KR101267803B1 - 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 ｐｃｓ - Google Patents

이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 ｐｃｓ Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS에 관한 것으로서, 교류전력을 생산하는 AC전력망; 상기 AC전력망을 통해 생상된 교류전력으로 가동하는 AC부하; 태양광, 풍력 및 연료전지를 포함하는 자체적으로 DC전력을 생산하는 분산전원; 상기 분산전원을 통해 생산된 DC전력으로 가동하는 DC부하; 및 상기 AC전력망 및 분산전원을 통해 생산된 전력을 제어하고 상기 AC부하 및 DC부하 사이에 잉여전력을 연계하는 양방향 전력 제어형 계통연계PCS;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 양방향 컨버터와 다이오드 정류기를 병렬로 연결하여 운전함으로써, 고조파 문제 및 동손의 증가 문제를 해결하며 AC전력망과 DC전력망 사이에 잉여전력을 계통연계하여 한쪽 전력망 고장시 무정전으로 AC부하 및 DC부하에 전력을 공급하는 효과가 있다.

Description

이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 ＰＣＳ{COMMERCIAL GRADE SYSTEM INTERCONNECTED PCS FOR INTERFACE BETWEEN TWO GRIDS}
본 발명은 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS에 관한 것으로 더욱 상세하게는, AC전력망과 DC전력망 사이에 잉여전력을 계통연계하여 AC부하 및 DC부하에 전력의 공급이 중단되지 않도록하는 기술에 관한 것이다.
최근 에너지 및 환경 문제에 관심이 높아짐에 따라 태양광, 연료전지, 베터리 및 풍력을 포함하는 분산전원에 대한 연구가 활발히 진행중이다.
또한, 컴퓨터, LED조명 및 IDC(Internet Data Center)와 같은 직류부하가 증가하여, AC/DC 컨버터를 이용한 DC버스를 구성하고 직류전원을 직류부하가 직접 이용하는 직류 급전 시스템이 사용되고 있다.
이러한 분산전원의 경우 도 1과 같이, 절연변압기, 필터 커패시터, 인덕터 및 삼상 풀브리지회로를 포함하여 구성되어 DC/AC 컨버터를 이용하여 AC 전력망에 연계된다.
상기 도 1과 같은 양방향 컨버터를 이용한 PCS에서 DC 부하전력이 분산 전원의 출력보다 크거나 분산 전원에서 출력이 불가능 할 경우 , AC 전력망의 잉여전력이 DC 부하의 부족분 전력으로 공급되며, DC 부하전력이 분산 전원의 출력보다 작을 경우, DC 전력망의 잉여전력이 AC 전력계통을 공급된다.
그러나, 양방향 컨버터의 경우 정격기준 전류 THD를 5%이하로 줄일 수 있고 고조파 전류에 의한 동손을 감소 시킬 수 있으나, IGBT와 같은 고속 스위칭 소자를 사용함으로 고장의 빈도가 높을 뿐만 아니라 AC측에 인덕터를 이용하게 되어 중량 및 부피가 대량화되어 가격 및 유지보수에 불리하다.
최근들어, 본 발명과 관련하여 연구 개발이 이루어지고 있으며, 대한민국 공개 특허공보 10-2005-0072331호(계통연계 자가발전시스템)외 다수개가 공개되어 있다.
선행문헌은 복수의 트랜지스터를 갖고 소스전원을 입력받아 교류전류를 출력하는 인버터와, 인버터에 소스전원을 공급하는 분산전원을 포함하는 계통연계 자가발전시스템에 있어서, 트랜지스터를 스위칭 하는 제어신호를 출력하는 인버터제어부와, 제어신호에 의해 발생하는 교류전류의 고주파 리플신호를 감지하는 고주파감지부를 포함하여 구성된다.
전술한 바와 같은 선행문헌은 간단한 설치와 효율적인 운전상태를 유지하면서 계통전원의 정전을 감지하고 시스템을 운용할 수 있다.
그러나, 빈번한 고장, 설비 대량화로 인한 저가 구현 및 유지보수 비용의 최소화 등을 해결할 수 없다.
본 발명의 목적은, 양방향 컨버터와 다이오드 정류기를 병렬 연결하고 분산전원 최대 발전전력을 평균 직류부하전력[1pu]이상 [1.5pu]이하로 함으로써, DC 전력공급의 효율을 높이며 연속성 및 안정성을 극대화 시킬 뿐만 아니라 시스템의 저가 구현 및 유지보수 비용을 절감하며, AC전력망과 DC전력망 사이에 잉여전력을 계통연계하여 AC부하 및 DC부하에 전력의 공급이 중단되지 않도록함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS는, 교류전력을 생산하는 AC전력망; AC전력망을 통해 생상된 교류전력으로 가동하는 AC부하; 태양광, 풍력 및 연료전지를 포함하는 자체적으로 DC전력을 생산하는 분산전원; 분산전원을 통해 생산된 DC전력으로 가동하는 DC부하; 및 AC전력망 및 분산전원을 통해 생산된 전력을 제어하고 AC부하 및 DC부하 사이에 잉여전력을 연계하는 양방향 전력 제어형 계통연계PCS;를 포함한다.
또한, 양방향 전력 제어형 계통연계PCS는 AC전력망 및 분산전원을 통해 생산된 전력을 AC부하 또는 DC부하에서 사용할 수 있도록 전자기유도작용을 통해 교류전압 및 전류로 변환하는 변압기; 변압기를 통해 변환된 교류전류를 한가지 방향만을 갖는 직류전류로 변환하는 다이오드 정류기; 및 다이오드 정류기와 병렬로 연결되며 교류를 직류로 변환하는 양방향 컨버터;를 포함한다.
또한, 다이오드 정류기는, 12펄스 다이오드 정류기를 사용하여 고조파 왜곡률(THD)를 8%로 개선하는 것을 포함한다.
또한, 양방향 컨버터는, DC부하의 사용전력이 분산전원을 통해 공급되는 전력보다 큰 경우 또는 분산전원의 출력이 불가능한 경우(이하 "정류모드") 변압기 2차측의 동손을 최소화 하기 위해 고조파 보상장치로 동작하는 능동전력 필터로 운전하는 것을 포함한다.
또한, 양방향 컨버터는 DC부하의 사용전력이 분산전원을 통해 공급되는 전력보다 적은 경우(이하 "발전모드") 잉여전력을 DC전력망에서 AC전력망으로 전력을 공급하는 것을 포함한다.
그리고 다이오드 정류기 및 양방향 컨버터는 병렬로 연결되어 운전하는 것을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 양방향 컨버터와 다이오드 정류기를 병렬로 연결하여 운전함으로써, 빈번한 고장문제를 해결하며 저가구현 및 유지보수의 비용을 절감하고, AC전력망과 DC전력망 사이에 잉여전력을 계통연계하여 한쪽 전력망 고장시 무정전으로 AC부하 및 DC부하에 전력을 공급하는 효과가 있다.
도 1은 종례 기술에 따른 양방향 컨버터의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 양방향 전력 제어형 계통연계PCS의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 12펄스 다이오드 정류기의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 양방향 전력 제어형 계통연계PCS의 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 양방향 컨버터에 관한 블록선도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS에 대해 첨부한 예시도면을 토대로 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS의 전체 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS는 AC전력망(100), AC부하(200), 분산전원(300), DC부하(400) 및 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500)를 포함하여 구성된다.
상기 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS는 분산전원(300)의 전력이 DC부하(400) 우선 사용 후 잉여분 발생시 AC부하(200)로 공급되는 형태로 가정하여 분산전원(300)을 통해 AC부하(200)로 공급되는 전력이 AC전력망(100)을 통해 DC부하(400)로 공급되는 전력보다 적을 것으로 가정하며, 분산전원(300)의 최대 발전전력은 평균 직류부하전력[1pu]보다는 크며 1.5[pu]이하로 가정한다.
먼저, AC전력망(100)은 AC전력(교류전력)을 발전하여 AC부하(200)에 전력을 공급하고, 분산전원(300)을 통해 DC부하(400)에 공급되는 전력이 부족하면 AC부하(200)에 공급하고 남은 잉여 전력을 DC부하(400)로 공급한다.
또한, AC부하(200)는 상기 AC전력망(100)으로부터 공급되는 전력을 통해 가동된다.
또한, 분산전원(300)은 태양광, 풍력, 연료전지를 포함하는 자체적으로 DC전력을 생산할 수 있으며, DC부하(400)에 전력을 공급하고 AC부하(200)에 전력이 부족할 때 DC부하(400)에 공급하고 남은 잉여전력을 AC부하(200)에 공급한다.
또한, DC부하(400)는 상기 분산전원(300)으로부터 공급되는 전력을 통해 가동된다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500)는 상기 AC전력망(100) 및 상기 분산전원(300)을 통해 발전되는 전력을 제어하여 상기 AC부하(200) 및 DC부하(400) 사이에 잉여전력을 연계하되, 변압기(510), 다이오드 정류기(520) 및 양방향 컨버터(530)를 포함하여 구성한다.
상기 양방향 전력 제어형 계통PCS(500)는 DC부하(400)의 사용전력이 분산전원(300)을 통해 공급되는 전력보다 큰 경우 또는 분산전원(300)의 출력이 불가능한 경우(이하 "정류모드"), DC부하(400)의 불필요한 부하를 차단하고 AC전력망(100)을 통해 DC부하(400)의 부족한 사용전력을 공급한다.
또한, DC부하(400)의 사용전력이 분산전원(300)을 통해 공급되는 전력보다 적은 경우(이하 "발전모드"), 분산전원(300)의 출력을 억제하고 상기 DC부하(400)가 사용하고 남은 잉여전력을 AC부하(200)로 공급한다.
그리고, DC부하(400)의 사용전력과 분산전원(300)을 통해 공급되는 전력이 같을 경우, 상기 양방향 전력 제어형 계통PCS(500)는 가동되지 않는다.
먼저, 변압기(510)는 상기 AC전력망(100) 및 분산전원(300)의 전력을 AC부하(200) 또는 DC부하(400)에서 사용할 수 있게 전자기유도작용을 이용하여 교류전압 및 전류의 값을 변환한다.
상기 변압기(510)의 1차측
Figure 112011092354245-pat00001
결선으로
Figure 112011092354245-pat00002
,
Figure 112011092354245-pat00003
및
Figure 112011092354245-pat00004
가 입력되면 2차측
Figure 112011092354245-pat00005
결선을 통해 ia1, ib1 및 ic1이 출력되고 2차측 Y결선을 통해 ia2, ib2 및 ic2가 출력된다.
또한, 다이오드 정류기(520)는 정류작용을 통해 교류전력에서 직류전력을 출력하기 위한 장치로써, 교류전류를 한 가지 방향만을 갖는 직류전류로 변환시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다이오드 정류기(520)는 12펄스 다이오드 정류기를 사용하여 기존의 6펄스 다이오드 정류기의 30%~60%인 고조파전체 고조파 왜곡률 THD(Total Harmonic Distortion)를 8%대로 개선하며 양극급전 방식의 DC 전력망을 구성한다.
즉, 12펄스의 다이오드 정류기(520)를 이용하면 정류모드 운전시 변압기 1차측 권선의 고조파 문제를 해결한다.
그리고, 양방향 컨버터(530)는 0.25[pu] 용량으로 2대를 사용하여 상기 다이오드 정류기(520)와 병렬로 연결되고 교류를 직류로 변환하는 역할을 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500)는, 변압기의 1차측 △결선과 2차측 △결선을 통해 연결되는 제1다이오드 정류기 및 양방향 컨버터1이, 상기 변압기의 1차측 △결선과 2차측 Y결선을 통해 연결되는 제2다이오드 정류기 및 양방향 컨버터2와 병렬로 연결되어 운전한다.
상기 양방향 컨버터(530)는 발전모드 운전시 잉여전력을 DC 전력망에서 AC전력망으로 전력을 공급하는 역할을 하며 정류모드 운전시 변압기(510) 2차측의 동손을 최소화 하기 위해 고조파 보상장치로 동작하는 능동전력 필터로 운전한다.
도 5를 참조하여 정류모드시 양방향 컨버터(530)의 운전 원리를 살피면, 변압기(510) 2차측
Figure 112013003536645-pat00006
결선의 출력 전류는 필터 커패시터 전류를 무시하고 키르히호프의 전류 법칙을 적용하면 다음의 [수식 1] 내지 [수식 3]과 같다.
Figure 112011092354245-pat00007
[수식 1]
여기서,
Figure 112011092354245-pat00008
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00009
에 포함된 기본파 성분.
Figure 112011092354245-pat00010
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00011
에 포함된 고조파 성분.
Figure 112011092354245-pat00012
[수식 2]
여기서,
Figure 112011092354245-pat00013
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00014
에 포함된 기본파 성분.
Figure 112011092354245-pat00015
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00016
에 포함된 고조파 성분.
Figure 112011092354245-pat00017
[수식 3]
여기서,
Figure 112011092354245-pat00018
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00019
에 포함된 기본파 성분.
Figure 112011092354245-pat00020
는 다이오드 정류기(520)의 입력전류
Figure 112011092354245-pat00021
에 포함된 고조파 성분.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 양방향 컨버터 1의 출력전류
Figure 112011092354245-pat00022
,
Figure 112011092354245-pat00023
및
Figure 112011092354245-pat00024
는 임의로 제어 가능한 전류이므로, 각 상 전류를 다음의 [수식4] 내지 [수식6]과 같이 제어한다.
Figure 112011092354245-pat00025
[수식4]
Figure 112011092354245-pat00026
[수식5]
Figure 112011092354245-pat00027
[수식6]
따라서, 변압기(510) 2차측
Figure 112011092354245-pat00028
결선의 출력전류는 다음의 [수식 7] 내지 [수식 9]와 같이 기본파 성분으로만 구성되고, 이를 통해 고조파 전류에 의한 변압기(510) 동손은 감소한다.
Figure 112011092354245-pat00029
[수식7]
Figure 112011092354245-pat00030
[수식8]
Figure 112011092354245-pat00031
[수식9]
그리고, 고조파 전류보상모드에서 양방향 컨버터(530)의 컨버터1은 원활한 전류제어를 위해 DC link 전압 Vd1이 AC 전력망(100)의 선간 전압 피크치의 1.5배 이상으로 운전되는데, 이는 Vd1과 Vdc1 사이의 다이오드 D1에 의해 구현된다.
즉, 양방향 컨버터(530)의 컨버터1의 DC link 전압 Vd1이 다이오드 정류기(520)의 출력전압 Vdc1보다 높을 경우 상기 다이오드 정류기(520)의 D1은 off 상태가 되어 양방향 컨버터(530)와 분산전원(300)을 포함하는 직류 전력망 사이에 전력이 이동하지 않는다.
그리고, 변압기(510) 2차측 Y결선의 출력전류는 상기 변압기(510) 2차측
Figure 112013003536645-pat00032
결선의 출력전류와 같은 방법으로 양방향 컨버터(530)의 컨버터2를 운전 시키면 고조파 전류에 의한 변압기(510) 동손은 감소한다.
또한, 발전모드시 양방향 컨버터(530)의 컨버터1의 운전 원리를 살피면, 발전모드는 분산전원(300)의 출력이 DC부하(400)의 사용전력 보다 큰 경우 발생하고, 발전모드로 운전하게 되면 다이오드 정류기(520)는 DC전력망으로부터 AC전력망으로 전력을 공급할 수 없어 직류전압 Vdc1이 상승한다.
이러한 경우, DC전력망을 원활히 유지하기 위해서 분산전원(300)의 직류전압을 최대치 이하로 운전한다.
또한, 발전모드시 양방향 컨버터(530)는 허용 직류전압 최대치(AC전력망 선간의 피크치 보다 큰 임의의 값) 이하로 DC전력망을 유지하기 위해 다음의 [수식 10]과 같은 잉여전력을 AC부하(200)측으로 공급하는 역할을 한다.
잉여전력(Pres)=분산전원(300)의 출력전력-DC부하(400)사용전력 [수식10]
또한, 양방향 컨버터(530)의 컨버터2의 동작원리는 상기 양방향 컨버터(530)의 컨버터1과 같은 동작원리이며, 발전모드시 다이오드 정류기(520)를 통한 전력공급은 중단되어 고조파 전류의 발생이 생기지 않으므로 양방향 컨버터(530)의 고조파 전류 보상 기능(정류모드)은 작동하지 않는다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이,
Figure 112011092354245-pat00033
는 양방향 컨버터(530)가 정류모드로 운전시 DC link전압 Vd1을 고조파 전류보상에 필요한 만큼의 높은 전압을 얻기위한 충전전력이고, 발전모드로 운전시 잉여전력에 해당한다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: AC전력망 200: AC부하
300: 분산전원 400: DC부하
500:양방향 전력 제어형 계통연계PCS 510: 변압기
520: 다이오드 정류기 530: 양방향 컨버터

Claims (7)

  1. 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS에 있어서,
    교류전력을 생산하는 AC전력망(100);
    상기 AC전력망(100)을 통해 생상된 교류전력으로 가동하는 AC부하(200);
    태양광, 풍력 및 연료전지를 포함하는 자체적으로 DC전력을 생산하는 분산전원(300);
    상기 분산전원(300)을 통해 생산된 DC전력으로 가동하는 DC부하(400); 및
    상기 AC전력망(100) 및 분산전원(300)을 통해 생산된 전력을 제어하고 상기 AC부하(200) 및 DC부하(400) 사이에 잉여전력을 연계하는 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500);를 포함하며,
    상기 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500)는, 상기 AC전력망(100) 및 상기 분산전원(300)을 통해 발전되는 전력을 제어하여 상기 AC부하(200) 및 DC부하(400) 사이에 잉여전력을 연계하되, 상기 AC전력망(100) 및 분산전원(300)을 통해 생산된 전력을 상기 AC부하(200) 또는 DC부하(400)에서 사용할 수 있도록 전자기유도작용을 통해 교류전압 및 전류로 변환하는 변압기(510);
    상기 변압기(510)를 통해 변환된 교류전류를 한가지 방향만을 갖는 직류전류로 변환하는 다이오드 정류기(520); 및
    상기 다이오드 정류기(520)와 병렬로 연결되며 교류를 직류로 변환하는 양방향 컨버터(530);를 포함하며,
    상기 양방향 전력 제어형 계통연계PCS(500)는, 상기 변압기의 1차측 △결선과 2차측 △결선을 통해 연결되는 제1다이오드 정류기 및 양방향 컨버터1이, 상기 변압기의 1차측 △결선과 2차측 Y결선을 통해 연결되는 제2다이오드 정류기 및 양방향 컨버터2와 병렬로 연결되어 운전하며,
    상기 양방향 컨버터(530)는, DC부하(400)의 사용전력이 분산전원(300)을 통해 공급되는 전력보다 큰 경우 또는 분산전원(300)의 출력이 불가능한 경우, 상기 변압기(510) 2차측의 동손을 최소화하기 위해 고조파 보상장치로 동작하는 능동전력 필터로 운전하는 것을 특징으로 하는 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드 정류기(520)는,
    12펄스 다이오드 정류기인 것을 특징으로 하는 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다이오드 정류기(520)는,
    12펄스 다이오드 정류기를 사용하여 고조파 왜곡률(THD)를 8%로 개선하는 것을 특징으로 하는 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 컨버터(530)는,
    DC부하(400)의 사용전력이 분산전원(300)을 통해 공급되는 전력보다 적은 경우(이하 "발전모드") 잉여전력을 DC전력망에서 AC전력망으로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 이종 전력망간 인터페이스를 위한 경제형 계통연계 PCS.
  7. 삭제
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