KR20150127029A - 전력 그리드 부하 모니터 및 쉐드 제어 장치 - Google Patents

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KR20150127029A
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KR1020157017547A
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스티븐 비. 포터
마이클 발라드
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마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 전력 부하에 배치되거나 또는 밀접하게 결합되어, 전력 부하에 전력을 공급하는 교류 전류 전원의 계통 주파수를 모니터링한다. 계통 주파수의 감소가 검출되는 경우에는 이 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 전력 부하의 소정의 일부들을 중단할 수 있고, 이에 의해 전원 주파수가 안정화된다. 이후에, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 전력 계통 주파수가 정상 동작 주파수로 회복됨에 따라 정상 상태의 동작으로 쉐딩되었던 부하의 동작 복귀를 결정할 수 있다. (예를 들면 조정가능하거나 프로그램 가능한 등의) 고정 시간 지연들 및/또는 의사 랜덤 시간 지연들이 부하들을 순차적으로 전력 그리드에 다시 연결하기 위해 추가로 포함될 수 있으며, 이에 의해 이미 쉐딩된 부하들이 동시에 모두 재연결되는 것을 방지할 수 있다.

Description

전력 그리드 부하 모니터 및 쉐드 제어 장치{POWER GRID LOAD MONITOR AND SHED CONTROL}
본 발명은 전력 이용 장비의 부하 쉐딩(shedding)에 관한 것으로, 특히 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
발전 회사들, 배전 회사들 및 관공서들은 우리의 증가하는 전력 수요들을 관리하려고 노력하고 있다. 해결할 가장 큰 이슈는, 매일 단지 1-2 시간 동안 지속될 수 있는 일일 피크 수요를 만족시키기 위해 충분한 전력을 생성할 필요가 있다는 점이다. 이 때문에, 이용 가능한 전체의 발전 용량이 일일 최대 피크 수요를 충족하거나 초과할 필요가 있다. 새로운 발전소들을 건설할 필요 없이 증가하는 일일 수요를 충족하기 위해, 전력 회사들은 피크 수요 기간들(time periods) 동안 더 높은 전력 요금들을 책정하고 있다. 이러한 정책은 고객의 전력 사용 행동을 변화시키는데 도움이 되지만, 전력 공급의 일시 정지(brown-outs) 또는 정전(black-outs)에 대한 가능성이 여전히 높다. 새로운 발전소들의 건설 없이, 이들 전력 공급의 일시 정지 또는 정전을 방지하는 유일한 방법은 전력 공급의 일시 정지 또는 정전이 부득이한 경우에는 중요하지 않은 부하들을 차단하는 것이다. 에너지부, 발전 회사들, 배전 회사들, 계량기 회사들, 및 가전기기 제조회사들은 중요하지 않는 부하들을 전력 그리드로부터 사실상 쉐딩하는 시스템들, 예를 들면 스마트 전력 계량기들, 스마트 전력 그리드 등을 만들어내고자 노력하고 있다. 이러한 부하 쉐딩 및 컴퓨터 네트워크 시스템 기술들은 수년 동안 개발되어 왔고, 발전소들이 변전소들 및 스마트 계량기들과 통신하게 하고, 그리고 변전소들 및 스마트 계량기들을 제어하게 하는 정교한 통신들과 컴퓨터 네트워크 시스템들을 필요하며, 그리고 이후 마침내 특정 전력 부하들, 즉 "부하 쉐딩"(loading shedding)을 턴오프한다. 이러한 시스템들을 구현하는데 필요한 투자들의 규모에 근거하여, 이러한 시스템들을 준비하고 실행하는 데에는 수년이 걸릴 수도 있다.
그러므로 이 부하들을 전력 그리드로부터 제거하기 위해 정교한 통신들 및 컴퓨터 네트워크 시스템들을 사용해야 하는 것보다 오히려, 부하들을 전력 그리드로부터 차단하기 위한 단순한 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치, 시스템 및 방법이 요구된다.
일실시예에 따르면, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는, 전원에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 입력단과, 전력 부하에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및 상기 전원에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합될 수 있는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함할 수 있고, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는, 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있을 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어될 수 있고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작을 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 시간 지연 회로는 상기 전력 부하에 상기 전원을 재결합시키는 것을 지연시키는데 사용될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 시간 지연 회로는 프로그램 가능한 시간 지연을 갖는다. 추가 실시예에 따르면, 상기 시간 지연 회로는 의사 랜덤 시간 지연을 갖는다.
추가 실시예에 따르면, 상기 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 복수의 제어 가능한 전력 스위치들, - 각 제어 가능한 전력 스위치는 상기 전원에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 입력단과, 복수의 전력 부하들의 각각의 전력 부하에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비함 - 을 더 포함할 수 있고, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 복수의 제어 가능한 전력 스위치들의 각각의 제어 입력단들에 결합되는 복수의 제어 출력단을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 복수의 시간 지연 회로들은 상기 전원을 상기 복수의 전력 부하들에 재결합하는 것을 순차적으로 지연시킬 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는, 상기 전원에 결합되는 입력단과, 및 출력단을 구비하는 제로-크로스 검출기, - 제로-크로스 펄스는 상기 전원의 파형이 실질적으로 0볼트에 있을 때마다 상기 출력단으로부터 만들어질 수 있음 -; 상기 전원에 결합되는 입력단과, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 직류 전압 출력단을 구비하는 전력 공급기; 타이머/카운터; 상기 타이머/카운터의 클록 입력단에 결합되는 클록 출력단을 구비하는 정밀 클록부, - 상기 클록 출력단은 복수의 클록 펄스들을 포함함 -; 디지털 프로세서 및 메모리; 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 입력단과, 및 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로의 상기 제어 출력단으로서 사용되는 출력단을 구비하는 제어 출력 구동부를 포함할 수 있고, 여기서 상기 타이머/카운터는 n 제로-크로스 펄스를 수신시 상기 복수의 클록 펄스들의 카운팅을 시작하고, 그리고 n+1 제로-크로스 펄스를 수신시 상기 복수의 클록 펄스들의 카운팅을 정지하며, 여기서 n은 양의 정수일 수 있으며, 상기 디지털 프로세서는 상기 n+1 제로-크로스 펄스들의 각 펄스에서 상기 타이머/카운터로부터 카운트 값을 읽고, 이후 상기 카운트 값을 제로로 리셋하고, 이에 의해 상기 디지털 프로세서는 상기 카운트 값으로부터 상기 전원의 상기 계통 주파수를 결정한다.
추가 실시예에 따르면, 직렬 인터페이스부는 상기 디지털 프로세서에 결합될 수 있고 컴퓨터 인터페이스를 구비할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 계통 주파수 상태 디스플레이부는 상기 디지털 프로세서에 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 계통 주파수 상태 디스플레이부는 상대적인 계통 주파수를 표시하기 위한 패턴으로 배치된 복수의 발광 다이오드들(LED들)일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 소정의 주파수는 실질적으로 60.0Hz일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 타이머/카운터, 상기 정밀 클록부, 상기 디지털 프로세서 및 메모리, 및 상기 제어 출력 구동부는 마이크로컨트롤러의 일부분일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 정밀 클록부는 고 안정 주파수 결정 소자에 결합될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 고 안정 주파수 결정 소자는 수정 주파수 결정 소자일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 수정 주파수 결정 소자는 실질적으로 8MHz로 동작할 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 기능을 구비하는 가전기기는, 전원에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 입력단과, 상기 가전기기의 전력 부하에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및 상기 전원에 결합하기 위해 만들어질 수 있는 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합될 수 있는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함할 수 있고, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있는 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 가전기기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어될 수 있고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작은 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 가전기기 전력 부하는 에어컨 응축 압축기, 전기 히트 스트립, 송풍 모터, 전기 의류 건조기의 전기 히트 스트립, 세탁기 모터, 오븐의 전기 히트 스트립, 전기 쿡탑의 전기 가열 소자들, 전기온수기의 전기 히트 스트립, 및 식기 세척기 모터와 전기 히트 스트립으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
또 하나의 다른 실시예에 따르면, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법은, 전원의 계통 주파수를 측정하는 단계; 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있을 경우에는, 제어 가능한 전력 스위치로 상기 전원에 전력 부하를 결합시키는 단계; 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작을 경우에는, 상기 제어 가능한 전력 스위치로 상기 전력 부하를 상기 전원으로부터 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예 따르면, 상기 전원에 상기 전력 부하를 결합시키는 것이 소정의 기간 동안 지연될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예 따르면, 상기 소정의 기간은 프로그램가능할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예 따르면, 상기 소정의 기간은 의사 랜덤하게 발생될 수 있다.
또 하나의 다른 실시예에 따르면, 발전 및 전력 이용 시스템은, 전원; 전력 부하; 상기 전원에 결합될 수 있는 전력 입력단과, 상기 전력 부하에 결합될 수 있는 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및 상기 전원에 결합될 수 있는 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합될 수 있는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함할 수 있고, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있을 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 가전기기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어될 수 있고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작을 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어될 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 전원은 전기 유틸리티 전력 그리드, 엔진 발전기 세트, 풍력 터빈, 수차 구동 터빈, 및 배터리 전력 공급 인버터로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전력 부하는 에어컨 응축 압축기, 전기 히트 스트립, 송풍 모터, 전기 의류 건조기, 세탁기, 오븐, 전기 쿡탑, 전기온수기 및 식기 세척기로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
본 개시는 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 특정 예시의 실시예들에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어된 전력 시스템의 개략적인 블록도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 개시의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 특정 예시의 실시예들에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 동작 동안 모범적인 트립(trip) 포인트들 및 계통 주파수 디스플레이 표시의 개략적인 그래프를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 또 하나의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 비상용 발전기 세트의 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 또 하나의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 가전기기에 통합된 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도를 도시하는 도면이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안의 형태들을 허용하지만, 그의 특정 예시의 실시예들이 도면들에 도시되었고 본 명세서에서 상세히 설명된다. 하지만, 그 특정 예시의 실시예들에 대한 설명은 본 개시를 여기에서 개시된 특정 형태들로 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려, 본 개시는 특허청구범위에 정의되는 모든 변형들 및 균등물들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.
발전소에 있어서, 터빈, 예를 들면 증기, 천연가스, 물, 바람 등; 또는 디젤 엔진은 일정하고 정밀한 회전 속도 (분당 회전수 - RPM)로 교류(AC) 발전기를 구동하여 발전기로부터 60 헤르츠(Hz) 계통 주파수를 유지한다. 광전지(PV) 패널들과 AC 인버터들은 또한, 60Hz 계통 주파수로 AC 전력을 발생하는데 사용될 수 있다. 발전기에 연결된 부하들이 증가함에 따라, 더 많은 전력 출력이 발전기로부터 필요하고 또한, 구동 터빈 또는 엔진으로부터 에너지양(마력)의 차후의 증가가 필요하게 된다. 터빈 또는 엔진이 그것의 최대 이용가능한 출력 전력에 도달함에 따라, 더 이상의 에너지가 발전기에 공급될 수 없고, 이에 의해 발전기의 회전 속도는 감소하기 시작할 것이고, 발전기 전력 출력 계통 주파수 또한 비례적으로 감소할 것이다.
단순한 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 전력 부하, 예를 들면 가전기기(세탁기, 건조기들, 냉장고들, 토스터들, 오븐들, 쿡탑들), 에어컨 및 풀(pool) 장비, 온수기 등에 배치되거나 또는 밀접하게 결합되어, 전력 부하(들)에 전력을 공급하는 교류 전류 전원의 계통 주파수를 모니터링할 수 있다. 계통 주파수의 감소가 검출되면, 이 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 소정의 일부 또는 모든 전력 부하를 중단할 수 있고, 이에 의해 전력 그리드 주파수가 안정화될 수 있다. 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 전기 건조기 또는 실내 난방기는 그의 전기 가열 요소를 턴오프하지만, 팬 모터의 동작을 계속 유지할 수 있다. 유사하게, 에어컨 및 냉각기(냉장고)는 공기 송풍/팬 동작을 유지한 채 응축 압축기의 동작을 중단할 수 있다. 이후에, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치는 전력 계통 주파수가 정상 동작 주파수로 회복됨에 따라 정상 상태의 동작으로 쉐딩되었던 부하의 동작 복귀를 결정할 수 있다. (예를 들면 조정 가능하거나 프로그램 가능한 등의) 고정 시간 지연들 및/또는 의사 랜덤 시간 지연들이 부하들을 순차적으로 전력 그리드에 다시 연결하기 위해 추가로 포함될 수 있으며, 이에 의해 이미 쉐딩된 부하들이 모두 동시에 재 연결되는 것을 방지할 수 있다.
이제 도면을 보면, 특정 예시의 실시예들의 세부 사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에서 같은 요소들은 같은 숫자들로 나타내어지며, 유사한 요소들은 같은 숫자들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타내어질 것이다.
도 1을 보면, 본 개시의 특정 예시들에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 전력 시스템의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 전원(108)은 복수의 터빈 발전기들, 엔진 발전기, 풍력 발전용 터빈, 배터리 전력 인버터(예를 들면, 광전지 충전) 등에 연결된 예를 들어, 배전 유틸리티 그리드를 일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 적어도 하나의 전력 부하(102)는 예를 들어 하나 이상의 가전기기(세탁기, 건조기들, 냉장고들, 토스터들, 오븐들, 쿡탑들), 에어컨 및 풀(pool) 장비, 온수기들 등일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 적어도 하나의 전력 부하(102)는 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)로 전원(108)에 결합되거나 또는 분리될 수 있다. 상기 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)는 전자기계식 접촉기(릴레이), 솔리드 스테이드 스위치, 예를 들면 트라이액, SCR, 솔리드 스테이드 릴레이 등일 수 있으며, 전력 부하(102)의 현존 부분, 예를 들면 에어컨 응축 유닛의 전력 접촉기일 수 있거나, 또는 전력 부하(102)의 외부에 있지만 전력 부하(102), 예를 들면 제어 가능한 전력 저장소들에 밀접하게 결합될 수 있다.
계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106)는 전원(108)의 교류 계통 전압의 주파수를 정밀하게 모니터링할 수 있다. 계통 주파수가 소정의 주파수 아래로 내려가는 경우에는, 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)는 계통 주파수가 소정의 주파수, 예를 들면 60Hz로 복귀하는 그 시간까지 적어도 하나의 전력 부하(102)를 전원(108)으로부터 차단하도록 지시를 받을 것이다.
도 2를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106)는 제로-크로스 검출기(224), 전력 공급기(226), 계통 주파수 상태 디스플레이부(228), 타이머/카운터(218), 디지털 프로세서 및 메모리(220), 직렬 인터페이스부(222), 정밀 클록부(212), 수정 주파수 표준부(214) 및 적어도 하나의 제어 출력 구동부(216)를 포함할 수 있다.
마이크로컨트롤러(210)는 적어도 타이머/카운터(218), 디지털 프로세서 및 메모리(220), 직렬 인터페이스부(222), 정밀 클록부(212) 및 적어도 하나의 제어 출력 구동부(216)를 포함할 수 있다. 전력 공급기(226)는 전원 AC 계통 전압을 마이크로컨트롤러(210)를 구동하는데 적합한 전압(들)으로 변환하는 임의의 종류의 전력 공급기일 수 있다. 계통 주파수 상태 디스플레이부(228)는 예를 들어 발광 다이오드들(LED들)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제로-크로스 검출기(224)는 전원의 사인파형이 제로 값을 지날 때마다 타이머/카운터(218)에 제로 크로스 신호를 송신한다. 타이머/카운터(218)는 타이머/카운터(218)에 의해 카운팅을 시작하고 카운팅을 정지하는데 제로 크로스 신호들을 사용한다. 여기서 하나 거른(every other) 반주기의 주기 시간(주파수)이 카운팅되고, 이후 디지털 프로세서(220)는 카운팅되지 않는 반주기 동안에 타이머/카운터(218)로부터 카운트 값을 읽을 수 있다. 정밀 클록부(212)는 타이머/카운터(218)에 인가되는 정밀 주파수를 갖는 복수의 클록 펄스들을 생성하기 위해 수정 주파수 표준부(214)를 사용하는데, 예를 들면 8MHz일 수 있다. 타이머/카운터(218)가 인에이블되는 반주기 동안, 타이머/카운터(218)는 전력 계통 사인파형의 제로 크로싱들 사이에서 클록 펄스들의 수를 카운팅할 것이다. 타이머/카운터(218)는 또한 저장 레지스터(미도시됨)와 함께 구성될 수 있으며, 여기서 타이머/카운터(218)는 제로 크로스 펄스를 수신할 때마다 그의 현재 카운터를 이 저장 레지스터(미도시됨)에 전송하고, 이후 리셋되어 새로운 카운팅을 시작한다. 디지털 프로세서(220)는 이후 계통 주파수를 결정하기 위해 저장 레지스터(미도시됨)에 저장된 카운트 값을 읽는다.
디지털 프로세서(220)는 타이머/카운터(218)로부터 카운트 값을 읽어 그 값으로부터 계통 주파수를 결정한다. 이렇게 결정된 계통 주파수가 소정 주파수에 있다면, 적어도 하나의 제어 출력 구동부(216)는 전원(108)으로부터 적어도 하나의 전력 부하(102)에 전력을 제공하기 위해 제어 가능한 전력 스위치(104)를 온 상태로 유지한다. 하지만, 계통 주파수가 소정의 주파수 이하로 내려가면, 디지털 프로세서(220)는 적어도 하나의 제어 출력 구동부(216)가 제어 가능한 전력 스위치(104)를 턴오프하게 하고, 이에 따라 적어도 하나의 전력 부하(102)를 전원(108)으로부터 차단한다. 타이머/카운터(218)는 제로 크로싱들 사이에서 계속 클록 펄스들을 카운팅하고, 디지털 프로세서(220)는 타이머/카운터(218)로부터 읽어온 카운트 값들로부터 계속 계통 주파수를 결정한다. 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수로 되돌아갈 때, 디지털 프로세서(220)는 소정시간 동안 기다린 후에, 적어도 하나의 전력 부하(102)를 전원(108)에 재연결하기 위해 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)를 다시 인에이블링할 것이다. 하나보다 많은 (복수의) 전력 부하(102)가 있을 경우, 디지털 프로세서(220)는 복수의 전력 부하들(102)의 각 부하를 전원(108)에 재연결할 때에 시간 순서를 정할(시차를 둘) 수 있다. 복수의 전력 부하들(102)의 재연결의 시간 순서를 정함으로써, 상기 복수의 전력 부하들(102) 모두가 재연결될 때까지 전원(108)에 크게 과부하가 걸릴 가능성이 적어진다. 복수의 전력 부하들(102)의 각 부하가 전원(108)에 재 연결될 수 있을 경우에는, 이러한 순서 시간들이 디지털 프로세서 및 메모리(220) 내에 프로그램될 수 있고/있거나 의사 랜덤 시간 발생기(미도시되어 있지만, 마이크로컨트롤러(210)의 기능부일 수 있음)가 서로 다른 시간들을 발생시키는데 사용될 수 있다.
도 3을 보면, 본 개시의 또 하나의 특정 예시의 실시예에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 다이어그램이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 회로는 실질적으로, 도 2에 도시되고 위에 설명된 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106)로서 작동한다. 추가로, 4개의 LED들(D3-D6)은 도시된 바와 같이 마이크로컨트롤러(210)에 연결되어 있다. 이러한 4개의 LED들은 아래에 보다 상세히 설명되듯이 계통 주파수 상태를 표시하는데 사용될 수 있다.
도 4를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예들에 따른, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 동작 동안 예시적인 트립 포인트들 및 계통 주파수 디스플레이 표시의 개략적인 그래프가 도시되어 있다. 미합중국에서는 바람직한 계통 주파수가 60Hz이다. 계통 주파수는 부하/무부하 조건들하에서 전원(108)의 전력용량이 얼마나 과도한지(stiff)에 따라서 변할 수 있다. 전원(108)이 측정된 계통 주파수의 소정의 범위 주파수들 내에 동작하고 있음을 결정하는 것에 기반하여 트립(trip) 포인트들이 디지털 프로세서 및 메모리(220) 내에 프로그램될 수 있다. 예를 들면, 계통 주파수가 59.9Hz보다 크고 60.1Hz보다 작은 경우에는 정상적인 전원 조건들에 있고, 3개의 LED들이 발광될 수 있다. 계통 주파수가 59.9Hz 이하이지만 59.8Hz보다 큰 경우에는 전원은 부분 정전(brown-out) 조건에 있을 수 있고, 2개의 LED들이 발광될 수 있다. 계통 주파수가 59.8Hz 이하인 경우에는 전원은 완전 정전(black-out) 조건에 있을 수 있고, 단지 1개의 LED만 발광될 수 있다. 계통 주파수가 60.1Hz 이상인 경우에는 4개의 LED들 모두가 발광될 수 있다.
도 5를 보면, 본 개시의 또 하나의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 비상용 발전기 세트의 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 숫자 500으로 전반적으로 표시된, 비상 발전기 세트는 AC 교류 발전기(508), 엔진(530), 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104), 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106) 및 적어도 하나의 전력 저장소(502)를 포함할 수 있다. 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106)는 AC 교류 발전기(508)의 주파수를 모니터링하고, 위에서 보다 상세히 설명한 바와 같이, 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)의 동작을 제어할 수 있다. 전력 부하들(미도시됨)은 적어도 하나의 전력 저장소(502)의 각각의 저장소(502) 내에 플러그될 수 있고, 또한 본 개시의 교시들에 따라, 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)에 의해 AC 교류 발전기(508)(전원)에 연결되거나 AC 교류 발전기(508)(전원)로부터 분리될 수 있다.
적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104), 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106) 및 적어도 하나의 전력 저장소(502)는, AC 교류 발전기(508)로부터 독립하여 하우징(532) 내에 위치될 수 있기 때문에, 계통 주파수에 근거한 전력 부하 쉐딩이 현존하는 전원들 및 전력 부하들을 사용하여 그리고 본 개시의 교시에 따른 부하 쉐딩의 혜택을 받고, 이용될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104) 및 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106)는 예를 들어 전력 회로 차단기의 부분, 부하 쉐딩 모듈(예를 들면, 비상 스탠바이 발전기들과 함께 사용됨)일 수 있지만, 이에 한정되는 것이 아님이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
도 6을 보면, 본 개시의 또 하나의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 가전기기에 통합된 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 숫자 600으로 일반적으로 표시된 부하 쉐딩 가전기기는 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104), 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치(106), 및 적어도 하나의 전력 부하(602)를 포함할 수 있다. 가전기기(600)는 전력 계통 주파수가 소정의 계통 주파수, 예를 들면 60.0Hz 아래로 내려갈 경우에는 자동적으로 부하를 쉐딩할 것이다. 계통 주파수가 부분 정전 또는 완전 정전 조건(도 4 참조)인지에 근거하여, 적어도 하나의 제어 가능한 전력 스위치(104)는 단지 주요한 전력 부하(602a)(예를 들면, 전기 히트 스트립) 또는 전력 부하들(602) 모두를, 각각 분리할 수 있다.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 참조하여 특별히 도시되고 설명되고 정의되었지만, 이러한 참조는 본 개시의 한정을 의미하지 않고 이러한 한정이 추정되지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야에 통상의 기술을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 사람들에게는 형태와 기능에 있어서 상당한 수정, 대체, 및 균등물들이 가능하다. 본 개시의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 개시의 범위를 한정하지 않는다.

Claims (24)

  1. 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치로서,
    전원에 결합하기 위해 만들어진 전력 입력단과, 전력 부하에 결합하기 위해 만들어진 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및
    상기 전원에 결합하기 위해 만들어진 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합되는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함하고,
    상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는, 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있는 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작은 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어되는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 부하에 상기 전원을 재결합시키는 것을 지연시키는 시간 지연 회로를 더 포함하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시간 지연 회로는 프로그램 가능한 시간 지연을 갖는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 시간 지연 회로는 의사 랜덤 시간 지연을 갖는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 제어 가능한 전력 스위치들, - 각 제어 가능한 전력 스위치는 상기 전원에 결합하기 위해 만들어진 전력 입력단과, 복수의 전력 부하들의 각각의 전력 부하에 결합하기 위해 만들어진 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비함 - 을 더 포함하고,
    상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 복수의 제어 가능한 전력 스위치들의 각각의 제어 입력단들에 결합되는 복수의 제어 출력단을 더 포함하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전원을 상기 복수의 전력 부하들에 재결합하는 것을 순차적으로 지연시키는 복수의 시간 지연 회로들을 더 포함하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는,
    상기 전원에 결합되는 입력단과, 및 출력단을 구비하는 제로-크로스 검출기, - 제로-크로스 펄스는 상기 전원의 파형이 실질적으로 0볼트에 있을 때마다 상기 출력단으로부터 만들어짐 -;
    상기 전원에 결합되는 입력단과, 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 전력을 공급하기 위한 적어도 하나의 직류 전압 출력단을 구비하는 전력 공급기;
    타이머/카운터;
    상기 타이머/카운터의 클록 입력단에 결합되는 클록 출력단을 구비하는 정밀 클록부, - 상기 클록 출력단은 복수의 클록 펄스들을 포함함 -;
    디지털 프로세서 및 메모리; 및
    상기 디지털 프로세서에 결합되는 입력단과, 및 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로의 상기 제어 출력단으로서 사용되는 출력단을 구비하는 제어 출력 구동부를 포함하고,
    상기 타이머/카운터는 n 제로-크로스 펄스를 수신시 상기 복수의 클록 펄스들의 카운팅을 시작하고, 그리고 n+1 제로-크로스 펄스를 수신시 상기 복수의 클록 펄스들의 카운팅을 정지하며, 여기서 n은 양의 정수이며,
    상기 디지털 프로세서는 상기 n+1 제로-크로스 펄스들의 각 펄스에서 상기 타이머/카운터로부터 카운트 값을 읽고, 이후 상기 카운트 값을 제로로 리셋하고, 이에 의해 상기 디지털 프로세서는 상기 카운트 값으로부터 상기 전원의 상기 계통 주파수를 결정하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합되고 컴퓨터 인터페이스를 구비하는 직렬 인터페이스부를 더 포함하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합되는 계통 주파수 상태 디스플레이부를 더 포함하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 계통 주파수 상태 디스플레이부는 상대적인 계통 주파수를 표시하기 위한 패턴으로 배치된 복수의 발광 다이오드들(LED들)인, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 주파수는 실질적으로 60.0Hz인, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 타이머/카운터, 상기 정밀 클록부, 상기 디지털 프로세서 및 메모리, 및 상기 제어 출력 구동부는 마이크로컨트롤러의 일부분인, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 정밀 클록부는 고 안정 주파수 결정 소자에 결합되는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고 안정 주파수 결정 소자는 수정 주파수 결정 소자인, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수정 주파수 결정 소자는 실질적으로 8MHz로 동작하는, 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 장치.
  16. 전력 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 기능을 구비하는 가전기기로서,
    전원에 결합하기 위해 만들어진 전력 입력단과, 상기 가전기기의 전력 부하에 결합하기 위해 만들어진 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및
    상기 전원에 결합하기 위해 만들어진 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합되는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함하고,
    상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있는 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 가전기기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작은 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어되는, 가전기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가전기기 전력 부하는 에어컨 응축 압축기, 전기 히트 스트립, 송풍 모터, 전기 의류 건조기의 전기 히트 스트립, 세탁기 모터, 오븐의 전기 히트 스트립, 전기 쿡탑의 전기 가열 소자들, 전기온수기의 전기 히트 스트립, 및 식기 세척기 모터와 전기 히트 스트립으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 가전기기.
  18. 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법으로서,
    전원의 계통 주파수를 측정하는 단계;
    상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있는 경우에는, 제어 가능한 전력 스위치로 상기 전원에 전력 부하를 결합시키는 단계;
    상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작은 경우에는, 상기 제어 가능한 전력 스위치로 상기 전력 부하를 상기 전원으로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    소정의 기간 동안, 상기 전원에 상기 전력 부하를 결합시키는 것을 지연시키는 단계를 더 포함하는, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 소정의 기간은 프로그램 가능한, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 소정의 기간은 의사 랜덤하게 발생되는, 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어를 위한 방법.
  22. 발전 및 전력 이용 시스템으로서,
    전원;
    전력 부하;
    상기 전원에 결합되는 전력 입력단과, 상기 전력 부하에 결합되는 전력 출력단과, 및 제어 입력단을 구비하는 제어 가능한 전력 스위치; 및
    상기 전원에 결합되는 계통 입력단 및 상기 제어 가능한 전력 스위치의 상기 제어 입력단에 결합되는 제어 출력단을 구비하는 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로를 포함하고,
    상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로는 상기 전원의 계통 주파수를 모니터링 하여, 상기 계통 주파수가 실질적으로 소정의 주파수에 있는 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 가전기기 전력 부하에 상기 전원을 결합시키도록 상기 계통 주파수 모니터링 및 부하 쉐딩 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 계통 주파수가 상기 소정의 주파수보다 작은 경우에는 상기 제어 가능한 전력 스위치가 상기 전원을 상기 전력 부하로부터 분리시키도록 제어되는, 발전 및 전력 이용 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전원은 전기 유틸리티 전력 그리드, 엔진 발전기 세트, 풍력 터빈, 수차 구동 터빈, 및 배터리 전력 공급 인버터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 발전 및 전력 이용 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 전력 부하는 에어컨 응축 압축기, 전기 히트 스트립, 송풍 모터, 전기 의류 건조기, 세탁기, 오븐, 전기 쿡탑, 전기온수기 및 식기 세척기로 이루어진 그룹 중 임의의 하나 이상으로부터 선택되는, 발전 및 전력 이용 시스템.
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