[논문]풍력발전기 출력변동성에 대비한 가변속 양수발전기의 주파수 제어효과

박민수; 전영환

doi:10.5370/kiee.2014.63.3.338

풍력발전기 출력변동성에 대비한 가변속 양수발전기의 주파수 제어효과
Effect of Adjustable Speed Pumped Storage Power Generator on the Frequency Control Against the Intermittence of Wind Turbine Output 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.3, 2014년, pp.338 - 342

박민수 (Department of Electrical and Electronic Engineering, Hongik University) , 전영환 (Department of Electrical and Electronic Engineering, Hongik University)

Abstract ▼ AI-Helper

Energy storage is a key issue when integrating large amounts of intermittent and non-dispatchable renewable energy sources into electric power systems. To maintain the instantaneous power balance and to compensate for the influence of power fluctuations from renewable sources, flexible capability for power control is needed. Adjustable Speed Pumped Storage Power Generator is pumped storage unit that is adjustable for pump output adjustments as well as the highest efficiency operations because it has fast response time. In this paper we address the adjustable speed pumped storage power generator for frequency control against the intermittence of wind turbine output and calculate the appropriate capacity of adjustable speed pumped storage power generator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가변속 양수 시스템은 컨버터 제어에 의한 부하제어특성상 출력변화가 빠르기 때문에, 양수발전이 많은 우리나라 계통에서도 신재생 에너지원의 출력변동성을 해결하기 위한 효율적인 방안으로 기대가 크다. 본 논문에서는 다량의 풍력발전기가 국내 계통에 투입될 경우에 대비하여 가변속 양수 시스템의 효용성을 시뮬레이션 연구를 통해 검증하였다. 우리나라 계통에서 풍력발전의 출력변동성에 따른 주파수 변화를 분석하고 주파수 유지기준을 만족시킬 수 있는 가변속 양수발전기의 용량을 산정하였다.

가설 설정

2020년에는 8,974 MW 설비용량의 풍력발전기가 계통에 투입될 예정이며 60%의 이용률로 풍력발전기가 발전되는 상황을 가정하였다. 계통에 투입되는 풍력 발전기는 동기화되어 있지 않고 주파수 변화에 따라 출력을 제어할 수 없기 때문에 무게정수(H)와 발전기정수(KG)는 모두 0이다.
제5차 전력수급 기본 계획의 연도별을 기준으로 2020년 off-peak와 peak 주간의 최대수요와 최소수요를 예측하여 시뮬레이션을 진행하였고 시뮬레이션에 사용된 수요는 수요관리가 적용된 목표 수요다.[4] 계통의 부하정수는 1(p.u)로 가정하였다.

제안 방법

계통에 투입되어 운전 중인 운전 예비력 1,500MW와 주파수 조정 예비력과 대기예비력을 합한 2,500MW[5], 그리고 수요와 계통 발전상황을 적용한 기동정지계획에 의한 예비력이다. 3가지 기준의 예비력이 준비된 계통에 풍력 변동성이 발생하는 시뮬레이션을 진행하여 주파수 변화를 분석하고 그에 따라 가변속 양수발전기 용량을 산정하였다.
계통에 투입되는 풍력 발전기는 동기화되어 있지 않고 주파수 변화에 따라 출력을 제어할 수 없기 때문에 무게정수(H)와 발전기정수(KG)는 모두 0이다. 60%의 이용률의 풍력발전기 출력은 5384.4MW이고 설비용량 기준 6%, 12%, 18%의 변동성(538.4MW, 1076.8MW, 1615.2MW)으로 10초 동안 선형적으로 감소하고 이후 다시 본래 출력으로 돌아오는 시뮬레이션을 진행하였다. 주파수만을 고려하였기 때문에 주파수의 전역적인 특성을 고려하여 부하와 발전기 1기로 이뤄진 1-node 시스템으로 전력 시스템을 등가화 하였다.
가변속 양수발전 시스템의 출력은 0.2 Hz의 주파수편차가 발생한 경우 최대출력을 내고 주파수편차에 비례하여 출력이 변화하도록 설정하였다. 다음 식은 주파수 편차에 따라 가변속 양수발전기의 출력변동을 나타내는 알고리즘이다.
앞서 모델링한 가변속 출력 알고리즘에 따라 가변속 양수발전기의 출력이 변동되며 가변속 양수발전 시스템의 적용 유무에 따른 주파수 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 가변속 양수발전 시스템이 투입되지 않은 상황에서 계통의 주파수 변화를 분석하고 주파수편차가 0.2 Hz를 넘어서는 계통에서 주파수 기준을 유지하기 위해 필요한 가변속 양수발전 시스템의 용량을 산정하였다.
각각의 예비력 1,500MW, 2,500MW, UC를 통한 예비력을 갖는 발전구성에 따라 시뮬레이션을 진행하였으며 풍력발전기는 60%의 이용률로 운전되고 있다. 이때 off-peak의 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션 결과와 Peak 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션을 비교 분석하였다.
Ppump는 가변속 양수발전기의 출력이며 출력의 크기는 주파수 편차에 비례하여 제어된다. 계통에 주파수 편차가 발생하면 가변속 양수발전기는 주파수를 인자하여 계통에 부족한 전력을 공급하며 가변속 양수발전 시스템의 응답특성을 감안하여 출력조정에 대해서 바로 출력이 변화하도록 설정하였다. 양수발전기의 출력조정은 계통부하를 줄여 부족한 예비력자원을 공급하는 역할을 수행하게 된다.
계통에 투입된 풍력 발전기들의 출력 변동성이 주파수에 미치는 영향 분석을 위해 주파수 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 2020년 계통에 사용되었으며 운영규칙에 따라 운영되는 모든 원자력 설비들은 최대출력으로 운전되고 그 외의 발전기들이 나머지 수요를 담당한다.
최대출력으로 운전하고 주파수가 변화하여도 발전기의 출력이 변화하지 않는 원자력 발전기의 KG는 0이다. 계통의 부하정수는 1로 산정하였으며 계통에 부하와 1기 발전기가 연계되어 있는 1-node system으로 등가화하여 시뮬레이션을 진행하였다.
이때 off-peak의 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션 결과와 Peak 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션을 비교 분석하였다. 앞서 모델링한 가변속 출력 알고리즘에 따라 가변속 양수발전기의 출력이 변동되며 가변속 양수발전 시스템의 적용 유무에 따른 주파수 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 가변속 양수발전 시스템이 투입되지 않은 상황에서 계통의 주파수 변화를 분석하고 주파수편차가 0.
본 논문에서는 다량의 풍력발전기가 국내 계통에 투입될 경우에 대비하여 가변속 양수 시스템의 효용성을 시뮬레이션 연구를 통해 검증하였다. 우리나라 계통에서 풍력발전의 출력변동성에 따른 주파수 변화를 분석하고 주파수 유지기준을 만족시킬 수 있는 가변속 양수발전기의 용량을 산정하였다.
각각의 예비력 1,500MW, 2,500MW, UC를 통한 예비력을 갖는 발전구성에 따라 시뮬레이션을 진행하였으며 풍력발전기는 60%의 이용률로 운전되고 있다. 이때 off-peak의 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션 결과와 Peak 주간 최소수요 & 최대수요 시의 주파수 시뮬레이션을 비교 분석하였다. 앞서 모델링한 가변속 출력 알고리즘에 따라 가변속 양수발전기의 출력이 변동되며 가변속 양수발전 시스템의 적용 유무에 따른 주파수 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
시뮬레이션에 2020년 계통에 사용되었으며 운영규칙에 따라 운영되는 모든 원자력 설비들은 최대출력으로 운전되고 그 외의 발전기들이 나머지 수요를 담당한다. 제5차 전력수급 기본 계획의 연도별을 기준으로 2020년 off-peak와 peak 주간의 최대수요와 최소수요를 예측하여 시뮬레이션을 진행하였고 시뮬레이션에 사용된 수요는 수요관리가 적용된 목표 수요다.[4] 계통의 부하정수는 1(p.
2MW)으로 10초 동안 선형적으로 감소하고 이후 다시 본래 출력으로 돌아오는 시뮬레이션을 진행하였다. 주파수만을 고려하였기 때문에 주파수의 전역적인 특성을 고려하여 부하와 발전기 1기로 이뤄진 1-node 시스템으로 전력 시스템을 등가화 하였다.
풍력변동성으로 인해 발생하는 주파수변동을 시뮬레이션을 통해 분석하고 발생하는 풍력변동성에 따라 주파수 기준을 유지하기 위해 필요한 적정의 가변속 양수발전 시스템 용량을 산정하였으며 계통에 투입된 양수발전 시스템으로 주파수 제어효과를 확인하였다. 이미 국내의 다량의 양수발전 시스템이 국내에 도입되어 있기 때문에 기존의 양수발전 시스템을 가변속 양수발전 시스템으로 전환함으로써 추가적인 건설비용 및 주민들의 민원을 피할 수 있어 가변속 양수발전 시스템은 국내 계통의 풍력변동성으로 발생하는 주파수 문제에 효율적으로 활용할 수 있는 자원이다.

성능/효과

또한 원자력 발전기는 기저발전기로 수요가 낮은 계통일수록 원자력 발전기의 발전비율이 상대적으로 높아 낮은 KG값을 가지며 주파수 변화에 따라 출력을 조정할 발전기가 부족하여 주파수 변화의 폭이 더 크게 나타난다. 결과적으로 수요가 낮은 계통은 원자력 발전기와 적은 수의 발전기로 인해 상대적으로 관성계수와 KG값이 낮아 주파수 변화가 커지게 되고 가변속 양수발전과 같이 빠르게 계통에 전력을 공급할 수 있는 자원의 역할이 매우 크다.
시뮬레이션 결과 수요가 작을수록 주파수 변화가 크게 나타났다. off-peak 주간이 peak 주간보다 주파수 변화가 크게 나타났고 최소수요의 경우가 최대수요의 경우보다 주파수 변화가 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가변속 양수발전 시스템이란?	가변속 양수발전 시스템은 발전 전동기의 회전자 코일을 삼상 분포 권선으로 하여, 가변속 주파수 변환 장치(사이크로 컨버터 등)에 의해 저주파 교류여자를 행해 펌프수차의 가변속 운전을 실현하는 시스템이다. 회전속도를 변화시켜 운전상태의 최적화가 가능함과 동시에, 플라이휠 에너지의 이용이 가능한 여러 가지의 특징이 있으며, 펌프수차 측과 전기 측 제어 시스템의 특성을 살린 종합적인 시스템의 동작이 가능하다.
	가변속 양수발전 시스템이 풍력변동성 해결에 효율적인 이유는?	가변속 양수발전 시스템은 발전기의 출력조정에 대한 응답속도가 ㎲단위로 펌프 부하를 빠르게 제어할 수 있기 때문에 순간적으로 변화하는 풍력변동성을 해결에 효율적이며 특히 오프 피크 경우처럼 원자력 비중이 높아 주파수변동에 응동할 에너지원이 부족한 계통에 활용하기 좋은 자원이다.
	신재생 에너지원의 증가 대책으로 국내에서 가변속 양수발전 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 이유는?	풍력변동성으로 인해 발생하는 주파수변동을 시뮬레이션을 통해 분석하고 발생하는 풍력변동성에 따라 주파수 기준을 유지하기 위해 필요한 적정의 가변속 양수발전 시스템 용량을 산정하였으며 계통에 투입된 양수발전 시스템으로 주파수 제어효과를 확인하였다. 이미 국내의 다량의 양수발전 시스템이 국내에 도입되어 있기 때문에 기존의 양수발전 시스템을 가변속 양수발전 시스템으로 전환함으로써 추가적인 건설비용 및 주민들의 민원을 피할 수 있어 가변속 양수 발전 시스템은 국내 계통의 풍력변동성으로 발생하는 주파 수 문제에 효율적으로 활용할 수 있는 자원이다.

참고문헌 (6)

F. Ralston, S. Granville, M. Pereira, L.A. Barroso, A. Veiga, "Risk constrained contracting strategies of renewable portfolios", Energy Market (EEM), 2010 7th International Conference on the European, pp. 1-7, 2010.
Ha Thu Le, S. Santoso, W.M. Grady, "Development and analysis of an ESS-based application for regulating wind farm power output variation", Power & Energy Society General Meeting, 2009. PES '09. IEEE , pp. 1-8, 2009.
T. Kuwabara, A. Shibuya, H. Furuta, E. Kita, K. Mitsuhashi, "Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi Power Station", Energy Conversion, IEEE Transactions on, Vol.11, pp. 376-384, 1996.

상세보기
Ministry of Trade, Industry and Energy, "The 6th National Generation Expansion Planning",2013.02
Korea Power Exchange, "Power Market Operation Regulations", 2011.12
PP.M.Anderson, A.A.Fouad,"Power System Control and Stability",1999

저자의 다른 논문 :

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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