계장기술(PROCON)

기획특집 화력발전원 고압급수가열기 추기제어 적용에 따른 계통주파수 개선

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 140회 작성일 24-10-17 12:45

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1. 서 론

국내 전력시장에서 중요한 국가계획 중 하나인 10차 전력수급기본계획에 따르면, 국내 계통 내 신재생에너지의 비중을 급격하게 증대시킨다. 2030년 설비용량 기준으로 신재생에너지는 약 72.7GW로 전체 비중의 36.7%를 차지하고, 발전용량 기준으로 134.1Twh로 전체의 21.6%를 차지할 것으로 전망된다. 이와 달리 기존 석탄화력은 온실가스 감축, 탄소 중립을 위한 노후 석탄 발전의 지속적인 폐지 추진이 반영되어 2023년 설비용량 기준 40.2GW에서 2030년에는 31.7GW로 감소되며, 발전량은 19.7% 수준으로 계획될 전망이다.

트렌드에 따라 출력 변동성이 매우 큰 재생발전원이 대거 투입되면 기존의 동기발전원인 화력발전원의 비중이 감소하면서 계통 관성 저하 및 변동성 대응 자원 부족으로 주파수 안정도가 감소되며, 결과적으로 국내 계통의 강건성이 매우 악화될 것이다. 이를 위해 세계의 많은 국가들은 예비력 보조 서비스 신설 및 강화, 기존 발전원의 유연성 증대 요구 등 계통의 안정성을 향상시키기 위한 여러 가지 설비 및 제도  도입을 추진하고 있다. 국내에서도 재생발전원의 출력 변동성을 대응하기 위해 유연성 자원인 ESS, 양수발전 확대, 동기조상기 도입, 기존 화력발전원의 유연운전 요구 등 설비 및 제도 등을 개선하고 있다.

본고에서는 고압급수가열기 추기 방식을 활용하여 화력발전원의 계통주파수 향상에 기여할 수 있는 방법을 소개하고, 국내 전력계통 해석을 위해 사용 중인 신뢰성 높은 PSS/E 프로그램을 활용한 결과를 소개한다.
 

2. 화력발전원 추기 계통
개요 및 추기제어

기존 화력발전원에서는 발전소의 효율 상승을 위해 보일러로 공급되는 급수를 가열하고 있으며, 터빈의 일부 증기를 추기하고, 급수가열기를 통해 급수 온도를 증가시키고 있다. 이에 대한 추기 계통은 그림 1과 같다. 하기 계통도와 같이 터빈으로부터 고온·고압의 증기를 일부 빼내어 보일러에 공급되는 급수의 온도를 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시키는 방식이다.
기존에 급수 가열을 위해서 각 터빈으로부터 추기되는 증기를 차단할 경우 차단된 증기량만큼 해당 발전원의 출력을 일시적으로 증가시킬 수 있다. 그 중에서 고압 터빈으로부터 추기되는 증기를 차단하는 것이 가장 효과적이며, 고압급수가열기의 추기제어 방법은 그림 2와 같다.
고압급수가열기로 추기되는 증기를 밸브로 차단하면, 차단된 증기가 기존 터빈으로 이동하여 차단된 증기량만큼 발전원의 출력을 증가시킨다. 추기제어의 적용으로 인한 효과는 기존 발전원의 조속기를 이용하여(일시적으로 터빈 내 증기량을 증가시켜) 출력을 증가시키는 것과 매우 유사하다. 이에 따라 추기제어의 출력 증대 효과를 확인하고자 Protrax 개발 환경 기반으로 500MW급 신표준 화력발전원을 모사한 발전 시뮬레이터를 활용하였으며, 시험 조건은 300MW 출력 중에 계통주파수가 기준 범위 내 하락을 가정하여 조속기 응답 제어만 동작했을 때와 본고에서 제안한 고압급수가열기 추기제어가 함께 동작했을 때의 발전기 출력을 비교 확인하였다. 그림 3은 시험 결과를 나타낸다.

그림 3에서 기존 조속기 응답제어 적용 시와 고압급수가열기 추기제어가 함께 적용된 결과를 보면 약 9MW가 더 증가했다. 즉, 적용된 추기제어로 인해 약 3% 만큼 출력 증가 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

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3. 화력발전원 추기제어 적용에 따른
계통주파수 개선 검증

앞서 제안한 고압급수가열기 추기제어를 국내 전력계통에 적용하여 그 효과를 살펴보고, 국내 전력계통 측면에서 공식적으로 인정받고 있는 전력계통 해석 프로그램인 PSS/E를 활용하고자 한다. 먼저 해당 프로그램에서 제공되는 모델에 대하여 살펴본다. PSS/E 내 발전기 모델링은 발전기, 출력 안정화, 여자기, 조속기 모델로 구성되어 있다. 본고에서 제안한 고압급수가열기 추기제어에 필요한 보일러 모델이 없기 때문에 동일한 출력 증가 효과를 낼 수 있는 조속기 모델을 활용하고, 일부 파라미터를 튜닝하여 반영할 수 있다. 다음은 PSS/E 내에서 화력발전원에 사용되는 조속기 모델 중 하나를 예시
(그림 4)로 나타낸다.

그림 4의 해당 조속기 모델에서 발전기의 출력에 영향을 주는 파라미터는 Governor gain인 K이다. 해당 K값을 튜닝하여 앞서 제안한 고압급수가열기 추기제어의 출력 증가 효과를 반영할 수 있으며, 그 결과는 그림 5와 같다.
현재 출력 425MW 기준으로 약 3%의 추기제어 적용 효과를 반영시키기 위해 출력량이 약 12.75 MW 증가하도록 하였고, K값을 반복적으로 튜닝하여 결과를 확보할 수 있었다. 여기에서는 고압급수가열기 추기제어를 국내 전력계통 내 반영하여 적용 효과를 검토하고자 한다. 시험 조건은 2030년 경부하를 대상으로 하였고, 운전 중인 500MW급 신표준 화력발전원은 보령, 태안, 당진, 하동 7·8호기 총 8대를 대상으로 추기제어 적용 효과를 반영하고, 최대 용량 발전기 1대 탈락 시를 가정하여 모의하였다. 그 결과는 그림 6과 같다.

그림 7을 보면 추기제어 적용 전후의 최소 과도주파수는 59.772Hz에서 59.792Hz로 약 0.02Hz 개선된 것으로 도출되었다. 이는 추기제어 효과가 적용된 발전원이 약 3%의 출력을 추가적으로 증가시킨 결과이다.

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4. 결 론

신재생에너지는 점점 증가하고 있으며, 본고에서는 이로 인해 발생할 계통주파수 안정도 악화 방지 방안을 소개하였다. 기존 화력발전원에서 급수를 가열하기 위해 고압 터빈의 일부 증기를 추기하는 운전 방식을 참고하였고, 추기되는 증기량을 차단함으로써 출력 증대가 가능한 추기제어를 소개하고 계통주파수 개선 효과를 검토하였다. 이를 위해 전력계통 해석 시에 활용되는 PSS/E 프로그램을 이용하고, 일부 모델을 튜닝하여 추기제어로 인한 출력 증가를 반영하였으며, 500MW급 신표준 화력발전원 8대를 대상으로 추기제어를 적용한 결과 2030년 경부하 기준으로 약 0.02Hz의 주파수 개선 효과가 나타났다. 신표준(New Standard) 외의 화력발전원에 추기제어를 적용할 경우 계통의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 다만 추기제어 방식은 계통 내 발전기 탈락으로 인한 계통주파수의 급격한 하락 발생 시에만 일시적으로 활용되고, 해당 발전원 운전 및 설비의 영향성은 충분히 고려되어야 한다.

seungheon.song003@kepco.co.kr 

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