직류발전기와 교류발전기의 장/단점과 차이점을 설명해보세요.

[직류 발전기]

- 장점

: 별도의 정류 장치가 필요 없다.

: 속도제어가 자유롭다.

- 단점

: 저속도에서 출력을 얻을 수 없다.

: 부품(브러쉬, 정류자)이 소모적이다.

: 구조가 복잡하다.

: 고장율이 높다.

: 고비용이다.

[교류 발전기]

- 장점

: 저속도에서도 출력을 얻을 수 있다.

: 소모적인 부품이 없다.

: 구조적으로 비교적 간단하다.

: 전기적 노이즈의 발생이 없다.

: 고장율이 낮아 경제적이다.

- 단점

: 정류 회로(다이오드 브릿지)가 필요하다.

[차이점]

직류 발전기와 교류 발전기의 구조는 같다. 다만 직류 발전기에는 교류발전기의 슬립링

대신 정류자가 있다.

[교류 발전의 원리]

아래 그림과 같이 코일의 양 끝에 슬립링을 연결시킨다.

이때, 왼쪽의 코일 끝은 안쪽의 링에 연결하고 오른쪽 코일 끝은 바깥쪽의 링에 연결한다. 두 링은 서로 접촉하지 않은 상태이고 코일을 회전 시키면 두 링은 각기 자기의 중심점을 기준으로 제자리에서 회전한다. 회전하는 두 링에 각각 브러시를 접촉시키면 기전력을 얻을 수 있다. 자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생하는데, 코일은 회전하면서 자석의 N극과 S극의 자리를 서로 번갈아 지나므로 발생하는 기전력은 교류가 된다.

이때, 코일의 위치가 수평일 때에는 자기장의 방향과 코일이 움직이는 방향이 나란한 위치에 있으므로 기전력은 발생하지 않는다. 코일이 반시계 방향으로 회전하면 기전력은 점점 증가하고 90°가 되면 기전력이 가장 크게 된다. 코일이 회전을 계속하여 180°가 되면 기전력은 다시 0이 된다.

코일이 회전하여 270°의 위치가 되었을 때 기전력은 최대가 되지만 코일의 위치가 N극에서 S극으로 바뀌었으므로 전류의 방향은 바뀌게 된다. 코일이 360°의 위치가 되면 기전력은 다시 0이 되고 이러한 사이클이 계속 반복되어 위와 같은 정현파 교류가 발생하게 된다.

[직류 발전의 원리]

교류 발전기의 슬립링 대신 아래 그림과 같이 2조각의 정류자편을 연결한다.

코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 양쪽에 브러시를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.

앞서 살펴본 바와 같이 직사각형의 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류지만, 슬립링 대신 위 그림과 같이 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전하여 자리를 서로 바꾸어도 브러시는 항상 고정된 위치에서 정해진 코일과 접촉하므로 얻어지는 전류는 방향이 바뀌지 않는 직류가 되는 것이다.

[전력계통 안정도 향상 대책]

무효전력 보상 및 전압 안정화: 기존의 기계적 조상설비를 넘어, 응답 속도가 빛처럼 빠른 전력전자 기반의 유연송전시스템(FACTS, 특히 STATCOM 및 SVC)을 설치하여 계통 전압 변동을 즉각적으로 억제한다.

고장 파급 방지 (고속도 재폐로): 송전선에 낙뢰 등으로 일시 고장이 발생하면 차단기를 개방한 뒤, 아크가 소호된 후 짧은 무전압 시간(수십~수백 ms)을 두고 다시 투입하는 고속도 재폐로를 적용해 계통 안정도 저하를 줄인다. 이때 재폐로 방식은 단상 재폐로와 3상 재폐로로 나뉘며, 계통 전압 수준, 선로 특성, 안정도 요구조건에 따라 적절히 선택된다. 일반적으로 초고압 송전계통에서는 1선 지락 시 건전상을 계속 운전할 수 있는 단상 재폐로가 유리하고, 배전계통에서는 3상 재폐로를 주로 적용한다..

대규모 BESS 및 GFM 인버터 투입: 과거 초전도 저장장치를 대체하여, 현재는 리튬이온 기반의 대규모 배터리 에너지 저장장치(BESS)가 주파수 하락 시 부족 전력을 밀리초 단위로 긴급 공급한다. 또한, 전압과 주파수를 스스로 형성하는 그리드 포밍인버터를 적용하여 계통의 강건성을 높인다.

회전 관성(Inertia)의 물리적 확보: 태양광/풍력의 증가로 줄어든 터빈의 회전 관성을 보충하기 위해, 폐지된 화력 발전기의 발전기를 모터처럼 헛돌게 만드는 동기조상기나 대형 플라이휠을 전력망 거점에 설치하여 물리적인 버팀목 역할을 부여한다.

[한국 전력계통의 향후 전망 및 과제]

한계점: 우리나라 전력계통의 가장 치명적인 약점은 북한에 막혀 주변국과 전력을 주고받을 수 없는 섬나라형 독립 계통이라는 점이다.

당면과제: 과거에는 단순히 대용량 발전기 탈락 시의 예비력 확보가 문제였으나, 현재는 호남권과 제주도를 중심으로 급증한 태양광/해상풍력으로 인해 송전망 용량이 부족하고 주파수가 요동치는 문제가 가장 심각하다.

해결방안: 장기적인 국가 간 연계(수퍼그리드)를 추진함과 동시에, 당장 급한 불을 끄기 위해 동해안-수도권 및 서해안 해저 HVDC(초고압 직류송전)망을 조기 확충하고, 남는 재생에너지 전력으로 수소를 생산하는 섹터 커플링(P2G, Power to Gas) 기술을 적극 도입하여 전력계통의 유연성과 안정도를 획기적으로 향상시켜야 한다.

(참고) 안정도의 종류

(1) 정태안정도

정태안정도란 송전계통의 부하가 불변이거나 또는 극히 서서히 증가하는 부하에 대하여 계속적으로 송전할 수 있는 능력을 말한다. 송전선로는 계통에 속한 조상용량 및 송수전단 전압, 선로임피던스에 의하여 송전용량이 결정되는데 이때 송전선 양단 상차각이 전송전력의 증대에 따라 증가되어 결국 정태안정 극한전력에 도달한다.

(2) 동태안정도

전력계통의 부하 변동에 따라 고속 AVR을 사용하여 동기발전기의 여자전류를 제어, 운전 가능한 정도의 안정도를 동태안정도라 한다.

(3) 과도안정도

전력계통이 사고 상태에서도 계속 동기를 유지하여 운전할 수 있는 극한능력을 과도안정도라 한다.