KR20160036880A - 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템 - Google Patents

가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템 Download PDF

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KR20160036880A KR1020140129061A KR20140129061A KR20160036880A KR 20160036880 A KR20160036880 A KR 20160036880A KR 1020140129061 A KR1020140129061 A KR 1020140129061A KR 20140129061 A KR20140129061 A KR 20140129061A KR 20160036880 A KR20160036880 A KR 20160036880A
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류호선
이의택
이주현
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템에 관한 것이다.
일례로, 여자전원과 동기발전기 사이에 설치된 하나의 여자시스템 전력변환용 제 1 위상제어 정류기; 상기 여자전원 또는 기동전원과 상기 동기발전기 사이에 순차적으로 직렬 연결된 기동시스템 전력변환용 제 2 위상제어 정류기와 제 3 위상제어 정류기; 일측이 상기 제 2 위상제어 정류기와 연결되고, 타측이 제어신호에 따라 상기 여자전원과 상기 기동전원 중 하나와 선택적으로 연결되도록 설치된 단로기; 상기 제 2 위상제어 정류기 및 제 3 위상제어 정류기 간 연결노드와 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 동기발전기 간 연결노드 사이에 연결되고, 상기 단로기가 상기 여자전원에 연결된 상태에서 제어신호에 따라 턴온되면 상기 제 1 위상제어 정류기와 상기 제 2 위상제어 정류기를 병렬 연결시키는 연결 스위치; 및 상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기, 제 3 위상제어 정류기, 상기 단로기 및 상기 연결 스위치의 동작을 각각 제어하는 제어기를 포함하는 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템을 개시한다.

Description

가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템{MANEUVER AND EXCITATION SYSTEM OF GAS TURBINE SYNCHRONOUS MACHINE}
본 발명은 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈의 기동시스템(부하 전류형 인버터 시스템)은 동기전동기로서 발전기를 가스터빈의 점화가능 속도까지 승속시키는 시스템을 의미한다. 가스터빈이 점화를 하면, 일정속도 동안 같이 운전되다가 차단기에 의해 발전기의 고정자로부터 기동시스템이 분리되며, 이때 가스터빈 조속기는 단독으로 속도제어를 시작하여 계통병입이 가능한 정격속도까지 승속하게 된다.
또한, 여자시스템은 상기 기동시스템이 운전을 시작하기 전에 회전자의 위치를 알아내기 위하여 순간적으로 전류를 계자에 주입하는 역할을 한다. 이때, 여자시스템은 유기된 역기전력을 적분하여 로터의 위치를 찾아내며, 회전자에 자속을 발생시키기 위하여 대략 정격의 1/3정도의 전류를 계자에 공급한다. 이 시점에 기동시스템과 여자시스템이 협조제어를 하여 회전자의 자속과 고정자의 자속 합으로 토크를 발생시킴으로써 가스터빈을 회전시키게 된다. 가스터빈이 점화되어 일정속도 상승 후 가스터빈 단독운전이 될 때에는 여자시스템 계자 차단기가 개방된다. 이때 대략 정격속도의 70-80%가 된다. 그리고, 다시 가스터빈이 정격속도에 도달하면, 동기발전기 출력전압을 제어하기 위하여 여자시스템이 턴온되며, 계통병입하여 운전한다.
통상의 기동시스템과 여자시스템 모두 각각의 위상제어 정류기와 인버터를 구비한다. 그리고 200MW 가스터빈일 경우 여자시스템은 계통병입시 보통 2000A 이상의 전류를 공급하여야 되므로 2개의 위상제어 정류기가 병렬로 연결되어 있다.
또한, 통상의 기동시스템과 여자시스템은 별도의 제어기를 통해 동작하며, 각각의 전력변환장치(위상제어 정류기)를 갖고 운전되고 있다. 여기서, 전력변환장치는 대용량 가스터빈의 경우 수 MW의 용량을 갖고 있는 대형시스템으로서, 한대당 가격이 수억을 호가하고 있다.
계통병입 전 여자시스템의 여자전류는 기동시스템 기동 시 필요한 여자전류(정격용량)의 1/3정도로 적은 용량이 필요하지만, 계통병입 후 발전기의 전압을 제어하기 위하여 그 보다 많은 용량이 필요하다. 기동시스템은 가스터빈의 점화목적으로 사용되므로 실제 운전시간은 계통병입 전 수분이며, 속도도 0-2500rpm 정도만 운전된 후 정지되어 있다. 이러한 기동시스템은 이용률이 극히 적은 것이 단점이나, 가스터빈을 점화속도까지 상승시켜야 하므로 반드시 필요한 시스템이기도 하다.
본 발명은, 기동시스템의 전력변환용 위상제어 정류기를 여자시스템의 전력변환용 위상제어 정류기로 이용함으로써 설치 비용과 전체적인 크기가 최소화된 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템은, 여자전원과 동기발전기 사이에 설치된 하나의 여자시스템 전력변환용 제 1 위상제어 정류기; 상기 여자전원 또는 기동전원과 상기 동기발전기 사이에 순차적으로 직렬 연결된 기동시스템 전력변환용 제 2 위상제어 정류기와 제 3 위상제어 정류기; 일측이 상기 제 2 위상제어 정류기와 연결되고, 타측이 제어신호에 따라 상기 여자전원과 상기 기동전원 중 하나와 선택적으로 연결되도록 설치된 단로기; 상기 제 2 위상제어 정류기 및 제 3 위상제어 정류기 간 연결노드와 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 동기발전기 간 연결노드 사이에 연결되고, 상기 단로기가 상기 여자전원에 연결된 상태에서 제어신호에 따라 턴온되면 상기 제 1 위상제어 정류기와 상기 제 2 위상제어 정류기를 병렬 연결시키는 연결 스위치; 및 상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기, 제 3 위상제어 정류기, 상기 단로기 및 상기 연결 스위치의 동작을 각각 제어하는 제어기를 포함한다.
또한, 상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기 및 상기 제 3 위상제어 정류기 각각은 다수의 사이리스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결 스위치는 다수의 사이리스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 가스터빈의 기동초기 시 상기 단로기가 상기 기동전원에 연결되고, 상기 단로기가 상기 기동전원과 연결되고, 상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기 및 상기 제 3 위상제어 정류기가 턴온되도록 제어신호를 출력하고, 가스터빈의 단독운전 시 상기 단로기가 상기 여자전원과 연결되고, 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 제 2 위상제어 정류기가 활성화되고, 상기 연결 스위치가 턴온되며, 상기 제 3 위상제어 정류기가 비활성화도록 제어신호를 출력할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기동시스템의 전력변환용 위상제어 정류기를 여자시스템의 전력변환용 위상제어 정류기로 이용함으로써 설치 비용과 전체적인 크기가 최소화된 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정격속도 도달 전 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정격속도 도달 후 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 운전원의 명령에 따른 신호 제어 방식을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 기동순서를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기동 및 여자 시스템의 동작 순서를 나타낸 흐름도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정격속도 도달 전 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정격속도 도달 후 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템(100)은 제 1 위상제어 정류기(110), 제 2 위상제어 정류기(120), 제 3 위상제어 정류기(130), 단로기(140), 연결 스위치(150) 및 제어기(160)를 포함한다.
상기 제 1 위상제어 정류기(110)는 여자 측 입력전원(VESC)과 동기발전기(10) 사이에 설치되며, 하나의 정류기로서 구성된다. 상기 제 1 위상제어 정류기(110)는 다수의 사이리스터 전력반도체 소자를 포함하고, 여자시스템(Excitation Control System, ECS)의 AC-DC 전력변환용 위상제어 정류기로서 동작할 수 있다.
상기 제 2 및 제 3 위상제어 정류기(120, 130)는 상기 여자 측 입력전원(VESC) 또는 기동 측 입력전원(VSFC)과 상기 동기발전기(10) 사이에 순차적으로 직렬 연결된다. 예를 들어, 상기 여자 측 입력전원(VESC) 또는 상기 기동 측 입력전원(VSFC), 상기 제 2 위상제어 정류기(120), 상기 제 3 위상제어 정류기(130) 및 동기발전기(10) 순으로 연결될 수 있다. 상기 제 2 및 제 3 위상제어 정류기(120, 130)는 다수의 사이리스터 전력반도체 소자를 포함하고, 기동시스템(Static Frequency Convertor, SFC)의 AC-DC 전력변환용 위상제어 정류기로서 동작할 수 있다.
상기 단로기(140)는 일측이 상기 제 2 위상제어 정류기(120)와 연결되고, 타측이 소정의 제어신호에 따라 상기 여자 측 입력전원(VESC)과 상기 기동 측 입력전원(VSFC) 중 하나와 선택적으로 연결되도록 설치된다. 이에 상기 제 2 위상제어 정류기(120)는 단로기(140)를 통해 상기 여자 측 입력전원(VESC) 또는 상기 기동 측 입력전원(VSFC)과 선택적으로 연결될 수 있다.
상기 연결 스위치(150)는 제 1 및 제 2 사이리스터 전력반도체 소자(151, 152)를 포함하고, 소정의 제어신호에 따라 온/오프 동작할 수 있다. 상기 연결 스위치(150)는 상기 제 2 및 제 3 위상제어 정류기(120, 130) 간 연결노드(A1, A2)와 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 동기발전기 간 연결노드(B1, B2) 사이에 연결된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제 1 사이리스터 전력반도체 소자(151)는 연결노드 A1에서 B1 사이에 순방향 접속되고, 상기 제 2 사이리스터 전력반도체 소자(152)는 연결노드 B1에서 A1 사이에 순방향 접속될 수 있다.
상기 연결 스위치(150)는, 상기 단로기(140)에 의해 상기 여자 측 입력전원(VESC)과 상기 제 2 위상제어 정류기(120)가 서로 연결된 상태에서 소정의 제어신호에 따라 턴온되면, 상기 제 1 및 제 2 위상제어 정류기(110, 120)를 병렬 연결시킬 수 있다. 이때, 상기 제 3 위상제어 정류기(130)는 소정의 제어신호에 따라 비활성화됨으로써 턴오프될 수 있으며, 이때 상기 제 3 위상제어 정류기(130)와 동기발전기(10) 사이의 SFC 출력차단기(170)가 오픈될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
상기 제어기(160)는, 상기 제 1 위상제어 정류기(110), 상기 제 2 위상제어 정류기(120), 제 3 위상제어 정류기(130), 상기 단로기(140) 및 상기 연결 스위치(150)의 동작을 각각 제어할 수 있으며, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템(100)의 구체적인 동작에 대하여 설명한다.
우선 도 1에 도시된 바와 같이, 가스터빈의 초기기동 시 여자시스템(ECS)의 제 1 위상제어 정류기(110)는 제어기(160)로부터 CECS 제어신호를 받아 턴온되어 계자에 여자전류를 공급한다. 이때, 상기 제어신호 CECS는 스위치 턴온 명령신호일 수 있다. 이와 동시에, 상기 제어기(160)의 제어신호 COS, CSFC1, CSFC2에 의해 기동시스템(SFC)도 자체 위상제어 정류기인 제 2 및 제 3 위상제어 정류기(120, 130)를 통해 고정자에 회전자계를 만들어 준다. 여기서, 제어신호 COS는 단로기(140)를 기동 측 입력전원(VSFC)에 연결하기 위한 명령신호이고, 제어신호 CSFC1와 CSFC2는 스위치 턴온 명령신호일 수 있다. 이때, 연결 스위치(150)는 상기 제어기(140)의 제어신호 CS에 의해 오프 상태가 된다. 여기서 제어신호 CS는 스위치 오프 명령신호일 수 있다.
이러한 회로 동작에 의해 가스터빈이 점화되어 단독운전을 할 수 있는 속도 이상이 되면, 기동시스템(SFC)과 여자시스템(ECS)는 정지하게 된다.
이후, 수분 동안 가스터빈에 의해 정격속도에 도달하게 되면, 여자시스템(ECS)은 동기발전기(10)의 전압을 제어하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 기동하게 된다.
이와 같이 가스터빈에 의해 정격속도에 도달하게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제 1 위상제어 정류기(110)는 제어신호 CECS에 의해 턴온되고, 상기 제 2 위상제어 정류기(120)는 제어신호 CSFC1에 의해 턴온되며, 상기 제 3 위상제어 정류기(130)는 제어신호 CSFC2에 의해 오프상태가 된다. 이와 동시에 상기 단로기(140)는 제어신호 COS에 의해 상기 제 1 위상제어 정류기(120)를 상기 여자 측 입력전원(VESC)에 연결시키며, 상기 연결 스위치(150)는 제어신호 CS에 의해 턴온된다. 또한, SFC 출력차단기(170)는 오픈될 수 있다. 여기서, 제어신호 CECS와 CSFC1는 스위치 턴온 명령신호이고, 제어신호 CSFC2는 스위치 턴오프 명령신호이며, 제어신호 COS는 단로기(140)를 여자 측 입력전원(VESC)에 연결하기 위한 명령신호일 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 및 제 2 위상제어 정류기(110, 120)는 상기 단로기(140)와 연결 스위치(150)에 의해 병렬 연결됨으로써, 가스터빈 동기기가 정격속도에 도달한 후 기동시스템(SFC)의 위상제어 정류기 중 하나를 여자시스템(ECS)의 위상제어 정류기의 구성으로 사용할 수 있다. 이로써, 적어도 수천 암페어 급의 위상제어 정류기 한대를 줄일 수 있으며, 이에 따른 전체적인 시스템의 크기도 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 운전원의 명령에 따른 신호 제어 방식을 나타낸 도면이다.
기동시스템(SFC)과 여자시스템(ECS)이 정지 후 가스터빈이 단독 운전할 때 모드변환이 발생한다. SFC/ECS 제어기 중 여자시스템(ECS)만 선택된다. 이때 여자시스템(ECS)의 입력전압을 같이 사용하기 위하여 단로기 개폐 명령에 의하여 입력전원을 같이 사용한다. 여자시스템은 입력전원을 같이 사용한 기동시스템(SFC) 위상제어 정류기를 병렬운전 시키기 위하여 병렬운전용 전력반도체 소자에 계속하여 턴온 신호를 발생시킨다. 사용하지 않는 인버터부에는 사용금지 명령과 함께 모든 소자에 턴오프 신호를 발생시키다. 그러면, 여자시스템(ECS)은 2개의 대용량 AC-DC 위상제어 정류기를 사용하여 수천 [A]를 계자에 공급하여 발전기 단자전압을 제어할 수 있다.
운전원 또는 자동시퀀스 명령에 의하여 가스터빈 초기기동 시 여자시스템(ECS) 주제어기와 기동장치(SFC) 주제어기가 각각 단독운전이 선택되어 각각의 위상동기 신호를 받게 된다. 가스터빈이 단독운전모드가 될 때 운전원 또는 자동시퀀스 명령에 의하여 여자시스템(ECS)만 선택되어 ECS의 위상동기만 선택되고 스위치 턴온 신호를 발생하며, 사용하지 않는 기동장치 인버터쪽 정류기는 스위치 오프 명령이 발생되고, 병렬연결 전력변환 소자에는 턴온 신호가 발생된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 기동순서를 나타낸 도면이다.
가스터빈 점화를 위하여 기동장치와 여자시스템이 동시에 운전되는 구간이 필요하다. 그 후 가스터빈을 좀더 빠른 속도로 승속하기 위하여 가스터빈 점화 후 기계적인 연소와 함께 운전하는 전기적인 가속구간을 갖고 있다. 일정속도 도달 후 기동장치와 여자시스템은 정지하게 되고, 가스터빈 단독으로 연소하여 정격속도에 도달하게 된다. 이때 정격속도 도달까지 수분이 필요 하므로 여자시스템 단독운전을 위하여 준비하는 시간이 충분하며, 개선된 회로에서처럼 입력측 단로기와 모드전환을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기동 및 여자 시스템의 동작 순서를 나타낸 흐름도이다.
기동장치(SFC)와 여자시스템(ECS)은 초기기동을 위하여 선택된다. 각각의 차단기가 턴온되어 동기 발전기가 승속하게 된다. 대략 500rpm 정도에 점화가 되며, 2500rpm 이상까지 운전한다. 이때 기동장치와 여자시스템은 정지하게 되고 가스터빈 단독연소에 의하여 정격속도(3600rpm)에 도달한다. 동시에 여자시스템 단독운전을 위한 모드전환이 발생된다. 계통병입 운전을 위하여 여자시스템(ECS) 단독운전이 이루어지며, 기동장치의 위상제어 정류기를 사용하기 위하여 입력 단로기 전환과 병렬운전 전력변환 소자가 턴온된다. 여자시스템 계자 차단기가 턴온되어 발전기 단자전압을 제어하며, 계통병입하여 운전한다. 모든 운전을 마치고, 계통병해가 되면, 초기기동을 위하여 다병렬 운전을 위한 전력반도체 소자는 턴오프되고, 입력측 단로기는 SFC 모드로 연결되어 기동준비 상태로 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100: 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템
110: 제 1 위상제어 정류기
120: 제 2 위상제어 정류기
130: 제 3 위상제어 정류기
140: 단로기
150: 연결 스위치
160: 제어기

Claims (4)

  1. 여자전원과 동기발전기 사이에 설치된 하나의 여자시스템 전력변환용 제 1 위상제어 정류기;
    상기 여자전원 또는 기동전원과 상기 동기발전기 사이에 순차적으로 직렬 연결된 기동시스템 전력변환용 제 2 위상제어 정류기와 제 3 위상제어 정류기;
    일측이 상기 제 2 위상제어 정류기와 연결되고, 타측이 제어신호에 따라 상기 여자전원과 상기 기동전원 중 하나와 선택적으로 연결되도록 설치된 단로기;
    상기 제 2 위상제어 정류기 및 제 3 위상제어 정류기 간 연결노드와 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 동기발전기 간 연결노드 사이에 연결되고, 상기 단로기가 상기 여자전원에 연결된 상태에서 제어신호에 따라 턴온되면 상기 제 1 위상제어 정류기와 상기 제 2 위상제어 정류기를 병렬 연결시키는 연결 스위치; 및
    상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기, 제 3 위상제어 정류기, 상기 단로기 및 상기 연결 스위치의 동작을 각각 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기 및 상기 제 3 위상제어 정류기 각각은 다수의 사이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 스위치는 다수의 사이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    가스터빈의 기동초기 시 상기 단로기가 상기 기동전원에 연결되고, 상기 단로기가 상기 기동전원과 연결되고, 상기 제 1 위상제어 정류기, 상기 제 2 위상제어 정류기 및 상기 제 3 위상제어 정류기가 턴온되도록 제어신호를 출력하고,
    가스터빈의 단독운전 시 상기 단로기가 상기 여자전원과 연결되고, 상기 제 1 위상제어 정류기 및 상기 제 2 위상제어 정류기가 활성화되고, 상기 연결 스위치가 턴온되며, 상기 제 3 위상제어 정류기가 비활성화도록 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 동기기의 기동 및 여자 시스템.
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