KR20220004488A - 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기 운전 중 터빈으로 유입되는 입력 에너지가 발전기 정격 여자전류 설계값의 100% 이하로 변동이 발생하여도, 발전기의 회전속도 저하에 따른 발전기 주파수 변동 및 발전기 축의 토오크 과다로 인하여 발전기 방향에서 계통으로의 발전전력 송전의 중단을 방지하고, 발전기가 계속하여 구동 및 발전하여 계통으로 발전기 출력을 송전하기 할 수 있게 한 것으로, 엔코더를 사용하지 않고 출력 전압과 주파수로부터 발전기의 회전속도 및 토오크를 산출하고, 산출된 회전속도 및 토오크에 맞추어 발전기를 구동시킬 수 있게 한 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법{excitation current controlling systems and methods for generator corresponding input of turbine for electricity generation}
본 발명은 계통전원으로부터 발전기내부에 인가되는 여자전류값의 크기를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 발전기 운전 중 터빈으로 유입되는 입력 에너지가 발전기 정격 여자전류 설계값의 100% 이하로 변동이 발생하여도, 발전기의 회전속도 저하에 따른 발전기 주파수 변동 및 발전기 축의 토오크 과다로 인하여 발전기 방향에서 계통으로의 발전전력 송전의 중단을 방지하고, 발전기가 계속하여 구동 및 발전하여 계통으로 발전기 출력을 송전하기 할 수 있게 한 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 엔코더를 사용하지 않고 출력 전압과 주파수로부터 발전기의 회전속도 및 토오크를 산출하고, 산출된 회전속도 및 토오크에 맞추어 발전기를 구동시킬 수 있게 한 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기는 현대 사회에서 없어서는 안되는 중요한 동력원으로 전기를 발생시키기 위한 수단으로 발전기가 사용된다.
발전기는 운전 중 터빈(유체 or 기체)으로 유입되는 입력 에너지가 유량감소 또는 압력감소 등의 원인에 의해 발전기 정격 여자전류(A) 설계값의 100% 이하로 입력에너지 변동이 발생하면 유도발전기의 경우 전동기화(Motoring)가 발생한다.
예를 들면, 61hz 부터 68hz 사이에서 발전기 고정자 권선의 2차 전류 방향이 계통 방향으로 바뀌어 발전기가 되고, 61hz이하시 전류방향이 반대로 바뀌어 발전기는 모터가 된다.
발전기는 종류에 따라 안정적으로 계통으로 전원을 공급하기 위한 기술이 사용되고 있으며, 유도발전기는 터빈으로 유입되는 입력에너지(유량 또는 압력, 이하, "입력에너지"라 통칭함)의 저감에 발전기 여자전류(A) 설계값 기준의 약 70%까지만 기계적으로 유량 또는 기체의 이동 궤도를 좁거나 넓히는 가이드베인의 개도를 조절하는 것으로, 설계값 기준인 70%이하로 입력에너지가 유입되면 발전이 정지된다.
동기발전기는 자동전압조정기(Automatic Voltage Regulator)를 구비하여 자기장 형성(자화)을 위한 DC전원 에너지를 공급한다.
계통전원의 상태에 따라 전력계통과 동기 상태 유지를 위하여 약여자 운전과 강여자 운전을 하며 무효전력을 공급하거나 흡수함으로써 전력계통의 전압을 안정적으로 유지할 수 있게 한다. 이는 대용량(10MW ~ 수백MW)의 단위 발전기의 경우 급격한 부하용량 변동 발생시 순간적인 여자전류 상실로 계통무효전력을 과도하게 흡수하거나 방출하여 계통정전을 초래하거나 계통주파수(60hz)의 헌팅을 초래할 수 있기 때문이다.
동기발전기는 강여자, 약여자 TAP절환으로 터빈으로 유입되는 입력에너지의 저감에 설계값 기준의 약 50%까지 대처 가능하지만, 매우 고가이고 유지보수의 어려움 때문에 통상 50MW이상의 원자력, 화력 발전소 외에는 기타 신재생에너지 발전에서는 거의 사용하지 못하는 문제가 있다.
영구자석발전기는 터빈으로 유입되는 입력에너지의 저감에 설계값 기준의 약 50%까지 대처 가능하나, 반드시 인버터를 사용하여야하고, 인버터를 사용하더라도 발전기 여자전류(A)의 제어기능이 없으므로 인버터는 발전기에 계속해서 설계된 여자전류값(A)의 100%가 인가되고, 이로 인해 발전기축은 서서히 느려지다가 정지하게 된다.
즉, 입력에너지 대비 발전기에서 발생되는 여자전류값(A)(부하전류(A) 또는 발전기 축 힘(Torque)라고 부름)이 너무 크기 때문이다. 인버터는 기본적으로 전압 및 주파수(hz)를 다시 생성 하므로 발전기에서 발전된 주파수와 전압은 발전전력이 계통으로 송전 가능한 환경을 제공하지만 발전기축에 인가되는 축 힘이 입력에너지(유량 또는 압력)대비 너무 크면 발전기 축 회전 정지로 발전기로부터 출력이 발생하지 않기 때문에 인버터가 있어도 출력은 0이 된다.
이는 유입되는 (유량 또는 압력)에너지 대비 발전기 에 인가되는 여자전류값(A)이 너무 크기 때문이다. 통상의 인버터 기능은 발전기가 계통 방향으로 보내는 전압 및 주파수(hz)를 인버터에서 AC to DC to AC의 순으로 전압, 주파수(hz)를 재 생성만할 뿐 발전기 내부에 인가되는 여자전류(A) 제어 기능을 갖지 못한다.
이는 유입되는 (유량 또는 압력)에너지를 50%정도 발전에 사용하지 못하고 그냥 날려 버리는 단점이 있다.
이에 발전기의 출력 주파수가 계통주파수와 주파수 위상을 동기화하고 입력되는 에너지의 크기에 비례하는 많큼 출력을 발전기로부터 회생시킴에 의해 과도한 여자전류값(A)를 제어하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있고, 그 예로 특허문헌 1 내지 2가 있다.
이들은 여자전류를 제어하는 기술로, 이들은 발전기의 출력 회전수를 엔코더를 이용하여 감지하고, 감지된 회전속도에 따라 여자전류를 제어하고 있으나, 이러한 종래의 기술들은 엔코더를 더 구비하여야 함에 따라 구조가 복잡해짐은 물론 엔코더의 고장에 의해 발전기 전체 시스템의 유지 보수에 많은 어려움이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-1997-0055217호 대한민국 공개특허 제10-2002-0029910호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 발전기 주파수 동기탈조가 발생하지 않고, 발전기의 출력 주파수가 계통주파수와 주파수 위상을 동기화하고 입력되는 에너지의 크기에 비례하는 많큼 출력을 발전기로부터 회생시킴에 의해 과도한 여자전류값(A) 때문에 발생되는 문제를 해결하고, 지속적으로 전력계통에 발전전력을 공급할 수 있게 하는 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 터빈을 통과한 유체 또는 기체가 특정한 압력으로 계속 배관속으로 유동될 수 있도록 터빈을 통과한 유체 또는 기체의 배관내의 압력을 측정하여 필요한 유지 압력을 제어할 수 있게 한 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 엔코더를 사용하지 않고 출력 전압과 주파수로부터 발전기의 회전속도 및 토오크를 산출하고, 산출된 회전속도 및 토오크에 맞추어 발전기를 구동시킬 수 있게 한 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치는 터빈으로 유입되는 입력에너지의 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구발전기의 여자전류를 제어하는 장치에 있어서, 상기 발전기의 구동을 제어하는 제어기를 구비하되, 상기 제어기는 발전기의 출력 전압과 주파수를 감지하여 감지된 출력전압과 출력주파수로부터 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하는 토오크 및 회전수 산출프로그램을 구비한 제어보드와, 산출된 토오크와 회전수에 비례하여 구동토오크를 비례제어하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어보드는 PLC(Programable Logic Control)로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 터빈에는 터빈에 공급되는 입력에너지의 압력을 감지하는 압력센서를 더 구비하고, 상기 압력센서에서 감지된 압력은 토오크 및 회전수 산출프로그램에서의 토오크 및 회전수 산출과정에 반영되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 양상에 따른 발전기 제어 방법은 평균 유입유량에 의해 공급되는 토오크에 맞추어 구동토오크가 설정된 발전기를 제어하되, 발전기의 출력전압과 주파수를 감지하여 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하고, 산출된 회전축의 토오크와 회전수에 대응되도록 발전기의 구동토오크를 조절하여, 유입유량이 변하여도 발전기가 멈추지 않고 계속 작동되게 한 것을 특징으로 한다.
조절된 구동토오크는 감지된 발전기 회전축의 회전수의 범위에 따라 설정된 구동토오크를 비례제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치 및 방법은 발전기 주파수 동기탈조가 발생하지 않고, 발전기의 출력 주파수가 계통주파수와 주파수 위상을 동기화하고 입력되는 에너지의 크기에 비례하는 많큼 출력을 발전기로부터 회생시킴에 의해 과도한 여자전류값(A)가 발생하는 것을 방지하여 지속적으로 전력계통에 발전전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 발전기의 출력전압 및 주파수로부터 발전기의 출력 토오크 및 회전수를 역으로 산출할 수 있게 함에 따라 발전기에 엔코더를 설치하지 않아 발전기 전체의 구조를 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔코터의 유지 보수에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치를 구성하는 제어기의 메인화면
도 3은 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치를 구성하는 제어기의 인버터 상태화면
도 4는 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치에 의해 제어되는 발전기의 출력 그래프
도 5는 본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 신호흐름도
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실 시예를 가질 수 있는 바, 특정 실 시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 발전기의 출력전압 및 주파수로부터 발전기의 출력 토오크 및 회전수를 역으로 산출할 수 있게 함에 따라 발전기에 엔코더를 설치하지 않아 발전기 전체의 구조를 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 엔코더의 유지 보수에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 터빈(100)으로 유입되는 입력에너지의 변동에 대응하여 발전기(200)의 여자전류를 제어하는 장치에 있어서, 상기 발전기의 구동을 제어하는 제어기(10)를 구비하되, 상기 제어기는 발전기의 출력 전압과 주파수를 감지하여 감지된 출력전압과 출력주파수로부터 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하는 토오크 및 회전수 산출프로그램을 구비한 제어보드(11)와, 산출된 토오크와 회전수에 비례하여 구동토오크를 비례제어하는 인버터(12)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기(10)는 통상의 발전기를 제어하는 제어기에 상기한 제어보드(11)와 인버터(12)를 구비하고 있으며, 상기 제어보드(11)는 발전기의 출력전압과 주파수를 감지하여 이들로부터 역으로 발전기 회전축의 토오크와 회전수를 산출한다.
즉 본 발명은 발전기 회전축의 회전수를 감지하기 위한 물리적인 수단인 엔코더를 구비하지 않고도 발전기 회전축의 회전수를 감지할 수 있는 것이다.
상기 제어보드(11)는 PLC(Programable Logic Control)로 이루어진 것이다.
즉, 상기 제어보드는 상기 토오크 및 회전수 산출프로그램를 구비하기 위해 PLC로 이루어져 있으며, 토오크 및 회전수 산출프로그램에 의해 감지된 발전기의 출력전압과 출력 주파수로부터 회전축의 회전수를 산출하는 것이다.
상기 토오크 및 회전수 산출프로그램에서 터빈에 입력되는 입력에너지를 산출하는 일예는 발전기 설계 전압이 440V이고, 현재 발전기 발생 전압이 210V 이라면 설계값 대비 터빈으로 유입되는 입력에너지는 50% 라고 계산한다.
다른 예로 발전기 설계 주파수(hz)가 60(hz)이고, 현재 발전기 발생 주파수(hz)가 30(hz) 이라면 설계값 대비 터빈으로 유입되는 입력에너지는 역시 50%라고 계산하고, 발전기 설계 정격전류(A)값이 100(A)이고, 현재 발전기에서 발생되는 전류(A)값이 50(A)(발전기 R,S,T출력단자 측정값) 이라면 설계값 대비 터빈으로 유입되는 입력에너지가 50% 라고 계산한다.
상기 산출프로그램에 의해 산출된 발전기와 터빈상태는 도 2에 도시한 바와 같이 화면에 출력되고, 도 4에 도시한 바와 같이 인버터 화면을 통해 동기화 하여 출력할 수 있다.
이와 같이 산출된 입력에너지에 맞추어 발전기의 구동토오크를 낮추어 설정하면 터빈으로 유입되는 입력에너지가 적은 상태에서도 발전기가 지속적으로 구동하여 발전이 이루어질 수 있는 것이다.
물론, 구동토오크를 낮추어 설정하는 것은 인버터(12)에 의해 이루어진다.
상기 터빈에는 터빈에 공급되는 입력에너지의 압력을 감지하는 압력센서(20)를 더 구비하고, 상기 압력센서에서 감지된 압력은 토오크 및 회전수 산출프로그램에서의 토오크 및 회전수 산출과정에 반영될 수 있다.
터빈에 공급되는 입력에너지의 설정된 압력이 70bar이고, 현재 터빈을 통과하는 입력에너지의 압력이 35bar이라하면, 입력에너지는 50%로 계산하고, 이를 반영하여 발전기의 구동토오크를 제어하는 것이다. 즉, 발전기의 구동토오크를 50% 인가한다.
상기와 같이 구성된 제어 장치를 이용한 발전기 제어 방법은 도 5에 도시한 바와 같이, 발전기의 출력전압과 주파수를 감지하여 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하고, 산출된 회전축의 토오크와 회전수에 대응되도록 발전기의 구동토오크를 조절하여, 유입유량이 변하여도 발전기가 멈추지 않고 계속 작동되게 한다.
즉, 평균 유입유량에 의해 공급되는 토오크에 맞추어 구동토오크가 설정된 발전기를 제어하되, 특히, 발전기의 출력전압과 주파수를 감지하여 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하고, 산출된 회전축의 토오크와 회전수에 대응되도록 발전기의 구동토오크를 조절한다.
이러한 본 발명에서 조절된 구동토오크는 감지된 발전기 회전축의 회전수에 따라 비례제어된다. 즉, 감지된 회전수가 감속되면, 감속된 비율만큼 최초 설계토크보다 낮춘 구동토오크로 재설정한 상태에서 발전기를 구동시키는 것이다.
이러한 비례제어에서 회전수의 감지는 엔코더가 아니라 제어보드에 구비된 토오크 및 회전수 산출프로그램에 의해 산출된다.
이렇게 발전기의 구동토오크를 제어하면 발전기는 유체의 유입 변동량 즉, 터빈의 입력에너지의 변화에 따라 실시간으로 100 내지 1000rpm/min 사이 구간을 오가며 정지하지 않고 계속하여 구동되어 발전이 이루어지는 것이다.
이때 출력 주파수는 6hz에서 60hz까지이고, 발전기 출력 전압은 10V에서 500V까지 각기 다르나 이를 인버터에서 스위칭하여 전력계통주파수와 동기화하여 계통으로 송전한다.
10: 제어기
11: 제어보드 12: 인버터
20: 압력센서
100: 터빈
200: 발전기

Claims (5)

  1. 터빈(100)으로 유입되는 입력에너지의 변동에 대응하여 발전기(200)의 여자전류를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 발전기의 구동을 제어하는 제어기(10)를 구비하되,
    상기 제어기는 발전기의 출력 전압과 주파수를 감지하여 감지된 출력전압과 출력주파수로부터 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하는 토오크 및 회전수 산출프로그램을 구비한 제어보드(11)와, 산출된 토오크와 회전수에 비례하여 구동토오크를 비례제어하는 인버터(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어보드(11)는 PLC(Programable Logic Control)로 이루어진 것을 특징으로 하는발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 터빈에는 터빈에 공급되는 입력에너지의 압력을 감지하는 압력센서(20)를 더 구비하고, 상기 압력센서에서 감지된 압력은 토오크 및 회전수 산출프로그램에서의 토오크 및 회전수 산출과정에 반영되는 것을 특징으로 하는발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항의 제어 장치를 이용한 발전기 제어 방법으로,
    평균 유입유량에 의해 공급되는 토오크에 맞추어 구동토오크가 설정된 발전기를 제어하되,
    발전기의 출력전압과 주파수를 감지하여 발전기 축의 토오크와 회전수를 산출하고, 산출된 회전축의 토오크와 회전수에 대응되도록 발전기의 구동토오크를 조절하여, 유입유량이 변하여도 발전기가 멈추지 않고 계속 작동되게 한 것을 특징으로 하는 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    조절된 구동토오크는 감지된 발전기 회전축의 회전수의 범위에 따라 설정된 구동토오크를 비례제어하는 것을 특징으로 하는 발전용 터빈으로 유입되는 입력에너지 변동에 대응하여 유도발전기 및 영구자석발전기의 여자전류를 제어하는 방법.
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