[논문]고전압 무효전력 보상기를 사용한 대규모 풍력발전 설비의 전력 품질 보상

김지홍; 송승호; 정승기

doi:10.7849/ksnre.2012.8.4.013

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a transformerless static synchronous campensator (STATCOM) system based on cascade H-bridge multilevel inverter with star configuration. It is designed not only for the dynamic and continuous compensation of the reactive power but also for the improvement of power quality of exi...

This paper describes a transformerless static synchronous campensator (STATCOM) system based on cascade H-bridge multilevel inverter with star configuration. It is designed not only for the dynamic and continuous compensation of the reactive power but also for the improvement of power quality of existing wind power plant. Especially, when the induction generator of wind turbine is directly connected to the grid, reactive power are occurred by exiting current. so a reactive power compensation system based on the cascade H-bridge multilevel STATCOM is proposed because the output power quality and controllability of reactive power are required by grid code in many different countries. Using various The proposed reactive power control strategy using a STATCOM is compared with the conventional scheme using fixed-size of capacitor bank through various simulation results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 Cascade H-bridge STATCOM을 소개하고, 이에 대한 설계 기술을 설명하였다. 고정속도형 유도발전 시스템의 운전중 무효전력이 변동하는 상황을 모의하고 커패시터 뱅크를 사용한 무효전력 보상과 STATCOM의 무효전력 보상을 PSIM 프로그램 개발환경에서 시뮬레이션 비교를 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 유도발전기를 사용한 고정 속도형 풍력발전 시스템의 출력 전력 품질 보상을 위해 새로운 멀티레벨 인버터를 사용한 STATCOM을 제안하고 그 특성을 시뮬레이션 하였다. 기존의 커패시터 뱅크방식에 비하여 과도상태 특성이 우수하고 연속적인 범위의 무효전력 보상이 가능한 것을 확인하였다.

가설 설정

(3)을 통해 정해진 역률 보상용 커패시터 뱅크의 용량은 고정적이다. 따라서, 기상의 변동에 따라 변동하는 무효전력의 보상범위가 한정적일 수 밖에 없다.

제안 방법

PSIM 시뮬레이션을 이용하여 기타 다른 조건들이 모두 동등한 경우, 무효전력 변동 범위에 따라 역률 보상용 커패시터 뱅크와 STATCOM의 무효전력 보상 특성을 비교하였다. 무효전력 변동의 범위는 여자전류에 의해 항시 발생하는 무효 전력을 보상하는 상황과 기상의 변동 혹은 사고 시에 발생하는 무효전력이 증가하였을 경우 두가지 상황에 대해서 시뮬레이션 하였다.
8은 STATCOM 시뮬레이션 회로도이다. STATCOM의 확장성을 확인하기 위해 상별로 3개의 셀이 직렬로 연결하였으며, 유도발전기의 출력과 계통사이의 지점 PCC(Point of Common Coupling)에서 여자전류에 의해 발생하는 무효전력을 보상하도록 회로를 설계하였다. 전압레퍼런스는 셀별로 197V를 유지하도록 하였고, q축 전류는 스위칭 손실과 선로 임피던스에 의해 생기는 유효전력 손실을 보상하도록 제어하였다.
본 논문에서는 Cascade H-bridge STATCOM을 소개하고, 이에 대한 설계 기술을 설명하였다. 고정속도형 유도발전 시스템의 운전중 무효전력이 변동하는 상황을 모의하고 커패시터 뱅크를 사용한 무효전력 보상과 STATCOM의 무효전력 보상을 PSIM 프로그램 개발환경에서 시뮬레이션 비교를 통하여 검증하였다.
PSIM 시뮬레이션을 이용하여 기타 다른 조건들이 모두 동등한 경우, 무효전력 변동 범위에 따라 역률 보상용 커패시터 뱅크와 STATCOM의 무효전력 보상 특성을 비교하였다. 무효전력 변동의 범위는 여자전류에 의해 항시 발생하는 무효 전력을 보상하는 상황과 기상의 변동 혹은 사고 시에 발생하는 무효전력이 증가하였을 경우 두가지 상황에 대해서 시뮬레이션 하였다.
STATCOM의 확장성을 확인하기 위해 상별로 3개의 셀이 직렬로 연결하였으며, 유도발전기의 출력과 계통사이의 지점 PCC(Point of Common Coupling)에서 여자전류에 의해 발생하는 무효전력을 보상하도록 회로를 설계하였다. 전압레퍼런스는 셀별로 197V를 유지하도록 하였고, q축 전류는 스위칭 손실과 선로 임피던스에 의해 생기는 유효전력 손실을 보상하도록 제어하였다.

성능/효과

Fig. 11(a)는 출력이 2.1초까지 계속적으로 증가하고 있는 과도상태에서도 STACOM이 무효전력을 정확하게 보상하고 있어, 계통전압과 흐르는 전류는 동상임을 확인할 수 있다. Fig.
9는 여자전류에 의해 발생하는 무효전력을 보상한 시뮬레이션 결과 파형이다. STATCOM은 무효전력을 정확히 보상하여 계통에 흐르는 전류의 zero crossing point가 계통 전압과 동상인 것을 확인할 수 있다.
6은 역률 보상용 커패시터 뱅크를 사용하여 여자전류에 의해 항시 발생하는 무효전력을 보상한 결과파형이다. 계산되어 정해진 역률 보상용 커패시터 뱅크가 무효전력 보상한 후 계통으로 흐르는 전압과 전류의 zerocrossing point는 동상임을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 유도발전기를 사용한 고정 속도형 풍력발전 시스템의 출력 전력 품질 보상을 위해 새로운 멀티레벨 인버터를 사용한 STATCOM을 제안하고 그 특성을 시뮬레이션 하였다. 기존의 커패시터 뱅크방식에 비하여 과도상태 특성이 우수하고 연속적인 범위의 무효전력 보상이 가능한 것을 확인하였다. 특히 최근에 강화되고 있는 국가별 그리드코드에 대응하기 위해서는 STATCOM 방식의 전력품질 보상기가 매우 유용한 방식이 될 것으로 기대한다.
본 연구에 제안된 풍력발전용 전력품질 보상장치는 Cascade H-bridge 멀티레벨 인버터 방식을 사용하므로 클램핑 장치가 필요하지 않고(e.g 다이오드 또는 커패시터) 1개의 셀이 단상 인버터로 이루어진 구조이기 때문에 회로를 모듈화 할 수 있으며, 구조가 복잡하지 않을 뿐 아니라, 부피가 크고 가격이 비싼 변압기가 없어도 된다는 장점이 있다^(4,5).
7은 기상의 변동으로 필요로 하는 무효전력이 11kVA로 증가한 경우의 시뮬레이션 결과 파형이다. 역률 보상용 커패시터 뱅크를 사용하였기 때문에 무효전력이 증가하였음에도 무효전력 보상의 범위는 Fig. 6과 동일하게 일정한 무효전력만을 보상하는 것을 확인할 수 있다.증가한만큼의 무효전력을 역률 보상용 커패시터 뱅크가 감당하지 못하였기 때문에 계통으로 흐르는 전류의 zero crossing point를 보면 계통 전압과 동상이 아닌 것을 확인할 수 있다.

후속연구

특히 최근에 강화되고 있는 국가별 그리드코드에 대응하기 위해서는 STATCOM 방식의 전력품질 보상기가 매우 유용한 방식이 될 것으로 기대한다. 제안된 토폴로지 방식의 STATCOM은 확장성이 우수하므로 대용량화가 용이하고 변압기를 사용하지 않으므로 부피나 가격면에서 유리한 반면 좀더 복잡한 제어 알고리즘을 필요로하는 특징이 있는데 이는 앞으로 충분히 개선 발전되어 이러한 방식이 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
기존의 커패시터 뱅크방식에 비하여 과도상태 특성이 우수하고 연속적인 범위의 무효전력 보상이 가능한 것을 확인하였다. 특히 최근에 강화되고 있는 국가별 그리드코드에 대응하기 위해서는 STATCOM 방식의 전력품질 보상기가 매우 유용한 방식이 될 것으로 기대한다. 제안된 토폴로지 방식의 STATCOM은 확장성이 우수하므로 대용량화가 용이하고 변압기를 사용하지 않으므로 부피나 가격면에서 유리한 반면 좀더 복잡한 제어 알고리즘을 필요로하는 특징이 있는데 이는 앞으로 충분히 개선 발전되어 이러한 방식이 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계통연계형 신재생 발전 시스템의 설치가 크게 늘어남에 따라 전력계통 운영자들은 어떤 것을 강화하고 있는가?	최근 신재생 에너지에 의한 관심이 증가됨에 따라 특히 풍력, 태양광 발전 시스템 등 계통연계형 신재생 발전 시스템의 설치가 크게 늘어나고 있다. 이에 따라 전력계통 운영자들은 시스템의 안정정과 전력의 품질을 유지하기 위해 전력계통 연계를 위한 기술기준, 즉 그리드 코드를 강화하고 있다(1).
	무효전력 변동 범위에 따라 역률 보상용 커패시터 뱅크와 STATCOM의 무효전력 보상 특성을 비교하였다, 무효전력 변동의 범위는 어떤 상황에 대해 시뮬레이션 하였는가?	PSIM 시뮬레이션을 이용하여 기타 다른 조건들이 모두 동등한 경우, 무효전력 변동 범위에 따라 역률 보상용 커패시터 뱅크와 STATCOM의 무효전력 보상 특성을 비교하였다. 무효전력 변동의 범위는 여자전류에 의해 항시 발생하는 무효 전력을 보상하는 상황과 기상의 변동 혹은 사고 시에 발생하는 무효전력이 증가하였을 경우 두가지 상황에 대해서 시뮬레이션 하였다.
	본 연구에 제안된 풍력발전용 전력품질 보상장치의 장점은?	본 연구에 제안된 풍력발전용 전력품질 보상장치는 Cascade H-bridge 멀티레벨 인버터 방식을 사용하므로 클램핑 장치가 필요하지 않고(e.g 다이오드 또는 커패시터) 1개의 셀이 단상 인버터로 이루어진 구조이기 때문에 회로를 모듈화 할 수 있으며, 구조가 복잡하지 않을 뿐 아니라, 부피가 크고 가격이 비싼 변압기가 없어도 된다는 장점이 있다(4,5).

참고문헌 (10)

송승호, 2011, "그리드코드 이해와 대응기술", 한국풍력에너지학회 2011 추계 학술대회 Tutorial, pp. 1-27.
임지훈, 송승호, 2010, "계통 연계형 가변속 풍력발전기에서 정확한 무효전력 주입에 의한 PCC 전압 변동량 실시간 보상", 전력전자학회, Vol. 15, No. 1, pp. 69-74.
Hagiwara, M, 2009, "Contol and Experiment of Pulsewidth- Modulated Modular Multilevel Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, No. 7, pp. 1737-1746.

상세보기
Fujii, K, 2005, "A Novel DC-link Voltage Control of PWM-Switched Cascade Cell Multi-Level Inverter Applied to STATCOM", Industry Applications Conference, Vol. 2, pp. 961-967.
Rodriguez, J, 2002, "Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 4, pp. 724-738.

상세보기
Young-Min Park, 2006, "A Simple and Reliable PWM Synchronization & Phase-Shift Method for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters based on a Standard Serial Communication Protocol", IEEE Industry Applications conference, Vol. 2, pp. 988-994.
송승호, 2003, "풍력발전기의 전기적 특성과 계통연계시 상호작용", 전력전자학회, Vol. 8, No. 6, pp. 21-27.

원문보기 상세보기
Krause, P.C. 1995, "Analysis of Electric Machinery", pp. 165, WILEY I-NTERSIENCE.
Akagi, Hirofumi, 1984, "Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components", IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. IA-20, No. 3, pp. 625-630.

상세보기
Akagi, Hirofumi, 2007, "Control and Performance of a Transformerless Cascade PWM STATCOM With Star Configuration", IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 43, No. 4, pp. 1041-1049.

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