대용량 계통연계형 태양광 시스템의 새로운 토폴로지 및 계통 규정에 적합한 제어 전략

Abstract

본 논문은 대용량 계통연계형 태양광 시스템을 위하여 이에 적합한 토폴로지와 계통 안정화 측면에서의 제어 전략을 제안한다. 우선 토폴로지적인 관점으로 대규모 태양광 발전소에서 주로 선호 시 하는 멀티-센트럴 (Multi-central) 인버터의 구성 방식들에 대해 각각의 장∙단점을 비교 기술한다. 그리고 이를 통해 복권 중∙전압 (MV: Medium Voltage) 변압기를 채택하는 멀티-센트럴 무변압기형 인버터의 우수성을 도출한다. 동시에 이 방식에서 기존의 3상 풀-브리지 (3FB) 인버터 토폴로지가 적용될 때 태양광 모듈의 기생 캐패시터들로 인한 누설 전류의 문제점을 공통 모드 등가 모델을 통해 이론적으로 분석한다. 그런 후 이 분석을 바탕으로 기존의 3FB 인버터 토폴로지도 간단한 회로의 변경만으로 누설 전류에 대한 계통 규정을 만족시킴과 동시에 복권변압기를 통한 멀티-센트럴 인버터의 구성이 가능하다는 것을 제시한다. 제어적인 관점으로는 세계적으로 가장 엄격한 독일의 연방 에너지∙수자원 관리 협회의 계통 규정인 BDEW (Bundesverbands der Energie und Wasserwirtschaft)와 VDE-AR-N 4105 규정에 근거하여 계통 안정화를 위한 대용량 태양광 인버터에 적합한 제어 전략 알고리즘을 제시한다. 특히 계통 전압이 그 규정 범위 내에서 전압강하 또는 상승이 발생할 때 제안하는 제어 기법의 효용성을 분석한다. 그리고 이를 기존의 제어 방식들과 장∙단점을 비교하여 그 필요성을 증명 하고자 한다. 제안된 토폴로지와 제어의 타당성 검증을 위하여 350kW급 3대의 멀티-센트럴 시스템과 100kW급 태양광 인버터에 대하여 모의실험 및 실험을 수행하여 증명한다. 그리고 대용량 시스템의 계통 안정화를 위한 제어에서 가장 중요한 FRT (Fault Ride-through) 실험은 독일의 대표적인 출연 연구기관이자 유럽 내 최대 응용과학 기술 연구기관인 프라운호퍼 (Fraunhofer)에서 검증 하였다.