[논문]계통연계형 태양광발전 시스템의 주파수 변동에 의한 새로운 고립운전 검출기법

은석준; 김흥근; 최종우; 이동춘

계통연계형 태양광발전 시스템의 주파수 변동에 의한 새로운 고립운전 검출기법
Novel Islanding Detection Method using Frequency Drift for Grid-connected PV System 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.54 no.6, 2005년, pp.294 - 302

은석준 (경북대학교 대학원 전기공학과) , 김흥근 (경북대학교 전자전기공학부) , 최종우 (경부대학교 전자전기공학부) , 이동춘 (영남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

PV system's islanding occurs when the uitilty grid is removed but local sources continue to operate and provide power to local loads. Islanding is one of the serious problems in an electric power system connected with dispersed power sources. Also, this can present safety hazards and the possibility of damage to other electric equipments. If the real and reactive power of RLC load and PV system are closely matched, islanding detection by passive methods becomes difficult. This paper shows the simulation and comparision for the previous active methods and novel islanding detection method using frequency drift is proposed for grid-connected PV system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 우선 계통연계형 태양광 발전 시스템에서 계통이 차단되었을 때 이를 검출하는 고립운전 검출법으로서 기존의 수동검출법과 능동검출법에 대하여 비교 분석하였다. 수동검출법의 경우 IEEE 929-2000에서 규정한 정상 전압 범위(193.

가설 설정

수용가를 RLC병렬로 나타내었는데, 그 이유는 일반적인 부하인 경우에는 고립운전이 발생되면 연계점의 전압이나 주파수가 변하기 때문에 수동 검출법으로 고립운전을 쉽게 검출할 수 있는 반면에, RLC병렬부하인 경우에는 계통이 분리되더라도 LC공진에 의해서 연계점의 전압이나 주파수가 유지될 수도 있어 검출이 어렵기 때문에 이러한 조건을 가정하였다. 연계점의 전압을 4라고 하면 부하측 유효전력 Plead 와 무효전력 Qigd 는 각각 식 (1), ⑵와 같다.

제안 방법

계통연계형 태양광발전 시스템에서의 고립운전 검출 방법들을 각각의 부하 조건에 따라 시뮬레이션하여 비교하였다. 주파수 바이어스 방법과 주파수 점프 방법은 부하의 공진주 파수가 계통의 주파수인 60[HzL보다 높은 경우에는 검출이 가능하지만 낮은 주파수를 갖는 부하인 경우에는 검출이 어려움을 확인할 수 있었다.
능동검출법 중에서 주파수 바이어스 방법과 주파수 점프 방법의 단점은 정상상태에서 인버터 출력전류의 THD가 증가하며, 역률이 다소 감소하고, 샌디아 주파수 변동 방법은 부하의 공진 주파수가 상용주파수 보다 낮은 경우는 고립운전이 발생하게 되면 PV 인버터 출력전류가 심하게 왜곡된 전류를 부하로 공급함으로서 부하에 영향을 줄 수도 있다는 점인데 이를 해결하기 위한 새로운 주파수 변동 방법을 제안 하였다.
본 논문에서 제안하는 방법은 정상상태에서는 인버터 출력 전류의 기준치를 연계점 전압과 동상이 되도록 하여 THD가 증가하는 문제를 해결하면서, 고립상태가 발생하면 인버터 출력 전류의 기준치를 전압에 비해 뒤지거나 앞서게 함으로써 결과적으로 연계점 전압의 주파수가 발산하게 하여 검출하는 방법이다.
본 논문에서는 고립운전 발생시의 현상을 시뮬레이션을 통해 고찰하였으며, 기존의 능동검출법 중에서 주파수 바이어스 방법, 샌디아 주파수 변동 방법, 주파수 점프 방법⑵을 비교, 분석하고, 주파수 변동에 의한 새로운 고립운전 검출기법을 제안하고 Matlab 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

이론/모형

다음은 고립운전이 일어나는 상황을 시뮬레이션을 이용하여 구현하였다. 본 논문에서의 시뮬레이션은 연계점 전압의 주파수, 위상, 실효치를 검출하기 위해서 디지털 PLL제어기법[8]을 사용하였으며, pv시스템의 출력은 3, 000[W]이고, RLC 부하조건은 고립운전 발생시 검출하기 어려운 조건이 되도록 하였다. 즉, 저항 부하는 220[V]일때 부하전력이 3, 630[W], 3, 000[W] , 2, 745[W] 로서 SP =630[W] AP =0[W], AP =-255[W]에 해당하는 값으로 R=13.

성능/효과

(a)의 경우는 AP = 0 , AQ = 0 인 경우로서 수동법 에서는 전압이나 주파수가 전혀 변동이 없기 때문에 검출 불능 조건이었으나 본 논문에서 제안한 방법은 주파수가;64[Hz]로 증가하기 때문에 쉽게 검출할 수 있다. (b) 는 AP = 0, AQ>0인 경우에 #이면 .
능동검출법의 주파수 바이어스 방법과 주파수 점프 방법은 부하의 공진주파수가 계통의 주파수인 60[Hz]보다 높은 경우에는 검출이 가능하지만 낮은 주파수를 갖는 부하인 경우에 는 검출이 어려움을 확인할 수 있었다. 그리고 SFS방법은 부하의 공진주파수가 높거나 낮은 경우 즉, A*0 Q 인 경우에만 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
능동검출법의 주파수 바이어스 방법과 주파수 점프 방법은 부하의 공진주파수가 계통의 주파수인 60[Hz]보다 높은 경우에는 검출이 가능하지만 낮은 주파수를 갖는 부하인 경우에 는 검출이 어려움을 확인할 수 있었다. 그리고 SFS방법은 부하의 공진주파수가 높거나 낮은 경우 즉, A*0 Q 인 경우에만 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
즉, A0 = O 이면 <%=%이고, #이면 #되고 A8<0 이 되므로 #되 어 계속 감소하고, # 이 면 #되 고 A0>O 이 되 므로 #되 어 계속 증가한다. 따라서 고립운전이 발생했을 때 추정 주파수가 계통 주파수보다 작으면 주파수는 점점 감소하며, 추정 주파수가 계통 주파수보다 크면 연계점 전압 주파수는 점점 증가한다.
증가하여 쉽게 검출할 수 있음을 보였다. 또한, 본 논문에서 제안한 알고리즘을 사용하였을 경우에는 NDZ가 NDP(non-detection point)로 되어 하나의 점으로 나타남을 알 수 있다.
능동검출법 중에서 주파수 바이어스 방법이나 주파수 점프 방법은 수동법과 비교할 때 NDZ의 크기는 변하지 않으면서 △Q 축의 양의 방향으로 NDZ가 이동한다. 샌디아 주파수 변동 방법은 AQ 에 대해서는 NDZ가 현저히 줄어드는 반면에 AP 에 대해서는 효과가 없지만 고립운전 방지를 위한 능동 검출법 중에서 SFS방법이 비교적 효과적임을 확인할 수 있 었다.
것이다. 여기서 확인할 수 있듯이 주파수 바이어스 방법을 사용하면 고립운전시 연계점의 주파수가 상승함을 알 수 있다.
연계점 전압의 주파수가 계통주파수와 같으면 인버터 출력 전류의 지령치를 연계점 전압과 동상으로 하여 정상상태에서 의 단점을 극복하였으며, 고립운전이 발생되면 전류지령치의 위상을 점점 뒤지거나 앞서게 함으로써 결과적으로 연계점 전압 주파수가 발산하도록 하는 방법이다. 제안한 방법을 적용하여 수동검출법에서 검출 불가능했던 조건들에 대해 고립 운전현상을 시뮬레이션한 결과 극단적인 경우인 AF = 0, △Q = 0인 조건에서도 주파수가 64[Hz]S. 증가하여 쉽게 검출할 수 있음을 보였다.
제안한 방법을 적용하여 수동검출법에서 검출 불가능했던 조건들에 대해 고립 운전현상을 시뮬레이션한 결과 극단적인 경우인 AF = 0, △Q = 0인 조건에서도 주파수가 64[Hz]S. 증가하여 쉽게 검출할 수 있음을 보였다. 또한, 본 논문에서 제안한 알고리즘을 사용하였을 경우에는 NDZ가 NDP(non-detection point)로 되어 하나의 점으로 나타남을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제안한 새로운 주파수 변동 방법에 의한 고립 운전 검출법은 태양광 발전 시스템뿐만 아니라 다양한 분산 전원의 고립운전 검출에도 적용할 수 있다.

참고문헌 (9)

M.E. Ropp, 'Analysis and Performance Assessment Of the Active Frequency Drift Method Of Islanding Prevention', IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 3, pp, 811-816, 1999

상세보기
Evaluation of Islanding Detection Methods for Photovoltaic Utility interactive Power Systems, IEA - PVPS Report, IEA - PVPS T5-09: March 2002
IEEE Std. 929-2000, IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV) Systems, Sponsored by IEEE Standards coordinating Commitee 21 on Photovoltaics, Published by IEEE, New York, NY, Apr. 2000
Hiromu Kobayashi, Kiyoshi Takigawa, 'Statical Evaluation of Optimum Islanding Preventing Method for Utility Interactive Small Scale Dispersed PV systems', Proceedings of the IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Convesion (1994), pp. 1085-1088, 1994
Kobayashi. H., Takigawa. K., Hashimoto. E., 'Method for Preventing Islanding Phenomenon on Utility Grid with a Number of Small Scale PV systems', Twenty Second IEEE PVPS, pp. 695-700, 1991
Kiyoshi Takigaya, Hiromu Kobayashi, 'Development of Compact and Reliable Protective Control Unit for Grid Connected Small Residential Systems'
G. Kern, 'SunSine300: Utility Interactive AC Module Anti-Islanding Test Results', Proceedings of the 1997 IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, CA
김용균, 최종우, 김흥근, '계통연계형 태양광발전 시스템의 위상동기화를 위한 디지털 PLL'. 전기학회 논문지 53권 9호, pp. 562-568, 2004

원문보기 상세보기
은석준, 최종우, 김흥근, '태양광발전 시스템의 단독운전 검출법 비교,' 전력전자 하계학술 대회 논문집, pp. 92-96, 2004. 7

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