[논문]다중화 디지털 여자 시스템 개발과 발전소 적용에 관한 연구

김경철; 임익헌

다중화 디지털 여자 시스템 개발과 발전소 적용에 관한 연구
A Study on the Development and the Application of Reducdant Digital Excitation System for the Power Plants 원문보기

화력발전소, 수력발전소, 그리고 펄프 및 제지 산업분야 발전 프랜트들은 노후화된 발전기 여자시스템으로 인해서 많은 보수 정비업무에 직면해 있다. 이러한 노후 발전설비의 수명 연장을 위해 한전 전력연구원 3중화 디지털 정지형 여자시스템을 개발하였다. 이 논문에서는 3중화 정지형 여자시스템을 구성하는 전력전자 제어 소자(싸이리스터, GTO), 여자 변압기, 3중화 제어시스템의 설계개념과 현장 적용 결과에 대해서 기술하고자 한다.

Many power plants in the thermal and hydraulic utilities, the pulp and the paper industry are faced with high maintenance and down time due to the aged excitation system. For the life extension of the aged power plants, the static excitation system of triple module redundancy type had been developed by KEPRI(Korea Electric Power Research Institute). This paper will discuss the design conception and the application results of system which includes the power control devices(thyristors, GTO), power potential transformer(excitation transformer) and triple module redundancy controller(voltage regulator).

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문제 정의

본 논문에서는 대용량 정지형 여자시스템을 구성 하는 3중화 디지털 연산제어시스템, N+1 방식의 다 병렬 싸아리스터 위상제어 정류기, 여자변압기, 그리고 여자시스템을 구성하는 각종 주변 장치를 설계하고 적용하는 데에 필요한 기술을 정리한 것이다.

가설 설정

. 무효 전류 보상기 : 무효 전류 보상기는 병렬 운전중인 발전기 사이에 존재하는 리액턴스가 너무 작거나 또는 너무 클 경우 발생하는 발전기간 무효 전류의 분담 불균형을 해소하는 것이 목적이다 보상 기는 마치 발전기의 단자에 일정한 크기의 리액턴스 성분이 있는 것처럼 가정하는데 리액턴스의 크기는 현장에서 시험을 통해 설정하게 된다. 리액턴스 보상 값은 에 설정되나 필요에 따라 10[%] 정도까지 도 보상한다.
. 발전기 과전압 보호기능(Generator Ova- Voltage Protectioi) : 발전기 과전압 보호기능은 Off_Une 상태 에서만 동작하도록 설계되어 있다. 일반적으로 선정 된 값은 발전기 단자전압의 130[%]로 설정되어 있으며 한시 보호게전기 알고리즘을 이용한다.

제안 방법

. 수동 전압 조정기 : 발전기 출력 전압 신호를 3 중화했기 때문에 거의 일어나지 않겠지만 혹 궤환신호 상실시 자동이 불가능하기 때문에 정류기 출력 계자전 류를 궤환 받아서 폐루프 제어하는 수동 조정기를 두 어서 자동전압 조정기를 후비 보호 하도록 하였다.
2[PU] 이상을 확립시킬 수 있는 전류 공급 능력을 가져야 하며 최대 시간 정격은 10초 이내이다. 10초 이내에 발전기 전압이 80[%] 이상 확립되면 자동으 로 초기 여자 정류 공급이 중단되도록 설계한다. 이 시간 동안 발전기 전압이 확립되지 못하면 여자시스템은 정지된다.
교뷰 전원공급 방식 설계시 고려할 점은 큰 초기 투입 전류 및 차단 직류 전류로 인해서 31[D] 직류 측 접촉기 접점 손상을 방지하기 위해서 투입시에는 3HD]를 먼저 투입시키고 교류 접촉기 31[A]를 나중에 투입시키며, 차단시는 전류가 작은 3HA]를 먼저 개방후 31[D]를 개방한다. 초기 여자 전원변압기는 절연 변압기로 2차측에는 절환 탭을 두면 편리하다.
디지털 제어의 장점을 극대화시켜 표준화된 입력신호를 디지털 입력 모듈에서 받아서 여자제어 시스 템에 필요한 모든 기능을 수행할 수 있도록 처리하였다. 3중화된 분산제어 시스템이 내부 기능 블럭을 메모리상에 불러다가 배치시켜서 주소로 연결하는 방식이다
또한 기존 고가의 대용량 직류 계자 차단기를 대신해 서 저가의 교류차단기를 사용하는 방법, GTO(Gate Tum orVTum off) 반도체 소자를 사용한 쾌속 감자 회로(Solid State Fast De-excitation System) 와, 고 속 연산용 다중화 디지털 분산제어 시스템(DCS : Distribute Control Syst&n)을 자동전압 조정 연산기 로 사용하여 여자시스템을 구성하였다
본 논문은 한전 전력연구원이 99.7월부터 2년에 걸쳐 연구개발과 현장 실증 적용 결과를 기술한 것으로 제어기 부분을 3중화 디지털 방식으로 설계하고 싸이리스터 위상제어정류기는 N+1 방식으로 1개의 예비 용량을 갖도록 설계해서 모의 실증 시험을 필한후 현장에 적용하였다 각종 성능시험을 IEEE 421.4 기준에 따라 실사하여 만족스런 결과를 취득하 였다⑹. 명실공히 선진국과 어깨를 나란히 하는 발 전기 여자시스템이 국산 개발된 것이다.
3중화 디지털 연산기의 연산 수행 부하를 줄이기 위해서 발전기 출력 전압 과 출력 전류 아날로^! 연산 소자를 사용해서 발전 기 유효전력, 무효전력, 주파수 전압 신호를 만들고 다시 필터링 해서 표준화돤 아날로그 신호를 만든 다음 3중화 디지털 아날로그 입력 모듈에 뿌려 주어 서 주 연산기가 입력받도록 하였다. 시스템의 신뢰도 를 극대화시키기 위해 신호처리, 천원처리 어느 한 곳에서도 병목 현상이 발생되지 않도록 전기적으로 나 물리적으로 분리 독日시켰다
아날로그의 경우 입력 데이터는 중간 값을 선택하고 연산을 수행 후 개별 출력을 내고 이는 다시 최종 출력 모듈에서 중간 값을 선택해서 제어 명령 신호를 발생시킨다. 3중화 디지털 연산기의 연산 수행 부하를 줄이기 위해서 발전기 출력 전압 과 출력 전류 아날로^! 연산 소자를 사용해서 발전 기 유효전력, 무효전력, 주파수 전압 신호를 만들고 다시 필터링 해서 표준화돤 아날로그 신호를 만든 다음 3중화 디지털 아날로그 입력 모듈에 뿌려 주어 서 주 연산기가 입력받도록 하였다. 시스템의 신뢰도 를 극대화시키기 위해 신호처리, 천원처리 어느 한 곳에서도 병목 현상이 발생되지 않도록 전기적으로 나 물리적으로 분리 독日시켰다
전압 및 전류 검출 방식을 기존의 전압 변성기와 전류 변성기를 거친 다음 정류하거나 벡터 합성하는 대신에 Hall CT와 정밀 저항을 사용해서 발전기 전 압을 아날로그 차동 증폭기 신호 레벨로 맞추어서 이를 정류, 필터링 해서 선압 궤한 신호로 사용했으 며, 주파수와 유/무효 전력은 칩적회로 소자를 사용 해서 연산처리 함으로써 회로를 단순화시켰다.

이론/모형

전압 圣정 및 제한, 제어 알고리즘 연산을 수행하는 디지털 하드웨어는 3중화 제어 모듈(TMR : Triple-Modular Redundant)을 채용하였다. 10[MHz] Intal80C₁₅2 프로세서를 사용한 3중화 주 연산 프로 세서 모듈은 전체 연산 스캔 시간이 18[msec]로 여 자시스템으로서는 다소 느린 연산속도를 가지고 있으나 발전기 여자시스템 시정수가 3초 이상으로 제 어상에 문제점은 없었다.

후속연구

명실공히 선진국과 어깨를 나란히 하는 발 전기 여자시스템이 국산 개발된 것이다. 본 논문에서 지면상의 한계 때문에 모든 설계 알고리즘을 모두 기술하지 못한점이 아쉬움으로 남고 실증 적용 모델 에 대한 현장 주파수 응답 특성 분석이 이루어지지 못했는데 다른 논문에서 보완이 필요하다.

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