KR20160059551A - 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 품질 보상 장치로서, 풍력 발전기와 같은 신재생 에너지 발전기로부터 공급되는 전력을 안정화시킬 수 있는 전력 품질 보상 장치이다. 본 발명의 실시 형태는 충전 또는 방전이 이루어지는 슈퍼 커패시터; 상기 슈퍼 커패시터의 충전을 수행하거나 또는 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 수행하여 방전 전력을 출력하는 컨버터부; 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력을 공급하는 유효 전력 모드인 경우, 상기 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 상기 방전 전력을 제공받아 보상 유효 전력을 생성하는 보상 전력변환기;를 포함할 수 있다.

Description

슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치 및 그 동작 방법{Apparatus for improving power quality using super capacity and method for operating the same}
본 발명은 전력 품질 보상 장치로서, 풍력 발전기와 같은 신재생 에너지 발전기로부터 공급되는 전력을 안정화시킬 수 있는 전력 품질 보상 장치이다.
신재생 에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 의미하며, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원이다. 이러한 신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
특히 세계적으로 풍력 등의 신재생 에너지 확대보급에 대한 투자가 집중되고 있으나, 간헐적인 발전 특성을 갖는 풍력과 같은 신재생 에너지원에 의한 발전은 출력 예측이 어렵고 심한 출력변동 특성으로 연계계통의 안정적 운영에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 풍력 에너지원의 획기적인 보급 확대를 위해서는 출력변동이 심한 발전출력의 안정적 공급 및 전력품질 개선이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
또한, 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 있기 때문이다.
한국공개특허 10-2010-0136776
본 발명의 기술적 과제는 변동성을 가지는 신재생 에너지의 발전 전력을 보상할 수 있도록 하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 순간적인 빠른 응답성과 반영구적인 에너지 저장장치를 가지고 전력 보상이 이루어지도록 하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 그리드에 제공되는 무효 전력을 보상하여 안정적인 전력 계통을 이루도록 하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 충전 또는 방전이 이루어지는 슈퍼 커패시터; 상기 슈퍼 커패시터의 충전을 수행하거나 또는 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 수행하여 방전 전력을 출력하는 컨버터부; 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력을 공급하는 유효 전력 모드인 경우, 상기 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 상기 방전 전력을 제공받아 보상 유효 전력을 생성하는 보상 전력변환기;를 포함할 수 있다.
상기 보상 전력변환기는, 상기 보상 유효 전력을 상기 신재생 에너지 발전기에 의해 제공되는 유효 전력에 합산하여 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급함을 특징으로 할 수 있다.
상기 보상 전력변환기는, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인 경우, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 보상 무효 전력이 제공되도록 함을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용할 수 있다.
상기 보상 전력변환기는, 상기 무효 전력 모드인 경우, 상기 방전 전력을 이용하여 기준 전압, 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차를 가진 보상 무효 전력을 생성하여, 그리드에 제공함을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태는, 신재생 에너지 발전기에서 그리드로 유효 전력이 출력되는 유효 전력 모드인지, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인지 검출하는 전력 모드 검출 과정; 상기 유효 전력 모드인 경우, 슈퍼 커패시터로부터 방전 전력을 제공받아, 상기 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상 유효 전력을 생성하여 그리드에 제공하는 유효 전력 보상 과정; 상기 무효 전력 모드인 경우, 슈퍼 커패시터로부터 방전 전력을 제공받아, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 보상 무효 전력을 생성하는 무효 전력 보상 과정;을 포함할 수 있다.
상기 유효 전력 보상 과정은, 상기 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량을 검출하는 과정; 상기 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상량을 결정하고, 슈퍼 커패시터로부터 방전 전력을 이용하여 보상량에 매칭되는 보상 유효 전력을 생성하는 과정; 상기 보상 유효 전력을 상기 신재생 에너지 발전기의 유효 전력에 합산하여 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 무효 전력 보상 과정은, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 전압과 주파수 등이 설정된 값과 상이 할 때 설정된 값들을 맞추기 위하여 보상 무효 전력을 공급할 수도 있다.
상기 전력 모드 검출 과정은, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 전압이 제공되지 않는 정전 모드인지를 검출하는 과정을 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용할 수 있다.
상기 정전 모드인 경우, 신재생 에너지 발전기와 그리드간의 송전 선로를 차단하는 과정; 상기 방전 전력을 이용하여 신재생 에너지 발전기의 출력단의 전압이 기준 전압을 가지도록 하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 변동성을 가지는 신재생 에너지의 발전 전력의 보상에 있어서 고용량의 슈퍼 커패시터를 이용함으로써, 빠른 응답성을 가지는 전력 보상이 이루어질 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 순간 정전 시에 부하에 안정적인 백업 시간을 보조할 수 있다. 또한 바람이 없을 경우 풍력 발전기의 출력이 없는 경우에도 무효 전력 보상을 수행함으로써, 전력 계통의 전압 및 주파수 안정화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치의 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 풍력 발전 전력에 보상 유효 전력을 추가함으로써 그리드에 안정적인 전력을 공급하는 예를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 단주기 및 장주기의 보상 예를 도시한 그래프.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 보상 전력 변환기가 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 개선 과정을 도시한 플로차트.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해서 보다 명확해질 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치의 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
풍력 발전기(100)(wind power generator)는, 바람이 가진 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템이다. 즉, 에너지 변환 과정을 통해 전력을 생산하며 생산된 전력은 가정용, 공업용으로 자체 소모하거나 한국 전력에 연속전하여 전기를 판매할 수 있다. 풍력 발전의 원리는, 풍차의 날개는 바람의 운동 에너지를 기계적 회전력으로 변환하고 동력전달장치(geerbox)는 입력된 에너지를 증폭시킨다.
이하, 본 발명의 실시예는 각 그리드(500)(grid)에 제공하는 신재생 에너지 발전기로서 풍력 발전기(100)를 예로 들어 설명하겠으나, 연료 전지, 태양광 전지와 같은 신재생 에너지를 각 그리드(500)에 제공하는 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있을 것이다. 물론 신재생 에너지 발전기는 일례로 도시된 것일 뿐 위의 3가지로 한정되는 것은 아니다. 지열발전, 바이오, 태양열, 폐기물, 수력, 해양(조력), 수소, 동식물 유기물을 이용한 신재생 에너지 발전기 등을 모두 포함할 수 있다. 여기서 그리드(500)(grid)란 풍력 발전기(100)와 같은 신재생 에너지원의 전력망에 연결되어 전력을 공급받는 기간 전원이다.
풍력 발전기(100)(wind power generator)는 기계적 회전력을 전기에너지로 변환시키며, 풍력 발전기(100)에 연결된 전력변환기(PCS;Power Conversion System)가 직류 전기(DC)를 3상의 교류 전기(AC)로 변환시켜 수용가인 각 그리드(500)(grid)에 전력을 공급한다. 풍력 전력변환기(200)(Wind Power PCS)는, 풍력 발전기(100)에서 제공되는 직류를 다른 크기의 직류로 변환시키는 컨버터인 DC/DC 컨버터, 직류를 3상 교류로 변환하여 각 그리드(500)로 출력하는 DC/AC 컨버터를 포함할 수 있다. DC/AC 컨버터는 하나의 교류파를 생성하고 서로 적절하게 120도 차이가 나도록 제어함으로써 최종적으로 3상 교류 전원을 생성해 낼 수 있다.
한편, 풍력 발전기(100)가 각 그리드(500)에 전력을 공급할 때, 간헐적인 발전 특성을 갖는 풍력에 의한 발전은 출력 예측이 어렵고 심한 출력변동 특성으로 연계계통의 안정적 운영에 큰 영향을 미치게 된다.
또한 풍력 발전기(100)에 의해 계통 연결된 전력 수요단인 그리드(500)(grid)의 부하 상황에 따라 정전없이 지속적으로 전원을 공급해야하는 경우가 있다. 전원을 공급하고 있다가 정전시에 LVRT(LOW VOLTAGE RIDE THROUGH) 기능이 제대로 동작되지 않아 무효전력 보상이 제대로 이루어지지 않아 전력계통의 불안정성이 증가된다. 또한 복전시에는 전압의 위상 및 주파수, 크기 등이 복전시에 전력계통의 값과 상이하면 대형 사고가 발생할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예는 풍력에 의해 출력변동이 심한 발전출력의 안정적 공급하도록 하고, 아울러, 무효전력도 보상해주어 전력 계통을 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 전력 품질 보상 장치(300)를 제공한다. 즉, 단주기 스무딩 제어(smoothing control), 순간 정전 보상, 계통 전압 및 주파수 보상을 위한 계통 무효 전력 제어, 정출력 제어를 통한 단시간 에너지 시프팅(energy shifting)을 수행할 수 있는 전력 품질 보상 장치(300)를 제공한다.
이를 위해 전력 품질 보상 장치(300)는, 슈퍼 커패시터(310), 배터리 충방전 용도의 DC/DC로 구성된 컨버터부(320), 풍력 발전의 계통 연계용 DC/AC로 구성된 보상 전력변환기(330)(Compensation PCS)를 포함할 수 있다.
슈퍼 커패시터(310)(super capacitor)는 충전 또는 방전이 이루어지는 커패시터로서 반영구적인 수명을 가지고 있다. 슈퍼 커패시터(310)는 CMS(capacitor management system)을 내장하고 있어, 안정적인 커패시터 관리가 되고, 순간적인 반응성이 높다. 본 발명은 순간적인 빠른 응답성과 반영구적인 수명을 가지는 전력 보상이 이루어지도록 하기 위하여 슈퍼 커패시터(310)를 이용한다. 슈퍼 커패시터(310)는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 충방전하는 일반 2차전지와 달리 탄소 소재의 활성탄에 붙는 전자의 물리적 흡착 및 탈착을 이용해 충방전한다. 충방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정되게 동작한다. 일반 2차전지에 비해 에너지 밀도(충전량)는 적지만 순간적인 고출력(리튬전지의 5배)을 낼 수 있다는 게 장점이다. 충방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정되게 동작한다.
컨버터부(320)는 슈퍼 커패시터(310)의 충전을 수행하거나 또는 슈퍼 커패시터(310)의 방전을 수행하여 방전되는 전력(방전 전력)을 출력한다. 컨버터부(320)는 DC/DC 컨버터로 구현되어 충전이 이루어질 수 있는데, 충전은 별도의 DC 전원(미도시)을 통하여 슈퍼 커패시터(310)의 충전에 적합한 DC 전원으로 변환하여 충전이 이루어질 수 있다. 이밖에 다른 실시예로서 풍력 전력변환기(200)에서 그리드(500)로 제공되는 잉여 전원을 통해 충전이 이루어질 수 있다. 이밖에 이러한 충방전 동작의 예는 공지된 다양한 회로 모듈을 이용하여 구현할 수 있다.
방전은 슈퍼 커패시터(310)에서 출력되는 DC 전원을 풍력 발전의 계통 연계용 전력에 적합하도록 DC 변환하여 방전 전력으로서 보상 전력변환기(330)에 출력한다. 이러한 방전 모드는 IGBT, FET 등의 스위치(미도시) 제어에 의하여 이루어질 수 있으며, 시정수에 영향을 받을 수 있다. 참고로, 방전 모드로 동작시에 컨버터부(320)는, 슈퍼 커패시터(310)의 전압을 측정하고, 보상 전력변환기(330)로 제공되는 방전 DC 전압을 측정한다. 그리고 풍력 전력변환기(200)에서 출력되는 AC 전력을 검출하여 유효 전력 모드인지, 무효 전력 모드인지를 검출한다. 유효 전력 모드로 동작하는 경우에는 방전 DC 전압을 PID 제어(proportional integral derivative control)하며, 무효 전력 모드인 경우에 슈퍼 커패시터(310)의 충전 전압을 PID 제어한다.
보상 전력변환기(330)는, 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 공급되는 전력이 유효 전력인 경우 유효 전력 모드로 판단할 수 있다. 풍력 전력변환기(200)에서 출력되는 AC 전압값을 측정하고, 측정한 값에서 유효 전력이 검출되는 경우 유효 전력 모드로 판단한다. 유효 전력(Pa;active power)은, 알려진 바와 같이 역률(cosθ)에 의해 결정된다.
[식 1]
유효 전력(Pa) = V × I × cosθ
여기서 V는 전압의 실효값, I는 전류의 실효값, θ는 전압과 전류의 위상차, cosθ는 역률을 나타낸다. θ=0이면 cosθ=1이 되어 전력은 최대가 된다. 즉, 역률은 최고가 1이고 최저는 0이다. 따라서 전압과 전류간의 위상차가 90°, 270°가 아니라면 유효 전력을 가지게 된다.
따라서 보상 전력변환기(330)는 풍력 전력변환기(200)에서 출력되는 AC 전압값을 측정하여, 전압(V)와 전류(I)간의 위상차(θ)를 검출함으로써 유효 전력 모드인지를 판단할 수 있다
보상 전력변환기(330)는 유효 전력 모드인 경우, 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 슈퍼 커패시터(310)로부터 방전 전력을 제공받아 보상 유효 전력을 생성한다. 보상 전력변환기(330)는 보상 유효 전력을 풍력 발전기(100)에 의해 제공되는 유효 전력에 합산하여 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 공급함으로써, 스무딩(smoothing)한 전력 공급을 할 수 있다. 따라서 풍력에 의해 출력 변동이 심한 발전 출력이라도 보상 유효 전력을 추가하여 안정적 공급할 수 있다. 여기서 장주기 보상의 경우 임계 범위는 전력 임계값, 임계 변동율 등이 해당될 수 있다. 예컨대, 임계 범위가 임계 변동율이라 할 경우, 그리드(500)에 제공되는 전력의 변동율이 임계 변동율인 5% 이내로 되도록 보상 유효 전력을 생성할 수 있다. 또한 임계 범위는 임계 전력값이라 할 경우, 그리드(500)에 제공되는 전력이 일정용량 사이의 범위내의 값을 가지도록 보상 유효 전력을 생성할 수 있다.
단주기의 보상 유효 전력을 생성하는 방식은 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 풍력 전력변환기(200)의 발전 출력과 반대되는 출력을 보상 유효 전력으로 생성할 수 있다. 참고로, 도 2에 도시한 바와 같이 풍력 발전에 의해 출력되는 전력이 불안정한 경우, 풍력 발전 전력에 보상 유효 전력을 추가함으로써 그리드(500)에 안정적인 전력을 제공할 수 있다. 또한 풍력 발전에 의해 출력되는 전력의 불안정은, 도 3에 도시한 바와 같이 단주기 출력 변동과 장주기의 출력 변동 형태로 구별될 수 있는데, 단주기의 출력 변동은 초고용량인 슈퍼 커패시터(310)의 시정수를 조절하여 단주기의 출력 변동과 반대되는 출력으로서 보상하며, 장주기의 출력 변동 역시 장주기의 출력 변동과 반대되는 출력으로서 보상할 수 있다. 단주기는 충방전 횟수 및 순간 응답 및 파워가 높은 슈퍼 커패시터가 적합하고 장주기는 LIB 배터리(리튬이온 배터리), NaS 배터리(나트륨유황 배터리)가 적당하다.
한편, 계통 전원에서 이상적으로 요구되는 전기적인 특성은 송전 선로에서 소모하는 무효 전력을 최소화하여 주어진 선로를 통해 최대전력을 전송하고, 계통에 연결된 모든 발전기들을 동기 상태로 유지시키며, 계통의 전압을 가능한 정격으로 유지하는 것이다. 교류 송전 선로를 통해 전송되는 전력은 선로의 임피던스, 송,수전단 전압의 크기와 위상에 대해 함수관계를 갖는다. 따라서, 이 세 독립변수를 신속 정확하게 제어하면, 선로를 통해 전송되는 전력을 융통성 있게 조절하여 최대 전력의 전송, 계통의 과도안정도 증대, 그리고 계통의 저주파공진 감쇄 등의 효과를 얻을 수 있다. 선로에 무효전류를 주입 또는 흡수함으로써 선로 임피던스에 의한 전압강하보상 및 대지 정전용량에 따른 전압상승, 주파수의 변동을 억제하는 역할을 한다.
무효 전력(Pr;reactive power)은, 알려진 바와 같이 sinθ에 의해 결정된다.
[식 2]
무효 전력(Pr) = V × I × sinθ
여기서 V는 전압의 실효값, I는 전류의 실효값, θ는 전압과 전류의 위상차를 나타낸다. 따라서 전압과 전류간의 위상차가 0°, 180°가 아니라면 무효 전력을 가지게 된다.
풍력 발전기(100)를 통해 그리드(500)에 전력을 공급할 때 소비부하에서 소비되는 유효전력과 무효전력의 비율을 깨뜨려 일방적으로 유효전력만 공급한다면 전력계통이 불안정하게 된다. 마찬가지로, 그리드(500)를 통해서는 전력 계통에 충분한 전력을 공급할 수 없는 정도의 소비 부하가 연결되어 있는 경우, 무효 전력을 보상하여 전력 계통의 안정화를 이루도록 한다. 그리드(500)에 제공되는 전압의 크기와 주파수가 일정하게 유지되어야 하는데, 무효 전력을 보상하여 그리드의 전압과 크기를 유지하도록 공급하여 안정화를 이룰 수 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 보상 전력변환기(330)는, 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 유효 전력 파악하여, 유효 전력이 공급되지 않는 무효 전력 모드인 경우에도, 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 미리 설정한 보상 무효 전력이 제공되도록 할 수 있다. 즉, 바람이 없을 경우, 풍력 전력변환기(200)의 출력이 없으므로, 그 동안에는 무효 전력 보상장치로 동작하도록 계통의 전압 및 주파수 안정화 도모를 수행한다.
이를 위해 보상 전력변환기(330)는 풍력 발전된 유효 전력이 존재하지 않는 경우, 컨버터부(320)에서 제공되는 DC 전압을 AC 전압으로 변환한 후, 스위칭 제어를 통해 전압과 전류가 위상차가 나도록 제어할 수 있다. 상술하면, 보상 전력변환기(330)는, 풍력 발전된 유효 전력이 존재하지 않는 무효 전력 모드로 동작할 경우, 기준 전압, 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차를 가진 보상 무효 전력을 생성하여, 송전 선로를 통하여 각 그리드(500)에 제공한다. 상기의 기준 전압, 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차는 그리드(500)에 제공되는 전체 전력을 유지할 수 있도록 하는 무효 전력을 생성할 수 있는 기준값들이다.
본 실시예에서 보상 전력변환기(330)는 무효 전력 모드인 경우, 기초로 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하여, 송전 선로에 공급한다. 그 결과, 송전 선로의 무효 전력을 조절할 수 있고, 송전 선로의 일시적인 정전 사고에도 대비할 수 있으며, 전압의 순간적인 전압 변동 및 송전 선로의 고조파를 경감시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 그리드(GRID)의 전압이 존재하지 않는 정전 모드로 동작하는 경우, 보상 전력변환기(330)는, 차단 스위치(400)를 제어하여 풍력 발전기(100)에 연결된 풍력 전력변환기(200)와 그리드(500)간의 송전 선로를 차단하고, 슈퍼 커패시터(310)의 방전 전력을 이용하여 풍력 발전기(100)에 연결된 풍력 전력변환기(200)의 출력단의 전압이 기준 전압을 가지도록 할 수 있다. 정전 모드 상태에서 풍력 전력변환기(200)의 출력단과 그리드(500)간에 미리 설정한 기준 전압을 가지도록 함으로써, 정전에서 복원되어 전력 공급이 다시 재개되어 복전되더라도 전압의 차이로 인한 사고를 방지할 수 있도록 출력 차단기(400)를 이용하고 있다. 또한 LVRT 기능을 가진 풍력 전력변환기(200)의 경우 보상 전력변환기(330)와 함께 연동하여 정전시 무효 전력을 공급할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라서 보상 전력 변환기가 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 개선 과정을 도시한 플로차트이다.
우선, 기준 전압, 기준 전류, 기준 위상차를 결정한다(S402). 그 후, 풍력 전력변환기(200)에서 출력되는 3상 교류 형태의 전압(계통 전압) 및 전류(계통 전류)를 측정한다(S404). 측정된 3상 교류 형태의 계통 전압과 전류는 좌표 변환된다(S406). 참고로, 풍력 전력변환기(200)의 DC/AC 컨버터에서 DC를 3상 AC로 변환할 때, 단상 전류를 dq 좌표로 변환한 형태로 제어기가 구성된다. Iq는 풍력 전력변환기(200)의 DC/AC 컨버터의 출력 전류의 q축 전류이고, Id는 DC/AC 컨버터 출력 전류의 d축 전류이다. 보통 3상 전류는 d-q 변환에 의해 위와 같은 d-q 전류로 변환될 수 있다. 좌표 변환 과정은 이와 같이 d-q 변환에 의한 3상 전류를 단상의 전류로 좌표 복원시키는 과정이다.
좌표 변환(S406)이 있은 후에, 풍력 발전기(100)에서 각 그리드(500)로 유효 전력이 출력되는 유효 전력 모드인지, 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인지 검출하는 전력 모드 검출 과정을 가진다(S408). 전력 모드 검출 과정(S408)은, 풍력 전력변환기(200)와 그리드(500) 사이의 3상 교류 형태의 계통 전압과 전류를 측정하고 이를 좌표 변환함으로써 이루어질 수 있다.
풍력 발전기(100)에서 각 그리드(500)로 출력되는 전압, 전류, 위상차를 검출하여 유효 전력이 출력되는 유효 전력 모드인지, 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인지 파악할 수 있다.
유효 전력 모드인 경우(S410), 슈퍼 커패시터(310)로부터 방전 전력을 제공받아, 상기 그리드(500)에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상 유효 전력을 생성하여 각 그리드(500)에 제공하는 유효 전력 보상 과정들을 가진다. 여기서 임계 범위는 전력 임계값, 임계 변동율 등이 해당될 수 있다. 예컨대, 임계 범위가 임계 변동율이라 할 경우, 그리드(500)에 제공되는 전력의 변동율이 임계 변동율인 5% 이내로 되도록 보상 유효 전력을 생성할 수 있다. 또한 임계 범위는 임계 전력값이라 할 경우, 그리드(500)에 제공되는 전력이 일정용량 사이내의 값을 가지도록 보상 유효 전력을 생성할 수 있다.
유효 전력 보상 과정을 좀 더 상술하면, 풍력 발전기(100)에 연결된 그리드(500)에 공급되는 유효 전력의 전력량을 검출하는 과정(S412)과, 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상량을 결정(S414)하고, 슈퍼 커패시터(310)로부터 방전 전력을 이용하여 출력 전압(Vq,Vd)을 설정(S418)하여 보상량에 매칭되는 보상 유효 전력을 생성하는 과정과, 보상 유효 전력을 풍력 발전기(100)의 유효 전력에 합산하여 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 공급하는 과정(S442,S444,S446)을 가질 수 있다. 보상 유효 전력을 생성할 때 결정된 보상량에 이르도록 PID 제어(S416)가 이루어질 수 있다. 또한 보상 유효 전력을 풍력 전력변환기(200)의 유효 전력에 합산하는 것은, D축과 Q축의 출력 전압의 기준치를 생성(S442)하고 이를 3상 AC로 좌표 변환(S444)하여 전력변환기(200)의 유효 전력에 합산하여 그리드로 출력(S446)함으로써 구현될 수 있다.
한편, 무효 전력 모드인 경우(S420), 풍력 발전기(100)에 연결된 그리드(500)에 보상 무효 전력을 생성하는 무효 전력 보상 과정을 가진다. 무효 전력 보상 과정은, 풍력 발전기(100)에 연결된 각 그리드(500)에 공급되던 유효 전력 및 무효 전력을 합한 전체 전력과 동일한 전력 크기를 가지도록 하는 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차를 가진 보상 무효 전력을 생성하도록 무효 전력 제어(S421)를 수행하며, 아울러 전력변환기의 DC 링크 전압 제어(S421a)를 한다. 이러한 보상 무효 전력 생성은 두 가지 방식으로 이루어질 수 있는데, 미리 설정된 기준 전류(S424)가 되도록 출력 전류(Iq)를 설정(S422)하고 PID 제어(S423)를 수행하며, 출력 전압(Vd,Vq)을 설정(S424)할 수 있다. 또는 풍력 전력변환기(200)의 출력단에서의 계통 전압과 기준 전압을 비교하고, 풍력 전력변환기(200)의 출력단에서의 위상차와 기준 위상차를 비교(S425)하여, 기준 전류(Id)를 설정(S426)하고 이에 따른 출력 전압(Vd,Vq)을 설정(S424)할 수 있다. 기준 전류를 출력하기 위한 PID 제어(S427)가 이루어질 수 있다. 마찬가지로 생성된 D축과 Q축의 출력 전압을 기준치로 하여(S442), 3상 AC로 좌표 변환(S444)되어 그리드로 출력(S446)될 수 있다.
한편, 전력 모드 검출 과정(S408)은, 그리드(GRID) 계통 전압이 없는 정전 모드(S430)인지를 검출하는 과정을 포함할 수 있다. 그리드(GRID) 계통이 정전이 발생하여 아무런 전압 및 전류를 출력하지 않는 정전 모드인 경우(S430)에는, 풍력 발전기(100)에 연결된 풍력 전력변환기(200)와 그리드(500)간의 송전 선로를 차단하는 과정(S431)과, 기준 전압을 이전의 풍력 전력변환기(200)의 출력 전압과 비교(S432)하여 PID 제어(S433)를 거쳐서, 슈퍼 커패시터(310)의 방전 전력을 이용하여 풍력 발전기(100)에 연결된 풍력 전력변환기(200)의 출력단의 전압이 기준 전압을 가지도록 하는 과정(S434)을 가질 수 있다. 마찬가지로 생성된 D축과 Q축의 출력 전압을 기준치로 하여(S442), 3상 AC로 좌표 변환(S444)되어 그리드로 출력(S446)될 수 있다. 따라서 정전 모드 상태에서 풍력 전력변환기(200)의 출력단과 그리드(500)간에 미리 설정한 기준 전압을 가지도록 함으로써, 정전에서 복원되어 전력 공급이 다시 재개되어 복전되더라도 전압의 차이로 인한 사고를 방지할 수 있게 출력 차단기(400)를 이용한다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
100:풍력 발전기 200:풍력 전력변환기
310:슈러 커패시터 320:컨버터부
330:보상 전력변환기 400:차단 스위치
500:그리드

Claims (9)

  1. 충전 또는 방전이 이루어지는 슈퍼 커패시터;
    상기 슈퍼 커패시터의 충전을 수행하거나 또는 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 수행하여 방전 전력을 출력하는 컨버터부;
    신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력을 공급하는 유효 전력 모드인 경우, 상기 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 상기 방전 전력을 제공받아 보상 유효 전력을 생성하는 보상 전력변환기;
    를 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 전력변환기는,
    상기 보상 유효 전력을 상기 신재생 에너지 발전기에 의해 제공되는 유효 전력에 합산하여 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급함을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 전력변환기는,
    신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인 경우, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 보상 무효 전력이 제공되도록 함을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 보상 전력변환기는,
    상기 무효 전력 모드인 경우, 미리 설정한 기준 전압, 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차를 가진 보상 무효 전력을 생성하여, 그리드에 제공함을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 장치.
  5. 신재생 에너지 발전기에서 그리드로 유효 전력이 출력되는 유효 전력 모드인지, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 유효 전력이 출력되지 않는 무효 전력 모드인지 검출하는 전력 모드 검출 과정;
    상기 유효 전력 모드인 경우, 슈퍼 커패시터로부터 방전 전력을 제공받아, 상기 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상 유효 전력을 생성하여 그리드에 제공하는 유효 전력 보상 과정;
    상기 무효 전력 모드인 경우, 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 보상 무효 전력을 생성하는 무효 전력 보상 과정;
    을 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 유효 전력 보상 과정은,
    상기 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급되는 유효 전력의 전력량을 검출하는 과정;
    상기 유효 전력의 전력량이 미리 설정한 임계 범위 내에 존재하도록 하는 보상량을 결정하고, 슈퍼 커패시터로부터 방전 전력을 이용하여 보상량에 매칭되는 보상 유효 전력을 생성하는 과정;
    상기 보상 유효 전력을 상기 신재생 에너지 발전기의 유효 전력에 합산하여 신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급하는 과정;
    을 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 무효 전력 보상 과정은,
    신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 공급되던 유효 전력 및 무효 전력을 합한 전체 전력과 동일한 전력 크기를 가지도록 하는 기준 전류, 전압-전류간 기준 위상차를 가진 보상 무효 전력을 생성함을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 전력 모드 검출 과정은,
    신재생 에너지 발전기에 연결된 그리드에 전압이 제공되지 않는 정전 모드인지를 검출하는 과정을 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 정전 모드인 경우,
    신재생 에너지 발전기와 그리드간의 송전 선로를 차단하는 과정;
    상기 방전 전력을 이용하여 신재생 에너지 발전기의 출력단의 전압이 기준 전압을 가지도록 하는 과정;
    을 포함하는 슈퍼 커패시터를 이용한 전력 품질 보상 방법.
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