분산 전원용 계통 연계형 컨버터의 단독 운전 검출 및 무순단 절환에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 분산 전원용 계통 연계형 컨버터의 단독 운전 검출 및 무순단 절환을 위한 제어 방식에 대해 다룬다. 분산형 전원은 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원인 신재생 에너지를 바탕으로 하여 소규모로 전력 소비 지역 부근에 배치 가능한 전원으로써 원거리 전력 전송에 따른 손실을 감소 시키고 기존의 계통 개발 비용을 저감 시키며 계통 신뢰성 및 전력 품질 향상 등의 장점을 가진 미래의 배전 계통 구성 요소이다. 하지만 이러한 분산형 전원의 특성에도 불구하고 기존 계통과의 연계 운용에 있어서는 해결해야 할 기술적인 문제들이 많이 남아 있다. 그 가운데에는 분산형 전원의 계통 연계 운전을 담당하는 컨버터의 제어 기술이 자리 잡고 있다. 이러한 컨버터의 운전 기술 중에서 가장 특징적인 성능 중의 하나는 계통으로부터 분리된 상태에서도 운전할 수 있다는 것이다. 즉, 분산형 전원이 부하에 충분한 전력을 공급할 수 있을 정도의 발전양을 가지고 있을 때에는, 계통에 문제가 발생하더라도 독립적인 운전이 가능하여 효과적으로 부하의 전원 품질을 보장할 수 있다. 따라서 최근에는 이와 같은 분산형 전원의 장점을 적극적으로 활용하고 수용하기 위해 컨버터의 계통 연계 운전과 계통 분리 운전에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 통상적으로 계통 연계 운전에서는 분산형 전원의 발전양을 제어하기 위하여 컨버터는 전류 제어 모드로 구동하고, 계통 분리 운전에서는 중요 부하에 일정 품질 이상의 전원을 공급하기 위해 전압 제어 모드로 동작한다. 하지만 이러한 두 가지의 운전 모드 사이의 전환 과정에서는 부하 전압에 과도 상태가 발생하거나 계통 혹은 컨버터에 정격 크기 이상의 돌입 전류가 흐를 위험이 존재한다. 따라서 분산형 전원의 계통 연계 운전과 계통 분리 운전 사이의 전환을 부드럽게 이어주는 컨버터의 무순단(Seamless) 절환 성능이 매우 중요한 문제로 인식되고 있다. 분산형 전원이 계통 분리 운전으로 전환되는 경우는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫번째는 지락 사고(Ground fault)와 같은 송배전 계통에서의 사고에 의해 계통 전원의 품질이 저하되어 분산형 전원 시스템이 스스로 계통과 차단한 후 계통 분리 운전으로 전환하는 경우이며 두번째는 계통단의 수리 및 점검 등의 이유로 단독 운전(Islanding)이 발생하게 되어 계통 분리 운전으로 전환하는 경우이다. 따라서 두 가지 경우에 대하여, 중요 부하의 안정적인 전원 수급을 가능하게 하는 무순단 절환 전략이 요구된다. 본 논문에서는 단독 운전 검출 성능을 포함하여 계통 연계 운전 모드와 계통 분리 운전의 부드러운 전환 제어 방식을 제안한다. 제안된 무순단 절환 전략의 성능을 5kW 용량의 전력 변환 장치 2대와 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)를 이용한 실험을 통해 검증하였다.