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문제 정의
- 따라서 현재 설치되어 있는 동기조상기의 대안으로써 동기조상기를 투입할 것인가 아니면 SVC와 같은 FACTS기기를 투입할 것인가에 대하여 ESCR 측면에서 검토하였다. 대상년도는 2008년부터 2020년까지로 2008년도 계통의 경우 총 부하량은 약 550MW이고 HVDC 수전량은 150MW이고, 202년도 계통의 경우 총 부하량은 약 670MW이고, HVDC 수전량은 총 350MW이다.
- 본 논문에서는 제주 계통의 안정성 확보를 위해 크게 송전선로, 발전기, HVDC 상정고장 및 ESCR을 검토하였다.
- 제주 계통의 안정성 확보를 위해 여러 상정고장을 검토하고 문제점 발생시 이에 대한 대책방안을 수립하였다. 상정고장 검토결과 송전선로 상정고장시 안정하다고 판단된다.
제안 방법
- 주요 상정고장은 제주 계통내 가장 큰 발전기인 남제주#3호기가 탈락하는 경우(100MW)와 남제주#3, #4호기가 동시에 탈락하는 경우(200MW)를 고려하였다. ESCR 측면에서 가장 심각한 상황을 고려하기 위해서 FACTS기기가 설치되고, 풍력이 추가되는 경우에 대하여 ESCR을 검토하였다. 기존의 부하 패턴으로부터 최소부하는 최 대부하의 60% 수준이 라고 판단되어 진다.
- 상정고장 검토결과 송전선로 상정고장시 안정하다고 판단된다. GCPF 방법을 적용하여 발전기 상정사고를 해석하였고, 대책방안으로 capacitive 순동무효전력 원 용량을 산정하였다. 또한 HVDC 상정사고시 주요모선의 과전압 발생여부 검토하였고, 대책방안으로 inductive 순동무효전력 용량을 산정하였다.
- HVDC 탈락과 동시에 HVDC Filter가 제거되는 것으로 하였고 사고시나리오에 따른 주요 모선들의 전압 변화는 과전압기준(L10pu(170kV))에 따라 과전압 여부를 판단하였다. 상정사고에 따른 주요 모선의 과전압 발생을 방지하고 조류계산의 해가 발산하는 것을 막기 위하여 리액터의 최적 위치와 용량을 고려하였다.
- 일반적으로 HVDC와 연계되어 있는 동기조상기의 역할은 아래와 같다. HVDC의 전송량 증가시 필터 및 무효전력 보상역할을 수행하고 있는 콘덴서의 on/off 동작에 따라 발생되는 순시 AC 전압 불균형 문제 및 HVDC 시스템이 정상운전시 AC 계통에서 지락이나 단락과 같은 사고 발생시 AC 계통에 발생되는 과전압 문제를 해소시켜준다. 또한 Black start를 할 수 있다는 장점 때문에 HVDC의 필수적인 보조 설비로 많이 이용되고 있다.
- 다수의 주요 모선에서 과전압이 발생하였고 Swing의 무효전력 출력이 한계를 벗어나 조류계산 해가 발산하였다. 과전압을 방지와 조류계산의 해를 수렴시키기 위하여 리액터의 최적 위치와 용량을 고려하였다. 제주TP에 -50Mvar 용량의 reactor투입하여 주요모선의 과전압을 제거하였고 Swing 발전기의 무효전력출력을 한계 안으로 수렴시켰다.
- 다수의 주요 모선에서 과전압이 발생하였고 Swing의 무효전력 출력이 한계를 벗어나 조류계산 해가 발산하였다. 과전압을 방지와 조류계산의 해를 수렴시키기 위하여 리액터의 최적 위치와 용량을 고려하였다. 제주TP에 -50Mvar 용량의 reactor투입하여 주요모선의 과전압을 제거하였고 Swing 발전기의 무효전력출력을 한계 안으로 수렴시켰다.
- 남제주#3호기 고장시 조류계산 해가 수렴하지 않았으며, 이때 취약 위치는 제주TP, 산지, 조천, 성산, 동제주 순으로 나타났고, 계통 안정화를 위해서는 제주TP에 50MVaK를 투입하였고 그 결과 안정하였다.(그림 6)
- GCPF 방법을 적용하여 발전기 상정사고를 해석하였고, 대책방안으로 capacitive 순동무효전력 원 용량을 산정하였다. 또한 HVDC 상정사고시 주요모선의 과전압 발생여부 검토하였고, 대책방안으로 inductive 순동무효전력 용량을 산정하였다.
- 투입용량은 lOMVar 단위로 변화시켰다. 발전기 1기 상정고장시 제주TP와 서제주가 투입 위치로 결정되었기 때문에 두 위치는 고정하고, 나머지 지역에 대한 검토를 수행하였다. 신제주에 투입했을 때 가장 효과가 좋았고 그 결과는 (표 3)과 같다.
- 본 논문에서는 제 2연계선이 투입된 제주 계통에서 발전기 상정고장시 해석을 위해 GCPF 방법을 적용하였고, 상정고장 시 발생되는 문제점 해결을 위해 필요한 순동 무효전력원의 capacitive 용량 및 inductive 용량을 산정함으로써, 노후화된 제주 동기조상기에 대한 중장기 관점에서의 대책 방안을 수립하였다.
- 판단하였다. 상정사고에 따른 주요 모선의 과전압 발생을 방지하고 조류계산의 해가 발산하는 것을 막기 위하여 리액터의 최적 위치와 용량을 고려하였다.
- 변하는 파라미터 A, B, C 3개중에서 A는 고정을 시켜놓고 B를 변화시키면서 해를 수렴시키기 위한 C 값을 찾는 방법을 사용하였다. 이후 A 값을 단계별로 증가시키는 방법을 사용하였다. 투입용량은 lOMVar 단위로 변화시켰다.
- 참여인수 값은 처음 1개소 위치는 다른 곳에 비해 매우 큰 값을 갖지만 그 이외의 지역에서는 참여인수 값이 큰 차이가 나지 않아서 2개소를 선정하는 경우에서는 주요 모선에 대하여 모두 검토를 실시하였다. 제주 TP 모선은 반드시 포함이 되어야 해가 수렴을 하였기 때문에 고정으로 하였고 나머지 모선들과의 조합으로 결과를 도출하였다. 그 결과 내용은 표 2에 자세히 나와 있다.
- 이후 A 값을 단계별로 증가시키는 방법을 사용하였다. 투입용량은 lOMVar 단위로 변화시켰다. 발전기 1기 상정고장시 제주TP와 서제주가 투입 위치로 결정되었기 때문에 두 위치는 고정하고, 나머지 지역에 대한 검토를 수행하였다.
- 향후 2011년 제주 계통에 추가적으로 HVDC가 투입될 계획이기 때문에 본 논문에서는 크게 HVDC 연계선이 추가되기 이전의 계통인 2008년도와 HVDC 연계선이 추가된 이후의 2012년 계통에 대하여 계통을 해석하였다. 탈락하는 발전기의 용량이 클수록 HVDC의 수전량 증가가 커지고 무효전력 소모량 또한 커지기 때문에 발전기 상정고장은 발전기 출력이 가장 큰 발전기의 탈락이 가장 심각한 상정고장이라고 판단할 수 있다.
대상 데이터
- 대상년도는 2008년부터 2020년까지로 2008년도 계통의 경우 총 부하량은 약 550MW이고 HVDC 수전량은 150MW이고, 202년도 계통의 경우 총 부하량은 약 670MW이고, HVDC 수전량은 총 350MW이다. 주요 상정고장은 제주 계통내 가장 큰 발전기인 남제주#3호기가 탈락하는 경우(100MW)와 남제주#3, #4호기가 동시에 탈락하는 경우(200MW)를 고려하였다.
- 따라서 2개소 위치를 고려하였다. 참여인수 값은 처음 1개소 위치는 다른 곳에 비해 매우 큰 값을 갖지만 그 이외의 지역에서는 참여인수 값이 큰 차이가 나지 않아서 2개소를 선정하는 경우에서는 주요 모선에 대하여 모두 검토를 실시하였다.
- 대상년도는 2008년부터 2020년까지로 2008년도 계통의 경우 총 부하량은 약 550MW이고 HVDC 수전량은 150MW이고, 202년도 계통의 경우 총 부하량은 약 670MW이고, HVDC 수전량은 총 350MW이다. 주요 상정고장은 제주 계통내 가장 큰 발전기인 남제주#3호기가 탈락하는 경우(100MW)와 남제주#3, #4호기가 동시에 탈락하는 경우(200MW)를 고려하였다. ESCR 측면에서 가장 심각한 상황을 고려하기 위해서 FACTS기기가 설치되고, 풍력이 추가되는 경우에 대하여 ESCR을 검토하였다.
이론/모형
- 하지만 투입 용량이 너무 큰 관계로 3개소 위치를 고려하였다. 3개소의 위치에 각각 투입용량을 바꿔가면서 최소 투입조합을 찾기 위한 방법으로 분해 법 (decomposition)을 사용하였다. 변하는 파라미터 A, B, C 3개중에서 A는 고정을 시켜놓고 B를 변화시키면서 해를 수렴시키기 위한 C 값을 찾는 방법을 사용하였다.
- 만일 무효전력 불균형시 조류계산의 해가 발산으로 인하여, 사고이후의 계통 정보를 얻을 수 없기 때문에 안정화를 위한 대책방안 수립시 어려움이 있다. 이 문제점의 해결을 위해서 GCPF 방법을 적용하였다. GCPF 방법은 YV 해석(연속선로정수조류계산) 방법과 유사한 방법으로 CPF 방법의 또 다른 응용으로 그 절차는 그림 5와 같다.
- 상정고장시 계통이 붕괴되는 경우(조류계산 해가 존재하지 않는 경우) 사고이후 계통에 대한 정보를 얻을 수 없기 때문에 대책방안을 수립에 많은 어려움이 있다. 이의 문제점을 해결하기 위해서 새로운 계통 해석 방법인 GCPF 방법을 도입하였다. GCPF 방법은 사고 이전의 상태에서부터 사고 이후의 상태까지 발전력을 파라미터화하여 연속적으로 조류를 계산함으로써 사고 이후 해가 존재하지 않는 경우에 대해서도 계통 정보를 유추할 수 있다.
성능/효과
- 송전선로 상정고장 set에서 발전기인출선로 및 지중선로 상정고장은 제외하였다. 유효전력 여유 해석 결과 제주 계통 내 모든 발전기의 P가 증가할 때까지 부하를 증가시켜도 안정한 결과를 도출하였다.(그림 1)
- 제주 중장기 계통 ESCR 검토하고 제주계통 안정성 확보를 위한 제주계통 해석 결과 약 lOOMVar 동기조상기의 운전이 필요하며(풍력고려시) 약 40~100MVar의 추가적 순동 무효전력원이 제주 중장기 계통(2011년이후, 서제주)에 필요함을 알 수 있었다. 위 연구수행 결과를 토대로 다음과 같은 제주계통 순동무효전력 공급 대안을 제시 한다.
- 제주TP에 50Mvar 투입된 상태에서 취약위치는 제주TP, 산지, 조천, 서제주, 신제주 순으로 나타났고, 서제주에 40Mvar 투입시 계통이 안정하게 되었다.(그림 7)
후속연구
- GCPF 방법은 사고 이전의 상태에서부터 사고 이후의 상태까지 발전력을 파라미터화하여 연속적으로 조류를 계산함으로써 사고 이후 해가 존재하지 않는 경우에 대해서도 계통 정보를 유추할 수 있다.(3) 사고 이후의 계통 상태에 대한 정보를 바탕으로 계통의 취약 지역을 선정할 수 있으며, 이에 따른 순동무효전력원의 적정 용량 투입함으로써 무효전력의 불균형 문제를 해소할 수 있을 것이다.
- UFR이 동작하게 되면 부하차단으로 주파수 불균형 문제는 해소시킬 수 있지만 과전압이 발생할 수도 있다. 과전압 발생 시 해소하기 위한 방안으로 순동무효전력원의 reactive 용량을 산정할 수 있을 것이다.
- 0에 가깝게 떨어지게 된다는 것을 확인할 수 있다. 이 수치는 계통의 강도가 낮거나 매우 낮은 상태라고 판단되기 때문에 향후 제주 계통내 풍력이 120MW 투입된다면 FACTS 기기보다는 동기조상기를 투입하는 것이 바람직하다고 판단된다.
- 따라서 동기조상기의 개조 또는 동기조상기의 역할을 수행할 수 있는 대체 설비에 대한 상세한 검토가 필요한 시점이다. 향후 제주 지역에는 대규모의 풍력단지가 조성될 예정이고, 2011년에는 HVDC 연계선이 추가적으로 설치될 예정이다. 이에 따른 계통 검토 및 운전전략 수립이 필요하다.
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