그리드 형성형 다중레벨 컨버터 기반 E‑STATCOM의 내부 에너지 제어와 관성 응답 분리

초록

본 논문은 이중‑스타(DS‑MC) 구조를 갖는 E‑STATCOM에서 내부 에너지 조절을 교류 측 유효 전력 경로에 할당하고, 저장 장치의 직류 전력은 순수히 관성 응답에만 사용하도록 하는 제어 전략을 제안한다. 이를 통해 저장 장치의 불필요한 충·방전 사이클을 최소화하고, 저장 장치가 없을 때는 일반 STATCOM으로 전환 가능한 유연성을 제공한다. 제안 기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증된다.

상세 분석

이 논문은 저관성 전력계통에서 전압·주파수 변동을 완화하기 위한 E‑STATCOM의 역할을 재조명한다. 기존 DS‑MC 기반 E‑STATCOM은 내부 손실 보상을 위해 직류 측 전력을 이용해 총 내부 에너지를 조절했으며, 이 경우 저장 장치가 지속적으로 충·방전 사이클을 수행한다. 이러한 사이클은 저장 장치의 열적 스트레스와 수명 감소를 초래하고, 저장 장치가 고장이나 유지보수 중일 때는 STATCOM 모드 전환이 어려워 운용 유연성이 제한된다. 논문은 두 가지 제어 스키마를 비교한다. 스키마 I은 교류 측 유효 전력(액티브 파워) 경로를 이용해 내부 에너지를 조절하고, 스키마 II는 직류 전력을 이용한다. 스키마 I은 TEC와 APC가 동일한 전력 경로를 공유하므로 대역폭 분리가 필수적이며, TEC가 빠르게 동작하면 APC의 위상 여유가 감소해 시스템이 불안정해진다. 반면 APC를 과도하게 빠르게 설계하면 GFM(그리드‑포밍) 특성이 손상되어 관성 응답이 약화된다. 이러한 트레이드오프를 해결하기 위해 저자는 TEC를 전류원 형태로 구현하고, TEC 출력 전력을 교류 측 전류 기준값에 피드포워드한다. 이 방식은 TEC가 빠른 내부 에너지 조절을 수행하면서도 APC는 느린 대역폭으로 안정적으로 주파수·각도 제어를 유지하도록 만든다. 또한 관성 응답 전력은 별도의 전압원 형태로 모델링되어 직류 측 저장 장치가 관성 지원에만 전력을 공급하도록 한다. 제어 구조는 내부 에너지 조절(TEC), 관성 응답(APC), 무효 전력 제어(RPC), 가상 어드미턴스 기반 전류 제어, 그리고 서브모듈 전압 균형·순환 전류 제어를 포함한다. 실험에서는 슈퍼커패시터 기반 저장 장치를 사용해 저장 장치가 없을 때는 STATCOM 모드로, 저장 장치가 연결되면 관성 지원을 수행하는 모습을 확인하였다. 결과적으로 제안된 제어는 내부 에너지 조절 속도를 크게 향상시키면서도 시스템 안정성을 유지하고, 저장 장치 사이클을 최소화함으로써 장기 운용 비용을 절감한다는 점에서 실용적이다.