KR102672741B1 - 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연산이 필요없는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템이 개시된다. 상기 시스템은, 전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기, 다수의 상기 발전기로부터의 출력을 각각 측정하는 다수의 출력 측정부, 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치, 상기 에너지 저장 장치를 관리 및 제어하는 전력 관리 제어 장치, 및 다수의 상기 출력 측정부에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 제어 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템 및 방법{System and Method for improving transient stability using power output of synchronous machine}
본 발명은 과도 안정도 개선 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 주파수 연산이 필요없는 동기기 유효/무효출력을 이용한 계통 주파수/전압 과도안정도 개선 시스템 및 방법에 대한 것이다.
최근 전력산업은 동기기와 같은 회전형 발전원에서 (신)재생 에너지 발전원으로 급격히 전환되고 있다. 재생 에너지 확대에 대한 필요성은 누구나 공감하는 부분이지만 전력계통운영의 측면에서 보면 재생 에너지는 자연환경에 의존하여 발전하는 변동성 전원으로 출력조정이 어렵고, 회전체와 달리 관성이 없어서 주파수 및 전압을 안정적으로 유지하는 것이 어려운 것이 현실이다.
따라서 변동성 재생 에너지를 확대하기 위해서는 선행적으로 전력계통의 유연성을 확보하는 것이 중요하다. 태양광 및 풍력발전의 설비가 확대될수록 출력 변동성이 높아져 전력공급 유연성 부족 또는 전력공급 과잉으로 인한 수급불균형이 발생하고 주파수 및 전압의 변동성이 확대되어 정전과 같은 대형사고가 발생할 수 있기 때문이다.
전력계통의 발전원은 크게 회전기 기반의 기존 발전설비와 인버터 기반의 재생 에너지 발전원으로 구분할 수가 있다. 회전기 기반의 발전설비는 기본적으로 계통의 전압, 주파수를 제어하고, 기계적 관성을 가지고 있다.
따라서, 발전기 탈락, 모선 탈락과 같은 계통 사고 발생시, 주파수 변동이 적음으로, 계통 안정도 확보에 기여한다. 하지만, 인버터 기반의 발전원은 기계적 관성이 거의 없으며 따라서 재생 에너지가 확대될수록 점차적으로 계통 관성값이 낮아지고 있다.
이런 문제를 해결하기 위하여 최근 도입된 대용량 BESS(Battery Energy Storage System)는 계통 주파수 변화분을 연산하여 유효전력을 계통에 공급 또는 흡수하는 역할을 수행하여 주파수 변화를 최소화하고 있다.
BESS는 계통전압을 입력으로 받아서 주파수를 연산한 후 변화율과 오차분으로 계통상황을 판단하여 유효전력을 출력 또는 흡수하는 방식이다.
그러나, 주파수 안정용 BESS는 기계적 관성역할을 수행하려면 계통 주파수를 고속연산하여 순시로 유효분을 출력하여 주파수 변동을 적게 하여야 되는데, 주파수 연산과 최종 인버터 출력까지의 시간이 현재 약 400msec로 BESS의 기여가 적을 수 있다.
특히, 우리나라의 경우도 계속 공급되는 재생 에너지와 철거되는 기존 회전형 발전기 때문에 주파수 최저점 및 변화율이 점점 안좋아지고 있다.
1. 대한민국 등록특허번호 제10-1696999호(등록일자: 2017년01월10일)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 연산이 필요없는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 연산이 필요없는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템을 제공한다.
상기 시스템은,
전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기;
다수의 상기 발전기로부터의 출력을 각각 측정하는 다수의 출력 측정부;
에너지를 저장하는 에너지 저장 장치;
상기 에너지 저장 장치를 관리 및 제어하는 전력 관리 제어 장치; 및
다수의 상기 출력 측정부에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 제어 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 블럭은 상기 에너지 저장 장치가 설치된 인근지역의 다수의 상기 발전기로부터의 출력을 상기 에너지 저장 장치의 출력 기준신호로 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다수의 상기 발전기는 3개 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과도 안정도는 3개 이상의 상기 발전기의 유효전력 및 무효전력에 대한 무효전력 중간값 및 무효전력 중간값을 선택하여 생성되는 과도 유효전력 보상신호 및 과도 무효전력 보상신호를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 상기 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)는 수학식
Figure 112022029502860-pat00001
(여기서, Puser는 사용자의 유효전력 지령치이고, Quser는 사용자의 무효전력 지령치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 상기 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 이용하여 산출되는 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)는 수학식
Figure 112022029502860-pat00002
(여기서, pu는 per unit method이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지 저장 장치의 출력은 상기 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)를 이용하여 전류 제어기의 기준 신호인 전류제어 Id축 기준신호(Idref) 및 전류제어 Iq축 기준신호(Iqref)를 생성하고, PI(Proportional-Integral) 제어기 출력 후 축변환에 의하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어의 기준 신호(EPWM(δ))를 연산하여 출력되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유효전력 중간값(PVI)은 유효전력 지령치(Pplant)와 출력 유효전력 (Pgen)의 차이값이고, 상기 무효전력 중간값(QVI)은 무효전력 지령치(Qplant)와 출력 무효전력(Qgen)의 차이값인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 다수의 출력 측정부가 전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기로부터의 출력을 각각 측정하는 단계; (b) 전력 관리 제어 장치가 에너지 저장 장치를 관리 및 제어하는 단계; 및 (c) 제어 블럭이 다수의 상기 출력 측정부에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치(130)의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존 계통전압을 입력으로 받아서 주파수를 연산한 후 변화율과 오차분으로 계통상황을 판단하여 유효전력을 출력 또는 흡수하는 방식이 아닌 획기적인 방법을 제시하고 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 관성이 포함된다는 사실에 착안하여 BESS(Battery Energy Storage System)가 설치된 인근 동기발전기들의 유효전력을 순시로 계측 또는 발전소로부터 공급받아서 유효전력 변동분만을 BESS의 유효전력 보상제어 기준신호로 사용하면, 복잡한 주파수 연산 없이 동기기의 관성분 및 가버너 드룹제어까지 고려된 값이 전력계통에 공급될 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 복잡한 주파수 연산이 필요없고, 실제 관성성분이 모사된 유효전력을 사용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 거의 순시에 가까운 유효전력 공급으로 계통 주파수 최저점을 높여서 기존 방식보다 계통을 크게 안정시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과도 안정도 개선 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과도 안정도 개선 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기존 주파수 변화 응답 대비 감소 가능 시간을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 계통 주파수 하락에 따른 동기기 기계적 관성 및 거버너 드룹에 의한 유효출력을 보여주는 파형도이다.
도 5는 일반적인 J지역 발전원 탈락에 따른 동기 발전기의 유효/무효전력 출력 파형이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발전소의 유효/무효 전력 지령값에 대한 출력값 차이의 측정 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동기기 유효/무효전력 출력을 이용한 계통 주파수/전압 과도안정도를 나타내는 제어 블럭도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, “및/또는”은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다” 및/또는 “구성된다”는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등의 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 대해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로, 급격한 주파수 하강시 동기기는 동기속도를 유지하기 위하여 순시로 유효전력을 계통에 공급하는데, 이때 공급되는 유효전력은 동기발전기 관성에 해당한다.
여기서, 유효전력 출력분에 관성이 포함된다는 사실에 착안하여 BESS(Battery Energy Storage System)가 설치된 인근 동기발전기들의 유효전력을 순시로 계측 또는 발전소로부터 공급받아서 유효전력 변동분만을 BESS의 유효전력 기준신호로 사용하면, 복잡한 주파수 연산 없이 동기기의 관성분까지 고려된 값이 전력계통에 공급될 수 있다.
이 방식의 장점은 복잡한 주파수 연산이 필요없고, 실제 관성성분이 모사된 유효전력을 사용할 수 있고, 거의 순시에 가까운 유효전력 공급으로 계통 주파수 최저점을 높여서 기존 방식보다 안정시킬 수 있다. 우선 도면에 사용된 일부 기호를 정의하면 다음과 같다.
△f: 정격 주파수(60Hz)와 계통 주파수 차이
KD: 가상 댐핑계수
KJ: 가상 관성계수
ROCOF(Rate of Change of Frequency) : 주파수 변화율
Nadir : 주파수 최저점
Pplant, Qplant : 발전소 동기발전기 유효/무효전력 기준신호
Pgen, Qgen : 발전소 동기발전기 유효/무효전력 출력분
PVI/QVI : 발전소 동기발전기 유효/무효전력 기준 대비 실제출력 차이값
Pcomp/Qcomp : BESS(Battery Energy Storage System) P/Q 보상제어 기준값
Puser/Quser : BESS P/Q 사용자 기준값
Pref/Qref : BESS P/Q 사용자 기준값 및 보상제어 기준값이 합쳐진 후 BESS 정격출력(용량)이 고려된 최종 기준값
EPWM(δ) : BESS PCS(Power Conditioning System) PWM(Pulse Width Modulation) 기준신호
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과도 안정도 개선 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 과도 안정도 개선 시스템(100)은, 전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기(110-1,110-2,110-3), 다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력을 각각 측정하는 다수의 출력 측정부(120-1,120-2,120-3), 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치(130), 상기 에너지 저장 장치(140)를 관리 및 제어하는 전력 관리 제어 장치(150), 및 다수의 상기 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치(130)의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 제어 블럭(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 내지 제 3 발전기(110-1,110-2,110-3)는 재생 에너지 발전기, 디젤 발전기, 가스 발전기 등의 조합이 될 수 있다. 부연하면, 전력계통의 발전원은 크게 회전기 기반의 발전설비와 인버터 기반의 재생 에너지 발전원으로 구분할 수가 있다.
회전기 기반의 발전설비는 기본적으로 계통의 전압, 주파수를 제어하고, 기계적 관성을 가지고 있다. 따라서, 발전기 탈락, 모선 탈락과 같은 계통사고 발생시, 주파수 변동이 적음으로, 계통 안정도 확보에 기여한다. 본 발명의 일실시예에서는 동기발전기가 주로 사용되나 이에 한정되는 것은 아니다.
하지만, 인버터 기반의 발전원은 기계적 관성이 거의 없으며 따라서 재생 에너지가 확대될수록 점차적으로 계통 관성 값이 낮아지고 있다. 재생 에너지 발전기로는 풍력 발전기, 태양광 발전기 등이 될 수 있다.
제 1 내지 제 3 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)는 각각 제 1 내지 제 3 발전기(110-1,110-2,110-3)의 유효/무효 전력을 측정하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)는 전류 센서, 전압 센서 등을 포함하여 구성된다. 물론, 이들 센서들은 단독으로 구성될 수도 있다. 또한, 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다. 전압 센서로는 PT(Potential Transformer)가 될 수 있다.
제 1 내지 제 4 변압기(140-1,140-2,140-3,140-4)는 제 1 내지 제 3 발전기(110-1,110-2,110-3) 및 에너지 저장 장치(130)로부터 전력을 변압하는 기능을 수행한다. 물론, 제 4 변압기(140-4)의 경우, 에너지를 저장하기 위해 저압으로 변경할 수도 있고, 에너지 저장 장치(130)에 저장된 에너지를 승압하여 출력할 수도 있다.
에너지 저장 징치(130)는 에너지를 저장하는 배터리(141), 배터리(141)를 관리 제어하는 BMS(Battery Management System)(142), 에너지를 교류 또는 직류로 변환하는 전력 변환 장치(143) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(141)는 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 고전압 배터리가 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
BMS(142)는 배터리 관리를 최적화해 에너지 효율을 높이고 수명을 연장시켜주는 역할을 한다. 배터리 전압, 전류 및 온도를 실시간으로 모니터링하고 과도한 충전 및 방전을 미연에 방지해 배터리 안전성과 신뢰성을 높여준다. 또한, BMS(142)는 저장용량(SOC: State Of Charge)을 계산하여 배터리의 용량 및 전력노화 예측하는 등 배터리의 상태 및 동작을 감시하고 전력 관리 제어 장치(150)와 통신하여 정보를 교환하는 기능을 수행한다.
전력 변환 장치(143)는 직류를 교류 또는 교류를 직류로 변환하는 장치로 배터리의 직류에너지와 계통의 교류 에너지를 상호 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해 전력 변환 장치(143)는 인버터, 컨버터 등을 포함하여 구성될 수 있다. 인버터는 전압형 인버터인 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니고 일부 구성요소를 수정하는 방식으로 전류형 인버터의 적용도 가능하다.
PWM 인버터의 경우 정류된 직류 전압을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 이용하여 전압과 주파수를 동시에 제어한다.
전력 관리 제어 장치(150)는 에너지 저장 장치(140)를 관리 및 제어하는 기능을 수행한다. 부연하면, 전력변환장치로부터 각종 정보를 제공받아 전력 저장 장치(140)의 실시간 모니터링이 가능하며, 상위 관리시스템의 명령 또는 전력요금 고려하여 계산된 충방전 스케쥴에 따라서 충/방전 전력량을 제어하여 전체 전력을 관리하는 기능을 수행한다.
제 1 및 제 2 부하(170-1,170-2)는 제 1 내지 제 4 변압기(140-1,140-2, 140-3,140-4)로부터 변압되는 전력을 소모하는 장치이다. 부하(170-1,170-2)는 일반 건물, 기계, 전동기, 가정집 등이 될 수 있다.
제어 블럭(160)은 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)에 연결되며 동기기 출력을 이용한 과도 안정도를 개선하는 기능을 수행한다. 부연하면, 에너지 저장 장치(140)가 설치된 인근지역의 발전기의 출력을 가져와 에너지 저장 장치(140)의 출력 기준신호로 사용하여 과도 안정도를 개선한다.
일반적으로, 계통전압을 입력으로 받아서 FRC(Frequency Regulation Control)는 고속으로 주파수를 연산한 후 주파수 오차 또는 변화율이 일정값 이상이 되면 유효전력을 계통에 공급한다. 현재 주파수 연산후 전력 관리 제어 장치(150)에 유효전력 기준신호를 보내서 전력 변환 장치(143)가 최종출력할 때까지 약 400msec 정도의 수행시간이 소요된다.
만일 이시간을 최대한으로 줄일 수 있으면 계통 주파수의 최저점 또한 최대한 줄여서 계통 안정도를 개선할 수 있다. 그리고, 기존 주파수 보상 제어를 설명하면, 계통 전압으로부터 주파수를 연산하고 주파수 오차 및 변화율에 댐핑과 관성계수를 곱하여 아래 수학식처럼 유효전력의 기준신호(Pref)를 생성한다.
Figure 112022029502860-pat00003
여기서, KD는 가상 댐핑계수, △f는 주파수차, KJ는 가상 관성계수, t는 시간을 나타낸다. 유효전력의 기준신호는 d축 전류값 기준신호를 계산하여 최종 PWM(Pulse Width Modulation)의 3상기준신호 성분으로 사용한다.
만일 발전기 탈락에 의하여 주파수가 급격히 하강하면, 에너지 저장 장치(140)는 위식의 값을 유효전력으로 계통에 공급한다. 그리고, 무효전력도 사용자가 기준신호를 생성하면 출력으로 계통에 공급된다. 계통 안정도는 계통 주파수 변화에 따른 응답특성이 중요하며 주파수 연산이 정확하고 고속일수록 과도상태에 대한 개선 효과가 우수하므로 기존의 방식을 개선할 필요가 있다.
위 식에서 에너지 저장 장치(140)의 제어 출력은 주파수 과도상태에서 동작되는 부분으로 주파수 변화에 따라서 실제 회전기기가 반응하듯이 관성 유효출력을 가감하여 계통을 안정화시킬 수 있다.
그러나, 현재의 재생 에너지 주파수 연산은 속도가 느려서 회전기기의 관성처럼 즉시 주파수 변화에 빠르게 응답하지 못하고 있다. 본 발명의 일실시예에서는 이를 개선하여 주파수 연산이 필요없는 방식을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과도 안정도 개선 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 3개 이상의 발전기(110-1 내지 110-3)의 유효전력(P)/무효전력(Q) 출력을 측정한다(단계 S210,S220).
이후, 유효전력 중간값(PVI)을 선택하고, 무효전력 중간값(QVI)을 선택한다(단계 S231,S241). 부연하면, 3개 이상의 발전기(110-1 내지 110-3)로부터 유효전력 및 무효전력 중간값을 평균하여 중간값(PVI,QVI)을 산출한다.
이후, 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 연산한다(단계 S233,S243). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112022029502860-pat00004
여기서, Puser는 사용자의 유효전력 지령치이고, Quser는 사용자의 무효전력 지령치이다.
이후, 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)를 연산한다(단계 S235,S245). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112022029502860-pat00005
Pref, Qref는 ㅁ1.0pu를 넘지않게 보상제어를 하면서도 안정적으로 운전될 수 있게 한다. pu는 per unit method가 된다.
이후, 전류제어 Id축 기준신호(Idref) 및 전류제어 Iq축 기준신호(Iqref)를 연산한다(단계 S237,S247). Pref, Qref를 이용하여 전류 제어기의 기준 신호인 Idref, Iqref를 생성하고, PI(Proportional-Integral) 제어기 출력후 축변환에 의하여 PWM제어의 기준 신호(EPWM(δ))를 연산한다(단계 S250).
이후, 계통전압 크기와 위상을
Figure 112022029502860-pat00006
로 가정할 때 아래의 수식을 바탕으로 BESS는 유효전력(P) 및 무효전력(Q)을 계통에 출력하게 된다.
Figure 112022029502860-pat00007
여기서, E와 δ는 각각 BESS 출력전압과 위상이며, V는 계통전압, X는 동기리액턴스이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기존 주파수 변화 응답 대비 감소 가능 시간을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 기존 계통전압 인식부터 최종출력까지 약405msec의 시간이 소요되어 주파수 최저점을 크게 높일 수가 없었다.
따라서, 주파수를 이용한 방법이 아닌 새로운 방법인 에너지 저장 장치(140)가 설치된 인근지역의 동기 발전기의 출력을 가져와 에너지 저장 장치(140)의 출력 기준신호로 사용하면 다음과 같은 장점을 가질 수 있다. 즉 주파수 연산을 위한 약 217msec, 에너지 저장 장치(BESS:(Battery Energy Storage System)의 과도 인식을 위해 약 120msec가 소용된다. 따라서, 예상 감소 시간(310)은 약 337msec이다.
첫 번째, 주파수 연산보다 유효전력 연산이 고속이다.
두 번째, 주파수 연산보다 유효전력 연산이 간단하다.
세 번째, 동기 발전기 유효전력은 기계적 관성을 이미 포함하고 있다.
네 번째, 제어로직 구현이 간단하다. 그래서 4가지 장점을 갖고 있는 동기기 유효출력을 이용한 계통 주파수 과도 안정 방법은 획기적인 발명이라 할 수 있다.
도 3에서 FRC(Frequency Regulation Control)는 계통주파수 변화율 등 연산하여 충방전 유효 전력 기준값을 전력 관리 제어 장치(150)에 전송한다. PCS(Power Conditioning System)는 직류를 교류 또는 교류를 직류로 변환하는 장치로서 배터리의 직류 에너지와 계통의 교류 에너지를 상호 변환하는 시스템이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 계통 주파수 하락에 따른 동기기 기계적 관성 및 거버너 드룹에 의한 유효출력(410)을 보여주는 파형도이다. 특히, 도 4는 계통 주파수 하락에 따른 동기기 유효출력을 나타내고 있다.
주파수가 요란시점(410)부터 최저점(Nadir) 도달전 발전소의 유효전력 출력명령 신호(Pplant)(420)보다 먼저 기계적 관성(Inertia mode)에 의하여 유효전력이 계통에 공급되고, 바로 뒤로 가버너 동작에 의하여 나머지 유효출력이 공급된다.
2가지 모드(관성 모드, 거버너 모드)에 의하여 출력되는 유효전력(PVI)을 에너지 저장 장치(140)의 보상제어로 사용하면, 기존의 주파수 연산방식보다 획기적으로 안정도에 기여할 수 있다.
도 5는 일반적인 도서지역 발전원 탈락에 따른 동기 발전기의 유효전력 출력 파형(510)/무효전력 출력 파형(520)이다. 도 5를 참조하면, 실제 발전원 탈락에 의한 유효 및 무효전력 출력의 패턴(510,520)을 보여주고 있다.
주파수 하강에 따라서 처음에 수직으로 기계적 관성에 의한 유효전력이 출력되고, 그 후에 거버너 드룹제어에 의하여 유효전력이 출력되는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발전소의 유효/무효 전력 지령값에 대한 출력값 차이의 측정 개념도이다. 도 6을 참조하면, 유효전력 중간값(PVI)을 선택하고, 무효전력 중간값(QVI)은 발전기의 유효/무효전력 지령치(Pplant, Qplant)에 따른 출력 유효/무효전력(Pgen, Qgen)의 차이값(610-1,610-2)을 구할 수 있다. 물론, 이 사이에 제 1 노이즈 필터(620-1), 제 2 노이즈 필터(620-2)가 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동기기 유효/무효전력 출력을 이용한 계통 주파수/전압 과도 안정도를 나타내는 제어 블럭도이다. 즉, 발전소 동기기 유효/무효전력 출력량을 이용하여 에너지 저장 장치(140)에 구성되는 전력 변환 장치(143)의 출력량을 조절함으로써 구현할 수 있다. 도 7을 참조하면, 발전기의 출력을 측정하여 중간값을 선택하고(710), 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 연산한다(720-1,720-2). 이후, 과도 유효/무효전력 보상신호(Pcomp, Qcomp)가 에너지 저장 장치의 정격출력값인 ㅁ1.0pu를 넘지 않게 제한하여 안정적으로 운전될 수 있도록 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)를 생성한다(730-1,730-2).
Pref, Qref를 이용하여 전류 제어기의 기준 신호인 Idref, Iqref를 생성한다(730-1,730-2). 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112022029502860-pat00008
여기서, Vd는 동기좌표 d축 계통전압을 의미한다.
현재 시점의 전류 제어기 지령치(Id,Iq)와 새로 연산된 Idref,Iqref의 차이값을 생성하고(740-1,740-2), PI(Proportional-Integral) 제어기 출력후 축변환(dq/abc)에 의하여(750-1,750-2), PWM제어의 기준 신호를 만든다(770).
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM: Read Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 과도 안정도 개선 시스템
110-1 내지 110-3: 제 1 내지 제 3 발전기
120-1 내지 120-3: 출력 측정부
130-1 내지 130-3: 변압기
140: 에너지 저장 장치
150: 전력 관리 제어 장치
160: 제어 블럭
141: 배터리
142: BMS(Battery Management System)
143: 전력 변환 장치

Claims (9)

  1. 전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기(110-1,110-2,110-3);
    다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력을 각각 측정하는 다수의 출력 측정부(120-1,120-2,120-3);
    에너지를 저장하는 에너지 저장 장치(130);
    상기 에너지 저장 장치(140)를 관리 및 제어하는 전력 관리 제어 장치(150); 및
    다수의 상기 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치(130)의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 제어 블럭(160);을 포함하며,
    다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)는 3개 이상이며,
    상기 과도 안정도는 3개 이상의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)의 유효전력 및 무효전력에 대한 유효전력 중간값(PVI) 및 무효전력 중간값(QVI)을 선택하여 생성되는 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 이용하는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 블럭(160)은 상기 에너지 저장 장치(130)가 설치된 인근지역의 다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력을 상기 에너지 저장 장치(130)의 출력 기준신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 상기 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)는 수학식
    Figure 112023115312945-pat00009
    ( 여기서, Puser는 사용자의 유효전력 지령치이고, Quser는 사용자의 무효전력 지령치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 상기 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 이용하여 산출되는 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)는 수학식
    Figure 112022029502860-pat00010
    (여기서, pu는 per unit method이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  7. 재 6 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치(130)의 출력은 상기 보상제어 유효전력 기준신호(Pref) 및 보상제어 무효전력 기준신호(Qref)를 이용하여 전류 제어기의 기준 신호인 전류제어 Id축 기준신호(Idref) 및 전류제어 Iq축 기준신호(Iqref)를 생성하고, PI(Proportional-Integral) 제어기 출력후 축변환에 의하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어의 기준 신호(EPWM(δ))를 연산하여 출력되는 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 전력 중간값(PVI)은 유효전력 지령치(Pplant)와 출력 유효전력 (Pgen)의 차이값이고, 상기 무효전력 중간값(QVI)은 무효전력 지령치(Qplant)와 출력 무효전력(Qgen)의 차이값인 것을 특징으로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 시스템.
  9. (a) 다수의 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)가 전력을 생산하여 출력하는 다수의 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력을 각각 측정하는 단계;
    (b) 전력 관리 제어 장치(150)가 에너지 저장 장치(140)를 관리 및 제어하는단계; 및
    (c) 제어 블럭(160)이 다수의 상기 출력 측정부(120-1,120-2,120-3)에 연결되며 동기기인 다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)로부터의 출력에 기반하여 에너지 저장 장치(130)의 출력을 조절함으로써 과도 안정도를 개선하는 단계;를 포함하며,
    다수의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)는 3개 이상이며,
    상기 과도 안정도는 3개 이상의 상기 발전기(110-1,110-2,110-3)의 유효전력 및 무효전력에 대한 유효전력 중간값(PVI) 및 무효전력 중간값(QVI)을 선택하여 생성되는 과도 유효전력 보상신호(Pcomp) 및 과도 무효전력 보상신호(Qcomp)를 이용하는 것을 특징으 로 하는 동기기의 출력을 이용한 과도 안정도 개선 방법.
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