철강 소비가 늘어나고, 전기아크로 운영기술의 발전에 따라 아크로의 사용이 증가하고 있다. 그러나 전기아크로의 사용이 늘어날수록 계통에는 악영향을 미치게 된다. 즉, 전력품질 문제인 전압 및 전류 고조파, 상 불평형, 역률 저하, 전압 플리커 등의 문제가 발생하고 있다. 여기서는 시변 특성과 비선형 특성을 갖는 고조파에 대하여 해석하였다. 우선 전기 아크로가 포함된 전력계통 모델을 만들고, 전기 아크로의 다양한 운전 조건에 따라 발생된 고조파가 계통에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 고조파 저감 대책으로 고조파 필터를 설계하여 그 영향을 검토하였다.
철강 소비가 늘어나고, 전기아크로 운영기술의 발전에 따라 아크로의 사용이 증가하고 있다. 그러나 전기아크로의 사용이 늘어날수록 계통에는 악영향을 미치게 된다. 즉, 전력품질 문제인 전압 및 전류 고조파, 상 불평형, 역률 저하, 전압 플리커 등의 문제가 발생하고 있다. 여기서는 시변 특성과 비선형 특성을 갖는 고조파에 대하여 해석하였다. 우선 전기 아크로가 포함된 전력계통 모델을 만들고, 전기 아크로의 다양한 운전 조건에 따라 발생된 고조파가 계통에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 고조파 저감 대책으로 고조파 필터를 설계하여 그 영향을 검토하였다.
The use of electric arc furnace has been increasing as the steel consumption is increasing and the operation technique of electric arc furnace are developing. But as the use of electric arc furnace is increased, the furnace have produced the adverse effects of power quality: voltage and current harm...
The use of electric arc furnace has been increasing as the steel consumption is increasing and the operation technique of electric arc furnace are developing. But as the use of electric arc furnace is increased, the furnace have produced the adverse effects of power quality: voltage and current harmonics, voltage and current imbalances, low power factor, and voltage flicker. One of the power quality problems, the harmonic have the characteristics of the time-varying and non-linear. This paper analyzed the harmonics for the various operation conditions of electric arc furnace. The power system model with electric arc furnace have been made, and the harmonic's effects on the power system has been analyzed according to the various operating conditions, first melting, second melting, so on. Also, the filter reducing the harmonic components have been designed and its effects on the power system have been examined.
The use of electric arc furnace has been increasing as the steel consumption is increasing and the operation technique of electric arc furnace are developing. But as the use of electric arc furnace is increased, the furnace have produced the adverse effects of power quality: voltage and current harmonics, voltage and current imbalances, low power factor, and voltage flicker. One of the power quality problems, the harmonic have the characteristics of the time-varying and non-linear. This paper analyzed the harmonics for the various operation conditions of electric arc furnace. The power system model with electric arc furnace have been made, and the harmonic's effects on the power system has been analyzed according to the various operating conditions, first melting, second melting, so on. Also, the filter reducing the harmonic components have been designed and its effects on the power system have been examined.
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문제 정의
본 논문은 전기로의 가동에 따른 전기 아크로에서 발생하는 고조파가 전력계통에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해서 분석하였다. 이를 위한 모델로 전기 아크로 두 대와 정련로 두 대가 연결되어 있는 모의 계통도를 구성하였다.
이에 대한 대책으로 특정 고조파를 제거할 수 있는 수동필터를 설계하였다[3]. 전기 아크로에서 발생되는 고조파를 제거하기 위해 2~5차의 수동필터를 설계하였다{5].
본 논문은 전기 아크로에서 발생되는 고조파를 아크로 운전 상태별로 모의하여 고조파 발생량을 검토하였다.
본 논문에서는 전기 아크로 운전시 나타나는 고조파가 전력계통에 미치는 영향을 전기 아크로의 운전상태에 따라 분석하였다. 이를 위하여 전기 아크로 가 운전 중인 실제 전력계통을 이용하여 모델 계통을 구성하였으며, 전기 아크로를 고조파원으로 모델링하여 분석하였다.
제안 방법
따라 분석하였다. 이를 위하여 전기 아크로 가 운전 중인 실제 전력계통을 이용하여 모델 계통을 구성하였으며, 전기 아크로를 고조파원으로 모델링하여 분석하였다. 또한, 전기 아크로의 고조파 대책으로 고조파 필터를 설계 및 설치 후 계통에의 영향을 분석하여 필터 저감효과를 분석하였다.
이를 위하여 전기 아크로 가 운전 중인 실제 전력계통을 이용하여 모델 계통을 구성하였으며, 전기 아크로를 고조파원으로 모델링하여 분석하였다. 또한, 전기 아크로의 고조파 대책으로 고조파 필터를 설계 및 설치 후 계통에의 영향을 분석하여 필터 저감효과를 분석하였다.
통해서 분석하였다. 이를 위한 모델로 전기 아크로 두 대와 정련로 두 대가 연결되어 있는 모의 계통도를 구성하였다. 전기 아크로에는 아크로 전용 변압기가 있고 22[kV]를 사용한다.
PSAF-Harmonics 프로그램을 사용하여 전기 아크로 가 연결된 모의 전력계통도에서 발생하는 종합전압 왜형율과 종합 전류 왜형율을 시뮬레이션을 통해서 구하였다[8, 9], 전기 아크로는 아크로 전원 투입 시, 1차 용해시, 2차 용해시, 정련시로 나누어서 전기 아크로의 운전 상태별로 시뮬레이션 하였다.
정련로는 환원기 시기로 설정하였으며, 전기 아크로 와 정련로가 연결되어 있는 22[kV] 모선의 종합전압 왜형율과 22[kV] 선로의 종합 전류 왜형율을 검토하여 전기아크로와 정련로의 운전시 발생되는 고조파가 전력계통에 미치는 영향을 분석하였다[4].
본 논문은 고조파 발생원에 수동필터를 적용하여 고조파의 저감효과를 시뮬레이션 하였다. 전기 아크로에서 발생되는 고조파는 저차 고조파가 우세한 것으로 나타났다.
이에 대한 대책으로 특정 고조파를 제거할 수 있는 수동필터를 설계하였다[3]. 전기 아크로에서 발생되는 고조파를 제거하기 위해 2~5차의 수동필터를 설계하였다{5]. 여기서 필터의 설계시 필터의 첨예도(Q : the quality factorX 30과 100으로 각각 적용하여 시뮬레이션 하여 첨예도의 차이를 살펴보았다{10].
전기 아크로에서 발생되는 고조파를 제거하기 위해 2~5차의 수동필터를 설계하였다{5]. 여기서 필터의 설계시 필터의 첨예도(Q : the quality factorX 30과 100으로 각각 적용하여 시뮬레이션 하여 첨예도의 차이를 살펴보았다{10]. 표 5와 표 6은 수동필터 설계 과정으로 계산된 값이며, 표의 값을 사용한 필터를 적용하여 시뮬레이션 하였다.
표 5와 표 6의 수동필터 데이터를 이용하여 고조파 발생원인 아크로 1과 아크로 2에 수동필터를 적용하여 아크로 운전상태별로 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 한 결과 필터를 적용하였을 때에 종합 전류 왜형 율과 종합 전압 왜형율이 감소하는 것을 확인하였다.
고조파 해석은 정상상태 선형 해석으로 하였다. 즉.
즉. 비선형 요소인 고조파원을 선형 계통모델에 각각 주입하였다. 아크로의 고조파원 모델링시 쓰인 데이터는 실제 전기 아크로에서 측정한 데이터를 사용하였다.
아크로의 고조파원 모델링시 쓰인 데이터는 실제 전기 아크로에서 측정한 데이터를 사용하였다. 전기 아크로 운전 상태에 따른 고조파를 검토하기 위하여 아크로 전원 투입시, 1차 용해시, 2 차 용해시, 정련시로 나누어 시뮬레이션 하였다.
또한 고조파를 저감시키기 위하여 고조파 필터를 설계하여 시뮬레이션 하였다.전기 아크로에서 발생되는 고조파는 고조파가 우세하였으며, 또한 다른고조파원과는 다르게 짝수 고조파도 존재하였다.
전기 아크로에서 발생되는 고조파는 고조파가 우세하였으며, 또한 다른고조파원과는 다르게 짝수 고조파도 존재하였다. 그러므로 고조파 필터를 설계할 때에도 전기 아크로에서 발생되는 고조파의 특성에 맞도록 2차에서 5차까지의 수동필터를 설계하였다. 설계된 수동필터를 이용하여 전기 아크로 운전 상태에 따른 고조파를 실시하여, 필터를 적용하지 않았을 경우와 필터를 적용한 경우를 비교 검토하였다.
그러므로 고조파 필터를 설계할 때에도 전기 아크로에서 발생되는 고조파의 특성에 맞도록 2차에서 5차까지의 수동필터를 설계하였다. 설계된 수동필터를 이용하여 전기 아크로 운전 상태에 따른 고조파를 실시하여, 필터를 적용하지 않았을 경우와 필터를 적용한 경우를 비교 검토하였다.
대상 데이터
전기 아크로와 정련로에서 발생되는 고조파 차수별 데이터는 대표적으로 발생되는 데이터를 사용하였다. 이 데이터는 전기 아크로 운전시 측정된 고조파 데이터이다.
이 데이터는 전기 아크로 운전시 측정된 고조파 데이터이다. 고조파 시뮬레이션에 사용된 정련로와 전기 아크로의 입력 고조파 차수별 데이터를 표 1, 2에 나타내었다.
비선형 요소인 고조파원을 선형 계통모델에 각각 주입하였다. 아크로의 고조파원 모델링시 쓰인 데이터는 실제 전기 아크로에서 측정한 데이터를 사용하였다. 전기 아크로 운전 상태에 따른 고조파를 검토하기 위하여 아크로 전원 투입시, 1차 용해시, 2 차 용해시, 정련시로 나누어 시뮬레이션 하였다.
전기 아크로에는 아크로 전용 변압기가 있고 22[kV]를 사용한다. 아크로 의용량은 각각 70[MVA], 851MWA]로 설정하였다.
데이터처리
시뮬레이션은 고조파 해석 프로그램인 PSAF- Hanronics 프로그램을 이용하였고, 종합 전압 왜 형 율과 종합 전류 왜형율을 이용하여 모의 결과를 나타내었다.
성능/효과
시뮬레이션 결과 154[kV] 모선과 선로에는 큰 영향이 나타나지 않았다. 이것은 전압 계통이 크기 때문에 상대적으로 영향을 받지 않은 것으로 판단된다.
이것은 전압 계통이 크기 때문에 상대적으로 영향을 받지 않은 것으로 판단된다. 발전기와 가까운 지역보다 부하가 많은 지역이 종합전압 왜형율과 종합 전류 왜형율이 더 크게 나타났다. 아크로 부하가 있는 지역인 日지역이 종합 전압왜형율이 높게 나타났고, A지역을 연결하는 선로는 종합 전류 왜형율이 다른 지역 선로보다 높게 나타났다.
발전기와 가까운 지역보다 부하가 많은 지역이 종합전압 왜형율과 종합 전류 왜형율이 더 크게 나타났다. 아크로 부하가 있는 지역인 日지역이 종합 전압왜형율이 높게 나타났고, A지역을 연결하는 선로는 종합 전류 왜형율이 다른 지역 선로보다 높게 나타났다. 이것은 전기 아크로 부하와 정련로 부하가 연결된 모선을 연결하는 선로여서 영향을 미치는 것으로 판단된다.
전기 아크로 조업별 시뮬레이션 결과 A지역 22[kV] 선로-2가 종합 전류 왜형율이 가장 높게 나타났다. 이것은 아크로 부하 모선과 정련로 부하 모선을 연결하는 선로여서 아크로와 정련로에 대한 영향 때문에 나타난 결과라고 판단된다.
이것은 아크로 부하 모선과 정련로 부하 모선을 연결하는 선로여서 아크로와 정련로에 대한 영향 때문에 나타난 결과라고 판단된다. 선로의 종합전압 왜형율은 R지역에 있는 3.3[kV] 모 선(R3BB)이 가장 높게 나타났다. 이것은 3.
시뮬레이션 한 결과 필터를 적용하였을 때에 종합 전류 왜형 율과 종합 전압 왜형율이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 필터의 첨예도를 나타내는 Q값이 크면 필터의 고조파 저감 효과가 큰 것을 확인하였다.
시뮬레이션 한 결과 필터를 적용하였을 때에 종합 전류 왜형 율과 종합 전압 왜형율이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 필터의 첨예도를 나타내는 Q값이 크면 필터의 고조파 저감 효과가 큰 것을 확인하였다. 표 7 에서 표 10에는 고조파 필터를 적용하여 전기 아크로 운전상태에 따른 고조파 저감 효과를 나타내었다.
아크로 전원 투입시 및 1차 용해시 필터 적용 후의 결과를 표 7과 표 8에 나타내었다. 선택도가 30인 필터와 100인 필터는 각각 종합 전류 왜형율을 최대 6.16[%], 15.57C%]를 감소시켰고, 종합 전압 왜 형 율은 최대 1.45[%], 2.62[%]를 감소시켰다
운전시기 보다 크게 나타났다. 즉, 선택도가 30, 100인 필터는 각각 종합 전류 왜형율을 최대 14.13[%], 19.511%]를 감소시켰고, 종합 전압 왜 형 율은 최대 3.49[%], 3.9[%]를 감소시켰다.
10에 나타나 있다. 선택도가 30, 100인 필터는 각각 종합 전류 왜형율을 최대 6.42[%], 12.01[%]를 감소시켰고, 종합 전압 왜형율은 최대 1.35[%], 1.86[%] 를 감소시켰다.
정 련시에는 선택도가 30, 100인 필터는 각각 종합전류 왜형율을 최대 4.29[%1, 6.47[%〕를 감소시켰고, 종합 전압 왜형율은 최대 1.02[%], 1.26[%|를 감소시켰다.
발생시키는 것으로 나타났다. 또한 필터를 적용하였을 경우 종합 전류 왜형율과 종합 전압 왜형율을 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
종합적으로 고조파는 전기 아크로 운전 상태별로 다르게 나타났고, 그 중 1차 용해시가 가장 높은 고조파를 발생시키는 것으로 나타났다. 또한 필터를 적용하였을 경우 종합 전류 왜형율과 종합 전압 왜형율을 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (10)
오동환, 이강완, '철강산업에서 전력계통 고조파 해석', 대한전기학회 전력기술부문회 추계학술대회 논문집, pp. 20-25, 2001 년 11월
민준기, 이상훈, 김재식, 최재호, 박태준, 이왕하, '교류 전기 아크로 시스템의 고조파 해석', 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 1239-1241, 2000년 7월
유상봉, '전기설비에서의 고조파 대책 기술', 한국조명 . 전기설비학회지, 제 13권, 4호, pp. 40-52. 1999년 12월
한국전력언구원, '제철수용가 전기품질(플리커, 고조파) 측정 및 분석 보고서', 1999년 11월
Elham B. Makram, E. V. Subramaniam 'Harmonic Filter Design Using Actual Recorded Data' IEEE transactions on industry applications, Vol. 29, No.6. pp. 1176-1183, Nov./Dec. 1993
D. Andrews, M. T. Bishop, J. F. Witte, 'Harmonic Measurements, Analysis, and Power Factor Correction in a Modem Steel tvlanufacturing Facility', IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No.3, pp. 617-624. May/June 1996
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