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문제 정의
- 즉, SVC의 운전점을 사전에 유도성 영역으로 변경함으로써, 순동무효전력 예비력을 확보할 수 있으며, 이는 곧바로 전압안정도의 여유가 증가되어 융통전력의 증가로 나타나게 된다. 따라서 본 논문에서는 동서울 SVC의 전압제어 설정치(즉, 무효전력 운전량 설정치)에 따른 계통조건별 북상선로의 융통전력량과 동적안정도를 검토하였다. 다만, 융통전력만으로는 동서울 변전소 인근에 설치 운전중인 양주SVC 등을 포함한 FACTS 설비의 운전특성을 파악하는 것은 어렵다는 단점을 갖고 있다.
- 본 논문에서는 765kV 설비고장 등 계통무효전력 수급 불균형에 대비하고, 아울러 정상운전 및 상정고장시 안정도 향상을 목적으로 동서울 SVC를 설치하여 무효전력을 공급하는 방안을 적용하고, 그 효과를 검토하였다. 무효전력 보상 설비로는 병렬커패시터, STATCOM, SVC를 설치, 운용하는 방안을 검토할 수 있으나, 전압안정도와 무효전력 보상을 위하여 현재 운용중인 병렬커패시터와 리액터 등의 전압보상 설비가 갖는 비속응성과 불연속성을 해결할 수 있고, STATCOM에 비하여 경제적인 SVC를 계통에 설치, 운용하는 방안을 검토하였다.
- 특히, 우리나라 전력계통의 765kV 선로 고장시 전압불안정의 가능성이 존재하므로 순동무효전력설비의 설치가 요구되며, 고장대비 최적의 위치로는 동서울 변전소가 선정되었다. 본 논문은 2009년 동서울 변전소에 설치운전 예정인 345kV 200MVA SVC 시스템의 상시 계통전압 안정화 및 765kV 선로 등 주요선로 고장시 광역의 정전 방지 목적을 달성하기 위한 다양한 운용전략 검토 조건중 융통전력 측면에서 계통영향성 평가를 수행한 결과이다.
제안 방법
- 검토사례1은 동서울 SVC의 모선전압을 353kV 즉, 0MVAr 무효전력을 발생하도록 설정하였다. 검토결과 동서울 SVC가 투입되면 북상선로를 통해 수도권으로 공급되는 최대 융통전력은 기본계통 9,874MW에서 아산T/L 2회선 고장시 13,412MW(정상운전 14,036MW)로 증가함으로써, 약 3,538MW의 융통전력 여유가 발생하였으며, 결과적으로 고장으로 인하여 약 624MW의 융통전력이 정상운전에 비해 감소하였다.
- 본 논문에서 검토된 계통은 동서울 SVC의 운전이 계획되었던 시점의 총 발전력 61,547MW, 총 부하 60,573MW의 2008년 계통 데이터를 사용하였다. 동서울 SVC가 투입/운영됨에 따라 계통에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 동서울 SVC 투입전후의 융통전력의 변화량을 검토하였고, 이때의 동서울 변전소 인근의 주요 모선전압, 조류량과 주요선로 고장시의 동적안정도를 검토하였다.
- 우리나라 전력계통은 수도권 지역의 부하집중과 비수도권 지역의 발전력 편중으로 북상선로를 통하여 공급되는 융통 전력량에 의해서 안정도가 상당한 제약을 받고 있다. 따라서 융통전력량의 변동분을 동서울 SVC의 설치효과라고 설정하고 평가하였다. 본 논문의 검토조건에서 동서울 SVC의 기본적인 운전모드는 자동전압제어(Vref) 운전모드로 하며, 765kV 선로를 포함한 북상선로 고장시 전압안정도를 유지할 수 있도록 순동의 무효전력을 제어하도록 한다.
- SVC와 STATCOM은 계통에 병렬로 연계되며 고속의 연속적인 전압 제어를 통하여 무효전력을 보상하고 모선 전압 제어를 가능하게 한다. 또한 이를 통하여 과도안정도 향상, 전력동요 억제, 저주파진동 억제 등의 기능을 수행한다. SVC가 기존의 병렬 커패시터 및 리액터에 전력전자기술을 접목한데 반해, STATCOM은 전압원 인버터로 전압제어를 수행하므로 소형화 및 고성능화가 가능한 장점이 있다.
- 본 논문에서는 765kV 설비고장 등 계통무효전력 수급 불균형에 대비하고, 아울러 정상운전 및 상정고장시 안정도 향상을 목적으로 동서울 SVC를 설치하여 무효전력을 공급하는 방안을 적용하고, 그 효과를 검토하였다. 무효전력 보상 설비로는 병렬커패시터, STATCOM, SVC를 설치, 운용하는 방안을 검토할 수 있으나, 전압안정도와 무효전력 보상을 위하여 현재 운용중인 병렬커패시터와 리액터 등의 전압보상 설비가 갖는 비속응성과 불연속성을 해결할 수 있고, STATCOM에 비하여 경제적인 SVC를 계통에 설치, 운용하는 방안을 검토하였다. 이러한 무효전력 보상설비가 전력계통에 적절히 적용되는 경우에 전압안정도가 향상됨을 지역 간 최대 융통전력을 통해서 확인하였다.
- 따라서 융통전력량의 변동분을 동서울 SVC의 설치효과라고 설정하고 평가하였다. 본 논문의 검토조건에서 동서울 SVC의 기본적인 운전모드는 자동전압제어(Vref) 운전모드로 하며, 765kV 선로를 포함한 북상선로 고장시 전압안정도를 유지할 수 있도록 순동의 무효전력을 제어하도록 한다. 이를 위해서 우선적으로 SVC 운전을 위한 전압제어 설정치(Vref)에 대한 선정과 인근의 정지형 무효전력보상설비, 즉 커패시터, 리액터 및 변압기 ULTC의 협조운전 방안과 같은 종합적인 운전전략이 필요하게 된다.
- 사례분석은 동서울 변전소의 인근 송전선로에서 기본계통, 정상운전 계통 및 상정고장 계통에 대해 조류변화를 검토하였다. 여기서, 기본계통은 Base Case를 의미하며, 정상 운전 및 상정고장은 북상선로를 통하여 수도권으로 전력을 최대로 융통하기 위한 조건으로, 정상운전은 고장이 없는 경우에 전력을 최대로 융통하고, 상정고장은 가장 심각한 고장이 발생한 경우에 전력을 최대로 융통하는 시나리오를 의미한다.
- 여기서, 기본계통은 Base Case를 의미하며, 정상 운전 및 상정고장은 북상선로를 통하여 수도권으로 전력을 최대로 융통하기 위한 조건으로, 정상운전은 고장이 없는 경우에 전력을 최대로 융통하고, 상정고장은 가장 심각한 고장이 발생한 경우에 전력을 최대로 융통하는 시나리오를 의미한다. 여기서, 가장 심각한 상정고장은 345kV 아산T/L 2회선 고장이며, 765kV 신서산 및 신태백 T/L 고장은 1회선만을 상정하여 검토하였다. 검토결과 동서울 SVC 투입전에는 북상선로를 통해서 수도권으로 최대 융통전력은 기본계통 9,882MW에서 아산T/L 2회선 고장시 13,372MW(정상운전 13,840MW)로 증가함으로써, 약 3,490MW의 융통전력 여유가 발생하여, 결과적으로 고장으로 인하여 약 468MW의 융통전력이 정상운전 계통에 비해 감소하였다.
- 동서울 SVC의 주요 제어기는 자동 전압제어기(Voltage Control Mode), 서셉턴스 제어기(Constant Susceptance Mode), 계통 안정화 보조 제어기(Supplementary Control Function)이다. 자동 전압제어기는 SVC의 주 제어기로써 모선전압에 대한 제어 설정치(Vref)를 모선전압 측정치와 비교하여 PI-제어기를 통하여 전압 안정화(Regulation)제어를 수행한다. 서셉턴스 제어기는 전압제어기의 하부 제어기로써 전압제어기로 부터의 출력을 받아 SVC가 출력할 서셉턴스를 계산하고 싸이리스터 점호각을 출력한다.
대상 데이터
- 과도안정도 검토는 최대 융통전력을 공급하는 운전조건의 계통을 대상으로 하며, 검토된 상정고장으로는 345kV 아산 T/L 2회선 고장과, 765kV 신태백 T/L 1회선 고장시 동서울 SVC의 응동특성을 검토하였다. 다만, 765kV T/L의 상정고장시 충전용량에 의한 전압상승을 억제하기 위한 병렬리액터는 고려하지만, 765kV 선로에 충전전류가 존재하므로 고속의 재폐로시 충전전류를 대지로 방출한 이후에 재폐로 하도록 하는 고속도접지개폐기(HSGS, High Speed Ground Switch) 운용이 필요하나, 개폐 써어지의 영향으로 인한 차단기의 오부동작은 고려하지 않기 때문에 본 검토에서는 제외하였다.
- 본 논문에서 검토된 계통은 동서울 SVC의 운전이 계획되었던 시점의 총 발전력 61,547MW, 총 부하 60,573MW의 2008년 계통 데이터를 사용하였다. 동서울 SVC가 투입/운영됨에 따라 계통에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 동서울 SVC 투입전후의 융통전력의 변화량을 검토하였고, 이때의 동서울 변전소 인근의 주요 모선전압, 조류량과 주요선로 고장시의 동적안정도를 검토하였다.
- 그림 4는 그림 3의 PI-제어기를 PSS/E를 이용한 안정도 해석을 위하여 PSS/E SVC 제어 모델로 변환한 모습이다. 본 논문에서 사용한 SVC 제어모델은 CSVGN1 모델이다. CSVGN1모델에서는 기준전압(Vref)과 제어대상 모선 전압과의 오차신호를 Lead-Lag 제어기를 통하여 전체 SVC의 서셉턴스 량을 변화시켜 전압유지를 수행한다.
성능/효과
- 여기서, 가장 심각한 상정고장은 345kV 아산T/L 2회선 고장이며, 765kV 신서산 및 신태백 T/L 고장은 1회선만을 상정하여 검토하였다. 검토결과 동서울 SVC 투입전에는 북상선로를 통해서 수도권으로 최대 융통전력은 기본계통 9,882MW에서 아산T/L 2회선 고장시 13,372MW(정상운전 13,840MW)로 증가함으로써, 약 3,490MW의 융통전력 여유가 발생하여, 결과적으로 고장으로 인하여 약 468MW의 융통전력이 정상운전 계통에 비해 감소하였다.
- 검토사례1은 동서울 SVC의 모선전압을 353kV 즉, 0MVAr 무효전력을 발생하도록 설정하였다. 검토결과 동서울 SVC가 투입되면 북상선로를 통해 수도권으로 공급되는 최대 융통전력은 기본계통 9,874MW에서 아산T/L 2회선 고장시 13,412MW(정상운전 14,036MW)로 증가함으로써, 약 3,538MW의 융통전력 여유가 발생하였으며, 결과적으로 고장으로 인하여 약 624MW의 융통전력이 정상운전에 비해 감소하였다.
- 검토사례2는 동서울 SVC의 모선전압을 351kV 즉, -200MVAr 무효전력을 발생하도록 설정하였고, 이때의 검토 결과로 동서울 SVC가 투입되면 북상선로를 통해 수도권으로 공급되는 최대 융통전력은 기본계통 9,870MW에서 아산 T/L 2회선 고장시 13,420MW(정상운전 14,222MW)로 증가함으로써, 약 3,550MW의 융통전력 여유가 발생하였으며, 결과적으로 고장으로 인하여 약 802MW의 융통전력이 정상운전에 비해 감소하였다.
- 01739pu)로 변경하여 운전할 필요가 있는 것으로 검토되었다. 결과적으로, 동서울 SVC의 설치, 운전으로 북상선로의 융통전력량이 증가하여 송전선로의 제약비용을 절감할 수 있고, 또한 비상시 계통전압 안정화 및 광역정전을 예방할 수 있다.
- 지금까지의 검토사례로 보면, 최대의 순동무효전력을 확보하기 위해서는 351kV로 SVC의 운전점을 설정할 필요가 있지만, 융통전력 측면에서는 353kV로 운전하는 경우와 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 또한, 동서울 변전소 인근의 주요 송전선로 조류량은 상정고장시 미금-동서울간 345kV T/L(정격의 최대 86%)를 제외하면 대부분의 송전선로에서 적정하게 운전되는 것으로 검토되었다.
- 즉, 지역간 융통전력 결정시 전압안정도가 제약조건으로 대두되는 경우, 전압 안정도를 향상시킴으로써 지역간 최대 융통전력을 증가시킬 수 있음을 보였다. 본 검토에서 SVC는 신속한 무효전력 조정이 연속적으로 가능하고 계통고장에 대비한 순시적인 대응능력이 있으며, 특히 용량성 무효전력 공급뿐만 아니라 유도성 무효전력공급이 가능하므로 경부하시 발생가능한 과전압을 규정전압 이내로 유지할 수 있는 것으로 검토되었다. 이와 같이 SVC는 순시 응동특성이 매우 우수하므로, 상대적으로 커패시터나 리액터에 의한 무효전력 보상에 비해 높은 투자비가 필요할지라도, 대규모 전력계통의 안정적인 운전과 효율적인 계통운용을 위해서는 반드시 일정수준 이상 신속한 응동특성 및 연속동작이 가능한 무효전력 보상설비가 필요함을 알 수 있었다.
- 본 논문에서 검토한 계통은 최대의 융통전력을 공급하는 운전조건으로 모든 검토계통에서 주요한 상정고장에 대해 안정한 것으로 검토되었다. 그림 7～8에서는 상정고장이 발생하고 재폐로가 성공적으로 투입되었을 때, 동서울 변전소의 전압과 SVC 출력을 나타내고 있으며, 345kV 아산T/L 2회선 고장이 765kV 신태백T/L 1회선 고장에 비해 모선전압 및 SVC 출력이 크게 변동하고 있지만, 계통의 안정도를 유지할 수 있음을 보여주고 있다.
- 이와 같이 SVC는 순시 응동특성이 매우 우수하므로, 상대적으로 커패시터나 리액터에 의한 무효전력 보상에 비해 높은 투자비가 필요할지라도, 대규모 전력계통의 안정적인 운전과 효율적인 계통운용을 위해서는 반드시 일정수준 이상 신속한 응동특성 및 연속동작이 가능한 무효전력 보상설비가 필요함을 알 수 있었다. 사례연구 결과, 동서울 SVC를 계통에 설치, 운영함으로써 효과적으로 안정도 및 지역간 융통전력의 향상결과를 얻을 수 있고, 또한 동서울 SVC 전압 설정치 운전모드에 따라 최대 융통전력량의 차이가 있음을 보였다. 즉, 동서울 SVC의 설치, 운영에 따른 안정도 마진이 증가함을 알 수 있다.
- 동서울 변전소에 ±200MVA SVC를 설치, 운영효과를 검토한 결과, 순동무효전력 확보에 따른 융통전력은 아래의 표 5에서 보여주고 있다. 융통전력 측면에서 동서울 SVC가 운영되면 최대 융통전력은 약 0.36%(48MW) 증가되는 효과가 있으며, 동서울 SVC의 운전모드에 따라 약 8MW의 융통전력량의 변화가 있었다. 특히, 765kV 신태백 T/L 고장을 대비하여 순동무효전력을 보다 많이 확보하기 위해서는 동서울 변전소의 SVC 운전전압을 353kV에서 351kV (1.
- 무효전력 보상 설비로는 병렬커패시터, STATCOM, SVC를 설치, 운용하는 방안을 검토할 수 있으나, 전압안정도와 무효전력 보상을 위하여 현재 운용중인 병렬커패시터와 리액터 등의 전압보상 설비가 갖는 비속응성과 불연속성을 해결할 수 있고, STATCOM에 비하여 경제적인 SVC를 계통에 설치, 운용하는 방안을 검토하였다. 이러한 무효전력 보상설비가 전력계통에 적절히 적용되는 경우에 전압안정도가 향상됨을 지역 간 최대 융통전력을 통해서 확인하였다. 즉, 지역간 융통전력 결정시 전압안정도가 제약조건으로 대두되는 경우, 전압 안정도를 향상시킴으로써 지역간 최대 융통전력을 증가시킬 수 있음을 보였다.
- 본 검토에서 SVC는 신속한 무효전력 조정이 연속적으로 가능하고 계통고장에 대비한 순시적인 대응능력이 있으며, 특히 용량성 무효전력 공급뿐만 아니라 유도성 무효전력공급이 가능하므로 경부하시 발생가능한 과전압을 규정전압 이내로 유지할 수 있는 것으로 검토되었다. 이와 같이 SVC는 순시 응동특성이 매우 우수하므로, 상대적으로 커패시터나 리액터에 의한 무효전력 보상에 비해 높은 투자비가 필요할지라도, 대규모 전력계통의 안정적인 운전과 효율적인 계통운용을 위해서는 반드시 일정수준 이상 신속한 응동특성 및 연속동작이 가능한 무효전력 보상설비가 필요함을 알 수 있었다. 사례연구 결과, 동서울 SVC를 계통에 설치, 운영함으로써 효과적으로 안정도 및 지역간 융통전력의 향상결과를 얻을 수 있고, 또한 동서울 SVC 전압 설정치 운전모드에 따라 최대 융통전력량의 차이가 있음을 보였다.
- 이러한 무효전력 보상설비가 전력계통에 적절히 적용되는 경우에 전압안정도가 향상됨을 지역 간 최대 융통전력을 통해서 확인하였다. 즉, 지역간 융통전력 결정시 전압안정도가 제약조건으로 대두되는 경우, 전압 안정도를 향상시킴으로써 지역간 최대 융통전력을 증가시킬 수 있음을 보였다. 본 검토에서 SVC는 신속한 무효전력 조정이 연속적으로 가능하고 계통고장에 대비한 순시적인 대응능력이 있으며, 특히 용량성 무효전력 공급뿐만 아니라 유도성 무효전력공급이 가능하므로 경부하시 발생가능한 과전압을 규정전압 이내로 유지할 수 있는 것으로 검토되었다.
- 지금까지의 검토사례로 보면, 최대의 순동무효전력을 확보하기 위해서는 351kV로 SVC의 운전점을 설정할 필요가 있지만, 융통전력 측면에서는 353kV로 운전하는 경우와 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 또한, 동서울 변전소 인근의 주요 송전선로 조류량은 상정고장시 미금-동서울간 345kV T/L(정격의 최대 86%)를 제외하면 대부분의 송전선로에서 적정하게 운전되는 것으로 검토되었다.
- 36%(48MW) 증가되는 효과가 있으며, 동서울 SVC의 운전모드에 따라 약 8MW의 융통전력량의 변화가 있었다. 특히, 765kV 신태백 T/L 고장을 대비하여 순동무효전력을 보다 많이 확보하기 위해서는 동서울 변전소의 SVC 운전전압을 353kV에서 351kV (1.01739pu)로 변경하여 운전할 필요가 있는 것으로 검토되었다. 결과적으로, 동서울 SVC의 설치, 운전으로 북상선로의 융통전력량이 증가하여 송전선로의 제약비용을 절감할 수 있고, 또한 비상시 계통전압 안정화 및 광역정전을 예방할 수 있다.
후속연구
- 즉, 동서울 SVC의 설치, 운영에 따른 안정도 마진이 증가함을 알 수 있다. 향후, 동서울 변전소내 기존 전압제어 설비들과의 협조제어와 인근지역의 순동무효전력원인 양주 SVC, 미금 STATCOM 등의 협조제어 방안도 검토할 필요가 있다.
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