가변속 펌프-터빈 프라데스 2의 전력망 안정성 기여에 대한 관성 에뮬레이션 분석

Core Concepts

가변속 펌프-터빈 기술은 동기 관성과 합성 관성을 통해 전력망 주파수 변동에 대한 신속한 대응이 가능하며, 이를 통해 전력망 안정성 향상에 기여할 수 있다.

Abstract

이 논문은 고정속도와 가변속도 모터-발전기 기술을 사용하는 펌프-터빈 발전소의 동기 관성과 합성 관성 기여를 정량화하고 비교하는 것을 다루고 있다.
먼저 전력망 주파수 편차 발생 시 동기 발전기가 주입 또는 흡수하는 유효전력의 크기를 분석할 수 있는 해석적 표현식을 도출하였다. 이 식은 발전기의 기계적 시정수가 클수록 주파수 변동률(RoCoF)에 비례하여 더 큰 유효전력 변화가 발생함을 보여준다.
이를 검증하기 위해 포르투갈의 프라데스 2 가변속 펌프-터빈 발전소를 대상으로 1D SIMSEN 시뮬레이션을 수행하였다. 고정속도와 가변속도 기술 모두에서 전력망 주파수 변동에 따른 유효전력 변화가 해석적 접근과 잘 부합함을 확인하였다.
가변속 발전기는 전력망 주파수와 회전속도가 분리되어 있어 합성 관성 제어를 통해 동기 발전기와 유사한 관성 지원 기능을 구현할 수 있다. 이를 위해 회전체 운동방정식에 기반한 제어 구조를 적용하여 RoCoF에 비례한 유효전력 변화를 달성할 수 있다.
무한 전력망과 4.4 GW 고립 전력망에서의 시뮬레이션 결과, 합성 관성 제어 기능이 적절히 구현된 가변속 발전기는 동기 발전기와 유사한 수준의 관성 지원 기능을 제공할 수 있음을 확인하였다. 다만 고립 전력망과 같이 동기 관성이 부족한 경우에는 가변속 발전기의 계통 형성 기능이 필요하며, 이는 전력망 안정화를 위한 중요한 과제로 남아있다.

Stats

전력망 주파수 변동률(RoCoF)이 0.5 Hz/s, 1 Hz/s, 2 Hz/s일 때 프라데스 2 발전소 1기의 평균 유효전력 변화량은 각각 31 MW, 63 MW, 127 MW이다.

Quotes

"가변속 발전기는 전력망 주파수와 회전속도가 분리되어 있어 합성 관성 제어를 통해 동기 발전기와 유사한 관성 지원 기능을 구현할 수 있다."
"합성 관성 제어 기능이 적절히 구현된 가변속 발전기는 동기 발전기와 유사한 수준의 관성 지원 기능을 제공할 수 있다."

Key Insights Distilled From

Inertia emulation contribution of Frades 2 variable speed pump-turbine to power network stability

by Chri... at arxiv.org 04-10-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.06299.pdf

Deeper Inquiries

고립 전력망과 같이 동기 관성이 부족한 경우, 가변속 발전기의 계통 형성 기능을 어떻게 구현할 수 있을까?

고립된 전력망에서 동기 관성이 부족한 경우, 가변속 발전기는 계통 형성 기능을 제공하기 위해 적절한 제어 전략을 사용해야 합니다. 이러한 제어 전략은 '그리드 형성(grid forming)' 능력을 갖추어야 합니다. 이는 가변속 발전기가 동기 발전기의 기본적인 특성을 모방하도록 하는 것을 의미합니다. 그리드 형성 능력은 가변속 발전기가 전력 네트워크의 다른 중요한 특성들을 에뮬레이트할 수 있도록 해야 합니다. 이를 통해 전력 네트워크의 안정성을 유지하고 필요한 주파수 및 전압 제어를 수행할 수 있습니다.

고립 전력망과 같이 동기 관성이 부족한 경우, 가변속 발전기의 계통 형성 기능을 어떻게 구현할 수 있을까?

동기 발전기와 가변속 발전기의 관성 지원 기능 차이가 전력망 안정성에 미치는 영향은 상당히 중요합니다. 동기 발전기는 직접적으로 전력 네트워크에 연결되어 회전하는 동기적인 능력을 제공하며, 동기 관성을 통해 주파수 변동에 대한 안정성을 유지합니다. 반면에 가변속 발전기는 전력 네트워크 주파수와 독립적으로 회전 속도를 제어할 수 있지만, 적절한 제어 구조를 사용하여 계통에 그리드 형성 능력을 제공할 수 있습니다. 이러한 차이는 전력망의 빠른 응답과 안정성에 영향을 미치며, 가변속 발전기의 그리드 형성 능력은 전력망 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

가변속 펌프-터빈의 관성 지원 기능 향상을 위해 고려할 수 있는 기술적 방안은 무엇이 있을까?

가변속 펌프-터빈의 관성 지원 기능을 향상시키기 위해 고려할 수 있는 기술적 방안은 다양합니다. 먼저, 가변속 발전기의 제어 시스템을 최적화하여 그리드 형성 능력을 향상시킬 수 있습니다. 이를 통해 가변속 발전기가 전력 네트워크의 요구 사항에 더 빠르게 대응하고 안정성을 유지할 수 있습니다. 또한, 회전하는 질량의 관성을 최대한 활용하기 위해 가변속 발전기의 회전 속도 범위를 최적화하는 것도 중요합니다. 이를 통해 가변속 발전기가 최대한의 관성 지원을 제공할 수 있습니다. 또한, 그리드 형성 능력을 강화하기 위해 가변속 발전기의 제어 알고리즘을 개선하고 그리드 형성 및 그리드 따르기 능력을 조화롭게 조정하는 것이 중요합니다. 이러한 기술적 개선을 통해 가변속 펌프-터빈의 관성 지원 기능을 향상시킬 수 있습니다.