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대규모 풍력단지 해석을 위한 조류계산 기반의 풍력발전단지 모델링 기법 연구
문지혜, 김지훈, 이환익, 이병준 고려대학교
Study of wind power plant power flow modeling for large wind farm analysis
Ji-Hye Moon, Ji-Hun Kim, Hwan-Ik Lee, Byong-Jun Lee Korea University
Abstract - 세계적으로 풍력 에너지에 대한 수요가 증가하고 있 으며 이러한 풍력발전의 집중화 및 대규모화에 따라 풍력발전기 가 고려된 계통의 해석이 필수적이며 이에 따라 풍력발전기가 고려된 계통의 해석을 위해 풍력발전기의 특성 및 출력을 파악 할 수 있는 정확한 모델링이 요구된다. 따라서 풍력발전기가 포 함된 풍력발전단지의 모델링 및 조류계산 레벨에서의 무효전력 보상 모델링의 방법을 정립해보며 이를 바탕으로 풍력 발전기가 포함된 모의 계통을 설계하였다.
1. 서 론
지구 온난화 및 화석연료 고갈과 함께 기상이변, 유가변동에 따른 에너지 및 경제 문제는 세계적으로 환경문제에 관심을 갖 게 되는 계기가 되었으며 특히 탄소가스 배출 의무감축과 같은 직접적인 규제는 국가차원에서 대체에너지원으로 신재생에너지 의 개발에 더욱 투자 할 것을 요구하고 있다. 신재생에너지의 개 발과 적용에 대한 필요성 및 인식이 증대되면서 신재생 에너지 도입비율을 높이기 위하여 실행 중인 신재생에너지 의무할당제 (RPS, Renewable Portfolio Standards)등으로 인하여 에너지사업 으로써 신재생 에너지발전에 대한 관심과 투자가 급증하고 있다.
신재생에너지 자원 중 풍력발전은 발전단가가 저렴하고 소요면 적이 작아 많은 도입이 이루어져 유럽의 일부 국가는 전체 발전 량의 30% 정도를 풍력발전으로 사용하는 경우도 있으며 미국에 서는 2006년 한 해 동안 2600MW정도의 풍력발전기를 설치하며 미네소타 주에서는 2020년까지 최대부하의 20%를 풍력발전으로 충당하려는 계획을 가지고 있다. 이에 우리나라도 제4차 전력수 급기본계획을 발표, 2015년까지 전국적으로 683MW규모의 풍력 설비를 건설 할 예정이며 풍력발전은 풍황의 영향을 크게 받기 때문에 대부분의 육상풍력은 제주도에 건설될 전망이며 서해안 과 남해안에 해상풍력단지가 건설될 예정이다. 이러한 풍력발전 의 집중화 및 대규모화에 따라 풍력발전기가 고려된 계통의 해 석이 요구된다. 풍력발전기가 고려된 계통의 해석을 위해 풍력발 전기의 특성 및 출력을 파악 할 수 있는 정확한 모델링은 필수 적이다. 풍력발전기가 포함된 실효치 레벨에서의 풍력발전단지의 모델링을 통해 다양한 사고 시나리오에 대비한 해석이 가능하며 따라서 계통의 안정성을 확보하면서 풍력발전 도입량을 증가시 킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 풍력발전기가 포함된 풍력발 전단지의 모델링 및 조류계산 레벨에서의 무효전력 보상 모델링 의 방법을 정립해보며 이를 바탕으로 풍력 발전기가 포함된 모 의 계통을 모델링한다.
2. 본 론
2.1 풍력 발전 단지의 구성 및 모델링
풍력발전기가 고려된 계통의 해석을 위해 풍력발전단지의 공간배치를 나타내며 이에 따른 각각의 요소에 대하여 모델링하며 특히 풍력발전기 타입에 따른 각각의 풍력발전기 모델링 방법에 대하여 살펴본다.
2.1.1 풍력발전 단지의 구성
풍력발전단지는 많은 풍력발전기(Individaul generator)들로 구성되며 각각의 풍력발전기는 Collector system station으로 모인다. 이는 송전선 (Interconnection Transmission Line)을 통하여 계통연계점(POI)까지 이 어진다. 최근의 풍력발전기의 용량은 보통 1~4MW이며 단자전압은 600V이다. 각각의 풍력발전기와 collector system station사이에는 승압 변압기가 있으며 collector system station의 전압 레벨은 보통 12kV~34.5kV로 나타난다. 무효전력보상을 위한 장치로는 연속적으로 변 화하는 STATCOM, SVC나 기계적 캐패시터 보상 방법이 있는데 이는
Collector System Station에 설치된다. 또한 발전기별 타입에 따라 발전 기 단자전압의 역률 보상을 위해 무효전력 보상이 이루어진다. 무효전력 의 보상양은 전압조정이나 손실 등이 포함된 Collector System 설계에 서의 고려사항이나 계통의 연계기준에 따라 판단한다.
<그림 1> 풍력 발전단지 구성
2.1.2 풍력발전 단지의 등가 모델링
[그림1]의 풍력발전단지의 구성을 전력 조류의 흐름에 따라 등가화하 여 나타내면 아래 []그림2]와 같다. 등가화된 풍력 발전기와 역률 보상 캐패시터는 각각의 발전기에서 생산되는 캐패시터양과 모든 풍력발전기 의 무효전력 보상 양으로 표현된다. 또한 등가화 된 발전기 승압변압기 (Step-Up Transformer)는 모든 발전기의 승압변압기의 합으로써 표현 된다. 등가 Collector System은 풍력발전 단지의 Collector System의 총합의 영향으로 나타나며 실제의 풍력발전기에서의 전력 손실과 전압 강하도 거의 근사하다.
<그림 2> 풍력발전단지 등가모델
상호접속 송전선(Interconnection Transmission Line)은 라인 전압, 길 이, 파라미터(R,X,B)값을 포함하고 있어야 하며 경우에 따라 POI보다는 낮은 전압 레벨이지만 Collector System보다는 높은 전압 레벨을 가지 고 있는데 이는 적절한 보상(Shunt compensation)을 해준다.
풍력발전단지의 Station Transformer는 한 개 또는 여러개로 구성 되 어있다. 기본 데이터에는 변압기 단자전압, MVA 용량, 자기냉각 MVA base의 % 임피던스, X/R 비 등이 나타나 있다. 이러한 타입의 정상 성 분 임피던스는 7~10%이며 X/R비는 40~50이다.
Plant Level의 Reactive Compensation에는 연속적으로 변화하는 STATCOM, SVC나 기계적 캐패시터 보상 방법이 있다. 여기서 Discrete shunt capacitor는 constant impedance device로 모델링하고 STATCOM, SVC는 연속적으로 변화하는 reactive power generator 로 모델링한다.
2011년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2011. 7. 20 - 22
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여러개의 feeder들로 구성된 Collector system은 cost, real power losses, voltage performance등을 고려해야 한다. 보통 육상에서는 underground feeder를 사용하기 때문에 overhead circuit보다 X/R 비가 낮은 경향이 있고 line susceptance는 크다. collector system의 등가 impedance와 suceptance는 수식 (1),(2)와 같이 표현된다. Zi와 ni는 i번 째 마디의 (Ri+jXi)임피던스이며 I는 collector system의 총 마디수이며 N은 WTG(Wind turbine generator)의 총 개수이다.
등가 Pad-mounted transformer의 모델링은 per-unit 등가 impedance ZTeq와 등가 MVA 비 MVATeq가 필요한데 이는 다음 수식 (3),(4)와 같이 표현된다. ZT는 WTG의 impedance이며 N은 총 WTG의 개수이며 MVAT는 자체의 MVA base값이다.
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2.1.3 풍력발전기 타입에 따른 모델링
전력 조류 계산 Simulation을 위해 WTG(Wind turbine generator)를 표준화된 발전기로 모델링하는 것은 필수적이다. 각각의 WTG는 발전 기 타입에 따라 모델링 할 수 있다. 먼저 Type 1,2 는 유도발전기이며 무효전력을 흡수하는 특징을 가지고 있다. 50~100%의 출력에서 역률은 0.85~0.9이며 이때의 Qmin, Qmax, Ggen값은 P정격값의 1/2로 흡수하며 이에 따라 보상 Qcap값도 Prated값의 1/2로 수식 (5),(6)으로 나타낼 수 있다.
m i nm ax
<그림 3> WTG의 Type 1, 2
WTG(Wind turbine generator)의 Type 3,는 역률보정 capacitor가 설 치 되지 않는다. 만약 WTG의 역률이 고정되어 있다면 Qmin, Qmax,값 은 다음 수식(7)과 같이 나타 낼 수 있다. WTG의 역률이 고정되어 있 지 않을 경우에 역률 range와 Pgen값에 따라 Qmin과 Qmax 값이 결 정 된다.
m i nm axtancos
<그림 4 > WTG의 Type 3, 4
2.2 사례연구
앞서 제시한 풍력발전단지 모델링 방법을 적용하여 풍력 발전기가 포 함된 간단한 모의 계통을 구성하여 풍력발전기를 Type 2로 모델링하였 다.
2.2.1 Test 계통
모의 계통은 풍력발전기 1기(풍력발전 단지의 풍력발전기 20기를 1기
로 등가 모델링)가 포함된 3기 11모선으로 모델링한다. WTG(Wind turbie generator) Type은 2로 설계하며 발전량 Pgen= 13.2MW로 지정 (0.66MWx20)하고 모델링 방법에 따라 Qmin = Qmax = Qgen = -6.6Mvar, Shunt값은 6.6Mvar, 단자전압은 690V 로 지정해 주었다.
Pad-mounted transformer 의 base MVA는 17MVA(0.8MVA5x20기) 임 피던스 값은 같은 전압 레벨의 기존 transformer의 임피던스 값을 활용 하여 j2.206으로 지정하였고 690V에서 22.9kV로의 Step-up transformer를 설계하였다. Station transformer는 22.9kV에서 230kV로 의 Step-up transformer를 설계하였고 임피던스 값은 앞서와 마찬가지 로 기존의 발전기의 임피던스 값을 활용하였다. Transmission line의 전 압, 길이, 파라미터(R,X,B )값을 포함하여야 하는데 이도 기존에 운영되 고 있는 계통의 비슷한 전압레벨의 Line값을 사용하였다. 앞서 제시한 모델링 방법에 따라 풍력발전단지를 다음과 같이 설계하였다.
<그림 5> Test 계통 3. 결 론
세계적으로 풍력 에너지에 대한 수요가 증가하고 있으며 이에 우리나라도 전국적으로 대규모의 풍력설비를 건설 할 예정이다.
이러한 풍력발전의 집중화 및 대규모화에 따라 풍력발전기가 고 려된 계통의 해석과 평가가 요구된다. 풍력발전기가 고려된 계통 의 해석을 위해 일반 발전기와는 특성이 다른 풍력발전기의 특 성 및 출력을 파악 할 수 있는 정확한 모델링은 필수적이다. 따 라서 본 논문은 풍력발전기가 포함된 실효치 레벨에서의 풍력발 전단지의 모델링 방법을 정립해 보았으며 이를 바탕으로 Type2 의 풍력 발전기가 포함된 모의 계통의 풍력발전 단지를 모델링 하였다. 이 후 추가적으로 다른 Type의 풍력발전기가 포함된 풍 력발전단지의 모델링이 가능 할 것으로 여겨지며 이를 통해 다 양한 사고 시나리오에 대비한 해석이 가능하며 따라서 계통의 안정성을 확보하면서 풍력발전 도입량을 증가시킬 수 있을 것으 로 예상된다.
[감 사 의 글]
본 연구는 2010년도 지식경제부의 지원으로 수행한 인력양성사 업 및 한국과학재단의 연구지원에 의해 수행된 연구결과입니다.
[참 고 문 헌]
[1] WECC Wind Generator Modeling Group, "WECC Wind Power Plant Power Flow Modeling Guide", 2008
[2] Muljadi,E.;Butterfield C.p.;Ellis A.;Mechenbier,J.;, “Equivalacing the collector System of a Large Wind Power Plant”,IEEE Power Engineering Society, General Meeting,June 12-16, 2006
