500 MW 석탄화력발전소 전력계통 모델링에 의한 역률개선장치의 최적배치 방안 연구 = A Study on the Optimal Placement of Power Factor Correction Equipments by Modeling the Power System of 500 MW Coal-fired Power Plant

국문 초록 (Abstract)

일반 산업현장과 마찬가지로 발전소에도 많은 유도전동기가 설치되어 있어 소내 전력계통 역률이 낮고 수전 전력에 대한 역률요금을 부담하고 있다. 역률개선장치 설치를 통해 손실 저감, 전기요금 저감 등의 이득을 얻을 수 있지만 투자비용만큼의 이득이 있는지 판단하기 위해서는 비용 편익을 분석할 필요가 있다.
본 연구에서는 500 MW 석탄화력발전소 전력계통을 대상으로 역률개선용 커패시터의 최적배치 방안을 모델링 프로그램 ETAP을 활용하여 분석하였다. ETAP으로 1개 호기 발전소 전력계통을 모델링하고 커패시터 최적용량 산정 모듈인 “Optimal Capacitor Placement (OCP)” 분석을 하였다. OCP의 기능은 커패시터의 설치 위치과 비용에 따라 구분한 케이스별로 목표 역률 범위로 개선함과 함께 운영기간 중 전력손실 비용과 설치 및 유지보수 비용의 총합이 최저가 되도록 하는 커패시터 용량을 구하는 것이다.
역률개선장치 설치 위치로 고압 주 모선과 하위 모선, 고압모선 전체, 저압모선으로 구분하고, 각 설치 위치별로 커패시터 타입을 고정형과 스위칭형으로 구분한 케이스로 분석하였다. 역률요금 저감액은 ETAP의 “Load Flow” 모듈을 활용하여 별도로 계산한 후 역률개선장치 설치 이후 연도별로 손실 저감액과 함께 비용편익을 계산하였다.
종합적인 경제성은 저압모선에 고정형 커패시터를 설치하는 케이스가 투자회수기간 3년으로 가장 양호한 결과가 나왔으며, 이것은 전력손실 저감에 의한 비용편익비가 크기 때문이다. 전체 계통의 역률개선 효과는 커패시터 설치 대상에 고압 주 모선이 포함되어야 크게 되지만 설치 비용이 상대적으로 높아서 경제성은 낮다.
화력발전소는 발전기 또는 보조 기기의 기동·정지로 소내 전력계통 부하량이 변하므로 역률개선장치를 설치한다면 수동으로 운전해야 하는 고정형보다 자동 투입·분리 제어장치가 있는 스위칭형을 적용할 필요가 있다. 또한 비선형 부하가 포함된 모선에는 고조파 공진을 회피하기 위해 고조파 필터(Harmonic Filter)를 적용해야 하며, 이것은 비용 증가로 저압모선에 설치하는 경우에만 경제성이 있다.
고압모선 설치 케이스의 경우는 큰 설치 용량에 의해 투자비용이 크고 편익은 상대적으로 크게 증가하지 않아 경제성이 낮다. 그러나 일반적으로 설비 용량이 커질수록 커패시터의 단위용량당 구매 비용이 낮아진다는 것을 고려하여 현실적인 비용을 적용하고 역률요금 저감 효과가 큰 전력계통에 적용하면 경제성이 개선될 것이다.
본 연구에서 분석한 방법은 발전소 전력계통의 경우 운영 단계보다는 설계 단계에서 적용할 가치가 있다. 역률개선장치 적용으로 감소한 전력 손실을 고려하여 전력공급 설비의 최적 설계를 하고 기존 설계방식과의 경제성 비교를 통해 이 설비의 도입을 결정할 필요가 있다. 발전소 설비 용량이 클수록 소내 전력계통 부하와 무효전력 소비량도 커지므로 역률개선장치의 구매·설치 비용이 관건이 될 것이다. 운영 단계에서는 직접적 편익인 역률요금 저감만으로 투자 효과를 얻기는 어려우며, 전압 유지나 변압기 부하 감소 등 다른 간접적인 편익이 필요한 경우 정밀한 분석을 통해 설비 투자를 결정할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Like general industrial sites, power plants are also equipped with many induction motors, which makes low power factor of in-house power systems and bears power factor charges for receiving power. Although benefits such as reduction of power loss and electricity bills can be obtained through the installation of power factor correction equipments, it is necessary to analyze cost-benefits to determine whether such benefits are as much as investment costs.
In this study, I analyzed the optimal placement of capacitors for power factor correction in the in-house power system of 500 MW coal-fired power plant by using modeling program ETAP. I modeled the power system of one power plant unit and did “optimal capacitor placement (OCP)” analysis. The function of OCP is seeking the capacitor size that can make power factor improvement to target value range and minimize the sum of loss costs, installation costs and maintenance costs during the operating period for each case classified by the location of capacitor installation and capacitor type.
I made study cases that were classified as main bus, subordinate bus and entire bus of high voltage and low voltage bus according to the location of capacitor installation, and as fixed and switched according to capacitor type, and analyzed them by OCP. I calculated the reduction in electricity bills through power factor correction separately using the Load Flow module of ETAP, and reflected that in the cost-benefit calculation together with loss reduction for each year since the installation of power factor correction equipments.
In terms of overall economic feasibility, the case of installing fixed capacitors on low voltage buses showed the best result with payback period of 3 years, which is because the cost-benefit ratio due to power loss reduction was high. The effect of power factor correction of overall system was great in cases that capacitors were installed on high voltage main buses or entire high voltage buses, but these cases proved uneconomical due to relatively high installation cost.
The amount of loads of in-house power systems in thermal power plants fluctuate due to start and stop of generators and auxiliary equipments, so in case power factor equipments are installed, it is necessary to apply a switching type with an automatic control device rather than a fixed type that must be operated manually. In addition, harmonic filters should be applied to avoid harmonic resonance on buses that contains non-linear loads, and this type of equipments is economically feasible only in case they are installed on low voltage buses.
In the case capacitors are installed on high voltage buses is not economically feasible because investment costs are high due to large capacity, and benefits are not increased significantly. However, it is estimated that economic feasibility would be improved if the actual cost of capacitors is applied and the equipments are applied to a power system that can be benefited greatly due to the reduction of electricity bills, in consideration of the fact the purchase cost of capacitors per unit capacity is decreased in general as total capacity gets large.
The analysis method in this study is worth to be applied during the design phase rather than the operation phase of the power system of power plants. It is necessary that we make the optimal design of power supply facilities considering the power loss reduced by power factor correction equipments, and compare its economic feasibility with that of existing design methods, and determine the introduction of the equipments. The larger the capacity of power plant facilities, the greater the amount of in-house power system load and reactive power consumption, so the cost of purchasing and installing power factor correction equipments will be the key. In the operation phase, it is difficult to obtain enough investment effects only by reducing electricity bills related to power factor which are direct benefits, and when other indirect benefits such as voltage support or reduction of transformer load are needed, it is necessary to determine investment of the equipments through precise analysis.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 절 연구 보고서의 구성 및 개요 2
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행연구 분석 3
• 제 1 절 교류전력 및 역률 3
• 1. 교류 전력계통에서 무효전력의 역할 3
• 2. 교류전력 및 역률의 표현 4
• 3. 역률 개선의 필요성 5
• 제 2 절 역률개선의 원리 및 방법 8
• 1. 무효전력 공급설비의 종류 및 원리 8
• 2. 역률개선용 커패시터 용량 계산 13
• 제 3 절 역률개선장치 설치 고려사항 14
• 1. 커패시터 설치 비용 14
• 2. 커패시터 타입 14
• 3. 커패시터 설치 위치 16
• 4. 고조파(필터 설치 여부) 18
• 5. 비용 및 경제성 19
• 6. 전력 손실 측면 19
• 7. 역률 개선 측면 20
• 8. 전압강하 감소 및 시스템 용량 확보 20
• 9. 과전류 보호 및 고장 전류 21
• 제 4 절 선행연구 분석 21
• 1. 발전소 전력계통 역률개선장치 적용에 대한 선행연구 21
• 2. 선행연구와의 차별성 23
• 제 3 장 연구대상 발전소 전력계통 현황 24
• 제 1 절 발전소 전력계통 현황 24
• 제 2 절 발전소 수전전력 요금체계 및 현황 26
• 제 4 장 발전소 전력계통 모델링 29
• 제 1 절 모델링 프로그램 소개 29
• 제 2 절 시범 계통 모델링 및 검증 29
• 1. 시범 계통 모델링 내용 29
• 2. 시범 계통 모델링 프로그램 계산결과 검증 31
• 제 3 절 연구대상 전력계통 모델링 36
• 1. 모델링 범위 및 기준 36
• 2. 전력조류 해석 결과 37
• 제 5 장 역률개선장치 최적배치 분석 41
• 제 1 절 분석 방법 41
• 1. ETAP OCP 모듈의 분석원리 41
• 2. OCP Study Case 입력조건 및 모델링 조건 43
• 제 2 절 분석 결과 45
• 1. Study Case별 OCP 실행 결과 45
• 2. 커패시터 설치 후 Load Flow 분석 56
• 3. 케이스별 경제성 분석 59
• 4. 본 연구의 한계점 61
• 제 6 장 결론 64
• 참고문헌 67
• Abstract 68