KR101874645B1 - 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

광 발전 시스템(100)이 설명된다. 본 시스템은 적어도 하나의 광기전성(PV) 전지(124) 및 콜렉터측 단상 인버터(122)를 포함하는 복수의 광 콜렉터 유닛(102)을 포함한다. 복수의 광 콜렉터 유닛은 대칭 다상 교류 부하(18)와 결합하도록 구성된다. 본 시스템은 또한 복수의 광 콜렉터 유닛의 동작을 제어하도록 구성된 시스템 제어기(108)를 포함한다.

Description

발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR OPERATING A POWER GENERATION SYSTEM}
본 명세서에 설명된 실시예들은 일반적으로 광기전성(PV) 발전 시스템에 관한 것이며, 특히 복수의 가변 입력 단상 직류(DC) 전원을 대칭성 3상 교류(AC) 그리드에 결합하기 위한 시스템들에 관한 것이다.
태양 에너지는 점점 더 매력적인 에너지원이 되고 있으며, 깨끗하고 재생 가능한 대체 에너지 형태로 인식되고 있다. 햇빛 형태의 태양 에너지는 태양 전지에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. 빛을 전기 에너지로 변환하는 장치에 대한 보다 일반적인 용어는 광기전성(photovoltaic:PV) 전지(cell)이다. 햇빛은 광의 일부분이다. 따라서, 태양 전지들은 광기전성(PV) 전지들의 일부이다. 광기전성(PV) 전지는 한 쌍의 전극들과 이 전극들 사이에 배치된 광 흡수 광기전성(PV) 재료를 포함한다. 광기전성 재료가 광에 조사될 때, 광기전성(PV) 재료 내의 원자에 구속된 전자들은 광 에너지에 의해 구속이 해제되어 자유롭게 이동한다. 따라서, 자유 전자들과 정공들이 생성된다. 이러한 자유 전자와 정공은 효율적으로 분리되고, 그 결과, 전기 에너지가 지속적으로 추출된다. 현재 상업용 광기전성(PV) 전지들은 전형적으로 실리콘인 반도체 광기전성(PV) 재료를 사용한다.
더욱 높은 전류 및 전압을 얻기 위하여, 태양 전지들은 태양 전지 모듈을 형성하도록 전기적으로 접속된다. 복수의 태양 전지에 추가적으로, 태양 전지 모듈은 또한 센서들, 예를 들어 방사 센서, 온도 센서 및/또는 전력계(power meter)를 또한 포함할 수 있다. 태양 전지 모듈은 모듈 스트링을 형성하도록 접속될 수도 있다. 전형적으로, 모듈 스트링에 의해 출력된 직류 전압은 예를 들어 직류-교류 전압 인버터인 그리드 인버터에 제공된다. 직류-교류 전압 인버터는 직류 전압을 단상 또는 3상 교류 전압 또는 전류로 변환한다. 3상 교류 출력은 전기 분배 그리드에 인가되는 3상 고전압 교류를 생성하기 위해 전압을 상승시키는 전력 변압기에 제공될 수 있다.
전기 분배 그리드에 인가되는 전기는 그리드 접속성 기대(grid connectivity expectations)를 충족시키도록 요구된다. 이러한 요구들은 전력 품질 관심뿐만 아니라 안전성 문제도 다룬다. 예를 들어, 그리드 접속성 기대는 예를 들어 전력 서지(power surge) 또는 전력 고장(power failure)과 같은 과도 상태 이벤트의 경우에 그리드로부터 발전 시스템을 분리시키는 것을 가능하게 하는 것을 포함한다. 다른 그리드 접속성 기대는 생성된 전력이 그리드를 통해 흐르는 전기의 전압 및 주파수에 매칭하도록 생성된 전력이 조절되어야 한다는 것이다. 예를 들어, IEEE(국제 전기 전자 기술자 협회)는 신재생 에너지 시스템들을 포함한 그리드 접속형 분산 발전을 다루는 표준을 작성했다(IEEE 1547-2003). 미국 보험업자 안전 시험소(Underwriters Laboratories)(UL)는 또한 전력 생산 독립형 시스템 및 그리드 접속형 신재생 에너지 시스템을 위한, 인버터들, 컨버터들, 충전 제어기들 및 출력 제어기를 인증하기 위한 표준 UL 1741을 개발하였다. UL 1741은 인버터들이 그리드 접속형 애플리케이션들을 위한 IEEE 1547에 따르는지를 검증한다.
특히, 그리드 접속형 광기전성(PV) 발전 시스템은 저전압 라이드 쓰루(low voltage ride through: LVRT), 전압 조정, 및 역률 보정(power factor correction)을 포함한 유틸리티 상호접속 요건(utility interconnection requirements)을 충족시켜야 한다.
일 양상에 있어서, 광기전성(pv) 발전 시스템이 제공된다. 본 시스템은 적어도 하나의 광기전성(PV) 전지 및 콜렉터측 단상 인버터를 포함하는 복수의 광기전성(PV) 콜렉터 유닛을 포함한다. 복수의 PV 콜렉터 유닛은 대칭성 다상 교류(AC) 부하와 결합하도록 구성된다. 또한, 본 시스템은 복수의 PV 콜렉터 유닛의 동작을 제어하도록 구성된 시스템 제어기를 포함한다.
다른 양상에 있어서, 전기 부하에 전달하기 위해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 방법이 제공된다. 직류 전력은 복수의 가변 입력 전원들에 의해 생성된다. 본 방법은 적어도 하나의 광기전성(PV) 전지 및 콜렉터측 단상 인버터를 각각 포함하는 복수의 광기전성(PV) 콜렉터 유닛을 제공하는 것을 포함한다. 복수의 PV 콜렉터 유닛은 직류 전압을 발생시키며 직류 전류를 단상 교류 출력으로 변환하도록 구성된다. 본 방법은 적어도 하나의 시스템 제어기를 복수의 PV 콜렉터 유닛에 통신 가능하게 결합하며, 복수의 PV 콜렉터 유닛의 동작을 제어하도록 시스템 제어기를 프로그래밍하는 것을 포함한다.
또 다른 양상에 있어서, 전력 변환 시스템이 제공된다. 본 시스템은 가변 입력 직류 전압을 수신하도록 구성된 복수의 콜렉터측 단상 인버터를 포함한다. 또한, 본 시스템은 복수의 콜렉터측 단상 인버터에 결합되며 복수의 콜렉터측 단상 인버터의 동작을 제어하도록 구성된 시스템 제어기를 포함한다. 복수의 콜렉터측 단상 인버터는 전기 부하에 대칭성 다상 교류를 제공하도록 구성된다.
본 명세서에 설명되는 방법들과 시스템들은 대칭성의 3상 전기 그리드 상으로의 분배 및/또는 전송에 적합한 전력을 생성하기 위해 복수의 가변 입력 단상 전원을 제어하는 것을 가능하게 한다. 본 명세서에 설명되는 방법들 및 시스템들은 정상 상태 및 과도 상태 대칭성을 제공하고, 무효 전력을 제어하고, 대칭성 또는 비대칭성의 고장 전류에 응답하고, 램프 레이트(ramp rate)를 성형하며, 저전압 라이드 쓰루(LVRT) 능력을 제공하면서도, 자본 지출, 전력 변환 손실 및 선로 손실을 최소화하는 것을 포함하지만 이에 국한되지 않는 그리드 접속성 기대를 충족시킨다. 또한, 본 명세서에 설명되는 방법들 및 시스템들은 발전 자산들의 일부의 일시적인 고장 또는 영구적인 열화 중에 그리드 대칭성을 지원하는 것을 가능하게 해준다.
본 명세서에 기재되어 있는 방법들 및 시스템들의 기술적 효과들은 (a) 적어도 하나의 광기전성(PV) 전지 및 콜렉터측 단상 인버터를 각각 포함하는 복수의 광기전성(PV) 콜렉터 유닛을 제공하되, 복수의 PV 콜렉터 유닛은 직류 전압을 발생하며 직류 전압을 단상 교류 출력으로 변환하고, (b) 적어도 하나의 시스템 제어기를 복수의 PV 콜렉터 유닛에 통신 가능하게 결합하며, (c) 복수의 PV 콜렉터 유닛의 동작을 제어하도록 적어도 하나의 시스템 제어기를 프로그래밍하는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
도 1은 기존의 광기전성(PV) 발전 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 복수의 콜렉터측 인버터를 포함하는 PV 발전 시스템의 제 1 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 3은 도 2에 도시된 PV 발전 시스템의 제 2 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 4는 도 2에 도시된 PV 발전 시스템에 포함될 수 있는 시스템 제어기의 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 5는 복수의 콜렉터측 인버터를 포함하는 PV 발전 시스템의 제 1 대안적 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 6은 복수의 콜렉터측 인버터를 포함하는 PV 발전 시스템의 제 2 대안적 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 7은 도 2 내지 도 6에 도시된 PV 발전 시스템의 제어 동작을 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 1은 기존의 광기전성(PV) 발전 시스템(10)의 블록 다이어그램이다. 시스템(10)은 광기전성(PV) 콜렉션 장치(12), 인버터(14), 변압기(16) 및 전기 그리드(18)를 포함한다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 전기 그리드(18)는 전기의 분배 및/또는 전송을 위해 구성된 도선들 및 장치들의 네트워크이다. 전형적으로, PV 콜렉션 장치(12)는 광기전성(PV) 모듈 스트링들로부터 직류 전압을 수집하여 직류 전압(30)을 출력하는, 예를 들어 직류 스위치 기어(도 1에 도시하지 않음)에 의해 결합된 복수의 광기전성(PV) 모듈 스트링을 포함한다. 직류 전압(30)은 인버터(14)에 제공된다. 인버터(14)는 직류 전압(30)을 조절한다. 예를 들어, 인버터(14)는 직류 전압(30)을 3상 저전압 교류(32)로 변환하도록 구성된 직류/교류 전압 인버터가 될 수 있다.
3상 저전압 교류(32)는 전력 변압기(16)에 제공된다. 변압기(16)는 부하, 예를 들어 전기 그리드(18)에 인가되는 3상 고전압 교류(34)를 발생시킨다. 시스템(10)은 시스템 제어기(36)를 또한 포함한다. 시스템 제어기(36)는 인버터(14)에 결합되며 인버터(14)의 동작을 제어하도록 구성된다.
도 2는 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)을 포함하는 PV 발전 시스템(100)의 제 1 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다. 제 1 예시적 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 델타 구성으로 결합된다. 도 3은 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)을 포함하는 PV 발전 시스템(100)의 제 2 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다. 제 2 예시적 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 와이(wye) 구성으로도 지칭되는 별(star) 구성으로 결합된다.
제 1 예시적 실시예 및 제 2 예시적 실시예에 있어서, PV 발전 시스템(100)은 또한 그리드측 인버터(104), 전력 변압기(106) 및 시스템 제어기(108)를 포함한다. PV 발전 시스템(100)은 대칭성 3상 교류를 전기 그리드(18)(도 1에 도시됨)에 제공한다. 비록 본 명세서에는 시스템(100)이 교류를 전기 그리드(18)에 제공하는 것으로 기재되어 있으나, 시스템(100)은 교류를 어떠한 적당한 부하에도 제공할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 PV 콜렉션 장치 및 콜렉터측 인버터를 포함한다. 예를 들어, 제 1 PV 콜렉터 유닛(120)은 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 결합된 제 1 콜렉터측 인버터(122)를 포함한다. 제 2 PV 콜렉터 유닛(126)은 제 2 PV 콜렉션 장치(130)에 결합된 제 2 콜렉터측 인버터(128)를 포함한다. 제 3 PV 콜렉터 유닛(132)은 제 3 PV 콜렉션 장치(136)에 결합된 제 2 콜렉터측 인버터(134)를 포함한다. 제 4 PV 콜렉터 유닛(138)은 제 4 PV 콜렉션 장치(142)에 결합된 제 4 콜렉터측 인버터(140)를 포함한다. 제 5 PV 콜렉터 유닛(144)은 제 5 PV 콜렉션 장치(148)에 결합된 제 5 콜렉터측 인버터(146)를 포함한다. 제 6 PV 콜렉터 유닛(150)은 제 6 PV 콜렉션 장치(154)에 결합된 제 6 콜렉터측 인버터(152)를 포함한다. 비록 6개의 PV 콜렉터 유닛을 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 시스템(100)은 시스템(100)이 본 명세서에 기재된 기능을 수행하게 하는 어떤 적당한 수의 콜렉터 유닛들을 포함할 수 있다. PV 콜렉션 장치들(124, 130, 136, 142, 148 및 154)은 단일 PV 전지, PV 모듈에 조립된 복수의 PV 전지, PV 모듈 스트링을 형성하도록 조립된 복수의 PV 모듈, 또는 시스템(100)이 본 명세서에 기재된 기능을 수행하게 하는 임의의 다른 구성의 PV 전지들을 포함할 수 있다.
복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 PV 콜렉션 장치 및 콜렉터측 인버터를 포함하기 때문에, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 거의 단위 역률(unity power factor)에서 동작할 수 있다. 단위 역률에 가까운 동작은 최대 유효 전력을 최소 선로 손실로 그리드(18)에 전달하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 인버터/콜렉션 장치 조합에 대한 최대 전력 지점에서 동작할 수도 있다. 더 구체적으로, 각각의 콜렉터측 인버터는 대응하는 광 콜렉션 장치의 임피던스와 매칭하도록 개별적으로 제어될 수 있으며, 따라서, 최대 전력 지점에서 동작한다. 예를 들어, 제 1 콜렉터측 인버터(122)는 시스템 제어기(108)에 의해 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 대한 최대 전력 지점에서 동작하도록 제어될 수 있다. 복수의 인버터 각각은 별개의 최대 전력 지점에서 동작할 수 있기 때문에, PV 콜렉션 장치(124, 130, 136, 142, 148 및 154)로부터 고유의 최대 전력이 추출된다.
도 2에 도시된 제 1 예시적 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)에 의해 출력된 저전압 단상 교류(158)는 3상 시스템의 3개의 도선들 중 2개의 도선들 사이에 인가된다. 단상 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)는 각각의 인버터가 3개의 도선(160, 162 및 164) 중 어떤 2개의 도선들 사이에 접속되도록 3상 전기 그리드(18)에 결합될 수 있다. 도선들(160, 162 및 164)은 전력 변압기(106) 및 그리드측 인버터(104)에 결합된다.
도 3에 도시된 제 2 예시적 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)에 의해 출력된 저전압 단상 교류(158)는 3상 시스템의 3개의 도선들, 즉 제 1 도선(160), 제 2 도선(162) 또는 제 3 도선(164) 중 적어도 하나의 도선에 인가된다. 단상 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)는 인버터들 각각의 한 출력이 3개의 도선들 중 하나의 도선과 인버터들 각각의 나머지 출력이 중성 도선(166)에 접속되도록 3상 그리드에 결합될 수 있다. 도선(160, 162 164 및 166)은 그리드측 인버터(104)를 통해 전력 변압기(106)에 결합된다.
전력 변압기(106)는 전기 그리드(18)(도 1에 도시)에 인가를 위해 고압 3상 교류(174)를 생성하는 표준 3상 변압기가 될 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 그리드측 인버터(104)는 그리드(18)에 전달된 전압을 안정화 및 조정한다. 시스템((100)의 정상 상태 동작 동안, 대칭 3상 교류가 그리드측 인버터(104)에 의해 제공된다. 과도 이벤트 동안, 예를 들어 전기 그리드에서의 전원 서지(surges)와 같은 그리드 이벤트 또는 LVRT 이벤트 동안, 그리드측 인버터(104)는 예를 들어, 전압 교란(voltage disturbance)을 검출 및 보상하여 앞서거나 지연되는 무효 전력을 그리드(18)에 주입함으로써 저전압 라이드 쓰루(LVRT) 및 제로 전압 라이드 쓰루(ZVRT)을 가능하게 한다. 더욱이, 그리드측 인버터는 정상 상태 동작 동안 역률 보정을 또한 제공한다.
예시적 실시예에 있어서, 시스템 제어기(108)는 본 명세서에 기재된 기능들을 수행하도록 제어 신호(176)를 그리드측 인버터(104)에 제공한다. 더욱이, 시스템 제어기(108)는 그리드 이벤트의 검출시 복수의 PV 콜렉터 유닛(102) 중 하나 이상 및 특히 콜럭터-측 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152) 중 적어도 하나에 역률 기준 신호 및/또는 전력 억제 신호를 제공한다. 시스템 제어기(108)는 공통 도선(160, 162 또는 164)에 접속된 인버터들에 유효 및 무효 전력 명령을 포함하는부가적인 정보를 제공한다. 시스템(100)은 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152) 사이에 필요한 조정을 최소화하여 시스템 제어기(108)에 대한 처리 요구들을 완화하고 복수의 PV 콜렉션 유닛(102)의 각각으로부터 더 높은 전력 생산을 가능하게 한다. 시스템(100)은 개별 최대 전력 지점에서 복수의 PV 콜렉터 유닛(102) 각각의 동작을 가능하게 하고, 콜렉터 유닛(102)과 그리드측 인버터(104) 사이의 직류 배선을 제거하며, 그리드 이벤트 동안 PV 콜렉터 유닛(102)을 신속하게 억제(curtailment)한다.
게다가, 콜렉터측 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)를 사용하게 되면, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 일부의 일시적인 고장 및/또는 영구적인 열화 동안에도 시스템(100)이 대칭성 3상 교류 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 심지어 하나 이상의 콜렉터측 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)가 작동이 되지 않아도, 대칭 3상 교류 전력을 제공한다. 하나 이상의 콜렉터측 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)의 발전 손실이 발전 시스템(100)에서 원치 않는 비대칭성을 초래한다면, 직류/교류 컨버터(104)는 발전이 과잉인 도선으로부터 유효 및 무효 전력이 추출되어 발전이 부족한 도선에 제공되도록 제어된다. 일부 실시예에 있어서, 시스템(100)은 단상 고장 또는 비대칭성 부하와 같은 그리드 비대칭성을 보상하기 위하여, 제어되는 비대칭성 발전 시스템이 전기 그리드(18)에 제공되도록 제어될 수도 있다. 다시 말해, 시스템(100)은 도선(160, 162 및 164)의 각각에 인가되는 유효 및 무효 전력을 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 한다.
일부 실시예에 있어서, 콜렉터측 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)는 메모리 유닛(178)을 각각 포함한다. 예를 들어, 메모리 유닛(178)은 콜렉터측 인버터(122) 내에 배치되거나 그에 결합된다. 메모리 유닛(178)은 콜렉터측 인버터(122)의 동작을 제어하는데 이용되는 동작 파라미터들을 저장한다. 보다 구체적으로, 인버터(122)로 하여금 그리드 이벤트를 라이드 쓰루(ride through)하게 하는 동작 파라미터는 메모리(178)에 저장될 수 있다. 그리드 이벤트는 시스템 제어기(108)에 의해 확인되거나 인버터(122)에 의해 확인될 수 있다. 예를 들어, 메모리 유닛(178)은 임계 그리드 전압 전력 명령(threshold grid voltage power command), 전압 라이드 쓰루 귀환 명령(voltage ride through return command) 및/또는 무효 전력 명령(reactive power command)을 저장할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 인버터(122)는 그리드 전압이 저장된 임계 그리드 전압보다 낮을 때 임계 그리드 전압 전력 명령에 기초하여 동작한다. 저장된 임계 그리드 전압은 저전압 라이드 쓰루 이벤트 또는 제로 전압 라이드 쓰루 이벤트의 발생을 나타낼 수 있다. 전압 라이드 쓰루 귀환 명령은 미리 정해진 기간을 포함할 수 있으며, 이 기간 후에 인버터(122)는 전력을 전압 그리드(18)에 공급하는 것을 시작하도록 명령받는다. 전압 라이드 쓰루 귀환 명령은 미리 정해진 램프 레이트(ramp rate)를 포함할 수 있으며, 인버터(122)는 이 램프 레이트를 사용하여 전력을 전압 그리드(18)에 공급하도록 명령받는다. 무효 전력 명령은 인버터(122)가 언제 무효 전력을 제공할지를 포함하여 인버터(122)의 무효 전력 출력을 제어할 수 있다. 메모리 유닛(178)에 저장된 동작 파라미터들에 따른 동작은 인버터(122)의 자율 제어(시스템 제어기(108)로부터 수신되지 않은 동작 파라미터들에 기초한 인버터(122)를 제어하는 것)를 가능하게 한다. 더욱이, 메모리 유닛(178)은 랜덤 액세스 메모리(RAM), 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브, 고상 드라이브, 디스켓, 플래시 드라이브, 컴팩 디스크, 디지털 비디오 디스크, 및/또는 명령어 및/또는 데이터의 저장, 검색 및/또는 실행을 가능하게 하는 임의의 적당한 메모리와 같은 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제한 없이 포함할 수 있다. 게다가, 시스템 제어기(108)는 그리드 이벤트의 발생 이전에 저장된 동작 파라미터들을 조정할 수 있다.
또한, 일부 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 지리적으로 분산되어 있다. 시스템 제어기(108)는 콜렉터 유닛(150)에 의해 제공되는 무효 전력과는 상이한 레벨의 무효 전력을 제공하도록 콜렉터 유닛(120)을 제어할 수 있다. 복수의 지리적으로 분산된 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 PV 발전 시스템(100)의 균형 동작을 용이하게 하고 시스템(100) 내부의 시스템 손실을 최소화하도록 개별적으로 제어될 수 있다.
도 4는 시스템 제어기(108)(도 1에 도시)의 예시적 실시예의 블록 다이어그램이다. 일부 실시예에 있어서, 시스템 제어기(108)는 정보를 통신하기 위해 버스(180) 또는 다른 통신 장치를 포함한다. 하나 이상의 프로세서(들)(182)는 버스(180)에 결합되어 PV 콜렉터 유닛(102)들에 포함된 센서들로부터의 정보를 포함하는 정보를 처리한다. 프로세서(들)(182)는 적어도 하나의 컴퓨터를 포함할 수 있다. 본 명세서에 이용된 것처럼, 컴퓨터의 용어는 본 기술 분야에서 컴퓨터로 지칭되는 집적 회로들에 국한되는 것이 아니고, 넓게는 프로세서, 마이크로컨트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC), 주문형 집적 회로, 및 다른 프로그램 가능한 회로들을 지칭하며, 이들 용어는 본 명세서에 상호 교환 가능하게 사용된다.
시스템 제어기(108)는 하나 이상의 랜덤 액세스 메모리(RAM)(184) 및/또는 다른 저장 장치(들)(186)를 또한 포함할 수 있다. RAM(들)(184) 및 저장 장치(들)(186)는 프로세서(들)(182)에 의해 실행될 정보 및 명령어를 저장 및 전달하도록 버스(180)에 결합된다. RAM(들)(184)(및/또는 포함하는 경우에 저장 장치(들)(186))은 프로세서(들)(182)에 의한 명령어들의 실행 중에 일시적인 변수들 또는 다른 중간 정보를 저장하는데 사용될 수도 있다. 시스템 제어기(108)는 버스(180)에 결합된 하나 이상의 판독 전용 메모리(ROM)(188) 및/또는 다른 정적 저장 장치들을 또한 포함하여 프로세서(들)(182)에 정적(예를 들어, 비-변화) 정보 및 명령어들을 저장 및 제공할 수 있다. 프로세서(들)(182)는 방사 센서들 및 전력계를 제한 없이 포함할 수 있는 복수의 전기 및 전자 장치로부터 전송되는 정보를 처리한다. 실행되는 명령어들은 상주하는 변환 알고리즘 및/또는 비교기 알고리즘들을 제한 없이 포함한다. 명령어들의 시퀀스의 실행은 하드웨어 회로 명령어 및 소프트웨어 명령어의 임의의 특정한 조합에 국한되지 않는다.
시스템 제어기(108)는 또한 입력/출력 장치(들)(190)를 포함하거나 이에 결합될 수 있다. 입력/출력 장치(들)(190)는 시스템 제어기(108)에 입력 데이터를 제공하거나, 태양 패널 위치 지정 출력들 및/또는 인버터 제어 출력들과 같은 그러나 이에 국한되지 않는 출력들을 제공하기 위해 본 기술 분야에서 공지된 임의의 장치를 포함할 수 있다. 명령어들은 하나 이상의 전기적으로 액세스가능한 매체에 액세스를 제공하는 유선 또는 무선 중 어느 하나인 원격 접속을 통해, 예를 들어 자기 디스크, 판독-전용 메모리(ROM) 집적 회로, CD-ROM 및/또는 DVD를 포함하는 저장 장치(186)로부터 RAM(184)에 제공될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 하드 와이어 회로(hard-wired circuitry)가 소프트웨어 명령어들 대신에 또는 이와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 명령어들의 시퀀스의 실행은 본 명세서에 기재되든 도시되든 간에, 하드웨어 회로 명령어 및 소프트웨어 명령어의 임의의 특정한 조합에 국한되지 않는다. 또한, 예시적 실시예에 있어서, 입력/출력 장치(들)(190)는 마우스 및 키보드(둘 모두 도 4에 도시하지 않음)와 같은 오퍼레이터 인터페이스(예를 들어 휴먼 머신 인터페이스(EMI))와 연관된 컴퓨터 주변기기들을 제한 없이 포함할 수 있다. 더욱이, 예시적 실시예에 있어서, 부가적인 출력 채널들은 예를 들어 오퍼레이터 인터페이스 모니터 및/또는 알람 장치(둘 모두 도 4에 도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(108)는 시스템 제어기(108)가 센서들과 통신하게 하는 센서 인터페이스(192)를 또한 포함할 수 있다. 센서 인터페이스(192)는 아날로그 신호들을 프로세서(들)(182)에 의해 사용될 수 있는 디지털 신호들로 변환하는 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(108)는 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템, 예들 들어 유틸리티 기업(utility company) 및/또는 변전소와 연관된 SCADA 또는 네트워크 제어기와 같은 외부 감시 제어 시스템에 결합될 수 있다.
도 5는 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)을 포함하는 PV 발전 시스템의 대안적 실시예(200)의 블록 다이어그램이다. 시스템(100)(도 2 및 도 3에 도시) 및 시스템(200)에 공통인 구성 요소들은 동일한 참조 번호로 식별된다. 본 실시예에 있어서, PV 발전 시스템(200)은 그리드측 인버터(104) 및 시스템 제어기(108)를 포함한다. PV 발전 시스템(200)은 전력 변압기(202)를 또한 포함한다. 본 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 제 1 PV 콜렉터 유닛(120), 제 2 PV 콜렉터 유닛(126), 제 3 PV 콜렉터 유닛(132) 및 제 4 PV 콜렉터 유닛(138)을 포함한다. 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 PV 콜렉션 장치 및 단상 콜렉터측 인버터를 포함한다. 상술한 것처럼, 제 1 PV 콜렉터 유닛(120)은 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 결합된 제 1 콜렉터측 인버터(122)를 포함한다. 제 2 PV 콜렉터 유닛(126)은 제 2 PV 콜렉션 장치(130)에 결합된 제 2 콜렉터측 인버터(128)를 포함한다. 제 3 PV 콜렉터 유닛(132)은 제 3 PV 콜렉션 장치(136)에 결합된 제 3 콜렉터측 인버터(134)를 포함한다. 제 4 PV 콜렉터 유닛(138)은 제 4 PV 콜렉션 장치(142)에 결합된 제 4 콜렉터측 인버터(140)를 포함한다.
본 실시예에 있어서, PV 콜렉터 유닛(102)들은 단위 역률을 포함한 임의의 역률에서 동작하도록 각각 구성될 수 있다. 더욱이, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 인버터/콜렉션 장치 조합에 대한 최대 전력 포인트에서 동작할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 콜렉터측 인버터(122)는 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 대한 최대 전력 포인트에서 동작하도록 구성된다. 복수의 인버터의 각각은 별개의 최대 전력 지점에서 동작할 수 있기 때문에, 최대 전력은 PV 콜렉션 장치(124, 130, 136 및 142)로부터 추출된다.
본 실시예에 있어서, 도 5에 도시된 것처럼, 전력 변압기(202)는 2상 교류로부터 3상 교류를 출력한다. 제 1 PV 콜렉터 유닛(120) 및 제 2 PV 콜렉터 유닛(126)은 결합되어 제 1 상을 갖는 저전압 교류(260)를 제공한다. 제 3 PV 콜렉터 유닛(132) 및 제 4 PV 콜렉터 유닛(138)은 결합되어 제 2 상을 갖는 저전압 교류(262)를 제공한다. 전력 변압기(202)는 제 1 상을 갖는 저전압 교류(260)(예를 들어, 제 1 PV 콜렉터 유닛(120) 및 제 2 PV 콜렉터 유닛(126)에 의해 제공된 전류) 및 제 2 상을 갖는 저전압 교류(262)(예를 들어, 제 3 PV 콜렉터 유닛(132) 및 제 4 PV 콜렉터 유닛(138)에 의해 제공된 전류)를 전기 그리드(18)(도 1에 도시) 상으로의 전송을 위해 균형 고전압 3상 교류(174)로 분할한다. 전력 변압기(202)는 스코트 T 변압기를 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
본 실시예에서, 시스템(100)에 관해 상술한 바와 같이, 그리드측 인버터(104)는 전기 그리드(18)에 전달된 전압을 안정시키며 조정한다. 시스템(200)의 정상 상태 동작 중에, 대칭성 3상 교류는 그리드측 인버터(104)에 의해 제공된다. 과도 상태 이벤트, 예를 들어 전기 그리드에서의 전원 서지와 같은 그리드 이벤트 또는 LVRT 이벤트 동안, 그리드측 인버터(104)는, 예를 들어, 전압 교란을 검출 및 보상하여 앞서거나 지연되는 무효 전력을 그리드(18)에 주입함으로써 LVRT를 가능하게 한다. 그러므로, 그리드측 인버터(104)는 역률 보정을 제공할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 시스템 제어기(108)는 본 명세서에 설명한 기능들을 수행하기 위하여 제어 신호(176)들을 그리드측 인버터(104)에 제공한다. 더욱이, 시스템 제어기(108)는 그리드 이벤트의 검출시 복수의 PV 콜렉터 유닛(102) 중 하나 이상 및 특히 인버터(122, 128, 134 및 140) 중 적어도 하나에 억제 신호를 제공한다. 시스템(200)은 인버터(122, 128, 134 및 140)들 사이에 필요한 조정을 최소화하여, 시스템 제어기(108)에 대한 처리 요구들을 완화하고 PV 콜렉션 장치(124, 130, 136 및 142)으로부터 더 높은 전력 생산을 가능하게 한다. 시스템(200)은 개별 최대 전력 지점에서 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)을 동작시키는 것, PV 콜렉터 유닛(102)과 그리드측 인버터(104) 사이의 직류 배선을 제거하는 것, 및 그리드 이벤트 동안 PV 콜렉터 유닛(102)을 신속하게 억제하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 시스템(200)은 시스템(100)과 비교할 때 배선 복잡성을 감소시킨다. 게다가, 시스템(200)은 그리드측 인버터(104)에 필요한 전력 전자 장치의 양을 감소시킨다.
도 6은 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)을 포함하는 PV 발전 시스템의 다른 대안적 실시예(300)의 블록 다이어그램이다. 시스템(100)(도 2 및 도 3에 도시), 시스템(200)(도 4에 도시) 및 시스템(300) 사이에 공유된 구성 요소들은 동일한 참조 번호로 식별된다.
본 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, PV 발전 시스템(300)은 시스템 제어기(108) 및 전력 변압기(302)를 포함한다. 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 제 1 PV 콜렉터 유닛(310), 제 2 PV 콜렉터 유닛(312), 제 3 PV 콜렉터 유닛(314), 제 4 PV 콜렉터 유닛(316), 제 5 PV 콜렉터 유닛(318), 및 제 6 PV 콜렉터 유닛(320)을 포함한다. 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 PV 콜렉션 장치 및 단상 콜렉터측 인버터를 포함한다. 제 1 PV 콜렉터 유닛(310)은 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 결합된 제 1 콜렉터측 인버터(330)를 포함한다. 제 2 PV 콜렉터 유닛(312)은 제 2 PV 콜렉션 장치(130)에 결합된 제 2 콜렉터측 인버터(332)를 포함한다. 제 3 PV 콜렉터 유닛(314)은 제 3 PV 콜렉션 장치(136)에 결합된 제 3 콜렉터측 인버터(334)를 포함한다. 제 4 PV 콜렉터 유닛(316)은 제 4 PV 콜렉션 장치(142)에 결합된 제 4 콜렉터측 인버터(336)를 포함한다. 제 1 PV 콜렉터 유닛(318)은 제 5 PV 콜렉션 장치(148)에 결합된 제 5 콜렉터측 인버터(338)를 포함한다. 제 6 PV 콜렉터 유닛(320)은 제 6 PV 콜렉션 장치(154)에 결합된 제 6 콜렉터측 인버터(340)를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 단위 역률을 포함한 넓은 역률 범위에서 동작하도록 구성될 수 있다. 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은, 예를 들어 약 -0.9에서 0.9까지의 역률 범위에서 동작하도록 구성될 수 있지만, 이에 국한하지 않는다. 더욱이, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 각각은 인버터/콜렉션 장치 조합에 대한 최대 전력 포인트에서 동작할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 콜렉터측 인버터(330)는 제 1 PV 콜렉션 장치(124)에 대한 최대 전력 포인트에서 동작하도록 구성된다. 복수의 인버터(330, 332, 334, 336, 338 및 340)의 각각은 별개의 최대 전력 지점에서 동작할 수 있기 때문에, 최대 전력은 PV 콜렉션 장치(124, 130, 136, 142, 148 및 154)로부터 추출된다.
특히, PV 발전 시스템(300)은 그리드측 인버터(104)를 포함하지 않는다. 본 실시예에 있어서, 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338 및 340)는 전기 그리드(18)(도 1에 도시)에 전달되는 전압을 안정화 및 조정하도록 평가되었다. 시스템 제어기(108)는 시스템(300)의 정상-상태 동작 동안 대칭성 3상 교류(174)를 전기 그리드(18)에 제공하기 위해, 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338 및 340)의 각각에 제어 신호를 제공한다. 더욱이, 과도 상태 이벤트 동안, 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338, 및 340)는 예를 들어, 전압 교란을 검출 및 보상하여 앞서거나 지연되는 무효 전력을 전기 그리드(18)에 주입함으로써 LVRT를 가능하게 하고, 따라서 역률 보정을 제공한다. 더욱이, 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338, 및 340)는 시스템 제어기(108)로부터의 억제 신호에 응답하여 억제될 수 있다. 시스템(300)은 그리드 상태들에 응답하여 유효 및 무효 전력 주입과 관련한 비대칭성 불균형 발전 시스템을 생성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기(108)는 그리드 상태, 예를 들어, 부하 고장의 검출시 역률 기준 신호를 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338, 및 340)에 제공할 수 있다. 더욱이, 콜렉터측 인버터(330, 332, 334, 336, 338, 및 340)는 고전압 및 저전압 라이드 쓰루 상태들을 포함한 그리드 상태들에 자율적으로 응답하여, Var 지원, 주파수 드롭 응답, 및 자동 전압 조정을 제공한다. 시스템 제어기(108)는 정상 상태 동작 동안 시스템(300)의 응답을 최적화하고 시스템 손실을 최소화하기 위해, 낮은 데이터 레이트로 제어 신호들을 제공할 수 있다. 시스템 제어기(108)는 데이터 수집 시스템으로서 역할을 할 수도 있다.
도 6에 도시된 실시예에 있어서, 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)은 3개의 도선들, 즉 제 1 도선(160), 제 2 도선(162) 또는 제 3 도선(164) 중 하나에 인가되는 저전압 단상 교류(342)를 출력한다. 예로서, 제 1 인버터(330) 및 제 4 인버터(336)는 제 1 도선(160)과 제 2 도선(162) 사이에 결합된다. 제 2 인버터(332) 및 제 5 인버터(338)는 제 2 도선(162)과 제 3 도선(164) 사이에 결합된다. 제 3 인버터(334) 및 제 6 인버터(340)는 제 3 도선(164)과 제 1 도선(160) 사이에 결합된다. 비록 델타 구성으로 설명하였지만, 제 1 인버터(330), 제 2 인버터(332), 제 3 인버터(334), 제 4 인버터(336), 제 5 인버터(338) 및 제 6 인버터(340)는 별(스타) 구성으로 결합될 수도 있다.
도선(160, 162 및 164)은 전력 변압기(106)에 결합된다. 전력 변압기(106)는 전기 그리드(18)에 인가를 위해 고전압 3상 교류(174)를 출력한다.
도 7은 PV 발전 시스템(100, 200 및 300)(도 2 내지 도 5에 도시)의 동작을 제어하기 위한 예시적인 방법(410)의 흐름도(400)이다. 특히, 방법(410)은 전기 부하, 예를 들어 전기 그리드(도 1에 도시)에 전달을 위해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하며, 직류 전력은 복수의 가변 단상 전원, 예를 들어 PV 콜렉션 장치(124, 130, 136, 142, 148 및 154)에 의해 생성된다. 예시적 실시예에 있어서, 방법(410)은 적어도 하나의 PV 전지 및 콜렉터측 단상 인버터를 각각 포함하는 복수의 PV 콜렉터 유닛을 제공하는 것을 포함하며, 복수의 PV 콜렉터 유닛은 직류 전압을 발생하며 직류 전압을 단상 교류 출력으로 변환하도록 구성된다. 예를 들어, PV 콜렉터 유닛(102)(도 2에 도시)이 제공(420)되며, 직류 전압을 발생시키는 PV 콜렉터 장치(124, 130, 136, 142, 148 및 154)와 직류 전압을 단상 교류(158)(도 2에 도시)로 변환하는 콜렉터측 단상 인버터(122, 128, 134, 140, 146 및 152)를 포함한다.
예시적 실시예에 있어서, 방법(410)은 적어도 하나의 시스템 제어기, 예를 들어 시스템 제어기(108)(도 2에 도시)를 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)에 통신 가능하게 결합(422)하는 것을 또한 포함한다. 방법(410)은 또한 복수의 PV 콜렉터 유닛(102)의 동작을 제어하도록 시스템 제어기(108)를 프로그래밍(424)하는 것을 포함한다. 방법(410)은 부하 고장의 검출시 복수의 PV 콜렉터 유닛(102) 중 적어도 하나에 억제 신호를 전달하도록 시스템 제어기(108)를 프로그래밍(426) 하는 것을 또한 포함한다.
상술한 실시예들은 PV 발전 시스템의 효율적이며 비용 효과적인 동작을 가능하게 한다. 본 명세서에 기재된 방법들 및 시스템들은 전기 분배 그리드에 전달하기 위해 복수의 태양열 콜렉터 유닛에 의해 발생된 전력을 조절하는 것을 가능하게 해준다. 전기 그리드에 전달되는 전력은 정상 상태 및 과도 상태 대칭성, 무효 전력 제어, 고장 전류의 제공, 램프 레이트의 성형 및 그리드 이벤트 라이드 쓰루를 포함하지만 이에 국한되지는 않는 그리드 접속성 기대를 충족시킨다. 자본 지출, 전력 변환 손실 및 선로 손실이 최소화된다. 본 명세서에 기재된 방법들 및 시스템들은 발전 자산들의 일부의 일시적인 고장 또는 영구적인 열화 동안 그리드 대칭성을 지원하는 것을 가능하게 해준다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 실시예들은 대칭 및 비대칭성 고장 전류를 지원 및 제어한다.
PV 발전 시스템의 예시적 실시예는 위에서 상세히 설명되었다. 방법들 및 시스템들은 본 명세서에 기재된 특정 실시예들로 제한되지 않으며, 시스템들의 구성 요소들 및/또는 방법들의 단계들은 본 명세서에 설명된 다른 구성 요소들 및/또는 단계들과는 독립적이며 개별적으로 사용될 수도 있다.
비록, 본 발명의 다양한 실시예들의 특정한 특징들이 일부 도면들에 도시되며 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리들에 따라, 도면의 어떤 특징은 어떤 다른 도면의 어떤 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.
상기 기재된 설명은 최적의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하며 당업자가 어떤 장치 또는 시스템들을 제작 및 이용하며 어떤 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하는 본 발명을 실시를 수행하도록 예들을 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 특허 청구 범위에 정의되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이와 같은 다른 예들은 청구항들의 문언과 다르지 않은 구조적인 요소들을 갖는 경우나 청구항들의 문언과 실질적이지 않은 차이들을 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우에는 청구범위의 범위 내에 속하도록 의도된다.
100: PV 발전 시스템
102: PV 콜렉터 유닛
108: 시스템 제어기
122: 콜렉터측 단상 인버터
124: PV 전지

Claims (10)

  1. 광기전성(PV) 발전 시스템으로서,
    복수의 광기전성(PV) 콜렉터 유닛 - 상기 복수의 PV 콜렉터 유닛의 각각은 적어도 하나의 PV 전지 및 콜렉터측 단상 인버터를 포함하며, 적어도 하나의 전송 선로를 통해 전기 그리드와 결합하도록 구성됨 - 과,
    각각의 PV 콜렉터 유닛의 적어도 하나의 콜렉터측 단상 인버터와 상기 전기 그리드 사이에 결합되고, 각각의 콜렉터측 단상 인버터에 의해 출력되는 단상 교류(AC)를 수신하여 다상 AC를 상기 전기 그리드에 제공하도록 구성된 그리드측 인버터와,
    각각의 PV 콜렉터 유닛 및 상기 그리드측 인버터에 통신가능하게 결합되는 시스템 제어기를 포함하되,
    상기 시스템 제어기는, 각각의 PV 콜렉터 유닛 및 상기 그리드측 인버터의 동작을 개별적으로 조정하며, 상기 전기 그리드에 제공되는 다상 AC의 각 위상에 인가되는 유효 및 무효 전력을 개별적으로 제어하며, 저전압 라이드 쓰루(LVRT) 이벤트 및 제로 전압 라이드 쓰루(ZVRT) 이벤트 중 적어도 하나를 통해 상기 복수의 PV 콜렉터 유닛의 동작을 제어하도록 구성되는
    PV 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 콜렉터측 단상 인버터는 동작 파라미터를 저장하는 메모리 유닛을 포함하며, 각각의 콜렉터측 단상 인버터는 측정된 그리드 상태 및 상기 시스템 제어기로부터의 신호 중 적어도 하나에 응답하여, 상기 동작 파라미터에 따라 동작하도록 구성되는
    PV 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동작 파라미터는 임계 그리드 전압 전력 명령, 전압 라이드 쓰루 귀환 명령 및 무효 전력 명령 중 적어도 하나를 포함하는
    PV 발전 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는 상기 복수의 PV 콜렉터 유닛 중 적어도 하나에 역률 기준 신호를 송신하는 것과 전기 그리드의 고장을 검출할 경우 상기 복수의 PV 콜렉터 유닛 중 적어도 하나에 억제 신호를 송신하는 것 중 적어도 하나를 행하도록 구성되는
    PV 발전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 PV 콜렉터 유닛의 각각은 개개의 PV 콜렉터 유닛에 대해 결정된 최대 전력 지점에서 동작하며 직류(DC) 전압을 단상 교류(AC) 출력으로 변환하도록 구성되는
    PV 발전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단상 교류(AC) 출력을 수신하며 복수의 콜렉터측 단상 인버터로부터의 상기 단상 교류(AC) 출력을 균형 다상 교류(AC) 출력으로 변환하도록 구성되는 변압기를 더 포함하는
    PV 발전 시스템.


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