KR102457332B1 - Energy storage system photovoltaic inverter for low voltage ride through - Google Patents

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KR102457332B1
KR102457332B1 KR1020220051913A KR20220051913A KR102457332B1 KR 102457332 B1 KR102457332 B1 KR 102457332B1 KR 1020220051913 A KR1020220051913 A KR 1020220051913A KR 20220051913 A KR20220051913 A KR 20220051913A KR 102457332 B1 KR102457332 B1 KR 102457332B1
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Abstract

The present invention relates to an energy storage system for maintaining a low-voltage grid connection and, more specifically, to an energy storage system for maintaining a low-voltage grid connection for contributing to the recovery of a grid voltage by supplying reactive current within a set voltage range when the grid voltage drops instantaneously in a grid-connected energy storage system, thereby improving the reliability of the grid voltage and preventing the energy storage system from being disconnected from a grid.The energy storage system for maintaining a low-voltage grid connection according to the present invention comprises: an energy storage device that charges and discharges electrical energy; a PCS that transmits the electrical energy transferred from the grid to the energy storage device for charging or discharges the electrical energy stored in the energy storage device to supply the electrical energy to the grid; and an LVRT control device that controls to supply reactive current to the grid when a low voltage occurs in the grid.The LVRT control device controls the PCS to determine and supply reactive power to be supplied to the grid through the PCS when it is determined that the grid voltage detected in the grid is low voltage.

Description

저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM PHOTOVOLTAIC INVERTER FOR LOW VOLTAGE RIDE THROUGH}Energy storage system for maintaining low-voltage grid connection

본 발명은 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통 연계형 에너지 저장 시스템에서 계통전압이 순간 전압 강하였을 경우 설정된 전압 범위 내에서 무효 전류를 공급하여, 계통 전압의 회복에 기여함으로써, 계통 전압의 신뢰성을 향상시키고 에너지 저장 시스템이 계통에서 분리되지 않도록 하는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage system for maintaining a low-voltage grid connection, and more particularly, when the grid voltage momentarily drops in a grid-connected energy storage system, a reactive current is supplied within a set voltage range to restore the grid voltage. By contributing to the system, it relates to an energy storage system for maintaining a low voltage grid connection that improves the reliability of the grid voltage and prevents the energy storage system from being separated from the grid.

풍력 및 태양광 에너지와 같은 자원들은 환경 조건에 따라 변하기 때문에 신뢰할 수 없고, 예측 가능한 자원이 아니다. 따라서, 이러한 신재생 에너지 자원에 의해 발생되는 에너지를 배터리 시스템에 보존하기 위해 에너지 저장 시스템(Energy storage system; ESS)이 사용된다.Resources such as wind and solar energy are unreliable and not predictable resources because they change with environmental conditions. Therefore, an energy storage system (ESS) is used to preserve energy generated by such a renewable energy resource in a battery system.

에너지 저장 시스템은 계통에 연결되어 계통으로부터 전기에너지를 공급받아 충전하고, 계통에서 전력이 요구되는 경우 충전된 전기에너지를 계통에 공급하여 전기에너지의 효율을 최대화로 유지하면서 계통의 전기에너지 품질을 향상시키는 기능을 수행한다.The energy storage system is connected to the grid, receives electric energy from the grid, and charges it. When the grid requires power, the energy storage system supplies the charged electric energy to the grid to maximize the efficiency of electric energy while improving the quality of the electric energy of the grid. perform the function

도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 것으로서, 전기에너지를 충전하는 배터리, 계통의 전기에너지를 배터리에 충전시키거나 상기 배터리에 충전된 전기에너지를 계통으로 공급하는 인버터(PCS, 파워컨디셔너시스템), 고주파를 제거하는 필터 등을 포함하여 구성된다.1 shows a schematic configuration of a general energy storage system, a battery for charging electric energy, an inverter (PCS, power conditioner) for charging the electric energy of the system to the battery or supplying the electric energy charged in the battery to the system system), and a filter that removes high frequencies.

이러한, 에너지 저장 시스템은 파워컨디셔너시스템(PCS), 배터리 및 배터리관리시스템(BMS), 에너지관리시스템(EMS) 등을 포함하여 구성되고, 한전 또는 신재생 발전 설비로부터 생산된 전력을 배터리에 충전시켜 필요시 공급할 수 있는 시스템으로 피크저감용, 주파수 조정용, 신재생연계용, 비상발전기 대체용 등으로 널리 활용되고 있다.Such an energy storage system is configured to include a power conditioner system (PCS), a battery and battery management system (BMS), an energy management system (EMS), etc. As a system that can be supplied when necessary, it is widely used for peak reduction, frequency adjustment, new and renewable linkage, and emergency generator replacement.

한편, 저전압 지속 발전이란 계통에 사고가 발생하여 계통 전압이 10% 이상 강하되는 상황이 발생되는 경우, 계통 전압이 정상전압으로 회복될 때까지 컨버터가 계통에 투입되어 소정의 시간(예를 들어, 3초)동안 전원을 공급하도록 하는 것을 의미하는 것으로서, 전압 감소율과 사고 시간에 따라 요구 조건이 나누어지며, 특정 전압 범위에서는 무효 전류를 지원하여 계통 전압 회복에 기여되도록 유지하는 것을 의미한다.On the other hand, low-voltage continuous power generation means that when an accident occurs in the grid and the grid voltage drops by 10% or more, the converter is put into the grid until the grid voltage is restored to a normal voltage, and a predetermined time (e.g., 3 seconds), which means that the requirements are divided according to the voltage reduction rate and the accident time, and it supports reactive current in a specific voltage range to keep it contributing to the system voltage recovery.

이러한, LVRT는 계통 연계형 풍력발전 인버터에만 적용시켜 왔으나, 최근 대용량의 에너지 저장 장치가 공급되어 수요가 늘어남에 따라 다양한 전력설비에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.Such LVRT has been applied only to grid-connected wind power inverters, but research is being conducted to apply it to various power facilities as demand for large-capacity energy storage devices is recently supplied and increased.

이에, 에너지저장장치(ESS)용의 전력변환장치의 기능검사를 수행할 수 있는 기술로서, 등록특허공보 제10-1852711호에 다목적용 전력변환장치 성능평가용 시험장치 및 그 시험방법이 개시되었다.Accordingly, as a technology capable of performing a functional test of a power conversion device for an energy storage system (ESS), a test apparatus for performance evaluation of a multipurpose power conversion device and a test method thereof are disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1852711. .

상기 기술은 비상전원용 전력변환장치에 대하여 계통 연계 호환성(LVRT: Low Voltage Ride Through) 평가를 포함하는 성능시험을 수행하는 비상용 PCS 성능시험 수행부를 포함한다.The technology includes an emergency PCS performance test performing unit that performs a performance test including a LVRT: Low Voltage Ride Through (LVRT) evaluation for a power converter for emergency power.

그러나 상기 기술은 전력변환장치에 대하여 계통 연계의 호환성을 평가하는 것이나, 실제적으로 에너지 저장 시스템에 적용하여 계통의 저전압 발생시 에너지 저장 시스템에서 무효 전류를 공급하여 지속 발전을 수행할 수 있도록 구성된 것은 아니다.However, the above technology evaluates the compatibility of grid connection with respect to the power converter, but is not actually configured to be applied to an energy storage system to supply reactive current from the energy storage system when a low voltage of the grid is generated to perform continuous power generation.

따라서 에너지 저장 시스템과 계통이 연계되어 운전되는 시스템에서 계통의 순간적인 저전압 사고시 계통의 전력을 유지할 수 있는 기술이 요구된다.Therefore, in a system in which the energy storage system and the system are connected and operated, a technology capable of maintaining the power of the system in case of an instantaneous low voltage accident of the system is required.

등록특허공보 제10-1852711호(2018. 04. 20.)Registered Patent Publication No. 10-1852711 (April 20, 2018)

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 계통 전압의 저전압 사고 또는 전압 회복시에 피크전류를 보호 계전기의 허용범위 이내로 감소시켜 에너지 저장 장치의 PCS가 계통에 투입된 상태를 유지할 수 있도록 하는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention was created to solve the problems of the prior art, and the problem to be solved in the present invention is to reduce the peak current to within the allowable range of the protection relay during a low voltage accident or voltage recovery of the grid voltage to an energy storage device It is to provide an energy storage system for maintaining the low voltage grid connection that allows the PCS of the system to maintain the input state.

또한, 계통 전압을 정확하고 신속히 검출하여 계통의 저전압 사고시에 무효전류를 수 공급함으로써, 계통 전압의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, it is an object of the present invention to provide an energy storage system for maintaining the low voltage grid connection that can improve the reliability of the grid voltage by accurately and quickly detecting the grid voltage and supplying reactive current in the event of a grid low voltage accident.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템은 전기에너지를 충전하고 방전하는 에너지 저장장치, 계통에서 전달된 전기에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하여 충전하거나 상기 에너지 저장장치에 충전된 전기에너지를 방전하여 상기 계통에 공급하는 PCS 및 상기 계통의 계통 전압에 기초하여 상기 계통의 저 전압 발생시 무효전류를 상기 계통에 공급하도록 제어하는 LVRT제어장치를 포함하여 구성되고, 상기 LVRT제어장치는 상기 계통에서 검출된 상기 계통 전압이 저 전압인 것으로 판단되면, 상기 PCS를 통해 상기 계통으로 공급되어야 할 무효전력을 결정하여 공급하도록 상기 PCS를 제어하는 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the energy storage system for maintaining the low-voltage grid connection according to the present invention is an energy storage device for charging and discharging electrical energy, and transferring the electrical energy transferred from the system to the energy storage device for charging or the energy A PCS for discharging electric energy charged in a storage device and supplying it to the system, and an LVRT control device for controlling to supply a reactive current to the system when a low voltage of the system occurs based on the system voltage of the system, When it is determined that the system voltage detected in the system is low, the LVRT control device determines and supplies the reactive power to be supplied to the system through the PCS, and controls the PCS.

여기서, 상기 LVRT제어장치는 상기 계통 전압을 검출하는 전압검출부; 상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 검출하는 순시피크값검출부; 및 상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압과 위상을 동기화하며, 상기 계통의 저전압 사고 시 저전압조건에서 계통과의 연계를 유지하도록 상기 계통에 제한된 전류 고조파 범위 내에서 무효전력을 공급하도록 제어하는 LVRT제어장치를 포한한다.Here, the LVRT control device includes a voltage detection unit for detecting the system voltage; an instantaneous peak value detection unit configured to detect an instantaneous peak value of the grid current when the system voltage detected by the voltage detection unit is determined to be a low voltage and when the low voltage state is restored to a normal state; and LVRT control to synchronize the phase with the grid voltage detected by the voltage detector, and to supply reactive power to the grid within a limited current harmonic range to maintain connection with the grid in a low voltage condition in the event of a low voltage accident of the grid including the device.

또한, 상기 전압검출부는 고조파 성분을 제거하는 저역통과필터; 상기 저역통과필터에서 고조파가 제거된 주파수의 지연 위상을 보상하는 진상보상기; 상기 진상보상기에서 출력되는 출력 주파수와 정상분 전압 주파수를 비교하는 비교기; 및 상기 비교기에서 비교된 정상분 전압 주파수와 출력 주파수의 차이값에 근거하여 차이값에 해당하는 전압 주파수의 실효치(RMS: Root Mean Square)를 전압 정보로 변환하여 출력하는 RMS 변환기를 포함한다.In addition, the voltage detector includes a low-pass filter for removing harmonic components; a advance compensator for compensating for a delay phase of a frequency from which harmonics are removed in the low-pass filter; a comparator for comparing an output frequency output from the advance compensator with a normal voltage frequency; and an RMS converter that converts a root mean square (RMS) of a voltage frequency corresponding to the difference value into voltage information based on the difference between the normal voltage frequency and the output frequency compared by the comparator and outputs the converted voltage information.

또한, 상기 순시피크값검출부는 전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 발생하는 피크 전류값과 그 외의 전류 위상에서 발생하는 피크 전류값을 미리 검출하여 저장하고, 저 전압사고가 발생하는 순간의 전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 검출된 피크 전류값을 상기 저장된 비교 데이터와 비교하여 전압 사고시 피크전류의 크기를 검출한다.In addition, the instantaneous peak value detection unit detects and stores in advance the peak current value generated in the current phase of 90° and 270° and the peak current value generated in the other current phases, and stores the current at the moment when a low voltage accident occurs. The magnitude of the peak current in the case of a voltage accident is detected by comparing the peak current values detected in the phases of 90° and 270° with the stored comparison data.

또한, 상기 LVRT제어장치는 상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압이 저전압으로 판단되는 경우 위상과 순시피크값검출부에서 검출된 순시피크값에 근거하여 출력전류를 제어하는 전류제어기; 상기 PCS에서 출력되는 출력 위상을 상기 전압검출부에서 검출된 계통 전압의 위상으로 동기화시키는 위상동기화기; 및 상기 계통 사고 시 저전압조건에서 상기 계통과의 연계를 유지하며 무효전류를 출력을 제어하는 무효전류제어기를 포함한다.In addition, the LVRT control device may include: a current controller for controlling an output current based on a phase and an instantaneous peak value detected by the instantaneous peak value detecting unit when the system voltage detected by the voltage detecting unit is determined to be a low voltage; a phase synchronizer for synchronizing an output phase output from the PCS to a phase of a grid voltage detected by the voltage detector; And it includes a reactive current controller for controlling the output of the reactive current while maintaining the linkage with the system in the low voltage condition in the case of the system accident.

본 발명에 의하면, 계통 전압의 이상 발생시 에너지 저장 장치의 피크 전류를 감소할 수 있으므로, LVRT 제어를 통해 계통 전압의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, since the peak current of the energy storage device can be reduced when the system voltage is abnormal, the stability of the grid voltage can be secured through the LVRT control.

또한, 피크 전류의 감소로 인해 PCS의 동작 오류를 방지할 수 있고, 계통의 전압은 빠르고 정확하게 검출하여 LVRT 제어 동작에 여유 시간을 담보함으로써, 정확한 LVRT 제어를 도출할 수 있는 장점이 있다.In addition, it is possible to prevent an operation error of the PCS due to the reduction of the peak current, and by quickly and accurately detecting the system voltage and guaranteeing a spare time for the LVRT control operation, there is an advantage in that accurate LVRT control can be derived.

아울러, 계통 전압의 이상 발생시 무효전류를 효과적으로 공급하되 공급되는 계통 전압의 위상에 공급되는 무효전력의 위상을 동기화하여 공급할 수 있으므로, 저전압 사고시 에너지 저장 장치가 계통에서 분리되는 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the reactive current can be effectively supplied when an abnormality occurs in the grid voltage, but the phase of the reactive power supplied to the phase of the supplied grid voltage can be synchronized and supplied, it is possible to solve the problem that the energy storage device is separated from the grid in the event of a low voltage accident. have.

도 1은 종래 에너지 저장 시스템에 대한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 LVRT제어장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 전압검출부의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에서 저역통과필터를 통과한 전압, 계통의 실효전압 및 위상지연이 보상된 전압에 대한 주파수를 나타낸 그래프(a) 및 오차율(b),
도 6은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에서 순시피크값검출부에 적용된 순시피크값을 검출하는 다이어그램,
도 7는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 전류제어기의 전류제어 블록도,
도 8은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기의 구조도,
도 9는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기에 대한 위상 소신호 모델,
도 10은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기에서 SOGI-QSG를 이용한 SRF의 제어 블록도를 나타낸 것이다.
1 is a block diagram of a conventional energy storage system;
2 is a schematic configuration diagram of an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention;
3 is a block diagram of an LVRT control device applied to an energy storage system for maintaining low-voltage grid connection according to the present invention;
4 is a configuration diagram of a voltage detection unit applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention;
5 is a graph (a) and error rate (b) showing the frequency for the voltage passing the low-pass filter, the effective voltage of the system, and the voltage for which the phase delay is compensated in the energy storage system for maintaining the low-voltage grid connection according to the present invention; ,
6 is a diagram for detecting the instantaneous peak value applied to the instantaneous peak value detector in the energy storage system for maintaining the low voltage grid connection according to the present invention;
7 is a current control block diagram of a current controller applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention;
8 is a structural diagram of a phase synchronizer applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention;
9 is a phase small-signal model for a phase synchronizer applied to an energy storage system for maintaining low-voltage grid connection according to the present invention;
10 shows a control block diagram of SRF using SOGI-QSG in a phase synchronizer applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 계통 연계형 에너지 저장 시스템에서 계통전압이 순간 전압 강하였을 경우 설정된 전압 범위 내에서 무효 전류를 공급하여, 계통 전압의 회복에 기여함으로써, 계통 전압의 신뢰성을 향상시키고 에너지 저장 시스템이 계통에서 분리되지 않도록 하는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention improves the reliability of the grid voltage and improves the reliability of the grid voltage by contributing to the recovery of the grid voltage by supplying a reactive current within a set voltage range when the grid voltage momentarily drops in the grid-connected energy storage system. It relates to an energy storage system for maintaining a low-voltage grid connection that prevents separation.

도 2는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 대한 구성도이다.2 is a configuration diagram of an energy storage system for maintaining low-voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템는 에너지 저장 장치(10, battery), PCS(20), 계통(30, Grid) 및 LVRT제어장치(40)를 포함하여 구성된다.2, the energy storage system for maintaining the low-voltage grid connection according to the present invention includes an energy storage device (10, battery), a PCS (20), a grid (30, Grid) and an LVRT control device (40) is composed by

에너지 저장 장치(10)는 전기에너지를 충전하는 기능을 수행하는 것으로서, 화학적 에너지를 전기로 변환하여 저장한다.The energy storage device 10 performs a function of charging electrical energy, and converts and stores chemical energy into electricity.

상기 에너지 저장 장치(10)는 복수의 배터리 셀이 모듈화된 형태로 구성될 수 있고, 각각의 배터리 셀은 BMS(Battery Management System)에 의해 관리된다.The energy storage device 10 may be configured in a modularized form in which a plurality of battery cells are managed by a Battery Management System (BMS).

상기 BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여 상기 배터리를 최적의 상태로 유지 및 관리해주며, 상기 배터리의 충.방전시 과충전 및 과방전을 막아주며 배터리 셀 간의 전압을 균일하게 하여줌으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명을 향상시켜주는 역할을 수행한다The BMS monitors the voltage, current, temperature, etc. of the battery to maintain and manage the battery in an optimal state, prevent overcharging and overdischarging during charging and discharging of the battery, and equalizing the voltage between battery cells. It plays a role in improving efficiency and battery life.

또한, 도면에 도시된 EMS(Energy Management System)는 에너지 저장 시스템(ESS)의 전체 에너지를 관리하는 것으로서, PMS에 대한 컨트롤 타워로서의 역할을 수행한다. 즉, EMS는 전원 계통의 수요와 공급을 관리하고, 에너지 시스템을 운영한다.In addition, the EMS (Energy Management System) shown in the figure manages the entire energy of the energy storage system (ESS), and serves as a control tower for the PMS. In other words, the EMS manages the supply and demand of the power system and operates the energy system.

도면에 도시하지 않았으나, PMS(Power Management System)는 에너지 저장 장치의 배터리와 PCS의 상태를 모니터링하고 제어하는 역할을 수행한다.Although not shown in the drawings, the PMS (Power Management System) serves to monitor and control the states of the battery and the PCS of the energy storage device.

PCS(Power Conversion System)는 계통(30)으로부터 공급된 전기에너지를 에너지 저장 장치(10)에 충전하거나, 에너지 저장 장치(10)에 충전된 전기에너지를 방전하여 상기 계통(30)에 공급하는 기능을 수행한다.PCS (Power Conversion System) is a function of charging the electric energy supplied from the system 30 to the energy storage device 10 , or discharging the electric energy charged in the energy storage device 10 and supplying it to the system 30 . carry out

한편, 계통의 전압이 저하되는 경우 즉, 전원사고 발생 시 에너지 저장 장치(10)에 충전된 전기에어지를 계통에 공급하여 LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전)를 지원하기 위해서는 계통 전압을 신속히 검출해야 계통 저전압에 대응하여 계통(30)의 안정성을 확보할 수 있다.On the other hand, when the voltage of the grid is lowered, that is, when a power accident occurs, the grid voltage is quickly increased in order to support LVRT (Low Voltage Ride Through) by supplying the electric energy charged in the energy storage device 10 to the grid. It must be detected to ensure the stability of the system 30 in response to the system low voltage.

예를 들어, 계통과 에너지 저장 시스템 사이에는 계통의 이상전압에 의해 에너지 저장 시스템을 보호하기 위한 차단기 등의 다양한 보호장치가 마련되게 되는데, 차단기의 동작되게 되면 에너지 저장 시스템이 계통에서 분리되게 되고, 분리된 에너지 저장 시스템은 계통으로 전력을 공급하거나 공급받지 못하는 문제점이 발생되게 된다.For example, various protection devices such as a circuit breaker for protecting the energy storage system by an abnormal voltage of the grid are provided between the grid and the energy storage system. When the circuit breaker is operated, the energy storage system is separated from the grid, The separated energy storage system has a problem in that power is supplied to or not supplied to the system.

저전압 지속 발전은 계통의 저전압에 대응하여 소정의 시간 동안 무효전력을 공급함으로써, 계통의 정전사고를 방지하게 되는 데, 국가마다 계통의 저전압을 규정하는 범위가 다르나, 일반적으로 전압변동 10%를 기준으로 계통에서는 정적 계통지원과 동적 계통지원을 달리 적용한다.Low voltage continuous power generation prevents a grid outage accident by supplying reactive power for a predetermined time in response to the low voltage of the grid. As a system, static system support and dynamic system support are applied differently.

부연하면, 계통의 전압변동이 10%미만인 경우(계통 전압이 91 ~ 99%)에는 정적 계통지원으로 규정하여 저 전압사고 상황으로 판단하고, 전압변동이 10%이상인 경우(계통 전압이 90%이하)에는 동적 계통지원으로 규정하여 저 전압사고 상황을 판단하게 되며, 각각의 상황에 적합한 조치를 취하도록 하고 있다. 이때, 전압변동 10%를 판단하는 기준값의 국제 규격은 상전압의 정상분 실효값으로 규정한다.In other words, when the voltage fluctuation of the grid is less than 10% (grid voltage is 91 ~ 99%), it is defined as a static grid support and it is judged as a low voltage accident situation. ) is defined as dynamic system support to determine the low-voltage accident situation, and appropriate measures are taken for each situation. At this time, the international standard of the reference value for judging the voltage fluctuation 10% is defined as the rms value for the normal part of the phase voltage.

이에 따라, 계통의 전압이 10%미만으로 저하된 경우 정적 계통지원을 판단하고, 이에 적합한 지원이 되어야 하나, 계통 전압을 신속히 검출하지 못하는 경우에는 10%미만의 정적 계통지원을 10%이상의 동적 계통지원으로 판단될 수 있는 문제점이 발생될 수 있다.Accordingly, when the system voltage is lowered to less than 10%, the static system support is judged and appropriate support should be provided. Problems that can be judged as support may arise.

즉, 정적 계통지원이 이루어져야 하는 상태에서 동적 계통지원으로 판단되어 무효전력을 계통에 공급하게 되면, 계통 임피던스의 상승으로 스위칭 리플이 발생하여 차단기의 스위칭 동작에 의해 에저지 저장 시스템(10)이 계통에서 분리될 수 있다.That is, when it is determined that the static system support is to be made and the reactive power is supplied to the grid, a switching ripple is generated due to an increase in the grid impedance, and the edge storage system 10 is activated by the switching operation of the breaker. can be separated from

이에, 계통의 전압을 정확하게 검출하는 것은 물론, 정확한 값의 전압을 검출해야 한다.Accordingly, in addition to accurately detecting the voltage of the system, it is necessary to detect a voltage having an accurate value.

이에, 본 발명에서는 계통의 저전압 사고시에 저전압 지속발전을 유지할 수 있도록 LVRT제어장치(40)가 구성된다.Accordingly, in the present invention, the LVRT control device 40 is configured to maintain low-voltage continuous power generation in the event of a low-voltage fault in the system.

LVRT제어장치(40)는 상기 계통(30)의 전압에 기초하여 상기 계통의 저 전압 발생시 무효전류를 상기 계통에 공급하도록 제어한다.The LVRT controller 40 controls to supply a reactive current to the grid when a low voltage of the grid is generated based on the voltage of the grid 30 .

도 3은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 LVRT제어장치의 구성을 나타낸 것이다.3 shows the configuration of the LVRT control device applied to the energy storage system for maintaining the low-voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 LVRT제어장치(40)는 전압검출부(410), 순시피크값검출부(420) 및 LVRT제어부(430)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3 , the LVRT controller 40 includes a voltage detector 410 , an instantaneous peak value detector 420 , and an LVRT controller 430 .

도 4는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 전압검출부의 구성도를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing the configuration of a voltage detection unit applied to the energy storage system for maintaining the low voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 4를 참조하면, 전압검출부(410)는 계통의 전압을 검출하는 기능을 수행하는 것으로서, 저역통과필터(411), 진상보상기(412), 비교기(413) 및 RMS(Root Mean Square) 변환기(414)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 4 attached, the voltage detector 410 performs a function of detecting the voltage of the system, and includes a low-pass filter 411, a lead compensator 412, a comparator 413, and a root mean square (RMS). and a transducer 414 .

저역통과필터(411)는 고주파 성분을 제거하는 것으로서, 저역통과필터(411)의 차단 주파수는 차단기(에너지 저장 시스템과 계통 사이에 설치)의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖도록 구성된다. 즉, 차단기의 스위칭 주파수와 동일한 주파수 응답을 얻기 위해 저역통과필터(411)의 차단 주파수는 차단기의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖도록 구성된다.The low-pass filter 411 removes high-frequency components, and the cut-off frequency of the low-pass filter 411 is configured to have a relatively larger bandwidth than the switching frequency of the circuit breaker (installed between the energy storage system and the grid). That is, in order to obtain the same frequency response as the switching frequency of the circuit breaker, the cut-off frequency of the low-pass filter 411 is configured to have a relatively larger bandwidth than the switching frequency of the circuit breaker.

상기 저역통과필터(411)의 차단주파수를 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖도록 구성됨에 따라 전압의 스위칭 리플은 일정부분 제거될 수 있으나 주파수 응답에 영향을 미쳐 전압의 크기가 감소되거나 위상이 지연되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 본 발명의 전압검출부(410)에는 지연된 위상을 보상하기 위한 진상보상기(412)가 구성된다.As the cut-off frequency of the low-pass filter 411 is configured to have a relatively larger bandwidth than the switching frequency, the switching ripple of the voltage can be partially removed, but the magnitude of the voltage is reduced or the phase is delayed by affecting the frequency response Problems may arise. Accordingly, the voltage detection unit 410 of the present invention is configured with a forward compensator 412 for compensating for the delayed phase.

도 5는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에서 저역통과필터를 통과한 전압, 계통의 실효전압 및 위상지연이 보상된 전압에 대한 주파수를 나타낸 그래프(a) 및 오차율(b)을 나타낸 것이다.5 is a graph (a) and error rate (b) showing the frequency for the voltage passing the low-pass filter, the effective voltage of the system, and the voltage for which the phase delay is compensated in the energy storage system for maintaining the low-voltage grid connection according to the present invention; is shown.

첨부된 도 5의 (a)를 참조하면, 저역통과필터(411)를 통과한 주파수 전압(V_LPF)은 계통 전압의 실효 주파수 전압(V_real)보다 상대적으로 3%의 위상 지연되고 있음을 보여주고 있으나, 진상보상기(412)에 의해 지연보상된 주파수 전압(V_comp)은 계통 전압의 실효 주파수 전압(V_real)을 추종하는 것으로 나타났다. Referring to the attached Figure 5 (a), the frequency voltage (V_LPF) that has passed through the low-pass filter 411 shows a phase delay of 3% relative to the effective frequency voltage (V_real) of the grid voltage, but , it was found that the frequency voltage V_comp compensated for by the delay compensator 412 tracks the effective frequency voltage V_real of the grid voltage.

여기서, 상기 진상보상기(412)에 의한 지연보상은 계통 전압의 실효값 주파수와 저역통과필터(411)를 통과한 주파수의 중간값을 갖도록 구성되어, 보상에 의한 역전현상이 방지되도록 구성된다.Here, the delay compensation by the advance compensator 412 is configured to have an intermediate value between the effective value frequency of the system voltage and the frequency that has passed through the low-pass filter 411, so that the reversal phenomenon by compensation is prevented.

첨부된 도 5의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 전압검출은 종래 방식의 전압검출과 비교하여 11%의 오차를 보이고 있다.Referring to FIG. 5B , the voltage detection according to the present invention shows an error of 11% compared to the voltage detection of the conventional method.

즉, 10%미만의 정적 계통지원 대상 구역에서는 둔감하게 동작하나, 10%이상은 동적 계통지원 대상 구역에서는 전압 검출이 빠르게 이루어짐을 알 수 있다.That is, it can be seen that the operation is insensitive in the static system support target area of less than 10%, but the voltage detection is performed quickly in the dynamic system support target area of 10% or more.

비교기(413)는 진상보상기(412)에서 출력되는 출력 주파수와 정상분 전압 주파수를 비교하는 것으로서, 상기 정상분 전압 주파수는 기 설정된 값으로 구성된다.The comparator 413 compares the output frequency output from the advance compensator 412 with the steady-state voltage frequency, and the steady-state voltage frequency has a preset value.

RMS(Root Mean Square) 변환기(414)는 상기 비교기(413)에서 비교된 정상분 전압 주파수와 출력 주파수의 차이값에 근거하여 차이값에 해당하는 전압 주파수 실효치(RMS: Root Mean Square)를 전압 정보로 변환하여 출력하는 것으로서, 출력되는 전압 정보는 계통 정상전압에 대한 저전압 비율로 이루어진다.The RMS (Root Mean Square) converter 414 converts a voltage frequency effective value (RMS: Root Mean Square) corresponding to the difference value based on the difference value between the normal voltage frequency and the output frequency compared in the comparator 413 to voltage information. is converted and output, and the output voltage information consists of a low voltage ratio to the system normal voltage.

예를 들어, RMS 변환기(414)에서 출력되는 저전압 비율에 대한 표시는 계통 정상전압의 '00%'로 이루어질 수 있다.For example, the indication of the low voltage ratio output from the RMS converter 414 may be '00%' of the system normal voltage.

즉, 전력제어부(400)는 전압검출부(410)의 RMS 변환기(414)에서 출력되는 값 10%를 기준으로 10% 미만인 경우에는 정적 계통지원을 위한 로직이 수행되도록 하고, 10% 이상인 경우에는 동적 계통지원을 위한 로직이 수행되도록 구성된다.That is, the power control unit 400 performs the logic for static system support when the value output from the RMS converter 414 of the voltage detection unit 410 is less than 10% based on 10%, and when it is 10% or more, the dynamic Logic for system support is configured to be executed.

본 발명에서는 정적 계통지원을 위한 로직은 통상의 정적 계통지원을 위한 구성으로 이루어질 수 있는 것으로서, 예를 들면, 정적 계통지원으로 판단되는 경우 유효전력 제어 로직이 수행되도록 구성될 수 있다.In the present invention, the logic for static system support may be configured as a configuration for normal static system support. For example, if it is determined as static system support, the active power control logic may be executed.

한편, 계통의 저 전압사고 상황에서 일정 시간 동안 저전압 지속 발전(LVRT)을 지원하기 위해서는 계통 연계를 유지하면서 동적 계통지원을 수행해야 하는데, 이때 계통 전압이 갑자기 감소하면, PCS 출력단 전압과 계통 전압이 전기적 평형 상태가 불균형을 이루면서 임피던스와 전압 감소율에 따라 순간적인 과전류가 흐르게 된다. 또한, 순간적인 과전류는 계통의 전압이 정상으로 회복되는 순간에서도 발생된다. 즉, 순간적인 과전류는 계통 전압이 정상 상태에서 일정이상 저하되는 순간과 계통 전압이 일정이상 저하된 상태에서 정상 전압으로 회복되는 순간 발생된다.On the other hand, in order to support low-voltage continuous generation (LVRT) for a certain period of time in a system low voltage accident situation, dynamic grid support must be performed while maintaining grid connection. As the electrical equilibrium state becomes unbalanced, an instantaneous overcurrent flows according to the impedance and voltage reduction rate. In addition, instantaneous overcurrent occurs even at the moment when the system voltage is restored to normal. That is, instantaneous overcurrent occurs at the moment when the system voltage is lowered by more than a certain level from the normal state and at the moment when the system voltage is restored to the normal voltage when the system voltage is lowered by more than a certain level.

순간적인 과전류는 차단기를 동작하게 하여, PCS가 계통에서 분리되게 되는데, 본 발명에서 과전류를 제한하기 위해 순시피크값검출부(420)가 구성된다.The instantaneous overcurrent causes the circuit breaker to operate, so that the PCS is separated from the system. In the present invention, the instantaneous peak value detection unit 420 is configured to limit the overcurrent.

순시피크값검출부(420)는 전압검출부(410)에서 검출된 계통의 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 검출하는 기능을 수행한다.The instantaneous peak value detection unit 420 performs a function of detecting the instantaneous peak value of the system current when the voltage of the system detected by the voltage detection unit 410 is determined to be low voltage and when it is restored from the low voltage state to a normal state. do.

저 전압사고가 발생하는 순간의 전류 피크값은 위상각에 따라 다르게 도출된다. 전압사고 발생 순간의 전류위상이 90° 및 270° 상태에서 가장 높은 과도상태 피크전류가 발생한다. 또한, 과전류 차단기와 같은 보호계전기는 실효값을 기준으로 허용범위를 결정하지만, 스위칭 소자는 순시 피크값으로 허용범위를 결정하기 때문에 전류 스파크로 인한 고장에 대비해야 한다.The peak current value at the moment when a low voltage accident occurs is derived differently depending on the phase angle. The highest transient peak current occurs when the current phase at the moment of voltage accident is 90° and 270°. In addition, although a protection relay such as an overcurrent circuit breaker determines the allowable range based on the rms value, the switching element determines the allowable range based on the instantaneous peak value, so it is necessary to prepare for a failure due to a current spark.

아울러, 계통의 전압이 정상전압으로 회복 순간에도 동일한 상황이 적용된다. 즉, 전압 강하가 100% 인 경우에도 완전한 0이 아니기 때문에 사고 회복 시점에서도 전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 가장 높은 과도상태 피크전류가 발생한다.In addition, the same situation applies even when the system voltage is restored to the normal voltage. That is, even when the voltage drop is 100%, since it is not completely zero, the highest transient peak current occurs even at the time of recovery from the accident when the current phase is 90° and 270°.

이에, 전압사고시점 및 전압 회복시점에서 스파크의 범위가 유사하다라고 가정하면, 전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 발생하는 피크 전류값과 그 외의 전류 위상에서 발생하는 피크 전류값을 미리 검출하고, 이를 저장하여 비교 데이터로 활용하면, 전압 사고시 피크전류의 크기를 유추해 낼 수 있다.Therefore, assuming that the spark ranges are similar at the time of voltage accident and at the time of voltage recovery, the peak current values occurring in the current phase of 90° and 270° and the peak current values occurring in the other current phases are detected in advance. , and using it as comparison data, it is possible to infer the magnitude of the peak current in the event of a voltage accident.

따라서, 계통전압의 순간적인 강하에 의해 피크전류를 방지하기 위해서는 계통전압을 보상해야 한다.Therefore, in order to prevent the peak current due to the instantaneous drop of the grid voltage, the grid voltage must be compensated.

계통 연계형 에너지 저장 장치는 계통과 연계하여 운전함으로써, 계통에 전력을 공급한다. 이때, 계통전압이 순간적으로 강하하면 전력은 감소하지만 과전류가 발생하게 된다. 그러므로 PCS는 안정성을 위해 계통으로부터 분리될 것이고 계통연계 유지조건을 만족하지 못하게 된다. 따라서 계통전압이 순간적으로 강하될 때 보상하여 과전류가 발생하지 않도록 제어해야 한다.The grid-connected energy storage device supplies power to the grid by operating in conjunction with the grid. At this time, if the grid voltage momentarily drops, the power is reduced but an overcurrent is generated. Therefore, the PCS will be separated from the system for stability and will not satisfy the system connection maintenance condition. Therefore, when the grid voltage drops momentarily, it must be compensated to prevent overcurrent from occurring.

계통전압강하에 따른 보상을 위한 제어가 이루어지지 않으면 계통전압의 90° 및 270° 상태에서 전압강하가 발생했을 때 과전류가 가장 크게 발생 된다.If the control for compensation according to the system voltage drop is not performed, the largest overcurrent occurs when the voltage drop occurs at 90° and 270° of the grid voltage.

도 6은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에서 순시피크값검출부에 적용된 순시피크값을 검출하는 다이어그램을 나타낸 도면이다6 is a diagram showing a diagram for detecting an instantaneous peak value applied to an instantaneous peak value detector in an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention

첨부된 도 6을 참조하면, 계통전압의 변화를 반영한 계통전압의 펄스폭(Dgrid)은 1주기 전 계통전압의 펄스폭(D'grid)과 n번째 샘플링시점에서의 순시계통전압(VSn)과 1주기 전 n번째 샘플링시점에서의 순시계통전압(V'Sn)의 비율에 따라 결정되게 된다.6, the pulse width (Dgrid) of the grid voltage reflecting the change in the grid voltage is the pulse width (D' grid ) of the grid voltage before one cycle and the instantaneous grid voltage (V Sn ) at the nth sampling point. and the instantaneous system voltage (V' Sn ) at the nth sampling point before one cycle.

이를 수식으로 나타내면, 아래의 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.If this is expressed as an equation, it is expressed by Equations 1 and 2 below.

Figure 112022045135073-pat00001
Figure 112022045135073-pat00001

Figure 112022045135073-pat00002
Figure 112022045135073-pat00002

상기 수학식 1 및 수학식 2에서, n은 계통전압의 n번째 샘플링시점, m은 출력보상 상수, VSn은 n번째 샘플링 시점에서 계측한 순시계통전압, V'Sn은 1주기 전 n번째 순시계통전압, VS(n+m)은 1주기 전 n+m번째 순시계통전압, DMAX는 펄스폭의 최대값, Vd는 직류링크(DC Link) 전압, D'grid는 1주기 전 계통전압의 펄스폭, Dgrid는 계통전압의 변화를 반영한 계통전압의 펄스폭이다.In Equations 1 and 2, n is the nth sampling time of the system voltage, m is the output compensation constant, V Sn is the instantaneous system voltage measured at the nth sampling time, and V' Sn is the nth instantaneous moment before one cycle Grid voltage, V S(n+m) is the n+mth instantaneous system voltage before 1 cycle, D MAX is the maximum pulse width, V d is the DC link voltage, D' grid is the grid before 1 cycle The pulse width of the voltage, D grid , is the pulse width of the grid voltage reflecting the change of the grid voltage.

이때, 상기 m은 PCS가 전압을 출력하게 되면 계통전압과 동상으로 출력되지 않고 지연되어 출력하는 것을 보상하기 위한 상수이다.In this case, when the PCS outputs a voltage, it is not output in phase with the system voltage and is a constant for compensating for delayed output.

상기의 수학식 1 및 수학식 2에 따르면, 전력품질을 향상시키기 위해 1주기 전 n+m번째 계통전압을 사용하여 계통전압과 PCS의 출력전압을 동일하게 출력하게 된다. 하지만, 순간 전압강하를 감지하기까지 1주기 이상 시간이 소요될 수 있고, 이에 PCS는 전압강하가 발생하기 1주기 전 전압을 출력하게 된다.According to Equations 1 and 2, the grid voltage and the output voltage of the PCS are equally output by using the n+m-th grid voltage before one cycle in order to improve the power quality. However, it may take more than one cycle to detect the instantaneous voltage drop, and the PCS outputs the voltage one cycle before the voltage drop occurs.

1주기 사이에 계통전압이 강하하게 되면 계통에 과전류가 발생되고, 차단기의 동작에 의해 PCS는 계통과 분리하게 되며, 이에 계통연계 유지조건을 만족할 수 없게 된다. 그러나 도 6에서와 같이, VSn과 V'Sn의 변화 비율을 반영하여 순시피크값을 감지하도록 구성함으로써, 계통전압의 강하를 신속히 감지할 수 있다.If the grid voltage drops between one cycle, an overcurrent is generated in the grid, and the PCS is separated from the grid by the operation of the circuit breaker, which makes it impossible to satisfy the grid connection maintenance condition. However, as shown in FIG. 6 , by reflecting the change ratio of V Sn and V′ Sn to detect the instantaneous peak value, the drop of the system voltage can be quickly detected.

LVRT제어부(430)는 전압검출부(410)에서 검출된 계통 전압과 위상을 동기화하며, 계통의 저전압 사고 시 저전압조건에서 계통과의 연계를 유지하도록 계통에 제한된 전류 고조파 범위 내에서 무효전력을 공급하도록 제어하는 기능을 수행한다.The LVRT control unit 430 synchronizes the phase with the grid voltage detected by the voltage detection unit 410, and supplies reactive power within the current harmonic range limited to the grid to maintain connection with the grid in a low voltage condition in the event of a grid low voltage accident. perform the control function.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 LVRT제어부(430)는 전류제어기(431), 위상동기화기(432) 및 무효전류제어기(433)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3 , the LVRT controller 430 includes a current controller 431 , a phase synchronizer 432 , and a reactive current controller 433 .

전류제어기(431)는 전압검출부(410)에서 검출된 전압이 저전압으로 판단되는 경우 위상과 순시피크값검출부(420)에서 검출된 순시피크값에 근거하여 출력전류를 제어한다.When it is determined that the voltage detected by the voltage detector 410 is a low voltage, the current controller 431 controls the output current based on the phase and the instantaneous peak value detected by the instantaneous peak value detector 420 .

계통연계형 태양관 인버터가 비선형 부하로 인한 고조파 보상을 하기 위해서는 고조파 성분을 각각 검출해서 전류제어를 수행해야 한다는 단점이 있다. 이에 대한 단점을 개선시킨 비례-공진 제어는 특정 주파수에서 큰 게인 값을 갖도록 하는 제어기로 전류의 레퍼런스 신호가 정현파일 때, 정상상태 오차 없이 제어할 수 있다.In order to compensate for harmonics caused by a nonlinear load, the grid-connected solar tube inverter has a disadvantage in that it is necessary to perform current control by detecting each harmonic component. The proportional-resonance control, which has improved this disadvantage, is a controller that has a large gain value at a specific frequency. When the reference signal of the current is sinusoidal, it can be controlled without a steady state error.

도 7은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 전류제어기의 전류제어 블록도를 나타낸 것이다.7 shows a current control block diagram of a current controller applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 7을 참조하면, 출력전류(ig)는 기준전류(ig-ref)에 기초하여 전류제어기 전달함수(Gc(s)), PWM에 의한 시간지연 전달함수(Gpwm(s)) 및 필터 전달함수(Gs(s))에 의해 결정된다.7, the output current (i g ) is a current controller transfer function (Gc(s)) based on a reference current (i g-ref ), a time delay transfer function by PWM (Gpwm(s)) and the filter transfer function Gs(s).

이때, 전류제어기 전달함수(Gc(s))의 차단주파수 증가는 제어 주파수를 기준으로 주파수 폭을 넓어지게 하여 약간의 주파수 변동이 발생해도 제어할 수 있는 장점이 있다. 그러나 주파수 변동에 대응하고자 과도하게 차단주파수를 증가시킨다면 위상여유를 감소시킬 수 있다는 단점을 가지게 된다. 이러한 장·단점을 고려하여 적절한 차단주파수를 선정해야 한다.In this case, the increase in the cut-off frequency of the current controller transfer function Gc(s) broadens the frequency width based on the control frequency, so that even a slight frequency change can be controlled. However, if the cut-off frequency is excessively increased to cope with the frequency fluctuation, it has a disadvantage that the phase margin can be reduced. Considering these advantages and disadvantages, an appropriate cut-off frequency should be selected.

본 발명에 적용된 PCS는 3차 및 5차 고조파 보상만을 고려하여 적용될 수 있다. 만약 추가적인 고차 고조파 보상 제어가 필요하다면 시스템 안정성을 위해 스위칭 주파수와 필터 공진 주파수를 고려하여 대역폭이 설정될 수 있다.The PCS applied to the present invention can be applied in consideration of only the 3rd and 5th harmonic compensation. If additional high-order harmonic compensation control is required, the bandwidth may be set in consideration of the switching frequency and the filter resonant frequency for system stability.

위상동기화기(432)는 PCS(20)에서 출력되는 출력 위상을 전압검출부에서 검출된 계통 전압의 위상으로 동기화시킨다.The phase synchronizer 432 synchronizes the output phase output from the PCS 20 with the phase of the system voltage detected by the voltage detector.

계통 연계형 PCS(20)에서 안정적인 출력, 높은 효율, 전력품질의 향상을 위해 계통과 시스템 간의 정확한 위상 동기화 기법이 적용되어야 한다.In order to improve the stable output, high efficiency, and power quality in the grid-connected PCS 20, an accurate phase synchronization technique between the grid and the system must be applied.

위상동기화기(432)에 적용될 수 있는 동기화 방식으로는 PLL(Phase Locked Loop)을 사용될 수 있다. 상기 PLL을 방식을 적용하게 되면, 계통 전압의 크기(Vm), 주파수(ω), 위상(θ)의 정보를 검출할 수 있고, 검출된 정보에 근거하여 안정적인 전류를 제어하며, 유효/무효전력의 제어가 가능하다.A phase locked loop (PLL) may be used as a synchronization method applicable to the phase synchronizer 432 . When the PLL method is applied, information on the magnitude (Vm), frequency (ω), and phase (θ) of the grid voltage can be detected, and a stable current is controlled based on the detected information, and active/reactive power control is possible.

도 8은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기의 구조를 나타낸 것이다.8 shows the structure of the phase synchronizer applied to the energy storage system for maintaining the low voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 8을 참조하면, 위상동기화기(432)는 위상검출유닛(432a), 루프필터(432b) 및 전압제어유닛(432c)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 8, the phase synchronizer 432 includes a phase detection unit 432a, a loop filter 432b, and a voltage control unit 432c.

위상검출유닛(432a)은 계통 전압(Vm)과 출력전압(V'm) 신호 사이의 위상차에 비례하는 오차신호(epd)를 생성한다.The phase detection unit 432a generates an error signal e pd proportional to the phase difference between the grid voltage Vm and the output voltage V'm signal.

루프필터(432b)는 상기 위상검출유닛(432a)에서 생성된 오차신호(epd)의 고주파 성분 및 잡음을 제거한다.The loop filter 432b removes a high-frequency component and noise of the error signal e pd generated by the phase detection unit 432a.

전압제어유닛(432c)은 상기 루프필터(432b)에서 고주파 및 잡음이 제거된 전압을 계통 전압(Vm)의 위상과 동일한 기본파 주파수로 발진된 출력전압(V'm) 신호를 출력한다.The voltage control unit 432c outputs an output voltage V'm signal oscillated at the same fundamental frequency as the phase of the system voltage Vm by using the voltage from which the high frequency and noise are removed from the loop filter 432b.

상기의 구성에서 계통 전압의 위상(θ)과 위상동기화기(432)에서 출력되는 출력전압(V'm) 신호의 위상(θ')을 선형적인 소신호 모델로 나타내면 도 10과 같다.In the above configuration, the phase (θ) of the grid voltage and the phase (θ') of the output voltage (V'm) signal output from the phase synchronizer 432 are represented by a linear small-signal model as shown in FIG. 10 .

도 9는 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기에 대한 위상 소신호 모델을 나타낸 도면이다.9 is a view showing a small phase signal model for the phase synchronizer applied to the energy storage system for maintaining the low voltage grid connection according to the present invention.

상기 위상동기화기에 대한 위상 소신호 모델의 폐루프 전달함수(H(s))는 다음의 수학식 3으로 표현된다.The closed-loop transfer function H(s) of the phase small-signal model for the phase synchronizer is expressed by Equation 3 below.

Figure 112022045135073-pat00003
Figure 112022045135073-pat00003

여기서, H(s)는 폐루프 전달함수, Ks p,pll은 s차 고조파 비례이득, Ks i,pll은 s차 고조파 적분이득, s는 고조파 차수, Kp,pll은 비례이득, Ki,pll은 고조파 적분이득이다. 또한, s는 차수로서 3차 및 5차 고조파이다.where H(s) is the closed-loop transfer function, K s p,pll is the proportional gain of the sth harmonic, K s i,pll is the integral gain of the sth harmonic, s is the harmonic order, K p,pll is the proportional gain, K i,pll is the harmonic integral gain. Also, s is the third and fifth harmonics as the order.

상기 위상동기화기에 대한 위상 소신호 모델로서 SRF(Synchronous Reference Frame)이 적용될 수 있다. SRF는 정지좌표계(αβ축)를 동기 좌표계(dq축)로 좌표변환하여 직류 형태의 제어를 통해 계통의 주파수와 위상을 빠르고 정확하게 추종할 수 있다. 그러나 3상과 달리 단상에서는 하나의 상으로 좌표변환을 할 수 없기 때문에 SOGI(Second order generalized integrator)-QSG(Quadrature Signal Generator) 방식이 적용될 수 있다.A synchronous reference frame (SRF) may be applied as a small phase signal model for the phase synchronizer. SRF converts the stationary coordinate system (αβ axis) to the synchronous coordinate system (dq axis) and can quickly and accurately follow the frequency and phase of the system through direct current control. However, unlike three-phase, since coordinate transformation cannot be performed in a single phase in a single phase, a SOGI (Second order generalized integrator)-QSG (Quadrature Signal Generator) method can be applied.

상기 QSG는 전역 통과 필터의 차단주파수가 정해져 있기 때문에 계통의 주파수가 변화될 경우 전역 통과필터의 위상지연이 정확하게 이루어지지 않는 문제점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 고정좌표계에서 2차적응 필터 특성을 가지는 SOGI(Second order generalized integrator) 방식으로 정상분을 추출하는 SOGI-QSG 방식이 적용되는 것이다.The QSG has a problem in that the phase delay of the all-pass filter is not accurately performed when the frequency of the system is changed because the cut-off frequency of the all-pass filter is fixed. In order to solve this problem, the SOGI-QSG method that extracts the normal fraction in a second order generalized integrator (SOGI) method having a second-order adaptive filter characteristic in a fixed coordinate system is applied.

SOGI는 하나의 입력 신호를 이용하여 전압 크기와 위상이 동일한 동기 신호와 크기는 동일하지만 위상이 90도 지연된 직교신호를 생성할 수 있다.SOGI can generate a sync signal having the same voltage magnitude and phase and a quadrature signal having the same magnitude but delayed by 90 degrees by using one input signal.

이때, SOGI의 동기 신호가 출력으로 나오는 d축 전압은 SOGI의 특성으로 인해 직류오프셋 전압을 제거할 수 있지만, 직교신호가 출력으로 나오는 q축 전압은 직류 오프셋 전압이 그대로 포함 되는 특성으로 인해 계통과 정확한 동기화가 이루어지지 않아 정확한 위상 추종이 어렵다.At this time, the d-axis voltage from which the sync signal of SOGI is output can remove the DC offset voltage due to the characteristics of SOGI, but the q-axis voltage from which the orthogonal signal is output includes the DC offset voltage as it is. Accurate phase tracking is difficult because accurate synchronization is not performed.

도 10은 본 발명에 따른 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템에 적용된 위상동기화기에서 SOGI-QSG를 이용한 SRF의 제어 블록도를 나타낸 것이다.10 shows a control block diagram of SRF using SOGI-QSG in a phase synchronizer applied to an energy storage system for maintaining low voltage grid connection according to the present invention.

첨부된 도 10을 참조하면, SOGI-QSG의 출력 전달함수는 대역 통과 필터의 전달함수와 저역 통과 필터의 전달함수로 구성되며, 자체 매개 변수를 자동으로 조정하는 적응형 필터를 기반으로 직교 신호를 출력하기 때문에 센싱된 계통 전압의 주파수가 기본 주파수가 아닌 상황에서도 계통 전압 위상에 90°만큼 지연된 가상 전압 신호를 생성하여 정확한 좌표변환을 수행할 수 있다.10, the output transfer function of SOGI-QSG consists of a transfer function of a bandpass filter and a transfer function of a lowpass filter, and an orthogonal signal is generated based on an adaptive filter that automatically adjusts its own parameters. Because it is output, accurate coordinate transformation can be performed by generating a virtual voltage signal delayed by 90° in the phase of the grid voltage even when the frequency of the sensed grid voltage is not the basic frequency.

무효전류제어기(433)는 계통 사고 시 저전압조건에서 계통과의 연계를 유지하며 무효전류를 출력을 제어한다.The reactive current controller 433 controls the output of the reactive current while maintaining the linkage with the system in a low voltage condition in case of a system accident.

즉, 상기 무효전류제어기(433)는 계통 사고 시 PCS가 무효전류를 출력하여 계통 사고 복구를 지원할 수 있는 기능이다.That is, the reactive current controller 433 is a function capable of supporting system fault recovery by outputting a reactive current from the PCS in case of a system accident.

이때, 계통 사고 시 신재생 에너지 기반의 계통 연계형 PCS가 무효전류를 안전하게 수행하기 위해서는 PCS 용량을 고려해야 한다.At this time, in order for the grid-connected PCS based on renewable energy to safely perform reactive current in the event of a grid accident, the PCS capacity must be considered.

종래 계통 연계형 PCS는 역률 1의 운전을 기준으로 PCS 용량을 선정한다. 역률 1로 설계된 PCS가 저 전압 사고시 무효전류 출력하도록 설정한다면 과전류로 인한 사고가 발생될 위험이 있다.The conventional grid-connected PCS selects the PCS capacity based on the operation with a power factor of 1. If the PCS designed with a power factor of 1 is set to output reactive current in the event of a low voltage accident, there is a risk of an accident due to overcurrent.

PCS의 용량에 따라 적용될 수 있는 3가지 무효전류 출력은 일정 평균 유효 전력제어(Constant Average Active Power Control), 일정 유효 전류제어(Constant Active Current Control) 및 일정 피크 전류제어(Constant Peak Current Control)로 구분된다.The three reactive current outputs that can be applied according to the capacity of the PCS are divided into Constant Average Active Power Control, Constant Active Current Control, and Constant Peak Current Control. do.

일정 평균 유효전력 제어, 일정 유효 전류제어는 LVRT 동안에도 가능한 많은 에너지를 생산하는 것에 목적이 있으며, 일정 피크 전류제어 기법은 기존에 설치된 PCS에 직접 적용할 수 있는 장점이 있다. 이에 본 발명에서도 저전압 사고 시, PCS 출력 전류 피크값이 일정하게 유지되는 일정피크 전류 제어가 적용됨이 바람직하다.The constant average active power control and constant active current control aim to produce as much energy as possible even during LVRT, and the constant peak current control technique has the advantage of being directly applied to the PCS installed in the past. Accordingly, in the present invention, it is preferable that a constant peak current control in which the PCS output current peak value is kept constant is applied in the event of a low voltage accident.

이에, 상기 무효전류제어기(433)는 상기 전류제어기(431)에서 제어된 출력전류에 기초하여 상기 위상동기화기(432)에서 동기화된 위상으로 계통 전압에 무효전류를 공급되게 제어한다.Accordingly, the reactive current controller 433 controls the reactive current to be supplied to the grid voltage in a synchronized phase in the phase synchronizer 432 based on the output current controlled by the current controller 431 .

여기서, 상기 무효전류제어기(433)를 통해 공급되는 무효전류는 계통의 사고 전압과 계통의 사고 위상을 구분하여 무효전류를 계통에 공급하도록 구성된다.Here, the reactive current supplied through the reactive current controller 433 is configured to supply the reactive current to the system by dividing the fault voltage of the system and the fault phase of the system.

예를 들어, 계통 전압이 0.9pu ~ 1.1pu일 때는 정상 작동 구간으로 판단하고, 계통 전압이 0.5pu이하일 때는 무효전류를 정격 기준 100%로 출력하도록 구성된다.For example, when the grid voltage is 0.9pu ~ 1.1pu, it is determined as a normal operation section, and when the grid voltage is 0.5pu or less, the reactive current is output as 100% of the rated standard.

또한, 계통의 사고 위상이 0°, 45° 및 90°인 것으로 판단되면 위상동기화기(432)에서 동기화된 위상으로 계통 전압의 위상을 동기화하여 무효전류를 공급하도록 구성된다.In addition, when it is determined that the fault phase of the system is 0 °, 45 ° and 90 °, the phase synchronizer 432 is configured to synchronize the phase of the grid voltage to the synchronized phase to supply the reactive current.

본 발명에 의하면, 계통 전압의 이상 발생시 피크 전류를 감소할 수 있으므로, LVRT 제어를 통해 계통 전압의 안정성을 확보할 수 있고, 피크 전류의 감소로 인해 PCS의 동작 오류를 방지할 수 있고, 계통의 전압은 빠르고 정확하게 검출하여 LVRT 제어 동작에 여유 시간을 담보함으로써, 정확한 LVRT 제어를 도출할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, since the peak current can be reduced when an abnormality of the grid voltage occurs, the stability of the grid voltage can be secured through the LVRT control, and an operation error of the PCS can be prevented due to the reduction of the peak current, and the system The voltage is detected quickly and accurately to guarantee a spare time for the LVRT control operation, so that accurate LVRT control can be derived.

또한, 계통 전압의 이상 발생시 무효전류를 효과적으로 공급하되 공급되는 계통 전압의 위상에 공급되는 무효전력의 위상을 동기화하여 공급할 수 있으므로, 저전압 사고시 에너지 저장 시스템에서 분리되는 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the reactive current can be effectively supplied when an abnormality of the grid voltage occurs, but the phase of the reactive power supplied to the phase of the supplied grid voltage can be synchronized and supplied, there is an advantage that can solve the problem of being separated from the energy storage system in case of a low voltage accident.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited thereto, and it should be understood that the scope of the present invention extends to those substantially equivalent to the embodiments of the present invention, Various modifications may be made by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the spirit of the invention.

10: 에너지 저장 장치 20: PCS
30: 계통 40: LVRT제어장치
410: 전압검출부 411: 저역통과필터
412: 진상보상기 413: 비교기
414: RMS변환기 420: 순시피크값검출부
430: LVRT제어부 431: 전류제어기
432:위상동기화기 433: 무효전류제어기
10: energy storage device 20: PCS
30: system 40: LVRT control device
410: voltage detection unit 411: low-pass filter
412: advance compensator 413: comparator
414: RMS converter 420: instantaneous peak value detection unit
430: LVRT control unit 431: current controller
432: phase synchronizer 433: reactive current controller

Claims (5)

전기에너지를 충전하고 방전하는 에너지 저장장치, 계통에서 전달된 전기에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하여 충전하거나 상기 에너지 저장장치에 충전된 전기에너지를 방전하여 상기 계통에 공급하는 PCS 및 상기 계통의 계통 전압에 기초하여 상기 계통의 저 전압 발생시 무효전류를 상기 계통에 공급하도록 제어하는 LVRT제어장치를 포함하여 구성되고,
상기 LVRT제어장치는,
상기 계통에서 검출된 상기 계통 전압이 저 전압인 것으로 판단되면, 상기 PCS를 통해 상기 계통으로 공급되어야 할 무효전력을 결정하여 공급하도록 상기 PCS를 제어하고,
상기 LVRT제어장치는,
상기 계통 전압을 검출하는 전압검출부;
상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 검출하는 순시피크값검출부; 및
상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압과 위상을 동기화하며, 상기 계통의 저전압 사고 시 저전압조건에서 계통과의 연계를 유지하도록 상기 계통에 제한된 전류 고조파 범위 내에서 무효전력을 공급하도록 제어하는 LVRT제어부;
를 포함하며,
상기 순시피크값검출부는,
전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 발생하는 피크 전류값과 그 외의 전류 위상에서 발생하는 피크 전류값을 미리 검출하여 저장하고, 저 전압사고가 발생하는 순간의 전류 위상이 90° 및 270° 상태에서 검출된 피크 전류값을 상기 저장된 비교 데이터와 비교하여 전압 사고시 피크전류의 크기를 검출하고,
상기 LVRT제어부는,
상기 전압검출부에서 검출된 상기 계통 전압이 저전압으로 판단되는 경우 위상과 순시피크값검출부에서 검출된 순시피크값에 근거하여 출력전류를 제어하는 전류제어기;
상기 PCS에서 출력되는 출력 위상을 상기 전압검출부에서 검출된 계통 전압의 위상으로 동기화시키는 위상동기화기; 및
상기 계통 사고 시 저전압조건에서 상기 계통과의 연계를 유지하며 무효전류를 출력을 제어하는 무효전류제어기;
를 포함하며,
상기 전류제어기는,
기준전류에 기초한 전류제어기 전달함수, PWM에 의한 시간지연 전달함수 및 필터 전달함수에 의해 출력전류가 결정되며, 상기 전달함수의 차단주파수 증가는 3차 및 5차 고조파 보상에 적용되고, 추가적인 고차 고조파 보상 제어가 필요한 경우 스위칭 주파수와 필터 공진 주파수에 의해 대역폭이 설정되고,
상기 위상동기화기는,
상기 계통 전압과 출력전압 신호 사이의 위상차에 비례하는 오차신호를 생성하는 위상검출유닛;
상기 위상검출유닛에서 생성된 오차신호의 고주파 성분 및 잡음을 제거하는 루프필터; 및
상기 루프필터에서 고주파 및 잡음이 제거된 전압을 상기 계통 전압의 위상과 동일한 기본파 주파수로 발진된 출력전압 신호를 출력하는 전압제어유닛;
을 포함하되,
상기 위상동기화기에 대한 위상 소신호 모델의 폐루프 전달함수는 아래의 수학식 1에 의해 결정되고,
(수학식 1)
Figure 112022085655568-pat00014

H(s)는 폐루프 전달함수, Ks p,pll은 s차 고조파 비례이득, Ks i,pll은 s차 고조파 적분이득, s는 3차 및 5차 고조파 차수, Kp,pll은 비례이득, Ki,pll은 고조파 적분이득이고,
상기 위상 소신호 모델은,
고정좌표계에서 2차적응 필터 특성을 가지는 SOGI(Second order generalized integrator) 방식으로 정상분을 추출하는 SOGI-QSG가 적용되며,
상기 무효전류제어기는,
상기 계통 전압이 0.9pu ~ 1.1pu일 때는 정상 작동 구간으로 판단하고, 상기 계통 전압이 0.5pu이하일 때는 무효전류를 정격 기준 100%로 출력하도록 구성되며며, 상기 계통의 사고 위상이 0°, 45° 및 90°인 것으로 판단되면 상기 위상동기화기에서 동기화된 위상으로 상기 계통 전압의 위상을 동기화하여 무효전류를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템.
An energy storage device for charging and discharging electrical energy, a PCS that transfers electrical energy transferred from the system to the energy storage device for charging or discharging the electrical energy charged in the energy storage device and supplying it to the system, and the system of the system and an LVRT control device that controls to supply a reactive current to the system when a low voltage of the system occurs based on the voltage,
The LVRT control device,
When it is determined that the grid voltage detected in the grid is a low voltage, the PCS is controlled to determine and supply reactive power to be supplied to the grid through the PCS,
The LVRT control device,
a voltage detection unit detecting the system voltage;
an instantaneous peak value detection unit configured to detect an instantaneous peak value of the grid current when the system voltage detected by the voltage detection unit is determined to be a low voltage and when the low voltage state is restored to a normal state; and
an LVRT control unit that synchronizes the phase with the grid voltage detected by the voltage detector and controls to supply reactive power within a current harmonic range limited to the grid so as to maintain connection with the grid under a low voltage condition in the event of a low voltage accident of the grid;
includes,
The instantaneous peak value detection unit,
The peak current values occurring in the current phase of 90° and 270° and the peak current values occurring in other current phases are detected and stored in advance, and the current phase at the moment of low voltage accident is 90° and 270°. by comparing the detected peak current value with the stored comparison data to detect the magnitude of the peak current in case of a voltage accident,
The LVRT control unit,
a current controller for controlling an output current based on a phase and an instantaneous peak value detected by the instantaneous peak value detecting unit when the system voltage detected by the voltage detecting unit is determined to be a low voltage;
a phase synchronizer for synchronizing an output phase output from the PCS to a phase of a grid voltage detected by the voltage detector; and
a reactive current controller for controlling the output of reactive current while maintaining the linkage with the system in a low voltage condition during the system accident;
includes,
The current controller is
The output current is determined by the current controller transfer function based on the reference current, the time delay transfer function by PWM, and the filter transfer function, and the cut-off frequency increase of the transfer function is applied to the 3rd and 5th harmonic compensation, and additional high-order harmonics When compensation control is required, the bandwidth is set by the switching frequency and the filter resonant frequency,
The phase synchronizer,
a phase detection unit generating an error signal proportional to a phase difference between the grid voltage and the output voltage signal;
a loop filter for removing high-frequency components and noise of the error signal generated by the phase detection unit; and
a voltage control unit for outputting an output voltage signal oscillated at the same fundamental frequency as the phase of the grid voltage by using the voltage from which the high frequency and noise are removed from the loop filter;
including,
The closed-loop transfer function of the phase small-signal model for the phase synchronizer is determined by Equation 1 below,
(Equation 1)
Figure 112022085655568-pat00014

H(s) is the closed-loop transfer function, K s p,pll is the proportional gain of the sth harmonic, K s i,pll is the integral gain of the sth harmonic, s is the third and fifth harmonic orders, K p,pll is the proportional gain gain, K i, pll is the harmonic integral gain,
The phase small-signal model is
SOGI-QSG, which extracts normal fractions in a second order generalized integrator (SOGI) method with second-order adaptive filter characteristics in a fixed coordinate system, is applied.
The reactive current controller is
When the grid voltage is 0.9pu ~ 1.1pu, it is determined as a normal operation section, and when the grid voltage is 0.5pu or less, it is configured to output the reactive current at 100% of the rated standard, and the fault phase of the system is 0°, 45 When it is determined that it is ° and 90 °, the energy storage system for maintaining low voltage grid connection, characterized in that it is configured to supply reactive current by synchronizing the phase of the grid voltage with the phase synchronized in the phase synchronizer.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 전압검출부는,
고조파 성분을 제거하는 저역통과필터;
상기 저역통과필터에서 고조파가 제거된 주파수의 지연 위상을 보상하는 진상보상기;
상기 진상보상기에서 출력되는 출력 주파수와 정상분 전압 주파수를 비교하는 비교기; 및
상기 비교기에서 비교된 정상분 전압 주파수와 출력 주파수의 차이값에 근거하여 차이값에 해당하는 전압 주파수의 실효치(RMS: Root Mean Square)를 전압 정보로 변환하여 출력하는 RMS 변환기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 계통연계 유지를 위한 에너지 저장 시스템.
The method according to claim 1,
The voltage detection unit,
a low-pass filter that removes harmonic components;
a advance compensator for compensating for a delay phase of a frequency from which harmonics are removed in the low-pass filter;
a comparator for comparing an output frequency output from the advance compensator with a normal voltage frequency; and
an RMS converter that converts a root mean square (RMS) of a voltage frequency corresponding to the difference value into voltage information based on a difference value between the normal voltage frequency and the output frequency compared in the comparator and outputs the converted voltage information;
Energy storage system for maintaining low-voltage grid connection, characterized in that it comprises a.
삭제delete 삭제delete
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