KR101444803B1 - 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상위 단의 사고 발생 또는 일시적인 부하증가에 따른 추가전력의 공급이 필요한 경우 인접한 상위 단 또는 동급의 다른 단과 선택적으로 연결하여 우회로를 형성하고, 우회로를 통해 전력을 공급 받을 수 있도록 함과 아울러, 전력의 공급시 무순단 절체가 가능하도록 한 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템은 전력을 공급하는 공급단;과 복수의 입력스위치와 복수의 출력스위치로 구성되는 트랜스퍼 스위치가 각각 구비되는 복수의 수용단;을 포함하여 구성되고, 복수의 상기 입력스위치는 상기 공급단 또는 복수의 상기 수용단 중 다른 수용단을 선택적으로 연결한다.

Description

다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템{A Grid Connection System Using Multi-path Transfer Switch}

본 발명은 전력 그리드 연계 시스템에 관한 것으로 특히, 상위 단의 사고 발생 또는 일시적인 부하증가에 따른 추가전력의 공급이 필요한 경우 인접한 상위 단 또는 동급의 다른 단과 선택적으로 연결하여 우회로를 형성하고, 우회로를 통해 전력을 공급 받을 수 있도록 함과 아울러, 전력의 공급시 무순단 절체가 가능하도록 한 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템에 관한 것이다.

통상, 배전을 위한 전력계통은 발전소 또는 대규모 변전소로부터 캐스케이드(Cascade) 구조 또는 트리구조(tree) 형태로 구성된다. 이러한 송배전 구조는 배전을 위한 전로의 설치가 용이하고, 구조가 단순하여 관리가 용이하며, 배전을 위한 전로의 소요가 적은 장점이 있고 특히, 어느 한 지점에서의 사고가 그리드 전체로 전파되는 것을 방지하기 용이하기 때문에 거의 대부분의 지역에 이용된다.

하지만, 이러한 캐스케이드 구조 또는 트리구조는 상위단의 고장 발생시 하위단 모두가 고장의 영향으로 기능을 상실하며, 전력의 이용 및 배분이 능동적이지 못한 단점이 있다.

구체적으로 주 변전소 및 주변전소 하위에 복수의 부변전소를 두고, 부변전소가 각 지역의 대형 건물 또는 거점 건물의 소변전소에 전력을 공급하면, 소변전소로부터 수용가의 변압기로 전력이 공급되는 형태의 그리드가 일반적이다. 이러한 그리드는 주변전소, 부변전소, 소변전소 및 변압기 각각의 용량을 계산하고 계산된 용량 정도의 전력만을 공급할 수 있는 한계를 가졌다.

이로 인해, 계산된 용량 이상의 전력 사용이 발생하는 경우 이를 충당 또는 보조하여 증가된 전력량을 완충할 수 있는 방법이 없기 때문에 다른 지역에 잉여 전력이 존재하더라도 전력량이 증가된 지역에서는 시스템 다운 또는 부하의 운영 정지와 같은 사고가 발생하는 문제점이 있었다. 특히, 전술한 바와 같이 상위 단에서 사고가 발생하는 경우 상위 단의 문제가 해소되기 전까지 하위단은 기능이 완전히 정지되거나 자가 발전에 의해 최소한의 기능만 수행해야 되는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명은 상위 단의 사고 발생 또는 일시적인 부하증가에 따른 추가전력의 공급이 필요한 경우 인접한 상위 단 또는 동급의 다른 단과 선택적으로 연결하여 우회로를 형성하고, 우회로를 통해 전력을 공급 받을 수 있도록 함과 아울러, 전력의 공급시 무순단 절체가 가능하도록 한 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템은 전력을 공급하는 공급단;과 복수의 입력스위치와 복수의 출력스위치로 구성되는 트랜스퍼 스위치가 각각 구비되는 복수의 수용단;을 포함하여 구성되고, 복수의 상기 입력스위치는 상기 공급단 또는 복수의 상기 수용단 중 다른 수용단을 선택적으로 연결한다.

상기 트랜스퍼 스위치는 상기 공급단과의 연결을 단속하는 제1입력스위치, 복수의 상기 수용단 중 다른 수용단의 상기 출력스위치와의 연결을 단속하며 하나 이상으로 구성되는 제2입력스위치, 부하와의 연결을 단속하는 제1출력스위치 및 복수의 상기 수용단 중 다른 수용단의 상기 제2입력스위치와의 연결을 단속하며 하나 이상으로 구성되는 제2출력스위치 및 복수의 상기 입력스위치 및 복수의 상기 출력스위치의 단속을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

상기 제어부는 복수의 상기 입력스위치 중 어느 하나만 연결상태를 유지하도록 상기 입력스위치의 단속을 제어한다.

상기 제어부는 복수의 상기 입력스위치 중 연결상태에서 차단상태로 전환되는 이전 입력스위치와 차단상태에서 연결상태로 전환되는 현재스위치의 입력단에 전력이 공급되는지의 여부 또는 상기 이전 입력스위치의 입력단에 공급되는 전력과 상기 현재 입력스위치의 입력단에 공급되는 전력의 순시피크 일치여부를 판단하여 상기 이전 입력스위치와 상기 현재 입력스위치의 상태 전환을 수행한다.

상기 제어부는 상기 현재 입력스위치와 상기 이전 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 전력의 상기 순시값을 검출하기 위한 순시값 검출기를 더 포함하여 구성된다.

상기 제어부는 상기 이전 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 이전 전력의 순시값과 상기 현재 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 현재 전력의 순시값의 크기 차이가 미리 정해진 차이값 이하인 경우 상기 이전 입력스위치와 상기 현재 입력스위치의 연결상태를 전환한다.

상기 제어부는 상기 현재전력과 상기 이전 전력의 상기 순시값의 크기 차이가 미리 지정된 한계시간을 초과하여 상기 차이값 이상으로 유지되는 경우 상기 연결상태를 강제 전환한다.

본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템은 상위 단의 사고 발생 또는 일시적인 부하증가에 따른 추가전력의 공급이 필요한 경우 인접한 상위 단 또는 동급의 다른 단과 선택적으로 연결하여 우회로를 형성하고, 우회로를 통해 전력을 공급 받을 수 있도록 함과 아울러, 전력의 공급시 무순단 절체가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템의 개략적인 형태를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템을 좀 더 상세히 도시한 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 시점을 설명하기 위한 파형도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분양의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 이해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템의 개략적인 형태를 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 경우 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템(100)은 전력을 공급하는 공급단(10)과 트랜스퍼 스위치(30 : 31, 32)가 각각 구비되는 수용단(20 : 21, 22, 2N)을 포함하여 구성된다.

공급단(10)은 트랜스퍼 스위치(30)에 의해 수용단(20)과 연결되어 수용단(20)에 전력을 공급한다. 이 공급단(10)은 한국전력과 같은 사용전력원, 태양광, 풍력, 파력, 조력, 지열, 열병합, 화력 등을 이용하는 독립적인 발전시스템, 전력그리드에서 수용단(20)의 상위단에 위치하는 변전소와 같은 다양한 전력원을 포함한다. 즉, 공급단(10)은 전력을 생산하거나, 중계 또는 변환하여 수용단(20)에 공급하는 주체로 정의된다. 특히, 도 1에는 공급단(10)이 하나인 것으로 도시되어 있으나, 공급단(10)이 복수로 구성되어 수용단(20)과 각각 1:1로 연결되고, 연결된 수용단(20)에 각각의 전력을 공급하도록 구성될 수 있으며, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 좀더 상세히 설명하면, 공급단(10)이 복수로 구성되고, 예를 들어 제1 내지 제m공급단으로 구성되고, 제1공급단은 제1수용단(21)에, 제2공급단은 제2수용단(22)에 연결되는 방법으로 구성될 수 있다. 그리고 이때, 제1공급단과 제2공급단은 서로 다른 전력원일 수 있으나, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

수용단(20)은 공급단(10)과 연결되어 공급단(10)으로부터 공급되는 전력에 의해 동작하거나, 하위에 배치되는 부하(40 :41, 42)에 전력을 공급하는 역할을 한다. 특히, 통상적인 상황에서 수용단(20)은 공급단(10)과 직접 연결되어 공급단(10)으로부터 직접 전력을 공급받는다. 그리고, 공급단(10)의 사고, 공급단(10)과 연결된 선로의 사고 등으로 공급단(10)으로부터 직접 전력을 공급받을 수 없거나, 일부 부하의 운영에 있어 전력이 부족한 경우 다른 수용단(20)과 연결되어 다른 수용단(20)을 통해 전력을 공급받는다. 이를 위해 수용단(20)은 공급단(10), 다른 수용단(20) 및 부하(40)와의 연결을 단속(斷續)하는 트랜스퍼 스위치(30)를 포함하여 구성된다. 이러한 수용단(20)은 변전 시설을 가지는 대형 건물, 대형 수배전반, 수변전반, 변전소, 공장과 같은 시설일 수 있으나, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 이 수용단(20) 각각은 트랜스퍼 스위치(30)의 입력스위치에 의해 공급단(10) 또는 다른 수용단(20)과 연결되고, 출력스위치에 의해 다른 수용단(20) 또는 부하(40)와 연결된다.

트랜스퍼 스위치(30)는 각 수용단(20)에 마련되고, 각각의 수용단(20)을 공급단(10) 또는 다른 수용단(20) 또는 부하(40)와 연결하는 역할을 한다. 이러한 트랜스퍼 스위치(30)는 복수의 입력스위치와 복수의 출력스위치와 스위치의 단속을 제어하기 위한 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다. 이러한 트랜스퍼 스위치(30)의 동작 및 상세 특징에 대해서는 하기에서 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템을 좀 더 상세히 도시한 예시도이다.

도 2를 참조하면, 트랜스퍼 스위치(30)는 전술한 바와 같이 입력 또는 출력 회로를 선택적으로 단속하여 공급단(10)과 수용단(20)을 연결하거나, 수용단(20)과 수용단을 연결하거나, 수용단(20)과 부하(40)를 연결하는 역할을 한다.

구체적으로 트랜스퍼 스위치(30)는 제1 및 제2입력스위치(S : S11, S12, S21, S22), 제1 및 제2출력스위치(O : O11, O12, O21, O22)와 같이 복수의 입력스위(S)와 복수의 출력스위치(O), 각 스위치(S, O)의 동작을 제어하는 제어부(31C, 32C)를 포함하여 구성된다. 여기서, 출력스위치(S)와 입력스위치(O)의 수가 각각 2인 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 이보다 더 많은 수의 스위치를 포함하여 구성될 수 있으며, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

이러한 스위치(S, O)들 중 제1입력스위치(S11, S21)는 공급단(10)과 수용단(20)의 연결을 위한 스위치이며, 제2입력스위치(S12, S22)와 제2출력스위치(O12, O22)는 수용단(20) 간의 연결을 위한 스위치이며, 제1출력스위치(O11, O21)는 부하(40)와 수용단(20) 간의 연결을 위한 스위치이다.

좀더 상세히 설명하면, 제1수용단(21)은 제1입력스위치(S11)가 연결상태일 때 제1공급단(11)과 연결되어 제1공급단(11)으로부터의 전력이 제1수용단(21)에 공급되게 한다. 그리고, 제1출력스위치(O11)가 제1제어부(31C)에 의해 연결상태가 됨으로써 제1공급단(11)으로부터의 전력이 제1부하(41)에 공급된다.

이와 같이 전력 공급이 이루어지는 중에 제1공급단(11) 또는 제1공급단(11)과 제1입력스위치(S11) 사이의 전선로에 고장이 발생하여 전력 공급이 중단되면 제1트랜스퍼스위치(31)의 제1제어부(31C)는 제1부하(41)에 지속적으로 전력을 공급하기 위해 제2수용단(22)의 제2제어부(32C)에 전력 공급을 요청한다. 그리고, 제1제어부(31C)는 제2입력스위치(S12)를 연결상태로 전환하고, 제2제어부(32c)는 제2출력스위치(O22)를 연결상태로 전환하여 제2수용단(22)으로 공급되는 전력을 제1수용단(21)에 공급되게 한다. 또한, 이러한 연결은 제1부하(41)에 의해 사용되는 전력의 양이 크게 증가하여 제1공급단(11)으로부터 공급되는 전력으로는 운영이 곤란한 경우 더 큰 전력공급 능력을 가지는 수용단(20)으로부터 전력을 공급받기 위해 이루어질 수 있다.

이와 같이 트랜스퍼 스위치(30)의 제어부(31C, 32C)는 선택적으로 입력스위치(S)의 스위칭을 수행하여, 전력공급원 공급단(10) 또는 다른 수용단(20) 중에 선택하고 선택된 공급원으로부터 전력이 공급될 수 있게 한다. 이를 통해 트랜스퍼 스위치(30)는 부하의 안정적인 운영, 전력의 분배가 이루어질 수 있게 한다.

특히, 이러한 과정에서 트랜스퍼 스위치(30)의 제어부(31c, 32c)는 공급전력의 혼용으로인한 계통 사고를 방지하기 위해 입력스위치(S) 중 어느 하나만 연결상태를 유지하도록 제어하게 된다. 구체적으로, 제1입력스위치(S11)가 연결상태인 경우 제2입력스위치(S21)는 차단상태가 되도록 제어하고, 제2입력스위치(S21)가 연결상태인 경우 제1입력스위치(S11)는 차단상태가 되도록 함으로써 공급 전력간의 혼용에 의한 사고, 전력효율 저하를 방지하게 된다.

한편, 트랜스퍼 스위치(30)의 각 스위치는 4ms 이내의 절체가 이루어지도록 하여 무순단 전력공급이 이루질 수 있게 하며, 이를 위해 사이리스터와 같은 전력용 스위치를 이용하여 구현될 수 있다.

특히, 본 발명의 트랜스퍼 스위치(30)는 무순단 절체를 위해 순간피크를 검출하고, 순간피크의 일치 순간에 스위칭을 수행하게 된다. 이를 위한 참조도가 도 3에 도시되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭 시점을 설명하기 위한 파형도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 트랜스퍼 스위치(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 검출기(31S, 32S)를 포함하여 구성되고, 검출기(31S, 32S)로부터 검출된 순간피크 값에 의해 무순단 스위칭을 수행하게 된다.

구체적으로, 제1입력스위치(S11, S21)을 통해 공급되는 전력의 주파수와 제2입력스위치(S12, S22)를 통해 공급될 전력의 주파수는 위상의 차이를 가질 수 있다. 이와 같이 위상 차이를 가지는 전력의 교차 공급이 이루어지면, 부하(40)의 소손 또는 계통의 공장이 발생할 가능성이 있다. 때문에 위상의 동기화가 필요하지만, 소형 발전기에 의해 공급되는 전력이 아닌 이상 공급되는 전력의 위상을 변경하는 것은 용이하지 않다.

이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명의 트랜스퍼 스위치(30)는 검출기(31s, 32s)를 이용하여 공급되는 전력의 순시값을 검출하고, 이를 미리 정해진 차이값과 비교하여 스위칭을 수행하게 된다.

(a)의 A와 B 그래프는 각각 제1공급단(11)으로부토 공급되는 전력과 제2수용단(22)으로부터 공급되는 전력의 위상을 도시한 그래프이다. A, B와 같이 제1공급단(11)과 제2수용단(22)으로부터 공급되는 전력의 위상은 차이를 가지게 된다.

때문에 본 발명의 트랜스퍼 스위치(30)에는 미리 차이값(D)이 저장된다. 트랜스퍼 스위치(30)의 제어부(31C, 32C)는 스위칭이 필요한 시점(T1) 이후에 각 전력의 순시값을 측정하고 순시값의 차이가 차이값 이하인 경우 스위칭을 수행하게 된다. 이를 통해 (b)와 같은 파형은 전력이 부하(40)에 공급되게 됨으로써, 큰 위상차이를 가지는 전력이 공급됨으로써 발생될 수 있는 부하의 소손, 그리드의 고장 및 전파를 방지할 수 있게 된다.

특히, 제어부(31c, 32c)는 미리 지정된 한계시간을 초과하여 순시값의 차이가 차이값(D) 이하로 저하되지 않는 경우 강제 절체를 수행함으로써 부하(41)에의 전력 공급이 원할하게 이루어질 수 있게 한다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

10 : 공급단 11 : 제1공급단
12 : 제2공급단 20 ; 수용단
21 : 제1수용단 22 : 제2수용단
30 : 트랜스퍼스위치 31 : 제1트랜스퍼스위치
32 : 제2트랜스퍼스위치 40 : 부하

Claims (7)

1. 전력을 공급하는 공급단;과
   복수의 입력스위치와 복수의 출력스위치로 구성되는 트랜스퍼 스위치가 각각 구비되는 복수의 수용단;을 포함하여 구성되고,
   복수의 상기 트랜스퍼스위치는
   상기 공급단과 복수의 상기 수용단을 선택적으로 연결하며, 복수의 상기 입력스위치 및 복수의 상기 출력스위치의 단속을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고,
   상기 제어부는
   복수의 상기 입력스위치 중
   연결상태에서 차단상태로 전환되는 이전 입력스위치와 차단상태에서 연결상태로 전환되는 현재 입력스위치의 입력단에 전력이 공급되는지의 여부
   또는 상기 이전 입력스위치의 입력단에 공급되는 전력과 상기 현재 입력스위치의 입력단에 공급되는 전력의 순시피크 일치여부를 판단하여 상기 이전 입력스위치와 상기 현재 입력스위치의 상태 전환을 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 트랜스퍼 스위치는
   상기 공급단과의 연결을 단속하는 제1입력스위치,
   복수의 상기 수용단 중 다른 수용단의 상기 출력스위치와의 연결을 단속하며 하나 이상으로 구성되는 제2입력스위치,
   부하와의 연결을 단속하는 제1출력스위치 및
   복수의 상기 수용단 중 다른 수용단의 상기 제2입력스위치와의 연결을 단속하며 하나 이상으로 구성되는 제2출력스위치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는
   복수의 상기 입력스위치 중 어느 하나만 연결상태를 유지하도록 상기 입력스위치의 단속을 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 현재 입력스위치와 상기 이전 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 전력의 상기 순시피크 일치여부 판단을 위해 순시값을 검출하는 순시값 검출기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 이전 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 이전 전력의 순시값과
   상기 현재 입력스위치의 상기 입력단에 공급되는 현재 전력의 순시값의 크기 차이가 미리 정해진 차이값 이하인 경우 상기 이전 입력스위치와 상기 현재 입력스위치의 연결상태를 전환하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 현재 전력의 수신값과 상기 이전 전력의 순시값의 크기 차이가 미리 지정된 한계시간을 초과하여 상기 차이값 이상으로 유지되는 경우 상기 연결상태를 강제 전환하는 것을 특징으로 하는 다중 경로 트랜스퍼 스위치를 이용한 그리드 연계 시스템.

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