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[해외기술특집] 전기 이중층 커패시터식 순저 보상 장치
2009-03-04

전기 이중층 커패시터식 순저 보상 장치


▣ 개요

최근 IT관련 기기 보급 및 반도체, 정밀기기 등의 고품질, 고부가가치의 생산 라인이 증가함에 따라 순시전압 저하(이하 순저)에 의한 기기에의 영향이 문제가 되고 있다. 전력계통 기술이 발전하고 전력기기 및 공급 설비가 강화되어 수요가로의 전력공급 신뢰도는 향상되고 있는데, 자연현상으로 인한 순저(<그림 1> 참조)는 전력공급 설비를 강화시키는 것만으로는 방지할 수 없는 현상이다.


순저 및 정전 대책으로 무정전 전원 장치가 많이 사용되고 있다. 이 장치 축전부에는 납축전지가 많이 이용되고 있는데, 최근에는 납축전지에 비해 정기적인 보수 점검이 필요 없어 충 · 방전 사이클 수명이 긴 데다 고속 · 고효율 충 · 방전이 가능한 전기 이중층 커패시터(이하 EDLC)의 개발이 급속하게 진행되고 있다. 이 EDLC는 수 초~수 분간 충 · 방전하는 데 적당한 축전소자다.
여기에서는 EDLC를 사용한 순저 보상 장치의 적용 사례로, 2006년 10월 납입 후 현재까지 가동중인 제품 사양, 제어 방법, 평가 시험 결과를 소개한다.

▣ 순저 보상 장치의 개요

순저 보상 장치의 외관과 회로 구성을 각각 <그림 2>과 <그림 3>으로 나타냈으며, 장치 개략 사양은 <표 1>로 나타냈다.


본 장치는 정격 전압 6600V, 정격 용량 1,0000㎸A 순저 보상 장치로 단기 용량 2500㎸A의 연계 변압기-교직 변환 장치-ELDC의 4배 병렬로 구성돼있다. 장치 전체의 사양은 폭 28.0m×깊이 2.3m×높이 2.6m다.

▣ 장치 특징

1. 축전부에 전기 이중층 커패시터 적용
본 장치의 EDLC는 160V, 4.5F를 1유닛으로 하고, 이것을 11병렬로 한 구성을 1모듈(160V, 49.5F)로 한다. 커패시터는 2500㎸A마다 모듈을 4직렬 12병렬로 한 구성(640V, 148.5F)이 된다.
EDCL 모듈의 외관을 <그림4>로 나타냈다. 1모듈의 외형은 폭 305㎜×깊이 670㎜×높이 402㎜로, 질량은 약 80㎏이다.
EDLC는 2차 전지에 비해 출력 밀도가 높고, 1~2초 보상 제품에서는 설치 공간을 삭감할 수 있다. 또 충 · 방전이 매우 빠를 뿐 아니라, 이런 충 · 방전이 수명에 영향을 주지 않기 때문에 15년 이상 교환하지 않아도 된다. 더욱이 사용 재료는 활성탄 전극 및 유기 전해액이 중심이 되므로, 중금속 등을 포함하지 않기 때문에 환경적인 측면에 있어서도 뛰어나다.

2. 고압 · 대용량화
<그림 3>과 같이, 이 장치는 고압화 · 대용량화를 위해 단상 인버터를 세 대로 1250㎸A를 구성하며 연계 변압기에서의 다종 접속에 의해 2500㎸A를 구성하고 있다. 이 2500㎸A를 단기 용량으로 4대 병렬하여 정격 부하(용량 1,0000㎸A, 정격 역률 1.0)에서 1초간의 순저 보상을 실현한다. 변환 장치를 병렬 구성하여 1열 정지해도 순저 보상이 가능하고 신뢰성 및 보수성을 향상시킨다.

3. 상시 적용 급전 방식
계통 정상 시에는 상용 전원에서 GTO 스위치를 통해 부하에 전력을 공급하는 상시 상용 급전 방식을 채용하여, 통상 운전 효율은 99% 이상을 실현한다.


4. 병렬 보상 방식
순저 발생 시에는 상용 전원을 GTO 스위치로 고속 차단하고 EDLC에서 교직 변환 장치를 매개로 하여 중요 부하에 전력을 공급하는 병렬 보상 방식을 채용하는데, 이로써 순저는 물론 순단 · 정전에서도 보상이 가능하다.(<그림 5> 참조) 또 상용 전원에서 커패시터 전원에의 변환은 2msec 이내로 고속이기 때문에 무순단 상당의 변환이 가능하다.

5. 감시 시스템 도입
원방 감시를 희망하는 고객을 위해 <그림 6>의 구성과 같이 감시 시스템을 도입했으며, 그 감시 시스템의 화면 예는 <그림 7>로 나타냈다. 계통 운전 표시도 및 이벤트 메시지로 상태 · 고장 표시를 확인할 수 있다. 또 순저 보상 시 파형은 현장에서 컴퓨터로 확인하거나 원방 감시 설비에 설치한 감시 단말(컴퓨터)로 다운로드하여 확인할 수 있다.


▣ 제어 방식

이 장치의 운전 · 제어 모드는 크게 다섯 가지로 분류할 수 있다.

1. EDLC 초기 충전 제어 모드
장치 초기 시동 시 EDLC를 충전하는 모드다. 처음에 초기 충전회로를 시동하여 직류전압을 일정 제어한다. 그 후 커패시터 직류전압이 일정 레벨에 도달한다면, 그 이후에는 교직 변환 장치의 충전 전류 제어로 EDLC를 정격 전압까지 충전한다.

2. 대기 상태 모드
EDLC는 정격 전압까지 충전되는데, 보통 장치는 이 상태를 유지한다. 대기 상태에서의 계통 전압 및 EDLC 직류전압을 감시한다. 자연 방전에 의해 직류전압이 저하되면 충전한다.

3. 순저 보상 운전 모드
이 장치에서는 계통 전압을 각상마다 각각 검출하여 순시 진폭에서 계통 전압 순저를 판단한다. 순저 발생이 검출되면 GTO 스위치를 차단하여 장치 계통에서 분리한다. 동시에 교직 변환 장치는 대기 상태 모드에서 교류 전압 제어로 순시 변환하여 EDLC에서 중요 부하로 전력을 공급한다.
계통 전압이 복전하여 장치가 이것을 검출하면 교직 변환 장치 교류 출력 전압과 계통 전압과의 동기합을 행하여 위상이 일치하면 GTO 스위치를 투입한다. 그 후 순저 보상 장치의 출력 전류를 서서히 묶는 워크 인 제어를 통해 계통 측에의 영향을 경감하면서 계통 측 전원에 이행시킬 수 있다.
계통에 이행할 때에는 동기 합 시간이 필요한데, 실제의 순저 지속 시간에 비해 시간이 오래 걸린다.
그 때문에 <표 1>과 같이, 이 장치의 순저 보상 시간은 1초이지만 동기 합 시간을 포함하면 1.5초에 달하는 방사 시간을 확보하므로 충분한 유도(裕度)를 가지고 설계한다.

4. EDLC 충전 제어 모드
순저 보상 운전이 종료하여 계통에서의 전력 공급으로 변환되면 더 빠르게 다음 순저에 대처할 수 있도록 교류 변환 장치는 EDLC 충전 제어를 행한다.
장치 용량의 30%로 충전하여 10초 이내에 정격 전압까지 충전된다. 또한 충전 시에는 계통 측에 부하 전류와 충전 전류를 합한 용량이 흐르지만, 고객의 보호 협조 등에 의해 30% 충전 용량을 취하지 않는 경우를 고려하여 충전 용량은 가변 설정할 수 있다.

5. EDLC 완전 방전 제어 모드
장치유지보수시EDLC를완전방전하는제어다.
바이패스 스위치 투입 후 GTO 스위치를 차단하고, 장치를 계통에서 차단한 상태로 교직 변환 장치를 동작시켜 장치의 내부 손실에서 EDLC를 방전시킨다.

▣ 성능 평가 결과

실제 가동 중인 순저 보상 장치 동작 예로, 2007년 4월 15일에 순저 보상을 행했을 때의 파형을 <그림 8>로 나타냈다.


<그림 8>은 위에서부터 각각 계통 전압, 부하 전압을 나타내고 있다. 이 장치는 순저 검출 레벨을 정격 전압의 90%로 설정하고 있다. 이 장치의 경우 51msec(3사이클) 간 최대 전압 저하율 64% 순저가 발생했지만, 그와 동시에 커패시터에서 교직 변환 장치를 통해 부하 측에 급전함으로써 고객 부하에 정상 전압이 계속 공급되고 있다.
과도변동특성에따른평가를<그림9>에나타냈다.
<그림 9>는 R-S 과도 전압 변동 특성이다. 상하의 선 가운데 과도 시간에서의 변동률이 들어가 있으면, JEC 2433 클래스 2를 만족함을 나타내고 있다.

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