[논문]계통연계 풍력 및 태양광발전시스템 고조파 영향 검토

이상민; 정형모; 유권종; 이강완

[국내논문] 계통연계 풍력 및 태양광발전시스템 고조파 영향 검토
Harmonic Impact Studies of Grid-Connected Wind Power and PV Generation Systems 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.11, 2009년, pp.2185 - 2191

이상민 (대화전력기술(주)) , 정형모 ((주)대화기술사) , 유권종 (한국에너지기술연구원) , 이강완 (대화전력기술(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Wind power and photovoltaic(PV) generation systems are the fastest growing sources of renewable energy. The nonlinear devices, such as power electronic converter or inverter, of wind power and PV generation systems are the source of harmonics in power systems. The harmonic-related problems can have significant detrimental effects in the power system, such as capacitor heating, data communication interference, rotating equipment heating, transformer heating, relay misoperation and switchgear failure. There is a greater need for harmonic analysis that can properly maintain the power quality. By measuring harmonics of existing wind power and PV generation systems as harmonics modeling, the studies were made to see the harmonic impact of grid-connected wind power and PV generation systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 운전되고 있는 풍력발전소와 태양광발전소 현장에서 실측한 고조파전력을 모의하고 전력계통에 나타나는 고조파전류 및 고조파전압을 해석하여 계통에 미치는 영향을 검토하고 아울러 적정 고조파 억제 대책을 모의하였다.
그러나 이들 발전시스템의 비선형특성인 전력전자설비로 인하여 전력품질을 저하시키는 고조파가 발생하는 단점이 있다. 본 연구에서는 현재 전력계통에 연계되어 상업운전 되고 있는 풍력발전소와 태양광발전소 고조파전력을 실측하여 이를 다중주파수전류원으로 모의하여 고조파를 해석하였다.

제안 방법

인버터는 200kW, 450∼800VDC, AC 380V, 60Hz 이고 측정 시간은 발전효율이 비교적 높을 것으로 예상되는 오후 1시를 기준하여 측정하였다.
그림 3과 그림 4는 각각 측정된 고조파전압과 고조파전류를 그래프로 나타낸 것이다. 일반적으로 60Hz 전력계통에서 대표적인 고조파 해석 모의 주파수는 2220Hz, 즉 37차 고조파까지이나 본 연구에서는 편의상 40차 고조파까지로 하였다[4]. 여기에 나타난 것과 같이 전류의 경우 제11차 및 제13차 고조파전류가 상대적으로 크게 나타났는데 이는 연구대상 풍력발전기 12펄스 컨버터 특성 때문이다.
따라서 고조파 해석은 대상 전력계통에서 발생 가능한 고조파 범위에 대한 다중 해석이다. 즉, 전력계통의 각 요소들이 해당 고조파 임피던스 또는 어드미턴스로 표현하여 네트웍을 구성토록하고 여기에 해당 고조파 전류원을 삽입하여 조파별 조류계산을 행함으로써 고조파 전력 상태를 해석한다[6].
태양광발전시스템 고조파 해석 모델을 만들기 위해 인버터 출력 고조파전압과 고조파전류를 측정하였다. 측정 대상 태양광발전소는 200kW 인버터 3대가 설치되어있어 발전용량 600kW인 소형발전시스템이다.
풍력발전시스템 고조파 해석 모델을 만들기 위해서는 풍력발전기 단자에서 고조파를 측정하는 것이 바람직하지만 현장 여건상 발전기단자에서의 고조파 측정이 여의치 않아 풍력발전기 22.9kV 단자에서 고조파전력을 측정하여 이를 다중주파수전류원(Multiple Frequency Current Source)으로 모의하였다[6].

대상 데이터

연구 대상 풍력발전시스템은 용량 3MW, 60Hz, 1,000V DFIG형태 풍력발전기 5대가 설치되어있는 최대 발전용량 15MW풍력발전소가 상용 전력계통과는 22.9kV, 2회선 긍장 18km 배전선로를 통하여 연계된 것이다. 풍력발전기는 단자전압이 1,000V이므로 1.
태양광발전시스템 고조파 해석 모델을 만들기 위해 인버터 출력 고조파전압과 고조파전류를 측정하였다. 측정 대상 태양광발전소는 200kW 인버터 3대가 설치되어있어 발전용량 600kW인 소형발전시스템이다. 인버터는 200kW, 450∼800VDC, AC 380V, 60Hz 이고 측정 시간은 발전효율이 비교적 높을 것으로 예상되는 오후 1시를 기준하여 측정하였다.

성능/효과

고조파 해석결과 풍력발전 및 태양광발전시스템 전력품질평가 지점인 연계지점에서 국내외 고조파 규제치 이내로 비교적 적은 고조파 전력이 흘러 적정 전력품질 유지가 가능한 것으로 나타났다.
전력계통에 고조파가 과도하게 발생하면 이를 제한하도록 고조파필터 등을 설치하게 된다. 만일 풍력발전과 태양광발전시스템으로 고조파전력이 제한치 이상이 되어도 비용이 저렴한 수동형고조파필터 설치로 효과적인 고조파 억제가 가능함을 입증하였다.
태양광발전소에서 배전선로 긍장이 길수록 즉 전원측 등 가임피던스가 큰 경우 표 5에 나타난 것처럼 고조파전압왜형율이 크게 나타났다. 상대적으로 큰 고조파전압왜형율을 감소시키기 위해 수동형고조파필터 설치를 가정하여 고조파를 모의한 결과 표 6과 같이 고조파 감소 효과가 나타났다.
33%로 고조파 함유량이 매우 적어 전력 품질에 영향을 미치지 않게 된다. 아울러 배전선로에 연결되어 있는 다른 수용가에게 영향을 미칠 수 있는 연계점 22.9kV 모선 고조파전압왜형율은 0.12%로서 고조파 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.
표 2는 측정된 인버터출력 고조파전압과 고조파전류를 나타낸 것이고, 그림 5와 그림 6은 이를 각각 그래프로 표시한 것이다. 여기에 나타난 것과 같이 고조파전류 스펙트럼의 경우 제2고조파, 제5고조파 및 제7고조파전류가 상대적으로 큰 것으로 나타났으며 전류의 총고조파왜형율(THD : Total Harmonic Distortion)은 2.33%로 일반적인 6펄스 인버터에 비해서 비교적 고조파함유량이 적은 것으로 나타났다. 이와 같이 고조파함유량이 적게 나타난 것은 전력품질 향상을 위해 인버터 내부에 설치되어 있는 필터(Filter) 및 1대1변압기가 고조파전력을 감쇄시키기 때문인 것으로 판단된다[1].
9kV 모선 고조파전압왜형율을 나타낸 것이다. 즉, 풍력발전소에서 연계전력계통 22.9kV 모선에 유입되는 총고조파왜형율은 27.39%이고 이중에서 11차 고조파전류왜형율이 3.42%, 13차 고조파전류왜형율이 3.48%로 가장 크게 나타났다. 풍력발전소 22.
9kV모선 고조파전압왜형율을 나타낸 것이다. 즉, 풍력발전소에서 연계전력계통 22.9kV 모선에 유입되는 총고조파전류왜형율은 5.98%이고, 풍력발전소 22.9kV 모선 고조파전압왜형율은 1.29% 그리고 전력회사 연계변전소 22.9kV 모선 고조파전압왜형율은 0.25%로 고조파 함유율이 급격히 감소되어 고조파 형향이 거의 없는 상태가 되었다. 즉, 풍력발전소 출력이 증가하게 되면 고조파전압왜형율이 감소하는 것을 나타내고 있다.
태양광발전소에서 배전선로 긍장이 길수록 즉 전원측 등 가임피던스가 큰 경우 표 5에 나타난 것처럼 고조파전압왜형율이 크게 나타났다. 상대적으로 큰 고조파전압왜형율을 감소시키기 위해 수동형고조파필터 설치를 가정하여 고조파를 모의한 결과 표 6과 같이 고조파 감소 효과가 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력계통에 고조파전력이 미치는 영향은?	기존의 전력계통에 연계되어 운전되는 풍력발전시스템과 태양광발전시스템은 비선형성(Nonlinear) 전력전자소자로 구성된 비교적 용량이 큰 콘버터 또는 인버터가 설치되어 운영되므로 전력품질을 저하시키는 고조파전력이 발생한다. 전력계통에 고조파전력이 발생하여 흐르게 되면 전력기기 및 전력케이블을 열화 시키고, 개폐장치 고장을 유발하며, 전력용 콘덴서 및 리액터 소손사고와 같은 장해를 일으킨다[4].
	DFIG형태의 풍력발전기의 장단점은?	DFIG형태의 풍력발전기는 별도의 소프트기동기 없이 회전자권선에 전력전자변환기를 연결하여 컷인(Cut-in)전류 걱정 없이 발전기를 안정되게 기동하고 회전자계를 조정하여 적정 발전기 역률 및 전압을 얻을 수 있는 장점이 있어 발전효율, 전력공급 신뢰도 및 전력품질 유지 측면에서 비교적 유리한 반면에 비선형요소인 전력전자변환기로 인하여 고조파가 발생하여 전력계통에 흐르는 단점이 있다. 일반적으로 DFIG풍력발전기에 이용되는 전력전자변환기 규모는 발전기 용량의 약 30% 정도이다[2].
	본 연구에서는 현재 전력계통에 연계되어 상업운전 되고 있는 풍력발전소와 태양광발전소 고조파전력을 실측하여 이를 다중주파수전류원으로 모의하여 고조파를 해석하였다, 이에 대한 결과는?	고조파 해석결과 풍력발전 및 태양광발전시스템 전력품질평가 지점인 연계지점에서 국내외 고조파 규제치 이내로 비교적 적은 고조파 전력이 흘러 적정 전력품질 유지가 가능한 것으로 나타났다. 전력계통에 고조파가 과도하게 발생하면 이를 제한하도록 고조파필터 등을 설치하게 된다. 만일 풍력발전과 태양광발전시스템으로 고조파전력이 제한치 이상이 되어도 비용이 저렴한 수동형고조파필터 설치로 효과적인 고조파 억제가 가능함을 입증하였다.

참고문헌 (6)

이강완, 정형모, 이상민, 유권종, '계통연계 태양광발전시스템 고조파 영향 검토',대한전기학회, 대한전기학회 제40회 하계학술대회 논문, pp1134-1135, 2009. 7, 14-17
이성규, 김용진, 정형모, 이강완, '풍력발전이 있는 소규모 전력계통의 고조파 해석', 대한전기학회 전력기술부문회 전력계통연구회, 춘계학술대회논문집 pp132-135, 2008. 5.30-31
오동환, 이강완, '철강산업에서 전력계통 고조파 해석', 대한전기학회 전력기술부문회 전력계통연구회, 추계학술대회논문집 pp20-25, 2001. 11.16-17
IEEE, Std 399 (1997) 'Recommended practice and requirements for industrial and commercial power systems analysis', pp265-312
IEEE, Std 519 (1992) 'Recommended practice and requirements for harmonic control in electrical power system
'CYMHARMO User's Guide and Reference Manual', CYME International T&D Inc., March 2006

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