2016년 KEPIC-Week

[모의시험장치를 활용한]

디지털 여자시스템 특성시험

2016. 9.

차장 김성민

발전기술개발원 기술전문센터

일반현황

CONTENTS

Excitation System 기능

특성시험

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

개선효과 Ⅳ

일반현황 Ⅰ.

4

화력발전소 구성

5

• 발전기 구조

고정자(Stator)

6

Collector Rings

회전자(Rotor)

7

• PFQV Control

유(무)효전력 제어

8

발전기 제어시스템 (Generator Control System)

9

Fleld

Armature

Armature

Main

Tr

FX

AVRREF+

- PT

PPT

Vt = KΦN

발전기

발전기 제어시스템

발전기 제어시스템 (Generator Control System)

10

발전기 제어시스템 운영현황

제작사 Model 제어기 형식 년도 사업소

GE EX-2000 Digital 2중화, 정지형 1997 당진 5,6

EX-2100 Digital 2중화, 정지형 2010 당진 7,8

MHPS MEC-700 Digital 2중화, 정지형 2013 당진 9,10

ALSTOM P-320 Digital 2중화, 정지형 2008 영흥

Siemens SPPA-E3000 Digital 2중화, 정지형

ABB UNITROL-6800 Digital 2중화, 정지형

제작사별 제어기 형식(국외]

제작사 Model 제어기 형식 년도 사업소

대산전자 KEAVR-A20 Analog 2중화, 회전형 2001 울산복합

맥스파워 KDR-2000 Digital 3중화, 정지형 2004 울산기력

두산중공업 DS-DEX333 Digital 3중화, 정지형 2005 호남

글로리 E&C KDR-1200D Digital 2중화, 회전형 2001 일산

맥스파워 KDR-2100 Digital 3중화, 정지형 2014 당진

제작사별 제어기 형식(국내]`

11

여자시스템 외형

EX2100(GE) DS DEX(두산중공업)

Excitation System 기능 Ⅱ.

13

단자전압 조정범위 : 정격 ± 5%

응답비(Response Ratio) : 정지형 2.0이상/회전정류기형 0.5이상

정상전압(Ceiling Voltage) : 정격여자전압 1.5배이상

전력계통 안정화 장치(PSS, Power System Stabilizer) : 500MVA이상

동기발전기 6년마다 점검

발전설비 특성자료 제출 : 20MVA이상 발전기(신증설, 여자기 모듈교체시)

전기품질 유지기준

14

유효전력(Active Power)

무효전력(Reactive Power)

발전기 1상당 무효전력

전기적 출력

15

제어기능

발전기 단자전압 조정

무효전력 증가 → 90R Raise, 무효전력 감소 → 90R Lower

- 계통전압 및 선로 임피던스는 거의 일정

무효전력은 발전기 단자전압에 비례

무효전력 조정

PT로 부터 발전기 단자전압(Vt)을 받아 90R Setting 값과 비교

- Exciter Thyristor의 Firing Pulse 신호 전송

Vt < 90R : 여자전류 증가, Vt > 90R 여자전류 감소

16

전력계통 안정화 기능

부하탈락시 단자전압 상승억제

계통사고 발생으로 4~5Cycle 이내 차단기 개방

Static Exciter : 빠른 응답속도, 과도안정도 향상

PSS(Power System Stabilizer) : 동태안정도 향상

여자전류에 따른 발전기 단자전압 운전 중 차단기 개방시

17

보호기능

과여자 제한(Over Excitation Limit, A구간]

저여자 제한(Under Excitation Limit, C구간]

여자전류 증가에 의한 회전자 권선 과열방지

회전자 단부 누설자속 증가로 인한 철심 단부 과열방지

특성시험 Ⅲ.

19

개념도

20

- P/T, C/T 입출력 확인시험 - MVR운전시험 및 AVR운전시험 - AVR P/T 상실 시험(MVR 절체시험) - 과자속(V/Hz)제한 시험 및 발전기 과전압 시험 - 부족여자제한(UEL) 시험 및 계자상실(LOE) 시험 - 여자시스템 계단 응답시험 - PSS시험, Calibration 등

터빈 출력에 따라 발전기 전압을 임의로 낮추어 UEL보호기능이 동작하는지 확인.

Set Point를 낮추었다가 복귀 시 단자 전압

Set Point를 낮추었다가 복귀 시 계자 전압

Set Point를 낮추었을 때 UEL 알람이 발생하는지 확인.

주요기능

21

초기 화면 및 발전기 정수 설정

실시간 모의장치 초기화면

발전기 정수설정

22

PT, CT 입출력 확인 및 이력관리

23

Control Panel ↔ Simulator간 결선

시험준비

메모리 Hi-Coder 결선 임시부하(할로겐 램프) 연결

24

Voltage Build up Test(Manual]

25

Step Test

Step Test Block(EX2100)

Step Test 데이터(RTS-5000)

26

과여자 제한(Over Excitation Limit, A구간)

27

저여자 제한(Under Excitation Limit, C구간)

출력 제어기(M1) 제어기(M2)

492㎿ -139Mvar 20.82㎸ -142Mvar 20.82㎸

367㎿ -185Mvar 20.37㎸ -188Mvar 20.37㎸

241㎿ -208Mvar 20.07㎸ -211Mvar 20.07㎸

127㎿ -208Mvar 19.97㎸ -210Mvar 19.97㎸

0㎿ -179Mvar 20.08㎸ -182Mvar 20.08㎸

개선효과 Ⅳ.

29

기존의 시험방법

TBN 정격속도에서 계자차단기 투입

자동/수동 전압 확립시험(Build up Test)

이중화 시험

- 제어기(M1 & M2), Auto ↔ Manual 전환시험

- 제어전원 전환시험

- 냉각팬 정지시험

제한회로(자동전압, 수동전압, V/Hz, PT Fail 등) 시험

발전기 차단기 투입

제한회로 시험(UEL 등)

계통안정화장치(PSS) 시험

30

모의장치를 활용한 시험방법

발전기 특성정수 입력(모의 발전기 생성)

자동/수동 전압 확립시험(Build up Test)

이중화 시험

- 제어기(M1 & M2), Auto ↔ Manual 전환시험

- 제어전원 전환시험’냉각팬 정지시험

제한회로(자동전압, 수동전압, V/Hz, PT Fail 등) 시험

모의장치에서 발전기 차단기 투입

제한회로 시험(UEL 등)

계통안정화장치(PSS) 시험

DC 출력전압 및 전류 Feedback

31

기존 시험법과 모의시험 장단점

시험방법 기존시험 모의시험

부하 발전기 임시부하

환경 소음, 진동발생

→ 시험 및 교육효과 저하

비교적 조용

→ 교육효과 향상

→ 시험에 대한 만족도 상승

설정치 변경, 시험 후 복구

→ 미복구시 고장 유발가능

운전치 그대로 시험

→ 복구조작 없음

경제적 효과 터빈 운전 중 시험

→ 증기소모, 병입지연

정지 중 시험

→ 증기소모나 병입지연 없음

32

• 계통에 접속해 여자전류 일정하게 유지하여 부하 증가시 동기탈조 없이

안전하게 운전할 수 있는 정도

• 원통형 극한전력 90˚ (돌극형은 60˚) 이 상태를 정태안정 극한전력

동태안정도

• 여자기 조속기 등 발전기 제어계 효과를 정밀하게 고려한 계통의 안정도

- 계통에 접속해 AVR로 발전기 단자전압 일정하게 유지하면 발전기 안정운전

• 진상운전영역에서 안정도 역점

- 진상운전 → 여자전류↓ → 내부 유기기전력↓ → 안정한계전력↓ → 계통불안정

• 동태안정도 향상 위해 AVR 시정수 적고 이득을 크게

전력계통 안정도

정태안정도

33

과도 안정도

• 부하급변, 선로개폐, 단락고장 등 외란시 계통에서 탈조없이 계속 운전

- 이 경우의 극한을 과도안정 극한전력

• 과도 안정도 판별

- 사고 중 가속에너지 ＜ 사고 제거후 감속에너지 → 안정

• 고장시 복구조작 순위 : 재폐로 → 전력소, 발전소 → 급전지시

안정도 향상대책

정상시 출력제한 요소인 정상리액턴스 작게 → 단락비 증가

발전기 단자전압 변동 적게

• AVR 속응도 ↑ → 고장시 계자전류 급증, 급감해 단자전압 변동 ↓

회전자 관성 크게

• 부하각 이동속도 느려 탈조 부하각 전에 조치할 시간적 여유

34

Mode 주파수대 현 상

Local Mode

1.0~2.0㎐ - 발전기들이 외부의 대규모 계통에 대하여 함께 흔들리는 현상

Inter-area Mode

0.1~ 0.7㎐ - 한 계통의 흔들림 현상에 대하여 또 다른계통이 조합하여 흔들리는 현상

Inter-unit Mode

1.5~3.0㎐ - 계통의 한 유역의 밀착된 발전기 군이 다른 유역의 발전기 군에 대하여 나타내는 흔들림 현상

Power System Stabilizer(PSS] 역할

전력계통에서 발생되는 0.1㎐ ~ 2㎐의 저주파 전력동요를 효과적으로 감쇄

Mode 별 발생현상

35

PSS 운영 효과

발전기 고출력 연속운전 유지, 전력계통 안정도 향상

발전기 출력 (PSS 無, 1.0㎐동요) 발전기 출력 (PSS 有 ,1.0㎐동요)

PSS 실증시험

3% Step Test(with PSS, Gain = 0) 3% Step Test(with PSS, Gain = 7)