[논문]수력 발전기 제어설비의 모델링과 사고 시뮬레이션

박철원

doi:10.5207/jieie.2015.29.4.102

수력 발전기 제어설비의 모델링과 사고 시뮬레이션
Modeling and Fault Simulation of Hydro Generator Control System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.4, 2015년, pp.102 - 107

박철원 (Gangneung-Wonju National University Dept. of Electrical Engineering)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the generator control system by using PSCAD/EMTDC was modeled and several faults simulation were performed. The generator control system is composed of generator, turbine, exciter and governor. The parameters of generator control system model were obtained from field power plant. And ...

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문제 정의

본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용하여 수력 발전기 제어설비를 모델링하였다. 발전기는 동기 발전기, 여자기는 ST1A, 수차 터빈은 TUR1, 조속기는 GOV1으로 모델링하였다.

가설 설정

시뮬레이션은 발전기 단자에서 A상 지락사고가 20sec에서 발생하여 4sec 동안 지속되었다고 가정하였다. 이때 3상 고장전류는 그림 6과 같다.

제안 방법

발전기 제어설비 모델의 파라미터는 PSS/E의 충주 수력발전소로부터 수집되어 적용하였다. 그리고 구축된 모델링으로부터 수집된 여러 가지 신호를 통해 각종 과도현상을 분석하였다.
본 논문에서는 전력계통 해석 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 발전기, 터빈, 여자기 및 조속기로 구성한 수력 발전기 제어설비를 모델링하였다. 또 선로의 불평형 사고와 발전기의 터빈 출력 저하에 따른 발전기의 역전력 사고의 시뮬레이션을 수행하였다. 발전기 제어설비 모델의 파라미터는 PSS/E의 충주 수력발전소로부터 수집되어 적용하였다.
본 논문에서는 전력계통 해석 시뮬레이션 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 발전기, 터빈, 여자기 및 조속기로 구성한 수력 발전기 제어설비를 모델링하였다. 또 선로의 불평형 사고와 발전기의 터빈 출력 저하에 따른 발전기의 역전력 사고의 시뮬레이션을 수행하였다.
발전기 역상 전류 사고 시뮬레이션은 그림 5와 같다. 본 연구에서는 발전기 역상 전류를 유발하는 불평형 고장을 A상 지락, B상 지락, C상 지락, A상-B상 단락, B상-C상 단락, C상-A상 단락으로 분류하여 시뮬레이션을 수행하였다. 여기에서는 발전기 단자 A상 지락 사고만을 논하였다.
수력발전기 제어설비 모델링은 수차 터빈을 통하여 기계적인 토크 입력을 받으며, 여자전압 조절을 위한 여자기와 조속기를 사용하여 발전기를 제어하도록 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모델링하였다[10-12]. 선정한 동기 발전기의 용량은 120MVA, 정격 RMS 상전압은 13.
발전기 역전력 사고 시뮬레이션은 그림 8과 같다. 역전력 사고 시뮬레이션은 20sec에서 터빈 입력토크를 정상 출력시 1P.U에서 -0.05P.U로 변동시켜서 수행하였다.

대상 데이터

또 선로의 불평형 사고와 발전기의 터빈 출력 저하에 따른 발전기의 역전력 사고의 시뮬레이션을 수행하였다. 발전기 제어설비 모델의 파라미터는 PSS/E의 충주 수력발전소로부터 수집되어 적용하였다. 그리고 구축된 모델링으로부터 수집된 여러 가지 신호를 통해 각종 과도현상을 분석하였다.
본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용하여 수력 발전기 제어설비를 모델링하였다. 발전기는 동기 발전기, 여자기는 ST1A, 수차 터빈은 TUR1, 조속기는 GOV1으로 모델링하였다. 또 발전기 단자의 불평형 사고 시뮬레이션을 통해 불평형사고가 발생할 경우, 역상분 전류가 증가하고 회전자를 과열시켜 손상을 가져올 수 있음을 알 수 있었다.

성능/효과

U로 변경되었음을 알 수 있고, 각 속도는 377rad/sec의 정상속도에서 현저하게 감소되고 결국 0이 되고 있음을 알 수 있다. 고장 발생 후 정상상태이던 계자전압은 상승하여 최고 4.4P.U까지 상승하다가 감소하게 되었고, 계자전류는 진동하면서 상승하고 있음을 알 수 있다. 또 정상상태에서 정격 RMS 상전압 13.
또 발전기 단자의 불평형 사고 시뮬레이션을 통해 불평형사고가 발생할 경우, 역상분 전류가 증가하고 회전자를 과열시켜 손상을 가져올 수 있음을 알 수 있었다. 끝으로 발전기의 역전력 사고 시뮬레이션을 통해 바람직하지 않는 모터링 현상을 확인할 수 있었다.
발전기는 동기 발전기, 여자기는 ST1A, 수차 터빈은 TUR1, 조속기는 GOV1으로 모델링하였다. 또 발전기 단자의 불평형 사고 시뮬레이션을 통해 불평형사고가 발생할 경우, 역상분 전류가 증가하고 회전자를 과열시켜 손상을 가져올 수 있음을 알 수 있었다. 끝으로 발전기의 역전력 사고 시뮬레이션을 통해 바람직하지 않는 모터링 현상을 확인할 수 있었다.
856kV의 \(\sqrt{3}\)배인 24kV인 발전기 단자의 선간전압은 고장발생후 급격하게 감소하고 발전기 전류도 감소함에 따라 출력들이 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 특히, 발전기 유효출력은 정격으로부터 감소하기 시작하여 -5MW 정도의 역전력이 발생함을 확인할 수 있다. 이 모터링은 바람직하지 않은 상태로서 전력계통으로부터 분리하여 원동기에 입력이 차단되지 않으면 기기를 파손할 수 있는 높은 속도가 될 수 있음이 알 수 있다.

후속연구

향후 본 사고 시뮬레이션 자료들은 데이터를 보호 계전기 시험기준인 COMTRADE(IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange)로 변환하여 수력 발전기용 갑종보호계전기의 개발 시험에 사용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형 발전기를 위한 모든 보호 장치에 대한 국내 기술 동향은 어떠한가?	그런데 국내 발전소의 대형 발전기를 위한 모든 보호 장치는 외국 제품에 의해 운영되고 있다. 이에 따라 최근 수입 대체효과의 개선과 외국 기술 독립을 위해, 국내 기술을 사용하여 국제규격인 IEC 61850기반 IED(Intelligent Electronic Device)인 발전기 보호시스템이 개발되고 있다[1].
	디지털 발전기 보호시스템의 종류는 무엇이 있는가?	고장 및 비 정상적인 동작 상태에서 대형 발전기로부터 다양한 데이터를 취득, 활용할 수 있고 신뢰성 있는 보호 및 제어를 위해 디지털 발전기 보호시스템이 필요하다. 이와 같은 디지털 발전기 보호시스템은 DGPS(Digital Generator Protection System), MMPS(Multifunction Machine Protection System), DIGPS(Digital Integrated Generator Protection System) 등으로 불리어지고 있다. 그런데 국내 발전소의 대형 발전기를 위한 모든 보호 장치는 외국 제품에 의해 운영되고 있다.
	불평형 3상 전류를 유발하는 원인은 무엇인가?	발전기에서 불평형 3상 전류를 유발하는 가장 대표 적인 원인은 송전선의 연가부족에 의한 선로정수 불평형, 불평형 부하, 불평형 고장 및 상의 개방 등이 있다.

참고문헌 (12)

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Manitoba HVDC Research Centre Inc., "EMTDC Transient Analysis For PSCAD Power System Simulation", pp. 97-113, 2004.

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