KR102260551B1 - 엔진 수명 최적화를 위한 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템 및 병렬 운전 방법 - Google Patents

Abstract

디젤 발전기의 병렬 운전 시스템에 있어서, 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진에 연결되어 엔진의 출력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 디젤 발전기가 복수개 병렬로 연결되는 디젤 발전기들; 상기 디젤 발전기들의 발전 전압을 제어하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 자동전압조절기들; 상기 디젤 발전기들의 출력 신호를 센싱하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 센서부들; 및 상기 출력 신호를 기초로, 상기 디젤 발전기의 부하율에 따른 가동 시간인 부하 가동지수를 산출하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되며, 부하가 걸리는 경우, 상기 디젤 발전기들별로 각각 산출된 상기 부하 가동지수를 기초로 상기 디젤 발전기들의 운전을 제어하는 발전기 병렬 제어기를 포함하되, 상기 부하 가동지수는 상기 디젤 엔진의 부하율 및 디젤 엔진의 가동 시간을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템이 제공된다. 본 발명에 따르면, 디젤 발전기의 운전 시, 엔진 각각의 부하율에 따른 가동 시간을 기초로, 디젤 발전기의 운전을 제어함으로써, 각각의 엔진에 걸리는 부하가 유사하게 유지되므로, 디젤 엔진의 교체 수명을 늘이고, 병렬 디젤 발전기들의 전체 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

엔진 수명 최적화를 위한 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템 및 병렬 운전 방법{PARALLEL ENGINE GENERATOR SYSTEM AND METHOD FOR OPTOMIZATION OF ENGINE LIFE CYCLE}

본 발명의 실시예들은 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템 및 병렬 운정 방법에 관한 것으로서, 엔진 수명 최적화를 위해 엔진의 부하율을 고려하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템 및 병렬 운전 방법에 관한 것이다.

디젤 발전기의 병렬운전은 다수의 디젤 엔진을 이용하여 필요한 전력을 생산하는 운전방법이다. 다수의 발전기가 단독 또는 동시에 운영되면서 상대적으로 많이 가동되는 디젤 엔진이 발생하고, 해당 디젤 엔진의 교체 주기가 빠르게 도래하게 된다. 디젤 엔진의 소모율을 전체 시스템에 균등하게 분배를 하게 되면, 시스템 전체의 디젤 엔진 교체 수명이 늘어나게 될 수 있다. 이를 위해 종래에는 디젤 엔진의 가동시간에 따라 디젤 엔진의 가동을 결정하는 방법이 이용되었다. 하지만 같은 가동 시간이라도 디젤 엔진에 걸리는 부하에 따라 디젤 엔진의 소모율이 달라지는 상황이 발생할 수 있으며, 엔진의 출력 스펙에 따라서도 동일한 가동시간이라도 엔진의 수명이 달라지는 문제가 있었다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하, 본 발명에서는 엔진의 부하율에 따른 가중치를 두어 부하율에 따른 엔진 가동 시간을 산출하고, 부하율에 엔진 가동시간인 부하 가동지수를 기초로 디젤 발전기의 운전을 제어하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템 및 병렬 운정 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진에 연결되어 엔진의 출력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 디젤 발전기가 복수개 병렬로 연결되는 디젤 발전기들; 상기 디젤 발전기들의 발전 전압을 제어하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 자동전압조절기들; 상기 디젤 발전기들의 출력 신호를 센싱하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 센서부들; 상기 출력 신호를 기초로, 상기 디젤 발전기의 부하율에 따른 가동 시간인 부하 가동지수를 산출하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되며, 부하가 걸리는 경우, 상기 디젤 발전기들별로 각각 산출된 상기 부하 가동지수를 기초로 상기 디젤 발전기들의 운전을 제어하는 발전기 병렬 제어기를 포함하되, 상기 부하 가동지수는 상기 디젤 엔진의 부하율 및 디젤 엔진의 가동 시간을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템이 제공된다.

상기 발전기 제어부는 발전 시작시 상기 부하 가동지수가 가작 작은 디젤 발전기를 가동하며, 상기 부하가 증가하여 디젤 발전기의 투입이 더 필요한 경우, 비 가동 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 작은 발전기를 추가로 가동하며, 상기 부하가 감소되는 경우, 가동 중인 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 큰 디젤 발전기의 가동을 중지할 수 있다.

상기 부하 가동지수는 상기 디젤 발전기의 순간 가동시간의 누적 값에 의해 산출되며, 상기 순간 가동시간은 아래의 수식을 기초로 산출될 수 있다.

여기서, TL은 순간 가동시간, T는 샘플링 시간, L은 디젤 엔진의 부하율, p는 디젤 엔진의 폭발비율.

상기 디젤 엔진의 부하율은 상기 디젤 엔진의 출력 전력 및 상기 디젤 엔진의 최대 출력을 기초로 산출될 수 있다.

상기 디젤 엔진의 폭발비율은 상기 디젤 엔진의 폭발압력 및 표준디젤폭발압력의 비로 산출되며, 상기 디젤 엔진들의 스펙이 모두 동일한 경우 1로 설정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개가 병렬로 연결되며, 디젤엔진과 디젤 엔진에 연결되어 디젤 엔진의 출력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 디젤 발전기들 각각의 부하 가동지수를 산출 유지하는 단계; 발전 시작 시 상기 부하 가동지수가 가장 작은 디젤 발전기를 가동하는 단계; 상기 부하가 증가하여 디젤 발전기의 투입이 더 필요한 경우, 비 가동 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 작은 발전기를 추가로 가동하는 단계; 상기 부하가 감소되는 경우, 가동 중인 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 큰 디젤 발전기의 가동을 중지하는 단계를 포함하되, 상기 부하 가동지수는 상기 디젤 엔진의 부하율 및 디젤 엔진의 가동 시간을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 방법이 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면, 디젤 발전기의 운전 시, 엔진 각각의 부하율에 따른 가동 시간을 기초로, 디젤 발전기의 운전을 제어함으로써, 각각의 엔진에 걸리는 부하가 유사하게 유지되므로, 디젤 엔진의 교체 수명을 늘이고, 병렬 디젤 발전기들의 전체 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템의 운전 방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템의 일 실시예는, 병렬로 연결되는 디젤 발전기(G)들, 디젤 발전기(G) 각각에 연결되는 자동 전압 조절기(100), 디젤 발전기(G)들의 출력 신호를 센싱하는 센서부(200)들, 디젤 발전기(G) 각각에 연결되는 조속기(300)들 및 발전기 병렬 제어기(400)를 포함할 수 있다.

디젤 발전기(G)는 디젤 엔진과 상기 디젤 엔진에 연결되어 엔진의 출력에 의해 전력을 생상하는 발전기를 포함한다. 발전기는 전력을 사용하는 부하(LOAD)에 맞추어 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환해주는 장치이다. 여기서, 디젤 엔진과, 발전기는 공지된 엔진과 발전기이다.

자동 전압 조절기(AVR, Automatic Voltage Regulator)(100)는 교류전압의 불규칙한 전압변동을 자동적으로 조정하여 일정한 전압을 부하에 공급할수 있도록 하는 장치이다.

센서부(200)는 디젤 발전기(G)의 출력 신호를 센싱하며, 일례로, 디젤 발전기의 출력 전류를 측정할 수 있다.

조속기(Governor)(300)는 회전하는 엔진의 출력속도를 검출하여 엔진에 공급하는 연료를 제어하여 최저와 최대치의 속도를 단속하여 제어하는 장치이다. 무부하로 회전하는 발전기는 전기자반작이 없기때문에 동기속도를 유지하는데 필요한 힘이 적어도 되므로 조속기(300)는 엔진에 공급하는 연료(에너지) 량을 적게 공급한다. 많은부하로 회전하고 있는 발전기는 전기자반작이 많이 발생하기 때문에 감속하려 하는 동기속도를 유지하는데 필요한 힘이 증가함에따라 조속기(300)는 엔진에 공급하는 연료(에너지)량을 많이 늘려서 공급하게 된다.

발전기 병렬 제어기(400)는 디젤 발전기(G)마다 설치되며, 디젤 발전기(G)별 부하에 따른 가동시간을 계산하고, 이를 통신으로 서로 공유한다.

발전기 병렬 제어기(400)는 아래와 같은 기능을 보유할 수 있다.

1) 발전 전압과 BUS 전압간의 위상 측정 - 동일 위상으로 발전 투입하는 시기를 결정하기 위한 기능

2) 발전 전압과 전류간의 위상 측정 - 발전 유효전력 및 무효 전력 계산을 위한 기능

3) 발전 전압 및 전류의 측정 - 발전 유효전력 및 무효 전력 계산을 위한 기능

4) 엔진 가동 시간의 계산 및 저장 - 순차적 엔진 투입을 위한 기능

5) 엔진 속도 제어 - 발전 유효 전력이 목표 발전 출력이 되도록 하기 위한 기능, 전력 출력이 높으면 엔진 속도를 낮추고 낮으면 엔진 속도를 높임

6) AVR(자동 전압 조절기)을 통한 발전 전압 제어 - 발전기 간의 횡 전류 방지를 위하여 무효 전력을 측정하여 발전 전압을 조절

7) 제어기 간의 통신 (데이터 공유 및 가동 순서 결정) - 각각의 발전기별 전력을 측정하여 발전기의 추가 투입 또는 가동 중지를 결정, 부하율에 따른 가동시간을 공유하여 가동/정지 순서 결정

발전기 병렬 제어기(400)는 센서부(200)에서 센싱된 출력 신호를 기초로, 디젤 발전기(G)의 부하율에 따른 가동시간인 부하 가동지수를 산출하며, 부하가 걸리는 경우, 상기 디젤 발전기(G)들 별로 각각 산출된 상기 부하 가동지수를 기초로 상기 디젤 발전기들의 운전을 제어한다.

이때, 부하율에 따른 가동시간인 부하 가동지수는 디젤 발전기의 순간 가동시간의 누적 값에 의해 산출되며, 상기 순간 가동시간은 아래의 수식을 기초로 산출될 수 있다.

여기서, TL은 순간 가동시간, T는 샘플링 시간, L은 디젤 엔진의 부하율, p는 디젤 엔진의 폭발비율.

이때, 발전기 병렬 제어기(400)는 순간 가동시간을 실시간으로 누적하여 부하 가동지수를 산출하거나, 또는 샘플링타임으로 산출된 순간 가동시간을 적산하여 부하 가동지수를 산출할 수 있다.

부하율에 따른 가동 시간의 가중치는 지수함수에 비례하여 산출될 수 있다. 디젤 엔진의 폭팔비율 p는 일반적으로 1로 설정되나, 사용자의 필요에 따라 p = (엔진폭발압력)/표준디젤 엔진폭발압력)으로 설정될 수 있다. 여기서, 엔진폭발압력은 엔진의 모델에 따라 미리 결정되는 폭발압력 값이며, 엔진 폭발 압력이 클 수록 엔진에 걸리는 부하가 클 것이다. 따라서, 병렬 운전 시스템에 연결된 디젤 엔진들의 모델들이 서로 동일한 경우에는 p는 1로 설정할 수 있으나, 서로 다른 스펙의 디젤 엔진이 연결되는 경우 각 디젤 엔진의 서로 다른 폭발 압력을 함께 고려하여 디젤 발전기(G)의 부하 가동지수를 산출 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 디젤 엔진의 부하율 L은 상기 디젤 엔진의 출력 전력 및 상기 디젤 엔진의 최대 출력을 기초로 산출될 수 있다. 여기서 엔진최대출력은 디젤 엔진의 스펙에 따라 미리 결정되는 값이다.

일반적으로, 발전기는 3상 4선식을 많이 사용하고, 제어기에서 N상과 각 3상간의 전압은 전자회로의 OP-AMP를 사용한 직접 측정방식으로 구할 수 있다. 발전기의 실시간 출력 전류는 센싱부(200)의 CT(current Transformer)를 사용하여 측정할 수 있다. 발전기 병렬 제어기(400)에서는 측정된 각상의 발전기의 전압 및 전류를 이용하여 현제 출력중인 디젤 엔진의 실시간 출력 전력(P)를 계산할 수 있으며, 엔진출력전력 P는 아래의 수식을 기초로 산출될 수 있다.

여기서, Vr, Vs, Vt는 각 3상간의 출력전압, Ir, Is, It는 각 3상간의 출력전류를 의미함

즉, 일례로, 300마력의 디젤 엔진의 엔진최대출력 kW는 300 *0.7457 = 223.7kw가 되며, 현재 디젤 엔진의 출력전력이 180kW이면 부하율 L은 180/223.7 = 80.5(%)가 될 수 있다.

이때 전압/전류 측정 샘플링 타임을 2주기로 계산하면, 60kz에서 33.3msec가 되고, 80.5%의 부하율이 33.3 msec 누적된다. 즉 실제 누적값은 0.805*0.03333이 될 것이다.

즉, 발전기 병렬 제어기(400)는 각 디젤 발전기(G)의 부하율에 따른 가동시간을 이용하여 부하 가동지수를 산출하고, 이를 통해 디젤 발전기의 운전을 제어함으로써, 같은 가동시간이라도 엔진에 걸리는 부하에 따라 엔진의 소모율이 달라지는 문제점을 해소할 수 있도록 한다.

도 2는 디젤 발전기의 부하 가동지수를 이용하여 디젤 발전기의 병렬 운전시스템은 운전하는 방법의 일례를 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템은 병렬로 연결된 디젤 발전기(G)각각의 부하 가동지수를 산출 유지한다(S100). 즉 발전기 병렬 제어기(400)는 디젤 발전기(G) 각각의 부하율에 따른 가동시간인 부하 가동지수를 디젤 발전기(G)의 동작 시 최신 값으로 유지 저장한다.

이어서, 발전이 시작(S200)되는 경우 발전기 병렬 제어기(400)는 부하 가동지수가 가장 작은 디젤 발전기를 우선 가동한다(S300).

만약, 부하가 증가하여 디젤 발전기의 투입이 더 필요한 경우(S400) 비 가동 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가작 작은 발전기를 추가로 가동한다(S500).

만약 부하가 감소하는 경우(S600), 가동 중인 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 큰 디젤 발전기의 가동을 중지한다(S700).

이와 같이, 본 발명은 디젤 발전기(G)별 부하에 따른 가동지수인 부하 가동지수를 산출하며, 디젤 발전기(G)의 운전 시, 부하 가동지수가 적은 디젤 발전기(G)를 우선 가동시키고, 부하 감소 시 부하 가동지수가 큰 디젤 발전기(G)를 우선 중지 시킴으로써, 각각의 디젤 엔진에 걸리는 부하가 유사하게 유지되므로, 디젤 엔진의 교체 수명을 늘이고, 병렬 디젤 발전기(G)들의 전체 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 발전기 병렬 제어기(400)는 발전 시작시 걸리는 부하가, 복수의 디젤 발전기의 가동이 필요할 만 큼 큰 경우, 미 가동 디젤 발전기 중 부하 가동 지수가 낮은 디젤 발전기들을 선정하여 가동하며, 선정 가동된 디젤 발전기들에 가해지는 부하의 양을 부하 가동 지수를 기초로 달리 제어할 수 있다. 즉, 부하 가동 지수가 낮은 디젤 발전기에 더 큰 부하가 가해지도록 제어하여 디젤 발전기들의 부하 가동 지수가 유사하게 유지 될 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

G: 디젤 발전기 100: 자동 전압 조절기
200:센서부 300: 조속기
400: 발전기 병렬 제어기

Claims (6)

1. 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진에 연결되어 엔진의 출력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 디젤 발전기가 복수개 병렬로 연결되는 디젤 발전기들;
   상기 디젤 발전기들의 발전 전압을 제어하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 자동전압조절기들;
   상기 디젤 발전기들의 출력 신호를 센싱하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되는 센서부들; 및
   상기 출력 신호를 기초로, 상기 디젤 발전기의 부하율에 따른 가동 시간인 부하 가동지수를 산출하기 위해 각각의 디젤 발전기에 구비되며, 부하가 걸리는 경우, 상기 디젤 발전기들별로 각각 산출된 상기 부하 가동지수를 기초로 상기 디젤 발전기들의 운전을 제어하는 발전기 병렬 제어기를 포함하되,
   상기 부하 가동지수는 상기 디젤 엔진의 부하율 및 디젤 엔진의 가동 시간을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하며,
   상기 부하 가동지수는 상기 디젤 발전기의 순간 가동시간의 누적 값에 의해 산출되며, 상기 순간 가동시간은 아래의 수식을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템.
   

   

   
   여기서, TL은 순간 가동시간, T는 샘플링 시간, L은 디젤 엔진의 부하율, p는 디젤 엔진의 폭발비율.
2. 제1항에 있어서,
   상기 발전기 병렬 제어기는 발전 시작시 상기 부하 가동지수가 가작 작은 디젤 발전기를 가동하며,
   상기 부하가 증가하여 디젤 발전기의 투입이 더 필요한 경우, 비 가동 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 작은 디젤 발전기를 추가로 가동하며,
   상기 부하가 감소되는 경우, 가동 중인 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 큰 디젤 발전기의 가동을 중지하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 디젤 엔진의 부하율은 상기 디젤 엔진의 출력 전력 및 상기 디젤 엔진의 최대 출력을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템
5. 제1항에 있어서,
   상기 디젤 엔진의 폭발비율은 상기 디젤 엔진의 폭발압력 및 표준디젤 엔진폭발압력의 비로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템.
6. 제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 디젤 발전기의 병렬 운전 시스템을 이용한 디젤 발전기의 병렬 운전 방법에 있어서,
   복수개가 병렬로 연결되며, 디젤엔진과 디젤 엔진에 연결되어 디젤 엔진의 출력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 디젤 발전기들 각각의 부하 가동지수를 산출 유지하는 단계;
   발전 시작 시 상기 부하 가동지수가 가장 작은 디젤 발전기를 가동하는 단계;
   부하가 증가하여 디젤 발전기의 투입이 더 필요한 경우, 비 가동 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 작은 발전기를 추가로 가동하는 단계; 및
   상기 부하가 감소되는 경우, 가동 중인 디젤 발전기 중 부하 가동지수가 가장 큰 디젤 발전기의 가동을 중지하는 단계를 포함하되,
   상기 부하 가동지수는 상기 디젤 엔진의 부하율 및 디젤 엔진의 가동 시간을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하며,
   상기 부하 가동지수는 상기 디젤 발전기의 순간 가동시간의 누적 값에 의해 산출되며, 상기 순간 가동시간은 아래의 수식을 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 병렬 운전 방법.
   

   

   
   여기서, TL은 순간 가동시간, T는 샘플링 시간, L은 디젤 엔진의 부하율, p는 디젤 엔진의 폭발비율.

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