KR19980070253A - 파워 플랜트 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

전력을 전기 그리드에 전달하는 파워 플랜트를 제어하기 위한 방법. 이 그리드는 공칭 주파수 근처에서 변동하는 그리드 주파수를 갖는다. 제어 주파수가 상기 공칭 주파수 이하로 감소될 때는 전력 출력이 증가되고, 다른 한편으로 제어 주파수가 상기 공칭 주파수 이상일 때는 전력 출력이 감소되는 방식으로, 제어 주파수의 함수로서 상기 파워 플랜트의 전력 출력은 제어된다. 상기 그리드 주파수는 계속하여 측정된다. 이 측정 그리드 주파수는 평균되어, 이동 평균 (moving average) 으로서 그리드 주파수의 장기 거동 특성인 완만하게 변화는 평균 트렌드 주파수를 제공한다. 만약 상기 측정 그리드 주파수가 상기 평균 그리드 주파수 근처의 소정의 밴드내에 있다면, 이 평균 그리드 주파수는 상기 제어 주파수로서 사용된다. 만약 상기 측정 그리드 주파수가 상기 소정의 밴드밖에 있다면, 상기 측정 그리드 주파수가 상기 제어 주파수로서 사용된다.

Description

파워 플랜트 제어 방법
본 발명은 전력을 전기 그리드에 전달하는 파워 플랜트를 제어하는 방법으로서, 상기 그리드는 AC 그리드이고 공칭 주파수 ( fo ) 근처에서 변동하는 그리드 주파수를 가지며, 제어 주파수가 상기 공칭 주파수 ( fo ) 아래로 감소할 때 전력 출력은 증가되고 상기 제어 주파수가 상기 공칭 주파수 ( fo ) 이상으로 증가할 때 상기 전력 출력은 감소되는 방식으로 상기 파워 플랜트의 상기 전력 출력이 제어 주파수의 함수로서 제어되는 방법에 관한 것이다.
과거 수년간에 전력 생산 시장의 규제 철폐는 전력 공급자들간의 경쟁을 증가시켰다. 특히, 독립적 전력 공급업자들 (IPPS) 은 업계의 규칙들에 더욱 더 영향을 미치고 있다. 이런 증가된 경쟁 및 발전소를 작동시키기 위하여 필요한 높은 투자들은 발전소들의 신뢰성 및 유용성에 높은 기대를 불러왔다. 특히, 현재 산업화 단계에 있는 나라들은 계속적으로 성장하는 전력 요구 및 상대적으로 불안정한 그리드들을 특징으로 한다.
이런 상황에서, 주파수 응답을 제공하는 파워 플랜트들의 성능은 신뢰할 수 있는 그리드 동작을 지탱하기 위하여 가장 중요하다. 따라서 가스 터빈 사업에 대한 값싸고, 깨끗하며 신뢰할 수 있는 전력 공급을 위하여, 가스 터빈 구동 파워 플랜트들이 높고 빠른 주파수 변동들을 겪을 수도 있는 그리들내에 주파수 응답을 제공할 수 있는 것이 중요하다. 말레이지아의 최근 정전은 이런 필요의 긴급성을 강조하고 있다.
기술적으로는, 파워 플랜트의 주파수 응답 동작은 다음의 세가지 기본적 요구들:
1) 그리드 주파수의 주어진 강하마다 어떤 일정한 양의 전력을 자동적으로 제공하고,
2) 주어진 시간내에, 즉 어떤 일정한 전력 경사도로서, 상기 전력을 제공하고,
3) 넓은 범위의 환경 조건들 및 넓은 범위의 그리드 주파수들내에 상기 언급된 성능들을 제공할 수 있는 능력으로 요약될 수 있다.
가스 터빈들에 대하여, 이런 요구들의 만족은 온도 한계들, 경사도 한계들 (전력 및 온도) 및, 어떤 부분들이 견딜수 있는 부하 사이클들 개수의 한계들에서 그 한계들을 갖는다. 이런 한계들은 주파수 응답에 대한 업계 요구사항들을 만족시킬 수 있거나 심지어 능가할 수 있는 가스 터빈 제어 시스템에 의해서 및 건설적인 방법들에 의해서 극복되어야 한다.
다음으로는, GT 전력 제어기에 대한 신호들을 발생시켜 동적 GT 응답에 관한 그리드 요구사항들이 만족되고, 동시에 이런 동작 모드의 GT 의 평생의 소비상에 미치는 해로운 효과들이 감소되도록 하는 그리드 측정들에 대한 데이터 처리안이 설명된다.
본 발명에 따른 해답의 유리하고 편리한 부가적 전개가 종속항들에 나타나 있다.
도 1 은 주파수 동작 모드를 나타내는 도면.
도 2 는 정적 특성도.
도 3 은 데드 밴드-정적 특성도.
도 4 는 전형적인 그리드-전개를 나타내는 도면.
도 5 는 신호 분류들의 정의를 나타내는 도면.
도 6 은 신호 분류들의 예를 나타내는 도면.
도 7 은 신호 분류들의 정적 데드 밴드를 나타내는 도면.
도 8 은 신호 분류들의 트렌드를 나타내는 도면.
도 9 는 신호 분류들의 동적 데드 밴드를 나타내는 도면.
도 10 은 일정한 동적 데드 밴드를 갖는 GSP 출력을 나타내는 도면.
도 11 은 데드 밴드 축소/확장을 나타내는 도면.
도 12 는 데드 밴드 확장/확장을 나타내는 도면.
도 13 은 GSP 의 블록도.
도 14 는 데드 밴드 시프트를 나타내는 도면.
본 발명의 더욱 자세한 이해와 많은 그의 부수적 효과들은 첨부 도면들을 참조하여 고려된 다음의 상세한 설명에 참조가 될 것이다.
가스 터빈의 주파수 동작 모드는 드룹 특성이라 불리는 주어진 (선형) 특성에 따라 주파수 에러 (f ) 의 함수로서 GT 전력 제어기의 설정점 PC 을 자동적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다. 제어 루프의 기본적 구성이 도 1 에 묘사되어 있다: 측정 그리드 주파수 ( fm ) 는 주파수 설정점 ( fC ; 보통 50 Hz 또는 60 Hz) 과 비교된다. 결과적인 주파수 에러
f = fm- fC (2.1)
는 그리고 나서 로컬 그리드 코드에 의해 지정되는 드룹 특성 기재의 필요 전력 신호 PC 로 변환된다. 다음으로는, 관련 신호 처리 알고리듬들이 그리드 신호 프로세서로서 (GSP, 도 1 참조) 언급될 것이다. GSP 의 출력이 (오퍼레이터에 의해 선택되는) 전력 설정점 PC 에 더해져 총 필요 전력 출력 PCt 을 생산한다. 이 신호는 계속하여 전력 제어기로 전해져, 연료 대량 유출 (mf) 및/또는 가변 인렛 가이드 베인즈 (VIGV) 상에서 작동하여 측정 전력 출력 Pm 을 총 전력 필요 PCt 에 따라 조정한다. 신뢰할 수 있고 빠른 주파수 응답을 제공하는 이런 루프의 성능은 프로세스 역학 (GT 프로세스, 측정들, 엑츄에이터들), 전력 제어기의 역학 및, GSP 의 품질에 결정적으로 의존한다.
상기 설명의 밸런스는, 그리드 요구사항들이 충족되고 가스 터빈이 그의 평생의 소비상에 최소한의 영향을 미치며 작동하도록, 주파수 신호 (f ) 를 적절한 신호 PC 로 변환하는 GSP 에 대한 것이다.
정의 1드룹 특성은 주파수 응답 동작에서 가동되는 발전소의 주파수 에러에 관하여 전력 출력의 정지 변화 (stationary change) 를 결정하는 함수 P( f ) 이다.
이상적이고 선형적인 특성이 도 2 에 나타나 있다.
정의 2드룹은 도 2 에 정의되어 나타난 선형적 및 이상적 특성의 경사도를 결정한다. 드룹이 더 낮을수록, 드룹 특성의 경사도는 더 높다.
임의의 주파수 에러, 특히 측정 및/또는 그리드 노이즈에 의한 에러들에 대한 주파수 응답을 초래하기 때문에, 파워 플랜트들의 이상적 드룹 특성의 구현은 실용적이지 못하다. 이런 노이즈는 플랜트들의 전력 제어기의 노이즈성 명령 신호내로 들어가서, 플랜트의 출력 노이즈를 생성한다. 이것은 플랜트 오퍼레이터 및 그리드 오퍼레이터 양쪽에 원하지 않는 바이다: 플랜트 오퍼레이터에 대하여 노이즈성 신호들을 갖는 플랜트의 자극은 평생의 불필요한 소비를 초래한다. 이것은 특히 가스 터빈 파워 플랜트에 있어서 중요하다. 그리드 오퍼레이터에 대하여는 노이즈를 갖는 플랜트 출력은 원하지 않는 바인데, 이것은 그리드 노이즈 레벨을 증가시키기 때문이다. 그리드 노이즈가 그리드의 드룹 설정이 더 낮을수록 더욱 더 증폭된다는 것에 주목하라. 이런 이유로, 이상적 특성은 공칭 주파수 fo (도 3 을 참조) 근처에 중심이 있는 데드 밴드로 수정된다. 드룹 및 데드 밴드 양쪽 모두는 그리드 오퍼레이터에 의해 지정된다. 그런데, 이 특성은 디자인된 결과를 생성할 수 없다. 이 문제점은 이어지는 단락들에서 분석될 것이고, 그리드 및 플랜트 오퍼레이터의 요구사항들을 만족시키는 최적의 GSP 가 제공될 것이다.
가스 터빈 구동 파워 플랜트들의 최적화에 대한 기본은 그리드 역학의 분석이다. 도 4 에는 도시적인 예로서 브리티시 그리드 (British Grid) 의 전형적인 트레이스가 나타나 있다. 이런 데이터들은 가스 터빈의 평생동안에 그들이 미치는 영향을 중심으로하여 주파수들 및 진폭들에 관한 그들의 동적 특성에 관하여 분류될 수 있다. 이런 분석의 결과가 도 5 에 요약되어 있다. 본질적으로, 그리드의 동적 신호 내용은 세가지 분류의 상위 신호들 (superimposed signals) 로 나뉠 수 있다.
분류 1 - 신호들은 수십분의 시간적 경과에 대한 그리드의 장기 거동을 나타낸다(도 4 참조). 이런 형태의 동작은 또한 트렌드로서 언급되어진다. 이것은 전력 소비의 변동들 및 그리드 자체 역학에 의해 발생되어진다. 따라서, 그리드 소유자는 분류 1 - 신호들에 대한 주파수 응답을 받기를 원한다. 그들의 매우 낮은 경사도들 및 그들의 제한된 발생 주파수에 의하여, 분류 1 - 신호들은 GT 평생에 단지 낮은 영향을 미친다.
분류 2 - 신호들은 극히 높은 발생율 (1년에 수십만) 을 갖는 전체 주파수 스펙트럼에서 저진폭 신호들이다. 그들의 높은 발생율에 의해, 그들은 GT 평생 소비상에 커다란 영향을 미친다. 다른 한편으로, 그들은 기본적으로 확률적 효과들 (stochastic effects) (측정 노이즈, 그리드 노이즈 등) 에 의하여 발생되므로, 주파수 응답과는 관계가 없다. 따라서, 이런 형태의 신호들에 대한 주파수 응답을 억제하는 것은 그리드 소유자 및 플랜트 오퍼레이터를 위해서이다.
분류 3 - 신호들은 매우 높은 주파수 내용, 높은 진폭들 (전형적으로 펄스들 또는 스텝들) 및, 비교적 낮은 발생 주파수 등을 특징으로 한다. 이런 신호들은 파워 플랜트의 트립(trip)같은 갑작스런 그리드 이벤트들에 의하여 발생된다. 그리드 오퍼레이터에 대하여는, 이런 형태의 이벤트들에 대한 신뢰할 수 있는 주파수 응답을 얻는 것이 지극히 중요하다. 이런 이벤트들이 다른 분류의 신호들에 비하여 매우 드물기 때문에, GT 평생 소비상에 그들이 미치는 영향은 비교적 낮다.
도 6 에는 상기 설명된 신호 형태들을 나타내는 전형적인 트레이스가 나타나 있다. 상기 분석에 기초하여, GSP 는 특정 드룹에 따라 신호 분류 1 및 3 에 대한 주파수 응답을 제공하고, 분류 3 - 신호들에 대한 주파수 응답을 억제하도록 구성되어 있다. 이러한 GSP 구성의 핵심은 유용한 주파수 측정과 상기 세가지 분류들을 구분하는 것이다.
동적 데드 밴드의 개념 및 메카니즘: 새로운 GSP 의 중심은 상기 설명된 정적 데드 밴드를 동적 데드 밴드로 교체하는 것이다. 이러한 유도는 도 7 에 나타난 트레이스를 분석함으로써 더욱 분명해진다. 트렌드 (분류 1 - 신호) 가 대부분의 시간동안에 정적 데드 밴드밖에 존재하기 때문에, 정적 데드 밴드는 다른 것들과 분류 3 신호를 식별할 수 없다는 것이 도면으로부터 명백해진다. 그런데, 상기 트렌드는 그리드의 장기 거동에 의해 정의되므로, 그것은 트렌드 필터로 그리드 주파수 측정의 적절한 필터링에 의해 구성될 수 있다(도 8 참조). 분류 3 - 신호들은 전체 주파수 범위를 차지하고 있다는 것을 상기하면, 그들이 동적 필터들에 의해 식별될 수 없다는 것이 명백하다. 다른 한편으로, 도 5 및 도 8 은 그들이 분류 1 - 신호들에 관하여 그 진폭에 의해 식별될 수 있다는 것을 제시하고 있다. 달리 말하면: 트렌드로부터의 어떤 작은 변이도, 정의에 의하여, 분류 3 - 신호들이고, 따라서 주파수 응답을 위하여 억제되어야 한다. 이것은 공칭 주파수 fo 보다 오히려 트렌드 근처에서 중심을 갖는 데드 밴드를 실현함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 이 데드 밴드의 위치는 트렌드에 따라 변화하므로, 그것은 동적 데드 밴드라 불린다.
트렌드 신호는 동적 데드 밴드와 더불어 분류 3 - 신호들을 탐지하는 메카니즘을 또한 제공하고 있다: 정의에 의하여, 동적 데드 밴드를 떠나는 임의의 그리드 신호는 분류 3 - 신호 (고진폭, 고주파수) 이다. 그 원리는 도 9 에 도시되어 있다.
GSP 동작의 기본 메카니즘은 이제 다음으로 요약될 수 있다: 이상적 특성 (도 2 참조) 에 전해진 신호는 측정 그리드 신호가 동적 데드 밴드내에 있는 한은 트렌드 신호이고, 그것은 그리드 신호가 동적 데드 밴드를 떠나는 시간 구간들 동안의 측정 그리드 신호이다. 이런 식으로, 주파수 응답은 그리드에 관련된 이벤트들에 제한되어 있고, 그리드 노이즈는 대부분의 시간동안에 억제되어 있다. 분류 3 - 신호들에 응답할 때 그들이 분류 2 - 신호들과 겹쳐지는 주파수 범위를 가질 수도 있기 때문에 그리드 노이즈는 억제될 수 없다. 그런데, 분류 3 - 이벤트들이 드물고 이런 이벤트들 동안에 평생에 미치는 지배적 영향이 분류 3 - 신호이지 분류 2 - 신호가 아니기 때문에 (분류 3 의 더 높은 진폭 때문에), 이것은 GT 평생에는 중요하지 않다. 이런 메카니즘으로 얻어지는 전형적인 트레이스가 도 10 에 나타나 있다.
데드 밴드 전략들은 다음과 같다.
a) 축소/확장의 측면에서: 도 10 에 도시된 트레이스는 측정 주파수 신호가 데드 밴드에 가까이 있을 때 발생하는 문제점을 나타낸다. 이런 상황에서는 (분류 2 - 신호들에 의해 야기된 ) 데드 밴드내로의 재진입들 및 탈출이 있을 수 있고, 이들은 매번 트렌드 신호로부터 주파수 측정으로 다시 트렌드로의 점프를 트리거한다. 이 효과는 채터링 (chattering) 이라 불린다. 채터링은 축소 데드 밴드를 사용함으로써 피할 수 있다. 이 생각은 측정 주파수가 데드 밴드를 떠나자 마자 매우 적은 값으로 데드 밴드를 감소시킨다는 것이다. 이런 식으로, 채터링은 분류 2 - 신호들에 의해 트리거될 수 없다. 데드 밴드는 측정 주파수가 축소 데드 밴드로 재진입하자마자 다시 확장된다. 이런 메카니즘은 개략적으로 도 11 에 나타나 있고, 도 12 에 간단한 주파수 트레이스에 대하여 묘사되어 있다. 데드 밴드 축소의 결과로서, GSP 출력은 그것이 축소 데드 밴드로 들어갈 때까지 분류 2 - 신호들을 갖게 될 것이다. 이것은 GT 평생에 어떤 문제도 발생하지 않는데, 이는 분류 3 이벤트들 (따라서 데드 밴드 축소/확장) 이 상대적으로 희박하고, 데드 밴드 재진입이 발생할 때까지 필요로 되어지는 시간이 비교적 짧기 (그리하여 분류 2 이벤트들의 개수의 낮음) 때문이다. 도 13 은 그리드 신호 처리의 블록도이다. 이 블록도는 종래 기술에 숙련된 사람에게는 이해가능한 것이다.
b) 데드 밴드 시프트의 측면에서: 데드 밴드 축소에 대한 필요없이 채터링 문제를 처리하는 또 다른 방법은 데드 밴드 시프트이다. 이런 메카니즘으로, 트렌드 필터는 매번 다시 초기화되고, 측정 주파수는 데드 밴드로 재진입한다. 이때, 트렌드 필터는 재진입시의 측정 주파수로 초기화된다. 결과적으로, 데드 밴드 (트렌드 근처에 중심이 있음) 가 그의 총 폭의 절반만큼 시프트된다. 이런 식으로, 데드 밴드로의 매끄러운 재진입이 고립 분류 3 - 이벤트들에 대하여 확립되고, 채터링이 분류 2 - 신호들에 의하여 트리거되는 재진입들의 경우에 제거되어 진다. 분류 2 재진입이 새로운 트렌드에 관한 더 많은 분류 2 - 이벤트들을 계속적으로 제거하는 데드 밴드 시프트를 초래할 것이기 때문에 후자는 달성되어진다. 도 14 에 트레이스의 일례가 나타나 있다.
c) 데드 밴드 탈출 지정 시간의 측면에서: 또 다른 전략은 측정 주파수가 데드 밴드밖에 있게 되는 최대 시간을 지정하는 것이다. 상기 설명된 데드 밴드 시프트와 관련하여, 이 메카니즘은 드룹 특성을 겪게 되는 분류 2 - 이벤트들의 개수를 최소화하는 가능성을 제공한다.
본 발명에 의하여 가스 터빈 구동 파워 플랜트들이 높고 빠른 주파수 변동들을 겪을 수도 있는 주파수 응답을 그리들내에 제공하게 된다.

Claims (13)

  1. 전력을 전기 그리드에 전달하는 파워 플랜트를 제어하는 방법으로서,
    상기 그리드는 AC 그리드이고 공칭 주파수 ( fo ) 근처에서 변동하는 그리드 주파수를 가지며,
    제어 주파수가 상기 공칭 주파수 ( fo ) 아래로 감소할 때 전력 출력은 증가되고 상기 제어 주파수가 상기 공칭 주파수 ( fo ) 이상으로 증가할 때 상기 전력 출력은 감소되는 방식으로, 상기 파워 플랜트의 상기 전력 출력이 제어 주파수의 함수로서 제어되는 방법에 있어서,
    상기 그리드 주파수는 계속하여 측정되고,
    상기 측정 그리드 주파수 ( fm ) 는 평균되어 이동 평균으로서 상기 그리드 주파수의 장기 거동의 특성인 트렌드 주파수로서 완만하게 변화하는 평균 그리드 주파수를 제공하고,
    상기 평균 그리드 주파수는 만약 상기 측정 그리드 주파수가 상기 평균 그리드 주파수 근처의 데드 밴드같은 소정의 밴드내에 있다면 상기 제어 주파수로서 사용되고,
    상기 측정 그리드 주파수는 상기 측정 그리드 주파수가 상기 소정의 밴드밖에 있다면 상기 제어 주파수로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워 플랜트는 가스 터빈 (GT) 을 포함하며, 상기 가스 터빈의 상기 출력 전력은 상기 제어 주파수의 함수로서 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출력 전력은 상기 제어 주파수의 선형 또는 비선형 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데드 밴드는 상단 데드 밴드 및 하단 데드 밴드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상단 데드 밴드 및 하단 데드 밴드는 시간의 경과에 따라 동일하거나 동일하지 않거나 또는 가변적인 밴드폭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 공칭 주파수 ( fo ) 는 50 Hz 또는 60 Hz 이고, 상기 상단 및 하단 데드 밴드의 상기 밴드폭은 약 0.015 Hz 인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데드 밴드의 상기 밴드 폭은 일정하게 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데드 밴드의 상기 밴드폭은 상기 측정 그리드 주파수가 상기 데드 밴드내에 있는한은 제 1 레벨상에 유지되고,
    만약 상기 측정 그리드 주파수가 상기 데드 밴드의 경계들을 넘어 상기 데드 밴드를 떠나게 된다면, 상기 데드 밴드의 상기 밴드폭은 상기 제 1 레벨보다 더 낮은 제 2 레벨로 감소되고,
    만약 상기 측정 그리드 주파수가 밴드폭이 감소된 상기 데드 밴드의 상기 경계들을 넘어 상기 데드 밴드에 재진입하면, 상기 데드 밴드의 상기 밴드폭은 상기 제 2 레벨로부터 다시 상기 제 1 레벨로 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 밴드폭의 상기 제 1 레벨은 약 0.030 Hz 인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 측정 그리드 주파수가 전에 상기 데드 밴드를 떠난후 다시 이에 재진입할때마다, 상기 측정 그리드 주파수를 평균하여 상기 평균 그리드 주파수를 제공하는 과정은 중단되고 새로운 평균 과정이 시작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    만약 상기 측정 그리드 주파수가 상기 데드 밴드밖에 상기 측정 그리드 주파수가 소정의 최대 시간동안 보다 더 길게 있다면, 상기 측정 그리드 주파수를 평균하여 상기 평균 그리드 주파수를 제공하는 과정은 중단되고 새로운 평균 과정이 시작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 그리드 주파수를 평균하여 상기 평균 그리드 주파수를 제공하는 과정은 필터링 수단에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 필터링 수단은 저역통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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