KR20150093848A - 내연기관의 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

그리드 (1) 로부터 로컬 파워 네트워크 (2) 를 분리시키는 경우에, 로컬 파워 네트워크에서 발전기 세트의 제어 모드를 kW 모드 (31) 에서 속도 드룹 모드 (32) 로 변경하는 것이 제공된다. 상기 변경하기 위한 단계는 상기 속도 드룹 모드의 드룹 기능을 불능화하도록 (53) 그리고 속도 기준값을 발전기 세트의 엔진의 정격 속도로 유지하도록 (54) 병렬식 하위 단계들을 또한 포함하는 지연 단계 (51) 를 포함한다. 상기 지연 단계 이후에, 활성화 단계 (52) 는 드룹 기능을 기능화시킨다.

Description

내연기관의 제어 시스템 {A CONTROL SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본원은 그리드 트립 (grid trip) 이 발생하면 발전기 세트들을 제어하는 제어 배열체에 관한 것이다.
그리드 트립은, 파워 네트워크의 일부가 유틸리티 그리드/전기 그리드, 즉 실제로 나머지 메인 파워 네트워크로부터 분리되는 것을 의미한다. 네트워크 (메인 네트워크) 의 나머지를 종종 그리드라고 한다. 이러한 분리의 이유로는, 예를 들어 그리드에서 큰 변환기의 단락 또는 고장일 수 있다. 로컬 파워 네트워크들에는 그리드와 로컬 네트워크를 접속 그리고 분리시키기 위한 그리드 브레이커 배열체가 종종 제공된다. 로컬 네트워크는, 예를 들어 공장의 파워 네트워크이다.
도 1 에서는 브레이커들 (6) 의 켜짐 및/또는 꺼짐을 제어하는 그리드 브레이커 릴레이 (3) 를 구비한 그리드 브레이커 배열체의 일예를 도시한다. 심각한 고장으로 인해 로컬 네트워크 (2) 가 그리드로부터 분리되어야 한다면, 그리드 브레이커 릴레이는 고장에 반응하고 그리고 브레이커들을 구동시킨다. 도 1 에서는 로컬 네트워크가 그리드 (1) 에 접속되는 통상의 상황을 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 로컬 네트워크에서 부하들 (5) 및 발전기 세트들 (4) 은 그리드와 접속되어 있다. 로컬 파워 네트워크 (2) 와 부하들 (5) 및 발전기 세트들 (4) 의 분리는 그리드 (1) 와 접속되지 않고 있는 더 작은 파워 네트워크를 형성한다.
발전기 세트 (4) 는 발전기 및 프라임 무버 (prime mover) 의 조합이다. 프라임 무버는 전기 에너지를 제공하는 발전기를 회전시킨다. 프라임 무버는, 예를 들어 왕복운동 피스톤 엔진일 수 있다. 엔진들/발전기 세트들은 통상적으로 그리드와 접속되어 있을 때 kW 모드라고 하는 제어 모드에서 작동된다. kW 모드에서, 그리드 주파수는 다른 곳에서 감독되기 때문에, 제어 디바이스는 엔진의 속도를 (즉, 그리드 주파수도) 제어할 필요가 없다. kW 모드에서, 제어 디바이스는 부하 설정값 (부하 기준값) 을 측정된 엔진 부하에 비교함으로써 엔진의 연료 요구를 제어한다.
전술한 바와 같이 그리드에서 문제가 발생하면, 로컬 네트워크는 이 그리드로부터 분리될 필요가 있을 수 있다. 이러한 경우에, 엔진들의 제어는 kW 모드에서 속도 드룹 모드 (speed droop mode) 로 변경되어야 한다. 속도 드룹 모드에서, 로컬 네트워크에서의 엔진들은 또한 그리드의 주파수를 제어한다. 따라서, 예를 들어, 엔진의 연료 요구는 속도 기준 및 측정된 엔진 속도를 비교함으로써 제어된다.
도 2 에서는 속도 드룹 모드에서 드룹 기능의 원리를 설명한다. 라인 (21) 은 상이한 부하들에 대하여 속도 설정이 무엇인지를 규정하는 드룹 곡선이다. 예를 들어, 100% 부하에서 엔진에 대하여 속도 설정 (속도 기준) 은 지점 (23) 에서 y 축의 값이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 부하가 증가하면 속도 설정은 감소하고, 또는 그 반대도 가능하다. 제로 부하에서의 드룹 곡선의 지점 (22) (y 축에서의 지점) 은 드룹 곡선에 대하여 속도 설정 지점이라고 한다. 즉, 드룹 기능은 엔진의 속도 제어에 대하여 속도 기준을 변경한다. 드룹 기능이 사용되는데, 이는 그렇지 않으면 엔진들이 부하를 공유하지 못하지 때문이다.
속도 드룹 제어는 상이한 부하들에 대하여 속도 기준을 조절하는 것 이외에도, 상이한 엔진들 사이의 부하들을 공유하는데 활용될 수 있다. 이러한 특징들은 그리드 트립이 발생하면 사용된다. 엔진들 사이에 부하 공유를 제공하기 위해서, 엔진 특정 드룹 곡선들의 경사들이 동일해야 한다. 엔진이 지탱하는 부하의 양은 엔진의 드룹 곡선의 속도 설정 지점에 따른다. 로컬 파워 네트워크의 부하가 변경되면, 이 네트워크에 대하여 속도 기준도 (주파수 기준도) 변경되게 된다. 속도 기준의 변경을 오프셋하기 위해서, 즉 원래 속도 (주파수) 기준으로 복귀하기 위해서, 속도 설정 지점들이 조절된다.
그리드 트립은 통상적으로 엔진들에 영향을 주는 큰 부하 변경들과 연관되어 있다. 엔진 부하는 신속하게 변경되고, 그리하여 또한 엔진의 속도도 신속하게 변경된다. 통상의 상황은 부하가 감소하는 것이다.
kW 모드에서 속도 드룹 모드로 변경되면, 속도 드룹 곡선이 엔진의 측정된 부하값 및 측정된 속도값의 지점을 통과하도록 이 속도 드룹 곡선의 초기 위치가 산출된다. 측정된 속도값은 드룹 곡선에서 초기 속도 기준값으로서 사용된다. 부하 센서/측정은 지연을 형성하면서 느리다. 그리드 브레이커 릴레이의 반응도 지연된다. 그리하여, 그리드 브레이커 릴레이가 반응하면, 엔진의 속도는 상당히 증가하여, 이는 속도 드룹 곡선의 위치에 영향을 준다. 또 추가로, 드룹 곡선은 부하가 계속 감소하는 경우에 속도 기준을 더 높게 변경한다. 그리하여, 엔진은 이러한 종류의 상황에서 쉽게 과속된다. 엔진은 엔진의 셧다운 및 로컬 그리드의 블랙아웃 (black out) 을 유발할 수 있는 과속으로 된다.
본원의 목적은 전술한 문제점을 해소하거나 또는 심지어 없애는 것이다. 상기 목적은 독립항들에 기재된 방식으로 달성된다. 종속항들은 본원의 다른 실시형태들을 설명한다.
그리드로부터 로컬 파워 네트워크의 분리의 경우에, 로컬 파워 네트워크에서 발전기 세트의 제어 모드를 kW 모드에서 속도 드룹 모드로의 변경은 새로운 방식으로 배열된다. 변경 단계는 속도 드룹 모드의 드룹 기능을 불능화하도록 그리고 속도 기준값을 발전기 세트의 엔진의 정격 속도 (rated speed) 로 유지하도록 병렬식 하위 단계들을 포함하는 지연 단계를 포함한다. 지연 단계 후에, 활성화 단계에서는 드룹 기능을 기능화 (enable) 시킨다.
이하, 본원은 첨부된 도면들을 참조하여 보다 자세히 설명된다.
도 1 은 메인 그리드와 로컬 네트워크 사이의 연결 배열체의 일예를 도시한다.
도 2 는 속도 드룹 모드의 원리를 도시한다.
도 3 은 본원에 따라서 엔진의 제어를 kW 모드에서 속도 드룹 모드로 변경하도록 제어 시스템의 일예를 도시한다.
도 4 는 그리드 트립 상황에서 본원이 작용하는 방법의 일예를 도시한다.
도 5 는 본원에 따른 방법의 순서도의 예를 도시한다.
도 3 은 본원에 따른 제어 시스템의 일예를 도시한다. kW 모드 (31) 에서, 제어 디바이스 (36) 는 발전기 세트의 발전기 (35) 의 출력에서 파워 기준값 (38) 과 측정된 파워값 (37) 을 비교함으로써 발전기 세트 (34, 35) 의 파워 출력을 제어한다. 측정된 파워값은 피드백 루프를 통하여 제어 디바이스 (36) 로 전달된다. 이러한 비교는, 예를 들어 파워 기준값과 측정값 사이의 차를 제공할 수 있다. 이러한 차는 발전기 세트의 엔진 (34) 에 전달된 제어 신호를 형성하는데 사용된다. 제어 신호는, 예를 들어 엔진으로의 연료 공급을 조절할 수 있고, 이는 발전기 세트의 파워 생성을 변경한다.
통상적으로, 엔진과 로컬 네트워크가 그리드로부터 분리되면 kW 모드는 사용될 수 없다. 엔진이 로컬 네트워크에 접속된 다른 가능한 엔진들로 로컬 네트워크의 주파수를 조절할 수 있도록 제어는 속도 드룹 모드로 변경된다. 메인 제어 유닛 (33) 은 kW 모드 (31) 에서 속도 드룹 모드 (32) 로 제어 모드의 변경 (318) 을 취급한다. 메인 제어 유닛이 분리에 대한 정보 (314) 를 수신하면 이러한 변경이 개시된다. 분리 정보는, 예를 들어 그리드 브레이커 릴레이로부터 전달된다. 속도 드룹 모드 (32) 에서, 속도 제어 디바이스 (310) 는 엔진의 속도를 속도 기준값 (312) 에 가능한 근접하게 유지하는데 사용된다.
이는 발전기 세트의 엔진 (34) 의 출력 샤프트에서 속도 기준값 (312) 과 측정된 속도값 (39) 을 비교함으로써 실시된다. 측정된 속도값은 피드백 루프를 통하여 제어 디바이스 (310) 로 전달된다. 이러한 비교는 속도 기준값과 측정값 사이의 차를 제공할 수 있다. 이러한 차는 발전기 세트의 엔진 (34) 에 전달된 속도 제어 신호를 형성하는데 사용된다. 제어 신호는, 또한 이러한 경우에, 엔진으로의 연료 공급을 조절할 수 있고, 이는 엔진의 출력 샤프트의 속도를 변경한다.
추가로, 속도 제어 디바이스 (310) 에 전달된 기준 조절 신호 (317) 를 제공함으로써 속도 기준값 (312) 을 조절하는 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 가 있다. 조절 신호는 속도 기준값을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 속도 드룹 제어 디바이스는 발전기 (35) 의 출력으로부터 파워 측정 (316) 을 수신한다. 속도 드룹 제어의 기능화는 전술되었다.
더욱이, 본원에 따른 그리드 트립 제어 시스템은 어떠한 기간 동안 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 의 드룹 기능을 불능화하도록 하는 지연 유닛 (313) 및 상기 기간 동안 속도 기준값 (312) 을 발전기 세트의 엔진의 정격 속도로 유지하도록 하는 설정 유닛 (315) 을 포함한다. 예를 들어 상기 기간 동안 제로 퍼센트에서 드룹% 를 유지함으로써, 드룹 기능을 불능화하도록 할 수 있다. 즉, 드룹 곡선은 상기 기간 동안 수평선이다. 도 3 의 예에서, 지연 유닛 (313) 은 메인 제어 유닛 (33) 에서 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 및 설정 유닛 (315) 에 위치된다. 하지만, 이들은 다른 방식으로 또한 위치될 수 있다. 예를 들어, 지연 유닛은 또한 메인 제어 유닛에 있을 수 있다. 지연 기간이 만료된 후, 이 시스템은 드룹 기능을 기능화시키도록 배열된다. 속도 드룹 제어 디바이스가 지연 이후에 속도 드룹 모드에서 작동되면, 발전기 세트의 부하를 측정하고 그리고 드룹 곡선을 위치시키고 그리고 드룹 곡선을 정격 속도로 오프셋하기 위해 엔진의 속도 측정을 활용한다.
도 4 는 본원이 작동하는 방법을 도시한다. 시점 (41) 에서, 메인 제어 디바이스 (33) 는 그리드로부터 로컬 네트워크의 분리를 검출하고, 제어 모드는 kW 모드에서 속도 드룹 모드로 변경된다. 속도 기준은 지연 기간 동안 엔진의 정격 속도로 유지된다. 드룹 기능은 또한 이 지연 동안 불능화된다. 알 수 있는 바와 같이, 그리드 및 로컬 네트워크는 기준 속도 또는 그 근방에서 작동한다. 그리하여, 엔진들의 정격 속도들은, 이 속도들이 발전기들 세트들의 발전기들을 통하여 파워 네트워크의 기준 주파수에 대응하도록 구성된다.
드룹 기능의 불능화는 속도 기준값의 증가를 방지하고 그리하여 엔진이 공회전 (race) 하는 가능성을 없앤다. 기준 속도를 정격 속도로 유지함으로써 지연 기간 동안의 제어를 안정화시킨다. 그리드 트립 (grid trip) 의 트랜션트 (transients) 는 그리드 트립의 초기에 발생한다. 지연 동안 적어도 더 큰 트랜션트들이 발생한다. 시점 (42) 에서 지연이 만료된 후, 드룹 기능이 기능화되고 그리고 속도 드룹 모드에 따라서 속도 기준이 산출될 수 있을 때 활성화 단계가 시작된다. 지연 기간 동안의 기능화는 제어가 트랜션트들에 너무 강하게 반응하지 않고 그리고 엔진이 과속에서 작동되도록 배향시킨다.
도 4 의 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 엔진의 부하 (43) 는 그리드 트립으로 인해 감소된다. 이러한 부하는 제어 모드가 시점 (41) 에서 속도 드룹 모드로 변경되기 전에 감소되기 시작한다. 엔진의 속도 (44) 는 시점 (41) 이전에 또한 증가하기 시작한다. 정격 속도는 엔진의 공칭 속도이다. 정격 속도에서 작동하면, 발전기들의 출력의 주파수는 로컬 네트워크의 원하는 주파수, 예를 들어 50 Hz 또는 60 Hz 이다. 지연 동안 부하는 로컬 네트워크에서의 상태 쪽으로 감소하고, 속도 제어 디바이스는 정격 속도 쪽으로 속도를 구동시킨다.
안정화된 엔진 속도는, 예를 들어 상부 및 하부 값들 (45) 을 가진 정격 속도 근방의 속도 범위를 사용함으로써 결정될 수 있다. 엔진 속도는, 예를 들어 네트워크 및/또는 엔진 자체에 따라서 정격 속도의 +- 1% 또는 +- 2% 사이에서 변할 수 있다. 속도가 안정화된 것으로 규정될 수 있는 것은, 엔진 속도가 상기 범위에 있는 것이다. 하지만, 엔진 속도가 상기 범위에 있더라도, 추가로 안정화 시간 (46) 을 가지도록 실시될 수 있고, 이 기간 동안 엔진 속도는 상기 범위 내에 있는 것으로 여겨진다. 도 4 에서는 안정화 시간 (46) 이 지연 기간에 있는 방법을 도시한다. 안정화 시간은, 예를 들어 1 ~ 10 초일 수 있다. 엔진 속도가 상기 범위내에 있으면, 지연 기간은 종료될 수 있다. 그렇지 않으면, 지연 기간은, 예를 들어 다른 안정화 시간만큼 연장되거나 지연 기간은 더 길게 결정되어야 한다. 기준 속도는 전체 지연 기간 동안 정격 속도에서 유지되거나 설정된다.
지연 기간이 만료된 후에, 속도 드룹 모드가 기능화되고, 기준 속도는 정격 속도에 단지 유지되지 않고 로컬 네트워크에서 다른 엔진들 사이의 부하를 공유할 수 있도록 하는 속도비 모드 (speed rate mode) 에 따라서 산출된다. 지연 시간은 엔진의 크기와 유형, 그리드 트립에서의 트랜션트들과 부하 변경, 및 속도 드룹 제어 모드의 특성들을 고려하여 선택된다.
도 5 에서는 그리드로부터 로컬 파워 네트워크가 분리되는 경우에 그리드 트립을 제어하는 본원의 방법의 순서도의 예를 도시한다. 본 방법은 로컬 파워 네트워크에서 발전기 세트의 제어 모드를 kW 모드에서 속도 드룹 모드로 변경하는 단계에 관한 것이다. 변경 단계는 속도 드룹 모드의 드룹 기능을 불능화하도록 (53) 그리고 속도 기준값을 발전기 세트의 엔진의 정격 속도로 유지하도록 (54) 병렬식 하위 단계들을 포함하는 지연 단계 (51) 를 포함한다. 지연 단계 이후에, 본 방법은 드룹 기능을 기능화시키도록 (55) 활성화 단계 (52) 를 더 포함한다. 본 방법은 또한 상부 및 하부 값들 (45) 을 가진 정격 속도 근방의 속도 범위를 또한 포함할 수 있다. 엔진의 속도가 안정화 시간 (46) 내의 범위에 있으면, 엔진의 속도는 안정한 것으로 규정된다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 안정화 시간은 지연 단계 (51) 에 속한다.
활성화 단계는 발전기 세트의 부하 및 엔진의 속도를 측정하는 기능, 상기 측정들을 사용하여 드룹 곡선을 위치시키는 기능, 및 드룹 곡선을 정격 속도로 오프셋하는 기능을 포함한다.
로컬 파워 네트워크를 작동하도록 유지하기 위해서 엔진들의 속도/주파수 제어를 신속하게 작동시키는 것은 중요하다. 하지만, 그리드 트립 경우와 연관된 부하 트랜션트들로서 드룹 보상을 통하여 엔진의 속도 기준에 영향을 준다. 본원은 부하 트랜션트들 (적어도 최대값) 을 통과할 때까지 드룹 기능을 불능화시킨다. 지연이 만료됨에 따라 드룹 기능이 작동한다.
본원은 상기 설명에 기재된 실시형태들에 한정되지 않고 독립항들의 범위내에서 많은 다른 다양한 실시형태들에서 실시될 수 있음이 상기로부터 명백하다.

Claims (5)

  1. 그리드 (grid) 로부터 로컬 파워 네트워크의 분리의 경우에 내연기관을 제어하는 방법으로서,
    상기 방법은 상기 로컬 파워 네트워크에서 발전기 세트의 제어 모드를 kW 모드에서 속도 드룹 (droop) 모드로 변경하기 위한 단계를 포함하고,
    상기 kW 모드에서 속도 드룹 모드로 변경하기 위한 단계는 상기 속도 드룹 모드의 드룹 기능을 불능화 (disable) 시키고 (53) 속도 기준값을 상기 발전기 세트의 엔진의 정격 속도로 유지하도록 (54) 병렬식 하위 단계들을 포함하는 지연 단계 (51) 를 포함하고,
    상기 지연 단계 이후에, 상기 방법은 드룹 기능을 기능화 (enable) 시키는 활성화 단계 (52) 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 상부 및 하부 값들 (45) 을 가진 상기 정격 속도 근방의 속도 범위를 포함하고, 상기 엔진의 속도가 안정화 시간 (46) 내의 범위에 있으면 상기 엔진의 속도는 안정적인 것으로 규정되고, 상기 안정화 시간은 상기 지연 단계 (51) 에 속하는 것을 특징으로 하는, 내연기관을 제어하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성화 단계 (52) 는 상기 발전기 세트의 부하 및 상기 엔진의 속도를 측정하도록, 상기 측정들을 사용하여 드룹 곡선을 위치시키도록 그리고 상기 드룹 곡선을 상기 정격 속도로 오프셋하도록 하는 하위단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관을 제어하는 방법.
  4. 내연기관의 제어 시스템으로서,
    그리드로부터 로컬 파워 네트워크의 분리의 경우에 상기 로컬 파워 네트워크에서 발전기 세트의 제어 모드를 kW 모드 (31) 에서 속도 드룹 모드 (32) 로 변경하도록 배열될 수 있는 메인 제어 유닛 (33) 을 포함하고,
    속도 제어 디바이스 (310) 및 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은 어떠한 기간 동안 상기 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 의 드룹 기능을 불능화하도록 지연 유닛 (313) 및 상기 기간 동안 속도 기준값을 상기 발전기 세트의 엔진의 정격 속도로 유지하도록 설정 유닛 (315) 을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 기간 이후에 드룹 기능를 기능화시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 속도 드룹 제어 디바이스 (311) 는 사용하는 드룹 곡선을 위치결정하기 위해서 상기 엔진의 속도 측정과 상기 발전기 세트의 부하의 측정을 활용하도록 그리고 상기 드룹 곡선을 상기 정격 속도에 오프셋하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 제어 시스템.
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