발전기 플라이휠 효과 및 터빈 조속기 시스템의 안정성

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대형 현대식 수력 발전기는 관성 상수가 작아 터빈 제어 시스템의 안정성 문제에 직면할 수 있습니다. 이는 터빈 냉각수의 관성으로 인해 제어 장치 작동 시 압력관에서 수격 현상이 발생하기 때문입니다. 이러한 수격 현상은 일반적으로 수력 가속 시간 상수로 특징지어집니다. 단독 운전 시, 전체 시스템의 주파수가 터빈 조속기에 의해 결정되는 경우 수격 현상은 속도 제어에 영향을 미쳐 주파수 변동(헌팅) 또는 주파수 스윙으로 나타납니다. 대규모 시스템과의 연계 운전 시에는 주파수가 대규모 시스템에 의해 일정하게 유지됩니다. 이 경우 수격 현상은 시스템에 공급되는 전력에 영향을 미치며, 안정성 문제는 전력이 폐쇄 루프 방식으로 제어되는 경우, 즉 주파수 조정에 참여하는 수력 발전기에서만 발생합니다.

터빈 조속기의 안정성은 수력 가속 시간 상수와 수력 가속 시간 상수의 비율과 조속기 이득에 의해 크게 영향을 받습니다. 이 비율이 감소하면 불안정화 효과가 발생하여 조속기 이득을 줄여야 하는데, 이는 주파수 안정화에 악영향을 미칩니다. 따라서 수력 발전 장치의 회전 부품에 대한 플라이휠 효과를 최소화해야 하며, 이는 일반적으로 발전기에서만 제공될 수 있습니다. 대안으로 압력 릴리프 밸브나 서지 탱크 등을 설치하여 기계적 가속 시간 상수를 줄일 수 있지만, 일반적으로 비용이 매우 많이 듭니다. 수력 발전 장치의 속도 조절 능력에 대한 경험적 기준은 장치가 독립적으로 작동할 때 정격 부하 전체를 차단했을 때 발생할 수 있는 속도 상승을 기반으로 할 수 있습니다. 대규모 연계 시스템에서 작동하고 시스템 주파수를 조절해야 하는 발전 장치의 경우, 위에서 계산한 속도 상승 지수는 45%를 초과하지 않는 것으로 간주됩니다. 소규모 시스템의 경우 더 작은 속도 상승이 허용됩니다(4장 참조).

취수구에서 데하르 발전소까지의 종단면도
(출처: 저자 논문 – 제2차 국제수자원협회 세계 학술대회, 1979) 데하르 발전소의 경우, 취수구, 압력 터널, 차압 서지 탱크 및 수압관으로 구성된 균형 저수조와 발전 장치를 연결하는 수압 시스템이 그림에 나타나 있다. 수압관의 최대 압력 상승을 35%로 제한했을 때, 최대 부하 차단 시 발전 장치의 최대 속도 상승은 조속기 폐쇄 시 약 45%로 계산되었다.
정격 양정 282m(925ft)에서 정상 플라이휠 효과(즉, 온도 상승만을 고려한 경우)를 감안할 때, 정상 작동 시간은 9.1초였습니다. 초기 작동 단계에서 속도 상승률은 43%를 넘지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 정상 플라이휠 효과가 시스템의 주파수 조절에 충분하다고 판단했습니다.

발전기 매개변수 및 전기적 안정성
발전기 안정성에 영향을 미치는 주요 매개변수는 플라이휠 효과, 과도 리액턴스 및 단락률입니다. 데하르와 같은 420kV 초고압(EHV) 시스템 개발 초기 단계에서는 시스템 안정성 문제가 매우 심각할 수 있는데, 이는 시스템 취약성, 낮은 단락 전류 레벨, 앞선 역률 운전, 송전선로 제공 및 발전기 규모와 매개변수 설정의 경제성 요구 때문입니다. 데하르 EHV 시스템에 대한 네트워크 분석기(과도 리액턴스 뒤에 일정 전압을 사용)를 이용한 예비 과도 안정성 연구에서도 안정성이 매우 낮을 것으로 나타났습니다. 데하르 발전소 설계 초기 단계에서는 일반적인 발전기 사양을 고려했습니다.
특성을 최적화하고 안정성 요구 사항을 충족하기 위해, 특히 여자 시스템을 비롯한 관련 요소들의 매개변수를 최적화하는 것이 경제적으로 더 저렴한 대안이 될 수 있습니다. 영국 시스템에 대한 연구에서도 발전기 매개변수 변경이 안정성 여유에 미치는 영향이 상대적으로 훨씬 적다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 부록에 제시된 바와 같이 정상적인 발전기 매개변수가 발전기에 적용되었습니다. 수행된 상세한 안정성 연구 결과는 다음과 같습니다.

라인 충전 용량 및 전압 안정성
장거리 무부하 초고압(EHV) 송전선로를 충전하는 데 사용되는 외딴 지역의 수력 발전기는 충전 용량(kVA)이 발전기 자체의 선로 충전 용량을 초과할 경우 자여자가 발생하여 전압이 제어 불가능할 정도로 상승할 수 있습니다. 자여자가 발생하는 조건은 xc < xd이며, 여기서 xc는 용량성 부하 리액턴스이고 xd는 동기 직접축 리액턴스입니다. 파니파트(수신단)까지 단일 420kV 무부하 송전선로(E2/xc)를 정격 전압에서 충전하는 데 필요한 용량은 약 150MVAR입니다. 두 번째 단계에서 동일한 길이의 두 번째 420kV 송전선로를 설치할 경우, 두 무부하 송전선로를 정격 전압에서 동시에 충전하는 데 필요한 선로 충전 용량은 약 300MVAR이 됩니다.

장비 공급업체가 알려준 바에 따르면, 데하르 발전기에서 정격 전압으로 사용 가능한 라인 충전 용량은 다음과 같습니다.
(i)정격 MVA의 70%, 즉 121.8 MVAR의 라인 충전은 최소 10%의 양의 여자로 가능합니다.
(ii) 정격 MVA의 최대 87%, 즉 139 MVAR의 선로 충전 용량은 최소 1%의 양의 여자로 가능합니다.
(iii) 정격 MVAR의 최대 100%, 즉 173.8 라인 충전 용량은 약 5%의 음의 여자로 얻을 수 있으며 BSS에 따르면 10%의 음의 여자로 얻을 수 있는 최대 라인 충전 용량은 정격 MVA의 110%(191 MVAR)입니다.
(iv) 선로 충전 용량의 추가 증가는 기계의 크기를 늘리는 방법으로만 가능합니다. (ii) 및 (iii)의 경우 여자 제어를 수동으로 할 수 없으므로 신속 작동 자동 전압 조정기의 연속 작동에 전적으로 의존해야 합니다. 선로 충전 용량을 늘리기 위해 기계의 크기를 늘리는 것은 경제적으로 타당하지도 않고 바람직하지도 않습니다. 따라서 초기 운전 단계의 운전 조건을 고려하여 발전기에 음의 여자를 제공함으로써 정격 전압에서 191 MVAR의 선로 충전 용량을 확보하기로 결정했습니다. 전압 불안정을 유발하는 임계 운전 조건은 수전단에서 부하가 차단될 때도 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 기계에 용량성 부하가 걸리고 발전기 속도 상승으로 인해 더욱 악화되기 때문에 발생합니다. 자여자 및 전압 불안정은 다음과 같은 경우에 발생할 수 있습니다.

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
여기서 Xc는 용량성 부하 리액턴스, Xq는 직교축 동기 리액턴스, n은 부하 차단 시 발생하는 최대 상대 과속입니다. 데하르 발전기에서 이러한 조건은 수행된 상세 연구에 따라 송전선로 수전단에 400kV 초고압 병렬 리액터(75MVA)를 영구적으로 연결함으로써 해결할 수 있다고 제안되었습니다.

댐퍼 권선
댐퍼 권선의 주요 기능은 용량성 부하가 있는 선간 단락 사고 발생 시 과도한 과전압을 방지하여 장비에 가해지는 과전압 스트레스를 줄이는 것입니다. 외딴 지역과 긴 연계 송전선을 고려하여 직교축 리액턴스와 직접축 리액턴스의 비율 Xnq/Xnd가 1.2를 넘지 않는 완전 연결형 댐퍼 권선이 규정되었습니다.

발전기 특성 및 여자 시스템
정상적인 특성을 가진 발전기를 선정하고 예비 연구 결과 안정성이 미미한 것으로 나타나, 안정성 여유를 확보하고 전체적으로 가장 경제적인 설비 구성을 달성하기 위해 고속 정적 여자 장비를 사용하기로 결정했습니다. 정적 여자 장비의 최적 특성을 결정하기 위한 상세 연구가 수행되었으며, 이 내용은 10장에서 논의됩니다.

지진 관련 고려 사항
데하르 수력 발전소는 지진대에 위치해 있습니다. 데하르 수력 발전기 설계에 대한 다음 조항들은 장비 제조업체와의 협의를 거쳐, 현장의 지진 및 지질 조건과 유네스코의 도움을 받아 인도 정부가 구성한 코이나 지진 전문가 위원회의 보고서를 고려하여 제안되었습니다.

기계적 강도
데하르 발전기는 데하르에서 예상되는 최대 지진 가속도력을 수직 및 수평 방향 모두에서 기계 중심부에 안전하게 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다.

고유 진동수
기계의 고유 진동수는 100Hz(발전기 주파수의 두 배)의 자기 주파수보다 훨씬 높게 유지되어야 합니다. 이 고유 진동수는 지진 주파수와도 상당한 차이를 보여야 하며, 지진의 주요 주파수 및 회전 시스템의 임계 속도에 대해 충분한 안전 여유가 있는지 확인해야 합니다.

발전기 고정자 지지대
발전기 고정자와 하부 추력 및 안내 베어링 기초는 여러 개의 밑판으로 구성됩니다. 밑판은 기초 볼트를 사용하여 일반적인 수직 방향 외에도 수평 방향으로 기초에 고정됩니다.

가이드 베어링 설계
가이드 베어링은 분할형이어야 하며, 가이드 베어링 부품은 지진의 최대 하중을 견딜 수 있도록 강화되어야 합니다. 제조업체는 또한 상부 브래킷을 강철 보를 사용하여 배럴(발전기 외함)에 측면으로 연결할 것을 권장했습니다. 이는 콘크리트 배럴 또한 강화해야 함을 의미합니다.

발전기의 진동 감지
지진으로 인한 진동이 미리 정해진 값을 초과할 경우 가동 중단 및 경보를 작동시키기 위해 터빈 및 발전기에 진동 감지기 또는 편심률 측정기를 설치하는 것이 권장됩니다. 이 장치는 또한 터빈에 영향을 미치는 수력 조건으로 인해 발생하는 장치의 비정상적인 진동을 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다.

머큐리 콘택트렌즈
지진으로 인한 심한 흔들림은 수은 접점을 사용하는 경우 장치의 차단을 위한 오작동을 초래할 수 있습니다. 이는 내진동형 수은 스위치를 사용하거나, 필요한 경우 타이밍 릴레이를 추가하여 방지할 수 있습니다.

결론
(1) Dehar 발전소에서는 그리드의 크기와 시스템 예비 용량에 미치는 영향을 고려하여 대형 단위 크기를 채택함으로써 장비 및 구조 비용에서 상당한 절감 효과를 얻었습니다.
(2) 발전기 비용은 고장력강의 로터 림 펀칭 개발로 인해 대형 고속 수력 발전기에 적용 가능한 우산형 구조 설계를 채택함으로써 절감되었습니다.
(3) 상세 연구 후 자연 고역률 발전기를 조달함으로써 비용이 더욱 절감되었습니다.
(4) Dehar의 주파수 조절소에서 발전기 회전부의 정상 플라이휠 효과는 대규모 상호 연결 시스템으로 인해 터빈 거버너 시스템의 안정성에 충분하다고 간주되었습니다.
(5) 전기적 안정성을 보장하기 위해 EHV 네트워크에 전력을 공급하는 원격 발전기의 특수 매개변수는 빠른 응답 정적 여자 시스템으로 충족될 수 있습니다.
(6) 빠른 동작 정적 여기 시스템은 필요한 안정성 여유를 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템은 고장 후 안정성을 달성하기 위해 안정화 피드백 신호가 필요합니다. 자세한 연구가 수행되어야 합니다.
(7) 장거리 EHV 라인으로 그리드에 연결된 원격 발전기의 자여자 및 전압 불안정성은 음의 여자를 사용하거나 영구적으로 연결된 EHV 션트 리액터를 사용하여 기계의 라인 충전 용량을 증가시킴으로써 방지할 수 있습니다.
(8) 발전기와 그 기초의 설계에 지진력에 대한 안전장치를 저렴한 비용으로 마련할 수 있습니다.

데하르 발전기의 주요 매개변수
단락비율 = 1.06
과도 리액턴스 직접축 = 0.2
플라이휠 효과 = 39.5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd는 1.2보다 크지 않습니다.