KR101550755B1 - 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

유효 전력 제어 루프에서 계산되는 내부 상차각과 무효 전력 제어 루프에서 계산되는 내부 기전압에서, 전력 변환 장치의 출력 전류 목표값을 계산함으로써 계통 연계 등에 있어서, 제어 방식의 변경을 필요로 하지 않는 전력 변환기를 공급하여 취급이 용이한 자립 전원 계통을 구축하는 것을 가능하게 하였다.

Description

복합 발전 시스템용 전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS DIRECTED TO COMBINED-CYCLE POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은, 복수 타입의 전원을 가진 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지 등 축전 디바이스를 가진 축전 설비에 있어서의 전력 변환 장치에 관한 것이다.

일반적인 전력 계통은 전력 회사가 공급하는 상용 전력 계통인 바, 상용 전력 계통에 있어서, 전원 품질의 유지 관리는 주로 전력 회사에 의해서 이루어지고 있다.

한편, 상용 전력 계통에 연결되지 않은 자립 전원 계통에 있어서는, 그 전원 품질의 유지 관리는 스스로 할 필요가 있다. 이와 같은 자립 전원 계통의 예로서, 선박 내에 있어서의 전원 계통이나 일정 지역 내에 있어서 복수 종류의 전원을 조합하여 네트워크화한 마이크로 그리드(Micro Grid) 등이 있다.

특허문헌1에는, 복수의 보조 발전기와, 충방전 동작하는 전력 저장 장치와, 전기 추진기를 구비한 선박 내의 전원 계통에 있어서, 전기 추진기부에서 소비하는 전력을 검출하는 전력 검출 수단과, 시동 지시를 주는 시동 스위치와, 전력 검출 수단의 검출 신호가 문턱값 이하가 되면 전력 저장 장치를 충전 모드로 하고, 시동 스위치의 시동 지시에 의해 방전 모드로 하고, 축전하고 있는 전력을 선내 전력 모선으로 방전시키는 제어 회로를 구비하고 있다. 그리고 입항 때에 전기 추진기부의 추력을 낮추고 추진할 때에 그 소비 전력이 문턱값 이하가 되면 제어 회로에 의해 전력 저장 장치를 보조 발전기로부터 충전시키고 있다. 그리고 그 충전 동작 중에 시동 스위치의 시동 지시를 받을 경우, 전력 저장 장치를 방전 동작시켜 전기 추진기부에 그 방전 전력을 공급하고, 선박의 입항 때 이후 접안 때까지의 동안에, 보조 발전기를 구동하는 보조용 원동기를 효율 좋은 영역에서 운전함으로써 보조용 원동기가 사용하는 연료를 줄여 배기가스를 줄이는 기술이 개시되어 있다.

이와 같은 선박 내에 있어서의 전원 계통은, 일반적으로는, 상용 전력 계통과는 독립된 자립 전원 계통으로 되어 있고, 부두에 접안한 계류 중에는 상용 전력 계통과 연계하여 전력의 공급을 받는다.

특허문헌2에는, 원동기 발전기와, 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 자연에너지를 이용한 분산 전원과, 이차전지를 구비한 축전 설비를 가진 마이크로 그리드에 있어서, 축전 설비에 구비한 전력 변환 장치를 이용하여 마이크로 그리드의 안정성과 품질을 확보하는 기술이 개시되어 있다.

선박 내의 전원 계통이나 마이크로 그리드 등은, 원동기 발전기나 이차전지와 전력 변환기로 구성되는 전력 저장 장치 외에, 태양 전지를 이용한 발전기나 연료 전지를 이용한 발전기 등 다양한 전원으로 이루어지는 복합 발전 시스템을 구성하고 있다.

특허문헌3에는, 전력 저장 장치에 이용되며, 부하 전류 등의 검출 수단을 별도로 설치하지 않고 부하 전류의 고조파 성분이나 불평형분을 부담할 수 있는 전력 변환 장치에 관한 기술이 개시되어 있다. 즉, 전력 변환 장치는, 제어부와, 이차전지의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 또한 출력선을 통하여 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 이차전지에 저장하는 것이 가능한 전력 변환부를 구비하고 있다. 제어부는, 가상 발전 장치가 전력 변환부 및 이차전지 대신에 미리 설치되어 있으며, 전력 변환부의 출력선 전압에 따라 출력해야 할 전류값을 계산하여 전류 지시값으로 정하는 가상 발전 장치 모델부와, 전류 지시값에 해당하는 전류를 출력선에 출력하도록 구성된 제어 신호 발생부를 가지고 있다. 그리고 가상 발전 장치 모델부에서는, 엔진 모델이 가버너 모델에서 계산되는 연료 공급량을 엔진의 응답 특성을 고려하지 않고 그 엔진의 기계적 토크로 변환해서 이용하여 발전기의 각속도 및 위상각을 계산하는 기술이 개시되어 있다.

전력 변환 장치에는 그 제어 방법에 착안하여 전류 제어형과 전압 제어형의 2종류가 있다. 특허문헌4에는, 전류 제어형 전력 변환기의 기술이 개시되어 있다. 즉, 전력 저장에 직류 전원을 이용한 전력 저장 장치와 동기 발전기로 구성되는 자립 전원 계통의 부하 변동을 억제하도록 구성한 병렬 운전 장치의 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 해당 병렬 운전 장치에 있어서 부하의 급변이나 불평형 부하에 충분히 대응할 수 있는 것으로 하기 위하여, 주파수 설정값과 자립 전원 계통의 주파수 수하 특성에 의한 음의 보정량으로 이루어지는 신호를 주파수 제어기에 입력하여 유효 전류 설정값을 얻고, 또 전압 설정값과 자립 전원 계통의 전압 실효값의 편차에 전압 수하 특성에 의한 음의 보정량으로 이루어지는 신호를 전압 제어기에 입력하여 무효 전류 설정값을 얻도록 해당 병렬 운전 장치를 구성한 기술이 개시되어 있다.

특개 2010-116071호 공보 특개 2007-129845호 공보 특개 2009-225599호 공보 특개 2007-020361호 공보

전력 변환 장치는 제어 방식에 따라 전류 제어형과 전압 제어형으로 분류되는 것은 전술한 바와 같다. 각 제어 방식의 특징을 나타내면 다음과 같다.

전류 제어형 전력 변환 장치는 연결되는 계통의 전압/주파수에 관계없이 소정의 전류를 출력하도록 제어된다. 주로 계통 연계용 전력 변환 장치로서 이용된다. 전압/주파수는 다른 발전 설비(상업용 계통, 원동기 발전기 등)에 의해 유지되고 있는 것을 전제로 하고 있으며, 단독 혹은 전류 제어형 전력 변환 장치끼리에서의 자립 운전은 할 수 없다.

한편, 전압 제어형 전력 변환 장치는 출력 전류에 관계없이 일정한 전압/주파수의 전력을 출력하도록 제어된다. 주로 단독에서의 자립 운전용 전력 변환 장치로서 사용된다. 계통과의 연계 운전이나 전압 제어형 전력 변환 장치끼리의 병렬 운전은, 출력이 일정하지 않기 때문에 사용할 수 없다.

그 다음에, 전원 계통에 있어서의 과제에 대하여 설명한다.

마이크로 그리드나 선박 내의 자립 전원 계통에서는, 특성이 다른 복수의 발전 설비를 조합한 복합 발전 시스템을 구성하고, 이를 운용 상황에 따라 일반 상용 계통과 연계하는 것이 있다. 발전 설비에는 디젤 발전기나 가스 터빈 발전기, 가스 엔진 발전기 등 원동기 발전기 외에, 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 자연에너지 발전기, 연료전지, 이차전지 등 발전 설비가 있다. 이 가운데 태양광 발전기, 연료 전지, 이차전지 등은 직류 전원이며, 교류 전력 계통에 연결하기 위하여 직류를 교류로 변환하기 위해 전력 변환 장치가 사용되고 있다.

마이크로 그리드 등에서는, 일반 상용 계통과의 연계 운전과 자립 운전 모두를 할 수 있는 것이 요구되는 경우가 많다. 또, 자립 운전에 있어서는 발전 설비의 구성이 변경되는 경우가 있으며, 상황에 따라서는 전력 변환 장치를 이용한 발전 설비만으로 전원 계통이 구성되는 경우도 있다.

마이크로 그리드 등이 일반 상용 계통과 연계하고 있는 경우, 마이크로 그리드 등 전력 변환 장치는, 전술한 바와 같이 전류 제어형이 된다.

여기서, 마이크로 그리드 등을 일반 상용 계통에서 분리하여 자립 운전하는 경우를 생각한다. 마이크로 그리드 내에 원동기 발전기가 포함되는 경우, 자립 전원 계통의 전압/주파수는 원동기 발전기에 의해 유지 제어되고, 전력 변환 장치는 전류 제어형으로 운전되고 있는 바, 부하 변동은 과도적으로 원동기 발전기가 전부 부담하게 되고, 계통의 전원 품질은 원동기 발전기의 특성이나 용량에 의존하게 된다. 이때 원동기 발전기는 대용량의 것이 필요하게 된다.

한편, 마이크로 그리드가 전력 변환 장치를 이용한 전원만으로 구성되는 경우, 모든 전력 변환 장치가 전류 제어형인 경우, 전압/주파수가 일정하지 않게 되어 운전할 수가 없다. 이 때문에, 1대를 전압 제어형으로 전환할 필요가 있다. 다만, 과도한 부하 변동은 전압 제어형 전력 변환 장치 1대가 부담하는 것이 되기 때문에, 부하 변동의 대응성은 전압 제어형 전력 변환 장치의 용량에 제한받는다. 또, 전압 제어형 전력 변환 장치는 반드시 운전을 해 둘 필요가 있고, 출력 변동에 추종할 수 있는 전원일 필요가 있다.

전술한 바와 같이, 복수의 전압 제어형 전력 변환 장치를 병렬 운전하였을 경우, 각 전력 변환 장치의 부하 분담 비율이 일정하지 않게 되어 버린다. 이를 피하는 방법으로, 전압 제어형 전력 변환 장치의 출력을 전압/주파수에 대하여 수하 특성을 갖게 하여 부하 분담을 안정적으로 하는 방법이 있다. 그러나 전력 변환 장치의 임피던스는 낮고, 전력 변환 장치 사이의 작은 전압차로 출력 밸런스가 크게 무너져 버리기 때문에 수하 특성만으로는 안정된 운전을 할 수가 없다.

자립 운전을 하고 있던 마이크로 그리드 등을 상용 전력 계통과 연계하는 경우, 전압 제어형으로 운전하고 있던 전력 변환기는 전류 제어형으로 그 제어 방법을 전환할 필요가 생긴다.

본 발명이 목적으로 하는 바는, 마이크로 그리드 등 복합 발전 시스템에 있어서, 자립 운전에서 연계 운전으로 전환할 때에, 제어 방식의 변경을 할 필요가 없는 전력 변환 장치를 제공하는 데 있고, 아울러 계통에 대용량의 원동기 발전기를 필요로 하지 않는 전력 변환 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 축전 디바이스와 전력 변환기를 가진 축전 설비를 포함하는 복수의 발전 설비로 이루어지는 전원 계통에 있어서, 상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과, 상기 전원 계통의 주파수를 측정하는 주파수 측정 수단과, 상기 축전 설비의 출력단에 있어서의 유효 전력 및 무효 전력을 측정하는 전력 측정 수단과, 시스템 제어 장치를 가지며, 상기 시스템 제어 장치는, 유효 전력 지시값과 상기 전력 측정 수단에서 측정된 유효 전력의 편차를 비례 연산하는 제1 비례 연산기와, 해당 제1 비례 연산기의 출력에 기준 주파수를 가산하여 주파수 지시값을 계산하는 제1 가산기를 갖는 주파수 지시값 연산부와, 상기 주파수 지시값 연산부에서 연산된 주파수 지시값과 상기 주파수 측정 수단에서 측정된 주파수의 편차를 적산하여 내부 상차각을 계산하는 내부 상차각 연산부와, 무효 전력 지시값과 상기 전력 측정 수단에서 측정된 무효 전력의 편차를 비례 연산하는 제2 비례 연산기와, 해당 제2 비례 연산기의 출력에 기준 전압을 가산하여 내부 기전압 지시값을 계산하는 제2 가산기를 갖는 내부 기전압 지시값 연산부와, 상기 내부 상차각과, 상기 내부 기전압 지시값과, 상기 전압 측정 수단에서 측정된 전압에서 상기 전력 변환기의 출력 전류의 지시값을 계산하는 전류 지시값 연산부를 구비하며, 상기 출력 전류의 지시값을 출력하여 상기 전력 변환기를 제어한다.

본 발명에 말하는 '복합 발전 시스템'이란, 복수의 발전 설비와 부하 설비로 구성된 전원 계통이며, 상용 전력 계통과 연계를 하고 있을 수 있고, 상용 전력 계통과 연계를 하지 않은 자립 전원 계통일 수도 있다. 또한, '발전 설비'로서 축전 설비뿐이거나, 축전 설비 외에, 예를 들면 원동기 발전기를 갖고 있을 수도 있다.

이 구성에 있어서, '축전 설비'는 축전 디바이스와 전력 변환기로 이루어진다. '축전 디바이스'는, 전지나 커패시터이며, 직류 전력의 취출이 가능한 것을 말한다. 예를 들면, 일차전지, 이차전지, 전기 이중층 커패시터 혹은 연료전지를 들 수 있다. 전기의 저장을 충전, 취출을 방전이라고 칭하는 경우도 있다. 또, '전력 변환기'는 스위칭 소자로 이루어지는 전력 변환 회로와 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF) 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부로 구성된다. 또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 해당 전력 변환기 외에, 전압계 등 각종 측정기를 구비하고 제어 장치를 포함한 것 을 말한다.

유효 전력 지시값 및 무효 전력 지시값은, 미리 설정된 소정의 수치이며, 변경이 가능한 상수값이어도 좋고, 예를 들면 맨 머신 시스템을 통하여 설정이 가능하게 되어 있어도 좋다. 마찬가지로 기준 전압 및 기준 주파수는 제어 동작의 기준 설정값이며, 예를 들면 맨 머신 시스템을 통하여 변경이 가능하게 되어 있어도 좋다.

전력 변환기의 PWM 제어부는, 예를 들면 전력 변환기의 출력 전류가 주어진 전류 지시값이 되도록, 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF) 제어한다. 이러한 전력 변환기를 전류 제어형 전력 변환기라고 칭하는 경우가 있다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 내부 기전압 지시값 연산부에 있어서, 상기 제2 가산기의 출력에서, 상기 축전 설비의 내부 임피던스와 상기 축전 설비와 상기 전원 계통 사이의 외부 임피던스의 합인 총 임피던스로 의한 전압 강하를 빼서 상기 내부 기전압 지시값을 구한다.

이 구성에 따르면, 축전 설비를 내부 기전력과 임피던스를 갖는 발전기로서 스를 발전기로서 인식하고, 관련된 등가 회로에 있어서, 내부 기전력에서 생기는 내부 기전압을 구하여 내부 기전압 설정값으로 하고 있다.

'내부 임피던스'는, 예를 들면 테브난 정리에 의해 구할 수 있다. 실제의 내부 임피던스는 일반적으로 매우 작은값이라고 하고 있다. '외부 임피던스'는 전력 변환기와 전력 계통 사이에 설치된 리액터와 배선 저항으로 이루어진다.

전류값은 측정되어 있으므로 총 임피던스가 정해지면, 계통 전압값에서 내부 기전압은 역산으로 구할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 전압의 전원과, 상기 내부 기전압 지시값으로 나타내지는 전압의 전원 사이에 상기 총 임피던스가 연결되었을 경우에, 상기 총 임피던스에 흐르는 전류값을 상기 출력 전류의 지시값으로서 출력한다.

이 구성에 따르면, 내부 임피던스를 실제의 값보다 크게 어림잡아서 거기에 흐르는 전류값을 구하고 그 전류값이 되도록 전력 변환기를 전류 제어함으로써 전력 변환기의 더욱 안정된 운전을 실현하는 것을 가능하게 한다.

그 전류값은, 무효 전력 비례 제어 루프 및 유효 전력 비례 제어 루프를 내포하는 각 연산부에서 구한 내부 기전압과 위상각에서 구해진 것이므로 겉보기는 전류 제어이지만, 전력 제어 혹은 전압 제어의 측면을 가진다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 축전 설비의 내부 임피던스 값을 실제의 값보다 크게 설정하여 상기 내부 기전압 및 상기 전류 지시값 연산부의 출력으로 한다.

이 구성에 따르면, 내부 임피던스를 크게 상정(想定)함으로써 더욱 안정된 동작을 기대할 수 있다. 내부 임피던스가 크면 손실이 큰 경우, 이와 같이 가상 임피던스를 크게 함으로써 실제로 발생하는 손실을 억제하면서 전력 변환기의 제어 동작 안정화를 도모할 수 있다. 예를 들면, 내부 임피던스가 거의 제로(0)인 경우, 총 임피던스에 있어서 저항 분을 0.1pu, 리액턴스 분을 0.4pu라고 하면 상당한 안정화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전압 측정 수단 및 상기 주파수 측정 수단이, 상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압계와, 상기 전압계의 출력을 위상 동기 연산하는 PLL 연산부를 가지며, 상기 전압계의 출력에서 상기 전원 계통의 전압을 검출함과 동시에 상기 PLL 연산부의 출력에서 상기 전원 계통의 주파수 및 위상을 검출한다.

이 구성에 따르면, 3상 교류의 전원 계통에 연결된 변성기를 통해 특정 2상(예를 들면, RS상, ST상)의 전압 순시값을 검출한다. 이것을 예를 들면 계산기에 받아들여서 PLL(Phase Locked Loop) 연산(위상 동기 연산)을 실시하여 주파수와 전압을 계산한다. 그리고 3상 교류 전원 계통에 연결된 변류기를 통하여 특정 2상(예를 들면, R상, T상)의 전류 순시값을 검출하여 전력을 계산한다. 이와 같이 하면, 전압/주파수는 일반적인 전력계에 비해 측정 지연이 작기 때문에 전압/주파수를 이용하여 부하 분담 조정을 함으로써 양호한 응답성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전력 측정 수단이, 상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압계와, 상기 전압계의 출력을 위상 동기 연산하는 PLL 연산부와, 상기 축전 설비의 출력 전류를 측정하는 전류계를 가지며, 상기 전류계의 출력과, 상기 PLL 연산부에서 계산된 전압에서 상기 유효 전력 및 상기 무효 전력을 계산한다.

이 구성에 따르면, 출력 전류가 양일 때 축전 디바이스는 방전을 하고, 전력 변환기에서 전력 계통으로 전력이 흐른다. 한편, 출력 전류가 음일 때 축전 디바이스는 충전을 하고, 전력 계통에서 전력 변환기로 전력이 흐른다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 주파수 지시값 연산부에 있어서, 상기 제1 비례 연산기의 비례 상수 및 상기 유효 전력 지시값이 각각 개별적으로 변경 가능하며, 상기 내부 기전압 지시값 연산부에 있어서, 상기 제2 비례 연산기의 비례 상수 및 상기 무효 전력 지시값이 각각 개별적으로 변경 가능하다.

이 구성에 따르면, 비례 상수나 각 지시값을 변경, 조정함으로써 축전 설비 사이 내지는 축전 설비와 그 밖의 발전기 사이의 부하 분담 조정을 쉽게 할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 제1 비례 연산기와 상기 제1 가산기 사이에 제1 시간 지연 연산기를 개재시키고, 상기 제2 비례 연산기와 상기 제2 가산기 사이에 제2 시간 지연 연산기를 개재시켜 이루어진다.

이 구성에 따르면, 시간 지연 연산기는 시간 지연 처리를 하는 연산기이며, 예를 들면, 일차 지연이어도 좋다. 또, 이동 평균이나 이차 지연일 수 있다.. 시간 지연 연산기의 전단 혹은 후단에 제한기를 설치해서 출력값을 제한할 수 있다.

이 구성에 있어서, 시간 지연 연산기에 있어서의 시간 지연 크기는 전원 계통에 연결된 원동기 발전기의 관성 모멘트에서 구할 수 있다. 또, 바람직하게는 원동기 발전기의 응답 시상수를 시간 지연 연산기의 시상수라고 할 수 있다..

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전원 계통이, 원동기 발전기 및 자연에너지를 이용한 발전기를 연결하여 이루어지는 자립 전원 계통이다.

본 발명에 말하는 자립 전원 계통이란, 상용 전원 계통과는 독립된 전원 계통을 말한다. 자립 전력 계통에서는, 일반적으로, 상용 전력 계통과 같은 계통 전압이나 주파수를 지배하는 요소는 없고, 전력 수급에 따라 주파수와 전압은 정해진다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전원 계통이, 상기 축전 설비를 복수 연결하여 이루어지는 자립 전원 계통이다.

본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치는, 상기 전원 계통에 상용 전력 계통이 차단기를 통하여 연결 가능하게 되어 있다.

본 발명에 따르면, 마이크로 그리드 등 복합 발전 시스템에 있어서, 계통 연계 운전과 자립 운전의 전환이 제어 방식을 변경하지 않고 실현 가능하다. 또, 원동기 발전기의 운전을 필요로 하지 않고, 전력 변환 장치만으로 자립 전원 계통의 운전이 가능하다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치의 제어 블록을 나타내는 도면이다.
도 2a는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 계통 전압 및 계통 주파수를 계산하는 PLL 연산부의 블록도의 일 예이다.
도 2b는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 계통 전압 및 계통 주파수를 계산하는 PLL 연산부에 있어서의 연산 처리를 나타내는 블록도의 일 예이다.
도 3a는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 주파수 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다.
도 3b는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 주파수 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 그 밖의 일 예이다.
도 4는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 상차각 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다.
도 5a는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 기전압 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다.
도 5b는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 기전압 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 그 밖의 일 예이다.
도 6a는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 전류 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다.
도 6b는, 가상적인 전압 제어형 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은, 원동기 발전기가 계통에 연계된 경우에 있어서의 수하 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 병렬 운전하였을 경우 계통 전압의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8b는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 병렬 운전하였을 경우 계통 주파수의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8c는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 병렬 운전하였을 경우 유효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8d는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 병렬 운전하였을 경우 무효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9a는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 계통 전압의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9b는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 계통 주파수의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9c는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 유효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9d는, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 무효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템용 전원 계통도의 일 예이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에서는, 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 상응하는 요소에는 동일한 부호를 부여하고 그 중복하는 설명을 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치에 대하여 도 1에 나타내는 제어 블록을 이용하여 설명한다. 여기서, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치의 제어 블록을 나타내는 도면이다.

이차전지(5)는 직류 전력 라인(7)을 통하여 전력 변환 회로(6)에 연결되어 있다. 이 전력 변환 회로(6)는 도시하지 않은 파워 반도체 소자를 고속으로 온/오프(ON/OFF)를 함에 따라 이차전지(5)로부터의 직류 전력을 소정의 교류 전력으로 변환하여 교류 전원 계통(1)에 출력하거나, 교류 전원 계통(1)로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 이차전지(5)를 충전한다. 이차전지를 대체하는 축전 디바이스로서 전기 이중층 커패시터가 있을 수 있다.

교류 전원 계통(1)에는 전원 계통의 전압을 검출하기 위하여 전압 검출기(4)와 전력 변환 회로(6)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출기(3)가 설치되어있다. 전압 검출기(4)의 출력은 배선(22)을 통하여, 전류 검출기(3)의 출력은 배선(21)을 통하여 각각 시스템 제어 장치(11)의 전압/주파수/위상 연산부(14) 및 전류 연산부(13)에 연결되어 있다. 전압 검출기(4)는 PT(Potential Transformer)로서 알려진 변성기이며, 또 전류 검출기(3)는 CT(Current Transformer)로 알려진 변류기이다.

시스템 제어 장치(11)는, 전류 연산부(13), 전압/주파수/위상 연산부(14), 유효/무효 전력 연산부(15), 주파수 지시값 연산부(40), 내부 기전압 지시값 연산부(50), 내부 상차각 연산부(60), 전류 지시값 연산부(70), 전력 변환 장치 제어부(16)로 구성되어 있다.

전력 변환 장치 제어부(16)로부터의 게이트 구동 신호(20)는 전력 변환 회로(6)에 보내진다. 게이트 구동 신호(20)는, 파워 반도체 소자의 게이트를 PWM 제어함에 따라 이차전지(5)의 직류 전력은 원하는 전압, 주파수, 위상의 교류 전력으로 변환되어 교류 전력 계통(1)에 공급된다. 혹은 교류 전원 계통(1)으로부터의 교류 전력이 직류 전력으로 변환되어 이차전지(5)를 충전한다.

이차전지(5)에는 이차전지의 상태를 검출하기 위한 전압, 전류, 온도, 압력 등의 전지 상태 검출기(17)가 장착되어 있으며, 이차전지 감시 장치(18)에 있어서 이차전지의 상태를 감시하는 외에, 이차전지(5)의 SOC(State Of Charge)의 계산을 한다.

이차전지 감시 장치(18)는 배선(23)을 통하여 시스템 제어 장치(11)에 연결되어 있고, 이차전지(5)의 상태에 이상을 감지하였을 경우, 전력 변환 장치 제어부(16)를 통하여 전력 변환 회로(6)의 운전을 중지한다.

그 다음에, 도 2 내지 도 7을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치에 대해 상세히 설명한다.

(1) 전압/주파수/위상 연산부와 PLL 연산

도 2a 및 도 2b는, 전압/주파수/위상 연산부(14)에 있어서의 PLL 연산 회로(31)에 대하여 설명하는 도면이다. 교류 전원 계통(1)의 전압 및 주파수는 이 PLL 연산 회로(31)에서 계산된다. 여기에, 도 2a는, 계통 전압 및 계통 주파수를 계산하는 PLL 연산부(PLL 연산 회로(31))의 블록도의 일 예이며, 도 2b는, 계통 전압 및 계통 주파수 및 위상을 계산하는 PLL 연산부(PLL 연산 회로(31))에 있어서의 연산 처리를 나타내는 블록도이다.

교류 전력 계통(1)의 주파수/위상은 전압 검출기(4)로부터의 전압 신호에 따라 PLL 연산 회로(31)에서 계산되어 구해진다. 즉, 전력 변환 회로(6)에 설치 된 전압 검출기(4)에 의해 교류 전원 계통(1)의 선간 전압 순시값(

Figure 112014000523751-pct00001
,
Figure 112014000523751-pct00002
)이 측정되어 PLL 연산 회로(31)에 입력된다(도 1 참조). PLL 연산 회로(31)에 있어서, 이 전압 순시값(
Figure 112014000523751-pct00003
,
Figure 112014000523751-pct00004
)을 이용하여 교류 전원 계통(1)의 주파수/위상이 추정 계산된다.

도 2 및 도 2b에 나타내는 PLL 연산 회로(31)의 연산 블록도에 있어서, PLL 연산 회로(31)는, 선간 전압값(

Figure 112014000523751-pct00005
,
Figure 112014000523751-pct00006
)에서 위상(φ)을 계산하는
Figure 112014000523751-pct00007
변환기(30)와,
Figure 112014000523751-pct00008
변환기(30)에 의해 계산된 위상(φ)과 PLL 연산 회로(31) 내에서 추정된 위상(φ')의 편차를 구하는 위상 비교기(32)와, 위상 편차에서 교류 전원 계통(1)의 각속도(주파수)를 추정하는 루프 필터(Loop Filter)(34) 및 추정된 각속도를 적산하여 추정 위상(φ')을 계산하는 적산기(35)로 구성되어 있다.

전원 계통(1)의 위상은, 전압 검출기(4)에서 얻어진 계통 선간 전압 순시값(

Figure 112014000523751-pct00009
,
Figure 112014000523751-pct00010
)을
Figure 112014000523751-pct00011
변환함으로써 구한다. 계통 측의 각 상의 상전압 순시값을
Figure 112014000523751-pct00012
,
Figure 112014000523751-pct00013
,
Figure 112014000523751-pct00014
라고 하고, 순시값 벡터(
Figure 112014000523751-pct00015
)을 다음 식과 같이 정의한다.

Figure 112014000523751-pct00016

오일러 식(εjφ = cosφ + jㆍsinφ)으로부터 순시값 벡터(

Figure 112014000523751-pct00017
)는 다음과 같이 표현할 수 있다.

Figure 112014000523751-pct00018

Figure 112014000523751-pct00019

여기서, 순시값 벡터(

Figure 112014000523751-pct00020
)는 a상을 기준으로 한 고정좌표계(
Figure 112014000523751-pct00021
축)을 각속도(ω)로 회전하는 벡터가 된다.

실제의 전압 검출기(4)에서 측정된 계통 순시 선간 전압값(

Figure 112014000523751-pct00022
,
Figure 112014000523751-pct00023
)과 순시 상전압(
Figure 112014000523751-pct00024
,
Figure 112014000523751-pct00025
,
Figure 112014000523751-pct00026
)은 다음과 같은 관계에 있다.

Figure 112014000523751-pct00027

Figure 112014000523751-pct00028

따라서 순시값 벡터는 순시 선간 전압에서

Figure 112014000523751-pct00029

Figure 112014000523751-pct00030

로 구해진다. 또, 다음 식으로부터 cosφ와 sinφ가 계산되어 위상(φ)이 구해진다.

Figure 112014000523751-pct00031

Figure 112014000523751-pct00032

위상 비교기(32)는, 계통 전압의 순시값으로부터 구한 위상(φ)과 PLL 연산 회로(31) 내에서 추정된 위상(φ')의 편차를 구한다. 위상 편차(φ - φ')는 오일러 식으로부터

Figure 112014000523751-pct00033

φ - φ'가 충분히 작은 경우, 이값이 대략 위상차라고 판단된다.

루프 필터(34)는, 위상 비교기(32)에서 구해진 위상 편차로부터 계통의 주파수(ωs)를 구한다. 계통 주파수는, 루프 필터(34)의 출력(ωs)에서 구해진다. 루프 필터의 전달 함수(G(s))는 다음 식으로 표시된다.

Figure 112014000523751-pct00034

추정 주파수(ωs)를 적산기(35)에서 적산하여 추정 위상각(φ')을 구한다.

여기서,

Figure 112014000523751-pct00035
좌표계에 대하여 ωt로 회전하는 dq 좌표계를 상정하고 계통의 전압을 dq 변환하여 구한다. 즉, dq 좌표계에서의 전압은,

Figure 112014000523751-pct00036

로부터

Figure 112014000523751-pct00037

이 된다.

이상과 같이 하여 전압/주파수/위상 연산부(14)는, 전압 검출기(4)로부터의 선 간 전압 순시값(

Figure 112014000523751-pct00038
,
Figure 112014000523751-pct00039
)에서 전압(Vd,Vq), 주파수(ωs), 위상(φ)을 계산한다.

(2) 전류 연산부

전류 연산부(13)는, 전압/주파수/위상 연산부(14)에서 계산된 위상(φ)을 입력으로 하고, 다음 식에 의해 전류(Id,Iq)를 계산한다.

Figure 112014000523751-pct00040

따라서 dq 좌표계에서의 전류 벡터는 다음 식이 된다.

Figure 112014000523751-pct00041

(3) 유효/무효 전력 연산부

유효/무효 전력 연산부(15)는, 전압/주파수/위상 연산부(14)와 전류 연산부(13)에서 계산된 전압(Vd,Vq)와 전류(Id,Iq)를 입력으로 하고 유효 전력(P)와 무효 전력(Q)을 계산한다.

Figure 112014000523751-pct00042

(4) 주파수 지시값 연산부

주파수 지시값 연산부(40)는, 유효 전력 지시값(Pref)과 유효 전력(P)의 편차를 이용해 비례 제어에 의해 주파수 지시값(ωref)을 계산한다. 여기서, 도 3a는 도 1의 제어 블록에 있어서, 주파수 지시값 연산부(40)의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다. 즉, 도 3a에 나타내는 바와 같이, 감산기(43)는 유효 전력 지시값(Pref)에서 유효 전력(P)을 감산하여 비례 제어기(44)에 출력한다. 비례 제어기(44)는, 감산기(43)의 출력에 비례 게인(Kv)을 곱하여 다음 단의 상하한 리미터(46)에 보낸다. 그리고 상하한 리미터(46)에서 비례 제어기(44)의 출력은 ω dr_max와 ωdr_min 사이로 제한되고, 가산기(47)에서 주파수 기준값(ωo)이 더해져서 주파수 지시값(ωref)으로서 출력된다. 주파수 기준값(ωo)으로서는, 예를 들면 60Hz가 선정되어 있다.

도 3b는 도 1의 제어 블록에 있어서, 주파수 지시값 연산부(40)의 연산 회로를 나타내는 블록도의 다른 일 예이다. 즉, 도 3a 대신에 도 3b에 나타내는 바와 같이, 비례 제어기(44)와 상하한 리미터(46) 사이에 일차 지연 연산기(45)를 배치할 수 있다. 비례 게인(Kv)은 유효 전력과 주파수 사이에 소정의 수하 특성을 갖도록 조정한다.

(5) 내부 기전압 지시값 연산부

도 5a는 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 기전압 지시값 연산부(50)의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다. 도 5a에 나타내는 바와 같이, 내부 기전압 지시값 연산부(50)는 무효 전력 지시값(Qref)와 무효 전력(Q)의 편차에서 비례 제어에 의해 내부 기전압 지시값(Ef)를 계산한다. 구체적으로는, 감산기(53)는 무효 전력 지시값(Qref)에서 무효 전력(Q)을 감산하여 비례 제어기(54)에 출력한다. 비례 제어기(54)는, 감산기(53)의 출력에 비례 게인(Kf)을 곱하여 다음 단의 상하한 리미터(56)에 보낸다. 그리고 상하한 리미터(56)에서 비례 제어기(54)의 출력은 Vdr_max와 Vdr_min 사이로 제한되고, 가산기(57)에서 전압 기준값(Vo)이 가산되어 전압 목표값(Vref)가 되고, 함수 연산기(58)에 보내어져 아래 식에 나타내는 연산이 실시되어 내부 기전압 지시값(Ef)으로서 출력된다.

Figure 112014000523751-pct00043

상기 수식에서 구해지는 내부 기전압 지시값(Ef)은, 제2 가산기(57)의 출력인 전압 목표값(Vref)에서, 축전 설비의 내부 임피던스와 축전 설비와 전원 계통 사이의 외부 임피던스의 합인 총 임피던스(r,x)에 의한 전압 강하를 빼서 구한 것이라고 말할 수 있다(도 6b 참조). 여기서, 도 6b는 가상적인 전압 제어형 전력 변환 장치를 나타내는 계통도의 일 예이다.

도 5b는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 기전압 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 다른 일 예이다. 즉, 도 5a 대신에 도 5b에 도 5b에 나타내는 바와 같이, 비례 제어기(54)와 상하한 리미터(56) 사이에 일차 지연 연산기(55)를 배치할 수 있다. 비례 게인(Kf)은 무효 전력과 출력 전압 사이에 소정의 수하 특성을 갖도록 조정한다.

(6) 내부 위상차각 연산부

도 4는 도 1의 제어 블록에 있어서, 내부 상차각 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 내부 상차각 연산부(60)는 주파수 지시값(ωref)과 주파수(ωs)의 편차에서, 내부 상차각(θ)을 계산한다. 주파수 지시값(ωref)과 주파수(ωs)는 감산기(63)에서 편차가 구해지고, 다음 단의 적산기(64)에서 적산되어 내부 상차각(θ)으로서 출력된다.

(7) 전류 지시값 연산부

도 6a는, 도 1의 제어 블록에 있어서, 전류 지시값 연산부의 연산 회로를 나타내는 블록도의 일 예이다. 도 6a에 나타내는 바와 같이, 전류 지시값 연산부(70)는 내부 기전압 지시값(Ef), 내부 상차각(θ), 전압(Vd,Vq)을 입력으로 하고, 함수 연산기(72)에서 아래 식에 나타내는 연산이 실시되어 전류 지시값(Id_ref,Iq_ref)으로서 전력 변환 장치 제어부(16)에 출력된다.

Figure 112014000523751-pct00044

상기 수식에서 구해지는 전류값은, 전압 측정 수단에 의해 측정된 계통 전압의 전원과 내부 기전압 지시값 전압의 전원 사이에 총 임피던스가 연결되었다고 하였을 경우에, 총 임피던스에 흐르는 전류값이다. 이 전류값은 전류 지시값으로서 전류 지시값 연산부(70)에서 출력된다(도 6b 참조).

그런데 실제의 축전 장치의 내부 임피던스(ra,xs)는 거의 제로(0)와 같고, 총 임피던스(r=ra+rl,x=xs+xl)은 거의 축전 설비와 전원 계통 사이의 외부 임피던스(rl,xl)과 같다. 그러나 전술한 바와 같이, 내부 기전압 지시값(Ef), 전류 지시값(Id_ref,Iq_ref)을 계산함에 있어, 축전 설비의 내부 임피던스와 축전 설비와 전원 계통 사이의 외부 임피던스의 합인 총 임피던스를 이용하기로 하였다. 특히, 축전 설비의 내부 임피던스를 가상적으로 크게 하여 총 임피던스를 구하고, 이 가상 임피던스를 이용하여 내부 기전압 지시값(Ef), 전류 지시값(Id_ref,Iq_ref)을 계산하면, 안정된 운전이 가능해진다. 왜냐하면, 복수의 전압 제어형 전력 변환 장치를 병렬 운전하였을 경우, 전력 변환 장치 간의 작은 전압차로 크게 출력 밸런스가 무너져 버리는 것은, 전력 변환 장치의 임피던스가 낮기 때문이다.

결국, 전류 지시값 연산부(70)는 가상적인 전압 제어형 전력 변환 장치가 내부 기전압 지시값 연산부와 내부 상차각 연산부의 계산으로 구한 내부 기전압을 발생시켰을 경우에 계통에 출력되는 전류값을 추정하고 있다.

이로써 전력 변환 장치의 겉보기 상의 임피던스가 상승하여 계통과의 연계 운전 때나 전력 변환 장치끼리의 병렬 운전에서 시스템이 불안정해지는 것을 억제하고 있다.

(8) 전력 변환 장치 제어부

전력 변환 장치 제어부(16)는 전압/주파수/위상 연산부(14)에서 계산된 전압(Vd,Vq)과 위상(φ) 및 전류 연산부(13)에서 계산된 전류(Id,Iq) 및 전류 지시값 연산부(70)에서 계산된 전류 지시값(Id_ref,Iq_ref)을 입력으로 하여 전력 변환 회로(6)의 출력 전류가 전류 지시값 연산부(70)에서 계산된 전류 지시값이 되도록 게이트 구동 신호(20)를 출력한다.

이차전지 감시 장치(18)에 있어서, 이차전지(5)에 이상이 발견되면, 전지 이상 신호를 배선(23)에서 시스템 제어 장치(11)의 전력 변환 장치 제어부(16)로 보내어 게이트 구동 신호(20)의 송출을 중지하고 전력 변환 회로(6)의 작동을 중지시켜 이차전지(5)의 보호를 도모한다. 이차전지의 이상으로는, 과전류, 전압 강하, 과전압, 과충전, 과방전, 전지 온도 이상, 전지 압력 이상, 장치 이상 등이 있다.

도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 복합 발전 시스템의 전원 계통도의 일 예이다. 선내 전원 계통(101)은, 특히 실체가 있다는 것이 아니라, 예컨대, 배선과 이에 연결되는 각종 발전기나 부하 설비 등으로 구성된 것이라고 할 수 있다.

선내 전원 계통(101)(이하, 간단히 전원 계통이라고 칭한다)에는 3상 교류 전력이 흐르는 바, 표기를 단순화하기 위해 단선 계통도로서 나타내어져 있다. 도 10에 나타내는 전원 계통은, 선박 내에 있어서의 것이지만, 마이크로 그리드인 경우에도 본 발명의 적용이 가능하다.

전원 계통(101)은, 공칭 전압 440V, 공칭 주파수 60Hz의 3상 교류이며, 그 계통에는, 각종 설비가 연결되어 있다. 즉, 태양 전지 유닛(103)과 전력 변환기(104)로 이루어지는 태양광 발전기(110), 이차전지(105)와 전력 변환 장치(106)로 이루어지는 축전 설비(111) 및 3대의 디젤 발전기(107a,107b,107c)가, 도 10의 전원 계통(101)의 전원 측에 연결되어 있다. 또한, 전력 변환 장치(106)는, 전력 변환 회로(6)와 그 제어 장치(11,16)로 구성되어 있다.

도 10의 전원 계통(101)의 부하 측에는 선내 전력 부하(102)와 바우 스러스터(Bow Thruster)(108)가 연결되어 있다. 선내의 조명이나 공조 외에 선내에서 소비되는 전력이 선내 전력 부하(102)가 된다. 바우 스러스터(108)는, 터그 보트(Tugboat)의 도움을 빌리지 않고 입항 때에 선박을 부두로 이동하기 위하여 설치되어 있으며, 대형 유도 전동기에 의해 구동된다.

기본적으로는, 선내에서 필요한 전기는 디젤 발전기(107)에 의해 충당된다. 태양광 발전기(110) 등의 자연에너지가 이용되는 경우가 있지만, 자연에너지는 보통, 발전 전력을 제어할 수 없기 때문에 전원 계통을 불안정화시키는 방향으로 움직인다. 본 발명에 따른 축전 설비(111)는, 디젤 발전기(107)가 추종할 수 없는 과도적인 부하 변동(예를 들면 바우 스러스터(108)의 운전 중지)나 태양광 발전기(110)에 의한 계통에의 교란을 보상하기 위하여 설치된 것이다.

또한, 선박이 부두에 접안하였을 때는, 선내에서 필요로 하는 전력은 상용 전력 계통에서 충당된다. 이 때문에, 선박의 접안 후에 계통 연계용 차단기(116)가 도시하지 않은 동기 투입 제어 장치와 협력하여 폐로(閉路)함으로써 전원 계통(101)은 상용 전력 계통(115)과 차단기(116)를 통해 연계한다.

여기서 시스템 제어 장치(11) 단독의 동작에 대하여 설명한다. 즉, 도 1에 있어서 그 밖의 발전 설비가 연결되어 있지 않은 경우에 있어서, 프로세스량이 변화하였을 때 제어 장치(11)의 동작에 대하여 설명한다.

선내의 전원 계통(101)에 있어서, 선내 부하(102,108)가 증가하였을 경우, 도 3의 드루프(droop) 특성에 의해 주파수(ωs)가 낮아진다. 주파수(ωs)가 낮아지면, 내부 상차각 연산부(60)에 있어서, 정정(整定) 상태에서 제로였던 감산기(63)의 출력은 양으로 바뀐다. 그리고 적산기(64)의 출력이 증가하여 내부 상차각(θ)이 증가한다. 이에 따라, 전류 지시값 연산부(70)에서 연산되는 전류 지시값(Id_ref)은 증가하고, 전력 변환 장치(106)에서 출력되는 d축 전류가 증가하고, 그 결과 유효 전력(P)이 증가하고, 낮아진 주파수(ωs)는 증가하여 원래값으로 돌아가려고 한다. 그러나 ωs는 선내 부하 증가 전의 값까지는 돌아오지 않는다.

한편, 유효 전력(P)의 증가로 인하여 주파수 지시값 연산부(40)의 감산기(43)의 출력은 감소하고, 그 결과 주파수 지시값 연산부(40)의 출력인 주파수 지시값(ωref)은 감소한다. 이로써 주파수(ωs)와 주파수 지시값(ωref)이 균형을 이루어 내부 상차각 연산부(60)의 감산기(63)의 출력은 0이 되어 적산기(64)의 출력 증가는 멈추고, 내부 상차각(θ)은 선내 부하 증가 후의 값으로 정정(整定)된다.

선내 부하(102,108)에 있어서 무효 전력(Q)의 소비가 증가하면, 내부 기전압 지시값 연산부(50)의 출력인 내부 기전압 지시값(Ef)은 증가하고, 전류 지시값 연산부(70)의 출력인 전류 지시값(Iq_ref)이 증가하고, 그 결과, 전력 변환 장치(106)는 필요한 전원(Q)을 공급한다. 이 동안에, 선내 전원 계통(101)의 부하 역률은 일시적으로 낮아진다.

다음에, 디젤 발전기(107)가 전원 계통(1)에 연결되어 있는 경우에 있어서 시스템 제어기(11)의 과도 응답에 대하여 선내 부하(102,108)가 증가하였을 경우를 예로 들고, 도 3a 및 도 5a를 이용하여 상세하게 설명한다.

선내 부하(102,108)가 증가하여 유효 전력(P)이 증가하면, 그 증가분의 유효 전력은 디젤 발전기(107)가 과도적으로 분담하게 된다. 즉, 유효 전력(P)이 증가하면, 주파수 지시값(ωref)이 낮아지고 내부 상차각(θ)이 작아져 전력 변환 장치(106)의 출력은 반대로 감소한다. 그 결과, 전력 변환 장치(106)의 출력 감소분과 선내 부하(102,108)의 증가분은 디젤 발전기(107)가 분담하게 된다. 디젤 발전기(107)의 출력(전원 용량)이 충분히 크면 문제가 되지 않지만, 예를 들면, 마이크로 그리드와 같이 원동기 발전기의 전원 용량이 작은 경우, 원동기 발전기가 과부하가 되고, 경우에 따라서는 운전 중지한다. 또, 과부하에서 운전하면 연비도 나빠진다.

이와 같은 현상은, 디젤 발전기(107)(원동기 발전기도 마찬가지)의 관성 모멘트로 인한 응답 지연으로 생긴다. 정상 상태에서는, 전술한 바와 같이 주파수가 감소하고, 디젤 발전기(107)와 전력 변환 장치(106)는 각각 미리 정한 드루프 특성에 따라 부하 분담하기 때문에 문제되지 않는다. 이 때문에 디젤 발전기(107) 및 전력 변환 장치(106)의 출력 지연에 차이가 없으면, 과도적으로 디젤 발전기(107)가 과부하가 될 우려가 없다.

디젤 발전기(107)와 전력 변환 장치(106)가 부하를 분담하는 상황이 도 7에 나타난다. 도 7에 있어서, 세로축이 주파수, 가로축이 전력이며, 가로축 Pg측의 그래프는 디젤 발전기(107)의 출력 특성이며, 가로축 Pbat측의 그래프가 전력 변환 장치(106)의 출력 특성이다. 최초 부하(P)를, 디젤 발전기(107)가 P1, 전력 변환 장치(106)가 P2로 분담하고 있었는 바, 선내 부하가 P'로 증가하였을 경우, 정상적으로는, 디젤 발전기(107)의 출력 곡선(1)으로 나타내는 드루프 특성에서 변화하여 P'1이 되고, 전력 변환 장치(106)의 출력 곡선(2)으로 나타내는 드루프 특성에서 변화하여 P'2가 된다.

그런데 과도 상태에서는, 전술한 바와 같이, 디젤 발전기(107)가 갖는 관성 모멘트로 인하여 주파수(ωs)는 곧바로 낮아지지 않기 때문에, 전력 변환 장치(106)의 출력은 거의 P2 그대로이다. 부족한 유효 전력은 디젤 발전기(107)가 부담한다.

도 3b 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 비례 제어기(44,54)와 상하한 리미터(46,56) 사이에 1차 지연 연산기(45,55)를 배치하면, 전력 변환 장치(106)의 응답이 그만큼 늦어져 디젤 발전기(107)의 응답에 맞추는 것이 가능해진다. 1차 지연의 크기를 조정함으로써 과도 상태에서 있어서도 전력 변환 장치(106)와 디젤 발전기(107)의 부하 분담을 적정하게 유지하는 것이 가능해진다. 바람직하게는, 1차 지연 연산기(45,55)의 시정수는 디젤 발전기(107)의 관성 모멘트에 따라 설정된다. 바람직하게는 원동기 발전기의 응답 시정수를 1차 지연 연산기(45,55)의 시정수로 할 수 있다. 예를 들면, 구체적인 숫자로서 1초로 할 수도 있다.

3대 있는 디젤 발전기(107)가 모두 중지하고 있는 경우, 선내의 필요 전력은 2대 있는 축전 설비(111)에 의해 충당되고 있다. 이때, 선내 부하(102,108)의 유효 전력(P) 소비가 증가하면, 주파수 지시값 연산부(40)에 있어서의 비례 제어기(44)의 비례 게인(Kv)으로 정해지는 드루프 비율에 따라 그 증가분을 각 축전 설비(111a,111b)가 분담한다. 무효 전력(Q)의 경우도 마찬가지로, 내부 기전압 지시값 연산부(50)에 있어서의 비례 제어기(54)의 비례 게인(Kf)으로 정해지는 드루프 비율에 따라 그 변화분을 각 축전 설비(111a,111b)가 분담한다.

이상으로 설명한 전력 변환 장치(106)는, 전류 제어형 특성과 전압 제어형 특성 모두를 겸비하므로 제어 방식의 전환을 필요로 하지 않는다.

본 발명에 따른 전력 변환 장치를 설치함으로써 다음의 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) 제어 방식의 전환을 하지 않고 자립 전원 계통과 육상의 상용 전력 계통의 연계가 가능해진다. 또, 자립 전력 계통에 있어서, 디젤 발전기와 이차전지를 이용한 축전 설비의 연계가 가능하다. 또한, 이차전지를 이용한 축전 설비에만 의한 자립 운전을 동일한 제어 방식으로 운전할 수 있어 취급이 용이해진다.

(2) 자립 운전 중의 전압, 주파수 제어를 디젤 발전기와 동일하게 실시할 수 있어 취급이 용이해진다.

<시험 결과>

도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d에 선내 전원이 축전 설비(111)뿐인 경우에 있어서, 부하 변동이 발생하였을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서, 도 8a는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 설치하고 병렬 운전하였을 경우 계통 전압의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 8b는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 설치하고 병렬 운전하였을 경우 계통 주파수의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 8c는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 설치하고 병렬 운전하였을 경우 유효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 8d는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치를 2대 설치하고 병렬 운전하였을 경우 무효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 또한, 도 8c에 있어서, (i)는 부하 유효 전력, (ii)는 2대의 전력 변환 장치 중 하나의 유효 전력, (iii)는 2대의 전력 변환 장치 중 다른 하나의 유효 전력을 나타내고 있다. 또, 도 8d에 있어서, (i)는 부하 무효 전원, (ii)는 2대의 전력 변환 장치 중 하나의 무효 전력, (iii)는 2대의 전력 변환 장치 중 다른 하나의 무효 전력을 나타내고 있다. 도 8a ~ 도 8d의 시뮬레이션 결과에 따르면,

ㆍ디젤 발전기(107)는 중지되어 있으며, 전력 변환 장치(106a,106b)를 병렬 운전하고 있다. 전력 지시는 어떤 전력 변환 장치(106)도 당초 0kW, 0kVar이다.

ㆍ 주파수 및 전압의 드루프 설정은, 3대의 디젤 발전기(107), 2대의 전력 변환 장치(106) 모두 5%.

ㆍ 1초 시점에서 선내 부하가 40kW, 30kVar에서 120kW, 90kVar로 증가. 2초 시점에서, 전력 변환 장치(106a)의 유효 전력 지시값을 120kW로 변경. 또한, 3초 시점에서 마찬가지로 무효 전력 지시값을 90kVar로 변경.

전력 변환 장치(106)의 출력은, 지시에 따르지 않고 부하 전력으로 결정되고 있다. 2대의 전력 변환 장치(106a,106b)를 병렬 운전하였을 경우, 각 전력 변환 장치(106)의 전력 지시값이 서로 같으면, 부하가 각 전력 변환 장치(106)에 균등하게 분담되는 것을 알 수 있다. 또, 한쪽의 전력 지시값을 변경하였을 경우, 다른 쪽의 출력이 자동적으로 대응하여 변화하고 있다. 따라서 정상적인 편차를 관측하고 그에 따른 전력 지시값을 줌으로써 전압,주파수의 정상값을 정격으로 유지하는 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d에 선내 전원이 디젤 발전기(107)와 축전 설비(111)인 경우에 있어서, 부하 변동이 발생하였을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서, 도 9a는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 계통 전압의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 9b는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 계통 주파수의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 9c는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 유효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 도 9d는 본 발명에 따른 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치와 디젤 발전기를 병렬 운전하였을 경우 무효 전력의 시뮬레이션 시험 결과를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9c에 있어서, (i) 디젤 발전기의 유효 전력, (ii)는 부하 유효 전력, (iii) 전력 변환 장치의 유효 전력을 나타내고 있다. 도 9d에 있어서, (i)는 디젤 발전기의 무효 전력, (ii)는 부하 무효 전원, (iii) 전력 변환 장치의 무효 전력을 나타내고 있다. 즉, 도 9a ~ 도 9d의 시뮬레이션 결과에 따르면,

ㆍ디젤 발전기(107) 및 1대의 전력 변환 장치(106a)를 병렬 운전하고 있다. 전력 변환 장치(106)의 전력 지시는 당초 0kW, 0kVar이다.

ㆍ 주파수 및 전압의 드루프 설정은, 3대의 디젤 발전기(107), 2대의 전력 변환 장치(106) 모두 5%.

ㆍ 1초 시점에서 부하가 40kW, 30kVar에서 120kW, 90kVar로 증가.

ㆍ 2초 시점에서, 전력 변환 장치(106a)의 유효 전력 지시값을 120kW로 변경. 또한, 3초 시점에서 마찬가지로 무효 전력 지시값을 90kVar로 변경

전력 변환 장치(106a)의 초기 전력은 거의 0이지만, 부하 변동 때에 일정한 비율로 부하를 분담하고 있다. 실제의 발전기와 마찬가지로, 유효 전력 및 무효 전력의 부하 변동에 대하여 신속하게 부하 분담하여 계통 주파수 및 계통 전압의 변동을 줄이고 있다. 이 점으로부터 발명에 따른 전력 변환 장치(106)는 전력 계통을 안정화하는 능력을 가진 것을 알 수 있다.

상기 설명으로부터 당업자에게는, 본 발명의 다양한 개선이나 그 밖의 실시예가 명백하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 자장 좋은 측면을 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능에 대해 실질적으로 변경할 수 있다.

본 발명은 복수 타입의 전원을 가진 복합 발전 시스템이며, 연계 운전이 되는 점이 있는 자립 전원 계통에 있어서, 전원 계통 품질의 유지 관리를 하는 전력 변환 장치로서 적합하게 사용할 수 있다. 또, 일반적인 전원 계통에도 활용할 수 있다.

1: 교류 전원 계통
3: 전류 검출기
4: 전압 검출기
5: 이차전지
6: 전력 변환 회로
7: 직류 전력 라인
8: 필터 리액터
11: 시스템 제어 장치
13: 전류 연산부
14: 전압/주파수/위상 연산부
15: 유효/무효 전력 연산부
16: 전력 변환 장치 제어부
17: 전지 상태 검출기
18: 이차전지 감시 장치
20: 게이트 구동 신호(PWM 신호)
21: 배선
22: 배선
23: 배선
30:

Figure 112014000523751-pct00045
변환부
31: PLL 연산 회로
32: 위상 비교기
34: 루프 필터
35: 적산기
40: 주파수 지시값 연산부
43: 감산기
44: 비례 제어기
45: 일차 지연 연산기
46: 상하한 리미터
47: 가산기
50: 내부 기전압 지시값 연산부
53: 감산기
54: 비례 제어기
55: 일차 지연 연산기
56: 상하한 리미터
57: 가산기
58: 함수 연산기
60: 내부 상차각 연산부
63: 감산기
64: 적산기
70: 전류 지시값 연산부
72: 함수 연산기
101: 선내 전원 계통
102: 선내 전력 부하
103: 태양 전지 유닛
104: 전력 변환기
105: 이차전지
106: 전력 변환 장치
107: 디젤 발전기
108: 바우 스러스터
110: 태양광 발전기
111: 축전 설비
115: 상용 전력 계통
116: 차단기

Claims (11)

  1. 축전 디바이스와 전력 변환기를 가진 축전 설비를 포함하는 복수의 발전 설비로 이루어지는 전원 계통에 있어서,
    상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과, 상기 전원 계통의 주파수를 측정하는 주파수 측정 수단과, 상기 축전 설비의 출력단에 있어서의 유효 전력 및 무효 전력을 측정하는 전력 측정 수단과, 시스템 제어 장치를 가지며,
    상기 시스템 제어 장치는,
    유효 전력 지시값과 상기 전력 측정 수단에서 측정된 유효 전력의 편차를 비례 연산하는 제1 비례 연산기와, 상기 제1 비례 연산기의 출력에 기준 주파수를 가산하여 주파수 지시값을 계산하는 제1 가산기를 갖는 주파수 지시값 연산부와,
    상기 주파수 지시값 연산부에서 연산된 주파수 지시값과 상기 주파수 측정 수단에서 측정된 주파수의 편차를 적산하여 내부 상차각을 계산하는 내부 상차각 연산부와,
    무효 전력 지시값과 상기 전력 측정 수단에서 측정된 무효 전력의 편차를 비례 연산하는 제2 비례 연산기와, 상기 제2 비례 연산기의 출력에 기준 전압을 가산하여 내부 기전압 지시값을 계산하는 제2 가산기를 갖는 내부 기전압 지시값 연산부와,
    상기 내부 상차각과, 상기 내부 기전압 지시값과, 상기 전압 측정 수단에서 측정된 전압에서 상기 전력 변환기의 출력 전류의 지시값을 계산하는 전류 지시값 연산부를 구비하며,
    상기 출력 전류의 지시값을 출력하여 상기 전력 변환기를 제어하고,
    상기 내부 기전압 지시값 연산부에 있어서, 상기 제2 가산기의 출력에서, 상기 축전 설비의 내부 임피던스와 상기 축전 설비와 상기 전원 계통 사이의 외부 임피던스의 합인 총 임피던스로 인한 전압 강하를 빼서 상기 내부 기전압 지시값을 구하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 전압의 전원과, 상기 내부 기전압 지시값으로 나타내지는 전압의 전원 사이에 상기 총 임피던스가 연결되었을 경우에, 상기 총 임피던스에 흐르는 전류값을 상기 출력 전류의 지시값으로서 출력하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 축전 설비의 내부 임피던스의 값을 실제의 값보다 크게 설정하여 상기 내부 기전압 및 상기 전류 지시값 연산부의 출력을 산정하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전압 측정 수단 및 상기 주파수 측정 수단이,
    상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압계와,
    상기 전압계의 출력을 위상 동기 연산하는 PLL 연산부를 가지며,
    상기 전압계의 출력에서 상기 전원 계통의 전압을 검출함과 동시에 상기 PLL 연산부의 출력에서 상기 전원 계통의 주파수 및 위상을 검출하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전력 측정 수단이,
    상기 전원 계통의 전압을 측정하는 전압계와,
    상기 전압계의 출력을 위상 동기 연산하는 PLL 연산부와,
    상기 축전 설비의 출력 전류를 측정하는 전류계를 가지며,
    상기 전류계의 출력과, 상기 PLL 연산부에서 계산된 전압에서 상기 유효 전력 및 상기 무효 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 주파수 지시값 연산부에 있어서, 상기 제1 비례 연산기의 비례 상수 및 상기 유효 전력 지시값이 각각 개별적으로 변경 가능하며,
    상기 내부 기전압 지시값 연산부에 있어서, 상기 제2 비례 연산기의 비례 상수 및 상기 무효 전력 지시값이 각각 개별적으로 변경 가능한 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 비례 연산기와 상기 제1 가산기 사이에 제1 시간 지연 연산기를 개재시키고,
    상기 제2 비례 연산기와 상기 제2 가산기 사이에 제2 시간 지연 연산기를 개재시킨 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원 계통이, 원동기 발전기 및 자연에너지를 이용한 발전기를 연결하여 이루어지는 자립 전원 계통인 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원 계통이, 상기 축전 설비를 복수 연결하여 이루어지는 자립 전원 계통인 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원 계통에 상용 전력 계통이 차단기를 통하여 연결 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템용 전력 변환 장치.
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