KR101104595B1

KR101104595B1 - 고립운전 판정 방법

Info

Publication number: KR101104595B1
Application number: KR1020090020487A
Authority: KR
Inventors: 전영수
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-01-12
Also published as: KR20100102009A

Abstract

본 발명의 고립운전 판정 방법은, PLL 제어 과정에서 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계; PLL 위상 동기를 위한 레퍼런스 전류에 상기 인버터 출력 신호의 주파수와 기준 주파수의 차를 증폭하여 반영하는 단계; 상기 반영된 레퍼런스 전류를 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계; 및 상기 PLL 제어된 출력 신호의 허수 성분이 소정의 기준 범위를 벗어나면, 고립운전의 발생으로 판정하는 단계를 포함한다.

고립운전, 태양광 발전, PLL, 인버터, 레퍼런스

Description

고립운전 판정 방법{ISLANDING DECISION METHOD}

본 발명은 태양광 발전 시스템의 인버터에서 수행되는 고립운전 판정 방법에 관한 것이다.

계통 연계형 태양광발전 시스템에 있어서 필요한 제어 알고리즘에는 최대 전력점(MPPT) 추종제어, DC-DC 컨버터 입력전류제어, PLL제어, 직류링크전압제어, 인버터 출력전류제어, 고립운전방지, 보호 기술로 구분할 수 있다.

최대 전력점(MPPT) 추종제어는 태양광에너지의 전력이 일사량과 온도에 따라 비선형 특성을 가지므로 최대 전력점을 찾아 효율을 최대화하는 제어 방법이다. 최대 전력점 추종제어를 통해 발생된 DC-DC 컨버터의 입력기준전류를 통하여 DC-DC 컨버터 입력전류제어를 수행한다. PLL 제어는 계통 전압의 위상을 검출하여 인버터의 출력기준전류를 만드는데 사용한다. 그리고, 직류링크전압제어는 인버터의 직류링크전압을 일정하게 제어하는 것으로, 인버터 출력기준전류의 크기를 생성하게 된다. 또한 PLL제어와 직류링크 전압제어를 통해 발생한 위상과 크기를 통해 인버터 출력 기준 전류를 발생하여 인버터 출력전류제어를 실시하게 된다.

고립운전 방지(Anti-islanding control)는 분산형 전원이 배전계통에 도입되어 연계운전을 하기 위해서 반드시 필요한 기술로써 태양광 발전 시스템 및 기타 분산전원이 정전 혹은 사고 등으로 계통에서 분리되었을 때, 태양광 발전 시스템의 출력과 배전선 부하의 소비전력이 균형을 이루면, 시스템이 배전선 부하를 떠맡아 운전을 지속적으로 유지한다.

이 현상을 고립운전이라 하며 이런 상태가 지속되면 선로 유지보수자의 안전사고를 야기할 수 있으며 전기설비에 나쁜 영향을 줄 수도 있다. 따라서 계통에서 전원공급이 끊겼을 경우 이를 즉각 감지하여 발전을 중단해야 한다.

본 발명은 이러한 고립운전 발생시에 적용되는 태양광 인버터에서 이를 감지하여 운전을 정지하도록 하는 기능을 포함하고 있으며, 또한 상기 기능을 이용하여 계통연계형 인버터의 순시전류제어시에 적용할 수 있는 알고리즘을 제시하고자 한다.

도 1에서는 계통연계형 태양광발전 시스템의 전력 흐름을 나타낸다. 계통에서 전력공급이 중단되어도 수용가로 표현된 RLC 병렬 부하에서 LC 공진에 의해 PCC전압의 크기와 주파수가 유지되어 고립운전이 발생될 수 있다.

태양광 인버터의 출력전류는 디지털 PLL을 통해 검출한 PCC 전압의 위상과 일치하도록 제어하므로, PCC의 전압을 Va라고 하면, 계통으로 유입되는 유효전력 ΔP, 무효전력 ΔQ는, 하기 수학식 1 및 2와 같다.

인버터(12)에서 태양전지 셀(11)에서 발생한 DC 전력을 AC로 변환하면, 유효전력 P_PV과 무효전력 Q_PV이 생성된다. 이 전력이 계통과 부하에 전달되며 전달되는 전력방정식은 하기 수학식 3과 같다.

P_PV + iQ_PV = ΔP + iΔQ + P_load + jQ_load

Va는 계통과 부하에 형성되는 전압으로서, 이 전압을 통해서 태양광 인버터가 계통과 동기된다.

도 2는 고립운전(islanding)을 검출하기 위한 검출기의 내부 블록도이다.

도시한 바와 같이, 측정된 계통 전압(Line Voltage)과 위상 시프터(Phase shifter)(27)를 통해 Ua 및 Ub가 생성되고, 좌표변환기(26)를 통해 Ude 및 Uqe가 형성된다. 그리고 계산된 Ude 및 Ude*의 차가 PI제어기(21)로 입력된다. 상기 PI제어기(21)에서 출력된 ω와 ω_ff의 합이 ω*이 되어 적분기(25)를 통과한 뒤 샘플링 타임 만큼의 위상 θ_Ts를 더하여 생성된 θ*를 이용하여, 인버터가 출력할 때의 계통 전압(Line Voltage)과 위상이 같은 개선된 전압을 생성한다.

종래 방법에 따르는 경우, 상기 도 2에서 생성되는 기준 θ*는, 하기 수학식 4에 반영된다.

이는 기준식 생성부(32)를 통해서 전류레퍼런스 I*PV를 규칙적으로 흔들어 주어 변동하는 정도를 판별하여 고립운전을 검출하는 방식이다.

즉, 도 3에 도시한 방식은, PCC의 주파수의 변동을 영전압(Zero-crossing) 부분에 적용시킴으로써 피드 포워드 효과에 의해 주파수 가 서서히 발산하는 것을 이용하여 검출하거나 데드 타임구간에 cf를 이용하여 고립운전을 검출하는 것이다.

가속이득 K, fa는 PCC의 추정 주파수, fline은 계통주파수(일정)이다. (cf는 태양광 인버터의 출력전류의 Zero-crossing 지점 데드 타임 구간)

고립운전이 발생하면 상기 수학식 5에 의해 cf가 계속 증가(감소)하여 주파수가 발산(수렴)하게 되며 계통의 주파수 변동 한계치를 벗어나면 고립운전으로 판단하여 인버터를 정지시킨다.

즉, 종래의 기술의 경우 cf에 게인 K값을 일정하게 줌으로써 Zero-crossing 지점을 일정하게 흔들어 주어 값의 변동을 보고서 고립운전 상태 시 주파수의 변동을 통해서 검출하게 된다.

그런데, 이럴 경우 Zero-crossing지점에 THD(고조파 함유율)나 역률이 낮아지며 기관 인증 시험 시 일사량 급변 시 또는 위상 점프와 같은 상황이 발생할 때 제대로 추종하지 못하며, 고립운전에 대한 검출 시간이 0.5초 이상 길어진다.

게인 K를 크게 하여 기준 시간 내에 들어오도록 하더라도 급변이나 Zero-crossing 지점에서 위상을 점프시킬 경우에는, 태양광 인버터가 인증 기준대로 동작하지 않거나 트립(Trip)을 발생하며 정지하는 다른 문제점을 야기시킨다.

또한, ω와 특정 게인 K를 이용하여 Δθ를 구해내야 하므로 번거롭고 인증 기준에 들어오도록 게인 K를 선정하기가 어렵다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비정상 상황의 검출 성능이 높은 고립운전 판정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보다 강화된 인증 기준을 만족시킬 수 있는 태양광 발전 시스템의 인버터에 대한 고립운전 판정 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고립운전 판정 방법은, PLL 제어 과정에서 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계; PLL 위상 동기를 위한 레퍼런스 전류에 상기 인버터 출력 신호의 주파수와 기준 주파수의 차를 증폭하여 반영하는 단계; 상기 반영된 레퍼런스 전류를 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계; 및 상기 PLL 제어된 출력 신호의 허수 성분이 소정의 기준 범위를 벗어나면, 고립운전의 발생으로 판정하는 단계를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양광 발전기; 및 상기 태양광 발전기가 생성한 전력을 변환하여 부하 및 계통으로 공급하는 인버터를 포함하되, 상기 인버터는 상술한 고립운전 판정 방법을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 따른 본 발명의 고립운전 판정 방법을 실시함에 의해, 신속하게 고립운전 상태를 검출할 수 있는 이점이 있다.

또는, 본 발명은 역률 및 일사량 급변시험 또는 위상 점프등과 같은 상황에 대해서 정확하게 고립운전 상태를 검출할 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한 이하에 설명하는 실시예는 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하는 것이 아니라, 하기 실시예에서 설명되는 구성의 전부가 본 발명의 해결 수단으로서 필수라고는 할 수 없다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고립운전 판정 방법이 수행되는 신호 연산 구조를 도시한다.

도시한 고립운전 판정 방법은, PLL 제어 과정에서 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계(S110); PLL 위상 동기를 위한 레퍼런스 전류에 상기 인버터 출력 신호의 주파수와 기준 주파수의 차를 증폭하여 반영하는 단계(S120); 상기 반영된 레퍼런스 전류를 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계(S140); 및 상기 PLL 제어된 출력 신호의 허수 성분이 소정의 기준 범위를 벗어나면, 고립운전의 발생으로 판정하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.

인버터의 출력 전류지령 i^* _PV은 하기 수학식 6으로 표현되며, 하기 수학식 7의 θ에 의해 인버터 출력 전류지령은 앞서거나 뒤진 전류지령을 내보내게 된다.

본 실시예의 고립운전 검출 방법은 주파수가 59.3Hz~60.5Hz까지 인버터가 동작하는데 이상이 있으면 안 되며, 500mSec이내에 고립운전 상황을 검출하여야 하는 기준에 부합하도록 구현되었다.

이를 위해 본 실시예에서는 도 4의 코사인 성분 분리 블록(46) 및 상기 분리된 코사인 성분이 소정의 기준 범위를 벗어나는가를 모니터링하는 제한 블록(47)을 추가함으로써 고립운전 상황 검출을 더욱 용이하게 하였다.

고립운전 상태가 발생되면 인버터 출력 전류지령 I^* _PV에 의해 RLC 병렬부하에 나타나는 PCC 전압은 하기 수학식 8과 같고, φ는 하기 수학식 9로 표현된다.

f_ref = f_inv 이면 Δθ = 0 이고, f_ref ≠ f_inv 이면 Δθ ≠ 0 이므로 PCC의 주파수가 증가(또는 감소)한다. 결국 Δθ ≠ 0 일 경우, 가속이득 K에 의하여 주파수는 계속 증가(또는 감소)하므로, 변동 한계치를 넘는 순간 인버터를 정지시킨다.

PLL 제어기(41)는 상기 S110 단계에서 계통전압 Va와 동기된 θ를 생성하기 위한 것으로, 여기에서 생성된 θ를 하기 수학식 10에 따른 알고리즘을 거치게 되면 전류 레퍼런스의 sinθ가 결정된다. 즉, S120 단계에서는 하기 수학식 10에 따라 전류 레퍼런스를 산정함으로써, 상기 기준 주파수와 인버터 출력 주파수의 차를 전류 레퍼런스에 반영한다. 여기서, 전류 레퍼런스는 PLL 위상 동기를 위한 기준식으로서 기능할 수 있다.

K : 게인

f_ref : 기준 주파수

f_inv : 인버터 출력 신호 주파수

θ : 전류 레퍼런스의 위상

그 결과, 이후 상기 인버터는 상기 수학식 10을 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 출력한다(S140).

그러나, 여기에서 RLC 고립운전이 발생된 부하에서 장비의 부정확성에 의해서 정확한 고립운전 상황을 검출하지 못하는 경우가 발생하여 실제로 제어기가 본래 의도대로 되었는지 확인이 되지 않을 수 있다.

그래서 여기에 추가한 cosα를 정격에서 운전할 때 cosα값의 조절로 일정한 부하상태에 고립운전이 되기 위한 무효전력을 공급하여 정확히 구현한 다음 기존의 값에 추가로 α값을 조절하여 고립운전 상황을 더욱 빠르게 검출할 수 있다.(S160)

α=

상기 수학식 11과 같이 무효전력에 영향을 주는 cosα를 0도 ~ 10도까지 움직이면 실제 고립운전 부하에서 제대로 구현하지 못하는 고립운전 상황도 무효 전력값에 의해서 상황이 구현이 되며 이를 통해서 변화되는 값을 파악하여 cosα값을 재조정하여 고립운전을 더욱 빠르게 검출해 낼 수 있다.

도 5는 고립운전 상태를 검출하는 경우, 인버터 출력 신호의 파형을 도시한다.

도시한 바와 같이 기준 주파수와 인버터 출력 신호의 주파수가 약간 어긋나 면, 그 차이가 증폭되어 5주기 만에 고립운전 상태를 판정하고, 그에 따른 조치가 취해진 것을 알 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 계통 연계형 태양광 발전 시스템의 구성을 보인 회로도.

도 2는 일반적인 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 계통과의 위상 동기 과정을 도시한 제어 블록도.

도 3은 일반적인 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 고립운전을 검출하는 과정을 도시한 제어 블록도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 고립운전을 검출하는 과정을 도시한 제어 블록도.

도 5는 본 발명의 고립운전 판정 방법에 따른 인버터 출력 파형을 도시한 파형도.

Claims

PLL 제어 과정에서 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계;

PLL 위상 동기를 위한 레퍼런스 전류에 상기 인버터 출력 신호의 주파수와 기준 주파수의 차를 증폭하여 반영하는 단계;

상기 반영된 레퍼런스 전류를 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계;

상기 PLL 제어된 출력 신호의 허수 성분을 분리하는 단계; 및

상기 분리된 허수 성분을 기초로, 고립운전의 발생 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 인버터에서의 고립운전 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 레퍼런스 전류에 주파수 차를 반영하는 단계에서는,

하기 수학식을 따르는 레퍼런스 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 고립운전 판정 방법.

K : 게인

f_ref : 기준 주파수

f_inv : 인버터 출력 신호 주파수

θ : 전류 레퍼런스의 위상
제 1 항에 있어서,

상기 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계는,

인버터의 PLL 제어기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고립운전 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계는,

상기 레퍼런스 전류에 따른 위상을 가지고, 계통으로 공급되는 전류에 대한 실효치의 크기를 가지는 사인파 형태의 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 고립운전 판정 방법.
제 1 항에 있어서,

태양광 발전기가 생산한 전력을 변환하여 계통 및 부하에 공급하는 인버터에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고립운전 판정 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 PLL 제어는,

상기 인버터의 공급 전력의 위상과, 상기 계통의 위상을 맞추기 위한 것임을 특징으로 하는 고립운전 판정 방법.
태양광 발전기; 및 상기 태양광 발전기가 생성한 전력을 변환하여 부하 및 계통으로 공급하는 인버터를 포함하는 태양광 발전 시스템에 있어서,

상기 인버터는,

PLL 제어 과정에서 인버터 출력 신호의 위상을 구하는 단계;

PLL 위상 동기를 위한 레퍼런스 전류에 상기 인버터 출력 신호의 주파수와 기준 주파수의 차를 증폭하여 반영하는 단계;

상기 반영된 레퍼런스 전류를 이용하여 PLL 제어된 출력 신호를 생성하는 단계;

상기 PLL 제어된 출력 신호의 허수 성분을 분리하는 단계; 및

상기 분리된 허수 성분을 기초로, 고립운전의 발생 여부를 판단하는 단계;를 수행하여 고립운전 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 기준 주파수는, 계통의 전원 주파수인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.