2008년도 지식경제부의 전망에 의하면 신재생에너지전원 중 풍력발전의 보급전망은 2020년 37%, 2030년 42%에 달하고, 2012년부터 시행 예정인 신재생에너지 의무할당제(Renewable Portfolio Standard-RPS)의 도입으로 태양광 및 풍력 등의 신재생에너지가 향후 지속적으로 배전계통에 연계 운용될 것으로 예상된다. 현재 풍력은 배전계통에 전용선로로 연계되어 계통에 미치는 영향은 미미하지만, 3[MW] 이상의 대규모 풍력발전이 일반 배전선로로 확대 운용되면, 풍력발전 연계용 변압기 및 풍력발전기의 %임피던스에 의한 사고전류 변동으로 보호계전기(OCR, OCGR)의 오 부동작을 야기할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 대표적인 풍력발전기인 이중여자유도발전기(Double-Fed Induction Generator-DFIG)가 고압 배전선로에 연계되어 운전되는 경우, 3상단락, 2선단락 및 1선지락의 사고특성을 분석하기 위하여, 전력계통 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 풍력발전기의 모델링과 시뮬레이션을 수행하고, 대칭좌표법을 통한 이론적인 수치해석의 결과치를 비교/분석하여, 제안한 수법의 유용성을 확인하였다.
2008년도 지식경제부의 전망에 의하면 신재생에너지전원 중 풍력발전의 보급전망은 2020년 37%, 2030년 42%에 달하고, 2012년부터 시행 예정인 신재생에너지 의무할당제(Renewable Portfolio Standard-RPS)의 도입으로 태양광 및 풍력 등의 신재생에너지가 향후 지속적으로 배전계통에 연계 운용될 것으로 예상된다. 현재 풍력은 배전계통에 전용선로로 연계되어 계통에 미치는 영향은 미미하지만, 3[MW] 이상의 대규모 풍력발전이 일반 배전선로로 확대 운용되면, 풍력발전 연계용 변압기 및 풍력발전기의 %임피던스에 의한 사고전류 변동으로 보호계전기(OCR, OCGR)의 오 부동작을 야기할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 대표적인 풍력발전기인 이중여자유도발전기(Double-Fed Induction Generator-DFIG)가 고압 배전선로에 연계되어 운전되는 경우, 3상단락, 2선단락 및 1선지락의 사고특성을 분석하기 위하여, 전력계통 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 풍력발전기의 모델링과 시뮬레이션을 수행하고, 대칭좌표법을 통한 이론적인 수치해석의 결과치를 비교/분석하여, 제안한 수법의 유용성을 확인하였다.
Korea Ministry of Knowledge Economy has estimated that wind power (WP) will be occupied 37% in 2020 and 42% in 2030 of the new energy sources, and also green energies such as photovoltaic (PV) and WP are expected to be interconnected with the distribution system because of Renewable Portfolio Standa...
Korea Ministry of Knowledge Economy has estimated that wind power (WP) will be occupied 37% in 2020 and 42% in 2030 of the new energy sources, and also green energies such as photovoltaic (PV) and WP are expected to be interconnected with the distribution system because of Renewable Portfolio Standard (RPS) starting from 2012. However, when a large scale wind power plant (over 3[MW]) is connected to the traditional distribution system, protective devices (mainly OCR and OCGR of re-closer) will be occurred mal-function problems due to changed fault currents it be caused by Wye-grounded/Delta winding of interconnection transformer and %impedance of WP's turbine. Therefore, when Double-Fed Induction Generator (DFIG) of typical WP's Generator is connected into distribution system, this paper deals with analysis three-phase short, line to line short and a single line ground faults current by using the symmetrical components of fault analysis and PSCAD/EMTDC modeling.
Korea Ministry of Knowledge Economy has estimated that wind power (WP) will be occupied 37% in 2020 and 42% in 2030 of the new energy sources, and also green energies such as photovoltaic (PV) and WP are expected to be interconnected with the distribution system because of Renewable Portfolio Standard (RPS) starting from 2012. However, when a large scale wind power plant (over 3[MW]) is connected to the traditional distribution system, protective devices (mainly OCR and OCGR of re-closer) will be occurred mal-function problems due to changed fault currents it be caused by Wye-grounded/Delta winding of interconnection transformer and %impedance of WP's turbine. Therefore, when Double-Fed Induction Generator (DFIG) of typical WP's Generator is connected into distribution system, this paper deals with analysis three-phase short, line to line short and a single line ground faults current by using the symmetrical components of fault analysis and PSCAD/EMTDC modeling.
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문제 정의
본 논문에서는 풍력발전기 중 많이 이용되고 있는 DFIG를 PSCAD/EMTDC로 모델링하였다. 그리고 풍력발전이 배전계통에 연계시 사고상태에서 미치는 영향을 해석하기 위하여 3상/2선단락, 1선지락 사고에 대해서 대칭좌표법을 통한 수치해석과 PSCAD /EMTDC의 시뮬레이션 값의 비교/분석을 함으로써 사고전류를 해석하였다.
이와 같은 배경 하에 본 논문에서는 1[MW]의 풍력발전기(DFIG)가 배전계통 말단에 연계ㆍ운용시 3상/2선 단락 및 1선지락사고전류를 분석하고자한다. 구체적으로 설명하자면, 2장에서 풍력발전기 중 대표적으로 많이 이용되고 있는 이중여자유도 발전기의 제어특성을 제시하고, 3장에서는 EMTDC를 이용하여 모델 배전계통을 모델링하였다.
제안 방법
DFIG를 1[%]로 고정한 후, 변압기의 임피던스를 증ㆍ감 시켜 1선지락 전류를 표 9와 같이 정리하였다. 변압기 임피던스가 증가할수록 사고전류는 줄어들었음을 알 수 있다.
본 논문에서는 풍력발전기 중 많이 이용되고 있는 DFIG를 PSCAD/EMTDC로 모델링하였다. 그리고 풍력발전이 배전계통에 연계시 사고상태에서 미치는 영향을 해석하기 위하여 3상/2선단락, 1선지락 사고에 대해서 대칭좌표법을 통한 수치해석과 PSCAD /EMTDC의 시뮬레이션 값의 비교/분석을 함으로써 사고전류를 해석하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
4절에서는 Case 3의 1선지락전류를 구체적으로 분석하여 사고전류에 영향을 미치는 요소를 해석한다. 마지막으로 5.5절에서는 DFIG 용량 및 연계용 변압기 %임피던스 변동에 따른 1선지락 사고전류를 분석한다.
본 장에서는 모델링된 계통과 DFIG를 이용하여 배전계통의 임의의 지점에서 3상/2선 단락, 1선지락 사고가 발생시 사고전류의 변동을 분석한다. 먼저 5.1절의 모델 배전계통을 이용하여 5.2, 5.3, 5.4절에서 3가지의 조건, 즉 Case 1 (배전선로만 연계), Case 2 (배전선로 + Yg-△연계용변압기 연계), Case 3 (배전선로 + Yg-△연계용변압기 + 1[MW] 풍력발전 연계)에 대해서 수치해석 및 시뮬레이션 및 분석을 통해 3상 및 2선단락, 1선지락 전류를 분석하였으며, 5.4절에서는 Case 3의 1선지락전류를 구체적으로 분석하여 사고전류에 영향을 미치는 요소를 해석한다. 마지막으로 5.
본 장에서는 모델링된 계통과 DFIG를 이용하여 배전계통의 임의의 지점에서 3상/2선 단락, 1선지락 사고가 발생시 사고전류의 변동을 분석한다. 먼저 5.
계통 전압의 위상각을 계산(a)하고 전류제어(b)를 하며, 직류단 전압제어(c)와 무효전력의 제어(d)로 구성된다. 상기의 이론을 바탕으로 PSCAD를 이용하여 그림 7과 같이 1[MW]의 DFIG 를 모델링 하였다. 크게 풍력에너지, IM, MSC, GSC부분으로 구성된다[12].
대상 데이터
일반적으로 많이 사용되고 있는 CNCV 325 지중선로와 ACSR 160-95 가공선로를 설계한다. 또한 표 3, 4의 값을 이용하여, 그림 4와 5의 내부변수를 산정한다.
성능/효과
(1) 배전선로에 연계용 변압기 및 DFIG가 연계된 경우, 1선지락 사고시 1선지락 사고전류의 경우 DFIG 연계전보다 무려 320[A]까지 증가하였다. 이 중에서 240[A]는 연계용 변압기에서 공급되었 으며, 80[A]는 풍력발전에서 공급되었음을 알 수있었다.
결론적으로 DFIG의 용량, DFIG의 %임피던스, 연계용 변압기의 용량, 연계용 변압기의 %임피던스가 증가할 수록 1선지락전류가 증가하였다. 이에 따라 대규모의 풍력발전이 배전계통에 연계시 1선지락 전류에 대한 대책이 필요함을 알 수 있었다.
44[A]가 증가 되었다. 그 이유는 연계용 변압기의 영상분 %임피던스 회로가 병렬화 되어 실제 사고지점의 %임피던스가 줄어들었으며, 이것이 1선지락 사고전류의 증가 원인이 되었음을 확인 하였다.
즉 병렬로 연계되는 변압기 %임피던스는 클수록 합성 임피던스도 증가되어 사고전류는 줄어들었다. 그리고 표 10과 같이 풍력발전기 및 연계용 변압기의 용량이 증가할수록 1선지락전류가 증가함을 확인하였다.
이 값은 표 8의 시뮬레이션 값과 거의 일치함을 알 수 있다. 즉 DFIG가 운전시 상기의 정상 및 영상분의 %임피던스맵에서와 같이 연계용 변압기 및 DFIG의 %임피던스 모두 배전계통에 병렬로 연계되어 정상분 %임피던스의 경우 Case 1보다 25.41[%]정도 감소하였으며 영상분 %임피던스의 경우 Case 1보다 136.51[%]정도 줄었음을 확인하였다.
변압기 임피던스가 증가할수록 사고전류는 줄어들었음을 알 수 있다. 즉 병렬로 연계되는 변압기 %임피던스는 클수록 합성 임피던스도 증가되어 사고전류는 줄어들었다. 그리고 표 10과 같이 풍력발전기 및 연계용 변압기의 용량이 증가할수록 1선지락전류가 증가함을 확인하였다.
이중여자유도발전기의 장점은 다음과 같이 4가지로 정리할 수 있다[9]. 첫째로 에너지 변환 효율이 높다. 특히 낮은 풍속에서 고정속도방식과 비교할 경우 효율이 10% 정도 높다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세계풍력협회가 예상하는 풍력터빈의 전기용량은?
풍력에너지는 지난 10년간 매년 30% 정도의 성장을 거듭하며 2009년 말 전 세계적으로 158GW가 넘는 설비용량이 운용되고 있다. 세계풍력협회(GWEC)는 2014년까지 전 세계적으로 400GW 이상의 풍력터빈이 설치될 것으로 예상하고 있다. 유럽에서 해상풍력 산업은 매년 20∼30%의 꾸준한 성장을 거듭하고 있으며.
풍력발전의 배전계통 연계시 수용가에 미치는 영향과, 배전계통의 외란이 풍력발전에 미치는 영향을 분석할 필요가 있는 이유는?
현재 풍력은 배전계통에 전용선로로 연계되어 계통에 미치는 영향이 미미하지만 3MW 이상의 대규모 풍력발전이 일반 배전선로에 확대 운용되면 사고상태의 경우 풍력발전의 연계용변압기 및 풍력발전기의 %임피던스에 의한 사고전류의 변화에 따라 보호계전기(OCR, OCGR)의 정정치 변동으로 오․부작동을 야기할 수 있다[3]-[6]. 따라서 풍력발전의 배전계통 연계시 수용가에 미치는 영향과, 배전계통의 외란이 풍력발전에 미치는 영향을 분석할 필요성이 있다.
풍력에너지의 성장세는 어떠한가?
2011년 후쿠시마 원전사고로 부족한 전력을 해상풍력발전으로 대체하는 것이 추진 중이고, 2050년 독일 해상풍력발전은 총 전력소모량의 25%를 담당할 것으로 전망 된다. 풍력에너지는 지난 10년간 매년 30% 정도의 성장을 거듭하며 2009년 말 전 세계적으로 158GW가 넘는 설비용량이 운용되고 있다. 세계풍력협회(GWEC)는 2014년까지 전 세계적으로 400GW 이상의 풍력터빈이 설치될 것으로 예상하고 있다.
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