[논문]단독운전검출기법의 불검출 영역에 대한 비교 고찰

이기옥; 소정훈; 정영석; 유권종; 최주엽; 정승기; 최익

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Evaluation the Non-Detection Zone of Anti-Islanding Methods 원문보기

이기옥 (광운대학교) , 소정훈 (한국에너지기술연구원) , 정영석 (한국에너지기술연구원) , 유권종 (한국에너지기술연구원) , 최주엽 (광운대학교) , 정승기 (광운대학교) , 최익 (광운대학교)

계통연계형 태양광발전 시스템의 확대보급에 따라 단독운전 검출기법의 검출 성능에 대한 검증의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 단독운전검출기법의 대표적인 능동적 검출기법인 무효전력변동기법 (reactive power variation method)과 주파수 쉬프트기법(active frequency drift method)을 IEEE Std 929-2000에서 명시된 단독운전검출 시험방법을 이용하여 단독운전검출기법의 성능 및 불검출 영역(non-detection zone)에 대하여 비교 분석하였다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 단독운전검출기법의 대표적인 능동적 검출기법인 무효전력변동 (reactive power variation : RPV)기법과 주파수 쉬프트(active frequency drift : AFD)기법을 전력전자용 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용하여 단독운전검출기법의 성능에 대한 장 · 단점을 비교 분석하여 불검출 영역(non-detection zone)에 대하여 살펴보았다.
본 논문에서는 계통의 고장 및 사고에 의한 단독운전이 발생하였을 때 태양광용 PCS에서 이를 감지하여 신속히 전력변환동작을 정지하여 지역부하인 기기 손상방지 및 사고에 대한 안전성확보를 위하여 태양광용 PCS의 기능에 필수기법으로 포함되어야 할 단독운전검출기법 중에서 능동적 검출기법의 대표적 기법인 무효전력변동 (reactive power variation) 기법과 주파수 쉬프트 (active frequency drift)기법의 단독운전검출성능에 대하여 각각 절대적인 역할을 하는 무효전류의 투입량과 chopping fraction(cf)의 비율에 대한 경계조건을 전력전자용 모의실험 프로그램인 PSIM을 이용하여 밝히었다.

가설 설정

넷째, 계통은 이상적인 전압원이다.

제안 방법

PCS의 구성은 그림 6과 같이 단상 H-bridge, L-C filter, dynamic-link library (DLL) 인 PWM controller 구성하였고 switchinge 삼각파 비교방식을 사용하였다.
부하설정은 최악의 설정으로 인버터의 출력전력과 부하의 소비전력이 일치하여 계통에서 부하로 들어가는 전력이 0이 되도록 설정된 값을 사용하였고, 단독운전 발생시점도 계통전압이 zero-crossing하는 시점에서 단독 운전이 발생하도록 하였다. RPV기법에 대한 모의실험에 사용한 부하의 조건은 아래와 같다.

이론/모형

[2] 또한, 모의실험에서 사용한 위상 동기화(phaseTooked loop) 기법은 삼상 인버터 시스템에서 사용되는 위상동기화 기법을 phase-shift filter를 이용하여 단상 인버터에서 사용할 수 있도록 변형한 위상동기화 기법을 채택하였다.^[3]
위의 조건에서 단독운전검출기법의 모의실험은 전력전 자용 모의실험 프로그램인 PSIM을 이용하였고, 단독운전검출기법별 부하설정은 IEEE Std 929-2000에 명시된 방법을 이용하였다.^[2] 또한, 모의실험에서 사용한 위상 동기화(phaseTooked loop) 기법은 삼상 인버터 시스템에서 사용되는 위상동기화 기법을 phase-shift filter를 이용하여 단상 인버터에서 사용할 수 있도록 변형한 위상동기화 기법을 채택하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 단독운전검출성능 모의실험에서는 그림 5와 같이 출력전류가 0으로 떨어지는 시간(t₂)을 반으로 나눈 시간(t₂/2)만큼 출력전류의 위상이 늦도록 제어한 AFD기법을 적용하였다.^[4]

성능/효과

둘째, 단독운전검출기법은 인버터가 담당한다.
셋째, 인버터의 입력전원은 이상적인 정전압원이다
RPV기법에서 무효전류는 유효전류의 5%~45%까지 변동이 가능하다. 즉, 단독운전을 검출하기 어려운 최악의 L-C병렬공진의 부하 조건에서도 무효전류를 유효전류의 5%정도만 투입하여도 단독운전을 검출할 수 있으며 태양광용 PCS가 생산하는 전력품질을 고려하여도 45%까지 투입이 가능함을 밝히었다. AFD기법에서는 cf의 비율을 0.

후속연구

이러한 배경으로 향후 PV시스템을 포함한 소규모 분산전원의 확대보급에 따라 특정지역에서는 분산전원에 의한 전력생산량이 증대될 것이다. 이 결과로 단방향의 전력조류만을 허용하던 기존 배전계통에 대한 보호, 운용 및 관리 등에 있어서 배전계통이 사고에 따른 차단기 동작 또는 보수작업에 의한 전력공급이 중단되었을 경우에도 분산전원장치가 계속해서 부하의 전력과 균형을 이루어 운전하여 발전전력을 배전계통으로 공급하게 되는 현상 즉, 단독운전에 따른 기기손상, 전력품질의 저하 및 인명피해 등의 많은 문제가 발생할 가능성이 크게 될 것이다. 따라서 전력계통의 변화에 따라서 단독운전을 분산전원장치 에서 신속히 검출하여 분산전원장치의 운전을 정지하여야 한다.
이러한 배경으로 향후 PV시스템을 포함한 소규모 분산전원의 확대보급에 따라 특정지역에서는 분산전원에 의한 전력생산량이 증대될 것이다. 이 결과로 단방향의 전력조류만을 허용하던 기존 배전계통에 대한 보호, 운용 및 관리 등에 있어서 배전계통이 사고에 따른 차단기 동작 또는 보수작업에 의한 전력공급이 중단되었을 경우에도 분산전원장치가 계속해서 부하의 전력과 균형을 이루어 운전하여 발전전력을 배전계통으로 공급하게 되는 현상 즉, 단독운전에 따른 기기손상, 전력품질의 저하 및 인명피해 등의 많은 문제가 발생할 가능성이 크게 될 것이다.
향후 무한한 에너지원인 태양에너지를 이용하여 태양광용 PCS가 생산하는 전력을 고품질로 유지하면서 단독 운전발생시 이를 신속히 검출하는 요소요건과 태양광용 PCS의 시시각각 변하는 출력전력이 단독운전을 검출하지 못하는 영역에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 연구를 수행할 계획이다.

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