KR20110138992A - 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치에 관한 것으로, 태양전지 어레이(10)로부터의 전력을 계통(32)에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터(21) 및 DC/AC 인버터(22)를 포함하는 전력 제어 시스템(20)에 적용되는 단독 운전 방지 장치에 있어서, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호(ST)를 생성하는 주입신호 생성부(100); 상기 주입신호 생성부(100)로부터의 주입신호(ST)와 기설정된 기본파 지령치(I*inv)와 가산하여 최종 기본파 지령치(IF*inv)를 생성하는 가산부(200); 상기 가산부(200)로부터의 최종 기본파 지령치(IF*inv)에 따라 전력 제어를 수행하고, 검출되는 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상일 경우, 상기 전력 제어 시스템(20)의 동작을 정지시키는 메인 제어부(300); 및 상기 전력 제어 시스템(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)를 검출하여 상기 메인 제어부(300)에 제공하는 주입신호 검출부(400)를 포함할 수 있다.

Description

전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANTI-ISLANDING OF POWER CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 태양전지 어레이로부터의 전력을 제어할 수 있는 PCS(Power Conditioning System)에 적용될 수 있는 단독 운전 방지 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 계통연계 상태에서는 기준레벨 이하의 작은 레벨을 유지하고 단독운전 상태에서는 기준레벨 이상의 큰 레벨로 증가하는 주입신호를 이용함으로써, 단독 운전 상태를 용이하게 검출할 수 있는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 분산전원의 단독운전 상태를 검출하기 위한 단독운전 검출 알고리즘은 능동적인 방법과 수동적인 방법으로 분류된다.
먼저, 능동적인 방법은, 분산전원 자체의 출력을 조절하고 그 응답을 모니터링 하여 단독운전을 판단하는 방법으로, 이 방법은, 분산전원의 단독운전을 확실히 검출할 수는 있으나 직접 분산전원의 출력을 조절하므로 계통에 의도하지 않은 영향을 미칠 가능성이 있다. 그리고 전력 계통에 여러 대의 분산전원이 연계하여 전력을 공급하고 있는 경우의 단독운전에서는 분산전원 자체의 출력을 조절하더라도 타 발전기의 영향으로 조정한 만큼의 변동이 발생하지 않아 단독운전을 연계 운전으로 오인하는 경우도 발생 할 수 있다.
다음, 수동적인 방법으로는, 단독운전 시 계통의 여러 가지 파라미터의 변화를 이용하여 단독운전을 검출할 수 있는 방법으로, 이러한 수동적인 방법들은 능동적인 분산 전원 검출 기법과는 달리 계통에 부정적인 영향 없이 단독운전을 검출 할 수 있지만, 분산 전원에서 발전된 전력과 부하에서 소비되는 전력이 균형을 이루는 경우, 단독 운전에 의한 파라메터 변화가 작아 단독 운전 검출이 어렵다는 단점이 있다.
통상, 사고를 발생시킬 수 있는 분산전원의 단독운전을 검출하는 능동적인 방법 밑 수동적인 방법에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 능동적인 방법에 대해 설명한다.
분산전원의 단독운전을 검출하기 위한 능동적인 기법으로는, REED(Reactive Export Error Detector)와 AFD(Active Frequency Drift) 등이 있으며, 이러한 능동적인 단독운전 기법들은 신속히 그리고 확실하게 분산전원의 단독운전을 검출할 수 있는 기법이지만, 분산전원의 출력을 임으로 변동시키거나 계통의 구조를 변경해야 하므로 의도하지 않은 영향들이 계통에서 발생할 수 있는 단점이 있다.
또한, 계통 전압 상실시 배전 계통에 여러 대의 발전기들이 연계되어 있을 경우 능동적인 기법은 단독운전 검출이 곤란할 수도 있다. 이는 분산전원의 출력변동에 대하여 다른 분산전원들도 함께 응답하는 것에 원인이 있다. 단일한 분산전원과 부하들을 갖는 단독운전은 분산전원의 출력변동에 대하여 큰 계통 응답특성을 갖지만 발전기들이 여러 대이면 분산 전원의 출력 변동분 만큼 응답 특성이 발생하지 않으므로 분산전원의 단독 운전을 일반적인 연계 운전 형태로 판단할 수 있는 단점도 있다.
다음, 수동적인 방법에 대해 설명한다.
전술한 능동적인 방법이 분산전원의 출력을 직접적으로 조절하여 단독운전을 검출하는 방법이라면, 수동적인 방법은 분산전원의 단독운전시 발생하는 전압, 위상, 주파수, 전력 등 계통 파라미터의 변동을 모니터링 하여 분산전원 연계 계통전압의 유무를 판단하는 기법들이다.
이와 같은 수동적인 방법을 이용한 분산전원의 단독운전 판단은 능동적인 방법과 달리 분산전원 출력변동으로 인한 부정적인 영향이 발생하지는 않지만, 단독운전시 분산전원의 발전량과 계통 부하의 소비량이 균형을 이루는 경우 파라미터의 변동이 적게 발생 할 수 있으므로, 경우에 따라서는 단독운전 검출이 곤란하게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 본 발명은, 계통연계 상태에서는 기준레벨 이하의 작은 레벨을 유지하고 단독운전 상태에서는 기준레벨 이상의 큰 레벨로 증가하는 주입신호를 이용함으로써, 단독 운전 상태를 용이하게 검출할 수 있는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 기술적인 측면은, 태양전지 어레이로부터의 전력을 계통에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 포함하는 전력 제어 시스템에 적용되는 단독 운전 방지 장치에 있어서, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호를 생성하는 주입신호 생성부; 상기 주입신호 생성부로부터의 주입신호와 기설정된 기본파 지령치와 가산하여 최종 기본파 지령치를 생성하는 가산부; 상기 가산부로부터의 최종 기본파 지령치에 따라 전력 제어를 수행하고, 검출되는 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상일 경우, 상기 전력 제어 시스템의 동작을 정지시키는 메인 제어부; 및 상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압에 포함된 주입신호를 검출하여 상기 메인 제어부에 제공하는 주입신호 검출부를 포함하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치를 제안한다.
상기 주입신호 생성부는, 상기 주입신호로 상용 주파수의 9차 고조파를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 제어 시스템에서의 단독 운전 방지 장치는, 상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출부; 및 상기 계통위상 검출부로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치를 곱셈하여 상기 기본파 지령치를 생성하는 곱셈부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 기술적인 측면은, 태양전지 어레이로부터의 전력을 계통에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 포함하는 전력 제어 시스템에 적용되는 단독 운전 방지 방법에 있어서, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호를 생성하는 생성단계; 상기 생성단계로부터의 주입신호와 기설정된 기본파 지령치와 가산하여 최종 기본파 지령치를 생성하는 가산 단계; 상기 가산 단계로부터의 최종 기본파 지령치에 따라 전력 제어를 수행하는 제어 단계; 상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압에 포함된 주입신호를 검출하는 주입신호 검출단계; 검출되는 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상인지 여부를 판단하는 판단 단계; 및 상기 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상이면 상기 전력 제어 시스템의 동작을 정지시키는 정지 단계를 포함하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법을 제안한다.
상기 생성단계는, 상기 주입신호로 상용 주파수의 9차 고조파를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은, 상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출단계; 및 상기 계통위상 검출단계로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치를 곱셈하여 상기 기본파 지령치를 생성하는 곱셈단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 계통연계 상태에서는 기준레벨 이하의 작은 레벨을 유지하고 단독운전 상태에서는 기준레벨 이상의 큰 레벨로 증가하는 주입신호를 이용함으로써, 단독 운전 상태를 용이하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 전력 제어 시스템 출력단의 계통 임피던스와 부하 임피던스의 등가 회로도.
도 3은 본 발명의 주입신호 생성부의 일 예시도.
도 4는 Goertzel 필터로 구현된 본 발명의 주입신호 검출부의 예시도.
도 5는 도 4의 Goertzel 필터의 타이밍 파형도.
도 6은 도 4의 Goertzel 필터에 대해 Z-영역에서의 영점 및 극점 위치도.
도 7은 도 4의 Goertzel 필터에 대해 주파수 크기 응답 그래프.
도 8은 본 발명의 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법의 플로우챠트.
도 9는 본 발명의 기본파 지령치 생성과정을 보이는 플로우챠트.
도 10은 본 발명의 주입신호 생성단계의 일 예시도.
도 11은 Goertzel 필터로 구현된 본 발명의 주입신호 생성단계의 예시도.
도 12는 본 발명의 부하접속 및 계통개방 전후의 부하전압 및 계통전류의 파형도.
도 13은 본 발명의 계통 연계시 스펙트럼도.
도 14는 본 발명의 계통 개방시 스펙트럼도.
도 15는 본 발명의 PCS 출력전압과 추출한 9차 고조파 크기성분 파형도.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 설명되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위해서 사용된다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치는, 태양전지 어레이(10)로부터의 전력을 계통(32)에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터(21) 및 DC/AC 인버터(22)를 포함하는 전력 제어 시스템(PCS)(20)에 적용되는 단독 운전 방지 장치에 있어서, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호(ST)를 생성하는 주입신호 생성부(100)와, 상기 주입신호 생성부(100)로부터의 주입신호(ST)와 기설정된 기본파 지령치(I*inv)와 가산하여 최종 기본파 지령치(IF*inv)를 생성하는 가산부(200)와, 상기 가산부(200)로부터의 최종 기본파 지령치(IF*inv)에 따라 전력 제어를 수행하고, 검출되는 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상일 경우, 상기 전력 제어 시스템(20)의 동작을 정지시키는 메인 제어부(300)와, 상기 전력 제어 시스템(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)를 검출하여 상기 메인 제어부(300)에 제공하는 주입신호 검출부(400)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 전력 제어 시스템 출력단의 계통 임피던스와 부하 임피던스의 등가 회로도이다. 도 2를 참조하면, PCS(20)와 계통(32)이 만나는 점을 PCC(Point of Common Coupling)라고 한다.
이때, 상기 PCS(20)에서 PCC점을 바라 봤을 때 계통(32)이 연계되어 있는 경우, 계통 임피던스(Zgrid)와 부하 임피던스 (Zload)의 병렬 임피던스가 나타나게 된다. 여기서, Zgrid는 Zload보다 현저히 작아서, 수m[ohm]~ 수 [ohm]이기 때문에 병렬 임피던스 값은 극히 작은 값으로 나타나게 된다.
한편, 도 1을 참조하면, 상기 메인 제어부(300)는, 상기 DC/DC 컨버터(21)와 상기 DC/AC 인버터(22) 사이의 DC-Link단 전압(Vdc)과 DC-Link단 전압 지령치(V*dc)과의 차전압에 상응하는 직류전류 지령치(Ivdc)를 생성할 수 있다. 또한, 상기 메인 제어부(300)는, 상기 태양전지(10)의 전압(Vpv) 및 전류(Ipv)에 기초해서, 상기 DC/DC 컨버터(20)가 일사량과 온도에 따라 변하는 태양전지(10)의 출력에서 최대전력점 추정(MPPT(Maximum Power Point Tracking)하도록 제어할 수 있다.
이때, 본 발명의 전력 제어 시스템(PCS)에서의 단독 운전 방지 장치는, 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출부(50)와, 상기 계통위상 검출부(50)로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치(Ivdc)를 곱셈하여 상기 기본파 지령치(I*inv)를 생성하는 곱셈부(60)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 계통위상 검출부(50)로부터의 계통 위상 정보에 기초해서, 계통의 주파수에 해당되는 상용 주파수의 3차 고조파 또는 5차 고조파 등의 고조파를 주입신호호 생성할 수 잇다.
도 3은 본 발명의 주입신호 생성부의 일 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 주입신호 생성부(100)는, 일예로, 상기 계통위상 검출부(50)로부터의 계통 위상 정보에 기초해서, 계통의 주파수에 해당되는 상용 주파수의 9차 고조파를 주입신호로 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 주입신호 검출부(400)가 Goertzel 필터로 구현된 예시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 주입신호 검출부(400)는, 피드백 파트(FBP: Feed Back Part)(410)와 피드포워드 파트(FFP: Feed Forward Part)(420)를 포함하는 전달함수(H(z))를 갖도록 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 주입신호 검출부(400)는, 기설정된 피드백 파트(FBP)(410)와 기설정된 피드포워드 파트(FFP)(420), 부하전류(IL)의 9차고조파(│ Vpcc9th│)의 크기를 연산하는 연산부(430)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전달함수(H(z))는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 하기 수학식 2는 추출하고자 하는 이산주파수(k)와 샘플링 주파수(fs), 추출하고자 하는 주파수(fint)의 관계를 나타낸다. 그리고, 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5는 하기 수학식 1을 차분 방정식으로 나타낸 것이다.
하기 수학식 1 내지 5에서, x[n]은 현재 입력된 신호 샘플, v[n]은 현재 계산에서 나온 중간 결과물, v[n-1]은 이전 샘플링에서 나온 결과물, v[n-2]는 두 샘플링 전에 계산에서 나온 결과물을 저장한 곳을 나타낸다. 그리고, y[n]은 Goertzel 필터의 결과값을 나타낸다.
전술한 바에 따르면, 하기 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5를 블록도로 나타내면 도 4과 같이 도식화 될 수 있다.
도 5는 도 4의 Goertzel 필터의 타이밍 파형도이다. 도 5의 타이밍 파형에서, 계통전압(Vg)의 한 주기 동안에 N개의 샘플링을 행하고, 샘플링마다 피드백 파트를 연산하며, N번째 피드백 수 연산이 끝난 후 피드 포워드 파트를 연산하면, 추출하고자 하는 주파수의 크기를 계산할 수 있다
그리고, Goertzel 필터의 영점 및 극점은 상기 수학식 1에 보인 바와 같이, 영점이 극점을 상쇄하고 극점 하나만 존재하게 되고, 그 결과 이 극점에 해당하는 이산 주파수 k에 해당되는 신호만 Goertzel 필터를 통과하게 된다.
도 6은 도 4의 Goertzel 필터에 대해 Z-영역에서의 영점 및 극점 위치도이고, 도 7은 도 4의 Goertzel 필터에 대해 주파수 크기 응답 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, Goertzel 필터에 의해 추출될 수 있는 주파수의 크기는, 하기 수학식 6과 같이 획득될 수 있다.
도 8은 본 발명의 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법의 플로우챠트이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은, 태양전지 어레이(10)로부터의 전력을 계통(32)에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터(21) 및 DC/AC 인버터(22)를 포함하는 전력 제어 시스템(PCS)에 적용되는 단독 운전 방지 방법에 있어서, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호(ST)를 생성하는 생성단계(S100)와, 상기 생성단계(S100)로부터의 주입신호(ST)와 기설정된 기본파 지령치(I*inv)와 가산하여 최종 기본파 지령치(IF*inv)를 생성하는 가산 단계(S200)와, 상기 가산 단계(S200)로부터의 최종 기본파 지령치(IF*inv)에 따라 전력 제어를 수행하는 제어 단계(S300)와, 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)를 검출하는 주입신호 검출단계(S400)와, 검출되는 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상인지 여부를 판단하는 판단 단계(S500)와, 상기 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상이면 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)의 동작을 정지시키는 정지 단계(S600)를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 기본파 지령치 생성과정을 보이는 플로우챠트이다.
도 9를 참조하면, 상기 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은 상기 기본파 지령치를 생성하는 기본파 지령치 생성 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 기본파 지령치 생성 단계는, 상기 전력 제어 시스템(PCS)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출단계(S50)와, 상기 계통위상 검출단계(S50)로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치(I*vdc)를 곱셈하여 상기 기본파 지령치(I*inv)를 생성하는 곱셈단계(S60)를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 주입신호 생성단계의 일 예시도이다.
도 10을 참조하면, 상기 생성단계(S100)는, 상기 주입신호(ST)로써 상용 주파수의 9차 고조파를 생성할 수 있다.
도 11은 Goertzel 필터로 구현된 본 발명의 주입신호 생성단계의 예시도이다. 도 11을 참조하면, 상기 주입신호 생성단계(S400)는, 피드백 파트(FBP: Feed Back Part)와 피드포워드 파트(FFP: Feed Forward Part)를 포함하는 전달함수(H(z))를 갖도록 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 주입신호 생성단계(S400)는, 기설정된 피드백 파트(FBP)단계(S410)와 기설정된 피드포워드 파트(FFP)단계(S420), 부하전류(IL)의 기본파(IL(1))의 크기를 연산하는 연산단계(S430)를 포함할 수 있다.
상기 전달함수(H(z))는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 하기 수학식 2는 추출하고자 하는 이산주파수(k)와 샘플링 주파수(fs), 추출하고자 하는 주파수(fint)의 관계를 나타낸다. 그리고, 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5는 하기 수학식 1을 차분 방정식으로 나타낸 것이다.
하기 수학식 1 내지 5에서, x[n]은 현재 입력된 신호 샘플, v[n]은 현재 계산에서 나온 중간 결과물, v[n-1]은 이전 샘플링에서 나온 결과물, v[n-2]는 두 샘플링 전에 계산에서 나온 결과물을 저장한 곳을 나타낸다. 그리고, y[n]은 Goertzel 필터의 결과값을 나타낸다.
전술한 바에 따르면, 하기 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5를 블록도로 나타내면 도 3과 같이 도식화 될 수 있다.
도 12는 본 발명의 부하접속 및 계통개방 전후의 부하전압 및 계통전류의 파형도이다. 도 12에 도시된 부하전압 및 계통전류의 파형을 참조하면, 시뮬레이션 결과로써 인버터 출력전압(Vload)과 계통전류(Ig)의 파형을 나타내고 있다. 0초에서 0.6초까지 분산전원은 계통으로 발전을 하므로, 계통 전류가 나타난다. 0.6초에서 3kW의 저항성 부하가 접속되어 분산전원에서 발전된 전력 3kW는 모두 저항부하에서 소비하므로 계통으로 전류가 거의 흐르지 않는다. 0.9초에서는 계통이 분산전원과 완전 개방되어 계통전류는 0이 된다.
도 13은 본 발명의 계통 연계시 스펙트럼도이다. 도 13에 도시된 부하전압을 참조하면, 계통이 분산전원과 연결되어 있는 동안에 인버터 출력전압의 주파수 성분 분석 결과를 나타낸다. 기본파 60[Hz]만 크기 311[V] 크기로 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 계통 개방시 스펙트럼도이다. 도 14에 도시된 부하전압 파형은, 계통 개방 이후 인버터 출력전압의 주파수 성분을 보이는 파형이다. 9차 고조파 전류 주입에 따른 9차 고조파 전압 성분이 계통 개방 후 나타남을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 PCS 출력전압과 추출한 9차 고조파 크기성분 파형도이다. 도 15에 도시된 파형은, 인버터 출력 전압과 Goertzel 알고리즘(Algorithm)에서 추출한 9차 고조파의 크기가 나타나 있다.
즉, 0.9초에서 계통 개방시 인버터 출력전압 기본파 1주기 후에 Goertzel 알고리즘에 의해 추출된 9차 고조파 성분이 1.8[V]로 나타남을 알 수 있다. 9차 고조파 성분이 검출됨을 확인 후에 단독운전방지 기능 시행한다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 설명한다.
도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치에 대해 설명하면, 도 1에서, 본 발명의 단독 운전 방지 장치가 적용되는 전력 제어 시스템(20)은, 태양전지(10)로부터의 직류 전압(Vpv)을 계통 연계에 적합한 전압으로 변환한다.
즉, 상기 전력 제어 시스템(20)의 DC/DC 컨버터(21)는, 상기 태양전지(10)로부터의 직류 전압(Vpv)을 미리 정해진 전압 레벨로 승압하고 태양전지(10)에서 나오는 최대전력점을 추종한다. 상기 전력 제어 시스템(20)의 DC/AC 인버터(22)는, 상기 DC/DC 컨버터(21)로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 계통(32)에 인버터 전류(Iinv)를 공급한다.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터(21)의 역할은 일사량과 온도에 따라 변하는 태양전지(10)의 출력에서 최대전력점을 찾고(MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘), 그 최대 전력을 뽑아서 DC-Link단 커패시터(Capacitor)에 축적하는 역할을 한다. 상기 DC-Link단 전압(예 380[V])제어는 상기 DC/AC 인버터(30)에서 수행한다. 상기 DC/DC 컨버터(20)에서 태양전지(10)의 최대전력을 뽑아내면 DC-Link단 전압은 상승하게 되고, 상기 DC/AC 인버터(30)는 DC-Link단에 축적된 그 에너지를 계통에 주입하므로써 DC-Link단 전압을 내리면서 DC-Link단 전압을 제어하게 된다.
상기 DC/AC 인버터(22)는 상기 DC/DC 컨버터(21)로부터의 전압을 계통의 위상에 동기된 교류 전압으로 변환하여 계통에 공급한다.
그리고, 상기 전력 제어 시스템(20)은 필터(23)를 더 포함할 수 있고, 상기 필터(23)는 상기 DC/AC 인버터(22)로부터의 교류전압에 포함된 리플 등의 노이즈를 제거할 수 있다.
이때, 본 발명의 주입신호 생성부(100)는, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호(ST)를 생성하여 가산부(200)에 제공한다.
도 3을 참조하면, 상기 주입신호 생성부(100)는, 계통위상 검출부(50)로부터의 계통 위상 정보에 기초해서, 계통의 주파수에 해당되는 상용 주파수의 3차 또는 5차 또는 7차 또는 9차 고조파 등의 고조파를 주입신호로 생성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 가산부(200)는, 상기 주입신호 생성부(100)로부터의 주입신호(ST)와 기설정된 기본파 지령치(I*inv)와 가산하여 최종 기본파 지령치(IF*inv)를 생성하여 메인 제어부(300)에 제공한다.
상기 메인 제어부(300)는, 상기 가산부(200)로부터의 최종 기본파 지령치(IF*inv)에 따라 전력 제어를 수행한다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 단독 운전 방지 장치에 포함되는 계통 위상 검출부(50)는 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하여 곱셈부(60)에 제공한다.
상기 곱셈부(60)는, 상기 계통위상 검출부(50)로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치(Ivdc)를 곱셈하여 상기 기본파 지령치(I*inv)를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 주입신호 검출부(400)는, 상기 전력 제어 시스템(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)를 검출하여 상기 메인 제어부(300)에 제공한다.
이때, 상기 메인 제어부(300)S는, 전술한 전력 제어 과정에서 검출되는 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상일 경우, 상기 전력 제어 시스템(20)의 동작을 정지시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 제어 시스템 출력단의 계통 임피던스와 부하 임피던스의 등가 회로도를 참조하면, PCS(20)와 계통(32)이 만나는 점을 PCC(Point of Common Coupling)라고 하면, 전술한 바와같이, 상기 PCS(20)에서 PCC점을 바라 봤을 때 계통(32)이 연계되어 있는 경우, 계통 임피던스(Zgrid)와 부하 임피던스 (Zload)의 병렬 임피던스가 나타나게 된다. 여기서, Zgrid는 Zload보다 현저히 작아서, 수m[ohm]~ 수 [ohm]이기 때문에 병렬 임피던스 값은 극히 작은 값으로 나타나게 된다.
예를 들어, 상기 Zload와 Zgrid의 크기에 따라 다음 3가지 케이스로 구분되어 설명될 수 있다.
케이스1(Case 1,) Zload > Zgrid 인 경우, Zpcc는 Zgrid 보다 작은 값을 가진다. 단독운전 상태가 되면 Zpcc는 Zload와 동일하게 되어 임피던스가 증가하게 된다. 이 임피던스 변화를 감지하여 PCS 출력이 차단된다.
케이스2(Case 2), Zload < Zgrid 인 경우, Zpcc는 Zload 보다 작은 값을 가진다. 단독운전 상태가 되면 Zpcc는 Zload와 동일하게 되어 임피던스가 증가하게 된다. 이 임피던스 변화를 감지하여 PCS 출력이 차단된다.
케이스3(Case 3), Zload = Zgrid 인 경우, Zpcc는 1/2*Zload 값을 가진다. 단독운전 상태가 되면 Zpcc는 Zload와 동일하게 되어 임피던스가 증가하게 된다. 이 임피던스 변화를 감지하여 PCS 출력이 차단된다.)
게다가 계통전압(Vg)이 연결되어 있기 때문에 PCS(20)의 출력 전류(Iinv)에 9차 고조파 성분이 포함되어 있어도 PCC 점의 전압에는 9차 고조파 성분이 극히 작게 나타난다.
이와 달리, 계통(32)이 차단되면 계통전압(Vg)과 계통 임피던스(Zgrid)는 제거되고 PCC의 임피던스는 Zload에 의해서만 결정된다. 계통전압(Vg)이 차단되고 계통 임피던스(Zgrid)보다 상대적으로 큰 부하 임피던스(Zload)에 의해 결정되므로 PCC의 임피던스는 갑자기 급격하게 커지게 된다.
이때, 상기 PCS(20)의 출력 전류(Iinv)에 포함되어 있는 9차 고조파 성분은 PCC에서의 임피던스 크기에 따라 PCS(20)의 출력 전압(Vpcc)에 나타나게 된다. 상기 주입신호 검출부(400)는 9차 고조파 성분이 급격하게 커지는 부분을 검출하여 상기 메인 제어부(300)가 상기 9차 고조파 성분의 크기에 따라 단독운전 상태임을 판별하고 PCS(20) 출력을 차단하고 PCS(20)를 계통(32)과 분리시켜 단독운전을 방지시킨다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 주입신호 검출부(400)가 Goertzel 필터로 구현되는 경우, 상기 주입신호 검출부(400)는 상기 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)의 크기를 검출할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 Goertzel 필터는 일종에 디지털 필터로써 이산 시간의 신호 x[t]를 받아서 이산 주파수 스팩트럼 x[k]를 출력하게 된다. 여기서 k는 이산 주파수 점(Discrete frequency point)을 나타내며 이것은 기본파 주파수 ko의 k 정수배만 계산되게 된다. 본 발명에 적용되는 Goertzel 알고리즘은 상기 N-point DFT를 기반으로 하며, 추출 하고자 하는 주파수 성분의 크기와 위상을 검출할 때 N-point DFT보다 연산량을 줄일 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
[수학식 5]
Figure pat00005
[수학식 6]
Figure pat00006
상기 수학식 1은 Goertzel 알고리즘의 전달함수식이고, 수학식 2는 N-point와 k의 관계를 나타낸 수학식이며, 상기 수학식 1 내지 6에서, K는 이산 주파수, N은 계통전압의 한주기 동안의 샘플링 수, fint는 추출하고자 하는 주파수 및 fs는 샘플링 주파수이다.
또한, 수학식 3, 수학식 4, 수학식 5는 Goertzel 알고리즘 식으로써 이 3개의 식은 Goertzel 블록도로 나타낼 수 있다. 여기서, n은 현재 샘플링한 값이며, v[n-1]은 이전 샘플링의 v[n]값이며, v[n-2]는 2회 이전에 샘플링시 v[n]값이다.
도 5에 도시된 Goertzel 필터의 타이밍 파형을 참조하면, 상기 Goertzel 필터는, 계통전압(Vg)의 한 주기 동안에 N개의 입력신호(x[n]을 샘플링을 행하고, 샘플링 마다 피드백 파트(FBP)를 연산하며, N번째 피드백 파트(FBP) 계산 후 피드 포워드 파트(FFP)를 연산하면, 추출하고자 하는 주파수의 크기를 계산할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, Goertzel 필터의 두 개의 극점 중 하나의 영점은 극점과 상쇄되어 극점 하나만 존재하게 되고, 그 결과 이 극점에 해당하는 이산 주파수 k에 해당되는 신호만 Goertzel 필터를 통과하게 된다. 그 결과는 수학식 6과 같이 획득될 수 있다.
전술한 바와 같은, 본 발명의 주입신호 검출부(400)는 연결점 전압(Vpcc)에서 9차 고조파(60[Hz]*9=540[Hz])의 성분의 크기를 모니터링함에 따라, 본 발명에서의 메인 제어부(300)에서는 단독운전 유무를 판단하게 된다.
이하, 도 1, 도 8 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 발전 시스템의 전력 품질 제어 방법에 대해 설명한다.
도 1 및 도 7에서, 본 발명의 단독 운전 방지 방법이 적용되는 전력 제어 시스템(20)은, 태양전지(10)로부터의 직류 전압(Vpv)을 계통 연계에 적합한 전압으로 변환한다.
즉, 상기 전력 제어 시스템(20)의 DC/DC 컨버터(21)는, 상기 태양전지(10)로부터의 직류 전압(Vpv)을 미리 정해진 전압 레벨로 승압하고 태양전지(10)에서 나오는 최대전력점을 추종한다. 상기 전력 제어 시스템(20)의 DC/AC 인버터(22)는, 상기 DC/DC 컨버터(21)로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 계통(32)에 인버터 전류(Iinv)를 공급한다.
이러한 전력 제어 시스템에 적용되는 본 발명의 단독 운전 방지 방법에 대해 설명한다.
먼저 도 1 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 생성단계(S100)에서는, 미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호(ST)를 생성한다.
다음, 본 발명의 가산 단계(S200)에서는, 상기 생성단계(S100)로부터의 주입신호(ST)와 기설정된 기본파 지령치(I*inv)와 가산하여 최종 기본파 지령치(IF*inv)를 생성한다.
그 다음, 본 발명의 제어 단계(S300)에서는, 상기 가산 단계(S200)로부터의 최종 기본파 지령치(IF*inv)에 따라 전력 제어를 수행한다.
이어서, 본 발명의 주입신호 검출단계(S400)에서는, 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)에 포함된 주입신호(ST)를 검출한다.
계속해서, 본 발명의 판단 단계(S500)에서는, 검출되는 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상인지 여부를 판단한다.
또한, 본 발명의 정지 단계(S600)를 더 포함하는 경우, 상기 정지 단계(S600)에서는, 상기 주입신호(ST)의 크기가 기설정된 기준레벨 이상이면 상기 전력 제어 시스템(PCS)(20)의 동작을 정지시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은 기본파 지령치 생성 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 기본파 지령치 생성 단계가 계통위상 검출단계(S50) 및 곱셈단계(S60)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 계통위상 검출단계(S50)는, 상기 전력 제어 시스템(PCS)과 계통(32)과의 연결점(PCC)에서의 연결점 전압(Vpcc)의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하여 상기 곱셈단계(S60)에 제공한다.
상기 곱셈단계(S60)는, 상기 계통위상 검출단계(S50)로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치(I*vdc)를 곱셈하여 상기 기본파 지령치(I*inv)를 생성한다.
도 10을 참조하면, 상기 생성단계(S100)는, 상기 주입신호(ST)로 상용 주파수의 9차 고조파를 생성할 수 있다.
즉, 상기 생성단계(S100)에서는, 사용주파수 60Hz의 9차 고조파인 540Hz를 생성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 주입신호 생성단계(S400)는, 피드백 파트(FBP: Feed Back Part)와 피드포워드 파트(FFP: Feed Forward Part)를 포함하는 전달함수(H(z))를 갖도록 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 주입신호 생성단계(S400)는, 기설정된 피드백 파트(FBP)단계(S410)와 기설정된 피드포워드 파트(FFP)단계(S420), 부하전류(IL)의 9차 고조파(│ Vpcc9th│)의 크기를 연산하는 연산단계(S430)를 포함할 수 있다.
상기 전달함수(H(z))는 상기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 상기 수학식 2는 추출하고자 하는 이산주파수(k)와 샘플링 주파수(fs), 추출하고자 하는 주파수(fint)의 관계를 나타낸다. 그리고, 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5는 상기 수학식 1을 차분 방정식으로 나타낸 것이다.
상기 수학식 1 내지 5에서, x[n]은 현재 입력된 신호 샘플, v[n]은 현재 계산에서 나온 중간 결과물, v[n-1]은 이전 샘플링에서 나온 결과물, v[n-2]는 두 샘플링 전에 계산에서 나온 결과물을 저장한 곳을 나타낸다. 그리고, y[n]은 Goertzel 필터의 결과값을 나타낸다.
전술한 바에 따르면, 상기 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5를 블록도로 나타내면 도 3과 같이 도식화 될 수 있다.
이하, 도 12 내지 도 15를 참조하여 기존의 전력 제어 시스템 및 본 발명이 적용되는 전력 제어 시스템에 대해 설명한다.
먼저, 도 12에 도시된 부하전압 및 계통전류의 파형을 참조하면, 시뮬레이션 결과로써 인버터 출력전압(Vload)과 계통전류(Ig)의 파형을 나타내고 있다. 0초에서 0.6초까지 분산전원은 계통으로 발전을 하므로, 계통 전류가 나타난다. 0.6초에서 3kW의 저항성 부하가 접속되어 분산전원에서 발전된 전력 3kW는 모두 저항부하에서 소비하므로 계통으로 전류가 거의 흐르지 않는다. 0.9초에서는 계통이 분산전원과 완전 개방되어 계통전류는 0이 된다.
도 13을 참조하면, 도 13에 도시된 스펙트럼에서는, 계통이 분산전원과 연결되어 있는 동안에 인버터 출력전압의 주파수 성분 분석 결과를 보이고 있다. 기본파 60[Hz]만 크기 311[V] 크기로 나타나고 있음을 알 수 있다.
전술한 기존의 전력 제어 시스템에 대비하여 본 발명을 설명한다.
도 14는 본 발명의 계통 개방시 스펙트럼도이다. 도 14에 도시된 스펙트럼에서는, 계통 개방 이후 인버터 출력전압의 주파수 성분을 보이고 있다. 9차 고조파 전류 주입에 따른 9차 고조파 전압 성분이 계통 개방 후 나타남을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 PCS 출력전압과 추출한 9차 고조파 크기성분 파형도이다. 도 15에 도시된 파형은, 인버터 출력 전압과 Goertzel 알고리즘(Algorithm)에서 추출한 9차 고조파의 크기가 나타나 있다.
즉, 0.9초에서 계통 개방시 인버터 출력전압 기본파 1주기 후에 Goertzel 알고리즘에 의해 추출된 9차 고조파 성분이 1.8[V]로 나타남을 알 수 있다. 9차 고조파 성분이 검출됨을 확인 후에 단독운전방지 기능 시행한다.
전술한 바와 같은 본 발명에서, 제안한 방법을 사용하면 기존의 시스템과 비교시 다음과 같은 개선효과를 가진다. 계통에 기준치 이하의 9차 고조파만 주입하므로 계통 전력에 품질을 저하시키지 않는다. 9차 고조파 성분을 추출하는 방식을 사용하므로 NDZ(Non Detection Zone)이 존재하지 않는다. 계통 차단 이후 병렬로 접속된 다른 분산전원이 계속 전원을 공급하더라도 단독운전방지 기능을 성공적으로 수행할 수 있다. 3상 PCS에 적용이 용이하다. 다른 단독운전 방지 기법과 혼용하여 사용할 수 있다.
10: 태양전지 어레이 20: 전력 제어 시스템(PCS)
21 : DC/DC 컨버터 22 : DC/AC 인버터
23 : 필터 30 : 계통 연계 파트
31 : 연계 스위치 32 : 계통
33 : 부하 50 : 계통위상 검출부
60 : 곱셈부 100 : 주입신호 생성부
200 : 가산부 300 : 메인 제어부
400 : 주입신호 검출부 ST : 주입신호
I*inv : 기본파 지령치 IF*inv : 최종 기본파 지령치

Claims (9)

  1. 태양전지 어레이로부터의 전력을 계통에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 포함하는 전력 제어 시스템에 적용되는 단독 운전 방지 장치에 있어서,
    미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호를 생성하는 주입신호 생성부;
    상기 주입신호 생성부로부터의 주입신호와 기설정된 기본파 지령치와 가산하여 최종 기본파 지령치를 생성하는 가산부;
    상기 가산부로부터의 최종 기본파 지령치에 따라 전력 제어를 수행하고, 검출되는 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상일 경우, 상기 전력 제어 시스템의 동작을 정지시키는 메인 제어부; 및
    상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압에 포함된 주입신호를 검출하여 상기 메인 제어부에 제공하는 주입신호 검출부
    를 포함하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주입신호 생성부는,
    상기 주입신호로 상용 주파수의 고조파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주입신호 생성부는,
    상기 주입신호로 상용 주파수의 9차 고조파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템에서의 단독 운전 방지 장치는,
    상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출부; 및
    상기 계통위상 검출부로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치를 곱셈하여 상기 기본파 지령치를 생성하는 곱셈부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치.
  5. 태양전지 어레이로부터의 전력을 계통에 전달하기 위해, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 포함하는 전력 제어 시스템에 적용되는 단독 운전 방지 방법에 있어서,
    미리 정해지는 주파수를 갖는 주입신호를 생성하는 생성단계;
    상기 생성단계로부터의 주입신호와 기설정된 기본파 지령치와 가산하여 최종 기본파 지령치를 생성하는 가산 단계;
    상기 가산 단계로부터의 최종 기본파 지령치에 따라 전력 제어를 수행하는 제어 단계;
    상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압에 포함된 주입신호를 검출하는 주입신호 검출단계;
    검출되는 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상인지 여부를 판단하는 판단 단계; 및
    상기 주입신호의 크기가 기설정된 기준레벨 이상이면 상기 전력 제어 시스템의 동작을 정지시키는 정지 단계
    포함하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은,
    기본파 지령치를 생성하는 기본파 지령치 생성 단계를 더 포함할 수 있고,
    상기 기본파 지령치 생성 단계는,
    상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출단계와, 상기 계통위상 검출단계로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치를 곱셈하여 상기 기본파 지령치를 생성하는 곱셈단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 생성단계는,
    상기 주입신호로 상용 주파수의 고조파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 생성단계는,
    상기 주입신호로 상용 주파수의 9차 고조파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법은,
    상기 전력 제어 시스템과 계통과의 연결점에서의 연결점 전압의 위상에 해당되는 계통 위상을 검출하는 계통위상 검출단계; 및
    상기 계통위상 검출단계로부터의 계통 위상과 기설정된 직류전류 지령치를 곱셈하여 상기 기본파 지령치를 생성하는 곱셈단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 방법.
KR1020100059212A 2010-06-22 2010-06-22 전력 제어 시스템의 단독 운전 방지 장치 및 방법 KR101120367B1 (ko)

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