한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 10 pp. 3898-3904, 2010 저압배전선로에연계된분산전원의과도특성해석에관한연구 윤기갑 1*, 노대석 2, 김의환 1 1 한전전력연구원, 2 한국기술교육대정보기술공학부 Analysis of Transient Characteristics for Distributed Generations with the Secondary Feeders Gigab Yoon 1*, Daeseok Rho 2 and Eui-Hwan Kim 1 1 KEPRI, 2 Information School, Korea University of Technology 요약본논문에서는저압배전계통에연계되어있는분산전원의과도특성을해석하기위하여, 실계통을모의하여구축한분산전원실증시험센터의설비를이용하여, 순간강하, 순간상승, 고조파, 순간정전등배전계통에서일어날수있는비정상상태요소를발생시켜, 분산전원의과도특성을해석하였다. 본연구에서제시한과도특성에대한시험결과에의하여, 분산전원계통연계기술기준 ( 가이드라인 ) 에서정해진각종규정에대하여저압선로에연계되어운용되고있는분산전원의적합여부를파악할수있었어, 본연구의유효성을확인할수있었다. Abstract In order to analyze the transient characteristics for distributed generation located with the secondary feeders, this paper constructs a Distributed Generations Filed Test Center which can produce transient characteristics such as voltage sag, swell, interruption, harmonic and so on. And also this paper proposes the test results for the interconnection of distributed generations. The results show the effectiveness for the utility technical guidelines for distributed generations with the secondary feeders. Key Words : Distribution System, Protection devices, Protection algorithm, Distributed Generators 1. 서론 최근지구온난화및신재생에너지에대한정부의보급정책에따라태양광및풍력발전등분산전원의보급이증가하고있다. 이들분산전원은종래부터전력회사가주로적용해온화력이나원자력발전과는달리비교적소형이고또한풍력이나수력, 태양광등자연에너지를이용한전원이라는것이특징이다. 그러나분산전원을계통에연계하여병렬운전을할경우에는전력품질, 공급신뢰도등의면에서종전에없었던기술적과제가생기게된다. 이러한분산형전원은어떻게든전력계통에연계하여운용해야하기때문에전력계통연계에따른문제점을보완하고기존전력계통에미치는영향을분석할필요가있다 [1-4]. 배전계통에분산형전원이연계되면역조류가발생하여전류의방향이기존의전류흐름과반대가되기때문에배전선로의강하의방향도역으로되어인입점에서이상승하여적정범위를벗어날수가있다. 적정치를벗어난변동은수용가기기의오동작이나파손을일으킬가능성이있다 [5-8]. 따라서본논문에서는분산전원연계선로의분산전원과도특성과전력품질을분석하기위해 AC전원모의장치를이용하여저압배전계통측에서순간강하 (Voltage Sag), 순간상승 (Voltage swell), 고조파 (THD) 주입등의배전계통에일어날수있는비정상상태를발생시켜, 분산전원의과도특성을분석하여, 그결과가분산전원계통연계기술기준 [9-11] 에서정한규정치에적합한가에대한기술적인검토사항을분석하였다. * 교신저자 : 윤기갑 (ykk@kepri.re.kr) 접수일 10 년 09 월 09 일수정일 10 년 10 월 06 일게재확정일 10 년 10 월 15 일 3898
저압배전선로에연계된분산전원의과도특성해석에관한연구 2. 분산전원실증시험센터구축 분산전원실증시험센터는저압배전계통 ( 모의선로와부하 ) 과분산전원장치 ( 태양광전원과 DC모의전원장치 ), 전력품질발생장치 (AC 전원모의장치 ) 로구성된다. 전체개요도는그림 1과같다. 2.2 전력품질발생장치전력품질발생장치 (AC전원모의장치) 는그림 3과같이, 저압배전선로에서발생되는 Dip, Outage, Swell, Harmonics, Impulse, Flicker, Unbalance 등을상별로구현이가능하도록구성되어있다 [13-15]. 시험방범은저압선로에연계된인버터, 및보호장치에대해서 Voltage trip point시험, Frequency trip point시험, 단독운전방지검출시험, 재폐로시험, DC전원유입시험등계통연계시험할수있도록시험선로에을인가하여상별로및주파수를조절할수있도록구성되어있다. AC전원모의장치는주파수불변상태에서급변기능을갖고있으며, 설정범위는각각 0.1ms ~ 6s, 6s ~ 60s, 60s ~ 600s가가능하고 V start level, QC level 형태로급변시험이가능하도록되어있다. 또한주파수변동상태에서변동시험을목표값과이동시간 (Transition time) 동안최대 0~99.9s까지조절이가능한기능을갖고있다. [ 그림 1] 분산전원시험센터구성도 2.1 저압배전계통저압배전선로 [12] 의전기적특성을모의하기위하여, 그림 2와같이실선로의단위길이당 R+jX값으로나타내었고, PC에서파라메트값만입력하면원격으로자동제어될수있도록구성하였다. 저항값 (R) 및인덕턴스값 (L) 을모의하기위하여, 각각의저항및리액터를직렬로연결할수있는마그넷트스위치 ( 래치형 ) 을설치하고, 모든조작은웹상에서파라메타값만입력하면선로특성에맞게자동설정되도록구성하였다. 저압모의선로장치의구성은저항 32개 1Set, 리액터 32개 1Set, 마그넷트 64 대, RTU 제어장치외옥외용판넬 8면으로구성되어있다. [ 그림 3] AC전원모의시험장치 (36kW) 2.3 태양광발전장치그림 4와그림 5는태양광발전인버터및설비의구성을나타내고있다. 태양광발전설비는인버터상호간미치는영향분석을분석하고, 정격 220±13V, 정격전류 150% 초과, 변동 ±2% 초과, 주파수변동 ±0.1Hz 초과, 단독운전검출 0.5초이내, 복전후 5분, 누설전류 5mA, DC유입전류 0.5% 이하등인버터특성과계통에미치는영향을분석하기위한실증시험설비이다. 태양광설비구성은고정형태양전지 (30kW), 계통연계형 1상 3kW 인버터6대, 3상 12kW 1대로구성되어있다. [ 그림 2] 저압모의선로구성 3899
한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 2010 [ 그림 4] 태양광발전시험장치 (30kW) [ 그림 6] DC 전원모의장치 30kW 구성 3. 시험결과분석 본연구에서는 AC전원모의장치를이용하여저압배전계통측에서순간강하 (Voltage Sag), 순간상승 (Voltage swell), 고조파 (THD) 주입등의배전계통에일어날수있는비정상상태를발생시켜, 분산전원의과도특성을분석하였다 [9-11]. [ 그림 5] 태양광인버터 ( 단상 6대, 삼상 1대 ) 2.4 DC전원모의시험장치 DC전원모의시험장치는그림 6과같이, 태양광발전 15kW와연료전지 15kW로구성되어있다. DC전원모의시험장치는소내전원을이용하여 DC전원모의장치에서태양광전지와연료전지모듈특성을구현하며, 태양광 3 상 15kW PCS 인버터와연료전지용 15kW EPC(Electric Power Conversion) 인버터로구성된다계통전원은 3상3선 380V/60Hz, 계통과의절연은상용변압기로절연되어있다. DC전원모의장치는 0 600V 제어가가능하며용량 15kW, 인버터의입력 150 600V로구성되어있고 DC전원장치는태양광전지셀과연료전지셀특성을고려하여특성별 (VI곡선) 구현이가능하도록구성되어있다. DC전원모의장치에현장에서측정한일사량, 수소및산소량,, 전류값을데이터로변환하여입력하면현장과동일하게모의가가능하도록알고리즘이구성되어있다. 3.1 시험조건 (1) 순간강하 (Voltage Swell) 시험먼저, 연계점의 110% 크기로 120 cycles 동안발생시키고, 다음에연계점의 120% 크기로 10 cycles 동안발생시켜 Swell에대한특성시험을수행하였다. (2) 순간강하 (Voltage Sag) 시험연계점의 50% 크기로 10 cycles, 2 cycles 동안발생키고, 또한연계점의 80% 크기로 10 cycles, 60 cycles, 120 cycles 동안발생시켜 Sag에대한특성시험을수행하였다. (3) 고조파 (THD) 주입시험종합왜형율 3%( 3th 2.4%, 5th 1.5%, 7th : 0.8%, 11th 0.5% ) 와종합왜형율 5%(3th 3.3%, 5th 2.5%, 7th : 2.0%, 11th 2.0%) 에대하여고조파특성시험을수행하였다. 3.2 과도특성시험분석결과 3.2.1 순간상승특성시험 (1) 순간상승 120cycle 110% 시험기준 220V 110% 의 120cycle 동안계통에비정상상태로공급했을때의인버터동작특성시험결과는그 3900
저압배전선로에연계된분산전원의과도특성해석에관한연구 림 7과같다. 에순간상승이발생했을때이상승한만큼전류가계통과동일한상태를유지하기위해이증가하는경우인버터동작전류는미세한크기의전류로감소하였지만인버터는차단되지않고비정상적으로동작하였다. 연계기준에의거 110% 이상의순간상승이발생할경우 1.0sec 이내에차단되어야하나, 시험결과는아래와같이전류의크기는미세하게감소하였으나, 인버터는차단되지않고비정상적으로동작함을알수있었다. 110% : 242V 120% : 264V 3 cycle 10 cycle 인버터동작정지 [ 그림 8] 인버터동작특성 ( 차단 ) 3.2.2 순간강하특성시험 전류 120 cycle (1) 순간강하 ( 연계점 50%) 기준 220V의 50% 를 10cycle 동안계통에비정상상태로공급했을경우분산전원계통연계기준은 0.16s (10 cycles) 이내에계통에서분리되어야한다. 그림 9는순간강하가발생했을때이감소한만큼전류가계통과동일한상태를유지하기위해이감소하는동일시점에서인버터내부보호회로중과전류계전요소가동작하면서인버터동작전류는 0 이되고동작이중지되었고, 기준에만족함을확인하였다. [ 그림 7] 인버터동작특성 ( 및전류 ) (2) 순간상승 10cycle 120% 시험기준 220V 120% 의 10cycle 동안계통에비정상상태로공급했을때의인버터동작특성시험결과는에순간상승이발생했을때이상승한만큼전류가계통과동일한상태를유지하기위해이증가하는경우인버터동작전류는 3cycle 후전류의크기가감소하면서그림 8과같이인버터는트립되었다. 따라서순간상승시험결과는 220V 120% 에서는순간상승이 120% 이상일경우 3cycle 0.01s 후인버터는정상적으로정지하였다. 순간상승시험은 110% 크기에서는연계기준에의거 1.0s에차단되어하나차단되지않고비정상적으로동작하였지만, 120% 크기에서는 0.16s 이내에차단기가동작해야하는데 3cycle 0.05s 이내에트립되어연계기준에만족함을확인할수있었다. 50% : 110V 10cycle 인버터전동작정지류정격전류의 84배824A [ 그림 9] 인버터동작특성 (50% 10cycles) 한편, 기준 220V의 50% 를 2cycle 동안계통에비정상상태로공급했을때의인버터동작특성시험결과는그림 10과같이에순간강하가발생했을때위의시험과동일하게이감소한만큼전류가계통과동일한상태를유지하기위해이감소하는동일시점에서인버터내부보호회로중과전류계전요소가동작하면서인버터동작전류는 0 이되고동작을중지했다. 3901
한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 2010 전류 50% : 110V 2 cycle 인버터동작정지 정격전류의 4 배 24A [ 그림 10] 인버터동작특성 (50% 2cycles) 개선이필요함을알수있었다. 전류 80% : 176V 60 cycle (3) 순간강하 ( 연계점 80%) 기준 220V의 80% 를 10cycle 동안계통에비정상상태로공급했을때는기술기준에따라 50 V<88 범위에서분산전원은 2s 이내에차단되어야한다. 그림 11과같이에순간강하가발생했을때위의 50% 에서의시험과는다르게인버터는비정상적으로동작상태를유지했다. 따라서 80% 의순간강하가발생한경우에는기술기준을만족하지못함을확인할수있었다. [ 그림 12] 인버터동작특성 (80% 60cycles) 80% : 176V 120 cycle 80% : 176V 10 cycle 전류 [ 그림 13] 인버터동작특성 (80% 120cycles) 전류 [ 그림 11] 인버터동작특성 (80% 10cycles) 기준 220V의 80% 를 60cycle, 120cycle 동안계통에비정상상태로공급했을때의인버터동작특성시험결과는그림 12와그림 13과같이에 Voltage Sag가발생했을때인버터는비정상적으로동작상태를유지했다. 세가지시험을통하여, 기준 220V의 80% 크기에대하여, 10, 60, 120cycle에서는인버터가비정상적으로동작상태를유지하는것을알수있었다. 국제기준에의거기준의 80% 의 Voltage Sag가발생했을때계통연계형인버터는 2sec 이내에차단이되어야하나, 위의 80% Voltage Sag가발생할경우시험을통해얻은결과는정상적인차단이이루어지지않음을확인할수있었다. 따라서본연구를통하여태양광인버터에대한성능 3.2.4 고조파주입시험고조파주입시험은연계계통의고조파부하가많은경우를고려하여공급의종합왜형률이 3% 인경우와 5% 인경우를고려하였다. (1) 종합왜형율 3% 인경우 AC전원모의장치를이용하여임의의차수별고조파합계인종합왜형율 (THD) 이계통측에서기본파의 3% 발생하는경우인버터동작특성에대해시험하였다. 시험을위해 AC전원모의장치운영소프트웨어를이용하여 3th 2.4%, 5th 1.5%, 7th : 0.8%, 11th 0.5% 인가하여종합왜형율 3% 를설정한후인버터동작특성시험을한결과그림 14와같이인버터는정상적으로동작하였다. 3902
저압배전선로에연계된분산전원의과도특성해석에관한연구 기본파의 3% 정상동작 [ 그림 14] 계통측기본파의 3% 주입특성 (2) 종합왜형율 5% 인경우 AC전원모의장치를이용하여임의의차수별고조파합계인종합왜형율 (THD) 이계통측에서기본파의 5% 가발생하는경우인버터동작특성에대하여시험하였다. 시험을위해 AC전원모의장치운영소프트웨어를이용하여 3th 3.3%, 5th 2.5%, 7th : 2.0%, 11th 2.0% 인가하여종합왜형율 5% 를설정한후인버터동작특성시험을한결과그림 15와같이인버터는정상적으로동작하였다. 리되지않았다. 따라서현재국내보급되고있는인버터의사양에대한검토가필요함을확인할수있었다. (3) 태양광전원에종합왜형율 3% 와 5% 를공급하여인버터동작특성시험을한결과, 인버터는정상적으로동작하여인버터의성능에문제점이없음을확인할수있었다. (4) 실제의배전계통에다양한형태의분산전원이연계될때나타날수있는제반현상을본실증시험장의설비를활용하여실증시험을수행하고, 그결과의종합분석을통하여기제정된분산전원배전계통연계기술기준이수정 / 보완되는데중요한역할을할수있음을확인할수있었다. 상기의시험결과에따라, 순간강하및상승에대한지속시간에문제점이발생하여, 앞으로이분야에대한상세연구를수행할예정이다. 참고문헌 기본파의 5% [ 그림 15] 계통측기본파의 5% 주입 4. 결론 본논문에서는저압선로에연계된분산전원의과도특성을해석하기위하여시험센터를구축하여다양한과도특성시험을수행하였다주요내용은다음과같다. (1) 순간상승시험에서 110% 크기에서는연계기준에의거 1.0s에차단되어하나차단되지않고비정상적으로동작하였고, 120% 에서는 0.16s이내에차단기가동작해야하는데 3cycle 0.05s 이내에정상적으로차단되어연계기준에만족함을확인할수있었다. (2) 순간강하 10cycle/2cycle 50% 시험의경우 0.16초이내에즉시분리동작하였으나, 순간강하 10cycle/60cycle/120cycle 80% 시험에서는분 [1] 분산전원배전계통연계기술기준, 한국전력공사 2005. 4. [2] 일본분산전원계통연계기술지침 ( 사 ) 일본전기협회 2001. [3] 일본전력계통연계기술요건가이드라인 1998. [4] 일본북해도전력분산전원연계업무절차서및기술해설서 2002. [5] 일본북해도전력분산전원배전계통연계기술검토시스템 2004. [6] 분산전원도입에따른복합배전계통운영에관한연구, 산업자원부 2004. 8. [7] 한국전력, 디지털형보호계전기, June, 1996 [8] 한국전력, 타사발전기병렬운전연계선로보호업무지침, August, 1996 [9] IEEE 1547 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2003. 7. [10] IEEE 1547 "IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2003. 7. [11] IEEE 1547.1 "IEEE Standard conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems" 2005. 1. [12] Hadi Saadat, "Power System Analysis", McGraw-Hill, Printed in Singapore, 1999. [13] 노대석외, 신재생에너지전원이연계된배전계통에서보호협조방안에관한연구, 한국산학기술학 3903
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