Grid Voltage Control of Offshore DFIG-Based Wind Farm for Connecting LCC-HVDC System

Abstract

오늘날 전 세계적으로 신재생에너지 중 풍력발전이 가장 상용화에 성공하여 하나의 전력에너지원으로서 크게 역할을 하고 있다. 초기에는 주로 육상풍력에 많은 투자가 이루어지고 또한 단지별 풍력발전단지의 용량은 전력계통의 안정을 위하여 접속점에서의 계통용량에 10% 이하가 되도록 하여 운영하였다. 하지만 풍력발전시스템기술이 발전과 더불어 단위 출력당 발전단가가 일반 화력발전소보다도 낮아지면서 설비용량은 크게 증가하였고 또한 단지별 용량도 크게 증가 하였다. 이러한 현상은 풍력발전 시스템을 도입하여 운용하는 대부분의 국가에서 나타나고 있다. 그러나 용량이 커지면서 불규칙한 출력변동에 따른 계통의 안정도는 점점 나빠져 이에 대한 대비책이 꾸준하게 요구되어 왔다. 특히 계통 접속점에서의 용량이 10% 가 넘는 대규모 풍력발전단지에서는 이러한 문제가 아주 중요한 계통안정도의 선결과제가 되었다. 더구나 오늘날 전 세계적으로 해상풍력발전단지 개발이 큰 화두로 되고 있는 현실에서 이 문제는 더욱 중요한 문제가 되어 왔다. 그래서 육상에서 100km 이상 떨어지고 용량이 200MW 이상인 해상풍력발전 시스템은 거의 HVDC 시스템을 통하여 육지의 계통과 연계를 하고 있다. HVDC시스템은 전압과 전류형으로 구분되는데 전압형은 유효출력전력과 무효출력전력을 독립적으로 제어 할 수 있다는 장점과 풍력발전 출력을 손쉽게 역송할 수 있다는 장점이 있지만 전류형에 비해 가격과 전력변환시스템 손실부분에서 단점을 가진다. 반면에 전류형은 용량이 전압형에 크고 또한 시스템의 운전경험이 많아 신뢰성이 크다는 장점이 있다. 하지만 사이리스터 on-off를 위한 무효전력이 반드시 필요하다는 단점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 DFIG로 구성된 해상풍력발전 용량이 500MW 이고 육지와의 연계를 전류형 HVDC를 채용하여 운전할 때 갑작스런 계통전압 감소에 따른 풍력발전단지의 운전정지방지를 위하여 제안된 순간전압보상기를 가지고 계통전압감소에 따른 순간전압강하분 만큼 보상전압을 출력시켜 풍력발전단지가 계통전압강하에 따른 출력정지를 방지하도록 한다. 뿐만 아니라 제안한 순간전압보상기의 동특성을 확인하기 위하여 단위계단별 출력변화 입력에 대한 순간전압기의 출력 특성을 분석한다. 이와 같은 해석은 전력계통과 전력전자시스템을 해석하는데 유용한 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 이를 수행한다. 해석한 결과를 분석해 보면 순간전압보상기와 DFIG를 채용한 풍력발전단지 그리고 전류형 HVDC 모델링이 잘되어 양호한 출력 특성을 얻을 수 있어 이를 해상풍력발전 단지에 적용시 유용하리라 사료된다.