1. 서론

최근의 전력계통은 빠른 산업화와 기술발전에 의해 지속적으로 부하수요가 증가하고 있으며, 전력전자 기술의 발전으로 인해 부하의 성능 특성이 변화하고 있다. 모터부하의 특성을 가지고 있는 고효율의 전력전자 기기의 보급이 증가하면서, 이들이 시스템에 직접적으로 연결되고 있다. 모터부하의 비중이 증가하게 되면 에너지 이용효율을 저하시켜 전력을 안정적으로 공급하는데 악영향을 미칠 수 있으며, 전력시스템의 관성을 감소시키는 결과를 초래하여 안정도를 저하 시키게 된다. 특히, 모터부하가 집중적으로 설치되어 있는 지역의 경우 무효전력이 크게 소모되어 전압 불안정 현상과 계통의 사고 발생 시 전압이 느리게 회복되는 FIDVR(fault induced delayed voltage recovery) 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상은 사고 제거 후에도 전압이 몇 초 동안 낮은 수준 상태로 유지되는 현상으로, 전압이 빠른 시간 안에 붕괴되어 전압 불안정을 야기 시킬 수 있다. 이러한 단기 전압 안정성의 문제인 FIDVR 현상이 최근 전력계통 전압안정도 분야에서 중요 이슈로 부각되고 있다^(1,2).

FIDVR 현상은 단상 HVAC 기기의 급증으로 인해 발생하고 있다고 보고되고 있다. 단상 모터 부하의 낮은 관성 특성에 의해 스톨이 발생할 경우 정상전류의 4∼6배에 달하는 전류가 흘러 모터가 소손된다. 이러한 경우 동기 탈조가 발생하며, 급격한 무효전력 소모를 초래하여 전압을 복구 할 수 없는 상태에 이르게 한다. FIDVR 현상은 무효전력의 부족으로 발생하게 되는데, 이는 계통의 임피던스를 증가시켜 사고 발생 시 해당지역의 모든 모터 부하가 정지하는 결과를 초래하여 광역정전으로 발전할 수 있게 된다^(3-6).

FIDVR 현상은 산업, 상업 및 주거용 모터 부하가 집중된 지역에서 무효전력을 충분히 공급해 줄 수 있는 자원 및 설비의 부족으로 인해 발생하며, 계통의 전압이 점진적으로 강하하는 형태로 나타난다. 이러한 FIDVR 현상을 완화하기 위해서 다양한 대응 방안을 활용할 수 있다. 수요측면에서는 계전기의 작동 시간을 재설정하여 사고 제거 시간을 단축 할 수 있는 방안과 부하차단을 수행하여 계통의 전압을 안정화 시키는 방안이 있다. 공급측면에서는 무효전력의 보상을 위해 FACTS(Flexible AC Transmission System)를 활용하는 방안이 있다. 순동 무효전력 보상기기인 FACTS는 다이나믹 전압을 제어함으로써 계통의 댐핑을 향상시켜 전력시스템의 과도안정도를 개선시킬 수 있다^(7-10).

이에 본 논문에서는 FACTS기기 중에서 사고 발생 시 전압을 보상해주는 역할을 수행하여 효과적으로 계통을 제어할 수 있는 STATCOM(STAtic synchronous COMpensator)을 투입하여 FIDVR 현상을 완화시키는 제어 전략에 대한 연구를 수행한다. STATCOM의 활용을 위해 기기의 특성을 분석하고 전압을 회복시켜 전압안정도를 향상시키는 방안을 제안한다. 이를 위해 제안한 방안을 실제 한전 계통에 적용하여 FIDVR 현상 완화에 대한 효용성을 분석한다.

2. STATCOM 활용 방안

계통의 외란이 발생하면 무효전력수급이 변하여 전압이 변동되게 된다. 이러한 경우 발전단 부근에서 과도적으로 유효전력수급 불균형이 발생해 발전기가 가속하여 탈조를 일으키고 전력계통으로부터 분리된다. 이를 방지하기 위해 기존에는 동기조상기, 병렬 콘덴서등을 통해 무효전력을 제어하여 전압을 조정하는 방법을 사용하였다. 그러나 동기조상기는 유지 보수가 힘들며, 그 외의 장치는 응답속도가 느린 단점이 있다. 이러한 기술적인 한계를 극복하기 위해 보수가 용이하고 고속의 정밀한 전압 및 무효전력 제어가 가능한 정지형 무효전력 보상장치가 개발되었다. 대표적인 무효전력 보상장치가 STATCOM이다. STATCOM은 자려식 전력소자를 사용하여 병렬 콘덴서나 리액터를 제어하지 않고, 전압원 인버터를 이용하여 무효전력을 공급한다. STATCOM은 전력의 손실을 최소화하며 시스템의 댐핑을 향상시키고 유연한 제어 및 작동을 제공함으로써 시스템의 안정성을 향상 시키는데 활용된다^(11,12). 다음 그림. 1은 STATCOM의 구성도를 나타낸다.

STATCOM의 DC 커패시터에서 커플링 변압기를 통해 계통 전압과 동기화 된 3 상 전압을 생성함으로써 전력 시스템의 정적 및 동적 전압 안정성을 향상시키고 버스 전압을 허용 범위 내로 유지시킨다. 전압 조절의 경우, STATCOM의 전압 소스 변환기(VSC)를 통해 전원 시스템에 주입되거나 흡수되는 무효 전력량을 제어하여 커플링 변압기 지점에서 전압을 조정한다. 정상 상태 작동 중에는 DC 커패시터를 통해 VSC에서 생성 된 전압 Vc가 시스템 전압 V와 동상이 되어 무효전력 Qc만 흐르게 된다. 시스템의 전압이 높으면 STATCOM은 무효전력을 흡수하는 유도성 모드로 동작하고 시스템 전압이 낮으면 무효전력을 생성하는 용량성 모드로 동작하여 시스템에 무효전력을 주입한다. 무효전력량은 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다^(11-12).

여기서, Q_c : 무효전력

V : 시스템 전압 V_c : STATCOM 전압 X : 커플링 변압기 임피던스

STATCOM이 향상된 전압 지원을 제공하고 저전압에서 더 많은 무효 전력을 제공함으로써 전압 안정성 마진을 향상시키는데, 이는 다음 그림. 2의 STATCOM V-I 및 V-Q 특성곡선을 통해 나타낼 수 있다.

그림. 2(a)에서의 청색영역은 STATCOM의 운전영역을 의미한다. X축의 왼쪽영역은 용량성 모드, 오른쪽 영역은 유도성 모드를 의미한다. Y축은 제어가능한 계통 전압을 의미한다. 즉, 출력 전압이 교류 계통의 전압보다 높으면 진상 전류가 흘러서 콘덴서 부하(capacitive mode)의 역할을 하며, 계통 전압보다 낮으면 지상 전류가 흘러 유도성 부하(inductive mode)의 역할을 하게 된다. 이 경우 전압의 차이에 의해 전류치가 결정되고 무효전력 보상량이 결정된다. 그림. 2(b)에서의 청색영역은 STATCOM이 무효전력을 제어할 수 있는 범위를 의미한다. X축은 제어가능한 무효전력용량을 의미하는데, 이는 STATCOM의 연속적인 정격을 의미한다. Y축은 무효전력제어를 통하여 제어할 수 있는 계통 전압을 의미한다. 계통이 저전압 상황일 때, 무효전력출력이 줄어들게 된다.

STATCOM은 AC 커패시터나 리액터가 없기 때문에 컨버터의 손실이 없다고 가정한다면 그림. 2에서와 같이 출력 전류의 최대값은 전압의 크기와 무관하다. 따라서 STATCOM이 계통에 공급하는 무효전력의 용량은 전류가 일정하므로 무효전력용량은 전압에 비례한다. STATCOM은 기본적으로 직류 축전용 콘덴서로 구동되는 인버터로 구성 되어있으며 3상 출력전압은 교류계통 전압과 위상이 일치한다. 등가적으로는 크기와 위상을 신속하게 조절할 수 있으며, 전압 위상을 변압기 누설 리액턴스를 통하여 계통에 인가한다.

계통의 선간 전압이 평형인 경우, 계통으로부터 STATCOM으로 유입되는 유효전력의 합계는 항상 0이다. 그러므로 STATCOM은 전력용 콘덴서나 리액터와 같은 에너지 저장요소를 필요로 하지 않으며, 사고시의 전압불평형으로 인한 고조파발생분의 흡수를 위해 평활용 콘덴서를 설치한다. STATCOM을 적용하여 계통의 정상상태 해석을 위해서는 정적 모델이 필요하다. 본 논문에서는 주입(injection) 모델을 활용하여 FIDVR 현상의 완화를 위해 STATCOM을 무효전력 취약 개소에 투입한다. 그림. 3은 STACOM의 주입모델을 나타낸다.

3. 전압안정도를 고려한 STATCOM 투입 방안

전력계통에는 전압 수준에 따라 전력을 수송할 수 있는 한계점이 존재하는데 이는 계통 임피던스에 의한 전압의 저하 때문이다. 특히 모터부하와 같은 일정 전력 특성(constant power)을 갖는 부하가 많은 부분 차지하게 되면 전력계통에 전압 불안정 현상이 발생하게 된다. 전압 불안정 현상에 대한 분석을 위해 정적 해석 방법을 통한 심각한 사고 및 취약지역을 결정하여 이를 상세 동적 모의를 통해 검증 하는 방법을 활용할 수 있다. 그림. 4는 본 논문에서 수행하는 전압안정도 해석을 위한 절차를 나타낸다. 전압안정도 평가를 위해 먼저 유효전력 여유(PV)해석을 수행하여 전압안정도 여유 기준을 만족하지 않은 사고를 상정고장으로 결정한다. 유효전력 여유 해석은 계통의 부하와 모선 전압과의 관계를 나타내는 곡선을 작성하여 전압 안정도 여유를 산정하는 해석 기법이다. 계통의 부하가 증가함에 따라 계통내의 전압은 모선별로 다양하게 나타난다. 계통내의 모든 모선에서의 전압 붕괴점은 특정 모선전압에 관계없이 동일한 부하수준에서 발생하게 된다. 유효전력 여유 해석은 계통이 수치적으로 정확히 표현된 조류계산 데이터를 바탕으로 수행된다. 조류계산 데이터와 부하모델을 바탕으로 해석을 수행하게 될 경우, 조류 계산이 수렴하지 않는 경우가 일반적으로 전압 불안정 운점점이 된다. 다음으로 무효전력 여유(QV) 해석을 통해 심각한 상정고장에 대하여 전압안정도 관점에서의 취약위치를 선정한다. 무효전력 여유 해석은 전압 불안정 현상이 부하단의 무효전력 수급 악화로 인해 발생한다는 점에 초점을 두고 해석을 수행한다. 무효전력 해석을 통해서 계통의 무효전력 측면에서의 전압 안정성을 검토할 수 있으며, 전압 붕괴의 가능성이 있는 취약한 지점을 파악하여 적절한 대응방안을 적용할 수 있는 위치를 선정할 수 있다. 이후 상세 시간모의를 통해 과도 영역에서의 모선의 상태 변화를 관찰한다. 안정도 해석을 위한 동적 모의를 통해 계통에 사고 발생 시 모터부하에 의한 FIDVR 현상을 관찰한다. FIDVR 현상이 관찰될 경우 STATCOM을 투입하여 계통의 전압을 빠르게 회복시켜 FIDVR 현상을 완화시킨다. STATCOM 투입에 의한 영향을 분석하기 위해 모선의 변화 여부를 분석하여 계통의 안정화 여부를 판단한다.

4. 사례연구

본 논문에서는 실제 한전 계통 데이터를 이용하여 사례연구를 수행한다. 한전 계통은 전체 부하의 약 42%이상이 수도권 지역에 집중되어 있어 발전량이 많은 비수도권지역에서 전력을 공급하는 특징을 가지고 있다. 수도권에 전력을 공급하기 위한 장거리 송전선로인 융통선로에 사고가 발생하면 수도권 지역에서의 무효전력의 공급 능력 부족으로 인해 전압 불안정 문제가 발생할 수 있다. 계통에서 많은 부분을 차지하고 있는 모터부하(주거 및 상업)는 수도권지역에 밀집되어 있어 사고 발생 시 전압 지연 회복 현상이 발생할 수 있다. 전압 지연 회복 현상의 완화 여부는 모선의 변화를 관찰하여 판단하는데 완화 될 경우 전압이 빠르게 회복될 것이다. 반면, 전압 지연 회복 현상이 발생했다고 판단되는 경우에는 적절한 조치를 취해야 하는데, 본 논문에서는 무효전력 보상기기의 투입을 활용한다. 사례 연구를 위해 하계 첨두 부하 데이터를 기반으로 동적 모의를 수행하였다.

그림. 5는 계통에 사고 발생 시 적절한 제어가 취해지지 않은 상태에서 모터부하의 기기적인 특성에 의해 발생하는 전압 회복 지연 현상을 나타낸다.

가장 심각한 사고가 발생하게 되면 모터부하가 급격하게 무효전력을 소모하여 전압 강하를 유발하게 된다. 모터부하는 일반 부하에 비해 많은 양의 무효전력을 순간적으로 흡수하는 회전자 구속 전류 상태가 되면 슬립이 1로 증가하게 된다. 이는 모터부하의 스톨에 의해 모터부하의 기계적인 출력과 전기적인 출력 토크 곡선이 교차하지 않아 정상 속도로 회복되지 않기 때문이다. 또한, 임피던스의 증가로 인해 모터의 속도가 현저히 감속하게 된다.

무효전력 보상을 위한 STATCOM의 투입 위치를 선정하기 위해서 QV 해석을 수행한다. 가장 심각한 고장인 765kV 신안성-신서산 사고에 대한 취약 지점을 선정하기 위해 QV 해석을 수행한 결과는 다음 표 1과 같다.

심각한 사고에 대한 취약 위치를 선정한 결과 주로 수도권 동부 지역이 도출되었다. FIDVR 현상이 무효전력의 수급 악화에 의해 발생한다는 점에서 표 1에서 선정된 위치에 전압 불안정을 제거하기 위해 STATCOM을 투입 후보지로 1700, 2500, 4700, 2750 모선을 고려하였으며 투입용량은 다음 표 2와 같다.

기존에 STATCOM이 설치되어 있는 경우, 용량을 ±400Mvar로 변경하여 모의하였다. 또한, 투입 대상 모선은 345kV모선으로 제한하였으며, 각 모선에 실제 설비가 투입이 가능한지 여부는 고려하지 않았다. 신안성-신서산 사고 시 수도권으로 유입되는 조류량이 감소되므로 인근 지역인 4700모선에 직접 STATCOM을 투입하거나, 수도권의 동부지역으로 유입되는 조류량이 증가할 수 있도록 1700, 2500에 투입하는 것이 효과적이라고 볼 수 있다.

그림. 6은 계통에 사고 발생 시 STATCOM을 투입한 이후의 모선의 상태 변화를 나타낸다. STATCOM에 의한 무효전력 보상 후 계통의 전압 지연 회복 현상을 관찰한 결과, 전압 지연 회복 현상이 완화되는 것을 볼 수 있다. 또한, 모터부하의 슬립이 0으로 향하면서 기계 및 전기적인 출력 토크가 교차하여 정상속도로 회복된다. 또한, 모터 속도가 감속하지 않아 재기동을 통해 계통이 안정화되는 모습을 보이고 있다. 사례연구를 통해 STATCOM 활용하는 방안이 계통안정화를 달성할 수 있음을 확인하였으며, 전압 지연 회복 현상을 완화시켜 제안 방안의 효용성을 입증하였다.

5. 결 론

본 논문에서는 STATCOM을 투입하여 FIDVR 현상을 완화시켜 계통의 전압안정도를 향상시키는 제어 전략에 대한 연구를 수행하였다. 모터부하의 비율이 계통 내에 차지하는 비율이 높아져 가는 추세이므로, 모터부하를 고려할 경우 스톨에 의한 무효전력의 소모로 인해 전압이 지연 회복되는 현상이 발생한다. 또한, 소형 HVAC 기기의 낮은 관성 특성은 계통에 사고 발생 시 스스로 분리되지 않아 계통의 전압 불안정을 야기시킨다. 이를 위해 정적 및 동적 분석을 통해 STATCOM을 효율적으로 활용하기 위한 제어 전략을 수립하였다.

본 논문에서는 안정도 측면을 위주로 연구를 수행하였는데, 실제적인 무효전력 보상기기를 투입을 위해서는 경제성 측면도 고려되어야 한다고 본다. 또한, 논문에서 적용한 상정고장이 계통에 미치는 영향이 매우 크므로, 향후에는 다양한 상정고장을 적용하여 그에 대응할 수 있는 활용 방안 및 제어 전략에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.