 49.6MW급 풍력발전단지 STATCOM 구성 방식별 총소유비용 비교 분석 기술적 성능, 경제성, 운영 효율성, 공간 활용성 종합 고려… 22.9kV MMC 직결 STATCOM 구성, 최적의 선택으로 권장 전력계통 안정화를 위해서는 사고 발생 시 발전기의 탈락을 방지하고 안정적인 전압을 유지하는 ‘과도 내전압 운전(FRT)’ 성능 확보가 필수적이다. 이를 위해 스태콤(STATCOM)과 같은 동적 무효전력 보상장치의 도입이 중요하게 부각되고 있다. 본고는 49.6MW급 풍력발전단지의 전압 안정화 및 FRT 요구사항 충족을 위한 STATCOM의 최적 구성을 도출하는 연구 결과를 다룬다.
글 박병주 ㈜피큐텍 대표이사
서론 최근 신재생에너지 확대 정책에 따라 풍력발전이 전 세계적으로 빠르게 보급되고 있다. 한반도에도 초대형 해상풍력단지 건설이 본격화됨에 따라, 계통 안정화 기술에 대한 관심이 그 어느 때보다 높아지고 있다. 풍력발전은 탄소중립 목표 달성을 위한 핵심 방안이나, 간헐적인 출력 특성으로 인해 전력계통연계 시 전압 변동 및 과도 안정도 저하 등 새로운 도전 과제를 야기한다. 이는 전력 시스템의 안정적인 운영에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
전력계통 안정화를 위해서는 사고 발생 시 발전기의 탈락을 방지하고 안정적인 전압을 유지하는 ‘과도 내전압 운전(FRT, Fault Ride-Through)’ 성능 확보가 필수적이다. 이를 위해 스태콤(STATCOM, 정지형 무효전력 보상장치)과 같은 동적 무효전력 보상장치의 도입이 중요하게 부각되고 있다. STATCOM은 전력계통 안정도 확보에 핵심적인 역할을 수행하는 FACTS(Flexible AC Transmission Systems) 장치 중 하나이다.
본고는 49.6MW급 풍력발전단지의 전압 안정화 및 FRT 요구사항 충족을 위한 STATCOM의 최적 구성을 도출하는 연구 결과를 다룬다. 특히 ▶22.9kV MMC 직결 방식(Scheme 1) ▶6.6kV MMC + 승압 변압기 방식(Scheme 2) ▶440V LV-STATCOM + 다권선 변압기 방식(Scheme 3)의 세 가지 구성 방식에 대해 기술적 성능, 초기 투자비(자본적 지출, Capital Expenditure(CAPEX)), 운영 효율성(운영적 지출, Operational Expenditure(OPEX)), 그리고 공간 활용성 측면에서 종합적인 비교 분석을 수행하였다. 본 연구는 유사 규모 풍력단지의 STATCOM 설계 시 경제적 합리성을 갖춘 최적 구성을 선택하는 데 실질적인 기준을 제공하고자 한다.
1. STATCOM 구성 방식 비교 분석 풍력발전단지의 전압 안정화를 위해 STATCOM을 구성하는 방식은 여러 가지가 있다. 본 연구에서는 기술적 성능과 경제성을 기준으로 세 가지 대표적인 방식을 비교 분석하였다. 대상 풍력발전단지는 [그림 1]과 같이 모델링 되었으며, 풍력발전기 출력 변동에 따른 전압변동 분석 결과, 한국전력 계통연계 규정이 요구하는 전압변동 허용 범위를 초과할 가능성이 확인되어 무효전력 보상장치의 필요성이 입증되었다. 또한 154kV 계통 FRT 요구사항 [그림 2] 충족을 위해, 사고 시 빠른 무효전력 지원이 필수적이다. 시뮬레이션을 통해 약 ±20MVAr의 STATCOM 용량이 필요한 것으로 산정되었다.
1.1. 22.9kV MMC 직결방식 (Scheme 1) ▶구성 원리 : MMC(Modular Multilevel Converter)를 절연 변압기 없이 22.9kV 배전반에 직접 연결하는 방식이다. [그림 3] MMC는 모듈형 멀티레벨 컨버터 기술의 보편적인 개념을 제시하며, 고전압 직류송전(HVDC) 분야에서 그 효율성과 성능이 입증된 바 있다. ▶특징 및 장점 : 이 방식은 변압기 부재로 인해 전력 손실이 최소화되어 약 99%에 달하는 가장 높은 시스템 효율을 보인다. 이는 연간운영비(OPEX)를 최소화하는 주요 요인으로 작용한다. 또한 응답 속도가 가장 빠르며(<1% THD), 설비 구성이 가장 컴팩트하여 설치 면적(9m x 14m)을 최소화하고 공간 활용성을 극대화한다. 최근 MMC 모듈 생산 시스템의 합리화로 초기투자비(CAPEX) 측면에서도 경쟁력을 확보하였으며, 총소유비용(TCO) 관점에서 가장 경제적이고 우수한 구성 방식이다.
1.2. 6.6kV MMC + 승압 변압기 방식 (Scheme 2) ▶구성 원리 : 6.6kV MMC와 6.6kV/22.9kV 승압 변압기를 조합하여 계통에 연결하는 방식이다. [그림 4] ▶특징 및 평가 : 이 방식은 기술적 성숙도가 높고, 변압기를 통한 시스템 절연 및 보호에 용이하다는 장점이 있다. 응답 속도 및 출력 품질은 우수하나(1.5% THD), 변압기에서 발생하는 1~2%의 추가적인 손실로 인해 시스템 효율이 약 96.5~97.5%로 저하된다. 이는 Scheme 1 대비 연간 운영비 증가로 이어지며, 고가의 승압 변압기가 추가되면서 초기 투자비 우위를 상실한다. 전반적인 초기 투자비용은 균형적인 수준으로 평가된다.
1.3. 440V LV-STATCOM + 다권선 변압기 방식 (Scheme 3) ▶구성 원리 : 수많은 소용량 저압 인버터와 특수 설계된 다권선 변압기를 이용하여 전압을 승압하고 용량을 합성하는 방식이다. [그림 5] ▶특징 및 한계점 : 저전압 소자 자체의 단가는 저렴하다는 장점이 있으나, 필요한 인버터의 수량이 매우 많고 특수 설계된 다권선 변압기의 비용이 높아, 실제 총 초기투자비는 세 방식 중 가장 높을 수 있다. 또한 다수의 인버터와 변압기에서 발생하는 손실이 중첩되어 시스템 효율이 약 95% 수준으로 가장 낮아, 연간 전력손실비용을 크게 증가시킨다. 가장 넓은 점유 면적(Scheme 1 대비 약 4.4배에 달하는 약 554㎡)을 필요로 하며, 복잡한 구조로 인해 신뢰성이 낮고 유지보수 난이도가 높은 단점이 있어, 총소유비용 측면에서 가장 불리한 방식으로 판단된다.
1.4. MMC 직결방식과 440V LV-STATCOM 3레벨 NPC 방식의 출력 파형 비교 STATCOM의 출력 파형은 계통 안정성과 고조파 억제 성능에 직접적인 영향을 미친다. 본 절에서는 Scheme 1(22.9kV MMC 직결방식)과 Scheme 3(440V LV-STATCOM + 다권선 변압기 방식)의 출력 특성을 비교하여 각 방식의 기술적 우수성을 정성적으로 설명한다.
[그림 6]은 Scheme 1에서 MMC 방식의 출력 파형을 나타낸다. MMC는 각 서브 모듈의 정밀한 제어를 통해 매우 정현파에 가까운 계단형 파형을 형성하며, 이는 시스템 전압의 Total Harmonic Distortion(THD_v)을 1% 이하로 억제할 수 있게 한다. 고주파 스위칭 없이도 양호한 파형 품질을 유지할 수 있어 필터 설계 부담이 적고, 장기적으로 계통 내 기기 수명에 긍정적인 영향을 미친다.
반면, [그림 7]의 Scheme 3에서는 다수의 3레벨 NPC(Neutral Point Clamped) 인버터를 병렬 구성하여 출력을 합성하는 구조다. 이 방식은 구조적 복잡성으로 인해 스위칭 주파수 설정에 제한이 있으며, 그 결과 출력 파형은 정현파와의 유사성이 낮고 계단 수가 적어 파형의 거칠기가 증가한다. 이러한 특성은 상대적으로 높은 THD_v(≥2%)로 나타나며, 필터링이 충분히 이루어지지 않을 경우 계통에 불필요한 전자기 간섭(EMI) 또는 고조파 전류가 유입될 수 있다.
또한 MMC 방식은 고속제어 응답성과 함께 높은 전력품질을 제공함으로써 계통사고 발생 시에도 전압 안정성 확보에 유리하다. 특히, FRT 요구사항이 강화되는 최근 풍력단지 설계 기준을 고려할 때, 낮은 THD_v와 빠른 응답 특성을 갖춘 MMC 방식은 기술적 관점에서 보다 적합한 선택으로 평가된다.
요약하자면, Scheme 1의 MMC 방식은 다음과 같은 기술적 우위를 가진다 : - 출력 파형의 정현파 유사성 확보 - 낮은 고조파 성분 (THD_v < 1%) - 스위칭 손실 최소화 및 EMI 저감 - 필터 소형화 가능성 - 계통연계 시 높은 전력품질 유지 이러한 특성은 Scheme 3의 저전압 기반 3 LNPC 방식과 비교 시 명확한 성능 우위를 제공하며, 특히 중·대용량 풍력 발전계통에서의 적용성 측면에서 MMC 기반 직결방식의 탁월함을 뒷받침한다.
2. 총소유비용 관점에서 본 최적 구성 세 가지 STATCOM 구성 방식에 대한 종합적인 기술 및 경제성 비교 결과는 [표 1]과 같다.
[표 1]을 보면, 총소유비용(TCO, Total Cost of Owner ship) 측면에서 Scheme 1(22.9kV MMC 직결방식)이 다른 두 방식에 비해 압도적으로 우수한 것으로 분석된다. 이는 최근 MMC 모듈의 생산방식 합리화로 초기 투자비(CAPEX) 측면에서 경쟁력을 확보했기 때문이다. 특히 변압기가 없어 발생하는 극도로 높은 운영효율(~99%)은 연간운영비(OPEX)를 최소화하여 장기적인 비용 절감효과를 극대화한다. 또한 가장 효율적인 점유 면적은 간접적인 부지 비용 절감으로 이어져, 총소유비용의 우수성을 더욱 확고히 한다.
Scheme 2는 기술적으로 안정적이나, 변압기 손실로 인한 낮은 효율과 증가된 CAPEX로 인해 종합적인 경제성에서는 Scheme 1에 미치지 못한다. Scheme 3의 경우, 저압 소자의 단가 장점에도 불구하고 대량의 소자 사용, 복잡한 다권선 변압기, 그리고 현저히 낮은 효율로 인한 높은 OPEX가 총비용 측면에서 가장 불리한 방식으로 판단된다.
3. 해외 사례를 통해 본 STATCOM의 현장 적용 해외 대규모 풍력발전단지 및 전력계통에서는 MMC 기반 STATCOM의 기술적 성능과 경제성이 이미 입증되어 주류 기술로 채택되고 있다. 이러한 해외 사례들은 본 연구의 비교 분석 결과를 강력히 뒷받침하며, 대용량 응용에 있어 직결 또는 단일 승압 방식이 기술적, 경제적으로 우수함을 시사한다.
▶영국 Dersalloch Wind Farm(69MW) : 지멘스(Siemens)의 SVC Plus(MMC-STATCOM) 방식이 적용되어 전압 안정화 및 FRT 성능을 성공적으로 달성하였다. 이 사례는 고속 응답성과 높은 효율의 중요성을 강조한다. ▶미국 Texas 풍력단지 : GE의 STATCOM이 장거리 송전선로 종단에서의 전압 강하를 효과적으로 보상하는 데 기여했다. MMC의 고효율 및 저고조파 특성이 운영비 절감에 중요한 역할을 했다. ERCOT의 연동 요구사항은 이러한 계통 안정화 장치의 중요성을 보여준다. ▶호주 South Australia 광역 계통 : 대용량 STATCOM이 배터리 에너지저장시스템(BESS)과 결합되어 계통 안정화에 기여한 바 있다. 특히 대용량 응용에서는 직결 또는 단일 승압 구성이 주로 사용됨을 보여주며, AEMO의 보고서에서도 계통의 강성(System Strength) 및 관성(Inertia) 확보에 대한 중요성을 확인할 수 있다.
4. 결론 및 지속 가능한 풍력 발전을 위한 제언 본 연구는 49.6MW급 풍력발전단지를 대상으로 세 가지 STATCOM 구성 방식을 종합적으로 비교 분석한 결과, 22.9kV MMC 직결 방식(Scheme 1)이 가장 경제적이고 효율적인 구성 방식임을 명확히 확인하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
▶경제성 우위 : 최근 MMC 모듈의 생산방식 합리화로 초기투자비(CAPEX) 측면에서 경쟁력을 확보하였으며, 변압기 손실이 없어 약 99%에 달하는 극도로 높은 효율을 통해 연간운영비(OPEX)를 최소화한다. 이는 총소유비용(TCO) 측면에서 압도적인 우위를 제공하는 핵심적인 요인이다. ▶기술적 우수성 : Scheme 1은 가장 빠른 응답 속도와 뛰어난 출력 품질(THD <1%)을 제공한다. 또한 단순한 구조는 높은 신뢰성을 보장하며, 설치 면적을 최소화하여 제한된 풍력단지 부지에서 공간 활용성을 극대화할 수 있다. ▶현장 적용성 : 이미 영국 Dersalloch, 미국 Texas, 호주 South Australia 등 다수의 해외 대규모 풍력단지 사례에서 MMC 기반 직결 STATCOM의 성능과 경제성이 입증되었다. 이는 본 연구의 결과가 실제 현장 적용에 있어 강력한 근거를 제공함을 의미한다. 따라서 본 연구 규모의 풍력발전단지에 대해 기술적 성능, 경제성, 운영 효율성, 공간 활용성을 종합적으로 고려할 때, 22.9kV MMC 직결 STATCOM 구성이 가장 균형 잡힌 최적의 선택으로 강력히 권장된다. 향후 연구에서는 현장 조건 변화에 따른 민감도 분석, 하이브리드 시스템(예: STATCOM과 BESS의 결합) 구성 방안, 그리고 계통보호 협조 최적화 등에 대한 추가적인 연구가 수행될 필요가 있다.
박병주 고려대학교 전기공학 박사 2000~현재, ㈜피큐텍 대표, 전기기술사, 국제기술사 1986~2000, 삼화콘덴서공업(주), Power System Engineering 전문분야 : 신재생에너지, 무효전력-전압 제어용 STATCOM(SVG), 전기 아크로-압연기 계통 전력품질 솔루션, 능동형 및 수동형 고조파 필터, Power Capacitor, 고조파 가이드 라인, 고장 해석, PSCAD/EMTDC
【참고문헌】 [1] IEEE Std 421.5-2016, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies. [2] IEC 61400-21-1, Wind turbines - Measurement and assessment of electrical characteristics - Part 1. [3] ENTSO-E, Requirements for Generators (RfG), Network Codes. [4] N. G. Hingorani and L. Gyugyi, Understanding FACTS, IEEE Press. [5] N. G. Hingorani, “FACTS-Technology of the Future,”IEEE Power Engineering Review. [6] R. Marquardt, “Modular Multilevel Converter: An universal concept for HVDC,”ICPE. [7] A. Lesnicar and R. Marquardt, “An innovative modular multilevel converter topology…,”PESC. [8] P. Kundur et al., “Definition and Classification of Power System Stability,”IEEE/CIGRE Task Force. [9] M. Molinas et al., “Impact of VSC-HVDC and STATCOM on wind farm stability,”IEEE Trans. Energy Conversion. [10] S. M. Muyeen et al., “Stabilization of wind farms using STATCOM,”IEEE Systems Journal. [11] Siemens Energy, SVC PLUS (STATCOM) Technical Brochure, application data. [12] GE Grid Solutions, STATCOM Product Note, application data. [13] National Grid ESO/ScottishPower Renewables, public case summaries for wind farm voltage support (e.g., Dersalloch). [14] AEMO, System Strength, Inertia and Black System reports for South Australia. [15] ERCOT, Nodal Operating Guides and Interconnection Requirements.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
|
장바구니
주문내역
