2.1 실험을 위한 배전계통 구성

그림 1. 스마트 인버터와 유도전동기가 포함된 배전계통

Fig. 1. Schematic diagram of power distribution system including smart inverter and induction motor

스마트 인버터와 유도전동기가 포함된 배전계통 구성은 그림 1과 같다. 주 전원은 380V 전압을 공급하고, 주 변압기 (MTr., Main Transformer)을 거쳐 160V로 배전계통에 연결되어 있다. 주 변압기 바로 뒤쪽으로 초전도 한류기를 적용하였고, 3개의 버스로 구성하여 버스마다 각각 1개의 저항 부하를 연결하였다. 주 변압기, 선로 임피던스, 부하, 한류기의 상세 파라미터는 표 1과 같다.

실험을 위한 배전계통에는 스마트 인버터와 유도전동기 연결을 위한 두 개의 연계점 (PCC, Point of Common Coupling)을 구성하였다. 두 연계점은 Bus 1과 Bus 2에 위치하며, 사례 구성에 따라 스마트 인버터와 유도전동기는 둘 중 하나의 연계점에 연결하였다. 스마트 인버터는 S/I #1에서 AC-DC 변환을 먼저 수행하고, S/I #2에서 다시 DC-AC 변환을 거쳐 연계 변압기를 통해 PCC로 전력을 공급하며, 스마트 인버터는 분산전원의 독립 운전을 방지하기 위해 스마트 인버터 외에 다른 전원을 통해 PCC에 전압이 공급될 때만 작동하도록 설계되었다. 유도전동기는 델타 결선 기동 방식을 사용하였으며, 스마트 인버터와 유도전동기에 관한 사양은 표 2와 같다.

2.2 스마트 인버터

그림 2는 스마트 인버터의 VVC 곡선을 보여준다. VVC 기능은 PCC를 통해 무효 전력을 공급하여 전압을 상승시키거나, 무효 전력을 흡수하여 전압을 낮춰 전압 변동에 대응할 수 있다. 유도전동기 기동 시 전압 강하가 발생하기 때문에, 실험에 사용된 전압-무효 전력 관계식은 (1)에 나타나 있다.

그림 2. 스마트 인버터의 Volt/Var control (VVC) 곡선

Fig. 2. Volt/Var control (VVC) curve of smart inverter

$V_{PCC}$는 스마트 인버터의 연계점 단위 전압을 뜻하며, 그림 2에 나타난 바와 같이 스마트 인버터에서 기준 전압($V_{B}$)은 155V로 단위 전압을 계산하였다.

본 논문에서는, 초전도 한류기 적용을 위해 스마트 인버터의 VVC 기능을 적용하여 유도전동기 기동 시 발생하는 전압 변동을 억제하는 효과를 분석하였다. 유도전동기의 기동 전류는 정격 전류의 3~7배 크게 나타나게 되고, 초전도 한류기를 적용하게 되면 안전하게 제한하여 기동할 수 있다. 그러나, 초전도 한류기가 동작할 때 전압 강하가 발생하여 배전계통에서 더 큰 전압 변동이 일어날 수 있으므로, 스마트 인버터 연계가 전압 변동 억제에 얼마나 효과적인지 실험을 진행하였다.

3.1 스마트 인버터 미연계 사례

그림 3. 유도전동기 기동 전 및 기동 시 전압과 전압 강하율 (a) 사례 1과 2의 Bus 1 전압 (b) 사례 1과 2의 Bus 2 전압 (c) 사례 3과 4의 Bus 1 전압 (d) 사례 3과 4의 Bus 2 전압

Fig. 3. Voltage and voltage drop percentage before and during induction motor starting (a) Voltage of bus 1 for case 1 and 2 (b) Voltage of bus 2 for case 1 and 2 (c) Voltage of bus 1 for case 3 and 4 (d) Voltage of bus 2 for case 3 and 4

그림 3은 스마트 인버터를 연계하지 않은 사례 1부터 4의유도전동기의 기동 전과 기동 시 Bus 1과 Bus 2의 전압과 전압 강하율을 보여준다.

그림 3(a)와 (b)를 보면, SFCL를 적용하지 않은 사례 1(유도전동기 Bus 1 연결)에서 Bus 1의 전압은 0.955p.u.에서 31.8% 강하하고, Bus 2 전압은 0.908p.u.에서 33.6% 강하하여 두 버스의 전압 강하율이 유사하게 나타났다. 반면, 그림 3(c)와 (d)를 보면, 사례 3(유도전동기 Bus 2 연결)에서는 Bus 1이 유도전동기로부터 멀리 떨어져 있어 전압 강하율이 17.5%로 가장 작게 기록되었지만, Bus 2는 53.4% 강하하여 부하와 직접 연결된 버스에서 전압 강하가 심화되는 것을 확인하였다.

그림 3(c)와 (d)를 통해, SFCL을 적용한 사례 2(유도전동기 Bus 1 연결)와 사례 4(유도전동기 Bus 2 연결) 모두 유도전동기 기동 시 SFCL의 임피던스 증가로 전압 강하가 크게 악화되었다. 특히, 사례 2에서는 Bus 1과 Bus 2의 전압 강하율이 각각 54.4%와 55.1%로 SFCL를 적용하지 않은 사례 1에 비해 약 20%p 증가하였다. 가장 심각한 전압 불안정은 사례 4의 Bus 2에서 발생했으며, 전압 강하율은 61.9%에 달해 스마트 인버터를 적용하지 않은 모든 사례 중 최대치를 기록하였다. SFCL이 고장 전류 제한 장치임에도 불구하고, 유도전동기 기동 시 과도한 전압 강하를 유발하는 주된 원인으로 작용하여 계통의 전압 안정성을 크게 저해하였다.

3.2 스마트 인버터 연계 사례

그림 4. 유도전동기 기동 전 및 기동 시 전압과 전압 강하율 (a) 사례 5와 6의 Bus 1 전압 (b) 사례 7과 8의 Bus 2 전압 (c) 사례 9와 10의 Bus 1 전압 (d) 사례 11과 12의 Bus 2 전압

Fig. 4. Voltage and voltage drop percentage before and during induction motor starting (a) Voltage of Bus 1 for Case 5 and 6 (b) Voltage of Bus 2 for Case 7 and 8 (c) Voltage of Bus 1 for Case 9 and 10 (d) Voltage of Bus 2 for Case 11 and 12

그림 4는 스마트 인버터를 연계한 사례 5부터 12의 유도전동기 기동 전과 기동 시 Bus 1과 Bus 2의 전압과 전압 강하율을 보여준다.

그림 3과 그림 4를 비교했을 때, 스마트 인버터의 VVC 기능에 의한 무효전력 공급으로 인해 기동 전 전압이 0.015p.u.에서 최대 0.069p.u.까지 상승하는 보상 효과를 확인하였고, 유도전동기 기동 시 전압 강하율이 최소 5.6%p에서 최대 16.7%p까지 개선되었다. 스마트 인버터가 유도전동기 기동 시 전압 강하 완화에 효과적임을 입증하였다. 그러나, SFCL을 적용한 사례 6의 경우, Bus 1의 전압 강하율은 48.8%로, SFCL을 적용하지 않은 사례 5의 25.3%에 비해 23.5%p 증가하였으며, SFCL의 적용은 스마트 인버터의 보상 효과를 상쇄시키며 전압 강하를 악화시켰다.

또한, 유도전동기의 연결 위치에 따라 전압 변동의 양상이 다르게 나타났다. 그림 4(b)를 통해, 유도전동기가 Bus 2에 위치하고 스마트 인버터가 Bus 1에 연계된 사례 7의 경우, 스마트 인버터가 위치한 Bus 1의 전압 강하율은 11.5%로 모든 사례 중 가장 낮은 전압 변동을 보여주었다. 반면에, 그림 4(d)를 통해, 유도전동기와 스마트 인버터가 모두 Bus 2에 연계된 사례 12의 경우, 전압 강하율이 53.9%에 달하며 스마트 인버터 연계 사례 중 최대 강하율을 기록하였다.

그림 5. 유도전동기 기동 시간 (a) 스마트 인버터 미적용 사례 (b) 스마트 인버터 Bus 1 연계 사례 (c) 스마트 인버터 Bus 2 연계 사례

Fig. 5. Induction motor startup time (a) Cases without smart inverter (b) Cases with smart inverter at Bus 1 (c) Cases with smart inverter at Bus 2

그림 5는 유도전동기와 스마트 인버터의 연계 위치와 SFCL 적용 유무에 따른 유도전동기 기동 시간을 보여준다.

그림 5(a)를 보면, 스마트 인버터를 적용하지 않은 사례 1부터 4의 비교 결과 SFCL이 적용된 사례 2와 4는 SFCL이 적용되지 않은 사례 1과 3에 비해 기동 시간이 현저히 지연되었다. 유도전동기가 Bus 1에 위치한 사례 1 대비 사례 2의 기동시간은 약 2.5배 증가하였으며, Bus 2에 위치한 사례 3 대비 사례 4 역시 큰 지연을 보여주었다. 그림 5(b)를 보면, 스마트 인버터가 Bus 1에 연계된 사례에서 SFCL 적용 여부와 관계 없이 스마트 인버터의 VVC 기능으로 무효전력을 공급하면서 기동 시간이 단축되었다. 스마트 인버터가 Bus 2에 연계된 사례 결과인 그림 5(c)를 보면, 기동 시간 단축 효과가 스마트 인버터와 유도전동기의 위치가 가까울 때 더욱 두드러지게 나타났다. 유도전동기와 스마트 인버터가 Bus 2에 모두 위치한 사례 11의 기동시간이, Bus 1에 위치한 사례 9에 비해 절대적으로 길었지만, SFCL을 적용하지 않은 다른 Bus 2 사례와 비교했을 때 상대적으로 큰 단축 효과를 보여주었다.

모든 사례에 대해 전압 안정성 및 유도전동기 기동 시간에 대한 SFCL과 스마트 인버터의 영향을 표 4에 요약하였다. 이 표는 유도전동기 기동 시 계통의 가장 중요한 4가지 운영 조합을 중심으로 분석되었다.

스마트 인버터가 미연계된 상황에서 SFCL이 적용된 사례 2는 SFCL이 없는 기준 사례 01 대비 전압 강하율이 33.6%에서 55.1%로 크게 악화되었으며, 기동 시간 역시 0.96초에서 2.35초로 약 2.45배 지연되었다. 이는 SFCL이 고장 전류 제한을 위해 삽입하는 임피던스가 유도전동기 기동 전류를 과도하게 제한하여 토크를 감소시키고 전압 강하를 심화시키는 주된 요인임을 보여준다. SFCL이 없는 조건에서 스마트 인버터가 연계된 사례 5는 기준 사례 1 대비 전압 강하율을 25.3%로 감소시켜 8.3%p의 개선 효과를 보였다. 또한, 기동 시간은 0.80초로 단축되어 운전 효율성이 향상되었다. 이는 스마트 인버터의 VVC 기능이 무효 전력을 공급하여 유도전동기 기동으로 인한 전압 변동을 상쇄하고 토크 안정성을 확보했기 때문이다. 특히 사례 11에서 기동 시간이 1.53초로 가장 효율적으로 단축된 것은 스마트 인버터를 유도전동기와 같은 버스에 연계하는 인접 설치 전략이 운전 효율성 측면에서 효과적임을 보여주었다. 가장 주목할 점은 SFCL이 존재하는 계통에서의 결과이다. 스마트 인버터가 연계되었음에도 SFCL이 적용된 사례 6(48.8%) 및 사례 12(53.9%)는 SFCL이 적용되지 않은 사례 5(25.3%) 및 사례 11(47.1%) 대비 전압 강하율이 여전히 높게 나타났다. 특히 SFCL을 적용한 사례 12에서는 VVC 기능의 보상에도 불구하고 53.9%의 높은 전압 강하율을 기록하여, SFCL의 적용으로 인한 부정적인 영향이 스마트 인버터의 긍정적 효과를 상당 부분 상쇄함을 명확하게 보여주었다.