KR102230280B1 - 다수의 그리드 연계형 전력 변환기의 단독 운전 - Google Patents

다수의 그리드 연계형 전력 변환기의 단독 운전 Download PDF

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아푸바 소마니
존 씨. 팔롬비니
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다이너파워 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

공통 연결점(point of common coupling; PCC)에서 함께 결합된 다수의 전력 변환기들을 구비한 전력 시스템이 개시된다. 상기 전력 변환기들은 부하에 연결되며, 상기 전력 변환기들은 결합된 전력 변환기 출력을 상기 부하에 제공한다. 스위치는 상기 PCC 및 외부 그리드 사이에 직렬로 연결된다. 스위치가 폐쇄될 때 전력 시스템은 그리드 연계 구성에 있게 되고, 스위치가 개방될 때 전력 시스템은 마이크로 그리드 구성에 있게 된다. 상기 전력 변환기들에 연결된 제어 시스템은 상기 외부 그리드를 모니터링하는 하나 이상의 센서들로부터 수신된 신호에 응답하여 스위치가 개방 및 폐쇄될 수 있게 하며, 상기 스위치가 폐쇄될 때 전력 변환기들이 전류 제어 모드로 작동할 수 있게 하며, 그리고 상기 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 변환기들이 상기 부하를 공유하게 한다.

Description

다수의 그리드 연계형 전력 변환기의 단독 운전 {Islanding a plurality of grid tied power converters}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허문서는 35 U.S.C.§119(e)하에서 2015년 7월 2일에 출원된 미국 임시특허출원 제62/188,278호의 우선권을 함유하며, 상기 임시특허출원은 본원에 참고로 편입된다.
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로 전력 변환기에 관한 것이며; 보다 구체적으로는 마이크로 그리드를 형성하기 위해 다수의 그리드-연계형(grid-tied) 전력 변환기를 단독 운전(islanding)하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력 시스템은 그리드(예를 들어, 로컬 부하를 갖는 마이크로 그리드 및/또는 유틸리티 그리드)에 전력 공급을 제공하기 위해 분산형 전력원들(예를 들어, 분산형 발전기들, 배터리 뱅크들 및/또는 태양 전지 패널 또는 풍력 터빈과 같은 재생 가능 자원들)을 포함할 수 있다. 전력 시스템은 전력원과 그리드 사이에서 전력을 변환하기 위한 전력 인버터 같은 전력 변환기를 포함할 수 있다. 그러한 전력 변환은 AC/DC, DC/DC, AC/AC 및 DC/AC를 포함할 수 있다.
마이크로 그리드 시스템은 다양한 상호 연결된 분배형 에너지 자원들(예를 들어, 발전기들 및 에너지 저장 유닛들) 및 부하들을 포함할 수 있다. 마이크로 그리드 시스템은 회로 차단기, (사이리스터 및 IGBT 같은) 반도체 스위치 및/또는 접촉기와 같은 스위치들을 통해 메인 유틸리티 그리드에 연결될 수 있다. 마이크로 그리드 시스템이 메인 유틸리티 그리드에 연결되어 있는 경우, 메인 유틸리티 그리드는 마이크로 그리드 시스템의 로컬 부하들에 전력을 공급할 수 있다. 메인 유틸리티 그리드 자체가 로컬 부하들에 전력을 공급할 수 있거나, 또는 메인 유틸리티 그리드는 마이크로 그리드의 전력원들과 함께 사용되어 로컬 부하들에 전력을 공급할 수 있다.
마이크로 그리드 시스템을 제어하고 관리하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 포함하는 제어기가 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 제어기는 스위치의 온 및 오프 상태를 제어할 수 있으며, 이에 따라 마이크로 그리드 시스템이 메인 그리드에 연결되거나 분리될 수 있게 한다. 마이크로 그리드 시스템의 그리드 연결 동작은 일반적으로 “그리드 연계형(grid tied)” 모드라고 지칭되는 반면, 그리드 분리 동작은 일반적으로 “단독 운전(islanded)” 또는 “독립형(stand alone)” 모드로 지칭된다. 그리드 연계형 모드의 마이크로 그리드 시스템은 메인 유틸리티 그리드에서 정전과 같은 비정상적인 동작 상황이 발생하는 그리드 이벤트의 경우 메인 그리드로부터 분리되어 단독 운전 모드로 전환할 수 있어야 한다.
마이크로 그리드가 배터리 뱅크를 포함할 때, 마이크로 그리드에 전력을 제공하거나 마이크로 그리드로부터 전력을 수신하기 위해 배터리 에너지 저장 시스템이 사용될 수 있다. 배터리 에너지 저장 시스템은 스마트 그리드 시스템에서 에너지 저장 유닛으로서 사용될 수 있다. 광전지/태양 전지 패널 및 풍력 터빈과 같은 재생 가능 에너지원들은 예측 불가하고 불편한(inconvenient) 날씨 패턴에 따라 달라질 수 있는 간헐적인 소스(intermittent source)이다. 발전원(generation source)은 부하 요구 사항과 거의 일치하지 않는다. 그러므로 에너지 저장 유닛을 제공하는 것이 바람직하다. 전력을 저장하고 공급할 수 있는 에너지 저장 유닛들의 사용은 마이크로 그리드 시스템이 로컬 부하에 신뢰성 있고 안정적인 전력을 제공할 수 있게 한다.
에너지 저장 유닛은 또한 재생 가능 소스들(그리고 잠재적으로 그리드)로부터의 초과 에너지를 저장할 수 있다. 예를 들어, 재생 가능한 에너지 발전은 마이크로 그리드의 부하 요구량을 초과할 수 있다. 에너지 저장 기능이 없으면, 추가 발전(generation)은 손실된다. 에너지 저장 유닛이 마이크로 그리드에 사용된다면, 추가 발전은 배터리에 저장됨으로써 포획될 수 있다. 그 다음 에너지 저장 유닛은 이 전력을 로컬 부하에, 그리고 심지어는 적절한 경우 메인 유틸리티 그리드에 공급할 수 있다.
불행하게도, 기존의 구현은 여러 유닛들이 그리드 연계형 모드와 독립형 모드 사이에서 자연스럽게 전환되는 것을 허용하지 않는다.
본 발명에 따르면, 재생 가능 에너지원들 및 에너지 저장 유닛들의 조합은 자립형 마이크로 그리드를 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 자립형 마이크로 그리드들은 다운타임을 허용할 수 없는 중요한 부하를 위해 그리고 원거리에서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 함께 연결되고 결합된 전력 변환기 출력을 부하에 제공하도록 구성되는 다수의 전력 변환기들을 포함한다.
일 양상에서, 다수의 전력 변환기들을 구비한 전력 시스템은 공통 연결점(point of common coupling; PCC)에서 함께 연결될 수 있다. 상기 전력 변환기들은 상기 PCC에서 부하에 연결되도록 구성되며, 결합된 전력 변환기 출력을 상기 부하에 제공하도록 구성될 수 있다. 스위치는 상기 PCC에 연결될 수 있으며, 그리고 상기 PCC 및 외부 그리드 사이에 직렬로 연결되도록 구성될 수 있으며, 이로써, 스위치가 폐쇄될 때 전력 시스템은 그리드 연계 구성에 있게 되고, 스위치가 개방될 때 전력 시스템은 마이크로 그리드 구성에 있게 된다. 상기 다수의 전력 변환기들에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템은 : 상기 외부 그리드를 모니터링하는 하나 이상의 센서들로부터 수신된 신호에 응답하여 스위치가 개방 및 폐쇄될 수 있도록 구성될 수 있으며; 상기 스위치가 off 상태일 때 그리고 시스템이 그리드 연계 구성에 있을 때, 전력 변환기들이 전류 제어 모드로 작동할 수 있도록 구성될 수 있으며; 상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하도록 구성될 수 있으며; 그리고 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 전력 변환기들을 동기화하도록 구성될 수 있다.
상기 PCC는 공유 AC 버스일 수 있다.
상기 전력 시스템은 상기 PCC와 상기 스위치 사이에 연결된 근접 센서, 그리고 상기 스위치 및 상기 외부 그리드 사이에 연결된 원위(distal) 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 상기 근접 센서 및 상기 원위 센서로부터 수신된 신호들에 응답하여 상기 원위의 스위치가 개방 및 폐쇄될 수 있게 할 수 있다.
상기 제어 시스템은 외부 그리드 입력을 측정하기 위해 원위 센서 신호를 수신하고, 그리고 상기 제어 시스템이 상기 외부 그리드 입력이 비정상 상태에 있다고 판단할 때 상기 스위치가 개방될 수 있도록 더 구성될 수 있다.
상기 제어 시스템은 결합된 전력 변환기 출력을 측정하기 위해 근접 센서 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 시스템은 상기 시스템이 상기 외부 그리드 입력이 정상 상태에 있다고 판단할 때, 그리고 상기 결합된 전력 변환기 출력이 상기 외부 그리드 입력과 실질적으로 일치할 때 상기 스위치가 폐쇄될 수 있게 하도록 더 구성될 수 있다.
상기 제어 시스템은, 상기 스위치가 폐쇄되도록 한 후에, 상기 전력 변환기들 각각을 외부 그리드 전압에 동기화하도록 더 구성될 수 있다. 상기 전력 변환기들 각각을 상기 그리드에 동기화할 때, 상기 제어 시스템은 상기 전력 변환기들이 서로 동기식으로 유지되도록 상기 전력 변환기들 각각의 주파수를 동시에 변경할 수 있다.
전압 진폭 또는 주파수 중 적어도 하나가 상한 또는 하한 밖에 있을 때 상기 외부 그리드는 비정상 상태에 있을 수 있는 전력 시스템.
상기 제어 시스템이 상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 더 구성되는 전력 시스템. 이 동기화는 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나 이상의 전력 변환기를 상기 전류 제어 모드로부터 전압 제어 모드로 전환시키도록 구성되는 제어 시스템을 포함할 수 있으며, 이로써, 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나 이상의 전력 변환기는 상기 마이크로 그리드의 전압을 설정(establishing)한다.
상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템이, 마이크로 그리드 모드로 전환하기 전에 그리드 위상 각을 기록하고 상기 기록된 그리드 위상 각에 따라 상기 마이크로 그리드 위상 각을 설정하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 전력 시스템.
상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 더 구성되는 제어 시스템이, 상기 다수의 전력 변환기들 각각에 드룹 제어를 구현하도록 구성되는 제어 시스템도 포함할 수 있는 전력 시스템.
상기 다수의 전력 변환기들 각각에 드룹 제어를 구현하도록 구성되는 제어 시스템이, 각각의 전력 변환기에 대해, 아래 수학식 1 및 수학식 2에 따라 전압 세트포인트에 전압 드룹을 적용하고 주파수 세트 포인트에 주파수 드룹을 적용하도록 구성되는 제어 시스템도 포함할 수 있는 전력 시스템.
<수학식 1>
Figure 112018074276672-pat00001
여기서
Figure 112018074276672-pat00002
는 전압 세트포인트 진폭에 대응하며,
Figure 112018074276672-pat00003
는 공칭 전압 진폭에 대응하며,
Figure 112018074276672-pat00004
는 드룹 전압 기울기(V/kVAR)에 대응하며, 그리고
Figure 112018074276672-pat00005
는 측정된 출력 무효 전력에 대응한다.
<수학식 2>
Figure 112018074276672-pat00006
여기서
Figure 112018074276672-pat00007
는 CI 출력의 주파수 세트포인트에 대응하며,
Figure 112018074276672-pat00008
는 공칭 주파수에 대응하며,
Figure 112018074276672-pat00009
는 드룹 주파수 기울기(Hz/kW)에 대응하며, 그리고
Figure 112018074276672-pat00010
는 측정된 출력 유효 전력에 대응한다.
상기 제어 시스템은 다수의 제어기들을 더 포함할 수 있으며, 상기 다수의 제어기들 각각은 상기 전력 변환기들 중 하나를 제어하며, 상기 제어기들 각각은 자신의 상응하는 변환기에 드룹 제어를 구현하는, 전력 시스템.
상기 제어 시스템은 다수의 제어기들을 더 포함하며, 상기 다수의 제어기들 각각은 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나를 제어하며, 상기 다수의 제어기들 중 하나는 마스터 제어기일 수 있고, 나머지 제어기들은 슬레이브 제어기들일 수 있는, 전력 시스템. 또한, 상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 : 전압 진폭 및 주파수를 제어함으로써 자신의 전력 변환기가 전압 제어 모드에서 동작할 수 있도록 구성되며, 그리고 상기 슬레이브 제어기들이 따르는 유효 및 무효 전류 명령들을 생성하도록 구성되는 마스터 제어기를 구비할 수 있다. 상기 슬레이브 제어기들 중 하나 이상은 상기 마스터 제어기로부터 상기 유효 및 무효 전류 명령들을 수신하도록 구성될 수 있으며 그리고 자신의 전력 변환기들이 전류 제어 모드에서 동작할 수 있도록 구성될 수 있다.
전력 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 다수의 슬레이브 제어기들 및 상기 슬레이브 제어기들을 조정하는(coordinating) 마스터 제어기를 포함하며, 상기 다수의 슬레이브 제어기들 각각은 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나를 제어하고, 상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화여 상기 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 : 상기 마이크로 그리드 전압, 진폭 및 주파수를 제어함으로써 전압 제어 모드에서 동작하도록 구성되며, 그리고 상기 슬레이브 제어기들이 따르도록 유효 및 무효 전류 명령들을 생성하도록 구성되는 마스터 제어기 또한 포함할 수 있는, 전력 시스템. 이 명령 내에서, 상기 슬레이브 제어기들은 상기 마스터 제어기로부터 상기 유효 및 무효 전류 명령들을 수신하도록 구성될 수 있고 그리고 자신의 전력 변환기들이 전류 제어 모드에서 동작할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 동안, 상기 슬레이브 제어기들 중 하나 이상에 연결된 변환기의 출력은 상기 마스터 제어기로부터의 유효 및 무효 명령들을 사용하여 제어될 수 있다.
상기 전력 시스템은 상기 인버터들에 연결된 다수의 전력 자원들을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 자원들은 배터리 전력 자원, 태양광 전력 자원(photovoltaic power resource), 연료 전지 전력 자원, 압축 공기 저장 전력 자원, 커패시터 전력 자원, 풍력 터빈 전력 자원, 마이크로 터빈 전력 자원, 수력 자원, 파력 자원, 화력 자원, 플라이휠(flywheel) 전력 자원 및 바이오매스 전력 자원으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다.
상기 다수의 자원들이 배터리 전력 자원 및 재생 가능 전력 자원을 포함하는 전력 시스템. 상기 제어 시스템은 : 상기 배터리 전력 자원의 저장량(storage)을 상한 임계값과 비교하고, 상기 저장량이 상기 상한 임계값을 초과한다면, 상기 재생 가능 전력 자원에게 전력 발생을 축소할 것을 명령하도록 더 구성될 수 있다.
상기 전력 시스템은 하나 이상의 DC/DC 변환기들을 더 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 DC/DC 변환기들 각각은 상기 전력 자원들 중 하나와 상기 전력 변환기들 중 하나 사이에 직렬 연결될 수 있다.
상기 스위치는 접촉기, 동력 스위치(motorized switch), 또는 반도체 AC 스위치일 수 있다.
단독 운전 마이크로 그리드 구성 동안, 상기 전력 변환기들이 상기 부하로의 결합된 출력에 동등하게 기여하는, 전력 시스템.
단독 운전 마이크로 그리드 구성 동안, 상기 전력 변환기들이 상기 부하의 결합된 출력에 동등하게 기여하지 않는, 전력 시스템.
다른 양상에서, 공통 연결점(point of common coupling; PCC)에서 함께 연결된 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하는 방법은 : 상기 PCC 및 외부 그리드 사이에 직렬 연결된 단독 운전 스위치를 개방하는 단계; 상기 변환기들의 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들을 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 그리드 주파수로 설정하는 단계; 상기 전력 변환기들의 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들을 상기 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 그리드 주파수에서 공칭 전압 및 공칭 주파수로 램프(ramping)하는 단계; 무효 전력의 공유를 용이하게 하기 위해 상기 변환기들의 마이크로 그리드 전압 명령에 전압 드룹(droop)을 적용하는 단계; 및 유효 전력의 공유를 용이하게 하기 위해 상기 전력 변환기들의 주파수 명령들에 주파수 드룹을 적용하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 마지막으로 알려진 그리드 위상 각에 따라 초기 마이크로 그리드 위상 각을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 외부 그리드 전압, 진폭 및 주파수를 모니터링하여 상기 외부 그리드 전압 진폭 및 주파수가 상한 또는 하한 범위를 벗어나면 단독 운전 스위치가 개방되어야 하는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 변환기들아 배터리 전력 자원 및 재생 가능 전력 자원에 연결되는 방법은 : 상기 배터리 전력 자원의 배터리 저장량을 상한 임계값과 비교하고, 상기 저장량이 상기 임계값을 초과한다면, 상기 재생 가능 전력 자원에게 전력을 축소할 것을 명령하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 양상에서, 공통 연결점(point of common coupling; PCC)에서 함께 연결된 다수의 전력 변환기들을, 상기 전력 변환기들에 연결된 마스터 제어기 및 하나 이상의 슬레이브 제어기들을 사용하여 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하는 방법으로서, 상기 방법은 : 상기 PCC 및 외부 그리드 사이에 직렬 연결된 단독 운전 스위치를 개방하는 단계; 상기 마스터 제어기에 의해, 상기 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들을 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 그리드 주파수로 설정하는 단계; 상기 마스터 제어기에 의해, 상기 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들을 상기 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 그리드 주파수에서 공칭 전압 및 공칭 주파수로 램프(ramping)하는 단계; 상기 마스터 제어기에 의해, 하나 이상의 슬레이브 제어기들이 따르도록 유효 및 무효 전류 명령들을 생성하는 단계; 및 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기들을 전류 제어 모드로 동작시키는 단계로서, 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기들이 전류 제어 모드로 동작하는 동안, 슬레이브 제어기에 연결된 전력 변환기의 출력은 상기 마스터 제어기로부터의 유효 및 무효 전류 명령들을 사용하여 제어되는, 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 마지막으로 알려진 그리드 위상 각에 따라 초기 마이크로 그리드 위상 각을 설정하는 마스터 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 외부 그리드 전압, 진폭 및 주파수를 모니터링하는 단계 및 상기 외부 그리드 전압, 진폭 및 주파수가 상한 또는 하한 범위를 벗어날 때 단독 운전 스위치를 개방하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 변환기들이 배터리 전력 자원 및 재생 가능 전력 자원에 연결되는 방법은 : 상기 마스터 제어기에 의해, 상기 배터리 전력 자원의 배터리 저장량을 상한 임계값과 비교하는 단계; 및 상기 배터리 저장량이 상기 임계값을 초과한다면, 상기 재생 가능 전력 자원에게 전력을 축소할 것을 명령하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시서는 본 개시서에 기술된 실시예들에 한정되지 않아야 함이 유의되어야 한다. 본원에 포함된 개념들을 사용하여 여러 다른 실시예들도 가능하다.
본 발명의 다른 장점들은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이므로 용이하게 이해될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 마이크로 그리드를 형성하기 위해 다수의 그리드-연계형 에너지 저장 인버터들을 단독 운전하는 시스템의 예시적인 실시예들이다.
도 2는 그리드-연계형 모드 및 마이크로 그리드 모드 사이에서의 전력 변환기의 전환 및 동기화를 제어하기 위한 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 다수의 전력 변환기들을 동기화시키기 위한 드룹(droop) 방법이 구현되는 방법을 도시한다.
도 4는 다수의 전력 변환기들을 동기화시키기 위해 마스터/슬레이브 구성이 구현되는 방법을 도시한다.
도 5는 전력 시스템이 마이크로 그리드 모드에서 그리드 연계형 모드로 전환하는 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템을 제어하는 방법을 도시한다.
이제, 본 명세서의 일부를 구성하고 예시로서 특정 예시적 실시예들을 도시하는 첨부 도면을 참조할 것이다. 그러나 본원에 설명된 원리들은 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다. 도면의 컴포넌트들은 반드시 축척이 맞을 필요는 없으며, 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 것에 중점을 둘 수 있다. 또한, 도면들에서, 상이한 뷰 전반에 걸쳐 대응하는 부품들을 나타내도록 유사한 참조 번호가 배치될 수 있다.
본 발명의 다음의 설명에서, 특정 용어는 참고용일 뿐이며, 제한하려는 것은 아니다. 예를 들어, 제1, 제2 등의 용어가 본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 본 발명의 설명 및 첨부된 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 “하나(a, an)” 및 “상기”는 문맥상 달리 명시하지 않는 한 복수 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본원에 사용된 용어 “ 및/또는 ”, “그리고/또는”은 관련된 열거된 용어들 중 하나 이상의 가능한 모든 조합들을 지칭하고 포함하는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 “포함하다” 그리고/또는 “포함하는”은 언급된 특징들, 정수(integer)들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 더 이해될 것이다.
본 발명의 실시예들은 마이크로 그리드를 형성하기 위해 다수의 전력 변환기들을 단독 운전화(islanding)하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 전력 변환기들(예를 들어, 양-방향 전력 인버터, DC/DC 변환기, AC/DC 변환기 등)은 전력원과 그리드 사이에서 전력을 변환하기 위해 마이크로 그리드 응용들에서 사용된다. 전력 변환기들이 유틸리티 그리드와 같은 외부 그리드에 연결되는 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고자 할 때, 그리드로부터 전력 변환기들을 분리하고 그리드의 전압을 설정해야 한다. 본 발명의 실시예들은 유닛 간 동기화(inter-unit synchronization) 및/또는 제어 신호 통신을 이용하여 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 단독 운전 모드로 원활하게(seamlessly) 전환하여 마이크로 그리드의 임계 부하에 지속적으로 전력을 공급한다. 전력 시스템의 다양한 컴포넌트들 간의 통신은 예를 들어 X10 프로토콜을 사용하여 전력 버스를 통해 이루어질 수 있다.
전력 변환기들이 외부 그리드에 연결될 때, 전력 변환기들은 제어 시스템의 제어 하에 전류 제어 (또는 전류원) 모드에서 동작할 수 있다. 제어 시스템은 전력 변환기의 자체 제어기뿐만 아니라 마이크로 그리드의 다양한 분산 에너지 자원들을 조정하는 사이트 제어기(site controller)를 포함할 수 있다. 전력 변환기의 자체 제어기는 전력 변환기의 전력 전자 장치로부터 보호되는 환경 또는 외부 환경에서 전력 변환기의 캐비닛 내에 수용될 수 있다. 그리드 연계 모드에서, 그리드 전압의 위상은 그리드에 의해 정의된다. 전력 변환기들은 그리드 주파수 및 위상과 동기하여 작동한다.
마이크로 그리드 모드로 전환할 때, 하나 이상의 전력 변환기들은 전력 변환기가 마이크로 그리드의 전압을 설정하는 전압 제어 모드로 전환할 수 있다. 그 다음, 전력 변환기는 정상 상태에서 그리고 전이(transient) 동안 부하를 균등하게 공유(sharing)할 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로 그리드는 예를 들어 개별 전력 변환기들의 잔여 배터리 에너지(충전 상태)에 기초하여 불균등한 부하 공유을 구현할 수 있다. 이러한 불균등한 부하 공유은 마이크로 그리드의 다양한 분산형 에너지 자원들을 조정하는 사이트 제어기에 의해, 또는 각각의 가용 에너지에 기초하여 분산형 에너지 자원들에 의해 자율적으로 구현될 수 있다.
외부 그리드로부터 분리할지 여부는 외부 그리드의 조건들에 기초할 수 있다. 예를 들어, 외부 그리드 전압 또는 주파수가 상한선 및 하한선 밖에 있으면, 제어 시스템은 외부 그리드로부터 분리하도록 결정할 수 있다. 전압 범위의 예시 값들은 다음과 같다 : 하한 -- 12 %, 상한 = + 10 %. 주파수 범위의 예시 값들은 다음과 같다 : 하한 = 57 Hz, 상한 = 60.5 Hz. 그리드 전압이 다시 범위 내에 있을 때, 전력 변환기들은 출력 전압을 그리드 전압과 자동으로 동기화하고 그리드 연계 동작으로 원활하게 전환할 것이다. 경우에 따라, 그리드와의 문제를 예상한 그리드 운영자에 의해 외부 그리드로부터의 분리가 요청될 수 있다. 그러한 경우, 마이크로 그리드는 여전히 로컬 부하에 전력을 공급하면서 외부 그리드로부터 분리될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 마이크로 그리드를 형성하기 위해 다수의 그리드 연계형 전력 변환기들을 단독 운전하기 위한 시스템의 예시적 실시예들이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예들에서, 다수의 전력 변환기들(130, 140)은 병렬로 연결되고, 그리고 다수의 전력 변환기들(130, 140)은 PCC(point of common coupling)에서 부하에 연결된다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 시스템(100)은 전력 자원들(110, 120), 전력 변환기들(130, 140), 외부 그리드/AC 소스(150), 분리/단독 운전 스위치(160), 부하(170), AC 버스(180) 및 제어 시스템(200)을 포함할 수 있다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 전력 자원들(110, 120)은 배터리들(또는 배터리 뱅크들)이며, 전력 변환기들(130, 140)은 양방향 전력 인버터들(130, 140)이다. 양방향 전력 변환기들은 DC와 AC 간에 변환한다. 배터리(110 또는 120) 및 전력 인버터(130 또는 140)는 에너지 저장 시스템이라고 지칭될 수 있다. 그러한 에너지 저장 시스템들은 재생 가능한 퍼밍(firming), 램프 속도 제어, 피크 쉐이빙 및 주파수 조절을 포함하되 이에 제한되지 않는 수많은 응용들에 사용될 수 있다.
외부 그리드/소스(150)는 메인 유틸리티 그리드, 마이크로 그리드의 개별 그리드 세그먼트, 또는 마이크로 그리드에 연결된 또 다른 AC 또는 DC 소스일 수 있다. 단로기(160)는 마이크로 그리드를 AC 소스(150)로부터 분리시키는 수단일 수 있다. 단로기(160)는 외부 그리드(150)를 마이크로 그리드로부터 분리시키는 단독 운전 스위치(islanding switch)일 수 있다. 단로기(160)는 예를 들어 정적 분리 스위치(static disconnect switch), 동력 차단기(motorized breaker), 접촉기, 반도체 AC 스위치 등일 수 있다.
부하(170)는 실제로 에너지를 소비하는 부하를 나타낸다. 부하(170)는 도 1a에서 AC 측에 도시되어 있지만 DC 부하일 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 부하(170)는 존재하지 않을 수 있다.
전력 변환기들은 부하(170)를 공유하기 위해 PCC(common coupling point)에서 함께 결합된다. 도 1a에 도시된 실시예에서, PCC는 AC 버스이다. AC 버스(180)는 마이크로 그리드 상의 로컬 부하(170)와 인터페이스한다.
도 1a에 기초한 구현의 일례에서, 두 개의 에너지 저장 인버터들(130, 140) 및 배터리들(110, 120)은 빌딩 부하(170)에 인접하여 설치된다. 빌딩 부하(170)는 외부 그리드/AC 소스(150)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 이 예에서, AC 소스(150)는 유틸리티 그리드이다. 정상 작동 중에, 배터리들(110, 120)은 부수적인 서비스 시장(ancillary services market)에 참여하거나, 피크 감소를 제공하거나, 신재생연계(renewable integration)를 제공하는 것과 같이 다른 값 스트림을 제공할 수 있다. 정전과 같은 유틸리티(150)의 고장 시, 단로기(160)는 제어 시스템(200)에 의해 개방된다. 제어 시스템은 전력 시스템(100)을 마이크로 그리드 모드로 전환할 수 있다. 이 모드에서, 인버터(130, 140) 중 하나 또는 둘 모두는 전류 제어(또는 전류원) 모드에서 전압 제어(또는 전압원) 모드로 전환하여 유틸리티(150) 정전 동안 부하(170)에 에너지를 계속 공급한다. 예시적인 목적으로만 도 1a 및 도 1b에 두 개의 인버터들이 도시되어 있다는 것이 유의되어야 한다. 본 발명의 범위 내에서 임의의 수의 인버터들이 사용될 수 있다.
유틸리티(150)가 복원되면, 제어 시스템(200)은 마이크로 그리드의 AC 전압이 유틸리티(150)의 AC 전압과 동기화되도록 지시하며, 단로기(160)가 닫히도록 지시할 수 있다. 일단 단로기(160)가 모든 인버터에 대해 폐쇄되면, 인버터들(130, 140)은 유틸리티(150)에 재-동기화되며, 그리고 전류 제어(또는 전류원) 동작 모드로 다시 전환한다.
도 1b는 그리드 연계 모드와 마이크로 그리드 모드 사이에서 다수의 그리드 연계형 전력 변환기들을 전환하기 위한 시스템의 다른 예시적 실시예이다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 태양광 전지판(solar array)(190)은 배터리(120)를 전력 자원들의 하나로서 대체한다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 전력 변환기(130)는 배터리(110)로부터 또는 베터리(110)에 에너지를 제공하는 양방향 전력 인버터이며, 그리고 전력 변환기(140)는 태양광 전지판(190)으로부터의 DC 에너지를 부하(170) 및/또는 외부 그리드(150)에 적합한 AC 에너지로 변환하는 전력 인버터이다. 도 1a에 도시된 실시예와 유사하게, 도 1b의 전력 시스템은 그리드 연계 모드와 마이크로 그리드 모드 사이에서 전환한다.
다른 예에서, 도 1b의 실시예를 참조하면, 배터리 에너지 저장 인버터(130)는 배터리(110)와 결합될 수 있으며, 그리고 건물 부하(170)와 인접하여 설치될 수 있다. 또한, 인버터(140) 및 태양광 전지판(190)을 포함하는 광전지(PV) 시스템이 설치될 수 있다. 태양광 인버터(140)는 인버터(130)와 동일한 공급원 또는 동일한 유형으로 제조될 수도 있고 아닐 수도 있다. PV 시스템은 에너지 저장 시스템(인버터(130) 및 배터리(110))의 설치 전, 설치 시, 또는 설치 후에 설치될 수 있다.
도 1b에 기초한 구현의 일례에서, 부하(170)는 외부 그리드/AC 소스(150)에 의해 그리고 인버터(140)로부터의 태양 에너지에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 정전과 같은 유틸리티(150)의 고장 시, 단로기(160)는 제어 시스템(200)으로부터의 명령들을 통해 개방된다. 제어 시스템(200)은 시스템을 마이크로 그리드 모드로 전환시키도록 프로그래밍될 수 있다. 이 모드에서, 에너지 저장 인버터(130)는 전류원 모드에서 전압원 모드로 전환하여 유틸리티 정전 동안 부하(170)에 에너지를 계속 공급한다. 에너지 저장 인버터(130)가 전압원 모드로 전환함으로써, 태양광 인버터(140)는 PV 생산 모드에 머무를 수 있고 그리고 부하(170)에 에너지를 계속 공급할 수 있다. 태양 에너지 생산량이 부하에 필요한 전력보다 크다면, 추가 에너지는 예를 들어 배터리(110)를 충전하는데 사용될 수 있다. 태양 에너지 생산량이 부하(170)의 요구보다 낮으면, 배터리(110)는 방전되어 작동에 필요한 추가 전력을 제공할 수 있다. 유틸리티(150)가 복원되면, 마이크로 그리드의 AC 전압은 유틸리티 그리드(150)의 AC 전압과 동기화되며, 단로기(160)는 폐쇄된다. 단로기(160)가 폐쇄되면, 전력 변환기들(130, 140)은 전류 제어 소스 동작 모드로 다시 전환한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예들에서, 전력 변환기들(130, 140)은 DC 전력원들(110, 120)에 연결된 전력 인버터들이다. 그러나 본 발명은 전력 인버터들 또는 DC 소스들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 전력원(110)은 풍력 터빈과 같은 AC 소스일 수 있고, 그리고 전력 변환기(130 또는 140)는 풍력 터빈과 AC 버스(180) 사이의 AC/DC 전력 변환기에 직렬 연결된 AC/DC 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 에너지 저장 인버터들, PV 및 풍력 시스템, 디젤 발전기들 등과 같은 마이크로 그리드 장비는 버스(180)에 직접 연결되거나 또는 절연(isolation) 또는 자동 변압기들 통해 연결될 수 있다. 또한, 풍력 터빈과 같은 일부 분산 자산(distributed asset)은 AC 소스일 수 있으며, 그리고 입력 AC가 터빈에서 변환기로 향하고 출력 AC 연결이 그리드로 향하는 AC/AC 변환기를 가질 수 있다. 전력원들(110, 120)은 임의의 DC 소스이거나 DC 소스들 및 AC 소스들의 조합일 수 있다. 사용될 수 있는 그러한 다른 소스들의 예들로는 발전기(들), 풍력, PV(광전지), 연료 전지, 압축 공기 저장 장치 등이 있다. 이에 따라, 전력 변환기들(130, 140)은 AC/DC, DC/DC, AC/AC 또는 DC/AC일 수 있다.
도 2는 그리드 연계 모드와 마이크로 그리드 모드 사이에서의 전력 변환기들(130, 140)의 전환 및 동기화를 제어하기 위한 예시적인 실시예를 도시한다. 제어 시스템(200)은 다수의 제어기들을 포함할 수 있다. 다수의 제어기들은 예를 들어 국부적으로 및 원격적으로 갱신될 수 있는 FPGA(field-programmable gate arrays) 및/또는 디지털 신호 처리 기반 제어기일 수 있다.
제어 시스템(200)은 그리드 연계 모드 및 마이크로 그리드 모드 사이의 전이 및 동기화를 위해 서로 통신하는 다수의 제어기들 및 센서들을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 각각 전력 시스템(100)의 전력 변환기들 중 하나를 제어하는 다수의 개별 전력 변환기 제어기들(230, 240)을 포함할 수 있다. 또한, 제어 시스템(200)은 개별 인버터 제어기들(230, 240) 사이를 조정하도록 구성된 마스터 제어기(210)를 포함할 수 있다. 마스터 제어기는 개별 사이트 제어기일 수 있으며, 상기 전력 변환기들 중 하나의 개별 제어기들 중 하나일 수 있고, 또는 전력 변환기의 개별 제어기와 함께 전력 인버터들 중 하나에 수용될 수 있다. 개별 전력 변환기들(230) 중 하나의 제어기 또는 마스터 제어기(210)는 근접 (지점 A) 센서 및 원위 (지점 B) 센서를 사용하여 단독 운전 스위치(160)의 양측의 전압, 즉 감지 지점 A 및 감지 지점 B의 전압을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 트랜스듀서(transducer)들은 감지 지점 A 및 감지 지점 B에서 사용되어, 단독 운전 스위치(160)의 양측의 전압을 모니터링하기 위해 제어 시스템에 전압 신호를 제공할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, AC 소스(150)의 AC 전압 및 주파수는 지점 B에서 제어 시스템(200)에 의해 모니터링될 수 있다. 전압 및 주파수는 전압 및 주파수 경계와 비교될 수 있다. 전압 및/또는 주파수 중 하나 또는 둘 모두가 허용 범위를 위반하면, 시스템은 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환할 수 있다. 이 전환은 전류 제어(또는 전류원) 모드에서 전압 제어(전압원) 모드로 전환하는 적어도 하나의 전력 변환기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 마스터 사이트 제어기는 마이크로 그리드의 전압을 설정하기 위해 전압 제어 모드에서 작동할 수 있으며, 그리고 전력 변환기들은 마스터 사이트 제어기로부터 전류 명령들을 수신할 수 있으며, 그리고 전류 제어 모드로 작동할 수 있다.
그리드 연계 모드에서 동작할 때, 단독 운전 스위치(160)는 폐쇄되고, 에너지원들(110, 190)로부터의 에너지는 그리드(150)와 결합된다. 에너지원들(110, 190)로부터의 에너지는 부하(170)에 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 또는 유틸리티/그리드(150)에 추가 발전을 제공하여 다른 부하들을 지원하기 위해 사용될 수 있다. 단독 운전 스위치(160)가 폐쇄되어 있는 동안, 감지 지점 A 및 감지 지점 B에서의 전압은 크기, 주파수 및 위상이 동일해야 한다.
인버터들(130, 140) 간의 연결들은 구리 또는 알루미늄과 같은 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 단독 운전 스위치(160)는 접촉기, 정적 스위치(반도체 기반) 또는 전동식 차단기와 같은 고속 동작 스위치이다. 전력 변환기(130), 단독 운전 스위치(160), 센서 지점(A) 및 센서 지점(B)은 서로 가깝게 위치될 수 있지만 근접성은 요구되지 않는다. 일례에서, 전력 변환기(130), 단독 운전 스위치(160), 센서 지점(A) 및 센서 지점(B)은 50 피트 이내로 떨어져 있을 수 있고, 다른 예에서는 500 피트 이상 떨어져 있을 수 있다. 예를 들어, 단로기(160)는 배전 변전소(distribution substation)에서 상당히 떨어져 위치될 수 있다. 이 경우, 전력 변환기(130), 전력 변환기(140) 및 단로기(160) 사이에 광섬유 링크 또는 다른 고속 링크를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 실시예에서, 인버터와 함께 배치되지 않는 부하, 수 마일의 중간 전압 분배 라인 및 부하 사이트에서 부하들에 서비스하는 강압 변압기들을 포함할 수 있는 전체 배전선(distribution feeder)은 이제 AC 소스(150)로부터 고립(islanding)될 수 있다.
제어 시스템(200)이 전압을 감지하거나 전압의 주파수가 범위를 벗어나는 것을 감지하면, 제어 시스템은 단독 운전 스위치(160)를 개방시킨다. 제어 시스템(200)으로부터의 신호는 예를 들어 중계 신호, 광섬유 링크로서 또는 다른 디지털 통신 방법을 통해 발송될 수 있다. 전압 및 주파수 범위는 설정 가능하며, 그리고 부하 요구 사항과 같은 특정 요구 사항에 따라 설정 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 전압 범위에 대한 값들은 다음과 같이 설정될 수 있다 : 하한 = -12 %, 상한 = + 10 %. 주파수 범위에 대한 예시 값들은 다음과 같을 수 있다 : 하한 = 57 Hz, 하한 = 60.5 Hz. 많은 다른 전압 및 주파수 범위들이 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
그리드로부터 분리될 때, 제어 시스템(200)은 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환시키며, 그리고 전력 변환기들이 부하를 공유(sharing)하도록 전력 변환기들을 동기화한다. 전력 변환기들은 동일한 마이크로 그리드의 단일 단로기(160)를 사용하여 함께 전환한다. 이 모드에서, 전력 변환기들은 마이크로 그리드 전압의 위상을 정의할 수 있다. 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하는 동안, 그리드 전압의 위상각의 스냅샷은 마지막으로 알려진 전압 및 주파수와 함께 취해질 수 있다. 그 다음, 마이크로 그리드의 전력 변환기들은 그리드로부터의 마지막 위상 정보를 기반으로 그것들의 위상 계산들을 초기화할 수 있다. 위상을 유지하는 한 가지 이점은 다중 전력 변환기들을 동일한 위상 값으로 초기화할 수 있으므로, 초기에 동기화된 조건으로 마이크로 그리드/단독 운전 모드로 전환할 수 있다는 것이다. 또한, 부하는 보다 원활한 과도현상을 도울 수 있는 위상 점프를 경험하지 않는다. 그리드 전압 파형은 3 가지 주요 속성을 갖는다. 진폭은 그리드 전압의 크기이다. 예를 들어, 480 V 시스템은 480 x 1.414 = 678 V의 피크 진폭을 가질 것이다. 주파수는 1초 동안의 전압 사인파 수이다. 예를 들어, 초당 60 사이클이 있다면, 주파수는 60 Hz이다. 위상은 사인파에서 임의의 주어진 시점에 전압 파형이 있는 지점을 나타낸다.
일 실시예에서, 전환 및 동기화를 용이하게 하기 위해, 전력 시스템(200)은 마지막으로 알려진 그리드 전압, 그리드 주파수 및 그리드 위상 각을 저장한다. 따라서, 단로기(160)가 그리드(150)로부터 분리될 때, 제어 시스템은 다수의 전력 변환기들이 그리드(150)로부터 분리된 시점에서의 그리드(150)의 사인파의 스냅샷을 갖는다. 제어 시스템(200)을 통해, 전력 변환기들은 전력 시스템(200)에 의해 단독 운전 스위치가 열리는 지점에서 사인파가 어디에 있는지 알 수 있고, 그리고 전력 변환기들은 사인파를 그 스팟에서 픽업할 수 있으므로, 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환할 때 과도 현상(transient)이 존재한다면 임계 부하는 그 과도 현상을 거의 볼 수 없다.
일 실시예에서, 하나 이상의 전력 변환기들이 단로기(160)의 상태 변화를 알지 못할 수도 있다. 예를 들어, 마이크로 그리드가 PV 인버터(140) 및 태양 전지판(190)을 포함하는 광전지 시스템 및 저장 인버터(130) 및 배터리(110)를 포함하는 에너지 저장 시스템을 포함하는 경우, 광전지 시스템이 상태 변화를 통지받는 것은 불필요할 수 있다. 예를 들어, 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환할 때, 저장 인버터(130)는 전압원 모드로 전환할 수 있으며, PV 인버터(140)는 전류원으로 계속 동작하고, 그리고 전압원 인버터(130)에 동기화된 상태를 유지된다. 이 경우, PV 인버터(140)는 단로기(160)가 개방되어 있다는 것을 알지 못할 수 있다. 즉, 외부 그리드(150)에 연결되어 있지 않다는 것을 알지 못할 수 있다. 이 예시적 실시예에서, 제어 시스템(200)의 논리는 인버터(130)의 제어기(230)에 수용될 수 있다. 다른 실시예에서, 논리는 임의의 전력 변환기 외부의 마스터 제어기에 의해 구현될 수 있다.
마지막으로 알려진 그리드 전압, 주파수 및 위상각을 획득할 때, 전력 시스템(100)은 다수의 전력 변환기들을 동기화하기 위해 상이한 방법들을 구현할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전력 시스템은 다수의 전력 변환기들을 마이크로 그리드 모드로 전환하고 다수의 인버터들을 동기화할 때 드룹(droop) 제어 방법을 구현할 수 있다. 드룹 제어 방법에서, 제어 시스템은 각각 전력 변환기를 제어하는 다수의 개별 전력 제어기들을 포함한다. 개별 제어기들 각각은 자신의 전력 변환기에 드룹 제어 방법을 구현할 수 있다. 드룹 제어는 부하 유효 전력을 기반으로 전력 변환기의 출력 주파수를 변경하며, 부하 무효 전력을 기반으로 출력 전압 진폭을 변경한다. 드룹 제어 방법을 구현할 때, 전력 변환기들의 개별 제어기들은 반드시 서로 간에 직접 통신을 가질 필요는 없다. 전력 변환기의 개별 제어기가 과도한 부하를 인식하면, 반드시 전력 변환기들 간에 직접 통신하지 않아도, 제어기는 전력 변환기 주파수를 감소시키며 전력 변환기들 간에 부하를 공유하는 것을 용이하게 한다.
도 3은 전력 시스템(100)이 다수의 전력 변환기들을 동기화하는 드룹 방법을 구현하는 방법을 도시한다. 전력 변환기들은 제어 시스템(200)으로부터 전력 명령들을 수신한다. 전력 시스템(100)이 그리드 연계 모드에서 실행되는 동안, 제어 시스템(200)은 그리드 주파수 및 그리드 전압을 정기적으로 확인하고, 이러한 값들이 허용 가능한지 여부를 결정한다(단계 310). 그리드 주파수 및 그리드 전압이 허용 가능하지 않다면, 제어 시스템(200)은 전력 시스템(200)이 그리드 전압 및/또는 주파수가 범위를 벗어낫다고 판단할 때의 그리드 전압, 주파수 및 위상각을 저장하며(단계 320), 그리고 단독 운전 스위치(단계 330)를 개방한다. 단계 340 내지 단계 370은 개별 전력 변환기 제어기들 각각에 의해 수행된다. 먼저, 마이크로 그리드 전압 및 주파수는 마지막으로 알려진 그리드 전압, 주파수 및 위상각으로 설정된다(단계 340). 다음으로, 각 전력 변환기의 출력 전압 진폭 및 주파수는 그것의 대응하는 전력 변환기 제어기에 의해 마지막으로 알려진 전압 진폭 및 주파수로부터 공칭 전압 진폭 및 주파수로 램프(ramping)된다(단계 350). 다음, 각각의 전력 변환기 제어기는 무효 전력의 공유을 용이하게 하는 마이크로 그리드 전압 명령에 전압 드룹을 적용한다(단계 360). 마지막으로, 각각의 전력 변환기 제어기는 전력 변환기들 사이에서 유효 전력의 공유을 용이하게 하는 마이크로 그리드 주파수 명령에 주파수 드룹을 적용한다.
이하의 제어 논리는 제어 시스템이 다수의 제어기들을 포함하는 실시예를 도시하며, 상기 다수의 제어기들 각각은 하나의 전력 변환기를 제어한다. 다수의 전력 변환기들 각각은 드룹 제어 방법을 구현한다. 이하의 실시예에서, 전력 변환기들 각각은 전력 시스템이 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환할 때 전류 제어 모드에서 전압 제어 모드로 전환한다. 전력 변환기들 각각은 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환할 때 그리고 전력 변환기들을 동기화할 때 독립적으로 작동할 수 있다. 이에 따라, 이하의 제어 논리는 전력 시스템의 전력 변환기들 각각에 구현된다.
while(state=runPQ and grid_ok=1)
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
check_grid(grid_ok);
if (grid_ok != 1)
state = transition_uf;
last_volt = grid_volt;
last_freq = grid_freq;
last_ph = grid_ph;
else if
state = runPQ;
endif
endwhile
상기 제어 논리에서, 전력 시스템은 마이크로 그리드 모드로 전환하기 전에 그리드 연계 모드로 동작한다. while(state=runPQ and grid_ok=1)은 전력 시스템의 전력 변환기들이 그리드 연계 모드에서 동작하고 그리드 조건들이 범위 내에 있는 경우이다. 이 경우, 전력 변환기들은 사이트 마스터 제어기(사용자)로부터 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q) 명령들 Pcmd_usr 및 Qcmd_usr을 수신할 수 있다. 'controlP(Pcmd_usr)' 및 'controlQ(Qcmd_usr)'은 전력 명령에 대해 전력 변환기의 유효 전력 및 무효 전력을 제어하는 루틴이다. check_grid(grid_ok)는 외부 그리드를 확인하는 루틴이다. 이 루틴은 그리드 전압 진폭 및 주파수를 모니터링한다. if (grid_ok != 1)는 그리드 조건이 비정상적인 상황을 나타낸다. state = transition_uf 는 마이크로 그리드 모드로의 전환을 개시한다. last_volt = grid_volt, last_freq = grid_freq 및 last_ph = grid_ph은, 범위를 벗어나고 비정상적인 것으로 고려되는 그리드 전압 또는 주파수일 수 있는, 마지막으로 알려진 그리드 전압, 주파수 및 위상각을 저장한다. state = runPQ는 그리드가 정상일 때 그리드 연계 모드에서 전력 시스템을 계속 가동한다.
다음 제어 논리는 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로의 전력 시스템의 전환을 도시한다. 상기 제어 논리와 유사하게, 이 제어 논리는 전력 변환기들 각각에 의해 구현된다.
while(state=transition_uf)
open_Kext();
wait(Kext_open_tm);
Pha = Pha + freq*dt;
ramp(U_set, last_volt, volt_nom, ramprate_U)
ramp(F_set, last_freq, freq_nom, ramprate_F)
U_set = U_nom - KQV * Qout;
F_set = F_nom - KPF * Pout;
controlU(U_set);
controlF(F_set);
if (U_set=U_nom and F_set=F_nom and Kext=open)
state = runUF;
elseif
state = transitionUF;
endif
endwhile
전환 상태(즉, transition_uf) 동안, 전력 변환기의 출력 전압 진폭 및 주파수는 (범위를 벗어나고 비정상적인 것으로 고려되는 전압 또는 주파수일 수 있는) 마지막으로 알려진 전압 진폭 및 주파수로부터 공칭 전압 진폭 및 주파수로 램프된다. 공칭(또는 정상) 전압 및 주파수는 예를 들어 480 V, 60 Hz일 수 있다. open_Kext()는 단독 운전 스위치가 열리도록 명령한다. wait(Kext_open_tm)는 단독 운전 스위치가 열리는 데 걸리는 시간을 기다리는 명령이다. 일부 실시예들에서, 이 대기 시간은 적용될 수 없으며, 이 경우 시간은 0 이다. Pha=PHA +freq*dt는 위상 계산을 수행하는 루틴이다. dt는 계산을 위한 루프 시간이다. 마이크로 그리드 모드로 전환할 때, 마이크로 그리드 모드의 위상은 마지막으로 알려진 그리드 위상 각으로부터의 위상으로 초기화된다. ramp(U_set, last_volt, volt_nom, ramprate_U) 및 ramp(F_set, last_freq, freq_nom, ramprate_F)는 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들/세트포인트들을 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 주파수에서 공칭 전압 및 주파수로 램프한다. 이 초기화는 과도 현상을 최소화하고 마이크로 그리드 모드로 원활히 전환하도록 수행된다. 램프 루틴에서, 출력은 U_set 및 F_set이다. 입력들은 마지막 그리드 전압 및 주파수의 초기 조건들과 적용될 램프 속도이다. U_set = U_nom - KQV * Qout는 유효 전력의 공유을 용이하게 하기 위해 전압 명령에 전압 드룹을 적용한다. U_nom는 공칭 전압이다. KQV (V/kVAR)는 드룹 기울기이다. 드룹 기울기는 전력 변환기들 간에 고속 공유(high speed sharing)을 가지면서 동시에 전압 편이(voltage excursion)를 최소화하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 전력 변환기가 정격 무효 출력의 20 %를 출력할 때 Kdrp = 20%RatedKVA/Volt의 값은 1V의 전압 강하를 유발할 수 있다. 480 V 시스템의 경우, 이는 허용 가능할 수 있다. 시스템이 480 V 보다 낮은 전압으로 설정되면, 이 값은 감소될 수 있다. Qout은 측정된 출력 무효 전력이며, 그리고 예를 들어 내부 전압 및 전류 센서들을 사용하여 각 전력 변환기에 의해 측정된다. controlU(U_set)는 전압 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 전압을 제어하는 루틴이며, controlF(F_set)는 주파수 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 주파수를 제어하는 루틴이다. if (U_set=U_nom and F_set=F_nom and Kext=open)는 전압 및 주파수의 램핑이 종료되었는지 여부 및 단독 운전 스위치가 열려 있는지 여부를 확인하고, 그렇다면, 전환이 완료되고 마이크로 그리드 모드가 실행 중이다(state - runUF). 그렇지 않다면, 전력 시스템은 전이 상태에서 유지 중이다(state _ transition UF).
다음의 제어 논리는 마이크로 그리드 모드(state=runUF)에서의 전력 시스템 동작을 도시한다. 상기 제어 논리와 유사하게, 이 제어 논리는 전력 변환기들 각각에 의해 구현된다.
while(state=runUF)
U_set = U_nom - KQV * Qout;
F_set = F_nom - KPF * Pout;
if (storage_SOC > SOC_highlimit)
curtail_generation();
elseif
unconstrained_generation();
endif
controlU(U_set);
controlF(F_set);
endwhile
상기 제어 논리에서, 전력 변환기들 각각은 주파수 및 전압 드룹을 계속 적용한다. 또한, 전력 변환기가 배터리 전력 자원에 연결될 때, 그것의 제어기는 재생 가능 발전(renewable generation)이 축소(curtailing)되어야 하는지 여부를 판단하기 위해 배터리 전력 자원의 전하를 모니터링할 수 있다.
U_set = U_nom - KQV * Qout 및 F_set = F_nom - KPF * Pout은 마이크로 그리드 모드에서 전압 및 주파수 명령들/세트포인트들에 계속 적용되는 전압 및 주파수 드룹이다. if (storage_SOC > SOC_highlimit)은 배터리 저장소(storage)가 과충전되고 있는지 여부를 확인한다. curtail_generation()은 재생 가능 전력 자원의 발전을 삭감하는데, 이는 예를 들어 발전을 차단함으로써, 재생 가능 자원에게 적게 생산할 것을 명령함으로써, 자원에게 덜 생산할 것을 시그널링하기 위해 마이크로 그리드 주파수를 증가시킴으로써, 또는 마이크로 그리드 주파수를 공칭 주파수 이상으로 변경하여 재생 가능 자원을 오프라인으로 트립함으로써 달성될 수 있다. unconstrained_generation()은 재생 가능 자원이 제약되지 않은 전력을 생성할 수 있게 한다. controlU(U_set) 및 controlF(F_set)은 마이크로 그리드 전압 및 마이크로 그리드 주파수를 전압 및 주파수 세트포인트들/명령들로 제어하는 루틴들이다.
다른 실시예에서, 마스터/슬레이브 구성은 다수의 전력 변환기들에서 구현될 수 있다. 마스터/슬레이브 구성에서, 전력 변환기들 중 하나는 출력 전압 진폭 및 주파수를 제어하려고 시도하는 마이크로 그리드 마스터로서 동작할 수 있다. 대안적으로, 사이트 제어기는 마스터 제어기로서 동작할 수 있다. 이 경우, 전력 변환기들은 모두 슬레이브 기기들일 수 있다.
마스터 전력 변환기 또는 마스터 제어기는 유효 전류 및 무효 전류 명령을 슬레이브 전력 변환기들에 발송함으로써 특정 레벨의 유효 및 무효 전류를 출력하도록 슬레이브 전력 변환기들에 명령한다. 이러한 전류 레퍼런스들의 진폭은 마이크로 그리드 전압 제어를 기반으로 폐루프 방식으로 계산될 수 있다. 즉, 하나의 마스터 인버터는 전압을 제어할 수 있고, 다른 슬레이브 인버터들은 마이크로 그리드에 공급해야하는 전류에 관해 마스터 인버터로부터 명령을 수신할 수 있으며, 이로써, 부하는 여러 인버터들에게 공유될 수 있다.
마이크로 그리드 모드에 있게 되면, 모든 기기들이 마이크로 그리드의 주파수와 동일한 주파수(예를 들어, 60 Hz)에서 정렬되고 작동하는지 확인하기 위해 마스터 기기 및 슬레이브 기기 간에 고속 통신 신호가 필요할 수 있다. 이러한 신호들은 전류 레퍼런스 및 동기화 신호들을 포함할 수 있다. 동기화 신호들은 예를 들어 정기적인 간격으로 발송되는 전기 또는 광섬유 운반 펄스들일 수 있다. 다른 실시예에서, 동기화 신호들은 IEE 1588과 같은 표준 프로토콜에 기초한 시간 기반 동기화 신호들일 수 있다.
전력 시스템이 다수의 에너지 저장 인버터들을 포함하는 실시예에서, 마스터 제어기 또는 마스터 전력 변환기는 개별 저장 기기들에서 이용 가능한 잔여 에너지에 기초하여 슬레이브 전력 인버터들에 실제 및 무효 전류 명령들을 발행할 수 있다. 예를 들어, 마스터 제어기는 더 많은 에너지를 갖는 저장 기기에 결합된 슬레이브 저장 인버터에 값이 더 큰 전류 명령을 발행할 수 있고, 또한 더 적은 에너지를 갖는 저장 기기에 결합된 슬레이브 저장 인버터에 값이 더 작은 전류 명령도 발행할 수도 있다.
전력 시스템이 배터리 및 전력 변환기를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 재생 가능 에너지 저장 시스템을 포함할 때, 잉여 재생 가능 에너지가 존재할 수 있다. 이 잉여 에너지는 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 저장 기기들을 과충전할 수 있고 마이크로 그리드에 불안정한 상황을 형성할 가능성이 있다. 이를 극복하기 위해, 마스터 제어기 기기는 재생 가능 발전원들에 전력 축소 명령들을 발송할 수 있으며, 발전원들에 종료 명령들을 발송할 수 있으며, 또는 마이크로 그리드 주파수를 조정하여 발전원들을 오프라인으로 트립할 수 있다. 저장 기기들이 전하를 다시 수용할 수 있을 정도로 충분히 고갈되면, 마이크로 그리드 주파수를 공칭 값으로 복원하고 발전 기기들이 마이크로 그리드에 다시 연결할 수 있게 함으로써 재생 기기들을 온라인으로 되돌릴 수 있다.
도 4는 마스터/슬레이브 구성이 구현되는 방법을 도시한다. 제어 시스템(200)은 그리드 전압 및 그리드 주파수(단계 410)를 확인한다. 그리드 전압 및/또는 그리드 주파수가 범위를 벗어나면, 제어 시스템(200)은 전력 시스템(200)이, 그리드 전압 및/또는 주파수가 범위를 벗어낫다고 판단할 때 그리드 전압 및 주파수를 저장한다(단계 420). 그 다음, 마스터 제어기 및 다수의 슬레이브 제어기들 각각은 일련의 단계들을 수행한다. 마스터 제어기는 단독 운전 스위치를 개방한다(단계 430). 그 다음, 마스터 제어기는 마이크로 그리드 전압, 초기 위상 각 및 주파수를 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 주파수(즉, 저장된 그리드 전압, 주파수 및 위상 각)로 설정한다(단계 440). 마스터 제어기는 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들을 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 주파수에서 공칭 그리드 전압 및 주파수로 램프한다(단계 450). 마스터 제어기는 유효 및 무효 전력 명령들을 생성하고 이러한 명령들을 슬레이브 전력 변환기들에 전송한다(단계 460). 슬레이브 전력 변환기들은 유효 및 무효 전력 명령들을 수신하고 그리고 수신된 명령들에 따라 전류 제어 모드에서 동작한다(단계 480).
다음의 제어 논리는 마스터-슬레이브 구성이 구현되는 실시예를 도시한다. 제어 시스템은 전압 제어 모드에서 작동하는 마스터 제어기 및 전류 제어 모드에서 작동하는 하나 이상의 슬레이브 제어기들을 포함한다. 마스터 제어기는 각각의 전력 변환기를 제어하는 개별 제어기들 중 하나일 수 있으며, 이 경우, 전력 변환기는 마스터 전력 변환기로 지칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 마스터 제어기는 전체 시스템의 분산형 에너지 자원들을 조정하는 사이트-전체 제어기(site-wide controller)일 수 있다. 슬레이브 제어기들 각각은 자신의 상응하는 슬레이브 전력 변환기를 제어하는 개별 제어기일 수 있다. 마스터 제어기는 마이크로 그리드 모드로의 전환을 제어하며 슬레이브 전력 변환기들이 현재 명령을 따르도록 명령한다.
while(state=runPQ and grid_ok=1)
controlP(Pcmd_usr);
controlQ(Qcmd_usr);
check_grid(grid_ok);
if (grid_ok != 1 and is_master)
state = transition_uf;
last_volt = grid_volt;
last_freq = grid_freq;
last_ph = grid_ph;
command_slave(transition_uf);
else if
state = runPQ;
endif
endwhile
상기 제어 논리에서, 전력 시스템은 마이크로 그리드 모드(UF)로 전환하기 전에 그리드 연계 모드(PQ)로 실행된다. while(state=runPQ and grid_ok=1)은 전력 시스템의 전력 변환기들이 그리드 연계 모드로 실행되고 있고 그리드 조건들이 범위 내에 있는 경우이다. 이 경우, 전력 변환기들은 사이트 마스터 제어기(사용자)로부터 유효 전력(P) 및 무효 전력(Q) 명령들 Pcmd_usr 및 Qcmd_usr을 수신할 수 있다. 이것들은 또한 전력 변환기의 세트포인트로 지칭될 수도 있다. ‘controlP(Pcmd_usr)’ 및 'controlQ(Qcmd_usr)'은 전력 명령에 대해 전력 변환기의 유효 및 무효 전력을 제어하는 루틴들이다. check_grid(grid_ok)은 외부 그리드를 확인하는 루틴이다. 이 루틴은 그리드 전압 진폭 및 주파수를 모니터링한다. if (grid_ok != 1 and is_master)는 마스터 제어기에 적용되고 그리드 조건들이 비정상적인 상황을 나타낸다. state = transition_uf는 마이크로 그리드 모드로의 전환을 개시한다. last_volt = grid_volt 및 last_freq = grid_freq은 범위를 벗어나 비정상인 것으로 간주되는 그리드 전압 또는 주파수일 수 있는 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 주파수를 저장한다. state = runPQ는 그리드가 정상일 때 그리드 연계 모드에서 전력 시스템을 계속 가동한다.
다음의 제어 논리는 제어기가 마스터 제어기일 때 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로의 전력 시스템의 전환의 일실시예를 도시한다. 전술한 바와 같이, 이하의 제어 논리는 마스터 인버터의 제어기에 의해 구현될 수 있거나, 또는 대안적으로, 사이트 마스터 제어기에 의해 구현될 수 있다.
while(state=transition_uf)
open_Kext();
wait(Kext_open_tm);
Pha = Pha + freq*dt;
ramp(U_set, last_volt, volt_nom, ramprate_U)
ramp(F_set, last_freq, freq_nom, ramprate_F)
U_set = U_nom - KQV * Qout;
F_set = F_nom - KPF * Pout;
controlU(U_set);
controlF(F_set);
if (U_set=U_nom and F_set=F_nom and Kext=open)
state = runUF;
elseif
state = transitionUF;
endif
endwhile
전환 상태(즉, transition_uf) 동안, 마이크로 그리드 전압 진폭 및 주파수는 마스터 제어기에 의해 (범위를 벗어나고 비정상적인 것으로 고려되는 전압 또는 주파수일 수 있는) 마지막으로 알려진 전압 진폭 및 주파수로부터 공칭 전압 진폭 및 주파수로 램프된다. 공칭(또는 정상) 전압 및 주파수는 예를 들어 480 V, 60 Hz일 수 있다. open_Kext()는 단독 운전 스위치가 열리도록 명령한다. wait(Kext_open_tm)는 단독 운전 스위치가 열리는 데 걸리는 시간을 기다리는 명령이다. 일부 실시예들에서, 이 대기 시간은 적용될 수 없으며, 이 경우 시간은 0 이다. Pha=PHA +freq*dt는 위상 계산을 수행하는 루틴이다. dt는 계산을 위한 루프 시간이다. 마이크로 그리드 모드로 전환할 때, 마이크로 그리드 모드의 위상은 마지막으로 알려진 그리드 위상 각으로부터의 위상으로 초기화된다. ramp(U_set, last_volt, volt_nom, ramprate_U) 및 ramp(F_set, last_freq, freq_nom, ramprate_F)는 마이크로 그리드 전압 및 주파수 명령들/세트포인트들을 마지막으로 알려진 그리드 전압 및 주파수에서 공칭 전압 및 주파수로 램프한다. 이 초기화는 과도 현상을 최소화하고 마이크로 그리드 모드로 원활히 전환하도록 수행된다. 램프 루틴에서, 출력은 U_set 및 F_set이다. 입력들은 마지막 그리드 전압 및 주파수의 초기 조건들과 적용될 램프 속도이다. controlU(U_set, F_set, Id_cmd, Iq_cmd)은 마이크로 그리드 전압 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 전압을 제어하고 마이크로 그리드 주파수 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 주파수를 제어하는 루틴이다. 마이크로 그리드 전압 및 주파수를 제어하는 것 외에도, 마스터 제어기는 전류 제어 모드로 작동하는 슬레이브 제어기가 따르도록 유효 및 무효 전류 명령(IId_cmd 및 Iq_cmd)을 생성한다. if (U_set=U_nom and F_set=F_nom and Kext=open)는 전압 및 주파수의 램핑이 종료되었는지 여부 그리고 단독 운전 스위치가 열려 있는지 여부를 확인하고, 그렇다면, 전환이 완료되며, 마이크로 그리드 모드가 실행된다(state = runUF). 그렇지 않다면, 전력 시스템은 전환 상태로 유지된다(state = transition UF).
다음의 제어 논리는 제어기가 슬레이브 제어기일 때 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하는 것을 보여준다.
while(state=transition_uf and is_slave)
control_current(Id_cmd, Iq_cmd);
endwhile
control_current(Id_cmd, Iq_cmd)는 마이크로 그리드 모드로 전환할 때 슬레이브 전력 변환기의 루틴이다. 슬레이브 전력 변환기는 전류 제어 모드로 동작하며, 그리고 슬레이브 전력 변환기의 슬레이브 제어기는 마스터 제어기로부터 실제 및 무효 전류 명령들 Id_cmd 및 Iq_cmd을 수신한다.
다음의 제어 논리는 제어기가 마스터 제어기일 때 마이크로 그리드 모드(state=runUF)에서 전력 시스템 작동의 실시예를 설명한다.
while(state=runUF and is_master)
controlU(U_set, F_set, Id_cmd, Iq_cmd);
if (storage_SOC > SOC_highlimit)
curtail_generation();
elseif
unconstrained_generation();
endif
endwhile
상기 제어 논리에서, 상기 마스터 제어기는 마이크로 그리드 전압 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 전압을 제어하고 마이크로 그리드 주파수 명령/세트포인트에 대해 마이크로 그리드 주파수를 제어하는 루틴을 계속한다. 마이크로 그리드 전압 및 주파수를 제어하는 것 외에도, 마스터 제어기는 전류 제어 모드로 작동하는 슬레이브 제어기들이 따르도록 유효 및 무효 전류 명령(IId_cmd 및 Iq_cmd)을 생성한다. if (storage_SOC > SOC_highlimit)는 배터리 저장소가 과충전되고 있는지 여부를 확인한다. curtail_generation()는 재생 가능 전력 자원의 생성을 축소한다. unconstrained_generation()는 재생 가능 자원이 제약되지 않은 전력을 생성할 수 있게 한다.
다음의 제어 논리는 제어기가 전력 변환기들 중 하나를 제어하는 슬레이브 제어기일 때 마이크로 그리드 모드(state=runUF)에서의 전력 시스템 동작의 일실시예를 도시한다.
while(state=runUF and is_slave)
control_current(Id_cmd, Iq_cmd);
endwhile
상기 제어 논리에서, 슬레이브 제어기는 전류 제어 모드에서 계속 동작하며, 슬레이브 전력 변환기의 슬레이브 제어기는 마스터 제어기로부터 실제 및 무효 전류 명령들 Id_cmd, Iq_cmd을 수신하여 상기 실제 및 무효 전류 명령들 Id_cmd, Iq_cmd에 대해 출력 전류를 제어한다.
도 5는 전력 시스템이 마이크로 그리드 모드에서 그리드 연계 모드로 전환하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 시스템을 제어하는 방법을 도시한다. 일반적으로, 마이크로 그리드 모드에서 작동하는 동안, 제어 시스템(200)은 단로기(160)의 그리드 측의 전압 및 주파수를 연속적으로 확인할 수 있으며, 측정된 전압 및 주파수가 정의된 경계들 내에 있는지 여부를 판단한다. 이러한 경계들은 예를 들어 인버터들에 대한 규정 준수 요구 사항들에 의해 정의될 수 있다.
제어 시스템(200)은 카운트다운 타이머를 사용하여 주기적으로 전압 및 주파수를 확인하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 일단 허용 가능한 전압 및 주파수가 측정되면, 전압과 주파수가 안정적인 것을 보장하는 데 도움이 되도록 그리드에 다시 연결하기 전에 미리 설정된 시간이 경과해야할 수 있다.
도 5를 보다 상세히 참조하면, 제어 시스템(200)은 그리드 연계 모드로 전환하는 것이 안전한지 여부를 결정하기 위한 분석을 수행할 수 있다(단계 510). 분석은 그리드 주파수가 범위 내에 있는지 여부(단계 520), 그리드 전압이 범위 내에 있는지 여부(단계 530), 그리고 그리드 재연결 타이머가 만료되었는지 여부(단계 540)를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 단계들 520, 530, 또는 540 중 하나라도 실패하면, 프로세스는 단계 510에서 다시 시작한다. 그렇지 않으면, 그리드 주파수 및 전압이 범위 내에 있을 때 그리고 재연결 타이머가 만료될 때, 전압원은 단계 550에서 그리드 전압에 동기화된다.
그리드 전압으로의 전압원의 동기화는 마이크로 그리드의 위상을 그리드 전압과 정렬시키고 그리드 전압에 고정시키기 위해 마이크로 그리드의 주파수를 점진적으로 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 분리기(160)의 양측에 전압원이 있고, 하나의 전압원은 그리드일 수 있으며, 다른 전압원은 마이크로 그리드일 수 있다. 제어 시스템(200)이 동기화가 발생했다고 판단하면, 분리기(160)는 폐쇄될 수 있다(단계 560). 왜냐하면 분리기(160)의 양측의 전압이 동일하거나 거의 동일하기 때문이다. 이에 따라, 분리기(160)가 폐쇄될 때 임의의 큰 과도현상이 회피된다. 미리 설정된 시간 후에(단계 570), 전력 변환기들은 전류원 모드로 전환될 것이고, 그리고 작동은 그리드 연계 모드로 재개될 것이다. 미리 설정된 시간은 제어 시스템(200)이 폐쇄 명령을 발행한 후 단로기(160)가 폐쇄되는데 걸리는 시간의 양에 기초할 수 있다.
전압 센서(B)가 제어 시스템(200)으로 되돌아가는 대신에, 상업적으로 이용 가능한 동기 계전기가 사용될 수 있다. 계전기는 마이크로 그리드의 위상이 유틸리티 그리드의 위상과 일치하면 제어 시스템에 신호를 발송할 수 있다. 이 신호에 기초하여, 제어 시스템(200)은 단로기(160)를 폐쇄할 수 있다.
상술된 실시예들은 외부 그리드로서 유틸리티 그리드에 연결된 마이크로 그리드로서 설명된다. 그러나 외부 그리드는 유틸리티 그리드에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 마이크로 그리드는 다수의 마이크로 그리드로 더 세분화될 수 있다. 마이크로 그리드들 각각은 에너지원(재생 가능, 발전기, 저장소) 및 부하를 가질 것이다. 마이크로 그리드들은 필요에 따라 서로 재연결하고 서로 분리될 수 있다.
개시된 실시예들은 병렬로 연결된 다수의 전력 변환기들이 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 원활하게 전환하는 전력 시스템들 및 방법들을 제공한다. 본 발명의 실시예들에서, 유닛 간 동기화 및/또는 제어 신호 통신에 의해, 비정상적인 그리드 전압 및/또는 주파수 조건의 검출 시, 다수의 전력 변환기들은 단독 운전 모드로 원활하게 전환할 수 있으며, 마이크로 그리드를 형성할 수 있으며, 그리고 임계 단독 운전 부하에 계속 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 개시된 전력 시스템에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시서의 다른 실시예들은 본 명세서의 고려 및 본 개시서의 실시로부터 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 예시적인 것으로 간주되어야하며, 본 개시서의 진정한 범위는 다음의 청구범위 및 그 균등물에 의해 표시된다.

Claims (21)

  1. 전력 시스템으로서,
    상기 전력 시스템은 :
    공통 연결점(point of common coupling; PCC)에서 함께 연결된 다수의 전력 변환기들로서, 상기 전력 변환기들은 상기 PCC에서 부하에 연결되도록 구성되며 그리고 상기 전력 변환기들은 결합된 전력 변환기 출력을 상기 부하에 제공하도록 구성되는, 다수의 전력 변환기들;
    상기 PCC에 연결된 스위치로서, 상기 스위치는 상기 PCC 및 외부 그리드 사이에 직렬로 연결되도록 구성되어, 상기 스위치가 폐쇄될 때, 상기 전력 시스템이 그리드 연계 구성에 있게 하며, 상기 스위치가 개방될 때 상기 전력 시스템이 마이크로 그리드 구성에 있게 하는, 스위치;
    상기 다수의 전력 변환기들에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 :
    상기 외부 그리드를 모니터링하는 하나 이상의 센서들로부터 수신된 신호에 응답하여 스위치가 개방 및 폐쇄될 수 있게 하도록 구성되며;
    상기 스위치가 폐쇄될 때 그리고 상기 전력 시스템이 그리드 연계 구성에 있을 때, 상기 전력 변환기들이 전류 제어 모드로 작동할 수 있게 하도록 구성되며; 그리고
    각각의 변환기에 대해, 공칭 전압 진폭, 드룹 전압 기울기 및 측정된 출력 무효 전력에 기초하여 전압 세트포인트에 전압 드룹을 적용함으로써, 그리고 각각의 변환기에 대해, 공칭 주파수, 드룹 주파수 기울기 및 측정된 출력 유효 전력에 기초하여 주파수 세트 포인트에 주파수 드룹을 적용함으로써, 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록, 상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하도록 구성되는, 전력 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCC는 공유된 AC 버스인, 전력 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 시스템은 :
    상기 PCC와 상기 스위치 사이에 연결된 근접 센서; 및
    상기 스위치 및 상기 외부 그리드 사이에 연결된 원위(distal) 센서를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 근접 센서 및 상기 원위 센서로부터 수신된 신호들에 응답하여 상기 스위치가 개방 및 폐쇄될 수 있게 하는, 전력 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 시스템은 외부 그리드 입력을 측정하기 위해 원위 센서 신호를 수신하도록 구성되며, 그리고
    상기 제어 시스템은, 상기 제어 시스템이 상기 외부 그리드 입력이 비정상 상태에 있다고 판단할 때 상기 스위치가 개방될 수 있게 하도록 구성되는, 전력 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 시스템은 결합된 전력 변환기 출력을 측정하기 위해 근접 센서 신호를 수신하도록 구성되며,
    상기 제어 시스템은 상기 제어 시스템이 상기 외부 그리드 입력이 정상 상태에 있다고 판단할 때, 그리고 상기 결합된 전력 변환기 출력이 상기 외부 그리드 입력과 실질적으로 일치할 때 상기 스위치가 폐쇄될 수 있게 하도록 더 구성되는, 전력 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 스위치가 폐쇄되도록 한 후에, 상기 전력 변환기들 각각을 외부 그리드 전압에 동기화하도록 구성되며,
    상기 전력 변환기들 각각을 상기 그리드에 동기화할 때, 상기 제어 시스템은 상기 전력 변환기들이 서로 동기식으로 유지되도록 상기 전력 변환기들 각각의 주파수를 동시에 변경하는, 전력 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    전압 진폭 또는 주파수 중 적어도 하나가 상한 또는 하한 밖에 있을 때 상기 외부 그리드는 비정상 상태에 있는, 전력 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    상기 다수의 전력 변환기들 중 하나 이상의 전력 변환기를 상기 전류 제어 모드로부터, 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나 이상의 전력 변환기가 상기 마이크로 그리드의 전압을 설정(establishing)하는 전압 제어 모드로 전환시키도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 전력 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    마이크로 그리드 모드로 전환하기 전에 그리드 위상 각을 기록하고 상기 기록된 그리드 위상 각에 따라 초기 마이크로 그리드 위상 각을 설정하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 전력 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    상기 다수의 전력 변환기들 각각에 드룹 제어를 구현하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 전력 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 다수의 전력 변환기들 각각에 드룹 제어를 구현하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    각각의 전력 변환기에 대해, 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 따라 상기 전압 세트포인트에 상기 전압 드룹을 적용하고 상기 주파수 세트 포인트에 상기 주파수 드룹을 적용하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 전력 시스템.
    <수학식 1>
    Figure 112020093191289-pat00027

    여기서
    Figure 112020093191289-pat00028
    는 상기 전압 세트포인트 진폭에 대응하며,
    Figure 112020093191289-pat00029
    는 상기 공칭 전압 진폭에 대응하며,
    Figure 112020093191289-pat00030
    는 상기 드룹 전압 기울기(V/kVAR)에 대응하며, 그리고
    Figure 112020093191289-pat00031
    는 상기 측정된 출력 무효 전력에 대응함
    <수학식 2>
    Figure 112020093191289-pat00032

    여기서
    Figure 112020093191289-pat00033
    는 CI 출력의 주파수 세트포인트에 대응하며,
    Figure 112020093191289-pat00034
    는 상기 공칭 주파수에 대응하며,
    Figure 112020093191289-pat00035
    는 상기 드룹 주파수 기울기(Hz/kW)에 대응하며, 그리고
    Figure 112020093191289-pat00036
    는 상기 측정된 출력 유효 전력에 대응함.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어 시스템은 다수의 제어기들을 포함하며,
    상기 다수의 제어기들 각각은 상기 전력 변환기들 중 하나를 제어하며,
    상기 제어기들 각각은 상기 전력 변환기들 중 하나에 드룹 제어를 구현하는, 전력 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 시스템은 다수의 제어기들을 포함하며, 상기 다수의 제어기들 각각은 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나를 제어하며, 상기 다수의 제어기들 중 하나는 마스터 제어기이고, 나머지 하나 이상의 제어기들은 슬레이브 제어기들이며,
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    마이크로 그리드 전압 진폭 및 주파수를 제어함으로써 자신의 전력 변환기가 전압 제어 모드에서 동작할 수 있도록 구성되며, 그리고 상기 슬레이브 제어기들이 따르는 유효 및 무효 전류 명령들을 생성하도록 구성되는 상기 마스터 제어기; 및
    상기 마스터 제어기로부터 상기 유효 및 무효 전류 명령들을 수신하도록 구성되며 그리고 자신의 전력 변환기들이 전류 제어 모드에서 동작할 수 있도록 구성되는 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기를 포함하는, 전력 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 시스템은 다수의 슬레이브 제어기들 및 마스터 제어기를 포함하며, 상기 다수의 슬레이브 제어기들 각각은 상기 다수의 전력 변환기들 중 하나를 제어하고, 상기 마스터 제어기는 상기 다수의 슬레이브 제어기들을 조정하며(coordinating),
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환하고 상기 전력 변환기들을 동기화하여 상기 전력 변환기들이 상기 부하를 공유하도록 구성되는 제어 시스템은 :
    상기 마이크로 그리드 전압 진폭 및 주파수를 제어함으로써 전압 제어 모드에서 동작하도록 구성되며, 그리고 상기 슬레이브 제어기들이 따르도록 유효 및 무효 전류 명령들을 생성하도록 구성되는 상기 마스터 제어기; 및
    상기 마스터 제어기로부터 상기 유효 및 무효 전류 명령들을 수신하도록 구성되고 그리고 자신의 전력 변환기들이 전류 제어 모드에서 동작하도록 구성되는 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기로서, 상기 전류 제어 모드 동안, 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기들 중 하나의 슬레이브 제어기에 연결된 전력 변환기의 출력 전류는 상기 마스터 제어기로부터의 유효 및 무효 명령들을 사용하여 제어되는, 상기 하나 이상의 슬레이브 제어기를 포함하는, 전력 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 시스템은 상기 전력 변환기들에 연결된 다수의 전력 자원들을 더 포함하는, 전력 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전력 자원들은 배터리 전력 자원, 태양광 전력 자원(photovoltaic power resource), 연료 전지 전력 자원, 압축 공기 저장 전력 자원, 커패시터 전력 자원, 풍력 터빈 전력 자원, 마이크로 터빈 전력 자원, 수력 자원, 파력 자원, 화력 자원, 플라이휠(flywheel) 전력 자원 및 바이오매스 전력 자원으로 구성된 그룹에서 선택되는, 전력 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 다수의 자원들은 배터리 전력 자원 및 재생 가능 전력 자원을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 :
    상기 다수의 전력 변환기들을 그리드 연계 모드에서 마이크로 그리드 모드로 전환한 후, 상기 배터리 전력 자원의 배터리 저장량(storage)을 상기 배터리 전력 자원의 상한 임계값과 비교하고, 그리고 상기 배터리 저장량이 상기 상한 임계값을 초과한다면, 상기 재생 가능 전력 자원에게 전력 발생을 축소할 것을 명령하도록 더 구성되는, 전력 시스템.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 전력 시스템은 하나 이상의 DC/DC 변환기들을 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 DC/DC 변환기들 각각은 상기 전력 자원들 중 하나와 상기 전력 변환기들 중 하나 사이에 직렬 연결되는, 전력 시스템.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치는 접촉기, 동력 스위치(motorized switch), 또는 반도체 AC 스위치인, 전력 시스템.
  20. 청구항 1에 있어서,
    단독 운전 마이크로 그리드 구성 동안, 상기 전력 변환기들은 상기 부하로의 상기 결합된 출력에 동등하게 기여하는, 전력 시스템.
  21. 청구항 1에 있어서,
    단독 운전 마이크로 그리드 구성 동안, 상기 전력 변환기들은 상기 부하로의 상기 결합된 출력에 동등하게 기여하지 않는, 전력 시스템.
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