KR101269659B1 - 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법 - Google Patents

신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 품질의 저하를 최소화하면서도 불검출 영역을 감소시킬 수 있고, 수동적 검출 방식과 능동적 검출 방식을 혼합한 하이브리드 검출 방식을 이용할 수 있으며, 1차적으로 수동적 검출 기법을 사용하고, 2차적으로 능동적 검출 기법을 사용할 수 있고, 제1 설정치에 도달하기까지는 수동적 검출 기법을 사용하고, 제2 설정치에 도달하기까지는 능동적 검출 기법을 사용하는 단독 운전 방지 방법을 제공한다.
본 발명의 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템은, 신재생 에너지 원으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터의 출력을 3상/2상 정지 좌표계로 변환하는 3상/2상 변환기; 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 2상 전압을 이용하여 상기 인버터의 출력 전압의 위상 및 주파수를 계산하는 위상 고정 루프; 상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 주파수와 외부로부터 인가되는 전류 진폭 기준값을 이용하여 인버터의 출력 주파수를 크기가 서로 다른 복수의 문턱값과 선택적으로 비교하고, 상기 인버터의 출력 위상을 조절하기 위한 전류 위상 기준 값을 생성하는 위상 조절기; 상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 위상각을 이용하여 상기 위상 조절기로부터 출력되는 전류 위상 기준값과 상기 전류 진폭 기준값을 2상 정지 좌표계로 변환하는 전류 기준 좌표 변환기; 상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 위상 기준값에서 상기 전류 2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 위상 성분을 감산하여 전류 위상 연산값을 출력하는 전류 위상 연산기; 상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 진폭 기준값에서 상기 전류 2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 진폭 성분을 감산하여 전류 진폭 연산값을 출력하는 전류 진폭 연산기; 상기 전류 위상 연산값과, 상기 전류 진폭 연산값을 이용하여 전류 조절 신호를 생성하는 전류 조절기; 상기 전류 조절기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호로 변환하는 출력 3상 변환기; 및 상기 출력 3상 변환기로부터 출력되는 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 이용하여 PWM 제어 신호를 상기 인버터로 출력하는 PWM 제어기를 포함한다.

Description

신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법{NEW AND RENEWABLE ENERGY GENERATION SYSTEM AND ITS ANTI ISLANDING PROTECTING METHOD}
본 발명은 신재생 에너지 발전 시스템, 특히, 태양광 발전 시스템의 단독 운전 방지 기술에 관한 것이다.
분산전원에서 단독운전현상은 전력계통의 이상(정전) 또는 점검이 발생하여 계통단의 차단기를 차단하더라도 분산전원이 이를 감지하지 못하고 부하에 계속적으로 전력을 공급하는 현상을 말한다. 단독운전발생시 출력전압과 주파수가 허용범위를 넘어설 수 있고, 연결된 부하에 손상을 발생시킬 수 있다. 또한, 계통 측 라인 근로자는 감전위험에 노출되며, 계통이 정상상태로 복귀하면 분산전원과 위상차이로 피해가 발생하거나 계통의 회복을 방해할 수 있다.
따라서, 태양광 발전 시스템과 같은 분산전원에서 단독 운전을 검출하여 단독 운전을 방지하기 위한 기술은 다양한 방법이 개발되어 왔고, 단독 운전 검출 기법은 다음과 같이 수동적 방법과 능동적 방법의 두 가지로 분류될 수 있다. 이에 관해서는 2008. 8월 발행된 논문 "계통전압 왜곡시 분산전원 시스템의 전류고조파 저감 및 단독운전검출"(이정민 박사학위 논문)의 61 ~ 71면에 상세하게 기술되어 있다.
즉, 수동적 방법으로 가장 일반적인 과/저 전압 및 주파수 검출 기법(Over/Under voltage and frequency detection)은 검출 전압/주파수가 설정치를 벗어날 때 인버터를 정지시킨다. 이 방법은 단순한 반면 인버터의 발전 출력이 계통에 연계된 부하의 크기와 일치할 때 단독운전을 검출하는데 실패한다.
위상 도약 검출 기법에서는 인버터 전류의 위상이 PLL 회로를 통하여 계통전압과 순시적으로 동기되는데, 일정 크기의 위상차를 단독운전 발생으로 인식하는 것이다. 그러나 이 방법은 부하 역률이 1일 때 실패한다.
전압 고조파 감시 기법(Voltage harmonic monitoring)은 태양광 발전 시스템이 단독운전 상태에 있을 경우 배전 변압기에 공급되는 여자전류로 인하여 전압 고조파 성분이 증가되는 원리를 이용한 것이다. 그러나 비선형 부하가 존재할 때에는 인버터의 구동을 차단하기 위한 고조파 값을 적정하게 설정하는 것이 거의 불가능하다.
이와 같은 수동적 방법의 단점은 불검출영역(NDZ : Non-Detection Zone)이 존재한다는 것이다. 수동적 검출 기법에서는 특정 상황, 예컨대 전압, 주파수 또는 그들의 변화가 매우 작은 경우 단독운전을 검출할 수 없다는 문제점이 있다.
이와 같은 불검출영역을 제거하기 위해, 인버터 출력에 일정 변화분을 주입하는 방법을 능동적 방법이라 한다.
출력 전력 변동 방식(Output power variation)에서는 인버터 유효전력이 주기적으로 변화되면서 출력 전압이 계속적으로 관측된다. 단독운전이 발생할 때 유효전력 불균형으로 인하여 전압변동이 크고 이로 인해 시스템의 정지가 가능하다. 그러나, 이 방법은 평준화 효과로 인하여 효과가 없다.
능동 주파수 변동 방식(Active frequency drift, AFD)은 인버터 출력전류의 주파수를 미세하게 증가 또는 감소시키면서 단자전압의 주파수를 관측하는 것이다. 단자전압 주파수가 소정 범위를 초과하는 것은 단독운전을 의미한다. 그러나 이 방법은 부하 위상각이 주파수 변화분에 의해 발생된 위상값과 일치할 때 실패하기 쉽다는 단점을 갖고 있다.
슬라이딩 모드 주파수 변동(Sliding mode frequency shift, SMS) 기법은 AFD와 비슷한 방법을 적용한다. 이 방법에서는 인버터 전류의 초기 위상(starting angle)이 제어되는 것으로, 단독운전 상태에서 발생하는 주파수 변화를 관측한다. 이 방법 또한, 부하 전류의 위상이 인버터 출력 전류의 초기 위상과 같다면 단독운전 검출에 실패하게 된다.
능동적 방법의 경우, 수동적 방법의 불검출영역을 감소시킬 수 있다는 장점이 있지만, 미세 변화 신호를 강제로 인버터 출력에 주입하기 때문에, 전력 품질을 떨어뜨리고, 인버터의 출력 효율을 떨어뜨린다는 단점이 있다.
본 발명은 전력 품질의 저하를 최소화하면서도 불검출 영역을 감소시킬 수 있는 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수동적 검출 방식과 능동적 검출 방식을 혼합한 하이브리드 검출 방식을 이용하는 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 1차적으로 수동적 검출 기법을 사용하고, 2차적으로 능동적 검출 기법을 사용하는 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제1 설정치에 도달하기까지는 수동적 검출 기법을 사용하고, 제2 설정치에 도달하기까지는 능동적 검출 기법을 사용하는 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 교류 성분의 전류 조절 신호와 펄스 폭 변조 제어신호를 생성할 수 있는 신재생 에너지 발전 시스템 및 그의 단독 운전 방지 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
삭제
본 발명의 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템은 신재생 에너지 원으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터의 출력을 3상/2상 정지 좌표계로 변환하는 3상/2상 변환기; 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 2상 전압을 이용하여 상기 인버터의 출력 전압의 위상 및 주파수를 계산하는 위상 고정 루프; 상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 출력 전압의 주파수와 외부로부터 인가되는 전류 진폭 기준값을 이용하여 인버터의 출력 전압의 주파수를 크기가 서로 다른 복수의 문턱값과 선택적으로 비교하고, 상기 인버터의 출력 위상을 조절하기 위한 전류 위상 기준 값을 생성하는 위상 조절기; 상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 위상각을 이용하여 상기 위상 조절기로부터 출력되는 전류 위상 기준값과 상기 전류 진폭 기준값을 2상 정지 좌표계로 변환하는 전류 기준 좌표 변환기; 상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 위상 기준값에서 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 위상 성분을 감산하여 전류 위상 연산값을 출력하는 전류 위상 연산기; 상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 진폭 기준값에서 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 진폭 성분을 감산하여 전류 진폭 연산값을 출력하는 전류 진폭 연산기; 상기 전류 위상 연산값과, 상기 전류 진폭 연산값을 이용하여 전류 조절 신호를 생성하는 전류 조절기; 상기 전류 조절기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호로 변환하는 출력 3상 변환기; 상기 출력 3상 변환기로부터 출력되는 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 이용하여 PWM 제어 신호를 상기 인버터로 출력하는 PWM 제어기; 및 상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 소정 범위 내에서 변화하면 상기 인버터 출력 전류의 위상을 조절하지 않도록 불검출영역을 설정하는 불검출영역 설정기를 포함한다.
본 발명의 상기 3상/2상 변환기는, 상기 인버터의 3상 출력 전압을 2상 정지 좌표계로 변환하는 전압 2상 변환기; 및 상기 인버터의 3상 출력 전류를 2상 정지 좌표계로 변환하는 전류 2상 변환기를 포함한다.
삭제
본 발명의 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템에서, 상기 전류 위상 연산기에 인가되는 상기 전류 위상 기준값은 상기 인버터 내 무효전류분을 보상하도록 무효전류 보상값을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 위상 조절기는, 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상 조절기는, 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시킨다.
본 발명의 상기 위상 조절기는, 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시킨다.
본 발명의 상기 전류 조절기는 비례 공진 제어기를 사용하여 전류 조절 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 신재생 에너지 발전 시스템의 단독 운전 방지 방법은, 인버터로부터 출력되는 전압 및 전류를 측정하는 제1 단계; 측정된 3상 정지 좌표계의 상기 전압 및 전류를 2상 정지 좌표계의 전압 및 전류로 변환하는 제2 단계; 상기 2상 정지 좌표계의 전압 신호를 이용하여 상기 인버터 출력 전압의 위상과 주파수를 계산하는 제3 단계; 계산된 상기 주파수가 불검출 영역 내의 값인지 판단하는 제4 단계; 및 계산된 상기 주파수가 상기 불검출 영역을 벗어나면 상기 인버터의 출력 전류 위상을 동일한 방향으로 증가시키는 제5 단계를 포함한다.
본 발명의 신재생 에너지 발전 시스템의 단독 운전 방지 방법은, 계산된 상기 주파수가 동일한 방향으로 증가하여 문턱값에 도달하면 상기 인버터의 출력 전류 위상을 최대 전류 위상각으로 고정시키는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 단독 운전 방지 기능을 가진 태양광 발전 시스템은, 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 수단; 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 수단; 및 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시키고, 상기 인버터로 에너지를 공급하는 에너지 원을 계통으로부터 분리시키는 수단을 포함하고, 상기 인버터를 제어하기 위한 전류 진폭 및 위상 제어 신호는 정지 좌표계상에서 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 태양광 발전 시스템의 단독 운전 방지 방법은, 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 단계; 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 단계; 및 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시키고, 상기 인버터로 에너지를 공급하는 에너지 원을 계통으로부터 분리시키는 단계를 포함하고, 상기 인버터를 제어하기 위한 전류 진폭 및 위상 제어 신호는 정지 좌표계상에서 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수동적 기법과 능동적 기법을 혼합한 하이브리드(Hybrid)형 기법을 사용함으로써, 수동적 기법의 불검출영역을 감소시킬 수 있고, 인버터가 계통 연계 운전시 인버터 출력에 교란 신호를 주입하지 않은 상태에서 운행할 수 있으므로, 인버터의 효율과 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 전체 블럭도, 및
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 방지 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따르면, 인버터 출력 전압의 주파수 또는 위상이 제1 문턱값에 도달하기까지는 인버터 출력 전압의 주파수 또는 위상을 단순히 검출하는 수동적 방식을 사용한다. 다만, 정상상태의 인버터 출력을 강제 교란시키지 않기 때문에, 불검출 영역이 일부 존재하는 것은 피할 수 없다.
인버터 출력 전압의 주파수 또는 위상이 제1 문턱값에 도달하면 신재생 에너지 발전 시스템이 계통(grid)으로부터 분리된 것으로 추정하여, 인버터 출력 전류의 주파수 또는 위상을 점진적으로 증가시키게 되고, 제2 문턱값에 도달하면, 신재생 에너지 발전 시스템이 계통으로부터 분리된 것으로 판단하여 UFR/OFR의 스위치를 통해 계통과 신재생 에너지 발전 시스템을 분리시킨다.
즉, 1차적으로 인버터 출력단에서 무효전력을 수동적으로 검출하여 신재생 에너지 발전 시스템이 계통으로부터 분리되었음을 추정하고, 2차적으로 무효전력을 조절하여 인버터 출력 전류를 교란시켜 확인하는 방식으로 신재생 에너지 발전 시스템을 계통으로부터 분리를 확정한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 전체 블럭도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템은, 태양광 모듈(100), 인버터(120), 변성기(140), 변류기(160), 전압 2상 변환기(180), 전류 2상 변환기(200), 위상 고정 루프(220), 불검출 영역 설정기(240), 위상 조절기(260), 무효전류 보상기(280), 위상 기준값 연산기(300), 전류 기준 좌표 변환기(320), 전류 진폭 연산기(340), 전류 위상 연산기(360), 전류 조절기(380), 출력 3상 변환기(400), PWM 제어기(420), 및 OFR/UFR(미도시)를 포함한다.
태양광 모듈(100)은 태양전지를 종 및 횡으로 연결한 형태로, 태양광 입사에 따른 광전효과를 통해 전기 에너지를 생성한다.
인버터(120)는 태양광 모듈(100)에서 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 3상 인버터를 사용하여 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환한다.
변성기(PT, 140)는 인버터(120)의 출력 전압을 측정하고, 변류기(CT, 160)는 인버터(120)의 출력 전류를 측정한다.
전압 2상 변환기(180)는 변성기(140)로부터 수신되는 3상의 전압 신호(Va, Vb, Vc)를 2상 정지 좌표계(αβ)의 전압 신호(Vα, Vβ)를 출력한다.
전류 2상 변환기(200)는 변류기(160)로부터 수신되는 3상의 전류 신호(Ia, Ib, Ic)를 2상 정지 좌표계(αβ)의 전류 신호(Iα, Iβ)를 출력한다.
위상 고정 루프(PLL: Phase Locked Loop, 220)는 전압 2상 변환기(180)의 출력(Vα, Vβ)을 입력받아, 인버터 출력 전압의 위상 및 주파수를 산출한다.
불검출영역(NDZ) 설정기(240)는 PLL(220)로부터 출력되는 인버터(120)의 출력 전압의 주파수가 소정 영역 내에서 미세하게 가변하는 경우 인버터 출력 전류의 위상을 조절하지 않도록 불검출영역을 설정하여 불검출영역 설정치를 출력한다. 한편, 불검출영역은 임의로 설정 가능하다.
위상조절기(260)는 불검출영역 설정치와 외부로부터 인가되는 전류 진폭 성분 기준값(Iqref)을 이용하여 위상 고정 루프로부터 출력되는 주파수가 불검출영역을 초과하면, 인버터(120)의 출력 전류의 위상을 조절하기 위한 기준 값을 생성하되, 수학식1을 적용한다.
Figure 112011069101957-pat00001
Figure 112011069101957-pat00002
: 출력전류의 제어 위상각
Figure 112011069101957-pat00003
: 출력전류의 최대 제어 위상각
Figure 112011069101957-pat00004
: 이전 주기에서 측정된 주파수
Figure 112011069101957-pat00005
: 측정된(measured) 주파수
Figure 112011069101957-pat00006
: 계통의 정격 주파수(예컨대, 60Hz)
이전 주기에서 측정된 주파수(
Figure 112011069101957-pat00007
)가 59.3Hz 이하이거나 60.7Hz 이상이면, 계통으로 흘러가는 최대 무효전력성분(Q/P)을 고정하기 위하여 출력전류의 최대 제어 위상각을
Figure 112011069101957-pat00008
으로 고정한다. 예컨대, 무효전력성분(Q/P)을 6%로 설정하는 경우,
Figure 112011069101957-pat00009
= 3.4336°이다.
한편, 이전 주기에 측정된 주파수(
Figure 112011069101957-pat00010
)가 59.3Hz 이상 60.7Hz 이하이면, 수학식1과 같이, 위상조절기(260)는 출력 전류의 제어 위상을 사인파 형태로 변화시킨다.
무효전류 보상기(280)는 인버터(120) 내 커패시턴스 성분의 무효전류분을 보상한다. 이는 인버터(120)에 구비되는 LC 필터의 커패시턴스 성분으로 인해 부하 역률의 저하가 발생하는 것을 보상하기 위함이다. 무효전류 보상분은 임의로 결정될 수 있다.
위상 기준값 연산기(300)는 위상조절기(260)로부터 출력되는 기준값과, 무효전류 보상기(280)로부터 출력되는 무효전류 보상분을 합산하여 d축 전류 기준값, 즉, 전류 위상 성분 기준값(reference value, Idref)을 출력한다.
전류 기준 좌표 변환기(320)는 외부로부터 인가되는 전류 진폭 성분 기준값(Iqref)과 위상 기준값 연산기(300)로부터 출력되는 전류 위상 성분 기준값(Idref)을 위상 고정 루프로부터 출력되는 위상각 θ를 이용하여 2상 정지 좌표로 변환하여 출력한다(Iα, Iβ).
전류 진폭 연산기(340)는 전류 기준 좌표 변환기(320)로부터 출력되는 전류 진폭 성분 기준값(Iβref)에서 전류 2상 변환기(200)로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 진폭 성분(Iβ)을 감산하여 전류 진폭 연산값(Iβref - Iβ)을 출력한다.
전류 위상 연산기(360)는 전류 기준 좌표 변환기(320)로부터 출력되는 전류 위상 성분 기준값(Iαref)에서 전류 좌표 변환기(200)로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 위상 성분(Iα)을 감산하여 전류 위상 연산값(Iαref - Iα)을 출력한다.
전류 조절기(380)는 전류 진폭 연산기(340)로부터 출력되는 전류 진폭 연산값(Iβref - Iβ)과, 전류 위상 연산기(360)로부터 출력되는 전류 위상 연산값(Iαref - Iα)을 수신하여, 전류 조절 신호를 생성한다. 전류 조절기(380)는 정지좌표계의 AC값이므로, 비례공진(P + Resonant) 제어기를 사용하여 전류 조절 신호를 생성할 수 있다.
출력 3상 변환기(400)는 전류 조절기(380)로부터 생성된 정지 좌표계 2상 성분의 전류 조절 신호를 정지 좌표계 3상 성분의 전류 조절 신호로 변환하여 출력한다.
PWM 제어기(420)는 출력 3상 변환기(400)로부터 출력되는 3상 성분의 전류 조절 신호를 이용하여 인버터 출력 전류를 조절하기 위한 PWM 제어 신호를 출력하고, PWM 제어 신호는 인버터로 제공되어, 인버터의 출력 전류가 조절된다.
OFR/UFR(미도시)는 과/부족 주파수 릴레이(Over frequency relay, Under frequency relay)로서, 인버터의 출력 주파수가 제2 문턱값을 벗어나는 경우, 신재생 에너지 발전 시스템, 예컨대, 태양광 발전 시스템이 단독 운전하는 것으로 판단하여 태양광 발전 시스템을 계통으로부터 분리시킨다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 방지 방법의 흐름도이다.
변성기(PT)와 변류기(CT)를 이용하여 인버터(120)로부터 출력되는 전압과 전류를 측정하고(S201), 측정된 3상 성분의 전압 및 전류를 2상 성분의 전압 신호(Vα, Vβ) 및 전류 신호(Iα, Iβ)로 변환한다(S203). 전압 신호(Vα, Vβ)를 이용하여 인버터 출력 전압의 위상과 주파수를 계산한다(S205).
불검출영역 설정기(240)는 계산된 주파수가 소정의 불검출영역(- fTH1 ≤ f ≤ + fTH1) 내의 값으로 판단되면(S207), S201단계로 복귀한다.
한편, 계산된 주파수가 불검출 영역을 벗어나고 제2 문턱값(±fTH2)보다 작거나 같으면(S209), 위상 조절기(260)는 무효 전력 성분을 변화시키기 위하여 수학식1에 따른 제어 알고리즘을 수행하여 인버터의 출력 전류 위상을 변화시키고(S211), S201단계로 복귀한다.
이후, 위상 조절기(260)는 계산된 주파수가 제2 문턱값(±fTH2)을 초과하면(S213), 인버터의 출력 전류 위상을 소정값(
Figure 112011069101957-pat00011
)으로 고정시키고(S215), 소정 시간이 경과해도 계산된 주파수가 제2 문턱값(±fTH2)을 초과한 상태를 유지하면 태양광 발전 시스템을 계통으로부터 분리시킨다(S217).
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예(들)에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: PV 모듈 120: 인버터
140: 변성기 160: 변류기
180: 전압 2상 변환기 200: 전류 2상 변환기
220: 위상 고정 루프 240: 불검출 영역 설정기
260: 위상 조절기 280: 무효 전류 보상기
300: 위상 기준값 연산기 320: 전류 기준 좌표 변환기
340: 전류 진폭 연산기 360: 전류 위상 연산기
380: 전류 조절기 400: 출력 3상 변환기
420: PWM 제어기

Claims (14)

  1. 신재생 에너지 원으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터의 출력을 3상/2상 정지 좌표계로 변환하는 3상/2상 변환기;
    상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 2상 전압을 이용하여 상기 인버터의 출력 전압의 위상 및 주파수를 계산하는 위상 고정 루프;
    상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 출력 전압의 주파수와 외부로부터 인가되는 전류 진폭 기준값을 이용하여 인버터의 출력 전압의 주파수를 크기가 서로 다른 복수의 문턱값과 선택적으로 비교하고, 상기 인버터의 출력 위상을 조절하기 위한 전류 위상 기준 값을 생성하는 위상 조절기;
    상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 위상각을 이용하여 상기 위상 조절기로부터 출력되는 전류 위상 기준값과 상기 전류 진폭 기준값을 2상 정지 좌표계로 변환하는 전류 기준 좌표 변환기;
    상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 위상 기준값에서 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 위상 성분을 감산하여 전류 위상 연산값을 출력하는 전류 위상 연산기;
    상기 전류 기준 좌표 변환기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 진폭 기준값에서 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 인버터 출력 전류의 진폭 성분을 감산하여 전류 진폭 연산값을 출력하는 전류 진폭 연산기;
    상기 전류 위상 연산값과, 상기 전류 진폭 연산값을 이용하여 전류 조절 신호를 생성하는 전류 조절기;
    상기 전류 조절기로부터 출력되는 2상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호로 변환하는 출력 3상 변환기;
    상기 출력 3상 변환기로부터 출력되는 3상 정지 좌표계의 전류 조절 신호를 이용하여 PWM 제어 신호를 상기 인버터로 출력하는 PWM 제어기; 및
    상기 위상 고정 루프로부터 출력되는 상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 소정 범위 내에서 변화하면 상기 인버터 출력 전류의 위상을 조절하지 않도록 불검출영역을 설정하는 불검출영역 설정기
    를 포함하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3상/2상 변환기는,
    상기 인버터의 3상 출력 전압을 2상 정지 좌표계로 변환하는 전압 2상 변환기; 및
    상기 인버터의 3상 출력 전류를 2상 정지 좌표계로 변환하는 전류 2상 변환기
    를 포함하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류 위상 연산기에 인가되는 상기 전류 위상 기준값은 상기 인버터 내 무효전류분을 보상하도록 무효전류 보상값을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 위상 조절기는,
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 위상 조절기는,
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 위상 조절기는,
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전류 조절기는 비례 공진 제어기를 사용하여 전류 조절 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 것은, 다음의 수학식에 따르는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 신재생 에너지 발전 시스템.
    Figure 112011069101957-pat00012

    여기서,
    Figure 112011069101957-pat00013
    는 출력전류의 제어 위상각,
    Figure 112011069101957-pat00014
    는 출력전류의 최대 제어 위상각,
    Figure 112011069101957-pat00015
    는 이전 주기에서 측정된 주파수,
    Figure 112011069101957-pat00016
    는 측정된(measured) 주파수, 그리고
    Figure 112011069101957-pat00017
    는 상기 인버터의 출력단과 전기적으로 연결된 계통의 정격 주파수임.
  10. 인버터로부터 출력되는 전압 및 전류를 측정하는 제1 단계;
    측정된 3상 정지 좌표계의 상기 전압 및 전류를 2상 정지 좌표계의 전압 및 전류로 변환하는 제2 단계;
    상기 2상 정지 좌표계의 전압 신호를 이용하여 상기 인버터 출력 전압의 위상과 주파수를 계산하는 제3 단계;
    계산된 상기 주파수가 불검출 영역 내의 값인지 판단하는 제4 단계;
    계산된 상기 주파수가 상기 불검출 영역을 벗어나면 상기 인버터의 출력 전류 위상을 동일한 방향으로 증가시키는 제5 단계; 및
    계산된 상기 주파수가 동일한 방향으로 증가하여 문턱값에 도달하면 상기 인버터의 출력 전류 위상을 최대 전류 위상각으로 고정시키는 제6 단계
    를 포함하는 신재생 에너지 발전 시스템의 단독 운전 방지 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 상기 제5 단계는,
    다음의 수학식에 따르는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 방법.
    Figure 112011069101957-pat00018

    여기서,
    Figure 112011069101957-pat00019
    는 출력전류의 제어 위상각,
    Figure 112011069101957-pat00020
    는 출력전류의 최대 제어 위상각,
    Figure 112011069101957-pat00021
    는 이전 주기에서 측정된 주파수,
    Figure 112011069101957-pat00022
    는 측정된(measured) 주파수, 그리고
    Figure 112011069101957-pat00023
    는 상기 인버터의 출력단과 전기적으로 연결된 계통의 정격 주파수임.
  13. 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 수단;
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 수단; 및
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시키고, 상기 인버터로 에너지를 공급하는 에너지 원을 계통으로부터 분리시키는 수단을 포함하고,
    상기 인버터를 제어하기 위한 전류 진폭 및 위상 제어 신호는 정지 좌표계상에서 생성되는 것을 특징으로 하는 단독 운전 방지 기능을 가진 태양광 발전 시스템.
  14. 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 조절하지 않는 단계;
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제1 문턱값보다 크고 제2 문턱값보다 작으면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 점증시키는 단계; 및
    상기 인버터의 출력 전압의 주파수가 제2 문턱값보다 크면 상기 인버터의 출력 전류의 위상을 소정값으로 고정시키고, 상기 인버터로 에너지를 공급하는 에너지 원을 계통으로부터 분리시키는 단계를 포함하고,
    상기 인버터를 제어하기 위한 전류 진폭 및 위상 제어 신호는 정지 좌표계상에서 생성되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템의 단독 운전 방지 방법.
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