KR102276555B1

KR102276555B1 - 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102276555B1
Application number: KR1020190111400A
Authority: KR
Inventors: 박진오; 조성길; 이승훈; 전태연
Original assignee: 한국남동발전 주식회사
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-07-12
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: KR20210030008A

Abstract

본 발명은 터빈 발전기에서 생성되는 전기를 전력 계통에 연결할 때 운전원의 조작이 없이도 분산 제어 시스템(DCS)의 제어 로직을 통해 발전기의 출력을 검출하여 부하율(Load Rate)과 목표 부하(Load Target)를 자동으로 설정해 초기 부하를 제어함으로써 전력 계통과 안정적으로 연결할 수 있도록 하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템은, 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전부; 발전부의 발전량을 검출하는 발전량 검출부; 발전부의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결하기 위한 스위칭부; 및 발전부의 출력이 전력 계통에 연결되도록 스위칭 제어하고, 발전부의 발전량이 일정 이상이면 부하율 및 목표 부하를 포함하는 초기 부하를 자동으로 설정한 후 목표 부하에 이르기까지 발전부의 발전을 제어하는 발전 제어부를 포함한다.

Description

발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템{System and method for controlling automatic generator initial load increase in synchronization}

본 발명은 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 터빈 발전기에서 생성되는 전기를 전력 계통에 연결할 때 운전원의 조작이 없이도 분산 제어 시스템(DCS: Distribution Control System)의 제어 로직을 통해 발전기의 출력을 검출하여 부하율(Load Rate)과 목표 부하(Load Target)를 자동으로 설정해 초기 부하를 제어함으로써 전력 계통과 안정적으로 연결할 수 있도록 하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 발전소에서는 3상 혹은 단상의 발전기를 이용하여 전력을 생산해 변전소 및 고압 전력선을 통해서 전력 그리드에 공급하고, 전력 수요자는 전력 그리드로부터 전력을 받아서 저전압으로 변압하여 사용한다.

화력 발전소의 경우에는 터빈 발전기를 이용하는데, 효율을 높이기 위해서 증기를 고온, 고압으로 만드는 것이 중요하다. 증기 터빈은 보일러에서 생산된 고온, 고압의 증기를 동력으로 전환하는 장치로 많이 사용되고 있다.

터빈 발전기는 증기에 의해 터빈이 회전되어 3600 rpm으로 승속이 된 후 전력계통에 연결하여 전기를 생산해야 하며, 이를 위해서는 반드시 운전원이 다음과 같은 순서대로 신속하게 조작해야 한다.

운전원은 계통연결 자동모드를 선택하고, 계통연결 조건 만족시 계통 연결 및 초기 부하가 발생한다. 발전기의 출력이 3 메가와트(MW)가 초과되면, 운전원은 출력 제어모드를 선택한다. 그리고, 운전원은 발전기의 출력을 45 ~ 55 MW로 설정한 후 실행모드를 선택한다.

운전원이 전술한 과정 중 한 단계라도 오조작을 하게 되면, 터빈은 불시 정지하게 되고, 전력계통에 연결이 되지 않으며, 터빈 발전기의 불시 정지에 따른 전력 거래의 손실이 발생한다.

터빈 발전기가 불시 정지한 경우에 보일러도 소화되어 동작이 정지함에 따라 보일러를 재점화하여 증기 터빈의 회전 속도가 3600 rpm으로 재승속이 되도록 해야 한다. 이런 과정을 거쳐 전력계통 연결 시에 최소 2시간 이상 시간 지연이 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 전력계통 연결 시에 발전기가 불시 정지하는 것을 방지하고, 운전원의 조작이 없이도 자동으로 전력계통 연결을 수행할 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다.

한국 등록특허 공보 제10-1601164호(등록일자: 2016년03월02일)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 터빈 발전기에서 생성되는 전기를 전력 계통에 연결할 때 운전원의 조작이 없이도 분산 제어 시스템(DCS)의 제어 로직을 통해 발전기의 출력을 검출하여 부하율(Load Rate)과 목표 부하(Load Target)를 자동으로 설정해 초기 부하를 제어함으로써 전력 계통과 안정적으로 연결할 수 있도록 하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템은, 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전부; 발전부의 발전량을 검출하는 발전량 검출부; 발전부의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결하기 위한 스위칭부; 및 발전부의 출력이 전력 계통에 연결되도록 스위칭 제어하고, 발전부의 발전량이 일정 이상이면 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 자동으로 설정한 후 목표 부하에 이르기까지 발전부의 발전을 제어하는 발전 제어부를 포함할 수 있다.

여기서, 발전 제어부는, 분산 제어 시스템(DCS)을 포함할 수 있다.

또한, 발전부는, 냉각수를 공급하는 급수 펌프; 급수 펌프로부터 공급받은 냉각수에 열을 가하여 과열증기를 발생시키는 보일러; 보일러에서 발생된 과열증기를 전달받아 회전하는 증기 터빈; 증기 터빈의 출구에서 배출된 배기 증기를 응축시켜 물로 변화시키는 복수기; 증기 터빈의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기를 포함할 수 있다.

또한, 스위칭부는, 발전부의 출력을 전력 계통에 연결하는 제1 스위칭 소자; 발전부에서 출력된 고전압 전력의 전압 크기를 낮은 전압으로 조정하는 상치환 변압기; 및 낮은 전압의 교류 전력을 직류로 변환하는 AC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.

또한, 제1 스위칭 소자는, SSCB, 기계적 스위칭 소자, 전자적 스위칭 소자 중 하나일 수 있다.

또한, 전력 계통은, 전력변환장치, 분산형 전원, 배터리 및 EMS를 포함할 수 있다.

또한, 발전 제어부는, 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 발전량 검출부를 통해 검출되는 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단할 수 있다.

또한, 발전 제어부는, 발전부의 출력이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정한 후 목표 부하에 이르기까지 발전부의 발전을 제어할 수 있다.

또한, 전력 계통은, 스위칭부로부터 직류 전력을 인가받는 메인 버스; 인가받은 직류 전력을 스위칭하는 제2 스위칭 소자; 인가받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 컨버터; 및 교류 전력을 소모하는 부하부를 포함할 수 있다.

그리고, 전력계통은, 주상 변압기, 계기용 변압기, 가정용부하 출구, 거래용부하 출구 및 전력변환장치 출구를 포함하고, 거래용 부하 및 가정용 부하에 연결될 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법은, 발전부와 검출부, 스위칭부 및 발전 제어부를 포함하는 시스템의 발전기 전력계통 연결 초기 부하 제어 방법으로서, (a) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전을 제어하는 단계; (b) 상기 발전부가 상기 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 단계; (c) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 출력이 전력계통에 연결되도록 상기 스위칭부의 연결을 스위칭 제어하는 단계; (d) 상기 스위칭부가 상기 발전부의 출력을 스위칭하여 상기 전력 계통에 연결하는 단계; (e) 상기 검출부가 상기 발전부의 발전량을 검출하는 단계; (f) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전량이 일정 이상인지를 판단하는 단계; 및 (g) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전량이 일정 이상이면, 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, (h) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전을 목표 부하에 이르기까지 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, (f) 단계에서 발전 제어부는, 동기 모드가 오토 모드이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 검출부를 통해 검출되는 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단할 수 있다.

또한, (f) 단계에서 발전 제어부는, 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정할 수 있다.

또한, (a) 단계 내지 (g) 단계에서 발전부는, 냉각수를 공급하는 급수 펌프; 급수 펌프로부터 공급받은 냉각수에 열을 가하여 과열증기를 발생시키는 보일러; 보일러에서 발생된 과열증기를 전달받아 회전하는 증기 터빈; 증기 터빈의 출구에서 배출된 배기 증기를 응축시켜 물로 변화시키는 복수기; 및 증기 터빈의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기를 포함할 수 있다.

또한, (c) 단계 및 (d) 단계에서 스위칭부는, 발전부의 출력을 전력 계통에 연결하는 제1 스위칭 소자; 발전부에서 출력된 고전압 전력의 전압 크기를 낮은 전압으로 조정하는 상치환 변압기; 및 낮은 전압의 교류 전력을 직류로 변환하는 AC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.

또한, 전력계통은, 주상 변압기, 계기용 변압기, 가정용부하 출구, 거래용부하 출구 및 전력변환장치 출구를 포함하고, 거래용 부하 및 가정용 부하에 연결될 수 있다.

그리고, 전력 계통은, 전력변환장치, 분산형 전원, 배터리 및 EMS를 포함할 수 있다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 제어 장치는, 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 제어하고, 발전기의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결하는 스위칭부를 제어하며, 발전부의 발전량을 발전량 검출부를 통해 검출하는 발전기 제어 장치로서, 발전기에 연결된 발전기 연결부; 스위칭부에 연결된 스위칭부 연결부; 발전량 검출부에 연결된 검출부 연결부; 발전기의 제어에 필요한 명령이나 데이터를 입력받는 입력부; 발전부의 출력을 전력 계통에 스위칭 연결하고, 발전부의 발전량이 일정 이상이면 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 설정하는 마이크로 프로세서; 및 발전기 및 스위칭부의 제어 상황을 화면 상에 출력하거나, 발전부의 발전량과 입력부를 통한 입력 현황 및 마이크로 프로세서의 제어 처리 현황을 화면 또는 음성으로 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

또한, 마이크로 프로세서는, 발전부의 발전을 목표 부하에 이르기까지 제어할 수 있다.

또한, 마이크로 프로세서는, 동기 모드가 오토 모드이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 발전 검출부를 통해 검출되는 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단할 수 있다.

그리고, 마이크로 프로세서는, 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발전소 내 발전기의 속도가 3,600 rpm으로 승속 후 전력계통에 연결할 때, 운전기술 및 경험이 상이한 운전원이 직접 조작할 필요없이 자동으로 출력(MW)이 설정됨에 따라 오조작을 방지할 수 있으며, 발전기 운전의 편의성이 향상된다.

또한, 발전기 전력계통 연결 시 초기 부하를 자동으로 제어함으로써 불시 정지를 예방할 수 있으며, 이로 인해 전력 거래 손실을 제로화하고 전력 거래 신뢰도를 상승시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발전부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭부의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 제어 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 시 초기 부하를 제어하는 화면을 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조로 본 발명에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템(100)은, 발전부(110), 발전량 검출부(120), 스위칭부(130) 및 발전 제어부(140)를 포함할 수 있다.

발전부(110)는 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산한다.

발전량 검출부(120)는 발전부(110)의 발전량을 검출한다. 즉, 발전량 검출부(120)는 발전부(110)에서 생성되어 출력되는 전력량을 검출한다.

스위칭부(130)는 발전부(110)의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결한다.

발전 제어부(140)는 발전부(110)의 출력이 전력 계통에 연결되도록 스위칭 제어하고, 발전부(110)의 발전량이 일정 이상이면 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 설정한 후 목표 부하에 이르기까지 발전부(110)의 발전을 제어한다.

여기서, 발전 제어부(140)는, 분산 제어 시스템(DCS: Distributed Control System)을 포함할 수 있다.

또한, 발전 제어부(140)는, 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 발전량 검출부(120)를 통해 검출되는 발전부(110)의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단할 수 있다.

그리고, 발전 제어부(140)는, 발전부(110)의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정한 후 목표 부하에 이르기까지 발전부(110)의 발전을 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발전부의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발전부(110)는, 급수 펌프(Feed Pump)(210), 보일러(220), 증기 터빈(230), 복수기(240) 및 발전기(250)를 포함할 수 있다.

급수 펌프(210)는 냉각수를 보일러(220)에 공급한다.

보일러(220)는 급수 펌프(210)로부터 공급받은 냉각수에 열을 가하여 과열증기를 발생시킨다.

증기 터빈(230)은 보일러(220)에서 발생된 과열증기를 전달받아 회전한다.

복수기(240)는 증기 터빈(230)의 출구에서 배출된 배기 증기를 응축시켜 물로 변화시킨다.

발전기(250)는 증기 터빈(230)의 회전력에 의해 전기를 발생시킨다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭부의 구성 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스위칭부(130)는, 제1 스위칭 소자(310), 상치환 변압기(320), AC-DC 컨버터(330), 버스 스위치(340) 및 메인 버스(350)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 스위칭부(130)는 일단이 발전기(250)에 연결되고, 다른 두 단이 각각 메인 버스(350)에 연결되는 상치환 변압기(320)에 연결되며, 나머지 단자는 메인 버스(350) 측에 연결될 수 있다.

제1 스위칭 소자(310)는 발전기(250)에 연결되어, 발전기(250)의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결한다. 제1 스위칭 소자는, SSCB(solid state circuit breaker), 기계적 스위칭 소자(AC Circuit Breaker), 전자적 스위칭 소자 중 하나일 수 있다.

상치환 변압기(320)는 발전기(250)에서 출력된 고전압 전력의 전압 크기를 낮은 전압으로 조정한다. 상치환 변압기(320)는 두 개의 출력을 가질 수 있다.

상치환 변압기(320)는 발전기(250)의 출력 교류 전압에 대한 전기 에너지를 자기 에너지로 바꾸어 코일의 비를 통해 다시 자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전자기 유도 현상을 이용하여 전압을 낮추는 기능을 할 수 있다.

AC-DC 컨버터(330)는 낮은 전압의 교류 전력을 직류로 변환한다. AD-DC 컨버터(330)는 상치환 변압기(320)의 두 출력에 각각 연결되어, 상치환 변압기(320)와 메인 버스(350) 사이에 각각 배치될 수 있다.

버스 스위치(340)는 두 개의 AC-DC 컨버터(330a, 330b)를 각각 메인 버스(350)에 스위칭하여 연결할 수 있다.

메인 버스(350)는 전력 계통에 연결되어 있는 버스이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통은, 전력변환장치(400), 분산형 전원(300), 배터리(500) 및 EMS(Energy Management System)(600)를 포함할 수 있다.

전력변환장치(400)는 PLC(Programmable Logic Controller)(401), 인버터(402), 컨버터(403) 및 제어부(480)를 포함할 수 있다.

PLC(401)는 인입구에 설치된 계기용 변압기(420)로부터 측정된 전압(V) 및 주파수(Hz)에 기초하여 유효전력 제어값 및 무효전력 제어값을 계산할 수 있다. 예를 들어, PLC(401)는 제어 로직을 계산할 수 있는 다수의 프로그램을 포함할 수 있다.

인버터(402)는 PLC(401)에 의해 계산된 유효전력 제어값 및 무효전력 제어값에 기초하여 전력변환장치 출구(433)의 유효전력 및 무효전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 인버터(402)는 양방향으로 전달되는 전력에 대해 전압변환 동작을 수행할 수 있으며, 인버터(402)에 포함되는 다수의 스위치를 제어하는 신호를 생성하는 DSP(Digital Signal Processor)를 포함할 수 있다.

컨버터(403)는 전력변환장치 출구(433)와 배터리(500)와 분산형 전원(300)의 사이에서 양방향으로 전달되는 전력에 대해 전압변환 동작을 수행할 수 있다.

도 4에서, 전력 계통은 주상 변압기(410), 계기용 변압기(420), 가정용부하 출구(431), 거래용부하 출구(432) 및 전력변환장치 출구(433)를 포함하고, 거래용 부하(441) 및 가정용 부하(442)에 연결될 수 있다.

분산형 전원(300)은 태양 에너지, 풍력 에너지 및 수력 에너지와 같은 신재생 에너지를 전기 에너지로 변환하면서 발전할 수 있다.

배터리(500)는 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)로 구현될 수 있으며, 다수의 축전지 또는 큰 축전지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다수의 축전지 또는 큰 축전지는 약 50%의 충전량(State of Charge, SOC)을 유지할 수 있다.

EMS(600)는 전력변환장치(400)를 원격으로 제어하기 위한 통신신호를 생성하여 전력변환장치(400)로 송신하고, 전력변환장치(400)의 전력변환 결과를 포함하는 신호를 수신할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 계통은, 메인 버스(350), 제2 스위칭 소자(510), DC-AC 컨버터(520) 및 부하부(530)를 포함할 수 있다.

메인 버스(350)는 스위칭부(130)로부터 직류 전력을 인가받는다.

제2 스위칭 소자(510)는 인가받은 직류 전력을 스위칭하여 DC-AC 컨버터(520)에 연결한다.

DC-AC 컨버터(520)는 인가받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.

부하부(530)는 교류 전력을 예를 들면 모터의 회전 동작에 따라 소모한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.

도 6에서, 설명의 편의상 발전량 검출부(120)는 '검출부'로 표시하고, 발전 제어부(140)는 '제어부'로 표시하여 설명한다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 발전기 전력계통 연결 초기 부하 제어 시스템(100)은, 발전 제어부(140)가 발전부(110)의 발전을 제어한다(S610).

따라서, 발전부(110)는 증기 터빈(230)이 회전하게 되고, 증기 터빈(230)의 회전력을 이용하여 전기를 생산한다(S612).

즉, 발전부(110)는, 급수 펌프(210)에서 보일러(220)로 냉각수를 공급하고, 보일러(220)는 급수 펌프(210)로부터 공급받은 냉각수에 열을 가하여 과열증기를 발생시키며, 증기 터빈(230)은 보일러(220)에서 발생된 과열증기를 전달받아 회전하게 되며, 발전기(250)는 증기 터빈(230)의 회전력에 의해 전기를 발생시킨다. 이때, 복수기(240)는 증기 터빈(230)의 출구에서 배출된 배기 증기를 응축시켜 물로 변화시킨다.

발전 제어부(140)는 발전부(110)의 출력이 전력계통에 연결되도록 스위칭부(130)의 연결을 스위칭 제어한다(S620).

스위칭부(130)는 발전부(110)의 출력을 스위칭하여 전력계통에 연결한다(S622).

즉, 스위칭부(130)는 발전부(110)의 출력을 제1 스위칭 소자(310)를 통해 전력 계통에 연결하고, 발전부(110)에서 출력된 고전압 전력의 전압 크기를 상치환 변압기(320)를 통해 낮은 전압으로 조정한 후, 낮은 전압의 교류 전력을 AC-DC 컨버터(330)를 통해 직류로 변환한 후 메인 버스(350)를 통해 전력 계통에 전달한다.

발전량 검출부(120)는 발전부(110)의 발전량을 검출한다(S630).

발전 제어부(140)는 발전부(110)의 발전량이 일정 이상인지를 판단한다(S640).

즉, 발전 제어부(140)는, 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 발전량 검출부(120)를 통해 검출되는 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단할 수 있다.

발전 제어부(140)는 발전부(110)의 발전량이 일정 이상이면, 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 설정한다(S650).

즉, 발전 제어부(140)는 발전부(110)의 출력이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분) 로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정할 수 있다.

발전 제어부(140)는 발전부(110)의 발전량이 목표 부하에 이르기까지 증기 터빈(230)이 회전되도록 발전부(110)의 발전 동작을 제어한다(S660).

따라서, 발전부(110)는 증기 터빈(230)의 회전에 의해 전기를 생성하여 전력계통에 공급하고, 전력 계통은 발전부(110)로부터 인가된 전력을 거래용 부하(441) 또는 가정용 부하(442)에 의해 소비하게 된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 제어 장치의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 발전기 제어 장치(700)는, 입력부(710), 출력부(720), 마이크로 프로세서(730), 발전기 연결부(740), 스위칭부 연결부(750) 및 검출부 연결부(760)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 발전기 제어 장치(700)는 컴퓨터 단말기 형태로 구현할 수 있으며, 서버 컴퓨터 등과 같이 대용량 처리 컴퓨터로도 구현할 수 있다.

입력부(710)는 발전기의 제어에 필요한 명령이나 데이터를 입력받는다.

출력부(720)는 발전기 및 스위칭부의 제어 상황을 화면 상에 출력하거나, 발전부의 발전량과 입력부를 통한 입력 현황 및 마이크로 프로세서의 제어 처리 현황을 화면 또는 음성으로 출력할 수 있다.

마이크로 프로세서(730)는 발전부의 출력이 전력 계통에 연결되도록 스위칭 제어하고, 발전부의 발전량이 일정 이상이면 도 8에 도시된 바와 같이 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 자동으로 설정한다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기 전력계통 연결 시 초기 부하를 제어하는 화면을 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 마이크로 프로세서(730)는 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 발전량 검출부(120)를 통해 검출되는 발전부(110)의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단한다.

이어, 마이크로 프로세서(730)는, 발전부(110)의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정할 수 있다.

따라서, 마이크로 프로세서(730)는 발전부(110)의 발전량이 목표 부하에 이르기까지 증기 터빈(230)의 회전력을 이용하여 발전부(110)의 발전 동작을 제어할 수 있다. 즉, 마이크로 프로세서(730)는 설정된 부하율 및 목표 부하를 달성할 수 있는 전력이 생성되도록 증기 터빈(230)의 회전수를 제어한다.

발전기 연결부(740)는 발전기 제어 장치(700)를 발전기(250)와 연결한다.

스위칭부 연결부(750)는 발전기 제어 장치(700)를 스위칭부(130)와 연결한다.

검출부 연결부(760)는 발전기 제어 장치(700)를 발전량 검출부(120)와 연결한다.

전술한 구성의 발전기 제어 장치(700)는, 발전기(250)의 초기 동작 시에 증기 터빈(230)이 3,600 rpm 속도로 승속하고, 검출부 연결부(760)를 통해 발전량 검출부(120)로부터 인가된 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면 도 8에 도시된 바와 같이 터빈 모드를 메가와트(MW)로 자동 선택하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정한 후 이를 달성하도록 증기 터빈(230)의 회전을 제어한다.

또한, 발전기 제어 장치(700)는 분산형 전원(300)이 전력계통으로부터 탈락되거나 탈락될 위험이 있을 때의 전력계통이 정상 상태의 전력계통보다 불안정하므로, 입력부(710)를 통해 전력계통의 불안정성에 따라 전력계통의 안정화를 위한 제어논리를 다르게 할 수 있다. 즉, 마이크로 프로세서(730)는 입력부(710)를 통해 전력계통에 연계되는 분산형 전원의 독립 운전 정보를 입력받고, 독립 운정 정보에 따라 유효전력 제어값 및 무효전력 제어값을 전력계통의 안정화에 활용할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(400)는 분산형 전원의 출력변동에 따른 전력계통의 불안정성을 감소시킬 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 터빈 발전기에서 생성되는 전기를 전력 계통에 연결할 때 운전원의 조작이 없이도 분산 제어 시스템(DCS)의 제어 로직을 통해 발전기의 출력을 검출하여 부하율(Load Rate)과 목표 부하(Load Target)를 자동으로 설정해 초기 부하를 제어함으로써 전력 계통과 안정적으로 연결할 수 있도록 하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법 및 시스템을 실현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100: 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템
110: 발전부 120: 발전량 검출부
130: 스위칭부 140: 발전 제어부
210: 급수 펌프 220: 보일러
230: 증기 터빈 240: 복수기
250: 발전기 310: 제1 스위칭 소자
320: 상치환 변압기 330: AC-DC 컨버터
340: 버스 스위치 350: 메인 버스
300: 분산형 전원 400: 전력변환장치
401: PLC 402: 인버터
403: 컨버터 410: 주상 변압기
420: 계기용 변압기 431: 가정용부하 출구
432: 거래용부하 출구 433: 전력변환장치 출구
441: 거래용 부하 442: 가정용 부하
500: 배터리 510: 제2 스위칭 소자
520: DC-AC 컨버터 530: 부하부
600: EMS 700: 발전기 제어 장치
740: 발전기 연결부 750: 스위칭부 연결부
760: 검출부 연결부 710: 입력부
730: 마이크로 프로세서 720: 출력부

Claims

증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전부;
상기 발전부의 발전량을 검출하는 발전량 검출부;
상기 발전부의 출력을 스위칭하여 전력 계통에 연결하는 스위칭부; 및
상기 발전부의 출력이 전력 계통에 연결되도록 스위칭 제어하고, 상기 발전부의 발전량이 일정 이상이면 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 자동으로 설정한 후 상기 목표 부하에 이르기까지 상기 발전부의 발전을 제어하는 발전 제어부;
를 포함하고,
상기 발전 제어부는, 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 상기 발전량 검출부를 통해 검출되는 상기 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단하고, 상기 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정한 후 상기 목표 부하에 이르기까지 상기 발전부의 발전을 제어하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 발전 제어부는, 분산 제어 시스템(DCS: Distributed Control System)을 포함하는 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 발전부는,
냉각수를 공급하는 급수 펌프(Feed Pump);
상기 급수 펌프로부터 공급받은 냉각수에 열을 가하여 과열증기를 발생시키는 보일러;
상기 보일러에서 발생된 과열증기를 전달받아 회전하는 상기 증기 터빈;
상기 증기 터빈의 출구에서 배출된 배기 증기를 응축시켜 물로 변화시키는 복수기;
상기 증기 터빈의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기;
를 포함하는 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭부는,
상기 발전부의 출력을 상기 전력 계통에 연결하는 제1 스위칭 소자;
상기 발전부에서 출력된 고전압 전력의 전압 크기를 상기 고전압 전력의 전압보다 낮은 전압으로 조정하는 상치환 변압기; 및
상기 상치환 변압기에서 조정된 전압의 교류 전력을 직류로 변환하는 AC-DC 컨버터;
를 포함하는 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자는, SSCB(solid state circuit breaker), 기계적 스위칭 소자(AC Circuit Breaker), 전자적 스위칭 소자 중 하나인 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 계통은, 전력변환장치, 분산형 전원, 배터리 및 EMS(Energy Management System)을 포함하는 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
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제 1 항에 있어서,
상기 전력 계통은,
상기 스위칭부로부터 직류 전력을 인가받는 메인 버스;
상기 인가받은 직류 전력을 스위칭하는 제2 스위칭 소자;
상기 인가받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC-AC 컨버터; 및
상기 교류 전력을 소모하는 부하부;
를 포함하는 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력계통은, 주상 변압기, 계기용 변압기, 가정용부하 출구, 거래용부하 출구 및 전력변환장치 출구를 포함하고, 거래용 부하 및 가정용 부하에 연결되는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 시스템.
발전부와 검출부, 스위칭부 및 발전 제어부를 포함하는 시스템의 발전기 전력계통 연결 초기 부하 제어 방법으로서,
(a) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전을 제어하는 단계;
(b) 상기 발전부가 증기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 단계;
(c) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 출력이 전력계통에 연결되도록 상기 스위칭부의 연결을 스위칭 제어하는 단계;
(d) 상기 스위칭부가 상기 발전부의 출력을 스위칭하여 상기 전력 계통에 연결하는 단계;
(e) 상기 검출부가 상기 발전부의 발전량을 검출하는 단계;
(f) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전량이 일정 이상인지를 판단하는 단계; 및
(g) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전량이 일정 이상이면, 부하율(Load Rate) 및 목표 부하(Load Target)를 포함하는 초기 부하를 설정하는 단계;
를 포함하고,
상기 (f) 단계에서 상기 발전 제어부는, 동기 모드(SYNCH MODE)가 오토 모드(Auto Mode)이고, 터빈 발전 상태(TBN/GEN STATUS)가 리셋 온라인(Reset And Online) 상태에서, 상기 검출부를 통해 검출되는 상기 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하는지를 판단하고, 상기 발전부의 발전량이 3 메가와트(MW)를 초과하면, 터빈 모드(Turbine Mode)를 메가와트(MW)로 설정하고, 부하율을 10%(60MW/분)로 설정하며, 목표 부하를 50MW로 설정하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법.
제 11 항에 있어서,
(h) 상기 발전 제어부가 상기 발전부의 발전을 목표 부하에 이르기까지 제어하는 단계;
를 더 포함하는, 발전기 전력계통 연결 초기부하 제어 방법.
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