윤용호
(Yong-Ho Yoon)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Japan Test Standard(JET), PV Inverter, Performance, Certification Standard
1. 서 론
일본은 ‘94년부터 지구온난화 대책 및 에너지안보 차원에서 국산 에너지를 확보하기 위해 태양광발전을 도입정책으로 적극적으로 추진하고 있으며 정부 주관으로
일본 태양광발전사업을 확장시키고 있다. 태양광발전을 30년까지 현재의 40배를 목표로 도입량 증대를 추진 중이며 동일본 대지진 및 후쿠시마 원자력발전소
사고에 의해 기존 원자력발전 중심의 에너지 정책을 근본적으로 재검토하여 재생가능에너지의 개발을 가속화하고 있다. 최근에는 대용량의 산업용 인버터를
이용하는 경우보다는 실외형 주택용 인버터를 다수대 연계하여 대용량 발전 단지를 구성하는 추세로 태양광발전에 대한 인식 및 공감대가 널리 이루어진 상태이며
그와 관련 각 회사의 광고 및 상업적인 접근도 활발히 이루어지고 있다. 또한, 태양광발전 보급을 목표로 표준화를 추진하고 있으며, 표준을 신재생에너지
산업의 혁신을 창출하는 중요한 수단으로 인식하여 국제표준을 주도하기 위한 전략을 수립하고 있다. 그중 기술 우위에 있는 분야에 대한 연구개발에서부터
국제표준의 작성·제안·제정에 이르기까지 일관되게 계획적으로 추진하고 있으며 관련 분야 국제표준 전문가를 양성하고 있다. 일본 표준인 JIS 규격에
대해서는 JEMA(Japan Electrical Manufacturers’ Association : 일본 전기공업회)가 사무국으로 신발전시스템 표준화위원회에
태양광발전시스템 표준화위원회를 설치하여 태양광발전시스템의 JIS 규격의 조사검토 및 원안 작성으로 추진 중이다. 일본의 IEC 대응은 전기안전환경연구소(JET)
중심으로 추진되고 있다[1,2].
후쿠시마 사태 이후 일본 내부적으로는 태양광 에너지에 관한 관심이 더욱 커지고 있는 곳으로 태양광발전시스템 시장은 그동안 일본 내의 기업인 미쓰비시,
산요, 교세라 등 다국적기업들이 시장을 오래전부터 장악하고 있다. 일본의 태양광 시장진출 및 태양광인버터를 공급하기 위해서는 일본 자국의 인증기관인
전기안전환경연구소(JET)의 인증을 반드시 취득해야 하는 조건을 가지고 있다. JET 인증은 일본 자국의 태양광시장 및 관련 기업들의 보호를 위해
까다로운 품질규제로 진입장벽이 높아 우리나라를 포함한 외국의 태양광인버터 업체들이 진출하기가 매우 어려운 실정이다[3].
표 1. 일본 소형태양광인버터(10kW 이하) 관련 규격
Table 1. Japan small PV inverter(10kW or less) test standard
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기관
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관련규격
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규격번호
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JET
(전기안전환경연구소)
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분산형
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소형분산
발전시스템 계통연계 보호장치의 JET인증 업무규정
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JETGR0001
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소형분산
발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙
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JETGR0002
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여러 직류 입력 시스템용 계통연계 보호장치 등의
개별 시험방법
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JETGR0003
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표 1은 일본의 소형태양광인버터(10kW 이하)와 관련된 규격으로 크게 “소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치의 JET인증 업무규정(JETGR0001)”,
“소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙(JETGR0002)”, “여러 직류 입력 시스템용 계통연계 보호장치 등의 개별 시험방법(JETGR0003)”으로
구성되어 있다. 따라서 본 논문에서는 “소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙(JETGR0002)” 기술기준 분석 및 시험을 통해
정확한 시험방법과 동시에 국내 업체들의 일본형 태양광인버터 설계 시 JET 기술기준에 대한 정확한 해석의 목적을 두고 있다.
2. 소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙(JETGR0002)의 정상특성시험[4]
소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법통칙(JETGR0002)의 정상특성시험은 국내 신재생에너지설비 KS 인증품목인 소형태양광발전용인버터(KS
C 8564)의 정상특성시험[5]과 유사하나 일본의 정격전압과 주파수가 우리나라와 상이하므로 본문에서는 2.1 교류전압 추종시험, 2.2 주파수 추종시험, 2.3 운전역률시험에 대해
분석 및 시험을 하였다. 그림 1은 소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙(JETGR0002)의 시험회로를 보이며 태양광인버터의 특성을 파악하기 위해 전압계, 전류계
등의 부속장치를 필요로 하고 있다.
그림. 1. 직류전원을 이용하여 시험한 경우의 시험회로(부속도)
Fig. 1. Test circuit when tested using DC power
VD : 직류전압계 $\quad$ VP : 교류전압계 $\quad$ VN : 교류전압계 $\quad$ AD : 직류전류계 $\quad$ AP :
교류전류계
AN : 교류전류계 $\quad$ WD : 직류전력계 $\quad$ WeP : 교류전력계 $\quad$ WeN : 교류전력계 $\quad$ WrP
: 무효전력계
WrN : 무효전력계 $\quad$ DCPT : 직류분압기 $\quad$ DCCT : 직류분류기 $\quad$ ACTP : 교류분압기 $\quad$
ACCT: 교류분류기
RDSC RASC : 단락저항 $\quad$ RDCG’ RACG : 지락저항 $\quad$ RACL : 부하장치 (회전기부하를 포함)
ZLN : 선로 impedance
2.1 교류전압 추종시험
$\enspace$(1) 시험조건
시험회로는 부속도의 회로 접속으로 한다.
1) 교류전원은 정격전압 및 정격주파수로 운전한다.
2) 태양광인버터 출력을 정격출력으로 설정한다.
3) 보호장치인 보호 계전기 등의 설정은 공장 출하 시의 값으로 한다.
4) SWLD를 투입하고 태양광인버터의 정격출력을 소비하도록 부하를 설정한다.
5) SWLN를 개방하고 선로 impedance를 아래와 같이 설정한다.
○ 단상 2선식의 경우
태양광인버터가
$\enspace$ a. 100V 기기의 경우：(직류저항분 0.40Ω±8%)＋(인덕턴스분 0.37mH±8%)
$\enspace$ b. 200V 기기의 경우：(직류저항분 0.38Ω±8%)＋(인덕턴스분 0.46mH±8%)
○ 단상 3선식의 경우
$\enspace$ a. R상 (U상) 및 T상(W상)：(직류저항분 0.19Ω±8%)＋(인덕턴스분 0.23mH±8%)
$\enspace$ b. N상 (O상)：(직류저항분 0.21Ω±8%)＋(인덕턴스분 0.14mH±8%)
○ 3상 3선식의 경우
$\enspace$ 각 상：(직류저항분 0.19Ω±8%)＋(인덕턴스분 0.23mH±8%)
$\enspace$(2) 시험절차
1) 계통전압을 정격값(200V)의 +10%(200V+20V)~ -15% (200V-30V)의 범위에서 변화시켜 상한・하한의 교류출력전력, 교류출력전류(고조파
성분) 및 역률을 측정한다.
2) 각차 고조파는 40차까지 측정한다.
$\enspace$(3) 시험기준
1) 태양광인버터의 출력이 계통의 전압 변화에 추종하고 통상의 운전 상태를 유지할 것.
2) 출력전류왜율이 종합전류왜율 5% 이하, 각차 고조파 3% 이하일 것
3) 상한 및 하한에서의 출력 역률이 0.95 이상일 것.
그림. 2. 교류전압 추종시험(계통전압 정격값의 –15%, R상)
Fig. 2. AC voltage tracking test
그림. 3. 교류전압 추종시험(계통전압 정격값의 +10%, R상)
Fig. 3. AC voltage tracking test
$\enspace$(4) 시험결과 및 분석
그림 2는 시험품인 태양광인버터 계통전압을 정격값(200V) 의 –15%(170V)로 운전 시 전력분석기를 통한 결과로 출력역률과 종합전류왜율의 값을 확인할
수 있다. 이때 출력역률이 0.88로 시험기준 0.95 이상에 만족하지 못하는 시험결과를 확인할 수 있으며 반면에 종합전류왜율은 2.259로 시험기준
5% 이하 기준을 만족하며 1~40차에 해당하는 각차 고조파값들이 3% 이하의 결과임을 확인할 수 있다. 그림 3은 태양광인버터 계통전압을 정격값(200V)의 +10%(220V)로 운전 시 시험결과로 그림 2의 시험결과와 동일하게 출력역률이 0.88로 시험기준을 만족하지 못하여 불합격 판정에 해당하는 결과를 보여주고 있다.
2.2 주파수 추종시험
일본의 정격(계통)주파수는 발전회사에 따라 동북부 발전회사는 50Hz 주파수를 사용하고, 서부 발전회사는 60Hz 주파수를 사용한다. 따라서 본 논문에서는
정격주파수 60Hz 기준으로 시험을 수행하였다.
$\enspace$(1) 시험조건
교류전압 추종시험의 시험조건과 같다.
$\enspace$(2) 시험절차
1) 주파수를 정격값의 ±1%의 범위에서 변화시키고 상한·하한의 교류출력전력, 교류출력전류(고조파 성분) 및 역률을 측정한다.
2) 각차 고조파는 40차까지 측정한다.
$\enspace$(3) 시험기준
1) 태양광인버터의 출력이 계통의 주파수 변화에 추종하고 통상의 운전 상태를 유지할 것.
2) 출력전류왜율이 종합전류왜율 5% 이하, 각차 고조파 3% 이하일 것
3) 상한 및 하한의 출력 역률은 0.95 이상일 것.
그림. 4. 주파수 추종시험(계통주파수 정격값의 –1%, S상)
Fig. 4. Frequency tracking test
그림. 5. 주파수 추종시험(계통주파수 정격값의 +1%, S상)
Fig. 5. Frequency tracking test
$\enspace$(4) 시험결과 및 분석
그림 4와 5는 태양광인버터 정격주파수를 –1%(60Hz- 0.6Hz)와 +1%(60Hz+0.6Hz)로 설정 및 운전 시 주파수 추종시험의 결과로 태양광인버터
운전주파수, 출력역률, 종합전류왜율, 1~40차에 해당하는 각차 고조파 값들을 확인할 수 있다. 정격주파수를 –1%(60Hz-0.6Hz)와 +1%(60Hz
+0.6Hz)로 각각 운전 시 측정된 출력역률값이 0.9로 시험기준 0.95 이상을 만족하지 못하고 있다. 따라서 태양광인버터 설계자는 본 시험을
만족하기 위해 출력단의 필터 및 SW 디버깅을 통해 회로수정 및 재설계를 해야 한다.
2.3 운전역률시험
$\enspace$(1) 시험조건
교류전압 추종시험의 시험조건과 같다.
$\enspace$(2) 시험절차
1) 태양광인버터가 자려식인 경우에는 출력을 정격출력(100%)으로 설정하고 교류출력전력을 측정하여 출력 역률을 구한다.
2) 태양광인버터가 타려식인 경우에는 출력을 정격출력의 100%, 50% 및 12.5%로 설정하고 교류출력전력을 측정하여 출력 역률을 구한다.
$\enspace$(3) 시험기준
1) 출력 역률이 0.95 이상일 것.
그림. 6. 운전역률시험(정격출력의 100%)
Fig. 6. Driving power factor test
그림. 7. 운전역률시험(정격출력의 50%)
Fig. 7. Driving power factor test
$\enspace$(4) 시험결과 및 분석
본 논문에서 시험품으로 사용된 태양광인버터는 타려식으로 시험절차에 명시된 내용과 같이 정격출력의 100%, 50% 및 12.5%로 설정 및 운전 시
운전역률시험의 결과를 그림 6~8에서 각각 보여주고 있다.
시험품으로 사용된 태양광인버터는 정격출력 10kW으로 정격출력의 100%, 50% 및 12.5%인 10, 5, 1.25kW로 각각 운전시 3상 R,
S, T상의 역률값을 전력분석기에서 측정된 값을 통해 확인할 수 있다.
그림. 8. 운전역률시험(정격출력의 12.5%)
Fig. 8. Driving power factor test
3. 소형분산 발전시스템 계통연계 보호장치 등의 시험방법 통칙(JETGR0002)의 과도응답 특성시험[4]
3.1 입력전력 급변시험 및 부하급변시험
$\enspace$(1) 시험조건
1) 입력전력 급변시험 및 부하급변시험의 시험방법은 시스템에 따라 이하를 적용한다.
2) 태양광발전시스템용 및 다수대 연계 대응형 태양광발전 시스템용은 개별 시험방법의 입력전력 급변시험으로 정한다.
3) 가스 엔진 코제너레이션 시스템용 및 소형 연료전지시스템용은 개별 시험방법의 부하급변시험으로 정한다.
3.2 계통전압 급변시험
$\enspace$(1) 시험조건
1) 시험회로는 부속도의 회로 접속으로 한다.
2) 교류전원은 정격전압 및 정격주파수로 운전한다.
3) 태양광인버터 출력을 정격출력으로 설정한다.
4) 선로 impedance는 단락한다.
5) 보호장치인 보호 계전기 등의 설정은 공장 출하 시의 값으로 한다.
6) SWLD를 투입하고 태양광인버터의 정격출력을 소비하도록 부하를 설정한다.
$\enspace$(2) 시험절차
1) 계통전압을 태양광인버터의 각 상의 정격전압으로 운전한다.
2) 계통전압을 태양광인버터의 각 상의 정격값에서 105%로 급변시켜 10초간 유지한 후 계통 전압을 각 상의 정격값로 급변시켜 교류출력 전류를 측정한다.
3) 계통전압을 태양광인버터의 각 상의 정격전압으로 운전한다.
4) 계통전압을 태양광인버터의 각 상의 정격값에서 95%로 급변시켜 10초간 유지한 후 계통 전압을 각 상의 정격값으로 급변시켜 교류출력 전류를 측정한다.
$\enspace$(3) 시험기준
1) 태양광인버터는 계통전압의 급변에 순조롭게 추종하고 급변 후의 계통전압에 상당하는 교류출력 전력을 안정적으로 출력할 것.
2) 급변 후의 태양광인버터의 교류출력 과전류가 정격 전류의 150% 이하이면서 100%를 넘는 시간이 0.5초 이내일 것.
$\enspace$(4) 시험결과 및 분석
그림 9는 계통전압 급변시험의 결과로 계통전압(정격)→계통전압의 105%→j계통전압(정격)→계통전압의 95%로 급변시 태양광인버터 출력전류를 보여주고 있다.
계통전압의 급변 후 태양광인버터가 안정적으로 운전을 하며 출력 과전류가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
그림. 9. 계통전압 급변시험
Fig. 9. Grid voltage sudden change test
3.3 계통전압 위상급변 시험
$\enspace$(1) 시험조건 (위상차 10˚)
1) 시험회로는 부속도의 회로접속으로 한다.
2) 교류전원은 정격전압 및 정격주파수로 운전한다.
3) 태양광인버터 출력을 정격출력으로 설정한다.
4) 선로 impedance는 단락한다.
5) 보호장치인 보호 계전기 등의 설정은 공장 출하 시의 값으로 하고 단독운전 검출기능 (수동적 방식 및 능동적 방식)을 마스킹한다.
6) SWLD를 투입하고 태양광인버터의 정격출력을 소비하도록 부하를 설정한다.
$\enspace$(2) 시험절차
1) 태양광인버터의 출력전압 위상을 기준(0°)으로 하여 운전한다.
2) 계통전압의 위상을 0°에서 +10°로 급변시켜 10초간 유지한 후 0°로 급변시켜 교류출력 전류를 측정한다
3) 태양광인버터의 출력전압 위상을 기준(0°)으로 하고 운전한다.
4) 계통 전압의 위상을 0°에서 -10°로 급변시켜 10초간 유지한 후 0°로 급변시켜 교류출력 전류를 측정한다.
$\enspace$(3) 시험기준
1) 태양광인버터파는 계통전압 위상의 급변에 순조롭게 추종하고 급변 후의 계통전압 위상에 상당하는 교류출력 전력을 안정적으로 출력할 것.
2) 급변 후 태양광인버터의 교류출력 과전류가 정격 전류의 150% 이하이면서 100%를 넘는 시간이 0.5초 이내일 것.
그림. 10. 계통전압 위상급변 시험(0°에서 +10°로 급변)
Fig. 10. Grid voltage phase change test
그림. 11. 계통전압 위상급변 시험(+10°에서 0°로 급변)
Fig. 11. Grid voltage phase change test
그림. 12. 계통전압 위상급변 시험(0°에서 –10°로 급변)
Fig. 12. Grid voltage phase change test
$\enspace$(4) 시험결과 및 분석
계통전압 위상을 0° → +10° → 0° → –10°로 급변을 주었을 경우 이에 따른 태양광인버터의 출력전압과 출력전류의 결과파형을 그림 10~13에서 보여주고 있다. 각 그림에서 위상급변시 trigger신호(위상급변 기준)를 기준으로 태양광인버터의 출력전압과 출력전류의 확대된 파형을 통해 계통전압
위상의 급변에 순조롭게 추종, 급변 후의 계통전압 위상에 상당하는 교류출력 전력을 안정적으로 출력하며 운전하는 것을 볼 수 있다.
그림. 13. 계통전압 위상급변 시험(–10°에서 0°로 급변)
Fig. 13. Grid voltage phase change test
$\enspace$(5) 시험조건, 시험절차 (위상차 120˚)
위상차 120˚ 시험은 위상차 10˚의 시험조건 및 시험절차와 동일하며 시험기준은 다음과 같다.
$\enspace$(6) 시험기준
1) 태양광인버터가 계속 운전하거나 안전하게 정지하고 어느 부위에도 손상이 없을 것.
2) 태양광인버터가 정지한 경우 자동 또는 수동으로 운전을 재개할 수 있을 것.
그림. 14. 계통전압 위상급변 시험(0°에서 +120°로 급변)
Fig. 14. Grid voltage phase change test
그림. 15. 계통전압 위상급변 시험(0°에서 –120°로 급변)
Fig. 15. Grid voltage phase change test
$\enspace$(7) 시험결과 및 분석
그림 14, 15는 계통전압 위상을 0° → +120°, 0° → -120°로 급변시 태양광인버터 운전상태의 결과로 trigger 신호(위상급변 기준)를 기준으로
위상급변 발생 시 태양광인버터가 시험기준에 명시된 내용과 같이 안전하게 정지하는 결과를 볼 수 있다. 정지 후 태양광인버터의 손상 여부 및 복전(재기동)을
확인하여 본 시험의 결과를 최종적으로 판별할 수 있다.
4. 결 론
일본은 태양광발전 관련 분야에서 독일과 함께 전 세계시장의 많은 부분을 차지하고 있는 나라이다. 또한, 일본 내에서 제품을 판매하기 위해서는 반드시
받아야 하는 태양광인버터의 인증이 매우 까다롭고 UL, CE, TUV 등과 다르게 자체적으로 설립한 규정들이 있을 정도로 선도적인 곳이다. 따라서
JET 기술기준에 대한 정확한 해석과 이해, 많은 실험을 거친 후 다양한 전원 품질에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 기술기준 평가기술을 보유함으로써
까다로운 일본 인증시장에 대응할 수 있을 것으로 사료된다.
Acknowledgements
이 연구는 2020년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
References
2012, Korean Agency for Technology & Standards
2010, Japan Photovoltaic Energy Association
J. D. Yun, T. B. Park, K. S. Lee, S. J. Yoo, H. J. Kim, J. Lee, 2012, Development
of the 5.8kw photovoltaic inverter for using in Japan, in Proc. of KIEE, pp. 839-840
JETGR0002, 2018, General rules for test methods for grid-connected protection devices
for small distributed generation systems
Renewable Energy Equipment KS Certification Guide, Korea Energy Agency, 2015
저자소개
2007년 성균관대 메카트로닉스공학과 졸업(박사).
2007년~2011년 삼성탈레스 종합연구소 메카트로닉스그룹 전력전자팀 전문연구원.
현재 광주대학교 전기전자공학부 교수.