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분산전원 배전 계통 연계시 고조파 영향 분석
박재균*, 이정호*, 서다희*, 이누리*, 오용택* 한국기술교육대학교 정보기술공학부 전기공학과*
A Study on the Harmonics Analysis for Interconnecting Distributed Resource with Energy Power System
Jae-Gyun Park*, Jeong-Ho Lee*, Da-Hee Seo*, Nu-Ri Lee*, Yong-Taek Oh*,
Electrical Engineering, School of Information Technology, Korea University of Technology and Education* Abstract - 전기사업의 자유화, 규제완화가 진행되는 가운데 분산 전원장비
의 고 효율화, 저 가격화로 분산 전원의 도입이 급속하게 추진되고 있 다. 하지만 분산형 전원이 다수 계통에 연계되었을 때, 전압, 주파수, 계통보호와 기존계통의 전력품질 등에 문제점이 제기되고 있다.
본 연구에서는 고조파의 연계기준(IEEE Std 1547)으로 기존의 전력계 통에 태양광발전을 연계시 발생되는 고조파를 평가하는 방법을 제시하 였고 분석결과를 검토하였다.
1. 서 론
지구온난화와 화석연료 고갈, RPS법(Renewable Portfolio Standard.
신에너지 이용에 관한 특별 처치법)의 시행으로 전기 사업자에 대해 일정량 이상의 신에너지 이용이 의무화되어 최근 분산형 전원의 개발이 활발하게 진행되고 있으며 계통연계되는 분산형 전원의 전원 용량도 점차적으로 증가되고 있다.[1] 분산형 전원이 다수 계통에 연계되었을 때, 고조파, 전압제어, 주파수 변동의 분야에서 다음과 같은 문제점이 발 생할 수 있다. 태양광 발전에서는 태양광 모듈에서 발전된 직류를 인버 터를 통해 교류로 변환시 고조파의 발생으로 기존 계통에서 운용중인 다 른 기기에 피해를 줄 가능성이 있으며. 실제 IEEE 519-Std를 기준으로 하여 고조파를 분석한 결과 기준치를 넘는 경우가 발생하기도 한다.[2]
전압제어에서는 기후에 의한 출력전력의 차이로 시간에 따른 제어의 어 려움과 발전량의 증가시 하위 계통에 역 조류 발생하고, 주파수 변동으로는 부하변동과 관계없이 출력변동이 큰 분산형 전원의 증가시 주파수 변동 폭이 커져서 주파수를 유지하지 못하게 되는 문제점이 있다.[3]
본 연구에서는 본교에 설치된 50KW급 태양광 발전 설비의 고조파를 측정하여 고조파 목표레벨인 IEEE 1547-Std의 기준을 적용하여 분산전 원 계통연계시에 중요한 기술적인 사항중 하나인 고조파를 분석 검토하 는 평가 알고리즘을 제시하였다.[4]
2. 고조파 평가방법
분산전원의 배전계통 연계시의 고조파 연계 적합여부를 판단하기 위 해서 평가하는 알고리즘은 IEEE Std 1547을 적용하도록 <그림 1>과 같은 방법으로 평가하였다. 고조파 측정을 위해서 본교에 설치한 태양광 발전 설비 <표 1>의 인버터 출력 단에서 전압과 전류를 측정하여 발생하는 고 조파를 측정하였다. 전압의 고조파 적정여부는 THD(Total Harmonic Distorition)를 적용하여 판단하였으며, 전류의 고조파는 TDD(Total Demand Distortion)를 적용하여 판단을 하였다.
고조파 평가방법으로는 먼저 전압과 전류를 측정하여 고조파를 50차까지 측 정하였다. 이를 각 단계별로 적합과 부적합으로 구분, 최종적으로는 모든 단계에서 적합일 경우에만 현재 사용 중인 전압과 전류가 사용하기에 적합 하다고 판단을 내리는 것으로 하였다.
<그림 1> 고조파 측정 및 평가 알고리즘
<표 1> 태양광발전 설비 사양
3. Data 측정 및 분석
Data 측정을 위해 본교에 설치된 50kW급 태양광 발전설비를 이용하였으며, 순서는 다음과 같다.
1) 데이터 측정은 2008년 5월 14일 16시 40분경에 본교에 설치된 50kw급 태양광 발전설비의 출력측(인버터 기준)에 Power Xplorer를 연결하여 출력파형을 측정하였다.
<그림 2>는 인버터 출력측의 전압과 전류파형이다. 전류의 파형은 전압의 파형과 유사하여 전류의 파형은 생략하였다. <표 2>는 <그림 2>로부터 측정한 Data이다.
C B A
<그림 2> 3상의 전압 측정결과
<표 2> 각 상의 실효치 및 THD
CHA Vrms CHB Vrms CHC Vrms
Max 220.16 221.35 219.99
Min 214.45 217.54 216.93
CHA VThd CHB VThd CHC VThd
Max 5.10 5.59 4.73
Min 4.81 5.11 4.57
(2) <표 2>와 같이 3상 중 THD가 가장 높은 B상 파형을 분석히였다.
<그림 2>에서 측정된 파형 중 B상만의 파형을 나타낸 것이 아래의 <그림 3>이다.
V I
인버터출력측 전압
인버터출력측 전류
<그림 3> B상 전압 측정 결과 2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16 - 18
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(3) 분석대상인 B상의 전압파형 <그림 3>에서 고조파 성분이 가장 심각한 시간대의 파형을 추출하기 위해, B상의 실효치 파형 <그림 4>를 분 석하고 해당 시간 파형의 고조파 성분을 분석하였다..
V RMS
I RMS
ITDD(max)
VTHD(max)
※
전류실효치
전압실효치
<그림 4> B상의 전압, 전류 실효치 파형 및 파형 분석 (4) 측정된 파형의 고조파 1-50차의 값을 FFT변환하여 그래프로 분류하였 다.<그림 5>과 <그림 6>은 <그림 4>의 파형에서 고조파가 최고치 지점(전압기준)인 16시 42분 01초 때의 고조파 1-50차의 값을 FFT 변환한 히스토그램이다.
<그림 5> 전압 FFT변환
<그림 6> 전류 FFT변환 4. 결과검토
측정한 전압과 전류의 고조파 성분을 IEEE 1547-Std(분산전원 배전계통 연계 표준안)에 적용하여 분석하였다.
(1) <그림 5>, <그림 6>의 기수 고조파를 분석하여 고조파율을 전압은 THD, 전류는 TDD로 계산한다.
<표 3> 전압 파형의 고조파 Data 분석
<표 4> 전류 파형의 고조파 Data 분석
(2) IEEE 1547-Std의 기준값과 비교하여 적합여부를 판단하였다.
<표 5>, <표 6> 참조
<표 5> THD 판단 기준 비교표
<표 6> TDD 판단 기준 비교표
5. 결 론
본 연구에서는 계통에 연계된 전압 및 전류를 측정하여 기술적 검토사항 인 고조파의 적정성 여부를 판단방법을 제안하였다. IEEE 1547-Std의 기 준에 부합하는 알고리즘을 작성하고, 본교에서 설치된 50kw급 태양광발전 설비에서 측정한 전압과 전류 파형을 알고리즘 순서에 따라 결과를 분석하 였다. 분석결과, 전압의 고조파는 IEEE 1547-Std의 기준에 적합하였으나, 전류의 고조파는 기준에 부적합하였다.
실제 IEEE 1547-Std의 기준에 의하면 계통에 연계된 부하를 모두 차단한 상태에서 측정을 해야 연계된 지점에서의 TDD를 측정할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 부득이하게 부하를 차단하지 못하고 측정을 하였기에 전류의 경우 부적합하게 판정되었다고 생각한다. 또한 이번에 측정한 고조파들은 순시값이지만 고조파는 시간에 따라 변화하기에 순시값이 아닌 일정시간 동안 측정한 데이터를 확률적인 통계로 나타낼 필요가 있다.[5] 그러므로 계통에 연계된 고조파를 가장 정확하게 분석하는 방법은 통계학적 방법을 적용하는 것으로 생각되어 향후에는 확률적인 통계방법을 적용하여 일정 시간 동안의 평균 고조파를 분석, 판단하는 것을 연구하고자 한다.
[참 고 문 헌]
[1] 이창훈, 황석준, 부경진, “신재생에너지 전력시장 활성화 방안”, KEI, 24-51, 2005
[2]Alejandro R. Oliva and Juan Carlos Balda, “A PV Dispersed Generator: A Power Quality Analysis Within the IEEE 519”, IEEE, 03, 525-530, 2003
[3] 요네자와 히로시, “분산전원기술 동향과 계통 운용상의 과제”, 월간 전기, 08, 44-50, 2005
[4] IEEE-SA Standards Board, “IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems“, IEEE, June, 2003 [5] Paulo F. Ribeiro, Guido Carpinelli, “IEEE Std 519 Revision(The Need For Probabilistic Limits of Harmonics)”, IEEE, 01, 809-812, 2001
