저관성 전력망에서 주파수 변동 후 전력 진동의 능동 감쇠

초록

재생에너지 비중이 높아진 저관성 전력계통에서 주파수 변동이 발생하면 대형 동기발전기의 전력 출력에 진동이 유발된다. 본 논문은 가스터빈 구동 동기발전기의 전압조정기와 내장형 전력계통 안정화기(PSS)인 IEEE PSS1A 모델을 이용해 전자기 토크 변조를 통한 진동 억제 성능을 분석한다. 선형·비선형 전이 상황에 대한 폐형 해석을 제시하고, MATLAB‑SimPowerSystems 시뮬레이션 결과와 비교하여 PSS의 적합성을 평가한다.

상세 분석

본 연구는 저관성 전력망에서 재생에너지 급증으로 인한 주파수 급변 상황이 대형 동기발전기의 전력 진동을 어떻게 촉발하는지를 이론적으로 규명한다. 먼저, 전통적인 터빈 토크 제어와 대비해 전자기 토크를 직접 조절하는 방법을 선택한 이유를 상세히 설명한다. 전자기 토크는 전압조정기(AVR)와 연계된 PSS가 제공하는 위상 보상 신호를 통해 실시간으로 변환되며, 이는 기계적 관성에 의존하지 않는 빠른 응답을 가능하게 한다.

IEEE PSS1A 모델은 입력으로 속도 신호와 전압 편차를 받아 위상 보상기, 고역통과 필터, 감쇠기, 제한기 등으로 구성된 블록을 거쳐 전압조정기에 삽입된다. 논문에서는 이 모델의 파라미터를 가스터빈 구동 500 MW 동기발전기에 맞추어 튜닝하고, 작은 신호(선형)와 큰 신호(비선형) 두 가지 경우에 대해 폐형 해석을 수행한다. 선형 해석에서는 라플라스 변환을 이용해 시스템 고유주파수와 감쇠비를 도출하고, PSS 이득이 증가할수록 감쇠비가 0.2에서 0.7 이상으로 향상되는 것을 확인한다. 비선형 해석에서는 상태공간 방정식에 비선형 토크 항을 포함시켜 수치적 해석을 진행했으며, 급격한 주파수 스텝 입력(±0.5 Hz) 후 전력 진동이 2~3초 내에 30 % 이하로 감소함을 보였다.

MATLAB‑SimPowerSystems 시뮬레이션에서는 동일한 시스템을 모델링하고, PSS가 없는 경우와 있는 경우를 비교하였다. PSS 미비 시 전력 진동이 57 s 동안 지속되고, 전압 강하와 동기발전기 전압 위상이 크게 변동한다. 반면 PSS 적용 시 진동은 12 s 내에 거의 소멸하고, 전압 복구 속도도 30 % 이상 빨라진다. 또한, 비선형 시뮬레이션에서 PSS 파라미터를 과도하게 높이면 과도 진동이 재발하는 현상이 관찰되어, 최적 이득 범위가 존재함을 시사한다.

핵심 인사이트는 다음과 같다. 첫째, 저관성 계통에서 전자기 토크 기반 PSS는 기계적 관성에 의존하지 않으므로 빠른 감쇠가 가능하다. 둘째, IEEE PSS1A 모델은 적절한 파라미터 튜닝을 통해 선형·비선형 모두에서 안정적인 감쇠를 제공한다. 셋째, 과도 이득이 과도하게 크면 비선형 효과에 의해 새로운 진동 모드가 유발될 수 있으므로, 실시간 주파수 감시와 적응형 이득 조정이 필요하다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과는 폐형 해석과 일치하여 모델링의 신뢰성을 입증한다.