[논문]소프트 절환이 가능한 계통 연계형 CTTS 시스템 구성에 관한 연구

이형묵; 양지훈; 이정환; 박성미; 박성준

doi:10.21289/ksic.2018.21.6.361

[국내논문] 소프트 절환이 가능한 계통 연계형 CTTS 시스템 구성에 관한 연구
A Study on System Configuration of Grid-connected CTTS System with Soft Switching 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.21 no.6, 2018년, pp.361 - 368

이형묵 (전남대학교 전기공학과) , 양지훈 (전남대학교 전기공학과) , 이정환 ((주)지엔이피에스, 연구소) , 박성미 (한국승강기대 승강기공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a grid - connected CTTS system that can be soft switched to meet the government's effective resource allocation policy for emergency generator. In order to eliminate the system instability caused by the large inrush current generation in the system switching, a new virtual rotation coordinate method for the dissimilar power source is proposed. The proposed virtual rotation coordinate method improves the voltage detection accuracy of the voltage difference of the dissimilar power supply, and it is proved that the synchronous switching characteristic is excellent. In addition, zero current and system stabilization can be achieved by realizing zero current when blocking CTTS with instantaneous reactive power control. Simulation was carried out to verify the validity of the proposed method, and the 500[kVA] system was fabricated and verified to demonstrate the superiority of the proposed method.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Technology Development Trend of CTTS
그림 Fig. 2 Block diagram of the proposed uninterruptible power system
그림 Fig. 3 Basic principle of synchronous coordinate system
표 Fig. 4 The basic principle of the proposed virtual synchronous coordinate system
그림 Fig. 5 Linkage time characteristics by the proposed virtual synchronous coordinate system
그림 Fig. 6 Characteristics of Connected Type CTTS Controller with Switching of Zero Power
그림 Fig. 7 500 [kVA] linked CTTS installation photograph
그림 Fig. 8 Characteristics of generator voltage control during load fluctuation
그림 Fig. 9 CTTS characteristics during power outage and restoration
그림 Fig. 10. Start-up characteristics at connection
그림 Fig. 11 Load sharing in linkage mode

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 영전력 투입과 영전류 차단이 가능한 새로운 CTTS 알고리즘 및 계통 연계시 전력제어가 가능한 새로운 시스템을 제안한다. 제안된 알고리즘은 이종전원에 크기와 위상차를 고정도로 검출하기 위해 이종전원에 대한 가상회전좌표 기법에 의해 동기화를 위한 전압 검출정도를 개선하였고, 회전좌표계 d축 전압을 영으로 제어한 후 CTTS를 투입 시 돌입전류를 대폭 감소 시켰으며, 순시 유무효전력 제어로 CTTS 차단 시 영전류 구현으로 무아크 및 계통 안정화를 이룰 수 있었다.
본 논문에서는 CTTS 절환기의 접점보호 및 절환 시 돌입전류에 의한 계통 불안정을 줄이기 위해 본 연구에서 제안한 가상 회전좌표방식에 동기화 및 연계 시 전력제어를 행한 결과 우수한 결과를 얻을 수 있었으며, 본 시스템은 아래와 같이 발전기를 이용한 다양한 제어를 행할 수 있음을 검증하였다.

제안 방법

그림 2는 본 연구에서 제안된 무정전 시스템의 전체 블록도를 나타내고 있다. 제어보드는 발전기 측 및 계통 측 3상 전압, 전류를 계측하여 제안된 방식인 가상 회전좌표계로 변환하여 독립형 발전기모드 제어방식으로 발전기의 연계조건에 맞게 발전기 전압 주파수를 제어한다. 연계조건이 성립하면 제안된 연계형 CTTS로 절환이 이루어짐과 동시에 연계형 발전기모드로 제어하여 유효전력 및 무효전력을 제어하여 계통의 유효전력 및 무효전력이 영으로 제어한 후 계통을 분리시킨다.
제어보드는 발전기 측 및 계통 측 3상 전압, 전류를 계측하여 제안된 방식인 가상 회전좌표계로 변환하여 독립형 발전기모드 제어방식으로 발전기의 연계조건에 맞게 발전기 전압 주파수를 제어한다. 연계조건이 성립하면 제안된 연계형 CTTS로 절환이 이루어짐과 동시에 연계형 발전기모드로 제어하여 유효전력 및 무효전력을 제어하여 계통의 유효전력 및 무효전력이 영으로 제어한 후 계통을 분리시킨다. 이와 동시에 발전기는 독립형 모드로 제어기가 동작하게 된다.
두 교류 전원을 동기화하기 위해서는 두 전원의 크기, 주파수, 위상이 동일하여야 한다. 이를 구현하기 위해 본 연구에서는 비상발전기의 고정도 연계를 위해 발전기 전압(Vabc)을 계통 전압으로 한 위상각 정보에 의한 회전 좌표계로 변환한 가상 좌표변환 값을 구한다. 위에서 언급한 방식으로 2상 가상회전좌표 계로 구한 전압을 식 (8)로 주어지면, 동기화 여부를 판단하기 위해서는 식 (9)와 같다.

성능/효과

본 논문에서는 영전력 투입과 영전류 차단이 가능한 새로운 CTTS 알고리즘 및 계통 연계시 전력제어가 가능한 새로운 시스템을 제안한다. 제안된 알고리즘은 이종전원에 크기와 위상차를 고정도로 검출하기 위해 이종전원에 대한 가상회전좌표 기법에 의해 동기화를 위한 전압 검출정도를 개선하였고, 회전좌표계 d축 전압을 영으로 제어한 후 CTTS를 투입 시 돌입전류를 대폭 감소 시켰으며, 순시 유무효전력 제어로 CTTS 차단 시 영전류 구현으로 무아크 및 계통 안정화를 이룰 수 있었다.
그림 8(a)는 본 연구에서 개발한 발전기 전압주파수 제어의 특성을 분석하기 위해 무 부하에서 280[kW] 부하 변동 시 출력전압 및 주파수 특성을 분석한 것으로 부하 변동 시 약 5[%]의 전압변동이 있으나 0.8[sec] 후 정상상태가 됨을 알 수 있었다. 그림 8(b)는 280[kW]에서 무 부하 변동 시 출력전압 및 주파수 특성을 분석한 것으로 부하 변동 시 약 5[%]의 전압변동이 있으나 0.
따라서 총 22초 정전상태가 된 것이다. 그림 9(b)는 발전기가 부하가 280[kW] 전력을 공급한 상태에서 계통전압이 형성되어 복전 되는 상태를 나타낸 파형으로 복전시 기존 ATS 시스템과 달리 무 정전 상태에서 복전 됨과 동시에 발전기 전류가 영이 된 후에 계통에서 분리됨으로 계통전압에 영향이 없이 무 정전복전이 됨을 알 수 있었다. 그림 9(a)은 연계전력을 100[kW] 설정 시 기동특성을 나타내고 있다.
그림 9(a)은 연계전력을 100[kW] 설정 시 기동특성을 나타내고 있다. 발전기는 기동 초기 발전기 최소 전력량인 30[kW]로 10초간 제어한 후 설정된 100[kW]로 제어함을 알 수 있으며 기동 후 30초 뒤에 안정화됨을 알 수 있었다.
(c)는 연계전류가 커짐에 따라 3고조파 및 5고조파 성분의 크기는 동일하나 기본파 성분이 증대함으로 전류 THD가 감소함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤발전기 병렬 운전 시 전압 동기화를 위하여 어떤 요소들이 제어되어야 하는가?	디젤발전기 병렬 운전 시 전압을 동기화하기 위해서는 전압크기, 주파수, 위상이 제어가 되어야만 한다. 병렬운전 조건이 되면 발전기가 계통에 투입되고 이 경우 대부분은 돌입전류가 발생하여 계통 안정도에 큰 영향을 준다.
	독립형 발전기모드 제어방식으로 동작하는 제어보드에서 연계조건이 맞았을 때 발전기는 어떻게 동작하는가?	제어보드는 발전기 측 및 계통 측 3상 전압, 전류를 계측하여 제안된 방식인 가상 회전좌표계로 변환하여 독립형 발전기모드 제어방식으로 발전기의 연계조건에 맞게 발전기 전압 주파수를 제어한다. 연계조건이 성립하면 제안된 연계형 CTTS로 절환이 이루어짐과 동시에 연계형 발전기모드로 제어하여 유효전력 및 무효전력을 제어하여 계통의 유효전력 및 무효전력이 영으로 제어한 후 계통을 분리시킨다. 이와 동시에 발전기는 독립형 모드로 제어기가 동작하게 된다.
	발전기에서 전력을 공급 중에 CTTS로 차단 시 발생하는 문제점은 무엇인가?	따라서 계통 안정화를 위해서 기존 CTTS 투입 규정보다 더 엄격한 투입 규정이 절실히 필요하다. 또한 발전기에서 전력을 공급하고 있는 상태에서 CTTS로 차단할 경우 부하전류에 의한 아크발생으로 CTTS의 접점 노후화가 급속히 진행되어 수명이 단축될 뿐만 아니라 부하 급변에 의한 계통 안정도에도 악영향을 미친다[1]-[3]. 정부의 비상발전기 유효 자원화 정책에 부응하기 위해서는 계통연계가 가능한 CTTS 시스템에 연구가 절실히 필요하다.

참고문헌 (5)

Sewan Heo, Wan-Ki Park, Ilwoo Lee, "A novel technique for fault and lifetime-diagnosis of closed transition transfer switch using dual lines," Pulsed Power (PPC), pp. 1-6, (2017).
Ronold W. Hotchkiss, "Surge protection of automatic transfer switches-Application no," PES General Meeting, pp. 1-4. (2014).
Hussain A. Attia, Hew W. Ping, Yousif Al-Mashhadany, "Design and analysis for high performance synchronized inverter with PWM power control," Clean Energy and Technology(CEAT), pp. 265-270, (2013).
Bing Tian, Chengxiong Mao, Jiming Lu, Dan Wang, Yu He, Yuping Duan, Jun Qiu, "400 V/1000k kVA Hybrid Automatic Transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics," pp.5422-5435, (2013).
M. Qaisar Azeem, Habib-ur-Rehman, "Design and analysis of switching in automatic transfer switch for load transfer," Open Source Systems & Technologies (ICOSST), pp. 129-134. (2016).

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