 수 있다.
그리고, 냉각수 순환 유로에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환 유로에서 온수 열교환기(50) 및 방열기(70)의 하류와 엔진(30)의 상류에 설치될 수 있다.
한편, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34)를 통해서 나오는 배기가스는 상기한 터보차저(20)를 작동시키기도 하지만, 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 배기가스 열교환기(60)를 구비할 수 있다.
이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 냉각수가 어느 정도 가열되어 미지근한 상태로 엔진(30)으로 유입되지만, 그 냉각수도 엔진(30)을 충분히 냉각시킬 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 방열된 배기가스는 머플러(80)를 통과하게 되고, 머플러(80)에 의해 엔진의 배기 측 소음이 저감될 수 있다.
머플러(80)를 통과한 배기가스는 드레인 필터(85)를 통과한 후 외부로 배출될 수 있다. 이 드레인 필터(85)는 머플러(80)와 배기가스 라인 등에서 생성되는 응축수를 정화하기 위해 내부에 정화석을 내장하고 있어서, 산성의 응축수를 정화하고 중화시켜 외부로 유출할 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 엔진 발전 시스템의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 엔진 발전 시스템은, 발전기(40)를 구동하기 위한 구동력을 공급하는 엔진(30) 및 이 엔진을 제어하는 엔진 제어부(engine control uni; ECU; 210)를 포함하고, 발전기(40)에는 이 발전기(40)의 구동에 의하여 생성되는 전력을 변환하고 발전량을 제어하기 위한 전력 변환 장치(power conversion system; 90)가 연결된다.
이러한 전력 변환 장치(90)는 발전기(40)에서 생성된 교류 전력을 직류로 변환하는 컨버터(91), 이 컨버터(91)에서 변환된 직류 전력을 교류로 변환하는 인버터(92) 및 이 컨버터(91)와 인버터(92) 사이에 위치하는 DC 링크 캐패시터(C)를 포함한다.
여기서, 컨버터(91)는, 발전기(40)에서 생산되는 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다. 이러한 컨버터(91)는 역률 제어부(PFC(power factor control)부)로 작동하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터를 이용할 수 있다.
또한, 이러한 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 승압 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 이러한 컨버터(91)는 정류부를 포함할 수 있다.
인버터(92)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 컨버터(91)에서 공급되는 직류 전원을 소정 주파수의 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
이때, DC 링크 캐패시터(C)에는 발전기(40)에서 생산되어 컨버터(91)를 통하여 공급되는 직류 전원이 저장된다. 인버터에서는 이 DC 링크 캐패시터(C)에 저장된 전력을 교류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다.
이와 같이, 인버터(92)를 통하여 출력되는 교류 전력에 의하여 부하(220)가 구동될 수 있다.
예를 들어, 부하(220)가 삼상 교류 모터를 압축기로 이용하는 공기 조화 장치라면, 인버터(92)는 이러한 교류 모터를 구동하기 위한 삼상 교류 전원을 출력하여 공기 조화 장치에 공급할 수 있다.
또한, 이러한 전력 변환 장치(90) 및 엔진 제어부(210)를 제어하는 제어부(200)가 구비된다.
이와 같은 엔진 발전 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 열병합 발전 시스템의 일부일 수 있다. 그러나 경우에 따라, 도 1을 참조하여 설명한 열병합 발전 시스템과 별도의 발전 시스템을 구성할 수도 있다.
또한, 일례로서, 엔진 발전 시스템의 엔진은 가스를 이용한 가스 엔진일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 컨버터(91)는 간략히 브릿지 다이오드에 의하여 구현된 상태를 나타내고 있다. 즉, 교류를 직류로 변환하는 컨버터(91)는 교류를 전파정류할 수 있는 브릿지 다이오드 회로를 포함한다.
인버터(92)는 복수 개의 인버터 스위칭 소자(T1, T2, T3, T4, T5, T6)를 구비하고, 컨버터(91)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 부하(220)로 출력할 수 있다. 여기서, 부하(220)는 삼상 모터(220)인 예를 나타내고 있다.
구체적으로, 인버터(92)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(T1, T2, T3) 및 하측 스위칭 소자(T4, T5, T6)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
이러한 인버터(92)의 스위칭 소자(T1, T2, T3, T4, T5, T6)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
이러한 컨버터(91)와 인버터(92) 사이에는 컨버터(91)에서 정류된 직류(DC) 전력이 충전되는 DC 링크 캐패시터(C)가 위치한다.
또한, 스위칭 소자(T7)에 의하여 DC 링크 캐패시터(C)와 선택적으로 연결될 수 있는 브레이크 쵸퍼(Break chopper(BRC); R)를 포함하는 보호부(93)를 포함할 수 있다. 도 4는 브레이크 쵸퍼에서 이루어지는 동작을 나타내는 그래프를 도시하고 있다.
이러한 브레이크 쵸퍼(R)는 과전압 발생 시 DC 링크 캐패시터(C)와 연결되어 DC 링크 캐패시터(C)를 과전압으로부터 보호할 수 있다.
브레이크 쵸퍼(R)는 저항을 이용하여 DC 링크 캐패시터(C)에 인가되는 전압을 소모시키는 방식을 이용할 수 있다.
즉, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 스위칭 소자(T7)의 작동에 의하여 브레이크 쵸퍼(R)에 전압이 인가되거나(BRC ON) 차단되어(BRC OFF) 과전압이 소모될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 구성을 가지는 엔진 발전 시스템에서 출력단인 인버터(92)에 고장(fault) 발생시 시스템은 정지된다. 이때, 발전기(40)와 전력 변환 장치(90)도 함께 정지된다.
이때, 최대 출력으로 발전하던 시스템에서 갑자기 탈락된 부하로 인하여 발전기(40) 또는 엔진(30)에 오버 슈트(over shoot) 현상이 발생할 수 있다.
즉, 엔진(30)의 회전수(rpm)가 급상승하고, 이 엔진(30)의 회전수 대비 배수(일례로, 3배)의 회전수로 회전하는 발전기(40)의 회전수도 급상승하게 된다.
그러면, 엔진(30)의 제어가 불가능한 상태에 이를 수 있고, 발전기(40)의 손상, 예를 들어, 베어링의 파손으로 이어질 수 있다.
따라서, 이와 같은 고장 발생 상황에 대비하여 부하 탈락시 브레이크 쵸퍼(R)를 이용하여 DC 링크 캐패시터(C)를 보호할 수 있는 것이다.
또는, 엔진(30)에서 가급적 빠르게 대응하여 회전수를 저감하는 방식으로 시스템의 고장에 대응할 수 있다.
그러나, 이와 같은 방안을 이용하여 전력 변환 장치(90)의 DC 링크 캐패시터(C)는 보호할 수 있지만 발전기(40) 쪽은 보호가 되지 않을 수 있다.
또한, 대응할 수 있는 용량이 클수록 브레이크 쵸퍼(R)의 크기가 커지고 이에 따라 비용이 상승한다.
더욱이, 브레이크 쵸퍼(R)에서 소모되는(태워지는) 에너지는 모두 손실된다.
이에 더하여, 브레이크 쵸퍼(R) 동작시 소음이 크게 발생할 수 있다.
한편, 엔진(30)의 제어에 의하여 회전수를 줄이는 방식은 기계적 관성으로 인한 손상을 방지하는데 한계가 있으며 이를 최소화하는데 의미가 있다.
따라서, 발전기의 입장에서는 베어링의 내구성을 저하하여 수명이 단축될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 일부 회로도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 엔진 발전 시스템을 나타내는 전체 회로도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 엔진 발전 시스템은, 엔진(30), 이 엔진(30)에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기(40) 및 이 발전기(40)에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치(90)를 포함한다.
이러한 발전기(40)와 전력 변환 장치(90)의 사이에는 삼상 중 각 상에 연결되어 상 불평형이 발생하도록 제어함으로써 발전기(40)의 회전수를 제한하는 시스템 보호부(300)가 구비될 수 있다.
전력 변환 장치(90)를 통하여 변환된 전력은 필터(LCL 필터; 320)를 통하여 출력 전압으로 부하에 전달될 수 있다.
이와 같은 시스템 보호부(300)에 의하면, 엔진(30), 발전기(40) 및 전력 변환 장치(90) 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 전체 엔진 발전 시스템을 보호할 수 있다.
구체적으로, 시스템 보호부(300)는, 발전기(40)와 전력 변환 장치(90)의 사이의 각 상에 선택적으로 연결되는 댐핑 저항(R1, R2, R3), 발전기(40)와 전력 변환 장치(90)의 사이의 각 상과 댐핑 저항(R1, R2, R3) 사이에 각각 연결되는 스위치(S1, S2, S3) 및 이들 스위치(S1, S2, S3)를 제어하여 상 불평형이 발생하도록 제어하는 제어부(200)를 포함할 수 있다.
즉, 삼상을 각각 U상, V상 및 W상이라고 표현한다면, 시스템 보호부(300)는 U상에 연결되는 댐핑 저항(이하, 제1댐핑 저항; R1) 및 스위치(제1스위치; S1), V상에 연결되는 댐핑 저항(제2댐핑 저항; R2) 및 스위치(제2스위치; S2), 그리고 W상에 연결되는 댐핑 저항(제3댐핑 저항; R3) 및 스위치(제3스위치; S3)를 포함할 수 있다.
이때, 제1댐핑 저항(R1), 제2댐핑 저항(R2) 및 제3댐핑 저항(R3)은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
이러한 제어부(200)는 전력 변환 장치(90)의 제어 기능을 함께 담당할 수 있다. 즉, 컨버터(91)를 제어하기 위한 컨버터 제어부나 인버터(92)를 제어하기 위한 인버터 제어부가 시스템 보호부(300)의 기능을 추가로 수행할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이, 제어부(200)는 제1스위치(S1), 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)를 포함하는 스위치부(310)를 제어할 수 있다.
이러한 시스템 보호부(300)는, 엔진 발전 시스템 구성의 고장을 감지하여, 상 전류가 댐핑 저항(R1, R2, R3)의 용량을 넘지 않도록 각 스위치(S1, S2, S3)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(200)는 댐핑 저항(R1, R2, R3)이 각 상에 선택적으로 연결되도록 각 스위치(S1, S2, S3)를 제어할 수 있다.
도 7은 스위치부의 스위칭 동작을 나타내는 타이밍 블럭도이다.
도 7을 참조하면, 시스템 보호부(300)의 제어부(200)는, 동일한 시간에 U상, V상 및 W상을 포함하는 삼상 중 두 상만이 여자되도록 스위치(S1, S2, S3)를 제어할 수 있다.
이때, 제어부(200)는, 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 스위치부(310)를 제어할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1스위치(S1), 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)는 시간의 진행에 대하여 순차적으로 켜지고(On) 꺼지는(Off) 동작을 반복하는 것을 알 수 있다.
이때, 어느 한 시점에서는 세 스위치(S1, S2, S3) 중 두 스위치가 켜진 상태(On 상태)에 있게 된다.
따라서, 상 불평형이 발생하고, 이때 흐르는 상전류는 세 스위치(S1, S2, S3)에 의하여 각 상에 연결된 댐핑 저항(R1, R2, R3)의 용량을 넘지 않도록 빠르게 스위칭된다.
이때, 발전기(30)의 회전 속도를 제한하기 위한 목적으로 스위치(S1, S2, S3)는 빠르게 스위칭 되므로 각 상에 병렬로 연결된 댐핑 저항(R1, R2, R3)과 스위치(S1, S2, S3)의 전류 정격은 크기 않아도 무방하다.
즉, 제어부(200)는, 전력 변환 장치(90)의 전류를 감지하여, 상 전류가 각 상에 연결된 댐핑 저항(R1, R2, R3)의 용량을 넘지 않도록 스위치(S1, S2, S3)를 제어할 수 있다.
이와 같은 시스템 보호부(300)의 작동에 의하여, 고장이 발생한 경우, 발전기(30)는 정상적으로 회전하지 못하고 각 전기적 스위칭 구간마다 제동이 걸려서 회전이 제한된다.
이와 같은 시스템 보호부(300)를 포함하는 엔진 발전 시스템을 이용하여 고장 발생시 발전기(30) 및 전력 변환 장치(90)를 포함하는 각 부분을 보호할 수 있다.
즉, 이와 같은 시스템 보호부(300)의 제어부(200)는 고장 발생시 발전기(30) 및 전력 변환 장치(90)를 포함하는 각 부분을 보호하도록 시스템 보호부(300)의 각 구성을 제어할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 제어부(200)는 엔진(30), 발전기(40) 및 전력 변환 장치(90) 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하는 단계를 수행할 수 있다.
또한, 이러한 엔진(30), 발전기(40) 및 전력 변환 장치(90) 중 적어도 어느 하나의 고장 감지시, 상 전류가 댐핑 저항(R1, R2, R3)의 용량을 넘지 않도록 댐핑 저항(R1, R2, R3)이 각 상에 선택적으로 연결되도록 스위치(S1, S2, S3)를 제어하는 단계를 수행할 수 있다.
이상과 같이, 발전기(40)의 상 불평형을 이용한 전류 제한 제어 과정에 의하여, 엔진(30) 리플 또는 수전단의 급탈락으로 발전기(40)의 회전수(RPM)가 급상승하려고 할 때, 시스템 보호부(300)를 이용하여 발전기(40)의 회전수를 제한하게 되면 아래와 같은 보호 효과를 얻을 수 있다.
먼저, 발전기(40)를 정격 회전수 이하로 동작시켜 베어링과 같은 기계적 요소의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 컨버터(91)에 유입될 수 있는 과전류를 제한할 수 있다.
이에 더하여, DC 링크 캐패시터(C)를 과전압으로부터 보호할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
30: 엔진 40: 발전기
90: 전력변환기 91: 컨버터
92: 인버터 200: 제어부
300: 시스템 보호부 310: 스위치부

Claims (12)

  1. 엔진 발전 시스템에 있어서,
    엔진;
    상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기;
    상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및
    상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되어 상 불평형이 발생하도록 제어함으로써 상기 발전기의 회전수를 제한하는 시스템 보호부를 포함하여 구성되고,
    상기 시스템 보호부는, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 선택적으로 연결되는 댐핑 저항;
    상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상과 상기 댐핑 저항 사이에 각각 연결되는 스위치; 및
    상기 스위치를 제어하여 상 불평형이 발생하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 댐핑 저항은, 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이에서 각 상에 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상만이 여자되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환 장치의 전류를 감지하여, 상 전류가 상기 각 상에 연결된 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  7. 엔진 발전 시스템에 있어서,
    엔진;
    상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기;
    상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치; 및
    상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되는 댐핑 저항 및 상기 각 댐핑 저항과 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 시스템 보호부를 포함하고,
    상기 시스템 보호부는, 상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하여, 상 전류가 상기 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 댐핑 저항이 각 상에 선택적으로 연결되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는, 적어도 하나 이상의 댐핑 저항이 상기 각 상에 선택적으로 연결되도록 하여, 상 불평형 조건을 이용하여 상기 발전기의 회전수를 제한하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제어부는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템.
  10. 엔진, 상기 엔진에 의하여 구동되어 삼상 교류 전력을 생성하는 발전기, 상기 발전기에서 생성된 삼상 교류 전력을 변환하는 전력 변환 장치 및 상기 발전기와 전력 변환 장치의 사이의 각 상에 연결되는 댐핑 저항 및 상기 각 댐핑 저항과 연결되는 스위치 및 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 시스템 보호부를 포함하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장을 감지하는 단계; 및
    상기 엔진, 발전기 및 전력 변환 장치 중 적어도 어느 하나의 고장 감지시, 상 전류가 상기 댐핑 저항의 용량을 넘지 않도록 상기 댐핑 저항이 각 상에 선택적으로 연결되도록 상기 스위치를 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 스위치를 제어하는 단계는, 적어도 하나 이상의 댐핑 저항이 상기 각 상에 선택적으로 연결되도록 하여, 상 불평형 조건을 이용하여 상기 발전기의 회전수를 제한하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 스위치를 제어하는 단계는, 동일한 시간에 상기 삼상 중 두 상이 순차적으로 여자되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 발전 시스템의 제어 방법.
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