발전기를 병렬운전하려면 왜 전압·주파수·위상을 맞춰야 할까?

발전소에서 사용하는 동기발전기는 한 대만 독립적으로 운전하는 경우보다 여러 발전기가 하나의 전력계통에 함께 연결되어 운전하는 경우가 많다.

발전기 여러 대를 같은 모선에 연결하면 필요한 전력에 따라 발전기를 추가하거나 정지할 수 있고, 부하를 여러 발전기에 나누어 담당할 수 있다.

한 대를 점검하더라도 나머지 발전기로 전력을 계속 공급할 수 있다는 장점도 있다.

하지만 발전기를 이미 전압이 존재하는 계통에 연결하는 것은 단순히 차단기를 닫는 작업이 아니다.

계통에는 이미 일정한 크기와 주파수, 위상을 가진 3상 전압이 존재한다.

새로 연결하려는 발전기 역시 자신의 3상 전압을 만들고 있다.

이 두 전원이 서로 다른 상태에서 강제로 연결되면 발전기와 계통 사이에 매우 큰 전류가 흐르거나 회전자에 큰 기계적 충격이 발생할 수 있다.

그래서 동기발전기를 병렬투입하기 전에는 기본적으로

전압의 크기

주파수

상순서

위상각

을 맞춰야 한다.

이 과정을 동기검정 또는 동기화라고 한다.

발전기 병렬운전이란 무엇일까?

병렬운전은 두 대 이상의 발전기를 동일한 전력계통이나 모선에 연결하여 동시에 전력을 공급하는 운전방식이다.

예를 들어 한 대의 발전기가 이미 모선에 연결되어 있다고 하자.

두 번째 발전기를 추가하려면 먼저 원동기를 기동해 정격회전속도 부근까지 올린다.

그다음 여자전류를 공급하여 발전기 단자에 전압을 만든다.

하지만 여기서 바로 차단기를 닫으면 안 된다.

두 번째 발전기의 전압상태가 기존 모선의 전압과 거의 일치하는지 먼저 확인해야 한다.

모든 동기조건이 만족되는 순간 차단기를 투입하여 두 시스템을 전기적으로 연결한다.

병렬투입이 완료되면 발전기는 계통주파수와 동기를 유지하며 함께 운전하게 된다.

왜 발전기를 여러 대 병렬운전할까?

전력부하는 시간에 따라 변한다.

낮에는 부하가 많고 밤에는 줄어들 수 있다.

공장에서도 생산설비 가동상태에 따라 필요한 전력이 크게 달라질 수 있다.

하나의 매우 큰 발전기만 사용하면 부하가 적을 때 발전기를 비효율적인 저부하 상태로 운전해야 할 수 있다.

여러 대의 발전기를 병렬로 구성하면 필요한 용량만큼 발전기를 투입하거나 정지할 수 있다.

또 한 발전기에 모든 부하를 집중시키지 않고 여러 대에 나누어 운전할 수 있다.

설비점검이나 고장 때 전원을 완전히 차단하지 않고 다른 발전기로 부하를 담당할 수 있다는 점도 중요하다.

즉 병렬운전은

공급신뢰도

운전유연성

정비성

부하분담

측면에서 매우 유리하다.

이미 살아 있는 모선에 발전기를 연결한다는 의미

독립된 발전기는 자신이 원하는 전압을 만들고 있다.

반면 계통에는 이미 다른 발전기들이 만든 전압이 존재한다.

이 두 전압원을 차단기로 연결한다는 것은 두 개의 강한 전원을 직접 묶는 것과 같다.

전압의 크기나 순간적인 방향이 서로 다르면 그 차이를 없애려는 매우 큰 전류가 흐를 수 있다.

두 전압원의 순간값 차이를 단순하게 생각하면

ΔV = Eg – Vbus

로 볼 수 있다.

두 시스템 사이의 등가임피던스를 Z라고 한다면 투입 순간의 순환전류는 개념적으로

I ≈ ΔV / Z

의 영향을 받는다.

발전기와 모선 사이의 임피던스는 일반적인 부하임피던스처럼 큰 값이 아니기 때문에 ΔV가 크면 상당한 전류가 흐를 수 있다.

그래서 병렬투입에서는 두 전압의 차이를 최대한 작게 만들어야 한다.

병렬운전을 위해 맞춰야 하는 네 가지 조건

동기발전기를 계통에 병렬투입할 때 기본적으로 확인해야 할 조건은 네 가지다.

첫 번째는 전압의 크기다.

발전기 단자전압과 계통전압의 크기가 거의 같아야 한다.

두 번째는 주파수다.

발전기에서 발생하는 주파수가 계통주파수와 거의 같아야 한다.

세 번째는 상순서다.

계통의 상순서가 ABC라면 발전기도 ABC여야 한다.

네 번째는 위상각이다.

차단기가 실제로 닫히는 순간 발전기전압과 계통전압의 같은 상이 거의 같은 위상에 있어야 한다.

이 네 조건 가운데 하나라도 크게 벗어나면 안전한 병렬투입이 어렵다.

전압 크기를 왜 맞춰야 할까?

발전기의 주파수와 위상이 정확히 같더라도 전압의 크기가 서로 다르다고 해보자.

예를 들어 계통 상전압이 6.35kV인데 새 발전기의 상전압이 그보다 상당히 높다면 두 전압원 사이에는 크기차가 존재한다.

차단기를 닫으면 이 전압차에 의해 발전기와 계통 사이에 순환전류가 흐르게 된다.

이 전류는 실제 부하에 필요한 유효전류라기보다 두 전압원의 크기차를 해소하려는 성격을 가진다.

특히 동기발전기에서는 전압크기 차이가 무효전력과 순환무효전류 문제로 이어질 수 있다.

그래서 투입 전에는 AVR이나 여자계통을 이용해 발전기전압을 계통전압과 비슷하게 맞춘다.

발전기 전압이 계통보다 높으면 어떻게 될까?

발전기전압이 계통전압보다 높고 다른 동기조건은 맞는 상태에서 투입했다고 생각해보자.

발전기는 계통으로 무효전력을 공급하려는 방향으로 움직일 수 있다.

전압차가 크면 순간적으로 큰 무효순환전류가 흐를 수 있다.

고정자권선에는 불필요한 전류부담과 발열이 발생한다.

차단기에도 큰 전기적 부담이 생길 수 있다.

반대로 발전기전압이 계통보다 낮은 상태라면 발전기가 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 방향의 전류가 흐를 수 있다.

따라서 투입 전에는 전압차를 가능한 한 작게 해야 한다.

주파수를 왜 맞춰야 할까?

주파수가 다르다는 것은 발전기전압과 계통전압의 위상차가 계속 변하고 있다는 뜻이다.

예를 들어 계통이 60Hz인데 발전기가 59Hz라면 두 파형은 처음에 같은 위상이더라도 시간이 지나면서 점점 어긋난다.

두 주파수의 차이를

Δf = fg – fbus

라고 하면 위상차는 시간에 따라 계속 변한다.

개념적으로

Δθ = 2πΔf t

처럼 증가하거나 감소한다.

주파수차가 클수록 두 전압의 동상점이 빠르게 지나간다.

그러면 정확한 순간에 차단기를 투입하기 어렵고, 투입 직후에도 큰 기계적·전기적 과도현상이 발생할 수 있다.

두 발전기가 모두 60Hz면 충분할까?

표시창에서 둘 다 60.0Hz로 보인다고 해서 무조건 조건이 맞았다고 볼 수는 없다.

실제 측정값에는 더 작은 차이가 있을 수 있다.

예를 들어 한쪽이 60.02Hz이고 다른 쪽이 59.98Hz라면 표시상 둘 다 60Hz처럼 보일 수 있지만 위상은 계속 조금씩 움직인다.

오히려 동기투입을 위해서는 발전기 주파수를 계통보다 아주 조금 높거나 낮게 만들어 동기점이 천천히 접근하도록 운전하는 방법도 사용할 수 있다.

중요한 것은 주파수차가 너무 커서 위상이 빠르게 이동하지 않도록 하는 것이다.

주파수는 무엇으로 조절할까?

독립된 동기발전기의 주파수는

f = PNs / 120

으로 결정된다.

P는 발전기 극수이고 운전 중에는 바꾸기 어렵다.

따라서 동기투입 전 주파수를 맞추려면 원동기의 회전속도를 조절해야 한다.

디젤발전기라면 엔진속도를,

증기터빈이라면 터빈속도를,

수력발전기라면 수차속도를

조절한다.

이 작업에 Governor가 중요한 역할을 한다.

반면 발전기 전압의 크기는 주로 여자전류와 AVR을 통해 맞춘다.

즉 동기투입 전 기본적인 역할을 나누면

Governor → 주파수

AVR → 전압

으로 볼 수 있다.

상순서란 무엇일까?

3상 교류에서는 A상, B상, C상의 전압이 120°씩 위상차를 가진다.

상순서는 이 세 상이 어떤 순서로 최대값에 도달하는지를 의미한다.

예를 들어

A → B → C

순서라면 ABC 정순이라고 할 수 있다.

그런데 계통은 ABC인데 새 발전기는 ACB라면 상순서가 서로 다르다.

이 상태는 단순히 약간의 위상차가 존재하는 것과는 전혀 다른 문제다.

두 시스템의 각 상이 시간에 따라 서로 같은 방향으로 진행하지 않는다.

그래서 상순서가 맞지 않으면 정상적인 동기점을 만들 수 없다.

상순서가 다르면 왜 위험할까?

계통의 A상을 발전기의 A상에,

B상을 B상에,

C상을 C상에 연결했다고 하더라도 발전기 내부의 실제 상순서가 반대라면 각 상의 전압위치가 계속 어긋난다.

차단기를 투입하면 매우 큰 전압차가 각 상에 걸릴 수 있다.

결과적으로 큰 동기화전류와 심한 전자기토크 충격이 발생할 수 있다.

따라서 상순서가 다르다면 절대로 병렬투입해서는 안 된다.

상순서는 발전기 설치나 배선변경 후 반드시 확인해야 하는 기본조건이다.

상순서는 주파수처럼 운전 중 계속 조절하는 값일까?

아니다.

발전기의 상순서는 고정자 권선의 결선과 회전방향에 의해 결정된다.

설치가 정상적으로 완료되고 회전방향과 배선이 확정되면 일반적인 운전 중에는 바뀌지 않는다.

그래서 상순서는 매번 미세조정하는 값이 아니라 처음부터 올바르게 구성되어 있어야 하는 조건에 가깝다.

반면 전압과 주파수, 위상은 투입할 때마다 운전상태에 맞춰 확인해야 한다.

위상각을 맞춘다는 것은 무슨 뜻일까?

발전기와 계통의 주파수가 같더라도 두 파형의 시작위치가 다를 수 있다.

둘 다 60Hz라고 해도 발전기 A상 전압이 최대값일 때 계통 A상 전압이 0V를 지나고 있다면 두 파형은 같은 주파수지만 동상이 아니다.

이 차이를 위상각차

Δθ

라고 할 수 있다.

병렬투입 순간에는 동일한 상끼리의 위상각차가 거의 0°가 되도록 해야 한다.

즉 발전기 A상과 계통 A상 전압이 같은 방향으로 거의 같은 순간값을 가지고 있어야 한다.

위상각이 맞지 않으면 왜 위험할까?

전압크기가 같더라도 위상이 다르면 두 전압 사이에 순간적인 전압차가 생긴다.

두 전압의 크기를 E라고 하고 위상차를 δ라고 하면 두 전압 벡터 사이의 차이 크기는 단순한 경우

|ΔV| = 2E sin(δ/2)

형태로 나타낼 수 있다.

위상차가 0°라면

ΔV = 0

에 가깝다.

하지만 위상차가 60°라면

|ΔV| = E

수준의 큰 차이가 생긴다.

180°에서는 두 전압이 정반대 방향이므로

|ΔV| = 2E

까지 커질 수 있다.

이 상태에서 차단기를 닫으면 매우 큰 동기화전류가 흐를 수 있다.

전류뿐 아니라 축에도 충격이 간다

잘못된 위상에서 병렬투입하면 문제는 고정자전류만이 아니다.

발전기는 전자기적으로 계통의 자계와 즉시 위치를 맞추려고 한다.

회전자에는 순간적으로 매우 큰 가속 또는 감속토크가 작용할 수 있다.

이를 동기화토크라고 볼 수 있다.

이 충격은

회전자,

축,

커플링,

터빈 또는 엔진,

베어링

에 기계적인 부담을 줄 수 있다.

심한 경우 축계에 비틀림진동을 일으킬 수도 있다.

즉 잘못된 병렬투입은 전기고장이면서 동시에 기계적인 충격사건이 될 수 있다.

왜 차단기 투입시간까지 고려해야 할까?

운전자가 동상점을 확인한 바로 그 순간에 실제 주접점이 즉시 붙는 것은 아니다.

투입명령을 내린 뒤 차단기 기구가 움직이고 실제 접점이 닫히기까지 일정한 시간이 필요하다.

예를 들어 차단기 투입시간이 수십 ms라면 그동안 발전기와 계통의 위상관계도 조금 변한다.

따라서 자동동기장치는 단순히

“지금 위상이 같다”

만 판단하는 것이 아니라

현재 주파수차와 위상차,

차단기 투입시간

을 고려하여 실제 접점이 닫힐 때 동상점에 가까워지도록 미리 투입명령을 내릴 수 있다.

슬립주파수란 무엇일까?

여기서 말하는 슬립주파수는 유도전동기의 슬립과 완전히 같은 용도로 사용하는 개념은 아니다.

동기검정 과정에서는 발전기와 계통의 주파수차를 의미하는 표현으로 사용할 수 있다.

예를 들어

계통 60.00Hz,

발전기 60.05Hz

라면 두 주파수차는

0.05Hz

다.

두 파형의 위상관계는 초당 0.05주기만큼 천천히 이동한다.

한 번 동상점에서 다음 동상점까지 걸리는 시간은

1 / 0.05 = 20초

다.

이처럼 약간의 주파수차를 두면 동기점을 천천히 관찰하면서 투입할 수 있다.

발전기 주파수를 계통보다 조금 높게 하는 이유가 있을까?

발전기를 계통에 투입하기 전에는 발전기 주파수를 계통과 거의 같게 맞추되 약간 높은 방향으로 접근시키는 운전방식을 사용할 수 있다.

그러면 발전기 위상이 계통위상을 천천히 따라잡으며 동기점이 일정한 방향으로 움직인다.

운전자가 동기계를 보거나 자동동기장치가 투입시점을 판단하기 쉽다.

다만 허용되는 주파수차와 투입조건은 설비마다 다르므로 실제 운전에서는 해당 발전기의 운전절차와 보호설정을 따라야 한다.

병렬투입 직전 발전기는 부하를 공급하고 있을까?

차단기가 열려 있는 상태에서는 발전기가 계통과 전기적으로 연결되어 있지 않다.

따라서 발전기 단자에 전압은 존재하지만 계통으로 유효전력을 공급하지 않는다.

발전기는 거의 무부하 상태로 회전하며 자체손실을 보상하는 정도의 기계적인 입력만 필요하다.

차단기가 닫혀 병렬투입이 완료된 이후부터 발전기와 계통 사이에 실제 전력교환이 가능해진다.

병렬투입되는 순간 큰 kW가 바로 나가면 정상일까?

이상적인 동기조건에서 병렬투입되고 원동기 입력도 적절하다면 투입 직후 큰 유효전력이 갑자기 흐르지 않도록 운전할 수 있다.

하지만 투입시 발전기와 계통 사이에 전력각이 존재하거나 원동기 입력이 과도하면 투입 직후 유효전력이 갑자기 변할 수 있다.

그래서 단순히 전압과 주파수만 맞추는 것이 아니라 실제 위상관계와 원동기 상태도 중요하다.

병렬투입 후에는 Governor 설정을 조정해 원하는 유효전력을 분담하게 한다.

병렬투입 후 전압을 올리려고 속도를 높이면 될까?

병렬투입 후에는 발전기가 이미 계통과 동기되어 있다.

원동기 입력을 증가시킨다고 회전속도가 계속 증가하지 않는다.

대신 전력각이 증가하면서 발전기가 계통으로 공급하는 유효전력이 증가한다.

반대로 여자전류를 조절하면 무효전력과 역률이 크게 변한다.

그래서 병렬운전 이후에는

원동기 입력 → 유효전력 분담

여자전류 → 무효전력 분담

이라는 개념으로 전환해야 한다.

병렬운전은 동기기의 각도관계와도 연결된다

동기전동기의 토크각과 부하각을 이해했다면 발전기의 병렬운전도 연결해서 볼 수 있다.

동기기에서는 회전자 자계와 고정자에서 형성되는 회전자계 사이의 상대적인 각도가 전력과 토크 전달에 중요한 역할을 한다.

발전기가 계통에 연결되면 회전자 자계는 계통주파수와 같은 속도로 회전하지만 일정한 전력각을 형성할 수 있다.

이 전력각을 통해 발전기가 계통으로 유효전력을 전달한다.

즉 동기된다는 것은 두 자계의 각도가 항상 완전히 0°라는 뜻이 아니라 같은 평균속도를 유지하면서 안정적인 각도관계를 형성한다는 의미다.

그러면 왜 투입 순간에는 위상각을 거의 0°로 맞출까?

병렬운전 중에는 발전기가 전력을 공급하기 위해 일정한 전력각을 가질 수 있다.

그렇다고 투입 전부터 큰 전력각을 만들어 놓고 차단기를 닫는 것은 아니다.

차단기가 열려 있는 동안 발전기는 계통과 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에 정상적인 전력전달 관계가 성립하지 않는다.

큰 위상차 상태에서 투입하면 그 차이를 순간적으로 보정하려는 큰 동기화전류와 토크충격이 나타난다.

따라서 처음 연결할 때는 두 전압을 가능한 한 동상에 가깝게 만들어 충격을 최소화한 뒤, 병렬운전이 완료된 후 원동기 입력을 증가시켜 필요한 전력각을 형성한다.

왜 동기발전기라고 부를까?

동기전동기의 구조와 유도전동기와의 차이에서도 동기기의 핵심은 회전자와 회전자계가 정상상태에서 같은 속도로 움직인다는 점이다.

발전기가 계통에 연결되면 회전자의 전기적인 속도는 계통주파수와 일치해야 한다.

4극 60Hz 발전기라면 약 1800rpm,

2극 60Hz 발전기라면 약 3600rpm

으로 동기되어야 한다.

이 상태에서 지속적인 속도차가 발생하면 정상적인 동기운전을 유지할 수 없다.

동기를 잃으면 어떤 일이 생길까?

계통에 정상적으로 연결되어 있던 발전기라도 큰 고장이나 과도한 기계입력, 여자계통 이상 등으로 전력각이 크게 흔들릴 수 있다.

안정적으로 유지할 수 있는 범위를 벗어나면 회전자와 계통자계 사이의 동기를 잃을 수 있다.

동기전동기의 탈조에서 살펴본 것처럼 동기기에서 탈조는 매우 중요한 이상현상이다.

발전기에서도 동기를 잃으면 전력과 전류가 심하게 진동하고 축계에 큰 기계적 충격이 발생할 수 있다.

대형 발전기에는 이런 비정상 운전을 검출하기 위한 보호기능이 사용된다.

위상이 완전히 0°여야만 차단기를 닫을 수 있을까?

현실의 동기투입에서는 완벽한 수학적 0°만을 기다리는 것은 아니다.

설비에는 허용 가능한 전압차,

주파수차,

위상각차

범위가 설정된다.

자동동기검정장치는 이 허용범위 안에 들어왔는지 판단해 투입을 허용한다.

정확한 허용값은 발전기 용량과 차단기 특성, 계통조건, 제조사 기준에 따라 달라질 수 있다.

그래서 실제 설비에서는 임의의 숫자를 외우기보다 해당 설비의 동기검정 설정값을 확인해야 한다.

전압차가 0이고 주파수도 같으면 위상도 자동으로 같을까?

아니다.

전압의 크기가 같고 주파수도 같더라도 시작위상이 다를 수 있다.

예를 들어 두 정현파가 모두 60Hz, 100V라고 하자.

한 파형이 다른 파형보다 30° 앞서 있다면 두 파형은 계속 30° 차이를 유지한다.

주파수가 정확히 같기 때문이다.

따라서 주파수 일치와 위상 일치는 서로 다른 조건이다.

병렬운전에서는 둘을 각각 확인해야 한다.

상순서와 위상각도 같은 개념이 아니다

상순서는 3상 전압이 진행하는 순서를 나타낸다.

위상각은 같은 상끼리 순간적으로 얼마나 어긋나 있는지를 나타낸다.

계통과 발전기의 상순서가 둘 다 ABC라고 해도 A상끼리 40° 어긋나 있을 수 있다.

이 경우 상순서는 맞지만 위상조건은 아직 맞지 않은 것이다.

반대로 상순서 자체가 ACB라면 시간을 기다린다고 해결되지 않는다.

배선이나 회전방향 등 근본적인 조건을 바로잡아야 한다.

발전기 회전방향도 상순서와 관계가 있다

3상 발전기의 상순서는 고정자권선의 공간배치와 회전자계의 회전방향에 의해 결정된다.

회전방향을 반대로 하면 발생하는 3상전압의 상순서도 반대로 바뀔 수 있다.

그래서 발전기를 처음 설치하거나 원동기·배선을 변경한 뒤에는 회전방향과 상순서 확인이 중요하다.

상순서가 계통과 다르면 동기투입을 시도해서는 안 된다.

수동 동기검정에서는 무엇을 사용할까?

전통적으로 동기검정에는 동기검정등이나 동기계를 사용할 수 있다.

동기검정등은 발전기와 계통 사이의 전압차에 따라 램프의 밝기가 변화하는 원리를 이용한다.

두 주파수가 조금 다르면 램프가 밝아졌다 어두워지는 현상이 반복된다.

이 반복속도를 통해 주파수차를 확인할 수 있다.

동기계는 발전기와 계통 사이의 주파수차와 상대위상을 보다 직관적으로 표시한다.

운전자는 동기계의 회전방향과 속도, 지침위치를 확인해 적절한 투입시점을 판단할 수 있다.

자동동기장치는 무엇을 할까?

현대의 발전설비에서는 자동동기장치를 사용하는 경우가 많다.

자동동기장치는 발전기전압과 계통전압을 측정하여

전압차,

주파수차,

상순서,

위상각

을 확인한다.

필요하다면 Governor에 속도조정 신호를 보내고 AVR에 전압조정 신호를 보낼 수도 있다.

조건이 허용범위 안으로 들어오면 차단기의 실제 투입시간을 고려해 투입명령을 보낸다.

사람이 계기를 보면서 수행하던 동기화 작업을 자동으로 수행하는 셈이다.

동기검정계전기는 왜 별도로 필요할까?

자동동기장치가 있다고 해도 차단기가 아무 때나 닫히도록 두는 것은 위험하다.

동기검정계전기 또는 synch-check relay는 발전기와 계통 사이의 조건이 설정된 허용범위 안에 있을 때만 차단기 투입을 허용하는 보호적 인터록 역할을 한다.

운전자의 실수나 자동제어장치의 오동작이 있더라도 잘못된 위상에서 투입되는 것을 방지하는 중요한 장치다.

동기조건이 틀린 상태에서 투입하면 차단기가 보호해주지 않을까?

차단기는 큰 고장전류를 차단할 수 있는 장치지만 그렇다고 잘못된 동기투입을 해도 괜찮다는 뜻은 아니다.

잘못된 투입 순간 큰 전류와 토크충격이 이미 발전기와 축계에 가해질 수 있다.

차단기가 이후 전류를 차단하더라도 기계적인 충격이나 전기적인 스트레스가 사라지는 것은 아니다.

따라서 보호장치는 잘못된 투입 뒤 문제를 해결하기 위한 수단보다 잘못된 투입 자체를 방지하는 방향이 중요하다.

병렬투입 후 발전기끼리 부하는 어떻게 나눌까?

두 발전기가 계통에 성공적으로 연결되었다고 해서 자동으로 원하는 비율의 부하를 나누는 것은 아니다.

유효전력 분담은 주로 각 발전기의 원동기 입력과 Governor 특성에 의해 결정된다.

무효전력 분담은 여자전류와 AVR 특성에 크게 영향을 받는다.

즉 병렬투입은 병렬운전의 시작일 뿐이다.

그 이후에는 발전기들이

kW,

kvar,

역률,

전류

를 적절하게 분담하도록 운전해야 한다.

두 발전기의 전압설정이 다르면 어떤 문제가 생길까?

병렬운전 중 발전기 A의 여자설정은 높고 발전기 B는 낮다면 두 발전기 사이에 불필요한 무효전력 순환이 나타날 수 있다.

전체 부하에서 요구하는 무효전력보다 한 발전기는 과도하게 공급하고 다른 발전기는 흡수하는 상황이 생길 수도 있다.

그 결과 두 발전기의 고정자전류가 불필요하게 증가하고 효율과 열적 여유가 나빠질 수 있다.

그래서 병렬운전에서는 단자전압뿐 아니라 발전기 사이의 무효전력 분담도 중요하다.

Governor 설정이 서로 다르면 어떻게 될까?

병렬운전 중 한 발전기의 원동기 입력을 증가시키면 그 발전기가 더 많은 유효전력을 담당하려 한다.

다른 발전기의 입력을 줄이면 그 발전기의 유효전력 부담은 감소한다.

따라서 여러 발전기의 Governor 설정과 드룹특성은 안정적인 부하분담과 연결된다.

발전기를 병렬로 연결했다고 각 발전기가 항상 정확히 같은 kW를 담당하는 것은 아니다.

각 발전기의 용량과 운전목표에 맞게 분담한다.

병렬운전에서 가장 위험한 생각

가장 피해야 할 생각 중 하나는

“둘 다 60Hz이고 전압도 같으니까 연결하면 된다”

는 것이다.

주파수와 전압크기가 같아도

상순서가 다를 수 있고,

동일상끼리의 순간 위상각이 다를 수 있다.

특히 위상이 180°에 가까운 상태에서는 전압의 크기 자체는 완전히 같더라도 두 전압이 서로 반대방향이다.

따라서 차단기 양단에는 매우 큰 전압차가 존재한다.

동기조건은 반드시 전체를 함께 봐야 한다.

현장에서 병렬투입 전 확인할 항목

실제 절차와 허용값은 설비별로 다르지만 원리적으로는 다음 항목을 확인한다.

발전기 회전속도와 주파수,

발전기 단자전압,

계통전압,

상순서,

발전기와 계통의 상대위상,

동기검정장치 상태,

차단기 상태,

여자계통과 Governor 상태

등이다.

자동동기장치가 설치되어 있어도 계측신호 자체가 정상인지, 차단기 투입회로와 인터록이 정상인지 확인하는 것이 중요하다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 병렬운전 조건은 전압과 주파수 두 가지만 맞추는 것이 아니다.

전압크기, 주파수, 상순서, 위상각을 함께 확인해야 한다.

둘째, 주파수가 같아도 위상이 다를 수 있다.

셋째, 상순서와 위상각은 서로 다른 개념이다.

넷째, 발전기전압이 계통전압과 다르면 불필요한 무효순환전류가 흐를 수 있다.

다섯째, 위상차가 큰 상태에서 투입하면 큰 전류뿐 아니라 축계에 심한 전자기토크 충격이 발생할 수 있다.

여섯째, 차단기 투입에는 실제 동작시간이 있으므로 자동동기장치는 이를 고려해 투입명령을 보낼 수 있다.

일곱째, 병렬투입 전 발전기는 거의 무부하 상태지만 투입 후에는 원동기 입력을 조절하여 유효전력을 담당하게 한다.

여덟째, 병렬투입 후 원동기 입력을 높이면 회전속도가 계속 올라가는 것이 아니라 유효전력과 전력각이 증가한다.

아홉째, 여자전류를 조절하면 병렬운전 중에는 주로 무효전력과 역률분담이 달라진다.

열째, 자동동기장치가 있다고 해서 동기조건의 원리를 몰라도 되는 것은 아니다.

마무리

동기발전기를 이미 살아 있는 전력계통에 연결하는 것은 두 개의 강한 교류전원을 직접 연결하는 작업이다.

그래서 차단기를 투입하기 전에 발전기와 계통의 전압상태를 최대한 비슷하게 만들어야 한다.

기본적인 동기조건은

전압의 크기 일치

주파수 일치

상순서 일치

투입 순간 위상각 일치

다.

전압크기가 다르면 순환무효전류가 발생할 수 있다.

주파수가 다르면 위상차가 계속 움직인다.

상순서가 다르면 정상적인 동기점 자체를 만들 수 없다.

위상각이 크게 다른 상태에서 투입하면 큰 동기화전류와 기계적인 토크충격이 발생할 수 있다.

이 때문에 발전기 병렬운전은 단순한 차단기 조작이 아니라

전압·속도·위상·상순서를 하나의 시스템으로 맞추는 과정

이라고 이해해야 한다.

그리고 성공적으로 병렬투입된 이후에는 발전기의 역할도 달라진다.

원동기 입력을 조절하여 유효전력을 분담하고,

여자전류를 조절하여 무효전력과 역률을 조절한다.

다음 글에서는 실제로 이러한 조건을 어떻게 확인하는지, 동기검정등과 동기계는 무엇을 보여주며 차단기를 어느 순간 투입해야 하는지를 중심으로 살펴본다.
:::