가변속 발전기술은 기계적 에너지를 이용해 전력을 저장하는 것으로서 향후 그 필요성은 점차 높아질 것으로 전망되고 있다. 본고에서는 △가변속 양수발전기 △초동기 셀비우스 풍력발전기 △플라이휠 발전기라는 3종류의 가변속 발전기를 대상으로 그 구조적 특징과 원리를 명확히 하고, 전력계통의 운용에 미치는 장점에 대해 알아본다.
 

번역·정리 김대근 기자

일본의 전력계통 주파수는 50Hz 또는 60Hz를 기준으로 하여 매우 높은 정밀도로 제어되고 있다. 주파수는 시시각각의 발전과 부하의 균형에 따라 늘 변동되지만, 이것이 정격치에서 벗어나게 되면 여러 가지 문제가 생긴다. 수요가 기기에 대한 영향이라는 면에서 스위스에서 실시된 조사에 따르면 허용되는 주파수의 변동폭은 0.2~0.3Hz 정도이다. 한편 계통기기에 미치는 가장 심각한 영향은 통상 기력발전소에서의 터빈 회전날개 공진으로, 주파수 저하 방향으로 0.5Hz, 상승방향으로 0.2Hz 정도의 폭밖에 되지 않는 예도 있다. 주파수 편차의 상한은 0.2~0.3Hz 이하로 억제할 필요성이 있다. 만일 이를 넘어서 위험한 영역에 근접하게 되면, 계통 측에서 주파수 계전기가 동작하여 사고 확대를 미연에 방지한다. 0.5Hz에서 ‘주파수 이상 미연 방지 릴레이 시스템’이 작동하고 이를 초과하면 이 시스템의 백업 영역으로 들어간다. 또한 상승 측 1.0Hz, 저하측 1.5Hz 정도의 희귀 빈도 대형 사고에서는 타사 연계선이 분리되어 전체 시스템의 붕괴를 막는다. 한편, 발전 플랜트 측은 1Hz에 달하는 큰 주파수 변동에 대해 전(全) 연료 차단(MFT: Master Fuel Trip)으로 연료차단밸브가 폐지·정지되는 경우가 있다. 이처럼 주파수를 적절한 범위로 유지하는 것은 계통을 안정적으로 운용하는 데 있어 매우 중요한 문제이다.

전기기기의 회전은 회전자와 고정자가 자석이 되어 N극과 S극이 서로 끌어당김으로써 실현되고 있다. 가변속의 원리를 [그림 1]에 나타냈다. 전력용 대형 동기발전기 등의 고정 속도기([그림 1]의 (a))에서는 회전자에 직류가 흐르기 때문에 회전자가 발생하는 자계(그림에서 실선의 정현파에 대응하며, 이하 「회전자 자계」라 칭한다)는 회전자와 함께 회전한다. 이것이 동기속도로 회전하기 때문에 고정자 권선에 의해 발생하는 동기 회전자계([그림 1](a)의 점선의 정현파)와의 사이에 인력(引力)이 서로 작용해 안정된 회전이 실현된다. [그림 1]의 (b)는 회전자 권선에 저주파 교류 전원을 연결하여 유도발전기와 동일한 전류를 흘린 상태이다. 점선(동기 회전자계), 실선(회전자 자계)과의 관계는 고정 속도기의 경우와 같고, 회전자가 양자의 회전속도보다 빨리 돌고 있다는 점만 다르다. 여기에서는 [회전자 속도]±[회전자 여자 주파수]=[동기속도]라는 관계가 성립하여(복부호는 순상의 경우: 양의 부호(+), 역상의 경우: 음의 부호(-)), 회전자 교류전류의 주파수를 변화시키면 회전속도가 변한다. 변속을 실현하기 위해서는 고정자 측에 전력변환기를 설치할 수도 있지만, 이것은 교류 모터의 가변속 구동에 사용되는 방식으로 본고에서 말하는 방식과는 다르다. 일반적으로 기기용량이 크고 변속범위가 상대적으로 작은 경우는 본고에서 설명하는 방식이 유효하다.

상술한 바와 같이 가변속 교류 여자구동의 경우 공극자속은 회전자와 상대회전하기 때문에 회전자의 구조는 원통형, 권선은 전기자와 마찬가지로 분포권이 된다. 회전자에 교류를 흘려야 하기 때문에 고정속도 동기발전기(자계는 직류여자)와 비교하면 여자에 필요로 하는 전압이 크게 달라진다. 회전자 권선은 대부분이 철로 구성된 자기회로 안에 감긴 커다란 코일로, 그 직류저항은 낮고, 인덕턴스는 크다. 따라서 여자 주파수가 높아지면 그에 거의 비례하여 높은 전압이 필요해진다. 이 때문에 전기적 성능으로서 절연면의 요구수준이 높아진다. 한편, 기계적으로는 최고 회전속도가 상대적으로 높고, 원심력의 최대치 및 변동이 커지기 때문에 회전자 구조에 요구되는 기계적 내력면의 요구수준도 고정 속도기에 비해 높다. 

앞에서 설명한 대로 전력계통의 주파수는 고정밀도로 제어할 필요가 있는데 낮에 비해 야간에서의 운영이 어렵다. 부하기기의 수가 감소하여 상대적으로 수요변동이 커지고, DSS 운전(매일 가동정지를 반복하는 운전) 및 피크부하 대응용 발전소의 정지로 인해 원자력 등으로 대표되는 베이스 전원의 구성비율이 높아지기 때문이다. 가변속 양수발전기는 기존의 양정에 의한 일정한 양수동력을 회전속도에 변화를 주어 가변시킬 수 있기 때문에 주파수 조정 능력이 부족한 야간에 있어 계통운용상 귀중한 조정력이 된다. 가변속 양수기에서 회전속도의 변화는 정격의 ±10% 정도 이하이지만, 기존의 동기기와 동등 이상의 계통제어 성능을 가지며, 특성상 동기기에 준하는 것으로 간주할 수 있다. 일본의 가변속 양수는 지금까지 간사이전력의 오오카와치 발전소, 도쿄전력의 시오바라 발전소, 홋카이도전력의 다카미 발전소 등에 채용되어 있으며, 최근에는 규슈전력의 오마루가와 발전소에 도입되었다. 앞으로도 가변속 양수발전소은 점차 늘어날 전망이다. 오마루가와 발전소의 예를 들어 구조의 개략도 및 양수운전 시 출력조정 범위에 미치는 이점을 [그림 2]와 [그림 3]을 통해 설명한다. 가변속 양수는 위의 설명 외에도 다음과 같은 장점을 가진다.

① 펌프수차의 특성으로서 양수운전, 발전운전 모두 댐 수위의 변화 및 입출력 변화에 따라 최고효율이 되는 최적 회전속도가 변하지만, 이에 맞게 속도 제어함으로써 효율이 향상되고 출력의 변화폭도 크게 얻을 수 있다.

② 전력을 변화시킬 수 있으며 그 속도도 기존의 10~100배로 매우 빠르다. 이것은 계통 내의 부하급변에 재빨리 응답할 수 있다는 것을 의미하며, 주파수 제어 성능이 현격하게 향상되어 기동 후 정격운전까지의 시간 단축에도 효과적이다.

③ 여자제어에 의해 유효·무효전력을 독립제어할 수 있다.

④ 계통 외란에 있어서 문제가 되는 탈조현상도 원리적으로 회피 가능하며, 일반적으로 계통 교란 발생 시 전력동요의 크기도 작게 억제할 수 있다.

가변속 양수기는 계통의 이상상태에서도 운전을 계속 할 수 있어야 하며, 특히 여자회로에 발생하는 과전압·과전류에도 견뎌야 하기 때문에 지락, 단락 등 전압저하 시에도 변환기가 동작 가능하도록 설계되어 있다. 또 앞으로 자연에너지 발전의 도입을 추진할 시에 변동흡수용의, 이른바 커다란 축전지로서의 능력도 기대되고 있다.


초동기 셀비우스 방식 풍력발전기
풍력발전에서의 초동기(超同期) 셀비우스 방식은 가변속 양수와 원리는 같지만, 발전기 구조는 다르다. 후자는 구조와 운전특성 모두 특수한 동기기로, 이 풍력기는 구조적으로는 기존형의 권선형 유도발전기와 다름없이 2차 권선에 가변 주파수 교류전원이 접속되어 있다. [그림 4]에 개략구조를 나타냈다. 이 풍력발전기는 현재 제작되고 있는 대형 풍력기의 대부분을 차지하며, 풍속에 따라 결정되는 최적 회전수에 속도를 조정함으로써 정격풍속 이하의 영역에서 발전효율을 크게 향상시킨다. 또 2006년의 유럽 대정전 시 계통복구가 지연된 원인 중 하나로 풍력발전기군의 운전계속(FRT: Fault Ride Through) 특성이 지적되었는데 이 특성도 대폭적으로 향상되었다. 계통고장 시에는 회전자 측 변환기 회로를 보호하고, 단시간에 재기동함으로써 기존보다 FRT 특성을 향상시켰으며, 대정전 이후에 결정된 유럽의 새로운 Grid Code에도 대응하고 있다. 이 풍력기는 권선형 유도발전기의 구조를 취하면서도 특성은 동기기에 가깝다. 가변속의 범위는 과거에는 정격속도의 상하 ±10% 정도였으나 최근에는 정격속도의 상하 20%(즉, 1500rpm기에서는 1200~1800rpm)로 확대되었다. 또한 가변속 풍력발전기로서 이보다 제어성능이 더 높은 타입도 존재한다. 풍력발전에서는 풍차를 대형화(수풍면적을 크게, 타워를 높게)하면 출력이 증대되지만, 수풍면적이 넓어져 바람에 의한 구동 토크가 강해지면, 발전기로 토그를 전달하는 데 이용되는 증속기를 사용할 수 없게 될 우려가 발생한다.(기계적 내력의 관점에서) 따라서 대형풍차에서는 증속기를 통하지 않는 다이렉트 드라이브 발전기를 사용한다. 영구자석 계자 다극 동기기를 사용해 그 전기자를 직렬 전력 변환기에 접속하면 변속범위와 제어 면에서 고도의 운용이 가능하다. 마지막으로 초동기 셀비우스 방식 가변속 풍력발전기(유도발전기의 구조)와 가변속 양수발전기(동기기의 구조)의 차이를 요약한다. 변속의 원리는 양자 모두 공통되며, 기기의 특성으로 본 경우에는 기술한 바와 같이 양자 모두 동기기의 일종으로 간주하는 편이 이해하기 쉽다. 단, 풍력기의 경우 양수기에 비해 용량이 작고(양수기의 10분의 1 이하), 변속 범위가 더 넓다는 점에서 유도기에 더 가깝다고 볼 수 있다.


플라이휠 발전기
플라이휠 발전기는 원동기를 가지지 않는 발전기이며, 전력저장장치이다. [그림 5]에 인근 공장에서 부하변동을 보상하는 경우를 예로 들어 그 개요를 나타냈다. 발전기의 회전자로 에너지 저장을 도모하는 경우, 통상 회전자는 전기 및 자기회로 요소인 동시에 관성 요소로도 기능하지만, 여기서는 유효 축적 에너지를 증가시키기 위해 전기 및 자기특성과는 무관한 회전체가 추가되어 있다. 일본에 설치된 대형 플라이휠 발전기로는 오키나와전력의 ROTES(23MW, 1996년부터 운용 개시)와 핵융합 실험 시설용 플라이휠 등이 유명하다. 공통적으로 전력저장요소에 특유의 커다란 관성과 가변속 폭을 가지고 있다. ROTES에서는 ±15%, 핵융합 실험 시설용 플라이휠에서는 정격속도에서 하방으로 30%의 가변속 폭을 가진다. 이것은 동시기에 제작된 가변속 양수기와 초동기 셀비우스 방식의 풍력기보다 크다. ROTES는 주파수 변동 대책용으로 사용된다. 낙도(落島) 등의 소규모 계통에서는 앞의 가변속 양수발전기에서 설명한 이유로 부하변동이 주파수에 큰 영향을 준다. 예정운용(Scheduled operation)되는 대형 산업 부하의 변동에 맞춰 속도 상승 및 회전 에너지를 방출함으로써 주파수를 안정화시키고 있다. 한편, 핵융합 실험 설비용 전원은 핵융합로(核融合爐)의 펄스 운전 시 발생하는 부하변동에 맞춰 전력을 고속으로 흘려 계통전압의 변동을 방지하고 있다. 부하급변 시 회전체로의 에너지 축적 및 외부로의 공급을 적절하게 실시함으로써 전압 및 주파수 변동을 억제할 수 있다.