1. 서 론

최근 지구 온난화 등의 환경 문제와 에너지 안보에 관심이 높아짐에 따라 신재생 에너지를 이용한 청정에너지 자원개발이 많은 주목을 받고 있다⁽¹⁾. 재생 에너지 중에서도 소수력 발전은 태양광 발전이나 풍력 발전보다 출력이 비교적 안정적이다. 또한, 기술력 확보가 잘 이루어져 있고, 현장 적용이 쉬워 미활용 잠재 수력 에너지를 이용하는 점에서 주목받고 있다. 소수력 발전에 사용되는 발전기는 유도발전기와 동기 발전기가 이용되고 있다^(2,3,4). 현재는 구조가 견고하고, 여자 장치 없으며, 보수가 쉽다는 점에서 출력이 크지 않는 곳에서는 주로 유도발전기를 많이 채택하고 있다^(2,3,4,5,6).

소수력설비에 유도발전기를 설치하여 전력을 생산할 때 이를 안정적으로 계통에 연계하기 위해 전력 변환은 변압기를 통해 시행한다. 이때 발전기를 통해 생산된 전력을 계통에 연결할 때 돌입전류에 의해 전압강하가 나타난다^(6,7).

유도발전기는 회전속도를 동기속도 보다 약간 높게 유지한 후 계통에 병렬로 연결하지만, 발전기 자체는 전압이 확립되지 않는 무전압 상태로 계통에 연결할 때 과도현상에 의해 정격의 몇 배가 되는 돌입전류에 의한 전압강하로 전기품질을 떨어뜨릴 수 있다⁽⁵⁾.

최근 발전소 구내에 태양광발전설비와 소수력 설비가 함께 사용될 경우 같은 모선 또는 간선에 유도발전기의 직입 기동에 의한 계통 연계시 돌입전류에 의한 전압강하로 연결된 부하의 동작 불능이나 오동작이 발생하고 있다^(6,7,8).

유도전동기의 직입 기동과 마찬가지로 유도발전기에 의해 발생한 돌입전류는 아주 짧은 시간 동안 지속되지만, 전압강하가 일정 범위를 초과할 경우 기기의 정상적인 동작이 어려울 수 있으므로 유도발전기를 기동한 후 계통에 연계시킬 때 발생하는 돌입전류에 의해 발생 되는 전압강하가 최소화될 수 있는 변압기 용량의 선정이 필요하다.

그림 1은 국내 소수력 발전소의 발전기 출력에 따른 변압기 용량의 크기를 조사한 결과이다.

그림 1에서 알 수 있듯이 발전기의 출력에 따라 변압기의 용량은 발전기 출력에 대해 평균 1.3배 정도로 계통 연계시 돌입전류에 의해 전압강하가 높아질 수 있다.

본 연구에서는 유도발전기를 직입 기동하여 계통에 연계할 때 같은 간선에 연결된 다른 부하에 전압강하를 일정 범위 이내로 유지하기에 적합한 변압기 용량의 선정을 위해 정전시 유도전동기의 최대 용량 기동에 대응하는 비상 발전기의 용량 산정 방법을 도입하여 변압기 용량의 크기를 조정할 경우 돌입전류에 의한 전압강하의 크기가 어떻게 변화하는지를 분석하였다.

2. 시스템 구성

유도발전기는 일반적으로 배전선로의 후단이나 기존 발전소 구내에 설치하는 경우가 많다. 그림 2는 변전소에서 수용가에 전력을 공급하기 위해 배전선로의 후단에 유도발전기가 설치된 것을 나타낸 것이다. 유도발전기를 사용하여 발생한 전력을 계통이나 구내에 사용하기 위해서는 발전기는 별도의 변압기를 연결해야 한다. 변압기의 단자전압은 발전기의 용량에 따라 고압 또는 저압을 사용하고, 변압기를 거쳐 계통에 연결할 때는 주로 22.9㎸의 특고압 배전 전압을 사용한다.

변전소 2차측에서 배전선로를 거쳐 유도발전기용 변압기에 이르기까지 중간에 부하가 연결되어 있으므로 발전기측 변압기의 1차측 전압은 변전소에 비해 낮다. 연구대상인 유도발전기를 직입 기동하여 배전선로에 전력을 공급하기 위해 연계할 때 돌입전류에 의한 전압강하를 일정 범위 이내로 유지하기 위해 적정한 변압기의 용량이 선정되어야 한다. 발전기 1차측 또는 변압기 2차측에서 전압강하의 크기를 알기 위해 그림 3과 같이 전원과 변압기 그리고 유도발전기를 간략하게 등가회로를 구성할 수 있다.

여기서, $X_{n},\: X_{t,\:}X_{g}$ 는 각각 배전선로, 변압기 그리고 유도발전기의 리액턴스이고, $V_{n},\: V_{t},\: V_{g}$는 각각 배전선로, 변압기 및 유도발전기에서의 전압이다.

유도발전기 기동시 전압강하의 크기를 구하기 위해서 그림 3의 등가회로에서 각각의 리액턴스를 구해야 한다. 우선 배전선로의 리액턴스는 전원의 기준 단락용량($S_{sc}$)과 단자전압($V_{t}$)으로 다음과 같이 구한다.

발전기용 변압기의 리액턴스는 용량과 % 임피던스로 식(2)와 같이 구할 수 있다.

유도발전기의 리액턴스는 단자전압에 대한 돌입전류의 크기로부터 다음과 같이 구하면 된다.

유도발전기를 기동하여 계통에 연결할 때 발생하는 전압의 크기는 다음과 같다.

따라서 돌입전류에 의해 발생하는 전압강하는 다음과 같다.

3. 비상용 발전기와 변압기

4. 시뮬레이션 및 결과 분석

본 논문에서 해석에 적용하기 위해 사용한 유도발전기 제원은 다음 표 1과 같다.

표 1에 제시된 유도발전기를 가지고서 식(7)을 사용하여 정격전류에 대한 돌입전류 $k$의 배율을 3～6배로 변화시켜 구한 변압기 용량은 표 2와 같다.

해석에서 전압강하는 0.25로 하고, 전압의 크기와 유도발전기 리액턴스를 서로 다르게 적용하였다. 100㎾ 유도발전기를 돌입전류의 배율 조정에 따라 가장 작은 용량은 153㎸A에서 최대 450㎸A에 해당되는 크기의 변압기 용량을 구할 수 있다.

해석 대상은 변전소에서 10㎞ 떨어진 곳에 3상 690V, 10극, 100㎾의 크기를 지닌 유도발전기를 기동하여 운전할 때 변압기의 용량에 따른 전류와 전압강하 등에 대해 분석하였다. 변전소에서 유도발전기가 연결된 배전선로에서 부하는 역률 0.8의 5,000㎾ 부하가 연결되어 있다.

돌입전류에 의한 전압강하의 차이를 확인하기 위해 전자계 과도해석프로그램[EMTP]을 이용하였다⁽¹²⁾.

다음 그림 4는 표 1에서 제시된 유도발전기를 직입 기동하여 계통에 연결할 때 발생하는 돌입전류의 크기를 표준 정격에 해당되는 변압기 용량의 변화에 따라 모의한 결과이다. 계통 연계시 발생되는 돌입전류는 변압기 용량의 변화와 관계없이 정격보다 5배 정도 되는 것을 알 수 있다.

다음 그림 5는 변압기 1차측에서 전압강하가 어느 정도 발생하는지를 확인하기 위해 표 1에서 제시한 유도발전기를 직입 기동할 때 변압기 용량(150㎸A;○, 200㎸A;□, 300㎸A;△, 400㎸A;×, 500㎸A;●)의 크기를 조정하면서 해석한 결과이다. 150㎸A 변압기를 사용한 경우가 다른 용량의 적용한 경우에 비해 유도전동기 기동전과 기동 후 전압의 크기가 다르게 나타난 것은 변압기 % 임피던스가 다른 것에 비해 1% 정도 적은 5%를 적용하였고, 나머지 변압기는 6%를 적용하였기 때문이다. 유도발전기의 직입 기동으로 특고압측에서 발생한 전압 강하율은 변압기 용량의 조정에도 차이가 아주 미미한 편이며, 거의 0.5%로 아주 낮은 편이다. 이는 돌입전류가 발생하더라도 특고압측의 전압강하는 아주 낮으므로 다른 설비를 연결할 경우 전압강하에 의한 영향을 최소화시킬 수 있을 것이다.

다음 그림 6은 표 1에서 제시한 유도발전기를 직입기동하여 계통에 연결할 때 변압기 2차측인 저압측에서 발생하는 전압강하의 변화를 찾기 위해 변압기 용량(150kVA;○, 200kVA;□, 300kVA;△, 400kVA;×, 500kVA;●)의 크기를 서로 다르게 하여 해석한 결과이다. 변압기 용량이 작은 경우(150kVA;○) 전압강하가 높게 나타나고, 변압기 용량(500kVA;●)이 커질수록 전압강하는 낮게 나타남을 알 수 있다.

그림 6과 같이 변압기 2차측에 유도전동기와 같은 간선에 부하를 연결할 경우 전압강하에 의한 영향을 고려할 필요가 있다. 전압강하에 의한 영향을 줄이기 위해서는 저압측 보다는 특고압측에 부하를 연결하거나 유도전동기의 기동방법 개선 또는 유도발전기의 용량보다 변압기의 용량을 일정 크기 이상이 되도록 선정하는 것이 좋다.

표 3은 등가회로를 이용한 것과 전자계 과도해석 프로그램을 이용하여 유도발전기 직입 기동에 의해 발생하는 전압의 크기를 변압기 용량의 조정으로 구한 전압 강하율의 비교 분석결과이다. 해석결과 두 계산은 매우 근사함을 알 수 있다. 변압기의 용량을 증가할수록 간선에서의 전압강하는 줄어든다는 것을 알 수 있다. 따라서 전압 강하율이 결정될 경우 유도발전기의 출력에 따른 변압기 용량을 계산을 통해 구하면 된다.

5. 결 론

본 논문에서는 변압기 2차측에 유도발전기를 설치하여 직입 기동한 후 계통에 연결할 때 돌입전류에 의한 전압강하로 같은 간선의 다른 부하에 미치는 문제를 해결하기 위해 발전기 출력에 대한 변압기의 용량의 크기를 선정하여 안정된 전기품질을 구하기 위한 연구를 진행하였다.

정전시 유도전동기의 직입 기동조건과 전압강하 조건을 고려해서 비상용 발전기 용량을 구하는 것을 참조하여 유도발전기의 직입 기동 후 계통에 연결할 때 발생하는 돌입전류로 인한 간선의 전압강하에 대응하기 위해 변압기의 용량을 수식적인 방법과 전자계 과도해석 프로그램의 비교 분석하였다. 해석결과 돌입전류에 대해 변압기 용량의 변화에도 특고압측은 전압강하에 변화가 거의 없지만, 저압측은 변압기 용량이 커질수록 전압강하가 매우 감소함을 알 수 있었다.

본 연구결과는 변압기의 2차측에 유도발전기와 다른 부하설비가 함께 사용될 경우 전압강하를 일정 범위 이내로 유지하기 위한 변압기 용량의 선정시 도움이 될 것으로 판단된다.