[논문]SSR 해석을 위한 EMTDC 기반 테스트 시스템 구축

최승연; 서상수; 김태현; 이수형; 이종주; 최상봉; 문영환; 이정호

SSR 해석을 위한 EMTDC 기반 테스트 시스템 구축
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최승연 (한국전기연구원) , 서상수 (한국전기연구원) , 김태현 (한국전기연구원) , 이수형 (한국전기연구원) , 이종주 (한국전기연구원) , 최상봉 (한국전기연구원) , 문영환 (한국전기연구원) , 이정호 (한국전기연구원)

본 논문은 직렬 보상 커패시터 사용으로 인해 발생될 수 있는 SSR(Subsynchronous Resonance) 현상을 해석하기 위한 도구로서 EMTDC의 활용에 관해 다루고 있다. EMTDC를 이용한 순시치 기반의 계통 해석은 주파수 스캔이나 Eigenvalue 계산법의 한계를 보완할 수 있다. EMTDC 기반 해석의 효용성을 검증하기 위해 IEEE 2nd Benchmark 모델을 PSCAD/EMTDC로 구현하였고, 시뮬레이션을 통해 유도 발전기 효과와 비틀림 상호작용 및 축 토크 증폭 현상을 검증했다. 또한, SSR의 억제 수단으로 SVC와 보조제어기를 발전기단에 투입하였고, 그 억제 효과를 시뮬레이션으로 검증하였다.

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문제 정의

결국, 다중 발전기, 고장 해석, 비선형 모델, 제어기 설계 등을 수반하여 해석할 경우 EMTDC를 이용하는 것이 가장 적합하다. 본 논문의 주목적은 EMTDC를 활용하여 SSR 현상을 분석하고 대책 마련에 도움을 주는 것이다.

제안 방법

본 논문에서는 EMTDC를 이용하여 SSR 현상을 분석하는 방법을 다루고 있다. IEEE 2nd Benchmark Model을 PSCAD/EMTDC로 구현하여 유도 발전기 효과, 비틀림 상호작용, 축 비틀림 효과를 시험했으며, SVC와 보조제어기를 사용하여 SSR 억제 효과를 검증하였다.
그리고 각 발전기마다 DC1A 타입의 여자기 모델을 사용하였다. 구성한 모델을 사용하여 다음과 같이 SSR 현상을 검증하였다.
본 연구에서는 SSR을 억제하기 위해 그림 7과 같이 새롭게 투입된 SVC에 보조 제어기를 추가하였다[3]. 보조 제어기는 발전기의 회전자 속도 오차에 따라 SVC의 전압 조정기에 입력을 주도록 설계되어 있다(그림 8 참고).
보상율에 따른 전기 계통의 고유 주파수는 식 (1)을 이용하여 구할 수 있다. 본 연구에서는 발전기의 1차 비틀림 모드(24.65Hz)에 해당하는 72.9%의 보상율로 시험했으며(f_er=35.35Hz), 비틀림 상호작용으로 인해 그림 4처럼 회전자 회전속도가 진동 및 발산하게 된다. 회전속도를 푸리에 변환으로 분석한 결과, 24.
)와 동일하게 되면 회전축 토크에 큰 진동을 발생시킬 수 있다. 본 연구에서는 직렬보상 커패시터의 우측에 단상 고장을 일으키고 일정 시간 뒤에 복귀시켰다(보상율=55%). 그림 5는 고장 발생 후 토크의 진동을 시간에 따라 보여준다.

이론/모형

SSR 해석을 위한 시험 계통으로서 IEEE Second Benchmark Model의 System-2를 사용했다[1]. System-2는 다른 사양을 가진 2개의 스팀 터빈 발전기가 직렬 보상된 송전선을 통해 전력을 공급하고 있다(그림 1 참고).
SSR 현상을 검증하기 위해서는 Spring Mass 형태의 터빈-발전기 축 모델이 반드시 필요하며, 본 논문에서는 PSCAD/EMTDC가 기본적으로 제공하는 Multi-mass Torsional Shaft Model을 사용하였다. 그리고 각 발전기마다 DC1A 타입의 여자기 모델을 사용하였다.
본 논문에서는 EMTDC를 이용하여 SSR 현상을 분석하는 방법을 다루고 있다.

성능/효과

그림 5는 고장 발생 후 토크의 진동을 시간에 따라 보여준다. 20초일 때 토크의 푸리에 변환을 보면, 발전기(G1)의 첫 번째(24.65Hz)와 두 번째(32.39Hz) 비틀림 모드 주파수가 차례로 우세함을 알 수 있다. 그림 6은 고장복구시간에 따른 토크의 피크 값을 나타낸다.
보조 제어기는 발전기의 회전자 속도 오차에 따라 SVC의 전압 조정기에 입력을 주도록 설계되어 있다(그림 8 참고). SVC와 보조 제어기를 투입한 상태에서 비틀림 상호작용과 축 토크 증폭에 관한 시험을 재수행한 결과, SSR에 의한 진동을 감쇠하는 효과를 확인할 수 있었다(그림 9, 10 참고).
또한, 계통 고장과 같이 큰 외란이 발생했을 때에는 고장 시점과 복구 시점에 따라 공진 주파수가 결정되므로[2] 두 가지 방법으로는 해석하기 어렵다. 결국, 다중 발전기, 고장 해석, 비선형 모델, 제어기 설계 등을 수반하여 해석할 경우 EMTDC를 이용하는 것이 가장 적합하다. 본 논문의 주목적은 EMTDC를 활용하여 SSR 현상을 분석하고 대책 마련에 도움을 주는 것이다.
35Hz), 비틀림 상호작용으로 인해 그림 4처럼 회전자 회전속도가 진동 및 발산하게 된다. 회전속도를 푸리에 변환으로 분석한 결과, 24.5Hz 성분이 우세하며 시간이 지나감에 따라 증가함을 알 수 있다.

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