계통 연계형 태양광 발전 시스템의 부하 무효전력 보상이 적용된 새로운 단독운전 방지 기법

Abstract

계통 연계형 태양광 발전 시스템의 단독운전 현상은 계통이 차단되었음에도 시스템이 발전을 지속하는 상황을 의미한다. 태양광 발전 시스템의 단독운전은 배전 설비의 손상, 선로 유지 및 보수자의 감전사고 우려가 있으므로 단독운전 현상을 명확하게 인지하여 시스템을 정지시켜야 한다. 단독운전을 인지하는 방법은 크게 수동적 인지법과 능동적 인지법으로 분류된다. 수동적 인지법은 계통이 차단되었을 때 부하에 나타나는 전압의 변화 혹은 주파수의 변동을 검출하는 방법으로, 저전압/과전압 보호회로(UVP/OVP, under voltage /over voltage protection circuit), 저주파/고주파 보호회로(UFP/OFP, under frequency/over frequency protection circuit)를 이용하여 시스템이 정지하도록 하는 방법이다. 태양광 발전 시스템 내 인버터는 기본적으로 보호회로를 내장하므로 추가적인 비용이 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나 저전압/과전압, 저주파/고주파 보호회로를 이용한 단독운전 인지는 완전하지 않다. 특히 태양광 발전 시스템이 공급하는 전력과 부하의 소비 전력이 완벽하게 동일한 상황에서는, 계통이 차단되더라도 전압이나 주파수의 변화가 발생하지 않게 되므로 단독운전의 인지가 불가능하다. 따라서 이를 보완할 필요가 있다. 보호회로를 이용한 수동적 인지법을 보완한 것이 능동적 인지법인데, 가장 간단한 능동적 인지법은 태양광 발전 시스템의 출력 전력을 주기적으로 변동시키는 것이다. 이 방법은 부하의 소비전력과 동일한 전력을 발전하는 경우에서도 단독운전 인지가 가능하다. 그러나 능동적 인지법은 시스템과 연계된 계통에 악영향을 미치거나, 계통에 연결된 다른 발전 시스템과 서로 대칭되게 동작하는 평준화 현상(averaging effect)에 의해 단독운전 인지가 실패할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해선 일반적으로 시스템 출력 전류의 주파수를 변화 시키는 방법인 주파수 변동(frequency drift)법과 위상 변위(phase shift) 측정법이 사용된다.(AFD, SMS, APS 등) 그러나 이 방법들은 참고 논문에서 설명된 바와 같이 불연속적인 전류 형태를 지니고 있어 시스템 출력 전류에 고조파 성분이 많이 포함되어 있음을 알 수 있다. 고조파 성분은 계통에 유입시 악영향을 미칠 수 있어 능동적 인지법의 적용시 유의해야 한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 고려한 새로운 단독운전 인지법을 제안하였다. 제안한 방법은 기존의 계통 연계형 태양광 발전 시스템과 동일하게 출력의 유효전력 성분은 최대 전력점 추종(MPPT, maximum power point tracking) 제어법을 적용하여 일정하게 유지시킨다. 그러나 시스템 출력의 무효전력 성분은 기존 태양광 발전 시스템과 달리, 유효전력의 일정 비율로 존재하며 주기적으로 변동되게 된다. 무효전력 성분의 주기적 변동은 연계점 전압과 태양광 발전 시스템의 출력 전류 사이에 위상차를 발생시키게 되는데, 이 위상차가 계통 차단시 연계점 전압의 주파수를 증가 혹은 감소 시키게 됨으로써 저주파/고주파 보호회로를 동작 시켜 단독운전 인지가 가능하도록 한다. 시스템 출력에 포함된 무효전력 성분은 계통 역률의 감소와 같은 악영향을 미치는 것이 일반적이다. 그러나 제안한 방법에서는 유효전력 성분의 미소 비율(예를 들면 2%~5% 정도)에 해당하는 크기의 무효전력 성분만을 발생시키므로, 역률에 미치는 영향이 미미하다. 이는 계통과 연계된 태양광 발전 시스템이 정상 동작하는 상황에서도 배전 계통 전압이 안정적으로 유지되고 있음을 의미한다. 또한 제안한 방법은 기존의 단독운전 인지법으로 인지가 불가능한, 시스템 출력과 부하 소비전력이 동일한, 최악의 경우에서도 단독운전 인지가 가능하다. 즉 매우 좁은 불검출 영역(NDZ, non-detection zone)을 갖는다. 또한 제안한 방법에 의해 생성된 무효전력 성분이 부하의 무효 전력 성분을 보상하는 역할을 하므로, 계통측에서 바라보는 부하의 역률이 개선되는 효과가 있다. 본 논문에서는 제안한 인지법을 검증하기 위해 3kW의 계통 연계형 태양광 발전 시스템을 구성하고, 그 실험 결과로부터 제안한 방법의 유용성을 확인하였다. 그리고 계통 차단 시점에서부터 시스템 동작이 멈추기까지 모든 과정이 관련규정보다 현저히 빠른 0.2초 이내에 이루어짐을 확인 하였다.; The islanding phenomenon of grid-connected photovoltaic (PV) power generation system refers to their independent operation when the utility is disconnected. Since the islanding of the PV systems can cause loss of lives and damage to equipments, it has to be avoided by a reliable detection method. The two conventional methods to detect the islanding are active and passive methods. The passive methods can detect the magnitude of voltage or the change of frequency, occur when the grid is removed, with over/under voltage protection (OVP/UVP) and the over/under frequency protection (OFP/UFP) circuits. An inverter in system equipped with the OVP/UVP and OFP/UFP circuits has the basic islanding detection capability. But, their ability of islanding detection is not guaranteed for all load conditions, especially for source-load balanced conditions, because the magnitude or frequency of terminal voltage is constantly maintained in islanding state. Therefore, other methods should be applied to enhance the detection abiliy. One simple technique is to change output power of PV generation systems periodically. This is effective to solve a problem of source-load balanced conditions. However such method is impractical because the timing synchronization must be made among all of the inverters in a power system or it sould not work due to the averaging effect. Usually, two methods are used to solve the problem. Both are based on the frequency shift of system output current for silanding detection. They are the frequency dreft technique and the phase shift technique (For example, AFD, SMS and APS). They were explained in the reference papers. But, the presented output current pictures of these methods were discontinues waveforms. This means that harmonic components are included much. The harmonic components must be avoided because they impct the utility. In this paper, a novel anit-islanding method is proposed. The PV generation system applied to the proposed method kiips the real average power of the system output at the maximum by MPPT control, which is similar to a conventional PV system. However, the reactive power components of the system sxist and change periodically. The periodical alteration of the reactive power component creates a phase difference between the output-voltage and current of the system. The phase difference induces an increase or decrease of the frequency of load voltage and current, and then the OFP/UFP (Over/Under Frequency Protection) circuit is activated. Finally the PV generation system stops promptly. The reactive power component is respected to affect the grid badly, such as a decrease of power factor (PF). But the proposed method limits the reactive power component to smaller than 2.5% of the real average power component. Therefore the decrease of PF is minimized. It is therefore a stable method with has an infinitesimal effect on the gred in the steady state. The proposed method can detect islanding in various load conditions. Even in the worst cases of no load-variation compared to before removal of the gred, islanding detection is possible. In other words, the method has a narrow NDZ(Non-detective zone). Also, the method has a function of load reactive power compensation. To verify the validity of the proposed method, this paper presents experimental results for a 3kW PV generation system. From the experimental result, it was recognized that the shole procedure, from removal of the grid to system stop, was completed within 0.2 seconds.