마이크로그리드용 3상 전압변동 발생 시스템

Abstract

본 논문에서는 최근 활발히 연구되고 있는 마이크로 그리드 시스템의 성능뿐 아니라 전력품질 개선을 위한 UPS, DVR, SSTS 등 Custom Power Devices에 대한 성능 테스트도 가능한 실용적인 전력품질 외란 발생기를 제안하였다. 기존의 전압변동 발생기는 직렬변압기의 누설인덕턴스와 권선저항에 의해 출력전압이 감소되는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법을 제시하였으며, 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 방식의 타당성을 입증하였다. 제안한 방식으로 부하 역률이 0.85인 조건에서 새그와 스웰 각각 30%, 50%, 70%와 순간정전의 경우 2cycle, 10cycle 동안 발생되도록 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션의 조건에 따라 전압변동 발생기를 실험해 보았으며, 새그, 스웰, 순간정전 발생시 다양한 전압에서 동작이 가능하고, 새그, 스웰, 순간정전의 발생 후 정상상태로 복귀시 원하는 시점에서 가능하다는 것을 확인하였다. 제안한 방식의 특징을 정리하면 다음과 같다. - 기존 방식의 전압변동 발생기에서 발생하는 직렬변압기에 의한 전압강하 문제를 해결하였다. - 기존의 저항을 이용한 방식에 비해 비용은 다소 상승하지만 새그 설정값이 거의 일정하고, 순간정전 발생이 용이하며 스웰도 쉽게 발생할 수 있어서 성능이 향상되었다. - 시스템을 구성하는 요소가 변압기와 자연소호 방식의 SCR 사이리스터로 구성되어 있어서, 고주파 스위칭 소자에 의존하는 기존 방식에 비해 신뢰도를 극대화 하였다. - 한 주기 동안 새그나 스웰, 순간정전 발생 및 정상상태로의 복귀를 임의의 시점에서 항상 할 수는 없고 특정 조건에서만 가능하다는 제약사항이 있으나, 이것은 제어상에서 고려되어야 할 사항이며 전력품질 외란 발생기의 성능에는 전혀 지장을 주지 않는다. - 제안한 방식에서의 SCR 사이리스터 반도체 소자는 강제 스위칭이 없으므로 방열판을 포함한 스택의 크기를 최소화 할 수 있다. 따라서 직렬변압기와 단권변압기의 크기와 무게가 시스템 전체의 대부분을 차지한다. 이러한 특징을 갖는 전압변동 발생기를 마이크로 그리드 시스템에 적용하여 순간정전 발생시켜 그 특성을 파악해 보았다. 순간정전시 STS가 완전히 OFF될 때까지 분산전원으로부터 과다한 전류가 전원측으로 흐르게 된다는 것을 확인하였다. 이 전류는 직렬변압기(T)를 통하여 순간정전 발생기에도 흐르게 되며, 그 크기는 정상 상태의 전류의 약 10배이다. PCS와 순간정전 발생기에 사용되는 전력전자소자는 통상 정격전류의 1.2 ~ 2배가 흐를 수 있도록 설계가 되므로 PCS는 이것을 고려하여 과전류에 대한 보호기능이 구비되어야한다. 끝으로 전력품질 개선을 위한 Custom Power Device들은 그 중요성에 힘입어 성능향상 및 새로운 토폴로지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으므로 본 논문에서 제안한 전력품질 외란 발생기는 이 분야에서 그 활용도가 매우 클 것으로 기대된다. 특히 실험실 레벨에서 저비용으로 전력품질 외란을 발생시키고자 하는 시스템 구현에 크게 기여할 것으로 기대되며, 본 논문에서 제안한 전압변동 발생기는 향후 마이크로 그리드 시스템의 설계 및 구현에도 활용될 것으로 기대된다.

This paper describes a voltage disturbance generator for the performance test of microgrid system as well as custom power devices such as DVR(Dynamic Voltage Restorer), SSTS(Solid State Transfer Switch), dynamic UPS(Uninterruptible Power Supply), etc. The conventional voltage disturbance generator have some problem of high cost or voltage drop across a series transformer in case of low cost system. The proposed generator overcomes the problem of the voltage drop. The circuit and operating principle of the proposed generator are described. Simulation and experimental results show the usefulness of the proposed scheme. The generator have good feature of simple structure, low cost in implementation, high efficiency, reliability and easy control. It is expected that the proposed generator can be used for the performance test of a microgrid system and custom power devices.