전력품질개선설비

   ◑  APF  제품 시리즈   

l  Cabinet/Panel type APF

정지형 무효전력 보상기(SVC)는 동기조상기와 유사한 기능으로 무효전력을 능동적으로 제어하는 정지형 무효전력 보상장치이다. 이는 전력계통의 역률을 능동적으로 조정함으로써 안정된 전압을 유지하고, 송전선로의 용량증가 등 전반적인 전력품질을 개선하는데 사용된다.  또한 과전압 억제 및 계통 전압안정도 향상 등 급변하는 부하로 인한 모선의 전압변동을 제한하는 데에도 유용하게 사용된다. 

   ◑  SVC 외관 구성   

   ◑  SVC 주요 기능   

계통에서 무효전력을 보상하지 않을 경우 용량성, 유도성 부하특성에 따른 전압(V)과 전류(I)의 위상 변화를 도시하면 아래와 같다. 

      < 부하특성에 따른 전압(V)과 전류(I)의 위상 변화 >

​

​위와 같은 이유로 SVC시스템은 전력계통의 모선에 병렬로 접속하여 계통의 선로정수를 제어함으로써 부하특성에 따른 계통에 필요한 용량성 혹은 유도성 무효전력을 효과적으로 보상하여 역률을 개선하며, 비선형 부하로 인한 전압변동과 고조파 영향을 최소화하고 3상 부하 평형 등 전력품질을 개선함으로써 불요 전력손실을 줄이고 생산성 향상 및 제품품질 향상에도 기여한다.  주요 기능을 정리하면 다음과 같다.

√  전압 안정 및 조절 기능으로 동적 부하 불평형 해소

√  급작스런 부하변동에도 전압강하를 줄임으로써 플리커링 완화

√  유도성 또는 용량성 무효전력 보상으로 역률 개선√  유해 고조파 제거

   ◑  SVC 경제적 이점   

√  공장 제조 생산성 향상√  전압 안정화로 전자장비의 수명 연장

√  에너지효율 개선으로 열 손실을 줄여 비용 절감

√  전력 유틸리티 및 기타 고객에 대한 전력비용 경감

√  플리커링 완화로 인접 수용가에 대한 장애 최소화

√  고조파 저감으로 보호장치 등의 오작동 최소화

√  유효전력 전송효율 향상

√  설비유지관리비 절감 

   ◑  SVC 기본회로 구성   

SVC는 선로정수에 영향을 주는 리액터와 커패시터의 조합을 사이리스터(Thyristor)로 제어하는 장치로, 모선과는 병렬로 접속하여 계통의 선로 정수를 직접 제어함으로써 고조파 필터 기능도 지닌다.

√  TCR (Thyristor Controlled Reactor) 방식 : 분로리액터에 흐르는 전류를 사이리스터로 위상제어하는 방식

√  TSC (Thyristor Switched Capacitor) 방식 : 콘덴서 뱅크를 사이리스터로 스위칭 하는 방식

      < SVC 기본회로 구성, TCR / TSC type 병용 >

< SVC 기본회로 구성 제어기 탑재식 >

   ◑  SVC 적용 분야   

 1)  송전계통

         장거리 송전 중 무효전력을 실시간으로 조절하여 전압을 안정적으로 유지하고 송전효율을 향상시킨다.

 2)  대형 산업 설비

         제철소, 제련소, 시멘트 공장 등에서 아크로, 용광로, 대형 모터 등 부하의 급격한 변동으로 인한 전압 불안정을 보상한다.

 3)  전기철도 시스템

         전기열차 운행 시 발생하는 순간적인 전압변동을 안정화하여 철도전력계통의 전력품질을 유지시킨다. 

 4)  재생에너지 발전 단지

         풍력이나 태양광 발전처럼 출력이 불규칙한 전원에서 전압변동과 무효전력을 보상하여 계통연계 안정성을 높인다.

 5)  HVDC 변전소 주변

         고전압 직류송전(HVDC) 계통과의 연계지점에서 발생하는 무효전력을 보상하여 AC 계통의 전압 안정화를 돕는다.

   ◎ SVC 적용사례 (대용량 Arc furnace)   _____________________________________________________________

다음은 산업현장에서의 적용 사례로 제강공정 Arc Furnace에서의 SVC 시스템에 의한 적용효과를 설명하고 있다.

1)  SVC 시스템 구성

기본적으로 운전조건에 따라 유도성(L) 부하와 용량성(C) 부하를 실시간으로 교번 제어를 할 수 있도록 TCR과 TSC가 함께 구성되어 있다.

2)  SVC 시스템 적용 사양

①  SVC 보상 용량 :  0~400Mvar

②  모선 제어 가능 전압 :  6~500kV

③  SVC 정격 전압 :  6~66kV

④  전체 동적 응답시간 (무효전력 출력) :  <15ms

⑤  SVC 가용성 :  >99%

⑥  SVC 최대 손실 :  <0.8%

3)  SVC 시스템 적용 효과

①  극심한 부하 변동이 발생하는 대용량 전기로(아크로, 유도로, DC로) 부하의 역률개선 최적화 운전

②  전압 안정화로 플리커링 억제 및 각종 보호기기 오작동 방지

③  용해용량 증가 (용해시간 단축 및 생산성 향상)

④  전극교체 비용 절감 (교체주기 연장)

⑤  안정적인 아크 공급으로 전기로 라이닝 마모 감소

⑥  전력손실 감소

SVG(Static Var Generator)는 실시간 무효전력 발생기 또는 능동형 역률보상기(APFC: Active power Factor Compensator)라고도 하며, 무효전력 증가로 인한 낮은 역률 및 제반 전력품질문제를 개선하는 데에 궁극적인 해결책으로 무효전력 보상 분야에서 대표적인 기술창치 이다. SVG는 전력망 모선에 병렬로 연결되며 이는 가변적인 무효전류 공급원으로 작동하게 된다. 

   ◑  SVG 주요 기능   

SVG는 인버터의 AC출력측에서 전압의 진폭과 위상을 조정하거나, AC전류를 측정해 진폭과 위상을 직접 제어함으로써 필요한 모든 무효전력을 신속하게 흡수하거나 방출할 수 있어 매우 빠르게 목적을 달성할 수 있다.  계통에서 무효전력을 조정하여 직류성분을 제어하면 임펄스부하의 돌입전류를 추적해 보상할 수 있을 뿐만 아니라 고조파 전류도 추적하여 보상할 수 있다. 최근에는 전력전자 인버터 기술을 이용하여 보상 대상과 크기가 동일한 정반대 위상의 역전류를 생성하여 서로 상쇄시킴으로써 역률을 1에 가깝게 제어할 수 있게 되었다. 또한  SVG는 전력공급시스템의 전력품질 문제에 대해 즉각적이고 효과적으로 대응할 수 있는 고성능 전자모듈로 일종의 능동형 필터 (APF, Active Power Filter )기능도 가진다.  SVG의 주요 기능을 정리하면 다음과 같다.

√  고속의 IGBT소자 사용으로 실시간 무효전력 보상

√  능동형 고조파 필터기능으로 장비의 과열, 오작동 등 고조파에 따르는 각종 폐해 방지 

√  각종 이상전압, 돌입전류 등을 추적 제어함으로써 장비 안정성, 신뢰성 향상 및 수명연장 

√  에너지 손실 감소로 전력시스템 용량 증가

   ◑  SVG 시스템 기본회로 구성   

SVG는 전력전자회로 장치로서 역률개선이나 고조파 완화가 필요한 부하와 병렬로 연결하여, 부하가 유도성 또는 용량성 전류를 생성하면 그 부하전류에 상응하는 전압을 발생시킨다. 이 때 부하 측의 전류와 전압의 위상 차이를 감지하고 실시간으로 Lead 또는 Lag 전류를 생성하여 모선에 주입해 부하 전류의 위상 각도를 전압의 위상 각도와 거의 동일하게 맞추어 기본 역률을 지속적으로 유지시킨다.

< SVG 시스템 기본회로 구성 >

   ◑  SVG 시스템 작동 원리 및 운전특성   

  1)  기존 커패시터 보상방식에 의한 역률보상 특성 (계단식, 단속적 제어)  

< 기존 커패시터 뱅크 방식에 의한 역률보상 특성 >

  2)  신기술 SVG 제어방식에 의한 역률보상 특성 (무단식, 연속제어)  

3)  LV - SVG 설치사양 선정   

  ◎  HV-SVG 시리즈 기본회로 구성   

      ☞.  Note：27.5kV 와 33kV 시리즈는 리엑터를 포함하지 않는다.

대부분의 산업용 전기설비들은 유도성 부하특성을 지니고 있다.  따라서 이들이 효율적으로 작동케 하려면 그에 상응하는 반대 특성의 용량성 무효전력을 공급해 상쇄시켜 주어야 하는데 이러한 무효전력은 부하와 병렬로 커패시터 뱅크를 설치하여 공급할 수 있다. 커패시터 뱅크를 유도성 부하에 상응하는 용량으로 사용하게 되면 역률을 거의 1에 가깝게 유지할 수 있다.  이러한 방식의 역률 개선은 궁극적으로 부하측의 전압과 전류의 위상 차이를 줄이는 과정으로서, 기본적으로 커패시터뱅크는 진상전류를 만들어 투입함으로서 지상의 부하전류를 정상으로 복원하는 기능을 수행하게 된다.  

  ◑  커패시터 뱅크 외관   

  ◑  커패시터 뱅크 기본 구성   

커패시터 뱅크는 여러 개의 커패시터를 직렬 또는 병렬로 조합 연결하여 구성하며, 주로 전력시스템의 역율개선, 전압 안정화 고조파 저감 등을 위해 사용된다. 커패시터 뱅크를 구성하는 주요 장치들은 다음과 같으며 필요에 따라 차단기, 계전기, 변류기 등의 보호 장치들도 함께 구성된다.

√  Capacitor (커패시터)

√  Serial Reactor (직렬 리엑터)

√  Discharge Coil (방전 코일)

< 역률 개선용 커패시터 뱅크 기본 구성 >

  1)  커패시터 (CAPACITOR)  

역률 보상용 커패시터(Capacitor for Power Factor Correction)의 용량 결정은 주로 아래와 같은 순서로 진행된다.

①  시스템 역률 분석 

      시스템의 현재 역률 분석

      부하 계산서 작성 (전체 부하의 역률을 확인)

      커패시터를 설치할 시스템 별 역률 확인

②  목표 역률 설정

      원하는 목표 역률 설정 (국가별로 요구하는 역률이 조금씩 다름)

      국내의 경우 한전에서 0.9를 요구하지만 실제로는 역률이 부하에 따라 변할 수 있으므로 최소 0.93을 목표치로 설정

③  필요한 보상 용량 계산

      역률 보상용 커패시터의 용량은 아래 계산식을 통해 산출할 수 있다. 

      여기서,

      P (kW): 시스템에서 사용 중인 유효전력 (kW)

      θ1: 현재 역률값 (cosθ1 : 현재 역률)

      θ2: 목표 역률값 (cosθ2 : 목표 역률)

      소요 커패시터 용량 :  Pr (kVar) 

      Pr = P (kW) x tan (θ1-θ2) 

④  커패시터 용량 선택

      계산된 커패시터 용량을 토대로 시중에서 구입할 수 있는 적절한 용량의 커패시터를 선택.

      용량이 아주 크거나 역률보상 장치를 사용하는 경우 step 수 와 step 당 각 유닛의 커패시터 용량 산정.

      통상 3개의 뱅크를 설치하여 각 뱅크의 용량을 서로 다르게 하여 그 조합에 따라 제어 해상도를 높일 수 있다.

      Ex. >  총 3000 kVar의 용량이 필요한 경우,

      Ans. >  뱅크를  500, 1000, 1500 kVar 용량으로 3개로 구성하여

                   그 조합으로  각각 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 kVar 총 6단계의 스텝을 만들 수 있다.

  2)  직렬 리엑터 (REACTOR)   

 커패시터 뱅크에서 직렬 리엑터의 기능은 크게 2가지로서, 돌입전류 제한 기능과 고조파전류 제한 기능이 있다.

①  돌입, 기동전류 제한 리액터

      유도전동기와 같은 기동전류가 큰 부하에서 단자 전압을 억제하여 기동전류를 저감시키고 차단기 용량을 줄이기 위해  적용된다. 

      이는 기동시 돌입전류 제한 기능으로 만 쓸 경우 리엑턴스는 0.2% 로 하며 이 값은 설계조건에 따라 달라진다.  이 경우 돌입전류는 최대 

      1 + √(1.0 / 0.002) = 23.4 배 까지 될 수 있다.

      ​

< 돌입, 기동전류 제한 리엑터, Starting Reactor >

 ② 고조파 전류 제한 리액터

역률 개선용 콘덴서와 직렬로 연결하여 고조파를 저감 시키고 커패시터를 보호하는 기능을 한다.  

고조파 저감 리엑터는 통상 6% 정도의 리엑턴스를 적용하며, 이 경우의 돌입 전류는 최대 5.1 배까지 될 수 있다.

< 고조파 전류 제한 리엑터 >

☞.  REACTOR의 CORE의 종류 및 절연 방식

       Reactor의  core 종류는 air core 및 iron core가 있으며 절연방식은 dry type 및 oil type 이 있다.

      √  Air core : 건식으로만 제작이 가능하고 coil 만 있는 상태로 cubicle 내장이 어려우며 주로 옥외에 설치한다.

      √  Iron core : 건식 또는 유입식으로 제작이 가능하며 cubicle 내장이 가능하다.

      √  유입식으로 할 경우는 옥내에 설치 불가하며 옥외에 설치하더라도 oil leakage에 대한 대책이 요구된다.

  3)  방전코일 (DISCHARGE COIL)   

방전 코일의 용도는 커패시터 회로의 잔류 전압을 제거하고 선로에 재 투입시 콘덴서에 걸리는 과전압을 방지하기 위한 것이다. 전력용 커패시터에 내장된 방전 저항 만으로도 규정치 이하로 잔류전압을 낮출 수 있는 경우에는 별도의 방전 코일은 설치하지 않아도 된다.  하지만 고전압 대용량 등 설비 특성상 꼭 필요한 경우는 별도의 방전 코일을 설치하여야 한다.

☞.  전력용 커패시터의 방전특성 규정

       KS C 4802 고압 및 특별고압 전력 커패시터 à 방전 5분 이내 50V 이하

       KS C IEC 60871-1 정격전압 1000V 초과 교류 시스템용 분로 커패시터 à 방전 10분 이내 75V 이하

       KS C 4804 고압 및 특별고압 진상 콘덴서용 방전 코일 à 방전 개시 5초 후에 50V 이하

  ◑  커패시터 뱅크 설치 및 유지관리   

역률보상용 커패시터는 전력시스템의 효율성을 향상시키고 전기요금을 줄이는 데 큰 도움을 줄 수 있으므로 역률관리는 매우 중요한 사안이 될 수 있다. 

또한 커패시터의 용량은 시간이 지남에 따라 성능이 떨어 질 수 있으므로 커 시스템에 설치하고 나면 반드시 정기적인 점검과 유지관리를 수행하여야 한다.

뱅크용 리엑터는  용도에 따라 다양한 방식으로 구성된다.  전력용에 있어서는 주로 서지 전류나 돌입 전류를 제한해 이상전압을 억제하기 위해 사용되며. 콘덴서와 함께 조합되어 설치되는 경우는 콘덴서에 의해 발생하는 고조파를 제거하는 기능과 또한 돌입 전류와 과전압을 억제하여 전압의 파형을 개선하는 효과도 가진다.  

  ◑  리엑터 용도별 기능 및 특징   

전력회로에 적용되는 리엑터를 용도와 기능에 따라 분류하면 다음과 같다.

  ◈  직렬리엑터 :  고조파 제거 및 전압파형 개선

  ◈  분로리엑터 :  송전선로 페런티 현상 방지

  ◈  한류리엑터 :  고장전류, 단락전류 및 돌입전류 제한

  ◈  중성점접지리엑터 :  지락 사고시 지락전류 제한 및 이상전압 억제

  ◈  소호리엑터 :  지락시 아크 소호

   ◎  고조파 억제용 직렬 리엑터   

  ①  고조파 제거 및 전압파형 개선

콘덴서를 조상용으로 송전선에 연결할 때 가장 큰 문제는 전압파형이 왜곡되는 것이다. 이는 선로상에 있는 변압기들이 자기포화 현상 때문에 고조파 전압이 전압이 유기되는데 콘덴서를 연결함에 따라 고조파전압이 증폭되는 현상이다. 이중 제3고조파 전압은 변압기 저압측의 델타결선으로 제거되고 제5고조파는 제거되지 않고 남게 된다.

  ②  서지성 전류 제한

리엑터를 교류회로에 직렬로 접속하여 돌입전류나 단락전류를 제한하거나 병렬회로의 전류분담을 제한하려는 목적으로 사용한다.  단락시의 전류를 제한 하는 리엑터를 한류리엑터라고도 하며, 사용상 정격전류를 흐르게 했을 때 그 전압강하가 상전압의  수% 정도가 되게 비교적 작은 리엑터를 필요로 하는 경우가 일반적이다.

  ③  제5고조파 전류 제한

역률개선용 커패시터에 직렬로 접속하여 제5고조파에 대한 임피던스를 높여 고조파 유입량을 제한할 수 있다. 이를 위해 적용되는  리엑터의 용량은 콘덴서 용량의 6% 정도로 주로 갭이 있는 철심형 리엑터가 사용된다.  제3고조파를 많이 포함하는 경우에는 13~15% 정도의 용량이 사용되며, 여유도는 보증값의 +20~30% 정도가 적정하다.

  ④  공심형 리엑터 특성

전류의 크기와 상관없이 리엑턴스 값이 일정하고 안정적인 것이 특징이어서 송전선로 양단간에 주종으로 사용된다.

  ⑤  철심형 리엑터 사용상 주의사항

직렬 리엑터는 계통의 최대 고장전류에 따라 임피던스가 지정되므로,  자기포화 지점에서 리액턴스가 왜곡되는 현상이 있는 철심형 리엑터를 사용 할 경우에는 철심이 포화되지 않는 구간에서만 운용이 될 수 있도록 주의해야 한다.

   ◎  분로 리엑터   

  ①  송전선로 진상전류 보상

분로리엑터는 송전선로 모선에 병렬로 접속하여 선로의 진상전류(경부하시 케이블의 충전전류)를 보상할 목적으로 사용된다.  최근 전력계통의

규모가  확대되고 전원의 원격화, 부하의 집중화 등으로 장거리 대전력 송전의 증가에 따라 케이블 계통의 정전 용량 증가로 전력계통에 필요한

조상설비 용량이 증대되고 있으며, 통상 30, 60[MVA] 정도의 단기 용량을 조합하여 사용한다.

  ②  분로리엑터 설치 개소

분로리엑터는 기본적으로 송전선로 양단 변전소에서 설치되며, 콘덴서와 조합하여 조상설비 기능으로도 사용될 수 있다. 

< 송전선로 분로 리엑터 적용 개소 >

  ③  분로 리엑터 적용 유형

분로리엑터는 주로 고전압계통에 적용되므로 구조는 보통 유입 갭이 있는 철심형이나 상하부에 자기장차폐 철편이 있는 공심형이 주로 적용되고 있다. 

< 공심형 리엑터 구조 >

  ④  리엑턴스 여유도

리엑터는 철심의 와전류손,  진동 소음 등이 문제가 되므로 제작사에 따라 각각 특징이 있는 구조로 설계가 되며, 분로 리엑터의 리엑턴스 여유도는  일반적으로 보증값의 ±5% 정도로 적용된다.

   ◎  한류 리엑터   

  ①  단락전류 제한 

한류 리엑터는 변압기 투입시 1차측에 흐르는 돌입전류나 단락전류를 소정값 이하로 억제하기 위해 사용된다. 이는 차단기의 차단용량을 경감시키고 직렬기기에 대한 손상을 방지하는 기능도 지닌다.

  ②   %Z (임피던스)

전항 단락전류 식에서 보인 바와 같이 단락전류는 리엑턴스 값이 클수록 줄어드는 것을 알 수 있다.  여기서 %Z(임피던스)는 다음 계산식으로 부터 산정된다.

  ③  사용시간 정격(time rate)

사용 시간에 대한 정격은 통상적으로 1~5sec 정도의 단시간 정격이 적용된다

   ◎  중성점 접지 리엑터 (NGR)  

  ①  접지리엑터 설치 개소

변압기 중성점과 대지 사이에 접속하여 3상 전력계통의 지락사고시 지락전류를 제한하고 이상전압을 억제하는데 사용된다.

   < 중성점 접지리엑터(NGR) 설치 개소 > 

  ②  접지 전류 제한

중성점 접지전류의 크기는 변압기 용량에 비례한다.  필요에 따라 보완 저항을 직결하여 사용할 수 도 있다.

  ③  사용시간 정격

단시간 사용에 따른 전류 정격은 특별한 지정이 없는 경우 통상 10초를 기준으로 한다.

  ④  임피던스 여유도

중성점 접지 리엑터의 임피던스 여유도는 ±20~30% 수준으로 한다.

         < 소호 리엑터 설치 개소 > 



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