KR100501884B1 - 분산전원 시스템 - Google Patents

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KR100501884B1
KR100501884B1 KR10-2003-0080502A KR20030080502A KR100501884B1 KR 100501884 B1 KR100501884 B1 KR 100501884B1 KR 20030080502 A KR20030080502 A KR 20030080502A KR 100501884 B1 KR100501884 B1 KR 100501884B1
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Abstract

본 발명은 분산전원 시스템에 있어서, 분산전원 발전기와, 대용량의 커패시터로 구성되며 상기 분산전원 발전기에서 생산된 전력을 직류 에너지의 형태로 저장하는 에너지 버퍼의 기능을 수행하는 직류(DC) 링크와, 적어도 하나 이상의 PWM((Pulse Width Modulation) 전압원 인버터로 구성되며 상용전원 계통과 연계 운전시에 상기 DC 링크에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 유, 무효 전력을 공급하기 위해 계통에 전압을 직렬로 삽입하도록 구성되는 직렬 인버터와, 적어도 하나 이상의 PWM 전압원 인버터로 구성되며 상기 상용전원 계통과 연계 운전시와 단독 운전시에 상기 DC 링크에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 유, 무효 전력을 공급하기 위해 계통에 전류를 병렬로 주입하는 병렬 인버터와, 전력 계통 스위치로 구성되며, 상기 상용전원 계통측으로부터 전력 공급이 불가능할 때 분산전원 계통을 상기 상용전원 계통에서 분리하도록 상기 스위치를 개방하는 차단설비를 구비한다.

Description

분산전원 시스템{DISPERSED GENERATION SYSTEM}
본 발명은 전력공급 시스템에 관한 것으로, 특히 상용부하측 전력계통(이하 '상용전원 계통'이라 함)에 연계되는 자가발전 부하측 전력계통(이하 '분산전원 계통'이라 함)의 분산전원 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전력공급 시스템은 발전소에서 발전된 전력을 송전선로를 통해 수용가측의 부하로 공급하도록 되어 있다. 그런데, 수용가측 부하 중에서 특히, 정전이 발생되어서는 안 되는 중요한 부하(예컨대, 제철소의 전기로 등) 등에는 발전소(상용전원 계통)로부터 공급되는 상용전원과 병행하여 자가발전(분산전원 계통) 전원을 공급받는 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 상용전원 계통과 분산전원 계통은 통상 차단기의 구조를 구비한 계통 연계 장치를 통해 상시에는 연결되고 비상시(상용전원의 고장시)에는 분리되는 구조를 가진다. 이러한 분산전원 시스템은 디젤발전기, 마이크로 가스 터빈 등 동기 발전기를 비롯하여 태양광 발전, 풍력 발전, 연료전지 발전, 소형 열병합 발전 등이 있을 수 있으며, 최근 경제성 있는 분산전원에 대한 많은 연구가 있어왔다.
상기와 같은 전력공급 시스템을 보다 상세히 설명하면, 전력공급 시스템은 발전소 등의 상용전력 발생원으로부터 발전되어 송전선로를 매개로 송전되어온 상용 교류전원이 차단기를 매개로 상용 수전 모선으로 인가되고, 상용수전 모선에는 복수의 일반 수용가측 부하가 연결된다. 상기 상용수전 모선에는 계통 연계 장치를 매개로 자가발전 모선이 연결되고, 이 자가발전 모선에는 차단기를 매개로 자가발전 전원이 연결됨과 더불어 자가발전측 부하가 연결된다.
상기와 같이 구성된 전력공급시스템은 평상시에 통상 차단기 자가발전 전원을 자가발전 모선과 연결하는 차단기가 폐쇄되어 있어서 상용 교류전원이 일반 수용가측 부하 및 자가발전측 부하에 모두 공급되는 구조를 가진다. 그런데, 상용 교류전원이 인가되는 송선선로나 상용수전 모선에 지락이나 단락과 같은 사고가 발생되면 과전류가 부하로 흐르지 않도록 별도의 보호 계전기에 의해 상기 상용 교류전원을 상용 수전 모선으로 제공하도록 매개하는 차단기가 개방되고, 차례로 상기 계통 연계 장치가 개방되어 상용전원 계통과 분산 전원계통이 분리된다.
그런데, 상기와 같이 상용전원 계통과 분산전원 계통을 분리시키는 계통 연계 장치의 동작시간은 대략 100??200msec 정도로서, 턴오프 시간이 길기 때문에, 상용전원 계통에서 발생된 순시전압강하에 의해 분산 전원계통에도 전압강하 현상이 발생되어 상기 자가발전측 부하가 다운(down)되어 동작이 중단되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
이러한 상용전원 계통에서 발생한 순시전압강하(Voltage Sag)를 비롯한 순시전압상승(Voltage Swell)에 대한 문제점과, 상용전원 계통에서 발생한 순간정전(Interruption), 완전정전(Outage) 등과 같은 고장시에 대처하기 위해, 최근 분산전원에 인버터를 이용하여 계통에 연계될 때 발생하는 문제들을 해결하려는 다양한 연구가 수행되고 있다. 이러한 연구의 예로는 'Marei. M.I', 'E.F. El-Saadany', 'M.M.A. Salama,'에 의해 제안된 "Flexible Distributed Generation: (FDG)(PES Summer Meeting, IEEE 2002, vol.1, pp49-53)"에 개시된 바와, "IEEE Std 1159 IEEE Recommended Practice for monitoring Electric Power Quality. June 1995"에 개시된 바를 예로 들 수 있다.
본 발명의 목적은 상용전원 계통과 분산전원으로부터 동시에 분산전원측 부하에 전력을 공급하며, 상용전원 계통에 사고가 발생하였을 경우에도 분산전원측 부하에 고품질의 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 하기 위한 분산전원 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상용전원 계통과 연계하여 분산전원 시스템의 운전이 가능하도록 하며 상용전원 계통과 동시에 부하에 유효, 무효 전력을 공급할 수 있도록 하기 위한 분산전원 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상용전원 계통에서 순시전압강하, 순시전압상승시에 분산전원 시스템에서 전압 보상을 수행하여 전기의 품질을 높임과 동시에 부하에서 필요로 하는 전력을 공급할 수 있도록 하기 위한 분산전원 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 신뢰성 있는 전력의 공급과 전기품질을 개선하는 분산전원 시스템의 구성 및 제어원리를 제안하였다. 본 발명에 따른 분산전원 시스템은 분산전원 계통을 상용전원 계통과 연계할 때 직, 병렬 인버터를 이용하여 다목적에 맞는 제어를 구현할 수 있다. 특히 종래에는 직렬 혹은 병렬 인버터만을 이용한 것에 반해, 본 발명에서는 직, 병렬 인버터를 모두 이용함으로써 신뢰성 높은 전력 공급뿐 아니라 UPQC(Unified Power Quality Conditioner)와 같이 부하에 공급되는 전압, 전류의 전기 품질도 제어할 수 있다. 직, 병렬 인버터의 제어 방식은 순시전력이론(instantaneous power theory)을 이용하여 다목적 분산전원 시스템에 맞는 제어원리를 제안한다. 이러한 순시전력이론으로는 'H. Akagi', 'Y. Kanazawa', 'A. Nabae'에 의해 제안된 "Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components(IEEE Trans. on Industry Application, vol. 1A-20, no.3, May/June 1984, pp625-630)"에 개시된 바와, 'Aredes. M, K. Heumann', 'E.H. Watanabe'에 의해 제안된 "An Universal Active Power Line Conditioner(IEEE Trans. on Power Delivery, vol.13, no.2, April 1998, pp545-551)"개시된 바를 예로 들 수 있다,
특히, 본 발명에 따른 분산전원 시스템의 동작을 계통연계 모드(Paralleling mode)와 단독운전 모드(Islanding mode)로 구분하여 계통연계 모드에서는 부하에서 필요한 유효전력 제어, 역조류제한, 역률개선 및 전기품질 개선 등의 방식을 제안하고, 단독운전모드에서는 부하 추종(Load following)을 통해 부하에 필요한 유무효 전력을 공급할 수 있는 방식을 제안한다. 또한 제안한 제계통 연계 장치의 효능을 테스트하기 위한 테스트 배전계통을 모델링하여 다양한 상황에 대한 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 시스템의 전체 개략적인 회로 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같은 분산전원 시스템은 크게 발전기(11)와, 발전단 전압기(12), AC/DC 변환설기(13), DC 링크(14), 직렬 인버터(15), 병렬 인버터(16), 직렬 주입변압기(17) 및 SSB(18)로 구성될 수 있다.
발전기(Power Source)(11)는 발전을 할 수 있는 어떤 종류의 기계도 가능하며, 디젤발전기, 마이크로 가스 터빈 등 동기발전기가 사용가능하다. 이러한 발전기(11)는 유도기 및 DC 발전 설비로 대체가 가능하다. 이러한 발전기(11)는 인버터를 통해 전력계통 또는 부하로 주입되는 유효 전력을 공급하는 기능을 수행하며, 이는 DC 링크(14)의 전압을 일정하게 유지하여 주는 것으로 가능하다. 본 발명의 실시예에서 상기 발전기(11)는 디젤 발전기를 사용하고 있으며, 조속기와 여자시스템이 내장되어 있어 출력전압과 주파수를 일정하게 제어한다.
발전단 변압기(12)는 발전기(11)에서 전압의 크기를 DC 링크(4)의 전압 레벨에 맞추어주기 위한 전압 변환 설비이다. AC/DC 변환설비(13)는 발전기(11)에서 생산되어 발전단 변압기(12)를 통해 제공되는 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 변환하여 DC 링크(14)에 저장되도록 한다. DC 링크(14)는 발전기(11)에서 상기 발전단 변압기(12) 및 AC/DC 변환 설비를 통해 제공되는 전원을 저장하는 에너지 버퍼로서의 기능을 수행한다. 일반적으로 발전기(11)와 인버터(15, 16)의 출력에 대한 시간 특성(시정수)이 다르기 때문에 인버터(15, 16)에서는 순시적으로 출력 전력을 제어할 수 있으나 발전기(11)는 내부 회전자의 회전하는 관성 때문에 인버터 출력을 순시적으로 추종하지 못하게 된다. 따라서 이러한 발전기(11)와 인버터(15, 16)의 중간연결단에 DC 링크(14)와 같은 에너지 버퍼를 두어 에너지 흐름에 문제가 없도록 한다.
직렬 인버터(Series Inverter)(15)는 PWM((Pulse Width Modulation) 전압원 인버터로 구성되며 상용전원 계통에서 발생한 전압 변동을 보상하는 기능을 가진다. 병렬 인버터(Shunt Inverter)(16)는 PWM 전압원 인버터로 구성되며 순시전력 이론을 통해 제어된다. 병렬 인버터(16)의 기능은 하기와 같이 요약될 수 있다. 먼저, 상용전원 계통에 연계 운전시의 동작을 살펴보면, 부하에서 소비하는 모든 무효전력을 공급하여 역률을 1로 만든다. 또한 분산전원에서 공급하려고 하는 일정량의 유효전력을 공급할 수 있으며, 부하의 소비량보다 작을 시에는 상용전원 계통과 동시에 공급하는 형태가 되며, 부하의 소비량보다 많을 시에는 상용전원 계통에 전력을 역으로 공급할 수 있게 된다. 또한 부하에서 발생한 고조파 성분을 제거하여 전력계통에 고조파가 흘러가는 것을 억제한다. 단독 운전시에는 부하에서 필요로 하는 유효, 무효 전력을 모두 공급하며, 부하단 전압의 크기를 일정하게 제어한다. 또한 드룹(Droop) 제어를 통해 유효전력과 주파수를 제어한다.
상기 직렬 인버터(15)는 단상 인버터 3개로 구성되어, 각 단상 인버터가 한 상(예를 들면 A상, B상, C상 각각) 씩을 보상하는 구조를 가질 수 있다. 병렬 인버터(16)는 3상 인버터로 구성될 수 있으며, 각 폴(Pole)이 한 상씩을 맡도록 구성될 수 있다. 이러한 직렬, 병렬 인버터(15, 16)의 제어는 별도의 제어 드라이버(미도시)에 의해 PWM 방식을 이용하고 이루어질 수 있으며, 모두 전압원으로 등가하여 제어한다. 이때 상기 직렬 인버터(15)로 3상 인버터를 사용하여도 되며, 반대로 병렬 인버터(16)에 단상 인버터 3개를 사용하여도 된다. 다만, 이러한 경우에 단상 인버터 3개를 사용하는 것이 인버터 출력 전압을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
상기에서 직렬 인버터(15)와 병렬 인버터(16)는 인버터의 구성의 차이에 의해 구분되는 것이 아니라, 인버터가 상용전원 계통과 결선되는 방식에 따라 구분된다. 즉, 직렬 인버터(15)는 직렬 주입변압기(17)를 통하여 계통에 직렬로 연결되어 있으므로 인버터 출력 전압이 계통에 직렬로 주입되는 구조를 갖는다. 병렬 인버터(16)는 병렬로 연결되어 있으므로 인버터 출력 전압이 계통에 병렬로 연결되는 구조를 갖는다.
직렬 주입변압기(Series Injection Transformer)(17)는 직렬 인버터(15)의 출력 전압을 상용전원 계통에 직렬로 주입하기 위한 변압기로서 전압 크기를 조정하는 기능을 가진다. SSB(Solid-State Breaker)(18)는 자체 전력 계통 스위치를 개방(open)함으로써 분산전원 계통을 상용전원 계통과 분리하는 기능을 수행한다. 상용전원 계통의 전압이 복구되면 다시 스위치를 닫아서 분산전원 계통을 상용전원 계통에 연계한다. 스위치를 열고 닫을때 계통의 주파수를 추종하며 소프트 스위칭을 하여 각각의 분산전원 기기에 부담을 주지 않도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 시스템은 발전기(11)에서 생산된 전력이 AC/DC 변환설비(13)를 거쳐 DC 링크(14)에 있는 대용량 커패시터에 충전이 시켰다가 인버터 제어를 통해 부하에 공급하게 된다. 이러한 분산전원 시스템의 구성 및 동작을 이하 보다 상세히 설명하기로 한다.
발전기(11)와 AC/DC 변환설비(13)는 DC 링크(14)의 전압을 충전해주는 역할을 하므로 발전기 출력 주파수는 계통의 주파수와 동기가 되지 않아도 되며 발전기는 정전압 운전을 하게 된다. 소용량의 분산전원의 발전기 파라미터는 'Gish. W.B'에 의해 제안된 "Small Induction Generator and Synchronous Generator Constants for DSG Isolation Studies(IEEE Trans. on Power Delivery, vol.1, April 1986, pp.231-239)"에 개시된 바를 따를 수 있다.
DC 링크(14)는 발전기(11)에서 생산된 전력을 직류 에너지의 형태로 저장하는 장치로, 대용량의 커패시터로 구성된다. 부하의 전력 소비량이 급격히 변할 때 발전기(11)의 관성 때문에 발전기(11)의 출력은 부하 변동에 순시적으로 따라갈 수 없으므로 DC 링크(14)에 충전되어 있던 에너지를 방전하면서 발전기(11)의 출력이 부하를 추종할 수 있는 시간을 벌어준다. 즉, DC 링크(14)는 에너지 버퍼로서의 기능을 하게 된다. DC 링크(14)의 용량값(C)은 하기 수학식 1을 통해 구해질 수 있다. 이때 V1은 DC 링크 정격 전압이고, V2는 DC 링크 최소제한 전압이며, P는 정격 출력 전력, 그리고 time은 정격 출력을 낼 수 있는 시간(초)이다.
직렬 인버터(15)와 병렬 인버터(16)는 DC 링크(14)에 충전되어 있는 에너지를 이용하여 부하에 유, 무효 전력을 공급하며 전기품질을 개선하는 기능을 한다. 직렬 인버터(15)는 계통에 전압을 직렬로 삽입할 수 있으므로 상용전원 계통측에서 발생한 순시전압강하(Voltage Sag) 등 다양한 전압사고를 보상하여 부하전압을 일정하게 제어하는 역할을 한다. 병렬 인버터(16)는 계통에 전류를 병렬로 주입함으로써 부하에서 요구하는 유, 무효 전력을 주입할 수 있고, 부하에서 발생한 고조파 성분을 제거하여 상용전원 계통측으로 파급되지 못하도록 하는 기능을 한다.
SSB(18)는 상용전원 계통측에서 정전(Interruption) 등으로 인해 전력공급이 불가능할 때, 분산전원 계통을 상용전원 계통에서 분리하고 분산전원의 단독운전으로 부하에 전력을 공급하기 위한 스위치로, SSB(18)의 동작에 따라 본 발명에 따른 분산전원 시스템은 계통연계운전모드(Paralleling mode)와 단독운전모드(Islanding mode)로 동작하게 된다.
이하 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 분산전원 시스템의 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 분산전원 시스템은 계통 상황에 따라 계통연계운전모드(Paralleling Mode)와 단독운전모드(Islanding Mode)의 2가지 운전모드를 가지고 있다.
먼저, 계통예계운전모드에 따른 동작을 살펴보면, 계통연계운전시에는 부하에서 필요로 하는 소비전력을 다목적 분산전원에서 상용전원 계통 전원과 함께 공동으로 공급한다. 또한 부하에서 소비하는 무효전력 또한 분산전원에서 공급하여 역률을 1로 개선하는 기능을 한다.
계통연계운전 시에는 전력공급제어와 함께 전기품질 제어도 수행되는데 직렬 인버터(15)에서는 전원측의 전압변동을 보상하며 병렬 인버터(16)에서는 부하측의 고조파 전류를 보상하는 제어를 수행한다.
계통연계운전 시의 직렬 인버터(15)의 제어 방식은 하기 수학식 2와 같다. 이때, VserRef는 직렬 인버터(15)의 주입전압이고, VLnormal은 사고 이전의 부하 전압이며, Vsupply는 상용전원 계통의 공급전압이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 직렬 인버터(15)의 역할은 계통 전압이 변동되는 것을 보상해주는 것으로서, 계통연계운전모드시에는 이러한 직렬 인버터의 게이팅 신호로 출력되는 신호는 다음과 같이 결정된다. 하기 수식에서와 같이 VG가 계통전압이고 VLREF가 유지해야하는 부하 전압이라면 직렬 인버터(15)의 주입 전압은 그 차이와 같다.
즉, VserRef=VLREF-VG에 해당하는 크기의 전압을 주입해야 한다. 이는 직렬 인버터(15)의 출력 전압이 VserRef이 된다면 부하 전압이 일정하게 유지됨을 의미한다. 실제 구성에서 상기 VserRef와 같은 출력을 내기 위해서 인버터의 스위치를 온/오프(on/off)시켜야 하는데 이를 위해, VLREF-VG 신호에 적절한 증폭도 적절한 증폭도(K)를 가지고 증폭하는(곱하는) 것과 PWM 처리를 거치게 된다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 예에서는 9kHz의 삼각파와 출력으로 내보내고자하는 기준신호(VLREF-VG를 K배 증폭한 신호)를 비교해서 기준신호가 크면 인버터의 스위치를 온시키고 기준신호가 작으면 스위치를 오프시킨다. 이러한 동작에 따라 9kHz에 변조된 기준신호가 출력된다.
한편, 도 2의 (b)를 참조하면, 병렬 인버터(16)의 주입전류는 부하에 공급하려는 유효전력 셋팅값(active power set point)과 역률개선을 위해 부하의 무효전력값, 그리고 전력품질 개선을 위해 외란성분값으로부터 구할 수 있으며 순시전력이론을 이용한다. 먼저 a-b-c 축을 알파-베타(alpha-beta) 축으로 변환한다. 전압의 변환식은 하기 수학식 ㅇ3과 같고, 알파-베타 축에서 순시전력과 순시가상전력(instantaneous imaginary power)을 구하는 수식은 수학식 4와 같다.
상기 수학식 4와 같이 구한 순시전력과 순시가상전력은 전압, 전류가 평형(balance)일 경우 각각 3상 평균 유효전력(3P)과 무효전력(3Q)의 값을 가지며 이들은 시간에 관계없이 일정하다. 그런데 만약 전압, 전류에 역상, 영상 성분 등의 왜곡된 성분이 발생하면 상기 수학식 4의 각각의 값에 진동하는 성분이 발생하는데 이를 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 하기 수학식 5에서 , 는 일정한 상수값이며 , 는 진동하는 성분을 의미한다.
병렬 인버터(16)의 주입 전류는 상기 수학식 4의 p대신에 부하에 공급하고자하는 유효전력(Psp)과 유효전력에 왜곡을 발생하는 성분()의 합을 대입하고 역률보상을 위해 무효전력 성분 q를 모두 보상하도록 하여 하기 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
실제 구성에서는 병렬 인버터(16)의 게이팅 신호로 출력되는 신호는 다음과 같이 결정된다. 병렬 인버터(16)는 전류를 제어하게 되는데, 그 기준 전류가 상기와 같이, iαREF와 iβREF이다. 이것을 a-b-c 상으로 변환하면, 인버터 출력 기준전류(IaREF, IbREF, IcREF)가 된다. 인버터 출력 전류를 기준 전류와 같게 만들기 위해서, CRPWM(Current Regulated PWM)을 사용한다. CRPWM은 인버터 출력 기준전류와 측정전류(IaM, IbM, IcM) 사이의 오차를 특정 범위안에 놓이도록 하는 것으로 측정전류가 기준전류보다 크면 스위치를 오프시키고 기준전류보다 작으면 스위치를 온시킨다. 이러한 동작을 통해 출력전류를 기준전류와 같도록 제어하게 된다.
다음으로, 다목적 분산전원 시스템이 계통에서 분리되어 단독운전모드로 운전될 때에는 SSB(18)가 오픈되므로 병렬 인버터(16)만이 부하계통에 연결되며, 부하에서 소비하는 전력을 모두 분산전원에서 공급해야 하므로 부하단 전압을 일정하게 제어함으로써 부하의 전력을 추종하는 제어(Load following)를 하게 된다. 이때, 계통에서 분리된 부하계통에 분산전원이 여러 대가 연결되어 있을 경우에 분산전원 간에 전력을 분담해야 하므로 드룹(Droop) 특성이 필요하다. 따라서 병렬 인버터(16)의 출력전압(Vshunt)은 하기 수학식 7과 같이 구할 수 있다. 이때, Vm는 부하의 정격전압 크기이며 θ(t)는 부하전압의 위상으로 드룹제어(Speed droop control)를 따른다.
단독운전모드에서는 부하의 전압의 크기를 일정하게 유지하여 주며, 주파수를 제어해야 한다. 부하전압의 크기는 상기 VLREF로 설정하여도 된다. 주파수 제어를 살펴보면, 전력시스템에서 주파수 변동은 전력의 양과 상관이 있다. 즉 전력의 공급이 수요보다 많으면 주파수는 올라가고 공급이 수요보다 작으면 주파수가 내려간다. 이는 부하의 특성상 주파수가 높아지면 소비전력이 늘고 주파수가 낮아지면 소비전력이 줄어드는 현상을 이용하여 전력시스템을 안정하게 유지하기 위한 제어(Droop)를 수행하기 때문이다.
이를 이용하여 본 발명에 따른 분산전원 시스템에서는 전력의 공급이 부족할 때는 인위적으로 주파수를 낮추면서 전력을 더 공급하고, 반대로 전력의 공급이 넘쳐날 때는 주파수를 높이면서 전력의 공급을 줄인다. 이러한 제어 방식을 드룹(Droop) 제어라 하는데, 전력과 주파수의 관계를 수식적으로 정해놓고 각 발전기에 입력을 시키게 된다. 이러한 방식을 채용함에 따른 또다른 장점은 전력계통에서는 주파수가 어디나 일정하게 된다. 따라서 발전기가 여러대 있을 경우에 주파수의 변동을 보고 각 발전기가 출력해야하는 발전량을 알 수 있게 한다. 이러한 방식을 통해 발전기의 출력 전압의 크기와 위상을 모두 구함에 따라 기준전압이 정해지고, 이를 이용하여 출력 전압을 제어하게 된다.
이하, 상기 본 발명에 따른 분산전원 시스템의 구성 및 동작 방식의 실효성을 을 검증하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같은 테스트 시스템을 PSCAD/EMTDC(Power System CAD / Electromagnetic Transient DC analysis program, 캐나다의 Monitoba HVDC Research Center에서 개발한 전력시스템 시뮬레이션 프로그램)를 이용하여 모델링 하였고 하기 표 1과 같은 과정으로 시뮬레이션을 수행하였다.
시간(초) 시뮬레이션 내용
0.10 분산전원 시스템 투입 (병렬운전모드)
0.15 분산전원 시스템 유효전력 (10kW) 공급
0.25 Sag 발생
0.35 Sag 종료
0.45 정전 발생 (단독운전모드)
0.55 비선형부하(5kW) 꺼짐
시뮬레이션 결과는 도 4내지 도 7에 도시된 바와 같다. 도 4에는 유효전력에 대해서, 도 5는 무효전력, 도 6은 전압, 도 7은 전압에 대한 시뮬레이션 결과가 파형으로 도시된다.
먼저, 도 4의 (a), (b), (c)에는 각각 상용전원, 본 발명에 따른 분산전원, 부하측의 유효전력 파형이 개시되고 있다. 도 4를 참조하면, 0.15초에 분산전원에서 10kW를 공급하므로 상용전원에서 공급하던 유효전력이 줄어들게 되고, 0.45초에는 정전으로 인해 단독운전모드로 전환되면서 분산전원에서 15kW를 모두 공급하게 되며 0.55초에는 비선형 부하가 트립(trip)되면서 분산전원에서 10kW의 유효전력을 공급하게 됨을 알 수 있다.
도 5의 (a), (b), (c)에는 각각 상용전원, 본 발명에 따른 분산전원, 부하측의 무효전력 파형이 개시되고 있다. 도 5를 참조하면, 0.10초에 다목적 분산전원 시스템이 투입되면서 역률개선을 위해 무효전력을 공급하므로 상용전원측의 역률이 개선되는 것을 볼 수 있으며 0.55초에 무효전력을 소비하던 비선형 부하의 트립으로 분산전원에서 공급하는 무효전력의 양이 줄어듦을 알 수 있다.
도 6의 (a), (b), (c)에는 각각 상용전원, 본 발명에 따른 분산전원, 부하측의 전압 파형이 개시되고 있다. 도 6을 차조하면, 0.25초에서 0.35초까지 발생한 상용전원측의 순시전압 강하 사고와 0.45초에 발생한 정전 시에도 부하전압이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 7의 (a), (b), (c)에는 각각 상용전원, 본 발명에 따른 분산전원, 부하측의 전류 파형이 개시되고 있다. 도 7을 참조하면, 0.10초에 분산전원에 의해 상용전원측 전류에 고조파 성분이 제거됨을 볼 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 분산전원 시스템은 발전기에서 발전한 에너지를 부하 계통에 공급할 때, 직렬, 병렬 인버터를 통하여 연결되는 구조를 가지며, 전원 계통의 상태에 따라 계통연계운전 모드와 단독운전 모드로 나누어 각각의 경우 모두 부하에 신뢰성있고 품질이 높은 전기를 공급할 수 있도록 하는 제어 원리를 제안한다.
한편, 상기에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산전원 시스템은 상용전원 계통과 연계하여 상용전원 계통과 분산전원으로부터 동시에 분산전원측 부하에 전력을 공급하며, 상용전원 계통에서 순시전압강하, 순시전압상승시을 비롯한 사고가 발생시에도 분산전원 시스템에서 전압 보상을 수행하여 전기의 품질을 높임과 동시에 부하에서 필요로 하는 전력을 공급할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 시스템의 전체 개략적인 회로 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 시스템의 제어 동작을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 시스템의 테스트 시스템의 전체 회로 구성도
도 4, 도 5, 도 6 및 도 7은 도 3의 테스트 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸 각 파라미터의 파형도

Claims (3)

  1. 분산전원 시스템에 있어서,
    분산전원 발전기와,
    대용량의 커패시터로 구성되며, 상기 분산전원 발전기에서 생산된 전력을 직류 에너지의 형태로 저장하는 에너지 버퍼의 기능을 수행하는 직류(DC) 링크와,
    적어도 하나 이상의 PWM((Pulse Width Modulation) 전압원 인버터로 구성되며, 상용전원 계통과 연계 운전시에 상기 DC 링크에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 유, 무효 전력을 공급하기 위해 계통에 전압을 직렬로 삽입하도록 구성되는 직렬 인버터와,
    적어도 하나 이상의 PWM 전압원 인버터로 구성되며, 상기 상용전원 계통과 연계 운전시와 단독 운전시에 상기 DC 링크에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 유, 무효 전력을 공급하기 위해 계통에 전류를 병렬로 주입하는 병렬 인버터와,
    전력 계통 스위치로 구성되며, 상기 상용전원 계통측으로부터 전력 공급이 불가능할 때 분산전원 계통을 상기 상용전원 계통에서 분리하도록 상기 스위치를 개방하는 차단설비를 포함함을 특징으로 하는 분산전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분산전원 발전기에서 발생된 전압의 크기를 상기 DC 링크의 전압 레벨에 맞추어 변환하여 출력하는 발전단 변압기와, 상기 발전단 변압기에서 출력되는 전원을 직류로 변환하여 상기 DC 링크에 제공하는 AC/DC 변환설비를 포함함을 특징으로 하는 분산전원 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 직렬 인버터는 단상 인버터 3개로 구성되어, 각 단상 인버터가 한 상씩을 보상하는 구조를 가지며, 상기 병렬 인버터는 3상 인버터로 구성되어, 각 폴(Pole)이 한 상씩을 맡도록 구성됨을 특징으로 하는 분산전원 시스템.
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