KR101752068B1 - 계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법 Download PDF

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Abstract

계통 전압이 급변하더라도 계통과의 연계를 유지할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치는, 계통 연계시 계통에서 제공되는 전력을 배터리에 제공하고 배터리에서 제공되는 전력을 계통에 제공하는 전력변환유닛; 및 상기 전력변환유닛의 출력전류를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 제1 전류 지령치와 상기 전력변환유닛의 출력 전류 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드 내에서 변동되게 하는 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스 제어기; 비례적분(PI) 제어를 통해 상기 전력변환유닛의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하게 하는 제2 PWM 신호를 생성하는 PI 제어기; 및 상기 계통으로부터 공급되는 계통전압의 크기에 따라 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호 중 어느 하나를 상기 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하는 PWM 신호 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법{Power Conditioning System Capable of Maintaining Connection with Power System Under Sudden Change of Power System Voltage and Method for Operating That Power Conditioning System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에너지 저장 시스템의 전력관리장치에 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 발전 출력의 제어가 불가능한 풍력이나 태양광과 같은 신재생 에너지를 기존 전력망에 부담 없이 연결하고 전력 소비 패턴에 따라 에너지를 충전 또는 방전 하는 역할을 한다.
특히, 2차 전지를 이용하는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS: Battery Energy Storage System)은 계통의 전압 및 주파수 안정화를 위해 사용될 뿐만 아니라, 풍력이나 태양광과 같이 발전량이 일정하지 않은 신재생 에너지 발전 시스템과 연계하여 잉여 에너지를 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생시 배터리에 저장된 에너지를 방전하여 부하에 에너지를 공급하며, 계통 복구시 과도상태를 감쇄시키는 역할을 수행한다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 배터리(미도시)들로 구성된 배터리 랙(112)을 포함하는 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 110) 및 배터리 관리 장치(110)와 계통(130)을 연계시키는 전력관리장치(PCS: Power Conditioning System, 120)를 포함한다. 전력관리장치(120)는 인버터로 구성된 전력변환유닛(Power Conversion Unit: PCU, 122)를 포함하는데, 이러한 전력변환유닛(122)을 통해 계통(130)의 교류전력을 직류전력으로 변환하여 배터리 관리 장치(110)로 제공함으로써 배터리에 에너지를 저장하고, 필요에 따라 배터리에 저장된 직류전력을 교류전력으로 변환시켜 계통(130)에 공급하게 된다.
이러한 전력 관리 장치(120)는 일반적으로 계통(130)의 사고 발생 시 계통(130)과 분리되었지만, 최근에는 계통(130)에 사고가 발생하더라도 전력 관리 장치(120)가 계통(130)과 연계된 상태에서 안정적으로 동작하면서 계통전압 복원에 기여할 수 있도록 하는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 기능이 요구되고 있다.
LVRT는 계통이 단락되거나 부하가 급변하는 등과 같은 이유에 의해 계통 전압이 급변하더라도 사고 이후 계통의 안정적인 복구를 위해 계통에 연계된 발전기가 일정시간 동안 계통으로부터 분리되는 것을 제한하는 규정을 의미한다.
하지만, 일반적인 전력관리장치의 경우, 전력관리장치에 포함된 전력변환유닛에서 계통으로 출력되는 전력 및 전류는 계통 전압의 크기에 기초하여 조절되므로, 계통 전압이 불안정 경우(예컨대 계통 전압의 변동 속도가 전류 제어의 응답속도 보다 빠른 경우) 전력변환유닛의 제어가 불안정해져 과도상태가 발생하게 되고, 과도상태에서 발생되는 과전류로 인해 전력관리장치의 동작이 정지하게 되어 전력관리장치가 계통으로부터 분리될 수 밖에 없다. 이와 같이, 일반적인 전력관리장치는 계통 급변시 과전류로 인해 계통으로부터 분리될 수 밖에 없어 계통 급변에 따른 LVRT 기능을 만족시키지 못하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 계통 전압이 급변하더라도 계통과의 연계를 유지할 수 있는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 PI 제어기 및 히스테리시스 제어기를 이용하여 계통 전압 급변시 계통과의 연계를 유지시킬 수 있는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 히스테리시스 제어기의 스위칭 주파수를 제한을 위한 히스테리시스 밴드를 결정할 수 있는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 PI 제어기와 히스테리시스 제어기간의 절체시 발생되는 과도현상을 방지할 수 있는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치는, 계통 연계시 계통에서 제공되는 전력을 배터리에 제공하고 배터리에서 제공되는 전력을 계통에 제공하는 전력변환유닛; 및 상기 전력변환유닛의 출력전류를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 제1 전류 지령치와 상기 전력변환유닛의 출력 전류 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드 내에서 변동되게 하는 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스 제어기; 비례적분(PI) 제어를 통해 상기 전력변환유닛의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하게 하는 제2 PWM 신호를 생성하는 PI 제어기; 및 상기 계통으로부터 공급되는 계통전압의 크기에 따라 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호 중 어느 하나를 상기 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하는 PWM 신호 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전방법은 계통에서 전력변환유닛으로 공급되는 게통전압의 크기를 모니터링하는 단계; 및 상기 계통전압의 크기가 임계값 보다 작으면 제1 전류 지령치와 상기 전력변환유닛의 출력 전류 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드 내에서 변동되도록 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스 제어기를 동작시키고, 상기 계통전압의 크기가 임계값 보다 크면 비례적분 제어를 통해 상기 전력변환유닛의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하도록 제2 PWM 신호를 생성하는 PI 제어기를 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 계통 전압이 급변하더라도 계통과의 연계를 유지함으로써LVRT 규정을 충족시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 계통 전압이 정상상태인 경우 PI 제어기를 이용하여 전력관리장치의 출력전류를 제어하고, 계통 전압이 급변하는 경우 계통 전압에 영향을 받지 않는 히스테리시스 제어기를 이용하여 전력관리장치의 출력전류를 제어할 수 있어 계통계통 전압 급변시에도 계통과의 연계를 유지시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 히스테리시스 제어기의 전류 지령치와 출력전류간의 오차 범위인 히스테리시스 밴드의 결정을 통해 히스테리시스 제어기의 최대 스위칭 주파수를 제한할 수 있어 출력전류의 THD(Total Harmonics Distortion)의 감소를 통한 고품질 전류의 획득은 물론 과도한 스위칭으로 인한 EMI 문제 및 스위치 손실을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 히스테리시스 제어기의 동작 중 PI 제어기의 적분항을 무효화시킴으로써 PI 제어기와 히스테리시스 제어기간의 절체시 발생되는 과도현상을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히스테리시스 제어기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 히스테리시스 제어기의 전류 및 전압 파형을 보여주는 그래프이다.
도 5는 국가별 그리드 코드 중 독일 기준에 의할 때 공급되어야 하는 무효 전류를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PI 제어기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 7a는 PI 제어기만을 이용하여 출력전류를 제어하는 경우 과전류 발생을 보여주는 그래프이다.
도 7b는 PI 제어기 및 히스테리시스 제어기를 이용하여 출력전류를 제어하는 경우 과전류 발생이 최소화되는 것을 보여주는 그래프이다.
도 8a는 PI 제어기에 포함된 적분기의 적분값 누적으로 인한 과전류 발생을 보여주는 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 PI 제어기에 포함된 적분기의 출력을 리셋시켰을 때 과전류 발생이 최소화되는 것을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치(이하, '전력관리장치'라 함)의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2에 도시된 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS, 200)는 계통(210)과 연계되어 계통(210)에서 공급되는 전력을 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 220)에 저장하고, 배터리 관리 장치(220)에 저장된 전력을 계통(210)으로 공급한다.
보다 구체적으로, 전력 관리 장치(200)는 계통(210) 또는 신재생 에너지원(미도시)로부터 공급되는 전력을 배터리 관리 장치(220)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(222)에 충전시키거나 하나 이상의 배터리 랙(222)에 저장된 에너지를 계통(210)으로 제공하는 역할을 수행한다. 여기서, 배터리 랙(222)은 복수개의 배터리(미도시)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이 변압기(202), 차단기(204), 필터(205), 전력변환유닛(Power Converting Unit: PCU, 206), 및 제어부(208)를 포함한다.
변압기(202)는 계통(210)의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 전력 변환 유닛(206)로 공급하거나, 전력 변환 유닛(206)으로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하여 계통(210)으로 출력한다.
차단기(204)는 변압기(202) 또는 필터(205)로 과전류가 유입되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
필터(205)는 변압기(202)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 전력변환유닛(206)으로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다. 도 2에서는, 이러한 필터(234)가 LC타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 구성도 가능할 것이다.
전력변환유닛(206)은 필터(205)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 배터리 관리 장치(220)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다. 도 2에서는 전력 관리 장치(200)가 하나의 전력변환유닛(206)을 포함하는 것으로 도시하였지만, 전력 관리 장치(200)는 복수개의 전력변환유닛(206)을 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 차단기(204) 및 필터(205) 또한 전력변환유닛(206) 별로 별도로 구성될 수 있다.
제어부(208)는 전력변환유닛(206)에서 계통(210)으로 공급되는 출력전류를 제어한다. 구체적으로, 제어부(208)는 계통(210)에서 전력 관리 장치(200)로 공급되는 전압(이하, '계통전압'이라 함)을 기초로 전력변환유닛(26)에서 계통(210)으로 출력되는 전압(이하, '출력전압'이라 함)의 크기와 위상을 제어함에 의해 전력변환유닛(216)에서 계통으로 공급되는 전류(이하, '출력전류'라 함)를 제어한다.
특히, 본 발명에 따른 제어부(208)는 2개의 전류 제어기를 이용하여 전력변환유닛(206)의 출력전류를 제어함으로써 계통전압이 미리 정해진 임계값 이하가 되더라도 전력관리장치(200)와 계통(210)간의 연계가 유지되도록 할 수 있어, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(200)는 계통 전원 사고에 의한 전압 변동이 발생하여도 사고 이후 계통(210)의 안정적인 복구를 위해 일정시간 동안 전력 관리 장치(200)가 계통에 연계되어 운전할 것을 규정한 LVRT(Low Voltage Ride Through) 기능을 충족시키게 된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 제어부(208)는 도 2에 도시된 바와 같이, 히스테리시스 제어기(310), 히스테리시스 밴드 결정부(320), PI제어기(330), PWM 신호 선택부(340), 계통전압 모니터링부(350), 및 리셋부(360)를 포함한다.
도 2에서는 히스테리시스 밴드 결정부(320), 계통전압 모니터링부(350), 및 리셋부(360)가 제어부(208)에 필수적으로 포함되는 것으로 도시하였지만, 변형된 실시예에 있어서 제어부(208)는 히스테리시스 밴드 결정부(320), 계통전압 모니터링부(350), 및 리셋부(360)를 포함하지 않거나 히스테리시스 밴드 결정부(320), 계통전압 모니터링부(350), 및 리셋부(360) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있을 것이다.
먼저, 히스테리시스 제어기(310)는 미리 정해진 제1 전류 지령치 및 전력변환유닛(206)의 출력전류간의 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드(HB) 내에서 변동되게 하는 게이팅 기준전압을 제1 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 생성한다. 즉, 히스테리시스 제어기(310)는 계통전압이 임계값 이하인 과도상태 동안 동작함으로써 과도 상태를 최소화시킨다.
이러한 히스테리시스 제어기(310)는 도 3에 도시된 바와 같이, 각 상 별로 비교기(312a, 312b, 312c) 및 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)를 포함한다. 각 상별로 비교기(312a, 312b, 312c) 및 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 동작은 동일하기 때문에 이하에서는 설명의 편의를 위해 a상을 기준으로 설명하기로 한다.
먼저, 비교기(312a)는 a상에 대한 제1 전류 지령치(Ia*)와 전력변환유닛(206)의 출력전류(Ia)를 비교하여 전류 편차를 산출한다.
히스테리시스부(314a)는 비교기(312a)로부터 입력되는 전류 편차가 미리 설정된 히스테리시스 밴드(Hysteresis Band: HB)를 초과하는 순간 스위칭 상태를 온에서 오프로 또는 오프에서 온으로 전환함으로써 게이팅 기준전압(Va*)을 PWM 형태(제1 PWM 신호)로 출력한다.
구체적으로 히스테리시스부(314a)는 도 4에 도시된 바와 같이, 비교기(312a)로부터 입력되는 편차가 히스테리시스의 하위밴드(Lower Band)를 만나면 게이팅 기준전압(Va*)으로 +Vdc/2를 출력하고, 상위밴드(Upper Band)를 만나면 게이팅 기준전압(Va*)으로 -Vdc/2를 출력한다.
이와 같이, 히스테리시스 제어기(310)는 전력변환유닛(206)의 출력전류 제어시 계통전압이 반영되지 않기 때문에 계통전압에 이상이 발생하더라도 전력변환유닛(206)의 출력전류는 히스테리시스 밴드(HB)의 범위 내에서 제1 전류 지령치(Ia*)를 추종하게 되므로 계통(210)과 전력변환유닛(206)간의 연계를 유지시킬 수 있게 된다.
이러한 히스테리시스 제어기(310)에서 히스테리시스 밴드(HB)는 허용된 전류 편차의 크기라 할 수 있는데, 그 폭이 작을수록 전류 편차가 감소하여 출력전류의 THD(Total Harmonics Distortion)가 낮아져 고품질의 출력전류를 얻을 수 있지만 g히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 스위칭 주파수가 높아지게 되어 EMI 문제나 스위칭 손실 증가 등의 문제가 발생될 수 있어, 본 발명에 따른 제어부(218)는 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 스위칭 주파수를 제한할 수 있는 히스테리시스 밴드(HB)를 선정하기 위한 히스테리시스 밴드 결정부(320)를 더 포함할 수 있다.
히스테리시스 밴드 결정부(320)는 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 최대 스위칭 주파수, 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 게이팅 기준전압(Va*, Vb*, Vc*)에 따른 전력변환유닛(206)의 출력전압, 필터(205)에 포함된 인덕터의 인덕턴스를 기초로 히스테리시스 밴드(HB)를 결정한다.
일 실시예에 있어서, 히스테리시스 밴드 결정부(320)는 아래의 수학식 1을 이용하여 히스테리시스 밴드(HB)를 결정할 수 있다.
Figure 112015117041048-pat00001
수학식 1에서, HB는 히스테리시스 밴드를 나타내고, Vdc는 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 게이팅 기준전압(Va*, Vb*, Vc*)에 따른 전력변환유닛(206)의 출력전압을 나타내며, fs_max는 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 최대 스위칭 주파수를 나타내고, L은 필터(205)에 포함된 인덕터의 인덕턴스를 나타낸다.
이하, 히스테리시스 밴드 결정부(320)가 수학식 1에 기재된 히스테리시스 밴드(HB)를 결정하는 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 계통전압이 es이고, 히스테리시스부(314a, 314b, 314c)의 게이팅 기준전압(Va*, Vb*, Vc*)에 따른 전력변환유닛(206)의 출력전압은 Vdc이며, 필터(205)에 포함된 인덕터(L)를 흐르는 전류는 Iinv이며, 필터(205)를 구성하는 커패시터(c)의 커패시턴스를 무시할 수 있을 때 전력 관리 장치(200)의 전압 방정식은 아래의 수학식 2와 같이 정의되고, 수학식 2를 전류에 대해 정리하면 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112015117041048-pat00002
Figure 112015117041048-pat00003
도 3에서 출력전류가 Ton 동안 상승하는 기울기는 아래의 수학식 4와 같이 정리되고, 수학식 3에서 산출된
Figure 112015117041048-pat00004
를 수학식 4에 대입하면 수학식 5와 같이 정리되고, 수학식 5를 Ton에 대해 정리하면 수학식 6과 같이 정리된다.
Figure 112015117041048-pat00005
Figure 112015117041048-pat00006
Figure 112015117041048-pat00007
Toff에 대해서도 Ton과 동일한 방법을 적용하여 정리하면 아래의 수학식 7과 같이 정리된다.
Figure 112015117041048-pat00008
Ton과 Toff를 합산하면 스위칭 주기 Ts가 되므로 수학식 6과 수학식 7을 합산하여 스위칭 주기 Ts를 산출하면 아래의 수학식 8과 같이 정리된다.
Figure 112015117041048-pat00009
수학식 8을 기초로 스위칭 주파수 fs를 산출하면 아래의 수학식 9와 같다.
Figure 112015117041048-pat00010
수학식 9에서 최대의 스위칭 주파수 fs_max를 갖기 위해 아래의 수학식 10이 유도된다.
Figure 112015117041048-pat00011
수학식 10을 히스테리시스 밴드(HB)에 대해 정리함으로써 상술한 수학식 1이 도출된다.
히스테리시스 밴드 결정부(320)가 수학식 1을 이용하여 히스테리시스 밴드(HB)를 결정함으로써 히스테리시스 제어기(310)는 최대 스위칭 주파수 fs_max를 제한할 수 있게 되어 전력변환유닛(206)의 출력전류를 안정적으로 제어할 수 있게 한다.
이와 같이, 본 발명은 계통전압이 임계값 보다 작을 때 히스테리시스 제어기(310)를 이용하여 출력전류를 제어하게 되는데, 히스테리시스 제어기(310)는 상술한 바와 같이 계통 전압의 상태와는 전혀 무관하게 출력되는 출력전류를 제1 전류 지령치와 비교한 결과에 따라 스위칭 상태를 변경해 가면서 동작하기 때문에, 계통 사고로 인해 계통전압이 급변하는 경우에도 안정적으로 출력전류를 제어할 수 있게 된다.
한편, 히스테리시스 제어기(310)로 공급되는 제1 전류 지령치의 값은 전력변환유닛(206)가 계통(210)으로 미리 정해진 값의 무효전력을 출력하도록 설정될 수 있다. 이는 계통전압에 이상이 발생하는 경우 계통에 연계된 전력 관리 장치(200)는 LVRT 규정에 따라 계통으로 미리 정해진 크기의 무효전력을 공급함으로써 계통(210)이 복전되도록 해야하기 때문이다. 이때, 무효전력의 크기는 국가별 그리드 코드(Grid Code)에 따라 결정되므로, 히스테리시스 제어기(310)로 공급되는 제1 전류 지령치의 값 또한 국가별 그리드 코드에 따른 무효전력 크기에 따라 결정된다.
예컨대, 국가별 그리드 코드 중 독일 기준에 의할 때 도 5에 도시된 바와 같은 데드 밴드(Dead Band) 이내(0.9Un~1.1Un)에서는 계통전압이 정상상태에 있기 때문에 전력 관리 장치(200)가 무효 전력을 공급할 필요가 없지만, 데드 밴드 이외의 구간에서 전력 관리 장치(200)는 계통 전압 복전에 기여하기 위해 전압 변화율 대비 2배의 무효전력을 공급하여야 하므로, 제1 전류 지령치는 전력 관리 장치(200)가 전압 변화율 대비 2배의 무효 전력을 공급할 수 있게 하는 값으로 설정된다.
다시 도 2를 참조하면, PI 제어기(330)는 계통전압이 임계값보다 클 때 동작하는 것으로서 비례적분(PI) 제어를 통해 전력변환유닛(210)의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하게 하는 게이팅 기준전압을 제2 PWM 신호로 생성한다. PI 제어기(330)의 구성을 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PI 제어기의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 PI 제어기(330)는 3상-동기 변환부(610), d축 PI 제어부(620), q축 PI 제어부(630), 동기-3상 변환부(640), 및 PWM 제어부(650)를 포함한다.
먼저, 3상-동기 변환부(410)는 3상의 계통 전압(ea, eb, ec), 3상의 제2 전류 지령치(Ia*, Ib*, Ic*), 및 3상의 출력전류(Ia, Ib, Ic)를 각각 동기 좌표계로 변환하여 d축의 제2 전류 지령치(Id*) 및 d축의 출력전류(Id), q축의 제2 전류 지령치(Iq*) 및 q축의 출력전류(Iq), d축의 계통 전압(ed) 및 q축의 계통 전압(eq)을 출력한다.
d축 PI제어부(620)는 d축의 제2 전류 지령치(Id*), d축의 출력전류(Id), d축의 계통전압(ed), 및 d축과 q축간의 간섭을 제거를 위한 제1 디커플링 값(wLIq)을 이용하여 d축의 게이팅 기준전압(Vd*)을 산출한다. 구체적으로, d축 PI제어부(620)는 제1 혼합기(622)를 통해 d축 제2 전류 지령치(Id*) 및 d축의 출력전류(Id)간의 전류 편차를 산출하고, 산출된 전류 편차를 비례기(624) 및 적분기(626)를 통해 보상하며, 보상된 결과값, d축의 계통전압(ed), 및 제1 디커플링값을 제2 혼합기(628)를 통해 혼합함으로써 d축의 게이팅 기준전압(Vd*)을 산출한다. 여기서, 제1 디커플링값은 q축과의 상호간섭을 제거하기 위한 값을 의미한다.
q축 PI제어부(630)는 q축의 제2 전류 지령치(Iq*), q축의 출력전류(Iq), q축의 계통전압(eq), 및 q축과 d축간의 간섭을 제거를 위한 제2 디커플링 값(wLId)을 이용하여 q축의 게이팅 기준전압(Vq*)을 산출한다. 구체적으로, q축 PI제어부(630)는 제3 혼합기(632)를 통해 q축 제2 전류 지령치(Iq*) 및 q축의 출력전류(Iq)간의 전류 편차를 산출하고, 산출된 전류 편차를 비례기(634) 및 적분기(636)를 통해 보상하며, 보상된 결과값, q축의 계통전압(eq), 및 제2 디커플링값을 제4 혼합기(638)를 통해 혼합함으로써 q축의 게이팅 기준전압(Vq*)을 산출한다. 여기서, 제2 디커플링값은 d축과의 상호간섭을 제거하기 위한 값을 의미한다.
동기-3상 변환부(640)는 d축의 게이팅 기준전압(Vd*) 및 q축의 게이팅 기준전압(Vq*)을 3상의 게이팅 기준전압으로 변환하여 출력하고, PWM 제어부(650)는 3상의 게이팅 기준전압을 PWM 신호로 변조하여 제2 PWM 신호를 생성한다.
다시 도 2를 참조하면, PWM 신호 선택부(340)는 계통전압의 크기에 따라 히스테리스시 제어기(310)로부터 출력되는 제1 PWM 신호 및 PI 제어기(330)로부터 출력되는 제2 PWM 신호 중 어느 하나를 전력변환유닛(206)의 게이팅 신호로 공급한다.
일 실시예에 있어서, PWM 신호 선택부(340)는, 계통전압이 임계값 보다 작을 때 제1 PWM 신호를 전력변환유닛(206)의 게이팅 신호로 공급하고, 계통전압이 임계값 보다 클 때 제2 PWM 신호를 전력변환유닛(206)의 게이팅 신호로 공급한다.
이와 같이, 본 발명은 PWM 신호 선택부(340)가 계통전압이 임계값 보다 작을 때에는 계통 전압에 관계없이 출력전류를 제어할 수 있는 히스테리시스 제어기(310)의 출력인 제1 PWM 신호를 전력변환유닛(206)에 공급함으로써 히스테리시스 제어기(310)를 통해 출력전류가 제어되도록 하고, 계통전압이 임계값 보다 큰 정상상태일 때에는 PI 제어기(330)의 출력인 제2 PWM 신호를 젼력변환유닛(206)에 공급함으로써 PI 제어기(330)를 통해 출력전류가 제어되도록 하기 때문에, 도 7a에 도시된 바와 같이 PI 제어기만을 이용하여 출력전류를 제어하는 경우(C상의 경우 최대 263%의 과전류가 발생하고 B상의 경우 최대 259%의 과전류가 발생함)에 비하여 도 7b에 도시된 바와 같이 과전류 발생이 최소화(C상에서 최대 132%의 과전류만 발생함)된다는 것을 알 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 계통전압 모니터링부(350)는 계통전압을 모니터링하고 그 결과를 PWM 신호 선택부(340)로 공급한다. 일 실시예에 있어서, 계통전압 모니터링부(350)는 계통전압의 RMS(Root Mean Square)값을 모니터링하여 계통전압이 임계값보다 작은지 여부를 판단하고, 판단결과를 PWM 신호 선택부(340)로 제공할 수 있다.
한편, 계통전압이 임계값 보다 작아 히스테리시스 제어기(310)에 의해 생성된 제1 PWM 신호가 전력변환유닛(206)으로 공급되고 있고 PI 제어기(330)에 의해 생성된 제2 PWM 신호가 전력변환유닛(206)으로 공급되지 않는 시간 동안 d축 PI 제어부(620)에 포함된 적분기(626)와 q축 PI 제어부(630)에 포함된 적분기(636)에 의한 적분값의 누적으로 인해 도 8a에 도시된 바와 같이 히스테리시스 제어기(310)에서 PI 제어기(330)로 전환되는 시점에서 과도현상이 발생하게 되고, 이로 인해 과전류가 발생(도 8a에서는 최대 275%의 과전류가 발생함)할 수 있다.
따라서, 본 발명은 히스테리시스 제어기(310)에 의해 생성된 제1 PWM 신호가 전력변환유닛(206)으로 공급되고 있고 PI 제어기(330)에 의해 생성된 제2 PWM 신호가 전력변환유닛(206)으로 공급되지 않는 시간 동안 누적된 적분값의 오차로 인한 과도현상을 해소하기 위해, 즉 제1 PWM 신호가 게이팅 신호로 공급될 때 d축 PI 제어부(620)에 포함된 d축 적분기(626)의 출력값과 q축 PI 제어부(630)에 포함된 q축 적분기(636)의 출력값을 리셋시키는 리셋부(360)를 더 포함한다.
이러한 리셋부(360)를 통해 PI 제어기(330)의 동작 정지 중 누적되는 적분값을 "0"으로 만들 수 있어 도 8b에 도시된 바와 같이 히스테리시스 제어기(310)에서 PI 제어기(330)로 전환되는 시점에 발생되는 과도현상을 최소화시킬 수 있고, 이로 인해 과전류 발생을 최소화(최대 135%의 과전류만 발생함)시킬 수 있게 된다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법을 보여주는 플로우차트이다. 도 9에 도시된 계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법은 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 전력 관리 장치의 제어부에 의해 구현될 수 있다.
먼저, 전력 관리 장치의 제어부는 전력 관리 장치의 최초 동작 시 PI 제어기를 동작시킴으로써(S900), PI 제어기에서 출력되는 제2 PWM 신호를 전력 관리 장치에 포함된 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하여 전력변환유닛의 출력전류가 미리 정해진 제2 전류 지령치를 추종하도록 한다.
이후, 제어부는 일정 주기 마다 계통 전압을 모니터링하여(S910), 모니터링된 계통전압의 크기가 미리 정해진 임계값 이하인지 여부를 판단한다(S920). 일 실시예에 있어서, 제어부는 계통전압의 RMS값을 모니터링하여 계통전압의 크기가 미리 정해진 임계값 이하인지 여부를 판단할 수 있다.
판단결과, 모니터링된 계통전압의 크기가 임계값 보다 크면 S900으로 회귀하여 PI 제어기를 이용하여 전력 관리 장치의 출력전류를 제어하고, 계통전압의 크기가 임계값보다 작으면 히스테리시스 제어기를 동작시킴으로써(S930), 히스테리시스 제어기에서 출력되는 제1 PWM 신호를 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급함으로써 계통전압의 크기에 관계없이 전력 관리 장치의 출력전류가 제어될 수 있도록 한다.
이때, 전력 관리 장치가 LVRT 규정에 따라 계통으로 미리 정해진 크기의 무효전력을 공급하여 계통이 복전될 수 있도록 하기 위해, 제1 전류 지령치의 값은 전력변환유닛이 계통으로 미리 정해진 값의 무효전력을 출력하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제어부는 히스테리시스 제어기가 동작중인 시간 동안 PI 제어기의 d축 PI 제어부에 포함된 적분기 및 PI 제어기의 q축 PI 제어부에 포함된 적분기의 적분값을 "0"으로 리셋시킬 수 있다. 이를 통해, 히스테리시스 제어기가 동작중인 시간 동안 d축 PI 제어부에 포함된 적분기 및 PI 제어기의 q축 PI 제어부에 포함된 적분기의 적분값의 누적으로 인한 과전류 발생을 최소화시킬 수 있게 된다.
이후, 제어부는 S910으로 회귀하여 계통전압의 크기를 지속적으로 모니터링함으로써 모니터링 결과에 따라 PI 제어기 또는 히스테리시스 제어기 중 어느 하나를 이용하여 전력 관리 장치의 출력전류를 제어하게 된다.
계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 이용하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로도 구현될 수 있는데, 이때 계통전압 급변시 계통 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전 방법을 수행하기 위한 프로그램은 하드 디스크, CD-ROM, DVD, 롬(ROM), 램, 또는 플래시 메모리와 같은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록 매체에 저장된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 전력 관리 장치 210: 계통
220: 배터리 관리 장치 202: 변압기
204: 차단기 206: 전력변환유닛
208: 제어부 310: 히스테리시스 제어기
320: 히스테리시스 밴드 설정 부 330: PI 제어기
340: PWM 신호 선택부 350: 계통전압 모니터링부
360: 리셋부

Claims (12)

  1. 계통 연계시 계통에서 제공되는 전력을 배터리에 제공하고 배터리에서 제공되는 전력을 계통에 제공하는 전력변환유닛; 및
    상기 전력변환유닛의 출력전류를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    제1 전류 지령치와 상기 전력변환유닛의 출력전류 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드 내에서 변동되게 하는 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스 제어기;
    비례적분(PI) 제어를 통해 상기 전력변환유닛의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하게 하는 제2 PWM 신호를 생성하는 PI 제어기; 및
    상기 계통으로부터 공급되는 계통전압의 크기에 따라 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호 중 어느 하나를 상기 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하는 PWM 신호 선택부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    수학식
    Figure 112016115435976-pat00025
    를 이용하여 상기 히스테리시스 밴드를 결정하는 히스테리시스 밴드 결정부를 더 포함하고,
    상기 수학식에서 HB는 상기 히스테리시스 밴드를 의미하고, Vdc는 상기 전력변환유닛의 출력전압을 나타내고, fs_max는 상기 히스테리시스 제어기의 최대 스위칭 주파수를 나타내며, L은 상기 전력변환유닛에 직렬로 연결된 인턱터의 인덕턴스를 나타내는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 신호 선택부는,
    상기 계통전압이 임계값 보다 작을 때 상기 제1 PWM 신호를 상기 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하고,
    상기 계통전압이 상기 임계값 보다 클 때 상기 제2 PWM 신호를 상기 전력변환유닛의 게이팅 신호로 공급하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 계통전압의 RMS(Root Mean Square)값을 모니터링하여 상기 계통전압이 상기 임계값보다 작은지 여부를 상기 PWM 신호 선택부로 제공하는 계통전압 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 지령치의 값은 상기 전력변환유닛이 상기 계통으로 미리 정해진 값의 무효전력을 출력하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히스테리시스 제어기는,
    각 상 별로 제1 전류 지령치와 전력변환유닛(206)의 출력전류를 비교하여 전류 편차를 산출하는 비교기; 및
    각 상 별로 상기 비교기로부터 출력되는 전류 편차가 미리 설정된 상위 밴드를 초과하면 제1 기준전압을 출력하고, 상기 전류 편차가 미리 설정된 하위 밴드를 초과하면 제2 기준전압을 출력하여 상기 각 상 별로 상기 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PI 제어기는,
    3상의 제2 전류 지령치, 3상의 출력전류, 및 3상의 계통 전압을 각각 동기 좌표계로 변환하여 d축의 제2 전류 지령치 및 d축의 출력전류, q축의 제2 전류 지령치 및 q축의 출력전류, d축의 계통 전압 및 q축의 계통 전압을 출력하는 3상-동기 변환부;
    상기 d축의 제2 전류 지령치, 상기 d축의 출력전류, 상기 d축의 계통전압, 및 d축과 q축간의 간섭을 제거를 위한 제1 디커플링 값을 이용하여 d축의 게이팅 기준전압을 산출하는 d축 PI제어부;
    상기 q축의 제2 전류 지령치, 상기 q축의 출력전류, 상기 q축의 계통전압, 및 q축과 d축간의 간섭을 제거를 위한 제2 디커플링 값을 이용하여 q축의 게이팅 기준전압을 산출하는 q축 PI제어부;
    상기 d축의 게이팅 기준전압 및 상기 q축의 게이팅 기준전압을 3상의 게이팅 기준전압으로 변환하는 동기-3상 변환부; 및
    상기 3상의 게이팅 기준전압을 기초로 상기 제2 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 PWM 신호가 상기 게이팅 신호로 공급될 때 상기 d축 PI 제어부에 포함된 d축 적분기의 출력값과 상기 q축 PI 제어부에 포함된 q축 적분기의 출력값을 리셋세키는 리셋부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치.
  9. 계통에서 전력변환유닛으로 공급되는 계통전압의 크기를 모니터링하는 단계; 및
    상기 계통전압의 크기가 임계값 보다 작으면 제1 전류 지령치와 상기 전력변환유닛의 출력 전류 차이가 미리 정해진 히스테리시스 밴드 내에서 변동되도록 제1 PWM 신호를 생성하는 히스테리시스 제어기를 동작시키고, 상기 계통전압의 크기가 임계값 보다 크면 비례적분 제어를 통해 상기 전력변환유닛의 출력전류가 제2 전류 지령치를 추종하도록 제2 PWM 신호를 생성하는 PI 제어기를 동작시키는 단계를 포함하고,
    상기 동작시키는 단계는,
    상기 히스테리시스 제어기의 동작시 수학식
    Figure 112016115435976-pat00013
    를 이용하여 상기 히스테리시스 제어기의 히스테리시 밴드를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 수학식에서 HB는 상기 히스테리시스 밴드를 의미하고, Vdc는 상기 전력변환유닛의 출력전압을 나타내고, Fs_max는 상기 히스테리시스 제어기의 최대 스위칭 주파수를 나타내며, L은 상기 전력변환유닛에 직렬로 연결된 인턱터의 인덕턴스를 나타내는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전류 지령치의 값은 상기 전력변환유닛이 상기 계통으로 미리 정해진 값의 무효전력을 출력하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 동작시키는 단계는,
    상기 히스테리시스 제어기의 동작시 상기 히스테리시스 제어기의 동작 시간 동안 상기 PI 제어기에 포함된 적분기의 출력값을 리셋시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통전압 급변시 계통과의 연계가 유지되는 전력관리장치의 운전방법.
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JP2003088139A (ja) * 2001-09-10 2003-03-20 Nissin Electric Co Ltd 系統連系用電力変換装置及びその制御方法
JP2014072985A (ja) * 2012-09-28 2014-04-21 Origin Electric Co Ltd 単相電圧型交直変換装置

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