2.1 LVRT & HVRT 기준

Fig 1은 한국전력공사의 분산형 전원의 배전 계통 연계 기술⁽⁶⁾ 에서 제시하는 비정상 전압에 대한 운전 지속시간과 분산형 전원 분리시간을 각각 나타낸다. 각 조건에 대한 설명은 다음과 같다. 계통전압 50% 미만 : 150ms 동안 운전을 지속해야 하며, 499ms 까지 운전은 중지하지만 계통과 연계는 유지한다. 그리고 500ms가 지나면 계통과 연계를 분리한다. 다음으로 계통전압의 50% 이상 70% 미만 구간의 경우 160ms까지 분산형 전원은 운전을 지속하며, 2초 이후 계통과 분리하고 그 전 까지는 운전 중지 상태이다. 계통전압의 70%～90% 구간에서는 1.5초 까지 계통연결 및 운전 지속을 하며 이후 운전을 중지 하다가 2초 이후 계통과 분리한다. 계통 전압의 90%～110%는 정상동작이다. 다음으로 계통전압의 110%～120% 구간부터는 HVRT 구간으로써 200ms까지 계통 연결 및 운전을 지속하고 이후 1초 까지는 운전을 중지하며 1초 이후 분산형 전원은 계통과 분리한다. 계통전압의 120% 이상 구간에서는 운전하지 않으며, 160ms 이후 분산형 전원은 계통과 분리된다. 다음으로 Fig 2는 한국전력공사의 송,배전용 전기설비 이용규정⁽⁵⁾ 에서 제시하는 송전용 전기설비 접속기준의 계통연계 유지 기준을 나타내는 그래프이며 22.9kV 송전계통이 주요 적용 대상이다. Fig 1의 배전 계통 기준과 비교하여 계통전압이 저전압 상태가 되는 영역에서 상대적으로 긴 시간 동안 계통 연결 및 운전을 지속한다. 그러나 한전의 송전계통 기준에서는 HVRT 영역을 제시하고 있지 않다. 본 계통 접속기준은 독일의 LVRT 기준 ⁽²⁾과 비교하여 유사성을 지닌다. 150ms 이하 구간에서 계통전압이 0p.u.가 되더라도 계통과 즉시 분리하지 않고 운전을 지속 하는 것, 그리고 0.67p.u/sec 기울기의 경계선을 갖는 것 등의 유사점이 있으며, 이 독일의 규정은 국내 뿐만 아니라 미국, 일본, 중국 등 다수의 국가에서 기반으로 두고 있다. 송전계통 연계기술 기준의 LVRT 경계조건에 대한 설명은 다음과 같다. 계통 전압이 0 p.u.까지 감소하는 상황에서도 150ms까지 분산형 전원은 계통 연계를 유지한다. 150ms부터 1.5s까지는 초당 0.67p.u.의 기울기로 경계선이 구분되는데, 이 경계선의 좌측은 계통 연결 및 운전지속 영역이고 우측은 계통 분리 영역이다. 계통전압 0.9p.u.는 연계점의 운영전압 범위의 최소값이다. 이 송전계통 기준은 별도의 HVRT 기준이 요구되지 않는다. 본 논문에서는 한국전력공사의 송전계통 기술기준의 LVRT 조건과 배전계통의 HVRT 기준을 결합한 알고리즘을 3-Level TNPC 인버터에 적용하여 PLEXIM-Plecs 소프트웨어를 통해 시뮬레이션을 수행하였다. 두 기준을 결합한 그래프는 Fig 3에 나타내었다.

2.2 LVRT & HVRT 조건에서 유, 무효전류 주입기준

LVRT & HVRT 상황 시 분산형 전원은 계통 연계를 유지할 뿐만 아니라 유, 무효전류를 주입하여 계통을 지원하는 기준 또한 제시되고 있다. 본 논문의 인버터 회로에서 적용한 무효전류 주입기준을 그래프로 나타낸 것이 Fig 4이다. 해당 무효전류 주입기준에 대한 설명은 다음과 같다. 계통전압이 기준전압의 0p.u. 부터 0.5p.u.미만 구간에서 무효전류 크기는 정격전류와 동일하고 유효전류는 0A가 흐른다. 계통전압이 정격전압의 0.5p.u.이상, 0.9p.u.미만인 경우 무효전류는 k(0.9-Vg)In 으로 계통에 주입되며, 여기서 K 는 2.5의 값을 갖는다. 계통전압이 기준전압의 0.9p.u. 부터 1p.u. 까지는 dead zone 영역으로써 유효전류는 정격전류와 동일한 값을 가지며, 무효전류는 0A가 흐른다. 계통전압이 정격의 1.1p.u. 부터 1.2p.u. 까지는 HVRT 구간으로 해당 구간의 무효전류는 -k(Vg-1.1)In A 이다. 유, 무효전류 주입기준에 따른 수식은 식 (1)-(4)에 나타나 있으며, 수식에 사용된 기호에 대한 설명은 다음과 같다.

$i_{d}=유효전류[A],\: i_{q}=무효전류[A]$

$i_{N}=정격출력전류[A],\: V_{g}=계통전압[V],\: k=비례상수$

2.3 TNPC 인버터 LVRT & HVRT Plecs 시뮬레이션

Fig 5는 PLEXIM Plecs 시뮬레이션 회로도이며 Plant 회로에는3-level TNPC인버터와 LVRT&HVRT 계통 전압 제어 알고리즘이 적용된 제어회로가 모델링 되었다. Controller part 에는 d-q 변환시스템과 전류 제어부, 3-레벨 SVPWM 회로가 있으며 서브시스템 회로 내부에는 PLL회로와 LVRT 유,무효전력 제어알고리즘 등이 구현되었다. Table 1은 설계한 인버터의 세부 사양을 나타낸다. Fig 6은 LVRT & HVRT 상황시 유, 무효전류와 유, 무효전력 제어 동작을 보여주는 파형이다. 해당 시뮬레이션 조건에서는 LVRT와 HVRT 경계선을 넘어서지 않는 조건 하에서 시뮬레이션을 수행하므로 인버터는 연계 운전을 지속한다. 상세한 설명으로는 0.1s 이후 계통전압이 1p.u.에서 0.2p.u.로 감소하면서 무효전류는 최대, 유효전류는 0A로 흐르며 이후 1.6s 까지 LVRT 및 HVRT 경계선을 넘어서지 않는 조건에서 인버터는 계통에 정격정류를 공급해준다. Fig 7(a)는 배젼계통 기준의 LVRT 동작 시뮬레이션을 보여준다. 0.1s 이후 동작은 계통전압이 정격의 50% 이하일 때 150ms 후 인버터 운전이 중지되는 모습을 보여준다. 0.1s 전 후로 유, 무효전류는 반전된 특징을 보여주며 이는 1p.u.와 0.5p.u.에서 각각 식 (3) 과 식(1) 로 LVRT 동작이 구현된 것임을 알 수 있다. Fig 7(b) 역시 배젼계통 LVRT 기준으로 수행한 LVRT 동작 시뮬레이션으로써 0.1s～0.2s 구간동안 0.55p.u.의 계통전압이 0.2s 이후 0.75p.u.로 증가하였을 때의 LVRT 동작을 보여준다. 0.55p.u.는 160ms이내 트립 되어야 하지만 100ms 이후 0.75p.u.가 되었을 때 1.5s까지 운전지속 영역이 연장된다. 본 시뮬레이션에서는 계통전압이 0.55p.u.가 되는 시점부터 인버터 운전이 중단되는 시점까지 1.5s가 소요되는것을 통해 배전계통 LVRT 알고리즘의 적용을 검증하였다. Fig 8(a)는 송전계통 LVRT 기준으로 수행한 시뮬레이션으로써 0.3s부터 시작되는 0.75p.u.의 계통전압이 0.5s 이후 감소하기 시작하여 0.4p.u.까지 감소하는 동안 770ms의 시간이 LVRT 트립 경계선과 맞닿아 LVRT 트립 동작이 발생되는 모습을 보여준다. 또한 Fig 8(b)도 Fig 8(a)와 마찬가지로 송전계통 LVRT 기준으로 수행한 시뮬레이션으로써 0.2s에서 0.15p.u.까지 계통전압이 감소하지만, 0.8p.u까지 전압이 상승하는 시간이 LVRT 경계선을 넘어서지 않으므로 트립되지 않다가 0.8p.u. 가 지속되면서 0.2s로부터 1350ms가 흐른 지점에서 인버터 동작이 중지 된 것을 통해 LVRT 상황을 모델링 하였다. Fig 9(a)는 송전계통 연계기준에 존재하지 않는 LVRT 알고리즘을 추가하여 시뮬레이션을 수행한 내용으로써, 0.2s 이후 0.8s 까지 0.7p.u의 계통전압이 서서히 증가하면서 dead band인 0.9p.u.로 넘어 설 때 까지는 LVRT 경계선을 넘어서지 않으므로 인버터의 출력은 계속 되지만, 1.1p.u.부터전압이 증가하는 1.2s～1.4s 구간동안 200ms의 시간이지나면서 HVRT 트립 동작이 실행된 것을 보여준다. 또한 Fig 9(b) 는 앞서 Fig 9(a) 와 유사한 HVRT 동작으로 보이지만, 1.1p.u. 이후 200ms의 시간이 지나기 전 계통전압이 1.2p.u.로 상승하면서 HVRT 트립동작과 함께 인버터 출력이 중단되었다. 여기서 0.1s 이후 0.2p.u.부터 0.9p.u. 까지 전압이 상승하는 영역 에서는 계통전압이 LVRT 경계선을 넘어서지 않고 계속해서 상승하므로 LVRT 트립 동작이 발생하지 않으며, 계통 전압 범위에 따라 유 , 무효전류 공급이 식 (1), (2), (3), (4) 까지 모두 구현된 것을 확인하였다.