KR20090087710A - 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것으로, 태양광, 풍력, 연료전지를 포함한 에너지원으로 구성된 분산전원의 단독운전 보호기능을 시험하기 위한 부하장치에 있어서, 수동소자인 저항, 리액터, 커패시터로 구성된 수동부하와; 전자식 부하와; Q값을 포함한 시험 요구 조건을 만족하면서 상기 전자식 부하와 상기 수동부하의 부하를 가변시키는 부하 제어기;를 포함하여 구성함으로서, 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 이용한 분산전원의 국내외 표준에 의거한 보호 기능시험 중에서 기존의 보호기능과는 다른 중요한 기능 중의 하나인 단독운전 검출기능을 시험할 수 있게 되는 것이다.

분산발전, 분산전원, 단독운전, 검출, 시험, 부하

Description

분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어방법{Load Equipment and Control Method for Testing Anti-islanding Function of Distributed Generation System}

본 발명은 분산전원의 단독운전 검출기능 시험에 관한 것으로, 특히 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 이용한 분산전원의 국내외 표준에 의거한 보호 기능시험 중에서 기존의 보호기능과는 다른 중요한 기능 중의 하나인 단독운전 검출기능을 시험하기에 적당하도록 한 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 단독운전은 전력계통이 지락사고 등으로 정전이 발생했을 때 분산전원이 전력계통과 분리되어 국지적인 부하에 전력을 공급하고 있는 상태를 말하는 것으로서, 국내외 기술표준에서 이러한 경우에 분산전원의 운전을 정지할 것을 지정하고 있다.

이는 고장난 선로의 일부에 전력이 공급되고 있으므로 해서 선로를 보수하는 인력의 감전 사고를 초래할 수 있으며, 전력계통이 복전되었을 때 분리되어 운전되고 있던 전원과 계통전원의 전압 및 주파수, 위상 차이로 인한 사고가 발생할 수 있어 이러한 단독운전 상태를 금지하고 있으며 그 기능이 정확히 동작하는지를 시험하게 된다.

단독운전 검출시험은 단독운전을 임의로 만들어 보호기능이 동작하는지를 시험하게 되는데, 주로 저항-리액터-커패시터 수동소자로 병렬 연결된 부하를 피시험장치와 접속하여 부하를 모의하게 된다. 그러나 정격과는 다른 여러 운전점에서 단독운전 상태를 만들어 시험해야 하고, 또 미세한 조정으로 부하를 가변해야 하는데 수동소자인 저항, 리액터, 커패시터 등은 그 값을 조정하기가 쉽지 않으며 특히, 리액터와 커패시터의 저항에 의한 손실 정도를 표시하는 Q값(quality factor)라는 것을 특정 값으로 유지하도록 되어 있으므로 부하의 저항 값에 따른 리액터 및 커패시터의 값을 변경하는 것은 어렵다. 뿐만 아니라 부하로서 저항을 사용하기 때문에 시험 중 전력이 열손실로 버려지는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 시험을 위한 기준을 만족하면서 가변이 용이하고 시험 중 전력손실을 감소할 수 있는 부하장치를 구성할 수 있는 기술을 제공하고자 한 것이다.

종래의 기술은 두 가지로 설명될 수 있다.

하나는 저항, 리액터, 커패시터 등 수동소자를 상용으로 판매하는 작은 값들을 다수 개 직렬 혹은 병렬로 설치하여 스위치를 이용하여 선택적으로 사용하거나 혹은 저항이나 리액터의 경우 중간 단자를 이용하여 서로 다른 값을 가지도록 제작 하여 사용하는 방법이다. 이 방법의 단점은 저항이나 리액터의 경우처음 제작할 때 구분된 저항값이나 리액턴스값에 따라서만 부하를 가변할 수 있다는 점이다. 저항의 경우 슬라이딩할 수 있는 가변저항을 사용할 수 있지만 리액턴스의 경우는 이것이 실제 제작에 있어 가능하지 않거나 비경제적이다. 커패시터의 경우도 정전용량을 가변할 수 있는 것이 있지만 부하용으로 사용할 수 있는 용량급에서는 실용적이지 못하다.

다른 방법으로서 전자적으로 부하를 모의하는 전자식 부하 혹은 능동부하가 있다. 그러나 이러한 부하는 발전기나 무정전전원장치처럼 전압원으로 동작하는 장치의 부하용으로는 사용이 가능하지만 태양광발전과 같이 전력계통에 연계 운전되는 분산전원은 전류원 모드로 운전되며 특히, 단독운전 검출과 같이 계통전원을 차단하는 경우에는 태양광발전시스템의 부하용으로는 동작하지 않게 된다. 왜냐하면 일반적으로 능동부하나 전자식 부하는 시험장치의 출력전압을 기준으로 하여 반도체 스위칭소자를 이용하여 전력을 외부의 부하를 통해서 소모하거나 혹은 다른 계통전원쪽으로 돌려서 피시험기기에 부하를 인가하는 방식을 적용하기 때문이다. 그러나 계통연계운전되는 태양광발전의 예에서와 같이 출력이 전류원인 경우 기준이 되는 전압원이 없기 때문에 원리적으로 동작 자체가 불가능하게 된다.

한편 분산전원의 단독운전을 검출하는 알고리즘에 대한 국내외의 다수의 특허가 등록되어 있고, 다음과 같은 문헌목록이 있다.

[문헌 1] 단독 운전 검출 장치 및 단독 운전 검출 장치의 제어 방법, 출원번호(일자) 10-2006-0083351(2006.08.31), 일본 옴론사 : 분산형 전원 및 계통 전원 사이에 외란 요소를 주입하는 외란 요소 주입 수단과, 상기 분산형 전원 및 계통 전원 사이의 계통 연계점에서의 외란 요소에 의한 계통 변화를 검출하는 계통 상태 검출 수단과, 이 계통 상태 검출 수단의 검출 결과에 의거하여, 상기 분산형 전원의 단독 운전을 검출하는 제어 수단을 갖는 단독 운전 검출 장치로서, 상기 분산형 전원의 운전 상태를 검출하는 운전 상태 검출 수단을 가지며, 상기 제어 수단은, 상기 운전 상태 검출 수단에서 상기 분산형 전원의 운전 동작을 검출하면, 상기 외란 요소 주입 수단 및 계통 상태 검출 수단을 ON 제어함과 함께, 상기 운전 상태 검출 수단에서 상기 분산형 전원의 운전 정지를 검출하면, 상기 외란 요소 주입 수단 및 계통 상태 검출 수단을 OFF 제어하는 것을 특징으로 하는 단독 운전 검출 장치.

[문헌 2] 분산형 전원의 단독운전 검출 및 방지, 등록번호(일자) : 10-0389450 (2003.06.17), 한국전기연구원

[문헌 3] 계통 연계 분산 전원의 단독운전 판단 방법, 등록번호(일자) : 10-0538439 (2005.12.16), 명지대

[문헌 4] 전력선통신을 이용한 분산전원 단독운전 방지장치 및 그를 이용한 방법, 등록번호(일자) 10-0718496 (2007.05.09), 전력연구원

그러나 이러한 [문헌 1 ~ 4]와 같은 문헌들은 단독운전을 검출하는 알고리즘에 한정되어 있어서, 단독운전을 시험하기 위한 부하장치에 관련된 특허는 없는 한계가 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 문제점을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 전류원으로 동작하는 분산전원용 계통연계인버터의 부하 기능을 하면서 계통전원이 정전 등의 이유로 차단되었을 때 단독운전 조건이 유지될 수 있고, 또 경제적으로 제작할 수 있는 부하장치를 제작하는 것이 용이하지 않다는 점이다.

둘째는 단독운전 조건이 만족되면서도 비검출영역(NDZ) 시험이나 부분부하 조건에서 시험할 수 있도록 부하를 미세하게 가변할 수 있는 장치의 구현이 용이하지 않다는 점이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 이용한 분산전원의 국내외 표준에 의거한 보호 기능시험 중에서 기존의 보호기능과는 다른 중요한 기능 중의 하나인 단독운전 검출기능을 시험할 수 있는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.

따라서 본 발명은 분산전원 전력변환장치의 보호기능 중 하나인 단독운전 검출기능을 시험하기 위한 부하장치로서 기존의 수동형 저항-리액터-커패시터 부하와 인버터를 이용한 능동부하장치를 결합하는 것에 의해 시험 조건을 충족하면서도 미세하게 부하를 가변할 수 있게 함으로서 경제적이고, 운용이 용이하며, 단독운전 검출 보호 특성을 세밀히 시험할 수 있는 부하장치를 제공하고자 한다. 기존의 수동부하는 시험 영역별로 구분하여 모듈형으로 제작할 수 있으며 능동부하는 전체 부하 용량의 일정 부분만을 담당하여 임의의 크기, 임의의 역률로 운전하여 유도성 무효전력과 용량성 무효전력 그리고 유효전력을 임의로 가변함으로서 이러한 기능의 구현이 가능해진다.

본 발명의 일 실시예에 의한 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치는 다음과 같은 과제 해결 수단을 갖는다.

태양광, 풍력, 연료전지를 포함한 에너지원으로 구성된 분산전원의 단독운전 보호기능을 시험하기 위한 부하장치에 있어서, 수동소자인 저항, 리액터, 커패시터로 구성된 수동부하와; 전자식 부하와; Q값을 포함한 시험 요구 조건을 만족하면서 상기 전자식 부하와 상기 수동부하의 부하를 가변시키는 부하 제어기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 부하 제어기는, 외부 입력장치를 통하여 피시험기기의 정격, 시험 조건 및 부하장치의 조건 정보를 입력하고, 이를 이용하여 상기 수동부하와 상기 전자식 부하의 부하 분배를 결정하여 각각 상기 수동부하와 상기 전자식 부하를 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 부하 제어기는, 상기 수동부하와 상기 전자식 부하의 부하 분배에 있어서 시험 조건에서 요구하는 무효전력과 유효전력을 먼저 연산한 후에 상기 수동부하가 제공할 수 있는 유효, 무효전력을 우선 배분하고, 그 차이만큼을 상기 전자식 부하로 배분하는 것을 특징으로 한다.

상기 부하 제어기는, 상기 수동부하의 저항부하를 완전히 제거하고, 유효전력부하는 상기 전자식 부하의 부하만을 이용하며, 무효전력 부하는 상기 수동부하와 상기 전자식 부하를 분배하여 사용하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 부하 제어기는, 상기 수동부하의 저항, 리액턴스 및 커패시턴스를 가변하지 않고 고정된 값을 사용하고, 시험 조건에서 요구하는 부하와의 차이만큼을 상기 전자식 부하로 분배하여 소정의 유효전력과 무효전력을 피시험기기에 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 부하 제어기는, 부분부하시험을 위한 미세한 부하의 조정을 수행하기 위해서는 상기 전자식 부하의 유효전력과 무효전력을 미세하게 조정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 의한 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치의 제어방법은 다음과 같은 과제 해결 수단을 갖는다.

태양광, 풍력, 연료전지를 포함한 에너지원으로 구성된 분산전원의 단독운전 보호기능을 시험하기 위한 부하장치의 제어방법에 있어서, 수동부하와 전자식 부하로 분배된 부하를 상기 전자식 부하의 용량이 담당할 수 있는 범위인지를 체크하는 체크 단계와; 상기 체크 단계에서 조건을 만족하지 못할 경우 다시 부하를 재분배하는 재분배 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어 방법은 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 이용한 분산전원의 국내외 표준에 의거한 보호 기능시험 중에서 기존의 보호기능과는 다른 중요한 기능 중의 하나인 단독운전 검출기능을 시험할 수 있는 효과가 있게 된다.

이러한 본 발명의 효과를 다시 정리하면 다음과 같다.

첫째, 저항, 리액터 및 커패시터를 단위 용량별로 모듈화하여 제작하고 가변할 필요가 없기 때문에 보다 경제적이고 컴팩트한 부하장치의 구성이 가능하다.

둘째, 부분 부하 및 주어진 부하 조건 하에서 능동부하를 이용한 미세조정이 가능하기 때문에 보다 용이하게 단독운전 검출보호기능의 시험이 가능하다.

셋째, 능동부하를 전체 부하의 일정 부분을 담당하게 함으로서 시험 시에 발생하는 전력 소모를 절감할 수 있어 시험 비용을 저하할 수 있다.

넷째, 수동부하의 모듈화 및 능동부하의 적용으로 부하 장비를 특정 용량에 제한하지 않고 다양한 용량의 피시험 기기를 시험할 수 있어 시험기기 구축 비용을 절감할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서 의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지원을 이용한 분산전원의 국내외 표준에 의거한 보호 기능시험 중에서 기존의 보호기능과는 다른 중요한 기능 중의 하나인 단독운전 검출기능을 시험하고자 한 것이다.

도 1은 태양광발전의 예를 들은 분산전원의 계통연계운전과 단독운전 상황을 설명하는 도면이다.

태양광발전 시스템은 태양전지 어레이(10)와 전력변환장치(20)로 구성되며 소용량의 경우 저압의 배전계통(40)에 연계운전된다. 이 때 저압의 배전계통(40)에는 다수의 부하(30, 150)들이 연결되어 전력을 공급받게 되는 경우가 많다. 태양광발전시스템이 일사량이 좋아 전력을 생산할 경우에 부하(30, 150) 혹은 저압 배전계통(40)으로 전력을 전송하게 된다(110). 이 전력은 인근의 부하(30, 150)에 전력을 공급하게 되는데(120, 160) 남는 경우는 저압 배전계통(40)으로 역송이 되고 모자라는 경우는 저압 배전계통(40)으로부터 공급받게 된다(130).

저압 배전계통(40)은 변전소(90)로부터 고압 즉, 일반적으로는 22.9kV의 전압을 받아서 전신주 위에 설치된 주상변압기(50)에 의해 저압전압 즉, 220V로 강압하여 수용가에게 공급되게 된다. 고압의 배전선로(60, 80)는 지락사고(140) 시 등에 정전 피해를 최소화하기 위하여 선로 중간에 리클로저(70) 등 차단기를 설치, 운용하게 된다. 낙뢰 등의 사고에 의해 고압의 배전선의 일부(60)에 지락사고(140) 가 발생하는 경우 다른 수용가에 계속 전기를 공급하기 위해 리클로저(70)를 개방하게 되고 이 후의 저압의 선로(60)는 정전이 되며(100) 이전의 선로(80)는 정상적으로 전력이 공급되게 된다.

이러한 사고 발생 시에 통상은 태양광발전(10, 20)의 출력(110)은 선로 상에 연결된 부하들(30, 150) 보다 작기 때문에 정전이 발생한 지역(100)의 모든 부하에 전력을 공급할 수 없어 전력변환장치(20)가 저전압, 저주파수 혹은 과전류 보호 기능이 동작하여 태양광발전의 전력변환장치(20) 후단에 연결되어 있는 개폐기(170)를 개방하고 운전을 정지하게 되어 정전 지역(100)의 내부에는 아무른 전력이 공급되지 않게 되고, 사고 조치 후에 리클로저(70)를 재투입해야 정상적으로 복전이 된다.

그러나 태양광발전(10, 20)이 정상적으로 운전되고 부하(30, 150)가 소모하는 전력이 태양광발전의 발전량이 동일한 경우, 정전 지역(100)은 리클로저(70)가 개방되어 배전소(90)로부터 전력이 공급되지 않음에도 불구하고 태양광발전에 의해 전압과 주파수가 유지되면서 계속 전력을 공급하는 상황이 발생하게 되며 이를 단독운전이라고 한다. 이러한 단독운전 상태는 확률적으로 매우 낮음에도 불구하고 단독운전이 발생한 경우 지락사고(140)가 발생한 지점에 여전히 전력이 공급되고 있어 선로(60)의 고장수리에 위험이 따르며 또한 리클로저(70)가 투입되어 복전이 되었을 때 변전소에서 공급되는 전원의 전압, 주파수, 위상차가 단독운전이 되는 지역(100)의 그것과 달라 리클로저(70)가 투입되는 순간에 또 다른 사고를 발생할 수 있다. 따라서 태양광발전과 같은 분산전원은 단독운전 방지 기능을 반드시 가지 도록 국내외 표준에서 지정하고 있으며 그 기능은 성능시험기관에 의해 검증받도록 규정하고 있다.

도 2는 대표적인 분산전원 중의 하나인 태양광발전시스템의 전력변환장치(20)의 단독운전 보호기능 시험 구성도를 나타낸다.

피시험인버터(210)가 실제로는 시험 대상이 되는 전력변환장치(20)이다. 단독운전 시험을 하기 위해서 실제의 태양전지 어레이(10)를 사용할 수도 있지만 실제의 어레이는 시험하는 시점에서의 일사량 조건에 의존해야 하며 특히, 시험 조건을 임의로 변경할 수 없는 문제가 있어 대신에 태양전지 어레이(10)의 전압-전류 특성과 동일한 특성을 내는 직류전원장치 즉, 태양전지어레이 시뮬레이터(200)를 사용하게 된다. 또한 시험용 부하(260)로서는 저항(260-1), 리액터(260-2), 커패시터(260-3)를 병렬로 연결하여 사용하게 되며 각각은 임의의 값으로 변경할 수 있도록 설계, 제작되어야 한다. 계통연계운전되는 태양광발전 시스템의 저압 배전계통을 모의하기 위한 교류전원 시뮬레이터(230), 시험 과정을 관측하는 파형관측장치(220), 단독운전 상태를 만들기 위한 스위치(240, 250)가 단독운전의 기능 시험용으로 사용된다.

단독운전을 시험하는 순서는 먼저 스위치 S1(240)을 닫고 직류전원 시뮬레이터(200), 피시험인버터(210), 교류전원 시뮬레이터(230)를 주어진 출력조건을 설정하여 정상 운전한다. 부하장치(260)의 저항(260-1), 리액터(260-2), 커패시터(260-3)를 아래의 수식이 정의하는 Q값과 출력 조건에 맞도록 가변한 후에 스위치 S2(250)를 투입한다. 태양광발전시스템의 피시험 인버터(210)가 출력하는 유효전력 은 화살표 방향(110)으로 흐르게 되고 부하장치(260)의 유효전력은 화살표 방향(120)으로 흐르게 되며 피시험 인버터(210)의 유효전력 출력을 부하장치(260)의 유효전력과 동일하게 설정하였으므로 교류전원 시뮬레이터(230)로 흐르는(130) 유효전력은 0이 된다. 리액터(260-2), 커패시터(260-3)의 조합에 의한 무효전력은 각각 지상 및 진상 무효전력으로서 합은 역시 0이 된다. 이러한 조건에서 파형관측장치(220)에서 트리거신호(270)를 이용하여 스위치 S1(240)을 개방하면 스위치 S2 지점에서 주파수는 리액터(260-2), 커패시터(260-3)의 공진 주파수로 전압은 인버터의 출력전압으로 유지되는 단독운전 상태가 발생되고 피시험 인버터(210)의 내부 보호기능이 이 단독운전 상황을 제한된 시간 내에 검출하는가를 시험하게 된다. 실제로 부하장치(260)의 무효전력의 합이 0이고 피시험 인버터(210)의 유효전력출력과 저항부하에서 소모하는 유효전력이 동일하게 설정하면 전압과 주파수가 스위치 S1(240)이 열리기 이전 상황과 동일하게 운전을 계속하게 되므로 스위치 S2(250) 지점에서 전압과 주파수는 변동이 없게 되며, 통상의 저전압/과전압, 저주파수/과주파수 등 수동적인 방법의 단독운전 검출기능을 가진 피시험 인버터(210)는 이러한 단독운전 상황을 검출할 수 없게 된다. 통상의 피시험 인버터(210)는 능동적인 방법의 단독운전 검출기능을 보유하게 되고 바로 이 기능이 이 시험을 통해서 성능을 검사하게 되는 것이다.

도 3은 종래의 단독운전 검출 시험용 부하의 일례로서 입력단자(330)를 피시험 인버터(210)의 후단인 스위치 S2(250)에 연결하여 사용하게 된다.

종래의 부하는 기본적으로 저항-리액터-커패시터만을 사용하고 있으며 표준 에 의거한 시험 조건은 2가지가 대표적인 항목이다. 하나는 부하율에 대한 것으로서 정격부하, 중간 부하, 경부하 조건에서 각각 시험하는 것이고 다른 하나는 Q값을 지정된 값으로 유지하는 것이다. 먼저, 부하율 조건은 시험부하가 각각 25, 50, 100, 125% 등을 만족하여야 하고 이때 인버터의 출력은 각각 25, 50, 100, 100%가 되도록 해야 한다.

Q값은 통상 2.5 정도로 유지하는 것을 요구하는데 정의는 아래의 수학식 1 또는 2와 같다.

여기서

: Q값(2.5 - 3.5 사이의 값), R : 저항[Ω], L :인덕턴스[H], C : 커패시턴스[F] 이다.

또는 부하 용량으로 환산할 경우는 아래의 수학식 2와 같다.

여기서 P : 유효전력,

: 유도성 무효전력,

: 용량성 무효전력이다.

Q값 조건을 만족하면서 시스템주파수(60 혹은 50Hz)에서 공진해야 하므로 아래의 수학식 3을 만족하여야 한다.

여기서 f ; 공진주파수, L : 인덕턴스, C : 커패시턴스이다. 공진 조건에서

이므로 Q값은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수도 있다.

따라서 인버터가 역률 1로 운전되는 경우 인버터 자체가 무효전력을 발생하지 않는 경우에는 Q값 = 2.5로 하면 다음의 수학식 5의 조건을 만족하는 부하를 사용해야 한다.

여기서

는 피시험 인버터의 유효전력 출력이다.

마지막 시험 조건은 L, C 파라미터를 1%씩 ㅁ 5% 범위로 가변하여 시험하면서 시험 주파수의 10사이클 이내에 이를 검출하고 출력 정지해야 한다.

따라서 이러한 시험 조건을 만족하기 위해서는 부하군을 25 및 50% 단위씩 다수 개를 가지고 25, 50, 100, 125% 부하 조건을 맞추어야 한다. 먼저, 저항부하 즉 유효전력을 기준으로 하여 부하 1(300)을 25%, 부하 2(310)와 부하 3(320)을 50% 부하로 하면 유효전력 부하는 25, 50, 100, 125%의 조합이 가능하게 된다. 즉, 25% 조건에서는 부하 1(300), 50% 부하 조건에서는 부하 2(310), 100% 조건에서는 부하 2(310)와 부하 3(320)을 동시에, 그리고 125% 조건에서는 전체 부하를 투입하면 된다. 각 부하는 부호를 위한 차단기(340-1, 2, 3)가 설치되어 있으며 선택적인 온오프를 위한 개폐기(350-1, 2, 3)를 가지고 있다.

각 부하 조건의 시험에서 위에서 기술한 공진주파수 조건 및 Q값, 그리고 1% 변동 조건 등을 만족하기 위해서 리액터(360)와 커패시터(370)는 제한된 범위 내에서 기변이 되어야 한다. 이 경우 용량이 가변되는 인덕터와 커패시터를 구성하기 위해서는 리액터의 경우 중간 탭을 여러 개 사용해야 하며, 커패시터의 경우 작은 값들의 조합을 이용해야 하는 문제가 있다.

그러나 이러한 부하장치의 구성도 용량이 달라지면 전체가 또 변경되어야 하는 문제가 있다. 즉, 용량이 다른 인버터를 시험하고자 하면 전체적인 저항, 리액터, 커패시터가 또 변경되어야 한다.

도 4는 전자식 부하의 구성도이다. 전자식 부하장치(400)는 전원장치나 발전기 등 피시험 기기(470)에 부하를 인가하기 위해 기존의 수동형 저항 등으로 전기적인 출력을 발열로 방출하는 대신 전력용반도체 스위치(420, 430)를 이용하여 원하는 전류의 크기, 위상으로 전류를 흘림으로서 부하를 인가하는 것과 동일한 효과를 내도록 제작한 전력변환장치의 일종이다. 입력교류 필터(410)와 컨버터(420)로 구성된 입력부에서 흡수한 전력(480)은 일단 직류측의 필터 커패시터(450)에 저장하고 이를 출력측 인버터(430)와 출력 교류필터(440)를 이용하여 전력계통(460)으로 회생함으로(490) 해서 피시험 기기(470)에 인가된 부하를 열로 날려 보내는 대신 전원측으로 회생함으로서 부하 시험에 따른 전력 소모를 최소화할 수 있는 방법 이다. 전자식 부하정치(400)는 내부 제어기의 제어에 의해서 피시험 기기의 출력에 임의의 전류 파형의 인가 혹은 임의의 역률의 부하를 인가할 수 있는 장점이 있다.

그러나 전자식 부하장치는 통상 피시험 기기(470)가 전압 출력을 내는 무정전전원장치 같은 교류전원장치나 혹은 동기 혹은 연구자석발전기 등에는 적용이 용이하나 태양광발전의 연계형 인버터처럼 전류형 출력인 경우에는 적용이 용이하지 않으며 특히, 단독운전시험용 부하처럼 태양광 인버터의 출력으로부터 주어진 시스템 전압과 주파수를 유지해야 하는 부하 조건에는 적용할 수 없다. 태양광 인버터처럼 전류원 출력인 경우 전자식 부하장치(400)의 컨버터(420)는 자신의 제어를 위한 기준전압이 없기 때문에 전류제어를 수행할 수가 없기 때문이다.

도 5는 본 발명이 안출한 분산전원의 단독운전 시험용 부하장치의 구성도이다. 본 부하장치는 기본적으로 종래의 수동형 저항-리액터-커패시터 부하장치(260)와 전자식 부하장치(620)를 결합하여 구성한 것으로서, 전류원 형태의 인버터를 채용한 계통연계형 태양광발전시스템의 단독운전 검출기능을 시험할 수 있도록 병렬회로로 구성된 저항-리액터-커패시터 부하들(300, 310)과 전자식 부하장치(620)를 피시험 기기(470)의 출력단에서 병렬 연결함으로서 분산전원의 단독운전 검출 시험기준에 적합할 뿐만 아니라 전술한 수동부하의 제작상의 어려움과 시험 시의 전력 소모를 최소화하며, 나아가 상이한 용량의 시험이 용이하고 일정 크기의 정격부하 조건 및 부분부하시험도 쉽게 할 수 있는 장점이 있는 부하장치이다.

수동 부하(260)와 전자식 부하(620)는 <수학식 1>과 <수학식 2>를 각각 만족하도록 구성할 수 있으며, 또한 수동부하(260)의 저항, 인덕턴스 및 커패시터 값이 설계치와 달라도 그 차이 부분을 전자식 부하(620)의 유효전력과 무효전력 출력으로 보상함으로서 소기의 목적을 달성할 수 있는 장점이 있으므로 수동 부하(260)의 제작이 그만큼 용이해진다.

본 발명이 안출한 부하장치를 이용한 단독운전 검출시험 시스템의 구성은 먼저 피시험기기(470)의 출력(330)에 스위치 S1(240)을 이용하여 교류전원시뮬레이터(230)에 연결하고 또 병렬로 스위치 S2(250)를 이용하여 전자식 부하(620)를 연결하는 것으로서 시험 시스템을 구성할 수 있다. 교류전원시뮬레이터(230)와 전자식 부하(620)를 운전하기 위해서는 외부에서 별도의 전원을 인가해 주어야 하는데 이는 저압의 계통전원(600)과 절연용 변압기(680)를 이용하여 공급하면 된다. 즉, 전력계통의 전압(460)을 전자식 부하(620)의 출력에 공급하고 동시에 절연용 변압기(680)의 1차측에 연결하여(690) 그 출력(670)을 교류전원시뮬레이터(230)의 입력에 공급하면 된다.

본 발명은 부하장치가 서로 성격이 다른 2개로 구성되어 있기 때문에 이를 제어하기 위한 부하 제어기(640) 및 입력장치(660)가 필요하게 된다. 또한 전자식 부하장치(620)는 내부에 전자식 부하장치 제어기(630)가 있으며 이는 부하장치의 내부 컨버터 및 인버터의 전류제어용으로 사용된다. 전자식 부하장치(620)의 제어기(630)와 부하 제어기(640) 및 입력장치(660)의 기능과 동작에 대해서는 각각 아래의 도 6 및 도 7에서 설명된다.

도 6은 전자식 부하장치(620)의 제어기(630)의 구성도를 나타내고 있다.

제어기(630)는 컨버터 제어기(630-1)와 인버터 제어기(630-2)로 구성되어 있 으나 후술할 일부를 제외하고 거의 동일한 제어 기능을 한다. 먼저, 컨버터의 제어기(630-1)를 설명하기로 한다. 컨버터의 입력은 피시험 기기(470)의 출력이 되고 이 출력전압(700)은 전압센서로 검출하여 전압 abc-dq 변환부(740)로 입력된다. 마찬가지로 입력 전류(710)도 전류센서로 검출 후에 전류 abc-dq 변환부(750)로 입력된다. 전압 abc-dq 변환부(740)는 3상의 전압을 회전기준좌표계로 변환하여 Vde, Vqe 전압을 출력하게 되는데 각각 d-축, q-축 전압이 된다. d-축 전압을 이용하여 위상고정루프(PLL, 760)를 연산하면 d-, q-축의 위상을 알 수 있고 이 위상정보(

, 880)는 다시 전압 및 전류의 abc-dq 변환부(740, 750) 및 공간벡터 펄스폭제어부(810)에서 이용된다.

d-, q-축으로 변환된 전자식 부하(400)의 입력 전압과 전류는 부하의 유효전력과 무효전력을 결정하는 d-, q-축 전류제어기(790, 800)에 사용된다. d-축의 전류인 Ide는 무효분 전력이 되고 q-축의 전류인 Iqe는 유효분 전력이 된다. 부하 제어기(640)에서 주어진 유효전력 명령(650-1)과 무효전력 명령(650-2)은 컨버터 제어기(630-1)로 입력되고 이는 각각 전압의 크기로 나누어서(770, 780) 각각 유효전류 기준치, Iqe* 및 무효전력 기준치, Ide*가 된다. 이 전류 기준치는 실제 검출된 전류인 Iqe, Ide와 오차를 계산하여 각각 q-축 전류제어기(790) 및 d-축 전류제어기(800)로 입력되어 제어 출력인 q-축 전압기준치(860) 및 d-축 전압기준치(870)를 연산하게 되고 이것과 전압의 위상 정보(880)로부터 컨버터의 스위치를 온오프하는 스위칭펄스폭이 공간벡터 펄스폭제어부(810)에서 연산된다. 이 펄스(840)는 컨버터를 구성하고 있는 전력용 스위칭소자의 온오프를 결정하게 된다.

이러한 컨버터(420)의 동작에 의해서 피시험기기(470)는 부하를 인가하는 것이 되며 이 전류출력은 전자식 부하장치(400)의 직류단 커패시터(450)로 충전이 된다. 인버터부(430)는 직류단 커패시터(450)에 충전된 전력을 전원측(600)으로 회생하는 역할을 한다. 인버터부 제어기(630-2)는 전원측(600)의 전압(720) 및 전류(730)를 검출하는 것과 이를 d-, q-축 변환 및 위상고정루프, 각각의 전류제어기, 공간벡터 펄스폭제어 등은 컨버터 제어기(630-1)와 동일하다. 다른 점은 전원(600) 측으로 흘리는 전류의 위상을 전압 위상과 동일하게 즉, 운전 역률을 1로 하는 것이 가장 효율적이므로 무효전력 명령(830) Q*를 0으로 한다는 점과 직류전압을 일정하게 유지하기 위해서 유효전력 명령을 직류전압제어기(820)로부터 받는다는 점이다. 이 직류전압제어기(820)의 출력은 유효전류 기준이 되어 인버터(430)의 출력전류를 결정하게 되고 이를 통하여 흡수된 피시험기기(470)의 출력은 전원측(600)으로 회생되게 된다.

도 7은 본 발명이 안출한 부하장치의 부하 제어기(640) 및 입력장치(660)의 구성도이다.

입력장치(660)는 피시험 기기(470)에 대한 정보 즉, 정격전압(900), 정격출력(910), 부하율(920)과 부하에 대한 정보 즉, Q값(930)과 수동부하에 대한 정보(940)를 입력받는 역할을 한다. 이 정보들은 부하 제어기(640)로 입력되어 후술할 연산을 거쳐 필요한 유효전력 명령(650-1), 무효전력 명령(650-2) 및 수동부하 투입 명령(610)을 각각 컨버터 제어기(630-1)와 수동부하(260)로 출력하게 된다.

도 8은 본 발명이 안출한 부하장치의 부하 제어기(640)의 내부 연산 흐름도 이다.

피시험 기기(470)는 저압 계통연계형 3상4선식을 가정하였다. 먼저, 입력장치(660)로부터 피시험기기 및 부하장치에 대한 정보를 입력받고(1000) 이로부터 아래의 수학식 6과 같이 유효전력과 무효전력을 계산한다(1010).

여기서 kW는 피시험기기(470)의 정격출력이고 상수는 3상인 경우 3이며 부하율은 시험 항목 상에서 지정된 부하율[%]이다.

Q는 Q값으로서 2.5 상수를 적용한다.

선간전압을 V라고 하면

에 해당하는 등가의 수동 저항-리액턴스-커패시턴스를 아래의 수학식 7과 같이 계산할 수 있다(1020).

여기서 f는 시험주파수 즉, 상용전원의 주파수인 50 혹은 60[Hz]이다.

다음은 계산된 등가의 수동 부하인

에 대해서 수동부하장치가 제공할 수 있는 근사한 값을 검색하는 단계이다(1030 - 1050). 검색은 부하정보입 력(1000)으로부터 제공된 데이터를 사용하는 것이다. 검색의 원칙은 저항과 리액턴스의 경우는 계산된 값 보다 큰 값을 찾고, 커패시턴스의 경우는 계산된 값보다 작은 값을 찾는 것이다. 이는 수동부하(260)와 전자식부하(620) 사이에 부하를 분배하기 위해서 이다.

다음 단계는 선택된 저항(R), 리액턴스(L), 커패시턴스(C)에 대해서 각각의 유효전력과 무효전력량을 계산하는 단계이다(1060-1080). 저항의 경우 시험에 인가하는 전력에서 선정된 수동 저항부하가 부담하는 전력을 빼면 전자식 부하(620)가 부담해야 하는 유효전력 Pa가 구해진다(1060). 마찬가지로 리액터와 커패시터에 대해서도 계산하면 전자식 부하(620)가 부담해야 하는 무효전력이 각각 Qla, Qca로 계산된다(1070, 1080). 전자식부하(620)는 유효전력과 무효전력에 대해서 출력이 가능하므로 무효전력에 대해서는 유도성과 용량성의 차이를 계산하여 크기와 방향을 알 수 있다(1090). 즉, Qa가 (+) 부호이면 지상 성분의 유도성 부하이고 (-) 부호이면 진상의 용량성 부하가 된다.

이렇게 하면 주어진 저항-리액터-커패시터를 정밀하게 조정할 필요 없이 미리 준비된 값과 근사한 값을 선정하고 그 차이만큼은 전자식 부하(620)가 부담하게 되므로 수동 부하(260)가 보다 간단한 구조가 되며 수동부하의 값을 줄이므로 열 손실로 소모되는 전력을 절감할 수 있게 된다.

다음은 선택된 조합이 시험기준에 적합한지 및 전자식 부하의 정격을 초과하지 않는지를 검사하는 단계이다. 피상전력을 구하여서(1100) 전자식 부하(260)의 정격을 넘어서지 않는가를 검사한다(1110). 부하의 정격을 넘으면 다른 수동부 하(260)의 조합을 찾아야 한다. 이 경우 저항성 부하 Pa와 용량 혹은 유도성 부하 Qa의 크기를 비교해서(1120) 저항성 부하량이 큰 경우에는 저항을 더 낮은 값으로 하여 전자식 부하의 유효전력 부담을 낮춰주고(1160), 그렇지 않고 무효전력이 큰 경우에는 유도성이 큰지 용량성이 큰지를 판단하여(1130) 유도성이 큰 경우에는 리액턴스를 보다 낮은 값으로 수동적으로 선택하고(1170), 용량성이 큰 경우에는 커패시턴스를 현재의 값보다 높은 값으로 수동으로 검색하여 입력한다(1180). 이러한 수동의 보정을 통해서 다시 전자식 부하(620)의 정격 초과여부를 판단하게 된다(1200). 이 과정은 조건이 만족할 때까지 계속된다.

마지막으로 선택된 값을 이용하여 공진주파수를 계산하고(1140), Q값을 계산하여(1150) 시험기준 조건을 만족하는지 검사한 후 계산된 명령을 각각의 수동부하(260) 및 전자식 부하(620)로 출력한다(1190). 수동 부하(260)의 공진주파수를 계산하는 식은 수학식 3과 같으며, 전자식 부하(620)의 Q값 계산식은 아래의 수학식 8과 같다.

여기서 아래 첨자 a가 붙은 것은 전자식 부하(620)가 부담하는 전력이고, 첨자 a가 없는 것은 수동부하(260)가 부담하는 부하이다.

도 9는 본 발명이 안출한 부하장치를 적용하여 단독운전 상태를 발생시킨 오실로그램이다. 트립신호(1310)를 임의의 시점(1300)에서 스위치 S1(240)에 인가하 여 계통전원(230 혹은 600)을 차단하면 계통으로 유입되는 전류(130)는 차단되고(1330) 피시험 인버터(470)의 출력전압(1320) 및 출력전류(1340)는 거의 변동이 없이 계속 흐르게 되는 것을 볼 수 있고 이러한 단독운전 상태가 지속되는 것을 볼 수 있다. 이러한 상태에서 피시험 기기(470)의 보호 기능은 계통전압(230 혹은 600)이 차단된 단독운전 상태를 제한된 시간 내에 검출해야 한다.

한편 본 발명은 도 10에 보이는 것처럼 태양광발전용 전력변환장치인 PCS의 단독운전 검출시험용 부하장치로 구현하여 실시할 수 있다.

피시험용 기기(1410)의 입력은 태양전지를 모의하는 태양전지 시뮬레이터(1400)를 연결하고 출력단에는 전자식 부하장치(1420)와 수동부하(1440)를 결합한 형태의 본 발명이 제안한 부하(1470)를 연결하고 스위치 S1(1430)을 이용하여 전원(1450)에 연결하여 시험할 수 있다. 전자식 부하(1420)는 회생된 전력을 전원(1450)으로 반환하기 위한 회로를 구성해 주어야 한다(1460).

그러나 이러한 용도 이외에도 교류전원장치 등의 시험에 있어서 미세하게 유효전력 및 무효전력을 가변하는 경우나 혹은 특정한 전류 형태 등을 필요로 하는 부하에서도 전자식 부하의 기능을 확장하여 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

도 1은 일반적인 계통연계형 분산전원의 단독운전 발생 상황도이다.

도 2는 일반적인 단독운전 보호가능 검출시험 구성도이다.

도 3은 종래의 단독운전 시험용 부하장치의 구성도이다.

도 4는 종래의 전자식 부하의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 단독운전 시험용 부하 구성도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자식 부하의 제어기 구성도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 입력장치 및 부하 제어기의 구성도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 부하 제어기의 제어 흐름도이다.

도 9는 본 발명이 제안한 부하장치의 적용 사례를 보인 도면이다.

도 10은 본 발명이 제안한 부하장치의 실시 사례를 보인 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 태양전지 어레이

20 : 전력변환장치(PCS)

30 : 부하

40 : 저압 배전선로

50 : 주상변압기

60, 80 : 고압 배전선로

90 : 변전소

200 : 직류전원 시뮬레이터

210 : 피시험 인버터

230 : 교류전원 시뮬레이터

260 : 수동부하장치

400 : 전자식 부하장치

410 : 전자식 부하장치의 컨버터부

430 : 전자식 부하장치의 인버터

600 : 교류전원

620 : 전자식 부하장치

630 : 전자식 부하장치의 제어기

640 : 부하 제어기

660 : 입력장치

Claims (7)

1. 태양광, 풍력, 연료전지를 포함한 에너지원으로 구성된 분산전원의 단독운전 보호기능을 시험하기 위한 부하장치에 있어서,

   수동소자인 저항, 리액터, 커패시터로 구성된 수동부하와;

   전자식 부하와;

   Q값을 포함한 시험 요구 조건을 만족하면서 상기 전자식 부하와 상기 수동부하의 부하를 가변시키는 부하 제어기;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 부하 제어기는,

   외부 입력장치를 통하여 피시험기기의 정격, 시험 조건 및 부하장치의 조건 정보를 입력하고, 이를 이용하여 상기 수동부하와 상기 전자식 부하의 부하 분배를 결정하여 각각 상기 수동부하와 상기 전자식 부하를 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 부하 제어기는,

   상기 수동부하와 상기 전자식 부하의 부하 분배에 있어서 시험 조건에서 요구하는 무효전력과 유효전력을 먼저 연산한 후에 상기 수동부하가 제공할 수 있는 유효, 무효전력을 우선 배분하고, 그 차이만큼을 상기 전자식 부하로 배분하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 부하 제어기는,

   상기 수동부하의 저항부하를 완전히 제거하고, 유효전력부하는 상기 전자식 부하의 부하만을 이용하며, 무효전력 부하는 상기 수동부하와 상기 전자식 부하를 분배하여 사용하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 부하 제어기는,

   상기 수동부하의 저항, 리액턴스 및 커패시턴스를 가변하지 않고 고정된 값을 사용하고, 시험 조건에서 요구하는 부하와의 차이만큼을 상기 전자식 부하로 분 배하여 소정의 유효전력과 무효전력을 피시험기기에 인가하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 부하 제어기는,

   부분부하시험을 위한 미세한 부하의 조정을 수행하기 위해서는 상기 전자식 부하의 유효전력과 무효전력을 미세하게 조정하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치.
7. 태양광, 풍력, 연료전지를 포함한 에너지원으로 구성된 분산전원의 단독운전 보호기능을 시험하기 위한 부하장치의 제어방법에 있어서,

   수동부하와 전자식 부하로 분배된 부하를 상기 전자식 부하의 용량이 담당할 수 있는 범위인지를 체크하는 체크 단계와;

   상기 체크 단계에서 조건을 만족하지 못할 경우 다시 부하를 재분배하는 재분배 단계;

   를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 단독운전 검출기능 시험용 부하장치의 제어방법.

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