계장기술(PROCON)

특별기고 발전용 원동기의 부하 추종 운전을 위한 속도 및 출력 제어 비교 분석

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 166회 작성일 22-08-12 14:08

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우리나라의 발전원은 여러 가지로 구성된다. 전력계통의 용량은 60,000MW 이상이고, 발전기 용량은 최대 1,400MW이다. 즉, 병렬 운전하는 개별 발전기의 용량은 계통 용량에 비하여 매우 작다. 따라서 주파수가 저하된 경우, 부하 추종 운전을 수행하는 발전기들이 출력을 분담하여 운전해야 한다. 보통 전력계통공학에서는 1차 제어(Primary Control)라고 하며, 발전소 입장에서는 Droop 운전이라고 한다.

전력계통의 부하는 매우 큰 반면, 개별 발전기의 용량은 매우 작아서 대용량 발전기가 탈락한 경우 발전기 한 대가 증가할 수 있는 출력은 매우 작다. 주파수가 변동한 경우 Droop에 의하여 정해진 만큼만 기여하는 제어 방식을 선택해야 한다. 하지만 발전소의 Droop 제어만으로는 편차가 발생한다. 따라서 중앙 급전소의 자동발전제어 장치의 적분 제어를 통하여 편차를 제거하며, 이것을 2차 제어(Secondary Control), 즉 자동발전제어라고 한다. 그러나 발전소에서 소내 부하 운전 등 단독(독립, 고립) 운전을 수행하는 경우에는 원동기의 용량이 부하에 비하여 충분히 크므로 속도 제어에 Droop을 0으로 하는 적분 제어를 적용하여 계통 주파수를 적극적으로 제어한다.

본고에서는 부하 추종 운전을 수행하는 여러 가지 원동기의 속도와 출력 제어에 관하여 살펴본다.

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석탄화력발전소 증기터빈 제어

1) 개 요
석탄화력발전소에서는 발전기 출력 조정에 보일러와 터빈의 에너지 평형이 매우 중요하다. 또 보일러에서는 연료와 공기 및 급수의 균형이 중요하다. 부하 추종 운전을 수행하는 석탄화력발전소에서는 미분탄을 만드는 소요 시간 등으로 인하여 그림 1에 나타낸 바와 같이 제어회로가 대단히 복잡하다.

2) 제어회로
전력계통 주파수 60Hz 정상 상태에서 계통 부하가 증가한 경우 발전기 출력은 다음과 같은 경로로 제어된다. 터빈 제어계에서는 주파수가 저하하면 터빈 속도가 감소(A)되고, 감산기에 의하여 주파수 편차(B)가 발생된다. 따라서 선제적으로 증기 요구량(C)이 증가하고, CV 개도(D)가 증가하므로 이에 따라 발전기 출력(E)이 증가한다. 동시에 Hz Bias에 의하여 ULD(F, 발전소 출력 요구량)의 증가에 따라 터빈의 출력 설정치가 증가하므로 출력 편차가 0으로 되어서 터빈 출력 기준치(TM)는 변동되지 않는다. 상기와 같이 Hz Bias가 증가하면 보일러 제어계는 발전기 출력의 증가에 따라 감소한 주증기 압력을 설정치로 복귀시키기 위하여 보일러 연료 기준치(BM)를 증가시키므로 이에 따라 연료와 공기 및 급수가 증가한다.
부하 추종 운전에서는 발전소 제어계의 외란 요소인 계통 주파수의 유지에 대한 기여도를 판단하는 성능 지표인 속도 조정률, 즉 주파수 변동량에 대한 출력 기여량을 만족하되 압력 제어계의 안정성이 필수적인 선행 조건이다. 이를 위하여 압력 편차와 출력 편차를 동시에 고려하여 발전소 공정을 제어한다. 또 제어 파라미터 등의 적절한 튜닝이 필요하며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 출력 제어기와 압력 제어기의 이득 및 적분 시간, K, Hz Bias, F2(x), F3(x), F(x), 압력 설정치 등이 있다. 여기서 F2(x)와 F3(x)는 보통의 제어 구성에서는 사용하지 않는 방식이나 부하 추종성을 높이기 위해 추가로 사용이 가능하며, F2(x)는 주파수 감소에 따라 터빈 제어계의 출력 기준치를 증가시켜서 증기 유량을 증가시키는 역할을 하고, F3(x)는 변압 운전의 주증기 압력 설정치를 증가시켜서 CV 전후 차압을 확보하는 역할을 한다. 그림 1의 핵심 부분을 간추려서 나타내면 그림 2와 같고, 압력 변동이 없는 이상적인 경우 인 지점에서 평형되어 운전되므로 조속기 동작으로는 주파수의 잔류 편차가 발생된다. 따라서, 주파수가 정상 상태에 도달하면 적분 기능이 있는 자동발전제어 장치의 동작으로 이 편차를 제거한다.

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가스터빈 제어

1) 개 요
연료를 연소시켜서 발생된 고온·고압의 가스(작동 유체)를 증기터빈과 같이 에너지 전달 과정을 거치지 않고 직접 터빈에 공급하여 회전력을 발생시키는 원동기를 가스터빈이라 한다. 가스터빈은 내연기관으로서 기동 및 정지를 신속히 수행할 수 있고, 주파수 변화에 대한 출력 응동성이 양호하여 주파수 조정용 발전소로 사용된다.
기력 발전소의 증기터빈에서는 보통 발전기 출력 제어에 주증기 압력을 고려하지만, 가스터빈에서는 가스압력을 고려하지 않는 점이 특징이다. 이는 기력 터빈과 달리 응답 속도가 신속하고, 고부하와 저부하에서 동일 주파수 변동에 대하여 연료 밸브 유량 변동량을 동일하게 제어할 수 있기 때문이다.
따라서 발전기 출력 변동량이 동일하게 나타나므로 제어계통의 불감대, 제어 밸브의 비직선성 등을 상당히 극복할 수 있다. 또 보통의 증기터빈은 속도 제어 루프에 비례 제어기를 채용하나, 가스터빈은 출력을 피드백 받으므로 보통 비례·적분 제어를 채용한다.

2) 가스터빈 속도 및 출력 제어
그림 3에서 발전기가 계통에 병입된 상태에서 속도/부하 설정은 95%에서 105%까지 운전원에 의하여 연속적으로 조절 가능하다. Droop은 보통 4%로 설정되며, 발전기 출력이 100%이면 4%이다.
무부하 정격 속도 설정치를 100%로 가정한 경우 속도/부하 설정이 104%면 무부하 시 속도 기준값은 104%이고, 전부하 정격 속도에서는 발전기 출력 100%에 대하여 4%의 Droop을 고려하면 100%로 된다. 따라서 속도 기준값 100%와 터빈 속도의 편차가 비례 적분 제어기로 입력되고, 이를 연산한 결과가 연료 요구량으로 되어 연료 밸브의 개도를 조절한다.
속도 변동에 따른 발전기 출력 응동량 연산을 위하여 그림 3은 Droop을 직접 이용하고, 그림 4는 속도 제어기의 이득에 Droop의 역수를 이용한 점이 특징이다. 따라서 그림 3의 Droop은 0.04 정도로 매우 작은 값이고, 그림 4의 K는 25 정도로 매우 큰 값이다.

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디젤 엔진 속도 및 출력 제어

1) 개 요
도서 전력계통은 육지와는 연결되지 않은 독립 계통으로서 부하에 따라 평균 3대의 내연 발전기를 운영하고 있다. 자가발전을 이루고 있는 발전원은 디젤 발전기가 주를 이루며, 최근에는 전력 수요의 일부를 재생에너지가 담당을 하거나, 도서 전체의 전력을 재생에너지가 담당하는 경우도 있다. 그러나 보통은 실시간 부하량에 따라서 2대의 내연 발전기가 병렬 운전을 하며, 1대는 예비용으로 사용되고 있으며, 도서 지역 주파수 유지에 큰 역할을 담당한다.

2) 디젤 엔진 제어회로
도서 내연발전기의 기본적 제어회로를 그림 5에 나타내었다. 60Hz로 정상 상태 운전 중인 도서 지역 계통에 어떤 원인으로 주파수가 감소하면 디젤 엔진의 속도가 감소하여 속도 편차(ΔF)가 발생된다. 이 편차는 양의 값이며, 비례 적분 제어기에 입력되므로 이어서 연료 투입량이 증가하고, 발전기 출력이 증가한다. 따라서, 출력 편차(ΔMW)가 음의 값으로 발생되고, 여기에 Droop을 곱한 후 속도 편차에 합산된다. 따라서, Droop을 고려한 출력 편차(음의 값)와 속도 편차(양의 값)이 합산되어 상쇄(ΔF+Droop×ΔMW = 0)되면 제어기는 동작을 멈추고, 출력은 더 이상 증가하지 않으며, 주파수 또한 하락을 멈춘다. 따라서, 주파수는 정격 60Hz로 복귀되지는 않는다. 또 적분 기능을 탑재한 상위 제어기가 주파수 편차를 검출하여 출력 설정치를 증가시키면 출력 편차(ΔMW)는 사라지고, 주파수 편차(ΔF)가 남는다. 그러므로 다시 비례 적분 기능을 탑재한 상위 제어기가 연료를 증가시켜 주파수는 60Hz로 복귀한다. Droop은 보통 가스터빈과 마찬가지로 0.04 정도다.

다시 설명하면 그림 5에서 엔진 발전기가 계통에 병입되어 운전되면 속도 설정은 60Hz로 고정된다. 출력 편차와 속도 편차가 전혀 없는 정상 상태에서 실제 속도를 비롯하여 모든 변수가 고정되어 있다고 가정하자. 이때 부하 증가에 의하여 계통 주파수, 즉 엔진 발전기의 회전수가 감소하면 속도 편차 신호(+)가 제어기의 입력으로 작용하여 연료 밸브의 개도가 증가하므로 발전기의 출력이 증가한다. 따라서, 출력 신호에 Droop이 곱해져서 제어기의 입력(-)으로 작용해 제어계는 평형되어 운전된다.

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결 론

우리나라의 전력계통은 다양한 전원으로 구성되어 있다. 동해안 및 서해안을 중심으로 원자력 발전소와 대용량 화력발전소가 배치되어 있고, 수도권 인근에는 복합화력발전소가 많이 운전 중이다. 도서 지역의 소규모 독립 계통에는 디젤 발전기가 많이 운전되고 있다. 근래에는 태양광을 위시하여 풍력발전기 등 많은 신재생에너지원이 증가하고 있는 추세다. 향후 복잡화될 것으로 예상되는 우리나라 전력계통의 무정전 전력 공급을 위해서는 주파수 제어에 직접 관련되는 원동기 제어회로와 로직에 대한 이해가 필수적이다.

[참고 문헌]
[1] “복합화력 실무반” 한국발전교육원
[2] “발전소 터빈과 전력계통 주파수 제어”, 전력연구원


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