발전기의 여자 계통

출처 : http://kr.blog.yahoo.com/leeyongun/3/679.html

발전기의 여자 계통
 

1. 개요
발전기 계자에 직류를 공급하는 장치를 여자기라 한다. 여자방식에 있어 직류발전기를 사용하는 방식과 정류기를 사용하는 방식이 있으나 직류여자기 방식은 발전기의 대용량화에 따라 여자기 용량도 커져 기계적 제약을 받게 되기 때문에 최근에는 채용되지 않는다.
이 여자설비는 발전기 계자의 자계를 형성 및 유지를 시키며, 기동시 발전기의 무부하 전압을 형성, 송전계통을 동기시키고, 병렬운전시 유효 전력에 다른 무효전력을 공급한다.
외란 침입시 적절한 과도응답을 행하여 발전기 전압을 안정시키고 발전기 출력측의 안정도 한계를 상시 측정하여 송전계통과 발전기를 보호하는 데 있다.
여자기 계통은 발전기 터미날 전압을 일정하게 유지시켜 주는 장치로서 발전기 터미날 전압과 기준전압의 차이를 여자 계통에 입력시켜 주는 AVR과 여자 전류를 변화 시켜 발전기 여자 전압을 변화시켜 발전기의 출력 전압을 일정하게 만들어 주는 여자기기로 구성된다. 
발전기의 여자를 조정하여 발전기의 전압이나 무효전력을 제어하는 것으로 주 발전기의 여자를 직결 교류 여자기의 계자전류를 가감하여 발전기 계자전류를 제어하는 속응여자 방식이다.

여자시스템의 구성
- 단자전압변환기 및 부하보상장치(Terminal Voltage Transducer and Load Compensator)
- 전압조정장치(Voltage Regulator)
- 여자시스템 안정회로(Excitation system Stabilizing elements)
- 전력계통안정화장치(Power System Stabilizer)
- 기타
   . 전압/주파수 제한장치(Volt/Hz Limit)
   . 과여자 제한장치(Over Exicitation Limiter)
   . 부족여자 제한장치(Under Exicitation Limiter)

1. 여자방식
동기기에 여자 전류를 공급하는 직류여자 전원장치를 여자장치라 하며, 여자방식은 직류여자기 방식과 교류여자기 방식이 있으며 직류여자기 방식은 동기기가 직류에 의해 여자된다는 원리로 정류자(Commutator)를 가지고 있어 보수상 문제가 있다. 교류여자방식은 일반적으로 Commutator less 방식이라 불리우며, AC-Ex 방식과 정류기를 회전부에 설치한 Brush less  여자방식이 있다.
두 방식 모두 터바인 축으로부터 직접 구동 에너지를 얻으나 Commutator가 없는 이점이 있다. 또한 최근의 대용량 제어소자인 Thyristor 직접여자방식은 응답성이 빠르며, 여자기로서 회전부를 갖지 않는 특징이 있다. 

1) 직류여자 방식

직류여자기가 기계적인 정류자를 갖기 때문에 보수면에서 불리하고 대용량으로 고속회전하는 것이 곤란하기 때문이다.

자동전압조정면에서 보면 직류여자기가 큰 시정수를 갖기 때문에 신속한 전압조정을 이룰 수없는 단점이 있으나 역방향 여자를 용이하게 할 수 있는 장점도 있다.

2) 교류형 여자방식

교류형 여자방식은 직류여자기의 기계적 정류자 대신에 교류여자기 출력을 반도체 정류기로 정류하여 발전기 계자권선으로 직류전류를 공급하는 방식이다. 이 방식의 특징은 기계적인 정류가가 없다는 데 있으며 특히 브러시레스 방식의 겨우 교류여자기를회전전기자형으로 하여 이 전기자와 반도체 정류기와 주 발전기 계자권선과 동일한 회전축상으로 배치하여 슬립링과 브러시를 없앤 방식이다.

자동전압조정의 관점에서 보면 직류여자기와 같이 교류여자기의 시정수가 크다는 점이 있으나 AVR의 출력을 크게 하면 속응특성을 갖게 할 수 있다.

3) 정지형 여자방식

정지형 여자방식란 발전기 출력단에서 여자용 변압기를 통해서 얻어진 교류전원을 싸이리스터 정류기를 통하여 정류하여 브러시를 통하여 발전기 계자전류를 공급하는 방식으로서 여자계의 응답특성이 대단히 빠르다는 특징을 가지고 있다. 정류기 소자는 모두 싸이리스터를 사용하는 균일 브리지형과 경제성을 고려하여 소자의 반이 다이오드인 혼합브리지형이 있다.

2. 교류여자방식의 종류
주기기 직결로 교류발전기 출력을 정류시켜, 여자전류로서 공급하는 방식이다.

(1) 별치식 정류기방식(Commutator Less)
주발전기에 직결된 교류여자기 출력을 별치 정류기에서 정류하여 여자원으로 하는 방식이며, 교류여자기는 회전계자형 동기 발전기로 그 출력은 별치되는 정류장치에 의해 직류로 변환되어 주발전기의 여자원이 된다. 별치 정류기는 각 구성분분을 Unit화하여 인출 가능한 Tray에 수납함으로서 보수를 용이하게 하고 있다. 교류여자기의 계자는 분권회로로 되어 있으며 수동회로와 자동회로로 나누어져 있다. 수동회로는 가포화 Reactor 와 IVR에 의해 제어되며, 자동회로는 Thyristor gate를 AVR 출력신호에 의해 제어한다. Thyristor 전원은 주발전기 직결 또는 별치전동기 구동 영구자석발전기(PMG)에 의해 공급된다. 이 외에 교류 여자기의 계자를 타여자 회로로 하는 방식도 있다.

(2) Brush Less 방식 
교류여자방식의 일종으로 주발전기의 축에 같이 설치되어 있는 회전전기자형 교류여자기, 회전정류기 및 영구자석식 부여자기로 되어 있으며, 교류여자기의 출력은 같은 축에 설치되어 있는 Silicon Rectifier 에 의해 
정류된다. 이 정류기에서 직류로 변환된 출력은 주발전기의 계자권선의 여자를 시키기 위하여 사용되어지며, 주 발전기의 회전계자에 공급되므로 Slip Ring, Brush 등의 습동 접촉부가 필요 없다. 주발전기의 제어는 영구자석 발전기(Permanent Magnetic Generator)로부터 얻어진 전력에 의하여 영향을 받으며, AC 여자전류 Thyristor식 자동전압조정기(Automatic voltage regulator)에 의하여 제어되어 진다.

3. Exciter의 용어

1) Exciter Ceiling Voltage
Exciter의 sealing voltage란 여자기의 상승한계 전압으로 표현할 수 있으며, Specified된 부하조건을 갖는 Exciter에 의해 얻어지는 Maximum voltage를 말한다. 회전 여자기(brushless exciter)에서, Ceiling voltage는 정격속도와 명시된 계자권선(exciter winding)의 저항값과 명시된 계자권선 온도에서 결정되어야 한다.

2) Nominal Exciter Ceiling Voltage
Excited하기 위한 Field winding의 저항(Resistance)과 동일한 저항(Ohmic)값을 갖는 저항(resistor)으로 Loaded된 Exciter의 Ceiling Voltage를 말하며, 이 저항값은 다음의 온도 조건하에서 결정되어진다.
  (a) 75C for field windings designed to operated at ration with a temperature rise 60C or less
  (b) 100C for field winding s designed to operate at ration with a temperature rise greater than 60C 
Rotation exciter에 대해서 계자권선의 온도는 75C에서 고려되어야 한다.

10 MW이하의 터빈발전기에서 Exciter는 정격이  125Volt이며, 이보다 더 큰 발전기는 일반적으로 250V가 된다. 초대형 발전기에서는 375volt를 갖는 정격의 것도 있다. 
10MW를 넘는 대형발전기는 250V의 정격을 사용하며, 이 정격에서 정격부하 계자전압이 200V를 가지며, 여자기정격의 80%가 된다. 
이 여자전압은  air-gap line에서의 정격전압이 Exciter rating의 보통 90V 또는 36%에 해당하며, 주 발전기에서 계자전류를 발생시키기 위해서 요구되어진다.
1.0 per-unit Exciter voltage를 사용하면, 정격부하 계자전압은 거의 2.2 per-unit가 된다.  
따라서 공칭(nominal) Exciter Ceiling Voltage는 위와 같이 정의되며, Voltage Regulator Short Circuit의 制御下에 계자회로 저항의 모든 것으로 얻어지는 Exciter의 최대전압으로서  표현될 수 있다.( Base on Transmission and Distribution - Westinghouse page 196)

* 참고
 한전의 경우 2.0 이상을 요구하나, 경우에 따라서 ooo Project의 경우 Specification에서 1.5이상을 요구하기도 하며, 다음은  어느 터바인 발전기의 정격과 Exciter의 정격입니다.

Generator Ratio
  Maker : Siemens Westinghouse Turbine Generator
  Generator Capacity ; 226MVA
  Power factor : 0.9
  Rated voltage : 18kV

Excitation system
  Exciter type : Static WCR 2000 
  Manufacturer : Culter Hammer
  Type ; Static type
  Rated voltage : 275V
  Rated current : 1600A
  Rated output : 440kW
  Nominal response ratio: 2.0
  Ceiling voltage: 400V
  Ceiling Current : 2395A

4) Rated-Load Field Voltage 
정격 지속부하 상태에서 발전기의 계자권선 단자에 요구되는 전압을 말한다.

5) No-Load Field Voltage
계자 권선온도 25C, 무부하, 정격속도 상태에서 발전기의 계자권선 단자에 요구되는 전압을 말한다.

6) Excitation System Stability
Excitation System Stability란 동기 발전기의 계자전압 제어에 대한 여자계통의 능력을 말하며, Regulated voltage에서 순시변화(Transient changes)들은  효과적으로 억제되어지고, Regulated voltage에서 지속된 진동(Sustained oscillations)은 정상상태 또는 새로운 정상상태 부하조건에 한 변화에 따르는 동안 여자계통에 의해서 생성되지 않게 된다.

7) Exciter Response
Exciter Response란  exciter에서 전압의 변화가 필요할 때 exciter voltage의 감소 또는 상승률을 말한다.

8) Main Exciter Response
Main Exciter Response는  exiter의 정격부하 계자전압을 응답시간(response time)으로 나눌 때  Volt/Sec의 값으로 얻어진다.
즉 100volts/0.5second=200volt/second로 표현된다.
정격 부하 계자전압이 200volts, Response ratio, 정격부하전압으로 나누어진 Response에 의해 얻어진다. 
만약 유지된 정수(maintained constant)라면, 이 Response는 0.5초 내에 Actual Exciter에 의해 얻어진 것과 같은 Excitation voltage-time 영역으로 진전(develop) 시킬 것이다.
이 Response는  무부하에서의 계자, 초기에 정격부하 계자전압과 동일한 계자전압, 그때 급격히 확립되는 회로조건에 의해 결정되어진다.

Note 
회전계자형에 대해서는 Response는 정격속도에서 결정되어진다. 또한 이 정의는 한 개 또는 그 이상의 Series field를 갖는 Main Exciter 또는 Electronic exciter에는 적용하지 않는다.
Exciter voltage의 per-unit의 사용에 있어서 다음과 같이 여러 가지 선택의 가능하다.
1) 여자기의 정격전압은 근본적인(fundamental) basis로 나타내어 질 것이나, 계통분석에 대하여는 그다지 중요하지 않다.
2) 정격 부하계자 전압은 공식적으로 nominal slip-ring 또는 nominal collector-ring 전압으로 표현된다.
3) 계자전류에 필요한 계자전압은 발전기의 air-gap line에서의 정격전압을 발생시키기에 필요한 전압을 말한다.
4) Slip-ring 전압은 무부하 또는 무부하 계자전압이 이따금(sometimes)일 경우 정격전압을 발생시키는데 필요하나 자주 사용되지 않는다.

Voltage regulation and excitation control

The excitation control is used to adjust voltage when the generator is not connected to the utility. Increasing the excitation increases the generator output voltage and decreasing the excitation decreases the generator output voltage. This is true even when the generator is connected to isolated loads.

When the generator is paralleled to the utility, the voltage is essentially fixed by the utility grid voltage. Increasing excitation while paralleled simply increases the amount of Reactive Volt-Amperes (VARs) produced by the generator. If other generators do not lower their excitation in response, the grid voltage will increase slightly. This increase may be so slight that the operator of a small plant does not notice it.

 

Exciter의 관련 용어

1. Exciter Ceiling Voltage

발전기 여자기 계통의 상한 또는 정상전압(頂上電壓 -Ceiling voltage)은

발전의 정격 계자전류와 계자권선 저항과 적으로 표시되며, 즉 Exciter에

정격전류를 공급할 수 있는 정격전압에 대한 배수를 말한다. 즉 Exciter의

sealing voltage는 Exciter의 상승한계 전압으로 표현할 수 있으며, 다른

표현으로 Ceiling Voltage는 Specify된 부하조건을 갖는 Exciter에 의해

얻어지는 Maximum voltage라고 말할 수 있다. 아직 국제 규격에 여자

시스템의 정상전압의 값은 구체적으로 정해진 것은 없으며, 단지 Maker의

경험적인 값이나 계통의 시뮬레이션에 의한 정상전압의 선택이 주류를 이루고 있다.

勵磁係 頂上電壓 (Ceiling voltage)과  여자계 전압 應答時間 여자계 정상전압이란 여자장치로서 도달하여 얻어지는 여자장치의 출력전압의 최대치를 말한다. 또한 여자계 전압 응답시간이란 변동을 준 瞬時로부터 여자장치 출력전압이 정상전압과 정격 부하시의 계자 전압의 차를 95%로 증가하기 의해 필요한 시간을 말한다. 발전기의 과도 영역(동요의 제1파)의 안정도 향상을 올리기 위해서 발전기의 동기화력을 크게 하면 좋다. 이것은 여자장치의 응답화와 정상전압을 올리는 것으로 실현된다. (OHM 2000. 1 Page 114)

2. 정상전류 (Ceiling Current)

발전기의 Exciter는 초기 기동시 많은 양의 여자전류를 빠르게 공급하여야

하므로 Exciter에 공급되는 전압은 높은 전압이어야 한다. 또한 발전운전시 외부고장으로 발전기의 속도증가가 45%이내의 상태에서 발전기의 단자전압증가를 정격 전압의 30% 이내로 제어할 수 있어야 하며, 송전선로의 시험송전을 위하여 발전기전압을 정격 전압의 30%로부터 전全압까지 안정되게 조정할 수 있는 능력을 가져야 한다.

ANSI/IEEE Std 421.1 1986 에서는 정상전압이라는 것을 "계자 권선온도가 기준온도이고 발전기를 정격상태에서 운전하고 있을 때 여자장치의 제어동작에 의해 증가한 여자장치 출력전류가 낼 수 있는 최대 값에 도달한 상태의 전압을 말한다."라고 정의되어 있다. 정상전류는 (Ceiling Current)는 여자 시스템의 속응성에 관계가 있지만 너무 높은 정상전압은 여자시스템의 절연에 문제와 정상 상태 안정도 문제를 유발할 수 있다. 물론 낮은 정상 전압은 정상상태 안정도는 좋아지나 낮은 속응도를 갖는다. 현재 여자 시스템의 정상전압은 구체적으로 정의돤 것은 없으며 단지 경험적인 값이나 계통의 시물레이션에 의한 정상전압의 선택이 주류를 이루고 있다.

일본의 관서전력이나 동경전력에서 화력이나 원자력 여자 시스템의 정상전압을 여자 시스템의 무부하 전압의 5배 이상으로 하고 있으며,

초속응여자 시스템에서는 7.5배를 넘는 값으로 하는 경우도 있다.

미국의  WestingHouse사에서도 이러한 값으로 여자 시스템의 정상전압을

결정하는 경우가 많다.

(전기학회지 제 47권 1호 1998년 1월 page 29 참고)

3. Nominal Exciter Ceiling Voltage

Excite하기 위한 Field winding의 저항(Resistance)과 동일한 저항(Ohmic)값을 갖는 저항(resistor)으로 Loaded된 Exciter의 Ceiling

Voltage를 말한다.

이 저항값은 다음의 온도 조건하에서 결정되어진다.

(a) 75。C for field windings designed to operated at ration with a temperature rise 60。C or less

(b) 100。C for field winding s designed to operate at ration with a temperature rise greater than 60。C Rotation exciter에 대해서 계자권선의 온도는 75。C에서 고려되어야 한다.

4. Rated-Load Field Voltage 

정격 지속부하 상태에서 발전기의 계자권선 단자에 요구되는 전압을 말한다.

5. No-Load Field Voltage

계자 권선온도 25。C, 무부하, 정격속도 상태에서 발전기의 계자권선 단자에 요구되는 전압을 말한다.

6. Excitation System Stability

Excitation System stability 동기 발전기의 계자전압 제어에 대한 여자계통의 능력을 말하며, Regulated voltage에서 순시변화(Transient changes)들은  효과적으로 억제되어지고, Regulated voltage에서 지속된 진동(Sustained oscillations)은 정상상태 또는 새로운 정상상태 부하조건에 한 변화에 따르는 동안 여자계통에 의해서 생성되지 않게 된다.

7. Exciter Response

Exciter Response란  exciter에서 전압의 변화가 필요할 때 exciter voltage의 감소 또는 상승률을 말한다.

High initial Response ratio exciter :

Static exciter type : 2.0 or over

Rotating exciter type : 0.5 or over

Static type 2.0

8. Main Exciter Response

Main Exciter Response는  exciter의 정격부하 계자전압을 응답시간(response time)으로 나눌 때  Volt/Sec의 수치값으로 얻어진다. 즉 100volts/0.5second=200volt/second로 표현된다. 정격 부하 계자전압이 200volts, Response ratio, 정격부하전압으로 나누어진 Response에 의해 얻어진다.  만약 유지된 정수(maintained constant)라면, 이 응답(Response)은 0.5초 내에 Actual Exciter에 의해 얻어진 것과 같은 Excitation voltage-time 영역으로 진전(develop) 된다.

Note 

회전계자형에 대해서는 Response는 정격속도에서 결정되어진다. 또한 이

정의는 한 개 또는 그 이상의 직열계자를 갖는 Main Exciter 또는 Electronic exciter에 적용치 않는다.

Exciter voltage의 per-unit의 사용에 있어서 다음과 같이 여러 가지 선택이 가능하다.

1) Exciter의 정격전압은 근본적인(Fundamental basis) 것으로 나타내어 질 것이나, 계통분석에 대하여는 그다지 중요하지 않다.

2) 정격 부하계자 전압은 공식적으로 Nominal slip-ring 또는 Nominal collector-ring 전압으로 표현된다.

3) 계자전류에 필요한 계자전압은 발전기의 air-gap line에서의 정격전압을 발생시키기에 필요한 전압을 말한다.

4) Slip-ring 전압은 무부하 또는 무부하 계자전압이 종종 정격전압을 발생시키는데 필요하나 자주 사용되지 않는다.

9. Ceiling Voltage의 예

10. MW이하의 터빈발전기에서 여자기는 정격이  125Volt 정도이며, 이보다 더 큰 발전기는 일반적으로 250V 정도가 된다. 대형의 발전기에서는 375volt를 갖는 정격의 것도 있다.  10MW를 넘는 대형발전기는 250V의 정격을 사용하며, 이 정격에서 정격부하 계자전압이 200V를 가지며, 여자기정격의 80%가 된다.  이 여자전압은  Air-gap line에서의 정격전압이 Exciter rating의 보통 90V 또는 36%에 해당하며, 주 발전기에서 계자전류를 발생시키기 위한 전압이다. 1.0 per-unit Exciter voltage를 사용하면, 정격부하 계자전압은 거의 2.2P.U.(Per-Unit)가 된다.   따라서 공칭(nominal) Exciter Ceiling Voltage는 위와 같이 정의되며,  Voltage Regulator Short Circuit의 제어下에 계자회로 저항의 모든 것으로 얻어지는 Exciter의 최대전압으로서  표현될 수 있다.

* 참고

우리나라 전력회사의 경우 2.0P.U이상을 요구하나, 경우에 따라서 ooo Project의 경우 Specification에서 1.5이상(1.5times of slip ring voltage required for rated continuous load running at rated generator terminal voltage.(Hitach). 양수발전기의 경우 한전발주사양에 1.25배이상으로 정해져 있는 경우도 있다.

11. Rapid De-excitation

계자내에 저장된 에너지에 의해 전원측(Exitation Transformer)으로 Inverting 되는 것을 방지하기 위해 firing pulse를 Static exciter amplifier에 주어 신속히 field excitation을 0으로 감소 시킨다.  종래에는 DC field Breaker가 필요했으나, Thyristor Controller에 의해 계자내에 저장된 에너지를 field discharge resistor로 신속하게 소멸시킨다.

12. 다음은 어느 터바인 발전기의 정격과 Exciter의 정격입니다.

1) Siemens Westinghouse Turbine Generator(Static type exiter)

Generator Capacity :      226MVA

Power factor :            0.9

Rated voltage : 18kV

Excitation system

Exciter type /manufacturer : Static WCR 2000 Culter Hammer  

Type ;                    static type

Rated voltage : 275V

Rated current : 1600A

Rated output :            440kW

Nominal response ratio:  2.0

Ceiling voltage: 400V

Ceiling Current :         2395A

2) Hitach(Static type exiter)

Generator Capacitor :                           200MVA 

Power factor :                                  0.9

Frequency :                                     60Hz

Thyristor Exciter Data

Thyristor converter input voltage Vac :        490V

Raterd exciter voltage Vexn :                  450V

Positive Ceiling voltage Vdc(at rated Vac) :   557V

Insulation level of power circuit (field circuit) : 4500V

(1) Voltage setting range of automatic voltage regulator

80-110% of synchronous machine rated voltage.

(2) Control error

± 1.0% under the variation of synchronous machine from no-load to rated load.

(3) Excitation ceiling voltage

1.5times of slip ring voltage required for rated continuous load running at rated generator terminal voltage.

(4) Excitation system voltage response

0.05 sec. to rise up to 95% ceiling voltage when deviation signal of the 20% rated voltage of synchronous machine is applied to AVR.

(5) Excitation system response ratio

Not .less than 1.5pu/pu

(6) Setting range of field current of manual voltage regulator

80% of no-load field current to 100% of rated exciter current.

3)  Flashing

대부분의 전압조정기는 발전기의 자동 전압 형성에 대한 조건을 가지고

있다. 이 조건에 필요한 값은 전압 조정기의 전력 입력에서 

전압조정기에 대한 공칭 정격입력 전력의 5%이상이다. 발전기가 장기간

사용하지 않을 때 Flashing 이 필요하다.

To establish voltage when a synchronous machine starts,field flashing

equipment is provided, Field flashing current is supplied 

    from the station DC. battery.

    Rated Voltage : DC 125V 

    Required cureent : 0.3 p.u. during 10sec.

Where, 1.0 p.u. is the field current, when the synchronous machine is

under the condition of no-load, rated speed and terminal voltage.

관련 자료

-  Base on Transmission and Distribution - Westionhouse page 196)

-  ANSI/IEEE Std 421.1 1986

동기 발전기 여자시스템


동기 발전기 여자시스템의 기본기능은 발전기 계자 권선에 직류전류를 공급하여 발전기 출력 단자 전압을 일정하게 유지 또는 조정하는 것을 제1의 목적으로 하고 있다. 단자 전압 조정을 통해서 전력계통에 발생하는 동요 진동을 억제하여 안정도를 향상시키기도 하고, 발전소의 승압 변압기의 고압 측인 송전전압 제어를 수행해서 전압을 안정시킴으로써 부하단에서의 전력용 콘덴서와 동기 조상기의 기능을 병행하기도 한다.
여자시스템은 발전기 전압제어, 발전기 여자기 시스템 보호·제한 기능을 수행하는 제어기와 제어기로부터 제어신호를 받아서 필요한 계자 전류를 공급하는 위상제어 정류기 부분으로 구분할 수 있다. 전압 제어부분은 단자전압 설정기, 발전기 전압을 검출 및 필터, 비례·적분 조절부가 기본을 이루며, 제어대상인 발전기와 여자시스템 자체를 전기적 및 열적으로부터 보호하여 발전기 자신의 능력 한계 이내에서 최대의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 기능을 포함하고 있다. 

위상제어 정류기는 여자기 또는 발전기 출력단에 연결된 여자 변압기로부터 여자전원을 확보하고 이 교류 전압을 사이리스터 위상제어 정류기에서 직류 전압으로 변환해서 발전기 계자에 공급한다. 동기 발전기 능력 관점에서 볼 때 여자시스템은 동기발전기가 연속 운전할 수 있는 범위 내에서 동기기 유효 출력 변화 또는 무효 출력, 단자전압 변화에 응하여 계자 전류를 자동 조정함으로써 발전기 단자전압을 목표 값으로 신속·안정하게 유지할 수 있어야 한다. 두 번째로는 발전기의 순간적이고 단시간 성능에 부합하는 계자강화를 수행함으로써 과도적인 외란에 대응할 수 있어야 한다.

반도체 소자기술의 발달로 대용량 정류기가 출현함으로써 최근에는 정지형 여자시스템이 주류를 이루고 있다. 정지형 여자시스템은 제어 속응성과 정상 전압이 높아 계통의 과도 안정도 향상 대책에는 유리하나 동태 안정도를 해칠 수 있다. 따라서 응답이 빠른 여자시스템에 전력계통 전력동요의 진동을 제동하기 위해서 전력계통 안정화 장치(PSS : Power System Stabilizer)를 부가하여 전력계통 안정 운전에 기여하기도 한다. 

여자시스템은 구성되는 요소기기 및 제어장치에 따라서 크게 3종류로 분류된다. 첫째로 직류 발전기를 이용한 직류 여자기 방식, 여자변압기와 사이리스터 변환기(정류기)로 구성된 정지형 여자방식, 교류 여자기 발전기와 다이오드 정류기로 구성된 교류 여자기 방식이 있다. 최근에는 전력전자 반도체 기술의 발달로 속응성이 있으며 회전부가 없어 유지보수에 유리한 정지형 여자방식이 주로 적용되는 추세에 있으나, 이 방식은 여자 전원을 발전기 출력단자에서 취하기 때문에 출력단에서 선로 사고가 발생할 경우 여자전원을 안정적으로 확보할 수 없는 단점을 갖고 있다.


여자시스템의 종류 및 특징

동기발전기/전동기 전압제어장치인 여자시스템은 크게 6가지 모델로 분류 된다.


1. 직류(DC) 여자 시스템

직류 여자 시스템은 교류 회전형 여자 시스템이나 정지형 여자 시스템으로 대체되어 현재는 거의 생산되지는 않으나 60년대에 세워진 발전소에는 아직도 운용 중에 있는 것이 많다. 직류 여자 시스템은 여자전원으로써 직류 발전기를 이용하며 슬립링을 통하여 동기 발전기에 전류를 공급한다. 
이러한 여자 시스템은 발전기의 축이나 다른 전동기를 이용하여 여자발전기를 구동하는데 자여자식(Self-exited)이나 타여자식(Separately Exited)으로 다시 세분화 할 수 있다. 여기서 타여자식인 경우에는 여자발전기의 여자전류를 영구자석 발전기를 갖고 있는 부 여자기(Pilot-exciter)에 의해 공급된다. 
이러한 형태의 여자 시스템은 1920년부터 1960년대까지 많이 사용되었으며 초창기 가변저항을 이용하는 형태에서 자기증폭기나 앰플리다인을 이용하는 형태까지 여러 종류가 있다. <그림1>은 앰플리다인 전압조정기를 갖고 있는 여자 시스템을 나타낸 것으로 여자발전기의 여자전류를 제어하는 앰플리다인과 슬립링을 통하여 발전기에 전원을 공급하는 직류 여자발전기로 구성되어 있다. 그리고 <표1>은 직류 여자 시스템의 각 제작사의 제품명이 있으며 <표2>는 직류 여자 시스템의 장단점을 나타낸다.

2. 교류 회전형 여자 시스템

교류 회전형 여자 시스템은 여자 시스템의 입력 전원으로 회전형 교류 발전기(여자기)를 이용한다. 일반적으로 이러한 여자 시스템은 터빈 발전기의 축에 여자기 연결되어 있고 여자기 출력은 발전기의 계자에 필요한 여자전류를 만들기 위해 정류기를 통한다. <그림2>에 대하여 간단히 설명하면 우선 부여자기 출력 전원을 이용하여 여자시스템의 전원공급에 사용한다. 그리고 부여자기에서 나오는 전원을 다이오드나 사이리스터를 이용하여 주 발전기의 계자에 슬립링을 통하여 전압을 공급한다. 

여자용 발전기의 회전유무에 따라 회전형과 정지형으로 나눌 수 있으며 발전기의 계자권선에 전원을 인가하는 여자발전기를 사이리스터를 이용하여 제어하느냐 아니면 단순히 다이오드를 이용하여 정류만 하느냐에 따라 여러 가지 형태의 여자 시스템이 나올 수 있으나 크게는 정지형과 회전형의 범주에 포함된다.

교류 회전형 여자 시스템은 <그림2>와 같이 여자발전기와 정류기를 회전하게 만들어 발전기의 계자에 전원을 인가 할 때 브러시와 슬립링을 통하지 않게 하여 여자 발전기의 전압을 단순히 다이오드를 통해 주 발전기의 계자에 입력시키는 형태이다.

교류 정지형 여자 시스템은 <그림3>과 같이 여자기에서 나오는 전원을 여자기의 계자전원으로 사용하여 여자기 전압을 조정하고 결국은 여자기 출력은 다이오드로 정류하여 발전기 계자에 보내진다. 여자기의 전압을 단순히 다이오드를 통해 주 발전기의 계자에 입력시키는 방법과 <그림4>에서와 같이 여자발전기의 전원을 무정전 전원공급기(UPS)나 부여자기 발전기를 이용하여 발전기의 계자에 입력되는 전압을 단순히 다이오드를 사용하지 않고 사이리스터를 이용하여 제어의 정밀도를 높이는 방법도 있다.
이러한 교류 여자 시스템은 특성상의 우수성 때문에 지금도 많이 쓰이고 있으며 교류 여자 시스템을 모델로 하여 생산된 제품의 장단점은 <표3>, <표4>에 각각 나타나 있다.

3. 정지형 여자 시스템 

정지형 여자 시스템는 <그림5>에서 보는 바와 같이 발전기의 계자전원을 발전기의 출력단에서 변압기를 통하여 계자에 공급하는 것으로 교류 여자 시스템에 비하여 구조가 간단하고 설치가 쉽기 때문에 현재의 여자 시스템의 주종을 이루고 있다. 그러나 이러한 여자 시스템은 발전기 출력단의 전원을 여자 시스템의 전원으로 이용하기 때문에 운전제어범위가 좁고 발전기 출력단에서 고장이 생긴 경우에는 여자전원을 상실하기 때문에 상당히 불완전한 요소를 가지고 있다. 

<그림5>와 같은 시스템의 단점을 보완한 시스템이 <그림6>과 같은 컴파운드형 시스템으로 개발되었는데 이는 발전기 출력단에 고장이 생기더라도 정전류 기능을 갖고 있는 인덕턴스를 이용하여 여자 시스템의 안정도를 높이는 것이다. 
<그림7>과 같이 계자를 2중으로 만들어 하나는 정지형 여자 시스템과 같이 만들고 또 하나는 직류전원을 인가하여 고장에 대한 안정도나 제어범위를 넓히는데 목적을 둔 정지형 여자 시스템이 있다. 또한 이러한 정지형 여자 시스템은 발전기에서 나오는 대용량의 전원을 바로 제어하기 때문에 전류 제한기나 전압 제한기와 같은 보호 성분이 많아야 한다. 정지형 여자 시스템을 모델로 하여 생산된 여자 시스템은 다음과 같다. 그리고 정지형 여자 시스템의 제작사별 제품명은 <표5>와 같고 장단점은 <표6>에 나타나 있다.

여자시스템의 제어기능과 보호기능

여자 시스템의 기능은 전력계통에 안정적인 전력 공급을 위해서 발전기 전압을 일정하게 유지해야함은 물론 계통의 급격한 전압강하가 있을 때는 빠르게 회복시킬 수 있는 능력을 보유해야 한다. 그러기 위한 기능으로 발전기 전압 제어기능, 발전기와 주변시스템을 보호하기 위한 보호기능이 있다. <그림8>은 여자 시스템의 전체 블록도이며 각 블록도의 기능과 역할은 아래와 같다.

1. 제어 및 제한기능

(1) AVR (Automatic Voltage Regulator)

자동 전압 조절기의 기능은 발전기의 운전 상황의 변화에도 불구하고 주어진 설정값에 일치하도록 발전기 단자 전압을 자동으로 조절하는 역할을 한다. 자동 전압 조절기의 형태는 고전적인 비례적분(PI) 제어기나 지상/진상 보상제어기의 형태이며 궤환(Feedback)된 발전기의 단자 전압과 자동전압 조절 설정치(AVR Set-point)의 출력과 비교해서 제어를 위한 편차 신호를 만든다. 
생성된 편차신호(Error Signal)는 자동전압 조절 제어기 내의 PI 제어기 및 자동전압 조절 제어기 출력 제한기를 거쳐 최종 출력이 된다. 자동전압 조절 제어기의 최종 출력은 다시 과여자 제한기의 입력으로 사용되어 과여자 제한기의 출력과 비교되어 실제의 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 점호하기 위한 값으로 사용된다. 
여자기의 운전이 수동 전압조절 운전일 경우 자동전압 조절 제어기의 적분기는 수동 전압 조절기의 출력을 추종하는데 이는 수동 전압조절 운전에서 자동 전압조절 운전으로 재 전환할 때 발생할 수 있는 충격을 최소화하기 위한 것이다.
자동 전압조절기는 기동 시 발전기 단자 전압에 발생 할 수 있는 Over Shoot를 방지하기 위하여 무부하 계자 전압에 해당하는 초기값을 갖도록 기동시작 명령을 주던지, 설정기 자체를 완만한 기울기를 주어서 무부하 전압 목표치까지 서서히 끌어 올리는 완기동(Soft Voltage Build up) 방식을 사용한다.

(2) 수동 전압 조절기(MVR : Manual Voltage Regulator)

수동 전압 조절기는 주로 자동전압 조절 제어기의 고장 시 또는 각종 시험을 위하여 사용되는 일종의 후비 제어기로서 자동전압 조절 제어기와 동일하게 고전적인 PI 제어기의 형태를 갖고 있다. 수동 전압 조절기는 발전기 단자전압 대신 계자전압 또는 계자전류를 궤환신호로 사용하고 있다. 
운전자 조작반(IOS : Intelligent Operator System)에서 절체하던지 또는 발전기 전압궤환신호를 상실했을 경우에 자동에서 수동으로 절환된다. 자동전압 조절 제어기 운전에서 수동운전으로 절환 시 발생할 수 있는 충격을 최소화하기 위하여 자동전압 조절 제어기의 출력을 수동조절기가 늘 추종하도록 되어 있다.

(3) 부족 여자 제한기(UEL : Under Excitation Limiter)

계통 병입된 발전기의 전압을 낮추어서 진상운전, 즉 발전기 능력 곡선상의 부족여자 지역에서 운전을 하면 발전기 전기자 철심 단부의 과열과 발전기 정태 안정도가 떨어지는 문제가 발생한다. 
발전기 고정자 철심 단부의 과열은 다음과 같은 현상에 의하여 발생한다. 발전기 고정자 권선 단부에서의 누설 자속은 고정자 철심의 적층 방향에 대하여 수직으로 입사되는데 이에 의하여 철심 단부에 와전류가 형성되고 와전류가 형성된 부위에 국부적인 과열이 발생하게 된다. 
과여자 운전상태 (지상 역률)에서는 계자 전류에 의하여 계자단부의 유지환(Retaining Ring)이 포화된 상태에서 운전되므로 고정자 권선단부의 누설 자속의 크기는 그리 크지 않으므로 문제가 되지 않는다. 
그러나 부족 여자상태(진상 역률)에서는 계자 전류의 크기가 작기 때문에 유지환은 포화되지 않은 상태이고 따라서 고정자 권선 단부의 자속이 전기자 철심에 축 방향으로 입사하여 누설부분이 크게 된다. 뿐만 아니라 부족여자 상태에서는 고정자 권선전류에 의하여 발생한 자속이 계자 전류에 의한 자속과 합쳐지게 되므로 고정자 단부의 국부적인 과열은 문제가 되며 특히 원통형 계자를 사용하는 발전기의 경우 운전 영역을 크게 제한하는 요인이 될 수 있다(<그림9> 참조).
정태 안정도 제한은 일정한 계자전압 크기에서 계통으로 공급할 수 있는 최대 유효 전력의 크기를 나타낸다. 속응형 자동 전압 조절장치를 적용했을 경우 이와 같은 제한치를 실질적으로 상당히 증가시킬 수 있으나 자동 전압 조절장치에 비하여 수동전압 조절장치의 경우 응답성이 떨어지도록 설계하므로 운전 중 자동 운전에서 수동 운전으로 절체될 때를 대비하여 발전기의 운전 점을 언제나 안정한 영역 내에 유지하도록 하여야 한다. 
부족 여자 상태의 운전(진상 영역에서의 운전)으로 발생하는 위의 두 문제 중 기계적인 발열에 의한 제한이 정태 안정도의 확보보다 더 심각한 문제라고 볼 수 있다. 부족 여자제한 장치의 기능은 발전기 능력 곡선을 참조하게 되는데 전기자 철심 단부의 과열을 방지하기 위하여 곡선의 진상 영역 제한선으로부터 5~15% 정도의 여유를 두고 설정한다.( 부족여자 시 retaining ring이 포화되지 않아 누설자속 증가)

(4) 과여자 보호기(OEL : Over Excitation Limiter)

과여자 보호기는 비례/적분기로 구성된 제어기로서 과전류 제한기로 동작하며 On-Line 또는 Off-Line V/Hz 제한기에 대하여 우선 동작하도록 설계됐다. 과여자 제한기는 계자전류에 대하여 일정 값 이하가 되도록 상황에 따라 설정 값 중 적당한 값을 선택하여 동작하는데 설정 값에는 Off-Line 과전류 제한치, On-Line 과전류 일차 제한치, On-Line 과전류 이차 제한치 등이 있다. 
발전기가 계통병해된 Off-Line 상황에서 과여자 제한기의 제어 목표는 발전기와 발전기에 연결된 각 변압기에 과자속이 발생되는 것을 방지하는데 있으며 계통병입된 On-Line 상태에서는 과열에 의한 계자 권선의 손상을 방지하는데 있다. 
과여자 제한기의 동작은 출력이 수동전압조절기 또는 자동전압조절기의 출력에 비하여 작을 경우 IOS에는 경보가 발생하고 SCR(Silicon Controlled Rectifier)의 점호각은 과여자 제한기의 출력에 의하여 결정된다. 만일 과여자 제한기가 동작하면 SCR의 점호각이 과여자 제한기에 의하여 결정되며 이 상황에서 자동 전압 조절기 또는 수동 전압 조절기의 설정값을 낮게 하여 자동 전압 조절기 또는 수동 전압 조절기의 출력이 과여자 제한기에 비하여 작아질 때까지 계속 유지된다.

(5) 과자속(V/Hz) 제한기

발전기의 전압과 주파수의 비(V/Hz Ratio)라고도 하는데 발전기와 발전기의 모선에 연결된 변압기의 자속량을 감시하기 위한 것이다. 발전기 또는 변압기 등과 같은 전력에 관련된 기기 들은 철심에 과도한 자속이 가해지는 것을 방지하기 위하여 내부의 자속량을 아는 것이 매우 중요하다. 
만일 자속량이 너무 많아지게 되면 누설자속 또한 커지게 될 뿐만 아니라 내부의 적층되지 않은 부위에는 와전류(Eddy Current)가 흐르게 된다. 발전기 또는 변압기 내부의 적층되지 않은 부위는 철심을 고정하기 위한 Bolt, Bracket등이 있는데 이러한 부위에 와전류에 의한 과열이 발생하여 열팽창이 일어나게 되면 철심을 고정시키는데 필요한 힘 또는 압력을 잃게 되므로 철심 자체에 진동이 발생할 우려가 있다. 철심의 진동은 철심과 철심의 마찰을 가져오므로 때때로 철심간의 절연물을 파괴하므로 상당히 중대한 문제를 야기한다. 
따라서 발전기 및 변압기의 보호를 위해서 내부 자속의 량을 감시하는 기능이 필요한데 흔히 이 기능은 발전기 보호기기 내에 포함되나 이는 경보 또는 운전정지 등의 보호 기능만을 포함하고 있으므로 자속량에 따라 능동적으로 제어하는 기능은 없다. 따라서 경보 또는 운전정지 이전에 능동적인 제어를 위하여 여자제어기기 내에 조절기능을 두는 것이 일반적이다. 

(6) 자동 무효전력/자동 역률 조절기(AQR/APFR)

자동 무효전력 조절기와 자동역률 조절기는 동일한 알고리즘으로 동작하는 선택기능이다. 자동무효 전력 조절기는 유효 전력의 크기에 상관없이 일정한 무효 전력을 생산하기 위한 기능이며 자동 역율 조절기는 일정한 역률을 유지하기 위한 기능이다. 
AQR 및 APFR은 일반적으로 전력만을 생산 공급하는 발전소에서는 사용되지 않고 대단위 공업단지와 같은 독립된 부하에 전력을 공급하는 장치에 주로 사용된다. AQR 및 APFR은 자동 전압조절기 운전에서만 동작하도록 되어있으며 AVR의 전압 설정 값을 변경함으로써 제어 목표를 달성하게 된다.
AQR 또는 APFR의 설정 값은 별도로 없으며 IOS의 전면 판넬에 배치된 해당 Key를 누르면 누르는 순간의 무효 전력 또는 역률이 각 조절기의 참조 값이 된다. AQR 또는 APFR의 전압 제어특성을 악화시키는 특성은 동작 시에 자동 전압 조절기의 설정값에 영향을 미치는 값을 작게 하거나 또는 오차에 대한 Dead Band를 크게 함으로써 조절할 수 있다. 
그러나 이 값이 너무 작거나 크게 되면 AQR 또는 APFR의 제어 특성이 나빠지게 되므로 현장에서 시험을 통하여 적당한 성능을 갖도록 설정해야 한다. 또 AQR과 APFR은 서로 배타적으로 동작하므로 AQR이 동작 중일 때 APFR로 전환하기 위해서는 반드시 AQR을 먼저 해제해야만 한다.

(7) 무효전류 보상기/Active 무효전류 보상기 (RCC / ARCC)

(a) 무효전류 보상기능(RCC : Reactive Current Compensation)

무효전류 보상기능은 지상역률의 운전상태에서는 발전기의 단자 전압을 강제로 강하시키고 진상 운전 상황에서는 강제로 상승시킴으로써 병렬 운전 중인 발전기 사이에 무효전력을 분배 시키는 역할을 한다. 무효전류 보상기는 임피던스 보상기능을 이용하여 구현되었는데 발전기의 전류가 임피던스 보상기능을 통과하므로써 출력을 생성하고 이 출력은 제어기의 설정 값의 생성에 영향을 미친다.

(b) ARCC (Active Reactive Current Compensation)

ARCC의 기능은 발전기의 출력전압을 강제로 상승시킴으로써 주변압기 및 계통선로에 의하여 발생하는 전압강하를 보상하여 발전기와 멀리 떨어진 지점의 전압을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. ARCC 기능의 구현은 RCC와 동일하고 단지 퍼센트 이득의 부호가 달라지는데 발전기의 유효전력과 무효전력의 크기가 상승하면 단자전압 역시 상승하도록 되어 있다.


보호기능

여자기시스템의 보호기능은 흔히 발전기 보호기능과 여자기 자체 보호기능으로 분리되는데 여자기 자체에 대한 보호기능은 각 정류기에서 전달되는 신호 입력을 바탕으로 수행되며 발전기 보호기능의 경우 PT/CT 센서로부터 측정되는 값으로 수행된다.

1. 계자 상실(LOE : Loss Of Excitation) 보호기능 

동기 발전기의 계자 상실 사고는 비정상적인 계자회로의 운전상태에 의해 발생한다. 이와 같은 원인으로는 예기치 못한 계자 차단기의 개로, 계자회로의 완전 단락, 완전 개로 또는 제어기기의 고장 등이 될 수 있다. 
계통병입된 발전기에 계자 상실 사고가 발생하였을 경우 발전기는 정상적인 출력보다 적은 유효전력, 정격 속도 보다 높은 운전 속도로 운전되면서 여자 전력을 전력 계통으로부터 흡수하여 유도 발전기로 동작하게 되는데 이로 인하여 계통의 전압이 낮아지는 결과를 초래 할 수 있다. 
계자상실 상태에서 유도 발전기로서 계속적인 운전은 고정자 쪽에는 정상상태 전류의 2~3배에 달하는 과전류에 의한 과열상태를 초래하며, 슬립 주파수에 의해 유기된 계자 전류는 계자 자체의 과열을 초래하는데 슬립의 크기에 따라 달라지나 보통 기계적인 위험수준에 도달하기까지는 수분정도이내에 기계적인 위험 수준에 도달한다. 뿐만 아니라 계통으로부터 무효 전력을 흡수함에 따라 계통의 안정도가 낮을 경우에는 계통전반에 걸쳐 광범위하게 전압을 떨어뜨리게 되므로 이로 인해 부하의 이탈 및 정상 운전 중인 타 발전기의 동기 탈조를 초래 할 수 있다. 
따라서 이와 같은 사고를 방지하기 위해서는 계자 상실사고가 발생한 발전기를 신속히 계통으로부터 분리할 필요가 있다.

2. 과여자 보호(Over Excitation Protection)

과여자 보호기능은 On-Line과 Off-Line상황에서 각각 동작하는 보호계전기로 구현되어 있다. Off-Line 상황 하에서 동작하는 과여자 보호기능의 주목적은 계자의 과여자로 부터 발전기를 보호하는데 있고 V/Hz 보호에 우선하여 동작한다. 따라서 On-Line 과여자 보호 기능은 I2t 기능을 갖도록 설계되어 있으며 Limit Level, Alarm Level, Trip Level을 갖고서 동작한다. 
On-Line 과여자 보호기능의 목적은 과전류로 인하여 발생하는 과열로부터 발전기의 계자를 보호하는데 있다. On-Line 과여자 보호기능의 보호 특성은 ANSI C50.13 Field Short Time Thermal Over Load에 명시되어 있는 값을 바탕으로 하여 동작하도록 설계되어 있다.

3. 과자속(V/Hz) 보호

제어 폐회로 내에 포함된 V/Hz 제한기 제어의 후비 보완책으로 V/Hz 보호기능을 포함한다. V/Hz 보호기능은 한시보호 계전기와 반한 시 보호 계전기의 특성을 함께 보유하고 있어 각 순간에서의 V/Hz 비에 따라 적절한 알람 또는 트립 신호를 발생시킨다. 
V/Hz 보호에 사용되는 한시 및 반한시 보호계전기 특성 곡선은 일반적인 발전기 및 변압기의 V/Hz 곡선을 가장 유사하게 모의했다. 필수적으로 선정된 보호 특성은 V/Hz의 비가 1.1PU에서는 연속 운전이 가능하도록 하고 1.10PU에서 1.18PU까지는 1.12PU에서 45초 동안 운전이 허용되며, 1.18PU에서는 2초 만에 순시 Trip이 되도록 했다. 위에서 1.10PU~1.18PU 사이의 V/H비와 Trip 신호의 발생시간 사이에는 반한 시 특성이 적용되므로 V/Hz 비가 클수록 Trip 신호의 발생까지 지연되는 시간은 단축된다.

4. 계자 과전류 보호기능(Field Over Current Protection)

과여자 보호기능의 목적은 과전류 상태가 발전기 계자에 지속적으로 가해질 경우 초래되는 계자의 과열을 방지하기 위한 것이다. 그러나 계자의 과열을 방지하기 위한 목적과 상반되게 계통 고장 시 고장이 해제되기 전까지 충분한 계자 전류 Forcing 능력을 갖기 위해서는 일정 시간동안 최대 전류의 인가를 허용해야만 한다.

5. 발전기 과전압 보호기능(Generator Over Voltage Protection)

발전기 과전압 보호기능은 한시 보호계전기를 이용하여 구현되며 발전기에 과전압이 발생될 경우 전기가 권선의 손상을 방지하기 위한 것이다.

6. 상불평형 보호장치(Phase Unbalance Protection)

상불평형 보호장치는 여자용 변압기의 권선상에서 발생할 수 있는 각종 사고의 결과로 야기된 출력 전압에서의 불평형으로 인한 과열로부터 변압기를 보호하는 것이 주목적이다.
상불평형 보호기능을 수행하기 위하여 여자용 변압기 2차측 선간 전압 또는 상전압을 측정할 수 있도록 3개의 PT (Potential Transformer)가 필요하다. 측정 전압원이 달라져도 상불평형 보호기의 특성 또는 알고리즘은 동일하다.

7. 위상제어 정류기 전류 불평형(Bridge Current Unbalance Protection)

여자 계통은 중소형 발전기를 포함하여 대형 발전기용 여자 계통으로 범용으로 적용할 수 있도록 설계된 계통이다. 
따라서 단위 위상 제어 정류기의 용량은 이미 확정되어 있고 필요한 여자기의 용량에 따라 적절히 위상제어 정류기(PCR : Phase Controlled Rectifier)의 수를 조합함으로써 전체 용량을 맞추는 방식을 사용한다. 
1개 이상의 정류기 판넬이 공동으로 여자 전력을 공급하는 계통에서 피할 수 없는 문제가 정류기 판넬 간 여자용 전류의 크기에 편차가 생기는 문제가 발생한다. 이 전류 편차의 발생 원인 중 가장 큰 것은, 각 정류기 패널을 여자 전력원이라 볼 때 개별 전력원과 부하(발전기 계자)사이의 거리가 상이로 인한 임피던스 상이 때문이다. 
이에 대한 해결책으로 보통의 경우 주 DC Bus의 전류용량을 개별 정류기에 연결된 DC Bus의 크기를 증대시킴으로써 전반적인 임피던스를 균일하게 하는 방법을 사용하고 있다. 또 정류기내의 상간 단락 사고 등이 발생할 경우 해당 정류기에 상당히 큰 고장 전류가 흐르게 되므로 이때 역시 정류기간 전류의 크기에는 불평형이 발생한다. 
위와 같이 정류기간 전류의 크기에 편차가 발생할 경우에 대비하여 보호 동작을 하는 것을 Bridge Current Unbalance 보호라 한다. Bridge Current Unbalance에 대한 보호는 Inverse Time Protective Relay Algorithm을 이용하여 구현되어 있다.

8. 전압검출 변성기 고장 검지기능(PT Failure Detection)

발전기의 모선에 연걸된 PT신호의 상실은 보통은 PT Fuse의 단선에 의하여 발생하는데 이 결과 여자기에 전달되는 전압 신호의 부분적 또는 완전한 상실을 초래한다. 전압 신호의 상실은 보통 여자기의 최대 출력을 가져오고 이어 발전기의 단자 전압이 과대하게 상승하는 것을 막을 수 없다. 뿐만 아니라 전압 신호의 상실로 말미암아 여자기 보호기능 중, 계자 상실 보호 계전 기능의 동작으로 발전기의 비상정지까지 이르게 된다.