주파수 제어의 기본 원리와 발전기 및 부하의 주파수 특성

전력계통에서 주파수 제어의 기본 원리를 이해하기 위해 발전기와 부하의 주파수 특성을 살펴볼 필요가 있다. 발전기와 부하는 모두 주파수 변화에 따라 출력과 소비전력이 변하며, 이러한 관계를 통해 계통의 주파수를 안정화한다.

발전기 및 부하의 주파수 특성

1) 발전기의 경우 주파수가 강하하면 출력이 증가하는 양수 특성을 나타낸다. 반면 부하는 주파수가 상승하면 소비전력이 증가하는 성질을 보인다. 이러한 관계는 아래 도표로 표현할 수 있다.

   발전기의 주파수-전력 특성
   (주파수 감소 → 출력 증가)

   부하의 주파수-전력 특성
   (주파수 증가 → 소비전력 증가)
   

2) 주파수 제어의 기본 원리는 표준 주파수에서 발전전력과 부하전력이 평형 상태를 유지하는 것이다. 예를 들어, 부하가 ΔL만큼 증가하면 계통 주파수는 표준점에서 아래와 같은 변화를 거친다.

(1) 주파수 하락(−ΔF)에 따라 발전기는 특성선에 따라 ΔPg만큼 출력이 증가한다.

(2) 부하는 주파수 하락에 따라 소비전력이 ΔPL만큼 감소한다.

(3) 최종적으로 발전기와 부하의 계통정수를 통해 새로운 주파수가 결정된다.

3) 이때 계통정수는 다음 식으로 정의된다.

• 발전기의 계통정수:
  $$
  k_g = -\frac{\Delta P_g}{\Delta f}
  $$
• 부하의 계통정수:
  $$
  k_L = -\frac{\Delta P_L}{\Delta f}
  $$
• 계통의 총 계통정수:
  $$
  k = k_g + k_L
  $$ 따라서 새로운 주파수 변화량은:
  $$
  \Delta f = -\frac{\Delta L}{k}
  $$

주파수 변동에 따른 계통의 동작

1) 평형점에서 부하가 ΔL만큼 증가하면 주파수는 하락한다.

2) 발전기의 출력은 자동으로 증가하나, 표준 주파수를 회복하기 위해 조속기 동작이 필요하다.

3) 조속기는 원동기 입력을 증가시켜 발전 출력이 추가적으로 상승하게 한다.

4) 이 과정을 통해 계통은 새로운 평형점에 도달하며, 주파수가 재조정된다.

아래 도식은 시간 경과에 따른 주파수와 전력 변화를 보여준다.

주파수 및 출력 변화 개념도
부하 변동 발생 → 주파수 하락 → 발전 출력 자동 상승 → 조속기 작동 → 주파수 회복 및 출력 증대