[논문]해상풍력 발전단지의 전력망 연계방식에 따른 고장전류 분석

안진홍; 김일환

doi:10.7471/ikeee.2020.24.3.691

[국내논문] 해상풍력 발전단지의 전력망 연계방식에 따른 고장전류 분석
Analysis of fault current in offshore wind farm ccording to the grid connection method 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.3, 2020년, pp.691 - 698

안진홍 (Dept. of Electrical Engineering, Jeju National University) , 김일환 (Dept. of Electrical Engineering, Jeju National University)

초록
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해상풍력 발전단지의 전력망 연계방식에 따라 설치비용이나 고장전류의 크기가 달라진다. 그렇기 때문에 단지의 용량과 위치 등을 고려한 효율적인 전력망 연계 방법이 필요하다. 특히 해상풍력 발전단지의 전력케이블은 대부분 비용 및 효율적인 부분을 고려하여 3-core를 사용한다. 케이블 단락 같은 고장이 발생하면 케이블 전체를 교체해야 하므로 수리비용 및 터빈 정지 기간을 고려하였을 때 비용적인 측면에서 상당한 손실이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 제주해상에 설치될 100 MW 풍력단지에 방사형, 링형, 성형 방식을 도입하여 이에 따른 3상 단락고장을 PSCAD/EMTDC 프로그램을 활용하여 컴퓨터 해석을 수행하고, 그 결과를 분석하여 모델 단지에 알맞은 전력망 연계방식을 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The installation cost or the magnitude of the fault current varies depending on the grid connection method of the offshore wind farm. Therefore, there is a need for an efficient power grid connection method considering the capacity and location of the complex. In particular, most power cables in offshore wind farms use 3-core considering cost and efficiency. In the event of a failure such as a short circuit, the entire cable must be replaced, which can lead to significant losses in terms of cost, considering repair costs and turbine downtime. Therefore, in this paper, a radial, ring, and molding method is introduced into a 100 MW wind farm to be installed at Jeju offshore, and a three-phase short circuit failure is performed using a PSCAD/EMTDC program to perform computer analysis. I would like to propose a suitable power grid connection method.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Jeju Island offshore wind power generation location analysis. 그림 1. 제주도 해상풍력 발전 입지분석[2]
표 Table 1. CFI 2030 energy supply plan. 표 1. CFI 2030 에너지공급 목표[2] (Unit：MW)
그림 Fig. 2. (1) Three-core cable with optic fibers, lead sheath and wire armour. 그림 2. (1) 광섬유, 리드시스 및 와이어 아머가 있는 3코어 케이블[4]
그림 Fig. 2. (2) Three-core cable PSCAD/EMTDC modeling. 그림 2. (2) 3코어 케이블 PSCAD/EMTDC 모델링[4]
그림 Fig. 3. (1) In case of three phase fault. 그림 3. (1) 3상 단락 고장시의 표현
그림 Fig. 3. (2) Symmetric components flowing through each phase (a) zero current, (b) positive current, (c) negative current. 그림 3. (2) 각 상을 흐르는 대칭분 (a) 영상 전류, (b) 정상 전류, (c) 역상 전류
그림 Fig. 4. 5.5MW DFIG wind power modeling using PSCAD/EMTDC tool. 그림 4. PSCAD/EMTDC tool을 활용한 5.5 MW DFIG 풍력 발전 모델링
표 Table 2. Wind turbine and cable selection. 표 2. 풍력 터빈 및 케이블 선정
표 Table 3. Comparison according to power grid connection method. 표 3. 전력망 연계방식에 따른 비교
그림 Fig. 5. (1) Offshore wind power plant of radial type. 그림 5. (1) 방사형 방식의 해상풍력발전단지
그림 Fig. 5. (2) 100 MW Offshore wind power plant of radial type. 그림 5. (2) 방사형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지
그림 Fig. 5. (3) Radial type 100 MW Offshore wind power plant using PSCAD/EMTDC tool. 그림 5. (3) PSCAD/EMTDC tool을 활용한 방사형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지
그림 Fig. 6. 3-phase short circuit current in Radial type. 그림 6. 방사형 방식에서 3상 단락 전류
그림 Fig. 7. (1) 100MW Offshore wind power palnt of Ring type. 그림 7. (1) 링형 방식을 적용한 100 MW 해상풍력발전단지
그림 Fig. 7. (2) GW-class offshore ring type wind power plant including HVDC system[4]. 그림 7. (2) HVDC 시스템을 포함하는 GW급 링형 해상풍력 단지[4]
그림 Fig. 8. 3-phase fault current in Ring type. 그림 8. 링형 방식에서 3상 단락 전류
그림 Fig. 7. (3) Ring type 100 MW Offshore wind power plant using PSCAD/EMTDC tool. 그림 7. (3) PSCAD/EMTDC tool을 활용한 링형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지
그림 Fig. 9. (1) 100 MW Offshore wind power plant of Star type. 그림 9. (1) 성형 방식을 적용한 100 MW 해상풍력발전단지
그림 Fig. 9. (2) GW-class star type offshore wind power plant including HVDC system[4]. 그림 9. (2) HVDC 시스템을 포함하는 GW급 성형 해상풍력 단지[4]
그림 Fig. 9. (3) Star type 100 MW Offshore wind power plant using PSCAD/EMTDC tool. 그림 9. (3) PSCAD/EMTDC tool을 활용한 성형 방식의 100 MW해상풍력발전단지
그림 Fig. 10. 3-phase short circuit current in Star type. 그림 10. 성형 방식에서 3상 단락 전류
그림 Fig. 11. Comparison of 3-phase short circuit current according to arrangement type. 그림 11. 배열방식에 따른 3상 단락 전류 비교
표 Table 4. Simulation result compare. 표 4. 시뮬레이션 결과 비교 (Unit：kA)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 해상풍력발전단지 구축 시 풍력터빈의 전력망 연계 방식으로 널리 이용되고 있는 방사형, 링형, 성형 방식 3가지를 동일 입지조건하에서 3상 단락사고 상정사고 모의해석을 PSCAD/EMTDC 프로그램을 사용하여 그 결과를 도출하고 이에 따른 100 MW 급 제주해상풍력발전 단지에 알맞은 전력망 연계방식을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 풍력발전기의 전력망 연계방식에 따른 단락사고를 제주도 해상풍력단지에 적용하여 그 결과를 고찰하였다.

제안 방법

(2)와 같으며, 터빈 간 모든 간격은 일정하게 700 m를 적용하였고 각 Feeder에서 육상 변전소까지 거리는 1 km로 동일하게 적용하였다. Feeder#3 부근에 3상 단락사고를 발생시켜 결과를 확인하며, 그림 5.(3)과 같이 PSCAD/EMTDC tool을 활용한 방사형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지를 모델링하였다.
이 토폴로지는 변전소와 풍력단지 연계 시 feeder수와 동일한 수의 HVDC 선로 차단기를 가진 풍력 단지가 링 형식으로 구성 될 수 있다. Feeder#3 부근에 3상 단락사고를 발생시켜서 고장전류를 확인하며, 그림 7.(3)와 같이 PSCAD/EMTDC tool을 활용한 링형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지를 모델링하였다.
그림 9.(3)와 같이 PSCAD/EMTDC tool을 활용하여 성형 방식의 100 MW 해상풍력발전단지를 모델링하였으며, Feeder#3에서 제일 멀리 있는 터빈 부근에 3상 단락사고 발생시키고 결과를 확인한다.
5 MW 터빈의 블레이드 직경이 140 m이므로, 터빈 간 간격은 약 700m로 정의하고 모든 터빈 배치방식에 동일하게 적용한다[6]. 또한, 임의의 지점에서 3상 단락 사고를 발생 시켜 해상풍력 발전단지와 연계된 변전소에서 단락전류의 상태 비교하도록 하겠다.
제주 해상풍력발전단지의 입지기준에서 설비용량은 100 MW 기준이므로 5.5 MW 용량의 터빈18기이며, 그림 4와 같이 PSCAD/EMTDC tool의 library의 소자의 조합으로 해당 터빈을 모델링 하였으며 해상풍력 발전단지의 전력망 연계방식을 방사형, 링형, 성형에 모두 동일하게 적용하였다. 터빈 간거리는 식(8)과 같이 정의하였다.
(1)과 같다[3]. 터빈 간 모든 간격은 일정하게 700 m를 적용하였고 육상변전소에서 Feeder별 가장 가까운 터빈까지 거리는 1 km이며, 터빈에서 변전소까지 각각 전력케이블로 연계 하였다.

이론/모형

4. 5.5MW DFIG wind power modeling using PSCAD/EMTDC tool.

성능/효과

첫 번째, 환경조건으로 바람, 물결, 수심, 해저 토양 및 특성 등을 고려해야 한다. 두 번째, 발전단지 내 풍력 터빈의 최적 배치를 위해 풍속, 풍향, 난류 강도와 같은 바람의 변수를 반드시 고려해야 한다. 세 번째, 풍력 터빈의 간격 결정의 요건으로써, 후류(wake) 및 난기류(turbulence)에 의한 영향을 최소화해야 하는데, 이는 주 풍향 방향은 블레이드 직경의 5～9배의 공간을 확보해야 하며, 수직 방향 바람은 블레이드 직경의 3～5배의 공간 확보를 해야 한다.
두 번째, 발전단지 내 풍력 터빈의 최적 배치를 위해 풍속, 풍향, 난류 강도와 같은 바람의 변수를 반드시 고려해야 한다. 세 번째, 풍력 터빈의 간격 결정의 요건으로써, 후류(wake) 및 난기류(turbulence)에 의한 영향을 최소화해야 하는데, 이는 주 풍향 방향은 블레이드 직경의 5～9배의 공간을 확보해야 하며, 수직 방향 바람은 블레이드 직경의 3～5배의 공간 확보를 해야 한다.

후속연구

8 kA가 가장 적게 발생하는 것을 알 수 있다. 전력케이블의 단순 사고 측면에서 본다면 3상 단락 사고가 발생하여도 해당 터빈 이외에는 정상적으로 발전하기 때문에 상대적으로 성형 방식이 유리하다고 볼 수 있지만 정확한 전력계통의 분석은 3상 단락 전류의 크기를 바탕으로 계통의 보호협조 및 서론에 언급하였던 전력계통의 요소들의 분석을 통해 알 수 있을 것이다.
추후 연구에서는 3가지 전력망 연계방식을 고려한 경제성과 기술적 검토를 통해 풍력발전단지별 특성에 적합한 연계방안을 마련할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PSCAD/EMTDC는 무엇인가?	PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients DC)는 캐나다 Manitoba HVDC(High Voltage Direct Current) 연구소에서 개발한 전력시스템 시뮬레이션 프로그램으로써 복잡한 전력계통의 연구를 위해 과도 상태 해석용 소프트웨어이다. DC 및 AC 시스템, 사고해석, 전력전자, 제어시스템, 회전기, 송전라인 등에 이르기까지 다양한 분야를 시뮬레이션 할 수 있으며 주파수 영역에서의 분석도 가능하다[3].
	해상풍력발전단지에서는 어떤 전력케이블을 사용하는가?	해상풍력발전단지에서는 일반적으로 그림 2.(1)와 같이 3-core 전력케이블을 사용한다. 그렇기 때문에 3개의 core 사이에서 자기장이 상쇄되어 전력 손실을 줄일 수 있으며, 1-core 케이블에 비해 설치비용이 상당히 저렴하고 추가적으로 내부에 통신케이블도 내장되어있다.
	제주도 해상에 풍력 발전단지 조성을 위해서 고려해야 하는 조건은 무엇인가?	제주도 해상에 풍력 발전단지 조성을 위해서는 몇 가지 조건을 고려해야 한다. 첫 번째, 환경조건으로 바람, 물결, 수심, 해저 토양 및 특성 등을 고려해야 한다. 두 번째, 발전단지 내 풍력 터빈의 최적 배치를 위해 풍속, 풍향, 난류 강도와 같은 바람의 변수를 반드시 고려해야 한다. 세 번째, 풍력 터빈의 간격 결정의 요건으로써, 후류(wake) 및 난기류(turbulence)에 의한 영향을 최소화해야 하는데, 이는 주 풍향 방향은 블레이드 직경의 5～9배의 공간을 확보해야 하며, 수직 방향 바람은 블레이드 직경의 3～5배의 공간 확보를 해야 한다.

참고문헌 (12)

Jeju Special Self-Governing Province, Service Report of Carbon Free Island Jeju by 2020, 2017.
CFI 2030 plan for integrated supplementation of new and renewable energy for energy independence Modified security service, 2019.
Won-Sik Moon, Ara Jo, Jae-Chul Kim, In-Soo Bae, Gi-Gab Yoon, Sang-Ho Park, Young-Do Choy, "Optimization of Grid Network for Offshore Wind Power Plant," Journal of Electrical Engineering & Technology, pp.1095-1095, 2015.
Powerd by Manitoba Hydro International Ltd. "USER'S GUIDE on the use of PSCAD,"
Dae Jeong Kim, Kye Ho Jon, Jung Nyun Kim, "Study on Connection of Submarine Cable System in Offshore Wind Farm," Journal of Electrical Engineering & Technology, 146-148, 2013.
DIRK VAN HERTEM, ORIOL GOMISBELLMUNT, JUN LIANG, HVDC Grids, Wiley, 2016. DOI: 978-1-118-85915-5
Lara DEPLA, "Harmonic Lnteactions in HVACConnected Offshore Windfarms," Master thesis, UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA MATER IN ENERGY ENGINEERING.
O. Gomis-Bellmunt, J. Liang, J. Ekanayake, R. King, and N. Jenkins, "Topologies of multiterminal HVDC-VSC transmission for large offshore wind farms," Electric Power Systems Research, Vol.81, Issue2, pp.271-281, 2011. DOI: 10.1016/j.epsr.2010.09.006

상세보기
G. Quinonez-Varela, G. Ault, O. Anaya-Lara, and J. McDonald, "Electrical collector system options for large offshore wind farms," IET Renewable Power Generation, Vol.1, No.2, 2007. DOI: 10.1049/iet-rpg:20060017

상세보기
LS cable & System, "Medium Voltage AC Submarine Cables,"http://www.lscns.com/
Doosan Heavy Industries & Construction, "WIND POWER" http://www.doosanheavy.com/download/pdf/products/energy/DHI_Wind_Power_Brochure_Eng.pdf/
G. Y. Song, transmission and distribution engineering, Dongil Publishing House, DOI: 978-89-0865-4-93560

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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