초록 ▼

해상풍력은 높은 발전 효율, 공간적 한계 극복을 통한 대형단지 조성이 용이한 장점이 있어 풍력산업 선진국들에서는 해상풍력 발전단지 개발에 총력을 기울이고 있으며 최근에는 전압형 HVDC를 이용한 연계방법이 활발히 적용됨에 따라 보호분야에 있어서도 차별적인 기술 개발이 요구되고 있고 특히, 고장전류 공급능력이 낮은 저관성 해상풍력발전단지의 보호에서는 민감도 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 풀파워 컨버터 기반의 영구자석형 동기풍력발전기로 구성된 저관성 해상풍력발전단지를 대상으로 해상풍력 발전단지 내부고장 보호기술, 전압형 HVDC

해상풍력은 높은 발전 효율, 공간적 한계 극복을 통한 대형단지 조성이 용이한 장점이 있어 풍력산업 선진국들에서는 해상풍력 발전단지 개발에 총력을 기울이고 있으며 최근에는 전압형 HVDC를 이용한 연계방법이 활발히 적용됨에 따라 보호분야에 있어서도 차별적인 기술 개발이 요구되고 있고 특히, 고장전류 공급능력이 낮은 저관성 해상풍력발전단지의 보호에서는 민감도 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 풀파워 컨버터 기반의 영구자석형 동기풍력발전기로 구성된 저관성 해상풍력발전단지를 대상으로 해상풍력 발전단지 내부고장 보호기술, 전압형 HVDC 보호기술, 전력ICT 기반 보호기술을 개발하였다. 고장전류의 변화가 작아 고장 검출이 어려운 해상풍력발전단지 내부 지락고장에 대한 보호 민감도 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 비접지 방식을 적용하였으며 지락고장 검출을 위해서는 풍력발전기 접속점에서의 선간전압과 영상전류의 위상관계를 이용하였다. 각 접속점에 설치된 보호 IED는 선간전압에 대한 영상전류의 상대 위상을 구하고 인접한 보호 IED들 간의 IEC 61850 GOOSE 메시지 교환을 통해 상대 위상을 비교함으로써 고장구간을 판별할 수 있도록 하였다. 전압형 HVDC 보호에서는 고속 검출 및 고속 차단이 요구되므로 로컬 정보만을 이용하도록 개발하였으며 고장 검출에는 직류 전류 크기, 직류 전류 변화율, 직류 전압 크기를 이용하였다. 또한, 터미널 외부고장에 대해서는 직류차단기의 불필요한 동작을 방지하고 터미널 외부고장에 대한 후비보호로서 동작할 수 있도록, 터미널 내부고장 및 외부고장에 따라 정정값을 변경하는 적응형 보호방식을 적용하였다. 이를 위해서는 터미널 외부고장 판별이 필수적이므로 고장검출 시점의 직류 전류 증가 방향을 이용하여 터미널 외부고장을 판별할 수 있도록 하였다. 전압형 HVDC 내부고장에 대한 신속한 고장점 표정을 위해서는 HVDC 케이블 고장에 의해 발생한 진행파가 케이블 양단에 도달하는 시간차를 이용하였다. 또한 본 연구에서는 다중터미널 HVDC 보호와 해상풍력발전단지 내부고장 보호의 협조, 해상풍력발전단지 고장구간 최소화를 위해 IEC 61850 GOOSE 메시지를 이용하였다. IEC 61850 GOOSE 메시지 교환을 통해 터미널 외부고장 판별 결과 및 해상풍력발전단지 내부 고장 판별 결과를 IED들이 공유할 수 있도록 함으로써 HVDC 외부고장에 대한 직류차단기의 불필요한 동작이 방지될 수 있도록 하였으며 해상풍력발전단지 내부고장의 고장구간 판별에 필요한 양방향 실시간 정보 교환을 IEC 61850 GOOSE 메시지를 통해 구현함으로써 해상풍력발전단지의 고장구간을 최소화하도록 하였다.
본 연구에서는 영구자석형 동기풍력발전기를 포함한 해상풍력발전단지, 전압형 HVDC, 해저케이블에 대한 PSCAD 모델을 개발하고 이를 통합하여 HVDC 연계형 해상풍력발전단지를 구성하였다. 보호 IED Prototype으로는 신호처리 및 연산 모듈, 통신 모듈의 통합을 위해 듀얼코어 프로세서인 OMAP-L138 기반의 임베디드 보드를 이용하였으며 신호처리 및 연산을 담당하는 DSP 코어와 IEC 61850 통신을 담당하는 ARM 코어 사이의 인터페이스는 DSP/BIOS LINK를 활용하였다. 이와 함께 양방향 실시간 정보 교환이 가능할 수 있도록 보호 IED에 대해서 IEC 61850 기술을 구현하였다.
RTDS를 이용한 모델링에서는 RTDS의 하드웨어 제약조건 하에서 보호 IED 성능 및 보호기술의 유효성을 검증할 수 있도록 HVDC 연계형 해상풍력발전단지를 구성하였으며 보호 IED들을 RTDS와 연동한 후 해상풍력발전단지 발전량 변화 등 과도현상에 대한 RTDS 실시간 모의를 수행하여 각 보호 IED에 대한 성능 검증을 수행하였다. HVDC 보호 IED는 HVDC 케이블 고장 검출 시 고장파형을 저장하도록 하였으며 저장된 고장파형을 이용하여 케이블 고장에 의해 발생한 진행파가 케이블 양단에 도달하는 시간차를 측정하여 고장점표정 기술을 검증하였다. 또한 해상풍력발전단지 내부고장, 전압형 HVDC 케이블고장 등 다양한 사례에 대한 RTDS 실시간 모의를 수행하여 발전단지 내부고장 보호기술, 전압형 HVDC 보호기술, 전력ICT 기반 보호기술에 대한 유효성을 검증하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 3P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 12