[논문]마이크로 그리드에서의 풍력/디젤 복합발전 전력품질

김석우; 고석환; 장문석

문제 정의

2009년 1월에 수행된 2차 전력품질 측정 및 평가는 세종기지와 같은 고립된 소형 전력계통에서 풍력발전기 생산전력의 전압품질, 전류고조파 및 역률의 복합전력계통 연계 적합성 및 풍력발전기가 기존 전력계통에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다.
본 연구에서는 풍력/디젤 복합발전에서 디젤발전기의 전력품질이 풍력발전에 미치는 영향 및 계통전력 품질의 향상을 위한 최적화 방안 등이 소개된다.

제안 방법

다음의 그림 1에 도시되었다. 따라서 전력 품질 분석은 교체 전 디젤발전기와 연계된 2007 년 전력품질 분석과 교체가 이루어진 2008년 측정 전력품질로 구분하여 수행하였다.
세종기지에 설치된 10kW급 소형 풍력발전기는 계통 연계형으로써 현재 세종기지에서 발전 중인 디젤발전기의 전력계통에 연계하여 운전될 수 있도록 시스템이 설계 및 제작되었다. 2008년 신규로 교체 설치 된 세종기지 디 젤발전기는 총 3기 (275kW)이 며, 1기씩 교대 운전을 통해 기지에서 소요로 하는 전력을 생산하고 있다.
4기의 교체가 이루어졌다. 이를 통해 2008년부터 275kW급의 신형 디젤 발전기가 기지 전력생산을 전담하게 되 었고, 동시에 특정 상에 집중된 전력부하의 문제점을 해결하고자 일부 부하의 재정렬이 수행되었다.
구성되었다. 전력품질 분석을 위해 MV200 레코더와 미국 DRANETZ사의 PowerGuide 4400을 사용하였으며, 풍력발전기 출력단 및 디젤발전기 출력단에서 각각의 전력품질을 측정하였다.
전력품질은 디젤발전기 출력(3상)단과 풍력발전기 출력(단상)단에서 실시하였다. 측정에 사용된 측정기기는 2007년 측정 당시에 사용되 었던 레코더 (MV200)과 전력 품질 측정계 (PowerGuide 4400)장비가 동일하게 사용되 었다.

대상 데이터

2007년 말부터 2008년 초까지 이루어진 세종기지 대수선 공사 중 노후화된 기존 디젤발전기 4기의 교체가 이루어졌다. 이를 통해 2008년부터 275kW급의 신형 디젤 발전기가 기지 전력생산을 전담하게 되 었고, 동시에 특정 상에 집중된 전력부하의 문제점을 해결하고자 일부 부하의 재정렬이 수행되었다.
필요하다. 2007년에 이루어진 전력품질 분석은 1988 년 세종기지 최초 건설 당시 설치된 디젤발전기 (CATERPILLAR 275kW 2기 및 225kW 2기) 4기와 연결된 풍력발전기의 복합발전시스템을 대상으로 이루어졌다. 당시 디젤발전기는 설치된 총 4기의 발전기가 1기씩 교대 운전을 통해 기지내 부하전력을 생산하고 있었으나, 노후화에 의한 전력품질의 저하가 발생하고 있었다.
측정에 사용된 측정기기는 2007년 측정 당시에 사용되 었던 레코더 (MV200)과 전력 품질 측정계 (PowerGuide 4400)장비가 동일하게 사용되 었다. 남극 세종기지의 전력부하 사용전력은 순시 값 150kW 내외에서 동작하고 있었다.

성능/효과

(1) 10kW급 이하의 소형 풍력발전기는 자체 인버터에 의해 전력품질이 매우 양호하게 유지되고 있었으며, 전압, 주파수 및 고조파 등 전반적 전력품질이 국내 전기사업법에 정한 규정을 충족시키고 있다.
(2) 풍력발전기 설치 지점에서 측정한 3 상간 전압 불평형률은 약 2.5%이며, 이는 저압선로의 전압불평형률 기준에 적합하며 풍력발전기를 3상으로 계통에 연계하여 운전하는 방안을 고려하여야 할 것이다.
(3) 2007년 1차 전력품질 측정 시 발생하였던 계통 전압 및 주파수 등 전력 품질의 저하는 디젤발전기의 노후화로 인한 것임이 확인되었으며, 2차 전력품질 측정에서는 전압 및 주파수 품질 저하로 인한 풍력발전기의 계통연계 차단이 전혀 발생하지 않았다,
(7) 통합제어 시스템의 적용이 이루어질 경우 현재 약 3%인 풍력발전 부하분담률을 최대 50%까지 확장할 수 있을 것으로 판단된다.
각 상의 전압변동율을 비교하여 보면 최소값의 경우 약 6.3%의 전압변동률이 측정되었으며, 최대값의 경우 5.5%임을 확인 할 수가 있었다. 측정데이터는 창고동의 전력사용이 없는 상태, 즉 부하사용률이 0일 때 측정이 된 것이다.
고립된 소형 전력계통에서 풍력/디젤 복합발전 운전 시 디젤발전기 및 풍력 발전기가 계통의 전력품질에 미치는 영향을 평가한 결과 세종기지의 풍황조건 고려 시 풍력/디젤복합발전의 실용성을 확인할 수 있었다. 현재 풍력발전의 부하분담률은 약 3%로서 매우 미미하며, 이는 복합발전의 최초 실증운전임을 고려하여 주 전력원인 디젤계통의 안정적 운전을 확보하기 위해서이다.
디젤발전기의 전력 분석 시에 10kW 풍력발전기가 연계되어 운전 중이었으며, 풍력발전기가 디젤발전기의 전압파형에 문제를 일으키지 않고 있음을 확인할 수 있다.
현재 풍력발전의 부하분담률은 약 3%로서 매우 미미하며, 이는 복합발전의 최초 실증운전임을 고려하여 주 전력원인 디젤계통의 안정적 운전을 확보하기 위해서이다. 또한 극지라는 지리적 여건 상 100kW급 이상의 중대형 풍력발전기의 운송 및 설치를 위한 각종 장비의 확보가 매우 어려운 상황이기 때문에 10kW급 소형 풍력발전기를 설치하였으며, 향후 다수의 동급 풍력발전기를 병렬설치하여 운전이 가능하다는 확장성을 고려한 결과이다.
풍력발전기의 정격출력은 13m/s 에서 10kW, 240V이다. 이로 인하여 선로 S상의 전압이 다른 상과 전압 불평형이 발생되고 있음을 확인하였다. 전압 불평형은 최대 2.
풍력발전기의 계통연계 평균 역률은 0.96 으로서 계통연계 기준에 적합하며, 고조파 전류는 정상전류 최대값의 3% 이내에서 운전되는 것으로 측정되었으며, 기존 전력계통에는 문제를 발생시키지 않고 있다. 이는 계통연계 인버터 내에 고조파 제거 모듈이 있어 발생 고조파의 일정부분을 제거하여 계통에 투입시키는 것으로 볼 수 있다.

후속연구

(4) 향후 풍력발전에 의한 전력생산량의 획기적 증대가 예상되며 이로 인한 디젤연료의 사용량 저감 및 환경오염 방지 효과 역시 큰 증가가 예상된다.
(6) 디젤연료의 사용 저감을 통한 경제적 효과 극대화와 극지 청정환경 보전을 위해서는, 풍력발전기에서 생산되는 전력량을 실시간으로 측정하여 디젤발전기에서 생산되는 전력량을 상응하여 조절할 수 있는 통합 제어시스템의 개발 및 적용이 필요하다.
따라서 이러한 특성을 감안하여 적정 풍력발전량에 대한 사전 분석 이 필요하며 매 순간지속적으로 변화하는 풍력발전의 생산출력이 전력계통, 특히 디젤발전기에 미치는 영향에 대한 정량적이고 정성적인 연구가 필요하다. 2007년에 이루어진 전력품질 분석은 1988 년 세종기지 최초 건설 당시 설치된 디젤발전기 (CATERPILLAR 275kW 2기 및 225kW 2기) 4기와 연결된 풍력발전기의 복합발전시스템을 대상으로 이루어졌다.

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