[논문]가스터빈 동기기 통합형 기동 및 여자시스템 개발

류호선; 차한주

doi:10.5370/kieep.2014.63.3.183

가스터빈 동기기 통합형 기동 및 여자시스템 개발
Development of Integrated Start-up and Excitation System for Gas Turbine Synchronous Generator 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.3, 2014년, pp.183 - 188

류호선 (Korea Electric Power Company Research Institute) , 차한주 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Power conversion systems used in large gas turbine power plant can be divided into two main part. Because of the initial start-up characteristic of the gas turbine combustor, the gas turbine must be accelerated by starting device(LCI : Load Commutated Inverter) up to 10%~20% of rated speed to ignite it. In addition, the ECS(Excitation Control system) is used to control the rotor field current and reactive power in grid-connected synchronous generator. These two large power conversion systems are located in the same space(container) because of coordination control. Recently, many manufactures develop high speed controller based on function block available in the LCI and ECS with the newest power semiconductor. We also developed high speed controller based on function block to be using these two system and it meets the international standard IEC61131 as using real-time OS(VxWorks) and ISaGRAF. In order to install easily these systems at power plant, main controller, special module and IO module are used with high speed communication line other than electric wire line. Before initial product is installed on the site, prototype is produced and tests are conducted for it. The performance results of Integrated controller and application program(SFC, ECS) were described in this paper. The test results will be considered as the important resources for the application in future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 가스터빈 기동장치와 여자시스템 두개의 시스템을 통합제어하고, 위상제어 전력변환장치를 같이 사용하는 방법을 제안하였다. 새롭게 초고속 기능블럭형으로 제작된 LCI, ECS 제어기는 상용화된 VxWorks와 ISaGRAF 프로그램을 사용하여 국제규격인 IEC 61131기준을 만족하였으며, 하드웨어 구조는 판넬에 쉽게 탈부착 할 수 있는 딘-레일(Din-Rail) 방식을 적용하였다.
따라서 몇개의 회로를 추가하여 기동시스템의 위상제어 정류부를 여자시스템에 사용하여 여자시스템의 위상제어 정류부와 병렬운전함으로서 고신뢰도를 갖는 전체시스템으로 재구성할 수 있으며, 비용도 절약할 수 있다. 본 논문에서는 두개의 시스템을 통합제어하고, 위상제어 전력변환장치를 같이 사용하는 통합형시스템을 제안하였다. 새롭게 초고속 기능블럭형으로 제작된 LCI, ECS 제어기는 상용화된 VxWorks와 ISaGRAF 프로그램을 사용하여 국제규격인 IEC 61131기준을 만족하였으며, 하드웨어 구조는 판넬에 쉽게 탈부착 할 수 있는 딘-레일(Din-Rail) 방식을 적용하였다.

가설 설정

동기기 인버터 점호각 제어블럭은 피드퍼워드 방식으로 동기 동기기의 토크에 맞게 미리 셋팅값 (α= 180º-β)로설정한다.

제안 방법

MCP는 기동장치와 여자시스템에 같이 사용할 수 있도록 설계되었으며, MGI(Measurement & Gating Interface), GIO(General IO) 보드와 고속광통신을 할 수 있도록 하였다.
수분동안 가스터빈에 의하여 정격속도에 도달하면, 여자시스템은 발전기전압을 제어하기 위하여 다시 기동하게 된다. 가스터빈 단독운전시 2개의 스위치용 단로기를 사용하여 여자시스템이 기동시스템의 AC-DC 전력변환용 위상제어 정류기를 사용할 수 있게 하였다. 이렇게 함으로서 수 kVA급의 위상제어 정류기 1대를 줄일 수 있으며, 전체 시스템의 판넬 크기도 줄일 수 있는 큰 장점을 가지고 있다.
강제전류(强制轉流)모드와 자연전류(自然轉流)모드에서의 구동성능시험을 진행하였고, CSI측 제어신호는 시뮬레이션과 동일하게 동기기측 선간전압 Eac_inv를 기준으로 점호각 150°를 주었다.
그림 16은 부하전류형 인버터 기동시 동기기에 계자전류를 공급하여 위하여 수동제어(계자전류제어)모드로 전환된 후 무부하 정격계자전류까지 상승한 파형이다. 계통병입운전을 위하여 수동모드는 자동모드로 절환된 후에 응답특성을 파악하기 위하여 스텝시험을 실시하였다. 보통 IEEE-421 기준에 의하여 5% 스텝신호가 인가되며 큰 오버슈트 없이 안정화되는지 PI 게인값을 조절하여 최적의 파라미터 값으로 셋팅하였다[5-7].
동기기의 속도로부터 일정속도 이하인지를 판별하여 강제전류 제어기를 동작시키며 강제 전류제어기가 동작되면 회전자 위치정보로부터 직류링크단 전류를 ‘0’으로 만들어야 하는 구간인지를 판별하여 구간임이 판별되면 점호신호를 보내어 설정된 강제전류 점호각을 출력하도록 한다.
여자시스템 AC-DC 위상제어정류기 입력부를 기동장치 입력부와 연결할 수 있도록 차단기를 설치하였다. 또한 기동장치 위상제어정류기를 여자시스템에 사용하게 하기 위하여 연결 전력반도체소자를 추가하였다. 가스터빈 초기기동시 여자시스템은 자체 위상제어 정류기를 사용하여 계자에 여자전류를 공급한다.
그림 3은 기동장치 위상제어 정류기를 여자시스템에 사용하기 위한 개선된 회로도를 나타내고 있다. 본 논문에서는 가스터빈 기동시스템 AC-DC 위상제어 정류부를 여자시스템 AC-DC 위상제어 정류부와 병렬로 연결하여 사용할 수 있게 장치를 추가하였다. 여자시스템 AC-DC 위상제어정류기 입력부를 기동장치 입력부와 연결할 수 있도록 차단기를 설치하였다.
본 논문에서는 가스터빈 기동시스템 AC-DC 위상제어 정류부를 여자시스템 AC-DC 위상제어 정류부와 병렬로 연결하여 사용할 수 있게 장치를 추가하였다. 여자시스템 AC-DC 위상제어정류기 입력부를 기동장치 입력부와 연결할 수 있도록 차단기를 설치하였다. 또한 기동장치 위상제어정류기를 여자시스템에 사용하게 하기 위하여 연결 전력반도체소자를 추가하였다.
통합형 주제이기(MCP : Main Control Processor)의 CPU 는 ARM계열의 Cortex-A8를 사용하며, 임베디드 시스템에서 요구되는 모든 기능들을 수행할 수 있도록 하였다. 실시간으로 운전이 필요한 상황에서 필수적인 RTOS(Real-Time Operation System)는 충분히 검증된 VxWorks를 사용하여 높은 성능을 구현하였다.
프로토타입으로 제작된 기동장치(LCI)는 시험을 위해 5kVA 발전/전동기에 제안한 알고리즘을 적용시켜 그 성능을 확인하였다. 시험에 있어서 동기기 계자전류는 무부하정격계자전류 값인 4.

이론/모형

본 논문에서는 두개의 시스템을 통합제어하고, 위상제어 전력변환장치를 같이 사용하는 통합형시스템을 제안하였다. 새롭게 초고속 기능블럭형으로 제작된 LCI, ECS 제어기는 상용화된 VxWorks와 ISaGRAF 프로그램을 사용하여 국제규격인 IEC 61131기준을 만족하였으며, 하드웨어 구조는 판넬에 쉽게 탈부착 할 수 있는 딘-레일(Din-Rail) 방식을 적용하였다. 통합제어시스템은 5kVA 발전/전동기를 대상으로 성능시험 되었고, 시험결과 우수한 성능을 얻을 수 있었으며, 향후 운전되는 발전소에 통합형시스템을 적용할 예정이다.
실시간으로 운전이 필요한 상황에서 필수적인 RTOS(Real-Time Operation System)는 충분히 검증된 VxWorks를 사용하여 높은 성능을 구현하였다. 응용프로그램은 RTOS 기반위에 기능블럭형 제어로직이 수행될 수 있도록 하였으며, 기능블럭 프로그램은 ISaGRAF를 사용하였다. MCP는 기동장치와 여자시스템에 같이 사용할 수 있도록 설계되었으며, MGI(Measurement & Gating Interface), GIO(General IO) 보드와 고속광통신을 할 수 있도록 하였다.

성능/효과

즉, 고가의 대용량 기동장치가 정지하여 사용하지 않는다는 것은 비용측면에서 많은 손실을 가지고 있는 것이 사실이다. 따라서 몇개의 회로를 추가하여 기동시스템의 위상제어 정류부를 여자시스템에 사용하여 여자시스템의 위상제어 정류부와 병렬운전함으로서 고신뢰도를 갖는 전체시스템으로 재구성할 수 있으며, 비용도 절약할 수 있다. 본 논문에서는 두개의 시스템을 통합제어하고, 위상제어 전력변환장치를 같이 사용하는 통합형시스템을 제안하였다.

후속연구

시험결과 우수한 성능을 얻을 수 있었으며, 상업운전되는 발전소에 통합형시스템을 적용할 예정이다. 또한, 국내외의 가스터빈 발전소에 본 기술을 확대적용하기 위하여 제작사에 기술이전을 완료하였고, 향후 대형 발전소의 안정적인 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
새롭게 초고속 기능블럭형으로 제작된 LCI, ECS 제어기는 상용화된 VxWorks와 ISaGRAF 프로그램을 사용하여 국제규격인 IEC 61131기준을 만족하였으며, 하드웨어 구조는 판넬에 쉽게 탈부착 할 수 있는 딘-레일(Din-Rail) 방식을 적용하였다. 시험결과 우수한 성능을 얻을 수 있었으며, 상업운전되는 발전소에 통합형시스템을 적용할 예정이다. 또한, 국내외의 가스터빈 발전소에 본 기술을 확대적용하기 위하여 제작사에 기술이전을 완료하였고, 향후 대형 발전소의 안정적인 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
새롭게 초고속 기능블럭형으로 제작된 LCI, ECS 제어기는 상용화된 VxWorks와 ISaGRAF 프로그램을 사용하여 국제규격인 IEC 61131기준을 만족하였으며, 하드웨어 구조는 판넬에 쉽게 탈부착 할 수 있는 딘-레일(Din-Rail) 방식을 적용하였다. 통합제어시스템은 5kVA 발전/전동기를 대상으로 성능시험 되었고, 시험결과 우수한 성능을 얻을 수 있었으며, 향후 운전되는 발전소에 통합형시스템을 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 가스터빈 발전소 동기발전기에는 무엇이 필요한가?	대용량 가스터빈 발전소 동기발전기는 기동초기 가스터빈의 특성상 압축기 회전으로 연소용 공기를 연소기에 공급한 후 연소기에서 연소할 수 있는 조건을 만족하게 하기 위하여 일정속도 이상으로 승속시켜 주는 구동시스템이 필요하다. 정격속도 3600rpm의 가스터빈 발전기인 경우 360〜720rpm (대략 10%〜20%)까지 승속이 되었을 때 가스터빈이 정상운전 상태가 되어 자체연소가 가능한 것으로 알려져 있다.
	발전기 여자시스템은 무엇인가?	가스터빈 발전소 기동시스템은 대형전력변환장치에 속하므로 그림 1에서처럼 발전기 여자시스템과 같은 공간에 놓이며, 전력변환장치 냉각을 위하여 항온항습시설에서 사용되고 있다. 동일공간에 있는 발전기 여자시스템(ECS : Excitation Control System)은 계자전류를 조절하여 단자전압 및 계통연계시 무효전력을 제어하는 시스템으로 전력계통 전압안정도에 큰 역할을 담당하고 있다[5-7]. 가스터빈 발전소에는 이런 두종류(기동장치+여자시스템)의 대형전력변환장치가 있는데 현재 개발되어 사용되는 것은 각각 독립적으로 운전되고 있다[8-11].
	대용량 기동장치의 비용적 손실을 보완하기 위해 어떤 방법을 사용하는가?	즉, 고가의 대용량 기동장치가 정지하여 사용하지 않는다는 것은 비용측면에서 많은 손실을 가지고 있는 것이 사실이다. 따라서 몇개의 회로를 추가하여 기동시스템의 위상제어 정류부를 여자시스템에 사용하여 여자시스템의 위상제어 정류부와 병렬운전함으로서 고신뢰도를 갖는 전체시스템으로 재구성할 수 있으며, 비용도 절약할 수 있다. 본 논문에서는 두개의 시스템을 통합제어하고, 위상제어 전력변환장치를 같이 사용하는 통합형시스템을 제안하였다.

참고문헌 (11)

Hoseon Ryu, Hanju Cha, "Start-up analysis and commissioning test of LCI System for 183MW large synchronous machine", KIEE Vol. 62, No.5, pp 626-631, 2013.

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"SFC operation and maintenance manual", ABB/GE, 2002/2010.
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P. Kundur, "Power system stability and control" McGraw-Hill Inc., 1994.
IEEE Standard 421.5-1992, IEEE recommended practice for excitation system models for power system stability studies.
lEEE Std 421.2-1990, IEEE Guide for identification, testing, and evaluation of the dynamic performance of excitation control systems.
N. Mohan, T.M. Undeland and W.P. Robbins, "Power electronics, converters, applications, and design", John Wiley & Son, Inc., pp.143-146, 1995.
David Finney, "Variable frequency AC motor drive systems",peter Peregrinus LTD, pp.202, 1988.
Beat Mueller, Thomas Spinanger, and Dieter Wallstein, "Static variable frequency starting and drive system for large synchronous motors", IEEE IAS 1979, 13B, pp429-438.
O. Kolb, F. Pender, V. Suchanek, "Static starting equipment for gas turbosets", Brown Boveri REV. 66 1979 (2) 104-112.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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