KR102611542B1 - 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기 - Google Patents

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Abstract

EMS와 연결되어 외부 전력 제어 정보를 전달받고, 전달 받은 상기 외부 전력 제어 정보를 이용하여 발전을 수행하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 발전되는 전력을 제어하기 위해 슬랙 제어를 사용하는 하나의 슬랙 인버터; 및 상기 슬랙 인버터와 병렬 연결되며 PQ 제어를 수행하는 적어도 하나의 PQ 인버터;를 포함한다.

Description

슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기{Inverter-type distributed generator using slack control}
본 발명은 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에 관한 것으로, 특히, 분산 발전기 내부에 복수의 인버터가 포함되며, 복수의 인버터는 하나의 슬랙 인버터와 적어도 하나의 PG 인버터를 포함하도록 형성되어 슬랙 인버터를 이용하여 출력 전력을 일정하게 제어할 수 있는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 분산 발전을 수행하는 경우, 내부에 복수의 인버터가 존재하고, 인버터들이 유효 전력 또는 무효 전력을 출력하여 최종적으로 발전기 외부로는 인버터들이 출력하는 값의 총 합이 출력되어 발전량으로 표현된다.
이러한 인버터들을 이용하여 전력을 출력하는 경우에는, 인버터 하나 하나에 대한 관리가 요구된다. 또한, 인버터에서 출력되는 전력의 크기를 관리하기 위해서는 전력 제어가 요구되며 이러한 전력 제어의 일 예로 드룹 제어가 있다. 드룹 제어는 인버터가 출력하는 유효 전력이 증가할 때 출력 전압의 주파수가 강하하는 특성과 출력하는 무효전력이 증가했을 때 출력 전압의 크기가 강하하는 특성을 이용하는 제어 방법이다.
하지만, 드룹 제어를 수행하는 경우에는 내부 인버터의 고장 등으로 인해 출력 변화가 발생하는 경우에 대응 정확도가 감소한다는 문제점이 존재한다.
한국등록특허 제10-2180880호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 출력되는 전력을 측정하여 가중치를 적용해 기준 전력 정보로 사용하고, 슬랙 제어를 통해 출력 전력을 제어함으로써 발전기 내부 인버터의 단락이 발생하더라도 오차범위 내의 출력 전력을 유지할 수 있는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 기존의 슬랙 인버터를 대체할 수 있는 백업 슬랙 인버터를 지정함으로써, 슬랙 인버터의 단락이 발생하더라도 다른 인버터가 슬랙 제어를 수행하도록 함으로써 빠른 시간 내에 출력되는 전력을 안정시킬 수 있는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, EMS와 연결되어 외부 전력 제어 정보를 전달받고, 전달 받은 상기 외부 전력 제어 정보를 이용하여 발전을 수행하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 제공된다. 상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는, 발전되는 전력을 제어하기 위해 슬랙 제어를 사용하는 하나의 슬랙 인버터; 및 상기 슬랙 인버터와 병렬 연결되며 PQ 제어를 수행하는 적어도 하나의 PQ 인버터;를 포함한다.
상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는, 상기 전력을 발전하는 발전부; 및 상기 EMS로부터 상기 외부 전력 제어 정보를 전달 받는 분산 발전 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 분산 발전 제어부는, 병렬 연결된 상기 슬랙 인버터 및 상기 PQ 인버터로부터 상기 전력을 전달 받아 외부로 출력하는 공통 버스에서 유효 전력 및 무효 전력을 측정하여 측정된 전력을 획득하고, 상기 측정된 전력을 이용하여 하기 수식 1로 표현되는 기준 전력 측정 정보를 생성하는 전달받을 수 있다.
수식 1
Figure 112021126958086-pat00001
Figure 112021126958086-pat00002
(여기서, Pn,ref: n번째 인버터의 기준 유효 전력, Qn,ref: n번째 인버터의 기준 무효 전력, xn: n번째 인버터의 가중치, Pm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 유효 전력, Qm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 무효 전력)
상기 기준 전력 측정 정보는 상기 PQ 인버터로 전달되어 개별 기준 유효 전력 및 개별 기준 무효 전력으로 설정될 수 있다.
상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 상기 슬랙 인버터의 단락이 발생하는 경우 백업 슬랙 인버터가 상기 슬랙 인버터를 대체할 수 있도록 상기 PQ 인버터 중 어느 하나를 상기 백업 슬랙 인버터로 설정하는 단락 대응부를 더 포함하며, 상기 단락 대응부는 상기 PQ 인버터 중 적어도 하나가 단락 되었는지 판단하는 인버터 판단 모듈; 상기 PQ 인버터 중 어느 하나를 상기 백업 슬랙 인버터로 설정하는 백업 설정 모듈; 상기 슬랙 인버터가 상기 슬랙 제어를 수행하는지 판단하는 슬랙 제어 수행 판단 모듈; 및 상기 슬랙 인버터가 단락 된 것으로 판단되면 상기 백업 슬랙 인버터를 상기 슬랙 인버터로 설정하는 슬랙 인버터 설정 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 단락 대응부는, 상기 인버터 판단 모듈의 판단 결과, 상기 PQ 인버터가 모두 단락 된 경우 상기 백업 슬랙 인버터 설정을 종료할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 슬랙 인버터를 사용하고, 출력되는 전력을 측정하여 가중치를 적용해 기준 전력 정보로 사용함으로써 발전기 내부 인버터의 단락이 발생하더라도 오차범위 내의 출력 전력을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 백업 슬랙 인버터를 지정함으로써, 슬랙 인버터의 단락이 발생하더라도 다른 인버터가 슬랙 제어를 수행하도록 함으로써 빠른 시간 내에 출력되는 전력을 안정시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 내부 구조를 간단히 나타낸 도이다.
도 2는 도 1의 단락 대응부를 상세히 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 1의 단락 대응부에서 백업 슬랙 선정을 위해 수행하는 단계를 나타낸 순서도이다.
도 4는 하나의 주 발전기와 두 개의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 연결되는 전력 그리드의 일 예를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PQ 인버터의 내부 구조를 보다 상세히 나타낸 도이다.
도 6은 슬랙 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 슬랙 인버터가 동작을 정지한 이후 다른 인버터를 추가할 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 PQ 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 전력 그리드에서 임의의 발전기가 동작을 정지하였을 때 나머지 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 PQ 인버터가 드룹 제어를 수행하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 슬랙 인버터와 PQ 인버터 모두 드룹 제어를 수행하는 구조를 추가하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 내부 구조를 간단히 나타낸 도이고, 도 2는 도 1의 단락 대응부를 상세히 나타낸 블록도이며, 도 3은 도 1의 단락 대응부에서 백업 슬랙 선정을 위해 수행하는 단계를 나타낸 순서도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 EMS(2)와 연결되고, EMS(2)로부터 외부 전력 제어 정보를 전달 받고, 전달 받은 외부 전력 제어 정보를 이용하여 발전을 수행할 수 있다.
이를 위해 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)는 하나의 슬랙 인버터(11), n개의 PQ 인버터(13), 분산 발전 제어부(15), 재생 에너지원(17) 및 에너지 저장부(19)를 포함하여 형성될 수 있다.
슬랙 인버터(11)는 발전되는 전력을 제어하기 위해 슬랙 제어를 수행하는 인버터를 의미한다. 슬랙 인버터(11)는 도 1과 같이 슬랙 제어 모듈(111)과 제1인버터(113)로 구성된다.
PQ 인버터(13)는 슬랙 인버터(11)와 병렬 연결되며, PQ 제어를 수행하기 위해 구비된다. 이때, 본 발명에서 PQ 인버터(13)는 적어도 하나가 구비될 수 있으며 바람직하게는 복수개가 구비될 수 있다. 또, PQ 인버터(13)는 도시된 바와 같이 PQ 제어 모듈(131)과 제k인버터(133)로 구성된다.
분산 발전 제어부(15)는 EMS로부터 외부 전력 제어 정보를 전달 받으며, 슬랙 인버터(11)와 PQ 인버터(13)를 지나 외부로 출력되는 전력의 크기를 측정한 측정된 전력을 획득하도록 형성될 수 있다.
재생 에너지원(17)은 본 발명에서 발전을 수행하는 발전부를 대치하는 구성일 수 있다. 본 발명에서는 발전을 위해 재생 에너지원(17)을 이용하는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 재생 에너지원(17)을 사용하지 않더라도 다른 발전 방법을 통해 전력을 발전할 수도 있다.
에너지 저장부(19)는 재생 에너지원(17)에서 발전된 전력을 저장하고, 필요에 따라 슬랙 인버터(11) 또는 PQ 인버터(13)로 전달하도록 형성된다.
본 발명의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)에서 분산 발전 제어부(15)는 본 발명의 목적 중 하나인 전압의 일정한 유지를 위해 공통 버스로부터 측정된 전력을 획득하면, 획득한 측정된 전력으로부터 측정된 유효 전력 및 측정된 무효 전력을 획득할 수 있다. 여기서, 전력은 도 1의 A 지점에서 측정될 수 있다. 도 1의 A 지점에서 획득되는 전력은 본 발명의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)에서 최종적으로 외부 도선으로 출력되는 발전 전력이다. 분산 발전 제어부(15)는 해당 전력을 획득하여 각각의 인버터(11, 13)에 적용할 수 있는 기준 전력 측정 정보를 생성할 수 있다.
기준 전력 측정 정보는, n개의 인버터(113, 131)로 전달되어 각각의 인버터를 통해 출력되는 전력의 크기를 설정하도록 형성되며 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112021126958086-pat00003
Figure 112021126958086-pat00004
(여기서, Pn,ref: n번째 인버터의 기준 유효 전력, Qn,ref: n번째 인버터의 기준 무효 전력, xn: n번째 인버터의 가중치, Pm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 유효 전력, Qm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 무효 전력)
상기 수학식 1은 각각 n번째 인버터의 기준 유효 전력과 n번째 인버터의 기준 무효 전력을 나타내는 식이다. 본 발명의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)는 후술하는 바와 같이 슬랙 인버터(11)에서는 일반적인 상태에서는 전력이 출력되지 않고 PQ 인버터(13)를 통해서만 전력이 출력되기 때문에, 상기 수학식 1에서의 n은 도 1을 기준으로 슬랙 인버터(11)에 포함되는 제1인버터(113)를 제외하여야 하기 때문에 k-1개로 표현될 수 있다.
한편, 슬랙 인버터(11)는 슬랙 제어를 위해 하기 수학식2를 기반으로 작동할 수 있다.
Figure 112021126958086-pat00005
Figure 112021126958086-pat00006
Figure 112021126958086-pat00007
(여기서 Vs: 인버터의 순간 단자 전압, Vp: 인버터의 전압 피크 값, θ: 단자 전압 위상각, ω: 정격 주파수)
슬랙 인버터(11)는 공통 버스로부터 전압 Vm을 측정할 수 있다.
슬랙 제어란, Vm이 기준 전압 값인 Vref미만인 경우, 슬랙 인버터(11)의 전압 피크 값 Vp는 증가하며, 기준 전압 값인 Vref초과인 경우, 슬랙 인버터(11)의 전압 피크 값 Vp는 감소시키는 제어 방법을 말한다. 슬랙 제어에서 슬랙은 슬랙 인버터를 말한다.
본 발명의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)는 상술한 구성을 이용하여 정상 상태에서 발전 전력을 외부로 일정한 전압을 가지며 출력하도록 형성된다. 본 발명에서는 전압을 일정하게 유지하기 위해 슬랙 제어를 이용하는 슬랙 인버터(11)를 이용하는데, 슬랙 인버터(11)가 고장 등의 이유로 슬랙 제어를 수행하기 어렵게 되는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)에서 출력되는 전압이 일정하게 유지되지 못하는 상황이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 슬랙 인버터(11)가 고장나는 상황에서도 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있도록 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)를 구성하는 적어도 하나의 PQ 인버터(13)가 PQ 제어 대신 슬랙 제어를 수행하도록 형성될 수 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에서 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)는 단락 대응부(21)를 더 포함할 수 있다. 단락 대응부(21)는 슬랙 인버터(11)가 고장이 나 회로의 제어를 수행할 수 없다면(이하 편의상 단락이라 함) 기 설정한 백업 슬랙 인버터가 슬랙 인버터(11)를 대체하여 슬랙 제어를 수행하도록 할 수 있다. 이를 위해 단락 대응부(21)는 도 2에 도시된 바와 같이 인버터 판단 모듈(211), 백업 설정 모듈(213), 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215) 및 슬랙 인버터 설정 모듈(217)을 포함할 수 있다.
인버터 판단 모듈(211)은 PQ 인버터(13) 중 적어도 하나가 단락 되었는지 판단하기 위해 형성된다. 인버터 판단 모듈(211)은 후술되는 백업 슬랙 인버터를 선정하거나, 백업 슬랙 인버터를 대체 슬랙 인버터로 설정하기 위해 PQ 인버터(13)가 단락 되었는지를 판단할 수 있다.
인버터 판단 모듈(211)은 PQ 인버터(13) 중 적어도 하나가 단락 되었는지 판단하고, 판단 결과를 이용하여 현재 단락 되지 않고 남아있는 잔여 PQ 인버터(13)의 개수를 확인한다. 인버터 판단 모듈(211)에서 잔여 PQ 인버터(13)가 적어도 한 개 남아 있는 것으로 판단하는 경우, 백업 설정 모듈(213)은 인버터 판단 모듈(211)로부터 잔여 PQ 인버터(13) 정보를 획득한다.
인버터 판단 모듈(211)에서 모든 PQ 인버터(13)가 단락 된 것으로 판단되면, 백업 슬랙 인버터로 설정 가능한 PQ 인버터(13)가 존재하지 않는 것을 의미하기 때문에 인버터 판단 모듈(211)은 백업 슬랙 인버터 설정 동작을 중단할 수 있다.
백업 설정 모듈(213)은 백업 슬랙 인버터를 설정하기 위해 형성된다. 백업 설정 모듈(213)은 현재 슬랙 인버터(11)를 제외한 잔여 PQ 인버터(13)들 중 어느 하나의 PQ 인버터(13)를 백업 슬랙 인버터로 설정할 수 있다. 백업 설정 모듈(213)은 백업 슬랙 인버터를 설정하기 위해 다양한 기 설정된 조건을 이용할 수 있다. 일 예로 백업 설정 모듈(213)은 백업 슬랙 인버터를 설정하기 위해 최초 슬랙 인버터(11)와 가장 가깝게 연결된 PQ 인버터(13)를 획득하고, 해당 PQ 인버터(13)를 백업 슬랙 인버터로 설정할 수도 있으며, 그 반대로 가장 먼 PQ 인버터(13)를 백업 슬랙 인버터로 설정할 수도 있다. 이러한 백업 슬랙 인버터 설정 방법은 사용자가 기 설정한 조건을 적용함으로써 다양한 방법이 사용될 수 있다.
백업 설정 모듈(213)에서 백업 슬랙 인버터 설정을 완료하면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 슬랙 인버터가 켜져 있는지 확인한 후 켜져 있는 경우 현재 슬랙 인버터(11)가 켜져 있는지 확인한다. 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행할 준비가 되어 있는지 확인할 수 있다. 여기서 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행할 준비는 백업 슬랙 인버터로 설정되는 PQ 인버터(13)가 단선되지 않은 상태를 의미할 수 있다.
백업 슬랙 인버터가 단선되지 않은 상태라면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 현재 슬랙 인버터(11)가 슬랙 제어를 수행하고 있는지를 확인할 수 있고, 백업 슬랙 인버터가 단선된 상태라면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행할 수 없는 상태라고 판단하고, 인버터 판단 모듈(211)에게 잔여 PQ 인버터(13)의 개수를 확인하도록 요청하여 백업 슬랙 인버터를 설정하고, 백업 슬랙 인버터가 켜져 있는지 확인하는 단계를 반복 수행하도록 할 수 있다.
슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 슬랙 인버터가 단선되지 않은 상태여서 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행 가능한 상태라고 판단하면, 상술한 바와 같이 현재 슬랙 인버터(11)가 슬랙 제어를 수행하고 있는지 확인한다. 현재 슬랙 인버터(11)가 슬랙 제어를 수행하고 있는, 다시 말해 슬랙 인버터(11)가 동작하고 있는 경우, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 다시 백업 슬랙 인버터가 단선되지 않은 상태여서 슬랙 제어를 수행 가능한 상태인지를 파악하는 동작을 반복 수행할 수 있다.
이를 통해 본 발명의 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 현재 슬랙 인버터(11) 또는 백업 슬랙 인버터의 동작 여부를 실시간으로 획득하여 적어도 하나의 동작이 정지하는 경우 후속 조치를 실시간으로 수행 할 수 있도록 형성된다.
슬랙 인버터 설정 모듈(217)은 백업 슬랙 인버터가 단선되지 않은 상태에서 현재 슬랙 인버터(11)가 단선되면, 설정된 백업 슬랙 인버터를 현재 슬랙 인버터로 변환 설정하도록 형성된다. 슬랙 인버터 설정 모듈(217)은 백업 설정 모듈(213)을 통해 설정된 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)을 통해 동작 중인 것으로 판단하는 상황에서 현재 슬랙 인버터(11)가 동작을 정지하면, 동작을 정지한 현재 슬랙 인버터(11)로 백업 슬랙 인버터를 설정할 수 있다.
상술한 동작들을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 단선 대응부(21)는 동작하는 PQ 인버터(13)가 적어도 하나 존재하는 경우에 백업 슬랙 인버터를 설정하고, 현재 슬랙 인버터(11)가 고장 또는 단선 등으로 인해 동작이 정지하는 경우에도, 지속적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)의 내부에서 슬랙 제어를 수행하여 외부로 출력되는 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
한편, 상술한 도 2의 단락 대응부(21)에서 수행하는 동작들은, 도 3의 순서도로 표현될 수도 있다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 단락 대응부(21)는 인버터 판단 모듈(211)을 이용하여 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)의 내부에 동작하고 있는 PQ 인버터가 남아있는지 확인한다(단계 S210).
이때, 동작하고 있는 PQ 인버터가 없는 경우에는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)에서 전력을 외부로 출력하지 못하는 것을 의미하기 때문에 슬랙 제어를 수행하는 의미가 없을 뿐 아니라, 임의의 PQ 인버터를 백업 슬랙 인버터로 설정하더라도 해당 인버터가 동작할 수 없기 때문에 백업 슬랙 인버터 설정 과정을 종료할 수 있다.
단계 S210에서 인버터 판단 모듈(211)이 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1) 내부에 동작하고 있는 PQ 인버터가 남아 있는 것으로 확인하면, 백업 설정 모듈(@13)은 백업 슬랙 인버터를 설정한다(단계 S220). 백업 슬랙 인버터는 동작하는 PQ 인버터 중 어느 하나로 설정될 수 있으며, 사용자가 기 입력한 PQ 인버터들 사이의 우선순위 또는 설치 위치 등을 이용하여 설정될 수 있다.
단계 S220에서 백업 설정 모듈(213)이 백업 슬랙 인버터를 설정하면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 설정 모듈(213)에서 설정한 백업 슬랙 인버터가 켜져 있는지 확인한다(단계 S230). 상술한 단계 S230과 후술되는 단계 S240은 실시간으로 슬랙 인버터의 교체를 실시할 수 있도록 수행되는 단계이다. 백업 슬랙 인버터가 켜져 있다면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 현재 슬랙 인버터가 켜져 있는지 확인하고(단계 S240), 백업 슬랙 인버터가 켜져 있지 않다면, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 백업 슬랙 인버터로 설정된 PQ 인버터가 고장 또는 단선 등으로 동작하지 않는 것으로 판단하고, 다시 설정된 백업 슬랙 인버터를 획득하기 위해 단계 S210의 수행을 인버터 판단 모듈(211)에게 요청할 수 있다.
또, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)은 단계 S240을 통해 현재 슬랙 인버터가 켜져 있는지 확인할 수 있으며, 현재 슬랙 인버터가 켜져 있다면, 현재 슬랙 인버터와 백업 슬랙 인버터의 교체가 필요하지 않기 때문에 단계 S230을 반복하여 고장 또는 단선이 발생하지 않은 PQ 인버터가 백업 슬랙 인버터로 설정되어 있도록 백업 슬랙 인버터를 반복하여 확인할 수 있다.
정상적인 상황에서 단계 S230과 단계 S240을 반복하다가, 슬랙 제어 수행 판단 모듈(215)에서 단계 S240을 수행하는 도중에 슬랙 인버터가 꺼진 것을, 다시 말해 현재 슬랙 인버터가 고장 또는 단선이 발생하여 동작을 멈춘 것을 확인한 경우, 슬랙 인버터 설정 모듈(217)은 백업 슬랙 인버터와 현재 슬랙 인버터를 각각 단계 S230 및 단계 S240으로부터 획득하고, 백업 슬랙 이번터를 현재 슬랙 인버터로 변환 설정하도록 할 수 있다(단계 S250).
상술한 단계들을 통해, 본 발명의 단선 대응부(21)는 지속적으로 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1) 내부 인버터들의 상태를 확인하여 실시간으로 그 상태를 반영함으로써 내부 인버터 중 일부의 동작 정지가 발생하더라도, 슬랙 제어가 유지되는 전압을 출력하도록 할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)를 이용하면 하나의 주 발전기와 복수의 본 발명의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1)가 서로 연결된 전력 그리드에서도 전체 전력 그리드의 출력을 일정하게 유지할 수도 있다. 도 4는 이러한 전력 그리드의 일 예시로 하나의 주 발전기와 두 개의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 연결되는 전력 그리드를 나타내는 도이다.
도 4의 제1슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1a)와 제2슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1b)는 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한 구성을 포함한다. 따라서, 상술한 바와 같이 제1슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1a)와 제2슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기(1b)는 내부에서 인버터의 일부가 고장이 나더라도, 동일한 전압을 출력할 수 있으며, 심지어 어느 하나의 발전기가 고장으로 정지하더라도, 나머지 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 출력을 증가시켜 전체 전력 그리드에 흐르는 전력 양 및 전압의 크기를 일정하게 유지할 수 있다. 이는, 상술한 바와 같이 기준 무효 전력 및 기준 유효 전력을 공통 버스로부터 획득하기 때문에 각각의 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 전체 전력 그리드에 흐르는 전력 및 전압을 측정할 수 있기 때문이다.
한편, 도 5에는 상술한 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에 포함되는 PQ 인버터(13)의 내부 구성의 예시가 도시되고 있다. 본 발명의 PQ 인버터(13)는 도 5의 구조로 반드시 한정되는 것은 아니며, 도 5는 단순히 본 발명의 PQ 인버터(13)가 동작하는 원리를 설명하기 위한 도면이므로 핵심적인 동작이 유사한 다양한 구조 역시 본 발명의 PQ 인버터의 범위에 포함되어야 할 것이다. 이하에서는 도 5의 일부 구성을 이용하여 본 발명의 PQ 인버터가 PQ 제어를 수행하는 PQ 인버터일 때와 슬랙 제어를 수행하는 슬랙 인버터일 때 어떤 흐름의 차이가 있는지 간단히 설명하도록 한다.
도 5의 B 영역을 확인하면, n번째 PQ 인버터의 경우 n번째 유효 전력인 Pn을 출력한다. 도 1을 이용하여 설명하였듯이, 본 발명의 분산 발전 제어부는 각각의 인버터에게 기준 유효 전력 및 기준 무효 전력 값을 제공한다. n번째 PQ 인버터는 PQ 모드인 경우, 스위치가 PQ 모드로 연결되어, 자신이 출력하는 Pn과 분산 발전 제어부에서 제공한 Pn,ref의 차이를 출력할 수 있다.
하지만, PQ 인버터가 슬랙 제어를 수행하는 경우, B 영역의 스위치가 슬랙 모드로 연결되게 되고, 이경우에는 기준 유효 전력 값을 획득하지 못하게 된다. 따라서, 슬랙 모드의 PQ 인버터는 자신이 출력하는 유효 전력과 자신이 출력하는 유효 전력을 서로 비교하는 구조를 가지게 된다. 따라서 항상 0값을 출력하게 되며 이는 B 영역을 제외한 다른 영역에서도 동일하게 동작하여 0값을 출력하게 된다.
이러한 동작을 반복하여 유효 전력 측에서는 PI2를 0으로 출력하고, 무효 전력 측에서는 PI4를 0으로 출력하도록 형성된 후, 인버터의 나머지 일반적인 구조를 통과하면서 슬랙 모드의 특정 값을 가지게 된다.
한편, 영역 C를 참조하면, 영역 C는 전압의 최소자승제곱근 값과, 기준 전압 최소자승제곱근 값을 비교하는 영역이다. 이때, 스위치는 상술한 영역 B와 다르게 기준 전압 값이 PQ 모드이며, 실제 측정 값이 슬랙 모드로 나타난다. 따라서, 이러한 구조에서는 슬랙 모드인 경우에 기준 전압 값과 실제 측정 전압 값의 차이를 획득할 수 있으며 그 계산 값이 PI5로 설정된다.
나아가, PI5의 값은 슬랙 모드가 아닌 경우에는 출력되지 않도록 형성되며, 슬랙 모드인 경우 PI5의 값이 출력된다. 슬랙 모드에서 출력된 PI5값은 슬랙 모드를 통과한 유효 전력 및 무효 전력의 특정 값과 곱해져 최종 전압 값을 출력하게 되며, 이때 영역 D에 나타나고 있는 위상 역시 영역 C와 유사한 동작을 통해 계산되어 최종 전압 값에 반영되게 된다. 여기서 위상은 일 예로 실제 값을 직접 제어하는 것이 아닌 축을 변화시키는 방식을 통해 제어될 수 있다.
도 6 내지 도 11에는 상술한 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 실제로 동작하는 다양한 모의 실험 결과가 도시되고 있다. 도 6은 슬랙 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 슬랙 인버터가 동작을 정지한 이후 다른 인버터를 추가할 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이며, 도 8은 PQ 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 전력 그리드에서 임의의 발전기가 동작을 정지하였을 때 나머지 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이며, 도 10은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 PQ 인버터가 드룹 제어를 수행하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 슬랙 인버터와 PQ 인버터 모두 드룹 제어를 수행하는 구조를 추가하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 슬랙 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, 최초에는 슬랙 제어가 파란색 선과 같이 이루어지고 있으며, PQ 컨트롤에서 출력하는 유효 전력 역시 각 0.1MW로 일정하게 나타나고 있다. 이때, 슬랙 인버터가 고장이 나면, 기 설정되어 있던 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행하게 되며 이러한 변화가 주황색 선으로 나타난다. PQ 인버터가 슬랙 인버터로 변화하는 것은 선형적인 동작으로 이루어지며, 따라서, 총 출력 유효 전력이 일정하여야 하기 때문에 해당 PQ 인버터에서 출력되던 유효 전력은 나머지 PQ 인버터에서 출력된다. 따라서, PQ 인버터가 완전히 슬랙 제어를 수행하게 될 때까지 나머지 PQ 인버터들에서 출력되는 유효 전력은 선형적으로 증가하게 된다.
도 6을 쉽게 설명하면 10개의 PQ 인버터가 있었다면 각각의 PQ 인버터는 0.1MW의 유효 전력을 출력하고 있었기 때문에 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 총 1MW의 유효 전력을 출력한다. 이때, 하나의 PQ 인버터가 슬랙 인버터로 재설정되면, 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 총 9개의 PQ 인버터를 이용하여 1MW의 유효 전력을 출력하는 형태로 변화하게 된다. 따라서, 각각의 PQ 인버터는 약 0.11MW의 유효 전력을 출력하게 변화하게 되고, 이러한 변화가 도 6의 노란색 선으로 표현된다.
한편, 도 6의 그래프 내의 우측 부분에서는 모든 부하가 탈락하는 상황을 가정하여 모의 실험을 수행하였다. 이 경우, 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에서 출력되는 전력은 0이 되지만, PQ 컨트롤을 수행하던 PQ 인버터들이 관성적으로 PQ 출력을 수행하려 하게 된다. 따라서, 노란색 선(PQ 인버터)의 출력은 제어가 완료될 때까지 서서히 감소하며, 그 사이의 전력 출력 차이를 주황색 선(슬랙 인버터)가 메꾸어 최종적으로 출력되는 유효 전력을 0으로 유지하는 제어를 수행할 수 있다. 이러한 동작은 무효 전력에서도 동일하게 나타나며, 이벤트가 발생하는 상황에서의 전압, 위상 변화 등을 살펴보면, 오차범위 내에서 움직이기 때문에 충분히 백업 슬랙 인버터가 효과적으로 작용한다고 판단될 수 있다.
도 7은 슬랙 인버터가 동작을 정지한 이후 다른 인버터를 추가할 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면, 0.5초 부근에서 슬랙 인버터가 아닌 다른 PQ 인버터가 회로에 포함되는 이벤트가 발생한다. 도 7은 선행되어 백업 슬랙 인버터가 슬랙 인버터로 설정된 상태이며, 이 경우 사용자는 이미 슬랙 인버터가 존재하기 때문에 새로운 슬랙 인버터를 연결할 필요 없이 다른 PQ 인버터를 연결해줄 수도 있다. 따라서, 추가로 집어넣는 PQ 인버터(주황색 선)는 일정하게 출력을 내기 시작하고, 나머지 PQ 인버터들(노란색 선)은 전체 PQ 인버터에서 출력되는 유효 전력의 값을 동일하게 유지하기 위해 일정하게 감소하기 시작한다.
이때, 슬랙 인버터는 PQ 인버터들이 서로 유효 전력 출력 값을 조정하는 과정에서 오차가 발생하는 것을 제어할 수 있다.
도 8은 PQ 인버터가 동작을 정지하였을 때 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다. 상술한 도 6 및 도 7은 슬랙 인버터가 동작을 정지하는 경우 PQ 인버터인 백업 슬랙 인버터가 슬랙 제어를 수행하는 모의 실험이었으며, 도 8은 슬랙 인버터는 정상적으로 동작하지만 임의의 PQ 인버터가 동작을 정지하는 모의실험이다.
도 8을 참조하면, PQ 인버터가 단선되는 순간, 단선 PQ 인버터(주황색 선)의 유효 전력 출력이 사라지게 된다. 따라서, 이에 반응하여 슬랙 인버터(파란색 선)가 바로 공백 출력을 보상해주며, 이와 동시에 나머지 PQ 인버터(노란색 선)의 출력을 일정하게 증가시켜 정상 동작을 수행하게 된다. 이 경우, 출력의 일부가 갑자기 사라졌기 때문에 전력 및 위상의 변화가 급격하게 나타나지만, 이 경우에도 5% 내의 정상 전압 변동 범위에서 변화가 나타나기 때문에 본 발명에서 기대하는 성능을 나타내는 것으로 확인된다.
한편, 도 6 내지 도 8은 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기 내부에서 인버터들의 변동이 발생하는 경우의 모의 실험 결과이다. 도 9는 전력 그리드에서 임의의 발전기가 동작을 정지하였을 때 나머지 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9에서는 도 4의 전력 그리드 구조를 예시로 하여 모의 실험을 수행하였으며, 좌측의 그래프는 주 발전기의 공통 버스, 우측의 그래프는 다른 분산 발전기의 공통 버스에서의 측정값이다. 도 9를 참고하면, 인버터형 분산 그리드 중 어느 하나의 출력이 사라지는 현상이 나타나면, 전체 전력 그리드에서 출력되는 총 전력량이 동일하여야 하기 때문에 나머지 두 개의 발전기에서 출력을 증가시키게 된다. 따라서, 도 9에서 슬랙 제어 변화가 크게 발생하는 부분에서 발전기의 단락이 일어나고, 여기서 사라지는 출력을 보완해주기 위해 슬랙 인버터에서 출력되는 유효 전력이 증가하게 된다. 이후, 슬랙 인버터의 출력은 다른 PQ 인버터의 출력이 증가하는 것에 맞추어 감소하게 되고, 두 발전기는 모두 기 설정된 PQ 출력 값을 가지게 되어 전체 전력 그리드의 출력 전력량을 일정하게 유지하게 된다.
이때의 전압 변화를 살펴보면 역시 정상 전압 변동 범위인 5% 내에서 레퍼런스 전압이 1.05 및 0.97인 상황에 변동은 0.01 내외의 범위에서 일어나기 때문에 본 발명이 기대하는 효과를 발생시킬 수 있다.
한편, 도 10과 도 11은 본 발명의 슬랙 인버터의 슬랙 제어와 드롭 제어의 성능을 비교하기 위한 모의실험을 수행한 결과이다.
도 10은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 PQ 인버터가 드룹 제어를 수행하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참고하면, 부하 변동이 발생한 후 슬랙 인버터(파란색 선)가 단선되어 사라지는 상황이 발생하면(1번째 이벤트), 백업 슬랙 인버터(주황색 선)가 슬랙 제어를 수행하게 된다. 하지만, 전체 분산 발전기에서 드룹 제어도 동시에 일어나고 있기 때문에 유효 전력이 일정하게 출력되지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이후, 부하가 떨어져 나가게 되어 출력을 감소시켜야 하는 상황이 발생하지만(2번째 이벤트) 드룹 제어가 출력 감소를 방해하여 기대하는 결과를 획득하기 어려운 것을 확인하였다.
마지막으로 도 11은 슬랙 제어와 드룹 제어를 비교하기 위해 슬랙 인버터와 PQ 인버터 모두 드룹 제어를 수행하는 구조를 추가하는 경우 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기가 반응하는 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 슬랙 인버터가 드룹 제어를 동시에 수행하기 때문에 일정한 값(0)을 유지하지 못하고 일부 유효 전력을 출력하고 있는 상태가 확인된다. 이 경우에는 슬랙 인버터의 출력이 0이 아니기 때문에 의도되지 않은 외부에서의 전기적 충격을 슬랙 인버터가 흡수하여 제어해 주는 기능을 충분히 발휘하지 못하는 문제점이 존재한다.
따라서, 최초 슬랙 인버터가 탈락(동작 정지)하더라도 백업 슬랙 인버터 역시 드룹 제어가 수행되기 때문에 유효 전력 출력이 0으로 회귀하지 못하는 현상이 발생한다. 이 경우, 유효 전력 출력을 0으로 회귀시키기 위해 드룹 레이소를 높이게 된다면, 공통 버스를 통해 출력되어야 하는 유효 전력의 크기가 일정하게 유지되지 못하기 때문에 드룹 제어를 수행하는 의미가 약해지게 된다.
도 6 내지 도 11을 통해 수행한 모의실험을 정리하면, 본 발명에서는 슬랙 제어를 수행하고, PQ 인버터가 백업 슬랙 제어를 수행하기 위한 백업 슬랙 인버터로 설정되는 구조로 인하여 내부의 충격 또는 외부의 충격에도 충분히 전력을 유지할 수 있는 반면, 드룹 제어를 이용하게 된다면 도 10 및 도 11에서 살펴본 결과와 같이 본 발명에서 기대하는 효과를 획득하기 어려운 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
1a: 제1슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
1b: 제2슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기
3: 주 발전기 11: 슬랙 인버터
13: PQ 인버터 15: 분산 발전 제어부
17: 재생 에너지원 19: 에너지 저장부
21: 단락 대응부 111: 슬랙 제어 모듈
113: 제1인버터 131: 제nPQ제어 모듈
133: 제k인버터 211: 인버터 판단 모듈
213: 백업 설정 모듈 215: 슬랙 제어 수행 판단 모듈
217: 슬랙 인버터 설정 모듈

Claims (6)

  1. EMS와 연결되어 외부 전력 제어 정보를 전달받고, 전달 받은 상기 외부 전력 제어 정보를 이용하여 발전을 수행하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기에 있어서,
    상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는
    발전되는 전력을 제어하기 위해 슬랙 제어를 사용하는 하나의 슬랙 인버터; 및
    상기 슬랙 인버터와 병렬 연결되며 PQ 제어를 수행하는 적어도 하나의 PQ 인버터;를 포함하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는,
    상기 전력을 발전하는 발전부; 및
    상기 EMS로부터 상기 외부 전력 제어 정보를 전달 받는 분산 발전 제어부;를 포함하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분산 발전 제어부는,
    병렬 연결된 상기 슬랙 인버터 및 상기 PQ 인버터로부터 상기 전력을 전달 받아 외부로 출력하는 공통 버스에서 유효 전력 및 무효 전력을 측정하여 측정된 전력을 획득하고, 상기 측정된 전력을 이용하여 하기 식 1로 표현되는 기준 전력 측정 정보를 생성하는 전달받는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
    식 1
    Figure 112021126958086-pat00008

    Figure 112021126958086-pat00009

    (여기서, Pn,ref: n번째 인버터의 기준 유효 전력, Qn,ref: n번째 인버터의 기준 무효 전력, xn: n번째 인버터의 가중치, Pm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 유효 전력, Qm: 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기의 공통 버스에서 출력되는 무효 전력)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기준 전력 측정 정보는 상기 PQ 인버터로 전달되어 개별 기준 유효 전력 및 개별 기준 무효 전력으로 설정되는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기는 상기 슬랙 인버터의 단락이 발생하는 경우 백업 슬랙 인버터가 상기 슬랙 인버터를 대체할 수 있도록 상기 PQ 인버터 중 어느 하나를 상기 백업 슬랙 인버터로 설정하는 단락 대응부를 더 포함하며,
    상기 단락 대응부는
    상기 PQ 인버터 중 적어도 하나가 단락 되었는지 판단하는 인버터 판단 모듈;
    상기 PQ 인버터 중 어느 하나를 상기 백업 슬랙 인버터로 설정하는 백업 설정 모듈;
    상기 슬랙 인버터가 상기 슬랙 제어를 수행하는지 판단하는 슬랙 제어 수행 판단 모듈; 및
    상기 슬랙 인버터가 단락 된 것으로 판단되면 상기 백업 슬랙 인버터를 상기 슬랙 인버터로 설정하는 슬랙 인버터 설정 모듈;을 포함하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 단락 대응부는,
    상기 인버터 판단 모듈의 판단 결과, 상기 PQ 인버터가 모두 단락 된 경우 상기 백업 슬랙 인버터 설정을 종료하는 슬랙 제어를 이용한 인버터형 분산 발전기.
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