KR20080034527A - 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력변환 장치를 제어하는 장치 - Google Patents

단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력변환 장치를 제어하는 장치 Download PDF

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안종보
전진홍
조창희
김응상
김슬기
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Abstract

3kW 이하급의 소규모 태양 광 발전기와 가정용으로 보급되는 단상의 전력 계통이 연계되는 단상용 분산 발전 시스템에서 발전기로부터의 단상 전류 및 전력 계통의 단상 전압으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치가 개시되어 있다. 방법은 a) 단상 전원으로부터 출력되는 전류 값 및 상기 단상 전원에 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 각각 샘플링하는 단계; 및 b) 상기 단계 a)에 의해 샘플링되는 샘플링 전압 및 전류 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치 {1 or 3 phase power conditioning system for photovoltaic generation}
도 1은 태양 전지 어레이를 이용한 전력 변환 장치와 3상의 전력 계통과 연계되는 전형적인 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3상 전력 변환 장치를 제어하기 위한 종래의 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 통상 소형의 가정용 태양 광 발전에서 많이 적용되는 단상용 태양광발전 시스템의 구성도이다.
도 4는 종래의 단상용 전력변환장치의 제어기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 장치에 적용되는 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값을 모의하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치를 적용할 수 있는 하드웨어적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 태양 전지 어레이 2, 4 : 직류전압센서
3 : 직류 리액터 5, 8 : 직류 평활용 캐패시터
6 : 승압용 스위칭소자 7 : 직류 전류센서
9 : 인버터용 스위칭소자 10 : 인버터 출력전류 센서
11 : 인버터 출력용 리액터 12 : 인버터 출력용 필터 캐패시터
13 : 전자접촉기 15 : 교류 전력계통
28 : 전류제어기 33 : 위상고정루프
40 : 제어부 43 : 신호처리프로세서
본 발명은 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치에 관한 것으로서 특히, 3kW 이하급의 소규모 태양 광 발전기와 가정용으로 보급되는 단상의 전력 계통이 연계되는 단상용 분산 발전 시스템에서 발전기로부터의 단상 전류 및 전력 계통의 단상 전압으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치에 관한 것이다.
태양 전지를 이용한 분산 발전 시스템을 기존의 전력 계통에 연계 운전하는 소위 계통 연계형 전력 변환 장치의 제어 기법은 다음과 같은 두 가지 문제가 있다.
첫째는 단상용과 삼상용을 분리하여 제작하므로서 별도의 하드웨어와 제어 소프트웨어를 가져야 하므로 제작 원가가 상승하는 등의 문제가 있다.
둘째, 단상용의 경우 3상용으로 적용하는 제어 및 계측기법을 적용할 수 없는 문제가 발생한다. 즉, 3상용으로 개발된 소위 dqo-변환 기법은 유효 전력과 무효 전력의 독립적인 제어가 가능할 뿐만 아니라 무효 전력과 유효 전력 등 전력의 계측도 용이한 장점이 있지만 단상용에는 그대로 적용할 수 없는 문제가 발생한다. 즉, dqo-변환 기법은 3상의 전기량(전압, 전류)을 직류량으로 변환하는 방법으로서 단상 시스템에서는 적용할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 단상 시스템에 이러한 효과적인 기법을 적용하기 위해서는, 측정된 단상의 전기량으로부터 위상지연이 가능한 저주파필터(low pass filter) 혹은 전역통과필터(all pass filter)를 사용하여, 다른 두상의 전기량을 모의하는 방법들이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 필터 기법들은 주파수 변동에 따른 위상 지연이나 이득의 차이가 발생하여 안정적으로 3상으로 모의할 수 없는 등의 문제가 있어 실제적인 적용에는 한계가 있다.
또 다른 방법으로는, 단상 시스템에서 전력 계통의 전압과 전력 변환 장치의 전류의 위상을 동기시키기 위하여 전력계통 전압의 영점 검출 신호(zero crossing signal)를 이용하는 방법이 제안되고 있으나, 이 방법은 노이즈나 함몰 등 전압의 왜곡이 심한 경우에는 오동작할 가능성이 높으며, 단상 시스템에서 전력을 계측하기 위해서는 전압과 전류 사이의 위상차를 별도로 측정해야하는 단점이 있다. 즉, 이러한 영점 검출 방법은 실효치를 계산하기 위하여 아나로그-디지털변환 외에 별도로 펄스화된 영점 검출 신호 입력 회로 및 이 회로로부터 주파수와 위상을 연산하는 수단을 구비해야 하는 등의 문제가 있다.
3상 시스템에서 적용되는 전력 변환 장치의 제어 방법을 설명하면, 먼저 3상의 전압은 전기적으로 위상차를 가지며 다음의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006074593301-PAT00001
Figure 112006074593301-PAT00002
Figure 112006074593301-PAT00003
(식 1)
여기서, wㆍt=2πfㆍt, f는 주파수[Hz]이다.
3상의 순시 전압을 dqo-변환하면 다음의 식(2)와 같이 직류량을 얻을 수 있다.
Figure 112006074593301-PAT00004
Figure 112006074593301-PAT00005
Figure 112006074593301-PAT00006
(식 2)
여기서, θ= ωㆍt이다.
통상 평형의 3상인 정현파의 전압 혹은 전류 같은 전기량을 (식 2)과 같이 변환하면 d축의 값인
Figure 112006074593301-PAT00007
는 0이 되고 q축의 값인
Figure 112006074593301-PAT00008
는
Figure 112006074593301-PAT00009
즉, 정현파의 최대치가 되며 평형인 경우
Figure 112006074593301-PAT00010
는 0이 된다. 이러한 값의 특성을 이용하여 3상의 전압 혹은 전류의 순시치를 알면 아래의 (식 3)와 같은 식을 이용하여 교류 전압 혹은 전류의 주파수 및 위상값을 얻을 수 있다.
Figure 112006074593301-PAT00011
(식 3)
즉, d축의 전압 혹은 전류의 값이 0이 되도록 제어기를 구성하여 입력 전류 혹은 전압과 동일한 주파수 및 위상이 되는 주파수 및 위상을 검출하게 되며 이를 소위 위상 고정 루프라고 한다. 3상 시스템에서는 위와 같은 방법을 이용하여 입력되는 전압 및 전류의 주파수, 위상을 얻고 이를 이용하여 위의 (식 2)를 이용하여 입력 신호의 실효치를 구하게 된다. 또한, (식 2)에 의해 구해진 전압, 전류의 d축, q축 성분을 이용하여 유효전력 및 무효전력을 아래의 (식 4)와 같이 구할 수 있다.
Figure 112006074593301-PAT00012
(식 4)
한편, 계통연계형 전력변환장치에 있어서 출력전류는 아래의 (식 5)에 따라 동작하는 전류 제어기에 의해 제어되며 통상 역률 1로 운전되도록 하기 위해서 d축의 전류기준치는 '0'으로 하게 된다.
Figure 112006074593301-PAT00013
(식 5)
위의 (식 1) - (식 5)까지를 이용하여 3상 시스템의 전류제어 및 전력량 계측을 수행할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 3상 시스템에만 적용되며 단상시스템에서는 적용될 수가 없다. 왜냐하면, 위의 식 전개에서 보는 바와 같이 3개의 입력값을 가져야 하나 단상 시스템에서는 1개의 값만을 가지기 때문이다.
도 1은 태양 전지 어레이(1)를 이용한 전력 변환 장치와 3상의 전력 계통과 연계되는 전형적인 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 태양 전지 어레이(1)의 전압은 크기가 인버터의 입력으로서 충분히 높지 않기 때문에 승압용 리액터(3), 승압용 스위칭소자(6) 및 다이오드(16)를 이용하여 승압 컨버터(17)를 입력회로로 사용한다. 승압 컨버터(17)는 태양전지 어레이(1)의 최대전력점을 추종하는 제어를 위하여 전지의 전압(2) 및 전지의 출력전류(7)를 검출하게 된다.
승압된 직류전압은 계통연계인버터(18)에 의해 전력계통(15)에 전력을 공급하게 된다. 계통연계인버터(18)는 6개의 스위칭소자(9), 교류리액터(11), 교류필터 캐패시터(12) 및 전압센서(14), 전류센서(10)로 구성되며 전자접촉기(13)에 의해 전력계통(15)에 연결 혹은 차단된다. 전압 센서(14)의 목적은 인버터(18)의 출력전류를 계통전압(15)과 위상 동기시켜 공급하기 위한 것으로서 검출된 전류(10)가 계통전압(15)의 위상과 일치하도록 제어된다.
도 2는 도 1에 도시된 3상 전력 변환 장치를 제어하기 위한 종래의 제어기를 나타낸 구성도이다.
먼저, 계통 전압(15)을 전압 센서(14)로 검출하여 (식 2)에 따르는 dqo-변환기(20)에 의해 dqo-변환하면, dqo-변환된 Vde 및 Vqe 값(21)이 나오고 dqo-변환의 특성을 이용하여 위상을 검출하는 위상 고정 루프(33)를 구성할 수 있다. 위상 고정 루프(33)는 입력되는 3상의 정현파 신호를 입력 신호와 일치하는 위상의 각도(25)로 dqo-변환하면 d-축의 전압 출력, Vde가 0이 된다는 사실을 이용한다. 따라서 dqo-변환된 Vde가 0이 되도록 위상을 조정하는 제어기(식 3)를 구성할 수 있으며(24) 이 출력이 위상 정보(25)가 된다. 이 위상 정보(25)를 이용하여 마찬가지로 전류에 대해서도 전류 센서(10)의 값을 (식 2)에 의해 dqo-변환함으로서 마찬가지로 Ide 및 Iqe(34, 35)를 얻을 수 있다. 구해진 전류와 전압의 dqo 성분(34, 35, 21)을 이용하여 전류 제어기(28)가 (식 5)를 연산함으로서(28) 전류 기준치(27)에 상응하는 전류를 흘리기 위해 필요한 인버터(18)의 스위칭 소자(9)의 스위칭 신 호(32)를 얻을 수 있다. 한편 구해진 전류와 전압의 dqo 성분을 이용하여 용이하게 인버터(18)가 출력하는 유효 전력 및 무효 전력을 (식 4)와 같이 별도의 위상 검출 등의 정보 없이 연산이 가능하다(23).
상술한 바와 같이, 3상 시스템에서는 비교적 간단하게 전류의 제어 및 전력의 연산이 가능하다. 그러나, 이하의 설명에서와 같이, 단상 시스템에서는 나머지 2개의 정보 즉, 전압의 경우 Vb 및 Vc와 전류의 경우 Ib 및 Ic 성분이 없기 때문에 이러한 방법을 적용할 수 없다.
도 3은 통상 소형의 가정용 태양 광 발전에서 많이 적용되는 단상용 태양광발전 시스템의 구성도이다. 도 3에서 도 1과 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하고 그 자세한 설명은 생략한다.
도 3에서 도 1과의 차이점은 전력 계통(15)의 상수가 단상이므로 인버터(19)의 스위칭 소자(9), 교류 리액터(11), 교류 필터 캐패시터(12) 및 전압 센서(14), 전류 센서(10)의 숫자가 감소한다는 점이다. 그러나 이러한 상수의 감소가 도 4를 참조하여 후술할 제어기의 구성에서 볼 수 있듯이 기존의 제어방식을 적용할 수 없게 한다.
도 4는 도 3에 도시된 단상용 태양광 발전시스템의 단상용 전력변환장치를 제어하기 위한 종래의 제어기 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 단상 시스템에서는 1개의 전압 즉, Va(70)만 검출되므로 이를 이용해서 인버터(19)의 전류(10)를 전압과 동상으로 제어해야 한다. 따라서 위상을 검출하는 방법은 저역 통과 필터(72)를 거친 후에 영점 검출 회로(73)를 거쳐서 전압이 0보다 큰가 작은가를 비교하여 음에서 양의 방향으로 0을 통과하는 시점(상승에지) 사이의 시간을 측정함으로써 입력 전압(70)의 주파수를 연산할 수 있다(74). 그리고 이 주파수에 2π를 곱하여(76) 일 적분한 후에(77) 정현을 취하면(78) 입력 전압(70)과 위상 동기된 위상 신호를 얻을 수 있다. 오차를 방지하기 위해서 적분기는 앞단에서 구한 상승에지 신호마다 리세트를 함으로써(79) 동기를 유지할 수 있게 된다. 이 정현파 신호에 전류 기준치(80)를 곱하면(79) 교류 전압 기준치가 발생되고, 이를 인버터(19)에서 검출된 출력 전류(85)와 비교하여 전류 제어기를 구성할 수 있다(82). 전류 제어기의 출력은 전압 기준치가 되며 이는 PWM 발생부(83)에서 인버터의 스위칭 소자를 온-오프할 수 있는 게이팅 신호가 발생된다. 이러한 기존의 방법의 한계는 입력 전입 신호(70)에 포함된 노이즈가 클 경우 필터(72)에서 노이즈를 충분히 필터링하지 못하게 되어 결국, 영점 검출 회로(73)가 오동작하게 되어, 오차가 큰 전류 기준 신호를 생성하게 된다. 또한, 저역 통과필터(72)에 의해 리세트 신호(79)가 원래의 입력 전압 신호(70)보다 위상 지연이 작게 되어, 이로 인해 실제 계통 전압(15)과 인버터(19)의 전류 사이에 원하지 않는 위상차가 발생하는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상술한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단상 시스템에서도 3상 시스템에 적용되는 것과 동일한 제어 및 계측 성능을 구 현할 수 있는 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법은 a) 단상 전원으로부터 출력되는 전류 값 및 상기 단상 전원에 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 각각 샘플링하는 단계; 및 b) 상기 단계 a)에 의해 샘플링되는 샘플링 전압 및 전류 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따라서는, 상기 단계 b)는 b-1) 상기 전력 계통 전압의 한 주기 이상 동안의, 상기 단계 a)에 의해 검출되는 상기 샘플링 전압 및 전류 값들을 저장하는 단계; 및 b-2) 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하기 위해, 상기 단상 전원로부터 현재 출력되는 전류 및 상기 전력 계통의 상기 전압의 값들을 한 상의 전류 및 전압 성분 값들, 및 다른 두상의 전류 및 전압 성분 값들로서, 상기 전압에 대해 1/3 주기 앞서고 1/3 주기 늦은 전압 및 전류의 값들을 상기 저장된 전압 및 전류 값들에서 선택하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 저장되는 전압 및 전류 값들의 저장은 연속적으로 입력되는 데이터를 갱신하는 링 구조의 배열로 저장된다.
바람직하게는, 상기 저장되는 전압 및 전류 값들 각각의 수는 N개이며, 상기 N은 샘플링 시간을 곱했을 때 단상 전원으로부터 출력되는 전압의 주기와 같아지도록 결정한다.
본 발명의 제 2 관점에 따른 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치는 단상의 전력 변환 장치로부터 출력되는 전류를 감지하기 위한 전류 센서; 상기 단상의 전력 변환 장치가 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 검출하기 위한 전압 센서; 상기 전압 센서 및 상기 전류 센서에 의해 감지되는 전압 및 전류 값들을 샘플링하고, 그 샘플링 값들을 저장하기 위한 전압 및 전류 룩업 테이블; 및 상기 단상의 전력 변환 장치로부터 출력되는 전류의 위상을 상기 전력 계통의 전압의 위상에 동기시키기 위해, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장된 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하고, 상기 도출된 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 기초로, 상기 전력 변환 장치를 제어하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블은 상기 전력 계통 전압의 한 주기 이상 동안의, 상기 샘플링 전압 및 전류 값들을 저장한다.
바람직하게는, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블은 상기 연속적으로 샘플링되는 샘플링 값들 갱신하는 링 구조의 배열로 저장한다.
바람직하게는, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장되는 전압 및 전류 값들 각각의 수는 N개이며, 상기 N은 샘플링 시간을 곱했을 때 전력 계통의 전압 주기에 대응한다.
또한, 상기 제어 수단은 상기 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하기 위해, 상기 단상의 전력 변환 장치로부터 현재 출력되는 전류 및 상기 전력 계통의 상기 전압의 값들을 한 상의 전류 및 전압 성분 값들, 및 다른 두 상의 전 류 및 전압 성분 값들로서, 상기 전압에 대해 1/3 주기 앞서고 1/3 주기 늦은 전압 및 전류의 값들을 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장된 전압 및 전류 값들에서 선택한다.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 상기 선택된 3상 전압 및 전류 값들을 dqe-변환 방식을 이용하여 상기 전력 변환 장치를 제어한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 장치에 적용되는 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값을 모의하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따라 단상의 입력 값으로부터 3상을 모의하기 위해, 본 실시 예에서는 전류 및 전압 각각을 위한 2개의 룩-업 테이블(look-up table)이 적용된다.
도 6에 도시된 바와 같은, 룩-업 테이블(look-up table: 97)에는 한 상의 전류(10) 및 전압(14) 각각을 연속적으로 N개 샘플링되고, 이를 N개의 1차원 배열을 이용하여 연속적으로 입력 데이터를 갱신하는 소위 링 구조의 배열로 저장된다. 즉, 입력전압의 한 주기에 해당하는 N개의 1차 배열을 구성할 수 있으며 이 배열에 샘플링되는 입력을 순차적으로 격납하고 개수가 N개를 초과하면 다시 1번의 위치로 되돌아가서 입력하는 링구조의 배열 I(N) 및 V(N)을 작성하게 된다. 여기서, N은 샘플링시간을 곱했을 때 입력전압(14)의 주기와 같아지도록 결정하는 것이 바람직하다. 따라서 링형 배열 속에는 항상 N개의 데이터가 현재 시점을 기준으로 한 주기 이전의 값이 격납되게 된다. 3상의 정현파 신호는 주기의 1/3 기준으로 앞서거나 혹은 뒤져 있으므로 이 관계를 이용하여 현재 시점 k에서의 전압 값 V(k)및 전류 값 I(k)을 a상의 전압 값 및 전류 값이라 하면 k+3/N 및 k-3/N에 해당하는 두 개의 전압 값들 Vb=V(k+3/N) 및 Vc=V(k-3/N), 및 두 개의 전류 값들 Ib=I(k+3/N) 및 Ic=I(k-3/N)을 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)에서 찾아낼 수 있다. 즉, ㅍ[1, N]사이의 현재 위치 k라 하고 그 값을 V(k)라 하면 이 위치로부터 N/3만큼 앞서거나 뒤진 k±N/3 위치의 다른 두개의 값, V(k+N/3), V(k-N/3)을 구할 수 있다. 여기서 k±N/3이 [1, N]의 범위를 벗어나면 벗어난 값에서 N을 더 하거나 빼면 [1, N]의 범위에 오는 값으로 만들 수 있으며 이 때 구해진 k번째 전압값을 현재 시점에서의 A상 전압이라고 가정하면 k-N/3에 해당하는 값이 3상 평형 조건에서의 의 위상이 뒤서는 B상 전압으로 생각할 수 있으며, k+N/3에 해당하는 값이 의 위상이 앞서는 C상 전압으로 생각할 수 있다. 이러한 방법으로 룩업 테이블 만들고 사용하면 단상 전압 입력으로부터 가상의 삼상 평형 전압 신호를 만들 수 있다. 전압에 적용한 룩업 테이블을 전류에 대하여 동일하게 만들고 적용하면 가상의 삼상 평형 전류신호 또한 만들 수 있다. 따라서 단상의 전압과 전류 입력으로부터 가상의 삼상 평형 전압 및 전류 신호를 만들 수 있으므로 식 (1)에서부터 식 (5)까지에 설명한 삼 상 시스템의 제어 방법을 단상 시스템에 적용하는 것이 가능하다.
따라서, 하나의 상 신호로부터 복잡한 연산 없이 3상을 모의할 수 있게 되며, 이와 같이, 모의된 3상의 전압 및 전류 신호를 이용하여 이하에서 설명하는 바와 같이, 3상의 제어 및 계측기법을 그대로 적용할 수 있다.
이어, 도 6에 도시된 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값을 모의하는 방법을 이용하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치는 전류 센서(10), 전압 센서(14), 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98), 전압 및 전류 dqe-변환기(20, 21), 전력 계측 및 전류 제어기(96), 및 PWM 발생기(83)를 포함한다.
상기 전류 센서(10)는 단상의 전력 변환 장치(60)로부터 출력되는 전류를 감지하고 감지되는 전류(91)를 상기 전류 룩업-테이블(98)에 제공한다.
상기 전압 센서(14)는 상기 단상의 전력 변환 장치(60)가 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 검출하고 감지되는 전압(90)을 상기 전압 룩업-테이블(97)에 제공한다.
상기 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)은 상기 전압 센서(14) 및 상기 전류 센서(10)에 의해 감지되는 전압 및 전류 값들을 앞서 상술한 방식(N회)으로 샘플링하고, 그 샘플링 값들을 저장한다.
다시 언급하면, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)은 상기 전력 계통 전압의 한 주기 이상 동안의, 상기 샘플링 전압 및 전류 값들을 저장한다. 또한, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)은 상기 연속적으로 샘플링되는 샘플링 값들 갱신하는 링 구조의 배열로 저장한다. 그리고, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)에 저장되는 전압 및 전류 값들 각각의 수는 N개이며, 상기 N은 샘플링 시간을 곱했을 때 전력 계통의 전압 주기에 대응한다.
상기 전압 및 전류 dqe-변환기(20, 21)는 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장된 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하고, 도출된 3상 전압 및 전류 값들을 dqe-변환하고, 그 결과를 전력 계측 및 전류 제어기(96)에 제공한다. 즉, 상기 전압 및 전류 dqe-변환기(20, 21)는 상기 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하기 위해, 상기 단상의 전력 변환 장치(60)로부터 현재 출력되는 전류 및 상기 전력 계통의 상기 전압의 값들을 한 상의 전류 및 전압 성분 값들, 및 다른 두 상의 전류 및 전압 성분 값들로서, 상기 전압에 대해 1/3 주기 앞서고 1/3 주기 늦은 전압 및 전류의 값들을 상기 전압 및 전류 룩업 테이블(97, 98)에 저장된 전압 및 전류 값들에서 선택한다.
그러면, 상기 전력 계측 및 전류 제어기(96)는 상기 전압 및 전류 dqe-변환기(20, 21)로부터의 변환 값들을 기초로 상기 PWM 발생기(83)를 제어하여 상기 전력 변환 장치(60)로부터 출력되는 전류의 위상을 제어한다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 단상의 전압(90) 및 전류(91) 그리고 각각의 N 배열의 2개의 룩업 테이블(97, 98)을 이용하여 전압과 전류를 각각 3상의 전압(92) 및 전류(9)로 모의하고, 이를 이용하여 기존의 3상 제어기법을 그대로 사용할 수 있게 된다.
도 7은 도 5에 도시된 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치를 적용할 수 있는 하드웨어적인 구성의 일 예를 도시한 도면으로서, 단상 혹은 3상 공통으로 적용할 수 있는 구조이다. 도 7에서, 제어기(40)은 디지털신호처리프로세서(43)를 중심으로 그 주변 장치와 입출력 회로로 구성된다. 제어프로그램이 격납되는 메모리(41), 실제의 시각을 제공하는 리얼 타임 클럭(42), 통신용 UART(46) 및 버퍼(52)로 구성되며 버퍼(52)를 통해서는 표시 장치가 연결되어 운전 상태의 표시가 가능하고 UART(범용비동기송수신부, 46)를 통하여 통신 포트(47)가 연결되며, 이를 통하여 컴퓨터 모니터링이나 원격에서의 운전, 감시가 가능하다. 입출력부는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환(44), 디지털 입출력을 전기적으로 절연해주는 절연부(45)를 포함하며, 그 각각은 아날로그 신호 처리부(48) 및 디지털입출력부(49)가 연결된다. 또한, 아날로그 신호 처리부(48)는 외부의 직류 신호(2, 3, 7) 및 교류의 전압 및 전류신호(10, 14)가 연결되며 디지털 입출력부(49)는 출력(50)으로서는 스위칭 소자(9)의 PWM 신호가 있으며 입력 신호(51)로서는 전자 접촉기(13)의 상태정보 등이 연결된다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 본 발명은 단상 시스템에서 전압, 전류, 유효전력, 무효전력, 주파수 등을 용이하게 계측, 연산할 수 있으며 제어 성능에 있어서도 빠른 응답, 고조파의 억제, 유효전력과 무효전력의 독립적인 제어 등의 특징 을 갖는다. 또한, 단상과 3상에 관계없이 제어 장치 및 그 내부의 제어 프로그램을 동일하게 함으로서 제작 비용을 절감할 수 있다.
즉, 본 발명은 태양 광용 분산 발전 시스템에서 필수적인 직류-교류 전력변환 장치에 있어서 특히, 상용의 전력 계통에 연계 운전되는 소위 계통 연계형 전력 변환 장치에 적용되는 것으로서 전원의 상수 즉, 단상과 삼상에 관계없이 전력변환 장치의 제어 기능을 구현할 수 있다.
또한, 삼상용으로 개발된 기존의 전류 제어 기법들은 3상의 전기량을 좌표변환을 통하여 직류량으로 변환하고 이를 제어함으로서 교류 제어계의 주파수응답의 제한이나 유효전력 및 무효전력의 독립적인 제어의 어려움을 극복할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단상 시스템에서도 3상 시스템에 적용되는 것과 동일한 제어 및 계측 성능을 구현할 수 있는 단상 전원으로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법 및 이를 이용한 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치를 실현할 수 있게 된다.
본 발명을 상기 실시 예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위 내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (10)

  1. a) 단상 전원으로부터 출력되는 전류 값 및 상기 단상 전원에 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 각각 샘플링하는 단계; 및
    b) 상기 단계 a)에 의해 샘플링되는 샘플링 전압 및 전류 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 전원로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 b)는
    b-1) 상기 전력 계통 전압의 한 주기 이상 동안의, 상기 단계 a)에 의해 검출되는 상기 샘플링 전압 및 전류 값들을 저장하는 단계; 및
    b-2) 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하기 위해, 상기 단상 전원로부터 현재 출력되는 전류 및 상기 전력 계통의 상기 전압의 값들을 한 상의 전류 및 전압 성분 값들, 및 다른 두상의 전류 및 전압 성분 값들로서, 상기 전압에 대해 1/3 주기 앞서고 1/3 주기 늦은 전압 및 전류의 값들을 상기 저장된 전압 및 전류 값들에서 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 전원로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저장되는 전압 및 전류 값들의 저장은 연속적으로 입력되는 데이터를 갱신하는 링 구조의 배열로 저장되는 것을 특징으로 하는 단상 전원로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저장되는 전압 및 전류 값들 각각의 수는 N개이며, 상기 N은 샘플링 시간을 곱했을 때 단상 전원으로부터 출력되는 전압의 주기와 같아지도록 결정하는 것을 특징으로 하는 단상 전원로부터 3상의 전압 및 전류 값들을 모의하는 방법.
  5. 단상의 전력 변환 장치로부터 출력되는 전류를 감지하기 위한 전류 센서;
    상기 단상의 전력 변환 장치가 전기적으로 연결된 전력 계통의 전압을 검출하기 위한 전압 센서;
    상기 전압 센서 및 상기 전류 센서에 의해 감지되는 전압 및 전류 값들을 샘플링하고, 그 샘플링 값들을 저장하기 위한 전압 및 전류 룩업 테이블; 및
    상기 단상의 전력 변환 장치로부터 출력되는 전류의 위상을 상기 전력 계통의 전압의 위상에 동기시키기 위해, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장된 값들을 기초로 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하고, 상기 도출된 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 기초로, 상기 전력 변환 장치를 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블은
    상기 전력 계통 전압의 한 주기 이상 동안의, 상기 샘플링 전압 및 전류 값들을 저장하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 수단은
    상기 3상의 전압 값 및 전류 성분들의 값들을 도출하기 위해, 상기 단상의 전력 변환 장치로부터 현재 출력되는 전류 및 상기 전력 계통의 상기 전압의 값들을 한 상의 전류 및 전압 성분 값들, 및 다른 두 상의 전류 및 전압 성분 값들로서, 상기 전압에 대해 1/3 주기 앞서고 1/3 주기 늦은 전압 및 전류의 값들을 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장된 전압 및 전류 값들에서 선택하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 및 전류 룩업 테 이블은 상기 연속적으로 샘플링되는 샘플링 값들 갱신하는 링 구조의 배열로 저장하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 및 전류 룩업 테이블에 저장되는 전압 및 전류 값들 각각의 수는 N개이며, 상기 N은 샘플링 시간을 곱했을 때 전력 계통의 전압 주기에 대응하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
  10. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은
    상기 선택된 3상 전압 및 전류 값들을 dqe-변환 방식을 이용하여 상기 전력 변환 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 단상용 분산 발전 시스템에서의 전력 변환 장치를 제어하는 장치.
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