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문제 정의
- 본 논문에서는 소수력 발전용 100kW급 영구자석발전기의 코깅 토크 최소화 및 역기전력 파형개선을 위하여 유한요소해석(FEM)을 통하여 2층구조 자기배열과 영구자석의 매입각도를 최적화하였다.
- 본 논문에서는 시험품의 경제성 분석을 위하여 그림 19와 같이 100kW 시험품 발전기에 소수력 수차를 장착하였다. 발전기는 외형 730mm, 길이 1379mm 이며, 프로펠라 수차는 직경 ϕ560이며, 무구속도는 1800rpm 이며, 정격 900rpm에서 동작되도록 그림 20과 같이 현장에 설치하였다.
- 본 논문은 소수력 발전에 적용 가능한 100kW 영구자석 발전기를 대상으로 저가격화를 위하여 회전자에 사용되는 영구자석을 최소화하고 유한요소 해석(FEM)을 통하여 코깅 토크 최소화 및 역기전력 파형 개선 설계를 수행하였다[7]. 또한 설계 자료를 토대로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계 해석과 실험용 시험품의 실험 측정 결과를 비교하여 설계 변수와 실험치의 차이점을 비교하였다.
- 본 연구에서는 시험품 설치를 근거로 하여 경제성에 대한 편익 비용 분석을 하였다. 마이크로 수차 발전 시스템은 종축 고정식 프로펠러 수차 및 드래프트 튜브방식이며, 2층 구조 영구자석식 3상 동기 발전기 100kW급을 적용 운영하였다.
제안 방법
- 100kW 발전기를 발전기 검사장치 및 발전기 설치에 의하여 부하특성을 측정하였다. 발전기의 실험 회전수는 900rpm으로 설계 변수와 동일하며, 부하저항은 4.
- 2층 구조 영구자석 발전기의 설계 결과와 시험품의 차이점을 비교분석 하였다. 설계 모델은 900rpm 일 때, 출력 104.
- 3D 모델링을 통하여 발전기 각 부품의 구조설계를 진행하였다. 그림 4는 100 kW 발전기의 단면도를 나타내며, 그림 5는 100kW 발전기 조립도를 나타낸다.
- SMP와 REC를 모두 적용하고, 온실가스 저감에 편익을 고려하여 분석한 결과를 제시하였다. 할인율 5.
- 94SQ로 설계하였다. 결선은 Y결선이며 코일규격은 ϕ1.2 X 7릴 / ϕ1.3 X 1릴 / ϕ1.4 X 2릴, 권선수는 5턴, 코일 점적율 약 42% 로 설계 하였다. 절연등급은 F등급으로 절연전압 2000V, 100mA, 1분 동안 견딜 수 있도록 설계 하였다.
- 27Amp로 설계하였다. 따라서 발전기 최대전류 84Amp에 맞도록 코일단면적[Ao]을 36.94SQ로 설계하였다. 결선은 Y결선이며 코일규격은 ϕ1.
- 는 슬롯수 이다. 따라서 본 논문에서는 코깅 토크를 저감하기 위하여 영구자석을 포함하는 회전자 형상과 고정자 슬롯의 형상을 변경하여 자기저항의 변화량을 줄이고 적합한 극수와 슬롯의 조합을 통하여 코깅 토크를 저감하였다. 그림 6은 단층구조 모델과 2층조 모델의 코깅 토크 해석 결과이다.
- 본 논문은 소수력 발전에 적용 가능한 100kW 영구자석 발전기를 대상으로 저가격화를 위하여 회전자에 사용되는 영구자석을 최소화하고 유한요소 해석(FEM)을 통하여 코깅 토크 최소화 및 역기전력 파형 개선 설계를 수행하였다[7]. 또한 설계 자료를 토대로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계 해석과 실험용 시험품의 실험 측정 결과를 비교하여 설계 변수와 실험치의 차이점을 비교하였다. 또한 소수력 발전기를 현장 설치하였으며, 설치비용과 발전전력을 측정하여 경제성에 대하여 B/C(Benefit/Cost), IRR(Internal Rate of Return), NPV(Net Present Value) 분석하였다[8-11].
- 또한 설계 자료를 토대로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계 해석과 실험용 시험품의 실험 측정 결과를 비교하여 설계 변수와 실험치의 차이점을 비교하였다. 또한 소수력 발전기를 현장 설치하였으며, 설치비용과 발전전력을 측정하여 경제성에 대하여 B/C(Benefit/Cost), IRR(Internal Rate of Return), NPV(Net Present Value) 분석하였다[8-11].
- 본 연구에서는 시험품 설치를 근거로 하여 경제성에 대한 편익 비용 분석을 하였다. 마이크로 수차 발전 시스템은 종축 고정식 프로펠러 수차 및 드래프트 튜브방식이며, 2층 구조 영구자석식 3상 동기 발전기 100kW급을 적용 운영하였다. 시설로는 전력 변환기, 제어시스템, UPS 수배전반 등 전력시스템이 적용되었다.
- 5%를 적용하였다. 민감도 분석은 할인율의 변화로 4%, 7%를 적용하여 분석하였으며, 온실가스 배출량 저감 편익은 국내 탄소상쇄프로그램에서 제시하는 가격을 적용하였다.
- 발전기와 토크 및 rpm의 상관관계는 Po(출력) = T(torque) X RPM(회전수) X η(효율) 이다. 발전기 출력은 150kW 저항부하(Load)로 출력을 측정할 수 있으며 또한, 계통 연계형 인버터 (Grid-tie inverter)를 통하여 출력된 발전기의 전력을 3상, 380Vac 한전계통에 접속하여 실험가능 하도록 구성하였으며 발전기 자체의 출력 시험은 그림 13과 같이 별도의 저항 부하를 연결하여 특성 시험을 하였다. 그림 14의 좌측이 구동용 AC-inverter motor 이며, 중심에 감속기 및 토크센서, 우측에 실험용 시험품 발전기를 설치하여 특성시험을 측정하였다.
- 발전기는 외형 730mm, 길이 1379mm 이며, 프로펠라 수차는 직경 ϕ560이며, 무구속도는 1800rpm 이며, 정격 900rpm에서 동작되도록 그림 20과 같이 현장에 설치하였다. 발전기의 전력 생산량은 시험 가동 일수 76일 동안 실시했으며, 총 전력 생산량은 122,822kWh가 생산되어 시험품의 정상가동일 때의 전력 생산량을 측정하였다.
- 표 1에 소수력 발전용 100kW 영구자석 발전기의 목표사양을 제시하였다. 발전기의 회전수는 900(rpm), 발전기 출력 100kW, 효율 95[%] 이상을 설계 목표로 설정하였다.
- 영구자석 발전기는 고가의 영구자석을 사용하기 때문에 저가격화를 위하여 영구자석의 사용량을 저감하는 형상 설계가 필요하다. 본 논문에서 제시한 모델은 2층 구조로 영구자석을 배열하고 영구자석이 매입되는 각도와 크기를 설계변수를 기준으로 설계를 하였다. 설계결과 목표사양을 만족하면서 단층 구조모델에 비하여 영구자석의 사용량을 39.
- 본 연구에서 SMP(System Marginal Price)와 REC(Renewable Energy Certificate)를 동시에 받을 경우 경제성 분석을 수행하였다. 이때에 온실가스 저감편익은 제외하였으며, REC의 가격은 92.
- 본 연구에서 설계한 소수력 발전기를 이용하여 실제 생산된 전력과 판매액을 근거로 경제성 분석을 수행하였다. 소수력발전의 설치비용은 598백만원, 유지보수비는 3%를 적용하였다.
- 8%를 저감하는 기법을 연구함으로써 소형화 및 가격현실화를 실현하였다. 설계변수를 기초로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계목표 사양과 실험용 시제품과의 차이점을 비교하였다. 또한, 실험용 시험품의 검증을 위하여 현장에 설치하였으며, 실제 생산된 전력을 할인율 4%, 5.
- 토목공사와 콘크리트 공사 및 설치공사 등 초기공사비는 약 220백만원을 적용하였다. 소수력 발전에 의해 생산된 전력량은 일평균 1,752kW를 생산 하였으며, 전력판매 비용은 일평균 181천원(SMP 실수익)(System Marginal Price)으로 실제 거래된 자료를 이용하여 산출하였다.
- 첫째, 실제 판매수익을 적용하여 SMP(System Marginal Price)만을 받은 경우 둘째, SMP(System Marginal Price)를 받고 REC(Renewable Energy Certificate)를 추가로 받았을 경우 마지막으로 SMP(System Marginal Price)와 REC(Renewable Energy Certificate) 수익과 온실가스 저감편익을 고려하여 분석하였다. 소수력 발전의 비용편익 분석기간은 20년을 적용하였으며, 할인율은 한국개발연구원(KDI)에서 사용하고 있는 사회적 할인율 5.5%를 적용하였다. 민감도 분석은 할인율의 변화로 4%, 7%를 적용하여 분석하였으며, 온실가스 배출량 저감 편익은 국내 탄소상쇄프로그램에서 제시하는 가격을 적용하였다.
- 100kW 시험품 발전기의 성능시험을 위한 실험장치(Dynamic test)의 구성도를 그림 13, 14에 나타내었다. 시험용 발전기를 구동하기 위한 150kW급 3상 motor 및 motor 구동용 AC-Inverter와 torque를 측정하기 위하여 최대 2000Nm 측정 가능한 torque sensor를 설치하였다. 또한 제어계측 및 분석을 위한 PC, 전력분석용 analyzer 및 toque / speed Amp가 설치되어 있다.
- 4 X 2릴, 권선수는 5턴, 코일 점적율 약 42% 로 설계 하였다. 절연등급은 F등급으로 절연전압 2000V, 100mA, 1분 동안 견딜 수 있도록 설계 하였다. 고정자의 세부 설계사양은 표 4에 나타내었다.
- 초기 단층 영구자석 모델에서 목표사양 만족 및 성능 개선을 위하여 2층 영구자석 모델을 제안하였다. 제안 모델은 고정자 형상을 유지한 상태에서 회전자의 영구자석 형상 및 배열을 최적화함으로써 코깅 토크 저감 및 역기전력 파형 개선을 목표로 상세 설계를 진행하였다. 그림 1은 소수력 발전용 100kW 영구자석 발전기 해석 모델을 나타내고 있다.
- 비용편익분석은 크게 3가지로 구분하여 산정하였다. 첫째, 실제 판매수익을 적용하여 SMP(System Marginal Price)만을 받은 경우 둘째, SMP(System Marginal Price)를 받고 REC(Renewable Energy Certificate)를 추가로 받았을 경우 마지막으로 SMP(System Marginal Price)와 REC(Renewable Energy Certificate) 수익과 온실가스 저감편익을 고려하여 분석하였다. 소수력 발전의 비용편익 분석기간은 20년을 적용하였으며, 할인율은 한국개발연구원(KDI)에서 사용하고 있는 사회적 할인율 5.
- 표 2는 해석모델의 제원을 나타내고 있다. 초기 단층 영구자석 모델에서 목표사양 만족 및 성능 개선을 위하여 2층 영구자석 모델을 제안하였다. 제안 모델은 고정자 형상을 유지한 상태에서 회전자의 영구자석 형상 및 배열을 최적화함으로써 코깅 토크 저감 및 역기전력 파형 개선을 목표로 상세 설계를 진행하였다.
- 회전자의 영구자석은 회토류계 네오디움(NdFe-B)자석을 적용하였으며, 표면자속밀도 [T(B)]는 0.35 tesla (3500 gauss), 큐리온도(Tc)가 180°C의 35SH로 설계하였으며, 영구자석의 세부 시험결과를 표 3에 나타내었다.
대상 데이터
- 소수력발전의 설치비용은 598백만원, 유지보수비는 3%를 적용하였다. SMP 가격은 116원/kW를 적용하였고, 5.5%의 할인율로 운영기간은 20년을 분석하였다. 편익의 요소로는 전력판매 수익과 온실가스 저감편익을 고려하였으며, 온실가스 배출량은 0.
- 고정자의 세부구조를 그림 3에 나타내고 있다. 고정자의 전기강판(core)의 재질은 회전자와 동일한 무방향성 전기강판(50PN290) 자성체 S-09로 설계 하였다. 철심두께 0.
- 본 논문에서는 시험품의 경제성 분석을 위하여 그림 19와 같이 100kW 시험품 발전기에 소수력 수차를 장착하였다. 발전기는 외형 730mm, 길이 1379mm 이며, 프로펠라 수차는 직경 ϕ560이며, 무구속도는 1800rpm 이며, 정격 900rpm에서 동작되도록 그림 20과 같이 현장에 설치하였다. 발전기의 전력 생산량은 시험 가동 일수 76일 동안 실시했으며, 총 전력 생산량은 122,822kWh가 생산되어 시험품의 정상가동일 때의 전력 생산량을 측정하였다.
- 일반적으로 THD(종합왜률)은 5% 이내이며, 각 차수의 왜형률이 3% 이내가 기준이다. 본 논문은 발전기 회전수 900rpm, 부하저항 4.5ohm, 부하률 100%, U상, V상의 부하 전류는 각각 84,889Amp, 85,066Amp의 조건으로 실험하였다. 이때 그림 18, 표 8과 같이 U상과 V상의 THD는 각각 0.
- 마이크로 수차 발전 시스템은 종축 고정식 프로펠러 수차 및 드래프트 튜브방식이며, 2층 구조 영구자석식 3상 동기 발전기 100kW급을 적용 운영하였다. 시설로는 전력 변환기, 제어시스템, UPS 수배전반 등 전력시스템이 적용되었다. 전체 설치비용은 토목공사비, 설치공사비, 기자재를 포함하여 598백만원이 소비되었다.
- 495CO2kg / kWh를 적용하였다. 이산화탄소의 가격은 탄소상쇄프로그램에서 제시하고 있는 톤당 12,000원을 적용하여 산출하였다. 총 비용의 현가는 733백만원이며, 편익의 현가는 908백만원으로 분석되었다.
- 회전자의 세부구조를 그림 2에 나타내고 있다. 전기강판(core)의 재질은 무방향성 전기강판(508N290) 자성체 S-09이며 철심두께는 0.5t를 480매를 적층하여 회전자 길이를 240 mm가 되도록 설계 하였다. 1차, 2차 영구자석의 기울기 각도는 각각 내각 90°, 114° 이며, 영구자석 삽입 부위는 그림 11의 빗금 부분과 같이 설계하였다.
- 그림 6은 단층구조 모델과 2층조 모델의 코깅 토크 해석 결과이다. 해석 모델은 발전기의 rotor는 12극이며 고정자는 126슬롯 구조로 해석 하였다. 코깅 토크의 주기는 극수와 슬롯(slot) 수의 최소공배수로 나타난다.
성능/효과
- 그림 7은 단층구조 모델과 2층구조 모델의 역기전력분석 파형이며, 그림 8은 역기전력 파형의 FFT(Fast Fourier Transform)분석 결과이다. 3차 고조파와 9차 고조파에서 두 모델간 큰 차이가 있음을 관측할 수 있으며, 전체적으로 2층구조 모델에서 고조파가 저감되었음을 확인할 수 있다.
- 그림 15, 표 7과 같이 부하특성실험은 부하율을 25%, 50%, 75%, 100%일 때 출력전압(Vac), 출력전류(Amp), 출력전력(Po), 효율(η)을 측정 하였으며, 발전기 효율은 부하율에 따라 각각 25kW 부하일 때 91.93%, 50kW 부하일 때 95.14%, 75kW 부하일 때 96.92%, 100kW 부하일 때 97.66%의 특성으로 측정되었다.
- 따라서 cogging 1주기 = 360 / 252 = 1.42857··· 으로 기계 각(θ)은 약 1.428 이며 영구자석을 2층 구조로 배열한 모델의 코깅 토크는 35.8[Nm] 로 단층 구조모델의 코깅 토크 53[Nm]에 비하여 32.4%개선되었다.
- 설계변수를 기초로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계목표 사양과 실험용 시제품과의 차이점을 비교하였다. 또한, 실험용 시험품의 검증을 위하여 현장에 설치하였으며, 실제 생산된 전력을 할인율 4%, 5.5%, 7%를 적용하여 분석결과 B/C가 각각 1.36, 1.24, 1.13 으로 분석되었으며, SMP와 REC를 받았을 경우 할인율 5.5%에서 B/C는 2.22로 나타났고, 온실가스 저감편익을 고려하였을 때에는 B/C가 2.26으로 경제성이 있는 것으로 분석되었다.
- 또한, 회전자에 사용하는 영구자석의 사용량을 단층구조 영구자석설계 모델에 비하여 2층구조 영구자석 모델이 39.8%를 저감하는 기법을 연구함으로써 소형화 및 가격현실화를 실현하였다. 설계변수를 기초로 실험용 시험품 제작을 하였으며, 설계목표 사양과 실험용 시제품과의 차이점을 비교하였다.
- 5ohm으로 설정하였다. 발전기의 일반특성검사를 측정하였으며 권선저항은 UV-VW-WV 상간 저항이 평균 58.07ohm으로 측정되었다. 절연저항은 1000VDC 일 때 30,200Mohm으로 정상이며, 내전압 시험은 2000V, 100mA로 1분간 시험에서 57.
- 설계 모델은 900rpm 일 때, 출력 104.7(kW), 출력전압 412(Vrms), 출력전류 84.7(Arms), 효율(η) 97.1%인데 비하여, 시험품의 결과는 출력 100(kW), 출력전압 682.5(V) 출력 전류 84.16(Armp), 효율 97.66%로 측정되어, 표 9와 같이 설계모델 제원에 비하여 시험품의 효율(η)이 0.56% 개선되는 것으로 분석되었다.
- 본 논문에서 제시한 모델은 2층 구조로 영구자석을 배열하고 영구자석이 매입되는 각도와 크기를 설계변수를 기준으로 설계를 하였다. 설계결과 목표사양을 만족하면서 단층 구조모델에 비하여 영구자석의 사용량을 39.8% 저감하는 설계가 가능하였다.
- 이산화탄소의 가격은 탄소상쇄프로그램에서 제시하고 있는 톤당 12,000원을 적용하여 산출하였다. 총 비용의 현가는 733백만원이며, 편익의 현가는 908백만원으로 분석되었다. NPV(Net Present Value)는 174백만원, B/C(Benefit/Cost)는 1.
- IRR(Internal Rate Return)은 9%로 분석되었다. 할인율의 변화에 따른 민감도를 분석한 결과 4%, 7%에서 B/C는 1.36과 1.13 인 것으로 분석되었다.
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