KR102534099B1 - Hvdc 운전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HVDC 운전 장치가 개시된다. 본 발명의 HVDC 운전 장치는, 수전단 계통의 전력조류 계산데이터를 기반으로 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수와, 인버터 모선의 단락용량을 연산하는 계통 해석부; 상호영향지수, 인버터 모선의 단락용량, 신재생 발전량 및 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량을 기반으로 인버터 모선의 유효단락비율을 적용하여 HVDC의 운전 한계량을 계산하는 운전량 계산부; 및 운전 지령값과 운전 한계량을 기반으로 HVDC를 제어하는 HVDC 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 HVDC 운전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신재생 발전원이 적용되는 수신지역의 독립계통에서 HVDC를 통해 전력을 공급할 경우, 신재생 에너지원의 불확실성을 고려한 HVDC 운전량을 도출하여 정류실패 없이 안정적으로 운전할 수 있도록 하는 HVDC 운전 장치에 관한 것이다.
HVDC(High Voltage DC transmission) 시스템은 컨버터를 이용하여 AC를 DC로 변환하여 DC로 전력을 전송하는 시스템이다. AC에 비하여 DC는 송전 손실이 적고, 컨버터를 신속히 제어할 수 있으므로 장거리 대용량 전력송전 및 계통 안정화 제어 수단으로 많이 활용된다.
일반적으로 계통에서 사용되고 있는 전류형 HVDC는 싸이리스터를 사용하므로 신뢰성이 높고 경제적이며 대용량 전력전송에 적합하다. 따라서 국가 간 연계, 장거리 계통 연계, 도서지역 연계 및 계통 분할 등 많은 용도에 활용된다. 특히, 섬과 같은 원거리 도서 지역에는 자체 발전력으로 인한 계통 운용보다는 HVDC를 통한 전력공급이 계통 안정성과 공급 신뢰성이 높고, 경제적이다.
그러나 전류형 HVDC의 경우 섬과 같은 도서 지역(독립계통)에 전력을 공급하기 위해서는 몇 가지 고려사항이 있다. 우선 컨버터가 싸이리스터를 사용하므로 전력소자의 Turn-Off를 위하여 반드시 전력수전단 계통(도서 지역)에 발전력이 있어야 한다. 그리고 송전단 및 수전단 계통 모두 일정 규모의 강인도가 확보되어야 한다.
전류형 HVDC에서는 컨버터가 무효전력을 흡수하므로 컨버터가 연계된 계통의 강인도가 약할 경우, 무효전력 부족으로 전력전송 제약이나 계통 불안정이 발생하게 된다. 따라서 전류형 HVDC는 대용량의 커패시터로 구성된 AC 필터를 변환소에 설치하고 이를 개폐하여 컨버터의 무효전력을 보상함으로써 이를 해결하고 있다.
또한, AC 전압 및 전력안정도를 유지하기 위해서 실제 컨버터 전력 대비 AC 계통의 단락용량의 비인 단락비(SCR, Short Circuit Ratio)를 최소값 이상으로 유지해야 한다. 그러나, 발전기, 송전선로 탈락 등과 같은 계통의 상정사고의 경우에 단락비가 감소하게 되고, 단락비가 임계 단락비(Critical SCR)보다 낮아지게 되면 전력 불안정이 발생하게 되는 문제가 발생할 수 있기 때문에 HVDC 송전제한을 낮게 운전하고 있다.
그리고, 계통의 강인도가 약할 경우, 계통의 고장 시 저전압 문제가 크게 발생할 수 있다. 이와 같은 경우 HVDC 수전단 컨버터, 즉 인버터에서 정류실패(Commutation Failure)가 발생할 수 있으며, 인버터 각 상 싸이리스터 간 단락(Short)이 발생하면 이로 인하여 인버터 DC측 전류가 0이 됨에 따라 DC 과전류 및 DC 전력전송 중단이 발생하게 된다. 이러한 정류실패는 3상 저전압 및 단상 저전압시 자주 발생하게 된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0033671호(2021.03.29. 공개, 풍력발전과 연계된 HVDC 시스템의 송전제한값 제어를 통한 전력계통 안정화 장치)에 개시되어 있다.
한편, 최근에는 HVDC가 연계된 섬과 같은 도서지역(독립계통)에 풍력발전, 태양광 등 신재생 에너지원의 운전이 증가하고 있으나, 이와 같은 경우 신재생 발전량의 변동성과 불확실성으로 인하여 기존 계통의 강인도가 영향 받게 되면서 계통의 저 전압이 발생할 수 있고, 이로 인해 HVDC 인버터의 정류실패 가능성을 높이게 되면서 HVDC 정류실패로 인한 수전지역의 계통에 전력공급이 일시 정지되기 때문에 계통 안정도에 큰 문제가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 신재생 발전원이 적용되는 수신지역의 독립계통에서 HVDC를 통해 전력을 공급할 경우, 신재생 에너지원의 불확실성을 고려한 HVDC 운전량을 도출하여 정류실패 없이 안정적으로 운전할 수 있도록 하는 HVDC 운전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 HVDC 운전 장치는, 수전단 계통의 전력조류 계산데이터를 기반으로 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수와, 인버터 모선의 단락용량을 연산하는 계통 해석부; 상호영향지수, 인버터 모선의 단락용량, 신재생 발전량 및 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량을 기반으로 인버터 모선의 유효단락비율을 적용하여 HVDC의 운전 한계량을 계산하는 운전량 계산부; 및 운전 지령값과 운전 한계량을 기반으로 HVDC를 제어하는 HVDC 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 수전단 계통의 전력조류 계산데이터는, SCADA/EMS 전력관리 시스템으로부터 제공받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 계통 해석부는, 계통해석 프로그램을 통해 상호영향지수와 인버터 모선의 단락용량을 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 인버터 모선의 유효단락비율은, 아래식 1과 같이 산출되는 것을 특징으로 한다.
[아래식 1]
여기서, ESCRi는 인버터 모선의 유효단락비율, SCLi은 인버터 모선의 단락용량, Pdci는 HVDC 운전량, WPIFji는 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수, PWFj는 신재생 발전량, Qi는 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량이다.
본 발명에서 운전량 계산부는, 아래식 2와 같이 HVDC의 운전 한계량을 계산하는 것을 특징으로 한다.
[아래식 2]
여기서, Pdcimax는 운전 한계량, SCLi은 인버터 모선의 단락용량, WPIFji는 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수, PWFj는 신재생 발전량, Qi는 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량이다.
본 발명에서 HVDC 제어부는, 운전 지령값이 운전 한계량 이하인 경우 운전 지령값으로 제어하고, 운전 한계량을 초과하지 못하도록 제한하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 HVDC 운전 장치는 신재생 발전원이 적용되는 수신지역의 독립계통에서 HVDC를 통해 전력을 공급할 경우, 신재생 에너지원의 불확실성을 고려한 HVDC 운전량을 도출하여 정류실패 없이 안정적으로 운전할 수 있어, 신재생 발전력이 많이 운용되고 있는 전력계통을 안정적으로 운영할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치의 계통 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치의 계통 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 HVDC 운전 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치의 계통 구성도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 HVDC 운전 장치는, 계통 해석부(10), 운전량 계산부(20) 및 HVDC 제어부(30)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 HVDC 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 공급계통에서 AC/DC 변환설비인 정류기(60), 수전단 계통에서 DC/AC 변환설비인 인버터(40) 및, 정류기(60)와 인버터(40)에서 필요한 무효전력의 공급 및 고조파 제거를 위한 AC 필터(50)를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 수전단 계통에 신재생 발전원(70)이 접속될 수 있다.
따라서 전류형 HVDC 시스템은 정류기(60)와 인버터(40)의 점호각을 조정하여 유효전력, DC 전류, 주파수 등을 제어할 수 있다.
본 실시예에서는 풍력발전, 태양광 등 신재생 발전원(70)이 운용중인 전력계통(특히, 섬과 같은 독립계통)에 HVDC로 전력을 공급하는 경우, HVDC가 정류 실패없이 안정적으로 운전하기 위한 것으로, 정류실패가 발생하지 않도록 하기 위해서는 신재생 발전원(70)의 가변성을 고려하여 인버터 모선의 유효단락비율(ESCR ; Effective Short Circuit Ratio)을 설정값인 2.5 이상을 유지하도록 운전할 수 있다.
이를 위해 계통 해석부는 HVDC의 수전단 계통의 전력조류 계산데이터를 기반으로 인버터 모선전압(Vi)과 신재생 발전원 계통접속 모선전압(Vj)의 전압변동비에 의한 상호영향지수(WPIFji)와, 인버터 모선의 단락용량(SCLi)을 연산할 수 있다.
이때 전력조류 계산데이터는 SCADA/EMS 전력관리 시스템(80)으로부터 제공받을 수 있다.
따라서, 계통 해석부(10)는 먼저, 계통해석 프로그램을 통해 수학식 1과 같이 상호영향지수(WPIFji)와 인버터 모선(i)의 단락용량(SCLi)을 연산한다.
여기서, IFi는 인버터 모선 i의 3상 고장시 고장전류, Vi는 인버터 모선의 선간전압, WPIFji는 인버터 모선전압(Vi)과 신재생 발전원 계통접속 모선전압(Vj)의 전압변동비에 의한 상호영향지수이다.
운전량 계산부(20)는 상호영향지수, 인버터 모선의 단락용량, 신재생 발전량 및 인버터 모선에 접속된 AC 필터(50)의 용량을 기반으로 인버터 모선의 유효단락비율을 적용하여 HVDC의 운전 한계량을 계산할 수 있다.
인버터 모선의 유효단락비율은, 수학식 2와 같이 산출할 수 있다.
여기서, ESCRi는 인버터 모선의 유효단락비율, SCLi은 인버터 모선의 단락용량, Pdci는 HVDC 운전량, WPIFji는 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수, PWFj는 신재생 발전량, Qi는 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량이다.
운전량 계산부(20)는 이와 같이 온라인으로 측정되는 신재생 발전량과 인버터 모선의 AC 필터(50)의 용량을 이용하여 수학식 3과 같이 운전 한계량을 계산할 수 있다.
여기서, Pdcimax는 운전 한계량, SCLi은 인버터 모선의 단락용량, WPIFji는 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수, PWFj는 신재생 발전량, Qi는 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량이다.
HVDC 제어부(30)는 운전 한계량(Pdcimax)과 운전 지령값(Pdc)을 기반으로 HVDC의 인버터(40)를 제어할 수 있다.
이때 HVDC 제어부(30)는, 운전 지령값이 운전 한계량 이하인 경우 운전 지령값으로 제어하고, 운전 한계량을 초과하지 못하도록 제한할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 HVDC 운전 장치에 따르면, 신재생 발전원이 적용되는 수신지역의 독립계통에서 HVDC를 통해 전력을 공급할 경우, 신재생 에너지원의 불확실성을 고려한 HVDC 운전량을 도출하여 정류실패 없이 안정적으로 운전할 수 있어, 신재생 발전력이 많이 운용되고 있는 전력계통을 안정적으로 운영할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 계통 해석부 20 : 운전량 계산부
30 : HVDC 제어부 40 : 인버터
50 : AC 필터 60 : 정류기
70 : 신재생 발전원 80 : SCADA/EMS
30 : HVDC 제어부 40 : 인버터
50 : AC 필터 60 : 정류기
70 : 신재생 발전원 80 : SCADA/EMS
Claims (6)
- 수전단 계통의 전력조류 계산데이터를 기반으로 인버터 모선전압과 신재생 발전원 계통접속 모선전압의 전압변동비에 의한 상호영향지수와, 인버터 모선의 단락용량을 연산하는 계통 해석부;
상기 상호영향지수, 상기 인버터 모선의 단락용량, 신재생 발전량 및 인버터 모선에 접속된 AC 필터의 용량을 기반으로 인버터 모선의 유효단락비율을 적용하여 HVDC의 운전 한계량을 계산하는 운전량 계산부; 및
운전 지령값과 상기 운전 한계량을 기반으로 상기 HVDC를 제어하는 HVDC 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVDC 운전 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 수전단 계통의 전력조류 계산데이터는, SCADA/EMS 전력관리 시스템으로부터 제공받는 것을 특징으로 하는 HVDC 운전 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 계통 해석부는, 계통해석 프로그램을 통해 상기 상호영향지수와 상기 인버터 모선의 단락용량을 연산하는 것을 특징으로 하는 HVDC 운전 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 HVDC 제어부는, 운전 지령값이 상기 운전 한계량 이하인 경우 상기 운전 지령값으로 제어하고, 상기 운전 한계량을 초과하지 못하도록 제한하는 것을 특징으로 하는 HVDC 운전 장치.
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