회생 드라이브 설명: 핵심 원리 및 규제 고려사항 – 2부

회생 드라이브 작동에 대한 간략한 개요를 제공한 이전 기사에 이어, 여기서는 회생 작동 시 고려해야 할 특별한 요소들을 살펴봅니다.

전력 네트워크(AC 전력망)에 미치는 영향

규정

이는 내장 발전이 전기 공급의 안전이나 신뢰성을 방해하지 않도록 보장하기 위해 전력 회사가 부과하는 규정들입니다. 이 섹션의 나머지 부분은 규정으로 통제되는 가장 중요한 주제들을 다룹니다. 회생 시스템이 의도적 발전기로 사용되려면 사용 장소의 시행 중인 규정을 준수해야 합니다. 그렇지 않더라도, 회생 시스템 정격 전류가 지역 전력 시스템 정격의 상당 부분인 경우 고장이나 오작동 시 다른 연결 장비에 손상이 없도록 보장하기 위해 여기서 다뤄진 주제들을 고려해야 합니다.

단락 전류

로컬 발전기는 전기 결함(단락)으로 유입되는 전류에 기여하며, 전기 개폐 장치의 안전이나 필요 정격에 영향을 줄 수 있습니다. 제안된 발전기 설치에서 추가 결함 전류를 계산해야 합니다. 그러나 회생 인버터는 영향이 미미합니다. 전자 과전류 보호가 차단기나 퓨즈가 작동하는 것보다 훨씬 빠르게 과전류를 차단하기 때문입니다. 현재 세대 CT 인버터의 피크 단락 전류는 정격 전류의 260%이며, 인버터가 트립하면 전류가 4ms 미만으로 0으로 감쇠합니다(AC 초크 값에 따라 다름). 보호 정격용 피크 전류는 공급 주파수 최소 반 주기 이상 취해집니다. 이 요소들이 함께 회생 인버터의 결함 전류 기여를 미미하게 만듭니다.

아일랜드 운전이

발전기가 운전 중인 설치에서 전력망이 분리되면 로컬 발전이 의도치 않게 로컬 부하를 계속 활성화시키는 전력 '아일랜드'가 발생할 가능성이 있습니다. 이는 목적 설계된 가버너로 주파수를 조절하지 않으면 공급과 수요 균형을 보장할 것이 없기 때문에 그다지 가능성이 높지 않습니다. 보통 주파수가 빠르게 작업 범위를 벗어나 시스템이 트립합니다. 또한 전압이나 무효 전력 제어도 없습니다. 그러나 아일랜드가 발생하면 전력 작업자 안전 위험과 아일랜드 내 전압이나 주파수가 안전 범위를 벗어나면 로컬 장비 손상 위험이 있습니다.

회생 시스템에 에너지 소스(엔진, 배터리, 기타 에너지 저장)가 있어 아일랜드 운전이 가능하다면, 손상되는 아일랜드 발생에 대한 보호가 제공되어야 합니다. 회생 드라이브 주파수 범위를 파라미터 설정으로 안전한 범위로 제한하고, 전압이 과도해지면 인버터를 트립시키는 과전압 릴레이를 포함해야 합니다.

의도적 아일랜드, 백업 발전

회생 인버터는 독립형 발전기로 사용될 수 없음에 유의하세요. 예: 메인즈 공급 손실 시 백업 공급용. 기존 공급과 동기화하여만 사용할 수 있습니다.

라이드스루

의도적 발전기는 전력망 교란 중에도 운전을 계속해야 할 수 있습니다. 가장 흔한 상황은 전력망 어딘가에서 결함(단락) 발생으로 발전기 단자에서 갑작스러운 전압 딥이 발생하는 경우입니다. 이는 3상 간 균형 또는 불균형일 수 있습니다. 라이드스루 중 전압이 너무 낮으면 정격 전력 생성을 계속할 수 없지만, 고장 회로가 자동 보호 장치로 차단된 후 전력망이 제어를 회복하는 데 도움을 주기 위해 무효 전류로 전압을 지원해야 합니다.

단순 AFE는 메인즈 전압 파형과 인버터 내부 생성 파형 간 정확한 균형에 의존하므로 전압 교란에 꽤 민감합니다. 라이드스루 능력이 없으면 단순 정류기보다 성가신 트립을 일으키기 쉽습니다. Unidrive M은 BDEW 지침 같은 주요 국가 표준 요구사항을 충족하는 선택적 라이드스루 능력을 가집니다(MV 네트워크 연결 발전기용).

정상 회생 작동에서 회생 인버터는 원하는 DC 버스 전압 값으로 조절하기 위해 AC 전력 시스템으로 전력 출력을 조정합니다. 전압 교란 중에는 정격 전력을 계속 생성할 수 없으므로 DC 전압 조절을 계속하지 못할 수 있습니다. 전력 소스가 이 역할을 맡아야 합니다. 그렇지 않으면 들어오는 전력이 나가는 전력을 초과하면 과전압 트립이 발생할 수 있습니다. 대안으로 제동 저항을 연결해 초과 전력을 흡수할 수 있습니다.

전력 및 주파수 조절

AC 전력망에서 공급과 수요 균형은 주파수 조절로 달성됩니다. 의도적 발전기는 외부 전력 명령에 응답하거나 주파수 대비 전력 제어 기능을 구현하여 이를 도울 수 있습니다. 이는 드라이브 애플리케이션으로 프로그래밍 가능합니다.

고조파와 인터하모닉스

첫 번째 회생 블로그에서 논의했듯, 회생 인버터는 무시할 만한 수준의 진짜 고조파 전류, 즉 AC 공급 주파수 정수배에서 생성합니다. 이는 공급 기존 고조파와 상호작용하며, PWM 변조 생성물도 생성합니다. 이들은 수년간 고조파 범위(일반적으로 40차까지 고려)를 벗어난 고주파로 간주되었습니다. 그러나 더 최근 기술 표준과 기기들은 100차까지 고조파를 고려하기 시작했습니다.

예를 들어, 공칭 라인 주파수 60Hz, 스위칭 주파수 3kHz 시스템을 봅시다. 주요 스위칭 관련 주파수는 2880Hz와 3120Hz입니다. 이들은 공급 주파수의 48배와 52배입니다. 그러나 두 주파수는 공약수적 양이 아니거나, 즉 위상 고정되지 않습니다. 라인 주파수가 60.1Hz라면 동등한 곱 주파수는 2879.8Hz와 3120.2Hz가 됩니다. 표준 5Hz 대역폭을 가진 고조파 분석 기기를 이런 시스템에 연결하면 아마 이들을 48차와 52차 고조파로 표시하거나, 데이터 동기화 불능을 표시할 것입니다.

스위칭 주파수가 4kHz였다면 주요 주파수는 3880Hz와 4120Hz로 고조파 주파수가 아닙니다. 인터하모닉스 기능이 있는 분석기면 '인터하모닉스'로 표시하거나, 정상 5Hz 대역폭 기본 고조파 분석기면 무시될 수 있습니다.

위에서 논의된 고조파와 인터하모닉스는 모두 양위상 또는 음위상 시퀀스를 가진 3상 세트입니다. 이는 고주파 공통 모드 '노이즈' 전압과 달리 변압기를 통과하여 현장 공급 변압기 너머 간섭을 일으킬 수 있음을 의미합니다. 스위칭 주파수 필터는 이 크기를 허용값으로 줄이기 위해 필요합니다.

DC 전력 소스/싱크와의 상호작용 – 전압 제어

회생 시스템이 DC 소스나 부하에 연결될 때 DC 전압 제어에 대한 고려가 필요합니다. 회생 드라이브 시스템에서 기계 드라이브는 사실상 정전력 소스가 되고, 회생 인버터는 원하는 DC 전압에서 들어오는 전력을 균형 맞추기 위해 전력 수출을 조정합니다. 다른 시스템은 꽤 다른 특성을 가질 수 있습니다. 예: PV 인버터에서 DC 전압과 전류는 주어진 일사량과 온도에 대한 PV 어레이 전압/전류 커브에 의해 제어됩니다. 인버터는 자연스럽게 '어떤 전압을 선택할지 모릅니다', 그래서 회생 인버터 DC 전압 레퍼런스가 MPPT 알고리즘에 의해 최적 전력점을 찾도록 적응되어야 합니다.

DC 공급 공통 모드 전압

회생 시스템 DC 공급은 독특한 공통 모드 전압, 즉 극과 접지 간 평균 전압을 가집니다. 전체 전압 파형 분석은 꽤 복잡하지만, 첫 블로그 그림 1 단순화된 회로도를 참조하면, 입력 인버터 트랜지스터 쌍 중 하나가 상태를 변경할 때 DC 버스 회로 전압이 접지 기준으로 V_DC 단계만큼 변하려는 경향이 있음을 추론할 수 있습니다. 실제로 입력 초크 주변 전압 분할로 1/3 V_DC로 제한됩니다. 이 단계는 위상이 스위칭할 때마다, 즉 각 PWM 스위칭 사이클에서 6번 발생합니다.

이는 AC 공급이 중성점이 접지된 통상적인 메인즈 LV 공급이면, DC 버스가 빠른 상승 에지를 가진 복잡한 PWM 패턴 고주파 공통 모드 전압을 실음을 의미합니다. 이의 일부 효과는:

1. DC 버스에 연결된 드라이브들 및 회생 인버터 자체는 내부 EMC 필터 커패시터를 장착하지 않아야 합니다. 이 커패시터가 공통 모드 전압에 과부하되어 높은 순환 접지 전류를 일으켜 인버터 오작동을 초래할 수 있기 때문입니다.
2. 같은 이유로 DC 버스에 RFI 필터를 연결하지 않아야 합니다.
3. DC 버스는 '노이즈'가 있으므로 비차폐 도체로 배포하면 인근 신호 회로에 간섭을 일으킬 수 있습니다. DC 전력을 상당한 거리 배포해야 하면 차폐 케이블이어야 합니다. 그러나 케이블이 길면 스트레이 정전용량의 고주파 접지 전류가 회생 초크에 추가 전력 손실을 일으킵니다.
4. 공통 모드 전압을 견딜 수 있음이 확인되지 않은 한 다른 장비를 DC 버스에 연결할 수 없습니다. (예: DC 공급용으로 설계된 장비는 자체 RFI 필터를 가질 가능성이 높아 공통 모드 전압을 견디지 못함. 대부분의 전류/전압 트랜스듀서는 공통 모드 전압을 견디도록 설계됨.)

이 효과들이 용납될 수 없는 특수 애플리케이션에서는 입력 측에 절연 변압기를 사용하여 AC 공급을 접지에서 분리하는 것이 한 솔루션입니다. 그러면 DC 버스 한 극을 직접 접지에 연결할 수 있어 공통 모드 전압이 없습니다. 또는 접지에 커패시터나 RFI 필터를 통해 연결하여 간섭을 일으킬 가능성이 가장 높은 고주파 공통 모드 노이즈를 줄일 수 있습니다. 이는 예: 광전지 인버터, DC 전력을 다중 부하에 배포해야 하는 시스템에서 사용됩니다.

필터, 공급 임피던스, 전류 제어

스위칭 주파수 필터는 같은 공급 회로에 연결된 다른 장비 간섭 방지와 관련해 위에서 논의되었습니다. 필터는 인버터 제어 시스템에 미치는 영향 측면에서도 고려되어야 합니다.

3kHz 인버터에서 필터 턴오버 주파수는 약 800Hz로, 2900Hz에서 유용한 감쇠를 제공합니다. 턴오버는 이 비정상적 주파수에서 알려지지 않은 공급 임피던스에 다소 영향을 받습니다. 이는 인버터 전류 루프 게인이 너무 높게 설정되지 않아야 함을 의미합니다. 그렇지 않으면 800Hz 부근 안정성이 한계가 되어 시스템이 교란에 민감해지고 오작동하기 쉽습니다. 대다수 통상 드라이브 애플리케이션, 즉 회생 시스템이 산업용 LV 배전망에서 많은 부하 중 하나인 경우, 자연 감쇠가 충분하여 특별 요구사항이 발생하지 않습니다. 기본값이 보통 효과적입니다.

하나 이상의 회생 시스템이 전용 공급에서 공급되고 다른 것이 거의 연결되지 않으면 전류 루프가 과소 감쇠될 수 있습니다. 이는 오실로스코프로 라인 전류 파형을 봐서 쉽게 식별 가능합니다. 약 800Hz 주기 진동 버스트('링잉')가 각 메인즈 사이클 6개 지점에서 발생합니다. 이 상황에서 안정성은 전류 제어 루프 P 항을 줄여 회복할 수 있습니다. 전압 루프 게인도 줄여 느린 전류 루프로 인한 과소 감쇠 전압 제어를 피해야 할 수도 있습니다. 애플리케이션이 고도로 동적이어서 이 낮은 게인이 수용 불가하면 대체 감쇠 개선 방법이 필요합니다. 두 옵션:

1. 추가 필터 커패시터 추가. 필터 턴오버 주파수를 전류 제어 루프 위상 지연이 적고 능동 감쇠에 기여할 수 있는 값으로 낮춥니다.
2. 댐핑 필터 사용. 추가 커패시터와 작은 저항으로 감쇠 제공. 자세한 정보는 CT 기술 지원에 문의.

두 옵션 모두 효과적으로 사용되었습니다. 옵션 1 단점은 여러 커패시터가 필요해 공간을 차지하고, 높은 상시 무효 전류를 유발하여 인버터 무효 전류 제어 기능으로 상쇄해야 할 수 있습니다. 옵션 2 단점은 저항이 상시 전력 손실을 일으키고, 공급 비정상 고조파 시 과부하로부터 보호해야 해 옵션이 꽤 복잡해집니다.