Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

현대 전력망은 공급과 수요의 섬세한 균형이며, 지난 한 세기 동안 석탄 및 가스 발전소의 거대한 회전 터빈에 의존해 온 시스템입니다. 이 무거운 기계들은 일종의 천연 충격 흡수기 역할을 합니다. 즉, 그 엄청난 무게와 운동량 덕분에 부하가 갑자기 변하더라도 시스템의 주파수를 안정적으로 유지합니다. 세계가 더 깨끗한 에너지로 전환함에 따라 풍력 발전 단지가 이러한 전통적인 발전소들을 대체하고 있습니다. 그러나 풍력 터빈은 전통적인 발전기와 같은 무거운 관성을 가지고 회전하지 않습니다. 이들은 전자 스위치를 통해 그리드에 연결되는데, 이는 자연적인 물리적 완충 장치가 부족함을 의미합니다. 이러한 "회전 중량"이 충분히 확보되지 않은 상태에서 대량의 풍력 에너지가 추가되면 그리드는 취약해집니다. 만약 대형 공장이 가동을 중단하거나 발전기가 고장 나는 것과 같은 갑작스러운 교란이 발생하면, 시스템 주파수가 너무 빠르게 떨어져 잠재적으로 블랙아웃(대규모 정전)을 유발할 수 있습니다.

이를 해결하기 위해 엔지니어들은 풍력 터빈이 전통적인 발전기처럼 행동하게 만드는 두 가지 서로 다른 방법을 개발했습니다. '그리드 팔로잉(grid-following)'이라 불리는 한 가지 방법은 터빈이 그리드의 신호를 듣고 그에 따라 출력을 조절하는 것으로, 마치 운전자를 따르는 승객과 같습니다. 또 다른 방법인 '그리드 포밍(grid-forming)'은 터빈이 스스로 전압과 주파수를 설정하여 그리드를 지원하는 '운전자' 역할을 수행하게 합니다. 그리드 포밍 터빈은 강력하지만 특정 조건에서는 불안정할 수 있고, 그리드 팔로잉 터빈은 즉각적인 지원을 제공하는 데 효과가 떨어집니다. 과제는 이 두 종류의 터빈이, 특히 풍속이 변하고 그리드가 갑작스러운 충격을 받을 때 어떻게 매끄럽게 협력하도록 만들 것인가 하는 점입니다.

상하이 해양대학교와 상하이 전력 설비 연구소의 연구진은 이러한 하이브리드 풍력 발전 단지를 조율하기 위한 새로운 전략을 제안했습니다. 연구진은 이들 터빈을 제어하는 표준 방식이 교란의 심각성이나 다른 터빈이 제공하는 지원량에 관계없이 변하지 않는 고정된 설정을 사용한다는 점에 주목했습니다. 이러한 경직성은 그리드 팔로잉 터빈이 도움을 주는 시기를 놓치거나, 혹은 필요 이상으로 과하게 도와 에너지를 낭비하고 장비의 마모를 초래하는 상황을 만들 수 있습니다. 연구진은 터빈이 실시간으로 행동을 최적화하여, 현재 그리드가 정확히 무엇을 필요로 하는지에 따라 내부의 "강성(stiffness)"과 "댐핑(damping)"을 조정할 수 있는 시스템을 개발했습니다.

이 솔루션의 핵심은 '가상 동기 발전기(virtual synchronous generator)'라고 알려진 제어법을 포함합니다. 이 소프트웨어 기반 접근 방식은 풍력 터빈이 마치 전통적인 발전기의 무거운 회전 질량을 가진 것처럼 속여서 주파수 변화에 저항할 수 있게 합니다. 연구진의 새로운 설계에서 이 가상 질량의 강도와 댐핑의 양은 고정된 숫자가 아닙니다. 대신, 주파수가 얼마나 빠르게 떨어지는지, 그리고 얼마나 많이 떨어졌는지에 따라 동적으로 변화합니다. 주파수가 급격히 하락하기 시작하면 시스템은 즉시 가상 관성을 높여 하락 속도를 늦춥니다. 시스템이 회복되기 시작하면, 설정값이 바뀌어 주파수가 과하게 치솟거나 요동치지 않고 정상으로 돌아오도록 돕습니다. 이러한 적응형 접근 방식은 그리드 포밍 터빈이 정확히 필요한 시점에 적절한 양의 지원을 제공하도록 보장합니다.

또한 연구진은 두 종류의 터빈 사이의 구체적인 협력 문제를 다루었습니다. 그리드 팔로잉 터빈은 보통 사소한 흔들림에 반응하지 않기 위해 설정된 작은 주파수 변동 범위인 '데드밴드(deadband)'를 가집니다. 하이브리드 발전 단지 내에서 그리드 포밍 터빈이 이미 강력한 지원을 제공하고 있다면, 그리드 팔로잉 터빈은 불필요하게 개입하지 말아야 합니다. 그러나 그리드 포밍 터빈이 어려움을 겪고 있다면, 그리드 팔로잉 터빈은 즉시 투입되어야 합니다. 연구진은 그리드 포밍 유닛의 실시간 성능에 따라 폭이 변하는 '동적 데드밴드'를 만들었습니다. 그리드 포밍 터빈이 역할을 잘 수행하고 있다면 데드밴드가 넓어져 그리드 팔로잉 터빈이 조용히 머물며 에너지 예비력을 보존하도록 지시합니다. 반대로 그리드 포밍의 지원 능력이 약해지면 데드밴드가 좁아져, 그리드 팔로잉 터빈이 즉시 지원을 시작하도록 신호를 보냅니다. 이를 통해 두 종류의 터빈이 별개의 그룹이 아닌, 하나의 지능적인 단위로서 유기적이고 협력적인 관계를 형성하게 됩니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해 연구진은 두 개의 전통적인 발전기와 40개의 그리드 팔로잉 터빈, 20개의 그리드 포밍 터빈을 포함하는 상세한 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 구축했습니다. 연구진은 이 가상 시스템에 저풍속, 중풍속, 고풍속의 세 가지 풍속 조건 하에서 갑작스러운 부하 교란을 가했습니다. 모든 시나리오에서 이들은 새로운 적응형 전략을 두 가지 기존 방식, 즉 고정된 설정을 사용하는 방식과 그리드 포밍 터빈만 적응하고 그리드 팔로잉 터빈은 정적인 상태를 유지하는 방식과 비교했습니다.

결과는 적응형 접근 방식의 명확한 우위를 보여주었습니다. 대규모 교란이 발생했을 때, 새로운 전략을 사용하는 시스템은 더 높은 최저 주파수를 유지하여 그리드가 안전 운영 한계치에 훨씬 가깝게 유지되었습니다. 저풍속 시나리오에서 기존의 고정 방식은 주파수가 49.8641 Hz까지 떨어졌으나, 새로운 전략은 이를 49.8772 Hz로 유지했습니다. 고풍속 시나리오에서는 개선 효과가 더욱 두드러져, 고정 방식의 49.7117 Hz에 비해 새로운 전략은 49.7326 Hz를 유지했습니다. 이러한 높은 최저 주파수는 시스템이 비상 차단 기능을 작동시킬 위험을 줄이는 데 매우 중요합니다.

단순히 주파수를 높게 유지하는 것을 넘어, 새로운 전략은 터빈 간의 작업 부하 분담 능력도 개선했습니다. 시뮬레이션 결과, 그리드 포밍 터빈은 필요할 때 저장된 운동 에너지를 더 많이 방출했고, 그리드 팔로잉 터빈은 더 효과적으로 지원을 활성화했습니다. 결정적으로, 동적 데드밴드는 사소한 변동 중에 그리드 팔로잉 터빈이 너무 자주 작동하는 것을 방지했습니다. 연구진은 이 방식이 터빈의 출력 전환 횟수를 줄여 장비의 마모를 줄이는 데 필수적이라는 점을 발견했습니다. 두 종류의 터빈을 실제 필요에 따라 적절히 반응하도록 조정함으로써, 시스템은 그리드 안정성을 유지하는 것과 풍력 발전 단지의 수명을 보존하는 것 사이에서 더 나은 균형을 달성했습니다.

이 연구는 이러한 적응형 협력 전략이 그리드 안정성을 희생하지 않으면서 높은 수준의 풍력 에너지를 통합할 수 있는 실질적인 방법을 제공한다고 결론짓습니다. 가상 관성과 활성화 임계값을 실시간으로 변화시킴으로써, 하이브리드 풍력 발전 단지는 전통적인 발전소와 동일한 유연성과 복원력을 가지고 교란에 대응할 수 있습니다. 시뮬레이션은 이 방법이 주파수가 너무 낮게 떨어지는 것을 방지할 뿐만 아니라, 풍력 발전 단의 서로 다른 구성 요소들이 효율적으로 협력하여 미래의 재생 에너지 그리드를 위한 견고한 솔루션을 제공함을 시사합니다.