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태양광 연계 계통의 주파수 보호 기준 정립
서훈철*, 김철환**, 윤영민***
기초전력연구원*, 성균관대학교**, 포스코건설***
The Frequency Protection of Distribution System with Photovoltaic System
Hun-Chul Seo*, Chul-Hwan Kim**, Young-Min Yoon***
KESRI*, Sungkyunkwan University**, POSCO E&C***
Abstract - The standard for the frequency protection of distributed generation in Korea Electric Power Corporation (KEPCO)’s standard doesn’t include the setting of frequency protection. Therefore, this paper analyzes the correlation between the frequency protection requirements and the stability of grid-connected PV system for the adjustable operating setting of frequency protection. The distribution system interconnected with 3 MW PV system is modeled by Matlab/Simulink. The various value of frequency is simulated. For studied cases, the stability of PV system is analyzed. It is concluded that the operating setting of frequency protection can be determined by the stability of PV system.
1. 서 론
태양광 발전, 풍력 발전 등 신재생 에너지의 용량 증가로 인하여 담당 하는 부하가 많아짐에 따라 신재생 에너지의 안정적인 운용 및 외란 시 신속한 보호를 위하여 해외에서는 IEEE Std. 1547 [1]이 개발되었고, 국 내에서도 분산형 전원 배전계통 연계 기술기준을 정립하게 되었다. 이들 중 IEEE Std. 1547에서는 과/저 주파수 시 분산전원의 분리 시간을 명 시하고 있다. 그렇지만, 국내의 분산형 전원 배전계통 연계 기술기준에 서는 주파수 변동 시 분산전원의 분리시간을 명시하고 있지 않다.
현재 국내에서는 태양광 발전의 기술 증가 및 국가의 전략으로 인하 여 태양광 발전의 계통연계가 증가하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 태 양광 발전의 계통연계 시 태양광 발전의 안정도를 고려하여 주파수 변 동에 대한 보호기준 정립 방안을 제안하였다. 우선, 주파수 변동 시 분 산형 발전의 보호기준에 대하여 국내외 규정을 비교분석하였다. 그 다음 으로 태양광 발전의 등가회로를 기반으로 태양광 발전의 모델링 및 안 정도 평가 방법에 대하여 기술하였다. Matlab/Simulink를 이용하여 계통 연계형 태양광 발전을 모델링하였으며, 다양한 계통 주파수를 시뮬레이 션하여 주파수 변동 시 태양광 발전의 안정도를 분석하였다. 안정도 분 석을 기반으로 태양광 발전에 대하여 주파수 보호기준의 정립 방안을 제안하였다.
2. 주파수 변동 시 분산형 발전의 보호기준
계통의 발전량과 부하량의 불균형은 계통 주파수의 감소 및 증가를 유발한다. 발전량이 부하량보다 많게 된다면, 계통 주파수는 증가하게 된다. 반면에, 부하량이 발전량보다 많게 된다면, 계통 주파수는 감소하 게 된다. 이러한 주파수 변동은 분산형 전원의 출력에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, IEEE Std. 1547 및 IEEE Recommended Practice는 다음 표 1과 같이 계통의 주파수 변동 시 분산형 전원의 분리 시간을 제시하 고 있다. 특히, IEEE Recommended Practice의 경우 태양광 발전의 경 우에만 적용된다. 두 가지 모두 표 1과 같이 분산형 발전의 용량에 따라 분리시간을 차별화하고 있다. 30kW 미만의 경우, 주파수가 59.3Hz이하 로 감소된 경우에는 0.16초 내에 분리되어야 하며, 60.5Hz 이상으로 증 가된 경우 또한 0.16초 내에 분리되어야 한다고 제시하고 있다. 30kW 이상의 경우, 60.5Hz 이상으로 증가된 경우는 동일하다. 그렇지만, 57.0Hz～59.8Hz 사이의 경우 현장에 따라 조정가능 하다고 제시하고 있 다. 57.0Hz 이하로 떨어진 경우에는 0.16초 이내로 분리하여야 한다고 제시하고 있다 [1-2].
반면에, 국내의 분산형 전원 계통연계 기술기준의 경우에는 적정 주파 수를 벗어난 경우에 분산형 전원을 분리하여야 한다고만 제시하고 있으 며, 용량에 따른 구분 및 분리시간은 제시하지 않고 있다.
IEEE Std. 1547 및 국내의 분산형 전원 배전계통 연계 기술기준 모두 분산형 전원의 유형은 구분하지 않고 있으며, 안정도는 고려하지 않고 있다 [3].
<표 1> IEEE Std. 1547 및 IEEE Recommended Practice에 제 시된 주파수 변동 시 분산전원의 분리 시간
DG size 주파수 범위(Hz) 분리시간(s)
≤30kw >60.5 0.16s
<59.3 0.16s
>30kW
>60.5 0.16
<{59.8-57.0} adjustable
<57.0 0.16
3. 계통연계형 태양광 발전
3.1 태양광 Array 및 태양광 발전의 안정도 평가
태양광 셀의 등가회로는 다음 그림 1과 같다. 그림 1에서 태양광 셀의 출력전압은 다음 식 (1)과 같다[4-5].
<그림 1> 태양광 셀의 등가회로
C S C C ph
C
R I
I I I I e
V AkT ⎟⎟ −
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ + −
=
0
ln
0(1) 여기서, e: electric charge(1.602×10
-19C)
k: Boltzmann 상수(1.38×10
-23J/K) I
C: 셀의 출력전류(A)
I
ph: 태양광전류, 조사량 및 온도의 함수(5A) I
0: 다이오드의 역포화 전류(0.0002A) Rs: 셀의 직렬 저항(0.001 Ω ) T
C: 셀의 동작 온도(20℃) V
C: 셀의 출력 전압(V)
A는 curve fitting factor로서 식 (1)에 의하여 얻어진 셀의 I-V 특성 을 시험에 의하여 얻어진 실제 특성으로 조정하기 위하여 사용된다. 식 (1)은 하나의 태양광 셀의 출력전압을 나타낸다. 따라서, 전체 태양광 array의 전압을 계산하기 위하여 직렬로 연결된 셀의 수를 식 (1)에 의 하여 얻어진 출력전압에 곱하면 된다. Array의 전류는 병렬로 연결된 셀을 통하여 흐르는 전류의 합이다. 따라서, 식 (1)에서 하나의 셀의 출 력전류 I
C는 array의 전류를 병렬로 연결된 셀의 수로 나눔으로서 구할 수 있다.
태양광 발전의 안정도는 다음 그림 1의 등가회로에서 필터로서 인덕 턴스 및 커패시턴스 성분 및 부하가 추가된 등가회로를 기반으로 구할 수 있다 [6]. 등가회로 해석으로 고유치를 구하면 다음 식 (2)와 같다.
2
4 ) (
)
(
11 22 11 22 2 12 212 , 1
J J J
J J
J + ± − +
λ = (2)
여기서,
2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17
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감사의 글
본 과제(결과물)는 지식경제부의 지원으로 수행한 에너지자원인력양성사업의 연구결과입니다.
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟ −
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ − +
⎥ =
⎦
⎢ ⎤
⎣
= ⎡
2 0
22 21
12 11
1 1 1 ln
C C
C ph
