FACTS는 무엇이며 왜 전력 시스템에서 필요합니까
FACTS(유연한 교류 전송 시스템)는 정적인 장치를 사용하여 AC 전송 네트워크의 전력 전송 능력과 제어성을 향상시키는 전력 전자 기반 시스템을 의미합니다.
이러한 전력 전자 장치들은 전통적인 AC 그리드에 통합되어 다음과 같은 주요 성능 지표를 향상시킵니다:
전력 전자 스위치가 등장하기 전에는 반응 전력 불균형과 안정성 문제를 해결하기 위해 콘덴서, 리액터 또는 동기 발전기를 연결하는 기계식 스위치를 사용했습니다. 그러나 기계식 스위치는 응답 시간이 느리고 기계적 마모와 신뢰성이 떨어지는 등의 중요한 단점이 있어 전송선로의 제어성과 안정성 최적화에서 효과가 제한적이었습니다.
고전압 전력 전자 스위치(예: 트라이아코)의 개발은 FACTS 컨트롤러의 창출을 가능하게 하여 AC 그리드 관리를 혁신적으로 변화시켰습니다.
왜 전력 시스템에서 FACTS 장치가 필요할까요?
안정적인 전력 시스템에서는 발전과 수요 사이의 정확한 조정이 필요합니다. 전력 수요가 증가함에 따라 모든 네트워크 구성 요소의 효율성을 극대화하는 것이 필수적이고, FACTS 장치는 이러한 최적화에서 핵심적인 역할을 합니다.
전기는 세 가지 유형으로 분류됩니다: 활성 전력(최종 사용을 위한 유용한/진정한 전력), 반응 전력(부하 내의 에너지 저장 요소에 의해 발생), 그리고 표면 전력(활성 전력과 반응 전력의 벡터 합). 반응 전력은 유도 또는 축전으로 나누어져야 하며, 이를 제어하지 않으면 전송선로를 통해 흐르게 되어 네트워크의 활성 전력 전송 능력을 줄입니다.
따라서 (유도 및 축전 반응 전력을 공급하거나 흡수하여 균형을 맞추는) 보상 기법은 전력 품질을 향상시키고 전송 효율성을 높이는 데 중요합니다.
보상 기법의 종류
보상 기법은 장치가 전력 시스템에 어떻게 연결되는지에 따라 분류됩니다:
1. 직렬 보상
직렬 보상에서는 FACTS 장치가 전송 네트워크와 직렬로 연결됩니다. 이러한 장치는 일반적으로 가변 임피던스(예: 콘덴서 또는 인덕터)로 작동하며, 직렬 콘덴서가 가장 일반적입니다.
이 방법은 EHV(Extra High Voltage, 초고전압) 및 UHV(Ultra High Voltage, 초초고전압) 전송선로에서 널리 사용되어 전력 전송 능력을 크게 향상시킵니다.
보상 장치를 사용하지 않은 전송선로의 전력 전송 용량;
여기서,
V1 = 송신측 전압
V2 = 수신측 전압
XL = 전송선로의 유도 반응항
δ = V1 와 V2 사이의 위상각
P = 상당 전송 전력
이제, 전송선로에 직렬로 콘덴서를 연결합니다. 이 콘덴서의 축전 반응항은 XC입니다. 따라서 총 반응항은 XL-XC입니다. 따라서 보상 장치를 사용하면 전력 전송 용량은 다음과 같습니다;
k라는 요인은 보상 계수 또는 보상 정도라고 알려져 있습니다. 일반적으로 k 값은 0.4에서 0.7 사이에 위치합니다. k 값을 0.5라고 가정해봅시다.
따라서, 직렬 보상 장치를 사용하면 대략 50%의 전력 전송 용량을 증가시킬 수 있다는 것이 명백합니다. 직렬 콘덴서가 사용될 때, 전압과 전류 사이의 위상각(δ)은 보상되지 않은 선로보다 작습니다. 더 작은 δ 값은 시스템의 안정성을 향상시킵니다. 즉, 동일한 전력 전송량과 동일한 송신측 및 수신측 매개변수를 가질 때, 보상된 선로는 보상되지 않은 선로보다 훨씬 더 좋은 안정성을 제공합니다.
병렬 보상
고전압 전송선로에서 수신측 전압의 크기는 부하 상태에 따라 달라집니다. 고전압 전송선로에서 캐패시턴스는 중요한 역할을 합니다.
전송선로가 부하를 받을 때, 부하는 초기에 선로의 고유 캐패시턴스로부터 반응 전력을 공급받습니다. 그러나 부하가 SIL(Surge Impedance Loading, 서지 임피던스 부하)을 초과하면, 높아진 반응 전력 요구로 인해 수신측에서 큰 전압 강하가 발생합니다.
이를 해결하기 위해, 콘덴서 뱅크가 수신측에서 전송선로와 병렬로 연결됩니다. 이러한 뱅크는 필요한 추가적인 반응 전력을 공급하여 수신측의 전압 강하를 효과적으로 완화합니다.
선로의 캐패시턴스 증가는 수신측 전압을 높입니다.
전송선로가 경량 부하(즉, 부하가 SIL 미만)일 때, 반응 전력 요구는 선로의 캐패시턴스에 의해 생성되는 반응 전력보다 낮습니다. 이러한 경우, 수신측 전압은 송신측 전압보다 높아지며, 이 현상을 Ferranti 효과라고 합니다.
이를 방지하기 위해, 수신측에서 전송선로와 병렬로 셰인트 리액터가 연결됩니다. 이러한 리액터는 선로에서 과잉 반응 전력을 흡수하여 수신측 전압이 정격 값으로 유지되도록 합니다.
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