KR101734661B1 - 무순단 변환 기능을 가지는 분산 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

무순단 변환 기능을 가지는 분산 전원 장치가 개시된다. 개시된 분산 전원 장치는 전력 계통과 연결되어 부하로 전력을 공급하는 분산 전원 장치에 있어서, 소정의 전원공급원에서 출력된 전력 신호를 조정하는 3상 인버터; 및 상기 3상 인버터에 인버터 제어 신호를 인가하여 상기 3상 인버터가 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하되, 연계 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전류 제어 모드로 동작하고 단독 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전압 제어 모드로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 전압 제어 모드로 동작하는 경우 PI 제어를 통한 적분값을 이용하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하되, 연계 운전 시의 상기 전력 계통에서 상기 부하로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 이용하여 상기 적분값을 생성한다.

Description

무순단 변환 기능을 가지는 분산 전원 장치{Distributed generation system with seamless transfer}
본 발명의 실시예들은 분산 전원 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연계 운전 모드에서 단독 운전 모드로 모드 변화 시 끊임없는(seamless) 전력을 제공할 수 있는 무순단 변환 기능을 가지는 분산 전원 장치에 관한 것이다.
최근 지속적으로 증가하고 있는 에너지 소비량 중 전기 에너지가 차지하는 비중은 점차 높아지는 추세이지만, 환경 및 비용의 문제로 인해 새로운 발전 및 송전시설의 설치는 제약을 받고 있으므로 전력을 지속적으로 공급하기 위해서는 새로운 방식의 접근이 요구된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 분산 전원 기술이 각광받고 있다. 분산 전원이란 전력계통에 설치되어 있는 주발전기와는 별도로 전력 계통에 연결되어 있는 부하가 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 것이 가능한 설비를 말하며, 이러한 분산 전원은 건설기간이 짧고 첨두 부하에 대한 대응이 높으며 송전 손실이 낮은 등의 장점을 가진다. 분산 전원 장치의 일례로, BESS(Battery Energy Storage System) 등이 있다.
BESS는 기본적으로 부하 평준화, 첨두 부하 삭감, 백업 전원 기능을 가지며, 특히, 독립 지역에서는 발전기의 전력 공급 한계에 대비한 백업 전원으로써의 역할이 점점 커지고 있다. 또한, 독립 지역에서 발전기의 고장 또는 사고가 발생하는 경우, BESS는 단독으로 부하에 전력을 공급하기 위해 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 모드가 전환되어 동작된다.
보다 상세하게, 독립 지역에서 BESS는 발전기를 포함하는 전력 계통과 연계되며, 전류원으로 동작한다. 이 방식은 전력 계통이 부하의 전압 및 주파수를 제어하고 통신을 통해 BESS가 지령 전류를 출력하는 특징을 지닌다. 이러한 상호 통신을 전제로 한 BESS의 제어는 매우 효과적인 부하 분담 성능을 보이며, 최근 분산 전원들 간의 병렬 운전을 수행하는 마이크로그리드에 사용되고 있는 기법으로서, 시스템을 디자인하고 적용하는 부분에 있어서 매우 간단한 장점을 가진다.
그러나, 이 기법은 각 전원간 통신선을 필요로 하며 중앙제어기를 두고 전력량을 실시간으로 측정하여 운전 모드에 따라 시스템을 제어하기 때문에 순시적으로 변화하는 전력량에 대해 신속하게 제어 명령을 전송하기가 쉽지가 않으며, 통신 지연 때문에 과도 상태에서 과전류가 발생할 수 있다. 또한 전압 제어를 수행하고 있는 발전기에서 고장이 발생하게 되는 경우, 전체 시스템이 셧다운(Shutdown)되는 문제점이 있다.
이를 방지하기 위해, BESS는 전력 계통의 발전기를 대신하여 단독으로 전압 및 주파수 제어를 수행하여 부하에 전력을 공급하는 역할을 수행하여야 한다. 기본적으로 BESS에서 사용하는 제어는 독립 운전을 수행하기 위해 전류원에서 전압원으로 동작을 전환해야만 하므로 부하의 전압이 불안정해질 수 있다. 또한, 제어기가 전환되면서 오차 누적으로 인해 긴 과도 시간이 존재하여 전력 품질이 좋지 못하다는 단점이 있다.
한편, 모드 전환 기법으로 간접 전류 제어 기법이 제안되었지만, 단상의 경우 전류의 순시값 제어가 불가능하여 전류의 과도 상태가 좋지 않으며, 3상의 경우 전압 지령치를 생성하기 위해 비선형 함수가 포함되어 제어 모델을 얻기 어렵고, 복잡한 제어구조를 가지고 있어 연산량이 많다는 단점이 있다. 또한, 간접 전류 제어 기법을 적용하려면 기존의 제어기법을 변경하여야 하는 단점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 연계 운전 모드에서 단독 운전 모드로 모드 변화 시 끊임없는(seamless) 전력을 제공할 수 있는 무순단 변환 기능을 가지는 분산 전원 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전력 계통과 연결되어 부하로 전력을 공급하는 분산 전원 장치에 있어서, 소정의 전원공급원에서 출력된 전력 신호를 조정하는 3상 인버터; 및 상기 3상 인버터에 인버터 제어 신호를 인가하여 상기 3상 인버터가 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하되, 연계 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전류 제어 모드로 동작하고 단독 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전압 제어 모드로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 전압 제어 모드로 동작하는 경우 PI 제어를 통한 적분값을 이용하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하되, 연계 운전 시의 상기 전력 계통에서 상기 부하로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 이용하여 상기 적분값을 생성하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치가 제공된다.
상기 제어부는, 상기 부하, 상기 3상 인버터 및 상기 전력 계통이 연결된 제1 노드의 전압 신호, 상기 제1 노드의 전류 신호 및 주입 전류 신호를 인가받아 상기 3상 인버터를 제어하기 위한 제어 전압 신호를 생성하는 전류 제어기; 상기 제1 노드의 전압 신호, 주입 전압 신호 및 상기 대응되는 전류값을 입력받아 상기 적분값을 생성하는 전압 제어기; 및 연계 운전인 경우 상기 주입 전류 신호를 인가받는 인가단과 상기 전류 제어기를 연결하고, 단독 운전인 경우 상기 전압 제어기와 상기 전류 제어기를 연결하는 제1 스위치; 및 상기 제어 전압 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 상기 인버터 전압 신호를 생성하는 PWM 제어부;를 포함한다.
상기 전압 제어기는 D축 전압 제어기를 포함하되, 상기 D축 전압 제어기는, 상기 주입 전압 신호 중 D축 주입 전압 신호와 상기 제1 노드의 전압 신호 중 D축 전압 신호에 대한 뺄셈 연산을 수행하는 제1 연산부; 상기 제1 연산부의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 D축 전류값에 대한 PI 제어를 수행하여 상기 적분값 중 D축 적분값을 출력하는 제1 PI 제어부;를 포함한다.
상기 제1 PI 제어부는, 상기 제1 연산부의 출력값에 대한 비례 제어를 수행하는 제1 비례 제어부; 상기 제1 연산부의 출력값 및 상기 D축 전류값에 대한 덧셈 연산을 수행하는 제2 연산부; 상기 제2 연산부의 출력값에 대한 적분 제어를 수행하는 제1 적분 제어부; 상기 제1 비례 제어부의 출력값과 상기 제1 적분 제어부의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 상기 D축 적분값을 출력하는 제3 연산부;를 포함한다.
상기 D축 적분값은 상기 제1 스위치 중 제1-1 스위치로 인가되고, 상기 제1-1 스위치는 단독 운전인 경우 상기 D축 적분값을 상기 전류 제어기로 인가할 수 있다.
상기 전압 제어기는 Q축 전압 제어기를 포함하되, 상기 Q축 전압 제어기는, 상기 주입 전압 신호 중 Q축 주입 전압 신호와 상기 제1 노드의 전압 신호 중 Q축 전압 신호에 대한 뺄셈 연산을 수행하는 제4 연산부; 상기 제4 연산부의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 Q축 전류값에 대한 PI 제어를 수행하여 상기 적분값 중 Q축 적분값을 출력하는 제2 PI 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 제2 PI 제어부는, 상기 제4 연산부의 출력값에 대한 비례 제어를 수행하는 제2 비례 제어부; 상기 제4 연산부의 출력값 및 상기 Q축 전류값에 대한 덧셈 연산을 수행하는 제5 연산부; 상기 제5 연산부의 출력값에 대한 적분 제어를 수행하는 제2 적분 제어부; 상기 제2 비례 제어부의 출력값과 상기 제2 적분 제어부의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 상기 Q축 적분값을 출력하는 제6 연산부;를 포함할 수 있다.
상기 Q축 적분값은 상기 제1 스위치 중 제1-2 스위치로 인가되고, 상기 제1-2 스위치는 단독 운전인 경우 상기 Q축 적분값을 상기 전류 제어기로 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 계통과 연결되어 부하로 전력을 공급하는 분산 전원 장치에 있어서, 소정의 전원공급원에서 출력된 전력 신호를 조정하는 3상 인버터; 및 상기 3상 인버터에 인버터 제어 신호를 인가하여 상기 3상 인버터가 상기 부하에 전력을 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 부하, 상기 3상 인버터 및 상기 전력 계통이 연결된 제1 노드의 전압 신호, 주입 전압 신호 및 상기 분산 전원 장치가 연계 운전인 경우 상기 전력 계통에서 상기 부하로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 입력받아 PI 제어를 통한 적분값을 생성하고, 상기 적분값을 이용하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 분산 전원 장치는 연계 운전 모드에서 단독 운전 모드로 모드 변화 시 끊임없는(seamless) 전력을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전력 공급 제어 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 전원 장치의 연계 운전과 단독 운전의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연계 운전 모드를 수행하기 위한 제어부의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단독 운전 모드를 수행하기 위한 제어부의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 10는 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전력 공급 제어 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전력 공급 제어 시스템(100)은 분산 전원 장치(110) 및 전력 계통(120)를 포함하며, 부하(130)로 전력을 공급하는 시스템이다. 분산 전원 장치(110), 전력 계통(120) 및 부하(130)는 제1 노드(Node 1)에서 연결된다.
이 때, 3상 전력 공급 제어 시스템(100)은 집중 정수 모델(Lumped parameter model)로 표시되며, 편의상 3상 중 어느 하나의 상 즉, 단상 회로만을 도시하였다.
그리고, 분산 전원 장치(110)는 일례로 BESS(Battery Energy Storage System)일 수 있으며, 제1 전원공급원(VBatt)(111), 3상 인버터(112), 필터(113) 및 제어부(114)를 포함한다.
그리고, 전력 계통(120)는 제2 전원공급원(VEG)(121) 및 변압기(122)를 포함한다. 이 때, 변압기(122)는 제1 노드에서 분산 전원을 계통과 연계한다. 그리고, 스위치(STS)는 전력 계통(120)의 단선 여부와 대응된다. 즉, 스위치 온은 단선이 되지 않는 경우와 대응되고, 스위치 오프는 단선이 된 경우와 대응된다.
또한, 부하(130)는 저항, 캐패시터 및 인덕터를 포함한다.
분산 전원 장치(110)에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1 전원공급원(111)은 전력 계통(120) 외에 독자적으로 전력을 생산하는 것으로서, 태양광 발전 장치, 풍력 발전 장치 등이 제1 전원공급원(111)에 포함될 수 있다.
3상 인버터(112)은 제1 전원공급원(111)으로부터 출력된 전력 신호를 조정하여 부하(130)로 전력을 공급한다. 여기서, 3상 인버터(112)에서 출력된 전력은 필터(113)를 통해 부하(130)로 공급될 수 있다.
제어부(114)는 3상 인버터(112)를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 생성하며, 상기 인버터 제어 신호를 3상 인버터(112)로 인가한다. 따라서, 3상 인버터(112)는 인버터 제어 신호에 기초하여 부하(130)로 전력을 공급한다.
여기서, 분산 전원 장치(110)는 전력 계통(120)과 연계하여 부하(130)로 전력을 공급하는 연계 운전 모드로 동작할 수 있고, 분산 전원 장치(110) 혼자 부하(130)로 전력을 공급하는 단독 운전 모드로 동작할 수 있다.
보다 상세하게, 도 2를 참조하면, 연계 운전의 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 노드의 전압(부하 전압, Vabc)와 분산 전원 장치(110)의 전압(Vabc _ BESS)의 위상차를 이용하여 전류를 제어한다. 그러나 제2 전원공급원(121)의 고장이나 사고가 발생한다면 분산 전원 장치(110)는 전류 제어 모드에서 전압 제어 모드로 전환되고, 이와 동시에 제2 전원공급원(121)에서 공급하는 전력을 분산 전원 장치(110)가 모두 부담하여야 한다.
따라서, 분산 전원 장치(110)는 독립 운전을 하기 위해 도2 의 (b)와 같이 새로운 이와 같이 새로운 Vabc _ BESS를 생성해야 하는데, 이 때, 전압 제어기가 새롭게 추가되면서 누적 적분 값은 0에서부터 시작하게 된다. 이러한 제어가 정상 상태의 값이 되기 위해서는 제어 시간이 필요하게 되며, 과도 시간 동안 부하(130)에 걸리는 전압은 계속 불안정하게 된다.
다시 말해, 부하(130)가 저항과 인덕터로 구성되는 것으로 가정된 경우, 부하(130)의 전압(Vabc)은 아래의 수학식1과 같이 표현할 수 있으며, 이를 동기 좌표 변환을 하면 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015067398216-pat00001
Figure 112015067398216-pat00002
수학식 2에서, 부하(130)의 전류 ide와 iqe는 부하(130)에 흐르는 전류값이므로 분산 전원 장치(110)의 전류와 제2 전원공급원(121)의 전류의 합과 같으며, 이는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015067398216-pat00003
만약, 제2 전원공급원(121)의 고장으로 연계가 끊어지게 되면, 제2 전원공급원(121)에서 공급되는 전류값은 0이 되므로 부하(130)의 전류 ide와 iqe의 값도 줄어들게 된다. 그에 따라 부하(130)의 전압과 전력이 불안정해지게 되므로, 모드 전환이 되는 시점에 미리 정상 상태의 적분값을 적용하여 빠른 전압 제어를 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 분산 전원 장치(110)가 전류 제어 모드에서 전압 제어 모드로 전환이 되었을 때의 과도 시간을 감소시켜 전압의 불안정성 및 과도 성능을 개선한다. 즉, 종래의 기술에서, 제어기의 과도 시간은 PI 제어기의 누적 적분 값과 밀접한 관계에 있으며, 분산 전원 장치의 과도 현상도 같은 이유로 발생한다. 전류 제어 모드가 전압 제어 모드로 전환되면서 전압 제어기가 하나 더 추가되는데, 추가된 전압 제어기의 적분값은 초기에 0으로 되어 있어 과도 시간이 길어지는 것이다. 이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 적분값을 모드 전환 직후 미리 쌓는 방식을 통하여 과도 시간을 줄인다.
이를 통해, 본 발명은 모드 전환 시 부하(130)에 걸리는 전압을 감소시키고, 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기한 효과를 구현하기 위해, 제어부(114)는 연계 운전인 경우 분산 전원 장치(110)가 전류 제어 모드로 동작하고 단독 운전인 경우 분산 전원 장치(110)가 전압 제어 모드로 동작하도록 제어한다. 이 때, 제어부(114)는, 전압 제어 모드로 동작하는 경우 PI 제어를 통한 적분값을 이용하여 인버터 제어 신호를 생성하되, 연계 운전 시의 전력 계통(120)에서 부하(130)로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 이용하여 적분값을 생성할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 제어부(114)의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(114)의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(114)는 전류 제어기(310), 전압 제어기(320), 제1 스위치(331, 332) 및 PWM 제어부(340)를 포함한다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세하게 설명한다
전류 제어부(310)는 제1 노드의 전류 신호 및 주입 전류 신호를 인가받아 3상 인버터(112)를 제어하기 위한 제어 전압 신호를 생성한다. 이를 위해, 전류 제어부(310)는 제1 디커플링부(311), 제2 디커플링부(312), 제7 연산부(313), 제8 연산부(314), 제9 연산부(315), 제10 연산부(316), 제3 PI 연산부(317) 및 제4 PI 연산부(318)를 포함한다.
그리고, 전압 제어기(320)는 제1 노드의 전압 신호, 주입 전압 신호 및 상기 대응되는 전류값을 입력받아 적분값을 생성한다. 이를 위해, 전압 제어부(320)는 D축 전압 제어기(321) 및 Q축 전압 제어기(322)를 포함하며, 이는 서로 동일한 구조를 가진다. 즉, D축 전압 제어기(321) 및 Q축 전압 제어기(322) 각각은 제1 연산부(3211)/제4 연산부(3221) 및 제1 PI 제어부(3212)/제2 PI 제어부(3222)를 포함한다. 여기서, 제1 PI 제어부(3212)/제2 PI 제어부(3222) 각각은 제2 연산부(3213)/제5 연산부(3223), 제3 연산부(3214)/제6 연산부(3224), 제1 비례 제어부(3215)/제2 비례 제어부(3225), 제1 적분 제어부(3216)/제2 적분 제어부(3226) 및 제2-1 스위치(3217)/제2-2 스위치(3227)를 포함한다.
또한, 제1 스위치(331, 332)는 단독 운전인 경우 전압 제어기(320)와 전류 제어기(310)를 연결하고, 연계 운전인 경우 주입 전류 신호를 인가받는 주입 전류 인가단(351, 352)과 전류 제어기(310)를 연결한다. 마지막으로, PWM 제어부(340)는 제어 전압 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 인버터 전압 신호를 생성한다.
이하, 제어부(114)에 동작에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
1. 연계 운전 모드
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연계 운전 모드를 수행하기 위한 제어부(114)의 등가 회로를 도시한 도면이다. 이 때, 제1 스위치(331, 332)는 주입 전류 인가단(351, 352)과 전류 제어기(310)를 연결한다.
제1 디커플링부(311)는 제1 노드의 전류값(Iabc)에 포함되는 커플링 성분을 제거하여 id를 생성하고, 제2 디커플링부(312)는 제1 노드의 전류값(Iabc)에 포함되는 커플링 성분을 제거하여 iq를 생성한다.
그리고, 제7 연산부(313)는 제1 주입 전류 인가단(351)으로 인가된 i+ de와 id에 대한 뺄셈 연산을 수행하고, 제3 PI 제어부(317)은 제7 연산부(313)의 출력값에 대한 PI(proportional　integral) 제어를 수행하며, 제8 연산부(314)는 제3 PI 제어부(317)의 출력값에서, 제1 노드의 전압값(Vabc) 중 vd에 대한 덧셈 연산을 수행하고 iq에 대한 뺄셈 연산을 수행하여, 3상 인버터를 제어하기 위한 제어 전압 신호 중 v* d를 출력한다.
또한, 제9 연산부(315)는 제2 주입 전류 인가단(352)으로 인가된 i+ qe와 iq에 대한 뺄셈 연산을 수행하고, 제4 PI 제어부(318)은 제9 연산부(315)의 출력값에 대한 PI 제어를 수행하며, 제10 연산부(316)는 제4 PI 제어부(318)의 출력값에서, 제1 노드의 전압값(Vabc) 중 vq에 대한 덧셈 연산을 수행하고 id에 대한 덧셈 연산을 수행하여, 제어 전압 신호 중 v* q를 출력한다.
그리고, v* d와 v* q가 PWM 제어부(340)가 인가되어 인버터 제어 신호를 생성한다.
2. 단독 운전 모드
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단독 운전 모드를 수행하기 위한 제어부(114)의 등가 회로를 도시한 도면이다. 이 때, 제1 스위치(331, 332)는 전압 제어기(321, 322)과 전류 제어기(310)를 연결한다.
먼저, D축 전압 제어기(321)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
제1 연산부(3211)는 주입 전압 신호 중 D축 주입 전압 신호(V* d)와 제1 노드의 전압 신호(Vabc) 중 D축 전압 신호(Vd)에 대한 뺄셈 연산을 수행한다.
제1 PI 제어부(3212)는 제1 연산부(3211)의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 D축 전류값(i0 de_ref)에 대한 PI 제어를 수행하여 적분값 중 D축 적분값을 출력한다. 이 때, D축 적분값은 주입 제어 입력인 i*de _ ref과 동일하게 된다.
제1 PI 제어부(3212)의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1 비례 제어부(3215)는 제1 연산부(3211)의 출력값에 대한 비례 제어를 수행한다.
그리고, 제2 연산부(3213)는 제1 연산부(3211)의 출력값 및 D축 전류값(i0 de_ref)에 대한 덧셈 연산을 수행한다. 이 때, 제2-1 스위치(3217)에 의해, D축 전류값(i0 de_ref)은 기 설정된 시간(초기 시간) 동안에만 제공될 수 있다.
또한, 제1 적분 제어부(3216)은 제2 연산부(3213)의 출력값에 대한 적분 제어를 수행한다.
그리고, 제3 연산부(3214)는 제1 비례 제어부(3215)의 출력값과 제1 적분 제어부(3216)의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 D축 적분값을 출력한다.
D축 적분값은 제1 스위치 중 제1-1 스위치(331)로 인가되고, 제1-1 스위치(331)는 D축 적분값을 전류 제어기(320)로 인가한다.
다음으로, Q축 전압 제어기(322)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
제4 연산부(3221)는 주입 전압 신호 중 Q축 주입 전압 신호(V* q)와 제1 노드의 전압 신호(Vabc) 중 Q축 전압 신호(Vq)에 대한 뺄셈 연산을 수행한다.
제2 PI 제어부(3222)는 제4 연산부(3221)의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 Q축 전류값(i0 qe_ref)에 대한 PI 제어를 수행하여 적분값 중 Q축 적분값을 출력한다. 이 때, Q축 적분값은 주입 제어 입력인 i*qe _ ref과 동일하게 된다.
제2 PI 제어부(3222)의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제2 비례 제어부(3225)는 제4 연산부(3221)의 출력값에 대한 비례 제어를 수행한다.
그리고, 제5 연산부(3223)는 제4 연산부(3231)의 출력값 및 Q축 전류값(i0 qe_ref)에 대한 덧셈 연산을 수행 한다. 이 때, 제2-2 스위치(3227)에 의해, Q축 전류값(i0 qe_ref)은 기 설정된 시간 동안에만 제공될 수 있다.
또한, 제2 적분 제어부(3226)은 제5 연산부(3223)의 출력값에 대한 적분 제어를 수행한다.
그리고, 제6 연산부(3224)는 제2 비례 제어부(3225)의 출력값과 제2 적분 제어부(3226)의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 Q축 적분값을 출력한다.
Q축 적분값은 제1 스위치 중 제1-2 스위치(332)로 인가되고, 제1-2 스위치(332)는 Q축 적분값을 전류 제어기(320)로 인가한다.
정리하면, 본 발명은 독립 운전으로 모드 전환 시 전압의 불안정함을 줄이기 위해, 전압 제어기(320)에 초기 적분값을 적용하여 과도 시간을 감소시킨다. 이 때, 초기 적분값은 연계 운전 시의 전력 계통(120)에서 부하(130)로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값과 대응되며, 상기 대응되는 전류값은 제2 전원공급부(121)의 드룹(droop) 특성을 이용하여 추정될 수 있다. 여기서, 드룹은 시스템의 전력량에 따라 주파수가 일정하게 떨어지는 것을 말하는데 부하(130)의 주파수를 측정하여 제2 전원공급부(121) 의 전력량을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 전원공급부(111) 및 제2 전원공급부(121)의 전류의 전류 합을 통해 적분값을 쉽게 설정할 수 있으며, 기존에 사용하던 제어 기법을 간접 전류 제어 기법과 같은 다른 방법으로 변경할 필요가 없이 전압 제어기의 초기 적분값의 추가를 통해 구현이 가능한 장점이 있다.
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PSCAD/EMTDC 모의실험의 모델을 도시한 도면이고, 표 1에서는 모의실험에 대한 파라미터를 정리하였다.
Figure 112015067398216-pat00004
그리고, 도 7은 본 발명을 미적용한 모의실험 파형이고, 도 8은 본 발명을 적용한 모의실험 파형이다.
연계 운전부터 검출 시간까지 분산 전원 장치(110)는 전력 계통(120)의 고장 여부를 확인할 수 없어 전류 제어를 수행하며, 검출 시간 이후 분산 전원 장치(110)는 고장을 확인하게 되고 전류 제어에서 전압 제어로 모드 전환이 이루어진다. 전류 파형을 보고 부하의 전류, 전력 계통(120)의 전류 및 분산 전원 장치(110)의 전류를 각각 확인할 수 있는데, 도 7의 경우 부하의 전류가 감소했다가 증가하는 것을 확인할 수 있지만 도 8의 경우 부하의 전류가 큰 변화가 없이 유지되는 것을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명을 미적용한 하드웨어 실험파형이고 도 10은 본 발명을 적용한 하드웨어 실험파형이다. 실제 실험에서도 모의실험과 같이 적분 값을 적용한 도 10의 경우 부하 전류를 유지하며 제어성능의 우월함을 보인다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 전력 계통과 연결되어 부하로 전력을 공급하는 분산 전원 장치에 있어서,
    소정의 전원공급원에서 출력된 전력 신호를 조정하는 3상 인버터; 및
    연계 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전류 제어 모드로 동작하도록 제어하고, 단독 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전압 제어 모드로 동작하도록 제어하되, 상기 전압 제어 모드로 동작하는 경우 연계 운전 시의 상기 전력 계통에서 상기 부하로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 이용하여 적분값을 생성하고, 상기 적분값을 이용하여 인버터 제어 신호를 생성하여 상기 3상 인버터에 인가하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 부하와, 상기 3상 인버터와 상기 전력 계통이 연결된 제1 노드의 전압 신호, 상기 제1 노드의 전류 신호 및 주입 전류 신호를 인가받아 상기 3상 인버터를 제어하기 위한 제어 전압 신호를 생성하는 전류 제어기; 상기 제1 노드의 전압 신호, 주입 전압 신호 및 상기 대응되는 전류값을 입력받아 상기 적분값을 생성하는 전압 제어기; 및 연계 운전인 경우 상기 주입 전류 신호를 인가받는 인가단과 상기 전류 제어기를 연결하고, 단독 운전인 경우 상기 전압 제어기와 상기 전류 제어기를 연결하는 제1 스위치; 및 상기 제어 전압 신호를 PWM 제어하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 PWM 제어부;를 포함하고,
    상기 전압 제어기는 D축 전압 제어기를 포함하되, 상기 D축 전압 제어기는, 상기 주입 전압 신호 중 D축 주입 전압 신호와 상기 제1 노드의 전압 신호 중 D축 전압 신호에 대한 뺄셈 연산을 수행하는 제1 연산부; 상기 제1 연산부의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 D축 전류값에 대한 PI 제어를 수행하여 상기 적분값 중 D축 적분값을 출력하는 제1 PI 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 PI 제어부는,
    상기 제1 연산부의 출력값에 대한 비례 제어를 수행하는 제1 비례 제어부;
    상기 제1 연산부의 출력값 및 상기 D축 전류값에 대한 덧셈 연산을 수행하는 제2 연산부;
    상기 제2 연산부의 출력값에 대한 적분 제어를 수행하는 제1 적분 제어부;
    상기 제1 비례 제어부의 출력값과 상기 제1 적분 제어부의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 상기 D축 적분값을 출력하는 제3 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 D축 적분값은 상기 제1 스위치 중 제1-1 스위치로 인가되고, 상기 제1-1 스위치는 단독 운전인 경우 상기 D축 적분값을 상기 전류 제어기로 인가하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어기는 Q축 전압 제어기를 포함하되,
    상기 Q축 전압 제어기는,
    상기 주입 전압 신호 중 Q축 주입 전압 신호와 상기 제1 노드의 전압 신호 중 Q축 전압 신호에 대한 뺄셈 연산을 수행하는 제4 연산부;
    상기 제4 연산부의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 Q축 전류값에 대한 PI 제어를 수행하여 상기 적분값 중 Q축 적분값을 출력하는 제2 PI 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 PI 제어부는,
    상기 제4 연산부의 출력값에 대한 비례 제어를 수행하는 제2 비례 제어부;
    상기 제4 연산부의 출력값 및 상기 Q축 전류값에 대한 덧셈 연산을 수행하는 제5 연산부;
    상기 제5 연산부의 출력값에 대한 적분 제어를 수행하는 제2 적분 제어부;
    상기 제2 비례 제어부의 출력값과 상기 제2 적분 제어부의 출력값에 대해 덧셈 연산을 수행하여 상기 Q축 적분값을 출력하는 제6 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 Q축 적분값은 상기 제1 스위치 중 제1-2 스위치로 인가되고, 상기 제1-2 스위치는 단독 운전인 경우 상기 Q축 적분값을 상기 전류 제어기로 인가하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
  9. 전력 계통과 연결되어 부하로 전력을 공급하는 분산 전원 장치에 있어서,
    소정의 전원공급원에서 출력된 전력 신호를 조정하는 3상 인버터; 및
    연계 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전류 제어 모드로 동작하도록 제어하고, 단독 운전인 경우 상기 분산 전원 장치가 전압 제어 모드로 동작하도록 제어하되, 상기 전압 제어 모드로 동작하는 경우 연계 운전 시의 상기 전력 계통에서 상기 부하로 공급되는 전류값과 대응되는 전류값을 이용하여 적분값을 생성하고, 상기 적분값을 이용하여 인버터 제어 신호를 생성하여 상기 3상 인버터에 인가하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 부하와, 상기 3상 인버터와 상기 전력 계통이 연결된 제1 노드의 전압 신호, 상기 제1 노드의 전류 신호 및 주입 전류 신호를 인가받아 상기 3상 인버터를 제어하기 위한 제어 전압 신호를 생성하는 전류 제어기; 상기 제1 노드의 전압 신호, 주입 전압 신호 및 상기 대응되는 전류값을 입력받아 상기 적분값을 생성하는 전압 제어기; 및 연계 운전인 경우 상기 주입 전류 신호를 인가받는 인가단과 상기 전류 제어기를 연결하고, 단독 운전인 경우 상기 전압 제어기와 상기 전류 제어기를 연결하는 제1 스위치; 및 상기 제어 전압 신호를 PWM 제어하여 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 PWM 제어부;를 포함하고,
    상기 전압 제어기는 Q축 전압 제어기를 포함하되, 상기 Q축 전압 제어기는, 상기 주입 전압 신호 중 Q축 주입 전압 신호와 상기 제1 노드의 전압 신호 중 Q축 전압 신호에 대한 뺄셈 연산을 수행하는 제4 연산부; 상기 제4 연산부의 출력값 및 상기 대응되는 전류값 중 Q축 전류값에 대한 PI 제어를 수행하여 상기 적분값 중 Q축 적분값을 출력하는 제2 PI 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 전원 장치.
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