권동영
(Dong-Yeong Gwon)
1iD
최윤혁
(Yun-Hyuk Choi)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Daegu Catholic University, Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Fault Analysis, SCR, Smart Inverter, Technical Requirements, VRT
1. 서 론
전 세계적으로 청정에너지로의 전환 단계에 있다. 재생에너지의 비중이 급격하게 증가하고 있으며 재생에너지 보급으로 인해 달라지는 계통 상태로 발생하는
문제점들도 점차 대두되고 있다. 국내의 경우 ‘제10차 전력수급기본계획’을 통해 잠재적으로 발생할 수 있는 재생에너지의 영향 및 안정도 감소 문제를
최소화를 위한 정책을 수립하였다. 특히, 기저 발전의 출력 감발 및 재생에너지 출력 제어에 대한 대응으로 스마트 인버터의 자율제어가 그에 대한 해답으로
제시되고 있다[1].
신재생 발전원의 출력은 변동성이 존재하는 특성이 있다. 신재생 에너지의 보급률이 증가함에 따라 전력계통의 강건도를 저해할 가능성이 있다. 기존 인버터
설비에 대한 보강으로 스마트 인버터를 도입하여 안정적인 그리드의 운영을 위하여 자율적으로 분산전원의 출력을 제어할 수 있다.
스마트 인버터는 안정적인 그리드의 운영을 위하여 자율적으로 분산전원의 출력을 제어하는 기능을 갖춘 인버터로 정의된다. 미국에서는 전통적인 형태의 계통에서
분산전원의 도입으로 인해 발생할 수 있는 문제들을 염두에 두고 IEEE 1547 표준을 제정하였다. 분산전원과 전력 시스템 간 상호 연결을 위한 기술
표준을 설정하며 분산전원의 기능을 활용하면서 신뢰성을 확보하기 위함이다. 이후, 미국 IEEE SA 이사회에서는 IEEE 1547-2018 표준 개정을
통해 분산전원의 연계 기능과 알고리즘을 정의하였다. IEEE 1547.1-2020 표준에서는 계통 연계 시험 규정을 정의하였으며 사고 시 모의에 대한
절차를 정의하여 전력 품질 평가 수행 방법에 대한 표준화를 진행하였다[2][3].
해외뿐만 아니라 국내에서도 출력 과잉 현상이 발생함으로 인해 스마트 인버터의 연계성능 구비의 중요성이 언급되었다. 국내에서는 올해 처음으로 봄철 경부하에
대비하기 위해 공공기관이 보유한 태양광 설비와 민간이 보유한 설비를 대상으로 인버터 성능 개선을 추진하였다. 인버터의 연속운전 기능의 미구비 시 태양광
발전기의 연속적 탈락을 초래할 가능성이 있기 때문이다. 국내에서는 스마트에너지 및 분산자원의 배전망 계통 연계를 위한 스마트 인버터 인터페이스 요구사항
표준화는 한국 스마트 그리드 협회에서 수행하였다. 한전에서는 이 표준안을 기반으로 배전망 연계형 인버터에 대한 기능 요구사항을 적용하였다. 협회에서
명시한 세부 요구사항인 ‘태양광발전용 스마트 인버터의 계통 지원기능’에서는 분산전원에 대한 세부 요구사항을 4개 항목으로 대분류하였다. 각 항목은
무효전력 제어기능, 유효전력 제어기능, 계통운전 유지기능, 비상시 기능이다. 계통 지원기능은 연계점의 전압과 주파수를 기반으로 운전을 유지하는 것이
핵심 역할이며 세부적으로 기술 요구사항으로 14종을 명시하였다[4][5].
계통 유지기능은 배전계통에서 발생하는 사고 이후의 연계를 결정한다. 라이드 스루 기능은 계통 고장에 따라 전압 및 주파수 문제가 고장 지속시간에 따라
발전기의 탈락을 결정한다. 분산전원 연계점(POI, Point of Interconnection)전압 혹은 공통 연계점(PCC, Point of Common
Coupling)전압을 기준으로 발전기 유지 상태 결정하는 기능은 VRT(Voltage Ride Through)기능이고 주파수를 기준으로 발전기 유지
상태를 결정하는 기능은 FRT(Frequency Ride Through)기능이다.
사고 시 계통 고장에 대한 인버터의 출력 변동은 인버터 연계용량에 대한 계통 단락용량의 비율(SCR, Short Circuit Ratio)과 선로
등가 임피던스의 X/R비와 밀접한 관계가 있다. 이와 관련된 해외의 기술 요구사항 적용 사례로는 독일의 FGW는 풍력 발전소에서 재생에너지에 대한
기술 요구사항 표준화 작업을 수행하였으며 국제 에너지 기구(IEA, International Energy Agency)의 가이드라인에서 제시한 측정,
평가에서 명확하지 않은 부분을 발전시켜 인버터의 연계용량의 최소 비율을 필수 규정으로 명시하였다[6][7]. 재생에너지의 신뢰성 있는 통합을 위해 라이드 스루 기능이 연계점에서의 전압 하락에 효과적으로 대응하는 원리에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다[8]. 라이드 스루 기능 요구사항 성능시험과 비정상 계통상황에서의 모의가 어렵기 때문에 소프트웨어를 이용해 비정상 계통 해석과 관련된 연구가 진행되고
있다[9][10]. 배전계통에서 사고 발생과 회복과정에서 태양광 발전기가 배전계통 대상으로 회복에 영향을 미칠 수 있는 요소인 배전계통의 인버터 연계용량에 대한 계통
단락용량의 비율(SCR)과 선로 등가 임피던스의 X/R비 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다[11]-[13].
유럽에서 신재생 에너지를 가장 적극적으로 개발하고 공급이 활성화되어 있는 독일에서는 SCR에 대한 수치를 필수 규정으로 요구하고 있다. 하지만, 현재
국내의 송ㆍ배전 설비 규정과 기술 요구사항에서는 고려하지 않고 있다. 배전계통에서 고려할 수 있는 특성 중 SCR를 고려한 계통 계획은 보호 설비와
기술의 정확한 동작으로 사고를 신속하게 제거하여 파급을 막아 신뢰성을 높일 수 있다.
본 논문에서는 계통 고장 시 사고의 파급을 방지하기 위한 스마트 인버터의 운전 유지기능인 전압 라이드 스루의 운전상태 지속 시 계통의 강건도에 따라
발생할 수 있는 영향을 분석한다.
모의를 위해 22.9kV/380V 배전계통에 연계된 스마트 인버터를 Matlab/Simulink에서 구현한다. 사고 후 회복에 영향을 미칠 수 있는
요소로 정의한 인버터 연계용량에 대한 계통 단락용량의 비율과 선로 등가 임피던스의 X/R비를 산정하고 이를 선로 데이터에 반영하여 모의를 수행한다.
사고 영향 평가를 위하여 사고 이후의 전압 회복과 전압 및 유효전력의 오버슛, 파형 분석을 통해 영향력 평가를 수행한다.
본 논문의 2장에서는 국내 스마트 인버터 라이드 스루 기능 요구사항에 대하여 분석하였다. 3장에서는 Matlab/ Simulink에서 계통 연계형
스마트 인버터와 계통 고장에 모의를 위해 라이드 스루 기능을 구현하고 영향을 검증한다. 배전계통의 강건도를 판단할 수 있는 SCR과 선로 등가 X/R비의
차이에 따라 회복 영향을 분석하였다. 마지막으로 4장에서는 결론 및 향후 연구 계획을 서술하였다.
2. 라이드 스루 기능 요구사항
2.1 스마트 인버터 라이드 스루 기능 정의
국내 스마트 인버터 기술 요구사항은 계통 연계형 태양광발전의 스마트 인버터의 계통지원 기능을 대표로 정의되었다. 계통지원 기능은 분산전원의 출력 제어를
통하여 전력계통의 안정화에 기여하는 기능을 의미한다. 스마트 인버터는 전력계통의 안정적인 운영을 지원하기 위하여 전압, 주파수 등의 감시 정보를 이용해
상위 시스템의 지령 혹은 자율적인 제어를 통해 계통지원 기능을 수행한다. 스마트 인버터에서는 정기적인 간격으로 운전 값이 지정된 값을 추종하고 있는지,
지정한 값의 범위에서 운전하고 있는지, 스위칭 조건을 준수하고 있는지를 판단하게 된다. 분산전원의 특성은 연계된 지역 전력계통의 상태와 밀접한 연관이
있다. 분산전원으로부터 가장 가까운 전기적 지점인 공통 연계점(PCC, Point of Common Coupling)에서는 단일 분산전원의 출력 영향뿐만
아니라 전력계통에 연계된 전기적 부하와 다른 분산전원 출력의 영향을 받고 전기적 접속점인 분산전원 연계점(POI, Point of Interconnection)에서는
분전반을 통해 지역 전력계통에 연계된다.
분산자원 연계점은 스마트 인버터가 계통지원 기능을 수행하기 위한 직접적인 기준이 되는 지점이다. 소규모 발전 사업자와 배전계통의 운영자는 개별 인버터를
제어하기 위한 기준으로 공통 연계점 전압을 기준으로 제어를 수행한다.
스마트 인버터의 배전계통 지원기능 중 계통운전 유지기능에서는 스마트 인버터가 비정상 계통전압을 감지하여 전압조건에 따라 운전을 지속하거나 분리를 결정하는
전압 라이드 스루(VRT, Voltage Ride Through)기능을 요구한다. 라이드 스루 기능의 동작과 스마트 인버터 파라미터 설정은 계통 운영자가
설정한 범위 내에서 전압 임계값과 분리 시간을 결정할 수 있다. 라이드 스루 기능의 요구사항 중 스마트 인버터의 운전상태 항목은 아래의 표 1과 같다[5].
표 1 스마트 인버터 운전상태 구분
Table 1 Operating Status of Smart Inverter
운전상태
|
동작
|
연속운전
|
해당 전압 범위에서 스마트 인버터는 계통 분리 없이 정상 출력을 유지해야 함
|
운전유지
|
① 스마트 인버터는 운전 지속시간 동안 계통 연계상태를 유지함. ② 사고 직전 전류의 80% 이상을 계통에 공급 ③ 저전압 사고 시 전류가 정격을 초과하는 경우, 스마트 인버터는 공급 가능한 최대 전류 이내로 운전
|
일시정지
|
① 스마트 인버터는 운전 지속 동안 정상 출력의 10 % 이하로 출력을 제한
② 해당 전압 범위 내에서 운전 지속시간을 초과하는 경우 계통 분리시간 전까지 전력계통으로부터 분리
③ 운전 지속시간 전에 회복 시, 사고 직전 전류의 80% 이상으로 즉시 회복, 최대 0.4초를 초과하여서는 안됨.
|
스마트 인버터가 비정상전압을 감지하고 계통에 가압을 중지하는 시간, 운전 지속 시간 혹은 계통 분리 가능 시간에 대한 구분은
그림 1에 도식되어있다.
그림 1. 라이드 스루 시간 구분
Fig. 1. Differences of Ride Through Time
운전 지속시간은 비정상 상태 시작 시점부터 분산전원의 가압 중지 전까지 운전상태를 유지하는 최소한의 시간을 의미한다. 계통 운영자 혹은 오퍼레이터가
기설정한 운전 지속 또는 계통분리 상태를 유지다. 이후 정격 범위에서 동작하지 않는 경우 계통에서 분리를 수행한다..
2.2 국내 라이드 스루 표준 규정
IEEE 1547 국제 표준의 2018년 개정판에서는 전력 품질 부문의 핵심은 전압과 주파수 조정을 위해 충분한 용량을 가져야 하며 비정상적인 전압과
주파수에서 라이드 스루할 것을 요구하였다. 이때, 계통의 규모와 신뢰도 기준에 따라 Category I, II, III로 분류하여 정의하고 운영한다[2][3]. IEEE 국제 표준에 따른 계통의 신뢰성 기준 구분은 표 2에 정리되어 있다.
표 2 계통의 신뢰성 기준 구분
Table 2 Stability Requirements of IEEE
분류
|
설명
|
Category I
|
- 대규모 계통의 신뢰도 최소 요구사항
- 일반적인 수준에서 모든 분산전원이 달성 가능
Category I 능력만 보유 시 대규모의 신뢰도 해칠 가능성 존재
|
Category II
|
- 대규모 계통의 신뢰성 요구를 모두 충족한 상태
- 전압 이탈 허용범위에 대한 정의 존재
전압 이탈, 배전 시스템 부하특성 고려
|
Category III
|
- 분산전원 보급률이 매우 높은 지역에서 발생하는 전력 품질 및 과부하 문제 고려
- 대규모 계통의 신뢰성 증대를 위해 개발
전기적 이벤트 발생 시 분산전원 탈락을 줄이기 위한 요구사항 정의
|
국내의 신뢰성 기준은 Category II – 전압 라이드 스루 그래프의 요구사항과 유사하다. 국내의 신뢰성 기준은 분산전원에 대한 전압 이탈 허용범위에
대한 정의가 되어있으며 지연된 전압 회복 가능성을 고려하여 설계되었다. 분산전원에 대한 전압 이탈 허용범위는 분산전원에 의한 비중이 높지 않은 계통에서
일반적으로 사용할 수 있다.
국내 스마트 그리드 협회에서 정의한 배전계통 요구사항 및 시험방법에서 명시한 전압 라이드 스루 그래프는 그림 2에 도시하였으며 각 전압 범위별 운전상태가 도시되어있다. 전압 라이드 스루 기능 설정은 표 3과 같으며 라이드 스루 곡선에 대한 세부 설정을 정리하였다[5].
그림 2의 국내 전압 라이드 스루 곡선에서는 각 전압 범위별 운전상태를 도시하였다. 이때 정상전압 범위는 0.90[P.U]에서 1.10[P.U] 사이를 정상전압
범위로 설정하였다.
표 3 전압 라이드 스루 기능 설정
Table 3 Configuration of Voltage Ride Through Function
구분
|
전압범위
[P.U]
|
운전지속시간
[초]
|
운전상태
|
계통분리
시간
[초]
|
과전압 2단계
|
V≥1.2
|
-
|
-
|
0.16
|
과전압 1단계
|
1.10<V≤1.20
|
0.20
|
일시정지
|
1.00
|
정상전압
|
0.90<V≤1.10
|
연속운전
|
저전압 1단계
|
0.70<V≤0.90
|
1.50
|
운전유지
|
2.00
|
저전압 2단계
|
0.50<V≤0.70
|
0.16
|
운전유지
|
2.00
|
저전압 3단계
|
V<0.50
|
0.15
|
일시정지
|
0.50
|
그림 2. 국내 전압 라이드 스루 곡선
Fig. 2. Domestic Voltage Ride Through Curve
라이드 스루 기능에서는 1.10 [P.U.] 이상 전압 범위에서의 인버터 동작기능을 HVRT(High Voltage Ride Through)으로 정의하였고,
0.90 [P.U.] 전압 범위에서의 인버터 동작기능은 LVRT(Low Voltage Ride Through)기능으로 정의한다. 운전 지속 또는 계통분리
범위에서는 계통 운영자 혹은 오퍼레이터가 기설정한 동작에 따라 운전 지속 또는 계통 분리를 수행한다.
2.3 배전계통 강건도 평가 파라미터
2.3.1 계통 단락용량
계통의 단락용량(SCC, Short Circuit Capacity)을 정의하기 위해는 스마트 인버터가 계통지원 기능을 수행하기 위한 직접적인 기준이
되는 지점인 공통 연계점 혹은 분산전원 연계점을 기준으로 바라본 계통에서의 단락용량이 정의 되어야한다. 계통의 단락용량은 아래 수식 (1)과 같이 정의한다. 이때, $E_{ac}$는 버스의 정격전압, $Z_{thevenin}$은 인버터 연계지점에서 바라본 등가 임피던스를 의미한다.
인버터의 연계용량에 대한 계통 단락용량의 비율(SCR)은 수식 (2)와 같이 정의한다. 이때, SCC는 수식 (1)에서 정의한 계통의 단락용량을 의미하며, $MW_{i n v e r t e r}$인버터 연계지점에서 바라본 정격 유효전력 출력을 의미한다.
계통 영향과 SCR의 관계는 다음과 같이 구분할 수 있다. 출력량 변동이 발생하였을 때 출력 변화는 분산전원 연계점에서 바라본 배전계통의 특성과 같은
파라미터에 의해 영향을 받는다. 단락용량이 큰 계통에서는 SCR이 높은 시스템이 구성될 것이며, 높은 SCR인 배전 시스템의 계통 연계점에서는 같은
인버터 용량에 대하여 낮은 민감도를 가지며, 유효 및 무효전력 출력에 의한 영향이 상대적으로 적다. 하지만 낮은 SCR인 배전 시스템 연계점에서는
계통 단락용량이 상대적으로 낮아 유효 및 무효전력 출력에 의한 변화는 민감한 출력 변화를 일으킬 것이다. 배전선로의 길이가 짧아 계통의 크기 자체가
작은 경우에는 임피던스의 절댓값이 작아져 SCR이 증가할 수 있다. 분산전원이 사고 감지를 통해 차단기의 동작으로 계통에서 분리되는 경우에는 임피던스
맵을 구성하는 분산전원의 탈락은 테브난 등가 임피던스를 하락시키고 이는 SCR 증가로 이어진다[14].
2.3.2 배전선로 등가 X/R비 검토
스마트 인버터에서 바라본 테브난 등가 회로의 X/R비는 분산전원의 출력과 밀접한 관계가 있다. 관계식은 아래의 수식 (3)과 같다. P는 유효전력 출력, $V_{s}$는 송전단 전압, $V_{r}$은 수전단 전압, $\theta$는 송전단과 수전단 사이의 상차각을 의미한다.
Z는 선로의 임피던스, R과 X는 각각 선로의 저항과 리액턴스를 의미한다. X/R비가 작아질수록 상대적인 $| Z |$도 감소하여 유효전력 출력의
변동성이 증가하게 된다.
3. 전압 라이드 스루 요구사항 검증
본 논문에서는 전압 라이드 스루 요구사항 검증을 위한 모의 계통으로 22.9kV 선로와 변압기를 통해 380kV 배전선로에 연계된 계통 연계형 스마트
인버터를 구현하였으며 그림 3과 같다. 그림 3에 도시된 INVERTER 구역에서는 계통과 연계된 인버터의 유ㆍ무효전력 출력량을 결정하는 알고리즘이 구현되어 있으며 100[kVA] 용량의 스마트
인버터를 모델로 구현하였다. 이 스마트 인버터는 380[V] 선로를 통하여 계통과 연계되어있으며 모의 시 LVRT 컨트롤러를 통해 전달된 운전상태에
따라 운전을 결정하게 된다.
그림 3. Matlab/Simulink 저전압 라이드 스루 모델
Fig. 3. Implemented Low Voltage Ride Through Model using Simulink
LVRT 컨트롤러 구역에서는 스마트 인버터의 운전상태를 결정하는 알고리즘이 구현되어 있다. 인버터의 운전상태 결정을 위해 현재 인버터의 전압과 지속시간을
측정한다. 표 3의 저전압 단계별 전압과 지속시간 기준을 사전에 설정하였으며 필요에 따라 파라미터 조정과 단계의 확장이 가능하다.
GRID 구역에서 무한모선을 통해 22.9[kV] 전압원 소스를 구현하였으며 배전선로에 대한 R과 L을 조정할 수 있으며 계통의 SCR과 선로 등가
X/R비를 조정할 수 있다. 무한 모선을 통해 구현된 22.9kV 선로는 변압기를 거쳐 380[V]로 변압된다. 그리고 연계된 선로의 R과 L을 조정할
수 있다. 이때, R과 L은 수식 (4)를 통해 결정된다.
수식 (4)에서 $KW_{PCC}$는 공통 연계점에서 단락용량 비를 고려한 연계용량을 의미한다. $R_{GRID}$는 인버터 전용선로를 거친 공통 연계점에서
바라본 테브난 등가 선로 저항을 의미하며, $X_{GRID}$는 테브난 등가 리액턴스를 의미하고, $X/R_{RATIO}$는 선로 등가 X/R비를
의미한다.
그림 4에서는 시뮬레이션을 위한 LVRT 모델의 Flow Chart를 도식하였다.
시뮬레이션 모델을 실행하면 22.9[kV] 계통이 구동된다. 계통과 연결된 변압기를 통해 22.9[kV]에서 380[V]로 변압된다. 380[V]
선로를 기반으로 스마트인버터는 위상을 동기시켜 출력한다. 운전상태 결정을 위해 PCC 전압 데이터를 지속적으로 모니터링하며 유효전력을 출력한다.
사고로 인해 저전압이 발생하는 경우 사고 시간으로 부터의 지속시간을 측정하며 동시에 기설정된 저전압 단계에 따라 운전상태와 운전 지속시간을 변경하고
동작 상태 트리거를 전달한다. 저전압 지속시간이 운전상태를 유지하는 시간을 초과하였을 때에는 운전 지속 또는 계통분리 상태를 설정할 수 있다. 본
모델에서는 운전 지속 상태로 설정하였다. 전압이 정상전압 범위를 벗어난 시간을 기준으로 저전압 1, 2단계 기준으로 2초 이상 지속되는 경우 무조건
계통에서 분리를 수행하고, 저전압 3단계의 경우 저전압 3단계에서는 전체 정상전압 범위를 벗어난 시간이 0.50초 이상일 경우 계통에서 분리한다.
그림 4. LVRT 모델의 Flow Chart
Fig. 4. Flowchart Illustrating the LVRT Model
3.1 시나리오 정의
본 논문에서는 계통의 사고 시 SCR과 X/R비에 따른 전압 회복 영향을 분석하기 위하여 X/R비와 SCR을 조정하여 모의한다. 안정적인 단락비의
최소 기준을 설정하기 위하여 독일 FGW의 SCR 최소 요구사항을 바탕으로 계통 요구사항인 SCR=3을 적용하여 표 4의 시나리오에 따라 X/R비를 변동시킨다[6]. 시뮬레이션 파라미터 중 X/R비를 변동시키는 것은 실계통 내에서 스마트 인버터가 위치한 지점을 변동하는 것과 같다.
표 4 선로 등가 X/R비 검토 시나리오
Table 4 Scenario for Evaluating X/R Ratio
구분
|
Case 1
|
Case 2
|
Case 3
|
Case 4
|
SCR
|
3
|
3
|
3
|
3
|
X/R비
|
1.5
|
2
|
4
|
6
|
다음 절의 X/R비 검토 결과에 따라 안정적인 X/R비는 4 이상으로 결정되지만, 실제 배전계통 검토 시에는 1.2~2.0 사이의 X/R비를 적용하기
때문에 본 논문에서는 X/R=2의 값을 적용하여 표 5의 SCR 검토 시나리오를 정의하였다.
표 5 선로 등가 SCR 검토
Table 5 Scenario for Evaluating SCR
구분
|
Case 1
|
Case 2
|
Case 3
|
Case 4
|
SCR
|
3
|
5
|
7
|
10
|
X/R비
|
2
|
2
|
2
|
2
|
모의 시나리오는 2초에 공통연계점이 위치한 선로에 3상 단락 고장을 모의하였다. 사고는 5[cycle] 동안 지속 후 사고가 복구되는 상황을 모의하였고
사고 이후의 전압과 유효전력 출력량을 Matlab/Simulink 상의 계측기를 통하여 분석한다.
3.2 결과분석
그림 5는 표 4의 시나리오를 적용하여 선로 등가 X/R비를 검토하여 스마트 인버터의 전압 출력을 비교한 결과이다. 스마트 인버터에서 2초에 발생한 3상 단락 고장에
의해 저전압이 현상이 발생한다.
그림 5. X/R비 변동에 따른 전압 출력 그래프
Fig. 5. Measured Voltage According to X/R Ratio Variations
그림 6. X/R비 변동에 따른 유효전력 출력 그래프
Fig. 6. Measured Active Power According to X/R Ratio Variations
LVRT 컨트롤러에서는 사고 지속시간이 0[P.U]에서 0.15초를 초과하지 않았기 때문에 사고 회복과 동시에 운전유지 상태로 복귀하며 동작상태는
전압과 시간을 기준으로 운전상태를 자율적으로 제어하였다. 그림 6의 X/R비 변동에 따른 유효전력 출력을 비교하면 X/R이 가장 낮은 케이스인 X/R=1.5의 케이스에서 유효전력 출력의 오버 슛은 X/R비가 가장
큰케이스인 X/R=6 에 비해 더 높게 나타나는 모습을 확인할 수 있다. 그림 5의 전압 출력 비교에서는 같은 인버터의 용량이 연계되어도 X/R비가 높은 케이스인 X/R=6의 케이스에서 정상 전압(1.0[P.U])로 제어 가능한
것을 확인하였다.
선로 등가 X/R비 검토 결과는 표 6에 정리하였다. 유효전력 백분율 오버슛을 확인하였을 때 X/R비가 높은 강인한 계통에 인버터가 연계되었을 때 상대적으로 유효전력의 오버슛이 감소하는
것을 확인할 수 있다. 그러나 전압 오버슛 관점에서는 사고 회복 시 순간적으로는 더 출력에 민감하게 전압이 변화한다. Steady State 전압
출력 결과에서는 100[kVA] 용량의 스마트 인버터의 출력으로 계통 연계점 전압은 X/R비가 낮아질수록 더 높아지는 모습을 확인할 수 있다.
표 6 선로 등가 X/R비 검토
Table 6 Evaluation X/R Ratio of Distribution Line
구분
|
Case 1
|
Case 2
|
Case 3
|
Case 4
|
SCR
|
3
|
3
|
3
|
3
|
X/R비
|
1.5
|
2
|
4
|
6
|
SteadyState
전압 [P.U.]
|
1.111
|
1.098
|
1.050
|
0.999
|
전압 Peak [p.u.]
|
1.132
|
1.119
|
1.076
|
1.051
|
전압
OverShoot [%]
|
1.8
|
1.9
|
2.3
|
5.1
|
유효전력
OverShoot [%]
|
20
|
19.2
|
15.7
|
12.3
|
사고전압회복 Settling Time
(±0.1%) [초]
|
2.4
|
2.41
|
2.42
|
2.5
|
그림 7은 표 5의 시나리오를 적용하여 계통 SCR 을 검토하여 스마트 인버터의 전압 출력을 비교한 결과이다. 스마트 인버터에서 2초에 발생한 3상 단락 고장에 의해
저전압이 현상이 발생한다. LVRT 컨트롤러에서는 사고 지속시간이 0[P.U]에서 0.15초를 초과하지 않았기 때문에 사고 회복과 동시에 운전유지
상태로 복귀하였다. 컨트롤러가 전압과 시간을 기준으로 동작상태를 자율적으로 제어하였다.
그림 7. SCR 변동에 따른 전압 출력 그래프
Fig. 7. Measured Voltage According to SCR Variations
그림 8에서는 SCR 변동 시나리오에 따른 인버터의 유효전력 출력을 확인하였다, 인버터의 유효전력 출력은 SCR이 클수록 수렴할 때까지의 유효전력 변동 폭이
더 작게 유지되는 경향을 나타내며 제어할 수 있었다. 그림 7의 전압 출력에서도 SCR이 클수록 상대적으로 오버슛이 적고 기존 신호로 복귀하는 과정에서 SCR=10의 케이스에서 계단 함수에 가까운 형태로 수렴하는
것을 확인할 수 있었다.
선로 등가 SCR 검토 결과는 표 7에 정리하였다. X/R비가 2이고 SCR가 증가함에 따라 전압의 오버슛이 감소되어 스텝신호에 SCR이 7이상의 계통에 연계된 인버터의 경우 전압 오버슛는
1[%] 이내로 스텝 신호에 가까운 형태로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 사고 회복 전압 시간의 Settling Time은 Steady State
기준 ±0.1[%]를 적용하여 분석하였지만 근소한 차이만 존재하였다.
그림 8. SCR 변동에 따른 유효전력 출력 그래프
Fig. 8. Measured Active Power According to SCR Variations
표 7 선로 등가 SCR 검토
Table 7 Evaluation SCR of Distribution Line
구분
|
Case 1
|
Case 2
|
Case 3
|
Case 4
|
SCR
|
3
|
5
|
7
|
10
|
X/R비
|
2
|
2
|
2
|
2
|
SteadyState
전압 [p.u.]
|
1.098
|
1.069
|
1.053
|
1.039
|
전압
OverShoot [%]
|
1.9
|
1.2
|
0.9
|
0.57
|
전압 Peak [p.u.]
|
1.119
|
1.082
|
1.063
|
1.045
|
유효전력
OverShoot [%]
|
19.2
|
17.2
|
16.1
|
15
|
사고전압회복 Settling Time
(±0.1%) [초]
|
2.41
|
2.41
|
2.4
|
2.25
|
4. 결 론
본 논문은 계통 고장 시 사고의 파급을 방지하기 위한 스마트 인버터의 계통 운전 유지기능인 전압 라이드 스루 기능이 배전계통에 미치는 영향을 분석하기
위해서 배전계통의 SCR과 선로 등가 X/R비 변동에 따른 전압과 유효전력 출력 변화를 분석하였다.
Matlab/Simulink에서 22.9kV/380kV 배전선로에 연계된 계통 연계형 스마트 인버터와 라이드 스루 컨트롤러 모델을 구현하였다. 그리고
전력계통에 연계된 전기적 부하의 영향이 미치는 위치인 공통연계점에서 발생한 3상 단락 고장에 대하여 모의하였다.
사고 해소 후 스마트 인버터의 라이드 스루 기능으로 인한 출력 회복과정에서 계통의 X/R비가 높은 강인한 계통에 인버터가 연계되었을 때 상대적으로
유효전력의 오버슛이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 계통의 SCR은 높을수록 전압 오버슛, 유효전력 오버슛이 감소하였다. 이는 SCR이 높은 강인한
계통에 인버터가 연계되는 경우 출력으로 인한 전압 영향도가 적음을 의미한다. 국내 배전계통에 대용량의 재생에너지가 연계될 경우 사고와 부하 변동에
대하여 신규 연계점에서 강건도를 분석 시 X/R비와 SCR을 고려하여 설계할 경우 효과적으로 스마트 인버터가 기존 배전계통의 안정도에 미치는 영향을
최소화하는 방향으로 연계를 할 수 있을 것이다.
향후 연구 방향은 선로 임피던스 특성을 상세히 반영하여 라이드 스루 시험 모델의 정확성을 높일 것이다. 분산전원의 계통 영향을 평가하는 항목으로 스마트
인버터의 계통지원 기능인 전압-무효전력 제어(Volt-Var Control)가 계통 사고 시 무효전력 우선 모드로 동작할 경우 전압 라이드 스루에
미치는 영향을 분석하는 연구를 수행할 예정이다.
Acknowledgements
This work was supported by research grants from Daegu Catholic University in 2023.
References
Ministery of Trade Industry and Energy. “10th Basic Plan on Electricity Supply and
Demand(2022–2036)“, 2023, Available : http://english.motie.go.kr/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
IEEE, “1547-2018 IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed
Energy Resources with Associated Electric Power Systems Interfaces”, 2018, DOI: 10.1109/IEEESTD.2018.8332112
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
IEEE, “1547.1-2020 standard conformance test procedures for equipment interconnecting
distributed energy resources with electric power systems and associated interfaces”,
2020, Available : https://standards.ieee.org/ieee/1547.1/6039/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Korea Smart Grid Association, “KSGA-025-15-1 : 2022 (Ed2.0)”, 2022, Available : https://www.ksga.org/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Korea Smart Grid Association, “KSGA-025-9-2-1:2020”, 2020, Available : https://www.ksga.org/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
FGW e.V., "Technical Guidelines for Power Generating Units Part 3", 2009, Available
: https://wind-fgw.de/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
IEEE, "IEEE Application Guide for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical
Current Basis", IEEE Std C37.010-1999 , vol., no., pp.1-80, May. 2000,Available :
https://standards.ieee.org/ieee/C37.010/2451/
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
IEC, “IEC TS 62910, Utility-interconnected photovoltaic inverters – Test procedure
for low voltage ride-through measurements” Oct. 2015,Availabe : https://webstore.iec.ch/publication/64174
![URL](../../Resources/images/icon_url.png)
Ruikuo Liu, Jun Yao, Xuewei Wang, Peng Sun, “Dynamic Stability Analysis and Improved
LVRT Schemes of DFIG-Based Wind Turbines During a Symmetrical Fault in a Weak Grid,”
IEEE Transactions on Power electronics, Volume : 35 Issue : 1, Jan. 2020, DOI: 10.1109/TPEL.2019.2911346
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Xiuqiang He, Hua Geng, Ruiqi Li, Bikash Chandra Pal, “Transient stability analysis
and enhancement of renewable energy conversion system during LVRT,” IEEE Transactions
on Sustainable Energy 11(3), 1612-1623, 2019, DOI: 10.1109/TSTE.2019.2932613
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Donghwi Kim, “Design and Implementation of Novel Fault Ride through”, Sustainability
2022, 14(15), 9736, 2022, DOI: doi.org/10.3390/su14159736
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Li Yu, “An Overview of System Strength”, Electronics 2022, 11(2), 224, 2022, DOI:
doi.org/10.3390/electronics11020224
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
Fuyilong Ma , Huanhai Xin , Di Wu , et al. ,“Assessing Grid Strength of 100% Inverter-Based
Power Systems”, TechRxiv September 27, 2023, DOI: 10.36227/techrxiv.21120517.v6
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
NERC, “Short-Circuit Modeling and System Strength, White Paper”, Feb. 2018, Available
: https://www.nerc.com/
![DOI](../../Resources/images/icon_crossref.png)
저자소개
He received the B.S. and M.S. degree in the department of electrical engineering in
2021 and 2023, respectively and he has been a Ph.D. course at Daegu Catholic University.
His research interests are distribution system analysis, smart inverter modeling,
and DSO operation strategy.
He received the Ph.D. degree from Korea University in 2012. Since 2017, He is currently
an associate professor at Daegu Catholic University. His main subjects are distribution
system analysis, smart inverter control for flexible energy, ESS control schemes,
and DSO operation for VPP.