KR101773237B1 - 통신 기반의 계통 연계 인버터 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

통신 기반의 계통 연계 인버터 시스템 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

계통연계 인버터의 계통 연계시 발생되는 돌입전류 최소화할 수 있는 및 보 발명의 일 측면에 따른 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템은, DC 전원 소스의 충방전을 제어하는 제1 계통연계 인버터; 상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압을 승압시키거나, 계통으로부터 제공되는 계통전압을 감압시키는 변압기; 상기 변압기를 상기 계통에 연계시키는 계통 연계 차단기(Tie-Breaker: TB); 및 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하여 상기 계통전압 및 상기 제1 출력전압을 동기화시켜 상기 계통 연계 차단기를 통해 상기 변압기를 계통에 연계시키는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

통신 기반의 계통 연계 인버터 시스템 및 제어 방법{Inverter System Connected to Power Grid based on Communication and Method for Controlling The Same}
본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 계통 연계 인버터에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
이를 해결하기 위해, 인버터를 계통과 연계시킴으로써 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 방법이 제안된 바 있다.
계통에 연계되는 인버터의 구성이 대한민국 등록특허 제10-130210호, 대한민국 등록특허 제10-1338921호 등(이하, '선행문헌들' 이라 함)에 개시되어 있다.
선행문헌들에서 제시된 계통연계 인버터 시스템의 경우 인버터를 계통에 연계시키기 위해 변압기와 같은 전기기기가 필수적으로 요구된다.
하지만, 종래의 계통연계 인버터 시스템의 경우, 변압기는 계통에 연계되는 순간 계통전압이 순간적으로 인가되게 되어 도 1에 도시된 바와 같이, 정격전류의 4배 이상의 돌입전류가 발생하게 된다는 문제점이 있다.
이러한 돌입전류로 인해, 변압기 내부에 기계적인 스트레스가 발생되어 변압기의 수명이 저하될 수 있고, 변압기를 계통에 연계시키기 위한 계통연계 차단기의 과전류 계전기(Over Current Relay: OCR) 트립(Trip)이 야기될 수도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 계통연계 인버터의 계통 연계시 발생되는 돌입전류 최소화할 수 있는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 센싱된 계통전압의 정보를 통신 방식으로 전달할 수 있는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 계통전압의 정보 전달 시 발생되는 통신 지연으로 인한 오차를 보상할 수 있는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 다수의 계통연계 인버터와 계통 연계시 계통연계 인버터간에 발생되는 순환 전류를 최소화할 수 있는 계통연계 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템은, DC 전원 소스의 충방전을 제어하는 제1 계통연계 인버터; 상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압을 승압시키거나, 계통으로부터 제공되는 계통전압을 감압시키는 변압기; 상기 변압기를 상기 계통에 연계시키는 계통 연계 차단기(Tie-Breaker: TB); 및 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하여 상기 계통전압 및 상기 제1 출력전압을 동기화시켜 상기 계통 연계 차단기를 통해 상기 변압기를 계통에 연계시키는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법은, 제1 계통연계 인버터에 포함된 제1 인버터 출력 차단기를 투입시켜 상기 제1 계통연계 인버터를 변압기에 연계시키는 단계; 계통으로부터 제공되는 계통전압과 상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압이 동기화되지 않으면 상기 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 상기 제1 계통연계 인버터로 전송하는 단계; CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하는 단계; 및 상기 위상 지연이 보상된 계통전압과 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 계통연계 인버터의 출력전압과 계통전압이 동기화된 이후에 변압기를 계통에 연결시키기 때문에 계통전압의 순간적인 인가로 인해 발생되는 돌입전류를 최소화함으로써 시스템을 보호할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 돌입전류 발생 방지를 위한 별도의 초기충전장치가 요구되지 않아 시스템의 제작 비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 전달할 수 있어 회로구성을 간소화시킴과 동시에 시스템 정비 및 유지보수가 용이해진다는 효과가 있다.
또한, 계통전압의 정보 전달 시 통신 지연으로 인한 오차를 좌표변환시 위상정보로 반영하여 보상함으로써 통신 지연으로 인한 제어 오차를 제거할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 각 계통전압 인버터들이 시스템 제어기와 CAN 통신 방식으로 결선되므로 서로 다른 기종의 계통연계 인버터들간의 연결이 용이해지고 이로 인해 시스템의 확장성을 극대화할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수의 계통연계 인버터를 계통에 연계할 때 특정 계통연계 인버터의 계통연계가 완료된 이후에 나머지 계통연계 인버터를 순차적으로 계통에 연계시킴으로서 계통연계 인버터간에 발생되는 순환전류를 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 계통연계 인버터 시스템에서 돌입전류의 발생을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 인버터 제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 4는 CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 계통전압의 지연 위상을 보여주는 그래프이다.
도 5는 정지좌표 변환을 위한 좌표축을 보여주는 그래프이다.
도 6은 회전좌표 변환을 위한 좌표축을 보여주는 그래프이다.
도 7은 계통연계 인버터의 출력전압이 계통전압에 동기화되는 과정을 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 2에 도시된 시스템 제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 9는 계통연계 인버터의 출력전압과 계통전압간의 동기화를 개념적으로 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법을 보여주는 플로우차트이다.
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.
이하에서는 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 해당 구성을 설명하기로 한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 계통연계 인버터 시스템(200)은, 계통연계 차단기(Tie-Breaker: TB, 210), 변압기(220), 계통연계 인버터(230), DC 전원소스(240), 시스템 제어기(250), 및 센싱부(260)를 포함한다.
계통연계 차단기(210)는 변압기(220)를 계통(270)에 연계시키거나, 변압기(220)를 계통(270)으로부터 분리시킨다. 즉, 계통연계 차단기(210)는 시스템 제어기(250)로부터 전달되는 투입명령에 따라 투입되어 변압기(220)를 계통(270)에 연계시키고, 시스템 제어기(250)로부터 전달되는 차단명령에 따라 차단되어 변압기(220)를 계통(270)으로부터 분리시킨다.
변압기(220)는 계통연계 차단기(210)가 투입되면, 계통(270)에서 공급되는 계통전압을 미리 정해진 전압비에 따라 감압하여 계통연계 인버터(230)로 제공하고, 계통연계 인버터(230)에서 출력되는 출력전압을 상기 전압비에 따라 승압하여 계통(270)으로 제공한다.
변압기(220)의 1차측은 계통연계 차단기(210)의 일단에 연결되고, 변압기의 2차측은 계통연계 인버터(230)의 일단에 연결된다.
계통연계 인버터(230)는 시스템 제어기(250)의 제어에 따라 DC 전원 소스(240)의 충방전을 제어한다. 일 실시예에 있어서, 계통연계 인버터(230)는 도 2에 도시된 바와 같이, 인버터 출력 차단기(232), 전력변환모듈(234), 및 인버터 제어기(236)를 포함한다.
인버터 출력 차단기(Circuit-Breaker: CB, 232)는 전력변환모듈(234)의 일단과 변압기(120)의 2차측에 연결된다. 인버터 출력 차단기(232)는 전력변환모듈(234)을 변압기(220)에 연계시킴으로써 계통연계 인버터(230)가 계통(270)에 연계되도록 하거나, 전력변환모듈(234)을 변압기(220)로부터 분리시킴으로써 계통연계 인버터(230)를 계통(270)으로부터 분리시킨다.
즉, 인버터 출력 차단기(232)는 인버터 제어기(236)로부터 전달되는 투입명령에 따라 투입되어 전력변환모듈(234)을 변압기(220)의 2차측에 연계시키고, 인버터 제어기(2336)로부터 전달되는 차단명령에 따라 차단되어 전력변환모듈(234)을 변압기(220)로부터 분리시킨다.
전력변환모듈(234)은 인버터 출력 차단기(232)의 일단과 DC 전원 소스(240)일단에 연결된다. 전력변환모듈(234)은 계통전압을 DC전압으로 변환하여 DC 전원 소스(240)에 충전시키고, DC 전원 소스(240)로부터 방전되는 DC전압을 AC 전압으로 변환함으로써 계통연계 인버터(230)의 출력전압을 생성한다. 전력변환모듈(234)에 의해 생성된 출력전압이 변압기(220)에 의해 승압된 후 계통(270)으로 공급된다.
인버터 제어기(236)는 시스템 운전자 또는 시스템 제어기(250)로부터 전달되는 인버터 출력 차단기(232)의 투입명령에 따라 인버터 출력 차단기(232)를 투입시켜 전력변환모듈(234)을 변압기(220)에 연결시키거나, 인버터 출력 차단기(232)의 차단명령에 따라 인버터 출력 차단기(232)를 차단시켜 전력변환모듈(234)을 변압기(220)로부터 분리시킨다.
본 발명에 따른 인버터 제어기(236)의 구성을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 인버터 제어기(236)는 제1 CAN 통신부(310), 지연 보상부(320), 및 전압 제어부(330)를 포함한다.
제1 CAN 통신부(310)는 시스템 제어기(250)로부터 계통전압의 정보를 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 수신한다.
지연 보상부(320)는 CAN 통신을 통해 수신된 계통전압의 위상 지연을 보상한다. 본 발명의 경우, 인버터 제어기(236)가 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 시스템 제어기(250)로부터 수신하게 되므로, 도 4에 도시된 바와 같이 CAN 통신의 지연 시간(tdelay)에 따른 위상 지연이 발생할 수 밖에 없다. 따라서, 지연 보상부(320)가 CAN 통신의 지연 시간으로 인해 발생되는 계통 전압의 위상 지연을 보상하게 된다. 이를 위해, 지연 보상부(320)는 도 3에 도시된 바와 같이, 정지좌표 변환부(322), 연산부(324), 및 회전좌표 변환부(326)를 포함한다.
정지좌표 변환부(322)는 제1 CAN 통신부(310)를 통해 수신된 3상의 계통전압을 정지좌표 변환(Stationary Reference Frame)을 통해 2상 교류전압으로 변환한다. 즉, 정지좌표 변환부(322)는 3상(Va, Vb, Vc)의 계통전압을 도 5에 도시된 바와 같은 좌표축 및 아래의 수학식 1에 기재된 행렬식을 이용하여 2상(Vd s, Vq s)의 교류전압으로 변환하는 것이다.
Figure 112014127277858-pat00001
연산부(324)는 계통전압의 위상각(θi)에 CAN 통신의 지연 시간(tdelay)에 매칭되어 있는 지연 위상각(θd)을 합산하여 보상 위상각(θc)을 산출한다.
회전좌표 변환부(326)는 연산부(324)에 의해 산출된 보상 위상각을 기초로 정지좌표 변환부(322)에서 출력되는 2상 교류전압을 회전좌표 변환을 통해 2상 직류전압으로 변환한다. 즉, 회전좌표 변환부(326)는 도 6에 도시된 바와 같이, 2상(Vd s, Vq s) 교류전압의 좌표축을 회전자계 각속도와 동일한 속도로 보상 위상각(θc)만큼 회전시킴으로써 2상(Vd e, Vq e) 직류전압으로 변환하는 것이다.
Figure 112014127277858-pat00002
본 발명에 따른 지연 보상부(320)가 정지좌표 변환부(322) 및 회전좌표 변환부(324)를 통해 3상 교류전압인 계통전압을 2상 직류전압으로 변환하는 것은, 3상 교류전압 형태의 계통전압을 직접 이용하여 계통연계 인버터(230)의 출력을 제어하는 경우 복잡한 제어변수가 요구되어 제어가 복잡해지기 때문이다.
다시 도 3을 참조하면, 전압 제어부(330)는 시스템 제어기(250)에 의해 계통 연계 차단기(210)가 투입 되기 이전에 인버터 출력 차단기(232)를 투입시켜 전력변환모듈(234)을 변압기(220)에 연결시킨다.
또한, 전압 제어부(330)는 계통연계 차단기(210)의 투입을 위해, 전력변환모듈(234)에 의해 생성된 출력전압이 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 출력전압을 조절한다. 즉, 전압 제어부(330)는 출력전압이 지연 보상부(320)에서 출력되는 2상 직류전압에 동기화되도록 출력전압을 조절한다.
일 실시예에 있어서, 전압 제어부(330)는 도 7에 도시된 바와 같이, 출력전압이 계통전압에 동기화되도록 출력전압을 미리 정해진 시정수를 갖는 램프(Ramp)형태로 증가시킨다.
이러한 실시예에 따르는 경우 출력전압의 시정수는 셋타임(Set Time)에 의해 조절되는데, 셋타임은 아래의 수학식 3에 기재된 바와 같이 변압기(220)의 용량 및 권선수에 비례하므로, 출력전압의 시정수 또한 변압기(220)의 용량 및 권선수에 비례하도록 결정된다.
Figure 112014127277858-pat00003
수학식 3에서, Capacity는 변압기(220)의 용량을 나타내고, Ns는 변압기(220)의 권선수를 나타낸다.
다시 도 2를 참조하면, 계통연계 인버터(230)는 필터(238)를 더 포함할 수 있다. 필터(238)의 일단은 인버터 출력 차단기(232)에 연결되고, 필터(238)의 타단은 전력변환모듈(234)에 연결되어, 전력변환모듈(234)에 의해 생성된 출력전압을 필터링하거나 전력변환모듈(234)로 인가되는 계통전압을 필터링한다. 일 실시예에 있어서, 필터(238)는 LC필터로 구성될 수 있다.
DC 전원 소스(240)는 DC 전원 소스(240)에 저장되어 있는 DC 전력을 방전하여 계통연계 인버터(230)로 제공하거나, 계통연계 인버터(230)로부터 제공되는 DC전력을 충전한다.
일 실시예에 있어서, DC 전원 소스(240)는 하나 이상의 배터리(Battery)로 구현될 수 있다.
시스템 제어기(250)는, 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압 및 출력전압이 동기화되는지 여부를 판단하고, 계통전압 및 출력전압이 동기화된 것으로 판단되면 계통연계 차단기(210)를 투입시켜 변압기(220)를 계통(270)에 연계시킨다.
시스템 제어기(250)의 구성을 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 제어기(250)의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 시스템 제어기(250)는 동기화 판단부(252), 제어명령 생성부(254), 및 제2 CAN 통신부(256)를 포함한다.
동기화 판단부(252)는 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압 및 센싱부(260)에 의해 센싱된 출력전압을 비교하고, 비교결과에 따라 계통전압 및 출력전압의 동기화 여부를 판단한다.
일 실시예에 있어서, 동기화 판단부(252)는 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압의 크기, 위상, 및 주파수와 센싱부(260)에 의해 센싱된 출력전압의 크기, 위상, 및 주파수의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내인 경우 계통전압과 출력전압이 동기화된 것으로 판단할 수 있다. 계통전압과 출력전압이 동기화된 경우의 일 예를 그래프로 도시하면 도 9에 도시된 것과 같다.
상술한 실시예에 있어서는 동기화 판단부(252)가 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압을 출력전압과 비교하여 동기화여부를 판단하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서 동기화 판단부(252)는 계통전압을 기초로 산출되는 변압기(220)의 2차측 전압과 출력전압을 비교하여 계통전압과 출력전압간의 동기화 여부를 판단할 수도 있다.
이를 위해, 시스템 제어기(250)는 도 8에 도시된 바와 같이 변환부(258)를 더 포함할 수 있다.
변환부(258)는 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압을 이용하여 변압기(220)의 2차측 전압을 산출한다. 즉, 변환부(258)는 센싱된 계통전압을 변압기(220)의 1차측 전압으로 하고, 변압기(220)의 전압비를 변압기(220)의 1차측 전압인 계통전압에 반영함으로써 변압기(220)의 2차측 전압을 산출하게 된다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 동기화 판단부(252)는 변압기(220)의 2차측 전압의 크기, 위상, 및 주파수와 출력전압의 크기, 위상, 및 주파수의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내인 경우 계통전압과 출력전압이 동기화된 것으로 판단하게 된다.
제어명령 생성부(254)는 동기화 판단부(252)에 의해 계통전압과 출력전압이 동기화된 것으로 판단되면, 계통연계 차단기(210)의 투입 명령을 생성하여 계통연계 차단기(210)로 제공한다. 이에 따라 계통연계 차단기(210)의 투입이 완료되면 변압기(220)가 계통(270)에 연계된다.
한편, 제어명령 생성부(254)는 동기화 판단부(252)에 의해 출력전압과 계통전압이 동기화되지 않은 것으로 판단되면, 출력전압을 계통전압에 동기화시키기 위해 센싱부(260)에 의해 센싱된 계통전압의 정보를 제2 CAN 통신부(256)를 통해 계통 연계 인버터(230)로 전달한다.
제2 CAN 통신부(256)는 제어명령 생성부(254)로부터 계통전압 정보가 입력되면, 입력된 계통전압 정보를 CAN 통신을 통해 계통연계 인버터(230)로 전달한다.
이와 같이, 본 발명은 시스템 제어기(250) 및 계통연계 인버터(230)가 CAN 통신을 통해 계통전압의 정보를 송수신하기 때문에, 하드 와이어(Hard-Wired) 배선을 통해 계통전압 정보를 전달받는 것에 비해 회로구성이 간략해져 시스템 정비 및 유지보수가 용이해 지게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 센싱부(260)는 계통전압 및 출력전압을 센싱한다. 일 실시예에 있어서, 센싱부(260)는 계통(270)과 계통연계 차단기(210) 사이의 제1 노드(N1)에서의 전압을 센싱함으로써 계통전압을 센싱할 수 있고, 필터(238)와 인버터 출력 차단기(232) 사이의 제2 노드(N2)에서의 전압을 센싱함으로써 출력전압을 센싱할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 계통연계 인버터(230)의 인버터 출력 차단기(232)를 먼저 투입하고, 출력전압을 일정한 시정수를 갖는 램프 형태로 서서히 증가시켜 출력전압이 계통전압과 동기화되면, 계통연계 차단기(210)를 투입하여 변압기(220)를 계통(270)에 연결시키기 때문에 변압기(220)의 돌입전류를 최소화시킬 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 계통연계 인버터 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 10에 도시된 제2 실시예에 따른 계통연계 인버터 시스템(200)은, 계통연계 차단기(210), 변압기(220), 복수개의 계통연계 인버터(230a, 230b), 복수개의 DC 전원 소스(240a, 240b), 시스템 제어기(250), 및 센싱부(260)를 포함한다.
도 10에 도시된 계통연계 인버터 시스템(200)은 도 2에 도시된 계통연계 인버터 시스템(200)과 비교하여 계통연계 인버터(230a, 230b) 및 DC전원 소스(240a, 240b)가 복수개로 구현되었다는 점이 상이하고, 복수개의 계통연계 인버터(230a, 230b) 각각의 내부 구성은 도 2에 도시된 계통연계 인버터(230)와 동일하지만, 일부 기능상에 차이점이 있기 때문에, 이하에서는 이러한 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 10에서는 설명의 편의를 위해 계통연계 인버터 시스템(200)이 제1 계통연계 인버터(230a) 및 제2 계통연계 인버터(230b)만을 포함하는 것으로 설명하였지만, 이는 하나의 예에 불과할 뿐 계통연계 인버터 시스템(200)은 3개 이상의 계통연계 인버터를 포함할 수도 있다.
먼저, 변압기(220)는 복수개의 계통연계 인버터(230a, 230b)와의 연계를 위해 도 2에 도시된 변압기(220)와 달리 다권선 변압기(220)로 구현된다.
제1 계통연계 인버터(230a)는 도 2에 도시된 것과 동일하게, 계통연계 차단기(210)가 투입되기 이전에 변압기(220)에 연계되고, 도 2에 도시된 것과 동일하게 제1 계통연계 인버터(230a)의 제1 출력전압이 계통전압에 동기화되면 계통연계 차단기(210)가 투입되어 변압기(220)가 계통(270)에 연계되게 된다.
이때, 제1 계통연계 인버터(230a)는, 시스템 제어기(250)로부터 CAN 통신을 통해 계통전압의 정보를 전달받기 때문에, CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 계통전압의 위상 지연을 보상한 후, 제1 출력전압이 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 제1 출력전압을 조절한다.
상술한 실시예에 따르는 경우 제1 계통연계 인버터(230a)만이 변압기(220)에 전압을 인가하기 때문에 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 변압기(520)의 권선수 및 용량에 비례하는 셋타임은 미리 정해진 값 이상으로 길게 설정하여야 한다.
제2 계통연계 인버터(230b)는 계통연계 차단기(210)가 투입되어 변압기(220)가 계통(270)에 연계된 이후에, 변압기(220)에 연계된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 계통연계 차단기(210)가 투입되어 변압기(220)가 계통(270)에 연계되면, 시스템 제어기(250)는 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 제2 계통연계 인버터(230b)로 전달하게 되고, 제2 계통연계 인버터(230b)의 인버터 제어기(236b)는 시스템 제어기(250)로부터 수신된 계통전압의 위상 지연을 보상한 후 제2 계통연계 인버터(230b)의 제2 출력전압이 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 전력변환모듈(234b)의 제2 출력전압을 조절한다.
제2 출력전압이 계통전압에 동기화된 것으로 판단되면, 제2 계통연계 인버터(230b)는 계통연계 인버터(230b)의 인버터 출력 차단기(232b)를 투입시켜 제2 계통연계 인버터(230b)를 변압기(220)에 연계시킨다.
제2 실시예에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템(200)에서, 각 계통연계 인버터(230a, 230b)를 순차적으로 계통(270)에 연계시키는 것은, 각 계통연계 인버터(230a, 230b)가 계통(270)에 연계되지 않은 상태에서, 각 계통연계 인버터(230a, 230b)의 전압 제어를 통해 출력전압을 계통전압과 동기화한 후 동시에 변압기(20)에 연계시키게 되면 각 계통연계 인버터(230a, 230b)의 센싱 오차, 지연, 또는 제어 정밀도 차이에 의해 발생되는 출력전압의 차이로 인해 순환전류가 발생할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명은 제2 실시예에 따른 통신기반의 계통연계 인버터 시스템(200)에서, 제1 계통연계 인버터(230a) 및 제2 계통연계 인버터(230b)를 동시에 투입하지 않고 제1 계통연계 인버터(230a)를 먼저 계통(270)에 연계시킨 이후에 제2 계통연계 인버터(230b)를 계통(270)에 연계시킴으로써 계통연계 인버터(230a, 230b)간의 출력전압 차이가 발생할 수 없어 계통연계 인버터(230a, 230b)간의 순환전류 발생을 방지할 수 있게 된다.
또한, 도 10에 도시된 것과 같은 계통연계 인버터 시스템 여러 대를 병렬로 계통에 연결하는 경우에도 위와 같은 방법을 이용하면, 계통 투입 시의 돌입전류를 방지할 수 있어 계통전압의 왜곡 발생을 방지할 수 있게 된다.
따라서, 이러한 확장된 계통연계 인버터 시스템을 풍력, 태양광 발전 시스템 등의 신재생 에너지원에 의한 출력 변동을 안정화 시키기 위한 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에 적용하면 신재생 에너지원의 고장을 발생시키지 않고, 안정적으로 에너지 저장 시스템을 계통에 연계시킬 수 있게 된다.
또한, 계통연계 인버터를 추가하거나 이기종의 계통연계 인버터들을 서로 연결하는 경우에 있어서도, 계통연계 인버터들의 통신만 연결하면 계통연계가 가능하므로 시스템 확장성을 극대화시킬 수 있게 된다.
이하, 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 계통연계 인버터 시스템의 제어방법에 대해 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 인버터 시스템의 제어방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 11에 도시된 계통연계 인버터 시스템의 제어 방법은 도 5에 도시된 계통연계 인버터 시스템에 적용될 수 있다.
먼저, 제1 계통연계 인버터는 제1 계통연계 인버터에 포함된 제1 인버터 출력 차단기를 투입시켜 제1 계통연계 인버터를 변압기에 연계시킨다(S1100).
이후, 시스템 제어기는 계통전압과 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압간의 동기화 여부를 판단한다(S1110). 일 실시예에 있어서, 계통전압의 크기, 위상, 및 주파수와 제1 출력전압의 크기, 위상, 및 주파수의 차이가 오차 범위 이내인 경우 계통전압 및 제1 출력전압이 동기화된 것으로 판단할 수 있다.
판단결과, 계통전압과 제1 출력전압이 동기화되어 있지 않은 경우, 시스템 제어기는 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 제1 계통연계 인버터로 전달한다(S1120).
이후, 제1 계통연계 인버터는 CAN 통신의 지연시간에 따라 발생되는 계통전압의 위상 지연을 보상한다(S1130). 일 실시예에 있어서, 제1 계통연계 인버터는 S1120에서 수신된 계통전압을 정지좌표 변환을 통해 2상 교류전압으로 변환하고, 계통전압의 위상각에 CAN 통신의 지연 시간에 따라 매칭되어 있는 지연 위상각을 합산하여 보상 위상각을 산출한 후, 보상 위상각을 기초로 2상 교류전압을 회전좌표 변환함으로써 3상 교류전압인 계통전압을 2상 직류전압의 계통전압으로 변환할 수 있다.
이후, 제1 계통연계 인버터는 제1 출력전압이 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화 될 때까지 제1 계통연계 인버터의 전압제어를 수행한다(S1140). 일 실시예에 있어서, 제1 계통연계 인버터는 제1 출력전압이 계통전압에 동기화될 때까지 제1 출력전압을 미리 정해진 시정수를 갖는 램프(Ramp)형태로 증가시킬 수 있다. 이때, 미리 정해진 시정수는 변압기의 용량 및 권선수에 비례하도록 결정된다.
한편, S1110의 판단결과, 계통전압 및 제1 출력전압이 동기화된 것으로 판단되면 시스템 제어기는, 계통연계 차단기를 투입시켜 변압기를 계통에 연계시킨다(S1150).
도 11에는 도시하지 않았지만, S1110의 과정에서 동기화 여부 판단을 위해, 센싱부가 계통전압 및 제1 출력전압을 센싱하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상술한 실시예에 있어서는 계통전압을 제1 출력전압과 비교하여 동기화 여부를 판단하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서 시스템 제어기는 계통전압을 기초로 변압기의 2차측 전압을 산출하고, 산출된 변압기의 2차측 전압을 제1 출력전압과 비교함으로써 계통전압과 제1 출력전압간의 동기화 여부를 판단할 수도 있다.
이를 위해, 시스템 제어기는 계통전압을 변압기의 1차측 전압으로 하고, 변압기의 전압비를 변압기의 1차측 전압인 계통전압에 반영함으로써 변압기의 2차측 전압을 산출한다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 시스템 제어기는 변압기의 2차측 전압의 크기, 위상, 및 주파수와 제1 출력전압의 크기, 위상, 및 주파수의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내인 경우 계통전압과 제1 출력전압이 동기화된 것으로 판단하게 된다.
이후, 변압기의 계통연계가 완료되면, 시스템 제어기는 제1 계통연계 인버터에 병렬 연결된 제2 계통연계 인버터로 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 전달한다(S1160).
이후, 제2 계통연계 인버터는, CAN 통신의 지연시간에 따라 발생되는 계통전압의 위상 지연을 보상한 후(S1170), 제2 출력전압과 위상지연이 보상된 계통전압이 동기화 되었는지 여부를 판단한다(S1180). 판단결과, 제2 출력전압과 위상 지연이 보상된 계통전압이 동기화되지 않았으면, 제2 계통연계 인버터는 제2 출력전압이 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화 될 때까지 제2 계통연계 인버터의 전압제어를 수행한다(S1190). S1180의 판단결과, 제2 출력전압과 위상 지연이 보상된 계통전압이 동기화 되었으면, 제2 계통연계 인버터는 제2 인버터 출력 차단기를 투입시켜 제2 계통연계 인버터를 변압기에 연계시킨다(S1200).
상술한 도 11에서는 복수개의 계통연계 인버터를 포함하는 계통연계 인버터 시스템의 제어 방법을 설명하였지만, 계통연계 인버터 시스템은 하나의 계통연계 인버터만을 포함하도록 구성될 수도 있다. 하나의 계통연계 인버터를 포함하는 계통연계 인버터 시스템의 경우, 도 11에서 S1100 내지 S1150까지의 과정의 수행을 통해 계통연계 인버터를 계통에 연계시킬 수 있게 된다.
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: 계통연계 인버터 시스템 210: 계통연계 차단기
220: 변압기 230: 계통연계 인버터
240: DC 전원 소스 250: 시스템 제어기
260: 센싱부

Claims (15)

  1. DC 전원 소스의 충방전을 제어하는 제1 계통연계 인버터;
    상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압을 승압시키거나, 계통으로부터 제공되는 계통전압을 감압시키는 변압기;
    상기 변압기를 상기 계통에 연계시키는 계통 연계 차단기(Tie-Breaker: TB); 및
    상기 계통전압 및 상기 제1 출력전압이 동기화되면 상기 계통 연계 차단기를 통해 상기 변압기를 계통에 연계시키는 시스템 제어기를 포함하고,
    상기 제1 계통연계 인버터는,
    통신 지연 시간에 따라 발생되는 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하는 지연 보상부; 및
    상기 제1 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 제어하는 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지연 보상부는,
    상기 계통전압을 2상 교류전압으로 변환하고, 상기 계통전압의 위상각에 상기 통신 지연 시간에 따라 매칭되는 지연 위상각을 합산한 보상 위상각을 이용하여 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지연 보상부는,
    상기 계통전압을 정지좌표 변환(Stationary Reference Frame)을 통해 2상 교류전압으로 변환하는 정지좌표 변환부;
    상기 계통전압의 위상각과 상기 통신 지연 시간에 매칭되어 있는 지연 위상각을 합산하여 보상 위상각을 산출하는 연산부; 및
    상기 보상 위상각을 기초로 상기 2상 교류전압을 회전좌표 변환(Rotating Reference Frame)하여 2상 직류전압으로 변환하는 회전좌표 변환부를 포함하고,
    상기 전압 제어부는, 상기 제1 출력전압이 상기 2상 직류전압에 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어부는,
    상기 제1 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 미리 정해진 시정수를 갖는 램프(Ramp)형태로 증가시키고,
    상기 미리 정해진 시정수는 상기 변압기의 용량 및 권선수에 비례하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계통전압을 DC전압으로 변환하여 상기 DC 전원 소스에 충전시키고, 상기 DC 전원 소스로부터 방전되는 DC전압을 AC 전압으로 변환하여 상기 제1 출력전압을 생성하는 전력변환모듈; 및
    상기 전력변환모듈을 상기 변압기에 연계시키는 인버터 출력 차단기(Circuit-Breaker: CB)를 더 포함하고,
    상기 전압 제어부는, 상기 계통 연계 차단기가 투입 되기 이전에 상기 인버터 출력 차단기를 투입시켜 상기 전력변환모듈을 상기 변압기에 연결시키는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는,
    상기 계통전압의 크기, 위상, 및 주파수와 상기 제1 출력전압의 크기, 위상, 및 주파수의 차이가 오차 범위 이내인 경우 상기 계통전압 및 상기 제1 출력전압이 동기화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는,
    상기 계통전압을 이용하여 상기 변압기의 2차측 전압을 산출하고, 상기 변압기의 2차측 전압과 상기 제1 출력전압이 동기화되면 상기 계통전압과 상기 제1 출력전압이 동기화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  9. DC 전원 소스의 충방전을 제어하는 제1 계통연계 인버터;
    상기 제1 계통연계 인버터에 병렬로 연결된 하나 이상의 제2 계통연계 인버터;
    상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압을 승압시키거나, 계통으로부터 제공되는 계통전압을 감압시키는 변압기;
    상기 변압기를 상기 계통에 연계시키는 계통 연계 차단기(Tie-Breaker: TB); 및
    상기 계통전압 및 상기 제1 출력전압이 동기화되면 상기 계통 연계 차단기를 통해 상기 변압기를 계통에 연계시키는 시스템 제어기를 포함하고,
    상기 제1 계통연계 인버터는 상기 계통연계 차단기의 투입 이전에 상기 변압기에 연계되고, 상기 제2 계통연계 인버터는 상기 계통연계 차단기의 투입 이후에 상기 변압기에 연계되는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는,
    상기 계통연계 차단기가 투입되어 상기 변압기가 상기 계통에 연계되면, 상기 제2 계통연계 인버터가 상기 제2 계통연계 인버터의 제2 출력전압을 상기 계통전압에 동기화시키도록 상기 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 상기 제2 계통연계 인버터로 제공하고,
    상기 제2 계통연계 인버터는,
    상기 CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하고, 상기 제2 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 상기 제2 출력전압을 제어하며, 상기 제2 출력전압이 상기 계통전압에 동기화되면 상기 제2 계통연계 인버터를 상기 변압기에 연결시키는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템.
  11. 제1 계통연계 인버터에 포함된 제1 인버터 출력 차단기를 투입시켜 상기 제1 계통연계 인버터를 변압기에 연계시키는 단계;
    계통으로부터 제공되는 계통전압과 상기 제1 계통연계 인버터의 제1 출력전압이 동기화되지 않으면 상기 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 상기 제1 계통연계 인버터로 전송하는 단계;
    CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하는 단계; 및
    상기 위상 지연이 보상된 계통전압과 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보상하는 단계는,
    상기 계통전압을 정지좌표 변환을 통해 2상 교류전압으로 변환하는 단계;
    상기 계통전압의 위상각에 상기 CAN 통신의 지연 시간에 따라 매칭되어 있는 지연 위상각을 합산하여 보상 위상각을 산출하는 단계; 및
    상기 보상 위상각을 기초로 상기 2상 교류전압을 회전좌표 변환하여 2상 직류전압으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 조절하는 단계에서, 상기 2상 직류전압에 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 통신기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 조절하는 단계에서,
    상기 제1 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 상기 제1 출력전압을 미리 정해진 시정수를 갖는 램프형태로 증가시키고,
    상기 미리 정해진 시정수는 상기 변압기의 용량 및 권선수에 비례하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 변압기가 상기 계통에 연계되면, 상기 계통전압의 정보를 CAN 통신을 통해 상기 제1 계통연계 인버터에 병렬로 연결된 제2 계통연계 인버터로 전송하는 단계;
    CAN 통신의 지연 시간에 따라 발생되는 상기 계통전압의 위상 지연을 보상하는 단계; 및
    상기 위상 지연이 보상된 계통전압과 상기 제2 계통연계 인버터의 제2 출력전압이 동기화되면 상기 제2 계통연계 인버터에 포함된 제2 인버터 출력 차단기를 투입시켜 상기 제2 계통연계 인버터를 상기 변압기에 연계시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되지 않으면, 상기 제2 출력전압이 상기 위상 지연이 보상된 계통전압에 동기화되도록 상기 제2 출력전압을 미리 정해진 시정수를 갖는 램프형태로 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신기반의 계통연계 인버터 시스템 제어 방법.
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