Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

전력망을 우리의 불빛, 전화기, 그리고 도시를 움직이게 하는 에너지가 끊임없이 소용돌이치는 거대하고 보이지 않는 에너지의 바다라고 상상해 보십시오. 이 바다에는 물결을 차분하게 유지하고 올바른 방향으로 흐르게 돕는 두 가지 주요 유형의 "배"가 있습니다. "그리드 팔로잉(Grid-Following)" 배라고 불리는 일부 배들은 성실한 노꾼과 같아서, 단순히 등대(주 전력망의 신호)를 주시하며 그와 완벽하게 동기화되어 노를 젓습니다. 이들은 바다가 잔잔할 때는 훌륭하지만, 만약 폭풍이 몰아쳐 등대의 빛이 깜빡거리면 길을 잃거나 공황 상태에 빠질 수 있습니다. 반면 "그리드 포밍(Grid-Forming)" 배라고 불리는 다른 배들은 함대의 선장과 같습니다. 이들은 단순히 빛을 따르는 것이 아니라, 자신만의 리듬과 전압을 생성하여, 폭풍이 몰아칠 때도 전체 바다를 안정시키는 가상의 엔진 역할을 합니다. 이는 우리가 예측 불가능한 풍력 및 태양광 발전을 에너지 믹스에 더 많이 추가함에 따라 매우 중요해졌습니다. 하지만 이 "그리드 포밍" 선장들에게는 까다로운 비밀이 하나 있습니다. 폭풍이 너무 격렬해지면, 이들은 가끔 겁을 먹고 "전류원(current-source)" 모드로 전환되는데, 이때는 조타를 멈추고 그저 힘껏 밀어붙이기만 하여 실제로 배를 전복시킬 수도 있습니다.

이 논문은 송전 스테이션과 수전 스테이션을 연결하는 특정 유형의 초고압 전력선에서 발생하는 바로 그 무서운 순간을 다룹니다. ±800 kV 시스템 모델을 가지고 연구를 진행한 연구진은, 수전단에 고장(단락 사고와 같은)이 발생했을 때 "그리드 포밍" 컨버터가 그리드와 동기화를 유지해 주는 각도를 제어하는 데 실패하는 위험한 루프에 빠질 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 이 각도를 "가상 전력각(virtual power angle)"이라고 부르며, 이를 바람에 대한 조향 핸들의 위치라고 생각할 수 있습니다. 만약 이 각도가 너무 크게 휘둘리면 배는 통제력을 잃고 회전해 버립니다. 저자들은 컴퓨터 시뮬레이션(특히 PSCAD/EMTDC라는 플랫폼)을 사용하여, "잉여 전력"(폭풍이 출구를 막아 에너지가 쌓이는 현상)을 관찰함으로써, 선장에게 조향 핸들이 통제 불능 상태로 휘둘리지 않도록 딱 적당한 만큼 속도를 줄이라고 동적으로 지시할 수 있음을 증명했습니다. 또한, 폭풍이 너무 심해져서 속도를 줄이는 것만으로는 부족할 경우, 선장이 즉시 "그리드 팔로잉" 노꾼에게 핸들을 넘겨줄 수 있는 "매끄러운 전환(smooth switch)"을 설계하여, 배가 최악의 폭풍 속에서도 살아남을 수 있도록 했습니다.

가상 조향 핸들의 이야기

고전압 전력 송전의 세계에서 엔지니어들은 거대한 풍력 단지처럼 전기가 만들어지는 곳에서 도시와 같이 전기가 필요한 곳으로 엄청난 양의 전기를 이동시키기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 이를 위한 한 가지 인기 있는 방법은 "하이브리드" 시스템을 사용하는 것입니다. 즉, 시작점에는 선로 전류형 컨버터(LCC)를, 끝점에는 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)를 배치하는 것입니다. LCC를 저렴하고 튼튼한 구식 트럭이라고 한다면, MMC는 까다로운 도로도 다룰 수 있는 화려하고 유연한 스포츠카라고 생각하면 됩니다.

문제는 목적지에서 발생합니다. 때때로 지역 전력망이 "약한" 상태, 즉 사물들을 안정적으로 유지할 관성(무거운 플라이휠과 같은 것)이 부족한 상태가 될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 스포츠카에 "그리드 포밍(GFM)" 제어를 사용합니다. 단순히 그리드의 리듬을 따르는 대신, GFM 제어는 가상 동기 발전기처럼 작동하여 자체적인 전압과 주파수를 생성해 그리드를 안정적으로 유지합니다. 이는 마치 나침반이 고장 나더라도 배를 조종할 수 있는 선장과 같습니다.

하지만 여기에는 함정이 있습니다. 그리드에 거대한 고장(3상 단락 사고와 같은)이 발생하면 GFM 선장은 압도당합니다. 시스템은 장비를 보호하기 위해 전류를 제한하려고 시도하며, 이 과정에서 컨버터는 전압원(안정적인 선장) 역할을 하던 것에서 전류원(당황하여 밀어붙이기만 하는 사람)으로 전환됩니다. 이 상태에서는 "가상 전력각"(컨버터의 내부 전압과 그리드 전압 사이의 각도)이 격렬하게 휘둘리기 시작합니다. 만약 이 각도가 특정 "임계 차단 각도(Critical Clearing Angle, CCA)"를 넘어 너무 멀리 휘둘리면, 시스템은 동기화를 잃고 충돌하게 됩니다. 이는 마치 진자가 너무 높게 흔들려 천장에 부딪힌 뒤 멈춰버리는 것과 같습니다.

두 단계의 구조 계획

논문의 저자들은 폭풍이 닥쳤을 때 배를 구하기 위한 두 단계 전략을 제안했습니다.

1. "잉여 전력" 브레이크
이 계획의 첫 번째 부분은 충돌하기 전에 똑똑하게 속도를 줄이는 방법입니다. 연구진은 고장이 발생했을 때 송전단은 계속해서 전력을 밀어내지만, 수전단은 이를 내보낼 수 없다는 점을 깨달았습니다. 이로 인해 "잉여 전력"이 발생하며 DC 전압이 급증하게 됩니다. 저자들은 이 급증 현상을 경고 신호로 사용했습니다.

단순히 브레이크를 꽉 밟거나 전력 설정을 고정해 두는 대신(이는 크루즈 컨트롤이 고정된 채로 운전하는 것과 같습니다), 그들은 "동적 전력 감소(Dynamic Power Reduction)" 전략을 만들었습니다. 그들은 불균형 전력의 정확한 양을 계산하여 GFM 컨트롤러의 전력 설정값을 즉각적으로 낮추었습니다.

• 작동 원리: 전력 목표치를 낮춤으로써, 효과적으로 "가속 영역"(조향 핸들을 밀어내는 힘)을 줄이고 "감속 영역"(멈출 수 있는 여유 공간)을 늘립니다. 이를 통해 임계 차단 각도를 더 크게 만들어, 시스템이 통제력을 잃기 전에 회복할 수 있는 시간을 벌어줍니다.
• 결과: 시뮬레이션에서 5.7초 후에 고장이 해제되는 테스트를 수행했을 때, 고정 전력 감소 방식은 시스템을 안정화하는 데 실패했습니다. 그러나 동적 전략을 사용했을 때는 시스템이 매끄럽게 회복되었습니다. 가상 전력각이 훨씬 덜 휘둘렸으며, DC 전압과 유효 전력이 (지체되지 않고) 훨씬 빠르게 정상으로 돌아왔습니다(약 8초 만에).

2. 백업 노꾼으로의 "매끄러운 전환"
하지만 폭풍이 너무 심해서 속도를 줄이는 것만으로는 부족하다면 어떻게 될까요? 만약 가상 전력각이 이미 돌이킬 수 없는 지점을 지나버렸다면요?
저자들의 두 번째 전략은 "매끄러운 전환(Smooth Switching)" 메커니즘입니다. 각도가 너무 위험해지면, 시스템은 즉시 컨버터를 "그리드 포밍" 모드에서 "그리드 팔로잉(GFL)" 모드로 전환합니다.

• 과제: 보통 모드를 전환하는 것은 시속 100마일로 달리는 자동차의 핸들을 다른 운전자에게 확 낚아채듯 넘기는 것과 같습니다. 이는 자동차를 충돌하게 만드는 충격을 줍니다.
• 해결책: 그들은 "피드포워드 보상(feedforward compensation)" 시스템을 설계했습니다. 이는 마치 메인 운전자를 관찰하며 백업 운전자가 무엇을 해야 할지 미리 계산하는 부조종사와 같습니다. 전환이 일어나기 전, 백업 시스템(GFL 컨트롤러)은 이미 메인 시스템의 출력을 추적하고 있습니다. 따라서 전환이 일s어날 때 내부 루프 전류 참조값(실제 모터에 전달되는 명령)이 연속성을 유지합니다. 즉, 충격도, 스파이크도, 제어 상실도 없습니다.
• 결과: 심각한 고장(전압이 0.1 p.u.로 떨어지는 상황)에 대한 시뮬레이션에서, 이 매끄러운 전환을 사용한 시스템은 사용하지 않은 시스템보다 약 1초 더 빨리 회복되었습니다.

시뮬레이션 결과

연구진은 상세한 ±800 kV, 4,000 MW 하이브리드 DC 송전 시스템 모델을 사용하여 이 아이디어들을 테스트했습니다. 그들은 고압측 컨버터 AC 버스에서 발생하는 3상 단락 고장을 시뮬레이션했습니다.

• 위험 구역: 그들은 고장이 너무 오래 지속되면 가상 전력각이 임계 차단 각도를 초과하여 시스템이 불안정해진다는 것을 확인했습니다. 구체적으로, 고장 제거 시간이 5.9초로 연장되었을 때, 고정 전력 감소 방식은 완전히 실패하여 가상 전력각이 계속 상승하고 시스템이 불안정해졌습니다. 반면, 동적 전략은 시스템을 안정적으로 유지했습니다.
• 동적 방식의 이점: 5.9초 고장 테스트에서 동적 전력 감소를 고정 전력 감소와 비교했을 때, 동적 방식이 현저히 작은 교란을 보였습니다. 유효 전력은 380 MW까지 떨어졌으나 8.5초에 회복을 시작한 반면, 고정 방식은 DC 전압이 690 kV까지 계속 상승하며 전력이 심하게 진동하며 회복되지 못했습니다.
• 전환의 이점: 심각한 고장(0.1 p.u. 전압)에 대해 매끄러운 전환을 테스트했을 때, 전환을 사용한 시스템이 사용하지 않은 시스템보다 1초 더 빨리 회복되었습니다. 결정적으로, 이 방식은 컨버터가 위험한 전류원 모드에 "갇히는" 것을 방지했습니다.

결론

이 논문은 전력망의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 그리드 포밍 컨버터의 알려진 약점에 대해 매우 구체적이고 영리한 해결책을 제시하고 있습니다. "가상 전력각"을 세심한 관리가 필요한 조향 핸들처럼 취급함으로써, 저자들은 다음을 보여주었습니다:

1. 잉여 전력에 기반한 동적 브레이크는 정적인 브레이크보다 우수합니다. 이는 시스템에 더 큰 안전 마진을 제공합니다.
2. 폭증하는 폭풍 속에서 핸들을 급격히 꺾지 않는다면, 그리드 팔로잉 모드로의 매끄러운 전환은 유효한 비상 탈출구가 될 수 있습니다.

저자들은 이 접근 방식이 평온한 날씨에는 그리드 포밍 선장의 안정성을, 허리케인 속에서는 그리드 팔로잉 노꾼의 신뢰성을 결합한 최선의 선택이라고 제안합니다. 비록 이러한 결과는 실제 전력선이 아닌 시뮬레이션에 기반하고 있지만, 미래의 고전압 DC 시스템을 전력망의 피할 수 없는 폭풍으로부터 더 안전하고 탄력적으로 만드는 데 있어 강력한 이론적, 모델링 기반을 제공합니다.