KR101380380B1 - 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법 및 시스템 - Google Patents

전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력계통에서의 위상추종 방법에 관한 것으로, (a)계통전압을 검출하여, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상에 대해 순차적으로 정상 또는 지락 여부를 판단하는 단계; 및 (b)상기 판단 결과, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상 중 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 기본파를 추출하고 계통전압의 위상을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법 및 시스템{Method of adaptive phase tracking depending on the state of power system and system for it}
본 발명은 전력계통에서의 위상추종에 관한 것으로, 구체적으로는 다양한 계통 전압 조건에서도 계통의 위상정보를 추종할 수 있는 PLL(phase-locked loop) 알고리즘를 이용한 위상추종 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
일반적으로 전력계통(electric power system)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계를 의미한다.
전력계통을 높은 신뢰도로 운용되기 위해서는, 전압값이나 주파수를 일정하게 유지하고, 정전발생 방지를 위해 전압이나 주파수를 제어하는 방법, 송전선로의 구성에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 예컨대, 주파수가 다른 전력계통을 구성할 때는, 두 계통을 직접 이을 수 없으므로 주파수변환기를 통해서 두 계통을 접속시키는데, 신재생에너지 분야가 각광받으면서 전력변환장치의 계통연계 운전에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다. 특히, 전력계통의 안정화 측면에서 계통연계형 전력변환장치의 다양한 기능이 요구된다.
소용량의 계통연계 전력변환 시스템의 경우, 계통의 상태에 따라 기준 주파수 범위와 전압 범위를 벗어나면 탈락하는 독립운전 방지(anti-islanding) 알고리즘을 보유하고 있지만, 대용량 계통연계 전력변환 시스템(Power Conditioning System: PCS)의 경우 계통에 미치는 영향이 커지므로 저전압 보상 알고리즘(Low Voltage Ride Through: LVRT)이 요구되는 실정이다.
한편, 계통연계 운전을 하기 위해서는 반드시 계통의 위상정보를 정확히 측정하여 계통의 주파수와 위상이 동일한 상태로 전류를 공급하여야 한다. 그러기 위해서는 위상추종(Phase-locking) 알고리즘이 필요하다. 종래에는 전력계통에서의 위상추종을 위해 3상 PLL(phase-locked loop)을 사용하여 계통연계형 전력변환장치를 제어하였고, 이는 계통전압을 통해 도출되는 것이 대부분이다.
전력계통에 사용되는 일반적인 3상 PLL 구조는 비례적분(Proportional Intergral: PI) 제어기를 사용하여 d축의 전압을 0으로 만들도록 제어하여 위상을 추정하는 형태를 사용한다. 따라서, 위상추정은 3상 D-Q 변환을 통해 D축 또는 Q축에 동위상이 되도록 제어기를 구성하여 위상정보를 얻는다.
그러나, 3상이 이상적인 경우에는 항상 평형 상태이지만 센서의 오차나 계통의 단상부하 등으로 인하여 완전 평형 상태가 아니고 D-Q 변환된 전압 성분에 상당한 리플이 섞여있어 제어기를 안정정으로 튜닝하는데 어려움이 발생한다. 나아가, LVRT 조건에 따라 계통의 전압 상태가 동일하게 유지되지 않기 때문에 종래의 PLL 알고리즘을 적용하여 대응하는 것에 많은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, LVRT 조건에 따라 다양한 계통전압 조건에서 계통의 위상정보를 얻을 수 있는 PLL 알고리즘을 이용한 위상추종 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력계통에서의 위상추종 방법은, (a)계통전압을 검출하여, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상에 대해 순차적으로 정상 또는 지락 여부를 판단하는 단계; 및 (b)상기 판단 결과, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상 중 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 기본파를 추출하고 계통전압의 위상을 도출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 (a)단계는, 상기 검출된 계통전압이 3상으로 이루어진 경우, 상기 계통전압의 제1상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계; 상기 계통전압의 제1상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제2상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계; 및 상기 계통전압의 제2상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제3상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 방법은, 상기 (b)단계에서 도출된 계통전압의 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하는 단계; 및 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 기준 위상에 대해 동기화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 (a)단계에서의 판단결과, 상기 도출된 계통전압의 다수의 상이 모두 지락상태인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 방법은, 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 (b)단계는, 상기 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF) 처리를 수행하여 노이즈 성분을 제거하는 제1단계; 상기 LPF 처리된 계통전압으로부터 영전압을 검출하여 사각형 파형을 도출하는 제2단계; 및 상기 도출된 사각형 파형에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 알고리즘을 적용하여 기본파를 추출하고, 상기 정상상태인 상의 계통전압의 위상을 도출하는 제3단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제3단계는, 상기 제2단계의 사각형 파형에서 포지티브 에지 및 네거티브 에지 사이의 시간을 측정하고, 상기 측정된 시간을 이용하여 주파수 정보를 추출하는 단계; 상기 추출한 주파수 정보를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 기본파에 대한 코사인 성분 및 사인 성분의 위상차를 구하는 단계; 및 상기 구해진 위상차 성분을 이용하여 상기 계통전압의 기본파 신호의 크기 및 위상정보를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양태 일 실시예에 따른 전력계통에서의 위상을 추종하는 위상추종 시스템은, 계통전압을 검출하여, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상에 대해 순차적으로 정상 또는 지락 여부를 판단하는 적응형 PLL 알고리즘을 따라 상기 계통전압에 대한 주파수를 검출하는 주파수 추출부; 및 상기 주파수 추출부에서 추출된 주파수를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 위상을 도출하는 위상 추정부를 포함하며, 상기 주파수 추출부는, 상기 적응형 PLL 알고리즘에 따라 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상 중 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 주파수를 추출한다.
이때, 상기 주파수 추출부는, 상기 검출된 계통전압이 3상으로 이루어진 경우, 상기 계통전압의 제1상에 대한 지락 여부를 판단하여 상기 계통전압의 제1상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제2상에 대한 지락 여부를 판단하고, 상기 계통전압의 제2상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제3상에 대한 지락 여부를 판단하여 주파수를 추출할 수 있다.
그리고, 상기 위상 추종부는, 상기 도출된 계통전압의 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하고, 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 기준 위상에 대해 동기화할 수 있다.
나아가, 상기 위상 추종부는, 상기 주파수 추출부의 판단결과에 따라 상기 계통전압의 다수의 상이 모두 지락상태인 경우, 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정할 수 있다.
한편, 상기 주파수 추출부는, 상기 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 저역통과필터링을 수행하는 저역통과필터부(Low Pass Filter: LPF); 상기 LPF 처리된 계통전압으로부터 영전압을 검출하여 사각형 파형을 도출하는 영전압 검출부; 및 상기 도출된 사각형 파형에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 알고리즘을 적용하여 기본파를 추출하는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.
이때, 상기 마이크로프로세서는, 상기 도출된 사각형 파형에서 포지티브 에지 및 네거티브 에지 사이의 시간을 측정하고, 상기 측정된 시간을 이용하여 주파수 정보를 추출하고, 상기 추출한 주파수 정보를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 기본파에 대한 코사인 성분 및 사인 성분의 위상차를 구하고, 상기 구해진 위상차 성분을 이용하여 상기 계통전압의 기본파 신호의 크기 및 위상정보를 도출할 수 있다.
상기 실시형태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따르면, LVRT 조건에 따라 다양한 계통전압 조건에서 계통의 위상정보를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 계통 전압조건에서 계통 위상정보를 추종할 수 있는 위상추종 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템에서 주파수 추출을 수행하는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템에서 계통전압의 주파수 및 위상을 추출하는 과정의 일 예를 나타내는 절차 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 링 버퍼를 적용하여 계통전압의 평균값을 구하는 개념의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 계통전압의 위상추종 시스템에서 전압상태 기반의 적응적 위상추종 알고리즘을 적용하여 위상추종을 수행하는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전력계통의 가상위상을 기준 위상각에 동기시키는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
본 발명은 전력계통에서의 위상추종에 관한 것으로, 구체적으로는 다양한 계통 전압 조건에서도 계통의 위상정보를 추종할 수 있는 PLL(phase-locked loop) 알고리즘를 이용한 위상추종 방법 및 그 시스템을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 계통 전압조건에서 계통 위상정보를 추종할 수 있는 위상추종 시스템의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템(100)은 신재생 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 전력부(110), 3상 인버터(120), RLC 회로로 구성되는 부하(130), 전력계통(140), 인버터(120)로부터 주파수를 검출하는 주파수 추출부(150) 및 인버터(120)로부터 검출된 계통전압에 고조파 분석 알고리즘을 적용하여 위상정보를 도출하는 위상추정부(160)를 포함한다.
전력부(110)로부터 생산된 전력은 인버터(120)로 전달되어 직류전력에서 교류전력으로 변환되고, 인버터(120)로부터 제공되는 교류전력은 전력계통(140)에 연결됨과 아울러 부하(130)에 공급된다.
인버터(120)는 비선형 장치로서 전력변환과정에서 고조파(리플 성분) 또는 무효전력이 포함된 교류전력이 생성될 수 있다.
주파수 추출부(150)는 3상 인버터(120)에서 변환된 계통전압(Va, Vb, Vc)으로부터 고조파 분석방법으로 신호를 분석하여 현재의 주파수 성분(f)을 추출하고, 추출된 주파수(f)는 위상추정부(160)로 전달되어 기준신호를 생성하는데 이용된다.
위상추정부(160)는 3상 인버터(120)에서 변환된 계통전압(Va, Vb, Vc) 중 임의의 교류전력에 고조파 분석 알고리즘, 예컨대 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 적용하여 현재 위상정보를 추정한다.
또한, 위상추정부(160)는 주파수 추출부(150)로부터 전달된 주파수 성분(f)을 토대로 기준 신호를 생성하는 기준신호 생성부(161), 코사인 성분과 사인 성분으로 나눠진 주파수 성분에 대해 평균값을 도출하는 평균 처리부(162, 163) 및 아크탄젠츠 연산부(164)를 더 포함한다.
기준신호 생성부(161)는 주파수 성분(f)을 이용하여 기준파형의 위상을 구하고 위상정보를 이용하여 코사인 및 사인 기준신호(cos wt, sin wt)를 만들 수 있다.
그리고, 위상추정부(160)는 도 1에 도시된 것처럼 주파수 추출부(150)로부터 전달된 입력 주파수 신호(f)에 기준신호 생성부(161)에서 생성된 코사인, 사인 기준 신호를 곱하고, 코사인 신호 및 사인 신호에 대해 소정의 링 버퍼(Ring buffer)를 이용하여 한 주기동안 평균값을 구하는 제1 평균 처리부(162) 및 제2 평균 처리부(163)를 적용하여 평균 코사인 신호 및 평균 사인 신호를 도출한다.
기본파 신호의 코사인 성분과 사인 성분은 아크탄젠트 연산부(164)로 전달되고, 아크탄젠트 연산부(164)는 전달된 신호에 기초하여 기본파 위상차(α) 및 이를 이용한 계통 전원 신호의 크기(Vm)와 위상정보(θ)를 출력한다.
나아가, 위상추정부(160)는 계통의 전압 특성상 단상 지락, 2상 지락, 3상 지락 등 계통전압 상태는 다양할 수 있으므로, 다양한 계통전압 조건에서도 위상추종을 수행할 수 있는 '전압상태 기반의 적응적 위상추종 알고리즘'을 적용할 수 있다. 본 발명의 명세서에서는 단상 지락, 2상 지락, 3상 지락 등 계통전압의 다양한 상태에 따라 위상추정을 수행하는 알고리즘을 '전압상태 기반의 적응적 위상추종 알고리즘'이라 정의하고, 이에 대해서는 이하 도 4를 참조하여 후술하도록 한다.
이하, 상기 도 1에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템에서 주파수 추출 및 위상추종을 수행하는 과정에서의 기술적 특징에 대하여 간략하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템에서 주파수 추출을 수행하는 과정의 일 예를 나타내는 도면으로, 상기 도 1의 주파수 추출부의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 주파수 추출부(200)는 계통으로 입력되는 입력전원을 필터링하여 노이즈 성분을 제거하는 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF)(210), LPF(210)의 출력에서 영전압을 검출하여 사각형 파형을 얻는 영전압 검출부(220), 영전압 검출부(220)의 사각형 파형을 전달받아 주파수 성분을 추출하는 마이크로 프로세서(230)를 포함한다.
마이크로 프로세서(230)는 영전압 검출부(220)의 사각형 파형에서 두 에지(edge) 사이의 시간을 측정하는 시간 계산부(231) 및 시간 계산부(231)에서 측정한 시간을 이용하여 주파수를 계산하는 주파수 계산부(232)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 위상추종 시스템의 주파수 추출을 통해 계통전압의 위상을 도출하는 과정을 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템에서 계통전압의 주파수 및 위상을 추출하는 과정의 일 예를 나타내는 절차 흐름도이다.
도 3에 도시된 과정은 상기 도 1 및 도 2에서 상술한 시스템 구성요소에서 수행하는 것으로 상기 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 주파수 추출부(200)는 계통으로 입력되는 입력전원에 대해 LPF 처리를 수행하여 입력전원에 대한 필터링을 통해 노이즈 성분을 제거하고(S301), 영전압 검출부(220)는 LPF 처리된 입력전원에서 영전압을 검출하여 사각형 파형을 도출한다(S302).
그리고, 마이크로 프로세서(230)는 영전압 검출부(220)로부터 전달된 사각형 파형에 FFT 알고리즘을 적용하여 기본 주파수 성분을 추출하고 전원의 위상을 출력한다(S303 내지 S306).
이에 대해서 보다 구체적으로 설명하면, 시간 계산부(231)는 영전압 검출부(220)에서 출력되는 구형파 신호의 상승시간(t1)과 하강시간(t2)을 이용하여 수학식 1과 같은 주기(Tperiod)를 구할 수 있다(S303).
Figure 112012060633689-pat00001
상기 수학식 1에서, t1은 영전압 검출부(220)의 출력에 나오는 구형파 신호의 포지티브 에지 타임(positive edge time)이고, t2는 영전압 검출부(220)의 출력에 나오는 구형파 신호의 네거티브 에지 타임(negative edge time)을 나타낸다.
주파수 계산부(232)는 수학식 2를 통해 위상추정에 필요한 주파수(f)를 구할 수 있다(S304).
Figure 112012060633689-pat00002
상기 수학식 2에서, Tperiod는 시간 계산부(231)에서 출력된 주기를 나타낸다.
다음으로, 도 1에 도시된 위상 추정부(160)는 전 단계에서 도출한 주파수 성분에 FFT 알고리즘을 적용하여 하기 수학식 3 내지 수학식 7의 과정을 통해 기본파에 해당하는 계통전압의 크기 및 위상차를 구한다(S305).
이를 위해, 기준신호 생성부(161)는 수학식 2의 주파수(f)를 이용하여 기준파형의 위상 및 위상정보를 이용하여 수학식 3과 같이 코사인 기준신호와 사인 기준신호를 설정할 수 있다.
Figure 112012060633689-pat00003
Figure 112012060633689-pat00004
그리고, 위상추정부(160)는 코사인 기준신호 cos ωt및 사인 기준신호 sin ωt를 이용하여 계통전압의 크기 및 위상차를 구할 수 있다.
일반적으로, 계통 전압은 다양한 부하의 존재로 고조파 성분이 많이 포함되어 있다. 따라서, 계통연계형 PCS는 계통으로 전송되는 전력을 기본파에 동기시키는 것이 중요하므로 계통전력에서 고조파 성분 및 노이즈 성분을 제거한 기본파 성분을 추출하는 것이 필요하다.
계통 전압신호는 기본 주파수에 다양한 차수의 고조파 성분(3차, 5차, 7차,…, n차)이 포함된 형태로 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012060633689-pat00005
상기 수학식 4에서, VGRID(t)는 계통전압을 나타내고, α는 위상을 나타내고, ω는 계통의 각 주파수(2πf)를 나타내고, Vm은 기본파 성분의 크기를 나타내고, Vmn은 n차 고조파 성분의 크기를 나타낸다.
즉, 계통전압 VGRID(t)은 기본 주파수 성분
Figure 112012060633689-pat00006
와 다양한 차수의 고주파 성분
Figure 112012060633689-pat00007
의 합으로 나타낼 수 있다.
계통전압 신호의 위상을 구하기 위해 상기 수학식 3과 같이 설정한 기준신호를 상기 수학식 4의 계통신호에 곱하여 수학식 5와 같은 코사인 성분의 계통전압(VGRIDC(t))과 사인 성분의 계통전압(VGRIDS(t))을 구할 수 있다.
Figure 112012060633689-pat00008
상기 수학식 5에 나타난 바와 같이 계통전압은 주기적인 정현파 신호와 직류성분의 cos α와 sinα로 구성되고, 정현파 신호는 기본파의 2배 이상의 주파수 성분을 가진 신호로 구성된다. 따라서, 기본파의 주기(Tperiod)보다 2배의 주기로 기준신호를 곱한 계통전압에 대한 평균값을 구하면 정현파 성분은 0으로 되어 직류성분만 도출할 수 있다.
일 예로, 위상추정부(160)는 도 4에 도시된 링 버퍼를 이용하여 실시간으로 계통전압의 평균값을 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 링 버퍼를 적용하여 계통전압의 평균값을 구하는 개념의 일 예를 나타내는 도면이다.
상기 도 1에서 상술한 제1 평균 처리부(162) 및 제2 평균 처리부(163)는 도 4에 도시된 것처럼 계통전압의 코사인 성분 VGRIDC(t)과 사인 성분 VGRIDS(t)에 대해 각각 링 버퍼(401, 402)를 사용하여 실시간으로 평균값을 구할 수 있다.
하기 수학식 6은 링 버퍼를 사용하여 기본파의 한 주기(Tperiod)동안 계통전압의 코사인 성분 및 사인 성분에 대해 평균값을 구한 결과를 나타낸다.
Figure 112012060633689-pat00009
상기 수학식 6에서, 계통전압(VGRIDC(t),VGRIDS(t))에 대해 각각 기본파 주기(Tperiod)동안 평균값을 구하면 정현파 성분은 0으로 되고, 위상차 α에 대한 직류성분(
Figure 112012060633689-pat00010
)만 남게 된다.
이에 따라, 위상추정부(160)는 상기 수학식 6의 코사인 및 사인 계통전압으로부터 하기 수학식 7과 같이 계통전압의 크기(Vm)와 위상차(α)를 구할 수 있다.
Figure 112012060633689-pat00011
상기 수학식 7에서, Vm은 계통전원 신호의 파형 크기를 나타내고, α는 계통전원 신호의 위상차 성분을 나타내고, Vsin α는 계통전원 신호의 사인 성분을 나타내고, Vcos α는 계통전원 신호의 코사인 성분을 나타낸다.
다시 도 3을 참조하면, 위상 추출부(160)는 기준신호 발생부(161)에서 임의적으로 생성한 기준신호의 위상(ωt)에 상기 수학식 7에서 구한 기준신호와 계통전압의 위상차 α를 합하여 수학식 8과 같이 구하고자 하는 계통의 위상성분(θ)을 구할 수 있다(S307).
Figure 112012060633689-pat00012
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 계통전압 위상추종 시스템은 도 3에 ㄷ도시된 것처럼 FFT 알고리즘을 적용하여 상기 수학식 1 내지 수학식 8과 같은 과정을 통해 계통전압의 모든 상 중 임의의 상에 대한 위상정보를 도출할 수 있다.
이때, 위상추종 시스템은 상술한 과정과 같이 계통위상의 정보를 도출하는 과정에서, 단상 지락, 2상 지락, 3상 지락 등 다양한 계통전압 상태를 반영하여 위상추종을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 계통전압의 위상추종 시스템에서 전압상태 기반의 적응적 위상추종 알고리즘을 적용하여 위상추종을 수행하는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여 3상으로 이루어진 계통전압에 대해 위상추종을 수행하는 과정을 일 예로 들어 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 위상추종 시스템은 a, b, c로 이루어진 3상에 대한 계통전압을 검출한다(S501).
위상추종 시스템은 검출된 계통전압에서 임의로 선택한 a상 전압을 기준으로 상기 수학식 1 내지 수학식 8의 과정의 PLL 알고리즘을 적용하여 a상에서의 위상각(θa)을 구하고, 기준 신호의 위상(θref)을 a상에서의 위상각(θa)으로 설정할 수 있다(S502, S503).
이때, 위상추종하고자 하는 a상의 계통전압이 지락상태인 경우, 위상추종 시스템은 3상 중 다른 상인 b상의 계통전압의 지락 여부를 판단한다(S504).
b상이 지락상태가 아닌 경우, b상의 계통전압에 대해 상술한 PLL 알고리즘을 적용하여 b상에서의 위상각(θb)을 구하고, 기준 신호의 위상(θref)을 b상에서의 위상각(θb)으로 설정할 수 있다(S505).
만약, b상도 지락상태인 경우, 위상추종 시스템은 3상 중 나머지 상인 c상의 계통전압의 지락 여부를 판단한다(S506).
c상이 지락상태가 아닌 경우, 상술한 a상 및 b상에서의 위상추정과 마찬가지로 상술한 PLL 알고리즘을 적용하여 c상에서의 위상각(θc)을 구하고, 기준 신호의 위상(θref)을 c상에서의 위상각(θc)으로 설정할 수 있다(S507).
이와 같이, 3상 중 지락되지 않은 어느 하나의 상에 대한 위상추종이 이루어져 PLL 알고리즘을 통해 구해진 위상으로 기준위상(θref)으로 설정되었으면, 가상위상(θIMAG)의 동기를 기준위상(θref)에 맞춰 유지한다(S508).
이때, 계통전압의 모든 상이 지락상태인 경우에는 기준 위상(θref)을 기존에 유지되던 가상위상(θIMAG)으로 설정한다(S509). 기준 위상에 대한 가상위상의 동기화는 도 6에 예시되어 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전력계통의 가상위상을 기준 위상각에 동기시키는 과정의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 가상 위상(θIMAG)을 상기 도 5에서 상술한 과정에 따라 도출한 전력계통의 기준위상(θref)에 대해 소정의 동기신호를 이용하여 지속적으로 동기를 맞춰나간다. 이때, 기준위상(θref)은 상기 도 5에서 상술한 과정에 따라 계통전력의 모든 상 중 지락되지 않은 임의의 한 상(θa,θb,θc)에서 도출한 위상각일 수 있다. 만약, 도 6에 도시된 것처럼 모든 상이 지락되는 시점(t1)에 도달하면, 가상위상(θIMAG)을 모든 상이 지락되기 직전의 위상으로 유지하고, 기준위상(θref)도 가상위상(θIMAG)과 동일하게 설정할 수 있다.
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 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 전력계통에서의 위상추종 방법에 있어서,
    (a)계통전압을 검출하여, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상에 대해 순차적으로 정상 또는 지락 여부를 판단하는 단계; 및
    (b)상기 판단 결과, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상 중 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 기본파를 추출하고 계통전압의 위상을 도출하는 단계를 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 검출된 계통전압이 3상으로 이루어진 경우,
    상기 계통전압의 제1상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계;
    상기 계통전압의 제1상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제2상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 계통전압의 제2상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제3상에 대한 지락 여부를 판단하는 단계를 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 도출된 계통전압의 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하는 단계; 및
    상기 전력계통의 가상 위상을 상기 기준 위상에 대해 동기화하는 단계를 더 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서의 판단결과, 상기 도출된 계통전압의 다수의 상이 모두 지락상태인 경우,
    상기 전력계통의 가상 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하는 단계를 더 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF) 처리를 수행하여 노이즈 성분을 제거하는 제1단계;
    상기 LPF 처리된 계통전압으로부터 영전압을 검출하여 사각형 파형을 도출하는 제2단계; 및
    상기 도출된 사각형 파형에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 알고리즘을 적용하여 기본파를 추출하고, 상기 정상상태인 상의 계통전압의 위상을 도출하는 제3단계를 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 제2단계의 사각형 파형에서 포지티브 에지 및 네거티브 에지 사이의 시간을 측정하고, 상기 측정된 시간을 이용하여 주파수 정보를 추출하는 단계;
    상기 추출한 주파수 정보를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 기본파에 대한 코사인 성분 및 사인 성분의 위상차를 구하는 단계; 및
    상기 구해진 위상차 성분을 이용하여 상기 계통전압의 기본파 신호의 크기 및 위상정보를 도출하는 단계를 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 방법.
  7. 전력계통에서의 위상을 추종하는 위상추종 시스템에 있어서,
    계통전압을 검출하여, 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상에 대해 순차적으로 정상 또는 지락 여부를 판단하는 적응형 PLL 알고리즘을 따라 상기 계통전압에 대한 주파수를 검출하는 주파수 추출부; 및
    상기 주파수 추출부에서 추출된 주파수를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 위상을 도출하는 위상 추종부를 포함하며,
    상기 주파수 추출부는,
    상기 적응형 PLL 알고리즘에 따라 상기 검출된 계통전압을 이루는 다수의 상 중 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 주파수를 추출하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주파수 추출부는,
    상기 검출된 계통전압이 3상으로 이루어진 경우,
    상기 계통전압의 제1상에 대한 지락 여부를 판단하여 상기 계통전압의 제1상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제2상에 대한 지락 여부를 판단하고, 상기 계통전압의 제2상이 지락상태인 경우, 상기 계통전압의 제3상에 대한 지락 여부를 판단하여 주파수를 추출하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 위상 추종부는,
    상기 도출된 계통전압의 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하고, 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 기준 위상에 대해 동기화하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 위상 추종부는,
    상기 주파수 추출부의 판단결과에 따라 상기 계통전압의 다수의 상이 모두 지락상태인 경우, 상기 전력계통의 가상 위상을 상기 전력계통의 기준 위상으로 설정하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 주파수 추출부는,
    상기 정상상태인 상의 계통전압에 대하여 저역통과필터링을 수행하는 저역통과필터부(Low Pass Filter: LPF);
    상기 LPF 처리된 계통전압으로부터 영전압을 검출하여 사각형 파형을 도출하는 영전압 검출부; 및
    상기 도출된 사각형 파형에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 알고리즘을 적용하여 기본파를 추출하는 마이크로프로세서를 포함하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는,
    상기 도출된 사각형 파형에서 포지티브 에지 및 네거티브 에지 사이의 시간을 측정하고, 상기 측정된 시간을 이용하여 주파수 정보를 추출하고, 상기 추출한 주파수 정보를 토대로 기준신호와 입력신호의 곱과 링 버퍼를 이용한 평균을 통하여 상기 계통전압의 기본파에 대한 코사인 성분 및 사인 성분의 위상차를 구하고, 상기 구해진 위상차 성분을 이용하여 상기 계통전압의 기본파 신호의 크기 및 위상정보를 도출하는, 전력계통의 상태에 따른 적응형 위상추종 시스템.
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