KR20220096958A - 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치 및 스위치 동작 방법 - Google Patents

변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치 및 스위치 동작 방법 Download PDF

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Abstract

자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치와 스위칭 소자 제어 방법이 개시된다. 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치는 입력 직류 전압을 출력 교류 전압으로 변환하는 인버터, 상기 인버터의 출력 교류 전압을 가감압시키는 변압기, 상기 변압기 출력을 부하로 연결하는 부하 연결선, 및 상기 변압기 출력을 그리드로 연결하도록 제어되는 전기제어 스위칭 소자, 상기 인버터와 상기 전기제어 스위칭 소자를 제어하는 제어기를 포함하되,상기 전기제어 스위칭 소자를 상기 제어기에 의해 온(ON)시키는 제어 동작에 의해 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 그리드로 절환되어 출력되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치 및 스위치 동작 방법 {Switching operation method and an inverter device for grid connection considering transformer magnetization}
본 개시는 그리드 연계 인버터 시스템에서 부하와 그리드 연결을 서로 절환할 때 지연없이 변압기의 자화를 고려한 운전을 하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
본 개시에 따른 발명은 중소벤처기업부의 재원으로 한국산업기술진흥원의 지원에 의한 기술개발사업의 일환으로 수행한 연구(과제고유번호: P0009927, 과제명: Seamless 기능을 갖는 50kW급 융복합형 (PV PCS + ESS PCS) PCS 개발)로부터 도출된 것이다.
그리드 연계 인버터 시스템은 신재생 에너지와 같이 전력회사가 아닌 소규모 그리드에서 생산하는 전력을 그리드로 출력시키는 시스템이다. 보통 부하 연계 인버터와 그리드 연계 인버터는 별개로 운전하는 경우가 많은 최근 부하와 그리드 간을 절환시키는 방법으로 인버터 하나로 부하와 그리드를 함께 연동시키는 시스템을 운용하고 있는 경우도 많다. 이와 같이 부하와 그리드를 절환시키면서 연결되는 인버터 시스템에서 절환 시 마그네틱 스위치를 이용하게 되면 순간적 절환이 이루어지지 않고 변압기 자화를 충분히 이루기 위한 지연 시간이 필요하게 되어 인버터를 소프트 스타팅을 시켜야 한다.
전력 계통에서 부하와 그리드를 절환시키면서 연결되는 인버터 시스템에서 절환 시 마그네틱 스위치를 이용하게 되면 순간 절환이 이루어지지 않고 변압기 자화를 충분히 이루기 위한 지연 시간이 필요하게 되어 인버터를 소프트 스타팅을 시킬 수 밖에 없는 문제가 발생한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장시스템은 입력 직류 전압을 출력 교류 전압으로 변환하는 인버터, 상기 인버터의 출력 교류 전압을 가감압시키는 변압기, 상기 변압기 출력을 부하로 연결하는 부하 연결선, 상기 변압기 출력을 그리드로 연결하도록 제어되는 전기제어 스위칭 소자, 및 상기 인버터와 상기 전기제어 스위칭 소자를 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 전기제어 스위칭 소자를 상기 제어기에 의해 온(ON)시키는 제어 동작에 의해 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 그리드로 절환되어 출력되도록 하는 것을 특징으로 한다.
일실시예에서, 상기 전기제어 스위칭 소자는 싸이리스터 반도체 소자인 것을 특징으로 한다.
일실시예에서, 상기 전기제어 스위칭 소자는 GTO 소자, 트랜지스터, 및 IGBT 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
일실시예에서, 상기 제어기는 상기 전기제어 스위칭 소자를 오프(OFF)시키는 제어 동작에 의해 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 부하로 절환되어 출력되도록 한다.
일실시예에서, 상기 출력 교류 전압은 3상 교류 전압이고, 상기 인버터는 상기 입력 직류 전압을 상기 3상 교류 전압으로 변환시키기 위해 적어도 6개의 전기제어 스위치 소자를 포함한다.
일실시예에서, 상기 전기제어 스위칭 소자가 오프(OFF)상태에서 온(ON)되는 소정의 시간지연은 100usec 이내인 것을 특징으로 한다.
일실시에에서, 상기 인버터는 상기 변압기 출력이 상기 전기제어 스위칭 소자에 의해 상기 그리드와 연결되어 있을 때 전압제어모드로 운전하고, 상기 변압기 출력이 상기 전기제어 스위칭 소자에 의해 상기 부하와 연결될 때는 전기제어모드로 운전하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 시스템에서 스위칭 소자를 제어하는 방법은 인버터에 의해 입력 직류 전압을 출력 교류 전압으로 변환하는 단계, 상기 인버터의 출력 교류 전압을 변압기에 의해 가감압시켜서 출력하는 단계, 상기 변압기 출력을 부하 연결선에 의해 부하에 연결하는 단계, 및 상기 변압기 출력과 그리드 사이에 위치한 전기제어 스위치 소자를 온시켜서 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 부하로부터 상기 그리드로 절환되어 출력되도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따라 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환시키면서 운전되는 인버터 시스템에서 절환 시 마그네틱 스위치(MC)를 이용하지 않고 전력 반도체 소자를 이용하게 되면 순간 절환이 가능하고 변압기 자화를 상실하지 않으므로 인버터의 소프트 스타팅도 필요 없다.
도 1은 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환운전을 보여주는 시스템도이다.
도 2는 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환 운전시 인버터의 소프트 스타트 운전을 보여주는 파형이다.
도 3은 본 개시의 일실시예에 따른 부하와 그리드 간 절환운전을 보여주는 시스템도이다.
도 4는 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환 운전시 인버터의 운전을 보여주는 파형이다.
도 5는 본 개시의 일실시예에 따라 인버터가 소프트 스타트 운전이 필요없는 부하와 그리드간 절환 운전방법을 보여주는 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 개시에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 개시에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 개시의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 실시예들에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형식으로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일하건 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환운전을 보여주는 시스템도(100)이다.
도 1에서 DC 전압(110)은 대체전력이라고 볼 수 있다. 즉, 전력회사에 의해 생성된 에너지라기 보다는 일종의 스마트 그리드로서 신재생 에너지와 같이 다양한 전력 생산 수단에 의해 생성된 소규모 전력원이라고 볼 수 있다. 예를 들어 풍력 발전에 의한 재생 에너지, 태양광 발전에 의한 재생 에너지를 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 소규모 전력회사에 의해 생성된 에너지도 DC 전압(110)에 의한 소규모 전력원의 공급원이 될 수 있다.
DC 링크(120)는 DC 전압(110)에 의한 DC 전압을 유지시켜주는 커패시터 뱅크이다. 인버터(130)는 일종의 PCS(power conversion system) 인버터라고 할 수 있다. 하지만, 본 개시의 일실시예에 따라 도 1의 인버터(130)는 PCS 인버터이면서 부하(180)와 연결되는 독립형 인버터를 하나로 합체한 인버터이다. 도 1에서의 인버터(130)는 전통적인 인버터의 기능과 동일하게 DC 전압을 6개의 전력 스위치 소자인 SW1(1301), SW2(1302), SW3(1303), SW4(1304), SW5(1305), SW6(1306)을 제어하여 3상 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 6개의 전력 스위치 소자인 SW1(1301), SW2(1302), SW3(1303), SW4(1304), SW5(1305), SW6(1306)의 제어를 위한 제어기(140)는 각 전력 스위치 소자의 온-오프를 위한 게이트제어신호(1401)를 출력한다. 또한 변압기(150)의 출력과 그리드간 연결 온-오프를 위한 MC(마그네틱 컨택터)(160)의 제어 신호인 MC 제어신호(1403)을 출력한다.
변압기(150)는 인버터 출력 전압을 가압하거나 감압한다. 실제 응용에서는 주로 감압 변압기(380V:220V)로 동작하는 경우가 많으며 △-Y 연결에 의해 출력은 R, S, T 및 Y 연결 중심점을 연결하는 중성점(N)까지 4개의 연결선(R, S, T, N)이 나올 수 있다. 변압기(150)의 출력은 그리드(170)와 연결되거나 부하(180)와 연결될 수 있다.
즉, 인버터 출력은 그리드(170)와 연결될 수도 있고 부하(180)에 연결될 수도 있는데, 둘 간의 연결은 기본적으로 MC(160)를 온-오프하여 절환하게 된다. 인버터(130)가 그리드(170)에 연결되어 있다가 부하(180)로 절환됨으로서 독립형 인버터로서 기능하도록 제어기(140)가 MC(160)를 오프(OFF)하게 되면, 인버터(130)는 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 운전 모드 변경을 해야 한다. 그런데, 이 때 MC(160)가 기계 스위치이다보니 스위칭 시간이 30ms~50ms 까지 걸리게 되어 인버터가 상대적으로 긴 MC의 스위칭 시간동안 잠시 휴지하게 된다. 그 이유는 변압기(150)가 MC(160)의 긴 스위칭 시간동안 자화(magnetization)가 풀려버리게 되므로 인버터(130)에서 순간적인 전류제어 모드 운전을 시작하면 자화되지 않은 상태의 변압기(150)에서 단락 상태와 동일한 과전류가 흐르게 되기 때문이다. 따라서, 변압기(150)에서 단락에 의한 파손이나 절연 파괴를 막기 위해 인버터(130)는 부득이 소프트 스타트를 통해 저전류를 흘려보내면서 변압기 자화를 확립한 후 정상 운전을 하는 방법을 취할 수 밖에 없게 된다. 결국 부하(180) 입장에서는 순간적인 정전 상태가 될 수 밖에 없다. 반대로 인버터(130)가 부하(180) 운전을 하다가 MC(160)를 온(ON)할 때도 마찬가지로 인버터(130)의 운전 모드만 반대(전류제어 모드 --> 전압제어 모드)일 뿐 변압기에서는 자화가 풀리는 동일한 현상이 발생하게 된다.
따라서, 제어기(140)를 통해 MC(160)를 온-오프 할 때마다 제어기(140)는 인버터(130)를 소프트 스타트 운전으로 재기동하는 작업을 반복해야 하고, 부하(180) 입장에서는 MC(160)의 스위칭 시간(30ms~50ms) 동안 순간 정전 현상이 반복해서 발생할 수 밖에 없다.
도 2는 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환 운전시 인버터의 소프트 스타트 운전을 보여주는 파형이다.
도 2를 참조하면, Y축은 인버터(130)의 출력(201)이고 X축은 시간(t)이다.
인버터(130)가 그리드(170)와 연결되어 있을 때 부하(180)측으로 연결을 절환할 때 전압제어모드(205)로 운정하다가 절환신호와 동시에 MC(160)를 오프시키는 MC OFF(203) 신호를 출력하면 인버터(130)는 전류제어모드(207)로 전환하며 변압기(150)의 순간 단락을 방지하기 위해 순간 출력을 '0'으로 만들고 소프트 스타트(209) 운전을 수행하여 변압기(150)에서 단락이 생기는 것을 방지한다.
도 3은 본 개시의 일실시예에 따른 부하와 그리드 간 절환운전을 보여주는 시스템도이다.
도 3을 참조하면 본 시스템(300)에서는 도 1에서 절환을 위해 사용한 MC(160) 대신 싸이리스터와 같은 스위칭 소자(360)를 사용하였다. 스위칭 소자는 고전력 전기제어 스위칭 소자이다. 고전력 전기제어 스위칭 소자는 반도체 소자로서 싸이리스터(thyristor)가 적절하나 이에 한정되는 것은 아니다. 전력용량이나 기타 스위칭 환경을 고려하여 GTO, IGBT, 전력용 MOSFET, 트랜지스터를 사용할 수 있다. 하지만, 본 시스템(300)의 전력용량이 대용량이며 그리드(170)에 연결되는 점을 고려할 때 싸이리스터가 가장 적절한 스위칭 소자이다.
제어기(140)는 싸이리스터와 같은 스위칭 소자(360)를 제어하기 위해 스위칭 소자 제어신호(3403)를 출력한다.
일 실시예에서, 그리드(170)에 연결되어 전압제어모드로 운전하던 인버터(130)는 부하(180)로 연결 절환을 위해 스위칭 소자(360)를 오프(OFF)시킨다. 스위칭 소자는 MC(160)와 달리 스위칭 지연 시간(수백 nsec ~ 수 usec)이 상대적으로 무척 짧기 때문에 스위칭 소자(360)를 구동(온-오프 혹은 오프-온)하여 인버터(130) 출력을 부하(180)측으로 전환할 때 변압기(150)의 자화(magnetization)가 상실되지 않는다. 즉, 도 1에서와 같의 MC(160)를 구동할 때와 같은 순간 정전 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 인버터(130)의 소프트 스타트 운전이 필요하지 않으며 인버터(130)가 전압제어모드에서 전류제어모드로 직립 기동과 같이 바로 전환된다. 이는 부하(180)에 에너지를 공급하는 전류제어모드에서 그리드(170)로 연결하여 전압제어모드로 변경하기 위해 스위칭 소자(360)를 온 시키는 경우에도 마찬가지로 순간 절환이 가능하므로 변압기(150) 자화 상실이 발생하지 않으며 인버터(130)의 소프트 스타트 운전이 역시 필요하지 않다.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따라 전력 계통에서 부하와 그리드 간 절환 운전시 인버터의 운전을 보여주는 파형이다.
도 2에서와 달리 도 4는 도 3에서와 같이 그리드-부하 절환을 위해 전기제어 스위칭 소자를 사용하는 경우 인버터 출력의 변화를 보여주는 그래프이다.
인버터 출력(401)은 도 2에서와 달리 그리드(170)로 출력할 때 전압제어모드(405)로 운전하는 도중 절환 제어 신호(도시되지 않음)와 동기되는 스위칭 소자(360)의 스위치 OFF(403)가 제어기(140)로부터 출력되면 스위치의 스위칭 속도가 최대 10KHz, 즉, 스위칭 지연속도가 100us 정도 이내로 짧으므로 변압기(150)에서의 자화손실이 발생하지 않는다. 또한 부하(180)측에서는 순간 정전과 같은 정도의 시간으로 여겨지지도 않으므로 인버터(130)는 순간적으로 직립 기동과 같이 전류제어모드(407)로 모드를 순간 전환하면서 인버터 출력을 그대로 낼 수 있다. 따라서, 인버터(130)는 변압기(150) 자화 손실이 없기 때문에 소프트 스타트 운전을 할 필요가 없다.
도 5는 본 개시의 일실시예에 따라 인버터가 소프트 스타트 운전이 필요없는 부하와 그리드간 절환 운전방법을 보여주는 흐름도이다.
단계 S501에서 인버터(130)에 의해 신재생 에너지와 같은 입력 DC 전압을 교류 전압 출력으로 변환한다. 이는 인버터(130)의 전통적인 기능이다. 이때 인버터(130)는 그리드(170)와 연계될 수 있고 절환에 의해 부하(180)측과 연결될 수 있다.
단계 S503에서 변압기(150)는 인버터의 출력 교류 전압을 가압시키거나 감압시켜서 출력한다. 보통 변압기는 220V로 감압시키는 경우가 많으나 이에 한정되지는 않는다. 그리고 변압기는 Δ-Y 연결에 의해 출력 시에는 중성점(N) 연결 출력이 있을 수 있다.
단계 S505에서 변압기(150)의 출력은 부하 연결선에 의해 부하(180)에 연결된다.
단계 S507에서 변압기(150)의 출력과 그리드(170) 사이에 위치한 전기제어 스위칭 소자를 온(ON)시켜서 상기 인버터(130)를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 부하(180)측으로부터 상기 그리드(170)측으로 절환되어 출력된다. 전기제어 스위칭 소자의 지연시간이 100us 이내이므로 인버터(130)는 변압기 자화 상실을 고려한 소프트 스타트 운전이 필요하지 않다.
실시예들에 따른 상기 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
100; 그리드 연계 인버터 시스템
110; DC 전압
120; DC 링크
130; 인버터
140; 제어기
1401; 게이트제어신호
1403; MC 제어신호
150; 변압기
160; MC
170; 그리드
180; 부하
360; 스위칭 소자
3403; 스위칭소자제어신호
201, 401; 인버터 출력
205, 405; 전압제어모드
207, 407; 전류제어모드
203; MC_OFF
209; 소프트스타트
403; 스위치 OFF

Claims (8)

  1. 입력 직류 전압을 출력 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터의 출력 교류 전압을 가감압시키는 변압기;
    상기 변압기 출력을 부하로 연결하는 부하 연결선;
    상기 변압기 출력을 그리드로 연결하도록 제어되는 전기제어 스위칭 소자; 및
    상기 인버터와 상기 전기제어 스위칭 소자를 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 전기제어 스위칭 소자를 상기 제어기에 의해 온(ON)시키는 제어 동작에 의해 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 그리드로 절환되어 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기제어 스위칭 소자는 싸이리스터 반도체 소자인 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기제어 스위칭 소자는 GTO 소자, 트랜지스터, 및 IGBT 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전기제어 스위칭 소자를 오프(OFF)시키는 제어 동작에 의해 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 부하로 절환되어 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출력 교류 전압은 3상 교류 전압이고, 상기 인버터는 상기 입력 직류 전압을 상기 3상 교류 전압으로 변환시키기 위해 적어도 6개의 전기제어 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기제어 스위칭 소자가 오프(OFF)상태에서 온(ON)되는 소정의 시간지연은 100usec 이내인 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인버터는 상기 변압기 출력이 상기 전기제어 스위칭 소자에 의해 상기 그리드와 연결되어 있을 때 전압제어모드로 운전하고, 상기 변압기 출력이 상기 전기제어 스위칭 소자에 의해 상기 부하와 연결될 때는 전기제어모드로 운전하는 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 인버터 장치.
  8. 인버터에 의해 입력 직류 전압을 출력 교류 전압으로 변환하는 단계;
    상기 인버터의 출력 교류 전압을 변압기에 의해 가감압시켜서 출력하는 단계;
    상기 변압기 출력을 부하 연결선에 의해 부하에 연결하는 단계; 및
    상기 변압기 출력과 그리드 사이에 위치한 전기제어 스위치 소자를 온시켜서 상기 인버터를 소프트 스타트할 필요없이 상기 변압기 출력이 상기 부하로부터 상기 그리드로 절환되어 출력되도록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 자화를 고려한 그리드 연계 스위치 소자 동작 방법.
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