KR20220042950A - 500mw 발전기 예비력 대체를 위한 ess 연계 순 변압운전 시스템 - Google Patents

500mw 발전기 예비력 대체를 위한 ess 연계 순 변압운전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템에 관한 것이다.
일례로, 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 개시한다.

Description

500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템 {Pure Variable Pressure Operating System for Substitution of 500MW Generator Operating Reserve}
본 발명은 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 ESS 연계 순변압운전 방법에 관한 것이다.
500MW 석탄화력 발전소 자동발전제어(AGC)는 일정한 부하구간(정격출력의 30%~90%)에서는 변압으로 운전하고, 고 부하 영역(정격출력의 90% 이상)에서는 정압으로 운전하는 복합 변압운전 방식을 적용하고 있다. 일정한 부하구간에서는 터빈 제어밸브 4개 중 2~3개를 전개(Full open)한 상태로 보일러에서 주증기압력을 조절하여 발전기 출력을 증·감발하고, 고 부하 영역에서는 주증기압력을 일정하게 유지한 상태로 터빈 제어밸브의 개도를 변경시켜 출력을 조절하는 복합 변압운전방식을 적용하고 있다. 전력수요와 공급간 편차발생 시 계통주파수를 정격주파수로 유지하기 위해 추가로 터빈 제어밸브를 개폐하여 발전기출력을 증감하는 주파수추종(Governor Free) 운전을 하고 있으나 터빈 제어밸브 교축에 따른 효율저하 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템은 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 한다.
주증기 압력 편차를 제어하며 보일러의 입열량을 증감시키는 보일러 마스터; 터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어하는 터빈 마스터; 상기 터빈 마스터의 운전 모드에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 제어하는 거버너 마스터; 및 상기 보일러 마스터 및 터빈 마스터에 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호를 전송하여 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도를 제어하는 유니터 마스터;를 포함하고, 상기 유니터 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 더해지는 주파수 보정회로를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
상기 보일러 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
상기 터빈 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 따른 선행 신호가 정격출력의 30% 이상에서는 터빈 제어밸브를 전개(Full open)시킬 수 있다.
상기 거버너 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 터빈 마스터 Demand 신호에 가감되는 신호를 '0'으로 절체(전환) 할 수 있다.
본 발명에 따른 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템은 발전소 운전을 기존의 복합 변압운전에서 ESS 연계 순 변압운전으로 변경하여 응답속도가 빠른 에너지 저장 시스템(ESS)을 주파수 조정 용도로 사용함으로써, 전력계통의 안정성을 높일 수 있고 터빈 제어밸브의 교축 손실이 없어 발전 효율을 상승시킬 수 있고 연료비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 발전소 최상위 로직을 도시한 블럭도이다.
도 2는 유니터 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 3은 보일러 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 4는 터빈 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 5는 거버너 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템의 발전소 최상위 로직을 도시한 블럭도이다. 도 2는 유니터 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 3은 보일러 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 4는 터빈 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다. 도 5는 거버너 마스터의 동작 방법을 도시한 로직 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 연계 운영 시스템(500)은 유니터 마스터(100), 보일러 마스터(200), 터빈 마스터(330) 및 거버너 마스터(400)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 유니터 마스터(100)는 500MW 석탄화력 발전소를 총괄 제어할 수 있다. 유니터 마스터(100)는 전력거래소의 지령에 따라 출력 값이 결정되는 ADS(Automatic Distribution System) 모드(101), Load Tracking 모드(102) 및 발전기술원의 목표 출력(Target Load) 지령에 의해 목표출력 설정값이 결정되는 Normal 모드를 포함할 수 있다. 여기서, ADS 모드는 자동발전제어(AGC: Automatic Generation Control) 운전과 동일한 개념이다.
유니터 마스터(100)는 선택된 모드에 의해 설정된 MW Target 신호(103)에 소내 부하가 더해진 발전기출력 요구량(Target MW Demand) 신호를 출력 증감발률(104)에 의해 증감발하여 MW Demand 1 신호를 생성한다. 그리고, 유니터 마스터(100)는 MW Demand 1 신호에 주파수 보정 신호를 더하여 발전기술원이 설정해 놓은 출력 하한값(106)보다 크고 상한값(107)보다 작은 값을 최종 MW Demand 신호(105)로 결정할 수 있다. 상기 최종 MW Demand 신호(105)는 보일러 마스터(200)와 터빈 마스터(300)로 보내져 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도 등을 제어하는 가장 핵심신호일 수 있다.
유니터 마스터(100)는 주파수추종(G/F: Governor Free) 운전 모드가 온(On)되면, 터빈속도 편차(TBN Speed Error) 신호에 해당하는 출력요구량 값을 반영하여 지속적으로 정격주파수를 유지하는데 기여할 수 있도록 MW Demand 1 신호에 보정값을 더하여 최종 MW Demand 신호(105)로 설정하여 터빈 마스터(200)로 보낼 수 있다.
일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주파수추종(G/F) 운전 모드 시 정격속도와의 일정한 편차 범위 내에서는 데드밴드(Deadband)없이 함수발생기(F1(x))(108)를 사용하여 이 함수발생기 출력값에 압력에 따른 보정값을 곱하고, 이를 MW Demand1 신호에 더함으로써 최종 MW Demand 신호(105)로 설정할 수 있다. 여기서, 정격속도는 3600rpm이며, 유니터 마스터(100)는 정격속도의 0.33%인 ±12rpm 변동시에 ±36.7MW까지 MW Demand1 신호에 더할 수 있다.
일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주파수추종 운전 모드 시 정격속도와의 일정한 편차 범위 이상이면 함수발생기(F2(x))(109)를 사용하여 이 함수발생기 출력값에 압력에 따른 보정값을 곱하고, 이를 TBN MW SP(부하량 요구)에 더함으로써 최종 MW Demand 신호(105)로 설정할 수 있다. 여기서, 유니터 마스터(100)는 일정한 편차 범위 이상인 정격속도에서 ±12rpm 내지 ±30rpm까지 편차가 발생하면, ±0MW 내지 ±55MW까지 TBN MW SP(부하량 요구)에 더할 수 있다. 일부 예에서, 유니터 마스터(100)는 주증기 압력이 80kg/㎠ 이하일 때는 보정하지 않고, 주증기 압력이 80kg/㎠ 내지 246kg/㎠ 사이일 때 0.325에서 1 사이의 값을 압력에 따라 보정할 수 있다.
유니터 마스터(100)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 주파수 편차에 따른 보정은 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, MW Demand 신호에 더해지는 보정회로(110, 111)는 '0'으로 절체(전환) 되어 동작하지 않도록 구성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 보일러 마스터(200)는 주증기압력 설정값을 발전기출력 요구량에 해당하는 값으로 설정하기 위해 함수발생기(F1(x))(201)를 사용하며, 주증기압력 설정값과 실제 주증기압력의 편차(202)를 제어하여 보일러 입열량을 증감할 수 있다.
보일러 마스터(200)는 협조제어 운전 모드 시, 주증기 압력 에러 P제어값(203), 주증기 압력(Throttle Pressure, TP) 에러 I제어값(204), MW Demand에 따른 선행신호(205), MW 에러에 따른 보상값(206) 및 TRC(Transient Compensator) 회로(207)를 합산하여 보일러 마스터 요구량을 생성할 수 있다. TRC 회로(207)는 부하 증·감발 기간 중 보일러 내의 보유열량의 과부족을 보상하기 위해 일정량의 연료, 공기 및 급수를 추가로 증감하기 위해서 사용하는 로직이다. TRC 회로(207)는 보일러에 과도기적으로 외란을 주는 요소이므로, 순 변압운전 모드에서 보일러 마스터(200)는 TRC 회로(207)가 담당하는 출력 증감분을 에너지 저장 시스템(ESS)이 대체하게 하여 보일러를 안정적으로 운전할 수 있다.
보일러 마스터(200)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, TRC 회로(207)의 기능은 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로(207)는 '0'으로 절체(전환) 되도록 구성할 수 있다. 또한, 보일러 마스터(200)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 주증기 압력 설정값은 순 변압압력 운전 설정값 함수발생기(F2(X))(209)로 절체(전환) 되도록 구성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 터빈 마스터(300)는 부하량 요구(TBN MW SP)에 따라 터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어할 수 있다.
터빈 마스터(300)는 협조제어 운전 모드 시, 발전기 출력 편차(MW Error)(301)에 주증기 압력 편차(302)를 더한 값과, 발전기 출력 편차와 주증기 압력 편차에 따라 설정된 하한값(303)보다 크고 상한값(304)보다 작은 값 사이에서 제한되어 PI제어하며, MW Demand에 따른 선행(Feedforward) 신호(305)가 합산되어 터빈 마스터 Demand를 생성할 수 있다.
터빈 마스터(300)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 정격부하 이상에서는 터빈제어밸브가 100% 오픈되어 순 변압운전이 될 수 있도록, MW Demand에 따른 선행(Feedforward) 신호(305)를 기존의 함수발생기(F1(X))(306)에서 함수발생기(F2(X))(307)로 절체(변환) 되도록 구성할 수 있다. 여기서, 함수발생기(F2(X))(307)로 절체되면 이 함수발생기의 출력값은 정격출력(500MW)의 30%인 150MW 이상에서는 터빈 제어밸브가 100% 오픈(open)되도록 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 거버너 마스터(400)는 터빈 마스터(300)가 단독 운전 시, 운전원 터빈 속도요구량 및 발전기 출력 요구량(401)에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 PI(Proportional Integral)제어(402, 403) 할 수 있다. 이때, 거버너 마스터(400)는 발전기 차단기가 투입되기 전에는 터빈 속도 편차를 PI제어(402)하고, 발전기 차단기가 투입된 후에는 발전기 출력 편차를 PI제어(403)할 수 있다.
거버너 마스터(400)는 터빈 마스터(300)가 원격 운전(404)시, 터빈 마스터 Demand(405) 신호에 따라 터빈 제어밸브를 개폐하여 발전기 출력을 조정할 수 있다. 거버너 마스터(400)는 주파수추종(G/F) 운전 모드 시, 계통주파수 편차에 따라 속도조정률로 설정한 터빈 밸브 요구량 F(X)(406)값을 터빈 마스터 Demand 신호(405)에 가감되어 최종 거버너 마스터 출력신호로 생성할 수 있다.
거버너 마스터(400)는 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 계통 주파수 편차에 따라 속도조정률로 설정한 터빈 밸브 요구량 F(X)(406)에 대한 출력을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 되므로, 터빈 마스터 Demand 신호(405)에 가감되는 신호를 0으로 절체(전환)(407)할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 신재생 중심의 전력 패러다임의 변화에 대응한 기술로 신재생에너지의 단점인 간헐성과 불안전성을 해결하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS)의 장점인 신속한 출력 응답 특성으로 터빈발전기의 단점인 느린 출력 응답을 보완할 수 있고, 출력제어를 위한 터빈 제어밸브의 반복적인 개폐 동작에 따른 마모 비용을 절감 할 수 있다.
또한, 본 발명은 복합 변압운전에서 순 변압운전으로 운전 방식 변경 시 터빈 제어밸브의 교축 손실이 없게 되어 발전효율이 상승하고 연료비를 절감할 수 있다.
일반적으로 발전소에서는 전력수요의 갑작스런 급증에 대비하여 주파수 조정용으로 석탄화력 발전소의 출력을 정격출력보다 5%줄여 운전하고 이를 예비력으로 확보하고 있다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 예비력을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하게 함으로써, 25MW급 ESS 20기 건설 시 500MW급 발전소 1기를 건설하는 효과를 도출할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 ESS 연계 순 변압운전 로직을 갖는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 유니터 마스터 200: 보일러 마스터
300: 터빈 마스터 400: 거버너 마스터
500: ESS 연계 순 변압운전 시스템

Claims (5)

  1. 터빈 제어밸브를 전개(Full open)한 상태로 유지하고 주증기 압력 변동에 따라 발전소 출력을 조절하는 순 변압운전 방식으로 운전하되, 주파수 편차에 따른 출력 보정을 에너지 저장 시스템(ESS)이 담당하는 ESS 연계 순 변압운전 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    주증기 압력 편차를 제어하며 보일러의 입열량을 증감시키는 보일러 마스터;
    터빈에 유입되는 증기 유량을 조절하여 발전기 출력을 제어하는 터빈 마스터;
    상기 터빈 마스터의 운전 모드에 따라 터빈 속도 편차 또는 발전기 출력 편차를 제어하는 거버너 마스터; 및
    상기 보일러 마스터 및 터빈 마스터에 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호를 전송하여 발전소의 출력, 연료량, 공기량, 급수량, 압력, 온도를 제어하는 유니터 마스터;를 포함하고,
    상기 유니터 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 더해지는 주파수 보정회로를 '0'으로 절체(전환) 하는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보일러 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 보일러 마스터 요구량에 합산되는 TRC 회로를 '0'으로 절체(전환) 하는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 발전기출력 요구량(MW Demand) 신호에 따른 선행 신호가 정격출력의 30% 이상에서는 터빈 제어밸브를 전개(Full open)시키는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 거버너 마스터는 상기 ESS 연계 순 변압운전 모드 시, 터빈 마스터 Demand 신호에 가감되는 신호를 '0'으로 절체(전환) 하는 것을 특징으로 하는 500MW 발전기 예비력 대체를 위한 ESS 연계 순 변압운전 시스템.
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