KR102225658B1 - 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법 - Google Patents

무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법 Download PDF

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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AC-DC 시스템을 이용한 무효전력 보상설비를 설치하고 DC 링크를 공유하여 인버터를 통해 드라이브 모터의 구동 전력으로 사용함으로서 무효전력을 보상함과 동시에 드라이브 구동 전력원을 해결한 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법을 제공한다.

Description

무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법 {VFT ASYNCHRONOUS GRID-CONNECTION METHOD INCLUDING REACTIVE POWER COMPENSATION}
본 발명은 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AC-DC 시스템을 이용한 무효전력 보상설비를 설치하고 DC 링크를 공유하여 인버터를 통해 드라이브 모터의 구동 전력으로 사용함으로서 무효전력을 보상함과 동시에 드라이브 구동 전력원을 해결한 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법에 관한 것이다.
본 발명은 한국전력공사의 사외공모 기초연구(개별)에 의해 지원되었음.(과제번호:R18XA06-60)
회전형 변압기(Variable Frequency Transformer, VFT)는 Wound-Rotor Induction Motro를 사용하는 비동기 계통 연계 설비로, 고정자 권선과 회전자 권선에 비동기 계통을 연결하여 계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계 수행하는 장치이다.
회전형 변압기(VFT)는 회전기이므로 고조파 발생이 없고 계통사고 발생 시 관성에 의한 유연한 대처 가능하며, 용량에 따라 병렬 설치 가능하여 높은 확장성 및 초기 설치비용 저렴한 장점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 회전형 변압기(VFT)는 회전형 변압기, 드라이브 모터, 제어 시스템을 비동기계통 사이에 연결하여 사용하였다.
종래의 회전형 변압기(VFT)는 고정자 권선과 회전자 권선에 비동기계통 2기가 연결되고, 계통 간 주파수 차이만큼 회전자와 기계적으로 연결된 드라이브 모터를 회전시켜 계통연계를 수행하였다.
제어 시스템을 통해 발생되는 기계적인 힘
Figure 112019034720279-pat00001
는 고정자 권선을 통해 발생되는 유효전력
Figure 112019034720279-pat00002
와 회전자 권선을 통해 발생되는 유효전력
Figure 112019034720279-pat00003
을 더한 것으로 표현할 수 있다.
회전형 변압기(VFT)에 의해 전달 가능한 전력은 고정자와 회전자의 위상각, 합성 리액턴스에 의해 결정, 회전형 변압기의 고정자와 회전자의 전압을
Figure 112019034720279-pat00004
이라 하고 합성 리액턴스를
Figure 112019034720279-pat00005
, 고정자와 회전자 그리고 회전자와 회전자 권선 사이의 위상각을 각각
Figure 112019034720279-pat00006
라고 하면 회전형 변압기에 의한 전력
Figure 112019034720279-pat00007
는 수식 (1)과 동일하다.
Figure 112019034720279-pat00008
드라이브 모터의 회전속도
Figure 112019034720279-pat00009
은 고정자에 연결된 계통의 주파수
Figure 112019034720279-pat00010
와 회전자에 연결된 계통의 주파수
Figure 112019034720279-pat00011
의 차이만큼 회전형 변압기의 극수
Figure 112019034720279-pat00012
에 따라 제어 시스템을 통해 수식 (2)와 같이 발생한다.
Figure 112019034720279-pat00013
회전형 변압기(VFT)는 도 2와 같이 인덕턴스 성분이 포함되기 때문에 비동기계통 연계를 수행하였을 경우 Back-to-Back HVDC 방식에 비해 무효전력 증가되는 문제가 있으며,
무효전력 증가의 문제를 해결하기 위해, 인덕턴스 성분에 의한 무효전력을 보상하기 위한 캐패시터 뱅크의 필수적인 추가 설치로 인해, 설비비가 증가되는 문제가 있다.
한국등록특허 [10-1132107]에서는 분산전원이 연계된 전력계통의 전압/무효전력 제어 시스템 및 이를 위한 방법이 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1132107](등록일자 2012년03월23일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 AC-DC 시스템을 이용한 무효전력 보상설비를 설치하고 DC 링크를 공유하여 인버터를 통해 드라이브 모터의 구동 전력으로 사용함으로서 무효전력을 보상함과 동시에 드라이브 구동 전력원을 해결한 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치는, 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2) 사이의 선로 상에 구비된 회전형변압기(100); 상기 회전형변압기(100)와 기계적으로 연결된 드라이브모터(200); 상기 드리이브모터(200)와 연결된 모터구동형인버터(300); 상기 제2전원계통(2) 측 선로에 병렬 연결된 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)와 사이의 선로에 병렬 연결된 병렬형변압기(600); 상기 병렬형변압기(600)의 2차 측에 직렬 연결된 AC-DC시스템(500); 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 일측 선로에 일측이 연결되고 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 타측 선로에 타측이 연결된 DC링크(400); 상기 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이를 검출하여 그에 따른 드라이브 모터(200)의 회전속도 연산 및 상기 모터구동형인버터(300)에 제어 신호를 투입하는 속도제어기(미도시); 및 상기 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하고 상기 AC-DC시스템(500)에 필요한 무효전력 보상량에 대한 제어 신호를 투입하는 연산처리수단(미도시);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전형변압기(100)는 계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 회전형변압기(100)는 고정자 권선이 상기 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고, 회전자 권선이 상기 제2전원계통(2)에 직렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전형변압기(100)의 회전자 측은 상기 드라이브모터(200)와 기계적으로 연결 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 드라이브모터(200)는 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이만큼의 회전속도를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드라이브모터(200)는 3상 인덕션 모터가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 모터구동형인버터(300)는 상기 DC링크(400)로부터 구동 전력을 흡수하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 AC-DC시스템(500)은 상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 상기 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 병렬형변압기(600)는 상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 상기 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 연산처리수단(미도시)은 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력을 검출 및 무효전력 보상량에 대한 제어 신호 발생을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)는 제 1계통(1)과 제 2계통(2)의 용량이 증대하였을 경우, 상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬로 연결하여 용량 증대를 대응하는 높은 확장성을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법은, 비동기계통 연계를 수행함에 있어서, 상기 제1전원계통(1)의 전압(
Figure 112019034720279-pat00014
)과 주파수(
Figure 112019034720279-pat00015
) 그리고 상기 제2전원계통(2)의 전압(
Figure 112019034720279-pat00016
)과 주파수(
Figure 112019034720279-pat00017
)를 검출하는 주파수검출 단계(S10); 상기 제1전원계통(1) 및 제2전원계통(2) 주파수 검출(S10)을 통해 주파수 차이(
Figure 112019034720279-pat00018
)를 상기 드라이브모터(200)의 회전속도로 변환하는 회전속도연산 단계(S20); 상기 회전속도연산 단계(S20)를 통해 얻은 상기 드라이브모터(200)의 회전속도
Figure 112019034720279-pat00019
을 통해, 비동기계통 연계가 안정화된 이후, 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하는 변압기무효전력검출 단계(S30); 상기 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 검출하는 부하무효전력검출 단계(S40); 및 변압기무효전력검출 단계(S30)와 부하무효전력검출 단계(S40)에서 검출된 무효전력을 바탕으로 보상이 필요한 무효전력의 양을 연산하는 무효전력보상량연산 단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전형변압기(100)는 계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 회전형변압기(100)는 고정자 권선이 상기 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고, 회전자 권선이 상기 제2전원계통(2)에 직렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전형변압기(100)의 회전자 측은 상기 드라이브모터(200)와 기계적으로 연결 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 드라이브모터(200)는 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이만큼의 회전속도를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 드라이브모터(200)는 3상 인덕션 모터가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 모터구동형인버터(300)는 상기 DC링크(400)로부터 구동 전력을 흡수하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 AC-DC시스템(500)은 상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 상기 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 병렬형변압기(600)는 상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 상기 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 연산처리수단(미도시)은 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력을 검출 및 무효전력 보상량에 대한 제어 신호 발생을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)는 제 1계통(1)과 제 2계통(2)의 용량이 증대하였을 경우, 상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬로 연결하여 용량 증대를 대응하는 높은 확장성을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치 및 운영 방법에 의하면, AC-DC 시스템을 이용한 무효전력 보상설비를 설치하고 DC 링크를 공유하여 인버터를 통해 드라이브 모터의 구동 전력으로 사용함으로서 무효전력을 보상함과 동시에 드라이브 구동 전력원을 해결 효과가 있다.
또한, 회전형변압기를 사용함으로 필연적으로 발생하는 무효전력을 보상하기 위해 AC-DC시스템을을 연계하여 종래의 캐패시터 뱅크의 설치를 대체하고, DC링크 공유를 통해 드라이브모터의 구동 전력원의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 계통의 용량이 증대하여도 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬 연결하여 대응이 가능하며, 속도제어기와 연산처리수단은 통합 관리 시스템과의 연계를 통한 계통의 실시간 모니터링으로서의 역할도 수행 가능하므로 비동기계통 연계를 수행함에 있어서 종래의 Back-to-Back HVDC 방식에 비해 저렴한 설치비용을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 회전형 변압기 구성도.
도 2는 종래의 회전형 변압기에 인덕턴스 성분이 포함됨을 보여주는 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 개념도.
도 4는 부하 임피던스와 회전형 변압기 임피던스의 무효전력 보상을 보여주는 벡터도.
도 5는 본 발명의 일 실시예로, 용량 증대에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 방법(1000)의 병렬 운전의 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법의 흐름도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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 이해되어야한다.
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 명세서에서 사용되는 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, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 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 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 종래의 회전형 변압기 구성도이고, 도 2는 종래의 회전형 변압기에 인덕턴스 성분이 포함됨을 보여주는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 개념도이고, 도 4는 부하 임피던스와 회전형 변압기 임피던스의 무효전력 보상을 보여주는 벡터도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예로, 용량 증대에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 방법(1000)의 병렬 운전의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법의 흐름도이다.
종래의 회전형 변압기는 무효전력 보상을 위해 캐패시터 뱅크를 설치하였다.
그러나 최근 분산전원으로서 신재생에너지원이 급증하여 계통 전압의 안정화를 위해 ESS 등의 배터리형 부하의 증가로 인해 용량성 무효전력의 발생이 증가한다.
이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 AC-DC 시스템을 이용한 무효전력 보상설비를 통해 유도성, 용량성 무효전력을 모두 포함한 회전형 변압기 비동기 계통 연계 기술을 개발하였다.
도 3 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)는 회전형변압기(100), 드라이브모터(200), 모터구동형인버터(300), DC링크(400), AC-DC시스템(500), 병렬형변압기(600), 속도제어기(미도시) 및 연산처리수단(미도시)을 포함한다.
회전형변압기(100)는 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2) 사이의 선로 상에 구비된다.
상기 회전형변압기(100)는 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2) 사이에 연결되어 비동기계통 연계를 수행한다.
이때, 상기 회전형변압기(100)와 제2전원계통(2) 사이에 부하(3)가 병렬로 연결된다.
드라이브모터(200)는 상기 회전형변압기(100)와 기계적으로 연결된다.
상기 드라이브모터(200)는 회전형 변압기(100)의 회전자와 기계적으로 연결된다.
모터구동형인버터(300)는 상기 드리이브모터(200)와 연결된다.
상기 모터구동형인버터(300)의 입력 측은 상기 드리이브모터(200)의 출력 측과 연결되고, 상기 모터구동형인버터(300)의 출력 측은 후술하는 AC-DC시스템(500)의 입력 측과 직렬로 연결된다.
병렬형변압기(600)는 상기 제2전원계통(2) 측 선로에 병렬 연결된 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)와 사이의 선로에 병렬 연결된다.
상기 병렬형변압기(600)는 후술하는 AC-DC시스템(500)을 제 2계통(2)에 병렬 접속하기 위한 것으로, 상기 병렬형변압기(600)는 상기 회전형변압기(100)와 부하(3) 사이의 선로에 병렬 연결된다.
즉, 상기 병렬형변압기(600)의 일측은 상기 회전형변압기(100)와 부하(3) 사이의 선로에 병렬 연결되고, 타측은 후술하는 AC-DC시스템(500)의 출력 측과 연결된다.
AC-DC시스템(500)은 상기 병렬형변압기(600)의 2차 측에 직렬 연결된다.
상기 AC-DC시스템(500)은 상기 부하(3)와 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력 보상을 위한 것이다.
DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 일측 선로에 일측이 연결되고 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 타측 선로에 타측이 연결된다.
상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)와 AC-DC시스템(500)의 전력원의 역할을 수행한다.
상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500)을 직렬로 연결한 두 선로 간을 병렬로 연결한다.
상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500)을 공통 연결하여 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500)를 상호 연결하는 Capacitor를 사용하여 DC-Link를 실현시키며, 일정한 자기지지 DC Bus Voltage을 유지시키는 역할을 한다.
속도제어기(미도시)는 상기 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이를 검출하여 그에 따른 드라이브 모터(200)의 회전속도 연산 및 상기 모터구동형인버터(300)에 제어 신호를 투입한다.
상기 속도제어기는 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 주파수와 전압을 측정하여 그 차이를 연산하고 상기 모터구동형인버터(300)에 제어 신호를 투입한다.
제어 신호를 받은 드라이브모터(200)는 기계적으로 연결된 회전형변압기(100)의 회전자를 회전시켜 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 주파수 차이를 보상한다.
연산처리수단(미도시)은 상기 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하고 상기 AC-DC시스템(500)에 필요한 무효전력 보상량에 대한 제어 신호를 투입한다.(도 4참조)
상기 연산처리수단은 부하(3)가 연결되어 있는 제2전원계통(2)의 무효전력 발생량을 검출하고 이를 보상하기 위해 상기 AC-DC시스템(500) 제어 신호를 보내는 역할을 수행한다.
상기 속도제어기와 연산처리수단은 계통의 전압 및 전류, 주파수 등의 검출 기능을 포함하므로 통합 관리 시스템과의 연계를 통한 계통의 실시간 모니터링으로서의 역할도 수행 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 회전형변압기(100)는 계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 회전형변압기(100)가 계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행함으로써, 비동기 계통 연계가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 회전형변압기(100)는 고정자 권선이 상기 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고, 회전자 권선이 상기 제2전원계통(2)에 직렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 회전형변압기(100)의 고정자 권선 측은 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고, 회전자 권선 측은 제2전원계통(2)에 직렬 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 회전형변압기(100)의 회전자 측은 상기 드라이브모터(200)와 기계적으로 연결 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 드라이브모터(200)는 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이만큼의 회전속도를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 드라이브모터(200)는 3상 인덕션 모터가 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 드라이브모터(200)는 상기 모터구동형인버터(300)와 연결되는 바, 3상 인덕션 모터가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 모터구동형인버터(300)는 상기 DC링크(400)로부터 구동 전력을 흡수하여 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 모터구동형인버터(300)는 상기 드라이브모터(200)와 연결되어 구동하는 역할을 수행한다. 상기 모터구동형인버터(300)의 구동 전력은 상기 DC링크(400)에서 흡수하여 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 DC링크(400)는 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이에 연결되며, 상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로서 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 AC-DC시스템(500)은 상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 상기 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 AC-DC시스템(500)은 상기 DC링크(400)와 상기 병렬형변압기(600) 사이에 연결되며, 상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 병렬형변압기(600)는 상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 상기 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 병렬형변압기(600)는 상기 AC-DC시스템(500)을 제2전원계통(2)에 병렬로 접속하는 역할을 수행하며, 상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 연산처리수단(미도시)은 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력을 검출 및 무효전력 보상량에 대한 제어 신호 발생을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 AC-DC시스템(500)을 통해 보상하려는 무효전력은 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력도 포함하므로, 상기 회전형변압기(100)를 통한 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계가 수행되어 안정화된 이후 무효전력 보상을 수행하여야 한다.
따라서 상기 연산처리수단은 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력 발생량 검출 및 무효전력 보상을 위한 제어 신호 발생을 수행하는 것이 바람직하다.
도 3을 예로 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 보다 상세히 설명하면,
상기 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 순시 주파수를 검출하여 그 차이를 속도제어기가 연산하고 이를 드라이브모터(200)의 회전속도
Figure 112019034720279-pat00020
으로 변환하여 그에 따른 제어 신호를 모터구동형인버터(300)에 투입한다.
제어 신호를 받은 모터구동형인버터(300)는 DC링크(400)로부터 모터 구동 전력원을 공급받아 드라이브모터(200)를 구동하고, 드라이브모터(200)에 기계적으로 연결된 회전형변압기(100)의 회전자가 회전하면서, 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 주파수 차이를 보상한다.
비동기계통 연계가 안정화되면 부하(3)와 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하여 연산처리수단이 무효전력 보상량을 연산하여 이에 따른 제어 신호를 AC-DC시스템(500)에 투입한다.
AC-DC시스템(500)은 DC링크(400)에서 전력을 공급받아 필요한 만큼 무효전력 보상량을 생산하여, 병렬형변압기(600)를 통해 부하(3)에 공급함으로써 무효전력 보상의 역할을 수행한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)는 상기 제 1계통(1)과 제 2계통(2)의 용량이 증대하였을 경우, 상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬로 연결하여 용량 증대를 대응하는 높은 확장성을 특징으로 할 수 있다.
회전형변압기(100)의 특징 중 하나는 계통의 용량 증대에 따른 확장성이 뛰어나다는 것으로, 용량이 증대됨에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬 연결하여 대응이 가능하다.
도 5를 예로 보다 상세히 설명하면, 예를 들어 계통의 용량이 3배 증대할 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000) 3개를 병렬 연결하여 대응할 수 있다.
드라이브모터(200)를 구동하기 위한 전력원은 DC링크(400)에서 공급되는데, 정전압을 유지하기 위해서 제2전원계통(2)의 유효전력을 흡수한다. 일반적으로 흡수하는 유효전력은 계통의 용량의 1/3 정도이므로 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)의 병렬 운전을 할 경우 AC-DC시스템(500)의 용량을 증대하는 것보다 각 설비에 하나씩 설치하여 운전하는 것이 경제적이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법은 주파수검출 단계(S10), 회전속도연산 단계(S20), 변압기무효전력검출 단계(S30), 부하무효전력검출 단계(S40) 및 무효전력보상량연산 단계(S50)를 포함한다.
주파수검출 단계(S10)는 비동기계통 연계를 수행함에 있어서, 상기 제1전원계통(1)의 전압(
Figure 112019034720279-pat00021
)과 주파수(
Figure 112019034720279-pat00022
) 그리고 상기 제2전원계통(2)의 전압(
Figure 112019034720279-pat00023
)과 주파수(
Figure 112019034720279-pat00024
)를 검출한다.
회전속도연산 단계(S20)는 상기 제1전원계통(1) 및 제2전원계통(2) 주파수 검출(S10)을 통해 주파수 차이(
Figure 112019034720279-pat00025
)를 상기 드라이브모터(200)의 회전속도로 변환한다.
변압기무효전력검출 단계(S30)는 상기 회전속도연산 단계(S20)를 통해 얻은 상기 드라이브모터(200)의 회전속도
Figure 112019034720279-pat00026
을 통해, 비동기계통 연계가 안정화된 이후, 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출한다.
부하무효전력검출 단계(S40)는 상기 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 검출한다.
무효전력보상량연산 단계(S50)는 변압기무효전력검출 단계(S30)와 부하무효전력검출 단계(S40)에서 검출된 무효전력을 바탕으로 보상이 필요한 무효전력의 양을 연산한다.
도 6을 예로 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법을 보다 상세히 설명하면,
제 1계통(1)과 제 2계통(2)에 PLL(Phase Lock Loop)를 이용하여 주파수 검출(S10)을 실시한다.
이후, 검출된 주파수와 위상을 바탕으로 드라이브 모터(200)의 회전속도를 속도제어기를 통해 연산(S20)하여 기계적인 힘
Figure 112019034720279-pat00027
를 낼 수 있도록 제어 신호를 모터 구동형 인버터(300)에 투입한다.
이후, 회전형 변압기(100)를 통해 제 1계통(1)과 제 2계통(2)의 비동기계통 연계가 안정화되면 회전형 변압기(100)와 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 검출(S40, S50)한다.
이후, 검출된 무효전력을 바탕으로 무효전력 보상량을 연산(S50)하여 AC-DC 시스템(500)에 투입하면 무효전력을 생산하여 부하(3)에 병렬형 변압기(600)를 통해 공급하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1: 제1전원계통
2: 제2전원계통
3: 부하
100: 회전형변압기
200: 드라이브모터
300: 모터구동형인버터
400: DC링크
500: AC-DC시스템
600: 병렬형변압기
S10: 주파수검출 단계
S20: 회전속도연산 단계
S30: 변압기무효전력검출 단계
S40: 부하무효전력검출 단계
S50: 무효전력보상량연산 단계

Claims (26)

  1. 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2) 사이의 선로 상에 구비된 회전형변압기(100);
    상기 회전형변압기(100)와 기계적으로 연결된 드라이브모터(200);
    상기 드라이브모터(200)와 연결된 모터구동형인버터(300);
    상기 제2전원계통(2) 측 선로에 병렬 연결된 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)와 사이의 선로에 병렬 연결된 병렬형변압기(600);
    상기 병렬형변압기(600)의 2차 측에 직렬 연결된 AC-DC시스템(500);
    상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 일측 선로에 일측이 연결되고 상기 모터구동형인버터(300)와 상기 AC-DC시스템(500) 사이의 타측 선로에 타측이 연결된 DC링크(400);
    상기 제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이를 검출하여 그에 따른 드라이브 모터(200)의 회전속도 연산 및 상기 모터구동형인버터(300)에 제어 신호를 투입하는 속도제어기(미도시); 및
    상기 부하(3)와 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하고 상기 AC-DC시스템(500)에 필요한 무효전력 보상량에 대한 제어 신호를 투입하는 연산처리수단(미도시);
    를 포함하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    고정자 권선이 상기 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고,
    회전자 권선이 상기 제2전원계통(2)에 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    회전자 측은 상기 드라이브모터(200)와 기계적으로 연결 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 드라이브모터(200)는
    제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이만큼의 회전속도를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 드라이브모터(200)는
    3상 인덕션 모터가 사용되는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모터구동형인버터(300)는
    상기 DC링크(400)로부터 구동 전력을 흡수하여 사용하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 DC링크(400)는
    상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 AC-DC시스템(500)은
    상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 상기 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 병렬형변압기(600)는
    상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 상기 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연산처리수단(미도시)은
    제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력을 검출 및 무효전력 보상량에 대한 제어 신호 발생을 수행하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  12. 제1항에 있어서,
    상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)는
    제 1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 용량이 증대하였을 경우,
    상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬로 연결하여 용량 증대를 대응하는 높은 확장성을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  13. 제1항에 있어서,
    제1전원계통(1)과 제2전원계통의 주파수는 PLL(Phase Lock Loop)를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000).
  14. 제1항에 기재된 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법에 있어서,
    비동기계통 연계를 수행함에 있어서, 상기 제1전원계통(1)의 전압(
    Figure 112019034720279-pat00028
    )과 주파수(
    Figure 112019034720279-pat00029
    ) 그리고 상기 제2전원계통(2)의 전압(
    Figure 112019034720279-pat00030
    )과 주파수(
    Figure 112019034720279-pat00031
    )를 검출하는 주파수검출 단계(S10);
    상기 제1전원계통(1) 및 제2전원계통(2) 주파수 검출(S10)을 통해 주파수 차이(
    Figure 112019034720279-pat00032
    )를 상기 드라이브모터(200)의 회전속도로 변환하는 회전속도연산 단계(S20);
    상기 회전속도연산 단계(S20)를 통해 얻은 상기 드라이브모터(200)의 회전속도
    Figure 112019034720279-pat00033
    을 통해, 비동기계통 연계가 안정화된 이후, 상기 회전형변압기(100)에서 발생하는 무효전력을 검출하는 변압기무효전력검출 단계(S30);
    상기 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 검출하는 부하무효전력검출 단계(S40); 및
    변압기무효전력검출 단계(S30)와 부하무효전력검출 단계(S40)에서 검출된 무효전력을 바탕으로 보상이 필요한 무효전력의 양을 연산하는 무효전력보상량연산 단계(S50);
    를 포함하는 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    계통 간 주파수 차이만큼 회전자의 회전속도로 보상하여 계통연계를 수행하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    고정자 권선이 상기 제1전원계통(1)에 직렬 연결되고,
    회전자 권선이 상기 제2전원계통(2)에 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 회전형변압기(100)는
    회전자 측은 상기 드라이브모터(200)와 기계적으로 연결 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 드라이브모터(200)는
    제1전원계통(1)의 주파수와 제2전원계통(2)의 주파수 차이만큼의 회전속도를 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 드라이브모터(200)는
    3상 인덕션 모터가 사용되는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 모터구동형인버터(300)는
    상기 DC링크(400)로부터 구동 전력을 흡수하여 사용하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 DC링크(400)는
    상기 모터구동형인버터(300)의 모터 구동 전력원으로 사용됨과 동시에 상기 AC-DC시스템(500)의 무효전력 발생원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 AC-DC시스템(500)은
    상기 DC링크(400)로부터 전력을 공급받아 상기 제2전원계통(2)과 부하(3)에서 발생하는 무효전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 병렬형변압기(600)는
    상기 AC-DC시스템(500)에서 생산된 무효전력을 상기 제2전원계통(2) 및 부하(3)에 공급하여 무효전력을 보상하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 연산처리수단(미도시)은
    제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 비동기계통 연계의 수행이 안정화된 이후 무효전력을 검출 및 무효전력 보상량에 대한 제어 신호 발생을 수행하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법은
    제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 용량이 증대하였을 경우,
    상기 무효전력 보상을 포함한 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치(1000)를 병렬로 연결하여 용량 증대를 대응하는 높은 확장성을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
  26. 제14항에 있어서,
    상기 제1전원계통(1)과 제2전원계통(2)의 주파수는 PLL(Phase Lock Loop)를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 회전형 변압기 비동기계통 연계 장치의 운영 방법.
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