KR20200041592A - 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템은, 계통에서 전원을 공급받아 부하여 전원을 공급하되, 상기 계통에서 공급되는 전원에 이상 발생할 때, 상기 부하에 전원을 공급하기 위한 전원을 생산하는 발전기; 배터리를 포함하고, 상기 배터리에 저장된 에너지를 상기 부하에 공급하는 무정전 전원 장치; 및 상기 발전기에서 생산되어 출력되는 전력의 전압을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 발전에서 출력되는 전압 주파수 및 전압이 상기 계통에서 출력되는 전압 주파수 및 전압과 같아지도록 제어할 수 있다. 본 발명에 의하면, 이종전원에 크기와 위상차 오차를 고정도로 검출하기 위해 이종전원의 차를 검출하고, 이를 통해 CTTS 투입 시, 돌입전류를 감소시킬 수 있어, 발전기의 유무효전력을 통해 CTTS를 차단할 때, 무정전 전원 장치의 출력전류를 영전류로 제어하여 무아크 및 계통 안정화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

Description

계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템{GENERATOR SWITCHING SYSTEM HAVING GRID-TIED AND UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY}

본 발명은 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통 사고가 발생하더라도 안정된 전력을 공급할 수 있는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템에 관한 것이다.

지구 온난화 및 환경 문제가 세계적으로 이슈화되면서 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그런데, 신재생 에너지는 출력이 불규칙하기 때문에 그 불규칙성으로 인해 조류 급변 등 계통에 악영향이 있다. 또한, 현대사회가 발전함에 따라 고성능의 산업기기 및 가전기기 등 정류성 부하가 증가하는 추세에 있다. 이러한 정지형 전력변환기를 사용하는 부하는 불연속적인 전류로 인해 계통 안정성이 저하되는 요인일 수 있다.

또한, 신재생 에너지원과 같이 불규칙한 전원과 정지형 전력변환기를 사용한 기기의 증가로 인해 계통의 안정성은 저하되고 있으며, 이로 인해 정전과 같은 계통사고가 증가하고 있다. 그에 따라 계통 사고가 발생하더라도 안정적으로 전력을 공급하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그 중 대용량 수용설비에서는 이중 계통을 사용한 계통 절환 시스템을 구축하고 있으며 중소용량 수용 설비 시스템은 무정전 전원 장치(UPS, uninterruptible power supply)를 이용하고 있다.

그렇지만, 무정전 전원 장치는 장시간 정전에 대응하기 위해서는 대용량 배터리 시스템이 구축될 필요가 있는데, 대용량 배터리는 구축하기 위한 단가가 높은 단점이 있다. 그에 따라 무정전 전원 장치와 발전기를 결합한 하이브리드 무정전 전원 장치 시스템이 대안으로 대두되고 있다.

이러한 하이브리드 무정전 전원 장치 시스템에서는 배터리의 용량을 최소화하므로, 시스템을 구축하는데 소요되는 단가를 줄일 수 있다. 그리고 CTTS(closed transition transfer switch)가 이용되는데, CTTS는 무한 소스로 간주되는 계통과 절환하는 기존 CTTS와 달리 유한 소스인 인버터와 절환하는 CTTS를 필요로 한다.

이때, CTTS를 이용한 계통 절환을 위해서는 이종 전원의 크기와 위상이 동일한 시점에 절환이 이루어져야 하는데, 그 구현이 어려운 문제가 있다. 그에 따라 규정된 크기와 위상 오차가 일정 이내의 시점에 투입하기 위해 큰 돌입전류가 발생한다. 그에 따라 유한 소스 인버터와 발전기가 절환되는 경우에 계통 안정도에 큰 악영향을 미치는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0078991호 (2017.07.10)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 무정전 전원 장치와 발전기를 결합한 하이브리드 시스템에 적합한 영전력을 투입하고, 영전류를 차단할 수 있는 CTTS 알고리즘이 적용된 계토연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템은, 계통에서 전원을 공급받아 부하여 전원을 공급하되, 상기 계통에서 공급되는 전원에 이상 발생할 때, 상기 부하에 전원을 공급하기 위한 전원을 생산하는 발전기; 배터리를 포함하고, 상기 배터리에 저장된 에너지를 상기 부하에 공급하는 무정전 전원 장치; 및 상기 발전기에서 생산되어 출력되는 전력의 전압을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 발전에서 출력되는 전압 주파수 및 전압이 상기 계통에서 출력되는 전압 주파수 및 전압과 같아지도록 제어할 수 있다.

이때, 상기 제어기는, 상기 무정전 전원 장치의 전압이 기준인 위상각 정보를 이용하여 상기 발전기의 전압을 가상 회전좌표계 값으로 변환하여 제어할 수 있다.

그리고 상기 제어기는, 상기 가상 회전좌표계 상에서 상기 발전기의 전압 주파수를 제어하기 위해 상기 가상 회전좌표계의 d-축 성분을 0(zero)이 되도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 가상 회전좌표계 상에서 상기 발전기의 전압을 제어하기 위해 상기 가상 회전좌표계의 q-축 성분을 상기 계통의 회전좌표계의 q-축 전압 성분과 같아지도록 제어할 수 있다.

이때, 상기 제어기는 계통과 부하의 사이에 배치되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제어기는, 계통에 정전이 발생하면, 상기 계통과 부하가 전기적으로 분리되도록 제1 스위치를 제어하며, 상기 무정전 전원 장치에서 상기 부하로 전력이 공급되도록 제어하며, 상기 제어기는 상기 부하로 전력을 공급하는 상기 무정전 전원 장치의 전압에 따라 상기 발전기의 전압 주파수 및 전압을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 발전기에서 생성된 전력이 상기 부하에 공급되도록 제어하고, 상기 무정전 전원 장치에서 출력되는 유효전력 및 무효전력을 0(zero)이 되도록 제어할 수 있다.

그리고 상기 제어기는, 상기 무정전 전원 장치에서 출력되는 유효전력 및 무효전력이 0(zero)이 되면, 상기 발전기에서 생성된 전력만 상기 부하에 공급되도록 제어할 수 있다.

본 발명에 의하면, 이종전원에 크기와 위상차 오차를 고정도로 검출하기 위해 이종전원의 차를 검출하고, 이를 통해 CTTS 투입 시, 돌입전류를 감소시킬 수 있어, 발전기의 유무효전력을 통해 CTTS를 차단할 때, 무정전 전원 장치의 출력전류를 영전류로 제어하여 무아크 및 계통 안정화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

또한, 무정전 전원 장치의 전압 위상각을 기준으로 발전기 전압 가상 회전좌표계를 제안하여, 고정도 절환 조건 제어를 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 기존의 CTTS 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 하이브리드 CTTS의 절환을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3 내지 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 발전기 전압 가상 회전좌표에 의한 고정도 전환 시점을 검출하기 위한 특성을 설명하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 8a 내지 도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 영전력 절환이 가능한 CTTS 제어기 특성을 설명하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.

도 1은 기존의 CTTS 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템에 대해 설명하기에 앞서, 일반적인 비상발전기를 이용한 대부분의 무정전 시스템에 대해 설명하면, 무정전 시스템은 ATS(automatic transfer switch)를 이용하여 구성된다. 이러한 방식은 순간 정전이 발생하는 단점으로 인해 기 설치된 시스템의 대부분 제어보드에서 오동작이 확인되고 있으며, 현재, CTTS에 대한 요구가 증가하면서 일부분 시스템에서만 적용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, CTTS를 이용한 무정전 시스템은 절환 시 무정전을 위한 MC-G 및 MC-K가 동시에 온(on)되는 짧은 시간이 존재하며, 이때, 돌입전류가 크게 발생할 뿐만 아니라 절환시 큰 아크로 인해 CTTS의 수명이 단축되는 문제가 있으며, 고가의 교체비용이 발생할 수 있다. 게다가 CTTS를 사용한 무정전 시스템을 구축하더라도 예고정전 시에는 무정전 시스템 운용이 가능하지만, 예고되지 않은 정전 시에는 무정전 시스템으로 동작하지 못하는 단점이 있다.

따라서 예고되지 않은 정전 시 비상발전기가 기동하여 발전기의 전압 주파수가 안정화되는 2-3분의 시간 동안 정전을 피할 수 없다. 그런데, 이렇게 정전이 짧은 시간이라도 발생하기 때문에 이를 극복하기 위해 단주기 무정전 전원 장치와 결합한 무정전 시스템의 구축이 필요하지만, 배터리 및 전력변환기의 가격이 높아 보급률이 낮다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 하이브리드 CTTS의 절환을 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치는, 예고되지 않은 정전 시에 수시적으로 계통(grid) 측을 분리하기 위해 고속응성 정적(static) 스위치로, 양방향 IGBT(insulated gate bipolar transistor)가 이용될 수 있다. 따라서 무정전 전원 장치가 정전을 검출하여 전력을 공급함과 동시에 MC-K 신호에 의해 고속 IGBT 스위치로 계통 측을 분리하고, 무정전 전원 장치에서 계통 측으로 돌입전류를 제거할 수 있다. 여기서, 본 실시예에서, 발전기 절환 시스템은 계통의 1/4 사이클 내에 정전이 복원될 수 있다.

무정전 전원 장치에 의해 부하에 전력을 공급하는 유한 소스 인버터와 발전기가 절환될 경우, 돌입전류가 계통 안정도에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 비상 자전기의 고정도 연계가 가능한 CTTS 제어 알고리즘이 필요하다.

발전기는, 계통에서 공급되는 전원에 이상이 발생하는 경우, 부하에 비상 전원을 공급하기 위해 전원을 생산한다.

무정전 전원 장치는, 배터리를 포함하고, 배터리에 저장된 에너지를 부하에 공급하기 위해 유한 소스 인터버를 포함한다.

CTTS는 자동절체 스위치로, 무정전 전체 스위치이다.

제어기는, 무정전 전원 장치의 전압을 이용하여 발전기를 제어한다.

제어기는, 무정전 전원 장치의 전압(V3φP)을 기준으로 하는 위상각 정보를 이용하여 발전기의 발전기 전압(V3φG)을 가상 회전좌표계의 값으로 변환한다. 이렇게 가상 회전좌표계의 변환값으로 발전기 전압을 변환하는 것은, 발전기의 고정도 연계를 위함이다.

이때, 제어기는 가상 회전좌표계 상의 d-q 전압을 추정하기 위해 발전기의 가바나(governor) 및 AVR(automatic voltage regulator)을 제어한다. 가상 회전좌표계 상의 d-q 전압은 무정전 전원 장치의 전압을 기준으로 위상각 정보를 이용하여 회전좌표계로 변환될 수 있다.

여기서, 가상의 회전좌표계에서 d-축 성분은 주파수 성분이 되고, q-축 성분은 전압 성분이 된다. 따라서 가상 회전좌표계 상의 d-축 성분을 0(zero)로 제어하면, 발전기 전압 주파수와 계통전압 주파수가 동일하게 제어된다. 그리고 가상 회전좌표계 상의 q-축 성분을 계통회전 좌표계 상의 q-축 전압으로 제어하면 발전기 전압과 계통전압을 동일하게 제어할 수 있다.

이는 절환 시점을 검출하기 위해 이종 전원에 크기와 위상차를 고정도로 검출하기 위한 방법이며, 이종전원의 차를 검출하여 전압 검출정도를 개선할 수 있다.

독립형 발전기는 부하가 급변하는 경우, 발전 주파수의 변동이 일어나는데, 이를 보상하기 위해 유효전력을 순간적으로 검출하고, 검출된 유효전력을 이용하여 피드포워드 제어(feedforward control)를 수행한다. 피드포워드 제어는 제어 대상에 가한 조작량을 결정하기 위한 값을 조절하여 출력의 목표치가 되도록 하는 제어이다.

또한, 계통연계 시, 유효전력 비례적분 제어기 및 무효전력 비례적분 제어기로 인해 시스템의 위상 여유각을 최소화하면서 안정된 동특성을 유지하기 위해 피드포워드 제어를 수행할 수 있다. 그리고 발전기 시스템에서 피드포워드 제어는 발전기의 노후에 따라 다르기 때문에 오토 튜닝에 의한 피드포워드 보상 알고리즘을 이용할 수 있다.

도 3 내지 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 모드를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에서, 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템이 구동되는 제1 모드에 대해 설명한다. 제1 모드는, 계통전원이 정상상태일 경우에 대한 모드이다. 이때, MC-K 스위치가 온(on) 상태로 계통에서 부하전력의 전체에 해당하는 전력이 공급된다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에서, 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템이 구동되는 제2 모드에 대해 설명한다. 제2 모드는, 계통에 문제가 발생하여 부하에 정전이 발생하는 경우에 구동되는 모드이다. 즉, 제어기는 계통 전압과 위상을 실시간으로 계측하고 있으며, 정전이 발생하면, 정전 발생을 인식하고, MC-K 스위치를 오프(off)시켜, 계통과 부하를 분리한다. 그리고 제어기는 무정전 전원 장치의 3상 전원을 발생시켜 부하전력을 담당하도록 제어한다.

그리고 제어기는 부하로 전력을 공급하는 무정전 전원 장치의 전압을 계측하고, 무정전 전원 장치의 전압을 기준으로 발전기의 전압 주파수와 전압을 가상 회전좌표계로 변환하여 제어한다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에서, 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템이 구동되는 제3 모드에 대해 설명한다. 제3 모드는, 무정전 전원 장치와 연계 조건이 성립할 때, 제2 모드와 함께 발전기로의 CTTS에 의해 절환이 이루어질 수 있다. 이때, 발전기에서 생산된 전력과 무정전 전원 장치의 전력이 함께 부하로 공급될 수 있다. 그리고 제어기는 유효전력 및 무효전력을 제어하여 무정전 전원 장치의 유효전력 및 무효전력을 0(zero)로 제어한다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서, 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템이 구동되는 제4 모드에 대해 설명한다. 제4 모드는, 무정전 전원 장치의 유효전력과 무효전력이 0(zero)에 도달하면, 제어기는 무정전 전원 장치에서 전력이 출력되는 것을 중지시키고, 이와 동시에 발전기가 독립형 발전지 제어 모드로 동작한다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 발전기 전압 가상 회전좌표에 의한 고정도 전환 시점을 검출하기 위한 특성을 설명하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.

도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 본 시뮬레이션은 실제 발전기 시스템의 시정수보다 10배 빠르게 시뮬레이션을 수행하여 시간을 단축한 결과이다. 도시된 바와 같이, 0.1초에 정전이 발생하고 무정전 전원 장치가 곧바로 3상 전원을 생성하여 부하에 공급하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 0.2초 시점에 발전기가 기동하고 동시에 가상 회전좌표로 변환된 가상 d-축 전압이 0(zero)으로 제어되며, q-축 전압이 무정전 전원 장치 출력 전압 피크치인 311V로 제어되는 것을 도 7e를 통해 확인할 수 있다. 이를 통해 발전기의 전압과 주파수를 무정전 전원 장치의 출력 전압과 주파수를 일치시킬 수 있다.

이렇게 안정된 연계 조건을 만족시킨 시점이 약 0.5초인데, 이때, 발전기 측의 CTTS에서 MC-G 스위치가 온(on)되고 무정전 전원 장치와 연계된다. 그리고 무정전 전원 장치와 연계가 이루어지는 순간, 제어기는 무정전 전원 장치의 유효전력 및 무효전력이 0(zero)이 되도록 제어하고, 발전기에서 부하의 전력을 모두 공급하도록 제어한다. 여기서, 전력제어기는 전향제어기를 구성하지 않은 상태로 오실레이션을 하면서 제어되는 것을 확인할 수 있다.

도 8a 내지 도 8g는 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전기 절환 시스템의 영전력 절환이 가능한 CTTS 제어기 특성을 설명하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.

도 8a 내지 도 8g를 참조하면, 0.1초 시점에 정전이 발생하여, 무정전 전원 장치가 동작하고, 발전기가 기동 후에 0.5초 시점까지 무정전 전원 장치와 연계될 수 있다. 그리고 약 0.9초 시점까지의 약 0.4초 동안 발전기와 무정전 전원 장치가 동시에 부하에 전력을 공급하는 시점이다. 그리고 약 0.9초 시점 이후는 발전기에서 모든 부하에 전력을 공급하는 독립 발전기 시스템으로 동작하는 영역을 나타낸다.

여기서, 부하 측의 전류를 분석하면, 정전이 발생한 시점에 약간의 부하전류 변동이 변동하는 것을 도 8e에서 확인할 수 있지만, 무정전 전원 장치의 전압이 안정되면서 부하의 전류도 안정되게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 발전기와 무정정 전원 장치가 연계되는 구간과 무정전 전원 장치의 동작이 정지되는 시점에서도 안정적으로 부하 전류가 공급되는 것을 확인할 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.

Claims (7)

1. 계통에서 전원을 공급받아 부하여 전원을 공급하되, 상기 계통에서 공급되는 전원에 이상 발생할 때, 상기 부하에 전원을 공급하기 위한 전원을 생산하는 발전기;
   배터리를 포함하고, 상기 배터리에 저장된 에너지를 상기 부하에 공급하는 무정전 전원 장치; 및
   상기 발전기에서 생산되어 출력되는 전력의 전압을 제어하는 제어기를 포함하고,
   상기 제어기는 상기 발전에서 출력되는 전압 주파수 및 전압이 상기 계통에서 출력되는 전압 주파수 및 전압과 같아지도록 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 무정전 전원 장치의 전압이 기준인 위상각 정보를 이용하여 상기 발전기의 전압을 가상 회전좌표계 값으로 변환하여 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 가상 회전좌표계 상에서 상기 발전기의 전압 주파수를 제어하기 위해 상기 가상 회전좌표계의 d-축 성분을 0(zero)이 되도록 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 가상 회전좌표계 상에서 상기 발전기의 전압을 제어하기 위해 상기 가상 회전좌표계의 q-축 성분을 상기 계통의 회전좌표계의 q-축 전압 성분과 같아지도록 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기는 계통과 부하의 사이에 배치되는 제1 스위치를 포함하고,
   상기 제어기는, 계통에 정전이 발생하면, 상기 계통과 부하가 전기적으로 분리되도록 제1 스위치를 제어하며, 상기 무정전 전원 장치에서 상기 부하로 전력이 공급되도록 제어하며,
   상기 제어기는 상기 부하로 전력을 공급하는 상기 무정전 전원 장치의 전압에 따라 상기 발전기의 전압 주파수 및 전압을 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 발전기에서 생성된 전력이 상기 부하에 공급되도록 제어하고, 상기 무정전 전원 장치에서 출력되는 유효전력 및 무효전력을 0(zero)이 되도록 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제어기는, 상기 무정전 전원 장치에서 출력되는 유효전력 및 무효전력이 0(zero)이 되면, 상기 발전기에서 생성된 전력만 상기 부하에 공급되도록 제어하는 계통연계 및 무정전 전원 장치를 갖는 발전 절환 시스템.

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