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전력계통

자동주파수제어

자동주파수제어(AFC)

전력계통의 주파수 제어와 관련하여 Turbine-Governor 시스템을 설명하고, 이것과 연관하여 LFC(Load frequency control)에 대해서 설명하시오.

연계선로에서의 주파수 제어 방식의 일반적인 3가지 방식에 대하여 간단히 설명하시오.

부하의 변동에 따른 전력계통의 주파수 유지를 위하여 발전소와 중앙급전 지령소에서 이루어지는 운전/제어 방식에 대하여 아는바를 기술하시오.

자동주파수제어
(AFC: Automatic Frequency Control)

전력계통 주파수제어의 경우, 부하변동으로 생기는 주파수 변동을 상시 감시하여 주파수를 규정값 이내로 유지하도록 발전기의 출력을 제어하지 않으면 안 된다. 이것을 자동화한 것이 자동주파수제어이다. 제어범위는 주파수 조정용 발전기의 조속기 제어를 통한 원동기 입력을 제어한다.

주파수 제어의 목적

전력계통에서는 생산과 소비가 동시에 이루어지고, 소비량의 변화에 따라서 실시간으로 생산량을 조절해 주어야하며, 전기의 소비는 수용가가 원할 때 언제라도 자유롭게 이루어져야 하므로 그 어떤 순간에 있어서도 발생전력은 소비전력과 일치되어야만 한다는 동시성이 있다.

전력품질의 유지

→ 우리나라 주파수 유지 기준: 60±0.1Hz

고품질 측면에서는, 규정주파수와 규정전압 유지를 들 수 있는데, 규정주파수 유지를 위해서는 유효전력(주파수)제어 또는 자동발전제어(AGC)방식이 수행되고 있고, 전압에 대해서는 무효전력 제어가 활용되고 있다.

경제운용(ELD)

전력에너지의 경제적인 생산과 공급을 위해서는 시시각각으로 변하는 전력수요에 대하여 각기 상이한 “발전원가와 연료비”를 갖는 발전기들을 최소의 송전손실과 종합 경제성을 갖도록 최적 배분하는 이른 바 경제운영(ELD: Economic Load Dispatching) 방식이 활용된다.

계통의 안정도 및 신뢰성 유지

계통의 신뢰성은 전력계통의 상시 감시제어 및 중대사고에 대비한 긴급시의 예방제어기술과 복구제어기술로 운영되고 있으며, 특히 신뢰성 있는 계통보호기술과 계통안정화기술이 뒷받침 되고있다.

자동주파수제어(AFC) 흐름도

AFC 장치는 부하변동 등에 의해 생기는 주파수 및 연계선 전력의 편차를 허용범위 내에 넣기 위해, 이들 편차를 검출하여 주파수 조정용 발전소의 조속기 제어를 통해 발전기 출력을 제어한다.

주파수 제어의 원리

[Step 1] 부하의 자기제어성 + 조속기 자유운전(G.F)

부하증가(ΔL)의 경우 조속기 자유운전에 의해서 발전량을 증가시킴과 동시에 부하의 자기제어성에 의해서 부하전력을 감소시키면서 발전전력과 부하전력이 평형을 이루는 점에 새로운 주파수로 운전된다. 이때 부하증가로 인하여 주파수는 저하됨

※ 부하의 자기제어성

부하측에서는 전동기의 주파수가 저하되면 전동기의 회전수가 감소되어 소비전력이 감소시키며 주파수의 변동을 억제하려는 성질이 있다. 이것을 말한다.

[Step 2] 자동주파수제어(AFC)

정격주파수로 회복시키기 위해서는 주파수 조정용 발전기의 조속기를 직접제어하여 원동기 입력을 증가시켜 발전기 출력을 증가시켜줄 필요가 있다. 이것이 자동주파수제어이다.

부하변동 특성과 부하분담

구 분부하 변동주기부하 변동량부하 분담
미소 변동분~10초1~2%부하의 자기제어성
2~3분1~2%G.F 운전
단주기 변동분10~20분~15%AFC
장주기 변동분20분~15%~ELD

부하의 자기제어성

부하변동이 극소량인 경우에는 부하의 자기제어 특성에 의해서 흡수한다.

조속기 자유운전(G.F)

병렬운전되는 발전기는 부하변동에 대응하여 “정해진 속도조정률에 따라(조속기의 특성)” 제어없이 각각의 발전기의 출력을 증감시킨다.

자동주파수제어(AFC)

중앙급전소에서 주파수의 변동을 검출하여 주파수 조정용 발전소의 발전기 출력을 조정한다.

조속기 특성
병렬운전하고 있는 발전기들 사이에서 유효전력의 분담은 각각에 대한 원동기의 조속기의 무부하 속도 설정치를 조절함으로써 이루어진다.
조속기의 특성은 유효전력에 대한 원동기의 속도(발전기 주파수)를 나타낸 것이다. 실제는 약간 곡선이지만 아래 그림과 같이 조속기가 선형의 수하특성이 지니도록 한다. 이를 통해서 병렬운전시 안정성을 제공하고 정속도 특성은 병렬 운전시에 불안정하다. 이러한 조속기의 수하특성을 이용하여 발전기의 병렬 운전시에 부하 분담을 조절한다. 이러한 조속기의 특성은 속도조정률로 나타낸다.

경제부하배분(ELD)

AFC에 의한 출력 조정의 결과는 속응성이 큰(속도조정률이 작은) 발전소의 출력의 부담이 증가하여 각 발전기의 출력배분은 경제적이 되지 못한다. 이 출력배분을 재조정하는 것이 다음단계의 경제부하배분의 역할이다.

[급전운용의 자동화]

※ 신뢰도 제어

AFC, ELD의 결과 이 경제적인 배분의 결과를 우발사고 등이 발생했을 때 계통의 안전성이라는 입장에서 적정한가를 판단하는 기능을 말한다.

연계계통에서 주파수 제어방식

정주파수 제어(FFC: Flat Frequency Control)

(1) 전력계통의 “주파수만을 검출”하여 제어하는 방식이다.
(2) 단독계통에 우리나라에서 채택하여 사용하는 방식이다.
(3) “규정 주파수와 편차가 허용 범위 이내로 유지”되도록 제어한다.
– 계통의 주파수 > 규정 주파수 : 조정용 발전소의 출력감소
– 계통의 주파수 < 규정 주파수 : 조정용 발전소의 출력증가

정연락선 전력 제어(FTC : Flat Tie line Control)

(1) 주파수와 관계없이 연락선 전력만을 제어한다.
(2) “연락선 전력을 검출”하여 계획값(AR)으로 유지 할 수 있도록 조정용 발전소의 출력제어를 담당한다.

연락선 전력 바이어스 제어(TBC : Tie Line Bias Control)

(1) 주파수의 변화와 연락선 전력를 동시에 검출해서, 부하변화가 어느 계통에서 일어났는가 판단하고, 자기 계통내 부하변화는 자기 계통내에서 처리하는 방식
(2) 가장 진보된 형태의 제어방식이다.
– A계통의 부하 증가: A계통의 주파수 저하 → B계통에서 A계통으로 조류증가
– A계통의 부하 감소: A계통의 주파수 상승 → A계통에서 B계통으로 조류증가

연계선 조류계산

[A 계통에서 부하가 만큼 증가하였을 경우]

\[\Delta P_T=\frac{K_B}{K}\times\Delta P\]

① K로 변환

\[\%K=\frac{K}{계통용량}\times 100\]

② 계통정수:

\[K=K_A+K_B\]


③ 주파수 변동분 산출: A계통의 주파수는

\[\Delta f=-\frac{\Delta P}{K}\]


④ 연계선 조류 산출
연계선 조류(ΔPT)는 A계통의 공급력 부족으로 B -> A로 발생

 우리계통(B)이 인접국가 계통(A)과 연계선로에 의해 연계운전 중 우리계통 내에서 1,000[MW]의 원자력 1기가 갑자기 탈락한 경우, 계통주파수 변화량과 연계 선로의 전력변화량을 구하시오.
(단, 계통정수는 각각 KA =100[MW/0.1Hz], KB =120[MW/0.1Hz]이고, 사고 전 연계선 로의 전류는 0이다.)

우리계통(B)이 인접국가 계통(A)과 연계선로 ZAB 에 의해 연계운전 중에 우리계통내에서 500[MW]의 화력 1기가 갑자기 탈락한 경우, 계통주파수 변화량과 연계선로의 전력변화량을 구하시오.
(단, 계통정수는 각각 KA =40[MW/0.1Hz], KB =60[MW/0.1Hz]이고, 사고 전 연계선로 ZAB 의 조류는 0이다.)

계통 특성정수

\[K=K_A+K_B=1,000+1,200[MW/Hz]=2,200[MW/Hz]\]

주파수 변화량

\[\Delta f=\frac{\Delta P}{K}=\frac{1,000}{2,200}=0.455[Hz]\]

게통주파수는 0.455[Hz]

연계선 조류

\[\Delta P_T=\frac{K_A}{K}\times\Delta P=\frac{1,000}{2,200}\times 1,000=455[MW]\]

∴ A계통 -> B계통: 연계선 조류값은 455 [MW]

두 개의 전력계통 A 및 B의 연계계통에서 아래와 같은 변동이 일어날 경우의 주파수 변화 및 연계선 조류변화 를 구하여라
1) 연계선 작업 정지 중에 A계통에서 모선사고가 발생해서 그와 연결되어 있던 300[MW]의 부하가 차단되었다. 이 때의 주파수 변화Δf ?
2) 양계통의 연계중에 A계통에서 1,000[MW]의 전원탈락된 경우에 주파수 변화Δf 와 연계선 조류변화ΔPT 를 구하라.

각 계통의 계통정수 및 연계시 계통정수

1) A 계통정수

\[K_A=k_A[pu]\times A계통용량=0.1\times 12,000\]\[=1,200[MW/Hz]\]

2) B 계통정수

\[K_B=k_B[pu]\times B계통용량=0.08\times 5,000\]\[=400[MW/Hz]\]

3) 연계시 계통성수

\[K=K_A+K_B=1,600[MW/Hz]\]

연계되지 않은 A계통의 부하변화에 따른 주파수 변화

\[\Delta f=\frac{\Delta P}{K_A}=\frac{300}{1,200}=0.25[Hz]\]

∴ A 계통의 주파수가 0.25 [Hz] 만큼 증가한다.

연계시 계통주파수 변화

\[\Delta f=\frac{\Delta P}{K}=\frac{1,000}{1,600}=0.625[Hz]\]

∴ 주파수는 0.625 [Hz]만큼 감소한다.

연계선 조류

: B계통 -> A계통으로의 조류

\[\Delta P_T=\frac{K_B}{K}\times \Delta P\] \[\Delta P_T=\frac{K_B}{K}\times\Delta P=\frac{400}{1,600}\times 1,000\]\[=250[MW]\] \[∴\Delta P_T=250[MW]\]
아래의 계통과 같이 운전 중에 Psmall 발전기가 탈락한 경우에 주파수의 변화 및 각부의 전력변화를 구하여라. 여기서 부하의 자기제어성은 무시한다.

각 발전기의 주파수 특성정수 및 계통정수

1) G1 발전기 주파수 특성정수

\[K_{g1}=K_{g1}[pu]\times 발전기 용량\] \[=0.09\times 4,000=360[MW/Hz]\]

2) G2 발전기 주파수 특성정수

\[K_{g2}=k_{g2}[pu]\times 발전기용량\]\[=0.09\times1,000=90[MW/Hz]\]

3) 계통정수

\[K=K_{g1}+K_{g2}=360+90=450[MW/Hz]\]

주파수 변화(Δf)

\[\Delta f=\frac{\Delta P}{K}=\frac{200}{450}=0.444[Hz] 감소\]

전력조류

\[\Delta P_T=\frac{K_{g1}}{K}\times\Delta P=\frac{360}{450}\times200=160[MW]\]

각부의 전력의 변화

\[\Delta P_{g1}=K_{g1}\times\Delta f=360\times 0.444≃160[MW]\] \[\Delta P_{g2}=K_{g2}\times\Delta f=90\times 0.444≃40[MW]\]
아래 그림은 두 개의 발전기와 부하가 연결된 지역(local area)에 큰 규모 의 계통이 연결된 계통도를 보인다. 지역 발전기 중 1개가 갑자기 트립되었다. 나 머지 한 개의 발전기와 계통 쪽 등가 발전기의 시간-출력 곡선 및 시간-주파수 곡 선을 그리고 그 내용을 설명하시오.

전원탈락 직후(과도동요기)

전력계통의 수급의 불평형 발생으로 주파수는 발전기 회전자의 관성 또는 조속기의 과도응답 특성에 따라서 바로 변화하지 못하고 약간의 시간적 지연을 두고 새로운 상태로 이르게 된다. 실제는 위의 파형처럼 과도 진동하면서 감소된 어느 값에 수렴하게 된다. 이 시기에는 부하의 자기제어성이 나타나는 시기로 소요주기는 대략 수 초정도이다.

Governor Free 운전

각 발전기의 조속기 특성에 의해서 조속기 자유운전을 통해서 각각의 설정치에 맞게 출력을 증가시킨다. 그러나 전원이 일부 탈락된 경우는 조속기 자유운전만으로는 주파수의 저하를 막을 수는 없다. 이 시의 소요주기는 수십초~2분 정도이다.

AFC 운전

조속기 자유운전만으로 기준주파수 회복이 어려우므로, 자동주파수제어를 실시하여야 한다. 기준주파수로 회복하기 위해서는 조속기의 설정치를 변경하여 각 발전기의 원동기의 출력을 조정할 필요가 있다. 이 경우는 대용량 발전기가 용량의 여유가 있는 것으로 가정하여 증가된 Psmall의 출력은 다시 원상태로 감소하는 제어를 하고 Plarge발전기의 출력을 보다 증가시켜서 주파수를 기준 주파수로 회복하는 제어를 하는 것으로 곡선을 작성하였다.

전력계통
조속기-자유운전과-부하부담
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무효전력과-조상설비
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