KR102341568B1 - 저전류 계전기(ucr)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법 - Google Patents

저전류 계전기(ucr)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법 Download PDF

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Abstract

태양광 발전, 풍력 발전 등 신.재생 에너지 개발이 확대됨에 따라 한전 전력 계통에 연계하여 한전 계통으로 역송전하는 소규모 발전 사업자는 기하 급수적으로 증가하고 있다.
이들은 소용량 태양광 발전의 경우 저압 10KW 이하 소용량 역송전 병렬형 분산형 전원은 일반적으로 여러대의 계통 연계형 단상 인버터를 병렬로 연결하여 한국 전력 계통과 연계 운전을 실시하고 있다.
이경우 1대 또는 그 이상의 단상 인버터 고장시 전압 및 전류의 상불평형 으로 인한 한전 전력의 품질 유지 관리의 필요성이 요구 되고 있다. (참조 : 한국전력 "분산형 전원 배전계통 연계 기술 기준" 제17조)
이때 한전 3상 계통에 다수의 단상 인버터를 설치하는 경우 1대 또는 그 이상의 인버터 고장시 상 불평형에 의한 영향이 연계된 한국 전력 계통으로 파급되지 않도록 병렬형 분산형 전원을 해당 계통으로 부터 자동적으로 신속히 연계를 분리하기 위한 보호 협조 기능을 갖인 보호 계전기함이 필요하게 되었다.
본 발명을 실현하기 위해 저전류 계전기(UCR,Under Current Relay), 24시 Timer 및 On-Delay Timer 등 관련 보호 장치들을 이용하여 한전 계통과 연계 운전중인 단상 인버터의 고장을 신속히 효율적으로 검출하고 전압과 전류의 상 불평형으로 인한 한국 전력의 품질 저하를 예방하기 위해 나머지 건전한 단상 인버터의 계통 연계 운전을 해제하여 계통과 분리시킨다.
그리고 해당 단상 인버터의 고장 요인이 해소되면 자동 Re-Set 기능으로 계통과 연계 운전의 재실시가 가능한 저전류 계전기와 관련 보호 장치를 이용하여 한전 3상 계통과 연계된 단상 인버터의 단상 또는 2상 운전 방지를 위한 보호 계전기함 및 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법을 제공한다.

Description

저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법{Method for Anti-islanding of the grid-connected Single Phase Inverter using Under Current Relay(UCR)}
본 발명은 소규모 태양광 발전 전력을 한전 3상 계통에 연계할 목적으로 단상 인버터를 이용한 발전 사업자가 기하급수적으로 증가 하고 있는바 이들 단상 인버터가 1대 이상 고장시 전압 및 전류의 상불평형으로 한전 전력의 품질 유지 관리의 필요성이 요청되었다.
따라서 본 발명은 한전 전력의 품질 유지 관리를 목적으로 이들 단상 인버터의 고장을 신속히 효과적으로 감지하여 한전 계통과 연계를 분리시켜 단상 또는 2상 연계 운전으로 인한 상 불평형을 방지할 목적으로 저전류 계전기와 제어 전원 통제용 24시간 Timer 및 인버터 부팅을 위한 On Delay 기능을 가진 Timer를 적절히 조합 응용하여 구성하였다.
일반적으로 10KW 이하의 소용량 분산형 전원을 한전 3상 계통에 연계할 경우 설치 비용을 절감하기 위해 고가인 3상 인버터 대신 상대적으로 가격이 저렴한 단상 인버터 3대를 계통 연계 목적으로 사용하고 있다.
이 경우 1대 또는 그 이상의 단상 인버터의 고장시 전압 및 전류의 상 불평형으로 한전 전력의 품질에 영향을 줄 수 있다.
따라서 한국전력의 3상 계통에 연계 운전중인 단상 인버터의 고장을 신속히 감지하여 한전 계통과 연계 운전을 자동적으로 분리하는 보호 계전기함이 필요하게 되었다.
한국 전력의 분산형 전원 배전계통 연계 기술 기준(Guideline)의 제 17조 및 18조: 역송병렬 분산형 전원의 경우에는 제17조에 따른 단독운전 방지기능에 의해 자동적으로 연계를 차단하는 장치를 설치하여야한다. 단상 인버터 활용 발전설비 연계 방안의 보호장치 설치항: 3상 계통에서 2상 또는 3상에 단상 인버터를 설치하는 경우 계통 또는 1대 이상의 인버터 고장시 계통에서 분리될 수 있도록 전압 및 전류 요소를 포함한 계전기 및 차단기를 인버터 전단에 설치하여야 한다.
한국 전력에서는 전력 계통과 연계된 단상 인버터를 이용한 수 많은 소형 발전소로 부터 한전 계통 전력의 품질 유지 관리를 위해 "분산형 전원 배전 계통 연계 기술 기준" 에서 한전 3상 계통에 단상 인버터를 이용하여 연계 운전 하는 경우 1대 이상의 인버터 고장시 계통과 신속히 분리하기 위해 전압 및 전류 요소를 포함한 계전기를 인버터 전단에 설치해야 한다고 명시하고 있다.
따라서 일부에서는 유효전력 계전기, 무효전력 계전기 및 주파수 계전기를 사용하여 1대 이상의 단상 인버터 고장시 유효전력, 무효전력 및 주파수의 미세한 변동을 검출하여 한전과 연계운전을 해제하는 방법을 고안하여 사용하고 있다.
그러나 한전 계통에 연계된 10KW 이하의 소형 인버터 고장으로 한전 계통의 유효전력 무효전력 및 주파수의 변동을 검출하는데는 기술적인 한계와 고가의 보호 계전기가 소요될 것으로 사료된다.
그래서 현재까지 한국전력에서 요구하는 기술 조건을 만족하는 확실한 보호계전기함이 개발되지 않고 있다.
본 발명은 저전류 계전기(UCR)의 무부하 트립(NLT)기능과 On Delay Timer 및 관련 보호 장치들을 응용하여 한전 3상 계통에 연계 운전중인 단상 인버터의 1대 이상 고장시 고장 인버터의 출력 전류가 ZERO(0)가 되어 해당 저전류 계전기(UCR)의 무부하 트립(NLT) 기능으로 UCR 이 트립된다.
이때 해당 UCR의 트립 신호를 받아 가장 확실하게 한전 3상 계통과 연계운전을 즉시 해제하게 된다.
따라서 본 발명은 3대의 UCR 과 On Delay Timer 및 관련 보호 장치를 응용하여 한전 3상 계통에 연계된 1대 이상의 단상 인버터 고장시 가장 확실한 방법으로 한전과 연계운전을 신속 정확하게 해제하므로 단상 인버터를 이용하여 한전과 연계 운전중인 분산형 전원의 단상 또는 2상 운전을 방지하여 한전 전력의 품질 유지 관리를 목적으로 창작된 "계통 연계된 단상 인버터의 단독 운전 방지를 위한 보호 계전기 함"의 제작 방법 및 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법을 제공한다.
본 발명은 저전류 계전기(UCR)의 무부하 트립(NLT)기능과 On Delay Timer 및 관련 보호 장치들을 응용하여 한전 3상 계통에 연계 운전중인 단상 인버터의 1대 이상 고장시 고장 인버터의 출력 전류가 ZERO(0)가 되어 해당 저전류 계전기(UCR)의 무부하 트립(NLT) 기능으로 UCR 이 트립된다.
이때 해당 UCR의 트립 신호를 받아 가장 확실하게 한전 3상 계통과 연계운전을 즉시 해제하게 된다.
따라서 본 발명은 3대의 UCR 과 On Delay Timer 및 관련 보호 장치를 응용하여 한전 3상 계통에 연계된 1대 이상의 단상 인버터 고장시 가장 확실한 방법으로 한전과 연계운전을 신속 정확하게 해제하므로 단상 인버터를 이용하여 한전과 연계 운전중인 분산형 전원의 단상 또는 2상 운전을 방지하여 한전 전력의 품질 유지 관리를 목적으로 창작된 "계통 연계된 단상 인버터의 단독 운전 방지를 위한 보호 계전기 함"의 제작 방법 및 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법을 제공한다.
본 발명의 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법은, (a) R, S, T, N 상의 한전 전력 계통에 R, S, T, N 상용 회로보호용차단기(MCCB)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 회로보호용차단기(MCCB)의 후단에 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)의 후단에 무부하 트립(NLT) 기능을 가진 R, S, T 상용 저전류계전기(UCR)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 저전류계전기(UCR)의 후단에 R, S, T 상용 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)를 각각 연결하고, 상기 N상용 회로보호용차단기(MCCB)의 후단에 상기 R, S, T 상용 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)를 각각 연결하고, 제어 전원을 통제하는 일출일몰 시각이 내장된 24시 Timer(T)와 인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT)의 출력 신호를 기초로 상기 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)의 개폐(Open/Close)를 제어하기 위한 파워 릴레이(Power Relay)를 구비하고, 상기 회로보호용차단기(MCCB)는 한전과의 연계를 위해 정상적인 경우 상시 ON 상태를 유지하고, 상기 저전류 계전기(UCR)는 단상용으로 무부하 트립(NLT)기능 또는 미세 전류 감지 기능이 있어야 하며 단상용 UCR을 사용하여 3상 4선식 회로에서 단상 인버터의 출력 전류를 감지하여 인버터 고장시 트립 신호가 발생되어야 하고, 상기 24시 Timer(T)는 제어용 전원 ON/OFF 용으로 충전용 배터리(Battery) 내장형이며 일출과 일몰 시각이 내장되어 있어야 하며 일출후 태양광 발전 가능 시간을 고려하여 제어용 전원을 ON(공급) 하며 일몰후 제어용 전원을 OFF하여 UCR을 포함한 모든 Relay를 자동적으로 Re-set하고, 상기 On-Delay Timer(BT)는 계통 연계형 상기 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)의 부팅용으로 사용되며, 계통 연계형 상기 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)는 일출후 태양광 발전 초기 시간에는 인버터를 부팅하여 한전 계통과 연계 운전을 할 수 있도록 상기 On-Delay Timer(BT)의 세팅(Setting) 시간 동안은 저전류 계전기(UCR)의 기능을 해제하도록 하는 단계; (b) 전자 접촉기(MC)가 태양광 발전 가능 시간대인 24시 Timer(T)의 ON 시간대와 인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT)의 짧은 Setting 시간 이내에는 제어용 전원은 공급되지만 저전류 계전기(UCR)에 전원이 공급되지 못하므로 인버터의 정상 동작 여부와 관계없이 UCR의 Trip 기능이 활성화 못하므로 전자 접촉기(MC)의 조작용 코일이 여자되어 전자접촉기(MC)가 Close되므로 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계되어 한전으로 역송전 할 수 있는 단계; (c) 인버터 부팅용 On-Delay Timer(BT)의 Setting 시간이 초과될 경우는 단상 인버터(q,r,s)가 모두 정상 동작하는 경우에만 전자 접촉기(MC)가 Close 되어 한전과 연계 운전하게 되는 단계; (d) 1대 이상 단상 인버터가 정상 동작 못하면 해당 UCR의 트립 기능이 동작하여 전자접촉기(MC)가 Open되므로 한전의 3상 계통에 같이 연계 운전되고 있는 건전한 인버터를 포함한 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계 운전이 해제되는 단계; 및 (e) 단계 (d)에서 트립된 UCR은 일몰 시간 이후 24시 Timer(T)의 제어용 전원 OFF 로 자동 Re-Set 되므로 다음날 일출 시간 이후 단상 인버터가 모두 정상 발전을 할 경우 UCR을 포함한 모든 제어 장치들은 정상 동작되어 한전과 다시 연계 운전을 할 수 있는 단계;를 포함할 수 있다.
신.재생 에너지의 보급 확대에 따라 기하 급수적으로 증가하고 있는 소용량 역송전 분산형 전원 사업자는 설치 비용 절감을 위해 대부분 3상 인버터 대신 단상 인버터를 사용하고 있다.
또한 한국 전력에서는 계통 전력의 품질 유지 관리 목적으로 전압 및 전류 요소를 포함한 단상 인버터의 단독운전 방지 계전기함을 인버터 전단에 설치 해야한다고 명시하고 있다.
따라서 지금까지 소형 발전 사업자는 유효전력 계전기, 무효전력 계전기 및 주파수 계전기 등으로 구성된 기능도 보장되지 않은 고가의 보호 계전기함을 사용하였다.
그러나 저전류 계전기와 On-Delay Timer 및 관련 보호 장치를 응용한 본 발명의 보호 계전기함은 한전의 요구 사항을 확실히 만족하며 기존의 보호 계전기함 대비 경제성도 좋아 소규모 발전 사업자에게 도움을 줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저전류 계전기(UCR)와 관련 Timer로 구성된 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법의 흐름도이고, 도 1의 회로의 동작을설명하는 플로우 차트이다.
위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 구현하기 위한 주된 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 회로 보호용 차단기(MCCB),한전과 연계 운전을 위한 전자 접촉기(MC),무부하 트립(NLT) 기능을 가진 저전류 계전기 (UCR),제어 전원을 통제하는 일출.일몰 시각이 내장된 24시 Timer(T),인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT) 및 관련 제어 회로 구성을 위한 Power Relay로 구성되어 있다.
보호 계전기함의 동작을 설명하면, 회로 보호용 차단기(MCCB)a는 한전과 연계를 위해 정상적인 경우 상시 ON 상태를 유지한다.
저전류 계전기(UCR) c, d, e 는 단상용으로 무부하 트립(NLT)기능 또는 미세 전류 감지 기능이 있어야 하며, 단상용 UCR을 사용하여 3상 4선식 회로에서 단상 인버터의 출력 전류를 감지하여 인버터 고장시 트립 신호가 발생되어야 하므로 CT 결선할 때 유의해야 한다.
24시 Timer(T) f는 제어용 전원 ON, OFF 용으로 충전용 Battery 내장형이며 일출, 일몰 시각이 내장되어 있어야 하며, 반듯이 현재 시간을 맞춰야 한다.
따라서 일출후 태양광 발전 가능 시간을 고려하여 제어용 전원을 ON(공급) 하며,일몰후 제어용 전원을 OFF하므로 UCR을 포함한 모든 Relay를 자동적으로 Re-set한다.
On-Delay Timer(BT) g는 계통 연계형 인버터의 부팅용으로 사용되며 0 ~ 30분용을 사용하였다.
계통 연계형 인버터는 전기 안전을 위해 한전 전원이 투입되어 있어야 부팅되도록 한국 전력에서 강제 규정하고 있으므로 일출후 태양광 발전 초기 시간에는 인버터를 부팅하여 한전 계통과 연계 운전을 할 수 있도록 BT의 Setting 시간 동안은 UCR의 기능을 해제하기 위한 것이다.
도 2의 플로우 차트에서 전자 접촉기(MC)는 태양광 발전 가능 시간대인 24시 Timer(T)의 ON 시간대와 인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT)의 짧은 Setting 시간 이내에는 제어용 전원은 공급되지만 UCR에 전원이 공급되지 못하므로 인버터의 정상 동작 여부와 관계없이 UCR의 Trip 기능이 활성화 못하므로 전자 접촉기(MC)의 조작용 코일이 여자되어 MC 가 Close되므로 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계되어 한전으로 역송전 할 수 있다.
그러나 인버터 부팅용 On-Delay Timer(BT)의 Setting 시간이 초과 될 경우는 단상 인버터(q,r,s)가 모두 정상 동작하는 경우에만 전자 접촉기(MC)가 Close 되어 한전과 연계 운전하게 되며, 만일 1대 이상 단상 인버터가 정상 동작 못하면 해당 UCR의 트립 기능이 동작하여 전자접촉기(MC)가 Open되므로 한전의 3상 계통에 같이 연계 운전되고 있는 건전한 인버터를 포함한 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계 운전이 해제된다.
이경우 트립된 UCR은 일몰 시간 이후 24시 Timer(T)의 제어용 전원 OFF 로 자동 Re-Set 되므로 다음날 일출 시간 이후 단상 인버터가 모두 정상 발전을 할 경우 UCR을 포함한 모든 제어 장치들은 정상 동작되어 한전과 다시 연계 운전을 할 수 있다.
따라서 위에서 기술된 내용은 단상용 저전류 계전기(UCR),24시 Timer(T), On-Delay Timer(BT)등을 적절히 응용하므로 한국 전력 3상 계통에 연계된 단상 인버터의 1대 이상 고장시 한전 계통과 연계 운전을 확실하게 해제하므로 한전에서 요구하는 분산형 전원 배전계통 연계 기술 기준 제17조를 만족한다. 따라서 본 발명은 저전류 계전기(UCR)를 이용한 한전 계통에 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지를 위한 보호 계전기함의 제작 방법 및 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법을 제공한다.
a(MCCB) : 분산형 전원이 한전 계통과 연계되는 배선용 차단기
b(MC) : 분산형 전원이 한전 계통과 연계 운전을 실시하는 전자 접촉기
c(UCR,R) : R상용 저전류 계전기(Under Current Relay)
d(UCR,S) : S상용 저전류 계전기(Under Current Relay)
e(UCR,T) : T상용 저전류 계전기(Under Current Relay)
f(T) : 일출, 일몰 시각이 내장된 24시 Timer
g(BT) : 계통 연계형 인버터의 부팅을 위한 On-Delay Timer
h(mc) : 전자 접촉기의 조작용 코일
i(INV.R) : R상용 인버터
j(INV.S) : S상용 인버터
k(INV.T) : T상용 인버터

Claims (1)

  1. (a) R, S, T, N 상의 한전 전력 계통에 R, S, T, N 상용 회로보호용차단기(MCCB)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 회로보호용차단기(MCCB)의 후단에 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)의 후단에 무부하 트립(NLT) 기능을 가진 R, S, T 상용 저전류계전기(UCR)를 각각 연결하고, 상기 R, S, T 상용 저전류계전기(UCR)의 후단에 R, S, T 상용 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)를 각각 연결하고, 상기 N상용 회로보호용차단기(MCCB)의 후단에 상기 R, S, T 상용 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)를 각각 연결하고, 제어 전원을 통제하는 일출일몰 시각이 내장된 24시 Timer(T)와 인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT)의 출력 신호를 기초로 상기 R, S, T 상용 전자접촉기(MC)의 개폐(Open/Close)를 제어하기 위한 파워 릴레이(Power Relay)를 구비하고, 상기 회로보호용차단기(MCCB)는 한전과의 연계를 위해 정상적인 경우 상시 ON 상태를 유지하고, 상기 저전류 계전기(UCR)는 단상용으로 무부하 트립(NLT)기능 또는 미세 전류 감지 기능이 있어야 하며 단상용 UCR을 사용하여 3상 4선식 회로에서 단상 인버터의 출력 전류를 감지하여 인버터 고장시 트립 신호가 발생되어야 하고, 상기 24시 Timer(T)는 제어용 전원 ON/OFF 용으로 충전용 배터리(Battery) 내장형이며 일출과 일몰 시각이 내장되어 있어야 하며 일출후 태양광 발전 가능 시간을 고려하여 제어용 전원을 ON(공급) 하며 일몰후 제어용 전원을 OFF하여 UCR을 포함한 모든 Relay를 자동적으로 Re-set하고, 상기 On-Delay Timer(BT)는 계통 연계형 상기 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)의 부팅용으로 사용되며, 계통 연계형 상기 인버터(INV.R, INV.S, INV.T)는 일출후 태양광 발전 초기 시간에는 인버터를 부팅하여 한전 계통과 연계 운전을 할 수 있도록 상기 On-Delay Timer(BT)의 세팅(Setting) 시간 동안은 저전류 계전기(UCR)의 기능을 해제하도록 하는 단계;
    (b) 전자 접촉기(MC)가 태양광 발전 가능 시간대인 24시 Timer(T)의 ON 시간대와 인버터 부팅을 위한 On Delay Timer(BT)의 짧은 Setting 시간 이내에는 제어용 전원은 공급되지만 저전류 계전기(UCR)에 전원이 공급되지 못하므로 인버터의 정상 동작 여부와 관계없이 UCR의 Trip 기능이 활성화 못하므로 전자 접촉기(MC)의 조작용 코일이 여자되어 전자접촉기(MC)가 Close되므로 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계되어 한전으로 역송전 할 수 있는 단계;
    (c) 인버터 부팅용 On-Delay Timer(BT)의 Setting 시간이 초과될 경우는 단상 인버터(q,r,s)가 모두 정상 동작하는 경우에만 전자 접촉기(MC)가 Close 되어 한전과 연계 운전하게 되는 단계;
    (d) 1대 이상 단상 인버터가 정상 동작 못하면 해당 UCR의 트립 기능이 동작하여 전자접촉기(MC)가 Open되므로 한전의 3상 계통에 같이 연계 운전되고 있는 건전한 인버터를 포함한 태양광 발전 전력은 한전 계통과 연계 운전이 해제되는 단계; 및
    (e) 단계 (d)에서 트립된 UCR은 일몰 시간 이후 24시 Timer(T)의 제어용 전원 OFF 로 자동 Re-Set 되므로 다음날 일출 시간 이후 단상 인버터가 모두 정상 발전을 할 경우 UCR을 포함한 모든 제어 장치들은 정상 동작되어 한전과 다시 연계 운전을 할 수 있는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전류 계전기(UCR)를 이용한 계통 연계된 단상 인버터의 단독운전 방지 방법.
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