KR20210028883A - 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 전력 계통을 해석하여 역률을 산출하고, 산출된 역률을 기초로 가변 하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 이를 무효전력 기준 값으로 결정하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어기가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 하는, 역률 기반 재생 에너지 전력계통 의 전압 제어 장치에 관한 것이다.

Description

역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치{DEVICE FOR CONTROLLING VOLTAGE OF RENEWABLE ENERGY POWER SYSTEM BASED ON POWER FACTOR}

본 발명은 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 재생에너지 발전기의 직류 전원 출력부에 설치되어 전력 계통을 해석하여 역률을 산출하고, 산출된 역률을 기초로 가변 하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 이를 무효전력 기준 값으로 결정하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어기가 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 직류전원을 교류전원으로 컨버팅함으로써 안정적인 교류전원을 출력할 수 있도록 하는, 역률 기반 재생 에너지 전력계통 의 전압 제어 장치에 관한 것이다.

최근, 전 세계적 관심사인 환경 문제는 에너지 분야에서도 중요하게 다루어지고 있으며, 문제 해결의 일환으로 재생에너지 관련 기술과 시장이 급격히 성장하고 있다. 대한민국 정부도 "재생에너지 3020 이행계획"에 따라 2030년까지 재생에너지 의존율을 전체 발전량의 20%까지 높이고자 한다. 목표 달성을 위해서는 송전계통에 연계된 대규모 재생에너지 발전단지뿐만 아니라, 배전계통에 연계된 다수의 소규모 재생에너지 발전기도 요구된다.

현재, 계통 접속 규정에 따라, 배전계통에 연계된 재생 에너지 발전기는 계통 전압을 직접 제어하지 못하고 역률 1의 유효전력을 투입하도록 운전되고 있는데, 재생에너지 발전 투입량이 증가하면 배전계통 전압에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 5MW의 부하가 연계된 선로 말단에 연계된 재생에너지 발전기들이 10MW의 출력을 내면, 5MW의 역조류가 발생하여 선로 말단 전압이 주변압기 인출단 전압보다 높아지는 현상이 발생하며, 재생에너지의 간헐적인 출력 변동에 따라 배전계통 전압이 급격히 변하는 심각한 문제가 발생한다. 그러나 재생에너지 발전기에서 직접 배전계통 전압을 제어할 경우에는 주변압기의 OLTC(on load tab changer) 및 다수 재생에너지 발전기 간의 간섭으로 인해 제어가 제대로 이루어지지 않고 계통 전압이 불안정해질 가능성이 존재한다.

따라서 발전량 변동에 따른 배전계통 전압 변동을 최소화하기 위해 재생에너지 발전기를 일정한 역률로 운전할 필요성이 있고, OLTC 및 다수 재생에너지 발전기 간의 제어 간섭 문제로부터 자유롭기 위해 재생에너지의 전압을 직접 제어하지 않고 기존의 전력제어 방식을 사용할 필요성이 있었다.

국내 특허 등록 제1132107호(등록일: 2012년 03월 23일)

따라서 본 발명은 상기한 점을 고려하여 이루어진 것으로서, OTLC(on load tab changer) 및 다수 재생에너지 발전기 간의 제어 간섭 문제에 영향을 받지 않고 안정적으로 직류전원을 교류전원으로 컨버팅할 수 있게 하는, 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 재생에너지 발전기로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 역률을 산출하도록 구성된 역률 산출부; 및 상기 역률 산출부에 의해 산출된 역률을 기초로 가변하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 무효전력 기준 값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준 값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 역률 기반 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 역률 산출부는 직류 전원에 대한 무효전력의 최댓값 및 최솟값과 유효전력의 최댓값 및 최솟값을 기초로 역률을 산출할 수 있다.

상기 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 역률 산출부에 의해 산출된 역률은 0.93일 수 있다.

상기 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 있어서, 상기 재생 에너지 발전기는 태양광 발전기 또는 배터리 에너지 저장장치일 수 있다.

본 발명의 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 재생에너지 발전기로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 역률을 산출하도록 구성된 역률 산출부; 및 상기 역률 산출부에 의해 산출된 역률을 기초로 가변하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 역률 기반 컨버터;를 포함하여 구성됨으로써, OTLC(on load tab changer) 및 다수 재생에너지 발전기 간의 제어 간섭 문제에 영향을 받지 않고 안정적으로 직류전원을 교류전원으로 컨버팅할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.
도 2는 배전 계통 데이터를 기반으로 한 모의 계통을 구성한 그래프로서, 일정한 유효전력과 다양한 무효전력을 투입하였을 때의 전압 양상을 나타낸다.
도 3은 재생에너지 발전기의 유효전력 출력과 무효전력 소모량의 크기 변화에 따른 연계 모선의 전압 변동을 나타낸 그래프이다.
도 4는 유효전력 공급과 무효전력 소모에 따른 전압 열지도이다.
도 5는 유효전력 출력에 따른 종래의 방법(역률:1)과 본 발명의 실시예에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치(역률:0.93)에 따른 전압 비교도이다.

본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.

본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.

본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서, 공급되는 전력에 따른 전압 관계와 역률 제어에 의한 전압 개선에 대해서 살펴보기로 한다.

[공급되는 전력에 따른 전압 관계]

실제 국내 배전 계통 데이터를 기반으로 모의계통을 구성하였으며, 여기에 일정한 유효전력과 다양한 무효전력을 투입하였을 때의 전압 양상은 도 2와 같다. 즉, 유효전력 투입과 무효전력 소모(음의 무효전력 공급)에 의한 전압 변동은 선로 말단에서 가장 크게 나타난다. 이는 선로 말단으로 향할수록 기준이 되는 상위계통으로부터의 임피던스가 증가하여 계통의 강인성이 낮아지기 때문이다.

가장 민감한 모선인 선로 말단 모선에 재생에너지를 연계하여, 유효전력-전압 및 무효전력-전압의 관계를 도 3과 같이 산출하였다. 즉, 무효전력-전압은 선형 관계를 나타내며[도 3의 (b)], 유효전력-전압은 비선형 관계이나 선형에 매우 가까운 것을 확인할 수 있다[도 3의 (a)]. 이를 통해, 일정 전압을 유지하기 위한 유효전력 투입 대비 무효전력 소모량을 산출 할 수 있으며, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 나타난다.

즉, 무효전력의 소모 없이 10MW의 유효전력을 공급할 시에는 전압이 1.1pu 이상이 되어 계통 접속기준을 만족할 수 없으나, 유효전력 투입 시 2MVar 이상의 무효전력을 소모하면 전압이 1.05pu 이하로 유지되어 계통접속기준을 충족할 수 있다.

도 4에서 동일 수준 전압끼리 연결을 하면, 직선에 가까운 모양이 되는데, 이는 일정 전압을 유지하는 유효전력 공급량과 무효전력 소모량이 선형 관계에 근접함을 의미한다. 즉, 유효전력 공급량의 약 28%의 무효전력을 소모하면 전압을 일정한 수준으로 유지할 수 있다. 이는 역률 약 0.93에 해당한다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 역률이 0.93인 경우를 예시적으로 적용하였다.

역률을 진상 0.93으로 유지하고 재생에너지를 투입하였을 때의 연계모선 전압은 도 5에 도시된 바와 같다. 역률이 1일때의 과전압 현상을 모두 해소하였고, 10MW 투입시의 전압 상승률은 약 1/4로 감소하였다

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 대한 제어블록도이다.

본 발명의 실시예에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치는 다수의 재생에너지 발전기 각각의 출력단과 교류계통 사이에 설치되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 역률 산출부(100) 및 역률 기반 컨버터(200)를 포함한다.

역률 산출부(100)는 재생에너지 발전기로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 역률을 산출하는 역할을 한다. 여기서 전력계통 해석은 직류 전원에 대한 무효전력의 최댓값 및 최솟값과, 유효전력의 최댓값 및 최솟값을 구하고, 이를 기초로 역률을 산출한다. 위의 설명에서와 같이 역률이 0.93일 경우를 바람직한 실시예로서 설정하였는데, 이는 종래의 역률 1인 때의 과전압 현상을 해소하고 전압 상승률도 급격히 감소시킬 수 있기 때문이다.

역률 기반 컨버터(200)는 역률 산출부(100)에 의해 산출된 역률을 기초로 가변하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하고, 그 산출된 무효전력을 무효전력 기준값으로 결정하며, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 재생에너지 발전기로부터의 직류전원을 교류전원으로 안정적으로 컨버팅 하는 역할을 한다. PLC 제어에 대한 설명은 당업자에게는 명백한 것이므로 여기서는 생략하기로 한다.

위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, 본 발명의 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 역률 산출부가 재생에너지 발전기로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 역률을 산출하고, 역률 기반 컨버터가 역률 산출부에 의해 산출된 역률을 기초로 가변하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성됨으로써, OTLC(on load tab changer) 및 다수 재생에너지 발전기 간의 제어 간섭 문제에 영향을 받지 않고 안정적으로 직류전원을 교류전원으로 컨버팅할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 의한, 본 발명의 실시형태에 의한 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치에 의하면, 재생 에너지의 전압을 직접 제어하지 않음에도 불구하고 역률을 일정하게 유지함으로써 재생 에너지 발전기 간, 또는 상위계통이나 주변 기기와의 전압 제어 간섭 없이 안정적으로 교류전원을 얻을 수 있다.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 역률 산출부
200: 역률 기반 컨버터

Claims (4)

1. 재생에너지 발전기로부터 직류 전원을 입력받아 전력계통을 해석하여서 역률을 산출하도록 구성된 역률 산출부; 및
   상기 역률 산출부에 의해 산출된 역률을 기초로 가변하는 유효전력에 대해서 무효전력을 산출하여 무효전력 기준값으로 결정하고, 이 결정된 무효전력 기준값을 이용하여 PLC(Programmable Logic Controller) 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 컨버팅 하도록 구성된 역률 기반 컨버터;를 포함하는, 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 역률 산출부는 직류 전원에 대한 무효전력의 최댓값 및 최솟값과 유효전력의 최댓값 및 최솟값을 기초로 역률을 산출하는, 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 역률 산출부에 의해 산출된 역률은 0.93인, 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 재생 에너지 발전기는 태양광 발전기 또는 배터리 에너지 저장장치인, 역률 기반 재생 에너지 전력계통의 전압 제어 장치.

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