KR102246927B1 - P-q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치 - Google Patents

P-q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 P(유효전력)-Q(무효전력) 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 사전 전력 계통을 해석에 의해 산출 된 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성 값이 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 유효전력에 대한 무효전력을 산출하거나, 또는 전력 계통을 해석하여 비선형의 P에 대한 Q 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하여, 이 산출된 무효전력을 무효전력 기준 값으로 결정하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어기가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 하는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것이다.

Description

P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치{VOLTAGE CONTROL DEVICE OF RENEWABLE ENERGY POWER SYSTEM BASED ON P-Q CHARACTERISTIC}
본 발명은 P(유효전력)-Q(무효전력) 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 사전 전력 계통 해석에 의한 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성 데이터가 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 유효전력에 대한 무효전력을 산출하거나, 또는 사전 전력 계통 해석에 의해 P에 대한 Q 변동량으로 구성된 비선형 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 유효전력에 대한 무효전력을 산출하여, 이 산출된 무효전력을 무효전력 기준 값으로 결정하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어기가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 하는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것이다.
최근, 한국에서는 신재생에너지와 관련된 많은 사업이 적극적으로 추진되고 있으며, 발전사업자에게 총발전량에서 일정 비율을 신재생에너지로 공급하도록 의무화하는 제도인 "신재생에너지 의무할당제"(Renewable Energy Portfolio Standard: RPS) 제도와 더불어 산업통상자원부에서 발표한 2017년 "재생에너지 3020 이행계획"에 의해 많은 민간사업자와 투자자들이 관심을 가지게 되었다. RPS 제도의 의무공급자들은 사전에 공지되어 신재생에너지 발전설비를 도입하거나 다른 신재생에너지 발전사업자의 인증서(Renewable Energy Certificate : REC)를 구매하여 의무 할당량을 채워야한다.
또한 재생에너지 3020 이행계획에서 지자체가 부지를 선정하고 민간 사업자에게 공급하면 사업자가 부지를 개발하여 발전하는 방식이다. 이러한 제도와 정부에서 추진하는 계획들에 의하여 신재생에너지에 뛰어드는 사업자들이 많이 늘어나고 그에 대한 수요 역시 높아지고 있다. 하지만, 이러한 수요가 늘어나면서 배전계통에 항상 긍정적인 영향을 끼치는 것은 아니다. 재생에너지 발전기들은 대부분 자연에너지를 사용하여 발전하기 때문에 날씨나 환경에 의해 간헐적 발전 특징을 갖는다. 이에 따라 출력 또한 일정하지 않은 상태로 배전계통에 연계되어 계통 전압이 불안정해질 수 있다.
재생에너지의 확대를 위해서는 재생에너지 연계에 따른 배전계통의 전압 변동을 최소화하는 것이 중요하다. 기존의 방법으로는 교류계통에 병렬로 연결된 직류발전기를 이용하여 무효전력을 교환하는 방식과 증설되는 재생에너지 발전기를 일정한 역률로 제어하는 방법 등이 있다.
그러나 무효전력을 교환하는 방식은 재생에너지 발전기와 같은 직류 발전기가 증설되는 경우에 적용하기가 어려우며, 일정한 역률 제어는 증설되는 재생에너지의 총량이 매우 큰 경우에 전압제어 능력에 한계가 있다.
따라서 복수의 재생에너지 발전기가 배전계통에 투입되는 경우 각 재생에너지 발전기의 접속점에서의 전압 변동을 최소화함과 아울러 복수의 재생에너지 발전기간 전압 제어의 충돌이 발생하지 않도록 할 필요성이 있었다.
국내 특허 등록 제1132107호(등록일: 2012년 03월 23일)
따라서 본 발명은 상기한 점을 고려하여 이루어진 것으로서, 복수의 재생에너지 발전기가 배전계통에 투입되는 경우 각 재생에너지 발전기의 접속점에서의 전압 변동을 최소화함과 아울러 복수의 재생에너지 발전기간 전압 제어의 충돌이 발생하지 않게 할 수 있게 하는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 사전 전력계통 해석에 의해 유효전력을 구간별로 나누고 각 구간의 P(유효전력)-V(전압) 곡선을 선형화하고, 이 선형화된 P-V 곡선에 Q(무효전력)-V 특성을 적용하여 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성을 산출하여 유효전력에 대한 무효전력을 산출하도록 구성된 P-Q 특성 기반 무효전력 산출부; 및 상기 P-Q 특성 기반 무효전력 산출부에 의해 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 P-Q 특성 기반 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 P-Q 특성 기반 무효전력 산출부는 다음의 [수학식 7]에 의해 무효전력을 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112019096360738-pat00001
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00002
는 산출된 무효전력을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00003
는 구간별 P-Q 드룹(droop)의 역수를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00004
는 사전에 결정되지 않은 유효전력값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00005
는 사전에 결정된 유효전력값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00006
는 사전에 결정된 무효전력값을 나타냄]
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 사전 전력계통 해석에 의해 취득한 데이터에 칼만필터를 적용하여 비선형의 유효전력에 대한 무효전력 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하도록 구성된 칼만필터 기반 무효전력 산출부; 및 상기 칼만필터 기반 무효전력 산출부에 의해 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 칼만필터 기반 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 추정된 다항식은 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 유효전력을 대입하고 출력값으로 무효전력을 대입하여 구해지며, 상기 추정된 다항식을 변형하면 다음의 [수학식 11]과 같이 무효전력의 변화량(
Figure 112019096360738-pat00007
)이 구해지며,
[수학식 11]
Figure 112019096360738-pat00008
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00009
는 전압의 변화량을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00010
및
Figure 112019096360738-pat00011
는 유효전력의 변화량을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00012
,
Figure 112019096360738-pat00013
,
Figure 112019096360738-pat00014
및
Figure 112019096360738-pat00015
는 칼만필터의 상태 변수로, 추정 과정에서 칼만필터의 입력 및 출력 값에 대해 최소의 RMSE(root-mean-squre-error)를 갖는 곡선이 표현되도록 매회 업데이트 되는 값을 나타냄]
다음의 [수학식 12]에 의해 무효전력(Q)이 구해질 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112019096360738-pat00016
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00017
는 칼만필터의 i번째 상태 변수를 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00018
는 y의 i제곱을 나타냄]
상기 다른 실시형태에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 추정된 다항식은 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 유효전력을 대입하고 출력값으로 전압을 대입하여 제 1 식을 구하고, 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 무효전력을 대입하고 출력값으로 전압을 대입하고 필터링하여 제 2 식을 구한 후, 필터링된 제 1, 2식을 연산함으로써 구해지며, 상기 추정된 다항식을 변형하면 다음의 [수학식 11]와 같이 무효전력의 변화량(
Figure 112019096360738-pat00019
)이 구해지며,
[수학식 11]
Figure 112019096360738-pat00020
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00021
는 전압의 변화량을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00022
및
Figure 112019096360738-pat00023
는 유효전력의 변화량을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00024
,
Figure 112019096360738-pat00025
,
Figure 112019096360738-pat00026
및
Figure 112019096360738-pat00027
는 칼만필터의 상태 변수로, 추정 과정에서 칼만필터의 입력 및 출력 값에 대해 최소의 RMSE(root-mean-squre-error)를 갖는 곡선이 표현되도록 매회 업데이트 되는 값을 나타냄]
다음의 [수학식 12]에 의해 무효전력(Q)이 구해질 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112019096360738-pat00028
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00029
는 칼만필터의 i번째 상태 변수를 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00030
는 y의 i제곱을 나타냄]
본 발명의 실시형태들에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 사전 전력 계통 해석 정보에 따라 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성을 산출하여 유효전력에 대한 무효전력을 산출하거나, 또는 전력 계통을 해석하여 비선형의 P에 대한 Q 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하여, 이 산출된 무효전력을 무효전력 기준 값으로 결정하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어기가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 복수의 재생에너지 발전기가 배전계통에 투입되는 경우 각 재생에너지 발전기의 접속점에서의 전압 변동을 최소화함과 아울러 복수의 재생에너지 발전기간 전압 제어의 충돌이 발생하지 않게 할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[제 1 실시예]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 다수의 재생에너지 발전기 각각의 직류전원 출력단과 교류계통 사이에 설치되며, 도 1에 도시된 바와 같이, P-Q 특성 기반 무효전력 산출부(100) 및 P-Q 특성 기반 컨버터(200)를 포함한다.
P-Q 특성 기반 무효전력 산출부(100)는 전력계통에 장착된 직류발전기의 출력부로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 유효전력을 구간별로 나누고 각 구간의 P(유효전력)-V(전압) 곡선을 선형화하고, 이 선형화된 P-V 곡선에 Q(무효전력)-V 특성을 적용하여 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성을 산출하여 유효전력에 대한 무효전력을 산출하는 역할을 한다.
무효전력 산출과정에 대해 상세히 설명하기로 한다.
전력계통의 전압과 유효전력 관계(
Figure 112019096360738-pat00031
)는 다음의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112019096360738-pat00032
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00033
는 모선
Figure 112019096360738-pat00034
에 투입된 유효전력을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00035
및
Figure 112019096360738-pat00036
는 각각 모선
Figure 112019096360738-pat00037
의 전압 및 위상을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00038
및
Figure 112019096360738-pat00039
는 각각 모선
Figure 112019096360738-pat00040
의 전압 및 위상을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00041
및
Figure 112019096360738-pat00042
는 각각 모선
Figure 112019096360738-pat00043
에서 바라본 등가 어드미턴스의 크기 및 위상을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00044
및
Figure 112019096360738-pat00045
는 각각 모선
Figure 112019096360738-pat00046
와
Figure 112019096360738-pat00047
사이의 어드미턴스의 크기 및 위상을 나타냄]
전력계통의 전압과 무효전력 관계(
Figure 112019096360738-pat00048
)는 다음의 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure 112019096360738-pat00049
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00050
는 모선
Figure 112019096360738-pat00051
에 투입된 무효전력을 나타냄]
전압 및 위상 변동에 의한 P-V 및 Q-V 관계 변동은 각각 다음의 [수학식 3]과 같이 유도된다.
[수학식 3]
Figure 112019096360738-pat00052
전력계통 임피던스의 주요 성분은 인덕턴스이고, 각 모선 간 위상의 차이는 매우 작게 운영되어,
Figure 112019096360738-pat00053
및
Figure 112019096360738-pat00054
로 근사화 할 수 있으므로, [수학식 3]은 다음의 근사식인 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019096360738-pat00055
즉, 계통 전압의 변동에 따라 P-V 드룹 특성은 아무런 변화가 없고, Q-V 드룹 특성만 변하게 된다. 마찬가지로, 위상 운전점의 변화에는 P-V 드룹 특성만 영향을 받고, Q-V 드룹특성은 영향을 받지 않는다.
다음의 [수학식 5]로부터 알 수 있듯이, 유효전력의 투입에는 위상이 영향을 받으나, 전압은 영향을 작게 받는다. 또한, 전압이 일정하게 유지되므로, 재생에너지의 유효전력 투입에 의해 접속점의 위상만이 변동하게 된다. 앞서, 위상의 변동에 의해 P-V 드룹 특성만 영향을 받는다고 하였으므로, Q-V 드룹 특성은 재생에너지의 유효전력투입과 무관하게 일정한 선형 특성을 갖는다. 반면, P-V 드룹 특성은 유효전력의 투입에 따라 변하여, 유효전력의 투입량에 따라 P-V 드룹 특성은 비선형 곡선을 갖는다.
[수학식 5]
Figure 112019096360738-pat00056
본 발명의 실시예에서는 유효전력의 투입을 구간별로 나누어 각 구간의 P-V 곡선을 선형화 하고, 여기에 Q-V 특성을 적용하여 각 구간별 선형 P-Q 특성을 산출하여 유효전력 투입량에 대한 무효전력 투입량을 산정한다. 각 P-V 및 Q-V 특성은 재생에너지 투입 전후의 접속점 전압 변동이 없도록 하는 특성이므로, P-Q 특성을 적용하면 재생에너지 투입 전후의 접속점 전압이 일정하게 유지된다. 유효전력 구간은 다음의 [수학식 6]과 같이 정의된다.
[수학식 6]
Figure 112019096360738-pat00057
[여기서, I, m, k는 정수임]
예를 들어 최대 재생에너지 투입량이 1MW 일 때, 각 구간을 0.1MW로 한다면, k=10, m=10이 된다.
이때, 무효전력은 다음의 [수학식 7]과 같이 산출된다.
[수학식 7]
Figure 112019096360738-pat00058
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00059
는 산출된 무효전력을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00060
는 구간별 P-Q 드룹(droop)의 역수를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00061
는 사전에 결정되지 않은 유효전력값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00062
는 사전에 결정된 유효전력값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00063
는 사전에 결정된 무효전력값을 나타냄]
P-Q 특성 기반 컨버터(200)는 P-Q 특성 기반 무효전력 산출부(100)에 의해 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하며, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 재생에너지 발전기로부터의 직류전원을 교류전원으로 안정적으로 컨버팅 하는 역할을 한다. PLC 제어에 대한 설명은 당업자에게는 명백한 것이므로 여기서는 생략하기로 한다.
위와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 전력 계통을 해석하고 유효전력 구간별 선형 P-Q 특성을 산출하여 유효전력에 대한 무효전력을 산출하여, 이 산출된 무효전력을 무효전력 기준 값으로 결정하고, P-Q 특성 기반 컨버터가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 복수의 재생에너지 발전기가 배전계통에 투입되는 경우 각 재생에너지 발전기의 접속점에서의 전압 변동을 최소화함과 아울러 복수의 재생에너지 발전기간 전압 제어의 충돌이 발생하지 않게 할 수 있다.
[제 2 실시예]
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 다수의 재생에너지 발전기 각각의 직류전원 출력단과 교류계통 사이에 설치되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 칼만필터 기반 무효전력 산출부(100') 및 칼만필터 기반 컨버터(200')를 포함한다.
칼만필터 기반 무효전력 산출부(100')는 전력계통에 장착된 직류발전기의 출력부로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하고 칼만필터를 이용하여 비선형의 유효전력에 대한 무효전력 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하는 역할을 한다.
무효전력을 산출하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.
제 2 실시예는 제 1 실시예와 달리 곡선을 선형화 하지 않고, 곡선 자체를 비선형 다항식으로 추정하여 사용한다. 다항식의 추정은 다양한 방법으로 가능하나 제 2 실시예에서는 칼만필터를 사용하였다.
먼저, 시스템 방정식을 다음의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019096360738-pat00064
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00065
는 (n+1)번째 상태변수를 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00066
는 시스템방정식을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00067
는 n번째 상태변수를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00068
는 프로세스노이즈에 대한 공분산값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00069
는 프로세스노이즈를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00070
는 초기 상태변수를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00071
은 출력값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00072
는 기저함수를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00073
은 추정방정식을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00074
은 측정오차를 나타냄]
칼만필터의 측정기반 갱신은 다음의 [수학식 9]와 같다.
[수학식 9]
Figure 112019096360738-pat00075
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00076
은 칼만게인값을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00077
은 공분산값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00078
는
Figure 112019096360738-pat00079
의 변환값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00080
는 튜닝민감도를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00081
는 상태추정값을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00082
는 측정기반 상태 변수 추정 값를 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00083
은 유효전력 변화량을 나타냄]
칼만필터의 모델기반 갱신은 다음의 [수학식 10]과 같다.
[수학식 10]
Figure 112019096360738-pat00084
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00085
는 모델기반 상태 변수 추정 값을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00086
는 모델기반 공분산 추정값 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00087
는
Figure 112019096360738-pat00088
의공분산을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00089
는 프로세스 노이즈의 공분산 전치행렬 나타냄]
기저함수를
Figure 112019096360738-pat00090
로 정의하고, 칼만필터의 출력을
Figure 112019096360738-pat00091
로 정의하면, 상태변수 x는 전압 변동에 대한 유효전력과 무효전력 변동량으로 구성된 다항식의 계수를 나타내게 된다. 추정 다항식을 변형하면 다음의 [수학식 11]과 같다.
[수학식 11]
Figure 112019096360738-pat00092
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00093
는 전압의 변화량을 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00094
및
Figure 112019096360738-pat00095
는 유효전력의 변화량을 나타내며,
Figure 112019096360738-pat00096
,
Figure 112019096360738-pat00097
,
Figure 112019096360738-pat00098
및
Figure 112019096360738-pat00099
는 칼만필터의 상태 변수로, 추정 과정에서 칼만필터의 입력 및 출력 값에 대해 최소의 RMSE(root-mean-squre-error)를 갖는 곡선이 표현되도록 매회 업데이트 되는 값을 나타냄]
따라서 다음의 [수학식 12]의 방법으로 전압을 일정하게 하는 무효전력을 산출 할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112019096360738-pat00100
[여기서,
Figure 112019096360738-pat00101
는 칼만필터의 i번째 상태 변수를 나타내고,
Figure 112019096360738-pat00102
는 y의 i제곱을 나타냄]
칼만필터 기반 컨버터(200')는 칼만필터 기반 무효전력 산출부(100')에 의해 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하며, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 재생에너지 발전기로부터의 직류전원을 교류전원으로 안정적으로 컨버팅 하는 역할을 한다. PLC 제어에 대한 설명은 당업자에게는 명백한 것이므로 여기서는 생략하기로 한다.
위와 같이 구성된 본 발명의 제 2 실시예에 의한 P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 전력 계통을 해석하고 비선형의 P에 대한 Q 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하여, 이 산출된 무효전력을 무효전력 기준 값으로 결정하고, 칼만필터기반 컨버터가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 복수의 재생에너지 발전기가 배전계통에 투입되는 경우 각 재생에너지 발전기의 접속점에서의 전압 변동을 최소화함과 아울러 복수의 재생에너지 발전기간 전압 제어의 충돌이 발생하지 않게 할 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: P-Q 특성 기반 무효전력 산출부
100': 칼만필터 기반 무효전력 산출부
200: P-Q 특성 기반 컨버터
200': 칼만필터 기반 컨버터

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전력계통에 장착된 직류발전기의 출력부로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하고 칼만필터를 이용하여 비선형의 유효전력에 대한 무효전력 변동량으로 구성된 다항식을 추정하고 이 추정된 다항식으로부터 무효전력을 산출하도록 구성된 칼만필터 기반 무효전력 산출부; 및
    상기 칼만필터 기반 무효전력 산출부에 의해 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 칼만필터 기반 컨버터;를 포함하는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 추정된 다항식은 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 유효전력을 대입하고 출력값으로 무효전력을 대입하여 구해지며,
    상기 추정된 다항식을 변형하면 다음의 [수학식 11]과 같이 무효전력의 변화량(
    Figure 112019096360738-pat00109
    )이 구해지며,

    [수학식 11]
    Figure 112019096360738-pat00110

    [여기서,
    Figure 112019096360738-pat00111
    는 전압의 변화량을 나타내고,
    Figure 112019096360738-pat00112
    및
    Figure 112019096360738-pat00113
    는 유효전력의 변화량을 나타내며,
    Figure 112019096360738-pat00114
    ,
    Figure 112019096360738-pat00115
    ,
    Figure 112019096360738-pat00116
    및
    Figure 112019096360738-pat00117
    는 칼만필터의 상태 변수로, 추정 과정에서 칼만필터의 입력 및 출력 값에 대해 최소의 RMSE(root-mean-squre-error)를 갖는 곡선이 표현되도록 매회 업데이트 되는 값을 나타냄]

    다음의 [수학식 12]에 의해 무효전력(Q)이 구해지는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.

    [수학식 12]
    Figure 112019096360738-pat00118


    [여기서,
    Figure 112019096360738-pat00119
    는 칼만필터의 i번째 상태 변수를 나타내고,
    Figure 112019096360738-pat00120
    는 y의 i제곱을 나타냄]
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 추정된 다항식은 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 유효전력을 대입하고 출력값으로 전압을 대입하여 제 1 식을 구하고, 상기 칼만필터에 대해 입력값으로 무효전력을 대입하고 출력값으로 전압을 대입하여 필터링하여 제 2 식을 구한 후, 필터링된 제 1, 2식을 연산함으로써 구해지며,
    상기 추정된 다항식을 변형하면 다음의 [수학식 11]과 같이 무효전력의 변화량(
    Figure 112019096360738-pat00121
    )이 구해지며,

    [수학식 11]
    Figure 112019096360738-pat00122

    [여기서,
    Figure 112019096360738-pat00123
    는 전압의 변화량을 나타내고,
    Figure 112019096360738-pat00124
    및
    Figure 112019096360738-pat00125
    는 유효전력의 변화량을 나타내며,
    Figure 112019096360738-pat00126
    ,
    Figure 112019096360738-pat00127
    ,
    Figure 112019096360738-pat00128
    및
    Figure 112019096360738-pat00129
    는 칼만필터의 상태 변수로, 추정 과정에서 칼만필터의 입력 및 출력 값에 대해 최소의 RMSE(root-mean-squre-error)를 갖는 곡선이 표현되도록 매회 업데이트 되는 값을 나타냄]

    다음의 [수학식 12]에 의해 무효전력(Q)이 구해지는, P-Q 특성 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.

    [수학식 12]
    Figure 112019096360738-pat00130


    [여기서,
    Figure 112019096360738-pat00131
    는 칼만필터의 i번째 상태 변수를 나타내고,
    Figure 112019096360738-pat00132
    는 y의 i제곱을 나타냄]
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