KR102141527B1 - 분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법 - Google Patents

분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 분산형 전원과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집하는 계측부; 수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산하는 연산부; 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단하고, 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단하는 판단부를 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 장치를 제공한다.

Description

분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법{Protection device and method for distributed energy resources in electric distribution system}
본 발명의 일실시예는 분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배전계통 및 배전계통에 연계되는 분산형 전원이 접속되는 연계점에 설치될 수 있는 분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석에너지 고갈과 환경오염 문제로 대체 에너지를 이용한 발전에 전 세계적으로 많은 관심이 집중되고 있다. 대체 에너지를 통한 발전은 대용량 발전에 비해 용량이 작고 수요지 근처에 분산적으로 존재하여 분산형 전원이라 부른다. 초기의 분산형 전원은 용량이 작아 기존 전력계통과는 분리된 상태로 운전되었는데, 최근에는 그 용량이 증가하면서 전력계통과 연계된 상태로 가동되고 있다.
분산형 전원은 일반적으로 차단기의 구조를 갖는 계통연계 장치를 통해 전력계통과 연계되어 상시에는 함께 연결되고 전력계통에 문제가 발생하면 전력계통과 분리되는 구조를 갖는다.
연계하여 운전되는 중 상용 교류전원이 공급되는 측에서 지락이나 단락과 같은 사고가 발생하면 계통연계 장치가 개방되어 상용전원 전력계통과 분산전원 계통이 분리되고 이에 따라 전력계통에서 발생한 과전류가 부하로 흐르지 않아 부하 및 계통연계 분산전원 시스템을 보호할 수 있다.
이때 전력계통이 분리되면 분산형 전원만이 부하에 연결되어 전력을 공급하게 되는데 이러한 상태를 단독운전(islanding) 상태라 한다. 즉, 계통 연계형 시스템에서의 단독운전(islanding)이란 상용계통이 정전으로 인해 배전계통과 차단된 경우 태양광발전시스템과 같은 분산형 전원이 하나의 독립된 배전계통을 구성하여 부하에 발전 전력을 지속적으로 공급하고 있는 현상을 말한다.
그러나 이러한 단독운전 상태에서는 분산형 전원이 생산하는 유효전력의 크기와 부하의 크기에 따라 주파수와 전압 변동이 발생하여 안정적인 전력공급이 어려운 경우가 있으며, 단독운전 상태가 지속되는 중 전력계통 측의 전원이 회복되면 양측 전압의 위상차에 의해 단락 또는 탈조가 발생하는 사고가 일어날 가능성이 있다. 따라서 분산전원의 계통 연계시에는 이러한 단독운전 상태를 신속하게 감지하는 것이 필요하다.
이러한 단독운전 검출기법은 크게 수동적 기법과 능동적 기법으로 분류할 수 있다. 수동적 기법은 기본적으로 전압과 주파수 등 인버터의 제어에 필요한 시스템 파라미터를 이용하여 검출된 파라미터가 정상범위를 벗어나는 경우 단독운전임을 판단하여 인버터를 정지시키는 방법이다. 그러나 인버터의 출력전력과 부하의 소모 전력이 일치하는 경우에 단독운전 발생시 전압 및 주파수의 변화가 매우 미소하므로 단독운전 검출이 실패할 확률이 높다.
이런 단점을 보완한 능동적 기법은 인버터의 출력전류에 임의의 외란을 인가하여 단독운전 발생시 전압의 크기 또는 주파수의 변화를 유도하는 기법이다. 특히 그 중 능동형 주파수 변동기법(Active Frequency Drift Method; AFD 기법)이 많이 알려져서 사용되고 있다.
AFD 기법은 전류의 주파수를 빠르게 해서, 단독운전이 발생했을시 빠른 주파수 변동에 대해서 전압의 주파수가 빠르게 변화하게 함으로써 변화된 전압의 주파수를 특정값까지 변동시켜서 단독운전을 검출하는 기법이다.
예를 들면, 한국전력공사 공칭 주파수가 60Hz 인데, 계통 정전이 발생하였을 때, AFD 기법을 통해 태양광 인버터는 주파수를 변동시켜 과주파수 릴레이(Over Frequency Relay; OFR)의 트립(Trip) 설정값인 60.5Hz(한국 기준)을 넘어서는 것으로 단독운전을 검출하는 것이다. 혹은 공칭 주파수 60Hz를 저주파수 릴레이(Under Frequency Relay: UFR)의 트립 (Trip) 설정값인 59.3Hz(한국 기준)을 넘어서는 것으로 단독운전을 검출하는 것이다.
이러한 AFD 기법은 계통과 연계되어 있는 상태에서, 전류의 주파수를 변동시킴으로 인해, 전류의 고조파 성분이 커져서 전력품질이 떨어지는 문제점이 있었다.
특히, 기존의 AFD 기법으로 상기 OFR 또는 UFR을 이용하여 단독운전을 검출하기 위해서는 주파수 변동분이 약5%로 커지게 되는데, 이 수치는 전류 고조파 측정치인 THD(Total Harmonic Distortion; 총 고조파 왜곡) 성분을 5% 정도로 증가시켜 전력품질이 저하되며 이에 따라 전력설비의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
따라서, 주파수 변동기법에 의한 단독운전 검출방법에 있어서, 전력품질이 낮아지는 것을 방지하고, 단독운전 검출 성능을 높이는 단독운전 검출방법이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 1차적으로 분산형 전원의 단독 운전 의심 상황을 판단한 후에, 2차적으로 능동 검출 방식을 적용함으로서 1차 수동 검출 방식의 문제점인 불검출 영역(Non Detection Zone)에 대한 단독운전의 정확한 검출을 수행할 수 있는 분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분산형 전원과 연계된 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집하는 계측부; 수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산하는 연산부; 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단하고, 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단하는 판단부를 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 장치를 제공한다.
상기 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위한 유효전력 출력 지령치를 상기 인버터로 송신하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 판단부는 상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단할 수 있다.
상기 판단부는 상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 순차적으로 감소시키기 위하여 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치를 상기 인버터로 송신할 수 있다.
상기 판단부는 상기 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 분산형 전원의 유·무효전력 출력 제한이 요구될 경우 상위 시스템으로부터 출력 지령치를 수신하거나 또는 자체 판단에 의하여 상기 분산형 전원의 유·무효전력 출력을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 분산형 전원에 고장 발생시 상기 분산형 전원 계통 고장 전류를 차단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 분산형 전원의 전력품질 규정치 위반시 계통측 연계를 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분산형 전원과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집하는 단계; 수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산하는 단계; 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단하는 단계; 및 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단하는 단계를 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 방법을 제공한다.
상기 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위한 유효전력 출력 지령치를 상기 인버터로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 주파수를 수집하는 단계; 및 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 주파수를 수집하는 단계; 및 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명인 분산형 전원 연계용 보호 장치 및 방법은 1차적으로 분산형 전원의 단독 운전 의심 상황을 판단한 후에, 2차적으로 능동 검출 방식을 적용함으로서 1차 수동 검출 방식의 문제점인 불검출 영역(Non Detection Zone)에 대한 단독운전의 정확한 검출이 가능하다.
또한, 능동제어 알고리즘을 순차적으로 적용할 수 있어 불검출 영역을 최소화하기 위해 주파수 변화량 설정값을 민감하게 설정하지 않아도 된다는 장점이 있다.
또한, 연계되어 있는 다수의 인버터를 동일 시간 및 동일 조건에서 제어하므로 검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, DSOGI-PLL 주파수 측정 방식(샘플단위 주파수 변화 측정)을 적용함으로서, 주파수 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상시 능동제어를 통한 단독운전 검출 알고리즘 대비 계통의 품질 악영향을 최소화 할 수 잇다.
도1 내지 도4는 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치의 개념도이다.
도5는 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치의 구성 블록도이다.
도6은 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1 내지 도4는 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치의 개념도이다.
도1 내지 도4를 참조하면, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 배전계통측에 연계되는 분산형 전원(20)에 적용되는 장치로서, 배전계통과 분산형 전원(20)이 접속되는 연계점에 설치 될 수 있다.
도1은 저압측과 연계된 분산형 전원 연계용 보호 장치(변대주 설치형)의 개념도이고, 도2 는 저압측과 연계된 분산형 전원 연계용 보호 장치(발전사업자 구내 설치용)의 개념도이고, 도3은 저압측과 연계된 분산형 전원 연계용 보호 장치(상계거래용)의 개념도이고, 도4는 고압측에 연계된 분산형 전원 연계용 보호 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 연계점 변대주에 설치되어, 연계점 이하 다수의 분산형전원 발전사업자들(1,2,3,..)을 일괄 차단(3상) 할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 발전사업자 구내에 설치되어 개별 발전사업자를 분리 차단(3상)할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 상계거래 발전사업자 구내에 설치되어 개별 발전사업자를 분리 차단(단상)할 수 있도록 구성될 수 있다.
단, 발전사업자 구내에 설치하기 곤란할 경우, 인근 인입주 및 변대주에 설치될 수 있다.
실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 단말부(1), 개폐차단부(2), 통신부(3)를 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 분산형 전원(20)의 단독운전 감시 및 차단, 전력품질 모니터링, 연계점의 전압 변동에 대한 전압 제어를 수행할 수 있다. 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 통신부(3)를 통하여 취득한 데이터를 상위 시스템(30)으로 전송할 수 있으며, 상위 시스템(30)과의 연계 감시 및 제어를 통하여 배전계통 및 분산형 전원(20)의 안정적인 배전선로 운영 및 전력품질 유지가 가능하다.
또한, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 분산형 전원(20)의 전기품질(PQM)을 실시간으로 감시하여 규정 범위 이탈시 개폐 차단부(2)를 제어하여 보호장치를 차단하거나 또는 인버터(21)의 동작을 정지시킴으로써 계통을 안정적으로 운영할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 배전계통 연계점의 규정전압 범위 이탈시 OLTC 배전변압기의 탭 조정을 수행 함으로써 배전계통의 전압 문제를 해결할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)는 분산형 전원 연계점의 규정전압 범위 이탈시 역률제어를 수행할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)의 개폐차단부(2)는 분산형 전원 연계점 고장전류 검출시 통신부(3)를 통하여 개폐기를 차단하고, 인버터(21)를 정지시켜 고장을 차단할 수 있다.
도5는 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치의 구성 블록도이다.
도5를 참조하면, 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 장치(10)의 단말부(1)는 계측부(11), 연산부(12), 판단부(13) 및 제어부(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
계측부(11)는 분산형 전원(20)과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집할 수 있다. 계측부(11)는 배전선로에 설치된 단말장치(1)로부터 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집할 수 있다.
3상 전류 정보는 개폐장치(2)에 내장된 CT센서로부터 측정될 수 있고, 3상 전압 정보는 개폐장치(2)에 내장된 내장형 PT센서로부터 측정될 수 있다. 또한, 주파수 및 위상 정보에는 DISOGI-PLL방식이 적용될 수 있다. DISOGI-PLL방식은 변하는 주파수를 동기화 하기 위한 제어 방식으로, 계통에 노이즈 등의 외란 발생을 방지하기 위하여 전압 신호를 적분한 2개의 SOGI필터가 적용된 주파수 측정 방식을 의미한다.
연산부(12)는 수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산할 수 있다.
예를 들면, 연산부(12)는 하기 수학식 1에 따라 주파수 변화량을 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018065025955-pat00001
수학식 1에서
Figure 112018065025955-pat00002
는 전압 또는 전류의 주파수 변화량이고, t는 시간을 의미한다.
예를 들면, 연산부(12)는 하기 수학식 2에 따라 전압 크기 변화량을 연산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018065025955-pat00003
수학식 2에서
Figure 112018065025955-pat00004
는 전압 크기 변화량이고, t는 시간을 의미한다.
예를 들면, 연산부(12)는 하기 수학식 3에 따라 위상 변화량을 연산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018065025955-pat00005
수학식 3에서
Figure 112018065025955-pat00006
는 전압 또는 전류의 위상 변화량이고, t는 시간을 의미한다.
예를 들면, 연산부(12)는 하기 수학식 4에 따라 전압 또는 전류의 고조파 왜곡율을 연산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018065025955-pat00007
수학식 4에서
Figure 112018065025955-pat00008
은 기본파의 진폭이고,
Figure 112018065025955-pat00009
는 고주파의 진폭을 의미한다.
판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단할 수 있다.
또는, 판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단할 수 있다.
판단부(13)는 주파수 변화량이 최대 주파수 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 전압 크기 변화량이 최대 전압 크기 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 전압 및 전류 위상 변화량이 최대 전압 및 전류 위상 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 고조파 왜곡율이 최대 고조파 왜곡율 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단할 수 있다. 즉, 판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 상황이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하지 않을 경우 2차적으로 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율을 각각의 최소 설정값과 비교하여 분산형 전원 단독운전 의심 상황을 검출할 수 있다.
판단부(13)는 주파수 변화량이 최소 주파수 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 전압 크기 변화량이 최소 전압 크기 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 전압 및 전류 위상 변화량이 최소 전압 및 전류 위상 변화량 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단할 수 있다. 또는 판단부(13)는 고조파 왜곡율이 최소 총 고조파 왜곡율 설정값을 초과할 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단할 수 있다. 즉, 판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하인 경우에 있어서, 각각의 최소 설정값을 초과할 경우에는 분산형 전원 단독운전 의심 상황이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 분산형 전원 단독 운전 의심 상황은 단독 운전이 발생한 것으로 확신할 수는 없으나 그러할 가능성이 높은 환경으로 단독 운전 상황과는 다른 제어 알고리즘이 적용된다.
판단부(13)는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율이 각각에 대한 최소 설정값 이하일 경우 정상 운전 상황인 것으로 판단할 수 있다.
실시예에서, 최대 설정값은 각각 대응되는 최소 설정값 보다 큰 값을 가질 수 있다. 분산형 전원 단독 운전 의심 상황을 판단하기 위한 최소 설정값을 너무 작게 설정하게 되면 정상 운전 상황임에도 불구하고 분산형 전원 단독 운전 의심 상황으로 판단할 확률이 높다. 따라서, 실시예에서는 최소 설정값을 일정 수치 이상으로 설정하고 2차적으로 분산형 전원 단독 운전 의심 상황을 판단함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
실시예에서 최대 설정값 및 최소 설정값은 정상 운전 상황 및 단독 운전 상황을 시뮬레이션한 결과와 "전기사업법 제18조 및 같은법 시행규칙 제18조, 같은법 제27조의2 및 같은법 시행령 제17조의2 규정에 의한 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준"에 따라 설정될 수 있다.
또한, 판단부(13)는 제어부(14)의 유효전력 출력 지령치를 송신한 후, 계측부(11)를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단할 수 있다.
또한, 판단부(13)는 제어부(14)에서 유효전력 출력 지령치를 송신한 후, 계측부(11)를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단할 수 있다.
또한, 판단부(13)는 제어부(14)에서 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치를 송신한 후, 계측부(11)를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단할 수 있다.
제어부(14)는 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력할 수 있다.
또한, 제어부(14)는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위한 유효전력 출력 지령치를 인버터로 송신할 수 있다.
또한, 제어부(14)는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 순차적으로 감소시키기 위하여 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치를 인버터로 송신할 수 있다.
분산형 전원 단독운전 발생시 분산형 전원의 출력(
Figure 112018065025955-pat00010
), 부하(
Figure 112018065025955-pat00011
)에 따른 주파수(
Figure 112018065025955-pat00012
)의 상관관계는 수학식 5와 같이 정의될 수 있다. 수학식 5에서 주파수 설정값은 60Hz이다.
[수학식 5]
Figure 112018065025955-pat00013
즉, 분산형 전원의 출력(
Figure 112018065025955-pat00014
)을 점진적으로 감소시키면, 수학식 5와 같이 주파수(
Figure 112018065025955-pat00015
)도 점진적으로 감소하게 된다.
제어부(14)는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황이 발생할 경우 분산형 전원의 출력을 점진적으로 감소시키기 위하여 인버터 유효 전력 출력 지령치를 인버터로 송신한다. 인버터는 유효 전력 출력 지령치에 따라 분산형 전원의 유효 전력 출력을 감소시키고 그에 대응하여 주파수도 감소하게 된다.
예를 들어, 분산형 전원 단독 의심 상황에서 분산형 전원의 출력이 100kW이고, 부하가 100kW라고 한다면, 제어부(14)는 분산형 전원의 유효 전력 출력을 95%로 감소시키라는 유효 전력 출력 지령치를 인버터로 전송한다. 인버터는 이에 따라 분산형 전원의 출력을 95kW로 감소시키게 되고, 주파수 값도 이에 대응하여 감소하게 된다. 다음으로, 제어부(14)는 분산형 전원의 유효 전력 출력을 90%, 85%로 감소시키라는 유효 전력 출력 지령치를 순차적으로 인버터로 전송한다. 인버터는 이에 따라 분산형 전원의 출력을 90kW, 85kW로 순차적으로 감소시키게 되고, 주파수 값도 이에 대응하여 감소하게 된다. 제어부는 기 설정된 횟수만큼 유효 전력 출력 지령치를 인버터로 전송하여 분산형 전원의 출력과 주파수를 감소시킨다.
판단부(13)는 제어부(14)에서 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치를 송신한 후에, 계측부(11)를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단할 수 있다. 즉, 판단부(13)는 분산형 전원의 출력 감소에 대응하여 감소된 주파수 값이 주파수 설정값 이상을 유지할 경우에는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황을 해제하고, 정상 운전 상황인 것으로 판단할 수 있다.
그러나, 판단부(13)는 제어부의 유효전력 출력 지령치를 송신한 후, 계측부(11)를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우에는 분산형 전원 단독 운전 상황인 것으로 판단할 수 있다. 즉, 판단부(13)는 분산형 전원의 출력 감소에 대응하여 감소된 주파수 값이 주파수 설정값 미만으로 나타날 경우에는 분산형 전원 단독 운전 상황이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
제어부(14)는 계통 운전의 안전성 확보를 위해 분산형 전원의 유·무효전력 출력 제한이 요구될 경우 상위 시스템으로부터 출력 지령치를 수신하거나 또는 자체 판단에 의하여 분산형 전원의 유·무효전력 출력을 제어할 수 있다. 제어부(14)는현재 주파수가 규정 주파수(상한치)보다 클 경우 현재 분산형전원의 발전량을 단계적으로 하향하도록 제어함으로써 유효전력을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(14)는 하기 수학식 6에 따라 현재 발전량과 현재 계통 주파수와 규정 주파수의 차에 비례하는 유효 전력 출력 지령치를 통하여 유효전력을 제어할 수 있다. 수학식 6에서 P*는 유효 전력 출력 지령치, P는 현재 유효전력, f는 현재 주파수, fmin-set는 규정 주파수, K는 비례계수이다. 유효 전력 출력 지령치는 자체 판단에 의하여 산출되어 인버터로 전달되거나 또는 상위 시스템으로부터 수신하여 인버터로 전달할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018065025955-pat00016
또는 제어부(14)는 분산형전원 연계점 전압이 규정 전압보다 클 경우 분산형 전원의 무효전력 출력 지령치를 상위 시스템으로부터 수신하거나 또는 자체 판단에 의하여 산출할 수 있다. 예를 들면, 제어부(14)는 하기 수학식 7에 따라 현재 연계점 전압과 규정 전압의 차와 현재 발전량에 비례하는 무효전력 출력 지령치를 통하여 무효전력을 제어할 수 있다. 수학식 7에서 Q*은 무효전력 출력 지령치, Q는 현재 무효전력, P는 현재 유효전력, V는 연계점 전압, Vmax-set는 규정 전압, K는 비례계수이다. 유효 전력 출력 지령치는 자체 판단에 의하여 산출되어 인버터로 전달되거나 또는 상위 시스템으로부터 수신하여 인버터로 전달할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018065025955-pat00017
제어부(14)는 분산형 전원측 고장 발생시 계통 보호를 위해 분산형 전원 계통 고장 전류를 차단할 수 있다. 제어부(14)는 보호계전요소 OCR, OCGR, OVR, UVR, OFR, UFR 등의 판단에 의한 고장 판단시 개폐 차단부를 통하여 분산형전원 계통 분리를 수행할 수 있다. 고장 전류 차단 제어 명령은 자체 판단에 의하여 산출되어 개폐 차단부로 전달되거나 또는 상위 시스템으로부터 수신하여 개폐 차단부로 전달할 수 있다.
제어부(14)는 분산형 전원측 전력품질 규정치 위반시 계통측 연계를 분리할 수 있다. 제어부(14)는 전력품질PQM(Sag, Swell, Interruption, 고조파(3th, THD) 등에 대한 상시 출력 감시를 통하여 PQM 설정값 이상 초과시 분산형 전원 계통을 분리할 수 있다. 계통 연계 분리 명령은 자체 판단에 의하여 산출되어 개폐 차단부로 전달되거나 또는 상위 시스템으로부터 수신하여 개폐 차단부로 전달할 수 있다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 분산형 전원 연계용 보호 방법의 순서도이다.
도6을 참조하면, 먼저, 계측부는 분산형 전원과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집한다. 계측부는 배전선로에 설치된 단말장치로부터 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집한다(S601).
연산부는 수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산한다(S602).
판단부는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단한다(S603).
제어부는 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력한다(S604).
판단부는 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단한다(S605).
제어부는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위한 유효전력 출력 지령치를 기 설정된 횟수(n)만큼 인버터로 송신한다(S606).
계측부는 유효전력 출력 지령치 송신 후 주파수를 수집하고, 판단부는 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우에는 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단한다(S607).
판단부는 기 설정된 횟수 동안 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우에는 분산형 전원 단독 운전 의심 상황을 해제하고 정상 운전 상황으로 판단한다(S608).
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 분산형 전원 연계용 보호 장치
11: 계측부
12: 연산부
13: 판단부
14: 제어부

Claims (15)

  1. 분산형 전원과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류 정보를 수집하는 계측부;
    수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산하는 연산부;
    상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단하고, 상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단하는 판단부; 및
    상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위하여 하기 수학식 8에 따라 유효 전력 출력 지령치를 산출하여 유효전력을 제어하거나 또는 하기 수학식 9에 따라 무효전력 출력 지령치를 산출하여 무효전력을 제어하는 제어부를 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
    [수학식 8]
    Figure 112020026817189-pat00024

    [수학식 9]
    Figure 112020026817189-pat00025

    (수학식 8에서 P*는 유효 전력 출력 지령치, P는 현재 유효전력, f는 현재 주파수, fmin-set는 규정 주파수, K는 비례계수이고, 수학식 9에서 Q*은 무효전력 출력 지령치, Q는 현재 무효전력, P는 현재 유효전력, V는 연계점 전압, Vmax-set는 규정 전압, K는 비례계수이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 순차적으로 감소시키기 위하여 기 설정된 횟수만큼의 상기 유효전력 출력 지령치를 상기 인버터로 송신하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 기 설정된 횟수만큼의 유효전력 출력 지령치 송신 후 상기 계측부를 통하여 수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단하는 분산형 전원 연계용 보호 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 분산형 전원의 유·무효전력 출력 제한이 요구될 경우 상위 시스템으로부터 출력 지령치를 수신하거나 또는 자체 판단에 의하여 상기 분산형 전원의 유·무효전력 출력을 제어하는 분산형 전원 연계용 보호 장치
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 분산형 전원에 고장 발생시 상기 분산형 전원 계통 고장 전류를 차단하는 분산형 전원 연계용 보호 장치
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 분산형 전원의 전력품질 규정치 위반시 계통측 연계를 분리하는 분산형 전원 연계용 보호 장치
  11. 분산형 전원과 연계된 저압 또는 고압측의 전압, 전류, 주파수, 위상 및 유효전력 정보를 수집하는 단계;
    수집한 정보를 이용하여 주파수 변화량, 전압 크기 변화량, 위상 변화량 및 고조파 왜율(THD)을 연산하는 단계;
    상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 상황으로 판단하는 단계;
    상기 주파수 변화량, 상기 전압 크기 변화량, 상기 위상 변화량 및 상기 고조파 왜율 중 적어도 하나가 각각에 대한 최대 설정값 이하이면서, 최소 설정값을 초과하는 경우 분산형 전원 단독운전 의심 상황으로 판단하는 단계; 및
    상기 분산형 전원 단독 운전 의심 상황 발생시에, 인버터 유효전력의 출력을 감소시키기 위하여 하기 수학식 10에 따라 유효 전력 출력 지령치를 산출하여 유효전력을 제어하거나 또는 하기 수학식 11에 따라 무효전력 출력 지령치를 산출하여 무효전력을 제어하는 단계를 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 방법.
    [수학식 10]
    Figure 112020026817189-pat00026

    [수학식 11]
    Figure 112020026817189-pat00027

    (수학식 10에서 P*는 유효 전력 출력 지령치, P는 현재 유효전력, f는 현재 주파수, fmin-set는 규정 주파수, K는 비례계수이고, 수학식 11에서 Q*은 무효전력 출력 지령치, Q는 현재 무효전력, P는 현재 유효전력, V는 연계점 전압, Vmax-set는 규정 전압, K는 비례계수이다)
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분산형 전원 단독 운전 상황시 해당 분산형 전원 계통 분리 명령을 출력하는 단계를 더 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 주파수를 수집하는 단계; 및
    수집된 주파수가 주파수 설정값 미만인 경우 분산형 전원 단독 운전 상황으로 판단하는 단계를 더 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유효전력 출력 지령치 송신 후 주파수를 수집하는 단계; 및
    수집된 주파수가 주파수 설정값 이상인 경우 정상 운전 상황으로 판단하는 단계를 더 포함하는 분산형 전원 연계용 보호 방법.
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