계통연계형가변속풍력발전기의무효전력주입을통한 PCC 전압변동량실시간보상 69 論文 15-1-9 계통연계형가변속풍력발전기의무효전력주입을통한 PCC 전압변동량실시간보상 任智勳 *, 宋丞鎬 Realtime Compensation of PCC Voltage Variation by Injection of Required Reactive Power in a Grid Connected Variable Speed Wind Turbine Ji-Hoon Im, and Seung-Ho Song 요 약 풍력발전기가계통에연계되어운전중바람의변동에따라유효전력이변동하면연계지점에서는전압변동이발생하며풍력발전기의연계위치 (PCC, Point of Common Coupling) 에따라그값은변동한다. 본논문에서는이러한계통연계지점의전압변동이이상전원에서 PCC 지점까지의등가선로임피던스와풍력발전기출력전류의곱에비례함을보였으며이러한전압변동을억제하기위하여필요한무효전력요구량을해석적인방법으로구하였다. 만일풍력발전기출력단인버터의용량제한에의해무효전력주입량에한계가있거나전압변동허용범위가주어진경우에는그에따라무효전력주입량을변화시킬수있다. 제안된알고리즘을가변속풍력발전시스템의출력단인버터에사용하면수시로변동하는유효전력에따라무효전력요구량을실시간으로계산함으로서 PCC 전압변동을최소화할수있다. 제안된알고리즘의타당성을검증하기위해실제서해도서지역에설치된소형풍력발전기및전력시스템파라메터를사용하여 Matlab 과 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을수행하였다. ABSTRACT In a grid connected variable speed wind turbine, the PCC voltage and the wind power fluctuate as the wind velocity changed. And this voltage variation is changed due to location of PCC. This paper calculate the value of PCC voltage variation which is proportional to the product of the line impedance from the ideal generator to the PCC and the wind turbine output current. And to reduce this PCC voltage variation, this paper calculate the required reactive power analytically using the vector diagram method. Output reactive current is changed, if the reactive current is limited by inverter capacity or grid code have the margin of voltage variation. If the grid connected inverter is controlled by proposed algorithm, the PCC voltage variation is minimized though the wind turbine output change at random. To verify calculated voltage variation and required reactive power, this paper utilized Matlab and PSCAD/EMTDC simulation and real small wind turbine and power system in Sapsido, island in the Yellow Sea. Key Words : Voltage Variation, PCC Voltage, Reactive Power Compensation 교신저자 : 정회원, 광운대전기공학과교수 E-mail : jyg@mail.daebul.ac.kr * 정회원, 광운대대학원전기공학과박사과정접수일자 : 2009. 11. 6 1 차심사 : 2009. 11. 27 2 차심사 : 2009. 12. 28 심사완료 : 2010. 1. 12 1. 서론 오늘날지구환경문제와유가상승, 화석연료고갈문제등에대한대책으로신재생에너지의개발이촉진되고있다. 이에따라국내에서도 2030 년까지신재생에
70 電力電子學會論文誌第 15 卷第 1 號 2010 年 2 月 너지비율을 7.7% 로설정하고지속적으로확대할계획이다. 특히신재생에너지중에서도풍력발전은발전단가가저렴하고소요면적이작아 2006년이후연 20% 씩급증하고있으며, 향후핵심에너지산업으로성장할것으로기대된다. [1] 그러나이러한풍력발전시스템의비율증가는기존의전력계통에연결되어운영되었을때계통의주파수와전압에좋지않은영향을미칠수있다. 그예로이미국내에서풍력발전시스템을울릉도에서실험적으로시도를하였으나여러문제점들을드러냈었다. 울릉도에는지난 2000년전력공급을보완하고관광자원으로도가치가높다고판단되어 600[kW] 급풍력발전기가설치되었다. 그러나소규모전력계통에대용량풍력발전기가연결됨에따라잦은주파수변동과한전의발전기증 감발계획의수립곤란, 빈번한설비고장으로현재는운전이정지된상태이다. [2] 역률을일정하게유지하는풍력발전기의유효전력은계통전압의상승으로작용한다. 따라서풍력발전기의연계로인한전압상승을예측하고전압상승을억제하기위한대책을수립하는것이매우중요하다. 본논문에서는전압변동의억제대책으로무효전력을이용한보상법을제시하고이때필요한무효전력량을수식으로계산하였다. 이계산결과를검증하기위하여충청남도보령의삽시도계통을모델로활용하여전압변동을해석하였으며 Matlab 시뮬레이션과 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션으로무효전력에의한전압변동억제를검증하였다. 2. 풍력발전기연계시전압변동해석 2. 1 풍력발전기모델링가변속풍력발전시스템은블레이드, 발전기, 계통연계인버터와필터, 변압기로구성되어있다. 블레이드를통해공급된토크는발전기로전달되며이는발전기의유효분전류출력과비례한다. 계통연계인버터는발전기의유효분전류를 DC-link 를거쳐 AC 계통에정현파형태로출력한다. 최신디지털신호처리기를채용한계통연계인버터는분산전원의가변직류전압출력을일정전압및일정주파수로유지되고있는전력계통에연결하여주는역할을수행한다. PWM 스위칭방식으로동작하는인버터자체의손실이매우작다고가정하면 DC-link 로입력되는직류전력과거의동일한교류전력을출력하게된다. 계통에연결되는풍력발전기의경우보통은계통의주발전원에서전압을제어하게되므로계통 연계인버터는전류제어를통해원하는교류전력을출력하게된다. 따라서풍력발전기는그림 1 과같이풍속에따라출력이변하는가변제어전류원으로모델링할수있다. 2. 2 전압변동해석대상전력계통에기존발전기이외의다른전원은없고모두수동부하라고가정하면어떠한형태로연결된수동부하이던간에계통연계지점에서등가화된하나의임피던스로모델링이가능하다. 본논문에서는충청남도보령의실제삽시도계통을모델로선로의종류와변압기등의데이터를제공받아발전소와풍력발전기사이의임피던스를모델링하였다. [3],[4] 풍력발전기의최종출력단에설치된계통연계인버터는 2.1절모델과같이발전전력의변동에비례하는출력전류제어방식으로동작하고있다. 따라서대상전력계통과풍력발전기는해석을위해그림 2처럼 3개의분로로나타낼수있다. 풍력발전기연계지점 (PCC : Point of Common Coupling) 이임의의지점이될수있도록발전소와연계지점사이의임피던스를 Z G 로, 풍력발전기와연계지점사이의임피던스를 Z WT 로, 부하단의선로임피던스와부하임피던스를합한임피던스를 Z LL 로모델링하여풍력발전기출력변동이전압변동에미치는영향을확인하였다. 실제계통에서는발전소측과부하측모두변압기를설치하여송전손실을낮추고전압변동을적게하는방식을사용하고있으나본해석에서는간략화를위해변압기모델을없애고단지변압기특성인덕턴스를선로임피던스모델에포함시켜서하나의전압베이스로간략화시킨형태로사용하였다. 그림 1 계통연계형인버터모델 Fig. 1 Simplified model of grid connected inverter
계통연계형가변속풍력발전기의무효전력주입을통한 PCC 전압변동량실시간보상 71 그림 3 풍력발전기출력에따른 PCC 전압변동벡터 Fig. 3 PCC voltage variation phasor diagram by wind turbine output power 그림 2 전압변동해석을위한간략화 T 자형등가회로모델 Fig. 2 Simplified T-equivalent circuit model of an isolated power system with wind turbine 그림 2 에서부하등가임피던스 Z LL 에는식 (1) 과같이계통연계지점으로부터부하 Z load 에이르는라인임피던스 Z L 까지포함된것으로간주한다. 이때풍력발전기는 PLL 기능을내장하고있으므로 V PCC 의위상을측정하여항상같은위상의전류 I WT 를출력한다고가정하면이때풍력발전기의역률은 1 이다. 여기서 V PCC0 는풍력발전기출력전류가영인경우 (I WT =0) 의 PCC 전압을의미한다. 풍력발전기가연계될지점의전압인 V PCC0 는식 (2) 와같이구해진다. 이때계통연계지점의전압 V PCC 는식 (3) 과같이나타낼수있다. PCC 전압은기존이상전압원 V G 에의한첫번째항과풍력발전기전류원 I WT 에의한두번째항의벡터합으로구성된다. 풍력발전기에의한전압변동벡터의계수를식 (4) 와같이정의하면식 (3) 은식 (5) 와같이표현되며전압변동계수는 Z LL 과 Z G 의병렬임피던스형태를가진다. (1) (2) (3) (4) (5) (6) 여기서 : 내연발전소출력전압 : 풍력발전기출력전류 : 등가부하임피던스 : 내연발전기와 PCC사이의등가선로임피던스 : PCC와부하사이의등가선로임피던스 : PCC와풍력발전기사이의선로임피던스 (7) (8) 여기서한가지주의할점은전류원 I WT 와직렬로연결된라인임피던스 Z WT 는 PCC 전압변동에영향을미치지않으며대신식 (6) 과같이전류 I WT 의변화에따라풍력발전기단자전압 V WT 에영향을미친다. 풍력발전기의출력전류의변동에따라발생하는 PCC 전압변동량을정확히계산하기위하여 V PCC) 와 I WT 의위상각정보가필요하지만 I WT 의위상각은 V PCC 계산이끝나야정확히알수있는값이다. 즉, 입력에출력정보가필요한형태로맞물려있다. 따라서본논문에서는전압변동량계산을간략화하기위하여 I WT 가초기전압값 V PCC0 와같은위상에있다고가정한다. 전압이 V PCC0 에서 V PCC 로변동하는것에의해발생하는위상차이가충분히작다고가정하여다음과같이전압변동량을벡터해석적으로구하는방법을제시하였다. 이를그림으로표현하면그림 3 과같으며 V PCC0 벡터의위상각을기준으로설정하면 V PCC0 벡터는식 (7) 과같은크기와위상을가지는벡터로표현가능하다. 이때전압변동벡터인 Z effect 와 I WT 의곱은식 (8) 과같이표현가능하다.
72 電力電子學會論文誌第 15 卷第 1 號 2010 年 2 月 이때전압변동성분은유효임피던스와출력전류의곱에비례하는전압변동량벡터의크기이며 θ 는유효임피던스의위상각인동시에전압변동량벡터의위상각이다. 결과적으로 PCC 전압변동은크기뿐만아니라위상각의변화를일으키지만그위상각변화가충분히작으며 PCC 전압의크기변화량은식 (9) 와같이해석적으로구할수있다. [3] 여기서 _ : 보상된무효분전류 : 풍력발전기측의보상무효전력 : 전압변동의여유범위 (9) 3. 무효전력보상 2.2 절에서풍력발전기의연계로인한전압변동은임피던스가존재하는한불가피하다. 그림 4 는전압변동이발생하였을경우무효전력보상을통한전압변동의저감을나타낸다. 그림 4(a) 에서무효분전류에의한벡터는역률을 1 로유지하는유효분전류로인한전압변동벡터의직각방향벡터로전압변동을 0 으로만들수있다. 따라서원하는전압변동량을얻기위한무효전력량은풍력발전기출력량과관련된다. 그러나필요한무효전력량이많을경우풍력발전기의계통연계인버터는용량즉, 전류의정격 ( 반도체소자의정격 ) 이존재하므로그림 4(b) 의원과같이전류의제한이발생한다. 정격이 1.5 배증가할경우전압변동을보상할수있는무효전력의범위가유효분출력전력에대해 1.18 배만큼넓어지게된다. 즉, 전압변동량이커져원의임계점보다클경우에는보상을할수가없다. 따라서무효분전력보상을위해인버터의용량을확대하는경우는비용의문제가뒤따른다. 4(c) 와같이전압변동량에일정한여유분, m 을설정하면필요한무효전력량을줄일수있다. 그림 4(c) 에서전압변동량을줄이기위한전압벡터의크기를계산하면식 (10) 과같이표현된다. 이때필요한인버터의무효분전류와무효전력량은각각식 (11), (12) 와같이나타낼수있다. [5] (a) (b) _ (10) (11) _ (12) (c)
계통연계형가변속풍력발전기의무효전력주입을통한 PCC 전압변동량실시간보상 73 그림 4 무효전력보상에의한 PCC 전압변동저감 (a) 무효전력보상이추가된전압변동벡터 (b) 인버터용량에따른무효전력보상 (c) 전압변동허용범위, m에따른무효전력보상 Fig. 4 PCC voltage variation by supporting reacitve power (a) PCC voltage compensation phasor diagram using adding reactive power (b) PCC voltage compensation phasor diagram due to inverter capacity (c) PCC voltage compensation phasor diagram due to voltage allowance range 에대해풍력발전기출력이변할경우식 (10) 을이용하여계산된필요한무효전력량을보여준다. 허용범위가작아질수록필요한무효전력량은많아진다. 이때풍력발전기는연결될계통의전압변동규정에맞게여유분을조정하면된다. [5] 4. 실측데이터및시뮬레이션 그림 6 은실제삽시도의풍력발전기출력변동시에발생하는전압변동량을나타낸다. [6] 풍력발전기가 5[kW] 출력시에전압변동량은약 6[V] 를나타낸다. 이때그림 5 에서전압변동을 0[V] 로가져가기위해계산된무효전력량은약 2.5[kvar] 이며이를검증하기위해 PSCAD/EMTDC 로시뮬레이션을실행하였다. 그림 7 은시뮬레이션모델의전압변동량과풍력발전기출력량, 보상된무효전력량을나타낸다. 1[s] 에서출력이 5.5[kW] 로증가시약 6[V] 의전압변동이발생했으며 2[s] 에서 2.5[kvar] 의무효전력을보상하였을때전압변동이출력발생전과같은것을볼수있다. [7],[8] PCC Voltage Variation 8 7 6 그림 5 풍력발전기출력변동시전압변동을억제하기위해필요한무효전력량 ( 점선 : 전압변동허용범위, m=o[v] 인경우, 실선 : m=5[v] 인경우 ) Fig. 5 Required wind turbine reactive power due to different voltage variation margin (a dotted line : voltage variation margin, m=0[v], a solid line : m=5[v]) 표 1 간략화 T자형등가모델의실제삽시도파라미터 Table 1 Impedances for the T-equivalent circuit model 구 분 설 명 값 Ideal Generator 삽시도발전소 380[V] Z G 등가선로임피던스 0.625 72.37[Ω] Z LL 등가부하임피던스 4.19 22.24[Ω] Z WT 풍력발전기측선로임피던스 0.085 5.05[Ω] PCC Voltage[V 5 4 3 2 1 0-1000.00 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 6000.00-1 -2 Wind Turbine Output[W] 그림 6 풍력발전기출력에따른 PCC 전압변동측정데이터 Fig. 6 PCC voltage variation amplitude by wind turbine output power 표 1 은실제충청남도보령의삽시도에설치됐던풍력발전기에대한그림 2 의파라미터이다. 표 1 을이용하여식 (10) 을계산된무효전력량은그림 5 와같다. 그림 5 는전압변동의허용범위가 0[V] 와 5[V] 일경우 그림 7 무효전력보상 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션 Fig. 7 Reduction of PCC voltage variation due to reactive power compensation using PSCAD/EMTDC
74 電力電子學會論文誌第 15 卷第 1 號 2010 年 2 月 5. 결론 본논문에서는풍력발전기가계통에연계되었을때유효전력출력에따라서전압변동이발생하는원인을분석하였다. 이에따르면전압변동은풍속, 즉풍력발전기출력과등가유효임피던스 (Z effect) 에비례한다. 또한본논문에서는풍력발전기의연계로인한전압상승을억제하기위한대책으로무효전력을이용한보상법을제시하고이때필요한무효전력량을수식으로계산하였다. 그러나이러한방법은현재국내계통에서요구하는것과반대로출력역률이좋지않은결과를초래한다. 그럼에도불구하고이와같은보상방법은부하와설비의과전압방지, 풍력발전기설치위치에따른제약을극복할수있을것이다. 이계산결과를검증하기위하여충청남도보령의삽시도계통을모델로활용하여전압변동을해석하였으며 Matlab 시뮬레이션과 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션으로무효전력에의한전압변동억제를검증하였다. 본논문은지식경제부의지원으로수행한연구결과입니다. [7] 김정재, 송승호, 영구자석형동기기에의한가변속풍력발전시스템의 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션모델개발, 전력전자학회논문지, pp. 610-617, 2005. 12. [8] Stavros A. Papathanassiou, Fritz Santjer, "Power Quality Measurements in an Autonomous Island Grid With High Wind Penetration", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, pp. 218-224, 2006. 1. 저자소개 임지훈 ( 任智勳 ) 1981 년 1 월 1 일생. 2007 년광운대전기공학과졸업. 2009 년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 2009 년 ~ 현재동대학원박사과정. 송승호 ( 宋丞鎬 ) 1968 년 8 월 28 일생. 1991 년서울대전기공학과졸업. 1993 년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1999 년동대학원전기공학부졸업 ( 공박 ). 2000 년 ~2005 년전북대전자정보공학부조교수. 2006 년 ~ 현재광운대전기공학과부교수. 당학회 JPE 편집위원. 참고문헌 [1] 에너지관리공단, 신재생에너지 R&D 전력 2030, http://www.energy.or.kr, 2007. 11. [2] 정원욱, 윤기갑, 김숙철, 이학주, 양양풍력발전계통연 계에따른전압변동분석, 2007 한국풍력에너지학회추 계학술대회논문집, pp. 35-40, 2007. 4. [3] 김상진, 임지훈, 송승호, 성세진, 풍력발전기의계통연 계운전시출력변동에따른 PCC 전압변동예측모델, 2008 전력전자학회 하계학술대회논문집, pp. 298-300, 2008. 6. [4] Ciobotaru. Mihai, Teodorescu. Remus, Blaabjerg. Frede, "On-line Grid Impedance Estimation Based on Harmonic Injection for Grid-Connected PV Inverter", Industrial Electronics, ISIE 2007. IEEE International Symposium on, 2007. 6. [5] 한국전력공사, 분산형 전원 배전계통 연계 기술기준, 2005. [6] IEC 61400-21 Wind Turbines - Part 21 : Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines