[논문]계통전원 하모닉을 이용한 태양광 발전 시스템의 단독운전 검출기법에 관한 연구

김일송

doi:10.6113/tkpe.2010.15.6.417

계통전원 하모닉을 이용한 태양광 발전 시스템의 단독운전 검출기법에 관한 연구
Study on the Islanding Detection Technique of the Grid-Connected Photovoltaic System using Grid Voltage Harmonic Coefficients 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.15 no.6, 2010년, pp.417 - 424

김일송 (충주대 전기공학과 조교수)

초록
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단독운전이란 계통의 점검이나 사고로 인해 피더가 계통과 분리된 상태에서 태양광 발전설비가 멈추지 않고 운전을 계속하는 것을 의미한다. 정전된 배선 선로가 충전되어 공중감전, 기기손상, 작업원 감전 위험성이 있기 때문에 법적으로 사양이 규제되어 있다. 신재생에너지의 보급이 늘어남에 따라서 단독운전의 검출 기준이나 계통 보호 사양들이 점점 강화되면서 새로운 연구 방법에 대한 요구가 늘어나고 있다. 본 연구에서는 계통전원의 하모닉 성분을 이용한 단독운전 검출방법에 대해서 다룬다. 태양광 발전 시스템이 계통에 연결되었을 경우와 분리되었을 경우, 계통연결점에서의 등가 고조파 성분이 달라지는 사실에서 하모닉 성분의 변화량으로 단독운전을 판별하는 방법이다. 이 방법의 장점은 기존의 방법보다 비검출 영역을 줄일 수 있고 빠른 검출시간을 가질 수 있다. 또한 계통전원의 외란에 대해서도 강한 특성을 가진다. 고조파 모델링을 이용한 이론적인 해석과 고성능 32-bit 부동소수점 DSP를 이용한 실험결과로서 본 연구의 타당성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new islanding detection method for a grid-connected photovoltaic system. It is based on the fact that the equivalent harmonic components vary according to the grid connection status. The advantage of the proposed method is the reduced Non-Detection Zone and fast detection time. Also it can have the robust detection capability against grid disturbances. The theoretic analysis using grid-harmonic modeling is performed and verified by test result using 32-bit high performance DSP processor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통전원 하모닉을 이용한 태양광 발전 시스템의 단독운전 검출기법에 관한 방법을 연구하였다. 단독운전이 발생하기 전후의 하모닉 계수들의 크기가 달라진다는 사실을 이론적인 모델링과 실험결과로서 입증하였다.
본 연구에서는 계통전원의 하모닉 성분들을 이용하여 그 변화량을 검출함으로서 단독운전 상태를 알아내는 방법을 연구한다. 제안된 방식은 기존에 사용되었던 수동적인 방법이나 능동적인 방법을 사용하지 않고 계통전원의 하모닉 변화를 파악함으로써 단독운전 여부를 판정한다.
태양광 발전 시스템의 고조파 모델을 이용한 이론적인 해석과 고성능 DSP를 이용한 제어기 시험으로 본 연구의 타당성을 입증하였다.

가설 설정

단독운전 검출에 필요한 시험부하와 시험환경 설정은 IEEE Standard 929-2000에서 제시한 방법에 따라 정해진다. 이 그림에서는 계통전원의 하모닉 성분은 모두 V_{g_h}에 포함되었다고 가정하였다. V_{g_h}의 기본성분(fundamental component)의 고조파 왜곡률(THD : Total Harmonic Distortion)은 스위치 SW의 상태에 의해 미약하게 변화하나, 전체적으로는 일정하게 된다.

제안 방법

그림 8에 하모닉 계수를 이용한 단독운전 검출 실험결과가 나타나 있다. 계통 전원의 매 주기마다 하모닉 계수들을 계산하여 그 합을 저장하였다. 그림에서 알 수 있듯이 40초에서 단독 운전이 발생하여 82초까지 유지되고, 그 후에 다시 정상운전 상태로 복귀한 것을 알 수 있다.
계통전원 한주기에 256-point DFT를 수행하기 위해 스위칭 주파수를 15.36 [Khz]로 정하여 매 인터럽트 루틴마다 전압, 전류의 ADC 변환과 전류제어를 행하였다.
고정밀도의 바이폴라 입력범위(±10V)를 갖는 외장 ADC 보드를 사용하여 아나로그 신호를 최대의 정밀도로 디지털 변환하여 퓨리어 변환에 사용하였다.
이 방식은 수동적인 방법에서 사용하였던 전압, 주파수의 경계치에 의존하지 않기 때문에 발생전력과 소비전력이 균형을 이룰 경우에도 단독운전 검출이 가능하여 NDZ가 감소하는 장점이 있으며, 능동적인 방법에서 사용하였던 주파수 변동법이나 전력변동법 보다는 고조파 특성과 효율이 좋아진다. 또한 기존의 방식은 계통에 외란(Sag, Swell)이 발생할 경우 이를 단독운전으로 판단하는 오동작의 가능성이 있으나, 제안한 방식은 외란 상황에서도 계통의 하모닉 성분 변화는 크지 않기 때문에 단독운전 상황으로 판단하지 않는다. 따라서 계통외란에 대해서 강인한 장점을 가지게 된다.
본 연구에서는 계통전원의 하모닉 성분들을 이용하여 그 변화량을 검출함으로서 단독운전 상태를 알아내는 방법을 연구한다. 제안된 방식은 기존에 사용되었던 수동적인 방법이나 능동적인 방법을 사용하지 않고 계통전원의 하모닉 변화를 파악함으로써 단독운전 여부를 판정한다. 이 방식은 수동적인 방법에서 사용하였던 전압, 주파수의 경계치에 의존하지 않기 때문에 발생전력과 소비전력이 균형을 이룰 경우에도 단독운전 검출이 가능하여 NDZ가 감소하는 장점이 있으며, 능동적인 방법에서 사용하였던 주파수 변동법이나 전력변동법 보다는 고조파 특성과 효율이 좋아진다.

대상 데이터

수동적 검출 방법은 단독 운전 상태에서의 계통전압, 주파수, 고조파 성분의 변화 등을 관찰하는 것이다. 검출 대상은 과전압/저전압, 과주파/저주파, 위상차, THD이다. 이 방법의 단점은 발생전력과 소비전력이 균형을 이룰 경우 단독운전 검출이 어렵다는 것이다.
PCS의 동작과 계통전원 하모닉 계수를 얻어내기 위한 DFT 계산을 위해서는 복잡한 계산 능력과 빠른 연산속도를 필요로 한다. 제작된 제어기는 TMS320F28335로 32-bit floating point DSP controller이다. 150 MHz의 주파수로 동작하여 300 MFLOPS의 연산능력을 갖는다^[19].

성능/효과

Δlevel의 결정은 이론적으로 정립되어 진 것은 없지만, 보다 확실한 검출을 위해서 0.88Vnom ≤ V ≤1.10Vnom (실험에서 Vnom = 220V) 전압범위에서의 하모닉 계수 변동분의 2~3배로 결정하는 것이 적절함이 실험적으로 얻어졌다.
본 논문에서는 계통전원 하모닉을 이용한 태양광 발전 시스템의 단독운전 검출기법에 관한 방법을 연구하였다. 단독운전이 발생하기 전후의 하모닉 계수들의 크기가 달라진다는 사실을 이론적인 모델링과 실험결과로서 입증하였다. 고성능 DSP 프로세서를 이용하여 1[ms]이내에 단독운전 여부를 결정할 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과는 앞으로 강화될 분산전원 분야의 인증 규격들에 효과적으로 대응이 가능하기 때문에 많은 응용 분야에 적용될 것을 기대하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단독운전 시 단점은?	단독운전이란 계통의 점검이나 사고로 인해 피더가 계통과 분리된 상태에서 태양광 발전설비가 멈추지 않고 운전을 계속하는 것을 의미한다. 정전된 배선 선로가 충전되어 공중감전, 기기손상, 작업원 감전 위험성이 있기 때문에 법적으로 사양이 규제되어 있다. 신재생에너지의 보급이 늘어남에 따라서 단독운전의 검출 기준이나 계통 보호 사양들이 점점 강화되면서 새로운 연구 방법에 대한 요구가 늘어나고 있다.
	PCS란?	이 시스템들의 출력을 계통에 연계시키기 위해서는 계통형 인버터(PCS)를 필요로 하게 된다. PCS는 태양전지에서 발생된 직류전력을 변환하여 교류인 계통에 넘겨주는 장치를 말한다. PCS에 필요한 대표적인 기능으로는 최대전력점 추적기(MPPT)와 전류제어기 그리고 단독운전 검출기가 있다.
	단독운전이란?	단독운전이란 계통의 점검이나 사고로 인해 피더가 계통과 분리된 상태에서 태양광 발전설비가 멈추지 않고 운전을 계속하는 것을 의미한다. 정전된 배선 선로가 충전되어 공중감전, 기기손상, 작업원 감전 위험성이 있기 때문에 법적으로 사양이 규제되어 있다.

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원문보기 상세보기
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TMS320F28335 Data Manual, Texas Instruments

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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