1. 서론
최근 몇 년 동안에 발전사업자의 증가로 인해 국내 설치 현장에 250kW급 이상의 PCS(Power Conditioning System, 전력변환장치)
태양광/풍력인버터가 수천대 이상이 설치되어 운전되고 있으며 일부 기업에서는 250kW급은 물론 500kW급 및 1,000kW급까지 개발하고 있는 추세다.
개발된 제품이 정확한 성능시험을 거쳐서 성능을 확인한 후 전력계통에 연계되어 운전하는 것이 만일의 사고를 대비한 바람직한 방향이므로 그에 대한 대비책이
시급한 실정이다. 또한 대용량 인버터에 대한 시험 및 측정장비 부족이 수준 높은 제품 개발에 걸림돌이 되고 있고 중소기업이 제품개발단계에서 고가의
장비를 활용할 수 있는 창구를 마련하고 선진 기술 변화에 뒤쳐지지 않도록 성능인증 시험방법과 시험기간 단축 등을 통해 경쟁력을 갖출 수 있는 방법을
모색해야 한다.
반면 해외의 경우 독일은 일반적으로 가장 널리 알려진 신재생에너지 설비인증기관으로 TUV로 태양광의 경우는 전 세계 인증시장의 80%를 장악할 정도로
막강한 영향력을 발휘하고 있다. 실제로 우리나라의 모든 태양광 업체들도 TUV를 통해서 유럽시장에 진출하고 있다. 특히 태양광 영역을 특화해 태양광
산업의 거의 모든 분야에 대해 인증 서비스를 제공하고 있다. 독일의 태양에너지공급기술연구소(ISET : Institute for Solar Energy
Technologies)는 태양광인버터 시험평가기관으로, 세계 최대의 태양광인버터 제조회사인 SMA사의 제품을 주로 시험한다. 인버터의 MW급 시스템
설치의 증가에 따라 20kV의 계통전압에 연결할 수 있는 3개의 1.25MW급의 변압기 설비로 1,000V/1,000A 태양광인버터를 실험을 할 수
있는 설비를 구축하고 있다. 또한 미국의 국립 신재생에너지연구소(NREL : National Renewable Energy Laboratory)는
분산전원(DER : Distributed Energy Resources) 테스트 시설로, 다양한 분산전원(태양광, 풍력, 연료전지, 축전지, 마이크로터빈,
디젤발전기), 전력계통시뮬레이터 및 부하장치(전동기부하 등)를 구축해 전력변환장치(계통연계형 인버터)의 계통연계 성능시험, 보호기능 시험을 수행한다
(1-3).
따라서 본 논문에서는 태양광인버터 시험규격에 해당되는 “소형태양광발전형인버터 시험기준”, “중대형태양광발전형인버터 시험기준”에서 보호기능시험 항목에
대한 정확한 이해와 시험방법에 대해 살펴본다.
2. 태양광발전용 인버터 성능평가 시험장비(4)
1) 태양전지모의직류전원장치(DC-simulator) : 태양전지 어레이 출력 특성을 모의하는 것이며, 임의의 일사 강도와 임의의 소자 온도에 상당하는
태양전지 어레이의 전류-전압 특성을 출력할 수 있으며, 태양광인버터(PCS; Power Control System)의 과입력 내량에 상당하는 출력
전력을 얻을 수 있는 전원 장치.
2) 모의계통전원장치(AC-simulator) : 계통전원을 모의하는 것이며, 태양광인버터(PCS)의 출력 전력값, 출력 역률에 따르지 않고 설정한
전압, 주파수를 유지할 수 있으며, 전압, 주파수가 가변, 그리고 지정되는 전압 변형을 발생할 수 있는 장치.
3) 측정기:아날로그 계측기 또는 디지털 계측기를 사용하며 측정기의 정확도는 파형기록장치(waveform logging data device)를 제외하고
정밀도(accuracy) 0.5%급을 요구한다. 파형기록장치의 정밀도는 1%급으로 하며 필요하면 다른 계측기(오실로스코프 등)를 적절히 사용한다.
4) 부하 장치:태양광인버터의 과부하 내량에 상당하는 최대 전력을 소비하며, 일정의 범위에서 역률을 변화할 수 있는 것으로 한다. 3상 부하의 경우에는
일정의 범위에서 부하 불평형을 발생할 수 있는 것으로 한다.
그림. 1과
그림. 2는 태양광인버터 보호기능시험을 수행하기 위해 사용된 태양전지모의직류전원장치와 모의계통전원장치로 각 장비들의 사양은 다음과 같다.
그림. 1. 태양전지모의직류전원장치
Fig. 1. Solar cell simulated direct current power supply (DC simulator)
그림. 2. 모의계통전원장치
Fig. 2. Simulated system power supply (AC simulator)
■ 태양전지모의직류전원장치
- 최대전압, Voc: 1~1,000VDC
- 최대 전류(Isc): 400A
- 출력파워: 400kW
- 구동모드: CV, CC, PV
■ 모의계통전원장치
- 최대 출력 파워 : 270KVA
- 출력위상 모드 : 3-phase
- 출력 주파수 범위 : 16Hz to 500Hz
- 프로그램이 정확도
전압 : ±0.3Vrms
주파수 : ±0.01%
위상 : 0.5° + 2°/100Hz
3. 태양광인버터 보호기능시험 이해 및 시험방법(4-6)
본 절에서는 국내 태양광인버터 기술기준의 관련 시험항목 보호기능시험에 해당되는 1)출력과전압 보호기능시험, 2)출력부족전압 보호기능시험, 3)주파수상승
보호기능시험, 4)주파수저하 보호기능시험, 5)계통전압 순간정전시험, 순간강하시험, 6)계통전압 왜형률내량시험, 항목에 대한 기술기준 검토 및 시험을
통한 정확한 시험방법을 규정하는데 목적을 두었다.
3.1~3.4절의 출력과전압 및 부족전압 보호기능시험, 주파수상승 및 주파수저하 보호기능시험은 모의계통전원장치를 정격 전압 및 정격 주파수로 운전
및 태양전지모의직류전원장치는 태양광인버터 출력이 정격 출력이 되도록 운전 후 지정된 범위 내에서의 계통전압, 계통주파수의 변화에 대해 태양광인버터의
추종 특성을 살펴보는 시험으로 시험 방법은 다음과 같다.
3.1 출력과전압 보호기능시험
1) 시험개요
태양광인버터 출력 과전압에 대한 보호기능의 특성을 시험한다.
● 태양광인버터를 정격전압, 정격주파수, 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치를 조정하여 태양광인버터의 출력과전압 보호등급값을 측정한다.
● 태양광인버터의 정상운전 전압범위는 공칭전압의 88~110%로 한다.
2) 판정기준
정지 후 계통전압이 복전해도 태양광인버터가 5분 이상 재운전 하지 않아야 한다.
● 과전압 보호등급(V) : (기준전압의 110%) ±2%
→ 409.64 ~ 426.36 (237.16~246.84)
● 고장제거시간 : 1초 이내
3) 실험결과
그림. 3은 태양광인버터의 출력과전압시험 결과로 모의계통전원장치 출력전압, 태양광인버터 출력전류, 모의계통전원장치 출력과전압 인가 및 태양광인버터의 정지 상태를
보여주고 있다. 출력과전압 인가 및 태양광인버터의 고장제거시간이 743ms로 판정기준을 만족하고 있음을 알 수 있다.
그림. 3. 출력과전압시험
Fig. 3. Output overvoltage protection test
3.2 출력부족전압 보호기능시험
1) 시험개요
태양광인버터의 출력 부족전압에 대해서 보호기능의 특성을 시험한다.
● 태양광인버터를 정격전압, 정격주파수, 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치를 조정하여 출력부족전압 보호등급값을 측정한다.
● 태양광인버터의 정상운전 전압범위는 공칭전압의 88 ~ 110%로 한다.
2) 판정기준
정지 후 계통전압이 복전해도 태양광인버터가 5분 이상 재운전 하지 않아야 한다.
● 부족전압 보호등급 (V) : (기준전압의 88 %) ±2%
→ 327.71 ~ 341(189.73~197.47)
● 고장제거시간 : 2초 이내
3) 실험결과
그림. 4는 출력부족전압시험 결과로 모의계통전원장치 출력전압, 태양광인버터 출력전류, 모의계통전원 장치 출력부족전압 인가 및 태양광인버터의 고장제거 상태를
보여주고 있다. 출력부족전압 인가 및 태양광인버터의 고장제거시간이 830ms로 판정기준 2초 이하를 만족하고 있다.
그림. 4. 출력부족전압 보호기능시험
Fig. 4. Output undervoltage protection test
3.3 주파수상승 보호기능시험
1) 시험개요
태양광인버터 출력전압의 주파수상승에 대한 보호기능의 특성을 시험한다.
● 태양광인버터를 정격전압, 정격주파수, 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치를 조정하여 주파수를 상승하여 보호등급값을 측정한다.
2) 판정기준
정지 후 계통전압이 복전해도 태양광인버터가 5분 이상 재운전 하지 않아야 한다.
● 주파수상승 보호등급(Hz): (표준주파수 + 0.5) ± 0.05
→ 60.45~60.55
● 고장제거시간 : 0.16초 이내
3) 실험결과
그림. 5. 주파수상승 보호기능시험
Fig. 5. Frequency rise protection test
3.4 주파수저하 보호기능시험
1) 시험개요
태양광인버터 출력전압의 주파수 저하에 대한 보호기능 특성을 시험한다.
● 태양광인버터를 정격전압, 정격주파수, 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치를 조정하여 주파수를 저하시켜 보호등급값을 측정한다.
2) 판정기준
정지 후 계통전압이 복전해도 태양광인버터가 5분 이상 재운전 하지 않아야 한다.
● 주파수저하 보호등급 (Hz):(표준주파수 - 0.7) ± 0.05
→ 59.25~59.35
● 고장제거시간 : 0.16초 이내
3) 실험결과
그림. 6은 주파수저하 보호기능시험 결과로 모의계통전원장치 출력주파수를 60Hz에서 59.35Hz로 변경시, 태양광인버터의 고장제거시간이 61.18ms로 기술기준
0.16초 이내를 만족하고 있음을 보여주고 있다.
그림. 6. 주파수저하 보호기능시험
Fig. 6. Frequency fall protection test
3.5 계통전압 순간정전시험, 순간강하시험
1) 시험개요
지정된 범위 내에서 계통전압을 순간정전, 순간강하 했을 경우 태양광인버터의 동작 특성을 확인하는 시험으로 모의계통전원장치의 전압 및 주파수를 정격으로
운전 및 태양광인버터가 정격출력이 되도록 유지한다.
● 태양광인버터를 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치에서 0.3초의 순간정전(정격값의 0%)을 발생시킨다.
● 순간정전 위상 투입각을 0°, 45°, 90°로 하며, 각 위상 투입각 시험을 2회 실시하며 태양광인버터의 운전 상황을 관찰한다.
● 모의계통전원장치에서 0.3초의 순간전압 저하(정격값의 70%)를 발생시킨다.
● 순간강하 위상 투입각을 0°, 45°, 90°로 하며, 각 위상 투입각 시험을 2회 실시하며 태양광인버터의 출력전압, 출력전류 파형을 기록하고
운전 상황을 관찰한다.
2) 판정기준
● 순간정전, 순간강하에 대해 태양광인버터가 안정하게 정지 또는 운전을 계속한다.
● 정지한 경우 복전 후 5분 이후 운전을 재개한다.
3) 실험결과
그림. 7~
그림. 9는 모의계통전원장치 출력전압에 대한 순간정전 위상 투입각을 0°, 45°, 90°로 조정했을 경우 각 계통전압 순간정전시험의 결과를 보여주고 있다.
각각의 실험결과 순간정전 위상(0°, 45°, 90°) 투입시 태양광인버터가 정지한 결과를 알 수 있으며 따라서 “순간정전, 순간강하에 대해 태양광인버터가
안정하게 정지 또는 운전을 계속한다.”는 기술기준을 만족함을 보여주고 있다.
그림. 7. 계통전압 순간정전시험 (0도)
Fig. 7. System voltage's momentary interruptions
그림. 8. 계통전압 순간정전시험 (45도)
Fig. 8. System voltage's momentary interruptions
그림. 9. 계통전압 순간정전시험 (90도)
Fig. 9. System voltage's momentary interruptions
그림. 10~
그림. 12는 모의계통전원장치 출력전압에 대한 순간강하 위상 투입각을 0°, 45°, 90°로 조정했을 경우 각 계통전압 순간강하시험의 결과를 보여주고 있다.
각각의 실험결과 순간강하 위상(0°, 45°, 90°) 투입시 태양광인버터가 정지한 결과를 알 수 있으며
그림. 7~
그림. 9의 결과와 동일하게 “순간정전, 순간강하에 대해 태양광인버터가 안정하게 정지 또는 운전을 계속한다.”는 기술기준을 만족함을 보여주고 있다.
그림. 10. 계통전압 순간강하시험 (0도)
Fig. 10. System voltage's momentary sags test
그림. 11. 계통전압 순간강하시험 (45도)
Fig. 11. System voltage's momentary sags test
그림. 12. 계통전압 순간강하시험 (90도)
Fig. 12. System voltage's momentary sags test
그림. 10~
그림. 12는 모의계통전원장치 출력전압에 대한 순간강하 위상 투입각을 0°, 45°, 90°로 조정했을 경우 각 계통전압 순간강하시험의 결과를 보여주고 있다.
각각의 실험결과 순간강하 위상(0°, 45°, 90°) 투입시 태양광인버터가 정지한 결과를 알 수 있으며
그림. 7~
그림. 9의 결과와 동일하게 “순간정전, 순간강하에 대해 태양광인버터가 안정하게 정지 또는 운전을 계속한다.”는 기술기준을 만족함을 보여주고 있다.
3.6 계통전압 왜형률내량시험
1) 시험개요
지정된 범위 내에서 계통전압의 변형이 생기는 경우 태양광인버터의 동작특성을 확인하는 시험으로 모의계통전원장치의 전압과 주파수를 정격으로 운전 및 태양광인버터가
정격출력이 되도록 유지한다.
● 태양광인버터를 정격출력으로 운전한다.
● 모의계통전원장치 출력전압의 종합왜형률이 8%(3차=5 %，5차=6%)가 되도록 기본파 전압에 중첩시킨다.
● 모의계통전원장치 출력전압 종합왜형률 8%의 고조파를 중첩한 상태에서 태양광인버터의 출력전력, 역률, 출력전류, 출력전류 왜형률을 각각 측정한다.
2) 판정기준
● 태양광인버터해가 안정하게 운전 할 것
● 역률 0.95 이상
3) 실험결과
그림. 13은 모의계통전원장치 출력전압의 종합왜형률을 8%로 조정하였을 경우 태양광인버터의 출력전류의 특성을 보여주고 있으며
그림. 14는 전력분석기를 통해 모의계통전원장치 출력전압의 종합왜형률이 8%의 결과가 나오고 있음을 확인할 수 있다. 계통전압 왜형률내량시험의 기술기준에 따라
모의계통전원장치 출력전압의 종합왜형률을 8% 주입 시에도
그림. 13과 같이 태양광인버터가가 안정하게 운전함과 동시에 역률값이 0.98로 0.95 이상을 요구하는 기술기준을 만족하고 있음을
그림. 14의 결과값을 확인할 수 있다.
그림. 13. 계통전압 왜형률내량시험
Fig. 13. System voltage distortion capability test
그림. 14. 계통전압 왜형률내량시험
Fig. 14. System voltage distortion capability test