풍력발전기용 변압기

풍력발전기

1. 개요

풍력 발전은 오늘날 매우 빠른 속도로 전 세계 전력계통에 추가되고 있습니다. 유틸리티 규모의 전력 생산을 위해 첫 번째 풍력발전 단지가 도입된 이후, 풍력 발전기에 사용되는 변압기에는 특별한 설계, 조달 및 O&M의 고려 사항이 필요하다는 것이 충분한 운영 및 고장 데이터로 나타나고 있습니다. 그러나 유틸리티 및 산업 분야의 유통 업체가 직면한 문제에 관해서는 서로 다릅니다.

풍력 발전 단지의 각 풍력 터빈에는 수백 볼트의 터빈 발전기 전압을 수집 시스템의 중간 전압 수준으로 올리는 발전기 승압용(GSU) 변압기가 있습니다. 이 변압기의 고장률은 일반적으로 사용되는 배전급 변압기에 비해 매우 높아 풍력 발전 단지 운영자와 직원들은 잠 못 이루는 밤을 보내고 있습니다. 처음에는 유입식 변압기가 표준이었고 여전히 세계에서 사용되고 있지만 몰드형 변압기가 빠르게 대중화되고 있습니다. 그러나 터빈 용량이 점차 대용량이 되고, 송전 효율 및 경제성을 높이기 위해 승압되는 전압이 높아짐에 따라 다시 유입식 변압기가 적용되는 추세입니다. 단, 변압기에 사용되는 절연유는 기존의 광유가 아닌 친환경 절연유를 채택하고 있습니다.

 

IEC는 이미 풍력 발전용 변압기가 기존의 전력용 변압기와 다르다는 것을 인정하는 새로운 가이드를 발행했습니다.
(IEC 60076-16 : 2018 - Power transformers - Part 16: Transformers for wind turbine applications)

그렇다면 풍력발전기용 변압기가 어떻게 다른지, 일반 전력용 변압기와의 차이점으로 인해 고려해야 하는 사항이 무엇인지 알아보겠습니다.

 

 

2. 차이점

2.1 일정하지 않은 바람 

풍속은 일년 내내 그리고 낮/밤 주기에 따라 변한다는 것은 알려진 사실입니다. 때때로 풍속이 발전기의 차단 속도 이하로 낮아지면 발전기는 오프라인 상태가 되어야 합니다. 바람은 하루 중 상당 시간 동안 발전기를 돌릴 수 없습니다. 따라서 변압기는 무부하에서 부하 상태로, 그리고 다시 무부하 상태로 되돌아가는 수많은 열 순환을 경험합니다. 이러한 사유로 유입식 변압기의 경우 가스가 발생할 수 있습니다. 각 가스는 오일에 대한 용해도가 다르지만 변압기가 냉각되면 대부분의 가스가 방출되어 기포가 형성됩니다. 이러한 기포는 핫스폿을 유발하고 부분 방전을 일으켜 결국 절연 성능을 저하시킬 수 있습니다. 건식 변압기의 경우에는 이러한 열 순환으로 인해 권선 어셈블리에 피로가 가해지고 절연이 약해집니다.

 

2.2 고조파 및 스파이크

풍력발전에 사용되는 승압용(GSU) 변압기는 단순한 배전급 변압기가 아닙니다. 풍력발전을 위한 승압용 변압기는 일반 변압기보다 더 견고해야 합니다. GSU 변압기는 인버터의 출력에서 ​​공급됩니다. 인버터에 의해 전달되는 전압에는 두 가지 중요한 비정현파 구성요소가 포함되어 있으며 둘 다 변압기에 유해합니다. 첫째는 입력 전압에 일부 스파이크가 있다는 것입니다. 이러한 스파이크(고주파 구성 요소 포함)로 인한 추가적인 전기 스트레스는 절연 시스템의 급속한 열화를 유발할 수 있습니다. 따라서 GSU는 이러한 스파이크에 적합하게 설계되어야 합니다. 둘째는 인버터를 사용하면 180, 360, 540 및 최대 2400Hz와 같은 주파수의 고조파가 많이 발생한다는 것입니다. 이러한 고조파는 일반 60Hz 전력 파형보다 2~3배 높은 온도와 응력을 생성하여 다른 금속 구조뿐만 아니라 권선 내에서 와전류 및 표유 손실을 증가시킵니다. 이러한 추가 손실은 추가적인 온도 상승을 유발하며 이러한 추가적인 온도 상승을 반영하도록 특별하게 설계되지 않은 경우 변압기의 수명 손실, 용존 가스(DGA), 부분 방전(PD) 및 조기 고장이 발생합니다. 따라서 GSU 변압기는 이러한 고조파의 유해한 영향을 잘 견디도록 특별히 설계되어야 합니다. 1차 권선과 2차 권선 사이에 제공되는 차폐는 권선 자체와 권선 사이에 정전용량을 생성하고 필터처럼 작동하여 원치 않는 고조파가 저전압에서 고전압 측(Collector Bus)으로 통과하는 것을 방지합니다.

 

2.3 스위칭 동작

또 다른 큰 문제는 스위칭으로 인한 일시적인 과전압입니다. 풍속의 변화와 그에 따라 터빈에서 생성되는 전력의 변동으로 인해 변압기는 차단 될 수 있습니다. 이는 하루에 여러 번 발생할 수 있습니다. 특히 VCB(Vacuum Circuit Breaker)에 의한 스위칭 작동은 변압기 권선의 인덕턴스 및 케이블의 커패시턴스와 함께 높은 di/dt를 생성하는 전류 초핑으로 인해 일시적인 과전압을 유발합니다. TRV로 인한 스위칭 과전압의 크기는 변압기의 BIL보다 낮지만 이러한 현상은 권선 내에서 큰 진동 전압을 유발하고 고장을 일으킬 수 있습니다. 이 주제에 대한 상세 내용은 IEEE Std. C570.142에서 다루고 있습니다.

 

2.4 과도 과전압

대부분의 풍력 발전 단지에서 GSU 변압기는 데이지 체인 방식으로 연결되어 있으므로 고전압 단자가 루프 피드 부싱 배열로 구성됩니다. 이러한 유형의 배열에서는 케이블 오류가 발생할 수 있으므로 변압기는 이러한 오류를 "통과"할 수 있어야 합니다. 그렇지 않으면 이러한 오류를 해결하기 위해 터빈 한 그룹의 연결을 끊어야 합니다. 접지에 대한 단일 라인 또는 접지에 대한 이중 라인 오류가 발생하면 해당 라인의 전압이 접지 전위로 강제되고 다른 두 단계는 과전압 상황에 직면합니다. 이는 차례로 변압기 내부의 절연 시스템에 과도한 스트레스를 줍니다. 접지 변압기는 풍력 발전 단지의 고전압 측에서 사용해야 합니다. 이러한 접지 변압기는 단선-접지 오류가 발생한 경우 제로 시퀀스 임피던스를 제공하여 시스템 전압을 안정화하여 GSU 변압기의 과전압을 방지합니다. 접지 변압기는 지그재그 연결 또는 적절한 델타 와이 연결이 가능합니다.

 

2.5 진동

나셀 내부에 설치된 변압기의 경우, 진동은 이러한 변압기가 수명 주기 동안 경험하는 일반 전력용 변압기와 다른 점입니다. 진동으로 인해 기계적 응력이 발생하여 변압기 내부가 헐거워질 수 있다는 것은 말할 필요도 없습니다.

 

2.6 변압기 크기 조정 및 전압 변동

표준 배전 변압기 설계 방식에 의존하면 과전압 또는 과전류가 풍력 터빈용 승압 변압기의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 재생 에너지 프로젝트에 대한 경쟁력 있는 가격 책정을 위해, 그리고 변압기가 일반적으로 정격 부하에서 작동되지 않기 때문에 변압기를 대형화하려는 경향은 거의 없습니다.

풍력 터빈용 승압 변압기가 발전기의 과속을 흡수하려면 일반적으로 5%의 과전압 용량이 필요합니다. 변압기 표준에는 10%의 연속 과전압 기능이 필요합니다. 코어가 포화 상태가 되는 것을 방지하려면 실제로 10%의 추가 용량에 5%의 과전압 요구 사항을 추가해야 합니다.

 

2.7 가스 발생

오일의 분해로 인해 발생하는 가스에는 가스를 생성하는 데 필요한 에너지의 순서대로 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌 및 아세틸렌이 포함됩니다. 고체 절연물(종이)의 분해를 모니터링하는 데 사용되는 가스에는 이산화탄소와 일산화탄소가 포함됩니다. 우리의 관심은 풍력 터빈용 승압 변압기의 상태에 대한 것이기 때문에, 생성된 잠재적 가스와 관련하여 변압기가 직면한 고유한 문제에 대한 검토가 필요합니다.

1) 주기적 부하로 인해 가스는 유체에 흡수되고, 유체가 가열 및 냉각될 때 유체에서 방출됩니다. 온도 변화의 속도에 따라 기포가 발생하여 절연이 필요한 공간이 노출 될 수도 있습니다. 이러한 상태는 완전한 절연 실패가 아닐 가능성이 큽니다. 오히려 낮은 수준의 부분 방전이 발생합니다. 아마도 이것은 오일 내 수소 가스 수준을 높일 것입니다.

2) 앞서 언급한 것처럼 변압기 내부의 고조파 성분은 변압기 내부에 추가적인 손실과 가열을 유발할 수 있습니다. 이렇게 예상되는 결과를 반영하지 않으면 이 가열로 인해 유체와 고체 절연물이 분해된 생성물이 발생할 수 있습니다. 권선 도체에서 바깥쪽으로 가열이 발생하기 때문에 주된 징후는 일산화탄소의 출현으로 종이의 열분해를 나타냅니다. 또한 높은 CO2/CO 비율은 절연유의 산화로 인한 것일 수도 있습니다.

3) Fault ride through 이벤트는 도체의 가열을 생성하는 고장 수준의 전류를 생성합니다. 고장 전류 수준과 지속 시간이 적절하게 조정되지 않으면 변압기 내부에 과도한 열 조건이 존재할 수 있으며 이로 인해 권선 절연물이 분해되어 정상 수준보다 높은 수준의 일산화탄소가 생성됩니다.

또한 위에 설명된 이유로 풍력 발전소 GSU는 가스 생산이 정상보다 높다는 것이 관찰되었습니다. 따라서 풍력 발전 단지 변압기에 대한 DGA 결과를 분석하기 위한 특별한 가이드가 필요합니다.

 

 

3. 변압기 설계 고려 사항

풍력 발전 단지 승압용 변압기는 종종 일반적인 배전급 변압기 조건에서 벗어나는 응력과 부하를 받습니다. 풍력 에너지에 대한 현금화를 서두르는 과정에서 개발자는 종종 초기 비용을 낮게 책정하고, 나중에 풍력 발전 단지 소유주와 운영자가 부담해야 하는 총 소유 비용은 더 높게 거래합니다. 이제는 풍력발전용 승압 변압기에 대해 해결해야 할 과제가 널리 이해되었으므로 위와 같은 문제를 해결하기 위해 변압기 사양을 지정하고 설계하는 데 더 중점을 두어야 합니다. 

 

3.1 권선 설계

전체적으로 냉각 덕트가 있는 코일을 설계하면 절연유의 흐름을 부드럽게 하고 층류의 대류 흐름이 촉진됩니다. 이것은 열 에너지가 냉각 매체로 이동해야 하는 경로를 단축하고 핫스팟의 형성을 제거합니다. 코일 설계를 통한 절연유의 더 높은 흐름은 열 순환의 영향을 줄이고 권선 절연물에서의 가스 형성을 억제할 것입니다.

3.2 코어 및 코일 형상

과도 전압 및 시스템 서지는 변압기를 만성 및 치명적인 물리적 스트레스에 노출시킬 수 있습니다. 원형 코어 레그 형상과 원형 코일 창을 채용하여 반경 방향의 힘을 360도 분산시켜 형태를 유지하고 코일 절연물을 보호합니다.

 

3.3 코어 프레임 및 엔드 블로킹

변압기는 외부 이벤트의 결과로 축력에 노출될 수도 있습니다. 이러한 힘을 포함하도록 코어 프레임을 설계하는 것은 변압기의 전체 수명에 중요합니다. 냉각수 흐름에 영향을 주지 않으면서 엔드 블로킹을 추가하면 코일의 신축을 제거하고 절연물의 무결성을 보호할 수 있습니다.

3.4 탭 체인저

무부하 탭 체인저는 시간이 지남에 따라 풍력 발전 단지 변압기 듀티 사이클에 존재하는 급속한 열 순환에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 접촉 영역이 영향을 받아 아크가 발생하고 가스가 발생할 수 있습니다. 이 애플리케이션에서 탭을 변경해야 하는지 여부를 고려해야 합니다.

 

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