Multi-Mass 기반 축진동을 고려한 풍력 터빈의 용량에 따른 LVRT 시 유효전력 회복 영향 분석|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, accelerated climate-change mitigation efforts and energy
transition policies worldwide have driven a rapid expansion of renewable energy
deployment, particularly solar and wind power. Among these, wind generation has
experienced a marked upscaling in unit capacity enabled by technological
advancements, and its role as a major electricity supply resource continues to
grow. As policy-driven demands to replace fossil-fuel-based generation and
reduce greenhouse-gas emissions intensify, the penetration of wind turbines in
power systems is expected to increase further.
However, wind turbines are predominantly connected to the grid through
power-electronic converters, which can reduce frequency stability and overall
system robustness compared with conventional synchronous-generator
dominated systems. This challenge is largely attributed to the limited inherent
inertia of converter-interfaced generation, which can prolong low-voltage
conditions following voltage disturbances and delay the recovery of active power
and system frequency. To address these issues, many countries have established
grid codes that specify minimum technical requirements for the interconnection
and continued operation of renewable energy resources. Nevertheless, because
interconnection requirements have been developed and updated rapidly in
response to the swift increase in renewable penetration, inconsistencies and
stakeholder conflicts may arise. In particular, applying uniform criteria to modern,
increasingly large wind turbines may result in inadequate active-power recovery
performance or failure to restore frequency to nominal values, potentially leading
to non-compliance and disconnection. Accordingly, there is a growing need to
develop differentiated active-power recovery requirements that explicitly account
for turbine rated power and drivetrain shaft length, reflecting the characteristics
of large-scale wind turbines and wind power plants.
In this study, torsional vibration phenomena in grid-connected wind turbine
systems are investigated. The wind-turbine drivetrain is modeled using a multi
mass representation, and the relationship between the inertia constants of the
lumped masses and the shaft stiffness parameters is examined. Furthermore, the
scaling characteristics of turbine parameters with respect to rated capacity and
shaft length are analyzed to propose active-power recovery characteristics that
are suitable for upscaled wind turbines. The proposed model is implemented using
PSCAD/EMTDC, and the validity of the simulation results is verified through
Python-based post-processing and analysis.

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국문 초록 (Abstract)

최근 몇 년간 전 세계적으로 기후 변화 대응과 에너지 전환 정책이 본격화되면서, 태양광 및 풍력을 중심으로 한 신재생에너지의 보급이 급속히 확대되고 있다. 이 중 풍력 발전은 기술 발전과 함께 단위 용량이 대형화되고 있으며, 주요 전력 공급원으로서의 역할이 점차 강화되고 있다. 특히 화석연료 기반의 전력 생산을 대체하고 온실가스 배출을 감축하기 위한 정책적 요구가 증가함에 따라, 향후 전력계통 내 풍력 발전기의 비중은 지속적으로 확대될 것으로 전망된다.
그러나 풍력 발전기는 인버터를 통해 계통에 연계되기 때문에, 기존의 동기발전기 기반 계통에 비해 주파수 안정성과 강건도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 이는 풍력 발전기가 관성을 거의 가지고 있지 않기 때문이며, 이로 인해 전압 강하가 발생했을 때 저전압 상태가 길어지고 유효전력 및 주파수 회복에도 더 많은 시간이 소요된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 각국에서는 신재생에너지 설비의 계통 연계를 위한 그리드 코드를 마련하고 있다. 신재생 발전원들이 계통에 연계되기 위한 최소 연계 유지 조건인 그리드 코드를 규정하여 신재생 발전원들이 안정적으로 동기 발전기를 대체하려 하고 있다, 그러나 계통에 급격하게 들어오고 있는 신재생 발전원들처럼 규정도 급격하게 만들어지고 있어 이해관계가 맞지 않는 부분도 발생한다. 최근 대형화되고 있는 풍력 터빈에 기존의 일률적인 기준을 적용할 경우, 유효전력 회복 속도가 제대로 유지되지 않거나 주파수가 정격값으로 복귀하지 못해 계통 연계에 실패할 수 있다. 따라서 대용량 풍력 터빈 및 풍력 발전 단지의 특성을 반영한, 용량과 축 길이에 따른 세분화된 유효전력 회복 특성 기준의 수립이 필요하다.
본 논문에서는 풍력 발전기가 연계된 계통에서의 축 진동 현상을 분석하고, 풍력 터빈의 구동축을 다중 질량체(Multi-Mass) 모델로 구성하여 질량체의 관성 계수와 축의 탄성 계수 간의 관계를 고찰하였다. 또한, 풍력 터빈의 용량 및 축 길이와 터빈의 파라미터의 관계에 대해서도 분석하여 터빈의 대형화에 따른 최적의 유효전력 회복 특성을 제안하였다, 전력계통 해석 소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 활용하여 해당 모델을 구현하였으며, Python 기반의 분석을 통해 모의 결과의 타당성을 검증하였다.

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최근 몇 년간 전 세계적으로 기후 변화 대응과 에너지 전환 정책이 본격화되면서, 태양광 및 풍력을 중심으로 한 신재생에너지의 보급이 급속히 확대되고 있다. 이 중 풍력 발전은 기술 발전...

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