[논문]계통연계형 태양광발전 시스템이 계통의 전력품질에 미치는 영향

권동철; 박중신; 이동영

doi:10.5207/jieie.2012.26.7.052

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In this study, we have investigated the effect of the solar power generation facilities on the power quality of interconnected solar power generation system. When the solar power generation facility was connected to the distribution system, whether the solar power generation is under operation or no...

In this study, we have investigated the effect of the solar power generation facilities on the power quality of interconnected solar power generation system. When the solar power generation facility was connected to the distribution system, whether the solar power generation is under operation or not, Peak factor of current was increased to 0.033[%], Frequency is deviated from $60{\pm}0.2$[Hz] and also Short term flicker indication($P_{st}$) increased to 0.213[p.u.] compare with the disconnected situation. Harmonic current [%] in orders was 11.42[%] maximum under 11th orders and was 7.861[%] between 11th and 17th orders. These values were about 3 or 4 times compared with "the power system interconnection technique standards" at the same situation above. Therefore, we could confirmed that the solar power generation facility, when it was connected to the existing distribution system, made bad influence on the power qualities such as the peak factor of current, frequency regulation, short term flicker indication($P_{st}$) and harmonic current [%] in orders etc.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 현재 날로 확대 보급되고 있는 태양광 발전설비가 전력계통과 연계 운영되어 전력계통의 전원품질 요소에 어떠한 영향을 미치고 있는지를 측정·분석함으로써 향후 분산형 전원설비의 확대 보급에서 발생될 수 있는 전원품질 저하 문제에 대처하기 위한 토대를 마련하고자 한다.
상기의 측정방법과 절차에 따라 계통연계형 태양광 발전설비가 전력계통의 여러 가지 전원품질요소에 미치는 영향을 측정하고 그 결과를 살펴보았다. 표 2와 표 3은 여러 가지 전원품질요소에 대한 측정결과를 정리한 것이며 그림 2, 그림 3, 그림 4는 각각 주파수, 고조파전류 차수별([%]), 플리커(P_st)에 대한 측정결과이다.

제안 방법

측정위치는 전력계통측(측정지점 “B”)과 태양광 발전설비의 전력변환장치(PCS)의 교류전원 출력측(측정지점 “A”)이며 주간의 태양광 발전설비가 발전을 할 경우와 야간 또는 흐린 날에 발전을 하지 않을 경우의 전원품질요소를 측정하였다.
본 논문에서는 계통연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위해 태양광 발전설비를 설치하여 상업 운전 중인 고객의 전력계통(자가용 전력설비)과 분산형 전원이 연계된 공통접속점(PCC : Point of Common Coupling)에 전원품질분석 시험설비를 설치하여 전원품질요소에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 품질분석 설비는 AMETEK 사의 Meridian 6000을 이용하였으며 제원은 표 1과 같다[3].
측정위치는 전력계통측(측정지점 “B”)과 태양광 발전설비의 전력변환장치(PCS)의 교류전원 출력측(측정지점 “A”)이며 주간의 태양광 발전설비가 발전을 할 경우와 야간 또는 흐린 날에 발전을 하지 않을 경우의 전원품질요소를 측정하였다. 전원품질요소 측정 방법은 1회 24시간 측정을 원칙으로 하되 부하설비의 부하변동 및 태양의 일사량 변화에 의한 태양광 발전량 변화를 고려하였다. 측정 개소별로 3회 반복 측정하여 측정 데이터의 오차를 줄여 신뢰도를 높였다.
전원품질요소 측정 방법은 1회 24시간 측정을 원칙으로 하되 부하설비의 부하변동 및 태양의 일사량 변화에 의한 태양광 발전량 변화를 고려하였다. 측정 개소별로 3회 반복 측정하여 측정 데이터의 오차를 줄여 신뢰도를 높였다.
본 논문에서는 점차 보급이 확대되고 있는 연계형 분산 전원 중에서 현재 배전계통에 연계되어 상업 운전 중인 태양광 발전설비가 가동 중일 때와 정지 상태일 때 그리고 전력계통에서 분리되었을 때로 구분하여 전원품질요소를 측정하고 각 상태별로 전원품질요소를 비교·분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 계통연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위해 태양광 발전설비를 설치하여 상업 운전 중인 고객의 전력계통(자가용 전력설비)과 분산형 전원이 연계된 공통접속점(PCC : Point of Common Coupling)에 전원품질분석 시험설비를 설치하여 전원품질요소에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 품질분석 설비는 AMETEK 사의 Meridian 6000을 이용하였으며 제원은 표 1과 같다[3].
본 논문에서는 현재 상업운전중인 연계형 태양광 발전설비를 그 대상으로 하였으며 태양전지의 cell type은 단결정 태양전지이고 국내산이다. 전력변환장치(PCS)는 일본산이며 DC 입력은 250～495[V], 154.

성능/효과

3[°]로 나타나고 있다. 즉 3상 교류전류의 위상각 편차는 태양광 발전설비가 정지 상태일 때가 전력 계통과 분리할 때 보다 약 2배 정도 높게 나타난다.
고조파 전류 THD([%])는 태양광 발전 측에서는 전력계통과 연계되어 가동 중일 때 최대 6.447[%]로 분산전원의 계통연계 기술기준인 전류 THD 5[%]를 초과하고 있고 발전설비가 정지 상태일 때 부하로 작용하면서 최대 47.42[%]로 높게 측정되었다. 전력계통 측에서는 태양광 발전설비가 가동 중일 때 최대 23.
38[A] 이상의 직류 전류를 전력계통으로 유입하여서는 안 된다[10]. 따라서 상기 결과는 기준을 초과하고 있지만 태양광 발전을 전력계통과 분리할 때도 부하설비의 영향으로 DC전류가 최대 3.093[A]가 발생되는 것으로 보아 태양광 발전설비의 계통연계에 따른 영향은 없는 것으로 보인다.
태양광 발전설비는 배전계통과 분리되었을 때 보다 배전계통과 연계되어 가동 또는 정지 상태일 때 전류 파형 파고율은 0.033[%] 상승하였고, 주파수는 60±0.2[Hz]의 오차범위를 초과하였으며, Short Term Flicker Indicator Pst는 0.213[p.u.]가 상승하여 전력계통의 전원품질에 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.
]가 상승하여 전력계통의 전원품질에 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다. 차수별 고조파 전류 함유율([%])은 전력계통과 연계되어 가동 중일 때와 정지 상태일 때 11차 미만에서 최대 11.42[%], 11～17차에서 최대 7.861[%]로 측정되어 분산전원의 계통연계 기술기준인 11차 미만에서 4[%], 11～17차 미만에서 2[%] 보다 많은 고조파 전류를 전력계통으로 유출함을 확인하였다. 또한 발전설비가 정지상태일 때 부하설비로 작용하면서 태양광 발전설비 측에서는 고조파전류 THD[%]가 47.
결론적으로 연계형 분산전원인 태양광 발전설비는 전력계통과 연계될 경우 전압변동, 고조파전류 THD [%], 고조파전류 차수별 [%], 주파수 변동, 플리커 등이 증가하여 전력계통에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다. 향후 태양광 발전설비에 못지않게 보급이 확대되고 있는 풍력발전설비가 전력계통의 전원 품질에 미치는 영향에 대한 측정 및 분석을 시행할 예정이며 이를 바탕으로 연계형 분산전원의 대규모 보급시 전원품질 저하 문제 해결을 위한 토대마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

결론적으로 연계형 분산전원인 태양광 발전설비는 전력계통과 연계될 경우 전압변동, 고조파전류 THD [%], 고조파전류 차수별 [%], 주파수 변동, 플리커 등이 증가하여 전력계통에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다. 향후 태양광 발전설비에 못지않게 보급이 확대되고 있는 풍력발전설비가 전력계통의 전원 품질에 미치는 영향에 대한 측정 및 분석을 시행할 예정이며 이를 바탕으로 연계형 분산전원의 대규모 보급시 전원품질 저하 문제 해결을 위한 토대마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전원품질은 무엇인가?	전원품질이란 공급자의 관점에서 보면 전원공급 신뢰도를 말하며, 고객의 관점에서 보면 동력을 공급하는 장치, 시스템 등의 전기설비에 공급되는 전원의 상태이다[2].
	본 논문에서 측정한 계통연계형 태양광발전설비의 전압 파형은 어떤 값을 가지고 있는가?	태양광 발전설비의 전압 파형은 전력계통의 선간전압 파고율이 가동 중일 때 1.417～1.422, 정지 상태와 태양광 발전을 분리할 때 1.407～1.414로 측정되었다. 즉 전력계통의 파고율 최대치는 태양광 발전설비가 정지 상태와 태양광 발전을 전력계통에서 분리할 때 이상적인 정현파 파고율 1.
	소규모의 분산형 전원의 문제점은 무엇인가?	그러나 소규모 태양광 발전설비가 기존의 배전계통에 연계되면 전압변동, 역률, 주파수, 고조파, 플리커 등의 전원 품질에 영향을 줄 수 있기 때문에 전기공급약관 제39조와 분산형 전원의 배전계통 연계 기술기준 등의 지침을 정하여 규제하고 있다[1]. 소규모의 분산형 전원은 부하의 증가 및 감소에 상관없이 분산형 전원 특성상 풍력 발전설비, 태양광 발전설비의 경우 태양의 방사에너지 양과 바람의 세기에 따라 발전되는 전력생산량이 일정하지 않으므로 배전계통에 잦은 연계와 분리를 반복하게 되는 문제점이 생길 수 있고, 분산형 전원에서 발생된 각종 고장 및 전원품질의 저하가 연계된 기존의 배전계통에 파급될 경우 전원품질의 상당한 저하를 초래할 가능성이 내재되어 있다.

참고문헌 (10)

The Technical Guideline for the Grid Connection of the Substitution Energy Generation System. Ministry of Commerce, Industry and Energy, Final Report, 2004. 6.
The Newest Distribution System Engineering, KIEE, Bookshill, 2006.
"IElectromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-15: Testing and measurement techniques - Flickermeter - Functional and design specifications", IEC 61000-4-15 Ed. 2.0 b:2010.
Business 0100 The Basic Rules and Rates for Electric Service, KEPCO, 2007. 7.
Business 0900 The Regulation for the Use of the Distribution Electric Power Facility. KEPCO. 2006. 9.
The Electric Power System Reliability and Electricity Quality Maintenance Criteria. Notification of Ministry of Commerce, Industry and Energy volume 2005-11, 2005. 1.
"IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications", IEEE Std 446-1995.
"IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power System", IEEE Std 519-1992.
Business 0110 The Basic Rules and Rates for Electric Service, The Detailed Enforcement, 2007. 8.
The Technological Standard for the Connection in the Distribution Power System of the Distributed Energy Resource, KEPCO, 2007, 4.

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