전체 주기 과도 안정성 향상을 위한 동시 연계 발전기와 재생에너지 LVRT 스위칭 상호작용 분석

** 본 논문은 동기발전기(SG)와 그리드‑팔로잉 재생에너지(GFLR)가 동일한 변전소에 병렬 연결된 상황에서, 전압·전류 상호작용이 LVRT(Low‑Voltage Ride‑Through) 제어 스위칭을 유발하고 이는 SG의 전각 진동과 연계되어 전체 주기 과도 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다. 1. **연구 배경 및 문제 정의** 기존 연구는 SG와 GFLR의 결합이 1차 스윙 안정성에 미치는 영향을 주로 다루었으며, LVRT 제어가 전압 변동을 일으키는 메커니즘을 충분히 고려하지 못했다. 특히, 대규모 풍·태양광 연계로 인한 저전압 상황에서 GFLR의 LVRT 스위칭이 반복적으로 발생하면, 전압·전류 파형이 주기적으로 변동하고 이는 SG 전각에 피드백 루프를 형성한다는 점이 간과되었다. 2. **시스템 모델링** - 전력 시스템은 SG와 GFLR이 PCC에서 병렬 연결된 형태로 모델링하고, 각 요소는 복소 전도 Y_s, Y_w, Y_g 로 표현한다. - GFLR의 그리드‑사이드 컨버터(GSC)는 고대역폭 내부 전류 루프와 PLL, 그리고 저대역폭 외부 전력 제어 루프를 갖는다. SG 전각 동역학에 비해 GSC 제어는 거의 정적이라고 가정하고, GSC를 전류원으로 모델링한다. - LVRT 작동 시 전류 제한은 두 가지 방식으로 구현한다. (1) 원형 제한: 전류 벡터 크기를 I_max 이하로 유지하면서 활성 전류를 최대화한다. (2) 직사각형 제한: 활성 전류를 고정값 i_ref_d,lim 으로 제한하고, 복구 단계에서 선형적으로 회복한다. 3. **LVRT 스위칭 메커니즘 분석** - SG 전각 δ가 증가하면 PCC 전압 U_w 가 감소하고, U_w 가 LVRT 활성화 임계치 U_in 보다 낮아지면 LVRT가 작동한다. - LVRT 작동 시 GFLR는 급격히 반응 전류 i_q 를 증가시키고 i_d 를 감소시켜 U_w 를 다시 상승시킨다. 이때 U_w 가 U_out 을 초과하면 LVRT가 해제된다. - 전각이 최대값 δ_m 에 도달하기 전까지 이 과정이 반복될 수 있으며, 전압·전류 변동이 SG에 주기적인 전력 교란 ΔP_w 을 가한다. 4. **에너지 기반 안정성 분석** - SG 전력 방정식을 기반으로 전각 δ와 속도 ω에 대한 동역학을 도출하고, 전력 교란 ΔP_w 을 외부 입력으로 모델링한다. - 원형 제한에서는 LVRT 작동 시 전류 벡터가 원형 경로를 따라 움직이며, 전력 교란이 급격히 증가해 1차 스윙 단계에서 에너지 초과가 발생한다. 이를 “원형 제한 임계 에너지 E_circ”로 정의하고, J, D, α, β 등 시스템 파라미터와 연계된 식을 제시한다. - 직사각형 제한에서는 LVRT 복구 단계에서 전류가 서서히 회복되므로, 1차 스윙에서는 비교적 안정하지만 복구 속도 v_d 가 느릴 경우 다중 스윙 동안 누적된 에너지 변화가 “직사각형 제한 임계 에너지 E_rect”를 초과한다. 이 경우 전각이 여러 사이클에 걸쳐 점차 증폭되어 다중 스윙 불안정이 발생한다. 5. **보조 제어기 설계** - 피드백 선형화 기법을 적용해 LVRT 복구 단계에서 GFLR 출력 전류 i_d, i_q 를 실시간으로 조정한다. - 제어기는 SG 전각 δ와 속도 ω를 측정하고, 목표 전력 P_ref 에 맞추어 전류 레퍼런스를 재계산한다. 비선형 시스템을 선형 형태로 변환해 고속 응답을 보장한다. - 제어 적용 시 전압 진동이 크게 감소하고, 전각이 원래의 안정 영역 내에서 감쇠하며, 다중 스윙 현상이 사라진다. 6. **시뮬레이션 및 실험 검증** - PSCAD 기반 전자기 과도 시뮬레이션에서 다양한 LVRT 깊이와 복구 속도 조건을 설정해 원형·직사각형 제한 각각에 대한 전각·전압 파형을 비교하였다. - CHIL(Controller‑Hardware‑in‑the‑Loop) 실험에서는 실제 컨버터 제어 보드와 실시간 시뮬레이터를 연결해 제안된 피드백 선형화 제어기의 실시간 성능을 검증하였다. 실험 결과, 제어기가 적용된 경우 전압 복구 시간이 평균 35 % 단축되고, 전각 진동이 40 % 감소하였다. 7. **결론 및 시사점** - SG와 GFLR 사이의 전압·전류 상호작용이 LVRT 스위칭을 유발하고, 이는 SG 전각에 주기적인 교란을 가해 전체 주기 과도 안정성을 저하시킬 수 있음을 밝혀냈다. - 원형·직사각형 LVRT 제한 각각이 1차 스윙·다중 스윙 불안정에 미치는 영향을 정량화한 보수적 임계 에너지 기준을 제공함으로써 설계 단계에서 LVRT 파라미터를 안전하게 설정할 수 있다. - 피드백 선형화 기반 보조 제어기는 LVRT 복구 단계에서 전류를 적절히 조절해 전압·전각 진동을 억제하고, 전체 주기 과도 안정성을 크게 향상시킨다. - 향후 연구에서는 다중 GFLR·SG 복합 시스템, 비선형 PLL 동역학, 그리고 고전압 직류(HVDC)와의 연계 효과를 확장 분석할 필요가 있다. **