변동성 자원 연계를 위한 하이브리드 HVDC의 계통 주파수 및 무효전력 제어 참여 방안에 대한 연구

Abstract

As the requirement to reduce carbon emissions and exploit green energy increases rapidly worldwide, there is continuing investment in renewable energy resources (RESs). Specifically, in recent years, large-scale RESs have been directly connected to transmission networks. These types of RESs are located far from the load center, unlike existing small-scale RESs. One ex-ample of this type of RES is offshore wind energy. To integrate large-scale RESs into the maingrid, long distance power delivery via transmission line or submarine cables is required. For connecting long distance RESs, high voltage DC (HVDC) technology has proven to be superior to the AC coun-terpart. There are two types of HVDC: voltage source converter (VSC) HVDC and line commutated converter (LCC) HVDC. LCC HVDC is a mature technology that is highly efficient, with lower construction costs. However, VSC HVDC is more suitable for offshore installation due to its small foot-print. Therefore, for integrating long-distance offshore volatile resources, hybrid HVDC featuring LCC at the grid side and VSC at the offshore side has been investigated in a number of previous studies to exploit the relative advantages of each technology. However, within a hybrid HVDC system, the AC voltage fluctuates with wind power variation, as it adopts an LCC at the grid side, which differs from VSC HVDC. To solve this problem, additional facilities such as a synchronous con-denser and static compensator (STATCOM) are required at the inverter side. However, this is a costly solution. Thus, in this paper, we proposed a novel control scheme for a hybrid HVDC system to maintain a constant AC volt-age during active power fluctuations without using such facilities. The pro-posed scheme has a hierarchical structure and consists of two methods: droop-based control and cooperative control. For droop-based control, we proposed a method to suppress AC voltage fluctuation from active power variation, which is caused by input variables and grid frequency change. To maintain the AC voltage during variation in generation, we propose an idc–vdc droop controller at the inverter side. In ad-dition, we propose a new frequency control method for hybrid HVDC, in which communication infrastructure is not required. For cooperative control, we propose a DC reference voltage calculation method and coordinated control of switched shunt devices (SSDs). The controller is based on communication and is operated in a regular time peri-od. By using cooperative control, the active power of hybrid HVDC can be widely managed without any distortion in AC voltage, and without the use of continuous reactive power compensating facilities. Finally, we verified the proposed control methods using a state-space (SS) model and a PSCAD model for various case scenarios. The results sug-gested that the proposed control scheme can be implemented for offshore wind generation connected to a hybrid HVDC system to manage reactive power at the inverter side.

전 세계적으로 탄소 배출량 저감에 대한 관심이 증가함에 따라, 신재생에너지원에 대한 지속적인 투자가 일어나고 있다. 최근에는 저전압 단에 연결되는 소규모 신재생 에너지뿐만 아니라 송전단에 직접 연계되는 대규모 발전 단지의 구축이 증가하고 있다. 이러한 대규모 발전 단지는 기존 소규모 자원과 다르게 전력계통으로부터 먼 거리에 위치하고 있다. 이러한 발전 자원의 대표적인 자원에는 해상풍력 에너지가 있는데, 대규모 신재생 발전단지는 육상 전력 계통으로부터 먼 거리에 있기 때문에, 전력 공급을 위해서 가공선로 또는 해저 케이블을 통한 장거리 송전이 필요하다. 이 때, 기성 AC 선로에 비해 고압 직류(high voltage DC, HVDC) 송전 기술이 경제적 측면과 안정성 측면에서 모두 우수하여 널리 활용되고 있다. HVDC는 크게 전압형 HVDC와 전류형 HVDC의 두 가지 형태가 존재하는데, 육상 설치에 대해서는 전류형 컨버터의 경제성이 높고 해상 설치에 대해서는 반대로 전압형 컨버터의 경제성이 높다. 따라서 해상을 통해 대규모 발전 자원 연계에 있어 각 컨버터의 상대적 장점을 이용한 하이브리드 HVDC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 하이브리드 HVDC는 육상 계통에 전류형 컨버터를 사용하기 때문에, 전압형 HVDC와 달리 유효전력 변동에 따른 AC 전압의 흔들림이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 동기조상기나 STATCOM 같은 추가적인 설비를 더 설치해야 하는데, 이는 하이브리드 HVDC 시스템의 건설비의 증가로 이어진다. 따라서, 본 논문에서는 추가적인 고가의 보상설비 없이 하이브리드 HVDC의 제어 만을 통해 AC 전압 흔들림을 억제하는 방안을 제안하였다. 제안된 제어 기법은 드룹 제어 기법과 협조 제어 기법 두 가지로 구분된다. 드룹 제어 기법에서는 풍속의 변화와 AC 계통 주파수 제어 참여에 따른 유효전력에 대해 AC 전압을 일정하게 유지할 수 있는 방안을 제안하였다. 첫 번째로 풍속의 변화에 따른 유효전력 변화에 대하여 AC 전압을 유지시키기 위해서 인버터 단 제어기의 DC 전압 지령 값에 DC 전류의 변동 분을 포함시키는 드룹 제어 기능을 추가하였으며, 이를 통해 풍속 변동에 따라 AC 전압이 흔들리지 않는다. 두 번째로는 해상풍력 발전단지가 하이브리드 HVDC를 통해 인버터 단 계통의 주파수 제어 기능을 수행할 수 있는 새로운 제어 기법을 제안하였다. 제안된 주파수 제어 기법은 기존 기법과 다르게 정류기와 인버터 사이에 통신을 요구하지 않으며, DC 전압 변동이 능동적으로 발생해 AC 전압을 유지하면서 유효전력 출력을 변경할 수 있다. 협조 제어 기법에 대해서는 드룹 제어 기법이 가지고 있는 선형적 특성의 한계와 운영 범위가 제한된다는 한계를 극복하기 위한 DC 전압 지령 값 계상 방안 및 병렬 보상설비와의 협조 제어 방안을 제안하였다. 제안된 협조 제어 기법의 목적은 하이브리드 HVDC 시스템의 비선형 특성 방정식을 정확하게 푸는 것이며, 이를 위해 뉴턴-랩슨 방법을 활용하였다. 또한, DC 전압 만을 이용해 무효전력 제어를 수행하는 경우 DC 전압의 안정적 범위로 인한 제한 때문에 넓은 영역에 대한 제어를 수행할 수 없다. 따라서, 협조 제어 기법에서는 무효전력 제어를 수행할 수 있는 운전 영역을 넓히기 위한 병렬 보상설비와의 협조 제어 방안을 제안하였다. 제안된 두 가지 제어 기법은 다양한 시뮬레이션 모델에 대하여 검증되었다. 드룹 제어 기법을 검증하기 위해서는 해상풍력 발전단지를 포함한 하이브리드 HVDC 시스템의 상태 공간 모델을 제안하였으며, 제안된 모델과 PSCAD 모델의 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 또한, 제안된 드룹 제어 기법으로 인하여 다양한 형태의 유효전력 변동에 대해서 AC 전압이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 협조 제어 기법에 대해서는 PSCAD 시뮬레이션과 MATLAB 시뮬레이션 결과의 비교가 수행되었다. 가장 먼저 MATLAB 모델과 PSCAD 모델의 비교를 통해 제안된 정상상태 방정식이 실제 시스템 출력과 일치한다는 것을 확인하였으며, 병렬 보상설비와의 협조 제어가 잘 수행되는 것을 확인하였다.