전력계통 안정도(Stability) 종류 별 특징 분석

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전력계통 안정도(Stability)는 시스템의 정상적인 운영 상태를 유지할 수 있는 능력을 의미하며, 이는 전력계통의 운전 조건 변화나 고장이 발생했을 때도 계통의 정상적인 동작을 유지하고 복구할 수 있는지를 평가하는 중요한 요소입니다. 본 문서에서는 전력계통의 안정도를 정의하고, 정태 안정도, 동태 안정도, 과도 안정도 등 주요 안정도 유형을 설명하며, 각각의 물리적 특성과 이를 결정짓는 변수들을 정리합니다.

1. 전력계통 안정도(Stability)의 종류

1) 전력계통 안정도(Stability)의 정의

• 안정도란 전력계통이 주어진 운전 조건 하에서 안정하게 운전을 지속할 수 있는 성질을 의미합니다.
• 일반적으로 계통의 부하 변화, 고장 등 외란에 대해 각 발전기 전압의 일정한 상차각을 유지하는 능력입니다.

2) 안정도의 필요성

• 전력 계통은 송전선로의 임피던스, 송수전단 간의 상차각 변화에 따라 불안정해질 수 있으며, 이러한 불안정성은 계통의 신뢰성을 저해하는 원인이 됩니다.
• 특히 발전기 간의 상차각이 90° 이상으로 벌어질 경우, 계통의 전압 안정성이 급격히 저하됩니다.

3) 전력계통 안정도(Stability)의 분류

• 정태 안정도 (Steady State Stability): 정상 운전 상태에서 외란이 발생해도 평형을 유지하는 능력.
• 동태 안정도 (Dynamic Stability): 작은 외란이 발생했을 때, 계통이 새로운 평형 상태로 복귀하는 능력.
• 과도 안정도 (Transient Stability): 큰 외란 (예: 단락, 고장 등)이 발생한 후 계통이 복귀할 수 있는 능력.

2. 정태 안정도 (Steady State Stability)

1) 정태 안정도의 정의

• 정상 운전 상태에서 발생한 작은 외란에 대해 발전기 출력이 평형을 유지하며, 어디까지 그 출력을 증가시킬 수 있는지를 논의합니다.
• AVR이나 조속기 효과를 고려하지 않고, 정상적인 운전 상태에서 발전기의 안정성을 평가합니다.

2) 정태 안정도의 수식

• 전력계통의 정태 안정도는 다음의 수식으로 표현됩니다:

$$
P = \frac{E_f \cdot E_t}{X} \cdot \sin \delta
$$

여기서,

• $P$: 유효 전력 [MW]
• $E_f$: 발전기 유도 기전력
• $E_t$: 송수전단의 전압
• $X$: 계통 임피던스

3) 정태 안정도의 영향 요소

• 송전 선로의 임피던스 변화
• 발전기 전압의 변화
• 계통의 부하 조건 변화

3. 동태 안정도 (Dynamic Stability)

1) 동태 안정도의 정의

• 작은 외란에 대해 계통이 새로운 평형 상태로 안정적으로 복귀할 수 있는 능력입니다.
• 동태 안정도는 발전기의 회전력 변화 및 전기적 동작 특성에 따라 결정됩니다.

2) 동태 안정도 해석

• 동적 계통 해석을 통해, 발전기 회전력 변화와 발전기 간의 동기화 상태를 평가합니다.

4. 과도 안정도 (Transient Stability)

1) 과도 안정도의 정의

• 전력계통의 급격한 외란 (단락, 고장, 급격한 부하 변화 등)에 대해 안정적으로 동작을 회복할 수 있는 능력입니다.
• 과도 안정도는 특히 발전기 회전자 간의 상차각이 급격하게 변할 때 발생합니다.

2) 과도 안정도의 해석 방법

• 전력각 방정식을 사용하여, 발전기 간의 회전자 각 변화를 평가합니다.
• 전력각 방정식: $\Delta P_m – \Delta P_e = \frac{2H}{\omega_s} \cdot \frac{d^2 \delta}{dt^2}$

5. 결론

전력계통의 안정도(Stability)는 계통의 신뢰성과 안전성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 정태 안정도, 동태 안정도, 과도 안정도 각각의 특성을 이해하고, 이를 바탕으로 계통의 복구 가능성을 평가하는 것이 중요합니다.

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