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[전력계통 시뮬레이션의 현황 및 과제Ⅱ ③] 제조업계에서의 계통해석 사례

  • 김대근 기자
  • 입력 2017.02.01 00:00

  • 글자크기설정

[전력계통 시뮬레이션의 현황 및 과제Ⅱ ③]
제조업계에서의 계통해석 사례

본고에서는 제조업계에서 계통해석이 차지하는 위치와 그 적용사례를 소개하고, 계통해석 및 시뮬레이터 검증에서 실수하기 쉬운 문제점과 그 대처법에 대해 알아본다.
정리 편집부

제조업계에서의 계통해석
제조업계에서의 계통해석기술의 위치를 [그림 1]에 나타냈다. 계통해석기술로는 ▲동작특성을 기술한 모델 ▲모델을 탑재해 시뮬레이션을 실시하는 해석 프로그램 ▲제품검증용으로 실시간 모의를 진행하는 시뮬레이터 등이 있다.
전력계통에 적용하는 제품 중 특히, ▲계통안정화 ▲ 계통운용 ▲설비증강 관련 제품에는 안정화 제어기술, 계통운용·제어·보호기술 등의 탑재가 필요하며, 그 평가 및 검증을 위해서는 계통해석기술이 필수적이라고 할 수 있다. 또, 온라인 안정도 감시 시스템처럼 안정도 계산 등의 계통해석 툴 자체를 장착한 제품도 있다. 통상의 발변전기기라도 계통에 장착한 상태에서의 성능 확인, 사고 시 응동 확인을 위한 계통해석은 필요하다.
[그림 2]에 제품 검토 단계와 사용 툴의 관계를 나타냈다. 시스템 검토 단계에서는 제안 제품의 계통에 대한 효과를 평가하기 위해 고객 계통 전체를 대상으로 한 검토를 실시하고, 그 다음의 시스템 설계 단계에서는 상세 제어 방식의 검토를 위해 주목 개소의 계통축약을 실시하는 등 순시치·실효치를 포함한 여러 가지 검토를 실시한다. 마지막으로 제품 검증 단계에서는 리얼타임 시뮬레이터를 이용하여 제품의 동작검증을 실시한다.


계통해석 툴
[그림 3]에 규모·시간영역과 사용 툴의 관계를 나타냈다. 해석 툴은 시스템 검토·설계용 해석 프로그램과 검증용 리얼타임 시뮬레이터로 크게 분류된다.


해석 프로그램
해석 프로그램은 아래와 같이 분류된다. (2)의 설계지원 프로그램에는 업체의 독자적인 노하우가 들어 있다.

(1) 실효치 해석 프로그램(조류, 안정도, 단락전류)
고객과 동일한 툴로 시스템 검토 시 대상계통에 대한 효과를 확인한다. (예: Y법, PSLF, PSS/E 등)
(2) 실효치 해석+설계지원 프로그램
시스템 설계 시의 ▲안정화 기기용 ▲제어 설계용 ▲평가용으로 업체의 독자적인 프로그램과 범용품을 조합시킨다.
(3) 순시치 해석 프로그램
(파워 일렉트로닉스 제어계 해석 포함)
과전압 평가, 제어계를 상세하게 검토한다.(예: EMTP, XTAP, EMTDC 등의 범용 툴) 
리얼타임 시뮬레이터
[표 1]에 리얼타임 시뮬레이터의 비교를 나타냈다. ▲ 스페이스성 ▲보수성 ▲확장성 ▲조작성 등으로 풀 디지털형이 확산되고 있지만, 자려식 변환기 등 응답이 빠른 것에 대해서는 모의 능력에 제약이 있다. 미쓰비시 전기㈜에서는 자려식 변환기에 하이브리드 방식을, 그 이외에는 풀 디지털 방식을 적용하고 있다.
최근 분산전원의 접속 및 수용가측 제어의 영향평가를 위해 배전계통 실증시험의 필요성이 높아지고 있다. 리얼타임 시뮬레이터는 모의에 대한 유연성은 있지만 이를 실증시험에 적용하기 위해서는 실세계(實世界)의 전압·전류와 어떻게 접속시킬 것인가가 과제가 된다. [표 2]에 나타낸 전체 아날로그 시뮬레이션 방식 ①②는 기존의 모의송전선에서, 저압 디지털 아날로그 접속방식 ③④는 제품 검증용 시뮬레이터 및 릴레이 시험장치에서 사용되어 왔다. 고압 디지털 아날로그 접속방식 ⑤⑥은 파워 일렉트로닉스 기기인 AC-DC-AC 전력변환장치(Back-To-Back: BTB)를 대용량 앰프로 이용함으로써 계통사고·순저·고조파 등의 다양한 현상을 실증용 배전계통에 재현시킬 수 있다. 또한, 주파수 변동 등 상위계와의 상호작용도 모의할 수 있다. 이 BTB 방식의 시험설비는 미쓰비시 전기㈜의 이타미(伊丹) 스마트그리드 실증설비로서 가동을 시작하고 있다.




계통해석 시뮬레이터 적용사례
사고후 전압회복 지연 대책으로서의 SVC 적용
사고후 전압회복 지연(Fault Induced Delayed Voltage Recovery: FIDVR)이란 유도기 부하가 많고 발전기가 적은(단락용량이 작은) 계통에서 사고 발생 시 전압 저하에 의해 유도기의 미끄럼(Slip)이 증가해 전압회복이 지연되고, 경우에 따라서는 전압붕괴가 발생하는 현상이다. 미국 등 메시계통의 부하 지역에서는 동기 안정도보다 심각한 문제가 될 수 있다. 또 단락전류 대책으로 고임피던스 기기 및 한류 리액터 채용 시에도 표면화되기 쉽다.
대책으로는 사고 중, 그리고 사고 후에 조기의 전압유지가 효과적이며, SVC(Static Var Compensator, 정지형 무효전력 보상장치), STATCOM(Static Synchronous Compensator, 자려식 SVC) 등이 도입된다. 그러나 전압이 변동되기 쉬운 계통에 고속·고게인의 제어기기를 도입하기 때문에 계통상태에 맞는 적절한 제어를 실시하지 않으면 도리어 불안정·과전압이 될 가능성도 있다. 또 저비용으로 용량을 증대하기 위하여 파워 일렉트로닉스에 비해 응답이 늦은 MSC(기계 스위치식 커패시터)를 조합하는 경우도 있어 각 기기 간의 협조제어가 중요해진다. 이 때문에 다양한 계통해석을 실시하여 제어방식을 확인한다. 사고 중과 사고 직후의 과도현상(수 100ms)부터 전압안정도·전력동요(수초), 더 나아가 정상시 전압제어(수10초)까지 전 현상들을 다루기 위해서는 ▲순시치 프로그램 ▲실효치 프로그램 ▲시뮬레이터 간 제어모델의 정합성이 중요하다. [그림 4]에 SVC 적용 전과 적용 후의 전압회복 상황에서의 차이를 실측파형으로 나타냈다.


마이크로그리드에서의 전압·주파수 제어
마이크로그리드는 분산전원의 활용과 함께 최근 재해대책으로도 주목 받고 있는데, 계통규모가 작기 때문에 전력회사 계통으로부터 분리되었을 때 통상의 배전계통보다 전력품질의 문제가 표면화되기 쉽다. 전력품질의 문제로는 ▲과전압·부족전압의 문제(연계 시에도 발생) ▲순시의 전압변동 문제 ▲주파수 변동 문제 ▲고주파·파형 왜곡 문제 ▲상간 불평형 문제 등이 있다. 마이크로그리드 구축 시에는 각종 해석 툴에 의해 이러한 문제들을 충분히 분석·검증해 둘 필요가 있다.
[그림 5]는 마이크로그리드 자립운전에서 공조부하를 기동했을 때의 시험계통이다. 이것을 [그림 6]의 시뮬레이터 시험으로 검증했다. 현지 시험결과는 [그림 7]에 나타냈다. 상용계통에서 분리한 상태로 발전기 1대(용량 170kW) 운전 시 공조팬의 유도기를 기동하여 P=52kW, Q=105kVAR의 변동을 일으켰는데, 2차전지의 빠른 유효전력(p)·무효전력(Q) 제어에 의해 주파수 변동은 0.5Hz 정도로, 전압 변동은 5%로 억제할 수 있었다. 시뮬레이터 시험과 거의 일치한 결과가 얻어져 시뮬레이터 시험의 유용성도 확인할 수 있었다.


예상치 못한 함정
함정의 예
계통해석에서는 ▲모델 ▲수치해석 ▲시뮬레이터별로 각각 빠지기 쉬운 함정들이 있다.

(1) 모델링
  - 전기계와 기계계의 공진(직렬 콘덴서와 발전기 축 비틀림 진동)
  - 자려식 변환기 접속케이블의 LC공진
  - 철심포화(Gio-Induced Current=GIC에 의한 직류분)
  - 실효치 모의와 순시치 모의의 차이

이러한 점들은 사전에 현상을 예견하여 모델에 반영시키지 않으면 재현이 불가능하다. 그렇다고 해서 모든 것을 상세모의한 모델은 복잡하고 데이터 설정이 어려우며 계산시간도 많이 걸린다는 단점이 있다. 어느 범위까지 모델화 할 것인가는 각 현상의 ▲발생원리 ▲발생조건 ▲영향도 ▲경험을 등을 바탕으로 한 공학적 지견을 통해 결정할 필요가 있다.

(2) 수치해석 기법
  - 수치진동, 수치적분 오차
    (작은 시정수, 단위폭으로 결과가 달라진다)
  - 초기값 정합성(조류 계산~안정도 계산) 
  - 데이터 입력 실수
    (단위계, 데이터 간 정합성, 유효 자릿수)
  - 계산 기법 특유의 제약(고유치의 선형화 등)

예상치 못한 결과가 나왔을 때 그것이 본질적인 것인지, 수치해석 기법에 의한 것인지의 판별이 중요하다고 하겠다.

(3) 아날로그 시뮬레이터(+미니모델)
  - Ⅴ, Ⅰ스케일링비에 의한 오차 확대, 선형성 일탈
  - 현실세계와의 불일치(오차, 발전기 횡류 보상, 편자(偏磁) 방지 등)
  - 손실분(발전기 지근단(至近端) 사고 시의 감속분)

수치해석에서 나타나지 않았던 오차, 불일치, 손실, 다이나믹 레인지의 제약이 나타나고 있지만, 반대로 현실세계에 접근한 면도 있기 때문에 양면의 고찰이 중요하다.

(4) 풀 디지털·리얼타임 시뮬레이터
  - 수치진동, 수치적분 오차
  - 단위폭 도중의 점호신호에 의한 지터 진동
  - 상변집중(狀變集中)에 의한 처리시간(단위폭) 초과
  - 비트수에 의한 분해능, 다이나믹 레인지, 오버플로(overflow)

수치해석 기법에 의한 것과 유사하지만, 실시간 연산으로 말미암은 제약이 있다(단위폭 도중의 신호 취급 등).

함정에 빠지지 않기 위한 방법
해석 툴과 시뮬레이터는 각각 진보를 거듭하여 사용하기 편리해진 반면, 생각지도 못한 곳에서 문제가 발생할 수 있다. 아래에 그에 대한 몇 가지 대책을 소개한다.

  - 최대한 많은 변수를 관측·플롯하여 정합성을 확인한다.
  - 계산 단위폭을 변경하여 결과의 변화가 없음을 확인한다.
  - 간이(물리) 모델과 경향의 합치를 본다.
  - 고유치, 주파수 특성 등 다른 기법과의 정합성을 본다.
  - 파라미터를 변경했을 시의 감도를 확인한다.
  - 실험·소형모델·과거사례와의 결과를 비교한다.
  - 모델의 시뮬레이션 범위(전제조건)와 예상치 못한 범위를 항상 자문한다.
  - 현실에서 발생할 수 있는 현상인지 해석상의 현상인지를 겸허하게 고찰한다.
 
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