[전력기술동향 ①] 배전 전력망을 위한 선진 전력 흐름 제어 시스템 SIPLINK

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[전력기술동향 ①] 배전 전력망을 위한 선진 전력 흐름 제어 시스템 SIPLINK

2011년 10월 19일 (수) 16:09:33 | 지면 발행 ( 2011년 9월호 - 전체 보기 )

급변하는 세계 배전 설비 시장에서 우리의 미래는 의심할 여지없이 전력망 운영에 대한 유연한 접근 방식에 달렸다. 그러나 대용량 전류의 투입과 차단, 단락 회로의 제어는 여전히 중대한 임무다. 전력 전자 장치와 초전도 한류기를 기초로 한 고속 스위치 및 직류 송전 시스템 등 새로운 기술은 이러한 문제를 해결하는 데 이상적인 방법을 제공한다.

글 황정태<지멘스 고압수배전반 사업부 이사> (02)3450-7345 www.siemens.co.kr jeongtae.hwang@siemens.com

전력 시장의 지속적인 규제 완화에 맞춰 공용 전력망과 산업용 전력망도 변화할 것이다. 현재 전력 시장에서 펼쳐지는 치열한 경쟁은 전력망 운영에 큰 자금 압박을 불러일으키는 원인이 됐다.
따라서 배전 시스템의 확장은 절대적인 필요에 의해서만 이뤄지며, 전력망의 계획과 운영에 있어 기술과 비용적인 측면은 전력 공급과 부하 상태의 단기적 변화에 좌우된다. 이러한 문제로 대용량 전력공급 기준을 가진 국가에서 공급 품질의 저하를 가져오고, 많은 생산 공정상 추가 비용을 야기할 수 있다.
이러한 변화를 극복하려면 전기 품질에 따라 각기 다른 수요에 맞춰 전력망을 분리하는 것과 함께, 자려식自勵式전력 전자에 기초한 'back-toback link'가 필요하다. 그 이유는 전력망을 분리하더라도 유효 전력은 그들 사이에 주어진 패턴 속에서 교환될 것이며, 전력망 측의 변압기와 부하측의 변압기로 구성된 back-to-back link로 인해 전력망은 전기적으로 분리되기 때문이다. 그러므로 전력망을 Y결선 방법과 다른 방법들로 연결해야 하며, 그렇지 않으면 소멸 용량 한계를 초과할 수도 있다.

자려식 전력 전자 계통, 특히IGBT 기술의 진척은
산업 플랜트 및 배전 회사 모두에게 기존 전력망 뿐만 아니라
새로운 전력망의 전력 비용 효율을 향상 시킬 수 있다

독립적 전력 생산 업체는 앞으로 점점 더 자신의 전력을 공공 전력망과 산업용 전력망에 공급할 것이다. 단락 전류 레벨도 기존 배전반의 비용 효율을 더 이상 따라갈 수 없는 값까지 증가할지도 모른다.
따라서 back-to-back link는 이러한 점에서도 하나의 해결책이다. back-to-back link는 자려식 전력 전자에 기초하므로 유효 전력과 독립적으로 무효 전력을 생산할 수 있다. 이는 back-to-back link가 전압 조정과 역율 보상에도 사용될 수 있음을 보여 준다. 따라서 두 보조 전력망에서 상호 주파수가 다른 경우, 분리된 50㎐의 산업용 전력망을 60㎐의 공공 전력망에 연결할 수 있다.
다음은 전력 변환 기술과 전력 흐름의 최적화를 위해 SIPLINK(Siemens Multifunction Power Link) 시스템을 통한 고압 직류 송전 시스템 운영방식에 대한 논의와 운영 이론에 대한 설명이다. 기술된 결과는 프랑크푸르트 Siemens 독일 배전반 공장에 설치한 SIPLINK 시운전으로 얻은 자료다.

SIPLINK의 주요 기능
SIPLINK는 무효 전력을 모아 전력 흐름을 제어하고, 전압 안정도를 최적화한다. 또한, 배전 단계에서 공급 품질을 향상시키고, 양 방향에서 전자적 적합성(Electromagnetic Compatibility, 이하 EMC)을 보장하며, 왜곡된 네트워크 전압으로부터 민감한 부하를 보호할 뿐만 아니라 불안정한 부하로부터 전력망도 보호한다.
전압 강하 또는 과부하는 SIPLINK-DC link 커패시터에 연결된 전력 저장 장치로 보상된다. 이러한 전력 저장 장치로 전기 화학 전지, 원심 저장 장치, 슈퍼 커패시터, 연료 전지 그리고 초전도 에너지 저장 장치(SMES) 등이 있다.

전력 변환 기술
SIPLINK는 SIMOVERT MASTER DRIVES 시리즈의 자려식 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT)를 이용한 전압형 컨버터로 구성된다. 컨버터는 1.4㎹A의 정격 전력까지 제작할 수 있으며, 이미 전압과 전류품질을 향상 시키는 데 성공적으로 사용중이다. 단일 유닛을 병렬로 연결하면 최대 5㎹A까지 정격 전력이 상승하며, 정격 전력을 더 높이고자 할 때는 더 많은 단일 유닛을 병렬로 연결하면 된다.

<그림 1>에서 보듯이 컨버터는 각각 역병렬 접속다이오드로 연결된 여섯 개의 IGBT 전력 반도체로 이뤄졌으며, 리액터를 통해 3상 전력망에 연결된다. 그러므로 전력망에서 교환되는 전류는 전력망의 전압과 컨버터 전압 간 전압 차의 총합으로 산출된다. 컨버터의 기본 운영 이론은 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 적절히 On-Off 해 교류 측 전압을 형성하는 것으로, 리액터 터미널을 직류 커패시터의 양(+)전위 또는 음(-)전위에 연결해 세 개의 컨버터 레그를 각각 독립적으로 작동시킨다.

이러한 운영 이론에 따라 스위칭 주파수를 조절해 어떠한 전압 파형이라도 생성할 수 있다(스위칭 주파수가 높을수록 예상되는 파형은 더 좋아진다). 이것이 이러한 작동 방식을 '펄스 폭 변조(PWM, <그림 2> 참조)'라고 부르는 이유고, 전압형 컨버터를 파워 컨버터로 사용하는 이유다. 전압 파형을 자유롭게 선택하기에 거의 모든 전류 파형이 생성된다.
이는 3상 전력망에서 교환되는 전류는 전력망의 전압과 교류 컨버터 전압 간 전압 차의 총합으로 산출되기 때문이다.
컨버터가 단지 세 개의 컨덕터에 의해 3상 전력망에 연결되기에 영상 전류는 흐를 수 없다. 이러한 이유로 공간 벡터 표현상 전기적 성질을 완전하게 묘사할 수 있다.

필요한 전류 흐름을 얻기 위해 전압 공간 벡터는 <그림 3>에서 보는 것과 같이 언제나 전력망의 전압 공간 벡터와 동일하게 생성돼야 한다(Vpcc and VS1). 따라서 이 공간 벡터를 '무부하 전압 공간 벡터'라고도 부른다. 펄스 폭 변조로 거의 모든 전압공간 벡터 부분을 덧붙일 수 있고(<그림 3>의 추가 전압원), 그 결과로 전류 흐름은 리액터 양단의 전압강하 총합으로 나타난다. <그림 3>을 보면, 이러한 추가적인 교류 측 컨버터 전압 부분은 전압원 VS2부터 VSn까지 기호로 나타내고 있다.
컨버터는 인덕턴스 I과 리액터에 의해 전력망으로 부터 분리된 3상 제어 가능 전압원으로 분석된다.
전압 파형은 제어 장치에 의해 결정되고 펄스 폭 변조와 적절한 IGBT 스위칭으로 생성된다. 또한, 컨버터는 종종 복잡한 변성비를 가진 변압기와 비교되기도 한다. 이러한 경우 변성비 공간 벡터는 공간 벡터와 전력망 측 컨버터 전압 그리고 DC link 전압간 관계를 의미한다.

SIPLINK의 구조와 운영 이론
SIPLINK의 기본 원칙은 두 컨버터에 상호 연결된 직류 전압 커패시터다. <그림 5>는 배전반 공장에 설치된 기본 구조다. IGBT 저항 단속기는 과도 반응을 최적화하기 위해 직류 전압 커패시터와 병렬로 연결한다( = 직류 전압 초과 한계).
SIPLINK의 경우 일반적으로 연결할 때 기초 전력망 전압은 양쪽 컨버터의 펄스 폭 변조에 의한 무부하 동작으로 생성된다. 만약 기초 무효 전력이 교환되면 컨버터 전압은 연결된 전력망 전압보다 커지거나 작아지지만, 상 차이는 발생하지 않는다. 이러한 운영 이론은 동기기의 것과 같으며 다른 하나의 컨버터는 직류 전압을 통제한다.
SIPLINK(<그림 4> 참조)는 전압원의 모델로, 컨버터 사이에서 에너지 교환은 전류원에 의해 시뮬레이션 된다. SIPLINK 제어 알고리즘은 NETOMAC시뮬레이션 프로그램과 이 모델을 사용해 개발됐다.
컨버터로부터 직류 커패시터로의 전류 Id의 흐름은 전력망 측의 컨버터 전류 공간 벡터 is와 변성비 공간 벡터의 결과다.

실증적인 예시 : 프랑크푸르트 배전반 공장에 설치된 SIPLINK
프랑크푸르트 배전반 공장의 SIPLINK 시스템은 두 개의 독립적인 SIPLINK로 구성됐다. 기본적으로 두 SIPLINK의 구조는 동일하다. DC 전압 조정부에서(<그림 4> Network 참조), 양 SIPLINK 유닛들은 △-Y 변압기를 통해 연결돼 있다. 부하 측에 공급되는 관련 네트워크들은 △-Y 변압기를 통해 연결돼 있다. 모든 변압기는 동일하고 1의 변성비를 가지며 정격 전류는 160A, 정격 전압은 400V다. 각 SIPLINK의 두 컨버터는 직류 커패시터를 통해 이어졌으며 직류 전압 회로는 과도 상태의 직류 전압 회로상에서 10㎾ 서지 전압 제한을 갖는 차단 유닛에(IGBT resistance chopper) 각각 연결됐다.
SIPLINK2의 부하 측은 400V/50㎐ 시스템의 결합스위치를 통해 연결된다.

컨버터는 3k㎐의 전환 주파수로 운영되고 전자적 적합성(EMC)을 보장하기 위해 LCL 필터를 통해 변압기에 연결된다.

SIPLINK 시스템의 운영 방식

전력 흐름 제어를 위한 SIPLINK1｜이 방식은 상호연결된 두 400V/50㎐ 시스템 간 전력 변환을 가능하게 한다. 전력 변환을 위해 필요한 유효 전력 설정값 Pset은 부하 측 컨버터 SR12에 입력된다. 전력망 측 컨버터 SR11은 직류 전압을 제어한다.
SR11의 유효 전력은 부하 측 직류 전압 회로로 부터 얻은 에너지에 의해 발생하고, 두 컨버터 모두 무효 전력 설정값 Qset을 각각 독립적으로 입력 받는다. 무효 전력 생산은 유효 전력 흐름보다 우선순위가 낮다.

분리된 전력망 전력 공급을 위한 SIPLINK2｜SIPLINK는 전력망 전압 400V, 주파수 60㎐의 분리된 전력망으로써 인증된 고압 배전반 시험 기관에 공급된다. 부하 측의 컨버터 SR22는 전력망 전압을 생성하고 기초적인 정상 시스템의 진폭을 제어해 전압에서의 역상분은 최소화된다.
컨버터 SR21은 DC link 커패시터의 직류 전압을 조절한다. SR11의 경우와 같이 SR21의 유효전력은 분리된 전력망이 직류 전압 회로로부터 얻은 에너지에 의해 발생한다. 부하 측 컨버터 소프트웨어는 상호 연결된 시스템과 분리된 전력망에서 모두 동일하며, 제어 시스템의 제어 비트는 작동방식을 선택한다.

프랑크푸르트 배전반 공장의 SIPLINK 시스템 측정 결과
<그림 6>은 컨버터 SR12의 제어 시스템을 조정해 무효 전력과 유효 전력의 설정값 변화에 따른 과도반응을 보여준다. 이것은 변압기 TR12의 △측에서 측정됐다. 컨버터 내부적으로 제어 시스템에 의한 설정값의 갑작스런 변동은 PT1 Network에 의해 제거되며, 시상수는 100ms이다. 이는 부하가 변하는 동안 전류 파형에서 명확히 확인된다. 입력된 설정값이 컨버터의 정격 전력을 넘어서면 그와 동시에 유효 전력과 무효 전력의 생성 우선순위가 유효 전력에 할당된다.
<그림 7>은 무효 전력 설정값이 +100%이고 유효 전력 설정값이 0부터 +100%까지 변할 때 변압기TR12의 Y측 L1의 전압, 전류와 유효 전력의 시간의존성을 보여준다. 유효 전력 설정값이 변하면 전력망 전류는 조금 증가하지만 생성된 무효 전력을 제한해 정격값으로 안정시킨다.
기존 전력망의 전압 왜곡(uS=7%) 때문에 SIPLINK 전류는 고조파를 가진다. 하지만 앞에서 설명한 것과 같은 '수동적'여과 작용에 의해 왜곡수준은 20% 정도로 감소하며, 전력망 전압의 품질을 향상시키는 이러한 효과는 컨버터의 추가 전력이 거의 필요 없다.

요약
급변하는 전력 시장의 대안이 될 수 있는 SIPLINK는 배전망에서 전력 흐름을 최적화하며, 분리된 전력망에 전력을 공급할 수 있다. 설계 정격, 유효 전력과 무효 전력이 두 전력의 흐름 방향으로 부터 완전히 독립적으로 교환 및 생산될 수 있으며, 기존 전력망 전압 고조파를 감소시키는 효과가 있다. 그러므로 자려식 전력 전자 계통, 특히 IGBT 기술의 진척은 산업 플랜트 및 배전 회사 모두에게 기존 전력망뿐만 아니라 새로운 전력망의 전력 비용 효율을 향상시킬 수 있다.