KR20190116411A - S-구역 특성을 갖는 유압 기계의 안정화에 대한 개선 - Google Patents

S-구역 특성을 갖는 유압 기계의 안정화에 대한 개선 Download PDF

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Abstract

S-특성을 갖고 분배기(9)를 포함하는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키기 위한 본 방법은 유압 기계가 그리드에 결합될 수 있도록 물 흐름을 수정하도록 된다. 본 방법은 분배기(9)의 배향을 계산하는 단계; 및 계산된 배향에 따라 분배기를 배향시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 목표 속도에 도달하도록 기계에 전기 토크를 제공하는 단계를 더 포함한다.

Description

S-구역 특성을 갖는 유압 기계의 안정화에 대한 개선
본 발명은 S-특성을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키기 위한 방법에 관한 것이다. S-특성을 갖는 전형적인 유압 기계는 터빈 작동 영역에서 S-형 특성을 나타내는 펌프 터빈을 갖는 수력 발전소이다. 본 발명은 또한 이러한 방법이 구현될 수 있는, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비 또는 장치에 관한 것이다.
터빈 모드에서 펌프 터빈 시동 중에, 기계가 그리드(grid)에 결합될 수 있도록 기계의 회전 속도가 안정화되어야 한다. 결합은 일반적으로 주 회로 차단기를 폐쇄함으로써 달성된다. 이상적으로는, 기계의 회전 속도는 그리드 주파수와 동기화된다. 또한, 펌프 터빈은 러너(runner) 상의 물 흐름에 의해 가해지는 유압 토크가 널(null)인 무-부하 작동점에서 작업하도록 파일럿된다.
"S-구역"의 존재로 인해, 회전 속도 안정화에 도달하기 어려울 수 있다. "S-구역"은 몇몇의 아이소-개방(iso-openings), 예를 들어 수력 발전 터빈의 가이드 베인의 위치에 대해 기계의 단위 회전 속도에 대한 단위 토크를 나타내는 그래프에서의 구역이다. 이러한 유형의 그래프에서는, 단위 회전 속도에 대해 도시된 단위 토크의 아이소-개방 곡선은 "S-형"일 수 있으므로, 이에 따라 무-부하 작동점이 불안정하다는 것을 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다. "S-구역"은 곡선의 기울기가 반전되는 모든 작동점으로 정의된다. 이는 공칭 속도 작동점에 대한 기계의 회전 속도의 약간의 변경에 의해 펌프 터빈의 러너에 가해지는 토크가 크게 증가된다는 것을 의미한다. 이것은 기계의 회전 속도를 실질적으로 증가시키거나 또는 감소시킨다. 이러한 조건에서는, 종래의 비례 적분 미분(Proportional Integral Derivative)(PID) 루프를 사용하여 유압 기계의 회전 속도를 안정화시킬 수 없다.
일반적으로 S-구역은 기계의 유압 부품의 형상으로 인한 것으로 인식된다. 따라서, 러너 또는 가이드 베인과 같은 기계의 유압 부품들을 완전히 재-설계하는 것이 제안되었다. 특히, 기계의 유압 부품들은 터빈 모드에서 펌프 터빈의 작동 범위에서 S-구역의 존재를 방지하도록 재-설계된다. 기계의 작동 범위는 기계를 통합할 설비의 최소 총 낙차(gross head)와 최대 총 낙차 사이의 간격에 대응된다. 그러나, 이러한 해결 방안은 구현하는데 비용이 많이 들고, 펌프 터빈의 성능을 저하시킬 수 있다.
다른 해결 방안은 펌프 터빈에 비-동기식 가이드 베인을 장착하는 것이다. 이는 일부 가이드 베인이 다른 가이드 베인과 독립적으로 배향될 수 있다는 것을 의미한다. 결과적으로, 기계 시동 시, 가이드 베인 중 일부가 다른 것들보다 더 많이 개방되므로, 일시적으로 기계 특성이 수정된다. 이것은 기계를 그리드에 결합하기 전에 기계의 작동 범위에 S-구역이 존재하는 것을 방지한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해결 방안은 원치 않는 진동을 발생시켜 기계의 거동에 부정적인 영향을 미친다.
유럽 특허 출원 공개 EP 2 818 692 A1은 펌프 터빈의 회전 속도가 선택적 회전 속도와 비교되는 시스템을 개시하고 있다. 이 시스템은 실제 회전 속도가 최적의 회전 속도에 대응하도록 수정되는 방식으로 가이드 베인을 배향시키도록 구성된다. 그러나, EP 2 818 692 A1의 시스템은 발전 모드에서 그리드에 전력을 제공하거나 또는 펌프 모드에서 그리드로부터 전력을 저장하기 위해 스테이터 권선을 그리드에 직접 연결할 수 없다.
유압 기계의 회전 속도를 안정화시키기 위한 다른 방법들이 종래 기술에 설명되어 있다. 이러한 방법들은 유압 기계의 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 속도 차이에 따라 가이드 베인의 배향을 조절하는 가이드 베인 제어기를 갖는 제어 루프 피드백 시스템을 사용하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 회전 속도를 안정화시키기 위해 조절 파라미터를 연속적으로 생성하기 위해 반복적 방법을 사용한다. 이러한 방법을 개시하는 WO 2016/087458을 참조할 수 있다.
목표 회전 속도와 실제 회전 속도 사이의 속도 차이에 따라 가이드 베인에 대한 설정값 개방을 계산함으로써 가이드 베인의 개방이 조정되는 WO 2016/016149를 또한 참조할 수도 있다. 계산은 또한 목표 정미 낙차(net head)와 실제 정미 낙차 사이의 높이 차이를 계산함으로써 정미 낙차 조건에 따라 달라진다.
WO 2016/087458 및 WO 2016/016149에 개시된 방법들은 S-특성으로 인한 속도 진동의 진폭을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 기계의 전체 기능 범위에 대해 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법 및 장치를 제안함으로써 종래 기술과 관련된 문제점들을 해결하고자 의도한다. 본 발명은 일단 안정화가 달성되면 기계를 그리드에 연결하도록 구성된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, S-특성을 갖는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 바람직하게는 기계를 전기 그리드에 결합하는데 적합하다. 기계는 바람직하게는 물 흐름을 수정하도록 된 분배기를 포함한다. 이 방법은 바람직하게는 분배기의 배향을 계산하는 단계 및/또는 계산된 배향에 따라 분배기를 배향시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 이 방법은 속도 목표에 도달하도록 기계에 전기 토크를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해, 속도 목표에 도달하기 위해 기계의 회전 속도를 증가시키거나 또는 감소시키기 위해 양 또는 음의 전기 토크, 즉 모터 토크 또는 제동 토크가 기계에 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 전기 토크는 바람직하게는 기계의 측정된 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 속도 차이를 감소시키기 위해 전력 소스 및 바람직하게는 전력 소스를 제어하기 위한 제어기를 포함하는 제어 루프를 갖는 제어 루프 피드백 시스템을 사용하여 제공된다.
바람직한 일 실시예에서, 전력은 그리드 및 얼터네이터(alternator)에 연결된 가변 주파수 드라이브를 사용하여 제공될 수 있다. 가변 주파수 드라이브는 정적 주파수 변환기일 수 있다. 정적 주파수 변환기는 전압 소스 인버터 또는 전류 소스 인버터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 얼터네이터에 연결된 배터리를 사용하여 전력이 제공될 수 있다. 바람직하게는, 전력은 전력 변환 DC/AC 유닛에 의해 제공될 수 있다.
전력은 또한 위에서 언급된 동일한 전기 그리드 또는 다른 그리드일 수 있는 그리드, 및 얼터네이터 및 이러한 얼터네이터에 연결된 배터리에 연결되는 가변 주파수 드라이브를 사용하여 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 따르면, 제어 루프 피드백 시스템은 가이드 베인을 배향시킴으로써 속도 차이가 감소되는 거친 조절(coarse regulation) 및 기계에 전기 토크를 제공함으로써 속도 차이가 감소되는 미세 조절(fine regulation)을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비가 제공된다. 설비는 바람직하게는 유압 에너지를 수용하고 물 흐름을 수정하도록 된 분배기를 갖는 유압 기계를 포함한다. 기계는 바람직하게는 유압 에너지에 의해 작동 시 회전하도록 된 로터를 포함하고, 분배기의 배향을 계산하고 계산된 배향에 따라 분배기를 배향시키기 위한 제어기를 포함하는 제어 루프 피드백 시스템을 또한 포함할 수 있다. 설비는 목표 속도에 도달하도록 로터에 전기 토크를 제공하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 루프 피드백 시스템은 기계의 측정된 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 상기 속도 차이를 감소시키기 위해 전력 소스 및 전력 소스를 제어하기 위한 제어기를 갖는 제어 루프를 포함할 수 있다.
전력 소스는 그리드 및 상기 로터를 포함하는 얼터네이터에 연결되도록 된 가변 주파수 드라이브를 포함할 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 전력 소스는 상기 로터를 포함하는 얼터네이터에 연결되도록 된 배터리를 포함할 수 있다.
전력 소스는, 일 실시예에서, 그리드 및 바람직하게는 상기 로터를 포함하는 얼터네이터 및 얼터네이터에 연결되도록 의도된 배터리에 연결되도록 된 가변 주파수 드라이브를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키는 방법이 제공된다. 바람직하게는, 기계는 터빈 모드에 있고, 기계는 S-특성을 가질 수 있다. 기계는 물 흐름을 수정하도록 된 분배기를 포함할 수 있다. 이러한 방법은 (i) 유압 기계의 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 속도 차이를 계산하는 단계; (ii) 배향에 따라 분배기를 배향시키는 단계; 및 (iii) 속도 차이에 대응하여 기계에 전기 토크를 가하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전기 토크는 유압 기계의 회전 속도를 안정화시켜 전기 그리드에 결합될 수 있다.
바람직하게는, 유압 기계를 그리드에 결합시키는 단계는 전기 토크의 소스와 기계 사이에 위치될 수 있는 전기 토크 회로 차단기를 개방하는 단계를 포함할 수 있다. 유압 기계를 그리드에 결합시키는 단계는 기계와 그리드 사이에 위치될 수 있는 그리드 회로 차단기를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
속도 차이는 분배기의 배향을 계산하도록 처리될 수 있다.
상기 방법은 속도 차이를 처리하는 단계 및 속도 차이에 대응할 수 있는 배향 제어 설정값을 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 배향 제어 설정값은 분배기를 배향시키기 위해 액추에이터에 의해 수신될 수 있다.
속도 차이는 전기 토크 제어기를 포함할 수 있는 제어 장치에 의해 처리될 수 있다. 전기 토크는 속도 차이를 감소시키기 위해 전력 소스에 의해 제공될 수 있다. 전력 소스는 기계가 결합될 수 있는 것과 동일한 전기 그리드이거나 또는 대안적인 그리드일 수 있는 그리드에 의해 전력이 공급되고 그리고/또는 이에 연결될 수 있다.
전기 토크의 소스는 가변 주파수 드라이브일 수 있다. 전기 토크는 가변 주파수 드라이브 및/또는 전력 소스와 조합될 수 있는 배터리에 의해 제공될 수 있다.
배향에 따라 분배기를 배향시키는 단계는 안정화가 부분적으로 달성되는 거친 조절을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 기계에 전기 토크를 가하면 안정화가 완료되는 미세 조절을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 거친 조절은 안정화의 많은 부분을 달성할 수 있고, 미세 조절은 안정화를 완료할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 포함한다: (i) 바람직하게는 물 흐름을 수정하도록 된 분배기, 및 바람직하게는 사용 시 유압 에너지에 의해 회전되는 로터를 포함하는 유압 기계; (ii) 바람직하게는 분배기의 배향을 계산하고 계산된 배향에 따라 분배기를 배향시킬 수 있는 있도록 구성되는 제 1 제어 루프; 및 (iii) 목표 회전 속도에 도달하도록 로터에 전기 토크를 제공하기 위한 제 2 제어 루프.
상기 시스템은 배향 설정값을 출력하도록 구성된 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 제어 장치는 유압 기계의 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 속도 차이를 처리하도록 구성될 수 있다.
제 1 제어 루프는 바람직하게 분배기를 배향시키도록 구성된 액추에이터를 포함한다. 액추에이터는 바람직하게는 분배기의 최적 배향에 대응하는 배향에 따라 분배기를 배향시키도록 구성된다.
바람직하게는, 제 2 제어 루프는 속도 차이를 감소시키기 위해 기계에 전기 토크를 제공하도록 구성된 전력 소스를 포함할 수 있다. 시스템은 바람직하게는 전력 소스와 기계 사이에 위치될 수 있는 전원 회로 차단기를 포함한다.
시스템은 기계와 전기 그리드 사이에 위치될 수 있는 그리드 회로 차단기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전력 소스는 가변 주파수 드라이브를 포함하고, 전기 그리드에 연결될 수 있다. 전력 소스는 배터리를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제어 장치는 전기 토크 설정값을 출력하도록 구성될 수 있다. 전기 토크 설정값은 설정값 임계치 이상인 값을 가질 수 있다. 이는 결합 지점, 즉 기계가 안정화되어 그리드에 결합될 수 있는 지점이 "S-구역"의 외부에 있다는 장점을 갖는다.
제어 장치는 하나 이상의 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 장치는 유압 기계의 회전 속도와 목표 회전 속도 사이의 속도 차이를 처리하고; 배향 설정값 및/또는 전기 토크 설정값을 출력하기 위한; 단일의 제어기를 포함할 수 있다.
대안적으로, 이러한 기능들은 제 1 제어기 및 제 2 제어기에 의해 수행될 수 있다. 제 1 제어기 또는 배향 설정값 제어기는 바람직하게는 배향 설정값을 출력하도록 구성된다. 제 1 제어 루프는 제 1 제어 루프의 일부를 형성할 수 있도록 제 1 제어기를 포함할 수 있다. 제 2 제어기 또는 전기 토크 설정값 제어기는 전기 토크 설정값을 출력하도록 구성될 수 있다. 제 2 제어 루프는 제 2 제어 루프의 일부를 형성할 수 있도록 제 2 제어기를 포함할 수 있다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 상기 양태들 또는 실시예들의 임의의 것들 중 하나 이상의 양태들, 실시예들 및 특징들이 용이하게 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 전술한 장점들은 본 발명의 양태 이상에 관한 것일 수 있다.
다른 특징들 및 장점들은 다음의 도면들을 고려하여 단지 예로서 주어진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 펌프 터빈을 포함하는, 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 설비의 펌프 터빈의, 터빈 모드에서의, 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 설비의 펌프 터빈의 터빈 모드에서, 시간에 따라 도시된, 기계의 회전 속도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 설비에 속하는 펌프 터빈의 회전 속도를 안정화시키는 것을 목표로 하는 본 발명에 따른 방법을 도시하는 제어 스킴(scheme)이다.
도 5는 가변 주파수 드라이브 유닛과, 그리고 이 유닛, 그리드 및 펌프 터빈 사이에 존재하는 전력 연결부를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 6은 배터리와, DC/AC 전력 변환 유닛과, 그리고 이들, 그리드 및 펌프 터빈 사이에 존재하는 연결부들을 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 도면이다.
유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비(1)를 나타내는 도 1을 먼저 참조하도록 한다. 설비(1)는 S-특성을 겪는 유압 기계를 포함한다. 본 명세서에 설명된 예에서, 유압 기계는, 터빈 모드에서 샤프트(3)를 회전시키기 위해 유압 에너지를 사용하는 펌프 터빈(2)이다. 샤프트(3)는 회전 로터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 얼터네이터를 갖는 발전기의 로터에 결합된다.
펌프 터빈(2)의 기능은 이하에서 터빈 모드에서 설명된다. 펌프 터빈(2)은 콘크리트 블록(5, 6)에 의해 지지되는 볼류트(volute)(4)를 포함한다. 예를 들어, 도시 생략한 도수로(penstock)는 도시 생략한 상류 저장소와 볼류트(4) 사이에서 연장된다. 이러한 펜스톡은 기계(2)에 동력을 공급하기 위해 강제 물 흐름(F)을 생성한다.
기계(2)는, 볼류트(4)에 의해 둘러싸이고 작동 조건에서 물이 흐르는 블레이드(8)를 포함하는 샤프트(3)에 결합된 러너(7)를 포함한다. 그 결과, 러너(7)는 샤프트(3)의 축(X-X') 주위로 회전한다.
분배기는 러너(7) 주위에 배열된다. 이는 러너(7) 주위에 균등하게 분포된 복수의 이동 가능한 가이드 베인(9)을 포함한다. 사전-분배기는 분배기의 상류에 그리고 분배기 주위에 배치된다. 사전-분배기는 러너(7)의 회전축(X-X') 주위에 균등하게 분포된 복수의 고정 베인(10)에 의해 형성된다.
흡입 파이프(11)는 러너(7) 아래에 배치되고, 하류에서 물을 배출시키도록 구성된다.
분배기의 가이드 베인(9)은 각각 러너(7)의 회전축(X-X')에 평행한 축 주위에 조정 가능한 피치를 갖는다. 결과적으로, 가이드 베인(9)은 물 유량을 조절하기 위해 회전될 수 있다. 가이드 베인(9)은 모두 폐쇄 위치에 대해 동일한 각도로 배향된다.
이제, 가이드 베인(9)의 주어진 개방에서 기계(2)의 회전 속도에 대응하는 파라미터(N11)에 대해 도시된, 러너(7)에 가해진 유압 토크에 대응하는 파라미터(T11)(도 2) 및 시간에 대해 도시된 회전 속도(N)(도 3)를 나타내는 곡선들을 도시하는 도 2 및 도 3을 참조하도록 한다.
도 2를 참조하면, 회전 속도에 따른 파라미터(N11)에 대해 도시된, 유압 토크에 따른 파라미터(T11)의 아이소-개방 곡선은, 곡선이 파라미터(N11)의 약간의 증가에 의해 파라미터(T11)의 상당한 증가가 발생되는 양의 기울기를 갖는 S-부분을 나타낸다.
다른 말로 하면, 회전 속도가 약간 변하면 기계(2)에 가해지는 토크가 크게 증가한다. 이해되는 바와 같이, 이러한 조건 하에서 기계 회전 속도의 안정화는 달성하기 어렵다(도 3).
본 발명에 따른 유압 기계의 회전 속도를 안정화시키기 위한 방법은 도 4에 도시된 바와 같이 제어 루프 피드백 시스템(20)에 의해 구현된다. 제어 루프 피드백 시스템(20)은 유압 기계의 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(N_sp) 사이의 속도 차이(ε)를 입력으로서 취하는 가이드 베인 제어기(23)를 포함하는 제 1 제어 루프(22)를 포함한다. 제 1 제어 루프(22)는 또한 가이드 베인 액추에이터(24)를 포함한다.
제 1 제어기(23)는 속도 차이(ε)를 처리하고, 배향 제어 설정값(γ_sp)을 가이드 베인 액추에이터(24)에 출력한다. 배향 제어 설정값(γ_sp)은 유압 기계를 안정화시키기 위한 최적의 가이드 베인 배향(γ)에 해당한다. 가이드 베인 액추에이터(24)는 최적의 배향(γ)에 따라 가이드 베인을 배향시킨다.
예를 들어, 터빈(2)의 회전 속도는 샤프트(3)에 결합된 발전기의 주파수를 측정함으로써 결정될 수 있다.
가이드 베인 제어기(23)는 예를 들어 비례 적분 미분 제어기(PID)일 수 있다.
또한, 제어 루프 피드백 시스템(20)은 전기 토크 설정값(Telec_sp)을 출력하기 위해 유압 기계의 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(N_sp) 사이의 속도 차이(ε)를 입력으로서 취하는 전기 토크 제어기(26)를 포함하는 제 2 제어 루프(25)를 포함한다. 또한 제어 루프 피드백 시스템(20)은 이에 따라 로터에 제공된 전기 토크(Telec)에 영향을 미치는 전력 소스(27)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 단일 메인 제어기는 가이드 베인 제어기(23) 및 전기 토크 제어기(26) 중 하나 또는 둘 모두의 기능을 수행하도록 구성된다.
전기 토크 설정값은 속도 차이(ε)를 감소시키거나 또는 제거하기 위해 기계 회전 속도를 가속시키거나 또는 감속시키기 위해 제어기(26)에 의해 계산된다.
일 실시예에서, 제 2 제어기(26)는 가변 주파수 드라이브 제어기, 예를 들어 정적 주파수 변환기(SFC) 제어기이다.
제 2 제어 루프(25)는 가변 주파수 드라이브, 예를 들어 정적 주파수 변환기를 포함한다. 정적 주파수 변환기는 전압 소스 인버터 또는 전류 소스 인버터일 수 있다. 가변 주파수 드라이브는 배전 그리드에 연결되고 가변 주파수 드라이브 제어기(26)에 의해 제어되어 발전기에 양의 또는 음의 전기 토크를 제공한다.
전술한 바와 같이, 가변 주파수 드라이브는 정적 주파수 변환기(SFC)를 포함할 수 있고, 전압 및 주파수 변환을 위한 직류 및 인버터 스테이지를 생성하기 위해 그리드에 연결된 정류기 스테이지를 포함할 수 있다.
도 5는 가변 주파수 드라이브(27)가 펌프 터빈 기계(2)에 전기 토크를 제공하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 회로 차단기(28)는 가변 주파수 드라이브(27)를 기계(2)와 링크시킨다. 회로 차단기(28)가 폐쇄 위치에 있을 때, 가변 주파수 드라이브(27)는 전기 토크를 기계(2)에 제공한다. 동시에, 기계(2)와 그리드(34) 사이에 위치된 주 회로 차단기(30)는 개방 위치에 있다. 가변 주파수 드라이브(VFD)(27)는 AC 변압기(33) 및 VFD 케이블(32)을 통해 그리드(34)에 의해 전력을 공급 받는다.
기계(2)의 회전 속도가 안정화되면, 주 회로 차단기(30)의 각 측면의 주파수가 균일해진다. 균일화가 달성되면, 주 회로 차단기(30)를 폐쇄하고 회로 차단기(28)를 개방함으로써 기계(2)와 그리드(34)의 연결이 수행된다. 그 후, 발전 동작에서 그리드 라인(31)을 통해 그리드(34)에 직접 전력이 제공된다.
가변 주파수 드라이브(27)는 원하는 전기 토크를 생성하기 위해 VFD 제어기(26)에 의해 제어될 수 있는 스위치로서 작용하는 다이오드 및 트랜지스터 또는 사이리스터를 사용하는 스위칭 셀을 포함할 수 있다.
도 6은 기계(2)에 전기 토크를 제공하기 위한 대안적인 방법을 도시한다. 도 6에서 발견되는 동일한 기능은 도 5의 참조 번호를 유지한다.
이 대안적인 실시예에서, 가변 주파수 드라이브(27) 대신에 배터리(35)가 사용된다. DC/AC 변환 유닛(36)은 회로 차단기(28)를 통해 배터리(35)의 전력을 기계(2)에 제공한다. 배터리(35)가 배터리(35)의 전력을 기계(2)에 제공할 때, 회로 차단기(28)는 폐쇄 위치에 있고, 주 회로 차단기(30)는 개방 위치에 있다.
펌프 터빈(2)의 속도가 안정화되면, 주 회로 차단기(30)의 각 측에서의 주파수는 동일하다. 이것은 주 회로 차단기(30)를 폐쇄하고 회로 차단기(28)를 개방함으로써 달성되는 그리드(34)에의 기계(2)의 연결을 가능하게 한다. 그 후, 전력은 발전 동작에서 그리드 라인(31) 및 AC 변압기(33)를 통해 그리드(34)에 직접 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 소스는 기계(2)의 발전기에 연결된 배터리(35)를 포함하고, 여기서 배터리(35)는 그리드(34)에 의해 충전되도록 구성된다.
예를 들어, 배터리(35)는 기계(2)의 회전 속도를 목표 속도 값으로 조정하기 위해 기계(2)의 발전기에 양 또는 음의 전기 토크를 제공하도록 제어기(26)에 연결된 내부 제어 스테이지를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 2 제어 루프(25)는 VFD 제어기에 의해 지배되는 가변 주파수 드라이브 및 배터리 제어기에 의해 지배되는 배터리를 포함한다. 배터리 및 배터리 제어기는 가변 주파수 드라이브에 병렬로 연결되어, 기계(2)의 회전 속도를 조정하기 위해 기계(2)의 발전기에 전기 토크를 제공한다.
(i) 일부 실시예에서, 가이드 베인에 영향을 주기 위해 개방 값을 출력하는데 사용되는 터빈 속도 부하 거버너(governor)(TSLG) 제어기를 갖는 제 1 루프; 및 (ii) 기계의 발전기에 전기 토크를 제공하는 전력 소스를 갖는 제 2 제어 루프를 포함하는 제어 루프 피드백 시스템을 포함하는 본 발명은 제 1 제어 루프에 의해 속도 차이가 감소되는 제 1 거친 조절 및 제 2 제어 루프(25)에 의해 속도 차이(ε)가 감소되는 미세 조절을 제공할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
예를 들어, 제 1 제어 루프는 기계(2)의 회전 속도를 원하는 값 주위로 조절하는데 사용될 수 있고, 제 2 루프는 속도 에러를 동적으로 보상하기 위해 사용된다.
예를 들어, 유압 토크에 의해 전력의 100 %가 제공될 수 있고, 에러 범위에 대응하는 전력의 10 %가 추가적인 전기 토크 소스에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어기(26)는 설정값 임계치(Telec_threshold) 이상으로 유지되는 전기 설정값(Telec_sp)을 제공한다. 이로 인해, 설정된 카운터 토크 임계치를 초과하는 전기 카운터 토크가 기계(2)에 가해진다.
설정값 임계치(Telec_threshold)에 대응하기 위해, 양의 유압 토크가 가이드 베인 액추에이터(24)에 의해 터빈(7)에 제공된다. 속도 차이(ε)가 무시될 수 있고 속도의 안정화가 발생할 수 있도록 하기 위해, 제어기(23)는 가이드 베인 액추에이터(24)를 통해 가이드 베인(9)을 배향시키는 전형적인 PID일 수 있다. 따라서, 제어기(23)는 기계의 속도를 안정화시키기 위해 대응하는 명령(γ_sp)을 제공한다.
설정값 임계치(Telec_threshold) 및 대응하는 카운터 토크 이상의 전기 설정값(Telec_sp)을 기계(2)에 가함으로써, 결합 작동점은 터빈 특성의 "S-구역" 외부의 유압 터빈(7)의 자연적으로 안정적인 구역에 위치된다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, T11/N11 곡선의 기울기는 T11의 특정 임계치 이상으로 양이 된다. 임계치(Telec_threshold)는 유압 지점을 "S-구역" 외부로 이동시키도록 선택된다.
전술한 실시예들은 첨부된 청구범위의 범위와 관련하여 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 하나 이상의 상기 실시예의 특징들은 다른 실시예의 하나 이상의 특징과 용이하게 조합될 수 있다. 본 발명자들은 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 대한 다양한 치환, 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 또한 고려한다.

Claims (30)

  1. 터빈 모드에서 유압 기계(2)의 회전 속도를 안정화시키기 위한 방법으로서, 상기 유압 기계(2)는 물 흐름을 수정하도록 된 분배기를 포함하는, 상기 방법에 있어서,
    상기 유압 기계(2)의 상기 회전 속도(N)와 목표 회전 속도(N_sp) 사이의 속도 차이(ε)를 계산하는 단계;
    배향(γ)에 따라 상기 분배기를 배향시키는 단계; 및
    상기 속도 차이(ε)에 대응하도록 전기 토크(Telec)를 상기 유압 기계(2)에 가하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 기계(2)를 그리드(grid)(34)에 결합시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유압 기계(2)를 상기 그리드(34)에 결합시키는 상기 단계는 상기 전기 토크의 소스와 상기 유압 기계(2) 사이에서 전기 토크 회로 차단기(28)를 개방하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 유압 기계(2)를 상기 그리드(34)에 결합시키는 상기 단계는 상기 유압 기계(2)와 상기 그리드(34) 사이에서 그리드 회로 차단기(30)를 폐쇄하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 속도 차이(ε)는 상기 분배기의 상기 배향(γ)을 계산하도록 처리되는 것인, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 속도 차이(ε)를 처리하고 배향 제어 설정값(γ_sp)을 출력하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배향 제어 설정값(γ_sp)은 상기 분배기를 배향시키기 위해 액추에이터(24)에 의해 수신되는 것인, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 속도 차이(ε)는 전기 토크 제어기(26)에 의해 처리되는 것인, 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 토크(Telec)는 상기 속도 차이(ε)를 감소시키기 위해 전력 소스(27, 35, 36)에 의해 제공되는 것인, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 토크(Telec)는 연결된 가변 주파수 드라이브(drive)에 의해 제공되는 것인, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 토크(Telec)는 배터리에 의해 제공되는 것인, 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 소스는 그리드에 연결되는 것인, 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배향(γ)에 따라 상기 분배기를 배향시키는 단계는 거친 조절(coarse regulation)을 제공하고, 전기 토크를 상기 유압 기계에 가하는 단계는 미세 조절(fine regulation)을 제공하는 것인, 방법.
  14. 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템으로서,
    물 흐름을 수정하도록 된 분배기, 및 작동 시 상기 유압 에너지에 의해 회전되도록 된 로터를 포함하는 유압 기계(2);
    상기 분배기의 배향을 계산하고 상기 계산된 배향에 따라 상기 분배기를 배향시키도록 구성되는 제 1 제어 루프(22); 및
    목표 회전 속도(N_sp)에 도달하도록 상기 로터에 전기 토크를 제공하기 위한 제 2 제어 루프(25)
    를 포함하는, 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    배향 설정값(γ_sp)을 출력하도록 구성된 제어 장치를 더 포함하는 것인, 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 유압 기계의 회전 속도(N)와 상기 목표 회전 속도(N_sp) 사이의 속도 차이(ε)를 처리하도록 구성되는 것인, 시스템.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 제어 루프(22)는 상기 분배기를 배향시키도록 구성되는 액추에이터(24)를 포함하는 것인, 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 액추에이터(24)는 상기 분배기의 최적 배향에 대응하는 배향(γ)에 따라 상기 분배기를 배향시키도록 구성되는 것인, 시스템.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 제어 루프(25)는 상기 속도 차이(ε)를 감소시키기 위해 상기 전기 토크(Telec)를 상기 유압 기계(2)에 제공하도록 구성된 전력 소스(27, 35, 36)를 포함하는 것인, 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 전력 소스(27, 35, 36)와 상기 유압 기계(2) 사이에 전원 회로 차단기(28)를 포함하는 것인, 시스템.
  21. 제 14 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 유압 기계(2)와 전기 그리드(34) 사이에 그리드 회로 차단기(30)를 포함하는 것인, 시스템.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 소스는 가변 주파수 드라이브를 포함하는 것인, 시스템.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 소스는 전기 그리드(34)에 연결되는 것인, 시스템.
  24. 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 소스(27, 35, 36)는 배터리를 포함하는 것인, 시스템.
  25. 제 15 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 전기 토크 설정값(Telec_sp)을 출력하도록 구성되는 것인, 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 전기 토크 설정값(Telec_sp)을 출력하기 위한 전기 토크 설정값 제어기를 포함하는 것인, 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 전기 토크 설정값 제어기는 상기 제 2 제어 루프의 일부를 형성하는 것인, 시스템.
  28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 토크 설정값(Telec_sp)은 임계치(Telec_threshold) 이상의 값이거나 또는 이를 갖는 것인, 시스템.
  29. 제 15 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 배향 설정값(γ_sp)을 출력하도록 구성되는 배향 설정값 제어기(23)를 포함하는 것인, 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 배향 설정값 제어기는 상기 제 1 제어 루프(22)의 일부를 형성하는 것인, 시스템.
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