KR20170073641A - 터빈을 전류 네트워크와 동기화하기 위한 방법 및 제어 장치 - Google Patents

터빈을 전류 네트워크와 동기화하기 위한 방법 및 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터빈을 네트워크 주파수(2)의 AC 네트워크와 동기화하기 위한 방법에 관한 것으로서: A) 네트워크 주파수(2) 범위 내의 주파수(4)까지 터빈을 가속하는 단계; B) 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 각도 차이를 검출하는 단계; C) 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 속도 차이를 검출하는 단계; D) 상기 터빈이 설정점 궤적(5)을 따르도록 상기 터빈을 가속 또는 감속하는 단계로서, 상기 설정점 궤적(5)은 상기 AC 네트워크와 상기 터빈의 속도의 정합시에, 동기적인 절입을 진행하기 위해 적절한, 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 목표 각도 위치가 달성되도록, 존재해야 하는 설정점 속도 차이를 각도 차이에 따라서 나타내는 미리-계산된 궤적인, 터빈을 가속 또는 감속하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 터빈을 위한 연관된 제어 장치에 관한 것이다.

Description

터빈을 전류 네트워크와 동기화하기 위한 방법 및 제어 장치{METHOD AND CONTROL DEVICE FOR SYNCHRONIZING A TURBINE WITH THE CURRENT NETWORK}
본 발명은 터빈을 전류 네트워크와 동기화하기 위한 방법, 및 연관된 제어 장치에 관한 것이다.
생성되는 전기가 전류 네트워크 내로 공급되는 발전 시설에서의 발전 중에, 전기의 동-위상 절입(in-phase infeed of electricity)에 주의를 하여야 한다. 터빈-구동형 발전기에 의해서 전기가 생성되는 열적 발전 시설에서, 그에 따라, 전기의 절입을 허용하기 위해서, 터빈은 전류 네트워크의 위상과 관련하여 적절한 각도 위치가 되어야 한다. 정확하게, 이는 발전기 회전자의 각도 위치에 당연히 상응한다. 일반적으로, 발전기 회전자는 터빈 회전자에 견고하게 연결되기 때문에, 터빈 동기화가 본원에서 지속적으로 언급되지만, 실제로 이러한 용어는 실제로 발전기에 적용된다.
종래 기술에 따르면, 터빈은, 전류 네트워크의 위상 각도와는 독립적으로 네트워크 주파수가 되는 것이 일반적이다. 그에 따라, 터빈은 소위 "동기화 장치"를 이용하여 정확한 위상 각도가 된다. 이러한 목적을 위해서, 적절한 위상 각도에 도달되는 시간까지, 터빈이 약간 가속 또는 감속되고, 일반적인 용어로 "런-업(run-up)" 또는 "런-다운"된다.
본 발명의 목적은 터빈을 AC 네트워크와 동기화하는 것을 개선하기 위한 방법을 개시하는 것이다. 이러한 목적은 특히 독립항에 의해서 충족된다. 실시예의 형태가 종속항에서 설명된다. 추가적인 상세 내용이 설명으로부터 확인될 수 있다.
이하의 단계를 포함하는, 터빈을 네트워크 주파수의 AC 네트워크와 동기화하기 위한 방법이 제공된다는 것이 인지되었다.
단계 A)에서, 터빈은 네트워크 주파수 범위 내의 주파수까지 가속된다. 일반적으로, 네트워크 주파수 범위 내의 주파수는 네트워크 주파수의 약 1 헤르쯔 미만으로부터 네트워크 주파수의 약 1 헤르쯔 초과의 구간 내의 주파수이다. 정확한 값은 중요하지 않다. 네트워크 주파수와 터빈 주파수 사이의 차이는 더 이상 특히 크지 않아야 한다는 것이 중요하다.
단계 B)는 터빈과 AC 네트워크 사이의 각도 차이의 검출을 포함한다.
단계 C)는 터빈과 AC 네트워크 사이의 속도 차이의 검출을 포함한다. 다시 말해서, 터빈 주파수와 네트워크 주파수 사이의 차이가 결정된다.
이론적으로 네트워크 주파수는 알려진 변수로 가정될 수 있다. 그러나, 주파수 변동으로 인해서, 네트워크 주파수의 검출도 합리적인 선택사항이 된다. 당연하게, 네트워크의 위상 각도에 대해서도 마찬가지로 적용된다.
당연하게, 터빈 주파수가 네트워크 주파수 범위를 달성한 때를 알기 위해서, 단계 C)가 단계 A) 중에 종종 실행된다. 단계 A)에서, 아직 중요하지 않은 사소한 변동을 제외하고, 네트워크 주파수가 일정하기 때문에, 단계 A)에서 속도 차이의 검출을 생략할 수 있고, 알고 있는 네트워크 주파수 범위로, 예를 들어 독일의 경우에 50 Hz로 가속을 진행한다.
본 발명의 경우에, 단계 D)는 결정적이고, 다시 말해서, 터빈이 설정점 궤적을 따르도록 터빈이 가속 또는 감속된다. 설정점 궤적은 AC 네트워크와 터빈의 속도의 정합시에, 동기적인 절입을 진행하기 위해 적절한, 터빈과 AC 네트워크 사이의 목표 각도 위치가 달성되도록, 존재해야 하는 설정점 속도 차이를 각도 차이에 따라서 나타내는 미리-계산된 궤적이다.
설정점 궤적은, AC 네트워크에 대한 터빈 속도의 정합시에, 동기적인 절입의 목적을 위한 적절한 목표 각도 위치가 달성되도록, 어떤 값을 각도 차이에 따라 설정점 속도 차이가 가져야 하는 지를 규정하는 수학적 함수이다. 그에 따라, 설정점 궤적은 목표화된 가속 또는 감속에 명백하게 의존한다. 설정점 궤적에 대한 조정 시에 예를 들어 과다한 제동을 통해, 어떠한 불필요한 기계적 부하도 생성하지 않아야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 설정점 궤적이 각각의 경우에 각각의 적용예에 대해서 재선택될 필요가 없다.
터빈이 설정점 궤적을 따름으로써, 가속 또는 감속의 종료시에, 다시 말해서 터빈 주파수와 네트워크 주파수의 정합시에, 희망 각도 위치에 도달됨에 따라, 전류 절입이 즉각적으로 시작될 수 있다. 이러한 방식으로, 전기 생산의 시작까지의 시간이 감소될 수 있다. 이는, 더 높은 경계적 수득의 달성을 가능하게 한다. 이는, 발전 시설의 시동에 대한 결정에 더하여, 전기가 종종 즉각적으로 요구된다는 측면에서, 특히 중요한 점이다. 그러한 경우에, 발전의 즉각적인 시작이 네트워크의 안정화에 있어서 중요한 의미일 수 있다. 이와 관련하여, 단지 몇 분이 높은 경제적 중요성을 가질 수 있다. 종래 기술에 따라서, 터빈 주파수가 네트워크 주파수에 일단 대략적으로 정합되면, 정확한 위상 각도의 달성에는 추가적으로 2 내지 3 분이 필요하다. 본 발명에 의해서, 이러한 시간이 상당히 단축될 수 있고, 종종 단지 몇 초가 될 수 있다.
속도 차이 및 각도 차이가 검출되므로, 네트워크 주파수의 잠재적 변동이 동시에 검출되고 고려된다. 그에 따라, 네트워크 주파수의 변동의 경우에도, 동기화가 신뢰될 수 있게 진행된다.
본 발명의 실시예의 하나의 형태에 따르면, 터빈이 설정점 궤적을 따르도록 하기 위한 터빈의 가속 또는 감속을 위해서, 이하의 단계가 반복적으로 실행된다:
단계 E)는, 각도 차이의 검출 시에, 설정점 궤적으로부터 초래되는 설정점 속도 차이의 식별을 포함한다.
단계 F)는 설정점 속도 차이를 각도 차이의 검출 시에 검출된 속도 차이와 비교하는 것을 포함한다.
단계 G)는, 설정점 속도 차이가 적어도 대략적으로 얻어지도록 하는 터빈의 가속 또는 감속을 포함한다.
명료함을 위해서, "속도 차이"는 계측적으로 검출된 속도 차이 즉, 계측적으로 검출되는 터빈과 네트워크 사이의 주파수 차이이다. 반대로, 설정점 속도 차이는 설정점 궤적으로부터 판독된다. 속도 차이 대신에, 주파수 차이를 또한 항상 참조할 수 있다.
터빈이 네트워크를 앞지르는, 즉 터빈 주파수가 네트워크 주파수 보다 높은, 그에 따라 터빈이 감속될 필요가 있는 상황이 고려된다. 만약 설정점 속도 차이가 계측적으로-검출된 속도 차이를 초과한다면 터빈 감속이 감소되고, 설정점 속도 차이가 검출된 속도 차이 미만이라면, 터빈 감속이 증가될 수 있다.
만약 터빈 주파수가 네트워크 주파수에 미치지 못한다면, 터빈은, 설정점 속도 차이가 속도 차이를 초과하는 경우에 더 작은 가속을 필요로 할 것이고, 이에 상응하게 설정점 속도 차이가 속도 차이 미만인 경우에 더 큰 가속을 필요로 할 것이다.
설정점 궤적을 따르게 하기 위해서, 터빈 주파수가 네트워크 주파수를 초과하는 경우라도, 터빈의 단-기간 가속이 또한 고려되거나, 터빈 주파수가 네트워크 주파수 미만인 경우에, 터빈의 단-기간 감속이 또한 고려된다. 그러나, 일반적으로 이러한 것은 발생되지 않는다.
실시예의 핵심 형태에서, 단계 E) 즉, 각도 차이의 검출 시에, 설정점 궤적으로부터 초래되는 설정점 속도 차이를 식별하는 것, 및 단계 F), 즉 설정점 속도 차이를 각도 차이 검출 시에 검출된 속도 차이와 비교하는 것이 계속적으로 실행된다. 그에 따라, 단계 G)에 더하여 필요 가속 또는 감속이 계속적으로 조정될 수 있다.
설정점 궤적을 따르는 것이 또한 제어 루프로서 고려될 수 있고, 그러한 제어 루프에서 속도 차이는 제어 변수이고, 설정점 속도 차이는 기준 변수이다.
실시예의 하나의 형태에서, 설정점 궤적은 포물선형이다. 그에 따라, 감속 함수를 이상적으로 따르는 것이 포물선 특성을 가지도록, 설정점 궤적이 선택된다. 이어서, 이는 선형적으로 감소되는 감속을 갖는 감속에 상응하고, 그에 의해서, 정확한 위상 각도가 얻어질 때, 터빈 감속은 영이 된다.
이는 검증되고 실행 가능한 선택사항이다. 여기에서, "감속 함수" 및 "감속"에 대해 참조가 이루어지며; 터빈이 네트워크 주파수를 초과하는 주파수까지 우선 가속된다고 가정한다. 이와 달리, "가속 함수" 및 "가속"이라는 용어가 이용될 수 있다.
실시예의 하나의 형태에서, 터빈은 네트워크 주파수를 초과하는 주파수까지 우선 가속된다. 이러한 방법은 실제로 입증되었다. 전술한 바와 같이, 네트워크 주파수를 초과하는 이러한 주파수로부터 시작하여, 터빈은 네트워크 주파수까지 감속된다. 정상적인 상황 하에서, 터빈이 주어진 주파수까지 정확하게 가속되지 않는 것이 관찰되어야 한다. 터빈이 우선 추가적으로 가속되고, 이는 또한 오버런 또는 오버슈트(overrun or overshoot)로서 설명된다. 이러한 오버슈트 이후에만, 터빈의 제동이 설정점 궤적에 따라서 적절하게 실행될 수 있다. 설정점 궤적이 제동을 제공하는 경우에, 이는 또한 설정점 제동 함수로서 설명될 수 있다.
신속한 동기화를 목적으로, 네트워크 주파수보다 약 0.25 Hz 더 높은 주파수가 매우 적절하다. 이로써 한편으로는, 제동 동안에 속도 감소가 달성되는 것을 전망 가능하다. 다른 한편으로, 터빈 주파수와 네트워크 주파수 사이의 충분한 차이가 제공된다.
실시예의 한 형태에서는, 복수-위상 네트워크에서, 복수의 목표 각도 위치가 존재할 수 있다는 것을 생각할 수 있고, 설정점 궤적에 대한 조정의 시작시에 존재하는 각도 차이로부터, 가장 신속하게 달성되는 목표 각도 위치가 바람직하게 선택된다. 일반적으로, 이는, 네트워크에 대한 터빈의 가장 작은 회전이 요구되는 목표 각도 위치가 되어야 한다.
예를 들어, 독일 네트워크는, 위상 변위가 120°인, 3개의 위상을 갖는다. 따라서, 발전기는 상응하는 구조로 또한 구성되고, 그에 따라 120°를 통한 회전은 위상 각도와 관련하여 동일한 위치를 회복한다. 따라서, 복수의 목표 각도 위치가 항상 가능하다. 결과적으로, 전술한 경우에, 네트워크의 위상 각도에 대한 터빈의 필요 회전은 항상 120°미만이다.
실시예의 하나의 형태에서, 목표 각도 위치에 도달할 때까지 터빈이 설정점 궤적을 따르도록 하는 터빈의 가속 또는 감속이 약 20 초를 필요로 한다. 그에 따라, 터빈은 과다한 기계적 부하 없이, 전망 가능한 시간 내에 네트워크 주파수까지 감속 또는 가속될 수 있다.
네트워크 주파수보다 0.25 Hz 높은 예시적으로 상술된 설정점 유지 주파수에서, 가속과 관련된 오버슈트의 감쇠(decay)에 약 10초가 필요하다. 그에 따라, 터빈의 제동에 필요한 20초의 예시적인 시간과 조합되어, 발전이 약 30초 이내에 시작될 수 있다. 종래 기술과 연관된 일반적인 2 내지 3분과 비교하면, 이는 상당한 개선을 나타낸다.
본 발명은 또한, 전술한 방법에 의해서 터빈을 제어하도록 설계된, 터빈을 위한 제어 장치에 관한 것이다.
도면을 참조하여 본 발명에 관한 추가적인 상세 내용을 이하에서 설명한다.
도 1은 터빈 주파수, 네트워크 주파수, 및 설정점 궤적의 도면을 도시한다.
도 2는 설정점 궤적, 즉 터빈과 네트워크 사이의 각도 차이에 따라, 제동 시에 네트워크 주파수와 터빈 주파수 사이의 차이의 설정점 특성을 도시한다.
도 1은 터빈 주파수(1), 네트워크 주파수(2) 및 설정점 주파수(3) 사이의 예시적인 관계를 나타낸다. 헤르쯔 단위의 주파수가 y-축 상에 표시되어 있고, 초 단위의 시간이 x-축 상에 표시되어 있다. 파선은 50 Hz에서의 네트워크 주파수(2)를 나타낸다. 네트워크 주파수(2)에서의 임의의 잠재적 변동은 여기에서 고려되지 않는다. 실선은 터빈 주파수(1)를 나타낸다. 쇄선은 터빈에 대한 설정점 주파수(3)의 특성을 나타낸다. 터빈 주파수(1)의 특성으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 50.25 Hz로의 터빈의 가속시에, 이러한 값을 초과하는 가속, 또는 소위 "오버슈트"가 우선 발생된다. 네트워크 주파수로의 터빈의 제어된 제동이 시작되기 전에, 이러한 오버슈트는 우선 대기되어야 한다.
표시에 의해서, 50.25 Hz의 주파수에서, 55초에서 시작하여 75초에서 종료되는 시간 간격 동안, 설정점 주파수(3)는 직선(4)을 나타낸다.
이어서, 포물선 제동이 뒤따른다. 설정점 주파수(3)는, 설정점 제동 함수로서 표현되는, 설정점 궤적(5)으로서 더욱 진행된다. 그에 따라, 설정점 주파수(3)는 직선(4) 및 후속되는 설정점 제동 함수(5)의 조합으로 이루어진다.
앞서서 제시된 바와 같이, 설정점 제동 함수(5)는, 네트워크 및 터빈 주파수의 정합시에 희망 목표 각도 위치가 달성되도록 하는, 터빈과 네트워크 사이의 필요 속도 차이, 즉 터빈과 네트워크 사이의 주파수 차이를 나타내는 수학적 관계이다.
목표 각도 위치는 동기화에 필요한 각도 위치이다. 그에 따라, 터빈은 이러한 각도에서 네트워크 주파수를 달성하여야 한다. 그에 따라, 설정점 제동 함수의 목적은, 터빈과 네트워크 사이의 각도 차이에 대한 네트워크 주파수와 터빈 주파수 사이의 설정점 차이의 관계의 설정이다. 개별적인 위상들이 120°만큼 변위된, 3-위상 네트워크에서, 상호 120°-오프셋된 3개의 각도 위치가 동기화를 위해서 고려되어야 한다는 것을 생각하여야 한다. 목표 각도 위치로서, 설정점 제동 함수(5)에 대한 조정의 시작 시의 각도 차이로부터, 가장 신속하게 달성되는 각도가 선택된다.
도 2는 설정점 제동 함수(5)를 나타낸다. 헤르쯔 단위의 주파수 차이가 y-축 상에 표시되어 있다. 수치적 값은 네트워크에 대한 설정점 속도 차이를 나타낸다. 0 내지 0.25 Hz의 수치 범위가 도시되어 있다. 터빈과 네트워크 사이의 각도 차이가 x-축 상에 표시되어 있다. 제동의 종료시에, 이러한 값이 0으로 설정되고, 이는 영의 목표 각도 위치에 상응하고, 이전 값은 음의 값으로서 표시된다. 제동 중에, 정확한 1.6 회전의 공칭 각도 차이가 걸쳐지는 것을 확인할 수 있을 것이다.
도 1을 다시 참조하면, 50.25 Hz로의 가속 이후에, 오버슈트가 발생되는 것을 확인할 수 있을 것이다. 50.31 Hz의 수치적 판독 값은 순전히 예시적인 것이며, 오버슈트가 설치-특정적이기 때문에, 원칙적으로 적용되지는 않는다.
이러한 오버슈트에 이어서, 제동이 설정점 제동 함수(5)에 따라서 진행된다. 이러한 목적을 위해서, 각도 차이 및 속도 차이가 연속적으로 검출된다. 측정된 속도 차이가 설정점 속도 차이와 비교되고, 그러한 설정점 속도 차이는, 도 2에서 표시된 바와 같이, 각각의 각도 차이에 대해서 설정점 제동 함수(5)로부터 판독될 수 있다. 이어서, 터빈 감속은 그에 상응하게 계속 조정되고, 그에 따라, 가능할 때까지, 속도 차이는 설정점 속도 차이를 달성한다.
85초의 시점에, 네트워크 주파수(2)가 최종적으로 달성되고, 터빈은, 동-위상 발전 및 네트워크 절입이 진행될 수 있게 하는 전류 네트워크에 적합한 각도 위치를 가질 것이다. 85초는 단지 예시적인 값임을 강조하는 바이다. 실제 값은 고려되는 터빈, 및 선택된 제동 또는 가속 함수에 따라 달라진다.
결론적으로, 하나의 수치적 예, 및 연관된 계산이 이하에서 설명된다.
t가 시간일 때, 터빈 주파수 및 네트워크 주파수가 최종적으로 정합되는 시점이 t0 이다. 네트워크 주파수는 50 헤르쯔이다. 포물선형 설정점 제동 함수에 따라서, 제동이 20초에서 실행된다. 이어서, 네트워크 주파수와 터빈 주파수 사이의 차이가 이하에 의해서 주어진다:
Figure pct00001
제동 중의 연관된 공칭 각도 차이는 제동 시작시의 각도 차이와 제동에 의해서 발생된 각도 차이의 합으로서 계산된다. 이는 이하를 제공한다:
Figure pct00002
이하의 요건
Figure pct00003
으로부터,
Figure pct00004
로 진행된다.
각도 차이가 여기에서 회전수에 의해서 표현되었고, 그에 따라 1의 값이 360°에 상응한다는 것을 주목하여야 한다.
각도 차이는 네트워크 속도와 터빈 속도 사이의 차이와 관련하여 표현될 수 있다:
Figure pct00005
네트워크 속도와 터빈 속도 사이의 차이는 각도 차이와 관련하여 마찬가지로 표현될 수 있다:
Figure pct00006
상응하는 곡선이 도 2에 도시되어 있다.
포물선형 설정점 제동 함수를 기초로 하는, 전술한 고려사항이 다른 설정점 제동 함수로 변경될 수 있다. 종종, 관계의 분석적인 결정이 가능하지 않거나, 적어도 매우 어렵다. 그러나, 전술한 식에 대한 수치적 풀이, 또는 특성 곡선에 의한 f(Δφ)의 정의는 항상 가능하다.
본 발명이 비록 바람직한 예시적 실시예에 의해서 더 구체적으로 설명되고 예시되었지만, 본 발명은 개시된 예에 의해서 제한되지 않으며, 특허의 보호 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 변경이 당업자에 의해서 그로부터 안출될 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 터빈을 네트워크 주파수(2)의 AC 네트워크와 동기화하기 위한 방법이며:
    A) 네트워크 주파수(2) 범위 내의 주파수(4)까지 터빈을 가속하는 단계;
    B) 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 각도 차이를 검출하는 단계;
    C) 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 속도 차이를 검출하는 단계;
    D) 상기 터빈이 설정점 궤적(5)을 따르도록 상기 터빈을 가속 또는 감속하는 단계로서, 상기 설정점 궤적(5)은 상기 AC 네트워크와 상기 터빈의 속도의 정합시에, 동기적인 절입을 진행하기 위해 적절한, 상기 터빈과 상기 AC 네트워크 사이의 목표 각도 위치가 달성되도록, 존재해야 하는 설정점 속도 차이를 각도 차이에 따라서 나타내는 미리-계산된 궤적인, 터빈을 가속 또는 감속하는 단계
    를 포함하는, 동기화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈이 상기 설정점 궤적(5)을 따르도록 하기 위한 상기 터빈의 가속 또는 감속을 위해서:
    E) 각도 차이의 검출 시에, 상기 설정점 궤적(5)으로부터 초래되는 설정점 속도 차이를 식별하는 단계;
    F) 상기 설정점 속도 차이를 상기 각도 차이의 검출 시에 검출된 속도 차이와 비교하는 단계;
    G) 상기 설정점 속도 차이가 적어도 대략적으로 얻어지도록 상기 터빈을 가속 또는 감속하는 단계; 를 반복적으로 실행하는 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단계 G)에 더하여 필요한 가속 또는 감속이 연속적으로 조정되도록, 상기 단계 E) 및 F)가 연속적으로 실행되는 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설정점 궤적(5)은 포물선형인 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈은 네트워크 주파수(2) 보다 높은 주파수까지, 특히 네트워크 주파수(2) 보다 약 0.25 Hz 높은 주파수까지 가속되는 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수-위상 네트워크에서, 복수의 목표 각도 위치가 존재할 수 있다는 것이 고려되고, 바람직하게는 가장 신속하게 달성될 수 있는 목표 각도 위치가 선택되는 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 목표 각도 위치에 도달할 때까지 상기 터빈이 상기 설정점 궤적(5)을 따르도록 상기 터빈을 가속 또는 감속하는 단계가 약 20 초를 필요로 하는 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 터빈을 제어하도록 설계된, 터빈용 제어 장치.
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