KR20090087747A - 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20090087747A
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전지훈
김형섭
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법은 정전이나 급격한 전력 부하 감소에 의해 발생되는 엔진의 역조류를 방지하도록 한다. 본 발명은 전력 부하의 용량에 따라 발전 전력을 가변시켜 공급하도록 병렬 연계된 적어도 하나의 열병합 발전 유닛을 포함하고, 전력 공급원에서 공급되는 수전 전력의 R 상, S 상 및 T 상 중 어느 한 상을 감지하여 감지 신호를 출력하는 측정 유닛, 상기 감지 신호에 기초하여, 역조류 방지 정보 및 스위치 동작 신호를 출력하는 메인 열병합 발전 유닛 및 상기 스위치 동작 신호에 따라 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 상기 역조류 방지 신호를 출력하는 스위치 유닛을 포함하는 열병합 발전 시스템을 제공한다.
Figure P1020080013179
스위치 유닛, 열병합 발전 유닛

Description

열병합 발전 시스템 및 그 제어방법{Cogeneration system and the controll methode}
본 발명은 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정전이나 급격한 전력 부하 감소에 의해 발생되는 엔진의 역조류를 방지하는 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다
일반적으로 열병합 발전 시스템은 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.
이와 같은, 열병합 발전 시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전을 하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합 열효율을 70 ~ 80% 까지 높이는 것이 가능하여, 건축물의 전력, 열원으로 주목받고 있으며, 특히 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용 방식이다.
최근에는 열병합 발전 시스템은 발전기를 구동시켜 전력을 생성시킴과 아울러 발전기의 구동시 발생 된 열을 이용하는 것으로서, 발전 장치를 건물에 설치하고, 발전 장치에서 생성된 전력을 발전 장치가 설치된 건물 내의 조명이나 각종 전 기 기기에 공급시키며, 발전 장치에서 발생 된 열을 급탕 등에 이용하는 추세이다.
그러나, 종래의 열병합 발전 시스템은 건물 내부의 전력 부하가 작고, 열 부하가 클 경우 발전 장치를 가동하여 열 부하로 충분한 열을 공급할 때, 건물 내부의 전력 부하가 작아서 발전 장치에서 생성된 전력이 상용 전원 측으로 나가게 되는 역조류 현상이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 최근에는 열병합 발전 시스템은 역조류 현상을 방지하기 위하여 저가의 장비 및 코제너레이션의 역조류 현상 발생 시 시스템을 정지시키지 않도록 하는 연구가 진행 중이다.
본 발명은 정전이나 급격한 전력 부하 감소에 의해 발생되는 엔진의 역조류를 방지하는 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 열병합 발전 시스템은 전력 부하의 용량에 따라 발전 전력을 가변시켜 공급하도록 병렬 연계된 적어도 하나의 열병합 발전 유닛을 포함하고, 전력 공급원에서 공급되는 수전 전력의 R 상, S 상 및 T 상 중 어느 한 상을 감지하여 감지 신호를 출력하는 측정 유닛, 상기 감지 신호에 기초하여, 역조류 방지 정보 및 스위치 동작 신호를 출력하는 메인 열병합 발전 유닛 및 상기 스위치 동작 신호에 따라 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 상기 역조류 방지 신호를 출력하는 스위치 유닛을 포함한다.
또한, 본 발명의 열병합 발전 시스템의 제어방법은 수전 전력의 전력값과 설정값을 비교하여, 역조류 방지 조건인지 판단하는 단계 및 상기 판단 결과에 따라, 적어도 하나의 열병합 유닛으로 역조류 방지 신호를 전달하여, 엔진을 무부하 운전시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법은 병렬 연계된 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 공급되는 상용 전력에 대한 측정 정보를 통하여 역조류 발생 조건을 판단하여, 적어도 하나의 열병합 발전 유닛을 실질적으로 동시에 무부하 운 전시켜 역조류를 방지하는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법은 적어도 하나의 열병합 발전 유닛 중 어느 하나에 나머지 열병합 발전 유닛으로 역조류 발생 신호를 공급하는 스위치를 포함하여, 적어도 하나의 열병합 발전 유닛에 대한 동시 제어가 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법은 적어도 하나의 열병합 발전 유닛이 보호 계전기 동작 이전에 역조류 방지를 위한 무부하 운전이 가능함으로써, 시스템의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열병합 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 열병합 발전 시스템은 전력 공급원으로부터 수전 전력이 공급된다.
본 발명의 열병합 발전 시스템은 메인 열병합 발전 유닛(10), 메인 열병합 발전 유닛(10)과 병렬 연계되는 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16), 상기 수전 전력을 감지하여 제1 신호 라인(S1)과 연결되는 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 포함된 엔진 구동부(미도시)로 전달하여, 엔진(미도시)으로 공급되는 상기 수전 전력의 차단 여부에 대한 차단 신호를 출력하는 보호 계전기(20), 상기 수전 전력의 3상 중 어느 한 상의 전력을 감지하여 메인 열병합 발전 유닛(10)으로 감지 신호를 출력하는 측정 유닛(22), 메인 열병합 발전 유닛(10)으로부터 출력되는 스위치 동작 신호에 따라 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 포함되는 상기 엔진 구동부로 상기 엔진을 무부하 운전시키도록 역조류 방지 신호를 제2 신호 라인(S2)을 통하여 공급하는 스위치 유닛(30) 및 설정 전력 이상의 상기 수전 전력이 전력 라인(P)를 통하여 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 공급되는 것을 차단하는 차단 유닛(40)을 포함한다.
측정 유닛(22)은 상기 수전 전력의 3상 중 하나의 상을 감지하고, 감지된 전력값에 대한 상기 감지 신호를 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 보호 계전기(20)로 전달한다.
여기서, 측정 유닛(22)은 상기 수전 전력을 실시간 또는 소정 시간 간격으로 상기 감지 신호를 전달한다.
메인 열병합 발전 유닛(10)은 상기 감지 신호에 따라 스위치 유닛(30)으로 상기 스위치 동작 신호를 출력한다.
즉, 메인 열병합 발전 유닛(10)은 상기 감지 신호에 대한 전력값과 설정값을 비교하여, 상기 전력값이 상기 설정값 보다 작으면 스위치 유닛(30)이 오프되는 상기 스위치 동작 신호를 출력하고, 상기 전력값이 상기 설정값 보다 크면 스위치 유닛(30)이 온되는 상기 스위치 동작 신호를 출력한다.
또한, 메인 열병합 발전 유닛(10)은 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)과 통신 라인(M)으로 연결되며, 상기 스위치 동작 신호과 실질적으로 동일한 시점에 상기 역조류 방지 정보를 전달한다.
스위치 유닛(30)은 상기 스위치 동작 신호에 기초하여 온 또는 오프되어, 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 포함된 상기 엔진 구동부로 상기 역조류 방지 신호를 전달한다.
여기서, 스위치 유닛(30)은 마그네틱 스위치인 것이 바람직하며, 일측이 메인 열병합 발전 유닛(10)과 연결되며, 타측이 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)과 연결되며, 스위치 동작에 따라 동시에 온 또는 오프되도록 한다.
제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)은 상기 역조류 방지 정보 및 상기 역조류 방지 신호에 기초하여, 상기 엔진 구동부는 상기 엔진을 무부하 운전시킨다.
여기서, 메인 열병합 발전 유닛(10) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)은 상기 수전 전력을 통하여 발전 전력을 발생시키며, 전력 부하(1)의 용량에 따라 상기 발전 전력의 전력량을 조절하여 공급한다.
보호 계전기(20)는 상기 감지 신호 및 상기 수전 전력의 3상을 측정하여 상기 엔진 구동부로 상기 차단 신호를 전달한다.
여기서, 보호 계전기(20)는 상기 엔진 구동부로 전달하는 상기 차단 신호가 시간적으로 스위치 유닛(30)으로부터 전달되는 상기 역조류 방지 신호보다 늦게 전달한다.
차단 유닛(40)은 상기 수전 전력을 차단하는 통합 차단 유닛(41), 통합 차단 유닛(41)과 분기 된 전력 라인(P)으로 연결되며 메인 열병합 발전 유닛(10)으로 공급되는 상기 수전 전력을 차단하는 메인 차단 유닛(43) 및 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 공급되는 상기 수전 전력을 차단하는 제1, 2, 3 차단 유닛(45, 47, 49)을 포함한다.
여기서, 메인 차단 유닛(43) 및 제1, 2, 3 차단 유닛(45, 47, 49)은 정전이나 과부하에 의해 전기적으로 차단되는 장치이며, 차단된 후 상기 수전 전력이 재 공급되기 위해서는 사용자에 의해 동작하게 된다.
도 2 는 도 1 에 도시된 메인 열병합 발전 유닛의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 를 참조하면, 메인 열병합 발전 유닛(10)은 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)과 실질적으로 동일한 구성으로 이루어진다.
따라서, 도 2 에는 메인 열병합 발전 유닛(10)에 대해서만 그 구성을 설명한다.
메인 열병합 발전 유닛(10)은 엔진(3) 및 발전기(4)를 운전시키는 엔진 구동부(5), 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 각각 포함되는 통신부(미도시)와 통신 라인(M)으로 연결되어 역조류 방지 정보를 전송하는 메인 통신부(7) 및 엔진 구동부(5) 및 메인 통신부(7)를 제어하고, 측정 유닛(22)에서 감지된 상기 감지 신호에 따라 스위치 유닛(30)으로 스위치 동작 신호를 전달하는 메인 컨트롤러(9)를 포함한다.
엔진 구동부(5)는 엔진(3)에 의해 구동되어 발전기(4)로 발전 전력을 발생시 키고 전력 부하(1)로 전달되도록 제어한다.
여기서, 엔진 구동부(5)는 메인 컨트롤러(9) 또는 스위치 유닛(30)으로부터 전달되는 역조류 방지 신호 및 보호 계전기(20)로부터 전달되는 차단 신호에 따라 엔진(3)을 무부하 운전시킨다.
이때, 엔진 구동부(5)는 메인 컨트롤러(9)의 제어에 따라 엔진(3)을 재운전시킨다.
메인 통신부(7)는 메인 컨트롤러(9)로부터 상기 역조류 방지 정보를 전달받아 통신 라인(M)으로 연결된 상기 통신부로 전달한다.
여기서, 상기 통신부는 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 각각 포함되는 컨트롤러(미도시)로 전달하여, 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 각각 포함되는 엔진 구동부(미도시)를 제어하도록 한다.
메인 컨트롤러(9)는 측정 유닛(22)의 상기 감지 신호에 대한 전력값과 설정값을 비교하고, 역조류 방지 조건인지 판단하여 스위치 유닛(30)으로 스위치 동작 신호를 생성한다.
즉, 메인 컨트롤러(9)는 상기 전력값이 상기 설정값 보다 작으면 스위치 유닛(30)으로 스위치 오프에 대한 상기 스위칭 동작 신호를 전달하여, 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 상기 역조류 방지 신호를 전달하도록 한다.
또한, 메인 컨트롤러(9)는 상기 전력값이 상기 설정값 보다 높으면 스위치 유닛(30)으로 스위치 온에 대한 상기 스위칭 동작 신호를 전달하여, 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 상기 역조류 방지 신호가 전달되지 않도록 한다.
여기서, 본 발명에서 스위치 유닛(30)은 스위치 오프에 대한 상기 스위치 동작 신호 인가 전에 실질적으로 항상 스위치 온 된 상태인 것으로 설명하며, 메인 컨트롤러(9)에서 스위치 오프에 대한 상기 스위치 동작 신호가 전달되면 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 상기 역조류 방지 신호가 전달되는 것으로 설정된 것임을 알 수 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정을 두지 않으며 이와 반대의 경우도 가능할 것이다.
메인 컨트롤러(9)는 상기 스위치 동작 신호 인가와 실질적으로 동일한 시점에서 메인 통신부(5)를 제어하여 상기 역조류 방지 정보를 상기 통신부로 전달하도록 한다.
제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)은 상기 역조류 방지 신호 및 상기 역조류 방지 정보에 기초하여, 각각의 상기 엔진 구동부로 상기 엔진이 무부하로 동작되도록 한다.
즉, 메인 컨트롤러(9)는 보호 계전기(20) 동작 전 역조류 방지에 대하여 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 상기 역조류 방지 신호 및 상기 역조류 방지 정보를 전달한다.
따라서, 본 발명의 열병합 발전 시스템은 스위치 유닛을 사용함으로써, 역조류 방지를 위하여 엔진을 무부하 운전시키도록 함으로써, 역조류 조건을 사전에 방지하여 차단 유닛(40)에 의한 수전 전력이 완전 차단시 엔진의 파손을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 3 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나 타내는 순서도이다.
도 3 을 참조하면, 본 발명의 열병합 발전 시스템의 측정 유닛(22)은 수전 전력의 R 상, S 상 및 T 상 중 어느 한 상의 전력값을 감지하여 감지 신호를 생성하여 메인 열병합 발전 유닛(10)으로 전달한다(S100).
메인 열병합 발전 유닛(10)의 메인 컨트롤러(9)는 상기 감지 신호의 상기 전력값과 설정값을 비교하여 역조류 방지 조건인지 판단한다(S102).
즉, 메인 컨트롤러(9)는 상기 전력값이 상기 설정값 보다 작으면 스위치 유닛(30)으로 스위치 오프에 대한 스위치 동작 신호를 출력하고, 상기 전력값이 상기 설정값 보다 크면 스위치 유닛(30)으로 스위치 온에 대한 스위치 동작 신호를 출력 및 메인 통신부(7)를 통하여 각각의 통신부로 상기 역조류 방지 정보를 전송하도록 제어한다.
여기서, 스위치 유닛(30)은 스위치 오프에 대한 상기 스위치 동작 신호에 따라 오프로 동작하여, 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 포함되는 각각의 엔진 구동부 및 메인 열병합 발전 유닛(10)의 엔진 구동부(5)로 역조류 방지 신호를 전달하고, 스위치 온에 대한 상기 스위치 동작 신호에 따라 온으로 동작하여 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)에 포함되는 각각의 엔진 구동부 및 메인 열병합 발전 유닛(10)의 엔진 구동부(5)로 엔진을 정상 운전시키도록 한다(S104).
엔진 구동부(10) 및 상기 엔진 구동부는 상기 역조류 방지 신호에 따라 엔진(3) 및 상기 엔진 구동부에 의해 제어되는 엔진을 무부하 운전시킨다(S106).
메인 컨트롤러(9)는 엔진(3) 및 상기 엔진이 무부하 운전 시간과 설정된 소 정 시간을 경과하였는지 판단한다(S108).
메인 컨트롤러(9)는 무부하 운전 시간이 상기 소정 시간을 경고하는 경우, 전력 부하(1)의 용량을 산출하고, 그에 따라 메인 통신부(7)를 통하여 제1, 2, 3 열병합 발전 유닛(12, 14, 16)으로 송신하고, 엔진 구동부(5)로 전력 부하(1)의 용량에 대응되는 발전 전력을 생성하도록 엔진(3)을 재 운전시킨다.
본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법은 적어도 하나의 열병합 발전 유닛 중 하나의 열병합 발전 유닛으로부터 역조류 방지 조건에 따라 스위치 동작하는 스위치 유닛을 구비하여, 나머지 열병합 발전 유닛으로 역조류 방지 신호를 전달하여 엔진을 무부하 운전시킴으로써, 보호 계전기에 의해 운전 정지되지 않도록 역조류를 방지하여 엔진의 파손을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위에 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열병합 발전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 메인 열병합 발전 유닛의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10, 12, 14, 16: 열병합 발전 유닛 20: 보호 계전기
22: 측정 유닛 30: 스위치 유닛
40: 차단 유닛

Claims (12)

  1. 전력 부하의 용량에 따라 발전 전력을 가변시켜 공급하도록 병렬 연계된 적어도 하나의 열병합 발전 유닛을 포함하는 열병합 발전 시스템에 있어서,
    전력 공급원에서 공급되는 수전 전력의 R 상, S 상 및 T 상 중 어느 한 상을 감지하여 감지 신호를 출력하는 측정 유닛;
    상기 감지 신호에 기초하여, 역조류 방지 정보 및 스위치 동작 신호를 출력하는 메인 열병합 발전 유닛; 및
    상기 스위치 동작 신호에 따라 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 상기 역조류 방지 신호를 출력하는 스위치 유닛을 포함하는 열병합 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수전 전력의 R 상, S 상 및 T 상 중 적어도 두 상을 감지하며 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 차단 신호를 출력하는 보호 계전기를 더 포함하는 열병합 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수전 전력이 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 공급되는 것을 외부에서 차단하는 차단 유닛을 더 포함하는 열병합 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 열병합 발전 유닛은,
    상기 발전 전력을 가변시키도록 엔진 및 발전기를 제어하는 엔진 구동부;
    상기 역조류 방지 정보를 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛으로 전송하는 메인 통신부; 및
    상기 감지 신호에 대한 전력값을 산출하고, 설정값과 비교하여 역조류 발생 조건 여부를 판단하여 스위치 동작 신호 및 상기 역조류 방지 정보를 출력하는 메인 컨트롤러를 포함하는 열병합 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 메인 컨트롤러는,
    상기 전력값이 상기 설정값 보다 작으면 상기 스위치 유닛으로 스위치 오프에 대한 상기 스위치 동작 신호를 출력하고,
    상기 전력값이 상기 설정값 보다 높으면 상기 스위치 유닛으로 스위치 온에 대한 상기 스위치 동작 신호를 출력하는 열병합 발전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 메인 컨트롤러는,
    상기 역조류 방지 신호 출력 후, 소정 시간 경과 후 상기 수전 전력 및 상기 전력 부하의 용량을 재측정하여 상기 엔진 구동부를 제어하는 코제너레이션 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 엔진 구동부는,
    상기 역조류 방지 신호 및 상기 역조류 방지 정보 중 어느 하나에 따라 상기 엔진을 무부하 운전시키는 열병합 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 유닛은,
    마그네틱 스위치인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 유닛은,
    일측이 상기 메인 열병합 발전 유닛과 연결되고, 타측이 상기 적어도 하나의 열병합 발전 유닛과 병렬 연결되는 열병합 발전 시스템.
  10. 수전 전력의 전력값과 설정값을 비교하여, 역조류 방지 조건인지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과에 따라, 적어도 하나의 열병합 유닛으로 역조류 방지 신호를 전달하여, 엔진을 무부하 운전시키는 단계를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 엔진의 무부하 운전 시간이 소정 시간을 경과하였는지 판단하는 단계를 더 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 엔진의 무부하 운전 시간이 상기 소정 시간을 경과 한 경우, 전력 부하의 용량에 따라 상기 엔진을 정상 재운전시키는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
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