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전력공학Ⅱ(전력계통공학)
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총 8개 챕터, 24강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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| 1장. 전력계통의 개요 | ||
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[1강] 전력계통의 개요
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전력계통의 개요: 구성, 특질, 발달 과정
• 전력계통: 발전, 수송(송·변·배전), 수용, 운용 설비가 유기적으로 결합된 전력 생산-소비 시스템. • 전력계통 특질: 생산과 소비의 동시성을 가지며 유효전력(P)-주파수(f)는 전 계통적, 무효전력(Q)-전압(V)은 국지적 특성을 보임. • 우리나라 전력계통 발달: 과거 방사상 구조에서 현재 345/765kV 초고압 송전망 및 고압 직류 송전(HVDC)을 포함한 복잡한 계통으로 고도화. |
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| 2장. 전력계통의 표현 | ||
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[2강] 전력계통의 표현 (1)
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전력계통의 표현: 구성 요소의 등가회로와 모델링
• 전력계통 표현 기초: 단선도를 기반으로 발전기, 변압기, 송전선로 등 각 요소를 수학적 등가회로와 임피던스 모델로 변환. • 주요 기기 모델링: 동기 발전기의 시간별 리액턴스($X_d'' |
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[3강] 전력계통의 표현 (2)
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전력계통의 단위법(PU) 표현과 어드미턴스 행렬
• 단위법(PU법): 전력계통 물리량을 기준값에 대한 비율로 표현하여 변압기 임피던스 환산 없이 해석을 단순화하는 기법. • % 임피던스 변환: 기준용량 변경 시 용량에 비례하고, 기준전압 변경 시 전압의 제곱에 반비례하는 원리로 값을 재계산하는 절차. • 어드미턴스 행렬(Y bus): 계통 접속 정보를 나타내는 행렬로, 대각 요소는 모선 어드미턴스 총합, 비대각 요소는 모선 간 어드미턴스의 음수 값으로 구성. |
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| 3장. 전력조류계산 | ||
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[4강] 전력조류계산 (1)
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전력조류계산의 개념, 정식화 및 기본 알고리즘
• 전력조류계산: 전력계통의 전압분포, 전력 흐름, 손실 등을 파악하는 핵심 해석 기법. • 전력조류계산 정식화: Ybus 행렬과 전력방정식으로 계통을 모델링하고 발전기·부하·슬랙 모선별 기지량·미지량을 설정하는 과정. • 조류계산 알고리즘: 초깃값 가정 후 전력 편차 계산과 수렴 판정을 반복하여 계통의 해를 도출하는 절차. |
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[5강] 전력조류계산 (2)
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전력조류계산: 가우스-자이델법과 뉴턴-랩슨법 비교
• 가우스-자이델법: 전압 수정 방정식을 순차적으로 반복 대입하여 해를 구하는 1차 수렴 방식의 조류계산법. • 뉴턴-랩슨법: 테일러 급수와 자코비안 행렬을 이용해 전압 보정량을 계산하는 2차 수렴 방식의 조류계산법. • 조류계산법 비교: 수렴 속도(뉴턴-랩슨 우세)와 안정성(가우스-자이델 우세)의 트레이드오프 관계를 분석하여 실무 적용성 파악. |
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| 4장. 주파수-유효전력 제어 | ||
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[6강] 주파수-유효전력
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주파수-유효전력 제어의 원리 및 필요성
• 계통제어: 규정 주파수 및 전압 유지를 위해 유효전력-주파수(P-f)와 무효전력-전압(Q-V)을 제어하는 체계 • 자동 주파수 제어(AFC): 부하 변동에 따른 주파수 편차를 감지하여 발전기 출력을 조정하고 계통 주파수를 기준값으로 복귀시키는 시스템 • 주파수 변동 제어: 부하 변동을 주 원인으로 구분하며, AFC는 이 중 분 단위의 단주기 동요 성분을 제어 대상으로 설정 |
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[7강] 전력계통의 전력-주파수 특성
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전력계통의 전력-주파수 특성과 속도 조정률
• 전력-주파수 특성: 기계적 입력과 전기적 출력의 불균형으로 발생하는 주파수 변동 원리와 이에 대한 발전기(반비례) 및 부하(비례)의 응답 특성. • 계통 특성 정수(K): 주파수 변화에 대한 계통 전체의 전력 변화 민감도를 나타내는 지표로, 발전(KG) 및 부하(KL) 특성 정수의 합으로 정의. • 속도 조정률(δ): 정격 주파수 변화율과 정격 출력 변화율의 비로, 발전기 고유의 주파수 제어 성능을 정의하는 지표. |
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[8강] 주파수 제어의 원리
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전력계통의 주파수 제어 원리와 자동주파수제어(AFC)
• 주파수-출력 평형 원리: 발전량과 부하량의 균형점으로 계통 주파수가 결정되며, 발전기 수화특성과 부하 자기제어성이 1차 반응을 구성. • 자동주파수제어(AFC): 주파수 편차 발생 시, 조속기가 증기량을 조절해 발전기 출력을 제어하여 목표 주파수(60Hz)로 복귀시키는 2차 제어. • 발전기 운전 주파수 한계: 터빈 블레이드 보호를 위한 연속·시간제한·금지 운전 영역으로, 보호계전기가 이탈 시 발전기를 계통에서 분리. |
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[9강] 주파수 제어 방식
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전력계통 주파수 제어 방식: FFC, FTC, TBC
• 정주파수 제어 (FFC): 단독 계통에서 주파수 편차(ΔF)만을 검출하여 규정 주파수를 유지하는 제어 방식 • 정연락선 전력 제어 (FTC): 종속 연계 계통에서 연락선 전력 편차(ΔPt)를 검출하여 약정 전력을 유지하는 제어 방식 • 연락선 전력 바이어스 제어 (TBC): 대등 연계 계통에서 주파수(ΔF)와 연락선 전력(ΔPt) 편차를 동시에 제어하는 방식 |
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| 5장. 전압-무효전력 제어 | ||
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[10강] 전압-무효전력 제어의 필요성
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전압-무효전력 제어의 개념 및 필요성
• 전력계통 제어: 계통 전체에 영향을 주는 유효전력-주파수 제어와 국지적 특성을 갖는 무효전력-전압 제어로 구분. • 전압 변동 문제점: 전압 저하 시 전력 손실 증가·송전 용량 감소·부하 과열, 과전압 시 기기 절연 파괴·고조파 발생 유발. • 전압-무효전력 제어 방식: 변압기 탭(OLTC) 직접 조정 또는 발전기, 무효전력 보상설비(SVC, STATCOM)를 이용한 간접 제어. |
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[11강] 전압-무효전력의 기본특징
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전압-무효전력 기본 특징과 유효전력과의 관계 비교
• 무효전력-전압(Q-V) 연동: 전압(V)이 유효전력(P)보다 무효전력(Q) 변화에 민감하게 반응하는 계통 제어의 핵심 원리. • 전압 민감도 분석: 수학적 모델링($\rho \approx P/C < 1$)과 그래프 기울기 비교를 통해 무효전력에 대한 전압의 높은 민감도를 증명하는 과정. • 무효전력의 양적 특성: 부하($Q_L$)와 계통 손실분($Q_{Loss}$)을 모두 보상해야 하므로 유효전력에 필적하는 많은 양이 요구되는 요소. |
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[12강] 전압제어를 위한 무효전력
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전압 제어를 위한 무효전력 공급원 종류 및 특징
• 무효전력과 전압 제어: 계통 전압 안정을 위해 유효전력(P)보다 변동에 민감한 무효전력(Q)을 제어하는 기본 원리. • 기계적·회전기기 제어: OLTC의 탭 직접 조정 방식과 발전기·동기 조상기의 여자전류 조정을 통한 무효전력 공급·흡수 방식. • 정지형 무효전력 보상: 커패시터(공급)·리액터(흡수)의 개폐 방식 및 사이리스터 소자를 이용한 SVC의 고속·연속 제어 원리. |
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[13강] 전압-무효전력 제어 방식
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전압-무효전력 제어 방식과 전압 안정성
• 전압 제어: 무효전력(Q)과 연관된 국부적 제어로, 유효전력(P)과 연관된 전계통적 주파수 제어와 구분 • 전압-무효전력 제어 방식: 제어 범위에 따라 개별·협조·종합 방식으로 구분되며, 전압 안정성 확보를 목표 • 전압 안정성 분석: P-V 곡선과 Q-V 곡선의 임계점을 기준으로 안정/불안정 영역을 판단하여 계통 붕괴 방지 |
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| 6장. 전력계통의 경제 운용 | ||
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[14강] 화력발전소의 연료비 특성
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전력계통 경제운용과 화력발전소 연료비 특성
• 화력발전소 연료비: 경제부하배분을 위해 발전출력(PG)에 대한 2차 함수($F=aP_G^2+bP_G+c$)로 근사화하여 모델링. • 증분연료비(λ): 발전출력 1kW 증가 시 추가되는 연료비로, 연료비 함수를 발전출력(PG)으로 미분한 1차 함수($\lambda=dF/dP_G$) 값. • 등증분연료비 법칙: 계통 내 모든 발전기의 증분연료비($\lambda$)를 동일하게 유지할 때 총연료비가 최소화되는 경제부하배분의 핵심 원리. |
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[15강] 화력 계통의 경제 부하 배분
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화력 계통의 경제 부하 배분: 손실 유무 비교
• 등증분 연료비 원칙: 송전 손실 무시 시, 모든 발전기의 증분 연료비를 동일하게 맞춰 총연료비를 최소화하는 경제 부하 배분 원리. • 페널티 계수: 송전 손실 고려 시, 증분 송전 손실을 반영하여 최적 부하 배분 조건을 보정하는 계수. • 화력계통 협조방정식: 손실을 포함한 최적 배분 조건으로, 각 발전기의 페널티 계수와 증분 연료비의 곱이 동일해야 한다는 원칙. |
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[16강] 손실 방정식
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손실 방정식을 이용한 화력계통 경제 부하 배분
• 경제 부하 배분(ELD) : 총 발전량과 부하의 수급 균형 조건 하에서 전체 연료비를 최소화하는 발전량 배분 원리 • 손실 방정식 : 계통 송전손실을 각 발전기 출력의 함수(B계수)로 정의하여 손실을 계산하는 수식 • 협조방정식 : 증분연료비에 페널티 계수를 적용하여 송전손실을 고려한 최적 부하 배분 조건식 |
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| 7장. 고장해석 | ||
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[17강] 3상 단락고장
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3상 단락고장 계산의 목적, 방법 및 절차
• 고장계산: 차단기 용량 결정 및 보호계전기 정정을 목적으로 평형·불평형 고장 전류를 산출하는 과정. • 퍼센트 임피던스법: 계통 임피던스를 기준 용량 기반 백분율로 환산하여 단락전류를 계산하는 실용적 방법. • 단락전류 계산 절차: 기준 용량 설정, %임피던스 환산, 임피던스 맵 합성, 최종 고장전류 산출 순서. |
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[18강] 대칭좌표법에 의한 고장계산
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대칭좌표법을 이용한 불평형 고장 계산
• 대칭좌표법: 3상 불평형 고장 해석을 위해 불평형 전압/전류를 영상, 정상, 역상의 세 가지 대칭 성분으로 분해하는 계산 원리. • 대칭분 전류 특성: 영상분(지락), 정상분(회전 토크), 역상분(제동 작용) 등 고유의 물리적 의미를 통해 고장 현상을 분석. • 발전기 기본식: 대칭분 전압과 전류의 관계를 정의하는 핵심 공식으로, 각 성분별 등가회로를 구성하여 고장 값을 산출하는 기반. |
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[19강] 무부하 발전기의 고장계산 (1)
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무부하 발전기 고장계산: 3상 단락 및 선간 단락
• 대칭 좌표법 기반 고장계산: 불평형 고장점의 전압·전류를 영상·정상·역상 성분으로 변환하여 대칭회로도를 구성하고 고장 전류를 계산하는 원리 • 3상 단락 고장: 단자 전압(Va,b,c)이 0인 조건으로부터 정상분 회로(V₁=0)만을 이용하여 고장 전류(I₁ = Eₐ / Z₁)를 계산하는 평형고장 • 선간 단락 고장: 특정 상(b, c)만 단락된 조건(Vb=Vc, Ia=0)으로부터 정상·역상 회로를 병렬 연결하여 고장 전류(I₁ = Eₐ / (Z₁ + Z₂))를 계산하는 불평형고장 |
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[20강] 무부하 발전기의 고장계산 (2)
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무부하 발전기 고장 계산: 1선 지락 및 2선 지락
• 1선 지락 고장: 대칭분 전류($I_0=I_1=I_2$) 조건에 따라 영상·정상·역상 임피던스를 직렬 연결하여 해석. • 2선 지락 고장: 대칭분 전압($V_0=V_1=V_2$) 조건에 따라 영상·역상 병렬회로와 정상 임피던스를 직렬 연결하여 해석. • 대칭좌표법 기반 고장 해석: 불평형 고장 조건을 대칭분 경계 조건으로 변환하고, 구성된 등가회로를 통해 고장 전류와 전압을 계산하는 기법. |
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[21강] 계통 임피던스의 개략값
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계통 임피던스 개략값과 대칭분 회로를 이용한 고장계산
• 대칭 좌표법: 1선 지락 등 비대칭 고장을 영상, 정상, 역상의 3개 대칭분 회로로 분해하여 해석하는 고장계산 기법. • 대칭분 회로: 정상·역상회로는 평형 3상 회로이며, 영상회로는 접지 귀로가 필수이고 변압기 델타 결선 시 차단되는 단상 회로. • 동기기 임피던스: 고장 후 시간 경과에 따라 차과도(x_d''), 과도(x_d'), 동기(x_d) 리액턴스로 증가하여 고장전류 크기를 결정. |
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| 8장. 안정도 | ||
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[22강] 정태 안정도
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전력계통 안정도: 정태 안정도와 전력-상차각 곡선
• 정태 안정도: 완만한 부하 변동 시 동기 운전을 유지하는 능력으로, 상차각(δ)이 90도 미만인 안정 영역에서 운전 조건이 결정됨. • 전력-상차각 곡선: 송전 전력과 상차각의 관계($P = P_{max}\sin\delta$)를 나타내는 그래프로, 안정 및 불안정 운전 영역을 구분하는 기준. • 동기화력: 동기 상태를 유지하려는 복원력으로, 전력-상차각 곡선의 기울기($dP/d\delta$)이며 양수일 때 정태 안정성이 확보됨. |
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[23강] 과도 안정도
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과도 안정도 개념, 등가 고장 임피던스 및 등면적법
• 과도 안정도: 계통 사고 등 급격한 외란으로 인한 기계적 입력과 전기적 출력의 불균형 발생 시, 동기 운전을 유지하는 능력. • 등가 고장 임피던스: 1선 지락, 3상 단락 등 고장 종류에 따라 크기가 결정되며, 송전 가능 전력을 제한하는 핵심 요소. • 등면적법: P-δ 곡선 상에서 사고 시 발생하는 가속 에너지와 사고 제거 후의 감속 에너지를 면적으로 비교하여 안정도를 판별하는 해석법. |
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[24강] 회전체의 운동방정식
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회전체 운동방정식, 단단법 및 안정도 향상 대책
• 회전체 운동방정식 : 기계적 입력과 전기적 출력의 불평형이 회전자의 각가속도 변화를 유발하는 과도 안정도의 동요 방정식 • 단단법(Step-by-step method) : 운동방정식을 다기 계통에 적용하여 시간에 따른 상차각 변화를 축차 계산하는 실용적 안정도 해석 기법 • 안정도 향상 대책 : 리액턴스 감소, 전압 변동 제어, 계통 충격 경감, 발전기 입출력 평형 조절을 통한 계통 안정도 확보 방안 |
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이승재 교수님
전력공학Ⅱ(전력계통공학)
