산업기기의 일렉트로닉스화가 진행되어 순저에 의해 공장 설비 및 정보기기에의 영향이 커지고, 그 대책이 주목 받게 됐다. 대책 장치는 순저에 의한 전압 부족을 보충하거나 전력 부족을 보충하는 관점에서 순저 보상 장치라고 하는 것이 있다. 대책 장치에는 여러 가지가 있지만, 여기에서는 6.6㎸급 고압배전에 적용되어 공장 전체를 일괄하여 순저 보상하는 장치에 대해 설명한다. 순저 대책에의 요구 사항을 설명하고 대책 방법을 분류한다. 그 분류 중 가장 많이 적용되는 방식을 채택하여 순저 대책 장치의 구성 요소 및 동작을 설명한다. 그리고 컴퓨터 · 서버 전원에 이용되는 무정전 전원 시스템(UPS)에 대해 수많은 문헌과 보고사례가 있으므로, 이를 여기서 설명한다.
▣ 순저 대책 장치에 요구되는 기능
순저 대책 장치는 공장 및 사업장 등의 전기기기(이하 부하)를 순저에서 보호하는 것이 목표다. 순저에 따라 영향을 주는 부하와 그 감도에 대해서는 『특집 1』에 잘 설명되어 있다. 가장 순저에 민감한 부하는 1사이클 정도의 순저에도 영향을 받는다. 순저로부터 보호하기 위해서는 부하에 공급되는 전압의 저하도를 줄이고 지속 시간을 짧게 하여 부하 전압을 거의 일정하게 유지하는 기능이 필요하다.
▣ 순저 대책 분류
대책 동작 측면에서의 분류 및 무정전 전원 시스템(UPS) 분류 등을 참고로 하여 순저 대책을 다음 세 가지로 분류한다. ⑴ 독립 전원에 의한 대책 전력 계통에서 독립된 대책 전원인 상시 부하에 급전하여 전력 계통의 순저가 구내 고압 계통에 파급되지 않는 대책의 개념을 <그림 1>로 나타냈다. 전력 계통 전압 VS가 순저해도 구내 고압 계통은 독립 운용되고 있기 때문에 부하 전압 VL은 영향을 받지 않는다. 전형적인 예로는 낙뢰 경보가 발명되어 순저 확률이 높은 기간, 자가발(自家發) 계통을 단독으로 운전하는 것 등이 이에 해당된다. 구내 부하를 갖춰 충분한 자가발 설비를 가진 경우만 적용 가능한 대책이다.
⑵ 전원을 고속으로 전환하는 대책 순저를 검출하여 전원을 그 자리에서 전환하는 구성이다. 고압 대용량 대책 장치는 거의 모든 것이 이 구성이다. 장치 용량 · 경년성을 고려하여 순저 기간만 대책 전원을 운전한다. 여기에서는 이 방식의 대책 장치를 중심으로 설명한다. 유사한 구성으로 다음의 ①, ②와 같은 구성이 있으며 고압 계통에서 몇 개의 적용 사례가 있다. 어느것이나 후술의 고속 스위치에 의해 전원을 전환한다. ① 두 가지의 인입 회선 사이에서 전환되는 구성 ② 자가 발전 계통으로 전환하는 구성 ⑶ 전압 저하분(低下分) 가산 전압 저하분을 보충하기 위해 전력 계통과 부하사이에 제어 가능한 전압원을 직결하여 설치한 구성으로, <그림 3>에 그 개략 구성을 나타냈다. 해외에서 Voltage Sag Compensator 또는 Dynamic Voltage Restorer(DVR)으로 불리는 장치가 이런 구성을 취한다. 전압 저하분 △V만 대책 전원이 출력되므로 장치 용량이 적어 좋은 반면, 선로 개방 등에 의한 전압 잔여가 ‘0’인 상황에서 대응하기 어려워 대책 전원을 통과하는 단락 전류 대책이 필요하다는 등의 과제가 있다.
▣ 순저 대책 장치의 구성
대다수의 고압 대용량 순저 대책 장치는 <그림 2>와 같은 구성으로 분류되는데, <그림 4>와 같은 실제 순저 대책 장치를 예로 더욱 상세한 장치 구성을 설명한다. 대책 장치는 변환부, 직송부, 바이패스부로 구성된다. <그림 2>의 ‘대책 전원’에는 변환 부분, ‘ 전환 스위치’에는 직송부가 대응된다. 바이패스부는 보수용이다. 변환부는 용량에 따라 병렬 접속되어 대용량을 실현하는 구성이다. 더욱이 <그림 4>에 대응하는 실제 10㎹A급 순저 대책 장치의 배치 예를 <그림 5>로 나타냈다. 변환부가 4병렬된 구성 예다. 다음에 그 각부에 대한 설명을 첨부한다.
1. 변환부 변환부는 변압기, 변환기, 에너지 축적 디바이스 등으로 구성된다. 변환기는 에너지 축적 디바이스로 쌓은 에너지를 교류 전력으로 변환하여 부하에 급전하는 장치다. 반도체 소자로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하여 고전압 · 대전력을 제어한다. IGBT는 제어 회로에서의 소전력 신호로 구동할 수 있어, ‘인버터’로 불리는 장치에 폭넓게 적용되고 있다. 변환기 제어에는 펄스폭 제어(PWM : Pulse Width Modulation)로 불리는 방법을 이용한다. 에너지 축적 디바이스는 직류전압을 출력하지만, 이것을 단편의 책 모양 구형파(矩形波)로 가공, 부호를 반 사이클마다 반전시켜 교류전압으로 변환한다. 변압기의 인덕턴스 및 간단한 필터를 통해 적용 주파수(50㎐ 또는 60㎐) 성분이 구내 고압 계통에 출력된다. 이러한 개념을 <그림 6>으로 나타냈다. 변환기는 제어 회로의 지령에 따라 순시에 출력개시 · 정지할 수 있기 때문에 교직 변환 기능과 함께 에너지 축적 디바이스에서의 전력을 차단하여 고속 스위치 기능도 병용하고 있다. 또한 실제 장치에서는 장치 보호 · 보수를 위해 차단기가 적소에 설치되고 있다.
2. 에너지 축적 디바이스 순저 대책에 적용 가능한 에너지 축적 디바이스를 에너지 형태로 분류하여 <표 1>로 나타냈다. <표 1>의 디바이스 중 배터리 적용 사례는 많지만, 최근에는 전기 이중층 커패시터(이후 EDLC : Electric Double Layer Capacitor)의 적용 사례가 늘고 있다. <그림 4>의 장치 예는 EDLC를 이용한 사례다. 또 초전도 코일의 적용 예도 있다. 플라이휠은 회전형 UPS라는 장치에서의 적용 예가 있지만, 6.6㎸-10㎹A급 고압 대용량 장치로의 적용 예는 볼 수 없다. 나트륨 유황 전지(이후 NAS 전지)는 수천㎾-수 시간 규모의 전력 저장에 적용되어 전력 피크 저감 · 부하 평준화가 주 용도지만, 순저 대책 기능을 겸비한 장치의 적용 예가 있다. 또 NAS 전지의 장시간 저장 능력을 활용하여 비상용 발전기 상당의 동작을 행하는 시스템도 있다. 배터리 · EDLC는 직류전압을 출력하기 때문에 <그림 6>과 같이 변환기에 직접 접속하여 교류전력으로 변환할 수 있다. 초전도 코일 자체는 직류전류를 출력하기 때문에 전류를 일단 직류전압으로 변환하는 장치를 매개로 하여 <그림 6>의 변환기로 접속되는 구성을 취한다. 에너지를 축적하기 위한 충전 방법에는 두 가지가 있는데, 변환기의 제어 방법을 변환하여 충전하는 방법과 변환기와는 다르게 충전 장치를 설치하여 충전하는 방법이 그것이다. 에너지 축적 디바이스에는 수천 ㎸A 규모의 사업소 · 공장 전력을 갖추기 위해 순간적으로 대전력을 출력하는 기능이 요구된다.
한편 순저 현상의 지속 시간은 1초 이하가 대부분이라고 하는 특징을 고려하여 보상 운전 시간이 최적화된다. UPS에서는 비상용 발전기 기동까지의 기간을 담당하기 때문에 몇 분 동안의 배터리 운전이 일반적이다. 순저 보상에 특화한 순저 대책 장치와 UPS는 보상 시간의 사고방식이 다르다.
3. 직송부 보통은 전력 계통에서 부하로 전력을 급전하는 부분이다. 그러나 순저 시에는 부하로의 영향이 없어 극단 시간(수 ㎳) 내에 차단해야 하기 때문에 고속 스위치(이하 HSS : High Speed Switch)를 설계한다. 순저의 대부분은 전력 계통의 단락 · 지락 사고에 기인하므로 전력 계통과 접속한 채 대책 전원을 기동해도 대책 전원에서 사고점으로 고장 전류를 공급, 구내 고압 계통의 전압은 저하된 그대로다. 따라서 순저된 전력 계통과 구내 고압 계통을 차단하는 조작이 <그림 2>의 변환 방식에서는 필수다. 6.6㎸급 고압 용도의 HSS로 전자 반발 구동 방식의 기계 스위치, 고전압 사이리스터를 이용한 스위치, IGBT 등을 이용한 자기 소호형 반도체 스위치가 실용화되고 있다. 보통 차단기는 용수철 등의 기계력으로 동작하여 차단 지령부터 실제 전류 차단까지 2~3사이클 정도가 걸리기 때문에 순저 대책의 HSS에는 적용되지 않는다.
4. 제어 회로 순저 대책 장치 제어 회로의 주요 기능은 순저 검출, HSS 제어, 변환기 제어다. 순저 검출은 교류 전압을 관측하고 그 저하로 판단되는 경우가 많다. 순저 대책의 목적에서 ㎳ 정도 이하의 초고속 검출이 요구되어 검출 알고리즘이 연구되고 있다. HSS 제어는 순저 검출 신호를 받아 곧바로 HSS를 개방하여 전력 계통 전압이 복구되면 병입 조작한다. 변환기 제어는 순저 기간 중 부하 전압이 일정하도록 교류전압을 일정 제어한다. 또 병입 시에는 전력 계통 전압과 부하 전압을 동기시켜 제어한다.
▣ 순저 대책 장치의 동작
일반적인 순저 대책 장치의 동작을 대기, 변환, 보상 운전, 병입의 네 기간으로 분류하여 설명한다. ⑴대기 전력 계통이 정상적인 상태에서는 HSS을 통해 부하에 급전한다. 또 변환기 또는 충전 장치를 통해 에너지 축적 디바이스를 충전해 둔다. 그 전력의 흐름을 <그림 7> ⒜에 나타냈다. ⑵변환 낙뢰의 영향 등으로 전압 저하가 발생하면 순저 검출 기능이 검출, HSS의 개방 동작을 행한다. 기계식 HSS, 사이리스터 스위치는 스위치 전류가 0이 되기까지 On 상태가 계속되므로, 최장의 경우 차단까지 적용 주파수 반 사이클 정도의 시간이 걸린다. 차단 시간을 단축하기 위해 변환기에서의 출력 전류를 제어하고 HSS에 흐르는 전류를 타소(打消)하여, 전류 영점을 만들도록 조작한다. 자기소호형 스위치는 전류 영점을 기다리지 않고도 전류가 차단 가능하므로 HSS 중 가장 고속으로 동작한다. ⑶보상운전 전력 계통에서의 차단이 완료되면 변환기는 교류전압을 일정하게 제어하여 에너지 축적 디바이스에서 부하로 급전된다. 그 전력의 흐름을 <그림 7> ⒝로 나타냈다.
⑷병입 전력 계통 사고가 제거되어 복전되면, 변환기는 부하 전압을 전력 계통 전압에 동기시키도록 운전하여 HSS를 재투입한다. 다시 전력 계통에서 부하로의 급전 사태가 시작되어 대기 상태로 돌아간다. 이러한 동작의 타임 차트를 <그림 7> ⒞로 나타냈다. 이 동작은 순저 발생 기간의 극단 시간 내에서 이루어진다. 또한 실제의 전압 파형을 <그림 8>로 나타냈다. <그림 8>은 HSS로 전자 반발 구동 고속 스위치를 이용한 예다. 두 가지 전압 파형이 있지만 위(上)가 전력 계통 전압, 밑(下)이 부하 전압이다. 전력 계통 전압의 저하 개시에서 수 ㎳ 정도로 차단이 완료되어 부하 전압이 일정하게 유지되고 있다. IGBT 스위치를 이용한 HSS를 활용하면 더욱 고속으로 1㎳ 정도에서 차단이 가능하다.
▣ 마무리
여기에서는 순저 대책에 요구되는 기능을 나타내어, 그 기능 실현을 위한 구성의 관점에서 분류를 시도했다. 또한 대용량 순저 보상 장치의 대부분을 차지하는 구성과 순저 기간 중에는 에너지 축적 디바이스에서 변환기를 매개로 부하 급전하는 구성에 여러 가지 사례를 들어 장치 구성, 동작에 대해서 설명했다. 순저 대책 장치는 고저압 대용량의 파워일렉트로닉스 기술, 고속 제어 기술을 구사하여 실현된 장치다. 또 전력 축적 디바이스 진보에 의해 여러 가지 순저 대책 장치가 개발, 실용화되고 있다. 여기에서 설명한 고압 대용량 순저 대책 장치는 이미 수많은 장소에서 사용되어 실적을 쌓고 있다. 앞으로도 산업 인프라를 지탱하는 공장 및 사업소의 안정 조업에 더욱 활용될 것으로 기대된다.
변환부(Primary Means)
피드백 제어계에서 제어량을 목표 값과 비교하기 위해 목표 값과 같은 종류의 물리량으로 변환하는 부분을 말한다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)
모듈은 입력부(Gate)의 임피던스가 FET와 마찬가지로 무한대에 가깝고 출력 C~E 사이는 사이리스터의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자다. 현재 인버터 등에 가장 많이 사용되는 소자이며, 드라이브 또한 간단하게 구동 가능하므로 개발하는 입장에서는 사용하기 편한 반도체 소자라고 볼 수 있다. 하지만 Transistor(이하 TR)나 SCR처럼 전류내량이 크지 않아 신뢰성 있는 회로 구성을 하려면 많은 노하우가 필요하다. 현재 모듈식으로 많이 보급되고 있는 제품의 용량은 50A 600V에서부터 400A이며, 인버터의 구동 DC 전압에 따라 1200V 내압의 제품도 사용되고 있다. 내압을 높이면 대용량에서는 구동 전류가 줄어 실장착이나 구조상 유리하나 상당한 노하우가 필요한 기술이라고 본다. 이것은 실장 문제(배치문제)일 수도 있으며 구동 드라이브의 배선 등에서 문제가 될 수 있고 또한 소자의 특성이 좋지 않은 경우도 있기 때문에, 많은 경험 및 지식이 뒤따르지 않으면 IGBT가 파괴되기 쉽다.
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