전혜련
(Hye-Ryeon Jeon)
1iD
최동희
(DongHee Choi)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Control Engineering, Cheongju University, Korea. )
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Inverter-Based Sources (IBR), High Penetration of IBR, Synchronous Condenser, Synchronous Generator, System Inertia, Rate of Changes of Frequency (ROCOF), Frequency Nadir
1. 서 론
최근 기후 변화로 인해 재생에너지 설치가 증가하고 있다. 재생에너지의 설비 비중의 증가뿐만 이니라 계통의 운영에 참여하고 있는 발전 비중 또한 증가하면서
전력 수급문제로 인하여 기존 계통에 설치되어 있던 동기발전기의 운영 수는 감소해야 한다. 동기발전기는 회전체로써 기기 내에 존재하는 관성을 전력 계통에
제공하며 계통 내의 전력을 공급하는 역할을 한다. 따라서, 동기발전기는 주파수를 정상 주파수로 유지하기 위한 발전력 및 예비력을 제공하면서, 계통의
관성까지 제공하여 주파수 안정도에 큰 기여를 해왔다.
하지만, 재생에너지 기반 발전원의 경우, 인버터 기반 발전원 (Inverter-Based Resources, IBRs)으로 이루어져 있어서 일반적으로
계통에 대한 관성 제공이 불가할 뿐만 아니라 계통 보조 기능을 통한 관성 제공을 할 경우에도, 동기기에서 제공해주는 관성의 특성을 완벽히 제공할 수
없는 한계가 존재한다. 재생에너지 에너지원의 경우 풍력, 태양광 등과 같이 변동성이 높은 재생에너지(VRE, Variable Renewable Energy)이기
때문에, 출력에 대한 불확실성이 높아 주파수 안정도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다 [1]. 따라서, 이러한 VRE IBRs의 계통의 영향성이 높아질 경우, 재생에너지의 높은 변동성에 따른 전력 수급 문제뿐만 아니라 운전 중인 동기발전기
감소에 따른 계통 내의 관성의 감소와 주파수 변화율 (ROCOF, Rate Of Change Of Frequency)이 증가하게 된다. 따라서, 발전기
탈락 및 부하 급증과 같은 계통의 사고에 대하여 계통의 주파수 안정도가 감소한다. 특히 계통의 주파수 변화율이 일정 값 이상 증가할 경우 IBR 자체의
보호를 위하여 IBR이 탈락하게 되며, 이는 주파수 안정도에 더욱더 부정적인 영향을 끼치게 된다. 이런 경우, 계통의 연속적인 탈락으로 인하여 계통의
대규모 정전까지 이를 수 있게 된다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 기술적 제도적 시도가 이루어지고 있다. IBR의 스마트 인버터 기능을 요구하여 FFR (Fast Frequency
Response)의 기능으로 보조 서비스 시장에 참여를 가능하게 하며, 기존 동기기 기반 발전원들에 대하여 SIR (Synchronous Inertia
Response) 등과 같은 보조 서비스 시장이 국외에서 개설되었다 [2-4]. FFR의 경우에는 주파수가 변할 때, 계통에 전력을 빠르게 흡수 및 공급해주는 방안이며 ESS 제어나 가상 관성 제어를 활용한다 [5]. 이는 IBR의 빠른 제어 성능 때문에 가능하지만, 재생에너지원에 연계되는 IBR의 특성상, 응답이 제한적이며, 다양한 실패 요인들로 인하여 개선되어야
할 부분들이 많이 있다. SIR은 동기발전기, 동기조상기와 같은 회전체 기반 전기 기기를 통해 계통 내에 관성을 확보시키는 방안이다. VRE IBR이
계통의 수용률이 높아짐에 따라 전력 수급 문제로 동기발전기는 계통 내 운영이 제한적이다. 이러한 상황에서 동기기를 통하여 계통에 관성을 제공해 줄
수 있는 대안으로서 검토되고 있는 것이, 동기조상기이다. 동기조상기는 동기발전기가 가지고 있는 제어 중 하나인 전압조정제어기(AVR, Automatic
Voltage Regulator)를 사용하여 무효전력만을 공급해주는 장치이며 평상시에는 전압조정의 목적 및 계통 보강의 목적으로 활용되며, 상정 사고
시, 주파수가 변화에 대하여 기기의 회전에너지를 활용하여 출력을 내주는 형태로 관성을 제공할 수 있다. 이러한 장점 때문에, 계통의 관성 보강 방안으로
동기조상기가 널리 활용되며, 특히 국내·외적으로 폐지 발전기에 대한 동기조상기 전환의 다양한 사례가 존재하며, 관성 보강을 목적으로 플라이휠을 연계하기도
한다 [6-9].
본 논문에서는 IBR 수용률이 높아진 계통의 폐지 동기발전기의 동기조상기 전환에 대한 주파수 안정도 개선 효과 확인을 위하여 IEEE 39 Bus를
모의 계통 대상으로 확인하였다. 해당 계통에 대하여 IBR의 비율을 20%로 가정하여 주파수 응답의 영향성을 평가하였고, 이를 바탕으로 동기조상기의
다양한 위치 연계에 따른 영향성을 분석하였다. 또한, 계통의 부하를 정전력 부하와 정전류 부하로 가정하여 부하에 따른 주파수 응답에 대해 분석하였다.
마지막으로, 동기발전기의 동기조상기 전환에 따른 주파수 안정도 변화를 검토하기 위하여 동기조상기로의 단순 설비 전환 및 플라이휠 (Flywheel)
연계를 통한 계통 관성 보강 사례에 대하여 분석하였다. 검토한 모든 사례연구는 DIgSILENT사의 PowerFactory® 상용 계통 해석 프로그램을
이용하여 진행하였다.
2. 대상 계통 모델링 및 재생에너지 연계 시나리오
2.1 IEEE 39 Bus Benchmark 시스템
본 논문에서는 신재생에너지 수용률 증대 시 동기발전기의 동기조상기 전환에 대한 영향성을 확인하기 위해 IEEE39 Bus를 모의 계통으로 활용하였다.
그림 1은 IEEE 39 Bus Benchmark System에 대한 단선도 및 IBR 연계에 따른 위치를 나타낸다. 기존 대상 계통 내에 존재하는 동기발전기의
특성과 발전 용량은 표 1과 같이 표현할 수 있다. 이 때, 1번 발전기는 외부 계통을 표현하기 위한 무한모선이다. 해당 계통의 총 부하는 약 6 [GW]이며, 계통 내의
발전설비는 약 5.1 [GVA] 인 계통이다.
그림 1. 재생에너지 연계 IEEE 39 모선 시스템의 단선도
Fig. 1. Single Line Diagram for IEEE 39 Bus Benchmark System with IBR Penetration
표 1 IEEE 39 Bus Benchmark System의 동기발전기
Table 1 Synchronous Generators in IEEE 39 Bus System
|
|
유효전력
[MW]
|
무효전력
[MVAR]
|
복소전력
[MVA]
|
관성상수
H [s]
|
발전소
유형
|
|
G 01
|
1000
|
88
|
10000
|
5
|
계통연계
|
|
G 02
|
521
|
198
|
700
|
4.329
|
원자력
|
|
G 03
|
650
|
205
|
800
|
4.475
|
|
G 04
|
632
|
110
|
800
|
3.575
|
화력
|
|
G 05
|
508
|
166
|
300
|
4.333
|
|
G 06
|
650
|
212
|
800
|
4.35
|
원자력
|
|
G 07
|
560
|
101
|
700
|
3.771
|
화력
|
|
G 08
|
540
|
0
|
700
|
3.471
|
원자력
|
|
G 09
|
830
|
23
|
1000
|
3.45
|
|
G 10
|
250
|
146
|
1000
|
4.2
|
수력
|
2.2 재생에너지 연계 시나리오
재생에너지 수용률에 따른 계통 영향 평가를 위하여 대상 계통의 운영 중인 발전기의 유효전력량의 약 20% 용량인 1318 [MW]에 대하여 인버터
기반 발전원으로 가정하였다. 다양한 재생에너지 발전원 도입 사례를 가정하기 위하여 3개의 대용량 발전단지 및 16개의 소규모 발전원의 연계를 가정하였다.
이 때, 재생에너지 인버터 기반 발전원의 연계 위치 및 용량은 아래 표 2와 같다.
표 2 재생에너지 인버터 기반 발전원 연계 위치 및 용량
Table 2 Capacity and Location of VRE based IBR
|
설치 모선
|
연계 비율
|
|
IBR 20% 연계
|
|
유효전력
[MW]
|
용량 [MVA]
|
|
Bus 03
|
16.475
|
20
|
|
Bus 04
|
|
Bus 07
|
|
Bus 08
|
|
Bus 12
|
|
Bus 15
|
|
Bus 16
|
|
Bus 18
|
|
Bus 20
|
|
Bus 21
|
|
Bus 23
|
|
Bus 24
|
|
Bus 26
|
|
Bus 27
|
|
Bus 28
|
|
Bus 39
|
|
Bus 29
|
351.467
|
360
|
|
Bus 06
|
|
Bus 25
|
2.3 재생에너지 연계에 따른 대상 계통의 주파수 안정도 변화
재생에너지 인버터 기반 발전원 연계 시 전력 수급을 맞추기 위하여 운영 중인 동기발전기의 출력을 조정하는 것이 필수적이다. 이를 위하여, IBR 20%
연계 케이스에는 화력발전기 2대를 폐지하는 것으로 가정하였다. 아울러, 대상 모의 계통 내에서의 주파수 응답에 대한 검토를 위하여, 계통의 전체 유효전력의
약 2.5%, 150 [MW]의 변화를 가정하였다. 또한, 재생에너지의 출력은 정출력 운전을 하는 것으로 가정하였다.
아래 그림 2는 재생에너지 인버터 기반 발전원 연계에 따른 주파수 응답을 나타낸다. 인버터 기반 발전원의 계통의 수용률이 높아짐에 따라 계통 내의 관성이 감소하기
때문에, 부하 변동에 따른 계통 주파수 감소 시 ROCOF가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 계통의 운영 중인 동기발전기 감소에 따라
계통 내의 예비력이 감소하여, 부하 변동 이후 계통의 주파수 최저점 및 준 정상상태의 수렴 주파수 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 계통
내의 주파수 안정도가 하락한 것을 의미한다.
그림 2. IBR 연계 비율에 따른 부하 변동에 대한 주파수 응답
Fig. 2. Frequency Responses with IBR 20% Penetrations when load is increased
3. 동기조상기 연계 위치에 따른 영향성 평가
동기발전기의 동기조상기 전환에 대한 영향성을 분석하기 전에 동기조상기의 연계 위치에 따른 계통의 영향성을 분석하기 위해 IBR 수용률 20%를 가정하여
영향성을 확인하였다. 위치에 따른 영향성을 확인하기 위하여, 발전기 모선을 제외한 모선에 각각 동일한 용량 및 관성의 동기조상기를 설치하여 앞서 제안한
2.5%의 부하 증가에 대한 주파수 변화에 대한 영향성을 분석하였다.
대규모 계통에서 부하는 전압 크기에 의해 소비되는 유효전력과 무효전력이 달라진다. 부하의 응답 특성인 식 (1)과 식 (2)는 전압에 의한 유효전력과 무효전력 소비량을 나타냈다. $P_{0}$,$Q_{0}$,$V_{0}$는 각각 해당 부하의 소모되는 유효전력, 무효전력
및 전압의 초기 값을 나타내며, $p_{1}$~$p_{3}$와 $q_{1}$~$q_{3}$은 각각 정임피던스, 정전류, 정 출력에 대한 비례 계수
값을 의미한다. 이때, 구체적인 부하의 특성이 나타나지 않았을 때, 실제 계통에서는 유효전력의 경우 정전류로 나타내며, 무효전력은 정임피던스로 나타낸다
[11].
따라서, 동기조상기 투입에 대한 동기기의 응답 특성만을 고려하고 부하의 영향성을 배제하기 위해 회전체 부하를 가정한 사례와 동기조상기 투입에 대한
실제 계통에서의 영향성을 검토하기 위해 정전류 부하 사례에 대해 분석했다.
3.1 IBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 주파수 검토
IBR 20% 연계 시 동기조상기의 연계 위치에 따른 동기기의 관성에 대한 계통의 주파수 응답을 분석하기 위해 08 모선, 29에 각각 동기조상기
설치를 가정하였으며, 계통의 부하가 모두 정전력으로 소비되도록 가정하였다.
그림 3은 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 08, 29 모선에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 08 모선의 부하인 Load 08에 대한 응답 특성을
나타낸다. 그림 3 (a)는 부하의 전압을 나타내며, 그림 3 (b)는 부하의 유효전력을 나타낸다. 그림 3 (a)에서 확인할 수 있듯이, 08 모선에 동기조상기를 연계하였기 때문에 BaseCase와 비교했을 때, 모선 08의 전압이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 정전력부하만을 고려하였기 때문에, 부하의 유효전력 소비량은 전압과 상관없이 일정하게 소비하는 것을 확인할 수 있다.
그림 3. IBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 08 모선 전압과 부하의 유효전력
Fig. 3. Bus voltages and load responses at Bus 08 with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그림 4는 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 연계 모선 근처의 부하인 Load 29에 대한 응답
특성을 나타낸다. 그림 4 (a)는 부하의 전압을 나타내며, 그림 4 (b)는 부하의 유효전력을 나타낸다. 그림 4에서 확인할 수 있듯이, 모선 29에 동기조상기를 연계하였기 때문에 BaseCase와 비교했을 때, 모선 29의 전압이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 모선 08에 연계의 경우와 비교하였을 때, 모선 29의 전압상승이 크지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 동기조상기의 연계 지점에 따라 전압안정도에
대한 영향성이 다르다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 부하의 특성을 정 출력으로 가정하였기 때문에 전압 변동 상황에서 부하의 유효전력 소비량은 전압과
상관없이 가정된 출력량으로 일정하게 향상됨을 확인할 수 있다.
그림 4. IIBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 29 모선 전압과 부하의 유효전력
Fig. 4. Bus voltages and load responses at Bus 29 with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그림 5는 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 08, 29 모선에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 부하와 발전기의 동적 특성을 나타냈다. 그림 5 (a)는 부하의 총 유효전력 소비량을 나타내며, 그림 5 (b)는 발전기의 유효전력을 출력량을 나타낸다. 그림 5에서 확인할 수 있듯이, 계통의 부하가 정 출력으로 가정돼서 전압과 상관없이 소비량이 일정한 경우, 발전기의 출력 또한 일정하게 출력됨을 확인할 수
있다.
그림 5. IBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 계통의 전력 수요와 공급
Fig. 5. Grid’s Supply and Demand Electricity responses with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그림 6은 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치하고 부하의 유효전력을 정 출력으로 가정하였을 때 주파수 응답을 나타낸다. 전체
부하 소비량과 총 발전량이 일정한 상황에서 동기조상기 설치는 계통의 관성을 증가시키는 역할을 해준다. 따라서 그림 6에서 확인할 수 있듯이 BaseCase와 비교했을 때, 주파수 최저점이 상승뿐 아니라 주파수 최저점까지의 시간이 지연된 것을 알 수 있다. 따라서,
정 출력 상황에서 주파수 응답은 동기조상기의 연계 위치와 상관없이 주파수 응답이 일정하다는 것을 확인할 수 있다.
그림 6. IBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 모선 08번, 모선 29번에 동기조상기 설치 가정시 주파수 응답
Fig. 6. Frequency Response with respect to the installation locations of SC by Considering
the 20% Penetration of IBR when Constant Power load model is applied
3.2 IBR 20% 연계 시 정전류 부하에 고려한 주파수 검토
IBR 20% 연계 시 동기조상기의 연계 위치에 따른 실제 계통에서의 주파수 응답을 분석하기 위해 모선 08, 29에 각각 동기조상기 설치를 가정하였으며,
계통의 부하를 실제 계통을 기반으로 유효전력은 정전류로, 무효전력은 정 임피던스로 설정하였다.
그림 7은 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 연계 모선 근처의 부하인 Load 08에 대한 응답
특성을 나타낸다. 그림 7 (a)는 부하의 전압을 나타내며, 그림 7 (b)는 부하의 유효전력을 나타낸다. 그림 7에서 확인할 수 있듯이, 08 모선에 동기조상기를 연계하였기 때문에 BaseCase와 비교했을 때, 모선 08의 전압이 상승하는 것을 확인할 수 있으며
이로 인해, 부하의 유효전력량이 다른 사례에 비해 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 정 출력 부하를 가진 계통과 비교했을 때, 부하의 소비전력량이
모든 사례에서 감소하는 것을 알 수 있다.
그림 7. IBR 20% 연계 시 정전류 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 08 모선 전압과 부하의 유효전력
Fig. 7. Bus voltages and load responses at Bus 08 with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그림 8은 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 연계 모선 근처의 부하인 Load 29에 대한 응답
특성을 나타낸다. 그림 8 (a)는 부하의 전압을 나타내며, 그림 8 (b)는 부하의 유효전력을 나타낸다. 그림 8에서 확인할 수 있듯이, 29번 모선에 동기조상기를 연계하였기 때문에 BaseCase와 비교했을 때, 모선 29의 전압이 상승하는 것을 확인할 수
있으며, 이로 인해 부하의 유효전력량이 상승함을 확인할 수 있다.
그림 8. IBR 20% 연계 시 정전류 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 29 모선 전압과 부하의 유효전력
Fig. 8. Bus voltages and load responses at Bus 29 with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그러나, 08 모선에 동기조상기를 연계한 경우와 비교했을 때, 전압 상승의 차이가 크지 않아 부하의 유효전력량 크기도 미미함을 알 수 있다. 따라서,
동기조상기 연계 위치에 따라 모선에 보상되는 전압의 크기가 달라지며 이는 부하의 유효전력에 영향이 있음을 확인할 수 있다.
그림 9는 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치될 경우를 가정하였을 때, 부하와 발전기의 동적 특성을 나타냈다. 그림 9 (a)는 부하의 총 유효전력 소비량을 나타내며, 그림 9 (b)는 발전기의 유효전력 출력량을 나타낸다.
그림 9에서 확인할 수 있듯이, 동기조상기 연계가 모선 전압을 안정적으로 조정하며, 이는 모선에 연계된 부하의 전압의 상승으로 이어져 부하의 총 유효전력
상승의 결과가 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 동기조상기가 모선 8과 모선 29에 연계된 결과를 비교했을 때, 부하의 소비량이 증가하는 양에 따라
발전기의 출력량 또한 증가함을 알 수 있다.
그림 9. IBR 20% 연계 시 정전력 부하를 고려한 동기조상기 연계 위치에 따른 계통의 전력 수요와 공급
Fig. 9. Grid’s Supply and Demand Electricity responses with respect to the installation
locations of SC by Considering the 20% Penetration of IBR when Constant Power load
model is applied
그림 10은 IBR 20% 연계 시 동기조상기를 모선 08, 29에 각각 설치하고 부하의 유효전력을 정전류로 가정하였을 때 주파수 응답을 나타낸다. 그림 10에서 확인할 수 있듯이 동기조상기 추가로 인해 주파수 최저점 도달 시간이 지연된 것을 확인할 수 있으며, 또한 설치 위치는 다르지만 연계된 동기조상기의
용량 및 관성이 동일하기 때문에 주파수 하락 시 동일한 주파수 변화율을 가지는 것을 확인할 수 있다.
그림 10. IBR 20％ 연계 시 모선 08번, 29번에 동기조상기 설치 및 정전류 부하 가정 시 주파수 응답
Fig. 10. Frequency Response with respect to the installation locations of SC by Considering
the 20% Penetration of IBR when Constant Power load model is applied
따라서, 모선별 동기조상기 연계 위치에 따라 주파수 응답이 달라지는 이유는 일반적인 부하의 경우 동기조상기 응답으로 인해 모선의 전압이 상승함에 따라
ZIP 부하의 유효전력 소비량이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 그림 10에서 확인할 수 있듯이 주파수 변동 시의 ZIP 부하의 연계 모선의 전압 증가에 따른 부하의 자연 감소분이 줄어들어, 계통의 주파수 응답에 부정적인
영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나, 정전력 부하일 경우, 주파수 변동 시 부하의 유효전력량이 변하지 않는다. 이는, 계통의 주파수 변동에 대한
응답이, 계통 내의 동기기의 영향만을 받는 것을 의미하며, 주파수 최저점의 경우 정전류 부하만을 고려하였을 때 더욱 감소한다. 하지만 동기조상기 투입
시 계통 내의 동기기 증가로 인하여 그림 6과 같이 주파수 개선 효과가 있는 것으로 판단된다.
4. 폐지 동기발전기 동기조상기 전환사례 검토
실제 계통에서 ZIP 부하모델이 정전력 모델만으로 이루어지는 경우는 없으므로, 유효전력은 정전류, 무효전력은 정임피던스로 가정하여 전환사례를 검토하였다.
4.1 IBR 20% 연계 시 동기조상기 전환사례 검토
계통에 IBR이 20% 연계를 가정하였을 경우, 1개의 화력발전기와 1개의 원자력 발전기의 폐지를 가정하였다. 이때, 동기발전기에서 동기조상기로 전환되는
발전기는 화력 발전을 하는 기기로 한정하였다. 따라서 해당 계통의 특성을 고려하였을 때, 폐지 후 전환이 가능한 발전기는 04, 05, 07 발전기이며,
해당 발전기의 전환을 아래 표 3과 같이 정의하였다. Case 1의 경우 재생에너지 인버터 기반 발전원의 20% 수용을 가정한 기본 사례이며, Case 2, 3, 4의 경우 동기조상기
전환 발전기에 따른 사례이다.
표 3 IBR 20％ 연계 시 동기조상기 전환사례
Table 3 Case Studies for converting SG into SC by considering the 20% Penetration
of IBR
|
Case
|
IBR 투입률
|
폐지 발전기
|
동기조상기
전환 발전기
|
Flywheel 보강 유무
|
|
1
|
20%
|
-
|
-
|
-
|
|
2
|
G 04, G 08
|
G 04
|
X
|
|
3
|
G 05, G 08
|
G 05
|
|
4
|
G 07, G 08
|
G 07
|
그림 10는 1대의 폐지 발전기를 동기조상기로 전환하였을 때 주파수 응답을 나타낸다. 주파수 최저점의 경우, 앞선 위치에 대한 영향성에서 확인할 수 있듯이,
전환되는 발전소의 영향에 따라 그 주파수 응답에 대한 영향성이 다른 것을 확인할 수 있다. 동기조상기 설치 시 계통의 관성모멘트 증가로 인한 주파수
하락 시의 지연을 확인할 수 있다. 다만 주파수 최저점의 경우, 동기조상기가 연계된 모선 근처 부하의 유효전력 응답량에 의해 주파수 최저점에 부정적인
영향을 끼치는 것으로 판단된다.
그림 10. IBR 20% 연계 시 동기조상기 전환 시 사례별 주파수 응답
Fig. 10. Frequency Responses for SC Conversion by Considering the 20% Penetration
of IBR
그림 13은 IBR 20% 연계 시 동기조상기 전환사례별 동기조상기의 출력을 나타낸다. 그림 10에서 확인할 수 있듯이, 동기조상기 투입에 따라 계통의 부하 변동 시 무효전력이 공급되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 10의 (a)인 동기조상기의 유효전력 그래프의 값이 동기조상기에 의한 관성 응답임을 확인할 수 있다.
Fig. 11 Active and Reactive Power Responses of SC by Considering the 20% Penetration
of IBR
4.2 IBR 20% 연계 시 동기조상기 관성 보강 전환사례 검토
국외 동기조상기 전환사례를 검토하여 보았을 때, 일반적인 동기발전기의 관성상수는 3~5 [s]이며, 이를 전환하였을 경우, 관성상수는 크게 변하지
않는다. 따라서 계통 내의 관성 증가를 위하여, 동기조상기 전환 시 Flywheel을 부착하여 관성을 보강하여 전환하는 것이 일반적이다. Flywheel을
통하여 관성을 보강할 경우, 관성상수는 7~8 [s]로 증가시킬 수 있다 [12-15]. 따라서, 본 논문에서는 계통의 동기조상기 전환 시 Flywheel을 계통 관성 보강 전환에 대하여 검토를 진행하였다.
아래의 표 4는 IBR 20% 연계 시 동기조상기 관성 보강 전환사례를 가정한 것이며, Case 5, 6, 7의 폐지 발전기 및 전환 발전기는 4.2절 Case
2, 3, 4의 전환사례와 동일하다. 다만 본 절의 사례에서는 Flyweheel을 통한 동기조상기 전환 시 관성 보강을 가정하였다.
표 4 IBR 20％ 연계 시 동기조상기 관성 보강 전환사례
Table 4 Case Studies for converting SG into SC with Flywheel by considering the 20%
Penetration of IBR
|
Case
|
IBR 투입률
|
폐지 발전기
|
동기조상기 전환 발전기
|
Flywheel 보강 유무
|
|
5
|
20%
|
G 04, G 08
|
G 04
|
O
|
|
6
|
G 05, G 08
|
G 05
|
|
7
|
G 07, G 08
|
G 07
|
그림 12는 1대의 폐지 발전기를 동기조상기로 관성을 보강하여 전환하였을 경우 주파수 응답을 나타낸다. 동기조상기로 변환하였을 경우, 주파수 응답의 특징은
4.2절에 나타난 특징과 동일한 것을 확인할 수 있다. 특히 Case 5, 6의 경우, 폐지 발전기 중 한 개의 동기발전기를 전환하였고, 해당 발전기의
전기적 거리가 가까워 부하 변동 시, 전압 보상을 통한 관성 응답 개선 효과에 따라 주파수 최저점이 상승한 것을 확인하였다, 관성 보강에 따라 주파수
최저점 응답 특성이 달라진다.
그림 12. IBR 20% 연계 시 동기조상기 관성 보강 전환사례별 주파수 응답
Fig. 12. Frequency Responses converting SG into SC with Flywheel by Considering the
20% Penetration of IBR
표 5 IBR 20％ 연계 시 동기조상기 전환 및 관성 보강에 대한 주파수 최저점 및 주파수 변화율
Table 5 Frequency Nadir and ROCOF for converting SG into SC by considering the 20%
Penetration of IBR
|
Case
|
Frequency nadir
[Hz]
|
ROCOF
[Hz/sec]
|
|
1
|
59.410
|
0.05627
|
|
2
|
59.408
|
0.05505
|
|
3
|
59.407
|
0.05519
|
|
4
|
59.405
|
0.05546
|
|
5
|
59.411
|
0.05350
|
|
6
|
59.410
|
0.05416
|
|
7
|
59.408
|
0.05423
|
표 5는 IBR 20% 연계 시 동기조상기 전환 및 관성 보강 전환사례에 대한 주파수 최저점 및 주파수 변화율을 나타낸다. 주파수의 최저점은 연계된 모선
전압의 부하 응답 특성에 영향을 끼쳐, 동기조상기의 전환 위치에 따라 영향을 받을 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 표의 ROCOF 값은 사고에서부터
주파수 최저점까지의 주파수 변화율 중 최대값을 나타낸다. ROCOF의 경우, 동기조상기로 전환 및 보강 시 계통 내의 관성모멘트 증가로 인하여 그
값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
5. Conclusion
본 논문은 재생에너지 인버터 기반 발전원 도입에 따른 폐지 화력발전기의 동기조상기 주파수 안정도 영향성에 대한 분석을 진행하였다. 이를 위하여 IEEE
39 Bus Benchmark System에 재생에너지 인버터 기반 발전원 (Inverter-Based Resources, IBR) 20%를 가정에
대하여 다양한 폐지 화력 발전의 전환 및 보강사례를 가정하여 영향성을 확인하였다.
이를 위하여 먼저 동기조상기의 연계 위치에 따른 영향성을 분석하였다. 이때, 계통의 부하의 영향성을 고려하기 위해 정전력과 정전류를 고려한 두 가지
분석을 진행하였다. 동기조상기의 모선의 전압 보강 효과로 인하여 계통의 주파수 변화 시, ZIP 부하의 응답량이 달라질 경우, 동기조상기 설치에도
불구하고 주파수 응답이 하락할 수 있는 것을 확인하였다.
이를 바탕으로 IBR 20% 연계 시 동기조상기 전환에 따른 영향성을 분석하기 위하여, ZIP 부하모델을 고려하여 분석하였다. 계통 내의 IBR의
연계 비율이 올라갈수록 계통 내의 관성이 감소하여 주파수 안정도가 감소하나, 동기조상기가 계통에 연계될 경우, 계통 내 관성모멘트 증가로 인한 주파수
변화율은 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 하지만 주파수 최저점에 대한 영향은, 동기조상기의 연계 위치에 따라 부하 응답량의 차이로 인하여 주파수 최저점에
부정적인 영향을 끼칠 수 있음을 확인하였다. 이는 동기조상기 전환 시, 적절한 관성 보강을 통하여 개선될 수 있는 것으로 판단된다.
Acknowledgements
This research was supported in part by Basic Science Research Program through
the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education(2022R1C1C1005975)
and by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation, and in part by Planning
(KETEP) grant funded by the Korea government (MOTIE) (20223A10100030, Development
of Synchronous Condenser Model and Power System Inertia Operating Technology).
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저자소개
He received the B.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from the School
of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Seoul, South Korea, in
2012 and 2017, respectively. From 2017 to 2018, he was a Postdoctoral Research Associate
with the School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University. He was
one of few who had been selected for Postdoctoral Training (Fostering Next-generation
Researcher Program, in 2017) of National Research Foundation (NRF) in South Korea.
He was also a Manager with the Energy Storage System (ESS) Team, Smart Energy Unit,
Future Convergence Business Office, Korea Telecom(KT), Seoul. He is currently an Assistant
Professor of Department of electrical and control engineering, Cheongju University,
Cheongju-si, South Korea. His research interests include power system dynamics, power
system stability, and operation and control and stand- alone microgrid operation.
E-mail: heechoi@cju.ac.kr
She received B.S. degree in Department of electrical and control engineering from
Cheongju University, Cheongju-si, South Korea, in 2022.
She has been studying as M.S in same university. Her research interests include
power system dynamics, power system stability, and operation and control and stand-alone
microgrid operation.
E-mail: 2022020032@cju.ac.kr