전력망 연결형 태양광 인버터의 고조파 왜곡은 배전망 보급률이 증가함에 따라 이론적인 문제에서 실제 시운전 문제로 옮겨졌습니다. 유틸리티 및 전력망 규정에서는 점점 더 인버터 공급업체와 프로젝트 개발자에게 전력망 연결 전후에 고조파 규정 준수를 입증하도록 요구하고 있으며, 규정을 준수하지 않을 경우 전력망 연결 계약이 축소되거나 벌금이 부과되거나 거부될 수 있습니다.
이 가이드에서는 태양광 인버터의 고조파 생성 메커니즘, 적용 가능한 표준, 한계 값, 측정 방법 및 가장 일반적인 비준수 시나리오에 대한 실질적인 완화 접근 방식을 설명합니다.
태양광 인버터가 고조파를 생성하는 방법
그리드 연결형 태양광 인버터는 스위칭 전력 전자 장치입니다. 인버터 내부의 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 또는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 10~30kHz의 주파수로 전환하여 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 DC 버스 전압을 준정현파 AC 출력으로 변조합니다. 이 전환 프로세스는 본질적으로 다음을 생성합니다.
- 저차 전류 고조파(2차~25차): PWM 변조 알고리즘, 부동 시간 보상 및 DC 버스 전압 리플의 불완전성으로 인해 발생합니다. 5차 및 7차 고조파는 일반적으로 3상 인버터에서 지배적인 하위 구성요소입니다.
- 스위칭 주파수 고조파: 스위칭 주파수와 측파대 및 그 주변의 전류 고조파. 이는 계통 연결 지점 이전에 인버터의 출력 LCL 필터에 의해 필터링됩니다.
- 상호고조파: MPPT 섭동 및 관찰 알고리즘과 부분 음영으로 인한 작동점 진동에 의해 생성된 기본 주파수의 정수가 아닌 배수입니다.
총 고조파 왜곡(THD)은 다음과 같이 정의됩니다.
THD_I (%) = √(I₂² + I₃² + I₄² + ... + Iₙ²) / I₁ × 100 Where: I₁ = fundamental frequency (50 or 60 Hz) current component (RMS) Iₙ = nth harmonic current component (RMS)
SiC 스위칭 장치(Sungrow SG250HX 및 Huawei SUN2000-185KTL에 사용됨)를 갖춘 최신 H6 토폴로지 스트링 인버터는 대부분의 그리드 코드 제한 내에서 정격 전력에서 3% 미만의 THD_I를 달성합니다.
적용 가능한 표준: IEEE 519 및 IEC 61000-3-12
상업용 및 유틸리티 애플리케이션에서 태양광 인버터에 대한 고조파 제한 요구 사항을 지배하는 두 가지 표준은 다음과 같습니다.
- IEEE 519-2014(미국, 캐나다 및 다수의 국제 시장): 유틸리티와 고객 사이의 공통 커플링(PCC) 지점에서 전류 고조파 제한을 정의합니다. 한계는 최대 요구 전류(I_L)의 백분율로 표시되며 PCC의 부하 전류에 대한 단락 전류(I_SC)의 비율에 따라 달라집니다. 그리드 강성이 높을수록(I_SC/I_L이 높을수록) 고조파 주입이 더 높아집니다.
- IEC 61000-3-12(EU, 호주 및 IEC 조정 시장): 입력 전류가 위상당 16A 이상인 장비에 적용됩니다. 개별 고조파 전류(RSCE = 합의 전력에 대한 단락 전력 비율) 및 총 고조파 전류(THC)에 대한 제한을 지정합니다. IEC 61000-3-12에서는 연결 지점에서 RSCE를 결정하기 위해 네트워크 운영자와의 조정이 필요합니다.
고조파 전류 제한: IEEE 519 및 IEC 61000-3-12
| 표준 | 고조파 차수 | 한도(I₁ 또는 I_L의 %) | THD / THC 한도 | 측정점 |
|---|---|---|---|---|
| IEEE 519-2014(I_SC/I_L <20) | 3~10위 | 4.0% | TDD < 5.0% | PCC |
| IEEE 519-2014(I_SC/I_L <20) | 11일~16일 | 2.0% | TDD < 5.0% | PCC |
| IEEE 519-2014(I_SC/I_L <20) | 17일~22일 | 1.5% | TDD < 5.0% | PCC |
| IEEE 519-2014(I_SC/I_L 20–50) | 3~10위 | 7.0% | TDD < 8.0% | PCC |
| IEC 61000-3-12(RSCE ≥33) | 5번째 | 10.7% | THC 23.0% 이하 | 공급단말 |
| IEC 61000-3-12(RSCE ≥33) | 7번째 | 7.2% | THC 23.0% 이하 | 공급단말 |
| IEC 61000-3-12(RSCE ≥120) | 5번째 | 14.0% | THC 35.0% 이하 | 공급단말 |
| IEC 62109-1(인버터 자체 제한) | 모든 주문 | 제조업체 정의 | THD < 3~5% 일반 | 인버터 출력 단자 |
시운전 시 실제 THD 측정
인버터 출력 단자의 고조파 적합성 ≠ PCC의 고조파 적합성. 그리드 배경 고조파, 케이블 임피던스 및 변압기 자화 전류는 모두 PCC의 고조파 스펙트럼에 추가됩니다. 모범 사례 시운전 측정 절차:
- 기준 측정: PV 어레이에 전원을 공급하기 전에 인버터를 분리한 상태에서 PCC에서 고조파 전류 및 전압 왜곡을 측정하십시오. 이는 유틸리티 그리드의 배경 왜곡을 문서화합니다.
- 운영 측정: 80% 이상의 정격 인버터 출력 전력에서 PCC의 THD_I 및 개별 고조파 전류를 측정합니다. IEC 61000-4-7은 클래스 A 전력 품질 분석기를 사용하여 10분 측정 기간을 지정합니다.
- 순 고조파 주입: 일부 표준(IEEE 519 Annex B)에서는 개발자가 PV 시스템이 연결되기 전에 이미 존재했던 배경 고조파를 뺄 수 있도록 허용합니다. 이는 약한 그리드의 프로젝트에 매우 중요할 수 있습니다.
- 악기: 클래스 A 전력 품질 분석기(Fluke 435-II, Hioki PW3390 또는 IEC 61000-4-30을 충족하는 동급)를 사용하십시오. 기본 클램프 미터는 고조파 적합성 측정에 적합하지 않습니다.
LCL 필터 설계 및 고조파에 미치는 영향
인버터 AC 출력의 LCL(인덕터-커패시터-인덕터) 필터는 스위칭 주파수 고조파가 그리드에 도달하기 전에 감쇠합니다. 필터 설계 매개변수는 고조파 적합성을 직접 결정합니다.
- 필터 인덕턴스(L1 + L2): 인덕턴스가 높을수록 고주파수 감쇠가 커지지만 무효 전력 소비와 크기/비용이 늘어납니다. 최신 250kW 스트링 인버터는 L1 = 50–100μH, L2 = 20–50μH를 사용합니다.
- 필터 커패시터(C_f): 션트 커패시터는 공진 감쇠를 제공합니다. LCL 공진 주파수는 10× 그리드 주파수와 0.5× 스위칭 주파수(10~20kHz 스위칭 인버터의 경우 일반적으로 1.5~5kHz) 사이에 배치되어야 합니다.
- 활성 댐핑: 많은 최신 인버터는 소프트웨어 기반 능동형 댐핑을 사용하여 물리적 댐핑 저항 없이 LCL 공진을 억제하여 효율을 0.1~0.3% 향상시킵니다.
고조파 한계가 초과된 경우 완화 전략
시운전 후 고조파 측정 결과 비준수 사항이 밝혀지면 비용과 복잡성이 증가하는 순서대로 다음 완화 옵션을 사용할 수 있습니다.
- 펌웨어 업데이트/PWM 알고리즘 조정: 일부 인버터 제조업체(Sungrow, Huawei, SMA, SolarEdge)는 PWM 고조파 보상 알고리즘을 수정하는 펌웨어 업데이트를 제공할 수 있습니다. 이는 가장 저렴한 첫 번째 단계입니다. 비용은 보증 기간 중일 경우 $0입니다.
- 수동 고조파 필터(PHF): MV 버스에 연결된 동조 LC 필터(단일 동조 또는 이중 동조)는 특정 우세 고조파(5차, 7차)를 흡수할 수 있습니다. 비용: 필터 용량 MVA당 $15,000~$40,000. PHF는 조정된 고조파에만 효과적입니다. 배경 그리드 고조파는 이를 디튠할 수 있습니다.
- 유효 전력 필터(APF): 능동 전력 필터는 자체 인버터를 사용하여 역위상 고조파 전류를 주입하고 PCC에서 측정된 고조파를 제거합니다. APF는 모든 고조파 차수를 동시에 처리하며 그리드 임피던스 변화에 영향을 받지 않습니다. 비용: MVA당 $40,000~$120,000. 배경 왜곡이 많고 약한 그리드의 프로젝트에 권장됩니다.
- 더 높은 스위칭 주파수 모델로 인버터 교체: 설치된 인버터가 10kHz 스위칭에서 Si IGBT 기술을 사용하는 경우 SiC MOSFET 모델(20+kHz 스위칭)로 업그레이드하면 저차 고조파 함량을 30~50%까지 줄일 수 있습니다. APF 비용을 기준으로 평가합니다. APF는 일반적으로 개조 시 더 경제적입니다.
자주 묻는 질문
최신 스트링 인버터는 정격 전력에서 어떤 THD를 생성합니까?
SiC 스위칭 장치(Sungrow SG250HX, Huawei SUN2000-185KTL, SMA STP 250-50)를 갖춘 최신 H6 토폴로지 스트링 인버터는 IEC 62109-1 테스트 조건에 따라 정격 전력에서 1.5~3.0%의 전류 THD를 달성합니다. 부분 부하(정격 20% 미만)에서는 THD가 증가하며 일반적으로 10% 부하에서 5~8%에 도달합니다. 그리드 코드 제한은 일반적으로 정격 전력의 80% 이상에서 평가되므로 부분 부하 고조파 상승은 일반적으로 조사 조건으로 인해 인버터가 낮은 출력에서 자주 작동하지 않는 한 규정 준수 문제가 아닙니다.
여러 대의 인버터를 병렬로 연결하면 고조파 왜곡이 증가합니까?
동일한 유형과 펌웨어 버전의 인버터를 사용한다면 그다지 중요하지 않습니다. 동일한 스위칭 주파수와 LCL 필터를 사용하는 동일한 모델의 여러 인버터는 PWM 캐리어의 위상 다양성으로 인해 PCC에서 부분적으로 상쇄되는 고조파를 생성합니다. 일부 제조업체에서는 총 고조파 서명을 더욱 줄이기 위해 다중 장치 병렬 구성에서 캐리어 인터리빙을 구현합니다. 인버터 모델이나 제조업체를 병렬 배열로 혼합하는 것은 권장되지 않습니다. 서로 다른 스위칭 주파수는 상호 고조파 비트 주파수를 생성할 수 있습니다.
1,500V DC 시스템의 고조파 제한이 다릅니까?
아니요 - 고조파 제한은 AC 전력망 측에 지정되며 DC 시스템 전압과 무관합니다. 그러나 1,500V DC 스트링 인버터는 일반적으로 더 높은 AC 전력 정격(장치당 250~350kW)을 가지므로 1,000V에 해당하는 인버터보다 장치당 AC 출력 전류가 더 높습니다. 이는 동일한 전체 플랜트 전력에서 PCC에 더 적은 수의 인버터 AC 연결이 존재함을 의미합니다. 이는 각 인버터에 표시되는 고조파 임피던스를 변경하므로 상호 연결 고조파 연구에서 이를 고려해야 합니다.
결론: 시운전 시가 아닌 조기에 고조파 적합성을 확인하십시오.
고조파 적합성은 그리드 운영자가 승인 테스트를 거부하는 시운전 이후가 아니라 인버터 선택 및 상호 연결 연구 단계에서 보장하는 것이 가장 쉽고 저렴합니다. 상업용 또는 유틸리티 프로젝트용 인버터를 선택할 때 제조업체의 유형 테스트 고조파 데이터(IEC 62109-1 또는 IEEE 519 사전 적합성 테스트 보고서)를 요청하고 특정 PCC 단락 용량에서 적용 가능한 그리드 코드 제한과 비교하여 이를 확인하십시오.
고조파 제한이 엄격하거나 그리드 인프라가 약한 시장의 프로젝트의 경우 처음부터 BOS 예산에 수동 또는 능동 고조파 필터 비용을 고려하세요. Econo Solar에 문의하세요. 인버터 조달 지원 및 Sungrow, Huawei, SMA 및 SolarEdge의 고조파 적합성 테스트 문서에 액세스할 수 있습니다.
공장 가격으로 태양광 장비 공급
Econo Solar는 Sungrow, Huawei, SMA 및 SolarEdge의 그리드 코드 호환 인버터에 상호 연결 제출을 위한 고조파 테스트 문서를 제공합니다.
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