A shortage of natural resources coupled with high oil prices leads people to be frugal in terms of living costs as well as energy costs in South Korea. Furthermore, de facto competition in the generation sector of the electricity industry exists now that the generation business of KEPCO has been spun off into six power generation subsidiaries. KHNP, generating 38.6 % of the total electricity, is felt keenly when it comes to efficient use of electricity with cost savings.
A power factor improvement was proposed as a method for efficient use of electricity with cost savings. The power factor of nuclear power generating stations is about 80%, and this power factor improvement is useful in the situation of a low power factor for efficient use of electricity with cost savings.
In this paper, the analyses of economical efficiency and performance were implemented when a synchronous condenser was used for a power factor improvement. For economical efficiency, a break-even analysis was used. In order to obtain capital investment for a synchronous condenser, the parameters in Wolsong #2, namely power supplied from the grid with the present power factor were investigated. Based on the investigated values, the cost of a synchronous condenser was calculated. Additionally, cost savings, when the power factor was improved to 95%, were calculated in electric billing. The payback period was also calculated using these expenses. The results of the study show that installing a synchronous condenser to effect a power factor improvement can result in a reduction of costs in nuclear power plants.
An analysis of performance for the synchronous condenser was implemented using ETAP developed by Operation Technology Incorporated. Four items were simulated using the analysis functions of ETAP. They were the load flow analysis, the harmonic analysis, the short-circuit analysis, and the bus transfer analysis.
Conclusively, installing a synchronous condenser for the power factor improvement, as was proposed in this thesis, is effective in promoting cost savings in nuclear power generating stations. However, more studies are needed before an actual application can be attempted.
전력산업은 2001년 4월 2일 부로 전력산업 구조개편에 맞추어 한국 전력 공사의 발전, 송전, 배전 사업 중 발전 사업을 6개의 발전자회사로 분할하여 발전 회사 간 경쟁이 도입되었다. 또한 에너지자원의 고갈 우려와 고 유가는 신 재생 에너지의 개발과 아울러 에너지의 절약을 위한 방안을 모색하게 되었다.
본 논문에서는 발전소 소내용 전력계통에 역률 개선용 설비를 신설하여서 역률개선을 통한 전력요금의 감소, 손실량 감소, 전압강하 감소 등을 위한 방안을 제시하고 있다. 역률개선이란 부하에서 필요한 지상 무효전력을 보상하기 위해 부하 가까이에 무효전력 보상장치를 설치하여 지상무효전력과 위상이 정반대인 진상 무효전력을 흐르게 함으로써 합성 무효전력의 크기를 줄이는 것이다. 무효전력 보상장치는 캐패시터(Capacitor), 동기조상기(Synchron-ous Condenser), 정지형 무효전력 보상기(Static VAR Compensator: SVC) 등이 있다. 그 중 무효 전력량의 조정이 쉽고 고조파 문제를 발생시키지 않는 동기 조상기를 사용하여 역률개선을 하려고 한다.
역률개선을 위해 동기 조상기를 발전소의 소내 전력계통에 설치하여 전기 에너지의 효율적 사용을 통해 비용 절감을 할 수 있는지 확인하기 위해서 설비투자비용과 전기요금의 절감비용을 사용하여 투자회수기간을 개략적으로 산출하여 경제성이 있는지 분석하는 방법을 채택하였다. 이를 위해 월성 원자력 발전소 2호기의 데이터를 이용하였으며 투자비용 회수기간를 계산한 결과 약 1.324년으로 경제성은 있다고 판단되었다.
또한 경제성과 아울러 동기 조상기를 설치하였을 경우에도 소내 전력계통이 신뢰성이 있는지를 판단하기 위해 성능 분석을 수행했다. 먼저 동기 조상기를 설치하였을 때 예상되는 문제점은 고장전류의 증가와 모선 잔류전압 절체시 모선전압이 안전전압(약25%)까지 저하되는 데 걸리는 시간이 길어진다는 것이다. 증가된 고장전류를 차단기가 안전하게 차단하는지 확인해야 하며, 또한 안전에 관련되는 설비에 전원공급의 신뢰성과 다중성이 있어야 하므로 모선 절체시에도 문제없이 절체되어야 한다. 이를 위해 ETAP을 이용하여 시뮬레이션을 하였다. ETAP은 손쉽게 계통 단선도를 그릴 수 있고 성능분석을 위해 필요한 기능이 있으며 원자력 발전소에 적용되는 프로그램 이므로 ETAP을 선택했다. 먼저 동기 조상기를 모선에 설치하였을 때 시뮬레이션 결과로는 역률 86%에서 99%로 역률이 개선되는 것을 확인하였다. 또한 동기 조상기를 설치하면 고조파로 인한 왜곡이 설치 전에 비해 약간 감소되며, 같은 위치에 캐패시터를 설치하여 비교한 결과는 훨씬 전압 왜곡이 적은 것을 확인하였다. 고장 종류 중 가장 가혹한 고장인 3선 단락 고장을 동기 조상기가 설치한 모선에 모의로 설정하고 시뮬레이션한 결과로 고장시 동기 조상기는 3.3 kA의 고장전류를 추가로 발생하지만 모선에 연결된 차단기의 차단용량을 초과하지 않았다. 이런 결과로 동기조상기를 설치하여도 증가된 단락전류로 인한 차단기의 교체는 필요없음을 확인하였다. 마지막으로 동기 조상기가 설치된 모선에 정상적으로 전력을 공급하는 공급선로에 있는 차단기를 0.1초에 개방하고 0.183초에 대체 전원을 공급하는 차단기를 투입하여 모선 신속개방 절체에 대한 모의를 수행했다. 신속개방절체시에 동기 조상기가 설치된 모선의 전압이 기준값(75%) 이상을 유지해야 한다. 모의 결과, 동기 조상기를 설치하기 전에는 75%로 절체시 모선 전압이 떨어지지만 동기 조상기를 설치한 후에는 90%로 절체시에도 모선 전압강하가 적게 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 모선 신속개방 절체의 후비용으로 잔류전압절체에 관한 분석을 수행하였다. 동기조상기를 설치한 후 정상공급 차단기 동작 후 안전전압까지 감소하는 데 필요한 시간은 0.88초로 동기 조상기 설치 전에 비해 0.48초가 더 증가하였다. 이와 같은 결과는 대체전원공급 차단기를 투입하기 위해 필요한 계전기의 시간 세팅을 바꾸어야 한다. 이것을 해결하기 위해서 정상공급 차단기 동작 후 0.1초 후에 동기조상기 차단기를 개방하면 안전전압까지 감소하는 데 필요한 시간이 동기 조상기 설치 전과 별 차이를 없음을 확인했다.
결론적으로, 역률개선용 동기 조상기는 발전소의 비용절감을 꾀할 수 있으며, 시뮬레이션을 통해 성능분석을 한 결과는 잔류전압절체를 제외하고 원자력 발전소의 소내 전력계통의 기능을 만족한다는 것을 확인하였다.
