KR20160053213A - 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 내연엔진 발전기에 설치되어 내연엔진 발전기에서의 교류공통모선에 대한 동기 투입을 조절하는 디지털 통합제어부; 하나 이상의 축전지와 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제1 인버터; 및 하나 이상의 신재생에너지전원과 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제2 인버터를 포함하고, 축전지는 내연엔진 발전기가 운전 중인 경우에는 계통연계운전모드로 동작하며 전류제어를 수행하고, 내연엔진 발전기가 정지 중인 경우에는 독립운전모드로 동작하여 전압제어를 수행하며, 제2 인버터는 내연엔진 발전기 또는 축전지가 교류공통모선에 제공하는 교류전압의 전압과 주파수에 연계하여 작동되는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템이 개시된다.

Description

교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법 {Bi-lateral Uninterruptible Power Supply for Hybrid System and Method thereof}
본 발명은 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 신재생에너지전원, 내연엔진 발전기, 축전지 등 전원 장치들이 교류공통모선을 통하여 연동되어있는 시스템에서 각 전원장치들의 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
독립형 전원공급 시스템에 있어서, 종래에는 디젤엔진 발전기 등 내연엔진 발전기에 대한 의존을 줄이기 위해 태양광 혹은 풍력발전 등 신재생에너지전원을 설치하고, 이들이 출력하는 전력을 축전지에 저장한 다음, 위 축전지에 무정전전원장치(UPS)를 설치하여 교류로 변환한 전원을 부하측에 공급하는 방식을 주로 사용한다.
이 경우 태양광이나 풍력발전 등 신재생에너지전원이 기상조건으로 전력을 생산할 수 없을 경우에는, 디젤엔진 발전기 등 내연엔진 발전기와 별도로 설치된 충전장치를 이용하여 축전지에 충전을 지속하여 전원공급을 계속하거나, 혹은 디젤엔진 발전기 등 내연엔진 발전기를 무정전전원장치와 절체하여 부하에 전력을 공급하게 된다.
즉, 이러한 시스템에서는 축전지의 충전상태를 축전지 전압으로 판단하여 충전량이 충분하지 못하다고 판단될 경우, 디젤엔진 발전기를 가동하고 별도로 설치된 충전기를 이용하여 축전지를 충전하거나 혹은 자동절체스위치를 이용하여 직접 부하에 전력을 공급하게 된다.
이와 같이 종래의 하이브리드 시스템은 축전지의 전압을 감시하여 충전상태를 확인하며, 일사량의 저하에 따른 태양광발전의 출력 감소나 혹은 부하 증가에 의한 축전지 방전에 의해 축전지 전압강하 등이 발생하면 디젤엔진 발전기를 가동하여 축전지를 충전하거나 혹은 디젤엔진 발전기로 부하에 전력을 공급하는 등 그 구성이 매우 단순하다.
따라서 신재생에너지전원의 발전량이 충분해도 부하가 낮을 경우에는 이를 다 저장하거나 이용할 수 없어 신재생에너지전원 설비의 이용율이 낮아지며, 발전량이 충분하지 않을 경우에 이를 예측하여 디젤엔진 발전기를 가동하는 운전 자동화가 되어 있지 않아 운영에 어려움이 있다.
또한, 위와 같은 전원 절체과정에서는 기계식 ATS(자동절체스위치) 혹은 정지형 STS(static transfer switch, 정지형 절체스위치)를 사용하게 되는데, 전자는 절체과정에서 0.2초 정도의 정전을 유발하는 단점이 있으며, 후자는 반 사이클 이내에 절체가 되므로 정전을 초래하지는 않으나 전자에 비해 가격이 높고 통전 시에 전력손실이 있어 별도의 바이패스용 전자접촉기를 병렬로 사용하기도 하는 등 시스템 구성이 복잡해지고 그 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 기존의 하이브리드 시스템이 가지고 있는 문제점인 초기투자비 과다, 운영 및 유지 보수비 증가 등의 문제점을 해결하고, 전원 공급 중에 일어나는 전원 절체로 인한 순간정전의 문제를 해결하여 전력품질을 제고할 필요가 있다.
또한 단순한 축전지의 전압 감시에 의한 디젤엔진 발전기의 가동과 절체 등은 그 운전과 운영에 있어서 어려움이 있으므로 이를 자동화할 필요가 있고, 특히 원격지나 도서지역에서의 비전문가에 의한 운전으로 인한 설비 이용률과 가동률 저하의 문제를 해결할 필요성이 있다.
관련 선행 문헌으로서 대한민국공개특허공보 제10-2002-0080614호(2002.10.26. 공개)등이 참조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 시스템 구성 기기의 수를 줄임으로써 시스템의 효율을 증가시키고, 유지보수비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 절체에 따른 순간정전 등이 발생하지 않으므로 전력품질과 신뢰도를 제고할 수 있으며 스위치 설비비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 축전지용 인버터를 통하여 공급능력을 확장시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템은
하나 이상의 내연엔진 발전기에 설치되어 상기 내연엔진 발전기에서의 교류공통모선에 대한 동기 투입을 조절하는 디지털 통합제어부; 하나 이상의 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제1 인버터; 및 하나 이상의 신재생에너지전원과 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제2 인버터를 포함하고, 상기 축전지는 상기 내연엔진 발전기가 운전 중인 경우에는 계통연계운전모드로 동작하며 전류제어를 수행하고, 상기 내연엔진 발전기가 정지 중인 경우에는 독립운전모드로 동작하여 전압제어를 수행하며, 상기 제2 인버터는 상기 내연엔진 발전기 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선에 제공하는 교류전압의 전압과 주파수에 연계하여 작동되는 것을 포함할 수 있다.
상기 축전지는 상기 교류공통모선을 통한 공급전력과 상기 교류공통모선에 연결된 부하의 소비전력을 비교하여, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 작은 경우 전력을 공급하고, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 큰 경우 그 잉여전력을 흡수할 수 있다.
상기 제1 인버터는 제1 전류센서; 제1 전압센서; 3상 인버터 브리지; 제2 전류센서; 제2 전압센서; 및 디지털제어부를 포함하며, 상기 제1 전류센서 및 상기 제1 전압센서는 상기 축전지와 상기 3상 인버터 사이에 연결되고, 상기 제2 전류센서 및 상기 제2 전압센서는 상기 3상 인버터와 상기 교류공통모선 사이에 연결되며, 상기 디지털제어부는 상기 제1 전류센서, 제1 전압센서, 제2 전류센서 및 제2 전압센서에서의 입력을 바탕으로 상기 교류공통모선의 보호 및 제어에 필요한 값을 연산하고, 그에 따라 상기 3상 인버터 브리지를 제어하여 그 전압 또는 전류를 조절할 수 있다.
상기 제1 인버터는 직렬 리액터, 변압기 및 병렬 연결된 커패시터로 구성된 필터 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 인버터는 상기 제1 인버터의 보호를 위한 차단기를 더 포함할 수 있다.
상기 디지털제어부는 상기 연산 후 상기 3상 인버터 브리지를 스위칭하는 펄스폭제어신호(PWM)를 출력하여 상기 전압 또는 전류를 조절할 수 있다.
상기 디지털제어부는 단독운전방지 보호기능 또는 상기 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나가 감지되는 경우 상기 계통연계운전모드에서 상기 독립운전모드로 전환할 수 있다.
상기 디지털제어부는 상기 제1 인버터가 상기 계통연계운전모드로 동작하는 경우에는 위상고정루프를 사용하여 상기 내연엔진 발전기의 독립운전 전압 위상과 동기화된 위상정보를 생성하고, 상기 제1 인버터가 상기 독립운전모드로 동작하는 경우에는 상기 제1 인버터 자체적으로 발생하는 위상 신호를 바탕으로 상기 위상정보를 생성할 수 있다.
상기 디지털제어부는 상기 위상정보를 바탕으로 상기 제2 전압센서 및 제2 전류 센서에서의 전압 및 전류 입력을 DQ축변환하여, 상기 전압 및 전류의 D축 및 Q축 성분을 각각 구할 수 있다.
상기 디지털제어부는 상기 계통연계운전모드에서 상기 독립운전모드로 전환할 때 과도현상을 줄이기 위해 전류제어기의 적분항 값을 전압제어기의 적분항 값으로 치환할 수 있다.
상기 디지털제어부는 공간벡터펄스폭제어 과정에서 출력 위상 보정을 위해 위상고정루프의 위상정보에 소정의 위상 오프셋을 더할 수 있다.
상기 제1 인버터가 두 개 이상 설치된 경우에는 한 개의 인버터에 고장이 발생한 경우 정전없이 다른 인버터로 절체될 수 있다.
상기 신재생에너지전원은 태양광 발전기, 풍력 발전기, 지열 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 바이오매스 발전기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 내연엔진 발전기는 디젤엔진 발전기, 가솔린엔진 발전기 및 가스엔진 발전기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템의 제어방법은교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 이용한 양방향 무정전전원장치 제어방법에 있어서, 단독운전방지 보호기능 또는 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나를 감지하는 단계; 및 상기 감지를 바탕으로 축전지에 연결된 계통연계형 제1 인버터의 동작모드를 결정하는 단계를 포함하며, 상기 축전지는 상기 교류공통모선을 통한 공급전력과 상기 교류공통모선에 연결된 부하의 소비전력을 비교하여, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 작은 경우 전력을 공급하고, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 큰 경우 그 잉여전력을 흡수하고, 상기 제1 인버터는 상기 단독운전방지 보호기능 또는 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나 이상이 감지된 경우에는 계통연계운전모드에서 독립운전모드로 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 시스템 구성 기기의 수를 줄임으로써 시스템의 효율을 증가시키고, 유지보수비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 절체에 따른 순간정전 등이 발생하지 않으므로 전력품질과 신뢰도를 제고할 수 있으며 스위치 설비비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템 및 그 제어방법은 축전지용 인버터를 통하여 공급능력을 확장시킬 수 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 전원시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템의 구성을 도시하는 도면이다,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템에서의 전력 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템에서의 축전지용 인버터의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템에서의 축전지용 인버터의 제어 방법을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모의 시험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 실시예에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 시스템을 도시하는 도면으로, 내연엔진 발전기, 신재생에너지전원, 축전지 등으로 구성된, 구체적으로는 내연엔진 발전기로 디젤엔진 발전기(1)가, 신재생에너지전원으로 태양광 발전기(2) 및 풍력 발전기(3)가 구성된 시스템을 나타낸다.
도 1과 더불어 본 명세서에 기재된 모든 도면에 도시된, 신재생에너지전원으로써의 태양광 발전기나 풍력 발전기는 이에 한정되는 것이 아니라, 조력, 수력, 화력, 지열, 수소, 바이오매스, 폐기물 등을 이용한 여러 신재생에너지전원으로 대체될 수 있으며, 내연엔진 발전기로써의 디젤엔진 발전기 또한 가솔린 등의 석유, 가스, 석탄 등을 이용한 여러 종류의 내연엔진 발전기로 대체될 수 있다.
도시된 바와 같이, 태양광 발전기(2) 및 태양광 발전기용 전력변환장치(6), 풍력 발전기(3) 및 풍력 발전기용 전력변환장치(7)와 축전지(4)는 직류공통모선(8)에 각각 연결되며, 이 직류공통모선(8)에는 또한 직류를 교류로 변환하는 무정전전원장치(UPS)(9)가 연결되어 변환한 교류전원을 부하로 전달하게 된다.
디젤엔진 발전기(1)는 자동절체스위치(10)로 연결되어 무정전전원장치(9)의 출력 교류전원과 절체되어 부하(20)에 전력을 공급하게 된다.
따라서 디젤엔진 발전기(1)의 전원과 무정전전원장치(9)의 전원은 병렬로 운전될 수 없고, 둘 중 하나의 전원에 의해서만 전력을 부하(20)에 공급할 수 있게 되며, 이러한 자동절체스위치(10)는 무정전전원장치(9)의 내부에 있는 정지형 절체 스위치로 대체될 수 있으며, 이 경우 절체 시간이 반 사이클 정도로 짧아지게 된다.
이러한 종래의 하이브리드 시스템의 동작은, 축전지 전압을 통하여 축전지(4)의 충전상태를 판단하고, 판단된 충전량이 충분하지 못할 경우 디젤엔진 발전기(1)를 가동하여 별도로 설치된 충전기(5)를 이용하여 축전지(4)를 충전하거나, 자동절체스위치(10)를 이용하여 디젤엔진 발전기(1)에서 직접 부하(20)에 전력을 공급할 수 있게 한다.
위와 같은 구성과 동작으로 인하여 종래의 하이브리드 전원시스템에서는 디젤엔진 발전기(1)와 축전지에서의 출력을 병렬운전할 수 없는 문제점이 있으며, 이는 고장 발생시 온라인으로 부하를 절체할 수 없는 원인이 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전원 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전원 시스템은 신재생에너지전원 및 해당 인버터, 내연엔진 발전기 및 디지털 통합 제어장치, 축전지(4) 및 축전지용 인버터(18)와 교류공통모선(32)으로 이루어질 수 있으며, 상기 교류공통모선(32)에는 부하(20)가 연결될 수 있다.
신재생에너지전원으로 도시된 태양광 발전기(2) 및 풍력 발전기(3)와 축전지(4)에 연결되는 전력변환장치는 직류-교류 변환용 인버터로써 계통연계형 인버터(16)로 구성될 수 있다.
내연엔진 발전기의 일 예인 디젤엔진 발전기(1)는 디지털통 합제어부(30)를 탑재하여 교류 공통모선(32)에 동기투입될 수 있으며, 상기 교류공통모선(32)에는 부하(20)가 연결되어 신재생에너지전원과 내연엔진 발전기가 생산한 공급전력을 인가받게 된다.
상기 디지털 통합제어부(30)는 가동된 디젤엔진 발전기(1)의 발전 전력 투입시 교류공통모선(32)의 전압, 주파수, 위상의 허용범위 내로 일치시켜 동기투입용 개폐기(31)를 스위칭함으로써 과도적인 충격을 줄여주는 역할을 한다.
이러한 교류공통모선(32) 구조는 태양광 발전기(2)와 풍력 발전기(3)가 부하(20)의 크기에 관계없이 항상 최대출력을 내도록 제어되므로 종래에 비해 설비의 이용률을 개선시킬 수 있다는 장점이 있으며, 또한 계통연계운전하는 분산 발전원의 합에 의해 그 전원용량이 결정되므로, 부하(20)의 증가 등에 대응하여 용량의 확장이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 디젤엔진 발전기(1)의 발전 전력이 교류공통모선(32)에 동기 투입되면, 축전지용 인버터(18)는 계통연계운전모드로 변경하거나 혹은 트립 후에 재기동함으로써, 종래 기술과 같은 자동절체스위치(10)의 적용 없이도 전원의 절체가 가능하게 되므로 정전현상없이 설비의 이용률을 개선시킬 수 있다.
또한, 축전지용 인버터(18)가 다수 설치될 경우에는 한 개의 인버터에 고장이 발생할 경우 다른 인버터로 연속적으로 정전없이 절체되는 방법을 제공함으로써 시스템의 신뢰도와 전력품질을 제고할 수 있다.
상술한 바와 같은 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템에서의 운전 방법은 디젤엔진 발전기(1)의 동작 여부에 따라 달라진다.
먼저, 디젤엔진 발전기(1)가 운전될 경우에는 독립전력계통의 전압과 주파수 유지를 디젤엔진 발전기(1)가 제공하므로, 계통연계형으로 동작하는 타 인버터들(16, 17, 18)은 그에 연계하여 작동하게 된다.
그러나 태양광 발전기(2)나 풍력 발전기(3)의 출력이 충분하고 축전지(4)의 충전상태가 양호하여 디젤엔진 발전기(1)의 운전이 없이도 부하(20)에 전력을 공급할 수 있을 경우에는, 디젤엔진 발전기(1)를 정지하여 연료를 절약하는 운전을 할 수 있으며, 이 경우에는 축전지용 인버터(18)가 디젤엔진 발전기(1)를 대신하여 독립계통의 전압과 주파수를 유지하는 소위 무정전전원장치 운전 혹은 독립운전을 하게 된다.
이러한 축전지용 인버터(18)의 독립운전모드는 축전지(4)의 충전상태가 양호하고 태양광 발전기(2)나 풍력 발전기(3)의 출력이 부하(20)의 크기에 비해 작을 경우에는 축전지용 인버터(18)가 부족분만큼의 전력을 공급하기 때문에 운전하는데 문제가 없다.
하지만, 태양광 발전기(2)와 풍력 발전기(3) 출력의 합이 부하(20)의 크기보다 클 경우에는 잉여전력이 발생하게 되고, 이는 독립운전 중인 축전지용 인버터(18)에 (-)의 부하로 작용하므로, 축전지(4)의 작동이 불가하거나 혹은 트립하는 문제가 발생된다.
따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 축전지용 인버터(18)의 제어 기법이 필요하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템에서의 축전지(4)는, 디젤엔진 발전기(1)가 운전되고 있는 경우에는 계통연계운전모드로 동작하며 교류공통모선(32)에의 공급전력과 소비전력의 차이에 따라 잉여전력을 흡수하고 부족전력을 방출한다.
반면 디젤엔진 발전기(1)가 운전을 정지한 경우에는 독립운전모드로 동작하며 독립계통의 전압과 주파수를 유지하는 마스터 운전을 수행하고, 교류공통모선(32)에의 공급전력과 소비전력의 차이에 따라 충전 혹은 방전 운전을 하게 된다. 이와 관련하여서는 아래에서 도 4 및 도 5를 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템에서의 전력 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 디젤엔진 발전기(1)가 정지한 경우, 축전지(4)용 인버터(18)는 독립운전모드로 동작하며, 시스템의 마스터로서 전압과 주파수를 유지하게 되며 이에 따라 태양광 발전기(2)와 풍력 발전기(3)용 인버터(16, 17)는 통상과 같이 계통연계형으로 운전할 수 있다.
이와 같은 상황에서 태양광 발전기(2)와 풍력 발전기(3)가 발전에 의해 출력을 각각 내고 있을 때의 공급전력과 부하(20)에서의 소비전력 크기에 따라 상기 공급전력이 상기 소비전력의 합보다 작거나 클 경우, 축전지(4)용 인버터(18)의 전력 흐름은 (+) 혹은 (-)가 되며, 이에 따라 축전지용 인버터(18)는 충전 또는 방전 모드로 운전하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원시스템에서의 축전지용 인버터(18)의 구성을 나타낸 도면이다.
상기 축전지용 인버터(18)는 3상 인버터 브리지(50)와 그 주변회로로 구성된다.
상기 3상 인버터 브리지(50)의 입력부는 축전지(4)의 입력과 전압 및 전류를 검출할 수 있는 제1 전류센서(40) 및 제1 전압센서(41)로 구성될 수 있으며, 상기 3상 인버터 브리지(50)의 출력부는 제2 전류센서(42), 제2 전압센서(47) 및 필터 회로로 구성될 수 있다.
상기 필터는 직렬 리액터(43), 변압기(44) 및 병렬 캐패시터(48)로 구성될 수 있으며, 인버터 브리지(18)의 보호를 위한 차단기(45)가 추가로 구성될 수 있다.
상기 제1 전압 센서(41)와 제1 전류센서(40) 및 3상 인버터 브리지(50)의 제2 전압센서(47)와 제2 전류센서(42)는 디지털제어부(49)로 입력되어 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템의 보호 및 제어에 필요한 값들을 연산하게 된다.
이에 관하여는 아래에서 도 5를 참고하여 구체적으로 설명한다.
상기 디지털제어부(49)의 출력은 3상 인버터 브리지(50)를 스위칭하는 펄스폭제어신호(PWM신호)(46)로서, 상기 축전지(4)의 운전 모드에 맞추어 3상 인버터 브리지(50)의 전압 혹은 전류를 제어하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축전지용 인버터(18)의 제어 블록도이다.
상기 제어블럭도는 디지털제어부(49) 상에서 일정한 주기(예, 100μs)로 실행되는 하드웨어 및 소프트웨어로 구성될 수 있으며, 이로 인해 위상정보(77) 및 전류제어기의 적분항 값을 전압제어기의 적분항 값으로 치환하는 절체 또는 그 반대로의 제어기 절체에 있어서, 과도적인 현상이 발생하지 않는 원활한 절체가 이루어질 수 있게 한다.
도시된 바와 같이, 병렬운전 중인 디젤엔진 발전기(1)가 운전 중에 트립되면 계통연계 보호기능 중의 하나인 단독운전방지 보호기능이 동작하는데, 인버터(18)는 이와 같은 단독운전방지 보호기능 신호 또는 디젤엔진 발전기가 출력하는 트립 접점신호를 입력받으며, 위 두 조건 중 하나를 만족하면 위상절체 스위치(75)를 이용하여 위상정보(77)를 절체하고, 출력절체 스위치(79)를 이용하여 전류제어와 전압제어를 절체하여 동작모드를 변경할 수 있다.
상기 단독운전방지 보호기능 또는 디젤엔진 발전기 트립 접점신호는 인버터(18)의 디지털제어부(49)로 입력될 수 있다.
상기 위상정보(77)는 인버터(18)의 운전모드에 따라 두 가지로 나뉘어 연산되는데, 디젤엔진 발전기(1)가 운전될 경우에는 인버터(18)는 계통연계운전모드로 동작하므로 독립계통의 전압 위상과 동기화시키기 위한 위상고정루프(PLL)(71)를 이용하여 위상정보를 연산한다.
반면, 인버터(18)가 독립운전모드로 동작할 경우에는 인버터(18) 자체적으로 발생하는 위상 기준신호(72)를 통해 위상정보를 연산하게 된다.
구체적으로 축전지(4)가 계통연계운전모드로 동작하고 있는 경우, 즉, 디젤엔진 발전기(1)가 동작하고 있는 경우에는, 위상정보(77)는 위상고장루프(71)의 출력을 통해 얻으며, 제어기는 전류제어기를 선택하게된다.
디젤엔진 발전기(1)가 트립된 경우에는 디지털제어부(49)는 이를 감지하고, 위상정보(77)를 자체 위상정보(72)를 통해 얻으며, 제어기는 전압제어기를 선택하여 일정한 전압과 주파수를 유지하는 독립운전 즉, 무정전전원장치처럼 동작하게 된다.
이러한 과정에서 먼저, 상기 디지털제어부(49)는 인버터(18)의 출력측에 설치된 제2 전압센서(47) 및 제2 전류센서(42)의 입력을 받아 디지털로 변환한 이후, 상기 위상정보(77)를 이용하여 입력된 3상의 ABC 전압, 전류를 dq-축변환하여 전압, 전류의 d-축 및 q-축 성분을 구할 수 있다.
디지털제어부(49)는 위와 같은 연산을 통해 최종적으로 얻은 값을 공간벡터 펄스폭제어(SVPWM)블록(80)을 이용하여 인버터(18)의 각 스위치를 온/오프하는PWM 신호(46)로 변환하며, 상기 PWM 신호(46)를 통해 출력 전류 또는 전압을 제어하게 된다.
상기 공간벡터 펄스폭제어 과정에서 디지털제어부(49)는, 인버터와 그 출력단에 설치된 변압기 등으로 인해 전압과 전류를 연산하는 과정에서 사용된 위상정보와 공간벡터 펄스폭제어(80) 과정에서 사용되는 위상정보가 다르게 된 것을 보정하기 위한 오프셋(81)을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 축전지용 인버터에 계통연계형 태양광 인버터와 부하가 병렬운전하는 시스템을 구성하여 모의한 결과를 나타내는 도면이다.
도면부호 90은 계통의 전압 기준치(60Hz, 220V)이며, 91은 인버터(18)의 A상 출력으로서 도시된 바와 같이, 부하의 크기와 전류의 방향에 상관없이 기준을 잘 추종함을 보여 주고 있다.
92는 A, B, C 3상의 전압 파형이며, 93은 부하 전류의 dq-축 성분으로서 d-축은 무효전류(파선)를, q-축은 유효전류(점선)를 나타낸다.
구체적으로는, (+) 방향은 인버터(18)로부터 부하로 전류가 흘러 나가는 것을 뜻하며, (-) 방향은 잉여전력이 발생하여 인버터(18)가 잉여전력을 흡수하는 것을 뜻한다. 도의 94는 변압기 전단 인버터 출력 전류의 dq-축 성분으로서 3상 인버터 브리지(50) 후단의 변압기 및 리액터-캐패시터 필터 전류 성분이 포함된 것이다. 이들 필터에는 리액터와 캐패시터에 의한 무효전류 성분이 있으므로 부하전류와는 다르게 유효전류(점선)와 무효전류(파선) 성분을 각각 가지게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 부하의 소비전력보다 계통연계형 태양광 인버터에서의 공급전력이 클 경우 잉여전력이 발생하며, 이 경우 축전지용 인버터는 (-)의 전력을 흘려 전력을 흡수하면서도 계통의 전압과 주파수를 유지하는 것을 볼 수 있으며, 이와 같이 모의시험 결과를 통하여 전력의 공급과 흡수가 가능한 무정전전원장치의 구현 가능성이 입증할 수 있다.
위와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1 : 디젤엔진 발전기 2 : 태양광 발전기
3 : 풍력 발전기 4 : 축전지
5 : 충전기 6 : 태양광 발전기용 전력변환장치
7 : 풍력 발전기용 전력변환장치 8 : 직류공통모선
9 : 무정전전원장치(UPS) 10 : 자동절체스위치
16,17 : 계통연계형 인버터 19 : 축전지용 인버터
20 : 부하 30 : 디지털 통합제어부
31 : 동기투입용 개폐기 32 : 교류공통모선
40 : 제1 전류센서 41 : 제1 전압센서
42 : 제2 전류센서 43 : 제2 전압센서
44 : 변압기 45 : 차단기
47 : 직렬리액터 48 : 병렬커패시터
49 : 디지털제어부 50 : 3상 인버터 브리지
77 : 위상정보

Claims (15)

  1. 하나 이상의 내연엔진 발전기에 설치되어 상기 내연엔진 발전기에서의 교류공통모선에 대한 동기 투입을 조절하는 디지털 통합제어부;
    하나 이상의 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제1 인버터; 및 하나 이상의 신재생에너지전원과 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통연계형 제2 인버터를 포함하고,
    상기 축전지는 상기 내연엔진 발전기가 운전 중인 경우에는 계통연계운전모드로 동작하며 전류제어를 수행하고, 상기 내연엔진 발전기가 정지 중인 경우에는 독립운전모드로 동작하여 전압제어를 수행하며,
    상기 제2 인버터는 상기 내연엔진 발전기 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선에 제공하는 교류전압의 전압과 주파수에 연계하여 작동되는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전지는
    상기 교류공통모선을 통한 공급전력과 상기 교류공통모선에 연결된 부하의 소비전력을 비교하여, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 작은 경우 전력을 공급하고, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 큰 경우 그 잉여전력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인버터는
    제1 전류센서; 제1 전압센서; 3상 인버터 브리지; 제2 전류센서; 제2 전압센서; 및 디지털제어부를 포함하며,
    상기 제1 전류센서 및 상기 제1 전압센서는 상기 축전지와 상기 3상 인버터 사이에 연결되고, 상기 제2 전류센서 및 상기 제2 전압센서는 상기 3상 인버터와 상기 교류공통모선 사이에 연결되며,
    상기 디지털제어부는 상기 제1 전류센서, 제1 전압센서, 제2 전류센서 및 제2 전압센서에서의 입력을 바탕으로 상기 교류공통모선의 보호 및 제어에 필요한 값을 연산하고, 그에 따라 상기 3상 인버터 브리지를 제어하여 그 전압 또는 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 인버터는
    직렬 리액터, 변압기 및 병렬 연결된 커패시터로 구성된 필터 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 인버터는
    상기 제1 인버터의 보호를 위한 차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    상기 연산 후 상기 3상 인버터 브리지를 스위칭하는 펄스폭제어신호(PWM)를 출력하여 상기 전압 또는 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    단독운전방지 보호기능 또는 상기 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나가 감지되는 경우
    상기 계통연계운전모드에서 상기 독립운전모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    상기 제1 인버터가 상기 계통연계운전모드로 동작하는 경우에는 위상고정루프를 사용하여 상기 내연엔진 발전기의 독립운전 전압 위상과 동기화된 위상정보를 생성하고,
    상기 제1 인버터가 상기 독립운전모드로 동작하는 경우에는 상기 제1 인버터 자체적으로 발생하는 위상 신호를 바탕으로 상기 위상정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    상기 위상정보를 바탕으로 상기 제2 전압센서 및 제2 전류 센서에서의 전압 및 전류 입력을 DQ축변환하여, 상기 전압 및 전류의 D축 및 Q축 성분을 각각 구하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    상기 계통연계운전모드에서 상기 독립운전모드로 전환할 때
    과도현상을 줄이기 위해 전류제어기의 적분항 값을 전압제어기의 적분항 값으로 치환하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 디지털제어부는
    공간벡터펄스폭제어 과정에서 출력 위상 보정을 위해 위상고정루프의 위상정보에 소정의 위상 오프셋을 더하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인버터가 두 개 이상 설치된 경우에는
    한 개의 인버터에 고장이 발생한 경우 정전없이 다른 인버터로 절체되는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 신재생에너지전원은 태양광 발전기, 풍력 발전기, 지열 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 바이오매스 발전기 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 내연엔진 발전기는 디젤엔진 발전기, 가솔린엔진 발전기 및 가스엔진 발전기 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템.
  15. 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 이용한 양방향 무정전전원장치 제어방법에 있어서,
    단독운전방지 보호기능 또는 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나를 감지하는 단계; 및
    상기 감지를 바탕으로 축전지에 연결된 계통연계형 제1 인버터의 동작모드를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 축전지는 상기 교류공통모선을 통한 공급전력과 상기 교류공통모선에 연결된 부하의 소비전력을 비교하여, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 작은 경우 전력을 공급하고, 상기 공급전력이 상기 소비전력보다 큰 경우 그 잉여전력을 흡수하고,
    상기 제1 인버터는 상기 단독운전방지 보호기능 또는 내연엔진 발전기의 트립 신호 중 적어도 하나 이상이 감지된 경우에는 계통연계운전모드에서 독립운전모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 하이브리즈 전원 시스템을 이용한 양방향 무정전전원장치 제어방법.
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