[논문]PSS/E를 이용한 제주계통의 DFIG 풍력발전단지 및 HVDC 동적모델 개발

남순열; 강상희; 남해곤; 최준호

doi:10.5370/kiee.2011.60.12.2183

[국내논문] PSS/E를 이용한 제주계통의 DFIG 풍력발전단지 및 HVDC 동적모델 개발
Development of Dynamic Models for DFIG Wind Farms and HVDC in Jeju Power System Using PSS/E 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.12, 2011년, pp.2183 - 2189

남순열 (명지대학교 전기공학과) , 강상희 (명지대학교 전기공학과) , 남해곤 (전남대학교 전기공학과) , 최준호 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Since main portion of the required electric power in Jeju Island is provided from the mainland through two HVDC lines, Jeju HVDC has a most significant impact on Jeju power system. Average wind speed of Jeju Island is the highest among several candidates in South Korea. So, Jeju Island has been a suitable site for the construction of wind farms where several wind farms are now operating and several others to be sited. Since the large-scale wind generation could have adverse impacts on the stable operation of Jeju power system, wind power is also important for the stability of Jeju power system. Therefore, accurate modeling of Jeju HVDC and wind farms is required for stability analysis of Jeju power system. In this paper, PSS/E-based dynamic modeling of Jeju HVDC and DFIG wind farms is proposed. Model-writing technique of PSS/E is used to develop USRAUX model and USRMDL model for controlling the frequency of HVDC and imposing an operation limit of wind power, respectively. Dynamic characteristics of Jeju HVDC and DFIG wind farms are analyzed through the dynamic simulations. The simulation results show the effectiveness of the developed models for Jeju power system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

HVDC 모델링과 관련된 연구 또한 과도현상 해석프로그램을 이용한 HVDC 모델링[8] 및 이를 활용한 HVDC 제어 파라미터 정정[9], HVDC 동특성 분석[10] 등에 관한 연구가 진행되고 있으나 동특성 해석프로그램을 이용한 풍력발전단지 및 HVDC 모델링에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 동특성 해석프로그램을 이용한 제주계통의 정확한 동특성 해석을 위해서 HVDC 및 풍력발전단지를 포함한 제주계통의 PSS/E 동적모델을 수립하고자 한다.
5MW 모델에서도 전력 지령치에 대한 제어 기능을 제공하지 않고 있다. 본 논문에서는 GE 1.5MW 모델의 피치 제어 블록(Pitch Control Block)에서 전력 지령치에 해당하는 P_MX값을 풍력발전 운전한계용량에 따라 동적으로 정정할 수 있도록 사용자정의 모델을 개발하였으며, PSS/E 동적모의에서는 모델 구현 기법을 이용하여 USRMDL 모델로 구현하였다.
본 논문에서는 PSS/E를 이용하여 제주계통 DFIG 풍력발전단지 및 HVDC 모델링을 개발하였다. 제주계통에 대한 정확한 PSS/E 동적모의를 위해서 제주 HVDC용 주파수제어 보조신호를 개발하였고 모델구현 기법을 통해 USRAUX모델로 구현하였다.

제안 방법

제주계통 부하증가에 대한 PSS/E 동적모의를 통해 HVDC용 주파수제어 보조신호인 USRAUX 모델의 동특성을 검증하였다. GE 1.5MW DFIG 모델을 이용하여 DFIG 풍력발전단지를 모델링하였으며 전력 지령치 제어를 통해 풍력발전기의 출력을 제한할 수 있도록 사용자정의 모델을 개발하여 모델구현 기법을 통해 USRMDL 모델로 구현하였다. 풍속 변화 및 전력 지령치 제어에 따른 PSS/E 동적모의를 통해 DFIG 풍력발전기의 동특성을 분석하였다.
PSS/E에서는 “Wind Turbine Package”라는 보조프로그램을 통해서 Acciona, Enercon, Fuhrlaender, GE, Mitsubishi, Siemens, Vestas 등의 다양한 풍력발전기 모델에 대한 라이브러리를 제공하고 있다. 본 논문에서는 상세한 모델링 데이터를 제공하고 있는 GE 사의 1.5MW 이중여자 유도발전기(Doubly Fed Induction Generator, DFIG) 모델을 이용하여 풍력발전단지를 구성하였다. 제주도의 풍력발전단지는 주로 동부 및 서부 해안가를 중심으로 양분되어 건설되거나 건설되고 있다.
00[Hz]와 동기조상기 속도로 측정한 계통주파수를 동적 보상을 통해서 편차를 구하고 이 주파수 편차를 적분하여 HVDC 전력 요구 값으로 사용하고 있다. 본 논문에서는 참고문헌 [11]에서 제시한 파라미터 값들을 참조하여 주파수 변화에 대한 적분항을 포함하는 제주 HVDC용 주파수제어 보조신호를 그림 4와 같이 개발하였으며, PSS/E 동적모의에서는 모델구현(Model Writing) 기법[13]을 이용하여 USRAUX모델로 구현하였다.
육지계통을 포함한 제주계통의 조류계산을 위한 PSS/E 데이터들은 전력거래소의 RAW 데이터를 기본으로 하였으며 조류계산에 필요한 스윙(Swing) 모선은 계통의 부하조건이나 발전력 배분에 따라 달라지므로 발전력 여유 등을 고려하여 육지계통과 제주계통의 스윙 모선으로는 각각 영흥 1G 모선과 제주TP#2 모선을 선택하였다. 제주계통의 동적모의를 위한 PSS/E 데이터들 역시 전력거래소의 동적모의 데이터를 기본으로 하였으며 육지계통을 포함한 제주계통의 발전기들과 남제주 기력 3, 4호기를 추가하였다.
전력 지령치 제어에 따른 동특성 분석을 위해 한림 풍력 발전단지와 성산 풍력발전단지의 발전량이 각각 40.00[MW]가 되도록 초기풍속을 9.44[m/s]로 설정하고 모의 시작 10초 후부터 1초 동안 한림 풍력발전단지와 성산 풍력발전단지의 풍속을 14.00m/s로 증가시켰다.
제주 HVDC용 주파수제어 보조신호인 USRAUX 모델의 동특성 검증을 위해서 그림 2와 동일한 조건으로 제주계통의 부하를 모의 시작 5초 후에 5[%] (19.25[MW]) 증가시켰다. 그림 5는 USRAUX 모델을 이용한 모의 결과를 보여 주고 있다.
제주계통에 대한 정확한 PSS/E 동적모의를 위해서 제주 HVDC용 주파수제어 보조신호를 개발하였고 모델구현 기법을 통해 USRAUX모델로 구현하였다. 제주계통 부하증가에 대한 PSS/E 동적모의를 통해 HVDC용 주파수제어 보조신호인 USRAUX 모델의 동특성을 검증하였다. GE 1.
본 논문에서는 PSS/E를 이용하여 제주계통 DFIG 풍력발전단지 및 HVDC 모델링을 개발하였다. 제주계통에 대한 정확한 PSS/E 동적모의를 위해서 제주 HVDC용 주파수제어 보조신호를 개발하였고 모델구현 기법을 통해 USRAUX모델로 구현하였다. 제주계통 부하증가에 대한 PSS/E 동적모의를 통해 HVDC용 주파수제어 보조신호인 USRAUX 모델의 동특성을 검증하였다.
제주계통의 동적모의를 위한 PSS/E 데이터들 역시 전력거래소의 동적모의 데이터를 기본으로 하였으며 육지계통을 포함한 제주계통의 발전기들과 남제주 기력 3, 4호기를 추가하였다. 제주계통에서는 급전우선순위(Merit Order)에 따라 HVDC#1과 HVDC#2를 포함한 제주TP#2, 제주TP#3, 남제TP#3, 남제TP#4 등의 발전기들을 투입하였으며 무효전력 공급을 위해서 조상GP#1과 조상GP#2를 투입하였다.
5MW DFIG 모델을 이용하여 DFIG 풍력발전단지를 모델링하였으며 전력 지령치 제어를 통해 풍력발전기의 출력을 제한할 수 있도록 사용자정의 모델을 개발하여 모델구현 기법을 통해 USRMDL 모델로 구현하였다. 풍속 변화 및 전력 지령치 제어에 따른 PSS/E 동적모의를 통해 DFIG 풍력발전기의 동특성을 분석하였다. 향후 연구에서는 HVDC 정지, 대용량 발전기 정지, 풍력발전 변동 등에 대한 제주계통의 안정화 방안을 도출할 계획이다.
풍속 변화에 대한 이중여자 유도발전기의 동특성을 자세히 분석하기 위해서 10초부터 1초 동안 풍속을 8.00[m/s], 10.00[m/s], 12.00[m/s]로 변화시켰다. 예상되는 바와 같이 풍속을 8.

대상 데이터

본 논문에서는 이러한 지리적 특성을 고려하여 서부 해안가의 한림변전소와 동부 해안가의 성산변전소에 각각 60[MW] (1.5[MW] × 40기) 풍력발전단지를 구성하였으며, 동적모의에서는 PSS/E 32.0.2 및 Wind Turbine Package의 GE 1.5MW 모델 5.1.0을 사용하였다.

성능/효과

정격 풍속 이하에서는 피치각을 0.00°로 유지하면서 풍속 증감에 비례하여 회전자 속도가 증감하였으며 정격 풍속 이상에서는 회전자 속도를 1.20[PU]로 유지하면서 풍속 증가에 비례하여 피치각이 증가하였다.
20[PU]로 유지하면서 풍속 증가에 비례하여 피치각이 증가하였다. 즉, 이중여자 유도발전기의 특성에 따라 정격 풍속 이하에서는 가변속 운전을 하고 정격 풍속 이상에서는 피치각 제어를 통해 정속도 운전을 하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

풍속 변화 및 전력 지령치 제어에 따른 PSS/E 동적모의를 통해 DFIG 풍력발전기의 동특성을 분석하였다. 향후 연구에서는 HVDC 정지, 대용량 발전기 정지, 풍력발전 변동 등에 대한 제주계통의 안정화 방안을 도출할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주계통의 전력수급은 어떻게 이루어지는가?	제주 전력계통은 육지와 연계된 HVDC와 도내의 자체 화력발전으로 구성되어 있다. 제주계통의 전력수급은 경제성을 고려하여 기저부하는 화력발전의 출력으로 감당하고 전력수요의 변동은 HVDC가 담당하고 있으며 제주 HVDC는 전체 부하의 50[%] 또는 160[MW] 이내에서 수전하도록 운전되고 있다. 제주 HVDC는 전류/전력제어 모드로 운전되는데 제주 계통의 주파수 제어 기능을 포함하고 있다.
	제주의 풍력 품질의 특징은?	제주지역은 풍력자원이 풍부하여 600[MW] 이상의 풍력 발전 개발이 가능한 것으로 알려져 있다. 제주의 풍력 품질은 양호하지 못하여 풍력발전 최대 변동률이 1분 주기로는 설치용량의 20[%], 10분 주기로는 설치용량의 40[%]로 그 변동이 매우 가파르다. 이에 반하여 제주계통은 2008년도 최대부하가 533[㎿], 최소부하는 313[MW]로 부하규모가 매우 작아 풍력발전의 변동이 제주 전력계통의 주파수 제어와 안전에 큰 영향을 준다[1].

참고문헌 (14)

문승일, "제주도 풍력발전의 한계운전 용량 산정과 활성화 방안", 전기의 세계, pp.67-73, 2008.
D. Weisser, R. S.Garcia, "Instantaneous wind energy penetration in isolated electricity grids: concepts and review", Renewable Energy, pp.1299-1308, 2005.
J. W. Park, Y. H. Park, S. I. Moon, "Instantaneous Wind Power Penetration in Jeju Island", IEEE PES, pp.1-7, 2008.
S. I. Moon, G. C. Pyo, J. W. Park, "Study on development of Grid code and operation scheme of Jeju Island with high wind penetration", World Energy Council Congress, pp.1-12, 2010.
김찬기, 한상열, 추진부, 계통 연계형 권선형 유도발전기의 동작특성 연구", 전력전자학회논문지, pp.247-257, 2006.
Y. C. Kang , H. G. Kang, J. H. Lee, "D-q Equivalent Circuit-based Protection Algorithm for a Doubly-fed Induction Generator in the Time Domain", Journal of Electrical Engineering & Technology, pp.371-378, 2010.
T. H. Nguyen, D. C. Lee, "Improved LVRT Capability and Power Smoothening of DFIG Wind Turbine Systems", Journal of Power Electronics, pp.568-575, 2011.
김찬기, "제주-해남 HVDC 시스템의 EMTDC 모델링", 전력전자학회논문지, pp.1-12, 2001.
김찬기, "HVDC 시스템의 제어 게인에 대한 분석 및 정정", 전력전자학회논문지, pp.184-191, 2006.
권영훈, 김용학, 김찬기, 최영도, "제주계통에 적용 가능한 유형별 HVDC 시스템의 동적 안정도 연구", 전력전자학회논문지, pp.270-277, 2008.
남해곤 외, "제주계통의 정밀진단을 통한 적정 부하차단량 산정 및 계통안전화 방안", 최종보고서, 전력거래소 제주지사, 2007.
Siemens Power Technologies International. "PSS/E Model Library", Siemens, 2010.
Siemens Power Technologies International. "PSS/E Program Operation Manual", Siemens, 2010.
K. Clark, N. W. Miller, J. J. Sanchez-Gasca. "Modeling of GE Wind Turbine-Generators for Grid Studies. GE Energy", 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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