초록
HV SVG(정적 변 발전기)는 현대 전력 시스템에서 가장 진보된 무효 전력 보상 기술을 대표합니다. 향상된 제어 알고리즘을 통해 조화 보상도 수행할 수 있습니다. 그러나 현장 적용에서는 직관에 반하는 현상이 드러났습니다: 시스템 측 전류와 전압 고조파는 보상 과정에서 감소하는 반면, 부하 측 전류 고조파는 크게 증가합니다. 본 논문은 이론적 분석, 모델링, 시뮬레이션을 통해 이 문제를 조사하며, 조화 보상 시스템의 효과적인 배치를 위한 실질적인 통찰을 제공합니다.
키워드: 조화 보상; 정적 변속기 발생기 (SVG)
I. 서론
아크로, 중주파 유도로, 잠수 아크노, 저전압 가변 주파수 드라이브(VFD), 정류기와 같은 비선형 부하의 광범위한 사용은 고조파, 전압 깜빡임, 불균형, 과전압, 저전압 등 전력망에서 점점 더 심각한 전력 품질 문제를 초래했습니다. 이러한 교란은 민감한 고정밀 장비의 작동을 위협할 뿐만 아니라 송배전 인프라의 손실도 증가시킵니다. 이러한 문제 중 하모닉은 특히 심각한 위험을 초래하며, 에너지 효율을 저하시키고 과열, 진동, 소음, 절연 노화, 심지어 전기 장비의 치명적인 고장을 초래합니다.
일반적인 고조파 완화 솔루션으로는 수동 필터(FC)와 능동 전력 필터(APF)가 있습니다. APF는 일반적으로 저전압(예: 380V 또는 660V)에서 배치되지만, 중고전압 시스템(10 kV/35 kV)은 통합 무효전력과 고조파 보상을 달성하기 위해 수정된 제어 전략을 가진 계단식 H-브리지 SVG에 의존하는 경우가 많습니다.
SVG는 완전 제어된 IGBT 소자를 기반으로 하며, 부피가 큰 커패시터와 리액터를 빠른 스위칭 전력 전자장치로 대체하여 동적이고 부드럽고 정밀한 보상을 가능하게 합니다. 제어 알고리즘을 정교하게 개선함으로써 SVG는 무효전력을 보정하고 고조파를 억제할 수 있습니다.
본 논문은 SVG의 조화보정 원리를 제시하고, 실제 적용을 보고하며, 시뮬레이션과 이론적 모델링을 통해 부하 측 고조파가 예상치 못하게 증가한 현상을 분석합니다.
II. SVG의 조화 보상 원리
a. 기본 SVG 동작
표 1: 운영 상태 원칙
SVG는 정적이고 빠른 반응을 가진 동적 무효 전력 보상기입니다. 이 회로는 여러 개의 직렬 연결 H-브리지 모듈로 구성된 자가 정류식 브리지 회로를 원자로나 변압기를 통해 그리드에 연결합니다(그림 1). 교류 측 출력 전압의 진폭과 위상을 조절하거나 출력 전류를 직접 제어함으로써 SVG는 필요에 따라 무효 전력을 주입하거나 흡수합니다.
그림 1: 고전압 캐스케이드 SVG 시스템 다이어그램
고전압 응용에서는 각 상마다 여러 개의 H-브리지 모듈이 계단화되며, 그 수는 전압 수준에 따라 스케일링됩니다. 제어 신호는 광섬유를 통해 전송되어 갈바닉 절연과 잡음 면역을 보장합니다(그림 2).
그림 2: SVG 시스템의 전기 구조 개식도
SVG는 시스템 전압, 시스템 전류, 부하 전류를 지속적으로 모니터링한 후, 공통 결합 지점에서 무효 전력, 전압 또는 역률의 목표값을 유지하기 위해 출력을 동적으로 조정합니다.
b. 조화 보상 메커니즘
직류 제어를 이용한 능동 필터링 기능을 갖춘 중전압 SVG의 작동 원리는 그림 3에 설명되어 있습니다. 이 그림으로부터 식 (1)을 유도할 수 있으며, 이는 소스 전류가 부하 전류와 보상 전류의 벡터 합임을 나타냅니다:
그림 3: 직류 제어를 이용한 정적 변압 발전기의 작동 원리
부하 전류가 기본 양의 시퀀스 전류(기본 양의 시퀀스 반응 및 능동 성분 모두), 기본 음의 시퀀스 전류, 그리고 고조파 전류를 포함한다고 가정하면, 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
소스 전류에서 기본 양극 반응 성분과 기본 음극 성분을 제거하려면, SVG 출력 전류는 식(3)을 만족해야 합니다:
결과적으로 소스 전류는 기본 양의 시열 활성 성분과 고조파 전류만을 포함하게 되며, 이는 식(4)에 나타난 것입니다:
따라서 원하는 보상을 달성하려면 식(3)의 요구사항을 충족하기 위해 SVG 출력 전류를 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
위의 SVG 작동 원리 설명을 통해 알 수 있듯이, SVG가 부하 고조파를 억제하고 무효 전력을 보상하는 것이라면, 해당 고조파 전류만 생성하면 된다는 것이 분명합니다. 따라서 SVG는 무효 전류 보상과 고조파 전류 완화라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있습니다.
이를 위해 회전 좌표 기반 선택적 고조파 검출, FFT(고속 푸리에 변환), 즉각적 무효 전력 이론 등 다양한 고조파 검출 알고리즘이 활용될 수 있습니다.
III. 현장 관찰 및 문제 분석
a. 사례 연구: 중국의 제지 공장
이 시설은 35kV 그리드로 두 대의 10kV 주 변압기(하나는 활성화, 하나는 대기)를 통해 공급됩니다. 10 kV 버스는 ~60개의 피더와 두 개의 자가 발전 유닛을 공급합니다. 주요 비선형 부하에는 이산화염소 정류기, 염소-알칼리 정류기, VFD가 있으며, 이들은 5차 및 7차 고조파를 생성하며, 5차 고조파는 효용 한계를 초과합니다.
그림 4: 현장 전력 공급 장치의 기본 시스템 다이어그램
5차 고조파 완화를 위해 10 kV 버스에 10 kV / 5 Mvar SVG가 설치되었습니다. 가동 후 데이터(표 2)는 다음을 보여줍니다:
표 2: 조화 보상의 영향
시스템 측 고조파는 감소했지만, 총 부하 측 5차 고조파 전류는 93A에서 152A로 증가하여 SVG의 96A 보상 제한에도 불구하고 63% 증가했습니다.
전압 고조파 측정 결과, 10 kV 버스에서 성공적으로 억제가 확인되어 공진이나 과보상이 배제되었습니다.
그림 5: 보상 전(왼쪽)과 후(오른쪽) 10kV 버스 전압의 고조파
b. 근본 원인 분석
이 현상은 상대적으로 약한 공급 시스템의 무시할 수 없는 내부 임피던스((Z_1))에서 비롯됩니다. 부하 고조파 전류는 다음 조건에 따라 달라집니다:
그리드 전압 ((V))
소스 임피던스 ((Z_1))
부하 임피던스 ((Z_2))
보상 전에는 Z_1 흐르는 고조파 전류가 연결 지점에서 전압 왜곡을 일으킵니다. SVG 보상 후에는 소스로 돌아오는 고조파 전류가 줄어들어 전압 왜곡을 줄이고 그리드의 외관적 단락 용량을 효과적으로 증가시킵니다. 따라서 동일한 비선형 부하가 전압 품질 개선으로 인해 더 많은 고조파 전류를 끌어들이며, 이는 약한 그리드에서 잘 알려진 '고조파 증폭' 효과입니다.
그림 6: SVG 조화 보상 원리의 개략 도면
IV. 시뮬레이션 검증
10 kV 시스템의 Simulink 모델이 제작되었으며(그림 7), SVG 컨트롤러는 C 기반 S-함수로 구현되었습니다(그림 8). 부하 상태는 입력 리액터와 RC 출력이 있는 3상 다이오드 정류기로 구성되었습니다.
그림 7: 10kV 그리드 SVG 조화 보상의 Simulink 시뮬레이션
그림 8: S-함수 모듈의 설정
두 가지 시나리오가 테스트되었습니다:
(1) 소스 대 부하 임피던스 비율 = 1:10
그림 9: 임피던스비 1:10의 시뮬레이션 결과 파형
부하 고조파 전류는 81.63%에서 85.09% THD로 증가했습니다
시스템 전압과 전류 고조파가 크게 감소했습니다
표 3: 임피던스비 1:10과 피드포워드 고조파 보정 전후 고조파 비교
(2) 임피던스 비율 = 1:1 (약한 그리드)
그림 10: 임피던스 비율 1:1의 시뮬레이션 결과 파형
부하 고조파 전류가 105.31% THD로 급증했습니다
약한 그리드가 부하 측 고조파 증폭을 악화시킨다는 점을 확인시켜 줍니다
파형(그림 9–10)은 시스템 측 파형이 더 깔끔함에도 불구하고 부하 전류 왜곡이 증가하는 것을 명확히 보여줍니다.
표 4: 임피던스 비율 1:1과 고조파 보상 전후의 피드포워드 고조파 비교
V. 결론
이 연구는 고전압 SVG가 시스템 측 고조파를 효과적으로 줄이지만, 전압 품질 개선으로 인해 약한 그리드 상황에서는 부하 측 고조파 전류를 의도치 않게 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 소스 임피던스와 부하 임피던스 비율이 감소할수록 이 효과는 더욱 강해집니다.
따라서 조화 보상 시스템을 설계할 때:
측정된 부하 고조파만을 기준으로 SVG 용량을 산정하지 마세요
그리드 강도(단락 용량)와 임피던스 특성을 고려하세요
중요한 응용을 위한 하이브리드 솔루션(예: SVG + 수동 필터)을 고려해 보세요
이러한 발견은 산업 전력 시스템에서 SVG 기반 조화 완화를 안전하고 효과적으로 배포하는 데 귀중한 지침을 제공합니다.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
인콰이어에 오신 것을 환영합니다