수력 발전소의 여자 시스템이란 무엇인가?

자연 속의 강은 모두 일정한 경사를 가지고 있습니다. 물은 중력의 작용으로 강바닥을 따라 흐릅니다. 높은 곳에 있는 물은 풍부한 위치 에너지를 가지고 있습니다. 수력 구조물과 전기 기계 장비를 이용하여 물의 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는데, 이것이 바로 수력 발전입니다. 수력 발전의 원리는 전자기 유도에 기반합니다. 즉, 도체가 자기장 내의 자력선을 가로지를 때 전류가 발생한다는 것입니다. 여기서 도체의 자기장 내에서의 "움직임"은 물의 흐름이 터빈에 부딪혀 물의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환함으로써 얻어집니다. 그리고 자기장은 거의 항상 발전기 회전자 권선을 통해 흐르는 여자 시스템에서 생성된 여자 전류에 의해 형성됩니다. 즉, 자성은 전기에 의해 생성됩니다.
1. 여자 시스템이란 무엇인가? 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 공급하는 장비를 말하며, 동기 발전기의 중요한 부분입니다. 여자 시스템은 일반적으로 여자 전력부와 여자 조정기의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 여자 전력부는 동기 발전기 회전자에 여자 전류를 공급하고, 여자 조정기는 입력 신호와 주어진 조정 기준에 따라 여자 전력부의 출력을 제어합니다.

2. 여자 시스템의 기능 여자 시스템은 다음과 같은 주요 기능을 수행합니다. (1) 정상 작동 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(즉, 무부하 전위) Ed, 발전기 단자 전압 Ug, 발전기의 무효 부하 전류 Ir, 그리고 종방향 동기 리액턴스 Xd 사이에는 대략적인 관계가 있습니다.
유도 전위 Ed는 자속에 비례하고, 자속은 여자 전류의 크기에 따라 달라집니다. 여자 전류가 일정하면 자속과 유도 전위 Ed도 일정하게 유지됩니다. 위 공식에서 알 수 있듯이 발전기의 단자 전압은 무효 전류가 증가함에 따라 감소합니다. 그러나 전력 품질에 대한 사용자의 요구 사항을 충족하려면 발전기의 단자 전압은 기본적으로 일정하게 유지되어야 합니다. 따라서 이 요구 사항을 충족하는 방법은 무효 전류 Ir(즉, 부하)의 변화에 ​​따라 발전기의 여자 전류를 조정하는 것입니다. (2) 부하 조건에 따라 주어진 규칙에 따라 여자 전류를 조정하여 무효 전력을 조정합니다. 무효 전력을 조정해야 하는 이유는 무엇일까요? 변압기, 모터, 용접기 등 많은 전기 장비는 전자기 유도 원리를 기반으로 작동합니다. 이들은 모두 교류 자기장을 생성하여 에너지를 변환하고 전달합니다. 교류 자기장과 유도 자속을 생성하는 데 필요한 전력을 무효 전력이라고 합니다. 전자기 코일을 사용하는 모든 전기 장비는 자기장을 형성하기 위해 무효 전력을 소비합니다. 무효 전력이 없으면 모터는 회전하지 않고, 변압기는 전압을 변환할 수 없으며, 많은 전기 장비가 작동하지 않습니다. 따라서 무효 전력은 결코 쓸모없는 에너지가 아닙니다. 정상적인 상황에서 전기 장비는 발전기로부터 유효 전력뿐만 아니라 무효 전력도 공급받아야 합니다. 전력망의 무효 전력 공급이 부족하면 전기 장비는 정상적인 자기장을 형성하기에 충분한 무효 전력을 확보하지 못하게 됩니다. 그러면 전기 장비는 정격 작동을 유지할 수 없게 되고, 장비의 단자 전압이 떨어져 정상적인 작동에 지장을 초래합니다. 따라서 실제 부하에 따라 무효 전력을 조정해야 하며, 발전기에서 출력되는 무효 전력은 여자 전류의 크기와 관련이 있습니다. 구체적인 원리는 여기에서 자세히 설명하지 않겠습니다. (3) 전력 시스템에서 단락 사고가 발생하거나 기타 원인으로 발전기 단자 전압이 심각하게 떨어질 경우, 발전기를 강제로 여자시켜 전력 시스템의 동적 안정성 한계와 계전기 보호 동작의 정확도를 향상시킬 수 있다. (4) 갑작스러운 부하 차단 등으로 발전기 과전압이 발생할 경우, 발전기를 강제로 탈자하여 발전기 단자 전압의 과도한 상승을 제한할 수 있다. (5) 전력 시스템의 정적 안정성을 향상시킨다. (6) 발전기 내부 및 도선에서 상간 단락이 발생하거나 발전기 단자 전압이 너무 높을 경우, 신속하게 탈자를 실시하여 사고 확산을 제한한다. (7) 병렬 발전기의 무효 전력을 합리적으로 분배할 수 있다.

3. 여자 시스템의 분류 발전기가 여자 전류를 얻는 방식(즉, 여자 전원 공급 방식)에 따라 여자 시스템은 외부 여자와 자여자로 나눌 수 있습니다. 외부 전원에서 여자 전류를 얻는 것을 외부 여자라고 하고, 발전기 자체에서 여자 전류를 얻는 것을 자여자라고 합니다. 정류 방식에 따라 회전 여자와 정적 여자로 나눌 수 있습니다. 정적 여자 시스템은 별도의 여자기가 필요하지 않습니다. 발전기 자체에서 여자 전력을 얻는 경우 자여자 정적 여자라고 합니다. 자여자 정적 여자는 자병렬 여자와 자복 여자로 나눌 수 있습니다.
가장 일반적으로 사용되는 여자 방식은 아래 그림과 같은 자병렬 여자 정적 여자 방식입니다. 이 방식은 발전기 출력단에 연결된 정류 변압기를 통해 여자 전력을 얻고, 정류 후 발전기 여자 전류를 공급합니다.
자체 병렬 여자 정적 정류기 여자 시스템의 배선도

자병렬 여자 정적 여자 시스템은 주로 여자 변압기, 정류기, 탈자 장치, 전압 조정 제어기 및 과전압 보호 장치로 구성됩니다. 이 다섯 가지 부품은 각각 다음과 같은 기능을 수행합니다.
(1) 여자 변압기: 기계단의 전압을 정류기와 일치하는 전압으로 낮춥니다.
(2) 정류기: 이는 전체 시스템의 핵심 구성 요소입니다. AC를 DC로 변환하는 작업을 완료하기 위해 3상 완전 제어 브리지 회로가 자주 사용됩니다.
(3) 탈자 장치: 탈자 장치는 탈자 스위치와 탈자 저항기의 두 부분으로 구성됩니다. 이 장치는 사고 발생 시 장치의 빠른 탈자를 담당합니다.
(4) 조절 제어기: 여자 시스템의 제어 장치는 정류 장치의 사이리스터의 도통각을 제어하여 여자 전류를 변경함으로써 발전기의 무효 전력 및 전압을 조절하는 효과를 얻습니다.
(5) 과전압 보호: 발전기 회전자 회로에 과전압이 발생하면 회로가 켜져 과전압 에너지를 소모하고 과전압 값을 제한하여 발전기 회전자 권선과 연결된 장비를 보호합니다.
자병렬 여자 정적 여자 시스템의 장점은 구조가 간단하고, 장비가 적게 필요하며, 투자 비용이 낮고 유지 보수가 적다는 것입니다. 단점은 발전기나 시스템에 단락이 발생할 경우 여자 전류가 사라지거나 크게 감소하는데, 이때 여자 전류를 크게 증가시켜야 한다는 점입니다(즉, 강제 여자). 그러나 현대의 대형 발전기는 대부분 폐쇄형 모선을 사용하고 고전압 전력망은 일반적으로 신속한 보호와 높은 신뢰성을 갖추고 있기 때문에 이러한 여자 방식을 사용하는 발전기의 수가 증가하고 있으며, 이는 규정 및 규격에서 권장하는 여자 방식이기도 합니다. 4. 발전기의 전기 제동 발전기가 무부하 상태로 정지하면 회전자의 큰 회전 관성으로 인해 기계 에너지의 일부가 저장됩니다. 이 에너지는 스러스트 베어링, 가이드 베어링 및 공기의 마찰열로 변환된 후에야 완전히 정지할 수 있습니다. 공기의 마찰 손실은 원주 선속도의 제곱에 비례하므로 회전자 속도는 처음에는 매우 빠르게 감소하고, 그 후 저속에서 장시간 공회전하게 됩니다. 저속으로 장시간 운전할 경우, 스러스트 헤드 아래의 미러 플레이트와 베어링 부시 사이에 오일막이 형성되지 않아 스러스트 부시가 소손될 수 있습니다. 따라서 정지 과정에서 장치 속도가 특정 기준값 이하로 떨어지면 장치 제동 시스템을 작동시켜야 합니다. 장치 제동에는 전기 제동, 기계 제동 및 복합 제동이 있습니다. 전기 제동은 발전기를 분리 및 탈자한 후 기계단 출력에서 ​​3상 발전기 고정자를 단락시키고 장치 속도가 정격 속도의 약 50~60%까지 떨어질 때까지 기다립니다. 일련의 논리 연산을 통해 제동력을 공급하고, 여자 조정기가 전기 제동 모드로 전환되어 발전기 회전자 권선에 여자 전류를 추가합니다. 발전기가 회전함에 따라 회전자 자기장의 작용으로 고정자에 단락 전류가 유도됩니다. 이때 발생하는 전자기 토크는 회전자의 관성 방향과 정반대 방향이므로 제동 효과를 발휘합니다. 전기 제동을 구현하는 과정에서 제동 전원을 외부에서 공급해야 하는데, 이는 여자 시스템의 주 회로 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 전기 제동 여자 전원을 얻는 다양한 방법은 아래 그림에 나와 있습니다.
전기 브레이크 여자 전원 공급을 얻는 다양한 방법
첫 번째 방식은 여자 장치가 자체 병렬 여자 배선 방식을 사용하는 것입니다. 기계단이 단락되면 여자 변압기에는 전원이 공급되지 않습니다. 제동 전원은 전용 제동 변압기에서 공급되며, 제동 변압기는 발전소 전원에 연결됩니다. 앞서 언급했듯이 대부분의 수력 발전 프로젝트는 자체 병렬 여자 정류기 여자 시스템을 사용하며, 여자 시스템과 전기 제동 시스템에 정류 브리지를 사용하는 것이 더 경제적입니다. 따라서 이 방식으로 전기 제동 여자 전원을 공급받는 것이 더 일반적입니다. 이 방식의 전기 제동 작동 과정은 다음과 같습니다.
(1) 유닛 콘센트 회로 차단기를 열고 시스템을 분리합니다.
(2) 회전자 권선이 탈자됩니다.
(3) 여자 변압기의 2차측 전원 스위치를 엽니다.
(4) 유닛 전기 브레이크 단락 스위치가 닫혀 있습니다.
(5) 전기 브레이크 변압기의 2차측 전원 스위치가 닫혀 있습니다.
(6) 정류 브리지 사이리스터가 도통되도록 트리거되고 장치가 전기 브레이크 상태로 들어갑니다.
(7) 장치의 속도가 0일 때 전기 브레이크가 해제됩니다(복합 제동을 사용하는 경우, 정격 속도의 5%~10%에 도달하면 기계식 제동이 적용됩니다). 5. 지능형 여자 시스템 지능형 수력 발전소는 정보 디지털화, 통신 네트워크화, 통합 표준화, 비즈니스 상호 작용, 운영 최적화 및 지능형 의사 결정을 갖춘 수력 발전소 또는 수력 발전소 그룹을 의미합니다. 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 필요로 합니다. 수력 터빈 발전기 세트의 핵심 제어 시스템인 여자 시스템의 기술 개발은 지능형 수력 발전소 건설에 중요한 지원 역할을 합니다.
지능형 수력 발전소에서 여자 시스템은 터빈 발전기 세트의 시동 및 정지, 무효 전력 증감, 비상 정지 등의 기본 기능 외에도 IEC61850 데이터 모델링 및 통신 기능을 충족하고, 발전소 제어 계층 네트워크(MMS 네트워크) 및 공정 계층 네트워크(GOOSE 네트워크 및 SV 네트워크)와의 통신을 지원해야 합니다. 여자 시스템 장치는 지능형 수력 발전소 시스템 구조의 단위 계층에 배치되고, 합류 장치, 지능형 단말기, 보조 제어 장치 등의 장치 또는 지능형 장비는 공정 계층에 배치됩니다. 시스템 구조는 아래 그림과 같습니다.
지능형 여자 시스템
지능형 수력 발전소의 제어 계층 호스트 컴퓨터는 IEC61850 통신 표준 요구 사항을 충족하며, MMS 네트워크를 통해 여자 시스템의 신호를 모니터링 시스템의 호스트 컴퓨터로 전송합니다. 지능형 여자 시스템은 처리 계층에서 데이터를 수집하기 위해 GOOSE 네트워크 및 SV 네트워크 스위치에 연결할 수 있어야 합니다. 처리 계층에서는 변류기(CT), 변압기(PT) 및 기타 구성 요소에서 출력되는 데이터가 모두 디지털 형식이어야 합니다. CT와 PT는 통합 장치에 연결되고(전자 변압기는 광케이블로, 전자 변압기는 케이블로 연결됨), 전류 및 전압 데이터가 디지털화된 후 광케이블을 통해 SV 네트워크 스위치로 연결됩니다. 각 구성 요소는 케이블을 통해 지능형 단말기에 연결되어야 하며, 스위치 또는 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되어 광케이블을 통해 GOOSE 네트워크 스위치로 전송됩니다. 현재 여자 시스템은 제어 계층의 MMS 네트워크 및 처리 계층의 GOOSE/SV 네트워크와 기본적으로 통신 기능을 갖추고 있습니다. 지능형 여자 시스템은 IEC61850 통신 표준의 네트워크 정보 상호 작용을 충족하는 것 외에도 포괄적인 온라인 모니터링, 지능형 고장 진단, 편리한 시험 및 유지보수 기능을 갖추어야 합니다. 완전한 기능을 갖춘 지능형 여자 장치의 성능과 적용 효과는 향후 실제 엔지니어링 적용 사례를 통해 검증되어야 합니다.