KR101618603B1 - 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템 - Google Patents

정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서,
태양전지 어레이의 출력단에 연결되는 인버터, 상기 태양전지 어레이와 상기 인버터 사이에 위치하는 제1 차단기, 상기 인버터 후단에 위치하는 링크 리액터, 상기 인버터와 상기 링크 리액터를 선택적으로 연결시키는 바이패스 스위치, 상기 인버터에 제어 프로그램을 공급하며, 상기 제1 차단기와 상기 바이패스 스위치를 온/오프 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되며, 태양광 발전 시스템의 발전 상태를 감지하여 발전이 불가한 경우에는 태양광 발전 시스템에 포함된 인버터를 정지형 동기 조상기 역할을 수행할 수 있도록 자동으로 전환되도록 함으로써, 태양광 발전 시스템에 연결된 부하단 및 수전단의 역률을 효과적으로 보상할 수 있다.

Description

정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템{PHOTOVOLTAICS SYSTEM WITH STATIC SYNCHRONOUS PHASE MODIFIER}
본 발명은 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 좀더 자세하게는, 태양광 발전 시스템이 발전을 하지 않는 시간에 인버터의 중요 부분이며, 비교적 고가인 스위칭 소자 부분을 정지형 동기 조상기의 중요 부분으로 겸용할 수 있도록 하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
대부분의 전기 수용가들은 전력요금 절감, 에너지 절약 및 전압 강하 개선 등을 위해서 지상 역률 개선을 위한 정지형 캐패시터를 설치하여 운영한다. 이와 같이 정지형 캐패시터를 사용하는 경우 일반적으로 수전단의 지상 역률이 90% 이상으로 개선된다.
그러나, 최근에는 비선형 부하인 LED 전등, EHP(Electris Heat Pump), UPS(Uninterruptible Power Supply) 등에 의해 심야의 경부하 시 수전단의 종합 역률이 진상 상태로 유지되는 사례가 보고되고 있는 실정이나, 정지형 캐패시터로는 이러한 진상 역률을 보상할 수 없다
역률이 진상이 되면 패런티 효과로 인하여 수전단 전압이 상승하고, 전력 기기들이 과전압으로 인하여 절연 열화를 촉진시키며, 심하면 절연이 파괴되는 원인을 제공하기도 한다. 또한 진상이 되면 전력요금에 있어서도 불이익를 받게된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 정지형 캐패시터 설비를 설치하는 것에 추가하여 션트 리액터(Shunt Reactor) 설비를 설치하거나, 정지형 동기 조상기를 설치하여 해결하여야 하나, 이를 설치하려면 비교적 고가의 추가 비용과 상당한 설치 공간이 필요하다.
이러한 문제와 관련하여 인버터를 배전용 정지형 동기 조상기로 사용함으로써 역률을 보상할 수 있는 기술이 대한민국 등록실용신안공보 제0372499호에 개시되어 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제1248593호에는 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광발전 시스템의 인버터(160) 후단에 필터부(L1)를 연결하고, 인버터(160)를 PLL 제어부(200)에서 PWM 제어하여 전력 계통의 무효전력을 공급함으로써 역률을 보상 기술이 개시되어 있다.
그러나 인버터에 필터가 고정형으로 부가되어 있으며, 인버터가 전력 변환 기능과 역률 보상 기능을 동시에 수행하도록 하고 있어 2가지 기능을 모두 최적의 효율로 할 수 없는 문제가 있는바, 전력 변환 기능과 역률 보상 기능을 구분하여 선택적으로 할 수 있는 시스템이 필요한 실정이다.
이에 본 발명에서는 태양광 발전 시스템에 포함되어 있는 인버터를 태양광 발전 중에는 인버터 본연의 전력 변환 장치로 사용하고, 태양광 발전이 중지되는 시간에는 정지형 동기 조상기로 구분하여 사용할 수 있도록 하여 부하단 및 수전단의 역률을 저비용으로 효율적으로 보상하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 시스템의 발전 중지 시 인버터를 정지형 동기조상기로 사용하기 위하여 상기 태양광 발전 시스템의 발전 상태를 감지하는 감지부, 상기 감지부로부터 전달받은 태양광 발전 시스템의 발전 상태에 따라 태양광 발전을 가동 또는 중지하고, 상기 태양광 발전 시스템에 포함된 인버터가 정지형 동기 조상기 역할을 수행할 수 있도록 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된다.
이러한 특징에 따르면, 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 시스템의 발전 상태를 감지하여 발전이 불가한 경우에는 태양광 발전을 중지시키고, 태양광 발전 시스템에 포함된 인버터가 정지형 동기 조상기 역할을 수행할 수 있도록 자동으로 전환되도록 함으로써, 태양광 발전 시스템에 연결된 부하단 및 수전단의 역률을 효과적으로 보상할 수 있다.
도 1은 인버터와 필터를 이용하여 무효전력을 보상하는 종래의 태양광 발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 태양광 발전이 가동 중일 때의 본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 태양광 발전이 중지되었을 때의 본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템의 링크 리액터와 인버터의 연결구조를 나타낸 회로도이다.
도 5 는 본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템의 인버터의 역률 개선 방법을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템에 대해 자세하게 설명한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템은 태양광 발전이 수행되는 때와 수행되지 않는, 즉, 태양광 발전이 중지되었을 때 각각 서로 다른 동작을 수행하며, 이를 도 2 및 도 3을 참고로 하여 설명한다.
일반적인 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(100), 접속반(200), 인버터(400), 제어장치(500), 부하(700), 변압기(800)를 포함하여 이루어진다.
그리고 인버터는 정지형 동기 조상기와 그 회로가 유사하여 인버터에 링크 리액터를 추가로 연결하고 제어 프로그램을 변경하면, 인버터를 정지형 동기 조상기로 사용할 수 있음은 이미 공지되어 있다.
본 발명의 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템은 일반적인 태양광 발전 시스템에 제1 차단기(310), 제어장치(500), 감지부(510), 링크 리액터(600), 바이패스 스위치(610), 제2 차단기(320), 계기용 변류기(CT)(1000), 계기용 변압기(PT)(1100)를 부가하여 구성된다.
제1 차단기(310)는 태양광 발전시스템의 발전이 중지되는 경우, 태양전지 어레이(100)와 인버터(400)의 연결을 차단하는 기능을 하며, 감지부(510)의 감지 신호에 따라 제어장치(500)에 의해 온/오프된다.
제어장치(500)는 감지부(510)의 감지 신호에 따라 태양광 발전 시스템의 발전이 중지되는 경우, 제1 차단기(310)와 바이패스 스위치(610)를 오프시키고, 인버터(400)에 제공하는 프로그램을 인버터 제어 프로그램에서 정지형 동기 조상기 제어 프로그램으로 전환함으로써, 인버터(400)가 정지형 동기 조상기로 작용하도록 제어한다.
반대로 태양광 발전 시스템의 발전이 재개되는 경우에는 제1 차단기(310)와 바이패스 스위치(610)를 온시키고, 인버터(400)에 제공하는 프로그램을 인버터 제어 프로그램으로 전환하여 인버터(400)가 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 본래의 전력 변환 장치의 기능을 수행할 수 있도록 제어한다
감지부(510)는 태양광 발전 시스템의 발전 가능 여부를 판단하기 위하여 태양전지 어레이(100)의 출력 전압, 조도 등을 측정하여 제어장치(500)로 전달하며, 태양광 발전 시스템에 별도의 설비로 설치되거나, 접속반(200)에 포함시켜 설치될 수 있다.
링크 리액터(600)와 바이패스 스위치(610)는 인버터(400)와 연동하여 인버터(400)가 본래의 전력 변환 장치의 기능을 하거나 정지형 동기 조상기로 작용할 수 있도록 하며, 태양광 발전 시스템이 발전 중에는 바이패스 스위치(610)를 온시켜 인버터(400)와 링크 리액터(600)의 연동을 차단하고, 발전이 중지되는 경우에는 바이패스 스위치(610)를 오프시켜 인버터(400)와 링크 리액터(600)가 연동되게 함으로써 정지형 동기 조상기로 작용할 수 있도록 한다.
제2 차단기(320)는 태양광 발전 시스템의 보수 등 태양광 발전 시스템를 부하 및 교류 전력 계통과 완전히 차단하고자 할 경우 사용된다.
계기용 변류기(CT)(1000)는 부하단의 전류값을 측정하여 제어장치(500)로 전달하며 인버터(400)가 정지형 동기 조상기로 동작할 때, 측정된 전류값이 지상 또는 진상인지에 따라 제어장치(500)는 정지형 동기 조상기 역할을 하는 인버터(400)로 하여금 전력계통에 지상 또는 진상의 무효전력을 공급하도록 하여 역률을 조정하도록 한다.
이러한 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템의 동작을 살펴보면, 주간에 태양광 발전을 수행할 경우, 태양전지 어레이(100)가 태양광을 이용하여 발전을 수행하고, 제어장치(500)는 인버터(400)에 대하여 인버터 제어 프로그램을 동작시키며, 제1 차단기(310)와 바이패스 스위치(610)를 온 상태로 형성시킨다.
이에 따라, 태양전지 어레이(100)에서 발전된 전력은 제1 차단기(310), 인버터(400)를 거쳐 바이패스 스위치(610)를 통하여 부하(700) 또는 교류 전력 계통(900)로 전송되며, 링크 리액터(600)를 바이패스하게 된다. 따라서, 인버터(400)는 태양전지 어레이(100)에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하며, 변환된 교류 전력이 부하 또는 교류 전력 계통에 공급된다.
그러나, 도 3에 도시한 것처럼 태양광 발전이 중지되는(예로써, 야간) 경우, 제어장치(500)는 인버터(400)에 대하여 정지형 동기 조상기 제어 프로그램을 동작시키고, 제1 차단기(310) 및 바이패스 스위치(610)를 오프 상태로 형성시킨다.
이에 따라 인버터(400)는 링크 리액터(600)와 연결되며 정지형 동기 조상기 제어 프로그램에 의해 도 4에 도시한 것처럼 부하(700)의 역률을 보상하는 정지형 동기 조상기의 역할을 수행하게 된다.
그리고 이때, 인버터(400)는 계기용 변류기(CT)(1000) 및 계기용 변압기(PT)(1100)에서 측정된 전류값이 지상 또는 진상인지에 따라 전력계통에 지상 또는 진상의 무효전력을 공급하여 부하단 및 수전단의 역률을 보상한다.
도 4와 도 5에 도시한 것처럼 정지형 동기 조상기로부터 무효전력을 발생 또는 흡수하도록 하기 위해서는 인버터(400)의 출력 전압을 전원 전압보다 높게 또는 낮게 제어할 수 있어야 한다.
인버터의 출력전압은 다음과 같은 공식으로 계산된다.
Vc_peak = MI·Vdc
여기서 Vc_peak : 인버터 출력 상전압(피크치)[V]
MI : 변조지수
Vdc : dc 콘덴서 전압[V]
따라서 무효전력 발생량을 제어하기 위한 인버터 출력 전압 제어는 dc 콘덴서 전압 Vdc 제어와 인버터 스위칭 패턴의 변조지수 변경으로 가능함을 알 수 있다.
한편, 제어장치(500)는 태양전지 어레이(100)에서 출력되는 전압를 감지하는 감지부(510)와 연결되도록 형성되어 태양전지 어레이(100)의 태양광 발전 가능 여부를 판단하고, 인버터(400)를 전력 변환 장치 또는 정지형 동기 조상기로 구동하도록 제어한다.
예로써, 감지부(510)에서 감지된 전압이 기준전압 이하인 경우, 제어장치(500)는 태양광 발전을 중지시킨다. 그리고 인버터(400)에 인버터 제어 프로그램 대신 정지형 동기조상기 프로그램을 동작시키고, 제1 차단기(310) 및 바이패스 스위치(610)를 오프시킴으로써, 인버터(400)가 링크 리액터(600)와 연동되어 정지형 동기조상기로 구동되도록 한다.
한편, 감지부(510)는 태양전지 어레이(100)에서 출력되는 전압을 측정과 동시에 태양전지 어레이(100)에 설치된 조도계로부터 측정값을 전달받아 제어장치(500)에 전달함으로써, 출력전압과 조도에 따라 제어로직을 구성하여 태양광 발전 수행 여부를 판단하여 인버터(400)의 기능을 제어할 수 있도록 할 수도 있다.
이처럼, 제어장치(500)는 태양광 발전 시스템의 발전 가능 여부에 따라 태양광 발전 시스템을 가동 또는 중지시키고, 인버터(400)가 전력 변환 장치 또는 정지형 동기 조상기의 일부로 구동되도록 제어한다.
그 외에도, 제어장치(500)는 일출 이후에서 일몰 이전의 주간 시간대에는 인버터(400)가 인버터 기능을 수행하도록 제어하고, 상기 시간 이외의 시간인 야간 시간대에 인버터(400)가 정지형 동기 조상기의 일부로 동작하도록 제어할 수 있다.
이때, 제어장치(500)는 날짜에 따른 일출 시간 및 일몰 시간을 데이터베이스로 구비하였다가 해당 시간에 인버터(400)의 기능을 제어할 수 있으며, 이 데이터베이스는 제어장치(500)에서 인터넷에 접속하여 업데이트할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템에서는 태양광 발전이 수행되지 않는 야간에는 인버터(400)를 정지형 동기 조상기로 사용함으로써, 부하단에 설치된 정지형 캐페시터와 함께 지상 상태의 역률을 보상할 수 있을 뿐만 아니라, 심야의 경부하 시 등에 부하단 및 수전단의 종합 역률이 진상 상태로 되어도 이를 보상할 수 있는 각별한 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 태양전지 어레이 200 : 접속반
310 : 제1 차단기 320 : 제2 차단기
400 : 인버터 500 : 제어장치
510 : 감지부
600 : 링크 리액터 610 : 바이패스 스위치
700 : 부하 800 : 변압기
900 : 교류 전력 계통 1000 : 계기용 변류기(CT)
1100 : 계기용 변압기(PT)

Claims (5)

  1. 태양전지 어레이의 출력단에 연결되는 인버터,
    상기 태양전지 어레이와 상기 인버터 사이에 위치하는 제1 차단기,
    상기 인버터 후단에 위치하는 링크 리액터,
    상기 인버터와 연결되고 상기 링크 리액터를 선택적으로 바이패스시키는 바이패스 스위치,
    상기 인버터에 제어 프로그램을 공급하며, 상기 제1 차단기와 상기 바이패스 스위치를 온/오프 제어하는 제어장치
    를 포함하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 발전 시스템은
    상기 태양전지 어레이의 출력 전압 및 조도 중 적어도 하나를 감지하여 상기 제어장치로 전달하는 감지부,
    부하단의 전류를 측정하여 상기 제어장치에 전달하는 계기용 변류기(CT)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 인버터가 전력 변환 장치로 작용하는 경우에는 인버터 제어 프로그램을 공급하고 제1 차단기와 상기 바이패스 스위치를 온시키며, 정지형 동기 조상기로 작용하는 경우에는 정지형 동기 조상기 프로그램을 공급하고 제1 차단기와 상기 바이패스 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 감지부의 출력 전압 및 조도 중 적어도 하나를 전달받아 태양광 발전 시스템의 발전 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 계기용 변류기의 측정값을 전달받아 인버터가 지상 또는 진상의 무효전력을 전력계통에 공급하도록 제어함으로써 부하단의 역률을 보상하는 것을 특징으로 하는 정지형 동기 조상기 겸용 태양광 발전 시스템.
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