KR102580105B1 - 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 계통전압이 순간 전압 강하였을 경우, 과전류가 발생하지 않도록 무효전류를 발생시키고, 과도 상태에서 피크 전류를 스위칭 소자의 허용범위 이내로 제한하여 보호 계전기를 보호함과 동시에 보호 계전기의 동작에 의한 정전을 방지할 수 있는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제어시스템은 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기에너지를 공급하는 태양전지 어레이, 접속반 및 ESS(Energy Storage System)를 포함하여 구성되는 태양광발전장치; 상기 태양광발전장치에서 출력되는 전기에너지를 계통에서 요구되는 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터; 및 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력을 계통에 공급하는 전력제어장치를 포함하여 구성되고, 상기 전력제어장치는 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력의 고조파를 감쇄시키는 필터; 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력을 계통의 전압으로 변환하여 출력하는 변압기; 상기 필터와 변압기 사이에 설치되어 과전류의 유입을 차단하는 차단기; 및 상기 계통 전압을 검출하고, 검출된 계통 전압에 근거하여 상기 태양광 인버터에서 출력되는 무효전류를 제어하는 전력제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템{CONTROL SYSTEM FOR REDUCING PEAK CURRENT AT LVRT OF GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC INVERTER}
본 발명은 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 계통전압이 순간 전압 강하였을 경우, 과전류가 발생하지 않도록 무효전류를 발생시키고, 과도 상태에서 피크 전류를 스위칭 소자의 허용범위 이내로 제한하여 보호 계전기를 보호함과 동시에 보호 계전기의 동작에 의한 정전을 방지할 수 있는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 관한 것이다.
기존의 계통연계 태양광 인버터는 계통전압이 순간 감소되거나 계통전압의 과주파수/저주파수와 같은 계통에 이상이 발생되면, 태양광 인버터의 모듈을 보호하기 위해 태양광 인버터와 계통을 분리시킨다.
반면, 풍력 발전 시스템에서는 계통 사고 시 LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전)를 지원하도록 규정하고 있다.
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 하고 있다.
이러한, LVRT는 계통 연계형 풍력발전 인버터에만 적용시켜 왔으나, 최근 대용량의 계통 연계형 태양광 인버터가 공급되어 수요가 늘어남에 따라 태양광 인버터에 적용시킬 수 있도록 다양한 연구가 진행되고 있다.
태양광 발전 시스템에 적용되어 저전압 지속 발전을 수행하는 기술로서, 등록특허공보 제10-1529982호에 계통연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 계통의 정격전압이 일정범위의 전압으로 강하하는지 여부를 검출하고, 전압 강하가 발생된 것으로 확인되면, 태양광 인버터의 출력전압을 감소시키기 위한 계통전압의 펄스폭(Dgrid)신호를 출력하는 계통전압 보상부와, 상기 계통전압 보상부에 의해 전압 강하가 발생된 것으로 확인되면, 출력제어신호(Is_Ref)를 산출하여 출력전류 제어부에 출력하는 전압 제어부 및 상기 전압 제어부에서 출력되는 출력제어신호 및 상기 계통전압 보상부에서 출력되는 계통전압의 펄스폭에 근거하여 태양광 인버터에 대한 펄스폭 신호(Inv_PWM(Pulse Width Modulation))를 산출하여 출력하는 출력전류 제어부를 포함하고, 상기 출력전류 제어부를 통해 출력되는 펄스폭 신호(Inv_PWM)를 통해 상기 태양광 인버터의 출력전류의 크기를 고정시키는 것을 특징으로 한다.
그러나 LVRT 상황에서 정격전압에 대해 전압 감소율 2배 이상의 무효전류를 계통에 공급해야 하는 것으로서, 계통 전압이 급격히 감소하게 되면, 계통 전압과 인버터 출력단 전압의 전기적 평형 상태가 붕괴되면서 임피던스와 전압 감소율에 따라 순간적인 과도전류가 태양광 인버터 측으로 유입되어 보호 계전기의 동작에 의해 인버터가 계통에서 분리되는 문제점이 있다.
이에 더하여, LVRT 조건을 충족하기 위해서는 계통의 전압을 정확하고 신속하게 검출해야 한다.
KR 10-1529982 B1 (2015. 06. 12.)
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 태양광 인버터가 계통에 투입된 상태를 유지할 수 있도록 하는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 계통 전압을 정확하고 신속히 검출할 수 있는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템은 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기에너지를 공급하는 태양전지 어레이, 접속반 및 ESS(Energy Storage System)를 포함하여 구성되는 태양광발전장치; 상기 태양광발전장치에서 출력되는 전기에너지를 계통에서 요구되는 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터; 및 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력을 계통에 공급하는 전력제어장치를 포함하여 구성되고, 상기 전력제어장치는 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력의 고조파를 감쇄시키는 필터; 상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력을 계통의 전압으로 변환하여 출력하는 변압기; 상기 필터와 변압기 사이에 설치되어 과전류의 유입을 차단하는 차단기; 및 상기 계통 전압을 검출하고, 검출된 계통 전압에 근거하여 상기 태양광 인버터에서 출력되는 무효전류를 제어하는 전력제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전력제어부는 상기 계통의 전압을 검출하는 전압검출모듈; 상기 전압검출모듈에서 검출된 계통의 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 감지하는 순시피크값 감지모듈; 및 상기 순시피크값 감지모듈에서 감지된 전류에 대한 순시 피크값에 근거하여 전류를 제한하는 전류 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전압검출모듈은 고조파 성분을 제거하는 저역통과필터; 상기 저역통과필터에서 고조파가 제거된 주파수의 지연 위상을 보상하는 진상보상기; 상기 진상보상기에서 출력되는 주파수와 정상분 전압 주파수를 비교하는 비교기; 및 상기 비교기에서 출력되는 전압 주파수의 실효치(RMS: Root Mean Square) 전압 정보로 변환하여 출력하는 RMS 변환기를 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저역통과필터의 차단 주파수는 상기 차단기의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필터는 상기 계통의 단락전류의 크기를 제한하는 직렬인덕터; 상기 직렬인덕터와 병렬로 연결되어 상기 직렬인덕터의 투입 여부를 제어하는 제1 스위치; 사고 전압의 크기를 결정하는 병렬인덕터; 및 상기 병렬인덕터와 직렬로 연결된어 상기 병렬인덕터의 투입 여부를 제어하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 계통 전압의 이상 발생시 피크 전류를 감소할 수 있으므로, LVRT 제어를 통해 계통 전압의 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 피크 전류의 감소로 인해 태양광 인버터의 동작 오류를 방지할 수 있고, 계통의 전압은 빠르고 정확하게 검출하여 LVRT 제어 동작에 여유 시간을 담보함으로써, 정확한 LVRT 제어를 도출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 대한 구성도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 태양광 인버터 및 필터의 단상 등가회로도.
도 4는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 필터의 스위칭 동작도.
도 5는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전력제어부의 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전압검출모듈의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 저역통과필터를 통과한 전압, 계통의 실효전압 및 위상지연이 보상된 전압에 대한 주파수를 나타낸 그래프(a) 및 오차율(b).
도 8은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 순시피크값 감지모듈에 적용된 순시피크값을 검출하는 다이어그램.
도 9는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 기준전압 제어기의 다이어그램(a)과 출력전류 제어기의 다이어그램(b).
도 10은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전류제어 과정을 나타낸 흐름도.
도 11은 종래 방식의 정상분 전압을 적용한 경우의 피크 전류 그래프(a)와 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 순시피크값을 적용한 피크 전류 그래프(b).
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 계통 연계형 태양광 발전 시스템에서 계통전압이 순간 전압 강하였을 경우, 과전류가 발생하지 않도록 무효전류를 발생시키고, 과도 상태에서 피크 전류를 스위칭 소자의 허용범위 이내로 제한하여 보호 계전기를 보호함과 동시에 보호 계전기의 동작에 의한 정전을 방지할 수 있는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 대한 구성도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템은 크게 태양광발전장치(10), 태양광 인버터(20) 및 전력제어장치(30)를 포함하여 구성된다.
태양광발전장치(10)는 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기에너지를 공급하는 태양전지 어레이(11), 접속반(12) 및 ESS(Energy Storage System)(13)를 포함하여 구성된다.
상기 태양전지 어레이(11)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(11)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양전지 어레이(11)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다.
상기 태양전자 어레이(11)의 후단에는 태양전지 어레이(11)에서 출력되는 동일한 극성의 전압을 하나의 접속점으로 취합하는 접속반(12)이 구비되고, 접속반(12)의 후단에는 도면에 도시하지 않았으나, 취합된 출력전원을 일정한 직류링크 전압으로 유지시키는 DC 컨버터가 구성된다.
또한, 상기 DC 컨버터에서 출력되는 전기에너지를 저장하는 ESS(에너지 저장 시스템)(13)가 구성된다.
이와 같은, 상기 태양광발전장치(10)는 필요에 따라 계통(Grid)에 투입되어 계통에 전력을 공급한다.
상기 태양광발전장치(10)에서 생산된 전기에너지를 계통에 공급하기 위해서, 상기 태양광발전장치(10)와 계통 사이에는 태양광 인버터(20) 및 전력제어장치(30) 등이 구성된다.
태양광 인버터(20)는 ESS(13)에서 출력되는 직류전원을 계통의 교류전원으로 변환하여 출력한다.
필요에 따라, 상기 태양광 인버터(20)는 태양전지 어레이(11)에서 생산되고 접속반(12)에서 취합된 전기에너지를 계통에 공급되도록 구성될 수 있다.
전력제어장치(30)는 상기 태양광 인버터(20)에서 출력되는 교류전력을 계통에 공급되도록 제어하거나, 계통의 상태를 검출하여 계통 상황에 적합한 전원을 공급하도록 제어하는 것으로서, 필터(100), 변압기(200), 차단기(300) 및 전력제어부(400)를 포함하여 구성된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 태양광 인버터 및 필터의 단상 등가회로이다.
첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 필터(100)는 태양광 인버터(20)에서 출력되는 교류전력의 고조파를 감쇄시키는 것으로서, 직렬인덕터(110), 제1 스위치(120), 병렬인덕터(130) 및 제2 스위치(140)를 포함하여 구성된다.
직렬인덕터(110)는 계통의 단락전류의 크기를 제한하고, 제1 스위치(120)는 상기 직렬인덕터(110)와 병렬로 연결되어 상기 직렬인덕터(110)의 투입 여부를 제어한다.
병렬인덕터(130)는 사고 전압의 크기를 결정하고, 제2 스위치(140)는 상기 병렬인덕터(130)와 직렬로 연결되어 상기 병렬인덕터(130)의 투입 여부를 제어하는 기능을 수행한다.
여기서, 상기 병렬인덕터(130)를 대신하여 커패시터가 적용될 수 있으나, LC 구조의 고차 필터를 적용할 경우, 고조파 감쇄율은 증가되지만 L 구조의 1단 필터를 적용하거나 필터 계수의 조정이 부정확할 경우에는 공진의 위험이 발생하기 때문에, 본 발명에서는 직렬인덕터와 병렬인덕터 방식의 LL 구조가 적용된다.
도 4는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 필터의 스위칭 동작을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3을 이용하여 첨부된 도 4를 설명하면, 계통 전압이 정상상태(제1 영역)에서 제1 스위치(120)는 닫힘 상태(close), 제2 스위치(140)는 열림 상태(open)로 유지되어 태양광 인버터(20)에서 출력되는 전력이 직렬인덕터(110)를 거치지 않고 제1 스위치(120)로 바이패스되어 계통에 공급(도 2 참조)된다.
계통 전압이 일정이상 저하되는 이상 상태(제 2 영역)로 판단되면, 제1 스위치(120)는 열림 상태(open), 제2 스위치(140)는 닫힘 상태(close)로 전환되어, 직렬인덕터(110) 및 병렬인덕터(130)가 계통에 투입되며, 이에 의해 계통에 무효전력이 공급(도 3 참조)된다.
계통 전압이 정상 상태로 복귀하는 경우(제3 영역)에는 제1 스위치(120)는 닫힘 상태(close), 제2 스위치(140)는 열림 상태(open)로 전환(도 2 참조)되게 된다.
상기의 과정에서 제1 스위치(120) 동작과 제2 스위치(140) 동작 사이에는 각각 제1 지연시간 및 제2 지연 시간이 설정된다. 즉, 제1 스위치(120)가 열린 상태(open)로 전환되면서 제2 스위치(140)가 닫힌 상태(close)로 동시에 전환되게 되면, 직렬인덕터(110)와 병렬인덕터(130)가 동시에 계통에 투입되어 계통 임피던스가 급변하게 된다. 즉, 인피던스의 급변에 의해 전압에 스위칭 리플이 인가되게 된다.
즉, 제1 지연시간은 제1 스위치(120)가 동작(open)되어 직렬인덕터(110)가 계통에 투입된 후 제2 스위치(140)가 동작(on)하기까지의 시간이고, 제2 지연시간은 제2 스위치(140)가 동작(open)되어 병렬인덕터(130)가 계통에서 분리된 후 제1 스위치(120)가 동작(on)하기까지의 시간이다.
이에, 지연시간을 설정함으로써 계통 전압이 저전압 상태인 경우에는 직렬인덕터(110)가 투입된 이후 소정 시간 이후에 병렬인덕터(130)가 계통에 투입되게 되어 계통에 무효전력을 공급하게 되고, 계통 전압이 정상으로 복귀하는 경우에는 병렬인덕터(130)가 계통에서 분리된 이후 소정의 시간 이후에 직렬인덕터(110)가 계통에서 분리되어 유효전력을 공급하게 됨으로써, 스위칭 리플을 감소시킬 수 있게 된다.
변압기(200)는 상기 태양광 인버터(20)에서 출력되는 교류전력을 계통의 전압으로 변환하여 계통에 공급한다.
차단기(300)는 상기 필터(100)와 변압기(200) 사이에 설치되어 과전류의 유입을 차단함으로써, 태양광발전장치(10)를 계통에서 분리하여 보호하게 된다.
전력제어부(400)는 계통 전압을 검출하고, 검출된 계통 전압에 근거하여 태양광 인버터(20)에서 출력되는 무효전류를 제어하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 5는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전력제어부의 구성을 나타낸 것이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전력제어부는 전압검출모듈(410), 순시피크값 감지모듈(420) 및 전류제어모듈(430)을 포함하여 구성된다.
한편, 계통의 전압이 저하되는 경우 즉, 전원사고 발생 시 태양광발전장치(10)에서 생산된 전력을 계통에 공급하여 LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전)를 지원하기 위해서는 계통 전압을 신속히 검출해야 계통 저전압에 대응하여 차단기의 동작을 제한할 수 있고, 이에 따라 태양광발전장치(10)가 계통 안정화에 기여할 수 있다.
예를 들어, 계통의 저 전압 검출이 늦어지게 되면, 태양광발전장치(10)에서 과전류가 계통에 공급되게 되고, 과전류에 의해 차단기(300)가 동작하여 태양광발전장치(10)가 계통에서 분리되며, 이에 태양광발전장치(10)가 계통에 무효전력을 공급하지 못하게 됨으로써, 부하측으로의 전원 공급이 사실상 차단되게 된다.
즉, 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.
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.
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.
즉, 정적 계통지원이 이루어져야 하는 상태에서 동적 계통지원으로 판단되어 무효전력을 계통에 공급하게 되면, 계통 임피던스의 상승으로 스위칭 리플이 발생하여 차단기(300)의 스위칭 동작에 의해 태양광발전장치(10)가 계통에서 분리될 수 있다.
이에, 계통의 전압을 정확하게 검출하는 것은 물론, 정확한 값의 전압을 검출해야 한다.
전압검출모듈(410)은 계통의 전압을 검출하는 기능을 수행하는 것으로서, 저역통과필터(411), 진상보상기(412), 비교기(413) 및 RMS(Root Mean Square) 변환기(414)를 포함하여 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전압검출모듈의 구성도를 나타낸 도면이다.
저역통과필터(411)는 고주파 성분을 제거하는 것으로서, 저역통과필터(411)의 차단 주파수는 차단기(300)의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖도록 구성된다. 즉, 차단기(300)의 스위칭 주파수와 동일한 주파수 응답을 얻기 위해 저역통과필터(411)의 차단 주파수는 차단기(300)의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖도록 구성된다.
상기 저역통과필터(411)의 차단주파수가 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 전압검출모듈(410)에는 지연된 위상을 보상하기 위한 진상보상기(412)가 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 저역통과필터를 통과한 전압, 계통의 실효전압 및 위상지연이 보상된 전압에 대한 주파수를 나타낸 그래프(a) 및 오차율(b)을 나타낸 것이다.
첨부된 도 7의 (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.
여기서, 상기 진상보상기(412)에 의한 지연보상은 계통 전압의 실효값 주파수와 저역통과필터(411)를 통과한 주파수의 중간값을 갖도록 구성되어, 보상에 의한 역전현상이 방지되도록 구성된다.
첨부된 도 7의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 전압검출은 종래 방식의 전압검출과 비교하여 11%의 오차를 보이고 있다.
즉, 10%미만의 정적 계통지원 대상 구역에서는 둔감하게 동작하나, 10%이상은 동적 계통지원 대상 구역에서는 전압 검출이 빠르게 이루어짐을 알 수 있다.
비교기(413)는 진상보상기(412)에서 출력되는 출력 주파수와 정상분 전압 주파수를 비교하는 것으로서, 상기 정상분 전압 주파수는 기 설정된 값으로 구성된다.
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.
예를 들어, RMS 변환기(414)에서 출력되는 저전압 비율에 대한 표시는 계통 정상전압의 '00%'로 이루어질 수 있다.
즉, 전력제어부(400)는 전압검출모듈(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.
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.
한편, 계통 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, 태양광 인버터 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.
순간적인 과전류는 차단기를 동작하게 하여, 태양광발전장치가 계통에서 분리되게 되는데, 본 발명에서 과전류를 제한하기 위해 순시피크값 감지모듈(420) 및 전류제어모듈(430)이 구성된다.
순시피크값 감지모듈(420)은 전압검출모듈에서 검출된 계통의 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 감지하는 기능을 수행한다.
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.
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.
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.
따라서, 계통전압의 순간적인 강하에 의해 피크전류를 방지하기 위해서는 계통전압을 보상해야 한다.
계통 연계형 태양광 인버터는 계통과 연계하여 운전함으로써, 계통에 전력을 공급한다. 이때, 계통전압이 순간적으로 강하하면 전력은 감소하지만 과전류가 발생하게 된다. 그러므로 태양광 인버터는 안정성을 위해 계통으로부터 분리될 것이고 계통연계 유지조건을 만족하지 못하게 된다. 따라서 계통전압이 순간적으로 강하될 때 보상하여 과전류가 발생하지 않도록 제어해야 한다.
계통전압강하에 따른 보상을 위한 제어가 이루어지지 않으면 계통전압의 90° 및 270° 상태에서 전압강하가 발생했을 때 과전류가 가장 크게 발생 된다.
도 8은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 순시피크값 감지모듈에 적용된 순시피크값을 검출하는 다이어그램을 나타낸 도면이다
첨부된 도 8을 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.
이를 수식으로 나타내면, 아래의 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.
Figure 112021104858340-pat00001
Figure 112021104858340-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.
이때, 상기 m은 인버터가 전압을 출력하게 되면 계통전압과 동상으로 출력되지 않고 지연되어 출력하는 것을 보상하기 위한 상수이다.
상기의 수학식 1 및 수학식 2에 따르면, 전력품질을 향상시키기 위해 1주기 전 n+m번째 계통전압을 사용하여 계통전압과 태양광 인버터의 출력전압을 동일하게 출력하게 된다. 하지만, 순간 전압강하를 감지하기까지 1주기 이상 시간이 소요될 수 있고, 이에 태양광 인버터는 전압강하가 발생하기 1주기 전 전압을 출력하게 된다.
1주기 사이에 계통전압이 강하하게 되면 계통에 과전류가 발생되고, 차단기의 동작에 의해 태양광 인버터는 계통과 분리하게 되며, 이에 계통연계 유지조건을 만족할 수 없게 된다. 그러나 도 8에서와 같이, VSn과 V'Sn의 변화 비율을 반영하여 순시피크값을 감지하도록 구성함으로써, 계통전압의 강하를 신속히 감지할 수 있다.
전류제어모듈(430)은 순시피크값 감지모듈에서 감지된 전류에 대한 순시 피크값에 근거하여 전류를 제어하는 기능을 수행한다.
즉, 순시피크값 감지모듈(420)에서 계통전압의 변화를 반영한 계통전압의 펄스폭(Dgrid)이 설정된 값을 초과하는 경우 계통의 전압이 강하된 것으로 판단하고, 판단된 결과에 따라 전류제어모듈(430)은 태양광 인버터의 직류전압과 기준전압에 근거하여 기준 전류를 산출하고, 산출된 기준전류에 근거하여 태양광 인버터의 펄스폭을 산출하며, 산출된 태양광 인버터의 펄스폭에 근거하여 태양광 인버터에서 출력되는 전류를 제어하게 된다.
이에, 상기 전류제어모듈(430)은 기준전압 제어기(431), 출력전류 제어기(432) 및 펄스폭 제어기(433)를 포함하여 구성된다.
기준전압 제어기(431)는 직류링크(DC Link) 전압(Vd)과 직류링크의 기준전압(Vd-Ref)에 근거하여 기준전류를 출력하고, 출력전류 제어기(432)는 상기 기준전압 제어기(431)에서 출력되는 기준전류에 근거하여 출력 전류를 산출한다.
도 9는 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 기준전압 제어기의 다이어그램(a)과 출력전류 제어기의 다이어그램(b)을 나타낸 도면이다.
첨부된 도면의 도 9 (a)를 참조하면, 직류링크(DC Link) 전압(Vd)과 직류링크의 기준전압(Vd-Ref)이 차이값이 발생되면, 기준전압 제어기(431)는 차이값에 기준전압 제어기(431)의 비례이득(Kp)과 적분이득(Ki)을 각각 연산하여 기준전류(Is_Ref)를 출력하게 된다.
첨부된 도면의 도 9 (b)를 참조하면, 출력전류 제어기(432)는 상기 기준전압 제어기(431)에서 출력되는 기준전류(Is_Ref)에 근거하여 태양광 인버터에서 출력되어야 하는 전류를 산출한다. 도 9의 (b)에서 IRMS는 RMS 변환기(414)에서 출력되는 전류의 실효값이다.
이때, 상기 기준전압 제어기(431)에서 출력되는 기준전류(Is_Ref)는 다음의 수학식 3에 의해서 산출된다.
Figure 112021104858340-pat00003
여기서, Vd는 직류링크(DC Link) 전압, Vd-Ref는 직류링크 기준전압, Is_Ref는 기준전류, Kp는 비례이득, Ki는 적분이득이다.
펄스폭 제어기(433)는 전압강하에 따른 태양광 인버터에서 출력되어야 하는 전류 즉, 제어전류를 출력하는 것으로서, 제어전류는 다음의 수학식 4에 의해서 산출된다.
Figure 112021104858340-pat00004
여기서, Inv는 태양광 인버터에서 출력되는 제어전류, Is는 계측한 순시출력전류, Is_Ref는 기준전류, Kp는 비례이득, Ki는 적분이득, Dgrid는 계통전압의 변화를 반영한 계통전압의 펄스폭이다.
상기의 수학식 4에서 Inv는 태양광 인버터에서 출력되어야 하는 제어전류로서, 출력전류 제어기(432)의 비례제어는 대략 60㎲로 제어되도록 구성되고, 적분제어는 대략 16.67㎳로 제어되도록 구성된다.
이와 같은 구성의 전류제어모듈(430)은 계통전압의 강하 때문에 발생하는 과전류를 막기 위해 태양광 인버터에서 출력되는 전류를 제어하여 과전류(피크전류)의 발생을 방지하게 된다.
다음으로, 상기 전류제어모듈(430)을 통해 전류를 제어하는 과정에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에 적용된 전류제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 10을 통해 전류제어 과정을 살펴보면, n 번째에서의 순시계통전압(Vs)과 1주기 전의 순시계통전압(V's)에 근거하여 비율을 산출(S10)하고, 산출된 비율이 0.9 이상이거나 1 이하인 경우에는 전압보상을 수행(S20)하며, 산출된 비율이 0.9 미만이거나 1 초과인 경우에는 전류제어를 수행(S30)한다.
전류제어를 수행하는 과정에서 순시계통전압(Vs)과 1주기 전의 순시계통전압(V's)의 비율이 0.9 미만인 상태에서 1초이상 지속되는 경우에는 차단기를 동작하여 태양광 인버터가 계통에서 분리(S40)되도록 한다.
상기에서 전압보상은 1주기 전 계통전압의 펄스폭 (D'grid)와 계통전압의 변화를 반영한 계통전압의 펄스폭(Dgrid)을 동일한 값으로 하여 전압강하에 의한 전압을 계통에 보상하도록 제어하여 정적 계통지원을 수행한다.
상기 과정에서 전류제어는 수학식 2를 이용하여 계통전압의 펄스폭(Dgrid)을 산출(S31)하고, 최대전력점 추종제어루프를 정지(S32)시킨 다음, 출력전류의 크기를 고정(S33)하고, 무효전력을 공급(S34)한다.
이때, 전압회복을 위해 무효전류를 공급함으로써 유효전력이 감소되는 효과가 있으나, 최대전력점 추종제어를 계속하게 되면 유효전력을 최대 전력점으로 발전하기 위해 전류의 크기를 증가시키게 된다. 이때 증가된 출력전류에 기인하여 과전류가 인터버에 인가되고, 인버터가 과전류에 인가되면 인버터가 계통에서 분리되기 때문에 최대전력점 추종제어루프를 정지시켜야 한다.
계통전압이 정상전압 범위로 회복하게 되면 인버터는 빠르게 유효전력을 발전해야한다. 그러므로 저전압이 발생하기 전 펄스폭만큼 펄스폭을 설정해주고 무효전류를 유효전류로 변경하여 제어하게 되면 계통연계 시간 안에 충분히 발전할 수 있다. 하지만 유효전류와 펄스폭을 한 번에 변경하게 되면 과전류가 발생할 수 있으므로 설정돤 주기 동안에만 무효전력을 공급하도록 구성된다.
또한, 계통전압이 90%이하인 경우에는 지상 무효전류를 제어하도록 하고, 계통전압이 110%이상인 경우에는 진상 무효전류를 제어하도록 구성된다
도 11은 종래 방식의 정상분 전압을 적용한 경우의 피크 전류 그래프(a)와 본 발명에 따른 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서 피크 전류 감축 제어시스템에서 순시피크값을 적용한 피크 전류 그래프(b)를 나타낸 것이다.
첨부된 도 11의 (a)를 참조하면, 종래 정상분 전압을 적용한 피크 전류의 경우, 정상분 전압을 검출하는 과정에서 생기는 시지연에 의해 과도상태에서의 피크 전류를 상승시킨다.
그러나 도 11의 (b)에서 보인 바와 같이, 순시피크값 감지모듈(420)에서 검출된 순시피크값을 전향 보상에 적용하면, 정상분 전압에 따른 피크 전류값보다 상대적으로 낮은 피크 전류값이 검출됨을 알 수 있다.
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 태양광 인버터의 동작 오류를 방지할 수 있으며, 계통의 전압은 빠르고 정확하게 검출하여 LVRT 제어 동작에 여유 시간을 담보함으로써, 정확한 LVRT 제어를 도출할 수 있는 장점이 있다.
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.
10: 태양광발전장치 11: 태양전지 어레이
12: 접속반 13: ESS
20: 태양광 인버터 30: 전력제어장치
100: 필터 110: 직렬인덕터
120: 제1 스위치 130: 병렬인덕터
140: 제2 스위치 200: 변압기
300: 차단기 400: 전력제어부
411: 저역통과필터 412: 진상보상기
413: 비교기 414: RMS 변환기

Claims (4)

  1. 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하고, 생산된 전기에너지를 공급하는 태양전지 어레이와 접속반을 포함하여 구성되는 태양광발전장치;
    상기 태양광발전장치에서 출력되는 전기에너지를 계통에서 요구되는 교류전력으로 변환하여 출력하는 태양광 인버터; 및
    상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력을 계통에 공급하는 전력제어장치;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 전력제어장치는,
    상기 태양광 인버터에서 출력되는 교류전력의 고조파를 감쇄시키는 필터;
    과전류의 유입을 차단하는 차단기; 및
    상기 계통 전압을 검출하고, 검출된 계통 전압에 근거하여 상기 태양광 인버터에서 출력되는 무효전류를 제어하는 전력제어부;
    를 포함하며,
    상기 전력제어부는,
    상기 계통의 전압을 검출하는 전압검출모듈;
    상기 전압검출모듈에서 검출된 계통의 전압이 저 전압으로 판단되는 경우와 저 전압 상태에서 정상상태로 회복되는 경우, 계통 전류의 순시 피크값을 감지하는 순시피크값 감지모듈; 및
    상기 순시피크값 감지모듈에서 감지된 전류에 대한 순시 피크값에 근거하여 전류를 제어하는 전류 제어모듈;
    을 포함하며,
    상기 전압검출모듈은,
    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 포함하며,
    상기 전류제어모듈은,
    직류링크 전압과 직류링크의 기준전압에 근거하여 기준전류를 출력하는 기준전압 제어기,
    상기 기준전압 제어기에서 출력되는 기준전류에 근거하여 출력 전류를 산출하는 출력전류 제어기, 및
    전압강하에 따른 태양광 인버터에서 출력되어야 하는 전류를 출력하는 펄스폭 제어기를 포함하며,
    상기 저역통과필터의 차단 주파수는,
    상기 차단기의 스위칭 주파수보다 상대적으로 큰 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서의 피크 전류 감축 제어시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진상보상기에 의한 지연보상은,
    계통 전압의 실효값 주파수와 상기 저역통과필터를 통과한 주파수의 중간값을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 태양광 인버터의 저전압 계통연계 유지 조건에서의 피크 전류 감축 제어시스템.

  4. 삭제
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