저전압순간보상 모델 검증 시스템{LVRT model verification system}

본 실시예는 풍력터빈을 이용한 발전 시스템과 관련된 것으로, 보다 상세하게는 저전압순간보상 모델을 검증할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

풍력 발전 단지는, 육상이나 해상에서 자연의 바람으로 발전기를 돌려 에너지를 얻는 풍력터빈이 많이 설치되어 있는 장소이다. 독일, 미국, 덴마크 등 전세계에서 널리 연구/실용화하고 있으며, 우리 나라에도 소규모의 발전단지가 조성되었다.

풍력 발전 단지는 전력계통운영자가 요구하는 전력을 생산하여 제공하여야 함은 물론, 계통연계기준에 적합하도록 운영되어야 하고, 전력계통운영자가 허용하는 범위 내에서 전력 생산량을 극대화하는 것이 중요하다. 또한, 발전 설비의 기계적 부하 감소를 최소화하여 에너지 생산 비용을 최소화시키고, 유지 보수 비용을 절감하는 것 역시 필요하다. 이를 위해, 풍황계측 기상탑(Met mast)와 같은 시설물을 통해 풍력터빈에 불어오는 바람의 세기, 방향 등의 환경정보를 획득하여, 이에 따라 풍력터빈들 각각에 최적의 작동 제어를 수행하기 위한 연구가 진행되고 있다.

한편, 현재 전 세계 계통운영자는 전력계통에 연계되는 풍력터빈 및 풍력단지에 대하여, 계통 성능 및 운영을 저해하지 않도록 다수의 기술적 요건을 적용하고 있고, 이를 그리드코드라고 부른다. 그리드코드 중 전력계통 순간전압강하 시 풍력터빈은 계통에서 분리되지 않고 계속 연계되어 계통을 지원하도록 하는 요건이 있으며 이를 저전압순간보상(LVRT, Low Voltage Ride Though)이라 한다.

이러한 그리드코드 요건에 대한 검증을 위하여, 계통운영자는 풍력터빈 제작사 및 풍력단지 소유자에게 계통 영향성을 검증하도록 요구하고 있다. 이에 따라 풍력터빈 제작사는 풍력터빈 모델 및 성능검사보고서를 제출하여야 하고 풍력단지 소유자는 풍력단지 모델 및 시운전 결과보고서를 계통운영자에게 제출하여야 한다. 이러한 모델 및 측정결과에 기반하여 계통운영자는 계통 영향성 시뮬레이션을 수행하며, 이중 LVRT 적정성 평가 시뮬레이션은 필수사항이다. 기존에 사용되고 있는 시뮬레이션용 플랫폼은 계통 영향성 평가를 위한 표준모델 및 각종 전기설비에 대한 라이브러리를 제시하고 있으나, 풍력터빈용 모델은 부족한 상황이다. 그러므로 LVRT 평가 모델은 사용자가 직접 작성하고 있는 실정이므로 파라미터 입력 및 모델 구성에 어려움을 겪고 있으므로 풍력터빈 및 풍력단지의 계통 영향성 평가 모델 구축이 시급하며, 최우선적으로 LVRT 평가 모델을 개발할 필요가 있다.

본 실시예는 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그리드코드 요건을손쉽게 입력할 수 있으며, 고장 위치 및 고장 형태별 계통 영향성을 해석할 수 있는 저전압순간보상 모델 검증 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템은 전력계통과 연결되는 적어도 하나 이상의 풍력터빈과, 상기 풍력터빈들과 연결되는 저전압순간보상(LVRT) 모델 검증 시스템에 있어서, 상기 시스템은 TSO 선정부; 상기 TSO 선정부에서 선정된 TSO별로 마련된 LVRT 요건을 데이터베이스로 구비하여, 선택된 TSO의 LVRT 요건을 로딩하는 LVRT 요건 생성부; 상기 풍력터빈의 고장형태를 선정하는 고장형태 선정부; 상기 풍력터빈의 고장위치를 선택하는 고장위치 선정부; 상기 복수 개의 풍력터빈들과 연결되어, 상기 풍력터빈들의 설정값을 이용하여 시뮬레이션 계측 요건을 제공하는 시뮬레이션 계측부; 성능 검사 결과값을 입력하는 성능검사 결과값 입력부; 상기 고장형태 및 고장위치 선정부와 시뮬레이션 계측부의 데이터를 전달 받아 에러계산 및 결과를 디스플레이하는 에러계산 및 디스플레이부; 및 상기 LVRT 요건 생성부에서 생성된 요건을 비교하여 출력하는 요건 비교 및 디스플레이부;를 포함할 수 있다.

상기 TSO 선정부는 각 국가별 TSO의 LVRT 요건이 수록된 데이터베이스를 더 포함할 수 있다.

상기 LVRT 요건 생성부는 상기 TSO 선정부에서 선정된 TSO의 상세 요건인 잔류전압 크기, 전류전압 지속시간, 전압복귀시간, 전압복귀 크기, 무효전력공급 시작시간, 무효전력공급 종료시간, 초당 무효전력 공급량 등의 요건을 출력할 수 있다.

상기 고장형태 선정부는 단락사고, 지락사고 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 구성되며, 상기 단락사고는, 3상 단락, 선간단락 중 어느 하나로 선택되며, 상기 지락사고는, 1선 지락 및 2선 지락 중 어느 하나로 선택될 수 있다.

상기 시뮬레이션 계측부는 상기 TSO에서 지정하는 시뮬레이션 툴을 이용하여 시뮬레이션 수행시에 필요한 계측 요건을 데이터베이스(Database)를 구축하여 제공하며, 상기 시뮬레이션 툴은 PSCAD, DigSILENT, PSSE 중 어느 하나일 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 저전압순간보상 검증 시뮬레이션 시 자동으로 생성되는 모델을 개발하여, 사용자들이 다양하고 복잡한 수치 입력에 대한 어려움을 해소하여 검증 결과에 대한 오류를 줄일 수 있고, 모든 나라의 그리드코드에 대한 대응력을 높여 계통운영자의 요건에 적절히 대응할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 적용되는 풍력터빈의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템의 구조도, 그리고,
도 3은 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템 제어방법을 개략적으로 도시한 흐름도 이다.

이하, 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템을 도면을 참고하여 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 실시예에 적용되는 풍력터빈의 구조를 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템의 구조도, 그리고, 도 3은 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템 제어방법을 개략적으로 도시한 흐름도 이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력터빈은 동기발전기형 풍력터빈의 개념도로, 블레이드(1), 기어박스(2), 윈드라이브(3), 동기발전기(4), 전력계통측 스위치(5), 전력계통 측정장치(6), 전력계통(7)을 포함한다.

상기 블레이드(1)는 공력에 의해 발생되는 힘을 회전력으로 변환시키는 장치 결합체이다. 상기 기어박스(2)는 상기 블레이드(1)와 연결되어, 허브의 회전 속도를 증가시켜 기어박스(2)의 다음단계에 전달한다. 상기 윈드라이브(3, WinDirve)는 상기 기어박스(2)와 연결되어, 입력되는 회전속도에 구애받지 않고, 동기 회전속도를 유지시키는 역할을 한다. 동기발전기(4)는 상기 윈드라이브(3)와 연결되어, 상기 윈드라이브에서 제공하는 일정한 회전속도를 입력 받아 전력을 생산하는 역할을 한다. 상기 전력계통측 스위치(5)는 상기 동기발전기(4)와 연결되어, 상기 전력계통(7)의 전압에 따라 상기 동기발전기(4)와 전력계통(7) 간의 연결 유무를 제어하는 역할을 한다. 또한, 본 발명에 따른 상기 전력계통측 스위치(5)는, 고전압 전력용 스위치로 평상시 폐쇄(NC-Normal Close) 형태로 구성되어, 내부에 상기 전력계통(7)의 전압에 따라 펄스폭변조(PWM-Pulse Width Modulation) 출력을 제공하는 전력계통측 스위치 제어부를 포함한다. 상기 전력계통 측정장치(6)는 상기 변압기와 연결되며, 전력계통(7)의 전압을 감시하는 역할을 하며, 상기 전력계통(7)의 전압강하를 감지하면, 상기 전력계통측 스위치(5)에 전달하는 역할을 한다. 상기 전력계통(7)은 상기 풍력터빈의 동기발전기(4)에서 생산되는 전력을 소비하는 각종 설비로 수송하는 역할을 한다.

이상과 같이 구성된 풍력터빈은 적어도 하나 이상 복수 개가 설치되어 풍력 그리드를 형성할 수 있는데, 본 실시예의 경우, 저전압순간보상 검증 시뮬레이션을 위한 그리드코드 요건을 쉽게 입력할 수 있는 시스템을 제공한다.

즉, 각 국가별 그리드코드에서 명시하고 있는 저전압순간보상 요건을 자동으로 초기값으로 생성할 수 있도록, 구성될 수 있다. 즉, 대표적인 파라메터로서 잔류전압 크기, 잔류전압 지속시간, 전압복귀시간, 전압복귀 크기, 무효전력공급 시작시간, 무효전력공급 종료시간, 초당 무효전력 공급량 등의 파라미터를 입력하는 모듈과, 고장위치 및 고장형태를 선정하여 입력하는 모듈을 통합하여, 시뮬레이션 입력에 대한 어려움과 추가 정보 습득에 대한 사용자의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 2는 이와 같은 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템(100)의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.

TSO 선정부(110)는 송전계통운영자(TSO, Transmission System Operator)(110) 선정하는 것이다. TSO 선정부(110)에서는 송전계통의 운용에 대한 권한과 책임을 갖는 TSO를 선택하는 것으로, 상기 TSO는 안정적인 전력계통 운영을 위하여 풍력터빈(WT)이 갖추어야 하는 기술적 요건(그리드코드)을 제시한다. 이때, 그리드코드를 포함한 기술적 요건의 상세 조건은 TSO별로 상이하다. 본 실시예에 따르면, 상기 TSO 선정부(110)에서 특정 TSO를 선택할 경우, 선택된 TSO에서 요구하는 상세 조건에 대한 데이터베이스(Database)를 구축하여, TSO를 선정하면 자동으로 데이터베이스에 저장된 요건을 불러올 수 있도록 한다.

LVRT 요건 생성부(120)는 상기 데이터베이스에서 추출된 요건 중 LVRT에 관련된 상세 요건을 생성한다. 상세 요건으로는, 잔류전압 크기, 잔류전압 지속시간, 전압복귀시간, 전압복귀 크기, 무효전력공급 시작시간, 무효전력공급 종료시간, 초당 무효전력 공급량 등이 있다.

고장형태 및 위치 선정부(121)(122)는 송전계통에서의 고장형태와 위치와 관련된 정보가 입력될 수 있다. 예컨대, 송전계통에서의 고장형태는 크게 단락사고(Short Circuit Fault)와 지락사고(Grounding Fault)로 구분되며, 단락은 3상 단락 및 선간 단락으로, 지락은 1선 지락 및 2선 지락으로 세분화된다. 또한, 고장 위치는 고장점과의 거리에 따라 zone으로 구분하여 입력될 수 있다.

시뮬레이션 계측부(123)는 상기한 LVRT 요건 검증을 위해 TSO에서 지정하는 시뮬레이션 툴(Tool)을 통한 시뮬레이션 수행시, TSO에 따라 계측 요건들은 다르게 제시되고 있는데, 이를 시뮬레이션에 정확히 반영하여야 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 보장할 수 있으므로, 이러한 시뮬레이션 계측 요건을 상기 TSO 선정부(110)에서와 같이 Database로 구축하여 제공한다. 계측 요건으로는 시뮬레이션 수행시간(Duration), 샘플링 주기(Sampling Rate), 계측 위치 및 계측하여야 하는 파라메터 등이 있으며, 시뮬레이션 툴에는 PSCAD, DigSILENT, PSSE 등이 사용될 수 있다.

성능검사 결과값 입력부(124)는 풍력터빈 제조사에서 제공한 성능검사 결과값을 입력할 수 있으며, 에러계산 및 디스플레이부(125)에서는 계측 요건에 따라 수행된 시뮬레이션 결과값과 비교하여, 오차를 계산하고 이를 화면 상에 표시할 수 있다.

요건 비교 및 디스플레이부(130)는 상기한 단계에서 생성된 TSO의 LVRT 요건과 시뮬레이션 결과를 비교하여, TSO에서 요구하는 LVRT 요건의 적합성을 판별하여 화면상에 표시한다.

한편, 도 3은 본 실시예에 따른 저전압순간보상 모델 검증 시스템의 제어방법을 개략적으로 도시한 흐름도 이다.

우선, 사용자는 TSO 선정단계에서 어떤 국가의 TSO를 선택할 것인지 선택할 수 있다. 그러면, 사용자의 선택에 따라, 미리 저장된 데이터베이스의 각 TSO별 파라메터들이 선택될 수 있다(S10).

S10단계에서 TSO가 선택되면, 선택된 TSO에 따른 LVRT 요건이 상기한 데이터베이스를 통해 로딩되어 별도의 입력 없이 파라메터가 입력될 수 있다(S20).

그리고, 풍력터빈(WT)의 고장형태 및 위치를 선정하고(S30단계), 연결된 적어도 하나 이상의 풍력터빈(WT)의 데이터 수집과, 이에 따른 시뮬레이션 및 성능 검사결과를 입력할 수 있다(S40).

S40단계가 완료되면, 소정의 제어부는 에러계산 및 이에 따른 최종 결과물을 디스플레이 유닛을 통해 출력하고(S50), 상기 S10, S20단계를 통해 획득된 LVRT 요건 내용 및 이에 따른 비교 결과를 함께 출력할 수 있다(S60).

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 저전압순간보상(LVRT) 검증 시뮬레이션 시 자동으로 파라메터를 각 국가별 TSO에 따라 자동으로 생성되는 시스템 모델을 개발하여, 사용자들이 다양하고 복잡한 수치 입력에 대한 어려움을 해소하여 검증 결과에 대한 오류를 줄일 수 있고, 모든 나라의 그리드코드에 대한 대응력을 높여 계통운영자의 요건에 적절히 대응할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

1; 블레이드, 허브 2; 기어박스
3; 윈드라이브 4; 동기발전기
5; 전력계통측 스위치 6; 전력계통 측정장치
7, 10; 전력계통 100; 저전압순간보상 모델 검증 시스템