기기에서 전력망으로: Simulink와 FMI를 활용한 HVDC 연동 시뮬레이션

재생에너지로의 전환이 가속화됨에 따라 AC 전력망을 상호 연결하고 장거리에서 손실을 최소화하면서 효율적으로 전력을 전송하기 위한 HVDC(초고압 직류송전) 송전 시스템에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 유럽 연합의 자금 지원을 받아 10개국 14개 기관이 참여하는 HVDC-WISE 프로젝트는 하이브리드 AC/DC 송전 아키텍처의 시스템 신뢰성 및 복원력 분야에서 핵심적인 과제를 극복하는 것을 목표로 합니다. 이 프로젝트에 참여하는 엔지니어와 연구원들은 이러한 문제들을 해결하면서 재생에너지원의 통합을 용이하게 하는 HVDC 기반 전력망 구성을 파악하는 데 집중하고 있습니다.

HVDC 시스템 개발 및 구축에서 지속적인 어려움은 관련된 두 가지 주요 엔지니어링 영역에서 사용되는 도구 체계가 서로 다르다는 점에 있습니다. 장비 제조업체의 전력전자 엔지니어는 물론 전력망 운영업체 및 연구 기관의 전력 시스템 엔지니어들은 컨버터 및 에너지 저장 장치부터 완전한 계통 연계 구성에 이르기까지 광범위한 컴포넌트 및 시스템을 모델링, 시뮬레이션 및 검증하기 위해 MATLAB^® 및 Simulink^®를 점점 더 많이 활용하고 있습니다.

하지만 한 환경에서 개발된 서브시스템 모델을 다른 툴체인 내에서 사용해야 할 때, 예를 들어 참조 그리드 또는 벤치마크 네트워크가 MATLAB 및 Simulink 환경이 아닌 곳에서 모델링되는 인증 또는 통합 연구 중에 상호 운용성 문제가 종종 발생합니다. 이처럼 여러 도구 간에 모델을 변환하거나 복제해야 하는 필요성은 일반적으로 시간이 많이 소요되고 오류가 발생하기 쉽습니다.

이와 동시에 지적 재산권(IP) 보호는 여전히 중요한 관심사입니다. 제조업체들은 전력망 운영업체나 인증 기관과 협력할 때 상세한 구현 모델을 공유하는 것을 꺼리는 경우가 많습니다. 상호 운용성과 지적 재산권 문제를 모두 해결하기 위해 기능 모형 인터페이스(FMI)와 파라미터화 가능한 모델 교환을 기반으로 하는 워크플로가 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 이러한 워크플로를 통해 사용자는 Simulink 모델을 FMU(Functional Mock-up Unit)로 내보낼 수 있습니다. FMU는 모델의 컴파일된 코드는 포함하지만 원본의 보고 편집 가능한 모델은 포함하지 않는 표준화된 패키지입니다. FMU는 외부 시뮬레이션 환경과의 안전한 통합을 허용하면서 데이터의 충실도를 유지하거나, 필요한 경우 상호 운용성을 희생하지 않고 기밀성을 유지하는 블랙박스 모델을 제공합니다.

이 프로젝트의 요구사항을 충족하기 위해 HVDC-WISE 파트너인 University of Strathclyde 및 SuperGrid Institute의 팀은 FMI 표준을 사용하여 도메인 간 연동 시뮬레이션과 모델 교환을 통합함으로써 두 가지 문제를 모두 해결하는 새로운 워크플로를 개발했습니다. 워크플로에서 전력전자 엔지니어는 Simulink를 사용하여 평균값 모델, 전체 스위칭 모델 또는 그 중간 수준 등 애플리케이션에 필요한 정확도로 제어 시스템 설계를 모델링, 시뮬레이션 및 검증할 수 있습니다. 그런 다음 모델을 FMU 전력 조절기로 내보내는데, 이는 DIgSILENT PowerFactory와 같은 전력 시스템 시뮬레이션 환경을 사용하는 전력망 운영자의 시스템 엔지니어가 가져와서 전력망 계획 및 운영 연구에 활용할 수 있습니다(그림 1). 이러한 환경은 기존 그리드 모델, 데이터 및 검증 워크플로가 오랫동안 이러한 환경을 기반으로 구축되어 왔기 때문에 상호 운용성 및 인증 목적을 위해 지속적인 사용이 실질적인 요구사항이 되어 선택되는 경우가 많습니다.

다음 섹션에서는 이 워크플로를 사용하여 구현한 예시 활용 사례, 즉 HVDC 단말기에 직접 연결된 에너지 저장 시스템의 설계 및 시스템 수준 분석을 설명합니다.

에너지 저장 시스템의 모델링 및 시뮬레이션

ESS(에너지 저장 시스템)는 재생에너지 보급률이 높은 네트워크에서 필수적인 유연성과 안정성을 제공합니다. 본 애플리케이션을 위해 설계된 ESS는 직렬로 연결된 ES-SM(에너지 저장 서브모듈) 분기 및 분기 인덕터를 통해 HVDC 단자에 직접 연결됩니다. 각 ES-SM은 하프 브리지 서브모듈과 저장 요소(배터리 또는 슈퍼커패시터)를 결합하며, 이 요소들은 DC/DC 컨버터를 통해 연결됩니다(그림 2). 이 모듈형 아키텍처를 통해 ESS는 저장 장치의 전체 전압 범위에 걸쳐 HVDC 시스템으로부터 전력을 주입하거나 흡수할 수 있습니다.

이 활용 사례에서는 ESS 자체의 세부적인 동작보다는 그리드 수준 분석에 주로 관심을 두었습니다. 그래서 우리는 개별 전력전자 스위치 상태를 시뮬레이션하지 않고도 ESS의 동작을 포착하는 평균값 모델을 구현하기로 결정했습니다. 각 하위 모듈을 명시적으로 모델링하는 대신, 평균값 모델은 등가 커패시터와 등가 저장 요소를 사용하여 결합된 동특성을 나타냅니다. ES-SM 분기 회로의 플랜트 모델을 만들기 위해 회로 관계를 방정식으로 변환했습니다. 예를 들어, 키르히호프의 전류 법칙에 따라 순 전류를 적분하여 커패시터 전압을 계산하는 식입니다. 그리고 이러한 방정식을 MATLAB 함수 블록으로 구현했습니다.

다음으로, 우리는 ESS에 대해 서로 다른 두 가지 계층형 제어 전략을 구현했습니다. 하나는 내부 전류 루프와 외부 전력 제어 루프를 사용하여 DC 전력 주입을 조절하는 반면, 다른 하나는 내부 전류 루프와 외부 에너지 제어 루프를 사용하여 등가 커패시터 에너지를 관리합니다(그림 3).

우리는 Simulink에서 두 가지 제어 전략을 모두 모델링하고(그림 4), 제어기와 플랜트를 사용하여 폐루프 시뮬레이션을 실행하여 제어 파라미터를 조정하고 설계 성능을 평가 및 검증했습니다.

이 평균값 모델링 접근 방식은 전력 흐름 및 에너지 역학에 대한 충분한 정확도를 유지하면서 그리드 수준 시뮬레이션에 필요한 계산 효율성을 제공합니다.

그리드 수준 연동 시뮬레이션을 위한 FMU로 서브시스템 모델 내보내기

Simulink에서 ESS 모델을 검증한 후, 이를 그리드 수준 연동 시뮬레이션을 위한 FMU로 내보냈으며, 이 예시에서는 PowerFactory를 사용하여 연동 시뮬레이션을 수행했습니다. 이를 위해 Simulink Compiler™와 FMU Builder for Simulink 지원 패키지를 사용하여 ESS Simulink 모델에서 컴파일된 바이너리 공유 라이브러리를 포함하는 독립형 FMU를 생성했습니다. 결과적으로 생성된 FMU 파일은 표준화되고 플랫폼에 독립적이며 자체적으로 완결된 블랙박스 역할을 합니다. 이 파일에는 기본 Simulink 설계를 노출하지 않고 모델의 동작을 구현하는 실행 코드가 포함되어 있습니다.

PowerFactory에서 분기 인덕터와 제어 전압원으로 구성된 간단한 테스트 모델을 만들고, 이 모델을 Simulink에서 생성한 제어기와 ES-SM 플랜트를 모두 포함하는 FMU에 연결했습니다(그림 5).

FMU 기반 워크플로의 유효성을 검증하기 위해 Simulink와 PowerFactory에서 동일한 시뮬레이션 시나리오를 실행했습니다. 시뮬레이션은 전력 흡수가 없고 등가 커패시터의 전압이 \(700\) \( kV \)인 상태에서 시작됩니다. t =0.5초일 때 등가 커패시터 전압 기준값은 \(710\) \( kV \)로 급격히 상승하고, t =1초일 때 전력 기준값이 \(10\) \( MW \)로 급증하며, t =1.5초일 때 \(100\) \(  MW \)까지 올라갑니다(두 경우 모두 전력 흐름 방향은 저장 시스템 방향입니다). Simulink 결과는 그림 6에, DIgSILENT PowerFactory 시뮬레이션 결과는 그림 7에 나타나 있습니다.

시뮬레이션 결과는 초기 과도 현상 이후 전력 및 전압 파형이 거의 동일하여 매우 유사한 결과를 보였다(그림 6 및 7). 이 결과는 우리가 사용한 워크플로가 HVDC 시스템 및 서브시스템의 효과적인 크로스 플랫폼 연동 시뮬레이션을 가능하게 한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

실현된 이점 및 향후 계획

우리가 구축한 FMI 및 FMU 기반 워크플로는 HVDC 시스템 개발에 상당한 이점을 제공합니다. 장치 설계 활동과 계통 수준 인증 활동을 분리함으로써 전력전자 엔지니어는 Simulink에서 서브시스템 설계 및 검증에 집중할 수 있고, 전력 시스템 엔지니어는 PowerFactory와 같은 전문 도구에서 인증 및 안정성 분석을 수행할 수 있으며, 수동으로 모델을 다시 구현할 필요가 없습니다. 이 기능은 특히 PowerFactory에서 복잡한 제어 모델을 재구축하는 데 시간이 많이 걸리고 DIgSILENT 시뮬레이션 언어에 대한 전문 지식이 필요하기 때문에 매우 유용합니다. 저희 워크플로는 FMI 표준을 사용하여 모델 교환 및 연동 시뮬레이션을 가능하게 함으로써 이 두 환경을 연결합니다. 효율성 외에도 당사의 워크플로는 세 가지 주요 이점을 제공합니다. 시뮬레이션 플랫폼 간의 상호 운용성, 검증된 모델의 재사용성(개발 시간 절약 및 일관성 보장), 그리고 블랙박스 캡슐화를 통한 지적 재산권 보호입니다. 상호 운용성과 지적 재산권 보호라는 두 가지 이점은 HVDC-WISE 컨소시엄 내에서 특히 중요한 것으로 입증되었으며, 이를 통해 파트너들은 모델을 안전하게 공유하고 공동 개발 노력을 강화할 수 있습니다.

우리는 이미 ESS 외에도 동적 제동 시스템 및 계통 형성 MMC 컨버터를 포함한 여러 모델에 이 워크플로를 사용했습니다. 향후 노력은 FMU 기반 HVDC 구성 요소의 기존 모델 라이브러리를 개선 및 확장하고, 추가 시뮬레이션 플랫폼 전반에 걸쳐 상호 운용성 테스트를 수행하며, 모델의 정확성과 유용성을 향상시키기 위해 추가적인 교차 검증 연구를 수행하는 데 집중될 것입니다. 표준화되고 상호 운용 가능한 모델을 제공하고 워크플로의 적용 범위를 보다 현실적인 대규모 전력 시스템 시나리오로 확장함으로써, 우리는 전력 공학계 전반에 걸쳐 이러한 접근 방식을 장려하여 신뢰할 수 있고 탄력적인 하이브리드 AC/DC 송전 아키텍처의 구축을 가속화한다는 HVDC-WISE 프로젝트의 더 큰 목표를 지원하고자 합니다.

감사의 글

HVDC-WISE는 유럽 연합의 Horizon Europe 프로그램(협약 번호 101075424)의 지원을 받습니다.

HVDC-WISE에 대한 영국 연구혁신청의 자금 지원은 영국 정부의 Horizon Europe 자금 보증 프로그램(보조금 번호 10041877 및 10051113)에 따라 제공됩니다.