KR101954149B1 - 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 발전기에서 생산된 전력을 상용 전력으로 변환하는 전력변환기, 및 상기 엔진을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 작동 중에 부하가 탈락되면 ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시켜 엔진 회전수의 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 줄이며, 엔진 회전수가 설정값 이하가 되면 연료밸브를 완전히 닫아서 엔진을 정지한다.

Description

열병합 발전 시스템 및 그 제어방법{A combined heat and power generating system and A method for controlling the same}
본 발명은 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 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.
엔진은 그에 인가되는 부하에 따라 목표 엔진 회전수를 추종하도록 제어된다.
그런데, 엔진은 부하의 변화에 따라 엔진 회전수에 미치는 영향이 매우 크다. 엔진의 부하는 보통 선형적으로 변하지만, 때때로 부하가 급변하는 상황에 대처하지 못해서 엔진이 정지하는 경우도 있다.
엔진에 인가되는 부하가 급격하게 증가하면 엔진이 변화되는 목표 회전수를 추종하지 못하고 엔진이 정지하거나 엔진 회전수가 급격하게 감소되지만 곧바로 회복하기 위해 회전수 증가 기울기가 매우 커지게 된다. 이로 인해, 엔진의 목표 회전수 추종에 있어 안정화될 때까지 헌팅이 발생하는 문제가 있다.
반대로, 엔진에 인가된 부하가 급격하게 감소하면 엔진 회전수가 과도하게 상승하며, 목표 회전수를 추종하기 위해 엔진 회전수가 감소하지만, 기울기가 완만하게 감소하게 된다. 이로 인해, 과도하게 상승된 엔진 회전수는 발전기와 기타 시스템의 다른 부품이 손상되는 문제가 생길 수 있다.
자동차 엔진과 달리 열병합 발전 시스템은 별도의 브레이크가 없기 때문에 부하가 급변할 때 엔진 회전수가 급격히 상승하는 문제를 해결하기 위한 대책이 필요하다.
본 발명은 부하가 탈락할 때 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 줄여서 엔진을 안정적으로 정지할 수 있도록 제어하는 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 발전기에서 생산된 전력을 상용 전력으로 변환하는 전력변환기, 및 상기 엔진을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 작동 중에 부하가 탈락되면 ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시켜 엔진 회전수의 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 줄이며, 엔진 회전수가 설정값 이하가 되면 연료밸브를 완전히 닫아서 엔진을 정지한다.
상기 제어부는 상기 전력변환기의 발전량이 제로이거나 전력변환기에서 에러 신호가 발생하는 경우 상기 엔진 회전수를 줄이는 다이나믹 브레이크 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 엔진으로 흡입되는 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하고 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하는 경우에 상기 다이나믹 브레이크 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 1초 동안 ETC밸브의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브의 개도를 30~40% 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 ETC밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 엔진 회전수의 설정값은 1000rpm인 것이 바람직하다.
본 발명의 열병합 발전 시스템의 제어방법은, 엔진에 연료를 공급하여 발전기를 회전시켜 발전하되 엔진의 목표 회전수를 추종하도록 제어하는 단계, 전력변환기의 발전량이 제로이거나 전력변환기에서 에러 신호가 발생하는 것을 감지하여 외부 부하가 탈락된 것을 판단하는 단계, ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시키는 단계, 엔진 회전수가 설정값 이하로 감소되었는지 판단하는 단계, 및
엔진 회전수가 설정값 이하로 되면 연료밸브를 완전히 닫아서 엔진을 정지하는 단계를 포함한다.
상기 부하 탈락 판단 단계는, 엔진으로 흡입되는 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하고 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시키는 단계는, 1초 동안 ETC밸브의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브의 개도를 30~40% 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키는 것이 바람직하다.
상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 ETC밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 엔진 회전수의 설정값은 1000rpm인 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 부하가 탈락할 때 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 줄여서 엔진을 안정적으로 정지할 수 있도록 제어할 수 있다.
엔진 회전수가 과도하게 상승되는 것을 방지하고 엔진을 안정적으로 정지시킬 수 있으므로, 발전기와 베어링 등의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 제어부와 연결되는 센서와 밸브를 나타내는 블록도이다.
도 3은 부하가 탈락하는 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명에 의할 때 부하가 탈락하는 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 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 갖고 있다. 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.
제로 가버너(12)와 믹서(16) 사이에는 믹서(16)로 유입되는 연료의 유량을 조절하는 연료밸브(13)가 구비될 수 있다.
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 경로로 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.
ETC밸브(Electronic Throttle Control Valve; 29)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.
제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 커지게 될 것이다.
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 1000rpm 회전할 때 발전기(40)는 약 3000rpm 회전할 수 있다.
발전기(40)에서 생산되는 전력은 전력변환기(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 온수 열교환기(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 2에는 제어부와 연결되는 센서와 밸브를 나타내는 블록도이다.
제어부(110)는 엔진과 각종 센서 및 밸브를 포함하는 열병합 발전 시스템의 작동을 제어한다.
특히, 엔진에는 엔진 회전수 센서(120)가 구비되어 엔진의 분당 회전수(rpm)를 산출할 수 있다.
또한, 흡기 매니폴드(32)에는 흡입 압력을 측정하는 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor; 130)가 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 흡입 압력으로부터 부하의 크기를 역으로 산출할 수 있다.
일반적으로 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 유입량이 많을수록 엔진 회전수가 커지고 이에 따라 출력, 즉 발전량이 커지게 된다.
그리고, 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.
또한, ETC밸브(Electronic Throttle Control Valve; 29)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.
제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 커지게 될 것이다.
도 3은 부하가 탈락하는 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3의 경우, 연료밸브(13)와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 목표로 하는 엔진 회전수를 추종하도록 제어하는 중에, 부하가 급격히 변경(감소)되는 경우에 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 단순히 줄이는 경우에 엔진 회전수가 매우 크게 증가했다가 서서히 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 다이나믹 브레이크 제어를 하지 않는 경우에는 매우 큰 오버슈트가 발생하게 된다.
예를 들어, 부하가 100Nm이고 엔진 회전수 1800rpm으로 엔진을 운전하는 중에 전력변환기가 고장나서 갑작스럽게 부하가 0Nm로 탈락하게 되면 엔진 회전수는 오버슈트에 의해 급격히 커져서 최고 4000rpm까지 상승하게 된다.
일반적으로 엔진과 발전기는 그 사이에 연결된 풀리 비가 1:3으로 연결되므로, 엔진이 4000rpm으로 회전하면 발전기는 12000rpm으로 회전하게 되어 발전기가 소손되거나 베어링이 파손되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 부하가 급격하게 하강하여 엔진 회전수가 급격하게 상승하는 경우, 이는 전력변환기의 고장으로 판단하여 엔진 회전수가 급격하게 상승하는 것을 완화하는 것이 필요하다.
도 4는 본 발명에 의한 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다.
열병합 발전 시스템의 엔진이 시동되어 작동되면 제어부(110)는 부하의 크기에 따라 목표로 하는 엔진 회전수를 추종하도록 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절한다.
부하는 외부 상황에 따라 변하므로 그에 대응하여 엔진 회전수(rpm) 목표값을 변경하고 그 목표 엔진 회전수를 추종하도록 제어할 수 있다(S10).
그러다가 외부 부하가 탈락하는 상황이 생길 수 있다(S20). 부하 탈락은 전력변환기(90)가 고장 나거나 실제로 전력이 필요하지 않게 되어 부하가 없어지는 경우를 말한다.
외부 부하가 탈락하면 다이나믹 브레이크 제어(S30)를 한다.
우선, 다이나믹 브레이크 제어 진입 여부를 판단(S31)해야 하는데, 전력변환기(90)의 발전량이 0kW이거나 전력변환기(90)에서 에러 신호가 발생하면 부하가 탈락된 상태라고 인식할 수 있다.
다만, 부하가 탈락되었음을 명확히 판단하기 위해서 엔진으로 흡입되는 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하는지 여부를 판단하고(S33), 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하는지 여부를 판단한다(S34).
혼합기의 흡입압력은 상기한 MAP센서(130)에 의해 감지되고, 흡입압력이 급격히 감소한다면 부하가 그만큼 급격히 감소했음을 의미한다.
엔진 회전수는 엔진 회전수 센서(120)에 의해 감지된다. 부하가 급격히 감소하는 경우 오버슈트에 의해 엔진 회전수가 가파르게 상승했다가 서서히 하강하는 변화를 보이게 되므로, 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가한다면 부하가 커져서 그런 것이 아니라 오히려 부하가 급격히 감소하여 오버슈트가 생겨서 그러하다고 판단할 수 있다.
이와 같이, 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하고, 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하면, 부하가 탈락하는 경우를 포함하여 부하가 급격히 감소하였다고 판단할 수 있으므로, 다이나믹 브레이크 제어를 수행한다.
다이나믹 브레이크 제어는 ETC밸브(29)와 연료밸브(13)의 개도를 점차 감소시켜 엔진 회전수의 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 급격히 줄이도록 제어하는 것을 말한다.
ETC밸브(29)의 개도를 줄일수록 혼합기의 유입량이 감소하므로 엔진 회전수의 급격한 상승을 방지할 수 있고, 연료밸브(13)의 개도를 줄일수록 혼합비가 낮아져서 연료가 희박한 혼합기가 공급되므로 엔진 출력이 급격히 감소하게 된다.
제어부(110)는 1초 동안 ETC밸브(29)의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브(13)의 개도를 30~40% 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키는 1차 제어를 한다(S35).
바람직하게는, 현재 상태와 대비해서, 1초 동안 ETC밸브(29)의 개도를 20% 감소시키고 연료밸브(13)의 개도를 30% 감소시키면, 오버슈트에 의해 엔진 회전수가 상승하던 것을 감소하도록 만들고 오버슈트 크기를 대폭 줄일 수 있다.
다음으로, 상기 1차 제어에 의해 엔진 회전수가 오버슈트의 피크를 지나 하강하기 시작하는데, 이후에는 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 ETC밸브(29)의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브(13)의 개도를 초당 1%씩 감소시키는 2차 제어를 한다(S36).
2차 제어에서 각 밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시킬 때 그 기준은 현재 밸브의 개도에 대비해서 초당 1%씩 줄여가는 것을 의미한다. 즉, 2차 제어 중에 1초 전의 밸브 개도에 비해 개도를 1% 감소시키도록 제어하는 것이다.
2차 제어는 엔진 회전수를 안정적으로 감소하기 위한 것으로서, 1차 제어에 의해 오버슈트가 대폭 줄어들기 때문에 다이나믹 브레이크 제어를 하지 않는 경우에 비해 엔진 회전수가 설정값 이하로 훨씬 신속하게 하강될 수 있다.
다음으로, 엔진 회전수가 설정값 이하인지 판단한다(S40). 이 설정값은 엔진을 안정적으로 정지할 수 있는 엔진 회전수로서, 예를 들어 평소에 약 1800rpm으로 운전되던 엔진의 경우 1000rpm으로 설정될 수 있다.
마지막으로, 엔진 회전수가 설정값 이하이면, 2차 제어를 종료하고 연료밸브(13)를 완전히 닫아서 엔진을 정지한다(S50).
2차 제어 종료 시점에서 엔진 회전수는 안정적으로 하강하고 있었기 때문에 연료밸브(13)를 완전히 닫더라도 오버슈트가 거의 생기지 않고 안정적으로 엔진이 정지할 수 있다.
도 5에는 엔진 회전수 추종 제어를 하다가 부하가 탈락할 때 다이나믹 브레이크 제어를 하는 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
제어부(110)는 목표 rpm(예를 들어, 1800rpm)으로 엔진이 회전하도록 ETC밸브(29) 및 연료밸브(13)의 개도를 조절하여 추종 제어를 한다.
그러다가 부하가 탈락하면 제어부(110)는 부하 탈락 여부를 판단하여 다이나믹 브레이크 제어를 시작한다. 그래프에서 "A" 시점이 1차 제어 시작 시점이다.
"A" 시점은 부하 변경 시점으로부터 약 0.5초 정도의 시간 지연이 발생하게 되는데, 이는 부하 탈락을 판단하는 시간이 필요하기 때문이다.
1초 동안 ETC밸브(29)의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브(13)의 개도를 30~40% 감소시키는 1차 제어에 의해 오버슈트 때문에 상승하던 엔진 회전수가 하강 기울기로 바뀌게 된다.
1차 제어를 하는 시간이 경과되면 "B" 시점에 2차 제어를 시작한다. 2차 제어에서 엔진 회전수가 설정값(예를 들어, 1000rpm) 이하가 될 때까지 ETC밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시킨다.
"C" 시점에 엔진 회전수는 설정값인 1000rpm으로 하강되는데, 엔진 회전수 센서(120)가 이를 감지하면 2차 제어를 종료하고 이후 연료밸브(13)를 완전히 닫아서 엔진을 안정적으로 정지시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
12: 제로 가버너 13: 연료밸브
14: 에어클리너 16: 믹서
20: 터보차저 29: ETC밸브
30: 엔진 40: 발전기
50: 온수 열교환기 60: 배기가스 열교환기
70: 방열기 80: 머플러
90: 전력변환기 100: 열병합발전장치
110: 제어부 120: 엔진 회전수 센서
130: MAP센서

Claims (11)

  1. 가스를 연료로 사용하는 엔진;
    상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기;
    상기 발전기에서 생산된 전력을 상용 전력으로 변환하는 전력변환기; 및
    상기 엔진을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 엔진 작동 중에 부하가 탈락되면 ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시켜 엔진 회전수의 오버슈트를 감소시키고 엔진 회전수를 줄이며, 엔진 회전수가 설정값 이하가 되면 연료밸브를 완전히 닫아서 엔진을 정지하고,
    상기 제어부는 1초 동안 ETC밸브의 개도를 제 1 값만큼 감소시키고 연료밸브의 개도를 제 2 값만큼 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키고,
    상기 제어부는 상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 1초 동안 ETC밸브의 개도 및 연료밸브의 개도를 제 3 값만큼 감소시키고, 상기 제 1 값은 상기 제 3 값보다 큰 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전력변환기의 발전량이 제로이거나 전력변환기에서 에러 신호가 발생하는 경우 상기 엔진 회전수를 줄이는 다이나믹 브레이크 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 엔진으로 흡입되는 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하고 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하는 경우에 상기 다이나믹 브레이크 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 1초 동안 ETC밸브의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브의 개도를 30~40% 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 ETC밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진 회전수의 설정값은 1000rpm인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  7. 엔진에 연료를 공급하여 발전기를 회전시켜 발전하되 엔진의 목표 회전수를 추종하도록 제어하는 단계;
    전력변환기의 발전량이 제로이거나 전력변환기에서 에러 신호가 발생하는 것을 감지하여 외부 부하가 탈락된 것을 판단하는 단계;
    ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시키는 단계;
    엔진 회전수가 설정값 이하로 감소되었는지 판단하는 단계;
    엔진 회전수가 설정값 이하로 되면 연료밸브를 완전히 닫아서 엔진을 정지하는 단계를 포함하고,
    상기 ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시키는 단계는, 1초 동안 ETC밸브의 개도를 제 1 값만큼 감소시키고 연료밸브의 개도를 제 2 값만큼 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키고,
    상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 1초 동안 ETC밸브의 개도 및 연료밸브의 개도를 제 3 값만큼 감소시키고, 상기 제 1 값은 상기 제 3 값보다 큰 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부하 탈락 판단 단계는,
    엔진으로 흡입되는 혼합기의 흡입압력이 초당 50hPa 이상 감소하고 엔진 회전수가 초당 20rpm 이상 증가하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    ETC밸브와 연료밸브의 개도를 점차 감소시키는 단계는, 1초 동안 ETC밸브의 개도를 20~30% 감소시키고 연료밸브의 개도를 30~40% 감소시켜서 상기 엔진 회전수가 오버슈트에 의해 상승되던 것을 하강시키는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진 회전수가 감소하기 시작하면 엔진 회전수가 설정값 이하가 될 때까지 ETC밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키고 연료밸브의 개도를 초당 1%씩 감소시키는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엔진 회전수의 설정값은 1000rpm인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
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