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문제 정의
- 대용량 FCGS에서 자주 보고되고 있는 보호기기의 오동작과 소자소손, 데이터 헌팅 문제 등을 해결하기 위하여, 전기설비기준과 분산전원 계통연계기준을 바탕으로 대용량 FCGS의 계통외란 방지 알고리즘을 제안한다.
- 전력분석결과 실 계통에서 운용중인 FCGS에서 기준치 이상의 고조파가 발생함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 FCGS의 특성과 운전조건을 고려하여 특정 차수의 고조파를 감소시킬 수 있는 고조파필터 설계 알고리즘을 제안한다. Fig.
- 따라서 본 논문에서는 기존 발전시스템의 계통연계기준 및 전기설비기준을 바탕으로 대용량 FCGS의 운용사례를 분석하고, 실 계통에서 운용중인 FCGS를 대상으로 전력품질 문제점을 해석하였다[3]. 이를 바탕으로 대용량 FCGS가 계통에 연계되어 운용되는 경우, 서지, 고조파, 부하불평형 등 각종 계통외란에 의하여 발생되는 문제점을 해결하는 알고리즘을 제시하였다.
- 본 논문에서는 대용량 FCGS를 계통에서 운용할 때 발생하는 문제점을 분석하고, 이를 해결하기 위하여 대용량 FCGS의 계통외란 방지알고리즘을 제안하였다. 또한 전력분석 소프트웨어를 이용한 모델링과 시뮬레이션 분석을 통하여, 제안된 알고리즘의 유용성을 확인하였으며, 이를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- FCGS의 시공 및 운용 중 발생하는 소자소손의 주요 원인인 서지특성을 분석하기 위하여, PSCAD /EMTDC 를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 3.3절에서 수행한 서지발생기 모델링으로 2kV/1kA 서지를 발생시키고, ClassI급의 SPD를 적용한 후 잔류전압을 분석하는 것이다. Fig.
- ETAP을 이용하여 실 계통에서 운용중인 대용량 FCGS의 접지망을 시뮬레이션하여, 접지에 대한 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 조건은 주위온도가 40[〫C]인 상황에서, 접지망 내에 체중 70[kg] 사람이 서있을 때 지락이 발생할 경우 접촉전압과 보폭전압을 산정하는 것이다.
- FCGS의 고조파발생과 고조파 필터의 저감 특성을 분석하기 위하여, 전력전자소프트웨어인 P-SIM프로그램을 이용하여 고조파를 발생시키는 비선형부하와 고조파 필터 모델링을 수행하였다. 해당 모델링은 Fig.
- FCGS의 시공 및 운용 중 발생하는 소자소손의 주요 원인인 서지특성을 분석하기 위하여, PSCAD /EMTDC 를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 3.
- P-SIM을 이용한 대용량 FCGS의 고조파 특성을 분석하기 위하여, 비선형부하로 3차, 5차, 7차 고조파를 생성 하여, 제안된 평가알고리즘에서 산정된 고조파 필터를 모델링에 적용한 후, 고조파 전류를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, Fig.
- 대용량 FCGS의 TB 강제동작시험 중에 발생하는 보호기기오동작 특성을 분석하기 위하여, PSCAD/EMTDC 를 이용하여 시뮬레이션 수행하였다. 여기에서는 한대의 FCGS에서 TB를 강제 개방하는 경우, 고압선로에서 발생하는 영상전류의 크기를 분석하였다.
- 대용량 FCGS의 서지특성을 PSCAD/EMTDC로 모의하기 위하여, 서지발생기와 SPD(Surge Protective Device)의 모델링을 수행하였다. 여기서, 서지는 선로 또는 회로를 따라 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적 전류, 전압과도파형을 의미한다.
- FCGS가 계통에 연계되어 운전하기 위해서는 TB강제동작시험을 실시해야 하는데, 이때 부근에서 정상운전중인 FCGS의 TB가 개방되는 보호기기오동작현상이 자주 발생하고 있다. 따라서 본 논문에서는 PSCAD/ EMTDC를 이용하여 정상운전 중인 FCGS 1기와 시험 대상 FCGS 1기를 포함하여, 총 2기로 구성된 연료전지 발전단지를 Fig. 2.와 같이 모델링하였다. 구체적으로 계통연계를 위한 주변압기(45[MVA], 154/13.
- 대용량 FCGS에서 발생하는 보호기기 오동작은 부하 불평형과 차단기 트립 시 발생하는 불평형전류로 인하여 발생한다. 따라서 본 논문에서는 중성점접지저항기 (NGR, Neutral Ground Resister)를 도입하여 불평형전 류를 제한하는 NGR 운용알고리즘을 Fig. 7과 같이 제안하였다. 일반적으로 NGR 도입은 상위계통과 연계선로의 임피던스를 고려하여 연계용변압기의 유효접지범위 이내에서 용량을 산정한다[10].
- 대용량 FCGS의 실 계통 문제점 분석을 통하여 서지, 고조파, 불평형전류 등의 계통외란이 보호기기 오동작과 소자소손을 일으킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 따라서 이러한 각 계통외란이 설비에 미치는 영향을 분석하기 위하여, PSCAD/EMTDC, ETAP 그리고 P-SIM 소프트웨어를 이용하여 대용량 FCGS와 각 계통외란현상을 모델링하였다.
- 본 논문에서는 대용량 FCGS를 계통에서 운용할 때 발생하는 문제점을 분석하고, 이를 해결하기 위하여 대용량 FCGS의 계통외란 방지알고리즘을 제안하였다. 또한 전력분석 소프트웨어를 이용한 모델링과 시뮬레이션 분석을 통하여, 제안된 알고리즘의 유용성을 확인하였으며, 이를 요약하면 다음과 같다.
- 4[MVA] 용량의 PCS를 통하여 계통에 연계된다. 또한, 각 연료전지에서 발전된 전력을 계통에 연계하기 위한 연계용변압기는 연료전지 용량을 고려하여 2[MVA]로 구성하였으며, 연료전지 측을 델타결선, 계통 측을 와이결선으로 모델링하였다.
- 여기서, 서지는 선로 또는 회로를 따라 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적 전류, 전압과도파형을 의미한다. 본 논문에서는 가장 심각한 피해를 끼치는 낙뢰서지를 대상으로 서지발생기를 모델링하였으며, Fig. 4.와 같이 구성하였다. 일반적으로 낙뢰로 유입되는 서지 전압은 파두장이 1.
- ETAP을 이용하여 실 계통에서 운용중인 대용량 FCGS의 접지망을 시뮬레이션하여, 접지에 대한 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 조건은 주위온도가 40[〫C]인 상황에서, 접지망 내에 체중 70[kg] 사람이 서있을 때 지락이 발생할 경우 접촉전압과 보폭전압을 산정하는 것이다. 시뮬레이션을 수행한 결과, Fig.
- 여기서, 고조파발생을 모의하기 위한 3상 비선형부하는 6kW, 단상 비선형부하는 1kW, 그리고 선형부하는 6kW 로 모델링하였다. 한편, 고조파필터는 특정차수의 고조 파를 감소시킬 수 있도록 R, L, C로 구성된 단일동조필터로 구성하였으며, 고조파 함유량이 많은 3, 5, 7고조파에 대한 필터를 모델링하였다.
- 대용량 FCGS의 TB 강제동작시험 중에 발생하는 보호기기오동작 특성을 분석하기 위하여, PSCAD/EMTDC 를 이용하여 시뮬레이션 수행하였다. 여기에서는 한대의 FCGS에서 TB를 강제 개방하는 경우, 고압선로에서 발생하는 영상전류의 크기를 분석하였다. Fig.
- 따라서 본 논문에서는 기존 발전시스템의 계통연계기준 및 전기설비기준을 바탕으로 대용량 FCGS의 운용사례를 분석하고, 실 계통에서 운용중인 FCGS를 대상으로 전력품질 문제점을 해석하였다[3]. 이를 바탕으로 대용량 FCGS가 계통에 연계되어 운용되는 경우, 서지, 고조파, 부하불평형 등 각종 계통외란에 의하여 발생되는 문제점을 해결하는 알고리즘을 제시하였다. 또한, PSCAD/EMTDC, P-SIM, ETAP 소프트웨어를 이용하여 대용량 FCGS와 계통외란현상을 모델링하고, 시뮬레이션을 수행한 결과 제안된 알고리즘의 유용성을 확인할 수 있었다.
- 통합접지계통이 대용량 FCGS에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 실 계통에서 운용중인 대용량 FCGS의 접지계통을 Fig. 6과 같이 상용소프트웨어인 ETAP으로 모델링하였다. 구체적으로 접지망 포설면적은 19,080[m2]이며, 대지저항은 약 350[Ω∙m]로 적용하였다.
- 여기서, 고조파발생을 모의하기 위한 3상 비선형부하는 6kW, 단상 비선형부하는 1kW, 그리고 선형부하는 6kW 로 모델링하였다. 한편, 고조파필터는 특정차수의 고조 파를 감소시킬 수 있도록 R, L, C로 구성된 단일동조필터로 구성하였으며, 고조파 함유량이 많은 3, 5, 7고조파에 대한 필터를 모델링하였다.
대상 데이터
- 와 같이 모델링하였다. 구체적으로 계통연계를 위한 주변압기(45[MVA], 154/13.8[kV], Y-Y 결선) 1대와 0.5[km] 긍장의 13.8[kV] 고압선로, TB 2대, 연계용변압기(2[MVA], 13.8/0.48[kV], Y-∆결선) 4대, 1.4[MVA] 용량의 PCS 4대로 구성하였다.
- 한편, SPD 모델링은 일반적으로 알려진 IEEE 모델을 대상으로 Fig. 5와 같이 구성하였다. 해당 모델은 IEEE 3.
이론/모형
- 일반적으로 NGR 도입은 상위계통과 연계선로의 임피던스를 고려하여 연계용변압기의 유효접지범위 이내에서 용량을 산정한다[10]. NGR 용량이 산정되면, 이를 추가한 임피던스도를 작성하고 FCGS 연계선로에 대한 지락전류(In)를 상위계통의 사고전류(Is)부터 전류 분배법칙을 이용하여 계산한다. 이때 산정된 In은 정격 전류의 30[%]를 초과하지 않아야 하며, 사고시 건전상 전압은 사고전 전압의 1.
성능/효과
- (1) 보호기기오동작 방지를 위해 제안된 NGR 운용알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여, PSCAD /EMTDC를 통해 보호기기의 오동작 현상을 모의한 결과, 적정 NGR 투입으로 인하여 불평형 전류가 30.7[A]에서 약 15[A] 정도로 감소되어 보호 기기의 오동작 현상을 방지할 수 있음을 확인하였다.
- (2) 고조파필터 설계알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여, P-SIM을 통해 고조파발생과 고조파필터를 모의한 결과 필터 적용 후 종합고조파함유량이 2.7% 이하까지 개선됨을 확인하였다.
- (3) SPD 운용알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여, PSCAD/EMTDC를 통해 2[kV]의 서지와 SPD를 모의한 결과 서지발생이 800[V] 이하로 줄었으며, IEC 61643에서 제시하는 최대서지잔류전압 1,200[V] 기준을 만족함을 확인하였다.
- (4) 실 계통에서 운용중인 FCGS의 접지망을 ETAP 을 이용하여 모의한 결과 접촉전압과 보폭전압이 131.3[A], 95.8[A]로, IEEE 80 기준(1,066[A], 3,796[A])을 만족시키고 있음을 확인하였다.
- 여기에서는 한대의 FCGS에서 TB를 강제 개방하는 경우, 고압선로에서 발생하는 영상전류의 크기를 분석하였다. Fig. 12와 같이 TB 강제 개방시 중성선에서 30.7[A]의 불평형 전류가 발생하여, OCGR의 설정값(30[A])을 상회하여, 보호기기의 오동작이 충분히 발생할 가능성이 있음을 확인하였다.
- 7[A]로 감소함을 확인하였다. 결과적으로, NGR을 설치하여 중성선 전류를 OCGR 정정값 이하로 낮춰 보호기기의 오동작을 방지할 수 있음을 확인하였다.
- 대용량 FCGS의 실 계통 문제점 분석을 통하여 서지, 고조파, 불평형전류 등의 계통외란이 보호기기 오동작과 소자소손을 일으킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 따라서 이러한 각 계통외란이 설비에 미치는 영향을 분석하기 위하여, PSCAD/EMTDC, ETAP 그리고 P-SIM 소프트웨어를 이용하여 대용량 FCGS와 각 계통외란현상을 모델링하였다.
- 소자소손 원인으로는 고조파에 의한 열적손상과 서지에 의한 절연파괴, 불평형전류에 의한 영상전류의 영향 등이 있으며, 통신데이터 헌팅현상은 EMI에 의한 통신간섭이 그 원인으로 분석된다. 따라서 이러한 계통외란현상을 확인하기 위하여 전력분석을 수행한 결과, 실 계통에서 운용중인 대용량 FCGS에서 기준치 이상의 고조파, 서지 그리고 EMI 현상이 발생하고 있음을 확인하였다[5-7]. 또한, 대용량 FCGS는 등전위 통합접지방식을 채택하고 있는데, 이러한 접지방식은 지락사고 시 인체보호에는 적합하지만 저압부와 고압부, 교류부와 직류부가 서로 연결통로를 공유하므로, 고조파, 서지, EMI와 같은 계통 외란에 취약한 것으로 알려져 있다.
- 이를 바탕으로 대용량 FCGS가 계통에 연계되어 운용되는 경우, 서지, 고조파, 부하불평형 등 각종 계통외란에 의하여 발생되는 문제점을 해결하는 알고리즘을 제시하였다. 또한, PSCAD/EMTDC, P-SIM, ETAP 소프트웨어를 이용하여 대용량 FCGS와 계통외란현상을 모델링하고, 시뮬레이션을 수행한 결과 제안된 알고리즘의 유용성을 확인할 수 있었다.
- P-SIM을 이용한 대용량 FCGS의 고조파 특성을 분석하기 위하여, 비선형부하로 3차, 5차, 7차 고조파를 생성 하여, 제안된 평가알고리즘에서 산정된 고조파 필터를 모델링에 적용한 후, 고조파 전류를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, Fig. 13과 같이 각 차수별 고조파 함유율이 필터 투입 후 거의 제거되어 제안된 알고리즘의 유용성을 확인할 수 있었다.
- 시뮬레이션 결과, 잔류전압이 700[V]∼800[V]로 서지전압이 절반 이하로 감소되었고, 이는 IEC 1643-12에서 규정한 최대서지잔류전압 1,200[V] 이하를 만족하고 있음을 확인할 수 있었다[8].
- 시뮬레이션 조건은 주위온도가 40[〫C]인 상황에서, 접지망 내에 체중 70[kg] 사람이 서있을 때 지락이 발생할 경우 접촉전압과 보폭전압을 산정하는 것이다. 시뮬레이션을 수행한 결과, Fig. 15와 같이 접촉전압과 보폭전압이 131.3[A], 95.8[A]로 나타나, IEEE 80 기준(1,066[A], 3,796[A])을 만족시키고 있음을 확인하였다[11].
- 실 계통에서 운용중인 FCGS의 OCGR 설정값을 확인하여, 불평형전류를 그 이하로 줄일 수 있도록 NGR 용량을 산정하면 보호기기의 오동작을 방지할 수 있다.
- 한편, 각 FCGS는 설치단계에서 TB강제동작시험을 시행하고 있으나, 시험 중 정상운전중인 FCGS의 TB도 함께 개방되는 보호기기 오동작현상이 발생하였다. 원인을 분석한 결과, TB동작 순간 지락과전류보호계전기 (OCGR, Over Current Ground Relay)가 설정 값 이상의 과전류를 검출하여, TB가 개방되었음을 확인하였다. 또한, 실 계통에서 운용중인 대용량 FCGS는 다수의 소자소손현상과, 제어기기의 통신데이터 값이 급변하여 운전이 정지되는 통신데이터 헌팅현상이 발생하였다.
- 전력분석결과 실 계통에서 운용중인 FCGS에서 기준치 이상의 고조파가 발생함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 FCGS의 특성과 운전조건을 고려하여 특정 차수의 고조파를 감소시킬 수 있는 고조파필터 설계 알고리즘을 제안한다.
- 12와 같다. 즉, 산정된 NGR 용량(0.53[H]) 투입 후, 측정된 불평형 전류가 약 30.07[A]에서 14.7[A]로 감소함을 확인하였다. 결과적으로, NGR을 설치하여 중성선 전류를 OCGR 정정값 이하로 낮춰 보호기기의 오동작을 방지할 수 있음을 확인하였다.
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