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전력계통

조속기 자유운전과 부하부담

조속기 자유운전과 부하부담

발전기의 출력과 주파수와의 관계, 속도조정률 및 조속기 프리(Free)운전에 대하여 기술하시오.

계통의 주파수를 일정하게 유지하는 것은 수용가 및 계통측면에서 안정적 인 품질을 확보하는 것인데, 각각의 측면에서 주파수를 일정하게 유지해야 할 필요 성에 대해 설명하시오.

수차발전기 부속설비 중 조속기에 대해 
1) 원리 2) 구조별 기능(기계식) 
3) 속도조정률과 계통주파수 조정과의 관계에 대해 설명하시오.

수력발전소 설비 중 조속기(Governor)에 대한 아래사항을 설명하시오.
1) 구성장치 및 기능
2) 종류 및 개략도
3) 조속기와 속도조정률 및 속도변동률과의 상호연관성

주파수 변동의 원인

기계적인 입력(Pm)와 전기적인 출력(Pe)의 불균형
→ 발전기 회전속도의 변화

발전기의 운동방정식 :

\[\frac{d^2\theta}{dt^2}=\frac{d\omega}{dt}=\frac{\omega}{M}(P_m-P_e)\]\[\frac{d^2\theta}{dt^2}=\frac{d\omega}{dt}:각가속도\]\[\omega :회전각속도,M:계통의 관성정수\]

1) 부하의 변동 : 주파수 변동의 주요 원인으로 제어대상
2) 계통의 사고 : 부하의 급변
3) 전원의 탈락 : 공급력의 급변
4) 조속기 자체의 난조(hunting)
5) 수차내의 낙차의 변동
6) 계통전압 변동에 의한 부하의 변동

※ 부하변화의 구분

1) 초 단위 또는 분 단위의 변화
: 빈번한 부하개폐 등으로 주파수 변동의 원인
2) 시간 단위로 일어나는 변화
: 하루 전에 발전소의 기동, 정지 계획을 세움
3) 월 단위 또는 계절 단위로 일어나는 변화
: 연간 발전계획을 세움
4) 매년의 수요증가
: 장기적인 전원개발 계획으로 대처

일정한 주파수 유지의 필요성

수용가측

(1) 모든 전력사용자에게 그 사용 조건을 안정하게 한다.
(2) 전동기의 부하의 경우에 그 회전속도가 일정해져 제품의 품질이 향상된다.
(3) 컴퓨터, 전기시계 등에서 오차가 발생하는 것 방지한다.

전력계통 운용자 측

(1) 전압의 조정이 용이하다.
→ 주파수 변동은 전압 제어계의 외란으로 작용
(2) 계통의 안정도가 향상되어 공급신뢰도가 향상된다.
(3) 발전기의 조속기에 의한 속도조정이 용이하다.
(4) 연락선 조류의 변화가 안정이 되어 계통의 연계운전을 원활하게 할 수 있다.
→ 연락선에 흐르는 전력조류는 주파수 변동에 따라 변함

발전기의 주파수 특성

발전기의 주파수 특성

부하가 증가하면 그에 맞추어 발전기의 출력이 증가된다. 발전전력의 증가로 인하여 역토크가 증가되어 원동기의 속도의 저하로 인하여 발전기의 주파수가 저감되는 특성을 갖는다. 부하가 감소하면 반대로 주파수가 상승한다.

※ 발전기의 주파수 특성정수(부특성)

\[K_G=-\frac{\Delta P_G}{\Delta f}[MW/Hz]or[\%MW/Hz]\]\[[\%MW/Hz]:계통의 총 용량에 대한 백분률로 표시\]

부하의 주파수 특성

전력계통의 주파수가 저하하면 원동기의 경우 회전수가 저하하여 부하의 소비전력이 감소하고, 발전기의 경우 전압이 저하하여 전등부하가 감소한다. 이와같이 주파수가 변동할 경우 부하의 소비전력이 변하여 주파수 변동을 억제하는 것을 부하의 자기제어성이라 하며 그림에서 주파수가 Δf만큼 저하할 경우 부하는 ΔL만큼 감소한다.

부하의 주파수 특성

※ 부하의 주파수 특성정수(정특성)

\[K_L=+\frac{\Delta L}{\Delta f}[MW/Hz]\]

전력계통의 주파수 특성

전력계통의 주파수 변동은 발전기와 부하의 주파수 특성에 의하여 억제되는 특성이 있으며 “K=KG+KL”를 “전력계통의 주파수 특성정수”라 한다.
KG, KL값은 전력계통의 용량, 발전기의 특성, 부하의 특성에 따라 시시각각 다르게 되나, 전력계통에 연결되어 있는 발전원의 특성이나 부하의 특성이 비교적 일정하다고 가정하면 %KG,%KL값을 사용하여 주파수 변동과 총발전량, 총수요량 변동의 관계를 예측할 수 있다.
주파수 조정 운전을 하는 터빈발전기가 계통에 많이 연결되어 있을수록, 속도조정률이 작을수록 %KG는 크게 되고, 부하 측에는 전동기 부하가 많을수록 %KL이 크게 되는 특성을 갖는다.

계통수요가 증가하여 주파수가 저하하면 발전력이 증가하고, 소비전력이 감소하여 주파수 저하를 억제하며, 계통수요 감소시에는 발전력 저하 및 소비전력 증가로 주파수 변동을 억제하는 특성을 전력계통의 주파수 특성이라 하며 자연 현상의 『작용과 반작용』과 유사하다.

전력계통의 주파수 특성

※ 계통의 주파수 특성정수(부특성)

\[K=K_G+K_L[MW/Hz]\]

조속기(Governor)

조속기의 역할

전력계통의 부하의 변동에 따라서 계통의 주파수는 변화하는데 이것은 발전기의 회전수가 변하기 때문이고 그 이면에서 그와 직결된 원동기(수차, 터빈)의 속도가 바뀌기 때문이다.
조속기는 이와 같이 원동기의 회전수를 검출하여 물, 증기의 입력을 조절하여 원동기의 회전속도의 일정하게 유지하기 위한 장치이다.

조속기의 역할

조속기 자유운전(G.F: Governor Free)

부하의 변동이 발생된 경우에 조속기에 아무런 조정을 가하지 않은 상태에서 스스로 발전기의 출력을 조정하는 운전상태를 말한다.
즉 “정해진 속도조정률(δ)에 따라서 발전기의 출력을 변화”시키는 운전을 말한다.

조속기 자유운전시 조속기의 동작지연으로 인하여 부하변동에 따라 주파수가 변화하여도 발전기의 출력을 증가시키는데 속도의 지연이 존재한다.

아래 그림은 부하가 증가된 경우에 조속기 자유운전을 한 경우를 나타낸다. 조속기 자유운전을 통해서 발전기의 정해진 속도조정률 만큼 부하분담을 하며, 그에 따라서 주파수는 저하된다. 즉 조속기 자유운전 동안에는 주파수의 변동이 발생된다.

조속기 자유운전(G.F: Governor Free)

[조속기 자유운전 → 부하가 증가의 예]

※ 주파수 조정용 발전기(원자력 제외한 모든 발전기)의 출력을 제어하는 정격주파수로 회복시키는 것을 AGC 운전이라고 한다.

속도조정률(δ)

속도조정률(δ)

속도조정률

\[\delta=\frac{\Delta f/f_n}{\Delta P/P_n}\times 100\to\frac{\Delta f[pu]}{\Delta P[pu]}\] \[\delta=\frac{N_0-N_n}{N_n}\times 100=\frac{f_0-f_n}{f_n}\times 100\]

발전기의 전력 주파수 정수(Kg)

\[K_g=\frac{\Delta P}{\Delta f}=\frac{100P_n}{\delta f_n}[MW/Hz]\]

속도조정률은 조속기에 아무런 조정을 가하지 않고 직결된 발전기의 출력을 변화시켰을 때, 정상상태에서의 회전속도(주파수)의 변화분과 발전기 출력의 변화분과 비

※ 속도조정률 의미

① 속도조정률은 조속기의 특성을 나타내는 지표
② 속도조정률이 작다는 것은 부하의 변화에 대해서 주파수의 변화가 작다는 것으로 조속기가 민감하다는 것을 의미한다.
③ 속도조정률이 작은 발전기는 부하분담이 증가한다.
④ 발전원별 조속기 속도 조정률
– 수력 및 내연발전기 : 3.0∼4.0%
– 가스터빈 발전기 : 4.0∼5.0%
– 기력발전기 : 5.0∼6.0%

속도변동률(δm)

부하의 변동으로 원동기의 회전속도가 새로운 속도로 안정될 때까지는 과도적으로 최대 회전속도에 도달하게 된다. 속도변동률은 정격 회전속도(Nn)에서 최대 회전속도(Nm)까지의 변동을 나타내는 지표이다.

설계시에 전부하차단시에 속도변동률을 30[%] 이내가 되도록 설계하는 것이 바람직하다.

\[\delta_m=\frac{N_m-N_n}{N_m}\times 100\]

속도변동률의 영향인자로는 회전체의 관성, 부하변동의 크기, 조속기의 특성 등이 영향을 미친다.

속도변동률
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조속기
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예비력
무효전력과-조상설비
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facts-ⅱ
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