[논문]단독운전 방지를 위한 능동적 주파수 변환 기법의 검출 성능 및 THD 분석

조영민; 최주엽; 송승호; 최익; 이영권

doi:10.7836/kses.2015.35.2.011

단독운전 방지를 위한 능동적 주파수 변환 기법의 검출 성능 및 THD 분석
Detection Performance and THD Analysis of Active Frequency Drift for Anti-Islanding 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.2, 2015년, pp.11 - 19

조영민 (광운대학교 전기공학과) , 최주엽 (광운대학교 전기공학과) , 송승호 (광운대학교 전기공학과) , 최익 (광운대학교 로봇학부) , 이영권 (금비전자)

Abstract ▼ AI-Helper

Islanding is a phenomenon that EPS(Electric Power System) is continuously energized by PV PCS(Photovoltaic Power Conditioning System) even when EPS is isolated from the grid. Unintentional islanding will result in safety hazard, power quality degradation and many other issues. So, islanding protection of grid-connected PV PCS is a key function for standards compliance. Nowadays, many anti-islanding schemes are researched. But existing anti-islanding schemes used in PV PCS have power quality degradation and non-detection zone issues. This paper analyses not only detection performance of existed anti-islanding schemes using active frequency drift but also THD of PCS output current according to each value disturbance for anti-islanding. In addition, the lowest value of disturbance in each scheme was tabulated under guarantee of anti-islanding condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 비롯한 분산 전원 시스템에서의 단독운전 현상을 방지할 수 있는 기법들에 대하여 기술하였고, 그중 주파수의 변동을 이용한 기법들에 대하여 중점적으로 알아보았으며 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증하였다. 현재 사용되고 있는 능동적 단독 운전 검출 기법들은 검출 성능 자체의 경우에는 타당성을 가지지만 전력품질의 측면에서는 출력 전류가 다수의 고조파 성분을 가지거나 역률의 변동이 지속적으로 발생되고 있기 때문에 주파수 변동 기법들에 대하여 시뮬레이션과 실험을 통해 각 기법들의 검출 성능뿐 아니라 전력품질의 영향에 대하여 알아보았다.
그래서 현재 태양광 발전 시스템을 비롯한 계통 연계형 분산전원 시스템의 단독운전 방지를 위해 다양한 기법이 연구되었다. 본 논문에서는 현재 연구된 단독운전 방지 기법들에 대하여 기술하고, 그중 주파수 변환 기법들에 대하여 단독운전 검출 성능과 정상 상태 시 전력품질에 대하여 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하도록 한다.

제안 방법

11에 보이는 태양광 시뮬레이터 pCube를 사용하였고, AC power source로 앞단에 차단기를 두어 Grid를 구성하였다. 그리고 병렬 R, L, C 부하를 구성하여 각 단독운전 검출 기법들의 검출 성능을 확인하기 위해 우선 단독운전 검출기법이 적용 되지 않은 상태로 실험을 수행하여 단독운전 발생 시 주파수 변화를 확인해 보고, 이와 비교해 각 검출 기법을 적용한 후 실험을 수행하여 각 기법들의 단독운전 검출 성능을 확인해 보았다. 또한 연계점에 전력 측정기기를 사용하여 출력 전류의 THD를 측정하였다.
실험을 하기 위하여 국제 규격인 IEEE Std 929-2000과 국내 규정을 참고하여 최대한 시뮬레이션 조건과 같게 파라미터를 선정하였고, 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진 조건을 만족하도록 설정하였다. 기본적인 실험 구성은 PV array를 대신하여 Fig. 11에 보이는 태양광 시뮬레이터 pCube를 사용하였고, AC power source로 앞단에 차단기를 두어 Grid를 구성하였다. 그리고 병렬 R, L, C 부하를 구성하여 각 단독운전 검출 기법들의 검출 성능을 확인하기 위해 우선 단독운전 검출기법이 적용 되지 않은 상태로 실험을 수행하여 단독운전 발생 시 주파수 변화를 확인해 보고, 이와 비교해 각 검출 기법을 적용한 후 실험을 수행하여 각 기법들의 단독운전 검출 성능을 확인해 보았다.
단독운전 검출 성능을 높이기 위해서는 주파수의 변동을 유도하는 외란의 크기를 키우면 되지만, 이에 따라 정상상태 시 출력 전류의 THD에 악영향을 미치는 것을 확인하였고, 각 기법의 외란의 크기에 따른 THD를 분석하였다. 결과적으로 각 기법마다 검출 성능을 보장할 수 있는 최소 외란 인가 시 PCS의 출력 전류의 THD는 Table 2와 같다.
6과 같이 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진조건을 만족하도록 설정하였으며, 이러한 R, L, C 부하의 실제의 경우에 인버터에서 자체적으로 발생되는 무효전력 성분까지는 고려되지 않았다.
그리고 병렬 R, L, C 부하를 구성하여 각 단독운전 검출 기법들의 검출 성능을 확인하기 위해 우선 단독운전 검출기법이 적용 되지 않은 상태로 실험을 수행하여 단독운전 발생 시 주파수 변화를 확인해 보고, 이와 비교해 각 검출 기법을 적용한 후 실험을 수행하여 각 기법들의 단독운전 검출 성능을 확인해 보았다. 또한 연계점에 전력 측정기기를 사용하여 출력 전류의 THD를 측정하였다.
실험을 하기 위하여 국제 규격인 IEEE Std 929-2000과 국내 규정을 참고하여 최대한 시뮬레이션 조건과 같게 파라미터를 선정하였고, 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진 조건을 만족하도록 설정하였다. 기본적인 실험 구성은 PV array를 대신하여 Fig.
본 논문에서는 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 비롯한 분산 전원 시스템에서의 단독운전 현상을 방지할 수 있는 기법들에 대하여 기술하였고, 그중 주파수의 변동을 이용한 기법들에 대하여 중점적으로 알아보았으며 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증하였다. 현재 사용되고 있는 능동적 단독 운전 검출 기법들은 검출 성능 자체의 경우에는 타당성을 가지지만 전력품질의 측면에서는 출력 전류가 다수의 고조파 성분을 가지거나 역률의 변동이 지속적으로 발생되고 있기 때문에 주파수 변동 기법들에 대하여 시뮬레이션과 실험을 통해 각 기법들의 검출 성능뿐 아니라 전력품질의 영향에 대하여 알아보았다.

대상 데이터

시뮬레이션을 하기 전에 국제 규격인 IEEE Std 929-2000과 국내 규정을 참고하여 Table 1과 같이 파라미터를 선정하였고, PSIM을 사용하여 Fig. 6과 같이 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 단독운전 발생 시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진조건을 만족하도록 설정하였으며, 이러한 R, L, C 부하의 실제의 경우에 인버터에서 자체적으로 발생되는 무효전력 성분까지는 고려되지 않았다.

성능/효과

7은 단독운전 검출 기법을 적용하지 않았을 경우 단독운전 현상을 보인다. 계통이 차단되었을 때 주파수가 미소하게 변동하지만 정상 범위 내에 있으므로 PCS 측에서 단독운전을 인식하지 못하고 계속해서 출력하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Remote 검출기법의 단점은 무엇인가?	보통 Remote 검출 기법들은 불검출 영역이 없으며 단독운전을 검출하는데 유효하다. 하지만 분산전원과 계통의 통신을 하기 위해 별도의 송⦁수신 장치를 설치해야 하므로 비용이 높아지는 경향이 있으며, 통신에 의한 수신기 및 송신기를 보다 저렴한 가격으로 개발하는 연구들이 현재 많이 진행되고 있다. 이에 반해, Local 검출기법은 별도의 장치를 필요로 하지 않기 때문에 대부분의 소용량 계통 연계 시스템에서 사용 되고 있고, 단독운전 현상을 감지하는 방식에 따라 수동적 기법과 능동적 기법 두 가지로 나눌 수 있다.
	단독운전 현상이란 무엇인가?	태양전지와 인버터로 이루어진 계통 연계형 태양광 전력변환기는 병렬연결된 부하와 계통에 정현파 전류를 공급한다. 계통 연계형 시스템에서의 단독운전(Islanding) 현상은 계통 측의 이상으로 태양광 발전 시스템 등의 분산 전원이 전력계통에 연계되어 있는 상태에서 정전, 점검, 또는 사고 등에 의하여 전력 공급이 차단된 상태에서 전력변환 장치가 이를 감지하지 못하고 병렬연결된 부하에 전력 생산 또는 전력변환 동작을 계속하는 상태이다. 3)
	계통 연계형 태양광 발전 시스템은 어떻게 구성되는가?	Fig. 1은 일반적인 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 나타내며, 인버터(Inverter), 전력계통(Utility), 지역 부하(Local Load), 차단기(Recloser)로 구성이 되어 있으며, 인버터는 차단기를 통해 계통과 연결되며 부하는 인버터와 계통 사이의 연계점(Node a)에 연결된다. 태양전지와 인버터로 이루어진 계통 연계형 태양광 전력변환기는 병렬연결된 부하와 계통에 정현파 전류를 공급한다.

참고문헌 (5)

Ki-Ok Lee, "Output Power Analysis for Active Frequency Drift Method", Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 29, No. 6, pp. 75-80, 2009
Jung-Hun So, "A Study on Performance Analysis of 3kW Grid-Connected PV System", Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 24, No. 2, pp. 9-15, 2004
Moon-Ju Ko, "Novel AFD Method of Islanding Detection with a Periodic Zero Current for Improving on Islanding Detection for Grid-Connected Photovoltaic Inverters", Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 26, No. 4, pp. 17-23, 2006.
Z. Ye, A. Kolwalkar, Y. Zhang, P. Du and R. Walling, "Evaluation of Anti-Islanding Schemes Based on Non Detection Zone Concept", IEEE Trans. on Power Electronics. pp. 1171-1176, 2004
Young-Seok Jung, "Analysis of Active Islanding Detection Methods for a Single-Phase Photovoltaic Power Conditioning Systems", Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 1477-1479, 2004.

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