모델링과 시뮬레이션이 어떻게 무효전력 지원 요구사항에 대한 설계 변수 평가와 엔지니어링 상충관계 연구를 위한 필수 도구를 제공하는지 설명한다. 또한 최적화 기술을 사용하여 추가적인 무효전력 지원 기능이 필요한 경우, FACTS 장치의 용량과 위치를 결정하는 방법도 설명한다.

그램 더전(Graham Dudgeon), 에너지 산업 매니저, 매스웍스

최신 풍력발전 시스템에서 무효전력(reactive power) 지원 장치를 위한 최적의 위치, 용량 및 운영 프로파일을 결정하는 것은 복잡한 엔지니어링 과제다. 더구나 Type Ⅲ 및 Type Ⅳ 풍력 터빈의 경우, 전력 전자 컨버터를 통해 설계 변수가 추가되어 더욱 복잡해진다. 이 글은 모델링과 시뮬레이션이 어떻게 무효전력 지원 요구사항에 대한 설계 변수 평가와 엔지니어링 상충관계 연구를 위한 필수 도구를 제공하는지 설명한다. 네트워크에 대한 물리적 모델링과 각 터빈 및 컨버터에 대한 룩업 테이블을 통해 수백 개의 윈드 터빈과 컨버터 모델을 포함한 대규모 풍력발전 시스템을 시뮬레이션할 수 있다. 엔지니어 팀은 병렬 컴퓨팅으로 다수의 시뮬레이션을 실행하여 무효전력 지원 용량 및 운영에 대한 신뢰 구간을 측정할 수 있다. 이 글에서는 또한 최적화 기술을 사용하여 추가적인 무효전력 지원 기능이 필요한 경우, FACTS
(Flexible AC Transmission Systems) 장치의 용량과 위치를 결정하는 방법도 설명한다.

모델링 요구사항
장비 규모와 위치 요구사항 조사를 위한 프로젝트 설정의 첫 번째 단계는 모델 정확도 요구사항을 결정하는 것이다. 장비 등급과 운영 요구사항에 대한 통찰력을 얻으려면, 연구 결과에 대한 통계적 신뢰성을 위해 수천 번의 시뮬레이션이 필요하다. 모델이 단순할수록 시간 효율적인 실행이 가능하다.
이 경우, 효과적으로 연구를 수행하는 데 필요한 정보를 포함한 가장 단순한 모델 구조는 전기 네트워크의 물리적 구성요소에 대한 정상 페이저(Positive Sequence Phasor) 시뮬레이션을 풍력 터빈의 데이터 기반(data-driven) 물리 모델과 결합하는 모델이다.
풍속을 입력으로 하고 유효전력과 무효전력을 출력으로 하는 룩업 테이블로서 풍력 터빈을 모델링할 수 있다. 실제 장비의 현장 실측 또는 풍력발전 시스템에서 사용되는 개별 풍력 터빈 대표의 상세한 시뮬레이션(다양한 풍속 입력 범위에 대한 시뮬레이션)을 통해 룩업 테이블을 위한 데이터를 얻을 수 있다. 그림 1은 풍속 범위에 대한 무효 기준 전력함수로서 무효전력 출력 그래프를 보여준다.
시스템의 용량 제한에 도달하여 포화가 발생한 것을 알 수 있다. 이 데이터는 상세한 Type Ⅲ 풍력 터빈 시뮬레이션에서 생성된 것이다. 이 모델링 구조는 연구의 일부로 고려되는 무효전력 장치와 감독 시스템을 위한 피드백 제어 시스템을 포함할 수 있는 충분한 유연성을 제공한다.
이 모델링 패러다임은 수백 개의 개별 터빈을 포함하는 대규모 풍력 발전 시스템 모델을 즉시 구성할 수 있고 짧은 시간에 여러 시뮬레이션을 실행할 수 있다.



Monte Carlo 시뮬레이션
풍력 발전은 가변적이기 때문에 시스템의 운영 요구사항에 대한 통계적 통찰력을 확보하려면 다양한 바람 프로파일 조건에 대한 시뮬레이션을 필요로 한다. 병렬 컴퓨팅을 이용하면 하나의 코어에서 하나의 시뮬레이션 모델을 실행하는 대신, 여러 코어에서 여러 시뮬레이션을 수행하여 다양한 프로파일을 더욱 효율적으로 시뮬레이션할 수 있다. Monte Carlo 시뮬레이션은 주어진 무효전력 용량이 운영 요구사항을 충분히 충족한다는 통계 신뢰성을 결정하는 것을 목표로 한다.
그림 2는 두 개의 예제 풍력 발전 시스템 시나리오에서 이용 가능한 무효전력 용량을 보여주는 히스토그램이다. 첫 번째 시나리오는 풍력발전 시스템 전반의 풍속이 상대적으로 높아 그리드 POC(Point-of-Connection)에서 역률(power factor) 제어를 지원하기 위한 가용 무효전력 용량의 부하가 늘어나는 경우다. 두 번째 시나리오는 풍력발전 시스템 전반의 풍속이 첫 번째 시나리오보다 낮아 가용 무효전력 용량이 더 높은 경우다. 그림 2는 각 시나리오의 최소 가용 무효전력 용량에 대한 95%의 신뢰성을 보여준다. 이와 같은 통계적 연구는 운영 요구사항 충족을 위한 충분한 무효전력 용량을 갖는 것과 관계된 신뢰구간 정보를 제공한다.

장치 위치 및 크기 최적화
풍력 발전 단지의 각 풍력 터빈의 유효전력 및 무효전력 출력은 서로 다르기 때문에 최적의 무효전력 지원 장치 위치는 POC가 아닐 수 있다. 이 섹션에서는 그림 3에서와 같이 피더(feeder)를 따라 가장 적합한 무효전력 지원 디바이스의 위치를 하는 최적화 문제를 공식화하고자 한다. 이러한 최적화는 피더를 따라 최적의 무효전력 지원 디바이스 고정 위치를 결정할 뿐 아니라 정의된 전압 프로파일 달성을 위한 무효전력 요구사항을 최소화하기 위한 것이다.
먼저 장치의 위치를 변경하기 위해 모델링 구조를 개발해야 한다. 한 가지 접근방법은 거리 함수를 출력으로 하는 무효전력 지원 장치를 포함하는 여러 개의 세그먼트를 고려하는 것이다. 그림 4는 이처럼 거리를 기준으로 한 무효전력 출력을 갖는 세그먼트의 예다. 그림 3은 유닛별로 0.75의 효과적인 위치를 제시한다.
피더 모델에 세그먼트를 추가하면 연구의 해상도가 향상된다. 해당 연구에 필요한 세그먼트 수는 엔지니어링에 의해 결정된다.
그 후 최적화 문제를 공식화하여 성능 기준 충족을 위한 위치와 무효전력 출력을 선택할 수 있다. 이 글에서 선택한 성능 기준은 피더에서 전압 프로파일이 주어진 운영 조건에서 특정한 범위 내에서 유지될 수 있는지 결정하기 위한 것이다.
그림 5는 피더를 따라 성공적으로 전압 프로파일을 바운딩한 이러한 최적화의 결과를 보여준다. 해당 예시는 거리 효과를 에뮬레이션 하기 위해 20개의 세그먼트를 사용하고 있다.

결론
이 글에서는 풍력발전 시스템의 안정적인 운영을 위한 무효전력 요구사항 평가를 위한 모델링 요구 사항을 살펴봤다. 네트워크의 정상 페이저 표현과 데이터 기반 풍력 터빈 플랜트 모델을 결합하는 복잡도가 낮은 모델을 통해 필요한 용량을 결정하기 위한 연구를 수행할 수 있다. 이 단순한 모델 구조를 이용하면 연구에 필요한 정보를 유지함과 동시에 여러 시뮬레이션을 신속하게 수행할 수 있다. 여기에 멀티코어를 이용한 병렬 컴퓨팅으로 연구에 필요한 다수의 운영 프로파일을 배포하여 더욱 속도를 높인다. 최적화 기술을 사용해 보조 무효전력 지원 디바이스를 위한 최적의 위치와 등급을 결정할 수 있도록 구성요소 위치의 효과를 에뮬레이션할 수 있는 모델 구조가 제공된다.