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공학석사 학위논문

저압 계통의 분산형 동기발전기

과도안정도 향상을 위한 에너지 저장

장치 전압 반응 출력 제어에 관한 연구

A Study on Voltage Triggered Power Control of Energy

Storage System to Enhance Transient Stability of Distributed

Synchronous Generator in Low Voltage Network

2016 년 2 월

서울대학교 대학원

전기정보공학부

이 영 우

저압 계통의 분산형 동기발전기

과도안정도 향상을 위한 에너지 저장

장치 전압 반응 출력 제어에 관한 연구

A Study on Voltage Triggered Power Control of Energy

Storage System to Enhance Transient Stability of Distributed

Synchronous Generator in Low Voltage Network

지도 교수 윤 용 태

이 논문을 공학석사 학위논문으로 제출함

2016 년 2 월

서울대학교 대학원

전기정보공학부

이 영 우

이영우의 공학석사 학위논문을 인준함

2016 년 2 월

위 원 장 박 종 근 (인)

부위원장 윤 용 태 (인)

위 원 문 승 일 (인)

i

초 록

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 근래에는 주민 수용성 및 환경 문제로 인해 이러한

기존 정책의 한계점에 봉착하고 있으며, 그 대안으로 분산형 발전

시스템이 도입이 추진되고 있다. 분산형 전원에서 큰 비중을 차지하는

열병합 발전 시설 등의 분산형 동기발전기는 낮은 관성 계수 및 배전

계통의 느린 고장 제거 시간으로 인해 과도안정도에 취약할 수 있다는

문제점이 제기되고 있다. 기존에는 전체 발전량 대비 분산형

동기발전기의 비중이 낮았기 때문에 이에 대한 논의가 많지 않았으나 ,

분산형 전원 시스템 도입 확대를 위해서는 과도안정도 문제에 대한

대책을 확보하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 혼재하는

배전 계통에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형

동기발전기의 과도안정도 영향을 확인한다. 그리고 Q-f 드룹 제어기를

기반으로 배전 계통 사고 시의 전압 강하 효과를 고려한 전압 반응 출력

제어 알고리즘을 제안한다. 추가 제어 알고리즘은 평시에는 일반적인

Q-f 드룹 제어기와 동일하게 작동하지만, 계통 사고에 따른 이상

전압이 감지되면 순간적으로 에너지 저장 장치의 무효전력 출력을

증가시켜 분산형 동기발전기의 탈조를 억제하며, 이후 고장이 복구되고

전압이 회복되면 다시 원래의 출력값으로 복귀하게 된다. 이러한 에너지

저장 장치의 추가적인 출력 제어를 통해 분산형 동기발전기의

과도안정도가 개선되는 효과를 확인하며, MATLAB 시뮬레이션을 통해

그 결과를 검증한다.

ii

주요어 : 분산형 동기발전기, 에너지 저장 장치, 과도 안정도, 드룹

제어기,

학 번 : 2014-21635

iii

목 차

제 1 장 서 론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1 연구의 배경 ...................................................................................... 1

1.2 연구의 구성 및 개요 ....................................................................... 5

제 2 장 분산형 동기발전기의 과도안정도 이론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.1 동기발전기의 과도안정도 ............................................................... 6

2.1.1 동기발전기의 동요방정식 .......................................................... 6

2.1.2 등면적법에 의한 과도안정도 판별 ............................................ 8

2.2 저압 배전 선로의 특성 및 고려사항 ............................................ 9

2.2.1 전압대별 일반적 선로 특성 ...................................................... 9

2.2.2 선로 특성에 의한 전력 조류 변화 .......................................... 10

제 3 장 에너지 저장 장치를 이용한 분산형 동기발전기

과도안정도 개선 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 에너지 저장 장치에 의한 과도안정도 영향 ...............................13

3.1.1 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법 ................................... 13

3.1.2 에너지 저장 장치의 분산형 동기발전기 과도안정도 영향 ..... 16

3.2 시뮬레이션 및 고찰 .......................................................................17

3.2.1 시뮬레이션 모델링 .................................................................. 17

3.2.2 시뮬레이션 결과 및 고찰 ........................................................ 21

제 4 장 과도안정도를 고려한 에너지 저장 장치 드룹 제어기 개선

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1 전압 반응 출력 제어 알고리즘 ....................................................26

4.1.1 Voltage Sag를 이용한 사고 판별 및 출력 제어 .................... 26

4.1.2 전압 반응 출력 제어를 고려한 Q-f 드룹 제어기 개선 ......... 27

iv

4.2 시뮬레이션 및 고찰 .......................................................................28

제 5 장 결 론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

참고문헌 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Abstract .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

v

표 목차

[표 1.1] 분산 전원 종류 및 계통 연계 방법 ............................................ 2

[표 2.1] 동요방정식의 변수 설명 ............................................................... 7

[표 2.2] 일반적인 선로 특성 ....................................................................10

[표 3.1] 시뮬레이션에 사용된 분산형 동기발전기 파라미터 ...............19

[표 3.2] 고장 지점에 따른 임계 고장 제거 시간 변화 ........................23

[표 3.3] 선로 X/R 비율 변화에 따른 임계 고장 제거 시간 변화 ......24

[표 4.1] 제안된 Q-f 드룹 제어 수식의 변수 설명 ..............................28

[표 4.2] 제안된 Q-f 드룹 제어에 의한 임계 고장 제거 시간 변화 ..30

vi

그림 목차

[그림 1.1] 우리나라의 전력설비 설치현황 ............................................... 2

[그림 2.1] 등면적법에 의한 과도안정도 판별 .......................................... 8

[그림 2.2] 두 지점 사이의 전력 조류 .....................................................10

[그림 3.1] P-f, Q-V 드룹 제어 곡선 ....................................................14

[그림 3.2] P-V, Q-f 드룹 제어 곡선 ....................................................15

[그림 3.3] MATLAB으로 구현한 분산 전원 및 저압 배전 계통 모델18

[그림 3.4] MATLAB으로 구현한 에너지 저장 장치 모델 ...................20

[그림 3.5] 분산형 동기발전기의 사고 시 회전자 각 그래프 ...............22

[그림 4.1] Q-f 드룹 제어기에 추가되는 전압 반응 출력 제어 요소 29

1

제 1 장 서 론

1.1 연구의 배경

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 근래에는 주민 수용성 및 환경 문제로 인해 이러한

기존 전력 정책의 한계점에 봉착하고 있다. 우선 지역 주민 및 환경

단체 반발로 대형 발전소 건설이 지연되거나 무산되는 경우가 발생하고

있으며 , 북상조류 포화 상황 속에서 송전선로 추가 건설도 어려움을

겪고 있다.

정부에서는 이러한 기존 전력 정책의 한계점을 극복하기 위하여 ,

분산형 발전 시스템 구축을 제 2차 에너지 기본 계획의 6대 중점

과제로 선정하여 추진하고 있다. 우리나라의 전력 설비 구성을 살펴보면,

‗12년 말 기준 전체 전력 설비 규모는 96,620MW이며 , 이 중 분산

전원은 11,346MW로써 전체 전력 설비의 약 12%를 차지하고 있다 .

하지만 실제 발전량은 전체 발전량 대비 5%에 그치고 있으며, 이를

2035년까지 15%로 끌어올릴 계획이다 [1]. 그림 1.1은 우리나라의

전력설비 설치현황 및 분산 전원의 비중을 간략히 나타내고 있다.

분산형 전원은 에너지원별에 따라 수력, 풍력, 태양광, 연료전지 ,

열병합 발전 등으로 분류할 수 있으며 , 배터리나 플라이휠을 이용한

에너지 저장 장치도 존재한다. 계통 연계 기술에 따라서는 동기기 ,

유도기 , 또는 인버터의 3가지 종류로 크게 구분된다. 표 11은 이러한

분류에 따라 분산 전원의 종류를 정리한 것이다.

2

그림 1.1 우리나라의 전력설비 설치현황[2]

표 1.1 분산 전원 종류 및 계통 연계 방법[3]

에너지원 계통 연계

열병합 동기기

내연기관 동기기, 유도기

수력 동기기, 유도기

고정 속도 풍력 인버터

가변 속도 풍력 인버터

태양광 인버터

연료전지 인버터

배터리 인버터

플라이휠 인버터

3

이러한 분산 전원들 중 동기기 기반의 분산 전원, 즉 분산형

동기발전기는 과도안정도에 취약할 수 있다는 문제점이 제기되고 있다 .

기존의 중앙 집중형 대형 발전 설비의 경우 , 대형 발전기의 높은 관성

및 고압 송전 계통의 빠른 고장 제거시간으로 인해 탈조 가능성이 높지

않았다 . 하지만 분산형 동기발전기는 소규모 발전원 특성 상 낮은

관성을 가지며, 또한 배전 계통은 고장 제거 시간이 느리기 때문에

상대적으로 탈조 가능성이 높은 것으로 지적되고 있다 [4~6].

분산형 동기발전기가 탈조할 경우 기계적 스트레스로 인해 발전기가

손상될 수 있다 . Voltage Sag 및 과부하가 발생할 수 있으며, 발전기

Swing으로 인해 국지적인 전력 및 주파수 진동이 발생할 수 있다 . 이는

보호계전기의 오동작으로 이어질 수 있다. 그리고 계통이 소규모일 경우,

탈조한 발전기를 대체하기 위해 추가적인 주파수 제어 및 예비력 투입이

요구될 수 있다 [6].

따라서 분산 전원 확대 기조 속에서, 안정적인 전력 공급 및 전력

품질 향상을 위해서는 분산형 동기발전기의 과도안정도 문제에 대한

대비책이 필요하다.

Haque[7]는 FACTS 설비를 이용하여 동기발전기의 과도안정도를

향상시키는 방안을 제시하였다 . FACTS 설비의 전압 제어 능력을

활용하여, 사고 순간 시 발전기 회전자의 가속을 억제하고 제동 효과는

극대화하였다. 하지만 송전 계통에 국한된 유도성 회로 및 대형

발전기로 모델링을 하였으므로, 분산형 동기발전기가 설치된 배전 계통

환경에서의 적용 가능성은 고려되지 않았다.

Alaboudy[8]는 마이크로그리드 환경에서 인버터 기반 분산전원의

제어 기법에 따른 분산형 동기발전기의 과도안정도 영향을 고찰하였다 .

시뮬레이션을 통해 인버터 출력이 고정 값일 경우 및 드룹 제어를 통해

변동되는 경우일 때 계통의 임계 고장 제거 시간 변화를 측정하였으며 ,

드룹 제어를 적용하였을 경우 보다 높은 임계 고장 제거 시간을 가지는

것으로 확인되었다. 하지만 계통의 선로를 유도성 회로로 모델링하여 ,

배전 계통의 저항성 회로 특징으로 인한 인버터 무효전력의 영향력이

4

반영되지 않았다는 한계를 지닌다.

본 연구에서는 배전 계통의 저항성 회로 특징을 고려하여, 에너지

저장 장치의 인버터 제어 방법에 따른 분산형 동기발전기의 과도안정도

영향을 살펴볼 것이다. 또한 전압 요소를 고려한 Q-f 드룹 제어를 통해,

분산형 동기발전기의 과도안정도를 보다 향상시킬 수 있는 방안을

제안한다.

5

1.2 연구의 구성 및 개요

본 논문에서는 인버터 기반 분산전원의 제어 방법이 분산형

동기발전기의 과도안정도에 어떻게 영향을 주는지 살펴보며, 배전

계통에 맞는 향상된 제어 방법을 제안할 것이다.

제 2장에서는 분산형 동기발전기의 과도안정도 및 배전계통의

특성을 살펴봄으로써 본 연구의 배경 이론을 간략히 소개할 것이다.

제 3장에서는 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법들을 소개하며 ,

또한 분산형 동기발전기의 과도안정도에 어떠한 영향을 미치는지

시뮬레이션을 통해 확인할 것이다.

제 4장에서는 배전 계통 환경의 분산형 동기발전기의 과도안정도를

더욱 개선하기 위해, 전압 반응 출력 제어요소를 고려한 Q-f 드룹

제어를 제안하며 시뮬레이션을 통해 검증할 것이다.

제 5장에서는 상기 논의사항들을 정리하며 , 추후 연구 사항들에

대해 언급할 것이다.

6

제 2 장 배경 이론

2.1 동기발전기의 과도안정도

과도안정도는 전력 계통에 선로 고장과 같은 심각한 외란이

발생하였을 때, 계통의 동기를 유지할 수 있는 능력을 뜻한다 [9].

과도안정도는 초기 운전 상태 및 외란의 심각성 정도에 영향을 받는다 .

아래 세부 절을 통해 일반적으로 널리 알려진 동기발전기의 동요방정식

및 등면적법에 의한 과도안정도 판별법을 소개한다.

2.1.1 동기발전기의 동요방정식

동기발전기는 크게 고정자와 회전자로 구성되어 있다. 회전자의

계자에 의해 발생하는 회전 자계에 의해 고정자에 유도 전압이 발생하며

외부로 전력을 공급하게 된다. 회전자는 발전기 터빈에 가해진 기계적

입력에 의해 가속하는 방향의 토크를 받게 되며, 또한 에어갭을 통해

전달되는 전기적 출력의 반작용에 의해서는 반대 방향의 토크를 받게

된다. 그리고 회전자의 감쇠 및 관성을 고려하였을 때 동요 방정식은

아래와 같이 주어진다 [10].

𝑀𝑚

𝑑2 𝛿𝑚

𝑑𝑡2 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 − 𝐷𝑚

𝑑𝛿𝑚

𝑑𝑡 (2.1)

각각의 변수에 대한 설명은 다음 표 2.1과 같다.

7

표 2.1 동요방정식의 변수 설명

Mm 동기속도에서의 회전자 각 운동량

δm 회전자 각

Pm 발전기의 기계적 입력

Pe 발전기의 전기적 출력

Dm 감쇠 상수

동기발전기의 회전자는 외부의 기계적 입력 및 전기적 출력의

차이에 의해 가속 또는 감속 운동을 한다. 정상 운전 상태에서는 기계적

입력과 전기적 출력이 일치하므로 등속도 운동을 한다. 하지만 계통에

외란이 발생하면 고장 전류 및 선로 임피던스 변화로 인해 전기적

출력값이 급격히 변하게 되며, 이로 인해 회전자가 가속하거나 감속하는

운동을 하게 된다.

식 (2.1)을 통해, 회전자의 각 가속도는 기계적 입력 및 전기적

출력의 차이에 비례하며, 이 때 회전자의 각 운동량, 즉 발전기의

관성에는 반비례하는 것을 알 수 있다.

8

2.1.2 등면적법에 의한 과도안정도 판별

과도안정도를 판별하기 위한 방법으로 등면적법이 주로 소개되고

있다. 등면적법은 계통 사고에 따른 전력-상차각 곡선 변화 및 회전자

각 운동에 따라 안정도를 판별하는 방법이다 . 아래 그림은 등면적법에

따라 안정한 경우 및 불안정한 경우를 나타내고 있다.

그림 2.1 등면적법에 의한 과도안정도 판별 [10].

(a) 안정한 경우. (b) 불안정한 경우.

위 그림 2.1 (a)는 발전기가 과도적으로 안정한 경우를 나타내고

있다. 발전기는 기계적 입력 값 Pm을 기준으로 초기 운전점 δ0가

정해진다. 이 때 선로에 사고가 발생하면 계통 임피던스 변화로 인해

전력-상차각 곡선이 변화게 되며, 3상 단락 사고를 가정하면 0으로

떨어진다. 따라서 기계적 입력 Pm에 의해 발전기는 가속 운동을 하게

되며, 3번 지점에 이르러 고장이 제거되는 것으로 가정한다. 여기서 1-

2-3-4 영역은 발전기 회전자가 가속하는 영역이 된다. 전력-상차각

9

곡선은 다시 초기 상태로 돌아오며, 5번 지점에 놓인 발전기는 변화된

회전자 각 변위로 인해 전기적인 출력이 기계적 입력보다 높아지게 된다.

따라서 발전기는 전기적 출력 및 기계적 입력의 차이만큼 감속 운동을

하게 되지만, 이미 증가된 속력으로 인해 회전자의 각은 일시적으로

계속 증가하게 된다. 따라서 운전점은 5번 지점에서 6번 지점까지

이동한다. 6번 지점에 이르러 속력 변화분이 0가 되면 비로소 회전자

각이 감소하기 시작한다. 여기서 5-6-7-8 영역은 발전기 회전자가

감속하는 영역이 된다. 이후 회전자 각은 계속 왕복 운동을 하게 되며 ,

감쇠효과로 인해 결국 1번 지점으로 회귀하게 된다.

그림 2.1 (b)에서는 발전기가 불안정한 경우를 나타내고 있다 .

선로의 고장 제거 시간이 느린 경우에는 회전자 각이 지나치게 많이

증가하게 되고 발전기 가속 영역이 더욱 넓어진다. 따라서 고장이

제거된 이후에도 충분한 감속 영역이 확보되지 않아 회전자 각이 8번

지점을 넘어서게 되며, 따라서 이후에는 다시 회전자가 가속되므로 동기

탈조하는 현상이 발생하게 된다.

2.2 저압 계통의 전류 조류 특성

2.2.1 전압대별 일반적 선로 특성

일반적으로 선로는 전압대별로 서로 다른 특성을 나타낸다. 고압

선로에서는 선로의 리액턴스 성분이 매우 크게 나타나고 저항 성분은

상대적으로 무시할 수 있다. 반면 저압 선로에서는 저항 성분이 더욱

크게 나타나며 리액턴스 성분을 무시할 수 있다 . 중압 선로에서는 저항

성분과 리액턴스 성분이 비슷하게 나타난다 . 아래 표는 전압대별 일반적

선로의 특성을 나타낸 것이다.

10

표 2.2 일반적인 선로 특성 [11].

선로 종류 R(Ω/km) X(Ω/km) R/X

저압 선로 0.642 0.083 7.7

중압 선로 0.161 0.190 0.85

고압 선로 0.060 0.191 0.31

2.2.2 선로 특성에 의한 전력 조류 변화

아래 그림 2.2와 같은 계통에서 A 지점의 전압은 U1∠0, B 지점의

전압은 U2∠-δ이며 , 두 지점 사이의 임피던스는 Z∠θ이다. 이 때 A

지점에서 B 지점으로 흐르는 유효전력 및 무효전력은 식 (2.2), (2.3)과

같이 주어진다.

그림 2.2 두 지점 사이의 전력 조류 [11].

11

P =𝑈1

𝑅2 +𝑋2 [𝑅 ∙ (𝑈1 − 𝑈2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿) + 𝑋 ∙ 𝑈2 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿] (2.2)

Q =𝑈1

𝑅2 +𝑋2 [−𝑅 ∙ 𝑈2 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿 + 𝑋 ∙ (𝑈1 − 𝑈2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿) ] (2.3)

이 때, 앞 절에서 살펴본 일반적 선로특성에 따라 저항 성분 또는

리액턴스 성분을 무시함으로써 위 수식을 간소한 형태로 근사화할 수

있다. 고압 선로에서는 저항 성분을 무시할 수 있으므로 아래와 같이

근사 가능하다.

P ≅𝑈1∙𝑈2

𝑋𝛿 (2.4)

Q ≅𝑈1

2

𝑋−

𝑈1∙𝑈2

𝑋 (2.5)

위 식을 통해 고압 선로에서는 유효전력 P와 상차각 δ가, 무효전력

Q와 전압 U가 강한 결합 특성을 보이는 경향을 확인할 수 있다.

반대로 , 저압 선로에서는 리액턴스 성분을 무시할 수 있으므로 ,

아래와 같이 근사화가 가능하다.

P ≅𝑈1

2

𝑅−

𝑈1∙𝑈2

𝑅 (2.6)

Q ≅ −𝑈1∙𝑈2

𝑅𝛿 (2.7)

즉, 저압 선로에서는 유효전력 P와 전압 U가 , 무효전력 Q와 상차각

δ가 서로 강한 결합 특성을 나타낸다.

따라서 위 결과를 바탕으로, 고압 송전 계통에서는 유효전력 P를

통해 상차각 δ를 제어하고 무효전력 Q를 통해 전압 U를 제어하는

것이 효과적이라고 판단할 수 있다. 반대로 저압 배전 계통에서는

유효전력 P를 통해 전압 U를 제어하고, 무효전력 Q를 통해 상차각 δ를

제어하는 것이 효과적인 것을 확인할 수 있다.

12

제 3 장 에너지 저장 장치를 이용한

분산형 동기발전기 과도안정도 개선

3.1 에너지 저장 장치에 의한 과도안정도 영향

최근 신재생 에너지의 도입이 늘어감에 따라 안정적이고 신뢰도

높은 전력 계통을 운영하기 위한 대책이 요구되고 있다 . 에너지 저장

장치는 그러한 요구사항들을 만족시킬 수 있는 대안 중 하나로 주목

받고 있으며 , 또한 탈-규제 전력 시장 환경에서 여러 가지 부수적인

경제적 효과를 가져다 줄 것으로 기대되고 있다 [12].

본 장에서는 분산형 동기발전기와 에너지 저장 장치가 설치된 배전

계통 환경에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형

동기발전기의 과도안정도 변화를 살펴본 뒤, 시뮬레이션을 통해 그

결과를 확인한다.

3.1.1 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법

에너지 저장 장치는 크게 배터리 및 PCS(Power Conditioning

System)로 구성되어 있으며, 표 1.1의 인버터를 통해 계통에 연계된

에너지원으로 분류가 가능하다. 인버터는 전력전자 설비의 특성 상 매우

빠른 응답 속도를 나타내며 출력 값 제어가 용이하다 . Rocabert[12]는

에너지 저장 장치의 인버터 출력 제어를 아래와 같이 크게 3가지 제어

방법으로 분류하였다.

우선, 계통에 일정한 유효전력 및 무효전력을 공급하는 고정 출력

제어가 있다. 이 경우 에너지 저장 장치는 출력단의 전압 및 전류를

측정하여 그에 맞게 일정한 전류를 공급하는 전류원으로 등가화할 수

있다. 에너지 저장 장치 출력값은 한 단계 높은 상위 제어 계층에서

13

레퍼런스 값을 변경함으로써 제어 가능하다.

두 번째로 , 계통의 주파수 및 전압에 따라 출력값을 조절하는 P-f,

Q-V 드룹 제어가 있다. 기존 동기 발전기의 드룹 제어와 동일한

원리를 구현한 것이며 , 별도의 통신 설비 없이 전력 분배가 가능하다는

점에서 특히 마이크로그리드의 독립운전에 따른 주파수 안정도를

유지하기 위한 응용에서 주로 적용되고 있다 . P-f, Q-V 드룹 제어는

계통의 주파수 및 전압의 변화에 따라 미리 설정된 기울기 값에 따라

유효전력 및 무효전력을 각각 조절한다. 아래 그림 3.1은 P-f, Q-V

드룹 곡선을 나타낸다.

그림 3.1 P-f, Q-V 드룹 제어 곡선 [12].

P-f, Q-V 드룹 제어는 아래와 같은 수식으로 표현 가능하다.

f – f0 = -kp(P - P0) (3.1)

V – V0 = -kq(Q - Q0) (3.2)

세 번째로, 저압 배전 선로의 높은 저항 및 낮은 리액턴스 특성을

고려한 P-V, Q-f 드룹 제어가 있다 . 저항성 회로의 성질을 나타내는

저압 배전 선로에서는 기존의 P-f 및 Q-V간 결합 특성이 낮게

나타나며, 반대로 P-V 및 Q-f의 결합이 강하게 나타난다 . 이에

착안하여 P-V, Q-f 드룹에서는 주파수를 제어하기 위해 무효전력을

14

조절하고, 전압을 제어하기 위해서는 유효전력을 조절한다 . 이에

해당하는 드룹 곡선은 아래 그림 3.2와 같다.

그림 3.2 P-V, Q-f 드룹 제어 곡선 [12].

P-V, Q-f 드룹 제어는 아래와 같은 수식으로 표현 가능하다.

V – V0 = -kp(P - P0) (3.3)

f – f0 = -kq(Q - Q0) (3.4)

15

3.1.2 에너지 저장 장치의 분산형 동기발전기 과도안정도에 대한

영향

에너지 저장 장치는 인버터의 빠른 응답 속도를 활용하여

순간적으로 유효전력, 무효전력 출력을 조절할 수 있다.. 따라서 에너지

저장 장치는 계통 사고 시 동기발전기의 입출력 불균형을 효과적으로

상쇄하도록 작동할 수 있다. 예를 들어 , 계통 사고로 인해 동기발전기의

전기적 출력이 순간적으로 낮아질 경우, 발전기에 가해지는 기계적

입력은 여전히 같기 때문에 회전자의 회전 속도를 상승시키는 토크로

작용하게 된다. 이 때 인근 에너지 저장 장치에서 유효전력을 최대한

흡수하도록 제어하면 동기발전기에서 에너지 저장 장치로 추가적인

유효전력이 전달되기 때문에 그 반작용으로 인해 회전자에 가해지는

가속 토크가 그 전보다는 낮아지게 된다. 따라서 에너지 저장 장치 출력

제어를 통해 계통 사고 시 동기발전기에 가해지는 순간적인 토크

불균형을 일정부분 상쇄할 수 있으며 , 이는 과도안정도가 개선되는

효과로 나타난다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

𝑀𝑚

𝑑2 𝛿𝑚

𝑑𝑡2 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 − 𝐷𝑚

𝑑𝛿𝑚

𝑑𝑡 (2.1)

식 (2.1)에서 감쇠 효과를 무시할 경우, 동기발전기 회전자의

가속도는 기계적 입력 Pm 및 전기적 출력 Pe의 차에 의해 결정된다고

할 수 있다 . 샤프트를 통해 전달되는 기계적 입력은 시정수가

상대적으로 크기 때문에 사고 순간에는 상수로 가정할 수 있다 . 따라서

사고 순간의 동기발전기 회전자 가속도는 오로지 발전기의 전기적 출력

Pe에 의해서 결정된다고 할 수 있다. 대부분의 계통 사고는 등가 선로

임피던스 증가로 인해 Pe가 급격히 떨어지는 방향으로 작용하게 되며 ,

사고 순간부터 회전자는 Pm과 Pe의 차이만큼 가속하게 된다. 에너지

저장 장치에서 출력을 조절하게 되면 동기발전기의 전기적 출력 Pe도

함께 영향을 받는다. 이 때, Pe가 상승하도록 에너지 저장 장치의 출력을

16

조절하게 되면, Pm과 Pe의 차이가 줄어들어서 회전자의 가속도는

상대적으로 낮아지게 된다. 따라서 과도안정도를 유지할 수 있는 임계

고장 제거시간은 증가하게 된다.

3.2 시뮬레이션 및 고찰

3.2.1 시뮬레이션 모델링

에너지 저장 장치의 출력 제어 기법에 따른 분산형 동기발전기의

과도안정도 변화를 관찰하기 위해 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션을

수행하였다 . 배전 계통 모델링은 Alaboudy[8]의 연구에서 사용된 배전

계통 모델을 차용하여 동일하게 구성하였다.

아래 그림 3.3은 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 설치된

저압 배전 계통을 MATLAB으로 구현한 모델을 나타낸다 . 480V 계통에

동기발전기 및 에너지 저장 장치가 접속되어 있으며, 11kV 선로를 통해

외부 계통과 연결된다 . 부하는 고정 임피던스 모델로 가정하였으며 ,

11kV 선로에 균일하게 분포되어 있다 . 배전 선로는 X/R 비율을 0.2로

설정하여 저항성 회로의 성질을 가진다.

분산형 동기발전기는 일반적인 디젤 동기발전기 모델로

가정하였으며 MATLAB에서 기본적으로 제공되는 동기발전기 모델로

구현하였다. 실제 모델링에 사용된 파라미터는 아래 표 3.1과 같다 [8].

에너지 저장 장치는 MATLAB에서 제공하는 기본 모델이 없기

때문에 , 제어가능한 전류원 및 제어 블록을 통해 구현하였다. 에너지

저장 장치는 전체 계통 모델링 측면에서는 P, Q 소스로 등가화할 수

있으며 [14], 본 모델링에서도 동일한 방식으로 전체 회로를

구성하였다 . MATLAB을 통해 구현된 에너지 저장 장치 회로는 그림

3.4와 같다.

17

그림

3.3

MA

TLA

B으로

구현한

분산

전원

및

저압

배전

계통

모델

18

표 3.1 시뮬레이션에 사용된 분산형 동기발전기 파라미터

Type Salient Pole Type

Nominal power 2 MVA

Nominal L-L voltage 480V

Nominal frequency 60 Hz

Number of poles 4

Stator resistance (Rs) 0.003 p.u

Leakage reactance (Xl) 0.18 p.u

Direct axis reactance (Xd) 1.305 p.u

Transient direct axis reactance (X‘d) 0.296 p.u

Subtransient direct axis reactance (X‘‘d) 0.252 p.u

Quadrature axis reactance (Xq) 0.474 p.u

Subtransient quadrature axis reactance (X‘‘q) 0.243 p.u

Inertia coefficient 0.5 s

19

그림

3.4

MA

TLA

B으로

구현한

에너지

저장

장치

모델

20

상기 구현된 에너지 저장 장치 모델은 출력단의 전압 및 전류를

측정하여 유효전력 및 무효전력의 실제 출력값을 계산한다. 그리고

유효전력 및 무효전력의 설정값과 비교한 뒤 PI 제어를 통해 d축 및

q축에 해당되는 전류 성분의 크기를 조절한다 . 그리고 d축과 q축

성분의 전류값을 abc 좌표로 변환하여 제어 가능한 전류원을 통해 실제

계통에 접속되게 된다.

그리고 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 변화를 관찰하기 위해

식 (3.1)과 식 (3.4)을 바탕으로 P-f 드룹 및 Q-f 드룹 제어회로를

추가적으로 구성하였다. 동기발전기 회전자의 가속에 따른 회전자 각

변화가 논의의 초점이기 때문에 전압 제어를 위한 Q-V 또는 P-V

드룹 요소는 고려하지 않았다. 드룹 제어 회로는 에너지 저장 장치

출력단의 전압을 이용하여 주파수를 측정하고, 드룹 제어식 및 드룹

곡선 기울기 (kp, kq)에 따라 P-f 드룹 제어에서는 유효전력 설정값을 ,

Q-f 드룹 제어에서는 무효전력 설정값을 변경하게 된다.

3.2.2 시뮬레이션 결과 및 고찰

그림 3.3의 모델링 계통에서 11kV 선로의 각 지점 Load 2, Load 3,

Load 4, Line 45에서 3상 단락 사고를 모의하였다 . 사고는 시뮬레이션

상 0.3초일 때 발생하며, 이 때 분산형 동기발전기가 고장 제거 후에도

동기화를 유지할 수 있는 임계 고장 제거 시간을 측정하였다. 임계 고장

제거 시간은 고장 제거 시간을 1ms 단위로 증가시켜 나가며, 탈조하기

직전의 고장 제거 시간으로 기록하였다.

아래 그림 3.5는 시뮬레이션 상 분산형 동기발전기가 탈조하거나

동기를 유지하는 경우의 시간에 대한 회전자 각 그래프를 나타낸다.

21

(a)

(b)

그림 3.5 분산형 동기발전기의 사고 시 회전자 각 그래프

(a) 탈조하는 경우, (b) 동기 유지하는 경우

22

각각의 사고 지점에 대하여, 에너지 저장 장치 출력 제어 방법에

따른 임계 고장 제거 시간은 아래 표 3.2와 같다.

표 3.2 고장 지점에 따른 임계 고장 제거 시간 변화

고장 지점 미제어 P-f 드룹 제어 Q-f 드룹 제어

Load 2 261 ms 262 ms 289 ms

Load 3 227 ms 230 ms 247 ms

Load 4 199 ms 205 ms 210 ms

Line 45 185 ms 194 ms 191 ms

위 시뮬레이션 결과를 통해 , 고장 지점이 분산형 동기발전기와

가까울수록 임계 고장 제거 시간이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 식

(2.1)에 따르면 분산형 동기발전기 회전자의 가속도는 고장 기간

동안의 전기적 출력이 낮을수록 더 커지는데, 고장지점이 분산형

동기발전기와 가까울수록 고장 기간 중 등가 선로 임피던스가 커져서

동기발전기의 전기적 출력이 낮아지기 때문이다.

그리고 에너지 저장 장치의 출력 제어 기법에 따라서도 임계 고장

제거시간이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 우선 P-f 드룹 제어의 경우 ,

고장 기간 중 분산형 동기발전기의 회전자 각속도 증가로 인해 국지적인

주파수가 상승하게 되고 따라서 에너지 저장 장치의 P-f 드룹 제어를

통해 추가적인 유효전력을 흡수하게 된다 . 따라서 에너지 저장 장치

출력을 제어하지 않는 경우보다는 임계 고장 제거 시간이 커지는 효과가

나타났다.

23

두 번째로, Q-f 드룹 제어의 경우에는, 위 P-f 드룹 제어와는 달리

주파수가 상승함에 따라 에너지 저장 장치의 무효전력 출력을

상승시킨다 . 이는 앞서 제 2장에 살펴보았듯이, 저압 배전 계통의

저항성 회로의 특성 상 위상각과 무효전력이 강한 상관 관계를 나타낸다.

시뮬레이션 결과, X/R 비율이 낮은 저압 배전 계통에서는 Q-f 드룹이

P-f 드룹보다 전반적으로 우수한 성능을 나타내었다. 다만 고장 지점이

분산형 동기발전기와 가까울 경우에는 P-f 드룹이 더 나은 성능을

나타내었는데, 이는 동기발전기의 자체 리액턴스 및 변압기 리액턴스로

인해 X/R 비율이 상대적으로 높아지기 때문에 나타나는 현상인 것으로

생각된다.

다음으로, 선로의 X/R 비율이 변화될 때 에너지 저장 장치 제어

방법에 의한 임계 고장 제거 시간의 변화를 관찰하였다 . 우선 고장

지점은 Load 2 지점으로 한정하였으며, 선로의 임피던스 절대값은

고정시키고 X/R 비율만 각각 0.1, 1, 10으로 변화시켰다. 각각의 X/R

비율은 저압 배전 선로, 중압 선로, 고압 송전 선로를 대표하는

값들이다. 시뮬레이션을 통해 관측된 임계 고장 제거 시간 변화는 아래

표 3.3와 같다.

표 3.3 선로 X/R 비율 변화에 따른 임계 고장 제거 시간 변화

선로 X/R 비율 미제어 P-f 드룹 제어 Q-f 드룹 제어

0.1 252 ms 252 ms 271 ms

1 200 ms 206 ms 212 ms

10 177 ms 191 ms 185 ms

24

위 시뮬레이션 결과를 통해 선로의 X/R 비율이 변화됨에 따라

에너지 저장 장치의 드룹 제어의 효과가 달라지는 것을 확인할 수 있다 .

우선 선로의 X/R 비율이 0.1일 경우에는 저항성 회로인 저압 배전

선로로 분류할 수 있으며 , 이 경우에는 P-f 드룹 제어로 인한 효과가

거의 없는 반면에 Q-f 드룹 제어를 할 경우에는 임계 고장 제거 시간이

약 19ms 증가하였다.

선로의 X/R 비율이 1일 경우에는 중압 선로에 해당되며, P-f 드룹

및 Q-f 드룹 모두 임계 고장 제거 시간을 개선시켰으며, Q-f 드룹에

의한 효과가 조금 더 큰 것으로 확인되었다.

마지막으로 선로의 X/R 비율이 10일 경우에는 고압 선로에

해당되며, 이 경우에는 P-f 드룹이 임계 고장 제거 시간을 가장 많이

향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

상기 시뮬레이션 결과를 종합해보면 , 저항성 회로에 속하는 저압

배전 계통에서는 에너지 저장 장치의 출력을 일반적인 P-f 드룹보다는

Q-f 드룹 제어를 적용하는 것이 분산형 동기발전기의 과도안정도를

개선하는 데 더욱 큰 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.

25

제 4 장 과도안정도를 고려한 에너지 저장 장치

드룹 제어기 개선

제 3장에서는 에너지 저장 장치의 제어 방법에 따라 분산형

동기발전기의 과도안정도 개선 정도가 달라지는 것을 확인하였으며 ,

특히 저항성 회로에 속하는 저압 배전 계통에서는 P-f 드룹 제어보다는

Q-f 드룹 제어가 보다 효과적으로 과도안정도를 개선시키는 사실을

확인하였다.

에너지 저장 장치의 P-f 드룹이나 Q-f 드룹 제어는 계통의

주파수의 변화 정도에 비례하여 출력량을 조절하게 되는데, 사고 발생

초기에는 주파수 이탈이 심하지 않으므로 출력 조절량이 불충분하고

따라서 분산형 동기발전기에 충분한 제동효과를 제공하지 못한다는

단점을 가지고 있다.

제 4장에서는 Q-f 드룹 제어기를 바탕으로 계통 사고 초기에

능동적으로 출력을 조절할 수 있는 추가적인 제어 알고리즘을 구현하여

분산형 동기발전기의 과도안정도를 더욱 향상시키는 방법을 제안하며 ,

Matlab 시뮬레이션을 통해 그 결과를 확인한다.

4.1 전압 반응 출력 제어 알고리즘

4.1.1 Voltage Sag를 이용한 사고 판별 및 출력 제어

배전 계통에 사고가 발생할 경우 Voltage Sag라고 알려진 전압

강하 현상이 수반되며, 고장 지점과 인접한 버스의 전압이 급격히

떨어지게 된다 [16]. 일반적으로 전압이 0.1 pu ~ 0.9 pu 사이로

떨어지게 되면 Voltage Sag라고 정의하며, 기간은 수 사이클에서 수

26

분간 유지될 수 있다. 전압 강하의 수준은 계통의 토폴로지 및 고장의

종류에 따라서 달라진다.

이러한 Voltage Sag 현상을 이용하여 , 에너지 저장 장치의 제어

블록에서 저-전압이 감지될 시 계통 사고로 판별하고 순간적으로

무효전력 출력을 극대화시킴으로써 분산형 동기발전기의 탈조를 미리

예방할 수 있다. Q-f 드룹을 통한 출력 제어는 무효전력 출력이

주파수에 비례하기 때문에 , 사고 초기에는 분산형 동기발전기의

입출력에 큰 불균형이 생기더라도 아직 주파수 변화는 작은 상태이며

따라서 충분한 무효전력을 공급하지 못하여 분산형 동기발전기는 급격히

가속하게 된다. 하지만 에너지 저장 장치 제어 블록에서 저-전압이

감지될 시 순간적으로 무효전력을 투입하게 되면 주파수 이탈이

충분하지 않더라도 이미 분산형 동기발전기의 입출력 불균형이 일부

완화되기 때문에, 회전자의 가속을 억제할 수 있으며 임계 고장 제거

시간도 증가하게 된다.

4.1.2 전압 반응 출력 제어를 고려한 Q-f 드룹 제어기 개선

상기에서 제안된 전압 반응 출력 제어 알고리즘을 고려한 Q-f 드룹

제어기는 아래와 같은 수식으로 표현할 수 있다.

Q = Q0 + kq * Δf + Qv (4.1)

제안된 Q-f 드룹 제어기 수식을 보면 Qv 항을 제외하면 기존 Q-f

드룹 제어기와 동일하다. Qv 항은 에너지 저장 장치 제어 블록에서

전압의 크기가 일정 기준치 이하로 떨어졌을 때 큰 값을 가지도록

설정되며, 그 이외의 상황에서는 0을 가진다 . 즉, 전압의 크기 변동이

작은 경우에는 일반 Q-f 드룹 제어기와 완전히 동일하며, 계통 사고로

인한 Voltage Sag가 발생한 경우에만 무효전력을 순간적으로

27

최대값으로 투입하게 된다. 고장이 제거된 후에는 계통 전압도 기준치

내의 값으로 복귀하게 될 것이며 , 따라서 전압 반응에 의한 무효전력

출력 제어항은 다시 0이 된다.

표 4.1 제안된 Q-f 드룹 제어 수식의 변수 설명

Q 최종 무효전력 출력 값.

Q0 정상 운전 상태 시 무효전력 출력 설정 값.

kq 주파수에 의한 드룹 계수.

Δf 주파수 변화량.

Qv

전압 반응 출력 제어에 의한 무효전력.

Δ|V|가 기준치 이상일 때 큰 값을 지니며,

그 이하일 때는 0이 됨.

4.2 시뮬레이션 및 고찰

상기 제안된 전압 반응 출력 제어 알고리즘을 고려한 Q-f 드룹

제어기를 MATLAB으로 구현하여 시뮬레이션을 수행하였다 . 기본적인

모델링 및 수행 방법은 제 3장에서 실시한 내용과 동일하다.

에너지 저장 장치의 제어 블록에서 전압 반응 출력 제어 요소를

추가하였으며, 실제 구현된 블록은 아래 그림 4.1과 같다 . 이 블록을

기존의 Q-f 드룹 제어기에 추가함으로써 전체 제어 블록이 완성된다 .

본 시뮬레이션에서는 제안된 추가 제어 블록의 효과를 확인하기 위해

28

계통의 a상 전압만 측정하였지만 , 실제 응용에서는 사고 판별 기준에

따라 3상의 모든 전압을 측정하는 것이 필요할 것으로 판단되다. 그리고

0.5 pu 이하로 전압이 떨어질 경우 에너지 저장 장치의 무효전력을

최대값인 2MVA로 증가시키도록 설정하였다 . 각 수치들은 실제

적용되는 배전 계통의 환경 및 제어 목적에 따라서 조정이 필요할 수

있다.

그림 4.1 Q-f 드룹 제어기에 추가되는 전압 반응 출력 제어 요소

전압 반응 출력 제어 요소가 포함된 Q-f 드룹 제어기를 바탕으로

기존의 Q-f 드룹 제어기와 임계 고장 제거 시간 변화를 비교

측정하였다 . 제 3장에서 수행한 시뮬레이션과 동일하게 0.3초일 때

Load 2 지점에서 3상 단락 사고를 고려하였으며, 선로의 X/R값이

변화되는 경우를 모두 고려하였다 . 기존 Q-f 드룹 제어기 및 개선된

Q-f 드룹 제어기에 대해 각각 측정된 임계 고장 제거 시간은 다음 표

4.2와 같다.

29

표 4.2 제안된 Q-f 드룹 제어에 의한 임계 고장 제거 시간 변화

선로 X/R 비율 미제어 Q-f 드룹 제어 전압 반응 출력

Q-f 드룹 제어

0.1 252 ms 271 ms 335 ms

1 200 ms 212 ms 240 ms

10 177 ms 185 ms 192 ms

시뮬레이션 결과를 통해, 전압 반응 출력 제어 요소가 고려될 경우

분산형 동기발전기의 임계 고장 제거 시간이 큰 폭으로 증가되는 것을

확인할 수 있다. 선로의 X/R 비율을 0.1로 가정한 저압 배전 계통

환경에서는 기존의 Q-f 드룹 제어를 통해 임계 고장 제거 시간이

19ms 증가된 반면, 전압 반응 출력 Q-f 드룹 제어를 통해서는 83

ms가 증가하였다. 이러한 증가 폭은 선로의 X/R 비율이 높아져서

유도성 회로가 될수록 둔화되는 양상을 보였다.

상기 내용들을 종합하면, 저압 배전 계통 환경에서는 선로의 저항성

회로 성질을 이용한 에너지 저장 장치의 Q-f 드룹이 분산형

동기발전기의 과도안정도를 개선시키는 효과를 나타낸다. 그리고

Voltage Sag 현상을 고려한 전압 반응 출력 제어 요소를 Q-f 드룹

제어기에 추가함으로써 , 분산형 동기발전기의 과도안정도를 보다 더

개선할 수 있는 것으로 확인되었다.

30

제 5 장 결 론

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 대형 발전소 및 송전 선로 건설 부지를 둘러싼 주민

갈등 및 환경 단체 반발, 그리고 북상 전류 포화 상태의 문제 등으로

인해 한계점에 도달한 상황이며, 그 대안으로 분산형 전원 시스템

도입을 확대하는 추세이다.

분산형 전원에서 큰 비중을 차지하는 열병합 발전 시설 등의 분산형

동기발전기는 낮은 관성 계수 및 배전 계통의 느린 고장 제거 시간으로

인해 과도안정도에 취약할 수 있다는 지적이 제기되고 있다. 기존에는

전체 발전량 대비 분산형 동기발전기의 비중이 낮았기 때문에 이에 대한

논의가 많지 않았으나, 분산형 전원 시스템 도입 확대를 위해서는

과도안정도 문제에 대한 대책을 확보하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 혼재하는

배전 계통에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형 동기발전기

과도안정도 변화를 관찰하였다. 배전 계통의 저항성 선로 특성을 고려할

시, 에너지 저장 장치의 P-f 드룹 제어보다는 Q-f 드룹 제어가 분산형

동기발전기의 과도안정도를 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

하지만 Q-f 드룹 제어는 근본적으로 계통의 주파수를 보조하는

역할로써 기능하므로, 과도안정도를 개선하는 효과에는 일부 한계가

존재한다. 우선 계통 사고 발생 시 동기발전기의 회전자에 기계적 입력

및 전기적 출력 불균형에 의한 큰 토크가 작용한다 . 주파수에 비례한

에너지 저장 장치 무효전력 출력은 이러한 사고 초기에 충분한

제동효과를 제공하지 못하는 단점을 지니고 있다.

이러한 한계점을 보완하기 위해, Q-f 드룹 제어기를 기반으로 계통

사고 시의 전압 강하 효과를 고려한 전압 반응 출력 제어 알고리즘을

제안하였다 . 평시에는 일반적인 Q-f 드룹 제어기와 동일하게

31

작동하지만 , 계통 사고에 따른 이상 전압이 감지되면 순간적으로 에너지

저장 장치의 무효전력 출력을 증가시켜 분산형 동기발전기의 탈조를

억제하고, 이후 고장 복구 및 전압이 회복되면 다시 원래의 출력값으로

조정한다. 이러한 추가적인 제어를 통해 분산형 동기발전기의

과도안정도가 더욱 개선되는 효과를 Matlab 시뮬레이션을 통해

확인하였다.

하지만 본 연구에서 해결하지 못한 문제점들도 일부 존재한다 . 우선

해석의 편의를 위해 에너지 저장 장치와 분산형 동기발전기를 같은

버스에 위치한 것으로 가정하였지만, 계통 내 전기적 거리가 멀어지는

경우에도 동일한 과도안정도 개선 효과를 가져올 수 있을지에 대한

검증이 필요할 것으로 생각된다.

또한 에너지 저장 장치의 응답 속도가 충분히 빠른 것으로 가정하여

즉각적인 출력 제어가 이루어지는 것으로 가정하였지만, 실제 에너지

저장 장치에서 전압 및 전류를 측정하고 제어 블록을 통해 출력을

조절하는 과정에서 시간 지연이 발생할 것이며, 이는 과도안정도 개선

효과를 감소시키는 효과로 나타날 것이다.

32

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34

[16] P. Kundur, “Power System Stability and Control”, McGraw-

Hill Inc., 1994

[17] J. V. Milanovic, M. T. Aung, and C. P. Gupta, ―The Influence

of Fault Distribution on Stochastic Prediction of Voltage Sags,‖

IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp.

278–285, Jan. 2005.

35

Abstract

A Study on Voltage Triggered Power Control of

Energy Storage System to Enhance Transient

Stability of Distributed Synchronous Generator

in Low Voltage Network

Young Woo Lee

School of Electrical and Computer Engineering

The Graduate School

Seoul National University

Korea has developed large centralized power plants during last

decades to provide cheap and reliable electrical power. But this

energy policy has reached a limit due to the recent environmental

problem and inhabitant‘s complaint. Distributed generation system

has been suggested as a solution to those problems. Distributed

synchronous generation such as combined heat and power plant

takes large portion of total distributed generation, but the

vulnerability to transient stability problem appeared because

distribution network has slow fault clearing time and distributed

synchronous generators have low inertia constant. There was not

much discussion about transient stability problem of distributed

synchronous generator in the past since it took very low portion of

total electricity generation. As more and more distributed

generations are introduced in the distribution network nowadays,

36

the transient stability problem must be dealt with.

This research studies effects of different control method of

energy storage system on distributed synchronous generator in low

voltage distribution network. Also, a novel control algorithm

considering voltage sag effect during the fault in the network is

suggested based on Q-f droop controller. The new control

algorithm operates in the same way as Q-f droop controller during

normal operating condition, but it will suddenly increase reactive

power of energy storage system when low voltage condition is

detected to depress acceleration of distributed synchronous

generator. When the fault is cleared and voltage is restored to

normal operating range, then the energy storage system also

reduces reactive power to normal operating value as before.

Transient stability of distributed synchronous generator is

enhanced by this novel algorithm and the result is verified by

MATLAB simulation.

Keywords : Distributed Synchronous Generator, Energy Storage

System, Transient Stability, Droop Controller

Student Number : 2014-21635

저 시-비 리- 경 지 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 된 허락조건 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 면 러한 조건들 적 되지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

비 리. 하는 저 물 리 목적 할 수 없습니다.

경 지. 하는 저 물 개 , 형 또는 가공할 수 없습니다.

공학석사 학위논문

저압 계통의 분산형 동기발전기

과도안정도 향상을 위한 에너지 저장

장치 전압 반응 출력 제어에 관한 연구

A Study on Voltage Triggered Power Control of Energy

Storage System to Enhance Transient Stability of Distributed

Synchronous Generator in Low Voltage Network

2016 년 2 월

서울대학교 대학원

전기정보공학부

이 영 우

저압 계통의 분산형 동기발전기

과도안정도 향상을 위한 에너지 저장

장치 전압 반응 출력 제어에 관한 연구

A Study on Voltage Triggered Power Control of Energy

Storage System to Enhance Transient Stability of Distributed

Synchronous Generator in Low Voltage Network

지도 교수 윤 용 태

이 논문을 공학석사 학위논문으로 제출함

2016 년 2 월

서울대학교 대학원

전기정보공학부

이 영 우

이영우의 공학석사 학위논문을 인준함

2016 년 2 월

위 원 장 박 종 근 (인)

부위원장 윤 용 태 (인)

위 원 문 승 일 (인)

i

초 록

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 근래에는 주민 수용성 및 환경 문제로 인해 이러한

기존 정책의 한계점에 봉착하고 있으며, 그 대안으로 분산형 발전

시스템이 도입이 추진되고 있다. 분산형 전원에서 큰 비중을 차지하는

열병합 발전 시설 등의 분산형 동기발전기는 낮은 관성 계수 및 배전

계통의 느린 고장 제거 시간으로 인해 과도안정도에 취약할 수 있다는

문제점이 제기되고 있다. 기존에는 전체 발전량 대비 분산형

동기발전기의 비중이 낮았기 때문에 이에 대한 논의가 많지 않았으나 ,

분산형 전원 시스템 도입 확대를 위해서는 과도안정도 문제에 대한

대책을 확보하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 혼재하는

배전 계통에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형

동기발전기의 과도안정도 영향을 확인한다. 그리고 Q-f 드룹 제어기를

기반으로 배전 계통 사고 시의 전압 강하 효과를 고려한 전압 반응 출력

제어 알고리즘을 제안한다. 추가 제어 알고리즘은 평시에는 일반적인

Q-f 드룹 제어기와 동일하게 작동하지만, 계통 사고에 따른 이상

전압이 감지되면 순간적으로 에너지 저장 장치의 무효전력 출력을

증가시켜 분산형 동기발전기의 탈조를 억제하며, 이후 고장이 복구되고

전압이 회복되면 다시 원래의 출력값으로 복귀하게 된다. 이러한 에너지

저장 장치의 추가적인 출력 제어를 통해 분산형 동기발전기의

과도안정도가 개선되는 효과를 확인하며, MATLAB 시뮬레이션을 통해

그 결과를 검증한다.

ii

주요어 : 분산형 동기발전기, 에너지 저장 장치, 과도 안정도, 드룹

제어기,

학 번 : 2014-21635

iii

목 차

제 1 장 서 론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1 연구의 배경 ...................................................................................... 1

1.2 연구의 구성 및 개요 ....................................................................... 5

제 2 장 분산형 동기발전기의 과도안정도 이론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.1 동기발전기의 과도안정도 ............................................................... 6

2.1.1 동기발전기의 동요방정식 .......................................................... 6

2.1.2 등면적법에 의한 과도안정도 판별 ............................................ 8

2.2 저압 배전 선로의 특성 및 고려사항 ............................................ 9

2.2.1 전압대별 일반적 선로 특성 ...................................................... 9

2.2.2 선로 특성에 의한 전력 조류 변화 .......................................... 10

제 3 장 에너지 저장 장치를 이용한 분산형 동기발전기

과도안정도 개선 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 에너지 저장 장치에 의한 과도안정도 영향 ...............................13

3.1.1 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법 ................................... 13

3.1.2 에너지 저장 장치의 분산형 동기발전기 과도안정도 영향 ..... 16

3.2 시뮬레이션 및 고찰 .......................................................................17

3.2.1 시뮬레이션 모델링 .................................................................. 17

3.2.2 시뮬레이션 결과 및 고찰 ........................................................ 21

제 4 장 과도안정도를 고려한 에너지 저장 장치 드룹 제어기 개선

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1 전압 반응 출력 제어 알고리즘 ....................................................26

4.1.1 Voltage Sag를 이용한 사고 판별 및 출력 제어 .................... 26

4.1.2 전압 반응 출력 제어를 고려한 Q-f 드룹 제어기 개선 ......... 27

iv

4.2 시뮬레이션 및 고찰 .......................................................................28

제 5 장 결 론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

참고문헌 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Abstract .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

v

표 목차

[표 1.1] 분산 전원 종류 및 계통 연계 방법 ............................................ 2

[표 2.1] 동요방정식의 변수 설명 ............................................................... 7

[표 2.2] 일반적인 선로 특성 ....................................................................10

[표 3.1] 시뮬레이션에 사용된 분산형 동기발전기 파라미터 ...............19

[표 3.2] 고장 지점에 따른 임계 고장 제거 시간 변화 ........................23

[표 3.3] 선로 X/R 비율 변화에 따른 임계 고장 제거 시간 변화 ......24

[표 4.1] 제안된 Q-f 드룹 제어 수식의 변수 설명 ..............................28

[표 4.2] 제안된 Q-f 드룹 제어에 의한 임계 고장 제거 시간 변화 ..30

vi

그림 목차

[그림 1.1] 우리나라의 전력설비 설치현황 ............................................... 2

[그림 2.1] 등면적법에 의한 과도안정도 판별 .......................................... 8

[그림 2.2] 두 지점 사이의 전력 조류 .....................................................10

[그림 3.1] P-f, Q-V 드룹 제어 곡선 ....................................................14

[그림 3.2] P-V, Q-f 드룹 제어 곡선 ....................................................15

[그림 3.3] MATLAB으로 구현한 분산 전원 및 저압 배전 계통 모델18

[그림 3.4] MATLAB으로 구현한 에너지 저장 장치 모델 ...................20

[그림 3.5] 분산형 동기발전기의 사고 시 회전자 각 그래프 ...............22

[그림 4.1] Q-f 드룹 제어기에 추가되는 전압 반응 출력 제어 요소 29

1

제 1 장 서 론

1.1 연구의 배경

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 근래에는 주민 수용성 및 환경 문제로 인해 이러한

기존 전력 정책의 한계점에 봉착하고 있다. 우선 지역 주민 및 환경

단체 반발로 대형 발전소 건설이 지연되거나 무산되는 경우가 발생하고

있으며 , 북상조류 포화 상황 속에서 송전선로 추가 건설도 어려움을

겪고 있다.

정부에서는 이러한 기존 전력 정책의 한계점을 극복하기 위하여 ,

분산형 발전 시스템 구축을 제 2차 에너지 기본 계획의 6대 중점

과제로 선정하여 추진하고 있다. 우리나라의 전력 설비 구성을 살펴보면,

‗12년 말 기준 전체 전력 설비 규모는 96,620MW이며 , 이 중 분산

전원은 11,346MW로써 전체 전력 설비의 약 12%를 차지하고 있다 .

하지만 실제 발전량은 전체 발전량 대비 5%에 그치고 있으며, 이를

2035년까지 15%로 끌어올릴 계획이다 [1]. 그림 1.1은 우리나라의

전력설비 설치현황 및 분산 전원의 비중을 간략히 나타내고 있다.

분산형 전원은 에너지원별에 따라 수력, 풍력, 태양광, 연료전지 ,

열병합 발전 등으로 분류할 수 있으며 , 배터리나 플라이휠을 이용한

에너지 저장 장치도 존재한다. 계통 연계 기술에 따라서는 동기기 ,

유도기 , 또는 인버터의 3가지 종류로 크게 구분된다. 표 11은 이러한

분류에 따라 분산 전원의 종류를 정리한 것이다.

2

그림 1.1 우리나라의 전력설비 설치현황[2]

표 1.1 분산 전원 종류 및 계통 연계 방법[3]

에너지원 계통 연계

열병합 동기기

내연기관 동기기, 유도기

수력 동기기, 유도기

고정 속도 풍력 인버터

가변 속도 풍력 인버터

태양광 인버터

연료전지 인버터

배터리 인버터

플라이휠 인버터

3

이러한 분산 전원들 중 동기기 기반의 분산 전원, 즉 분산형

동기발전기는 과도안정도에 취약할 수 있다는 문제점이 제기되고 있다 .

기존의 중앙 집중형 대형 발전 설비의 경우 , 대형 발전기의 높은 관성

및 고압 송전 계통의 빠른 고장 제거시간으로 인해 탈조 가능성이 높지

않았다 . 하지만 분산형 동기발전기는 소규모 발전원 특성 상 낮은

관성을 가지며, 또한 배전 계통은 고장 제거 시간이 느리기 때문에

상대적으로 탈조 가능성이 높은 것으로 지적되고 있다 [4~6].

분산형 동기발전기가 탈조할 경우 기계적 스트레스로 인해 발전기가

손상될 수 있다 . Voltage Sag 및 과부하가 발생할 수 있으며, 발전기

Swing으로 인해 국지적인 전력 및 주파수 진동이 발생할 수 있다 . 이는

보호계전기의 오동작으로 이어질 수 있다. 그리고 계통이 소규모일 경우,

탈조한 발전기를 대체하기 위해 추가적인 주파수 제어 및 예비력 투입이

요구될 수 있다 [6].

따라서 분산 전원 확대 기조 속에서, 안정적인 전력 공급 및 전력

품질 향상을 위해서는 분산형 동기발전기의 과도안정도 문제에 대한

대비책이 필요하다.

Haque[7]는 FACTS 설비를 이용하여 동기발전기의 과도안정도를

향상시키는 방안을 제시하였다 . FACTS 설비의 전압 제어 능력을

활용하여, 사고 순간 시 발전기 회전자의 가속을 억제하고 제동 효과는

극대화하였다. 하지만 송전 계통에 국한된 유도성 회로 및 대형

발전기로 모델링을 하였으므로, 분산형 동기발전기가 설치된 배전 계통

환경에서의 적용 가능성은 고려되지 않았다.

Alaboudy[8]는 마이크로그리드 환경에서 인버터 기반 분산전원의

제어 기법에 따른 분산형 동기발전기의 과도안정도 영향을 고찰하였다 .

시뮬레이션을 통해 인버터 출력이 고정 값일 경우 및 드룹 제어를 통해

변동되는 경우일 때 계통의 임계 고장 제거 시간 변화를 측정하였으며 ,

드룹 제어를 적용하였을 경우 보다 높은 임계 고장 제거 시간을 가지는

것으로 확인되었다. 하지만 계통의 선로를 유도성 회로로 모델링하여 ,

배전 계통의 저항성 회로 특징으로 인한 인버터 무효전력의 영향력이

4

반영되지 않았다는 한계를 지닌다.

본 연구에서는 배전 계통의 저항성 회로 특징을 고려하여, 에너지

저장 장치의 인버터 제어 방법에 따른 분산형 동기발전기의 과도안정도

영향을 살펴볼 것이다. 또한 전압 요소를 고려한 Q-f 드룹 제어를 통해,

분산형 동기발전기의 과도안정도를 보다 향상시킬 수 있는 방안을

제안한다.

5

1.2 연구의 구성 및 개요

본 논문에서는 인버터 기반 분산전원의 제어 방법이 분산형

동기발전기의 과도안정도에 어떻게 영향을 주는지 살펴보며, 배전

계통에 맞는 향상된 제어 방법을 제안할 것이다.

제 2장에서는 분산형 동기발전기의 과도안정도 및 배전계통의

특성을 살펴봄으로써 본 연구의 배경 이론을 간략히 소개할 것이다.

제 3장에서는 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법들을 소개하며 ,

또한 분산형 동기발전기의 과도안정도에 어떠한 영향을 미치는지

시뮬레이션을 통해 확인할 것이다.

제 4장에서는 배전 계통 환경의 분산형 동기발전기의 과도안정도를

더욱 개선하기 위해, 전압 반응 출력 제어요소를 고려한 Q-f 드룹

제어를 제안하며 시뮬레이션을 통해 검증할 것이다.

제 5장에서는 상기 논의사항들을 정리하며 , 추후 연구 사항들에

대해 언급할 것이다.

6

제 2 장 배경 이론

2.1 동기발전기의 과도안정도

과도안정도는 전력 계통에 선로 고장과 같은 심각한 외란이

발생하였을 때, 계통의 동기를 유지할 수 있는 능력을 뜻한다 [9].

과도안정도는 초기 운전 상태 및 외란의 심각성 정도에 영향을 받는다 .

아래 세부 절을 통해 일반적으로 널리 알려진 동기발전기의 동요방정식

및 등면적법에 의한 과도안정도 판별법을 소개한다.

2.1.1 동기발전기의 동요방정식

동기발전기는 크게 고정자와 회전자로 구성되어 있다. 회전자의

계자에 의해 발생하는 회전 자계에 의해 고정자에 유도 전압이 발생하며

외부로 전력을 공급하게 된다. 회전자는 발전기 터빈에 가해진 기계적

입력에 의해 가속하는 방향의 토크를 받게 되며, 또한 에어갭을 통해

전달되는 전기적 출력의 반작용에 의해서는 반대 방향의 토크를 받게

된다. 그리고 회전자의 감쇠 및 관성을 고려하였을 때 동요 방정식은

아래와 같이 주어진다 [10].

𝑀𝑚

𝑑2 𝛿𝑚

𝑑𝑡2 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 − 𝐷𝑚

𝑑𝛿𝑚

𝑑𝑡 (2.1)

각각의 변수에 대한 설명은 다음 표 2.1과 같다.

7

표 2.1 동요방정식의 변수 설명

Mm 동기속도에서의 회전자 각 운동량

δm 회전자 각

Pm 발전기의 기계적 입력

Pe 발전기의 전기적 출력

Dm 감쇠 상수

동기발전기의 회전자는 외부의 기계적 입력 및 전기적 출력의

차이에 의해 가속 또는 감속 운동을 한다. 정상 운전 상태에서는 기계적

입력과 전기적 출력이 일치하므로 등속도 운동을 한다. 하지만 계통에

외란이 발생하면 고장 전류 및 선로 임피던스 변화로 인해 전기적

출력값이 급격히 변하게 되며, 이로 인해 회전자가 가속하거나 감속하는

운동을 하게 된다.

식 (2.1)을 통해, 회전자의 각 가속도는 기계적 입력 및 전기적

출력의 차이에 비례하며, 이 때 회전자의 각 운동량, 즉 발전기의

관성에는 반비례하는 것을 알 수 있다.

8

2.1.2 등면적법에 의한 과도안정도 판별

과도안정도를 판별하기 위한 방법으로 등면적법이 주로 소개되고

있다. 등면적법은 계통 사고에 따른 전력-상차각 곡선 변화 및 회전자

각 운동에 따라 안정도를 판별하는 방법이다 . 아래 그림은 등면적법에

따라 안정한 경우 및 불안정한 경우를 나타내고 있다.

그림 2.1 등면적법에 의한 과도안정도 판별 [10].

(a) 안정한 경우. (b) 불안정한 경우.

위 그림 2.1 (a)는 발전기가 과도적으로 안정한 경우를 나타내고

있다. 발전기는 기계적 입력 값 Pm을 기준으로 초기 운전점 δ0가

정해진다. 이 때 선로에 사고가 발생하면 계통 임피던스 변화로 인해

전력-상차각 곡선이 변화게 되며, 3상 단락 사고를 가정하면 0으로

떨어진다. 따라서 기계적 입력 Pm에 의해 발전기는 가속 운동을 하게

되며, 3번 지점에 이르러 고장이 제거되는 것으로 가정한다. 여기서 1-

2-3-4 영역은 발전기 회전자가 가속하는 영역이 된다. 전력-상차각

9

곡선은 다시 초기 상태로 돌아오며, 5번 지점에 놓인 발전기는 변화된

회전자 각 변위로 인해 전기적인 출력이 기계적 입력보다 높아지게 된다.

따라서 발전기는 전기적 출력 및 기계적 입력의 차이만큼 감속 운동을

하게 되지만, 이미 증가된 속력으로 인해 회전자의 각은 일시적으로

계속 증가하게 된다. 따라서 운전점은 5번 지점에서 6번 지점까지

이동한다. 6번 지점에 이르러 속력 변화분이 0가 되면 비로소 회전자

각이 감소하기 시작한다. 여기서 5-6-7-8 영역은 발전기 회전자가

감속하는 영역이 된다. 이후 회전자 각은 계속 왕복 운동을 하게 되며 ,

감쇠효과로 인해 결국 1번 지점으로 회귀하게 된다.

그림 2.1 (b)에서는 발전기가 불안정한 경우를 나타내고 있다 .

선로의 고장 제거 시간이 느린 경우에는 회전자 각이 지나치게 많이

증가하게 되고 발전기 가속 영역이 더욱 넓어진다. 따라서 고장이

제거된 이후에도 충분한 감속 영역이 확보되지 않아 회전자 각이 8번

지점을 넘어서게 되며, 따라서 이후에는 다시 회전자가 가속되므로 동기

탈조하는 현상이 발생하게 된다.

2.2 저압 계통의 전류 조류 특성

2.2.1 전압대별 일반적 선로 특성

일반적으로 선로는 전압대별로 서로 다른 특성을 나타낸다. 고압

선로에서는 선로의 리액턴스 성분이 매우 크게 나타나고 저항 성분은

상대적으로 무시할 수 있다. 반면 저압 선로에서는 저항 성분이 더욱

크게 나타나며 리액턴스 성분을 무시할 수 있다 . 중압 선로에서는 저항

성분과 리액턴스 성분이 비슷하게 나타난다 . 아래 표는 전압대별 일반적

선로의 특성을 나타낸 것이다.

10

표 2.2 일반적인 선로 특성 [11].

선로 종류 R(Ω/km) X(Ω/km) R/X

저압 선로 0.642 0.083 7.7

중압 선로 0.161 0.190 0.85

고압 선로 0.060 0.191 0.31

2.2.2 선로 특성에 의한 전력 조류 변화

아래 그림 2.2와 같은 계통에서 A 지점의 전압은 U1∠0, B 지점의

전압은 U2∠-δ이며 , 두 지점 사이의 임피던스는 Z∠θ이다. 이 때 A

지점에서 B 지점으로 흐르는 유효전력 및 무효전력은 식 (2.2), (2.3)과

같이 주어진다.

그림 2.2 두 지점 사이의 전력 조류 [11].

11

P =𝑈1

𝑅2 +𝑋2 [𝑅 ∙ (𝑈1 − 𝑈2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿) + 𝑋 ∙ 𝑈2 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿] (2.2)

Q =𝑈1

𝑅2 +𝑋2 [−𝑅 ∙ 𝑈2 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿 + 𝑋 ∙ (𝑈1 − 𝑈2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿) ] (2.3)

이 때, 앞 절에서 살펴본 일반적 선로특성에 따라 저항 성분 또는

리액턴스 성분을 무시함으로써 위 수식을 간소한 형태로 근사화할 수

있다. 고압 선로에서는 저항 성분을 무시할 수 있으므로 아래와 같이

근사 가능하다.

P ≅𝑈1∙𝑈2

𝑋𝛿 (2.4)

Q ≅𝑈1

2

𝑋−

𝑈1∙𝑈2

𝑋 (2.5)

위 식을 통해 고압 선로에서는 유효전력 P와 상차각 δ가, 무효전력

Q와 전압 U가 강한 결합 특성을 보이는 경향을 확인할 수 있다.

반대로 , 저압 선로에서는 리액턴스 성분을 무시할 수 있으므로 ,

아래와 같이 근사화가 가능하다.

P ≅𝑈1

2

𝑅−

𝑈1∙𝑈2

𝑅 (2.6)

Q ≅ −𝑈1∙𝑈2

𝑅𝛿 (2.7)

즉, 저압 선로에서는 유효전력 P와 전압 U가 , 무효전력 Q와 상차각

δ가 서로 강한 결합 특성을 나타낸다.

따라서 위 결과를 바탕으로, 고압 송전 계통에서는 유효전력 P를

통해 상차각 δ를 제어하고 무효전력 Q를 통해 전압 U를 제어하는

것이 효과적이라고 판단할 수 있다. 반대로 저압 배전 계통에서는

유효전력 P를 통해 전압 U를 제어하고, 무효전력 Q를 통해 상차각 δ를

제어하는 것이 효과적인 것을 확인할 수 있다.

12

제 3 장 에너지 저장 장치를 이용한

분산형 동기발전기 과도안정도 개선

3.1 에너지 저장 장치에 의한 과도안정도 영향

최근 신재생 에너지의 도입이 늘어감에 따라 안정적이고 신뢰도

높은 전력 계통을 운영하기 위한 대책이 요구되고 있다 . 에너지 저장

장치는 그러한 요구사항들을 만족시킬 수 있는 대안 중 하나로 주목

받고 있으며 , 또한 탈-규제 전력 시장 환경에서 여러 가지 부수적인

경제적 효과를 가져다 줄 것으로 기대되고 있다 [12].

본 장에서는 분산형 동기발전기와 에너지 저장 장치가 설치된 배전

계통 환경에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형

동기발전기의 과도안정도 변화를 살펴본 뒤, 시뮬레이션을 통해 그

결과를 확인한다.

3.1.1 에너지 저장 장치의 일반적 제어 기법

에너지 저장 장치는 크게 배터리 및 PCS(Power Conditioning

System)로 구성되어 있으며, 표 1.1의 인버터를 통해 계통에 연계된

에너지원으로 분류가 가능하다. 인버터는 전력전자 설비의 특성 상 매우

빠른 응답 속도를 나타내며 출력 값 제어가 용이하다 . Rocabert[12]는

에너지 저장 장치의 인버터 출력 제어를 아래와 같이 크게 3가지 제어

방법으로 분류하였다.

우선, 계통에 일정한 유효전력 및 무효전력을 공급하는 고정 출력

제어가 있다. 이 경우 에너지 저장 장치는 출력단의 전압 및 전류를

측정하여 그에 맞게 일정한 전류를 공급하는 전류원으로 등가화할 수

있다. 에너지 저장 장치 출력값은 한 단계 높은 상위 제어 계층에서

13

레퍼런스 값을 변경함으로써 제어 가능하다.

두 번째로 , 계통의 주파수 및 전압에 따라 출력값을 조절하는 P-f,

Q-V 드룹 제어가 있다. 기존 동기 발전기의 드룹 제어와 동일한

원리를 구현한 것이며 , 별도의 통신 설비 없이 전력 분배가 가능하다는

점에서 특히 마이크로그리드의 독립운전에 따른 주파수 안정도를

유지하기 위한 응용에서 주로 적용되고 있다 . P-f, Q-V 드룹 제어는

계통의 주파수 및 전압의 변화에 따라 미리 설정된 기울기 값에 따라

유효전력 및 무효전력을 각각 조절한다. 아래 그림 3.1은 P-f, Q-V

드룹 곡선을 나타낸다.

그림 3.1 P-f, Q-V 드룹 제어 곡선 [12].

P-f, Q-V 드룹 제어는 아래와 같은 수식으로 표현 가능하다.

f – f0 = -kp(P - P0) (3.1)

V – V0 = -kq(Q - Q0) (3.2)

세 번째로, 저압 배전 선로의 높은 저항 및 낮은 리액턴스 특성을

고려한 P-V, Q-f 드룹 제어가 있다 . 저항성 회로의 성질을 나타내는

저압 배전 선로에서는 기존의 P-f 및 Q-V간 결합 특성이 낮게

나타나며, 반대로 P-V 및 Q-f의 결합이 강하게 나타난다 . 이에

착안하여 P-V, Q-f 드룹에서는 주파수를 제어하기 위해 무효전력을

14

조절하고, 전압을 제어하기 위해서는 유효전력을 조절한다 . 이에

해당하는 드룹 곡선은 아래 그림 3.2와 같다.

그림 3.2 P-V, Q-f 드룹 제어 곡선 [12].

P-V, Q-f 드룹 제어는 아래와 같은 수식으로 표현 가능하다.

V – V0 = -kp(P - P0) (3.3)

f – f0 = -kq(Q - Q0) (3.4)

15

3.1.2 에너지 저장 장치의 분산형 동기발전기 과도안정도에 대한

영향

에너지 저장 장치는 인버터의 빠른 응답 속도를 활용하여

순간적으로 유효전력, 무효전력 출력을 조절할 수 있다.. 따라서 에너지

저장 장치는 계통 사고 시 동기발전기의 입출력 불균형을 효과적으로

상쇄하도록 작동할 수 있다. 예를 들어 , 계통 사고로 인해 동기발전기의

전기적 출력이 순간적으로 낮아질 경우, 발전기에 가해지는 기계적

입력은 여전히 같기 때문에 회전자의 회전 속도를 상승시키는 토크로

작용하게 된다. 이 때 인근 에너지 저장 장치에서 유효전력을 최대한

흡수하도록 제어하면 동기발전기에서 에너지 저장 장치로 추가적인

유효전력이 전달되기 때문에 그 반작용으로 인해 회전자에 가해지는

가속 토크가 그 전보다는 낮아지게 된다. 따라서 에너지 저장 장치 출력

제어를 통해 계통 사고 시 동기발전기에 가해지는 순간적인 토크

불균형을 일정부분 상쇄할 수 있으며 , 이는 과도안정도가 개선되는

효과로 나타난다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

𝑀𝑚

𝑑2 𝛿𝑚

𝑑𝑡2 = 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 − 𝐷𝑚

𝑑𝛿𝑚

𝑑𝑡 (2.1)

식 (2.1)에서 감쇠 효과를 무시할 경우, 동기발전기 회전자의

가속도는 기계적 입력 Pm 및 전기적 출력 Pe의 차에 의해 결정된다고

할 수 있다 . 샤프트를 통해 전달되는 기계적 입력은 시정수가

상대적으로 크기 때문에 사고 순간에는 상수로 가정할 수 있다 . 따라서

사고 순간의 동기발전기 회전자 가속도는 오로지 발전기의 전기적 출력

Pe에 의해서 결정된다고 할 수 있다. 대부분의 계통 사고는 등가 선로

임피던스 증가로 인해 Pe가 급격히 떨어지는 방향으로 작용하게 되며 ,

사고 순간부터 회전자는 Pm과 Pe의 차이만큼 가속하게 된다. 에너지

저장 장치에서 출력을 조절하게 되면 동기발전기의 전기적 출력 Pe도

함께 영향을 받는다. 이 때, Pe가 상승하도록 에너지 저장 장치의 출력을

16

조절하게 되면, Pm과 Pe의 차이가 줄어들어서 회전자의 가속도는

상대적으로 낮아지게 된다. 따라서 과도안정도를 유지할 수 있는 임계

고장 제거시간은 증가하게 된다.

3.2 시뮬레이션 및 고찰

3.2.1 시뮬레이션 모델링

에너지 저장 장치의 출력 제어 기법에 따른 분산형 동기발전기의

과도안정도 변화를 관찰하기 위해 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션을

수행하였다 . 배전 계통 모델링은 Alaboudy[8]의 연구에서 사용된 배전

계통 모델을 차용하여 동일하게 구성하였다.

아래 그림 3.3은 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 설치된

저압 배전 계통을 MATLAB으로 구현한 모델을 나타낸다 . 480V 계통에

동기발전기 및 에너지 저장 장치가 접속되어 있으며, 11kV 선로를 통해

외부 계통과 연결된다 . 부하는 고정 임피던스 모델로 가정하였으며 ,

11kV 선로에 균일하게 분포되어 있다 . 배전 선로는 X/R 비율을 0.2로

설정하여 저항성 회로의 성질을 가진다.

분산형 동기발전기는 일반적인 디젤 동기발전기 모델로

가정하였으며 MATLAB에서 기본적으로 제공되는 동기발전기 모델로

구현하였다. 실제 모델링에 사용된 파라미터는 아래 표 3.1과 같다 [8].

에너지 저장 장치는 MATLAB에서 제공하는 기본 모델이 없기

때문에 , 제어가능한 전류원 및 제어 블록을 통해 구현하였다. 에너지

저장 장치는 전체 계통 모델링 측면에서는 P, Q 소스로 등가화할 수

있으며 [14], 본 모델링에서도 동일한 방식으로 전체 회로를

구성하였다 . MATLAB을 통해 구현된 에너지 저장 장치 회로는 그림

3.4와 같다.

17

그림

3.3

MA

TLA

B으로

구현한

분산

전원

및

저압

배전

계통

모델

18

표 3.1 시뮬레이션에 사용된 분산형 동기발전기 파라미터

Type Salient Pole Type

Nominal power 2 MVA

Nominal L-L voltage 480V

Nominal frequency 60 Hz

Number of poles 4

Stator resistance (Rs) 0.003 p.u

Leakage reactance (Xl) 0.18 p.u

Direct axis reactance (Xd) 1.305 p.u

Transient direct axis reactance (X‘d) 0.296 p.u

Subtransient direct axis reactance (X‘‘d) 0.252 p.u

Quadrature axis reactance (Xq) 0.474 p.u

Subtransient quadrature axis reactance (X‘‘q) 0.243 p.u

Inertia coefficient 0.5 s

19

그림

3.4

MA

TLA

B으로

구현한

에너지

저장

장치

모델

20

상기 구현된 에너지 저장 장치 모델은 출력단의 전압 및 전류를

측정하여 유효전력 및 무효전력의 실제 출력값을 계산한다. 그리고

유효전력 및 무효전력의 설정값과 비교한 뒤 PI 제어를 통해 d축 및

q축에 해당되는 전류 성분의 크기를 조절한다 . 그리고 d축과 q축

성분의 전류값을 abc 좌표로 변환하여 제어 가능한 전류원을 통해 실제

계통에 접속되게 된다.

그리고 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 변화를 관찰하기 위해

식 (3.1)과 식 (3.4)을 바탕으로 P-f 드룹 및 Q-f 드룹 제어회로를

추가적으로 구성하였다. 동기발전기 회전자의 가속에 따른 회전자 각

변화가 논의의 초점이기 때문에 전압 제어를 위한 Q-V 또는 P-V

드룹 요소는 고려하지 않았다. 드룹 제어 회로는 에너지 저장 장치

출력단의 전압을 이용하여 주파수를 측정하고, 드룹 제어식 및 드룹

곡선 기울기 (kp, kq)에 따라 P-f 드룹 제어에서는 유효전력 설정값을 ,

Q-f 드룹 제어에서는 무효전력 설정값을 변경하게 된다.

3.2.2 시뮬레이션 결과 및 고찰

그림 3.3의 모델링 계통에서 11kV 선로의 각 지점 Load 2, Load 3,

Load 4, Line 45에서 3상 단락 사고를 모의하였다 . 사고는 시뮬레이션

상 0.3초일 때 발생하며, 이 때 분산형 동기발전기가 고장 제거 후에도

동기화를 유지할 수 있는 임계 고장 제거 시간을 측정하였다. 임계 고장

제거 시간은 고장 제거 시간을 1ms 단위로 증가시켜 나가며, 탈조하기

직전의 고장 제거 시간으로 기록하였다.

아래 그림 3.5는 시뮬레이션 상 분산형 동기발전기가 탈조하거나

동기를 유지하는 경우의 시간에 대한 회전자 각 그래프를 나타낸다.

21

(a)

(b)

그림 3.5 분산형 동기발전기의 사고 시 회전자 각 그래프

(a) 탈조하는 경우, (b) 동기 유지하는 경우

22

각각의 사고 지점에 대하여, 에너지 저장 장치 출력 제어 방법에

따른 임계 고장 제거 시간은 아래 표 3.2와 같다.

표 3.2 고장 지점에 따른 임계 고장 제거 시간 변화

고장 지점 미제어 P-f 드룹 제어 Q-f 드룹 제어

Load 2 261 ms 262 ms 289 ms

Load 3 227 ms 230 ms 247 ms

Load 4 199 ms 205 ms 210 ms

Line 45 185 ms 194 ms 191 ms

위 시뮬레이션 결과를 통해 , 고장 지점이 분산형 동기발전기와

가까울수록 임계 고장 제거 시간이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 식

(2.1)에 따르면 분산형 동기발전기 회전자의 가속도는 고장 기간

동안의 전기적 출력이 낮을수록 더 커지는데, 고장지점이 분산형

동기발전기와 가까울수록 고장 기간 중 등가 선로 임피던스가 커져서

동기발전기의 전기적 출력이 낮아지기 때문이다.

그리고 에너지 저장 장치의 출력 제어 기법에 따라서도 임계 고장

제거시간이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 우선 P-f 드룹 제어의 경우 ,

고장 기간 중 분산형 동기발전기의 회전자 각속도 증가로 인해 국지적인

주파수가 상승하게 되고 따라서 에너지 저장 장치의 P-f 드룹 제어를

통해 추가적인 유효전력을 흡수하게 된다 . 따라서 에너지 저장 장치

출력을 제어하지 않는 경우보다는 임계 고장 제거 시간이 커지는 효과가

나타났다.

23

두 번째로, Q-f 드룹 제어의 경우에는, 위 P-f 드룹 제어와는 달리

주파수가 상승함에 따라 에너지 저장 장치의 무효전력 출력을

상승시킨다 . 이는 앞서 제 2장에 살펴보았듯이, 저압 배전 계통의

저항성 회로의 특성 상 위상각과 무효전력이 강한 상관 관계를 나타낸다.

시뮬레이션 결과, X/R 비율이 낮은 저압 배전 계통에서는 Q-f 드룹이

P-f 드룹보다 전반적으로 우수한 성능을 나타내었다. 다만 고장 지점이

분산형 동기발전기와 가까울 경우에는 P-f 드룹이 더 나은 성능을

나타내었는데, 이는 동기발전기의 자체 리액턴스 및 변압기 리액턴스로

인해 X/R 비율이 상대적으로 높아지기 때문에 나타나는 현상인 것으로

생각된다.

다음으로, 선로의 X/R 비율이 변화될 때 에너지 저장 장치 제어

방법에 의한 임계 고장 제거 시간의 변화를 관찰하였다 . 우선 고장

지점은 Load 2 지점으로 한정하였으며, 선로의 임피던스 절대값은

고정시키고 X/R 비율만 각각 0.1, 1, 10으로 변화시켰다. 각각의 X/R

비율은 저압 배전 선로, 중압 선로, 고압 송전 선로를 대표하는

값들이다. 시뮬레이션을 통해 관측된 임계 고장 제거 시간 변화는 아래

표 3.3와 같다.

표 3.3 선로 X/R 비율 변화에 따른 임계 고장 제거 시간 변화

선로 X/R 비율 미제어 P-f 드룹 제어 Q-f 드룹 제어

0.1 252 ms 252 ms 271 ms

1 200 ms 206 ms 212 ms

10 177 ms 191 ms 185 ms

24

위 시뮬레이션 결과를 통해 선로의 X/R 비율이 변화됨에 따라

에너지 저장 장치의 드룹 제어의 효과가 달라지는 것을 확인할 수 있다 .

우선 선로의 X/R 비율이 0.1일 경우에는 저항성 회로인 저압 배전

선로로 분류할 수 있으며 , 이 경우에는 P-f 드룹 제어로 인한 효과가

거의 없는 반면에 Q-f 드룹 제어를 할 경우에는 임계 고장 제거 시간이

약 19ms 증가하였다.

선로의 X/R 비율이 1일 경우에는 중압 선로에 해당되며, P-f 드룹

및 Q-f 드룹 모두 임계 고장 제거 시간을 개선시켰으며, Q-f 드룹에

의한 효과가 조금 더 큰 것으로 확인되었다.

마지막으로 선로의 X/R 비율이 10일 경우에는 고압 선로에

해당되며, 이 경우에는 P-f 드룹이 임계 고장 제거 시간을 가장 많이

향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

상기 시뮬레이션 결과를 종합해보면 , 저항성 회로에 속하는 저압

배전 계통에서는 에너지 저장 장치의 출력을 일반적인 P-f 드룹보다는

Q-f 드룹 제어를 적용하는 것이 분산형 동기발전기의 과도안정도를

개선하는 데 더욱 큰 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.

25

제 4 장 과도안정도를 고려한 에너지 저장 장치

드룹 제어기 개선

제 3장에서는 에너지 저장 장치의 제어 방법에 따라 분산형

동기발전기의 과도안정도 개선 정도가 달라지는 것을 확인하였으며 ,

특히 저항성 회로에 속하는 저압 배전 계통에서는 P-f 드룹 제어보다는

Q-f 드룹 제어가 보다 효과적으로 과도안정도를 개선시키는 사실을

확인하였다.

에너지 저장 장치의 P-f 드룹이나 Q-f 드룹 제어는 계통의

주파수의 변화 정도에 비례하여 출력량을 조절하게 되는데, 사고 발생

초기에는 주파수 이탈이 심하지 않으므로 출력 조절량이 불충분하고

따라서 분산형 동기발전기에 충분한 제동효과를 제공하지 못한다는

단점을 가지고 있다.

제 4장에서는 Q-f 드룹 제어기를 바탕으로 계통 사고 초기에

능동적으로 출력을 조절할 수 있는 추가적인 제어 알고리즘을 구현하여

분산형 동기발전기의 과도안정도를 더욱 향상시키는 방법을 제안하며 ,

Matlab 시뮬레이션을 통해 그 결과를 확인한다.

4.1 전압 반응 출력 제어 알고리즘

4.1.1 Voltage Sag를 이용한 사고 판별 및 출력 제어

배전 계통에 사고가 발생할 경우 Voltage Sag라고 알려진 전압

강하 현상이 수반되며, 고장 지점과 인접한 버스의 전압이 급격히

떨어지게 된다 [16]. 일반적으로 전압이 0.1 pu ~ 0.9 pu 사이로

떨어지게 되면 Voltage Sag라고 정의하며, 기간은 수 사이클에서 수

26

분간 유지될 수 있다. 전압 강하의 수준은 계통의 토폴로지 및 고장의

종류에 따라서 달라진다.

이러한 Voltage Sag 현상을 이용하여 , 에너지 저장 장치의 제어

블록에서 저-전압이 감지될 시 계통 사고로 판별하고 순간적으로

무효전력 출력을 극대화시킴으로써 분산형 동기발전기의 탈조를 미리

예방할 수 있다. Q-f 드룹을 통한 출력 제어는 무효전력 출력이

주파수에 비례하기 때문에 , 사고 초기에는 분산형 동기발전기의

입출력에 큰 불균형이 생기더라도 아직 주파수 변화는 작은 상태이며

따라서 충분한 무효전력을 공급하지 못하여 분산형 동기발전기는 급격히

가속하게 된다. 하지만 에너지 저장 장치 제어 블록에서 저-전압이

감지될 시 순간적으로 무효전력을 투입하게 되면 주파수 이탈이

충분하지 않더라도 이미 분산형 동기발전기의 입출력 불균형이 일부

완화되기 때문에, 회전자의 가속을 억제할 수 있으며 임계 고장 제거

시간도 증가하게 된다.

4.1.2 전압 반응 출력 제어를 고려한 Q-f 드룹 제어기 개선

상기에서 제안된 전압 반응 출력 제어 알고리즘을 고려한 Q-f 드룹

제어기는 아래와 같은 수식으로 표현할 수 있다.

Q = Q0 + kq * Δf + Qv (4.1)

제안된 Q-f 드룹 제어기 수식을 보면 Qv 항을 제외하면 기존 Q-f

드룹 제어기와 동일하다. Qv 항은 에너지 저장 장치 제어 블록에서

전압의 크기가 일정 기준치 이하로 떨어졌을 때 큰 값을 가지도록

설정되며, 그 이외의 상황에서는 0을 가진다 . 즉, 전압의 크기 변동이

작은 경우에는 일반 Q-f 드룹 제어기와 완전히 동일하며, 계통 사고로

인한 Voltage Sag가 발생한 경우에만 무효전력을 순간적으로

27

최대값으로 투입하게 된다. 고장이 제거된 후에는 계통 전압도 기준치

내의 값으로 복귀하게 될 것이며 , 따라서 전압 반응에 의한 무효전력

출력 제어항은 다시 0이 된다.

표 4.1 제안된 Q-f 드룹 제어 수식의 변수 설명

Q 최종 무효전력 출력 값.

Q0 정상 운전 상태 시 무효전력 출력 설정 값.

kq 주파수에 의한 드룹 계수.

Δf 주파수 변화량.

Qv

전압 반응 출력 제어에 의한 무효전력.

Δ|V|가 기준치 이상일 때 큰 값을 지니며,

그 이하일 때는 0이 됨.

4.2 시뮬레이션 및 고찰

상기 제안된 전압 반응 출력 제어 알고리즘을 고려한 Q-f 드룹

제어기를 MATLAB으로 구현하여 시뮬레이션을 수행하였다 . 기본적인

모델링 및 수행 방법은 제 3장에서 실시한 내용과 동일하다.

에너지 저장 장치의 제어 블록에서 전압 반응 출력 제어 요소를

추가하였으며, 실제 구현된 블록은 아래 그림 4.1과 같다 . 이 블록을

기존의 Q-f 드룹 제어기에 추가함으로써 전체 제어 블록이 완성된다 .

본 시뮬레이션에서는 제안된 추가 제어 블록의 효과를 확인하기 위해

28

계통의 a상 전압만 측정하였지만 , 실제 응용에서는 사고 판별 기준에

따라 3상의 모든 전압을 측정하는 것이 필요할 것으로 판단되다. 그리고

0.5 pu 이하로 전압이 떨어질 경우 에너지 저장 장치의 무효전력을

최대값인 2MVA로 증가시키도록 설정하였다 . 각 수치들은 실제

적용되는 배전 계통의 환경 및 제어 목적에 따라서 조정이 필요할 수

있다.

그림 4.1 Q-f 드룹 제어기에 추가되는 전압 반응 출력 제어 요소

전압 반응 출력 제어 요소가 포함된 Q-f 드룹 제어기를 바탕으로

기존의 Q-f 드룹 제어기와 임계 고장 제거 시간 변화를 비교

측정하였다 . 제 3장에서 수행한 시뮬레이션과 동일하게 0.3초일 때

Load 2 지점에서 3상 단락 사고를 고려하였으며, 선로의 X/R값이

변화되는 경우를 모두 고려하였다 . 기존 Q-f 드룹 제어기 및 개선된

Q-f 드룹 제어기에 대해 각각 측정된 임계 고장 제거 시간은 다음 표

4.2와 같다.

29

표 4.2 제안된 Q-f 드룹 제어에 의한 임계 고장 제거 시간 변화

선로 X/R 비율 미제어 Q-f 드룹 제어 전압 반응 출력

Q-f 드룹 제어

0.1 252 ms 271 ms 335 ms

1 200 ms 212 ms 240 ms

10 177 ms 185 ms 192 ms

시뮬레이션 결과를 통해, 전압 반응 출력 제어 요소가 고려될 경우

분산형 동기발전기의 임계 고장 제거 시간이 큰 폭으로 증가되는 것을

확인할 수 있다. 선로의 X/R 비율을 0.1로 가정한 저압 배전 계통

환경에서는 기존의 Q-f 드룹 제어를 통해 임계 고장 제거 시간이

19ms 증가된 반면, 전압 반응 출력 Q-f 드룹 제어를 통해서는 83

ms가 증가하였다. 이러한 증가 폭은 선로의 X/R 비율이 높아져서

유도성 회로가 될수록 둔화되는 양상을 보였다.

상기 내용들을 종합하면, 저압 배전 계통 환경에서는 선로의 저항성

회로 성질을 이용한 에너지 저장 장치의 Q-f 드룹이 분산형

동기발전기의 과도안정도를 개선시키는 효과를 나타낸다. 그리고

Voltage Sag 현상을 고려한 전압 반응 출력 제어 요소를 Q-f 드룹

제어기에 추가함으로써 , 분산형 동기발전기의 과도안정도를 보다 더

개선할 수 있는 것으로 확인되었다.

30

제 5 장 결 론

우리나라는 과거 급속한 경제성장 과정을 거치는 동안, 값싸고

안정적인 전력 공급을 위해 대규모 중앙 집중형 발전시설 위주로

개발되었다 . 하지만 대형 발전소 및 송전 선로 건설 부지를 둘러싼 주민

갈등 및 환경 단체 반발, 그리고 북상 전류 포화 상태의 문제 등으로

인해 한계점에 도달한 상황이며, 그 대안으로 분산형 전원 시스템

도입을 확대하는 추세이다.

분산형 전원에서 큰 비중을 차지하는 열병합 발전 시설 등의 분산형

동기발전기는 낮은 관성 계수 및 배전 계통의 느린 고장 제거 시간으로

인해 과도안정도에 취약할 수 있다는 지적이 제기되고 있다. 기존에는

전체 발전량 대비 분산형 동기발전기의 비중이 낮았기 때문에 이에 대한

논의가 많지 않았으나, 분산형 전원 시스템 도입 확대를 위해서는

과도안정도 문제에 대한 대책을 확보하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 분산형 동기발전기 및 에너지 저장 장치가 혼재하는

배전 계통에서 에너지 저장 장치의 제어 기법에 따른 분산형 동기발전기

과도안정도 변화를 관찰하였다. 배전 계통의 저항성 선로 특성을 고려할

시, 에너지 저장 장치의 P-f 드룹 제어보다는 Q-f 드룹 제어가 분산형

동기발전기의 과도안정도를 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

하지만 Q-f 드룹 제어는 근본적으로 계통의 주파수를 보조하는

역할로써 기능하므로, 과도안정도를 개선하는 효과에는 일부 한계가

존재한다. 우선 계통 사고 발생 시 동기발전기의 회전자에 기계적 입력

및 전기적 출력 불균형에 의한 큰 토크가 작용한다 . 주파수에 비례한

에너지 저장 장치 무효전력 출력은 이러한 사고 초기에 충분한

제동효과를 제공하지 못하는 단점을 지니고 있다.

이러한 한계점을 보완하기 위해, Q-f 드룹 제어기를 기반으로 계통

사고 시의 전압 강하 효과를 고려한 전압 반응 출력 제어 알고리즘을

제안하였다 . 평시에는 일반적인 Q-f 드룹 제어기와 동일하게

31

작동하지만 , 계통 사고에 따른 이상 전압이 감지되면 순간적으로 에너지

저장 장치의 무효전력 출력을 증가시켜 분산형 동기발전기의 탈조를

억제하고, 이후 고장 복구 및 전압이 회복되면 다시 원래의 출력값으로

조정한다. 이러한 추가적인 제어를 통해 분산형 동기발전기의

과도안정도가 더욱 개선되는 효과를 Matlab 시뮬레이션을 통해

확인하였다.

하지만 본 연구에서 해결하지 못한 문제점들도 일부 존재한다 . 우선

해석의 편의를 위해 에너지 저장 장치와 분산형 동기발전기를 같은

버스에 위치한 것으로 가정하였지만, 계통 내 전기적 거리가 멀어지는

경우에도 동일한 과도안정도 개선 효과를 가져올 수 있을지에 대한

검증이 필요할 것으로 생각된다.

또한 에너지 저장 장치의 응답 속도가 충분히 빠른 것으로 가정하여

즉각적인 출력 제어가 이루어지는 것으로 가정하였지만, 실제 에너지

저장 장치에서 전압 및 전류를 측정하고 제어 블록을 통해 출력을

조절하는 과정에서 시간 지연이 발생할 것이며, 이는 과도안정도 개선

효과를 감소시키는 효과로 나타날 것이다.

32

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35

Abstract

A Study on Voltage Triggered Power Control of

Energy Storage System to Enhance Transient

Stability of Distributed Synchronous Generator

in Low Voltage Network

Young Woo Lee

School of Electrical and Computer Engineering

The Graduate School

Seoul National University

Korea has developed large centralized power plants during last

decades to provide cheap and reliable electrical power. But this

energy policy has reached a limit due to the recent environmental

problem and inhabitant‘s complaint. Distributed generation system

has been suggested as a solution to those problems. Distributed

synchronous generation such as combined heat and power plant

takes large portion of total distributed generation, but the

vulnerability to transient stability problem appeared because

distribution network has slow fault clearing time and distributed

synchronous generators have low inertia constant. There was not

much discussion about transient stability problem of distributed

synchronous generator in the past since it took very low portion of

total electricity generation. As more and more distributed

generations are introduced in the distribution network nowadays,

36

the transient stability problem must be dealt with.

This research studies effects of different control method of

energy storage system on distributed synchronous generator in low

voltage distribution network. Also, a novel control algorithm

considering voltage sag effect during the fault in the network is

suggested based on Q-f droop controller. The new control

algorithm operates in the same way as Q-f droop controller during

normal operating condition, but it will suddenly increase reactive

power of energy storage system when low voltage condition is

detected to depress acceleration of distributed synchronous

generator. When the fault is cleared and voltage is restored to

normal operating range, then the energy storage system also

reduces reactive power to normal operating value as before.

Transient stability of distributed synchronous generator is

enhanced by this novel algorithm and the result is verified by

MATLAB simulation.

Keywords : Distributed Synchronous Generator, Energy Storage

System, Transient Stability, Droop Controller

Student Number : 2014-21635