KR101336043B1 - Control circuit for switching an emergency power system with the solar system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계통연계형 비상 전원 스위칭 제어회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통 전원의 정전 시 인버터 지령전류 제어 알고리즘에 의해 계통 전원에 연계된 분산 전원으로부터 부하에 교류 전력을 자동적으로 공급 및 차단할 수 있도록 한 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로에 관한 것이다.
The present invention relates to a grid-connected emergency power switching control circuit, and more particularly, it is possible to automatically supply and cut off AC power to a load from a distributed power source connected to the grid power supply by an inverter command current control algorithm in case of a power failure of the grid power supply. It relates to a switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system.
최근, 원자력 발전소의 사태로 전력 공급의 안정성 문제가 또 다시 도마에 오르면서 국지적으로 전력을 생산하고 소비하는 분산형 전원 시스템과 계통을 연계한 비상용 전원 시스템이 주목받고 있다. In recent years, as the power supply stability problem rises again due to the occurrence of nuclear power plants, an emergency power system that connects a distributed power system and a system that locally produces and consumes power has attracted attention.
분산형 전원 시스템이란 원자력, 화력, 수력발전 등 대규모 발전원 을 갖는 계통 전원 대신에 태양광, 바이오, 풍력, 연료전지 등 신재생에너지원과 같은 소용량 발전시스템을 말한다. Distributed power system refers to small-capacity power generation systems such as renewable energy sources such as solar, bio, wind and fuel cells, instead of system power sources with large-scale power generation such as nuclear power, thermal power, and hydropower.
수용가 내에 설치되는 발전 설비의 배전선에 대한 계통 연계가 종래에는 주로 내연기관을 이용한 것이 대부분을 차지하였지만 최근에는 전기사업자에 의한 신 에너지 등의 이용에 관한 특별조치법(Renewables Protfolio Standard, RPS) 시행에 따라 풍력, 태양광 등을 이용한 소규모 발전설비가 급격하게 증가하고 있다. 또한 마이크로 그리드라고 부르는 특정 지역 내에 발전설비 설치자 스스로가 자영선을 부설하여 복수의 발전설비를 자영선에 접속하여 자영선을 사이에 두고 사용되는 계통 전원과 연계하는 새로운 발전설비가 생겨나고 관련특허 기술들이 개발되고 있다.In the past, the system linkage to the distribution lines of the power generation facilities installed in the consumer market mainly used internal combustion engines, but recently, in the implementation of the Renewables Protfolio Standard (RPS) on the use of new energy by electricity providers. As a result, small-scale power generation facilities using wind power and solar power are rapidly increasing. In addition, in the specific area called the micro grid, the power plant installer himself installs the self-propelled line and connects a plurality of power generation facilities to the self-propelled line to create a new power plant that is connected to the grid power used between the self-propelled lines and related patent technology. Are being developed.
그 예로, 대한민국 등록특허공보 제10-1208725호에는 태양광 발전시스템이 제안되어 있다. 이 특허기술은 태양광을 이용한 독립형 발전시스템을 상용전원과 선택적으로 전력 스위칭을 하는 경우, 독립형 발전시스템과 상용전원간의 위상을 감지 제어함으로써, 스위칭 시 전원 및 부하에 발생할 수 있는 손상을 방지할 수 있으나, 계통 전원의 정전 시에는 대비할 수 없다(도 1의 (가) 참조).For example, Korean Patent Publication No. 10-1208725 discloses a photovoltaic power generation system. This patent technology detects and controls the phase between the stand-alone power generation system and the commercial power supply when the independent power generation system using solar power selectively switches to the commercial power supply, thereby preventing damages to the power supply and the load during switching. However, it cannot be prepared in case of power failure of the grid power supply (see FIG. 1A).
또한, 등록특허공보 제10-1139476호의 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템에는,‘동기절체 스위치(520)가 변압기(500)의 이차측에 전기적으로 연결되어 상용전원의 정전 복구 시 무순단으로 상용전원에 동기 하도록 되어 있다(도 1의 (나) 참조).In addition, in the multi-function power supply system that integrates and controls the solar power generation and the storage battery and the commercial power supply of the Patent Publication No. 10-1139476, '
그러나, 이 특허기술은 정전 복구에 따른 계통 전원과 분산 전원간의 전력변환 시 위상차에 의한 고장대비가 미흡하고 정전 복구 중에 작업자가 감전 사고를 당할 우려가 있다.However, this patent technology is insufficient for the failure due to the phase difference during the power conversion between the system power supply and distributed power supply due to the power failure recovery, and there is a fear that the operator may suffer an electric shock during the power failure recovery.
직류 전력을 발전하는 태양전지 모듈을 계통 전원과 연계할 경우, 계통 전원으로부터의 교류 전력에 중첩하여 부하에 배전할 필요가 있기 때문에 분산 전원인 태양광발전 시스템을 계통 전원에 알맞게 연계시킬 필요가 있다. 태양광발전 시스템을 계통 전원에 연계시키기 위해서는 태양광발전 시스템이 출력하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 그 주파수나 전압을 계통 전원으로부터의 전력에 적합하게 동조시키는 파워 컨디셔너(Power Conditioner,PCS)가 사용되고 있다. 파워 컨디셔너로부터의 교류 전력의 출력 라인은 전력 소비를 하는 수용가의 주택 내에 형성되는 분전반의 배전선에 접속되어 부하에 대하여 태양광발전 시스템으로부터의 교류 전력과 계통 전원으로부터의 교류 전력이 함께 공급될 수 있도록 하여야 한다.When the solar cell module generating DC power is connected to the grid power supply, it is necessary to distribute the photovoltaic power generation system, which is a distributed power supply, to the grid power supply because it needs to be superimposed on the AC power from the grid power supply. . To connect the photovoltaic system to the grid power supply, a power conditioner (PCS) converts the direct current output of the photovoltaic system into alternating current power and tunes its frequency or voltage to the power from the grid power supply. It is used. The output line of AC power from the power conditioner is connected to the distribution line of the distribution panel formed in the consumer's house which consumes power so that the AC power from the photovoltaic system and the AC power from the grid power supply can be supplied to the load together. shall.
그런데, 계통 전원에 상기 서술한 바와 같이 분산 전원을 연계시키는 경우 분산 전원에서 발생한 전력에 의해 계통 전원측에 악영향이 미치는 경우가 없게 해야 한다. 계통 전원에 대하여 악영향이 미치지 않게 하기 위해서는 우리나라 에너지관리공단에 규정되어 있는 「일반건축물 신재생에너지 설비시스템 표준설계 가이드라인」과 한국전력공사의 「배전계통연계기술 가이드라인」에 나타나 있다. 특히, 계통 전원에 정전 사고가 발생한 경우에 분산 전원을 계통 전원으로부터 분리하는 것이 규정되어 있다. However, when the distributed power source is linked to the system power source as described above, the power generated from the distributed power source should not adversely affect the system power source. In order to prevent adverse effects on the system power supply, it is indicated in the Standard Design Guideline for Renewable Energy Facility System of General Buildings and the Distribution Linkage Technology Guideline of Korea Electric Power Corporation. In particular, in the event of a power failure in the system power supply, it is prescribed to separate the distributed power supply from the system power supply.
다시 말해서, 계통 전원에 정전 사고 시 태양광발전 시스템과 같은 분산 전원이 정상적으로 동작하고 있으면, 이미 정전 사고를 갖고 있는 계통 전원 측의 정전 복구 전에는 분산 전원이 공급되어서는 아니 됨에도 불구하고 계통 전원측의 배전선이나 배전망에 분산 전원이 공급될 경우에 ①정전 사고 복구 작업자가 감전 사고를 당할 수 있다. 또한, 분산 전원으로부터 전력이 계통 전원측으로 공급되고 있으면, ②계통 전원측의 정전 사고에 대한 원인 탐색이 어렵다. 그리고 계통 전원이 정상 상태로 복귀 시 ③계통 전원측에서는 교류 전력의 위상과 분산 전원 공급에 의한 배전선측에서의 위상이 서로 일치하지 않는 것에 의한 고장 발생의 우려가 있다. In other words, if a distributed power source such as a photovoltaic system is operating normally in the event of a power outage, the distributed power supply line of the grid power supply may not be supplied until the distributed power supply is restored before the power failure of the grid power supply that already has a power failure. If distributed power is supplied to the power distribution network, the power failure accident recovery worker may suffer an electric shock. In addition, if power is supplied from the distributed power supply to the system power supply side, it is difficult to find the cause of the power failure accident on the system power supply side. When the system power is returned to the
따라서 본 발명은 독창적인 인버터 지령전류 제어 알고리즘을 통해 계통 전원과 분산 전원을 그대로 사용하면서 위 문제점을 모두 해결할 수 있는 전혀 새로운 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로를 제안한다.
Therefore, the present invention proposes a switching control circuit of an emergency power system having a completely new photovoltaic system that can solve all the above problems while using a grid power supply and a distributed power source through an original inverter command current control algorithm.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 특히 계통 전원에 분산 전원을 연계하는 다수개의 스위칭 회로를 단속하는 파워 컨디셔너 및 스위칭 제어회로가 사전에 프로그램화된 인버터 지령전류 제어 알고리즘에 의해 스위칭되도록 구성함으로써, 계통 전원이 정전된 경우에 계통 전원에 연계된 분산 전원으로부터 교류 전력을 부하에 자동적으로 공급하고 차단할 수 있도록 한 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and in particular, a power conditioner and a switching control circuit for intermitting a plurality of switching circuits connecting a distributed power source to a system power source are switched by a pre-programmed inverter command current control algorithm. It is an object of the present invention to provide a switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system that can automatically supply and cut off AC power from a distributed power source connected to the grid power supply when the grid power supply is out of power. It is done.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 태양광발전 시스템(200)을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로에 있어서, 상기 스위칭 제어회로는, 분전반(300)으로 공급되는 전력(Vg,IL)을 스위칭(Switching) 하기 위한 제1 스위칭 회로(310)와 비상용 스위칭 회로(400)에서 검출된 계통전압(Vg) 및 부하전류(IL)의 신호와 제3 스위칭 회로(250)에서 검출된 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리 전력(Vbat,Ibat)을 연산 처리하여 계통전류(Ig *)를 출력하는 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)와; 상기 계통전압(Vg)의 위상 및 크기를 검출하는 PLL회로(Phase-Locked Loop Circuit,532)와; 상기 PLL회로(532)에서 검출된 계통전압(Vg)과 동기화된 위상정보(sinwt*)와 상기 분전반에 대한 계통의 고조파 및 역률개선을 위한 부하전류(IL)와 부하 조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat) 상태에 따라 상기 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)에서 연산 처리된 계통전류(Ig *)를 입력 받아 인버터의 지령전류(Ic *)를 생성하는 인버터 지령전류 생성기(533)와; 상기 인버터 지령전류 생성기(533)에서 생성된 인버터 지령전류(Ic *) 및 부하에서 요구하는 무효전류(ILq=Icq) 성분만을 공급하는 인버터 전류(Ic)를 합산하는 합산기(Σ, 534)와; 상기 인버터의 지령전류(Ic *)와 실제 전류간의 오차 신호(Ierr)를 보정하기 위한 PRT(Polarized Ramp Time) 전류제어기(535)를 포함하여; 계통 전원(100)의 정전 사고 시에는 상기 태양광발전 시스템(200)을 통해 상기 분전반(300)으로 교류 전력을 공급하도록 하는 전력변환시스템(Power Conditioning System,PCS)모드 기능과, 부하 조건에 따라 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리를 이용하여 상기 분전반(300)으로 전력을 공급하거나 저장하도록 하는 부하관리(Demand Side Management,DSM)모드 기능을 동시에 수행 가능하도록 하되,
상기 PCS와 DSM 모드를 동시에 수행하는데 요구되는계통전류(Ig *)는,
(여기서, PL은 부하 유효전력, Pbat는 배터리 전력)이고,
최종적인 인버터 지령전류(Ic *)는, 상기 부하전류(IL)와 모드에 따른 상기 계통전류(Ig *)의 차에 의해 구해지는
(여기서, QL은 부하무효전력)이며,
상기 계통전류(Ig *)와 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)를 구한 식을 통해 전류 제어형 인버터의 전류를 제어함으로써 계통전류의 고조파를 상쇄시키고 역률을 항상 1로 유지 시킬 수 있으며, 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 전력을 공급 또는 저장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로를 제공한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, in the switching control circuit of the emergency power supply system having a photovoltaic
The system current I g * required to simultaneously perform the PCS and DSM modes is
Where P L is the load active power and P bat is the battery power.
The final inverter command current I c * is obtained by the difference between the load current I L and the grid current I g * depending on the mode.
Where Q L is the load reactive power,
The harmonics of the grid current can be canceled by maintaining the grid current (I g * ) and the final inverter command current (I c * ) by controlling the current. It provides a switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system characterized in that it is possible to supply or store power in accordance with the conditions and conditions of the battery.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 인버터 지령전류(Ic *)에 따른 스위칭 PWM 패턴 생성은, 상기 계통전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하 조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat)을 측정하여 계통의 유효전력을 계산한 후, 상기 계통전류(Ig *)를 구한 식을 이용하여 유효전력 제어를 위한 계통전류(Ig *)를 연산하며, 상기 연산된 계통전류(Ig *) 및 측정된 부하전류(IL) 그리고 PLL회로(532)에 의해 계통전압과 동기화된 위상정보(sinωt*)를 가지고 상기 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)를 구한 식에 의해 구해진 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)에 따라 추종하도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 패턴을 생성하는 것을 특징으로 한다.
According to another embodiment of the present invention, the generation of the switching PWM pattern according to the inverter command current (I c * ), the phase and magnitude of the grid voltage (V g ), load conditions (V g , I L ) and the battery After calculating the active power of the system by measuring the power (V bat , I bat ), and calculates the grid current (I g * ) for the active power control by using the equation obtained the grid current (I g * ), The final inverter command current I c * with the calculated grid current I g * and the measured load current I L and the phase information sinωt * synchronized with the grid voltage by the
상기와 같은 본 발명은 계통 전원에 분산 전원을 연계하는 다수개의 스위칭 회로를 단속하는 파워 컨디셔너 및 스위칭 제어회로가 사전에 프로그램화된 인버터 지령전류 제어 알고리즘에 의해 제어되도록 구성함으로써,The present invention as described above is configured so that the power conditioner and the switching control circuit for intermitting a plurality of switching circuits for linking the distributed power source to the system power source is controlled by a pre-programmed inverter command current control algorithm,
계통 전원의 정전 사고 시에, 태양광발전 시스템으로 하여금 부하 계통으로 교류 전력을 자동적으로 공급하도록 하고, 계통 전원의 정전 복구 시에는 분산 전원인 태양광발전 시스템에서 발전된 교류 전력의 공급을 자동적으로 차단시켜 충전모드로 전환하도록 하는 계통연계형 전력변환 시스템(Power Conditioning System,PCS) 모드와, 부하조건 및 2차 전지(배터리)의 상태에 따라 부하 계통의 최대 전력을 감소시키기 위한 부하관리(Demand Side Management,DSM) 모드 기능을 동시에 수행할 수 있는 독특한 효과가 있다.
In the event of a power outage of the grid power supply, the photovoltaic system automatically supplies AC power to the load grid, and in the event of a power outage recovery of the grid power supply automatically cuts off the supply of alternating power generated by the photovoltaic system. On-grid Power Conditioning System (PCS) mode for switching to charging mode and load management to reduce the maximum power of the load system depending on load conditions and secondary battery (battery) status. There is a unique effect that can simultaneously perform the Management (DSM) mode function.
도 1은 종래 기술에 따른 비상용 전원 시스템을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 전체 블록도를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템에 대한 태양광발전 시스템의 블록도를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템에 대한 분전반의 블록도를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템에 대한 제어회로 시스템의 블록도를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로에 대한 시스템 해석 및 제어 알고리즘의 벡터도를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템에 대한 스위칭 제어회로의 블록도를 나타낸 도면 1 is a view showing an emergency power system according to the prior art
2 is a block diagram of an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a photovoltaic system for an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a distribution panel for an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a control circuit system for an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a vector diagram of a system analysis and control algorithm for a switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of a switching control circuit for an emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, it is to be noted that the same constituent elements are denoted by the same reference numerals even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known configurations and functions will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be obscured.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템은 계통 전원(100), 태양광발전 시스템(200), 분전반(300), 비상용 스위칭 회로(400), 제어회로 시스템(500) 및 부하(600)로 구성되며, 한전에서 공급되는 계통 전원(100)의 정전 사고 시 전압변동이나 고주파 전류의 유출 없이 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 분전반(300)에 교류 전력을 자동적으로 공급하고 차단하도록 제어하는데 있다. 2 to 7, the emergency power system having a photovoltaic power generation system of the present invention is a
도 2를 참조하여, 상기 계통 전원(100)은, 배전 변전소로부터 공급되는 전력을 전력 수요자의 건물로 보내지는 모선 이전의 전력 라인을 말하며, 여기서는 별도의 설명은 하지 않는다.Referring to FIG. 2, the
도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 태양광발전 시스템(200)은, 태양광의 복사에너지를 전기에너지로 변환하는 쏠라 셀(Sola Cell)과 전기회로로 이루어진 태양전지모듈(210)을 갖는다. 상기 태양전지모듈(210)은 통상부하(610)와 예비부하(620)를 고려하여 스펙이 정해진다.2 and 3, the
또한, 태양광발전 시스템(200)은, 태양전지모듈(210)로부터 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(221,222)와 상기 변환된 교류전력(100~220V)을 분전반(300)에 안정적으로 공급하기 위한 변압기(223,224)로 이루어지는 복수개의 파워 컨디셔너((Power Conditioner, PCS,220a,220b) 및 계통 전원(100)의 정전 시, 태양광발전 시스템(200)에서 발전된 교류 전력을 부하측의 분전반(300)으로 공급하고 계통 전원의 정전 사고가 정상적으로 복구될 시에는 태양광발전 시스템에서 공급되는 전력을 차단하기 위한 개폐 기능을 갖는 제2/제3 스위칭 회로(240,250)를 구비하는 전력변환 시스템(230)을 갖는다.In addition, the photovoltaic
여기서, 상기 전력변환 시스템(230)에 내장된 복수개의 파워 컨디셔너(220a,220b)는, 분전반(300)을 통하여 입력되는 계통 전원측의 교류 전력에 연계하도록, 태양전지모듈(210)로부터의 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환 제어하는 수단으로, 정전 사고로 계통 전원(100)측에서의 전력 공급이 중단된 것을 검출하였을 경우에 신속하게 그 분산 전원(혹은 태양광발전 시스템의 발전 전원)의 동작을 정지시키고, 필요에 따라 분산 전원을 배전선으로부터 분리시킬 수 있다. 계통 전원(100)에 태양광발전 시스템(200)에서 발전된 분산 전원을 연계시키는 경우, 분산 전원에서 발생한 전력에 의해 계통 전원측에 악영향이 미치는 경우가 없게 해야 한다. 특히, 계통 전원측에 있어서의 정전 사고 시에 분산 전원이 동작하고 있으면, 정전 중이므로 본래는 충전되어 있지 않아야 하는 계통 전원측의 배전선이나 배전망이 분산 전원에 의해 충전되게 되어 정전 복구 등의 작업에 있어서의 감전 사고나 계통 전원이 정상 상태로 복귀할 때에 계통 전원측에서의 교류 전력의 위상과 배전선측에서의 위상이 일치하지 않는 것에 의한 고장의 발생 우려가 생기기 때문이다. 또한, 분산 전원으로부터 전력이 계통 전원측에 공급되고 있으면 계통 전원 내에서의 고장 발생 위치의 탐색이 어려워진다. 계통 전원측의 정전 사고시에 분산 전원의 파워 컨디셔너는 계통 전원측에서의 전력 공급이 중단된 것을 검출하였을 경우에 신속하게 그 분산 전원의 동작을 정지시키고, 또한 필요에 따라 분산 전원을 배전선으로부터 기계적인 스위치 혹은 차단기에 의해 분리시킬 수 있도록 구성되어 있다.Here, the plurality of
따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 계통 전원의 정전 사고 시, 분산 전원에서 발생한 전력에 의해 계통 전원측에 악영향이 미치는 경우가 없게 하기 위하여 제1/제2 파워 컨디셔너(220a,220b)와 제2/제3 스위칭 회로(240,250)를 갖는 전력변환 시스템(230)과 상기 전력변환 시스템 및 제1 스위칭 회로(310) 및 비상용 스위칭 회로(400)를 단속하기 위한 제어회로 시스템(500)을 특별히 고안 적용하였으며 이들에 대한 상세한 설명은 후술된다.Therefore, in the preferred embodiment of the present invention, the first /
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 태양광발전 시스템(200)은, 태양전지모듈(210)에서 발전된 직류 전력을 배터리에 충전하고 방전하는 충ㆍ방전 시스템(260)을 포함한다.In addition, the
여기서 상기 충ㆍ방전 시스템(260)에 내장된 2차 전지(배터리)는 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지, 혹은 납축전지 등이 사용된다. 상기 2차 전지(배터리)는 소정의 충전 레벨 이상이 되도록 하기 위해 전력변환 시스템(230)의 파워 컨디셔너(220)에 의해 그 충ㆍ방전이 제어된다. 본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 소정의 충전 레벨이란, 태양광발전 시스템(200)의 동작에 필요한 전력 전부를 2차 전지(배터리)로부터 공급할 수 있는 이상의 충전 레벨로 한다. As the secondary battery (battery) incorporated in the charge /
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 복수개의 파워 컨디셔너(220a,220b)는, 태양광발전 시스템(200)의 태양전지모듈(210)에서 발전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 분전반(300)으로 공급하는 제1 파워 컨디셔너(PCS,220a)를 구비하는데, 상기 제1 파워 컨디셔너(PCS,220a)는, 계통 전원(100)의 정전 시, 상기 태양광발전 시스템(200)의 가동을 정지시킴과 동시에, 정전 검출 신호를 전력변환 시스템(230)의 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2)와 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)로 송출하여 차단기를 개방(Off) 상태로 유지시킨다. Meanwhile, referring to FIGS. 2 and 3, the plurality of
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 복수개의 파워 컨디셔너(220a,220b)는, 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리로부터 방전되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 분전반(300)에 공급하는 제2 파워 컨디셔너(PCS,220b)를 구비하며, 상기 제2 파워 컨디셔너(220b)는 상기 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2)가 개방 상태일 때, 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)로부터 구동 전력을 확보하여 상기 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3) 및 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)를 폐로(On) 시켜 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)로 하여금 상기 분전반(300)에 교류 전력이 공급되게 하거나, 상기 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3)는 개방(Off)시키고, 상기 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2)는 폐로(On)시켜 상기 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 상기 분전반(300)에 교류 전력이 공급되도록 한다.In addition, the plurality of
도 2 및 도 4를 참조하여, 상기 분전반(300)은, 계통 전원(100)과 태양광발전 시스템(200)을 연계시키고, 부하에 전력을 공급하기 위해서 사용되는 수단으로서, 계통 전원(100)에 접속하는 배전선과 태양광발전 시스템(200)의 출력이 접속하는 모선 사이에 설치된 제1 스위칭 회로(310)와 모선과 통상부하(610) 및 예비부하(620) 사이에 설치되는 다수개의 분기 과전류 차단기(320, 330)를 구성하고 있다. 2 and 4, the
여기서, 분전반(distribution switchboard)은, 분기 과전류 차단기를 기판에 모아서 장착한 것으로, 분기개폐기, 주과전류차단기, 주개폐기, 수급용계기, 전류제한기 등을 포함한 것도 있다. 분기 과전류 차단기는 간선과 분기회로의 분기점에서 부하쪽에 장착하는, 전원쪽에서 보면 최초의 개폐기이며 과전류의 차단 능력이 있다. 분전반을 내장하는 상자를 캐비닛이라고 하는데 넓은 뜻에서는 캐비닛을 포함하여 분전반이라고도 한다. 시설방식에 따라 노출형, 매립형, 반매립형, 방우형(防雨型), 방말형(防沫型) 등으로 구분된다. Here, the distribution switchboard includes a branch overcurrent circuit breaker mounted on a substrate, and may include a branch switch, a main overcurrent circuit breaker, a main switch, a supply and demand meter, and a current limiter. The branch overcurrent breaker is the first switch from the power supply side, mounted on the load side at the branches of the trunk and branch circuits, and has the ability to break the overcurrent. A box containing a distribution panel is called a cabinet, and in a broad sense it is also called a distribution panel including a cabinet. Depending on the type of facility, it is classified into an exposed type, a buried type, a semi-filled type, a rainproof type, and a spray type.
한편, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 스위칭 회로(310)는 모선을 자동적으로 계통 전원측으로부터 분리하도록 구성되어 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 2 and 4, the
다시 말해서 상기 분전반(300)은, 제어회로 시스템(500)이 계통 전원(100)에 있어서의 정전을 검출하였을 때에는, 상기 제어회로 시스템(500)의 스위칭 제어회로(530)로부터 송신되어 오는 신호에 따라 개방되는 제1 스위칭 회로(310)의 차단기(S/W1)를 구성하고, 또한 상기 제어회로 시스템(500)의 스위칭 제어회로(530)로부터 송신되어 오는 신호에 따라 구동되는 비상용 스위칭 회로(400)와 접속되어 태양광발전 시스템(200)의 충ㆍ방전 시스템(260)에 내장된 2차 전지(배터리)가 출력하는 직류 전력을 변환하여 얻어진 교류 전력을 모선에 공급 가능하도록 구성되어 있다. 그리고 계통 전원측의 정전이 복구되었을 경우에는 제어회로 시스템(500)의 스위칭 제어회로(530)로부터 송신 신호에 의해 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)가 개방된 후, 제1 스위칭 회로(310)의 차단기(S/W1)가 닫힌다.In other words, when the
다시 도 2를 참조하여, 상기 비상용 스위칭 회로(400)는, 계통 전원(100)의 정전 시에 분전반(300)의 모선으로 분산 전원을 공급하기 위한 비상용 스위칭 회로로서, 태양광발전 시스템(200)에서 발전 및 저장된 직류 전력을 전력변환 시스템(230) 및 제어회로시스템(500)의 제어 명령에 따라 변환되어 분전반(300)으로 교류 전력을 자동적으로 공급하고 차단하기 위한 수단이다.Referring back to FIG. 2, the
도 2 및 도 5를 참조하여, 상기 제어회로 시스템(500)은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비상 전원 시스템 전체를 제어하는 수단으로, 태양광발전 시스템(200)의 태양전지모듈(210)에서 발전된 전력이 충ㆍ방전 시스템(260)에서 과충전 되는 것을 방지하기 위한 과충전(과충ㆍ방전) 전압/전류 검출기(510)를 갖는다. 2 and 5, the
이러한 과충전(과충ㆍ방전) 전압/전류 검출기(510)로부터 검출된 신호를 제어회로 시스템(500)의 스위칭 제어회로(530)로 전송되어 연산 처리되고 다시 파워 컨디셔너(220)으로 과충전(과충ㆍ방전) 검출신호를 송출하여 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3)를 개폐시키거나 혹은 과충전시에는 접지로 바이패스(By Pass) 시킴으로써 과충전(과충ㆍ방전)을 방지할 수 있다. The signal detected by the overcharge (overcharge and discharge) voltage /
또한 상기 제어회로 시스템(500)은, 제1 스위칭 회로(310)와 비상용 스위칭 회로(400)를 통해 분전반(300)으로 공급되는 교류 전력의 이상 상태를 검출하기 위한 전압/전류 검출기(520)를 구비한다.In addition, the
또한 상기 제어회로 시스템(500)은, 상기 비상 전원 시스템과 계통 전원(100)의 정전 사고 여부에 따라 상기 제1/제2/제3 스위칭 회로(310,240,250) 및 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W1,S/W2,S/W3,S/W4) 및 파워 컨디셔너(220)를 제어하기 위한 스위칭 제어회로(530)를 포함한다.In addition, the
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전압/전류 검출기(520) 및 스위칭 제어회로(530)는, 계통 전원(100)의 정전 사고 시에 상기 제1 스위칭 회로(310)의 트립 코일(Trip Coil)을 통해 검출된 전압/전류를 제어회로 시스템(500)의 스위칭 제어회로(530)로 전송되며, 상기 스위칭 제어회로에는 사전에 프로그램화 된 제어 알고리즘에 의해 연산 처리된 후, 상기 제1 스위칭 회로(310)와 비상용 스위칭 회로(400) 및 전력변환 시스템(230)으로 그 제어 명령들이 송출되고 차단기들(S/W1,S/W2,S/W3,S/W4)은 제어 명령에 따라 각각 개폐(On/Off)된다. Here, the voltage /
본 발명의 실시 예에 따른 상기 제어회로 시스템(500)의 동작 기능을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the
먼저 계통 전원(100)의 정전 시에는, 상기 제1 스위칭 회로(310)에서 검출된 전압과 전류 신호를 전력변환 시스템(230)으로 송출하여 제2/제3 스위칭 회로(240,250)의 차단기(S/W2,S/W3)와 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)를 폐로(On)시켜 상기 분전반(300)에 교류 전력이 공급되게 한다.First, in the case of power failure of the
또한, 상기 계통 전원(100)의 정전 복구 시에는, 상기 제1 스위칭 회로(310)에서 검출된 전압과 전류 신호를 전력변환 시스템(230)으로 송출하여 제2/제3 스위칭 회로(240,250)의 차단기(S/W2,S/W3)와 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)를 개방(Off)시켜 상기 분전반(300)으로 공급되는 교류 전력을 차단시킨다.In addition, when restoring the power failure of the
다시 말해서, 계통 전원(100)의 정전 시에는, 제1 스위칭 회로(310)의 전압과 전류 신호를 검출한 후, 검출된 정전 신호를 전력변환 시스템(230)의 제1 파워 컨디셔너(220a)와 연동하는 제2/제3 스위칭 회로(240,250)와 비상용 스위칭 회로(400)로 송출하여, 태양광발전 시스템(200)의 가동을 정지시킴과 동시에 상기 전력변환 시스템(230)의 제1 파워컨디셔너(220a)가 상기 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2)를 개방(Off) 상태로 단속한다. In other words, at the time of power failure of the
또한, 전력변환 시스템(230)의 제2 파워 컨디셔너(220b)는 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)로부터 구동 전력을 확보하여 상기 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3) 및 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)를 폐로(On) 시켜 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)로 하여금 상기 분전반(300)에 교류 전력이 공급되게 하거나, 상기 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3)를 개방(Off)시키고, 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2)는 폐로(On)시켜 상기 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 상기 분전반(300)에 교류 전력이 공급되게 한다.In addition, the
또한, 상기 계통 전원(100)의 정상 복구 시에는, 상기 제1 스위칭 회로(310)의 전압과 전류 신호를 검출한 후, 검출된 정상 신호를 전력변환 시스템(230)의 제1 파워 컨디셔너(220a)와 연동하는 제2/제3 스위칭 회로(240,250)와 비상용 스위칭 회로(400)로 송출하여, 태양광발전 시스템(200)을 가동시킴과 동시에 상기 제2 스위칭 회로(240)의 차단기(S/W2) 및 제3 스위칭 회로(250)의 차단기(S/W3)를 폐로(On) 시켜 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)에서 충전이 이루어지게 하고, 동시에 상기 비상용 스위칭 회로(400)의 차단기(S/W4)는 개방(Off)시켜 상기 분전반(300)으로 공급되는 교류 전력을 차단시켜 계통 전원이 분전반(300)의 모선을 통해 부하(600)로 공급되게 한다.In addition, during normal recovery of the
이러한 본 발명의 제어 알고리즘은 계통 전원(100)의 정전 사고 시에, 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 부하 계통으로 교류 전력을 즉시 공급하도록 하고 정전 복구 시에는 태양광발전 시스템(200)의 분산 전원을 즉각 차단하도록 하는 계통연계형 전력변환시스템(Power Conditioning System,PCS) 모드와, 부하 조건 및 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)의 상태에 따라 부하 계통의 최대 전력을 감소시키기 위한 부하관리(Demand Side Management,DSM) 모드 기능을 수행하도록 하는 제어회로 시스템(500)을 갖는다.The control algorithm of the present invention allows the
다시 도 2 및 도 4를 참조하여, 상기 부하(600)는, 계통 전원(100)의 동작시에만 전력이 공급되고 있으면 되는 통상부하(610)와 계통 전원의 동작 시 뿐만 아니라 계통 전원의 정전 시에도 전력이 공급되어야 하는 예비부하(620)의 2 종류가 있는 전력 소비가 주택 내의 부하로 한다.Referring again to FIGS. 2 and 4, the
상기 통상부하(610)는 분기 과전류 차단기(320)를 통하여 모선에 접속되고, 예비부하(620)는 분기 과전류 차단기(330)를 통하여 모선에 접속되어 있다. 본 발명의 실시에 따른 비상 전원 시스템에서는 계통 전원(100)으로부터의 교류 전력과 태양광발전 시스템(200)으로부터의 교류 전력이 분전반(300)을 통하여 동일한 주택내의 배전선을 통하여 각 부하(610,620)에 공급되게 되어 있다. The
또한, 2차 전지(배터리)가 충전 상태에 있는 경우에는 부하측에서의 전력 소비 상황에 따라 2차 전지(배터리)로부터 출력되어 파워 컨디셔너(220)에 의해 직류 전력에서 변환된 교류 전력도 각 부하(610,620)에 공급되게 되어 있다. In addition, when the secondary battery (battery) is in the charged state, the AC power output from the secondary battery (battery) and converted by the
그러나 태양전지모듈(210) 자체는 부하의 급변에 대하여 대응하는데 한계가 있기 때문에 부하가 급증하였을 때에는 충전되어 있는 2차 전지(배터리)를 통해 부하에 공급하고, 부하가 급감하였을 때에는 2차 전지(배터리)를 충전하게 함으로써 계통 전원이 통상 상태일 때에 이 비상 전원 시스템을 효율적으로 운전시킬 수 있게 된다.However, since the
다음은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로에 대하여 상세하게 설명한다.Next will be described in detail with respect to the switching control circuit of the emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로의 핵심 기술적 해결수단은, 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531), PLL회로(Phase-Locked Loop Circuit,532), 인버터 지령전류 생성기(533), 합산기(Σ, 534), PRT(Polarized Ramp Time) 전류제어기(535)로 구성되며, 계통 전원(100)의 정전 시, 인버터 지령전류 알고리즘에 의해 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 부하에 자동적으로 교류 전력을 공급하고 차단할 수 있도록 하는데 그 특징이 있다.Key technical solutions of the switching control circuit of the emergency power system having a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention, the power quality compensation and
먼저 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상전원 스위칭 제어회로에 대한 시스템 해석 및 제어 알고리즘에 대하여 상세하게 설명한다.First, a system analysis and control algorithm for an emergency power switching control circuit having a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6.
기본적으로 계통의 품질 향상을 위한 PCS 기능을 수행하면서 부하분담 제어를 수행하게 되는데 이는 PCS(Power Conditioning System)와 DSM(Demand Side Management) 모드로 구분할 수 있다. Basically, the load sharing control is performed while performing the PCS function to improve the quality of the system, which can be classified into a power conditioning system (PCS) and a demand side management (DSM) mode.
또한 상기 DSM 모드는, 계통의 최대전력을 감소시키기 위한 것으로 동작모드에 따른 벡터도를 살펴보면, 부하에 전력을 공급하는 방전 모드[도 6의 (b-1) 참조]와 배터리에 전력을 저장하는 충전 모드[도 6의 (b-2) 참조]로 구분할 수 있다.In addition, the DSM mode is to reduce the maximum power of the system. Looking at the vector diagram according to the operation mode, the discharge mode for supplying power to the load (refer to (b-1) of FIG. 6) and storing the power in the battery It may be classified into a charging mode (see FIG. 6B).
일반적으로, 전류 제어형 인버터는 AC 전류원으로 해석이 가능하며, 계통 전압(Vg), 부하전압(VL) 및 인버터 전압(Vc)은 병렬로 연결된 형태로 크기 및 위상이 같으며, 부하전류(IL)는 계통전류(Ig)와 인버터 전류(Ic)의 합으로 식 (1)과 같다.In general, the current controlled inverter can be interpreted as an AC current source, and the grid voltage (V g ), the load voltage (V L ), and the inverter voltage (V c ) are connected in parallel in the same size and phase, and have the same load current. (I L ) is the sum of the grid current (I g ) and the inverter current (I c ), as shown in Equation (1).
(1) (One)
한편, 계통전류(Ig)를 유효성분 및 무효성분으로 표현하면 아래 식 (2)와 같다.On the other hand, when the grid current (I g ) is expressed as the active ingredient and the reactive component is as shown in the following formula (2).
(2) (2)
여기서, 첨자 p는 각 전류의 유효성분, 첨자 q는 각 전류의 무효성분을 각각 나타낸다.Here, the subscript p is an active ingredient of each current, and the subscript q represents an inactive component of each current.
도 6의 (a)에서처럼 계통의 품질을 향상시키기 위한 PCS모드에서는 항상 계통전류(Ig)는 유효전류()만을 공급해야 하므로 계통전류 Ig는 부하에서 요구하는 유효전류() 성분만을 포함하며, 인버터 전류 Ic는 부하에서 요구하는 무효전류() 성분만을 공급한다. (A) As in PCS mode, always grid current (I g) to improve the quality of the system of Figure 6 is valid, the current ( Grid current I g is the effective current required by the load. ) And the inverter current I c is the reactive current ( ) Only the ingredients are supplied.
따라서, 계통전류(Ig)는 부하 조건에 관계없이 항상 유효전력성분만을 공급할 수 있으며 다음과 같이 구할 수 있다.Therefore, the grid current I g can always supply only the active power component regardless of the load condition and can be obtained as follows.
(3) (3)
그러므로, 전류 제어형 인버터가 계통의 고조파 및 역률개선을 위하여 PCS 기능을 수행하는데 요구되는 전류 Ic *은 식 (4)와 같이 표현된다.Therefore, the current I c * required for the current controlled inverter to perform the PCS function for improving the harmonics and power factor of the system is expressed as Equation (4).
(4) (4)
여기서, 은 부하유효전력이며 은 부하무효전력이다.here, Is the load effective power Is the load reactive power.
또한 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이, DSM 모드에서는 부하조건에 따라 배터리를 이용하여 전력을 공급하거나 저장할 수 있으며, PCS 기능도 동시에 수행한다. In addition, as shown in (b) of FIG. 6, in the DSM mode, power may be supplied or stored using a battery according to a load condition, and the PCS function may be simultaneously performed.
또한 도 6의 (b-1)은, 배터리의 전력을 방전하는 모드로 부하 유효전력성분의 일부를 배터리가 분담하기 때문에 첨두부하 시에 요구되는 계통의 전력을 일정부분 감소시킬 수 있으며 무효전력은 인버터에서 전부 부담하게 된다. 여기서 상기 Pbat는 배터리 전력이다.6B is a mode for discharging the battery power, so that the battery shares a part of the load active power components, so that the power of the system required at the peak load is increased. Can be reduced to a certain degree, and the reactive power is borne by the inverter. Where P bat is battery power.
따라서, PCS와 DSM을 동시에 수행 하는데 요구되는 계통전류는 각각 식 (5)으로 구할 수 있다.Therefore, the system currents required to simultaneously perform the PCS and the DSM can be obtained from Equation (5).
(5) (5)
또한, 최종적인 인버터 지령전류Ic *는 부하전류(IL)와 모드에 따른 수식(3) 또는 수식(5)을 만족하는 계통전류(Ig *)의 차에 의해 구할 수 있으며 식 (6)과 같이 표현된다.In addition, the final inverter command current I c * can be obtained by the difference between the load current I L and the grid current I g * that satisfies Equation (3) or Equation (5) according to the mode. )
(6) (6)
그러므로, 전류 제어형 인버터의 전류를 제어함으로써 계통 전류의 고조파를 상쇄시키고 역률을 항상 1로 유지 시킬 수 있으며, 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 전력을 공급 또는 저장이 가능하다. Therefore, by controlling the current of the current controlled inverter, the harmonics of the grid current can be canceled and the power factor can always be maintained at 1, and the power can be supplied or stored according to the load condition and the state of the battery.
다음은 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상전원 스위칭 제어회로에 대한 제어 알고리즘을 상세하게 설명한다.Next, a control algorithm for an emergency power switching control circuit having a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 7.
본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 제어 알고리즘은 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 인버터 지령전류(Ic *)를 생성하여 PCS와 DSM 기능을 수행하는 계통 제어 알고리즘과 실제 인버터 전류를 지령전류(Ic *)에 따라 추종하도록 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 스위칭 제어 알고리즘으로 구분할 수 있다. The control algorithm of the system according to an embodiment of the present invention generates the inverter command current (I c * ) according to the load condition and the state of the battery to perform the system control algorithm and PCS and DSM functions, and the actual inverter current to the command current (I). c * ) can be classified into a switching control algorithm that generates a PWM switching pattern to follow.
또한 계통 제어 알고리즘에서 필요한 정보는, 계통전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat)이다. 이러한 측정된 값을 이용하여 계통의 유효전력을 계산하고 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 상기 식 (5)를 이용하여 유효전력 제어를 위한 계통전류(Ig *)를 연산하며, 계산된 계통전류(Ig *) 및 측정된 부하전류(IL), 그리고 PLL회로(532)에 의해 계통전압(Vg)과 동기화된 위상정보(sinωt*)를 가지고 상기 식 (6)에 의해 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)를 생성하게 된다. 이에 따라 인버터 지령전류를 추종하도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 패턴을 생성하는 스위칭 제어 알고리즘을 수행한다. In addition, the information required by the grid control algorithm is the phase and magnitude of the grid voltage (V g ), the load conditions (V g , I L ) and the power of the battery (V bat , I bat ). Calculate the active power of the system using these measured values, calculate the grid current (I g * ) for active power control using Equation (5) according to the load condition and battery condition, and calculate the calculated grid current The final inverter by Equation (6) with (I g * ) and the measured load current (I L ) and the phase information (sinωt * ) synchronized with the grid voltage (V g ) by the
일반적으로, 실제 전류와 인버터 지령전류의 오차 신호(Ierr)만을 가지고 PWM 스위칭 패턴을 생성하는 전류 제어 알고리즘으로 히스테리시스 기법을 많이 사용하는데, 이는 하드웨어가 간단하고 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있지만 가변 스위칭 주파수 문제 등의 단점을 갖고 있다. In general, the hysteresis technique is used as a current control algorithm that generates a PWM switching pattern using only the error signal (I err ) between the actual current and the inverter command current. This has the advantage that the hardware can be easily and easily implemented. It has disadvantages such as problems.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 이를 보완하면서 전류제어의 장점인 빠른 응답 특성 및 인버터 DC 입력 전압의 변동에도 강인하게 인버터의 전류를 제어할 수 있는 PRT (Polarized Ramp Time) 전류제어기를 사용하였다.Accordingly, the embodiment of the present invention uses a PRT (Polarized Ramp Time) current controller that can control the current of the inverter robustly even in response to the fast response characteristics and the variation of the inverter DC input voltage, which are advantages of the current control.
도 2 및 도 7을 참조하여, 상기 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)는, 계통 전원(100)과 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)으로부터 공급되는 전력품질을 보상하고 부하분담률을 연산 처리하기 위한 수단으로, 분전반(300)으로 공급되는 전력(Vg,IL)을 스위칭(Switching) 하기 위한 제1 스위칭 회로(310) 및 비상용 스위칭 회로(400)에서 검출된 계통전압(Vg) 및 부하전류(IL)에 대한 신호와 제3 스위칭 회로(250)에서 검출된 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리 전력(Vbat,Ibat)을 연산 처리하여 계통전류(Ig *)를 출력한다.2 and 7, the power quality compensation and
상기 PLL회로(Phase-Locked Loop Circuit,532)는, 분전반으로 공급되는 계통전압(Vg)의 위상 및 크기를 검출하는 수단으로, 위상비교기에서 검출된 위상차는 저역통과필터를 거쳐 DC전압으로 변환된 후, 전압제어발진기(VCO)에 입력되는데, VCO에서는 바렉터(Varator)를 포함한 발진회로가 있어서 그 위상차에 대응되는 DC전압이 입력될 때 바렉터의 커패시터(Capacitor)의 용량이 변하여 LC공진회로에 의한 발진주파수 변화를 일으키므로, 결국, 입력기준주파수의 위상에 고정된 출력 주파수를 발생시키게 된다.The phase-locked
다시 말해서, 분전반(300)으로 공급되는 전력에 대한 계통전압(Vg)의입력신호와 출력신호의 위상차(위상과 크기)를 검출하고 이것에 비례한 전압에 의해 출력신호발생기와 위상을 제어하며, 출력신호의 위상과 입력신호의 위상을 같게 하는 회로를 말한다.In other words, the phase difference (phase and magnitude) of the input signal and the output signal of the grid voltage (V g ) with respect to the power supplied to the
상기 인버터 지령전류 생성기(533)는, 스위칭 제어회로(530)에서 명령된 정보를 파워 컨디셔너(220)에서 수행하도록 하기 위한 지령값을 생성하는 수단으로, 상기 PLL회로(532)에서 검출된 계통전압(Vg)과 동기화된 위상정보(sinwt*)와 상기 분전반(300)에 대한 계통의 고조파 및 역률개선을 위한 전력변환 시스템(230,PCS)의 파워 컨디셔너(220)에서 제어되는 부하전류(IL)와 분전반에 대한 부하조건(Vg,IL) 및 충ㆍ방전 시스템(260)에 내장된 2차 전지(배터리)의 전력(Vbat,Ibat) 상태에 따라 상기 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)에서 연산 처리된 계통전류(Ig *)를 입력 받아 인버터의 지령전류(Ic *)를 생성한다.The inverter command
또한 합산기(Σ, 534)는, PRT 전류제어기(535)에서 오차 신호를 보정할 수 있도록 인버터 지령전류(Ic *)와 인버터 전류(Ic)를 합산하는 수단으로, 상기 인버터 지령전류 생성기(533)에서 생성된 인버터 지령전류(Ic *)와 부하(600)에서 요구되는 무효전류(ILq=Icq) 성분만을 공급하는 전력변환시스템(230)의 인버터(221,222)에 대한 인버터 전류(Ic)를 합산한다.In addition, the summer (Σ, 534) has, as a means for adding the drive command current (I c *) and the inverter current (I c) to correct an error signal from the PRT
또한 상기 PRT(Polarized Ramp Time) 전류제어기(535)는, 인버터의 지령전류(Ic *)와 실제 전류간에 발생되는 오차 신호(Ierr)를 보정하기 위한 수단으로, 본 발명에 적용된 상기 PRT 전류제어기(535)는 전류제어의 장점인 빠른 응답 특성 및 인버터 DC 입력 전압의 변동에도 강인하게 인버터의 전류를 제어할 수 있다.In addition, the PRT
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상전원 스위칭 제어회로는 계통 전원(100)의 정전 사고 시에는 상기 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)을 통해 분전반(300)으로 교류 전력을 공급하도록 하는 전력변환 시스템(Power Conditioning System,PCS) 모드 기능과, 부하조건에 따라 충ㆍ방전 시스템(260)의 2차 전지(배터리)를 이용하여 분전반(300)으로 교류 전력을 공급하거나 저장하도록 하는 부하관리(Demand Side Management,DSM) 모드 기능을 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.As such, the emergency power switching control circuit having the photovoltaic power generation system according to the embodiment of the present invention is distributed to the
또한 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전력변환 시스템(PCS) 모드와 부하관리(DSM) 모드를 동시에 수행하기 위한 계통전류(Ig *) 및 인버터 지령전류(Ic *)는, 상기 식 (5) 및 식 (6)에서 구해지며, 상기 식 (5),(6)를 통해 상기 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)의 인버터(221,222)에 대한 전류 제어형 인버터 제어가 가능하여, 계통 전류의 고조파 상쇄 및 역률 개선, 부하조건 및 배터리 상태에 따라 분전반(300)에 전력을 공급하고 또는 상기 태양광발전 시스템(200)의 충ㆍ방전 시스템(260)에 내장된 2차 전지(배터리)에 DC 전력을 저장할 수 있도록 한다.In addition, the grid current (I g * ) and inverter command current (I c * ) for simultaneously performing the power conversion system (PCS) mode and load management (DSM) mode according to an embodiment of the present invention, the equation (5) Equation (6) and (6), through the equations (5) and (6), it is possible to control the current-controlled inverter for the inverters 221 and 222 of the
또한 본 발명의 실시 예에서는, 상기 인버터 지령전류(Ic *)에 따른 스위칭 PWM 패턴 생성 방법은, 상기 계통전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat)을 측정하여 계통의 유효전력을 계산한 후, 상기 식 (6)을 이용하여 유효전력 제어를 위한 계통전류(Ig *)를 연산 처리한다. In addition, in the embodiment of the present invention, the switching PWM pattern generation method according to the inverter command current (I c * ), the phase and magnitude of the grid voltage (V g ), the load conditions (V g , I L ) and the battery After calculating the active power of the system by measuring the power (V bat , I bat ), using the above equation (6) to calculate the grid current (I g * ) for the active power control.
또한 상기 연산 처리된 계통전류(Ig *) 및 측정된 부하전류(IL) 그리고 PLL회로(532)에 의해 계통전압(Vg)과 동기화된 위상정보(sinωt*)를 가지고 상기 식 (6)에 의해 구해진 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)에 따라 추종하도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 패턴을 생성하도록 한다.In addition, the calculated system current I g * , the measured load current I L , and the phase information sinωt * synchronized with the system voltage V g by the
도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로에 대한 작용을 상세하게 설명한다.Referring to Figures 2 to 7, the operation of the switching control circuit of the emergency power system having a photovoltaic system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명은 계통 전원(100)에 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)을 연계하는 다수개의 스위칭 회로(240,250,310,400)를 단속하는 파워 컨디셔너(220) 및 스위칭 제어회로(530)에 사전에 프로그램화된 인버터 지령전류 제어 알고리즘에 의해 상기 다수개의 스위칭 회로가 제어되도록 구성함으로써, 계통 전원(100)의 정전 사고 시에, 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)으로 하여금 부하 계통으로 교류 전력을 자동적으로 공급하도록 하고, 또한 계통 전원의 정전 복구 시에는, 분산 전원인 태양광발전 시스템(200)에서 발전된 교류 전력의 공급을 자동적으로 차단시켜 충전모드로 전환하도록 하는 계통연계형 전력변환 시스템(Power Conditioning System,PCS) 모드와, 부하조건 및 2차 전지(배터리)의 상태에 따라 부하 계통의 최대 전력을 감소시키기 위한 부하관리(Demand Side Management,DSM) 모드 기능을 동시에 수행할 수 있는 독특한 특징이 있다.The present invention is pre-programmed in the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
100 : 계통 전원 200 : 태양광발전 시스템
210 : 태양전지모듈 220 : 파워 컨디셔너
220a,220b : 복수의 파워 컨디셔너 221,222 : 인버터
223,224 : 변압기 230 : 전력변환 시스템
240 : 제2 스위칭 회로 250 : 제3 스위칭 회로
260 : 충ㆍ방전 시스템 300 : 분전반
310 : 제1 스위칭 회로 320,330 : 분기 과전류 차단기
400 : 비상용 스위칭 회로 500 : 제어회로 시스템
510 : 과충전 전압/전류 검출기 520 : 전압/전류 검출기
530 : 스위칭 제어회로
531 : 전력품질보상 및 부하분담률 연산기
532 : PLL회로 533 : 인버터 지령전류 생성기
534 : 합산기 535 : PRT 전류제어기
600 : 부하 610 : 통상부하
620 : 예비부하100: system power supply 200: solar power generation system
210: solar cell module 220: power conditioner
220a, 220b: a plurality of power conditioners 221,222: inverter
223,224
240: second switching circuit 250: third switching circuit
260: charging and discharging system 300: distribution panel
310: first switching
400: emergency switching circuit 500: control circuit system
510: overcharge voltage / current detector 520: voltage / current detector
530: switching control circuit
531: Power quality compensation and load sharing calculator
532: PLL circuit 533: inverter command current generator
534: summer 535: PRT current controller
600: Load 610: Normal Load
620: spare load
Claims (3)
상기 스위칭 제어회로는, 분전반(300)으로 공급되는 전력(Vg,IL)을 스위칭(Switching) 하기 위한 제1 스위칭 회로(310)와 비상용 스위칭 회로(400)에서 검출된 계통전압(Vg) 및 부하전류(IL)의 신호와 제3 스위칭 회로(250)에서 검출된 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리 전력(Vbat,Ibat)을 연산 처리하여 계통전류(Ig *)를 출력하는 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)와;
상기 계통전압(Vg)의 위상 및 크기를 검출하는 PLL회로(Phase-Locked Loop Circuit,532)와;
상기 PLL회로(532)에서 검출된 계통전압(Vg)과 동기화된 위상정보(sinwt*)와 상기 분전반에 대한 계통의 고조파 및 역률개선을 위한 부하전류(IL)와 부하 조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat) 상태에 따라 상기 전력품질보상 및 부하분담률 연산기(531)에서 연산 처리된 계통전류(Ig *)를 입력 받아 인버터의 지령전류(Ic *)를 생성하는 인버터 지령전류 생성기(533)와;
상기 인버터 지령전류 생성기(533)에서 생성된 인버터 지령전류(Ic *) 및 부하에서 요구하는 무효전류(ILq=Icq) 성분만을 공급하는 인버터 전류(Ic)를 합산하는 합산기(Σ, 534)와;
상기 인버터의 지령전류(Ic *)와 실제 전류간의 오차 신호(Ierr)를 보정하기 위한 PRT(Polarized Ramp Time) 전류제어기(535)를 포함하여;
계통 전원(100)의 정전 사고 시에는 상기 태양광발전 시스템(200)을 통해 상기 분전반(300)으로 교류 전력을 공급하도록 하는 전력변환시스템(Power Conditioning System,PCS)모드 기능과, 부하 조건에 따라 상기 충ㆍ방전 시스템(260)의 배터리를 이용하여 상기 분전반(300)으로 전력을 공급하거나 저장하도록 하는 부하관리(Demand Side Management,DSM)모드 기능을 동시에 수행 가능하도록 하되,
상기 PCS와 DSM 모드를 동시에 수행하는데 요구되는계통전류(Ig *)는,
(여기서, PL은 부하 유효전력, Pbat는 배터리 전력)이고,
최종적인 인버터 지령전류(Ic *)는, 상기 부하전류(IL)와 모드에 따른 상기 계통전류(Ig *)의 차에 의해 구해지는
(여기서, QL은 부하무효전력)이며,
상기 계통전류(Ig *)와 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)를 구한 식을 통해 전류 제어형 인버터의 전류를 제어함으로써 계통전류의 고조파를 상쇄시키고 역률을 항상 1로 유지 시킬 수 있으며, 부하조건 및 배터리의 상태에 따라 전력을 공급 또는 저장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로.
In the switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system (200),
The switching control circuit may include a grid voltage V g detected by the first switching circuit 310 and the emergency switching circuit 400 for switching power V g , I L supplied to the distribution panel 300. ) And the load current (I L ) and the battery power (V bat , I bat ) of the charge / discharge system 260 detected by the third switching circuit 250 to calculate and process the system current (I g * ). An output power quality compensation and load sharing calculator 531;
A phase-locked loop circuit 532 for detecting a phase and a magnitude of the grid voltage V g ;
Phase information (sinwt * ) synchronized with the grid voltage (V g ) detected by the PLL circuit 532, load current (I L ) and load conditions (V g ,) for improving the harmonics and power factor of the grid for the distribution panel. I L ) and the command current (I c * ) of the inverter by receiving the grid current (I g * ) calculated by the power quality compensation and load sharing calculator (531) according to the power (V bat , I bat ) state of the battery. An inverter command current generator 533 to generate C);
A summer Σ for adding up the inverter command current I c * generated by the inverter command current generator 533 and the inverter current I c that supplies only the reactive current I Lq = I cq required by the load. , 534);
A polarized ramp time (PRT) current controller (535) for correcting an error signal (I err ) between the command current (I c * ) and the actual current of the inverter;
In the event of a power outage of the system power supply 100, a power conversion system (PCS) mode function for supplying AC power to the distribution panel 300 through the photovoltaic system 200 and load conditions By using the battery of the charging and discharging system 260 to simultaneously perform a load management (Demand Side Management, DSM) mode function to supply or store power to the distribution panel 300,
The system current I g * required to simultaneously perform the PCS and DSM modes is
Where P L is the load active power and P bat is the battery power.
The final inverter command current I c * is obtained by the difference between the load current I L and the grid current I g * depending on the mode.
Where Q L is the load reactive power,
The harmonics of the grid current can be canceled and the power factor can be always maintained at 1 by controlling the current of the current controlled inverter through the formula of the grid current (I g * ) and the final inverter command current (I c * ). Switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system, characterized in that it is possible to supply or store power in accordance with the conditions and conditions of the battery.
상기 인버터 지령전류(Ic *)에 따른 스위칭 PWM 패턴 생성은, 상기 계통전압(Vg)의 위상 및 크기, 부하 조건(Vg,IL) 및 배터리의 전력(Vbat,Ibat)을 측정하여 계통의 유효전력을 계산한 후, 상기 계통전류(Ig *)를 구한 식을 이용하여 유효전력 제어를 위한 계통전류(Ig *)를 연산하며, 상기 연산된 계통전류(Ig *) 및 측정된 부하전류(IL) 그리고 PLL회로(532)에 의해 계통전압과 동기화된 위상정보(sinωt*)를 가지고 상기 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)를 구한 식에 의해 구해진 최종적인 인버터 지령전류(Ic *)에 따라 추종하도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 시스템을 갖는 비상 전원 시스템의 스위칭 제어회로.The method according to claim 1,
The switching PWM pattern generation according to the inverter command current (I c * ), the phase and magnitude of the grid voltage (V g ), load conditions (V g , I L ) and the power of the battery (V bat , I bat ) After calculating the active power of the system by measuring, the system current (I g * ) for the active power control is calculated using the equation obtained by calculating the system current (I g * ), and the calculated system current (I g *). The final inverter command current I c * with the measured load current I L and the phase information sinωt * synchronized with the grid voltage by the PLL circuit 532. A switching control circuit of an emergency power system having a photovoltaic system, characterized by generating a PWM (Pulse Width Modulation) switching pattern to follow the inverter command current (I c * ).
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