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문제 정의
- 본 기술개발은 태양광발전시스템의 태양광 인버터의 출력을 계통 연계할 경우 계통에 공급되는 고조파를 저감시킬 수 있는 변압기 개발에 관한 것으로서, 계통 연계형 태양광발전시스템에서 고조파 및 역률 저하 문제를 개선시킬 수 있다.
- 본 논문은 태양광발전시스템의 태양광 인버터의 출력을 계통 연계할 경우 계통에 공급되는 고조파를 저감시키는 변압기 개발에 관한 것이다.
- 태양광발전시스템에서는 인버터 부분에 절연변압기를 사용하여 태양전지 측의 직류 전력과 계통연계 측의 교류전력과의 혼촉을 방지하는데 사용되고 있다. 절연변압기의 목적은 태양광발전시스템으로부터 전력계통에 직류성분이 유출되는 것을 방지하는 것과 상용계통으로부터 태양광발전시스템에 이상전위가 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다[1, 4].
제안 방법
- 그림 8은 2013년 12월 측정한 600kWp BIPV 시스템의 계측 결과이다. 계측 사항은 U, V, W 상의 유효전력, 전압/전류 파형, 전압/전류 벡터도, 유효/무효/피상 전력, 역률, 전압과 전류의 THD이다.
- 계통연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 태양광발전을 설치하여 상업 운전 중인 현장의 전력계통과 분산형 전원이 연계된 공통점속점 중 하이브리드 변압기 1차 측과 2차 측에 전원 품질 분석장치를 설치하여 전원품질에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 그 결과 전력계통과 연계시 전압변동, 전압, 전류의 고조파 THD (%) 등이 증가하였으나 하이브리드 변압기를 통하여 고조파 성분이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
- 이의 출력량 변화에 따른 전력품질을 측정하고 계통연계 기준과 비교 분석하였다. 그림 7과 같이 600kWp BIPV 시스템의 실시간 전력품질을 측정하기 위하여 시스템의 계통 연계형 하이브리드 변압기의 1차 측과 2차 측에 전력품질 측정기를 설치하여 이를 계측하였다.
- 시험방법은 600kVA 태양광발전시스템에 설치된 하이브리드변압기의 1, 2차 측에 전력분석기를 설치하여 결과를 측정하였다. 저압권선(LV)과 고압권선(HV)에 기 설치되어 있는 계기용변압기(PT)와 변류기(CT) 라인에 전력분석기를 설치하여 1분 단위로 측정하여 태양광발전시스템 운영시간동안 하이브리드변압기 입력 및 출력에서의 데이터를 비교하였다.
- 연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 태양광 발전을 설치하여 상업 운전 중인 장소를 선정하여 전력계통과 분산형 전원이 연계된 공통접속점(PCC : Point of Common Coupling Assumption) 중 하이브리드 변압기 1차 측과 2차 측에 전원 품질분석 장치를 설치하여 전원품질요소에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 전원 품질분석 장비는 일본 HIOKI 사의 Power Quality Analyzer PW3198을 이용하여 전압, 전류, 주파수, 역률, 고조파 등 전원품질의 척도가 되는 요소들을 측정하고 HIOKI PQA-HiVIEW Pro 9624-50을 이용하여 분석하였다.
- 일반적인 배전용 변압기와 하이브리드 변압기를 태양광발전시스템에 설치하였을 때, 수용가에서 발생한 고조파가 미치는 영향을 비교하였다. 우선 태양광발전시스템은 그림 3과 같이 6 leg 인버터의 동작 관련 프로그램 제어를 DLL 파일을 이용하여 인버터 운전 프로그램을 작성하였으며, 전원 계통에 두 가지의 변압기를 설치하여 각종 전기량을 측정하였다.
- 설치된 600kWp BIPV(Building Integrated Photovoltaic System) 시스템은 건물 내의 변전실의 배전반을 통해 한전과 연계되어 있다. 이의 출력량 변화에 따른 전력품질을 측정하고 계통연계 기준과 비교 분석하였다. 그림 7과 같이 600kWp BIPV 시스템의 실시간 전력품질을 측정하기 위하여 시스템의 계통 연계형 하이브리드 변압기의 1차 측과 2차 측에 전력품질 측정기를 설치하여 이를 계측하였다.
- 일반 배전용 변압기를 태양광발전시스템에 설치하였을 경우와 하이브리드 변압기를 설치하였을 때, 수용가에서 발생한 고조파를 수배전용 변압기 및 사용전원에 미치는 영향을 시뮬레이션 하였다. 두 결과 비교시 부하에 발생한 고조파는 상용전원에 미치는 영향을 주기 때문에 고조파 저감용 변압기가 필요함을 알 수 있었다.
- 일반적인 배전용 변압기와 하이브리드 변압기를 태양광발전시스템에 설치하였을 때, 수용가에서 발생한 고조파가 미치는 영향을 비교하였다. 우선 태양광발전시스템은 그림 3과 같이 6 leg 인버터의 동작 관련 프로그램 제어를 DLL 파일을 이용하여 인버터 운전 프로그램을 작성하였으며, 전원 계통에 두 가지의 변압기를 설치하여 각종 전기량을 측정하였다.
- 시험방법은 600kVA 태양광발전시스템에 설치된 하이브리드변압기의 1, 2차 측에 전력분석기를 설치하여 결과를 측정하였다. 저압권선(LV)과 고압권선(HV)에 기 설치되어 있는 계기용변압기(PT)와 변류기(CT) 라인에 전력분석기를 설치하여 1분 단위로 측정하여 태양광발전시스템 운영시간동안 하이브리드변압기 입력 및 출력에서의 데이터를 비교하였다.
- 전력계통과 연계된 태양광 발전설비의 인버터의 교류전원 출력(측정지점)회로의 계통 연계형 변압기 1차 측 및 2차 측에서 전원품질분석 장비를 설치하여 주간의 태양광 발전설비가 발전을 할 경우와 야간 또는 흐린 날에 발전을 하지 않을 경우의 전원품질요소를 측정하였고, 이 태양광 발전의 전원품질요소가 전력계통의 전원 품질에 미치는 영향을 분석하였다.
- 전원품질 요소 측정 방법은 1회 24시간 측정을 원칙으로 1주일을 기준으로 축정하되 부하설비의 부하변동 및 태양의 일사량 변화에 의한 태양광 발전량 변화를 고려하였다. 축정개소별로 동일 기종의 전력분석기를 이용하여 동시간대 측정하여 측정 데이터의 오차를 줄여 신뢰도를 높였으며, 전원품질요소의 측정은 전압, 전류, 주파수, 역률, 고조파 등으로 구분하여 측정, 분석하였다.
- 전원품질 요소 측정 방법은 1회 24시간 측정을 원칙으로 1주일을 기준으로 축정하되 부하설비의 부하변동 및 태양의 일사량 변화에 의한 태양광 발전량 변화를 고려하였다. 축정개소별로 동일 기종의 전력분석기를 이용하여 동시간대 측정하여 측정 데이터의 오차를 줄여 신뢰도를 높였으며, 전원품질요소의 측정은 전압, 전류, 주파수, 역률, 고조파 등으로 구분하여 측정, 분석하였다.
- 현장에 설치된 태양광 계통연계형 하이브리드 변압기 600kVA 시험품에 대한 고조파 저감 성능을 확인하기 위하여 9월부터 12월까지 약 3개월 간 전력분석기를 설치하여 고조파 경향을 측정하였다.
이론/모형
- 연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 태양광 발전을 설치하여 상업 운전 중인 장소를 선정하여 전력계통과 분산형 전원이 연계된 공통접속점(PCC : Point of Common Coupling Assumption) 중 하이브리드 변압기 1차 측과 2차 측에 전원 품질분석 장치를 설치하여 전원품질요소에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 전원 품질분석 장비는 일본 HIOKI 사의 Power Quality Analyzer PW3198을 이용하여 전압, 전류, 주파수, 역률, 고조파 등 전원품질의 척도가 되는 요소들을 측정하고 HIOKI PQA-HiVIEW Pro 9624-50을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 고조파는 일조량이 일정하게 증가하고 꾸준하게 일조량이 있는 경우에 고조파가 작아지는 것을 보였다. 고조파의 경우 태양광발전을 통해 발전량이 꾸준하게 보이는 경우에 고조파가 기준치 이하로 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 전체적인 고조파의 측정 결과는 태양광 발전에 의해 유효전력분이 측정되지 않는 새벽, 야간 시간대의 결과와 합쳐진 결과이다.
- 계통연계형 분산전원이 전력계통의 전원품질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 태양광발전을 설치하여 상업 운전 중인 현장의 전력계통과 분산형 전원이 연계된 공통점속점 중 하이브리드 변압기 1차 측과 2차 측에 전원 품질 분석장치를 설치하여 전원품질에 영향을 주는 요소들을 측정하였다. 그 결과 전력계통과 연계시 전압변동, 전압, 전류의 고조파 THD (%) 등이 증가하였으나 하이브리드 변압기를 통하여 고조파 성분이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
- 일반 배전용 변압기를 태양광발전시스템에 설치하였을 경우와 하이브리드 변압기를 설치하였을 때, 수용가에서 발생한 고조파를 수배전용 변압기 및 사용전원에 미치는 영향을 시뮬레이션 하였다. 두 결과 비교시 부하에 발생한 고조파는 상용전원에 미치는 영향을 주기 때문에 고조파 저감용 변압기가 필요함을 알 수 있었다.
- 즉, 기존의 변압기는 단순하게 변압기의 기능만을 갖춘 설비이기 때문에 고조파 또는 불평형을 줄이기 위해서 반드시 별도의 전기설비를 추가로 설치해야만 했으나, 하이브리드 변압기는 Zig-Zag 권선을 통해 고조파와 불평형 감쇄 그리고 변압기능을 동시에 수행할 수 있으므로 별도의 전기설비를 둘 필요가 없다. 따라서 기존의 변압기 설비 투자방식에 비해 투자비용의 절감과 공간의 축소 그리고 전기설비의 효율을 개선시켜 에너지 절약은 물론 날로 증가하는 고조파에 의한 피해를 줄일 수 있다.
- 23으로 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 태양광발전시스템 계통연계형 변압기로 하이브리드 변압기를 사용하였을 경우 약 33%의 고조파 저감을 확인할 수 있었으며, 이 결과를 바탕으로 부하에서 발생한 고조파는 상용전원에 영향을 주기 때문에 고조파 저감용 변압기가 필요함을 알 수 있었다.
- 태양광 발전시스템 가동 시에는 계통 연계형 변압기 1· 2차 측 모두에서 태양광 발전시스템에 투사되는 일조량 값에 매우 민감하게 변동함을 알 수 있었다. 또한 2차 측에서는 3차, 5차, 9차 고조파가 태양광 발전시스템의 가동과는 관계없이 높게 나타나는 경향이 보였으며, 이는 2차 측이 계통과 연계되어 있는 관계로 부하 단의 비선형 부하에 의해 발생된 전류 고조파가 유입된 것으로 판단된다. 이에 1차 측에도 영향을 미쳐 태양광 발전시스템이 가동되지 않았음에도 전류 고조파가 야기된 것으로 판단된다.
- 시뮬레이션 파형은 부하의 고조파 전류가 상용 전원전류에 영향을 주는 것을 나타내었다. 그림 4(a)는 일반변압기를 적용한 설비의 시뮬레이션 결과이며, 그림 4(b)는 하이브리드 변압기를 적용한 설비의 시뮬레이션 결과이다.
- 이중 날씨에 따라 일조량의 차이가 보이기 때문에 측정하는 기간동안 일조량이 가장 우수한 날(9월)에 이때의 유효 전력과 고조파 결과가 가장 우수하게 나타났다. 일조량 변화가 양호한 날에 측정한 결과 일출 시점인 6시 이후 일조량이 측정되면서 전력량도 같이 측정되기 시작하여 일조량이 가장 많은 시간대인 12시부터 14시까지 최대의 전력 발생량이 측정되었다.
- 그림 4(a)는 일반변압기를 적용한 설비의 시뮬레이션 결과이며, 그림 4(b)는 하이브리드 변압기를 적용한 설비의 시뮬레이션 결과이다. 일반변압기를 적용한 경우는 고조파 전류가 상용전원 전류에 영향을 주는 것을 나타났으며, 하이브리드 변압기를 적용한 시뮬레이션 결과는 일반변압기를 사용했을 때보다 고조파 성분이 다수 제거된 것을 확인할 수 있었다.
- 이중 날씨에 따라 일조량의 차이가 보이기 때문에 측정하는 기간동안 일조량이 가장 우수한 날(9월)에 이때의 유효 전력과 고조파 결과가 가장 우수하게 나타났다. 일조량 변화가 양호한 날에 측정한 결과 일출 시점인 6시 이후 일조량이 측정되면서 전력량도 같이 측정되기 시작하여 일조량이 가장 많은 시간대인 12시부터 14시까지 최대의 전력 발생량이 측정되었다. 최대전력량은 12시 경에 약 440kW로 측정되었다.
- 태양광 발전시스템 가동 시에는 계통 연계형 변압기 1· 2차 측 모두에서 태양광 발전시스템에 투사되는 일조량 값에 매우 민감하게 변동함을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구에서는 Zig-Zag 권선을 이용한 불평형 및 고조파 감쇄 기능을 갖는 하이브리드 변압기 개발을 통해 기존 변압기 방식에서 문제가 되고 있는 고조파로 인한 신규 설비투자비 증가와 설치 공간 확보에 따른 부담을 크게 완화시켰고, 무엇보다도 변압기능과 고조파 감쇄기능을 갖는 고효율의 하이브리드 변압기 개발을 통해 고조파로 인한 피해예방은 물론 전력품질을 개선함으로써 불필요한 전력손실을 억제하여 에너지절약에도 일조할 수 있을 것으로 기대한다.
- 연구결과 및 시험적용을 바탕으로 계통연계형 변압기를 각 용량별로 설계하고, 용량별 고조파 저감에 대한 기준안을 마련할 수 있었으며, 연계설비의 기능 및 성능기준, 인증시험기준 및 관련 전원설비에 따른 실제 변압기를 설계, 제작할 수 있을 것이다.
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