전류형 HVDC 시스템을 이용한 AC 계통의 저주파 전력 진동 감쇠 및 분석용 Python GUI 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In South Korea, the East Coast and Chungnam regions are interconnected to the metropolitan area by 765 kV and 345 kV AC transmission networks. In parallel, large-capacity Line-Commutated Converter (LCC) HVDC scheme links nearby generation clusters to major load centers. Currently, the Bukdangjin–Godeok HVDC is in commercial operation, while the Donghaean–Singapyeong and Donghaean–Dongseoul HVDC systems are under construction. Given this combined AC-DC configuration, inter-area low-frequency power oscillation modes are therefore likely to exist between the two regions.

To analyze these AC-system modes, Python-based code was developed to estimate modes from ringdown responses following AC faults. Using this approach, system modes around 0.48 Hz and 0.50 Hz were identified. In particular, a slowly damped inter-area mode with a frequency of 0.48 Hz and a damping ratio below 5 % was observed.

To mitigate this inter-area mode by leveraging nearby large-capacity LCC-HVDC, a low-frequency oscillation (LFO) damping controller for a current sourced HVDC was developed based on a conventional Power System Stabilizer (PSS) structure. For frequency-domain analysis and initial parameter derivation, an AC system model was formulated using the identified modal information and the generator swing equations. This was integrated with an approximated HVDC control model to represent the plant, from which an open-loop transfer function including the LFO damping controller was derived. Python scripts were then utilized to calculate and analyze the key controller parameters.

The performance of the LFO damping controller, initialized with these parameters, was evaluated through Phasor-Domain Transient (PDT) simulations. The damping effect was verified by comparing generator rotor angle oscillations between the East Coast and Chungnam regions, with and without the controller. Furthermore, to validate the controller performance with a detailed Electromagnetic Transient (EMT) framework, a PDT–EMT hybrid simulation environment was established. These studies collectively demonstrate the effectiveness of the HVDC-based LFO damping controller.

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 수도권을 중심으로 동해 지역과 충남 지역을 초고압 AC 송전시스템인 765 [kV] 및 345 [kV] 송전선로를 이용하여 연결하고 있으며 충남 지역에 발전단과 주요 부하지를 연결하는 대용량 전류형 HVDC 시스템인 북당진-고덕 HVDC 시스템이 현재 상업 운전 중이고 동해안-신가평 및 동해안-동서울 HVDC 시스템이 건설 중이다.
이로부터 두 지역의 발전기 군이 AC 및 DC로 연계되는 구성을 갖기 때문에 계통 구성에 따라 두 지역 간 발전기 군 사이에 저주파 전력 진동 현상인 Inter-area 모드가 존재할 수 있다. 이와 같은 사실을 주어진 계통 정보를 활용해 확인하기 위해 AC 계통의 고장 이후 링다운 현상을 분석해 계통의 모드를 추정하는 Python 코드를 작성하였다. 이후 작성된 Python 코드를 사용해 연구를 진행하였으며, 연구 결과로부터 0.48 [Hz] 및 0.5 [Hz] 등의 계통 모드를 확인했고 이중 AC 계통에서 0.48 [Hz]의 주파수를 가지고 5 [%] 미만의 감쇠율을 보이며 느리게 감쇠되는 Inter-area 모드를 검출하였다.
두 지역을 연결하는 초고압 선로 인근에 설치된 대용량 전류형 HVDC 시스템의 제어를 통해 Inter-area 모드 주파수 영역의 저주파 전력 진동을 감쇠시키기 위해 일반적인 전력계통안정화장치 모델을 기반으로 전류형 HVDC를 이용한 저주파 전력 진동 감쇠 제어기 모델을 구성하였다.
저주파 전력 진동 감쇠 제어기의 초기 파라미터 도출 및 주파수 영역에서 시스템을 해석하고자 전체 시스템의 개루프 전달함수 모델을 구성하였다. 이를 위해 AC 계통 모델은 AC 계통의 모드 정보 및 발전기 동요 방정식을 기반으로 구성했으며, HVDC 시스템을 근사화해 플랜트 모델을 구성하고 저주파 전력 진동 감쇠 제어기를 추가해 개루프 전달함수를 구성하였다.
추가적으로 저주파 전력 진동 감쇠 제어기의 초기 파라미터를 도출하고 개략적으로 검토하기 위한 Python 코드를 작성했으며 작성된 코드를 사용해 저주파 전력 진동 감쇠 제어기의 주요 파라미터를 산출 및 검토하였다.
또한, 산출된 파라미터를 적용해 저주파 전력 진동 감쇠 제어기를 구성하고 그 성능을 평가하기 위해 PDT(Phasor Domain Transient) 프로그램을 기반으로 연구를 진행했으며, 동해 지역 및 충남 지역 간 발전기 위상각 감쇠 정도를 비교해 제어기 유무에 따른 저주파 전력 진동 감쇠 효과를 나타내었다.
마지막으로 EMT 프로그램 기반의 상세 HVDC 모델을 사용한 저주파 전력 진동 감쇠 제어기의 성능을 평가하기 위해 PDT-EMT 하이브리드 시뮬레이션 환경을 구성하고 실제 계통 DB 및 HVDC 상세 모델을 활용한 연구를 통해 0.48 [Hz] 주파수 및 약 3.5 [%]의 감쇠율을 갖는 동해 지역 및 충남 지역의 저주파 전력 진동이 HVDC의 저주파 전력 진동 제어기를 사용하면 감쇠율이 6 [%] 이상으로 개선됨을 확인하였고, 이를 통해 Python 코드를 사용해 추정한 모드 파라미터의 저주파 전력 진동 제어기 설계 적합성 및 제어기 성능을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1. 연구의 필요성 및 기존 연구 1
• 1.2. 연구의 목적 및 내용 5
• 1.3. 논문의 구성 8
• 1.4. 연구 기여 9
• 제2장 저주파 전력 진동 10
• 2.1. 전력계통의 주요 저주파 전력 진동 모드 11
• 2.2. 유효전력-위상각 특성과 동요 방정식(Swing Equation) 12
• 가. 단일기 무한 모선 모델 기반 유효전력-위상각() 관계 12
• 나. 동요 방정식의 기본형 14
• 다. 동요 방정식의 선형화 15
• 2.3. 다기 계통(Multi-Machine System) 모드 해석 모델 16
• 2.4. 복소 고윳값, 모드 주파수 및 감쇠비 17
• 가. 복소 고윳값과 모드 주파수 18
• 나. 감쇠비의 정의와 물리적 의미 19
• 다. 저주파 전력 진동에 대한 감쇠 기준 20
• 2.5. 저주파 전력 진동 발생 원리 20
• 2.6. 저주파 전력 진동 해석 방법 21
• 2.7. 시간 영역 해석과 모드 식별 22
• 제3장 전류형 HVDC 시스템 개요. 24
• 3.1. HVDC 시스템을 이용한 전력계통 연계 24
• 3.2. 전류형 HVDC 시스템과 전압형 HVDC 시스템 26
• 3.3. 바이폴 기반 전류형 HVDC 시스템 설비 구성 32
• 3.4. 전류형 HVDC의 12 펄스 정류회로 구성 및 AC/DC 변환 34
• 3.5. 전류형 HVDC의 점호각 제어에 따른 무효전력 소비 및 보상 37
• 3.6. 전류형 HVDC의 점호각 제어에 따른 DC 전압 및 전력 제어 40
• 제4장 전력계통 구성 및 저주파 전력 진동 모드 45
• 4.1. 우리나라 전력계통 구성 및 대용량 전류형 HVDC 시스템 45
• 4.2. 우리나라 전력계통 구성 및 저주파 전력 진동 모드 47
• 4.3. AC 계통의 링다운 현상 분석을 통한 전력계통 모드 검토 48
• 제5장 저주파 전력 진동 감쇠 제어기 모델 구축 및 설계 60
• 5.1. 전류형 HVDC 시스템을 이용한 저주파 전력 진동 감쇠 제어 모델 구축 61
• 5.2. 제어시스템 전달함수 구성 및 제어 파라미터 설계 63
• 가. AC 계통 모드 및 동요 방정식 기반 AC 계통 모델 구성 64
• 나. 전류형 HVDC의 제어 특성 기반 HVDC 모델 구성 66
• 다. 제어시스템의 개루프 전달함수 구성 및 파라미터 설계 67
• 제6장 저주파 전력 진동 감쇠 제어기 성능 평가 74
• 6.1. PDT 시뮬레이션 기반 제어기 성능 평가 74
• 6.2. PDT-EMT 하이브리드 시뮬레이션 기반 제어기 성능 평가 79
• 제7장 결 론 89
• 참 고 문 헌 91
• [부록 1] AC 계통의 링다운 현상 분석을 위한 Python 코드 96
• [부록 2] 저주파 전력 진동 감쇠 제어기의 파라미터 초기값 구성을 위한 Python 코드 144
• ABSTRACT 175