가정용 태양광 발전이나 연료전지 등 소형 분산형 전원은 그 보급 확대와 함께 특정 지역에 다수 도입(이하, ' 집중연계'라고함)이 이루어질 것으로 예상된다. 일반적으로 분산형 전원에서 배전선으로 전력을 공급하는 상태(역조류 있음)에서는 배전선 사고로 변전소 차단기가 개방된 경우 상위 계통으로부터 전력이 공급되지 않아도 분리된 배전선 내에서 분산형 전원이 선로부하에 전력을 계속 공급할 수 있다(이하, '단독운전'이라 함). 이러한 단독운전은 배전선 사고의 연속을 야기하기 때문에 신속하게 검출해 분산형 전원의 운전을 정지시키고 연속되는 배전선 사고를 중단시킬 필요가 있다. 이를 위해 일본의 전기설비에 관한 기술기준(이하, '기술기준'이라고 함) 및 계통운전규정에서는 단독운전 방지에 대해 규정하고 있다. 특히 분산형 전원이 집중연계 된 배전선에서는 그 규모도 커질 뿐만 아니라 기존의 저압 배전선 단위가 아닌 고압 배전선 단위의 단독운전이 된다.
고압 배전선 단위의 단독운전 대응에는 다음과 같은 이유로 고속 검출 등 새로운 요구사항이 더해진다. <그림 1>과 같이 분산형 전원이 집중연계 된 배전선에서는 저압 배전선에 연계된 분산형 전원이 변압기에서 고압 배전선과 접지계가 분리돼 있기 때문에 고압 배전선 측에서 일어나는 사고를 검출할 수가 없다. 특히 변압기의 고압 측과 저압 측의 절연파괴로 발생한 지락사고(이하, '고저압 혼촉사고'라고 함)의 경우, 계속되는 단독운전으로 저압전로 측의 접지저항(기술기준에서는 B종 접지저항으로 규정)에 의한 전위 상승이 기술기준에 규정되어 있는 시간 이상으로 계속될 가능성이 있다. 기술기준에 따르면 저압 전로의 전위 상승이 300V 초과 600V 이하의 배전선에서는 1초 이내로 고압 배전선을 자동 차단하는 장치를 설치하도록 규정하고 있다. 배전선의 변전소 차단기는 지락사고 발생 후 늦어도 0.9초 이내에 개방된다. 따라서 단독운전 검출을 통해 간접적으로 지락사고를 1초 이내에 검출하려면 단독운전 검출은 0.1초 이내로 고속 검출할 필요가 있다. 이러한 집중연계의 단독운전 검출에 대해서는 현재 아래의 방식이 고안되고 있다.
① 배전선 측에서의 대책방식 ② 분산형 전원 측에서의 대책방식
방식 ①은 분산형 전원 설치자(원인자) 이외에도 비용 부담이나 운용 관리의 필요가 나오고 있지만 그 분담이 불명확하다. 또한 방식 ②는 계통 기본파의 파형, 위상(무효전력도 포함), 주파수의 변화를 검출하는 방식으로, 단독운전에 의한 계통 상태의 변화만을 검출하는 수동적 방식과, 각 분산형 전원이 동기(同期)한 전기적 신호(이하, '능동신호'라고 함)를 계통 측에 주입함으로써 단독운전이 발생했을 때 능동신호에 기인하는 계통 상태의 변화를 검출하는 능동적 방식이 있다. 수동적 방식은 이론적으로 분산형 전원의 발전전력과 선로부하가 완전히 똑같을 경우 계통 기본파는 변화하지 않기 때문에 검출이 불가능한 영역이 있다. 또한 발전전력과 선로부하가 완전히 같지 않아도 고압 모터 등에 의해 계통 기본파의 변화가 적어지며, 변화 속도가 늦어져 단독운전을 검출할 수 없는, 검출할 수 있었다 하더라도 검출시간이 길어질 가능성이 있다. 능동적 방식은 능동신호의 주기가 같더라도 동기 위상이 무작위로 변동하면, 집중연계와 같이 능동신호의 수가 많아지는 만큼 상쇄효과가 커질 가능성이 있다. 그 결과 단독운전 검출이 불가능 할 수도 있다. 여기서는 방식 ①, ②의 과제를 해결하는 방식으로, 차수 간 고조파의 분산 주입에 의한 집중연계용 단독운전 검출방식을 제안한다. 이 제안방식은 분산형 전원 측에서의 대책방식이기 때문에 방식 ①의 과제는 없다. 방식 ②의 과제에 대해서도 본 방식은 변전소 차단기의 ON · OFF 상태를 감시하는 것이기 때문에 계통 기본파의 파형, 위상, 주파수에는 관계하지 않는다. 따라서 고압 모터를 포함하는 선로부하나, 발전전력과 선로부하의 균형에도 영향을 미치지 않는다. 능동신호의 동기에 대해서는 다른 분산형 전원의 능동신호를 보면서 적극적으로 동기시키기 때문에 편차는 무작위가 아니며, 수가 많아져도 이론적으로 상쇄되지 않는다. 게다가 검출에는 계통 기본파 주파수의 2~3배에 해당되는 주파수인 차수 간 고조파 능동신호를 사용하기 때문에 고속 검출이 가능하다.
원리
1. 시스템 구성 차수 간 고조파 전류를 고압 배전선에 한 군데로 부터 주입하는 방식은 이미 개발돼 고압 배전선에 연계하는 분산형 전원용으로 실용화 되고 있다. 본 방식은 고압 배전선의 차수 간 고조파 전류와 전압을 계측해 고압 배전선의 차수 간 고조파 성분의 임피던스(혹은 어드미턴스)를 감시한다. 그리하여 고압 배전선의 단독운전이 발생, 즉 변전소 차단기가 개방되면 임피던스 변화로 단독운전을 검출한다. 고압 배전선의 단독운전 검출을 대상으로 한다는 점에서는 상기와 같지만 집중연계의 경우에는 다음과 같은 점에서 조건이 다르다.
① 분산형 전원이 저압 배전선에 연계 ② 다수의 분산형 전원이 연계
①의 조건에 따라 차수 간 고조파 전류를 저압 배전선 측으로부터 주입하게 되지만, 저압 배전선 연계점에서의 계측에 의해 고압 배전선 임피던스만(저압 배전선 임피던스는 배제)을 감시해야 한다는 과제가 있다. 또한 ②의 조건에 따라 분산형 전원에서 저압 배전선에 주입되는 차수 간 고조파 위상을 다른 분산형 전원이 주입하고 있는 차수 간 고조와 동기시킬 필요가 있다. 그러나 고압 배전선에 비해 임피던스가 큰 저압 배전선으로부터 주입하고 있어 계측되는 차수 간 고조파 전압의 대부분이 자신의 주입 전류에 기인하기 때문에 다른 분산형 전원의 주입 전류에 기인하는 전압 계측이 어렵다는 과제가 있다. 따라서 지금부터는 위의 과제를 해결할 수 있는 시스템 원리에 대해 서술하고자 한다. <그림 2>에 분산 주입방식의 전체 시스템 구성도를 나타냈다. 먼저 위의 과제를 해결하기 위해서는 저압 배전선연계점에서 고압 배전선에서의 차수 간 고조파 전압을 계측할 수 있도록 해야 한다. 그 방법으로 하나의 분산형 전원에 있어 주입 차수 간 고조파와 계측차수 간 차수 고조파를 따로 한다. 구체적으로는 집중연계 된 분산형 전원을 주입 차수 간 고조파와 계측 차수 간 고조파의 조합이 동일한 두 개의 그룹(이하, 'A 그룹', 'B 그룹'이라고 함)으로 분할한다. 이 분할은 다른 저압 배전선(주상변압기의 저압측)에 연계된 분산형 전원이 주입한 차수 간 고조파전류에 기인하는 전압을 계측함으로써 고압 배전선의 차수 간 고조파 전압 계측을 가능하게 하며, 임의의 주상변압기의 저압 측에 연계되는 분산형 전원은 A 혹은 B 그룹 어느 한 종류의 그룹으로 구성한다. 즉, 주상변압기의 저압 측에 A 그룹과 B 그룹의 분산형 전원을 뒤섞지 않도록 한다.
2. 동기 주입의 원리 일반적으로 계측 주파수와 주입 주파수가 다를 경우 계측 차수 간 고조파에 주입 차수 간 고조파를 동기시키는 것이 불가능하다. 그래서 그 해결방법으로 다음의 대책을 마련했다. 먼저 A 그룹과 B 그룹의 분산형 전원은 ⑴의 식에 나타난 각기 다른 두 개의 주파수 차수 간 고조파 전류를 배전선에 주입한다.
⑴의 식에서 나타난 전류 파형은 정성적(定性的)으로 다음과 같이 설명할 수 있다. 두 개의 주파수성분을 서로 더함으로써 (fa1+fa2)/2 또는 (fb1+fb2)/2가 높은 주파수 성분이 발생하고 (fa1-fa2)/2 또는 (fb1-fb2)/2가 낮은 주파수에서 그 진폭은 변동하게 된다(이하, 이 진폭이 변동하는 것을 '진동'이라고 함). ta0, tb0은 각각 '두 개의 차수 간 고조파 전류 위상이 일치하기 때문에 진동이 배[腹] 상태가 되는 시각'을 나타낸다. 또한 ⑵의 식의 주파수 조건을 첨가함으로써 A 그룹과 B 그룹의 진동 주파수는 같아진다. 여기서는 동일 그룹 내 다른 분산형 전원의 주입 차수 간 고조파 전류 · 전압에 대한 정보를 직접 얻을 수 없어도 A 및 B 그룹의 두 개의 진동을 동기시킴으로써 그 결과로 각 그룹의 주입 차수 간 고조파 전류를 동기시키도록 한다. 즉, 각 분산형 전원은 <그림 3>과 같이 주입 개시시각의 차이에 따라 발생하는 '주입하는 차수 간 고조파 전류의 진동 위상과 다른 그룹의 차수 간 고조파 전류에 의해 발생하는 전압의 진동 위상과의 위상차'가 있으면 주입하는 차수 간 고조파 전류의 주파수 증감으로 전류위상을 제어하며, 이 위상차가 0이 되도록 감소시켜 나간다. 이 제어는 ⑴의 식으로부터 'ta0과 tb0의 차이가 0이 되도록 감소시켜 나가는 제어'로 생각해도 같다. 한편, '진동 위상'에 대해서는 뒤에 다시 설명한다.
3. 단독운전 검출의 원리 이미 실용화 되고 있는 차수 간 고조파 단독운전검출장치는 고압 배전선의 차수 간 고조파 전압과 전류 양쪽을 계측하고 계통 임피던스(혹은 어드미턴스)를 계산해 고압 배전선의 단독운전이 발생, 즉 변전소 차단기가 개방된 경우에 발생하는 계통 임피던스의 변화를 검출한다. 이 연구에서도 저압 배전선에 연계되어 있는 분산형 전원이라 하더라도 주상변압기를 단순한 계측용 변압기(PT)로 여겨 이분산형 전원의 연계점에서 다른 그룹의 분산형 전원으로부터 주입되는 차수 간 고조파 전류에 의해 고압 배전선에 나타나는 전압을 계측할 수 있다. 그러나 저압 측의 연계점에서는 이론적으로 고압 배전선에 흐르는 전류의 계측은 불가능하며, 분산형 전원으로부터 고압 배전선의 임피던스 감시는 직접할 수가 없다. 그래서 이번 단독운전 검출은 <그림 4>와 같이 고압 배전선의 임피던스 변화에 따른 주입 차수 간 고조파 전류에 기인하는 전압 변화를 검출해 판정한다. 이 방법은 전압과 전류 두 종류를 계측해 실시하는 고압 배전선의 임피던스 감시에 비해 전압 한 종류만을 계측해 감시하기 때문에 감시정밀도 저하가 우려된다. 하지만 앞에서도 논한 대로 진동으로 동기를 취하므로 주입 차수 간 고조파전류는 두 개이며, 계측하는 차수 간 고조파 전압도 두 개의 값이 돼 복수(複겤)로 감시할 수 있어 감시정밀도 저하는 극복할 수 있을 것으로 보인다. 또한 특정 기간에 분산형 전원의 연계운전 개시가 집중해 주입 차수 간 고조파 전압 변화로 인한 오검출도 염려되는 부분이지만, 분산형 전원은 각각이 독립해 동작하는 한편 단독운전의 검출시간(기간)이 0.1초 이내로 단기간이기 때문에 연계운전 개시가 이 기간에 집중하는 일은 없을 것으로 판단된다.
분산 주입장치 모델
여기서는 분산 주입방식의 배전계통 적용에 있어서 각 분산형 전원의 외부에 접속하는 분산 주입장치의 구체적 구성을 제안한다. 또한 동기 제어에 대해 설명하는 동시에 본고에서 채용한 차수 간 고조파(이하, 커리어 성분)의 차수(주파수)를 나타낸다.
1. 모델 개요
<그림 5>에 분산 주입장치의 개념도를 나타냈다. 이것은 일례로, A 그룹을 개념화한 것이다. 계측부(<그림 5>의 (a))에서 연계점 전압을 계측하고, 차수 간 고조파 추출부(<그림 5>의 (b))에서 다른 그룹(B 그룹)에 의해 발생한 진동의 커리어 성분 Vb1, Vb2를 추출한다. 이어 이들 추출 파형의 위상끼리의 차이로부터 B 그룹에 의한 진동 위상을 산출한다(<그림 5>의 (c)). 한편, 자신은 A 그룹 공통의 진동커리어 위상을 발생하고(<그림 5>의 (d)), 커리어 성분을 생성해(<그림 5>의 (e)) 출력한다. 또한 맞춰서 발생한 진동 위상을 산출하는(<그림 5>의 (f)) 동시에 B 그룹에 의해 발생하는 진동 위상의 차이를 산출한다(<그림 5>의 (g)). 양쪽에 차이가 있을 경우에는 이 진동 위상차가 없어지는 방향에 자신의 커리어 위상을 변화시킨다(<그림 5>의 (h)). 단독 검출부(<그림 5>의 (i))는 통과한 커리어 성분의 전압의 진폭을 감시하고 그 변화(증대)에 의해 단독운전을 검출한다.
2. 계측부 구성
<그림 6>은 <그림 5>의 (a)의 계측부 구성도를 나타낸 것이다. B 그룹 전체의 차수 간 고조파 전류합성에 의해 발생하는 전압 Vb1, Vb2의 성분을 추출한다. 입력 필터의 첨예도(A 그룹의 진동 성분 제거필터의 첨예도 Qi, B 그룹의 진동 성분 추출 필터의 첨예도 Qm)는 후에 논의될 시뮬레이션에 따라 결정했다.
3. 동기 제어에 대한 상세 설명 본 방식에 있어 동기 제어의 주요 부분이며, 동기 제어정수 설정에 관계하는 차수 간 고조파 전류의 동기 주입(<그림 5>의 (b)~(h))에 대해서는 <그림7>을 따라 설명한다. ① B 그룹 진동의 두 개 커리어 성분 전압을 각각 DFT(Discrete Fourier Transform, 이산적 푸리에 변환)하고(<그림 7>의 (b)), ⑶의 식으로부터 두 개의 DFT 산출 결과 Vb1, Vb2의 편각 θb1, θb2끼리의 차이로부터 진동 위상
을 산출한다(<그림 7>의 (c)). 뒷장에서 다시 논의되겠지만 fa1, fa2와 fb1, fb2의 주파수가 서로 접근하고 있어 A 그룹의 진동 성분제거 필터의 간섭에 의해 편각 θb1, θb2가 변화해버리고 만다. ⑶의 식의 θb_cor 항은 제각기 이 변화량에 차이가 있는 것에 대한 보정치(정수)다.
② 자신(A 그룹)은 A 그룹 공통의 진동 커리어 주파수(<그림 7>의 (d-1))를 ⑷의 식에 나타낸 것과 같이 적분해 진동의 각 커리어 성분 위상을 발생하고(<그림 7>의 (d-2)), ⑸의 식에 나타낸 것과 같이 커리어 성분 ia1, ia2를 생성해(<그림 7>의 (e)) 출력하는 동시에 ⑹의 식에 나타낸 것과 같이 진동 위상
를 산출한다(<그림 7>의 (f)). 한편, ⑷의 식 가운데 제어 지표인 진동의 커리어 주파수 변동량
f(초기 값은 0)의 산출에 대해서는 다음 ③에서 논한다.
③ 자신(A 그룹)의 진동 전류 위상
와 B 그룹에 의한 진동 위상
과의 차이
를 ⑺의 식으로 부터 산출한다. 두 개의 진동 위상끼리의 위상차
는 동기 지표이며, 이것을 제어 지표
f에 따라 0으로 하는 것이 동기 제어의 목표이다.
에 대해 ⑷의 식의
f를 ⑻의 식에서의 두 개의 동기 제어 파라미터 K, Ts에 의해 산출한다. 입력 필터부의 통과대역을 고려해
f의 범위는 제한주파수
f_lmt의 범위로 제한하고 있다(<그림 7>의 (h-1), (h-2), (h-3))
· K : 위상동기화속도계수(
의
f에대한비례정수) · Ts : PI 제어 1차 지연계의 시정수(
값의 평활화 시정수) · t0 : 동기 주입부의 운전 개시시각
한편, ⑴의 식에서 자신의 진동 전류의 위상을 B그룹에 의한 진동 위상에 일치시키는 것(
을 0으로 하는 것)은 ta0를 변화시켜 tb0에 일치시키는 것이다. ta0을 변화시키는 것은 각 커리어 주파수의 변화량을 각각 주파수에 비례한 값으로 함으로써 실현할 수 있다. 따라서 ⑷의 식에서 각각의 커리어에서의
f 계수 값은 주파수 비 1 : (fa2/fa1)이 된다. <그림 8>에 진동 파형과 진동 위상의 관계, 그리고 그것을 이용한 진동끼리의 동기 제어를 나타냈다. 각 진동 위상 벡터
,
는 정격 주파수에서는 단위원을 진동 주파수 fa2-fa1(=fb2-fb1)로 회전한다. 여기서 두 개의 커리어 성분인 각 주입 전류의 주파수를 ⑷의 식에 따라 커리어 성분의 주파수 크기에 비례해 증감하면 A 그룹, B 그룹과 함께 진동 위상차를 동기할 수 있다. <그림 8>의 두 개의 위상 벡터동작에 주목하면 동기는
과
의 상호 간에 서로 끌어당기는 동작에 의해 이루어진다. 즉, '자신(A 그룹)의 제어에 의해
가 0이 되도록
가
에 접근하는 동작'과 'B 그룹 측 전체에서의 진동 전류 위상(이것이 A 그룹 측의 각 분산 주입장치에서는
으로 계측된다)의 제어에 의해 마찬가지로
가 0이 되도록
이
에 접근하는 동작'에 의해 이루어지는 것이다.
4. 커리어 성분 차수 및 진동 차수 각 그룹에서의 진동의 커리어 성분 차수(A 그룹 : na1, na2, B 그룹 : nb1, nb2)와 진동 차수 na1-na2(=nb1-nb2)에 대해서는 다음과 같이 결정했다.
먼저 커리어 성분 차수는 주입 전류의 차수가 2차 이하가 되면 플리커 차수 영역(1.5차 이하)에 가까워진다. 또한 4차 이상이 되면 배전계통에 존재하는 역률 개선용 콘덴서와 선로의 유도 리액턴스에 의한 병렬 공진으로 주입 주파수 성분의 전압 확대 가능성이 높아진다. 이러한 사항을 고려해 진동의 커리어 성분 차수는 2~3차 사이로 한다. 다음으로 진동 차수의 경우 ① 입력 필터부에 있어 A 그룹과 B 그룹에서는 커리어 성분 차수의 존재 영역을 혼재하기보다 분리하면 통과대역이 통합돼 필터 구성이 간소해지며, ② 커리어 성분의 주파수 변화에 대한 진동 위상의 변화(동기화 속도)를 높이기 위해서는 진동 주파수는 가능한 높은 것이 좋다(<그림 8>의 왼쪽 그림). 이러한 사항을 고려해 커리어 성분 차수(주파수)와 진동 차수(주파수)를 다음과 같이 결정했다. 한편, 시뮬레이션에서의 정격 계통 주파수는 60㎐, 진동 커리어 성분의 주파수 변위량 제한
f_lmt는 1㎐로 했다.
시뮬레이션에 의한 동기 제어정수 설정
배전계통 모델을 작성하고 계통 조건 · 제어정수를 변화시켜 계측부 필터의 첨예도 및 동기 제어부 동기 파라미터의 정수를 결정했다.
1. 배전계통 모델 시뮬레이션 해석에서 사용한 배전계통 모델을 표준 케이스로서 <그림 9>와 같이 설정했다. 일본전기협동연구회의 주택 지역 표준 모델을 참조해 6.6㎸ 간선 긍장(亘長)을 4㎞ 상당으로 설정했다. 그 선로를 2㎞씩 두 구간으로 나눠 선로정수를 사이에 두고 선로 인출구의 지근(至近)부, 중간부 및 말단부 이렇게 세 지점에 각각 저압 배전선군(저압 뱅크)을 접속하도록 구성했다. <그림 9>에서의 각 저압 배전선군은 <그림 10>에 나타난 것과 같이 각각 연계선 사이가 다른 세 개의 저압 배전선으로 구성되며, 각 저압 배전선에는 각각 분산 주입장치를 가진 두 대의 분산형 전원이 연계하고 있다. 즉, 각 저압 배전선군에는 합계 6대의 분산형 전원을 연계했다. 각각의 저압 배전선군에는 A 그룹 4대, B그룹 2대를 접속하며, 배전선 전체로 보면 A 그룹 12대, B 그룹 6대로 구성된다.
한편, 1대당 주입 전류는 계통연계규정 ⑴에서 바람직한 것으로 정한 고조파 유출 전류(종합 전류 왜형률 5%, 각 차 전류 왜형률 3% 이하)를 고려해 각 차 0.4A(3㎾의 역변환장치로 종합 전류 왜형률 3.8%, 각 차 전류 왜형률 2.7%)로 한다. 또한 부하는 RLC 회로에서 모의하는 것으로, 저압 배전선군 단위에서 하나로 했다. <표 1>의 표준조건 및 각종 확장조건으로 시뮬레이션을 행했다. 각 확장조건은 각각의 소항목에 있어 표준조건으로부터 (a)~(f)에서 한 항목만을 차례대로 변경해 조건 설정하고 해석했다.
2. 동기 성능의 평가방법에 대한 상세 설명 ⑴ 동기 성능의 평가방법 시뮬레이션에서의 출력 평가 항목은 각 분산 주입장치의 주입 전류 위상이 가장 떨어진 상태를 초기위상 상태로 설정, 3초 후에 안정적으로 동기가 취해졌는지 아닌지를 판정한다. 안정한 동기 조건은 다음과 같다.
① 3초 시점에서 각 추출 전압 파형의 실효치 변화(2.97~3.00초 사이와 2.91~2.94초 사이의 파고치 차이)가 2% 이하일 것 ② 같은 3초 시점에서 위상차가 5도 이하 및 위상차의 변화치가 2도/사이클 이하일 것
⑵ 표준조건 및 확장조건에서의 시뮬레이션 결과 입력 필터의 첨예도 Qi, Qm 및 동기 파라미터 K, Ts에 대해 각각의 값을 변화시켜 평가했다. 그 결과 표준조건 및 (모든) 확장조건에서 안정적으로 동기하는 값으로서 Qi=10, Qm=20, K=4, Ts=0.2를 선정치로 했다. 안정적으로 동기하는 경우의 시뮬레이션 결과(파형)의 일례를 나타냈다. <그림 11>은 표준조건으로 Qi, Qm, K, Ts를 선정치로 한 경우의 결과다.
⒜ 저압 배전선군 1의 A 그룹에서의 B 그룹 2.6차 고조파 전류 주입에 기인한 2.6차 고조파 전압치 ⒝ 저압 배전선군 1의 A 그룹에서의 B 그룹 2.8차 고조파 전류 주입에 기인한 2.8차 고조파 전압치 ⒞ ⒜와 ⒝의 위상차 ⒟ 저압 배전선군 1의 A 그룹에 있어서의 주입 2.2차 전류와 주입 2.4차 전류의 위상차 ⒠ ⒞와 ⒟의 차이
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(a) 및 (b)에 있어서 평가조건 ①의 실효치 변화는 각각 0.13% 및 0.09%로, 평가조건 ①을 충분히 만족하고 있다. 게다가 (e)에서 3초 시점에서의 위상차는 0.67도, 그 변화는 0.39도/사이클로, 평가조건 ②도 충분히 만족하고 있다. B 그룹에 대해서도 같은 시뮬레이션을 행해 동일한 결과를 얻었다. 한편, Qi, Qm, K, Ts의 값 선정 프로세스는 다음과 같다. Qi, Qm을 고정하고 K를 2~10, Ts를 0.05~0.5초 범위에서 변화시켜 동기 상태를 위에서 논한 대로 시뮬레이션 파형으로 평가했다. <표 2>는 표준조건으로 Qi=10, Qm=20으로 했을 때 동기의 성부(成否)를 ○×로 나타낸 것이다. Qi=10, Qm=10으로 했을 때에는 동기하는 영역(○의 영역)이 없어졌다. 또한 Qi=10, Qm=20보다 큰 값으로 했을 경우에는 ○의 영역이 늘어났다. 여기서 동기 제어의 응답시간 고속화를 고려하면 Qi과 Qm의 값은 가능한 작은 편이 바람직하므로 Qi=10, Qm=20을 채용하기로 했다. 또한 K 및 Ts에 대해서는 <표 2>의 ○ 영역의 중간 값으로서 K=4, Ts=0.2를 채용했다.
저압 모의계통에 따른 성능 검토
차수 간 고조파의 동기 제어 및 단독운전의 고속검출 기능을 검증하기 위해 검증용 장치(이하 주입계측장치)를 시험 제작해 저압 모의계통에서의 검증시험을 실시했다.
1. 검증용 장치 및 모의계통
주입 계측장치는 A 그룹, B 그룹에 대해 각각 입력 필터부 및 단독운전 검출부, 그리고 차수 간 고조파 전류 동기 주입부를 컴퓨터로 구성했다. 단, 차수간 고조파 전류 동기 주입부의 주입 전류원은 전류앰프를 이용했다. 주입 계측장치는 A 그룹, B 그룹에 대해 각각 컴퓨터 내에서 8대분을 모의했다. 단, 계통 전압 계측, AD 변압은 8대로 공용, 전류 앰프로의 전류 지령은 각각의 지령신호를 가산했다. AD변환한 입력신호에서 각각의 전류 지령신호 산출까지는 컴퓨터 내에서 모의된 8대분의 계측 제어장치가 따로따로 제어 개시시각이 설정돼 각각 독립해 <그림 5>의 (a)~(h)에 나타난 일련의 연산 처리를 하도록 했다. 모의계통에서 단독운전 모의는 <그림 12>의 시뮬레이션에 의한 평가에서 계통 부하 상당(500㎾ 상당)의 리액터를 직렬 삽입해 계통 임피던스를 높이기로 했다.
2. 모의회로에 의한 검증시험 ⑴ 차수 간 고조파 진동 전류의 동기시험 결과 모의회로에 의한 검증시험을 했다. 동기 제어의 파라미터 K, Ts는 앞에서 얻은 값(K=4, Ts=0.2)을 사용했다. 시험 결과는 <그림 13>과 같이 A 그룹, B 그룹 모두 주입 개시로부터 약 9초에 동기하는 것을 확인했다. 시뮬레이션의 동기시간 3초에 대해 검증시험에서는 약 3배의 괴리가 보인다. 그 원인 중 하나로 이번 모의시험에서는 시뮬레이션에서는 존재하지 않는 백그라운드 노이즈 성분(계통의 잔류 성분)의 영향을 받았음을 짐작할 수 있다. 향후 검증장치의 수를 늘려 관계를 조사, 별도의 원인구명이 필요하다.
⑵ 단독운전 검출시험 결과 A 그룹, B 그룹 모두 <그림 14>에 나타난 것과 같이 약 10m초(100m초 이내)에서 단독운전의 고속검출이 가능한 것을 확인했다.
⑶향후과제 차수 간 고조파의 동기 제어 및 단독운전의 고속검출 기능의 기본 동작을 검증하기 위해 이번에는 리액터의 직렬 삽입을 통해 계통 임피던스를 변화시켜 단독운전을 모의했다. 또한 실제 계통에서는 고압 모터의 운전 · 정지나 역률 개선용 콘덴서의 투입 · 개방 시 등 계통 과도현상 발생 시에 감시 정밀도 저하에 따른 불필요한 검출이 생기지 않을까 우려된다. 향후 모의계통에서 실제로 분산형 전원을 연계한 뒤에 단독운전을 발생시켜 고압 모터 및 역률 개선용 콘덴서의 영향을 포함한 고속 검출의 성능 검증을 할 예정이다.
마무리
본고에서는 가정용 태양광 발전이나 연료전지 등 소형 분산형 전원이 배전계통에 집중연계 된 경우에 필요한 고압 배전선의 단독운전 고속 · 확실한 검출 · 방지를 가능하게 하는 차수 간 고조파 주입방식의 단독운전 검출방식을 제안하고, 그 방식에서 사용하는 차수 간 고조파 전류의 분산 주입장치의 설치 검토, 시뮬레이션에 의한 주입 차수 간 고조파의 동기 제어 검토 및 저압 모의계통에 의한 기본파 성능 검증을 행했다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. ① 저압 배전선의 연계점에 있어서 고압 배전선에서의 차수 간 고조파 계측을 가능하게 하는 방식으로, 주입 차수 간 고조파와 계측 차수 간 고조파를 따로 하는 방식을 제안했다. ② 주입과 계측이 다른 주파수의 차수 간 고조파 동기를 가능하게 하는 방식으로, 주입 · 계측에 있어 각각 2개의 차수 간 고조파(주파수의 차이가 같음)를 채용해 각각의 합성 파형이 같은 주파수에서 진동하는 것을 이용, 주입 · 계측의 차수 간 고조파를 동기시키는 방식을 제안했다. ③ 고조파 배전선의 단독운전 발생 시 두 개의 주입 차수 고조파 전류에 기인하는 전압이 증가하는 것을 이용, 저압 배전선에 연계되는 분산형 전원의 단독운전 검출방식을 제안했다. ④ 주입과 계측의 차수 간 고조파의 동기방법에 대한 구체적인 순서를 각각 '진동 위상'의 위상차에 주목한 알고리즘 형태로 했다. ⑤ 주입과 계측을 하는 분산 주입장치의 시뮬레이션 모델을 작성했다. 집중연계 상태를 모의하기 위해 일반 주택지를 상정한 배전계통에 배치된 모델을 작성하고 시뮬레이션 해석을 했다. 그 결과 각 분산형 전원(분산 주입장치) 사이에서 주입 차수 간 고조파 전류를 3초 정도로 동기 제어할 수 있음을 확인했다. ⑥ 저압 모의회로를 사용한 검증 시스템에서는 각 분산형 전원(분산 주입장치) 사이에서 주입 차수 고조파 전류를 9초 정도로 동기 제어할 수 있음을 확인했다. 또한 각 분산형 전원에서의 단독운전검출은 20대 정도의 집중연계 상태에서 약 10m초(0.1초 이하)로 고속 검출이 가능하다는 것을 확인했다.
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