고조파 저감대책

왜 배우는가: 고조파는 전력품질 문제의 대표 원인으로, 변압기·케이블·콘덴서 과열과 보호계전기 오동작을 일으켜 설비 수명과 계통 안정성을 떨어뜨린다. 전기응용기술사 시험에서는 발생 원인, 억제 원리, 설비별 저감대책을 묻는 형태로 반복 출제되므로 개념의 원리부터 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 6번, 제124회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고조파 저감대책은 비선형부하가 만든 고조파 전류의 유출을 기기 측과 계통 측에서 억제해 고조파 전류를 허용치 이내로 낮추는 방법이다.

• 고조파 저감대책
• 고조파 왜형률(THD)
• 수동 필터(Passive Filter)
• 능동 필터(Active Filter)
• 리액터(ACL·DCL)
• 위상변위 변압기(Phase Shift Transformer)
• 다펄스 변환(Multi-pulse Converter)
• 공통 결합점(PCC)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기를 쓰는 기기가 전류를 사인파가 아닌 짧은 펄스 모양으로 끌어가면, 그 찌그러진 전류가 계통에 다른 주파수 성분을 퍼뜨린다. 이 주파수 성분이 기본 주파수의 정수배인 고조파이다. 고조파 저감대책은 이 찌그러진 전류가 계통으로 빠져나가지 않도록 막거나, 이미 나온 고조파를 흡수·상쇄하는 모든 방법을 말한다.

정식으로는 기기에서 발생하는 고조파 전류를 줄이는 방법과, 발생한 고조파 전류를 분류(흡수)하여 계통으로의 유출 전류를 줄이는 방법의 두 가지로 나눈다. 고조파 전류가 상한치를 넘는 경우에 이 대책을 적용한다.

고조파 왜형률(THD)은 기본파 대비 고조파 성분의 실효값 비율이다. 전류 왜형률은 THD_I = \sqrt{\sum_{h\ge2} I_h^2} / I_1 \times 100\% 로 정의하며, I_h는 h차 고조파 전류의 실효값(A), I_1은 기본파 전류의 실효값(A)이다. 전압 왜형률도 같은 구조로 쓴다.

능동 필터는 부하 전류의 고조파를 측정해 그와 크기가 같고 위상이 반대인 보상 전류를 전력변환기로 주입하여 상쇄하는 장치다. 수동 필터는 L과 C를 조합해 특정 고조파에서 임피던스가 낮아지도록 맞춘 장치다. 두 방식의 차이는 아래 6절 비교표에서 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체 전력변환 기술이 발전하면서 인버터, 정류기, 전자식 안정기, 가변속 구동장치 같은 비선형부하가 크게 늘었다. 이들 부하는 짧은 펄스 전류를 끌어 쓰기 때문에 계통 전압과 전류의 파형을 동시에 왜곡한다. 이 왜곡은 변압기 철손과 동손을 키우고, 케이블과 중성선을 과열시키며, 역률 개선용 콘덴서와 공진을 일으킬 수 있다.

고조파는 전압 왜곡보다 전류 왜곡에서 먼저 생긴다. 전원의 소스 임피던스가 있으면 고조파 전류가 흐르면서 그 임피던스에 의해 전압 고조파가 생긴다. 따라서 대책의 출발점은 발생원인 비선형부하의 전류 파형을 개선하거나, 계통 임피던스와 공진 조건을 관리하는 것이다.

계통의 상태도 대책 선택에 영향을 준다. 같은 부하라도 단락용량이 큰 계통에서는 전압 왜곡이 작고, 단락용량이 작은 계통에서는 왜곡이 커진다. 그래서 저감대책은 부하 측 설비 대책과 계통 측 운영 대책을 함께 검토해야 한다.

THD 기준은 전압·전류 모두 측정 지점과 기준 용량에 따라 다르다. 이 기준은 IEEE 519의 PCC 개념과 함께 이해해야 한다. 공통 결합점(PCC)은 여러 수용가가 같은 계통에 연결되는 지점으로, 고조파 한계는 이 지점에서 평가하는 것이 원칙이다.

4. 구성요소·원리·절차

고조파 저감대책은 고조파 발생원을 줄이는 방법과 계통으로 유출되는 고조파를 흡수·차단하는 방법으로 나뉜다. 발생원 측 대책은 기기의 펄스수를 늘리거나 고역률 변환 방식을 쓰고, 유출 측 대책은 리액터·수동 필터·능동 필터·위상변위 변압기 등을 쓴다. 두 방법을 함께 적용하면 대책의 효과가 커진다.

고조파 저감대책의 구성요소는 다음 표와 같다.

각 구성요소의 원리는 다음과 같다. 리액터는 임피던스를 높여 고조파 전류의 흐름을 막는다. 수동 필터는 LC 직렬공진 조건에서 임피던스가 최저가 되는 점을 이용해 해당 차수 고조파를 흡수한다. 능동 필터는 부하 전류의 고조파 성분과 크기가 같고 위상이 반대인 보상 전류를 IGBT PWM 인버터로 주입해 합성 파형을 정현파에 가깝게 만든다. 위상변위 변압기는 두 개 이상의 변압기 권선 결선을 달리해 고조파의 위상을 서로 어긋나게 하고, 이를 합성할 때 고조파가 상쇄되도록 한다.

위상변위 변압기의 위상차는 다음과 같다. 3고조파는 60°, 5·7고조파는 30°, 11·13고조파는 15° 위상차를 만들면 해당 고조파가 효과적으로 상쇄된다. 다펄스 변환기는 정류기의 상 수를 늘려 저차 고조파 차수를 이동시킨다. 6펄스 정류기는 5·7차, 12펄스 정류기는 11·13차 고조파가 주로 남는다.

수동 필터 설계 절차는 다음과 같다.

• 부하의 고조파 차수별 전류 크기와 계통의 단락용량을 측정하거나 계산한다.
• 억제할 주 차수(예: 5차, 7차)를 정하고 해당 차수에 맞춰 LC 공진 주파수를 정한다.
• 필터 용량은 공진 주파수가 계통 공진과 겹치지 않도록 정한다. 콘덴서 용량과 계통 단락용량이 만드는 병렬 공진 주파수가 주요 고조파 차수와 일치하면 고조파가 증폭된다.
• 필터의 전류 용량, 역률 영향, 과부하 보호를 확인한다.
• 설치 후 고조파 측정으로 전류 왜곡률(THD)을 다시 확인한다.

능동 필터 설계 용량은 운전 전류에 전류 왜곡률을 곱해 구한다. 보상 효과를 충분히 얻기 위해 계산값에 여유를 두어 설치 용량을 정하는 것이 일반적이다. 예를 들어 운전 전류가 100A이고 전류 왜곡률이 0.3이면 설계 용량은 100×0.3=30A이다. 여기에 관련 기준이 정한 여유계수를 곱한 값이 최종 설치 용량이 된다.

고조파 대책은 발생원 저감과 유출 차단을 함께 설계해야 한다

5. 관련 법령·기준·표준

국내 전력계통의 고조파 관리는 한국전기설비규정(KEC)과 전력품질 관련 기술기준을 따르며, 고조파 한계값은 계통 연계 지점의 단락용량과 수요 전류의 비율에 따라 정해진다. 국제 기준으로는 IEEE Std 519가 널리 쓰인다. 이 표준은 공통 결합점(PCC)에서 총 수요 왜곡(TDD) 한계를 정하고, 개별 차수 고조파의 허용 크기를 함께 정한다.

기준값 표는 다음과 같다.

위 표의 값은 IEEE 519 의 전류·전압 한계 값이며, 한계는 계통의 단락전류 대 수요전류 비에 따라 차등 적용된다. 국내 적용 시에는 해당 설비의 계약 전력과 계통 조건을 함께 확인해야 한다.

개정 연혁으로는 IEEE 519-2014 가 현행 판이며, 이 판에서 TDD 기준 개념과 전압 왜곡 한계가 정리되었다. 국내 기준은 전력품질 관리 체계 변화에 따라 계속 보완되고 있으며, 설계 시 최신 판을 적용하는 것이 원칙이다.

6. 유형과 비교

고조파 대책은 발생원 측과 유출 측, 그리고 계통 측으로 나눌 수 있다. 발생원 측 대책은 근본 원인을 줄이므로 효과가 크지만, 기기 교체가 필요해 비용이 든다. 유출 측 대책은 기존 설비에 추가로 설치할 수 있어 현장에서 많이 쓰인다.

수동 필터는 특정 차수에서 효과가 확실하지만 계통 공진 위험이 있다. 능동 필터는 공진이 없고 여러 차수를 동시에 억제하지만 전력손실과 가격이 크다.