발전기 플라이휠 효과 및 터빈 가버너 시스템의 안정성

발전기 플라이휠 효과 및 터빈 가버너 시스템의 안정성발전기 플라이휠 효과 및 터빈 가버너 시스템의 안정성발전기 플라이휠 효과 및 터빈 가버너 시스템의 안정성
현대식 대형 수력 발전기는 관성 상수가 더 작아 터빈 제어 시스템의 안정성과 관련된 문제에 직면할 수 있습니다. 이는 제어 장치 작동 시 관성으로 인해 압력 배관에 수격 현상이 발생하는 터빈 수의 거동 때문입니다. 이는 일반적으로 유압 가속 시상수에 의해 특징지어집니다. 고립 운전에서 전체 시스템의 주파수가 터빈 조속기에 의해 결정될 때, 수격 현상은 속도 제어에 영향을 미치고 불안정성은 헌팅 또는 주파수 변동으로 나타납니다. 대형 시스템과 상호 연결된 운전의 경우, 주파수는 조속기에 의해 기본적으로 일정하게 유지됩니다. 따라서 수격 현상은 시스템에 공급되는 전력에 영향을 미치며, 전력이 폐쇄 루프, 즉 주파수 조정에 참여하는 수력 발전기의 경우에만 안정성 문제가 발생합니다.

터빈 조속기 기어의 안정성은 물 덩어리의 유압 가속 시상수에 따른 기계적 가속 시상수와 조속기 이득의 비율에 크게 영향을 받습니다. 이 비율이 감소하면 불안정화 효과가 발생하고 조속기 이득의 감소를 초래하여 주파수 안정화에 악영향을 미칩니다. 따라서 수력 발전 유닛의 회전 부품에 대한 최소한의 플라이휠 효과가 필요하며, 이는 일반적으로 발전기에서만 가능합니다. 또는 압력 릴리프 밸브나 서지 탱크 등을 설치하여 기계적 가속 시상수를 줄일 수 있지만, 일반적으로 비용이 매우 많이 듭니다. 수력 발전 유닛의 속도 조절 능력에 대한 경험적 기준은 독립적으로 작동하는 유닛의 정격 부하 전체가 제거되었을 때 발생할 수 있는 유닛의 속도 상승을 기반으로 할 수 있습니다. 대규모 상호 연결된 시스템에서 작동하고 시스템 주파수를 조절해야 하는 전력 유닛의 경우, 위에서 계산된 속도 상승 지수는 45%를 초과하지 않는 것으로 간주되었습니다. 소규모 시스템의 경우 더 작은 속도 상승이 제공되어야 합니다(4장 참조).

흡입구에서 데하르 발전소까지의 종단면
(출처: 저자 논문 – 제2차 세계대회, 국제수자원협회 1979) 데하르 발전소의 경우, 밸런싱 저장조와 동력 장치를 연결하는 수압 시스템은 취수구, 압력 터널, 차압 서지 탱크, 그리고 수압관으로 구성되어 있습니다. 수압관의 최대 압력 상승을 35%로 제한했을 때, 만재 부하 차단 시 장치의 최대 속도 상승 추정치는 조속기 폐쇄 시 약 45%로 계산되었습니다.
발전기 회전부의 정상적인 플라이휠 효과(즉, 온도 상승 고려 사항만 고려)를 고려할 때, 정격 낙차 282m(925피트)에서 9.1초의 시간이 소요되었습니다. 운전 초기 단계에서 속도 상승은 43%를 넘지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 정상적인 플라이휠 효과는 시스템 주파수 조절에 적합한 것으로 판단되었습니다.

발전기 매개변수 및 전기적 안정성
안정성에 영향을 미치는 발전기 매개변수는 플라이휠 효과, 과도 리액턴스, 그리고 단락 회로 비율입니다. 데하르 발전소와 같은 420kV 초고압 시스템 개발 초기 단계에서는 시스템 취약성, 낮은 단락 회로 레벨, 진상 역률 운전, 그리고 송전선 설치 및 발전기 크기 및 매개변수 고정의 경제성 확보 필요성으로 인해 안정성 문제가 심각할 수 있습니다. 데하르 초고압 시스템에 대한 네트워크 분석기(과도 리액턴스 뒤에 정전압을 사용)를 이용한 예비 과도 안정성 연구 결과, 한계적인 안정성만 확보될 것으로 나타났습니다. 데하르 발전소 설계 초기 단계에서는 정상적인 작동 조건을 갖춘 발전기를 설계하는 것이 고려되었습니다.
특성 및 안정성 요건을 충족하고, 특히 여자 시스템의 다른 요인들의 매개변수를 최적화하는 것이 경제적으로 더 저렴한 대안이 될 것입니다. 영국 시스템에 대한 연구에서도 발전기 매개변수 변경이 안정성 여유도에 미치는 영향이 상대적으로 훨씬 적다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 부록에 제시된 정상 발전기 매개변수를 발전기에 적용했습니다. 수행된 자세한 안정성 연구는 다음과 같습니다.

라인 충전 용량 및 전압 안정성
원격지에 위치한 수력 발전기가 충전 kVA가 기기의 회선 충전 용량보다 큰 장거리 무부하 초고압(EHV) 회선을 충전하는 데 사용되는 경우, 기기가 자가 여자(self-excitation)되어 전압이 제어 범위를 벗어날 수 있습니다. 자가 여자 조건은 xc < xd입니다. 여기서 xc는 용량성 부하 리액턴스이고 xd는 동기 직축 리액턴스입니다. 파니파트(수신단)까지 단일 420kV 무부하 회선 E2/xc를 충전하는 데 필요한 용량은 정격 전압에서 약 150MVAR입니다. 두 번째 단계에서 동일한 길이의 두 번째 420kV 회선을 설치할 경우, 정격 전압에서 두 무부하 회선을 동시에 충전하는 데 필요한 회선 충전 용량은 약 300MVAR입니다.

장비 공급업체가 알려준 데하르 발전기의 정격 전압에서 사용 가능한 회선 충전 용량은 다음과 같습니다.
(i) 정격 MVA의 70%, 즉 121.8 MVAR 라인 충전은 최소 10%의 양의 여기로 가능합니다.
(ii) 정격 MVA의 최대 87%, 즉 139 MVAR 라인 충전 용량은 최소 1%의 양의 여기로 가능합니다.
(iii)BSS에 따르면 정격 MVAR의 최대 100%, 즉 173.8 라인 충전 용량은 약 5%의 음의 여기로 얻을 수 있으며, 10%의 음의 여기로 얻을 수 있는 최대 라인 충전 용량은 정격 MVA(191 MVAR)의 110%입니다.
(iv) 회선 충전 용량의 추가 증가는 기계의 크기를 증가시켜야만 가능합니다. (ii) 및 (iii)의 경우, 여자를 수동으로 제어할 수 없으므로 빠르게 작동하는 자동 전압 조정기의 연속 작동에 전적으로 의존해야 합니다. 회선 충전 용량을 증가시키기 위해 기계의 크기를 증가시키는 것은 경제적으로 실행 가능하지도 바람직하지도 않습니다. 따라서 첫 번째 운전 단계의 운전 조건을 고려하여 발전기에 음의 여자를 제공하여 발전기의 정격 전압에서 191 MVAR의 회선 충전 용량을 제공하기로 결정했습니다. 전압 불안정을 유발하는 중요한 운전 조건은 수신단의 부하 분리로 인해 발생할 수도 있습니다. 이 현상은 발전기의 속도 상승에 의해 더욱 악영향을 받는 기계의 용량성 부하로 인해 발생합니다. 다음과 같은 경우 자기 여자 및 전압 불안정이 발생할 수 있습니다.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
여기서, Xc는 용량성 부하 리액턴스, Xq는 직교축 동기 리액턴스, n은 부하 차단 시 발생하는 최대 상대 과속도입니다. Dehar 발전기의 이러한 조건은 수행된 상세 연구에 따라, 선로 수전단에 영구적으로 연결된 400 kV 초고압 션트 리액터(75 MVA)를 설치함으로써 해결될 것으로 제안되었습니다.

댐퍼 와인딩
댐퍼 권선의 주요 기능은 용량성 부하로 인한 선간 고장 발생 시 과도한 과전압을 방지하여 장비의 과전압 스트레스를 줄이는 것입니다. 원격지와 긴 상호 연결 송전선로를 고려하여 직교축 리액턴스와 직교축 리액턴스 비 Xnq/Xnd가 1.2를 초과하지 않는 완전 연결 댐퍼 권선을 설계했습니다.

발전기 특성 및 여자 시스템
정상 특성을 가진 발전기가 지정되었고 예비 연구에서는 한계적인 안정도만을 나타냈으므로, 고속 정적 여자 장비를 사용하여 안정도 여유를 개선하고 전체적으로 가장 경제적인 장비 배치를 달성하기로 결정했습니다. 정적 여자 장비의 최적 특성을 결정하기 위한 세부 연구가 수행되었으며, 이는 10장에서 논의되었습니다.

지진 고려 사항
데하르 발전소는 지진대에 속합니다. 데하르 수력 발전소 설계는 장비 제조업체와의 협의를 거쳐 제안되었으며, 현장의 지진 및 지질 조건과 유네스코의 지원을 받아 인도 정부가 구성한 코이나 지진 전문가 위원회의 보고서를 고려했습니다.

기계적 강도
데하르 발전기는 기계 중앙에서 작용하는 데하르에서 수직 및 수평 방향으로 예상되는 최대 지진 가속력을 안전하게 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다.

고유 주파수
기계의 고유 진동수는 100Hz(발전기 진동수의 두 배)의 자기 진동수와 충분히 떨어져 있어야 합니다(높은 진동수). 이 고유 진동수는 지진 진동수와 크게 떨어져 있어야 하며, 주 지진 진동수와 회전 시스템의 임계 속도에 대해 충분한 여유가 있는지 확인해야 합니다.

발전기 고정자 지지대
발전기 고정자와 하부 추력 및 가이드 베어링 기초는 여러 개의 바닥판으로 구성됩니다. 바닥판은 기초 볼트를 사용하여 일반적인 수직 방향 외에도 측면 방향으로 기초에 고정됩니다.

가이드 베어링 설계
가이드 베어링은 세그멘탈 타입으로 제작되어야 하며, 가이드 베어링 부품은 지진력을 완전히 견딜 수 있도록 강화되어야 합니다. 제조업체는 또한 강철 거더를 사용하여 상부 브래킷을 배럴(발전기 외함) 측면에 고정할 것을 권장했습니다. 이는 콘크리트 배럴도 강화해야 함을 의미합니다.

발전기 진동 감지
지진으로 인한 진동이 미리 정해진 값을 초과할 경우, 터빈과 발전기에 진동 감지기 또는 편심계 설치를 통해 가동을 중단하고 경보를 울리도록 권장했습니다. 이 장치는 터빈에 영향을 미치는 유압 조건으로 인한 장치의 이상 진동을 감지하는 데에도 사용될 수 있습니다.

수은 콘택트렌즈
지진으로 인한 심한 진동은 수은 접점을 사용하는 경우, 장치의 정지를 위한 오작동을 유발할 수 있습니다. 이는 진동 방지형 수은 스위치를 지정하거나 필요한 경우 타이밍 릴레이를 추가하여 방지할 수 있습니다.

결론
(1) 데하르 발전소의 장비 및 구조 비용에 있어서 상당한 경제성은 그리드 크기와 시스템 여유 용량에 미치는 영향을 고려하여 대형 단위 크기를 채택함으로써 얻어졌습니다.
(2) 로터 림 펀칭용 고장력강 개발로 대형 고속 수력발전기에 적용 가능한 엄브렐라 설계를 채택하여 발전기 비용을 절감하였습니다.
(3) 정밀한 검토를 거쳐 자연형 고역률 발전기를 도입함으로써 비용을 더욱 절감할 수 있었습니다.
(4) 데하르 주파수 조절소의 발전기 회전부의 정상적인 플라이휠 효과는 대규모 상호 연결 시스템으로 인해 터빈 가버너 시스템의 안정성에 충분한 것으로 간주되었습니다.
(5) 전기적 안정성을 보장하기 위해 초고압 전력망에 전력을 공급하는 원격 발전기의 특수 매개변수는 빠른 응답 정적 여기 시스템을 통해 충족될 수 있습니다.
(6) 빠르게 작동하는 정적 여기 시스템은 필요한 안정도 여유를 제공할 수 있다. 그러나 이러한 시스템은 고장 후 안정도를 확보하기 위해 안정화 피드백 신호가 필요하다. 이에 대한 상세한 연구가 수행되어야 한다.
(7) 긴 EHV 회선으로 그리드와 상호 연결된 원격 발전기의 자기 여기 및 전압 불안정성은 기계의 회선 충전 용량을 증가시켜 음의 여기를 사용하거나 영구적으로 연결된 EHV 션트 리액터를 사용함으로써 방지할 수 있습니다.
(8) 발전기와 그 기초의 설계에는 적은 비용으로 지진력에 대한 안전장치를 제공할 수 있는 조항이 포함될 수 있습니다.

Dehar 발전기의 주요 매개변수
단락 회로 비율 = 1.06
과도 리액턴스 직축 = 0.2
플라이휠 효과 = 39.5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd는 1.2보다 크지 않습니다.