1.1 연구의 배경

국내는 원자력발전소 및 화력발전소와 같이 용량이 큰 발전소에 대한 전력에 대한 의존도가 높아지면서 발전기 전압을 조절하는 여자시스템은 건전성을 점검하고, 그 특성을 정확하게 파악해 정비 및 점검을 통해 종합적으로 확인해야 한다⁽¹⁾. 동기기 발전기 파라미터를 입력하여 발전기의 동적 상태를 구현할 수 있는 여자시스템 점검 장치는 원자력 발전소 및 화력 발전소 뿐만 아니라 수력, 가스, 양수, 복합 등 모든 형태의 터빈 방식의 발전소에 오버홀(Over haul) 기간 및 기존 시스템 철거 후 새로운 시스템 적용 후 시험 중에 적용되어 점검 장치를 이용하여 여자시스템을 점검을 하고 있다^(2-4).

여자시스템 점검 장치는 여자시스템 제어의 중요 신호인 발전기 단자전압 출력의 제어 루프신호로 사용하게 되는데 이러한 제어 루프신호는 최신의 여자시스템 일수록 높은 전압 출력을 요구하고 있으며, 여러 발전소에서 시험을 진행을 한 결과 기존의 선형(Linear)의 전압 출력 방식 여자시스템 점검 장치의 출력으로는 한정된 모델의 여자시스템만 시험이 가능하다는 단점이 있었다.

인버터 방식의 전압 출력 시스템을 도입하여 발전기 단자전압 입력 규격에 제약을 받지 않는 전압 출력을 개발하였다. 인버터 방식의 전압 출력 시스템은 PWM 인버터를 사용하였다. PWM 인버터는 이중루프 전압제어 방식과 단일 루프 전압제어방식이 있다. 개발한 점검 장치는 작은 인덕턴스로 인해 전류제어의 어려움이 있다. 전압을 제어하기 위한 전류제어기를 포함하고 있는 이중루프 전압제어 방식보다는 전압제어만 갖는 단일루프제어방식을 적용하였다⁽⁵⁾.

본 논문에서는 전력전자 최적화 시뮬레이션 소프트웨어 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 통해 제어기 설계를 검증하고, 인버터 출력 전압과 전압제어신호 파형을 비교하여 인버터 전압 출력에 대한 건전성을 확인하였다. 또한, 500MW급 발전기 국산 여자시스템에서 현장 시험 결과와 시운전 결과 데이터를 비교하여 인버터 출력 전압 점검 장치의 성능 검증을 하였다^(6-8).

2.1 인버터 전압 출력 점검 장치 구성

그림 1은 선형 전압 출력 점검 장치의 구성도이다. 선형 전압 출력 점검 장치는 주제어기의 전압제어신호를 입력을 받아 AMP 모듈에서 전압제어신호를 증폭하여 3상 전압을 출력한다. 인버터 전압 출력 점검 장치는 선형 전압 출력 구성의 AMP모듈을 인버터 전압 출력 시스템으로 변경하였다. 그림 2는 인버터 방식의 전압 출력 점검 장치 시스템 구성도이다. 크게 구성은 4가지로 나뉘는데, 주제어를 담당하는 주제어기, 인버터 출력 전압을 제어하는 인버터 제어기, DC-Link 전압을 AC 3상 전압으로 변환하는 IGBT 인버터 브리지, 상용 AC220V를 정류하여 DC 300V의 DC-Link 전압을 생성하는 정류기로 구성되어 설계되었다.

그림 3은 인버터 제어기 모듈이다. 주제어기는 동기기 인버터 제어 알고리즘이 탑재되어 있으며, 점검 장치의 모든 명령을 관장한다. 인버터 제어기는 CPU(Central Processing Unit)와 PWM 모듈레이터로 구성되어 있다. 인버터 제어기의 CPU는 주제어기 전압제어신호 입력을 받아 3상 Feed-Back 전압신호를 비교하여 PI 제어를 통해 12Bit Data 신호를 이용하여 PWM 모듈레이터에 제어 명령을 내린다.

WM 모듈레이터는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용하였다. CPU에서 제어 명령을 받아 FPGA Logic을 통해 6개의 PWM 신호를 출력한다.

그림 4는 IPM(IGBT Modlue)이 장착된 IGBT 인버터 브리지 모듈로써 6개 PWM 신호를 입력 받은 IPM은 DC-Link를 PWM 신호에 따라 쵸퍼(Chopper)하여 3상 정현파를 출력한다. Half-Bridge Capacitor & Balance는 각상 제어를 위한 Capacitor와 Capacitor간 밸런싱을 위한 병렬저항으로 구성되고, Filter Inductor와 Filter Capacitor는 스위칭 주파수보다 낮은 차단 주파수를 갖도록 설계하였으며, 각상 제어를 위해 3상 인덕터가 아닌 각 상 개별 인덕터를 사용한 로 구성하였다. 또한, 10% 이하의 경부하에서 필터 공진을 제한기 위한 Dummy로 구성하였다. 그림 5는 정류기 모듈이다. 상용 AC220V의 EMC Filter와 상용 AC 220V를 정류하는 브리지 다이오드(Bridge Diode), 직류의 리플 성분을 감소시키는 평활용 필터 커패시터, 필터 인덕터, 갑작스런 전류 유입을 막는 ICL(Inrush Current Limiter)로 회로를 구성하였다.

상용 AC 220V 전압을 정류하여 DC 300V를 만들어서 IGBT의 DC-Link 전원으로 사용하며, 보호 기능을 위한 신호로 소신호 변환 트랜스를 통해 인버터 제어기에 입력된다.

2.2 시뮬레이션

인버터 전압 출력 시스템의 전체적인 설계에 대한 검증을 위해 C언어 인터페이스를 제공하며, 복잡한 알고리즘의 시뮬레이션이 가능한 PSIM을 이용하였다. PSIM은 빠른 시뮬레이션 기능과 WaveForm Processing 기능을 가지고 있으며, Control Loop 확인이 가능한 시뮬레이션 환경을 제공한다.

그림 6은 PSIM을 이용한 3상 PWM 인버터 회로도이다. 회로도의 상단 부분은 IGBT 인버터 브리지 / 정류기와 부하에 대한 회로도이다. 하단 부분은 인버터 제어기에 탑재될 알고리즘에 대한 회로도이다.

그림 7은 0V에서 정격전압으로 출력 전압을 시뮬레이션 파형이다. 그림 7의 1～3행 파형은 R, S, T상의 출력 전압 및 제어신호파형이고, 4행 파형은 3상 출력에 대한 전류 파형이다.

그림 7은 정격 전압까지 올라가는 시뮬레이션 파형이다. 0.2초 안에 출력 전압이 제어 전압에 맞게 시뮬레이션이 되는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 그림 8과 그림 9를 확인하면, 출력 전압이 제어 전압을 0.2초 안에 정확히 맞추는 것을 확인할 수 있다.

그림을 통해 제어신호에 따라 3상 출력 전압이 정상적으로 시뮬레이션이 되는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 인버터 제어기의 설계 및 알고리즘을 검증할 수 있었다.

2.3 인버터 출력 전압 시험

인버터 전압 출력을 검증하기 전에 인버터 전압 출력에 대한 미세 튜닝을 한다. Open-Loop Test를 통해 PLL 검증으로 전압제어신호에 대한 검증을 하고 전압 출력 신호 검증을 통해 회로 및 컨트롤러를 검증한다. Close-Loop Test를 통해서 인버터 전압 출력의 미세 튜닝으로 출력 전압에 대한 정확도를 높였다. 인버터 전압 출력 검증을 위해서 인버터 전압 출력 신호와 전압제어신호를 실시간에 따른 신호 파형을 측정할 수 있는 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 그림 10과 그림 11, 그림 12는 인버터 전압 출력 A상과 전압제어신호 A상을 측정한 파형이다. 노란색 파형은 인버터 전압 출력 파형이고, 녹색 파형은 전압제어신호 파형을 측정한 것이다. 그림 10의 두 파형을 비교해보면 0V 출력에서는 변화 없이 유지하고 있으며, 그림 11의 파형은 정격 전압에 60Hz의 주파수를 가지며, 위상 차이는 거의 차이가 나지 않는 동상의 파형을 확인할 수 있다.

그림 12는 인버터 전압 출력 신호와 전압제어신호를 정격 전압까지 올라가는 파형을 실시간으로 측정하였다. 두 파형을 비교해 보면, 실시간으로 거의 똑같은 모양으로 정격 전압까지 올려가는 것을 확인할 수 있다. 파형을 통해서 전압제어신호에 따라 인버터 전압 출력 신호가 정확히 동작하는 것을 알 수 있었다.

3.1 여자시스템과 점검 장치 구성도

인버터 전압 출력 여자시스템 점검 장치는 기존의 선형(Linear)타입의 점검 장치와 마찬가지로 실제 발전기를 기동하지 않고, 여자시스템을 시험을 할 수 있는데, 현장에 설치되어 있는 발전기로부터 연결되어 있는 결선을 해체하고, 인버터 출력 전압 여자시스템 점검 장치 및 부하 장치(Load Bank)에 신호를 연결을 하고 시험을 진행해야 한다^(2-4). 그림 13은 여자시스템과 발전기 연결 구성도이며, 여자 시스템은 정류기를 통해 발전기 회전자 계자 권선에 전류를 전달하는 역할을 한다. 점검 장치를 이용한 시험을 위해서는 발전기에 영향을 끼치지 않기 위해서 발전기로 연결된 부분을 해제하고 시험을 진행해야 하며, 그림 14와 같이 발전기와 여자시스템이 연결되는 부분을 점검 장치에 연결한다.

그림 15는 여자시스템의 발전기 3상 전압 입력 포인트이다. 발전기 전압을 입력 받는 포인트로써 여자시스템은 발전기 전압을 입력 받아 발전기 전압을 제어한다. 발전기 P/T(Potential Transformer) 2차 측에서 오는 3상 전압 신호를 OPEN 하고 인버터 출력 전압 여자시스템 점검 장치 3상 전압을 연결한다. 여자제어기는 실제 발전기에서 오는 3상 전압이 입력이 된 것처럼 모의할 수 있다. 그림 16은 여자시스템의 계자전압 연결 포인트이며, 정류기에서 출력되는 전류를 발전기 계자 권선에 전달된다.

여자시스템은 정류기에 연결된 발전기 계자 권선에 전달되는 계자 전류를 제어한다. 여자시스템의 정류기와 발전기 계자권선으로 연결되는 BUS-BAR를 해체하고, 부하 장치와 여자시스템의 정류기 간에 계자전압 신호를 연결한다. 부하 장치에 연결하여 정류기 입력 AC 전류를 DC 전류로 정류하여 부하 장치에 전달된다.

3.2 여자시스템 모델

인버터 전압 출력 점검 장치를 시험 할 현장에는 직접 여자 타입의 정지형 여자시스템이 설치되어 있으며, 여자시스템 모델로는 IEEE 421-5 ST4B 모델이 탑재되어 있다. 정지형 여자시스템은 정류기의 여자 전원을 발전기 출력에 연결되어 있는 여자 변압기에서 공급한다. 여자 변압기에서 공급된 여자 전원은 정류기의 싸이리스터를 통해 계자 권선에 공급된다.

발전기 전압에서 오는 전원을 바로 사용하기 때문에 발전기 전압 제어에 대한 시간 지연은 거의 없다. 그림 17은 IEEE 421 규격에 있는 ST4B 모델의 제어 블록도이다^(4-5).

3.3 현장 시험

현장시험은 IEEE 421 기준에 의하여 시험을 진행하였으며, 점검 장치를 이용한 시험과 실제 발전기를 기동하여 시운전을 실시한 시험에 대한 파형을 측정하였다⁽⁶⁾. 발전소에 설치되어 있는 발전기의 정격 전압은 22kV이며, 발전기 PT를 거쳐서 여자시스템에는 110V로 변환이 되어 입력이 된다. 변환된 110V는 여자시스템에 장착되어 있는 PT를 거쳐서 소신호로 변환이 되어 여자제어기로 입력이 된다. 여자시스템 PT 1차 측에 110V 입력 시 발전기 전압을 22kV로 인식하여 제어한다.

3.3.1 발전기 전압 확립 시험

발전기 전압 확립 시험은 여자제어기에서 초기 기동시 발전기 전압 확립 목표치만큼 설정된 시간에 오버슈트 없이 발전기 전압이 소프트 스타트가 되어 확립 목표치까지 도달하는지 확인하는 시험이다.

그림 18은 점검 장치를 이용한 발전기 전압 확립시험, 그림 19는 발전기를 이용한 발전기 전압 확립 시험이다. 두 개의 파형을 비교해 보면 정상적으로 오버 슈트 없이 발전기 전압이 목표치인 22.0kV만큼 상승하여 유지하는 것을 확인할 수 있다.

3.3.2 계단응답시험

계단응답시험은 현재의 제어신호의 5%를 제어신호에 더하여 발전기 전압이 오버슈트 없이 5%의 발전기 전압이 상승하는지 확인하는 시험이다. 그림 20은 점검 장치를 이용한 계단응답시험, 그림 21은 발전기를 이용한 계단응답시험이다. 발전기 전압의 5%는 1.1kV이며, 점검 장치로 시험은 진행한 결과 상승한 발전기 전압은 1.13kV로 발전기 전압 97%인 21.33kV에서 102%인 22.46kV로 상승하는지 확인하였다. 발전기를 이용한 시험 결과 상승한 발전기 전압은 1.16kV로 발전기 전압 97%인 21.26kV에서 102%인 22.42kV로 상승한 것을 확인할 수 있다. 두 개의 파형을 비교해 보면 발전기 전압이 97%에서 102%까지 정상적으로 상승 후 유지하는 것을 확인할 수 있다.