고조파의 정의와 그 영향 그리고 저감대책에 대하여

 

고조파는 전력 시스템의 기본 주파수의 정수 배수인 주파수를 갖는 전기 신호 또는 전류로 기본 주파수가 60Hz이면 두 번째 고조파는 120Hz, 세 번째 고조파는 180Hz가 되는 식으로 발생하는 것이다. 이러한 고조파는 전압 및 전류 왜곡을 유발하여 장비 오작동, 에너지 손실 증가, 시스템 효율성 저하 등 여러 전력 시스템에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 고조파의 영향을 완화시키기 위한 방법도 다양하게 있다. 이번에는 이런 고조파가 무엇이며 어떤 영향을 주는지, 그리고 어떻게 고조파의 영향을 줄일 수 있는지에 대해서 알아보고자 한다.

고조파는 무엇인가

고조파는 전압 또는 전류 파형이 이상적인 정현파 모양에서 왜곡되는 전력 시스템에서 발생하는 현상이다. 구체적으로 고조파는 파형의 기본 주파수의 배수인 주파수를 갖는 주기 파형의 사인파 성분을 나타낸다. 전력 시스템에서 고조파는 비선형 부하로 인해 발생하게 된다. 비선형 부하는 전력 시스템에서 비정현파 전류를 끌어오는 부하로, 몇 가지 예로는 컴퓨터, 가변 주파수 드라이브, 형광등용 전자식 안정기와 같은 전자 장치가 있다. 이러한 장치는 전압 파형을 정현파 방식으로 따르지 않는 전류를 끌어오는 대신 부하의 임피던스 특성에 따라 달라지는 파형을 갖는 전류를 끌어오게 된다. 비선형 부하가 전력 시스템에서 비정현파 전류를 끌어오면 시스템에 고조파가 발생하게 된다. 이러한 고조파는 손실 증가, 시스템 효율성 감소, 장비 발열 증가와 같은 여러 문제를 일으키게 된다. 고조파는 또한 전압 및 전류 왜곡을 유발하여 모터 및 변압기와 같은 전력 시스템의 다른 장비의 성능에 영향을 미칠 수 도 있다. 그럼 고조파가 전력 시스템에 구체적으로 어떤 영향을 주는지에 대해서 알아보자.

 

 

고조파에 의한 영향

고조파는 전력 시설에 여러 가지 악영향을 미칠 수 있다. 고조파의 영향은 왜곡의 심각성과 영향을 받는 장비의 유형에 따라 달라진다. 다음은 고조파가 전력 시설에 미치는 영향을 나열한 것이다. 먼저 고조파는 전력 시스템에서 손실을 증가시킨다. 고조파가 있는 전력 시스템에 전류가 흐르면 도체와 장비가 추가로 가열되어 시스템의 손실이 증가하고 효율이 저하되게 된다. 고조파로 인한 추가 가열은 또한 장비의 수명도 단축시킬 수도가 있다. 또한 고조파는 전력 시스템에서 전압 왜곡을 일으킬 수 있다. 전류에 고조파가 발생하면 전력 시스템에 연결된 다른 장비의 작동에 영향을 줄 수 있는 전압 왜곡이 발생하게 된다. 예를 들어 모터는 과열, 토크 맥동 및 소음 증가를 일으키게 되는 것이다. 추가 발열로 인해 장비에 열 과부하가 발생하여 장비의 고장으로 이어질 수도 있다. 변압기와 같은 장비의 절연이 고조파의 영향으로 고장으로 이어질 수도 있다. 전력 품질에도 영향을 미칠 수 있다. 전력 품질은 전력 시스템이 고객에게 안정적이고 깨끗한 전력을 공급할 수 있는 능력을 의미한다. 하지만 고조파가 발생하면 전력의 안정적인 흐름을 방해하여 플리커, 전압 강하, 순간적인 중단과 같은 전력 품질 문제를 일으킬 수가 있다.

 

     

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이렇듯 고조파는 손실 증가, 시스템 효율성 감소, 장비 발열 증가와 같은 여러 문제를 일으키는 등 여러 악영향을 미치게 된다. 그렇다면 고조파를 제거 혹은 완화할 수 있는 방법에는 무엇이 있는지 알아보자.

 

 

고조파 저감대책

전력 시스템에서 고조파를 줄이는 것은 시스템 효율성을 보장하고 장비 고장을 줄이며 전력 품질을 유지하는 중요한 요소 중 하나이다. 그렇다면 어떻게 고조파를 줄일 수 있는지 그 방법에 대해서 알아보자. 먼저 고조파 필터 사용을 통한 저감이다. 고조파 필터는 전력 시스템에서 고조파를 줄이는 방법 중에 하나로, 패시브 고조파 필터는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 구성 요소를 사용하여 고조파 주파수에 대한 높은 임피던스를 생성하여 전류 파형에서 고조파를 필터링한다. 능동형 고조파 필터는 전력 전자 장치를 사용하여 시스템의 고조파를 상쇄하는 전류를 생성한다. 고조파 필터는 비선형 부하가 전력 시스템에 연결되는 공통 커플링 지점 또는 개별 부하에 설치할 수 있다. 다음은 다중 펄스 생성에 의한 저감 방식이다. 다중 펄스 방식은 전력 시스템, 특히 3상 AC 시스템에서 고조파를 줄이기 위한 기술로서, 위상 변이 변압기라고 하는 특수 변압기를 사용하여 서로 다른 위상의 전압 사이에 위상 변이를 생성하여 전류의 고조파를 효과적으로 줄일 수 있다. 이 위상 이동은 정류기 회로의 펄스 수를 효과적으로 증가시켜 전류의 고조파 함량을 줄인다. 예를 들어, 두 개의 위상 변이 변압기를 사용하여 각 위상의 전압 사이에 30도 위상 변이를 생성하는 12 펄스 정류기 회로를 만들 수 있다. 이 방법은 위상 변이 변압기를 추가로 사용하여 18 또는 24와 같이 훨씬 더 많은 수의 펄스를 생성하도록 확장할 수도 있다. 이렇게 생성된 펄스는 기존의 고조파를 서로 상쇄시켜 고조파를 줄일 수 있게 되는 것이다. 또한 모터 및 변압기와 같은 고효율 장비를 사용하여 고조파를 줄이는 것이다. 이러한 유형의 장비는 고조파 왜곡을 줄이면서 더 효율적으로 작동하도록 설계되었다. 그 외에도 특정 고조파만 생성하고 다른 고조파는 제거하도록 비선형 부하를 설계하는 선택적 고조파 제거 방식이 있다. 이 기술은 예를 들어 가변 주파수 드라이브에서 시스템에 문제를 일으키는 특정 고조파를 제거하는 데 사용할 수 있다.

 

고조파는 많은 전력 시스템에 영향을 주고 효율 감소와 같은 악영향을 미치지만 고조파 필터, 다중 펄스 방식, 선택적 고조파 제거, 고효율 장비를 사용하여 전력 시스템에서 고조파를 줄일 수 있다. 고조파를 줄임으로써 전력 시스템이 보다 효율적으로 작동하고 장비 고장을 줄이며 전력 품질을 유지할 수 있을 것이다.

 

이와 같이 고조파는 전압 또는 전류 파형이 이상적인 정현파 모양에서 왜곡될 때 전력 시스템에서 발생하여 손실 증가, 시스템 효율성 감소, 장비 발열 증가와 같은 여러 문제를 일으키게 된다. 하지만 이런 고조파를 줄이고 관리할 수 있는 많은 방법들이 있으니, 전력 품질 분석기나 오실로스코프 등을 이용하여 고조파 발생 여부를 확인하여 적절한 방법으로 고조파를 저감시킨다면 보다 효율적으로 전력 시스템을 운영할 수 있을 것이다.