반응력 보상 기술이란 무엇이며 그 최적화 전략과 중요성은 무엇인가?

1 반응력 보상 기술 개요
1.1 반응력 보상 기술의 역할

반응력 보상 기술은 전력 시스템과 전기 그리드에서 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 주로 전력 인자 개선, 송전 손실 감소, 전력 품질 향상, 그리고 그리드의 송전 용량과 안정성을 증가시키는 데 사용됩니다. 이를 통해 전력 장비가 더 안정적이고 신뢰성 있는 환경에서 작동하며, 그리드의 유효 전력 전송 능력도 향상됩니다.

1.2 반응력 보상 기술의 한계

广泛应用的无功补偿技术并不适用于所有应用场景。例如，在负载频繁变化的系统中，补偿设备的切换速度可能无法跟上快速的负载变化。这可能导致响应不足，从而引起电网电压波动不稳定。

在某些情况下，无功补偿设备可能会产生谐波电流和电压，这对整个电力系统和连接设备都有不利影响。因此，在设计和实施补偿方案时必须充分考虑谐波问题，并采取适当的抑制措施。

2 반응력 보상 최적화 전략

본 논문에서 제안하는 전력 커패시터 기반의 반응력 보상 기술은 완전한 보상 시스템 내에서 구현됩니다. 이 시스템은 주로 세 가지 구성 요소로 구성됩니다: S751e-JP 메인 컨트롤러, S751e-VAR 제어 보드(커패시터 스위칭 실행 유닛), 그리고 전력 커패시터 뱅크. 여기서 S751e-JP 메인 컨트롤러와 S751e-VAR 제어 보드는 마스터-슬레이브 관계로 작동합니다.

일반적인 운영 중에 S751e-VAR 제어 보드는 S751e-JP 메인 컨트롤러로부터 명령을 받고, 사전 그룹화된 전력 커패시터를 스위칭하기 위해 내부 복합 스위치를 제어합니다. S751e-JP 메인 컨트롤러는 전력 시스템의 실시간 운영 데이터를 수집하고 분석합니다. 내장 소프트웨어와 알고리즘을 사용하여 필요한 반응력 보상 양을 계산한 다음, 이를 S751e-VAR 제어 보드와 호환되는 신호로 변환합니다. 명령을 받은 후 제어 보드는 미리 설정된 로직에 따라 스위칭 작업을 수행하여 전력 시스템에 정확한 반응력 보상을 가능하게 합니다.

2.1 반응력 보상 장비의 설계 및 구성
2.1.1 전력 커패시터의 보상 용량

전력 커패시터의 보상 용량을 추정하는 데 일반적으로 간단한 계산 방법이 사용되지만, 실제로 적용할 때에는 이러한 방법이 특정한 한계를 가집니다. 따라서 본 논문에서는 보다 상세하고 정확한 알고리즘을 채택하여 필요한 보상량을 결정합니다. 먼저, 보상되지 않은 상태에서 시스템의 초기 전력 인자(cosφ)를 설정합니다.

$P$와 $Q$는 그리드가 만부하 상태에서 각각 활성 전력과 반응력 값입니다;
$\α$는 전력 시스템(또는 그리드)의 연간 평균 활성 부하율이며, 일반적으로 0.70부터 0.75 사이입니다;
$\β$는 전력 시스템(또는 그리드)의 연간 평균 반응력 부하율이며, 일반적으로 0.76으로 취급됩니다.

전력 시스템이 이미 정상적으로 운영되고 있는 경우, 과거 전력 소비 데이터를 이용하여 계산할 수 있습니다. 이 경우:

여기서:
W_m 는 전력 시스템의 월평균 활성 에너지 소비량입니다;
W_rm 는 전력 시스템의 월평균 반응력 에너지 소비량입니다.

위에서 언급한 목표 전력 인자를 기반으로, 전력 커패시터의 실제 보상 용량은 다음과 같은 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다:

2.1.2 전력 커패시터 뱅크의 연결 방법

전력 시스템의 일반적인 운영 중에, 전력 커패시터 뱅크는 두 가지 기본적인 연결 방법을 사용합니다: 델타(Δ) 연결과 Y(스타) 연결. 또한, 회로 내 스위칭 장치의 위치에 따라 내부 또는 외부 스위칭 구성으로 분류될 수도 있습니다.

델타 연결은 빠른 동시 3상 보상을 가능하게 하며, 선로 불균형 지속 시간을 줄이고 보상 효율을 향상시킵니다. 그러나 대체로 균형 잡힌 3상 부하를 가진 시스템에만 적합하며, 정확한 그리드 보상을 달성하기 어렵습니다.

Y 연결은 커패시터 뱅크의 각 상을 독립적이고 정확하게 보상할 수 있게 합니다. 그러나 한 상에서 저전압 또는 고전압이 발생할 수 있으며, 일반적으로 구현 비용이 더 높습니다.

따라서 본 논문에서는 두 연결 방법의 장점을 결합한 하이브리드 접근법을 제안합니다. 실제 부하 조건에 따라 커패시터 그룹의 수와 용량을 조정합니다.

2.1.3 전력 커패시터의 그룹화 구성

전력 커패시터의 그룹화 구성은 일반적으로 동일 용량과 서로 다른 용량의 구성이 있습니다.

동일 용량 그룹화에서는 전체 커패시터 뱅크를 동일한 용량의 그룹으로 나누며, 그룹의 수는 필요 용량에 따라 결정됩니다. 이 방법은 조립이 간단하고 스위칭 제어 로직이 직관적이지만, 그룹 수가 적고 개별 용량이 크므로 보상 단계가 거칠어져 정확한 보상을 어렵게 합니다. 자주 스위칭하면 장비의 마모가 가속화되어 유지보수 비용이 증가할 수 있습니다.

서로 다른 용량 그룹화에서는 예를 들어 1∶2∶4∶8의 비율에 따라 커패시터 용량을 분배합니다. 이 접근법은 보상 정확도와 유연성이 높아, 미세한 반응력 조절이 가능합니다. 그러나 시스템 설계와 제어 로직이 복잡해 확장성이 제한적입니다. 또한 작은 용량의 커패시터는 과도한 스위칭으로 인해 장기적인 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

종합적인 평가 후, 본 논문에서는 동일 용량 그룹화 방법을 채택합니다. 그러나 공통 보상 그룹의 용량은 분할 상 보상 그룹보다 약간 큽니다. 이 구성은 순환 스위칭 작업을 지원하며, 보상 정확도와 응답 속도를 향상시키고 제어 복잡성을 줄입니다. 또한 보상 주기를 단축하여 전반적인 효율성을 향상시킵니다.

2.2 반응력 보상 전략의 최적화

잘 설계된 반응력 보상 전략은 다양한 운영 조건에서 효과적인 보상을 보장합니다. 일반적인 시스템 운영 중에, 보상 시스템의 실시간 상태는 활성 및 반응력 등의 매개변수를 기준으로 스위칭-인 존, 안정 존, 스위칭-아웃 존 등으로 나눌 수 있습니다.

보상 전략의 최적화는 시스템 설계의 중요한 부분이며, 보상 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 전통적인 단일 매개변수 제어 전략은 한 변수만 집중하므로 복잡하거나 동적인 조건을 처리하기에는 부적절합니다. 이는 종종 과도한 보상이나 과도한 스위칭으로 이어져 운영 및 유지보수 비용을 증가시킵니다.

따라서 본 논문에서는 다중 매개변수 복합 제어 전략을 사용합니다. 하나의 매개변수는 주요 결정 기준으로 사용되며, 여러 다른 매개변수는 보조 요소로 사용됩니다. 시스템은 여러 매개변수를 동시에 평가하고, 포괄적인 계산을 수행하여 스위칭 요구사항을 결정하고, 그에 따라 스위칭 작업을 수행하여 제어 정확도와 안정성을 향상시킵니다.

2.3 보상 장비의 운용 및 유지보수

보상 장비의 안정성과 간섭 저항성을 향상시키기 위해 내장 소프트웨어 보호 시스템을 구현해야 합니다. 이를 통해 장비가 다양한 이상 조건에서도 정상적으로 작동하거나 안전하게 차단할 수 있도록 하여 운영의 신뢰성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

또한, 전문 기술자가 정기적으로 설치 조정 및 점검을 수행하여 장비 내 잠재적인 안전 위험을 식별하고 즉시 강화해야 합니다.

반응력 보상 시스템은 일반적으로 과전류, 과전압, 저전압 보호 등의 보호 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 보호 기능이 고장에 대해 올바르게 반응하도록 하기 위해서는 정기적인 작동 성능 테스트가 필요합니다. 또한, 과전류와 온도 보호를 구현하여 이상을 즉시 감지하고 고장 확대를 방지해야 합니다.