고조파 정의·원인·영향·저감대책

고조파의 정의

고조파는 기본 주파수의 정수배 주파수를 갖는 정현파 성분이다.

우리나라 전력 계통의 기본 주파수는 60Hz이므로 2차 고조파는 120Hz, 3차 고조파는 180Hz다.

주파수가 n배인 성분을 n차 고조파라 부른다. 기본파는 1차 성분으로 취급된다.

발생 원인과 전압 왜곡 흐름

비선형 부하는 다이오드, 사이리스터, IGBT 같은 반도체 스위칭 소자가 대표적이다.

이 부하는 사인파가 아닌 펄스형 전류를 끌어오고, 그 전류가 계통 임피던스를 지난다.

전류에 임피던스를 곱한 전압 강하가 전압 고조파가 된다.

왜곡된 전압은 같은 모선의 다른 부하로 퍼져 과열과 오동작을 일으킨다.

THD와 TDD의 비교

THD는 기본파 대비 고조파 전체의 비율이며, 전압과 전류를 각각 구한다.

IEEE 519는 같은 개념을 부하 기준으로 확장한 전류 왜곡 TDD를 사용한다.

두 값은 측정 기준이 달라 같은 수치로 비교하면 안 된다.

답안에서 THD와 TDD를 혼용하면 감점된다.

TDD 계산 예제

최대 수요 전류 100A에 5차 8A, 7차 4A 고조파가 있고 나머지는 무시한다.

먼저 고조파 전류 제곱의 합에 제곱근을 씌운다.

8과 4의 제곱합에 제곱근을 씌우면 약 8.94A다. 이를 100A로 나누면 TDD는 약 8.9%다.

5차 전류 8A는 기본파 대비 8%이므로 개별 차수 한계와도 비교해야 한다.

저감 대책 비교

앞 문제의 정답은 8%다. 기타 차수를 무시하면 5차 8A만으로 TDD가 8%가 된다.

고조파 대책은 발생원 억제, 흡수, 보상을 조합하는 것이 원칙이다.

수동 필터는 단순하고 저렴하지만 계통 임피던스가 바뀌면 공진점이 이동한다.

능동 필터는 넓은 차수를 상쇄하지만 고가다. 다펄스 구성은 발생원 자체를 줄인다.

정리와 채점 포인트

고조파는 기본 주파수의 정수배 주파수 성분이다.

발생원은 정류기와 인버터 같은 비선형 부하이며, 전동기는 주된 원인이 아니다.

영향은 콘덴서 공진, 변압기와 중성선 과열, 계전기 오동작을 빠짐없이 쓴다.

기준은 IEEE 519를 쓰며, TDD 15% 이하와 일반 계통 THD-v 8% 이하가 대표 수치다.