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전기기사 전력공학 · 전력제어와 특성

Power Flow Control

전력 제어는 유효 전력으로 주파수를, 무효 전력으로 전압을 맞추는 계통 운전의 두 축이다. 전력 삼각형에서 S² = P² + Q², 역률 cosθ = P/S 이고, 무효 전력은 콘덴서 · 분로 리액터 · SVC · STATCOM 같은 조상 설비로, 주파수는 조속기의 속도 조정률(드룹)과 AGC 로 조절한다. 송전선의 유효 전력 조류는 양단 위상차로, 무효 전력 조류는 전압 크기 차로 정해져요. 역률각 · 무효 전력 보상량 · 속도 조정률 슬라이더를 움직이면 전력 삼각형, 선로 전압 분포, 수하 특성 곡선이 차례로 바뀌어요.

유효 · 무효 · 피상 전력의 관계

📐 전력 삼각형
①유효 전력 P[W]: 실제로 일을 하는 전력으로, 열 · 빛 · 운동이 된다
②무효 전력 Q[var]: 자기장 · 전기장을 채웠다 비웠다 하는 전력으로, 일은 하지 못하지만 전류는 흐르게 한다
③피상 전력 S[VA]: P 와 Q 의 벡터 합이며 V × I 와 같아요
30°
전력 관계식
S² = P² + Q² → S = √(P² + Q²) [VA]
역률 cosθ = P/S, 무효율 sinθ = Q/S 다.

전압 제어: 무효 전력으로 전압을 맞춘다

50%
전압 · 무효 전력 관계
ΔV ≈ (P·R + Q·X) / V [V]
X ≫ R 인 송전 선로에서는 무효 전력을 공급할수록 전압이 올라가요.
조상 설비 종류
SC(전력용 콘덴서): Q 공급 → 전압 ↑ SR(분로 리액터): Q 흡수 → 전압 ↓ SVC · STATCOM: 빠르고 연속적인 제어
경부하 때 페란티 현상으로 전압이 오르면 SR 을 넣는다.

주파수 제어: 유효 전력의 균형

5%
속도 조정률(드룹)
R = (f₀ − fFL) / fFL × 100 [%](보통 3 ~ 5%)
R 이 작을수록 같은 주파수 변화에 출력이 크게 움직여, 주파수 변동이 작게 유지된다.
계통 제어 분류
1차 제어: 조속기(즉각) 2차 제어: AGC(주파수를 정격으로 되돌림)
AGC 는 Automatic Generation Control 로, 수 초 ~ 수 분에 걸쳐 응답해요.

전력 조류 제어

선로 유효 전력 조류
P = (V₁V₂/X)·sin δ
δ 는 양단 전압의 위상차로, 위상을 조절해 조류를 바꾼다.
무효 전력 조류
Q = (V₁² - V₁V₂cosδ) / X
양단 전압 크기의 차로 정해지며, AVR 과 조상 설비로 제어한다.
⚡ FACTS 장치
①SVC(Static VAr Compensator): 사이리스터로 리액터 · 콘덴서를 제어해 Q 를 빠르게 조절한다
②STATCOM: 전압형 인버터를 써서 SVC 보다 더 빨리 응답한다
③TCSC(사이리스터 제어 직렬 콘덴서): 선로 리액턴스를 바꿔 P 조류를 조정한다
④UPFC: P 와 Q 를 함께 제어하는 가장 종합적인 FACTS 예요

시험 포인트

전력 삼각형
S² = P² + Q²
cosθ = P/S, sinθ = Q/S
전압 · 무효 전력 관계
Q ↑ → 전압 ↑(선로 X 를 거쳐)
SC 투입: Q 공급 → V 상승
속도 조정률
R = Δf/fFL × 100 [%]
보통 3 ~ 5%, 작을수록 민감하게 응동
페란티 현상
경부하 · 무부하 때 수전단 전압 > 송전단 전압
장거리 · 케이블 충전 전류 → SR 투입으로 억제
🎯 시험 포인트
①P-Q-S 삼각형: S² = P² + Q², 역률 = P/S
②전압은 무효 전력(Q)으로, 주파수는 유효 전력(P)으로 제어한다
③SC(콘덴서)는 Q 를 공급해 V 를 올리고, SR(리액터)은 Q 를 흡수해 V 를 낮춘다
④속도 조정률은 3 ~ 5% 이고, 작을수록 주파수 변화에 민감하게 반응한다
⑤페란티 현상은 경부하 때 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 현상이에요
📝 대표 기출 유형
①[기출유형] P = 300 kW, Q = 400 kvar 일 때 피상 전력[kVA]과 역률은? (답: S = √(300² + 400²) = 500 kVA, cosθ = 300/500 = 0.6)
②[기출유형] 전압 제어와 주파수 제어에 각각 관련된 전력은? (답: 전압은 무효 전력 Q, 주파수는 유효 전력 P)
③[기출유형] 페란티 현상의 원인과 대책을 쓰시오. (답: 경부하 때 진상 충전 전류로 수전단 전압이 오른다. 분로 리액터를 넣는다)
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