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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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Research article

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The Transactions P of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEEP Vol. 72P, No. 04, p.326-330

ISSN (print) :

1229-800X

ISSN (online) :

2586-7792

Received : 19 November 2023Revised : 27 November 2023Accepted : 28 November 2023

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEEP.2023.72.4.326

양주 200MW BTB VSC HVDC의 최적 운전점 선정에 관한 연구

A Study on Selection of Optimal Operating Point of Yangju 200MW BTB VSC HVDC

이환익 (Hwanol Lee) ¹iD 현두수 (Doosoo Hyun) ²iD 김지훈 (Jihun Kim) ^†iD

(R&D Strategy office, KEPCO Research Institute, Korea. E-mail : hwanik.lee@kepco.co.kr)
(Department of Electrical Engineering, Dongyang Mirae Univerity, Korea. E-mail : dshyun@dongyang.ac.kr)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Dong Seoul University, Korea E-mail : jihunkim@du.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

The metropolitan area system in Korea is experiencing various system stability problems due to large concentration of loads and non-expansion of transmission facilities. In particular, in the northern Gyeonggi area, there are operational difficulties such as bus separation operation due to an increase in fault current. Yangju 200MW BTB VSC HVDC is the first BTB VSC HVDC scheduled for commercial operation in Korea, and can play a role in reducing fault current in the northern Gyeonggi system through the grid separation effect of BTB VSC HVDC. In addition, excellent control capabilities of HVDC can improve various system stability. In this paper, we reviewed a method of selecting the optimal operating point of HVDC that can eliminate facility overload that may occur in the event of contingencies in the northern Gyeonggi area in addition to fault current and minimize system loss.

Key words

BTB VSC HVDC, Line overload, Transmission loss, Preventive action scheme, Remedial action scheme

1. 서 론

대한민국은 전체 부하량의 많은 양이 수도권에 집중되어 있으며, 현재도 지속적으로 전력수요가 빠르게 증가하고 있다. 이에 따라 수도권 송⸳변전설비의 밀집은 수도권 계통에 고장전류 초과와 송전선로 과부하 문제가 동시에 발생되고 있으며, 계통의 안정도가 크게 저하되어 광역정전의 가능성이 존재한다.

수도권 고장전류가 증가함에 따라 서울 및 경기지역에서는 고장전류를 감소하고 송전선로 과부하 문제를 해결하기 위한 대책으로 국내 최초로 양주 345kV 변전소에 BTB VSC HVDC를 활용하여 경기북부지역의 계통현안문제를 해결할 계획이다. BTB VSC HVDC를 활용할 경우 고장전류 저감과 동시에 모선 통합 운전을 통한 계통 신뢰도 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, VSC HVDC의 유효전력 제어를 통해 선로 과부하 해결, 계통 손실 감소 등의 계통 안정성을 확보할 수 있으며 무효전력 제어를 통해 경기북부지역의 전압안정도 향상이 가능하다^[1]^[2]^[3].

현재, 투입예정인 BTB VSC HVDC는 DC 전압 $\pm 120k V$ 에 유효전력 정격용량 $\pm 200MW$ 설비이다^[4]. BTB VSC HVDC의 효과를 극대화하기 위하여 정격용량 내에서 유효전력 최적 운전점을 설정하는 것이 중요하다.

본 논문에서는 경기북부지역의 상정사고를 고려하여 최적의 운전점을 선정하여 계통에 미치는 안정도 효과를 극대화하고자 한다. 계통에 미치는 영향은 양주 345kV 변전소 근방에서 상정사고가 발생하였을 때 전압위반, 계통손실, 선로 과부하 여부를 관찰하였다.

2. 최적 운전점 선정을 위한 제어 전략

경기북부지역은 고장전류 저감을 위하여 모선 분리 운전을 적용 중에 있다. 하지만, 모선 분리 상황에서 상정사고가 발생하게 되면 계통 운전의 신뢰성이 크게 하락된다. BTB VSC HVDC를 적용하게 되면 모선 분리된 개소를 모선통합 운전을 하게 되어 계통 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, BTB VSC HVDC를 설치하는 것으로 AC계통의 계통 분리로 고장전류가 저감되는 효과가 있다. 그러므로, 본 논문에서는 양주 BTB VSC HVDC 설치로 고장전류 저감 효과가 적용된 상태에서, 최적 운전점 적용에 따른 계통 영향 평가를 수행한다. 상시 운전점 결정을 위한 방법론을 크게 두가지로 구성하고, 각각의 경우에 상정사고에 따른 비상시 운전전략에 대하여 분석하였다. 각각의 방법론은 기본적으로 계통 손실을 최소화하고 설비의 과부하를 해소하기 위한 운전점을 선정한다. 손실 최소 운전점은 계통 전체 손실 최소화를 목적으로 HVDC의 운전점을 결정하도록 한다. 이 때, 양단에서 무효전력이 과공급되어 전압유지기준을 만족하는 운전점을 결정하고, 사고 발생시에 추가적인 조치를 통하여 설비 과부하를 벗어나도록 동작한다. 과부하 해소 운전점은 손실 최소화 운전이 적용된 상태에서, 사고 발생 시에도 설비 과부하가 발생하지 않는 운전점을 찾는다. 다음의 두가지 방법론은 기본적으로 손실 최소와 과부하 해소를 만족하면서 상정사고 발생시에 다르게 응동하는 특성이 있다^[5]^[6].

2.1 예방제어(Preventive Action Scheme, PAS)

HVDC는 일반적인 교류제어와 달리 각 선로에 흐르는 조류의 크기와 방향을 제어할 수 있기 때문에 정상 상태에서 계통의 손실을 최소화할 수 있도록 선로의 조류를 제어할 수 있다. 또한, 상정사고 발생시 각 선로에서 발생할 수 있는 과부하 또한 해소할 수 있다. 본 논문에서는 계통 손실 최소화와 선로 과부하 해소를 만족하는 양주 HVDC의 최적 운전점을 선정하고자 한다.

예방제어는 상정 사고 발생시 계통 운전자의 HVDC 운전점 변경을 최소화하기 위해서 각 상정사고 별 과부하 해소를 위한 HVDC 운전점을 선정한다. 이는 HVDC를 운전하는 HVDC 운영자에게 운전점 변경의 부담을 최소화할 수 있어 계통운영자 입장에서 HVDC 운영을 용이하게 할 수 있다. 또한, 과부하 해소 운전점 영역에서 계통의 손실을 최소화할 수 있기 때문에 계통 운영 효율을 높이는 효과가 있다. 하지만, 2.2에서 설명하는 교정 제어와 비교하여 정상상태에서 손실이 증가하여 운전 효율이 다소 떨어지는 단점이 있다.

그림 1. 예방제어에 따른 최적 운전점 선정 개념

Fig. 1. Concept of optimal operating point selection according to preventive action scheme

다음의 Flow-Chart는 예방제어를 적용하는 검토 절차는 나타내고 있다.

대상이 되는 계통 DB에 상정사고를 반복 적용하여 주요 설비의 과부하 위반 여부를 관찰한다. 과부하가 존재하게 되면 BTB VSC HVDC의 운전점을 변경하여 과부하를 해소하는 운전 영역을 선정하게 된다. 이를 위하여 양주 HVDC의 유효전력 용량인 –200MW~200MW에서 10MW 단위로 운전점을 변경하여 반복 조류계산을 수행한다. 각각의 상정사고에 대해서 과부하를 해소하는 운전 영역을 선정하고 각 케이스별 영역의 교집합을 선정하여 모든 상정사고에 대응할 수 있는 운전영역을 설정한다. 선정된 운전영역 내에서 추가로 계통의 손실을 최소화할 수 있는 운전점을 선정하여 예방제어에서 최적의 양주 HVDC운전점을 선정한다.

그림 2. 예방제어에 따른 최적 운전점 선정을 위한 Flow –Chart

Fig. 2. Flow-Chart for selecting the optimal operating point according to preventive action scheme

이 때, 양주 HVDC의 용량이 크지 않기 때문에 운전점 변경으로 과부하를 해소 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 다른 발전력 조절이나 추가 선로 건설을 통해서 설비 과부하를 해소할 수 있다. 이러한 경우에는 각 상정사고들 간에 우선순위를 두어 우선순위 상정고장들의 교집합을 통하여 운전점을 선정한다.

그림 3. 교정제어에 따른 최적 운전점 선정 개념

Fig. 3. Concept of optimal operating point selection according to remedial action scheme

2.2 교정제어(Remedial Action Scheme, RAS)

교정제어는 정상 상태 시에는 계통 운영 효율을 높일 수 있게 HVDC 운전점을 선정한다. 계통 운영 효율은 상시 계통 전체 손실 최소화를 위한 HVDC 유효전력 운전점 제어를 목적으로 한다.

이 때 상정사고 발생 시 발생할 수 있는 과부하를 해소하기 위하여, 외란 발생시 과부하를 해소할 수 있는 영역으로 운전점을 변경하게 된다. 이는 정상 상태 시에는 계통 운영을 최적으로 대응할 수 있고 외란에 대응하여 운전할 수 있지만, 외란을 인지하는 통신상의 부담이 있고 운전점 변경에 따른 HVDC 운영자의 부담으로 작용할 수 있다.

그림 4의 Flow-Chart는 교정제어를 적용하는 검토 절차를 나타내고 있다. 대상이 되는 계통 DB에 정상상태 시 최적의 계통 운영 효율을 위한 HVDC 운전점을 선정한다. 상시손실 최소화를 위한 최적 운전점을 선정하기 위하여 양주 HVDC의 용량인 -200MW~200MW에서 10MW 단위로 운전점을 변경해가면서 반복 조류계산을 수행한다. 외란 발생시 운전점을 변경하기 위하여 예방제어와 동일한 형태의 모의를 수행한다.

그림 4. 교정제어에 따른 최적 운전점 선정을 위한 Flow-Chart

Fig. 4. Flow-chart for selecting the optimal operating point according to remedial action scheme

양주 BTB VSC HVDC는 국내에 처음 도입되는 BTB VSC HVDC이기 때문에 계통운영자에게 부담이 될 수 있다. 본 논문에서는 계통운영자의 운영 부담을 줄이고, 최적 운전점을 선정하는 예방제어 관점으로 모의를 수행하였다.

3. 예방제어를 위한 최적 운전점 선정 절차 및 결과

3.1 시뮬레이션을 위한 계통 DB 선정

양주 BTB VSC HVDC 최적 운전점 선정을 위한 시뮬레이션은 기본적으로 양주 HVDC의 정격용량인 –200MW ~200MW에서 10MW 단위로 운전점을 변경해가면서 반복 조류계산을 수행하였다. 이를 적용하기 위한 계통 DB는 HVDC가 적용되는 연도 (2023년, 2026년), 부하수준(60%, 100%), 주요 발전기 운전 조건(일산CC, 서울CC)을 고려하여 선정된 10개의 DB 조건에 HVDC 운전량을 10MW 단위로 조정하여 조류 계산을 수행하여 계통 손실 및 설비의 과부하 여부를 관찰한다. 다음은 선정된 DB케이스의 상세내용을 표현하고 있다.

표 1 시뮬레이션 검토를 위한 10개 DB

Table 1 10 DB’s for simulation review

No.	상세 내용
Case 1	2023 - 60% 일산off/서울off
Case 2	2023 - 100% 일산off/서울off
Case 3	2023 - 100% 일산off/서울on
Case 4	2023 - 100% 일산on/서울off
Case 5	2023 - 100% 일산on/서울on
Case 6	2026 - 60% 일산off/서울off
Case 7	2026 - 100% 일산off/서울off
Case 8	2026 - 100% 일산off/서울on
Case 9	2026 - 100% 일산on/서울off
Case 10	2026 - 100% 일산on/서울on

선정된 계통DB에 경기 북부 인근의 주요 선로에 대한 상정사고를 적용하였다. 상정사고를 적용한 수많은 케이스를 모의하기 위하여 계통해석 시뮬레이션 PSS/E와 Python을 이용하여 자동연산을 수행하였다. 계통 DB에 자동으로 상정사고를 생성하기 위하여 전압 범위/대상 지역, 과부하 설정 한계값, 사고유형(N-1, N-2) 등을 설정하였다^[7].

그림 5는 Case 7에 대해서 HVDC의 운전점 변화에 따른 41Case를 적용하고, 상정사고 349Case를 적용한 결과이다. 이 때 경기 북부지역의 주요 선로에 대해서 과부하가 발생할 경우 과부하 발생 개소를 표시하고 있다. 예방제어에 의한 최적 운전점을 선정하기 위하여 상정사고에 대해서 과부하를 발생하지 않는 HVDC 운전량을 선택한다. 각 상정사고별로 선택된 HVDC 운전영역의 교집합을 선정하여 양주 BTB VSC HVDC의 최적 운전점을 선정한다.

그림 5. 자동연산 모의 결과 예(Case 7)

Fig. 5. Example of automatic calculation simulation results (Case 7)

3.2 각 상정사고별 최적 운전점 결정 절차

각 계통 DB케이스별로 예방제어에 의한 최적 운전점 선정 자동계산을 적용하여 최적 운전점을 선정한다. 다음은 Case 7에 대한 결과이다. 상정사고 시 설비의 과부하율은 120%로 설정하였다.

그림 6. 자동연산 결과와 과부하 선로 분석(Case 7)

Fig. 6. Automatic calculation results and overloaded line analysis (Case 7)

양주 BTB VSC HVDC의 정격용량이 계통 규모에 비하여 작은 $\pm 200MW$ 이기 때문에 Case 7에 대해서 운전점을 변경하여도 과부하가 해소되지 않는 상정사고가 총 5개 존재한다. 이러한 외란은 HVDC만으로 해결할 수 없기 때문에 양주 BTB VSC HVDC의 최적 운전점 선정에는 제외하였다.

표 2 HVDC 운전점 변경으로 과부하가 해소되지 않는 상정사고 (Case 7)

Table 2 Contingency in which overload cannot be resolved by changing the HVDC operating point (Case 7)

No.	상정 사고
1	미아-원남 1ckt
2	미아-쌍문 1ckt
3	미금3-동서울3 1ckt
4	양주3-중부3 2ckt
5	미금3-성동3 2ckt

각 상정사고에 대해서 선로 과부하를 발생시키지 않는 운전점을 선정하고 교집합을 구하여 모든 상정사고를 포함하는 최적 운전점을 선정한다. 그림 7은 Case 7에서 상정고장 1,2를 적용하여 과부하가 발생되지 않은 운전점을 표시한 결과이다.

Case 7에 대해서는 각 상정사고에 대한 교집합이 되는 최적 운전영역은 –60MW~-100MW이 선정되었다. 이 구간에서 최적 운전점을 선정하기 위하여 상시계통손실(유효전력 손실)을 연산한다.

본 논문에서 검토된 전압형 HVDC는 유효전력과 무효전력을 독립적으로 제어 가능하기 때문에 정전아모드의 무효전력 제어로 양주 변전소 근방의 전압을 제어하고 있다. 그러므로, 예방제어로 선정된 최적 운전영역에서 추가로 계통 손실을 고려한 최적 운전점 선정을 수행하였다. 표 3은 그림 7에서 선정된 최적 운전영역의 운전점에서 계통 손실을 검토하였다. 표 3에서 확인할 수 있듯이 HVDC 운전점이 -100MW일 때 계통 손실이 가장 작기 때문에 Case 7에 대해서 최적 운전점은 –100MW로 선정된다.

그림 7. 상정사고별 최적 운전영역(Case 7)

Fig. 7. Optimal operation area for each contingency (Case 7)

표 3 HVDC 운전점에 따른 계통 손실 (Case7)

Table 3 System loss according to HVDC operating point (Case 7)

Case Name	계통손실(MW)
10_CASE7_-100MW	1329.539
10_CASE7_-90MW	1329.614
10_CASE7_-80MW	1329.693
10_CASE7_-70MW	1329.776
10_CASE7_-60MW	1329.863

3.3 BTB VSC HVDC 최적 운전점 선정 결과

Case 1~6은 계통사고에 대하여 최적 운전점의 교집합이 발생되지 않아서 본 논문에서는 Case 7~10에 대해서만 BTB VSC HVDC의 최적 운전점을 선정하였다. 표 3은 예방제어를 적용하였을 때 각 Case 별 선정된 BTB VSC HVDC의 최적 운전점을 나타내고 있다.

표 4 예방제어에 따른 양주 BTB VSC HVDC의 최적 운전점

Table 4 Optimal operating point of Yangju BTB VSC HVDC according to preventive action scheme

Case No.	최적 운전점(MW)
Case 7	-100MW
Case 8	-60MW
Case 9	200MW
Case 10	200MW

4. 결 론

본 논문은 국내 최초로 상용 운전하게 되는 양주 BTB VSC HVDC의 최적 운전점을 선정하는 연구를 수행하였다. BTB VSC HVDC가 투입되는 경기북부 계통은 고장전류가 증가하고, 계통 과부하 증가 등의 계통 안정도가 크게 저하되어 있다. 송전선로를 건설하지 못하는 상황에서 BTB VSC HVDC가 대책으로 고려되었다. BTB VSC HVDC를 설치함으로서 계통 분리에 의한 고장전류 저감 효과가 있으며, 전압형 HVDC의 유무효전력 독립 제어에 의하여 계통 안정도가 크게 향상되게 된다.

본 논문을 통하여 양주 BTB VSC HVDC 설치로 고장전류 저감 효과가 적용된 상태에서, HVDC의 유효전력 최적 운전점 운전에 따른 계통 안정도 향상을 검토하였다. 본문에서 검토하였던 방법론에서 상정사고 발생시 HVDC 운영자에 운영 부담을 줄이기 위한 예방제어를 적용하였다. 예방제어는 각각의 상정사고에 대해서 설비과부하를 발생하지 않는 운전점의 교집합을 구하여 최적 운전영역을 설정하고, 이 영역에서 상시 계통 손실이 가장 적게 나타나는 운전점을 BTB VSC HVDC의 최적 운전점으로 선정한다. 이를 모의하기 위하여 연도별, 부하별, 발전기운전조건별 발생되는 무수히 많은 케이스에 대해서 반복 조류계산을 수행하기 위하여 파이썬과 PSS/E를 이용한 자동반복계산을 적용하였다. 연구를 통하여 각각의 케이스에 대해서 상정사고에 따른 설비 과부하를 피하고, 계통 손실을 최소화하는 양주 BTB VSC HVDC의 최적 운전점을 선정할 수 있었다. 향후, 설비 과부하와 계통 손실 이외에 수도권 융통조류 향상, 과도 안정도 향상을 위한 HVDC의 최적 운전점을 도출할 수 있도록 지속적인 연구를 수행할 계획이다.

Acknowledgements

This work was researched with support from the 2021 Dong Seoul National University Industry-Academic Cooperation Research Support Center. and was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded by the Korea government(MIST) (No. 2021R1F1A1063235)

References

Jihun Kim and Hongjoo Jung “Current status of MMC type voltage type HVDC control system and converter system technology development,” KIPE Magazine, vol.21, no.1, pp.40-47, February, 2016.

CIGRE Study Committee B4-WG 37, VSC Transmission, 269, 2005.

Cigre-Brazil B4 “Tutorial on VSC in Transmission Systems, HVDC & FACTS, Rio de Janeiro, Brazil,” October 6~7, 2009.

Jihun Kim, Younghee Park, Hyun-ho Yu, and Hongjoo Jung, “Design of 200MW VSC-HVDC System applied MMC topology,” the 54th KIEE Summer Conference, pp. 313-314, March 2018.

C. W. Taylor, “Power system voltage stability,” McGraw-Hill, 1994.

P. Kundur, Power System Stability, and Control, EPRI Power System Engineering. New Work : Mcgraw-Hill, 1994

PTI Software Solutions, PSS/E 33.10's user manual

저자소개

이환익(Hwanik Lee)

He received a B.S. and Ph.D. degree in Electrical Engineering from Korea University in Korea in 2011 and 2018. He joined in Strategic Planning Department of the Korea Electric Power Corporation(KEPCO) and he was in charge of analyzing national energy policies and establishing mid- to long-term strategies for the power systems. Subsequently, he worked at KEPCO Economy & Management Research Institute, focusing on the development and proposal of national energy policies. Following that, he participated as a visiting researcher in the field of renewable energy-integrated power system operation and planning at EPRI. Currently, he is in charge of establishment of R&D strategy and developing the project portfolio as part of R&D Project Development team at the KEPCO Research Institute. He is interested in bulk power system analysis integrated with IBR.

E-mail : hwanik.lee@kepco.co.kr

현두수(Doosoo Hyun)

He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Korea University, Seoul, Korea, in 2009, 2011, and 2016 respectively. He worked as an intern researcher on condition monitoring of electric machines at Baker Instrument Company, Fort Collins, CO, USA, the Austrian Institute of Technology, Wien, Austria, and the University of Picardie Jules Verne, Amiens, France, in 2011, 2012, and 2014, respectively. He has been an Associate Professor of Electrical Engineering at Dongyang Mirae University since 2016. His research interests include condition monitoring, diagnostics, and analysis of electric machinery.

E-mail : dshyun@dongyang.ac.kr

김지훈(Jihun Kim)

He received B.S., M.S. and Ph.D degrees in Electrical Engineering from Korea University, Seoul, Korea in 2007, 2009 and 2014 respectively.

He worked as a principal Manager in HYOSUNG Power& Industrial System R&D Center, which was research institute of HYOSUNG Corporation from 2014 to 2020. He is currently an assistant professor in Dong Seoul University, Seongnam-si, Korea, since 2020. He is currently researching the stability problem of the power system through IBR connection.

E-mail : jihunkim@du.ac.kr

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Journal Information

A Study on Selection of Optimal Operating Point of Yangju 200MW BTB VSC HVDC

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 최적 운전점 선정을 위한 제어 전략

2.1 예방제어(Preventive Action Scheme, PAS)

2.2 교정제어(Remedial Action Scheme, RAS)

3. 예방제어를 위한 최적 운전점 선정 절차 및 결과

3.1 시뮬레이션을 위한 계통 DB 선정

3.2 각 상정사고별 최적 운전점 결정 절차

3.3 BTB VSC HVDC 최적 운전점 선정 결과

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이환익(Hwanik Lee)

현두수(Doosoo Hyun)

김지훈(Jihun Kim)

Article Information (continued)

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Key words

1. 서 론

2. 최적 운전점 선정을 위한 제어 전략

2.1 예방제어(Preventive Action Scheme, PAS)

2.2 교정제어(Remedial Action Scheme, RAS)

3. 예방제어를 위한 최적 운전점 선정 절차 및 결과

3.1 시뮬레이션을 위한 계통 DB 선정

3.2 각 상정사고별 최적 운전점 결정 절차

3.3 BTB VSC HVDC 최적 운전점 선정 결과

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이환익(Hwanik Lee)

현두수(Doosoo Hyun)

김지훈(Jihun Kim)

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