KR102351621B1 - 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템 - Google Patents

태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 역전력 검출에 대한 속응성을 높이고 실시간 역전력 모니터링과 모니터링된 값을 각각의 태양광발전시스템으로 전송하거나, 태양광발전량 제한지령을 각각의 인버터에 전송하여 역조가 잠시도 발생하지 않도록 실시간 제어하며, 진상용 콘덴서를 사용하지 않고 수용가의 역률을 능동적으로 제어하여 역률 요금을 줄일 수 있는데 있다.
일례로, 계통에서 수용가 부하로 인가되는 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전시스템의 인버터로부터 태양광발전전력량(PPV)을 수신하고, 검출 및 수신된 각 전력량(PO, PPV)을 기반으로 상기 전력선의 역전력 발생 유무를 실시간 검출하고, 역전력 발생 시 상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 역전력량을 산출하는 역전력 검출부; 상기 역전력 검출부를 통해 검출된 역전력 발생 유무와 역전력 발생 시 검출된 역전력량에 따른 태양광발전량 제한지령이 포함된 역전력 제어신호를 상기 인버터로 각각 주기적으로 전송하는 역전력 관리부; 계통에서 수용가 부하로 인가되는 상전압과 상전류를 각각 검출하고, 검출된 상전압과 상전류의 각 위상차에 기초하여 각 상 별로 역률 값을 측정하는 역률 측정부; 및 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값에 대한 위상각 부호와 반대 부호를 갖는 무효전력이 태양광발전시스템의 3상 인버터를 통해 수용가 부하에 투입되도록 투입되도록 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값을 기초로 q축 전류를 제어하기 위한 q축 전류 지령을 생성하고, 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치로 인가하는 역률 제어부를 포함하는 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 개시한다.

Description

태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템{SYSTEM FOR REAL TIME CONTROLLING REVERSE POWER AND POWER FACTOR OF SOLAR POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명의 실시예는 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 수용가 부하에 전력을 공급하는 하나 이상의 태양광발전시스템에서 계통 전력선에 대한 역전력을 실시간 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.
태양광발전시스템의 경우 발전 사업자가 아닌 사용자는 발전전력이 역조되어서는 안되며, 모든 수용가에서 소비되어야 하므로, 소비전력보다 발전전력이 높은 경우 발전전력을 낮추어 역조가 발생하지 않도록 제어해야 한다.
현재 태양광발전시스템은 역전력 관리부를 설치하여 검출된 역전력량을 태양광발전시스템으로 보내고, 이를 수신한 태양광발전시스템의 인버터는 전력을 줄여 역조 현상이 발생하지 않도록 한다. 또한, 인버터가 전력을 줄이지 못하여 역조 현상이 특정시간 지속되는 경우 역전력 검출기는 메인 차단기를 트립(Trip)시켜 역조를 방지하지만 수용가에 정전이 발생할 수 있다.
역조는 태양광 발전량이 일정하더라도 수용가 부하가 갑자기 줄어들면 순간적으로 발생하거나, 수용가 부하의 변동이 없는 경우에도 일사량의 급변으로 인해 태양광 발전량이 급격히 상승하는 경우 발생할 수 있다.
현재 태양광발전시스템의 역전력 계전기는, 역전력 상태(역전력 발생 유무)를 나타내는 플래그(Flag)와 역전력량을 인버터의 요청에 의해 송신하도록 설계되어 있다.
그러나 역전력 상태를 나타내는 플래그는 역조 발생 시 인버터에 다소 빠르게 수신되나, 그 역전력량은 상대적으로 매우 늦게 수신된다. 이에 따라, 인버터에서 현재 역조 전력량이 정확히 얼마인지 알 수 없으며, 몇 초 또는 수십 초 전 값을 수신 받아 응답 지연 발생될 수 있다. 이러한 경우, 역전력 계전기가 전송한 수초 전의 전력량 값을 기준으로 인버터가 태양광발전시스템의 전력을 제어하는 경우, 원활한 역전력 제어가 수행되지 않아 역조가 지속될 수 있으며, 역전력 계전기는 메인 차단기를 이용해 전력선을 차단시켜 수용가 전체에 정전이 발생하게 된다.
이를 방지하기 위하여 인버터는, 역전력 계전기로부터 역전력 발생을 나타내는 플래그가 수신되면, 매우 낮은 역전력량이 발생했음에도 태양광 발전량을 거의 0W로 줄이고, 그 발전량을 서서히 증가시켜 역전력 계전기에 의해 메인 차단기가 트립(Trip) 되지 않도록 제어하게 되는데, 이러한 경우 태양광발전시스템의 큰 발전 손실이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
또한, 종래의 역전력 계전기의 경우 3상의 전력선 중 1상만 역전력이 발생 하더라도 메인 차단기의 트립(Trip)이 발생하게 되는데, 이와 같이 1상의 역조 때문에 다른 상들의 전력마저 낮추어야 하는 실정이다.
태양광발전시스템은 일사량의 변화로 발전량이 일정하지 않기 때문에, 역조가 발생하지 않도록 해야 하고, 발전량을 소비되는 전력에 최대한 맞추어 역조를 제어함으로써 발전 효율을 향상시켜야 한다. 정밀한 역조 제어를 위해서는 시시 각각으로 변하는 부하를 정밀하게 계측해야 하나 비용 및 환경 조건 등에 의해 전압 전류 센서를 부하 측에만 설치하는 것이 용이하지 않다. 이에 따라, 각 부의 전력을 기반으로 정밀한 소비전력 계측이 필요하다.
한편, 수용가에 유도성 부하나 용량성 부하가 존재하는 경우 역률이 좋게 나오지 않는다. 부하의 종류에 따라서 진상 역률과 지상 역률이 발생하는데, 일반적으로 대부분의 건물에는 유도성 부하를 갖는 장치들이 설치되어 있어 진상용 콘덴서를 이용하여 역률을 보상하였다.
그러나, 진상용 콘덴서는 값이 고정되어 있어 부하에 따라 진상 역률이 발생하여 더 좋지 않은 결과를 제공하는 경우가 발생할 수 있다.
그 예로, 유도성 부하의 용량에 맞게 진상용 콘덴서를 설치하지만, 유도성 부하가 동작을 하지 않는 경우, 선로에 연계되어 있는 진상용 콘덴서에 의해 진상 역률이 발생하여 오히려 역률 요금이 추가적으로 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위하여 최근에는 진상용 콘덴서를 일부 용량으로 나누어 부하에 따라 각각의 콘덴서를 스위칭함으로써 진상용 콘덴서의 용량을 변경하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이러한 방법은 각 콘덴서를 나눌 수 있는 단수가 많지 않으며, 정밀 제어에 한계가 있다. 또한, 수용가의 정전용량이 송전단보다 큰 경우, 송전단 보다 수전단의 전압이 올라가는 페란티 현상이 발생하여 선로에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이러한 페란티 현상을 방지하기 위하여 전력 계통이나 수전 설비에서 별도의 장치가 요구되고 있으나, 이 또한 설치 비용과 유지 비용이 증가한다는 단점이 있다.
공개특허공보 제10-2014-0060401호(공개일자: 2014년05월20일)
본 발명의 실시예는, 역전력 검출에 대한 속응성을 높이고 실시간 역전력 모니터링과 모니터링 된 값을 각각의 태양광발전시스템으로 전송하거나, 태양광발전량 제한지령을 각각의 인버터에 전송하여 역조가 잠시도 발생하지 않도록 실시간 제어할 수 있으며, 진상용 콘덴서를 사용하지 않고 수용가의 역률을 능동적으로 제어하여 역률 요금을 줄일 수 있는 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템은, 계통에서 수용가 부하로 인가되는 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전시스템의 인버터로부터 태양광발전전력량(PPV)을 수신하고, 검출 및 수신된 각 전력량(PO, PPV)을 기반으로 상기 전력선의 역전력 발생 유무를 실시간 검출하고, 역전력 발생 시 상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 역전력량을 산출하는 역전력 검출부; 상기 역전력 검출부를 통해 검출된 역전력 발생 유무와 역전력 발생 시 검출된 역전력량에 따른 태양광발전량 제한지령이 포함된 역전력 제어신호를 상기 인버터로 각각 주기적으로 전송하는 역전력 관리부; 계통에서 수용가 부하로 인가되는 상전압과 상전류를 각각 검출하고, 검출된 상전압과 상전류의 각 위상차에 기초하여 각 상 별로 역률 값을 측정하는 역률 측정부; 및 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값에 대한 위상각 부호와 반대 부호를 갖는 무효전력이 태양광발전시스템의 3상 인버터를 통해 수용가 부하에 투입되도록 투입되도록 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값을 기초로 q축 전류를 제어하기 위한 q축 전류 지령을 생성하고, 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치로 인가하는 역률 제어부를 포함한다.
또한, 상기 역전력 검출부는, 상기 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전전력량(PPV)을 각각 수신하는 전력량 검출 및 수신부; 상기 수용가 부하의 소비전력을 PL = PO + PPV의 수식에 따라 예측하는 수용가 부하 소비전력 예측부; 및 상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 PPV - PL의 수식에 따라 에러값을 산출하고, 산출된 상기 에러값이 0 미만 경우 역전력이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 상기 에러값이 0 이상인 경우 역전력이 발생한 것으로 판단하는 역전력 발생 유무 판단부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 역전력 관리부는, 상기 역전력 발생 유무 판단부를 통해 검출된 역전력 발생 유무와, 상기 에러값에 따른 전력량 및 상기 태양광발전시스템 별 설비용량을 기초로 한 상기 태양광발전시스템 각각에 대한 태양광발전량 제한지령이 포함된 상기 역전력 제어신호를 상기 인버터 별로 각각 전송하여, 상기 인버터를 통한 상기 태양광발전시스템 별 발전용량을 개별적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 역전력 관리부는, 상기 인버터의 역전력 발생 유무 및 역전력량에 대한 요청에 관계 없이 상기 역전력 제어신호를 주기적으로 전송하고, 상기 역전력 발생 유무 판단부를 통해 역전력이 발생되지 않은 경우 상기 역전력 제어신호에 역전력 발생 유무에 대한 정보만 포함시켜 전송할 수 있다.
또한, 상기 역률 제어부는, 미리 설정된 역률 기준값과 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값 간의 역률 오차 값을 실시간 산출하는 역률 오차 산출부; 상기 역률 오차 값을 실시간 입력 받고, 입력된 상기 역률 오차 값을 기초로 비례 적분 제어 방식을 통해 d축 전류를 제어하여 상기 역률 오차 값을 제거하기 위한 제어신호를 발생시키는 PI 제어부; 및 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값이 상기 PI 제어부를 통해 발생된 제어신호에 의해 미리 설정된 역률 목표값에 도달하였는지를 검증하고, 상기 역률 목표값에 도달한 경우 해당 제어신호를 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치에 q축 전류 지령으로 인가하는 역률 목표 검증부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 역전력 검출에 대한 속응성을 높이고 실시간 역전력 모니터링과 모니터링 된 값을 각각의 태양광발전시스템으로 전송하거나, 태양광발전량 제한지령을 각각의 인버터에 전송하여 역조가 잠시도 발생하지 않도록 실시간 제어할 수 있으며, 진상용 콘덴서를 사용하지 않고 수용가의 역률을 능동적으로 제어하여 역률 요금을 줄일 수 있는 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 나타낸 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역전력 검출부의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수용가 부하의 소비전력 예측 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 역전력 유무 판단부 및 역전력 관리부의 동작 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템에서 역조 발생 시 수용가의 정전을 막기 위한 스위치 제어 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 역률 측정부와 역률 제어부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 dq 변환 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 나타낸 개요도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역전력 검출부의 세부 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수용가 부하의 소비전력 예측 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 역전력 유무 판단부 및 역전력 관리부의 동작 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양광발전시스템(10)의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템(1000)은, 수용가 부하(20)에 전력을 공급하는 하나 이상의 태양광발전시스템(10)에서 계통의 3상 전력선(R, S, T, N)에 대한 역전력을 실시간 제어하기 위한 시스템에 관한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 역전력 검출부(100), 역전력 관리부(200), 역률 측정부(300) 및 역률 제어부(400) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이러한 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템(1000)은 기존의 태양광발전시스템의 역전력 계전기 내에 추가적으로 설치되거나, 별도로 설치될 수 있다.
상기 역전력 검출부(100)는, 계통에서 수용가 부하로 인가되는 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전시스템의 인버터로부터 태양광발전전력량(PPV)을 수신하고, 검출 및 수신된 각 전력량(PO, PPV)을 기반으로 상기 전력선의 역전력 발생 유무를 실시간 검출하고, 역전력 발생 시 상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 역전력량을 산출
이를 위해, 역전력 검출부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 전력량 검출 및 수신부(110), 수용가 부하 소비전력 예측부(120) 및 역전력 발생 유무 판단부(130) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전력량 검출 및 수신부(110)는, 계통에서 수용가 부하(20)로 인가되는 3상 전력선 각각에 대한 전압(V)과 전류(I)를 계측하여 3상 전력선에 대한 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 태양광발전시스템(10)의 인버터(11)로부터 태양광발전전력량(PPV)을 각각 수신할 수 있다.
상기 수용가 부하 소비전력 예측부(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이 3상4선식 전력선(R, S, T, N)에 대한 수용가 부하(20)의 소비전력(PL)을 PL = PO + PPV의 수식에 따라 예측할 수 있다. 여기서, PPV는 태양광발전시스템(10)에서 발전되는 총 태양광발전전력량을 의미하고, PL은, 수용가 부하(20)의 소비전력 예측치로서, R-N 전력선에 대한 소비전력(PLR), S-N 전력선에 대한 소비전력(PLS), 및 T-N 전력선에 대한 소비전력(PLT)을 포함할 수 있다. 그리고, 상술한 바와 같이 PO는 계통인가전력량(PO)을, PPV는 태양광발전전력량(PPV)을 포함할 수 있다.
상기 역전력 발생 유무 판단부(130)는, 도 5에 도시된 바와 같이 전력량(PO, PPV)을 기반으로 PPV - PL의 수식에 따라 에러값을 산출하고, 에러값과 0 간을 대소 비교하여 에러값이 0 미만 경우 역전력이 발생하지 않은 것으로 판단(ex. Flag=0)하고, 에러값이 0 이상인 경우 역전력이 발생한 것으로 판단(ex. Flag=1)할 수 있다.
상기 역전력 관리부(200)는, 역전력 검출부(100)를 통해 검출된 역전력 발생 유무(ex. Flag=0 or 1)와 역전력 발생 시 검출된 역전력량에 따른 태양광발전량 제한지령이 포함된 역전력 제어신호를 인버터(11)로 각각 주기적으로 전송할 수 있으며, 전송 주기는 1초 이내일 수 있으나, 본 실시예에서는 전송 주기에 대하여 한정하는 것은 아니나, 실시간으로 역전력을 검출하고 인버터(11)를 통한 역전력 제어를 실현하기 위해 짧은 시간 간격 단위로 역전력 제어신호를 매우 빠르게 생성하여 전송할 수 있다.
또한, 역전력 관리부(200)는, 역전력 발생 유무 판단부(130)를 통해 검출된 역전력 발생 유무(ex. Flag=0 or 1)와, 에러값에 따른 전력량, 그리고 태양광발전시스템(10) 별 설비용량을 기초로 한 태양광발전시스템(10) 각각에 대한 태양광발전량 제한지령이 포함된 역전력 제어신호를 인버터(11) 별로 각각 전송하여, 인버터(11)를 통한 태양광발전시스템(10) 별 발전용량을 개별적으로 제어할 수 있다. 이러한 역전력 관리부(200)는 태양광발전시스템(10)에 설치된 인버터(11)의 수를 알고 있으며, 각 인버터(11)의 설비용량을 초기 설정 값으로 인지하고 있으므로, 상술한 바와 같이 역전력 발생 시 에러값에 따른 전력량과 태양광발전시스템(10)의 설비용량을 고려하여 각각의 인버터(11)가 각각의 태양광발전시스템(10)의 발전량을 얼만큼 제어할지에 대한 태양광발전량 제한 값을 산출하여 플래그 신호와 함께 역전력 제어신호에 포함시켜 해당 인버터(11)에 개별적으로 전송할 수 있다.
이때, 역전력 관리부(200)는, 인버터(11)의 역전력 발생 유무 및 역전력량에 대한 요청에 관계 없이 역전력 제어신호를 주기적으로 전송할 수 있다. 즉, 기존의 태양광발전시스템의 인버터 또한 일정 주기를 갖고 역전력 계전기로 역전력 유무와 역전력량에 대한 정보를 요청하고 이에 대한 데이터를 응답 받았는데, 이러한 인버터의 요청/응답 동작은 그대로 유지하되, 그것과 관계 없이 역전력 관리부(200)에서 인버터(11)를 통한 실시간 역전력 제어를 위해 역전력 제어신호를 주기적으로 제공할 수 있다. 물론, 역전력 발생 유무 판단부(130)를 통해 역전력이 발생되지 않은 경우 역전력량에 대한 정보가 없으므로, 역전력 제어신호에 역전력 발생 유무에 대한 정보(ex. Flag=0)만 포함시켜 전송하거나, 역전력 발생 유무에 대한 정보(ex. Flag=0)와 0의 값을 갖는 역전력량을 인버터(11)로 각각 전송할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템에서 역조 발생 시 수용가의 정전을 막기 위한 스위치 제어 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 역조 발생 시 기존과 같이 계통과 연결된 전력선에 설치되는 메인 차단기를 오프시키는 것이 아니라, 인버터와 전력선 간에 연결된 스위치들(MC1, ... , MCn)를 턴오프시킴으로써 수용가의 정전을 막을 수 있다. 기존에 역조 방지를 위해 메인 차단기를 트립시켰는데, 이러한 경우 메인 차단기에 연결된 수용가 부하가 모두 정전이 발생함으로 인해 관리자가 메인 차단기를 수동으로 복구해야만 했으나, 본 실시예에 따르면 스위치들(MC1, ... , MCn)를 이용하여 태양광발전시스템만 차단함으로써, 수용가 부하의 정전을 막을 수 있으며, 스위치들(MC1, ... , MCn)를 사용함으로써 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템(1000)의 전력 관리 기능도 자동으로 복구가 가능하다.
이와 같이, 종래의 태양광발전시스템의 역전력 계전기는, 역전력 상태(역전력 발생 유무)를 나타내는 플래그(Flag)와 역전력량을 인버터의 요청에 의해 송신하도록 설계되어 있고, 역전력 상태를 나타내는 플래그는 역조 발생 시 인버터에 다소 빠르게 수신되나, 그 역전력량은 상대적으로 매우 늦게 수신된다. 이에 따라, 인버터에서 현재 역조 전력량이 정확히 얼마인지 알 수 없으며, 몇 초 또는 수십 초 전 값을 수신 받아 응답 지연 발생될 수 있는데, 이러한 경우, 역전력 계전기가 전송한 수초 전의 전력량 값을 기준으로 인버터가 태양광발전시스템의 전력을 제어하는 경우, 원활한 역전력 제어가 수행되지 않아 역조가 지속될 수 있으며, 역전력 계전기는 메인 차단기를 이용해 전력선을 차단시켜 수용가 전체에 정전이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 인버터는, 역전력 계전기로부터 역전력 발생을 나타내는 플래그가 수신되면, 매우 낮은 역전력량이 발생했음에도 태양광 발전량을 거의 0W로 줄이고, 그 발전량을 서서히 증가시켜 역전력 계전기에 의해 메인 차단기가 트립(Trip) 되지 않도록 제어하게 되는데, 이러한 경우 태양광발전시스템의 큰 발전 손실이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
이러한 종래의 문제를 해결하기 위한 본 실시예는 역전력 검출과 관리를 위한 구성을 역전력 계전기 내부 또는 별도로 구성하여 계통 전력선에 대한 역전력을 실시간 모니터링하고, 모니터링 한 데이터를 기반으로 역전력 유무를 검출하며, 역전력 발생 시 역전력량을 산출하여, 인버터가 요청하지 않더라도 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템(1000)이 마스터 역할을 하게 되어 역전력 유무(Flag 값)와 역전력량을 짧은 주기 단위로 슬레이브 역할을 하는 각각의 인버터로 전송함으로써, 역전력 발생 시 인버터가 즉각적이고 정확한 태양광발전량의 제어가 가능해진다.
또한, 본 실시예에 따르면, 역전력 발생을 방지하기 위하여 과도하게 태양광발전량을 감소시키는 경우 발전손실이 발생할 수 있는데, 발전전력이 소비전력보다 많은 경우 모든 발전전력이 소비전력에 대응하고 계통에서 전력을 가지고 오지 않도록 정밀 제어함으로써, 효율성이 높은 운영이 가능해진다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 역률 측정부와 역률 제어부의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 dq 변환 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
상기 역률 측정부(300)는, 계통에서 수용가 부하(20)로 인가되는 상전압과 상전류를 각각 검출하고, 검출된 상전압과 상전류의 각 위상차에 기초하여 각 상 별로 역률 값을 측정할 수 있다. 각 상의 역률을 정확하게 계산하기 위해서는 RMS 전압과 RMS 전류 및 실제 전력을 측정할 수 있어야 하므로, 별도로 RMS 전압과 RMS 전류 및 실제 전력을 측정할 수 있도록 구성되거나, 회로 설계의 간소화를 위하여 역전력 관리부(200)에서 측정된 데이터들을 이용하여 각 상 별로 역률을 산출하고, 전압과 전류 간의 위상 차이를 비교함으로써 진상역률 또는 지상역률을 검출할 수 있다. 역률 계산 또는 측정 방식은 공지된 역률 계산 또는 측정 방식을 적용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 역률 제어부(400)는, 역률 측정부(300)를 통해 측정된 역률 값에 대한 위상각 부호와 반대 부호를 갖는 무효전력이 태양광발전시스템(10)의 3상 인버터(11)를 통해 수용가 부하(20)에 투입되도록 역률 측정부(300)를 통해 측정된 역률 값을 기초로 q축 전류를 제어하기 위한 q축 전류 지령을 생성하고, 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치(30)로 인가할 수 있다.
이를 위해 역률 제어부(400)는 도 7에 도시된 바와 같이 역률 오차 산출부(410), PI 제어부(420) 및 역률 목표 검증부(430) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 역률 오차 산출부(410)는, 미리 설정된 역률 기준값(PF_ref)과 역률 측정부(300)를 통해 측정된 역률 값 간의 역률 오차 값을 실시간 산출할 수 있다. 이때, 역률 기준값(PF_ref)은 1로 설정될 수 있으며, 역률 오차 값은 역률 기준값(PF_ref=1)에서 측정된 역률 값 간의 차이를 의미할 수 있다.
상기 PI 제어부(420)는, 역률 오차 산출부(410)를 통해 계산된 역률 오차 값을 실시간 입력 받고, 입력된 역률 오차 값을 기초로 비례 적분 제어 방식을 통해 d축 전류를 제어하여 역률 오차 값을 제거하기 위한 제어신호를 발생시킬 수 있다. 여기서, PI 제어부(420)는 d축을 위상축으로 가정하고, 비례 적분 제어 방식을 이용하여 역률 오차 값에 비례하여 q축 전류를 제어하기 위한 q축 지령을 생성할 수 있다. 이에 따라 역률 오차 산출부(410)를 통해 계산된 역률 값이 목표 역률에 도달할 수 있도록 하는 제어신호 즉 q축 전류 지령을 생성할 수 있다.
상기 역률 목표 검증부(430)는, 역률 측정부(300)를 통해 측정된 역률 값이 PI 제어부(420)를 통해 발생된 제어신호에 의해 미리 설정된 역률 목표값에 도달하였는지를 검증하고, 역률 목표값에 도달한 경우 해당 제어신호를 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치(30)에 q축 전류 지령으로 인가함으로써 역률을 제어할 수 있다.
도 8에는 3상 인버터 제어장치(30)의 구성이 개시되어 있으며, 크게 인버터를 포함한 하드웨어 구성과 그 이외의 dq변환, 전류제어, dq전향보상 등의 소프트웨어 구성으로 이루어질 수 있다.
3상 인버터 제어장치(30)는 계통에서 수용가 부하로 인가되는 3상 전류를 전류 센서를 통해 검출하고, 검출된 3상 전류(P, S, T, N)를 dq축으로 변환하여 역률을 제어할 수 있으며, 이때, 역률 제어부(400)로부터 생성된 q축 전류 지령을 입력 값으로 받아 3상 전류를 제어함으로써 전체적인 역률 제어와 보상 동작을 수행할 수 있다.
dq변환은 도 9에 도시된 바와 같이 3상의 센싱 전류(3상 좌표계)를 정지 좌표계 2축(2상 정지 좌표계)으로 변환하고, 변환된 3상 정지 좌표계를 2상 동기 좌표계로 변환(회전 좌표계로 변환)하여 dq축 전류 상태로 변환할 수 있다. 이때, dq 전류 제어측에서 dq 전류 지령과 센싱된 dq 전류를 통해 dq 전류 출력을 발생시킬 수 있다. 이후, 3상의 선로에 전류를 인가해야 하기 때문에, dq역변환을 통해 dq성분을 3상으로 다시 변환한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1000: 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템
100: 역전력 검출부
110: 전력량 검출 및 수신부
120: 수용가 부하 소비전력 예측부
130: 역전력 발생 유무 판단부
200: 역전력 관리부
300: 역률 측정부
400: 역률 제어부
410: 역률 오차 산출부
420: PI 제어부
430: 역률 목표 검증부
10: 태양광발전시스템
11: 인버터
20: 수용가 부하

Claims (5)

  1. 수용가 부하에 전력을 공급하는 하나 이상의 태양광발전시스템에서 계통 전력선에 대한 3상 역전력 및 역률을 실시간 제어하기 위한 시스템에 관한 것으로,
    계통에서 수용가 부하로 인가되는 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전시스템의 인버터로부터 태양광발전전력량(PPV)을 수신하고, 검출 및 수신된 각 전력량(PO, PPV)을 기반으로 상기 전력선의 역전력 발생 유무를 실시간 검출하고, 역전력 발생 시 상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 역전력량을 산출하는 역전력 검출부;
    상기 역전력 검출부를 통해 검출된 역전력 발생 유무와 역전력 발생 시 검출된 역전력량에 따른 태양광발전량 제한지령이 포함된 역전력 제어신호를 상기 인버터로 각각 주기적으로 전송하는 역전력 관리부;
    계통에서 수용가 부하로 인가되는 상전압과 상전류를 각각 검출하고, 검출된 상전압과 상전류의 각 위상차에 기초하여 각 상 별로 역률 값을 측정하는 역률 측정부; 및
    상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값에 대한 위상각 부호와 반대 부호를 갖는 무효전력이 태양광발전시스템의 3상 인버터를 통해 수용가 부하에 투입되도록 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값을 기초로 q축 전류를 제어하기 위한 q축 전류 지령을 생성하고, 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치로 인가하는 역률 제어부를 포함하고,
    상기 역전력 검출부는,
    상기 계통인가전력량(PO)을 검출하고, 상기 태양광발전전력량(PPV)을 각각 수신하는 전력량 검출 및 수신부;
    상기 수용가 부하의 소비전력을 PL = PO + PPV의 수식에 따라 예측하는 수용가 부하 소비전력 예측부; 및
    상기 전력량(PO, PPV)을 기반으로 PPV - PL의 수식에 따라 에러값을 산출하고, 산출된 상기 에러값이 0 미만 경우 역전력이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 상기 에러값이 0 이상인 경우 역전력이 발생한 것으로 판단하는 역전력 발생 유무 판단부를 포함하고,
    상기 역전력 관리부는,
    상기 역전력 발생 유무 판단부를 통해 검출된 역전력 발생 유무와, 상기 에러값에 따른 전력량 및 상기 태양광발전시스템 별 설비용량을 기초로 한 상기 태양광발전시스템 각각에 대한 태양광발전량 제한지령이 포함된 상기 역전력 제어신호를 상기 인버터 별로 각각 전송하여, 상기 인버터를 통한 상기 태양광발전시스템 별 발전용량을 개별적으로 제어하고,
    상기 역전력 관리부는,
    상기 인버터의 역전력 발생 유무 및 역전력량에 대한 요청에 관계 없이 상기 역전력 제어신호를 주기적으로 전송하고, 상기 역전력 발생 유무 판단부를 통해 역전력이 발생되지 않은 경우 상기 역전력 제어신호에 역전력 발생 유무에 대한 정보만 포함시켜 전송하고,
    상기 역률 제어부는,
    1로 설정된 역률 기준값과 상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값 간의 역률 오차 값을 실시간 산출하는 역률 오차 산출부;
    상기 역률 오차 값을 실시간 입력 받고, 입력된 상기 역률 오차 값을 기초로 비례 적분 제어 방식을 통해 상기 역률 오차 값에 비례하여 d축 전류를 제어하여 상기 역률 오차 값이 제거되어 미리 설정된 역률 목표값에 도달하기 위한 제어신호를 발생시키는 PI 제어부; 및
    상기 역률 측정부를 통해 측정된 역률 값이 상기 PI 제어부를 통해 발생된 제어신호에 의해 미리 설정된 역률 목표값에 도달하였는지를 검증하고, 상기 역률 목표값에 도달한 경우 해당 제어신호를 태양광발전시스템의 3상 인버터 제어장치에 q축 전류 지령으로 인가하는 역률 목표 검증부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전시스템의 역전력 및 역률 실시간 제어 시스템.
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