동기 발전기 병렬 운전 조건 및 운전 조건이 다를 경우 발생하는 영향

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동기 발전기를 병렬 운전할 때는 전기적 특성이 일치해야 안정적인 운전이 가능합니다. 병렬 운전은 두 개 이상의 발전기가 함께 부하를 공급하는 형태로, 각 발전기 간의 전압, 위상, 주파수 등이 맞지 않을 경우 무효 순환 전류가 발생하여 발전기 손상이나 효율 저하를 초래할 수 있습니다. 이번 글에서는 동기 발전기의 병렬 운전 조건과 조건이 맞지 않을 때 발생하는 문제점, 그 해결 방안에 대해 설명하겠습니다.

Table of Contents

1. 동기 발전기 병렬 운전 조건

1) 병렬 운전 조건의 필수 요소

동기 발전기가 안정적으로 병렬 운전을 하기 위해 다음의 조건이 필요합니다.

기전력의 크기가 같을 것
기전력의 위상이 같을 것
기전력의 주파수가 같을 것
기전력의 파형이 같을 것
상회전 방향이 같을 것

2) 병렬 운전 조건이 다를 경우의 영향

기전력의 크기가 다른 경우: 두 발전기의 기전력이 다를 경우 기전력의 차로 인해 무효 순환 전류($I_C$)가 발생하게 됩니다. $$
I_C = \frac{E_1 – E_2}{2X} \quad [A]
$$
이 무효 전류는 발전기 간에 흐르며, 부하 전력에 기여하지 않고 손실을 발생시킵니다.
기전력의 위상이 다른 경우: 위상 차이가 있을 때 무효 순환 전류가 발생하며, 이로 인해 두 발전기의 유효 전력이 비효율적으로 분배됩니다.
기전력의 주파수가 다른 경우: 주파수가 맞지 않으면, 동기화가 깨지면서 난조가 발생할 수 있습니다. 심할 경우 병렬 운전이 불가능해집니다.

2. 병렬 운전 시 무효 순환 전류의 영향

1) 기전력의 크기 차로 인한 무효 순환 전류

기전력이 큰 발전기($E_1$)는 뒤진 전류가 되어 감자 작용을 일으키고, 작은 발전기($E_2$)는 앞선 전류가 되어 증자 작용을 일으킵니다.
무효 순환 전류($I_C$)는 다음과 같이 계산됩니다: $$
I_C = \frac{E_1 – E_2}{2X_d}
$$
이는 각 발전기 사이에 무효 전력을 발생시켜 에너지 손실을 유발합니다.

2) 주파수 차이에 따른 난조 발생

기전력의 주파수가 다를 경우 두 발전기 사이에 주기적으로 교류 전류가 흐르며, 이로 인해 병렬 운전이 불안정해집니다.

3) 위상 차이에 따른 전력 분담 불균형

위상 차이가 발생하면 발전기 간의 전력 분담이 비효율적이 됩니다.

3. 병렬 운전의 안정성 확보 방안

위상 조정: 동기기의 위상을 맞추기 위해 위상 조정기를 사용하여 두 발전기의 위상을 일치시킵니다.
주파수 조정: 발전기 주파수를 동기화하여 난조가 발생하지 않도록 관리합니다.
자동 전압 조정기(AVR) 사용: 자동 전압 조정기를 통해 기전력 크기를 일치시키고, 무효 순환 전류 발생을 최소화합니다.

동기 발전기의 병렬 운전은 전기적 특성이 맞아야만 안정적으로 이루어질 수 있습니다. 이를 위해 기전력의 크기, 위상, 주파수, 파형 등이 일치해야 하며, 각 조건이 맞지 않을 경우 발생하는 무효 순환 전류는 발전기의 효율을 낮추고 손상을 초래할 수 있습니다. 병렬 운전 시 이러한 문제를 예방하기 위해 적절한 조정 장치와 관리가 필요합니다.

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