KR20170093864A

KR20170093864A - S-특성을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법 및 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 설비

Info

Publication number: KR20170093864A
Application number: KR1020177017664A
Authority: KR
Inventors: 캉탱 알루앙; 니콜라 페리생-파베르; 르노 기욤
Original assignee: 지이 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-08-16
Also published as: ES2690579T3; RU2017117029A3; EP3029311A1; RU2715465C2; RU2017117029A; PT3029311T; CN107110104B; KR102399402B1; US10415540B2; US20170268478A1; WO2016087458A1; EP3029311B1; CN107110104A

Abstract

본 발명에 따른 방법은, S-특성(S-characteristics)을 갖는 유압 기계(20)의 회전 속도의 안정화를 가능하게 한다. 상기 방법은, 유압 기계의 가이드 베인(206)에 영향을 주기 위한 배향(Y_i)을 계산하기 위한 제어기(C(s))를 갖춘 제어 루프 피드백 시스템(1)에 의해 실시된다. 상기 방법은, 각각의 반복에 있어서, a) 유압 기계의 작동점과 관련된 일련의 내부 상태(N11, Q11, C11, H, Q)의 세트를 계산하는 단계; b) 내부 상태의 세트에 따라, 선형화된 전달 함수를 확립하는 단계; c) 제어 루프 피드백 시스템이 안정하게 되도록 하기 위해, 확립된 선형화된 전달 함수에 따라 제어기의 특성 파라메타(Kp, Ti, Td)를 계산하는 단계; d) 유압 기계의 회전 속도(N)를 측정하는 단계; e) 목표 회전 속도(Nc)와 측정된 회전 속도(N)를 비교하는 단계; f) 이상에 따라 가이드 베인에 영향을 주는 배향을 조절하는 단계를 포함한다.

Description

S-특성을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법 및 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 설비{METHOD FOR STABILIZING THE ROTATION SPEED OF A HYDRAULIC MACHINE WITH S-CHARACTERISTICS AND INSTALLATION FOR CONVERTING HYDRAULIC ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY}

본 발명은 S-특성(S-characteristics)을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법에 관한 것이다. S-특성을 갖는 보통의 유압 기계는 터빈 모드에서 펌프-터빈 기능을 행하거나, 또는 높은 순 수두(net head) 조건에 대해 구성되는 프란시스 터빈(Francis turbine)이다. 본 발명은 또한, 전술한 방법이 실시될 수 있는 설비로서, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비에 관한 것이다.

터빈 모드에서의 펌프-터빈의 스타트 업(start-up) 동안, 펌프-터빈의 활주부의 회전 속도는 안정화되어야만 하며 그리드 주파수(grid frequency)로 동기화되어야만 하고, 이에 따라 유압 기계는 그리드에 결합될 수 있다. 게다가, 이러한 결합 작업은 통상 펌프-터빈이 무부하 작동점 하에 있을 때 행해지며, 상기 무부하 작동점에서 물 흐름은 활주부에 대해 어떠한 토크도 부가하지 않는다. 이러한 구체적인 작동점이 결합점이다.

로우 워터 폴(low water fall) 조건 하에서, 회전 속도 안정화는 “S-영역(S-zone)”의 존재로 인해 달성하기가 어려울 수 있다. “S-영역”은, 유압 기계가 섭동에 민감한 불안정 영역이다. 그 결과로서, 결합점에 대한 약간의 회전 속도 변동은 물 유동에 의해 활주부 상에 인가되는 토크의 상당한 증가를 유발하며, 이에 따라 유압 기계의 회전 속도를 현저하게 증가시키거나 감소시키게 된다. 이러한 상황 하에서, 통상적인 PID 루프(PID loop)로 기계 회전 속도를 안정화시키는 것은 가능하지 않다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 활주부 또는 가이드 베인(guide vane)과 같은, 유압 기계의 유압 부품을 완전히 재설계하는 것이 알려져 있다. 구체적으로, 상기 기계의 유압 부품은 터빈 모드에서의 펌프-터빈의 작동 범위에서 S-영역의 출현을 방지하도록 재설계된다. 기계의 작동 범위는, 기계가 겪게 될 수 있는 하위 총 수두(lower gross head)와 상위 총 수두(upper gross head) 사이의 간격에 대응한다. 그러나, 이러한 해법은 실시하기에 지나치게 고가이고, 펌프-터빈의 성능을 감소시킨다.

다른 해법은, 펌프-터빈에 비-동기식 가이드 베인을 구비하는 것을 포함한다. 이는, 일부 가이드 베인이 독립적으로 배향될 수 있다는 것을 의미한다. 그 결과로서, 기계의 스타트 업 시에, 가이드 베인들 중 일부는 다른 가이드 베인보다 더 개방되며, 이는 일시적으로 기계 특성을 변화시킨다. 이는, 스타트 업 동안 S-영역의 출현을 방지하는 것을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해법은 의도치 않은 진동을 발생시키며, 이러한 진동은 기계의 수명에 영향을 준다.

마지막으로, 특허 출원 US-A-2004/0115048은 다른 방식으로 S-영역에서의 회전 속도 안정화의 문제를 해소하고자 한다. 실제로, 위 공보는, 불안정 부분(S-특성 부분)에 진입할 위험 없이, S-특성 부분에 매우 근접한 지점에서 터빈 장치의 회전 속도를 안정화시키기 위한 방법을 제공한다. 상기 S-특성 부분은, 위 특허 출원의 도 1A에서의 양의 기울기를 갖는 곡선으로서 정의될 수 있으며, 이는 NR 곡선 아래에 있는 부분이다. 상기 NR 곡선은, 물 유동에 의해 터빈 활주부에 토크가 전혀 인가되지 않는 것인 곡선이다. 이러한 방법은, 기계의 회전 속도에 직접 작용하는 PID 제어기를 이용하는 것을 포함한다. 이러한 PID 제어기는, 이 PID 제어기의 구체적인 파라메타가 기계의 회전 속도에 따라 변경될 수 있다는 점에서 특성이 있다. 보다 구체적으로, 기계 회전 속도가 0으로부터 사전에 정해진 속도까지 증가하면, 하이 게인(high gain)이 PID 제어기의 적분 요소 및 비례 요소의 계수에 영향을 받는다. 그러나, 상기 기계 회전 속도가 사전에 정해진 속도를 초과하면, 로우 게인(low gain)이 PID 제어기의 적분 요소 및 비례 요소의 계수에 영향을 받는다.

설명되는 예에 있어서, 상기 사전에 정해진 속도는 목표 회전 속도의 80 %로 설정된다. 그 결과로서, 기계 작동점이 결합점에 근접하게 될 때, 시스템을 여기하여 불안정한 S-특성 부분으로 진입하게 하는 것을 방지하기 위해 결합점을 향한 수렴 속도가 감속된다. PID 제어기의 이러한 특성 파라메타는 한 쌍의 스위치(switch)를 이용하여 2개의 값 사이에서 선택된다.

이러한 방법의 주요한 단점은, 결합점이 엄밀하게 S-특성 부분 내에 위치하게 될 때 상기 방법에 의해 기계의 회전 속도를 안정화시키는 것이 허용되지 않는다는 것이다.

본 발명은, S-특성 부분에서 회전 속도의 안정화를 가능하게 하는, 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법을 제안함으로써 전술한 단점을 해소하려는 의도이다.

이를 위해, 본 발명은, 청구항 1에서 한정되는 바와 같이, S-특성(S-characteristics)을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명으로 인해, 제어기의 특성 파라메타는 제어 루프 피드백 시스템 안정성을 보장하기 위해 각각의 반복 시에 변경된다. 이러한 제어 루프 피드백 시스템은, 이때, 결합점이 S-특성 부분 내에 위치하는지 혹은 S-특성 부분 내에 위치하기 않는지에 대해 민감하지 않다. 결과적으로, 심지어 결합점이 S-특성 부분 내에 위치할 때에도, 유압 기계는 그리드에 대해 동기화될 수 있다.

유리하지만 강제하는 것은 아닌 상기 방법의 추가적인 양태가 청구항 1 내지 청구항 6에 특정되어 있다.

본 발명은 또한, 청구항 7에 한정되어 있는 바와 같이, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비에 관한 것이다.

유리하지만 강제하는 것은 아닌 상기 설비의 추가적인 양태가 청구항 8 내지 청구항 10에 특정되어 있다.

이제, 본 발명의 대상을 한정하지 않으면서, 도면에 대응하게 그리고 예시적인 예로서, 본 발명을 설명한다.
도 1은 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비로서, 본 발명에 따라 상호교환식으로 펌프-터빈을 포함하는 설비의 개략도이다.
도 2는 도 1의 설비의 펌프-터빈의 터빈 모드에서의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법으로서, 도 1의 설비에 속하는 펌프-터빈의 회전 속도의 안정화를 목표로 하는 방법을 제시하는 제어 전략(control scheme)이다.

도 1은 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비(2)를 나타내고 있다. 설비(2)는 유압 기계를 포함한다. 본 예에 있어서, 전술한 유압 기계는, 터빈 모드에서 축(Z201)을 중심으로 회전하도록 샤프트(201)를 설정하기 위해 유압 에너지를 이용하는 펌프-터빈(20)이다. 샤프트(201)는 전기를 발생시키기 위한, 도시되지 않은 제너레이터에 결합된다.

이하에서, 달리 언급되어 있지 않으면, 펌프-터빈(20)은 터빈 모드로 기능한다. 펌프-터빈(20)은, 콘크리트 블록(22 및 24)에 의해 지지되는 볼류트(volute; 200)를 포함한다. 도시되지 않은 펜스톡(penstock)이 도시되지 않은 상류 저장소와 볼류트(200) 사이에서 연장된다. 이러한 펜스톡은 강제적인 물 유동(F)을 발생시켜 유압 기계(20)에 동력을 제공한다. 유압 기계(20)는, 볼류트(200)에 의해 둘러싸이면서 블레이드(208)들을 포함하는 활주부(202)를 포함하는데, 작동 조건 하에서 상기 블레이드들 사이로 물이 흐르게 된다. 그 결과로서, 활주부(202)는, 샤프트(201)의 회전 축선(Z201)과 중첩되는 축(Z202)을 중심으로 회전한다. 활주부(202)는 샤프트(201)에 고정된다.

상기 활주부(202) 주위에는 분배기가 배치된다. 분배기는, 활주부(202) 주위에 균일하게 분배되는 복수 개의 이동 가능한 가이드 베인(206)을 포함한다. 상기 분배기 주위에서 상기 분배기 상류에는 사전 분배기(pre-distributor)가 배치된다. 사전 분배기는, 활주부(202)의 회전 축선(Z202) 주위에 균일하게 분배되는 복수 개의 스테이 베인(stay vane; 204)에 의해 형성된다.

활주부(202) 아래에 흡입 파이프(26)가 배치되며, 이 흡입 파이프는 유압 기계(20) 하류에서 물을 제거하도록 되어 있다.

분배기의 가이드 베인(206)들은 각각, 활주부(202)의 회전 축선(Z202)에 대해 평행한 축(Z206)을 중심으로 조정 가능한 피치(pitch)를 갖는다. 결과적으로, 이들 가이드 베인은 유압 기계(20)로 유입되는 물의 유량을 조절하도록 선회하게 될 수 있다. 가이드 베인(206)들은 모두 폐쇄 위치에 대해 동일한 각도로 배향된다. 다시 말해서, 상기 가이드 베인들은 동기화된다.

유압 기계의 힐차트(hillchart)는, 각각 값(N11, C11, Q11, Y)의 4개 1조에 의해 형성되는 작동점들의 모임이며, Y는 가이드 베인(206)에 영향을 주는 배향이고, N11은 기계의 회전 속도에 따라 좌우되는 파라메타이며, C11은 물 유동(F)에 의해 기계 활주부에 가해지는 토크에 따라 좌우되는 파라메타이고, Q11은 유압 기계를 통해 유동하는 물의 유량에 따라 좌우되는 파라메타이다. 주어진 가이드 베인 배향 Y에 있어서, “등방성 개방(iso-opening)” 곡선이 힐차트로부터 추출될 수 있다.

제시된 예로서, 도 2는, 다양한 가이드 베인 배향(Y1, Y2, Y3, Y4 및 Y5)에 대해 각각 대응하는 5개의 등방성 개방 곡선을 나타낸다. 이들 등방성 개방 곡선은, 가로좌표로서 N11-축을 갖고 세로좌표로서 C11-축을 갖는 그래프 상에 플로팅(plotting)된다. 이 그래프의 우상측 4분면, 즉 N11 및 C11 양자 모두가 양수인 사분면은, 터빈 모드에 대응한다. 터빈 모드에 있어서, 펌프-터빈(20)의 작동 범위는, 유압 기계가 겪게 될 수 있는 하위 총 수두(Hmin)와 상위 총 수두(Hmax) 사이의 간격에 대응한다. 주어진 순 수두(H)에 있어서, 유압 기계(20)의 결합점(I)이 알려져 있다. 이러한 결합점(I)은, 펌프-터빈(20)이 터빈 모드에서 그리드에 결합될 수 있는 지점에 대응한다. 이는 무부하 작동점이며, 이러한 무부하 작동점에서는 활주부(202)에 어떠한 토크도 가해지지 않고, 기계 회전 속도는 그리드 주파수와 동기화된다. 선택된 예에 있어서, 이러한 결합점(I)은 가이드 베인 개방(Y2)과 관련된 등방성 개방 곡선 상에 위치하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유압 기계(20)는 로우 워터 폴 조건 하에서의 S-특성을 나타낸다. 보다 엄밀하게, 상기 등방성 개방 곡선은 가이드 베인 개방(Y1 및 Y2)에 대응하며, 이는 로우 워터 폴 조건 하에서의 기계 결합점에 도달하는 것, S-부분을 포함하는 것을 허용한다.

본 문헌에 있어서, 등방성 개방 곡선의 S-특성 부분은 양의 기울기를 갖는 곡선 부분에 대응한다. 달리 말하면, 이는 파라메타(N11)의 증가가 파라메타(C11)의 증가를 의미하는 곡선 부분이다. 상세한 설명의 명료성을 위해, 가이드 베인 개방(Y2)과 관련된 등방성 개방 곡선의 예를 고려하면, S-특성 부분은 점(K)과 점(J) 사이에서 범위가 정해진다.

S-특성 부분은 불안정한 것으로 간주된다. 이는, 유압 기계(20)가 전술한 구체적인 부분에서 섭동에 대해 불안정하다는 것을 의미한다. 그 결과로서, 결합점(I)에 대한 기계 회전 속도의 약간의 변동은 인가되는 토크의 상당한 증가를 의미하는 반면, 펌프-터빈(20)의 활주부에 대한 물 유동은 이에 따라 기계 회전 속도를 현저하게 증가시키거나 감소시키게 된다. 이때 기계 회전 속도의 안정화는 달성하기가 어려울 수 있다.

이하에서는, 도 3에 대응하게, S-특성을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 자동적으로 안정화시키는 방법을 설명한다. 구체적으로, 상기 방법은, 결합점이 점(I)과 같이 S-특성 부분에 위치할 때 기계 회전 속도를 안정화시키기에 적합하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 방법은, 예컨대 비례 적분 미분 제어기인 제어기(C(s))를 갖는 제어 루프 피드백 시스템(1)에 의해 실시된다. 제어기(C(s))는, 목표 회전 속도(Nc)와 유압 기계의 회전 속도(N) 사이의 속도차(ΔN)를 입력으로서 취한다. 이후, 제어기(C(s))는 가이드 베인(206)에 영향을 주는 배향(Yi)을 출력한다. 라플라스 도메인(Laplace domain)에 있어서, 제어기의 전달 함수는 아래와 같이 주어진다.

(식 2)

여기서, Kp, Ti 및 Td는 제어기의 조절 파라메타이다.

제어 루프 피드백 시스템(1)은, 도 3에서의 블록 “real Σ”으로 표시되는, 실제 기계 거동에 대해 직접적으로 작용한다. “real Σ”은 유압 기계(20)의 실제 전달 함수에 대응한다.

상기 방법은 반복적이다. 상기 방법은 이때, 회전 속도를 목표 회전 속도로 안정화시키기 위해 제어기(C(s))의 조절 파라메타를 연속적으로 생성하는 것을 포함한다. 목표 회전 속도(Nc)는 그리드와의 동기화 속도에 대응한다. 상기 방법의 개시 시에, 가이드 베인(206)은 공칭 배향(nominal orientation)으로 배향된다.

상기 방법의 제1 단계는, 유압 기계(20)의 작동점과 관련되는 내부 상태의 세트를 계산하는 단계를 포함한다. 내부 상태의 이러한 세트는 작동점의 좌표(N11, Q11, C11), 유압 기계(20)가 겪게 되는 순 수두(H), 유압 기계(20)를 통과하는 물의 유량(Q), 및 기계 작동점의 좌표와 관련되는 일부 편도함수를 포함한다. 이들 편도함수는 작동점의 4개 1조 값에 대해 고유한 것이다.

작동점과 관련되는 내부 상태의 세트는 기지의 힐차트 및 직접 측정에 기초하여 계산될 수 있다. 제어 루프 피드백 시스템(1)에 통합되는 계산기(102)는, 이러한 작업의 수행을 허용한다.

전달 함수 real Σ는 고도로 비-선형이며, 기계 회전 속도를 안정화하기 위해 직접적으로 활용될 수 있다.

상기 방법의 제2 단계는, 이제 기계 회전 속도(N)의 안정화를 유발하는 계산 프로세스에서 사용될 수 있는 선형화된 전달 함수 Σlin(s)를 확립하는 단계를 포함한다. 이는, 가이드 베인에 대해 영향을 주는 배향에 따른 기계 회전 속도를 나타낸다. 이러한 전달 함수 Σlin(s)는 실제에 가장 근접한 선형화된 모델로서 간주될 수 있다. 라플라스 도메인에 있어서, 전달 함수 Σlin(s)는 아래의 식으로 주어질 수 있다.

(식 1)

여기서, A0, A1, B0, B1, 및 B2는 기계 작동점에 따라 좌우되는 특성 파라메타이며, s는 라플라스 변수이다. 이러한 예에 있어서, 본 출원인은 2차 전달 함수를 이용한다. 보다 정확한 모델을 위해, 더 높은 차수가 사용될 수 있다.

선형화된 전달 함수 Σlin(s)의 특성 파라메타(A0, A1, B0, B1, 및 B2)는, 전달 함수 Σlin(s)가 가능한 현실적이 되도록 하기 위해 제1 단계에서 계산된 내부 상태의 세트에 따라 계산된다. 이러한 작업은 계산기(103)에서 이루어진다. 달리 말하면, 선형화된 전달 함수 특성 파라메타는, 선형화된 함수에 따라 계산되는 회전 속도가 주어진 가이드 베인 배향에서의 실제 회전 속도와 대략적으로 동일하게 되도록 계산된다.

상기 방법의 제3 단계는, 제어 루프 피드백 시스템(1)이 안정적이게 되도록 하기 위해 제어기의 조절 파라메타(Kp, Ti 및 Td)를 계산하는 것이다. 이를 위해, 전술한 작업을 수행하도록 구성되는 계산기(100)가 제어 시스템(1)에 통합되며, 실제 전달 함수 real Σ는 선형화된 전달 함수 Σlin(s)에 의해 근사화된다. 조절 파라메타는, 제어 루프 피드백 시스템(1)의 근사화된 폐루프 전달 함수

가 안정적인 극(pole)을 갖게 되도록 계산된다.

상기하면, 표현식의 극은 이 표현식의 분모가 0이 되도록 하는 라플라스 변수 s의 값이다.

F(s)의 안정성을 보장하기 위해 다양한 수의 방법이 존재한다. 예를 들면, 극 보상 방법(pole compensation method)이 여기에 제시된다. 또한 극 배치 방법(pole placement method)이 이용될 수 있지만, 제시되어 있지는 않다. 전달 함수 Σlin(s)의 분모의 극은 불안정한 것으로 간주된다. 제어기(C(s))의 분자는 이때 전술한 불안정한 거동을 보상 또는 방지하도록 조정된다. 보다 엄밀하게는, 제어기(C(s))의 분자는 전달 함수 Σlin(s)의 분모와 동일한 극을 갖도록 선택된다. 이는 극 보상이라고 불리며, 이에 의해 다음의 식으로 귀결된다.

및

(식 3)

위의 2개의 식을 고려하면, 제어 루프 피드백 시스템(1)의 폐루프 전달 함수(F(s))는 아래와 같이 표현될 수 있다.

(식 4)

제어 루프 피드백 시스템(1)의 안정성을 보장하기 위해, 근사화된 제어 루프 전달 함수(F(s))의 분모의 극은 각각 음의 실수부를 갖고 있어야만 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 극 배치 방법이 사용될 수 있다. 이러한 극 배치 방법은, 하나 이상의 원하는 극을 얻기 위해 위 표현식의 파라메타를 조정하는 것을 포함한다. 본 경우에 있어서,

과 동일한 극이 선택될 수 있으며, 여기서 T_BF는 제어기의 특성 시구간에 대응한다. 그 결과로서, 근사화된 폐루프 전달 함수(F(s))의 분모는 아래와 같이 표현될 수 있다.

(식 5)

여기서,

(식 6)이다.

제어기의 제3의 특성 파라메타 Kp는 이후 위 등식에 기초하여 아래 기술되는 바와 같이 추출될 수 있다.

(식 7)

상기 방법의 제4 단계는 기계의 회전 속도(N)를 측정하는 것이다.

추가적인 단계는, 그리드와의 동기화 속도에 대응하는 목표 회전 속도(Nc)과 측정된 회전 속도(N)를 비교하는 것을 포함한다.

마지막 단계는, 측정된 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(Nc) 사이의 속도차(ΔN)를 감소시키기 위해 가이드 베인(206)에 영향을 주는 배향을, 제어기를 통해 자동적으로 조절하는 것을 포함한다. 이를 위해, 제어기는 목표 개방(Y_i ₊ ₁)을 출력하여 가이드 베인(206)에 영향을 준다. 이러한 목표 개방(Y_i ₊ ₁)은, 선형화된 전달 함수 Σlin(s)에 의해 표현되는 실제 시스템의 가이드 베인(206)에 대한 명령으로서 사용된다.

실제로, 앞서 언급된 바와 같이, 상기 방법은 반복적이며, 이는, 시스템이 스타트 업 모드에 있는 동안 앞서 설명한 단계들이 반복된다는 것을 의미한다.

그 결과로서, 선형 전달 함수 Σlin(s)의 특성 파라메타는, 상기 방법의 각각의 반복 중에 계산되어 가능한 실제에 맞게 된다. 이에 따라, 제어기의 조절 파라메타(Kp, Ti 및 Td)는 각각의 증분에서, 즉 상기 방법의 각각의 반복 중에, 계산되어, 안정한 제어 루프 피드백 시스템을 얻을 수 있도록 한다.

본 발명의 제시되지 않은 변형예에서는, 카플란 터빈(Kaplan turbine) 또는 벌브 터빈(Bulb turbine)과 같은 이중 조절 터빈(double-regulated tubine)의 회전 속도를 안정화시키기 위해 유사한 방법이 실시될 수 있다. 이중 조절 터빈은, 이동 가능한 블레이드를 갖춘 허브를 포함한다. 또한 상기 허브 주위에서 순환하는 물의 유량은 일련의 가이드 베인에 의해 조절된다. 이러한 경우에 있어서, 상기 이동 가능한 블레이드는 또한 목표 회전 속도(Nc)와 전달 함수 Σlin(s)에 기초하여 계산되는 회전 속도(N) 사이의 속도차(ΔN)를 감소시키도록 배향된다.

본 발명의 제시되지 않은 변형예에서는, 큰 순 수두 조건를 위해 구성되는 프란시스 터빈(Francis turbine)의 회전 속도를 안정화시키기 위해 유사한 방법이 실시될 수 있다.

본 발명의 제시되지 않은 다른 변형예에서는, PID 제어기가 아닌 다른 유형의 제어기가 사용될 수 있다. 예를 들면, 제어기(C(s))는 리드-레그 컴펜세이터(lead-lag compensator) 또는 이중 미분 제어기일 수 있다. 앞서 설명한 본 발명의 다양한 실시예 및 변형예의 기술적 특징들은 본 발명의 신규 실시예를 생성하기 위해 함께 조합될 수 있다.

Claims

S-특성(S-characteristics)을 갖는 유압 기계(20)의 회전 속도(N)를 안정화시키기 위한 방법으로서,
유압 기계의 가이드 베인(206)에 영향을 주는 배향(Y)을 계산하기 위한 제어기(C(s))를 갖춘 제어 루프 피드백 시스템(1)에 의해 실시되며, 상기 방법은, 각각의 반복에 있어서,
a) 유압 기계의 작동점과 관련된 내부 상태(N11, Q11, C11, H, Q)의 세트를 계산하는 단계;
b) 단계 a)에서 계산된 내부 상태의 세트에 따라, 가이드 베인 배향에 따른 기계 회전 속도를 나타내는 선형화된 전달 함수(Σlin(s))를 확립하는 단계;
c) 제어 루프 피드백 시스템이 안정하게 되도록 하기 위해, 단계 b)에서 확립된 선형화된 전달 함수의 특성 파라메타(A0, A1, B0, B1, B2)에 따라 제어기의 특성 파라메타(Kp, Ti, Td)를 계산하는 단계;
d) 유압 기계의 회전 속도(N)를 측정하는 단계;
e) 목표 회전 속도(Nc)와 측정된 회전 속도(N)를 비교하는 단계;
f) 측정된 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(Nc) 사이의 속도차(ΔN)를 감소시키기 위해 가이드 베인에 영향을 주는 배향(Y)을, 제어기(C(s))를 통해, 조절하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 작동점에 관한 내부 상태의 상기 세트는 작동점의 좌표(N11, Q11, C11), 유압 기계(20)가 겪게 되는 순 수두(H), 유압 기계(20)를 통과하는 물의 유량(Q), 및 기계 작동점의 좌표와 관련되는 일부 편도함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 c)에서, 제어기의 특성 파라메타(Kp, Ti, Td)는 극 보상 방법(pole compensation method) 및/또는 극 배치 방법(pole placement method)에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제어기(C(s))는 비례 적분 미분 제어기인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유압 기계(20)는 이중 조절 터빈(double-regulated turbine)이며, 이동 가능한 블레이드가 갖춰진 허브를 포함하고, 상기 단계 d)는 또한 목표 회전 속도(Nc)와 기계의 측정된 회전 속도(N) 사이의 속도차(ΔN)를 감소시키기 위해 유압 기계의 이동 가능한 블레이드에 영향을 주는 배향을 조절하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제어기(C(s)) 및 선형화된 전달 함수(Σlin(s))는 라플라스 도메인(Laplace domain)에서 모델링되는 것을 특징으로 하는 방법.
유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비(2)로서, 조절 가능한 가이드 베인(206)을 갖춘 유압 기계(20)를 포함하고, 상기 설비는,
- 가이드 베인(206)에 영향을 주는 배향(Y)을 계산하기 위한 제어기(C(s))를 갖춘 제어 루프 피드백 시스템(1);
- 유압 기계의 작동점과 관련된 내부 상태(N11, Q11, C11, H, Q)의 세트를 계산하는 수단(102);
- 계산된 내부 상태의 세트에 따라, 가이드 베인 배향에 따른 기계 회전 속도를 나타내는 선형화된 전달 함수(Σlin(s))를 확립하기 위한 수단(103);
- 제어 루프 피드백 시스템이 안정하게 되도록 하기 위해, 확립된 선형화된 전달 함수의 특성 파라메타(A0, A1, B0, B1, B2)에 따른 제어기의 특성 파라메타(Kp, Ti, Td)를 계산하기 위한 수단(100);
- 유압 기계의 회전 속도(N)를 측정하기 위한 수단;
- 목표 회전 속도(Nc)와 측정된 회전 속도(N)를 비교하기 위한 수단;
- 측정된 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(Nc) 사이의 속도차(ΔN)를 감소시키기 위해 가이드 베인에 영향을 주는 배향을 조절하기 위한 제어기(C(s))
를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
제7항에 있어서, 상기 유압 기계(20)는 터빈 모드에서 S-특성(S-characteristics)을 갖는 펌프-터빈인 것을 특징으로 하는 설비.
제7항에 있어서, 상기 유압 기계(20)는 높은 순 수두 조건을 위해 구성된 프란시스 터빈(Francis turbine)인 것을 특징으로 하는 설비.
제7항에 있어서, 상기 유압 기계(20)는 이중 조절 터빈(double-regulated turbine)이며, 이동 가능한 블레이드가 갖춰진 허브를 포함하고, 상기 설비는, 목표 회전 속도(Nc)와 기계의 측정된 회전 속도(N)의 속도차(ΔN)를 감소시키기 위해 유압 기계의 이동 가능한 블레이드에 영향을 주는 배향을 조절하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.