KR102118469B1 - 재난 대응용 발전 설비 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 재난 대응용 발전 설비는, 다수의 발전 설비가 가동 가능한 경우 원동기 동시 시동 후 해당 발전 설비의 차단기를 먼저 투입하고 발전기 여자가 서서히 이뤄지게 함으로써 별도의 동기 장치를 이용한 동기화를 하지 않고도 병렬 운전이 가능하도록 하여 대규모 전력을 최대한 짧은 시간 내에 전동기(부하)에 공급하여 위급한 재난 상황에서 신속한 대응이 가능케 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 상용전원의 정전 시 최적의 발전 설비 용량으로 최대의 가용성을 실현하여 위기 상황에 대처할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 상용전원의 정전 시 최적의 발전 설비 용량으로 최대의 가용성을 실현하여 위기 상황에 대처할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 재난 대응용 발전 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재난 대응용으로 사용되는 자가 발전 설비의 운영 능력을 극대화하여 사회보호, 인명보호, 재산보호, 공해방지 및 설비보호를 완벽히 수행할 수 있도록 한 재난 대응용 발전 설비에 관한 것이다.
일반적으로 펌프 설비의 경우 시설물의 설계 시 계획 배수량이 정해지며 설계 기준에 따라 전양정(total head), 토출량(discharge rate) 및 예비용량(reserve capacity) 등을 고려하여 펌프 용량을 결정하며 펌프장 내에 설치되는 펌프의 설치대수는 일반적으로 2대 이상이다. 펌프 구동 장치로는 전동기와 내연기관이 주로 사용이 되며 상용전원의 정전 시 펌프 운영에 필요한 경우 비상전원(또는 예비전원)을 준비한다. 비상전원(또는 예비전원)을 공급하는 전력 공급 장치로 내연기관 발전 세트(generating sets)가 자가 발전 설비로 많이 사용되고 있으며 전기 설비에서 요구하는 일정 주파수와 전압을 정전 시에 공급한다.
전동기를 기동하면 기동 순간에 큰 전류가 흐르게 되는데 최대 기동 전류를 제한할 필요가 없는 경우에는 전전압(full voltage) 기동 방식을 사용하고 최대 기동 전류를 제한할 필요가 있는 경우에는 전동기에 인가되는 전압을 감소시켜 최대 기동 전류를 최대한 억제하는 기동 방식인 감전압(reduced voltage) 기동 방식을 사용하게 되는데 소용량 전동기의 경우는 Y-△, 1차저항 기동방식 등이 적용되고 대용량 전동기의 경우는 리액터, 단권변압기 기동 방식 등을 적용하나 전압이 감소된 만큼 전동기 기동 토크 또한 감소되므로 탭 전압(tap voltage)을 적정하게 선정하여야 한다. 가격이 고가인 소프트 스타터(soft starter), 주파수 변환 장치(frequency converter)는 저압의 소형(소용량) 전동기 기동 장치로 간혹 사용되고 있으나 고압의 대형(대용량) 전동기 기동 장치로 사용되는 경우는 드물다.
전동기 구동 펌프용 내연기관 발전 세트의 원동기 용량은 전동기의 최대 기동 토크와 원동기 부하 수용 특성을 고려하여 선정하여야 내연기관 발전 세트에 요구되는 성능 등급 작동 한계 값을 만족할 수 있으므로 전동기 구동 펌프의 정격 용량 대비 과대 선정되는 문제점이 있다.
내연기관 발전 세트의 AVR(자동 전압 조정기)은 설정 전압(set voltage)을 유지하도록 동작을 하므로 부하 증가 시 최소 하향 과도 전압(minimum downward transient voltage on load increase)과 부하 증가 후 전압 회복 시간(voltage recovery time after load increase)이 최소화 되도록 제어를 한다.
부하의 용량이 큰 경우 다수의 내연기관 발전 세트가 설치되며 모든 내연기관 발전 세트로 전력을 공급하기 위해서는 먼저 전력을 공급하고 있는 내연기관 발전 세트의 주파수와 전압을 기준으로 병렬 운전을 하고자 하는 내연기관 발전 세트의 주파수 및 전압을 조정하기 위해 원동기의 조속기로 주파수를 조정하고 발전기의 AVR(자동 전압 조정기, automatic voltage regulator)로 전압을 조정하는 동기화(synchronization) 과정을 동기 장치(synchronizing device)를 이용하여 수행하고 발전기간의 주파수(위상) 및 전압 차이가 허용 범위(차단기 투입 시 내연기관 발전 세트간의 기계적, 전기적 충격이 최소화 되는 시점) 안에 들어오면 병렬 운전을 하고자 하는 내연기관 발전 세트의 차단기를 투입한 후 부하 분담 장치(load sharing device)로 내연기관 발전 세트간의 부하 분담을 조정하며 병렬 운전을 한다. 다수의 내연기관 발전 세트가 설치되어 있는 자가 발전 설비는 이러한 복잡한 동기화, 부하 분담 절차를 각각의 내연기관 발전 세트에 대해 수행하며, 모든 내연기관 발전 세트의 병렬 운전을 완료하여 전체 부하에 전력을 공급하기까지 수분에서 수십 분이 소요되므로 위급한 재난 상황에서의 신속한 전력 공급이 어려운 문제점이 있다.
상용전원의 정전 시 전력을 수초 이내에 신속히 공급하여야 하는 병원과 같은 재난 대응용 시설물에 동기화, 부하 분담 조작과 같은 복잡한 절차를 생략하기 위해 대형(대용량) 내연기관 발전 세트를 단독으로 설치하여 전체 부하에 전력을 공급하는 경우 하중이 집중되어 시설물 및 장치의 구조에 미치는 영향이 커져 설치비 및 건축비가 과다 발생하는 등의 문제점이 있다.
한편, 재난 대응용으로 설치되는 내연기관 구동 펌프 설비의 경우 기후 변화로 인한 계획배수량을 초과하는 풍수해 발생 시 내연기관의 회전수를 증가시키면 펌프의 토출량 및 전양정이 증가하므로 위기 상황에 용이하게 대처가 가능하다.
재난 대응용으로 설치되는 전동기 구동 펌프 설비에서 펌프 구동용으로 많이 사용되는 유도 전동기의 경우 연속적으로 운전해서 실용상 지장이 없는 운전 영역 범위로 주파수는 ±2%, 전압은 ±5%이며 실용상 지장 없이 사용될 수 있으나 장시간 운전은 바람직하지 않은 운전 영역 범위로 주파수는 -5%/+3%, 전압은 ±10%를 국가표준으로 정하고 있다.
제조사에서는 일반적으로 실용상 지장 없이 운전이 가능한 운전 영역 범위로 주파수는 ±5%, 전압은 ±10%를 허용하고 있으나 비상전원(또는 예비전원) 공급을 위한 내연기관 발전 세트의 주파수 조정 범위는 정격의 ±2%, 전압 조정 범위는 정격의 ±5%이므로 유도 전동기를 포함한 전기 설비 제조사에서 허용하는 최대 주파수 및 최고전압(정격전압)까지 제품의 성능을 발휘할 수 없다. 그러므로 재난 대응용으로 설치되는 전동기 구동 펌프 설비의 경우 내연기관 구동 펌프 설비와 달리 기후 변화에 따른 계획배수량을 초과하는 풍수해 발생 시 기존의 내연기관 발전 세트로는 펌프의 토출량 및 전양정을 충분히 증가시킬 수 있을 만큼 전동기의 주파수 및 전압을 조정하지 못하므로 풍수해의 피해로부터 용이하게 대처하기 힘들다.
또한, 연속운전 시간이 짧은 재난 대응용 원동기, 발전기, 전동기, 펌프 등의 경우 충분한 단시간 과부하 내량(overload capacity)을 제조사에서 제시하고 있지만 이를 위급한 재난 발생시 제대로 활용하지 못하는 것이 현실이다.
따라서, 재난 대응용 발전 설비의 신뢰성(reliability), 가용성(availability), 유지보수성(maintainability) 및 안전성(safety) 확보로 투자비 및 운영비가 절감되는 우수한 장비 운영 능력 확보가 가능한 재난 대응용 발전 설비 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상용전원의 정전 시 최적의 내연기관 발전 세트로 신뢰성(reliability), 가용성(availability), 유지보수성(maintainability) 및 안전성(safety) 확보를 실현하여 위기 상황에 신속히 대처할 수 있는 재난 대응용 발전 설비를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 별도의 동기 장치(synchronizing device) 없이 동기화 운전이 가능하도록 하고 별도의 부하 분담 장치(load sharing device) 없이도 병렬 운전이 가능한 재난 대응용 발전 설비를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 재난 대응용 발전 설비는, 비상전원 공급을 위한 전력 공급 장치로 내연기관 발전 세트를 사용하며, 전기 설비에서 허용하는 최대 주파수로 운용이 가능한 원동기; 상기 원동기의 회전 속도를 제어하는 조속기; 전기 설비에서 허용하는 최고전압으로 운용이 가능한 발전기; 상기 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR; 및 배선 또는 통신을 통해 상기 원동기, 조속기, 발전기, AVR을 동시에 통합 제어하는 기준 제어부;로 구성된 제1내연기관 발전 세트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전기 설비에서 허용하는 최대 주파수로 운용이 가능한 원동기; 상기 원동기의 회전 속도를 제어하는 조속기; 전기 설비에서 허용하는 최고전압으로 운용이 가능한 발전기; 상기 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR; 및 배선 또는 통신을 통해 상기 원동기, 조속기, 발전기, AVR을 동시에 통합 제어하며 상기 기준 제어부보다 우선순위가 낮은 추종 제어부;로 구성된 제2내연기관 발전 세트를 더 포함하며, 상기 기준 제어부와 상기 추종 제어부간의 유기적인 역할 분담이 가능하도록 배선 또는 통신을 통해 상호 연결되는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 발전 세트는 설비의 수요에 따라 제3내연기관 ~ 제n내연기관 발전 세트를 추가로 구성할 수 있다. 즉, 발전 설비의 수요에 따라 여러 대의 내연기관 발전 세트로도 구성이 가능하다.
또한, 상기 제1 및 2내연기관 발전 세트는 상기 원동기의 연소용 공기 온도를 측정하는 연소용 공기 온도 측정 센서와 상기 원동기의 운전 상태를 확인하는 속도 감지 센서를 포함하며, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 상기 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 사상(mapping)으로 결정하여 상기 조속기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 시험 운전 시에는 상기 원동기에서 발생되는 배기가스가 최소화되도록 원동기의 회전 속도 증가율을 결정하고, 비상 운전 시에는 최단시간 내에 전력 공급이 가능하도록 원동기의 회전 속도 증가율을 결정하여 조속기를 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 PLC(programmable logic controller)를 기반으로 구성되며, 전압 변성기(PT)와 전류 변성기(CT)의 신호를 직접 입력 받아 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD, performance measuring and monitoring device)기능을 직접 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD)가 별도로 설치되는 경우, 배선 또는 통신으로 상기 장치(PMD)와 연결되어 통합 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도에서 발전기 회전자의 잔류 자기(remanence)가 상실되어 고정자에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되지 않으면 발전기의 여자기에 초기 여자(field flashing)를 실시하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도 이상에서 차단기의 투입 시점을 제어하는 부하 전력 제어 기능 및 AVR의 동작 개시 시점을 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 AVR의 동작 개시 시점 제어 후, 시동 후 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 원동기의 초당 회전 속도(rpm/second) 증가율을 연산하여 조속기를 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 AVR의 동작 개시 시점 제어 후, 시동 후 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 발전기의 주파수당 전압(voltage/frequency) 증가율을 연산하여 AVR을 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 획득된 정보로 별도의 동기 장치(synchronizing device) 없이 동기화 운전이 가능하도록 제어하고 별도의 부하 분담 장치(load sharing device) 없이도 병렬 운전이 가능하도록 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 상기 원동기, 발전기, 전동기의 제조사에서 제시하는 정상운전 및 과부하 운전범위에 대해 사상(mapping) 처리되어 상기 제1 또는 2 내연기관 발전 세트의 안정적인 과부하 운전이 가능하도록 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 상기 제1 또는 2내연기관 발전 세트의 안정적인 과부하 운전시 내연기관 발전 세트용 보호계전기가 내연기관 발전 세트에 발생한 과부하를 검출하여 부하 운용이 일시에 중지되도록 동작하기 전에, 가동 우선 순위가 낮은 부하를 제거하는 부하 전력 제어 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부에는 무선통신용 안테나가 구비되어 재난 대응용 발전 설비를 원격에서도 사용자의 무선단말기로 감시 및 제어가 가능하도록 하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 과도(transient) 부하에 대한 전력 급상승량
을 시간당 엔진 회전 속도 변화량
또는 시간당 주파수 변화량
또는 시간당 유효전력 변화량
으로 검출하여, 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값에서 허용하는 주파수 회복 시간 이내에 주파수가 회복될 수 있도록 AVR의 전압 설정 값을 성능 등급 작동 한계 값 범위 이내에서 설정 전압을 선행적으로 조정하고 주파수당 전압 증가율 또한 조정하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비에 따르면, 전동기의 최대 기동 전류를 제한하기 위해 사용되는 별도의 감전압 기동 장치를 사용하지 않아도 되므로 투자비 및 운영비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
특히, 최적의 발전 설비 용량으로 최대의 가용성을 실현하여 위기 상황에 신속히 대처할 수 있도록 함으로써 전동기 구동 펌프가 많이 사용되는 재난 대응용 배수 펌프장 설비에 적용하면 높은 신뢰성을 확보할 수 있어 더욱 효과적이다.
또한, 본 발명에 다른 재난 대응용 발전 설비는 별도의 동기 장치(synchronizing device) 없이 동기화 운전이 가능하도록 하고 별도의 부하 분담 장치(load sharing device) 없이도 병렬 운전이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 내연기관 발전 세트의 단독 구성 시 감전압 기동이 필요한 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 2는 종래의 내연기관 발전 세트의 두 대 구성 시 감전압 기동이 필요한 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 3은 정격 출력에서 제동 평균 유효 압력
의 함수로 나타낸 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값(왕복형 4행정 엔진)에 대한 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 단독 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 두 대 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 2는 종래의 내연기관 발전 세트의 두 대 구성 시 감전압 기동이 필요한 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 3은 정격 출력에서 제동 평균 유효 압력
도 4는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 단독 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 두 대 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
이하, 재난 대응용 배수펌프장에 탭 전압 변경 방식의 감전압 기동 장치가 펌프 구동용 대형(대용량) 전동기에 많이 사용되므로 배수펌프장에서 운영되는 자가 발전 설비 중심으로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 내연기관 발전 세트의 단독 구성 시 감전압 기동이 필요한 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이고 도 2는 종래의 내연기관 발전 세트의 두 대 구성 시 감전압 기동이 필요한 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이며 도 3은 정격 출력에서 제동 평균 유효 압력
의 함수로 나타낸 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값(왕복형 4행정 엔진)에 대한 그림이고 도 4는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 단독 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이며 도 5는 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 두 대 구성 시 부하에 대한 전력 공급 및 제어관련 간략한 시스템 구성도이다.
종래의 내연기관 발전 세트의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 1에 도시한 바와 같이, 내연기관 발전 세트의 단독 구성 시 정전이 발생되어 종래의 1호 원동기(10-1)를 시동하면 종래의 1호 조속기(11-1)는 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 연료를 제어하고 종래의 1호 AVR(21-1)은 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 종래의 1호 발전기(20-1)의 여자기(exciter)에 공급되는 여자 전력을 제어하여 발전기에 정격 주파수 및 공칭 전압이 최단 시간 내에 형성되도록 하며 정격 주파수 및 공칭 전압이 안정화되면 1호 발전기용 차단기(300-1)를 투입하고 전동기 최대 기동 전류를 제한하기 위한 1호 감전압 기동 장치(350-1)를 통해 부하인 1호 전동기(400-1)에 전력을 공급한다.
종래의 내연기관 발전 세트의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 2에 도시한 바와 같이, 내연기관 발전 세트의 두 대 구성 시 전체 부하에 전력을 공급하기 위해서는 별도의 동기 장치를 이용한 동기화 과정을 거친 후 병렬 운전을 행하는 과정이 수반되어야 한다. 구체적으로 정전이 발생되어 종래의 원동기(10-1, 10-2)를 동시에 시동하면, 종래의 조속기(11-1, 11-2)는 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 연료를 제어하고 종래의 AVR(21-1, 21-2)은 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 종래의 발전기(20-1, 20-2)의 여자기(exciter)에 공급되는 여자 전력을 제어하여 발전기에 정격 주파수 및 공칭 전압이 최단 시간 내에 형성되도록 한다.
이때, 종래의 1호 발전기(20-1)의 주파수 및 전압이 먼저 형성되었다면 1호 발전기용 차단기(300-1)를 투입하고 주 차단기(310)을 투입하여 전동기 최대 기동 전류를 제한하기 위한 1호 감전압 기동 장치(350-1)를 통해 1호 전동기(400-1)에 전력을 공급하도록 한다.
종래의 2호 발전기(20-2)로 전력을 공급하기 위해서는 2호 발전기용 차단기(300-2)를 투입시켰을 때 종래의 1호 원동기(10-1)/종래의 1호 발전기(20-1)와 종래의 2호 원동기(10-2)/종래의 2호 발전기(20-2)간의 기계적, 전기적 충격이 최소화 되도록 동기 장치를 이용하여 전력을 공급하고 있는 모선의 주파수와 전압을 기준으로 종래의 2호 발전기(20-2)의 주파수와 전압을 조정하는 동기화 과정을 수행하여 종래의 1호 발전기(20-1)와 종래의 2호 발전기(20-2)의 주파수(위상) 및 전압 차이가 일정 범위 이내일 때 2호 발전기용 차단기(300-2)를 투입하여 동기화를 종료한다. 그리고 종래의 1호 발전기(20-1)와 종래의 2호 발전기(20-2)간의 균등 부하 분담 병렬 운전을 부하 분담 장치(load sharing device)를 통해 수행한 후 전동기 최대 기동 전류를 제한하기 위한 2호 감전압 기동 장치(350-2)를 통해 2호 전동기(400-2)에 전력을 공급하게 되는데, 이와 같은 복잡한 절차를 거쳐 전체 부하에 전력을 공급하기까지 수분에서 수십 분이 소요된다.
종래의 내연기관 발전 세트의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 탭 전압 변경 방식의 감전압 기동 장치(350-1, 350-2)는 현장 설치 후 전동기의 최대 기동 전류를 제한하기 위해 탭 전압을 조정하여 전동기에 필요한 기동 토크를 공급한다. 탭 전압은 통상적으로 공칭 전압의 50%, 65%, 80%로 고정되어 있고 일반적으로 중간 탭 전압을 사용하며 전동기 구동 펌프의 기동 시험 후 필요 시 탭 전압을 변경 하는데, 기동 전압의 조정이 탭 전압 이외에는 불가능하므로 부하 특성에 맞는 감전압 기동을 정확이 구현할 수 없고 자가 발전 설비의 용량이 부족한 경우 내연기관 발전 세트를 교체하거나 전동기 구동 펌프를 변경하여야 하며 개별 전동기마다 감전압 기동 장치(350-1, 350-2)가 있어야 하므로 장치 설치 공간이 시설물 내에 확보되어야 한다.
감전압 기동 장치(350-1, 350-2)에 고장이 발생한 상황에서도 전동기(400-1, 400-2)에 전력을 공급해야 하는 위급한 재난 상황에서 전전압 기동을 하면 종래의 원동기(10-1, 10-2)에는 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준값 이상의 전력 급상승이 발생되는데, 부하 증가 시 최소 하향 과도 전압이 최소화 되고 부하 증가 후 전압 회복 시간 또한 최소화 되도록 제어를 하는 종래의 AVR(21-1, 21-2) 특성에 의해 초기(또는 정격) 주파수와 과도 주파수 편차(transient frequency deviation)가 커지고 전력 급상승 후 주파수 회복 시간(frequency recovery time after load increase) 또한 증가되어 내연기관 발전 세트에 요구되는 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값을 만족하지 못한다.
모든 내연기관은 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값을 가지는데 내연기관 발전 세트의 원동기가 왕복형 4행정 엔진인 경우를 일례로 도 3에 도시한 바와 같이, 부하 전력 급상승이 정격 출력에서 제동 평균 유효 압력
의 함수로 나타낸 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값 이내여야 내연기관 발전 세트에 요구되는 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값을 만족할 수 있으며 높은 제동 평균 유효 압력을 가진 엔진은 보통 다단계의 부하를 필요로 하는 부하 수용 특성이 있다.
일반적으로 많이 사용되는 자가 발전 설비용 내연기관 발전 세트의 경우 두 단계 내지 세 단계의 부하를 필요로 하며 두 단계의 부하 수용을 필요로 하는 원동기로 100kW 저항성 부하 두 개에 차례로 전력을 공급하는 경우 원동기의 부하 수용률은 50%이므로 1단계에서 필요한 원동기의 용량은 부하 수용률 50%를 감안한 100kW의 200%에 해당하는 200kW, 2단계에서 필요한 원동기의 용량은 부하 수용률 50%를 감안한 100kW의 200%에 해당하는 200kW와 1단계에서의 저항성 부하 100kW를 합해주어야 한다. 즉 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값을 고려하여 300kW의 원동기를 사용하여야만 적합한 원동기가 선정이 된 것이며 전체 부하용량 200kW의 150%에 해당된다. 그리고 100kW 전동기 부하 두 개에 전전압으로 차례로 전력을 공급하는 경우 1단계에서 필요한 원동기의 용량은 전동기 정격 출력의 220% ~ 250%에 해당되는 전동기 기동 시 필요한 기동 토크 220kW ~ 250kW에 부하 수용률 50%를 감안한 220kW ~ 250kW의 200%에 해당되는 440kW ~ 500kW, 2단계에서 필요한 원동기의 용량은 전동기 정격 출력의 220% ~ 250%에 해당되는 전동기 기동 시 필요한 기동 토크 220kW ~ 250kW에 부하 수용률 50%를 감안한 220kW ~ 250kW의 200%에 해당되는 440kW ~ 500kW와 1단계에서의 전동기 부하 100kW를 합해주어야 한다. 즉 최대 가능 급변 출력 증가에 대한 기준 값을 고려하여 540kW ~ 600kW의 원동기를 사용하여야만 적합한 원동기가 선정이 된 것이며 전체 부하용량 200kW의 270% ~ 300%에 해당된다.
이제 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비는 용도의 목적에 가장 적합하게 선정이 된 원동기(100-1, 100-2), 발전기(200-1, 200-2), 원동기의 회전 속도를 제어하는 조속기(110-1, 110-2), 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR(210-1, 210-2) 및 이들의 동작을 통합 제어하는 제어부(500-1, 500-2)로 구성된다.
본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 4에 도시한 바와 같이, 내연기관 발전 세트의 단독 구성 시 정전이 발생되어 1호 원동기(100-1)를 시동하면 연소용 공기 온도 측정 센서(120-1)로 연소용 공기 온도를 측정하며 연소용 공기 온도에 따라 달라지는 1호 원동기(100-1)의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 기준 제어부(500-1)에서는 사상(mapping)으로 결정하여 1호 조속기(110-1)를 제어한 후 속도 감지 센서(130-1)를 통해 운전 상태를 확인하고, 기준 제어부(500-1)에 준비된 시험/비상 운전 스위치 신호에 따라 시험 운전 시에는 내연기관 발전 세트의 1호 원동기(100-1)에서 발생되는 배기가스가 최소화되도록 기준 제어부(500-1)에서는 1호 원동기(100-1)의 회전 속도 증가율을 결정하고 비상 운전 시에는 최단시간 내에 전력 공급이 가능하도록 1호 원동기(100-1)의 회전 속도 증가율을 결정하여 1호 조속기(110-1)를 제어한다.
PLC를 기반으로 구성된 기준 제어부(500-1)에서는 전압 변성기(PT)와 전류 변성기(CT)의 신호를 입력 받아 주파수 뿐만 아니라 전압, 전류, 위상각, 피상전력, 유효전력, 무효전력, 역률, 피상전력량, 유효전력량, 무효전력량 등의 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능을 직접 수행할 수 있는 기능이 있고, 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD)가 별도로 설치되는 경우에도 배선 및/또는 통신으로 주파수, 전압, 위상각, 유효전력, 무효전력 등에 대한 정보를 전달받아 기준 제어부(500-1)에서 통합 제어할 수 있다.
기준 제어부(500-1)는 1호 원동기(100-1)의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 속도 감지 센서(130-1)로 확인하고 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능을 수행하여 고정자(전기자)에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되는지 확인하며 내연기관 발전 세트의 장기간 보관 등으로 인해 1호 발전기(200-1) 회전자(계자)의 잔류 자기(remanence)가 상실되어 고정자(전기자)에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되지 않으면 1호 발전기(200-1)의 여자기에 초기 여자(field flashing)를 실시하여 1호 발전기(200-1) 단자 전압을 형성한다.
원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도에서 1호 발전기(200-1)에 단자 전압이 형성되면 부하측 차단기 개폐 시점을 제어하는 부하 전력 제어(510) 기능을 가진 기준 제어부(500-1)에서는 1호 발전기용 차단기(300-1)를 먼저 투입하고 주 차단기(310), 부하용 차단기(320-1, 320-2) 순으로 투입하거나 이들 차단기를 동시에 투입한 후 AVR의 동작 개시 시점 제어를 통해 1호 AVR(210-1)이 동작하도록 제어한다. 부하에 전력을 공급함에 있어 일반적으로는 상기와 같이 부하와 멀리 있는 차단기 순으로 차단기를 동작시켜 전력을 공급한다.
이때, 부하 전력 제어(510) 기능이란 부하측 차단기 개폐 시점을 제어하는 것으로, 이 기능을 이용하여 부하측 차단기를 언제 투입할지, 언제 개방할지 그리고 우선 순위가 낮은 부하 제거 등에 관한 설정을 하게 된다.
또한, 상기 발전기용 차단기, 주 차단기, 부하용 차단기에 대해 간단히 설명하면, 우선 발전기용 차단기는 발전 세트를 위한 차단기로서, 발전기마다 하나씩 설치하며 전력 전송 개폐의 역할을 한다.
주 차단기는 부하가 여러 개일 경우 부하에 전력을 동시에 공급 또는 제거하기 위해 설치하는 차단기로, 발전 세트가 1대이고 부하가 한 개인 경우에는 설치하지 않는다.
마지막으로 부하용 차단기는 부하에 전력을 공급 또는 제거하기 위한 차단기로서, 부하마다 차단기를 설치하는 것이 일반적이다.
1호 AVR(210-1)의 동작 개시 시점 제어 후, 기준 제어부(500-1)에서는 시동 후 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간 및 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 1호 원동기(100-1)의 초당 회전 속도(rpm/second) 증가율을 연산하여 1호 조속기(110-1)를 제어하고 1호 발전기(200-1)의 주파수당 전압(voltage/frequency) 증가율을 연산하여 1호 AVR(210-1)을 제어한다.
이러한 제어를 통해 1호 원동기(100-1)가 정격 회전 속도에 도달하는 시점에 1호 발전기(200-1)에 공칭 전압이 형성되고 전동기(400-1, 400-2)의 정격 부하 운전이 완료되어 종래의 내연기관 발전 세트의 전력 공급 및 제어관련 부분에서 언급한 별도의 감전압 기동 장치가 필요 없을 뿐만 아니라 더욱더 신속히 전력을 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 5에 도시한 바와 같이, 내연기관 발전 세트의 두 대 구성 시 제어 알고리즘(algorithm)이 동일한 제어부(500-1, 500-2)는 부하 전력 제어(510) 기능 을 하는 기준 제어부(500-1)와 추종 제어부(500-2)로 나뉘어지며 제어부(500-1, 500-2)간의 우선순위 설정은 운영자에 의해 수동으로 정하거나 운영시간에 따라 자동으로 정해지도록 할 수 있으며 우선순위가 높은 것이 기준 제어부(500-1)가 되고 우선순위가 낮은 것이 추종 제어부(500-2)가 되며, 만일 기준 제어부의 내연기관 발전 세트가 시동이 되지 않는 상황이 발생될 경우 그 다음으로 우선순위가 높은 것이 기준 제어부(500-1)가 된다.
정전이 발생되어 원동기(100-1, 100-2)를 시동하면 연소용 공기 온도 측정 센서(120-1, 120-2)로 연소용 공기 온도를 측정하며 연소용 공기 온도에 따라 달라지는 원동기(100-1, 100-2)의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 제어부(500-1, 500-2)에서는 사상(mapping)으로 결정하여 조속기(110-1, 110-2)를 제어한 후 속도 감지 센서(130-1, 130-2)를 통해 운전 상태를 확인하고, 제어부(500-1, 500-2)에 준비된 시험/비상 운전 스위치 신호에 따라 시험 운전 시에는 내연기관 발전 세트의 원동기(100-1, 100-2)에서 발생되는 배기가스가 최소화되도록 제어부(500-1, 500-2)에서는 원동기(100-1, 100-2)의 회전 속도 증가율을 결정하고 비상 운전 시에는 최단시간 내에 전력 공급이 가능하도록 원동기(100-1, 100-2)의 회전 속도 증가율을 결정하여 조속기(110-1, 110-2)를 제어한다.
PLC를 기반으로 구성된 제어부(500-1, 500-2)에서는 전압 변성기(PT)와 전류 변성기(CT)의 신호를 입력 받아 주파수 뿐만 아니라 전압, 전류, 위상각, 피상전력, 유효전력, 무효전력, 역률, 피상전력량, 유효전력량, 무효전력량 등의 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능을 직접 수행할 수 있는 기능이 있고, 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD)가 별도로 설치되는 경우에도 배선 및/또는 통신으로 주파수, 전압, 위상각, 유효전력, 무효전력 등에 대한 정보를 전달받아 제어부(500-1, 500-2)에서 통합 제어할 수 있다.
제어부(500-1, 500-2)는 원동기(100-1, 100-2)의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 속도 감지 센서(130-1, 130-2)로 확인하고 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능을 수행하여 고정자(전기자)에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되는지 확인하며 내연기관 발전 세트의 장기간 보관 등으로 인해 발전기(200-1, 200-2) 회전자(계자)의 잔류 자기(remanence)가 상실되어 고정자(전기자)에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되지 않으면 발전기(200-1, 200-2)의 여자기에 초기 여자(field flashing)를 실시하여 발전기(200-1, 200-2) 단자 전압을 형성한다.
원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도에서 발전기(200-1, 200-2)에 단자 전압이 형성되면 부하 전력 제어(510) 기능을 가진 기준 제어부(500-1)에서는 발전기용 차단기(300-1, 300-2)를 먼저 투입하여 별도의 동기화 없이 병렬 운전이 가능한 조건을 만들고 주 차단기(310), 부하용 차단기(320-1, 320-2) 순으로 투입한 후 각각의 제어부(500-1, 500-2)에 AVR의 동작 개시 시점 제어를 통해 AVR(210-1, 210-2)이 동작하도록 제어한다.
AVR(210-1, 210-2)의 동작 개시 시점 제어 후, 제어부(500-1, 500-2)에서는 시동 후 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간 및 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 원동기(100-1, 100-2)의 초당 회전 속도(rpm/second) 증가율을 연산하여 조속기(110-1, 110-2)를 제어하고 발전기(200-1, 200-2)의 주파수당 전압(voltage/frequency) 증가율을 연산하여 AVR(210-1, 210-2)을 제어하며 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 획득된 전압, 주파수, 유효전력, 무효전력 정보를 상호 교환하며 부하 분담 운전을 실시한다.
이러한 제어를 통해 원동기(100-1, 100-2)가 정격 회전 속도에 도달하는 시점에 발전기(200-1, 200-2)에 공칭 전압이 형성되고 전동기(400-1, 400-2)의 정격 부하 운전이 완료되어 종래의 내연기관 발전 세트의 전력 공급 및 제어관련 부분에서 언급한 별도의 감전압 기동 장치, 동기 장치, 부하 분담 장치가 필요 없을 뿐만 아니라 더욱더 신속히 전력을 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 전력 공급 및 제어 관련하여 도 4 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 원동기(100-1, 100-2), 발전기(200-1, 200-2), 전동기(400-1, 400-2), 펌프, 전기 설비 제조사 등이 제시하는 정상운전 및 과부하 운전 범위(회전 속도, 토크(파워), 전압, 허용시간 등)에 대한 사상(mapping) 처리가 된 제어부(500-1, 500-2)에 과부하 운전이 필요한 경우 운영자가 과부하 운전 스위치를 사용하여 신호를 주면 제어부(500-1, 500-2)는 이 범위 내에서 운영을 하므로 안정적인 과부하 운전이 가능하여 예상치 못한 위급한 재난 상황에도 완벽히 대응할 수 있다.
내연기관 발전 세트에 과부하가 발생한 것을 발전 설비용 보호계전기가 검출하면 내연기관 발전 세트의 정지 및/또는 발전기용 차단기(300-1, 300-2) 개방이 실시되어 부하 운용이 일시에 중지되므로 이를 방지하기 위해 정상운전 및 과부하 운전 범위에 대한 사상(mapping) 처리가 된 제어부(500-1, 500-2)에서는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능으로 내연기관 발전 세트에 과부하가 발생하는 것을 사전에 검출하여 발전 설비용 보호계전기가 동작하기 전에 부하 전력 제어(510) 기능이 있는 기준 제어부(500-1)에 가동 우선순위가 낮은 부하를 제거하도록 하여 부하 운용이 일시에 중지되는 위험한 상황이 발생하지 않도록 한다.
종래의 물리적 이격 거리에 따른 장비 운영의 한계성을 극복하기 위해 본 발명은 제어부(500-1, 500-2)에 설치된 무선통신용 안테나(550)로 재난 대응용 발전 설비가 운영중인 지역에서 사용 가능한 이동통신을 통해 운영자의 무선단말기(560)로 재난 대응용 발전 설비의 운영상태를 전달하고 원격 제어 권한이 부여된 운영자의 원격제어가 가능토록 하여 장비들의 운영성을 극대화할 수 있도록 하였다.
본 발명에 따른 재난 대응용 발전 설비의 경우 저항성 부하용 원동기의 용량 선정 시 반드시 고려되어야 하는 부하 전력 급상승에 따른 원동기의 부하 수용 특성, 전동기 기동용 원동기의 용량 선정 시 반드시 고려되어야 하는 전동기 기동 토크와 부하 전력 급상승에 따른 원동기의 부하 수용 특성을 고려할 필요 없이 부하의 정격 출력만을 고려하면 되므로 종래의 내연기관 발전 세트 대비 소형(소용량)의 원동기로도 자가 발전 설비의 운영 능력을 극대화할 수 있다.
전동기 기동 토크와 부하 전력 급상승에 따른 원동기의 부하 수용 특성을 고려할 필요가 있는 경우 전압 선행 제어를 통해 원동기의 최대 허용 가능 전력 증가 이상에 해당되는 부하 수용이 재난 대응용 발전 설비 운영 중 발생하더라도 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값을 만족하도록 성능을 개선할 수 있는데 전력 급상승량을 감지하여 AVR의 전압 조정 범위를 최적화(예, 25%에 해당되는 전압 감쇄 기능 이용 시 과도 전력 증가율을 56%로 감소시키는 효과)함으로써 별도의 감전압 기동 장치 없이도 부하인 전동기에 전력을 다음과 같이 안정적으로 공급할 수 있으나 내연기관 발전 세트 기동 완료 시 부하에 전력 공급이 완료되는 방식 대비 원동기 부하 수용 특성을 적절히 고려하여 원동기를 선정하여야 한다.
발전기(200-1, 200-2)가 무부하(no load) 운전중인 상황에서 부하량이 가변적인 1호 전동기(400-1)에 전력을 공급해야 되는 경우에 기준 제어부(500-1)는 1호 발전기용 차단기(300-1)를 먼저 투입하고 추종 제어부(500-2)에서는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능을 이용하여 모선의 주파수(위상)와 전압 기준으로 2호 원동기(100-2)의 2호 조속기(110-2)로 주파수를 조정하고, 2호 발전기(200-2)의 2호 AVR(210-2)로 전압을 조정하여 2호 발전기(200-2)의 주파수(위상) 및 전압이 추종 제어부(500-2)에 설정된 동기화 인정 범위 이내이면 2호 발전기용 차단기(300-2)를 투입시켜 동기화 과정을 종료한다. 기준 제어부(500-1)에서는 부하 전력 제어(510) 기능을 이용하여 주 차단기(310), 1호 부하용 차단기(320-1)를 투입하는데 이때 제어부(500-1, 500-2)에서는 1호 전동기(400-1) 기동시의 전력 급상승량
을 속도 감지 센서(130-1, 130-2)의 시간당 엔진 회전 속도 변화량
또는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 시간당 주파수 변화량
또는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 시간당 유효전력 변화량
으로 검출한 후 연산된 결과에 따라 AVR(210-1, 210-2)의 설정 전압을 성능 등급 작동 한계 값 범위 이내에서 선행 제어하여 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값에서 허용하는 주파수 회복 시간 이내에 주파수가 회복될 수 있도록 주파수당 전압 증가율도 조정한 후 1호 전동기(400-1) 기동이 완료되면 제어부(500-1, 500-2)는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 획득된 전압, 주파수, 유효전력, 무효전력 정보를 상호 교환하며 부하 분담 운전을 실시한다. 그리고 부하량이 고정적인 2호 전동기(400-2)에 전력을 공급해야 되는 경우에 2호 부하용 차단기(320-2) 투입 시 제어부(500-1, 500-2)에서는 2호 전동기(400-2) 기동시의 전력 급상승량
을 속도 감지 센서(130-1, 130-2)의 시간당 엔진 회전 속도 변화량
또는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 시간당 주파수 변화량
또는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 시간당 유효전력 변화량
으로 검출하지 않고 2호 부하용 차단기(320-2) 투입과 동시에 AVR(210-1, 210-2)의 설정 전압을 제어부(500-1, 500-2)에 미리 사상(mapping) 처리된 전압 값으로 선행 제어하여 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값에서 허용하는 주파수 회복 시간 이내에 주파수가 회복될 수 있도록 주파수당 전압 증가율도 조정한 후 2호 전동기(400-2) 기동이 완료되면 제어부(500-1, 500-2)에서는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 획득된 전압, 주파수, 유효전력, 무효전력 정보를 상호 교환하며 부하 분담 운전을 실시한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.
10-1: 종래의 1호 원동기
10-2: 종래의 2호 원동기
11-1: 종래의 1호 조속기
11-2: 종래의 2호 조속기
20-1: 종래의 1호 발전기
20-2: 종래의 2호 발전기
21-1: 종래의 1호 AVR(자동 전압 조정기)
21-2: 종래의 2호 AVR(자동 전압 조정기)
100-1: 1호 원동기
100-2: 2호 원동기
110-1: 1호 조속기
110-2: 2호 조속기
120-1: 1호 연소용 공기 온도 측정 센서
120-2: 2호 연소용 공기 온도 측정 센서
130-1: 1호 속도 감지 센서
130-2: 2호 속도 감지 센서
200-1: 1호 발전기
200-2: 2호 발전기
210-1: 1호 AVR(자동 전압 조정기)
210-2: 2호 AVR(자동 전압 조정기)
300-1: 1호 발전기용 차단기
300-2: 2호 발전기용 차단기
310: 주 차단기
320-1: 1호 부하용 차단기
320-2: 2호 부하용 차단기
350-1: 1호 감전압 기동 장치(부하용 차단기 포함)
350-2: 2호 감전압 기동 장치(부하용 차단기 포함)
400-1: 1호 전동기
400-2: 2호 전동기
500-1: 기준 제어부
500-2: 추종 제어부
510: 부하 전력 제어(기준 제어부에 포함)
550: 무선통신용 안테나
560: 무선단말기
10-2: 종래의 2호 원동기
11-1: 종래의 1호 조속기
11-2: 종래의 2호 조속기
20-1: 종래의 1호 발전기
20-2: 종래의 2호 발전기
21-1: 종래의 1호 AVR(자동 전압 조정기)
21-2: 종래의 2호 AVR(자동 전압 조정기)
100-1: 1호 원동기
100-2: 2호 원동기
110-1: 1호 조속기
110-2: 2호 조속기
120-1: 1호 연소용 공기 온도 측정 센서
120-2: 2호 연소용 공기 온도 측정 센서
130-1: 1호 속도 감지 센서
130-2: 2호 속도 감지 센서
200-1: 1호 발전기
200-2: 2호 발전기
210-1: 1호 AVR(자동 전압 조정기)
210-2: 2호 AVR(자동 전압 조정기)
300-1: 1호 발전기용 차단기
300-2: 2호 발전기용 차단기
310: 주 차단기
320-1: 1호 부하용 차단기
320-2: 2호 부하용 차단기
350-1: 1호 감전압 기동 장치(부하용 차단기 포함)
350-2: 2호 감전압 기동 장치(부하용 차단기 포함)
400-1: 1호 전동기
400-2: 2호 전동기
500-1: 기준 제어부
500-2: 추종 제어부
510: 부하 전력 제어(기준 제어부에 포함)
550: 무선통신용 안테나
560: 무선단말기
Claims (15)
- 비상전원 공급을 위한 전력 공급 장치로 내연기관 발전 세트를 사용하는 재난 대응용 발전 설비에 있어서,
전기 설비에서 허용하는 최대 주파수로 운용이 가능한 원동기; 상기 원동기의 회전 속도를 제어하는 조속기; 전기 설비에서 허용하는 최고전압으로 운용이 가능한 발전기; 상기 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR(automatic voltage regulator); 및 배선 또는 통신을 통해 상기 원동기, 조속기, 발전기, AVR을 동시에 통합 제어하는 기준 제어부;로 구성된 제1내연기관 발전 세트를 포함하되,
상기 제1내연기관 발전 세트는 상기 원동기의 연소용 공기 온도를 측정하는 연소용 공기 온도 측정 센서와 상기 원동기의 운전 상태를 확인하는 속도 감지 센서를 포함하며,
상기 기준 제어부는 상기 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 사상(mapping)으로 결정하여 상기 조속기를 제어하는 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제1항에 있어서,
전기 설비에서 허용하는 최대 주파수로 운용이 가능한 원동기;
상기 원동기의 회전 속도를 제어하는 조속기;
전기 설비에서 허용하는 최고전압으로 운용이 가능한 발전기;
상기 발전기의 단자 전압을 제어하는 AVR; 및
배선 또는 통신을 통해 상기 원동기, 조속기, 발전기, AVR을 동시에 통합 제어하며 상기 기준 제어부보다 우선순위가 낮은 추종 제어부;로 구성된 제2내연기관 발전 세트를 더 포함하며,
상기 기준 제어부와 상기 추종 제어부간의 유기적인 역할 분담이 가능하도록 배선 또는 통신을 통해 상호 연결되는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 제2내연기관 발전 세트는 상기 원동기의 연소용 공기 온도를 측정하는 연소용 공기 온도 측정 센서와 상기 원동기의 운전 상태를 확인하는 속도 감지 센서를 포함하며,
상기 추종 제어부는 상기 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도를 사상(mapping)으로 결정하여 상기 조속기를 제어하는 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 시험 운전 시에는 상기 원동기에서 발생되는 배기가스가 최소화되도록 원동기의 회전 속도 증가율을 결정하고, 비상 운전 시에는 최단시간 내에 전력 공급이 가능하도록 원동기의 회전 속도 증가율을 결정하여 조속기를 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 PLC(programmable logic controller)를 기반으로 구성되며, 전압 변성기(PT)와 전류 변성기(CT)의 신호를 직접 입력 받아 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD, performance measuring and monitoring device)기능을 직접 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD)가 별도로 설치되는 경우, 배선 또는 통신으로 상기 성능 측정 및 감시용 장치(PMD)와 연결되어 통합 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도에서 발전기 회전자의 잔류 자기(remanence)가 상실되어 고정자에 잔류 전압(residual voltage)이 형성되지 않으면 발전기의 여자기에 초기 여자(field flashing)를 실시하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 원동기의 안정적인 연소가 가능한 최소 회전 속도 이상에서 차단기의 투입 시점을 제어하는 부하 전력 제어 기능 및 AVR의 동작 개시 시점을 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 AVR의 동작 개시 시점 제어 후, 시동 후 정격 회전 속도까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 원동기의 초당 회전 속도(rpm/second) 증가율을 연산하여 조속기를 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 AVR의 동작 개시 시점 제어 후, 시동 후 공칭 전압까지의 도달 요구 시간을 만족시키기 위해 발전기의 주파수당 전압(voltage/frequency) 증가율을 연산하여 AVR을 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 전력에 대한 성능 측정 및 감시용 장치(PMD) 기능에서 획득된 정보로 별도의 동기 장치(synchronizing device) 없이 동기화 운전이 가능하도록 제어하고 별도의 부하 분담 장치(load sharing device) 없이도 병렬 운전이 가능하도록 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 상기 원동기, 발전기, 상기 발전기의 전력을 공급받는 전동기의 제조사에서 제시하는 정상운전 및 과부하 운전범위에 대해 사상(mapping) 처리되어 상기 제1 또는 2 내연기관 발전 세트의 안정적인 과부하 운전이 가능하도록 제어하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제12항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 상기 제1 또는 2내연기관 발전 세트의 안정적인 과부하 운전시 내연기관 발전 세트용 보호계전기가 내연기관 발전 세트에 발생한 과부하를 검출하여 부하 운용이 일시에 중지되도록 동작하기 전에, 가동 우선 순위가 상대적으로 낮은 부하를 제거하는 부하 전력 제어 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부에는 무선통신용 안테나가 구비되어 재난 대응용 발전 설비를 원격에서도 사용자의 무선단말기로 감시 및 제어가 가능하도록 하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비. - 제2항에 있어서,
상기 기준 제어부 또는 추종 제어부는 과도(transient) 부하에 대한 전력 급상승량을 시간당 엔진 회전 속도 변화량
또는 시간당 주파수 변화량
또는 시간당 유효전력 변화량
으로 검출하여, 주파수 과도 특성에 대한 성능 등급 작동 한계 값에서 허용하는 주파수 회복 시간 이내에 주파수가 회복될 수 있도록 AVR의 전압 설정 값을 성능 등급 작동 한계 값 범위 이내에서 설정 전압을 선행적으로 조정하고 주파수당 전압 증가율 또한 조정하는 기능이 더 구비된 것을 특징으로 하는 재난 대응용 발전 설비.
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| KR1020180068649A KR102118469B1 (ko) | 2018-06-15 | 2018-06-15 | 재난 대응용 발전 설비 |
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