미래 산업 발전에 반드시 필요한 고조파 저감 기술

㈜인텍에프에이 엄주경 연구소장

최근 한전이 배전계통 고조파 관리 기준을 마련하고 2010년 6월까지 시범 적용하기로 함에 따라 고조파에 대한 관심이 높아지고 있다. 전기사업법 제18조에는 ‘전기사업자는 지식경제부령이 정하는 바에 따라 그가 공급하는 전기의 품질을 유지해야 한다’ 고 규정하고 있다. 시행세칙이 규정한 전압 왜형율 허용기준율은 전압이 66kV 이하 배전선로일 때는 지중ㆍ가동 모두 3%이다. 따라서 수용가의 전압 왜형률이 3%를 초과하면 고조파로 분류되고, 고객은 이를 저감할 수 있는 장치를 설치해야한다. 하지만 고조파 등 미세 전기품질에 대한 허용기준치는 있지만, 이를 세부적으로 관리하도록 한 규정이 없다보니 지금까지 이 기준치는 사실상 사문화 되어 왔다. 한전이 이번에 시범 적용에 들어간 배전 계통 고조파 관리기준은 고조파 관리 기준에 대한 실효성과 정당성을 확보하기 위하여 국제 기준인 IEC 규격을 바탕으로, 국내 환경에 맞는 기준으로 전압 왜형률(5%)과 구체적인 관리 지침을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다는 분석이다. 현재 법에서 규정하고 있는 고조파 왜형율은 66kV이하일 경우 3%, 154kV이상은 1.5%로 한전 기준보다 강화된 수치이다.

일반적으로 고조파는 전력계통에 문제를 일으켜 정전 등을 유발 시킬 뿐만 아니라 변압기나 발전기 등의 전력 설비의 수명을 단축시키고, 진동과 소음도 일으키는 것으로 알려져 있다. 또 가전제품의 오동작이나 통신 장해를 발생시키는 원인이 되고 있다.
고조파란 기본 주파수의 정수배에 해당하는 주파수를 가지는 전압·전류파형으로 고조파는 직류 정류기 전원장치, DC 모터 속도제어 장치, 인버터 등 전력전자 반도체 응용기기를 사용할 때 발생되는 비선형 부하가 원인이다.
최근 크게 이슈가 되고 있는 에너지 절약 산업 및 신재생에너지 산업에서도 전력변환기술을 이용하고 있기 때문에 이와 같은 환경적 조건에서 발생된 고조파 전류는 계통 운영상 많은 문제를 일으킬 가능성이 크다.
고조파는 수용가 쪽에서 계통으로 유입되는 것이기 때문에 수용가 측에서 고조파를 제한해야 합리적이다.
1999년에 창립된 ㈜인텍에프에이는 산업용 모터 드라이브 및 입출력 필터, 회생장치, PWM 컨버터, 신재생에너지 전력변환제품 등을 생산하고 있다. 이 가운데 입출력 필터와 PWM 컨버터는 입력 전원의 고조파를 저감하는 제품이다.
일반적으로 모터 드라이브의 가장 기본적인 고조파 저감은 리액터를 사용하는 방법이다. 모터 드라이브의 입력에 AC 리액터나 DC 리액터를 장착하여 고조파를 저감한다. 하지만 이 방법은 가장 손쉽고, 가격도 저렴하지만, 고조파 전류 함유율이 20%이하로 저감하기는 어렵다. 하지만, PWM 컨버터는 고조파를 3% 이내로 저감하는 제품이다.

(그림1. AC 리액터 취부)

(그림2. DC 리액터 취부)

(그림3. PWM 컨버터 : APCS Series)

PWM 컨버터는 모터 드라이브 입력측에 설치하여 DC 전원을 공급하고 모터가 감속할 때 발생하는 회생 에너지를 계통으로 환원하는 역할을 한다. 이때 컨버터는 계통에 전원을 보상하여 전원 전압의 왜형률을 최소화하고 역률 개선과 고조파 저감을 하면서 동작을 하게 된다. 그림 5는 계통에서 전원을 공급받아 인버터에 공급시 컨버터의 입력 전압과 전류에 대한 파형이다.

(그림4. PWM 컨버터와 모터 드라이브 연결)

(그림5. PWM 컨버터 입력 전압과 전류:전원공급시)

미래의 전력소비는 전력 반도체 소자를 이용한 기술과 IT 기술을 융합한 전력변환 장치 위주의 패턴이 될 것은 자명한 사실이다. 현재 추진 중인 스마트 그리드의 추진 배경처럼 수용가에서 전력을 공급할 수도, 공급 받을 수도 있는 시대가 도래할 것이다. 전력 계통의 여러 장해 중에 고조파 장해는 통신 기기나 여러 기기의 오동작을 초래한다. 전력 계통에 여러 고조파원이 네트워크로 연결되기 때문에 고조파 저감은 미래 산업 발전에 반드시 필요한 기술이다. 이러한 배경에서 산업용 모터 드라이브의 전원 공급 장치인 PWM 컨버터는 시장의 확대가 기대된다.