ANSYS 블로그
March 4, 2024
무효 전력이란 무엇이며 이를 사용하여 안정적인 전기 그리드를 만들려면 어떻게 해야 합니까?
2003년 8월에 있었던 정전사고를 기억하시나요? 미국 8개 주와 캐나다 2개 주에서 5천만 명이 넘는 사람들에게 영향을 준, 북미 역사상 가장 큰 규모의 정전이었습니다.
북미 전력 신뢰성 위원회(North American Electric Reliability Council)는 전류 흐름을 유지하는 데 필요한 전력인 무효 전력의 부족이 정전의 중요 원인임을 발견했습니다.
태양광 발전과 같은 재생 에너지원은 전기를 공급할 뿐만 아니라 무효 전력을 생성하는 데에도 사용될 수 있습니다.
PV 시스템은 정전을 방지하는 데 중요한 무효 전력으로 그리드를 지원합니다.
정전을 방지하려면 재생 에너지 시스템에 에너지 흐름을 제어하고 전기 그리드의 수동 전력을 관리하는 스마트 인버터도 필요합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 피츠버그 대학교의 연구원들은 전력 그리드의 무효 전력과 전압을 조절하는 스마트 인버터를 설계했습니다.
무효 전력이란 무엇입니까?
무효 전력은 그리드에 반사되는 전력으로, 하중에 의해 소비되는 전력인 유효 전력과 반대되는 개념입니다.
전압은 파이프에서 물을 밀어내는 압력과 비슷하게, 전력선에서 전류를 밀어내는 압력으로 작용합니다. 이를 위해 무효 전력에서 전압이 발생합니다.
무효 전력이 충분하지 않으면 전압 강하로 인해 그리드의 안정성이 위태로워집니다. 따라서 무효 전력은 조명과 전자 장치를 활발하게 가동하지 않습니다. AC 그리드가 이러한 장치로 전류가 계속 흐르게 하는 데 사용하는 전력이라고 생각하십시오.
그렇다면 무효 전력을 더 생산하려면 어떻게 해야 할까요? 태양광 발전(PV) 시스템이 해답이 될 수 있습니다. 미국에 55GW 이상의 태양광 발전소를 설치하여 천만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있습니다.
전기 그리드에 PV 전력을 연결하면 무효 전력 흡수가 필요한 과전압을 비롯한 고유한 과제가 발생합니다. 또한 환경적 요인으로 인해 PV 전력 출력이 감소할 수 있습니다. 이러한 전압 스윙으로 인해 기존 전력 관리 장비는 높은 유지 보수, 운영 및 교체 비용이라는 부담을 안게 됩니다.
이러한 방해 요소를 완화하기 위해 유틸리티 회사는 PV 시스템에 스마트 인버터를 통합하여 무효 전력을 생성하거나 소비해야 합니다.
스마트 인버터를 사용하여 무효 전력 조절
스마트 인버터는 기존의 인버터와 마찬가지로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환합니다. 주요 차이점은 무효 전력을 흡수하고 출력하는 기능입니다. 이 프로세스를 무효 전력 보상이라고도 합니다.
인버터에 무효 전력 보상 기능을 부여하면 발열로 인해 장치의 작동 수명이 단축되거나 고장이 발생할 수 있습니다.
PV 시스템을 스마트 인버터와 통합하는 것이 곧 새로운 표준이 될 것입니다.
인버터를 설계하려면 일반적으로 많은 프로토타입을 제작해야 하며 시간과 비용이 많이 드는 실험을 거쳐야 합니다. 피츠버그 대학교의 연구원들은 시뮬레이션을 통해 이러한 부담을 덜고자 했습니다.
스마트 인버터의 무효 전력 응력 시뮬레이션
피츠버그 대학교의 연구원들은 현재 Ansys Twin Builder에 포함되어 있는 다중 영역 시스템 시뮬레이션을 사용하여 스마트 인버터의 회로와 제어 알고리즘을 평가하기 위한 전열 모델을 개발했습니다.
연구원들은 PV 스마트 인버터를 최적화하여 무효 전력 응력을 관리할 수 있도록 합니다.
연구원들이 인버터를 모델링할 때 전기 성능은 예상 성능과 일치했습니다. 이 비교를 통해 모델이 인버터의 전기 및 열 성능에 대한 정확한 예측을 제공하는 것이 입증되었습니다.
그런 다음 연구원들은 인버터의 열 역학을 물리적으로 프로토타입화할 필요성을 줄이기 위해 특성 분석 연구를 수행하여 상당한 비용을 절감했습니다.
또한 시뮬레이션을 통해 다양한 설계 구성을 평가할 수 있었습니다. 이러한 구성을 연구한 결과, 인버터의 무효 전력 성능과 장치 수명 간의 중요한 절충점을 최적화할 수 있었습니다.