광전지 인버터의 초고조파 방출 - 새로운 전력 품질 문제

04 장비 및 네트워크에 미치는 영향

초고조파 방출은 전력 시스템 구성 요소 및 연결된 장비에 다양한 영향을 미칩니다., 그 중 일부는 고전적인 고조파 효과와 유사하고 일부는 더 높은 주파수 범위에 특정합니다.:[1]

• 케이블 가열 - 표피 효과: 높은 주파수에서, 전류는 도체 표면에 집중됩니다. (피부 효과), 유효 단면적을 줄이고 유효 저항을 증가시킵니다.. 상당한 초고조파 전류를 전달하는 케이블은 전력 주파수 부하만으로 예측할 수 있는 것보다 더 뜨겁습니다.. 상용 주파수 전류 정격을 기반으로 한 열 계산은 상당한 초고조파 성분이 있는 경우 보수적이지 않습니다.
• 커패시터 노화: 커패시터는 고주파수에서 낮은 임피던스를 나타냅니다., 주파수에 비례하여 초고조파 전류를 끌어옵니다.. 초고조파 주파수의 유전 손실은 전력 주파수의 손실을 크게 초과할 수 있습니다., 절연 성능 저하 가속화 및 수명 단축. 조명 장비의 알루미늄 전해 콘덴서는 특히 취약합니다.
• LED 램프 간섭: LED 드라이버는 공급 전압의 고주파 간섭에 민감합니다.. 초고조파 왜곡은 LED 조명 출력에 감지할 수 있는 변화를 일으킬 수 있습니다. 이는 IEC에서 다루는 8~10Hz 전압 변동 깜박임과 다른 깜박임 메커니즘입니다. 61000-4-15, 표준 깜박임계로 캡처되지 않음
• 전력선통신 (PLC) 간섭: 스마트 계량 시스템, SCADA 통신, 수요 응답 신호는 종종 초고조파 범위의 전력선 반송파 주파수를 사용합니다. (일반적으로 9~150kHz). PV 인버터 및 EV 충전기의 초고조파 방출은 이러한 신호를 압도할 수 있습니다., 스마트 그리드 인프라에서 통신 장애를 일으키는 원인
• 제어 회로 오작동: 고주파 방출은 전자기 유도 또는 전도 경로를 통해 제어 및 보호 회로에 결합될 수 있습니다., 잘못된 릴레이 작동을 유발함, 측정 오류, 아니면 통신불량
• 가청 소음: 범위의 초고조파 주파수 20 Hz~20kHz는 인간의 청각 범위 내에 있으며 변압기에서 가청 소음을 유발할 수 있습니다., 케이블, 및 기타 자기 부품

05 측정 — 표준 격차

초고조파 측정에는 위의 샘플링 속도가 필요합니다. 300 kHz에서 (나이퀴스트 기준에 따라, 신호 내용을 최대로 캡처하려면 150 kHz에서) — 기존 고조파 측정 장비보다 훨씬 높습니다., 일반적으로 12~16kHz로 샘플링됩니다., 제공하도록 설계되었습니다. 이는 대부분의 기존 전력 품질 모니터(심지어 IEC를 준수하는 클래스 A 장비도 포함)를 의미합니다. 61000-4-30 — 초고조파 범위를 캡처하지 마십시오..[1]

현재 측정 표준과 그 한계

• IEC 61000-4-7: 다음을 사용하여 고조파 및 상호고조파 측정을 지정합니다. 200 최대 Hz 주파수 대역 2 kHz에서. 초고조파 범위를 다루지 않습니다.
• IEC 61000-4-30: 비연속적 그룹화 방법을 포함한 PQ 측정 방법을 지정합니다. 2 위의 주파수에 대한 kHz 주파수 대역 2 kHz에서. 이는 다음과 같은 기능만 제공합니다. 8% 신호 범위 — 92% 초고조파 신호가 캡처되지 않음. The 2 kHz 대역 그룹화는 또한 개별 장치 스위칭 주파수를 식별하는 데 필수적인 주파수 분해능을 잃습니다.. 이 표준은 현재 이러한 결함을 해결하기 위해 IEC SC 77A WG9에 의해 개정 중입니다.[1]
• CISPR 16: 위에서 사용된 전자파 간섭 측정 표준 9 kHz에서. 장비의 전도 및 방사 EMI용으로 설계됨, 전력 시스템 PQ 모니터링용이 아님. PQ 평가에 적합한 RMS 측정 대신 준첨두치 및 평균 검출기를 사용합니다.

06 연구의 주요 결과

Pinto의 연구, 그레이셀, Baptista는 여러 네트워크 시나리오에서 PV 시스템의 실제 초고조파 신호를 분석했습니다., 배출 확산과 다양한 PV 인버터 모델 및 보급 수준 간의 상관관계 조사. 주요 결과는 다음과 같습니다.:[1]

• 각 PV 인버터 모델에는 고유한 방출 특성이 있습니다. — 스위칭 주파수와 그 고조파는 초고조파 스펙트럼에서 특징적인 협대역 피크로 나타납니다., 개별 인버터 모델을 방출 패턴으로 식별할 수 있습니다.. 스위칭 주파수에서 일정한 협대역 방출 (예를 들면, 20 kHz에서) 가장 신뢰할 수 있는 식별자입니다.
• 광대역 방출은 작동 조건에 따라 다릅니다. — 부분 부하 시 (낮은 태양 복사 조도), MPPT 알고리즘은 스위칭 패턴을 변경합니다., 그에 따라 광대역 방출 프로파일이 변경됩니다.. 이 시간에 따라 변하는 특성으로 인해 단일 작동 조건에서의 특성화가 오해를 불러일으킵니다.
• 상호 변조 제품은 측정 가능합니다. — 스위칭 주파수가 다른 여러 PV 인버터가 동일한 네트워크에 있는 경우, 합 및 차 주파수에서 상호 변조 제품을 감지할 수 있습니다., 초고조파 환경이 단순히 개별 방사의 합이 아님을 확인
• 전파는 네트워크 임피던스에 따라 달라집니다. — 초고조파 방출은 임피던스 분포에 따라 네트워크를 통해 전파됩니다.. 용량성 부하 (역률 보상 커패시터 포함) 초고조파 주파수에서 낮은 임피던스를 제공하고 상당한 초고조파 전류를 끌어옵니다., 잠재적으로 지역 배출 수준을 증폭시킴
• 현재의 규제 체계는 조사 결과를 적절하게 다루지 않습니다. — 연구에서는 2~150kHz 범위에 대한 특정 규정이 시급히 필요하다는 결론을 내렸습니다., 방출 한계와 측정 방법을 모두 다룹니다.

07 전력 품질 관점

초고조파는 전력 품질 엔지니어링의 차세대 개척지를 대표합니다. 이는 이를 측정하고 제한하는 도구가 계속 개발되는 바로 그 순간에 중요성이 커지고 있는 현상입니다.. 1980년대와 1990년대 초반의 클래식 하모니와의 유사점은 놀랍습니다.: 새로운 종류의 비선형 하중 (그 다음에, VFD 및 UPS 시스템; 지금, PV 인버터 및 EV 충전기) 기존 측정 및 규제 프레임워크가 처리하도록 설계되지 않은 방해 요소를 도입하고 있습니다., 엔지니어링 커뮤니티는 문제가 관리 불가능해지기 전에 문제를 특성화하기 위해 경쟁하고 있습니다..

유틸리티 분배 관점에서, 가장 즉각적으로 나타나는 결과는 전력선 통신업체 통신에 대한 위협입니다.. 스마트미터링, 수요반응, 9~150kHz 범위의 PLC 주파수에 의존하는 그리드 제어 시스템은 초고조파 방출이 집중되는 동일한 주파수 범위에 직접적으로 취약합니다.. LV 분배 피더에서 PV 침투 및 EV 충전기 밀도가 증가함에 따라, PLC 통신의 신호 대 잡음 비율이 저하되어 잠재적으로 에너지 전환을 관리하려는 스마트 그리드 인프라가 약화됩니다..

참조

1. 핀토 J, 그라젤B, 밥티스타 J. “전력망의 초고조파 방출 분석: 태양광 인버터 사례 연구.” 전자 공학, 비행. 13, 아니. 24, 피. 4880, 2024. DOI: 10.3390/전자제품13244880. CC BY에 따른 오픈 액세스 4.0.
2. IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. 전자기 호환성 (EMC) - 부분 4-7: 테스트 및 측정 기술 — 고조파 및 상호 고조파 측정 및 계측에 대한 일반 가이드. IEC, 제네바.
3. IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 전자기 호환성 (EMC) - 부분 4-30: 테스트 및 측정 기술 - 전력 품질 측정 방법. IEC, 제네바.
4. IEC 61000-2-2:2002. 전자기 호환성 (EMC) - 부분 2-2: 환경 - 공공 저전압 전원 공급 시스템의 저주파 전도성 방해 및 신호에 대한 호환성 수준. IEC, 제네바.
5. 뢴베르크 SK, 더 볼 MHJ. “미래 전력계통의 전력품질 문제.” 전기 저널, 비행. 29, 아니. 10, PP. 49-61, 2016.