FACTS 컨트롤러와 장치의 분류와 유형은 무엇인가요
FACTS 제어장치의 전력 시스템과의 연결 유형에 따라 다음과 같이 분류됩니다.
직렬 연결 제어기
병렬 연결 제어기
결합된 직렬-직렬 제어기
결합된 병렬-직렬 제어기
직렬 연결 제어기
직렬 제어기는 보통 용량성 또는 감성 임피던스 장치를 사용하여 라인 전압과 직렬로 전압을 도입합니다. 주요 기능은 필요한 경우 가변적인 무효전력을 공급하거나 흡수하는 것입니다.
송전선이 과부하 상태일 때, 증가한 무효전력 요구는 직렬 제어기의 용량성 요소를 활성화함으로써 충족됩니다. 반대로 경부하 상태에서는 감소된 무효전력 요구로 인해 수신측 전압이 송신측 전압보다 상승할 때, 감성 요소가 사용되어 과도한 무효전력을 흡수하여 시스템을 안정화시킵니다.
대부분의 응용에서, 콘덴서는 라인 끝 근처에 설치되어 무효전력 요구를 보상합니다. 이러한 목적을 위한 일반적인 장치로는 Thyristor Controlled Series Capacitors (TCSC) 및 Static Synchronous Series Compensators (SSSC)가 있습니다. 직렬 연결 제어기의 기본 구성을 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
병렬 연결 제어기
병렬 연결 제어기는 접속 지점에서 전력 시스템에 전류를 주입하며, 이는 변동 가능한 임피던스, 예를 들어 콘덴서와 인덕터를 사용합니다. 원리는 직렬 제어기와 유사하지만 연결 방법이 다릅니다.
병렬 용량성 보상
콘덴서가 전력 시스템과 병렬로 연결될 때, 이를 병렬 용량성 보상이라고 합니다. 고감성 부하를 가진 송전선은 일반적으로 후진 전력인자로 작동합니다. 병렬 콘덴서는 소스 전압을 선도하는 전류를 유도하여 후진 부하를 상쇄하고 전체 전력인자를 개선합니다.
병렬 감성 보상
인덕터가 병렬로 연결될 때, 이를 병렬 감성 보상이라고 합니다. 이 방법은 송전망에서 덜 사용되지만, 매우 긴 라인에서는 중요하게 됩니다. 무부하, 경부하 또는 단절된 부하 조건에서 Ferranti 효과로 인해 수신측 전압이 송신측 전압을 초과합니다. 병렬 감성 보상기(예: 리액터)는 이 과도한 무효전력을 흡수하여 전압 상승을 완화합니다.
병렬 연결 제어기 시스템의 예로는 Static VAR Compensators (SVC) 및 Static Synchronous Compensators (STATCOM)가 있습니다.
결합된 직렬-직렬 제어기
다중 라인 송전 시스템에서 결합된 직렬-직렬 제어기는 독립적인 직렬 제어기를 조율하여 작업합니다. 이 구성은 각 라인에 대한 개별적인 직렬 무효전력 보상을 가능하게 하여 모든 회로에 맞춤형 지원을 제공합니다.
또한, 이러한 시스템은 전용 전력 링크를 통해 라인 간 실제 전력 전송을 촉진할 수 있습니다. 또는 컨버터의 DC 단자가 상호 연결되는 통합 제어기 설계를 채택할 수 있으며, 이는 직접적으로 송전선에 실제 전력을 전송할 수 있게 합니다. 이러한 시스템의 대표적인 예는 Interlink Power Flow Controller (IPFC)입니다.
결합된 병렬-직렬 제어기
이 종류의 제어기는 두 가지 기능적 구성 요소를 통합합니다: 시스템과 병렬로 전압을 주입하는 병렬 제어기와 라인과 직렬로 전류를 주입하는 직렬 제어기입니다. 중요한 점은, 이 두 구성 요소가 협력하여 전체 성능을 최적화한다는 것입니다. 이러한 시스템의 대표적인 예는 Unified Power Flow Controller (UPFC)입니다.
FACTS 장치의 유형
다양한 응용 프로그램 요구사항을 충족하기 위해 다양한 FACTS 장치가 개발되었습니다. 아래는 가장 일반적으로 사용되는 FACTS 제어기의 개요로, 기능 유형별로 분류되어 있습니다:
직렬 보상기:
병렬 보상기:
직렬-직렬 보상기:
직렬-병렬 보상기:
각 보상기에 대해 간략히 살펴보겠습니다:
Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC)
TCSC는 전력 시스템과 직렬로 용량성 반응을 도입합니다. 그 핵심 구조는 여러 콘덴서를 직렬-병렬로 구성한 콘덴서 뱅크와 thyristor 제어 리액터가 병렬로 연결되어 있습니다. 이 설계는 매끄럽고 가변적인 직렬 용량 조정을 가능하게 합니다.
thyristors는 발화 각도를 제어하여 시스템의 임피던스를 조절하며, 이는 전체 회로 임피던스를 조정합니다. TCSC의 단순화된 블록 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR)
TCSR는 매끄럽게 조정 가능한 감성 반응을 제공하는 직렬 보상기입니다. 그 설계는 TCSC와 유사하지만, 콘덴서가 리액터로 교체된다는 점이 다릅니다.
thyristor 발화 각도가 180°에 도달하면 리액터는 전도를 중단하고, 발화 각도가 180° 미만이면 전도를 시작합니다. Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR)의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC)
TSSC는 TCSR와 원리가 유사한 직렬 보상 기술이나, 운영 방식에 차이가 있습니다. TCSR는 thyristor 발화 각도를 조정하여 단계적으로 조절하는 반면, TSSC는 thyristor가 단순한 "켜짐/꺼짐" 모드로 작동하며 발화 각도 조정이 없습니다. 즉, 콘덴서는 라인에 완전히 연결되거나 완전히 분리됩니다.
이 간소화된 운영은 thyristor와 전체 제어기의 복잡성과 비용을 줄입니다. TSSC의 기본 다이어그램은 TCSC와 동일합니다.
Static Synchronous Series Compensator (SSSC)
SSSC는 전송 시스템에서 출력 전압을 제어하여 라인의 등가 임피던스를 조절하는 직렬 보상 장치입니다. 그 출력 전압은 라인 전류와 독립적이며, 이를 조정하여 라인의 효과적인 임피던스를 정밀하게 조절할 수 있습니다.
기능적으로, SSSC는 라인과 직렬로 연결된 정지형 동기 발전기와 같습니다. 그 주요 목적은 라인의 전압 강하를 조정하여 전력 흐름을 제어하는 것입니다. SSSC는 라인 전류와 90° 위상 차이를 가진 전압을 주입합니다: 주입 전압이 전류를 선도하면 용량성 보상을, 후행하면 감성 보상을 제공합니다. Static Synchronous Series Compensator의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Static VAR Compensator (SVC)
Static VAR Compensator (SVC)는 고정 콘덴서 뱅크와 thyristor 제어 리액터가 병렬로 연결되어 있습니다. thyristor의 발화 각도는 리액터의 작동을 조절하여 인덕터의 전압을 직접 제어하며, 따라서 리액터가 흡수하는 전력량을 제어합니다.
이 구성은 SVC가 무효전력 출력을 동적으로 조정하여 전송 시스템의 전압을 안정시키고 전력인자를 개선할 수 있게 합니다. Static VAR Compensator의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Static VAR Compensator (SVC) 응용
SVC는 전력 시스템 성능을 향상시키는 다목적 장치로, 주요 기능은 다음과 같습니다:
또한, 산업 환경에서도 무효전력 관리와 전력 품질 개선을 위해 널리 채택되고 있습니다. 아래는 가장 일반적인 SVC 구성의 개요입니다:
Thyristor Controlled Reactor (TCR)
TCR은 리액터와 thyristor 밸브가 직렬로 연결되어 있습니다. 특히, 두 개의 thyristor가 반대 방향으로 연결되어 있습니다. 이 thyristors는 AC 전원 공급의 각 반주기 동안 번갈아가며 전도하며, 제어 회로는 각 반주기마다 thyristors에 발화 펄스를 제공합니다.
thyristor 발화 각도는 시스템에 공급되는 후진 무효전력의 양을 결정합니다. TCR은 EHV (Extra High Voltage) 송전선에서 주로 사용되며, 경부하 또는 무부하 조건에서 무효전력 보상을 제공합니다. Thyristor Controlled Reactor의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Thyristor Switched Capacitor (TSC)
중부하 조건에서 무효전력 요구가 급증할 때, Thyristor Switched Capacitors (TSCs)는 이러한 증가된 요구를 충족하도록 설계되었습니다. 이러한 장치는 EHV 송전선에서 고부하 기간 동안 주로 배치됩니다.
TSC는 TCR과 유사한 구조적 원칙을 공유하지만, 중요한 구성 요소 교체가 있습니다: TCR의 리액터가 콘덴서로 교체됩니다. TCR과 마찬가지로, TSC는 thyristor 발화 각도를 조정하여 송전선에 공급되는 무효전력의 양을 조절합니다. Thyristor Switched Capacitor (TSC)의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Thyristor Switched Reactor (TSR)
TSR은 Thyristor Controlled Reactor (TCR)와 구조적으로 유사하지만, 운영 방식이 다릅니다: TCR은 thyristor 발화 각도를 조정하여 전류를 조절하는 반면 (위상 제어), TSR의 thyristors는 "켜짐/꺼짐" 모드로 작동하며 위상 제어가 없습니다. 즉, 리액터는 회로에 완전히 연결되거나 완전히 분리됩니다.발화 각도 조절의 부재로 인해 설계가 간소화되어 thyristor 비용이 줄고 스위칭 손실이 최소화됩니다. TSR의 기본 다이어그램은 TCR과 동일합니다.
Static Synchronous Compensator (STATCOM)
STATCOM은 전력 전자 기반의 전압 소스 변환기(VSC)로, 무효전력을 공급하거나 흡수하여 송전 시스템 성능을 조절합니다. 필요할 때는 유효전력 지원도 제공할 수 있습니다. 특히, 전력인자와 전압 조절이 불량한 송전선에서 효과적이며, 전력 시스템의 전압 안정성을 향상시키는 데 널리 사용됩니다.
STATCOM은 충전된 콘덴서를 DC 입력 소스로 사용하여, 전압 제어 인버터를 통해 세상 전압으로 변환합니다. 인버터 출력은 AC 전력 시스템과 동기화되며, 장치는 결합 변압기를 통해 송전선과 병렬로 연결됩니다. 인버터 출력을 조정하여 STATCOM이 공급하는 무효전력(및 유효전력)을 정밀하게 제어할 수 있습니다. STATCOM의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Interline Power Flow Controller (IPFC)
IPFC는 다중 라인 송전 시스템을 위한 보상 기법으로, 공통 DC 버스를 통해 연결된 여러 컨버터로 구성됩니다. 각 컨버터는 별도의 송전선에 연결됩니다.
이러한 컨버터의 주요 기능은 실제 전력 전송으로, 상호 연결된 라인 간 실제 전력과 무효전력을 균형있게 조절할 수 있습니다. 이러한 조율된 제어는 다중 라인 네트워크에서 전체 시스템 효율과 안정성을 향상시킵니다. IPFC의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.IPFC의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
Unified Power Flow Controller (UPFC)
UPFC는 STATCOM(Static Synchronous Compensator)과 SSSC(Static Synchronous Series Compensator)를 공유된 DC 전압 링크를 통해 통합하여 하나의 시스템으로 결합합니다. 이는 쌍의 3상 제어 가능한 브리지를 사용하여 전류를 생성하고, 결합 변압기를 통해 송전선에 주입합니다.
UPFC는 전력 시스템 성능의 여러 측면, 즉 전압 안정성, 전력 각도 안정성 및 시스템 감쇠를 향상시키는 데 뛰어납니다. 또한 송전선에서 실제(유효) 전력과 무효전력 흐름을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그러나 균형 잡힌 사인파 조건에서만 최적으로 작동하며, 이상적인 시스템 상태에서는 효과적으로 작동하지 않을 수 있습니다. 또한 UPFC는 전력 시스템 진동을 억제하고 일시적인 안정성을 개선합니다. Unified Power Flow Controller (UPFC)의 기본 다이어그램은 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.
