발전소의 고압 인버터 개조

1 고압 인버터의 기본 구조 및 작동 메커니즘

1.1 모듈 구성

• 정류기 모듈: 이 모듈은 입력된 고압 교류 전력을 직류 전력으로 변환합니다. 정류 섹션은 주로 트라이아크, 다이오드 또는 다른 전력 반도체 장치로 구성되어 AC에서 DC로의 변환을 실현합니다. 또한, 제어 유닛을 통해 특정 범위 내에서 전압 조절과 전력 보상이 가능합니다.

• DC 필터 모듈: 정류된 DC 전력은 필터 회로를 통해 전압 변동을 평활화하여 안정적인 DC 버스 전압을 형성합니다. 이 전압은 후속 인버터 단계에 에너지 지원을 제공하는 데뿐만 아니라 출력 전압의 안정성과 동적 응답 능력 유지에도 중요한 역할을 합니다.

• 인버터 모듈: 필터링된 DC 전력은 IGBT와 펄스 폭 변조(PWM) 기술을 사용하여 다시 AC 전력으로 변환됩니다. PWM 신호의 듀티 사이클과 스위칭 주기를 조정함으로써 인버터는 출력 AC 전력의 진폭과 주파수를 정밀하게 제어할 수 있어 모터, 팬, 펌프 등의 다양한 부하 요구 사항을 충족시킵니다. 이 기술은 인버터가 소프트 스타트, 무단 속도 제어, 최적화된 운전 조건, 에너지 절약 등의 기능을 제공할 수 있게 합니다.

1.2 작동 메커니즘

고압 인버터는 다중 수준 위상 구조를 사용하여 출력 파형이 사인파에 가깝게 만들어집니다. 이를 통해 추가 필터나 승압 변압기가 필요 없이 고압 AC 전력을 직접 모터로 출력할 수 있습니다. 이러한 구성을 통해 저조파 특성이 우수합니다. 모터 속도 $n$는 다음 식을 만족합니다:

여기서: $P$는 모터의 극 쌍 수입니다; $f$는 모터의 작동 주파수입니다; $s$는 슬립 비율입니다. 슬립 비율은 일반적으로 작으며 (대체로 0~0.05 범위), 모터의 공급 주파수 $f$를 조정함으로써 실제 속도 $n$를 조절할 수 있습니다. 모터의 슬립 비율 $s$은 부하 강도와 양의 상관 관계가 있으며, 부하가 클수록 슬립 비율이 증가하여 모터의 실제 속도가 감소합니다.

1.3 기술 선택의 주요 요인

• 전압 매칭: 모터의 정격 전압에 따라 "고-고" 또는 "고-저-고"와 같은 적절한 매칭 방식을 선택합니다. 1,000 kW 이상의 모터는 "고-고" 방식을 추천하며, 500 kW 미만의 모터는 "고-저-고" 방식을 우선적으로 고려할 수 있습니다.

• 조화 완화: 고압 인버터의 입력 및 출력 단자에서 쉽게 조화가 발생합니다. 이를 줄이기 위해 멀티플렉싱 기술이나 추가 필터를 사용할 수 있습니다. 필터를 적절히 구성하면 조화 왜곡을 5% 이내로 제어하여 효과적인 조화 억제가 가능합니다.

• 환경 적응성: 고압 인버터는 내부 온도가 40°C 이하로 유지되도록 공랭 또는 수랭 시스템이 필요합니다. 인버터 현장에서는 보통 제습기와 공조 시스템이 설치됩니다. 공조 시스템이 없는 특수 지역에서는 설계 시 구성 요소의 온도 등급을 고려하고, 냉각 시스템의 환기 용량을 증가시켜 안정적인 작동을 보장해야 합니다.

2 발전소에서의 고압 인버터 적용 사례

발전소의 전력 시스템은 터빈 발전기, 보일러, 수처리, 석탄 운반, 탈황 시스템 등의 장비를 포함합니다. 터빈 부분은 급수 펌프와 순환수 펌프에 전력을 공급하며, 보일러 부분은 송풍기(일차 팬), 이차 팬, 유도 팬을 제공하고, 석탄 운반 부분은 벨트 컨베이어를 운영합니다. 부하 변화에 따라 고압 인버터를 사용하여 이러한 장치의 가변 속도 제어를 수행함으로써 에너지 소모를 줄이고 보조 전력 소모를 낮추며 운영 경제성을 개선할 수 있습니다.

인도네시아 술라웨시섬에 위치한 모로와리 니켈-철 생산 프로젝트는 2019년부터 2023년까지 8개의 135 MW 발전기를 설치했습니다. 내부 운영을 더욱 최적화하고 생산 비용을 줄이기 위해 2023년부터 2024년 사이에 1, 2, 3, 4, 7번 유닛의 응축수 펌프와 2, 5번 유닛의 급수 펌프에 고압 인버터를 설치하는 기술 개조를 실시했습니다.

2.1 장비 상태

이 프로젝트는 25개의 생산 라인을 갖춘 열금속 니켈-철 공정을 사용하며, 동방전기 DG440/13.8-II1 순환 유동층 보일러 8대와 135 MW 중간 재열 응축 스팀 터빈 발전기 세트 8대가 장착되어 있습니다. 각 유닛은 두 개의 고정 주파수 응축수 펌프, 두 개의 유압 커플러 조절 펌프, 그리고 여섯 개의 유압 커플러 조절 팬으로 구성되어 있습니다.

급수 펌프와 팬은 10%~20%의 백업 용량을 제공하도록冗余设计。5号和6号机组以孤岛模式运行，负荷率约为70%。通过优化电机转速以匹配实际负载需求，并将再生制动能量反馈到电网中，可以减少风扇、泵等设备的不必要能耗，进一步降低系统能耗。 请注意，最后一段的翻译内容似乎被截断了。以下是完整的翻译：

급수 펌프와 팬은 10%~20%의 백업 용량을 제공하도록 설계되었습니다. 5호와 6호 유닛은 약 70%의 부하율로 독립 운전 모드로 작동합니다. 실제 부하 요구에 맞게 모터 속도를 최적화하고, 재생 브레이킹 에너지를 그리드로 피드백함으로써, 팬, 펌프 등 기타 장비의 불필요한 에너지 소모를 줄이고, 시스템의 에너지 손실을 더욱 최소화할 수 있습니다.

2.2 개조 계획

실제 장비 운전 상황을 바탕으로 135 MW 발전기의 급수 및 응축수 펌프에 고압 인버터 개조를 실시하였습니다.

• 급수 펌프 개조: 각 급수 펌프에 전용 고압 인버터를 장착하는 "자동 일대일" 구성이 채택되었습니다. 이에는 시스템의 안정성을 보장하기 위한 바이패스 캐비닛이 포함됩니다.

• 응축수 펌프 개조: 두 개의 응축수 펌프가 하나의 고압 인버터를 공유하는 "일대이" 구성이 적용되었습니다. 효율성과 비용 효율성을 균형있게 고려하였습니다.

현지의 역사적 최고 기온 범위가 23~32°C인 것을 고려하여, 구성 요소는 40°C의 주변 온도에서 작동하도록 선택되었습니다. 또한, 인버터 캐비닛의 강제 배기 설계는 40°C의 실내 온도를 기준으로 조정되어 효과적인 열 방출을 보장하며, 전용 인버터 방이나 공조 시스템이 필요하지 않도록 하였습니다.

2.3 경제적 이익 평가

이 개조 프로젝트의 총 투자는 약 600만 위안으로, 장비 비용 500만 위안, 건설 비용 40만 위안, 고객이 제공한 보조 자재 비용 60만 위안이 포함되었습니다. 계산 결과 연간 에너지 절감 효과는 658만 위안으로, 투자 회수 기간은 1년 미만이며, 예상된 경제적 목표를 성공적으로 달성하였습니다.

3 결론

고압 인버터 기술의 급속한 발전과 함께 그 응용 분야가 다양한 산업으로 확대되고 있습니다. 발전소 생산 시스템에서도 고압 인버터 기술을 적극적으로 도입해야 합니다. 장시간 운전되는 유닛이나 업그레이드가 시급한 유닛을 우선적으로 개조하는 것이 큰 경제적 가치와 전략적 중요성을 지니고 있습니다.