[논문]불검출영역이 없는 새로운 단독운전 검출기법

조영민; 김동균; 조상윤; 송승호; 최익; 이영권; 최주엽

doi:10.6113/tkpe.2015.20.6.540

[국내논문] 불검출영역이 없는 새로운 단독운전 검출기법
A Novel Islanding Detection Scheme without Non Detection Zone 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.6, 2015년, pp.540 - 549

조영민 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 김동균 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 조상윤 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 송승호 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 최익 (Dept. of Information and Control Engineering, Kwangwoon University) , 이영권 (Keumbee Electronics) , 최주엽 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Unintentional islanding results in safety hazards, reliability, and many other issues. Therefore, the islanding detection of a power conditioning system of a distributed generation, such as a grid-connected photovoltaic inverter, is a key function for standard compliance. Currently, many anti-islanding schemes have been examined, but existing anti-islanding schemes have poor power quality and non-detection zone issues. Therefore, this study analyzes the non-detection zone in a more deliberate manner than the existing analysis of the non-detection zone and proposes a new anti-islanding scheme, which has negligible power quality degradation and no non-detection zone. Simulation and experimental results validate that the proposed scheme shows much better performance than other existing schemes.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 분산전원 시스템 중 태양광 발전 시스템을 예로 들어 단독운전을 신속히 검출할 수 있는 기법을 제안하고자 부하 전력과 출력 전력의 특성을 이용한 불검출 영역을 새롭게 해석하였다. 또한, 이를 통해 주입하는 외란의 크기를 최소화하도록 설계하여 정상상태 시 전력품질에 영향을 끼치지 않으면서도 단독운전 발생 시 주파수의 변동이 없는 최악의 조건에서도 효과적으로 단독운전을 검출할 수 있는 검출기법을 새롭게 제안한다.
본 논문에서 기존에 일반적으로 알려진 불검출영역해석 과정에 대하여 알아보았고, 이와 비교하여 더욱 간단하면서도 정밀한 불검출영역 해석을 하였다. 또한, 정상상태 시 전력품질에 영향을 미치지 않으면서 모든 상황에서 확실히 단독운전 검출이 가능한 새로운 단독운전 검출기법을 제안하였고, 이를 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 분산전원 시스템 중 태양광 발전 시스템을 예로 들어 단독운전을 신속히 검출할 수 있는 기법을 제안하고자 부하 전력과 출력 전력의 특성을 이용한 불검출 영역을 새롭게 해석하였다. 또한, 이를 통해 주입하는 외란의 크기를 최소화하도록 설계하여 정상상태 시 전력품질에 영향을 끼치지 않으면서도 단독운전 발생 시 주파수의 변동이 없는 최악의 조건에서도 효과적으로 단독운전을 검출할 수 있는 검출기법을 새롭게 제안한다.
따라서 본 절에서는 부하의 변동의 가정과 수식 풀이 중 근사화하지 않고, 더욱 정밀한 불검출 영역을 해석하도록 한다. 그림 1의 병렬부하의 어드미턴스는 식 (21)과 같고, 부하에서 소비하는 전력은 식 (22) ∼ 식 (24)로 표현된다.
본 논문에서 새롭게 제안하는 기법은 별도의 장치 없이 소프트웨어 상으로 구현되므로 쉽게 적용이 가능하고, 기존의 능동적 기법들과 다르게 임의의 외란을 인가하지 않고 단독운전을 검출하기 때문에 정상상태 시 전력품질에 어떠한 영향을 미치지 않으면서도 빠른 시간 내에 주파수를 정상 범위 밖으로 유도하여 단독운전을 검출하는 기법이다.
본 기법 기법에서 positive feedback loop를 설계하기 위해 다음과 같은 방법으로 BPF, zero_band, gain, limiter의 값을 설정한다.
시뮬레이션을 하기 위하여 국내 단독운전 검출 규격인 PV 502를 참고하여 표 1과 같이 파라미터를 선정한 후 그림 7과 같이 PSIM을 사용하여 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진조건을 만족하도록 설정하였으며, 계산된 R, L, C 부하의 경우 실제 인버터에서 자체적으로 발생되는 무효전력 성분까지는 고려되지 않았다.
시뮬레이션을 하기 위하여 국내 단독운전 검출 규격인 PV 502를 참고하여 표 1과 같이 파라미터를 선정한 후 그림 7과 같이 PSIM을 사용하여 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진조건을 만족하도록 설정하였으며, 계산된 R, L, C 부하의 경우 실제 인버터에서 자체적으로 발생되는 무효전력 성분까지는 고려되지 않았다.
그림 15에 보이는 PV array를 대체할 수 있는 태양광시뮬레이터 pCube를 사용하였고, 계통연계형 단상 인버터 S35K를 사용하였다. 또한, AC power source를 사용하여 grid를 구성하였고, 전자 부하와 슬라이닥스, 콘덴서 박스를 사용하여 병렬 R, L, C 부하를 구성하였다.
단독운전 검출기법의 검출 성능을 확인하기 위해 우선 알고리즘이 적용되지 않은 상태로 실험을 수행하여 단독운전 발생 시 주파수 변화를 확인해보고, 이와 비교해 알고리즘을 적용한 후 실험을 수행하여 제안하는 알고리즘의 단독운전 검출 성능을 확인해 보았다. 그리고 PCC에 전력 측정기기를 사용하여 출력 전류의 THD를 측정하였다.
단독운전 검출기법의 검출 성능을 확인하기 위해 우선 알고리즘이 적용되지 않은 상태로 실험을 수행하여 단독운전 발생 시 주파수 변화를 확인해보고, 이와 비교해 알고리즘을 적용한 후 실험을 수행하여 제안하는 알고리즘의 단독운전 검출 성능을 확인해 보았다. 그리고 PCC에 전력 측정기기를 사용하여 출력 전류의 THD를 측정하였다.
본 논문에서 기존에 일반적으로 알려진 불검출영역해석 과정에 대하여 알아보았고, 이와 비교하여 더욱 간단하면서도 정밀한 불검출영역 해석을 하였다. 또한, 정상상태 시 전력품질에 영향을 미치지 않으면서 모든 상황에서 확실히 단독운전 검출이 가능한 새로운 단독운전 검출기법을 제안하였고, 이를 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

대상 데이터

실험회로의 파라미터 선정은 최대한 시뮬레이션 조건과 같이 그림 14의 구성으로 실험 세트를 구성하였다. 그림 15에 보이는 PV array를 대체할 수 있는 태양광시뮬레이터 pCube를 사용하였고, 계통연계형 단상 인버터 S35K를 사용하였다. 또한, AC power source를 사용하여 grid를 구성하였고, 전자 부하와 슬라이닥스, 콘덴서 박스를 사용하여 병렬 R, L, C 부하를 구성하였다.

성능/효과

2.1절의 기존의 불검출영역의 해석 과정 중 병렬 부하 R, L, C 값이 R+ ∆R, L+ ∆L, C+∆C로 변동한다는 가정과 ∆L · ∆C≈ 0 등의 계산의 편의를 위해 식을 근사화하며 수식을 풀이했기 때문에 불검출영역의 범위를 정확하게 표현하기에는 부족함이 있다.
계통이 차단되었을 때 주파수가 미소하게 변동하지만 정상 범위 내에서 동작하므로 PCS 측에서 단독운전을 인식하지 못하고 계속해서 출력하는 것을 확인할 수 있다. 또한, L, C 부하의 공진에 의하여 계통 차단 후에도 60Hz를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
계통이 차단되어 단독운전이 발생하였을 경우, 주파수가 정상 범위 내에서 변동하지만 이때의 ∆ω에 의하여 무효전류 지령치를 키워 결국 무효전력을 주입하게 된다. 따라서 인버터와 부하의 전력 평형상태를 깨트려 주파수를 정상범위 밖으로 유도하며 인버터의 출력을 차단하여 단독운전을 검출하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 그림 19에 보이듯이 본 논문에서 제안하는 검출알고리즘 동작 전·후의 출력 전류의 고조파 성분을 비교하였을 때, 거의 동일한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 그림 19에 보이듯이 본 논문에서 제안하는 검출알고리즘 동작 전·후의 출력 전류의 고조파 성분을 비교하였을 때, 거의 동일한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 검출 알고리즘은 정상상태 시 전력품질에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 불검출영역을 가지지 않고 단독운전 검출이 가능한 것을 확인하였다.
결론적으로 기존의 단독운전 검출기법들은 단독운전 검출을 위해 주기적으로 임의의 외란을 인가하기 때문에 정상상태 시 PCS 출력 전류의 THD가 증가하는 등의 전력품질에 악영향을 미치지만, 본 논문에서 새롭게 제안하는 기법은 외란을 인가하지 않으므로 THD를 증가시키지 않으면서 단독운전을 검출하는 것을 확인하였다. 본 논문에서 단상 태양광 인버터의 단독운전 검출에 대하여 설명하였지만, 3상 PCS 및 다양한 분산전원 시스템의 PCS에도 적용 가능하다.

후속연구

결론적으로 기존의 단독운전 검출기법들은 단독운전 검출을 위해 주기적으로 임의의 외란을 인가하기 때문에 정상상태 시 PCS 출력 전류의 THD가 증가하는 등의 전력품질에 악영향을 미치지만, 본 논문에서 새롭게 제안하는 기법은 외란을 인가하지 않으므로 THD를 증가시키지 않으면서 단독운전을 검출하는 것을 확인하였다. 본 논문에서 단상 태양광 인버터의 단독운전 검출에 대하여 설명하였지만, 3상 PCS 및 다양한 분산전원 시스템의 PCS에도 적용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산전원 시스템이 겪고있는 문제점은?	분산전원 시스템이 전력 계통과 연계되어 운전하기위해서는 다른 수용가 및 계통에 피해를 주지 않도록 전압 변동 범위, 고조파 억제, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상 보호, 단독운전 방지 등과 같은 기술적 문제점을 해결해야 한다.
	단독운전 현상은 어떤 현상인가?	단독운전 현상은 배전계통의 사고 또는 정전 발생 시,선로의 유지, 보수 및 기타의 사유로 계통이 차단되었을때 분산전원 시스템이 이를 인식하지 못하고 배전선에 단독으로 전력을 공급하는 현상이다.
	본 연구의 정밀한 불검출영역 해석 결과는?	결론적으로 기존의 단독운전 검출기법들은 단독운전검출을 위해 주기적으로 임의의 외란을 인가하기 때문에 정상상태 시 PCS 출력 전류의 THD가 증가하는 등의 전력품질에 악영향을 미치지만, 본 논문에서 새롭게 제안하는 기법은 외란을 인가하지 않으므로 THD를 증가시키지 않으면서 단독운전을 검출하는 것을 확인하였다. 본 논문에서 단상 태양광 인버터의 단독운전 검출에 대하여 설명하였지만, 3상 PCS 및 다양한 분산전원 시스템의 PCS에도 적용 가능하다.

참고문헌 (4)

K. O. Lee, “Output power analysis for active frequency drift method,” Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 29, No. 6, pp. 75-80, Dec. 2009.
M. J. Ko, “A study of non-detection zone using AFD method applied to grid-connected photovoltaic inverter for a variety of loads,” Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 26, No. 1, pp. 91-98, Mar. 2006.
Z. Ye, "A new family of active anti-islanding schemes based on DQ implementation for grid-connected inverters," Power Electronics Specialists Conference, PESC 2004 IEEE 35th Annual, Vol. 1, 2004.
S. K, Kim, "Frequency-shift acceleration control for anti-islanding of a distributed-generation inverter," IEEE Industrial Electronics Society, Vol. 57, No 2, pp. 494-504, Feb. 2010.

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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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