역상분 전압 주입을 이용한 계통 연계형 인버터의 단독 운전 검출

Abstract

최근 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신•재생 에너지원을 기반으로 한 계통 연계형 인버터의 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 태양광 발전 계통 연계형 인버터의 경우, 소용량으로 분류되는 수 kW에서부터 최근에는 수 MW의 용량까지 개발되어 시판(市販)되고 있다. 계통 연계형 인버터가 계통 사고 등의 이유로, 부하와 계통 시스템의 일부분을 이루어 계통과 분리된 상황에서, 이를 인지하지 못하고 에너지를 계속 공급하고 있는 운전 상태를 단독 운전이라 부른다. 단독 운전이 발생하면 선로 관리자들의 안전사고를 초래할 수 있으며, 계통 위상 정보를 상실하여 계통 회복 시 위상 동기화가 불가능하여 위상 차(Out of phase)로 인한 단락 사고를 일으킬 수도 있다. 이러한 잠재적인 위험 요소로 인하여 각종 계통 연계형 인버터의 규정에서는, 인버터가 스스로 단독 운전을 감지하여 제한된 시간 이내에 에너지 공급을 중단하도록 요구한다. 본 논문에서는 이러한 단독 운전 상황 및 규정에 대해 검토하고, 3상 계통 연계형 인버터에 적용할 수 있는 단독 운전 검출 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 역상분 전압을 인버터에서 주입하고, 접속점(PCC, Point of Common Coupling)에서 추출한 역상분 전압과 전류의 크기 비로 역상분 임피던스를 계산하여, 그 크기 변화를 관측하여 단독 운전을 검출한다. 이러한 계통 임피던스 추정을 기반으로 한 단독 운전 검출 기법은 단독 운전과 계통 사고 상황을 구별할 수 있어 향후 10MW 이하의 태양광 인버터에 적용될 계통 연계 규격(Grid code)에도 효과적으로 대응할 수 있다. 제안된 기법의 유효성을 검증하기 위하여 모의 실험 및 실험을 수행하였다. 모의 실험에서는 다양한 규정에서 제시하는 단독 운전 시험 조건 하에서 제안된 기법의 성능을 검증한다. 그리고 계통 사고 상황을 모의 실험하여 제안된 기법이 계통 사고 상황과 단독 운전을 구별할 수 있음을 보인다. 그리고 단독 운전 시험 부하를 구성하고 실험을 통해 제안한 기법의 단독 운전 검출 성능을 검증한다.

Recently, the grid connected inverters interfacing distributed renewable power generation systems such as photovoltaic (PV) and wind power are vigorously investigated and developed. Specifically, the PV inverters ranging from several kW to several MW are on the market. In the operation of the grid connected inverters, islanding must be taken into account. Islanding is defined as a condition in which a portion of the utility system that contains both load and distributed resources (DR) remains energized while isolated from the remainder of the utility system. Islanding threatens utility line workers and causes faults because the phase of grid is unknown during grid trip and therefore synchronization with the grid is troublesome in the recovery process. For the reasons, grid connected inverter is required by standard regulations to detect island-operation and cease to energize the utility line within the indicated time limits. In this paper, islanding operation and its corresponding regulations are examined. In addition, anti-islanding detection (AID) method for three-phase grid connected inverter is proposed. The proposed method detects islanding operation by injecting negative sequence voltage and deriving negative sequence impedance. The proposed method discriminates between islanding operation and grid faults. Thus it effectively copes with grid code which will be applied to the PV inverters less than 10MW. To validate the proposed method, simulation and experiments are conducted. The performance is evaluated for various islanding operation test conditions including grid fault situations.