KR20170123021A - 분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법 - Google Patents

분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법 Download PDF

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채영민
조준석
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(주) 이이시스
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Abstract

본 발명은 분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템은, 계통전원 및 분산전원에서 전원을 공급받아 저장하고 저장된 전원을 부하에 공급하는 배터리 및 상기 배터리와 전기적으로 연결된 인버터를 포함하는 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부, 계통전원 및 부하와 전기적으로 연결되고, 상기 계통전원과 부하의 전기적인 연결을 차단할 수 있는 하나 이상의 스위치를 포함하는 절체스위치부(ASB, automatic switch box)를 포함하고, 상기 절체스위치부는 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원과 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 계통연계 모드로 전환될 때, 상기 분산전원과 상기 계통전원을 동기화하고 계통연계 모드로 전환하는 동작이 이루어질 수 있다.

Description

분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법{DISTRIBUTED GENERATING MICRO-GRID SYSTEM AND STATIC TRANSFER SWITCHING METHOD THEREOF}
본 발명은 분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통전원과 태양광 발전 등과 같은 분산전원을 이용하는 시스템에서 계통전원과 분산전원을 이용하는 동작모드가 구비된 분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법에 관한 것이다.
가정이나 기타 시설에서 설치하여 이용하는 태양광 발전 시스템은 독립적으로 이용되는 경우도 있지만, 대부분 계통전원과 연계하여 이용된다. 특히, 계통전원에 문제가 발생하여 가정이나 기타 시설이 정전 등이 되는 것을 방지하기 위해 태양광 발전 시스템을 분산전원으로 이용할 수 있다.
상기와 같이, 분산전원은 계통전원과 연계하여 같이 동작하는 계통연계 모드로 동작하는 경우에 계통전원의 이용량을 줄일 수 있으며, 계통전원에 문제가 발생하는 경우에는 계통전원을 차단하고 분산전원만으로 가정이나 기타시설의 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드로 동작할 수 있다.
즉, 분산전원은 계통전원의 소비량을 줄이는 역할과 계통전원에 이상이 발생한 경우, 계통전원을 차단하고 그 즉시 분산전원으로 부하에 전원을 공급하여 부하에 지속적으로 전원이 공급되도록 하는 역할을 한다. 이때, 분산전원은
도 1은 통상적인 분산전원 마이크로그리드 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 분산전원 마이크로그리드 시스템은, 에너지 저장장치, 계통전원, 분산전원, 절체스위치(ABS, automatic switch box, 14), 차단기, 통상부하 및 비상부하를 포함하여 구성된다. 에너지 저장장치는 계통전원 및 분산전원에서 공급된 전력을 저장하기 위해 구비되고, 이를 위해 내부에 인버터가 구비될 수 있다. 그리고 절체스위치는 계통전원과 분산전원을 무순단으로 전환하기 위해 구비되며, 계통전원과 에너지 저장장치의 인버터 간의 분리를 위한 차단기가 구비될 수 있다.
상기와 같이, 계통전원과 분산전원이 구비된 마이크로그리드 시스템에서 계통전원에 문제가 발행하면, 절체스위치에서 계통전원을 차단하고, 분산전원에서 부하가 무순단으로 공급될 수 있다. 하지만, 역으로, 계통전원에서 발생한 문제가 해결되는 경우, 더 이상 분산전원에서만 전원이 공급되는 독립운전 모드로 동작하지 않고 계통연계 모드로 전환이 이루어져야 한다. 그런데, 통상적인 분산전원 마이크로그리드 시스템은 독립운전 모드에서 계통연계 모드로의 전환이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 분산전원 마으크로그리드 시스템에서 독립운전 모드와 계통연계 모드가 원활하게 전환이 이루어질 수 있는 분산전원 마이크로그리드 시스템 및 그의 무순단 절체 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템은, 계통전원 및 분산전원에서 전원을 공급받아 저장하고 저장된 전원을 부하에 공급하는 배터리 및 상기 배터리와 전기적으로 연결된 인버터를 포함하는 에너지 저장부; 및 상기 에너지 저장부, 계통전원 및 부하와 전기적으로 연결되고, 상기 계통전원과 부하의 전기적인 연결을 차단할 수 있는 하나 이상의 스위치를 포함하는 절체스위치부(ASB, automatic switch box)를 포함하고, 상기 절체스위치부는 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원과 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 계통연계 모드로 전환될 때, 상기 분산전원과 상기 계통전원을 동기화하고 계통연계 모드로 전환하는 동작이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 절체스위치부는, 상기 부하와 계통전원의 전기적인 연결 여부를 조정하는 제1 스위치; 및 상기 부하와 분산전원의 전기적인 연결 여부를 조정하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
그리고 상기 계통전원의 주파수 및 위상을 입력받고, 상기 분산전원의 주파수 및 위상을 입력받아 오차를 검출하는 PI 제어기를 더 포함하고, 상기 PI 제어기는 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수의 오차와 상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 오차를 검출할 수 있다.
여기서, 상기 PI 제어기는 상기 계통전원의 전압과 상기 분산전원의 전압의 오차를 이용하여 상기 인버터의 전류 보상을 위한 최종 전류 레퍼런스를 생성할 수 있다.
또한, 상기 에너지 저장부는 분산전원을 포함하고, 상기 분산전원은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광 모듈일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템의 무순단 절체 방법은, 계통전원 및 분산전원에서 전원을 부하에 공급하는 분산전원 마이크로그리드 시스템에서 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원의 전류를 센싱하는 단계;
상기 센싱된 계통전원의 전류가 정상이면, 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 편차를 계산하는 단계;
상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 편차를 계산하는 단계;
상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
상기 주파수에 대한 오프셋과 위상에 대한 오프셋을 이용하여 기준 위상을 산정하는 단계;
상기 계통전원의 전압과 상기 분산전원의 전압에 대한 편차를 계산하는 단계;
상기 계산된 전압의 편차에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
상기 전압 편차의 오프셋을 이용하여 전류 레퍼런스를 계산하는 단계 및
상기 산정된 기준 위상과 전류 레퍼런스를 이용하여 상기 분산전원에서 출력되는 전류 레퍼런스를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 분산전원 마이크로그리드 시스템이 독립운전 모드에서 동작되다가 계통연계 모드로 전환될 때, 분산전원에서 부하에 공급되는 전압과 주파수를 계통전원에 맞게 조정한 다음에 계통연계 모드로 전환하기 때문에 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 무순단 전환될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 분산전원 마이크로그리드 시스템을 도시한 간략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템을 도시한 간략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템의 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 무순단으로 전환되는 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템의 무선단 절체 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템을 도시한 간략 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)은, 에너지 저장부(110), 계통전원(120), 절체스위치(130), 통상부하(140), 비상부하(150) 및 PI 제어기(160)를 포함한다.
에너지 저장부(110)는, 계통전원(120)이나 분산전원에서 공급된 전력을 변환하여 저장하기 위해 구비되며, 공급된 전력을 변환하여 저장하는 구성은 도 1에 도시된 에너지 저장장치의 구성과 동일한 구성을 가진다. 본 실시예에서 에너지 저장부(110)는 도 1에 도시된 분산전원과 차단기의 구성이 통합된 구성이다. 또한, 에너지 저장부(110)는 내부에 인버터(112)가 구비될 수 있다. 인버터(112)는 분산전원과 에너지 저장장치에서 출력되는 전원을 변환하고, 부하에 공급되는 전압과 주파수 및 위상을 제어할 수 있다.
본 실시예에서 인버터(112)는 마이크로 인버터일 수 있으며, 분산전원으로 이용되는 태양광 모듈과 전기적으로 연결되고, 다수 개의 태양광 모듈 각각에 설치될 수 있다. 인버터(112)는 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 통상적인 부하에서 이용되는 교류전력을 변환하여 공급한다. 본 실시예에서 인버터(112)에서 입력된 직류전원을 220V, 60Hz의 교류전원으로 변환한다.
그리고 에너지 저장부(110)는 내부에 배터리가 구비될 수 있으며, 배터리는 계통전원(120)이나 분산전원에서 생산된 전력이 직류전력으로 변환되어 저장될 수 있고, 저장된 직류전원을 방전할 수 있다. 이를 위해 배터리는 양방향 컨버터와 전기적으로 연결될 수 있다.
절체스위치(130)는 에너지 저장부(110), 계통 전원, 통상부하(140) 및 비상부하(150)와 각각 전기적으로 연결될 수 있으며, 내부에 제1 및 제2 스위치(131, 132)가 각각 구비된다. 절체스위치(130)는 특정 조건에 따라 자동으로 스위치가 조작될 수 있으며, 본 실시예의 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)이 계통연계 모드 또는 독립운전 모드를 전환하기 위해 구비된다.
제1 스위치(131)는 계통전원(120)을 부하 및 에너지 저장부(110) 측과의 전기적인 연결 여부를 제어하기 위해 구비되고, 제2 스위치(132)는 통상부하(140)와 에너지 저장부(110)와의 전기적인 연결 여부를 제어하기 위해 구비된다. 즉, 제1 및 제2 스위치(131, 132)의 조작으로 통상부하(140)에 계통전원(120)을 공급할 것인지 아니면 에너지 저장부(110)의 분산전원을 선별적으로 조절할 수 있다.
이렇게 절체스위치(130)의 제1 및 제2 스위치(131, 132)를 조작으로 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)은 계통연계 모드로 동작하거나 독립운전 모드로 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템의 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 무순단으로 전환되는 알고리즘을 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)이 독립운전 모드에서 계통연계 보드로 전환되는 알고리즘을 설명하기 위해 도 3을 참조하여 설명한다.
계통전원(120)은 통상적으로 220V, 60Hz의 교류전원이고, 이러한 계통전원(120)이 통상부하(140)에 공급되는 동안 계통전원(120)에 이상이 발생하면, 계통전원(120)을 차단하고 분산전원만으로 구동되는 독립운전 모드로 전환될 수 있다. 그에 따라 독립운전 모드에서 분산전원은 계통전원(120)과 동일하게 220V, 60Hz의 교류전원을 통상부하(140)에 공급한다. 하지만, 독립운전 모드에서 분산전원에서 공급되는 교류전원은 일정의 오차범위를 가지고 동작이 이루어지며, 계통전원(120)의 경우도 일정의 오차범위가 존재한다.
그에 따라 분산전원만으로 동작하는 독립운전 모드에서 계통연계 모드로 전환되는 경우, 분산전원에서 공급되는 교류전원과 계통전원(120)에서 공급되는 교류전원 간의 오차가 있는 경우, 계통연계 모드에서 분산전원과 계통전원(120) 간의 오차로 인해 문제가 발생할 수 있다.
그러므로 본 실시예에서 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)은 분산전원과 계통전원(120) 간의 오차를 줄이기 위한 PI 제어기(160)가 더 포함될 수 있다. PI 제어기(160)는, 분산전원의 교류전원과 계통전원(120)의 교류전원을 비교하여 계통전원(120)을 기준으로 분산전원의 출력 값을 결정한다.
이때, 분산전원의 출력 값의 결정은 분산전원에서 출력되는 교류전원의 주파수, 위상 및 전압이다.
즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, PI 제어기(160)는 분산전원이 포함된 에너지 저장부(110)에 구비된 인버터(112)에서 분산전원의 주파수와 계통전원(120)의 주파수를 각각 입력받아 입력받은 각 주파수의 오차를 검출하고, 검출된 오차를 이용하여 인버터(112)에서 출력된 교류전원의 주파수를 보상한다.
또한, PI 제어기(160)는 인버터(112)에서 분산전원의 위상과 계통전원(120)의 위상을 각각 입력받아, 입력받은 각 위상의 오차를 검출하고, 검출된 오차를 이용하여 인버터(112)에서 출력된 교류전원의 위상을 보상한다.
그리고 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 인버터(112)에서 분산전원의 전압과 계통전원(120)의 전압을 비교하여 오차를 검출한 다음, 전압 레퍼런스를 보상한 다음, PI 제어기(160)를 통해 최종 전류 레퍼런스를 생성한다. 이렇게 전류 레퍼런스를 생성하여 인버터(112)의 전압과 계통전원(120)의 전압을 동기화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템의 무선단 절체 방법을 도시한 흐름도이다.
분산전원 마이크로그리드 시스템(100)이 독립운전 모드로 동작되다가 계통연계 모드로 전환될 때, 상기에서 설명한 바와 같이, 주파수, 위상 및 전압을 동기화시키지 않은 상태에서 전환이 이루어지면, 서지 및 과전류가 발생할 수 있다. 그러므로 상기와 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 도 4에 도시된 흐름도에 따라 주파수, 위상 및 전압을 동기화시킬 수 있다.
먼저, 본 실시예에 따른 분산전원 마이크로그리드 시스템(100)이 독립운전 모드로 동작하는 동안 지속적으로 계통전원(120)의 전류를 센싱한다(S401). 계통전원(120)이 정상적으로 동작하는 것을 판단(S402)하여, 계통전원(120)이 정상적이지 않으면, 다시 지속적으로 계통전원(120)의 전류를 센싱하고, 계통전원(120) 정상적이면, 다음 단계로 진행한다.
상기와 같이, 계통전원(120)이 정상적으로 교류전원을 공급할 수 있는 것으로 판단되면, PI 제어기(160)는 계통전원(120)의 주파수와 인버터(112)의 주파수를 입력받아 오차를 검출하고(S411), 계통전원(120)의 위상과 인버터(112)의 위상을 입력받아 오차를 검출한다(S412). 이렇게 주파수와 위상의 오차 검출이 완료되면, 주파수 오프셋을 계산하고(S413), 위상 오프셋을 계산한다(S414). 상기와 같이, 계산된 주파수 오프셋과 위상 오프셋을 이용하여 기준 위상의 싸인(sin) 값을 산정한다(S415).
그리고 상기에서 PI 제어기(160)가 주파수와 위상의 산정하는 단계와 별개로, 계통전원(120)의 전압과 인버터(112)의 전압을 비교하여 전압의 편차를 계산한다(S421). 그리소 계산되 전압의 편차를 이용하여 전압 오프셋을 계산한다(S422). 전압 오프셋을 계산한 결과를 이용하여 전류 레퍼런스를 계산한다(S423).
이렇게 산정된 기준 위상의 싸인 값과 계산된 전류 레퍼런스를 이용하여 인버터(112)의 출력전류에 대한 레퍼런스를 결정하여(S430), 결정된 출력전류의 레퍼런스를 이용하여 인버터(112)의 출력전류를 제어할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 분산전원 마이크로그리드 시스템
110: 에너지 저장부 112: 인버터
120: 계통전원 130: 절체스위치
131: 제1 스위치 132: 제2 스위치
140: 통상부하 150: 비상부하
160: PI 제어기

Claims (6)

  1. 계통전원 및 분산전원에서 전원을 공급받아 저장하고 저장된 전원을 부하에 공급하는 배터리 및 상기 배터리와 전기적으로 연결된 인버터를 포함하는 에너지 저장부; 및
    상기 에너지 저장부, 계통전원 및 부하와 전기적으로 연결되고, 상기 계통전원과 부하의 전기적인 연결을 차단할 수 있는 하나 이상의 스위치를 포함하는 절체스위치부(ASB, automatic switch box)를 포함하고,
    상기 절체스위치부는 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원과 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 계통연계 모드로 전환될 때, 상기 분산전원과 상기 계통전원을 동기화하고 계통연계 모드로 전환하는 동작이 이루어지는 분산전원 마이크로그리드 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 절체스위치부는,
    상기 부하와 계통전원의 전기적인 연결 여부를 조정하는 제1 스위치; 및
    상기 부하와 분산전원의 전기적인 연결 여부를 조정하는 제2 스위치를 포함하는 분산전원 마이크로그리드 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 계통전원의 주파수 및 위상을 입력받고, 상기 분산전원의 주파수 및 위상을 입력받아 오차를 검출하는 PI 제어기를 더 포함하고,
    상기 PI 제어기는 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수의 오차와 상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 오차를 검출하는 분산전원 마이크로그리드 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 PI 제어기는 상기 계통전원의 전압과 상기 분산전원의 전압의 오차를 이용하여 상기 인버터의 전류 보상을 위한 최종 전류 레퍼런스를 생성하는 분산전원 마이크로그리드 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장부는 분산전원을 포함하고,
    상기 분산전원은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광 모듈인 분산전원 마이크로그리드 시스템.
  6. 계통전원 및 분산전원에서 전원을 부하에 공급하는 분산전원 마이크로그리드 시스템에서 상기 계통전원이 차단된 상태에서 상기 분산전원이 상기 부하에 전원을 공급하는 독립운전 모드에서 상기 계통전원의 전류를 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 계통전원의 전류가 정상이면, 상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 편차를 계산하는 단계;
    상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 편차를 계산하는 단계;
    상기 계통전원의 주파수와 상기 분산전원의 주파수에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
    상기 계통전원의 위상과 상기 분산전원의 위상에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
    상기 주파수에 대한 오프셋과 위상에 대한 오프셋을 이용하여 기준 위상을 산정하는 단계;
    상기 계통전원의 전압과 상기 분산전원의 전압에 대한 편차를 계산하는 단계;
    상기 계산된 전압의 편차에 대한 오프셋을 계산하는 단계;
    상기 전압 편차의 오프셋을 이용하여 전류 레퍼런스를 계산하는 단계 및
    상기 산정된 기준 위상과 전류 레퍼런스를 이용하여 상기 분산전원에서 출력되는 전류 레퍼런스를 결정하는 단계를 포함하는 분산전원 마이크로그리드 시스템의 무순단 절체 방법.
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