100 MVA 급 STATCOM System을 위한 제어기 설계에 관한 연구

Abstract

전력의 생산측면에서 대단위 발전단지 개발이 불가피하고, 전력수요는 수도권을 비롯한 대도시 인구밀집 지역 중심으로 성장하는 구조인 경우 대전력 수송에 따른 계통 안정도 확보 등 계통 특성 개선을 위한 설비 확충이 중요하나 송전선로 및 변전소 건설은 NIMBY현상의 확대로 갈수록 어려움이 가중되고 있다. 전력조류와 전압, 계통안정도와 관련된 계통정수를 고속 정밀하게 제어하여, 계통안정도 향상과 전력조류의 효율적 제어를 통하여 전력수송능력과 계통 설비 이용률을 향상시키는 FACTS 기술이 제안되었다. FACTS는 최근 급속히 발전하고 있는 전력용 반도체 (Thyristor, GTO, IGBT) 기술과 인버터 기술의 발달로 기존의 전력계통제어 방식의 한계를 극복하고 고속의 연속제어기로서 계통설비의 운용효율과 전력공급의 신뢰성을 극대화하고 있다. 우리나라의 전력계통은 대규모의 발전설비가 해안가에 밀집되어 있고, 전력수요는 대도시를 중심으로 분포되어 있다. 특히 수도권 지역은 북상조류의 제한 때문에 계통 혼잡비용이 크게 발생하고 있다. 수도권 계통의 전압안정도를 향상시키고 계통 혼잡비용을 저감하기 위해 345 kV미금변전소에 100 MVA STATCOM을 설치하게 되었다. 본 논문에서는 다양한 FACTS 기기 중 3세대 기기의 근간이 되는 STATCOM 기기의 제어 및 하드웨어 구현에 대해 제안하고자 한다. 100 MVA STATCOM의 경우 운전효율이 중요한 평가요소이기 때문에 PWM 스위칭 방식을 적용하기 어렵다. 컨버터 출력전압의 위상 만을 제어하는 경우, STATCOM은 상태방정식이 상태변수와 제어입력의 정현값의 곱으로 표시되는 비선형 시스템이다. 이 경우 STATCOM은 운전점에 따라 플랜트가 불안정해질 수 있기 때문에 비례적분제어기의 이득선정에 유의해야 한다. 본 논문에서는 DC 커패시턴스의 변동을 고려하여 각 동작점에서 안정적으로 제어되는 비례적분제어기의 이득선정 방법을 제안하고, 100 MVA STATCOM에 적용하여 성능을 검증한다. 고정된 이득의 비례적분 제어기는 모든 동작점에서 균일한 성능을 보장할 수 없다. 이를 해결하기 위해 입출력 선형화 방법을 이용하면, 출력에서 내부 다이나믹스를 분리하여 비선형시스템이 선형시스템 거동특성을 갖도록 할 수 있다. 그래서 출력추종 문제를 선형 출력 궤환 제어기로 풀 수 있다. 그러나 시스템의 출력 특성은 보장될지라도, 내부 다이나믹스의 안정도와 과도 응답특성은 보장되지 않는다. STATCOM 내부 다이나믹스의 안정도는 많이 연구되지 않았는데, DC 전압과 유효전류와 같은 내부 다이나믹스는 약한 감쇄 특성을 갖고 있다. DC Capacitor 전압의 진동성분은 DC 커패시터의 전류리플을 야기시켜 커패시터의 수명에 영향을 미칠 수 있다. 입출력 선형화 제어기를 수정하여, STATCOM 내부 다이나믹스의 과도응답과 안정도를 개선한 감쇄제어기가 제안되었으나, 이 제어기는 특정 시스템 파라미터에 대해서 모든 운전점에서 내부 다이나 믹스의 안정성을 보장하지는 못한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 가변이득을 갖는 수정된 감쇄제어기를 제안한다. STATCOM과 같은 FACTS(Flexible AC Transmission System) 기기에 사용되는 고전압의 대용량 인버터에는 전력용 반도체 소자가 직렬로 연결된 스위칭 밸브가 이용되고 있으며 이 밸브로 폴을 구성하는 방식이 사용되고 있다. 직렬로 연결된 스위칭 밸브의 turn on, off시 동작의 특성은 현장실장 이전에 실제 운전 조건과 동등한 환경에서 단위 밸브를 시험하여 검증되어야 한다. 본 논문에서는 이전 방식의 단점들을 보완하여 전류조건과 전압조건을 별도로 적용할 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 인버터 폴의 설계상, 제작상의 문제점을 점검하기 위해서는 실제 운전조건에 상당하는 정격전압, 정격전류를 스위칭 하여 검증 실험을 수행하여야 한다. 본 논문에서는 전원을 1개만 사용하여 필요한 전압, 전류 조건에서 대용량 인버터 폴을 시험할 수 있는 공진회로를 이용한 H-Bridge 시험 방법을 제안한다. 한전 345 kV 미금변전소에 100 MVA STATCOM 설비를 제작하여 현장에 설치한 후 시스템 가압 전후에 시스템을 시험하는 방법을 제안한다.