KR20230075758A - Ess 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배터리에 전력을 저장하며, 발전소의 초기 기동 시에 터빈 제너레이터를 구동하기 위하여 상기 터빈 제너레이터로 전기를 공급하는 SFC(Starting Frequency Converter)와 연료를 공급하는 펌프, 히터 및 모터를 포함한 초기 기동 설비로 전력을 공급하는 ESS 시스템, 및 상기 ESS 시스템에서 출력되는 전력을 상기 초기 기동 설비로 공급하거나 차단하는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 발전소 기동 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 발전기의 초기 기동 시 SFC, 펌프 히터, 모터 등에서 사용하는 전력을 한전 그리드 대신 ESS 시스템으로부터 공급받을 수 있도록 하여 발전소 초기 기동에 필요한 전력 비용을 최소화할 수 있으며, 10MW급의 ESS 시스템 도입 시 발전소의 전력 비용을 연간 1억원 이상 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템{Power plant start-up operation system with ESS system}

본 발명은 ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전기의 초기 기동 시 터빈의 회전 동력을 제공하기 위하여 SFC(Starting Frequency Converter)에서 사용하는 전력 등 초기 기동에 필요한 전력을 한전 그리드 대신에 ESS 시스템으로부터 공급받을 수 있는 ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템에 관한 것이다.

SFC(Starting Frequency Converter)는 발전기 초기 기동 시에 터빈 제너레이터에 전기를 공급하여 터빈이 회전하도록 해주는 설비로, 초기 기동 시에만 사용되고 이후에 터빈 속도가 일정 이상이 되면 터빈 제너레이터에서 전기를 점점 빼면서 가동을 중단한다.

가스발전소는 초기 기동시 이러한 SFC를 이용하여 터빈 제너레이터에 약 18분간 전기를 공급함으로써 터빈의 회전을 유도하며, 발전소의 초기 기동에 필요한 연료 및 유틸리티 계통의 공급을 위한 모터, 펌프, 히터 등을 가동시켜야 한다.

이때, 짧은 시간이지만 약 15~20분 간 약 100~200 MW 정도의 상당한 고출력의 전력을 요구하게 되는데, 만약 발전소 소내 계통내 발전 설비 가동이 없을 경우 외부의 한전 그리드의 전기를 수전받아 동작하게 된다.

여기서 순간적으로 고출력의 전력(높은 순시전력 특성)을 내기 위해서는 수배전반 운영 등에 따른 한전의 수전 계약 용량을 크게 유지해야 하는데, 이로 인하여 막대한 월 기본 요금을 지불하는 상황이며, 비용 규모가 연간 억대 규모에 달하는 실정이다.

따라서, 가스발전소의 초기 기동에 필요한 전력을 절감할 수 있는 시스템이 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-1971889호(2019.04.25 공고)에 개시되어 있다.

본 발명은 발전기의 초기 기동 시 터빈의 회전 동력을 제공하기 위하여 SFC에서 사용하는 전력을 ESS 시스템으로부터 공급받을 수 있는 ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 배터리에 전력을 저장하며, 발전소의 초기 기동 시에 터빈 제너레이터를 구동하기 위하여 상기 터빈 제너레이터로 전기를 공급하는 SFC(Starting Frequency Converter)와 연료를 공급하는 펌프, 히터 및 모터를 포함한 초기 기동 설비로 전력을 공급하는 ESS 시스템, 및 상기 ESS 시스템에서 출력되는 전력을 상기 초기 기동 설비로 공급하거나 차단하는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 발전소 기동 시스템을 제공한다.

또한, 상기 ESS 시스템은, 소내 계통에 설치될 수 있다.

또한, 상기 발전소 기동 시스템은, 상기 터빈 제너레이터의 구동 시 모니터링되는 터빈 속도가 기 설정된 기준값을 초과하면 상기 스위치를 턴 오프시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 발전소 기동 시스템은, 상기 SFC의 전단에 설치되어 실시간 무효 전력 및 유효 전력을 측정하는 계전기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 ESS 시스템은, 상기 계전기로부터 측정된 실시간 무효 전력 및 유효 전력에 대응되는 피상 전력 값에 해당한 출력 전력을 배터리로부터 방출하여 상기 SFC로 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면, 발전기의 초기 기동 시 SFC, 펌프 히터, 모터 등에서 사용하는 전력을 한전 그리드 대신 ESS 시스템으로부터 공급받을 수 있도록 하여 발전소 초기 기동에 필요한 전력 비용을 최소화할 수 있다.

특히, 10MW급 ESS 시스템 도입 시 발전소의 전력 비용을 연간 1억원 이상 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ESS 시스템을 포함한 발전소 기동 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SPC의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 실시간 무효 전력 및 유효 전력에 기초하여 ESS 시스템에서 방출하는 전력량을 계산한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 종래와 본 발명에 따른 발전소 초기 시동 시의 전력 구동원을 비교한 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 ESS시스템을 포함한 발전소 기동 시스템에 관한 것으로, 발전소의 초기 기동 시 터빈의 회전 동력을 제공하는 SFC(Starting Frequency Converter)의 구동 전력을 한전 그리드가 아닌 ESS 시스템으로부터 공급받도록 구성함으로써 초기 시동 시 전력 비용을 크게 절감하는 구조를 제안한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전소 기동 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발전소 기동 시스템(100)은 ESS 시스템(110) 및 스위치(120)를 포함하며, 제어부(미도시) 및 계전기(130)를 더 포함할 수 있다.

ESS 시스템(110)(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템)은 배터리에 전력을 저장하며, 소내 계통에 설치된다. ESS 시스템(110)은 발전소(예: 가스발전소)의 초기 기동 시에 터빈 제터레이터(20)를 구동시키기 위한 정지형 주파수 변환 장치(Starting Frequency Converter, 이하 SFC)(10)로 전력을 공급한다.

이에 따라, SFC(10)는 발전소 초기 시동 시 터빈의 회전 동력을 제공하기 위한 전력원을 ESS 시스템(110)으로부터 얻는다. 물론, 본 발명의 실시예는 초기 시동 시 터빈 제너레이터(20)로 전기를 공급하는 SFC(10) 설비뿐만 아니라, 터빈 제너레이터(20)로 연료를 공급하는 펌프, 히터 및 모터 역시 자신의 구동 전력원을 ESS 시스템(110)으로부터 얻는다.

이를 위해, ESS 시스템(110)은 발전소 초기 기동 시 터빈 제너레이터(20)로 전기를 공급하는 SFC(10)와, 연료를 공급하는 펌프(미도시), 히터(미도시) 및 모터(미도시)를 포함하는 모든 초기 기동 설비로 전력을 공급한다. 여기서, 일반적인 경우와 같이 펌프, 히터 및 모터는 터빈 제너레이터(20)와 연결되거나 그 구성요소에 포함될 수 있다.

이에 따라, ESS 시스템(110)은 SFC의 기동 전력뿐만 아니라, 펌프, 히터, 모터 등과 같이 초기 기동 시에 구동이 필요한 모든 설비에 대한 전력을 제공할 수 있다.

스위치는 ESS 시스템(110)에서 출력되는 전력을 초기 기동 설비로 공급하거나 차단하는 역할을 한다. 이러한 스위치는 ESS 시스템(110)의 출력 후단에 적어도 하나 설치될 수 있으며, 각종 회로 및 설비 보호, 사고 예방을 위하여 각 설비 당 적어도 하나 또는 여러 개의 스위치가 설치 및 운용될 수 있다.

이하에서는 설명의 편의상 ESS 시스템(110)과 SFC(10) 사이의 경로에 설치된 스위치(120)에 대한 동작을 대표 예시로 설명한다.

스위치(120)는 ESS 시스템(110)과 SFC(10) 사이의 경로 상에 배치되며, ESS 시스템(110)에서 방출되는 배터리의 전력을 SFC(10)로 공급 또는 차단하는 역할을 한다.

여기서 스위치는 시스템 보호 및 안전을 위하여 경로 상에 하나 또는 그 이상으로 설치될 수 있다. 또한 ESS 시스템(110)과 SFC(10) 사이뿐만 아니라 SFC(10)와 터빈 제너레이터(20) 사이에도 스위치가 설치 및 운용될 수 있다. 아울러, 교류 전압과 전류를 측정하기 위한 AC PT, AC CT와 같은 계측 설비가 감시 대상이 되는 다양한 경로 상에 설치될 수 있다.

여기서 스위치(120)는 제어부(미도시)에서 보내는 제어 신호에 따라 동작할 수 있다. 제어부(미도시)는 관리자 등에 의해 입력되는 시동 명령에 따라 ESS 시스템(110), 스위치(120), SFC(10), 계전기(130)를 제어할 수 있다.

아울러, 제어부(미도시)는 시동 명령에 따라 스위치(120)를 턴 온시켜 ESS 시스템(110)과 SFC(10) 간의 경로를 연결할 수 있다. 또한 제어부(미도시)는 ESS 시스템(110), 스위치(120), SFC(10), 계전기(130)와 각종 정보를 실시간 주고받을 수 있다.

그리고, 제어부(미도시)는 터빈 제너레이터(20)의 구동 시 모니터링되는 터빈 속도가 기 설정된 기준값을 초과하면, 터빈 제너레이터(20)에 대한 더이상의 전력 공급이 불필요하다 판단하여 스위치(120)를 턴 오프시킨다. 제어부(미도시)는 스위치 턴 오프 명령 혹은 SFC 구동 정지 명령을 스위치(120), SFC(10), ESS 시스템(110) 등에 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SPC의 동작 원리를 설명하는 도면이다.

도 2에 나타낸 것과 같이, 초기 시동 명령에 따라 SFC(10)는 ESS 시스템(110)으로부터 받은 전력을 이용하여 터빈 제너레이터(20)로 전기를 공급하게 되며, 이에 따라 터빈 속도는 제로(zero)에서 점차 상승하게 된다.

그러면, 발전기는 패스트 쿨링(fast cooling), 퍼징(Purging), 이그니션(Ignition) 단계로 점차 전환되며, 이후에 터빈 회전 속도가 기준값(예: 3240 rpm)에 이르게 되면, 터빈 제너레이터(20)로 더이상 전기를 제공할 필요가 없어지게 되어, SFC(10)는 SFC OFF 명령에 의해 구동 정지된다.

계전기(Power Meter)(130)는 SFC(10)의 전단에 설치되어 실시간 무효 전력 및 유효 전력을 측정한다. 계전기는 ESS 시스템(110)과 SFC(10) 사이의 경로에 설치되며, 스위치(120)가 턴 온된 상태에서 전력을 공급하는 동안에 해당 경로 상에 흐르는 무효 전력 및 유효 전력을 측정한다.

여기서, ESS 시스템(110)은 계전기로부터 측정된 실시간 무효 전력 및 유효 전력에 대응되는 피상 전력 값에 해당한 출력 전력을 배터리로부터 방출하여 SFC(10)로 공급할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 실시간 무효 전력 및 유효 전력에 기초하여 ESS 시스템에서 방출하는 전력량을 계산한 결과를 예시한 도면이다.

도 3과 같이 실시간 측정되는 무효 전력과 유효 전력의 벡터 합을 연산하면 그에 대응되는 피상 전력 값을 실시간 환산할 수 있다. 여기서 ESS 시스템(110)은 이렇게 실시간 환산되는 피상 전력값을 배터리에서 방출하도록 동작하며, 이러한 동작은 ESS 시스템(110) 내의 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS)에 의해 수행될 수 있다.

도 4 및 도 5는 종래와 본 발명에 따른 발전소 초기 시동 시의 전력 구동원을 비교한 도면이다. 도 4는 한전 그리드를 사용하는 종래 방식을 나타내고, 도 5는 소내 계통에 설치된 ESS 시스템(110)을 사용하는 본 발명의 방식을 나타낸다.

도 4의 경우는 발전소 초기 시동 시에 한전의 그리드 전압을 사용하며, 이때 순간적으로 고출력의 전력이 요구되는 특성에 따라 한전의 수전 계약용량이 커지게 되고 초기 시동에 필요한 전력 비용이 상당히 증가하는 단점이 있다.

하지만, 도 5와 같은 본 발명의 실시예는, 발전소의 초기 시동 시에 터빈의 회전 동력을 제공하는 SFC(10)의 전력원으로 한전 그리드가 아닌 소내 계통에 설치된 ESS 시스템(110)의 배터리 충전 전력을 활용하기 때문에, 발전소 초기 시동에 소모되는 전력 비용을 크게 절감할 수 있다.

이러한 본 발명은 발전소의 SFC 전력 계통 및 AUX 계통에 실시간 부하 측정 설비를 설치하고, 소내 계통 내 ESS를 설치하고, 필요한 전력을 ESS의 충전된 전력을 이용하여 활용함으로써 한전 그리드로부터 수전받는 전력을 최소화한다. 아울러, SFC 계통 전단에 계전기를 설치하여, 실시간 무효전력, 유효전력을 측정하고, 그에 맞는 출력을 ESS의 PCS를 이용하여 실시간 공급할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 발전기의 초기 기동 시 SFC, 펌프 히터, 모터 등에서 사용하는 전력을 한전 그리드 대신 ESS 시스템으로부터 공급받을 수 있도록 하여 발전소 초기 기동에 필요한 전력 비용을 최소화할 수 있으며, 10MW급 ESS 시스템 도입 시 발전소의 전력 비용을 연간 1억원 이상 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: SFC 20: 터빈 제너레이터
100: 발전소 기동 시스템 110: ESS 시스템
120: 스위치 130: 계전기

Claims (5)

1. 배터리에 전력을 저장하며, 발전소의 초기 기동 시에 터빈 제너레이터를 구동하기 위하여 상기 터빈 제너레이터로 전기를 공급하는 SFC(Starting Frequency Converter)와 연료를 공급하는 펌프, 히터 및 모터를 포함한 초기 기동 설비로 전력을 공급하는 ESS 시스템; 및
   상기 ESS 시스템에서 출력되는 전력을 상기 초기 기동 설비로 공급하거나 차단하는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 발전소 기동 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 ESS 시스템은,
   소내 계통에 설치된 발전소 기동 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 터빈 제너레이터의 구동 시 모니터링되는 터빈 속도가 기 설정된 기준값을 초과하면 상기 스위치를 턴 오프시키는 제어부를 더 포함하는 발전소 기동 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 SFC의 전단에 설치되어 실시간 무효 전력 및 유효 전력을 측정하는 계전기를 더 포함하는 발전소 기동 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 ESS 시스템은,
   상기 계전기로부터 측정된 실시간 무효 전력 및 유효 전력에 대응되는 피상 전력 값에 해당한 출력 전력을 배터리로부터 방출하여 상기 SFC로 공급하는 발전소 기동 시스템.

Images