KR101419845B1 - 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 최적화된 리액턴스를 이용한 전송선 재폐로 방법 및 전송선 재폐로 장치 - Google Patents

터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 최적화된 리액턴스를 이용한 전송선 재폐로 방법 및 전송선 재폐로 장치 Download PDF

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KR101419845B1
KR101419845B1 KR1020130026527A KR20130026527A KR101419845B1 KR 101419845 B1 KR101419845 B1 KR 101419845B1 KR 1020130026527 A KR1020130026527 A KR 1020130026527A KR 20130026527 A KR20130026527 A KR 20130026527A KR 101419845 B1 KR101419845 B1 KR 101419845B1
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김철환
오윤식
서훈철
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성균관대학교산학협력단
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    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines

Abstract

본 발명의 전송선 재폐로 장치는 제1 버스를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스를 통해서는 계통에 연결되는 전송선의 재폐로 장치로서, 최적 리액턴스를 산출하고, 전송선에 폴트가 발생하면 전송선의 개로 및 재폐로를 위해 제1 차단 신호 및 제2 차단 신호를 각각 생성하는 재폐로 제어부 및 폴트 시에 전송선의 개로 및 재폐로를 위해, 제1 차단 신호에 의해 전송선의 주 경로를 개폐하고, 제2 차단 신호에 의해 주 경로를 우회하는 우회 경로를 개폐하며, 주 경로 대신에 우회 경로가 전송선에 연결되면 우회 경로를 통해 전송선에 재폐로 제어부에서 산출된 최적 리액턴스를 추가로 제공하는 재폐로 차단부를 포함할 수 있다.

Description

터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 최적화된 리액턴스를 이용한 전송선 재폐로 방법 및 전송선 재폐로 장치{METHOD FOR OPTIMIZING REACTANCE TO REDUCE TORSIONAL TORQUE OF SHAFT IN TURBINE GENERATOR, AND METHOD AND APPARATUS FOR RECLOSING POWER LINE USING THE SAME}
본 발명은 전력 계통의 재폐로 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 재폐로로 인한 터빈 발전기의 축에 대한 영향을 감소하기 위한 기술에 관한 것이다.
전력 전송 선로에서 일어나는 대부분의 고장(fault)은 일시적인 것이어서, 재폐로(reclosing) 동작을 통해 신속하게 전력 계통 시스템을 원상 회복하는 것이 중요하다. 다만, 폴트 시에 전체적인 계통과 부하를 보호하기 위한 개로(opening) 동작과 재폐로(reclosing) 동작에 따르는 선로 스위칭 동작은 과도 전력 또는 과도 전류 발진을 일으킬 수 있고 이는 터빈 발전기의 샤프트(shaft)의 회전 운동에 일시적으로 역학적 영향을 줄 수 있다. 이로 인해 회전 부품 또는 고정 부품 모두에 일시적인 기계적 외력이 가해지고 샤프트 부품들에 손상을 주거나 심하면 망가지게 할 수도 있다는 점이 알려지게 되었다.
터빈 발전기에 가해지는 충격은 스위칭 동작에 의한 급격한 전력 변동 ΔP로 수치화될 수 있는데, 전력 변동이 0.5 pu(per unit) 이하이면 터빈 발전기에 초래되는 수명 손실(loss of life)은 무시할 만하다고 알려져 있다.
터빈 발전기 샤프트에 발생하는 비틀림 토크를 줄이기 위한 방안들이 개발되어 왔는데, 예를 들어 필드 방전 저항기(field discharge resistor)를 이용하여 폴트(fault) 구간 동안에 발전기의 여기(excitation)를 차단하는 방식이라든가, 폴트가 일어나는 단계에 따라 폴트라고 판정되는 위상에서만 재폐로하는 방식, 또는 시스템의 안정성을 향상시키고 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 보상 커패시터를 이용하는 방식 등이 제안되어 왔다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 최적화된 리액턴스를 이용한 재폐로 방법 및 재폐로 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전송선 재폐로 장치는, 제1 버스를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스를 통해서는 계통에 연결되는 전송선의 재폐로 장치로서,
최적 리액턴스를 산출하고, 상기 전송선에 폴트가 발생하면 상기 전송선의 개로 및 재폐로를 위해 제1 차단 신호 및 제2 차단 신호를 각각 생성하는 재폐로 제어부; 및
폴트 시에 상기 전송선의 개로 및 재폐로를 위해, 상기 제1 차단 신호에 의해 상기 전송선의 주 경로를 개폐하고, 상기 제2 차단 신호에 의해 상기 주 경로를 우회하는 우회 경로를 개폐하며, 상기 주 경로 대신에 상기 우회 경로가 상기 전송선에 연결되면 상기 우회 경로를 통해 상기 전송선에 상기 재폐로 제어부에서 산출된 최적 리액턴스를 추가로 제공하는 재폐로 차단부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 재폐로 제어부는,
상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여 최적 리액턴스를 산출하는 최적 리액턴스 산출부; 및
폴트가 발생하면, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 상기 최적 리액턴스를 가지고 상기 우회 경로를 통해 재폐로하도록 상기 제1 및 제2 차단 신호를 생성한 다음, 소정 시간이 지난 후에 상기 우회 경로를 차단하고 상기 주 경로를 복원하도록 상기 제1 및 제2 차단 신호를 생성하는 재폐로 차단 신호부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 재폐로 차단 신호부는,
상기 전송선에 폴트가 발생하였을 경우, 상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 싱크-체크를 수행하고,
만약 LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족되는 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 차단하도록 상기 제1 차단 신호를 생성하며, 또한 상기 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 가지는 상기 우회 경로로써 상기 전송선이 연결되어 재폐로되도록 상기 제2 차단 신호를 생성하고,
상기 재폐로 직후부터 소정의 지연 시간이 지난 다음에, 상기 주 경로로 복원되도록 상기 제1 차단 신호를 생성하고, 동시에 상기 우회 경로를 차단하도록 상기 제2 차단 신호를 생성하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 재폐로 차단부는,
상기 전송선에 직렬 삽입되고 상기 제1 차단 신호에 의해 상기 전송선의 주 경로를 개폐하는 제1 스위치;
상기 제1 스위치를 우회하는 상기 우회 경로 상에 직렬로 배치되어 상기 제2 차단 신호에 의해 상기 우회 경로를 개폐하는 제2 스위치; 및
상기 우회 경로가 연결되면 상기 우회 경로를 통해 상기 전송선에 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 제공하는 투입 리액터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 투입 리액터는 상기 최적 리액턴스 산출부에서 산출된 상기 최적 리액턴스에 따라 리액턴스 값이 설정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 최적 리액턴스는
재폐로 시에 상기 우회 경로에 의해 리액턴스가 상기 전송선에 투입될 때의 전력 변동이 재폐로 후 소정의 지연 시간이 지난 다음에 상기 투입되었던 리액턴스가 상기 전송선으로부터 제거될 때의 전력 변동과 같도록 만드는 리액턴스 값으로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 최적 리액턴스는 다음의 수학식
Figure 112013021645365-pat00001
에 의해 정의되며,
Figure 112013021645365-pat00002
는 최적 리액턴스의 크기이고,
Figure 112013021645365-pat00003
는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00004
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00005
는 재폐로 시 위상각,
Figure 112013021645365-pat00006
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 위상각 및
Figure 112013021645365-pat00007
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 위상각을 각각 의미할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전송선 재폐로 방법은, 제1 버스를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스를 통해서는 계통에 연결되는 전송선의 재폐로 방법으로서,
상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들을 수신하는 단계;
상기 수신된 측정 신호들에 기초하여 최적 리액턴스를 산출하는 단계;
상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지는 우회 경로를 통해 재폐로하는 단계; 및
재폐로 후에 소정 지연 시간이 경과하면 상기 우회 경로를 차단하고 동시에 주 경로를 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지는 우회 경로를 통해 재폐로하는 단계는,
상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 재폐로에 의한 충격을 최소화할 수 있도록 싱크-체크를 수행하는 단계;
LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족된 때에, 상기 전송선의 주 경로를 차단하고, 또한 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 추가할 수 있는 우회 경로로써 상기 전송선이 재폐로되도록 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 최적 리액턴스는
재폐로 시에 상기 우회 경로를 통해 리액턴스가 상기 전송선에 투입될 때의 전력 변동이 재폐로 후 소정의 지연 시간이 지난 다음에 상기 투입되었던 리액턴스가 상기 전송선으로부터 제거될 때의 전력 변동과 같도록 만드는 리액턴스 값으로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 최적 리액턴스는 다음의 수학식
Figure 112013021645365-pat00008
에 의해 정의되며,
Figure 112013021645365-pat00009
는 최적 리액턴스의 크기이고,
Figure 112013021645365-pat00010
는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00011
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00012
는 재폐로 시 위상각,
Figure 112013021645365-pat00013
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 위상각 및
Figure 112013021645365-pat00014
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 위상각을 각각 의미할 수 있다.
본 발명의 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위한 최적화된 리액턴스를 이용한 재폐로 방법 및 재폐로 장치에 따르면, 재폐로 동작 시에 일시적으로 리액턴스를 투입하여 재폐로 동작의 충격을 감소시키는 데에 있어서, 충격을 최소화할 수 있는 최적의 리액턴스를 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법에서, 폴트로 인한 개로와 재폐로 운전 시에 리액터를 투입할 경우의 전력-위상각 곡선들을 예시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 장치에서 리액턴스의 최적값을 개념적으로 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법에서 최적 리액턴스가 실제로 비틀림 토크를 최소화하는지 시뮬레이션한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 장치의 구성을 예시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법을 예시한 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법에서, 폴트로 인한 개로와 재폐로 운전 시에 리액터를 투입할 경우의 전력-위상각 곡선들을 예시한 그래프이다.
먼저, 에너지 활성화된(energized) 두 개의 시스템 사이에 전력 P가 전달될 경우에, 전력 P는 다음 수학식 1과 같이 간략하게 표현될 수 있다.
Figure 112013021645365-pat00015
여기서, VS는 전력을 공급하는 측의 전압 크기이고, VR은 전력을 수신하는 측의 전압 크기이며,
Figure 112013021645365-pat00016
는 두 전력 계통의 위상각들의 차이이고, XL은 전송 경로의 리액턴스이다.
수학식 1의 전력 P와 위상각
Figure 112013021645365-pat00017
관계에 따라, 도 1의 전력-위상각 곡선들이 규정된다. 전력 공급측의 터빈 발전기는 정상 상태(steady-state)에서 도 1의 정상 상태 곡선에 상응하여 운전되는데, Pm이 터빈 발전기의 기계역학적 출력에 상응하는 전기적 출력이라고 하면, 터빈 발전기는 평소에 지점 (a)에 상응하는 전력 Pm과 위상각
Figure 112013021645365-pat00018
0을 갖고 운전된다고 할 수 있다.
만약 전송 경로들 중에 문제가 발생하여 폴트(fault)가 일어나면, 터빈 발전기가 공급 중이던 전력 중 일부가 상실되면서 출력 저하가 발생하고, 터빈 발전기는 순간적으로 폴트 상태 곡선 상의 지점(b)에 상응하는 전력과 위상각으로 동작하게 된다. 하지만 터빈 발전기의 기계역학적 출력은 여전히 Pm에 해당하므로 전력 출력은 폴트 상태 곡선을 따라 상승한다. 매우 짧은 시간이 지난 후에, 폴트를 감지한 차단기(circuit breaker)가 전송 경로를 개방하면, 터빈 발전기의 동작 상태는 지점(c)에서 지점(d)로 천이한다.
터빈 발전기는 터빈의 회전 관성 때문에 폴트 후(post-fault) 상태 곡선 상의 지점 (d)에서 시작하여 전력이 계속 높아지면서 지점(e)까지 이동한다.
전력 전송선의 폴트는 대개 일시적인 현상이므로 폴트의 원인이 사라지면 차단기는 다시 전송 경로를 닫아야 하는데, 이를 재폐로(reclosing)라고 한다.
지점(e)에서 재폐로 동작이 일어나는데, 기존의 재폐로 방식에서는, 차단기가 전송 경로를 다시 연결하는 순간, 전력-위상각 곡선은 최초의 정상 상태 곡선 상의 지점(f)로 천이한다.
이러한 천이는 재폐로의 특성상 피할 수 없는데, 폐로 시에 연결될 양측의 전압, 주파수 및 위상을 서로 매칭시키는 싱크-체크(synch-check) 동작이 필수적이기 때문이다. 전압과 주파수의 미스매치보다 위상의 미스매치가 계통에 주는 영향이 훨씬 크기 때문에, 세 가지 요건 중에서도 위상의 매치는 매우 중요하다. 따라서 지점(e)에서 재폐로를 하기 위해서는 그 시점의 위상각
Figure 112013021645365-pat00019
r을 기준으로 싱크-체크가 이루어진 때에 재폐로를 하여야 하며, 따라서 재폐로 직후에 지점(f)으로 천이할 수 밖에 없다. 전압과 주파수까지 모두 매칭하기는 어려우므로, 스위칭 후에 과도 파형이 발생한다.
이때, 재폐로 전후로 급격한 순간 전력 변동 ΔP는 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112013021645365-pat00020
Figure 112013021645365-pat00021
는 재폐로를 통해 복귀한, 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전압-위상각 곡선 상의 전력 크기이며,
Figure 112013021645365-pat00022
는 폴트가 일어난 후 재폐로되기 전인 폴트 후 상태의 전압-위상각 곡선 상의 전력 크기이다.
재폐로 전후로 발생하는 급격한 전력 변동 ΔP는 경우에 따라서는 ΔP가 IEEE의 권고보다 큰 0.5 pu 이상이 되어 터빈 발전기의 샤프트에 기계적인 손상을 줄 수 있다.
터빈 발전기의 동작 지점은 지점(e)에서 지점(f)로 천이된 후부터 위상각이
Figure 112013021645365-pat00023
0이 되도록 정상 상태 곡선을 따라 점진적으로 이동한다.
그런데 만약, 차단기가 전송 경로에 일시적으로 추가적인 유도성 리액턴스를 제공한다면, 리액턴스가 투입되는 재폐로로 인한 순간 전력 변동
Figure 112013021645365-pat00024
의 크기는 수학식 1 및 수학식 2에 의해 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013021645365-pat00025
Figure 112013021645365-pat00026
는 재폐로 시에 유도성 리액턴스가 투입된 경우의 순간 전력 변동의 크기이고,
Figure 112013021645365-pat00027
는 재폐로 시 리액턴스가 투입되는 경우의 전력 공급 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00028
는 재폐로 시 리액턴스가 투입되는 경우의 전력 수신 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00029
는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00030
는 재폐로 시 투입되는 리액턴스의 크기,
Figure 112013021645365-pat00031
는 재폐로 시 위상각,
Figure 112013021645365-pat00032
는 폴트가 일어난 후에 재폐로 직전의 전력 공급 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00033
는 폴트가 일어난 후에 재폐로 직전의 전력 수신 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00034
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00035
는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 위상각을 각각 의미한다.
터빈 발전기의 동작 지점은 지점(e)에서 지점(f) 대신에 지점(g)로 천이된 후부터 위상각이
Figure 112013021645365-pat00036
0이 되는 방향으로 리액턴스 투입 상태 곡선을 따라 점진적으로 이동한다.
이렇게 재폐로 시에 일시적으로 전송 경로에 리액턴스를 투입한 경우에 재폐로 전후로 발생하는 급격한 순간 전력 변동
Figure 112013021645365-pat00037
는, 수학식 3의 두 개의 항 중 앞쪽의 항에서 분모가 커짐에 따라, 그 값이 상당히 작아지고, IEEE의 권고인 0.5 pu 이하가 되면 터빈 발전기의 샤프트에 미치는 영향은 크게 줄어들 수 있다.
투입된 리액턴스는 지속적으로 전송 경로에 남아 있을 경우에는 폴트가 발생하기 전의 원래 시스템과 다른 전력 특성 환경을 만들기 때문에 전력 손실을 야기한다. 따라서 투입된 리액턴스는 소정의 시간이 흐른 후에 전송 경로에서 제거되어야 한다.
리액턴스의 투입과 제거는 본래의 전송선을 연결 또는 단절하는 제1 스위치와, 전송선에 병렬로 연결된 리액터에 직렬로 연결된 제2 스위치를 각각 스위칭함으로써 이루어질 수 있다.
다시 말해, 리액턴스의 투입은, 제1 스위치가 폴트가 발생한 전송선을 개방하면서 동시에 제2 스위치가 닫히면, 전송 경로가 리액턴스를 거치도록 형성됨으로써, 구현될 수 있다.
또한 리액턴스의 제거는, 제2 스위치가 열리면서 동시에 제1 스위치가 닫히면서 전송 경로가 본래의 전송선을 따라 형성됨으로써 구현될 수 있다.
이러한 스위칭 동작에 의해 리액터의 투입 시 뿐 아니라, 제거 시에도 전력 파형에 약간의 과도 현상이 일어난다.
수학식 3과 유사하게, 투입된 리액턴스가 제거될 때의 순간 전력 변동
Figure 112013021645365-pat00038
의 크기는 수학식 1 및 수학식 2에 의해 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013021645365-pat00039
Figure 112013021645365-pat00040
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거될 경우의 순간 전압 변동,
Figure 112013021645365-pat00041
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 전력 공급 측의 전압,
Figure 112013021645365-pat00042
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 전력 수신 측의 전압,
Figure 112013021645365-pat00043
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 위상각,
Figure 112013021645365-pat00044
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거되는 시점의 전력 공급 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00045
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거되는 시점의 전력 수신 측 전압,
Figure 112013021645365-pat00046
는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
Figure 112013021645365-pat00047
는 재폐로 시 투입되는 리액턴스의 크기,
Figure 112013021645365-pat00048
는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거되는 시점의 위상각이다.
터빈 발전기의 동작 지점은 리액턴스가 투입된 재폐로 동작 이후 소정의 시간이 지난 후에 리액턴스가 제거되면서 지점(g)에서 정상 상태 곡선 상의 예를 들어 지점(f)로 천이된다.
이러한 리액턴스의 제거 시에도 적기는 하지만 약간의 과도 현상을 겪기 때문에, 리액턴스를 투입하지 않는 재폐로 방식과 비교하였을 때에, 리액턴스를 투입하는 재폐로 방식은 두 번의 과도 현상과 그에 따라 터빈 발전기의 샤프트가 비틀림 토크를 견뎌야 한다.
따라서, 두 번의 비틀림 토크 발생에 의한 전체적인 영향이 최소화되어야 할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 장치에서 리액턴스의 최적값을 개념적으로 예시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 투입 또는 제거되는 리액턴스의 크기에 따른 순간 전력 변동의 변화 곡선들이 예시되어 있다.
먼저, 리액턴스를 투입하는 재폐로 시점에, 투입된 리액턴스의 크기가 커질수록 순간 전력 변동의 크기는 작아진다.
반면에, 리액턴스를 제거하는 시점에는, 투입된 리액턴스의 크기가 작을수록 순간 전력 변동의 크기는 커진다.
리액턴스의 투입과 제거 시 각각의 영향은 트레이드오프 관계이기 때문에, 전체적인 영향을 최소화하는 최적 리액턴스는 두 변화 곡선들이 교차하는 지점에 상응하는 리액턴스이다.
따라서, 이러한 최적 리액턴스의 크기
Figure 112013021645365-pat00049
는 수학식 3과 수학식 4로부터 수학식 5와 같이 주어진다.
Figure 112013021645365-pat00050
통상적으로, 터빈 발전기들을 보유하는 발전소는 터빈 발전기의 역학적 특성이 모두 알려져 있고, 발전 계획에 따라 하나 이상의 전송선들을 통해 하나 이상의 부하들에 전력을 공급하며, 전송선들은 계획과 설계에 따라 설비되며, 각 전송선에 폴트가 발생할 경우 그리고 차단기가 작동할 경우의 전력-위상각 곡선들은 수학식 1에 의해 주어지므로, 수학식 5의 최적 리액턴스를 구하기 위한 변수들은 주어진 조건 및 계통의 지속적인 분석과 측정에 의해 그 값들을 모두 미리 특정할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 재폐로 시에 투입될 리액턴스의 최적화된 크기는 전력 공급 측과 전력 수신 측의 전압 크기, 위상 차이 즉 위상각, 전력 전송선의 리액턴스를 지속적으로 관측하고, 관측된 값들을 수학식 5에 인가함으로써, 언제라도 적시에 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법에서 최적 리액턴스가 실제로 비틀림 토크를 최소화하는지 시뮬레이션한 결과이다.
도 3을 참조하면, 예시적으로 표 1과 같은 파라미터들을 가지는 발전 전압 345 kV의 터빈 발전기가 부하 사이의 위상각 차이가 30°인 경우에, 투입된 리액턴스의 크기에 따라
Figure 112013021645365-pat00051
와 터빈 발전기 샤프트의 비틀림 토크의 상대적 크기가 하나의 그래프 상에 나타나 있다.
도 3에서, 투입된 리액턴스가 0에서 점점 커져 60 mH에 이르기까지
Figure 112013021645365-pat00052
의 크기와 비틀림 토크의 크기가 함께 줄어들지만, 투입된 리액턴스가 60 mH보다 커지면,
Figure 112013021645365-pat00053
는 점점 줄어들지만, 비틀림 토크는 다시 커지는 것을 볼 수 있다.
다시 말해,
Figure 112013021645365-pat00054
는 투입된 리액턴스가 없을 때 즉, 0일 때에는 0.5 pu에 가깝지만, 투입된 리액턴스가 60 mH일 때에는 0.25 pu 정도로 충분히 낮아진다. 따라서 비틀림 토크가 최소화되도록 투입된 리액턴스가 곧 최적 리액턴스라고 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 장치의 구성을 예시한 블록도이다.
도 4에서, 재폐로 장치(1)는 재폐로 차단기(30)와 재폐로 제어부(40)로 구성될 수 있다.
재폐로 차단기(30)는 복수의 전력 전송선들(10, 20)의 각각에 직렬로 삽입되어 있는데, 전력 전송선들(10, 20)은 제1 버스(BUS1)를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스(BUS2)를 통해서는 계통에 연결되어 있다.
재폐로 차단기(30)는 폴트 발생 시에 개로와 재폐로를 위해, 제1 차단 신호(CB1)에 의해 전송선(10)의 주 경로(P1)를 개폐하고, 제2 차단 신호(CB2)에 의해 주 경로(P1)를 우회하는 우회 경로(P2)를 개폐하며, 재폐로 시에 주 경로(P1) 대신에 우회 경로(P2)가 전송선(10)에 연결되면 우회 경로(P2)를 통해 전송선(10)에 최적 리액턴스(Xop)를 추가로 제공할 수 있다.
이를 위해 구체적으로, 재폐로 차단기(30)는 전송선(10)에 직렬 삽입되고 제1 차단 신호(CB1)에 의해 전송선(10)의 주 경로(P1)를 개폐(switching)하는 제1 스위치(31)와, 제1 스위치(31)를 우회하는 전송선(10)의 우회 경로(P2) 상에 서로 직렬로 배치되어 제2 차단 신호(CB2)에 의해 우회 경로(P2)를 개폐하는 제2 스위치(32) 및 우회 경로(P2)가 연결되면 우회 경로(P2)를 통해 전송선(10)에 재폐로 제어부(40)에서 산출된 최적 리액턴스(Xop)를 추가로 제공하는 투입 리액터(33)를 포함한다.
실시예에 따라, 최적 리액턴스(Xop)는 재폐로 시에 리액턴스(Xreactor)가 전송선(10)에 투입될 때의 전력 변동(ΔPreactor)이 소정의 지연 시간이 지난 후에 리액턴스(Xreactor)가 전송선(10)으로부터 제거될 때의 전력 변동(ΔPremove)과 같도록, 예를 들어 수학식 5와 같이, 만드는 리액턴스 값을 가진다.
실시예에 따라, 투입 리액터(33)는 가변 리액터로서 구현되어, 리액턴스 조절 신호(R_ADJ)에 따라 리액턴스(Xreactor)를 가변할 수 있다. 이 경우, 리액턴스 조절 신호(R_ADJ)는 최적 리액턴스(Xop) 값에 따라 결정될 수 있다.
재폐로 제어부(40)는 최적 리액턴스(Xop)를 산출하는 최적 리액턴스 산출부(41)와 개로와 재폐로를 위해 제1 및 제2 차단 신호들(CB1, CB2)를 생성하는 재폐로 차단 신호 생성부(42)를 포함할 수 있다.
최적 리액턴스 산출부(41)는 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)를 수신하고, 수신된 측정 신호들에 기초하여 수학식 5에 따라 최적 리액턴스(Xop)를 산출하며, 산출된 최적 리액턴스(Xop)를 포함하는 리액턴스 조절 신호(R_ADJ)를 생성하여 투입 리액터(33)로 전송할 수 있다.
재폐로 차단 신호부(42)도 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)를 수신하며, 폴트가 발생하면, 전송선(10)의 주 경로(P1)를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지고 우회 경로(P2)를 통해 재폐로한 다음, 소정 시간이 지난 후에 우회 경로(P2)를 차단하고 주 경로(P1)를 복원하도록 제1 및 제2 차단 신호를 생성하여 재폐로 차단기(30)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 먼저 재폐로 차단 신호부(42)는 전송선(10)에 폴트가 발생하였을 경우, 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 재폐로에 의한 충격을 최소화할 수 있도록 싱크-체크(또는 동기 검정)를 수행한다.
만약 LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족되는 경우에, 재폐로 차단 신호부(42)는 전송선(10)의 주 경로(P1)를 차단하는 제1 차단 신호(CB1)를 생성하며, 또한 최적 리액턴스(Xop)로 설정된 리액턴스를 추가할 수 있는 우회 경로(P2)로써 전송선(10)이 재폐로되도록 연결하는 제2 차단 신호(CB2)를 생성한다. 제1 스위치(31)는 제1 차단 신호(CB1)에 의해 전송선(10)의 주 경로(P1)를 차단하고, 제2 스위치(32)는 제2 차단 신호(CB2)에 의해 전송선(10)에 우회 경로(P2)를 연결한다.
재폐로 차단 신호부(42)는, 제2 차단 신호(CB2)를 생성하여 재폐로한 직후부터 소정의 지연 시간 T이 지난 다음에, 주 경로(P1)를 다시 연결하도록 제1 차단 신호(CB1)를 생성하고, 동시에 우회 경로(P2)를 차단하도록 제2 차단 신호(CB2)를 생성할 수 있다.
이에 따라, 재폐로 차단부(30)의 제1 스위치(31)는 제1 차단 신호(CB1)에 의해 주 경로(P1)를 다시 연결하고 동시에 제2 스위치(32)는 제2 차단 신호(CB2)에 의해 우회 경로(P2)를 차단한다.
이로써, 리액터 투입 방식 재폐로 장치는 최적의 리액턴스를 가지고 재폐로로 인한 터빈 발전기의 샤프트의 기계적인 충격을 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 발전기의 샤프트 비틀림 토크를 감소시키기 위해 최적화된 크기의 리액턴스를 일시적으로 투입하는 재폐로 방법을 예시한 순서도이다.
도 4와 도 5를 함께 참조하면, 본 발명의 재폐로 방법은 투입 리액턴스 최적화 단계(S51 내지 S53)와 재폐로 단계(S54 내지 S5)로 구성된다.
먼저, 투입 리액턴스 최적화를 위해, 단계(S51)에서, 재폐로 장치(1)가 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)를 수신한다.
단계(S52)에서, 재폐로 장치(1)는 수신된 측정 신호들에 기초하여 수학식 5에 따라 최적 리액턴스(Xop)를 산출하며, 산출된 최적 리액턴스(Xop)를 포함하는 리액턴스 조절 신호(R_ADJ)를 생성할 수 있다.
단계(S53)에서, 재폐로 장치(1)는 최적 리액턴스 조절 신호(R_ADJ)에 따라, 우회 경로(P2)에 준비된 투입 리액터(33)의 크기를 최적 리액턴스(Xop)로 조절한다.
여기서 최적 리액턴스(Xop)는 재폐로 시에 리액턴스(Xreactor)가 전송선(10)에 투입될 때의 전력 변동(ΔPreactor)이 소정의 지연 시간이 지난 후에 리액턴스(Xreactor)가 전송선(10)으로부터 제거될 때의 전력 변동(ΔPremove)과 같도록, 예를 들어 수학식 5와 같이, 만드는 리액턴스 값을 가진다.
이어서, 전송선(10)에 폴트가 일어났을 때에 재폐로를 위해, 단계(S54)에서, 재폐로 장치(1)가 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)를 수신한다.
단계(S55)에서, 재폐로 장치(1)가 전송선(10)의 주 경로(P1)를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지고 우회 경로(P2)를 통해 재폐로한다.
실시예에 따라 구체적으로, 단계(S551)에서는 재폐로 장치(1)가 제1 버스(BUS1)로부터 측정된 제1 버스 측정 신호(V_BUS1, δ_BUS1), 전송선(10)으로부터 측정된 전송선 측정 신호(V_LINE) 및 제2 버스(BUS2)로부터 측정된 제2 버스 측정 신호(V_BUS2, δ_BUS2)에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 재폐로에 의한 충격을 최소화할 수 있도록 싱크-체크(또는 동기 검정)를 수행한다.
단계(S551)에서 만약 LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족된 경우에, 단계(S552)에서 재폐로 제어부(40)가 전송선(10)의 주 경로(P1)를 차단하는 제1 차단 신호(CB1)를 생성하며, 또한 단계(S553)에서 재폐로 제어부(40)가 최적 리액턴스(Xop)로 설정된 리액턴스를 추가할 수 있는 우회 경로(P2)로써 전송선(10)이 재폐로되도록 연결하는 제2 차단 신호(CB2)를 생성한다. 단계(S554)에서, 재폐로 차단부(30)는 제1 차단 신호(CB1)에 의해 전송선(10)의 주 경로(P1)를 차단하고, 또한 제2 차단 신호(CB2)에 의해 전송선(10)에 우회 경로(P2)를 연결한다.
단계(S56)에서, 재폐로 장치(1)는 소정 지연 시간이 지났는지 체크하고, 소정 지연 시간이 경과한 경우에 단계(S57)에서, 우회 경로(P2)를 차단하고 주 경로(P1)를 복원할 수 있다.
구체적으로, 단계(S57)에서, 재폐로 제어부(40)는, 제2 차단 신호(CB2)를 생성하여 재폐로한 직후부터 소정의 지연 시간 T이 지난 다음에, 주 경로(P1)를 다시 연결하도록 제1 차단 신호(CB1)를 생성하고, 동시에 우회 경로(P2)를 차단하도록 제2 차단 신호(CB2)를 생성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
1 재폐로 장치
10, 20 전력 전송선
30 재폐로 차단기
31 제1 스위치
32 제2 스위치
33 투입 리액터
40 재폐로 제어부
41 최적 리액턴스 산출부
42 재폐로 차단 신호 생성부

Claims (11)

  1. 제1 버스를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스를 통해서는 계통에 연결되는 전송선의 재폐로 장치로서,
    최적 리액턴스를 산출하고, 상기 전송선에 폴트가 발생하면 상기 전송선의 개로 및 재폐로를 위해 제1 차단 신호 및 제2 차단 신호를 각각 생성하는 재폐로 제어부; 및
    폴트 시에 상기 전송선의 개로 및 재폐로를 위해, 상기 제1 차단 신호에 의해 상기 전송선의 주 경로를 개폐하고, 상기 제2 차단 신호에 의해 상기 주 경로를 우회하는 우회 경로를 개폐하며, 상기 주 경로 대신에 상기 우회 경로가 상기 전송선에 연결되면 상기 우회 경로를 통해 상기 전송선에 상기 재폐로 제어부에서 산출된 최적 리액턴스를 추가로 제공하는 재폐로 차단부를 포함하는 전송선 재폐로 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 재폐로 제어부는,
    상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여 최적 리액턴스를 산출하는 최적 리액턴스 산출부; 및
    폴트가 발생하면, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 상기 최적 리액턴스를 가지고 상기 우회 경로를 통해 재폐로하도록 상기 제1 및 제2 차단 신호를 생성한 다음, 소정 시간이 지난 후에 상기 우회 경로를 차단하고 상기 주 경로를 복원하도록 상기 제1 및 제2 차단 신호를 생성하는 재폐로 차단 신호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 재폐로 차단 신호부는,
    상기 전송선에 폴트가 발생하였을 경우, 상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 싱크-체크를 수행하고,
    만약 LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족되는 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 차단하도록 상기 제1 차단 신호를 생성하며, 또한 상기 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 가지는 상기 우회 경로로써 상기 전송선이 연결되어 재폐로되도록 상기 제2 차단 신호를 생성하고,
    상기 재폐로 직후부터 소정의 지연 시간이 지난 다음에, 상기 주 경로로 복원되도록 상기 제1 차단 신호를 생성하고, 동시에 상기 우회 경로를 차단하도록 상기 제2 차단 신호를 생성하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 재폐로 차단부는,
    상기 전송선에 직렬 삽입되고 상기 제1 차단 신호에 의해 상기 전송선의 주 경로를 개폐하는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치를 우회하는 상기 우회 경로 상에 직렬로 배치되어 상기 제2 차단 신호에 의해 상기 우회 경로를 개폐하는 제2 스위치; 및
    상기 우회 경로가 연결되면 상기 우회 경로를 통해 상기 전송선에 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 제공하는 투입 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 투입 리액터는 상기 최적 리액턴스 산출부에서 산출된 상기 최적 리액턴스에 따라 리액턴스 값이 설정되는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 최적 리액턴스는
    재폐로 시에 상기 우회 경로에 의해 리액턴스가 상기 전송선에 투입될 때의 전력 변동이 재폐로 후 소정의 지연 시간이 지난 다음에 상기 투입되었던 리액턴스가 상기 전송선으로부터 제거될 때의 전력 변동과 같도록 만드는 리액턴스 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 최적 리액턴스는 다음의 수학식
    Figure 112013021645365-pat00055

    에 의해 정의되며,
    Figure 112013021645365-pat00056
    는 최적 리액턴스의 크기이고,
    Figure 112013021645365-pat00057
    는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
    Figure 112013021645365-pat00058
    는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 전송 경로의 리액턴스,
    Figure 112013021645365-pat00059
    는 재폐로 시 위상각,
    Figure 112013021645365-pat00060
    는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 위상각 및
    Figure 112013021645365-pat00061
    는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 위상각을 각각 의미하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 장치.
  8. 제1 버스를 통해서는 터빈 발전기와 연결되고 제2 버스를 통해서는 계통에 연결되는 전송선의 재폐로 방법으로서,
    상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들을 수신하는 단계;
    상기 수신된 측정 신호들에 기초하여 최적 리액턴스를 산출하는 단계;
    상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지는 우회 경로를 통해 재폐로하는 단계; 및
    재폐로 후에 소정 지연 시간이 경과하면 상기 우회 경로를 차단하고 동시에 주 경로를 복원하는 단계를 포함하는 전송선의 재폐로 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 전송선의 주 경로를 일시 차단한 후에 최적 리액턴스를 가지는 우회 경로를 통해 재폐로하는 단계는,
    상기 전송선에 폴트가 발생할 경우에, 상기 제1 버스, 상기 제2 버스 및 상기 전송선에서 측정되는 전압 및 위상각 측정 신호들에 기초하여, LBLL(Live-Bus/Live-Line) 조건들 하에서 재폐로에 의한 충격을 최소화할 수 있도록 싱크-체크를 수행하는 단계;
    LBLL 조건 및 싱크-체크가 모두 만족된 때에, 상기 전송선의 주 경로를 차단하고, 또한 최적 리액턴스 값으로 설정된 리액턴스를 추가할 수 있는 우회 경로로써 상기 전송선이 재폐로되도록 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 최적 리액턴스는
    재폐로 시에 상기 우회 경로를 통해 리액턴스가 상기 전송선에 투입될 때의 전력 변동이 재폐로 후 소정의 지연 시간이 지난 다음에 상기 투입되었던 리액턴스가 상기 전송선으로부터 제거될 때의 전력 변동과 같도록 만드는 리액턴스 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 방법.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 최적 리액턴스는 다음의 수학식
    Figure 112013021645365-pat00062

    에 의해 정의되며,
    Figure 112013021645365-pat00063
    는 최적 리액턴스의 크기이고,
    Figure 112013021645365-pat00064
    는 폴트가 일어나기 전 정상 상태의 전송 경로의 리액턴스,
    Figure 112013021645365-pat00065
    는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 전송 경로의 리액턴스,
    Figure 112013021645365-pat00066
    는 재폐로 시 위상각,
    Figure 112013021645365-pat00067
    는 재폐로를 위해 투입되었던 리액턴스가 제거된 직후의 위상각 및
    Figure 112013021645365-pat00068
    는 폴트가 일어난 후의 재폐로 직전의 위상각을 각각 의미하는 것을 특징으로 하는 전송선 재폐로 방법.
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