KR102432715B1 - 500mw 발전기 예비력 대체를 위한 ess 연계 순 변압운전 시스템 - Google Patents

500mw 발전기 예비력 대체를 위한 ess 연계 순 변압운전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템에 관한 것이다.
일례로, 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 개시한다.

Description

500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템 {Pure Variable Pressure Operating System for Substitution of 500MW Generator Operating Reserve}
본 발명은 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 ESS 연계 순변압운전 방법에 관한 것이다.
500MW 석탄화력 발전소 자동발전제어(AGC)는 일정한 부하구간(정격출력의 30%~90%)에서는 변압으로 운전하고, 고 부하 영역(정격출력의 90% 이상)에서는 정압으로 운전하는 복합 변압운전 방식을 적용하고 있다. 일정한 부하구간에서는 터빈 제어밸브 4개 중 2~3개를 전개(Full open)한 상태로 보일러에서 주증기압력을 조절하여 발전기 출력을 증·감발하고, 고 부하 영역에서는 주증기압력을 일정하게 유지한 상태로 터빈 제어밸브의 개도를 변경시켜 출력을 조절하는 복합 변압운전방식을 적용하고 있다. 전력수요와 공급간 편차발생 시 계통주파수를 정격주파수로 유지하기 위해 추가로 터빈 제어밸브를 개폐하여 발전기출력을 증감하는 주파수추종(Governor Free) 운전을 하고 있으나 터빈 제어밸브 교축에 따른 효율저하 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템은 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 한다.
주증기 압력 편차를 제어하며 보일러의 입열량을 증감시키는 보일러 마스터; 터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어하는 터빈 마스터; 상기 터빈 마스터의 운전 모드에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 제어하는 거버너 마스터; 및 상기 보일러 마스터 및 터빈 마스터에 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호를 전송하여 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도를 제어하는 유니터 마스터;를 포함하고, 상기 유니터 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 더해지는 주파수 보정회로를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
상기 보일러 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
상기 터빈 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 따른 선행 신호가 정격출력의 30% 이상에서는 터빈 제어밸브를 전개(Full open)시킬 수 있다.
상기 거버너 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 터빈 마스터 Demand 신호에 가감되는 신호를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
본 발명에 따른 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템은 발전소 운전을 기존의 복합 변압운전에서 ESS 연계 순 변압운전으로 변경하여 응답속도가 빠른 에너지 저장 시스템(ESS)을 주파수 조정 용도로 사용함으로써, 전력계통의 안정성을 높일 수 있고 터빈 제어밸브의 교축 손실이 없어 발전 효율을 상승시킬 수 있고 연료비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 발전소 최상위 로직을 도시한 블럭도이다.
도 2는 유니터 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 3은 보일러 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 4는 터빈 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 5는 거버너 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 발전소 최상위 로직을 도시한 블럭도이다. 도 2는 유니터 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 3은 보일러 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 4는 터빈 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 5는 거버너 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 연계 운영 시스템(500)은 유니터 마스터(100), 보일러 마스터(200), 터빈 마스터(330) 및 거버너 마스터(400)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 유니터 마스터(100)는 500MW 석탄화력 발전소를 총괄 제어할 수 있다. 유니터 마스터(100)는 전력거래소의 지령에 따라 출력 값이 결정되는 ADS(Automatic Distribution System) 모드(101), Load Tracking 모드(102) 및 발전기술원의 목표 출력(Target Load) 지령에 의해 목표출력 설정값이 결정되는 Normal 모드를 포함할 수 있다. 여기서, ADS 모드는 자동발전제어(AGC: Automatic Generation Control) 운전과 동일한 개념이다.
유니터 마스터(100)는 선택된 모드에 의해 설정된 MW Target 신호(103)에 소내 부하가 더해진 발전기출력 요구량(Target MW Demand) 신호를 출력 증감발률(104)에 의해 증감발하여 MW Demand 1 신호를 생성한다. 그리고, 유니터 마스터(100)는 MW Demand 1 신호에 주파수 보정 신호를 더하여 발전기술원이 설정해 놓은 출력 하한값(106)보다 크고 상한값(107)보다 작은 값을 최종 MW Demand 신호(105)로 결정할 수 있다. 상기 최종 MW Demand 신호(105)는 보일러 마스터(200)와 터빈 마스터(300)로 보내져 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도 등을 제어하는 가장 핵심신호일 수 있다.
유니터 마스터(100)는 주파수추종(G/F: Governor Free) 운전 모드가 온(On)되면, 터빈속도 편차(TBN Speed Error) 신호에 해당하는 출력요구량 값을 반영하여 지속적으로 정격주파수를 유지하는데 기여할 수 있도록 MW Demand 1 신호에 보정값을 더하여 최종 MW Demand 신호(105)로 설정하여 터빈 마스터(200)로 보낼 수 있다.
일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주파수추종(G/F) 운전 모드 시 정격속도와의 일정한 편차 범위 내에서는 데드밴드(Deadband)없이 함수발생기(F1(x))(108)를 사용하여 이 함수발생기 출력값에 압력에 따른 보정값을 곱하고, 이를 MW Demand1 신호에 더함으로써 최종 MW Demand 신호(105)로 설정할 수 있다. 여기서, 정격속도는 3600rpm이며, 유니터 마스터(100)는 정격속도의 0.33%인 ±12rpm 변동시에 ±36.7MW까지 MW Demand1 신호에 더할 수 있다.
일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주파수추종 운전 모드 시 정격속도와의 일정한 편차 범위 이상이면 함수발생기(F2(x))(109)를 사용하여 이 함수발생기 출력값에 압력에 따른 보정값을 곱하고, 이를 TBN MW SP(부하량 요구)에 더함으로써 최종 MW Demand 신호(105)로 설정할 수 있다. 여기서, 유니터 마스터(100)는 일정한 편차 범위 이상인 정격속도에서 ±12rpm 내지 ±30rpm까지 편차가 발생하면, ±0MW 내지 ±55MW까지 TBN MW SP(부하량 요구)에 더할 수 있다. 일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주증기 압력이 80kg/㎠ 이하일 때는 보정하지 않고, 주증기 압력이 80kg/㎠ 내지 246kg/㎠ 사이일 때 0.325에서 1 사이의 값을 압력에 따라 보정할 수 있다.
유니터 마스터(100)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 주파수 편차에 따른 보정은 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, MW Demand 신호에 더해지는 보정회로(110, 111)는 '0'으로 절체(전환) 되어 동작하지 않도록 구성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 보일러 마스터(200)는 주증기압력 설정값을 발전기출력 요구량에 해당하는 값으로 설정하기 위해 함수발생기(F1(x))(201)를 사용하며, 주증기압력 설정값과 실제 주증기압력의 편차(202)를 제어하여 보일러 입열량을 증감할 수 있다.
보일러 마스터(200)는 협조제어 운전 모드 시, 주증기 압력 에러 P제어값(203), 주증기 압력(Throttle Pressure, TP) 에러 I제어값(204), MW Demand에 따른 선행신호(205), MW 에러에 따른 보상값(206) 및 TRC(Transient Compensator) 회로(207)를 합산하여 보일러 마스터 요구량을 생성할 수 있다. TRC 회로(207)는 부하 증·감발 기간 중 보일러 내의 보유열량의 과부족을 보상하기 위해 일정량의 연료, 공기 및 급수를 추가로 증감하기 위해서 사용하는 로직이다. TRC 회로(207)는 보일러에 과도기적으로 외란을 주는 요소이므로, 순 변압운전 모드에서 보일러 마스터(200)는 TRC 회로(207)가 담당하는 출력 증감분을 에너지 저장 시스템(ESS)이 대체하게 하여 보일러를 안정적으로 운전할 수 있다.
보일러 마스터(200)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, TRC 회로(207)의 기능은 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로(207)는 '0'으로 절체(전환) 되도록 구성할 수 있다. 또한, 보일러 마스터(200)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 주증기 압력 설정값은 순 변압압력 운전 설정값 함수발생기(F2(X))(209)로 절체(전환) 되도록 구성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 터빈 마스터(300)는 부하량 요구(TBN MW SP)에 따라 터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어할 수 있다.
터빈 마스터(300)는 협조제어 운전 모드 시, 발전기 출력 편차(MW Error)(301)에 주증기 압력 편차(302)를 더한 값과, 발전기 출력 편차와 주증기 압력 편차에 따라 설정된 하한값(303)보다 크고 상한값(304)보다 작은 값 사이에서 제한되어 PI제어하며, MW Demand에 따른 선행(Feedforward) 신호(305)가 합산되어 터빈 마스터 Demand를 생성할 수 있다.
터빈 마스터(300)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 정격부하 이상에서는 터빈제어밸브가 100% 오픈되어 순 변압운전이 될 수 있도록, MW Demand에 따른 선행(Feedforward) 신호(305)를 기존의 함수발생기(F1(X))(306)에서 함수발생기(F2(X))(307)로 절체(변환) 되도록 구성할 수 있다. 여기서, 함수발생기(F2(X))(307)로 절체되면 이 함수발생기의 출력값은 정격출력(500MW)의 30%인 150MW 이상에서는 터빈 제어밸브가 100% 오픈(open)되도록 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 거버너 마스터(400)는 터빈 마스터(300)가 단독 운전 시, 운전원 터빈 속도요구량 및 발전기 출력 요구량(401)에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 PI(Proportional Integral)제어(402, 403) 할 수 있다. 이때, 거버너 마스터(400)는 발전기 차단기가 투입되기 전에는 터빈 속도 편차를 PI제어(402)하고, 발전기 차단기가 투입된 후에는 발전기 출력 편차를 PI제어(403)할 수 있다.
거버너 마스터(400)는 터빈 마스터(300)가 원격 운전(404)시, 터빈 마스터 Demand(405) 신호에 따라 터빈 제어밸브를 개폐하여 발전기 출력을 조정할 수 있다. 거버너 마스터(400)는 주파수추종(G/F) 운전 모드 시, 계통주파수 편차에 따라 속도조정률로 설정한 터빈 밸브 요구량 F(X)(406)값을 터빈 마스터 Demand 신호(405)에 가감되어 최종 거버너 마스터 출력신호로 생성할 수 있다.
거버너 마스터(400)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 계통 주파수 편차에 따라 속도조정률로 설정한 터빈 밸브 요구량 F(X)(406)에 대한 출력을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, 터빈 마스터 Demand 신호(405)에 가감되는 신호를 0으로 절체(전환)(407)할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 신재생 중심의 전력 패러다임의 변화에 대응한 기술로 신재생에너지의 단점인 간헐성과 불안전성을 해결하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS)의 장점인 신속한 출력 응답 특성으로 터빈발전기의 단점인 느린 출력 응답을 보완할 수 있고, 출력제어를 위한 터빈 제어밸브의 반복적인 개폐 동작에 따른 마모 비용을 절감 할 수 있다.
또한, 본 발명은 복합 변압운전에서 순 변압운전으로 운전 방식 변경 시 터빈 제어밸브의 교축 손실이 없게 되어 발전효율이 상승하고 연료비를 절감할 수 있다.
일반적으로 발전소에서는 전력수요의 갑작스런 급증에 대비하여 주파수 조정용으로 석탄화력 발전소의 출력을 정격출력보다 5%줄여 운전하고 이를 예비력으로 확보하고 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 예비력을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 함으로써, 25MW급 ESS 20기 건설 시 500MW급 발전소 1기를 건설하는 효과를 도출할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 유니터 마스터 200: 보일러 마스터
300: 터빈 마스터 400: 거버너 마스터
500: ESS 연계 순 변압운전 시스템

Claims (5)

  1. 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템에 있어서,
    주증기 압력 편차를 제어하며 보일러의 입열량을 증감시키는 보일러 마스터;
    터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어하는 터빈 마스터;
    상기 터빈 마스터의 운전 모드에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 제어하는 거버너 마스터; 및
    상기 보일러 마스터 및 터빈 마스터에 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호를 전송하여 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도를 제어하는 유니터 마스터;를 포함하고,
    상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 상기 유니터 마스터는 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 더해지는 주파수 보정회로를 '0'으로 절체(전환) 하고, 상기 보일러 마스터는 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로를 '0'으로 절체(전환) 하는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 따른 선행 신호가 정격출력의 30% 이상에서는 터빈 제어밸브를 전개(Full open)시키는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 거버너 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 터빈 마스터 Demand 신호에 가감되는 신호를 '0'으로 절체(전환) 하는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
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