KR20080066846A

KR20080066846A - 전력회수용 컨버터

Info

Publication number: KR20080066846A
Application number: KR1020087013261A
Authority: KR
Inventors: 카즈오 스에카네; 사토시 야마모토
Original assignee: 가부시키가이샤 산샤덴키세이사쿠쇼
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-07-16
Also published as: DE112006003313T5; JP4932736B2; US8058746B2; WO2007066707A1; JPWO2007066707A1; US20090267415A1

Abstract

전력회수용 컨버터(1)는 수전단(2)의 수전단 전력과 연계하여 부하에 전력을 공급하는 자가발전장치(5)와; 수전단의 목표값이 0으로 설정된 상태에서 잉여 전력이 발생할 때 열의 형태로 전력을 저장하는 축전장치(12)와; 잉여 전력이 발생할 때 CT(7) 내에 단선이 있는지 여부를 측정하는 제어부(9)를 포함하고, 상기 측정은 수전단 전력의 목표값을 0으로부터 미리정해진 레벨로 상승시키고 수전단 전류에 증가가 있는지 여부를 판정함으로써 이루어진다.

전원시스템, 자가발전장치, 부하, 축열부, 제어부, 전류변환기

Description

전력회수용 컨버터{CONVERTER FOR RECOVERING ELECTRIC POWER}

본 발명은 가정용 자가발전전원 시스템에 관한 것으로서, 자가발전의 출력전력이 부하의 소비전력을 상회하는 경우 상회하는 전력을 잉여전력으로 축적하는 전력회수용 컨버터에 관한 것이다.

자가발전전원 시스템은 전력시스템과 자가발전장치를 병렬로 접속하여 부하에 전력을 공급한다. 통상적으로, 자가발전장치에 있어서 화석연료를 사용하는 엔진발전장치나 태양광선을 이용하는 태양발전장치 등이 실용화되어 있다.

그러나, 자가발전전원 시스템은 전력시스템과 자가발전장치가 협력하여 부하에 전력공급을 수행하도록, 자가발전장치의 발전전력이 부하의 소비전력을 상회하는 경우 그 잉여 전력이 전력시스템으로 역류하는 일이 발생할 수 있다. 이 경우, 그 역류된 전력을 전력회사가 판매계약을 하지 않는 한, 잉여 전력을 시스템으로 흐르도록 해야만 한다.

이러한 목적을 위해, 자가발전전원 시스템에 전력회수용 컨버터를 설치하고 있다. 전력회수용 컨버터는 잉여 전력을 예를 들어 열교환하여 온수로서 열을 축적 하도록 구성되어 있다. 이렇게 구성된 전력회수용 컨버터는 열병합발전시스템으로 불린다. 열병합발전시스템은 축열시킨 에너지를 연료전지시스템으로 회수하거나 열교환장치로 보냄으로써 다른 용도로 사용된다.

특허문헌 1에서 볼 수 있는 전력회수용 컨버터는 잉여전력을 축적하는 축열부(잉여전력에 의해 축열되는 히터를 구비함)와, 시스템으로부터 받는 전력을 검출하는 센서부와, 축열부쪽으로 입력하는 전력을 제어하는 스위치회로와, 센서부에서 검출된 받은 전력에 기초하여 스위치회로를 제어하여 축열부쪽으로 입력하는 전력을 설정하는 제어부를 구비하고 있다. 이렇게 구성된, 전력회수용 컨버터에는, 잉여전력이 발생했는지 여부를 센서부에 의해 검출할 수 있으므로(수전부(受電部)에서 역류가 있는지 여부를 검출함으로써) 잉여전력이 있을 때에는 스위치부를 제어함으로써 잉여전력을 축열부로 회수할 수 있다. 잉여전력을 완전히 축열부로 회수할 수 있을 때에는, 시스템으로부터 받는 전력은 0이 되므로, 센서부의 출력도 0이 된다. 따라서, 제어부는 센서부의 출력이 0으로 되었다는 것을 인지함으로써 잉여전력이 회수되었다는 것을 판단할 수 있다.

특허문헌 1: 일본특허공개공보 2004-92458호

그런데, 상기 전력회수용 컨버터에서는 센서부의 출력이 0이 되는 원인이 잉여전력의 회수에 의한 것인지, 센서부의 단선에 의한 것인지 검출할 수 없다.

따라서, 센서부의 단선에 의해 센서부의 출력이 0으로 검출되는 경우, 제어부는 잘못된 제어를 수행하고, 그 결과 이상한 동작에 이르게 되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 센서부의 단선을 확실하게 검출할 수 있는 전력회수용 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 전력회수용 컨버터는, 상용전원시스템으로부터 전력을 수취하는 수전단(受電端)과, 상기 수전단의 수전단 전력과 연계하여 자가발전하는 자가발전 전력을 부하에 공급하는 자가발전장치와, 전력을 축전하는 축전장치와, 상기 자가발전 전력이 상기 부하의 소비전력을 초과한 경우 초과된 전력인 잉여전력이 상기 축전장치에 축정되도록 상기 축전장치 쪽으로 입력전력을 제어하는 제어부를 구비하고 있다.

축전장치에는 예를 들어, 전력을 열로 변환하여 축열하는 축열장치가 사용된다.

통상의 운전상태에서는, 부하는 수전단의 전력과 자가발전 전력에 의해 연계되어 운전된다. 예를 들어, 부하의 소비전력이 1000W이고, 자가발전 전력이 800W이면, 수전단의 전력은 200W가 된다. 이 경우, 부하는 2(수전단 전력) 대 8(자가발전 전력)의 비율로 운전된다.

부하의 소비전력이 자가발전 전력보다 적게 된 경우에는, 잉여전력이 발생한다. 예를 들어, 부하의 소비전력이 1000W부터 500W가 되면, 자가발전 전력이 800W이므로, 300W가 잉여전력이 된다. 잉여전력이 발생하기 때문에, 수전단의 전력은 0이된다. 제어부는 잉여전력이 상용전원시스템으로 역류하지 않도록 잉여전력을 축전장치에 입력한다.

본 발명의 전력회수용 컨버터는, 상기 구성에 있어서,

상기 축전장치의 전력입력측에 설치되어 상기 입력전력을 스위칭하여 상기 축전장치에 입력하는 스위칭부와, 상기 수전단에 설치되어 상기 수전단에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 센서부를 구비하고 있다.

또한, 본 발명의 제어부는,

상기 부하의 소비전력보다 상기 자가발전 전력이 큰 경우 상기 센서부의 출력이 거의 0이 되도록 상기 스위칭부를 제어하는 제1 제어를 수행하고, 상기 센서부의 출력이 거의 0인 경우 상기 센서부의 출력이 소정의 목표수전전력에 대응하는 값이 되도록 상기 스위칭부를 제어하는 제2 제어를 수행하는 스위칭 제어수단과,

상기 스위칭 제어수단에 의해 제2 제어를 수행하는 중에, 상기 센서부의 출력이 상승하지 않도록 거의 0이 되면 상기 센서부가 이상이 있는 것으로 판정하는 센서부판정수단을 구비하고 있다.

제1 제어에서는, 잉여전력을 축전장치에 입력하기 위해 스위칭부를 제어한다.

제2 제어에서는, 상기 센서부의 출력이 거의 0이 되는 원인이 제1 제어에 의해서 인지, 아니면 센서부의 이상(센서부의 단선 등을 원인으로 함)에 의한 것인지의 여부를 조사하기 위해 제어를 수행한다. 즉, 제2 제어에서는, 상기 센서부의 출력이 거의 0이 될 때, 상기 센서부의 출력이 소정의 목표수전전력에 대응하는 값이 되도록 상기 스위칭부를 제어한다. 따라서, 축전장치 쪽으로의 입력 전력을 약간 증가하도록 상기 스위칭부를 제어한다. 그 결과, 그 증가된 전력이 수전단으로부터 입력된다.

이 때, 센서부 판정수단은 상기 센서부의 출력이 상승하지 않고 거의 0이면, 상기 센서부가 이상이 있다고 판정한다. 센서부 판정수단은 상기 센서부의 출력이 약간 상승되면 상기 센서부가 정상이라고 판정한다. 센서부가 정상이면, 또한 제1 제어에 의해 잉여전력의 전부가 축정장치로 입력되도록 스위칭부가 제어된다.

본 발명에 의하면, 부하의 소비전력이 자가발전 전력 보다 작게 되는 경우에, 잉여 전력의 시스템측으로 역류를 확실하게 방지할 수 있고, 또한 그 제어에 영향을 미치지 않고, 항상 센서부가 이상인지 정상인지를 정확하게 판단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력회수용 컨버터의 구성도이다.

도 2는 제어부의 동작을 나타내는 플로우차트이다.

[도면부호에 대한 설명]

1 전력회수용 컨버터

2 수전단

5 자가발전장치

7 제1 전류변환기(CT)

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력회수용 컨버터의 블록도이다.

도 1에서, 전력회수용 컨버터(1)의 수전단(2)의 수전측에는 상용전원시스템(이하 시스템)(3)이 접속되어 있다. 수전단(2)의 컨버터(1)측에는 전원공급라인(4)이 접속되어 있다. 전원공급라인(4)에는 엔진발전기와 같은 자가발전장치(5)와 부하(6)가 접속되고, 시스템(3)과 자가발전장치(5)를 연계시켜 운전함으로써, 부하(6)에 전력이 공급된다. 수전단(2)에는 제1 전류변환기(CT)(7)가 접속되어 있다. CT(7)의 출력은 수전단전류검출부(8)에 접속되어 있다. 수전단전류검출부(8)는 수전단(2)에 흐르는 전류(수전단 전류)를 검출한다.

수전단전류검출부(8)에서 검출한 수전단 전류값은 제어부(9)와 수전단 전력검출부(10)에 입력한다.

제어부(9)는 CT(7)의 단선유무를 판정하는 기능, 수전단 전력의 목표값의 신호를 생성하는 기능을 갖고 있다. 표시장치(17)는, 제어부(9)에서 CT(7)의 단선을 판정한 경우 그 판정결과를 표시한다.

수전단전력검출부(10)는 수전단 전류값과 수전단(2)의 전압값에 기초하여 수전단 전력과 전류의 방향을 산출한다. 이 수전단의 전력의 값(전류의 방향을 표시하는 부호를 포함)은 목표값설정부(11)에 출력된다.

전력회수용 컨버터(1)는 잉여전력을 열로 변환하여 축적하는 축열부(12)를 갖고 있다. 축열부(12)와 전원공급라인(4)의 사이에는, 제2 전류변환기(CT)(13)와 스위칭회로(14)가 접속되어 있다. CT(13)의 출력은 축열전력검출부(15)에 입력된 다. 축열전력검출부(15)에는 상기 CT(13)의 출력과 전원공급라인(4)이 접속되어 있고, 따라서 축열전력검출부(15)는 축열부(12)에 축열되는(회수되는) 축열전력의 크기를 산출한다.

상기 축열전력검출부(15)의 출력과 상기 목표값설정부(11)의 출력은 스위칭구동부(16)에 입력된다. 스위칭구동부(16)는 축열전력검출부(15)에서 산출된 축열전력의 크기가 목표값설정부(11)에서 설정된 목표값과 동일하게 되도록 스위칭회로(14)를 고주파스위칭을 구동한다.

또한, 스위칭구동부(16)는 스위칭회로(14)의 스위칭소자를 PWM제어 또는 주파수제어에 의해 고주파스위칭하는 공지의 구동회로로 구성되어 있다.

이상의 회로구성에 대해 제어부(9)는 목표값의 초기값을 0으로 설정한다.

이로써, 상기 전력회수용 컨버터(1)는 다음과 같이 작동한다.

(1) 부하(6)의 소비전력이 자가발전 전력보다도 큰 경우(상태「S1」)

이 경우, 부족전력은 시스템(3)으로부터 공급된다. 예를 들어, 부하(6)의 소비전력이 1200W, 자가발전장치(5)의 최대출력전력이 1000W가 되면, 부족전력은 200W가 된다. 이 부족전력은 시스템(3)으로부터 공급된다.

수전단전력검출부(10)에서는, 수전단의 전력을 200W로 검출하고, 목표값설정부(11)는 이 값을 취득한다. 여기에서, 목표값설정부(11)는 수전단의 전력이 0이되도록 취득한 수전단 전력 200W와 0의 오차(마이너스 값)를 출력한다. 이 오차는 스위칭구동부(16)에 출력되고, 스위칭구동부(16)는 축열전력검출부(15)에서 검출한 축열전력이 상기 오차에 대응하는 크기로 되도록 스위칭회로(14)를 구동한다. 상태 「S1」은 부족전력이 발생되는 상태이므로, 상기 오차는 축열전력을 0으로 하는 방향의 값이다. 따라서, 이 상태「S1」에서, 스위칭회로(14)의 완전한 오프상태가 유지된다.

(2) 부하(6)의 소비전력이 자가발전력보다도 작은 경우(상태「S2」)

이 경우, 전력회수용 컨버터(1)에서는 잉여전력이 발생한다. 예를 들어, 부하(6)의 소비전력이 200W, 자가발전장치(5)의 정격출력전력이 800W가 되면, 잉여전력은 600W가 된다. 스위칭회로(14)는 이 잉여전력이 전부 축열부(12)에 입력되도록 스위칭동작을 한다. 즉, 목표값설정부(11)는 수전단의 전력이 0이되도록(잉여전력 600W가 시스템(3)측으로 역류하지 않도록) 취득한 수전단의 전력 600W와 0의 오차(플러스 값)를 출력한다. 이 오차는 스위칭구동부(16)에 출력되고, 스위칭구동부(16)는 축열전력검출부(15)에서 검출한 축열전력이 상기 오차에 대응하는 크기가 되도록 스위칭회로(14)를 구동한다(제1 제어). 상태「S2」는 잉여전력이 생기는 상태이므로, 상기 오차는 축열전력을 증가시키는 방향의 값이다. 따라서 이 상태「S2」에서는 스위칭회로(14)의 온오프제어가 수행된다.

(3) CT 감시동작

전력회수용 컨버터(1)의 제어부(9)는, 정기적으로 CT(7) 단선을 원인으로 하는 이상유무를 검출한다.

제어부(9)는 수전단전류검출부(8)에서 검출한 수전단의 전류가 0(거의 0이 되는 경우를 포함)이라는 것을 검출하면, 그 원인이 CT(7)의 단선에 의한 것인지 상기 상태「S2」의 제어에 의한 것인지를 판정한다. 그 판정을 위해, 목표값설정 부(11)에 설정된 목표값을 일정한 값인 20W로 하기 위한 신호를 목표값설정부(11)에 출력한다. 이 목표값은 시스템(3)으로부터 입력하는 수전전력의 목표값이다. 이것에 의해, 목표값설정부(11)가 설정하는 목표값은 0부터 20W로 변경된다. 그러면, 스위칭구동부(16)는 축열부(12)에 축열된 잉여전력이 20W 늘어나도록 스위칭회로(14)를 구동한다(제2 제어). 이때, 만약 CT(7)가 단선되어 있지 않다면 수전단전류검출부(8)에서 검출하는 수전단 전류는 0레벨로부터 20W에 대응하는 레벨만큼 상승한다.

한편, CT(7)가 단선되어 있다면, 수전단전류검출부(8)에서 검출하는 수전단 전류는 그대로 0이다.

여기에서 제어부(9)는 수전단전류검출부(8)에서 검출하는 수전단 전류가 0레벨로부터 약간 상승되어 있는지, 또는 0을 유지하고 있는지를 판단함으로써, CT(7)의 단선유부를 판정한다(센서부 판정수단).

제어부(9)는 CT(7)가 정상(단선되어 있지 않음)이라고 판정한 경우, 목표값설정부(11)에 설정되는 목표값을 20W로부터 0으로 하기 위한 신호를 목표값설정부(11)에 출력한다. 제어부(9)는 CT(7)가 이상(단선되어 있음)이 있다고 판정한 경우 에러처리(통지 등등)를 수행한다.

즉, 상기 목표값 20W는 자가발전장치(5)의 정격출력에 대해 충분히 작은 크기이다. 또한, CT(7)이 정상인 경우, 목표값이 20W로부터 0으로 되돌아갈 때 까지의 시간은 매우 짧다. 따라서, CT(7)의 감시를 위한 제어는 수전단 전력을 0으로 하기 위해, 전체적으로 제어에 거의 영향을 미치지 않는다.

제어부(9)는 이상의 CT 감시동작을 예를 들어 10msec 마다 실행한다.

도 2는 제어부(9)의 구체적인 동작을 나타내는 플로우차트이다.

CT 감시동작에 들어가면, 수전단 전류가 0인지 아닌지 판정을 수행한다(ST1). 0이라는 것은 오차 및 회로 내의 소비전력(예를 들어, 스위칭회로(14)에서의 소비전력)을 포함하도록 해석되는 크기이다. 0이 아니면, 부족전력이 시스템(1)으로부터 수전되는 것으로 판정하여 처리를 종결한다. 또한, CT(7)도 정상인 것으로 판정한다.

수전단 전류가 0이면, 그 원인이 CT(7)의 단선에 의한 것인지, 상기 상태「S2」의 제어에 의한 것인지를 판정한다.

최초에, 상기 목표값을 20W로 설정한다(ST2). 다음에, 수전단 전류가 0을 초과했는지 아닌지를 판정한다(ST3). 수전단 전류가 0을 초과하면, CT(7)가 정상인 것으로 판정하여 처리를 완료한다. 수전단 전류가 0을 유지하고 있다면, 그 상태가 일정시간 지속되는지 아닌지를 판정하고(ST5), 유지되면 CT(7)가 단선되어 있는 것으로 판정한다(ST6). 그 후, 처리는 도시되어 있지 않은 경고처리로 진행된다. 경고처리에서는, 단선 되었다는 것이 표시장치(17)에 표시된다. 수전단 전류가 0인 상태가 일정시간 유지되지 않으면, 수전단 전류가 0을 초과하는 것으로 판단한 것이 노이즈 등을 원인으로 하는 잘못된 판단이 될 수 있는 가능성이 있으므로, 처리를 완결한다.

제어부(9)는 도 2에 표시된 처리를 10msec 마다 반복하여 실행한다. 한편, 스위칭구동부(16)는 목표값설정부(11)로부터 출력되는 오차에 기초하여, 수전단 전 력이 목표값이 되도록 항상 스위칭회로(14)를 제어한다. 또한, 상기 목표값 20W는, 자가발전장치(5)의 정격출력에 대하여 충분히 작은 크기이다. 또한, CT(7)가 정상인 경우, 목표값이 20W로부터 0으로 되돌아갈 때까지의 시간은 매우 짧다. 따라서, CT(7)의 감시를 위한 제어는, 수전단 전력을 0으로 하기 위한 제어에 전체적으로 거의 영향을 미치지 않는다.

본 발명은 가정용 또는 공장용 열병합발전시스템에 적용할 수 있다.

Claims

상용전원시스템으로부터 전력을 수취하는 수전단과, 상기 수전단의 수전단 전력과 자가발전되는 자가발전 전력을 연계시켜 부하에 공급하는 자가발전장치와, 전력을 축전하는 축전장치와, 상기 자가발전 전력이 상기 부하의 소비전력을 초과한 경우 그 초과된 전력인 잉여전력이 상기 축전장치에 축전되도록 상기 축전장치 쪽으로의 입력전력을 제어하는 제어부를 구비한 전력회수용 컨버터에 있어서,

상기 축전장치의 전력입력측에 설치되어 상기 입력전력을 스위칭하여 상기 축전장치에 입력하는 스위칭부와,

상기 수전단에 설치되어 상기 수전단에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 센서부를 구비하고,

상기 제어부는,

상기 부하의 소비전력보다 상기 자가발전 전력이 큰 경우 상기 센서부의 출력이 거의 0이 되도록 상기 스위칭부를 제어하는 제1 제어를 수행하고, 상기 센서부의 출력이 거의 0인 경우 상기 센서부의 출력이 소정의 수전단 전력의 목표값에 대응하는 값이 되도록 상기 스위칭부를 제어하는 제2 제어를 수행하는 스위칭 제어수단과,

상기 스위칭 제어수단에 의해 제2 제어를 수행하는 중에, 상기 센서부의 출력이 상승하지 않고 거의 0이면 상기 센서부가 이상이 있는 것으로 판정하는 센서부판정수단을 구비하는, 전력회수용 컨버터.
제1항에 있어서,

상기 스위칭부는 고주파로 스위칭하는 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자를 PWM 구동하는 스위칭 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력회수용 컨버터.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 축전장치는 전력을 열로 변환하는 축열장치인 것을 특징으로 하는 전력 회수용 컨버터.