직류 발전기 병렬 운전: 조건, 장점 및 부하 분담 완벽 가이드

직류 발전기 병렬 운전 – 조건, 장점 및 부하 분담

전력 시스템에서 전력은 상호 연결된 네트워크에 연결된 여러 발전기에 의해 공급됩니다. 단일 대용량 발전기 대신 여러 대의 소형 직류 또는 교류 발전기를 병렬로 운전합니다.

때로는 직류 발전기를 예비 플랜트로 사용하기도 합니다. 어떤 조건에서는 단일 발전기로 부하 요구사항을 충족할 수 없는 경우가 있습니다. 따라서 부하 수요를 맞추기 위해 두 대 이상의 직류 발전기를 병렬로 연결합니다.

오늘날 직류 발전기의 병렬 운전은 다음과 같은 장점을 얻기 위해 네트워크에서 널리 사용됩니다.

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직류 발전기 병렬 운전의 장점

병렬 운전의 장점은 다음과 같습니다.

전력 공급의 연속성

전력 공급의 연속성은 최우선 요구사항입니다. 발전소가 단일 발전기 유닛으로 구성된 경우 이 요구사항을 충족할 수 없습니다. 단일 발전기가 정비 중이거나 고장 나면 전체 발전소가 부하 수요를 충족하기 위해 정지해야 하기 때문입니다. 따라서 단일 유닛 대신 여러 대의 발전기를 사용하면 발전소를 더 안정적으로 운영할 수 있습니다. 대부분의 고객(병원, 공장 등)은 무정전 전력 공급을 필요로 합니다.

효율 향상

발전소의 발전기는 정격 부하에서 운전하도록 설계되어 있으며, 정격 부하에서 최대 효율을 냅니다. 하지만 전력 수요는 일정하지 않습니다. 주간 피크 수요와 야간 최소 수요 사이에서 변동합니다. 따라서 야간에는 소형 발전기를, 주간에는 대형 발전기를 사용하는 것이 경제적입니다. 수요가 증가하면 두 발전기를 병렬로 연결하여 높은 수요를 효율적으로 충족할 수 있습니다.

유지보수 및 수리 용이성

발전기는 긴 수명과 효율적인 작동을 위해 정기적인 유지보수가 필요합니다. 유지보수 중에는 부하를 공급할 다른 발전기가 있어야 합니다. 따라서 발전기 유지보수가 용이합니다. 또한 고장 발생 시 복구까지 시간이 걸리는데, 이 기간 동안 다른 발전기로 부하 수요를 충족할 수 있습니다.

유연성

발전기의 병렬 연결은 단일 대용량 발전기보다 더 큰 유연성을 제공합니다. 여러 대의 소형 발전기를 서로 다른 위치에 설치하여 연결할 수 있습니다. 단일 대용량 발전기는 더 많은 공간이 필요하지만, 여러 대의 발전기를 서로 다른 위치에 분산 설치할 수 있습니다.

비용 효율성

발전기가 항상 정격 부하에서 운전하면 전기 생산 비용이 절감됩니다. 부하 수요가 높을 때는 더 많은 발전기를 병렬로 연결하고, 수요가 낮을 때는 더 적은 발전기를 연결합니다. 나머지 발전기는 대기 상태를 유지합니다. 따라서 모든 발전기가 정격 부하 조건에서 운전되어 전기 생산 비용이 절감됩니다.

증설 용이성

전기 수요는 나날이 증가합니다. 따라서 발전소 건설 시 항상 향후 확장을 위한 공간을 확보해야 합니다. 전체 발전소를 새로 짓는 대신, 더 많은 발전기를 추가하여 병렬로 연결함으로써 더 많은 전력 수요를 충족하기 쉽습니다.

이러한 장점들로 인해 발전기 병렬 운전이 널리 사용됩니다. 알려진 바와 같이 직류 발전기는 세 가지 유형으로 분류됩니다.

• 직류 분로 발전기
• 직류 직렬 발전기
• 직류 복권 발전기

각 유형마다 전기자 및 계자 권선의 연결 방식이 다르므로, 여기서는 각 유형의 발전기를 병렬로 연결하는 방법을 설명합니다.

직류 분로 발전기 병렬 운전

두 발전기를 병렬로 연결하려면, 양극과 음극 단자를 버스바의 양극과 음극 단자에 각각 연결해야 합니다. 버스바는 두꺼운 구리 막대이며, 버스바의 단자는 전체 발전소의 단자 역할을 합니다.

직류 분로 발전기 병렬 운전 연결도는 아래와 같습니다.

여기서 발전기 1의 전기자가 버스바에 연결되어 부하를 공급합니다. 이제 이 시스템에 발전기 2를 연결해야 합니다. 이를 위해 발전기 2를 동일한 극성으로 연결해야 합니다. 그렇지 않으면 심각한 단락이 발생하여 발전기가 영구적으로 손상될 수 있습니다.

발전기 2를 연결하기 전에 스위치 S는 열려 있습니다. 스위치 양단에 전압계를 연결합니다. 먼저 발전기 2의 전기자를 발전기의 정격 속도까지 가속합니다. 발전기 2의 여자(여기 전류)를 조정하여 전압계가 0을 가리키게 합니다. 전압계가 0을 가리키면 발전기 2의 단자 전압이 버스바 전압 또는 발전기 1의 전압과 같다는 의미입니다.

따라서 스위치 S를 닫으면 발전기 2가 발전기 1과 병렬로 연결됩니다. 하지만 발전기 2는 부하를 분담하지 않습니다. 유도 기전력이 버스바 전압과 같기 때문입니다. 동일한 전위차에서는 전류가 흐르지 않기 때문입니다. 이 상태에서 발전기 2는 시스템에서 '부유 발전기'라고 불립니다.

새로 연결된 발전기의 유도 기전력은 버스바 전압보다 높아야 합니다. 이 조건에서 발전기 2가 부하를 공급합니다. 발전기 2가 공급하는 전류는 다음과 같습니다.

여기서,

• Rₐ = 전기자 회로 저항
• E = 유도 기전력
• V = 버스바 전압

새 발전기의 유도 기전력은 계자 제어로 조절할 수 있습니다. 유도 기전력을 제어함으로써 부하 분담을 제어할 수 있습니다.

직류 복권 발전기 병렬 운전

두 복권 발전기를 병렬로 연결한 연결도는 아래와 같습니다.

복권 발전기는 상승 특성을 가집니다. 따라서 교정 장치 없이 직류 복권 발전기를 병렬로 운전하면 불안정합니다. 기동 시 각 발전기는 동일한 부하 분담을 가집니다. 어떤 이유로 발전기 1의 직렬 계자 권선을 흐르는 전류가 증가하면, 계자가 더욱 강화되어 기전력이 상승하고 더 많은 부하를 떠맡게 됩니다.

이 운전에서는 부하가 일정하다고 가정합니다. 따라서 발전기 2의 부하 분담이 줄어들고 직렬 계자가 약해집니다. 이로 인해 발전기 2의 부하가 더 떨어집니다. 이 효과는 누적되어 결국 발전기 1이 전체 부하를 떠맡게 되고, 발전기 2는 전동기처럼 동작하게 됩니다. 이 조건에서 어느 한 발전기의 차단기가 트립하여 운전이 정지됩니다.

이 운전을 안정화하려면 시스템에 교정 장치를 사용해야 합니다. 이 병렬 운전에서 이퀄라이저 바(equalizer bar)를 직렬 권선의 전기자 끝에 연결합니다. 이퀄라이저 바는 낮은 저항의 도체로, 과복권 및 평복권 발전기의 운전을 안정화하는 데 사용됩니다.

예를 들어, 발전기 1이 더 많은 부하 분담을 시작하고 직렬 계자 전류가 증가합니다. 이제 이 증가된 전류는 발전기 1의 직렬 계자 권선을 통과하고, 일부는 발전기 2의 직렬 계자 권선을 통과합니다. 따라서 두 발전기가 동일한 영향을 받습니다. 이렇게 하면 발전기 1이 전체 부하를 떠맡지 못하고, 발전기 2도 전체 부하를 놓지 않게 됩니다.

적절한 병렬 운전과 균등한 부하 분담을 유지하려면, 두 발전기의 조율률이 동일해야 하고 직렬 계자 저항은 발전기 정격에 반비례해야 합니다.

직류 직렬 발전기 병렬 운전

두 직류 직렬 발전기 병렬 운전 연결도는 아래와 같습니다.

여기서 두 발전기가 동일하고 동일한 부하 분담을 가진다고 가정합니다. 하지만 어떤 이유로 발전기 1의 유도 기전력이 증가하면(E₁ > E₂), 발전기 전류 I₁이 I₂보다 커집니다. 이로 인해 발전기 1의 직렬 계자가 강화되고, 발전기 2의 직렬 계자는 약해집니다.

이는 누적 과정입니다. 결국 전체 부하가 발전기 1에 의해 공급되고, 발전기 2는 전동기처럼 동작합니다. 복권 전동기와 유사하게, 이 문제는 이퀄라이저 바를 사용하여 해결할 수 있습니다. 이로 인해 두 기기가 부하에 거의 동일한 전류를 공급하게 됩니다.

직류 발전기 부하 분담

직류 분로 발전기는 약간의 하강 특성을 가집니다. 따라서 안정적인 병렬 운전에 가장 적합한 발전기입니다. 한 발전기가 더 많거나 적은 부하를 떠맡으면, 원래의 부하 분담 상태로 복원하려는 경향 때문에 두 발전기가 즉시 적절한 부하 분담을 수행합니다.

고장 상태에서 한 발전기가 정지되고 계자가 약해집니다. 이 조건에서 다른 발전기의 직렬 계자가 증가합니다. 따라서 차단기가 열리고 고장 난 발전기가 시스템에서 분리됩니다. 발전기를 분리하고 연결하는 이 방법은 시스템을 신뢰성 있게 만들고, 주동기 및 시스템의 충격과 급격한 교란을 방지하는 데 도움이 됩니다.

분로 발전기의 전압 특성은 아래와 같습니다.

위 특성에서 동일한 단자 전압 V에 대해 발전기 1은 I₁ 전류를, 발전기 2는 I₂ 전류를 공급합니다. 발전기 1은 더 큰 하강 특성을 가지며 더 적은 전류를 공급합니다. 두 발전기의 특성이 유사하고 무부하에서 정격 부하까지의 전압 강하가 동일하면, 모든 지점에서 부하를 균등하게 분담합니다.

서로 다른 kVA 정격의 두 발전기가 병렬로 연결되면, 부하는 정격에 따라 분담됩니다. 외부 특성을 백분율 정격 전류로 나타내면 동일해야 합니다.

예를 들어, 100 kVA 발전기와 200 kVA 발전기가 240 kW 부하와 병렬로 연결되면, 첫 번째 발전기는 80 kW를, 두 번째 발전기는 160 kW를 분담합니다.

각 발전기의 개별 특성을 알면 복합 운전 특성을 그릴 수 있습니다. 각 발전기가 공급하는 전류는 다음 그림에서 찾을 수 있습니다.

발전기가 직선 특성을 가지면 그래픽 표현 대신 간단한 계산으로 위 결과를 구할 수 있습니다. 이제 무부하 전압이 다른 경우의 부하 분담 부분을 계산해 보겠습니다.

• E₁, E₂ = 두 발전기의 무부하 전압
• R₁, R₂ = 전기자 저항
• V = 공통 단자 전압

위 식에서 버스바 전압은 Φ₂ 또는 N₂를 증가시키거나 N₁ 또는 Φ₁을 감소시킴으로써 일정하게 유지할 수 있음을 알 수 있습니다. N₂와 N₁은 구동 엔진의 속도를 변경하여 조정하고, Φ₁과 Φ₂는 분로 계자 저항을 사용하여 제어할 수 있습니다.