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풍력발전단지 연계선 보호 거리계전기의 응동 특성 분석
강용철*, 이혜원*, 정태영*, 강해권* 전북대학교*
Analysis of the response of a distance relay for wind farm intertie protection
Yong-Cheol Kang*, Hye-Won Lee*, Tai-Ying Zheng*, Hae-Gweon Kang* Chonbuk National University*
Abstract - Power output of a wind farm fluctuates throughout a day. This affect a distance relay for wind farm intertie protection because a voltage of a relaying point varies due to fluctuating output of a wind farm. This paper describes the analysis of the response of a distance relay for intertie protection when the power output of a wind farm increases. A series of single phase to ground faults were also simulated and analyzed with PSCAD/EMTDC generated data.
1. 서 론
풍력 발전은 저렴한 발전단가, 높은 효용성으로 인하여 기존의 화력발 전을 대체할 여러 가지 신재생에너지 중 가장 경쟁력 있는 대안으로 대 두되고 있다. 최근에는 경제성, 효율성 등으로 인하여 대규모 육상/해상 풍력단지를 운영하고 있다. 대규모 풍력단지는 개개의 풍력발전기의 출 력을 모아 연계선을 통하여 그리드와 연계하고 있다.
거리계전기는 계전점의 전압, 전류 신호만을 이용하여 신뢰성 있는 보 호를 구현 할 수 있고 후비보호가 용이하여, 풍력단지의 연계선 보호용 으로 사용 될 경우 큰 장점을 지니고 있다[1-3]. 그런데 풍력단지의 출 력의 변동이 심하여, 계전점의 전압 변동이 심하여 거리계전기의 오동작 이 발생할 가능성이 존재한다.
본 논문에서는 풍력발전단지와 그리드사이의 연계선 보호에 사용되는 거리계전기의 응동을 분석한다. PSCAD/EMTDC를 이용하여, 다양한 사 고거리에서 사고와 풍력단지의 출력 변동에 따른 거리계전기의 응동을 분석 하였다.
2. Mho 거리계전기
사고가 발생되면 전압은 작아지고 전류는 커진다. 이때의 전압과 전류 의 기본파성분의 페이저(V, I)의 비를 이용하여 사고를 판단하는 계전기 를 거리계전기라 한다[4]. 본 논문에서는 거리 계전기 중에서 주로 사용 하고 있는 Mho 거리계전기를 적용 하였다.
Mho 계전기의 동작영역은 그림 1과 같고, 이를 Zone 1, Zone 2, Zone 3로 나누어서 동작한다. Zone 1에서 사고가 일어났을 시에는 바로 동작 하고 Zone 2와 Zone 3에서 사고가 일어났을 때에는 시간지연를 주어, 일정한 시간이 지난 후 동작한다. 즉, Zone 2와 Zone 3는 후비보호의 역 할을 한다.
0 0
R (ohm)
X (ohm)
Zone 3
Zone 1 Zone 2
<그림 1> Mho 계전기의 동작영역
<그림 2> 모델계통
동작 조건은 식 (1)과 같다.
≤ (1)
여기에서, Zcen, Rc는 계전기 동작영역의 원점과 동작원의 반지름이며, Zone 1, Zone 2, Zone 3의 Zcen, Rc값은 각각 다르다. Zcal는 식 (2)를 이 용하여, 계산된 임피던스이다.
(2)
3. 풍력발전단지 연계선 보호 거리계전기의 응동 특성 분석
3.1 모델계통
계통에 풍력발전단지가 연계되었을 경우 거리계전기의 응동을 분석하 기 위해 그림 2와 같은 154kV 그리드를 PSCAD를 사용하여 모델링 하 였다. 계통과 풍력발전단지 사이의 연계선 길이는 10km 이고, 풍력발전 단지는 유도발전기(Type A)로 모델링 하였다. 각각의 발전기의 용량은 3MW이고 10대의 풍력발전기를 그리드와 연계하였다. 그리드의 주파수 는 60Hz이며, 시뮬레이션 샘플링 비율은 주기 당 64샘플이다. A지점은 사고지점이고 B지점은 거리계전기의 계전점을 나타낸다.
3.2 사고거리에 따른 사례연구
사례 1: 단상 지락 사고, 사고거리 8㎞, 사고 저항 0Ω, 사고 위상각 0°
그림 3은 사례 1의 결과를 나타낸다. 그림 3a의 상단 그림은 계전지점 에 측정한 전류를 나타내며, 하단 그림은 I의 기본파성분의 크기를 나타 낸다. 그림 3b의 상단 그림은 계전지점에 측정한 전압을 나타내며 하단 그림은 V의 기본파성분의 크기를 나타낸다. 그림 3c는 계산한 임피던스 의 저항성분과 리액턴스 성분을 나타낸다. 그림 3d에서 Mho 계전기 결 과를 나타낸다. 사고가 발생하기 전의 동작점은 그림3d의 오른쪽하단에 위치하지만, 사고가 발생하면, 계산한 임피던스가 Zone 1의 동작영역에 들어간다. 그림 3e에 트립 신호를 나타낸다.
사고거리 변화에 따른 사례를 분석하기 위해서 사고거리를 다르게 하 고 (0.5km, 2km, 5km, 9.5km), 다른 조건들은 모두 같게 한 후, 사고를 모의 하였다. 각 사례의 결과를 표 1에 나타내었다. 거리계전기의 Zone 1의 셋팅을 전체 연계선의 80%로 설정했기 때문에, 사례 1, 2, 3, 4인 경우, 계산한 임피던스가 Zone 1의 동작영역에 들어간다. 또한, 사례 5 인 경우, 계산한 임피던스가 Zone 2의 동작영역으로 들어간다. 일반적으 로 사고거리 증가에 따라, 사고 후 전압은 더 커지고, 사고 전류는 더 작아진다. 그런데, 사례연구 결과, 사고거리의 영향에 따른 사고 후 전압 과 사고전류의 변화는 크지 않다.
3.3 풍력발전단지의 출력 변화 시의 사례연구
사례 6: 풍력발전기 1대가 발전하다가 동시에 9대가 투입되는 경우 사례 6의 결과를 그림 4에서 나타낸다. 풍력발전기 1대로 발전하다가, 동시에 9대가 투입하면, 풍력단지의 출력이 많아져서, 계전지점에 측정 한 전류가 커진다. 또한, 출력 전류가 많아지며, 풍력단지 발전기의 권선 파라미터에 걸리는 전압강하가 많아져서, 계전지점의 측정한 전압이 감 소한다. 따라서 9대 발전기 투입하기 전의 임피던스가 그림 4d의 우측 하단에서 발전기 투입 후, 거리계전기의 Zone 근처로 이동한다.
풍력발전단지의 출력 변화에 따른 사례를 분석하기 위해서, 동시에 투 입한 발전기의 대수를 달리하였고(9대, 4대, 1대), 다른 조건들은 모두 같게 한 후 모의하였다. 각 사례의 결과를 표 2에 나타낸다. 출력이 증 가하면, 계산한 임피던스가 감소한다. 이 때, 임피던스의 감소량은 풍력 발전단지 출력의 증가량에 따라 다르다.
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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사례 발전기의 대수 계산한 임피던스의 크기 (ohm)
투입 전 투입 후 투입 전 투입 후
사례 6 1 10 6990.509 128.592
사례 7 1 5 6990.509 259.939
사례 8 1 2 6990.509 903.006
사례 사고거리(km) 사고 후 전압 (kV) 사고전류 (A) 계전기의 동작
사례 1 8 2.050 197.5 Zone 1 동작
사례 2 0.5 0.131 201.6 Zone 1 동작
사례 3 2 0.521 200.9 Zone 1 동작
사례 4 5 1.292 199.3 Zone 1 동작
사례 5 9.5 2.423 196.6 Zone 2 동작
0 20 40 60 80 100 120
-200 0 200 400 600 800
Currents (A)
0 20 40 60 80 100 120
100 200
Currents (A)
Time (ms)
(a) i(위), I(아래)
0 20 40 60 80 100 120
-100 0 100
Voltages (kV)
0 20 40 60 80 100 120
0 500
Voltages (kV)
Time (m s)
(b) v(위), V(아래)
0 20 40 60 80 100 120
0 200 400
R (ohm)
0 20 40 60 80 100 120
-400 -200 0 200
X (ohm)
Time (ms)
(c) 저항성분과 리액턴스성분
-100 0 100 200 300 400 500
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300
R (ohm)
X (ohm)
0 20 40 60 80 0
10 20 30
R (ohm)
X (ohm)
(d) Mho 계전기
0 20 40 60 80 100 120
0 1
Time (ms)
Trip signals
(e) 트립 신호
<그림 3> 사례 1의 결과
<표 1> 사고거리에 따라 사례연구의 결과
4. 결 론
본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용하여 풍력발전단지 연계선 보 호 거리계전기의 응동 특성을 다양한 사고거리에 따른 분석하였다. 풍력 발전기의 차과도 리액턴스가 연계선로의 선로 임피던스보다 매우 크기 때문에, 거리계전기가 사고거리의 영향을 많이 받지 않는다. 풍력발전단 지의 출력이 변동 했을 때, 거리계전기의 응동 특성 또한 분석하였다.
출력이 증가하면, 계산한 임피던스가 감소한다. 이 때, 임피던스의 감소 량은 풍력발전단지 출력의 증가량에 따라 다르다.
0 20 40 60 80 100 120
-1500 -1000 -500 0 500
Currents (A)
0 20 40 60 80 100 120
0 500
Currents (A)
Time (ms)
(a) i(위), I(아래)
0 20 40 60 80 100 120
-100 0 100
Voltages (kV)
0 20 40 60 80 100 120
0 50
Voltages (kV)
Time (ms)
b) v(위), V(아래)
0 20 40 60 80 100 120
0 2000 4000
R (ohm)
0 20 40 60 80 100 120
-4000 -2000 0
X (ohm)
Time (ms)
(c) 저항성분과 리액턴스성분
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000
-5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000
R (ohm)
X (ohm)
-10 0 10 20 0
10 20 30
R (ohm)
X (ohm)
(d) Mho 계전기
0 20 40 60 80 100 120
0 1
Time (ms)
Trip signals
(e) 트립 신호
<그림 4> 사례 6의 결과
<표 2> 풍력발전단지의 출력 변화에 따른 사레연구의 결과
[참 고 문 헌]
[1] A. K. Pradhan, and Géza Joós, "Adaptive distance relay setting for lines connection wind farms", IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 22, no. 1, p.206, MARCH 2007
[2] S. J. Haslam, P. A. Crossley, and N. Jenkins, "Design and field testing of a source based protection relay for wind farms", IEEE Trans. on Power Deliv., vol. 14, no. 3, p.818, July 1999
[3] T. Ackermann, "Wind power in power systems", John Wiley&Sons, 2005
[4] S. H. Horowitz, "Power system relaying", Research Studies Press Ltd., John Wiley&Sons Inc., 1992
