전력품질저하 특성 대응 기술 구축

국가차원의 대체에너지 활성화 방안에 따라 지자체 등의 풍력발전 시설계획이 점차 증가하고 있다. 국외에서는 대규모 풍력발전 단지가 계통에 연계되어 운전하고 있지만, 국내에서는 풍력발전 계통연계의 초기단계로서 발전사업자와 전력회사간의 이해가 상충되는 등 문제점이 발생되고 있다. 

풍력발전시스템은 다른 분산전원보다 계통에 큰 영향을 미치는 설비이다. 특히 대규모 풍력발전단지는 대부분 지리적 여건상 풍력에너지를 얻기가 용이한 산간 고지대나 해안가 등에 위치하고 있고, 계통연계 지점이 선로의 말단인 경우가 많아 계통연계 시 전압관리 및 전력품질의 관리 등 계통운영상의 여러 가지 문제점이 발생된다.

따라서 대규모의 풍력발전시스템을 계통에 연계할 경우 계획단계에서 예상 문제점을 검토, 분석하여 대책을 수립해야한다. 일반적으로 풍력발전과 같은 대규모 분산전원 시스템이 계통에 연계하면 전력품질 및 신뢰도가 저하되므로 사전 영향 평가가 이루어져야 한다.

현재 풍력발전시스템의 계통영향 평가를 위해서 EMTDC 프로그램에 의한 분석기법이 많이 적용되고 있다. EMTDC 프로그램은 국부적인 영향 검토에 적절하지만 제주도에서 수용 가능한 풍력발전 용량 산정이나, 향후 국내 계통에 풍력발전시스템을 포함하여 다수의 대규모 분산전원이 도입될 전체 계통을 해석하기에는 부적합하다.

따라서 국내에서 많이 사용되고 있는 전력계통해석프로그램인 PSS/E 프로그램에서의 풍력발전시스템 모델 및 해석기법 개발이 필요하다.

현재 PSS/E 프로그램을 이용하여 제주계통의 풍력발전기 영향을 검토하였으며, 국내계통에 해상풍력 설치시 영향 검토 등을 수행할 예정이다.

또한 풍력발전 시스템의 영향 분석을 위한 시뮬레이터 적용이 필요하다. 기존의 풍력발전 시뮬레이터가 실계통에 연계할 수 없는 kVA급의 소용량이다.

▲ <그림1>이중여자 유도발전기 타입 가변속 풍력발전시스템 구성도
따라서 실계통과 설치하여 부하 및 전력품질 외란 발생장치, 전력품질 보상장치 등과 연계하여 시험이 가능한 시뮬레이터 개발이 필요하다. 이중여자 유도형 풍력발전 시스템의 구조는 <그림 1>과 같이 Hub(blade, pitch controller), Nacelle(gear, generator, power conditioner unit, yaw controller), Tower, Grid interface unit로 구성되어 있다.   

지금까지 개발된 소용량 시뮬레이터는 풍력터빈을 모두 고려한 것이 아니므로 정확한 결과를 얻어내기가 어렵다.

따라서 실제 풍력터빈의 해석모델을 개발하는 것이 시급하며, 이를 위해 풍력발전시스템 설치개소에서 실측된 풍속데이터를 이용하거나, 임으로 풍속과 지속시간을 제어할 수 있는 실계통에 연계되는 풍력발전기 시뮬레이터가 필요하다.

이에 한전 전력연구원 전력계통연구소에서는 풍력발전 시스템이 다양한 형태의 기후변화 및 외란사고 등에 따라 계통에 미치는 영향을 평가하기 위한 체계적인 분석자료 확보 및 관련기술의 습득을 위해 고창의 전력품질 실증시험장내에 풍력발전 시뮬레이터 설치를 추진 중이다.

본 시뮬레이터는 실계통에 연계되는 풍력발전시스템을 모의할 수 있는 대용량(1.5MVA급)으로, 대규모 풍력발전단지에서 주로 사용되는 Double Fed Induction Generator 방식을 적용한다.
또한 시스템에서 인버터 부분을 회로에서 분리하면 유도기 방식의 풍력발전시스템의 특성을 시험할 수 있도록 구성한다. 시뮬레이터를 이용하여 실측된 풍속데이터, 부하, 전력품질 보상기기, 전력품질 외란발생장치 등을 조합하여 시험을 수행할 예정이다.

▲ <그림2>풍력발전 시뮬레이터의 구성도
<그림 2>는 1.5MVA급 풍력발전 시뮬레이터의 구성도이다. 고창의 전력품질 실증시험장에 구축 예정인 1.5MVA급 풍력발전 시뮬레이터 설치할 요소들은 다음과 같다.

○ Wind Turbine 시뮬레이터 : 원격 풍속계를 통해 취득한 기후변화 데이터를 VVVF       인버터 구동에 필요한 지령데이터로 변환한다.
○ VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터 : Wind Turbine 시뮬레이터로       부터 받은 지령치 만큼의 출력을 발생하게 되며, 이는 MG Set의 전동기와 더불어       풍력 발전시스템의 Blade에 해당한다.
○ MG Set(Motor & Generator Set) : 풍력발전 시스템의 Nacelle 내부에 설치된 발전       기 운전을 모의하며, 용량은 1.5MVA급 이다. 
○ PCU(Power Conditioner Unit) : Double Fed Induction Generator 방식의 풍력발       전 시스템을 모의한다.
○ Boost TR : 풍력발전 시스템의 계통연계를 위해 사용되며, 승압변압기로 구성된다.

향후 본 시뮬레이터의 설치가 완료되면, 여러 가지 풍속데이터를 이용한 다양한 시험을 수행할 예정이다.

또한 순간전압강하, 순간전압상승, 플리커 등 계통에서 발생할 수 있는 전압외란을 임으로 발생시키고, 풍력발전 시스템 동작 시에 외란에 따른 풍력발전의 영향에 의한 계통과의 상호 영향 등을 분석하여 이러한 외란에 의해 발생될 수 있는 전력품질저하 특성에 대응할 수 있는 기반기술 구축에 기여할 것이다.

- 황갑철 전력계통IT그룹장  (한전 전력연구원 전력계통연구소)

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