KR20110070023A - 전압 정궤환 제어를 이용한 분산전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단독운전 시 단독 운전 계통의 전압이 유효전력 출력에 좌우된다는 점에 착안하여 분산전원 인버터의 유효전력 출력 제어부에 전압의 미세한 변동을 가속화 이득을 통하여 증폭한 외란요소를 추가함으로써 능동적으로 전압 변동을 가속화하여 단독운전 검출조건이 형성되도록 하여 단독운전을 검출하는 분산전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른, 전력계통과 연계된 분산전원의 단독 운전을 검출하는 방법은, 유효전력을 이용하여 제1 전류지령치를 생성하고, 부하와의 접속점 전압을 이용하여 전압 변동 가속화 성분을 생성하며, 상기 전압 변동 가속화 성분을 상기 제1 전류지령치에 합산한 제2 전류지령치에 따라 전압 정궤환 방식으로 인버터를 제어하여 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동에 대한 가속화를 유도하여 단독 운전을 검출하는 것을 특징으로 한다.
분산전원, 단독운전 검출

Description

전압 정궤환 제어를 이용한 분산전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치{Active anti-islanding method and apparatus for distributed generators using voltage positive feedback control}
본 발명은 분산전원의 단독운전 검출 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단독운전 시 단독 운전 계통의 전압이 유효전력 출력에 좌우된다는 점에 착안하여 분산전원 인버터의 유효전력 출력 제어부에 전압의 미세한 변동을 가속화 이득을 통하여 증폭한 외란요소를 추가함으로써 능동적으로 전압 변동을 가속화하여 단독운전 검출조건이 형성되도록 하여 단독운전을 검출하는 분산전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
분산전원의 단독 운전 검출 방법은 크게 분류하면 능동형과 수동형으로 구분할 수 있으며, 능동형은 전력변환장치 등을 이용하여 계통외란 신호를 출력하고 이러한 출력 외란에 대한 전력계통의 응답 특성을 관측하여 단독운전 여부를 검출하는 방법이고, 수동형은 측정점에서의 전압의 크기나 위상각 혹은 주파수 정보를 이용하여 규정치보다 높거나 낮은 것을 검출하거나 혹은 변동분을 이용하여 단독운전을 검출하는 방법을 말한다. 능동형은 검출 불가영역이 아주 작거나 없는 장점이 있으나, 외란신호를 전력계통에 인가함으로 인해 전력품질이 악화되는 단점이 있다. 수동형은 구현이 간단하고 저가이며 전력품질에 영향을 주지 않는 반면에 검출 불가영역이 넓고 다수의 분산전원이 적용된 경우에 검출이 불가하거나 검출성능이 떨어진다.
능동형 검출 분야의 종래 기술을 상술하면 다음과 같다. 주파수 바이어스 방법은 정현파를 갖는 분산전원의 출력전류에 약간의 데드(dead) 타임을 주는 방법으로 왜곡된 인버터 출력전류지령을 부하에 공급하게 되는 단점이 있다. 샌디아(Sandia) 주파수 변동방법은 무효전력 출력과 부하의 미소한 차이에 의해 미세한 주파수의 변동이 생기면 이를 출력전류에 데드 타임의 형태로 적용한 것으로서, 검출 불가영역이 거의 없으나 계통연계 상태에서 주파수가 변동하는 경우 출력전류에 왜곡이 발생하는 단점이 있다. 무효전력 출력과 부하의 불평형에 의한 주파수 변동을 이용하여 출력전류 위상각을 조작하거나 위상동기 제어부(Phase Lock Loop:PLL)의 기준 주파수를 변동시킴으로써 단독 운전을 검출하는 몇 가지의 방법들이 있으나, 주파수 변동에 대하여 위상각이나 기준 주파수 등을 얼마나 변동시킬 것인가를 결정하는 제어 이득을 구체적으로 설정하기 힘든 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 단독운전 시 계통전압이 유효전력 출력에 좌우된다는 점에 착안하여 인버터의 유효전력 출력 제어부에 전압의 미세한 변동을 가속화 이득을 통하여 증폭한 외란 요소를 추가함으로써 능동적으로 전압 변동을 가속화하여 단독 운전 검출 조건이 형성되도록 하여 단독 운전을 검출하는 분산 전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 단독 운전 시 검출이 가능할 정도로 단독운전 계통을 충분히 불안정하게 하면서 계통 연계 운전 시에는 전력 품질에 영향을 최소화하기 위한 가속화 이득 설계를 적용한 분산 전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 전력계통과 연계된 분산전원의 단독 운전을 검출하는 방법은, 유효전력을 이용하여 제1 전류지령치를 생성하고, 부하와의 접속점 전압을 이용하여 전압 변동 가속화 성분을 생성하며, 상기 전압 변동 가속화 성분을 상기 제1 전류지령치에 합산한 제2 전류지령치에 따라 전압 정궤환 방식으로 인버터를 제어하여 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동에 대한 가속화를 유도하여 단독 운전을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 전압 변동 가속화 성분에 따라 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동이 단독운전 검출조건을 초과하도록 하여 단독 운전을 검출할 수 있다.
상기 전압 변동 가속화 성분은, 상기 접속점 전압과 상기 접속점 전압의 주파수 필터링 성분 사이의 차이에 전압 변동 가속화 이득을 곱하여 획득된다.
상기 전압 변동 가속화 이득은, 전압변동 증폭 이득과 상기 제2 전류지령치 의 곱이고, 상기 전압변동 증폭 이득은, 최소값과 최대값 사이의 값으로 설정된다.
상기 전압변동 증폭 이득은, 단독운전 시의 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압을 충분히 크게 변동시키기 위하여 미소 신호 안정도 해석을 통하여 산정되는 상기 최소값과, 전력 계통과 연계 운전 시 상기 전압변동 가속화에 의한 제어에 따른 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동을 제한하기 위하여 전압 스텝 변화에 대한 응답 특성 해석을 통하여 계산된 상기 최대값 사이의 값으로 설정된다.
상기 최소값은 수학식
Figure 112009078385521-PAT00001
에 의하여 결정되고, 상기 최대값은 수학식
Figure 112009078385521-PAT00002
에 의하여 결정되며, 여기서, Vn은 상기 접속점 전압의 정격전압, Kp 는 소정 비례 이득, ΔVstep 상기 접속점 전압의 전압 스텝 변화분, η는 수학식
Figure 112009078385521-PAT00003
에 의하여 결정되고 실제유효전력(Pinv)에 대한 유효전력 최대변동 허용값(ΔPpeak)의 비율이다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 전력계통과 연계된 분산전원의 단독 운전을 검출하는 장치는, 유효 전력과 무효전력 및 유효 전력 지령치와 무효전력 지령치를 이용해 전류 지령치를 생성하는 출력 제어기를 포함하고, 상기 출력 제어기는, 상기 유효전력을 이용하여 제1 전류지령치를 생성하는 제1 수단; 부하와의 접속점 전압을 이용하여 전압 변동 가속화 성분을 생성하는 제2 수단; 및 상기 전 압 변동 가속화 성분을 상기 제1 전류지령치에 합산하여 제2 전류지령치를 생성하는 제3 수단을 포함하며, 상기 제2 전류지령치에 따라 전압 정궤환 방식으로 인버터를 제어하여 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동에 대한 가속화를 유도하여 단독 운전을 검출한다.
상기 제2 수단은, 상기 접속점 전압과 상기 접속점 전압의 주파수 필터링 성분 사이의 차이에 전압 변동 가속화 이득을 곱하여 상기 전압 변동 가속화 성분을 획득한다.
상기 전압 변동 가속화 이득은, 전압변동 증폭 이득과 상기 제2 전류지령치의 곱이고, 상기 전압변동 증폭 이득은, 최소값과 최대값 사이의 값으로 설정된다.
상기 전압변동 증폭 이득은, 단독운전 시의 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압을 충분히 크게 변동시키기 위하여 미소 신호 안정도 해석을 통하여 산정되는 상기 최소값과, 전력 계통과 연계 운전 시 상기 전압변동 가속화에 의한 제어에 따른 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동을 제한하기 위하여 전압 스텝 변화에 대한 응답 특성 해석을 통하여 계산된 상기 최대값 사이의 값으로 설정된다.
상기 최소값은 수학식
Figure 112009078385521-PAT00004
에 의하여 결정되고, 상기 최대값은 수학식
Figure 112009078385521-PAT00005
에 의하여 결정되며, 여기서, Vn은 상기 접속점 전압의 정격전압, Kp 는 소정 비례 이득, ΔVstep 상기 접속점 전압의 전압 스텝 변화분, η는 수학식
Figure 112009078385521-PAT00006
에 의하여 결정되고 실제유효전력(Pinv)에 대한 유효전력 최대변동 허용값(ΔPpeak)의 비율이다.
본 발명에 따른 분산 전원의 능동형 단독운전 검출 방법 및 장치에 따르면, 분산전원의 단독운전을 검출 불가영역 없이 능동적으로 검출할 수 있다.
또한, 능동형 단독운전 검출기법이나 출력전류를 왜곡시키지 않고, 출력외란을 최소화하여 전력품질에 영향을 거의 미치지 않는다.
또한, 별도의 센서 등의 장치의 추가나 제어기의 교체 없이 기존의 분산전원 제어기에 적용이 용이하다.
그리고, 정확한 단독운전 검출로 인명과 설비의 안전을 보장하고, 분산전원의 운전 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
　본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
특 고압 및 저압 배전선로 등의 전력계통에 고장이 발생하여 전력계통의 전원이 차단되어 분산전원(DG: Distributed Generators)이 있는 계통에 단독운전이 발생하였을 때, 분산전원(DG)의 발전량과 단독운전 계통의 부하량(RLC 부하)의 차이가 작을 경우, 전압 및 주파수의 변동이 미미하여 단독운전을 검출하지 못하는 검출 불가영역이 발생할 수 있다. 이와 같이 전력계통의 전원이 차단되는 경우에, 단독운전을 신속히 검출하여 단독 운전을 정지시킬 필요가 있다.
도 1은 단독 운전 현상을 설명하기 위한 모델로서, IEEE 929 및 UL 1741 규격에서 단독 운전 검출 성능 시험을 위한 회로 구성을 나타낸다. 전력계통의 고장 등으로 전력계통 측 차단기(S1)가 개방되면, 분산전원(DG) 측 차단기(S2)가 단락되어 전력계통의 전원 없이 분산전원(DG)에서 인근 RLC 부하에 단독으로 전력을 공급하는 단독 운전 현상이 발생한다. 이때, 분산전원(DG)으로부터의 유효전력출력 Pinv와 무효전력출력 Qinv, 유효전력부하 Pload 및 무효전력부하 Qload, 및 유효전력에 대한 부하와 발전의 차 ΔP와 무효전력에 대한 부하와 발전의 차 ΔQ는 [수학식 1] 내지 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009078385521-PAT00007
[수학식 2]
Figure 112009078385521-PAT00008
[수학식 3]
Figure 112009078385521-PAT00009
[수학식 4]
Figure 112009078385521-PAT00010
[수학식 1]에서 Pload > Pinv이면, Pload가 Pinv가 되기 위해 분산전원(DG)과 부하의 접속점 전압 V가 감소하고, Pload < Pinv이면 V는 증가한다. ΔP가 일정하다고 하면, [수학식 2]에서 Qload > Qinv 이면, 분산전원(DG)과 부하의 접속점 주파수 f는 증가하고, 반대로 Qload < Qinv 이면, 주파수 f는 감소한다.
도 2는 단독 운전 시의 유/무효전력 및 전압/주파수 관계를 나타낸 그래프이다. 도 2와 같이, 유효전력의 불평형은 전압과 직접적인 관계를 가지며 무효전력의 불평형은 주파수와 직접적인 관계를 가진다. 전력계통 측 차단기(S1)이 개방되어 단독운전이 발생한 경우, 유효전력에 대한 부하와 발전의 차 ΔP및 무효전력에 대한 부하와 발전의 차 ΔQ에 의해 전압 및 주파수 변동이 발생하고, 전압의 경우 정격 전압의 0.88~1.1배를 초과하거나 주파수의 경우 59.3Hz~60.5Hz 범위를 초과하게 되면 단독운전으로 판별하여 검출하도록 되어 있다. 그러나, 전압 및 주파수의 변동이 미미한 경우에는, 단독운전을 검출하지 못하게 되는데 이러한 영역을 도 2와 같이 검출 불가 영역(NDZ)이라 한다.
능동형 단독운전 검출 방법의 경우에 분산전원의 출력에 외란(external disturbance) 성분을 추가하기 때문에 그 방법에 따라 출력 전류의 왜곡이나 출력 변동에 의한 전압 변동 등을 발생시켜 전력 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 새로운 방식의 도입으로 인하여 기존에 운전되고 있는 분산전원 설비에 센서 등의 별도의 장치를 설치하거나 제어기를 교체하여야 하는 경우 별도의 경제적인 부담을 가중시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 기존에 운전되는 분산전원에 별도의 장치를 추가하지 않고 기존의 제어블록에 간단한 전압변동 가속화 루프를 추가함으로써, 단독운전을 능동적으로 검출하여 검출 불가 영역을 0이 되게 하고, 동시에 능동형 방식의 가장 큰 단점인 연계운전 시 전력품질의 영향을 최소화하고자 하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전압 정궤환 제어 방식의 개념도이다. 도 3과 같이, 본 발명에서는 검출 불가 영역을 제거하기 위하여, 단독운전 계통 상의 회로에서의 유효전력-전압 간의 밀접한 연관성에 착안하여 전압 정궤환 제어 방식에 기반을 두었다. 전압 정궤환 제어의 기본 개념은 단독계통 발생 시 Pinv가 Pload보다 커서 전압V이 증가하는 경우, 분산전원 유효전력출력 Pinv가 더 증가되도록 분산전원(DG) 내의 인버터의 전류 지령치 i* q를 설정하여 전압 증가를 가속화하고, 반대로 전압V이 감소하는 경우, Pinv가 감소하도록 인버터의 전류지령치 i* q를 설정하여 전압 감소를 가속화하는 것이다.
ΔP가 0인 경우 주파수 변동은 없으나, 실제로 계측 오차나 노이즈로 인한 미세한 변동이 항상 동반되므로 여기에 적정한 가속화 이득으로 증폭하게 된다. 부하가 전력계통에 연계되어 있을 때에는 계통 자체의 전압 유지력이 매우 크므로, 분산전원의 출력변동으로 인한 전압변동이 거의 없으나, 단독운전인 경우 전압은 급격히 변화해서 전압이상 검출 조건을 초과하게 된다. 이러한 검출방법에서는 적정한 크기의 가속화 이득을 설계하는 것이 핵심인데, 이득 값이 너무 작으면 단독운전 계통을 충분히 흔들어 주지 못하여 단독운전 검출이 불가하며, 게인이 너무 크면 계통연계 운전 시 출력의 외란이 심해지기 때문이다. 따라서, 이하 적정한 크기의 가속화 이득을 설정하여 단독 운전을 검출할 수 있는 방법을 제시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원 인버터의 제어를 위한 단독 운전 검출 장치(400)의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 검출 장치(400)는, 직류전원을 받아 교류 전압을 출력하는 (3상)인버터의 출력단에 연결된 인덕터(L), 인버터의 출력단의 전류(iabc)(예를 들어, a,b,c 3상 전류)로부터 d-q 좌표 변환한 전류(idq)(idq 는 d축 전류id 와 q축 전류iq 를 의미함)를 생성하는 전류 변환부(410), 인덕터(L) 출력의 전압(eabc)(예를 들어, a,b,c 3상 전압)로부터 d-q 좌표 변환한 전압(edq)( edq 는 d축 전압ed 와 q축 전압 eq 를 의미함)를 생성하는 전압 변환부(411), 전압 변환부(411)에서 생성된 전압(edq)에 대하여 위상각(θ)과 주파수값(ω)을 계산하는 위상동기루프(PLL:Phase Lock Loop)(412), 전류 변환부(410)에서 생성된 전류(idq)와 전압 변환부(411)에서 측정된 전압(edq), 및 주파수값(ω)을 이용해 인버터에서 공급하는 실제유효전력(Pinv)과 실제무효전력(Qinv)(이는 단독 운전 계통에서 계산된 유효/무효 전력이 됨.)을 계산하는 P＆Q계측부(420), 실제유효 전력(Pinv)과 실제무효전력(Qinv), 및 유효전력지령치(P* inv)와 무효전력지령치(Q* inv)를 이용해 전류지령치(i* dq)(i* dq 는 d축 전류지령치 i * d 와 q축 전류지령치 i* q 를 의미함)를 생성하는 출력 제어기(430), 전류 변환부(410)에서 생성된 전류(idq)와 전류지령치(i* dq)를 이용해 전류 제어 신호를 생성하는 전류제어기(440), 및 전류제어기(440)로부터의 전류 제어 신호를 펄스폭 변조하여 변조된 신호로 인버터를 제어하기 위한 펄스폭변조기(PWM:Pulse-Width Modulation Unit)(450)를 포함한다. 여기서, 인덕터(L)를 통해 출력되는 분산전원이 차단기(S2)를 통해 RLC 부하에 공급될 수 있다.
특히, 계통연계형 인버터의 출력을 제어하기 위하여 출력 제어기(430)와 전류제어기(440)를 다양한 방법으로 구성할 수 있지만, 제 5 도와 같이 유효전력과 무효전력을 개별 제어하기 용이한 d-q 좌표 변환에 기반을 둔 출력 제어방식이 이용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 출력 제어기(430)는, 제1 비례-적분 제어기(510)를 통해 유효전력지령치(P* inv)와 실제유효전력(Pinv) 사이의 차이(오차)를 비례 및 적분 이득(비례 이득Kp, 적분 이득 Ki)을 이용해 적분하여 q축 전류지령치(i* q)를 생성할 수 있으며, 또한, 제2 비례-적분 제어기(520)를 통해 무효전력지령치(Q* inv)와 실제무효 전력(Qinv) 사이의 차이(오차)를 비례 및 적분 이득(비례 이득Kp, 적분 이득 Ki)을 이용해 적분하여 d축 전류지령치(i* d)를 생성할 수 있다. q축 전류지령치(i* q)와 d축 전류지령치(i* d), 즉, d-q 전류 지령치(i* dq)는 전류제어기(440)로 입력되어 인버터를 제어하게 된다.
특히, 도 6은 본 발명에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 출력 제어기(430)는 전압변동 가속화 제어를 위하여, 도 6과 같이, 전압변동 가속화 제어부(610)를 포함한다.
도 6과 같이, 제1 비례-적분 제어기(510)의 출력, 즉, q축 전류지령치를 i* q0라 하면, 합산 수단(611)을 이용해 i* q0에 전압변동 가속화 제어부(610)에서 전압 변동을 가속화시킬 수 있는 전압 변동 가속화 성분
Figure 112009078385521-PAT00011
을 추가 합산하여 전류제어기(440)로 q축 전류지령치(i* q)를 입력할 수 있다.
이때 합산 수단(611)에서 출력하는 q축 전류지령치(i* q)에 대한 라플라스 변환 형태는 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112009078385521-PAT00012
여기서, ωf(=2πf)는 전압 V의 필터링 주파수[rad/s], Kacc는 전압 변동 가속화 이득으로 [수학식 6]과 같이 전압 변동 증폭 이득 Kv과 합산 수단(611)에서 출력되는 q축 전류 지령치(i* q)의 곱을 의미한다. X(s)는 변수 X의 라플라스 변환 형태이다. 도 6 또는 [수학식 5]과 같이, 전압 변동 가속화 이득 Kacc는 분산전원(DG)과 부하의 접속점 전압 V와 V의 주파수 필터링 성분
Figure 112009078385521-PAT00013
사이의 차이에 곱해져 합산 수단(611)으로 출력되어 전압 V의 변동이 유도되고 단독 운전을 검출할 수 있는 조건이 만족되도록, 예를 들어, 전압 변동이 소정 값 이상으로 흔들어지도록(fluctuation) 가속화 된다. 단독 운전이 검출되면 차단기(S2)가 개방될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112009078385521-PAT00014
전력계통에 연계되어 있는 경우 계통 전압이 변동이 되어 분산전원의 인버터가 이를 가속화시키려는 방향으로 유효전력 출력 외란을 발생한다 하더라도, 전력계통 자체의 용량이 매우 크기 때문에, 전압은 가속화되지 않는다. 그러나 단독운전 시는 아주 미세한 전압 변동이 발생하더라도 변동폭이 빠른 속도로 가속화되어 검출한계인 0.88-1.1 [PU]의 범위를 벗어나게 된다. 이때 가속되는 속도는 전적으로 가속화 이득의 크기에 좌우된다.
위와 같은 전압 변동 증폭 이득 Kv를 설계하기 위하여 다음 조건을 고려한다. 예를 들어, ① 전압변동 가속화를 위한 전압변동 가속화 제어부(610)에 의한 유효전력 출력 외란의 크기가 분산전원의 유효전력 출력크기에 비례하도록 할 것, ② 전압변동 가속화 제어부(610)에 의한 유효전력 출력 외란의 크기(또는 접속점 전압 V의 변동)가 단독운전 검출 조건에 해당될 정도의 전압변동을 야기할 만큼 소정 설정값 이상으로 충분히 클 것, ③ 계통 연계 운전 시 계통의 전압 변동에 대해서 전압변동 가속화 제어부(610)의 전압변동 가속화 성분에 의한 유효전력 출력 변동(또는 접속점 전압 V의 변동)이 소정 설정값 이하가 되도록 할 것 등을 고려하여 전압 변동 증폭 이득 Kv이 설계될 수 있다.
전압변동 증폭 이득 Kv의 하한은 위의 조건 ②에 의거하여, 단독운전 시에 회로 시스템을 불안정하게 하는 소정 최소값으로 정한다. [수학식 5]로부터 [수학식 7]의 미소 신호 방정식을 얻을 수 있다. [수학식 7]의 미소 신호 방정식으로부터 특성 방정식을 구한다. 시스템이 불안정한 조건은 특성 방정식의 해가 발산하는 조건이므로, 이로부터 Kv의 하한을 얻을 수 있다. 전개하여 조건을 이끌어내면 결과는 [수학식 8]과 같다. [수학식 8]에서Vn은 분산전원과 부하의 접속점의 정격전압이다. Δ는 해당 요소의 변동값이다.
[수학식 7]
Figure 112009078385521-PAT00015
[수학식 8]
Figure 112009078385521-PAT00016
전압변동 증폭 이득 Kv의 상한은 위의 조건 ③에 의거하여, 계통연계 운전 시 계통전압이 변동되더라도 일정한 크기의 유효전력 출력변동을 갖지 않도록 설정한다. 이를 위하여 전압의 스텝 변화에 대한 전압변동 가속화 제어부(610)의 응답 특성을 고려하고 이로부터 상한을 도출한다. ΔVstep의 전압변동을 스텝함수로 준다고 하면 [수학식 7]과 유효전력 및 무효전력에 대한 d-q 좌표 변환 관계식으로부터 [수학식 9]를 얻을 수 있다. 전압의 스텝변화가 인가되는 시점의 유효전력출력 변동 ΔPinv(0+)은 설계 시 설정하는 전압변동에 따른 유효전력 최대변동 허용값 ΔPpeak 보다 작아야 하며, 이를 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다. 분산전원 유효전력 출력에 대한 최대변동 허용값의 비 η 를 [수학식 11]과 같이 정의한다고 할 때, 전압변동 증폭 이득 Kv의 상한은 [수학식 6]과 [수학식 10]으로부터 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112009078385521-PAT00017
[수학식 10]
Figure 112009078385521-PAT00018
[수학식 11]
Figure 112009078385521-PAT00019
[수학식 12]
Figure 112009078385521-PAT00020
따라서 조건 ② 및 ③을 만족하기 위한 전압변동 증폭 이득 Kv의 범위는 [수학식 8]과 [수학식 12]로부터 다음 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112009078385521-PAT00021
분산전원의 제어방식이 도 5와 같이 유효전력 및 무효전력 출력제어 방식이 아니고, 별도의 출력 제어기 없이 전류 제어기(440)에 q축 및 d축 기준전류를 직접 설정하는 일정전류제어 방식인 경우, [수학식 13]의 Kp에 0을 대입한 [수학식 14]와 같이 이득을 설정할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112009078385521-PAT00022
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 검출 장치에서의 각 검출 신호 특성의 그래프이다. 여기서, 시뮬레이션을 위한 모의조건은 IEEE 929-2000 규격인 IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems을 참고하여, 직류전원과 인버터로 이루어진 분산전원과 저항-인덕터-커패시터(RLC) 부하, 계통전원 등으로 구성하였다. 3초 순간에 전력계통 측 차단기 S1을 개방하여 단독운전 현상을 일으킨다. 도 7에서 보듯이 단독운전이 시작되어, 전압변동 가속화 제어부(610)의 제어에 따라 미세한 전압변동을 가속화하여 검출조건, 예를 들어, 유효전력 출력 변동 상한: 1.1[pu] = 242 [V], 유효전력 출력 변동 하한: 0.88 [pu] = 193.6[V]을 초과하도록 함으로써 단독운전을 검출할 수 있다.
도 8 및 도 9는 전압변동 증폭 이득 Kv의 설계방법을 검증한 그래프들이다. 시험대상 시스템의 경우 [수학식 13]에 의거하여 설정한 전압변동 증폭 이득의 범위는 47<Kv<85.9 이다. 또한, 계통 연계 시 전압의 스텝변동을 정격전압 220V의 3%를 인가하였을 때, 유효전력 출력변동이 분산전원 출력의 10% 미만이 되도록 설계하였다. 도 8에서 이득이 48일 때 전압이 붕괴되기 시작하며, 도 9에서 이득을 85.9로 설정하고 전압의 스텝변동을 인가했을 때, 출력변동이 전체 출력의 10% 미만으로 제한되고 있음을 확인할 수 있다. 도 8에서 보듯이 증폭이득의 값이 증가함 에 따라 검출시간이 급속하게 빨라지는데, 적용되는 국내 및 국제 규격에 따라 단독운전 검출시간 요건이 있으므로 제시된 증폭이득 상한 및 하한으로부터 적정한 여유를 갖는 값을 선정하는 것이 바람직하다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 분산 전원의 단독 운전 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 단독 운전 시의 유/무효전력 및 전압/주파수 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전압 정궤환 제어 방식의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분산전원 인버터의 제어를 위한 단독 운전 검출 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 출력 제어기의 유효 및 무효전력 출력 제어 관련 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 출력 제어기의 전압변동 가속화 제어 관련 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 검출 장치에서의 각 검출 신호 특성의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 검출 장치에서 제어되는 계통 전압 특성의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전 검출 장치에서 계통 전압과 분산 전원 출력 특성의 그래프이다.

Claims (11)

  1. 전력계통과 연계된 분산전원의 단독 운전을 검출하는 방법에 있어서,
    유효전력을 이용하여 제1 전류지령치를 생성하고,
    부하와의 접속점 전압을 이용하여 전압 변동 가속화 성분을 생성하며,
    상기 전압 변동 가속화 성분을 상기 제1 전류지령치에 합산한 제2 전류지령치에 따라 전압 정궤환 방식으로 인버터를 제어하여 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동에 대한 가속화를 유도하여 단독 운전을 검출하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전압 변동 가속화 성분에 따라 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동이 단독운전 검출조건을 초과하도록 하여 단독 운전을 검출하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전압 변동 가속화 성분은, 상기 접속점 전압과 상기 접속점 전압의 주파수 필터링 성분 사이의 차이에 전압 변동 가속화 이득을 곱하여 획득되는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 전압 변동 가속화 이득은, 전압변동 증폭 이득과 상기 제2 전류지령치의 곱이고, 상기 전압변동 증폭 이득은, 최소값과 최대값 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 전압변동 증폭 이득은, 단독운전 시의 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압을 충분히 크게 변동시키기 위하여 미소 신호 안정도 해석을 통하여 산정되는 상기 최소값과, 전력 계통과 연계 운전 시 상기 전압변동 가속화에 의한 제어에 따른 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동을 제한하기 위하여 전압 스텝 변화에 대한 응답 특성 해석을 통하여 계산된 상기 최대값 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 최소값은 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00023
    에 의하여 결정되고,
    상기 최대값은 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00024
    에 의하여 결정되며,
    여기서, Vn은 상기 접속점 전압의 정격전압, Kp 는 소정 비례 이득, ΔVstep 상기 접속점 전압의 전압 스텝 변화분, η는 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00025
    에 의하여 결정되고 실제유효전력(Pinv)에 대한 유효전력 최대변동 허용값(ΔPpeak)의 비율인 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 방법.
  7. 전력계통과 연계된 분산전원의 단독 운전을 검출하는 장치에 있어서,
    유효 전력과 무효전력 및 유효 전력 지령치와 무효전력 지령치를 이용해 전류 지령치를 생성하는 출력 제어기를 포함하고,
    상기 출력 제어기는,
    상기 유효전력을 이용하여 제1 전류지령치를 생성하는 제1 수단;
    부하와의 접속점 전압을 이용하여 전압 변동 가속화 성분을 생성하는 제2 수단; 및
    상기 전압 변동 가속화 성분을 상기 제1 전류지령치에 합산하여 제2 전류지령치를 생성하는 제3 수단을 포함하며,
    상기 제2 전류지령치에 따라 전압 정궤환 방식으로 인버터를 제어하여 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동에 대한 가속화를 유도하여 단독 운전을 검출하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 수단은,
    상기 접속점 전압과 상기 접속점 전압의 주파수 필터링 성분 사이의 차이에 전압 변동 가속화 이득을 곱하여 상기 전압 변동 가속화 성분을 획득하는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 전압 변동 가속화 이득은, 전압변동 증폭 이득과 상 기 제2 전류지령치의 곱이고, 상기 전압변동 증폭 이득은, 최소값과 최대값 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 전압변동 증폭 이득은, 단독운전 시의 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압을 충분히 크게 변동시키기 위하여 미소 신호 안정도 해석을 통하여 산정되는 상기 최소값과, 전력 계통과 연계 운전 시 상기 전압변동 가속화에 의한 제어에 따른 상기 유효 전력 또는 상기 접속점 전압의 변동을 제한하기 위하여 전압 스텝 변화에 대한 응답 특성 해석을 통하여 계산된 상기 최대값 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 최소값은 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00026
    에 의하여 결정되고,
    상기 최대값은 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00027
    에 의하여 결정되며,
    여기서, Vn은 상기 접속점 전압의 정격전압, Kp 는 소정 비례 이득, ΔVstep 상기 접속점 전압의 전압 스텝 변화분, η는 수학식
    Figure 112009078385521-PAT00028
    에 의하여 결정되고 실제유효전력(Pinv)에 대한 유효전력 최대변동 허용값(ΔPpeak)의 비율인 것을 특징으 로 하는 분산전원의 능동형 단독 운전 검출 장치.
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