KR20220010289A - 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템 - Google Patents

회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템 Download PDF

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KR20220010289A
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Abstract

본 발명의 회전형 변압기를 이용한 연계 계통 시스템은, 회전형 변압기; 상기 회전형 변압기의 스테이터단에 연결된 제1 교류 계통; 상기 회전형 변압기의 로터단에 연결된 제2 교류 계통; 상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 모터부; 상기 모터부를 구동하는 직류 전력을 공급하며, 독립적인 그리드를 형성하는 직류 계통; 및 상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터를 포함할 수 있다.

Description

회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템{Grid linkage system and linkaged-grid system using rotary transformer}
본 발명은 회전형 변압기를 이용하여 3개 이상의 전력 그리드 계통을 연결하는 계통 연계 장치 및 이에 의해 연계된 계통 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 2개의 교류 계통과 하나의 직류 계통을 회전형 변압기를 매개하여 연계하는 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템에 관한 것이다.
전통적인 전력계통의 연계를 위한 전력제어시스템은 상용전원이 정전되었을때만 비상용으로 발전기를 사용해왔다. 그러므로, 전통적인 전력제어시스템은 정전 대비용으로 발전기를 사용하였지만 전력품질(전압, 주파수, 역률등)을 위한다든지, 전력사용한계치(피크치)를 대비하지는 못한다는 한계가 있었으며, 이러한 종래의 전력제어시스템은 특별한 운전기술은 없었으며 발전기가 여러대일 경우 발전기들 간의 연계운전을 통해 단지 비상용으로만 사용되었다.
그런데, 최근에 천연자원의 고갈과 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 문제가 대두 되면서, 대표적인 환경친화적 그린 에너지인 태양광 및 소형 풍력에 대한 관심이 대두 되고 있다. 특히, 태양광/풍력 발전은 무한하고 청정에너지라는 점에서 각광을 받으며 차량, 장난감, 주거용 발전기 및 가로등 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있다.
태양광 및 풍력 발전 시스템의 경우, 날씨에 영향받는 가변적인 특성으로 인해 그 주변 전력망에 큰 영향력을 가지며 심할 경우 전력망 안정도에 지장을 줄 수도 있다. 따라서 전체 전력망의 안정성을 보장하기 위한 각종 기술적/정책적 계통 연계 규정(Grid Code)을 마련하고 있다. 예컨대, 계통 연계형 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터를 구동함에 있어서, LVRT(Low Voltage Ride Through, 저전압 지속 발전) 혹은 역률 제어뿐만 아니라 고조파 제한 규격을 만족시키는 것을 지향한다.
상술한 최근의 신재생발전 증대의 전력 환경은, 전력계통 내 신규 공급 및 수요 전력량 증가를 유발하며, 신재생에너지 등 신규 발전량 증가로 기존 계통의 송전용량이 포화될 수 있으며, 계통 연계를 통한 계통 안정도를 증대하기 위한 기술이 필요하다. 태양광 및 풍력 발전 시스템과 같은 간헐적 신재생에너지 발전 시스템은 배터리나 ESS를 매개하여 계통에 연계하는 바, 직류 전력을 교류 계통에 연계하는 이종 계통 연계가 이루어진다.
도 1은 종래기술의 2개의 교류 계통을 연계하는 방식을 나타낸 개념도이고, 도 2는 종래기술의 직류 계통(DC 마이크로그리드)과 교류 계통을 연계하는 방식을 나타낸 개념도이다.
기존의 이종 계통 연계 방식은, 교류를 직류로 변환 후 다시 상이한 주파수의 교류로 변환하는 방식으로서, AC-DC 변환 시 스위칭을 통한 컨버터를 사용한다.
이러한 기존의 이종 계통 연계 방식은, 특히, 고전압 환경이나 방식의 경우, Back to Back HVDC 계통 연계 방식의 고비용성 및 차단기 안정도 저하의 문제점 및 Back to Back HVDC 방식의 설치 면적 증가에 따른 경제성 저하의 문제점이 존재한다.
또한, 이러한 기존의 컨버터를 사용하는 이종 계통 연계 방식은, 스위칭 방식으로 인한 고주파 노이즈 및 고조파 발생의 문제점 및 전력 변환 장치 유지보수가 어려운 문제점도 존재한다.
한편, 회전형 변압기는 변압기의 1차측 코일이 스테이터에, 2차측 코일이 로터에(또는 그 반대도 가능함) 형성된 형태의 변압기를 의미하며, 전력 분야에서는 주로 전력 주파수가 서로 다른 이종의 교류 계통을 연계하는 비동기 연계 수단으로 적용이 추진되고 있다.
도 3은 회전형 변압기의 일반적인 구조를 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술의 회전형 변압기(VFT)는 회전형 변압기, 드라이브 모터, 제어 시스템을 비동기계통 사이에 연결하여 사용된다.
종래기술의 회전형 변압기(VFT)는 스테이터 코일과 로터 코일에 비동기계통 2기가 연결되고, 계통 간 주파수 차이만큼 회전자와 기계적으로 연결된 드라이브 모터를 회전시켜 계통연계를 수행한다.
제어 시스템을 통해 발생되는 기계적인 힘PD는 스테이터 코일을 통해 발생되는 유효전력 Ps와 로터 코일을 통해 발생되는 유효전력 Pr을 더한 것으로 표현할 수 있다.
회전형 변압기(VFT)에 의해 전달 가능한 전력은 고정자와 회전자의 위상각, 합성 리액턴스에 의해 결정되며, 회전형 변압기의 스테이터와 로터자의 전압을 Vs, Vr이라 하고 합성 리액턴스를 Xsr, 스테이터와 로터 그리고 로터와 로터 코일 사이의 위상각을 각각
Figure pat00001
라고 하면 회전형 변압기에 의한 전력 PVFT는 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00002
드라이브 모터의 회전속도
Figure pat00003
은 고정자에 연결된 계통의 주파수fs와 회전자에 연결된 계통의 주파수fr의 차이만큼 회전형 변압기의 극수P에 따라 제어 시스템을 통해 하기 수학식 2와 같이 발생한다.
Figure pat00004
그러나, 종래기술의 회전형 변압기는 2개의 교류 계통들간의 비동기 연계를 위한 방안으로서 제시되었을 뿐, 직류 계통과 교류 계통을 연계하는 방안은 제시되지 않았다.
대한민국 등록공보 10-0477397호
본 발명은 직류 계통과 교류 계통을 연계함에 있어서 설치 비용 및 면적을 절감하고 차단기의 안전성을 높일 수 있는 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 직류 계통과 교류 계통을 연계함에 있어서 고주파 노이즈 및 고조파 발생을 억제하고 유지 보수가 용이한 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및 연계 계통 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전형 변압기를 이용한 연계 계통 시스템은, 회전형 변압기; 상기 회전형 변압기의 스테이터단에 연결된 제1 교류 계통; 상기 회전형 변압기의 로터단에 연결된 제2 교류 계통; 상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 모터부; 상기 모터부를 구동하는 직류 전력을 공급하며, 독립적인 그리드를 형성하는 직류 계통; 및 상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 교류 계통 또는 제2 교류 계통의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 모터부의 정속 토크를 높여서 상기 직류 계통의 전력이 상기 제1 교류 계통 및 제2 교류 계통으로 전달되도록 제어하는 연계 관리 서버를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연계 관리 서버는, 상기 직류 계통의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 컨버터를 통해 상기 제1 교류 계통의 교류 전력이 상기 직류 계통으로 전달되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 모터부는, 상기 로터를 회전시키는 직류 모터; 및 상기 연계 관리 서버의 제어 지시에 따라 상기 직류 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 다른 전력 주파수를 가지며, 상기 로터는 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통의 전력 주파수 차이 및 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전할 수 있다.
여기서, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 동일한 전력 주파수를 가지며, 상기 로터는 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전할 수 있다.
여기서, 상기 회전형 변압기의 스테이터와 상기 제1 교류 계통을 매개하는 제1 절연 변압기; 및 상기 회전형 변압기의 로터와 상기 제2 교류 계통을 매개하는 제2 절연 변압기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 연계 관리 서버는, 상기 제1 교류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제1 계통 데이터 수집부; 상기 제2 교류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제2 계통 데이터 수집부; 상기 직류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 직류 계통 데이터 수집부; 상기 제1 교류 계통의 부하량 및 발전량, 상기 제2 교류 계통의 부하량 및 발전량 및 상기 직류 계통의 부하량 및 발전량으로부터 상기 3 계통들 간의 상호 전력 공급량을 산출하는 전력 조류 산출부; 상기 직류 계통으로의 전력 공급량에 기반하여 상기 컨버터를 제어하는 컨버팅 지시기; 및 상기 직류 계통에서의 전력 공급량에 기반하여 상기 모터 제어기를 제어하는 모터 구동 지시기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치는, 스테이터단이 제1 교류 계통에 연결되며, 로터단이 제2 교류 계통에 연결된 회전형 변압기; 직류 계통에 연결되어, 상기 직류 계통에서 공급되는 전력으로 상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 직류 모터; 외부의 연계 관리 서버의 제어 지시에 따라 상기 회전형 변압기에서 상기 제1 교류 계통 및 상기 제2 교류 계통으로 전력을 방출하도록 상기 직류 모터의 정속 토크를 제어하는 모터 제어기; 및 상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모터 제어기는, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 다른 전력 주파수를 가지면 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통의 전력 주파수 차이 및 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 상기 로터를 회전시키고, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 동일한 전력 주파수를 가지면 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 상기 로터를 회전시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 교류 계통은 충분하고 꾸준한 발전량을 가지며 전체 규모가 커서 부하 변동이 완만한 안정적인 교류 계통이고, 상기 제2 교류 계통은 발전량 또는 부하량이 급변하는 불안정한 교류 계통일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및/또는 연계 계통 시스템을 실시하면, 연계 장치의 설치 비용 및 면적을 절감하고 차단기의 안전성을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및/또는 연계 계통 시스템은, 고주파 노이즈 및 고조파 발생을 억제하고 유지 보수가 용이한 이점이 있다.
본 발명의 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및/또는 연계 계통 시스템은, 회전기기 적용으로 인한 계통 관성이 증가하는 이점 및 DC 마이크로그리드와 기존 계통과의 연계 가능성이 증대하는 이점이 있다.
본 발명의 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치 및/또는 연계 계통 시스템은, DC를 통한 국가 간 계통연계와 같은, 정책 및 환경이 상이한 계통을 연계할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래기술의 2개의 교류 계통을 연계하는 방식을 나타낸 개념도.
도 2는 종래기술의 직류 계통(DC 마이크로그리드)과 교류 계통을 연계하는 방식을 나타낸 개념도.
도 3은 회전형 변압기의 일반적인 구조를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 변압기를 이용한 연계 계통 시스템을 도시한 블록도.
도 5는 회전형 변압기의 동작 원리를 나타낸 개념도.
도 6은 회전형 변압기의 토크 제어 절차를 나타낸 제어 블록도.
도 7은 도 4의 연계 계통 시스템에서 연계 관리 서버의 내부 구성을 도시한 블록도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 교류 계통과 1개의 직류 계통을 연계하는 연계 계통 시스템을 도시한다.
도시한 연계 계통 시스템은, 회전형 변압기(30); 상기 회전형 변압기의 스테이터단에 연결된 제1 교류 계통(100); 상기 회전형 변압기의 로터단에 연결된 제2 교류 계통(200); 상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 모터부(40, 50); 상기 모터부(40, 50)를 구동하는 직류 전력을 공급하며, 독립적인 그리드를 형성하는 직류 계통(700); 및 상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터(60)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 교류 계통(100), 상기 제2 교류 계통(200) 및 상기 직류 계통(700)의 각 발전량 및 부하량으로부터 연계 계통간의 조류 방향을 결정하고, 이에 따라 상기 모터부(40, 50) 및 컨버터(60)를 제어하는 연계 관리 서버(500)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모터부는, 상기 로터를 회전시키는 직류 모터(40); 및 상기 연계 관리 서버(500)의 제어 지시에 따라 상기 직류 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기(50)로 구성될 수 있다.
도면에서, 상기 회전형 변압기(30)의 스테이터와 상기 제1 교류 계통(100)은 제1 절연 변압기(101)를 매개하여 연결되고, 상기 회전형 변압기(30)의 로터와 상기 제2 교류 계통(200)은 제2 절연 변압기(102)를 매개하여 연결되어 있다. 다른 구현에서는 상기 절연 변압기(101, 102)가 생략되거나, 다른 위치에 절연 변압기가 배치될 수 있다.
먼저, 회전형 변압기의 동작원리에 대하여 정리해 보겠다.
도 5는 회전형 변압기의 동작원리를 나타낸 개념도이다. 도면에서 (1)은 회전형 변압기의 스테이터(고정자)를, (2)는 회전형 변압기의 로터(회전자)를 나타낸 것이다.
회전형 변압기는 2개의 AC 계통들을 연계하며, 연계하는 2 AC 계통들의 주파수가 같을 경우 1:1 변압기 역할을 수행하지만, 서로 연계되는 1번 AC 계통과 2번 AC 계통과의 상대 속도로 로터(회전자) 속도를 제어함으로서, 계통 운영 주파수가 다른 이종 계통 연계도 가능하다.
도 6은 회전형 변압기의 토크 제어에 대한 개념도이다.
회전형 변압기로 2개의 AC 계통을 연계하면, 회전형 변압기를 이용한 토크 제어가 가능하다. 즉, 로터(회전자) 속도 제어를 통해 부하 변동에 따라 양방향 토크 제어가 가능하다.
도 4에 도시한 연계 계통 시스템에서 상기 회전형 변압기(30)를 이용한 2개의 교류 계통과 하나의 직류 계통, 총 3개 계통의 연계 동작 원리는 다음과 같다.
먼저, 일반적인 2계통 회전형 변압기 연계 장치와 마찬가지로 회전형 변압기 회전자에 연결된 DC 모터(40)의 토크 컨트롤을 통해 양 AC 계통들(100, 200)의 속도 및 양방향 전력 조류의 제어를 수행한다.
본 발명의 사상에 따라, 회전형 변압기(30)의 스테이터단에 연결된 제1 교류 계통(100)에서 AC/DC 정류기(컨버터)(60)를 통해 직류 계통(700)으로 전력을 공급하며, 반대로 직류 계통(700)에서 교류 계통(100, 200)으로 전력을 공급할 때에는, 회전형 변압기(30)의 로터를 회전시키는 모터(40)의 토크를 높여서, 직류 계통(700)의 전력을 공급한다. 이때, 상기 로터를 회전시키는 모터(40)의 속도는 일정한 속도를 유지하며, 다만, 모터(40)로 인가되는 전압/전류를 조정하여 토크만을 증가시킨다(즉, 정속 토크를 증가). 증가된 토크에 의한 에너지는 교류 계통에서 늘어난 부하에 의해 소모되어, 효과적인 계통 연계 및 전력 에너지 전달이 이루어진다.
상술한 연계 구성은, 제1 교류 계통(100)이 충분하고 꾸준한 발전량을 가지며 전체 규모가 커서 부하 변동이 완만한 안정적인 교류 계통(예: 메인 계통)이며, 제2 교류 계통(200)은 발전량 및/또는 부하량이 급변하는 불안정한 교류 계통(예: 교류 마이크로그리드)인 경우에 특히 적합하다. 한편, 상기 직류 계통(700)은, 신재생 발전 설비 및 전력 소비 부하가 구비된 독립된 직류형 마이크로그리드인 것이 일반적일 것이나, 이에 한정되지 않고, 별도 부하가 존재하지 않는 ESS나, 풍력/태양광 발전 시설일 수도 있다.
도 4의 연계 관리 서버(500)는, 각 계통(100, 200, 700)의 부하량을 산정하며, 상기 제1 교류 계통(100), 제2 교류 계통(200) 및 직류 계통(700)의 유동 부하량 및 발전량을 고려하여, 3 계통들(100, 200, 700)간의 전력 조류를 조정한다.
상기 연계 관리(제어) 서버(500)에 의해 결정된 3 계통들(100, 200, 700)간의 전력 조류에 따라, 직류 계통(700)에서의 조류 방향 및 전력 공급량이 결정되며, 상기 모터 제어기(50)는 상기 전력 공급량에 따라 회전자를 회전시키는 토크량을 제어한다. 이에 따라, 상기 제1 교류 계통(100), 제2 교류 계통(200) 및 직류 계통(700)의 유동 부하량 및 발전량의 상황을 고려된 토크로 제어된다.
상기 연계 관리 서버(500)는, 상기 제1 교류 계통(100) 또는 제2 교류 계통(200)의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 모터(40)의 정속 토크를 높여서 상기 직류 계통(700)의 전력이 상기 제1 교류 계통(100) 및 제2 교류 계통(200)으로 전달되도록 상기 모터 제어기(50)를 제어하고, 상기 직류 계통(700)의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 컨버터(60)를 통해 상기 제1 교류 계통(100)의 교류 전력이 상기 직류 계통(700)으로 전달되도록 상기 컨버터(60)를 제어한다.
도 4에 도시한 연계 계통 시스템에서 상기 회전형 변압기(30)를 이용하여 연계되는 2개의 교류 계통들(100, 200)은 서로 다른 전력 주파수를 가지는 것이 일반적일 것이지만, 이에 한정하지 않고 동일한 전력 주파수를 가지는 경우에도 본 발명의 사상을 적용할 수 있다. 예컨대, 후자의 경우는, 2 교류 계통들에 회전 관성을 부여하는 의도로 회전형 변압기를 이용한 연계를 수행하는 것이다.
전자의 경우, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 다른 전력 주파수를 가지며, 상기 로터는 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통의 전력 주파수 차이 및 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전할 수 있다.
후자의 경우, 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 동일한 전력 주파수를 가지며, 상기 로터는 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전할 수 있다.
도 7은 도 4의 연계 계통 시스템에서 연계 관리 서버의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 상기 연계 관리 서버(500)는, 상기 제1 교류 계통(100)의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제1 계통 데이터 수집부(510); 상기 제2 교류 계통(200)의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제2 계통 데이터 수집부(520); 상기 직류 계통(700)의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 직류 계통 데이터 수집부(530); 상기 제1 교류 계통(100)의 부하량 및 발전량, 상기 제2 교류 계통(200)의 부하량 및 발전량 및 상기 직류 계통(700)의 부하량 및 발전량으로부터 3 계통들간의 상호 전력 공급량을 산출하는 전력 조류 산출부(560); 상기 직류 계통(700)으로의 전력 공급량에 기반하여 상기 컨버터(60)를 제어하는 컨버팅 지시기(570); 및 상기 직류 계통(700)에서의 전력 공급량에 기반하여 상기 모터 제어기(50)를 제어하는 모터 구동 지시기(580)를 포함할 수 있다.
상기 연계 관리 서버(500)와 상기 모터 제어기(50) 사이 또는 상기 연계 관리 서버(500)와 상기 컨버터(60) 사이에는 제어 신호(지시)를 전송하기 위한 유선/무선 데이터 통신 채널이 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 연계 관리 서버(500)와 상기 모터 제어기(50), 상기 컨버터(60)는 유선/무선 방식의 데이터 통신 모듈을 구비할 수 있다.
상기 제1 계통 데이터 수집부(510), 제2 계통 데이터 수집부(520) 및 직류 계통 데이터 수집부(530)는, 구현에 따라, 각 계통의 해당 선로의 전류값 및 전압값을 직접 측정하여 소정의 공지된 계산식에 따라 각 계통의 부하량 및 발전량을 산출할 수도 있다. 또는, 상위의 전력 조류 관리 서버(예: SCADA)로부터 각 계통의 부하량 및 발전량 값을 전달받을 수 있다.
상기 각 계통의 부하량 및 발전량은, 시계열적으로 연속적으로 변동되는 값이 되며, 비록 이를 구하기 위한 기반 정보(전류/전압값)의 센싱 시점과의 시차가 존재할 수 밖에 없지만, 최대한 해당 시점의 각 계통의 부하량 및 발전량에 가까운 값이 획득되는 것이 바람직하다.
상기 전력 조류 산출부(560)는 현대 발전량이 부하량보다 충분한 계통에서, 현재 발전량이 부하량보다 부족한 계통으로 전력을 공급하도록, 3 계통들간의 전력 공급의 조류 방향 및 전력 공급량을 결정할 수 있다.
상기 전력 조류 산출부(560)가 3 계통들간의 상호 전력 공급량을 산출함에 있어서, 도시한 바와 같이 목표 제어치를 고려할 수 있다. 예컨대, 계통들간의 시간당 전력 공급량에 대한 목표 제어치를 반영하거나, 각 계통에서의 전력 공급량 또는 전력 수령량의 최대값 및/또는 최소값을 반영할 수 있다.
상기 컨버팅 지시기(570)는, 상기 전력 조류 산출부(560)로부터 상기 제1 교류 계통(100)에서 상기 직류 계통(700)으로의 전력 공급량을 입력받아, 입력받은 전력 공급량을 달성할 수 있도록 상기 컨버터(60)의 동작을 지시한다. 예컨대, 상기 컨버팅 지시기(570)는, 상기 직류 계통(700)으로의 전력 공급량에 따라 상기 컨버터(60)의 스위칭 소자를 구동함에 있어 적용하는 PWM에 대한 정보를 결정하여, 상기 모터 제어기(50)로 전송할 수 있다.
상기 모터 구동 지시기(580)는, 상기 전력 조류 산출부(560)로부터 상기 직류 계통(700)에서 상기 교류 계통(100, 200)으로의 전력 공급량을 입력받아, 입력받은 전력 공급량을 달성할 수 있도록 상기 모터 제어기(60)의 동작을 지시한다. 예컨대, 상기 모터 구동 지시기(580)는, 상기 직류 계통(700)에서의 전력 공급량에 따라 상기 모터 제어기(50)에서 모터(40)를 구동함에 있어 적용하는 PWM에 대한 정보를 결정하여, 상기 모터 제어기(50)로 전송할 수 있다.
다른 구현에서는, 상기 연계 관리 서버(500)에서 상기 모터 제어기(50)로, 상기 제1/제2 교류 계통(100, 200) 및 직류 계통(700)의 각 부하량 및 발전량을 전송하고, 이를 전송받은 모터 제어기(50)에서 상기 직류 계통(700)에서 공급할 전력 공급량을 산출하고, 산출된 전력 공급량에 기반하여 모터(40)를 제어할 수 있다.
상기 모터(40)를 통해 전력을 전달하는 것은, 상기 회전형 변압기(30)를 일종의 발전기로 적용한 것으로서, 교류 계통의 부하량 증대에 의한 상기 회전형 변압기(30)의 회전 저항력 증가와, 이에 맞추어 증가시키는 모터(40)의 토크에 의해, 상기 회전형 변압기(30)는 정속 회전을 수행하면서도, 토크량은 증대되고 그 결과 회전형 변압기(30)의 로터 및 스테이터 코일에서 전력량이 증가된다.
예컨대, 불안정한 제2 교류 계통(200)에서 급격한 부하량 증가가 발생한 경우, 상기 모터 제어기(50)가, 일반적인 회전형 변압기가 연계되는 2 교류 계통의 밸런스를 위해 PLL 제어 등을 수행하는 것으로는, 이와 같은 급격한 부하 변동에 대응하여 2 교류 계통을 안정화시킬 수 없으며, 상기 급격히 증가한 부하량에 맞추어 직류 계통(700)의 전력을 직접 제2 교류 계통으로 전달할 수 없다.
본 발명의 제안과 같이, 상기 연계 관리 서버(500)의 주도로, 미리 교류 계통의 부하량 증가를 파악하여, 증가된 부하에 대하여 모터(40)의 토크를 신속히 증대시켜야, 모터(40)의 회전 속도를 유지하면서 토크만 증가하게 되고, 그 결과 효과적으로 전기 에너지가 직류 계통에서 교류 계통으로 전달될 수 있다.
상기 모터(40)를 통해 직류 계통(700)의 전력을 전달할 때에는 이론적으로, 회전형 변압기(30)의 스테이터 및 로터에 각각 연결된 제1 교류 계통(100) 및 제2 교류 계통(200) 모두에 전력이 전달되지만, 기본적인 제1 교류 계통(100)과 제2 교류 계통(200) 간의 조류 방향에 따라, 실질적으로는 상기 조류 방향에 의해 전달받는 교류 계통으로 전력이 전달된다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
30 : 회전형 변압기 40 : 직류 모터
50 : 모터 제어기 60 : 컨버터
100 : 제1 교류 계통 200 : 제2 교류 계통
500 : 연계 관리 서버
510 : 제1 계통 데이터 수집부 520 : 제2 계통 데이터 수집부
530 : 직류 계통 데이터 수집부 560 : 전력 조류 산출부
570 : 컨버팅 지시기 580 : 모터 구동 지시기
700 : 직류 계통

Claims (11)

  1. 회전형 변압기;
    상기 회전형 변압기의 스테이터단에 연결된 제1 교류 계통;
    상기 회전형 변압기의 로터단에 연결된 제2 교류 계통;
    상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 모터부;
    상기 모터부를 구동하는 직류 전력을 공급하며, 독립적인 그리드를 형성하는 직류 계통; 및
    상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터
    를 포함하는 연계 계통 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 교류 계통 또는 제2 교류 계통의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 모터부의 정속 토크를 높여서 상기 직류 계통의 전력이 상기 제1 교류 계통 및 제2 교류 계통으로 전달되도록 제어하는 연계 관리 서버
    를 더 포함하는 연계 계통 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연계 관리 서버는,
    상기 직류 계통의 전력이 부족하다고 판단되면, 상기 컨버터를 통해 상기 제1 교류 계통의 교류 전력이 상기 직류 계통으로 전달되도록 제어하는 연계 계통 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 모터부는,
    상기 로터를 회전시키는 직류 모터; 및
    상기 연계 관리 서버의 제어 지시에 따라 상기 직류 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기
    를 포함하는 연계 계통 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 다른 전력 주파수를 가지며,
    상기 로터는 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통의 전력 주파수 차이 및 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전하는 연계 계통 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 동일한 전력 주파수를 가지며,
    상기 로터는 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 회전하는 연계 계통 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전형 변압기의 스테이터와 상기 제1 교류 계통을 매개하는 제1 절연 변압기; 및
    상기 회전형 변압기의 로터와 상기 제2 교류 계통을 매개하는 제2 절연 변압기
    를 포함하는 연계 계통 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 연계 관리 서버는,
    상기 제1 교류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제1 계통 데이터 수집부;
    상기 제2 교류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 제2 계통 데이터 수집부;
    상기 직류 계통의 부하량 및 발전량에 대한 정보를 수집하는 직류 계통 데이터 수집부;
    상기 제1 교류 계통의 부하량 및 발전량, 상기 제2 교류 계통의 부하량 및 발전량 및 상기 직류 계통의 부하량 및 발전량으로부터 상기 3 계통들 간의 상호 전력 공급량을 산출하는 전력 조류 산출부;
    상기 직류 계통으로의 전력 공급량에 기반하여 상기 컨버터를 제어하는 컨버팅 지시기; 및
    상기 직류 계통에서의 전력 공급량에 기반하여 상기 모터 제어기를 제어하는 모터 구동 지시기
    를 포함하는 연계 계통 시스템.
  9. 스테이터단이 제1 교류 계통에 연결되며, 로터단이 제2 교류 계통에 연결된 회전형 변압기;
    직류 계통에 연결되어, 상기 직류 계통에서 공급되는 전력으로 상기 회전형 변압기의 로터를 구동하는 직류 모터;
    외부의 연계 관리 서버의 제어 지시에 따라 상기 회전형 변압기에서 상기 제1 교류 계통 및 상기 제2 교류 계통으로 전력을 방출하도록 상기 직류 모터의 정속 토크를 제어하는 모터 제어기; 및
    상기 제1 교류 계통이 공급하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 계통으로 공급하는 컨버터
    를 포함하는 회전형 변압기를 이용한 계통 연계 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모터 제어기는,
    상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 다른 전력 주파수를 가지면 상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통의 전력 주파수 차이 및 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 상기 로터를 회전시키고,
    상기 제1 교류 계통과 상기 제2 교류 계통은 서로 동일한 전력 주파수를 가지면 상기 로터와 스테이터의 극수 차이에 의해 결정되는 주파수로 상기 로터를 회전시키는 계통 연계 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 교류 계통은 충분하고 꾸준한 발전량을 가지며 전체 규모가 커서 부하 변동이 완만한 안정적인 교류 계통이고,
    상기 제2 교류 계통은 발전량 또는 부하량이 급변하는 불안정한 교류 계통인 계통 연계 장치.


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