ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 2, pp. 197~204, 2014 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2014.63.2.197 IEC 국제표준에따른계통연계형풍력터빈발전기계통의전력품질측정방법에관한심화연구 A Synthetical Study on Power Quality Measurement of Grid-Connected Wind Turbine Generating System based on the IEC International Standards 조수환 * (Soo-Hwan Cho) Abstract - As more and more renewable energy resources are connected into the existing power system and their generation capacities are increasing, the need for regulations to minimize their impacts on the power grid is increasingly growing. And minimizing the irregular impacts made by grid-connected wind generators is important, since the output power generated by renewable energy resources can be changed easily by the weather condition and surrounding environment. In South Korea, an operational technical standard for distributed generation is used as a regulation, in which renewable energy sources including wind power are considered as a kind of distributed generation. In this paper, an international standard, IEC 61400-21, for the grid-connected wind turbine generating system(wtgs) will be introduced and a comprehensive and detailed review on the measuring methods of power quality characteristic parameters for WTGS based on the related IEC standards will be presented. Additionally, some prerequisites for applying the international standards to KEPCO system will be proposed. Key Words : Power quality, Grid-connected wind turbine, IEC 61400-21, IEC standards, Voltage fluctuation 1. 서론신재생에너지발전원의보급이활성화되고계통전체에서차지하는신재생에너지의설비용량이늘어남에따라, 기존전력계통에주는신재생에너지원의영향을최소화하기위한규제 ( 표준 ) 의필요성이점점부각되고있는상황이다. 현재한국전력에서는 분산형전원배전계통연계기술기준 을적용하여분산전원형태의신재생에너지원의계통연계를제한하고있다 [1]. 참고문헌 [1] 에따르면, 국내배전계통에연계되는분산전원 ( 풍력발전기 ) 의연계용량이 100kW 미만이고누적연계용량이해당배전용변압기용량의 50% 이하인경우에는저압한전계통 ( 교류단상 220V 혹은교류삼상 380V) 에, 연계용량이 100kW이상 10,000kW이하이고특고압일반선로누적연계용량이해당선로의상시운전용량이하인경우에는특고압한전계통 ( 교류삼상 22,900kV) 에연계하도록규정하고있다. 또한연계제한을위한전기품질요구조건으로 0.5% 이하의직류유입제한, 90% 이상의역률 ( 계통측기준지상역률 ) 유지를포함하여플리커와고조파연계조건을제시하고있다. 고조파의경우에는 배전계통고조파관리기준 에준하는허용기준이적용되고있지만, 플리커의경우에는측정및평가에대한기준이아직명확히마련되어있지않은실정이다. 한국전력의 전기공급약관시행세 * Corresponding Author : Dept. of Energy Grid, Sangmyung University, Korea E-mail : shcho@smu.ac.kr Received : August 5, 2013; Accepted : January 9, 2014 칙 에따르면, 아크로및전기철도등주기적인전압변동을발생시키는고객에한하여플리커와고조파의허용기준을제시하고있으며, 해당허용기준치초과시에는고객의부담으로저감장치를설치하여각각의허용기준치를만족시킬것을권고하고있다 [2]. 하지만최근개정된 분산형전원배전계통연계기술기준-플리커 에서는 분산형전원은빈번한기동, 탈락또는출력변동등에의하여한전계통에연결된다른전기사용자에게시각적인자극을줄만한플리커나설비의오동작을초래하는전압요동을발생시켜서는안된다. 라고만언급되어있을뿐초기연계기술기준에서언급되었던플리커에대한연계기준 ( 평가를위한방출한계치 ) 의내용 (E Psti 0.35, E Plti 0.25) 이삭제되었다. 이는오랜연구를통해 IEC 국제표준의내용을국내실정에맞게적용해온고조파규정과는달리, 플리커의경우에는측정및평가에대한기준이아직 IEC 국제표준에따르지못하기때문이다. 2000년이전까지국내플리커평가지표로는 ΔV 10(10-Hz 등가플리커평가지수 ) 이사용되었고, 2000년중반에이르러서야플리커관련 IEC 표준도입에대한연구가진행되었다. 하지만 IEC표준에근거한플리커측정및평가방법은계통의특성에따라기존방법과는다른기준이적용되어야함은물론 IEC 61000-3-3, 3-6, 3-7, 4-7, 4-15, 4-30 등다양한표준이매우복잡하게연계되어있기때문에표준화작업에어려움을겪게되었다. 지금까지국내에서수행된풍력발전전력품질관련연구들을살펴보면, IEC 61400-21에언급된내용을일부다루고있으나, 파라미터계산과정에대한구체적인설명및다른표준들과의연관성에대한자세한설명이부족하다 [3-5]. IEC 국제표준에따른계통연계형풍력터빈발전기계통의전력품질측정방법에관한심화연구 197
전기학회논문지 63 권 2 호 2014 년 2 월 더불어풍력발전기의누적데이터를활용한이벤트데이터분석에대한연구가진행되었고 [6], Labview 기반의풍력발전기전력품질계측장비구현관련연구가수행되었다 [7]. 하지만기존의상용전력품질분석기를사용하여일반적인항목의전력품질을측정하였을뿐, IEC61400-21에소개된품질측정기법을적용하진않았으며, 풍속, 출력전압, 출력주파수및전류스펙트럼등풍력발전기의기본데이터를활용한장비개발이라는한계를보였다. 이에반해해외에서는플리커실측치와가상계통모의결과의비교분석 [8, 9] 과고조파평가를위한측정치합산방법 [10] 등주로 IEC표준의응용분야에초점이맞춰져있어, 국내와해외의기술적수준차가현격한실정이다. 본논문에서는계통연계형풍력발전기의전력품질특성파라미터의측정방법을종합적이고구체적으로검토해보고자한다. 이를위해 IEC 61400-21에서다루고있는개별전력품질특성파라미터의측정방법에대해서자세히살펴보고, 평가를위한국제표준의레포트양식 (IEC 61400-21의부록 A와부록B) 을근간으로하여개별특성파라미터를결정하는방법에대해종합적으로소개할것이다. 또한특성파라미터선정시, 국내계통환경을감안하여수정이필요한부분을지적하고자한다. 다시말해, IEC 61400-21을중심으로관련표준인 IEC 61000-3-3, 3-6, 3-7, 4-7, 4-15, 4-30 등을종합적으로정리하고, 국내전력계통환경에서 IEC 국제표준적용의한계를알아봄으로써풍력발전기의계통연계시검토되어야하는전력품질조건에대해심도있게살펴볼것이다. 더불어한전의기술기준에서정의된용어를사용함으로써의미의혼선을피하고자최대한노력하였다. 2. IEC 61400-21에따른전력품질측정의개요 2.1 IEC 61400-21 개요 IEC 61400-21은계통연계형풍력터빈발전기시스템 (Grid-connected Wind Turbine Generator System, WTGS) 에대한전력품질특성을측정하고평가하기위한방법론을구체적으로제시하고있으며풍력발전기의계통연계와관련된이해당사자들 ( 제조사, 운영자, 계통계획및규제기관, 인증및심의기관등 ) 에게공통적으로적용되는표준을제안하고있다 [11]. 해당표준은 WTGS가기존계통에연계됨에따라발생할수있는전력품질문제에만관심을갖고있기때문에, WTGS에서계통으로흐르는방향을전류의기준방향으로설정 ( 즉, 발전기기준부호규약에따름 ) 하였다. 또한본표준의측정절차는계통연계형삼상풍력발전기한대의개별특성을파악하기위한것으로, IEC기준중압계통 (MV, 1kV 초과 35kV이하 ) 혹은고압계통 (HV, 35kV 초과 ) 에서공통연결점 (PCC, Point of Common Coupling) 을갖는 WTGS에한정된다. 즉, 국내배전계통연계기준에적용될수있는전압대인교류삼상 22.9kV는 IEC 기준중압계통 (MV) 에해당한다. WTGS의전력품질 (PQ, Power Quality) 을평가하기위해사용하는전력품질특성파라미터에는일반적인정격데이터 ( 복소전력, 유 / 무효전력, 전압, 전류 ), 최대허용전력, 최대측정전력그리고전압요동 (Voltage Fluctuation) 과고조파가 있으며표 1과같이정리된다 [5]. 이외에 IEC표준에서다루고있는 WTGS의일반데이터 ( 블레이드개수, 로터반경, 허브높이, 블레이드제어방식, 컨버터용량등 ) 는설비의기계적스펙에의해결정되는부분이므로본논문에서는다루지않는다. 표 1의개별전력품질특성파라미터들에대한구체적인측정방법은 3장에서자세히다룰것이다. 표 1 IEC 61400-21의 WTGS 전력품질평가를위한 PQ 특성파라미터 Table 1 PQ characteristic parameters for power quality assessment of WTGS according to IEC 61400-21 전력품질 (PQ) 특성파라미터분류 설 명 S n 복소전력 (VA) P 풍력터빈정격 n 유효전력 (W) Q n 뮤효전력 (var) 제조사제공데이터 U n 공칭전압 ( 선간전압 )(V) 데이터 I n 정격전류 (A) 풍력터빈제어시스템의최대허용유효전최대 P mc 력 (W) 허용측정에의한전력 Q mc Pmc에서의무효전력 (var) 추정치 P 60 60초평균유효전력중최대측정치 최대 0.2초 (12싸이클) 평균유효전력중최대 P 0.2 측정측정치 전력 Q 60 P 60 에서의무효전력 (var) 측정에의한 Q 0.2 P 0.2 에서의무효전력 (var) 추정치 c(ψ k,v a) 플리커계수 연속운전시 N 10 10분동안스위칭회수의최대치 120분동안스위칭회수의 N 120 최대치전압임피던스위상각에대한스위칭운전요동 k f(ψ k) 플리커스텝지수시 (flicker step factor) 임피던스 위상각에 대한 k U(ψ k) 전압변동지수 (voltage change factor) 고조파 I h 50 차수까지의개별고조파전류 2.2 측정일반사양 표 1에서소개한특성파라미터를산출하기위한기본데이터는전압순시치, 전류순시치그리고풍속데이터이다. 그림 1에서정리된측정과정을살펴보면먼저센서 (PT, CT) 를통해전압, 전류순시치를센싱하고변환기 (transducer) 를거쳐전력값 ( 복소전력, 유효전력, 무효전력 ) 을산출한다. 이후안티앨리어싱필터를통과한후데이터취득장치 (DAQ, Data Acquisition) 를이용해서샘플링데이터 ( 이산형데이터 ) 를취득한다. 이때사용되는 PT, CT, 전력변환기의정확도는오차등급 class 1.0 ( 오차 ±1%) 이하를, 풍속계는 ±0.5m/s 이하의정확도를요구한다 [11]. 풍력터빈의단자에서측정된선간전압, 상전류그리고풍속데이터들은 10분단 198
Trans. KIEE. Vol. 63, No. 2, FEB, 2014 위로취득되어별도로저장한후, 각연산절차를걸쳐다양한파라미터로환산되어야한다. 그림 1 전력품질특성파라미터측정시스템 Fig. 1 Measuring system of PQ characteristic parameters 측정을위한 WTGS 의일반조건은아래와같다 [11]. - 풍력터빈은표준변압기를통해 MV계통 ( 우리나라의경우, 22.9kV) 에직접연결되어야한다. - 계통연계점 (point of connection) 에서의단락용량은최대허용복소전력 (Sn) 의 50배이상이어야한다. - 풍력터빈이발전하지않는조건 ( 풍력발전기가계통에투입되기전 ) 에서풍력터빈단자측에서측정된 10분평균전압THD( 즉, 계통연계점에서풍력발전기의영향을배제한순수계통에서의전압THD) 가 5% 이하이어야한다. - 계통주파수는 12싸이클 (0.2초) 평균값으로공칭주파수 (60Hz) 의 ±1% 이내이어야하고, 계통주파수의변화율은 12싸이클동안공칭주파수의 0.2% 이내이어야한다. - 풍력터빈단자에서측정된 10분평균선간전압이공칭전압 (22.9kV) 의 ±5% 이내이어야한다. -아래식으로계산된전압불평형은풍력터빈단자에서측정된 10분평균치로공칭전압의 2% 이내이어야한다. cos cos 여기에서 U 31, U 23, U 12 는측정된선간전압을의미하며, θ는 cos 이다. 3. IEC 61400-21에따른전력품질특성파라미터의측정방법 3.1 정격데이터, 최대허용유효전력 (P mc) 및최대측정유효전력 (P 0.2, P 60) 정격유효전력 (P n, W), 정격복소전력 (S n, VA), 정격무효전력 (Q n, var), 정격전압 (U n, 공칭전압 ( 선간전압 )), 정격전류 (I n, A) 그리고풍력발전기의정격풍속 (v n, m/sec) 은풍력터빈제조사에서제공하는데이터들을사용한다. 풍력터빈의최대허용유효전력 (P m) 은풍력터빈의제어계통의한계유효전력을의미하며이값도제조사로부터제공되는정보를사용하고이값을정격유효전력 (P n) 으로나누어정규화최대허용유효전력 (p mc, p.u 단위 ) 을계산한다. (1) WTGS에의해발생되는유효전력은풍속과밀접하게관련되기때문에풍속데이터와함께측정되어야한다. WTGS 의연속운전 (continuous operation) 조건에서 10분평균풍속과함께동일한시간태그를지닌 10분단위의전력순시치를취득, 저장한다. 결국 10분당 1개의평균풍속값과동일시간동안의전력순시치가시계열데이터형태로저장되며, 이때 10분평균풍속값은시동풍속 ( 일반적으로 3m/sec) 과 15m/sec 사이에대해서만유효하다. 10분평균풍속데이터들이수집되면풍속빈에저장된다. 풍속빈은 1m/sec 간격으로측정풍속을이산화한것으로시동풍속이 3m/sec인경우 15m/sec까지총 12개의풍속빈이생성된다. 최대측정유효전력을결정하기위해서는각풍속빈에최소 5개이상의데이터가저장되어야한다. 측정이완료되면각 10분의전력순시치 ( 시계열데이터 ) 를 0.2초 (12싸이클) 평균값과 60초평균값으로유효전력을계산하고그중최대값을 P 0.2 과 P 60 로결정한다. 3.2 무효전력 (Q mc, Q 0.2, Q 60) 유효전력의계산과동시에무효전력을계산하고측정된 10분평균풍속별로계산된무효전력 (10분평균치 ) 을정격전력대비 0, 10, 20,, 80, 90, 100% 로정렬하여아래의표 2를완성한다. 표 2를기준으로 3-1에서결정된 P mc, P 0.2 와 P 60 에해당하는무효전력값 Q mc, Q 0.2, Q 60 를보간법을이용하여결정한다. 표 2 무효전력측정결과표 ( 예시 ) Table 2 Example of reactive power measurement 출력전력 (% of Pn) 출력전력 (kw) 무효전력 (kvar) ( 예 : 정격전력이 (10분평균값 ) (10분평균값 ) 500kW인경우 ) 0 (0kW) [0, 25kW) 평균해당무효전력평균 0 (0kW) [25, 75kW) 평균해당무효전력평균 0 (0kW) [75, 125kW) 평균해당무효전력평균 0 (0kW) [375, 425kW) 평균해당무효전력평균 0 (0kW) [425, 475kW) 평균해당무효전력평균 0 (0kW) [475, 525kW) 평균해당무효전력평균 3.3 전압요동 (voltage fluctuation) 전압요동 (voltage fluctuation) 은플리커 (flicker) 와자주혼동되어사용되는전력품질현상으로, 전압요동에대해정확히이해하기위해서는전압요동과플리커와의용어적차이를먼저이해해야한다. IEC 표준에따른용어의정의는아래와같다 [8, 9]. - 전압요동 (voltage fluctuation) 은일련의반주기실효치전압변동 (voltage change) 혹은전압포락선 (voltage envelop) 의주기적인변화를의미한다. IEC 전압순시치데이터로 IEC 국제표준에따른계통연계형풍력터빈발전기계통의전력품질측정방법에관한심화연구 199
전기학회논문지 63 권 2 호 2014 년 2 월 부터매반주기마다실효치를계산한후계통의공칭전압으로나누어상대적인전압변동치로환산하고시계열데이터로표현하여상대적전압변동 (relative voltage change) 의변화추이를파악한다. 여기에서전압변동은이전반주기실효치대비현재의반주기실효치의크기변화를의미하고전압요동은연속적인전압변동을의미한다. - 플리커 (flicker) 는시간에따라밝기가변화하는전등부하에의해시각적으로인지되는불안정한깜박임현상을의미한다. 즉, 전압요동을지닌전압신호가전등부하 ( 백열전구 ) 에인가되었을때전등의밝기의주기적인변화로발현되고이를전등부하사용자가인지하는정도를플리커라고한다. 결과적으로전압요동은플리커의직접적인원인이며플리커는전압요동에의한하나의결과물로이해될수있다. 또한전압요동과전압변동을구분짓는중요한요소로는주기성을들수있다. 전압변동은상대적인전압변화의크기와지속시간으로특징지을수있으며이러한전압변동이주기적으로발생할경우에전압요동이될수있다. 참고로전력품질이벤트중순간전압강하는주기성을지니지않은일회성성격의현상이므로일정한크기 (0.1 이상 0.9 p.u 이하 ) 와지속시간 (0.5 싸이클이상 1분이하 ) 에따라정의되는전압변동현상의한종류이다. IEC표준에따른 WTGS의전압요동측정및평가조건은크게연속운전 (continuous operation) 조건과스위칭동작 (switching operation) 조건으로구분된다. 연속운전조건은풍력터빈의기동과정지동작을제외한정상적인운전상황을의미한다. 스위칭동작조건은풍력터빈의기동상황과풍력터빈간의스위칭동작상황을의미하며다음과같이세분화된다. A. 시동풍속 (Cut-in wind speed) 에서풍력터빈기동시 B. 정격풍속 (Rated wind speed) 에서충력터빈기동시 C. 두대이상의풍력터빈간의스위칭동작중최악의조건조건 C에서는최악의조건이라고함은일정시간동안측정된플리커스텝지수 (flicker step factor) 와전압변동지수 (voltage change factor) 중에서가장큰값을산출하는경우를의미한다. WTGS에대한전압요동측정절차는연속운전조건에서풍력터빈의플리커계수 (c(ψ k,v a)) 를결정하는과정이며, 스위칭동작조건에서는 10분 (P st 측정시간 ) 간스위칭동작의최대횟수 (N10), 120분간스위칭동작의최대횟수 (N120), 계통임피던스에대한플리커스텝지수 (k f(ψ k)) 와전압변동지수 (k U (ψ k)) 를결정하는과정으로요약할수있다. 풍력터빈의연계점에서계통조건과는별도로독립적인 PQ왜곡정도를측정하기위해서 WTGS의계통투입전상황 ( 계통분리 ) 에서전압 ( 선간전압 ) 과전류 ( 상전류 ) 를측정하고이를가상계통에적용하여풍력터빈의운전에따른전압신호 (u fic(t)) 를얻는다. 이전압신호를입력으로하여 IEC 플리커지수인 Pst를계산하고전압변동을추정하여다양한지수를계산하게된다. 다음절에서이과정을자세히설명하도록한다. 표 3.3.1 가상계통의구성 연속운전조건과스위칭동작조건하에서전압요동을측정, 평가하기위해서는계통조건과는독립적인풍력터빈만의전압신호 (u fic(t)) 를얻어야한다. 참고문헌 [15] 에도가상계통과유사한개념이소개되어있는데, 저압계통에서 PQ왜곡원에대한전압변동과전압요동, 플리커의평가에사용되는일반적인시험조건 (reference network) 과유사한계통구성을갖는다. 이를위해서무부하 ( 계통분리 ) 상황에서풍력터빈의단자전압과전류를측정한다. 이때취득된전류신호는가상계통에서풍력터빈을전류원으로취급하기위한것이고, 전압신호는전류와의위상차를계산하기위해필요하다. u fic(t) 의계산식은아래와같다. sin 샘플링을통해아래와같은이산신호로표현할수있다. 식 (2) 에서 U n 은풍력터빈의연계지점에서의공칭전압 ( 선간전압실효치, 22.9kV) 이고, α 0 는측정된전압과전류의위상각의차이를의미한다. 또한식 (3) 에서 Δt는샘플링비에의해결정되며, u n[n] 은측정된전압신호 (u m(t)) 와동일한각속도를갖는순수정현파 ( 크기는상전압실효치의 배, 주파수 (f m) 는측정된전압신호 (u m(t)) 와동일하고위상차는 α 0 인이산화된전압신호 ) 를의미한다. 표준에제시된가상계통의임피던스위상각 (ψ k) 은 30, 50, 70 그리고 85 이므로해당위상각에대해 R fic 과 L fic 은아래의식 (4) 와 (5) 를이용해서결정한다. tan (4) 3 계통임피던스위상각에따른저항대리액턴스비 Table 3 Ratio of R fic and L fic for network impedance phase angle 임피던스위상각 (ψ k) 여기에서 S k,fic 은가상계통에대한 3상단락용량으로, 산정이어려운경우에는풍력터빈의정격용량의 50배 ( 즉, 50S n) 를사용하도록권고하고있다. IEC표준에서주어진임피던스위상각에대한 R fic 과 L fic 의비는표 3과같다. tan(ψ k) L fic / R fic 30 0.577 0.00153 50 1.192 0.00316 70 2.747 0.00729 80 11.430 0.03032 (2) (3) (5) 200
Trans. KIEE. Vol. 63, No. 2, FEB, 2014 3.3.2 연속운전조건에서전압요동측정방법 IEC 61400-21에서제안하는연속운전조건하에서전압요동의측정절차의핵심은각계통임피던스위상각 (ψ k) 에대해연평균풍속 (v a=6.0, 7.5, 8.5, 10 m/sec) 별총 16개의플리커계수 (c(ψ k,v a)) 를결정하는것이다. 플리커계수를결정하는과정은크게 3단계로나뉜다. - 1단계 : 측정풍속대비플리커계수 (c(ψ k)) 계산 - 2단계 : 풍속별가중치결정 - 3단계 : 연평균풍속별플리커계수 (c(ψ k,v a)) 산정먼저풍력터빈단자측에서각상에대한전압과전류데이터를취득한다. 이때전압은선간전압으로취득되기때문에식 (6) 을이용해서상전압으로환산한다. 이는기존의플리커미터알고리즘이미국계통 (120V, 50Hz) 과유럽계통 (230V, 60Hz) 만을감안하여구현되었기때문이다. 결과적으로, IEC 플리커측정알고리즘에우리나라배전계통 (220V, 60Hz) 에대한조건이추가적으로고려되어야하며, 만일우리나라와유사한유럽계통조건을사용하는경우에는, 전압크기의차이로인해 P st 가실제보다약 4.5% 정도작게산출된다는점을감안해야한다. 또한해당알고리즘은연속계로정의되어있으므로국내환경에적합한이산계로변환하여플리커미터의개별구성요소들을구현해야할필요가있다 [14]. 이렇게각계산된 P st,fic(ψ k) 를아래의식으로정규화하여플리커계수 (c(ψ k)) 를얻는다. (7) (6) 동시에풍속데이터를취득하고 10분평균을계산하여 10 분평균풍속측정값을얻는다. 이때동일한시간격 (10분) 동안측정된전압, 전류의순시치데이터를시계열데이터형태로저장한다. 풍속데이터의측정범위는시동풍속과 15m/sec 으로하고 1m/sec간격으로풍속빈 ( 시동풍속이 3m/sec인경우총 12개의풍속빈이생성됨 ) 을구성하며, 스위칭동작데이터는제외하고각풍속빈당최소 5개의 10분시계열데이터를저장한다. - 1 단계 : 측정풍속대비플리커계수 (c(ψ k)) 계산 이렇게취득한전압, 전류순시치데이터를이용하여임피던스위상각별로가상계통에서의 u fic(t) 를구하고이전압신호를입력으로하여 IEC 61000-4-15의플리커미터를구현한컴퓨터시뮬레이션을통해 P st,fic(ψ k) 을계산한다. P st,fic 은 10분당 1개의결과값이산출되며해당플리커지수 (P st, 단기플리커심각도지수 ) 를계산하는과정은참고문헌 [13] 에자세히소개되어있다. IEC 플리커평가지수에는 P st (Shortterm flicker severity index) 와 P lt(long-term flicker severity index) 가있다. P st 는측정시간 (10분) 동안전압신호에포함된전압요동성분중에서계통주파수의 70%( 계통주파수가 50, 60Hz의경우, 각각 35, 42Hz) 이하에해당하는주파수성분들이시감각에의해인지되는정도를수치적으로표현한플리커심각도지수이다. P lt 는 2시간 (120분) 동안취득된 12개의 P st 결과값을이용하여계산한다. 하지만해당국제표준을국내계통에직접적용하는데에는여러제약조건이따르게되는데, 첫번째로국내의배전계통전압레벨 (220V) 이 IEC에서제시하고있는전압대 (120 V와 230V) 와상이하다는점을들수있다. 결국참고문헌 [13] 의플리커측정방법을그대로사용하는경우, 전압크기의차이로인해결과값 (P st,fic(ψ k)) 에오차가포함되며, 이를방지하기위해서는 220V에해당하는가중치필터를사용한시뮬레이션이사용되어야한다. 두번째, 계통주파수인 60Hz 를감안하여 IEC 플리커미터의알고리즘을수정해야한다. - 2 단계 : 풍속별가중치결정 1단계에서산출된플리커계수 (c(ψ k)) 를기반으로 i-번째풍속빈의출현빈도 (f m,i) 를산출한다. 표 (8) 여기에서 N m,i 는 i-번째풍속빈에속하는플리커계수의개수이며, N m 은전체플리커계수의개수를의미한다. 그다음으로연평균풍속 (v a=6.0, 7.5, 8.5, 10 m/sec) 에대한 i-번째풍속빈의출현빈도를예측하는데이때풍속이아래식으로정의되는 Rayleigh분포를따른다고가정한다. exp 풍속빈 (m/s) 4 연평균풍속 (v a) 별풍속비의출현빈도 (%) 결정 Table 4 Frequency of occurrence of f y,i(%) for each annual average wind speed 풍속빈의중간값 (v i) exp f y,i(%) (v a= 6m/s) (9) f y,i(%) (v a= 7.5m/s) f y,i(%) (v a= 8.5m/s) f y,i(%) (v a= 10m/s) 3 4 3.5 11.64 8.21 6.64 4.98 4 5 4.5 12.57 9.44 7.83 6.02 5 6 5.5 12.37 10.04 8.59 6.80 6 7 6.5 11.26 10.04 8.91 7.32 7 8 7.5 9.58 9.53 8.83 7.56 8 9 8.5 7.67 8.65 8.41 7.56 9 10 9.5 5.80 7.52 7.74 7.34 10 11 10.5 4.15 6.29 6.88 6.93 11 12 11.5 2.82 5.07 5.94 6.39 12 13 12.5 1.82 3.95 4.97 5.75 13 14 13.5 1.11 2.97 4.05 5.07 14 15 14.5 0.65 2.16 3.21 4.37 IEC 국제표준에따른계통연계형풍력터빈발전기계통의전력품질측정방법에관한심화연구 201
전기학회논문지 63 권 2 호 2014 년 2 월 여기에서 v i 는풍속빈의중간값을의미하고, v a 는 IEC표준에서제시하는연평균풍속 (v a=6.0, 7.5, 8.5, 10 m/sec) 을의미하므로, 시동풍속을 3m/sec으로가정하면각연평균풍속에대해아래와같은출현빈도가결정된다. 위에서구한 f m,i 와 f y,i 를바탕으로각풍속빈에대한가중치 (w i) 를아래와같이결정한다. max min (12) 각스위칭조건별로 5회이상측정을수행하고그평균값으로최종적인플리커스텝인자 (k f(ψ k)) 와전압변동지수 (k U(ψ k)) 를결정한다. (10) - 3 단계 : 연평균풍속별플리커계수 (c(ψ k,v a)) 산정 1, 2단계에서구한값들을바탕으로플리커계수의가중누적확률분포를계산하고내림차순으로정리하여그결과로부터 99% 확률분포에해당되는값을최종적인플리커계수 (c(ψ k,v a)) 로결정한다. 3.3.3 스위칭동작조건에서전압요동측정방법 IEC 61400-21에서제안하는스위칭동작조건하에서전압요동의측정절차의핵심은스위칭동작조건 (A: 시동풍속에서풍력터빈기동, B: 정격풍속에서풍력터빈기동, C: 발전기간의스위칭 ) 별각계통임피던스위상각 (ψ k) 에대해 N10, N120과플리커스텝지수 (flicker step factor, k f(ψ k)), 전압변동지수 (voltage change factor, k U(ψ k)) 를결정하는것이다. 이때 N10과 N120은풍력터빈제조사로부터제공받는데이터이며플리커스텝지수와전압변동지수는측정과시뮬레이션을통해계산되는값이다. 먼저연속운전조건과동일하게 u fic(t) 를구한후 T p 를 10분 (600초) 으로하여 P st,fic 을시뮬레이션으로통해계산하고플리커스텝지수를아래식으로결정한다. 3.4 고조파고조파측정은전력전자컨버터장비를갖춘풍력터빈에한하여실시하며그구체적인측정방법은 IEC 61000-4-7에따른다 [15]. 계통주파수의 20% 에해당하는주파수대역 (50, 60Hz의경우, 각각 10, 12싸이클 ) 의윈도우를사용하여이산퓨리에연산 (Discrete Fourier Transform) 을거친후, 그룹화 (grouping) 와평활화 (smoothing) 를연속적으로수행한다. 그룹화는위의샘플링조건 ( 윈도우크기 ) 에의해결정되는 5Hz 간격의 DFT 결과값을 60Hz간격의 n차고조파성분으로환산하기위한것이고, 평활화는 1차저대역통과필터 (LPF, 시정수 :1.5초) 를사용하여각차수의고조파성분의대푯값을산정하기위한과정이다. 이러한과정을통해연속운전시간동안풍력터빈에의해방출되는고조파전류를 50차까지측정, 기록한후개별고조파전류와최대전류THD를결정한다. 개별고조파전류의경우 10분평균치로정격전류에대한상대값을기입하고 0.1% 이하의고조파전류는 0으로결정한다. 일반적으로고조파전류는다수의부하 (WTGS에해당 ) 에의해발생하여계통으로흘러들어오기때문에종합적인해석을위해서는일반화된합산결과로변환되어야한다. 다수의고조파왜곡원 ( 풍력발전기계통 ) 으로부터유입되는고조파전류의합산방법은 IEC 61000-3-6에자세히설명되어있으며그합산식은다음과같다 [17]. (11) (13) 이식은여러 IEC표준에걸쳐소개된 P st 산정방법중분석적방법 (analytical method) 으로부터유도된것이다. 참고문헌 [15] 에따르면 P st 를결정하는방법에는플리커미터를이용한직접측정법, 시뮬레이션법그리고전압변동과형태인자 (shape factor) 를이용한분석적방법그리고 P st=1 그래프를이용한방법이있다. 그중에서분석적방법은초당 1회이하로발생하는다양한형태 ( 이중스텝, 램프, 정사각파, 삼각파등 ) 의전압변동을 1회의스텝함수형태로등가화시킨형태인자 (shape factor, F) 를이용하는방법으로, 위에서언급한다양한형태의전압변동을상대적전압변동의크기 (d max) 와지속시간 (T) 으로정의하고그래프를이용하여형태인자 (F) 를결정한후플리커표출시간 (t f) 의합산결과로부터 P st 를추정하는방법이다. 일반적으로 T p( 측정시간 ) 은 600초 ( 플리커지수 P st 측정시간, 10분 ) 이다. 플리커스텝지수 (k f(ψ k)) 와더불어스위칭동작동안측정된상대적전압변동의최대값과최소값의차이로부터전압변동지수 (k U(ψ k)) 를계산한다. 여기에서 N은해당 PCC에연계된풍력발전기의개수를의미하고, I h,i 는위에서설명한 i-번째풍력발전기의 h차-고조파전류, n i 는 i-번째풍력발전기가연결된변압기의감쇄비그리고 β는고조파차수별로정의된계수로서 4차이하의고조파에서는 1.0 이, 5차고조파부터 10차고조파까지는 1.4 가, 11차고조파이상에서는 2.0 이선택적으로사용된다. 특히 n i 는변압기 1차측과 2차측에서측정된고조파전류의크기의비로서정의되기때문에국내변압기계통특성이반영된값으로새롭게결정되어야한다. 지금까지설명한전력품질파라미터들을참고문헌 [11] 의부록에소개되어있는레포트형식에맞춰최종적으로기입함으로써계통연계형풍력발전시스템에대한전력품질측정을완료한다. 4. 결론본논문에서는 IEC 61400-21을비롯하여다양한 IEC표준에서제안하고있는계통연계형풍력터빈발전시스템 202
Trans. KIEE. Vol. 63, No. 2, FEB, 2014 (WTGS) 에대한전력품질특성파라미터들의측정방법을자세하게소개하였다. 참고문헌 [11] 에서는위에서소개한측정방법과함께평가방법을비중있게다루고있다. 여기에서평가 (assessment) 라함은개별장비 (EUT, equipment under test) 에서측정된특성파라미터들이일정규제기준을초과하는지를결정하는과정으로, 본논문에서는 IEC 표준에서제안하고있는평가방법에대해서는자세히다루지않았다. 이는근본적으로 IEC에서제안하는평가방법 ( 특히전압요동에대한평가방법 ) 을국내에적용하기에그절차가매우복잡하고체계화및단순화가어렵기때문이다. 서두에서언급한바와같이, IEC표준에의한평가절차는모든부하 ( 외란발생원 ) 에동일한제한치를적용하는것이아니라해당부하의용량에따라각기다른제한치가적용된다. 그과정을좀더자세히설명하면, 먼저계통관리자가저압계통에서관리하고자하는전력품질지수의적합성레벨을결정하고그기준에맞춰계통레벨별 ( 전압대별 ) 계획레벨을선정한다. 이후, 상위계통의계획레벨과전달계수 ( 변압기를통한감쇄정도 ) 그리고인근계통에서의유입정도를감안하여전체기여분 (global contribution) 을계산하고그전체기여분을초과하지않도록해당계통에연계된개별외란원에대한방출한계를배분한다. 이때방출한계는연계점 (PCC) 에서다수의외란원의전체용량대비개별외란원의설비용량의비율에의해결정되며방출한계의최소치를정함으로써작은용량의외란원에대해비현실적인제한치가설정되는것을방지한다 [16]. 향후에는본논문에서소개한내용을토대로연속운전시플리커시뮬레이션알고리즘의변경과고조파전류합산에필요한변압기감쇄비등우리나라의계통실정에맞는전력품질측정방법은물론 IEC표준에따른평가방법을지속적으로연구하고, 나아가풍력발전을포함한분산전원형태의신재생에너지원에대한계통연계규제등다양한응용연구를심도있게수행해나갈예정이다. 감사의글본연구는 2012학년도상명대학교교내연구비를지원받아수행하였음. References [1] KEPCO, Technical Standard on Interconnection of Distributed Generators and Power Distribution Systems, 2012.6.27. [2] KEPCO, Electricity Supply Agreement: Enforcement Regulations, 2011.12.15. [3] Duck-Keun Ahn, Kyoung-Soo Ro, A Method to Calculate Flicker Emission of a Grid-Connected Wind Turbine System, Proceeding of the 33 rd KIEE Summer Conference 2002, pp. 310-312, 2002.07. [4] Jung-Chul Seo, Gi-Gab Yoon, Won-Wok Jung, Woo-Kyu Chae and Sang-Joon Kim, Studying Power Quality Measurement Procedures of Wind Turbines According to IEC Standard, Proceeding of the 37 th KIEE Summer Conference 2006, pp. 1197-1198, 2006.07. [5] Soo-Hwan Cho and Ji-Young Eum, Flicker Assessment of Wind Turbine Generating System According to the IEC 61400-21 Standard, Proceeding of the 43 rd KIEE Summer Conference 2012, pp. 80-81, 2012.07. [6] Chol-Ho So, Jae-Hee Byun, Tae-Sik Choi and Young-Ghi Kim, A Study on Method of Powet Quality Analysis for Wind Turbines, Proceeding of the 41 st KIEE Summer Conference 2010, pp. 1245-1246, 2010.07. [7] Jong-Joo Lee, Dong-Joon Kim and Young-Hwan Moon, An Implementation of Real time Measure ment and Assessment System for Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines, Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 59, no. 9, pp. 1560-1565, 2010.09. [8] A. Larsson, Flicker Emission of Wind Turbines During Continuous Operation, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 17, no. 1, pp. 114-118, 2002. 03. [9] J.J. Gutierrez, J. Ruiz, L.A. Leturiondo and A. Lazkano, Flicker Measurement System for Wind Turbine Certification, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 58, no. 2, pp. 374-382, 2009.02. [10] F. Mendeiros, D.C. Brasil, C.A.G. Marques, C.A. Duque and P.F. Ribeiro, Considerations on the Aggregation of Harmonics Produced by Large Wind Farms, IEEE 15th International Conference on Harmonics and Quality of Power(ICHQP) 2012, pp. 364-369, 2012. [11] IEC 61400-21, Ed. 1: Wind turbine generator systems-part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines. 2000.06. [12] IEC 61000-3-3, Ed. 1.1: Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 3-3: Limits-Limitation of voltage changes, voltage fluctuations and flicker in public low-voltage supply systems, for equipment with rated current 16A per phase and not subject to conditional connection. 2002.03. [13] IEC 61000-4-15, Ed. 1.1: Electromagnetic compatibility (EMC)-Part 4: Testing and measurement techniques- Section 15: Flickermeter-functional and design specifications. 2003.02. [14] Soohwan Cho, Digital Implementation of the IEC Flickermeter: Its Application for Measurement and Regulation Schemes in 220V/60Hz Power System, Korea University Graduate school, Doctoral Dissertation. 2009.06. IEC 국제표준에따른계통연계형풍력터빈발전기계통의전력품질측정방법에관한심화연구 203
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