1. 서 론

에너지의 수요증가에 따라 신·재생에너지에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 가장 쉽게 접근할 수 있는 에너지원으로 태양광 발전이 있지만, 전력공급이 불안정하고, 설치 등의 문제가 있고, 다른 에너지원은 경제성과 효율 등의 문제로 적용이 쉽지 않다. 재생 에너지원중에서 가장 오랜 역사를 갖고 있으며, 전력생산 기술의 완성도가 높고 에너지변환 효율이 높은데다 안정적인 에너지를 공급할 수 있는 것이 바로 수력 에너지이다^(1,2). 수력 에너지는 출력 용량에 따라 피코(5㎾ 이하), 마이크로(5~100㎾), 미니(100~1000㎾), 소수력(1~10㎿), 중수력(10~100㎿) 그리고 대수력(100㎿ 이상)으로 분류하고 있다^(1,$3). 우리나라의 경우 설비용량이 큰 수력은 대부분 개발된 상태이고, 최근에는 지방 소하천이나 상하수도 시설물 또는 하천의 보 등에 출력이 낮은 발전시설을 설치하고자 하는 관심도가 점차 높아지고 있다.

우리나라는 연평균 강수량이 1,245㎜이지만, 여름에 집중하기 때문에 물을 저장해서 관리할 필요가 있다. 이를 위해서는 물의 일시적인 저장과 흐름을 지속할 수 있는 버퍼 역할을 할 수 있는 사방댐이나 보의 확보가 필요하다.

국내에서 소수력 개발 가능 지점으로서는 다음과 같은 곳이 존재한다^(1,$3).

· 대형댐의 조정지

· 하수처리장의 방류수

· 상수도 정수장의 수압관로 입구 또는 출구

· 농업 전용댐 또는 농수로

· 양식장의 순환수

· 폐광의 분출수

· 화력 발전소의 냉각수 방류수

· 일반 하천 및 소하천

우리나라는 이들 소수력 개발 부존 잠재량 중에서 약 5% 정도만 개발되어 있으므로 발전출력을 하향 조정하는 경우 개발량을 더 높일 수 있다^(1,2).

우리나라 지방 소하천에는 유량은 풍부하지는 않지만, 일정하게 흐르는 곳이 많다. 특히 산간 지역에서는 마이크로급에 해당하는 출력을 구할 수 있는 낙차를 가진 발전사이트가 꽤 많은 편이다. 이들 지역에 청정에너지를 개발하는 경우 지역사회 발전과 안정적인 전기수급에 크게 도움이 될 것이다. 부존 잠재량의 이용 보급 확대를 위해서는 중형급 이상도 필요하지만, 출력은 높지 않지만, 개발 가능성이 많은 마이크로급의 발전설비를 여러 지역에 많이 설치하는 것도 한 방법이다.

발전출력이 낮은 마이크로급 수력의 경우 수차와 발전기의 선정과 구축은 물론이고, 발전한 전력을 효과적으로 변환해서 계통에 연결하는 것도 매우 중요하다. 연결대상이 되는 대부분의 배전선로는 3상 4선식 22.9㎸의 2차측 저압이 해당한다. 이들 변압기에 발전한 전력을 연결할 때 발전기의 전압 크기와 전력의 흐름을 확인해야 한다.

본 연구에서는 지방의 소하천에 상시 흐르는 수로에 마이크로급에 해당하는 수차발전설비를 구축해서 지속적이고, 안정적인 전력을 공급할 수 있는 수차발전기의 적용으로 생산한 전력을 배전선로에 보낼 때 전압, 전류, 전력과 역률의 측정과 모의를 통해 발전기에서 얻은 전력과 계통에 전달하는 전력중에서 유효전력과 무효전력 그리고 역률의 차이를 비교 분석하였다.

2. 마이크로 수차 발전시스템

3. 모의 및 측정 결과 분석

그림 5는 마이크로급 수차발전기와 저압 계통 연결도를 나타낸 것이다. 수차에서 발생한 기계 에너지는 유도발전기에서 전기에너지로 변환되어 배전선로에 설치된 변압기 2차측을 통해 수용가에 전력이 공급되도록 구성하였다. 유도발전기의 낮은 역률을 보상하기 위해 커패시터도 부착하였다.

그림 5와 같은 설치 조건에서 수차의 운전시 발생한 기계적인 에너지에 의해 생산된 전력이 계통에 보내질 때 전력의 변화를 측정과 프로그램을 통해 비교 분석하였다. 전압, 전류, 전력 및 역률의 측정은 전력분석기를 이용하였고, 모의는 전자계 과도해석 프로그램을 사용하였다^(12,$3).

그림 6은 마이크로급 크로스 플로 수차에 의해 유도발전기를 운전할 때 회전속도(○)와 슬립(□)을 나타낸 것이다. 유도발전기의 회전속도는 수차의 운전으로 인해 0에서 시작하여 점차 상승하여 1,812[rpm]로 동기속도 이상으로 계속해서 일정하게 회전하기 때문에 발전영역에서 운전되고 있으므로 유도발전기는 전력을 생산한다. 이때 유도발전기의 슬립은 그림 6과 같이 기동시에 1에서 시작해서 점차 감소하여 동기속도에서는 0이 되지만, 동기속도 이상(1,812[rpm])에서는 반전하여 –0.7% 정도가 된다.

그림 7은 수차에 의해 발생한 기계적인 토크(TL:○)와 유도발전기의 축에서 발생한 토크(TQGEN:□)의 크기를 나타낸 것이다. 수차가 회전하여 동기속도 이상(약 7.4초)에서 유도발전기를 투입하여 배전선로의 저압 계통에 연결할 때 발전기 토크는 제로에서 갑자기 일정 크기를 나타내지만, 실제 운전에서 발전기의 토크는 수차의 기계적인 토크보다 약간 낮은 값을 나타내고 있다. 발전기를 계통에 투입하는 순간에 저압에서는 일시적인 전압강하가 발생할 수 있다.

그림 8과 9는 수차발전기를 운전할 때 발전기 출력에서 발생한 전압과 전류를 모의한 것과 측정한 것을 나타낸 것이다. 그림 8은 전자계 과도해석 프로그램을 이용하여 전압과 전류 파형을 나타낸 것으로 고조파 성분이 거의 나타나지 않지만, 그림 9는 측정한 전압과 전류 파형에서 전압은 거의 정현파에 가깝지만, 전류 파형에서는 약간의 고조파 성분이 포함된 것을 볼 수 있다.

유도기는 유도성 부하로 전동기로 운전할 때와 발전기로 운전할 때 전압을 기준으로 전류의 방향이 서로 다르다. 전동기로 운전시 전류의 위상은 전압의 위상보다 늦다. 즉, 지상 부하에 해당한다. 본 연구에서는 유도기가 발전기로 운전할 때 전압과 전류의 위상에 대해 측정하였다. 그림 10은 전압과 전류의 크기와 위상을 나타낸 벡터도로 전압에 대해 전류의 위상이 약간 앞선 것을 알 수 있다. 이는 전동기로 운전하는 경우 전압에 대해 전류 위상이 늦은 것과는 다르게 발전기로 운전하는 경우 전류 위상이 전압의 위상보다 앞서 있다. 즉, 이것은 전동기로 운전할 때와 다르게 수차발전기로 운전하여 생산된 전력이 발전기에서 계통으로 보내지고 있다는 것을 의미한다. 측정된 상전압과 선전류 그리고 역률을 식 ⑹에 대입하면 유도발전기의 출력에 해당하는 유효전력을 얻을 수 있다.

유도발전기는 회전자계를 계속 요구하므로 자화에 필요한 무효전력을 공급하여야 한다. 유도발전기 자체는 무효전력을 만들 수 없으므로 커패시터의 설치나 계통에서 공급받아야 한다^(9,10). 커패시터는 일정 이상의 크기를 사용하여 자기 여자 현상을 일으키므로 계통으로부터 무효전력을 공급받고, 부족분만 커패시터를 부착하여 보완하면 된다^(9,10).

유도발전기를 운전하여 발생한 전력을 계통에 공급할 때 전력은 발전기 단자와 계통에서는 약간의 차이가 존재한다. 이는 무효전력의 보상을 위해 커패시터를 사용하기 때문이다. 그림 11은 발전기 단자에서 모의한 유효전력(○), 무효전력(□), 피상전력(△) 및 역률(×)을 나타낸 것이다.

유도발전기의 출력인 유효전력(○)은 38.9㎾로 마이너스로 표시한 것은 발전기에서 계통으로 보내지는 것을 의미하며, 발전기의 여자에 필요한 무효전력(□)은 34.9kVAr가 되므로 역률은 0.74로 낮은 편이다. 역률이 표 1에서 제시한 것보다 낮은 이유는 정격보다 낮게 운전한 결과 때문이다. 계통에서 요구하는 역률(×)로 맞추기 위해 유효전력을 대상으로 커패시터를 선정하여 다시 모의한 결과는 그림 12⒜와 같다. 이때 개선된 역률은 0.92이다.

그림 12는 커패시터를 설치하여 운전할 때 전력 및 역률을 모의한 것과 측정한 것을 나타낸 것이다. 실제 표 1에서 제시한 정격보다 낮은 부하 조건에서 운전한 결과이다. 모의한 것과 측정한 결과는 상당히 일치하고 있다.

그림 11과 그림 12에서 발전기에서 발생한 전력과 계통측으로 보내지는 유효전력은 발전기 단자에서는 제어반에 모두 같은 크기(38.9㎾)라는 것을 알 수 있다. 그림 11⒜에서 무효전력(□)이 +34.9kVAr 에서 그림 11⒜에서는 –16.5kVAr로 바뀐 것은 식 ⑵로 구한 결과의 차(18.4kVAr)에 해당하는 값이다. 이는 역률 보상을 위해 설치해야 하는 커패시터의 용량에 해당하는 값(15kVA)보다 약간 높게 나타났다. 커패시터의 추가로 피상전력(△)은 52kVA 에서 42kVA로 커패시터를 추가하면 낮아지므로 계통에서 보면 역률은 74.4%에서 92%로 높아졌다.

4. 결 론

본 논문에서는 실제로 마이크로급에 해당하는 하천에서 구축한 수력발전설비에 낙차를 얻기 위한 취수보와 펜스톡을 사용하여 24시간 동안 발전할 수 있는 수차와 발전기를 설치하여 실제 얻은 출력을 모의와 측정을 비교하여 발전출력을 검증하였다.

발전기를 운전할 때 발전기 단자와 제어반에서 발생하는 전력을 구하고, 자화에 필요한 무효전력의 크기에 따라 역률 보상을 위해 설치하는 커패시터 용량의 적용 전후 전력의 변동을 통해 발전출력과 계통에 공급되는 전력의 정확한 계산으로 발전사업자가 생각하는 발전전력의 차이를 정확하게 이해할 수 있다.

본 연구 결과는 향후 국내외 마이크로 수력의 개발과 운전에서 전력의 발생과 흐름 파악에 도움이 될 것이다.