KR102640399B1 - 동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용에 따르면, 동기기 및 정지형 주파수 변환기(SFC)의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 동기기; 전력 계통과 상기 동기기 사이에 연결되는 정지형 주파수 변환기(SFC); 및 상기 SFC와 병렬로 상기 전력 계통 및 상기 동기기 사이에 배치되는 제 1 스위치를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 동기기의 기동시에 상기 제 1 스위치를 개방하고 상기 동기기가 목표 주파수에 도달할 때까지 상기 SFC가 기동 동작을 수행하게 하도록 구성될 수 있고, 상기 SFC의 기동 동작이 완료되면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고 상기 SFC가 그리드포밍 동작을 수행하게 하도록 구성될 수 있다. 본 개시 내용에 따르면, 전력 시스템에서 SFC의 활용을 증가시킬 수 있으며, 하이브리드 그리드포밍 운영을 통해 전력 계통에 안정성 및 관성을 공급할 수 있는 장점이 있다.

Description

동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템{SYSTEM FOR HYBRID GRID FORMING OF SYNCHRONOUS MACHINE AND STATIC FREQUENCY CONVERTER}
본 개시 내용은 동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템에 관한 것이다.
전 세계적인 탄소저감 정책에 따라 2050년 화력발전소의 완전 퇴출을 목표로 정부를 중심으로 재생에너지 발전 증대와 화력발전소 감소가 꾸준히 추진되고 있다. 그러나, 재생에너지를 변환하기 위한 전력전자가 적용된 인버터기반 발전설비가 증가함에 따라 전력망의 전압 및 주파수 유지능력이 약화되는 약계통(Weak Grid) 이슈가 발생하고 있다.
화력발전소를 위시한 기존 발전소는 동기발전기를 사용하여 회전력에 기반하는 관성력 공급이 가능하여 문제가 되지 않았으나, 재생에너지의 경우 출력조정을 기반하여 전력변환장치를 통해 전력을 공급하는 방식을 사용하기 때문에 전력계통의 전압 및 주파수 유지에 기여하지 못하고 있다.
전력 계통의 안정성 및 관성을 공급하기 위하여 국외에서는 동기조상기를 계통에 적용하는 방식이 개발되고 있다. 또한, 전력변환장치 자체에서 전압 및 주파수 제어를 수행할 수 있는 그리드포밍 기술 또한 동기발전기가 희소해진 탄소중립 환경에서 기존 발전기의 관성을 대체할 수 있도록 개발되고 있다.
한편, 정지형 주파수 변환기(SFC)는 동기기의 초기 기동용으로 주로 사용되고 있다. 그러나, 동기기가 기동 완료된 후에 SFC는 다른 용도로 사용되지 않기 때문에 필수 설비임에도 불구하고 그 활용도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 개시 내용은 동기조상기 기동용 정지형 주파수 변환기(SFC)를 기동을 위한 역할 외에 기동 완료 후에는 그리드포밍 기능을 적용하여 계통에 관성을 공급하는 역할을 부여하는 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시 내용에 따르면, 동기기(Synchronous Machine) 및 정지형 주파수 변환기(SFC: Static Frequency Converter)의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 동기기; 전력 계통과 상기 동기기 사이에 연결되는 정지형 주파수 변환기(SFC); 및 상기 SFC와 병렬로 상기 전력 계통 및 상기 동기기 사이에 배치되는 제 1 스위치를 포함할 수 있다. 상기 SFC는, 상기 전력 계통과 연결되는 제 1 인버터; 상기 동기기와 연결되는 제 2 인버터; 및 상기 제 1 인버터 및 상기 제 2 인버터 사이에 병렬로 연결되는 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 상기 제 1 인버터는 그리드포밍 인버터일 수 있다. 상기 시스템은, 상기 동기기의 기동시에 상기 제 1 스위치를 개방(open)하고 상기 동기기가 목표 주파수에 도달할 때까지 상기 SFC가 기동 동작을 수행하게 하도록 구성되고, 상기 SFC의 기동 동작이 완료되면 상기 제 1 스위치를 폐쇄(close)하고 상기 SFC가 그리드포밍 동작을 수행하게 하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 시스템은, 상기 동기기가 상기 목표 주파수에 도달하면 상기 SFC가 상기 전력 계통 및 상기 동기기의 위상을 동기화시키는 위상 동기화 동작을 수행하게 하도록 추가적으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 시스템은 상기 제 2 인버터 및 상기 동기기 사이에 배치되는 제 2 스위치를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 SFC가 상기 기동 동작을 수행하는 동안 상기 제 2 스위치를 폐쇄하고, 상기 SFC가 상기 그리드포밍 동작을 수행시 상기 제 2 스위치를 개방하도록 추가적으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터일 수 있다.
또한, 상기 제 2 인버터는 그리드포밍 인버터일 수 있다.
본 개시 내용에 따르면, 전력 시스템에서 SFC의 활용을 증가시킬 수 있으며, 하이브리드 그리드포밍 운영을 통해 전력 계통에 안정성 및 관성을 동시에 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, SFC를 이용하여 위상 동기 투입 장치를 대체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 하이브리드 운영 시스템에 의해 동기기는 고장 전류를 제공하여 전압 안정도를 높이고, 동기기 및 그리드포밍형 SFC를 통하여 관성 출력을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 개시 내용에 따르면, 동기기의 고장 전류 제공으로 그리드포밍 인버터의 과전류에 의한 소손의 방지 및 계통의 보호 협조를 강화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 그리드포밍 방식의 인버터를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 시스템에서 SFC의 기동 동작을 나타내는 예시적인 도면이다
도 4는 도 2의 시스템에서 SFC의 기동 동작 완료 후 대기 상태를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 도 2의 시스템에서 SFC의 그리드포밍 동작을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 6은 본 개시 내용의 다른 일 실시예에 따른 동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템에서 SFC의 그리드포밍 동작을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 7은 동기기 및 그리드포밍 인버터의 전력 계통의 안정도 및 관성 공급 기능을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다양한 양상들이 아래에서 설명된다. 여기에서 제시되는 발명들은 폭넓은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며 여기에서 제시되는 임의의 특정한 구조, 기능 또는 이들 모두는 단지 예시적이라는 것을 이해하도록 한다. 여기에서 제시되는 발명들에 기반하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에서 제시되는 하나의 양상이 임의의 다른 양상들과 독립적으로 구현될 수 있으며 둘 이상의 이러한 양상들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 임의의 수의 양상들을 이용하여 장치가 구현될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 하나 이상의 양상들에 더하여 또는 이들 양상들이 아닌 다른 구조, 기능 또는 구조 및 기능을 이용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다.
본 명세서에서 인버터(inverter)라는 용어는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치뿐만 아니라 AC를 DC로 변환하는 장치, AC 전압을 다른 AC 전압으로 변환하는 장치 및 DC 전압을 다른 DC 전압으로 변환하는 장치를 모두 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
도 1은 그리드포밍(Grid-Forming) 방식의 인버터를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 1에 예시된 바와 같은 그리드포밍 인버터(200)는 전력 계통에서 독립적으로 전원을 생성하는 장치로서 발전기와 유사한 역할을 수행할 수 있다. 그리드포밍 인버터(100)는 기존의 전류원 제어가 아닌 전압원 제어 방식으로 동작함으로써 전력망의 전압 및 주파수 불안전성을 완화시킬 수 있다. 또한, 그리드포밍 인버터(100)는 전압 및 위상을 자체 생성하여 인가하는 것이 가능하기 때문에, 동기발전기가 희소해진 탄소중립 환경에서 신재생에너지의 비중이 높아지면서 강건도가 저하된 전력 계통으로 관성 효과를 제공하여 계통 안정성을 높일 수 있다.
동기기(Synchronous Machine)는 동기 속도로 회전하는 기기로서 응용 분야에 따라 동기발전기 또는 동기전동기로 구분될 수 있다. 동기조상기(Synchronous Condenser)는 무부하 상태로 운전하는 동기전동기를 의미하며, 무효 전력을 조정하여 전력 계통의 전압을 조정하고 역률을 개선하는 역할을 할 수 있다. 또한, 동기조상기는 동기발전기와 유사한 방식으로 플라이 휠을 적용하여 지속적으로 회전력을 보유할 수 있으며, 전력 계통에서 관성력 제공을 요청할 때 자동으로 해당하는 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 동기조상기는 전력 계통의 안정성 및 관성을 공급하기 위한 목적으로 전력 계통에 적용되도록 활용가능하다.
정지형 주파수 변환기(SFC)는 전력 계통에서 동기기가 정격(목표) 주파수에 도달할 수 있도록 초기 기동에 사용될 수 있으며, 동기기의 기동이 완료된 후 동기기 운전 중에는 사용되지 않는다. 즉, 기존에 SFC는 동기기 기동에 사용된 후에 다른 용도로 사용되지 않아 필수 설비임에도 그 활용도가 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
이에 따라, 본 개시 내용에서는 후술할 바와 같이 동기조상기 기동용 정지형 주파수 변환기(SFC)가 기동을 위한 역할 외에 기동 완료 후에는 그리드포밍 기능을 제공할 수 있도록 하여 계통에 관성을 공급하는 역할을 수행할 수 있는 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템을 제시하고자 한다.
도 2는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 동기기 및 정지형 주파수 변환기의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 시스템은 동기기(400), 전력 계통(200) 및 동기기(400) 사이에 연결되는 정지형 주파수 변환기(SFC)(300), 및 SFC(300)와 병렬로 전력 계통(200) 및 동기기(400) 사이에 배치되는 제 1 스위치(500)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, SFC(300)는 전력 계통(200)과 연결되는 제 1 인버터(310), 동기기(400)와 연결되는 제 2 인버터(320), 및 제 1 인버터(310) 및 제 2 인버터(320) 사이에 병렬로 연결되는 에너지 저장 장치(330)를 포함할 수 있다.
여기에서, 제 1 인버터(310)는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 AC-DC 인버터일 수 있으며, 제 2 인버터(320)는 해당 DC 전압을 다시 AC 전압으로 변환하는 DC-AC 인버터일 수 있다. 또한, 제 1 인버터(310)는 후술할 바와 같은 그리드포밍 기능을 제공하기 위한 (도 1에 예시된 바와 같은) 그리드포밍 인버터일 수 있다. 에너지 저장 장치(330)는 슈퍼 커패시터일 수 있으나 이에 한정되지 않으며 에너지를 저장할 수 있는 다른 방식의 에너지 발생원으로 구현될 수 있다. 또한, 구현예에 따라, 제 2 인버터(320)도 (도 1에 예시된 바와 같은) 그리드포밍 인버터일 수 있으며, 이러한 경우 SFC(300)를 구성하는 인버터들(310, 320)은 모두 그리드포밍 인버터로서 구현될 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 동기기(400)를 기동시킬 때 상기 시스템은 제 1 스위치(500)를 개방(open)하고 동기기(400)가 목표 주파수에 도달할 때까지 SFC(300)가 기동 동작을 수행하게 하도록 제어할 수 있다.
동기기(400)가 목표 주파수에 도달하면, 도 4에 예시된 바와 같이 SFC(300)는 대기 상태로 들어갈 수 있으며, 전력 계통(200)와 연결된 제 1 컨버터(310)와 동기기(400)에 연결된 제 2 컨버터(320)의 위상각을 공유함으로써 전력 계통(200) 및 동기기(400)의 위상을 동기화시키는 위상 동기화 동작을 수행할 수 있다. 이러한 동작을 통해 SFC(300)는 위상 동기 투입 장치를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 동기기(400) 투입시의 과도 현상을 억제하는 역할을 할 수 있다.
또한, SFC(300)의 기동 동작이 완료된 후에, 도 5에 예시된 바와 같이 상기 시스템은 제 1 스위치(500)를 폐쇄(close)하고 SFC(300)가 그리드포밍 동작을 수행하게 하도록 제어할 수 있다. 제 1 스위치(500)가 폐쇄되면서 해당 선로를 통해 동기기(400)는 전력 계통(200)과 직접 연결될 수 있으며, SFC(300)의 제 1 인버터(310)는 그리드포밍 인버터로서 기능하고 슈퍼 커패시터(330)는 관성 공급 에너지원으로 기능할 수 있다.
추가로, 다른 실시예에서, 이러한 시스템은 도 6에 예시된 바와 같이 제 2 인버터(320) 및 동기기(400) 사이에 배치되는 제 2 스위치(600)를 추가로 포함할 수 있다. 제 2 스위치(600)는 SFC의 기동 동작 동안은 제 2 인버터(320)가 동기기(500)와 연결되도록 폐쇄 상태로 동작하며, SFC(300)가 그리드포밍 동작을 수행시 제 2 스위치(600)는 개방되도록 동작하여 제 2 인버터(320)가 동기기(500)와 연결되지 않게 할 수 있다.
도 5 또는 도 6에서 예시된 상태에서, 동기기(400) 및 SFC(300)의 제 1 인버터(310)는 각각 별도로 전력 계통(200)에 전력을 공급할 수 있는 상태가 된다. 이에 따라, SFC(300)는 그리드포밍 동작을 통해 전력 계통(200)으로 관성을 제공할 수 있으며, 이와 병행하여 동기기(400)는 전력 계통(200)으로 고장 전류를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 7은 동기기 및 그리드포밍 인버터의 전력 계통의 안정도 및 관성 공급 기능을 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 동기조상기(400)는 계통에 전압 안정도를 공급하기 위한 고장 전류 공급 능력이 높으며, 그리드포밍 기능은 주파수 조정을 통한 계통 관성 공급 능력이 높다. 전술한 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 시스템은 동기조상기 및 그리드포밍 인버터가 조합된 하이브리드 방식으로서 전력 계통 전압 안정도 및 관성 공급을 동시에 제공하는 것을 가능하게 한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 그리드포밍 인버터
200: 전력 계통
300: 정지형 주파수 변환기(SFC)
310: 제 1 인버터
320: 제 2 인버터
330: 슈퍼 커패시터
400: 동기기
500: 제 1 스위치
600: 제 2 스위치

Claims (6)

  1. 동기기 및 정지형 주파수 변환기(SFC)의 하이브리드 그리드포밍 운영을 위한 시스템으로서,
    동기기;
    전력 계통과 상기 동기기 사이에 연결되는 정지형 주파수 변환기(SFC); 및
    상기 SFC와 병렬로 상기 전력 계통 및 상기 동기기 사이에 배치되는 제 1 스위치를 포함하고,
    상기 SFC는,
    상기 전력 계통과 연결되는 제 1 인버터;
    상기 동기기와 연결되는 제 2 인버터; 및
    상기 제 1 인버터 및 상기 제 2 인버터 사이에 병렬로 연결되는 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 제 1 인버터는 그리드포밍 인버터이며,
    상기 시스템은,
    상기 동기기의 기동시에 상기 제 1 스위치를 개방(open)하고 상기 동기기가 목표 주파수에 도달할 때까지 상기 SFC가 기동 동작을 수행하게 하도록 구성되고,
    상기 SFC의 기동 동작이 완료되면 상기 제 1 스위치를 폐쇄(close)하고 상기 SFC가 그리드포밍 동작을 수행하게 하도록 구성되는,
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 동기기가 상기 목표 주파수에 도달하면 상기 SFC가 상기 전력 계통 및 상기 동기기의 위상을 동기화시키는 위상 동기화 동작을 수행하게 하도록 추가적으로 구성되는,
    시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 인버터 및 상기 동기기 사이에 배치되는 제 2 스위치를 더 포함하며,
    상기 시스템은,
    상기 SFC가 상기 기동 동작을 수행하는 동안 상기 제 2 스위치를 폐쇄하고, 상기 SFC가 상기 그리드포밍 동작을 수행시 상기 제 2 스위치를 개방하도록 추가적으로 구성되는,
    시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 SFC가 상기 그리드포밍 동작을 통해 상기 전력 계통으로 관성을 제공하는 것과 병행하여 상기 동기기가 상기 전력 계통으로 고장 전류를 제공하게 하도록 추가적으로 구성되는,
    시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터인,
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 인버터는 그리드포밍 인버터인,
    시스템.
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