전력 유틸리티 사업은 전 세계적으로 변화하고 있습니다. 과거에는 석탄, 가스, 석유, 심지어 원자력 발전소가 주요 전력 공급원이었다면, 오늘날에는 풍력, 태양광과 같은 재생에너지의 중요성이 커지고 있습니다. 2020년은 풍력 분야에서 사상 최고의 해로, 전 세계적으로 93GW의 신규 용량이 설치되어 전년 대비 53% 증가했습니다. 전 세계가 2050년까지 탄소 배출 순 제로를 달성하는 것을 목표로 하고 있기 때문에 이러한 추세는 계속될 것입니다.
로익 모로, 기술 마케팅 부사장, Danisense
세계풍력에너지협의회(GWEC)가 발표한 새로운 보고서에 따르면 기후 변화로 인한 최악의 영향을 피하려면 향후 10년간 풍력 발전을 3배 더 빠르게 설치해야 한다고 주장합니다.
이는 대전류를 측정하는 방법을 포함하여 전력 산업의 모든 측면에 큰 변화를 가져오고 있습니다. 기존 화석 연료 발전소의 가장 큰 장점은 공급이 매우 안정적이고 쉽게 제어하고 조절할 수 있다는 것입니다. 재생 에너지의 경우 전력의 공급원은 변동성이 있어 예를 들어 바람이 불지 않으면 전력이 생산되지 않습니다. 태양광 발전 설비나 다른 재생 에너지에 사용되는 전력 변환기에서 나오는 직류 전류는 기존의 교류 그리드에 주입될 수 있으므로 기존의 대전류 측정 기술은 적합하지 않습니다.
또 다른 관련 트렌드는 대형 배터리입니다. 전력이 생산될 때뿐만 아니라 필요할 때 전력을 사용하기 위해 대형 배터리 시스템이 건설되고 있습니다. 캘리포니아주 몬터레이 베이의 모스 랜딩 발전소는 한때 천연가스를 연료로 하는 캘리포니아 최대 규모의 전기 발전소였으나 현재는 세계 최대 규모의 배터리가 설치되어 태양광 패널과 풍력 발전소가 전기를 생산할 때 여분의 에너지를 저장하고 유휴 시 전력망에 다시 공급하는 역할을 하고 있습니다.
이름이 변경된 모스 랜딩 에너지 저장 시설의 1단계는 2020년 12월에 300MW/1,200MWh의 용량으로 가동을 시작했습니다. 2021년 8월에 완공 예정인 2단계 프로젝트에서는 100MW / 400MWh의 용량을 추가할 예정입니다. 이러한 대규모 설비에는 매우 정확한 고전류 측정이 필요합니다.
다시 말하지만, 기존의 방식은 이 작업에 적합하지 않은 것으로 판명되었습니다.
대신 5kA 이상의 전류를 측정해야 하는 애플리케이션에서는 Danisense의 Fluxgate 기술과 같이 전류의 순환으로 생성되는 자기장을 사용하는 제로 플럭스 기술을 점점 더 많이 고려하고 있습니다.
제로 플럭스 기술
제로 플럭스 기술의 작동을 설명하려면 먼저 몇 가지 기본 원리를 고려하는 것이 적절합니다. 그림 1에서 왼쪽 위에는 자석 막대를 중심으로 구성된 픽업 코일이 표시되어 있고, 오른쪽 위에는 저항과 인덕턴스가 있는 등가 전기 회로가 표시되어 있습니다. 전압이 인가되면 회로의 전류가 빨간색 곡선으로 표시됩니다. 전류는 인덕턴스 값에 따라 인덕턴스가 포화되는 지점까지 기울기를 따라 점진적으로 증가합니다. 이 조건에서 등가 전기 회로는 저항성만 있는 것으로 간주할 수 있습니다.
제로 플럭스 전류 트랜스듀서를 만들 때 픽업 바에 사용되는 재료는 전류가 파란색 곡선을 따르도록 하는 특정 자기 특성을 가지고 있습니다. 처음에는 높은 임피던스 값으로 인해 전류가 느리게 증가합니다. 그러다가 갑자기 인덕턴스가 포화되고 전류가 매우 빠르게 증가하여 이전과 같이 종점에 도달합니다.
이제 정사각형 전압 신호가 인가되면 전류의 프로파일은 양의 포화와 음의 포화 및 탈포화 주기의 연속이 됩니다. 도체를 플럭스게이트 소자에 가깝게 배치하면 전류가 순환하면서 제로 위치를 이동시켜 신호에 영향을 미치는 추가 자기장이 생성됩니다(그림 2a – 파란색 곡선). 마지막으로, 두 번째 고조파에 형성된 신호 처리를 통해 1차 전류에 대한 세부 정보를 확인할 수 있습니다(그림 2a – 보라색 곡선).
전류 감지 성능을 더욱 향상시키기 위해 제조업체는 종종 제로 플럭스 기술과 그림 2b에 표시된 폐쇄 루프 원리를 결합합니다. 여기서 플럭스게이트 소자는 에어 갭에 배치되고 자기장을 측정하는 동안 전류 출력은 2차 권선을 통해 재주입되어 반대 방향의 자기장을 생성합니다. 이 방법을 사용하면 플럭스게이트가 경험하는 자기장이 항상 0이 되므로 오프셋 및 선형성 문제가 제거됩니다.
현재 네 가지 주요 제로 플럭스 토폴로지를 사용할 수 있습니다(그림 3). 첫 번째(3a)는 에어 갭이 있는 마그네틱 코어와 2차 권선을 기반으로 합니다. 이는 에어 갭의 홀 소자가 플럭스게이트로 대체된 폐쇄 루프 홀 효과 커런트 트랜스듀서와 유사합니다. 주요 이점은 우수한 오프셋 드리프트입니다. 두 번째 토폴로지(3b)는 플럭스게이트 소자의 역할을 하는 단일 코어입니다. 에어 갭이 없기 때문에 주요 이점 중 하나는 EMC 견고성과 높은 분해능입니다. 그러나 코어의 포화가 빠르게 발생하기 때문에 대역폭이 몇 헤르츠로 제한됩니다. 세 번째 토폴로지는 변류기와 마찬가지로 AC 신호만 측정하는 와인딩 코어(3c)를 추가하여 이 문제를 해결합니다. 이 경우 모든 이점을 누릴 수 있습니다. 그러나 더 높은 성능이 필요한 경우 ‘밸런스드 코어'(3D) 토폴로지는 두 개의 동일한 플럭스게이트 소자를 반대편에 배치하는 방식을 사용합니다. 따라서 EMC 또는 온도 변화와 같은 외부 환경 조건에 관계없이 두 감지 소자 간에 자연스러운 수동 보상이 이루어집니다. 이 접근 방식을 사용하면 열악한 환경에서도 1ppm의 측정 정확도를 달성할 수 있습니다.
플럭스게이트 기술은 모든 전류 레벨에 대해 매우 정확하고 안정적이며 반복 가능한 전류 측정을 제공하는 데 사용할 수 있으며 Danisense는 0-600A, 600-3000A 및 3kA 이상을 포괄하는 전류 감지 트랜스듀서 제품군을 개발했습니다. 이 기사의 첫 번째 부분에서 설명한 것처럼 매우 높은 전류를 사용하는 신흥 시장에서는 새로운 과제를 해결해야 했지만, 현재 최대 30kA의 솔루션을 개발 중이며 플럭스게이트 접근 방식에는 이론적 한계가 없습니다.
절연과 안전은 고전력 애플리케이션의 핵심 요구 사항입니다. 해당 표준은 IEC 61010입니다. 저전류 애플리케이션용으로 제공되는 다른 제품과 달리 댄센스의 DR50000IM(8kA) 및 DR10000IM(11kA) 전류 감지 트랜스듀서(그림 4)는 감지 헤드와 전자 신호 처리 장치를 분리합니다.
센싱 헤드는 견고한 수동형 장치로, 고전류가 흐르기 때문에 불가피하게 발생할 수 있는 간섭의 영향을 받지 않고 시끄러운 전기 환경에서도 장시간 배치 및 방치할 수 있습니다. 복잡한 신호 조건 설정 및 처리는 감지 헤드에서 30m 떨어진 안전한 온도 제어가 가능한 무균 실험실 환경에서 원격으로 수행할 수 있습니다. 이러한 방식으로 전류 감지 트랜스듀서의 기능을 분리함으로써 패시브 감지 헤드는 까다로운 환경 조건에 대처할 수 있을 만큼 견고하게 만들 수 있습니다. 또한 자기장이 강한 환경에서 작업하는 것은 위험하므로 이 접근 방식은 작업자가 자기장 속에서 전원 공급 장치와 출력을 연결하는 등 트랜스듀서를 조작할 필요성을 최소화하여 안전성을 높입니다.
댄센스의 새로운 고전류 트랜스듀서는 또한 7kHz의 낮은 여기 주파수를 특징으로 합니다. 소형 제품의 경우 동적 성능을 향상시키기 위해 최대 32kHz의 훨씬 더 높은 여기 주파수가 선호됩니다. 그러나 DR 시리즈 센서의 경우 이렇게 큰 자기 코어를 높은 주파수로 포화시키려면 크고 비용이 많이 드는 고전력 회로가 필요합니다. 댄센스는 주파수를 줄임으로써 동적 성능과 전력 수준 사이에서 적절한 균형을 이룰 수 있었습니다.
그림 5는 시멘스 게임사 풍력 터빈 설치에 사용된 댄센스의 DR10000IM 센싱 헤드를 보여줍니다.
감지 헤드와 전자 처리 단계를 연결하기 위해 두 번째 전체 차폐 층으로 둘러싸인 개별 차폐 기능을 갖춘 여러 개의 트위스트 쌍으로 특수 설계된 케이블이 사용됩니다. 헤드와 처리 장치 사이의 거리가 30미터 이상인 경우 Danisense는 전류 값과 임피던스 효과를 줄이기 위해 보상 전류에 1개가 아닌 3개의 전선을 사용합니다.
댄센스의 DR50000IM 및 DR10000IM 전류 감지 트랜스듀서는 100kHz의 높은 대역폭을 제공하며 선형성 오차가 1ppm에 불과하여 매우 안정적입니다. 또한 이 트랜스듀서의 동등한 전압 출력 버전인 DR50000UX(8kA) 및 DR10000UX(11kA)도 제공합니다.
결론
스마트 그리드의 도입으로 전력이 이전보다 훨씬 더 광범위한 소스에서 생성되고 있기 때문에 유틸리티 회사 및 기타 업체들은 현재 사용하는 측정 기술을 재고해야 합니다. 이미 MRI 스캐너, 전기차 충전소, CERN과 같은 대형 물리학 연구소와 같은 애플리케이션에서 광범위하게 사용되고 있는 Danisense의 플럭스 게이트 기술은 수십 킬로암페어의 고전류를 처리하여 정확하고 안정적이며 반복 가능한 측정 결과를 제공할 수 있는 것으로 입증되고 있습니다. Danisense는 가까운 미래에 더 높은 전류를 측정해야 할 필요성을 인식하고 있으며, 곧 최대 30kA까지 측정할 수 있는 전류 감지 트랜스듀서를 출시할 예정입니다(그림 6). 이 제품은 댄센스가 제공하는 제품 중 가장 큰 330mm 구경이 특징이며, 전류 수요는 낮지만 직경이 큰 케이블을 사용하는 기업들도 관심을 가질 것입니다.