전력 시스템에서의 부하 주파수 제어(LFC) 및 터빈 조정기 제어(TGC)

열 발생 장치에 대한 간단한 소개

전력 생산은 재생 가능 및 비재생 가능 에너지 자원 모두에 의존합니다. 열 발생 장치는 전력 생산의 전통적인 접근 방식을 나타냅니다. 이러한 장치에서는 석탄, 핵 에너지, 천연 가스, 바이오 연료, 바이오가스 등의 연료가 보일러 내에서 연소됩니다.

발전 장치의 보일러는 매우 복잡한 시스템입니다. 가장 단순한 개념으로 보면, 보일러는 벽면에 파이프가 설치되어 있고 물이 계속 순환하는 챔버로 상상할 수 있습니다. 보일러 내부에서 연료가 연소하면서 발생하는 열 에너지는 이 물에 전달됩니다. 이 과정에서 물은 고압(설계에 따라 150 ksc에서 380 ksc 사이)과 고온(설계 사양에 따라 530°C에서 732°C 사이)을 특징으로 하는 건조 포화 증기로 변환됩니다.

이 포화 증기는 터빈으로 공급되며, 여기서 확장되고 온도가 떨어집니다. 이 확장 과정에서 증기는 자신의 열 에너지를 터빈 축의 회전 에너지로 전달합니다. 증기의 터빈으로의 유입은 제어 밸브에 의해 조절되며, 이는 터빈의 제어 시스템에 의해 관리됩니다. 결과적으로 터빈의 활성 출력은 제어 장치에 의해 제어됩니다. 터빈은 동기 발전기에 연결됩니다.

동기 발전기는 터빈의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 동기 발전기는 명목 주파수에서 일반적으로 11 kV부터 26 kV까지의 상대적으로 낮은 전압으로 전기를 생산합니다. 이 전압은 전송망으로 전송하기 위해 220 kV/400 kV/765 kV로 발전 변압기로 인해 상승시킵니다. 전력 시스템 연구에서 이 전체 통합 시스템은 발전 장치로 언급됩니다.

터빈 제어 장치 (TGC)

앞서 언급했듯이, 제어 장치는 제어 밸브의 위치를 조절하여 터빈으로의 활성 전력 흐름을 조절합니다. 수압 제어 장치는 터빈의 실제 회전 속도로부터 피드백을 받는 적분 제어기로 모델링할 수 있습니다. 그림 1은 속도 제어 모드에서 제어 장치의 작동을 보여줍니다.

터빈의 실제 속도는 참조 속도(명목 그리드 주파수에 해당)와 비교됩니다. 결과적으로 발생하는 속도 오류 신호(∆ωᵣ)는 제어 장치에 입력됩니다. 이 오류 신호에 따라 제어 장치는 제어 밸브의 위치를 조정합니다: 양의 오류 신호가 감지되면(실제 주파수가 명목 주파수보다 높을 때), 제어 장치는 밸브를 약간 닫습니다. 반대로 음의 오류 신호가 수신되면 밸브를 열게 됩니다.

"R"은 일반적으로 3%에서 8% 사이인 제어 장치의 드롭 설정을 나타냅니다. 수학적으로 다음과 같이 정의됩니다:
R = (주파수의 단위 변화) / (전력의 단위 변화)

드롭 설정은 여러 발전 장치의 안정적인 병렬 운전에 중요하며, 제어 영역 내에서 부하를 어떻게 공유할 것인지 결정합니다. 더 작은 드롭 값의 장치는 자동으로 더 큰 부하의 일부를 차지하게 됩니다.

제어 영역

전력 시스템에서 발전 장치와 부하가 광범위한 지리적 지역에 분포되어 있습니다. 안정성을 유지하기 위해 전체 그리드는 더 작은 제어 영역(주로 지리적 기준)으로 나뉩니다. 이러한 분할은 다음을 가능하게 합니다:

• 효율적인 부하 흐름 계산

• 주파수 및 전력 균형의 정밀 제어

제어 영역 내에는 여러 발전 장치와 부하가 공존합니다. 전력 시스템을 제어 영역으로 세분화하면 몇 가지 중요한 목표를 달성할 수 있습니다:

1. 부하 주파수 제어

이 프레임워크는 그리드 주파수를 유지하기 위한 부하-주파수 제어 방법을 적용할 수 있게 합니다. 이 개념은 나중에 더 자세히 설명됩니다.

2. 예정된 교환량 결정

제어 영역의 발전량이 부하 수요보다 부족하면, 인접 제어 영역으로부터 타이 라인을 통해 전력이 흘러들어옵니다(그 반대의 경우도 마찬가지입니다).

3. 효과적인 부하 분담

부하 수요는 하루 중 시간에 따라 변동합니다(예: 밤에는 낮고, 아침과 저녁에는 높아짐). 제어 영역은 다음을 단순화합니다:

• 예상 수요와 장치 용량에 따라 부하를 단위별로 할당

• 다른 제어 영역과의 예정된 전력 교환 계산

전력 균형

전기 에너지는 실시간으로 소비되며(대규모로 저장할 수 없습니다). 따라서 전력 균형은 기본적인 요구사항입니다:
발생된 전력 (P₉) = 부하 수요 (Pd) + 송전 손실 (Pₗ)

송전 손실은 일반적으로 발생된 전력의 약 2%를 차지하며, 주파수 제어에 집중할 때 종종 무시됩니다. 간단하게 말해, 우리는 다음과 같이 근사합니다:
발생된 전력 (P₉) ≈ 부하 수요 (Pd)

주파수 변동

G리드 주파수는 부하 수요와 발전 사이의 불일치로 변동합니다. 미세한 편차는 시스템 관성에 의해 안정화되지만, 큰 격차(예: 장치 트립, 큰 부하 변화)는 주파수를 ±5%로 변동시킬 수 있습니다. 주요 시나리오는 다음과 같습니다:

• 발전 장치 또는 송전선의 예기치 않은 정지

• 대형 부하의 갑작스러운 연결/해제

대부분의 경우(예: 장치/라인 트립, 대형 부하 연결), 수요가 발전을 초과하여 주파수가 떨어집니다. 반대로, 대형 부하를 제공하는 송전선이 트립하면 발전이 수요를 초과하여 주파수가 상승할 수 있습니다. 시스템이 이러한 시나리오에 대해 반대로 반응하지만, 주파수 하락을 이해하면 두 가지 행동 모두 이해할 수 있습니다.

주파수 하락이 발생하는 이유

두 가지 본질적인 시스템 동작이 주파수 하락을 유발합니다:

1. 부하 감쇠

유도 모터(예: 가정용 팬, 산업용 드라이브)가 그리드 부하의 대부분을 차지합니다. 그들의 전력 소비는 주파수에 따라 달라집니다: 1%의 주파수 감소는 대규모 시스템에서 일반적으로 약 2%의 활성 전력 소비 감소를 유발합니다. 새로운 부하가 연결될 때 주파수가 떨어지고 기존 유도 부하가 자동으로 전력 소비를 줄여 - 부하-발전 간격을 부분적으로 완화합니다.

2. 터빈-발전기(TG) 세트의 운동 에너지 방출

전통적인 TG 세트는 종종 25톤 이상의 거대한 로터를 3000 RPM(50Hz 그리드)으로 회전시킵니다. 수요가 발전을 초과할 때, 이 로터들은 일시적으로 저장된 운동 에너지를 3-5초 동안(관성에 따라 다름) 공급합니다. 로터가 느려지면서 그리드 주파수가 떨어집니다.

주파수 제어

부하-주파수 제어(LFC)는 수요-발전 불일치 후 그리드 주파수를 명목값으로 복원합니다. 두 단계의 제어가 존재합니다:

1. 1차 주파수 제어

장치 수준에서, 터빈의 제어 시스템은 속도(따라서 주파수)를 조정합니다. 앞서 보았듯이, 각 장치는 주파수 편차에 따라 스팀 입력을 조절합니다. 발전소의 전체 1차 제어 루프는 아래 그림에 표시되어 있습니다.

2. 2차 주파수 제어

이는 여러 제어 영역의 여러 장치 간의 조정된 제어를 포함하여 장기적인 주파수 안정성과 최적의 부하 분담을 보장합니다.

1차 주파수 제어의 한계

1차 주파수 제어만으로는 제어 장치의 드롭 특성과 부하 주파수 민감도에 영향을 받는 정상 상태 주파수 편차가 발생합니다. 이것은 개별 장치가 새 부하가 어디에 연결되었는지, 얼마나 많은 부하가 추가되었는지 고려하지 않고 속도를 조정하기 때문입니다. 이러한 맥락 평가 없이 전력 균형을 완전히 복원할 수 없으며, 주파수 편차는 지속됩니다. 1차 제어 작업 후, 정상 상태 주파수 오류는 양수 또는 음수일 수 있습니다.

2차 주파수 제어

시스템 주파수를 명목값으로 복원하려면 2차 제어가 필요합니다. 2차 제어는 새 부하 위치를 고려하고 선택된 장치의 참조 설정점을 조정합니다. 제어 영역에서 부하가 증가하면 해당 영역 내의 발전량이 증가해야 합니다:

• 제어 영역 수준에서 수요-발전 균형을 유지

• 인접 영역과의 예정된 교환량이 사전 정의된 제한 내에 있도록 유지

이를 달성하기 위해:

• 자동 발전 제어(AGC)는 각 제어 영역에서 특정 장치를 2차 제어를 위해 할당합니다.

• 그들의 제어 시스템에 주파수 편향 루프가 추가되어 실시간 부하 흐름 계산을 기반으로 수정 신호를 제공합니다.

수정된 부하 설정점이 발행되면, 장치들은 발전을 조정하기 시작합니다. 전력 생산의 기계적 특성으로 인해, 장치들이 예정된 출력에 도달하는 데 25-30분이 걸립니다. 모든 발전소가 목표 발전량을 달성하면, 전력 균형이 복원되고 주파수가 명목값으로 돌아옵니다.

아래 그래프는 1차 및 2차 주파수 제어를 사용한 시스템의 전체 응답을 이해할 수 있게 합니다.

부하 증가에 대한 시스템 응답 (A-B-C-D)
A-B: 일시적 운동 에너지 방출

점 A 이전에 시스템은 전력 균형 상태에서 작동합니다. 점 A에서 부하가 갑자기 P₀에서 P₀ + ∆P로 증가합니다. 제어 장치가 응답하기 전에 3-5초의 지연이 발생합니다. 이 간격 동안, 로터의 저장된 운동 에너지가 초과 부하를 공급하여 로터 속도가 떨어지고 주파수가 최소값 f₁로 하락합니다.

B-C: 1차 주파수 제어 동작

약 5초 후, 제어 장치가 속도 제어를 시작하여 스팀 입력을 늘려 로터 속도를 복원합니다. 이 단계는 주파수 하락 크기에 따라 20-25초 동안 지속됩니다. 앞서 언급했듯이, 1차 제어만으로는 제어 장치의 드롭 때문에 정상 상태 주파수 오류 ∆f가 남아 있습니다.

C-D: 2차 주파수 제어 (AGC 활성화)

주파수가 안정화되면, 2차 제어(AGC를 통해)는 각 제어 영역의 선택된 장치의 발전을 조정합니다. 이 과정은 다음을 고려합니다:

• 새 부하 참조 설정점

• 실시간 부하 흐름 계산을 기반으로 하는 주파수 편향 신호

발전 조정은 장치의 설계 램프 속도에 의해 제한되며, 완료되기까지 몇 분이 걸립니다. 완료되면, 예정된 교환량이 사전 계산된 값으로 돌아가고, 시스템은 명목 주파수로 새로운 전력 균형을 달성합니다.