KR102639063B1 - 수력 발전 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

사전 측정을 행하지 않고 적절한 출력 전력의 제어가 행해지고, 또한 실속 상태로 되어도, 발전기의 부하를 경감 또는 개방함으로써 실속 상태로부터 정상인 발전 상태로 복귀시키고, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해지고, 또한 전력 제어의 헌팅을 방지할 수 있는 수력 발전 시스템을 제공한다. 수력 발전 시스템은, 수차(1), 발전기(3), 및 제어 장치(4)를 구비한다. 제어 장치(4)는, MPPT 제어 등으로 기본 제어를 행한다. 제어 장치(4)는, 실속 판정 수단(22)과 수차(1)의 실속 상태를 판정하고, 실속 상태 시는, 부하 경감·개방 수단(23)에 의해 발전기(3)의 부하 전력을 경감 또는 개방한다. 실속 판정을 위해, 차이 전력이 상승했을 때 및/또는 차이 회전수가 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 곡선 a과, 차이 전력이 저하되었을 때 및/또는 차이 회전수가 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하는 복귀 판정 곡선 b를 설정하고, 곡선 a, b 간은 히스테리시스 영역을 구성하는 실속 경계 영역 C로 한다.

Description

수력 발전 시스템 및 제어 방법

본 출원은, 2017년 11월 28일자 일본 특허출원 제2017-227737의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 수력 발전 장치의 실속(失速) 상태를 판정하여 정상(正常) 상태로 복귀시키는 기능을 구비한 수력 발전 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.

수력 발전 장치는, 유수(流水)가 가지는 운동 에너지를 발전에 이용하는 시스템이다. 수력 발전 장치는, 물의 흐름을 받아 회전하는 수차(水車; water wheel)와, 수차와 연결되고 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 발전기의 출력 및 수차를 제어하는 제어 장치를, 주된 구성 요소로서 구비한다.

발전기로부터 인출하는 전력은 유속(流速; flow rate)에 의해 변화되므로, 상기 제어 장치는, 유속, 수차의 회전 속도, 또는 발전기의 발전 전압을 계측하여, 발전기로부터 인출하는 최적의 전력을 결정하고, 발전기의 발전 전력과 최적값이 일치하도록 제어한다.

이를 위해서는, 사전에 수로(水路; waterway)에 수력 발전기를 설치하여, 유속, 발전 전력, 및 발전 특성을 계측하여 최적값을 설정하고, 제어 맵 등에 의해 테이블 특성을 작성할 필요가 있다. 그러므로, 수력 발전 시스템의 가동(稼動)까지, 계측 작업 등의 비용 상승의 요인이 생긴다.

사전의 계측, 및 최적값의 설정 작업을 없애기 위해, 탐색 알고리듬에 의한 MPPT 제어라는 최대 전력점 추종 제어로 수력 발전을 제어하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1). MPPT 제어는, 풍력 발전에서도 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 2).

일본 공개특허 제2016-185006호 공보 일본 공개특허 제2010-200533호 공보

그러나, 수차의 회전수가 저하하여 발전 전력도 저하되는 실속 상태(stall state)에 빠지는 경우가 있으므로, MPPT 제어를 수력 발전 제어 장치에 적용하는 것은 곤란하다.

상기 특허문헌 2에서는, 풍력 발전에서의 MPPT 제어이지만, 실속에 대처하는 제어가 제안되어 있다. 즉, MPPT 제어에 의해 발전기의 최적인 동작점을 찾으러 갈 때마다, 출력 전압의 시간 미분(微分) 또는 출력 전류의 시간 미분을 산출하여, 상기 동작점에서의 출력 전력과 산출한 출력 전력의 시간 미분과의 관계가 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라 실속을 판정한다. 실속인 것으로 판정되었을 때는, 발전기의 부하(負荷)를 개방 또는 경감한다.

그러나, 발전기의 부하를 개방 또는 경감함으로써, 상기 실속 경계 조건을 채우지 않게 되었을 때, 부하를 원래의 값으로 되돌리면, 다시 곧바로 실속 경계 조건을 만족시킴으로써, 전력 제한의 온(on) 또는 오프(off)의 반복 상태로 되는 헌팅(hunting)이 생기는 경우가 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 해소하기 위한 것이며, 그 목적은, 사전 측정을 행하지 않고 적절한 출력 전력의 제어가 행해지고, 또한 실속 상태로 되어도, 발전기의 부하를 경감 또는 개방함으로써 실속 상태로부터 정상인 발전 상태로 복귀시켜, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해지고, 또한 전력 제어의 헌팅을 방지할 수 있는 수력 발전 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것이다.

이하, 편의 상 이해를 용이하게 하기 위해, 실시형태의 부호를 참조하여 설명한다.

본 발명의 수력 발전 시스템은, 수력으로 회전하는 수차(1)와, 이 수차(1)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 부하 전력을 조정하여 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비한 수력 발전 시스템으로서,

상기 제어 장치(4)는,

상기 발전기(3)의 출력 전력 과거값 및 출력 전력 현재값을 검출하는 전력 과거 현재값 검출 수단(16)과,

검출된 상기 출력 전력 과거값 및 상기 출력 전력 현재값을 기억하는 전력 과거 현재값 기억 수단(17)과,

상기 발전기(3)의 회전수 과거값 및 회전수 현재값을 검출하는 회전수 과거 현재값 검출 수단(18)과,

검출된 상기 회전수 과거값 및 상기 회전수 현재값을 기억하는 회전수 과거 현재값 기억 수단(19)과,

상기 출력 전력 과거값과 상기 출력 전력 현재값과의 차이 전력을 연산하는 차이 전력 연산 수단(20)과,

상기 출력 회전수 과거값과 상기 출력 회전수 현재값과의 차이 회전수를 연산하는 차이 회전수 연산 수단(21)과,

상기 차이 전력 및 상기 차이 회전수로부터, 상기 수차의 실속 상태 또는 비실속(非失速) 상태를 판정하는 실속 판정 수단(stall determination means)(22)과,

상기 실속 판정 수단(22)에 의해 실속 상태인 것으로 판정되면, 상기 발전기(3)의 부하를 경감 또는 개방하는 부하 경감·개방 수단(23)을 구비하고,

상기 실속 판정 수단(22)이 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 영역 A와 상기 실속 판정 수단(22)이 비실속 상태인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가, 상기 차이 전력과 상기 차이 회전수와의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선 a, b는, 차이 전력이 상승했을 때 및/또는 차이 회전수가 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하기 위한 실속 판정 곡선 a과 차이 전력이 저하되었을 때 및/또는 차이 회전수가 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하기 위한 복귀 판정 곡선 b를 포함하고, 이들 곡선 a, b 사이에는 히스테리시스(hysteresis) 영역으로서 실속 경계 영역(stall boundary region) C가 구성되어 있다.

이 구성에 의하면, 상기 제어 장치(4)는, 기본적으로는 발전 전력 등을 감시하고, 정해진 제어 규칙에 따라 출력 전력을 제어함으로써 수차(1)의 회전수를 제어한다. 이 동안, 상기 실속 판정 수단(22)에 의해, 상기 차이 전력 및 상기 차이 회전수로부터, 수차(1)의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 실속 상태인 것으로 판정되면, 부하 경감·개방 수단(load reducing/releasing means)(23)에 의해, 상기 발전기(3)의 부하 전력을 경감 또는 개방한다. 이와 같이, 수차(1)의 실속이 생기면, 부하 전력을 경감하거나, 또는 개방하므로, 실속 상태로부터 정상인 발전 상태로 복귀시킬 수 있고, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해진다. 실속 상태의 판정은, 현재와 과거의 차이 전력 및 차이 회전수에 의해 행하므로, 적절한 판정이 행해진다. 또한, 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C를 설치하였으므로, 실속 판정에 의한 전력 제어의 헌팅이 방지된다. 상기 회전수는 단위 시간당의 회전수이며, 환언하면 회전 속도이다.

상기 제어 장치(4)는, 상기 발전기(3)의 출력 변동에 대하여 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단(13)을 구비하고, 상기 최대 전력 동작점을 찾으러 갈 때마다, 상기 실속 판정 수단(22)이 상기 수차(1)의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 필요에 따라 상기 부하 경감·개방 수단(23)이 상기 발전기(3)의 부하를 경감 또는 개방해도 된다.

최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어에 의하면, 수차(1)가 설치되는 현지에서의 유속이나 수차 회전수의 사전 계측 작업을 생략해도 양호한 효율의 발전이 행해진다. 그러나, 수력 발전 시스템에 MPPT 제어를 적용하면, 그 제어만으로는, 수차(1)의 회전수가 저하되어, 발전 전력도 저하되는 실속 상태로 되었던 경우에 정상 상태로 복귀시킬 수 없는 경우가 있다. 이에 대하여, 이 수력 발전 시스템에 의하면, 상기 실속 상태를 판정하고, 실속 상태 시는 부하 전력을 저감 또는 정지시키므로, 실속 상태로부터의 복귀가 행해지고, 실속에 의한 발전 전력 저감을 크고 생기게 하지 않아, MPPT 제어에 의한 효율적인 제어가 행해진다.

본 발명의 수력 발전 시스템의 제어 방법은, 수력으로 회전하는 수차(1)와, 이 수차(1)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(3)와, 이 발전기(3)의 부하 전력을 조정하여 수차(1)의 회전수를 제어하는 제어 장치(4)를 구비한 수력 발전 시스템을 제어하는 방법으로서,

상기 발전기(3)의 출력 전력의 과거값과 현재값과의 차이 전력을 구하는 차이 전력 연산 단계(과정이라고도 함)(S6)와,

상기 발전기(1)의 회전수값의 과거값과 현재값과의 차이 회전수를 구하는 차이 회전수 연산 단계(S5)와,

상기 차이 전력과 차이 회전수와의 관계가, 미리 정해진 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하는 실속 판정 단계(S6)와,

상기 실속 판정 단계(S6)에 있어서 실속 상태인 것으로 판정되면, 상기 발전기(3)의 부하를 경감 또는 개방하는 부하 경감·개방 단계(S7)를 포함하고,

이들 단계는, 상기 제어 장치(4)의 제어 사이클마다 반복되고,

상기 실속 경계 조건은 상기 차이 전력과 상기 차이 회전수와의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 정해져 있고, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역 A와 비실속 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역 B가, 상기 판정 곡선 a, b에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선은, 차이 전력이 상승했을 때 및/또는 차이 회전수가 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 곡선 a과 차이 전력이 저하되었을 때 및/또는 차이 회전수가 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하는 복귀 판정 곡선 b를 포함하고, 이들 곡선 a, b 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C가 구성되어 있다.

이 제어 방법에 의하면, 상기 수력 발전 시스템에 대하여 전술한 바와 마찬가지로, 실속 상태가 생겨도 정상인 발전 상태로 복귀시킬 수 있어, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C를 설치하였으므로, 실속 판정에 의한 전력 제어의 헌팅이 방지된다.

상기 제어 장치(4)는, 상기 발전기(3)의 출력 변동에 대하여 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단(13)을 구비하고, 상기 추종 제어로 상기 동작점을 찾으러 갈 때마다, 상기 차이 전력 연산 단계(S6), 상기 차이 회전수 연산 단계(S5), 상기 실속 판정 단계(S7), 및 필요에 따라 상기 부하 경감·개방 단계(S8)가 반복되어도 된다.

MPPT 제어에 의하면, 현지에서의 유속이나 수차 회전수의 사전 계측 작업을 생략해도 양호한 효율의 발전이 행해진다. 그러나, 그 제어만으로는, 실속 상태로 되었던 경우에 정상 상태로 복귀시킬 수 없는 경우가 있다. 이에 대하여, 이 방법에 의하면, 상기 실속 상태를 판정하고, 실속 상태에서는 부하 전력을 저감 또는 정지시키므로, 실속 상태의 복귀가 행해지고, 실속에 의한 발전 전력 저감을 크게 생기게 하지 않아, MPPT 제어에 의한 효율적인 제어가 행해진다.

특허청구범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 2개 이상의 구성의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 수력 발전 시스템의 개략을 나타내는 설명도이다.
도 2는 도 1의 수력 발전 시스템의 개념 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3는 실속 판정 영역과 비실속 판정 영역의 참고예로 되는 실속 임계값 제어 그래프이다.
도 4는 도 1의 수력 발전 시스템에 의해 사용되는 실속 판정 영역, 비실속 판정 영역, 및 실속 경계 영역을 나타내는 실속 임계값 제어 그래프이다.
도 5는 도 1의 수력 발전 시스템이 실행하는 제어 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 1의 수력 발전 시스템에 의해 사용하는 수력 발전기의 다른 예의 개략 설명도이다.

본 발명의 일 실시 형태를 도면과 함께 설명한다. 이 수력 발전 시스템은, 수평축형(프로펠러형) 수력 발전기의 예이다. 수로(도시하지 않음)를 흐르는 물의 운동 에너지에 의해 수차(1)가 회전하고, 수차(1)의 주축(主軸; main spindle)(2)이 발전기(3)를 회전시킨다. 발전기(3)는, 예를 들면, 영구 자석을 사용한 3상 동기(同期) 발전기여, 주축(2)에 커플링(도시하지 않음) 등으로 연결되어 있다. 주축(2)과 발전기(3)의 사이에, 도 6의 예와 같이 증속기(25)가 설치되어 있어도 된다.

발전기(3)에 부하를 접속하여 출력을 소비시키면, 수차(1)에 발전기(3)로부터 토크가 걸리고, 수차(1)의 회전이 제동된다. 부하 전력을 무겁게 하면 수차(1)의 회전 속도는 늦어지게 되고, 부하 전력을 가볍게 하면 수차(1)의 회전 속도는 빨라진다. 발전기(3)의 부하로서, 제어 장치(4)를 통해 부하 회로가 접속된다. 제어 장치(4)는, 유속에 따라, 발전기(3)의 토크를 증감시키고, 수차가 최적인 회전수로 회전하도록 제어하고 있다. 제어 장치(4)에는, DC/DC 컨버터나 인버터 등이 사용된다. 부하 회로(5)는 전기 기기(機器)나 부하 계통이다.

도 2는, 제어 장치(4)의 구체예를 나타낸다. 제어 장치(4)는, 발전기(3)의 발전 전력을 부하 회로(5)에 공급하는 주회로부(6)와, 이 주회로부(6)를 제어하는 제어 회로부(7)를 구비하고, 또한 발전 전력을 저장하는 배터리(8)를 구비하고 있다. 주회로부(6)는, 배터리(8)와 발전기(3)와의 사이에 순차로 개재된, 정류기(整流器)(9), 컨버터(10), 전류계(11),전압계(24), 및 스위칭 수단(12)을 구비한다.

정류기(9)는, 발전기(3)가 발전한 3상 교류의 전력을 직류로 정류(整流)하는 기기이며, 반도체 스위칭 소자의 하프 브리지 회로로 구성되어 있다. 컨버터(10)는, 예를 들면, 승압(昇壓) 초퍼로 이루어진다. 대신에, 컨버터(10)는 강압(降壓) 초퍼로 해도 된다. 스위칭 수단(12)은, 상기 정류가 행해진 직류 전력을 온 또는 오프하여 배터리(8)에 공급할 것인지의 여부를 전환하는 수단이다. 스위칭 수단(12)은, 반도체 스위칭 소자라도, 유접점 스위치라도 된다. 스위칭 수단(12)은, 게이트 회로(15)가 출력하는 제어 신호에 의해 온 또는 오프의 전환이 가능하다.

배터리(8)와 부하 회로(5)는 병렬이며, 발전기(3)의 발전 전력을 배터리(8)에 충전하면서, 부하 회로(5)에 급전(給電)할 수 있다. 상기 주회로부(6)는, 발전기(3)의 출력측에 배터리(8)와 부하 회로(5)를 병렬로 접속하고 있으므로, 출력 전압은 대략 일정하게 된다. 따라서, 스위칭 수단(12)의 개폐로 컨버터(10)의 출력 전류의 듀티 비를 조정함으로써, 발전기(3)의 출력 전력을 조정할 수 있다.

제어 회로부(7)는, 컴퓨터 등으로 이루어지고, 이 예에서는, 기본 제어 수단인 MPPT 제어 수단(13)으로 기본 제어를 행하여, 수차(1)의 실속에 대한 제어를 실속 대응 제어 수단(14)으로 행한다. MPPT 제어 수단(13) 및 실속 대응 제어 수단(14)은, 모두, 게이트 회로(15)의 제어에 의해 상기 스위칭 수단(12)을 개폐 제어함으로써, 출력 전력을 조정한다. 그리고, 제어 회로부(7)는, MPPT 제어 수단(13)은 다른 제어 방법을 채용하는 기본 제어 수단에 의해 기본 제어를 행하도록 해도 된다.

MPPT 제어 수단(13)은, 발전기(3)의 출력 전력의 변동에 대하여, 발전기(3)의 동작점이 항상 제어 상의 최대 출력 동작점을 추종하도록 변화시킴으로써, 발전기(3)로부터 최대의 출력을 인출하는 제어를 행하는 수단이다. 상기 최대 출력 동작점은, MPPT 제어 수단(13)에 의해 샘플링마다 얻어지는 동작점 중, 부하 회로(5)에 대한 출력이 최대가 되는 동작점이다. 동작점의 전력은, 전류계(11) 및 전압계(24)의 측정값으로부터 검출된다.

실속 대응 제어 수단(14)은, 전력 과거 현재값 검출 수단(16), 전력 과거 현재값 기억 수단(17), 회전수 과거 현재값 검출 수단(18), 회전수 과거 현재값 기억 수단(19), 차이 전력 연산 수단(20), 차이 회전수 연산 수단(21), 실속 판정 수단(22), 및 부하 경감·개방 수단(23)을 구비한다. 실속 대응 제어 수단(14)은, 일련의 실속 판정의 처리를 반복하여 행한다. 이 실시형태에서는, MPPT 제어로 상기 동작점을 찾으러 갈 때마다, 실속 판정 수단(22)에 의한 실속의 판정, 및 필요에 따라 상기 부하 경감·개방 수단(23)에 의한 처리를 행한다.

전력 과거 현재값 검출 수단(16)은, 상기 발전기(3)의 출력 전력 과거값 및 출력 전력 현재값을 검출한다. 출력 전력 현재값은, 상기 일련의 실속 판정마다 샘플링 시, 즉 이 예에서는 상기 MPPT 제어로 동작점을 찾으러 갈 때마다 샘플링을 행한 중 바로 옆의 샘플링 시의 출력 전력이다. 출력 전력 과거값은, 예를 들면, 바로 옆의 샘플링의 1회전방의 샘플링 시에서의 출력 전력이다. 출력 전력 과거값은, 최근의 복수 회의 샘플링의 출력 전력의 평균값이라도 된다. 상기 샘플링되는 출력 전력은, 예를 들면, 상기 전류계(11)에 의해 얻어진 전류에, 전압계(24)에 의해 얻어진 전압을 곱한 값으로 된다. 상기 출력 전압은, 상기 전류계(11)에 의해 얻어진 전류에, 배터리(8)의 전압으로 되는 일정한 전압을 곱한 값으로 해도 된다. 상기 출력 전압은, 전력계(도시하지 않음)를 설정하여 검출해도 된다, 전력 과거 현재값 기억 수단(16)은, 검출된 상기 발전기(3)의 출력 전력 과거값 및 출력 전력 현재값을 기억하는 수단이다.

회전수 과거 현재값 검출 수단(18)은, 발전기(3)에 구비된 회전 검출기(도시하지 않음)로부터, 발전기(3)의 회전수 과거값 및 회전수 현재값을 검출하는 수단이다. 회전수 과거값 및 회전수 현재값은, 출력 전압 과거값, 출력 전압 현재값과 같이, 바로 옆의 샘플링 및 그 1회 전의 샘플링 시에서의 회전수라도 된다. 회전수 과거 현재값 기억 수단(19)은, 검출된 상기 발전기(3)의 회전수 과거값 및 회전수 현재값을 기억하는 수단이다.

차이 전력 연산 수단(20)은, 전력 과거 현재값 기억 수단(17)에 기억된 발전기(3)의 출력 전력 과거값과 출력 전력 현재값의 차이 전력 ΔP을 연산하는 수단이다. 차이 회전수 연산 수단(13)은, 회전수 과거 현재값 기억 수단(19)에 기억된 발전기(3)의 출력 회전수 과거값과 출력 회전수 현재값의 차이 회전수 ΔN을 연산하는 수단이다.

실속 판정 수단(22)은, 상기 차이 전력 ΔP 및 차이 회전수 ΔN로부터 정해진 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라, 실속 상태인지의 여부를 판정하는 수단이다. 구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실속인 것으로 판정하는 실속 판정 영역 A와 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가, 차이 전력 ΔP과 차이 회전수 ΔN과의 관계를 나타내는 판정 곡선 a, b에 의해 구분되어 있다. 판정 곡선 a, b는, 도 3의 예의 같은 1개의 판정 곡선 d는 아니다. 실속 판정 곡선 a는, 차이 전력 ΔP이 상승했을 때 및/또는 차이 회전수 ΔN가 저하되었을 때 실속인 것으로 판정하기 위해 정해진 곡선이다. 복귀 판정 곡선 b는, 차이 전력 ΔP이 저하되었을 때 및/또는 차이 회전수 ΔN가 상승했을 때 비실속인 것으로 판정하기 위해 정해진 곡선이다. 양 곡선 a, b 간이 히스테리시스 영역의 실속 경계 영역 C으로 된다.

부하 경감·개방 수단(23)은, 실속 판정 수단(22)에 의해 실속인 것으로 판정되었을 때, 발전기(3)의 부하 전력을 경감 또는 개방하는 수단이다. 부하 경감·개방 수단(23)은, 구체적으로는, 게이트 회로(15)를 통해 스위칭 수단(12)의 개폐에 의해 컨버터(10)의 듀티를 저감하거나, 또는 스위칭 수단(12)을 계속 개방함으로써, 부하 전력의 경감 또는 개방을 행한다.

도 5를 참조하여, 상기 구성의 수력 발전 시스템에서의 실속 대응 제어의 흐름을 설명한다. 동 도면은, 도 2의 실속 대응 제어 수단(14)이 행하는 제어 처리의 흐름을 나타낸다. 동 도면의 제어 처리는, MPPT 제어로 동작점을 찾으러 갈 때마다 반복된다.

먼저, 회전수 검출 단계(S1)에서 발전기(3)의 회전수 과거값 및 회전수 현재값의 검출을 행하여, 전력 검출 단계(S2)에서 발전기(3)의 출력 전력 과거값 및 출력 전력 현재값의 검출을 행한다. 이들 검출된 회전수 과거값(전회값 N0) 및 회전수 현재값 N1, 및 출력 전력 과거값(전회값 P0) 및 출력 전력 현재값(P1)은, 각각, 회전수 기억 단계(S3) 및 전력 기억 단계(S4)에서, 회전수 과거 현재값 기억 수단(19) 및 전력 과거 현재값 기억 수단(17)에 기억된다. 기억 내용은, 제어 사이클마다 갱신된다.

기억된 회전수 과거값(전회값 N0)과 회전수 현재값 N1의 차이 회전수 ΔN을, 차이 회전수 연산 단계(S5)가 연산한다. 즉, ΔN=N0-N1을 연산한다. 기억된 출력 전력 과거값(전회값 P0)과 출력 전력 현재값 P1과의 차이 전력 ΔP를, 차이 전력 연산 단계(S6)가 연산한다. 즉, ΔP=P0-P1을 연산한다.

실속 판정 단계(S7)에서는, 연산된 차이 회전수 ΔN와 차이 전력Δ이, 미리 정해진 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라 실속인지의 여부를, 실속 판정 수단(22)에 의해 판정한다.

실속하고 있지 않는 것으로 판정된 경우에는, 제어 처리를 종료한다. 실속인 것으로 판정된 경우에는, 부하 경감·개방 단계(S8)에서, 부하 경감·개방 수단(23)에 의해, 게이트 회로(15)를 통해 스위칭 수단(12)을 개방하는 시간을 길게 하거나, 또는 계속 개방함으로써, 발전기(3)의 부하 전력을 저감하거나 또는 개방한다.

수력 발전 시스템에 의해 제어 장치(4)에 의한 MPPT 제어로 최대 전력점에 추종하고 있으므로, 수차(1)가 실속 상태에 빠지는 경우가 있어, 발전 전력의 대폭적인 저하를 초래하게 된다. 이에 대하여, 상기한 바와 같이, 실속 상태를 제어 장치(4)에 의해 판정하고, 부하 전력을 저감 또는 개방함으로써, 정상인 발전 상태로 할 수 있다. 이로써, 큰 발전 전력을 얻는 것이 가능해진다.

상기한 바와 같이 실속 상태를 판정하는 경우에, 도 3와 같이 실속 판정 영역 A와 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가 1개의 판정 곡선 d과 구분되어 있으면, 실속인 것으로 판정하여 부하 전력을 저감 또는 개방하고, 비실속 상태로 된 후, 수류의 유속 등은 큰 변화가 없기 때문에, 다시 실속하여, 실속 판정의 온 또는 오프의 반복 상태로 되는 헌팅이 생기는 경우가 있다.

이에 대하여, 이 실시형태에서는, 상기 실속 경계 조건으로서, 도 4와 같이, 실속인 것으로 판정하는 실속 판정 영역 A와 비실속인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역 B가, 차이 전력과 차이 회전수와의 관계를 나타내는 2개의 판정 곡선 a, b에 의해 구분되어 있다. 즉, 상기 판정 곡선은, 차이 전력이 상승했을 때 및/또는 차이 회전수가 저하되었을 때 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 곡선 a과 차이 전력이 저하되었을 때 및/또는 차이 회전수가 상승했을 때 비실속 상태인 것으로 판정하는 복귀 판정 곡선 b를 포함한다. 이들 곡선 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역 C가 구성되어 있다.

실속 판정 곡선 a에 의해 판정하거나, 복귀 판정 곡선 b에 의해 판정할 것인지는, 전회의 판정(전회의 제어 사이클)에 있어서, 비실속 상태와 실속 상태 중 어느 하나에 있었는지를 플래그(flag) 등을 사용하여 기억해 두고, 전회가 비실속 상태였던 때는 실속 판정 곡선 a를 사용하여 판정하고, 전회가 실속 상태였던 때는 복귀 판정 곡선 b를 사용하여 판정한다.

실속 판정 곡선 a를 초과하여 실속 판정 영역 A에 들어가 일단 실속인 것으로 판정된 경우, 상기 부하 전력의 저감 또는 개방으로 상기 실속 판정 곡선 a를 다시 초과하여 실속 경계 영역 C에 들어가도, 실속 판정 상태를 유지하고, 복귀 판정 곡선 b를 초과하여 비실속 판정 영역 B에 들어가면, 비실속 상태인 것으로 판정한다. 그러므로, 실속 판정의 헌팅이 방지되어, 제어가 안정된다.

전술한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서, 각종 추가, 변경 또는 삭제가 가능하다. 따라서, 그와 같은 것도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

1: 수차
3: 발전기
4: 제어 장치
16: 전력 과거 현재값 검출 수단
17: 전력 과거 현재값 기억 수단
18: 회전수 과거 현재값 검출 수단
19: 회전수 과거 현재값 기억 수단
20: 차이 전력 연산 수단
21: 차이 회전수 연산 수단
22: 실속 판정 수단
23: 부하 경감·개방 수단

Claims (4)

1. 수력으로 회전하는 수차(水車; water wheel);
   상기 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
   상기 발전기의 부하(負荷) 전력을 조정하여 상기 수차의 회전수를 제어하는 제어 장치;
   를 포함하는 수력 발전 시스템으로서,
   상기 제어 장치는,
   상기 발전기의 출력 전력 과거값 및 출력 전력 현재값을 검출하는 전력 과거 현재값 검출 수단;
   검출된 상기 출력 전력 과거값 및 상기 출력 전력 현재값을 기억하는 전력 과거 현재값 기억 수단;
   상기 발전기의 회전수 과거값 및 회전수 현재값을 검출하는 회전수 과거 현재값 검출 수단;
   검출된 상기 회전수 과거값 및 상기 회전수 현재값을 기억하는 회전수 과거 현재값 기억 수단;
   상기 출력 전력 과거값과 상기 출력 전력 현재값과의 차이 전력을 연산하는 차이 전력 연산 수단;
   상기 회전수 과거값과 상기 회전수 현재값과의 차이 회전수를 연산하는 차이 회전수 연산 수단;
   상기 차이 전력 및 상기 차이 회전수로부터, 상기 수차의 실속(失速; stall) 상태 또는 비실속(非失速) 상태를 판정하는 실속 판정 수단(stall determination means); 및
   상기 실속 판정 수단에 의해 실속 상태인 것으로 판정되면, 상기 발전기의 부하를 경감 또는 개방하는 부하 경감·개방 수단(load reducing/releasing means);을 구비하고,
   상기 실속 판정 수단이 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 영역과 상기 실속 판정 수단이 비실속 상태인 것으로 판정하는 비실속 판정 영역이, 상기 차이 전력과 상기 차이 회전수와의 관계를 나타내는 판정 곡선에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선은, 차이 전력이 상승했을 때 실속 상태인 것으로 판정하기 위한 실속 판정 곡선(stalling determination curve)과 차이 전력이 저하되었을 때 비실속 상태인 것으로 판정하기 위한 복귀 판정 곡선(recovery determination curve)을 포함하고, 이들 곡선 사이에는 히스테리시스(hysteresis) 영역으로서 실속 경계 영역(stall boundary region)이 구성되어 있는,
   수력 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 장치는, 상기 발전기의 출력 변동 대하여 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단을 구비하고, 상기 최대 전력 동작점을 찾으러 갈 때마다, 상기 실속 판정 수단이 상기 수차의 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하고, 상기 실속 상태로 판정되면, 상기 부하 경감·개방 수단이 상기 발전기의 부하를 경감 또는 개방하는, 수력 발전 시스템.
3. 수력으로 회전하는 수차;
   상기 수차의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 및
   상기 발전기의 부하 전력을 조정하여 수차의 회전수를 제어하는 제어 장치;
   를 포함하는 수력 발전 시스템을 제어하는 방법으로서,
   상기 발전기의 출력 전력의 과거값과 현재값과의 차이 전력을 구하는 차이 전력 연산 단계;
   상기 발전기의 회전수값의 과거값과 현재값과의 차이 회전수를 구하는 차이 회전수 연산 단계;
   상기 차이 전력과 차이 회전수와의 관계가, 미리 정해진 실속 경계 조건을 만족시키는지의 여부에 따라 실속 상태 또는 비실속 상태를 판정하는 실속 판정 단계; 및
   상기 실속 판정 단계에 있어서 실속 상태인 것으로 판정되면, 상기 발전기의 부하를 경감 또는 개방하는 부하 경감·개방 단계;
   를 포함하고,
   이들 단계는, 상기 제어 장치의 제어 사이클마다 반복되고,
   상기 실속 경계 조건은 상기 차이 전력과 상기 차이 회전수와의 관계를 나타내는 판정 곡선에 의해 정해져 있고, 실속 상태인 것으로 판정되는 실속 판정 영역과 비실속 상태인 것으로 판정되는 비실속 판정 영역이, 상기 판정 곡선에 의해 구분되고, 상기 판정 곡선은, 차이 전력이 상승했을 때 실속 상태인 것으로 판정하는 실속 판정 곡선과 차이 전력이 저하되었을 때 비실속 상태인 것으로 판정하는 복귀 판정 곡선을 포함하고, 이들 곡선 사이에는 히스테리시스 영역으로서 실속 경계 영역이 구성되어 있는,
   수력 발전 시스템의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 장치는, 상기 발전기의 출력 변동에 대하여 최대 전력 동작점을 추종 제어하는 MPPT 제어 수단을 구비하고, 상기 추종 제어로 상기 동작점을 찾으러 갈 때마다, 상기 차이 전력 연산 단계, 상기 차이 회전수 연산 단계, 상기 실속 판정 단계, 및 상기 부하 경감·개방 단계가 반복되는, 수력 발전 시스템의 제어 방법.

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