[논문]동해화력 순환 유동층 보일러 이차공기송풍기용 H-브릿지 멀티레벨 인버터 현장적용(1)

류호선; 김봉석

동해화력 순환 유동층 보일러 이차공기송풍기용 H-브릿지 멀티레벨 인버터 현장적용(1)
The First Part of H-Bridge Multi-level Inverter for Fluidized Bed Combustion Boiler Secondary Air Fan 원문보기

류호선 (전력연구원) , 김봉석 (전력연구원)

논문은 동해화력발전처의 이차공기송풍기를 가변 회전수 제어하여 소내 소비 전력을 절감하고 전동기의 직입기동에 의한 스트레스를 줄이기 위하여 실증 적용된 동해화력발전처 이차 공기 송풍기 구동용 H-브릿지 멀티레벨 인버터에 관한 것이다. H-브릿지 멀티레벨 인버터는 독립적으로 절연된 직류 부를 갖는 저압의 단상 인버터(셀 인버터)를 다수 직렬 접속하여 고압 3상 전압을 출력하는 Cascaded H-브릿지 전압형 인버터이다. 본 논문에서는 동해화력발전처에 실증 적용된 6.6kV, 1MVA급 인버터의 계통 병입 후 부하 변동 시험을 통하여 신뢰성을 입증하였다.

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문제 정의

동해화력발전처는 발전기 출력에 따라 보일러 내의 유동매체와 석탄의 비가 변화하고 보일러 노내 압력은 시시각각 변화하는 국내 최대의 순환 유동층 보일러를 사용한다. 본 논문에서는 동해화력 발전처에 설치전 다이나모메타 부하 시험 결과 및 보일러 점화 전 시험 결과를 통하여 6.6kV, 1MVA H-브릿지 멀티레벨 인버터의 건전성을 확인하였다.

가설 설정

1) Oil 연소 이전에 노내압은 0에 가까운 상태이다.
3) 계통 병입 약 5시간 후에 Oil과 석탄을 같이 연소한다.

제안 방법

H-브릿지 멀티레벨 인버터의 가장 큰 장점은 저압 반도체 소자를 사용한 셀 인버터를 이용하여 전압의 레벨을 증가 시켜 정현파에 가까운 고압 출력을 손쉽게 얻을 수 있다는 것이다. 이를 위해 각각의 셀 인버터에 독립된 절연 전원을 공급하기 위하여 다권선 변압기를 사용하고, 기존의 6 Pulse 정류방식에 비하여 낮은 입력단 THD(Total Harmonic Distortion)를 얻을 수 있다.

대상 데이터

셀 인버터(56kVA, 635V)를 상당 6대씩 연결함으로써 총 18대의 셀 인버터로 구성되어 있다. 개발된 3상 440V, 180kVA H-브릿지 멀티레벨 H-bridge 인버터는 그림 1과 같이 입력 다권선 변압기와 한 상당 3대의 셀 인버터가 직렬 연결되어 총 9대의 셀 인버터로 구성되어있다. 각 셀 인버터는 전압형 인버터로써 직렬 연결되어 있으며, 다권선 변압기에 의하여 위상차를 주어 출력 전압은 멀티레벨을 가지며 유사정현 파이다.
각각의 셀 인버터에 독립된 절연 전원을 공급하고 전력품질을 위하여 다권선 변압기가 사용되며, 변압기 1차 측은 3상 6,600V이고 2차 측은 635V이다. 셀 인버터(56kVA, 635V)를 상당 6대씩 연결함으로써 총 18대의 셀 인버터로 구성되어 있다. 개발된 3상 440V, 180kVA H-브릿지 멀티레벨 H-bridge 인버터는 그림 1과 같이 입력 다권선 변압기와 한 상당 3대의 셀 인버터가 직렬 연결되어 총 9대의 셀 인버터로 구성되어있다.

성능/효과

유동층 보일러의 특징으로는 다음과 같다.^[1]

1) 다양한 연료의 사용 가능 : 유연탄, 무연탄, 폐플라스틱, 폐슬러지, 폐타이어, 바이오매스 등의 비교적 다양하고 광범위한 입도(0^∼ 6mm)를 가지는 연료의 사용 가능.
2) 고효율, 친환경적인 신발전 기술 : 비교적 낮은 온도(900^℃ 이하)에서 연소함으로써, NOx의 발생이 거의 없고, 석회석을 탈황제로 사용하여 직접 연소로내로 투입하여 95% 이상의 탈황효율을 가지며 발생 회재 전량을 시멘트 원료로 재활용이 가능하다.
3) 발전설비의 Compact화 가능 : 별도의 탈질 및 탈황 장치가 필요 없고, 굵은 입도의 연료 사용이 가능하여 미분기가 필요 없다. 열전달이 유동입자에 의해 일어나기 때문에 열전달 효율이 높아 장치의 Compact화 가능하다.
보일러 연소에 필요한 만큼의 풍량은 인버터로 전동기 속도 제어를 통해 발생시킬 수 있으므로, 베인 방식에 의한 저항 손실이 없다. 에너지 절약 측면에서 인버터를 사용한 송풍기 가변 회전수 제어가 정속도 입구 베인 제어 방식에 비해 보일러 부하에 따라 30-70% 전기 에너지가 절감될 것으로 전망된다.

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