[논문]시화조력발전소 수차발전기 제어시스템의 동적 특성 해석

안상지; 반우현; 박철원

doi:10.5370/kieep.2012.61.4.180

시화조력발전소 수차발전기 제어시스템의 동적 특성 해석
Dynamic Characteristic Analysis of Water-Turbine Generator Control System of Sihwa Tidal Power Plant 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.4, 2012년, pp.180 - 185

안상지 (강릉원주대학교 전기공학과) , 반우현 (강릉원주대학교 전기공학과) , 박철원 (강릉원주대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Tidal power is one of new and renewable energy sources. The seawater is stored inside a tidal embankment built at the mouth of a river or bay, where tides ebb and flow. The water turbine-generators produce power by exploiting the gap in the water level between the water outside and inside the embankment. Tidal power plant is a large plant that is installed on the sea. And then, the facility's operations and a separate control system for monitoring and maintenance is required. However, this plant predictive control of building systems and technologies have been avoided the transfer of technology from advanced global companies. Accordingly, the control system for core technology development and localization is urgently needed. This paper presents modeling and simulation using by PSS/E about generator, governor, exciter, and power system stabilizer for control system in Sihwa tidal power plant to improve the efficiency and develope of core technology. And the dynamic characteristics of governor and exciter were analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2011년 준공되어 2012년 계통에 접속되어 상업운전을 하고 있는 시화조력발전소의 수차발전기 제어시스템을 모델링하였다. 조속기와 여자기의 기준값을 증가, 갑소 시켜 그에 따른 동적 특성을 해석하였는데, 모든 발전기군의 경우 외란을 준 시점에서 약간 흔들리다가 일정하게 감소 및 증가하며 안정화 하였다.
본 논문에서는 시화조력발전소의 최적 운전모델을 개발하고 효율적인 운용제고를 위하여 발전기, 조속기, 여자기, 안정화장치 등으로 구성된 수차발전기 제어시스템[12,16]의 모델링을 수행하였다. 특히 발전기 1군의 조속기와 여자기의 기준값을 0.

제안 방법

2[kV]이다. 먼저 네트워크 데이터를 생성하고 둘째 Dynamic 데이터를 구성하며 셋째 전력조류 계산을 수행하고 끝으로 발전기와 부하를 변환해 준 후 PSS/E(Power System Simulation for Engineering)를 이용하여 제어시스템의 동적 특성 시뮬레이션을 수행하였다[2,7,16].
시화호 조력발전시스템의 발전기 군과 변전소 모선의 데이터 시화조력 모선 각각의 Sub-System을 연결해주는 선로들의 데이터를 수집하였다. 발전기 및 2권선 변압기 1대와 3권선 변압기 2대를 모델링하였다. 시화조력발전소의 총 10개 부하데이터는 표 1과 같다[2].
발전기는 원통형 발전기인 GENROU로 여자기는 IEEEX1로 조속기는 수력발전용 조속기인 HYGOV로 안정화장치는 IEEEST로 각각 적절하게 모델링을 수행하였다. 조속기의 동적 시뮬레이션을 통해 조속기의 기준값 변동에 따라 유량(조위차)의 변화를 입력으로 받고 Guide vane과 터빈의 Wicket gate, Runner blade를 제어함으로써 발전기의 회전자속도 나아가 기계적출력을 제어하는 것을 확인할 수 있었다.
03(3%) 감소시켜서 20초까지 시뮬레이션을 진행하였다. 조속기의 제어특성으로 회전자각, 유효전력, 무효전력, 단자전압, 단자전류, 계자전압, 속도오차, 기계적 출력을 분석할 수 있으나 회전자각, 계자전류, 단자전압, 기계적출력에 대하여만 논하였다. 여기서 회전자각을 제외한 나머지 값들은 단위가 모두 PU로 표시하였다[2].
총 10기의 발전기가 총 5군으로 구성되어 있는 시화조력발전소의 전력조류를 계산하였다. 시화조력발전소는 각각의 발전기 군에서 생산된 전력은 시화조력 S/S모선을 통해 남시화 Load, 동시화 Load, 서시화 Load로 보내지게 된다.
2009년 시화조력발전 연계에 의한 남시화 계통의 최적 운영 방안[8]이 발표되었고 2010년 해양환경을 고려한 조력발전소 조속기 운영특성 분석[9]이 진행되었으며 2012년 시화호 조력발전소 신설에 따른 전력계통 특성 및 경제적 이득 분석[10]이 논문지에 게재되었고 파랑에 따른 수차발전기 병렬운전 특성 분석이 연구되었다[11]. 최근 조력발전의 핵심원천기술 국산화를 위하여 조력발전을 위한 수차발전시스템의 모델링과 가상 시뮬레이터 개발안, 시화조력발전소의 운전제어장치(NEPTUN)에 대한 분석이 이루어졌다[2,5].

대상 데이터

시화호 조력발전시스템의 발전기 군과 변전소 모선의 데이터 시화조력 모선 각각의 Sub-System을 연결해주는 선로들의 데이터를 수집하였다. 발전기 및 2권선 변압기 1대와 3권선 변압기 2대를 모델링하였다.
아래와 같이 발전기, 여자기, 조속기, PSS의 모델을 선정한 후 내부정수를 사용하였다. 표 2는 선정한 원통형 발전기인 GENROU의 내부정수이고 그림 1은 선정한 여자기 모델인 IEEEX1의 블럭도 이다.

성능/효과

03(3%) 증가, 감소시켜 그 특성을 확인해 보았다. 그 결과 모든 발전기 군의 경우 외란을 준 시점에서 약간 흔들리다가 일정하게 감소 및 증가하며 안정화 하였다.
발전기 1군의 경우 외란을 준 후 약 2초가량은 흔들리는 모습을 보이다가 조건에 맞추어 점점 증가하더니 10초 후에는 안정화되는 모습을 볼 수 있다. 다시 12초에 외란을 준 후에도 역시 2초가량 흔들리다가 일정하게 감소하며 안정화되는 모습을 볼 수 있고 증가량과 감소량이 3%라는 것을 확인할 수 있다. 나머지 발전기 군에서는 변화하는 양은 조금씩 차이가 있으나 그 형태는 매우 유사한 것을 볼 수 있다.
조속기의 동적 시뮬레이션을 통해 조속기의 기준값 변동에 따라 유량(조위차)의 변화를 입력으로 받고 Guide vane과 터빈의 Wicket gate, Runner blade를 제어함으로써 발전기의 회전자속도 나아가 기계적출력을 제어하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 여자기의 동적 시뮬레이션을 통해 여자기의 기준값 변동에 따라 발전기 단자전압과 기준전압의 차이를 여자계통에 입력시킨 후 AVR과 PSS를 제어함으로서 발전기 여자전압을 제어하고 나아가 발전기의 출력전압을 일정하게 제어하는 것을 확인할 수 있었다.
여자기 기준값의 증가 및 감소는, 발전기 단자전압과 기준전압의 차이를 여자 계통에 입력시킨 후 자동전압조정기와 안정화장치를 제어함으로서 발전기 여자전압을 제어하고 나아가 발전기의 출력전압을 일정하게 유지시켜 주는 것을 확인할 수 있었다.
조속기 기준값의 증가 및 감소는 유량(조위차)의 변화를 입력으로 받고 Guide vane과 터빈의 Wicket gate, Runner blade를 제어함으로써 발전기의 회전자속도 나아가 기계적 출력을 제어하는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 2011년 준공되어 2012년 계통에 접속되어 상업운전을 하고 있는 시화조력발전소의 수차발전기 제어시스템을 모델링하였다. 조속기와 여자기의 기준값을 증가, 갑소 시켜 그에 따른 동적 특성을 해석하였는데, 모든 발전기군의 경우 외란을 준 시점에서 약간 흔들리다가 일정하게 감소 및 증가하며 안정화 하였다. 발전기 2∼5군의 경우 1군에 비해 정격값과의 오차가 적었다.
발전기는 원통형 발전기인 GENROU로 여자기는 IEEEX1로 조속기는 수력발전용 조속기인 HYGOV로 안정화장치는 IEEEST로 각각 적절하게 모델링을 수행하였다. 조속기의 동적 시뮬레이션을 통해 조속기의 기준값 변동에 따라 유량(조위차)의 변화를 입력으로 받고 Guide vane과 터빈의 Wicket gate, Runner blade를 제어함으로써 발전기의 회전자속도 나아가 기계적출력을 제어하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 여자기의 동적 시뮬레이션을 통해 여자기의 기준값 변동에 따라 발전기 단자전압과 기준전압의 차이를 여자계통에 입력시킨 후 AVR과 PSS를 제어함으로서 발전기 여자전압을 제어하고 나아가 발전기의 출력전압을 일정하게 제어하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 조력발전 관련 연구 중 해양환경을 고려한 조력발전소 조속기 운영특성 분석은 언제 진행되었는가?	국내 조력발전 관련 연구로는 2005년 조력발전설비 자동기동 및 최대출력 운전 설계[5]가 발표되었고 2008년 시화호조력발전소건설 Joint Control System 소개[6] 되었고 파랑 특성을 고려한 조력발전소 여자시스템 적용에 관한 연구[7]가 이루어졌다. 2009년 시화조력발전 연계에 의한 남시화 계통의 최적 운영 방안[8]이 발표되었고 2010년 해양환경을 고려한 조력발전소 조속기 운영특성 분석[9]이 진행되었으며 2012년 시화호 조력발전소 신설에 따른 전력계통 특성 및 경제적 이득 분석[10]이 논문지에 게재되었고 파랑에 따른 수차발전기 병렬운전 특성 분석이 연구되었다[11]. 최근 조력발전의 핵심원천기술 국산화를 위하여 조력발전을 위한 수차발전시스템의 모델링과 가상 시뮬레이터 개발안, 시화조력발전소의 운전제어장치(NEPTUN)에 대한 분석이 이루어졌다[2,5].
	조력발전은 무엇인가?	조력발전은 신재생 청정에너지의 하나로 조석현상이 발생하는 하구 또는 만을 방조제로 해수를 막아 가두고 수차발전기를 설치하여 그 조위차를 이용하는 발전으로서 폐기물이 발생하지 않아 환경파괴가 없는 친환경 발전이다[1]. 2011년 시화호에 건설된 세계 최대 규모의 시화호 조력발전소는 연간 552.
	원격감시제어시스템은 어떻게 구성되는가?	조력발전소의 계측제어시스템은 기존의 전용 계측제어시스템인 분산제어시스템(DCS)에서 컴퓨터를 포함한 대규모 시스템의 원격감시제어시스템(SCADA)으로 발전하고 있으며 시스템과 시스템 간을 연계하여 플랜트의 운영효율을 증가시키는 통합관리시스템으로 확대적용하고 있다. 원격감시제어시스템은 조석간만 및 조지의 수위를 관측하는 계측기와 현장의 운전 상태를 계측하는 온도, 압력, 위치센서장치, 조석간만과 조지의 수위변동을 고려하는 컴퓨터 시뮬레이션, 각 단위공정을 감시하고 제어하는 원격단말장치(RTU)로 구성되어 있으며 각각의 장치들은 원격감시제어시스템에 네트워크로 연결되어 있다[2].

참고문헌 (16)

김규호, 권석기, 김태훈, "조력발전 기술 및 현황", 대한전기학회 전기의 세계, Vol. 55, No. 8, pp. 32-37, 2006. 8.

원문보기 상세보기
박철원 외, "PSS/E를 이용한 시화조력발전소의 발전기 시스템 모델링과 동적 시뮬레이션", 대한전기학회 산업전기위원회 학술대회 논문집, pp. 22-29, 2012. 10.
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장진승, 남진극, 김현한, 옥현호, 곽희진, 최준환, "파랑에 따른 수차발전기 병렬운전 특성 분석", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 432-433, 2012. 7.
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Chee-Mun Ong, "Dynamic Simulation of Electric Machinery(Using Matlab/Simulink)", PRENTICE HALL PTR, pp. 259-350, 1998.
PTS(Power Technologies Solution), "Release Notes for PSSE V33", Siemens, pp. 1-7728, 2011. 5.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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