KR20080048132A

KR20080048132A - 단상계통 접속된 분산전원의 동기운전방법

Info

Publication number: KR20080048132A
Application number: KR1020060118069A
Authority: KR
Inventors: 송종환
Original assignee: 송종환
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-02

Abstract

본 발명은 단상 교류 계통에 연결되는 분산전원에 있어 간략하며 효과적인 전원 동기화 방법을 제공한다. 본 발명에서 제시하는 방법은 단상 계통전원에서 발생할 수 있는 외부 전기적 잡음에 대해 강인한 특성을 가지며 동시에 고립운전 방지를 위한 능동적인 제어 회로를 구성하는데 있어서도 타 제어방법에 비해 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

분산전원, 코사인 제어, DC-AC 컨버터, 단상 계통전원

Description

단상계통 접속된 분산전원의 동기운전방법{Synchroning operation of distributed resource connecting to single phase ac power grid}

도 1은 본 발명에서 제시하는 계통전원 동기검출 및 동기신호 발생회로

도 2는 Sine 파형 출력방식을 적용하였을 때의 출력 파형.

도 3은 Cosine 파형 출력방식을 적용하였을 때의 출력 파형.

도 4는 계통전원이 59Hz로 이탈하였을때(6°)의 Sine 파형 출력방식과 Cosine 파형 출력방식을 확대하여 나타낸 그림.

도 5는 ZCD(Zero Cross Detector)회로의 내부 블럭도.

도 6은 도5의 각 블럭 출력 파형도.

화석연료의 고갈과 에너지에 대한 위기로 인하여 신-재생에너지에 대한 범 세계적인 요구와 관심이 높아지고 있으며 풍력, 태양광, 연료전지, 소수력 등 다양한 에너지 자원을 활용한 대체 에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이렇게 얻은 에너지는 보통 전기적인 에너지로 변환되어 수용가에게 공급되고 있으며 이를 위한 전력변환장치의 개발도 함께 병행되고 있다.

대체 에너지원에서 얻을 수 있는 전기는 직류를 포함한 다양한 주파수로 이뤄져 있으므로 이를 계통에 접속하기 위해서는 계통 주파수와 위상, 전압 등을 일치시켜야 하며 이를 위하여 전력변환장치가 활용된다. 즉 전력변환장치의 주요 역할 중 하나가 계통과 주파수 및 위상 등이 일치하여야 한다. 전력변환장치의 출력 주파수를 계통 주파수에 일치시키기 위하여 통상 PLL(Phase Locked Loop) 이라는 방법을 이용하는데 [특허문헌 1] 이러한 방법은 많은 소프트웨어 자원을 필요로 하며 안정적인 PLL의 동작을 위하여 내부에 적분기를 사용하게 되는데 이로 인해 계통전압의 변화에 대한 즉각적인 대응이 부족한 단점이 있다.

[특허문헌 1] 특허출원 1992-0021218

이제까지의 계통 연계 기술은 전력변환장치의 출력 주파수를 계통 주파수에 일치시켜야 한다는 고정된 시각으로 인해 대부분 회로에서 PLL을 적용하고 있으며 PLL의 범위 안에서 세부회로에 대한 착안 정도가 기존의 제어 방법이었다.

새로운 시도로 단상을 3상처럼 가정하여 동기좌표계를 구성하고 구성된 동기좌표계에서 한 상 성분만을 취하여 단상 계통 전원동기 운전방법도 제안된 바 있다.[특허문헌 2] 하지만 이러한 방법은 입력 전압을 전역필터(All pass filter)라는 특수 필터를 거쳐야 하는데 만약 계통전원에 고조파가 존재하고 있으면 동기좌표계의 위상에 오차가 생기며 이 오차는 출력에 직접적인 영향을 주는 단점을 가진다.

[특허문헌 2] 특허출원 2003-0077709

본 발명은 PLL에 국한된 계통 주파수 일치 방법에서 벗어나 간단하면서도 쉬운 계통 주파수 추종 방법을 제안한다. 먼저 이제까지 고정된 시각 즉 전력변환장치의 출력 주파수를 계통주파수에 일치시켜야 한다는 시각에서 벗어나 전력변환장치의 출력 주파수가 계통에서 규정하는 주파수 범위에서 벗어나지 않고 또한 역률의 저하라든가 THD(Total Harmonic Distortion) 및 TDD(Total Damend Distortion)의 규정을 만족시킬 수 있으면 주파수의 이탈은 문제시 삼을 필요가 없다는 시각으로 전환할 필요가 있다. 즉 전력변환장치에서 얻어지는 전력의 품질이 규정된 전력품질 요건을 만족시키기만 하면 된다는 최종 목적에 충실하게 제어하는 방식을 제안코자 한다.

대다수의 국가에서 사용하는 전력 계통주파수는 50Hz 또는 60Hz로 고정되어 있으며 우리나라도 이중 하나인 60Hz를 사용하고 있다. 이러한 계통주파수는 계통에 접속된 부하가 일정하다면 거의 변화가 없으며, 부하에 변동이 발생하면 일시적으로 변화가 발생한 다음 다시 안정적으로 유지된다. 이러한 변동폭은 국가마다 차이가 있으며 일정값 범위(59.3Hz ∼ 60.5Hz)를 초과할 경우 분산전원은 계통에 전력을 공급해서는 안되는 규정을 두고 있다.

즉 국내에서 적용되는 계통전원은 60Hz에서 약간의 오차가 존재하는 주파수 대역을 가진다. 본 발명은 전력변환장치의 출력 주파수를 60Hz로 고정하고 계통전원 주파수와의 오차를 매 주기마다 보정하는 방법을 제안하며 주파수 오차에서 기인하는 전력품질의 저하를 최소화하는 방법을 제시하므로 간단하고 용이한 계통전 원 동기 운전방법을 제시한다.

본 발명은 각 국가에서 규정하는 계통주파수와 일치하는 주파수를 생성하기 위한 발진기를 내부에 구성하며 이 발진기의 위상 시작점을 계통주파수의 위상과 일치시키는 새로운 방법을 택하므로 기존의 PLL에서 나타나는 문제 즉 응답성 저하의 문제, 회로의 복잡성 등의 문제를 해결하였으며 저렴하고 신뢰성 있는 전력 계통전원 동기 운전방법을 제시한다.

도1은 본 발명에서 제안한 방법을 구현하기 위한 도식도로서 계통전압(1)은 ZCD(Zero-Cross Detector)회로(2)에서 극성 판별이 이루어지며 전압의 극성이 음에서 양(또는 양에서 음)으로 변화하는 시점에서 짧은 펄스를 발생시켜 연결된 60Hz카운터(3)를 초기화 한다. 60Hz카운터(3)는 일반적인 카운터로 정밀 발진자(4)로부터 일정 주파수 입력을 받아 이를 일정 크기로 분주하는 형태로 구성할 수 있다. 60Hz카운터(3)는 매 제어 주기마다 계수된 카운터값을 Look-Up Table(5)로 보낸다. Look-Up Table(5)은 60Hz카운터(3)로부터 입력된 값에 해당하는 정현파출력(11)을 곱하기 연산회로(6)로 보낸다. 전력변환회로가 출력하여야 할 제어지령발생부(7)는 전력변환회로 제어기 내에 별도로 구성되어 있으며 본 발명의 범위에는 벗어난다. 통상 제어지령발생부(7)의 제어출력(12)은 직류값을 가지며 전류지령값이 될 수 있지만 전력변환기 내에 별도의 전류제어기가 준비되어 있다면 제어출력(12)은 전압값이 되어야 한다. 어떠한 값이 제어출력(12)으로 준비된다 하더라도 본 발명의 취 지에 벗어나지 않는다. 정현파출력(11)과 제어출력(12)가 곱하기 연산회로(6)을 거친 출력은 인버터(8)에서 PWM(Pulse Width Modulation)으로 변환되어 출력된다. 만약 계통전원(1)이 60Hz의 일정주파수라면 60Hz카운터(3)와 Look-Up Table(5)에서 얻어지는 주파수가 동일하므로 ZCD회로(2)에서 동기시작점과 함께 계통전원(1)과 전력변환회로의 출력은 주파수, 위상이 동일한 출력파형이 얻어진다. 계통전원(1) 주파수가 60Hz를 벗어나게 되면 한 주기마다 행해지는 초기화 시점에서만 계통전원(1)과 전력변화기의 출력이 일치하게 되며 그 다음부터 조금씩 파형이 다르게 되는데 도2, 도3에서 설명된다.

도2는 초기화 시점에서 Sine 출력이 얻어지는 경우이며, 도3은 초기화 시점에서 Cosine 출력이 얻어지는 경우 출력의 차이를 비교하였다. 도2의 (2-가)는 계통전원(1)의 전압이며 전압의 극성이 바뀌는 매 주기마다 리셋펄스(2-나)를 발생하고 60Hz카운터(3)는 카운터를 다시 시작한다. 60Hz카운터(3)에 입력되는 발진자(4)의 주기는 일정하므로 카운터에는 동일한 기울기로 저장되는 값이 늘어갈 것이며 (2-다)에 표시되어 있다. 이렇게 저장되는 값은 위상과 일대일 관계에 있다. 만일 계통전원(1)의 주파수가 정확하게 60Hz 라면 리셋펄스(2-나) 간의 간격은 정확히 2π(360도)가 되어 계통전원(1)의 파형(2-가)과 전력변환장치의 출력파형(2-라)은 일치한다. 만약 계통전원(1)의 파형이 (2-마)처럼 60Hz를 초과하게 되면 리셋펄스(2-바) 간 간격은 (2-사)처럼 2π보다 적어질 것이며 이로 인해 출력파형(2-아)에 왜곡이 일어난다. 계통전원(1)의 파형이 (2-자)처럼 60Hz보다 적어지면 반대로 리셋펄스(2-차) 간 간격은 (2-카)처럼 2π보다 커지며 이로 인해 출력파형(2-타)에 왜곡이 일어난다. 이와 같이 초기화 시점에서 Sine파형을 사용하면 약간의 주파수 변동에 따른 출력 정현파형의 왜곡이 의외로 큰 것을 알 수 있는데 예를 들어 계통전원(1)의 주파수가 59Hz라 할 때 리셋펄스 간 간격은 0.28mSec 정도 커지고 이를 각도로 나타내면 약6°정도 차이를 나타낸다. 이로 인한 전류 또는 전압의 리플폭은 약10.5% 가 되어 적용하기 어려운 수치가 된다.

이에 반해 초기화 시점에서 Cosine파형을 사용하면 도3과 같은 결과를 얻을 수 있으며 각 그림은 도2와 동일한 과정에서 얻어진 결과이다. 도3의 (3-가)는 계통전원(1)의 전압이며 전압의 극성이 바뀌는 매 주기마다 리셋펄스(3-나)를 발생하고 60Hz카운터(3)는 카운터를 다시 시작한다. 60Hz카운터(3)에 입력되는 발진자(4)의 주기는 일정하므로 카운터에는 동일한 기울기로 저장되는 값이 늘어갈 것이며 (3-다)에 표시되어 있다. 만일 계통전원(1)의 주파수가 정확하게 60Hz 라면 리셋펄스(3-나) 간의 간격은 정확히 2π(360도)가 되어 계통전원(1)의 파형(3-가)과 전력변환장치의 출력파형(3-라)은 일치한다. 만약 계통전원(1)의 파형이 (3-마)처럼 60Hz를 초과하게 되면 리셋펄스(3-바) 간 간격은 (3-사)처럼 2π보다 적어질 것이며 이로 인해 출력파형(3-아)에 왜곡이 일어난다. 계통전원(1)의 파형이 (3-자)처럼 60Hz보다 적어지면 반대로 리셋펄스(3-차) 간 간격은 (3-카)처럼 2π보다 커지며 이로 인해 출력파형(3-타)에 왜곡이 일어난다. 도3과 같이 초기화 시점에서 Cosine파형을 사용하면 목시적으로도 작은 출력파형의 왜곡을 보이는데 도2에서의 예를 Cosine 방식을 적용한 도3에 적용하여 계통전원(1)의 주파수가 59Hz라 할 때 리셋펄스 간 간격은 0.28mSec 정도 커지고 이를 각도로 나타내면 약6°정도 차이를 나타낸다. 이로 인한 전류 또는 전압의 리플폭은 약0.55%로서 Sine 방식에 비해 출력파형은 1/20 정도의 크기를 가진다. 도4에 Sine 방식과 Cosine 방식을 적용했을 때의 출력파형의 차이를 보여준다. 즉 Cosine 방식을 적용하면 계통전원(1) 주파수가 어느 정도 변해도 출력파형에 거의 영향을 미치지 않는다. 하지만 Sine 파형을 적용하는 방법은 계통전원(1)의 극성만 파악하면 되므로 용이하게 구현할 수 있는데 반해 Cosine 파형은 계통전원(1)이 최대치에 도달하는 시점을 인지해야 하며 회로적으로 구현하기가 심히 어렵다. 본 발명에서는 Cosine 파형을 적용하기 위하여 계통전원(1)의 입력을 90°지연시키는 방법을 사용하고자 한다.

도5는 계통전원(1)의 입력을 처리하는 ZCD 회로(2)의 내부 개략도를 나타내며 각 회로의 출력에 대한 파형을 도6에 보이고 있다. 계통전원(1)이 위상지연회로(21)을 거쳐 약 90°위상지연된 전압(24)이 비교기(22)에 인가되고 비교기(22)에서는 위상지연된 전압의 극성(25)을 트리거 발생기(23)에 보낸다. 트리거 발생기(23)에서는 위상지연된 전압이 음에서 양으로(또는 양에서 음으로) 변화된 시점에서 리셋 신호(9)를 발생시켜 도1의 카운터(3)을 초기화 시킨다. 위상지연회로(21)은 전역필터(All-Pass Filter)를 사용할 수도 있고 간략히 R-C조합에 의해 위상지연회로를 얻을 수도 있다. R-C 조합에 의한 위상지연은 90°가 되지 않지만 전체 회로의 조합을 통하여 90°위상지연된 회로를 얻을 수 있다. 예를 들어 R-C 직렬회로에서 R을 150kΩ, C를 0.5μF이라고 두면 약88°위상지연된 파형이 얻어진다. 하지만 비교기(22)에서 안정적인 회로 동작을 위해 통상 Hysteresis 회로를 통과시키는데 여기서 추가적인 위상지연(약2°정도)이 일어나도록 Hysteresis 회로를 설계하면 거의 정확히 90°위상지연된 전압(25)을 얻을수 있다.

본 발명은 기존의 계통전원 동기 운전방법에 비해 두 가지 주요한 차이점을 가지는데 하나는 내부 발진회로를 사용해서 고정된 60Hz를 발생하는 것이고, 다른 하나는 계통주파수가 고정된 60Hz와 달라졌을 때라도(물론 심하게 달라지면 계통으로부터 전력변환장치를 차단시켜야 함) 전력변환장치에서 만들어지는 전력의 품질에 영향을 주지 않도록 하기 위해 Cosine 방법을 적용한 것이다. 주어진 방식은 전기분야에 일반적인 전문지식을 가진 이라면 용이하게 구축할 수 있지만 그 효과는 과거 주로 사용되어지는 PLL 방식에 비해 월등히 높은 성능이 보장된다.

본 발명은 많은 연구와 개발이 진행되고 있는 분산전원의 계통연계 운전을 위한 간단하고 효과적인 계통전원 동기 운전방법을 제시하므로 저렴한 계통연계 인버터의 제작이 가능하여 졌으며 정상상태에서 갑자기 주파수가 변했을 때 기존의 PLL에 의한 방법보다 제어성이 개선된 신뢰성있는 계통전원 동기 운전을 실현할 수 있게 되었다.

한편 60Hz카운터(3)의 기울기나 Look-Up Table(5)의 데이터를 약간 조정하여 주파수를 다르게 발생시키면 아주 손쉽게 Sandia Frequency Shift 방식의 계통고립운전상태를 파악하기 위한 방안을 구성할 수 있다. 이 경우에도 Cosine 방법이 적용되기 때문에 출력은 기존의 Sandia Frequency Shift 방식보다 우수한 전력품질을 유지할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 제안은 본 발명의 범주에 포함되지는 않지 만 본 발명에서 제안하는 방식을 적용하므로 다양한 추가적인 기능도 구현 가능한 효과를 가진다.

Claims

계통전원을 입력으로 하고 계통전원의 입력전압으로부터 전력변환장치 인버터의 출력을 계통전원과 동기화시키는 회로에 있어, ZCD(Zero-Cross Detector)회로와 60Hz카운터와 Look-Up Table로 구성된 단상계통 접속된 분산전원의 동기 운전방법.
제1항에 있어서, ZCD(Zero-Cross Detector)회로는 계통입력전원을 90°위상지연한 전압의 극성을 판정하여 리셋신호를 발생하는 수단을 제공하고 60Hz카운터와 Look-Up Table은 리셋신호 발생 초기화시점에서 Cosine 파형을 발생하여 계통전원과 동기화가 되도록 구성된 단상계통 접속된 분산전원의 동기 운전방법.