[논문]태양광발전의 연계에 대한 수용가 보호기기의 운용특성에 관한 연구

김병기; 이범태; 전진택; 김섭한; 노대석

[국내논문] 태양광발전의 연계에 대한 수용가 보호기기의 운용특성에 관한 연구
A Study on the Operation Characteristics for Protection Coordination Devices of Customer with PV Systems 원문보기

김병기 (한국기술교육대) , 이범태 (한국기술교육대) , 전진택 (한국기술교육대) , 김섭한 (한국기술교육대) , 노대석 (한국기술교육대)

본 논문에서는 기존의 배전계통에 연계된 태양광전원에서 발생하는 양방향 보호협조에 대한 문제점을 분석하였다. 모의배전계통과 통합 보호기기장치, 모의 태양광전원장치로 구성된 태양광전원용 보호협조시험장치를 제작하여, 단락사고시험(OCR)과 지락사고시험(OCGR)에 대한 보호기기의 특성시험을 수행하였다. 태양광전원 연계에 의한 사고전류 공급으로 보호기기의 정정치 변동과 보호기기의 오동작, 부동작에 대한 동작특성을 분석하여, 기존의 배전계통에 연계된 태양광전원의 문제점을 분석하고, 그 대안을 제시하였다.

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문제 정의

종래의 배전계통에 있어서의 전력조류는 변전소에서 선로말단을 향한 단방향이었지만, 분산전원이 연계된 배전계통의 경우에는 그 출력용량의 여부에 따라 양방향의 전력조류가 발생할 가능성이 있어, 계통운용상 단방향 전력공급에 맞춰져있던 보호협조기기가 오동작 및 부동작 하는 문제점이 야기될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 배전계통에 태양광전원의 연계로 인한 보호협조기기의 동작특성을 상세히 분석하기 위하여, 실계통의 특성을 모의한 보호협조 시험장치를 제작하였다. 또한, 이 보호협조 시험장치를 이용하여 태양광전원이 연계되어 운용되는 경우, 단락사고(OCR)와 지락사고(OCGR)에 대한 시험을 수행하여 보호기기의 응동 특성을 모의하였다.
본 논문에서는 태양광전원이 연계된 배전계통에서의 사고시의 보호기기의 동작상태를 해석하기 위해, 실 계통을 축소, 모의하여 제작한 태양광전원의 보호협조 시험장치로 다양한 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 배전계통에 태양광전원의 연계로 인한 보호협조기기의 동작특성을 상세히 분석하기 위하여, 실계통의 특성을 모의한 보호협조 시험장치를 제작하였다. 또한, 이 보호협조 시험장치를 이용하여 태양광전원이 연계되어 운용되는 경우, 단락사고(OCR)와 지락사고(OCGR)에 대한 시험을 수행하여 보호기기의 응동 특성을 모의하였다. 태양광전원의 연계에 의한 사고전류 공급으로 보호기기의 정정치 변동과 보호기기의 오동작, 부동작에 대한 동작특성을 분석하여, 실 계통에서 발생 가능한 보호기기의 문제점을 분석하고 기술적인 대안을 제시하였다.
또한, 이 보호협조 시험장치를 이용하여 태양광전원이 연계되어 운용되는 경우, 단락사고(OCR)와 지락사고(OCGR)에 대한 시험을 수행하여 보호기기의 응동 특성을 모의하였다. 태양광전원의 연계에 의한 사고전류 공급으로 보호기기의 정정치 변동과 보호기기의 오동작, 부동작에 대한 동작특성을 분석하여, 실 계통에서 발생 가능한 보호기기의 문제점을 분석하고 기술적인 대안을 제시하였다.
태양광전원의 계통연계에 의한 비상사고 발생 시, 단락사고와 지락사고 특성을 분석하기 위하여 태양광전원용 보호협조 시험장치를 제작하였으며, 이 시험장치는 모의 배전계통장치와 통합 보호협조장치, 모의 태양광전원장치로 구성하였다.
모의 배전계통장치는 그림 2와 같이 배전계통에 태양광 전원을 연계하여 사고 상태에 대한 보호기기의 특성을 시험하고 분석할 수 있는 장치이다. 이 장치는 격리 변압기를 이용하여 3상4선식 380/220V의 저압선로를 구성하고, 선로의 각 구간에는 M/C와 NFB를 이용하여 보호기기와 개폐기를 대용하게 하였으며, 가변부하를 인가하여 부하특성을 조정할 수 있도록 하였고, 태양광전원을 연계하도록 하였다.
실제로 큰 사고전류를 발생시키는 시험장치를 제작하는 것은 쉬운 문제가 아니어서, 본 논문에서는 보호계전기의 정정치(Pick Up치)를 상대적으로 낮게 설정하고, 부하의 변동전류를 사고전류가 발생한 것처럼 모의하여, 단락사고(OCR)에 대한 보호기기의 특성시험을 수행할 수 있는 장치를 제작하였다. 또한, 지락사고 시험을 수행하기 위하여, 배전선로에 부하불평형을 만들어 강제로 N상에 영상전류를 발생시켜, 보호기기 OCGR의 동작특성에 대한 시험을 수행하도록 하였다.
실제로 큰 사고전류를 발생시키는 시험장치를 제작하는 것은 쉬운 문제가 아니어서, 본 논문에서는 보호계전기의 정정치(Pick Up치)를 상대적으로 낮게 설정하고, 부하의 변동전류를 사고전류가 발생한 것처럼 모의하여, 단락사고(OCR)에 대한 보호기기의 특성시험을 수행할 수 있는 장치를 제작하였다. 또한, 지락사고 시험을 수행하기 위하여, 배전선로에 부하불평형을 만들어 강제로 N상에 영상전류를 발생시켜, 보호기기 OCGR의 동작특성에 대한 시험을 수행하도록 하였다.
그림 5의 사고시험장치의 개념도와 같이 고장위치가 F1 지점으로 상정한 후, 부하전류를 사고전류가 발생한 것처럼 모의하여, 단락사고 발생시 OCR 계전기의 순시 동작 특성시험 및 부하전류를 사고전류로 가정한 후 그림 6과 같이 TCC곡선은 정반한시(IEC SI), Lever은 0.05로 설정하여 점차적으로 증가시켜 반한시 TCC곡선 특성시험을 실시하였다.
태양광전원 연계 시 지락사고에 의한 보호기기의 응동특성을 시험하기 위하여, 그림 7과 같이 B상과 C상의 부하는 200W 고정시키고, A상의 부하를 가변시켜 불평형부하에 의하여 N상에 영상전류를 발생시켜 OCGR의 동작 특성 시험을 수행하였다.
본 시험을 통해 태양광전원의 연계 용량에 따라 보호기기의 정정치를 다시 산정해야 함을 확인할 수 있었고, 사고전류의 크기와 태양광전원 용량의 변화에 따른 OCR의 동작 상태를 확인하였다. 또한, 단락사고 시 태양광전원의 용량크기에 따른 분류효과로 보호기기의 부동작 및 오동작 현상을 확인하였다.
태양광전원이 연계된 경우 보호기기의 반한시특성을 분석하기 위하여 태양광전원의 용량을 300[W]로 고정하고, 사고전류의 크기를 각각 1.36A(300W), 4.52A(900W), 5.44A(1,100W)로 변동시켜, 보호기기의 TCC곡선의 변화를 분석하였다. 시험조건은 표 3과 같다.

대상 데이터

본 연구에서 제작한 통합형 보호장치는 보호기기의 특성시험을 수행하기위한 보호계전장치로서, 수·배전 전력설비에 대한 고 정밀 계측과 보호계전을 제공하는 디지털 복합계전기(VIPAM)로 구성하였다.

성능/효과

9[A](1,300[W]의 부하)의 사고전류(부하전류)에 대하여 보호기기는 트립되어, 표 1과 같이 정상적으로 동작이 되어짐을 알 수 있었다. 그러나 동일한 조건에서 태양광전원이 300[W]가 연계된 경우에는 태양광전원으로부터 1.36[A]의 역 조류가 발생으로, 배전계통에 흐르는 사고전류를 4.7[A]로 감소시켜, 보호기기의 OCR을 동작시키지 않는 부동작 현상의 문제점을 일으킬 수 있음을 확인하였다.
본 시험을 통해 태양광전원의 연계 용량에 따라 보호기기의 정정치를 다시 산정해야 함을 확인할 수 있었고, 사고전류의 크기와 태양광전원 용량의 변화에 따른 OCR의 동작 상태를 확인하였다. 또한, 단락사고 시 태양광전원의 용량크기에 따른 분류효과로 보호기기의 부동작 및 오동작 현상을 확인하였다.
281초로 지연되는 현상이 발생함을 알 수 있었다. 즉 태양광전원의 사고전류의 영향에 따라 정정시간의 변동을 야기시켜, 보호협조기기간에 협조시간에 대한 문제점을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
사고전류의 크기에 따라 TCC 곡선의 트렌드를 나타내면 그림 8과 같다. 즉, 태양광전원 300W의 연계 시에 사고전류의 크기가 연계 전에 비해 감소하고, OCR의 TCC곡선도 지연되는 현상이 발생함을 알 수 있었다.
표 7은 태양광전원 300W가 계통에 연계된 경우, A상의 부하용량의 변화(지락전류 변동)에 따른 보호기기 특성시험의 결과를 분석한 것이다. A상 부하용량 500[W]의 불평형 상태에서는 태양광 전원 300[W]의 연계로 불평형 전류가 감소하여, OCGR Pick-up값이 1[A] 미만이 되어 부동작 현상이 발생할 수 있음을 확인하였다.
표 8과 같이 태양광전원의 연계용량을 파라미터로 지락사고전류(부하불평형 전류)의 크기변화에 대한 OCGR의 동작특성을 나타낸 것이다. 이 표에서 알 수 있듯이, 태양광전원의 도입 용량이 증가하면 할수록 보호기기 OCGR의 오동작 발생가능성이 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 태양광전원이 도입되는 경우 기존 보호기기 OCGR의 정정치 변경이 필수적임을 알 수 있었다.
(1) 단락사고 시 태양광전원의 용량크기에 따른 분류효과로 보호기기의 부동작 및 오동작 현상이 발생함을 알 수 있었다. 따라서 태양광전원의 연계용량에 따라 보호기기의 정정치를 다시 산정해야 함을 확인할 수 있었다.
(2) 단락사고의 전류 크기가 변동되어, 태양광전원 수용가에 설치된 보호기기(반한시 계전기)의 Trip시간이 변화하여, 수용가 보호기기의 정정치를 태양광전원의 용량에 맞추어 적절하게 수정해야 할 필요성이 있음을 알 수 있었다.
(3) 지락사고전류(부하불평형 전류)의 크기변화에 대한 OCGR의 동작특성을 분석한 결과, 태양광전원의 도입 용량이 증가하면 할수록 보호기기 OCGR의 오동작 발생가능성이 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 태양광전원이 도입되는 경우, 기존 보호기기의 OCGR의 정정치 변경이 필수적임을 알 수 있었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

분산전원의 영향에 의한 보호협조에 대한 문제점은 무엇이 있는가?

그림 1과 같이, 태양광과 풍력과 같은 분산전원의 영향에 의한 보호협조에 대한 문제점은 크게 3가지로 요약할 수 있는데, F1 사고시(자기선로 고장)의 분산전원의 사고전류공급에 의한 보호기기의 정격차단용량(12.5KA)의 상회 가능성과 F1 사고 시에 발생할 수 있는 분류효과(분산전원의 연계시 임피던스병렬화로 사고전류의 감소)로 인한 보호기기의 부동작, F2 사고 시(타선로 사고)나 F1사고 시의 역방향 고장전류에 의한 보호기기의 오동작을 들 수 있다.

분산전원이 연계된 배전계통의 경우 발생할 수 있는 문제점은?

종래의 배전계통에 있어서의 전력조류는 변전소에서 선로말단을 향한 단방향이었지만, 분산전원이 연계된 배전계통의 경우에는 그 출력용량의 여부에 따라 양방향의 전력조류가 발생할 가능성이 있어, 계통운용상 단방향 전력공급에 맞춰져있던 보호협조기기가 오동작 및 부동작 하는 문제점이 야기될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 배전계통에 태양광전원의 연계로 인한 보호협조기기의 동작특성을 상세히 분석하기 위하여, 실계통의 특성을 모의한 보호협조 시험장치를 제작하였다.

본 실험을 위해 만든 모의 배전계통장치의 특징은 무엇인가?

모의 배전계통장치는 그림 2와 같이 배전계통에 태양광 전원을 연계하여 사고 상태에 대한 보호기기의 특성을 시험하고 분석할 수 있는 장치이다. 이 장치는 격리 변압기를 이용하여 3상4선식 380/220V의 저압선로를 구성하고, 선로의 각 구간에는 M/C와 NFB를 이용하여 보호기기와 개폐기를 대용하게 하였으며, 가변부하를 인가하여 부하특성을 조정할 수 있도록 하였고, 태양광전원을 연계하도록 하였다.

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