2.1 사고개요

사고 현장은 삼권선 변압기에 2차 측이 △결선으로 태양광 인버터와 연결되어있으며 내부 소내 전력을 공급하는 변압기를 통해 인버터의 전원 및 변전실 주요 부하설비의 전원을 공급하였다. 사고 당시 인버터 스택 소손과 함께 과전류 보호계전기에 픽업된 데이터를 확인하였고 인버터 전원 공급용 SMPS (Switching Mode Power Supply) 소손, SMPS에 연결된 서지보호장치 고장 등을 확인하였다.

2.2 보호계전기 데이터 분석

사고가 발생한 인버터에 연계된 저압 배전반의 계전기 데이터를 분석하였고 그 결과를 그림 1~4에 나타내었다. 그림 1은 저압 보호계전기 픽업 데이터로 A,B,C상의 사고 전 후 전압 및 전류 변화를 보여준다. 그림 2는 사고 전과 후의 A상의 전류 크기 및 위상의 변화를 보여주고 있다. 사고전류는 사고 전보다 약 10배 이상 상승하였으며 차단기 동작 특성에 따라 사고전류가 보호계전요소 한시 영역에 존재하여 차단기(ACB) 트립 전에 사고가 자체 제거된 것으로 보인다. 그림 3은 사고 전과 후의 A,B,C상의 전압 위상 벡터도를 보여주고 있으며 사고 전과 후 전압 위상은 변화가 없으며 이는 3상 평형 고장이 발생한 것으로 추측된다. 그림 4는 사고 전과 후의 A,B,C상의 전류 위상 벡터도를 보여주고 있으며 전류 위상이 120도 이상 변화된 부분으로 미루어보아 사고 발생 전 인버터 전류는 계통으로 태양광 발전 출력을 내보내고 있었던 것으로 보이며 OCR 픽업 시간 동안에는 인버터 쪽으로 전류가 흘러 들어간 것으로 추정된다. 이는 인버터 방향에서 단락 사고가 발생하였다는 것을 의미하여 이는 인버터 내부 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 단락 사고 가능성이 존재한다고 해석할 수 있다.

또한, 최초 계전기 픽업 데이터가 올라온 저압 배전반에서의 전압 전류 고조파 데이터 분석결과 사고 발생 전 전압 왜곡이 있었으며 이는 11고조파 성분이 극단적으로 확대되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 22.9kV 계통의 고압 배전반에서도 마찬가지로 11고조파 성분이 극단적으로 확대되어 있는 것으로 미루어볼 때 해당 사고가 구내계통 고압 측까지 확대되어 있었던 것으로 보인다. 11 고조파 전류 크기 최대 160A 크기의 전류가 포함되어 계통으로 보내졌으며 11차(역상분) 고조파 전류는 저압 변압기를 통해 구내계통(22.kV)으로 공급된 것으로 보인다.

이러한 현상은 인버터의 공진현상, 소내 전력 전원품질문제 등에 의해 발생했을 가능성이 존재한다. 대규모 태양광발전시스템에서 MW급 인버터 시스템을 구성하기 위해서 다수의 인버터가 다권선 변압기를 통해 병렬 연결되어 계통과 연계되는데 이러한 인버터의 병렬운전은 인버터 간의 특성 및 선로 임피던스의 차이로 인한 공진 등의 문제를 야기할 수 있다^(7-9). 이러한 특정 주파수에서의 공진 문제는 시스템 불안정의 원인이 되고, 또한 시스템에 연계된 다른 장비에 고장을 유발하는 원인이 된다. 특히 계통연계형 인버터 다수가 PCC에 연결되어 계통과 연결되는 경우 병렬 인버터 간에 순환 전류가 있기 때문에 병렬 작동 중에는 상호간섭이 있다. 단일 인버터의 공진주파수가 LCL필터 값에 의해 결정되는 반면 병렬로 여러 대의 인버터가 연계되는 경우 인버터들이 서로 영향을 주고받아 공진주파수가 변화하며 공진주파수가 상용주파수에 가까워짐에 따라 시스템이 불안정해진다. 보호계전기 데이터에서 알 수 있듯이 사고 발생 전 극단적인 11고조파에 의한 전압 왜곡 및 인버터 고조파 전류 발생 등은 정상적인 운전상태로 볼 수 없으며 이런 극단적인 고조파 확대는 시스템에서의 공진현상에 의한 가능성을 배제할 수 없다. 또한, 대규모 태양광발전소에서의 낮은 단락비를 가지는 시스템은 전압 왜곡을 가속시킬 수 있다⁽¹⁰⁾. 단락비란 계통의 단락용량을 인버터 용량으로 나눈 값으로 임피던스가 낮을수록 높은 SCR값을 가질 수 있다. SCR값이 낮을수록 weak grid로 높을수록 strong grid로 평가한다.

2.3 현장 데이터 측정

계전기 픽업 데이터를 통하여 사고 당시 구내계통 전압 왜곡 현상 및 소내 전력에서의 이상 등의 문제를 확인하였다. 따라서 인버터 동작에 따른 계통 전압, 전류의 이상 상태 분석을 위해 인버터 전원품질측정과 소내 전력계통에서의 전원품질분석을 수생하였다. 전원품질분석에 사용된 장비는 전원품질분석장치(DEWE-2600)을 이용하였다. 측정 장비는 총 16개 채널을 통한 전압, 전류 등을 측정 및 저장하며 관련 데이터의 시각화, 주파수 분석 등을 제공한다. 측정 항목은 태양광 인버터 입력, 출력, 소내 전력 전원품질 등을 측정하였다.

그림 6과 그림 7은 인버터 출력 전원품질이 실제 구내 전원계통에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 현장에서 각각 특정 시각에 두 번에 나누어 측정된 인버터 출력 측 및 소내전력의 전압, 전류 THD(Total Harmonic Distortion)의 시간에 따른 변화량을 보여주고 있다. 그림 6은 그래프를 통해 알 수 있듯이 일반적으로 인버터 전류 THD의 경우 인버터 출력이 올라갈수록 THD는 떨어지는 반비례 특성을 보여주지만 인버터 전류 THD는 감소함에도 인버터 전압 THD는 변동이 없어 인버터 전류 THD와 계통 전압 THD와의 연관성은 낮은 것으로 보여진다. 특히 급격하게 인버터 출력이 감소하는 구간에서 전류 THD는 상승하지만 인버터 전압 THD는 변동이 없었다. 오히려 이와는 별개로 인버터 전압 THD는 소내전력 전압 및 전류 THD는 서로 함께 움직이는 것을 확인할 수 있었다. 그림 7은 다른 측정 시점에서 측정된 데이터로 인버터 출력이 급감하는 시점에서 인버터 전류 THD가 상승함에도 불구하고 인버터 전압 THD는 오히려 감소하는 특성을 보였으며 이는 소내전력 전압, 전류 THD와 함께 움직이는 것을 확인할 수 있었다.

일반적으로 구내 계통 전압의 왜곡 정도를 나타내는 인버터 출력 전압의 THD의 경우 시간에 따라 그 값이 변동되는데 이는 외부계통, 인버터 출력, 소내 전력 등의 영향을 받는다. 측정결과분석을 통해 인버터의 전류 THD와 인버터 전압 THD의 상관성은 그림 6에서 보이는 바와 같이 상관성을 나타내지 않는 것으로 파악된다. 하지만 인버터 전압 THD의 경우 소내 전력의 THD와 상관성이 매우 높은 것으로 보인다. 그림 6,7에서와 같이 인버터 전류 THD의 급격한 증감에 따른 전압 THD의 경우 변동성이 낮은 것으로 보여지며 오히려 소내 전력 THD의 동특성이 함께 움직이는 것으로 보인다. 다만 실제 전원 전압의 왜곡 먼저 일어나고 그에 따라 소내 전력 왜곡이 만들어지는지의 선행성을 판단하긴 어렵지만, 일반적으로 소내 전력의 경우 대부분이 전력변환장치로서 고조파 부하가 대부분이기 때문에 이는 고조파 부하에서 만들어진 고조파가 전원계통에 유입될 가능성이 있다.

인버터 전압 THD와 소내 전력 전원품질과의 정확한 상관관계 분석을 위해 인버터 발전 출력이 동일한 측정 시점을 2개로 나누어 위와 동일하게 인버터 출력 측과 소내전력측을 측정하였고 그 결과를 그림 8,9와 표 3,4,5에 나타내었다. 그림 8과 표 3은 1분 동안 가장 높은 THD 값을 보이는 측정시점에 대한 측정 결과로 인버터 출력은 733kW이며 소내전력 중 가장 높은 전압 THD는 5.9를 나타내고 있다. 그림 9와 표 4는 1분 동안 가장 낮은 THD 측정시점에 대한 측정 결과로 인버터 출력은 740kW이며 소내전력 전압 THD 1.67를 나타내고 있다. 그림 8,9와 표 3,4를 통해 인버터 출력은 동일한 상태에서 통해 인버터 전압 THD와 소내 전력 전압 ,전류 THD와 상관관계가 높은 것을 확인할 수 있다. 전력시스템 고조파 기준은 일반적으로 IEEE 519-2014에서 1kV 이하 계통에서의 전압 THD는 8\% 이내, 개별 차수는 5\% 이내로 권장하고 있으며 측정 시점에서의 구내계통의 전압 고조파는 기준치 이하로 측정되었다. 한편 IEEE 519-1992에서 IEEE 519-2014로 개정되면서 전류 THD의 기준은 제시되지 않는다⁽¹¹⁾.

표 5는 측정시점1,2에서의 각각 소내 전력 11차 전류와 인버터 출력 전압의 11차 크기 값을 각각 나타내고 있다. 그림 10은 소내 전력 실제 전류량 증가 대비 고조파 차수 기여도 분석을 위해 측정 시점 1에서의　소내 전력 전압 및 전류의 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 수행할 결과를 보여주고 있다. 측정 시점 1에서의 소내 전력 및 인버터 전압에서 기본파 다음으로 11차 성분이 가장 높은 것으로 나타났으며 소내 전력 11차 고조파 크기가 약 50\% 감소함에 따라 인버터 전압 THD 역시 비례적으로 낮아진 것으로 보여진다. 따라서 해당 사이트는 평상시에도 다른 고조파 차수에 비해 11차 성분이 극단적으로 확대되어 해당 시스템에 영향을 주고 있다고 판단되었다. 측정결과 구내계통의 전압 왜곡과의 상관 관계는 인버터의 출력 보다 소내전력쪽 전력이 높은 것으로 나타났다.

2.4 재료분석(X-Ray CT분석)