KR20070103854A - 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법 - Google Patents

분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법에 관한 것으로서, 계통운전형과 단독운전형 전력변환장치를 단일 장치로 통합하여 계통전원이 건전한 경우에는 계통연계운전하고 정전 시에는 단독운전형으로 절체됨으로써 무정전전원장치로 운용할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 특징적인 목적을 달성하기 위한 본 발명은 발전수단으로부터 입력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터 및 축전지를 충전 또는 방전하는 승압기-충전기로 구성된 전력변환부와, 상기 인버터의 스위칭 고조파를 제거하는 캐패시터와, 상기 캐패시터의 출력을 개폐하는 캐패시터 개폐기와, 상기 인버터의 출력을 개폐하는 인버터 개폐기와, 계통전원을 차단하는 전원 개폐기와, 상기 인버터의 출력전압을 검출하는 전압센서와, 상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류센서, 그리고 전원계통의 전압을 검출하는 계통전압검출부로 이루어진 전력변환기 및 전력변환기를 제어하는 제어기로 구성된다.
계통연계형, 단독운전형, 전력변환기, 인버터

Description

분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법{The switching method which and uses this with the power conversion device of the distributed generation}
도 1a 는 본 발명의 일실시예에 따른 종래 계통연계형 전력변환장치에 관한 구성도.
도 1b 는 본 발명의 일실시예에 따른 종래 단독운전형 전력변환장치에 관한 구성도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에 관한 구성도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치 제어기에 관한 구성 및 운전양상을 설명하기 위한 도면.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치를 이용하여 계통연계운전 및 단독운전의 절체 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에 적용된 태양전지 및 전력변환부의 고장판단에 관한 흐름도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에 적용된 승압부, 충전기-축전기의 고장판단에 관한 흐름도.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치에 적용된 인버터의 고장판 단에 관한 흐름도.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 승압기-충전기를 과전압 보호장치로 사용할 수 있는 방법을 보여주는 도면.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 운전상태 진단에 의한 전류제어부의 자동 조정 흐름도.
도 10 은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지를 적용한 전력변환장치에 관한 구성도.
도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 적용한 전력변환장치에 관한 구성도.
본 발명은 분산전원을 계통연계운전과 단독운전 겸용으로 사용할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법에 관한 것이다.
일반적으로 분산발전시스템은 그 운전방법에 따라 계통연계형과 단독운전형(독립운전형)으로 대분된다. 이하, 도 1a 를 참조하여 종래 태양광 발전 시스템의 계통연계형 전력변환장치의 구성 및 그 운전방법에 관해 설명하면, 계통연계형 전력변환장치는 전력변환부(2) 및 제어기(1)로 소분된다. 태양전지의 출력(3)은 전압센서, 전류센서(12) 및 승압용 리액터(6)를 거쳐 승압부(4)에 연결되며, 승압부(4)에 직류 평활용 캐패시터(7)가 연결된다. 제어기(1)는 입력전압, 전류센서(12,16) 와 출력전압센서(15)로부터 연산을 통해서 각각 최대출력제어 및 직류단 일정전압제어를 수행하고 그 결과인 스위칭신호(13, 14)를 각각 승압부(4)와 인버터(5)로 보내 제어하게 된다. 일반적으로 계통연계형 분산발전장치의 전력변환부(2)는 직류단(7)에 축전지와 같은 에너지 저장장치를 가지지 않는데, 이는 전력계통(11)으로부터 부족한 만큼의 전력을 항상 공급받을 수 있기 때문이다. 그러나, 계통전원(11)의 고장으로 인한 정전 발생 시, 안전상의 이유 등으로 운전을 정지하고 차단기(9)를 개방하게 되며, 이에 따라 전원계통(11)과 차단기(9) 사이에 연결될 수 있는 부하는 무전압 상태가 된다.
그리고, 도 1b 를 참조하여 종래 태양광 발전 시스템의 단독운전형 전력변환장치의 구성 및 그 운전방법에 관해 설명하면, 단독운전형 전력변환장치는 전력변환부(2) 및 제어기(1)로 소분된다. 전술한 계통연계형 장치와 달리 계통전원이 연결되지 않으며 축전지(50) 및 승압기-충전기(22)가 직류단(7)에 연결되어 있으며 출력단 필터로서 리액터(8)와 추가로 캐패시터(21)가 설치된다.
제어기(1)는 부하단이 일정전압, 일정주파수를 유지할 수 있도록 제어하고 있다. 또한 태양전지의 입력(3)이 갑자기 증가하거나 감소할 경우, 전력의 공급과 수요의 불균형이 발생하여 직류단(7)의 과전압이 발생하거나 교류 출력단의 전압(15)이 낮아질 수 있으므로 이러한 에너지의 불균형을 보상하기 위한 축전지(50)와 승압기-충전기(22)가 직류단(7)에 연결된다.
전원계통(11)의 전압이 없는 경우, 인버터(5)의 출력은 스위칭에 의한 고조파가 다량 함유되어 있다. 이러한 고조파를 제거하여 정현파 전압을 부하(20)에 공 급하기 위해 리액터(8) 및 캐패시터(21)가 병렬로 연결된다. 제어기(1)는 캐패시터(21)의 전압, 즉 부하(20)에 인가되는 전압과 주파수가 일정하도록 제어하게 된다.
전술한 계통연계형 전력변환장치는 단독운전 기능이 없으며, 복전이 되었을 경우, 다시 전력계통과 동기운전할 수 없어 분산전원의 계통연계에 대한 표준 등에서 규정한 보호기능의 부재와 더불어 에너지 및 설비측면에서 효율적이지 못하다. 또한 단독운전형 전력변환장치는 전력계통 연계를 위한 위상동기 투입기능이나 전류제어 기능이 없기 때문에 전력계통과 임의로 연계될 수 없다.
따라서, 전원이 없는 지역에서 분산발전 시스템의 계통연계를 목적으로 할 경우, 계통연계형 및 단독운전형 전력변환장치를 각각 제작함에 따른 비용 및 제작기간이 소요되는 문제점이 있었다.
또한 계통연계형 및 단독운전형 전력변환장치는 풍력, 태양전지, 연료전지 등과 같은 다양한 에너지원을 이용할 수 없는 문제점이 있었다.
그리고 계통연계형 및 단독운전형 전력변환장치는 전문가에 의한 설치, 시운전 및 유지보수를 필요로 하며 고장 발생 시, 고장 개소의 발견과 수리에 많은 시간 및 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 해결하기 위해 창안된 것으로서, 계통운전형과 단독운전형 전력변환장치를 단일 장치로 통합하여 계통전원이 건전한 경우에는 계통연계운전하고 정전 시에는 단독운전형으로 절체됨으로써 무정전전원장치로 운 용할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
또한, 전력변환장치의 구성에 있어 통상의 모듈형 전력용 소자를 이용함으로써, 제작시간의 단축 및 생산비용을 절감할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 통합된 전력변환장치의 이득자동조정 및 고장판단기능을 통해 사용자가 전문적인 지식 없이도 사용 및 유지보수할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
그리고, 풍력, 태양전지, 연료전지 등과 같은 다양한 에너지원을 이용할 수 있는 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분산발전 시스템의 전력변환장치에 관한 것으로서, 발전수단으로부터 입력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터 및 축전지를 충전 또는 방전하는 승압기-충전기로 구성된 전력변환부와, 상기 인버터의 스위칭 고조파를 제거하는 캐패시터와, 상기 캐패시터의 출력을 개폐하는 캐패시터 개폐기와, 상기 인버터의 출력을 개폐하는 인버터 개폐기와, 계통전원을 차단하는 전원 개폐기와, 상기 인버터의 출력전압을 검출하는 전압센서와, 상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류센서, 그리고 전원계통의 전압을 검출하는 계통전압검출부로 이루어진 전력변환기; 및 상기 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압 의 크기를 바탕으로 전압의 위상을 검출하는 PLL부와, 계통전압과 동상인 전류기준 순시치 및 상기 전류센서를 통해 검출된 전류신호와의 오차를 바탕으로 전류제어값을 산출하는 전류제어부와, 기준위상의 정현값과 전압기준치와 곱하여 산출된 전압기준 순시치 및 전압센서를 통해 검출된 전압신호와의 오차를 바탕으로 전압제어값을 산출하는 전압제어부와, 상기 계통전압검출부를 통해 계통전원의 정전 및 복전을 검출하여 계통연계운전 또는 단독운전으로 판단하는 운전검출부 및 사인펄스변조회로를 포함하되, 상기 전류제어부 및 전압제어부를 통해 산출된 전류제어값 및 전압제어값을 각각 이용하여 인버터의 게이트 펄스를 발생시키는 절체부, 그리고 상기 전력변환부, 승압부, 충전기-축전지 및 인버터의 고장을 판단하는 고장판단부로 이루어진 제어기; 를 포함하되, 상기 전력변환장치는 계통연계운전 및 단독운전 겸용인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전력변환기는, 상기 인버터의 입력전압을 승압하는 승압부와, 상기 인버터의 출력단에 연결되어, 출력단의 전류를 제한하는 리액터와, 인버터의 출력전압의 크기가 계통전압과 차이가 클 경우 계통전압의 크기를 변압하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 전력변환부는, 상기 승압기-충전기 및 인버터가 하나의 모듈로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 캐패시터 개폐기는, 계통연계운전일 경우 개방되고 단독운전일 경우 차단됨으로써, 분산전원의 출력 역률이 진상되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 전력변환기는, 정전이 발생할 경우 상기 전원 개폐기를 차단하고, 캐패시터 개폐기를 개방함으로써, 부하를 무정전상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게 외부저항을 더 포함하되, 축전지를 사용하지 않을 경우 직류단의 과전압을 방지하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게 다이오드 정류기를 더 포함하되, 입력전원인 태양전지 또는 영구자석 발전기의 출력을 정류하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 고장판단부는, 승압부가 운전 중이며 전류제어부의 출력이 0 이상이되, 상기 승압부의 전류가 전력변환기의 단락전류보다 크거나, 승압부의 전류가 0 일 경우 전력변환부의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 고장판단부는, 승압부가 운전 중이고 전류제어부의 출력이 0 이상이며, 입력전류의 변화가 있되, 태양전지의 전압변동이 0 이거나, 태양전지의 전압이 0 일 경우 태양전지의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 고장판단부는, 충전모드에서 충전기가 운전 중이며, 전류제어기의 출력이 0 보다 작되, 축전기의 전압변동이 없거나, 실제 계측된 충전기의 전류가 0 일 경우 충전기-축전지의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 전류제어부는, 계통전압과 동상인 전류기준 순시치 및 상기 전류센서를 통해 검출된 전류를 바탕으로 승압부, 승압기-충전기 및 인버터의 비례이득 및 적분이득을 조정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전력변환기 및 제어기로 구성된 분산발전 시스템의 전력변환장치를 이 용한 절체방법에 관한 것으로서, (a) 운전검출부가 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압을 이용하여 정전이 검출되었는지 여부를 판단하는 단계; (b) 판단결과, 정전이 검출된 경우, 운전검출부가 계통연계운전이지 여부를 판단하는 단계; (c) 판단결과, 계통연계운전일 경우, 운전검출부가 인버터의 위상을 계통전원의 위상과 동상으로 맞추고, 전류제어부의 출력을 전압제어기의 출력으로 치환한 후, 전류제어부를 정지함으로써 단독운전을 수행하는 단계; (d) 상기 운전검출부가 전압제어부를 통해 전압을 제어하며, 복전되었는지 여부를 판단하는 단계; 및 (e) 판단결과, 복전되었을 경우, 상기 운전검출부가 재동기절차를 수행하고 전류제어부를 통해 전류를 제어한 후, 계통운전을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 (e) 단계의 판단결과, 복전되지 않았을 경우, 상기 운전검출부는 상기 (c) 단계부터 단독운전 절차를 수행하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분산발전 시스템의 전력변환장치 및 이를 이용한 절체방법에 관해 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 분산발전 시스템의 전력변화장치의 구성도로서, 전력변환장치는 계통연계형 또는 단독운전형으로 운전하는 전력변환기(100) 및 전력변환기를 제어하는 제어기(200)를 포함한다. 도면을 참조하여 그 세부구성을 살펴보면, 전력변환기(100)는 발전수단으로부터 입력되는 전압을 인버팅하며, 축전지(B)를 충전 또는 방전하는 기능을 수행하는 바, 4개의 스위치로 이루어져 발전수단으로부터 입력된 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(111) 및 축전지를 충전 및 방전하기 위한 2개의 스위치(113,114)를 포함하는 승압기-충전기(112)로 구성된 전력변환부(110)와, 인버터의 스위칭 고조파를 제거하는 캐패시터(120)와, 무효전력의 유입을 차단하기 위해 개폐하는 캐패시터 개폐기(130)와, 인버터의 출력을 개폐하는 인버터 개폐기(131)와, 전원을 차단하는 전원 개폐기(132)와, 인버터의 출력전압을 검출하는 전압센서(140)와, 인버터의 출력전류를 검출하는 전류센서(150)와, 그리고 전원계통의 전압을 검출하는 계통전압검출부(160) 등으로 구성된다.
바람직하게 인버터의 입력전압을 승압하는 승압부(170)와, 인버터의 출력단에 연결되되 계통연계운전일 경우 출력단의 전류를 제한하며 단독운전일 경우 필터의 기능을 하는 리액터(180)와, 인버터의 출력전압의 크기가 계통전압과 차이가 클 경우 계통전압의 크기를 변압하는 변압기(190)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 전력변환부(110)를 구성하는 6개의 스위칭소자는 통상의 모듈형 전 력용 소자로서, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 IPM(Intelligent Power Module)이 사용될 수 있다.
제어기(200)는 전력변환기(100)와 연동되어 제어하는 기능을 수행하는 바, 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압(Veps)의 크기를 바탕으로 전압의 위상(θ e ps)을 검출하는 PLL부(210)와, 상기 전압위상의 정현값과 전류기준치(I*)를 곱하여 계통전압과 동상인 전류기준치의 순시치를 검출하고, 검출된 전류기준 순시치 및 전류센서를 통해 검출된 전류신호(I)와의 오차를 바탕으로 전류제어값을 산출하는 전류제어부(220)와, 상용전원주파수의 각속도(120·π)를 적분하여 기준위상(θ int )을 얻고, 기준위상의 정현값과 전압기준치(V*)를 곱하여 전압기준치의 순시치를 검출하고, 검출된 전압기준 순시치 및 전압센서를 통해 검출된 전압신호와의 오차를 바탕으로 전압제어값을 산출하는 전압제어부(230)와, 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전원의 정전 및 복전을 바탕으로 계통연계운전 또는 단독운전으로 판단하는 운전검출부(240) 및 사인펄스변조회로를 포함하되, 계통연계운전일 경우, 전류제어부를 통해 산출된 전류제어값을 이용하여 인버터의 게이트 펄스를 발생시키며, 단독운전일 경우, 전압제어부를 통해 산출된 전압제어값을 이용하여 인버터의 게이트 펄스를 발생시키는 절체부(250) 및 전력변환부, 승압부, 충전기-축전지 및 인버터의 고장을 판단하는 고장판단부(260)로 구성된다.
다음으로, 상술한 구성을 갖는 전력변환장치의 운전양상에 관해 설명하면, 계통연계형과 단독운전형의 기능을 동시에 만족하기 위해 인버터(111)의 출력단에 리액터(180) 및 캐패시터(120)를 연결하고, 인버터 개폐기(131)와 전원 개폐기(132) 사이에 부하(L)가 연결된다.
이때, 계통연계형으로 운전하는 경우, 계통전원(P)이 변압기(190)를 통해 연결됨으로써 부하(L)에는 분산전원 및 계통전원이 동시에 인가된다. 인버터 개폐기(131)와 전원 개폐기(132)를 닫고, 인버터의 위상을 계통전압과 일치시킨 후, 전류센서(150)를 통해 전류를 제어한다. 여기서, 캐패시터(120)가 닫혀 있을 경우, 계통전압으로부터 무효전력이 유입되어 계통전압의 역률이 진상되는 바, 캐패시터 개폐기(130)을 개방함으로써 무효전력의 유입을 방지할 수 있다.
또한 계통전압에 정전이 발생할 경우, 전원 개폐기(132)를 닫고 캐패시터 개폐기(130)가 개방되어 인버터(111)를 정전압 모드로 운전함으로써, 부하(L)를 무정전상태로 유지할 수 있다. 이러한 운전상태를 단독운전이라 하며, 계통전원이 없는 상태에서 인버터(111)가 부하(L)에 일정 전압 및 일정 주파수를 유지하는 전압 제어를 수행하게 되고, 출력전압은 리액터(180)와 캐패시터(120)에 의해 정현파로 필터링된다. 한편, 계통전압이 복전되면, 단독운전하고 있는 인버터(111)의 위상을 계통전압과 동기화하고 전원 개폐기(132)가 개방함으로써, 다시 계통운전으로 복귀하게 된다.
이하, 상술한 구성을 갖는 전력변환장치를 이용하여 계통연계운전 및 단독운전의 절체흐름에 관해 도 4 를 참조하여 설명한다.
우선, 계통연계운전을 최초 운전상태로 설정한다. 도시된 바와 같이, 계통연 계운전 중, 운전검출부(240)는 전력변환기의 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압을 이용하여 정전이 검출되었는지 여부를 판단(S10)하며, 판단결과, 정전이 검출될 경우, 운전검출부(240)는 계통연계운전 중인지 여부를 판단한다(S20).
판단결과, 계통연계운전 중일 경우, 운전검출부(240)는 인버터의 위상을 계통전원의 위상과 동상으로 맞추고, 전류제어부의 출력을 전압제어기의 출력으로 치환한 후, 전류제어부를 정지시킴으로써 단독운전을 수행한다(S30).
이후, 운전검출부(240)는 전압제어부를 통해 전압을 제어하며(S40), 복전되었는지 여부를 판단한다(S50). 복전되었을 경우, 운전검출부(240)는 재동기의 절차를 수행한 후(S60), 전류제어부를 통해 전류제어를 함으로써 계통연계운전을 수행하며, 복전되지 않았을 경우, 제 S30 단계부터의 절차를 수행한다. 여기서, 재동기 절차란, 전압, 주파수 및 위상을 일정범위 내에 오도록 조정한 후, 전원 개폐기(132)를 개방함으로써 정상적인 계통연계운전을 수행하도록 하는 것이다.
본 발명의 특징적인 일양상에 따른 전력변환장치의 고장판단기능에 관해 도 5 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 태양전지 및 전력변환부의 고장판단 흐름을 도 5 를 참조하여 설명하면, 태양전지 및 전력변환부의 고장판단은 승압부(170)가 운전 중이며, 전류제어부(220)의 출력이 0 이상인 경우에만 동작하도록 설정한다. 여기서, 고장판단부(260)는 승압부의 전류가 전력변환기의 단락전류(loc)보다 크거나, 승압부의 전류가 0 일 경우 전력변환부의 고장으로 판단한다.
또한 고장판단부(260)는 입력전류의 변화분이 0 이 아닐 경우 즉, 전류의 변 화가 있다는 조건에서, 태양전지의 전압변동이 0 이거나, 태양전지의 전압이 0 일 경우 태양전지의 고장으로 판단한다. 이는 전력변환기의 단락전류가 일사량과 주위 온도의 조건에 따라 결정되는 바, 단락전류는 최대일사량의 조건에서도 일정값 이상으로 커지지 않으며, 개방되었을 때에도 일사량과 주위 온도 조건에 따라 일정한 크기의 개방 전압값을 가지게 되는 특성을 이용한 것이다.
다음으로, 축전지의 충전 모드 또는 방전 상태에 따른 승압부, 충전기-축전지의 고장판단 흐름을 도 6 을 참조하여 설명하도록 한다. 도시된 바와 같이, 충전모드 또는 방전모드로 구별하여 판단하며, 방전모드에서는 승압부가 운전 중이며 전류제어부의 출력이 0 보다 큰 경우에 동작되는 것으로 설정한다. 여기서, 고장판단부(260)는 직류전압의 변동분(
Figure 112006027557657-PAT00001
)이 0 이거나, 직류전압(
Figure 112006027557657-PAT00002
)이 설정치 보다 작을 경우 승압부의 고장으로 판단한다.
또한, 충전모드에서는 충전기가 운전 중이며, 전류제어기의 출력이 0 보다 작을 때 동작하게 된다. 이러한 조건을 동시에 만족하는 경우에 고장판단부(160)는 축전지의 전압 변동이 없거나, 실제로 계측된 충전기의 전류가 0 일 경우 충전기-축전지의 고장으로 판단한다.
다음으로, 인버터의 고장판단 흐름을 도 7 을 참조하여 설명하도록 한다. 도시된 바와 같이, 계통연계운전 모드 및 단독운전 모드로 나누어 수행하게 된다.
먼저, 계통연계운전중인 경우, 고장판단부(260)는 인버터 출력전류의 명령치(
Figure 112006027557657-PAT00003
)와 실제 인버터 출력전류(
Figure 112006027557657-PAT00004
)가 설정치 이상으로 차이가 발생할 경우, PLL의 출력이 설정치를 벗어나 운전되는 경우, 직류전압(
Figure 112006027557657-PAT00005
)가 직류전압의 설정치(
Figure 112006027557657-PAT00006
) 보다 크거나, 작은 경우는 인버터의 고장으로 판단한다.
또한 단독운전중인 경우, 고장판단부(260)는 교류출력전압(
Figure 112006027557657-PAT00007
)이 출력전압의 기준치(
Figure 112006027557657-PAT00008
) 보다 크거나 작은 경우와 운전주파수(
Figure 112006027557657-PAT00009
)가 주파수기준치(
Figure 112006027557657-PAT00010
)보다 크거나 작은 경우에는 인버터의 고장으로 판단한다.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 축전지를 사용하지 않을 경우, 승압기-충전기(112)의 2개의 전력용 스위치(113,114)를 직류단 과전압보호장치로 사용할 수 있는 방법을 보여주는 도면으로서, 도시된 바와 같이, 태양전지 또는 풍력발전기로부터 과도한 전력이 입력되어 인버터의 출력이 충분하지 않거나, 인버터의 고장이 발생한 경우 직류단에서 과전압이 발생할 수 있으며, 이러한 직류단 과전압은 전력변환부(110) 또는 캐패시터(120)를 파괴할 수 있다. 따라서, 축전지 대신 외부에 배선한 방전저항(195)으로 상단 스위치(113)를 제어함으로써 직류전압을 일정수준까지 낮출 수 있다. 이때 하단 스위치(114)는 오프되어야 한다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 운전 상태 진단에 의한 전류제어부의 자동조정 흐름도로서, 전류제어부는 승압부(170), 승압기-충전기(112) 및 인버터(111)의 비례이득 및 적분이득을 자동조정하기 위해 목적함수의 평가가 필요하며, 아래와 같은 2개의 지표를 사용한다
ISE(오차자승적분) =
Figure 112006027557657-PAT00011
,
여기서, e(t) = r(t)-y(t), r(t):기준치, y(t): 실제 출력
THD(종합왜형률) =
Figure 112006027557657-PAT00012
Figure 112006027557657-PAT00013
ISE는 전류제어부가 직류인 경우에 기준치에 대해 실제의 전류가 추종하는가를 평가할 수 있는 지수로서, 승압부(170)와 승압기-충전기(112)에 적용한다. 인버터(111)는 교류전류를 출력하고 오차와 전류의 왜형률이 중요한 지표가 된다. 이는 정상상태와 과도상태의 오차를 동시에 평가하기 위해서이다. 도시된 바와 같이, ISE를 계산하기 위해서는 전류 기준치와 실제의 전류가 필요하며 THD를 계산하기 위해서는 전류의 측정치만 필요하다. 승압부(170), 승압기-충전기(112) 및 인버터(111)의 이득은 각각 다음과 같은 절차를 통해 최적의 이득을 찾게 된다.
먼저, 승압부(170)와 승압기-충전기(112)의 경우, 통상의 운전은 승압부(170)는 최대점추종제어에 의해 전류의 기준치가 변동되며, 승압기-충전기(112)는 축전지의 충전상태나 직류단의 전압상태에 따라 전류의 기준치가 변동된다. 그러나 이득 조정시에는 전류의 기준치를 일정하게 두고 스텝으로 변화시켜야 한다.
전류기준치의 스텝입력에 대해서, 초기의 전류제어기 이득에 의해 전류는 응답하고 이 실제의 전류값에 의해 ISE가 계산이 된다(S910A). ISE는 스케일링 계수를 곱하여 목적함수로 계산이 되고(S920), 이 값이 유전알고리즘(S930)의 입력이 된다. 유전알고리즘은 다수의 이득군(여기서, n개의 비례이득-적분이득 조합)을 이 용하여 각각에 대해서 목적함수의 값을 계산한 후에 교배, 돌연변이 등의 연산결과를 통하여 초기 이득을 다른 이득으로 변화시키게 되고(S940), 목적함수가 최적화될 때까지 이 과정을 반복하여 최적의 이득을 탐색하게 된다(S950).
인버터(111)의 경우, 통상의 운전인 경우에는 출력전류의 기준치가 직류전압의 값에 비례하여 증가 혹은 감소하게 되지만 조정시에는 전류를 스텝으로 변화시켜야 한다. 앞의 경우와 마찬가지로 유전알고리즘은 다수의 이득군(여기서, n개의 비례이득-적분이득 조합)을 이용하여 각각에 대해서 스텝입력에 대한 출력의 변화를 관측함에 따라 각각의 경우에 대해서 ISE와 THD를 계산하고(S910B), 여기에 스케일링 계수 및 가중치를 곱하여 목적함수를 계산한다(S920). 이 값을 유전알고리즘에 입력(S930)하여 앞의 경우처럼 각각의 이득군을 조정하여(S940) 최적해에 이를 때까지 반복 수행하게 된다(S950).
다음으로, 본 발명의 특징적인 일양상에 따른 전력변환장치를 태양전지 또는 풍력발전기에 적용되는 모습을 도 10 및 도 11 을 참조하여 설명하도록 한다. 도 10 에 도시된 태양전지(PV)의 경우, 그 차제가 직류출력이므로 직접 전력변환기의 입력 단자(320,330)로 입력될 수 있으나, 직류전압이 높을 경우, 역류하는 것을 방지하기 위한 역류방지용 다이오드(310)를 연결한다. 또한 도 11 에 도시된 연구자석형 동기발전기를 채용하고 있는 풍력발전기(PMSG)의 경우, 출력 교류전압을 직류로 변환하기 위한 다이오드 정류기(340)를 전력변환기의 입력단자(350,360)에 연결한다.
상술한 태양전지 및 풍력발전기 각각은 최대출력점 추종제저(MPPT) 및 출력 전압의 크기 등이 다르므로 동시에 연결할 수 없으나, 동일한 전력변환장치를 이용하여 태양광 또는 풍력발전기용으로 사용 가능하다.
지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 전력변환장치는, 계통운전형과 단독운전형 전력변환장치를 단일 장치로 통합함으로써, 종래와 달리 전원이 없는 지역에서 분산발전 시스템의 계통연계를 목적으로 사용할 수 있으며, 전력변환장치의 이득자동조정 및 고장판단 기능을 통해 사용자의 전문적인 지식 없이도 사용 및 유지보수할 수 있다. 또한 풍력, 태양전지 및 연료전지 등과 같은 다양한 에너지원을 이용할 수 있는 특징적인 장점을 갖는다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 계통운전형과 단독운전형 전력변환장치를 단일 장치로 통합하여 계통전원이 건전한 경우에는 계통연계운전하고 정전 시에는 단독운전형으로 절체됨으로서 무정전전원장치로 운용할 수 있으며, 전력변환장치의 구성에 있어 통상의 모듈형 전력용 소자를 이용함으로써, 제작시간의 단축 및 생산비용을 절감할 수 있다.
또한, 통합된 전력변환장치의 이득자동조정 및 고장판단 기능을 통해 사용자가 전문적인 지식 없이도 사용 및 유지보수할 수 있으며, 풍력, 태양전지, 연료전지 등과 같은 다양한 에너지원을 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 분산발전 시스템의 전력변환장치에 있어서,
    발전수단으로부터 입력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터(111) 및 축전지(B)를 충전 또는 방전하는 승압기-충전기로 구성된 전력변환부(110)와, 상기 인버터의 스위칭 고조파를 제거하는 캐패시터(120)와, 상기 캐패시터의 출력을 개폐하는 캐패시터 개폐기(130)와, 상기 인버터의 출력을 개폐하는 인버터 개폐기(131)와, 계통전원을 차단하는 전원 개폐기(132)와, 상기 인버터의 출력전압을 검출하는 전압센서(140)와, 상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류센서(150), 그리고 전원계통의 전압을 검출하는 계통전압검출부(160)로 이루어진 전력변환기(100); 및
    상기 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압의 크기를 바탕으로 전압의 위상을 검출하는 PLL부(210)와, 계통전압과 동상인 전류기준 순시치 및 상기 전류센서를 통해 검출된 전류신호와의 오차를 바탕으로 전류제어값을 산출하는 전류제어부(220)와, 기준위상의 정현값과 전압기준치와 곱하여 산출된 전압기준 순시치 및 전압센서를 통해 검출된 전압신호와의 오차를 바탕으로 전압제어값을 산출하는 전압제어부(230)와, 상기 계통전압검출부를 통해 계통전원의 정전 및 복전을 검출하여 계통연계운전 또는 단독운전으로 판단하는 운전검출부(240) 및 사인펄스변조회로를 포함하되, 상기 전류제어부 및 전압제어부를 통해 산출된 전류제어값 및 전압제어값을 각각 이용하여 인버터의 게이트 펄스를 발생시키는 절체부(250), 그리고 상기 전력변환부, 승압부, 충전기-축전지 및 인버터의 고장을 판단하는 고장판단부(260)로 이루어진 제어기(200); 를 포함하되, 상기 전력변환장치는 계통연계운전 및 단독운전 겸용인 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환기(100)는,
    상기 인버터의 입력전압을 승압하는 승압부(170)와, 상기 인버터의 출력단에 연결되어, 출력단의 전류를 제한하는 리액터(180)와, 인버터의 출력전압의 크기가 계통전압과 차이가 클 경우 계통전압의 크기를 변압하는 변압기(190)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환부(110)는,
    상기 승압기-충전기 및 인버터가 하나의 모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐패시터 개폐기(130)는,
    계통연계운전일 경우 개방되고 단독운전일 경우 차단됨으로써, 분산전원의 출력 역률이 진상되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변 환장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환기(100)는
    정전이 발생할 경우 상기 전원 개폐기(132)를 차단하고, 캐패시터 개폐기(130)를 개방함으로써, 부하를 무정전상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    외부저항(195)을 더 포함하되, 축전지(B)를 사용하지 않을 경우 직류단의 과전압을 방지하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    다이오드 정류기를 더 포함하되, 입력전원인 태양전지 또는 영구자석 발전기의 출력을 정류하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장판단부(260)는,
    승압부가 운전 중이며 전류제어부의 출력이 0 이상이되, 상기 승압부의 전류가 전력변환기의 단락전류보다 크거나, 승압부의 전류가 0 일 경우 전력변환부의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장판단부(260)는,
    승압부가 운전 중이고 전류제어부의 출력이 0 이상이며, 입력전류의 변화가 있되, 태양전지의 전압변동이 0 이거나, 태양전지의 전압이 0 일 경우 태양전지의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장판단부(260)는,
    충전모드에서 충전기가 운전 중이며, 전류제어기의 출력이 0 보다 작되, 축전기의 전압변동이 없거나, 실제 계측된 충전기의 전류가 0 일 경우 충전기-축전지의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류제어부(220)는,
    계통전압과 동상인 전류기준 순시치 및 상기 전류센서를 통해 검출된 전류를 바탕으로 승압부, 승압기-충전기 및 인버터의 비례이득 및 적분이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치.
  12. 전력변환기(100) 및 제어기(200)로 구성된 분산발전 시스템의 전력변환장치를 이용한 절체방법에 있어서,
    (a) 운전검출부(240)가 계통전압검출부를 통해 검출된 계통전압을 이용하여 정전이 검출되었는지 여부를 판단하는 단계(S10);
    (b) 판단결과, 정전이 검출된 경우, 운전검출부(240)가 계통연계운전이지 여부를 판단하는 단계(S20);
    (c) 판단결과, 계통연계운전일 경우, 운전검출부(240)가 인버터의 위상을 계통전원의 위상과 동상으로 맞추고, 전류제어부의 출력을 전압제어기의 출력으로 치환한 후, 전류제어부를 정지함으로써 단독운전을 수행하는 단계(S30);
    (d) 상기 운전검출부(240)가 전압제어부를 통해 전압을 제어(S40)하며, 복전되었는지 여부를 판단하는 단계(S50); 및
    (e) 판단결과, 복전되었을 경우, 상기 운전검출부(240)가 재동기절차를 수행하고 전류제어부를 통해 전류를 제어한 후, 계통운전을 수행하는 단계(S60); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치를 이용한 절체방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 판단결과, 복전되지 않았을 경우, 상기 운전검출부(240)는 상기 (c) 단계부터 단독운전 절차를 수행하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산발전 시스템의 전력변환장치를 이용한 절체방법.
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