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풍력단지의 Fault Ride-Through 기능을 위한 연계선 보호용 거리계전기의 성능향상 기법
강용철
*, 강해권
*, 정태영
*, 이병은
*, 장성일
**, 김용균
**전북대학교
*, (주)한국아이이디
**Improved distance relay suitable for intertie protection of a wind farm considering Fault Ride-Through requirement
Yong-Cheol Kang
*, Hae-Gweon Kang
*, Tai-Ying Zheng
*, Byung-Eun Lee
*, Sung-Il Jang
**, Yong-Gyun Kim
**Chonbuk National University
*, HanKook IED inc.
**Abstract - A large wind farm should satisfy the requirements for a grid and accomplish the optimization of the wind farm system. In that point of view, the wind farm intertie protection system, which must consider the Fault Ride-Through (FRT) requirement for more reliable protection, should be improved. This paper proposes a modified distance relay suitable for protection of a wind farm intertie considering a FRT requirement. The frequency change is used to discriminate the intertie fault from a outside zone fault. The performance of the proposed algorithm is verified using a PSCAD/EMTDC simulator.
1. 서 론
풍력발전의 대용량, 대규모화로 인해 풍력발전단지와 연계된 그리드의 효율적, 안정적 운영을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 이러한 관점에 서 최근 많은 국가의 그리드 코드에서는 대규모 풍력단지가 그리드의 전압강하나 사고 시, 일정 기간 그리드에 무효전력을 공급할 수 있는 능 력 즉, Fault Ride-Through (FRT) 능력을 요구하고 있다[1]. 그런데, 대 규모 풍력단지의 Fault Ride-Through (FRT)를 위한 연계선 보호 시스 템의 연구는 미흡하다.
풍력단지의 연계선 보호 시스템은 연계선 내부의 사고 시에는 신속한 사고제거를 위해 FRT를 적용하지 않고 순시 동작해야 한다. 반면, 외부 사고 시에는 그리드의 요구에 따라 FRT를 적용, 시지연을 주어 동작해 야 한다. 즉, 효과적인 FRT를 위해서는 명확한 사고영역의 구분이 중요 하다. 그런데, 기존의 거리계전기가 연계선 보호용으로 사용될 경우, 연 계선 사고와 외부 선로 사고의 명확한 구분이 어렵다.
본 논문에서는 FRT를 위한 거리계전기의 성능향상 기법을 제안한다.
제안한 방식은 거리계전 방식과 주파수 변화를 이용한 사고영역 판단 방식을 이용하여, 연계선 사고와 외부 선로 사고를 명확히 구분한다. 이 를 통해, 풍력단지의 효과적인 FRT 동작을 가능하게 할 수 있다. 제안 한 방식을 검증하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 풍력단지를 모델 링하였고, 풍력단지의 연계선 및 외부 선로 사고를 모의 하였다.
2. 풍력단지의 Fault Ride-Through 기능을 위한 거리계전기
2.1 기존의 거리계전기
본 논문에서는 거리계전기 중에서 주로 사용되는 Mho 거리 계전기를 적용 하였다. 거리계전기는 Zone 1영역 사고 시 순시 동작, Zone 2, 또 는 Zone 3영역 사고 시에는 시지연을 주어 동작한다. 이때, Zone 1의 정 정은 선로의 100%, Zone 2와 Zone 3의 정정은 모델계통의 특성을 고려 한 겉보기임피던스를 적용하여 설정하였다[2－3].
2.2 제안한 방식
제안한 풍력단지의 연계선 거리계전 보호 방식은 기존의 임피던스를 이용한 보호 방식과 주파수 변화를 이용한 보호 방식을 통해, 연계선 사 고와 외부 선로 사고를 명확히 구분 한다. 연계선 사고 시에는 풍력단지 가 그리드와 전기적으로 분리되어 주파수가 크게 증가 한다. 반면, 외부 선로의 사고 시에는 풍력단지와 그리드가 전기적으로 분리되지 않으며, 풍력단지의 주파수는 그리드의 영향으로 인해 크게 증가하지 않는다. 이 러한 차이는 그리드의 단락용량이 클 경우 더욱 현저하게 나타난다. 제 안한 방식은 사고가 발생하면 거리계전 방식을 통해 임피던스를 계산하 고, 계산한 임피던스를 이용하여 사고영역을 구분한다. 만약 사고영역이 Zone2에 해당되면 측정한 전압신호를 이용해 주파수를 계산하고, 계산 한 주파수가 설정값보다 크면 순시 동작, 작으면 FRT의 규정에 따라 시지연을 두어 동작한다. 그림 1은 거리계전과 과주파수 검출 알고리즘 을 이용한 사고 검출 방법의 로직도이다.
3. 사례연구
제안한 알고리즘을 검증하기 위해, PSCAD/EMTDC를 이용하여 그림 2와 같이 154 kV 모선에 2 MW 용량의 풍력발전기 5대를 그리드와 연 결한 계통을 모델링하였다. 연계선로(ZLW)의 총 길이는 8.441 km, 외부 선로(ZGW1)는 49.261 km이다. 샘플링 비율은 주기 당 64샘플이며, 차단 주파수 1,920㎐의 중첩방지용 1차 저역통과 필터를 사용했다.
3.1 사례 1: 연계선로(ZLW)의 8km 지점, 3상 단락 사고
그림 3은 사례1의 결과이다. 그림 3a는 각각 계전점의 전압, 전류를 나타낸다. 그림 3b는 계전점에서 측정한 전압으로부터 계산한 주파수를 나타낸다. 연계선의 사고로 인해 주파수가 급격히 증가함을 알 수 있다.
그림 3c, d는 각각 계산한 임피던스, Mho 계전기 동작점을 나타낸다. 사 고가 발생하기 전의 동작점은 그림3d의 동작영역 밖에 위치하지만, 사 고가 발생하면 계산한 임피던스가 Zone 2의 동작영역에 들어감을 알 수 있다. 거리계전기의 계산한 임피던스가 Zone2의 영역에 들어감에 따라 그림 3e과 같이 거리계전 방식이 동작하였고, 과주파수 계전방식이 동작 함에 따라 최종 트립 신호가 순시 발생하였다. 모의한 사고 지점이 연계 선로의 95% 지점 이므로 동작점은 Zone 1영역으로 들어가야 한다. 그 런데, 본 논문에서는 DFT (Discrete Fourier Transform) 연산 시, 기본 파를 60 Hz로 잡았기 때문에 주파수 변동 시에 정확한 임피던스를 계산 하지 못 했다.
3.2 사례 2: 외부선로(ZGW1)의 2.5km 지점, 3상 단락 사고 그림 4는 사례 2의 결과이다. 그림 4a는 각각 계전점의 전압, 전류, 그 림 3b는 계산한 주파수를 나타낸다. 외부 인접선에서 사고 시, 그리드의 영향으로 인해 주파수가 크게 증가하지 않음을 알 수 있다. 그림 3c, d 는 각각 계산한 임피던스, Mho 계전기 동작점을 나타낸다. 사고가 발생 하기 전의 동작점은 그림3d의 동작영역 밖에 위치하지만, 사고가 발생 하면 Zone 2의 동작영역에 들어감을 알 수 있다. 그림 3e는 트립 신호 를 나타낸다. 거리계전 방식은 계산한 임피던스는 Zone2의 영역에 들어 감에 따라 동작 하였고, 과주파수 계전방식이 동작하지 않아, 일정기간 의 시지연 후에 최종 트립 신호를 발생 하였다.
|Zcal- ZZone2_cen| < RZone2
fcal> 61Hz
Trip Delay1
Zcal: 계산한 임피던스, ZZone_cen: 계전기 동작영역의원점, RZone: 계전기 동작원의 반지름, fcal: 계산한 주파수
|Zcal- ZZone1_cen| < RZone1
|Zcal- ZZone3_cen| < RZone3
Delay2
<그림 1> 제안한 방식의 로직도
R 0.398/154kV
△-Y
풍력단지(실제발전기) 정격용량: 5X2MW 전압: 0.23kV(L-G)
그리드(이상전압원) 전압: 154kV(L-L) F1
ZGW1 (49.261 km) ZS1
ZS2 F2 풍력단지의 연계선 ZLW
(8.441 km)
<그림 2> 모델 계통 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
- 443 -
0 20 40 60 80 100 120
-2 -1 0 1 2x 105
Voltages (V)
0 20 40 60 80 100 120
-200 0 200 400 600
Currents (A)
Time (ms)
(a) 측정한 전압, 전류
0 20 40 60 80 100 120
58 60 62 64 66
Time (ms)
Frequency (Hz)
(b) 주파수
0 20 40 60 80 100 120
0 100 200 300 400
R (ohm)
0 20 40 60 80 100 120
-200 0 200 400 600 800
X (ohm)
Time (ms)
(c) 저항성분과 리액턴스성분
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800
R (ohm)
X (ohm)
(d) Mho 계전기의 동작점
0 20 40 60 80 100 120
Time (ms)
2181 O Final Trip
(e) 트립 신호
<그림 3> 사례 1의 결과
4. 결 론
본 논문에서는 풍력단지의 FRT기능을 위한 거리계전기의 성능향상 기법을 제안한다. 제안한 방식은 기존의 거리계전방식과 주파수 변화를 이용한 보호 방식을 통해 정확한 사고 위치를 추정하여 풍력단지의 효 과적인 FRT능력에 기여한다. 제안한 방식은 계전점의 정보만을 사용하 여 신뢰성 있는 풍력단지의 연계선 보호를 구현 할 수 있다. 향후에는 거리계전 방식이 주파수 변동에도 정확한 임피던스를 계산할 수 있도록 보완하고, FRT를 적용하여 전압강하 레벨에 따라 제안한 거리계전 방 식의 동작시간 정정 및 성능평가를 할 것이다.
0 20 40 60 80 100 120
-2 -1 0 1 2x 105
Voltages (V)
0 20 40 60 80 100 120
-200 0 200 400 600
Currents (A)
Time (ms)
(a) 측정한 전압, 전류
0 20 40 60 80 100 120
59.5 60 60.5
Time (ms)
Frequency (Hz)
(b) 주파수
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0
R (ohm)
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0
X (ohm)
T im e (m s )
(c) 저항성분과 리액턴스성분
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800
R (ohm)
X (ohm)
(d) Mho 계전기의 동작점
0 20 40 60 80 100 120
Tim e (m s)
21 81 O Final Trip
(e) 트립 신호
<그림 3> 사례 2의 결과
[참 고 문 헌]
[1] Thomas Ackermann, "Wind power in power systems", p.128, John Wiley&Sons, 2005
[2] A. K. Pradhan, Geza Joos, "Adaptive Distance Relay Setting for Lines Connecting Wind Farms", IEEE Transaction on power delivery, vol. 22, no. 1, March 2007
[3] Stanley H. Horowitz, "Power system relaying", p.100-101, Research Studies Press Ltd., John Wiley&Sons Inc., 1992
