[논문]해상풍력 실증 단지 육지 연계시 계통 영향 평가를 위한 안정도 해석에 관한 연구

박상호; 김건중; 한상욱

doi:10.5370/kieep.2017.66.4.151

문제 정의

본 논문은 해상 풍력 단지를 설계하는데 있어서 수행했던 해상풍력 발전단지 모델링과 이를 이용하여 계통해석을 수행한 부분을 다룬다. 60MW의 해상 풍력 단지가 육지와 교류로 직접 연계될 때 계통에 미치는 영향을 정적 해석 및 동적 해석을 바탕으로 분석하였으며, 20기의 풍력발전기와 Step-up 변압기, 해상 변전소, 연계 케이블을 실제 데이터에 근간하여 모델링 하였다.
따라서 연계점 전압 유지는 매우 중요한 사항이며 이를 위해서는 적절한 무효전력 보상이 필요하다. 본 장에서는 해상풍력 단지의 무효전력 발생용량을 도출하고 연계점의 전압을 유지하기 위하여 필요한 무효전력 량을 도출하고자 한다. 무효전력 발생 용량 산정 시나리오는 총 4가지를 선정하였으며 그 시나리오는 다음과 같다.
이를 바탕으로 단지 내부 및 외부 고장 시 발생하는 고장전류 해석과 풍력단지 연계 시 발생하는 전압 변동, 전압유지를 위해 필요한 무효전력 요구량분석, 단지 내외 부 3상 고장 시 과도 해석 결과를 다루었다. 이를 통하여 해상풍력단지를 계통과 연계하였을 때 계통에 문제가 발생하지 않는 것을 명확히 하고, 연계지점의 전압을 적절히 유지하기 위해 필요한 무효전력량을 제시하고자 한다.

가설 설정

풍력발전기에서는 무효전력을 발전하지 않는 것으로 가정하고 유효전력량을 변화시켜가며 그 영향을 관찰하였다.
9kV 전압은 154kV로 승압되고 해상 케이블을 이용하여 서고창 변전소로 계통에 연계된다. 현 단계에서 연계에 사용되는 모든 선로는 1회선 선로를 가정하였으며, 각 송전선 로별 루프(Loop) 회선은 고려되지 않았다.

제안 방법

본 논문은 해상 풍력 단지를 설계하는데 있어서 수행했던 해상풍력 발전단지 모델링과 이를 이용하여 계통해석을 수행한 부분을 다룬다. 60MW의 해상 풍력 단지가 육지와 교류로 직접 연계될 때 계통에 미치는 영향을 정적 해석 및 동적 해석을 바탕으로 분석하였으며, 20기의 풍력발전기와 Step-up 변압기, 해상 변전소, 연계 케이블을 실제 데이터에 근간하여 모델링 하였다. 이를 바탕으로 단지 내부 및 외부 고장 시 발생하는 고장전류 해석과 풍력단지 연계 시 발생하는 전압 변동, 전압유지를 위해 필요한 무효전력 요구량분석, 단지 내외 부 3상 고장 시 과도 해석 결과를 다루었다.
해상풍력단지 계통 연계 후 고장전류를 검토하였다. 고장전류는 3상 평형 단락고장에 대한 고장전류를 해석하였으며, 고장위치는 접속지점인 서고창S/S, 해상변전소 154kV 및 22.9kV 모선, 그리고 해상풍력 단지 내 발전기 앞단 모선이다. 해상 변전소의 변압기 임피던스는 11%와 20%를 고려 하였으며, 고장 해석결과 고장전류가 가장 크게 나타난 모선은 해상변전소 22.
국내에 실증 사업을 진행 중에 있는 서남해 해상풍력 발전단지의 1단계 수준인 60MW 단지에 대한 계통 해석을 수행하였다. 해상풍력단지를 20기의 풍력발전기를 이용하여 모델링 하였으며, 실제 연계될 터빈, 발전기, 케이블 데이터를 바탕으로 단지를 모델링 하였으며 이를 계통과 연계함으로써 발생할 수 있는 영향에 대해 정적 및 동적 해석을 통해 분석하였다.
단지에서 필요로 하는 무효전력량을 산정하기 위하여 가상의 동기 조상기를 해상풍력단지 154kV 모선(인출 모선)에 설치하고 동기 조상기의 목표 전압을 고창시험센터의 기존 전압(1.0341pu)로 하여 연계하였다. 조류계산 상 가상의 발전기를 연계하고 유효전력 출력은 0MW로 고정시키고 무효 전력 출력 최대값을 9999MVar, 최소값을 –9999MVar로 설정하고, 조류계산 이후 동기조상기의 출력 또는 입력 량을 관찰하여 연계점의 전압을 유지하기 위한 해상풍력단지에서 필요로 하는 무효전력량을 산정하도록 한다.
동적해석에는 가장 간단한 시나리오인 모선 3상 고장(3-phase bus fault)을 고려하였으며, 각 시간대별 동작 사니라오는 다음과 같다.
141(pu)을 이용하였다. 또한 단지 내부 연계에 사용되는 각 터빈간의 선로 임피던스는 실제 설계된 선로 길이와 선종의 임피던스를 정확히 반영하여 모델링 하였다.
해상풍력발전단지 모델링을 위해 한전 실 계통데이터에 최대 예측 수요 발생 시를 고려하여, 풍력 실증단지(60MW)를 고창시험센터에 연계한 계통 데이터를 이용하였다. 본 해상 풍력 실증단지 모델링에 사용된 60MW 풍력단지 구성안은 다음 그림과 같이 3MW의 총 20대의 풍력발전기들 나열하여 구성되어 있으며 세 개의 송전선로로 나뉘어 해상 변전소에 연결되고 이를 154kV로 승압하여 서고창 S/S(154kV 모선)으로 송전하는 형식으로 구성하였다.
상기 대상 계통에 대해 정적 및 동적 해석을 수행하여 제시한 모델에 대해 정적 동적 해석을 수행하였으며, 세부 분석항목은 다음과 같다.
60MW의 해상 풍력 단지가 육지와 교류로 직접 연계될 때 계통에 미치는 영향을 정적 해석 및 동적 해석을 바탕으로 분석하였으며, 20기의 풍력발전기와 Step-up 변압기, 해상 변전소, 연계 케이블을 실제 데이터에 근간하여 모델링 하였다. 이를 바탕으로 단지 내부 및 외부 고장 시 발생하는 고장전류 해석과 풍력단지 연계 시 발생하는 전압 변동, 전압유지를 위해 필요한 무효전력 요구량분석, 단지 내외 부 3상 고장 시 과도 해석 결과를 다루었다. 이를 통하여 해상풍력단지를 계통과 연계하였을 때 계통에 문제가 발생하지 않는 것을 명확히 하고, 연계지점의 전압을 적절히 유지하기 위해 필요한 무효전력량을 제시하고자 한다.
전압변동은 고창시험센터 인근 모선인 홍농 모선과 고창 모선 간의 선로를 끊어 고창시험 모선에서 영광모선으로 가는 조류흐름을 끊는 선로 고장과 일반적으로 계통에서 가장 위험한 사고인 화성-아산 고장을 고려하여 해상 풍력단지 연계 전과 후의 전압변동을 비교하였다. 전압 변동 비교는 다음 표에 나타내었다.
정적해석에는 조류계산을 기반으로 하여 모선전압과 고장에 따르는 전압변동률을 관찰하였다. 해상 풍력 실증단지가 계통에 연계되었을 경우 조류계산 결과 잘 수렴하였으며 연계 전과 후를 비교하였을 때, 모든 모선의 전압이 0.
조류계산 상 가상의 발전기를 연계하고 유효전력 출력은 0MW로 고정시키고 무효 전력 출력 최대값을 9999MVar, 최소값을 –9999MVar로 설정하고, 조류계산 이후 동기조상기의 출력 또는 입력 량을 관찰하여 연계점의 전압을 유지하기 위한 해상풍력단지에서 필요로 하는 무효전력량을 산정하도록 한다.
해상풍력단지 계통 연계 후 고장전류를 검토하였다. 고장전류는 3상 평형 단락고장에 대한 고장전류를 해석하였으며, 고장위치는 접속지점인 서고창S/S, 해상변전소 154kV 및 22.
국내에 실증 사업을 진행 중에 있는 서남해 해상풍력 발전단지의 1단계 수준인 60MW 단지에 대한 계통 해석을 수행하였다. 해상풍력단지를 20기의 풍력발전기를 이용하여 모델링 하였으며, 실제 연계될 터빈, 발전기, 케이블 데이터를 바탕으로 단지를 모델링 하였으며 이를 계통과 연계함으로써 발생할 수 있는 영향에 대해 정적 및 동적 해석을 통해 분석하였다. 해석 결과 육지 계통에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났고, 이는 연계 케이블로부터 나오는 선로 충전 용량과 단지 규모가 60MW 수준으로 아직 크지 않음에서 기인하는 것으로 확인 되었다.
해석용 파라미터 중 무효전력 출력의 경우에는 실제 값은 ±1.44MVar이지만 시뮬레이션에서는 최악의 상황을 고려하기 위하여, 발전기가 무효전력 제어를 할 수 없는 형태로 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 장에서는 해상풍력 단지의 무효전력 발생용량을 도출하고 연계점의 전압을 유지하기 위하여 필요한 무효전력 량을 도출하고자 한다. 무효전력 발생 용량 산정 시나리오는 총 4가지를 선정하였으며 그 시나리오는 다음과 같다. 풍력발전기에서는 무효전력을 발전하지 않는 것으로 가정하고 유효전력량을 변화시켜가며 그 영향을 관찰하였다.
풍력발전기를 연결하는 내부 그리드의 케이블은 구간별로 60mm²~600mm²의 케이블이 사용되었으며, 각 구간별 선로 임피던스는 표 1과 같다.
해상풍력발전단지 모델링을 위해 한전 실 계통데이터에 최대 예측 수요 발생 시를 고려하여, 풍력 실증단지(60MW)를 고창시험센터에 연계한 계통 데이터를 이용하였다. 본 해상 풍력 실증단지 모델링에 사용된 60MW 풍력단지 구성안은 다음 그림과 같이 3MW의 총 20대의 풍력발전기들 나열하여 구성되어 있으며 세 개의 송전선로로 나뉘어 해상 변전소에 연결되고 이를 154kV로 승압하여 서고창 S/S(154kV 모선)으로 송전하는 형식으로 구성하였다.

이론/모형

풍력 발전기 동적 모델은 Full Converter 형식인 Type 4를 사용하였다.
05pu 범위 이내로 계산되어, 전압 이상을 보이는 모선은 존재하지 않았다. 한전계통 전체 데이터에 해상풍력단지를 추가한 계통을 Full 뉴튼-랩슨법을 이용하여 조류계산 하였다. 다음 표에 전압변동이 가장 많이 발생한 상위 10개의 모선의 전압을 나열하였다.

성능/효과

특히 신재생에너지의 계통 연계 시 반드시 살펴야 하는 고장전류 문제와 연계점의 전압 변동 문제에서도 아직은 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 고장전류의 경우 단지내부 고장 시 가장 크게 발생하였으므로, 단지를 하나의 풍력 발전기로 모델링 하지 않고 20기로 각각 모두 모델링한 방식이 의미가 있었음을 확인 할 수 있었다. 향후 2단계, 3단계 사업을 진행하게 되는 경우 1GW에서 2.
008pu 정도로 변동률이 1%도 되지 않는 매우 작은 값이다. 따라서 모선 전압 측면에서 해상 풍력 단지 연계가 계통에 미치는 영향은 없는 것으로 확인되었다.
위 그림에서 볼 수 있듯이 해상풍력단지 내부 및 외부 고장에 대해서 고장 당시에 약간의 흔들림은 있으나, 모두 정상적으로 회복하는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통하여 동적 해석에서도 해상풍력단지의 계통연계가 계통에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인 되었다.
위 표에서 볼 수 있듯이 고창 인근 고장 및 가장 심각한 고장이 발생하더라도 해상 풍력 단지의 연계전후 전압 변동은 큰 차이가 발생하지 않았으며, 그 영향 또한 매우 미미한 것으로 나타났다. 일부 전압 변동량은 오히려 줄어드는 효과도 있어 전압측면에서는 계통이 더 안정해지는 효과를 가져왔다.
9kV 모선, 그리고 해상풍력 단지 내 발전기 앞단 모선이다. 해상 변전소의 변압기 임피던스는 11%와 20%를 고려 하였으며, 고장 해석결과 고장전류가 가장 크게 나타난 모선은 해상변전소 22.9kV 모선이었으며, 값은 11%시 약 18.8kA, 20%시 약 11.6kA로 나타났다. 대체적으로 해상풍력 단지가 계통에 연계되더라도 나타나는 고장전류는 매우 작은편이며 고장전류 검토 결과는 해상풍력단지 내부 차단기 및 해상 변전소의 차단기 정격 결정에 중요한 영향을 미치므로 반드시 해석이 필요하다.
정적해석에는 조류계산을 기반으로 하여 모선전압과 고장에 따르는 전압변동률을 관찰하였다. 해상 풍력 실증단지가 계통에 연계되었을 경우 조류계산 결과 잘 수렴하였으며 연계 전과 후를 비교하였을 때, 모든 모선의 전압이 0.95pu에서 1.05pu 범위 이내로 계산되어, 전압 이상을 보이는 모선은 존재하지 않았다. 한전계통 전체 데이터에 해상풍력단지를 추가한 계통을 Full 뉴튼-랩슨법을 이용하여 조류계산 하였다.
다음 표에 전압변동이 가장 많이 발생한 상위 10개의 모선의 전압을 나열하였다. 해상풍력 단지가 들어오는 서고창 모선과 인근 모선의 전압이 가장 많이 변동한 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 그 변동값은 가장 많이 변화한 서고창 모선의 경우에도 0.
해상풍력단지를 20기의 풍력발전기를 이용하여 모델링 하였으며, 실제 연계될 터빈, 발전기, 케이블 데이터를 바탕으로 단지를 모델링 하였으며 이를 계통과 연계함으로써 발생할 수 있는 영향에 대해 정적 및 동적 해석을 통해 분석하였다. 해석 결과 육지 계통에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났고, 이는 연계 케이블로부터 나오는 선로 충전 용량과 단지 규모가 60MW 수준으로 아직 크지 않음에서 기인하는 것으로 확인 되었다. 특히 신재생에너지의 계통 연계 시 반드시 살펴야 하는 고장전류 문제와 연계점의 전압 변동 문제에서도 아직은 영향이 크지 않은 것으로 나타났다.

후속연구

고장전류의 경우 단지내부 고장 시 가장 크게 발생하였으므로, 단지를 하나의 풍력 발전기로 모델링 하지 않고 20기로 각각 모두 모델링한 방식이 의미가 있었음을 확인 할 수 있었다. 향후 2단계, 3단계 사업을 진행하게 되는 경우 1GW에서 2.5GW까지 용량이 확대 될 수 있으므로, 이는 육지에 미칠 수 있는 영향이 1단계 실증 사업과는 크게 차이 날 수 있어 상세한 검토가 요구된다. 1단계 실증사업 으로 해상풍력 단지가 완성되고 실제로 운영을 하면서 예측하지 못했던 상황들을 정리하고 향후 해상풍력 단지 운영에 반영 할 수 있도록 해야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 발전 방식의 변화의 추세는?	전통적인 발전 방식인 화석에너지를 이용한 발전은 줄이고 태양광, 풍력 등 신재생에너지원을 이용하는 발전을 늘려가는 추세가 전 세계적으로 지속되고 있다. 우리나라도 온실가스 배출을 줄이기 위하여 신재생 에너지원의 비율을 계속적으로 증가시키고 있으며, 대표적 신재생에너지인 태양광 발전과 풍력 발전이 크게 증가하고 있다.
	정적해석에서 무엇을 관찰하였는가?	정적해석에는 조류계산을 기반으로 하여 모선전압과 고장에 따르는 전압변동률을 관찰하였다. 해상 풍력 실증단지가 계통에 연계되었을 경우 조류계산 결과 잘 수렴하였으며 연계 전과 후를 비교하였을 때, 모든 모선의 전압이 0.
	우리나라의 주 신재생 에너지원은?	전통적인 발전 방식인 화석에너지를 이용한 발전은 줄이고 태양광, 풍력 등 신재생에너지원을 이용하는 발전을 늘려가는 추세가 전 세계적으로 지속되고 있다. 우리나라도 온실가스 배출을 줄이기 위하여 신재생 에너지원의 비율을 계속적으로 증가시키고 있으며, 대표적 신재생에너지인 태양광 발전과 풍력 발전이 크게 증가하고 있다. 이중에서도 풍력 발전은 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높고 설치용량이 크게 증가하고 있는 에너지원이며[1, 2], 특히 해상풍력발전은 육지풍력발전에 비해 평균 풍속이 높고 풍속의 변화가 적기 때문에 더욱 각광을 받고 있다.

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