KR102225611B1 - 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이벤트 발생시에 재생에너지 발전기의 저장에너지를 사용하여 순간적인 출력 증가와 함께 동기발전기의 협조 제어를 통해 주파수 안정도를 향상시킬 수 있도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생이 검출되면 안정화 주파수를 최대 정상상태 주파수 편차 이상으로 회복시키기 위하여, 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 재생에너지 발전기 출력 제어부; 및 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 하는 동기발전기 제어부;를 포함하고, 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하는 것이다.

Description

주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법{Control System and Method of Renewable Energy Generator for Improving Frequency Stability}
본 발명은 재생에너지 발전 제어에 관한 것으로, 구체적으로 이벤트 발생시에 재생에너지 발전기의 저장에너지를 사용하여 순간적인 출력 증가와 함께 동기발전기의 협조 제어를 통해 주파수 안정도를 향상시킬 수 있도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
풍력발전 설비의 경우 기상조건에 따라 출력이 상시로 변동하는 특성을 가지고 있으며, 특히 섬 계통이나 상대적으로 규모가 적은 약소계통과 풍력발전 설비가 연결되어 있는 경우 이러한 과도한 출력변동으로 인한 주파수 변동, 전압 변동, 및 고조파 발생 등에 의해 풍력발전 설비가 공급하는 전력 품질이 저하되어 결국 풍력발전 설비 인근의 전력 계통에 악영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.
전력 시스템의 안정적인 운영을 위해 이벤트가 발생할 경우에도 주파수를 안정적으로 유지해야 한다.
이벤트란 주파수의 급격한 변동을 야기하는 계통 내 발전기의 탈락이나 부하의 급격한 변동을 말한다. 이벤트가 발생하면, 동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락한다.
주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)가 동작하여 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화시킨다.
이때 수렴하는 주파수를 안정화 주파수(settling frequency)라고 한다.
안정화 주파수를 기준 값으로 회복시키기 위해서 2차 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)의 일종인 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행한다.
그런데, 자동발전제어가 동작하기 위해서는 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차(maximum steady-state frequency deviation)보다 반드시 커야 한다.
현재 풍력발전용으로 주로 사용되는 가변속 풍력발전기는 풍속에 따라 최대출력을 내기 위해 회전자속도를 제어하는 최대출력추종(Maximum power point tracking, MPPT) 제어를 수행한다.
MPPT 제어는 전력망 주파수의 변동에 관계없이 수행되므로, 풍력수용률이 높으면, 전력망의 관성이 감소한다.
이로 인해 전력망에 외란이 발생하면 주파수 하락이 커지므로, 이를 방지하기 위해 풍력발전기의 주파수 제어 기능이 필요하다.
풍력발전기가 전력망의 주파수 회복에 기여할 수 있는 많은 방법들이 제안되었다.
종래 기술의 하나로는 풍력발전기의 MPPT 제어를 수행하기 위한 출력의 기준값에, 전력망 주파수 변화율(Rate of change of frequency) 루프에 의해서 생성된 기준값을 더하는 방식이 제안되었다.
이와 같이 전력 시스템에 이벤트가 발생한 경우에, 전력 시스템에 연계되어 있는 재생에너지원이 최대출력제어(Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 수행하면 주파수의 안정도는 떨어진다.
현재 풍력발전기와 같은 재생에너지의 수용률이 증가함에 따라 주파수 안정도를 이전전력 시스템의 수준으로 유지하기 위한 새로운 방안이 필요하다.
최대출력제어로만 동작하는 재생에너지의 수용률이 증가하면 동기발전기로만 구성된 계통에 비해 주파수 안정도가 상당히 떨어지게 된다.
만약, 이벤트 발생 이후에 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 작게 되면 자동발전제어가 동작하지 않아서 주파수가 기준 값으로 회복하지 못한다.
이 경우 안정화 주파수를 최대 정상상태 주파수 편차 이상으로 회복시키기 위해서는, 급속 시동 발전기(quick-starting generator) 기동 및 차단가능 부하(interruptible load) 절체 등의 방어 조치를 취해야 한다.
이러한 방어 조치는 추가적인 비용이 소요되므로, 전력 시스템 운영 비용의 상승을 초래하게 될 뿐만 아니라, 주파수 회복에 소요되는 시간이 증가하게 되는 단점이 있다.
따라서, 추가적인 방어 조치를 사용하지 않고 계통에 연계되어 있는 재생에너지 발전기와 동기발전기의 제어로만 계통의 주파수 안정성을 향상시킬 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1673527호 대한민국 공개특허 제10-2012-0056531호 대한민국 공개특허 제10-2013-0015185호
본 발명은 종래 기술의 재생에너지 발전기 제어의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이벤트 발생시에 재생에너지 발전기의 저장에너지를 사용하여 순간적인 출력 증가와 함께 동기발전기의 협조 제어를 통해 주파수 안정도를 향상시킬 수 있도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전력 시스템에 풍력발전기와 같은 재생에너지원이 연계되었을 경우에서의 이벤트 발생시에 추가적인 방어 조치를 사용하지 않고 계통에 연계되어 있는 재생에너지 발전기와 동기발전기의 제어로만 계통의 주파수 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 높은 경우에도 주파수 상승을 통한 안정화가 필요하다면 적용 가능하도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 풍력발전기를 비롯하여 출력을 비슷한 형태로 증가시켰다가 다시 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원, 에너지 저장장치, 전기자동차 및 수용 반응 등에도 적용 가능하도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 발전기가 탈락하여 주파수가 떨어지는 상황뿐만 아니라, 부하 변동에 의해 주파수가 감소하거나 상승한 경우에도 적용 가능하여 주파수의 안정화를 위해 상승이나 하락이 필요한 모든 경우에 적용 가능하도록 한 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템은 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생이 검출되면 안정화 주파수를 최대 정상상태 주파수 편차 이상으로 회복시키기 위하여, 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 재생에너지 발전기 출력 제어부; 및 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 하는 동기발전기 제어부;를 포함하고, 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생을 검출하는 이벤트 발생 검출부와, 동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하여 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화시키는 1차 주파수 제어부와, 1차 주파수 제어부에 의한 안정화 주파수(settling frequency)를 기준 값으로 회복시키기 위해서 2차 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)인 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 2차 주파수 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 안정화 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하기 위하여, 상기 재생에너지 발전기 출력 제어부에 의한 재생에너지 발전기의 출력 제어 및 동기발전기 제어부에 의한 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어에 의해 동기발전기의 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 생겨 시스템 관성 J가 일정하다면
Figure 112019062430694-pat00001
의 변화를 만들어 주파수의 상승을 만들고, 주파수 상승은
Figure 112019062430694-pat00002
으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
그리고 재생에너지 발전기에서의 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소시키는 제어에 의해, 주파수가 상승하고 주파수의 상승 속도와 상승폭은 ΔP 와 ΔT에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법은 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서 이벤트 발생이 검출되면 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하는 단계;안정화 주파수를 기준 값으로 회복시키기 위해서 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 단계;안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못 하는지 판단하는 단계;재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하고, 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 함께 수행하여 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하는 단계에서, 동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계는, 안정화 주파수가 어디에 있는지를 판단하여 얼마나 주파수를 빠르게 끌어올릴 것인지
Figure 112019062430694-pat00003
를 계산하는 단계와,주파수 상승을 산출하는 수식과 안정화 주파수를 이용하여 ΔP와 ΔT를 결정하는 단계와,ΔP와 ΔT의 제어에 의해 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 발생하여 실제
Figure 112019062430694-pat00004
가 발생하여 주파수 상승이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어에 의해 동기발전기의 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 생겨 시스템 관성 J가 일정하다면
Figure 112019062430694-pat00005
의 변화를 만들어 주파수의 상승을 만들고, 주파수 상승은
Figure 112019062430694-pat00006
으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
그리고 재생에너지 발전기에서의 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소시키는 제어에 의해, 주파수가 상승하고 주파수의 상승 속도와 상승폭은 ΔP 와 ΔT에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를, 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 큰 경우에 적용하여 주파수 상승을 통한 안정화를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시키는 모양과 시간은 계통 상황과 안정화 주파수에 따라서 달라지는 것을 특징으로 한다.
그리고 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 단계를, 유사한 형태의 출력 증가 및 감소가 가능한 컨버터 기반 발전원 또는 전기자동차에 적용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를, 발전기가 탈락하여 주파수가 떨어지는 경우 또는 부하 변동에 의해 주파수가 감소하거나 상승한 경우에 적용하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 이벤트 발생시에 재생에너지 발전기의 저장에너지를 사용하여 순간적인 출력 증가와 함께 동기발전기의 협조 제어를 통해 주파수 안정도를 향상시킬 수 있도록 한다.
둘째, 전력 시스템에 재생에너지원이 연계되었을 경우, 추가적인 방어 조치를 사용하지 않고 계통에 연계되어 있는 재생에너지 발전기와 동기발전기의 제어로만 계통의 주파수 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.
셋째, 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 높은 경우에도 주파수 상승을 통한 안정화가 필요하다면 적용하여 효율적인 전력 시스템의 운용을 가능하게 한다.
넷째, 풍력발전기를 비롯하여 출력을 비슷한 형태로 증가시켰다가 다시 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원, 에너지 저장장치, 전기자동차 및 수용 반응 등에도 적용 가능하다.
다섯째, 발전기가 탈락하여 주파수가 떨어지는 상황뿐만아니라, 부하 변동에 의해 주파수가 감소하거나 상승한 경우에도 적용 가능하여 주파수의 안정화를 위해 상승이나 하락이 필요한 모든 경우에 적용하여 효율적인 전력 시스템의 운용을 가능하게 한다.
여섯째, 이미 설치된 재생에너지 발전기만을 이용하여 적은 비용으로 주파수를 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 안정화 주파수 상승시간이 적게 소요되므로, 주파수 안정도에 크게 기여할 수 있다.
도 1a와 도 1b는 전력 시스템에서의 이벤트 발생시의 주파수 변화 특성을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기 및 동기발전기의 제어 특성을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법이 적용되는 계통 구성 모식도
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 이용한 시뮬레이션 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1a와 도 1b는 전력 시스템에서의 이벤트 발생시의 주파수 변화 특성을 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법은 이벤트 발생시에 재생에너지 발전기의 저장에너지를 사용하여 순간적인 출력 증가와 함께 동기발전기의 협조 제어를 통해 주파수 안정도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 본 발명은 전력 시스템에 재생에너지원이 연계되었을 경우, 추가적인 방어 조치를 사용하지 않고 계통에 연계되어 있는 재생에너지 발전기와 동기발전기의 제어로만 계통의 주파수 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.
이하의 설명에서 전력 시스템에 연계되는 재생에너지원을 풍력을 일 예로 설명하였으나, 이로 한정되지 않고 재생 가능한 자원 모두가 포함될 수 있다.
전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에 이벤트가 발생하면 도 1a에서와 같이, 여러 단계를 거쳐 주파수가 기준 값까지 회복된다.
하지만 대용량의 재생에너지원이 연계된 경우, 도 1b에서와 같이 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못 하는 경우가 생긴다.
도 1a와 도 1b에서의 각 파라미터를 다음과 같이 정의된다.
Figure 112019062430694-pat00007
는 주파수 기준 값(nominal frequency),
Figure 112019062430694-pat00008
는 발전기 주파수 불감대(deadband of frequency),
Figure 112019062430694-pat00009
는 안정화 주파수(settling frequency),
Figure 112019062430694-pat00010
는 주파수 최저점(frequency nadir),
Figure 112019062430694-pat00011
는 최대 정상상태 주파수 편차(maximum steady-state deviation frequency)이다.
본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템은 도 2에서와 같이, 전력 시스템에 풍력발전기와 같은 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생을 검출하는 이벤트 발생 검출부(10)와, 동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하여 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화시키는 1차 주파수 제어부(20)와, 1차 주파수 제어부(20)에 의한 안정화 주파수(settling frequency)를 기준 값으로 회복시키기 위해서 2차 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)의 일종인 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 2차 주파수 제어부(30)와, 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 재생에너지 발전기 출력 제어부(40)와, 재생에너지 발전기 출력 제어부(40)의 제어와 동시에 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 하는 동기발전기 제어부(50)를 포함하고, 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하는 것이다.
본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템은 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하기 위하여 다음과 같은 제어 동작을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법은 크게 전력 시스템에 풍력발전기와 같은 재생에너지원이 연계된 계통에서 이벤트 발생을 검출하는 단계와, 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하고, 안정화 주파수를 기준 값으로 회복시키기 위한 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 단계와, 안정화 주파수의 기준 값 회복 여부를 판단하여 재생에너지 발전기의 출력 제어 및 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 동시에 수행하여 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를 포함한다.
여기서, 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계는, 안정화 주파수가 어디에 있는지를 판단하여 얼마나 주파수를 빠르게 끌어올릴 것인지
Figure 112019062430694-pat00012
를 계산하는 단계와, 주파수 상승을 산출하는 수식과 안정화 주파수를 이용하여 ΔP와 ΔT를 결정하는 단계와, ΔP와 ΔT의 제어에 의해 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 발생하여 실제
Figure 112019062430694-pat00013
가 발생하여 주파수 상승이 이루어지는 단계를 포함한다.
구체적으로 도 3에서와 같이, 전력 시스템에 풍력발전기와 같은 재생에너지원이 연계된 계통에서 이벤트 발생이 검출되면(S301), 동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하여 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하는 단계를 수행한다.(S302)
이어, 안정화 주파수를 기준 값으로 회복시키기 위해서 2차 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)의 일종인 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행한다.(S303)
그리고 안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못 하는지 판단한다.(S304)
이어, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하고(S305), 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 함께 수행하여 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를 수행한다.(S306)
이와 같은 본 발명에 따른 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기 및 동기발전기의 제어 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 안정화 주파수의 기준 값 회복 여부를 판단하여 기준 값 회복이 이루어지지 않은 경우에는 도 4a에서와 같이, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소시킨다.
이때 주파수의 상승 속도와 상승폭은 ΔP 와 ΔT에 따라 결정된다.
그리고 일정량의 출력(ΔP) 및 일정 시간(ΔT)은 본 발명이 적용되는 계통의 특성 및 적용 시스템의 특성에 따라 달라질 수 있음은 당연하다.
재생에너지 발전기의 출력을 도 4a에서와 같이 변동시키면, 계통에 연계된 동기발전기의 전기적인 출력 (P e )은 도 4b에서와 같이 형태가 된다.
이 경우, 기존 동기발전기의 기계적인 입력 (P m )은 전기적인 출력을 따라가도록 제어가 되는데, 이렇게 되면 주파수의 상승 효과는 적어진다.
따라서, 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법에서는 재생에너지 발전기의 출력을 도 4a에서와 같이 증가시키는 동시에, 동기발전기의 기계적인 입력을 도 4b에서와 같이 일정하게 유지시켜 주는 제어를 함께 수행한다.
이와 같은 제어에 의해 도 4b에서와 같이, 동기발전기의 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 생긴다.
이와 같은 차이는 수학식 1에 의해 시스템 관성 J가 일정하다면
Figure 112019062430694-pat00014
의 변화를 만들어 내므로 주파수의 상승을 만들어 낸다.
Figure 112019062430694-pat00015
이와 같은 제어 방법에 의해 상승한 주파수는 최대 정상상태 주파수 편차보다 크게 증가될 수 있고 그 결과로 추가적인 방어 조치 없이도 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 이용한 시뮬레이션 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법이 적용되는 계통 구성 모식도이고, 도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법을 이용한 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예를 시뮬레이션하기 위한 풍력발전단지가 연계된 계통을 나타낸 모식도이고, IEEE 14-bus 모선을 수정하여 만들었으며 9번 모선에 60MW의 이중여자유도발전기(doubly-fed induction generator) 기반 풍력발전단지가 연계되어 있다. 동기발전기는 5대, 부하는 11개가 연계되어 있다.
4번 발전기(SG4)가 탈락하는 것을 이벤트로 설정하였고 시뮬레이션 결과는 도 6a 내지 도 6e에서와 같다.
도 6a는 주파수 그래프, 도 6b는 주파수(영역 확대) 그래프, 도 6c는 풍력발전단지의 출력, 도 6d는 동기발전기의 기계적인 입력과 전기적인 출력의 합, 도 6e는 재생에너지 발전기의 회전자 속도를 나타낸 것이다.
도 6a와 도 6b를 보면, 10초에 4번 발전기가 탈락하는 주파수 이벤트가 발생하여 주파수가 급격히 감소한 이후 20.2초에 안정화 주파수로 수렴한다.
이벤트 발생이후 60초 후인 70초에 본 발명에 따른 제어가 동작하면 도 6c에서와 같이, 재생에너지 발전기의 출력이 일정 시간동안 증가한다.
이와 동시에 도 6d에서와 같이 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시킨다.
재생에너지 발전기의 출력 증가에 의해 감소한 전기적인 출력과, 일정하게 유지시킨 기계적인 입력과의 차이에 의해 도 6a와 도 6b에서 알 수 있듯이 주파수가 상승한다.
도 6e에서 알 수 있듯이 증가시킨 재생에너지 발전기의 출력 시간만큼 회전자의 운동에너지를 방출하였으므로, 회전자의 회전 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템 및 방법은 전력 시스템에 풍력발전기와 같은 재생에너지원이 연계되었을 경우에서의 이벤트 발생시에 추가적인 방어 조치를 사용하지 않고 계통에 연계되어 있는 풍력발전기와 동기발전기의 제어로만 계통의 주파수 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 높은 경우에도 주파수 상승을 통한 안정화가 필요하다면 적용 가능하고, 재생에너지 발전기의 출력을 증가시키는 그래프상에서의 형태와 시간은 계통 상황과 안정화 주파수에 따라서 달라질 수 있다.
또한, 풍력발전기를 비롯하여 출력을 비슷한 형태로 증가시켰다가 다시 감소시킬 수 있는 모든 컨버터 기반 발전원, 에너지 저장장치, 전기자동차 및 수용 반응 등에도 적용 가능하다.
그리고 발전기가 탈락하여 주파수가 떨어지는 상황을 예시로 들었지만 부하 변동에 의해 주파수가 감소하거나 상승한 경우에도 적용 가능하다. 즉, 주파수의 안정화를 위해 상승이나 하락이 필요한 모든 경우에 적용 가능하다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 이벤트 발생 검출부 20. 1차 주파수 제어부
30. 2차 주파수 제어부 40. 재생에너지 발전기 출력 제어부
50. 동기발전기 제어부

Claims (14)

  1. 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생이 검출되면 안정화 주파수를 최대 정상상태 주파수 편차 이상으로 회복시키기 위하여,
    안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 재생에너지 발전기 출력 제어부; 및
    동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 하는 동기발전기 제어부;를 포함하고, 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하고,
    동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어에 의해 동기발전기의 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 생겨 시스템 관성 J가 일정하다면
    Figure 112020121596325-pat00034
    의 변화를 만들어 주파수의 상승을 만들고, 주파수 상승은
    Figure 112020121596325-pat00035
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서의 이벤트 발생을 검출하는 이벤트 발생 검출부와,
    동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하여 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화시키는 1차 주파수 제어부와,
    1차 주파수 제어부에 의한 안정화 주파수(settling frequency)를 기준 값으로 회복시키기 위해서 2차 주파수 제어(secondary frequency control, SFC)인 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 2차 주파수 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 안정화 주파수가 기준 값으로 회복되지 못하는 것으로 판단되면 자동발전제어가 정상적으로 동작하여 주파수를 기준 값으로 회복되도록 하기 위하여,
    상기 재생에너지 발전기 출력 제어부에 의한 재생에너지 발전기의 출력 제어 및 동기발전기 제어부에 의한 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 재생에너지 발전기에서의 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소시키는 제어에 의해,
    주파수가 상승하고 주파수의 상승 속도와 상승폭은 ΔP 와 ΔT에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 시스템.
  6. 전력 시스템에 재생에너지원이 연계된 계통에서 이벤트 발생이 검출되면 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하는 단계;
    안정화 주파수를 기준 값으로 회복시키기 위해서 자동발전제어(Automatic Generation Control, AGC)를 수행하는 단계;
    안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 낮게 형성되어 주파수가 기준 값으로 회복되지 못 하는지 판단하는 단계;
    재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하고, 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어를 함께 수행하여 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계;를 포함하고,
    자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계에서, 동기발전기의 기계적인 입력을 일정하게 유지시켜 주는 제어에 의해 동기발전기의 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 생겨 시스템 관성 J가 일정하다면
    Figure 112020121596325-pat00036
    의 변화를 만들어 주파수의 상승을 만들고, 주파수 상승은
    Figure 112020121596325-pat00037
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 주파수의 하락을 막고 일정 값으로 안정화하는 단계에서,
    동기발전기의 회전자에서 운동에너지가 순간적으로 방출되면서 주파수가 기준 값(nominal frequency)에서 하락하여 주파수가 발전기의 불감대(deadband)를 초과하여 하락하게 되면 1차 주파수 제어(primary frequency control, PFC)를 수행하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계는,
    안정화 주파수가 어디에 있는지를 판단하여 얼마나 주파수를 빠르게 끌어올릴 것인지
    Figure 112019062430694-pat00018
    를 계산하는 단계와,
    주파수 상승을 산출하는 수식과 안정화 주파수를 이용하여 ΔP와 ΔT를 결정하는 단계와,
    ΔP와 ΔT의 제어에 의해 전기적인 출력(Pe)과 기계적인 입력(Pm)의 차이가 발생하여 실제
    Figure 112019062430694-pat00019
    가 발생하여 주파수 상승이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서, 재생에너지 발전기에서의 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소시키는 제어에 의해,
    주파수가 상승하고 주파수의 상승 속도와 상승폭은 ΔP 와 ΔT에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를,
    안정화 주파수가 최대 정상상태 주파수 편차보다 큰 경우에 적용하여 주파수 상승을 통한 안정화를 수행하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 재생에너지 발전기에서 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시키는 모양과 시간은 계통 상황과 안정화 주파수에 따라서 달라지는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  13. 제 6 항에 있어서, 일정량의 출력(ΔP)을 일정 시간(ΔT)동안 증가시켰다가 원래 출력으로 감소되도록 제어하는 단계를,
    유사한 형태의 출력 증가 및 감소가 가능한 컨버터 기반 발전원 또는 전기자동차에 적용하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.
  14. 제 6 항에 있어서, 자동발전제어가 정상적으로 동작되도록 하여 주파수를 기준 값으로 회복시키는 단계를,
    발전기가 탈락하여 주파수가 떨어지는 경우 또는 부하 변동에 의해 주파수가 감소하거나 상승한 경우에 적용하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정도 향상을 위한 재생에너지 발전기의 제어 방법.

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