강갑석
(Kab-Seok Kang)
1iD
이후동
(Hu-Dong Lee)
1iD
태동현
(Dong-Hyun Tae)
1iD
노대석
(Dae-Seok Rho)
†iD
-
(Dept. of Electrical, Electronics and Communication Engineering, Korea University of
Technology and Education, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Open Phase Fault, PV System, PSCAD/EMTDC, Reverse Power Flow, Grid-connected Transformer, Iron Core Structure
1. 서 론
최근, 에너지 고갈과 환경오염 문제 등으로 인하여 전 세계적으로 신재생에너지전원에 대한 관심이 증가되고 있다. 이에, 정부는 석탄화력과 원전에 대한
의존도를 줄이고 2040년 까지 신재생에너지의 발전량 비중을 30~35%까지 확대하는 정책을 적극적으로 추진하고 있다(1,2). 그러나, 신재생에너지전원이 연계된 배전계통에서 배전선로의 1상이 단선되거나 책임분계점에서 개폐기로 사용하는 COS의 동작으로 인한 결상사고가 발생하는
경우, 다양한 문제점이 발생할 가능성이 있다. 구체적으로, 배전계통에서 결상사고가 발생하면 인버터의 단독운전 방지기능에 의하여, 태양광전원이 발전을
정지하고 계통에서 분리되어야(3) 하지만 연계용변압기의 결선방법 및 철심 종류에 따라 1차가 단선되었음에도 불구하고, 2차측 전압이 거의 정상적으로 나타나 결상을 감지하지 못하고
계속 발전하여, 계통에 악영향을 줄 수 있다(4-7). 또한, 결상사고 발생 시 계통연계용 변압기의 역조류 현상으로 인해 변압기가 과부하로 소손될 수 있으며, 배전선로 작업자는 결상으로 인한 정전으로
판단할 수 있어서, 보수작업 시 감전사고의 위협을 느끼는 경우가 발생할 수 있다(8-11). 따라서, 본 논문에서는 결상사고 발생 시 인버터 측에서 결상을 인지하지 못한 원인과 계통연계용 변압기를 통해 결상된 상으로 역조류가 발생하는 현상을
해석하기 위하여, PSCAD/EMTDC S/W를 이용하여 모델링을 수행하고, 이를 바탕으로 결상사고 해석에 유용함을 확인하였다.
2. 태양광전원 연계용변압기의 결상사고 문제점 분석
변압기의 구조는 크게 권선과 철심으로 구성되어 있으며, 권선의 결선방식과 철심 구조에 따라 특성이 다르게 나타나고 있다. 먼저 결선방식은 특고압을
수전 받는 수용가 변압기는 대부분 그림 1과 같이 △-Y 또는 △-△ 결선방식을 사용하고 있으며, 분산전원 계통연계용 변압기는 그림 2와 같이 Y-△ 결선방식을 주로 사용하고, 일부는 Y-Y 결선방식을 사용하기도 한다.
또한, 철심구조는 크게 내철형과 외철형으로 구분되며, 내철형
그림 1 수전용변압기의 결선방식
Fig. 1 Wiring connection type of customer transformer
그림 2 계통연계용 변압기의 결선방식
Fig. 2 Wiring connection type of grid-connected transformer
변압기는 그림 3과 같이 태양광전원 연계용변압기에 주로 사용하는 3각 철심 구조와 154kV 등 초고압 계통에 사용하는 5각 철심 구조로 구분할 수 있다. 또한,
그림 4와 같이 단상변압기 3개를 1개의 Bank로 구성하여 사용하는 방식이 있는데, 일반적으로 5각 철심과 동일한 전기적 특성(전압유기, 전력조류 등)을
가지고 있다.
그림 3 3상 변압기의 철심구조
Fig. 3 Iron core structure of three-phase transformer
그림 4 단상변압기의 철심구조
Fig. 4 Iron core structure of single phase transformer
그러나, 태양광전원이 연계된 배전계통에서 배전선로의 1상이 단선되거나 책임분계점에서 개폐기로 사용하는 COS의 동작으로 인한 결상사고가 발생하는 경우,
태양광전원이 계통에서 분리되어야 하지만 결상사고를 감지하지 못하고 계속 발전하는 현상(단독운전)과 그림 5와 같이 계통연계용 변압기의 역조류 현상으로 인해 배전선로의 결상된 상으로 전력을 공급하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 태양광전원
연계용변압기의 결상 모델링 및 시험장치를 구현하여, 태양광전원 연계용변압기의 결선방식과 철심구조에 따른 결상사고 특성을 확인하고자 한다.
그림 5 계통연계용 변압기의 역조류 현상
Fig. 5 Reverse power flow of grid-connected transformer
3. PSCAD/EMTDC를 이용한 태양광전원 연계용변압기의 결상해석 모델링
3.1 Y-Y 결선 변압기의 결상 모델링
태양광전원의 연계용변압기가 설치된 배전계통에서 변압기의 결상특성을 분석하기 위하여, 배전계통 상용해석 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 Y-Y
결선 변압기의 결상을 모델링하면 그림 6과 같다. 여기서, 그림 6의 (a)는 변압기 1차측의 A상에 단상부하가 연결되고, (b)는 변압기 2차측의 A상에 단상부하가 각각 연결된 것을 나타낸다. 또한, Y-Y 결선 변압기의 결상 모델링은 그림 6에서와 같이 연계용변압기 1차측
그림 6 Y-Y 결선 변압기의 결상 모델링 구성도
Fig. 6 Modeling of open phase in Y-Y transformer
A상이 단선이 되는 결상상태를 차단기(CB, circuit breaker)로 모의한 것을 나타낸다. 한편, 연계용변압기는 PSCAD/EMTDC의 라이브러리에서
제공하는 UMEC(unified magnetic equivalent circuit) 모델을 사용하며(12), 이 모델에서는 그림 7과 같이 3상 2권선 변압기로 3각 철심, 5각 철심, 단상 변압기의 철심구조를 변경하여 해석할 수 있다.
그림 7 3상 2권선 변압기의 UMEC 모델
Fig. 7 UMEC model of three-phase, two-winding transformer
3.2 Y-△ 결선 변압기의 결상 모델링
상기의 3.1절과 동일하게 PSCAD/EMTDC를 이용하여 Y-△ 결선 변압기의 결상을 모델링하면 그림 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 그림 8의 (a)는 변압기 1차측의 A상에 단상부하가 연결되고, (b)는 변압기 2차측의 A-B상에 단상부하가 각각 연결된 것을 나타낸다. 그림 8에서 연계용변압기 1차측에서 변압기의 A상이 단선이 되는 결상상태를 차단기(CB, circuit breaker)로 모의한 것을 나타낸다. 한편, 연계용변압기는
PSCAD/EMTDC의 라이브러리에서 제공하는 UMEC 모델을 사용하며, 이 모델에서는 그림 7과 같이 3상 2권선 변압기로 3각 철심, 5각 철심, 단상 변압기의 철심구조를 변경하여 해석할 수 있다.
3.3 계통전체 모델링
상기의 내용을 바탕으로 태양광전원이 연계된 전체 배전계통을 모델링하면 그림 9와 같다. 여기서, 그림 9의 A부분은 배전용 변전소(154/22.9kV, 45/60MVA), B부분은 고압 배전선로(22.9kV, 3Φ4W) 및 단상부하, C부분은 수용가의
책임분계점(COS) 그리고 D부분은 상기에서 모델링한 태양광전원의 연계용변압기를 나타낸 것이다.
그림 8 Y-△ 결선 변압기의 결상 모델링 구성도
Fig. 8 Modeling of open phase in Y-△ transformer
그림 9 계통전체 모델링
Fig. 9 Modeling of entire system
4. 결상사고 해석용 시험장치 구현
본 논문에서는 태양광전원용 변압기가 연계된 배전계통에서 어느 상이 단선된 경우, 결상특성을 분석하기 위하여, 그림 10및 그림 11과 같이 실제계통을 축약하여 결상사고 해석용 시험장치를 구현한다. 이 그림에서와 같이, 시험장치는 3상 4선식 220/380V 전원을 사용하며, 계통연계용
변압기, MCCB, 결상시험용 퓨즈(각상 설치) 그리고 부하시험용 콘센트로 구성된다. 여기서, 계통연계용 변압기의 권수비는 1:1이고, 변압기철심은
구조별로 특성을 비교하기 위하여 3상 3각 철심 3kVA와 단상 변압기 1kVA 3대로 구성한 5각 철심 변압기로 구성한다. 또한, 결상 시 전력조류의
특성을 확인하기 위하여, 그림 10의 Y-Y 결선 변압기의 경우에는 800W의 저항부하를 상과 중성선 사이에 연결하고, 그림 11과 같이 Y-△ 결선 변압기의 경우 1차측은 상과 중성선 사이, 2차측은 상과 상 사이에 저항부하를 연결한다. 그리고 계측장치는 결상 시험용 퓨즈에서
결상사고를 발생시킨 후 변압기 1, 2차 부싱 부분에 설치하여 전류와 전압을 측정한다. 상기와 같이 구성한 시험장치의 외관은 그림 12와 같다.
그림 10 Y-Y 결선 변압기의 결상 시험장치 회로도
Fig. 10 Configuration of open phase test device for Y-Y transformer
그림 11 Y-△ 결선 변압기의 결상 시험장치 회로도
Fig. 11 Configuration of open phase test device for Y-△ transformer
그림 12 결상사고 해석용 시험장치 외관
Fig. 12 Actual test device for fault analysis of open phase
5. 시뮬레이션 및 실증시험 결과분석
5.1 시뮬레이션 및 실증시험 조건
본 논문에서 제안한 태양광전원 연계용변압기가 설치된 배전계통에서 변압기의 결상특성을 분석하기 위하여, 연계용변압기 및 각 구성요소의 시험 파라미터와
조건은 표 1 및 표 2와 같이 상정한다. 여기서, 표 1에서 3각 철심 및 5각 철심 변압기는 3상 3kVA를 사용하고, 단상변압기는 1kVA 3대로 3상 결선하여 사용한다. 또한, 표 2는 변압기 결상사고의 시험조건을 나타내며, 구체적으로 결상사고는 A상이 단선 된 경우로 상정하며, 단상부하는 연계용변압기의 결상된 상 1차측 또는
2차측에 접속하여 시험을 수행한다. 즉, 연계용변압기 1차측은 A-N에 연결하고, 연계용변압기 2차측은 결선방법에 따라 Y결선이면 a-n에 연결,
△결선이면 a-b에 연결한다. 단, 결상사고해석용 시험장치에서는 5각 철심 변압기의 특성을 단상변압기 3대로 구현한다.
표 1 변압기의 결상사고 시험 파라미터
Table 1 Test parameter for open phase fault in transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase bank
|
|
constant
|
3-phase
|
3-phase
|
single phase
|
|
capacity of transformer[kVA]
|
3kVA×1unit
|
3kVA×1unit
|
1kVA×3unit
|
|
frequency[Hz]
|
60
|
60
|
60
|
|
primary voltage[V]
|
220
|
220
|
220
|
|
secondary voltage[V]
|
220
|
220
|
220
|
|
load capacity of single phase[W]
|
800
|
800
|
8000
|
표 2 변압기의 결상사고 시험 조건
Table 2 Test conditions for open phase fault in transformer
|
classification
|
connection methods
|
iron core form
|
|
case 1
|
$Y-Y$
|
3-limb
|
|
5-limb
|
|
3 phase bank
|
|
case 2
|
$Y-\Delta$
|
3-limb
|
|
5-limb
|
|
3 phase bank
|
5.2 PSCAD/EMTDC에 의한 결상 특성 분석
5.2.1 Y-Y 결선 변압기의 결상 특성 분석(Case 1)
(1) 전압유기 특성 분석
3장에서 제시한 PSCAD/EMTDC의 모델링에 의하여 연계용변압기가 Y-Y 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의
전압 유기 특성을 나타내면 그림 13과 표 3과 같다. 여기서, 변압기가 3각 철심인 경우에는 결상된 A상의 1차측 및 2차측 전압이 모두 220[VRMS]가 유기되며, 5각 철심과 단상변압기의
경우, 1차측 및 2차측 전압이 모두 0[VRMS]로 유기되지 않음을 알 수 있었다. 따라서, 실계통에 일반적으로 보급된 3각 철심 변압기를 사용하여
결상이 발생하면, 계통연계용 변압기 2차측에 전압이 유기되고, 태양광전원 인버터가 결상을 감지하지 못하여 단독운전이 되어 계통에 악영향을 미칠 수
있음을 확인하였다. 또한, 1차측에도 전압이 유기되므로 배전선로 작업자는 결상으로 인한 정전으로 판단할 수 있어서, 보수작업 시 감전사고 가능성이
발생할 수 있음을 알 수 있었다.
그림 13 Y-Y결선 변압기의 전압 분포
Fig. 13 Voltage profile of Y-Y transformer
표 3 Y-Y 결선 변압기의 전압 유기 특성
Table 3 Induced voltage characteristics of Y-Y transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase bank
|
|
primary voltage[V]
|
A-N
|
220
|
0
|
0
|
|
B-N
|
220
|
220
|
220
|
|
C-N
|
220
|
220
|
220
|
|
secondary voltage[V]
|
a-n
|
220
|
0
|
0
|
|
b-n
|
220
|
220
|
220
|
|
c-n
|
220
|
220
|
220
|
(2) 전력조류 특성 분석
연계용변압기가 Y-Y 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전력조류 특성을 나타내면 그림 14와 표 4와 같다. 여기서, 변압기 1차측 A-N에 부하를 접속하면 그림 14의(a)와 표 4의 (a)와 같이 3각 철심 변압기인 경우는 결상된 상에 3.6[ARMS]의 A상 전류를 B, C상에서 계통연계용 변압기를 통해 공급하고 있으나, 5각 철심
및 단상변압기인 경우는 전류를 공급하지 않음을 알 수 있다. 또한 변압기 2차측 a-n에 부하를 접속하면 그림 14의 (b)와 표 4의 (b)와 같이 3각 철심 변압기인 경우는 1차측 B, C상에서 결상된 2차측 a상에 3.6[ARMS]의 공급하고 있으나, 5각 철심 및 단상변압기인 경우는
전류를 공급하지 않음을 알 수 있다. 이런
그림 14 Y-Y결선 변압기의 전력조류 분포
Fig. 14 Power flow profile of Y-Y transformer
표 4 Y-Y 결선 변압기의 전력 조류 특성
Table 4 Power flow characteristics of Y-Y transformer
(a) 변압기 1차측 부하접속
(a) Load connection at primary side
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase pank
|
|
primary current[A]
|
A
|
3.6
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
0
|
0
|
|
C
|
3.6
|
0
|
0
|
(b) 변압기 2차측 부하접속
(b) Load connection at secondary side
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase bank
|
|
primary current[A]
|
A
|
0
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
0
|
0
|
|
C
|
3.6
|
0
|
0
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.6
|
0
|
0
|
|
b
|
0
|
0
|
0
|
|
c
|
0
|
0
|
0
|
결상된 상에 전류를 공급하는 형태는 정상상태인 B, C상에서 계통연계용 변압기를 통해 A상으로 전류를 공급하는 역조류 형태를 보이고 있음을 알 수
있다. 따라서, 3각 철심 변압기를 사용하면 결상이 발생하는 경우, 계통연계용 변압기 1차측과 2차측에 전류를 공급하여, 보호계전기 오동작, 변압기과부하
등 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 상기의 시뮬레이션 결과로부터 실계통에 많이 적용된 3각 철심변압기를 5각 철심변압기로 교체하는 것이
적절함을 알 수 있었다.
5.2.2 Y-△ 결선 변압기의 결상 특성 분석(Case 2)
(1) 전압유기 특성 분석
연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전압 유기 특성을 나타내면 표 5와 같다. 여기서, 변압기의 철심형태와 관계없이 모든 변압기는 결상된 A상의 1차측 및 2차측 전압이 모두 220[VRMS]가 유기됨을 알 수 있었다.
이것은 A상의 결상상태에서도 2차측의 △결선을 통하여, 전류가 흐를 수 있는 통로가 형성되므로 불평형 자속이 결상된 상으로 유도되어 비정상적인 기전력을
발생시키기 때문이다. 따라서, 연계용변압기가 Y-△ 결선일 경우, 결상이 발생하면 계통연계용 변압기 1차측 및 2차측에 전압이 유기되어, 태양광전원
인버터가 결상을 감지하지 못하여 단독운전이 되어 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 또한, 1차측에도 전압이 유기되므로 배전선로 작업자가
결상으로 인한 정전으로 판단하여, 감전사고가 발생할 수 있음을 알 수 있었다.
표 5 Y-△ 결선 변압기의 전압 유기 특성
Table 5 Induced voltage characteristics of Y-△ transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase bank
|
|
primary voltage[V]
|
A-N
|
220
|
220
|
220
|
|
B-N
|
220
|
220
|
220
|
|
C-N
|
220
|
220
|
220
|
|
secondary voltage[V]
|
a-n
|
220
|
220
|
220
|
|
b-n
|
220
|
220
|
220
|
|
c-n
|
220
|
220
|
220
|
(2) 전력조류 특성 분석
연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전력조류 특성을 나타내면 표 6과 같다. 여기서, 변압기 1차측 A-N에 부하를 접속하면 표 6의 (a)와 같이 변압기의 철심형태와 관계없이 모든 변압기는 결상된 A상에 3.6[ARMS]의 전류를 공급하고 있으며, 변압기 2차측 a-b에 부하를 접속하면
표 6의 (b)와 같이 변압기의 철심형태와 관계없이 모든 변압기는 결상된 A상에 3.6[ARMS]의 전류를 공급하고 있음을 알 수 있었다. 이것은 정상상태인 B,
C상에서 계통연계용 변압기를 통해 A상으로 전류를 공급하는 역조류 형태를 보이기 때문이다. 따라서, 연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우는 철심형태와
관계없이 결상이 발생하면, 모든 연계용변압기 1차측과 2차측에 전류를 공급하여, 보호계전기 오동작, 변압기과부하 등 계통에 악영향을 미칠 수 있음을
확인하였다.
표 6 Y-△ 결선 변압기의 전력조류 특성
Table 6 Power flow characteristics of Y-△ transformer
(a) 변압기 1차측 부하접속
(a) Load connection at primary side
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase pank
|
|
primary current[A]
|
A
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
B
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
C
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
(b) 변압기 2차측 부하접속
(b) Load connection at secondary side
|
classification
|
3-limb
|
5-limb
|
3 phase bank
|
|
primary
current[A]
|
A
|
0
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
C
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
b
|
3.6
|
3.6
|
3.6
|
|
c
|
0
|
0
|
0
|
5.3 결상사고 해석용 시험장치에 의한 결상 특성 분석
5.3.1 Y-Y 결선 변압기의 결상 특성 분석(Case 1)
(1) 전압유기 특성 분석
4장에서 제시한 결상사고해석용 시험장치에 의하여 연계용변압기가 Y-Y 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전압
유기 특성을 나타내면 표 7과 같다. 여기서, 변압기가 3각 철심인 경우에는 결상된 A상의 1차측 및 2차측 전압이 모두 229[VRMS]가 유기되며, 단상변압기 3대(5각
철심변압기)의 경우, 1차측 및 2차측 전압이 모두 0[VRMS]로 유기되지 않음을 알 수 있었다. 따라서 5.2.1 (1)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로
3각 철심 변압기를
표 7 Y-Y 결선 변압기의 전압 유기 특성
Table 7 Induced voltage characteristics of Y-Y transformer
|
classification
|
3-limb
|
3 phase bank / 5-limb
|
|
primary voltage[V]
|
A-N
|
229
|
0
|
|
B-N
|
229
|
229
|
|
C-N
|
228
|
228
|
|
secondary voltage[V]
|
a-n
|
229
|
0
|
|
b-n
|
229
|
229
|
|
c-n
|
228
|
228
|
사용하면 결상이 발생하는 경우, 계통연계용 변압기 2차측에 전압이 유기되어, 태양광전원 인버터가 결상을 감지하지 못하여 단독운전이 되어 계통에 악영향
및 감전사고를 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 전력조류 특성 분석
연계용변압기 1차측 A상이 단선되는 결상상태에서, 계통연계용 변압기가 Y-Y 결선인 경우, 전력조류 특성을 나타내면 표 8과 같다. 여기서, 변압기 1차측 A-N에 부하를 접속하면 표 8의 (a)와 같이 3각 철심 변압기인 경우는 결상된 상에 3.4[ARMS]의 전류를 공급하고 있으나, 5각 철심 및 단상변압기인 경우는 전류를 공급하지 않음을
알 수 있다. 또한 변압기 2차측 a-n에 부하를 접속하면 표 8의 (b)와 같이 3각 철심 변압기인 경우는 결상된 상에 3.4[ARMS]의 전류를 공급하고 있으나, 5각 철심 및 단상변압기인 경우는 전류를 공급하지 않음을
알 수 있다. 따라서, 3각 철심 변압기를 사용하면 결상이 발생하는 경우, 5.2.1 (2)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 계통연계용 변압기 1차측과
2차측에 전류를 공급하여, 보호계전기 오동작, 변압기과부하 등 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
표 8 Y-Y 결선 변압기의 전력조류 특성
Table 8 Characteristics power flow of Y-Y transformer
(a) 변압기 1차측 부하접속
(a) Load connection at primary side
|
classification
|
3-limb
|
3 phase bank / 5-limb
|
|
primary current[A]
|
A
|
3.4
|
0
|
|
B
|
3.4
|
0
|
|
C
|
3.4
|
0
|
(b) 변압기 2차측 부하접속
(b) Load connection with secondary side
|
classification
|
3-limb
|
3 phase bank / 5-limb
|
|
primary current[A]
|
A
|
0
|
0
|
|
B
|
3.4
|
0
|
|
C
|
3.4
|
0
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.4
|
0
|
|
b
|
0
|
0
|
|
c
|
0
|
0
|
5.3.2 Y-△ 결선 변압기의 결상 특성 분석(Case 2)
(1) 전압유기 특성 분석
연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전압 유기 특성을 나타내면 표 9와 같다. 여기서, 변압기가 3각 철심인 경우에는 결상된 A상의 1차측 A-N에 229[VRMS], 2차측 a-b와 c-a상에 228[VRMS]가
유기되며, 단상변압기의 경우, 1차측 A-N에 224[VRMS], 2차측 a-b에 226[VRMS], c-a에 225[VRMS]가 유기됨을 알 수
있었다. 따라서, 5.2.2 (1)의 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 연계용변압기가 Y-△ 결선일 경우, 어떤 철심구조에서도 결상이 발생하면 변압기 1차측
및 2차측에 전압이 유기되어, 태양광전원 인버터가 결상을 감지하지 못하여 단독운전이 되어 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
표 9 Y-△ 결선 변압기의 전압 유기 특성
Table 9 Induced voltage characteristics of Y-△ transformer
|
classification
|
3-limb
|
3 phase bank / 5-limb
|
|
primary voltage[V]
|
A-N
|
229
|
224
|
|
B-N
|
230
|
228
|
|
C-N
|
229
|
226
|
|
secondary voltage[V]
|
a-b
|
228
|
226
|
|
b-c
|
231
|
228
|
|
c-a
|
228
|
225
|
(2) 전력조류 특성 분석
연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우, 연계용변압기의 1차측 고압배전선로 A상이 단선되는 결상상태의 전력조류 특성을 나타내면 표 10과 같다. 여기서, 변압기 1차측 A-N에 부하를 접속하면 표 10의 (a)와 같이 변압기의 철심형태와 관계없이 모든 변압기는 결상된 A상에 3.4[ARMS]의 전류를 공급하고 있으며, 변압기 2차측 a-b에 부하를 접속하면
표 10의 (b)와 같이 변압기의 철심형태와 관계없이 모든 변압기는 결상된 A상에 3.4[ARMS]의 전류를 공급하고 있음을 알 수 있었다. 따라서, 5.2.2 (2)의
시뮬레이션 결과와 마찬가지로 연계용변압기가 Y-△ 결선인 경우는 철심형태와 관계없이 결상이 발생하면 모든 연계용변압기 1차측과 2차측에 전류를 공급하여,
보호계전기 오동작, 변압기과부하 등 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
표 10 Y-△ 결선 변압기의 전력조류 특성
Table 10 Power flow characteristics of Y-△ transformer
(a) 변압기 1차측 부하접속
(a) Load connection at primary side
|
classification
|
3-limb
|
3phasebank/5-limb
|
|
primary current
[A]
|
A
|
3.4
|
3.4
|
|
B
|
3.4
|
3.4
|
|
C
|
3.4
|
3.4
|
(b) 변압기 2차측 부하접속
(b) load connection at secondary side
|
classification
|
3-limb
|
3phasebank/5-limb
|
|
primary current[A]
|
A
|
0
|
0
|
|
B
|
3.4
|
3.4
|
|
C
|
3.4
|
3.4
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.4
|
3.4
|
|
b
|
3.4
|
3.4
|
|
c
|
0
|
0
|
5.4 종합분석
(1) 전압유기특성 비교분석
결상상태 시 전압유기특성에 대하여, PSCAD/EMTDC의 시뮬레이션 값과 결상사고 해석용 시험장치에 의한 실증시험 결과를 비교하면, 표 11과 같이 거의 동일함을 알 수 있었다. 즉, 표 11(a)와 같이 연계용변압기가 Y-Y 결선일 경우 3각 철심 변압기는 결상된 A상 1, 2차측에 전압을 유기하고 있으며, 5각 철심 및 단상변압기는 전압유기
현상이 발생하지 않음을 알 수 있었다. 또한, 표 11(b)와 같이 태양광전원 연계용변압기가 Y-△ 결선일 경우 철심형태와 관계없이 결상된 A상 1, 2차측으로 전압을 유기하고 있음을 알 수 있었다. 따라서,
연계용변압기가 Y-Y 결선의 3각 철심 또는 Y-△ 결선 변압기는 결상이 발생하면 계통연계용 변압기 2차측에 전압이 유기되어, 태양광전원 인버터가
결상을 감지하지 못하고 단독운전이 되어 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 또한, 1차측에도 전압이 유기되므로 배전선로 작업자가 결상으로
인한 정전으로 판단하여, 감전사고가 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 상기의 전압유기특성으로 평가하면, 연계용변압기는 Y-Y 결선방식의 5각 철심구조가
계통보호 및 감전사고 측면에서 가장 적정함을 할 수 있었다.
표 11 A상 결상사고에 따른 전압유기 특성
Table 11 Induced voltage characteristics with A-phase open phase fault
(a) Y-Y 결선 시 전압유기 특성
(a) Induced voltage characteristics of Y-Y transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb / 3 phase bank
|
|
PSCAD
|
test device
|
PSCAD
|
test device
|
|
primary voltage
[V]
|
A-N
|
220
|
229
|
0
|
0
|
|
B-N
|
220
|
229
|
220
|
229
|
|
C-N
|
220
|
228
|
220
|
228
|
|
secondary voltage
[V]
|
a-n
|
220
|
229
|
0
|
0
|
|
b-n
|
220
|
229
|
220
|
229
|
|
c-n
|
220
|
228
|
220
|
228
|
(b) Y-△ 결선 시 전압유기 특성
(b) Induced voltage characteristics of Y-△ transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb / 3 phase bank
|
|
PSCAD
|
test device
|
PSCAD
|
test device
|
|
primary voltage
[V]
|
A-N
|
220
|
229
|
220
|
224
|
|
B-N
|
220
|
230
|
220
|
228
|
|
C-N
|
220
|
229
|
220
|
226
|
|
secondary voltage
[V]
|
a-n
|
220
|
228
|
220
|
226
|
|
b-n
|
220
|
231
|
220
|
228
|
|
c-n
|
220
|
228
|
220
|
225
|
(2) 전력조류특성 비교분석
결상상태 시 전력조류특성에 대하여, PSCAD/EMTDC의 시뮬레이션 값과 결상사고 해석용 시험장치에 의한 실증시험 결과를 비교하면, 표 12와 같이 거의 동일함을 알 수 있었다. 즉, 표 12(a)와 같이 연계용변압기가 Y-Y 결선일 경우 3각 철심 변압기는 결상된 상 1, 2차측에 전류를 공급하고 있으나, 5각 철심 및 단상변압기인 경우는
전류를 공급하지 않음을 알 수 있다. 이런 결상된 상에 전류를 공급하는 형태는 정상상태인 B, C상에서 계통연계용 변압기를 통해 A상으로 전류를 공급하는
역조류 형태를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 표 12(b)와 같이 태양광전원 연계용변압기가 Y-△ 결선일 경우 철심형태와 관계없이 계통연계용 변압기의 역조류 현상으로 인해 결상된 A상으로 전류를 공급하고
있음을 확인 할 수 있었다. 따라서, 연계용변압기가 Y-Y 결선의 3각 철심 또는 Y-△ 결선 변압기는 결상이 발생하면 계통연계용 변압기 1차측과
2차측에 전류를 공급하여, 보호계전기 오동작, 변압기과부하 등 계통에 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
표 12 A상 결상사고에 따른 전력조류 특성
Table 12 Power flow characteristics with open phase fault at A-phase
(a) Y-Y 결선 변압기의 전력조류 특성
(a) Power flow characteristics of Y-Y transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb/3phase bank
|
|
PSCAD
|
test device
|
PSCAD
|
test
device
|
|
load connection at
primary side
|
primary current[A]
|
A
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
C
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
load connection at
secondary side
|
primary current[A]
|
A
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
C
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.6
|
3.4
|
0
|
0
|
|
b
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
c
|
0
|
0
|
0
|
0
|
(b) Y-△ 결선 변압기의 전력조류 특성
(b) Power flow characteristics of Y-△ transformer
|
classification
|
3-limb
|
5-limb/3phase bank
|
|
PSCAD
|
test device
|
PSCAD
|
test
device
|
|
load connection at primary
side
|
primary current[A]
|
A
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
B
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
C
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
load connection at secondary side
|
primary current[A]
|
A
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
B
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
C
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
secondary current[A]
|
a
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
b
|
3.6
|
3.4
|
3.6
|
3.4
|
|
c
|
0
|
0
|
0
|
0
|
6. 결 론
본 논문에서는 태양광전원 연계계통의 배전선로에서 1상이 단선되는 결상사고 발생 시 결상된 상에 전력을 공급하는 현상과 인버터 측에서 결상을 인지하지
못한 원인을 분석하기 위하여, 태양광 전원 연계용변압기의 모델링을 통한 시뮬레이션을 수행하였으며, 결상사고 해석용 시험장치를 구현하여 계통연계용 변압기의
결선방법 및 철심구조별 실증시험한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 결상사고 시 태양광전원 연계용변압기가 Y-Y 결선 일 경우, 3각 철심 변압기만 결상된 상에 전압 및 전력을 공급하고 있으나, 5각 철심과
단상변압기는 결상된 상에 전압 및 전력을 공급하지 않음을 확인하였다. 따라서, 3각 철심 변압기를 사용하면 결상이 발생하는 경우, 계통연계용 변압기
1, 2차측에 전압이 유기되어, 태양광전원 인버터가 결상을 감지하지 못하고 단독운전이 되어 계통에 악영향 및 감전사고를 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 태양광전원 연계용 변압기가 Y-△ 결선일 경우, 철심형태와 상관없이 결상된 상에 전압 및 전력을 공급하고 있음을 확인하였다.
(3) 전압유기 및 전력조류 특성으로 평가하면, 연계용변압기는 Y-Y 결선방식의 5각 철심구조가 계통보호 및 감전사고 측면에서 가장 적정함을 알 수
있었다.
Acknowledgements
This work was supported by the Power Generation & Electricity Delivery Core Technology
Program of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP)
granted financial resource from the Ministry of Trade, Industry & Energy, Republic
of Korea(No. 20172410100030)
This work was supported by the Power Generation & Electricity Delivery Core Technology
Program of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP)
granted financial resource from the Ministry of Trade, Industry & Energy, Republic
of Korea(No. 20191210301940)
References
Sung-Hun Park, Yong-Sik Lee, Sung-Won Jeong, Jae-Hyeon Gim, 2019, Analysis of the
Effect of the Grid-connected Photovoltaic System in Fault Case of Power System, Journal
of The Korean Solar Energy Society, Vol. 39, No. 4, pp. 69-77
Byeong-Gi Kim, Jae-Beom Park, Kyeong-Sang You, Dae-Seok Rho, 2011, Optimal Operation
Methods of Protection Devices in Distribution Systems with PV Systems, The Transactions
of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 60, No. 8, pp. 1485-1491
Guideline for Interconnection of Distributed Generation System in Distribution Systems,
KEPCO, 2012.536
Jung-Eun Lee, Young-Joo Song, Hong-Kyoo Choi, Tae-Hoon Kim, In-Tae Kim, 2014, A Study
on Application for Y-Tz Transformer Winding Method to Decrease the Current Unbalance
on the Source Side, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers,
Vol. 63, No. 9, pp. 1206-1211
R. F. Arritt, R. C. Dugan, 2008, Distributed generation inter- connection transformer
and grounding selection, in Proc. of Power and Energy Society General Meeting - Conversion
and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, Vol. ieee, No. , pp. 1-7
Hyun-Sik Jo, Sung-Woo Cho, Chang-Hoon Shin, Han- Ju Cha, 2016, Zero Sequence Impedance
of Yg-Yg Three Phase Core Type Transformer, The Transactions of the Korean Institute
of Electrical Engineers, Vol. 65, No. 6, pp. 940-945
Dong-Yeol, Shin, Dong-hyun Yun, Han-Ju Cha, 2012, Problem Analysis by Iron Core
Structure of the Transformer on Asymmetric three Phase lines and Prevention Measures,
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 61, No. 10,
pp. 1536-1541
Dong-Yeol Shin, Bok-Nam Ha, Won-Wook Jung, Han- Ju Cha, 2008, A Study on the Reverse-Power-Flow
Phenomenon due to Transformer Wiring Types in Distribution System, The Korean Institute
of Illuminating and electrical Installation Engineers, Vol. 22, No. 9, pp. 111-119
Chan-Hyeok Kim, Hyeon-Seok Park, Dea-Seok Rho, Chang-Hoon Shin, Gigab Yoon, 2009,
A Study on the Optimal Method for Mal-function of Re-closer at the Distribution Feeders
Interconnected with PV Systems, The Transactions of the Korean Institute of Electrical
Engineers, Vol. 58, No. 8, pp. 1512-1518
Dong-Yeol Shin, Dong-Hyun Yun, Han-Ju Cha, 2013, The Develop- ment of an Algorithm
for the Correction of Errors in the Phase Current of the Protective Relay on Distribution
System Interconnected with Distributed Generation, The Transactions of the Korean
Institute of Electrical Engineers, Vol. 62, No. 11, pp. 1604-1609
KS C IEC 60076-8 Power transformer – Guideline for Applying.
W. Enright, N. Watson, O. B. Nayak, 1999, Three-Phase Five-Limb Unified Magnetic Equivalent
Circuit Transformer models for PSCAD V3, IPST '99 Proceedings, Vol. budapest, No.
, pp. 462-467
저자소개
He received his M.S. degrees in Electrical Engineering from Soong-Sil University of
in 2011.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He has been working as a professor at Korea Polytechnics since 2017.
His research interests include power distribution system, distributed generator, safety
of electricity, electrical facility.
He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University
of Technology and Education in 2016 and 2018, respectively.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in distribution system, power quality, protection coordination, renewable
energy resources and micro-grid.
He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University
of Technology and Education in 2014 and 2016, respectively.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in distribution system, power quality, coordination of protection
devices, renewable energy resources and micro-grid.
He received the B.S. degree and M.S. degree in Electrical Engineering from Korea University
in 1985 and 1987, respectively.
He earned a Ph.D. degree in Electrical Engineering from Hokkaido University, Sapporo,
Japan in 1997.
He has been working as a professor at Korea University of Technology and Education
since 1999.
His research interests include operation of power distribution systems, dispersed
storage and generation systems and power quality.