KR101643632B1 - 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치 - Google Patents

발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치 Download PDF

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Abstract

발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치가 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따른 발전 시스템은, 입력되는 발전 전력을 계통 전력으로 변환하여 전력 계통망으로 전달하는 전력 변환기; 및 상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저(phasor)를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값을 획득하고, 상기 추정 전압 실효값을 기초로 상기 전력 변환기를 제어하는 제어기;를 포함한다.

Description

발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치{POWER GENERATION SYSTEM AND APPARATUS FOR MEASURING GRID VOLTAGE}
본 발명은 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간 매개변수 추정 기법을 이용하여 계통 전압을 측정하는 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치에 관한 것이다.
최근, 화석 연료 고갈 및 탄소 배출량 제한 등으로 인하여 풍력 에너지, 태양 에너지 등의 신재생 에너지를 이용하는 발전 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 풍력 발전은 독일, 덴마크 등의 국가에서 총 발전량의 상당 부분을 차지할 정도로 상용화되었다.
풍력 발전은 풍속의 유무 및 증감에 따라 발전량의 변동이 심해 계통과 연계되어 운영될 경우 계통의 안정도에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 계통 운영자는 별도의 계통 연계 규정을 마련하여 풍력 발전 시스템 운영자들이 상기 계통 연계 규정을 준수하도록 요구하고 있다. 이러한 계통 연계 규정 중에서 저전압 사고 시 풍력 발전기가 계통에서 탈락하지 않고 정상 동작을 유지할 수 있도록 하기 위해 마련된 LVRT(Low Voltage Ride Through) 규정은 계통의 안정도와 신뢰도와 관련하여 매우 중요하다. 저전압 사고가 발생하게 되면 풍력 발전 시스템에서 생성된 발전 전력이 계통으로 정상적으로 유입되지 않아 과전압, 발전 시스템의 정지 및 탈락과 같은 상황이 발생될 수 있고, 이로 인해 계통의 전력공급 불균형이 야기되어 계통의 안정도 및 신뢰도가 저하될 수 있기 때문이다.
LVRT 규정은 운영자가 일정시간 동안 풍력 발전 시스템이 계통과 연계되어 계통 사고를 보상하고 계통 안정화에 참여하도록 LVRT 규정에 명시하고 있는데, LVRT 규정을 준수하며 풍력 발전 시스템을 운용하기 위해서는 신속한 저전압 사고 검출 및 대응이 요구된다.
일반적으로 저전압 사고 검출을 위해 이용되는 계통 전압 측정 기법인 기본파 성분 기법(fundamental component method)은, 저전압 사고 시에 계통 전압에 정상분, 역상분의 기본파 성분과 고조파 성분들이 발생하는 점에 착안하여 원신호의 기본파 성분만 추출할 수 있는 푸리에 변환을 이용하여 계통 전압의 크기를 측정한다. 그러나, 상기 기본파 성분 기법의 경우는 계통 전압의 한주기 평균값을 이용하여 계통 전압의 크기를 측정하기 때문에 정확한 저전압 사고 여부를 검출하기 위해서는 최소 한 주기 동안의 지연이 불가피하다. 대용량으로 설계되는 풍력 발전 시스템에서 저전압 사고가 발생되는 경우에는 한 주기의 짧은 시간에서도 직류단 캐패시터의 전압이 크게 상승하여 발전 시스템이 심각하게 소손되며 생존성에 문제가 발생하므로, 보다 신속하게 계통 전압을 측정하여 대응할 필요성이 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 보다 신속하게 계통 전압을 측정하여 저전압 사고를 검출함으로써 저전압 사고에 효과적으로 대응할 수 있는 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발전 시스템은, 입력되는 발전 전력을 계통 전력으로 변환하여 전력 계통망으로 전달하는 전력 변환기; 및 상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저(phasor)를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값을 획득하고, 상기 추정 전압 실효값을 기초로 상기 전력 변환기를 제어하는 제어기;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 장치는, 전력 계통망으로 입력되는 계통 전력의 전압을 측정하는 장치로, 상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값을 획득한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치는, 실시간 매개변수 추정 기법을 이용하여 계통 전압을 측정함으로써 신속한 사고 검출 및 효과적인 사고 대응이 가능하며, 이에 따라 발전 시스템과 연계되는 계통의 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 발전 시스템 및 계통 전압 측정 장치는 계통 전압의 주파수를 추정하여 추정된 주파수에 따르는 계통 전압의 크기를 측정할 수 있어, 보다 정밀한 계통 전압의 측정이 가능하며 사고 검출 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 제어기의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 제1 추정부 및 제2 추정부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 계통 전압 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 계통 전압 측정 방법에 따라 계통 전압을 측정한 실험 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 계통 전압 측정 장치의 계통 전압 측정 환경을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~자", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 발전 시스템(10)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 발전 시스템(10)은 발전기(110), 전력 변환기(120), 전력 계통망(130) 및 제어기(140)를 포함할 수 있다.
발전기(110)는 발전 전력을 생성할 수 있다. 발전기(110)는, 예컨대 풍력을 이용하여 상기 발전 전력을 생성하는 영구자석 동기 발전기로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 발전기(110)는, 예컨대 태양열, 태양광, 바이오매스, 소수력, 지열, 연료전지, 수소 에너지 등의 신재생 에너지를 이용하여 상기 발전 전력을 생성할 수도 있다. 발전기(110)는, 상기 발전 전력을 전력 변환기(120)로 전달할 수 있다.
전력 변환기(120)는 인가되는 발전 전력을 계통 전력으로 변환하여 전력 계통망(130)으로 전달할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 전력 변환기(120)는 발전기(110) 측의 컨버터와 전력 계통망(130) 측의 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환기(120)는 상기 컨버터들을 통해 상기 발전 전력의 전압 및 전류를 교류에서 직류로 변환한 후 다시 직류에서 교류로 변환하여 상기 계통 전력을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 발전기(110) 측의 컨버터는, 제어기(140)로부터 전송되는 제어신호에 응답하여 발전기(110)의 발전량을 제어할 수 있다. 상기 전력 계통망(130) 측의 컨버터는, 제어기(140)로부터 전송되는 제어신호에 응답하여 직류단 전압을 일정하게 유지할 수 있고 유효 전력 및 무효 전력을 제어할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 전력 변환기(120)는 일단이 상기 컨버터들 사이에 연결되고 타단이 제어기(140)와 연결되는 캐패시터를 포함할 수 있다. 전력 변환기(120)는 상기 캐패시터를 통해서 상기 직류단 전압을 제어기(140)로 제공할 수 있다. 상기 컨버터들 및 상기 캐패시터는 본 발명의 출원 시점에 공지된 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.
전력 계통망(130)은 전기를 생산, 수송하여 소비하는 각종 설비가 유기적으로 결합된 하나의 네트워크 시스템일 수 있다.
제어기(140)는 전력 변환기(120)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(140)는, 발전기(110)가 영구자석 동기발전기인 경우, 입력되는 발전기(110)의 회전속도, 발전기 전압, 전류에 대한 정보, 계통 전력의 전압 측정 결과 등을 기초로 전력 변환기(120)에서 발전기(110) 측의 컨버터를 제어할 수 있다. 다른 예를 들면, 제어기(140)는 전력 변환기(120)의 출력, 즉 전력 변환기(120)로부터 전력 계통망(130)으로 전달되는 상기 계통 전력의 전압 등을 측정하여 측정 결과에 따라 전력 변환기(120)에서 전력 계통망(130) 측의 컨버터를 제어할 수 있다.
제어기(140)는 상기 계통 전력의 전압을 측정하기 위한 구성들로, 계통 전압 센싱부(1400a) 및 계통 전압 측정부(1400b)를 포함할 수 있다.
제어기(140)는, 계통 전압 센싱부(01400a)가 상기 계통 전력의 전압을 센싱하고 계통 전압 측정부(1400b)가 상기 센싱된 전압을 기초로 소정의 매개변수 추정을 통해 실시간으로 추정 전압을 획득하여 상기 계통 전력의 전압 실효값에 상응하는 추정 전압 실효값을 획득하는 방식으로 상기 계통 전력의 전압을 측정할 수 있다. 계통 전압 센싱부 및 계통 전압 측정부(1400a, 1400b)에 대해서는 이하에서 도 2 내지 도 4를 참조하여 더 상세히 설명한다.
제어기(140)는 상기 추정 전압 실효값의 크기를 기초로 사고를 검출하여 전력 변환기(120)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(140)는 상기 추정 전압 실효값의 크기가 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는지 여부를 판단할 수 있다. 제어기(140)는 상기 추정 전압 실효값의 크기가 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 발전기(110)의 발전량이 감소되도록 전력 변환기(120)에서 발전기(110) 측의 컨버터를 제어하여 계통 전압이 안정적으로 유지될 수 있도록 한다. 제어기(140)는 상기 추정 전압 실효값의 크기가 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 무효전류 주입, 직류단 전압 안정화를 수행할 수 있도록 전력 변환기(120)의 전력 계통망(110) 측의 컨버터를 제어하여 계통 전압이 안정적으로 유지될 수 있도록 한다. 여기서, 상기 기준 범위는 연계된 전력 계통망(130)의 운용 규정에 따라 설정될 수 있다.
제어기(140)는, 푸리에 변환을 이용함에 따라 사고발생 후 적어도 한주기의 지연을 피할 수 없는 종래의 계통 전압 측정 방법과 달리, 지연없이 매개변수 추정을 통해 계통 전력의 전압을 측정할 수 있어 저전압 등의 사고를 보다 신속하게 검출할 수 있고, 이에 따라 제어기(140)는 빠르게 전력 변환기(120)를 제어하여 사고에 대응할 수 있도록 한다. 이에 따라, 발전 시스템(10)의 안정성 및 신뢰성이 보장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 제어기(140)의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 제1 추정부(1430) 및 제2 추정부(1450)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2 내지 4를 설명함에 있어서, 도 1을 함께 참조하여 설명하되, 설명의 편의를 위해 도 1에서와 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제어기(140)는 계통 전압 센싱부(1400a) 및 계통 전압 측정부(1400b)를 포함할 수 있다.
계통 전압 센싱부(1400a)는 전력 변환기(120)로부터 전력 계통망(130)으로 전달되는 계통 전력을 입력 받아 계통 전력의 전압(이하 계통 전압, v)을 센싱할 수 있다. 계통 전압 센싱부(1400a)는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 센싱 기법을 통해 계통 전압(v)을 센싱할 수 있다.
계통 전압 센싱부(1400a)는 측정 구간 동안 계통 전압(v)을 1회 센싱할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고 계통 전압 센싱부(1400a)는 해당 측정 구간에서 계통 전압(v)을 복수회 센싱할 수도 있다. 계통 전압 센싱부(1400a)는 센싱 결과인 센싱 전압(sv)을 계통 전압 측정부(1400b)로 전송할 수 있고, 입력되는 계통 전압(v)을 제2 계통 전압 추정부(1400b)로 전달할 수 있다.
한편, 도 2에서는, 계통 전압(v)이 계통 전압 센싱부(1400a)로부터 제2 계통 전압 측정부(1400b)로 전달되는 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 계통 전압 측정부(1400b)는 계통 전압 센싱부(1400a)와 독립적으로 계통 전압(v)을 입력받을 수 있고, 이 경우 계통 전압 센싱부(1400a)는 센싱 전압(sv)만을 계통 전압 측정부(1400b)로 전송할 수 있다.
계통 전압 측정부(1400b)는 오차 검출부(1410), 제1 추정부(1430) 및 제2 추정부(1450)를 포함할 수 있다.
오차 검출부(1410)는 계통 전압 센싱부(1400a)로부터 전송되는 센싱 전압(sv)과 추정 전압 사이의 오차(ε)를 검출할 수 있다. 오차 검출부(1410)는 최초 추정 동작 시, 센싱 전압(sv)과 초기 추정 전압 사이의 오차(ε)를 검출할 수 있다. 여기서, 상기 초기 추정 전압은 센싱 전압(sv)을 기초로 제1 추정부(1430)에 의해 미리 획득된 추정 전압일 수 있다.
제1 추정부(1430)는 오차 검출부(1410)로부터 전달되는 오차(ε) 및 제2 추정부(1450)로부터 전달되는 추정 위상값(Φk)을 이용하여, 계통 전압(v)에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저를 추정하여 추정 전압(ev)을 획득할 수 있다. 또한, 제1 추정부(1430)는 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값(EV)을 획득할 수 있다.
여기서, 상기 계통 전압 페이저는 실시간 매개변수 추정(on-line parameter estimation) 기법에 따라 추정될 수 있다. 이에 대해 더 상세히 설명한다.
우선, 계통 전압(v)은 직류 성분과 교류 성분을 포함하는 비정현파일 수 있다. 여기서, 상기 교류 성분은 기본파(예컨대, 60Hz) 성분뿐만 아니라 고조파 성분을 포함할 수 있고, 계통 전압(v)은 아래의 수학식 1에 따라 시간에 대한 비정현파 함수로 정의될 수 있다. 그리고, 수학식 1은 수학식 2와 같이 행렬식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014064005903-pat00001
Figure 112014064005903-pat00002
Figure 112014064005903-pat00003
Figure 112014064005903-pat00004
여기서 Vdc는 직류 성분을 나타내며, ωk는 k 번째 고조파의 각주파수를 나타내고, Vk1과 Vk2는 상기 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타내고, θ는 상기 계통 전압 페이저를 나타내고, Φ(t)는 각 고조파의 주파수 성분을 나타낸다.
추정 전압(ev)도 계통 전압(v)과 유사하게 시간에 대한 비정현파 함수로 정의될 수 있으며, 계통 전압(v)과 추정 전압(ev) 사이의 오차는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112016045270740-pat00024
상기 계통 전압 페이저의 추정을 위한 목적 함수 J(θ)는 오차(ε)의 내적으로 정의될 수 있고, 수학식 3을 이용하여 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016045270740-pat00025
목적 함수 J(θ)의 최소값을 구하기 위한 수치해석 기법 중, 경사가 음에서 양으로 변하는 점을 구하는 수치해석 기법인 경사법(gradient method)을 이용하여 상기 계통 전압 페이저의 추정 원리(update law)를 모델링할 수 있다. 이 경우 상기 계통 전압 페이저의 추정 원리는 수학식 5와 같이 정의될 수 있고, 상기 계통 전압 페이저는 수학식 6에 따라 오차(ε) 및 추정 위상값(Φk)을 기초로 계산될 수 있다.
Figure 112014064005903-pat00007
Figure 112014064005903-pat00008
여기서 γ는 0 초과의 제1 적응적 이득 계수를 나타낸다.
제1 추정부(1430)는 수학식 6에 따라 산출된 계통 전압 페이저를 이용하여 수학식 1 또는 수학식 2와 유사하게 표현되는 추정 전압(ev)을 획득할 수 있다.
제1 추정부(1430)는 상기 산출된 계통 전압 페이저 중 기본파 성분에 대해 산출된 계통 전압 페이저 V11 및 V12를 이용하여 수학식 7에 따라 추정 전압 실효값(EV)을 산출할 수 있다.
Figure 112014064005903-pat00009
제1 추정부(1430)는, 수학식 6에 따라 오차(ε) 및 추정 위상값(Φk)을 기초로 상기 계통 전압 페이저를 추정하여 추정 전압(ev)을 획득하고, 수학식 7에 따라 추정 전압 실효값(EV)을 획득하기 위해 도 3에 도시된 바와 같은 곱셈기, 가산기, 적분기, 증폭기 등을 포함하는 조합 논리 회로로 구현될 수 있다.
제2 추정부(1450)는 오차 검출부(1410)로부터 전달되는 오차(ε) 및 제1 추정부(1430)로부터 전달되는 산출된 계통 전압 페이저를 이용하여, 계통 전압(v)에서 교류 성분 중 기본파 성분과 연관된 계통 주파수를 추정하여 추정 주파수값(ωk) 및 추정 위상값(Φk)을 획득할 수 있다.
상기 계통 주파수도 상기 계통 전압 페이저와 마찬가지로 실시간 매개변수 추정 기법에 따라 추정될 수 있으며, 상기 제2 매개변수의 추정 원리는 기본파 성분(즉, 60Hz 성분) 이외의 고조파 성분은 고려하지 않고 수학식 8에 따라 오차(ε) 및 기본파 성분에 대해 산출된 계통 전압 페이저(V11, V12)를 이용하여 계산될 수 있다. 한편, 상기 계통 주파수의 추정원리를 유도하는 과정은 상기 계통 전압 페이저의 추정원리를 유도하는 과정과 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다.
Figure 112014064005903-pat00010
여기서, α는 0 초과의 제2 적응적 이득 계수를 나타낸다.
추정 위상값(Φk)은 수학식 2에서 정의된 바와 같이 추정 주파수값(ωk)을 기초로 계산될 수 있다.
제2 추정부(1450)는, 수학식 8에 따라 오차(ε) 및 산출된 계통 전압 페이저(V11, V12)를 기초로 상기 계통 주파수를 추정하여 추정 주파수값(ωk) 및 추정 위상값(Φk)을 획득하기 위해 도 4에 도시된 바와 같은 곱셈기, 가산기, 적분기, 증폭기 등을 포함하는 조합 논리 회로로 구현될 수 있다.
제어기(140)는, 계통 전압 센싱부(1400a) 및 계통 전압 측정부(1400b)에 의해 지연없이 계통 전압을 측정할 수 있어, 신속한 사고 검출 및 사고 대응이 가능하다. 또한, 제어기(140)는 계통 전압과 함께 계통 전압의 주파수도 추정하여 주파수 변화에 따른 계통 전압의 변화를 측정하므로, 측정 정밀도가 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 계통 전압 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 계통 전압 측정 방법은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 계통 전압 센싱부(1400a) 및 계통 전압 측정부(1400b)에 의해 구현될 수 있다. 도 5를 설명함에 있어서, 설명의 편의를 위해 도 1 내지 도 4를 함께 참조하되 도 1 내지 도 4에서와 중복되는 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 먼저 계통 전압 센싱부(1400a)가 입력되는 계통 전력의 전압(이하, 계통 전압)을 센싱한다(S510). 계통 전압 센싱부(1400a)는 단계 S510에 의해 획득된 센싱 전압을 계통 전압 측정부(1400b)로 전달한다(S520).
계통 전압 측정부(1400b)는 계통 전압 센싱부(1400a)로부터 전달되는 상기 센싱 전압과 추정 전압 사이의 오차를 검출한다(S530). 여기서 상기 추정 전압은 초기 추정 전압으로, 상기 센싱 전압을 이용하여 계통 전압 측정부(1400b)의 제1 추정부(1430)에서 계산된 추정 전압일 수 있다.
이어서, 계통 전압 측정부(1400b)는 검출된 오차를 이용하여 계통 전압 페이저 및 계통 주파수를 추정하여 추정 전압, 추정 전압 실효값, 추정 주파수값 및 추정 위상값을 획득한다(S540).
상세하게는, 제1 추정부(1430)는 상기 오차와 상기 추정 위상값을 기초로 상기 계통 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저를 추정하여 상기 추정 전압 및 상기 추정 전압 실효값을 획득한다.
그리고, 제2 추정부(1450)는 상기 오차와 상기 추정 전압을 기초로 상기 계통 전압에서 교류 성분 중 기본파 주파수와 연관된 계통 주파수를 추정하여 상기 추정 주파수값 및 상기 추정 위상값을 획득한다.
계통 전압 측정부(1400b)는 측정 구간이 종료되면 상기 계통 전압 페이저 및 상기 계통 주파수의 추정을 종료하여 계통 전압 측정을 종료한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 계통 전압 측정 방법은, 측정 구간별 평균값을 기초로 계통 전력의 전압을 측정하는 종래의 계통 전압 측정 방법과 달리, 지연 없이 매개변수 추정을 통해 계통 전력의 전압을 측정할 수 있어, 저전압 등의 사고를 신속하게 검출할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 계통 전압 측정 방법에 따라 계통 전압을 측정한 실험 결과를 나타낸다. 도 6의 (a)는 3상 계통 전압을 나타내며, 도 6의 (b) 내지 도 6의 (d)는 각 상의 실효값을 본 발명에 따른 계통 전압 측정 방법에 따라 측정한 결과(PI)와 기존의 기본파 성분 기법(fundamental Component Method)에 따라 측정한 결과(PA)를 나타내며, 도 6의 (b) 내지 도 6의 (d)에 표시된 숫자는 본 발명에 따른 계통 전압 측정 방법과 기본의 기본파 성분 기법이 최종 결과값에 수렴하는데 걸리는 시간 차이를 나타낸다.
도 6의 (a)를 참조하면, 0.3 s에 계통 전압의 변화가 발생하였고, 도 6의 (b) 내지 도 6의 (d)에서 계통 전압의 상별로 측정 시간차가 존재하지만, 본 발명에 따른 계통 전압 측정 방법을 이용하여 계통 전압을 측정한 결과(PI)가 기존의 기본파 성분 기법을 이용하여 계통 전압을 측정한 결과(PA)보다 최대 7ms 정도 더 신속하게 전압 변화를 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 계통 전압 측정 장치(210)의 계통 전압 측정 환경을 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 설명함에 있어서, 계통 전압 측정 장치(230)의 계통 전압 센싱부(2300a) 및 계통 전압 측정부(2300b)은 도 1에 도시된 계통 전압 센싱부(1400a) 및 계통 전압 측정부(1400b)와 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중복되는 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 계통 전압 측정 장치(230)는 발전 설비(210)로부터 전력 계통망(220)으로 전달되는 계통 전력의 전압을 측정할 수 있다. 여기서, 발전 설비(210)는 예컨대 풍력 발전 설비 등의 신재생 에너지를 이용하여 대용량의 전력을 생산하는 설비일 수 있고, 전력 계통망(220)은 전기를 생산, 수송하여 소비하는 각종 설비가 유기적으로 결합된 하나의 네트워크 시스템일 수 있다.
계통 전압 측정 장치(230)는 계통 전압 센싱부(2300a) 및 계통 전압 측정부(2300b)를 포함할 수 있고, 계통 전압 센싱부(2300a) 및 계통 전압 측정부(2300b)를 통해 상기 계통 전력의 전압을 측정할 수 있다. 계통 전압 측정 장치(230)는, 한주기의 평균값을 기초로 계통 전력의 전압을 측정하는 종래의 계통 전압 측정 장치와 달리, 사고발생 후 한주기의 지연없이도 계통 전압 센싱부(2300a) 및 계통 전압 측정부(2300b)에 의해 실시간으로 계통 전력의 전압을 측정할 수 있어 저전압 등의 사고를 신속하게 검출할 수 있다.
도 7에 도시되지는 않았으나, 계통 전압 측정 장치(230)는 전력 계통망(220)을 감시하는 모니터링 시스템에 포함되거나 모니터링 시스템과 연결될 수 있으며, 이에 따라 전력 계통망(220)의 관리자가 신속하게 저전압 사고 등에 대응할 수 있도록 한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10: 발전 시스템
110: 발전기
120: 전력 변환기
130, 220: 전력 계통망
140: 제어기
1400a: 계통 전압 센싱부
1400b: 계통 전압 측정부
210: 에너지원
230: 계통 전압 측정 장치

Claims (12)

  1. 입력되는 발전 전력을 계통 전력으로 변환하여 전력 계통망으로 전달하는 전력 변환기; 및
    상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저(phasor)를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값을 획득하고, 상기 추정 전압 실효값을 기초로 상기 전력 변환기를 제어하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분 중 기본파 성분과 연관된 계통 주파수를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 주파수값 및 추정 위상값을 획득하는, 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 계통 전력의 전압을 센싱하는 계통 전압 센싱부; 및
    상기 센싱 전압과 상기 추정 전압 사이의 오차를 검출하고, 상기 오차를 기초로 상기 계통 전압 페이저 및 상기 계통 주파수를 추정하여 상기 추정 전압, 상기 추정 전압 실효값, 상기 추정 주파수값 및 상기 추정 위상값을 획득하는 계통 전압 측정부;를 포함하는, 발전 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 계통 전압 측정부는,
    상기 오차를 검출하는 오차 검출부;
    상기 오차 및 상기 추정 위상값을 기초로 수식 1에 따라 상기 계통 전압 페이저를 추정하여 상기 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 상기 추정 전압 실효값을 산출하는 제1 추정부; 및
    상기 오차 및 상기 추정된 계통 전압 페이저를 기초로 수식 2에 따라 상기 계통 주파수를 추정하여 상기 추정 주파수값 및 상기 추정 위상값을 획득하는 제2 추정부;를 포함하는, 발전 시스템.
    수식 1
    Figure 112014064005903-pat00011

    수식 2
    Figure 112014064005903-pat00012

    (여기서, Vk1 및 Vk2는 상기 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타내고, γ는 0 초과의 제1 적응적 이득 계수를 나타내고, ε는 상기 오차를 나타내고, 상기 ωk는 k 번째 고조파의 각주파수를 나타내고, V11 및 V12는 각각 기본파 성분 대해 추정된 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타내고, α는 0 초과의 제2 적응적 이득 계수를 나타냄)
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 추정 전압 실효값은, 수식 3에 따라 산출되는, 발전 시스템.
    수식 3
    Figure 112014064005903-pat00013

    (여기서, EV는 상기 추정 전압 실효값을 나타내고, V11 및 V12는 각각 기본파 성분에 대해 추정된 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타냄)
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 추정 전압 실효값이 미리 설정된 기준 범위를 벗어나는 경우, 상기 전력 변환기가 상기 계통 전력의 전압을 상기 기준 범위 내로 유지하도록 상기 전력 변환기를 제어하는, 발전 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 발전 전력을 생성하여 상기 전력 변환기로 상기 발전 전력을 전달하는 발전기;를 더 포함하되
    상기 발전기는, 영구자석 동기 발전기인, 발전 시스템.
  8. 전력 계통망으로 입력되는 계통 전력의 전압을 측정하는 장치로,
    상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분의 진폭 및 위상과 연관된 계통 전압 페이저를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 추정 전압 실효값을 획득하고, 상기 계통 전력의 전압에서 교류 성분 중 기본파 성분과 연관된 계통 주파수를 추정하여 상기 계통 전력에 대한 추정 주파수값 및 추정 위상값을 획득하는, 장치.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 계통 전력의 전압을 측정하는 계통 전압 센싱부; 및
    상기 센싱 전압과 상기 추정 전압 사이의 오차를 검출하고, 상기 오차를 기초로 상기 계통 전압 페이저 및 상기 계통 주파수를 추정하여 상기 추정 전압, 상기 추정 전압 실효값, 상기 추정 주파수값 및 상기 추정 위상값을 획득하는 계통 전압 측정부;를 포함하는, 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 계통 전압 측정부는,
    상기 오차를 검출하는 오차 검출부;
    상기 오차 및 상기 추정 위상값을 기초로 수식 1에 따라 상기 계통 전압 페이저를 추정하여 상기 추정 전압을 획득하고, 상기 추정된 계통 전압 페이저를 이용하여 상기 추정 전압 실효값을 산출하는 제1 추정부; 및
    상기 오차 및 상기 추정된 계통 전압 페이저를 기초로 수식 2에 따라 상기 계통 주파수를 추정하여 상기 추정 주파수값 및 상기 추정 위상값을 획득하는 제2 추정부;를 포함하는, 장치.
    수식 1
    Figure 112014064005903-pat00014

    수식 2
    Figure 112014064005903-pat00015

    (여기서, Vk1 및 Vk2는 상기 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타내고, γ는 0 초과의 제1 적응적 이득 계수를 나타내고, ε는 상기 오차를 나타내고, 상기 ωk는 k 번째 고조파의 각주파수를 나타내고, V11 및 V12는 각각 기본파 성분 대해 추정된 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타내고, α는 0 초과의 제2 적응적 이득 계수를 나타냄)
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 추정 전압 실효값은, 수식 3에 따라 산출되는, 장치.
    수식 3
    Figure 112014064005903-pat00016

    (여기서, EV는 상기 추정 전압 실효값을 나타내고, V11 및 V12는 각각 기본파 성분에 대해 추정된 계통 전압 페이저의 개별 성분들을 나타냄)
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