자연 속의 강은 모두 일정한 경사를 가지고 있습니다. 물은 중력의 작용으로 강바닥을 따라 흐릅니다. 높은 고도의 물은 풍부한 위치 에너지를 가지고 있습니다. 수력 구조물과 전기 기계 장비의 도움으로 물의 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는데, 이것이 바로 수력 발전입니다. 수력 발전의 원리는 전자기 유도입니다. 즉, 도체가 자기장 내의 자속선을 절단하면 전류가 발생합니다. 이 중 자기장 내에서 도체의 "움직임"은 물의 흐름이 터빈에 충돌하여 물 에너지를 회전 기계 에너지로 변환함으로써 이루어집니다. 그리고 자기장은 거의 항상 발전기 로터 권선을 통과하는 여자 시스템에서 생성된 여자 전류, 즉 전기에 의해 형성됩니다.
1. 여자 시스템이란 무엇입니까? 동기 발전기는 에너지 변환을 실현하기 위해 직류 자기장이 필요하며, 이 자기장을 생성하는 직류 전류를 발전기의 여자 전류라고 합니다. 일반적으로 전자기 유도 원리에 따라 발전기 회전자에 자기장을 형성하는 과정을 여자라고 합니다. 여자 시스템은 동기 발전기에 여자 전류를 제공하는 장비를 의미하며, 동기 발전기의 중요한 부분입니다. 일반적으로 여자 전력 장치와 여자 조정기의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 여자 전력 장치는 동기 발전기 회전자에 여자 전류를 제공하고, 여자 조정기는 입력 신호와 주어진 조정 기준에 따라 여자 전력 장치의 출력을 제어합니다.
2. 여자 시스템의 기능 여자 시스템은 다음과 같은 주요 기능을 수행합니다. (1) 정상 운전 조건에서 발전기 여자 전류를 공급하고, 발전기 단자 전압 및 부하 조건에 따라 주어진 법칙에 따라 여자 전류를 조정하여 전압 안정성을 유지합니다. 여자 전류를 조정하여 전압 안정성을 유지할 수 있는 이유는 무엇일까요? 발전기 고정자 권선의 유도 전위(무부하 전위) Ed, 단자 전압 Ug, 발전기의 무효 부하 전류 Ir, 그리고 종방향 동기 리액턴스 Xd 사이에는 대략적인 관계가 있습니다.
유도 전위 Ed는 자속에 비례하며, 자속은 여자 전류의 크기에 따라 달라집니다. 여자 전류가 변하지 않으면 자속과 유도 전위 Ed도 변하지 않습니다. 위 공식에서 발전기의 단자 전압은 무효 전류가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있습니다. 그러나 사용자의 전력 품질 요구 사항을 충족하려면 발전기의 단자 전압이 기본적으로 변하지 않아야 합니다. 이 요구 사항을 충족하는 방법은 무효 전류 Ir의 변화(즉, 부하 변화)에 따라 발전기의 여자 전류를 조정하는 것입니다. (2) 부하 조건에 따라 여자 전류를 주어진 규칙에 따라 조정하여 무효 전력을 조정합니다. 무효 전력을 조정해야 하는 이유는 무엇일까요? 변압기, 모터, 용접기 등 많은 전기 장비는 전자기 유도 원리를 기반으로 작동합니다. 이러한 장비는 모두 교류 자기장을 형성하여 에너지를 변환하고 전달합니다. 교류 자기장과 유도 자속을 형성하는 데 필요한 전력을 무효 전력이라고 합니다. 전자기 코일이 있는 모든 전기 장비는 자기장을 형성하기 위해 무효 전력을 소비합니다. 무효 전력이 없으면 모터가 회전하지 않고 변압기가 전압을 변환할 수 없으며, 많은 전기 장비가 작동하지 않습니다. 따라서 무효 전력은 결코 쓸모없는 전력이 아닙니다. 정상적인 상황에서 전기 장비는 발전기에서 유효 전력을 얻을 뿐만 아니라 발전기에서도 무효 전력을 얻어야 합니다. 전력망의 무효 전력이 부족하면 전기 장비는 정상적인 전자기장을 형성할 만큼 충분한 무효 전력을 확보하지 못하게 됩니다. 그러면 이러한 전기 장비는 정격 작동을 유지할 수 없고, 전기 장비의 단자 전압이 떨어져 전기 장비의 정상 작동에 영향을 미칩니다. 따라서 실제 부하에 따라 무효 전력을 조정해야 하며, 발전기의 무효 전력 출력은 여자 전류의 크기와 관련이 있습니다. 여기서는 구체적인 원리를 설명하지 않습니다. (3) 전력계통에 단락사고가 발생하거나 기타 원인으로 발전기 단자전압이 심각하게 저하될 경우, 발전기를 강제로 여자시켜 전력계통의 동적안정성 한계와 계전기 보호동작의 정확도를 향상시킬 수 있다. (4) 갑작스러운 부하분산 등으로 발전기 과전압이 발생할 경우, 발전기를 강제로 탈자시켜 발전기 단자전압의 과도한 상승을 제한할 수 있다. (5) 전력계통의 정적안정성을 향상시킬 수 있다. (6) 발전기 내부 및 인출선에 상간단락이 발생하거나 발전기 단자전압이 너무 높을 경우, 신속하게 탈자시켜 사고의 확대를 제한할 수 있다. (7) 병렬발전기의 무효전력을 합리적으로 분배할 수 있다.
3. 여자 시스템의 분류 발전기가 여자 전류를 얻는 방식(즉, 여자 전원 공급 방법)에 따라 여자 시스템은 외부 여자와 자기 여자로 나눌 수 있습니다. 다른 전원 공급 장치에서 얻은 여자 전류를 외부 여자라고 하고, 발전기 자체에서 얻은 여자 전류를 자기 여자라고 합니다. 정류 방식에 따라 회전 여자와 정적 여자로 나눌 수 있습니다. 정적 여자 시스템은 특별한 여자 기계가 없습니다. 발전기 자체에서 여자 전력을 얻는 경우 자기 여자 정적 여자라고 합니다. 자기 여자 정적 여자는 자기 병렬 여자와 자기 합성 여자로 나눌 수 있습니다.
가장 일반적으로 사용되는 여자 방식은 아래 그림과 같이 자기 병렬 여자 방식(Self-parallel excitation static excitation)입니다. 발전기 출력단에 연결된 정류 변압기를 통해 여자 전력을 공급받고, 정류 후 발전기 여자 전류를 공급합니다.
자기병렬여자 정류기 여자 시스템의 배선도
자기 병렬 여자 정여자 시스템은 주로 여자 변압기, 정류기, 감자 장치, 조절 제어기, 과전압 보호 장치로 구성됩니다. 이 다섯 가지 부분은 각각 다음과 같은 기능을 수행합니다.
(1) 여자 변압기 : 기계단의 전압을 정류기와 일치하는 전압으로 낮춥니다.
(2) 정류기: 전체 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 3상 완전 제어 브리지 회로는 교류에서 직류로의 변환 작업을 완료하는 데 자주 사용됩니다.
(3) 자기소거 장치: 자기소거 장치는 자기소거 스위치와 자기소거 저항의 두 부분으로 구성됩니다. 이 장치는 사고 발생 시 장치의 신속한 자기소거를 담당합니다.
(4) 조절 제어기 : 여자 시스템의 제어 장치는 정류소자의 사이리스터 전도각을 제어하여 여자 전류를 변화시켜 발전기의 무효전력 및 전압을 조절하는 효과를 얻는다.
(5) 과전압 보호 : 발전기 회전자 회로에 과전압이 발생하면 회로를 켜서 과전압 에너지를 소모하고 과전압 값을 제한하며 발전기 회전자 권선 및 연결 장비를 보호합니다.
자기 병렬 여자 정적 여자 시스템의 장점은 구조가 간단하고, 장비가 적고, 투자가 적으며, 유지 보수가 적다는 것입니다. 단점은 발전기 또는 시스템이 단락되면 여자 전류가 사라지거나 크게 떨어지기 때문에 이때 여자 전류를 크게 높여야 한다는 것입니다(즉, 강제 여자). 그러나 현대의 대형 유닛은 대부분 폐쇄형 모선을 사용하고 고전압 전력망은 일반적으로 고속 보호 및 높은 신뢰성을 갖추고 있기 때문에 이 여자 방식을 사용하는 유닛의 수가 증가하고 있으며, 이는 규정 및 사양에서 권장하는 여자 방식이기도 합니다. 4. 유닛의 전기 제동 유닛이 무부하 및 정지 시, 로터의 거대한 회전 관성으로 인해 기계적 에너지의 일부가 저장됩니다. 이 에너지의 일부는 스러스트 베어링, 가이드 베어링 및 공기의 마찰 열 에너지로 변환된 후에야 완전히 정지될 수 있습니다. 공기의 마찰 손실은 원주 선속도의 제곱에 비례하기 때문에 회전자 속도는 처음에는 매우 빠르게 떨어지다가 저속으로 장시간 공회전하게 됩니다. 장치가 저속으로 장시간 작동하면 스러스트 헤드 아래의 미러 플레이트와 베어링 부시 사이에 유막이 형성되지 않아 스러스트 부시가 소손될 수 있습니다. 따라서 정지 과정에서 장치의 속도가 특정 값까지 떨어지면 장치 제동 시스템을 작동시켜야 합니다. 장치 제동은 전기 제동, 기계 제동, 그리고 복합 제동으로 구분됩니다. 전기 제동은 발전기의 분리 및 자기 제거 후 기계 측 출력에서 3상 발전기 고정자를 단락시키고, 장치 속도가 정격 속도의 약 50%~60%로 떨어질 때까지 기다리는 것입니다. 일련의 논리 연산을 통해 제동력이 공급되고, 여자 조절기는 전기 제동 모드로 전환하여 발전기 회전자 권선에 여자 전류를 공급합니다. 발전기가 회전하기 때문에 고정자는 회전자 자기장의 작용으로 단락 전류를 유도합니다. 생성된 전자기 토크는 제동 역할을 하는 회전자의 관성 방향과 정반대입니다. 전기 제동을 구현하는 과정에서 제동 전원은 외부에서 공급되어야 하며, 이는 여자 시스템의 주 회로 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 전기 제동 여자 전원을 공급하는 다양한 방법은 아래 그림과 같습니다.
전기 브레이크 여자 전원 공급을 얻는 다양한 방법
첫 번째 방식에서, 여자 장치는 자기 병렬 여자 배선 방식입니다. 기계 측이 단락되면 여자 변압기는 전원을 공급받지 못합니다. 제동 전원은 전용 제동 변압기에서 공급되며, 제동 변압기는 발전소 전원에 연결됩니다. 앞서 언급했듯이 대부분의 수력 발전 프로젝트는 자기 병렬 여자 정류기 여자 시스템을 사용하며, 여자 시스템과 전기 제동 시스템에 정류기 브리지를 사용하는 것이 더 경제적입니다. 따라서 이 전기 제동 여자 전원 공급 방식이 더 널리 사용됩니다. 이 방식의 전기 제동 워크플로는 다음과 같습니다.
(1) 유닛 콘센트 회로 차단기가 개방되고 시스템이 분리됩니다.
(2) 회전자 권선의 자기를 제거합니다.
(3) 여자 변압기 2차측 전원 스위치를 개방한다.
(4) 유닛 전기 브레이크 단락 스위치가 닫혀 있습니다.
(5) 전기 브레이크 변압기 2차측 전원 스위치를 닫아 둡니다.
(6) 정류기 브리지 사이리스터가 도통되어 유닛은 전기 브레이크 상태로 진입합니다.
(7) 유닛의 속도가 0일 때 전기 브레이크가 해제됩니다(복합 제동을 사용하는 경우 속도가 정격 속도의 5%~10%에 도달하면 기계적 제동이 적용됩니다).5. 지능형 여자 시스템 지능형 수력 발전소는 정보 디지털화, 통신 네트워킹, 통합 표준화, 비즈니스 상호 작용, 운영 최적화 및 지능형 의사 결정을 갖춘 수력 발전소 또는 수력 발전소 그룹을 말합니다.지능형 수력 발전소는 프로세스 계층, 유닛 계층 및 스테이션 제어 계층으로 수직적으로 구분되며 프로세스 계층 네트워크(GOOSE 네트워크, SV 네트워크)와 스테이션 제어 계층 네트워크(MMS 네트워크)의 3계층 2네트워크 구조를 사용합니다.지능형 수력 발전소는 지능형 장비의 지원을 받아야 합니다.수력 터빈 발전기 세트의 핵심 제어 시스템으로서 여자 시스템의 기술 개발은 지능형 수력 발전소 건설에 중요한 지원 역할을 합니다.
지능형 수력 발전소에서 여자 시스템은 터빈 발전기 세트의 기동 및 정지, 무효 전력 증감, 비상 정지와 같은 기본 작업을 수행하는 것 외에도 IEC61850 데이터 모델링 및 통신 기능을 충족하고, 스테이션 제어 계층 네트워크(MMS 네트워크) 및 프로세스 계층 네트워크(GOOSE 네트워크 및 SV 네트워크)와의 통신을 지원해야 합니다. 여자 시스템 장치는 지능형 수력 발전소 시스템 구조의 단위 계층에 배치되고, 병합 장치, 지능형 단말기, 보조 제어 장치 및 기타 장치 또는 지능형 장비는 프로세스 계층에 배치됩니다. 시스템 구조는 아래 그림과 같습니다.
지능형 여기 시스템
지능형 수력 발전소의 스테이션 제어 계층 호스트 컴퓨터는 IEC61850 통신 표준의 요구 사항을 충족하며, MMS 네트워크를 통해 여자 시스템의 신호를 모니터링 시스템의 호스트 컴퓨터로 전송합니다. 지능형 여자 시스템은 GOOSE 네트워크 및 SV 네트워크 스위치와 연결하여 프로세스 계층에서 데이터를 수집할 수 있어야 합니다. 프로세스 계층은 CT, PT 및 로컬 구성 요소의 출력 데이터가 모두 디지털 형식이어야 합니다. CT와 PT는 병합 유닛에 연결됩니다(전자 변압기는 광케이블로 연결되고 전자기 변압기는 케이블로 연결됨). 전류 및 전압 데이터는 디지털화 후 광케이블을 통해 SV 네트워크 스위치에 연결됩니다. 로컬 구성 요소는 케이블을 통해 지능형 단말기에 연결되어야 하며, 스위치 또는 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되어 광케이블을 통해 GOOSE 네트워크 스위치로 전송됩니다. 현재 여자 시스템은 기본적으로 스테이션 제어 계층 MMS 네트워크 및 프로세스 계층 GOOSE/SV 네트워크와의 통신 기능을 갖추고 있습니다. 지능형 여자 시스템은 IEC61850 통신 표준의 네트워크 정보 상호작용을 충족하는 것 외에도, 포괄적인 온라인 모니터링, 지능형 고장 진단, 그리고 편리한 시험 운영 및 유지보수 기능을 갖춰야 합니다. 완전한 기능을 갖춘 지능형 여자 장치의 성능과 적용 효과는 향후 실제 엔지니어링 적용 환경에서 검증되어야 합니다.
게시 시간: 2024년 10월 9일
