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문제 정의
- 시뮬레이터의 하드웨어는 고속의 DSP TMS320C33을 이용하였으며, 소프트웨어는 Micro C-OS를 이용하여 각 Task별로 고속 연산, 통신, 계통연계 발전기 시뮬레이션 그리고 보호 계통 부분으로 나누어 구성하였다[2]. 본 논문에서는 전력 연구원이 개발한 실시간 계통연계 발전기 시뮬레이터에 대한 개발 내용과 원자력발전소 실 계통에 상업운전용으로 개발 적용한 디지털 다중화 방식의 디젤발전기 여자시스템을 대상으로 시뮬레이터를 이용한 현장시험 내용에 대하여 기술하고자 한다.
제안 방법
- 본 논문에서는 동기발전기 해석에 널리 쓰이는 팍스변환(Park's transformation) 식을 사용하여 회전자 권선전류에 의한 회전자계와 정지된 고정자 권선전류에 의한 회전자계의 전자기적인 회로관계를 수식화하였다. a, b, c 상의 전기자 권선 축에 의한 특성을 d, q 축으로 변환하여 해석하였다. 이것은 발전기 공극 상에서 고정자의 3상전류가 형성하는 합성자속이 회전자와 같은 속도로 회전한다는 것을 전제로 한다.
- 개발된 여자시스템을 고리원자력 4호기에 디젤발전기에 현장 설치한 후 시뮬레이터를 이용하여 모의시험을 수행하였다. 본 시험을 통해 개발 여자시스템의 제어, 제한 및 보호기능들과 시스템의 건전성을 확인하였다.
- 개발시스템의 제어프로그램은 국제 표준규격인 IEC61131-3을 준용한 Triconex 소프트웨어를 이용하였고, 여자시스템의 전압 및 무효전력 제어와 제한 기능, 발전기와 여자시스템을 보호하기 위한 보호 기능을 여자시스템의 요구사항에 맞게 동작하도록 조합된 함수의 Software Block의 형태로 제어프로그램을 구현하였다. 또한 수동 · 자동 제어기 절체 시 원만한 절체를 위하여 사용되는 추종 및 순차 제어기능, 그리고 기존의 아날로그 방식의 한시특성 또는 반한 시 특성을 갖는 보호 계전기의 기능을 디지털 방식으로 구현하였다.
- 디젤발전기 정격속도의 무부하 상태에서 발전기 계자에 초기 여자전류를 공급하고 발전기 전압이 정상적으로 생성되는지 또한 미리 설정해 놓은 전압 설정 값까지 발전기 전압이 과도한 Overshoot 없이 안정적으로 확립되는지 확인하였다.
- 또한 수동 · 자동 제어기 절체 시 원만한 절체를 위하여 사용되는 추종 및 순차 제어기능, 그리고 기존의 아날로그 방식의 한시특성 또는 반한 시 특성을 갖는 보호 계전기의 기능을 디지털 방식으로 구현하였다.
- 본 논문에 적용된 여자시스템 모델은 IEEE type ST1A의 정지형 여자시스템 모델로 발전기 출력 단에 연결된 여자변압기로 여자 전원을 확보하고 이를 싸이리스터 위상제어 정류기로 정류해서 발전기 계자에 공급한다. 이 경우 최대 조절기 전압은 상수가 아니고 발전기단자 전압 Vt에 비례하며, 교류 간접 형과 다르게 정지 형 여자시스템은 시간지연이 거의 없는 장점이 있다.
- 본 논문에서는 동기발전기 해석에 널리 쓰이는 팍스변환(Park's transformation) 식을 사용하여 회전자 권선전류에 의한 회전자계와 정지된 고정자 권선전류에 의한 회전자계의 전자기적인 회로관계를 수식화하였다.
- 전력연구원에서는 발전소가 정지 중에도 운전 중인 상태를 모의할 수 있도록 동기발전기 및 여자시스템의 다양한 외란에 대한 과도상태를 해석하고 그 동적 상태를 시뮬레이션 할 수 있는 실시간 발전기 시뮬레이터를 개발하였다. 본 논문에서는 본 시뮬레이터를 이용하여 디젤발전기용으로 개발된 여자시스템을 1000MW급 원자력발전소 실 계통에 적용하고, 품질안전등급(Q) 준한 모의시험을 통하여 제어알고리즘의 건전성과 개발시스템의 성능을 검증하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 시뮬레이터의 주요 구성은 디지털 시뮬레이터와 전압/전류 증폭기 모듈, 전원공급 장치, MMI 프로그램을 내장한 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어는 실시간 제어프로그램인 Micro-C 운영 시스템을 채택하였으며, 발전기 동특성 분석을 위해 발전기 여자시스템과 1기 무한모선의 임피던스 변화에 따른 동적 특성 시뮬레이션이 가능하도록 개발하였다. 다음의 그림 3은 발전기 디지털 시뮬레이터 내부 구성도를 나타낸다.
- 시뮬레이터를 이용하여 디젤발전기를 무 부하상태에서 정격전압인 4,160[V]의 5%에 해당하는 계단응답(Step Up/Down) 신호를 주어 시험을 실시하여 응동 특성을 확인하였으며, 그 결과를 가지고 제어기의 PI 파라메터(KP, KI)값을 설정하였다. 아래의 그림 11은 계단응답 시험의 결과를 나타내며, 발전기 정격전압의 5%에 해당하는 계단응답 신호를 주었을 때 계자전압 및 계자전류의 변화에 따라 속응성있게 발전기 전압이 응동함을 확인하였다.
- 여자시스템 제어기로부터 제어신호를 받아 발전기 및 계통의 응답을 실시간으로 시뮬레이션 한 후에 이를 여자시스템 제어기에 보내 주게 된다. 시뮬레이터의 하드웨어는 고속의 DSP TMS320C33을 이용하였으며, 소프트웨어는 Micro C-OS를 이용하여 각 Task별로 고속 연산, 통신, 계통연계 발전기 시뮬레이션 그리고 보호 계통 부분으로 나누어 구성하였다[2]. 본 논문에서는 전력 연구원이 개발한 실시간 계통연계 발전기 시뮬레이터에 대한 개발 내용과 원자력발전소 실 계통에 상업운전용으로 개발 적용한 디지털 다중화 방식의 디젤발전기 여자시스템을 대상으로 시뮬레이터를 이용한 현장시험 내용에 대하여 기술하고자 한다.
대상 데이터
- 여자시스템 제어기로부터 제어신호를 받아 발전기 및 계통의 응답을 실시간으로 시뮬레이션 한 후에 이를 여자시스템 제어기에 보내 주게 된다. 동기발전기의 모델로는 Standard, SSFR2 모델을 사용 하였으며[2], 발전소 정지 중에도 여자시스템의 운전 상태의 모의시험이 가능하다. 시뮬레이터의 주요 구성은 디지털 시뮬레이터와 전압/전류 증폭기 모듈, 전원공급 장치, MMI 프로그램을 내장한 컴퓨터 등으로 구성되어 있다.
- 동기발전기의 모델로는 Standard, SSFR2 모델을 사용 하였으며[2], 발전소 정지 중에도 여자시스템의 운전 상태의 모의시험이 가능하다. 시뮬레이터의 주요 구성은 디지털 시뮬레이터와 전압/전류 증폭기 모듈, 전원공급 장치, MMI 프로그램을 내장한 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어는 실시간 제어프로그램인 Micro-C 운영 시스템을 채택하였으며, 발전기 동특성 분석을 위해 발전기 여자시스템과 1기 무한모선의 임피던스 변화에 따른 동적 특성 시뮬레이션이 가능하도록 개발하였다.
성능/효과
- [1] 실시간 발전기 시뮬레이터의 현장시험은 발전소 정지 중에도 발전기 및 계통의 응답과 여자시스템의 동적인 운전 상태를 실시간으로 모의시험이 가능하여, 실 계통의 운전 중의 시험에서 발생할 수 있는 예기치 못한 사고 발생을 사전에 방지할 수 있는 매우 유용한 방법이라 사료된다.
- [2] 본 시뮬레이터를 이용한 발전소 현장 모의시험을 통해 디젤발전기의 무 부하 상태에서 기동신호에 따라 전압설정 값까지 발전기 전압이 Overshoot 없이 안정적으로 확립됨을 확인하였으며, 정격전압까지 확립되는데 소요되는 시간이 4초 정도로 10초 이내의 기준을 충분히 만족하는 결과를 얻었다.
- [3] 발전기 전압의 자동조정 및 계단응답 시험을 통해 운전원의 설정 값 및 계단응답 전압설정 값의 변화에 따라 발전기 전압조정의 제어가 정상적으로 잘 수행되어 개발시스템의 성능 및 제어프로그램의 건전성을 확인하였다.
- 그림 10의 발전기 전압확립 결과 그래프를 통해 보여 주듯이 자동(Auto) 및 수동(Manual) 운전모드에서 여자시스템의 기동신호(Start Signal)에 따라 정상적으로 발전기 전압이 4,160[V] 정격전압까지 확립하는 것 확인하였다. 발전기 전압이 Overshoot가 거의 없이 약 4초 이내에 안정적으로 확립되어, 10초 이내에 정격전압까지 도달해야 하는 기준을 충분히 만족함을 확인할 수 있었다.
- 개발된 여자시스템을 고리원자력 4호기에 디젤발전기에 현장 설치한 후 시뮬레이터를 이용하여 모의시험을 수행하였다. 본 시험을 통해 개발 여자시스템의 제어, 제한 및 보호기능들과 시스템의 건전성을 확인하였다. 주요시험 내용은 아래와 같다.
- 시뮬레이터를 이용한 현장 시험을 통하여 발전기 전압의 안정적인 확립, 자동/수동 모드절환 및 각 모드별 전압조정이 정상적으로 동작되는 것을 확인하였다. 또한 계단응답 시험을 통해 제어기의 응답특성을 확인하였으며, 이 과정에서 파라메터 정정(Tuning) 등 실제 디젤발전기 운전 중의 시험을 사전에 대비하였다.
후속연구
- [4] 고속의 신호처리 및 연산이 가능하고, 고장을 허용하는 디지털 다중화 방식으로 개발된 여자시스템을 본 시뮬레이터를 이용한 모의시험을 통해, 디젤발전기의 특성에 맞는 기동 시 빠른 응답특성과 여자시스템의 모든 기능들의 사전 시험을 통해 개발시스템의 신뢰도 확보와 원자력발전소의 안정적 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
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