학술 기관 배전 시스템의 전력 품질 - Sultan Qaboos University
| 시설 | 술탄 카부스 대학교 (SQU), 오만 — 전체 캠퍼스 전기 배전 시스템 |
| 측정된 전압 레벨 | 33 kV/11 kV 주요 변전소 · 11 kV/415 V 건물 변전소 |
| 주요 측정 포인트 | 공과대학 · 정보시스템센터 · 2개 33/11 kV 주 변전소 |
| 비선형 하중 식별 | PV 변환기 · UPS 시스템 · 가변 속도 모터가 장착된 냉각기 (VFD를) · 컴퓨터실 · 서버실 |
| 측정된 THDI 범위 | 2% 에 10% 위치와 로딩에 따라 |
| 측정된 TDD 범위 | 2% 에 8% 로딩에 따라 — IEEE 내 519 대부분의 지점에서 제한 |
| IEEE 519 전압 THD 제한 | 5% PCC에서 (33 kV/11kV 인터페이스) — 일반적으로 준수 |
| 미래의 방향 | SQU는 대규모 PV 통합 및 스마트 그리드 업그레이드를 계획합니다. PQ 평가는 DER 이전 기준을 설정합니다. |
01 맥락 — PQ 소우주로서의 캠퍼스
대학 캠퍼스는 전력 품질 평가를 위한 가장 복잡하고 유익한 환경 중 하나입니다.. 그들은 결합한다, 단일 유통 시스템 내에서, 현대식 건물에서 발견되는 거의 모든 범주의 비선형 하중: 수백 개의 스위치 모드 전원 공급 장치를 갖춘 컴퓨터 실험실, 대규모 UPS 시스템과 정류기 부하가 있는 데이터 센터 및 서버실, 변속구동장치와 정밀실험장비를 갖춘 연구시설, VFD 제어 냉각기를 갖춘 에어컨 시스템, 그리고 점점, 그리드 연결형 인버터를 이용한 옥상 PV 발전.
Sultan Qaboos University in Oman is a large modern campus serving thousands of students and staff across colleges of engineering, science, medicine, and computing — all connected to a 33 kV/11 kV/415 V three-level distribution system. The 2024 study by SQU researchers conducted a comprehensive PQ audit at multiple points in this system, from the 33 kV intake substations down to the building entrance level, establishing a systematic harmonic baseline for the campus before planned large-scale PV integration.
Industrial PQ assessments typically focus on one or two dominant non-linear load types — arc furnaces, VFD를, rectifiers — and one or two measurement points. Campus PQ is characterised by a large number of small, 여러 건물에 분산된 다양한 비선형 하중, 공유 유통 시스템에 연결. 캠퍼스 변전소의 총 고조파 왜곡은 수백 개의 개별 스위치 모드 전원 공급 장치에 대한 통계 결과입니다., UPS 시스템, VFD를, 및 PV 인버터 - 각각 고유한 고조파 스펙트럼을 가짐, 각각은 스위칭 주파수의 위상 관계에 따라 다른 부분을 부분적으로 상쇄하거나 강화합니다.. 이러한 통계적 집계 동작은 캠퍼스 PQ를 더욱 다루기 쉽게 만듭니다. (단일 지배적인 소스가 없음) 속성을 부여하기가 더 어렵습니다. (많은 소스, 복잡한 상호작용).
02 캠퍼스 비선형 부하 혼합
이 연구에서는 SQU에서 고조파 왜곡에 영향을 미치는 비선형 부하의 네 가지 기본 범주를 식별했습니다.:
- PV 인버터 — 두 가지 고전 고조파를 모두 생성하는 그리드 연결 인버터를 갖춘 옥상 태양광 설치 (PWM 변조에서) 및 초고조파 방출 (고주파 스위칭에서). PV 기여도는 시간에 따라 변합니다. 즉, 밤에는 0이고 한낮의 태양 복사 조도가 최고조에 달합니다., 하루 동안 고조파 환경을 변화시키는 시변 고조파 배경 생성
- UPS 시스템 — 데이터 센터 및 서버실을 위한 대규모 중앙 집중식 UPS 시스템, 개별 실험실을 위한 소형 분산형 UPS 장치. UPS 시스템은 기관 환경에서 가장 많이 발생하는 고조파 소스 중 하나입니다. 50% 부하는 25~35% THDI로 전류를 소비합니다., 5차 및 7차 고조파에 의해 지배됨
- 가변 속도 드라이브를 갖춘 냉각기 — 에어컨 시스템은 중동 대학 캠퍼스의 주요 전기 부하입니다., 실외 온도가 정기적으로 40°C를 초과하는 경우. VFD 제어 냉각기는 고정 속도 등가물에 비해 상당한 에너지 절감 효과를 제공하지만 5차에서 고조파 전류가 발생합니다., 7일, 11일, 냉각기의 작동 전력에 비례하는 13차
- 컴퓨터실 및 서버실 — 수백 대의 데스크톱 컴퓨터, 모니터, 및 서버, 각각 지배적인 3차 고조파를 생성하는 스위치 모드 전원 공급 장치를 통해 전류를 끌어옵니다. (트리플) 전류. 컴퓨터 부하의 총 삼중 고조파는 중성 도체 부하의 주요 동인입니다. 415 V 빌딩 유통 시스템
03 분포 계층 전반에 걸친 측정 결과
이 연구에서는 SQU 배전 시스템의 여러 지점에서 고조파 함량을 측정했습니다., from the 33 개인별 kV 주 흡입량 415 V 빌딩 입구. 이 계층적 측정 접근 방식은 전압 레벨에 따라 고조파 왜곡이 어떻게 달라지는지, 그리고 총 변전소 왜곡이 개별 건물 수준 왜곡과 어떻게 관련되는지 보여줍니다..
| 측정 위치 | 전압 레벨 | THDI 범위 | TDD 범위 | IEEE 519 THDv 제한 | 규정 준수 |
|---|---|---|---|---|---|
| 주요 변전소 A & B | 33 kV의 / 11 kV의 | 2-5% | 2-5% | 5% THDv | 준수 |
| 공과대학 변전소 | 11 kV의 / 415 에 | 4-8% | 3-6% | 8% THDv | 준수 |
| 정보시스템센터 | 11 kV의 / 415 에 | 5-10% | 4-8% | 8% THDv | 최고점의 경계선 |
| 개별 건물 입구 (LV) | 415 에 | 8-15% | 다양하다 | 8% THDv | 고부하 초과 |
주요 변전소의 THDI (2-5%) 개별 건물에 비해 현저히 낮습니다. (8-15%). 이는 변전소 공급이 더 깨끗하기 때문이 아니라 다양한 건물 부하의 고조파 전류가 공통 버스에서 부분적으로 상쇄되기 때문입니다.. UPS 시스템은 주어진 위상각으로 지배적인 5차 고조파를 생성합니다.. VFD 냉각기는 스위칭 패턴에 따라 위상각이 다른 5차 고조파를 생성합니다.. 컴퓨터실에서는 3차 고조파를 생성합니다.. 이 모든 전류가 공통으로 다시 흐를 때 11 kV 버스, 벡터 합은 산술 합보다 작습니다. 부분 취소는 총 왜곡을 줄입니다.. 변전소 측정은 IEEE를 올바르게 준수합니다. 519 (유틸리티를 통해 PCC에서 평가됩니다.), 그러나 이 규정은 개별 건물 내의 민감한 장비가 경험하는 왜곡에 대해서는 아무 것도 알려주지 않습니다..
04 THD 대. TDD — 구별이 중요한 이유
SQU 연구는 총 수요 왜곡을 올바르게 적용했습니다. (TDD) 전류의 총 고조파 왜곡이 아닌 (THDI) IEEE를 평가할 때 519 규정 준수 - 캠퍼스 및 상업용 건물 PQ 평가에서 자주 오해되는 구별입니다..
중요한 차이점
THDI는 측정 순간의 기본 전류에 대한 백분율로 고조파 전류 함량을 표시합니다.. 경부하 시 — 20% 정격 부하 - 끌어당기는 UPS 30% 최대 부하 시 THDI가 소모될 수 있음 60% THDI는 고조파 전류가 상대적으로 일정하고 기본 전류가 감소하기 때문입니다.. 이로 인해 THDI는 가변 부하 설치 시 적합성 평가에 대한 오해의 소지가 있는 측정 기준이 됩니다..
TDD는 고조파 전류 함량을 최대 수요 전류(과거 15분 동안 끌어온 최대 평균 전류)의 백분율로 표시합니다. 12 개월. UPS 도면 30% THDI의 20% 로드에는 TDD만 표시될 수 있습니다. 6% — IEEE 내에서 519 한계 - 고조파 전류는 시스템이 설계된 최대 수요의 작은 부분이기 때문입니다..
캠퍼스 시설 엔지니어가 전력 품질 분석기 보고를 볼 때 35% UPS 피더의 THDI, 본능적인 반응은 “심각한 고조파 문제가 있습니다.” 동일한 엔지니어가 다음을 사용하여 TDD 계산을 적용하는 경우 12 개월간 최대 수요 데이터, TDD는 일반적으로 IEEE 내에서 6~8%입니다. 519 한계. 고조파 전류는 실제이며 실제 가열을 유발합니다., 그러나 시스템은 최대 수요 전류를 처리하도록 설계되었으며 고조파 함량은 해당 설계 전류의 적당한 부분입니다.. THDI와 TDD의 차이점을 이해하면 불필요한 경보와 표준 준수에 필요하지 않은 능동형 고조파 필터에 대한 불필요한 지출을 방지할 수 있습니다..
05 PV 통합 - 기준선 설정
SQU PQ 감사의 주요 목표 중 하나는 계획된 대규모 PV 통합 전에 조화 기준선을 설정하는 것이었습니다. 이는 DER 구축에 앞서 거의 실행되지 않는 합리적인 엔지니어링 관행입니다.. PV 패널을 추가하기 전에 각 측정 지점에서 기존 고조파 환경을 특성화하여, 이 연구는 PV 인버터의 고조파 기여를 네트워크에 이미 존재하는 배경 왜곡과 분리할 수 있는 전후 비교 프레임워크를 만듭니다..
이 DER 사전 기준 접근 방식은 사후 PQ 평가의 근본적인 문제를 해결합니다.: 기준 없이, 관찰된 준수 초과가 새로 설치된 PV 시스템으로 인해 발생했는지 또는 설치 전에 이미 존재했는지 여부를 판단하는 것은 불가능합니다.. SQU 연구의 체계적인 다중 지점 측정 접근 방식 - 모든 전압 레벨을 포괄 33 kV 에 415 V — 향후 설치 후 평가에 필요한 기준을 정확하게 제공합니다..
대규모 PV 통합을 통해 그린 스마트 캠퍼스로 전환하려는 SQU의 계획은 중동 대학 캠퍼스 전기화의 광범위한 추세와 일치합니다.. PQ 평가는 이러한 전환을 위한 엔지니어링 기반을 제공합니다. 즉, 배전 시스템의 어느 부분에 추가 비선형 부하에 대한 고조파 여유 공간이 있는지 식별합니다. (PV 인버터) 이미 한계에 다다르고 있는 상황. 정보시스템센터, 이미 피크 로드에서 경계선 TDD를 보여주고 있습니다., 상당한 PV 용량이 공급 공급 장치에 추가되면 조화 관리가 필요합니다.. 주요 33 kV 변전소, TDD 2~5%, 상당한 헤드룸을 가지고 있다.
06 전력 품질 관점
SQU 사례 연구는 PQ 문제의 규모가 아니라 가치가 있습니다. 캠퍼스는 대부분 IEEE를 준수합니다. 519 — 하지만 체계적인 방법론에서는 이를 보여줍니다.. 유틸리티 인터페이스부터 개별 건물 입구까지 모든 전압 레벨을 포괄하는 계층적 PQ 측정 캠페인, 계획된 주요 변경 이전에 복잡한 혼합 부하 환경에 적용됨 (PV 통합), 교과서공학실습이다. 이 형식으로 실행되는 경우가 거의 없다는 사실이 더 중요한 관찰입니다..
집계 효과 조사는 유틸리티 및 캠퍼스 운영자가 PQ 준수를 해석하는 방법에 직접적인 영향을 미칩니다.. 규정을 준수하는 캠퍼스 33 kV 유틸리티 인터페이스 — IEEE 519 규정 준수 여부가 평가됩니다. 동시에 개별 건물에 장비 문제를 일으키는 상당히 높은 고조파 왜곡이 있을 수 있습니다., 변압기 및 UPS 수명 단축, 그리고 손실이 증가한다. PCC의 규정 준수는 유통 시스템 전체의 수용 가능성을 의미하지 않습니다.. 내부 배포 시스템은 캠퍼스 운영자의 책임이며 SQU 방법론입니다., 건물 수준 모니터링으로 확장, 능동 고조파 완화가 필요한 건물과 그렇지 않은 건물을 식별합니다..
자체 캠퍼스를 갖춘 대규모 대학 캠퍼스 33 kV 또는 11 kV 배전 시스템, 자신의 변전소, 자신의 세대 — 미니 유틸리티로 기능. 유틸리티 배포 시스템에 적용되는 PQ 엔지니어링 규율은 캠퍼스 배포 시스템에도 동일하게 적용됩니다.: 내부 PCC의 고조파 한계, 피더 전체의 전압 조절, VFD가 많은 건물 부하에 대한 무효 전력 관리, 이제 DER 통합 계획. 대부분의 캠퍼스 시설 엔지니어는 유틸리티 배포 엔지니어링 배경이 없습니다.. SQU 연구는 그 격차가 메워지면 어떤 일이 일어나는지 보여주는 예입니다., 표준 참조, 격리된 측정값 모음이 아닌 실행 가능한 엔지니어링 기준선을 제공하는 다점 PQ 평가.
참조
- 알-바디 A 외. “학술기관 배전계통의 전력품질 조사 및 분석.” 에너지, 17(16), 3998, 2024. DOI: 10.3390/en17163998. 오픈 액세스 CC BY 4.0.
- IEEE 표준 519-2022. 전력 시스템의 고조파 제어에 대한 IEEE 표준. IEEE, 뉴욕, NY, 2022.
- IEC 61000-3-2:2018. 고조파 전류 방출에 대한 제한 (현재 장비 입력 ≤ 16 당 단계). IEC, 제네바.
- IEC 61727:2004. 태양광 (PV) 시스템 — 유틸리티 인터페이스의 특성. IEC, 제네바.
- IN 50160:2010+A3:2019. 공공 전력망에서 공급되는 전기의 전압 특성. CENELEC, 브뤼셀.
알-바디 A 외. “학술기관 배전계통의 전력품질 조사 및 분석.” 에너지 (MDPI), 비행. 17, 아니. 16, 피. 3998, 위엄있는 2024. DOI: 10.3390/en17163998. 오픈 액세스 CC BY 4.0 — 술탄 카부스 대학교, 오만.
본 사례 연구는 교육 목적으로 요약 및 해설 형식으로 제공됩니다.. SVG 다이어그램 및 PQ Perspective 섹션 (섹션 6) Denis Ruest의 원본 IPQDF 편집 콘텐츠입니다., 석사. (적용된), 물리 공학과. (퇴사.). IPQDF는 원본 연구의 저자임을 주장하지 않습니다..