고기능 SVG의 개발·도입

이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다. 고기능 SVG의 개발·도입 배경 전력자유화가 추진되면서 동시에 특정 규모의 전기사업자의 접속공급으로 인한 계통변동요인은 증가하고 있으며, 예를 들어 중조류(重潮流)로 인한 전압불안정 문제 등의 우려가 있기 때문에 중요도에 상응한 적절한 계통계획이 필요하다. 당사에서는 전력계통의 안정화 등을 목적으로 예전부터 사이리스터를 이용한 무효전력 발생장치를 설치해 왔다. 무효전력 발생장치로는 타여식과 자여식이 있는데 자여식은 고속응답이 가능하고 계통안정화 능력이 높아 1991년에 당사 이누야마 개폐소에 GTO(Gate Turn-off) 사이리스터를 이용한 SVG(Static Var Generator)를 설치하고 있다. 이번에 한층 업그레이드 된 GCT(Gate Commutated Turn-off) 사이리스터를 이용한 저손실·소형화·저비용의 고기능 SVG 개발을 실시했다. 그 주회로 및 제어방식에 관해 소개한다. 또한 당사 카미자키 변전소에서는 77㎸ 모선에 연계되어 있는 소용량 화력의 폐지 등의 요인에서 전압 불안정 현상이 염려되어 그 대책으로 고기능 SVG를 카미자키 변전소 77㎸ 모선에 설치하여 2004년 6월부터 운용을 개시했다<그림1>. 그래서 카미자키변전소 SVG의 시뮬레이션 시험과 현지에서의 운전실적에 관하여 본고에서 소개한다.

고기능 SVG의 주회로 구성 이번에 개발하고 카미자키변전소에 설치한 고기능 SVG(GCT-SVG)의 주회로 구성을 <그림2>에, 카미자키변전소 GCT-SVG 및 이누야마개폐소 GTO-SVG의 사양비교를 <표1>에 나타낸다. 카미자키변전소 SVG는 6㎸·6㎄의 대용량 GCT사이리스터를 적용한 단상 3레벨 인버터×3상×3단 변압기 다중구성이다. 1. GCT사이리스터 적용 GCT사이리스터는 외주부에 링 모양의 게이트 전극을 배치하고 있으며 GTO사이리스터는 게이트 단자와 게이트 회로를 LEAD 선으로 접속하는 구조로 되어있다<그림3>. 이로 인해 GCT소자는 게이트 회로의 인덕턴스를 GTO소자에 비해 저감할 수 있고 전류시간이 약 1/10로 줄었다. 따라서 GTO소자 보호를 위해 필요했던 dv/dt 억제용 집적(모래)회로의 생략이 GCT 소자 적용으로 인해 가능해져 손실을 줄일 수 있었다. 또 GCT소자가 6㎸·6㎄로 대용량이기 때문에 1변환기의 출력을 대용량화 할 수 있고 장치의 소형화를 꾀할 수 있었다.

2. 3레벨 변환기 방식의 적용 3레벨 변환기는 <그림4>와 같이 2레벨 변환기와 비교해 출력전압을 2배로 높일 수 있기 때문에 단위 인버터의 용량을 2배로 할 수 있고 다중변압기의 단수를 반감할 수 있기 때문에 변환기·다중변압기를 소형화하고 원가절감을 꾀할 수 있었다. 3레벨 변환기의 구성상 2레벨 변환기와 비교해 다이오드 점수의 증가는 피할 수 없지만 다른 부품점수나 모듈 구조배치로 2레벨 변환기에 비해 소형화, 경량화를 실현했다. GCT사이리스터 및 3레벨 변환방식을 적용함으로써 최대손실은 1.2%로 GTO-SVG와 비교해 저손실화를 실현할 수 있었다. 또 부품 점수의 삭감, 변환기 단수의 저감이 가능해지고 같은 용량임에도 불구하고 GCT-SVG의 설치면적은 GTO-SVG의 설치면적과 비교해 약 63%로 저감됐다. 고기능 SVG의 제어방식 고기능 SVG의 제어계는 직류전압 제어계(DC-AVR), 교류전압 제어계(AC-AVR)와 무효전력 제어계(AQR)를 편입해 전류제어계에 따라 전압지령 값을 생성하고 있다. 또 3레벨 변환기를 채용하고 있기 때문에 중성점 전압을 제어하는 직류 측 중성점의 균등화를 꾀하고 있다. SVG의 제어 블록을 <그림5>에 나타낸다. 이번 카미자키 변전소에 고기능 SVG를 설치할 때 새롭게 채용한 제어방식으로는 인버터용 다중변압기의 직류편자를 제어하는 편자억제 제어가 있다. 이로 인해 변압기 철심의 포화로 인한 변환기 과전류를 방지하고 있다. 게다가 SVG의 무효전력 출력여유를 확보하고 전압안정 효과를 기대하기 위해 기설 변압기 탭과 협조제어를 실시하고 있다. 이상과 같이 제어계에 따라 전압지령 값이 결정되어 특별 3펄스 PWM제어방식으로 SVG의 스위칭 제어를 하고 있다. 이하에 이번 새롭게 채용한 제어방식에 관해서 좀더 상세하게 설명한다. 1. 편자 억제제어 사고 등으로 인해 인버터가 게이트블록하면 그 직류분에 따라 다중변압기가 편자하고 철심의 자속이 포화함으로써 과전류가 발생한다. 이 편자를 방지하기 위해 변압기 1차·2차의 차전류를 검출하고 포함되는 직류분을 억제하도록 인버터 출력전압을 제어하고 있다. 2. 변압기 탭 협조제어 카미자키 변전소의 SVG는 77㎸ 모선전압이 일정하게 되도록 출력을 제어하고 있다. 그러나 기설설비인 변압기 탭 또한 77㎸모선전압이 일정하게 되도록 동작한다. 이 때문에 SVG는 변압기 탭 제어와 협조가 필요하다. 계통사고 등에 따른 급준한 전압변동에 대해서는 SVG를 순시에 동작시키고, 완만한 전압변동에 대해서는 SVG가 거의 동작하지 않도록 <그림6>과 같은 특성을 갖고 있다. 탭의 불감대 폭보다 넓힌 범위에서는 SVG의 출력을 낮추고 보통은 탭 제어로 계통전압을 일정하게 유지하고 SVG 출력 0MVA부근에서 운전하도록 제어하고 있다. 3. 특별 3펄스 PWM제어 이누야마 SVG의 스위칭 제어로는 1펄스의 삼각파 비교 PWM제어를 적용했었다. 이 같은 방식은 같은 직류전압에 비해 다펄스 PWM보다 큰 인버터 출력을 얻을 수 있는 반면 고조파의 발생률이 커지는 결점이 있었다. 이번 적용하고 있는 특별 3펄스 PWM제어에서는 사전에 계산한 펄스 패턴을 테이블화하고 전압지령 값에 상응한 펄스를 발생시키고 있다. 이로 인해 큰 인버터 출력과 5차·7차의 저차고조파를 포함하지 않는 제어응답이 좋은 스위칭 제어를 실현할 수 있었다. 카미자키변전소 SVG의 레이아웃과 외관 <그림7>에 카미자키변전소 내에 설치한 SVG의 레이아웃과 외관사진을 나타낸다. ①의 인버터는 각 판마다 3레벨 인버터의 1암 분량이 수납되어있다. ②는 변환기용 다중변압기와 그 냉각기의 외관이다. 또한 ③은 인버터용 풍냉 냉각기의 외관이다. 이들 냉각기 팬은 온도에 따른 대수 제어를 실시한다. ④는 사이리스터소자를 냉각하기 위한 순수장치이다.

시뮬레이션 시험 개발한 고기능 SVG가 카미자키변전소 계통에 도입한 경우 동작시험을 실시하기 위해 카미자키변전소의 계통을 모의하고 SVG 주회로 미니모델 및 실제 제어장치를 이용해 시뮬레이션 시험을 실시했다. 3항에서 서술한 제어계의 응답을 알아보는 제어성능 시험뿐만이 아니라 다양한 계통사고를 모의하고 SVG의 응답을 확인했다. 예로서 <그림1>계통도의 선로 F에 있어서 D 개폐소 모선지 근단 3LG사고가 발생한 경우의 시뮬레이션 시험결과를 <그림8>에 나타낸다. 사고기간 중, 카미자키변전소의 모선전압은 0이 되기 때문에 SVG는 GB한다. 사고가 해제되고 계통전압이 복귀한 후 약 52ms로 재기동하고 사고해제 후 약 100ms로 사고 전 상태로 복귀할 수 있었다. 시뮬레이션 시험결과에서 SVG제어장치는 상당히 뛰어난 제어성능이 있다는 사실이 밝혀졌다.

운전실적 카미자키변전소 SVG는 2004년 6월부터 운전개시하고 있다. 운전개시 후에도 SVG에 계측기를 설치하고 SVG운전 데이터를 수집해왔다. 카미자키변전소 77㎸ 모선전압의 불안정 현상이 발생할 가능성이 있는 카미자키변전소 수전선 1회선 개방 사고는 발생하지 않았지만 상위계통의 뇌격사고 등으로 인한 몇 번의 계통전압 순시저하가 발생했다. 그 때도 SVG는 안정적으로 원하는 진보 무효전력을 공급하면서 운전을 계속하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

<그림9>는 계통전압 순시 저하 시 SVG 운전파형의 한 예이다. SVG는 전압저하를 보상하기 위해 진보 무효전력을 흘리고 사고 중·사고 후 모두 안정적으로 운전을 계속하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 통상 운전 시에는 기설 변압기 탭과의 협조제어가 행해진다. 보통의 전압변동에는 변압기 탭 제어가 우선적으로 동작하고 SVG의 출력이 작게 제어되고 있다는 것을 확인할 수 있었다. GCT사이리스터를 이용한 저손실·콤팩트·저비용의 고기능 SVG를 개발하고 카미자키변전소에 계통전압 안정화 대책으로 설치했다. 공장시험과 시뮬레이션 시험에서 고기능 SVG의 유효성을 확인할 뿐만 아니라 카미자키 변전소에 대해 운용 후에도 계측기를 설치하고 실운용 데이터를 채취해 SVG의 검증을 실시했다. 앞으로도 실운용 데이터를 채취해 SVG의 유효성이 검증되는 효율운전, 신뢰성 향상을 지향할 예정이다.