KR100716537B1 - 분산전원용 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

분산전원용 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력, 태양광, 연료전지 등의 에너지원을 이용한 분산전원용 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 분산전원용 제어장치에서의 하드웨어나 소프트웨어적 측면에서 공통적인 요소들을 하나로 통합하여 모듈화한 분산전원용 제어장치와 제어방법에 관한 것이다.
에너지원의 출력전원을 교류전원으로 바꾸는 정류기와 인버터로 구성된 전력변환부; 상기 에너지원의 정보와 상기 전력변환부의 전압 또는 전류 정보를 가지고 연산하여 제어하는 제어부;및 상기 제어부에서 보낸 운전정보를 표시하거나 사용자의 입력을 상기 제어부로 보내주는 사용자 조작부를 구비하는 분산전원용 제어장치의 제어방법에 있어서, 상기 제어부는 상기 에너지원, 상기 에너지원의 출력전압의 종류에 따라서 선택적으로 알고리즘을 구현하여 전력명령을 생성하고 상기 전력명령에 의하여 상기 전력변환부의 전압, 전류 정보를 이용하여 상기 전력변환부의 정류기와 인버터로 PWM(pulse width modulation)출력으로 스위칭 신호를 출력하고, 상기 전력변환부는 상기 스위칭 신호를 의하여 스위칭되며 상기 에너지원으로부터 출력된 직류 또는 교류전원을 원하는 전압, 주파수의 교류전원으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법을 제공하는 데 그 특징이 있다.
분산전원, 전력변환, 최대전력점 추종제어

Description

분산전원용 제어장치 및 제어방법{control module for distributed generation energy source and method thereof}
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면 들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해 시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 분산발전용 제어장치의 개략도이다.
도 2은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 전체 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 전력변환부 중 정류기부의 구성도이다.
도 4은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 제어부의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 사용자 조작부의 구성도이다.
도 6는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 설정 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 시스템 선정 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 운전모드 구성도이다.
도 9은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 소프트웨어 구성도이다.
도 10는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 시스템 구성 실시예이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명*
100 : 에너지원 200 : 전력변환부
300 : 계통전원 400 : 풍력계, 일사량계
500 : 제어부 600 : 사용자 조작부
202 : 정류기 203 : 컨버터
212 : 정류기부 213 : 컨버터부
본 발명은 풍력, 태양광, 연료전지 등의 에너지원을 이용한 분산전원용 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 분산전원용 제어장치에서의 하드웨어나 소프트웨어적 측면에서 공통적인 요소들을 하나로 통합하여 모듈화한 분산전원용 제어장치와 제어방법에 관한 것이다.
종래에는 에너지원으로 풍력, 태양광, 연료전지를 이용하는 경우 각각의 독립적이며 전용 전력변환장치 및 이를 제어하는 장치가 많이 제조되고 있다. 예를 들어 풍력발전시스템의 경우는 교류-직류 변환(컨버터), 직류-교류 변환(인버터) 장치를 직결하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 풍속과 터빈의 속도에 의하여 발생하는 최대전력을 추종하는 최대출력점 추종제어를 사용한다. 이와 같은 발명은 등록실용신안(등록번호 20-0344088) 등에서 소개되고 있다. 특히 상기 등록실용신안의 고안은 1kW∼5kW급 소형풍력발전기를 이용하여 바람에너지에 의해 발전되는 전기를 상용전기와 연계하여 전기를 사용하는 목적으로 사용되는 1kW∼5kW급 연계 계통형 소형풍력발전장치에 관한 것이다.
또한 연료전지와 태양광의 경우도 직류-직류 승압컨버터와 직류-교류변환(인버터)을 이용하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 운전조건이나 태양광 일사 조건에 따라 얻을 수 있는 최대전력을 출력하기 위한 제어 알고리즘을 이용한 제어장치를 사용하고 있다. 즉, 전력변환장치 측면에서는 컨버터와 인버터를 직결하여 입력전원과 부하 또는 전력계통과 연계하는 공통점을 가지고 제어장치 측면에서는 에너지원의 입력을 받는 부분과 입력 전원의 여러 데이터로부터 연산하여 최대전력을 출력할 수 있도록 최대출력점을 구하고 이를 출력기준신호로 하여 전압 또는 전류 명령으로 변환 후에 인버터의 반도체 스위치를 스위칭하는 펄스폭변조 신호를 출력하는 공통점을 가지고 있다. 이와 같은 발명은 등록특허(등록번호 10-0455250) 등에서 소개되고 있다. 특히 상기 등록특허의 발명은 태양전지의 발전전력을 유효하게 이용할 수 있는 태양광 발전장치를 얻기 위하여 태양광 발전장치의 인버터 회로의 기동직전에 MPPT제어를 행할 때 사용하는 가상 최적동작전압, MPPT최소전압, MPPT 최대전압, 저·고전압 변화폭 전환전압은 솔라패널의 출력전압에 의거하여 산출하고, 산출된 각 전압값에 의거하여 MPPT제어를 행하는 태양광 발 전장치에 관한 것이다.
상기에서 기술한 것처럼 에너지원은 상이하나 전력변환장치와 제어장치 측면에서 공통점이 많음에도 불구하고 각각 다른 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 독립적이고 전용인 전력변환부와 제어부를 분산전원용 제어장치를 제작 및 설계하고 있는 바 이러한 점들이 가격 상승의 원인이 되고, 또한 제작시간이 길어지고 여러 종류의 예비품의 확보에 따른 예산의 증가 등을 가져와 결국 신재생에너지의 보급의 장애요소로 작용하는 문제가 있다.
이하, 종래 기술에 따른 분산전원용 제어장치에 대하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 분산전원용 제어장치에 대한 개념도로서, 이에 도시된 바와 같이, 상기 분산전원용 제어장치는 에너지원(10), 전력변환부(11), 제어부(12), 사용자 조작부(13), 부하 또는 계통전원(14)로 구성되었다. 그런데 종래에는 에너지원(10)으로 풍력, 태양광, 연료전지 등에 따라서 각각 다른 독립적이고 전용인 전력변환부(11)와 제어부(12)를 사용하였다.
그러나 상기 에너지원에 의한 분산전원용 제어장치에 있어서, 전력변환부(11)와 제어부(12)는 상기에서 설명한 바와 같이 하드웨어적으로나 소프트웨어적으로나 많은 공통점을 가지고 있음에도 불구하고 종래와 같이 독립적이고 전용인 제어장치를 사용하게 됨으로써 개발기간이 장기화되고 비용 측면에서 분산발전 시스템의 설치 가격을 상승시켜 신재생에너지의 보급 확대에 장애가 되는 문제점이 있었다. 즉 도 1은 에너지원(10)의 종류에 관계없이 전력변환장치(11) 의 입출력이나 시스템의 구성이 거의 동일하며 다른 점은 에너지원(10)의 종류와 운전방식에 따라 내부의 소프트웨어적인 함수만 다르다는 것을 보여준다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 에너지원의 종류에 관계없이 제어장치의 하드웨어는 모듈화 설계하고 에너지원의 상이에 따른 기능의 차이는 내부의 소프트웨어적인 기능으로 대체함으로써 하나의 통합된 분산전원용 다목적 제어방법과 제어장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
하기 설명 및 첨부 도면에서 구체적인 처리 흐름과 같은 많은 특정 상세 들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정 상세 들 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 제어방법은 에너지원의 출력전원을 교류전원으로 바꾸는 정류기와 인버터로 구성된 전력변환부; 상기 에너지원의 정보와 상기 전력변환부의 전압 또는 전류 정보를 가지고 연산하여 제어하는 제어부;및 상기 제어부에서 보낸 운전정보를 표시하거나 사용자의 입력을 상기 제어부로 보내주는 사용자 조작부를 구비하는 분산전원용 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 에너지원, 상기 에너지원의 출력전압의 종류에 따라서 선택적으로 알고리즘을 구현하여 전력명령을 생성하고 상기 전력명령에 의하여 상기 전력변환부의 전압 및 전류 정보를 이용하여 상기 전력변환부의 정류기와 인버터로 PWM(pulse width modulation)출력으로 스위칭 신호를 출력하고, 상기 전력변환부는 상기 스위칭 신호에 의하여 스위칭되며 상기 에너지원으로부터 출력된 직류 또는 교류전원을 원하는 전압, 주파수의 교류전원으로 변환시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부에서 상기의 알고리즘은 상기 에너지원의 정보로부터 최대의 전력을 얻는 최대전력점 추종제어 MPPT(maximum power point tracking control)를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제어부는 상기 사용자 조작부에서 에너지원의 종류, 발전기의 종류, 운전모드의 종류, DC/DC(직류/직류) 컨버터의 유무 등을 설정하여 상기 전력변환부를 스위칭시키는 것이 바람직하다.
이 경우 상기 제어부는 상기 메모리에 공통적인 실행 기능과 선택적인 실행 기능으로 분류하여 격납하고 상기 전력변환부를 스위칭하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
한편 상기 전력변환부는 상기 에너지원의 출력전압이 직류, 교류인 경우 또는 교류 중 1상, 3상의 경우 모두 사용하기 위하여 브릿지(bridge)구조를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 전력변환부는 상기 에너지원이 교류전원이고 유도발전기인 경우에 는 상기 정류기가 제어형 정류기로 스위칭되는 것이 바람직하다.
또한 상기 전력변환부는 상기 에너지원이 교류전원이고 동기발전기인 경우에는 상기 정류기가 제어형 정류기 또는 다이오드 정류기로 스위칭되는 것이 바람직하다.
또한 상기 전력변환부는 상기 에너지원이 직류전원이고 DC/DC(직류/직류) 컨버터가 있는 경우에는 상기 정류기를 DC/DC(직류/직류) 컨버터로 스위칭되는 것이 바람직하다.
또한 상기 전력변환부는 상기 에너지원이 직류전원이고 DC/DC(직류/직류) 컨버터가 없는 경우에는 상기 인버터에서 에너지원의 검출와 최대출력점 추종제어를 수행하는 것이 바람직하다.
이 경우 상기 전력변환부는 계통연계운전 모드인 경우에는 전류제어모드로 동작하고 단독운전 모드인 경우에는 전압, 주파수제어 모드로 동작하는 것이 바람직하다.
한편 분산전원용 제어장치에 있어서, 디지털 신호 처리장치 및 AD 컨버터를 포함하는 제어부; IGBT 스위칭 소자, 전압 전류 센서 및 캐패시터 필터를 포함하는 전력변환부;및 액정표시장치 및 키 스위치를 포함하는 사용자 조작부를 구비하되,상기 제어부, 상기 전력변환부 및 상기 사용자 조작부는 하나의 모듈로 격납되어 있으나 각각이 용이하게 착탈되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치.상기 제어부, 상기 전력변환부 및 상기 사용자 조작부는 하나의 모듈로 격납되어 있으나 각각이 용이하게 착탈되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 제어부는 상기 에너지원의 출력 전압의 용량이나 정격을 미리 설정하여 비휘발성 메모리에 저장하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 전체 시스템의 개략적인 구성도로서, 신재생 에너지원을 이용한 분산전원 시스템은 크게 에너지원(100)과 전력변환부(200), 제어부(500)과 사용자 조작부(600)으로 구성된다.
상기 에너지원(100)은 연료전지 시스템(101), 태양광 발전(102), 풍력발전기(103) 등이 있으며 입력되는 연료량이나 자연 조건에 따라 교류 또는 직류전력(201)을 출력하게 된다. 상기의 교류 또는 직류전력(201)은 부하 또는 전력계통(300)으로 직접적으로 연결될 수 없기 때문에 전력변환부(200)를 통하여 연결된다.
상기 전력변환부(200)는 입력차단기(207)을 통하여 다이오드 또는 제어 정류기(202)를 통하여 직류전압(204)으로 변환되고 이는 인버터(203)를 통하여 부하 또는 전력계통(300)에 연결된다. 상기 인버터(203)는 제어부(500)로부터의 스위칭에 의해 발생한 전압 또는 전류 고조파를 다수 포함하기 때문에 고조파필터(205)를 설치하여 고조파를 제거하고 보호와 절연을 위하여 인버터(203)와 전원계통(300) 사이에 차단기(206) 및 변압기(208)를 설치한다.
상기 제어 정류기(202)와 인버터(203)를 제어하기 위한 제어부(500)는 에너지원의 속도(104), 에너지원의 정보(401) 또는 에너지원의 전류, 전압 정보(209)를 이용한다. 예를 들어 풍력발전기의 경우 풍력발전기의 속도(104), 풍속계(400)의 정보(401)를 이용하여 최대의 전력을 인출할 수 있는 알고리즘을 연산하고 이로부터 부하 또는 전력계통(300)에 출력할 수 있는 전력명령을 생성하게 된다.
이 때 상기 전력명령은 전원계통의 전압, 전류 정보(210)를 이용하여 전압, 전류제어를 거친 후에 정류기(202)나 인버터(203)에 스위칭신호(211)를 출력함으로써 전력변환부(200)를 제어하게 된다. 상기 제어부(500)는 사용자 조작부(600)로부터 사용자의 명령을 받거나 동작 상태 정보를 표시하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 전력변환부 중 정류기부의 구성도를 나타낸다.
상기 전력변환부(200)에서 실제 시스템 구성상 정류기부(212)와 인버터부(213)는 대칭적인 구조를 가지므로 정류기부(212)만 설명한다. 정류기부(212)는 에너지원(100)으로부터 가변되는 직류 또는 교류전원(201)를 수신한다.
이 경우 상기 도3의 브릿지 구조(202a)의 정류기부(212)를 이용하여 입력전원의 종류(직류 또는 교류)나 상수(1상 또는 3상)에 무관하게 사용할 수 있다. 직류인 경우에는 입력측(310)을 단락하여 직류전원의 (+)측에 연결하고 (-)측을 직류단의 필터(204)의 하단(308)에 연결함으로써 승압용 컨버터로 사용할 수 있다.
상기 승압용 컨버터는 브리지 구조의 정류기부(212)의 상단 스위치를 오프하 고 하단 스위치를 온/오프함으로써 입력전압(310)보다 높은 직류전압(304)를 얻을 수 있으며 입력전원(310)이 교류인 경우에도 승압형 컨버터로 동작하여 입력단의 전류파형과 역률을 개선하도록 프로그램 할 수 있다.
이 때 상기의 설명과 같이 승압용 컨버터로 동작을 수행하기 위해서는 입력전원의 전압(304) 및 전류(305)를 검출해야 하며 직류출력 전압(309)도 검출해야한다. 특히 본 발명에서는 전자식 전압 및 전류센서를 사용하기 때문에 직류 또는 교류 모두의 검출이 가능하며, 또한 보호기능의 동작 시에 개폐기(302)를 차단하는 디지털 출력을 내게 된다.
또한 상기 제어부(500)은 선택된 알고리즘에 의해 스위치를 온오프하는 PWM(pulse width modulation)신호를 출력하고 이는 게이트 드라이브(307)에서 증폭과 절연 후에 정류기(202)로 입력된다.
한편 상기 인버터부(213)는 도 3과 동일한 구성이나 정류기부(212)에서의 전력의 흐름이 입력단(310)에서 직류단(204)인데 반하여 인버터부(213)는 전력의 흐름이 직류단(204)에서 계통전력(300)으로 출력되는 점과 내부제어의 목적이 다르다. 즉, 상기 정류기부(212)는 에너지원(100)으로부터 최대전력을 생성하기 구성인 반면에 인버터부(213)는 직류전압(204)가 유지되는 범위 내에서 운전모드에 따라 부하 혹은 계통전력(3)에 전력을 전송하는 구성이다.
도 4는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 제어부의 구성도로서, 상기 제어부(500)는 마이크로 프로세서나 신호처리 프로세서(501)를 기반으로 하는 디지 털제어시스템이다.
이 때 상기 제어부(500)는 프로그램이나 변수를 격납하는 메모리부(502), 아날로그 신호를 필터링(506)하고 이를 디지털 신호로 변환하는 AD변환기(505), 디지털 신호의 입출력(508)을 위한 전기적인 절연을 하는 절연부(507) 및 외부 타기기와의 정보교환을 위한 통신포트(503), 표시 조작부용 버퍼(504)로 구성된다. 특히 상기의 메모리부는 에너지원의 출력 전압의 용량이나 정격을 미리 설정하여 저장하기 위하여 비활성 메모리로 구성되는 것이 바람직하다.
상기에서 기술한 것처럼 전기신호로 교류, 직류 모두 동일하게 센서로부터 아날로그 신호로 받을 수 있으며 풍속계나 일사량계(400)등은 아날로그 입력 포트(104,401)를 통하여 수신할 수 있고 통신포트(503)를 통하여 수신할 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 사용자 조작부의 구성도이다.
상기 사용자 조작부(600)은 액정표시장치(601), 키입력 스위치(602), 커넥터(603)으로 구성된다.
이 때 표시기능을 하는 상기 액정표시장치(601)에는 전압, 전류, 유효전력, 무효전력, 주파수, 역률 등의 전기량 및 일사량, 풍속 등의 에너지원의 운전 상태정보와 보호기능의 동작여부 등이 표시된다. 또한 상기 키입력 스위치(602)은 서브메뉴로 이동을 가능하게 하고 설정 및 표시 기능을 수행한다.
이 경우 상기의 설정 내용은 운전모드, 전압기준, 무효전력기준, 제어기의 이득 등이 될 수 있으며 시스템의 동작, 정지 등 운전명령도 상기 사용자 조작부 (600)을 통하여 입력된다. 특히 이 사용자 조작부(600)은 커넥터(603)을 이용하여 제어부(500)의 버퍼포트(604)와 연결된다.
도 6은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 설정 흐름도이다. 이를 구체적으로 살펴보면 먼저 에너지원(100)의 종류를 결정한다(600). 상기에 의하여 풍력(610), 태양광(620), 연료전지(630)로 에너지원(100)의 전원 종류가 결정된다. 이 때 풍력(610)의 경우는 교류전원이고 태양광(620), 연료전지(630)의 경우는 직류전원이다.
다음으로 풍력(610)의 경우에 유도 발전기(690)의 사용여부와 동기 발전기(700)의 사용여부에 따라서 직류단(204)으로 변환하는 알고리즘을 선택하게 된다.
이 때 유도 발전기(690)의 경우는 현재 운전되고 있는 발전기의 주파수보다 낮은 출력을 정류기(202)가 출력함으로써 회생(regeneration)모드로 운전되게 제어해야 하며 동기 발전기(700)의 경우는 타여자(seperately excited)방식이나 영구자석 방식에 관계없이 터빈의 속도에 비례하는 주파수와 전압이 출력되므로 이를 추종하면서 다이오드나 제어 정류기(202)를 이용하여 직류단(204)으로 전력을 전송하게 된다.
또한 태양광(620)과 연료전지(630)의 경우는 직류전압이 출력되므로 전력변환부(200)의 구성에 따라 직류/직류 컨버터의 유무(650)을 판단하여 제어방법을 결정한다. 이 때 직류/직류 컨버터가 있는 구성에서는 상기 컨버터 내에서 최대출력점 추종제어를 수행(710)하고 직류/직류 컨버터가 없는 구성에서는 인버터(203) 내 에서 상기 최대출력점 추종제어를 수행한다.
그 다음으로 상기와 같은 기본적인 시스템 설정이 종료되면 에너지원(100)의 종류에 따라 최대전력점 추종제어방식이 결정(660)된 후 정격 용량, 전압, 전류, 상수, 주파수 등 전기적인 사항들을 결정(670)하게 된다.
마지막으로 운전모드의 설정 단계(680)으로 계통연계운전(720)인지 단독운전(730)인지 여부를 결정한다. 이 때 계통연계운전(720)인 경우는 계통전력의 전압과 주파수가 미리 결정되어 있기 때문에 인버터(203)는 전류제어를 수행하도록 설정되고, 단독 운전(730)인 경우에는 전원이 없는 부하에 전력을 공급하는 운전 모드로서 인버터(203)은 부하가 요구하는 정격전압 및 주파수를 유지하는 제어를 수행하도록 설정된다.
도 7은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 시스템 선정 구성도이다. 우선 에너지원(100)의 출력전원에 따라 직류입력(830,840)과 교류입력(810,820)의 구성이 결정된다.
이 때 교류출력이고 유도 발전기(811)인 경우에는 독립적으로 동작하지 아니하므로 구성(810)이 적용되며, 동기 발전기인 경우에는 제어형 정류기(812)로 이루어진 구성(810) 또는 다이오드 정류기(822)로 이루어진 구성(820) 양자 모두가 가능하다.
이 때 제어형 정류기(812)와 다이오드 정류기(822)는 동일한 스위칭 소자(IGBT)를 이용한 동일한 구성으로서 게이트를 제어하면 제어형 정류기(812)가 되고 게이트를 차단하면 소자에 역병렬로 연결된 다이오드에 의하여 자동적으로 다이오드 정류기(822)로 변환된다.
한편 상기 에너지원(100)의 출력이 직류 출력(831)인 경우 직류/직류 컨버터(832)의 유무에 따라 상기 직류/직류 컨버터(832)가 있는 구성(830)과 없는 구성(840)으로 나누어 진다.
상기 컨버터가 있는 구성(830)의 경우는 직류단 출력전압(309) 및 직류 입력 전압(304)의 검출에 의하여 제어부(500)에서 적절히 제어하여 PWM(pulse width modulation) 출력(211)으로 스위칭하면 되고, 상기 컨버터가 없는 구성(840)의 경우는 입력전압(304)의 검출에 의하여 인버터(203)에서의 에너지원(100)의 검출과 최대전력점 추종제어를 수행하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 운전모드 구성도이다. 상기 운전모드는 전력변환부(200)이 계통전력(836)에 연결되어 운전되는 계통연계운전모드와 계통전원(836)이 정전되거나 또는 전원이 없는 지역에서 운전되는 단독운전모드로 나뉘어진다.
상기 계통운전모드의 경우는 연계하는 차단기(923)이 닫혀 있어 부하(925)는 계통전력(836) 또는 인버터(203)로부터 동시에 전력을 공급 받게 된다. 이 때 부하는 인버터(203)의 출력에 관계없이 전원을 받게 되고 인버터(203)는 전원전압이 결정되어 있기 때문에 출력 전압을 임의로 조정할 수 없고 전류만 조정할 수 있는 전류제어모드로 동작하게 된다.
상기 단독운전모드의 경우는 부하(925)는 인버터(203)에 의해서만 전원을 공급받게 되고 이 때 인버터(203)는 부하(925)가 요구하는 전압과 주파수를 부하(925)의 크기에 관계없이 제어해야 한다. 이 때 정전이 발생한 경우 계통전원(836)측 차단기(923)은 개방되고 인버터(203)측 차단기(924)가 동작하여 운전된다.
도 9은 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 소프트웨어 구성도이다. 상기
제어부(200) 내부에서 실행되는 소프트웨어 루틴을 분류한 것으로서 시스템의 구성 및 설정과 관계없는 공통적인 루틴(900)과 시스템의 구성 및 설정에 따라 선택적으로 실행되는 루틴(901)로 구분할 수 있다.
상기 공통적인 루틴(900)은 직류 및 교류 전기량을 계측하고 이를 전력량으로 연산하는 루틴, 디지털 입출력 루틴, 전압 및 전류제어기 루틴, PWM 펄스 출력 루틴, 표시 및 키입력 루틴, 인버터 및 계통보호 루틴 등이며 이들 루틴들은 외부 하드웨어의 변경에 따른 스케일의 변동 이외에는 거의 변동되는 부분이 없는 고정적인 루틴이며, 특히 공통적인 루틴(900)은 에너지원, 변환장치 구성, 운전 모드에 관계없이 운전 중에 항상 실행되는 부분이다.
한편 에너지원의 종류에 따라 달라지는 상기 선택적인 실행 루틴(901)에는 최대전력점 추종제어, 일사량 및 풍속 검출 루틴, 에너지원 기기 보호 루틴 등이 있으며 이는 필요에 따라 추가할 수 있으며 시스템의 설정 및 구성에 따라 선택적으로 실행된다.
도 10는 본 발명에 따른 분산전원용 제어장치의 시스템 구성 실시예이다. 상기 풍력, 태양광, 연료전지와 같은 에너지원(100), 전력변환부(200), 제어부(300) 및 사용자 조작부(600)로 구성된다.
상기 전력변환부(200)는 IGBT 모듈이 방열판 위에 설치되고 게이트 드라이브 및 전압, 전류 센서, 필터 캐패시터 등으로 구성된다. 또한 상기 제어부(500)는 디지털신호처리장치(DSP)와 주변회로 및 AD 변환기 등으로 구성된다. 또한 상기 사용자 조작부(600)는 액정표시장치 및 키 스위치로 구성된다. 이 경우 상기 각각의 모듈들은 독립적으로 설계, 제작되어 플랫케이블 등 배선을 통하여 연결된다.
특히 상기 전력변환부(200)는 시스템 구성이나 용량, 전압에 따라서 각각 다르게 구성하는 반면 제어부(500) 및 사용자 조작부(600)는 동일한 모듈을 사용한다.
또한 상기 외부 기상관측장치(400)는 에너지원(100)에 따라 풍속계 또는 일사량계(401) 등이 될 수 있으며 아날로그 신호 또는 직렬통신을 통하여 제어부(500)와 연결된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면, 종래의 분산전원용 제어장치의 하드웨어와 소프트웨어의 공통적인 부분을 공유한 하나의 장치로 모듈화함으로써 종래의 독립적이고 전용인 제어장치를 사용하면서 발생하는 개발기간과 비용 측면의 문제를 극복할 수 있게 된다. 하기에서 구체적인 효과를 살펴본다.
첫째 본 발명에 의하여 풍력, 태양광, 연료전지 등 전력변환부를 이용하는 분산전원의 제어모듈올 공통적으로 사용함으로써 생산원가와 제작기간을 대폭 단축할 수 있다.
둘째 본 발명에 의하여 에너지원에 따른 최대출력점 추종제어방식을 내장하고 있어 자연조건의 변동에 따른 전기적인 출력을 상시 최대화함으로써 설비의 이용률을 증대하여 이에 따른 투자비 회수기간의 단축과 전기요금 절감 효과를 얻을 수 있다.
셋째 본 발명에 의하여 에너지원의 종류나 용량에 관계없이 동일한 형태의 제어 모듈을 적용함으로써 분산전원 장치가 표준화되어 유지보수나 예비부품의 확보 측면에서 시간과 비용을 절감할 수 있다.
넷째 본 발명에 의하여 전력변환부, 제어부 및 사용자 조작부로 모듈화되어 있어 에너지원의 종류, 시스템 구성의 상이함, 전원의 정격전압 및 용량의 차이에 따라 단순히 전력변환부만 교체하면 되며 제어부와 사용자 조작부 및 제어부 내의 소프트웨어 프로그램은 동일하게 사용하며 단지 사용자 조작부를 이용하여 내부의 설정만 변경하면 되므로 소량 다품종 생산이나 특수 사양의 제작 등이 매우 용이하 다.

Claims (12)

  1. 에너지원의 출력전원을 교류전원으로 바꾸는 정류기와 인버터로 구성된 전력변환부, 상기 에너지원의 정보와 상기 전력변환부의 전압 또는 전류 정보를 가지고 연산하여 제어하는 제어부 및 상기 제어부에서 보낸 운전정보를 표시하거나 사용자의 입력을 상기 제어부로 보내주는 사용자 조작부를 구비하는 분산전원용 제어장치의 제어방법에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 에너지원, 상기 에너지원의 출력전압의 종류에 따라서 선택적으로 알고리즘을 구현하여 전력명령을 생성하고 상기 전력명령에 의하여 상기 전력변환부의 전압, 전류 정보를 이용 하여 상기 전력변환부의 정류기와 인버터로 PWM(pulse width modulation)출력으로 스위칭 신호를 출력하고,
    상기 전력변환부는
    상기 스위칭 신호에 의하여 스위칭되며 상기 에너지원으로부터 출력된 직류 또는 교류전원을 원하는 전압, 주파수의 교류전원으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부에서,
    상기의 알고리즘은 상기 에너지원의 정보로부터 최대의 전력을 얻는 최대전 력점 추종제어 MPPT(maximum power point tracking control)를 사용하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 사용자 조작부에서 에너지원의 종류, 발전기의 종류, 운전모드의 종류, DC/DC(직류/직류) 컨버터의 유무등을 설정하여 상기 전력변환부를 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 분산목적용 제어장치의 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 메모리에 공통적인 실행 기능과 선택적인 실행 기능으로 분류하여 격납하고 상기 전력변환부를 스위칭하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    상기 에너지원의 출력전압이 직류, 교류인 경우 또는 교류 중 1상, 3상의 경우 모두 사용하기 위하여 브릿지(bridge)구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    사용자 조작부를 통해 입력되는 설정 내용에 따라 상기 에너지원이 교류전원이고 유도발전기인 경우에는 상기 정류기가 제어형 정류기로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    사용자 조작부를 통해 입력되는 설정 내용에 따라 상기 에너지원이 교류전원이고 동기발전기인 경우에는 상기 정류기가 제어형 정류기 또는 다이오드 정류기로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    사용자 조작부를 통해 입력되는 설정 내용에 따라 상기 에너지원이 직류전원이고 DC/DC(직류/직류) 컨버터가 있는 경우에는 상기 정류기를 DC/DC(직류/직류) 컨버터로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    사용자 조작부를 통해 입력되는 설정 내용에 따라 상기 에너지원이 직류전원이고 DC/DC(직류/직류) 컨버터가 없는 경우에는 상기 인버터에서 에너지원의 검출와 최대출력점 추종제어를 수행하는 것을 하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법
  10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전력변환부는,
    사용자 조작부를 통해 입력되는 설정 내용에 따라 계통연계운전 모드인 경우에는 전류제어모드로 동작하고 단독운전 모드인 경우에는 전압, 주파수제어 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치의 제어방법.
  11. 분산전원용 제어장치에 있어서,
    디지털 신호 처리장치 및 AD 컨버터를 포함하는 제어부;
    IGBT 스위칭 소자, 전압 전류 센서 및 캐패시터 필터를 포함하는 전력변환부;및
    액정표시장치 및 키 스위치를 포함하는 사용자 조작부를 구비하되,
    상기 제어부, 상기 전력변환부 및 상기 사용자 조작부는
    하나의 모듈로 격납되어 있으나 각각이 용이하게 착탈되는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 에너지원의 출력 전압의 용량이나 정격을 미리 설정하여 비휘발성 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 분산전원용 제어장치.
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