Grid-Forming Enhanced STATCOMs for Wind Power Plant Stability: Design, Modeling, and Control

기술 요약: 풍력 발전 단지 안정성을 위한 그리드 형성형(Grid-Forming) 강화 STATCOM

문제 정의
현대 전력 시스템에 인버터 기반 자원(IBR), 특히 풍력 발전의 통합이 증가함에 따라, 저단락 용량과 낮은 시스템 관성을 특징으로 하는 약한 계통 환경에서 전압 및 주파수 안정성에 대한 상당한 과제가 제기되고 있습니다. 전통적으로는 관성, 전압 조절 및 고장 전류 지원을 제공하기 위해 동기 조상기(Synchronous Condenser, Syncon)가 배치되어 왔습니다. 그러나 동기 조상기는 그 기계적 특성으로 인해 역동적인 그리드 조건 하에서의 응답성과 적응성에 한계가 있습니다. 또한, 장거리 송전선로의 전력 전송을 강화하기 위해 직렬 보상(Series Compensation)을 사용하는 것은 새로운 공진 문제를 야기할 수 있으며, 여기에는 하부 동기 공진(SSR) 및 과도 과전압(TOV)이 포함되나 기존 솔루션들은 이를 효과적으로 완화하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

방법론
본 연구는 새로운 선형 모델링 프레임워크와 상세한 전자기 과도 현상(Electromagnetic Transient, EMT) 시뮬레이션을 결합한 이중 접근 방식을 채택합니다:

1. 전력-어드미턴스 기반 선형 모델링: 저자들은 전통적인 dq-참조 프레임 임피던스 분석에 의존하는 대신, 전력 응답 행렬 기반의 모델링 접근 방식을 활용합니다. 이 방법은 컨버터 시스템을 그리드 전압 크기 및 주파수의 변화를 유효 및 무효 전력 출력의 변화와 직접 연결함으로써 특성화합니다. 이 프레임워크는 본질적으로 참조 프레임으로부터 독립적이어서, 다수의 컨버터 시스템을 통합하고 가상 관성 및 댐핑과 같은 그리드 형성(GFM) 특성을 직관적으로 평가할 수 있게 합니다.

   • 풍력 단지는 물리적 리액터를 통해 무한 모선(Infinite Bus)에 연결된 전압원으로 모델링됩니다.
   • 분석은 공진 주파수 이동을 정확하게 포착하기 위해 비이상적 초기 조건을 포함합니다.
   • 선형화된 어드미턴스 행렬은 소신호 동적 응답을 분석하기 위해 도출됩니다.

2. 비교 시스템 구성: 본 연구는 직렬 보상이 적용된 풍력 단지에 연결된 두 가지 션트 보상 대안을 비교합니다:

   • 동기 조상기 (Syncon): 자동 전압 조절기(AVR)와 고유한 기계적 관성을 가진 모델입니다.
   • 강화된 STATCOM (E-STATCOM): 스윙 방정식 기반의 전력 제어 루프와 개루프 가상 어드미턴스 제어(VAC)를 사용하는 GFM 컨버터를 통해 구현됩니다. E-STATCOM은 공정한 비교를 위해 표준 Syncon의 특성(관성 상수 및 리액턴스 일치)을 에뮬레이션하도록 설계되었습니다.

3. 검증: 선형 모델에서 도출된 이론적 통찰은 상세한 PSCAD/EMT 모델을 사용한 시뮬레이션 인 루프(Simulation-in-Loop, SIL)를 통해 검증됩니다. 이러한 시뮬레이션에는 변압기, 컨버터, 동기기 및 풍력 단지를 포함한 실제적인 모델이 포함되며, 3상 고장, 단상 고장 및 위상각 점프와 같은 다양한 과도 상황에 노출됩니다.

주요 기여 및 결과

• 하부 동기 공진(SSR)의 우수한 댐핑: 선형 분석과 EMT 시뮬레이션은 Syncon이 어느 정도의 댐핑을 제공하기는 하지만 SSR을 완전히 억제하기에는 불충분함을 보여줍니다. 반면, GFM 기반의 E-STATCOM은 SSR을 크게 감쇄시키며(선형 모델에서는 약 10 Hz, EMT 시뮬레이션에서는 약 23 Hz에서 관찰됨), 직렬 보상에 의해 도입된 새로운 진동 모드(예: 30 Hz 및 80 Hz 부근의 모드)를 효과적으로 억제합니다.
• DC 성분 및 과도 과전압 처리:
  • DC 성분: Syncon은 위상각 변화로 인한 DC 성분을 감쇄하기보다는 오히려 완화하거나 심지어 주입하는 경향이 있습니다. E-STATCOM은 제어 루프 자체만으로는 DC 성분을 본질적으로 댐핑하지는 않지만, 시스템 설계 고려 사항과 결-합될 때 효과적인 억제를 허용하며 추가적인 완화를 피합니다.
  • 과도 과전압 (TOV): 3상 고장 이후, 풍력 단지 버스는 2 p.u.에 달하는 TOV를 나타냈습니다. E-STATCOM은 이 TOV와 관련 SSR을 단 한 사이클 내에 억제한 반면, Syncon의 응답은 더 느리고 효과가 떨어졌습니다.
• 고장 전류 및 과전류 능력:
  • Syncon은 제한 없이 서브 트랜지언트 리액턴스에 의해 제어되는 고장 전류를 주입합니다.
  • 표준 E-STATCOM은 밸브 용량에 의해 제한됩니다. 그러나 본 연구는 특정 과전류 처리 능력(예: 일시적 과부하 또는 특수 반도체)을 갖추도록 설계된 E-STATCOM이 Syncon에 필적하는 수준의 고장 전류를 전달할 수 있음을 보여줍니다.
  • 결정적으로, 고장 후 회복 과정에서 E-STATCOM은 Syncon이 갖지 못한 완전한 전류 지원 능력을 유지합니다.
• 동적 응답: E-STATCOM은 개루프 가상 임피던스 에뮬레이션 덕분에 일반적으로 50 µs 이내의 빠른 동적 응답을 보이며, 이를 통해 기계적 장치보다 관성, 인덕턴스 및 댐핑을 더 효과적으로 모사하여 그리드 안정성에 기여할 수 있습니다.

의의 및 주장
본 논문은 그리드 형성(GFM) 능력을 갖춘 강화된 STATCOM이, 특히 긴 송전선과 직렬 보상이 있는 재생 에너지 중심의 그리드를 안정화하는 데 있어 동기 조상기보다 더 강력하고 유연한 솔루션임을 주장합니다.

주요 핵심 주장은 다음과 같습니다:

• 설계 벤치마크: 본 연구는 벤치마크가 되는 E-STATCOM 설계 기준을 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 프레임워크를 통해 송전 계통 운영자(TSO)와 같은 이해관계자들은 상세한 EMT 시뮬레이션을 즉각적으로 수행하지 않고도 특정 그리드 조건에 대한 E-STATCOM의 적합성을 평가할 수 있습니다.
• 확장성 및 유연성: 기계적 관성에 의해 제한되는 Syncon과 달리, E-STATCOM은 튜닝 가능한 제어, 가상 임피던스 에뮬레이션 및 확장 가능한 고장 전류 지원을 제공합니다.
• 포괄적 안정성: E-STATCOM은 SSR, DC 진동, 과도 과전압 및 직렬 보상에 의해 유도된 새로운 모드를 포함한 광범위한 안정성 문제를 해결하여 넓은 주파수 범위에서 안정적인 운전을 보장합니다.

저자들은 Syncon이 전통적인 솔루션이었으나, GFM 기반 E-STATCOM의 구체적인 동적 이점이 고재생 에너지 전력 시스템의 진화하는 환경에서 더 우월한 선택임을 결론짓습니다.