KR20200065871A - 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 statcom의 통합적 제어알고리즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘에 관한 것으로,STATCOM에서 무효전력의 출력을 변동시키는 제1단계와 상기 무효전력의 측정전압이 최대전압과 최소 전압의 사이에 있는지 여부를 확인하는 제2단계와 상기 측정전압이 최대전압과 최대전압 사이에 있지 않으면 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되는지 여부를 확인하는 제3단계와 상기 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되면, MSCs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 같거나 높은지 여부를 확인하는 제4단계와 상기 MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 크거나 같으면 필요 무효전력에서 모든 필요 MCS의 합을 빼는 제5단계와 상기 제5단계에서 값이 최소치가 되는 MSCs가 투입되는 제6단계와 무효전력(Q)의 이득을 확보, 제어하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어알고리즘{Coordinated control algorism for hybrid STATCOM using required reactive power estimation method}

본 발명은 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 최적의 무효전력 평가방식을 적용하여 최적의 MSC 조합을 얻을수 있는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘에 관한 것이다.

STATCOM은 정지형 동기 보상기로서, 일반적으로 FACTS(Flexible AC Transmission System)기기 중의 하나로 전력계통에 연결되어 시스템의 안정성과 효용성, 품질을 유지하면서 전력전송 용량을 증대시키고 기존 설비의 이용률을 극대화하기 위하여 사용되는 전력전자 기반의 무효전력 보상장치를 의미한다. 동기 전압원으로 전압형 컨버터(voltage-sourced converter: VSC)가 교류 계통과 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다.

즉, STATCOM은 전기가 중단되지 않고 계속적으로 흐를수 있도록 도와주는 전기안정화 장치의 일종으로서, 전력을 송전하는 과정에서 전압을 일정하게 유지시켜 송전 효율을 높이고 전력을 안정적으로 기기에 공급할 수 있도록 하는 장치다.

일반적으로 이러한 STATCOM은 적용되는 계통에 따라서 전압조정모드와 무효전력제어모드 중의 어느 하나로 동작한다. 전압조정모드는 출력 전압이 전압- 전류특성의 범위 내에서 조정되고, 무효전력제어모드는 STATCOM의 무효전력 출력이 일정하게 유지되도록 부하에서 변동되는 무효전력을 보상하게 한다.

그러나, 상기 STATCOM을 유지하는데 있어 비용부담이 매우 크므로, 비용절감에 대한 연구가 있어 왔으며 STATCOM의 무효전력 이득을 유지하면서, MSC의 스위칭 주파수를 감소시키는 것이 동시에 이루어지도록 하는 기술의 개발이 요구되어 왔다.

대한민국 특허공개 제2017-0079760호 대한민국 특허공개 제2012-0002787호

따라서, 본 발명은 STATCOM 용량을 최대화하면서 MSC(Mechanically Switched Capacity)의 스위칭 주파수를 줄이는 것을 목적으로 하는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합 제어 알고리즘을 제공하고자 하는데 있다. 또한, 필요 무효전력이 그리드에 즉시 투입되어 빠른 동적 보상이 가능하기 위한 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘을 제공하고자 하는데 있다.

이러한 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘에 있어서, STATCOM에서 무효전력의 출력을 변동시키는 단계와 상기 무효전력의 측정전압이 최대전압과 최소 전압의 사이에 있는지 여부를 확인하는 단계와 상기 측정전압이 최대전압과 최대전압 사이에 있지 않으면 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되는지 여부를 확인하는 제3단계와 상기 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되면, MSCs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 같거나 높은지 여부를 확인하는 단계와 상기 MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 크거나 같으면 필요 무효전력에서 모든 필요 MCS의 합을 빼는 단계와 상기 제5단계에서 값이 최소치가 되는 MSCs가 투입되는 단계와 무효전력(Q)의 이득을 확보, 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계에서, MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 작으면 모든 MSCs가 투입되며, 측정전압이 정상 범위에 있으면 무효전력 의 이득을 확보, 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필요 무효전력(Q)은 그리드 전압이 변화되면 이에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 그리드의 강도를 평가하기 위한 SCL지수는

에 의하여 구하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 그리드로부터 요구되는 무효전력(reactive power)이 MSC의 조합으로 보상되도록 하여 무효전력을 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 목표값(desired value)을 이용하여 포텐셜 에너지를 최소화하고 시스템의 지수적 안정성(exponential stability)을 보장할 수 있는 제어 입력을 산출할 수 있고, 산출된 제어 입력을 이용하여 STATCOM(정지형 동기 보상기)를 제어하므로, 제어시스템의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, STATCOM의 무효전력 이득을 최대한 유지하면서 MSC의 스위칭 주파수를 줄여 공진 및 과전압을 방지할 수 있는 효과도 있는 것이다.

도 1은 하이브리드 STATCOM의 다이아그램.
도 2는 하이브리드 STATCOM의 작동범위를 나타내는 그래프.
도 3은 하이브리드 STATCOM에서의 부하 상태에 의한 등가 임피던스의 변화를 나타내는 그래프의 도면.
도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어시스템의 흐름도.
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 STATCOM의 통합제어 시스템의 블록 다이어그램.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 하이브리드 STATCOM의 다이아그램이고, 도 2는 하이브리드 STATCOM의 작동범위를 나타내는 그래프이고, 도 3은 매년 하이브리드 STATCOM에서의 부하 상태에 의한 등가 임피던스의 변화를 나타내는 그래프의 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어시스템의 흐름도이고, 도 5는 통합제어 시스템의 블록 다이어그램이다.

본 발명을 설명하기에 앞서 본 명세서상에 많이 등장하는 STATCOM에 대하여 이하에서 설명하기로 한다.

STATCOM(STATic synchronous COMpensator: 정지형 무효전력 보상장치)은 시스템의 안전성과 효용성을 유지하면서 기존 선로의 전송 능력을 극대화하기 위하여 교류 송전 계통에서 무효 전력을 보상하는 장치를 의미한다. 상기 STATCOM은 동기 전압원으로 전압형 컨버터(VSC: voltage-sourced converter)가 교류 계통과 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다.

하이브리드 STATCOM은 MSC(Mechanically Switched Capacitors)와 STATCOM의 조합이다.

상기 하이브리드 STATCOM은 VSC(전입형 컨버터: Voltage Source Converter) 및 절연게이트 바이폴라 트렌지스터(IGBT) 기술을 기반으로 그리드 전압이 낮은 상태에서 그리드에 높은 반응 입력을 제공할 수 있다.

상기 VSC의 기능은 무효전력 제어를 위한 요소로 사용되도록 연속적으로 신속하게 제어될 수 있는 진폭을 갖는 위상 및 주파수에서 시스템 전압과 일치하는 완전히 제어가능한 전압원이 되어야 한다.

이하, (1)과 (2)는 유효전력(P_STATCOM)과 무효전력(Q_STATCOM)의 식이다.

상기 V1과 V2는 교류(AC)전압과 STATCOM 전압이고, X는 리액터 결합체의 리액턴스이다. δ1- δ2는 전압간의 위상차이다. 상기 식 (1)과 식 (2)에서 유효전력과 무효전력 사이의 제로 위상 시프트를 선택하면 시스템이 순전히 반응이 없는 보상원으로 작동한다. 전압의 크기에 따라 용량성 또는 유도성 특성으로 작동할 수 있다.

연결 및 해제와 관련된 MSC의 동적 특성은 전압을 지원하는 데 필요한 응답 시간과 호환된다. 무효 전류는 그리드 전압에 선형적으로 의존하며 그리드 전압의 제곱에 따라 무효 전력이 감소한다. 이는 정상 상태에서 약간의 오차를 야기하지만, 동적 관점에서 볼 때 각 연결 또는 해제는 무효 전력의 스텝 변화로 인하여 그리드 상에 큰 전압 및 전류 변화를 일으킨다.

도 1에 나타난 대로, 하이브리드 STATCOM이 동일한 회로 상으로 STATCOM과 MSC가 함께 연결되어 있다. 이것은 STATCOM 자체 설비가 고비용이 들기 때문에 상기 MSC(Mechanically Switched Capacitors)와 상기 STATCOM의 조합인 하이브리드 STATCOM을 적용하는 것이다.

도 2는 하이브리드 STATCOM의 작동범위를 나타내는 그래프이다. 도시된 대로, MSC와 STATCOM의 조합 형태인 하이브리드 STATCOM은 전압의 변동을 용이하게 하는 다양한 제어 방식들을 실행할 수 있다.

이하, 하이브리드 STATCOM의 무효전력으로서 가능한 출력을 낼수 있는 범위와 공식은 다음과 같다.

여기서 n, m은 서로 다른 용량에 의한 커페시터의 숫자에 해당한다. 각 요소에는 서로 다른 무효전력이 있으며, 비상시에 그리드 전압이 변경되면 MSC의 무효전력은 그리드 전압에 따라 선형적으로 변화한다.

이하에서는 필요 무효전력의 평가방식에 대하여 설명하기로 한다.

상기 평가방식은 MSC의 스위칭 주파수의 수를 최소화하면서 STATCOM의 최대의 무효전력 이득을 확보하는 방법에서 차별성이 나타난다. 이를 달성하기 위해서는 그리드에서 필요한 무효전력을 하이브리드 STATCOM 측면에서 온라인으로 추정해야 한다.

그러나, 도 3과 같이 불확실한 공급측면의 결합으로 인해 그리드 상태가 항상 시시각각 변경되므로 무효전력으로 특정 전압의 변동을 보상할 수 없게 된다.

따라서, 그리드 강도를 추적해야 하는데, 변화하는 그리드의 강도를 평가하기 위해 그리드 강도를 반영하는 SCL(Short Circuit Level) 지수가 적용된다. 전압 변화 대 무효전력의 변화는 이하의 (5)와 같이 SCL 지수에 의한다.

상기 SCL값은 Hybrid STATCOM 측에서 일관되게 계산된다. 에너지 관리시스템(Energy Management System) 데이터를 공유하지 않으면 SCL지수의 변화는 다양한 부하 조건에서 계산하기가 어렵다. 따라서, 온라인에서 SCL 지수를 추정하기 위한 전압제어 기법은 아래의 (6)과 (7)과 같이 제안된다.

STATCOM은 교류(AC) 시스템의 안정성에 영향을 미치지 않으면서 전압의 변화에 따라 기준전압을 가감할 때 지속적으로 변화한다. 전압의 변화는 0.01pu(per unit: 실제값과 기준치의 쌍방이 동일한 단위로 표시되어 있는 경우, 실제 값을 기준치로 뺀 것) 미만이 바람직하다.

비상시에는 SCL의 추정기간과 소요기간이 구별되어, 측정 전압이 전압의 변화량보다 높으면 STATCOM은 오류가 있는지 여부를 확인하게 된다.

상기 식 (7)에서 "t_cd 또는 t_CD"는 STATCOM의 제어응답 시간에 따른 인터벌 시간이며, 1시간 단위로 작동하는 것이 바람직하다. 이 때, SCL지수는 지속적으로 업데이트되며 시스템은 그리드 상태에 대해 스스로 결정한다.

인터벌이 너무 짧으면 그리드 임피던스와 STATCOM 제어 사이의 공진 현상이 발생할수 있다. 가장 낮은 공진 주파수에서 오랜 시간의 전압 발진은 DC 임피던스에 따라 STATCOM의 적절한 제어 파라미터가 선택되어야 하는 직류 측의 진동을 초래한다.

ΔV_change, ΔQ_statcom, V_ref(기준전압), V_mes(측정전압)는 상기 (7)을 통해 모두 알려진 값이며, 필요한 무효 전력량(ΔQ_statcom)은 이하의 (8)과 (9)에 있는 수식을 기초로 하여 계산할 수 있다. 필요 무효 전력량이 더 높게 계산되면 그리드의 SCL이 높음을 알 수 있다.

이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 STATCOM의 알고리즘을 설명하기로 한다.

먼저, STATCOM에서 AC 전압의 무효전력의 출력변동을 시키게 된다(제1단계).

그 다음에, 상기 무효전력의 측정전압이 최대 전압과 최소 전압의 사이에 있는지 여부를 확인하게 된다. (제2단계)

상기 측정전압이 최대전압과 최소전압 사이에 있지 않으면 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되는지 여부를 확인한다. (제3단계) 참고로, 상기 block 시간 즉, t_block 이란 STATCOM의 컨버터가 t_block 시간 동안 정격(최대 운전) 전류가 출력될 때, MSC가 투입되도록 하는 알고리즘이다.

상기 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되면, MSCs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 같거나 높은지 여부를 확인한다. (제4단계) 만일, 상기 단계에서 MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 작으면 모든 MSCs가 투입되고, 그때의 측정전압이 정상 범위에 있으면 무효전력의 이득을 확보, 제어한다.

다시 설명하면, 필요 무효전력 Q_required가

보다 크면(다르게 표현해서, MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 작으면), STATCOM으로부터의 최대 전류로서 I_statcom가 t_block 시간동안 유지된다면 모든 MSCs가 투입된다. 상기 MSCs가 투입된 후, 측정전압, 그리드 전압이 정상적인 범위에 있으면, STATCOM은 무효전력 이득을 얻기 위하여 초기상태의 무효전력을 초기 상태로 감소시킨다.

이러한 프로세스는 "Q무효전력 이득 확보 제어"로 정의된다. 반면에, 그리그 전압이 비정상적인 범위에 있으면 STATCOM은 출력 상태를 유지한다. 상기 제4단계에서는 필요 무효전력(Q)은 그리드 전압이 변화되면 이에 따라 변화한다.

상기 MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 크거나 같으면 필요 무효전력에서 모든 필요 MCS의 합을 공제한다. (제5단계)

상기 단계에서 사용되는 수식은

으로서, 필요 무효전력(Q)에서 Q_MSC1 에서 Q_MSCX 까지의 총합을 빼서 최소값이 나오는 횟수를 구하는 것이다.

다시 말해서, 필요 무효전력 Q_required 가

보다 작으면, STATCOM으로부터의 전류가 t_block 시간동안 유지될 동안에, STATCOM은 무효 전력을 초기 상태로 감소시키고, min

방정식을 만족하는 x번째 MSC는 투입된다.

연산된 필요 무효전력 Q_required를 맞춰줄 수 있는 최적의 MSC의 조합을 찾아 오차를 줄이는 알고리즘으로서 예를 들어, MSC 가 각각 20씩 4개가 있는데 필요한 무효전력 43 이라면, 20*2=40 이 투입되도록 하는 알고리즘인 것이다.

상기 제5단계에서 값이 최소치가 되는 횟수의 MSCs를 투입한다. (제6단계)

무효전력(Q)의 이득을 확보, 제어한다. (제7단계)

MSC의 리액티브 능력은 현재 그리드 전압에 따라 모두 다시 계산되어, V-I 특성에서의 처짐 곡선을 사용하여 보정량을 이하의 (10)과 같이 다시 계산한다. 여기서, Dx는 처짐 기울기이며 Q ∝ V²의 등식이 명백히 성립된다.

그리고, 무효전력 평가 서버와 할당 알고리즘을 결합함으로서 제안된 통합제어 시스템의 블록 다이어그램을 도 5에 나타내었다. 본 통합제어 시스템의 장점은 이하와 같다.

첫번째로, 원하는 무효전력의 량이 그리드에 즉시 주입되므로 빠른 동적 보상이 가능하다.

두번째로, MSC는 불필요하게 스위치를 켜고 끄지 않아 수동 장치의 수명주기를 향상시킬 수 있다.

세번째로, STATCOM의 예비적 무효전력 용량은 결함 직후에 충분히 확보되므로 1개의 기기가 장애 또는 고장이 나는 우발적인 사고에도 대비할 수 있다.

상기와 같은 프로세스에 따라, 주입되는 캐패시터는 유지 비용을 최소화하도록 결정된다. 이렇게, 올바른 제어 신호가 불필요한 수동 소자 및 과도 과전압을 방지하는 효과도 있으며, 운영 비용을 줄이면서 시스템의 손실 비용을 줄일수 있는 장점이 있는 것이다.

이상에서와 같이, 상기 서술한 내용은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘에 있어서,
   STATCOM에서 무효전력의 출력을 변동시키는 제1단계;
   상기 무효전력의 측정전압이 최대전압과 최소 전압의 사이에 있는지 여부를 확인하는 제2단계;
   상기 측정전압이 최대전압과 최대전압 사이에 있지 않으면 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되는지 여부를 확인하는 제3단계;
   상기 STATCOM 출력전류가 block 시간 동안 유지되면, MSCs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 같거나 높은지 여부를 확인하는 제4단계;
   상기 MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 크거나 같으면 필요 무효전력에서 모든 필요 MCS의 합을 빼는 제5단계;
   상기 제5단계에서 값이 최소치가 되는 MSCs가 투입되는 제6단계;
   무효전력(Q)의 이득을 확보, 제어하는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계에서, MCSs의 최대치와 STATCOM의 최대치의 합이 필요 무효전력(Q)보다 작으면 모든 MSCs가 투입되며, 측정전압이 정상 범위에 있으면 무효전력 의 이득을 확보, 제어하는 것을 특징으로 하는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계에서, 상기 필요 무효전력(Q)은 그리드 전압이 변화되면 이에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 그리드의 강도를 평가하기 위한 SCL지수는

   

   에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 필요 무효전력 평가방식을 이용한 하이브리드 STATCOM의 통합적 제어 알고리즘.
   
   

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