KR100541739B1 - 계통연계 자가발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통연계 자가발전시스템에 관한 것이다. 본 발명의 계통연계 자가발전시스템은 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 상기 제어신호에 의해 발생하는 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하고, 상기 인버터제어부는 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 트랜지스터의 스위칭을 정지시키는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 간단한 설치와 효율적인 운전상태를 유지하면서 계통전원의 정전을 감지하고 시스템을 운용할 수 있다.
정전감지

Description

계통연계 자가발전시스템{power system associated private power station}
도1은 종래 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성 블록도,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성블록 및 모델링을 나타낸 것,
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성블록 및 모델링을 나타낸 것,
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성 블록 및 모델링을 나타낸 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 201 : 분산전원 20, 202 : 인버터
30, 203 : 출력필터 40 : 출력스위치
50 : 전원전압검출부 60 : 인버터전류검출부
70 : 고주파감지부 71 : 대역통과여파기
72 : 신호증폭부 73 : 신호변환부
80 : 인버터제어부 90, 204 : 계통전원
100 : 고주파발생부 110 : 계통스위치부
120 : 스위칭제어부 Ls ,Lf : 인덕터
Cf : 콘덴서 Rf : 저항
Q1~Q4 : 트랜지스터 Df : 프리휠링 다이오드
본 발명은 계통연계 자가발전시스템에 관한 것으로서 보다 상세하게는 계통연계형 인버터를 갖는 계통연계 자가발전시스템에 관한 것이다.
도1은 종래 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성 블록도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 계통연계 자가발전시스템은 분산전원(201), 인버터(202), 출력필터(203), 계통전원(204) 및 부하(205)를 갖는다.
분산전원(201)은 태양전지, 풍력발전, 연료전지 등을 이용한 직류성분의 에너지원이다. 인버터(202)는 이 직류성분을 교류성분의 에너지로 변형하고, 출력필터(203)는 이 교류성분을 필터링 하여 전력계통에 유입시킨다. 부하(205)의 소비전력이 변동하는 경우, 분산전원(201)의 반응속도가 느리기 때문에 계통전원(204)이 과부족의 전력을 보충한다.
계통전원(204)의 정전이 발생할 때 자가발전시스템이 단독으로 운전하는 경우 문제가 발생할 수 있다. 예컨대 정전 후 계통전원(204)의 공급이 재개되었을 때, 인버터(202)의 출력전압과 계통전압의 위상차이로 인해 단락현상이 발생하여 부하(205)에 손상을 줄 수 있다.
자가발전시스템의 단독운전을 방지하기 위한 방법으로서, 부하측 또는 계통 측에 전류센서를 설치하여 전류를 감지하고 소프트웨어를 통해 정전여부를 판단하는 방식이 이용되어 왔다. 이러한 방식은 간단한 알고리즘으로 정전여부를 알 수 있다는 장점이 있지만, 자가발전시스템과 연결되는 전류센서를 별도로 설치하는데 어려움이 있었다.
다른 방안으로 인버터(202) 출력전압의 위상을 주기적으로 변동시키고 리턴시키면서 그 출력전류의 변동여부를 판단하는 방식이 있다. 이러한 방법은 인버터 출력단의 전류를 측정하기 때문에 설치상의 어려움은 없었다. 하지만, 이러한 방식은 가장 효율적인 운전상태를 빈번하게 벗어나야 하기 때문에 운전효율저하를 유발하는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 설치가 용이하고 효율적인 정전감지 및 운전기능을 갖는 계통연계 자가발전시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 상기 제어신호에 의해 발생하는 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하고, 상기 인버터제어부는 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 트랜지스터의 스위칭을 정지시키는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템에 의해 달성될 수 있다.
또한 상기의 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 상기 제어신호에 의해 발생하는 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부와, 계통전력의 공급을 스위칭 하는 계통스위칭부와, 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 계통스위칭부를 개방하는 스위칭제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템에 의해서도 달성될 수 있다. 여기서, 상기 계통전력의 공급을 감지하는 계통전원감지부를 더 포함하고, 상기 계통전력의 공급이 있는 경우 상기 인버터제어부는 계통전원과 동기가 되도록 상기 제어신호를 출력하고 상기 스위칭제어부는 상기 계통스위칭부가 온 상태가 되도록 스위칭 하는 것이 바람직하다.
또한 상기의 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생하고 상기 고주파 전류를 상기 교류신호와 함께 출력되도록 하는 고주파발생부와, 상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하고, 상기 인버터제어부는 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 트랜지스터의 스위칭을 정지시키는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템에 의해서도 달성될 수 있다.
또한 상기의 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생하고 상기 고주파 전류를 상기 교류신호와 함께 출력되도록 하는 고주파발생부와, 상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부와, 계통전력의 공급을 스위칭 하는 계통스위칭부와, 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 계통스위칭부를 개방하는 스위칭제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템에 의해서도 달성된다.
상기 계통연계 자가발전시스템의 고주파감지부는 상기 제어신호의 주파수를 포함한 소정의 주파수구간의 성분이 통과되도록 상기 교류전류를 필터링하는 통과대역여파기를 갖는 것으로 할 수 있다. 여기서 상기 고주파감지부는 상기 통과대역여파기의 출력신호를 증폭하는 신호증폭부를 더 포함하는 것이 효과적이다. 그리고 상기 고주파감지부는 상기 신호증폭부의 신호를 평활하는 신호변환부를 더 포함하고, 상기 인버터제어부는 상기 진폭은 상기 신호변환부에서 출력되는 평활 된 직류신호의 값으로 하여 비교하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구 성블록 및 모델링을 나타낸 것이다.
도2에 도시된 바와 같이, 계통연계 자가발전시스템은 분산전원(10), 인버터(20), 출력필터(30), 출력스위치(40), 전원전압검출부(50), 인버터전류검출부(60), 고주파감지부(70) 및 인버터제어부(80)를 갖는다.
계통전원(90)은 교류전원으로 모델링 되었으며, 인덕터(Ls)는 주상변압기를 모델링한 것이다.
분산전원(10)은 전술한 바와 같이, 태양전지 연료전지 등으로 구현되는 직류성분의 에너지원이다.
인버터(20)는 4개의 트랜지스터(Q1~Q4)와 각 트랜지스터(Q1~Q4)에 병렬로 연결된 프리휠링 다이오드(Df)로 구성된다. 각 트랜지스터의 게이트단자에는 트랜지스터(Q1~Q4)를 스위칭 제어하는 신호(G1~G4)가 인가된다. 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭에 의해서 인버터(20)의 출력단자에는 노이즈가 부가된 교류전원 및 교류전류가 발생한다.
출력필터(30)는 LC 필터로서 인버터(20)의 출력을 필터링한다. 출력스위치(40)는 자가발전시스템과 모선의 연결을 전기적인 자동제어로 온/오프 할 수 있는 마그네틱 스위치(MC)를 모델링 한 것이다.
전원전압검출부(50)는 계통전력이 부하로 전달되는 모선의 접점전압을 측정하여 후술할 인버터제어부(80)로 전달한다.
인버터전류검출부(60)는 인버터 출력단의 전류를 측정하고, 고주파감지부(70)는 감지된 인버터 출력전류의 고주파 리플신호를 감지한다. 여기 서 인버터 출력단의 전류를 측정하기 위해 전류센서 등이 사용될 수 있으며, 고주파 리플신호는 인버터(20)의 스위칭 제어신호의 주파수 성분을 갖는다.
인버터제어부(80)는 인버터(20)의 트랜지스터 게이트단자를 스위칭하는 제어신호(G1~G4)를 출력한다. 이 스위칭 제어신호(G1~G4)는 전원전압검출부(50), 인버터전류검출부(60) 및 고주파감지부(70)로부터 인버터제어부(80)로 입력되는 피드백신호에 의해 결정되는 PWM 신호이다.
인버터제어부(80)는 전원전압검출부(50)로부터 입력되는 모선의 전압으로부터 위상정보를 얻는다. 인버터(20)로부터 모선으로 전류가 공급되기 위해서는 인버터 출력단의 출력전압이 모선에 공급되는 계통전원(90)보다 진상이어야 하기 때문이다. 따라서 전원전압검출부(50)로부터 입력된 모선의 접점 전압의 위상을 검출하여 인버터 출력전압이 진상이 되도록 인버터(20)를 제어한다. 진상의 정도에 따라 인버터(20)로부터 공급되는 전류의 크기가 달라지기 때문에 진상의 정도를 결정한다.
인버터제어부(80)는 인버터전류검출부(60)로부터 인버터 출력전류를 피드백 받아 출력전류의 크기와 위상을 조정한다.
인버터제어부(80)는 고주파감지부(70)로부터 인버터 출력전류에 혼입된 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭에 기인한 노이즈성분을 입력받는다. 이러한 노이즈성 고주파 리플성분의 유무는 인버터 출력단에 부하만 연결하여 운전하는 경우(이하 "단독운전"이라 한다.)와 전력계통을 함께 연결하여 운전하는 경우(이하 "연계운전"이라 한다.)에 분명하게 나타난다.
단독운전의 경우, 부하의 임피던스가 상당히 크기 때문에 인버터 출력단의 고주파 성분은 출력필터(30)에 의해 충분히 제거된다. 한편 연계운전의 경우, 계통 측의 임피던스가 상대적으로 작아 인버터 출력단에서 바라본 등가 임피던스는 계통임피던스에 의해 좌우된다. 따라서 계통임피던스 즉, 인버터(20) 설치위치에 근접한 주상변압기의 낮은 임피던스로 인해, 인버터(20) 스위칭제어신호에 기인한 고주파 리플신호의 크기가 단독운전시에 비하여 커진다.
인버터제어부(80)는 연계운전 상태에서 정전이 되어 단독운전 상태가 되는 경우, 고주파 리플신호가 급감하는 특성을 이용하여 인버터(20)를 제어한다. 즉, 인버터제어부(80)는 고주파감지부(70)에서 감지된 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 때, 계통전원(90)이 정전된 것으로 판단한다. 인버터(20) 제어부는 정전이 발생된 것으로 판단되면 인버터(20)의 스위칭을 종료하여 인버터(20)의 단독운전을 방지한다. 이는 인버터(20)의 단독운전 뿐만 아니라 자가발전시스템의 전반적인 동작의 종료를 의미한다고 할 것이다.
여기서 고주파감지부(70)는 고주파 리플신호의 진폭을 측정하고 인버터제어부(80)에 출력하면 된다. 이를 위해 고주파감지부(70)는 인버터 출력전류를 인버터 제어신호(G1~G4)의 주파수를 포함하는 대역의 성분만을 통과시키는 통과대역여파기(71)를 포함할 수 있다. 여기서 리플신호의 크기가 작은 경우, 이 신호를 증폭하는 신호증폭부(72)를 거치도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 AC 성분을 진폭의 레벨을 갖는 DC 성분으로 바꾸는 신호변환부(73)를 거치도록 하는 것이 디지털 처리를 하는데 효과적이다. 또한 고주파감지부(70)는 출력필터(30)의 후 단에서 부하로 공급되는 전류로부터 고주파 리플신호를 감지하도록 할 수도 있다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성블록 및 모델링을 나타낸 것이다.
도3에 도시된 계통연계 자가발전시스템은 제1 실시예의 계통연계 자가발전시스템에 고주파발생부(100)를 부가한 것이다.
고주파발생부(100)는 소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생하고 이 전류를 인버터 출력전류에 부가한다. 제1 실시예에서는 인버터(20)의 트랜지스터 스위칭 제어신호(G1~G4)에 기인한 노이즈성 리플신호를 감지하였다. 고주파발생부(100)는 그 리플신호가 미약한 경우 이를 대신하여 상기 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 출력전류에 부가한다. 이에 따라 고주파감지부(70)는 고주파발생부(100)에서 발생한 고주파 리플신호를 감지하고, 인버터제어부(80)는 고주파 리플신호의 진폭에 따라 계통전원(90)의 정전여부를 판단한다.
제1 실시예와 제2 실시예에서 인버터제어부(80)는 계통전원(90)의 정전시 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭을 정지하여 자가발전시스템의 단독운전을 방지한다. 그러나 계통전원(90)의 정전시 계통전원(90)과의 연결을 차단하고 단독운전을 하는 것이 보다 효과적일 수 있다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 계통연계 자가발전시스템의 개략적인 구성 블록 및 모델링을 나타낸 것이다.
도4에 도시된 자가발전시스템은 분산전원(10), 인버터(20), 출력필터(30), 출력스위치(40), 전원전압검출부(50), 인버터전류검출부(60), 고주파감지부(70), 인버터제어부(80), 계통스위칭부(110) 및 스위칭제어부(120)를 갖는다. 도2의 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 중복설명을 생략한다.
계통스위칭부(110)는 계통전원(90)과 부하간의 연결을 온/오프 한다. 계통스위칭부(110)는 전기적 자동제어가 가능한 마그네틱 스위치 등을 사용할 수 있다.
스위칭제어부(120)는 인버터(20)의 트랜지스터 스위칭 제어신호에 기인한 고주파 리플신호의 진폭이 소정의 허용범위 이하의 크기를 갖는 때 계통전원(90)의 정전으로 판단하고 계통스위칭부(110)를 개방한다. 스위칭제어부(120)는 제1실시예의 인버터제어부(80)와 동일한 판단과정을 거치고 계통스위칭부(110)의 스위칭 제어신호를 출력하는데 차이가 있다. 따라서 하나의 컨트롤러로서 인버터제어부(80)와 스위칭제어부(120)를 구현할 수 있을 것이다.
여기서, 계통전원(90)의 정전상태가 해제되는 경우 이를 감지하는 계통전원감지부(미도시)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 계통전력의 공급이 재개되면 인버터제어부(80)는 계통전원감지부(미도시)에서 감지된 계통전원(90)을 통해 적정한 진상관계를 갖는 인버터 출력전압이 되도록 트랜지스터 제어신호(G1~G4)를 출력한다. 또한 스위칭제어부(120)는 계통스위칭부(110)가 온상태가 되도록 한다.
또한 인버터(20) 스위칭 제어신호에 기인한 고주파 리플신호가 미약한 경우 이를 대신하여 소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생시키는 고주파발생부(100)를 이용할 수 있음은 전술한 실시예와 같다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
본 발명에 의해 간단한 설치와 효율적인 운전상태를 유지하면서 계통전원의 정전을 감지하고 시스템을 운용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서,
    상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와,
    상기 제어신호에 의해 발생하는 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하고,
    상기 인버터제어부는 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 트랜지스터의 스위칭을 정지시키는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 제어신호의 주파수를 포함한 소정의 주파수구간의 성분이 통과되도록 상기 교류전류를 필터링하는 통과대역여파기를 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 통과대역여파기의 출력신호를 증폭하는 신호증폭부를 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 신호증폭부의 신호를 평활하는 신호변환부를 더 포함하고,
    상기 인버터제어부는 상기 진폭은 상기 신호변환부에서 출력되는 평활 된 직류신호의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  5. 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서,
    상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와,
    상기 제어신호에 의해 발생하는 상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부와,
    계통전력의 공급을 스위칭 하는 계통스위칭부와,
    상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 계통스위칭부를 개방하는 스위칭제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 제어신호의 주파수를 포함한 소정의 주파수구간의 성분이 통과되도록 상기 교류전류를 필터링하는 통과대역여파기를 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 통과대역여파기의 출력신호를 증폭하는 신호증폭부를 갖는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 고주파감지부는 상기 신호증폭부의 신호를 평활하는 신호변환부를 더 포함하고,
    상기 인버터제어부는 상기 진폭은 상기 신호변환부에서 출력되는 평활 된 직류신호의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 계통전력의 공급을 감지하는 계통전원감지부를 더 포함하고,
    상기 계통전력의 공급이 있는 경우 상기 인버터제어부는 계통전원과 동기가 되도록 상기 제어신호를 출력하고 상기 스위칭제어부는 상기 계통스위칭부가 온 상태가 되도록 스위칭 하는 것을 특징으로 하는 계통연계자가발전시스템.
  10. 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터 와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서,
    소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생하고 상기 고주파 전류를 상기 교류신호와 함께 출력되도록 하는 고주파발생부와,
    상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와,
    상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하고,
    상기 인버터제어부는 상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 트랜지스터의 스위칭을 정지시키는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자가발전시스템.
  11. 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서,
    소정의 리플주파수를 갖는 고주파 전류를 발생하고 상기 고주파 전류를 상기 교류신호와 함께 출력되도록 하는 고주파발생부와,
    상기 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와,
    상기 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부와,
    계통전력의 공급을 스위칭 하는 계통스위칭부와,
    상기 고주파 리플신호가 소정의 허용범위 이하의 진폭을 갖는 경우 상기 계통스위칭부를 개방하는 스위칭제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통연계 자 가발전시스템.
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