[논문]계통연계형 태양광 인버터 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출

조영민; 김동균; 송승호; 최익; 이영권; 조상윤; 최주엽

doi:10.6113/tkpe.2016.21.4.283

계통연계형 태양광 인버터 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출
Islanding Detection for Grid-connected PV Inverter under Parallel Operation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.4, 2016년, pp.283 - 289

조영민 (Innovation R&D Center, Dawonsys) , 김동균 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 송승호 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University) , 최익 (Dept. of Information and Control Eng., Kwangwoon Univ.) , 이영권 (Keumbee Electronics) , 조상윤 (Dahan Tech) , 최주엽 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Islanding protection of a grid-connected photovoltaic (PV) inverter is a key function for standards compliance. Unintentional islanding results in safety hazards, reliability, and many other issues. Therefore, many anti-islanding schemes have been examined. However, existing anti-islanding schemes have poor power quality and non-detection zone issues. Moreover, most schemes have problems that deteriorate the performance of islanding detection under parallel operation. Therefore, this paper proposes a novel anti-islanding scheme that has negligible power quality degradation and has no non-detection zone and islanding detection under a parallel operation. Both simulation and experimental results validate the proposed scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 이러한 인버터 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출 성능 저하에 대하여 알아본다. 또한, 이러한 기존의 검출기법들이 가지는 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 전력품질에 악영향을 끼치지 않으면서 병렬운전 상황에서도 단독운전 검출이 가능한 새로운 단독운전 검출 알고리즘을 제안한다.
위에서 언급하였듯이 현재 개발된 단독운전 검출기법들은 단일 인버터 운전 상황만을 고려하여 개발되었다. 따라서 본 논문에서는 정상상태에서 전력품질에 악영향을 미치지 않으면서 인버터 병렬운전 상황에서도 단독 운전 검출할 수 있는 새로운 단독운전 기법을 제안한다.
따라서 본 논문에서는 이러한 인버터 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출 성능 저하에 대하여 알아본다. 또한, 이러한 기존의 검출기법들이 가지는 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 전력품질에 악영향을 끼치지 않으면서 병렬운전 상황에서도 단독운전 검출이 가능한 새로운 단독운전 검출 알고리즘을 제안한다. 그리고 이를 시뮬레이션과 실험을 통하여 단독운전 검출 성능과 전력품질에 미치는 영향을 검증한다.

제안 방법

국내 인증관련 기술기준인 “태양광 발전용 인버터 설비 심사기준의 세부 심사기준”을 참고하여 표 2와 같이 파라미터를 선정한 후 시뮬레이션 프로그램 PSIM을 사용하여 시뮬레이션 회로를 구성하였다.
또한, 이러한 기존의 검출기법들이 가지는 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 전력품질에 악영향을 끼치지 않으면서 병렬운전 상황에서도 단독운전 검출이 가능한 새로운 단독운전 검출 알고리즘을 제안한다. 그리고 이를 시뮬레이션과 실험을 통하여 단독운전 검출 성능과 전력품질에 미치는 영향을 검증한다.
그리고 제안하는 알고리즘의 검출 성능을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였고, 정상상태 시 전력품질에 끼치는 영향도 분석하였다. 따라서 본 논문에서 제안하는 검출기법이 전력품질에 영향을 끼치지 않으면서 인버터 병렬운전 상황에서도 단독운전 검출이 가능함을 확인하였다.
국내 인증관련 기술기준인 “태양광 발전용 인버터 설비 심사기준의 세부 심사기준”을 참고하여 표 2와 같이 파라미터를 선정한 후 시뮬레이션 프로그램 PSIM을 사용하여 시뮬레이션 회로를 구성하였다. 단독운전 발생시 주파수 변화가 없어 단독운전을 검출하기에 최악의 경우인 R, L, C 부하의 공진 조건을 만족하도록 설정하였으며, 계산된 R, L, C 부하의 경우 실제 인버터에서 자체적으로 발생되는 무효전력 성분까지는 고려되지 않았다.
실험 세트의 경우 그림 15와 같이 구성하였고, 그림 16에 보이는 PV array를 대체할 수 있는 태양광 시뮬레이터 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.
또한, 국내에서도 이러한 문제를 검증하기 위하여 국내의 A사 인버터와 해외의 B사 인버터를 대상으로 병렬운전 시 단독운전 검출 성능 시험을 진행하였다^[4]. 그 결과 그림 5와 같이 단일 인버터 운전 시에는 두 인버터 모두 단독운전 검출에 성공하였지만, 그림 6과 같이 A사 인버터와 B사 인버터의 병렬운전 시에는 단독운전 검출 시간이 규정치를 넘어서거나 불가능함을 확인할 수 있다.
또한, 기존의 단독운전 검출기법들에 대하여 간략히 설명하였고, 각각 장·단점을 가지지만 모두 단일 인버터의 경우만 고려하였기 때문에 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 검출기법을 제안하였다.
5. 실험

실험회로의 파라미터 선정은 최대한 시뮬레이션 조건과 같이하여 단일 인버터의 경우와 인버터 2대 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출 실험을 진행하였다.
제안하는 검출 알고리즘은 그림 8과 같이 단상 인버터의 출력을 D-Q 변환 후 PLL(Phase Locked Loop)을 통해 인버터 출력 전압의 ω를 검출하고, 이를 BPF(Band Pass Filter)를 거친 후 출력되는 값을 미리 설정해 놓은 zero_band보다 클 경우에 단독운전 현상으로 판단하여 ∆ω에 gain을 곱한 값을 무효전류 지령치 id-ref에 더해주어 무효전력을 증가시키게 되고, 이는 다시 ∆ω를 키워 결국 주파수가 정상범위를 벗어나게 하여 인버터의 출력을 정지한다.

대상 데이터

실험 세트의 경우 그림 15와 같이 구성하였고, 그림 16에 보이는 PV array를 대체할 수 있는 태양광 시뮬레이터 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

. 그 결과 그림 5와 같이 단일 인버터 운전 시에는 두 인버터 모두 단독운전 검출에 성공하였지만, 그림 6과 같이 A사 인버터와 B사 인버터의 병렬운전 시에는 단독운전 검출 시간이 규정치를 넘어서거나 불가능함을 확인할 수 있다.
시뮬레이션을 통하여 검증한 결과와 같이 단독운전 발생 시 각 인버터 간 상호 간섭 없이 단독운적 검출이 가능함을 확인할 수 있다. 그리고 만약 각 인버터에서 서로 상반되는 무효전력을 주입할 경우 주입하는 무효전력이 연계점에서 상쇄되어 그림 20과 같이 주파수가 정상범위 내에서만 변동하면서 단독운전 검출이 불가능함을 확인할 수 있다.
다수대 인버터를 병렬로 연결하여 운전할 경우 효율 및 인버터 수명 등에 장점이 있지만, 이 경우 단독운전 검출 성능의 저하가 발생함을 확인하였다. 또한, 기존의 단독운전 검출기법들에 대하여 간략히 설명하였고, 각각 장·단점을 가지지만 모두 단일 인버터의 경우만 고려하였기 때문에 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 검출기법을 제안하였다.
단독운전 발생 시 초기 ∆ω가 zero_band 내에 존재하였다 하더라도, zero_band를 0으로 가변했을 시 L, C 부하의 공진에 의하여 생긴 ∆ω를 이용해 검출 알고리즘이 동작하면서 단독운전을 검출하는 것을 확인할 수 있다.
단일 인버터의 경우와 동일하게 단독운전 발생 시 초기 ∆ω가 zero_band 내에 존재하였다 하더라도, zero_band를 0으로 가변하면서 검출 알고리즘이 동작하면서 인버터 간의 상호간섭 없이 단독운전을 검출하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 제안하는 알고리즘의 검출 성능을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였고, 정상상태 시 전력품질에 끼치는 영향도 분석하였다. 따라서 본 논문에서 제안하는 검출기법이 전력품질에 영향을 끼치지 않으면서 인버터 병렬운전 상황에서도 단독운전 검출이 가능함을 확인하였다.
또한, 병렬운전 상황에서의 단독운전 검출 성능을 확인하기 위하여 그림 15와 같이 실험 세트를 구성하여 실험한 결과는 그림 19와 같다. 시뮬레이션을 통하여 검증한 결과와 같이 단독운전 발생 시 각 인버터 간 상호 간섭 없이 단독운적 검출이 가능함을 확인할 수 있다. 그리고 만약 각 인버터에서 서로 상반되는 무효전력을 주입할 경우 주입하는 무효전력이 연계점에서 상쇄되어 그림 20과 같이 주파수가 정상범위 내에서만 변동하면서 단독운전 검출이 불가능함을 확인할 수 있다.
우선 단일 인버터의 경우 단독운전 검출 성능을 확인하기 위하여 그림 9과 같이 회로를 구성하여 시뮬레이션 한 결과 알고리즘을 적용하지 않았을 경우 그림 10과 같이 계통 차단 전·후 출력 전압 및 주파수에 변화가 없어 단독운전이 지속되는 것을 확인할 수 있다.
마지막으로 본 검출기법이 정상상태 시 전력품질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 알고리즘 적용 전·후의 출력 전류의 THD를 분석한 결과 그림 21과 같다. 이 결과를 통하여 본 논문에서 제안하는 검출기법이 전력 품질에 영향을 전혀 끼치지 않음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템과 같은 분산전원 시스템이 전력계통과 연계되어 운전하기 위해 해결해야 하는 문제점은?	태양광 발전 시스템과 같은 분산전원 시스템이 전력 계통과 연계되어 운전하기 위해서는 다른 수용가 및 계통에 피해를 주지 않도록 고조파 억제, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상 보호, 단독운전 방지 등과 같은 기술적 문제점을 해결해야 한다.
	단독운전 현상의 문제점은?	이러한 단독운전이 발생할 경우 계통연계형 태양광 인버터에서 정확한 전압 및 주파수를 검출할 수 없으므로 제어가 불안정해지고, 비정상적인 전압과 주파수를 갖는 출력이 부하에 공급되므로 전력품질에 악영향을 미치게 되고 계통 수리, 유지 관리를 하는 인력 혹은 주변 근접 인력의 안전에 위험을 초래한다[1].
	단독운전 현상이란?	그림 1은 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구성도를 나타낸다. 이러한 계통연계 시스템은 상용계통과 연계되어 운전하는데, 단독운전 현상은 계통의 정전 발생 시, 선로의 유지, 보수 및 기타의 사유로 계통 전력이 차단되었을 때 분산전원 시스템이 이를 인식하지 못하고 배전선에 단독으로 전력을 공급하는 현상이다.

참고문헌 (7)

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.
J. S. Moon, "Development of 50kW grid-connected photovoltaic inverter for dispersed station generation," Power Electronics Annual Conference, pp. 521-523, Jul, 2007.
On site tests in large PV plants relating to islanding, CIRED 2009, 2009.
Y. S. Jung, "Islanding detection function of grid-connected power conditioning system of parallel operation," The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 1100-1101, Jul. 2013.
Y. M. Jo, "Detection performance and THD analysis of active frequency drift for anti-islanding," Journal of the Korea Solar Energy Society, Vol. 35, No. 2, pp. 11-19, Apr. 2015.
Y. Takeda, "Study of utility interface and control problems for residential PV systems in rokko island 200kW test facility," Proc. of IEEE PVSC'98, Vol. 2, pp. 1062-1067, 1998.
W. Bower and M. Ropp, "Evaluation of islanding detection methods for photovoltaic utility-interactive power systems," IEA-PVPS Report, IEA-PVPS T5-09, 2002.

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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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