KR20090096080A - System for Improving Power Factor of Dispersed Generation Grid-Connected Inverter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분산전원 계통연계형 인버터의 역률 개선 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터의 역률을 개선하여 계통에 고품질의 전력을 공급할 수 있도록 하는 제어에 관한 것이다.The present invention relates to a power factor improvement system for a distributed power grid-connected inverter, and more particularly, to a control for improving power factor of the inverter to supply high-quality power to the system.
분산전원 중 직류를 발생하는 전원은 태양광 발전, 연료 전지 발전, 풍력 발전 등이 있으며, 이러한 직류전원을 공급받아 직류전력을 교류전력으로 역변환하여 계통에 교류전력을 공급하는 장치를 계통연계형 인버터라 한다.Among the distributed power sources, DC power generation includes photovoltaic power generation, fuel cell power generation, and wind power generation.The system that supplies AC power to the system by inverting DC power into AC power by receiving this DC power is connected to the grid-type inverter. It is called.
즉, 계통연계형 인버터는 대표적인 대체 에너지원인 태양광을 이용하는 태양전지 또는 연료 전지 등으로부터 얻을 수 있는 직류전원을 반도체 스위치 장치를 이용하여 교류전원으로 변환한 후, 소정의 전력계통으로 교류 전환된 전력을 공급하는 전력 변환장치를 지칭한다.That is, the grid-connected inverter converts a DC power obtained from a solar cell or a fuel cell using solar, which is a representative alternative energy source, into an AC power source using a semiconductor switch device, and then converts AC into a predetermined power system. Refers to a power converter for supplying the.
대체 에너지원의 발전전력이 가정(부하)에서 소비되는 전력에 못 미치는 경 우 계통 전원(상용전원)으로부터 부족분을 공급받고 대체 에너지 발전 전력이 가정(부하)에서 소비되는 전력을 초과하는 경우에는 역으로 그 잉여 전력을 계통 전원측으로 공급하여 전체적인 운영효율을 증가시키는 시스템이다.If the generation power of the alternative energy source is less than that consumed in the home (load), if the shortage is supplied from the grid power supply (commercial power) and the alternative energy generation power exceeds the power consumed in the home (load), It is a system that increases the overall operating efficiency by supplying the surplus power to the system power supply side.
도 1은 분산전원에 사용되는 종래 계통연계형 인버터의 블록도로서, 분산전원 입력부(10), 역변환부(20), 필터(30), 계통절연용 상용주파 변압기(40), 인버터 출력부(50)로 구성된다.1 is a block diagram of a conventional grid-connected inverter used in a distributed power source, a distributed power
분산전원 입력부(10)는 태양 전지, 연료 전지, 풍력 발전 등의 직류전력을 입력받고, 역변환부(20)는 분산전원의 직류전원을 입력받아 교류전원으로 역변환하고, 계통의 위상과 주파수를 계산하여 계통과 동기를 맞춘다.The distributed power
상기 역변환부(20)에서 역변환된 전력은 필터(30)를 거쳐 정현파가 되고 이 정현파는 계통과 절연을 위한 상용주파 변압기(40)로 전달되며, 이 상용주파 변압기(40)는 계통과 인버터를 전기적으로 절연을 하고 전압을 승압 또는 강압한 후 인버터 출력부(50)를 통해 승압 또는 강압된 교류전원을 출력한다.The power converted by the
도 2는 종래 계통연계형 인버터의 제어 블록도로서, 분산전원 감지부(1)에서 분산전원의 출력을 감지하고, 계통전원 계측부(2)에서 계통 전원을 계측하여, 위상 제어부(3)와 주파수 제어부(4)를 통해 계통 전원과 동기화를 맞춘다.FIG. 2 is a control block diagram of a conventional grid-connected inverter. The distributed power
그리고 인버터 제어부(5)에서 인버터를 동작시켜 분산전원의 직류전력을 동기화를 맞춘 교류전력으로 역변환하고, 역변환된 전력은 출력필터(6)를 거쳐 계통(7)에 된다.
이러한 분산전원 계통연계형 인버터의 특징은 계통연계형이라는 점, 직류 입 력전압의 범위가 매우 넓어야 한다는 점, 출력 전력이 항상 변한다는 특징이 있다.The characteristics of such distributed power grid-connected inverters are that they are grid-linked, that the range of DC input voltage must be very wide, and the output power is always changing.
계통연계형 인버터 중에서 태양광을 입력으로 하는 분산전원은 낮에는 출력이 있지만 밤에는 출력이 없고, 풍력을 입력으로 하는 분산전원은 바람의 양에 따라 출력이 변하며, 연료 전지는 수소의 양에 따라 출력 전력이 결정된다.Among the grid-connected inverters, the distributed power source using solar power has an output during the day but no output at night, and the distributed power source using wind power varies according to the amount of wind, and the fuel cell depends on the amount of hydrogen. The output power is determined.
즉, 분산전원용 계통연계형 인터버는 출력 전력량이 항상 다르며, 최소 0에서부터 자기 용량까지 발전할 수 있어야 한다.In other words, the grid-connected inverter for distributed power supplies must always be different in output power and be capable of generating power from zero to magnetic capacity.
종래 분산전원용 계통연계형 인버터는 출력 전력의 역률을 거의 1로 운전을 하지만, 출력 전력량이 적으면 역률이 나빠지는 단점이 있었다.Conventional grid-connected inverter for distributed power supply operates the power factor of the output power to almost 1, but the power factor is poor when the output power amount is small.
상기 역률이 나빠지는 원인은 필터(30)로 사용되는 캐퍼시터와 계통(7)과의 절연을 위해 사용하는 상용주파 변압기(40)의 여자 전류 때문이다.The cause of the power factor deterioration is due to the excitation current of the
상기 출력 전력량이 적으면 역률이 나빠지는 이유를 좀 더 상세히 설명하면, 계통연계형 인버터는 출력 전력을 유효전력만을 생산하는데, 필터(30)로 사용되는 캐퍼시터와 상용주파 변압기(40)의 여자 전류(excite current)는 무효전력을 사용한다.In more detail, the power factor decreases when the output power amount is small. The grid-connected inverter produces only the active power of the output power, and the excitation current of the capacitor used as the
그리고 역률(Power Factor)은 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.The power factor is calculated by
상기 수학식 1에서 무효전력은 필터(30)로 사용되는 캐퍼시터의 용량과 상용주파 변압기(40)의 여자 전류에 의해 결정되지만, 인버터의 출력인 유효전력은 분 산전원의 종류에 따라 출력량이 변하게 된다.In
따라서 출력 전력이 많으면 무효전력에 비하여 유효전력이 많아 역률이 좋아지지만, 유효전력이 줄어들게 되면 무효전력이 인버터의 출력량과 관계없이 일정하므로 역률이 나빠지게 된다.Therefore, when the output power is large, the power factor is improved because the active power is larger than the reactive power, but when the effective power is reduced, the power factor becomes worse because the reactive power is constant regardless of the output amount of the inverter.
또한, 유효전력이 최대로 운전되고 있는 상황에서도 역률이 1에 가깝게 운전은 되지만, 유효전력이 최대가 되어도 무효전력은 항상 존재하기 때문에 역률이 1이 되지는 않는다.In addition, even when the active power is operating at maximum, the power factor is operated close to 1, but even when the active power is maximum, the power factor does not become 1 because reactive power is always present.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 분산전원에 사용되는 계통연계형 인버터의 출력 역률을 출력 전력량과 관계없이 1이 되도록 제어하며, 이로 인하여 계통에서 인버터로 입력되는 무효전력을 최소화하여 계통에 무효전력에 대한 영향을 최소화하고 출력전류 품질을 향상시킬 수 있는 분산전원 계통연계형 인버터의 역률 개선 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-described problems, the output power factor of the grid-connected inverter used for distributed power supply is controlled to be 1 regardless of the output power amount, thereby minimizing the reactive power input to the inverter from the system The purpose is to provide a power factor improvement system for distributed power grid-connected inverters that can minimize the effects of reactive power and improve the output current quality.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분산전원 계통연계형 인버터의 역률 개선 시스템은, 분산전원의 출력을 감지하는 분산전원 감지부와, 계통전원의 위상과 주파수를 계측하는 계통전원 계측부와, 상기 계통전원의 위상과 주파수를 맞추어 계통전원과 동기화를 수행하는 위상 제어부 및 주파수 제어부와, 인버터를 동작시켜 분산전원의 직류전력을 동기화를 맞춘 교류전력으로 역변환하도록 하는 인버터 제어부와, 상기 변환된 교류전력을 계통에 공급하는 출력필터로 구성되는 분산전원 계통연계형 인버터의 제어 시스템에 있어서;The power factor improvement system of the distributed power grid-connected inverter according to the present invention for achieving the above object includes a distributed power detector for sensing the output of the distributed power supply, a grid power measurement unit for measuring the phase and frequency of the grid power; A phase controller and a frequency controller for synchronizing with the system power according to the phase and frequency of the system power, an inverter controller for operating the inverter to inversely convert the DC power of the distributed power supply into the AC power synchronized with the AC power, and the converted AC A control system of a distributed power grid-connected inverter comprising an output filter for supplying electric power to a grid;
상기 출력필터에서 계통으로 출력되는 출력 전력의 역률을 모니터링하고, 출력 전력의 역률을 1로 제어하기 위해 무효전력과 유효전력을 계산하여 지령치로 출력하는 역률 제어기와, 상기 지령치에 따라 유효전력과 무효전력을 생산하여 인버터 제어부로 출력하는 유효전력 생성부 및 무효전력 생성부로 이루어지되, 상기 인 버터 제어부는 유효전력과 무효전력을 스위칭하여 출력하고 출력전력이 진상 역률로 넘어가지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다.A power factor controller that monitors the power factor of the output power output from the output filter to the system and calculates the reactive power and the active power as a command value to control the power factor of the output power to 1, and the active power and the invalid value according to the command value; It consists of an active power generation unit and a reactive power generation unit for producing power and outputting to the inverter control unit, the inverter control unit is characterized in that the output and the active power switching by switching the active power and reactive power so that the output power does not exceed the forward power factor. do.
상술한 과제 해결 수단에 의하면 계통연계형 인버터에서 무효전력을 필요한 만큼 자체 발전하여 인버터 출력 전력의 역률이 항상 1로 운전되도록 하는 데 매우 뛰어난 효과가 있다.According to the above-described problem solving means has a very excellent effect in the power generation of the inverter output power to always operate by 1 by generating the reactive power as necessary in the grid-connected inverter.
더불어 분산전원에 사용되는 계통연계형 인버터의 역률이 항상 1로 유지되기 때문에, 계통에 영향을 최소화할 수 있으며 출력 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)를 낮출 수 있다. In addition, the power factor of a grid-connected inverter used for distributed power is always maintained at 1, which minimizes the effect on the grid and lowers the total harmonic distortion (THD) of the output current.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 역률 개선 시스템의 블록도이다.3 is a block diagram of a power factor improvement system according to the present invention.
도시된 바와 같이, 분산전원 감지부(101), 계통전원 계측부(102), 위상 제어부(103), 주파수 제어부(104), 인버터 제어부(105), 출력필터(106), 계통(107), 역률 제어기(108), 유효전력 생성부(109), 무효전력 생성부(110)를 포함하여 구성된다.As shown, distributed power
분산전원 감지부(101)에서 분산전원의 출력을 감지하고, 계통전원 계측 부(102)에서 계통 전원의 위상과 주파수를 계측하여, 위상 제어부(103)와 주파수 제어부(104)를 통해 계통(107) 전원과 동기화를 맞춘다.The
그리고 인버터 제어부(105)에서 인버터를 동작시켜 분산전원의 직류전력을 동기화를 맞춘 교류전력으로 역변환하고, 변환된 전력은 출력필터(106)를 거쳐 계통(107)에 전력을 공급하게 된다.The
역률 제어기(108)에서 출력필터(106)에서 계통(107)으로 출력되는 출력 전력의 역률을 모니터링하고, 출력 전력의 역률을 1로 제어하기 위해 무효전력량과 유효전력량을 계산하여 유효전력 생성부(109)와 무효전력 생성부(110)로 입력한다.The
무효전력을 필요 이상 많이 공급하게 되면 계통(107)에 진상(進相) 역률의 전력을 공급하게 되어 역률이 낮아지므로 이를 위해 필요한 무효전력 공급량을 계산해 제한을 한다.When the reactive power is supplied more than necessary, the power of the phase power factor is supplied to the
이때 상기 필요한 무효전력 계산법은 아래와 같다.At this time, the required reactive power calculation method is as follows.
여기서 VA는 출력필터로 사용된 캐퍼시터의 무효전력량, C는 그 캐퍼시터의 정전용량{㎌}, E는 인버터의 출력전압[V], f는 인버터의 주파수[㎐] 이다.Where VA is the reactive power of the capacitor used as the output filter, C is the capacitance of the capacitor {캐}, E is the output voltage of the inverter [V], and f is the frequency of the inverter.
상기 수학식 2를 이용하여 필터 캐퍼시터의 정전용량을 구해 필요한 무효전력을 계산할 수 있으며, 다음 수학식 3을 이용해 제어에 필요한 전류값을 알 수 있다.
상기 출력필터(106)로 사용된 캐퍼시터는 용량성 부하이므로 캐퍼시터에 공급해 주어야 하는 전류는 진상 성분이 된다.Since the capacitor used as the
상용주파 변압기의 여자 전류는 그 변압기의 용량과 사용하는 코어의 재질, 권선에 따라 다르므로 수식에 의하여 계산할 수 있지만 많은 변수를 고려해야 한다.The excitation current of a commercial frequency transformer depends on the capacity of the transformer, the material of the core used, and the winding, so it can be calculated by the formula, but many variables must be considered.
그러므로 역률 제어기(108)는 인버터의 출력 역률을 1로 제어하기 위해 출력 역률을 감시하여 역률이 1이 되도록 유효전력 생성부(109)와 무효전력 생성부(110)로 지령치(유효전력량과 무효전력량)를 보내 유효전력량과 무효전력량을 생산하게 한다.Therefore, the
상기 생산된 유효전력과 무효전력은 인버터 제어부(105)로 보내지고 인버터 제어부(105)는 입력되는 유효전력과 무효전력을 스위칭하여 출력필터 측으로 출력하게 된다.The produced active power and reactive power are sent to the
이때 무효전력 생성부(110)는 인버터에서 필요한 만큼만 무효전력을 생산하고, 그 이상 무효전력이 발전하면 역률이 진상으로 넘어가 역률이 낮아지므로 역률제어기(108)에서 이를 제어하여 항상 출력 역률이 1이 되도록 조정한다.At this time, the reactive
즉, 본원발명은 출력필터(106)의 무효전력을 계통(107)에서 공급하지 않고, 인버터 자체 내에서 출력필터(106)로 사용되는 캐퍼시터의 용량을 계산하여 무효전 력을 공급하며, 출력 역률을 1로 운전하되, 진상 역률로 넘어가지 않도록 제어를 한다.That is, the present invention does not supply the reactive power of the
도 1은 분산전원에 사용되는 종래 계통연계형 인버터의 블록도,1 is a block diagram of a conventional grid-connected inverter used for distributed power supplies,
도 2는 종래 계통연계형 인버터의 제어 블록도,2 is a control block diagram of a conventional grid-connected inverter,
도 3은 본 발명에 따른 역률 개선 시스템의 블록도.3 is a block diagram of a power factor improvement system according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 분산전원 감지부 102: 계통전원 계측부101: distributed power detection unit 102: grid power measurement unit
103: 위상 제어부 104: 주파수 제어부103: phase control unit 104: frequency control unit
105: 인버터 제어부 106: 출력필터105: inverter control unit 106: output filter
107: 계통 108: 역률 제어기107: system 108: power factor controller
109: 유효전력 생성부 110: 무효전력 생성부109: active power generation unit 110: reactive power generation unit
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