계통연계 태양광발전시스템과 회전계자형 동기발전기의 병렬운전 특성 Parallel Operation Characteristics of Utility Interactive Photovoltaic System and Revolving Field Type Synchronous Generator원문보기
Through simulations and field experiment on A.C. parallel operation of both Utility Interactive Photovoltaic System and Diesel Engine Revolving Field Type Synchronous Generator, following factors have been found. First, the inverter should be operated in three modes of frequency(mode.1: ${\pm}$...
Through simulations and field experiment on A.C. parallel operation of both Utility Interactive Photovoltaic System and Diesel Engine Revolving Field Type Synchronous Generator, following factors have been found. First, the inverter should be operated in three modes of frequency(mode.1: ${\pm}$0.3Hz, mode.2: ${\pm}$1Hz, mode.3: ${\pm}$2Hz) as default, considering properties of operating Synchronous Generator. Second, as a result of supplying 13.5kW of residual power, it has been found that Synchronous Generator takes the power input only as reactive power, because it was electrically stable with frequency of 60.14Hz and high voltage of 222.3V even when power factor was -0.94. Besides, it was mechanically stable, too, because the quake, noise, and temperature of Synchronous Generator in this case were 7.5mm/s, 97dB, and $6^{\circ}C$ respectively, which were lower than normal load connection of 145.6kW; 11.03mm/s. Thus, load share of Revolving Field Type Synchronous Generator reduces according to the supply of Photovoltaic System to the load power. In this experiment, 200kW of Synchronous Generator and 40kW of Photovoltaic System were operated in parallel. The load share was 20% in maximum. and 11.1lit/hr of fuel was saved.
Through simulations and field experiment on A.C. parallel operation of both Utility Interactive Photovoltaic System and Diesel Engine Revolving Field Type Synchronous Generator, following factors have been found. First, the inverter should be operated in three modes of frequency(mode.1: ${\pm}$0.3Hz, mode.2: ${\pm}$1Hz, mode.3: ${\pm}$2Hz) as default, considering properties of operating Synchronous Generator. Second, as a result of supplying 13.5kW of residual power, it has been found that Synchronous Generator takes the power input only as reactive power, because it was electrically stable with frequency of 60.14Hz and high voltage of 222.3V even when power factor was -0.94. Besides, it was mechanically stable, too, because the quake, noise, and temperature of Synchronous Generator in this case were 7.5mm/s, 97dB, and $6^{\circ}C$ respectively, which were lower than normal load connection of 145.6kW; 11.03mm/s. Thus, load share of Revolving Field Type Synchronous Generator reduces according to the supply of Photovoltaic System to the load power. In this experiment, 200kW of Synchronous Generator and 40kW of Photovoltaic System were operated in parallel. The load share was 20% in maximum. and 11.1lit/hr of fuel was saved.
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문제 정의
한전 배전계통이 미치지 못하는 도서산간 지역에서는 주로 디젤엔진의 기계적 회전운동과 계자전류를 받아 부하계통의 상태를 감시, Feedback제어하여 전압과 주파수를 출력하는 회전계자형 동기발전기를 사용하는데, 10)본 연구에서는 이 설비에 전력밸런스 용 양방향 인버터나 축전지설비가 없는 AC 출력의 3상 계통연계형 태양광 발전시스템을 병렬로 접속하여 운전, 전력부하의 변동에 따른 주파수, 역률, 전압, 고조파 등을 측정·분석하고 효율적으로 운전하기 위한 제어 방안을 제시함으로써 교류병렬 운전시스템의 도입 및 이용확대를 도모하는데 있다.
제안 방법
시뮬레이션에서는 전압과 전류의 이상 현상 발생의 여부와 동기발전기의 고조파 발생이 계통에 주는 영향에 대하여 파형을 모니터링 하였고, 교류병렬운전 실험에서는 부하의 가변과 잉여 전력 의 역 전송을 하면서 계통의 전압과, 전류, 주파수, 역률(Power Factor), 고조파 데이터를 측정 하였으며, 동기발전기 동체에 발생하는 진동, 소음, 온도 등 물리적 특성을 즉정하였다.
실험에서 전력계통의 데이터를 취득하기 위해 YOKOGAWA사의 전력분석기 (CW240)와 파형분석기(DL9140L)를 설치하였고, 동기발전기의 물리적 특성분석을 위한 NADA S&V의 진동분석기 (VibLow CXH+)와 소음계, 온도계를 설치하였다.
이론/모형
실험에 앞서 인버터의 동작과 전력계통의 고조파 영향을 검토하기 위하여 PSIM Version 4.1 을 이용, 그림 2와 같이 설계하여 시뮬레이션을 실시하였다.
성능/효과
(1) 한전 전력계통과 병렬로 사용하는 계통연계형 태양광인버터와 회전계자형 동기발전기가 병렬운전 하기 위해서는 실험결과와 같이 인버터 기존 주파수 제어범위를 벗어나 태양광발전시스템의 운전중단 등을 유발할 수 있기 때문에 비상발전기의 품질과 부하 설비의 종류 등을 감안하여 태양광인버터의 주파수 운전모드를 3가지 (±0.3Hz, ±lHz, ±2Hz) 이상 다양하게 적용할 필요가 있었다.
(2) 태양광발전시스템에서 생산된 잉여전력을 동기발전기에 역 전송한 결과에서는 전력계통에 과도현상이 없이 전압과, 주파수가 안정된 값을 유지하였고, 동기발전기의 진동, 소음, 온도 등 정상적인 물리적 특성이 측정되고 탈조가 발생하지 않은 안정된 운전을 확인하였다.
(3) 부하의 증가에 따라 전압 및 전류의 고조파의 값이 증가하고, 전류고조파는 전압 고조파에 비하여 여러 차수에서 발생되고 있음은 태양광발전시스템과 병렬운전으로 인한 고조파의 증가보다는 부하의 증가에 영향이 큼을 확인할 수 있었다.
이때의 동기전동기로써의 출력(PM)은 유입전류 I, 와 V의 벡터 합 PM이 된다.(그림 6의 (c)) 이 기계적 출력(PM)에 대하여, 동기발전기를 구동하는 디젤엔진이 엔진 브레이크로 작용함으로써 에너지의 균형을 이루고 운전되고 안정된 전압(211IV~222.3V)과 주파수(60.14Hz)가 유지되어 측정됨을 알 수 있다. 또한 동기발전기가 동기전동기로 운전되는 동안의 역률이 비슷한 크기의 부하에 동기발전기로 운전하는 경우와 비교할 때, 부(-)표시를 제외하고는 유사한 값으로 측정되는 것은 동기발전기의 자동전압조정기 (AVR)에 의해 계자전류가 가감되고 조정11)되어 보상됨을 알 수 있다.
그림 4의 (c)와 같이 왜곡된 파형이 계통에 나타남에 따라 동기발전기의 전력 품질이 계통에 영향을 주는 것을 알 수 있다.
3% 높은 변환효율을 확보하면서 생산량이 앞서고 있다.1)2)인버터는 수시로 변하는 태양광 기후에 따라 최대전력을 생산하여 고효율로 운전해야 하기 때문에 이를 위한 방법으로 MPPT3)제어기법이 적용되고, 여기에는 대표적으로 P&O4), 정전압제어, IncCond5) 등이 있으며6) 국내에서도 3상 IGBT인 버터를 DSP로 제어하는 P&O알고리즘을 적용한 효율 94%이상인 단일용량 계통연계형 120kw급 PCS제어기가 상용화되기 시작하였다.7)
2대의 동기발전기를 태양광발전시스템과 각각 교류병렬운전을 실시하면서 부하전력을 변화 시켜 그때의 주파수, 역률 등을 측정한 결과, 표 1과 같이 역률은 20kW이상의 전력 부하에서 0.9이상을 유지하였으나 10kW이하의 경부하시 0.78내외의 저 역률을 나타내었다.
2호기 동기발전기의 태양광발전시스템과 병렬운전의 경우도 표 2와 같이 부하전력의 변화에 대한 역률과 전압이 1호기와 유사한 운전 특성을 보였으며, 주파수는 60.02Hz ~60.27 Hz로 안정적인 특성을 보임에 따라 부하전력의 변화 정도와 동기발전기 고유특성이 계통에 영향을 줄 수 있음을 추정할 수 있다.
부하전력의 증가에 따라 동기발전기의 진동, 소음, 온도는 표 5와 같이 증가하였으며, 태양광발전 잉여전력 13.5kW를 동기발전기에 역 전송한 경우는 정상적인 부하접속(145.6KW; 11.03miii/s)보다 낮은 7.5mm/s, 소음 97dB, 동체온도 6℃로 측정되어 안정된 운전을 확인하였다. 따라서 잉여전력의 역 전송이 동기발전기를 동기전동기로 변화시켜 운전되는 상태는 전기적으로는 물론 물리적으로도 탈조나 불안정한 운전을 발생시키지는 않는 것을 알 수 있다.
정상적인 부하운전과 잉여전력이 동기발전기로 역 전송되는 경우의 계통 고조파 성분과 크기를 측정한 결과, 표 3과 같이 전류 고조파는 전압고조파에 비하여 여러 차수에서 발생되고 있으며, 부하의 증가에 따라 전압 및 전류의 고조파의 값이 증가함을 알 수 있다.
태양광발전시스템의 잉여전력을 동기발전기 1호기 에 10.7kW, 2호기에 13.5kW을 역 전송한 실험결과에서 주파수는 60.09Hz, 60.14Hz, 상 전압은 222.3V로 안정된 값이었으며, 역률은 각각 -0.75와 -0.94로 측정되었다. 역률이 부(-)의 값으로 표시된 것은 회전계자형 동기 발전기가 그림 6 (a)과 같이 운전하다가 잉여 전력의 역 전송으로 전류의 방향이 반대로 유입되어(그림 6의 (b)) 동기전동기로 변환되어 구동된 것으로 판단된다.
후속연구
한전 전력계통에 병렬로 접속하여 사용하는 계통연계형 태양광발전시스템을 동기발전기와 교류 병렬운전을 하는 경우, 잉여전력 역전송에 대한 계통과 발전기의 영향여부에 대하여 확인하였으며, 주파수와 전압의 일정한 운전범위를 발전기나 부하설비의 특성을 고려하여 설정, 운전하여 태양광발전시스템의 운전효율을 높이고 디젤엔진의 연료를 절감하는 방안을 제안함으로서 기존 디젤발전기를 사용하는 도서산간지역에서 태양광발전시스템 도입에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
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