KR102511393B1 - 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치는, 동기 발전기 전압과 계통전압이 일치하도록 기준신호를 조정하기 위한 기준신호 조정부; 및 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 상기 기준신호에 더해서 상기 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분을 연산하여 제공하기 위한 무효전력 조정부;를 포함한다.

Description

초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING SYNCHRONOUS GENERATOR HAVING INITIAL REACTIVE POWER ADJUSTMENT FUNCTION}

본 발명은 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초기 계통 병입시 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값에 따라 동기 발전기의 단자전압을 조정하게 됨으로써, 안정적으로 전력계통에 무효전력을 공급하게 되어 전력계통의 과도안정성을 향상시키기 위한, 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

동기 발전기(또는 동기기)는 전력계통에 병입운전하기 위해서 전력계통의 전압크기, 전압위상 및 주파수 등을 일치시켜 병입되어야 한다. 이처럼, 동기 발전기를 구동시켜 전력계통의 병입운전을 위해서는 동기 투입(또는 계통 병입, 계통 투입, 동기 병입)을 위한 동기병입장치가 필요하다.

일반적으로, 동기병입장치는 독립적으로 설치되어 있으며, 계통병입 전 발전기 여자기로 단자전압 조절 명령과, 터빈의 조속기로 속도와 위상 조절 명령을 주게 된다.

그런데, 동기병입장치가 전력계통의 전압크기, 전압위상 및 주파수 등을 전력계통과 일치시키지 않고 계통연계 차단기를 동작시키는 경우에는, 동기 발전기의 출력단의 주변압기, 주변 전기기기, 터빈 설비를 소손시키고, 전력계통에 큰 충격을 주어 인근 전력계통에서 병렬 운전중인 발전기에도 큰 외란을 주게 된다.

도 1은 일반적인 동기병입장치와 외부제어기의 연결을 나타낸 도면이다.

동기기와 전력계통의 전압크기를 일치시키지 않고 동기기를 전력계통에 병렬 운전시키는 경우에는 발전기에 큰 무효횡류가 흘러서 동기기를 소손시킬 수 있다.

그리고, 동기기와 전력계통의 전압위상을 일치시키지 않고 동기기를 전력계통에 병렬 운전시키는 경우에는 두 시스템 간에 큰 전압차로 인해서 일시적 단락과 같은 전기적 충돌 현상이 발생되어 관련기기들을 소손시키고, 전력계통 안정도를 떨어뜨리는데 지대한 영향을 미치게 된다.

도 1을 참조하면, 동기기 전압크기는 여자기를 조정을 담당하고, 전압위상과 주파수는 동기기를 돌리는 터빈의 속도를 제어하는 조속시스템이 조정을 담당한다.

아울러, 동기병입장치는 전력계통과 동기기의 전압크기 및 주파수 신호를 검출하여 신호처리 연산과정을 거친 후에 두 시스템 간에 전압크기 차, 전압위상차, 위상각 신호 등을 검출하고, 이 값들이 정해진 기준치 이내에 들어오면 계통연계 차단기에 동기 투입하라는 명령신호를 발생시켜 동기기를 계통병렬 운전시킨다.

그리고, 동기병입장치는 병입 대상인 동기기의 전압 크기, 주파수 크기, 위상각 등이 병렬투입 조건범위를 벗어나 있으면, 여자기와 조속시스템의 목표치를 수정하라는 증/감 명령신호를 발생하고, 이를 각각의 제어기 목표치를 수정하여 항상 변하는 전력계통 신호에 맞도록 명령신호를 보낸다.

그런데, 발전소 관리자는 동기 발전기의 초기 계통병입 과정에서 무효전력과 유효전력의 안정적인 공급에 대한 주의가 필요하다.

즉, 동기병입장치는 동기 발전기 전압과 계통전압의 오차가 일정범위 이내인 경우에 계통 병입용 차단기의 투입 조건이 된다. 그런데, 이 경우에는 무효전력 주입량이 달라지기 때문에 발전소 관리자의 주의가 매우 필요한 시점이다.

그래서, 일부의 경우에는 계통병입 초기에 과도하게 진상운전이 되어 발전소 관리자가 급하게 전압을 상승시키는 일이 종종 발생하고 있다.

따라서, 계통병입 시에는 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값에 따라 발전기 전압을 조정하여 안정적으로 발전기가 무효전력을 공급하게 함으로써 전력계통의 과도안정도를 향상시킬 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1063945호 (2011.09.02 등록)

본 발명의 목적은 초기 계통 병입시 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값에 따라 동기 발전기의 단자전압을 조정하게 됨으로써, 안정적으로 전력계통에 무효전력을 공급하게 되어 전력계통의 과도안정성을 향상시키기 위한, 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치는, 동기 발전기 전압과 계통전압이 일치하도록 기준신호를 조정하기 위한 기준신호 조정부; 및 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 상기 기준신호에 더해서 상기 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분을 연산하여 제공하기 위한 무효전력 조정부;를 포함할 수 있다.

상기 무효전력 조정부는, 동기 발전기 전압 및 전류를 이용하여 무효전력 변화분과 단자전압 변화분을 확인하기 위한 무효전력 연산부; 상기 무효전력 변화분과 상기 단자전압 변화분을 이용하여 계통 임피던스를 연산하기 위한 임피던스 연산부; 및 상기 계통 임피던스와 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값을 이용하여 기준신호 변동분을 연산하기 위한 기준신호 변동분 연산부;를 포함할 수 있다.

상기 무효전력 변화분은, 제1 무효젼력과 제2 무효전력의 차이로 계산되고, 상기 제1 무효전력은 상기 동기 발전 전압과 상기 계통전압이 일치될 때 확인되며, 상기 제2 무효전력은 초기 계통 병입시 상기 기준신호에 전압 상승분이 반영될 때 확인되는 것일 수 있다.

상기 단자전압 변화분은, 제1 단자전압과 제2 단자전압의 차이로 계산되고, 상기 제1 단자전압은 상기 제1 무효전력일 때 동기 발전기 전압이며, 상기 제2 단자전압은 상기 제2 무효전력일 때 동기 발전기 전압일 수 있다.

상기 단자전압 변화분은, 상기 전압 상승분에 해당되는 것일 수 있다.

상기 계통 임피던스는, 수학식

(여기서, Xe는 계통 임피던스, V1는 제1 단자전압, V2는 제2 단자전압, Q1은 제1 무효전력, Q2는 제2 무효전력)로 계산되는 것일 수 있다.

상기 기준신호 변동분은, 수학식

(여기서, △Vsref는 기준신호 변동분, Xe는 계통 임피던스, Qref는 무효전력 초기값)로 계산되는 것일 수 있다.

상기 기준신호 변동분 연산부는, 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기의 무효전력 현재값을 상기 무효전력 초기값 대신 적용하여 상기 기준신호 변동분을 연산하는 것일 수 있다.

상기 계통 임피던스는, 계통연계 차단기 후단 이후를 등가 모델링으로 나타낼 때, 주변압기 임피던스와 연계선로 임피던스의 합으로 나타내는 것일 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 동기 발전기 전압과 상기 계통전압의 전압 주파수와 위상이 일치하도록 속도제어 명령을 조속기로 전달하기 위한 속도 조정부;를 더 포함할 수 있다.

상기 무효전력 조정부는, 여자기 또는 동기병입장치에 설치되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 방법은, 동기 발전기 전압과 계통전압이 일치하도록 기준신호를 조정하는 단계; 및 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 상기 기준신호에 더해서 상기 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분을 연산하여 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 제공하는 단계는, 동기 발전기 전압 및 전류를 이용하여 무효전력 변화분과 단자전압 변화분을 확인하는 단계; 상기 무효전력 변화분과 상기 단자전압 변화분을 이용하여 계통 임피던스를 연산하는 단계; 및 상기 계통 임피던스와 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값을 이용하여 기준신호 변동분을 연산하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 기준신호 변동분을 연산하는 단계는, 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기의 무효전력 현재값을 상기 무효전력 초기값 대신 적용하여 상기 기준신호 변동분을 연산하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동기 발전기 제어 장치로서, 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며, 상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 동기 발전기 제어 장치로 하여금, 동기 발전기 전압과 계통전압이 일치하도록 기준신호를 조정하게 하고, 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 상기 기준신호에 더해서 상기 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분을 연산하여 제공하게 할 수 있다.

본 발명은 초기 계통 병입시 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값에 따라 동기 발전기의 단자전압을 조정하게 됨으로써, 안정적으로 전력계통에 무효전력을 공급하게 되어 전력계통의 과도안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 발전소에서 각각 설치되어 있는 여자기에 동기병입장치를 통합함으로써 독립된 장치로 설치되기 위한 공간과 관리 비용을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 발전소가 건설된 후 맨 처음 계통 병입 후 동기 발전기 전압을 상승시켜 계통 임피던스를 계산하고, 계통병해 후 다시 동기투입될 때에 계통 임피던스가 이미 계산된 상태이므로 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값을 기반으로 하여 동기 발전기 전압을 조절함으로써 안정적으로 발전소를 운영할 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 동기 발전기가 운전중일 때 추가로 계통병입되는 동기 발전기는 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기의 무효전력 현재값을 무효전력 초기값 대신 적용함으로써, 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기와 함께 안정적으로 운전할 수 있다.

또한, 본 발명은 동기병입장치와 여자기가 통합된 형태가 아니라 서로 독립된 형태로 구현하여 현재 동기병입장치와 여자기의 구조를 변경시키지 않고 간단하게 적용할 수 있다.

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도 1은 일반적인 동기병입장치와 외부제어기의 연결을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 동기 발전기 제어 장치의 세부 구성을 설명하는 도면,
도 4는 동기 발전기와 외부기기의 임피던스 단선을 나타낸 도면,
도 5는 계통 임피던스 계산을 위한 동작 시험 결과를 설명하는 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 방법을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치(이하 '동기 발전기 제어 장치'라 함, 100)는, 동기 발전기의 단자전압 제어를 담당하는 여자기에 동기병입장치의 모든 기능을 포함시켜 통합함으로써 '동기병입장치 내장형 여자기'의 형태로 구현될 수 있다. 즉, 동기 발전기 제어 장치(100)는 여자기에 포함된 형태로 구현될 수 있다.

이 경우 여자기는 본래 발전기 전압을 궤환신호로 받고 있기 때문에 계통전압을 추가로 받는다면, 동기병합장치의 기능을 충분히 수행할 수 있다. 이는 여자기의 신호 처리 성능이 향상되었기 때문에 가능하다.

그래서, 동기 발전기 제어 장치(100)는 발전소에서 각각 설치되어 있는 여자기에 동기병입장치를 통합함으로써 독립된 장치로 설치되기 위한 공간과 관리 비용을 줄일 수 있게 한다.

도 2에서 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기병입장치의 기능을 담당하기 위해 동기투입 제어신호 연산에 필요한 동기 발전기 전압과 계통전압이 필요하다.

즉, 동기 발전기 제어 장치(100)는 계통연계 차단기(10)를 기준으로 발전기측에 배치된 제1 전압 변성기(20)를 통해 동기 발전기(G)의 전압신호(Vg) 및 주파수신호가 입력되고, 전류 변성기(30)를 통해 동기 발전기(G)의 전류신호(Ig)가 입력되며, 계통연계 차단기(10)를 기준으로 계통전원측에 배치된 제2 전압 변성기(40)를 통해 전력계통의 전압신호(Vt) 및 주파수신호가 입력된다.

이러한 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기병입장치 기능을 담당할 수 있다.

먼저, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기 발전기(G)의 주파수(위상)와 전력계통의 주파수(위상)을 비교하여 조속기의 속도제어를 담당한다.

또한, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기 발전기(G)와 전력계통 간의 검출신호를 비교하여 미리 정해진 기준치 이내에 들어오면, 계통연계 차단기(10)에 차단기 투입명령 신호를 전송한다. 이때, 동기 발전기 제어 장치(100)는 계통연계 차단기(10)의 개폐상태를 확인할 수 있다.

그리고, 동기 발전기 제어 장치(100)는 여자기 제어 기능을 담당할 수 있다.

이때, 동기 발전기 제어 장치(100)는 발전기 계자 권선(C)에 직류전원을 공급하여 발전기 출력 단자 전압을 일정하게 유지 또는 조정한다. 여기서는 교류전원을 직류전원으로 발전기 계자 권선(C)에 공급하는 사이리스터 정류기(thyristor rectifier)(50)가 포함된 정지형(stationary) 여자기 제어 기능이 구현된다.

특히, 동기 발전기 제어 장치(100)는 계통연계 차단기(10)의 투입 조건이 만족되는 계통 병입시 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값을 기반으로 하여 동기 발전기(G)의 단자전압을 조정함으로써, 발전소 관리자의 추가 작업 없이 동기 발전기가 전력계통에 안정적으로 계통병입되어 운전될 수 있게 한다.

여기서, 무효전력(reactive power)은 동기 발전기의 계통 병입시, 동기 발전기 전압과 계통전압의 차이에 의해 결정된다. 무효전력을 연산하기 위해서는 계통 임피던스가 확인되어야 한다. 하지만, 계통 임피던스는 수많은 발전기와 계통정수가 복잡하게 연결되어 있기 때문에 시뮬레이션을 통해 연산하기 어렵다.

그래서, 본 발명의 실시예에서는 계통 임피던스는 발전소가 건설된 후 맨 처음 계통병입 후 동기 발전기 전압을 상승시켜 계산하였다. 계통병해 후 다시 동기투입될 때에는 계통 임피던스가 이미 계산된 상태이므로 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값을 기반으로 하여 동기 발전기 전압을 조절함으로써 안정적으로 발전소를 운영할 수 있게 된다.

이하, 도 3을 참조하여 동기 발전기 제어 장치(100)의 세부 구성에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 도 2의 동기 발전기 제어 장치의 세부 구성을 설명하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 동기 발전기 제어 장치(100)는 기준신호 조정부(110), 무효전력 조정부(120), 속도 조정부(130)를 포함한다.

먼저, 기준신호 조정부(110)는 동기 발전기(G)의 단자전압 조정을 담당하는 여자기 제어 기능을 담당한다. 즉, 기준신호 조정부(110)는 동기 발전기 전압(Vg)과 계통전압(Vt)의 전압크기가 일치하도록 PID 제어기(60)에 제공하는 동기 발전기(G)의 기준신호(Vref)을 조정한다. 이때, 기준신호 조정부(110)는 |Vg-Vt|=0이 되도록 기준신호(Vref)의 상승 또는 강하 명령을 발생시키게 된다. 여기서, 기준신호(Vref)는 무효전력 조정부(120)에 의해 연산된 기준신호 변동분(ΔVsref)이 반영될 수 있다.

다음으로, 무효전력 조정부(120)는 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 기준신호(Vref)에 더하여 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분(Vsref)을 연산하여 제공한다. 여기서, 기준신호 변동분(Vsref)에는 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)이 반영된다.

이에 따라, 동기 발전기(G)는 초기 계통 병입시 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)에 따라 단자전압을 조정하게 되므로, 안정적으로 전력계통에 무효전력을 공급하게 되어 전력계통의 과도안정성을 향상시키게 된다.

다시 말해, 동기 발전기(G)는 초기 계통 병입시 무효전력 초기값(Qref)이 반영된 무효전력을 출력할 수 있게 된다.

구체적으로, 무효전력 조정부(120)는 무효전력 연산부(121), 임피던스 연산부(122), 기준신호 변동분 연산부(123)를 포함한다.

먼저, 무효전력 연산부(121)는 동기 발전기 전압(Vg) 및 전류(Ig)를 이용하여 무효전력(reactive power)을 연산하되, 계통 임피던스(Xe) 연산을 위해 무효전력 변화분과 단자전압 변화분을 확인한다.

이때, 무효전력 연산부(121)는 사실상 계통 임피던스를 시뮬레이션으로 연산하기 어렵기 때문에, 발전소가 건설되어 초기 계통 병입 후 발전기 전압을 상승시키는 상황을 가정하여 계통 임피던스를 자동으로 연산할 수 있는 무효전력 변화분과 단자전압 변화분을 확인한다.

여기서, 무효전력 변화분은 제1 무효전력(Q1)과 제2 무효전력(Q2)의 차이(Q1-Q2)로 계산되고, 단자전압 변화분은 제1 단자전압(V1)과 제2 단자전압(V2)의 차이(V1-V2)로 계산된다.

구체적으로, 제1 무효전력(Q1)과 제1 단자전압(V1) 각각은 '발전소가 건설되어 초기 계통 병입될 때[즉, 동기 발전기 전압(Vg)와 계통전압(Vt)이 일치될 때]' 확인된다.

제1 무효전력(Q1)은 동기 발전기 전압(Vg)과 계통전압(Vt)이 일치될 때 무효전력이다. 즉, 제1 무효전력(Q1)은 '0'이 된다.

제1 단자전압(V1)은 초기 계통 병입시 기준신호(즉, 동기 발전기 전압과 계통전압을 일치시키도록 조정된 기준신호)에 따라 결정된 동기 발전기 전압이다. 즉, 제1 단자전압(V1)은 제1 무효전력(Q1)일 때 동기 발전기 전압이다.

또한, 제2 무효전력(Q2)과 제2 단자전압(V2) 각각은 '계통 병입 후 발전기 전압이 상승될 때' 확인된다. 여기서, 전압 상승분(ΔV)은 4~5% 정도일 수 있다.

제2 무효전력(Q2)은 초기 계통 병입시 기준신호에 전압 상승분(ΔV)이 반영될 때 무효전력이다.

제2 단자전압(V2)은 초기 계통 병입시 기준신호에 전압 상승분(ΔV)을 반영함에 따라 결정된 동기 발전기 전압이다. 즉, 제2 단자전압(V2)은 제2 무효전력(Q2)일 때 동기 발전기 전압이다.

여기서, 제2 단자전압(V2)은 제1 단자전압(V1)에 전압 상승분(ΔV)을 더한 것이므로, 단자전압 변화분(V1-V2)은 전압 상승분(ΔV)과 같다.

결과적으로, 무효전력 연산부(121)는 제1 무효전력(Q1)을 '0'으로 확인하고, 전압 상승분(ΔV)을 반영하여 제2 무효전력(Q2)을 연산함으로써, 무효전력 변화분(Q1-Q2)을 확인할 수 있다. 그리고, 무효전력 연산부(121)는 전압 상승분(ΔV)을 단자전압 변화분(V1-V2)으로 확인할 수 있다.

다음으로, 임피던스 연산부(122)는 무효전력 변화분(Q1-Q2)와 단자전압 변화분(V1-V2)을 이용하여 계통 임피던스(Xe)를 연산한다. 즉, 계통 임피던스(Xe)는 단자전압 변화분에 따른 무효전력 변화분에 비례하므로 아래 수학식 1과 같이 연산될 수 있다.

다음으로, 기준신호 변동분 연산부(123)는 계통 임피던스(Xe)와 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)을 이용하여 기준신호 변동분(△Vsref)을 연산한다. 즉, 기준신호 변동분(△Vsref)은 계통 임피던스(Xe)에 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)을 곱하여 아래 수학식 2와 같이 연산될 수 있다.

여기서, 기준신호 변동분(△Vsref)은 동기 발전기 전압의 기준신호(Vref)에 합해진다. 그러면, 동기 발전기(G)의 단자전압은 기준신호 변동분(△Vsref)이 반영된 기준신호(Vref+△Vsref)에 의해 조정된다. 이때, 동기 발전기(G)는 기준신호 변동분(△Vsref)에 의해 동기 병입시 무효전력이 자동으로 변하게 되어 초기에 과도 안정도가 확보될 수 있다.

부가적으로, 다수의 동기 발전기가 운전중일 때 추가로 계통병입되는 동기 발전기는 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기의 '무효전력 현재값'을 무효전력 초기값(Qref) 대신 적용할 수도 있다. 그러면, 추가로 계통병입되는 동기 발전기는 실시간으로 무효전력을 보정하여 계통병입되는 효과를 기대할 수 있기 때문에, 주변에서 병렬 운전되고 있는 다른 동기 발전기와 함께 안정적으로 운전할 수 있다.

다음으로, 속도 조정부(130)는 동기 발전기(G)의 전압 주파수와 위상 조정을 담당하는 조속기 제어 기능을 담당한다. 이를 위해, 속도 조정부(130)는 동기 발전기(G)의 전압 주파수와 위상을 연산한다.

이러한 속도 조정부(130)는 동기 발전기 전압(Vg)과 전력계통 전압(Vt)의 전압 주파수와 위상이 일치하도록 속도제어 명령을 조속기로 전달한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 동기 발전기 제어 장치(100)는 '동기병입장치 내장형 여자기'의 형태로 구현될 수 있다.

하지만, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기병입장치와 여자기가 통합된 형태가 아니라 서로 독립된 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우에는 무효전력 조정부(120)가 동기병입장치 내에 설치되고, 기준신호 변동분(△Vsref)을 여자기에 제공하게 된다. 그러면, 여자기는 기준신호 변동분이 반영된 기준신호를 이용하여 동기 발전기(G)동기 발전기(G) 조정하게 된다. 이에 대한 자세한 설명은 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있는 것이므로 생략하기로 한다.

한편, 동기 발전기 제어 장치(100)는 적어도 하나 이상의 프로세서와 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리를 포함하는 구성으로 구현될 수 있다.

즉, 기준신호 조정부(110), 무효전력 조정부(120) 및 속도 조정부(130) 각각은 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들이 프로세스에 의해 실행될 때, 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 방법을 수행할 수 있게 된다.

여기서, 프로세서는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 그리고, 프로세서는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다.

아울러, 메모리는 하나의 저장 장치일 수 있거나, 또는 복수의 저장 엘리먼트의 집합적인 용어일 수 있다. 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들은 실행가능한 프로그램 코드 또는 파라미터, 데이터 등일 수 있다. 그리고, 메모리는 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있거나, 또는 자기 디스크 저장장치 또는 플래시(flash) 메모리와 같은 NVRAM(Non-Volatile Memory)을 포함할 수 있다.

도 4는 동기 발전기와 외부기기의 임피던스 단선을 나타낸 도면이고, 도 5는 계통 임피던스 계산을 위한 동작 시험 결과를 설명하는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 유기 기전력(E)과 동기 임피던스(Xs)는 동기 발전기(G)를 등가 모델링으로 나타낸 부분이고, 주변압기 임피던스(Xt)와 연계선로 임피던스(Xl)는 계통연계 차단기(10) 후단 이후를 등가 모델링으로 나타낸 부분이다.

여기서, 계통 임피던스(Xe)는 주변압기 임피던스(Xt)와 연계선로 임피던스(Xl)의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, Xe=Xt+Xl이다.

이러한 임피던스는 기기에 해당되는 것으로, 주변 동기 발전기 또는 선로등이 변경되지 않으면 일정한 값을 나타내게 된다.

도 5를 참조하면, 동작 시험 대상은 500㎽ 동기 발전기를 적용하였다. 동기 발전기의 사양은 정격전압 22,000V, 주파수 60㎐(3600rpm), 정격출력 612㎹A, 계자전압 300V, 계자전류 5,224A, 계자전압 0.0546@75℃이다.

구체적으로, 계통 임피던스(Xe)는 상기 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.

먼저, 단자전압 변화분(V1-V2)는 전압 상승분(△V)와 같으므로, 5% 상승시킬 경우 -0.05가 된다. 즉, 제1 단자전압(V1)이 1V일 때, 제2 단자전압(V2)은 제1 단자전압과 전압 상승분(△V)이 더해져 1.05V가 된다. 그러면, 단자전압 변화분(V1-V2)은 -0.05이다.

다음, 제1 무효전력(Q1)은 0이고, 제2 무효전력(Q2)은 초기 계통 병입시 기준신호(Vref)에 전압 상승분(△V)을 반영할 때 확인되는 무효전력이다. 제2 무효전력(Q2)는 0.215로 확인된다.

따라서, 계통 임피던스(Xe)는 0.232pu로 계산된다.

즉,

이다.

그런 다음, 기준신호 변동분(△Vsref)은 상기 수학식 2를 통해 계산될 수 있다. 여기서, 무효전력 초기값(Qref)는 예를 들어, 0.2pu일 수 있다.

따라서, 기준신호 변동분(△Vsref)는 0.0464pu로 계산된다.

즉,

이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 방법을 나타낸 도면이다.

*도 6을 참조하면, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기 발전기 전압(Vg)과 계통전압(Vt)이 일치하도록 동기 발전기(G)의 기준신호(Vref)를 조정한다(S201). 즉, 동기 발전기 제어 장치(100)는 |Vg-Vt|=0이 되도록 기준신호(Vref)를 조정한다.

이때, 동기 발전기 제어 장치(100)는 무효전력(Q)이 '0'이 되는지를 확인하고(S202), 이를 만족하면 제1 단자전압(V1)과 제1 무효전력(Q1)을 확인하여 저장한다(S203). 여기서, 제1 단자전압(V1)은 제1 무효전력(Q1)이 '0'일 때의 동기 발전기 전압이 된다.

이후, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기 발전기(G)의 기준신호(Vref)의 전압을 상승시켜서 제2 단자전압(V2)과 제2 무효전력(Q2)를 확인하여 저장한다(S204, S205). 여기서, 기준신호(Vref)는 4~5% 상승된다.

그런 다음, 동기 발전기 제어 장치(100)는 무효전력 변화분(Q1-Q2)과 단자전압 변화분(V1-V2)을 이용하여 계통 임피던스(Xe)를 연산한다(S206). 여기서, 계통 임피던스는 상기 수학식 1과 같이 연산될 수 있다.

이후, 동기 발전기 제어 장치(100)는 계통 임피던스(Xe)와 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)을 이용하여 기준신호 변동분(ΔVsref)을 연산하여 제공한다(S207). 여기서, 기준신호 변동분(ΔVsref)은 상기 수학식 2와 같이 연산될 수 있다.

이에 따라, 동기 발전기(G)는 기준신호(Vref)에 기준신호 변동분(ΔVsref)이 합하여 동기 발전기(G)의 단자전압을 조정할 수 있다(S208).

이상에서 살펴본 바와 같이, 동기 발전기 제어 장치(100)는 동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 기준신호(Vref)에 더하여 동기 발전기(G)의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분(△Vsref)을 연산하여 제공한다.

일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.

10 ; 계통연계 차단기 20 ; 제1 전압 변성기
30 ; 전류 변성기 40 ; 제2 전압 변성기
50 ; 사이리스터 정류기 60 ; PID 제어기
C ; 발전기 계자 권선 G ; 동기 발전기
110 ; 기준신호 조정부 120 ; 무효전력 조정부
121 ; 무효전력 연산부 122 ; 임피던스 연산부
123 ; 기준신호 변동분 연산부 130 ; 속도 조정부

Claims (1)

1. 동기 발전기 전압(Vg)과 계통전압(Vt)이 일치하도록 기준신호(Vref)를 조정하기 위한 기준신호 조정부(110); 및
   동기 발전기가 초기 계통 병입시 무효전력을 조정 가능하도록, 상기 기준신호에 더해서 상기 동기 발전기의 단자전압을 조정하기 위한 기준신호 변동분(△Vsref)을 연산하여 제공하기 위한 무효전력 조정부(120);
   상기 무효전력 조정부는,
   동기 발전기 전압(Vg) 및 전류(Ig)를 이용하여 무효전력 변화분과 단자전압 변화분을 확인하기 위한 무효전력 연산부(121);
   상기 무효전력 변화분과 상기 단자전압 변화분을 이용하여 계통 임피던스(Xe)를 연산하기 위한 임피던스 연산부(122); 및
   상기 계통 임피던스와 발전소 관리자에 의해 설정된 무효전력 초기값(Qref)을 이용하여 기준신호 변동분(△Vsref)을 연산하기 위한 기준신호 변동분 연산부(123);를 포함하고,
   상기 무효전력 변화분은,
   제1 무효젼력(Q1)과 제2 무효전력(Q2)의 차이로 계산되고,
   상기 제1 무효전력은 상기 동기 발전 전압과 상기 계통전압이 일치될 때 확인되며,
   상기 제2 무효전력은 초기 계통 병입시 상기 기준신호에 전압 상승분(ΔV)이 반영될 때 확인되고,
   상기 단자전압 변화분은,
   제1 단자전압(V1)과 제2 단자전압(V2)의 차이로 계산되고, 상기 제1 단자전압은 상기 제1 무효전력일 때 동기 발전기 전압이며, 상기 제2 단자전압은 상기 제2 무효전력일 때 동기 발전기 전압이고,
   상기 계통 임피던스는,
   수학식

   

   (여기서, Xe는 계통 임피던스, V1는 제1 단자전압, V2 는 제2 단자전압, Q1은 제1 무효전력, Q2는 제2 무효전력)로 계산되는 것인 초기투입 무효전력 조정 기능을 구비한 동기 발전기 제어 장치.

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