산업혁명 이후로 꾸준히 증가한 온실가스로 인해 지구온난화가 가속화되었고, 세계 곳곳에서 심각한 이상기후가 발생하고 있다. 그로 인해전 세계적으로 탄소 중립을 비롯하여 온실가스 배출 감량을 위한 규제와 연구가 활발히 이루어지고 있다. '19, '20년에 영국과 EU가 탄소 중립 목표를 발표한 뒤, 잇달아 미국, 일본, 중국 등 주요 국가들도 탄소 중립을 선언하였다. 우리나라의 경우, '15년에 국가 온실가스 감축 목표를 수립하고 '20년에 탄소 중립을 선언하였다. 이에 따라, 탄소 중립을 달성하기 위해 재생에너지원의 보급이 크게 늘어났으며, 최근 들어 지구온난화로 인한 악영향이 뚜렷하게 나타나고 있기 때문에 재생에너지원이 전체 설비용량에서 차지하는 비중은 더욱 증가할 전망이다.

태양광과 풍력으로 대표되는 신재생발전원은 비동기 발전기이기 때문에, 태생적으로 출력이 불안정한 재생에너지원의 변동성을 감당할 관성이 없다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 가상 관성을 공급하는 그리드 포밍(GFM)과 같은 기술이 연구되고 있다. 그러나, GFM이 전력계통의 대부분을 차지하는 동기발전기를 완전히 대체할 수 없으므로, 기존의 증기 터빈은 기저부하를 담당하고 재생에너지의 변동성을 경감시키기 위해서 여전히 필요하다.

또한, 출력제어가 용이하고 예열이 빠른 가스 발전기는 피크부하를 담당하기 때문에 잦은 기동정지를 시행하므로 동기화 절차를 빈번하게 수행한다. 따라서, 발전기를 계통에 투입하는 동기화 기술은 전력계통 운영 측면에서 매우 중요하다.

운영 중인 전력계통에 발전기를 투입하기 위해서는, 전력계통과 발전기의 사이의 전압 크기, 주파수, 위상각이 같아야 한다. 과거에는 운전원이 전압 크기와 주파수, 위상차를 육안으로 확인하고, 수동으로 여자기와 조속기를 조작하여 동기화를 진행하였으며, 직접 차단기를 닫아 계통과 발전기를 연결하였다. 양측의 전압이 일치하지 않은 상태로 발전기를 투입하게 되면, 양측 모선 사이에 발생한 전위차가 발전기로 역조류가 흐르게 하여 물리적인 손상을 입힐 수 있다. 심각한 경우에는 손상당한 발전기가 탈락하여 정전이 발생할 수도 있다. 따라서, 조작 미숙으로 인한 사고를 방지하기 위해, 동기화 작업은 숙련된 운전원이 필요하였다. 그러나 현대의 발전소는 자동동기화장치와 동기검출계전기가 운전원의 역할을 대신하여 자동으로 동기화 절차를 진행한다. 자동동기화장치가 여자기와 조속기를 제어하여 발전기의 전압을 계통의 전압과 일치시키면, 동기검출계전기는 동기화 조건이 충족되었는지 확인하고 차단기를 닫는 동작을 수행한다. 따라서, 전력계통과 발전기 사이의 전압 크기, 주파수, 위상각 차이를 측정하고, 발전기 전압이 계통 전압과 일치하도록 여자기와 조속기를 제어하는 것이 동기화 기술의 핵심이다.

본 논문에서는 발전기 동기화 기술 고도화를 위해, 동기화 절차 및 조건에 관하여 서술하고 동기 파라미터 측정 및 검정, 그리고 제어 알고리즘을 다룬다. 기존에 사용되고 있는 측정 및 제어 알고리즘을 소개하고, 단점을 보완할 수 있는 개선된 방법을 제시하고자 한다.

동기 파라미터 측정 알고리즘은 기존에 사용되고 있는 측정 기법의 신호처리 루트를 통합하여 구성한 시간 영역 기반의 동기 파라미터 측정방법과 주파수 영역 기반의 동기 파라미터 측정방법을 소개하고, 음성신호 해석 기법으로 사용되고 있는 Teager Energy Operator(TEO)를 이용한 동기 파라미터 측정방법을 소개한다. 그리고 각 방법의 성능과 장단점을 비교 분석한다.

동기 검정 알고리즘은 힐버트 변환과 해석적 신호를 활용하여 전압 포락선을 추출하는 것으로 동기 파라미터를 직접 측정하지 않고 발전기 동기화 여부를 확인하는 방법을 소개한다.

동기 파라미터 제어 알고리즘은 발전기 동기투입시간 단축을 위해, 발전기 시스템 추정 및 제어 펄스 신호를 최적화하는 알고리즘을 소개한다.

본 연구를 통해 기대할 수 있는 효과는 크게 두 가지 측면이 있다. 첫 번째는 다양한 동기 파라미터 측정 알고리즘을 통한 안전성 강화이다. 현재 발전소에서 사용하는 동기화 장비는 자동동기화장치와 동기검정계전기로 이중화되어있다. 이는 하드웨어를 분리하여 장비 오류로 인한 비동기 투입이 발생하지 않도록 하기 위함이다. 그러나 하드웨어와 달리 소프트웨어는 이중화되어있지 않은데, 일반적으로 두 장비의 동기화 제어 및 확인을 수행하는 측정 알고리즘이 동일하기 때문이다. 따라서 측정 알고리즘에 문제가 발생하면 하드웨어를 분리하여도 안전성 강화 효과를 보지 못하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 다양한 동기 파라미터 측정 알고리즘과 동기 검정 알고리즘을 제시하여 소프트웨어 이중화를 통한 안정성 강화를 꾀하고자 한다.

두 번째는, 발전기 제어 알고리즘 개선을 통해 동기화 절차에 소요되는 시간을 단축하고 발전기에 가해지는 부담을 줄이고자 한다. 발전기 제어는 자동동기화장치의 제어 신호를 전달받은 여자기 및 조속기에 의해 이루어지며, 발전기의 전압이 계통과 일치하도록 조절한다. 이때, 자동동기화장치는 둘 사이의 전압, 주파수, 위상각 차이를 측정하고 피드백 제어를 통해 동기 파라미터가 일치할 때까지 Raise/Lower 신호를 반복하여 내보낸다. 그러나 자동동기화장치는 각 발전기들의 입력신호에 대한 출력특성 정보를 가지고 있지 않기 때문에, 제어값이 목표치에 도달할 때까지 같은 길이의 제어 펄스를 반복적으로 내보내는 방법을 사용한다. 이는 발전기 특성에 의존하지 않고 오버 슛이 발생하지 않기 때문에 안정적이지만, 두 시스템 사이의 동기 파라미터 차이가 클수록 제어시간이 늘어나며, 계통의 전압은 계속 변하기 때문에 도중에 목표치가 변하여 제어시간이 더 지연될 수 있는 단점을 지니고 있다. 만일, 설정된 동기화 시간 내에 발전기 투입에 성공하지 못하면 동기화 장치는 동기화에 실패한 것으로 간주하여 동기화 절차를 다시 진행하여야 한다. 이는 결국 터빈 가감속의 반복으로 인해 발전기에 부담을 주게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 최적화된 발전기 제어 알고리즘을 제시한다.

발전기 동기화 기술은 전력계통 태동기부터 연구됐으며, 안정적인 전력 계통 운영에 필요한 핵심 기술이다. 신재생발전원의 보급이 확대되면서 석탄 화력이나 원자력 발전을 대체할 것이라 기대하였으나, 오히려 재생에너지의 변동성을 감당할 관성이 있는 기존 동기발전기가 일정 비중 이상 필요하게 되었다. 결과적으로 기존 증기 터빈은 여전히 필요하며, 이들을 계통에 연결하기 위한 동기화 기술은 계통운영 측면에서 매우 중요하다. 따라서, 본 논문의 동기 파라미터 측정, 동기화 검정 그리고 제어 알고리즘이 발전기 동기화 기술을 고도화시킬 뿐만 아니라, 나아가 전력계통 안정화에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.