2.1 독일의 LVRT 기준

Fig. 1은 독일의 LVRT 경계선을 나타내는 그래프이다. 각 영역에 대한 기준은 다음과 같다⁽²⁾. (a)영역 에서는 계통전압이 0%로 떨어지더라도 인버터는 계통과 바로 분리하지 않고 150ms 동안 운전을 지속해야한다. 사고 후 150ms 이후 계통전압이 30% 이상일 경우 (b)영역에 속하며, 인버터는 계통과 연계를 지속하지만 계통 운영자의 동의하에 순간적으로 연결 분리를 할 수 있다. (c)영역 에서는 모든 경우에서 순간적인 계통과의 분리가 가능하며, 사고 종료 후 2초 이내 재 접속 해야 한다. 150ms 이후 계통전압이 30% 이하일 경우 (d)영역에 속하며, 계통 연계에 대한 의무 또는 요구사항을 정의하지 않는다. (e) 영역에서는 (d) 영역과 마찬가지로 별도의 요구사항을 정의하지 않는다.

Fig. 1. LVRT voltage boundary line in German grid code

2.2 국내의 LVRT 기준

Fig. 2. LVRT voltage boundary line of KEPCO’s transmission grid connection technology standard

Fig. 3. LVRT, HVRT voltage boundary line of KEPCO’s distribution system connection technology standard

국내(한국전력공사) LVRT 기준은 송전 계통과 배전 계통 기술 기준으로 구분된다^(6-7). 각 기술기준에 따른 LVRT 요구 조건은 Fig. 2 와 Fig. 3에 나타나 있다. Fig. 2는 송전 계통의 계통 연계 유지 경계선을 보여준다. 이 한전 송전계통 규정의 LVRT 기준은 독일 LVRT 기준과 유사성을 보이는데, 이를 비교한 내용은 다음과 같다.

1) 계통 전압이 감소율이 순간적으로 100%가 되더라도 150ms 동안 계통과의 연계를 지속 한다.

2) 독일 규정의 (c) 영역의 경계선의 기울기는, 한전의 150ms부터 1500ms 까지 0.67p.u/sec 경계선의 기울기와 동일하다.

Fig. 4. Reactive current control curve in the event of grid voltage fault(Germany) (k=2)

또한 두 기준의 차이점에 대한 설명은 다음과 같다.

1) 독일 LVRT 기준은 5개의 동작 영역으로 세분화 되어있지만, 한전의 기준은 2개의 영역 (계통연계 영역과 분리 영역)으로만 구분된다.

2) 독일 LVRT 기준의 (b)영역은 계통 운영자와 협의를 통해 (a) 또는 (c) 영역으로 선택적 동작을 하지만, 한전 규정은 독일의 (b) 영역에 해당하는 구간이 계통 연계 유지 구간으로 명확하게 설정되어 있다.

3) 독일 기준의 (d)영역과 (e)영역은 계통 연계에 대한 의무 또는 별도의 요구사항을 정의하지 않는 것과는 달리 한전 기준의 동일 영역에서는 계통 분리 영역으로 명확하게 설정되어 있다.

Fig. 3은 배전 계통의 계통 연계 유지 경계선을 보여준다. 계통전압이 정격전압의 90%～110% 일 경우 정상 동작 구간이며, 독일의 LVRT 조건과 마찬가지로 계통전압이 0%로 떨어지더라도 150ms 동안 계통과 인버터의 연결은 유지되어야 한다. 또한 계통 전압이 정격전압의 50% 이상 70% 미만일 경우 인버터와 계통과의 연결은 160ms 까지 지속해야 하며, 계통 전압이 정격전압의 70% 이상 90% 미만인 경우 계통과의 연결은 1.5초 까지 유지해야 한다. 또한 계통 전압이 110%～120% 인 HVRT 구간에서는 150ms 동안 계통과 연결이 분산형 전원이 운전을 지속해야 한다. 계통 전압이 정격전압의 120% 이상인 경우 즉시 운전을 중단한다.

2.3 LVRT 상황의 무효전류 공급 조건

LVRT 상황시 계통 전압 지원의 목적으로 설정된 독일의 계통 연계형 인버터의 무효전류 주입 기준^(8-10)은 Fig. 4에 나타나 있으며, 계통 전압이 정격전압의 0.9p.u. 이하 일 때를 기준으로, 무효전류의 주입이 활성화 됩니다. 계통전압 강하 범위에 따른 유, 무효전류 공급 기준은 다음과 같습니다. 먼저 0.9p.u. 부터 1.1p.u. 구간은 식 (1)을 따라 무효 전류는 0A, 유효 전류는 정격전류의 100%로 주입되며, 이 영역을 Dead Zone 영역이라 지칭한다. 계통 전압 0.5p.u. 부터 0.9p.u. 구간은 식 (2)을 따라 유, 무효 전류가 주입된다. 0p.u.부터 0.5p.u. 구간은 일반적으로 녹색 점선인 ⓛ번 선을 따라 그려지는데, 이 경우 인버터에서 계통에 인가되는 주입 전류는 정격의 100%로 공급되며, (3)의 수식을 따른다. 그리고 주황색 점선인 ②번 선의 경우 기존 k=2 기울기를 그대로 유지하며, 최대 200%의 전류를 계통에 인가하여 계통 전압 지원을 하고, 수식은 (4)를 따른다. 계통 고장시 무효전류 주입은 20ms 이내에 이루어져야 한다. 또한 계통 전압의 비대칭 결함 시 무효전류는 비 고장 상 전압의 110%가 넘지 않도록 주입되어야 한다⁽²⁾.

2.4 LVRT 유, 무효전류 주입 알고리즘 시뮬레이션

Fig. 5는 시뮬레이션 회로도이며 PowerSIM 시뮬레이션을 통해 모델링 되었다. 설계한 인버터의 세부 사양은 Table 1에 나타나 있다.

Fig. 5. PSIM Inverter simulation circuit

인버터의 제어회로는 동기 좌표 비례 적분 전류제어 회로와 계통 전압과 동기화를 위한 PLL(Phase Locked Loop) 회로로 구성되며, 이 제어회로를 C-block 을 사용하여 코드로 다시 작성한 뒤 LVRT 알고리즘을 추가한 회로가 Fig. 6에 나타나 있다. Fig. 7은 LVRT 상황에서 무효전류 공급 조건 알고리즘이 적용된 파형으로써, Fig. 4의 그래프에서 ⓛ번 선을 따라 제어되는 파형으로, 계통 전압 0p.u 부터 0.5p.u 사이 구간에서 수식 (3)의 알고리즘이 적용되어 유효전류 0A, 무효전류는 정격전류의 100%로 주입된다. 계통전압이 200ms부터 0p.u로 떨어진 후 100ms 이내 상승하므로 인버터의 운전은 지속된다. Fig. 8은 계통 전압 0p.u부터 0.5p.u 사이 구간에서 수식 (4)의 알고리즘이 적용되어 유효전류 0A, 무효전류는 정격전류의 200%까지 상승하여 계통 전압을 협조한다. 0.5p.u.이상 구간은 식 (2)를 따른다.

Fig. 6. PSIM Inverter simulation circuit with LVRT algorithm

Fig. 7. Simulation result of active and reactive current injection performance in LVRT situation based on equation(3)

Fig. 8. Simulation result of active and reactive current injection performance in LVRT situation based on equation(4)

2.5 LVRT 동작 성능 시뮬레이션

Fig. 9 는 LVRT 동작 시뮬레이션 파형이며, 한국전력공사의 송전계통의 LVRT 동작 기준을 기반으로 알고리즘이 적용되었다.

Fig. 9 (a)에서는 3000ms 까지 계통 전압이 변동하더라도 LVRT 경계선을 넘어서지 않으므로 인버터의 동작은 유지되지만, 3000ms 에서, 계통전압이 0.1p.u 이하로 떨어진 뒤, 150ms 이 후 LVRT 경계선을 넘어서면서 인버터의 운전이 중지되는 파형을 보여준다. Fig. 9 (b)에서는 2500ms까지는 LVRT 경계선을 넘어서지 않으므로 인버터 운전이 멈추지 않고 지속되지만, 0.3p.u.의계통전압이 600ms이상 지속되면서, 인버터의 운전이 중단된다. Fig. 11은 2000ms 이 후부터 계통전압이 0.3p.u 로 감소되며, 계통전압이 0.65p.u로 상승하여도 계속해서 운전을 지속하지만, 1050ms에서 LVRT경계선을 넘어서면서 인버터의 운전이 정지되는 것을 보여준다.