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  제  목 : 전기 품질(Power Quality)과 DVR(Dynamic Voltage Restorer)의 적용
  글쓴이 : 관리자      등록일 : 2007-04-26 18:30     조회 : 6370    
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전력 품질(Power Quality)과DVR(Dynamic Voltage Restorer)의 적용 (下)

4. 순간전압강하 평가지수 및 적용현황

(1) 현재 적용되고 있는 순간전압강하 평가지수
순간전압강하를 평가하기 위해서, 여러 단체 및 전력회사들은 다년간의 모니터링 및 조사를 실시하고 있다. EPRI는 ELECTROTEK과 공동으로 DPQ(Distribution Power Quality) 프로젝트를 수행하였으며, 유럽의 UNIPEDE DISDIP group, 캐나다의 CEA(Canadian Electrical Association), 노르웨이의 EFI(Norwegian Electric Power Research Institute), 미국의 NPL(National Power Laboratory)의 단체와 Detroit Edison, ESCOM 등의 전력회사들 역시 지속적인 모니터링을 하고 있다. 이들은 순간전압강하를 평가하기 위한 지수로서
SARFIX, Sag Score, DISDIP Table, Voltage Dip Table 등을 제시하고, 이를 기반으로 한 전력 공급 서비스를 실시하고 있다.

(2) SARFIx
미 전력연구원 EPRI에서는 ELECTROTEK과 공동으로 1989년부터 1995년까지 24개 전력회사 100개 배전계통의 276개 사이트에 대하여 27개월에 걸쳐 전력품질 상태에 대한 모니터링을 실시하였다. 이 DPQ 프로젝트의 결과로 제출한 보고서 ‘An Assessment of Distribution System Power Quality(RP 3098-1)’에서 순간전압강하에 대한 계통의 평가지수로 SARFIX(System Average RMS variation Frequency IndexVoltage)를 제안하고 있다.

여기서, %V는 전압한계를 나타내며 140, 120, 110, 90, 80, 70, 50, 10으로 주어지고, SARFIX 지수는 총 수용가 수 NT에 대해, 이를 위반하는 수용가의 수 Ni의 비로 주어진다. 단일 사이트의 경우에 SARFIX 지수는 모니터링 기간 동안에 발생한 순간전압변동에 대하여 한계전압 %V보다 높아지거나, 낮게 떨어지는 순간전압변동의 평균 횟수를 나타낸다.
-
SARFI90 : 순간전압강하의 총수를 정하는 기준
  -
SARFI80 : 대부분의 민감부하가 문제를 일으키는 전압 레벨
  -
SARFI70 : 계통의 performance 레벨을 단일 지수로 사용
  -
SARFI50 : SEMI 2844의 새로운 표준에 추가
  -
SARFI10 : 순간정전 평가 기준
  -
SARFICBEMA : CBEMA곡선을 위반하는 순간전압강하 횟수
  -
SARFIITIC : ITIC곡선을 위반하는 순간전압강하 횟수
  -
SARFISEMI : SEMI곡선을 위반하는 순간전압강하 횟수
  -
SARFICUSTOMCURVE: 수용가 기기의 특성곡선을 위반하는 순간전압강하 횟수
SARFIX 지수는 일반적으로 계통의 신뢰도 평가에 사용되는 SAIFI(System Average Interruption Frequency Index)와 유사한 방식으로 산출되지만, SAIFI가 영구정전을 다루는 데 비해 SARFIX 는 순간전압변동을 다루고 있다. 이러한 SARFIX 지수는 송배전계통의 사고 기록 및 수용가 기기의 특성, 가능한 순간전압강하 발생조건 등을 바탕으로 추정될 수 있는데, 특정 사이트의 정확한 평가를 위해서는 지속적인 모니터링이 필요하다. EPRI의 신뢰도 평가 방법 기술서와 IEEE Standard 1159에서는 SARFIX 지수를 순간전압강하의 지속시간에 따라 SIARFIX, SMARFIX, STARFIX 로 구분하고 있다. EPRI의 DPQ에서 나타난 계통의 순간전압강하에 대한 지수는 표 3 에 나타나 있다. 

표 3  EPRI DPQ mean magnitude and duration levels

SARFIindex

0-0.2sec

0.2-0sec

0.5-3sec

3-6sec

Total

SARFI90

41.65

7.74

5.17

2.72

57.28

SARFI80

21.53

3.94

3.12

1.89

30.49

SARFI70

13.55

3.01

2.31

1.71

20.57

SARFI50

6.35

1.91

1.54

1.74

11.53

SARFI10

1.35

0.74

1.43

1.04

4.56

(3) Sag Score
미국의 전력회사인 Detroit Edison은 Ford Motor Company의 Shedon Road Plant에 대한 2년간의 모니터링 자료를 기반으로 ‘Special Manufacturing Contracts with the automotive companies’를 맺고, 1996년 11월 STS(Static Transfer Switch)를 설치하여 순간전압강하에 대한 보상서비스를 제공하고 있는데, 이에 대한 근거로 Sag Score를 사용하고 있다. 이 Sag Score는 전압 강하분의 평균치로 산출하는데, 지수 산출이 간단하다는 장점을 가지고 있지만 순간전압강하의 지속시간을 고려하지 않고 기기에 대한 영향을 선형적인 것으로 가정하고 있다.

(4) UNIPEDE DISDIP table
1985년 UNIPEDE는 DISDIP이라는 그룹을 주축으로 오스트리아, 프랑스, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 영국, 독일의 9개 나라의 85개 사이트(33개의 케이블 계통과 52개의 가공선-케이블 혼합계통)에 대한 모니터링을 실시하여 DISDIP table을 제시하였다.

표 4  UNIPEDE DISDIP Table
(Highest number of events for cable networks excluding the top 5%)

Depth

10ms-100ms

100ms-500ms

500ms-1sec

1sec-3sec

3sec-20sec

20sec-60sec

10-30%

23

19

3

1

0

0

30-60%

5

19

1

0

0

0

60-90%

1

8

1

0

0

0

100%

0

0

1

0

1

1

 (5) ESCOM Voltage Dip Table
The South Africa NRS 048에서는 ESCOM과 공동으로 다년간의 모니터링을 통해 Guaranted voltage sag performance level과 Indicative voltage sag performance level에 대한 Dip Table을 제시하여 수용가의 계획과정에 반영하고 있다. ESCOM에서는 이 Dip Table을 바탕으로 1997년에 제지회사인 Sappi Limited의 Stanger Mill과 ‘Quality Plus Contract’를 맺고 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)를 이용한 직렬보상장치를 설치하여 운용하고 있다. ESCOM의 Voltage Dip Table에서는 순간전압강하의 크기와 지속시간에 따라 나누어진 S, T, X, Y, Z의 범주에 연간 최대 발생 횟수를 기록하고 있다.   

표 5  Voltage Performance Level from NRS048

 

Number of voltage dips per year

Network voltage range

Dip window category

 

S

T

X

Y

Z

6,6kV to ≤ 44kV

30

30

100

150

20

6,6kV to ≤ 44kV Rural

69

54

215

314

49

>44kV to ≤ 132 kV

25

25

80

120

16

220kV to ≤ 765kV

11

6

45

88

5

NOTE - The network voltage is not necessarity the voltage at which the customer takes supply.
It is the voltage of the network that feeds the point of common coupling.

5. 전력품질 향상을 위한 CUSTOM POWER 기기

(1) CUSTOM POWER 기기
전력품질을 향상시키기 위한 기존의 방법으로는 커패시터의 용량증가나 대용량 UPS의 설치 등이 있지만, 이러한 방법은 기기 자체의 비용 증대와 효율이 낮다는 단점을 가진다. 따라서 전력외란에 민감한 부하전원과 대용량 부하전원의 개선을 위해서는 기기에 공급되는 전원의 품질이 개선 가능한 전력장치를 사용하는 것이 바람직한데, 이를 위해 GTO, IGBT, IGCT 등의 반도체 스위칭소자를 이용한 CUSTOM POWER 기술을 바탕으로 한 전력품질 개선 기기들이 개발되고 있다. CUSTOM POWER기술은 배전계통에서의 전압제어, 위상평형, 급전선 사이의 고속전력전송, 고장전류제한, 고조파 억제 등의 기능을 통해 산업용, 상업용 수용가에 양질의 전력 공급을 가능케 한다. 대표적인 CUSTOM POWER 기기로는 수용가에 연결되어 있는 급전선에 사고가 발생하여 전력공급이 중단되려 할 때 부하를 사고가 나지 않는 급전선으로 신속하게 절체함으로써 수용가에 공급되는 전력이 끊기지 않게 하는 SSTS(Solid State Transfer Switch)와 변압기를 통해 배전 급전선에 병렬로 연결하여 전압의 순간적인 급강하 또는 급상승 그리고 고조파 등과 같은 외란에 대하여 선로전압과 90도의 위상차가 나는 전류의 유입을 통해 무효전력을 제어함으로써 전압 및 역률을 조정하는 기능을 하는 DSTATCOM(Distribution Static Synchronous Compensator), 급전 선로에 직렬로 연결된 변압기를 통해 전압을 주입함으로써 수용가의 전압을 안정하게 유지해 주는 DVR (Dynamic Voltage Restorer) 등이 있다. 전력품질의 문제 중 산업용 수용가에 가장 큰 영향을 미치는 순간전압강하를 보상하는 문제에 있어 DVR은 순간전압강하 발생시에만 동작하므로 항상 정격으로 동작하는 UPS에 비해 에너지 효율이 우수하며(UPS: 100% 부하시 최대 92%, DVR: 정상 운전시 98.5%), 선로의 전압 측정에 따라 보상이 필요한 순간전압강하의 범위를 제한할 수 있으며, 상위 전원 공급 선로 또는 개별 민감부하 전원 등 선택적인 설치가 가능하다. 또한 보상시에 전압보상제어가 복잡한 DSTATCOM에 비해 제어 알고리즘이 간단하다는 장점을 가진다.

표 6 전력품질 개선을 위한 CUSTOM POWER 기기의 적용

Mitifation Device

Sags

Interruptions

Swells

Transients

Harmonics

Notches

Voltage Fluctuation

DVR

 

 

DSTATCOM

 

 

 

 

 

STS

 

 

 

 

UPS

 

 

 

 
DVR:Dtnamic Vo;tage Restorer        DSTATCOM :Distribution STATic synchronous COMpensator
SSTS:Solid State Transfer Switch   UPS:Uninterruptible supply

(2) 동적 전압강하 보상기(DVR: Dynamic Voltage Restorer)
DVR은 대용량 부하의 투입이나 인접계통의 사고시 발생하는 전압의 순간 급강하 또는 급상승으로부터 민감한 부하를 보호하기 위해 선로에 직렬로 연결된 변압기를 통해 전압을 주입함으로써 수용가의 전력품질을 개선시키는 장치이다. DVR은 DC저장장치와 스위칭소자를 이용한 컨버터가 직렬변압기를 통해 선로에 직렬로 연결되는 구조를 가지며, 계통전압을 계속적으로 감시하며 외란이 발생하여 전압 파형에 왜곡이 생기면 이를 보상하기 위한 전압을 3개의 단상 변압기를 통해 신속하게 투입함으로써 부하 전압을 일정하게 유지하는 기능을 한다. 보통 외란에 대해 반주기의 응답특성을 가지며 현재 2~10 MVA 급의 DVR이 상용화되고 있다.

DVR의 동작특성은 그림 8 에 나타나 있는데, DVR 출력 전압은 부하정격전압과 전압 강하된 공급전원전압의 벡터차로 결정되며, 직렬변압기를 통해 선로에 이를 주입하여 부하전압을 보상하게 된다. DVR의 적용시에는 기본적인 계통의 구성요소에 대한 분석과 함께, 보호를 필요로 하는 최대부하용량과 부하의 역률, 최대 단상 및 삼상 순간전압강하의 크기와 지속시간, 정상상태에서 허용 가능한 최대 전압강하분, 주입변압기의 단락 임피던스, 주입변압기의 결선방법, 커패시터 뱅크의 용량 등을 고려하여야 한다. 또한 부하의 종류에 따라 순간전압강하의 크기, 위상이동, 파형의 영향이 다르므로 이에 따른 파라미터 선택이 필요하며, 순간전압강하 복구시에 AC 모터와 변압기에 흐르게 되는 돌입전류에 의해 DVR의 전력용 반도체의 전류 제한폭을 초과하여 부하측에 순간전압강하가 연장되는 문제가 발생하지 않도록 바이패스 회로를 설치하고, 두 상 이상의 복합적이고 다양한 형태의 순간전압강하에도 보상을 수행할 수 있도록 각 상을 독립적으로 다루는 제어회로를 구성하여야 한다.

(3) DVR 설치 운용 현황
세계 최초의 DVR은 Westinghouse와 EPRI가 공동 개발하여 Orian Rugs사에 설치하였으며, 50%의 순간전압강하를 보상할 수 있도록 설계되었고 시스템의 보호를 위해 바이패스 회로를 설치하였다.

1998년 발생한 35건의 순간전압강하 중에서 10건에 대해 보상을 성공적으로 수행하였다. 실제 사이트에 적용한 결과, 지속적인 모니터링을 통한 수용가 기기의 순간전압강하에 대한 특성 파악의 필요성이 제기되었다. 이후 반도체산업, 제지산업등 전압의 변동에 민감한 기기가 포함된 자동화설비를 사용하는 산업용 수용가의 순간전압강하 보상에 대한 요구가 높아짐에 따라 ABB, SIEMENS (SIPCON: Siemens Power Conditioner)에 의해 호주, 플로리다, 스코틀랜드 등에 DVR이 설치 운용되고 있으며, 경제성 평가를 통해 DVR의 유용성이 입증되었다. 실제 플랜트에 설치되어 운용되고 있는 DVR 적용 실례가 표 7에 나타나 있다. 

 

Powercor Ltd. Australia(1997)

적용사

Bonlac Foods Ltd.(milk powder production facility)

배전계통 구성

6개의 22kV/415V line

순간전압강하 원인

전송선의 storm and birds nesting

플랜트 총부하

5MVA at 0.8pf

생산에 피해를 주는
순간전압 강하 수

20~25회/년

적용 DVR

.용량:2MVA
.에너지 저장장치 용량 :600kJ, 25cycle(0.5sec)
.보상전압:5,080V(40%)

경제성 평가

.5시간 정지시 손실 평가액 총 87,000$(Australian $):원자재손 + 생산손 + 노동손
.DVR에 의해 1년 8개월간 44회 sag보상 (1995년 3월 ~1997년 1월).
 총 141시간, 2,453,400$ cost saving
.1,3백만$/년 Cost Saving

Salt River Project Distribution System in Phoneix, Arizona

적용사

μ-processors manufacturing facility
(Silicon Wafer -> Doping -> Etching ->Baking -> Packaging)

배전계통 구성

3개의 69kV/12.47kv line

순간전압강하 원인

전송선의 Lighting

플랜트 총부하

45MVA at 0.8 ~ 1.0 pf

생산에 피해를 주는
순간전압 강하 수

140회/년

적용 DVR

.용량 : 6MVA(3*2MVA)2개
.에너지 저장장치 용량 : 1,800kJ/DVR, 20cycle(1/3sec)
.Feeder전압 : 12.47kV(L-L), 7.2kV(L-G)
.TR용량:Tap1(17MVA)-2.5kV(L-G, 35%)
            Tap2(20MVA)-2.2kV(L-G, 30%)
             Tap3(23MVA)-19kV(L-G, 26%)
             Tap4(26MVA)-1.7kV(L-G, 23%)
.주입전압: 23, 26, 30, 35% on 26, 23, 20 or 17MVA taps

경제성 평가

.Voltage Sag Event 의 90% 제거
.투자 회수 기간 : 2년 이하

6. 맺음말

산업용 부하 외란에 아주 민감한 기기와 자동화설비의 급증에 따라 전력품질(Power Quality) 문제에 대한 요구가 높아져 가고 있다. 전력품질의 문제 중에서 산업용 수용가에 막대한 손실을 가져오는 순간전압강하(Voltage Sag)에 대해 다수의 연구단체 및 전력회사가 계통의 전압변동을 지속적으로 모니터링하고 있으며, 이를 평가하기 위한 지수들이 제시되고 있다. 이러한 순간전압강하를 보상하기 위해 SIEMENS와 ABB는 DVR을 개발하여 설치 운용하고 있으며, 수년간의 운용을 통해 경제성이 입증되고 있다. 현재 국내의 열악한 전력품질 문제로 큰 경제적 손실을 입고 있는 반도체 산업체에서 DVR의 도입이 적극적으로 검토되고 있고, 그 경제성에 따라 앞으로의 시장은 더욱 확대될 것으로 보인다.

이에 당사는 전력변환장치 사업경험과 축적된 기술을 활용하여 현재 DVR의 개발을 진행중이며, 가까운 시일 내 수 MVA급의 대용량 DVR 개발이 완료되어 실 사이트에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

mcm진단시스템
     Source impedance and power quality problems - Mr. Alex's News Letter
     Voltage sag generators (from Power Quality Magazine) 관련 기사
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