[논문]PSCAD/EMTDC를 이용한 제주도 전력계통 기본 모델링

유현재; 김학만; 박민원; 정규원; 박재세; 신명철

PSCAD/EMTDC를 이용한 제주도 전력계통 기본 모델링
Basic Modeling of Jeju Power System using PSCAD/EMTDC 원문보기

유현재 (성균관대) , 김학만 (인천대) , 박민원 (창원대) , 정규원 (한국전력) , 박재세 (인천대) , 신명철 (성균관대)

In this paper, we present basic modeling of Juju power system using PSCAD/EMTDC. In detail, models of bipolar HVDC system, power transmission line, basic thermal power plant, load, and wind farm have been developed for Jeju power system. For evaluating basic dynamic behavior, we tested the system with a simple scenario and the test result showed acceptable response.

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문제 정의

본 논문은 PSCAD/EMTDC를 이용한 제주계통의 기본적인 모델링 결과를 기술하였다. 세부적으로는 제주도와 해남을 연결하는 총 설비용량 300 MW의 Bipolar HVDC 시스템, 제주도 송전선로 모델, 제주 화력발전 모델, 부하 모델에 관하여 기술하였고 제주계통의 외란에 대한 영향을 살펴보기 위해 3 MW 용량의 풍력 발전기를 투입에 따른 계통 동특성과 이후 10 MW 용량의 부하를 증가에 의한 제주 계통 주파수 및 발전기들의 출력변동을 검토하였다.

제안 방법

L과 C 값의 경우 계통의 정상상태 주파수인 60Hz를 이용하여 산정했으며, 사고모의 등 계통의 주파수 변화에 따른 과도현상을 해석하기 위해서는 PSCAD/EMTDC에서 제공 하는 철탑 모델을 이용하는 것이 보다 정확하나[2] 우리나라 송배전 선로의 손실율이 5% 이내인 것을 감안해 본 논문에서는 π형 등가회로를 구성하여 송전선로를 다음 그림 3과 같이 구성하였다.
모델링된 제주계통의 부하용량 및 초기 과도상태 이후 측정한 발전용량은 다음 표 1과 같다. 검토 시나리오는 풍력 발전기 1기를 정상상태 이후 5초 뒤에 계통에 연계하고 50초 뒤에 10 MW 용량의 부하를 증가시켜 계통의 동특성을 검토하였다.
본 논문에서는 현재 운전되고 있는 제주-해남간 HVDC를 사이리스터를 이용한 12-pulse 정류방식의 Bi-pole 구조로 모델링하였다. 모델링된 HVDC는 각각 150[MW]용량의 2회선으로 구성하였고 정류기 부분은 전압제어 인버터부분은 전류제어를 통해 HVDC의 출력전력을 제어하도록 모델링하였다[1]. PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 모델링한 HVDC 모델을 그림 1에 나타내었고 정상상태의 출력파형을 그림2에 나타내었다.
따라서 실계통과 같은 발전기 모델을 구성하는데 어려움이 있다. 보다 정확한 모델을 위해서는 추후 상세한 발전기 모델의 개발이 필요하지만, 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC에서 제공하는 발전기 제어계 모델을 이용하고 발전기의 출력 및 관성상수 등의 실계통 데이터를 사용하여 계통 응동 경향을 해석할 수 있도록 기본적인 제주도 발전기를 모델링하였다.
PSCAD/EMTDC에서 기본적으로 제공하는 부하 모델은 3가지 종류로 크게 나누어 볼 수 있는데 고정부하 (fixed load) 모델, 3상 부하 모델, 그리고 기본 소자인 R, L, C를 사용하는 모델이 있다. 본 논문에서는 고 정부하 모델을 이용하여 제주 계통의 부하를 구성하였다. 그림 4는 발전기 모델 중 97[MW] 용량의 제주 화력발전 모델을 나타낸 것이다.
본 논문에서는 현재 운전되고 있는 제주-해남간 HVDC를 사이리스터를 이용한 12-pulse 정류방식의 Bi-pole 구조로 모델링하였다. 모델링된 HVDC는 각각 150[MW]용량의 2회선으로 구성하였고 정류기 부분은 전압제어 인버터부분은 전류제어를 통해 HVDC의 출력전력을 제어하도록 모델링하였다[1].
본 논문은 PSCAD/EMTDC를 이용한 제주계통의 기본적인 모델링 결과를 기술하였다. 세부적으로는 제주도와 해남을 연결하는 총 설비용량 300 MW의 Bipolar HVDC 시스템, 제주도 송전선로 모델, 제주 화력발전 모델, 부하 모델에 관하여 기술하였고 제주계통의 외란에 대한 영향을 살펴보기 위해 3 MW 용량의 풍력 발전기를 투입에 따른 계통 동특성과 이후 10 MW 용량의 부하를 증가에 의한 제주 계통 주파수 및 발전기들의 출력변동을 검토하였다.
뿐만 아니라 2013년을 목표로 현재 제주도 한림읍 수원리에 3 MW급 풍력발전기 34기를 설치, 총 102 MW급 규모의 풍력발전단지가 조성되며, 또한 초전도 실증단지가 도입되고 있다. 효과적인 제주계통 해석을 위해서는 순시치 기반 해석 모델 및 계통이 요구되며, 본 논문에서는 PSCAD/ EMTDC를 이용하여 기본적인 제주계통의 모델링을 수행하였다.

대상 데이터

상기한 Bipolar HVDC 모델, 제주도 송전선로 모델, 고정 부하 모델 기반 부하모델, 그리고 발전기 모델을 이용하여 그림 5와 같이 제주 계통을 구성하였다.
제주계통 송전선로는 실계통 데이터를 이용해 R, L, C 값을 계산한후 π형 등가회로를 이용해 구성하였다.

성능/효과

5초에 3 MW 용량의 풍력발전기의 계통투입 시 미세하게 주파수 및 각 발전기의 출력이 흔들리는 것을 볼 수 있고 이후 55초에서 10[MW]용량의 부하의 투입에 의한 제주 계통 주파수의 변동을 확인할 수 있다. 또한 170, 122, 120번 발전모선에서 측정한 유효전력 데이터로부터 갑작스런 부하증가에 따라 각 발전기의 유효 전력 출력이 증가한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

추후 연구로는 제주 계통 발전기들의 정확한 발전기 제어계 모델링, 제주-해남간 HVDC의 제어기 모델, 진도-제주간 HVDC 모델, 풍력단지 및 초전도 실증단지의 초전도 기기 등에 대한 모델링을 지속적으로 개발해 나갈 계획이다.

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