2.1 블랙스타트 개요

계통의 예상치 못한 사고나 외란에 의해 계통 운영자들이 광역 계통 보호를 위해 일부 계통을 분리하는 등의 행동을 취함으로써 정전이 발생하게 된다. 정전 상황에서 전력을 복구하는 절차를 블랙스타트라고 한다. 블랙스타트가 시작되면 자체기동발전기를 시동운전하여 시송전선로를 가압한 뒤 우선공급발전기를 기동한다. 이후 우선공급부하를 살리고 공급발전기를 기동하여 주변 부하들을 복구한다. 지역에 대해 복구가 완료되었으면 지역 간 계통연계를 통해 전체적인 계통복구를 완료하게 된다. 이러한 일련의 과정을 통해 계통의 전력을 복구하게 된다.

2.2 블랙스타트 그리드 코드

블랙스타트 과정에서 계통 전압 및 주파수를 1P.U를 근처를 최대한 유지하여 안정적인 복구절차가 되도록 하는 것이 중요하다. 블랙스타트 과정은 계통이 불안정한 상황이기에 기준치를 크게 벗어나지 않도록 조절하면서 복구를 진행하는 것이 중요한데, 복구 절차 중에 계통이 불안정하여 전압이나 주파수가 일정 범위를 벗어날 경우 계통 복구가 실패할 수 있다. 미국의 MISO의 경우 블랙스타트 시 조속기의 Droop은 독립운전 중에 0~5%를 유지해야 하며 발전기 단자전압 유지 범위는 0.9P.U ~ 1.1P.U, 주파수 유지 범위는 59.5Hz~61.0Hz를 제시하고 있다. 국내 블랙스타트 코드는 전압 제어 기준으로는 복구 중에 0.9P.U ~ 1.05P.U 사이를 유지하면서 진행되어야 하며 부하 복구 기준에서 주파수는 60Hz를 유지하기 위해 59.75Hz ~ 61Hz 사이를 유지하면서 발전원들과 부하들이 투입되어야 한다.⁽⁸⁾

2.3 계통 상태를 반영한 블랙스타트 변화 필요성

미래 계통의 경우 신재생에너지원의 투입에 따라 분산형 형태의 계통망으로 변할 것이다. 오래된 기존 발전 설비는 폐쇄되며 기존 전력망과는 큰 변화를 겪게 될 것이다. 신 전력설비인 IBR자원, ESS 등이 계통에 투입됨에 따라 계통은 복잡해지고 취약해질 것이다. 이에 기존 동기발전기만을 가지고 블랙스타트를 수행하던 절차에서 나아가 미래 계통에서는 IBR들을 활용한 블랙스타트 역시 필요하게 되며 안정적인 계통 복구에 있어 GFM의 역할이 매우 중요할 것이다.

3.1 IBR 자원들을 활용한 블랙스타트 계통 및 시나리오

인버터 자원들이 투입된 블랙스타트 계통망은 그림 1과 같이 IEEE 9 모선 시스템을 기반으로 구성하였다.⁽⁹⁾ 계통망 내에는 양수발전기, 동기발전기, GFL, GFM, 기동 부하, 중요부하 그리고 일반부하로 구성되어있다. 초기 정전압/정주파수 자원을 투입한 뒤 기동 부하를 투입하여 이후 복구과정을 진행한다.⁽¹⁰⁾

3.2 IBR 타입에 따른 블랙스타트 영향 비교(GFL, GFM)

IBR과 양수발전기 협조 블랙스타트 과정에서 GFL의 발전자원의 투입하였을 때 계통 복구 기여에 제한이 존재한다. GFL의 경우 독립적인 운전이 어렵고 PLL을 이용해 계통의 정보를 받아 추종하는 방식이다. 그림 2과 같이 PLL을 사용하여 계통의 전압과 주파수를 추종하게 된다. 이로 인해 계통의 조건에 영향을 받으며 불안정한 계통의 경우 블랙스타트 진행에 어려움이 있다. GFL은 양수발전기 이후에 인버터 자원으로서의 빠른 투입이 가능하지만 추가적인 안정적인 정전압, 정주파수 자원이 있어야 안정적인 운영이 가능하다.⁽¹¹⁾

GFM은 그림 3와 같이 PLL이 없이 계통에 데이터에 의해 식(3), 식(4)에 의해 전압과 주파수를 형성하게 된다. 이에 계통의 관성이 낮더라도 정전압, 정주파수 자원으로의 역할을 하여 안정적인 투입과 운영을 할 수 있다.⁽¹²⁾ 심지어 양수발전기 유무에 상관없이 이후 투입될 발전기와 부하에 대하여 대응할 수도 있다. 이를 통해 빠른 인버터 자원으로서의 투입과 계통 안정화 기능을 통해 안정적인 복구에 기여할 수 있다.

3.3 IBR-블랙스타트 결과

양수발전기와 IBR 자원인 GFL 및 GFM 자원의 협조 블랙스타트를 진행하였다. 양수발전기를 투입한 뒤 기동 부하를 투입하고 이후 투입될 IBR자원들의 자원 종류에 따른 블랙스타트 결과를 분석하였다. IBR 협조 블랙스타트 시나리오는 표 3과 같다. IBR 자원을 투입한 뒤 동기발전기를 투입하여 양수발전기를 정지시킨다. 양수발전기의 정전압/정주파수 역할을 동기발전기가 대체하게 되고 이후 중요부하와 신재생에너지원(GFL)을 투입하여 일반부하를 수용함으로써 블랙스타트를 종료하게 된다.

양수발전기를 활용한 IBR 협조 블랙스타트의 결과는 그림 4와 그림 5에 나타난다. GFL을 활용한 협조 블랙스타트와 GFM을 활용한 협조 블랙스타트의 경우 모두 안정적인 블랙스타트가 가능함을 확인하였다. 또한, GFM의 경우 전압 및 주파수 안정화 기여를 통해 GFL보다 전압과 주파수 변동이 적은 결과를 확인하였다. 표 4를 통해 GFL과 GFM 연결을 통해 주파수 최저점을 확인할 수 있다. 1초에 두 가지 타입의 인버터가 투입될 때 가장 큰 차이가 발생하며 2초에 동기발전기가 투입됨

에 따라 추후 시퀀스에서는 GFM이 비교적 우수하나 두 가지 케이스 모두 전압과 주파수가 안정적인 범위 내에서 유지됨에 따라 블랙스타트를 지속할 수 있었다.

4.1 계통 비동기화 및 동기화 비교 분석

계통 초기에 양수발전기가 투입된 상태에서 GFM을 투입할 수 있는 계통 환경을 구축하였다. 동기화 유무에 따른 결괏값을 확인하기 위해 그림 1과 같이 구성하였다. GFM의 투입되는 시점의 위상각에 차이에 따른 과도 상황들을 분석하며 안정적인 투입을 하기 위한 전략을 검토하였다. 또한, 위상각 차이에 따라 투입될 수 있는 발전자원들의 한계치를 검토하였으며 동기화에 따른 투입용량 한계 증가를 확인하였다.

4.2 블랙스타트 Grid-Synchronization 제어

기존 블랙스타트 과정에서 양수발전기를 투입한 뒤 IBR 자원들을 투입하게 된다. 이때 IBR과 계통과의 위상각 차이로 인한 투입 시 과도현상이 발생하게 되어 투입 용량을 제한을 가지게 된다. 일반적인 계통 동기화시에는 동기검정장치 등을 사용하여 양단의 전압, 주파수, 위상각이 일정 수치 이내시 연결을 시도한다. 또한, 한 번에 큰 전력의 투입으로 인한 과도 전압 및 전류의 차이를 줄이기 위해 주입량을 천천히 늘리는 소프트 스타트 기법이 필요하게 된다. 하지만, 본 논문에서 제안하는 기법은 이를 해결하고자 Grid-Synchronization 제어 알고리즘을 GFM 제어기에 적용하여 별도의 보조장치 없이 즉시 동기화가 가능하게 할 수 있다. 동기화 유무에 따른 블랙스타트 전략을 검토하였다.⁽¹³⁾

4.3 GFM 인버터 Grid-Synchronization 제어

초기 블랙스타트 과정에서 양수발전기 이후 GFM을 투입 시 계통 내에 과도전압 및 과전류와 같은 외란이 발생한다. 계통 내에 계통 전압과 연결하려는 GFM의 전압 사이의 위상차가 존재하게 된다. GFM 투입 전에 GFM 측 전압각과 계통 전압각의 차이를 0에 수렴하게 그림 6에 나타낸 동기화 제어 과정을 선행한 뒤 투입하게 된다.⁽¹⁴⁾ 이 때, 보조적인 PLL을 사용하여 계통 측 전압 위상 정보를 받아 GFM의 수정된 제어 방법인 Grid-Synchronization에서 사용하여 안정적으로 동기화를 진행하게 된다.⁽¹⁵⁾ 보조적인 PLL을 사용하여 동기화 과정에서 위상각을 찾는 역할을 한 뒤 투입 이후 PLL의 제어는 차단되어 원래의 GFM 모드로 돌아가게 된다.

4.4 Grid-Synchronization 시뮬레이션 결과

실제 전력계통 운영 상에서는 동기화가 되기 전에 설비를 투입하는 일은 없으나 제안한 기법의 효과를 보이기 위해 양수발전기 이후 GFM 투입 시 비동기화 및 동기화 상태에서의 주파수 안정도 연구를 진행하였다. 이때 위상각 차이 0°~90° 사이에서 GFM 투입에 따른 주파수 결과를 분석하였다. 위상각들 차이에 따라 59.75Hz를 만족하는 투입 가능한 용량들을 산정해보고 Grid-Synchronization을 진행하였을 때 얼마나 안정적으로 투입이 가능한지 경향성 연구를 진행하였다.

그림 7은 GFM 용량 30MVA을 투입하여 0°~90°의 위상각들에 따른 투입 시 주파수 결과값 그래프이다. 계통 측 전압 위상각과 GFM 인버터의 전압 위상각 사이에서 90°에서 가장 큰 전압 차이가 나게 되며 이때 가장 큰 주파수 외란이 발생하게 된다. 계통 투입 시 위상차를 고려하여 투입하는 방안을 모색해야 하며 위상각 차를 줄여 가장 안정적인 0°에 수렴할 수 있도록 해야 한다.

그림 8은 비동기화 상태인 위상각 60°에서 투입 시 전압 그래프이다. 계통 측 전압과 인버터 측 전압 사이에 위상각이 차이가 존재하여 투입 시 전압이 과도상태가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 투입될 수 있는 GFM 용량은 제한되게 된다.

그림 9는 계통 측과 인버터 간에 위상각 60°에서 GFM을 투입할 때 GFM의 투입용량에 따른 주파수 결과를 나타낸 그래프이다. 투입 시 GFM의 용량이 클수록 더 큰 주파수 외란이 발생한다. 해당 위상각을 기준으로 투입 용량이 클수록 과도 전압과 과도 전류가 크게 흘러 복구과정을 더욱더 불안정하게 만들기 때문에 투입 시 위상에 따른 용량이 산정되어야 한다. 해당 시뮬레이션의 경우 59.75Hz를 만족하는 용량 확인을 통해 적절한 투입용량을 파악할 수 있었다.

그림 10은 계통에 GFM 투입 전에 Grid-Synchronization을 진행하여 계통 측 위상각과 인버터 단의 위상각의 차이를 0에 수렴시킨 뒤 계통에 투입했을 때 전압 그래프이다. 동기화 과정을 거친 뒤에 투입 시 과도 전압이 거의 없이 안정적으로 투입이 가능한 것을 확인하였다.

그림 11은 GFM에 Grid-Synchronization 제어를 적용하여 인버터를 투입하였을 때 투입 용량에 따른 주파수 그래프이다. 동기화 제어를 적용함에 따라 그림 11과 비교하여 확연하게 투입 가능한 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 동기화에 따라 과도 상황이 줄어들어 동일한 주파수 상하한 범위에 대해 투입할 수 있는 용량의 제약이 늘어날 수 있음을 알 수 있다.

그림 12는 동기화 및 비동기화 여부에 따라 발생하는 과도 상황 주파수 결과이다. 비동기화 케이스는 가장 극단적인 케이스인 위상각 90° 차를 생성하였고 이러한 상황에서 GFM을 투입할 경우 주파수 59.75Hz를 만족할 수 있는 투입용량 18MVA의 그래프이다. 동일한 투입 조건에서 Grid-Synchronization 제어가 적용되었을 때 주파수 진동폭이 감소하며 안정적으로 발전원 투입이 가능한 것을 확인하였다.