폐열발전 OCR 시스템 적용을 위한 고효율 영구자석형 동기발전기 설계

김영중(Yeong-Jung Kim),양승진(Seung-Jin Yang),문채주(Chae-Joo Moon) 한국전자통신학회 2023 한국전자통신학회 논문지 Vol.18 No.1

고가의 발전기를 사용하는 발전 방법은 일부 도서의 경우 전력수요 증가로 인한 예비전력 부족과 고비용의 디젤 발전기 운영과 같은 문제점들을 안고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 폐열을 열원으로 이용하는 ORC시스템 적용을 통하여 발전 설비의 효율을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 가격 경쟁력과 고신뢰성의 ORC 발전시스템의 현장 기술이 요구되며 발전기의 최적화 기술의 효과가 크기 때문에 본 연구에서는 2개의 발전기 설계를 수행하여 최적화된 30kW 출력을 갖는 고효율의 발전기를 얻었다. 2개의 설계된 모델들에 대한 모의 데이터 비교 결과 발전기의 12,000rpm 기준에서 SPM factor 46.2%의 경우 약 23.2kW의 출력과 92.1%의 효율을 보였고, SPM factor 44.46%의 경우 발전기의 출력은 27.9kw와 93.6%의 효율을 확인하였다. SPM factor 44.46%를 갖는 개선된 설계모델의 시제품 검증을 위하여 110kW 모터 동력계를 갖는 시제품 시험시스템을 설치하였으며 2,000rpm 기준 정격용량 25kW의 조건에서 92.08% 효율을 얻었으며, 시제품 발전기의 시험결과 발전기 설계의 유효성을 확인하였다. The power generation method using expensive diesel has operation problems such as high cost diesel generator and a lack of reserved power due to increase of power demand in some islands, requiring expansion of power generation facilities. To solve this problems, it is necessary to improve the efficiency of power generation facilities through an ORC(Organic Rankin Cycle) system application that uses waste heat as a heat source. Therefore, localized application technology of price competitive and highly reliable ORC power generation system is needed, and optimization technology of generators is having great effect, so this study performed two generator designs get to a high-efficiency generator with an optimized 30kW output. The comparison of simulation data for two designed models showed that a generator with SPM factor of 46.2% had an efficiency of 92.1% and a power ouput of about 23.2kW based on 12,000rpm, a generator with SPM factor of 44.46%, had a power output of 27.9kW and efficiency of 93.6% based on above rpm. For the verification of improved design model with SPM factor of 44.46%, the prototype test system with 110kW motor dynamometer was installed and got to the efficiency of 92.08% with conditions of the rated capacity 25kW at 12,000rpm, the test results of prototype generator showed the validity of generator design.

가변속 발전기 적용에 따른 컨테이너선박 에너지 효율성 비교

이헌석,오진석 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.7

In this paper, when the variable speed generation (VGS) system is applied by replacing the constant velocity generator of the container line, the fuel consumption is compared. The ship’s electric power system has an independent power system that differs from the land power system. Therefore, power generators will be installed inside the ship to supply power on their own. The power generation system of the vessel consists of a prime mover and an alternator. Most ship power systems currently in operation have alternating current power of 60 Hz or 50 Hz. The ship uses a generator that rotates at constant speed to produce alternating current power at a fixed frequency. In the case of constant speed generators, the efficiency decreases owing to the low load operation of the prime mover. To solve the problem of low efficiency due to the independent power system of the constant speed generator, the VSG system was applied and energy efficiency was compared. The differences in energy efficiency were predicted through simulation using the power data of container ships operated at low load rates. Simulation results showed that the energy efficiency of the VGS increased energy efficiency by approximately 7% compared with the constant speed generator. 본 논문에서는 컨테이너선의 정속도 발전기를 대체하여 가변속도 발전기를 적용하였을 때, 연료소모량을 비교하고자 한다. 선박의 전력 계통은 육상의 전력 계통과 달리 독립 전력시스템의 형태를 갖추고 있다. 이에 선박 내부에 발전기를 탑재하여 자체적으로 선내 전력을 공급하게 된다. 선박에 탑재되는 발전기는 원동기와 교류발전기로 이루어져 있으며, 현재 운행되어지고 있는 대부분의 선박의 전력시스템은 60Hz 또는 50Hz의 교류전력을 적용하고 있다. 선박에서는고정 주파수의 교류전력 생산을 위해 정속도로 회전하는 발전기를 적용하고 있으며, 이러한 정속도 발전기의 경우 원동기의 저부하 운전에 따라 효율이 낮아지게 된다. 본 논문에서는 이러한 정속도 발전기 적용에 따른 효율 저하 문제를해결하기 위하여 가변속도 발전기를 적용하여 에너지 효율을 비교하였다. 통상적으로 낮은 부하율에서 운전되어지고 있는 컨테이너 선박의 전력데이터를 이용하여 가변속도 발전기를 적용하였을 시 에너지 효율 변화를 시뮬레이션을 통하여예측하였다. 시뮬레이션 결과 가변속도 발전기를 적용하였을 때 정속도발전기에 비하여 약 7%의 에너지 효율이 증가함을 확인할 수 있었다.

1MW급 조류발전기 전력시스템 기본설계

오상호(Sangho Oh),윤배광(Baekwang Yoon),권순일(Soonil Kwon) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

본 연구에서는 수중에 설치 운용되는 1MW급 조류발전기 전력시스템에 대한 기본설계를 수행하였다. 전력시스템은 울돌목 해역의 조류발전 실해역 시험장에 조류발전기를 설치하는 조건으로 하여 기본설계가 이루어졌고, 전력변환장치의 나셀 외부 설치 및 고압 또는 저압용 해저케이블 적용 등 여러 설치 조건을 분석하여 최적의 시스템 구성을 도출하였다. 전력시스템은 저압 AC690V 직접구동식 발전기로부터 육상변전소에 설치한 전력변환장치로 발전 출력이 전송되며, 나셀 내부의 제어전원은 육상 변전소의 고압 해저케이블을 통해 AC22.9kV를 수전하여 나셀 내부의 변압기를 통해 저압으로 변환 후 UPS, 분전반 등을 통해 각종 부하기기로 분배되도록 설계하였다. 본 연구에서 도출된 전력시스템 기본설계 결과는 상용화 단지 구축 시조류발전기 전력시스템 설계자료로 활용할 수 있을 것이다. In this study, we carried out the basic design of power system for 1MW tidal current power generator, which are installed and operated underwater. The basic design of the power system was made on the condition that a tidal current generator be installed at sea test bed for tidal current power in the Uldolmok sea area. The optimal system configuration was determined by analyzing various installation conditions, such as external installation of the nacelle of the power converter and the application of high voltage or low voltage submarine cables. In the power system, the power generator output is transmitted from the low-voltage AC690V direct-driven generator to the power converter installed in the onshore substation. The control power inside the nacelle is designed to receive AC22,900V through the high-voltage submarine cable of the onshore substation, convert it to low voltage through the transformer inside the nacelle, and distribute it to various load devices through the UPS and distribution panel. Consequentially, this study can help to review the design of power system for tidal current power generator when construction of commercial complex.

Design and Electromagnetic Analysis of a 15 MW Class Superconducting Wind Power Generator

Ga-Eun Jung(정가은),Hae-Jin Sung(성해진),Minwon Park(박민원),In-Keun Yu(유인근) 한국산업정보학회 2019 한국산업정보학회논문지 Vol.24 No.1

고온 초전도 (HTS) 발전기는 무게, 크기 및 효율의 장점 때문에 활발히 연구되어왔다. 대규모의 초전도 풍력 발전기는 매우 저속의 고토크 회전 기계이다. 이 기계에서는 높은 전자기력과 토크가 중요한 문제이다. 하나의 축에 직렬로 연결된 2개의 발전기는 고토크의 문제를 극복하기위한 하나의 해결 방안이 될 수 있다. 본 논문에서 저자는 15 MW 급 HTS 발전기를 설계하고 분석했다. 3D 유한 요소법을 사용하여 15 MW HTS 발전기의 자기장 분포 및 토크 성능을 확인하였다. 결과적으로 설계된 발전기는 기존의 발전기보다 적은 토크를 생성한다. 제시된 15 MW 초전도 발전기의 설계방식은 대용량 초전도 풍력 발전기의 제작에 있어 고토크로 인한 문제를 해결하는데 활용될 수 있다. A high-temperature superconducting(HTS) generators have been actively studied because of its advantages of weight, size, and efficiency. A large-scale superconducting wind power generator becomes a very low-speed high-torque rotating machine. In these machines, high electromagnetic force and torque are important issued. Two generators connected in series on one shaft design are one of the solution to overcome the high torque problem. In this paper, the authors design and analyze a 15 MW class HTS generator. The 15 MW HTS generator is confirmed in terms of magnetic field distribution and torque performance using a 3D finite element method. As a result, the designed generators generates less torque than a conventional generator. The designed 15 MW superconducting generator will be effectively utilized in the construction of the large-scale wind power generation system.

파라미터 보정을 가지는 풍력 동기발전기의 센서리스 최대전력 제어

채창호,권영안 한국마린엔지니어링학회 2017 한국마린엔지니어링학회지 Vol.41 No.9

The power control of a permanent magnet synchronous generator for the wind power generation is typically implemented through measuring the rotor speed or position. However, speed and position sensors require additional mounting space, reduce their reliability in harsh environments, and increase the cost of a generator. Various control algorithms for the elimination of speed and position sensors have been proposed. This paper investigates a sensorless control that eliminates the position and speed sensors in the maximum power control of a permanent magnet synchronous generator for the wind power generation system. Most sensorless control algorithms are based on the back-EMF and speed estimations obtained from voltage equations. Therefore, the sensorless control performance is largely affected by the parameter error of a generator. A novel sensorless control with the parameter compensation is proposed for the maximum power control in this paper. The proposed parameter compensation is obtained from the d-axis current error between the real and estimated currents. The proposed algorithm is verified through simulations and experiments. 풍력발전용 영구자석 동기발전기의 전력제어를 위해서는 회전자의 속도 및 위치 정보가 반드시 요구된다. 그러나위치 및 속도 센서들은 경제적인 문제점, 추가적인 센서의 부착 공간, 취약한 환경에서 신뢰도 감소 등의 단점을 가진다. 따라서 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 회전자의 위치 검출기나 속도 센서가 없는 센서리스 제어 방식이 많이 연구되고 있다. 본 논문은 풍력발전용 동기발전기의 최대전력 제어에서 위치 및 속도센서를 제거하는 센서리스 제어에 관한연구이다. 대부분의 센서리스 제어 방식은 전압방정식으로부터 역기전력 정보와 속도 정보를 구하게 된다. 따라서 파라미터 오차는 센서리스 제어 성능에 큰 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 영구자석 동기발전기의 센서리스 제어 성능을 개선하기 위해 역기전력 상수의 오차를 d축 전류의 측정치와 추정치를 이용하여 보상하는 방식을 제안하고 시뮬레이션과 실험을 통해 본 논문에서 제안한 방식을 검증한다.

직류배전용 가변속 디젤발전기 개발에 관한 연구

박기도,김종수 해양환경안전학회 2019 해양환경안전학회지 Vol.25 No.1

In this study, research and a demonstration for applying DC distribution systems to ships as an environmental and energy conservation solution in domestic and foreign countries were actively carried out. In order to apply a generator to a DC distribution system, a variable speed engine was used. Both engine speed and fuel consumption were reduced. In this paper, a DC generator for DC distribution was constructed using a diesel generator, a generator controller, a governor, and an AVR. A system configuration method for a generator, power quality test, and the power characteristics of a variable speed generator were analyzed. The voltage (250-440VAC) and frequency (34-60Hz) of the variable speed generator were set to 60-100% of the rated value, and the engine was set to operate from 1100-1800rpm. It was confirmed that the voltage, current, and frequency of the generator output fluctuated in a stable manner according to the power amount when changing the engine speed of the generator according to the load variation. 본 연구에서는 국내외적으로 환경문제 및 에너지절감의 일환으로 직류배전시스템을 선박에 적용하려는 연구 및 실증이 활발히 수행되고 있으며, 발전기를 직류배전시스템에 적용하기 위해서는 가변속 엔진을 적용하여 저부하 영역에서 발전기의 엔진 회전수를 줄여 연료소모량을 절감할 수 있는 방안이 제시되고 있다. 본 논문에서는 기존의 디젤발전기를 이용하여 발전기 컨트롤러, 가버너, AVR을 이용하여 직류배전용 가변속발전기를 구성하였으며, 발전기의 시스템 구성 방법, 가변속 발전에 따른 전력품질 시험(전압 및 주파수 변동특성, 부하변동 특성)을 통해 가변속 발전기의 전력특성을 분석 하였다. 가변속 발전기의 전압(250~440VAC) 및 주파수(34~60Hz)는 정격의 60~100%로 구성하였으며, 엔진은 1100~1800rpm 범위에서 운전되도록 설정 하였다. 부하변동에 따라 발전기의 엔진속도를 변경시켜서 발전기 출력의 전압, 전류, 주파수가 전력량에 따라 안정적으로 변동되는 것을 확인하였다.

드론용 하이브리드 동력시스템 설계 특성 및 개발 동향

김근배(Kim, Keun-bae) 한국항공우주연구원 2020 항공우주산업기술동향 Vol.18 No.1

드론의 체공시간을 늘리기 위해서 배터리에 엔진-발전기를 조합한 하이브리드 동력시스템이 적용되고 있다. 하이브리드 동력시스템은 주전원으로 사용되는 엔진-발전기와 보조전원용 배터리 그리고 전체 동력을 분배하고 제어하기 위한 제어기로 구성된다. 하이브리드 동력시스템의 설계 특성은 드론의 형상 및 운용조건에 따라서 결정될 수 있다. 엔진-발전기 및 배터리의 동력분배방식, 시스템전압의 안정적 제어, 고효율 정격 성능 및 시스템 전력계통의 안전성과 신뢰성 확보가 중요한 요소이다. 현재 드론용 엔진과 발전기, 하이브리드시스템 기술개발 현황 및 하이브리드 동력시스템을 적용한 드론 개발동향을 제시하였다. Hybrid power system is applied for drone to increase flight endurance by combining engine-generator with battery. Hybrid power system consists of engine-generator as a main power source, battery as an auxiliary power source and power management unit to control and distribute the whole power. Design characteristics of hybrid power system can be determined according to the drone configuration and the operating conditions. The important elements are power distribution between engine-generator and battery, control stability of system voltage, high efficiency rated performance, stability and reliability of system power unit. Currently, technology development status and trends of engine, generator and hybrid power system for drone and the hybrid powered drones are presented.

LCA를 통한 국내 발전기술의 글로벌 환경성 평가

정환삼,김성호,김태운 한국에너지학회 2005 에너지공학 Vol.14 No.2

In this study, a quantitative environmental impacts assessment was performed for various power technologies with a life cycle assessment (LCA) method. The LCA is regarded as a useful tool for analyzing diverse environmental impacts at a local, regional, and global aspect. The investigated power plants such as nuclear, coal, and LNG power systems were selected because they took share over 90% of domestic electricity supply in Korea. Furthermore, a wind power technology was included as a representative energy source out of Korean renewable energy systems. According to the three geological aspects, environmental impacts had been categorized into eight types. For these impact categories, characterization had been carried out for comparing environmental burdens of power systems under consideration. Then, normalization had been done in order to gain a better understanding of the relative size among impact categories.

건전도 감시용 자립형 계측유닛을 위한 진동발전시스템

최남섭,김재민 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.2

본 논문에서는 교량의 건전도 감시용 자립형 계측유닛을 위한 교량의 상시진동을 이용한 진동발전시스템을 제시하였다. 본 연구에서는 전기자 반작용의 영향을 최소화한 새로운 구조의 진동발전기를 제안하고, 기계적 및 전기적인 설계식을 유도한 다음, 시험용 진동발전기를 제작하였다. 또한, 매우 작은 발전 전류의 축전시스템에 대하여 고찰하고 개선점을 도출하였다. 축전시스템에 대한 고찰 결과, 정류기에 사용된 다이오드 특성이 충전과정에서 지배적임을 밝혔다. 마지막으로, 진동발전시스템 모델에 실측 남해대교 가속도 데이터를 적용한 시뮬레이션과 실내 실험을 수행하였고, 제작된 시험용 진동발전기의 적용성과 효용성을 확인할 수 있었다. This paper presents an electric power generating system for stand-alone health monitoring sensor unit of bridge structure based on ambient vibration of bridge. In this paper, a novel electric power generator which has minimum effect of armature reaction is proposed. The related mechanical and electrical design equations are obtained, and a pilot generator has been implemented. In addition, the charging system for extremely low generator current is discussed, and some improvements are identified for the system. This investigation reveals that diode characteristics of rectifier is dominant factor in the charging process. Finally, both the simulation, which uses real measurement data of the Namhae bridge as input of the pilot generator, and indoor test are carried out. The results showed the applicability and effectiveness of the stand-alone vibration powered generator.

15 MW급 초전도 풍력 발전기의 설계 및 전자기 해석

정가은,성해진,박민원,유인근 한국산업정보학회 2019 한국산업정보학회논문지 Vol.24 No.1

고온 초전도 (HTS) 발전기는 무게, 크기 및 효율의 장점 때문에 활발히 연구되어왔다. 대규모의 초전도 풍력 발전기는 매우 저속의 고토크 회전 기계이다. 이 기계에서는 높은 전자기력과 토크가 중요한 문제이다. 하나의 축에 직렬로 연결된 2개의 발전기는 고토크의 문제를 극복하기위한 하나의 해결 방안이 될 수 있다. 본 논문에서 저자는 15 MW 급 HTS 발전기를 설계하고 분석했다. 3D 유한 요소법을 사용하여 15 MW HTS 발전기의 자기장 분포 및 토크 성능을 확인하였다. 결과적으로 설계된 발전기는 기존의 발전기보다 적은 토크를 생성한다. 제시된 15 MW 초전도 발전기의 설계방식은 대용량 초전도 풍력 발전기의 제작에 있어 고토크로 인한 문제를 해결하는데 활용될 수 있다.