[논문]전기자동차 충전에 의한 고조파 영향 분석

김지훈; 심형욱; 주성철; 이제원; 김철환

전기자동차 충전에 의한 고조파 영향 분석
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김지훈 (성균관대학교) , 심형욱 (성균관대학교) , 주성철 (성균관대학교) , 이제원 (성균관대학교) , 김철환 (성균관대학교)

전기자동차 급속 충전기는 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터와 같은 전력변환장치, 차량과 충전기를 연결하는 충전인터페이스, 전력 공급설비, 차량과 충전기 상호 커뮤니케이션을 위한 통신망 등으로 구성된다. 따라서 전기자동차 급속 충전기의 전력변환장치로부터 전력계통으로 역류, 전력품질 및 전력기기 등에 악영향을 미치는 고조파가 발생되기 때문에 이에 대한 적절한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 전기자동차 연계에 따른 전력 계통에서의 고조파 영향을 분석하기 위해 ATPDraw/MODESLS를 이용하여 급속 충전기의 전력변환장치인 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터를 모델링 하였고, 이를 한전 실 배전계통에 연계하여 차수별 고조파 및 THD(Total Harmonic Distortion)를 분석하였다.

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문제 정의

급속 충전시스템은 충전기와 전기자동차 간의 통신 및 물리적인 커넥터, 소켓, 플러그 등을 포함하지만 본 논문에서는 고조파의 주요 발생원인 전력 변환장치에 대해 다루도록 한다. 급속 충전시스템의 전력변환장치는 그림 2와 같이 구성된다[5].

제안 방법

3상 AC 380V의 전압으로 충전하는 급속 충전시스템의 전력변환장치인 3상 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터, LCL 필터를 ATPDraw를 이용하여 그림 3과 같이 모델링하였다.
THD를 측정하기에 앞서 급속 충전기의 전력변환장치로 인한 파형의 왜곡을 살펴보기 위해 전력 계통과 연계 후 전압의 파형을 측정하였다. 다음 그림 5와 그림 6은 각각 전력변환장치와 전력 계통에서의 전압 파형이다.
모델링한 전력변환장치를 전력 계통과 연계하여 전압 파형 및 THD를 측정함으로써 고조파를 분석하였다. 그림 4와 같은 한전 실 배전계통을 이용하였고 전력변환장치를 전원으로부터 가까운 곳 A와 먼 곳 B에 연결하여 1, 2, 3, 4의 위치에서 전압 파형의 THD를 측정함으로써 각각의 상황에 따른 고조파 영향을 분석하였다.
모델링한 전력변환장치를 전력 계통과 연계하여 전압 파형 및 THD를 측정함으로써 고조파를 분석하였다. 그림 4와 같은 한전 실 배전계통을 이용하였고 전력변환장치를 전원으로부터 가까운 곳 A와 먼 곳 B에 연결하여 1, 2, 3, 4의 위치에서 전압 파형의 THD를 측정함으로써 각각의 상황에 따른 고조파 영향을 분석하였다.
모델링한 전력변환장치의 고조파 영향을 분석하기 위해 ATPDraw의 MODELS를 이용하여 전압 파형의 THD를 측정하였다. 다음 표 1은 각각의 위치에서 측정된 각 차수별 고조파 전압과 THD이다.
본 논문에서는 전기자동차 충전으로 인한 고조파 영향 분석을 위해 급속 충전기의 전력변환장치인 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터를 ATPDraw로 모델링하였으며 이를 전력 계통에 연계 후 차수별 고조파 및 THD를 분석하였다.
비선형 부하로 인해 발생된 고조파로 인하여 전력 계통에 미치는 영향은 전압 및 전류 파형의 THD를 측정함으로써 평가할 수 있다. 고조파로 인해 왜곡된 전압 및 전류 파형의 THD는 식(1), (2)로 나타낼 수 있다[3-4].
전기자동차 급속 충전시스템의 전력변환장치를 모델링하여 전력 계통에 연계 후 연결 위치 및 측정 위치에 따른 고조파 전압과 전력 계통에서 전압 파형의 THD 변화를 비교, 분석하였다. 실험 결과, 전력변환장치로 인해 전압 파형의 왜곡이 발생하였고 위치에 따른 고조파 전압 및 THD의 변화를 측정함으로써 고조파로 인한 전력 계통 영향을 확인할 수 있었다.

성능/효과

전기자동차 급속 충전시스템의 전력변환장치를 모델링하여 전력 계통에 연계 후 연결 위치 및 측정 위치에 따른 고조파 전압과 전력 계통에서 전압 파형의 THD 변화를 비교, 분석하였다. 실험 결과, 전력변환장치로 인해 전압 파형의 왜곡이 발생하였고 위치에 따른 고조파 전압 및 THD의 변화를 측정함으로써 고조파로 인한 전력 계통 영향을 확인할 수 있었다. 전기자동차의 보급이 확대되어 급속 충전 설비가 증가한다면 전력 계통에서의 고조파 영향은 더욱 뚜렷할 것이고 이에 대한 시급한 대책 방안이 필요할 것이다.

후속연구

전기자동차의 보급이 확대되어 급속 충전 설비가 증가한다면 전력 계통에서의 고조파 영향은 더욱 뚜렷할 것이고 이에 대한 시급한 대책 방안이 필요할 것이다. 본 논문에서의 결과는 추후 전기자동차 연계에 따른 계전기 오동작, 설비의 과열 등의 문제점 대책 방안 연구에 유용할 것으로 사료된다.
실험 결과, 전력변환장치로 인해 전압 파형의 왜곡이 발생하였고 위치에 따른 고조파 전압 및 THD의 변화를 측정함으로써 고조파로 인한 전력 계통 영향을 확인할 수 있었다. 전기자동차의 보급이 확대되어 급속 충전 설비가 증가한다면 전력 계통에서의 고조파 영향은 더욱 뚜렷할 것이고 이에 대한 시급한 대책 방안이 필요할 것이다. 본 논문에서의 결과는 추후 전기자동차 연계에 따른 계전기 오동작, 설비의 과열 등의 문제점 대책 방안 연구에 유용할 것으로 사료된다.

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