KR920007070B1 - 가변속 양수 발전장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가변속 양수 발전장치

제1도는 가변속 양수 발전장치의 개략구성도.

제2도는 본 발명의 전형적인 일실시예의 구성을 나타내는 블럭도.

제3도 및 제4도는 각각 제2도의 함수발생기(12, 13)의 특성을 나타낸 도.

제5도 및 제6도는 최적 안내베인(vane) 개방도를 구하는 다른 일실시 변형예도.

제7도 및 제8도는 출력 지령(P_o)을 변경했을 때의 제2도의 각부의 상태량의 변화를 나타낸 도.

제9도는 본 발명이 적용될 수 있는 다른 가변속 양수 발전장치의 개략 구성을 나타낸 도.

제10도는 양수 시동하는데 적합한 함수발생기의 일예를 나타낸 도.

제11도는 동기속도를 통과하는데 적합한 함수발생기의 일예를 나타낸 도이다.

본 발명은 가변속 양수 발전장치에 관한 것으로, 특히 설정된 출력지령에 따라 안정되게 양수 운전을 계속하기에 적합한 가변속 양수 발전장치에 관한 것이다.

가변속 양수 발전장치는 예를들면 미합중국 특허 제 4,481,455호에서 공지된 구성의 것이 있고, 발전 전동기의 1차 권선은 차단기, 주변압기로 이루어지는 주회로를 거쳐 전력계통에 접속되고, 원동기/부하에 직결된 발전 전동기의 로우터 상에 설치된 2차 권선은 주파수 변환장치, 여자용 변압기로 이루어지는 여자회로를 거쳐 상기한 전력계통에 접속된다. 이 장치에서는 교류계통의 주파수와 관계 없이 원동기/부하 회전수로 할수가 있다는 큰 잇점이 있고, 가변속 양수 발전소에 적용할때는 발전 전동기의 2차 권선에 원동기/부하로서 수차/펌프를 직결하고, 발전 운전시에는 수차에 의하여 발전 전동기(발전기), 로우터를 구동하고, 그 1차 권선에 유기된 전력을 전력계통에 송출한다. 전동(양수) 운전시에는 발전 전동기를 전력계통으로 부터의 전력에 의하여 전동기로서 구동하여 2차 권선에 직결된 펌프에 의하여 양수를 행한다. 이 경우에, 전력계통의 주파수는 예를들면 60㎐로 일정하나, 수차/펌프의 회전수는 이것과는 독립되게 임의로 선택할 수 있기 때문에 수차 혹은 펌프의 운전 효율을 최대로 할 수 있는 회전수로 할수가 있다.

여기서, 임의의 회전수로 할수 있다고 하는 것은 전력계통의 주파수(f₁)와 회전수(N)에 대응하는 주파수 f(

, P; 권선의 극수)와의 사이에 슬립주파수(f₂)가 존재함을 말하는 것으로, (1)식이 성립한다.

(1)식의 슬립주파수(f₂)라 함은 2차 권선의 주파수이고, 주파수(f₁)로서는 전력계통의 일정 주파수를 유지하면서, 회전수(N)는 펌프 또는 수차 효율을 최대로 하는 값으로 설정할 수가 있다. (1)식의 관계를 만족시키기 위해 조정 가능한 주요한 조작단은 두가지가 있으며, 그 하나는 수차/펌프의 수로상의 입구 밸브 또는 안내베인의 개방도이고, 다른 하나는 주파수 변환장치를 구성하는 다이리스터의 점호각이다. 이들 조작단은 이 가변속 양수발전소의 운전 목적 등으로 결정되는 목표신호에 따라 적절히 제어된다.

이 미국특허에는 가변속 양수 발전소의 구체적 제어방법에 대해서는 기술되어 있지 않으나, 예를들면 일본국 특개소 60-90991호(대응 미국출원 제664436호)에는 주로 수차 운전시의 제어를 의도하여 다음과 같이 하는 것이 개시되어 있다. 이 공지예에서는 출력 지령과 수차의 낙차를 입력신호로 하여 함수발생기에 의하여 최적속도 지령과 최적 밸브 개방도 지령을 도출하고 최적속도 지령에 대응하는 실제 수차속도를 귀환시켜 주파수 변환장치의 점호각을 거쳐 수차의 회전속도를 제어하고, 최적 밸브개방도 지령에 대응하는 실제의 수차 안내베인 개방도를 귀환시켜 수차 안내베인 개방도를 제어한다. 또, 전력계통측의 주파수 변동 혹은 전력변동을 검출하여 상기 출력지령을 수정하고 그 결과에 의하여 안내베인 개방도를 수정하도록 작용시킨다. 이 제어장치는 어디까지나 수차운전을 의도한 것이고, 또한 이 제어에서 입력되는 출력 지령신호는 속도 목표신호, 안내베인 개방도 목표신호를 도출하기 위한 보조적 신호로서 사용되고 있는데에 불과하다. 즉 직접 실제의 발전출력과 대비시키는 구성으로는 되어 있지 않다. 이 때문에 출력제어(발전기)라고 하는 관점에서 보면 개방 루우프 제어계를 구성하게 되고, 속도 제어계와 안내베인 개방도 제어계가 구동되어 그 결과로 발전기 출력이 결정되게 된다. 이러한 회전속도 제어를 주로 하여 발전 출력제어를 하고자 하는 제어계는 발전기 출력제어의 관점에서는 응답이 늦고, 또한 회전속도 제어, 발전기 출력제어 등 동일한 발전기에 인가시키고자 고려되고 있는 복수의 제어계간의 간섭 대책에 대해서는 아직 구체화된 안이 제시되어 있지 않다. 그런데 야간에는 전력계통의 부하가 작고 그 대부분이 기저부하운전(Base load operation)을 할수 밖에 없다.

따라서 주파수 조정 능력이 없는 원자력 발전소나 대용량 화력 발전소에 맞겨지고, 기타의 부분은 발전단가가 저렴한 수력 발전소나 일부의 화력 발전소에 의하여 부담된다. 즉, 경제적인 전력계통 운용을 위하여 계통 부하가 작은 야간에는 발전단가가 높은 화력 발전소를 정지하고 혹은 저부하로 해버리는 중간부하운전(middle load operation)을 하도록 하였기 때문에, 야간에 전기출력이나 주파수 조정능력이 부족하게 되었다. 예를들면 야간에 전력이 부족하여 이것을 커버할 것을 상정했을 경우, 저부하 운전중의 화력발전소 출력을 증대시키는데는 빨라도 수분 내지 수십분을 요하여 긴급한 제어에는 도움이 되지 않는다. 부하 변동에 대응하여 공급전력량을 조정하여 전력계통 주파수를 조정하는 소위 AFC(automatic Frequency Control) 기능이 특히 부족하다. 그러므로 양수 발전소를 가변속 형태로 하면 주된 효과는 수차/양수 어느쪽의 운전 모드에 있어서도 고효율의 운전을 할수 있고, 또 하나는 양수모드(따라서 발전 전동기를 전동기 운전하고 있음)의 경우에도 AFC 기능을 갖는다는 것이다. 이 두가지가 가변속 양수발전 목적으로 주요점이다.

그러나 공지예의 제어방법은 전동기 출력제어에 의하여 회전속도 제어를 한다는 대전제만 나타낸 것에 불과하고 애써 야간 양수 운전시에 AFC 기능을 충분히 살릴 수 있는 것으로 구체화 되어 있지 않으며, 소망하는 속응성, 안정성이 확보될 수 있는 수준에 달하여 있지 않다..

그러므로 본 발명에 있어서는 양수운전시에 AFC 기능을 충분히 발휘하고 전동기의 구동출력 제어와 회전속도 제어가 독립적으로 또한 모순 없이 실행될 수 있는 적합한 가변속 양수 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서는, 1차 권선이 전력계통에 접속되고 2차 권선이 주파수 변환장치를 통해 상기한 전력계통에 접속된 발전 전동기와, 그 발전 전동기 축에 직결합된 수차/펌프로 구성된 가변속 양수 발전장치에 있어서, 발전 전동기축의 회전속도와 목표 회전속도의 편차 신호와 이 가변속 양수 발전장치에 인가되는 출력 지령신호를 가산하여 목표신호를 작성하고, 발전 전동기의 전력을 귀환시켜 목표 신호와의 편차 신호에 따라 상기 주파수 변환장치를 거쳐 내부 상차각(internal phase angle)(내부 유기전압과 단자전압의 위상차)을 제어하며, 이 출력 지령신호는 전력계통을 통괄제어하는 중앙제어소 내에 설치되는 AFC 장치로부터의 지령신호도 포함한다.

제1도는 가변속 양수 발전장치의 개략구성을 나타낸 것이고, 도면에서 발전 전동기(1)의 1차 권선(1P)은 차단기(11), 주변압기(21)로 이루어지는 주회로(100)를 거쳐 전력계통(5)에 접속되고, 원동기/부하인 수차/펌프(6)에 직결합된 발전전동기(1)의 2차 권선(1S)은 주파수 변환장치(4), 여자용 변압기(23), 차단기(14)로 이루어지는 여자회로(200)를 거쳐 상기한 전력계통(5)에 접속된다. 이 도면에서 주파수 변환장치(4)를 구성하는 다이리스터는 자동 이상 제어장치(3)로부터의 점호신호(131)에 의하여 제어되고, 자동 이상 제어장치(3)는 제어장치(10)가 출력지령신호(P_o)에 의거하여 구한 제어전압신호(130)를 입력받아 점호신호(131)를 도출한다. 또 수차(6)의 안내베인(7)의 개방도 제어를 위하여, 안내베인 제어장치(30)가 설치된다. 그리고, 이 가변속 양수 발전장치에 있어서, 사용하는 각종 플랜트량의 검출을 위하여 전력(Pr)의 검출장치(40)(단 PT는 전압변성기, CT는 전류변성기이다), 수차/펌프(6)의 속도(Nr)의 검출기(2), 안내베인(7)의 개방도(Yr)의 검출기(70), 수차/펌프(6)의 낙차를 검출하는 도시하지 않은 낙차(H_ST)의 검출기가 구비되어 있다.

다음에 제2도를 참조하여 본 발명의 전형적인 일실시예에 대하여 설명한다. 이 도면에 있어서 출력제어장치(10)는 중앙 급전지령소로부터 인가되어 출력지령신호(P_o)와, 낙차 검출기(도시생략)로부터의 낙차 검출신호(H_ST)와, 속도검출기(2)로부터의 펌프 회전속도신호(Nr)와, 전력검출장치(40)로부터의 부하검출 신호(Pr)를 입력하여 제어전압신호(130)를 APPSC(3)에 출력한다. 안내베인 개방도 제어장치(30)는 상기한 출력지령신호(P_o)와 낙차(H_ST)외에 개방도검출기(70)로부터의 개방도 검출신호(Yr)를 입력하여 수차(6)의 안내베인 개방도를 결정한다. 안내베인 조절기(9) 부분은 일종의 유압 증폭기구로 되어 있어 통상의 적분동작을 하여 Y_OPT와 Y_r에 차가 있는한 이것을 적분하여 개방도 검출기(70)에 의한 부귀환의 도움을 받아 Y_r를 Y_OPT에 수렴시킨다. 그리고, 발전 전동기(1), 수차/펌프(6), 가산기(104), 관성력(105)으로 이루어지는 부분(50)의 회전 기계계를 나타내고 있고, 기계계에 가해지는 입출력 토오크 차에 의하여 회전속도(N_r)가 결정되는 것을 나타내고 있다.

이 제2도에 있어서 본 발명의 특징은 출력 지령신호(P_o)에 실제의 구동출력을 직접 추종시키도록 전력 제어계를 구성하여 발전전동기(1)의 2차 여자 제어계의 일부로서 채용한 것, 또 이 발전 전동기의 회전속도를 제어하는 신호(ε)로 출력 지령신호(P_o)를 보정하도록 인가하는 것이다. 이 도면의 출력제어장치(10)에 있어서, 입력되는 출력지령(P_o)은 예를 들면 중앙 급전지령소로부터 가해지는 것으로, ELD(Economical Load Dispatch) 신호나 AFC 신호도 포함하고, 이들 시시각각 변동하는 출력지령(P_o)에 대응하도록 출력 제어장치(10)는 작동한다. 이에 대하여 다른 입력은 낙차(H_ST)의 신호이고, 이 낙차(H_ST)는 펌프(6)의 상호 저수조의 단순한 수위차를 나타내고, 이것에 대하여 전양정(H)은 총낙차(H_ST)와 이 양수계통의 수로손실을 가산한 것으로 정의된다. 그러므로 이 양수계통의 입지 조건에 의하여 운전시의 수위변동(H_ST변동)이 작은 경우는 H_ST를 검출기에 의하여 검출하여 입력신호로 할 필요가 없이, 고정치로 취급할 수가 있고, 이 경우 후술하는 함수발생기(12, 13)는 출력지령(P_o)만의 함수로 하여 보다 더 간편한 것으로 할 수 있음은 말할 것도 없다. 제어장치(10)에서는 이들 P_o, H_ST를 입력으로 하여 그때의 최적 회전속도(N_OPT)를 연산하는 최적 회전속도 함수발생기(12)와, 최적 회전속도 함수발생기(12)로부터의 출력신호(최적 회전속도)(N_OPT)와 실제의 회전속도(N_r)를 비교기(100)에서 비교하고, 그 편차를 제로(0)로 하기 위하여 적어도 적분요소를 구비한 속도조절기(16)를 구비하고 있다. 이 회로는 속도 제어계를 구성하고, 속도조절기(16)로부터 출력 보정신호(ε)를 얻는다.

또, 출력지령(P_o)과 보정신호(ε)를 가산기(101)에서 가산하여 합성신호(P+ε)로 하고, 실제의 구동출력(P_M)과 합성신호(P_o+ε)를 비교기(102)에서 비교함과 동시에 부귀환회로를 구성하여 그 편차를 제로(0)로 하기 위하여 적어도 적분요소를 구비한 출력조절기(8)를 구비하고 있다. 이 회로가 출력 제어계를 구성한다. 출력조절기(8)의 출력이 APPSC(3)에 대한 제어 전압신호(130)가 되고, 이에 따라 주파수 변환장치(APPSC)(3)를 거쳐 내부상차각(점호각)이 결정되어 전동기(1)의 구동출력(P_M)이 제어된다. 또한 P_M은 전력검출장치(40)에 의하여 P_r로서 검출되어 부귀환 제어된다.

이에 대하여 안내베인 개방도 제어장치(30)에 있어서는 출력 제어장치(10)와 마찬가지로 출력지령(P_o)과 충낙차(H_ST)를 입력으로 하고 그때의 최적 안내베인 개방도(Y_OPT)를 연산하는 최적 안내베인 개방도 함수발생기(13)의 출력신호(Y_OPT)와 실제의 안내베인 개방도(Y_r)를 비교기(103)에서 비교하고, 안내베인 조절기(9)에 포함되는 적분 요소에 의하여 그 편차가 제로(0)가 되도록 안내베인 개량도를 제어한다.

이 제어에 의하여 수차/펌프(6)측에서 요구하는 기계입력(P_p)이 결정된다. 회전 기계계(50)에 있어서, 전동기(1)의 실제 구동출력(P_M)과 펌프측에서 요구하는 기계입력(P_p)에 불일치가 있는 경우, 즉 편차(P_M-P_p)과 관성효과 GD²(105)를 거쳐 속도의 변화로서 나타난다. 이 결과 속도검출기(2)에 의하여 검지되는 속도(N_r)가 그 목표신호(N_OPT)에 일치할때까지 구동출력(P_M)이 제어된다.

제3도와 제4도는 각각 함수발생기(12, 13)의 특성을 나타낸 것이고, 이것들은 펌프 효율을 최적으로 하기 위한 N_OPT, Y_OPT를 H_ST와 P_o의 함수로서 인가되는 것으로 그 펌프의 모델 테스트 결과에 의거하여 결정된다.

제3도에 있어서, H_ST가 일정할때 P_o가 클수록 N_OPT는 크고, P_o가 일정할때 H_ST가 클수록 N_OPT도 커진다는 것을 이해할 수 있다. 또, 제4도에 있어서의 H_ST가 일정할때 P_o가 커질수록 Y_OPT도 커지고, P_o가 일정할때 H_ST가 커질수록 Y_OPT가 작아짐을 알수 있다. 따라서 총낙차(H_ST)에 그다지 큰 변동이 생기지 않는 단시간내에 출력지령(P_o)이 증대했다고 생각하면, N_OPT, Y_OPT를 함께 증가시키면 되고, P_o감속의 경우 N_OPT, Y_OPT를 함께 감소시키면 된다. 이것은 P_o가 변화하였을 경우에 P_MP_P를 동일방향(한쪽이 증가했을때 다른쪽도 증가)으로 제어하면 된다는 것을 의미한다. 또, P_o가 일정할때에 H_ST가 증가했다면 Y_OPT를 감소시켜 N_OPT를 증가시키면 된다.

제5도와 제6도는 제2도 회로의 변형예를 나타낸 것으로서, 어느 경우에 있어서도 출력제어장치(10)에 변경은 없고, 안내베인 개방도 제어장치(30)에 있어서의 최적 개방도(Y_OPT)를 구하기 위한 방법이 다르다.

제2도에 있어서는 H_ST와 P_o로부터 Y_OPT를 구한것에 대하여, H_ST와 속도지령 또는 실제의 속도로부터 Y_OPT를 구하고 있다.

즉, 제5도에서는 검출속도(N_r)를 사용하고 제6도에서는 함수발생기(12)의 출력인 N_OPT를 사용한다. 어느 경우에도 Y_OPT도출용의 함수발생기(17)의 특성은 제4도와 같으며 이 경우도 P_o또는 H_ST의 변동의 경우 구동출력(P_M), 기계입력(P_p)의 변화 방향은 제2도의 경우와 동일하게 행해짐은 말할 것도 없다.

제5도 및 제6도의 실시예는 최적 안내베인 개방도(Y_OPT)를 구하기 위한 방법이 서로 다를 뿐이고, 상기한 바와 같이 전동기의 구동출력 제어계에 회전속도 제어계로부터 보정을 가하는 구성으로 한다는 본 발명의 사상으로부터 말한다면 동일 발명의 것이다. 또 안내베인 개방도 제어의 응답성에 비하여, 출력제어의 응답성은 대단히 빠르다.

본 발명의 목적(양수 운전시에 AFC 기능을 발휘하는데 적합한)을 달성할 수 있음의 설명을 위하여 제2도의 전형적인 실시예를 예로 들어 설명한다.

일예로서, 양수 발전소를 포함하는 전력계통에 있어서 전력과잉의 상태가 발생하여 전력계통의 주파수가 상승했다고 하면, 이 경우 중앙 급전지령소는 발전소에 대해서는 출력감소 지령을 발하고, 또 양수운전중의 본 발명의 가변속 양수 발전소에 대하여서는 구동출력(전기부하) 증가지령(P_o)을 보낸다. 이 구동출력 지령(P_o)을 받아 제1도, 제2도에 나타낸 가변속 양수 발전장치는 다음과 같이 작동한다. 단, P_o가 증가하기 이전의 P_o일정의 상태에서 제2도 각부의 플랜트 상태는 제7도와 같이, 속도제어계에 의하여 N_r=N_OPT, 상기 출력제어계에 의하여 P_M=P_r=P_o, ε=0, 상기 안내베인 제어계에 의하여 Y_r=Y_OPT로 되어 있다. 여기서 펌프가 요구하는 입력(P_p)과 실제의 전동기의 구동출력(P_M)은 일종의 적분요소로 볼수 있는 전동기 및 펌프가 가지는 관성효과(GD₂)(105)에 의하여 그 편차(P_M-P_P)가 제로(0)로 유도되므로 P_M=P_P이고, 또 함수 발생기(12, 13)의 오차를 무시하면 Y_OPT=P_o상당, N_OPT=P_o상당이 되므로, P_o=Y_OPT상당=Y_r상당=P_P=P_M의 관계가 성립되어 출력 보정신호(ε)는 제로(0)로 된다.

이 상태에 있어서, 중앙 급전지령소로부터의 구동출력지령(P_o)이 제7a도와 같이 시점(t₁)에서 급증하면, 후술하는 바와 같이 실제의 구동출력(P_M)도 상당히 고속으로 추종하여 증대한다. 한편, 함수발생기(12)는 제3도에 그 특성을 나타낸 바와 같이 회전속도 지령(N_OPT)을 거의 순시적으로 증대시킨다. 이에 대하여 실제 회전속도(N_r)는 후술하는 바와 같이 관성 효과등의 영향으로 즉각적으로는 상승할 수가 없고, N_OPT와의 사이에 편차를 발생한다. 이 편차는 속도조절기(16)의 적분기능에 의하여 적분되어, 보정신호(ε)로서 출력요구신호(P_o)에 가산되고, 이것이 발전 전동기(1)에 대한 총합 구동출력지령(P+ε)이 된다. 이 지령(P_o+ε)은 비교기(102)에서 실제출력(Pr)과 비교되어 출력조절기(8)에 입력되나, 여기서 출력조절기(8)는 총합 구동출력 지령(P_o+ε)을 달성하는데 필요한 발전 전동기(1)의 2차 권선(1S)에 인가되는 여자전압(V)을 산출하게 된다. 특히 2차 권선(1S)의 각 상의 여자량을 얻기 위한 함수중, 내부상차각(Δδ)를 제어한다. 즉, 2차 권선(1S)의 a, b, c 각상 전압을 Va, Vb, Vc라 하면,

로 주어진다. 여기서 E는 슬립(S) 및 가변속기의 운전상태로 결정되는 전압치, δ_o는 가변속기의 운전상태로 결정되는 내부상차각, Δδ는 출력조절기(8)로 부터의 출력으로 제어되는 내부상차각이다.

상기 (2)식을 사용하여 가변속 발전 전동기의 제어를 하는 경우에, 무효전력의 제어지령에 대해서는 전압(E)을 제어하고, 유효전력의 제어지령에 대해서는 내부상차각(Δδ)를 제어하면 되고, 이를 위하여 2차 권선(1S)의 내부상차각(Δδ)를 제어하기 위한 정보로서, 유효전력을 사용한다. 즉, 내부상차각(Δδ)은,

으로 한다. K₁, K₂는 정수이다.

출력조절기(8)에 있어서의 (3)식의 연산은 소위 비례적분 연산이다. 이와 같이 하여 구해진 내부상차각(Δδ)의 신호는 자동 이상 제어장치 (3)에 인가되고, APPSC(3)에서는 주파수 변환장치(4)의 점호제어에 의하여 회전자에 대하여 슬립주파수(f₂)에 상당하는 회전 자계를 가하는 한편, 실제의 내부 상차각을 Δδ에 일치시키도록 발전 전동기(1)의 2차 권선(1S)에 인가되는 여자전압(V)을 제어한다. 이 제어에 의하여 발전 전동기의 전력입력 P_M(=P_r)은 제7d도에 나타낸 바와 같이 총합출력 요구신호(P_o+ε)에 추종하나, 전기회로로 구성되는 이 출력 제어계에 있어서의 지연은 거의 출력조절기(8)의 적분 기능등의 설정에 의하여 결정되고, 단 귀환량의 응답에 비하여 훨씬 고속이고, 거의 지연 없이 추종한다.

한편, 함수발생기(13)에 있어서도 출력지령(P_o)의 증가에 따라 안내베인 개방도 지령(Y_OPT)을 제7c도와 같이 증가시킨다. Y_OPT가 P_o의 변화에 대하여 약간 지연되고 있는 것은 Y_OPT회로의 고유의 지연 또는 따로 고의적으로 가하는 지연요소의 영향 때문이다. 또한, 실제의 안내베인 개방도(Y_r)의 응답은 개방도 조절기(9)에서 가해지는 주행속도 제어나, 증폭기구가 고유하게 가지는 동작 지연에 의하여 그 응답은 도면과 같이 상당히 지연되고, 따라서 기계입력(P_P)의 변화는 구동출력(P_M)의 변화에 비하여 늦은 것이 된다.

이로 인하여, 제2도의 블럭(50)에 나타낸 바와 같이 구동출력(P_M)과 기계입력의 차에 의하여 수차/펌프가 가속되어 속도(N_r)가 상승한다. N_r의 상승에 의하여 N_OPT와의 편차는 감소하여 N_OPT=N_r가 된다. 또 안내베인 조절기(9)에 의하여 Y_OPT=Y_r로 되어 안정된다.

그런데 정상 상태가 되면 ε=0이 어떻게 하여 달성되는가 즉, P_o=P_r가 어떻게 하여 달성되는가를 다음에 설명한다.

상기한 바와 같이 입력(P_P)은 실제의 안내베인 개방도 Y_r상당이다. 또한 상기한 바와 같이 Y_OPT=Y_r로 되어 있다.

또한 최적 안내베인 개방도 함수발생기(13)의 원리를 생각하면 Y_OPT=P_o상당이다.

한편 적분요소를 포함하는 출력조절기(8) 및 P의 부귀환 회로에 의하여 P_o+ε=P_r가 얻어진다.

또 상기한 바와 같이 P_r=P_M이다.

또한 상기한 바와 같이 관성효과(105)는 일종의 적분 작용을 하는 것 및 N_r의 부귀환 회로의 작용을 고려하면 P_M=P_P가 된다.

이상을 총합하면,

P_o+ε=P_r=P_M=P_P=Y_r상당=Y_OPT상당=P_o

가 되고 최종적으로 ε은 제로(0)로 유도됨을 알 수 있다.

이와 같이 동일 전동기에 구동 출력제어와 회전속도 제어의 양쪽을 부가하고 있음에도 불구하고 아무런 모순이 발생하는 일이 없이 두 제어가 확실하게 실행된다.

이 제7도에 있어서는 구동출력 제어를 주로 한 구성으로 하고, 회전속도 제어는 보정제어를 하도록 되어 있어, 구동출력(P_M)의 응답은 수초내에 충분히 추종할 수 있기 때문에 고속응답이 가능하여 본 가변속 양수 발전장치는 당연히 AFC 지령에는 간단히 추종한다. 또한 제7도로부터 충분히 이해할 수 있기 때문에 설명을 생략하나, 제8도에 출력지형(P_o)이 감소했을 때의 응답 특성을 나타낸다.

이상의 설명은 제1도에 나타낸 2차 여자방식의 가변속 양수 발전장치를 예로 들어 설명했으나, 제9도와 같이 동일한 발전 전동기(1')를 사용하여 그 1차 권선(1P)의 주파수와 수차/펌프(6)의 회전수는 비례관계에 있으나 1차 권선(1P)의 주파수를 전력계통(5)의 주파수와는 별개로 제어할 수 있으므로 가변속으로 할수 있고, 또한 1차 권선(1P)에 가하는 전력량을 조정함으로써 발전 전동기(1')의 출력을 가변으로 할 수 있다.

그러나, 이상의 설명은 본격적으로 양수를 개시한 후의 운전상태의 설명이었으나, 이와 같은 운전상태에 들어가기 전의 안내베인을 개방하기 시작할 때를 생각해보면, 수면압하에 의하여 수차/펌프를 부무하상태로 회전시켜 두고, 수면압하해방, 수면상승후 안내베인을 열어 양수상태로 들어가나, 이 때의 안내베인 개방에 수반하는 펌프입력 증가의 비율이 원활(smooth) 하지가 않고 일반적으로 안내베인 개방동작 개시 직후에 급격하게 상승한다. 그러므로 이 급격한 입력변화에 적절히 대응할 수 없으면 회전속도가 크게 저하하고, 혹은 가변속 허용범위를 벗어나며, 그렇다고 주파수 변환장치의 여자제어를 이와 같은 양수 기동시에만 발생하는 급격한 입력 변화에도 대응할 수 있도록 설계하려고 하면, 구동전동기나 주파수 변환장치 등의 전류, 기타의 정격치가 상승하여 비경제적인 설계가 된다.

제10도는 이 대책을 세운 함수발생기(12)의 일실시예를 나타낸 것으로, 함수발생기(12-1)에 가해지는 최적 회전속도(N_OPT')에 기동시(안내베인 개방전 및 개방직후)만 폐쇄되는 접점(111)을 거쳐 바이어스(No)를 가산기(110)에 인가한다. 이와 같이 함으로써 기동 당초의 펌프는 N_OPT=N_OPT'+No로 운전이 되게 되어, 안내베인 개방도의 개방에 의하여 일시적으로 회전 속도가 저하했다 하더라도, 저하후의 속도를 최적속도(N_OPT')에 가깝게 유지할 수가 있다.

또한 이 바이어스(N_o)를 계속 인가하는 것은 바람직하지 않으며, 안내베인 개방후에 운전이 안정되었을 때를 맞추어 적절히 제거할 필요가 있다.

그러나, 제1도와 같이 1차 권선 및 2차 권선을 가지고, 1차 권선을 전력계통에 접속하고, 2차 권선을 주파수 변환장치에 의하여 교류여자함으로써 회전자를 동기 속도로부터 이탈한 임의의 속도로 회전시키는 형식의 가변속 발전전동기에 있어서는, 동기속도 부근에서 운전하는 경우 다음과 같이 문제가 있다.

즉, 가변속의 교류여자를 하는 주파수 변환장치는 역병렬의 변환기로 구성되나, 동기 속도 부근에서는 전류가 오랜동안 특정의 변환기에 집중되게 되어, 열상승을 수반하므로, 결과적으로 주파수 변환장치의 전류용량은 크게 저하하게 된다.

이와 같이 주파수 변환장치의 용량 저하를 발생시키는 회전속도 범위는 주파수 변환장치의 금지대라고 한다. 당연히, 금지대를 확인하여, 즉, 그 범위중에서도 운전할 수 있도록 설계한 주파수 변환장치의 용량에 비하면 훨씬 커지게 된다.

이 때문에 종래 기술에서는 금지대가 있게 설계하여, 주파수 변환장치를 경제적으로 설계하고, 그 대신 금지대내에서의 구동출력 조정을 억제하거나, 또는 반대로 일체의 운전제한 영역을 설치하지 않고, 즉 금지대가 없이 설계하여 고가인 주파수 변환장치를 인정하거나 하는 어느 한쪽의 선택을 할수 밖에 없었다.

제11도는 이 대책을 위한 함수발생기(12)의 일예를 나타낸 것으로, 최적개방도(N_OPT')를 결정하는 원래의 함수발생기(12-1)외에 비선형회로(12-2)를 구비하고, 함수발생기(12-1)의 출력인 최적개방도(N_OPT')를 비선형회로(12-2)를 거쳐 N_OPT로서 출력한다. 비선형회로(12-2)의 비선형 특성은 이 발전 전동기의 동기속도(N₁)와 여유치(α)로 결정되며, 여유치(α)는 동기속도(N₁)의 0.5∼1(%)로 하게 된다. 이 특성에서는, N_OPT'≤N₁-α 또는 N_OPT'≥N₁+α 일때, N_OPT=N_OPT'가 되고, N₁-α＞N_OPT'≥N₁일때, N_OPT=N₁-α가 되고, N₁＞N_OPT'＞N₁+α 일때 N_OPT=N₁+α가 된다. 이 결과, 동도(b)에 나타낸 바와 같이 출력지령(P_o)이 비례적으로 증가하고, 함수발생기(12-1)의 출력(N_OPT')도 출력지령(P_o)에 따라 증가했다고 하면, 비선형회로(12-2)의 출력은 N₁-α까지, 또는 N₁+α 이후는 N_OPT'에 비례하여 증가하나, N_OPT'가 동기속도(N₂)의 가까이에 있을때는 N_OPT는 N₁-α이거나, 또는 N₁-α의 어느 하나에 한정되어 버린다. 이에 의하여 동기속도(N₁)의 통과를 급속하게 행할 수가 있어, 그 사이의 주파수 변환장치의 온도상승도 허용범위내에 억제할 수가 있다.

즉, 이 방법에 의하면 주파수 변환장치는 금지대가 있는 경제설계로 하여 특별한 운전 조건을 필요로 하지 않는 가변속 양수 발전장치를 실현할 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 양수 운전시에 있어서도 AFC 운전등 전력계통의 안정화 제어에 크게 공헌할 수 있는 가변속 양수 발전장치가 된다.

Claims (4)

1차 권선이 전력계통에 접속되고 2차 권선이 주파수 변환장치를 통해 상기 전력계통에 접속된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기의 축에 직결합되고 개방도가 가변인 안내베인을 갖는 수차/펌프를 구비한 가변속 양수 발전장치에 있어서, 적어도 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 출력 지령신호에 의거하여 목표 회전속도 신호를 발생하는 제1함수발생기와, 상기 제1함수발생기의 목표회전속도 신호와 상기 발전 전동기의 실제 회전속도를 나타내는 회전속도 신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 속도조절기와, 상기 발전장치에서 필요한 출력전력을 지령하는 상기 출력 지령신호에 상기 속도조절기의 출력신호를 가산하여 총합 목표출력 지령신호를 발생하는 가산기와, 상기 가산기에서 발생된 총합 목표출력 지령신호와 상기 발전 전동기의 실제 출력전력을 나타내는 전력신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 출력조절기와, 상기 출력조절기의 출력신호에 의하여 점호각을 제어하는 상기 주파수 변환장치와, 적어도 상기 발전장치에서 필요한 출력전력을 지령하는 출력 지령신호에 의거하여 목표 안내베인 개방도 신호를 발생하는 제2함수발생기와, 상기 제2함수발생기의 목표 안내베인 개방도 신호와 상기 수차/펌프의 안내베인의 실제 개방도를 나타내는 안내베인 개방도 신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하여 상기 수차/펌프의 안내베인의 개방도를 제어하는 안내베인 개방도 조절기로 이루어진 것을 특징으로 하는 가변속 양수 발전장치.

1차 권선이 전력계통에 접속되고 2차 권선이 주파수 변환장치를 통해 상기 전력계통에 접속된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기의 축에 직결합된 수차/펌프를 구비한 가변속 양수 발전장치에 있어서, 적어도 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 출력 지령신호에 의거하여 목표 회전속도 신호를 발생하는 제1함수발생기와, 상기제1함수발생기의 목표 회전속도 신호와 상기 발전 전동기의 실제 회전속도를 나타내는 회전속도 신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 속도조절기와, 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 상기 출력 지령신호에 상기 속도조절기의 출력신호를 가산하여 총합 목표출력 지령신호를 발생하는 가산기와, 상기 가산기에 발생된 총합 목표출력 지령신호와 상기 발전 전동기의 실제 출력전력을 나타내는 전력신호사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 출력조절기와, 상기 출력조절기의 출력신호에 의하여 점호각을 제어하는 상기 주파수 변환장치로 이루어지고, 상기 제1함수발생기는 상기 발전장치가 양수 시동될때 상기 발전전동기의 회전속도를 상대적으로 높은 회전속도로 설정하는 것을 특징으로 하는 가변속 양수 발전장치.

1차 권선이 전력계통에 접속되고 2차 권선이 주파수 변환장치를 통해 상기 전력계통에 접속된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기의 축에 직결합된 수차/펌프를 구비한 가변속 양수 발전장치에 있어서, 적어도 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 출력 지령신호에 의거하여 목표 회전속도 신호를 발생하는 제1함수발생기와, 상기 제1함수발생기의 목표 회전속도 신호와 상기 발전 전동기의 실제 회전속도를 나타내는 회전속도 신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 속도조절기와, 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 상기 출력 지령신호에 상기 속도조절기의 출력신호를 가산하여 총합 목표출력 지령신호를 발생하는 가산기와, 상기 가산기에서 발생된 총합 목표출력 지령신호와 상기 발전 전동기의 실제 출력전력을 나타내는 전력신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 출력 조절기와, 상기 출력조절기의 출력신호에 의거하여 점호각을 제어하는 상기 주파수 변환장치로 이루어지고, 상기 제1함수발생기는 상기 발전 전동기의 정격회전속도 근방에서 급변하는 목표 회전속도를 발생함으로서 상기 발전 전동기가 정격회전속도에 근접한 속도로 연속 운전되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 가변속 양수 발전장치.

1차 권선이 주파수 변환장치를 통해 전력계통에 접속되고 2차 권선이 그 회전축에 장착된 회전자에 제공된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기의 축에 직결합된 수차/펌프를 구비한 가변속 양수 발전장치에 있어서, 적어도 상기 발전장치에 필요한 출력 전력을 지령하는 출력 지령신호에 의거하여 목표 회전속도 신호를 발생하는 제1함수 발생기와, 상기 제1함수 발생기의 목표 회전속도 신호와 상기 발전 전동기의 실제 회전속도를 나타내는 회전속도 신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 속도조절기와, 상기 발전장치에 필요한 출력전력을 지령하는 상기 출력 지령신호에 상기 속도조절기의 출력신호를 가산하여 총합 목표출력 지령신호를 발생하는 가산기와, 상기 가산기에서 발생된 총합 목표출력 지령신호와 상기 발전 전동기의 실제 출력전력을 나타내는 전력신호 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하는 출력조절기와, 상기 출력 조절기의 출력신호에 의하여 점호각을 제어하는 상기 주파수 변환장치와, 적어도 상기 발전장치에서 필요한 출력전력을 지령하는 상기 출력 지령신호에 의거하여 목표 안내베인 개방도 신호를 발생하는 제2함수 발생기와, 상기 제2함수발생기의 목표 안내베인 개방도 신호와 상기 수차/펌프의 안내베인의 실제 개방도 사이의 편차신호에 따른 출력신호를 발생하여 상기 수차/펌프의 안내베인의 개방도를 제어하는 안내베인 개방도 조절기로 이루어진 것을 특징으로 하는 가변속 양수 발전장치.

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