KR20120134875A - 계통 연계형 전력 변환 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 계통 연계형 전력 변환 시스템에 관한 것으로서, 신재생에너지 발전기와 계통 전원 사이에 설치되며, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하고, 상기 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전력을 충전 또는 방전하기 위한 전력변환장치; 상기 전력변환장치와 계통 전원 사이에 설치되며, 상기 계통 전원의 이상 유무에 따라 계통 전원을 차단 또는 연결하고, 계통 전원의 복전 시 계통 전원과 신재생에너지 발전기를 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하기 위한 계통전원 모니터링 장치; 및 상기 전력변환장치와 계통전원 모니터링 장치의 동작을 제어 및 관리하는 중앙 관리 장치를 포함하는 계통 연계형 전력 변환 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 계통 연계형 전력 변환 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단상 인버터 3대의 조합을 통해 3상 인버터를 구현하여 3상 불평형 계통에 대하여 불평형을 해소하고 계통 안정화를 도모할 수 있는 계통 연계형 전력 변환 시스템에 관한 것이다.
신재생에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 의미하며, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원이다. 이러한 신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
세계적으로 풍력, 태양광 발전 등의 신재생에너지 확대보급에 대한 투자가 집중되고 있으나, 간헐적인 발전특성을 갖는 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원에 의한 발전은 출력예측이 어렵고 심한 출력변동 특성으로 연계계통의 안정적 운영에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원의 획기적인 보급 확대를 위해서는 출력변동이 심한 발전출력의 안정적 공급 및 전력품질 개선이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 또한,근래에는 에너지 재분배의 욕구가 커짐에 따라 필요한 시기에 필요한 에너지를 공급하여야 한다. 즉 여름철 냉방부하의 최고치일때나, 겨울철 난방부하의 최고치일 때 신재생에너지를 매전함으로써 더 높은 고가의 수익을 창출할 수 있다.이를 위해서는 에너지 저장부가 별도로 필요하다.또한 인버터 후단에 중요 부하가 설치가 된 경우 계통이 정전이 되더라도 부하상황에 따라 정전없이 지속적으로 전원을 공급해야하는 경우가 종종 있다. 독립전원을 공급하고 있다가 다시 복전을 할 경우, 독립운전시 발생될 수 있는 전압의 위상및 주파수, 크기 등이 복전시 전력계통의 값과 상이하면 대형 사고가 발생 할 수 있다.
한편, 종래 기술의 경우, 일반적인 계통 연계형 인버터는 3상 인버터의 구성으로 인하여 3상 불평형 계통 및 독립부하에 대응하기 어려운 구조로 되어 있으며,에너지의 저장부가 없기 때문에 신재생에너지 발전원의 공급된 에너지의 대부분을 계통으로 환원하는 구조로 되어 있다. 또한 계통 정전시나 에너지저장부가 없는 경우에는 인버터의 출력을 내보내지 않기 때문에 독립부하에 적용이 불가능한 단점이 있었다. 3상 불평형을 해소하기 위하여 독립적인 제어기가 탑재된 단상 인버터 3대를 조합하여 3상 인버터를 구현한 형태가 일반적으로 사용되었다. 그러나 별도의 제어기가 탑재된 단상 인버터는 DC LINK 전압을 공유하는 각 상의 인버터는 각 제어기의 센싱오차로 인하여 출력전류가 다르게 발생함으로써 부하 불평형이 발생하게 되며, 특히 입력 전원이 신재생에너지와 같은 변동이 심한 전원일 경우 단상의 불평형 전류 때문에, 임의의 단상 인버터에 부하가 집중되는 현상이 발생하며, 실제 계통에서 환원되는 에너지의 양이 각 상별로 서로 상이하게 되는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단상 인버터 3대의 조합을 통해 3상 인버터를 구현하여 3상 불평형 계통에 대하여 불평형을 해소하고,3상 중 임의의 1상 또는 2상이 고장날 경우에도 안정적으로 전력을 공급하여,피크부하시나 전력회사에서 원하는 시간대에 원하는 에너지양을 조절함으로써 고가격으로 매전할 수 있으며, 유무효전력을 제어하여 계통 안정화를 도모할 수 있는 계통 연계형 전력 변환 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 신재생에너지 발전기와 계통 전원 사이에 설치되며, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하고, 상기 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전력을 충전 또는 방전하기 위한 전력변환장치; 상기 전력변환장치와 계통 전원 사이에 설치되며, 상기 계통 전원의 이상 유무에 따라 계통 전원을 차단 또는 연결하고, 계통 전원의 복전 시 계통 전원과 신재생에너지 발전기를 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하기 위한 계통전원 모니터링 장치; 및 상기 전력변환장치와 계통전원 모니터링 장치의 동작을 제어 및 관리하는 중앙 관리 장치를 포함하는 계통 연계형 전력 변환 시스템이 제공된다.
상기 전력변환장치는 상기 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전압을 충전하거나 또는 저장된 전압을 방전하는 배터리부; 상기 배터리부의 방전 동작시, 상기 배터리부의 DC 전압을 승압하거나, 충전 동작시 DC 전압을 강압하여 공급하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고, 충전 동작시 계통 전원으로부터 공급되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC/DC 컨버터로 공급하는 DC/AC 인버터부; 및 상기 DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터부의 동작을 제어하는 중앙 제어부; 상기 중앙 관리 장치에서 온 지령을 중앙 제어부로 전달 및 데이터를 전송하는 통신 제어부를 포함한다.
상기 DC/AC 인버터부는 제1 단상 DC/AC 인버터, 제2 단상 DC/AC 인버터 및 제3 단상 DC/AC 인버터를 포함하며, 상기 중앙 제어부는 공통의 전류 제어 기준값을 상기 각 단상 DC/AC 인버터에 전달하고, 상기 각 단상 DC/AC 인버터는 수신한 전류 제어 기준값을 이용하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 DC/AC 인버터부의 후단에 설치되며, 상기 DC/AC 인버터부로부터 공급된 전압의 크기를 변환하여 상기 계통 전원에 공급하거나 또는 상기 계통 전원으로부터 공급된 전압의 크기를 변환하여 상기 DC/AC 인버터부로 공급하는 변압기부를 더 포함한다.
상기 중앙 제어부는 상기 계통 전원으로부터 전압을 측정하여 위상 및 크기를 검출하고, 입력전원으로 부터 전압과 전류를 검출하고, 검출된 계통 전압의 위상 및 크기, 검출된 입력전력을 기초로 하여 최대전력점 제어를 행하는 MPPT제어기; 및 전류제어 기준값 생성을 생성하는 전류제어기; 전류제어기로부터 수신한 전류 제어 기준값에 따라 각각의 단상 DC/AC 인버터의 동작을 제어하여 신재생에너지 발전기로부터 공급된 전력을 계통 전원으로 환원시키는 인버터 전류 제어기를 포함한다.
상기 계통전원 모니터링 장치는 상기 계통 전원의 전압 상태를 측정 및 분석하여 계통 전원 이상 발생 여부를 감시하는 계통전원 감시부; 상기 계통전원 감시부를 통하여 계통 전원에 이상이 발생하면 계통 전원을 차단하고, 계통 전원이 정상 상태로 복귀하면 계통 전원을 연결하는 계통전원 스위칭부; 및 상기 계통 전원 차단한 이후에 계통 전원이 정상화되었을 때 신재생에너지 발전기와 계통 전원을 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하는 동기화부를 포함한다.
상기 동기화부는 전력변환장치측 동기화 정보와 계통 전원측 동기화 정보를 비교하여 동기화 시점을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 중앙 관리 장치는 데이터 송수신을 담당하는 데이터 통신부; 상기 계통 전원에 이상이 발생하여 계통 전원을 차단하고 신재생에너지 발전기를 독립 운전 모드로 전환한 경우, 독립 운전 동안의 전력 요금을 계산하는 전력 요금 계산부; 및 상기 데이터 통신부 및 전력요금 계산부의 동작을 제어하는 중앙 제어부를 포함한다.
본 발명에서와 같이, 각각의 단상 DC/AC 인버터는 인버터 제어부를 통하여 전류 제어 기준값을 전달받아 각 상의 전압에 동기하여 유무효전력을 환원함으로써, 각 상의 불평형이 없이 동일한 전류를 공급하여 계통의 상 불평형을 해소할 수 있는 효과를 얻는다.
또한 중앙 제어부의 지령에 따라 정전시 독립운전을 통한 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있으며, 전력 계통의 부하 피크시에 유연하게 대처할 수 있으며, 유무효전력을 공급 보상함으로써 계통의 안정화를 도모할 수 있다.
계통의 전압 상태를 감시하면서 계통이 이상이 발생하면 배터리부에 저장된 전력을 중요 부하에 공급하여 전력 품질을 개선할 수 있게 된다.
그리고, 기상조건 또는 시간대 등에 따라 변화하는 신재생에너지 발전원에 의한 불안정한 출력변동을 보상함으로써 출력 변동을 평준화할 수 있게되어, 전력품질에 대한 신뢰성과 안전성을 향상할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력변환장치의 인버터 제어부의 기능 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 계통전원 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 중앙 관리 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력변환장치의 인버터 제어부의 기능 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 계통전원 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 중앙 관리 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템은 신재생에너지 발전기(100), 전력변환장치(200), 계통전원 모니터링 장치(300) 및 EMS와 같은 중앙 관리 장치(400)를 포함하며, 계통 전원(500)은 계통 연계형 전력 변환 시스템의 출력단에 연결되고, 부하(600)는 계통 전원(500)에 연결된다.
신재생에너지 발전기(100)는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 바람, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전기를 의미한다. 이러한 신재생에너지 발전기(100)는 출력예측이 어렵고 심한 출력변동 특성으로 전력계통 연계시 안정적 공급 및 전력품질의 개선이 필수적이다.
전력변환장치(200)는 신재생에너지 발전기(100)와 계통 전원(500) 사이에 설치되며, 신재생에너지 발전기(100)에서 공급된 전력을 계통 전원(500)에 공급하기 적합한 전압으로 변환하여, 계통 전원(500)에 전력을 공급한다. 또한, 전력변환장치(200)는 신재생에너지 발전기(100) 또는 계통 전원(500)으로부터 공급된 전력을 충전하고, 계통 전원(500)에서 정전 등과 같은 이상이 발생하여 계통 전원(500)으로부터 전력공급이 중단되는 경우, 상위제어기의 명령에 따라 미리 충전된 전력을 부하에 공급하는 기능을 수행한다.
계통 전원 모니터링 장치(300)는 전력변환장치(200)와 계통 전원(500) 사이에 설치된다. 계통 전원 모니터링 장치(300)는 계통 전원(500)의 이상 유무를 감시하는 기능을 수행하며, 계통 전원(500)에 정전 등과 같이 이상이 발생하면 계통 전원(500)을 차단하고, 계통 전원(500)이 정상 상태로 복귀하면 계통 전원(500)을 연결하는 기능을 수행한다. 또한, 계통 전원(500)을 차단한 이후에 계통 전원(500)이 정상화되었을 때 계통 전원(500)을 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하는 기능을 수행한다.
동기화를 위해서는 전압의 크기, 위상, 주파수가 가장 큰 요소로 작용된다. 중앙관리 장치(400)는 이 정보를 중앙제어부(250)에 전달하면, 중앙제어부는 유, 무효전류 지령 및 주파수 지령, 출력 전압 지령을 전력변환장치(200)에 전달하여 동기화를 시작할 수 있다.
중앙 관리 장치(400)는 전력변환장치(200)와 계통 전원 모니터링 장치(300)의 동작을 제어 및 관리하는 기능을 수행한다. 또한, 중앙 관리 장치(400) 상위 시스템과의 데이터 및 지령을 송수신하는 기능을 수행한다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환장치의 개략적인 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 전력변환장치의 인버터 제어부의 기능 블록도이며, 도 4는 도 1에 도시된 계통전원 모니터링 장치의 개략적인 구성도이고, 도 5는 도 1에 도시된 중앙 관리 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 전력변환장치(200)는 DC/DC 컨버터(210), 배터리부(220), DC/AC 인버터부(230), 변압기부(240), 중앙 제어부(250) 및 통신 제어부(260)를 포함한다.
DC/DC 컨버터(210)는 배터리부(220)의 방전 동작시, 배터리부(220)의 DC 전압을 변환시켜 DC/AC 인버터부(230)에 공급한다. 그리고, 배터리부(220)의 충전 동작시, DC/AC 인버터부(230)로부터 공급받은 DC 전압을 변환하여 배터리부(220)에 공급하는 기능을 수행한다. 그리고, 배터리 관리부(BMS;미도시)의 배터리 충전상태 정보에 따라 계통 전원(500)으로부터 공급되는 전력이나 신재생에너지 발전기(100)로부터 공급되는 전력을 충전하는 경우에는 신재생에너지 발전기(100)로부터 공급된 DC 전압을 변환하여 배터리부(220)에 공급한다.
배터리부(220)는 신재생에너지 발전기(100) 또는 계통 전원(500)으로부터 공급된 전압을 충전하거나 또는 저장된 전압을 방전하는 기능 및 배터리관리부(BMS)를 통한 충전상태와 잔존수명 정보를 DC/DC 컨버터에 전달하는 역할을 수행한다.
DC/AC 인버터부(230)는 계통 전원(500)에 이상이 생긴 경우 또는 신재생에너지 발전기(100)의 출력안정화를 위하여 배터리부(220)의 방전 동작시 DC/DC 컨버터(210)로부터 입력된 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고, 충전 동작시 계통 전원으로부터 공급되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 DC/DC 컨버터(230)로 공급하는 기능을 수행한다. 이때, DC/AC 인버터부(230)는 계통 전원의 3상 불평형 계통에 대한 불평형을 해소하기 위하여 단상 인버터 3개를 모듈화하여 각 상마다 제어가 가능하도록 구현한다. 따라서, 본 실시예에서 DC/AC 인버터부(230)는 제1 단상 DC/AC 인버터(231), 제2 단상 DC/AC 인버터(232) 및 제3 단상 DC/AC 인버터(233)를 포함한다.
변압기부(240)는 DC/AC 인버터부(230)의 후단에 설치되며, DC/AC 인버터부(230)로부터 공급된 전압의 크기를 변환하여 계통 전원(500)에 공급하거나 또는 계통 전원(500)으로부터 공급된 전압의 크기를 변환하여 DC/AC 인버터부(230)로 공급하는 기능을 수행한다. 변압기부(240)는 제1 변압기(241), 제2 변압기(242) 및 제3 변압기(243)를 포함하며, 제1 변압기(241)는 제1 단상 DC/AC 인버터(231)의 후단에 설치되며, 제2 변압기(242)는 제2 단상 DC/AC 인버터(232)의 후단에 설치되고, 제3 변압기(243)는 제3 단상 DC/AC 인버터(233)의 후단에 설치된다.
인버터 제어부(250)는 DC/AC 인버터부(230)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. DC LINK 전압을 공유하는 각 상의 인버터는 각 제어기의 센싱오차로 인하여 출력전류가 다르게 발생함으로써 부하 불평형이 발생하게 되며, 특히 입력 전원이 신재생에너지와 같은 변동이 심한 전원일 경우 단상의 불평형 전류 때문에, 임의의 단상 인버터에 부하가 집중되는 현상이 발생하며, 실제 계통에서 환원되는 에너지의 양이 서로 상이하게 된다.
이를 해결하기 위하여, 중앙 제어부(250)는 전류 제어 기준값을 각각의 단상 DC/AC 인버터에 전달하고, 각각의 단상 DC/AC 인버터는 전달된 전류 제어 기준값을 이용함으로써 센싱오차로 인한 출력전류의 차이를 제거할 수 있게 된다. 그 결과, 3개의 단상 DC/AC 인버터에 동일한 전류를 공급하여 계통의 상 불평형을 해소할 수 있게 된다.
통신 제어부(260)는 EMS와 같은 중앙 관리 장치(400)로부터 전달된 지령을 중앙 제어부(250)로 전달 및 데이터를 전송한다.
도 3을 참조하면, 중앙 제어부(250)는 MPPT 제어기(최대출력점제어기)(251) 및 전류 제어기(252)를 포함한다. MPPT 제어기(251)는 신재생 에너지 전원으로부터 전압과 전류를 측정하여 입력 전력을 계산하고, 최대 출력을 내보내기 위한 최대출력 전압 기준값(VDC_REF)을 설정한다. 전류 제어기(252)는 실제 검출된 DC LINK 전압값(VDC_REAL)과 유효전류제어 기준값(I_REF)를 각 단상 DC/AC 인버터로 전송한다. 무효전류제어 기준값은 상위 시스템에서의 지령에 따라 각 단상 DC/AC 인버터로 전송된다.
각 단상 DC/AC 인버터는 수신한 전류 제어 기준값을 인버터 내부의 전류제어기(미도시)에 적용함으로써 각각의 단상 DC/AC 인버터의 동작을 제어하여 신재생에너지 발전기로부터 공급된 전력을 계통 전원으로 위상과 크기에 맞추어 계통으로 환원하게 된다. 그 결과, 각각의 단상 DC/AC 인버터는 동일한 전류 기준값에 따라 각 상의 전압에 동기하여 전력을 환원하여 각상의 불평형 없이 동일한 전류를 공급하여 계통의 상 불평형에 대한 부담을 제거할 수 있게 된다.
즉 전류 제어 기준값이 유효 지령이 양의 값이라면 유효전력을 계통에 내보내고, 음의 값이라면 유효전력을 흡수(컨버터 충전시)하며, 무효전류 지령이 0이 아니라면 지령값의 부호(+, -)에 따라 진지상 전류를 이용하여 무효전력을 계통에 내보내게 되어 계통의 안정화 향상에 도움이 된다. 이 유무효전류 지령을 적절하게 조합하여 계통연계운전시 이용할 수 있다.
전력회사에서 원하는 전력량만큼 원하는 시간대에 송전하기 위해서는 MPPT제어기(251) 대신에 POWER 제어기를 이용함으로써 해결할 수 있다.즉 입력전력의 계산값과 상위에서 내려온 POWER 지령치를 비교하여 전류제어기(252)에 입력함으로써 전류제어를 통하여 원하는 POWER를 공급할 수 있다. 신재생에너지 발전기원의 출력이 약할 경우,중앙제어부(250)는 DC/DC 컨버터(210)을 방전모드로 설정하여 VDC값을 조절하여 전력을 공급할 수 있다.
도 4를 참조하면, 계통전원 모니터링 장치(300)는 계통전원 감시부(310), 계통전원 스위칭부(320) 및 동기화부(330)를 포함한다.
계통전원 감시부(310)는 계통 전원(500)의 전압 상태를 측정 및 분석하여 계통 전원 이상 발생 여부를 감시한다.
계통전원 스위칭부(320)는 계통전원 감시부(310)를 통하여 계통 전원에 정전 등과 같이 이상이 발생하면 계통 전원(500)을 차단하고, 계통 전원(500)이 정상 상태로 복귀하면 계통 전원(500)을 연결한다.
동기화부(330)는 계통 전원(500)을 차단한 이후에 계통 전원(500)이 정상화되었을 때 신재생에너지 발전기(100)와 계통 전원(500)을 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하는 기능을 수행한다. 동기화부(330)는 계통 전원측 동기화 정보 즉, 계통 전원의 주파수, 위상 및 전압 크기를 측정하여 중앙 관리 장치(400)에 전송한다. 그리고, 전력 변환 장치(200)로부터 수신한 전력변환장치측 동기화 정보(즉, 전력변환장치로부터 출력되는 전력의 주파수, 위상 및 전압 크기 정보)와 계통 전원측 동기화 정보를 비교하여 동기화 시점을 검출한다. 계통전원 스위칭부(320)는 동기화부(330)에서 검출된 동기화 시점에 계통 전원(500)을 신재생에너지 발전기(100)와 연결한다.
도 5를 참조하면, 중앙 관리 장치(400)는 데이터 통신부(410), 전력 요금 계산부(420) 및 중앙 제어부(430)를 포함한다.
데이터 통신부(410)는 중앙 관리 장치(400)와 TOC와 같은 상위 시스템 간의 데이터 송수신을 담당한다. 그리고, 데이터 통신부(410)는 중앙 관리 장치(400)와 전력변환장치(200) 및 계통전원 모니터링 장치(300)간의 데이터 송수신을 담당한다.
전력 요금 계산부(420)는 계통 전원에 이상이 발생하여 계통 전원을 차단하고 전력변환장치(200)를 독립 운전 모드로 전환한 경우, 독립 운전 동안의 유효 전력 요금을 계산하는 기능을 수행한다. 또한, 계통연계시의 경우에는 유무효 전력 요금을 분리하여 계산하는 기능을 수행한다.
중앙 제어부(430)는 데이터 통신부(410) 및 전력요금 계산부(420)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전력변환장치(200)는 DC/DC 컨버터(210), BMS를 포함한 배터리부(220), DC/AC 인버터부(230), 변압기부(240), 중앙 제어부(250) 및 AC/DC 인버터(270)를 포함한다. 그리고, 신재생에너지 발전기(100)는 풍력 또는 디젤 발전기(110), 연료전지 발전기(120) 및 태양광 발전기(130)를 포함한다.
AC/DC 인버터(270)는 풍력 발전기(110)와 DC/AC 인버터부(230) 사이에 설치된다. AC/DC 인버터(270)는 풍력 발전기(110)에서 생산된 AC 전압을 공급받아 DC 전압으로 변환시켜 DC/AC 인버터부(230)에 공급한다.
DC/DC 컨버터(210)는 연료전지 발전기(120)와 DC/AC 인버터부(230) 사이에 설치되며, DC/DC 컨버터(210)는 연료전지 발전기(120)에서 생산된 DC 전압을 공급받아 출력변환시킨 후 DC/AC 인버터부(230)로 공급하거나, 또는 배터리부(220)에 저장한다. DC/DC 컨버터(210)는 태양광 발전기(130)의 후단이나 DC 출력의 풍력발전기에 설치될 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 계통전원 모니터링 장치(300)는 계통 전원의 전압을 감시하는 과정을 수행한다(S11). 계통 전원에 정전 등과 같은 이상이 발생하게 되면 이를 감지하고, 계통 전원에 이상이 발생했음을 중앙 관리 장치(400)로 보고한다(S12, S13). 그리고 나서, 계통전원 모니터링 장치(300)는 계통 전원과 신재생에너지 발전기를 차단하는 과정을 수행한다(S14).
중앙 관리 장치(400)는 계통전원 모니터링 장치(300)로부터 계통 이상 발생보고를 접수하면(S15), 전력변환장치(200)와 계통전원 모니터링 장치(300)에 부하 상태를 판단하여 이시간은 전력변환장치가 정전상태로 인식하여 단독운전을 방지하기 위한 출력 차단 기능을 하기전에 먼저 선행하여 전력변환장치의 독립운전 모드 전환을 명령한다(S16).
계통전원 모니터링 장치(300)는 독립운전 모드로 전환하여 계통 전원의 분리를 유지하고 복전 상태를 감시하는 과정을 수행한다(S17). 중앙 관리 장치(400)는 독립 운전에 따른 유효 전력 요금의 계산을 수행하며(S18), 전력변환장치(200)는 독립 운전을 진행한다(S19).
한편, 계통전원 모니터링 장치(300)는 복전상태를 감시하며, 계통 전원의 복전이 확인되면 계통 전원의 복전 상태를 중앙 관리 장치(400)에 보고한다(S20, S21).
중앙 관리 장치(400)는 계통전원 모니터링 장치(300)로부터 계통 전원의 복전 상태를 접수하면(S22), 전력변환장치(200)와 계통전원 모니터링 장치(300)에 전력변환장치의 복전 모드 전환을 명령한다(S23).
계통전원 모니터링 장치(300)는 계통 전원측 동기화 정보 즉, 계통 전원의 주파수, 위상, 상순 및 전압 크기를 측정하는 과정을 수행한다(S24). 그리고 나서, 계통전원측 동기화 정보를 중앙 관리 장치(400)로 보고한다. 중앙 관리 장치(400)는 계통전원 모니터링 장치(300)로부터 수신한 계통전원측 동기화 정보를 전력변환장치(200)로 전송한다(S26).
전력변환장치(200)는 수신한 계통전원측 동기화 정보에 기초하여 동기화 작업을 진행하고(S27), 전력변환장치측 동기화 정보를 중앙 관리 장치(400) 및 계통전원 모니터링 장치(300)로 전송한다(S28).
계통전원 모니터링 장치(300)는 전력변환측 동기화 정보를 수신하고, 이를 참조하여 동기화 시점을 검출하고, 검출된 동기화 시점에 계통 전원과 전력변환장치를 연결시키는 과정을 수행한다(S29).
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 계통 연계형 전력 변환 시스템의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 : 신재생에너지 발전기
200 : 전력변환장치
300 : 계통전원 모니터링 장치
400 : 중앙 관리 장치
500 : 계통 전원
600 : 부하
200 : 전력변환장치
300 : 계통전원 모니터링 장치
400 : 중앙 관리 장치
500 : 계통 전원
600 : 부하
Claims (7)
- 계통 연계형 전력 변환 시스템에 있어서,
신재생에너지 발전기와 계통 전원 사이에 설치되며, 신재생에너지 발전기에서 공급된 전력을 계통 전원에 공급하기 위한 전압으로 변환하고, 상기 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전력을 충전 또는 방전하기 위한 전력변환장치;
상기 전력변환장치와 계통 전원 사이에 설치되며, 상기 계통 전원의 이상 유무에 따라 계통 전원을 차단 또는 연결하고, 계통 전원의 복전 시 계통 전원과 신재생에너지 발전기를 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하기 위한 계통전원 모니터링 장치; 및
상기 전력변환장치와 계통전원 모니터링 장치의 동작을 제어 및 관리하는 중앙 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 전력변환장치는,
상기 신재생에너지 발전기 또는 계통 전원으로부터 공급된 전압을 충전하거나 또는 저장된 전압을 방전하는 배터리부;
상기 배터리부의 방전 동작시, 상기 배터리부의 DC 전압을 승압하거나, 충전 동작시 DC 전압을 강압하여 공급하는 양방향 DC/DC 컨버터;
상기 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고, 충전 동작시 계통 전원으로부터 공급되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC/DC 컨버터로 공급하는 DC/AC 인버터부;
상기 중앙 관리 장치에서 온 지령을 중앙 제어부로 전달 및 데이터를 전송하는 통신 제어부; 및
상기 DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터부의 동작을 제어하는 중앙 제어부;를 포함하며,
상기 배터리부는 배터리부의 충전상태 및 잔존수명에 따라 배터리부를 관리하는 배터리 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 DC/AC 인버터부는 제1 단상 DC/AC 인버터, 제2 단상 DC/AC 인버터 및 제3 단상 DC/AC 인버터를 포함하며,
상기 중앙 제어부는 공통의 전류 제어 기준값을 상기 각 단상 DC/AC 인버터에 전달하고, 상기 각 단상 DC/AC 인버터는 수신한 전류 제어 기준값을 이용하여 동작하는 것을 특징으로 한다
- 제3항에 있어서,
상기 중앙 제어부는,
상기 입력전원으로부터 전압과 전류를 검출하여 입력전력을 계산하고, 최대 출력전력을 생성하기 위한 최대출력 전압기준값을 설정하는 MPPT 제어기 및
상기 최대출력 전압기준값과 실제 DC 링크 전압값을 비교하여 전류 제어 기준값을 생성하고, 생성된 전류 제어 기준값을 상기 각 단상 DC/AC 인버터로 전송하는 전류 제어기를 포함하며,
상기 각 단상 DC/AC 인버터는 상기 전류 제어 기준값에 따라 각각의 단상 DC/AC 인버터의 동작을 제어하여 신재생에너지 발전기로부터 공급된 전력을 유무효전력으로 변환하여 계통 전원으로 환원시키는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 계통전원 모니터링 장치는,
상기 계통 전원의 전압 상태를 측정 및 분석하여 계통 전원 이상 발생 여부를 감시하는 계통전원 감시부;
상기 계통전원 감시부를 통하여 계통 전원에 이상이 발생하면 계통 전원을 차단하고, 계통 전원이 정상 상태로 복귀하면 계통 전원을 연결하는 계통전원 스위칭부; 및
상기 계통 전원 차단한 이후에 계통 전원이 정상화되었을 때 신재생에너지 발전기와 계통 전원을 연결하기 위한 동기화 시점을 검출하는 동기화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 동기화부는 전력변환장치측 동기화 정보와 계통 전원측 동기화 정보를 비교하여 동기화 시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 중앙 관리 장치는,
데이터 송수신을 담당하는 데이터 통신부;
상기 계통 전원에 이상이 발생하여 계통 전원을 차단하고 신재생에너지 발전기를 독립 운전 모드로 전환한 경우, 독립 운전 동안의 전력 요금을 계산하고, 계통연계시에는 유무효 전력요금을 계산하는 전력 요금 계산부; 및
상기 데이터 통신부 및 전력요금 계산부의 동작을 제어하는 중앙 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 전력 변환 시스템.
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