KR20190124450A - 배전선로의 전압을 적정범위 내로 조정 가능한 무효전력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 배전선로의 전압을 안정화하기 위한 무효전력 제어 시스템에서, 상기 배전선로에서 부하에 걸리는 부하 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 유효전력이 최소화되고 무효전력으로 제어되도록 하는 보상 전압을 생성하기 위한 전력 변환 장치 및 상기 전력 변환 장치에서 생성된 보상 전압을 상기 배전선로에 직렬로 주입하기 위한 직렬 변압 장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배전선로 안정화를 위하여 무효전력만을 사용하는 무효전력제어(RPC, Reactive Power Control) 기술을 구현함으로써, 모든 전압레벨에서 사용 가능하며, 기존 기술 대비 설비의 용량과 비용 측면에서 훨씬 경제적이라는 효과가 있다.

Description

배전선로의 전압을 적정범위 내로 조정 가능한 무효전력 제어 시스템 및 방법 {Reactive power controlling system and method for regulating the voltage in distribution line}

본 발명은 배전선로의 전압을 적정범위 내로 조정하기 위한 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배전선로에 선로 전압을 보상할 수 있는 전압을 주입하여 배전선로의 전압을 조정하는 기술에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 신재생에너지 확대 정책에 의해 전력회사의 배전계통에는 분산전원이 급속도로 연계되고 있어, 이로 인해 배전계통의 적정전압 유지가 어렵게 되고 있다. 특히, 국내의 경우 1MW 이하 소규모 신재생 전원에 대해서 한국전력 전력망 접속의 무조건 허용 정책을 발표함에 따라 배전선로의 분산전원 추가 수용 문제와 함께 배전선로의 적정전압 유지 문제가 심각히 우려되고 있다.

이러한 배전선로 적정전압 유지 문제를 해소하고 분산전원의 확대 수용을 위해 전반적으로 선로의 전압을 규정범위 내로 유지하는 배전선로 전압제어 기술이 요구되고 있다.

현재 기술 수준에서 이러한 상황에서의 실무적 대책은 선로를 신, 증설하는 것이다. 그러나, 이는 과다한 비용이 발생하게 되며 근본적인 해결책도 되지 못한다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 대안 중에 하나로 선로전압조정장치(SVR, Step Voltage Regulator)가 도입되고 있다.

일반적인 전력회사의 95% 이상이 전압강하 5% 이내의 비교적 단긍장 배전선로를 운영하고 있으나, 전압강하 5% 이상의 일부 장거리 배전선로에는 SVR 기계식 고정탭 운전방식이 적용되고 있다.

그러나, 기존의 기계식 SVR 운전 방식은 동작횟수와 동작 제어시간으로 동작하는 방식으로, 태양광발전과 같이 출력변동이 심한 분산전원이 연계된 선로에는 적용하기 부적합하다

이처럼 기계식 SVR 제어 방식은 유효전력과 무효전력을 모두 필요로 하고, 동작 횟수와 동작 제어시간에 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1336689

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배전선로의 전압 조정 방식에서, 모든 전압 레벨에서 사용할 수 있으며, 주입되는 유효전력을 최소화하여 장치 용량을 최소화하고, 구현 비용을 저감할 수 있는 무효전력 제어(RPC, Reactive Power Control) 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배전선로의 전압을 적정범위 내로 유지하기 위한 무효전력 제어 시스템으로서, 전력회사의 배전선로에 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 주입되는 유효전력이 최소의 조건에서 무효전력으로 보상 전압을 생성할 수 있는 전력 변환 장치 및 보상 전압을 상기 배전선로에 직렬로 주입하기 위한 직렬 변압 장치를 포함한다.

상기 전력 변환 장치는 전력회사 배전선로에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 변환 장치는 상기 부하 전류의 위상을 위상고정루프를 통해 측정하기 위한 PLL부, 상기 PLL부에서 측정된 부하 전류의 위상에 90°°를 더하는 위상 가산부 및 상기 위상 가산부에서 출력된 위상을 갖는 보상 전압을 생성하기 위한 전압 발생기를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 배전선로의 전압을 적정범위 내로 유지하기 위한 무효전력 제어 시스템에서의 무효전력 제어 방법에서, 상기 배전선로의 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 주입되는 유효전력이 최소화되고 무효전력으로 제어되도록 하는 보상 전압을 생성하는 단계 및 생성된 보상 전압을 상기 배전선로에 직렬로 주입하는 단계를 포함한다.

상기 보상 전압을 생성하는 단계에서, 상기 배전선로에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 보상 전압을 생성하는 단계는, 상기 부하 전류의 위상을 위상고정루프를 통해 측정하는 단계, 상기 부하 전류의 위상에 90°°를 더하는 위상 가산 단계 및 상기 부하 전류의 위상에 90°°앞선 위상을 갖는 보상 전압을 생성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 배전선로 안정화를 위하여 무효전력만을 사용하는 무효전력제어(RPC, Reactive Power Control) 기술을 구현함으로써, 모든 전압레벨에서 사용 가능하며, 기존 기술 대비 설비의 용량과 비용 측면에서 훨씬 경제적이라는 효과가 있다.

도 1은 배전선로에 출입하는 유·무효 전력을 사분면 영역에 나타낸 것이다.
도 2는 부하전압, 직렬주입전압, 선로전압을 벡터 다이어그램으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 무효전력 제어기술의 동작해석 벡터 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 기존 방식의 유·무효 전력의 출력 파형을 표시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 시스템의 유·무효 전력의 파형을 표시한 그래프이다.
도 7은 3상 순시전압 파형을 표시한 그래프이다.
도 8은 3상 RMS 전압의 실효값을 표시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 배전선로에 출입하는 유·무효 전력을 사분면 영역에 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 제1사분면에서 유··무효전력을 모두 계통쪽으로 공급하게 되며, 제2사분면에서는 유효전력은 흡수하고, 무효전력은 공급한다. 그리고, 제3사분면에서는 유··무효전력을 모두 흡수하게 되며, 제4사분면에서는 유효전력은 공급하고, 무효전력은 흡수한다.

따라서, 유효전력을 최소화하고 무효전력만으로 선로전압을 제어하기 위한 무효전력 제어 기술을 구현하기 위해서는, 배전선로에 주입되는 전압 벡터(V_injected)가 제2사분면에 있도록 설정해야 한다.

도 2는 부하전압, 직렬주입전압, 선로전압을 벡터 다이어그램으로 나타낸 것으로서, 부하전압 V _L과 직렬주입전압 V _si, 그리고 선로전압 V _s를 벡터 다이어그램으로 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 무효전력 제어 방식은 부하전압의 크기 │V _L│을 미리 정해진 허용 범위 안의 전압으로 유지하는 것이다. 부하전압 벡터 V _L은 반지름이 │V _L│인 원주상에 V _s으로부터 α의 각도를 갖는 위치에 있게 된다. 따라서 주어진 V _s에 대해 어떠한 V _si 를 주입할 것인지는 어떻게 │V _L│와 α를 설정하느냐에 따라 달라지게 된다.

도 2의 방식에서 선로에 주입하는 유효전력을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

수학식 1로부터 종래 시스템의 단자 출력은 위상각 α의 정현파 함수로 표현되고, 그 최소치는

일때 발생하며, │V _s│와 │V _L│의 비에 따라 양과 음이 결정되는 것을 알 수 있다. 또한, 어떤 경우에는 무효 전력만을 공급하여 부하단 전압을 조정할 수 있다.

종래 시스템에서 결정되는 유효전력의 크기는 시스템의 크기와 비용에 영향을 결정하게 된다. 따라서, 부하단 전압조정을 목적으로 하여 설계된 시스템에서 유효전력을 최소화하고, 무효전력으로 부하단 전압이 조정이 가능하다면 용량과 비용적으로 크게 경제적 효과를 가져올 수 있다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 무효전력 제어기술의 동작해석 벡터 다이어그램이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 무효전력 제어 시스템에서 주입하는 유효전력은 다음 수학식 2로 나타낼 수 있고, 무효전력은 다음 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

이때, 도 3에서 보는 바와 같이, 직렬주입전압 의 위상이 부하전류 I _L의 위상과 직각을 이루게 되면,

이 되면서, 수학식 2에 의해 출력하는 유효전력은 0이 되고, 수학식 3에 의해 무효전력은 직렬주입전압의 크기 V _si 로 제어할 수 있다. 이를 수학식으로 정리하면 다음과 같다.

수학식 4와 수학식 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 무효전력 제어 시스템에서는 무효전력만으로 선로의 전압을 주입하여 선로의 전압을 제어할 수 있다.

이처럼, 본 발명에서 제안하는 무효전력 제어 시스템은 부하전류 I _L의 위상을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)하고, 직렬주입전압의 위상을 부하전류의 위상보다 90° 만큼 앞서게 하여, 유효전력은 최소화하고 무효전력으로만 제어하는 방법이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 시스템을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 무효전력 제어 시스템은 전력 변환 장치(100), 직렬 변압 장치(200)를 포함한다.

전력 변환 장치(100)는 배전선로에서 부하에 걸리는 부하 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 유효전력이 최소화되고 무효전력으로 제어되도록 하는 보상 전압을 생성한다.

직렬 변압 장치(200)는 전력 변환 장치(100)에서 생성된 보상 전압을 배전선로에 직렬로 주입한다.

본 발명에서 전력 변환 장치(100)는 배전선로에서 부하에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성한다.

보다 구체적으로 전력 변환 장치(100)는 PLL부(110), 위상 가산부(120), 전압 발생기(Voltage Generator)(130)를 포함하여 이루어진다.

PLL부(110)는 부하 전류의 위상을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 통해 측정하는 역할을 한다.

위상 가산부(120)는 PLL부(110)에서 측정된 부하 전류의 위상에 90°를 더한 위상을 출력한다.

전압 발생기(130)는 위상 가산부(120)에서 출력된 위상을 갖는 보상 전압을 생성하는 역할을 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 즉, 도 9는 배전선로의 전압을 안정화하기 위한 무효전력 제어 시스템에서의 무효전력 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 배전선로에서 부하에 걸리는 부하 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 유효전력이 최소화되고 무효전력으로 제어되도록 하는 보상 전압을 생성한다(S110).

그리고, 생성된 보상 전압을 배전선로에 직렬로 주입한다(S120).

본 발명에서 보상 전압을 생성하는 단계(S110)에서, 배전선로에서 부하에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성한다.

보다 구체적으로, 보상 전압을 생성하는 단계(S110)는, 부하 전류의 위상을 위상고정루프를 통해 측정하는 단계, 부하 전류의 위상에 90°를 더하는 위상 가산 단계 및 부하 전류의 위상에 90°앞선 위상을 갖는 보상 전압을 생성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

도 5는 기존 방식의 유·무효 전력의 출력 파형을 표시한 그래프이다.

도 5에서 보는 바와 같이, 기존 방식에서는 선로의 전압을 조정하기 위하여 유·무효전력 모두를 필요로 한다는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무효전력 제어 시스템의 유·무효 전력의 파형을 표시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 기술을 적용하면, 유효전력을 최소화하고 무효전력만으로 전압을 보상할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 3상 순시전압 파형을 표시한 그래프이고, 도 8은 3상 RMS 전압의 실효값을 표시한 그래프이다.

도 8에서 본 발명에서 제안하는 무효전력 제어 이전의 선로 말단 전압이 약 113[%]까지 증가하였지만, 무효전력 제어 이후 108[%]까지 감소한 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

100 전력 변환 장치 200 직렬 변압 장치
110 PLL부 120 위상 가산부
130 전압 발생기

Claims (6)

1. 배전선로의 전압을 적정범위 내로 유지하기 위한 무효전력 제어 시스템에서,
   전력회사의 배전선로에 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 주입되는 유효전력이 최소의 조건에서 무효전력으로 보상 전압을 생성할 수 있는 전력 변환 장치; 및
   상기 전력 변환 장치에서 생성된 보상 전압을 상기 배전선로에 직렬로 주입하기 위한 직렬 변압 장치를 포함하는 무효전력 제어 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전력 변환 장치는 전력회사의 배전선로에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전력 변환 장치는,
   상기 부하 전류의 위상을 위상고정루프를 통해 측정하기 위한 PLL부;
   상기 PLL부에서 측정된 부하 전류의 위상에 90°를 더하는 위상 가산부; 및
   상기 위상 가산부에서 출력된 위상을 갖는 보상 전압을 생성하기 위한 전압 발생기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어 시스템.
   
4. 배전선로의 전압을 적정범위 내로 유지하기 위한 무효전력 제어 시스템에서의 무효전력 제어 방법에서,
   상기 배전선로의 전압의 크기를 미리 정해진 범위 이내로 유지하도록 하기 위하여, 주입되는 유효전력이 최소화되고 무효전력으로 제어되도록 하는 보상 전압을 생성하는 단계; 및
   생성된 보상 전압을 상기 배전선로에 직렬로 주입하는 단계를 포함하는 무효전력 제어 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 보상 전압을 생성하는 단계에서, 상기 배전선로에 흐르는 부하 전류의 위상과 90°의 위상차를 갖는 보상 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 보상 전압을 생성하는 단계는,
   상기 부하 전류의 위상을 위상고정루프를 통해 측정하는 단계;
   상기 부하 전류의 위상에 90°를 더하는 위상 가산 단계; 및
   상기 부하 전류의 위상에 90°앞선 위상을 갖는 보상 전압을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어 방법.
   

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