[논문]AC 계통 무효전력 제어를 위한 HVDC 시스템 설계

최순호; 최장흠; 김찬기

doi:10.5370/kiee.2012.62.1.008

AC 계통 무효전력 제어를 위한 HVDC 시스템 설계
HVDC System Design for AC Network Reactive Power Control 원문보기

최순호 (한전 전력연구원) , 최장흠 (한전 전력연구원) , 김찬기 (한전 전력연구원)

This paper deals with the concept design of HVDC system for controlling AC network reactive power. HVDC system can control active power and reactive power and the control concept of reactive power is similar to SVC(Static Var Compensator). Reactive power is controlled by adjusting firing angle of HVDC system under the condition that AC filters are switched. Reactive power depends on AC voltage condition, considering the steady-state and transient state to maintain the stable operation of AC network in the viewpoint of voltage stability. Therefore, in the design stage of HVDC, the reactive power required in the AC network must be considered. For the calculation of operation angle in HVDC system, the expected reactive power demand and supply status is examined at each AC system bus. The required reactive power affects the determination of the operation angle of HVDC. That is, the range of "control deadband" of operation angle should have the capability supplying the required reactive power. Finally, the reactive power control concepts is applied to 1GW BTB Pyeongtaek-Dangjin HVDC system.

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문제 정의

HVDC 시스템이 무효전력을 제어하는 경우에 시스템의 정격에 미치는 영향을 검토하기로 하겠다.
연도별 발전소 건설계획에 따라 서해안의 발전단지에는 2016년 말까지 발전기 병입이 완료될 예정이며, 발전기 밀집에 따른 과도안정도 저하 등의 문제를 해결하기 위하여 2015년 12월에 서해안 발전단지와 수도권 사이에 1[GW]급 HVDC가 투입될 예정이다. 따라서 HVDC에 의한 무효전력 제어 범위를 검토하기 위한 계통 무효전력 검토는 2017년의 계통에 대해 수행하였다.
이로 인해 HVDC의 운전시 유효전력의 50~60%에 해당하는 무효전력이 렉티파이어와 인버터단 각각에서 흡수되는 구조를 갖는다. 본 논문에서는 HVDC 시스템이 연계된 AC 계통의 무효전력 문제를 검토하고, HVDC 시스템에서 무효전력을 제어하는 방안을 연구하였다. HVDC 시스템의 무효전력 제어가 가능한 범위는 DC 전압 및 전류, AC 전압 등에 의해 변동되며, 변압기 탭 절환기의 제어를 통해 제어 범위를 확장할 수 있다.

가설 설정

그림 7에서 A점에서 1.0[p.u]전압에서 HVDC 시스템을 운전한다고 가정할 때, 만약 인버터 측 AC 전압이 증가하면, HVDC는 인버터가 더 많은 무효전력을 소비하도록 제어할 것이고 무효전력의 제어에 의해서 AC계통전압은 안정화될 것이다. 만일 AC 계통전압이 계속 증가한다면, 전압 제어기는 결국 B점에 도달할 것인데, B점은 DC전류 최대 값이 된다.

제안 방법

(a)는 단락용량이 9.2, 운전각이 40° 그리고 AC계통전압이 0.9인 경우에 대하여 안정도와 TOV를 구하였다.
HVDC 시스템의 무효전력 제어가 가능한 범위는 DC 전압 및 전류, AC 전압 등에 의해 변동되며, 변압기 탭 절환기의 제어를 통해 제어 범위를 확장할 수 있다. MAP 방법을 사용하여 단락용량 및 운전각에 따른 1GW급 BTB HVDC 시스템의 안정도를 검토하였다. 평택-당진간 설치 예정인 1GW급 BTB HVDC 시스템의 설계를 위해 해당 모선의 2017년 HVDC 시스템 연계 후 무효전력 수급 상태를 검토하였으며, 인근 연계 모선의 상정사고 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 유지하기 위해 필요한 무효전력량을 결정하였다.
그러나 실제계통에서 발생하기는 어려우나 운전각이 40°이며, 전압이 0.9[p.u]이하로 떨어진 경우 등 아주 특별한 경우에 대하어 전력 안정도를 MAP 방법을 통하여 검토하였다[3].
평택-당진간 설치 예정인 1GW급 BTB HVDC 시스템의 운전각 설계를 위해 해당 모선의 2017년 HVDC 시스템 연계 후 무효전력 수급 상태를 검토하였으며, 인근 연계 모선의 상정사고 시뮬레이션을 통해 전압안정도 유지를 위해 필요한 무효전력량을 결정하였다. 마지막으로 HVDC 시스템의 운전 상태에 따른 무효전력 제어 범위를 결정하고, 사이리스터 밸브의 운전각을 설계하였다.
평택-당진간 설치 예정인 1GW급 BTB HVDC 시스템의 설계를 위해 해당 모선의 2017년 HVDC 시스템 연계 후 무효전력 수급 상태를 검토하였으며, 인근 연계 모선의 상정사고 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 유지하기 위해 필요한 무효전력량을 결정하였다. 이에 따라 HVDC 시스템의 운전 상태에 따른 무효전력 제어 범위를 결정하고, 사이리스터 밸브의 운전각을 설계하였다.
MAP 방법을 사용하여 단락용량 및 운전각에 따른 1GW급 BTB HVDC 시스템의 안정도를 검토하였다. 평택-당진간 설치 예정인 1GW급 BTB HVDC 시스템의 설계를 위해 해당 모선의 2017년 HVDC 시스템 연계 후 무효전력 수급 상태를 검토하였으며, 인근 연계 모선의 상정사고 시뮬레이션을 통해 전압안정도를 유지하기 위해 필요한 무효전력량을 결정하였다. 이에 따라 HVDC 시스템의 운전 상태에 따른 무효전력 제어 범위를 결정하고, 사이리스터 밸브의 운전각을 설계하였다.
MAP 방법을 사용하여 단락용량 및 운전각에 따른 1GW급 BTB HVDC 시스템의 안정도를 검토하였다. 평택-당진간 설치 예정인 1GW급 BTB HVDC 시스템의 운전각 설계를 위해 해당 모선의 2017년 HVDC 시스템 연계 후 무효전력 수급 상태를 검토하였으며, 인근 연계 모선의 상정사고 시뮬레이션을 통해 전압안정도 유지를 위해 필요한 무효전력량을 결정하였다. 마지막으로 HVDC 시스템의 운전 상태에 따른 무효전력 제어 범위를 결정하고, 사이리스터 밸브의 운전각을 설계하였다.

성능/효과

만일 256개의 의사 무작위 패턴이 가해졌을 때, 66개의 결정 패턴만을 가하면 고장 검출률 100%를 보장할 수 있다. 따라서 총 322개의 패턴으로 고장 검출률 100%를 얻을 수 있는 것이다.
또한 60% 부하에서 상정사고시 모선 전압을 유지하기 위해 추가로 요구되는 무효전력량은 52.93[MVAR]이고, 100%부하에서 상정사고시 모선 전압을 유지하기 위해 추가로 요구되는 무효전력량은 121.45[MVAR]이다. 따라서 상정사고시 모선 전압을 유지하기 위하여 1GW HVDC에서 운전각 제어를 통해 계통에 추가로 공급해야 하는 무효전력은 121.
능력곡선 4는 컨버터에서 무효전력 소비가 일정하도록 운영되는 경우를 보여주며 능력곡선 5는 일정한 유효전력을 가지는 제어전략을 보여주고 있다. 만일 256개의 의사 무작위 패턴이 가해졌을 때, 66개의 결정 패턴만을 가하면 고장 검출률 100%를 보장할 수 있다. 따라서 총 322개의 패턴으로 고장 검출률 100%를 얻을 수 있는 것이다.
이러한 사실을 통해 탭 절환기 제어 루프에 α기준 값을 바꾸는 제어기를 포함시킴으로써 렉티파이어 단에서 "Slow Reactive Control" 기능을 구성할 수 있다는 것을 알 수있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

AC 전력계통에서 무효전력을 제어하는 목적은?

AC 전력계통에서 무효전력을 제어하는 목적은 크게 계통 전압을 제어하기 위한 것과 AC계통에 고장이 발생한 경우에 과도 불안정을 피하기 위한 것으로 나눌 수 있다. 따라서, AC계통에서 무효전력은 다음과 같은 형태로 제어되어야 한다.

HVDC 컨버터는 어떻게 구분되는가?

HVDC 컨버터는 AC를 DC로 변환하여 송전하는 렉티파이어와 DC를 AC로 변환하여 계통에 전력을 공급하는 인버터로 구분된다. 렉티파이어 및 인버터에서는 사이리스터 밸브를 이용하여 DC 전압 및 전류를 제어하고 이 때, 사이리스터 점호 지연각에 따라 AC 전압 및 전류에 위상차이가 발생한다.

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