전압·무효전력 제어의 원리

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1. 전압·무효전력 제어의 특성

1) AFC 및 ELD는 계통 전체의 유효전력 수급 균형을 담당하고, 전압·무효전력 제어는 계통의 무효전력 수급 균형을 목표로 한다.

2) 계통 주파수는 어디에서나 동일한 값을 갖는 전계통적 성질이 있으나, 전압·무효전력은 접속 지점마다 값이 달라지는 국지적 성질이 있다.

3) 전압·무효전력 제어를 위해 변압 조정기(SC), 분로 리액터(Sh.R), 발전기 전압 조정기(AVR), 동기 콘덴서 등이 사용된다.

4) 단순히 전압 수준만 맞추는 것이 아니라 계통 내 무효전원의 효율적 운용과 계통 운용의 합리화를 포함하는 종합적인 계통 운용을 목표로 한다.

5) 전력 계통에서 무효전력 수급 균형을 위한 무효전력 공급은 아래와 같다.

$Q_G + Q_C = Q_GL + Q_CL = 2 Q_L$
예시 : $2 × (0.6 ~ 1.0) × P_L = 1.2 ~ 2.0 P_L$

(1) 단거리 송전선로의 등가회로와 벡터도

송전선로는 저항 R과 리액턴스 X의 직렬회로로 나타내며, 정전용량 C는 무시한다.
송단전압을 $E_s$, 수전단전압을 $E_r$, 전류를 I, 위상각을 θ라 한다.

벡터도에서는 $E_r$을 기준으로 송단전압 $E_s$를 나타내며, 이때 관계식은 아래와 같다.

$E_s = (E_r + I R cosθ + I X sinθ) + j (I X cosθ – I R sinθ)$

이 관계를 전력식으로 변환하면 다음과 같다.

$E_s^2 = (E_r + (P R + Q X) / E_r )^2 + ( (P X – Q R) / E_r )^2$

위 식에서 전압 변화량 ΔV, 위상차에 의한 변위 δV는 각각 아래와 같다.

ΔV = (P R + Q X) / $E_r$

δV = (P X – Q R) / $E_r$

송전계통에서 R << X이므로 무효전력과 전압 관계는 단순화된다.

Q = X / E_r × $(E_s – E_r)$

유효전력은 다음과 같다.

P = $E_s E_r$ / X × sinθ

무효전력은 전압강하에 비례하며, 유효전력은 위상차각에 비례하는 특성을 가진다.
이러한 관계를 바탕으로 전압·무효전력 제어는 계통 안정화와 효율적 운용에 필수적인 요소이다.