KR102274048B1 - 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치 - Google Patents

독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102274048B1
KR102274048B1 KR1020190106590A KR20190106590A KR102274048B1 KR 102274048 B1 KR102274048 B1 KR 102274048B1 KR 1020190106590 A KR1020190106590 A KR 1020190106590A KR 20190106590 A KR20190106590 A KR 20190106590A KR 102274048 B1 KR102274048 B1 KR 102274048B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
inverter
sub
transformer
inverter block
Prior art date
Application number
KR1020190106590A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210026165A (ko
Inventor
정상민
손의권
최기영
Original Assignee
효성중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 효성중공업 주식회사 filed Critical 효성중공업 주식회사
Priority to KR1020190106590A priority Critical patent/KR102274048B1/ko
Priority to PCT/KR2020/007121 priority patent/WO2021040197A1/ko
Publication of KR20210026165A publication Critical patent/KR20210026165A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102274048B1 publication Critical patent/KR102274048B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H02J3/382—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/388—Islanding, i.e. disconnection of local power supply from the network
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/12—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation
    • Y04S10/123—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation the energy generation units being or involving renewable energy sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/14—Energy storage units

Abstract

본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템은, 상시 또는 선택적으로 상위 계통에서 분리되어 지역 계통에서 독립 운전하는 독립 마이크로그리드 시스템에 있어서, 상기 지역 계통에 교류 전력을 공급하며, 생성된 전력을 인버터 없이 절연을 위한 트랜스포머를 경유해 상기 지역 계통에 공급하는 발전기; 상기 지역 계통에 부족한 전력을 제공하고 남는 전력을 저장하는 에너지 저장 수단; 정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록; 및 상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록을 포함할 수 있다.

Description

독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치{INDEPENDENT MICROGRID SYSTEM AND INVERTER DEVICE}
본 발명은 도서 지역 등 이격지에 적용될 수 있는 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치에 관한 것이다.
최근에 화석에너지를 감소시키기 위하여 태양광, 풍력, 수소에너지 등 신재생 에너지(Renewable energy)의 사용이 급속히 증가되고 있다.
신재생 에너지(Renewable energy)는 기술력과 경제성의 향상으로 2017년 전세계 1차 에너지 소비의 10%를 차지하였다. 파리협정과 더불어 각국의 renewable energy 지원정책이 지속될 전망이며 2040년에는 그 비중은 17%로 증가할 것으로 전망된다. 특히, 풍력과 태양광은 지속적인 가격절감으로 그리드 패리티(grid parity) 달성 지역이 확대되고 있으며, 여기에 에너지 저장 시스템(energy storage system(ESS))과 통합 운영을 통해 발전 지속성이 보다 향상되고 있다. 이러한 신재생에너지 기술의 발달은 기존 중앙발전 방식에서 다수의 신재생에너지를 통한 분산발전 방식을 촉진시켰으며 소규모 지역 계통을 위한 마이크로그리드로의 확대 적용과 활발한 연구들이 가능하게 되었다.
기술적이나 경제적인 이유로 기존 계통에 연결되기 어려운 도서 지역은 오래 전부터 디젤 발전소를 통해 전력을 공급받고 있었다. 디젤 발전은 높은 연료비, 연료의 이송, 저장 및 관리, CO2 배출 등의 문제점을 가지고 있다. 상술한 문제점들을 보완하기 위해 풍력과 태양광 등 신재생 에너지 발전 장치와, 에너지 저장 장치(ESS)를 통합한 도서용 마이크로그리드(island microgrid) 시스템이 제안되었다. 상기 도서용 마이크로그리드 시스템은 상당 기간을 상위 계통과 차단되어 운영되는 반 독립적인 지역 계통을 마이크로그리드이다.
그런데, 종래의 일반적인 에너지 저장 장치(ESS)의 PCS의 인버터 제어 방법 및 그 구조는 전체 계통에 대한 부담이 낮은 시스템을 위한 것이어서, 에너지 저장 장치(ESS)의 부담이 높은 도서용 마이크로그리드에는 적합하지 않았다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0124190호
본 발명은 에너지 저장 장치(ESS)의 전력 부담이 높은 도서용 마이크로그리드에 적합한 에너지 저장 장치(ESS)의 PCS의 인버터를 제어하는 시스템 및 장치 구조를 제공하고자 한다.
본 발명은 인버터가 정지할 수 있는 비정상 상황이 발생하여도, 도서용 마이크로그리드의 지역 계통으로의 전력 공급을 유지할 수 있는 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 독립 마이크로그리드 시스템은, 상시 또는 선택적으로 상위 계통에서 분리되어 지역 계통에서 독립 운전하는 독립 마이크로그리드 시스템에 있어서, 상기 지역 계통에 교류 전력을 공급하며, 생성된 전력을 인버터 없이 절연을 위한 트랜스포머를 경유해 상기 지역 계통에 공급하는 발전기; 상기 지역 계통에 부족한 전력을 제공하고 남는 전력을 저장하는 에너지 저장 수단; 정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록; 및 상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인 인버터 블록은, 상기 에너지 저장 수단에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터; 상기 메인 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터; 및 상기 제1 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제1 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
상기 서브 인버터 블록은, 상기 에너지 저장 수단에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터; 상기 서브 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터; 및 상기 제2 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제2 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인 인버터 블록은 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제3 리액터를 더 포함하고, 상기 서브 인버터 블록은 상기 제2 커패시터와 병렬 연결되는 제4 리액터를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 발전기는 상기 지역 계통에 변동이 없는 교류 전력을 공급하며, 태양광 또는 풍력 등 신재생에너지로부터 전력을 생산하여 상기 지역 계통으로 공급하는 신재생에너지 발전 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 인버터 장치는, 배터리에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 공급하는 인버터 장치에 있어서, 정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록; 상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록; 및 상기 메인 인버터 블록 및 상기 서브 인버터 블록의 전력 변환 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인 인버터 블록은, 상기 배터리에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터; 상기 메인 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터; 및 상기 제1 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제1 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
상기 서브 인버터 블록은, 상기 배터리에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터; 상기 서브 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터; 및 상기 제2 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제2 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인 인버터 블록은 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제3 리액터를 더 포함하고, 상기 서브 인버터 블록은 상기 제2 커패시터와 병렬 연결되는 제4 리액터를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 메인 인버터 블록에 이상이 발생되었다고 판단되면, 상기 메인 인버터의 스위칭 동작을 정지시키고, 상기 서브 인버터의 스위칭 개시하되, 레퍼런스 전압과 실제 변동된 전압의 차이에 따라 규정되는 자속 옵셋에 따라, 상기 서브 인버터를 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하거나, 또는 상기 배터리에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 하기 수학식에 따라 구해진 Be값과 Bk값 중 Be가 더 큰 경우 상기 서브 인버터를 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하고, Bk가 더 큰 경우 상기 배터리에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
Be = Bs - Br
Figure 112019089091113-pat00001
(여기서, Nt : 변압기 턴수, A : 변압기 단면적, Tdelay : 시간 지연,
ωr, : 공칭 주파수, ωd : 자연공진주파수, vr : 공칭전압,
α : 시상수, Bs : 변압기의 포화자속 밀도, Br : 공칭전압에서의 변압기 자속밀도)
상기 구성에 따른 본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치를 실시하면, 에너지 저장 장치(ESS)의 부담이 높은 도서용 마이크로그리드에 적합한 에너지 저장 장치(ESS)의 PCS 인버터를 동작시키는 이점이 있다.
본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치는, 인버터가 정지할 수 있는 비정상 상황이 발생하여도, 도서용 마이크로그리드의 지역 계통으로의 전력 공급을 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치는, 사용 중이던 인버터가 정지 시 특정 부하용량 이하에서는 서브 인버터가 변압기의 돌입전류 없이 정격 전압을 바로 추종할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치는, 돌입 전류를 우회를 위해 수~수십 사이클의 정전이 발생하는 기존 기술 대비, 정전 없이 1사이클 이내에 계통의 복구가 가능한 이점이 있다.
본 발명의 독립 마이크로그리드 시스템 또는 인버터 장치는, 저렴한 비용으로 높은 안정성을 요하는 독립형 마이크로그리드를 실시할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 인버터 장치가 적용될 수 있는 도서용 마이크로그리드 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 장치와 마이크로그리드 구성에 대한 회로도.
도 3은 도 2의 LC 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, 인버터 정지에 따른 계통전압을 도시한 실험 파형도.
도 4는 도 2의 LC 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, 인버터 기동시 부하전압 및 변압기의 돌입 전류를 도시한 실험 파형도.
도 5는 LC 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, ESS 단독운전 모드에서 메인 인버터가 정지될 때, 마이크로그리드 지역 계통의 전압 변동을 도시한 개념 파형도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인버터 장치와 마이크로그리드 구성에 대한 회로도.
도 7a 및 7b는 LCPL 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, 인버터 정지에 따른 계통 전압을 도시한 개념 파형도.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 전력 변환 제어에 따라 서브 인버터가 기동하는 방식을 도시한 흐름도.
도 9는 도 8의 서브 인버터 기동 방식을 수행하기 위한 서브 인버터의 제어 알고리즘 블록을 도시한 블록도.
도 10은 본 발명이 제안한 LCPL 필터 설계 방안과 기동 제어 방식을 검증하기 위한 시험 구성을 도시한 개념도.
도 11a 내지 11c는 실험 조건 1, 2, 3에서 수행된 실험 결과를 나타낸 실험 파형도.
도 12는 실험 조건(test condition) 1, 2, 3에서 수행된 실험 결과인 각각의 Vab 파형을 비교하기 위해 함께 표시한 파형도.
도 13은 시험 조건 4에서 전압 감소가 적고 보다 빠르게 정격 전압으로 회복되는 것을 나타낸 실험 파형도.
도 14는 시험 조건 5에서 소프트 스타트(soft start) 방식으로 기동되어 정격 전압으로 회복되는 것을 나타낸 실험 파형도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 인버터 장치가 적용될 수 있는 도서용 마이크로그리드 시스템을 도시한다.
예컨대, 150kVA 디젤 발전기(diesel generator) 3대로 전력이 공급되고 있었으며 풍력, 태양광, ESS를 추가로 설치하여 도시한 마이크로그리드 시스템을 구성할 수 있다. 태양광 발전 장치 114kW은 주로 가정(부하)에 설치되었으며 풍력 발전기는 250kVA 2기가 설치되어, 디젤 발전기와 함께 주 발전원 역할을 한다.
설치된 풍력 발전기는 설치 지역의 교류(AC) 계통에 직접 연결이 가능한 농형 유도 발전기(squirrel-cage induction generators)가 적용될 수 있다. 이는 별도의 인버터를 경유하지 않고, 단지 절연 변압기만을 개재하여 직접 지역 계통에 연결하는데, 이는 제어가 간단하고 시스템의 하드웨어를 최소화할 수 있는 경제적으로 유리한 장점을 가지고 있다.
그러나, 디젤 발전 전력이 인버터없이 계통과 직접 연계되기 때문에 기동 시에 돌입전류와 과도전류에 의해 큰 전압 변동이 발생될 수 있다. 이러한 순간 변동성이 큰 농형 풍력 발전기의 영향을 제거하고 마이크로그리드의 지역 계통 전압과 상관없이 독립적으로 운전가능 하도록 도시한 바와 같이, 각각 인버터를 구비하는 풍력발전기와 ESS는 백투백(back to back)으로 구성한다.
상기 에너지 저장 장치(ESS)는 마이크로그리드의 전압을 제어하고 전력을 공급하도록 디젤 발전기와 통합 운전 또는 단독으로 운전될 수 있다.
도시한 도서용 마이크로그리드 시스템에서, 신재생 에너지 발전 장치의 발전량, ESS 배터리 충전 상태(SoC), 부하에 따른 디젤 발전기와 에너지 저장 장치(ESS)의 운전 조합을 나타내면 하기 표 1과 같다.
[표 1]
Figure 112019089091113-pat00002
마이크로그리드 설계자가 에너지 저장 장치의 단독운전이 가능하도록 설정한 SoC인 세팅(Set) SoC 보다 ESS 배터리의 SoC가 더 큰 경우와, 최소 SoC 보다 크면서 신재생 에너지 발전량이 부하 보다 큰 경우에 디젤 발전기는 정지하고, ESS 배터리에 저장된 에너지와 신재생 에너지 발전 장치 만으로 전력을 공급하게 된다.
이 경우, 마이크로그리드의 지역 계통 전압은 ESS의 PCS(보다 구체적으로 인버터)가 제어하며, 만약 이때 외부 사고에 의해 ESS 인버터에 과전류가 발생하거나 고장이 발생하여, 해당 인버터가 정지하면 지역 계통에 정전이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 이에 대한 대비책으로 상술한 사고시 정지할 수 있는 ESS 인버터(메인 인버터)에 대한 예비 수단으로서 서브 인버터를 병렬로 설치하는 구조의 독립형 마이크로그리드 시스템을 제안한다.
제안하는 독립 마이크로그리드 시스템은 항상 상위 계통과 분리된 상시 완전 독립형 마이크로그리드이거나, 선택적으로 상위 계통에서 분리되어 지역 계통에서 독립 운전하는 마이크로그리드일 수 있다.
상기 제안한 독립 마이크로그리드 시스템은, 지역 계통에 변동이 없는 교류 전력을 공급하며, 생성된 전력을 인버터 없이 절연을 위한 트랜스포머를 경유해 상기 지역 계통에 공급하는 발전기(20); 상기 지역 계통에 부족한 전력을 제공하고 남는 전력을 저장하는 에너지 저장 수단(60); 정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단(110)을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록; 및 상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단(210)을 통해 상기 에너지 저장 수단(60)에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록을 포함한다.
그런데, 메인 인버터(120)에 고장이 발생하는 상황에서는 이에 바로 연결된 트랜스포머 부분의 정상 동작 여부를 보장할 수 없는 바, 인버터 뿐만 아니라 이와 바로 연결된 트랜스포머 장치를 포함한 메인 인버터 블록에 서브 인버터 블록을 병렬로 설치하여 정전에 대비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 사상에 따른 서브 인버터 블록은 평상시는 동작하지 않고, 메인 인버터 블록에 이상이 발생하면 동작하는 예비 구성이지만, 구현에 따라, 서브 인버터 블록은 향후 ESS의 배터리 저장 용량 확장을 대비한 예비 인버터일 수 있다.
또는, 구현에 따라, 서브 인버터 블록은 연결된 계통이나 마이크로그리드 내 부하가 증대될 경우를 대비하여 예비적으로 구비된 배터리의 전력 입/출력을 위한 인버터일 수 있다. 이 경우, 예비 배터리를 사용하지 않는 낮은 부하에서 본 발명의 사상에 따른 예비 인버터로 사용되는 것이다.
도시한 도서용 마이크로그리드는 비상시 상위 계통으로부터 보조적으로 전력을 공급받을 수도 있지만, 주로 태양광 또는 풍력 등 신재생에너지로부터 전력을 생산하여 상기 지역 계통으로 공급하는 신재생에너지 발전 수단을 통해 외부와 독립하여 전력을 공급하는 것을 지향한다. 이를 위해 도시한 바와 같이 신재생에너지 발전 수단으로서, 풍력 발전 수단(40) 및 태양광 발전 수단(80)이 지역 계통에 주된 전력을 공급한다. 그런데, 신재생에너지 발전 수단은 날씨에 따라 전력 변동이 존재하는 바, 이를 보완하기 위해 에너지 저장 장치(ESS)(60) 및 상기 지역 계통에 변동이 없는 안정적인 교류 전력을 공급하는 발전기(도면에서는 디젤 발전기)(20)를 구비한다.
상술한 사상에 따라, 도 1에 도시한 메인 인버터 연결 구조 및 서브 인버터의 연결 구조를 도 2에 나타내었다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 장치로서, 도 1의 도서용 독립 마이크로그리드가 신재생 에너지원들과 ESS 만으로 전력이 공급되는 조건에서 간소화된 마이크로그리드 구성에 대한 회로도를 보여준다.
한편, 도 2에 도시하지 않은 풍력 발전기는 ESS와 백투백(back to back)으로 구성되어, 마이크로그리드 전압에 직접적으로 영향을 미치지 않으므로, 실질적으로 ESS 단독 운전과 동일하여 도 2의 구성에서 제외하였다.
도 2에 도시한 상기 메인 인버터 블록(100)은, 상기 에너지 저장 수단(60)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터(120); 상기 메인 인버터(120) 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단(110)의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터(142); 및 상기 제1 리액터(142)와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제1 리액터(142)의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터(144)를 포함하고,
상기 서브 인버터 블록(200)은, 상기 에너지 저장 수단(60)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터(220); 상기 서브 인버터(220) 출력단과 상기 제2 트랜스포머 수단(210)의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터(242); 및 상기 제2 리액터(242)와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제2 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터(244)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 메인 인버터 블록(100) 및 상기 서브 인버터 블록(200)의 전력 변환 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인 인버터(120) 및 서브 인버터(220)는 스위칭 트랜지스터들에 의해 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성하는 구조임이 일반적이며, 이 경우 상기 제어부는 상기 스위칭 트랜지스터들의 각 게이트(또는 베이스) 단자에 PWM 펄스를 인가하여 전력 변환 동작을 제어할 수 있다.
도시한 구성의 인버터 장치는, 메인 인버터(120)가 전력을 공급하고 서브 인버터가 대기하고 있는 상황에서 메인 인버터(120)가 정지하게 되면 마이크로그리드의 지역 계통 전압은 서브 인버터(220)에 의해 신속하게 제어(추종)될 수 있다.
이러한 동작을 위해, 메인 인버터(120)의 정지 신호를 서브 인버터(220)에 전송하여, 서브 인버터(220)가 가동되도록 대응하는 것이 계통전압 유지에 효과적이다. 정보를 전달하기 위한 방법은 통신 또는 유선(예: hard wiring)이 사용될 수 있다. 그런데, 전달 방식에 따른 신호 전송의 시간 지연(Tdelay 로 칭함)이 발생된다.
도시한 바와 같은 LC 필터 구조를 가진 메인 인버터 블록(100)에 이상이 발생하여, 메인 인버터(120)의 스위칭 트랜지스터에 가해지는 PWM(pulse width modulation)이 정지하게 되며, 이에 따라 마이크로그리드는 메인 인버터(120)의 LC 필터 커패시터와 부하 저항의 병렬 회로로 간략화 될 수 있다. 전원이 없는 RC 병렬 회로의 전압은 하기 수학식 1과 같이 음의 지수함수로 표현될 수 있다. 여기서 C는 인버터의 필터 커패시터이며, R은 부하저항을 의미한다.
[수학식 1]
v(t) = voe-t/ RC
상기 수학식과 같이, 계통의 전압은 RC 필터 회로의 감쇠와 같이 동작하는데, 자세한 동작을 구체적인 실험 파형으로 예시하면 도 3과 같다. 즉, 도 3은 LC 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, 인버터 정지에 따른 계통전압의 실험 파형이다.
도시한 바와 같이, 3상 전압 중 하나의 상 전압이 0인 지점에서 메인 인버터(120)가 정지한 경우 0전압은 그대로 유지되며 나머지 두 개의 상은 크기는 같고 부호가 반대인 전압에서 음의 지수 형태로 감소하여 0으로 수렴한다. 여기서 Vab, Vbc 및 Vca는 부하의 선간 전압이다.
메인 인버터(120)의 정지를 서브 인버터(220)가 인지하고 동작하는 과정은 필연적으로 시간의 지연(Tdelay)이 발생될 수 있다. 이러한 시간 지연에 의해 실제의 계통 전압과 서브 인버터 출력 전압이 큰 차이를 보이는 경우 변압기의 자속에 옵셋(offset)이 발생하여 자속 포화 현상에 의한 돌입전류가 야기 될 수 있다. 이 돌입전류는 각 인버터의 정격전류의 수배이상 발생될 수 있기 때문에 서브 인버터 투입시 과전류 보호 동작을 야기시킬 수 있다. 상기 과전류 보호 동작에 의해 마이크로그리드의 지역 계통의 정전 상태는 악화될 수 있다.
도 4는 인버터 기동시 부하전압 및 변압기(트랜스포머)의 돌입 전류를 도시한다. 구체적으로, 10kW의 부하 상황에서 계통의 빠른 복구를 위해, 계통전압을 서서히 증가시키는 소프트 스타트(soft-start) 기능을 사용하지 않는 경우 인버터 기동시 발생하는 부하전압에 따른 돌입전류의 실험 파형을 보여준다. 여기서, Vab, Vbc 및 Vca는 부하의 선간 전압이며 Ia_tr, Ib_tr, Ic_tr은 변압기 전류이다. 각 인버터의 전류보호 레벨은 200A이며 변압기 전류가 200A를 초과하면, 인버터는 정지되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 LC 필터 타입 인버터 장치로 구현된 경우, ESS 단독운전 모드에서 메인 인버터가 정지될 때, 마이크로그리드 지역 계통의 전압 변동을 도시한다.
도시한 전압 파형에 대한 현상은 서브 인버터가 시간 지연(Tdelay) 이후에 메인 인버터(120)의 정지를 인지하고 전압을 레퍼런스 전압(reference voltage)으로 제어시 시간 지연(Tdelay) 동안 마이크로그리드 전압과 원래의 레퍼런스 전압(reference voltage)의 차이인 F에 의해 발생된다. F에 해당하는 자속 옵셋(offset)이 변압기에 발생하며 자속이 포화되어 돌입전류를 발생시킬 수 있다.
상기 자속 포화에 따른 돌입전류 때문에, 상기 제어부는 메인 인버터 블록(100) 및 상기 서브 인버터 블록(200)의 전력 변환시, 소프트 스타트 방식으로 서브 인버터 블록(200)을 운전할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인버터 장치로서, 메인 인버터(120)와 서브 인버터(220) 간의 동작 전환 시 계통의 급변을 억제하기 위한 LCPL 필터(필터)를 구비하는 인버터 구조를 제안한다.
도시한 인버터 장치는, 배터리(60)에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 공급한다.
도시한 인버터 장치는, 정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단(110)을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록(100-1); 상기 메인 인버터 블록(100-1)이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단(210)을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록(200-1); 상기 메인 인버터 블록(100-1) 및 상기 서브 인버터 블록(200-1)의 전력 변환 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
도시한 상기 메인 인버터 블록(100-1)은, 상기 배터리(60)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터(120); 상기 메인 인버터(120) 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단(110)의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터(142); 및 상기 제1 리액터(142)의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터(144)를 포함하고,
상기 서브 인버터 블록(200-1)은, 상기 배터리(60)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터(220); 상기 서브 인버터(220) 출력단과 상기 제2 트랜스포머 수단(210)의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터(242); 및 상기 제2 리액터(242)의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터(244)를 포함할 수 있다.
또한, 도시한 상기 메인 인버터 블록(100-1)은 상기 제1 커패시터(144)와 병렬 연결되는 제3 리액터(146)를 더 포함하고, 상기 서브 인버터 블록(200-1)은 상기 제2 커패시터(244)와 병렬 연결되는 제4 리액터(246)를 더 포함한다.
이에 따라 상기 제1 커패시터(144), 제1 리액터(142) 및 제3 리액터(146)는 상기 메인 인버터(120)와 상기 제1 트랜스포머 수단(110)을 위한 LCPL 필터를 구성하고, 상기 제2 커패시터(244), 제2 리액터(242) 및 제4 리액터(246)는 상기 서브 인버터(220)와 상기 제2 트랜스포머 수단(210)을 위한 LCPL 필터를 구성한다.
상기 LCPL 필터를 구비한 본 실시예의 인버터 장치가 설치된 마이크로그리드 시스템은, 메인 인버터(120) 정지에 따른 서브 인버터(220) 투입시 변압기의 돌입전류 없이 계통전압을 빠르게 복구(즉, 즉시 추종)할 수 있다.
돌입전류없이 마이크로그리드 전압을 원래의 전압으로 신속하게 제어하기 위해선 시간 지연(Tdelay) 동안 마이크로그리드 전압과 원래의 정상 전압의 차이를 감소시켜야 하며, 이를 위해 도시한 LCPL 필터(다르게 표현하여 L+C||L 필터)의 사용을 제안한다. LCPL 필터에서 커패시터와 병렬 연결된 인덕터는 인버터의 기동이 멈출 시에 지역 계통 전압의 무너짐을 막아줄 뿐만 아니라, 디젤 발전기와의 복합운전 상황에서 인버터의 커패시터에 흐르는 무효전력을 보상하기 위한 기능도 부여한다.
도 7a 및 7b는 LCPL 필터(L+C||L 필터) 타입 인버터 장치로 구현된 경우, ESS 단독운전 모드에서 메인 인버터가 정지될 때, 마이크로그리드 지역 계통의 전압 변동을 도시한다.
LCPL 필터를 가진 메인 인버터(120)가 정지한 경우의 마이크로그리드는 RLC 병렬 회로로 간략화 될 수 있다. 과소 감쇠 특성을 갖는 RLC 회로 전압은 하기 수학식 2와 같으며, 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같은 형태의 감쇠된 정현파 응답 특성을 갖게 된다.
[수학식 2]
Figure 112019089091113-pat00003
도시한 바와 같이, 시간 지연(Tdelay) 동안 RLC 병렬회로의 전압 응답 파형과 같이, RC병렬회로의 전압응답(도 5에 도시함) 대비 F의 면적이 감소되며, 부하 저항(R)이 클수록 F의 면적은 보다 감소시키게 된다. 따라서, LCPL 필터 구조는 서브 인버터(220) 기동에 따른 시간 지연 동안 전압의 감소를 억제하는 역할을 수행하게 된다.
다음, 메인 인버터(120) 정지에 따른 서브 인버터(220) 투입시 변압기의 돌입전류 없이 계통전압을 빠르게 복구하는데 최적화된 LCPL 필터(L+C||L 필터)의 설계 방안을 제시한다. 변압기 포화자속 밀도를 고려하여 LCPL 필터(L+C||L 필터) 설계에 따라 변압기의 돌입전류 없이 운전 가능한 부하 용량을 결정한다. 부하는 평형이고 저항 부하로 근사화 가능한 경우가 고려되었다.
스위칭 주파수 전압을 저감하기 위한 전압원 인버터(voltage source inverter)의 필터는 일반적으로 LC 필터를 사용한다(도 2이 경우). LC 필터의 공진 주파수는 일반적으로 스위칭 주파수의 1/5 ~ 1/10 정도로 결정하며 이를 만족하는 LC 필터 조합은 무한하다. 이에 따라, 설치 사이트 환경 조건이나 어플리케이션에 따라 LC 필터의 조합은 다르게 결정될 수 있다. LC 필터의 인덕터는 전류 리플 제한, 기본파 전압강하 크기에 의해서 결정될 수 있으며, 커패시터는 부하변동에 따른 전압변동 억제, 커패시티브(Capacitive) 무효전력 제한 등에 의해 결정될 수 있다.
LCPL 필터(L+C||L 필터)는 스위칭 주파수 전압 저감 측면에서 필터 커패시터(상술한 제1/제2 커패시터)와 병렬로 연결된 인덕터(상술한 제3/제4 인덕터)의 임피던스가 커패시터 대비 수kHz의 주파수 대역에서는 무시할 수 있을 정도로 커지기 때문에 LC 필터로 등가화 될 수 있어 LC 필터 설계와 유사하게 설계될 수 있다. 추가적으로 메인 인버터가 정지한 후 시간 지연(Tdelay) 동안 전압이 일시적으로 특정 부하범위에서 전원이 없는 RLC 병렬회로의 감쇠특성을 갖도록 설계되어야 한다. 또한, 이에 따른 전압 변동 후 서브 인버터 운전하여 정상 전압으로 회복 시 변압기 자속이 포화되지 않는 부하 범위를 계산해야 한다. 또한 LC병렬 회로의 무효전력도 고려되어야 한다.
상술한 고려 사항들을 반영한 설계 절차는 다음과 같다.
1. LC 필터의 컷오프(Cut-off) 주파수를 결정한다.
전원이 없는 RLC 병렬회로의 특정방정식은 하기 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112019089091113-pat00004
L1C1 필터의 컷오프(Cut-off) 주파수 ω0를 결정하는데, 여기서,
Figure 112019089091113-pat00005
이다.
과소감쇠 응답을 갖기 위해서 α < ω0 조건을 만족해야 한다. 과소감쇠 응답을 가진 경우 전압은 상기 수학식 2와 같으며, 자연공진주파수 ωd는
Figure 112019089091113-pat00006
이다.
2. 변압기의 포화자속 밀도 Bs, 공칭전압 vr, 공칭 주파수 ωr, 공칭전압에서의 변압기 자속밀도 Br을 결정한다.
3. 시간 지연(Tdelay)을 결정한다.
4. 변압기 자속 여유분 Be는 Bs - Br이다.
5. 자연공진주파수 ωd를 공칭주파수로 결정한다.
6. 하기 수학식 4로부터 α, Bk를 결정한다. 하기 수학식 4는 시간 지연(Tdelay) 동안 원래의 레퍼런스 전압(기준 전압)과 마이크로그리드 전압의 차이로 인해 발생하는 자속 오프셋 Bk를 정의한다.
[수학식 4]
Figure 112019089091113-pat00007
여기서, NT는 변압기 턴수, A는 변압기 단면적이다.
7. 디젤 발전기와 인버터가 복합 운전하는 상황에서 공칭 주파수에서의 역률 제한값을 결정한다. 정해진 역률 PF로부터 무효전력 Q를 하기 수학식 5를 이용하여 구한다. 여기서, Pd는 디젤 발전기 한상의 정격전력이다.
[수학식 5]
Figure 112019089091113-pat00008
8. wd, Q, α, vr, ωr로 요구되는 마이크로그리드의 총 커패시턴스를 구한다. 하기 수학식 6은 CT||LT의 무효전력 식이며 하기 수학식 7로 정리될 수 있다. 여기서, CT는 전체 Capacitance이고, LT는 전체 인덕턴스이다.
[수학식 6]
Figure 112019089091113-pat00009
[수학식 7]
Figure 112019089091113-pat00010
과소감쇠응답 조건에서는 하기 수학식 8의 관계가 성립한다.
[수학식 8]
Figure 112019089091113-pat00011
상기 수학식 7과 수학식 8로부터 하기 수학식 9를 유도할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112019089091113-pat00012
wd와 ωr이 같은 경우 CT는 하기 수학식 10과 같고, α의 식을 대입하면 하기 수학식 11과 같다.
[수학식 10]
Figure 112019089091113-pat00013
[수학식 11]
Figure 112019089091113-pat00014
9. CT를 인버터의 개수(N)으로 나누어 각 인버터의 C1 값을 구한다.
10. CT와 α로 R을 계산한다.
11. ω0는 상기 수학식 8을 통해서 구할 수 있으며, LT는 1/(ω0 2CT), L2는 LT × N이다.
12. L1은 1/(ωf 2C1) 이다.
다음, 메인 인버터가 정지된 상황에서 서브 인버터가 기동하는 방식을 살펴본다.
메인 인버터가 정지하고 시간 지연(Tdelay) 동안에 마이크로그리드의 전압은 감소되는데, 이는 설계된 LCPL 필터(L+C||L 필터)와 부하에 따라 그 크기가 결정된다. 서브 인버터는 시간 지연(Tdelay) 동안의 센싱된 마이크로그리드 전압을 바탕으로 그 기동방식이 결정될 수 있다.
이를 위해, 상기 인버터 장치의 상기 제어부는, 상기 메인 인버터 블록에 이상이 발생되었다고 판단되면, 상기 메인 인버터의 스위칭 동작을 정지시키고, 상기 서브 인버터의 스위칭 개시하되,
상기 제1 트랜스포머 수단의 잔류 자속의 정도에 따라, 레퍼런스 전압과 실제 변동된 전압의 차이에 따라 규정되는 자속 옵셋에 따라, 상기 서브 인버터를 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하거나, 또는 상기 메인 인버터를 통해 지역 계통으로 공급되는 전력이 충분히 낮춰진(0에 가까운 값) 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 8은 상술한 제어부의 전력 변환 제어에 따라 서브 인버터가 기동하는 방식을 도시한 흐름도이다.
레퍼런스(기준) 전압에 따른 자속밀도 변화량과 감소된 마이크로그리드 전압에 따른 자속밀도 변화량의 차이가 변압기 자속 여유분 보다 작을 경우 서브 인버터는 레퍼런스 전압을 바로 추정하여, 지역 부하 공급의 연속적 측면의 안정성을 확보할 수 있다.
반면, 그 외의 경우에는 마이크로그리드 전압이 최소전압 이하로 감소된 후, 비로소 서브 인버터는 소프트 스타트(soft start)를 수행한다. 이는 자속 옵셋에 의한 돌입 전류 발생을 방지하기 위함이다. 물론 레퍼런스 전압 자체를 변압기 돌입전류가 발생하지 않도록 변경하는 방법도 고려해 볼 수 있지만, 지역 부하에 전압 변동이 커지는 면에서 바람직하지 않다.
도시한 흐름도에 따르면, 상기 인버터 장치의 상기 제어부는,
상술한 수학식 4 및 Be 는 Bs - Br 관계에 따라 구해진 Be값과 Bk값 중 Be가 더 큰 경우 상기 서브 인버터를 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하고, Bk가 더 큰 경우 상기 배터리에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어한다. 여기서, Nt : 변압기 턴수, A : 변압기 단면적, Tdelay : 시간 지연, ωr, : 공칭 주파수, ωd : 자연공진주파수, vr : 공칭전압, α : 시상수, Bs : 변압기의 포화자속 밀도, Br : 공칭전압에서의 변압기 자속밀도이다.
서브 인버터는 대기 상태에서 마이크로그리드 전압의 위상을 추정하고 있으며 메인 인버터로부터 정지 신호를 받으면 시간 지연(Tdelay) 이전에 추정한 위상에서부터 고정된 레퍼런스 위상를 갖는다.
도 9는 도 8의 서브 인버터 기동 방식을 수행하기 위한 서브 인버터의 제어 알고리즘 블록을 도시한다. 도면에서 전압 제어기는 전압의 크기만을 피드백 제어하며, 위상은 시작 위상만을 계산하고 레퍼런스 위상을 그대로 생성함을 알 수 있다.
도 10은 제안한 LCPL 필터(L+C||L 필터) 설계 방안과 기동 제어 방식을 검증하기 위한 시험 구성을 도시한다.
480kW DC 파워 서플라이, 100kW 3상 인버터 2대, 100kW 부하장치로 시험을 구성하였다. 메인 인버터의 정지(stop) 신호 전달은 하드 와이어링(hard wiring)을 이용하였으며 릴레이로 회로를 구성하였다. 시간 지연(Tdelay)은 약 5ms이내로 발생한다. 여기서, 인버터 파라미터는 상기 표 1 및 하기 표 2와 같으며, 시험 조건인 LCPL 필터(L+C||L 필터) 파라미터는 하기 표 3과 같다.
[표 2]
Figure 112019089091113-pat00015
[표 3]
Figure 112019089091113-pat00016
시험조건은 부하 전력(load power), 메인 인버터의 정지 지점(Stop point)에 따라 달라진다. 각 시험조건 마다 메인 인버터의 PWM이 정지하고 서브 인버터가 전압을 제어하는 시험을 실시하였다. 시험결과는 심리스 전송(seamless transfer), 소프트 스타트(soft start)로 구분하였다. 심리스 전송(seamless transfer)은 레퍼런스 전압으로 즉시 추종토록 제어하는 경우이며, 소프트 스타트(soft start)는 마이크로그리드 전압이 거의 0에 가까운 기준 전압 이하로 감소한 후 수십ms 이내 서서히 전압을 회복하는 방식의 기동을 의미한다. 부하, 계통의 정지위치 및 전압제어 방식에 따른 실험 조건은 하기 표 4에 나타난 바와 같다.
[표 4]
Figure 112019089091113-pat00017
도 11a 내지 11c는 상기 표 4의 실험 조건(test condition) 1, 2, 3에서 수행된 실험 결과를 보여준다. 메인 인버터의 PWM 정지 시 3상 부하의 선간 전압은 과소감쇠특성을 보인다. 도 11a는 Vab의 위상 0도에서 메인 인버터가 정지된 경우로 서브 인버터가 약 5ms이후에 동작하여 정전 없이 정격 전압으로 빠르게 회복되는 것을 볼 수 있다.
도 11b 및 11c는 메인 인버터가 Vab의 45도, 90도에서 정지된 경우로서 마찬가지로 유사한 특성을 보인다.
도 12는 실험 조건(test condition) 1, 2, 3에서 수행된 실험 결과인 각각의 Vab 파형을 비교하기 위해 함께 표시한 것이며, 메인 인버터의 PWM이 정지된 시점부터 1 사이클 내에 정전 없이 정격 전압으로 회복되는 것을 보여준다.
도 13은 상기 표 4의 실험 조건 4에 해당한다. 10kW 부하에서 시험한 경우로 앞선 30kW 부하에서의 시험보다 전압감소가 적고 보다 빠르게 정격 전압으로 회복되는 것을 볼 수 있다.
도 14는 상기 표 4의 실험 조건 5에 해당한다. 80kW 부하에 시험한 경우로 LCPL 필터(L+C||L 필터)는 약 30kW 부하까지만 변압기 돌입전류 없이 정격 전압으로 바로 회복이 가능하게 설계 되었기 때문에 소프트 스타트(soft start) 방식으로 기동된다. 서브 인버터는 부하전압이 일정 전압까지 감소한 다음 운전을 시작하여 수십ms 내에 정격전압에 도달하는 것을 볼 수 있다.
5가지 조건에 대한 시험을 통해 메인 인버터 정지 시 서브 인버터가 설계된 LCPL 필터(L+C||L 필터)와 부하 조건에서 정전 없이 정격 전압을 바로 추종하고, 그 외 조건에서는 소프트 스타트 방식으로 기동되는 것을 확인하였다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
20 : 발전기 60 : 에너지 저장 수단
100, 100-1 : 메인 인버터 블록 110 : 제1 트랜스포머 수단
120 : 메인 인버터 142 : 제1 리액터
144 : 제1 커패시터 146 : 제3 리액터
200, 200-1 : 서브 인버터 블록 210 : 제2 트랜스포머 수단
220 : 서브 인버터 242 : 제2 리액터
244 : 제2 커패시터 246 : 제4 리액터

Claims (9)

  1. 상시 또는 선택적으로 상위 계통에서 분리되어 지역 계통에서 독립 운전하는 독립 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    상기 지역 계통에 교류 전력을 공급하며, 생성된 전력을 인버터 없이 절연을 위한 트랜스포머를 경유해 상기 지역 계통에 공급하는 발전기;
    상기 지역 계통에 부족한 전력을 제공하고 남는 전력을 저장하는 에너지 저장 수단;
    정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록;
    상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단을 통해 상기 에너지 저장 수단에 저장된 전력을 교류 전력으로 상기 지역 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록; 및
    상기 메인 인버터 블록 및 상기 서브 인버터 블록의 전력 변환 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 메인 인버터 블록에 이상이 발생되었다고 판단되면, 상기 메인 인버터 블록의 스위칭 동작을 정지시키고, 상기 서브 인버터 블록의 스위칭을 개시하되,
    레퍼런스 전압과 실제 변동된 전압의 차이에 따라 규정되는 자속 옵셋에 따라, 상기 서브 인버터 블록을 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하거나, 또는 상기 에너지 저장 수단에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어하고,
    상기 제어부는,
    하기 수학식에 따라 구해진 Be값과 Bk값 중 Be가 더 큰 경우 상기 서브 인버터 블록을 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하고,
    Bk가 더 큰 경우 상기 에너지 저장 수단에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어하는 독립 마이크로그리드 시스템.
    Be = Bs - Br
    Figure 112020131804766-pat00036

    (여기서, Nt : 변압기 턴수, A : 변압기 단면적, Tdelay : 시간 지연,
    ωr, : 공칭 주파수, ωd : 자연공진주파수, vr : 공칭전압,
    α : 시상수, Bs : 변압기의 포화자속 밀도, Br : 공칭전압에서의 변압기 자속밀도)
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인 인버터 블록은,
    상기 에너지 저장 수단에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터;
    상기 메인 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터; 및
    상기 제1 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제1 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 서브 인버터 블록은,
    상기 에너지 저장 수단에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터;
    상기 서브 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터; 및
    상기 제2 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제2 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터
    를 포함하는 독립 마이크로그리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 인버터 블록은 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제3 리액터를 더 포함하고,
    상기 서브 인버터 블록은 상기 제2 커패시터와 병렬 연결되는 제4 리액터를 더 포함하는 독립 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전기는 상기 지역 계통에 변동이 없는 교류 전력을 공급하며,
    태양광 또는 풍력 등 신재생에너지로부터 전력을 생산하여 상기 지역 계통으로 공급하는 신재생에너지 발전 수단
    을 더 포함하는 독립 마이크로그리드 시스템.
  5. 배터리에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 공급하는 인버터 장치에 있어서,
    정상 상태에서 제1 트랜스포머 수단을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 메인 인버터 블록;
    상기 메인 인버터 블록이 정지하면, 제2 트랜스포머 수단을 통해 변환된 교류 전력을 계통으로 공급하는 서브 인버터 블록; 및
    상기 메인 인버터 블록 및 상기 서브 인버터 블록의 전력 변환 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 메인 인버터 블록에 이상이 발생되었다고 판단되면, 상기 메인 인버터 블록의 스위칭 동작을 정지시키고, 상기 서브 인버터 블록의 스위칭을 개시하되,
    레퍼런스 전압과 실제 변동된 전압의 차이에 따라 규정되는 자속 옵셋에 따라, 상기 서브 인버터 블록을 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하거나, 또는 상기 배터리에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어하고,
    상기 제어부는,
    하기 수학식에 따라 구해진 Be값과 Bk값 중 Be가 더 큰 경우 상기 서브 인버터 블록을 계통의 전력을 바로 추종하도록 제어하고,
    Bk가 더 큰 경우 상기 배터리에서 계통으로 공급되는 소정 기준 전압 미만으로 낮춰진 후 스위칭 동작을 수행하도록 제어하는 인버터 장치.
    Be = Bs - Br
    Figure 112020131804766-pat00037

    (여기서, Nt : 변압기 턴수, A : 변압기 단면적, Tdelay : 시간 지연,
    ωr, : 공칭 주파수, ωd : 자연공진주파수, vr : 공칭전압,
    α : 시상수, Bs : 변압기의 포화자속 밀도, Br : 공칭전압에서의 변압기 자속밀도)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 인버터 블록은,
    상기 배터리에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 메인 인버터;
    상기 메인 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제1 리액터; 및
    상기 제1 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제1 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 서브 인버터 블록은,
    상기 배터리에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 서브 인버터;
    상기 서브 인버터 출력단과 상기 제1 트랜스포머 수단의 입력단 사이에 연결되는 제2 리액터; 및
    상기 제2 리액터와 LC 필터 구성을 형성하기 위해 상기 제2 리액터의 일단과 중성점 또는 접지점에 연결되는 제2 커패시터
    를 포함하는 인버터 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메인 인버터 블록은 상기 제1 커패시터와 병렬 연결되는 제3 리액터를 더 포함하고,
    상기 서브 인버터 블록은 상기 제2 커패시터와 병렬 연결되는 제4 리액터를 더 포함하는 인버터 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020190106590A 2019-08-29 2019-08-29 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치 KR102274048B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190106590A KR102274048B1 (ko) 2019-08-29 2019-08-29 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치
PCT/KR2020/007121 WO2021040197A1 (ko) 2019-08-29 2020-06-02 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190106590A KR102274048B1 (ko) 2019-08-29 2019-08-29 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210026165A KR20210026165A (ko) 2021-03-10
KR102274048B1 true KR102274048B1 (ko) 2021-07-08

Family

ID=74685976

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190106590A KR102274048B1 (ko) 2019-08-29 2019-08-29 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102274048B1 (ko)
WO (1) WO2021040197A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102543889B1 (ko) * 2021-06-22 2023-06-14 경북대학교 산학협력단 지그재그 변압기를 이용한 바이폴러 전력변환장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009148045A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Mitsubishi Electric Corp 漏洩電流低減装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5338353B2 (ja) * 2009-02-12 2013-11-13 株式会社明電舎 並列型瞬低補償装置の電圧制御方法及び並列型瞬低補償装置
KR101868350B1 (ko) * 2011-10-26 2018-06-19 엘지전자 주식회사 태양광발전장치 및 이의 운전방법
KR101272059B1 (ko) 2011-10-31 2013-06-07 강문수 광역 멀티 스트링 태양광 발전 시스템을 위한 트랜스포머 결합형 병렬 인버터
KR101412742B1 (ko) * 2012-11-09 2014-07-04 한국전기연구원 독립형 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 제어방법
KR101454299B1 (ko) * 2013-02-07 2014-10-27 한국전기연구원 다수의 에너지저장장치용 인버터를 이용한 독립형 마이크로그리드의 제어방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009148045A (ja) * 2007-12-12 2009-07-02 Mitsubishi Electric Corp 漏洩電流低減装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021040197A1 (ko) 2021-03-04
KR20210026165A (ko) 2021-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10554148B2 (en) Device and method for premagnetization of a power transformer in a converter system
CN107005151B (zh) Hvdc转换器的启动
Bahrman et al. The new black start: system restoration with help from voltage-sourced converters
JP5539879B2 (ja) 局所的なエネルギー源から高調波歪みの小さい交流電力を生成する電流波形構造
US6879062B2 (en) Electrical substation
US10886737B2 (en) Energization control for establishing microgrids
US8897040B2 (en) Power converter systems and methods of operating a power converter system
US9509231B2 (en) Power converter system, damping system, and method of operating a power converter system
JP5508796B2 (ja) 電源システム制御方法及び電源システム制御装置
KR101714593B1 (ko) V2g, v2h 기능을 갖는 전기자동차용 양방향 충전기
CN105305598A (zh) 不间断电源和操作方法
JP2008283764A (ja) 分散電源用パワーコンディショナ及び分散電源システム
US20100237704A1 (en) Single-phase to n-phase converter and power conversion system
CN104748288A (zh) 软启动充电电路及其控制方法
JP2017184362A (ja) パワーコンディショナ、電力供給システム及び電流制御方法
CN105529735A (zh) 并网光伏发电系统
Kim et al. Transformerless three-phase on-line UPS with high performance
KR102274048B1 (ko) 독립 마이크로그리드 시스템 및 인버터 장치
e Silva et al. Bidirectional DC-AC converter for isolated microgrids with voltage unbalance reduction capabilities
CN106936154B (zh) 用于大规模远距离海上风电并网的混联直流电网启动方法
WO2020131005A1 (en) Fault current control sub-system and related method
KR102554948B1 (ko) 직류단 가변 전압 출력이 가능한 양방향 전력변환 시스템
JPH07255132A (ja) 系統連系用インバータ
Starke et al. A control strategy for improving resiliency of an DC fast charging EV system
CN104917195A (zh) 一种静止同步串联补偿装置及其控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right