2.1 해상풍력단지의 계통연계 규정 내용
우리나라에서 대규모 해상풍력단지가 접속하기 위해서는 신재생발전기의 송전계통에 연계 시 연계 기준을 따르도록 하고 있다[6]. 기준에 의하면 해상풍력단지가 육지계통과 연계되는 경우 운전전압 범위 내에서 <그림 1>과 같이 해상풍력단지 유효전력 출력에 따른 무효전력 공급능력을 보유하여야 한다고 명시하고 있다. 또한, 신재생발전기가 <그림 1>의 무효전력 공급능력을 갖추기 어려운 경우 별도의 순동무효전력보상장치를 갖추어야 한다고 명시하고 있다. 신재생발전기 송전계통연계 기술기준 2장 7장의
세부내용은 다음과 같다.
가) 신재생발전기는 운전전압 범위 90~110% 내에서 그림 1과 같이 유효전력 출력에 따른 무효전력 공급능력을 보유하여야 함
나) 발전기 유효전력 20%~100% 출력 시 유효전력 정격용량 대비 33%의 무효전력을 흡수 또는 공급
다) 발전기 유효전력 20%~0% 출력 시 유효전력 출력감소에 따라 선형적으로 공급능력 감소
라) 무효전력에 대한 정상상태 허용오차는 5% 이하여야 함
마) 신재생발전기가 <그림 1>에서 정한 무효전력을 공급하기 어려운 경우 순동무효전력보상장치를 구비하여 무효전력을 공급하여야 함
그림 1. 유효전력 출력에 따른 무효전력 공급능력 범위[6]
Fig. 1. The range of reactive power capability with respect to active power output
또한, 연계기술 기준에서 신재생발전기 송전계통 연계 시 무효전력 공급능력 평가 기준점에 대한 내용이 정의되어 있다. 무효전력 공급능력 평가 기준점을
연계점으로 정의하고 있는데, 이는 공용송전망 또는 공용배전설비가 연결되는 지점을 말한다. 즉, AC 선로를 통해 계통접속모선으로 연계되는 지점이다.
이와 반대로 접속점은 접속설비와 계통에 접속하는 고객, 즉 사업주 발전소 측 전기설비가 연결되는 지점을 말한다. 다음 <
그림 2>에 연계점과 접속점의 정의를 요약하여 그림으로 나타내었다. 본 논문에서는 연계점과 접속점에서 무효전력 보상량을 각각 산정하여, 비교하였다.
그림 2. 접속점과 연계점의 정의
Fig. 2. Definition of the point of connection and the point of interconnection
2.2 해상풍력단지 검토 DB 구성 및 모의 방안
무효전력 보상량 산정을 위해 [그림 3]과 같은 해상풍력단지 테스트 계통을 정상상태 해석 프로그램인 PSS/E를 활용하여 구현하였다. 총 3GW 규모의 해상풍력단지는 300MW 규모의
6개, 400MW 규모의 3개 단지로 내부망이 구성되어 있으며, 내부망 단지는 약 30~40km 길이의 해저케이블 2회선으로 공동접속모선에 연계되어
있다. 공동접속모선에 연결된 해상풍력단지는 약 40km 길이의 해저케이블인 공동접속선로를 통해 육지계통까지 연계된다. 육지계통의 연계전압은 345kV이며,
정상상태를 가정하여 무한 모선으로 등가하였다. 풍력발전기는 무효전력 공급범위를 만족하는 무효전력 보상량의 최대값을 산출하기 위해 무효전력을 출력하지
않도록 설정하였다.
해상풍력단지의 무효전력 보상량을 산정하기 위해서는 전체 무효전력 교환량을 파악해야 한다. 현재 국내에서는 연계 모선의 운전전압 범위를 0.9pu에서
1.1pu로 설정되어 있고, 발전단지의 무효전력 수급 조절 및 결정은 해당 전압 범위를 유지하는 범위 내에서 결정되어야 한다. 따라서 본 연구에서는
계통 접속모선의 계통전압 상황을 운전전압 범위의 하한점인 0.9pu, 상한점인 1.1pu로 설정하였다. 그리고 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준
제5조 전압조정목표에서 명시한 345kV 계통의 전압목표인 353kV를 pu로 환산한 값인 1.023pu를 역률 1인 상황으로 설정하였다. 이와 같은
3개의 계통 전압 운전점을 정의하고, 현실적인 전력계통 운영 상황에서의 무효전력 보상량을 산정하기 위해서 계통의 전압이 0.9pu인 상황에서는 무효전력을
공급하는 경우만 고려하였고, 반대로 계통 전압이 1.1pu인 상황에서는 무효전력을 흡수하는 경우만 고려하였다. 계통 전압이 1.023pu인 상황에서는
역률이 1이므로 공동접속모선과 계통접속모선사이의 무효전력 조류가 발생하지 않도록 시나리오 상황을 정의하였다. 무효전력 공급능력 범위를 만족하기 위해
유효전력 출력의 비율을 10% 조절하여 각 상황에서의 무효전력 보상량을 계산할 수 있도록 하였고, 3개의 계통 운전 전압값에서 유효전력 출력에 따라
필요한 무효전력량을 계산할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 신재생발전기 송전계통연계 기술기준에 제시된 무효전력 공급능력 기준의 특성에 따라 유효전력 출력을 10% 단위로 조절해가며 모의를 수행하였다.
무효전력 공급능력 기준은 그림 1과 같이 오각형 모양으로 두 구간으로 나누어서 해석할 수 있다. 첫 번째 구간은 유효전력 0%부터 20%의 구간으로 유효전력에 따른 무효전력은 일정한
기울기로 표현되는데, 이는 역률이 있음을 의미한다. 때문에, 해당 구간에서는 20% 지점이 같은 역률을 갖는 상황 중에서 조류량이 가장 큰 지점이다.
반면, 20%부터 100% 구간에서는 유효전력 출력에 따른 무효전력 공급 및 흡수 필요량이 33%로 고정되어 있다. 100% 지점은 역률 0.95로
유효전력에 따른 조류량이 크지만, 20% 지점이 역률 측면에서는 역률 0.52로 가장 좋지 않은 지점이 된다. 다시 말해, 기준에서 제시하는 무효전력
공급능력 범위 중, 절대적으로 가장 조류가 많이 흐르는 지점인 100% 지점과 역률 측면에서 가장 좋지 않은 조건인 20% 지점이 임계점이 된다.
따라서, 20% 지점과 100% 지점을 포함할 수 있도록 유효전력을 10% 단위로 조절해가며 모의를 수행하였다.
그림 3. 해상풍력단지의 테스트 계통 모델
Fig. 3. Test system model for offshore wind farm
신재생발전기 송전계통 연계기술 기준 내용인 무효전력 공급능력 평가 기준점에 대하여 연계점과 접속점에 따라 두 가지 사례로 나누어 분석하였다. 각 두
개의 방안에서 무효전력 필요량과 무효전력 최적 보상 방안에 따라 계산된 각각의 보상설비 용량의 결과를 검토하였다. 첫 번째 사례 연구는 공동접속모선에서
계통접속모선으로 연결되는 무효전력량에 대하여 계통접속모선 측 연계점 기준에서 무효전력을 측정하여 필요 무효전력 보상량을 계산하였고, 두 번째 사례
연구는 마찬가지로 공동접속모선에서 계통접속모선으로 연결되는 무효전력에 대하여 공동접속모선 측 접속점 기준으로 무효전력량을 측정하여 필요 무효전력 보상량을
계산하였다. 무효전력 보상량은 가상의 발전기를 공동접속모선에 설치한 상황을 가정하였고, 이때 각각 연계점과 접속점에서의 무효전력 공급능력 기준을 만족하도록
계산하였다. 무효전력 보상량 산정 결과는 가상발전기의 출력된 무효전력량으로 계산하였다.
2.3 무효전력 보상량 산정 방안
2.1에서 대규모 해상풍력단지가 계통에 연계하기 위해서는 <그림 1>의 무효전력 공급능력을 갖추어야 한다. 해상풍력단지는 수십 km의 해저케이블로 인해 가공선로와 달리 높은 충전전류를 가지고 있기에, 이를 보상하여야
한다. 따라서 병렬리액터(Shunt reactor)의 설치가 필요하며, 기준에 따라 전력계통 상황에 무효전력 공급능력을 확보하기 위해 순동무효전력
보상장치인 STATCOM을 함께 설치해야 한다. STATCOM 설치 가격이 병렬리액터의 설치 가격보다 일반적으로 높기에, STATCOM의 가격을 최소화할수록
전체 무효전력 보상설비 설치 가격을 줄일 수 있다. 식 (1)과 (2)는 해상풍력단지에서 STATCOM과 분로 리액터로 무효전력을 보상하는 경우, STATCOM의 용량을 최소로 산정하기 위한 식이다[5].
$V_{Q\max}$와 $V_{Q\min}$은 각각 무효전력 최대, 최소 보상 상황에서의 보상설비가 설치되는 모선의 전압을 의미하며, $X_{S}$,
$X_{R}$은 각각 STATCOM과 분로 리액터의 용량, $Q_{\max}$, $Q_{\min}$은 각각 무효전력 최대, 최소 보상량을 의미한다.
위의 (1)과 (2)의 수식을 보상설비 용량에 대해서 정리하여 각각 식 (3)과 (4)로 나타내었다.
2.4 검토 결과
첫 번째 사례 연구의 무효전력 보상량 결과 그래프는 <그림 4>에 나타내었다. 공동접속모선과 계통접속모선에서 계통접속모선으로 전달되는 무효전력량 즉, 연계점으로 들어오는 무효전력량을 기준으로 계산한 것이며,
무효전력을 공급하는 그래프는 빨간색, 흡수하는 그래프를 파란색 선으로 나타내었다. 무효전력 보상량이 가장 많은 경우는 풍력단지 유효전력 출력이 20%일
때 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 경우였고, 필요 무효전력 보상량은 5,345MVAr로 계산되었다. 반대로 가장 적은 경우는 유효전력 출력이 100%일
때 공급하는 경우였고, 이때 필요 무효전력 보상량은 3,080MVAr로 계산되었다.
두 번째 사례 연구의 무효전력 보상량 결과 그래프는 <그림 5>에 나타내었다. <그림 5>에서는 무효전력 보상량 공급능력의 기준을 접속점에서의 무효전력량으로 계산하였을 때의 결과를 나타낸 그래프이다. 공동접속모선에서 육지계통으로 나가는
무효전력량을 기준으로 계산한 결과이다. 무효전력 보상량이 가장 많은 경우는 유효전력 출력이 20%일 때 계통으로부터 무효전력을 흡수하는 경우였고,
필요 무효전력 보상량은 4,820MVAr로 계산되었다. 반대로 가장 적은 경우는 유효전력 출력량이 20%일 때 계통으로 무효전력을 공급하는 경우였고,
필요 무효전력 보상량은 2,883MVAr로 계산되었다.
해상풍력단지의 유효전력 출력에 따른 무효전력 공급능력을 연계점과 접속점으로 나누어 무효전력 보상량을 산출하였다. 연계점에서의 무효전력 보상량 결과
그래프는 <그림 4>에 나타내었으며, 접속점에서의 무효전력 보상량 결과 그래프는 <그림 5>에 나타내었다. 첫 번쩨 사례 연구인 연계점에서의 무효전력 공급능력 기준을 만족하기 위한 그래프는 <그림 6>으로 나타낼 수 있다. 연계점에서의 무효전력 공급능력을 만족하기 때문에, 계통연계 기술기준의 그래프를 정확히 만족하는 오각형 그래프로 그려지게 된다.
두 번째 사례 연구인 접속점에서 무효전력 공급능력을 만족하였을 때, 연계점으로 전달되는 무효전력을 비교하였다. 이를 <그림 7>에 나타내었다. 접속점에서 무효전력 공급능력을 평가 기준으로 정하였을 때, 계통 측인 연계점에 전달되는 무효전력을 비교한 그래프는 상대적으로 오른쪽으로
치우치는 경향을 보이게 된다. 접속점에서 현 계통연계 기술기준의 무효전력 공급능력에 맞는 무효전력을 보상하여도, 연계점에서는 무효전력이 기준을 만족하지
못하는 결과를 나타낸 것이다. <그림 6> <그림 7>의 범례는 <표 1>에 색을 구분하여 나타내었다. <그림 6>과 <그림 7>의 무효전력 공급능력 기준에 의한 점들은 연한 색으로 구분하였다.
그림 4. 연계점에서 무효전력 공급능력을 만족하기 위해 필요한 접속점에서의 무효전력 보상량
Fig. 4. The required reactive power compensation at the point of connection to meet
the reactive power capability at the point of interconnection
그림 5. 접속점에서 무효전력 공급능력을 만족하기 위해 필요한 접속점에서의 무효전력 보상량
Fig. 5. The required reactive power compensation at the point of connection to meet
the reactive power capability at the point of connection
그림 6. 계통연계 기술기준의 무효전력 공급능력에 따른 연계점에서의 무효전력 공급능력 결과
Fig. 6. Results of reactive power capability at the point of interconnection according
to the reactive power capability requirements of grid codes
그림 7. 접속점에서 무효전력 공급능력을 만족할 때, 연계점에서 무효전력 공급능력 결과
Fig. 7. Results of reactive power capability at the point of interconnection to meet
the capability at the point of connection
표 1 <그림 6>과 <그림 7> 범례 구분
Table 1 Legend Distinction of Figure 6 and Figure 7
또한, <그림 4>와 <그림 5>의 무효전력 보상량을 통해 식 (3)과 (4)를 통해 무효전력 보상설비에 따른 각각의 보상량을 계산하여 <표 2>에 나타내었다. 연계점에서의 병렬 리액터와 STATCOM 용량은 각각 4266.611MVAr, 1156.201MVAr, 접속점에서의 병럴 리액터와
STATCOM 용량은 각각 3918.304MVAr, 981.321MVAr로 계산되었다. <표 3>에는 연계점과 접속점에서의 무효전력 보상량이 가장 많은 경우와 가장 적은 경우의 $V_{Q\max}$, $V_{Q\min}$과 $Q_{\max}$,
$Q_{\min}$의 결과를 나타내었다.
표 2 무효전력 보상설비 용량 계산 결과
Table 2 Calculation results of reactive power compensation equipment capacity
|
|
연계점
|
접속점
|
|
병렬 리액터
|
4266.611MVAr
|
3918.304MVAr
|
|
STATCOM
|
1156.201MVAr
|
981.321MVAr
|
표 3 필요 리액터 용량이 최대·최소인 경우 전압 및 무효전력 필요 보상량
Table 3 Voltage and required reactive power compensation in cases of maximum and minimum
reactor capacity
|
|
연계점
|
접속점
|
|
$V_{Q\max}$[pu]
|
1.07187
|
1.088682
|
|
$V_{Q\min}$[pu]
|
0.974163
|
0.948004
|
|
$Q_{\max}$[MVAr]
|
6141.2295
|
5712.4326
|
|
$Q_{\min}$[MVAr]
|
2922.6575
|
2591.1287
|
한편, <그림 4>와 <그림 5>의 그래프의 양상이 다른 것을 확인할 수 있다. <그림 4>는 연계점에서 계통연계 기술기준을 충족하기 위해 접속점에 필요한 무효전력 보상설량을 산출한 결과이다. 유효전력이 증가함에 따라 필요 무효전력량이
줄어드는 양상을 분석하기 위해, 가장 많은 리액터가 필요한 것으로 산출되는 20% 지점과, 가장 적은 리액터가 필요한 것으로 산출되는 100% 지점을
비교하여 설명하였다.
연계점에 전달되는 무효전력은 접속점에서 연계점으로 전달되는 무효전력과 접속점과 연계점에 연계된 선로의 충전 용량의 합으로 계산된다. 해당 연계점을
기준으로 결과를 산출하였을 때, 연계점의 전압은 일정하게 고정되어 있으므로, 접속점과 연계점에 연계된 선로의 충전 용량 합은 동일하다. 한편, 연계점에
전달되는 전력 조류는 전력 조류 방정식에 따라 연계점의 전압과 접속점에서 연계점 사이에 연계된 선로에 흐르는 전류 공액($I^{*}$)의 곱에 의해
결정되게 되며, 이때 두 모선 사이 연계된 선로의 임피던스에 따라 유효전력 및 무효전력의 손실이 발생하게 된다. 유효전력 출력이 100%일 때는 20%일
때와 비교하여 더 많은 전류가 흘러야 하는데, 이에 따라 선로의 리액턴스(X)에 의해 발생하는 무효전력 손실도 더 크게 증가하게 된다. 즉, 동일한
무효전력을 접속점에 보상하게 되면, 선로에서 발생하는 무효전력 손실에 의하여 접속점에서 연계점으로 전달되는 무효전력량은 더 감소하게 된다. 때문에,
동일한 접속점에서 연계점으로 전달되는 무효전력량을 유지하기 위해서는 조류량이 적어질수록 더 많은 리액터가 필요하게 된다.
반면, <그림 5>는 접속점에서 계통연계 기술기준을 충족하기 위해 접속점에 필요한 무효전력 보상설비량을 산출한 결과이다. 접속점에 직접 연계하여 보상하기 때문에,
해당 무효전력은 손실 없이 모두 접속점에 전달되게 된다. 때문에, 필요한 무효전력 보상량이 크게 줄어들지 않는 양상을 보인다. 이를 검증하기 위해,
각 유효전력 출력이 20%일 때와 100%일 때를 비교한 그림을 <그림 8>과 <그림 9>를 통해 비교하였다. 접속점에서 무효전력 공급능력 범위를 만족할 때, 무효전력을 계통으로부터 흡수하는 조건(계통전압 1.1pu)에서 유효전력 출력이
20%인 경우와 유효전력 출력이 100%인 경우 조류 흐름을 비교하였다. 유효전력 출력이 20%인 경우를 <그림 8>, 100%인 경우를 <그림 9>에 나타내었다.
그림 8. 접속점에서 무효전력 공급능력을 만족할 때, 무효전력을 계통으로부터 흡수하는 조건에서 유효전력 출력이 20%인 경우, 유효전력 및 무효전력
조류
Fig. 8. Active and reactive power flows when absorbing reactive power from the grid
at 20% active power output while meeting reactive power capability at the point of
connection
그림 9. 접속점에서 무효전력 공급능력을 만족할 때, 무효전력을 계통으로부터 흡수하는 조건에서 유효전력 출력이 100%인 경우, 유효전력 및 무효전력
조류
Fig. 9. Active and reactive power flows when absorbing reactive power from the grid
at 100% active power output while meeting reactive power capability at the point of
connection