[논문]계통 과도안정도 향상을 위한 전압형 컨버터의 출력범위 증가 운전기법

이승용; 정재정

문제 정의

[1] 이러한 과도 안정도의 평가는 임계고장제거시간(critical clearing time; CCT)를 확인함으로써 평가할 수 있으며 CCT가 높을수록 계통의 안정도가 높다고 평가할 수 있다. 본 논문에서는 위에서 언급한 전압합성법을 통하여 컨버터의 무효전력을 공급 능력을 확대시키는 경우, CCT의 증가를 확인하고 이를 통한 계통의 안정도 향상을 확인하였다.
본 논문에서는 컨버터와 계통 사이의 전력 조류와 컨버터의 DC 전압의 크기에 의한 출력 AC 전압의 제한에 따른 전력 출력 범위를 분석하고 적절한 변조를 통해 DC 전압의 이용률을 증가시켜 컨버터의 출력 범위를 확장할 수 있는 방법에 대해 분석하였다. 선형변조 영역에서는 SVPWM을 이용하여 DC 전압의 이용률을 증가시킬 수 있으며 과변조 영역에서는 구형파 제어를 통해 DC 전압을 최대로 이용하여 컨버터의 출력 범위를 확장할 수 있다.

가설 설정

컨버터를 전압원으로 모델링 할 경우 컨버터와 계통 사이의 전력 조류(power flow)를 수식으로 표현 할수 있다. 계통측 전압의 위상을 0으로 설정하고, 컨버터 합성 전압은 δ 만큼의 위상차를 가지고, 송전 선로의 임피던스는 순수 유도성 리액턴스로 구성되어 있다고 가정하였으며, 아래와 같이 컨버터로부터 계통에 주입되는 전력을 수식으로 표현할수 있다.
전력 계통 시뮬레이션은 Power World를 사용하였고 그림 5와 같이 4개의 발전기가 2개 지역의 부하를 분담하는 형태로 2개 지역은 송전 선로를 통해 연결되어 있다. 전압형 컨버터는정격을 400MVA 급으로 설정하였으며 적절한 전압 변조를 통해 정격만큼의 출력을 낼 수 있다고 가정하였으며 그림의 좌측지역에서 송전을 담당하고 있는 형태이다. 여기서 2개 지역을 연결하는 송전 선로에서 시뮬레이션상 1초의 시간에서 3상 지락 사고가 발생하였을 때의 전압형 컨버터에서 공급하는 무효 전력 크기에 따라 CCT의 변화량을 확인하였다.

제안 방법

여기서 2개 지역을 연결하는 송전 선로에서 시뮬레이션상 1초의 시간에서 3상 지락 사고가 발생하였을 때의 전압형 컨버터에서 공급하는 무효 전력 크기에 따라 CCT의 변화량을 확인하였다. CCT는 그림 6 과 같이 시뮬레이션 결과에서 발전기의 회전자 각도를 통해 확인하였으며 고장이 발생한 후 4개의 발전기의 회전자가 동기를 유지할 수 있는 고장 제거시간의 임계값을 확인하였다. 컨버터의 무효전력 공급 크기에 따른 CCT 결과는 표 3에 기록하였 다.
시뮬레이션은 컨버터의 전압 출력과 무효전력 공급의 변화에 대한 컨버터 시뮬레이션 결과와 전력 계통에 전압형 컨버터가 적용되어 3상 지락 사고 시 최대 출력 범위의 무효전력을 공급하였을 때의 임계고장 제거시간을 확인하는 전력 계통 시뮬레이션에 대한 결과로 총 두 가지 결과가 있다. 이 두 가지 결과를 통해 컨버터의 적절한 변조 방식이 계통의 과도안정도를 향상 시킬 수 있는지 경향성을 검증하였다.
전압형 컨버터는정격을 400MVA 급으로 설정하였으며 적절한 전압 변조를 통해 정격만큼의 출력을 낼 수 있다고 가정하였으며 그림의 좌측지역에서 송전을 담당하고 있는 형태이다. 여기서 2개 지역을 연결하는 송전 선로에서 시뮬레이션상 1초의 시간에서 3상 지락 사고가 발생하였을 때의 전압형 컨버터에서 공급하는 무효 전력 크기에 따라 CCT의 변화량을 확인하였다. CCT는 그림 6 과 같이 시뮬레이션 결과에서 발전기의 회전자 각도를 통해 확인하였으며 고장이 발생한 후 4개의 발전기의 회전자가 동기를 유지할 수 있는 고장 제거시간의 임계값을 확인하였다.
시뮬레이션은 컨버터의 전압 출력과 무효전력 공급의 변화에 대한 컨버터 시뮬레이션 결과와 전력 계통에 전압형 컨버터가 적용되어 3상 지락 사고 시 최대 출력 범위의 무효전력을 공급하였을 때의 임계고장 제거시간을 확인하는 전력 계통 시뮬레이션에 대한 결과로 총 두 가지 결과가 있다. 이 두 가지 결과를 통해 컨버터의 적절한 변조 방식이 계통의 과도안정도를 향상 시킬 수 있는지 경향성을 검증하였다.
컨버터 시뮬레이션은 표 2와 같은 전압형 컨버터 파라미터를 바탕으로 PSIM을 이용하여 진행하였다. 전압 변조 방식은 선형변조 영역에선 SVPWM을 이용하였고 과변조 영역에선 구형파 제어를 이용하였으며 각 변조 방식에 따른 무효전력 출력을 확인하였다. 시뮬레이션 상 3초에서부터 과변조를 시작하였 으며 결과는 그림 4와 같다.
컨버터 시뮬레이션은 표 2와 같은 전압형 컨버터 파라미터를 바탕으로 PSIM을 이용하여 진행하였다. 전압 변조 방식은 선형변조 영역에선 SVPWM을 이용하였고 과변조 영역에선 구형파 제어를 이용하였으며 각 변조 방식에 따른 무효전력 출력을 확인하였다.
이러한 출력의 제한은 수식 (2)^~(3)을 이용하여 컨버터의 합성 전압 제한에 의한 전력 공급 능력의 제한을 계산할 수 있다. 컨버터의 전압 합성 방법은 선형 변조 영역에서 SPWM, SVPWM, 과변조 영역에서 6-step으로 세 가지 경우에 대하여 분석하였고, 모든 전압 합성 방법은 컨버터의 DC 전압을 최대로 이용할 때를 고려하였으며 기본파 성분에 대해서만 분석하였다. 분석에 사용된 파라미터는 표 1과 같으며, MATLAB으로 각 합성 전압에 대한 출력을 계산한 결과 SPWM에 비해 SVPWM 변조 방식의 출력이 285.

성능/효과

선형변조 영역에서는 SVPWM을 이용하여 DC 전압의 이용률을 증가시킬 수 있으며 과변조 영역에서는 구형파 제어를 통해 DC 전압을 최대로 이용하여 컨버터의 출력 범위를 확장할 수 있다. 400MVA급 컨버터 시뮬레이션의 결과를 통해 선형변조 영역에서 DC전압을 최대로 이용하여도 출력 범위에 제한이 있었지만 과변조를 통해 컨버터의 정격만큼의 무효전력을 출력할 수 있음을 확인할 수 있고, 이는 고장 상황시 과변조 방법을 통해 계통에 컨버터의 출력 상한 만큼의 무효전력을 공급할 수 있음을 의미한다. 컨버터의 무효전력 공급 범위가 증가함에 따라 계통의 안정도 변화를 전력 계통 시뮬레이션을 통해 CCT를 평가하여 확인한 결과 컨버터의 무효전력 출력이 증가함에 따라 CCT가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
전력 계통의 안정도를 평가하는 요소 중 과도 안정도(transient stability)는 전력 계통의 고장 등의 외란에서 발전기들 간 동기를 유지하는 발전기와 계통의 복원능력이다.[1] 이러한 과도 안정도의 평가는 임계고장제거시간(critical clearing time; CCT)를 확인함으로써 평가할 수 있으며 CCT가 높을수록 계통의 안정도가 높다고 평가할 수 있다. 본 논문에서는 위에서 언급한 전압합성법을 통하여 컨버터의 무효전력을 공급 능력을 확대시키는 경우, CCT의 증가를 확인하고 이를 통한 계통의 안정도 향상을 확인하였다.
컨버터의 전압 합성 방법은 선형 변조 영역에서 SPWM, SVPWM, 과변조 영역에서 6-step으로 세 가지 경우에 대하여 분석하였고, 모든 전압 합성 방법은 컨버터의 DC 전압을 최대로 이용할 때를 고려하였으며 기본파 성분에 대해서만 분석하였다. 분석에 사용된 파라미터는 표 1과 같으며, MATLAB으로 각 합성 전압에 대한 출력을 계산한 결과 SPWM에 비해 SVPWM 변조 방식의 출력이 285.4% 증가하였고 6-step 방식의 출력은 333.3% 증가하 였고 이를 그림 3과 같이 나타내었다. 이를 통해 정해진 DC 전압에서 적절한 선형변조 혹은 과변조 방식을 채택함으로 컨버터의 출력범위 내에서 무효전력의 출력을 증가시켜 운용할수 있음을 알 수 있다.
컨버터의 무효전력 공급 크기에 따른 CCT 결과는 표 3에 기록하였 다. 시뮬레이션 결과 무효전력의 공급량이 증가함에 따라 CCT 는 증가하는 경향을 보였으며 시뮬레이션 상에서는 컨버터가없는 계통보다 약 9% 이상의 증가를 보인 것을 확인할 수 있었다.
컨버터의 무효전력 공급 범위가 증가함에 따라 계통의 안정도 변화를 전력 계통 시뮬레이션을 통해 CCT를 평가하여 확인한 결과 컨버터의 무효전력 출력이 증가함에 따라 CCT가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해 컨버터의 무효전력 출력 범위의 증가가 계통의 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 계통의 고장 상황 시 컨버터 전압 합성의 적절한 변조 방식으로의 절환을 통하여 무효전력 공급량을 증가시킴으로써 CCT를 추가로 확보할 수 있고, 이러한 운전 방법은 전력 계통을 더욱 안정적으로 운영하는데 유용하게 이용될수 있다.
시뮬레이션 상 3초에서부터 과변조를 시작하였 으며 결과는 그림 4와 같다. 컨버터의 DC Link 전압을 모두 이용하여도 컨버터의 정격인 400MVA를 이용할 수 없지만 과변조를 통해 출력 전압을 등가적으로 높게 전압을 합성하였을 경우에는 컨버터의 출력 범위를 모두 사용할 수 있는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.
400MVA급 컨버터 시뮬레이션의 결과를 통해 선형변조 영역에서 DC전압을 최대로 이용하여도 출력 범위에 제한이 있었지만 과변조를 통해 컨버터의 정격만큼의 무효전력을 출력할 수 있음을 확인할 수 있고, 이는 고장 상황시 과변조 방법을 통해 계통에 컨버터의 출력 상한 만큼의 무효전력을 공급할 수 있음을 의미한다. 컨버터의 무효전력 공급 범위가 증가함에 따라 계통의 안정도 변화를 전력 계통 시뮬레이션을 통해 CCT를 평가하여 확인한 결과 컨버터의 무효전력 출력이 증가함에 따라 CCT가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해 컨버터의 무효전력 출력 범위의 증가가 계통의 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

이러한 시뮬레이션 결과를 통해 컨버터의 무효전력 출력 범위의 증가가 계통의 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 계통의 고장 상황 시 컨버터 전압 합성의 적절한 변조 방식으로의 절환을 통하여 무효전력 공급량을 증가시킴으로써 CCT를 추가로 확보할 수 있고, 이러한 운전 방법은 전력 계통을 더욱 안정적으로 운영하는데 유용하게 이용될수 있다.

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