[논문]태양광 발전과 ESS 시스템의 연계운전시 단독운전 방지 사례 연구

임종록; 황혜미; 신우균; 주영철; 정영석; 강기환; 고석환

doi:10.7836/kses.2019.39.1.059

[국내논문] 태양광 발전과 ESS 시스템의 연계운전시 단독운전 방지 사례 연구
A Case Study on the Islanding Detection Protection of PV System and ESS System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.1, 2019년, pp.59 - 66

임종록 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 황혜미 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 신우균 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 주영철 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 정영석 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 강기환 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실) , 고석환 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소 태양광 연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

BIPV or BAPV installation applied to building is increasing through public utility mandates enterprise. Solar PV energy generates only during the day, but if it is operated in convergence with ESS, which stores electrical energy, it can restrain the fossil energy used in buildings throughout the day. A solution is to converge with PV system and ESS. However, PV systems and ESS connected to the power grid in parallel can cause problems of electrical stability. A study was conducted on the case of failure to detect islanding operation under the parallel operation of PV generation and ESS that are connected in parallel to power grid. Experiments conducted various non-islanding detections under the operating conditions. In the experiment results, when one PCS - PV inverter or ESS inverter - was operating under the islanding condition, it stopped working within 0.5 seconds of the Korean grid standard. However, when both of PV inverter and ESS inverter were operating at the same time under the islanding situation, the anti-islanding algorithm did not operate normally and both inverters continuously supplied power to the connected RLC loads. islanding detection Algorithm developed by each inverter manufacturer has caused this phenomenon. Therefore, this paper presented a new test standard for islanding detection.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Configuration diagram for islanding detect test
표 Table 1 Specification of test inverters
표 Table 2 The description of test case for inverter output and load capacity
그림 Fig. 2 The test results for islanding detect of one inverter
그림 Fig. 3 The results for islanding detect of case 3 (R load capacity: 40 [kW])
그림 Fig. 4 The results for islanding detect of case 4 (R load capacity: 0 [kW])
그림 Fig. 5 The results for islanding detect of case 5 (R load capacity: 10 [kW])
그림 Fig. 6 The results for islanding detect of case 6(R load capacity: 15 [kW])

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 태양광시스템과 ESS시스템이 동일한 연계지점에 연결되어 운전되는 상태에 대한 단독운전 검출 실험을 실시하였다. 인버터 1대에 대한 단독운전 검출시험에서는 안정적으로 단독운전을 검출하여 인버터가 정지가 되었다.
하지만 ESS 시스템과 태양광 시스템이 계통에 연계된 상태에서의 단독운전 검출 시험에 대한 연구는 진행되고 있지 않다. 이에 본 논문에서는 ESS 인버터와 태양광 발전 인버터가 동시에 운전되는 상황을 가정하여 계통 전원 정전 시 단독운전 가능성에 대한 실험 및 분석을 실시하였다.

제안 방법

(1) 제조사가 다른 인버터 2대를 병렬운전하고, 단독운전 상태를 모의하여 실험을 실시한 결과 단독운전 검출을 실패하고, 계속적으로 부하에 전원을 공급하였다. 제조사 별로 알고리즘이 주파수의 변동, 무효전력 주입 등과 같이 다르고, 단독운전 상황에서 주파수 변동량을 상쇄시키므로 검출이 실패되었다.
3상 계통 연계형 인버터의 출력은 3상 평형이므로, 계측 파형의 측정은 3상 회로 중 U상의 전압, 주파수 및 전류 파형을 측정하였으며, 연계점 유무효 전력의 차(ΔP,ΔQ)는 각각 0 [%]로 하였다.
PV 인버터는 20 [kW]의 정격출력, ESS 인버터는 방전모드로 20 [kW] 운전하는 2대 병렬운전조건에서, R부하 40 [kW], L부하 –40 [kVA], C부하 40 [kVA]를 투입하여 단독운전 조건을 만들었다.
R부하 0 [kW], L 부하 –20 [kVA], C부하 20 [kVA]를 투입하여 단독운전 상태에서 계통 측 차단기를 차단하고 인버터의 정지시간을 측정하였다.
R부하는 10 [kW], L부하는 –20 [kVA], C부하는 20 [kVA]를 투입하였다.
5 [Sec] 이내에 인버터가 정상적으로 정지되는지를 확인하였다. 단독운전 검출실험에서 태양광 시스템의 용량은 20 [kW]로 하였으며, R 부하의 용량을 0 [kW], 10 [kW], 20 [kW], 40 [kW] 등으로 나누어 실험을 하였다. 먼저 태양광과 ESS 인버터의 개별 운전시 단독운전 검출 시험을 실시하여 각각 인버터의 단독운전 검출 상태를 확인 하였으며, 그 후에 2대의 인버터가 병렬로 연결된 상태에서의 몇 가지 상황으로 나누어 단독운전 검출 특성을 확인하였다.
ESS 인버터의 경우 제조사마다 다르겠지만, 충전상황에서 단독운전 알고리즘을 적용하지 않는 경우도 있어 단독운전 검출이 어려워 질 수도 있다. 단독운전 알고리즘으로 많이 적용되고 있는 주파수의 왜곡이나 무효전력 주입의 주기가 제조사별로 다르게 적용되어 단독운전 상황에서 기준치 이상의 주파수 변동이나 무효전력의 차이가 상쇄되어 검출에 실패하는 사례를 실험을 통해 확인하였다. 결론을 정리하면 다음과 같다.
단독운전 검출실험에서 태양광 시스템의 용량은 20 [kW]로 하였으며, R 부하의 용량을 0 [kW], 10 [kW], 20 [kW], 40 [kW] 등으로 나누어 실험을 하였다. 먼저 태양광과 ESS 인버터의 개별 운전시 단독운전 검출 시험을 실시하여 각각 인버터의 단독운전 검출 상태를 확인 하였으며, 그 후에 2대의 인버터가 병렬로 연결된 상태에서의 몇 가지 상황으로 나누어 단독운전 검출 특성을 확인하였다. 실험에 사용된 2대의 인버터는 한국에서 상용으로 설치가 되고 있는 제품으로 주요사양은 Table 1과 같으며, Table 2는 시험에 따른 인버터의 동작 및 부하 투입 용량을 나타낸다.
그러나 태양광 시스템과 계통연계 되어 병렬 운전되는 ESS 시스템 인버터는 태양광 시스템으로부터 발전에너지를 충전할 경우 전력 계통으로부터 회로가 분리 되더라도 지속적으로 운전 할 수 있는 상황이 발생하게 된다. 본 논문에서는 이러한 현상을 가정하여 병렬 계통 연계 상태에서의 단독운전 검출 실험을 위해서 300 [kW] 태양광 전력변환기기 시험설비와 250 [kW] ESS 시스템을 병렬로 연결하여 실험을 하였으며, ESS는 충전과 방전 상황으로 나누어 실험을 실시하였다. 3상 계통 연계형 인버터의 출력은 3상 평형이므로, 계측 파형의 측정은 3상 회로 중 U상의 전압, 주파수 및 전류 파형을 측정하였으며, 연계점 유무효 전력의 차(ΔP,ΔQ)는 각각 0 [%]로 하였다.
실험은 계통 측 차단기(S₁)를 OFF 한 후 태양광 및 ESS 인버터 측의 전압과 전류, 계통 측 전압 파형을 측정하여 한국의 Grid code 기준인 0.5 [Sec] 이내에 인버터가 정상적으로 정지되는지를 확인하였다. 단독운전 검출실험에서 태양광 시스템의 용량은 20 [kW]로 하였으며, R 부하의 용량을 0 [kW], 10 [kW], 20 [kW], 40 [kW] 등으로 나누어 실험을 하였다.
2의 (b)는 ESS 인버터만 20 [kW] 방전 운전 실시한 후 단독운전 상태로 부하를 투입하였다. 이후 계통 측 스위치를 차단 한 이후 인버터가 정지할 때까지 시간을 측정하였다. 소요시간은 300.
3상 계통 연계형 인버터의 출력은 3상 평형이므로, 계측 파형의 측정은 3상 회로 중 U상의 전압, 주파수 및 전류 파형을 측정하였으며, 연계점 유무효 전력의 차(ΔP,ΔQ)는 각각 0 [%]로 하였다. 즉, Power Quality Factor가 1인 조건에 대하여 시험평가를 하였으며, 단독운전 검출 시험을 위한 회로 구성도는 Fig. 1과 같다. ESS 인버터와 태양광 인버터가 병렬로 연결되어 있으며, EUT 1은 태양광 인버터, EUT 2는 ESS 인버터를 의미한다.

대상 데이터

먼저 태양광과 ESS 인버터의 개별 운전시 단독운전 검출 시험을 실시하여 각각 인버터의 단독운전 검출 상태를 확인 하였으며, 그 후에 2대의 인버터가 병렬로 연결된 상태에서의 몇 가지 상황으로 나누어 단독운전 검출 특성을 확인하였다. 실험에 사용된 2대의 인버터는 한국에서 상용으로 설치가 되고 있는 제품으로 주요사양은 Table 1과 같으며, Table 2는 시험에 따른 인버터의 동작 및 부하 투입 용량을 나타낸다.

성능/효과

(2) 태양광 인버터의 출력과 같은 용량으로 ESS 인버터가 충전되는 상황에서는 정상적으로 단독운전 검출이 되어 정지되었다. 또한 태양광 인버터의 출력량보다 작은 용량의 충전모드에서 운전되는 ESS 인버터가 단독운전 상태에서 단독운전 검출 시간이 수초 이상 진행되거나, 검출에 실패하였다.
실험결과 인버터가 지속적으로 운전되는 상태가 되어 강제적으로 인버터를 정지시켰다. ESS 인버터가 일부 충전모드로 운전되고 시스템 연계지점에서 R부하가 일부분 존재하는 상황에서 단독운전 검출이 불가능 하다는 것을 본 실험을 통하여 확인하였다. Fig.
(2) 태양광 인버터의 출력과 같은 용량으로 ESS 인버터가 충전되는 상황에서는 정상적으로 단독운전 검출이 되어 정지되었다. 또한 태양광 인버터의 출력량보다 작은 용량의 충전모드에서 운전되는 ESS 인버터가 단독운전 상태에서 단독운전 검출 시간이 수초 이상 진행되거나, 검출에 실패하였다.
(1) 제조사가 다른 인버터 2대를 병렬운전하고, 단독운전 상태를 모의하여 실험을 실시한 결과 단독운전 검출을 실패하고, 계속적으로 부하에 전원을 공급하였다. 제조사 별로 알고리즘이 주파수의 변동, 무효전력 주입 등과 같이 다르고, 단독운전 상황에서 주파수 변동량을 상쇄시키므로 검출이 실패되었다.

후속연구

(4) 다수의 인버터가 연계되어 운전되는 조건에서 단독운전 검출 시험에 대한 표준 개발이 필요하다. 또한 다수의 인버터가 동작되는 상황에서도 단독운전 검출이 가능한 알고리즘의 표준화가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단독운전 현상은?	태양광 발전은 태양전지 모듈과 어레이, 인버터, 간선을 포함하며, 태양광 시스템의 출력은 전류원으로 동작하여 계통과 서로 병렬로 연계되어 동 위상 및 동일 주파수의 정현파 전류를 공급한다. 계통에서 전력이 차단되면 단독운전 상황이 발생하는데, 단독운전 현상은 계통 전압이 상실된 이후에도 분산전원이 병렬로 연결된 부하에 지속적으로 전력 공급을 하는 현상을 의미한다.
	태양광 시스템을 단독으로 사용하기 어려운 점과 해결책	건물에 적용되어 발전하는 태양광 발전 시스템의 형태는 크게 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV)과 건물 부착형 태양광 발전(BAPV)으로 나눌 수 있으며, 이는 태양광 시스템을 건물에 설치하여 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 건물의 외장재를 대체 할 수 있는 장점이 있다2-4). 하지만 태양광 시스템과 같은 재생에너지를 통한 전력 수급은 환경적 요인을 많이 받기 때문에 일정한 공급이 어려운 단점이 있다. 이런 문제를 줄이기 위해서 최근에 태양광 발전 시스템과 에너지 저장 장치(ESS)를 연계하여 최대 수요 전력 감소, 분산 전원의 출력 변동 상쇄, 전력 예비력 등 계통 안정성 및 효율 향상을 위한 효과적인 수단으로 사용하고 있다5,6). 태양광 발전시스템에 ESS를 연계하여 운전할 때는 수용가 및 계통에 피해를 주지 않도록 과도현상 보호, 전압 변동 범위 등 여러 가지를 고려해야 한다.
	태양광 시스템의 단점	건물에 적용되어 발전하는 태양광 발전 시스템의 형태는 크게 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV)과 건물 부착형 태양광 발전(BAPV)으로 나눌 수 있으며, 이는 태양광 시스템을 건물에 설치하여 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 건물의 외장재를 대체 할 수 있는 장점이 있다2-4). 하지만 태양광 시스템과 같은 재생에너지를 통한 전력 수급은 환경적 요인을 많이 받기 때문에 일정한 공급이 어려운 단점이 있다. 이런 문제를 줄이기 위해서 최근에 태양광 발전 시스템과 에너지 저장 장치(ESS)를 연계하여 최대 수요 전력 감소, 분산 전원의 출력 변동 상쇄, 전력 예비력 등 계통 안정성 및 효율 향상을 위한 효과적인 수단으로 사용하고 있다5,6).

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

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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