무효전력과 조상설비⁕

무효전력과 조상설비

최근 구미 선진국에서 발생하고 있는 대형 정전사고는 무효전력 수급 불균형에 의한 계통의 전압 불안정에 기인하고 국내 계통의 경우도 지속적인 부하의 증가와 송전선의 장거리화 등에 따른 무효전력 손실의 증가로 대형 정전사고의 위험에 노출되어 있다. 이러한 현상과 관련하여 다음 질문에 답하시오.
1) 무효전력이란 무엇인가?
2) 무효전력 공급원을 동작특성에 따라 2가지로 나누어 쓰시오.
3) 무효전력 제어의 어려움을 유효전력과 비교하여 설명하시오.

무효전력보상장치인 SVC(Static Var Compensator)의 용도와 구성에 대하 여 설명하시오.

전력계통에 사용되고 있는 23[kV], 345[kV] 병렬리액터에 대한 아래사항을 설명하시오.
1) 설치목적 및 설치시 고려사항
2) 병렬리액터의 보호장치별 특징

무효전력

무효전력의 정의

실제로 아무 일도 하지 않고 열소비도 하지 않는 전력으로 인덕터 및 커패시터의 저장요소에서 에너지 저장과 방출을 반주기 마다 반복하는 전력을 말한다.

무효전력의 역할

무효전력은 교류전력시스템에서 나타나며, 발전기에서 생산된 유효전력을 부하에 전달을 매개하는 역할을 한다. 예) 변압기의 에너지 전달, 회전기의 에너지 전달

무효전력의 표현

전압이 일반부하에 인가되었을때

로 흐른다

순시 무효전력

무효전력

무효전력의 흐름

무효전력은 [전압이 높은 모선측 → 낮은 모선측]으로 흐름이 발생된다. 즉 전압이 높은 모선측에서 무효전력을 공급한다.

무효전력의 작용

계통의 전압은 부하에서 요구되는 유효전력과 무효전력과 관련이 있으며, 특히 계통전압의 변동에 있어서 무효전력이 보다 큰 영향을 미친다.

일반적으로 무효전력의 공급이 부족하면 계통의 전압이 저하하고, 무효전력의 공급이 초과하면 전압이 상승한다. 그러므로 계통전압을 적정한 값으로 유지하기 위하여 전압의 제어를 위해서 무효전력 제어를 실시해야 한다.

일정 전압유지의 필요성

계통의 전압이 너무 낮으면

→ [무효전력 공급 < 무효전력 소비]

① 수용가 기기나 발전기 등의 전력기기의 안정적인 운전이 저해되며,
② 안정도(전압안정도 및 정태안정도)가 저하하고,
③ 송전용량이 저하하고,
④ 송전선의 유효 전력손실이 증가하고,
⑤ 발전기의 출력이 저하되는 문제가 있다.

계통의 전압이 너무 높으면

→ [무효전력 공급 > 무효전력 소비]

① 전력기기가 열화 및 절연물 열화
② 그로 인해 기기의 수명 단축되고,
③ 변압기 등의 자기회로가 포화로 고조파 발생 증가하는 등의 문제가 발생한다.

무효전력 제어

무효전력 제어의 목적

① 전력계통의 안정도 유지 → 신뢰도 유지
② 적정전압의 유지 → 전력품질 유지
③ 무효전력의 효율적인 이용 → 경제성 확보

무효전력와 유효전력(주파수) 제어의 비교

	전압제어의 방법	주파수 제어의 방법
제어대상	전압	주파수
검출량	• 전압의 편차• 유효전력의 조류• 무효전력의 조류	주파수 편차
조작량	• 발전기 내부 유기전압• 변압기 탭 위치• 조상설비 제어	발전기, 부하
조작의 효과	• 조작점 부근의 범위에 한정(국지성)	전체의 계통에 나타남(전계통성)

전력계통의 주파수는 계통 어디에서 측정하여도 동일한 값을 갖는다는 전계통적인 특징이 있기 때문에, 유효전력의 제어는 계통 주파수만을 검출하여 제어함으로써 그 목적을 비교적 쉽게 달성할 수 있다.

전압과 무효전력의 변화는 측정하는 곳마다 그 값이 다르다는 국지적인 특징을 지니고 있다.

무효전력 제어를 위한 조상설비도 SC, Sh.R, 변압기, 발전기, 동기조상기 등 그 종류도 다양하고, 그 특성도 다르며, 각 지점에 산재해서 개별적인 제어를 하고 있으므로 유효전력 제어에 비해서 제어가 어렵다.

전력계통이 확대됨에 따라서 전압제어의 범위도 확대되어 무효전력의 제어는 개별제어에서 협조제어를 통해 일관성있는 제어를 실시하지 않으면 그 목적을 달성하기 어렵다.

무효전력의 제어

오늘날의 전압-무효전력 제어는 단순히 전압조정에 대해서만 생각하는 것이 아니라 계통 내 무효전력원의 효율적인 협조운용으로 계통 운용비용의 최소화까지 포함한 이른바 종합적인 계통 운용의 실현을 목표로 하고 있다.

(1) 개별 제어방식 [1차 제어]

① 발전소, 변전소 단위의 전압유지 목적으로 우리나라에서 적용
② 발전소 AVR 운전, 변전소 ULTC, SC, Sh.R 등 개별제어
③ 계통에 맞는 적응제어 안됨

(2) 협조제어 [2차 제어]

① 개별제어와 발전소에서의 무효전력 제어를 협조시키는 방법
② 발전소 제어는 변전소의 전압과 무효전력 조류의 변화량 정보를 이용해서 협조제어 -> 지역단위 협조제어
③ 발전소를 포함한 부분 계통의 적응제어가 가능함
④ 일본과 유럽에서 적용

(3) 종합제어 [3차 제어]

다수의 발·변전소를 포함한 광범위한 계통을 일괄해서 협조시키는 방식으로 전국단위의 종합제어하여 무효전력 운용의 효율성과 비용의 최소화를 실현하는 방식이다.

무효전력 보상장치(조상설비)

설 비	특 징	비 고
• 전력용콘덴서(SC) • 분로리액터(Sh.R)	• 수동제어, 단방향 제어 • 저가, 유지보수 용이	• 1차 제어대상
• 변압기	• 수동제어 • 양방향 제어	• 765kV : 23 tap(0.64%) • 345kV : 17 tap(1.25%) • 154kV : 21 tap(1.25%)
• 동기조상기	• 발전기와 동일 특성• 연속제어 가능	• 북제주 S/S: 55 MVAR
• FACTS	• 실시간 연속제어 • 양방향 제어 • UPFC: P, Q 동시제어	• SVC – 양 주 S/S: ±100 MVAR – 동서울 S/S: ±200 MVAR • STATCOM: – 미 금 S/S : ±100 MVAR – 신제주 S/S : ±50 MVAR – 한 라 S/S : ±50 MVAR • UPFC – 강 진 S/S : ±80 MVAR

정지형 콘덴서(SC, Static Condenser)

(1) 무효전력을 공급하여 전압을 높여주는 역할을 하는 조상설비이다.
(2) SC는 가장 일반적인 무효전력 공급장치로 역률의 개선, 송전손실의 감소, 전압조정의 기능을 수행하며 주로 무효전력 소비가 많은 변전소의 모선에 설치하여 운영하고 있다.
(3) SC는 가격이 저렴하고 구성이 단순하여 유지보수가 용이한 장점이 있으나,
(4) 전압 및 주파수가 저하되면 무효전력 공급용량이 저하되고, 전압조절 능력이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
(5) 제어특징은 계단적, 단방향, 수동제어를 한다.

분로 리액터(Sh.R : Shunt Reactor)

(1) 분로리액터는 무효전력의 증가를 흡수(소비)함으로써 전압을 낮추는 역할을 하는 조상설비이다.
(2) 경부하 시간대에는 부하측의 유도성 리액턴스가 감소하나 송전선로에선 용량성 리액턴스가 증가하여 계통전압이 상승하기 때문에 이를 억제하기 위해 적용
(3) 장거리 송전선로 시충전시 발전기 자기여자를 방지하기 위해 적용
(4) 초고압 송전선로나 지중선로가 집중되어 있는 지점에 분로리액터를 설치하여 운영하고 있다.

[Sh.R의 전형적인 보호계전방식]

(5) 보호방법

– 주보호: 비율차동계전기 (동작치 비율: 10~15%, 고조파 억제 비율: 10%)

– 후비보호: 과전류계전기(순시/한시)

– 지락보호: 지락과전류계전기(순시/한시)

(6) 설치시 주의사항

– Sh.R 투입시 대지 정전용량과 직렬공진이 발생되지 않도록 한다.
– 소음과 진동 고려: 철심의 히스테리시스 소음, 철심 접합부 흡인력에 의한 소음, 권선의 자기력에 의한 소음
– 고조파에 의한 철심의 부분적인 포화가 되면 리액턴스가 감소되므로 이를 고려해야 한다.
– Sh.R 투입시 돌입전류(Inrush)에 의한 계전기의 오동작을 방지한다.
→ 과전류계전기: 여자돌입전류에 의해서 동작하지 않도록 정정
→ 비율차동계전기: 고조파억제 비율 적정한 값으로 정정

SVC(Static Var Compensator)

(1) 개요 및 구성

대용량 전력전자 스위치인 Thyristor에 의해서 무효전력을 리액터(점호각 제어) 및 커패시터(스위칭 제어) 뱅크를 고속으로 제어함으로서 계통전압을 허용 범위내에 있도록 유지시키는 장치이다. Thyristor의 고속 스위칭에 의해서 고속, 연속으로 무효전력을 제어할 수가 있다. 일반적으로 1개의 TCR에 여러 개의 TSC의 조합으로 시스템을 만든다.

① TCR(Thyristor Controlled Reactor)

리액터에 Thyristor 위상제어 방식으로 무효전력의 연속적인 제어(점호각 위상각 제어를 통한 리액턴스의 연속적인 가변)

② TSC(Thyristor Switched Capacitor)

전력용 콘덴서에 개폐장치를 Thyristor 를 이용한 것으로 Capacitor bank의 On-Off 제어만 수행한다. 즉, 개폐서지로 인하여 연속적인 점호각 제어는 하지 않고 전류 0점에서 투입 및 개방하는 제어를 한다.

(2) 사용 목적

전압 제어이지만 SVC는 전압변동에 대해 매우 빠른 반응을 보이기 때문에 전압 불안정을 완화하기 위해 적용한다.

– 모선의 규정 전압유지

– 전압 안정도 향상

(3) 제어 원리

○ TCR + TSC

○ TCR + FC

① 전력계통의 전압이 일정한 경우

TCR은 점호각 제어를 통해서 투입된 커패시터의 값을 완전 보상하여 무효전력을 공급 또는 흡수하지 않음

② 전력계통의 전압이 저하한 경우

TCR 점호각 제어로 투입된 커패시터의 값을 부족보상하여 무효전력을 공급

③ 전력계통의 전압이 상승한 경우

TCR은 점호각 제어로 투입된 커패시터의 값을 과보상하여 무효전력을 흡수

(3) 특성

– 고속도 전압제어를 통한 전압 안정도 향상
– 고속의 전압제어를 통한 정태안정도 및 과도안정도 향상
– 무효전력의 연속적인 제어가 가능함
– 설비가 크고 고가인 단점을 가지고 있음
– 저전압에서 무효전력량이 감소되는 단점이 있음

(4) 조합방식에 따른 종류

TCR + TSC, TCR + FC, TCR + MSC

* FC(Fixed Capacitor), * MSC(Mechanical Switched Capacitor)

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Thyristor 소자의 점호각 제어

점호각이 90°에서 최대, 180°에서 무효전력 흡수량은 최소가 된다.

[참고] 사이리스터(Thyristor) 소자는 turn-on 시점은 마음대로 결정할 수 있지만 turn-off 시점은 전류(hold current)에 의해 결정할 수 없기에 조절할 수 없다.

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[참조] SCR Thyristor

Diode와 SCR-Thyristor의 차이점은 턴온(turn-on)시점을 결정할 수 있기 때문에 입력에 대해서 출력을 제어할 수 있다는 점이다. Diode는 별도의 제어 없이 그 자체의 특성으로 정류작용을 한다. SCR은 아래 그림과 같이 gate 펄스 전류를 이용하여 턴온 시점을 임의로 결정할 수 있다는 점을 이용해서 위상각(점호각, firing angle) 제어를 하여 출력의 크기를 제어할 수 있는 특성을 지닌다. gate펄스 전류에 의해서 한번 트리거(trigger)되면 gate전류를 제거하여도 지속적으로 턴온(turn-on) 상태를 유지하다가I_H(유지전류, Hold current)이하로 내려가면 턴오프(turn-off) 되는 특성으로 턴온은 임의의 시점에 자유롭게 할 수 있지만 턴오프는 전류 0점에서만 되는 방식으로 강제적인 턴오프(turn-off)를 사용하기 위해서는 다른 보조적인 회로를 사용해야 되므로 이를 타려식 소자라고 하고, GTO, IGBT처럼 소자 스스로 턴오프(turn-off) 능력을 가지는 소자를 자려식 소자이라고도 부른다.

STATCOM (STATic synchronous COMpensator)

(1) 개요 및 구성

STATCOM은 리액터 및 콘덴서 뱅크를 사용하지 않고, 직류 축전용 콘덴서와 전압형 인버터로 구성되며, 계통전압과 동위상의 전압을 발생시켜 연속적인 무효전력을 공급 또는 흡수하는 설비이다. 컨버터 변압기는 고조파를 제거하여 전압의 파형에 있어서 정현파가 되도록 한다.

(2) 동작 원리

아래의 그림은 STATCOM 시스템의 등가회로를 나타낸다.

① 전압원 인버터는 하나의 전압원(Vi)으로 등가하고, 전력계통의 전압(Vs)과는 변압기의 누설리액턴스로 연결된 것으로 등가할 수 있다.

② Vi와 Vs는 동위상으로 하여 유효전력의 공급이나 소모는 없는 상태로 만들어서 오직 무효전력의 공급 또는 소모만 하도록 한다.

③ 그림의 페이저도 처럼

– Vi>Vs→ 무효전력을 공급(Capacitive operation)
– Vi<Vs → 무효전력을 소모(Inductive operation)
– Vi=Vs → 무효전력을 공급과 소모가 없음.

※ 무효전력의 공급 및 흡수량은 두 전압의 차이에 의해서만 결정한다.

(3) STATCOM이 SVC에 비해서 갖는 장점

① SVC보다 빠른 응답특성이다. STATCOM은 8~30ms의 계단응답 성능을 갖음

② STATCOM은 SVC보다 제어성능이 우수하며 범위가 넓다.

SVC는 저전압 상태에서 무효전력량이 전압의 제곱에 비례(Qc=V²/X)하여 저감되는 특성을 가지는 단점을 가진다. 그렇지만 STATCOM은 선형성을 유지하기 때문에 SVC보다 우수한 무효전력 제어성능을 가진다고 한다.

③ 컨버터 변압기를 가진 STATCOM은 많은 양의 고조파를 발생시키지 않기 때문에 그들은 고조파 필터를 채용하지 않아도 크게 문제되지 않는다.

④ 추가적인 직류에너지원을 포함시킨다면 유효전력 제어가 가능하다.

⑤ L-C 공진 가능성이 전혀 없다. 이것은 무효전력을 공급하거나 흡수하기 위해서 콘덴서 뱅크나 리액터들을 가지고 있지 않기 때문이다.

⑥ 사이즈가 작아서 작은 설치공간을 요구된다. 이것 또한 커패시터 뱅크나 리액터가 없기 때문이다. 동일한 용량이라면 그 체적은 SVC에 비해서 1/3~1/5 수준이다.

동기 조상기

전력계통에 연결되어 무부하로 운전하는 동기기로 여자전류의 제어를 통해 계통에 무효전력을 공급 또는 흡수하는 회전기를 동기조상기라고 한다.

현재 우리나라에선 제주도에 가스터빈 발전기를 동기조상기로 사용하고 있다.

(1) 동작

– 전압 저하시: 과여자(진상) 운전으로 무효전력 공급
– 전압 상승시: 저여자(지상) 운전으로 무효전력 흡수

(2) 특징

– 부하급변시 속응여자방식으로 계통 외란을 회복, 과도안정도 향상
– 유지보수 어려움, 설비 고가, 손실전력 과다.

변압기의 탭 절환장치

부하시에 변압기 권선의 탭을 절환하는 장치로 부하변동시에 변압기 2차측의 전압을 일정하기 위해 사용된다. 종류에는 무부하시 탭절환장치(NLTC)와 부하시 탭 절환장치(ULTC, Under Load Tap Changer)가 있으며, ULTC는 일반적으로 대용량 변압기에 적용된다.

(1) 탭의 간격 및 수

탭조정장치는 고압권선에 설치하며, 전압조정 범위는 정격전압의 ±10% 정도이며, 전압에 따른 탭의 수 및 간격은 다음과 같다.

– 154kV → 21탭(1.25% 간격) : 승압(10탭) / 중간(1탭) / 강압(10탭)
– 345kV → 17탭(1.25% 간격) : 승압(8탭) / 중간(1탭) / 강압(8탭)
– 765kV → 23탭(0.64% 간격) : 승압탭(11) / 중간(1탭) / 강압(11탭)

(2) 전압조정 원리

2차측 전압은 권수비와 관계되며(V2=V1×N2/N1), N1권수를 조정하여 V2의 전압 조정을 한다.

(3) ULTC의 구조 및 전압조정 방법

① 탭선택기의 무부하 상태에 있는 접점을 희망하는 탭에 연결한다.

② 절환스위치를 중앙으로 이동시킨다.
-> 두 탭에 동시에 연결되어 전위차에 의해서 내부 순환전류가 흐른다. 순환전류를 억제할 목적으로 천이저항(한류저항) 또는 리액터를 설치한다.

③ 절환스위치를 절환되면서 탭절환을 완료한다.

[표] 무효전력의 공급 및 소비원의 분류

무효전력 공급원	무효전력 소비원
전력용 콘덴서(SC)	분로 리액터(Sh.R)
동기조상기(과여자 운전)	동기조상기(저여자 운전)
발전기(과여자 운전)	발전기(저여자 운전)
SVC, STATCOM 진상운전	SVC, STATCOM 지상운전
변압기 탭 조정(승압조정)	변압기 탭 조정(강압조정)
송전선로(C)	송전선로(L), 변압기

★전력계통
조속기 자유운전과 조속기 자유운전과 부하부담
조속기(Governor)
자동주파수제어(AFC)
예비력
무효전력과 조상설비
FACTS Ⅰ
FACTS Ⅱ
안정도의 분류
안정도 해석 Ⅰ (각 안정도)
고장중 전송전력
안정도 해석 Ⅱ (전압 안정도)
전압 불안정 현상
안정도 향상 대책
전력계통안정화 장치(PSS)
광역정전(Black out)
전력조류 계산(2)
경제부하 배분
부하 모델링
고장전류 저감대책
수요관리 (DSM)