KR102379169B1 - 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하여 전력을 공급하는 그리드포밍 전력변환장치;그리드포밍 전력변환장치에 연결되어 고장 발생시에 고장전류 산출 및 고장시 전압을 낮추게 되면 발생하는 역전류(Reverse Current), 고장제거시 발생하는 회복역전류(Recovery Reverse Current)를 산출하여 계통이 요구하는 고장전류 공급특성에 따른 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 최적 전압 제어부;전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하고, 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하여 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하는 임피던스 제약 평가 제어부;를 포함하는 것이다.

Description

그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for optimal voltage tracking control and impedance constraint evaluation of grid forming power converter}
본 발명은 그리드포밍 전력변환장치에 관한 것으로, 구체적으로 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
향후 세계 에너지 시스템의 미래는 화석연료의 한계성에 따른 새로운 에너지 기술 개발과 화석연료에서 발생하는 온실가스(GHG) 방출을 어떻게 해결하느냐에 달려 있다.
그리고 미래 에너지의 흐름은 석유 시대에서 천연가스 시대를 거쳐 수소를 기반으로 한 신,재생에너지(new & renewable energy) 시대로 전환될 전망이다.
신,재생에너지는 각 국가별로 조금씩 달리 정의하는데, 우리나라의 경우 석유,석탄,원자력 또는 천연가스가 아닌 에너지로서 규정하고 있으며, 재생에너지로 여덟 개 분야(태양에너지, 바이오매스, 풍력, 소수력,지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 신에너지로 세 개 분야(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)가 여기에 속한다.
재생에너지는 그 기술과 최종 에너지의 형태에 따라 태양열, 태양광 발전, 풍력 발전, 소수력 발전, 폐기물 소각열 및 발전, 바이오매스 에너지(바이오 가스, 가스화 발전, 바이오 연료), 지열에너지, 해양에너지 등 여러 가지로 나눌 수 있다. 이러한 재생에너지는 1차 에너지원인 태양(빛,열), 바람, 물, 바다의 자연 에너지원을 이용하여 청정한 에너지를 얻는 것이므로 자원의 부존량은 거의 무한대다.
세계적으로 풍력, 태양광 발전 등의 신재생에너지 확대보급에 대한 투자가 집중되고 있으나, 간헐적인 발전특성을 갖는 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원에 의한 발전은 출력예측이 어렵고 심한 출력변동 특성으로 연계계통의 안정적 운영에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서, 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원의 획기적인 보급 확대를 위해서는 출력변동이 심한 발전출력의 안정적 공급 및 전력품질 개선이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이를 위하여, 전력변환장치가 신재생에너지 발전기와 계통 전원 사이에 설치되며, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 적합한 전압으로 변환하여, 계통 전원에 전력을 공급한다.
또한, 전력변환장치는 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전력을 충전하고, 계통 전원에서 정전 등과 같은 이상이 발생하여 계통 전원으로부터 전력공급이 중단되는 경우, 상위제어기의 명령에 따라 미리 충전된 전력을 부하에 공급하는 기능을 수행한다.
한편, 그리드포밍 전력변환장치는 전력계통에서 독립적으로 전원을 생성하는 장치로 발전기와 유사한 역할을 수행한다.
신재생발전원이 늘어남에 따라 줄어드는 동기발전기 역할을 대체할 수 있는 그리드포밍 전력변환장치의 확산이 요구되고 있다.
특히, 그리드포밍 전력변환장치는 외부계통 고장상황에서도 독립전압 생성을 유지하며 다른 전력변환장치와는 다르게 고장전류를 공급할 것이 요구되는 차이를 갖는다.
종래 기술에서는 그리드포밍 전력변환장치의 고장 대응에 단순한 방법을 채용하여, 고장전류가 한도를 초과하지 않을 때까지 전압을 낮추는 방식으로 대응하고, 불평형고장 및 역전류에 대한 고려가 없다.
즉, 불평형고장시 전력변환장치 전압이 낮아짐에 따라 건전상 역전류 발생하고, 고장유형과 무관하게 고장제거시 전위차에 따라 회복역전류 발생하여, 적절한 제한조치가 이루어지지 않는 경우 과도한 건전상역전류, 회복역전류에 의해 전력전자 설비가 소손되는 문제가 있다.
특히, 그리드포밍 전력변환장치를 전력계통에 접속시 전력계통 고장에 따른 현상 분석은 있었으나, 이는 평형고장에 대한 분석에 한정되어 중요한 부분인 불평형고장시 현상 분석은 없었으며, 고장에도 불구하고 안정적으로 운영하기 위해 요구되는 임피던스 제약을 평가하는 방법은 없었다.
따라서, 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 임피던스 적정성을 평가하고 이 평가도구에 기반하여 전력변환장치를 올바르게 설계,제작,이용하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1337437호 대한민국 등록특허 제10-2070552호
본 발명은 종래 기술의 그리드포밍 전력변환장치 제어 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고장시 전력변환장치가 고장전류 및 역전류를 모두 고려하여 과전류 강도를 최소화하는 최적운전전압 제어가 가능하도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 모든 고장상황에서도 안정적으로 그리드포밍 운전이 가능한 임피던스제약 계산을 하여 임피던스 기준이 충족되지 않는 경우, 전력변환장치 설계변경, 제어기 추가, 변압기 결선법 변경, 외부계통의 접지계수 조정 등을 통해 제약을 완화할 수 있도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 그리드포밍 전력변환장치를 연결하는 단계에서 안정한 운전여부를 판단할 수 있도록 하여 신재생발전원 확대에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 수요를 효율적으로 감당할 수 있도록 한 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치는 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하여 전력을 공급하는 그리드포밍 전력변환장치;그리드포밍 전력변환장치에 연결되어 고장 발생시에 고장전류 산출 및 고장시 전압을 낮추게 되면 발생하는 역전류(Reverse Current), 고장제거시 발생하는 회복역전류(Recovery Reverse Current)를 산출하여 계통이 요구하는 고장전류 공급특성에 따른 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 최적 전압 제어부;전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하고, 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하여 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하는 임피던스 제약 평가 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 최적 전압 제어부는, 최적 전압 제어부의 FRT 전압 지령치로서 최적전압 산출을 하는 최적전압 산출부와, 최적 전압 제어부의 FRT 전압 제어하한치로서 한계전압 산출을 하는 한계전압 산출부와, 최적 전압 제어부의 전압 불완전 제어시 안전조치 하한치로서 최소전압 산출을 하는 최소전압 산출부와, 계통이 요구하는 고장전류 공급특성을 고려하여 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 고장전류 공급특성 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 최적 전압 제어부의 최적 전압 제어는, 전류가 초과하면 전압을 낮추고, 역전류가 높은 특정구간에서는 전압을 높여서 과전류를 해소하며, 계통 여건의 변경 등으로 FRT 전압지령치가 최소전압까지 낮아지면 안전조치로써 Anti-wind-up clamping으로 적분제어기를 우회하고 고장제거후 재동기화 성공을 도모하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 전류가 낮아져 제한치에 여유가 생기면 전압을 높이고 전압이 과도하게 낮으면 역전류 및 회복역전류가 커지므로 한계 전압 이하로는 낮추지 않는 것을 특징으로 한다.
그리고 임피던스 제약 평가 제어부는, 전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하는 파라미터 수집부와, 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM 전압 설정을 하는 입력 설정부와, 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하기 위한 고장 전류를 산출하는 고장전류 계산부와, 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류를 계산하고, 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하는 회복 역전류 산출 및 판단부와, 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 입력 임피던스로 운전 가능한 것으로 판단하는 임피던스 평가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 고장전류 계산부는, 3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출을 하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법은 계통 전원에 고장이 발생하면, 고장전류 산출 및 역전류 산출을 하여 고장전류 공급 특성 제어를 하고, 전력계통의 정보를 이용하여 파라미터 수집을 하는 단계;입력 설정부에서 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하는 단계;고장전류 계산부에서 3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출을 하는 단계;현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류(Recovery reverse current)를 계산하는 단계;계산된 회복 역전류(Recovery reverse current)가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 입력 임피던스로 운전 가능 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 산출된 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류(Recovery reverse current)를 계산하는 것을 특징으로 한다.
그리고 산출된 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하면 GFM 전압이 최소전압 이상인 범위 내에서 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하는 것을 특징으로 한다.
그리고 계산된 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하면 입력 임피던스로 운전 불가능한 것으로 판단하여 기준 MVA 접속임피던스를 1step 증가하고 고장 전류를 다시 산출하는 것을 특징으로 한다.
그리고 입력 설정부에서 접속임피던스 설정을 하는 단계에서 100MVA를 기준 임피던스로 입력하고, GFM 전압을 1.0[pu] 으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 GFM 전압을 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하는 과정 및 다시 1step 증가된 접속임피던스를 적용하는 과정은 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구할때까지 반복하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한다.
둘째, 고장시 전력변환장치가 고장전류 및 역전류를 모두 고려하여 과전류 강도를 최소화하는 최적운전전압 제어가 가능하도록 한다.
셋째, 모든 고장상황에서도 안정적으로 그리드포밍 운전이 가능한 임피던스제약 계산을 하여 임피던스 기준이 충족되지 않는 경우, 전력변환장치 설계변경, 제어기 추가, 변압기 결선법 변경, 외부계통의 접지계수 조정 등을 통해 제약을 완화할 수 있도록 한다.
넷째, 그리드포밍 전력변환장치를 연결하는 단계에서 안정한 운전여부를 판단할 수 있도록 하여 신재생발전원 확대에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 수요를 효율적으로 감당할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 모델 구성도
도 2는 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치의 구성 블록도
도 3은 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 3상단락고장의 고장 모델 구성도
도 5는 3 Phase Fault에서 서로 다른 접속임피던스에 따른 Converter의 Current 변화를 나타낸 그래프
도 6은 1선지락고장의 고장 모델 구성도
도 7은 1선지락고장의 HV Side Fault의 계산 모델 구성도
도 8은 AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 1선지락 고장시 Fault Current 그래프
도 9는 선간단락고장의 고장 모델 구성도
도 10은 선간단락고장의 HV Side Fault의 계산 모델 구성도
도 11 및 도 12는 AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 선간단락 고장시 Fault Current 그래프
이하, 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 모델 구성도이다.
본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법은 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 고장시 전력변환장치가 고장전류 및 역전류를 모두 고려하여 과전류 강도를 최소화하는 최적운전전압(최적전압, Optimal Voltage) 제어를 하고, 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 모든 고장상황에서도 안정적으로 그리드포밍 운전이 가능한 임피던스제약 계산을 하여 임피던스 기준이 충족되지 않는 경우, 전력변환장치 설계변경, 제어기 추가, 변압기 결선법 변경, 외부계통의 접지계수 조정 등을 통해 제약을 완화할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 고장계산 방법으로, 테브난 등가임피던스 계산, 불평형고장을 계산하기 위해 abc상 → 대칭좌표 → 다시 abc상으로 변환하여 계산하는 과정을 포함할 수 있다.
다만, 1개의 전압원과 1개의 테브난 임피던스로 등가화하여 계산하는 방법 대신에 그리드포밍 전원은 전압의 크기가 변수로 작용해 AC 전압원과 합하여 등가화하는 것이 불가능하므로, AC전원과 그리드포밍전원을 별도로 각각 계산해 나중에 하나로 합하여 계산하는 superposition 방법을 사용한다,
전력변환장치를 그리드포밍으로 운전하는 경우 허용하는 한도껏 고장전류를 공급하기를 요구받는데, 이를 고려하면 역전류를 고려하지 않고 3상단락 고장시의 고장전류만 고려해 전압을 낮추는 방법을 사용한 것은 전력변환장치에 치명적인 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
본 발명에서의 외부 전력계통 고장발생시 전력변환장치가 최적의 전압을 찾아가는 제어는 고장전류의 특성과 역전류의 특성, 전력변환장치가 흘릴 수 있는 전류의 한계가 있다는 특성, 그리고 전력계통이 그리드포밍 전력변환장치에 요구하는 사항을 모두 고려한다.
본 발명은 고장전류의 특성과 역전류의 특성을 고려하여 모든 고장 유형을 계산하여 그 중 가장 심각한 고장에서도 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고, 전력변환장치가 흘릴 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 최적전압을 tracking 하는 것이다.
그리고 임피던스 평가는 고장전류 및 역전류 내용을 바탕으로 전력변환장치가 흘릴 수 있는 전류의 한계 범위를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하는 것이다.
임피던스 제약을 파악함으로써 전력변환장치의 임피던스를 정하거나 연계될 계통의 접속지점이 적합한지 판단할 수 있으므로 이는 전력변환장치 엔지니어링 단계에서 특히 유용하다.
그리고 고장제거 및 회복시에 고장유형과 무관하게 한 번 전압을 감소시켜 놓은 전력변환장치가 원래 전압을 회복하는 동안 외부계통으로부터 들어오는 recovery reverse current가 존재하는 것을 고려하고, 3상단락 고장전류와 비교시, 외부계통 임피던스가 거의 0에 가까운 상황에서도 reverse current가 가장 커지지 않게 하는 한계전압은 0.5pu인 것을 고려한다.
그리고 본 발명은 전력변환장치의 다음과 같은 특성을 고려한다.
발전기와 그리드포밍 전력변환장치는 모두 전압원이라는 공통점을 갖는데, 발전기는 전류제한이 없는 반면, 전력변환장치는 전력전자설비로서 낮은 전류제한값이 있다.
따라서, 그리드포밍 전력변환장치는 전압원으로서 동작하되, 고장 등 상황에서는 전압을 감소시켜 전류가 초과되지 않도록 제어하는 방안 필요하다.
여기서, 본 발명에서는 전류제한시에는 전력변환장치가 공급하는 고장전류 뿐 아니라, 전력변환장치로 들어오는 역전류, 회복역전류 역시 모두 제한하는 것을 고려한다.
만약, 고장전류에만 착안하여 제한하게 되면 역전류가 과전류가 되어 전력변환장치 소손을 야기할 가능성이 있기 때문이다.
이하의 설명에서 사용되는 기호들은 다음과 같이 정의될 수 있다.
물리량에 관한 기호 V,E는 전압, I는 전류, Z는 임피던스이고, 측정위치에 관한 기호 HV는 고압측에서 측정한 전류 또는　형성된 전압, ry는 고압측에 설치된 계전기에서 측정한 전류 또는　형성된 전압, F는 고장점으로 흐르는 전류이다.
그리고 설비명칭에 관한 기호 GFM는 컨버터, SM은 외부 계통 발전원, ext는 GFM을 제외한 외부계통을 지칭한다.
등가화에 관한 기호 Zth는 테브난등가 임피던스, Ith는 테브난등가 임피던스로 흐르는 전류, 즉 GFM에서 발생한 전류이거나, SM에서 발생한 전류를 의미한다.
그리고 계산 중간 과정에서 고장회로에서 분기점 발생시, 각 루트별로 명칭을 부여한 경우 out은 외부로 나가는 것을, in은 내부로 돌아오는 것을 의미한다.
그리고 GFM,SMdirection은 GFM에서 발생하여 외부계통으로 향하는 전류, SM,GFMdirection은 SM에서 발생하여 GFM으로 향하는 전류를 축약한 것이다.
수식이 너무 길어지면 s,b,e,t,m,세모를 사용하여 축약한다.
그리고 대칭성분을 구분할 필요가 있을 경우 영상(0), 정상(1), 역상(2) 구분하고, 구분할 필요가 없는 경우, 숫자는 1(정상분)과 같으므로 숫자표기가 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치의 구성 블록도이다.
본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치는 도 3에서와 같이, 신재생에너지 발전기와 계통 전원 사이에 설치되어, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하여, 계통 전원에 전력을 공급하는 그리드포밍 전력변환장치(100)와, 그리드포밍 전력변환장치(100)에 연결되어 고장 발생시에 고장전류 산출 및 고장시 전압을 낮추게 되면 발생하는 역전류(Reverse Current), 고장제거시 발생하는 회복역전류(Recovery Reverse Current)를 산출하여 계통이 요구하는 고장전류 공급특성에 따른 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 최적 전압 제어부(200)와, 전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하고, 접속임피던스 및 GFM 전압 설정값을 변화시켜가며 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하는 임피던스 제약 평가 제어부(300)를 포함한다.
여기서, 최적 전압 제어부(200)는 최적 전압 제어부의 FRT 전압 지령치로서 최적전압 산출을 하는 최적전압 산출부(10)와, 최적 전압 제어부의 FRT 전압 제어하한치로서 한계전압 산출을 하는 한계전압 산출부(11)와, 최적 전압 제어부의 전압 불완전 제어시 안전조치 하한치로서 최소전압 산출을 하는 최소전압 산출부(12)와, 계통이 요구하는 고장전류 공급특성을 고려하여 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 고장전류 공급특성 제어부(13)를 포함한다.
그리고 최적 전압 제어는 전류가 초과하면 전압을 낮추고, 역전류가 높은 특정구간에서는 전압을 높여서 과전류를 해소하고, 전류가 낮아져 제한치에 여유가 생기면 전압을 높이고 전압이 과도하게 낮으면 회복역전류가 커지므로 한계전압 이하로는 낮추지 않는다.
그리고 임피던스 제약 평가 제어부(300)는 전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하는 파라미터 수집부(20)와, 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM 전압 설정을 하는 입력 설정부(21)와, 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하기 위한 고장 전류를 산출하는 고장전류 계산부(22)와, 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류를 계산하고, 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하는 회복 역전류 산출 및 판단부(23)와, 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 입력 임피던스로 운전 가능한 것으로 판단하는 임피던스 평가부(24)를 포함한다.
고장전류 계산부(22)는 3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출한다.
도 3은 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 계통 전원에 고장이 발생하면, 고장전류 산출 및 역전류 산출을 하여 고장전류 공급 특성 제어를 하고, 전력계통의 정보를 이용하여 파라미터 수집을 한다.(S301)
입력 설정부(21)에서 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 한다.(S302)
이어, 고장전류 계산부(22)에서 3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출을 하고, 회복 역전류(Recovery reverse current)를 계산한다.(S304)
그리고 산출된 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여(S305) 전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 입력 임피던스로 운전 가능한 것으로 판단하고(S310), 아니면 GFM 전압을 최소전압과 비교한다.(S306)
GFM 전압이 최소전압보다 크거나 같으면 GFM 전압을 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하고(S307), 아니면 입력 임피던스로 운전 불가능한 것으로 판단하여(S308) 기준 MVA 접속임피던스를 1step 증가하고 고장 전류를 다시 산출한다.(S309)
전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 입력 임피던스로 운전 가능한 것으로 판단하여(S310) 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구한 것으로 판단하여 이 값을 요구되는 최소 임피던스 값으로 인터페이싱한다.(S311)
여기서, 입력 설정부(21)에서 처음 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하는 단계에서 100MVA를 기준 임피던스로 입력하고, GFM 전압을 1.0[pu] 으로 설정한다.(S303)
그리고 GFM 전압을 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하는 과정 및 접속임피던스 1step 감소 후 다시 기준 MVA 접속임피던스로 입력하는 과정은 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구할때까지 반복한다.
도 1을 참고하여 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 모델 구성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
이하에서 설명하는 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 모델 및 계산 방법은 본 발명에 적용되는 일 예를 설명한 것으로 이로 제한되지 않는다.
GFM 환경에서의 고장은 Virtual Impedance 및 이에 따른 Terminal 전압 강하로 인해 기존 AC계통에서의 고장현상과 완전히 다른 분포를 보인다.
지금까지는 AC 발전원만이 유일한 고장전류 Source라는 원칙을 바탕으로, 고장점에서 바라본 Single Source Thevenin Equivalent Circuit으로 모든 회로를 하나의 임피던스로 단순화하여 표현 가능하였다.
하지만 GFM 환경에서는 GFM과 AC Machine의 Source Voltage가 달라지므로 하나의 Source로 합쳐질 수 없고, 각 Source의 Superposition으로 현상을 해석해야 한다.
1기의 GFM과 1기의 AC Machine 환경에서, 각 고장 유형별 고장전류와 전압의 분포를 계산해보면 다음과 같다.
고장점은 Converter 변압기 High Voltage Side 측 3상단락, 선간단락, 1선지락을 고려한다. HV측 고장을 상정하는 이유는 이 지점이 일반적인 PCC 지점이기 때문이다.
6가지 고장모델로부터 각 case별 전력변환장치 전압/전류, PCC Ry 전압/전류 수식을 유도하면 다음과 같다.
계산에 사용되는 파라미터들은 다음과 같다.
GFM(Grid Forming Source), SM(Synchronous AC Machine Source), F(Total Fault Current), G(Grounding Voltage), 0,1,2(Zero Sequence, Positive Sequence, Negative Sequence), th(Thevenin equivalent impedance), E(Source Voltage), GFM 내부의 가상의 Ideal 전원은
Figure 112020125979818-pat00001
로 표시한다.
전압의 크기
Figure 112020125979818-pat00002
이며 위상각
Figure 112020125979818-pat00003
은 Yd1 결선 3상 변압기와 연계한 경우 -30°이며, VI의 임피던스 각도에 따라서도 달라질 수 있다.
중요한 점은
Figure 112020125979818-pat00004
은 가상의 전원이며 실제로 존재하는 Voltage는 아니다. GFM 컨버터가 실제로 생성하는 전원은 이보다 작거나 같은 크기의 전압이다.
등가화한 외부 AC 계통은
Figure 112020125979818-pat00005
로 표시한다. 정상과 역상 impedance는 동일하지만 영상 임피던스는 Grounding의 수준에 따라 달라지는 변수로 설정하여
Figure 112020125979818-pat00006
로 둔다. GFM source의 LV와 HV는 다른 고장 지점이므로 equivalent로 표시하지 않고 변압기 임피던스
Figure 112020125979818-pat00007
을 통해 연계한다.
Transformer는 HV측 wye, LV측은 delta 결선한다. 전압과 전류는 측정 지점에 따라 달라지는 경우 'HV','LV’로 구분 표시한다.
GFM의 Impedance는 변압기와 interfacing impedance로 구성된다. 용량과 무관하게 컨버터의 제어특성을 일정하게 유지하기 위해서는 자기용량(DC MVA) 대비 임피던스를 일정하게 가져간다.
Figure 112020125979818-pat00008
여기서,
Figure 112020125979818-pat00009
은 변압기 임피던스,
Figure 112020125979818-pat00010
는 컨버터 직렬 임피던스(필터 임피던스 포함)이다.
회전기기는 각 Sequence별 다른 임피던스를 갖는다.
따라서 AC Source impedance도
Figure 112020125979818-pat00011
를 구분한다. 반면 컨버터의
Figure 112020125979818-pat00012
, 변압기의
Figure 112020125979818-pat00013
은 passive 소자인 R,L,C 이므로 0,1,2 구분 없이 같은 값으로 나타낼 수 있다.
3상단락고장의 고장 모델은 다음과 같다.
도 4는 3상단락고장의 고장 모델 구성도이다.
Grid Forming 환경에서는 도 4에서와 같은 3상단락 고장회로를 GFM과 AC Source별로 각 Parallel Circuit으로 작성하고, Superposition으로 문제를 해석한다.
HV Side Fault의 경우는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00014
여기서,
Figure 112020125979818-pat00015
는 테브난 등가 임피던스, 정상분(1),영상분(0),역상분(2) 구분, 컨버터(GFM)측과 외부계통(SM)측 구분,
Figure 112020125979818-pat00016
는 전압, 컨버터(GFM)측과 외부계통(SM)측 구분,
Figure 112020125979818-pat00017
는 컨버터가 공급하는 고장전류, a,b,c상 구분을 한다.
GFM Terminal 전압은 다음과 같이 control 된다.
Figure 112020125979818-pat00018
도 5는 3 Phase Fault에서 서로 다른 접속임피던스에 따른 Converter의 Current 변화를 나타낸 그래프이다.
1선지락고장의 conventional 고장 Model은 다음과 같다.
도 6은 1선지락고장의 고장 모델 구성도이다.
Grid Forming 환경에서는 위 그림과 같은 1선지락 고장회로를 GFM과 AC(SM) Source별로 각 Parallel Circuit으로 작성하고, Superposition으로 문제를 해석한다.
각 Seq Circuit은 직렬 구조로서, Pos Circuit +측은 Neg Circuit -측과 연결한다. Neg Circuit +측은 Zero Circuit -측과 연결한다. 그리고 Zero Circuit +측은 Pos Circuit -측과 연결한다. 고장점과 대지간 임피던스가 있는 경우 각 Seq circuit의 +측과 연결한다.
HV Side Fault의 경우는 다음과 같이 계산한다.
도 7은 1선지락고장의 HV Side Fault의 계산 모델 구성도이다.
Figure 112020125979818-pat00019
여기서,
Figure 112020125979818-pat00020
는 외부계통 임피던스이고, 정상분(1),영상분(0) 구분을 한다.
Figure 112020125979818-pat00021
및
Figure 112020125979818-pat00022
를 계산하기 위하여 서브루트로 toward zero seq route current notation ‘out’과 toward opponent route current notation ‘in’을 정의한다. 두 루트는 pos sequence 내부에서만 구분되므로 seq notation ‘1’은 생략한다.
Grid Forming Converter로부터 발생하는 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00023
여기서,
Figure 112020125979818-pat00024
는 서브루트 임피던스, 내부방향(in), 외부방향(out) 구분을 한 것이고,
Figure 112020125979818-pat00025
는 고장임피던스이다.
HV 1선지락 고장시 LV측은 영상회로가 개방되어 영상전류가 흐르지 않는다.
즉, 컨버터에서 발생하는 영상전류는 수학식 6에서와 같이 정의된다.
Figure 112020125979818-pat00026
역상 및 영상전류 중 외부 AC계통 방향 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00027
여기서,
Figure 112020125979818-pat00028
는 컨버터에서 발생하여 외부계통측으로 흐르는 전류, 영상(0), 역상(2) 구분을 한 것이다.
AC측 SM Source로부터 발생하는 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00029
여기서,
Figure 112020125979818-pat00030
는 외부계통에서 발생하는 전류를 나타낸 것으로, 내부방향(in) 외부방향(out) 구분, 정상분(1), 역상분(2) 구분을 한것이다.
Figure 112020125979818-pat00031
는 외부방향, 내부방향 전류를 구하기 위해 적용하는 루트 임피던스이다.
HV 1선지락 고장시 LV측은 영상회로가 개방되어 영상전류가 흐르지 않는다.
즉, 수학식 9에서와 같이 정의된다.
Figure 112020125979818-pat00032
역상 및 영상전류 중 외부 AC계통 방향 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00033
여기서,
Figure 112020125979818-pat00034
는 외부계통에서 발생하는 내부방향(in) 전류이고, 영상분(0), 역상분(2) 구분을 한 것이다.
이상과 같이 각 Source별 Superposition으로 계산한 전류로부터, HV 1선지락 고장시 HV측의 Ry 전류는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00035
여기서,
Figure 112020125979818-pat00036
는 최종적으로 high voltage side에 흐르는 전류이다.
HV 1선지락 고장시 HV측의 외부계통 전류는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00037
여기서,
Figure 112020125979818-pat00038
는 최종적으로 외부계통에 흐르는 전류이다.
HV 1선지락 고장시 HV측 전압은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00039
여기서,
Figure 112020125979818-pat00040
는 최종적으로 high voltage side에 측정되는 전압이다.
HV 1선지락 고장시 LV측의 Converter 전류는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00041
여기서,
Figure 112020125979818-pat00042
는 최종적으로 low voltage side, 즉 컨버터 단에 흐르는 전류이다.
HV 1선지락 고장시 LV측 전압은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00043
여기서,
Figure 112020125979818-pat00044
는 최종적으로 low voltage side, 즉 컨버터 단에 형성되는 전압이다.
이상 HV측 1선지락 고장시 각 수식에서, 축약하여 표시한 임피던스
Figure 112020125979818-pat00045
은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00046
중요한 점은 전통적인 고장 해석과는 달리, Superposition으로 도출한 1선지락 고장시 건전상 전류가 0이 될 수 없다는 것이다.
이는
Figure 112020125979818-pat00047
과
Figure 112020125979818-pat00048
크기가 달라지면서 각 sequence current 성분이 모두 다른 값을 가지기 때문이다. 이에 따라 a상 전류 뿐 아니라 b,c상 전류 또한 GFM의 전압
Figure 112020125979818-pat00049
에 따른 함수로 결정되며, 고장 초기에는 b,c상 전류가 0에 가깝지만
Figure 112020125979818-pat00050
을 축소해 나감에 따라 b,c상 전류가 증가한다.
최종적으로
Figure 112020125979818-pat00051
이면서
Figure 112020125979818-pat00052
이면 고장시 Current Limiting의 successful, 즉 FRT에 문제가 없다.
절대값을 취한 이유는 각 상 전류가 forward 방향 일수도, reverse 방향 일수도 있기 때문이다. 이 수식이 만족되지 않으면 limiting에 실패하고 왜곡된 전류파형이 출력되며 고장 제거 후에도 재동기화가 되지 않음으로써 FRT는 실패(Unstable)된다. 이 경우 컨버터를 Blocking 하여 IGBT를 보호해야 하는데, 이 경우 설비는 보호할 수는 있지만 Grid Forming property를 상실하므로 계통운영 측면에서 안정성이 떨어지고, 고장전류를 공급하지 못하여 Protective Relay의 올바른 동작을 유도할 수 없다.
이상과 같은 해석을 확인하기 위하여, AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 1선지락 고장시 Fault Current Graph는 다음과 같다.(좌상,우상,좌하,우하로 갈수록 접속임피던스가 증가하는 케이스)
도 8은 AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 1선지락 고장시 Fault Current 그래프이다.
Balanced Fault와는 달리, GFM Voltage를 낮추더라도 Current Limiting이 불가능한 DC MVA 영역이 있음을 확인할 수 있다. 이는 일정 수준 이상 DC MVA가 증가하게 되면 single line to ground fault에서 GFM 운전을 유지할 수 없다는 사실을 의미한다.
선간단락고장의 고장 모델은 다음과 같다.
도 9는 선간단락고장의 고장 모델 구성도이다.
이 경우 고장 임피던스의 위치에 따라 각각 다른 고장유형의 생성이 가능하다. 고장 상간의 임피던스는 없고 고장점과 대지 사이의 지락 임피던스가 있는 경우만 고려한다.
Grid Forming 환경에서는 도 9에서와 같은 선간단락 고장회로를 GFM과 AC Source별로 각 Parallel Circuit으로 작성하고, Superposition으로 문제를 해석한다.
각 Seq Circuit은 병렬 구조로서, +측끼리 연결하고, -측끼리 연결한다. 고장임피던스는 Zero Seq의 +측에 3Zf를 연결한다.
HV Side Fault의 경우는 다음과 같이 계산한다.
도 10은 선간단락고장의 HV Side Fault의 계산 모델 구성도이다.
Figure 112020125979818-pat00053
여기서,
Figure 112020125979818-pat00054
가
Figure 112020125979818-pat00055
방향
Figure 112020125979818-pat00056
와
Figure 112020125979818-pat00057
방향
Figure 112020125979818-pat00058
로 나뉘므로,
Figure 112020125979818-pat00059
와 같이 정의한다.
Figure 112020125979818-pat00060
HV 선간단락 고장시 LV측은 영상회로가 개방되어 영상전류가 흐르지 않는다.
즉, 수학식 19에서와 같이 정의된다.
Figure 112020125979818-pat00061
역상 및 영상전류 중 외부 AC계통 방향 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00062
AC측 SM Source로부터 발생하는 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00063
HV 선간단락 고장시 LV측은 영상회로가 개방되어 영상전류가 흐르지 않는다.
즉, 수학식 22에서와 같이 정의된다.
Figure 112020125979818-pat00064
역상 및 영상전류 중 외부 AC계통 방향 전류는 다음과 같이 계산한다.
Figure 112020125979818-pat00065
이상과 같이 각 Source별 Superposition으로 계산한 전류로부터, HV 선간단락 고장시 HV측의 Ry 전류는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112020125979818-pat00066
HV 선간단락 고장시 HV측의 외부계통 전류는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00067
HV 선간단락 고장시 HV측 전압은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00068
HV 선간단락 고장시 LV측의 Converter 전류는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00069
HV 고장유형이 지락을 포함하지 않은 선간단락인 경우는 영상성분이 제거되어 다음과 같이 간략화된다.
Figure 112020125979818-pat00070
HV 선간단락 고장시 LV측 전압은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00071
이상 HV측 선간단락 고장시 각 수식에서, 축약 표시한 임피던스
Figure 112020125979818-pat00072
는 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00073
마찬가지로, Superposition으로 도출한 선간단락 고장시 건전상 전류가 0이 되지 않는다.
최종적으로
Figure 112020125979818-pat00074
이면서
Figure 112020125979818-pat00075
이면 고장시 Current Limiting 의 successful, 즉 FRT 가 성공한 케이스다.
절대값을 취한 이유는 각 상 전류가 forward 방향 일수도, reverse 방향 일수도 있기 때문이다.
앞서 1선지락 고장시와 마찬가지로 이 수식이 만족되지 않으면 limiting에 실패하여 전류파형이 왜곡되고 고장제거 후 재동기화가 되지 않으며 FRT는 Unstable 하다.
이상과 같은 해석을 확인하기 위하여, AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 선간단락 고장시 Fault Current Graph는 다음과 같다.(좌상,우상,좌하,우하로 갈수록 접속임피던스가 증가하는 케이스) 지락고장을 포함하지 않은 선간단락인 경우에는
Figure 112020125979818-pat00076
을 적용한다.
도 11 및 도 12는 AC 계통과 연계된 GFM Source의 HV측 PCC지점 선간단락 고장시 Fault Current 그래프이다.
Balanced Fault와는 달리, GFM Voltage를 낮추더라도 Current Limiting이 불가능한 접속임피던스 영역이 있음을 확인할 수 있다. 이는 일정 수준 이상 접속임피던스가 확보되지 않으면 single line to ground fault에서 GFM 운전을 유지할 수 없다는 사실을 보여준다.
또한, 선간단지락보다는 선간단락고장에서 Limiting에 실패하는 DC MVA의 한계치가 더욱 낮다.
즉, 지금까지 분석한 결과, GFM에서는 선간단락고장 가장 Severe하다.
또한, 상기 1선지락 및 선간단락, 선간단지락 고장계산을 바탕으로 하는 전압제어부의 설정값으로 사용될 최적전압, 한계전압, 최소전압을 계산하면 다음과 같다.
최적전압은 전력변환장치가 최상의 FRT 성능을 낼 수 있을것으로 기대하는 전압이다. 최적전압에서 전력변환장치는 전류제한치를 넘지 않는 범위 내에서 최대의 고장전류를 공급하게 된다.
최적전압은 선간단락 고장의 상전류가 제한치와 같아지는 조건으로부터 구해진다. 수식은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00077
Figure 112020125979818-pat00078
여기서, s는 컨버터 임피던스 축약표시, g는 컨버터 에서 바라본 테브난 등가 임피던스 축약표시, e는 외부계통에서 바라본 테브난 등가 임피던스 축약표시, b는 외부계통 임피던스 축약표시, L은 전류제한 축약표시이다.
Figure 112020125979818-pat00079
단, 임피던스 제약 평가를 만족하지 않으면 전류제한에 성공하지 못하므로 최적전압이 원천적으로 존재하지 않는다. 따라서 임피던스 제약 만족이 제어부 운영에 우선한다.
전류제한에 성공한다는 의미는 정격주파수의 sinusoidal 한 3상 교류 파형으로 3상 중 최대 파고값이 제한치를 넘지 않도록 공급되는 결과를 뜻한다.
한계전압은 고장 전류와 역전류의 크기가 같아지는 지점의 전압이다. 한계전압에서 전력변환장치는 전압을 더 낮추는 이득을 더 이상 얻을 수 없다. 전압을 한계전압보다 더 낮추면 역전류(RC)가 고장전류를 초과하므로 최대전류를 낮추는 실익은 없는 반면 낮아진 전압 탓에 회복역전류(RRC)가 커져 재동기화가 어렵다. 따라서 전압제어부는 한계전압보다 전압을 낮추지 않는 제어를 수행한다.
한계전압은 선간단락 고장의 두 상전류가 같아지는 조건으로부터 구해진다. 수식은 다음과 같다.
Figure 112020125979818-pat00080
t는 컨버터 에서 바라본 테브난 등가 임피던스와 외부계통 임피던스의 병렬합성 임피던스 축약표시이다.
Figure 112020125979818-pat00081
Figure 112020125979818-pat00082
한계전압이 스칼라값이어야 하므로
Figure 112020125979818-pat00083
는 우변의 위상각이 0이 되도록 정해진다.
한계전압은 임피던스 제약 평가 만족여부와 무관하게 항상 존재한다. 따라서 한계전압에서의 한계전류가 전류제한치를 넘지 않으면 임피던스 제약이 만족된 것으로 본다.
최소전압은 전력변환장치가 성공적인 FRT 범위를 벗어나지 않고 운전할 수 있는 가장 낮은 크기의 전압이다. 최소전압은 1선지락고장에서 전압을 낮추었을 때 역전류가 전류제한치를 초과하는 지점과, 고장 유형과 무관하게 회복역전류가 한계를 초과하는 지점의 전압을 모두 의미한다. 계통 임피던스의 예상치 못한 변경 등으로 인해 운전 중 임피던스 제약을 벗어나게되면 전압제어부에서 최소전압 이하로 지령할 우려가 있다. 이에 대한 안전조치로써 전압지령치가 최소전압보다 낮아지면 anti-wind-up clamping을 수행한다. Anti-wind-up clamping은 전압제어부 적분기를 reset하는 제어이다. 즉 PI제어에서 P제어로 바뀌고, error가 쌓이지 않는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라 전류파형은 왜곡되는 것을 피할 수는 없지만 고장제거 후 재동기화는 이룰 수 있다. 따라서 anti-wind-up은 불완전한 FRT를 대비한 안전조치로써 시행된다.
최소전압을 계산하기 위해서는 두 가지 조건을 고려하는데, 첫째 회복역전류(RRC) 조건으로부터 다음과 같이 구해진다.
Figure 112020125979818-pat00084
최소전압이 스칼라값이어야 하므로
Figure 112020125979818-pat00085
는 우변의 위상각이 0이 되도록 정해진다.
둘째 1선지락고장의 역전류(RC) 조건으로부터 다음과 같이 구해진다.
Figure 112020125979818-pat00086
t0,t2는 축약표시한 임피던스 t의 영상분, 역상분이고, m은 컨버터 에서 바라본 테브난 등가 임피던스 중 영상분과 역상분의 합 축약표시, 세모는 루프 임피던스 축약표시이다.
Figure 112020125979818-pat00087
Figure 112020125979818-pat00088
따라서 두 조건 모두 동일하게
Figure 112020125979818-pat00089
의 크기가 구해진다.
최적전압과 마찬가지로 임피던스 제약 평가를 만족하지 않으면 최적전압이 원천적으로 존재하지 않는다. 따라서 임피던스 제약 만족이 제어부 운영에 우선한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치 및 방법은 접속하는 전력변환장치의 정보와 연결되는 계통정보를 바탕으로 고장시 전력변환장치가 고장전류 및 역전류를 모두 고려하여 과전류 강도를 최소화하는 최적운전전압 제어를 하고, 임피던스 적정성을 평가하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 그리드포밍 전력변환장치
200. 최적 전압 제어부
300. 임피던스 제약 평가 제어부

Claims (12)

  1. 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하여 전력을 공급하는 그리드포밍 전력변환장치;
    그리드포밍 전력변환장치에 연결되어 고장 발생시에 고장전류 산출 및 고장시 전압을 낮추게 되면 발생하는 역전류(Reverse Current), 고장제거시 발생하는 회복역전류(Recovery Reverse Current)를 산출하여 계통이 요구하는 고장전류 공급특성에 따른 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 최적 전압 제어부;
    전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하고, 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하여 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하는 임피던스 제약 평가 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 최적 전압 제어부는,
    최적 전압 제어부의 FRT 전압 지령치로서 최적전압 산출을 하는 최적전압 산출부와,
    최적 전압 제어부의 FRT 전압 제어하한치로서 한계전압 산출을 하는 한계전압 산출부와,
    최적 전압 제어부의 전압 불완전 제어시 안전조치 하한치로서 최소전압 산출을 하는 최소전압 산출부와,
    계통이 요구하는 고장전류 공급특성을 고려하여 과전류가 최소화되는 운전점을 찾고 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않는 범위에서 최대한 전력계통의 요구사항을 만족시키는 운전점을 찾는 최적 전압 제어를 하는 고장전류 공급특성 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 최적 전압 제어부의 최적 전압 제어는,
    전류가 상기 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하면 전압을 낮추고, 역전류가 상기 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류보다 높은 특정구간에서는 전압을 높여서 과전류를 해소하며, 계통 여건의 변경 등으로 FRT 전압지령치가 최소전압까지 낮아지면 안전조치로써 Anti-wind-up clamping으로 적분제어기를 우회하고 고장제거후 재동기화 성공을 도모하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 전류가 상기 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류보다 낮아져 제한치에 여유가 생기면 전압을 높이고 전압이 과도하게 낮으면 역전류 및 회복역전류가 커지므로 한계 전압 이하로는 낮추지 않는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 임피던스 제약 평가 제어부는,
    전력계통의 정보를 이용하여 임피던스 평가를 위한 파라미터를 수집하는 파라미터 수집부와,
    기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM 전압 설정을 하는 입력 설정부와,
    전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구하기 위한 고장 전류를 산출하는 고장전류 계산부와,
    전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류를 계산하고, 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하는 회복 역전류 산출 및 판단부와,
    회복 역전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 입력 임피던스로 운전 가능한 것으로 판단하는 임피던스 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 고장전류 계산부는,
    3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출을 하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 장치.
  7. 계통 전원에 고장이 발생하면, 고장전류 산출 및 역전류 산출을 하여 고장전류 공급 특성 제어를 하고, 전력계통의 정보를 이용하여 파라미터 수집을 하는 단계;
    입력 설정부에서 기준 MVA 접속임피던스 입력 및 GFM(Grid Forming Source) 전압 설정을 하는 단계;
    고장전류 계산부에서 3상단락 고장전류,선간단락 고장전류,선간단지락 고장전류,1선지락 고장전류 산출을 하는 단계;
    현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류(Recovery reverse current)를 계산하는 단계;
    계산된 회복 역전류(Recovery reverse current)가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 입력 임피던스로 운전 가능 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 산출된 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하는지 판단하여 전류가 설정 제한값을 초과하지 않으면 현재의 GFM 전압을 저장하고 회복 역전류(Recovery reverse current)를 계산하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 산출된 전력변환장치 전류가 설정 제한값을 초과하면 GFM 전압이 최소전압 이상인 범위 내에서 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 계산된 회복 역전류가 설정 제한값을 초과하면 입력 임피던스로 운전 불가능한 것으로 판단하여 기준 MVA 접속임피던스를 1step 증가하고 고장 전류를 다시 산출하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 입력 설정부에서 접속임피던스 설정을 하는 단계에서 100MVA를 기준 임피던스로 입력하고, GFM 전압을 1.0[pu] 으로 설정하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, GFM 전압을 1step 감소하고 고장 전류를 다시 산출하는 과정 및 다시 1step 증가된 접속임피던스를 적용하는 과정은 전력변환장치가 공급할 수 있는 전류의 한계를 초과하지 않도록 하는 최소 임피던스를 구할 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 그리드포밍 전력변환장치의 최적 전압 추종제어 및 임피던스 제약 평가를 위한 방법.
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