2.1 시스템 구성

본 연구를 통해 개발 중에 있는 풍력/태양광 통합 계통연계 시스템은 위의 그림과 같이 구성되어 있으며, 신재생에너지(분산전원)용 컨버터 장치가 인버터 한 대로 접속되는 구조를 가지는 멀티입력 타입으로 구성된다. 이와 같은 구조의 시스템은 컨버터의 개수를 줄일 수 있어 변환 손실을 저감할 수 있지만, 제어 알고리즘이 복잡해지는 문제가 발생한다. 또한, 시스템은 Plug-in 방식으로 구성되기 때문에, 사용자에게 적합한 분산전원 및 신재생에너지를 연결하여 사용할 수 있으며, 이에 따른 컨버터 용량은 인버터 용량에 따라 변경 되도록 설계되었다.

각각의 분산전원에서 태양광 및 연료전지의 경우 Inverter Control Board가 내장되어 있고, 풍력 및 발전기의 경우 Inverter 및 Converter Control Board가 내장되어 있어서 분산전원의 발전량에 따라 그 양을 제어할 수 있게 되어 있다. 그림 1과 같이 태양광 시스템과 풍력 발전이 통합된 마이크로 그리드 시스템을 나타내고 있으며 각각의 인버터를 사용하여 다중입력이 가능하도록 구성하였다.

그림. 1. 단일 인버터를 사용한 태양광 및 풍력 발전 시스템 구성도

Fig. 1. Block diagram of photovoltaic system and wind power generator using single inverter

2.2 AC/DC 수배전반 시스템

그림 2는 AC/DC 겸용 수배전반과 분산전원을 연결 시켜주는 PCD(Power Control Device)로 구성된 시스템 구성이다. 발전사로부터 22.9kV 전력을 공급 방아 주상 변압기 혹은 수배전반의 변압기를 통해 소비자가 원하는 전압으로 변환하여 공급을 해준다.

태양광과 풍력 발전은 모두 380V의 DC전압으로 변환되어 수용가에 전달이 되고, 발생된 전력을 저장 후 필요 에 따라 수용가에 공급 할 수 있는 양방향성 전력 저장장치를 적용하여 분산전원의 전력 품질을 향상 시켰다^[2,3].

그림. 2. AC/DC 겸용 수배전반의 시스템 구성도

Fig. 2. The caption for a figure must follow the figure

2.3 분산전원 제어를 위한 IED 개발

PCD는 IED의 제어 신호에 의해 기존 배전계통이나 분산전원의 전력을 부하에 공급할 수 있도록 하는 절환 스위치 역할뿐만 아니라, 분산전원의 계통 사고 시 계통보호를 위한 차단 기능을 가지고 있다. 또한, PCD는 분산전원과 기존 배전 계통에서의 사고 및 비정상 전력 인입 시 각 계통보호를 위한 차단 기능을 수행한다.

IED(Intelligence Electronic Device)는 분산전원이 연계된 양방향 수배전반에서 수집된 전력 계측정보 및 다양한 센서신호를 이용하여 전력설비를 제어하기 위한 통신 시스템이다. 그 중에서도, 다양한 분산전원이 Plug-in 방식으로 수배전반과 연계하여 양방향 전력조류를 수행하기 위해서 각각의 전력설비간에 통신을 구성할 수 있으며 디지털 전력 계측에 필요한 각종 데이터를 통신을 이용하여 일괄 수집할 수 있도록 한 전력설비 계측정보 통합 통신 시스템이다.

수배전반 또는 분산전원 등에서는 전력의 안정적인 수급 및 제어를 위해 각종 전력상태 정보가 필요하다 이러한 전력상태정보는 각 전력설비의 제어 장치에 의하여 RS-485 통신 방식으로 수집된다.

그러나 지금까지는 수배전반 내에서 디지털 제어용 전력상태 정보를 수집하기 위해서 구현이 간편한 이유로 RS-485 시리얼 통신 방식을 필요에 따라 개별적으로 전력설비에 적용하여 필요한 전력 정보를 수집하고 있으나 통신 속도나 전송 용량이 부족으로 인하여 실시간 전력상태 정보를 처리하는데 어려움을 가지고 있다.

본 개발에서는 수배전반과 분산전원에서 실시간으로 전력계측 정보를 수집하기 위한 단일 통신 표준인 캔오픈(CANOpen) 통신을 적용하였다. 이 통신 표준을 수배전반과 분산전원등의 전력설비에 적용함으로써 전력설비 제어에 필요한 일체의 전력정보를 간편하게 수집할 수 있도록 한 전력 계측정보 통합 통신 시스템 구성이다.

통합 통신 시스템 구성은 캔오픈 통신 기반의 전력설비 계측정보 통합 수집장치를 메인 전력설비에 마련하고 각 전력설비로부터 캔오픈 통신을 통하여 전력상태 정보를 수집하고, 상위 배전자동화 시스템과 IEC61850 통신을 통하여 양방향 전력교류 및 계통의 안정적인 연계를 위한 전력정보를 원활하게 교환하기 위한 통신 시스템과 장치로 구성함으로써 빠르고 안정적으로 필요한 일체의 전력정보를 수집할 수 있는 특징을 가지고 있다.

그림. 3. 수용가 전력설비 장치의 통신 시스템 구성도

Fig. 3. Composition of power facility's communication system

2.4 시스템 제어 알고리즘

그림 4의 Flow chart는 수배전반 내부의 스위치 제어를 위한 알고리즘이다. 전기사업자에게 공급하는 전원과 이에 연결된 분산전원의 전력이 사용자에게 전달되기 전에 전송되는 전력상태 중 전압(V), 역률(θ) 그리고 주파수(f)를 분류하고 이를 각각 Vs, θs, 그리고 fs라고 하였으며 또한, 부하측에서도 위의 세 가지 데이터를 확인하여 이를 각각 VL, θL, 그리고 fL라고 명한다. 이렇게 검출된 데이터를 서로 비교하여 일정 오차범위 내에 있을 경우 어떠한 이벤트를 발생하지 않으며, 지속적인 감시를 수행하게 된다. 이때, 전압, 역률, 그리고 주파수 성분 중 하나 이상에서 이상이 있을 경우 이 문제점이 전기사업자 전력의 고장 혹은 비정상 신호일 경우 전기사업자와 연결되어 있는 차단기를 차단시키게 되며, 그렇지 않을 경우 분산전원에 연결되어 있는 차단기를 차단하게 된다.

또한, 최초 전기 전기사업자와 분산전원의 전력을 비교하여 비정상일 경우 원인을 분석하여 해당하는 차단기를 차단하게 되며, 이때, 전압, 역률 그리고 주파수 변동률은 상황에 따라 설정이 가능도록 제작되었다.

그림. 4. 수배전반 스위치 시스템 제어 알고리즘

Fig. 4. Control Algorithm of switchgear

2.5 무순단 전력 전환 시스템

무순단 전력전환 시스템인 STS(Static Transfer Switch)는 스마트 그리드 내부에서 전력품질 유지를 위해서 계통사고로부터 계통을 분리하기 위해 적용하는 스위치로써 일반 차단기 등에 비해 스위치 속도가 빠르며, SCR(Silicon Controlled Rectifier) 반도체 소자를 사용하여 전기사업자로부터의 배전 전력과 태양광, 풍력발전으로 부터의 분산전원을 수용가에 높은 안전등급으로 전원을 공급하기 위한 절환 스위치이다^[4]. 이 장치는 기계적 솔레노이드 장치로 전환되는 ATS(Automatic Transfer Switch)에 비해 3상 교류전원 계통을 더 빠른 시간 안에 절체 할 수 있는 특징을 가지고 있어 순간전압강하에도 환경적 영향을 받을 수 있는 민감한 부하에 사용되도록 설계되었다. 또한 배전계통에 순간 정전이 하여도 연계된 분산전원을 이용하여 1/4cycle 이내에 부하에 특별한 영향 없이 무정전으로 전원을 공급할 수 있도록 구성하였다.

그림. 5. 전력전환 시스템 구성도

Fig. 5. The Diagram if Static Transfer Switch

2.6 인버터 설계

DC/AC 인버터는 DC Bus에서 생산되는 직류전력을 상용교류 380V에 연계운전을 목표로 개발되었다. 전력 변환부는 DC Bus의 직류 전압을 상용의 교류전류로 계통에 주입하는 기능을 담당하는 변화장치로 적용된 형태는 일반적인 VSI(Voltage Source Inverter)형태의 3상 Full-bridge 구조이며 각각의 적용 회로는 200kW 전력변환을 최적으로 수행하기 위한 반도체 소자선정과 수동소자 선정 그리도 최적 변환 기능을 만족하기 위한 디지털 제기 등으로 구성 되었다. 또한, 계통 연계 및 단독운전에 대한 인버터 PWM 출력 전압을 필터링 하기 위한 LC 필터를 적용하였다.

그림. 6. 200kV 인버터 블록다이어그램

Fig. 6. Block diagram of 200kV inverter

DC-Link단의 전압은 계통의 전원으로부터 전압 및 전류 제어기 동작에 의해 지령값 전압으로 Build-up이 이루어지게 된다. 이때 제어기의 응답특성을 확인하기 위하여 지령값은 step으로 이루어지며 전압제어기의 응답은 일반적으로 수십 msec 이내로, 전류 제어기는 수 msec 이내가 되도록 설계하였다.

인버터가 계통에 연계되어 운전 중에 DC-Bus 단으로부터 급격한 전력 유입이 발생할 경우, 인버터의 제어기 동작 특성을 확인을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 7은 0.15sec 지점에서 DC-Link단으로부터 약 100kW 전력이 유입될 때 특성을 보여주고 있다.

그림 8과 같이 인버터는 0.3sec 이전 까지 200kW 출력에서 역률 '1'로 운전되는 것을 알 수 있으며, 0.3sec 이후 무효전류 지령값을 약 200Apeak로 주었을 때, 전류 제어기에 의해 무효전류가 지령값으로 잘 추종되는 것을 볼 수 있다. 이때, 계통 상전압과 전류의 위상이 발생하는 것을 알 수 있다.

그림. 7. 전력 가변 후 DC-Link 제어 전압(650V) 그래프

Fig. 7. Graph of DC-Link controller power at 650V after variable power

그림. 8. 200kW 출력 시 역률제어

Fig. 8. Grapg of power factor control at 200kW

2.7 계통연계 운전 방식

계통연계용 인버터는 DC Bus 상의 연결된 각 PCS로부터 발생된 전력을 공급받아 고정 주파수[60Hz]로 전력 계통에 연계해 교류 전력을 출력하는 인버터이며 동작상태는 아래와 같이 3가지로 분류할 수 있다.

1. 정상운전

계통연계 인버터는 상용전원과 병렬로 운전하면서 DC Plug-in Type의 태양광발전과 풍력발전에서 발생 전력과 EMS System이 유동적으로 계통연계운전 및 독립운전을 하게 된다. 이에 따라 상용전원에 이상이 발생할 경우 계통연계운전을 정지함과 동시에 STS로 자동으로 계통을 차단하고 독립운전을 하는 기능을 가지고 있으며, 계통으로의 주입전력은 DC-BUS 상위 전압을 기준으로 그 양이 결정되며, 정상동작 범위 내에서만 수행 할 수 있게 설계되었다.

2. 보호운전

출력 과부하 상태 또는 과열 발생시 보호 기능으로 동작하기 위한 자동 차단 기능과 부하 단락 등 같은 조건에서 시스템의 보호 동작 기능을 갖는다.

3. 발전 시스템 보호 운전

항상 기준전압으로 운전하며 운전영역을 초과할 경우 시스템의 보호를 위하여 설정 제한된 안전영역 내에서 운전하며 각 PCS에 출력제한을 지령할 수 있으며, 인버터 시스템의 고장발생시 혹은 과부하상태 연속 운전에 의한 시스템의 악영향을 최소화하기 위한 보호 기능으로 차단 기능을 갖도록 구성 하였다.