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에너지 수요의 지속적인 증가로 기존의 에너지원으로 공급하는데 한계가 있다. 그래서 신･재생에너지를 이용하여 증가하는 에너지 수요에 대처하기 위한 연구개발이 지속적으로 진행되고 있다.^[1]

도심지역이나 공장 등 산업 및 상업시설 등이 밀집한 곳에서는 전력사용량도 많고, 사용시간대에 따라 순시전력의 변화도 높은 편이지만, 도서 벽지나 산간지역의 경우 전력소비가 많지 않은데다 시간대에 따른 사용의 변화가 크지 않은 편이다. 특히 주간에는 전기를 사용하지만, 야간에는 필요한 최소한의 전기만 필요로 하므로 이와 같은 곳에 양수발전을 적용할 경우 원거리에 특고압의 선로를 설치하여 전기를 공급하는데 부담이 되는 초기 투자비와 운영비를 고려할 경우 저압의 선로를 사용하면 전력손실의 저감, 초기 투자비와 유지관리비를 더 줄일 수 있다.

물이 가지고 있는 위치에너지를 유동에너지로 변환한 다음 수차에 의한 기계에너지를 발전기로 전기에너지로 변환하거나 역변환 하는데 동기기와 유도기가 사용 가능하다.^[2~5] 유도발전기는 동기발전기에 비해 제작비용이 저렴하고, 튼튼하며, 유지 및 보수가 쉬워 출력이 높지 않는 발전소에 주로 많이 적용하고 있다.^[2~5]

심야에 남은 전력을 이용하여 상부 저수조에 물을 올린 다음 주간에 필요한 전력을 얻기 위해 유도발전기를 사용할 경우 여자를 위해 무효전력이 필수적이다. 유도기를 전동 또는 발전으로 운전할 경우 필요한 자화에 필요한 무효전력은 전원측에서 공급받으면 되지만, 정전 등으로 공급받지 못할 경우 외부로부터 공급되어야 한다. 따라서 커패시터와 같은 조상설비로 무효전력을 유도기에 공급하여 지속적인 자속의 발생으로 부하에 항상 전원을 공급할 수 있다. 그러나 정전이 발생한 경우 자화에 필요한 무효전력은 발전기 단자에 부착된 역률 보상용 커패시터 용량만으로는 부족하여 부하에 필요한 전력의 공급이 어렵다.

그래서 본 논문에서는 부하변화가 크지 않은 도서지역이나 산간지역에 소용량의 유도발전기로 정전이 발생하더라도 수용가에 안정적으로 전력을 공급하기 위해 추가적으로 필요한 무효전력의 값을 제시하여 전력이 항시 공급될 수 있는 방법을 제안하였다.

본 연구에서는 농형 유도 유도발전기를 적용하여 상시 및 정전시에도 부하에 전력을 공급할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 연구에서는 전력의 흐름, 전압 및 전류의 동작 특성에 대해 전자계과도해석 프로그램(EMTP)을 사용하였다.^[8]

표 2는 표 1에 제시된 용량의 농형 유도발전기에 대한 파라미터를 나타낸 것이다.

수용가 부하는 3상 75kVA로 역률은 0.8이 연결된 것으로 설정하였다. 유도기에는 무효전력을 보상할 수 있는 동시에 자화에 필요한 크기를 유도기의 단자에 병렬로 연결하였다.

전동기로 동작하는 것을 발전기로 동작할 때의 변화를 확인하기 위해 6초까지는 전원측에서 전원을 공급받고, 0.5초가 지난다음 6.5초 이후에는 수차에 의한 기계에너지가 축에 전동기와는 크기는 같지만, 반대 방향의 토크를 인가하였다. 이런 조건에서 부하에 전력을 공급할 때의 유도기의 회전속도, 전압 및 전류 그리고 전력과 역률의 변화를 모의하였다. 수용가의 부하가 안정적으로 동작하기 위해서는 주파수와 전압의 안정이 매우 중요하다. 그래서 유도기가 발전하여 부하에 전원을 공급할 때 발전기의 속도를 우선 해석하였다.

그림 5는 유도전동기가 정상적으로 운전하다가 6초에 정전 후 0.5초 이후 6.5초 이후 발전기로 동작할 때의 회전속도 변화를 나타낸 것이다. 정전이 일어나기 전까지는 동기속도(1,800[rpm])보다 약간 낮은 속도로 회전하지만, 정전 이후 발전기로 운전할 때 순간적으로 회전속도가 높아진 다음 동기속도로 복귀하지 않고 높은 상태를 유지함을 알 수 있다. 이럴 경우 부하기기에 나쁜 결과를 초래할 수 있으므로 발전기의 회전속도를 동기속도보다 약간 높은 값에서 운전하도록 방법을 찾아야 한다.

Fig. 5. 
Rotation speed

그림 6은 그림 5와 같은 운전조건에서 전동기 및 발전기로 운전할 때의 상전압(V_3:○) 및 전류(IA:□)의 크기를 나타낸 것이다. 발전기로 운전을 시작한 이후(6.5초 이후) 전압은 차이가 나지 않고, 전류도 감소함을 알 수 있다. 발전기로 운전할 때 발전기의 단자전압이 부하의 단자전압보다 높지 않아 부하에 정상적으로 전력을 공급하기가 어렵다는 것을 알 수 있다.

Fig. 6. 
Voltage and current

그림 7은 그림 5 및 6과 같은 조건(6초에서 정전, 6.5초에서 발전 운전)에서 유도발전기의 전력 및 역률의 변화를 나타낸 것이다. 유효전력은 전동기(P=-76kW)와 발전기(P=13kW)의 운전에 따라 서로 반대가 되고, 무효전력은 외부로부터 발전기에 공급되어야하므로 같은 부호로 표시되지만, 전원측에서 공급될 경우(Q=-54kvar)에 비해 정전으로 발전기 단자에서만 사용될 경우(Q=-11kvar)가 되었다. 유효전력은 전동기와 발전기로 운전될 때 서로 반대이므로 역률 부호도 전동기로 운전할 때(pf=-0.81)와 발전기로 운전할 때(pf=0.74) 서로 반대가 된다. 그림 7에서 발전기에서 발생하는 유효전력은 13[kW]로 부하에 전력을 공급하기에는 매우 부족함을 알 수 있다.

Fig. 7. 
Power and power factor

유도기가 발전기로 동작하면서 부하에 주파수와 허용범위 안에서 전압을 유지시킬 수 있도록 발전기의 주파수가 동기속도를 초과할 때 식 (9)에서 제시한 범위내의 값에 해당되는 커패시터를 발전기 단자에 추가로 투입하여 회전속도를 줄이면서 전압의 확보와 안정된 주파수로 전력을 공급하는 방법을 제안하였다.

그림 8~10은 발전기의 회전속도가 동기속도를 초과할 때 같은 무효전력을 추가로 연결하도록 한 경우 회전속도, 전압 및 전류 그리고 전력과 역률의 변화를 모의한 결과이다.

그림 8은 전동기로 동작하는 경우 회전자 속도는 1,778[rpm]로 회전하지만, 토크의 반전에 의해 발전기로 운전되는 경우 순간적으로 회전속도가 높아지나 바로 1,820[rpm]으로 회전하게 된다. 즉 회전속도가 동기속도 이상으로 운전하기 때문에 슬립은 부(-)의 값이 되어 발전기로 동작하여 전력을 만들어낼 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 8. 
Rotation speed

그림 9는 전동기나 발전기로 운전되는 경우 전류(IA:□)의 크기에는 큰 차이가 없으나 상전압(V_3:○)은 발전기로 운전하는 경우에 전동기로 운전하는 것에 비해 약간 높은 값을 유지하기 때문에 부하로 전력이 제공될 수 있다.

Fig. 9. 
Voltage and current

그림 10은 전동 및 발전 운전시의 전력 및 역률의 변화를 나타낸 것이다. 전동기로 운전(P=-76kW)될 때와 발전기로 운전(P=62kW)될 때 유효전력(P1:○)의 진행방향은 서로 반대가 된다. 따라서 전동기로 동작하는 유도기가 정전시에도 부하의 유효전력보다 높기 때문에 부하에 전력을 공급할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 발전기로 운전할 경우가 전동기로 운전하는 경우에 비해 유효전력이 약간 낮으므로 효율은 떨어진 것을 알 수 있다. 정전이 발생하기 전의 무효전력(Q=-54kvar)에 비해 정전 이후 추가로 커패시터를 추가하여 운전할 때 오히려 증가(Q=-66kvar)한 것을 알 수 있다. 그래서 역률도 발전기로 운전시 함께 낮아지게 된다.

Fig. 10. 
Power and power factor

본 연구는 도심지로부터 약간 떨어진 곳에 저압으로 전력을 공급하는 수용가에 정전이 발생하더라도 수차에 연결한 유도기를 동기속도 이상으로 운전하여 부하에 전원을 공급할 수 있는 방법을 제시한 것이다.

전원측으로부터 유도발전기에 필요한 무효전력을 상시 공급받는 경우에는 수차를 동기속도 이상으로 회전하면 전력생산이 가능하지만, 정전이 발생하면 일시적으로 동기속도보다 매우 높은 속도로 회전하는데다 발전기에 자화에 필요한 무효전력의 부족으로 부하의 운전에 필요한 전력공급이 어렵다. 이를 해결하기 위해 발전기가 동기속도 이상으로 회전하는 경우 유도기의 단자에 추가로 커패시터를 연결하면 발전기의 슬립을 안정된 범위내에 유지하면서 부하에 전력을 공급할 수 있는 여자 조건을 찾아내었다.

본 연구결과는 전원사정이 어려운 해외 미니급 수력발전소나 도서지역 등에 유지보수가 쉬운 유도발전기로 수용가에 필요한 전력공급설비에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.