KR20220107158A - 양방향 전력 분배 네트워크 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는, 고전압 분배 버스; 중전압 전력 공급 라인(feed line), 부하(들) 및/또는 소스(들)에 연결되는 저전압 분배 라인; 및 중전압 전력 조절 장치를 포함하되, 상기 중전압 전력 조절 장치는 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기; 상기 중전압 전력 조절 장치에 연결되며, 활선 연결(들)에 연결되는 활선 단자(들) 및 상기 중전압 전력 공급 라인의 중성(neutral)에 연결되는, 전송 네트워크 커넥터; 상기 DC 접촉기에 연결된 스위치들; 및 상기 스위치들에 결합되고 상기 중전압 전력 공급 라인의 라이브 연결 및 중성 연결 각각의 전력을 독립적으로 조절하여 다른 부하 및 소스 조건 동안에 전력 분배 버스의 전압을 유지하도록 상기 스위치들을 제어하는 전자 제어 장비들을 포함하는 양방향 전력 분배 네트워크에 관련된다.
Description
[0001] 본 발명은 전력 분배 네트워크에 관한 것으로, 하나의 특정한 일례에 따르면, 양방향 송전 또는 배전 네트워크를 제공하기 위한 전력 조절 장치를 구비한 전력 분배 네트워크에 관한 것이다.
[0002] 전력 전송 또는 분배 시스템에서, 전력 조절 장비는 광범위한 부하 조건에 걸쳐 전력 공급을 조절하기 위해 구현된다. 전압 규정(voltage regulation)이 까다롭기 때문에 분배 피더/급전선(distribution feeder)은 고객 부하(customer load)의 변화를 고려하면서 허용된 범위 내에서 전압을 공급하도록 신중하게 설계된다. 고객 소유의 재생 가능 발전(customer-owned renewable power generation)의 인기가 계속 높아짐에 따라 옥상 태양광 발전과 상업용 규모의 태양광 발전소는 향후 몇 년 동안 총 전력 공급의 주요 기여자가 될 것으로 예상된다. 이는 고객 부하 변동과 관련된 기존 문제 외에 병입 전력(feed-in power)을 고려해야 하기 때문에 전압 규정을 훨씬 더 어렵게 만든다.
[0003] 네트워크 운영자는 전압 이탈을 제어하고 법정 한계를 유지하기 위해 변압기 탭 절환기(온-로드(on-load) 및 오프-로드(off-load) 시), 전압 조정기(voltage regulator) 및 도체 크기 조절(conductor sizing)의 조합을 사용해왔다. 그러나 이러한 설계는 단방향 (one-way) 네트워크에서 전압을 관리하는 데 제한이 있다. 또한 시스템이 동적으로 조정되도록 구성되지 않은 경우가 많다. 예를 들어, 탭 변압기(tap transformer)는 일반적으로 조정을 위해 분리해야 한다. 즉, 이러한 메커니즘은 실시간으로 전압 변화에 응답할 수 없으며 대신 몇 주, 몇 달 또는 몇 년에 걸쳐 발생하는 부하/병입 변화(load / feed-in variation)를 수용하도록 구성되어야 한다. 결과적으로 이러한 장치는 재생 가능한 전원에서 잠재적인 공급이 있을 때 네트워크의 전압을 관리할 수 없거나, 기껏해야 제한적인 경우에만 전원이 공급되도록 허용한다. 결과적으로 네트워크로의 재생 가능 에너지 반출은 종종 제한되어 재생 가능 에너지원이 완전히 활용되지 않는다.
[0004] 명세서에서 임의의 종래 간행물(또는 그로부터 파생된 정보) 또는 공지된 어떠한 사항에 대한 참조/인용은, 해당 간행물 간행물(또는 그로부터 파생된 정보) 또는 공지된 어떠한 사항이 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식의 일부에 포함된다는 것에 대한 인정, 자백 또는 승인 또는 암시 등의 형태로 간주될 수 없다.
[0005]
본 명세서의 일 양상은, 넓은 형태로서, 송전(electricity transmission) 네트워크에서 전력(electrical power)을 조절(regulate)하기 위한 장치를 제안하는 바, 해당 장치는 DC 장비(device)에 연결(connect)되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기(contactor); 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되고 이하를 포함하는 전송 네트워크 커넥터: 상기 송전 네트워크의 적어도 하나의 활선 연결(live connection)에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자(live terminal); 및 ii) 상기 송전 네트워크의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되는 중성 단자(neutral terminal); 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치(switch); 및 상기 스위치들에 연결되고 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 연결 (neutral connection) 각각의 전력을 독립적으로 조절하도록 구성되는, 하나 이상의 전자 제어 장비(electronic controlling device)를 포함하되, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는: 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독(voltage reading)을 수신하고; 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고; 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0006]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하여; 무효 전력을 증가시켜; 실효 전력(real power)을 흡수하여; 그리고 실효 전력을 감소시켜;에 의해 상기 전압을 증가시키도록 구성된다.
[0007]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 실효 전력을 소싱(sourcing)하여; 실효 전력을 증가시켜; 무효 전력을 흡수하여; 그리고 무효 전력 감소시켜;에 의해 상기 전압을 감소시키도록 구성된다.
[0008]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: a) 적어도 매 마이크로초(microsecond); b) 적어도 매 초(second); 그리고 c) 매 마이크로초(microsecond)와 매 초(second) 사이;를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성된다.
[0009]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: a) 10분 윈도우 이내; 그리고 b) 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서;를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하도록 구성된다.
[0010]
일 실시예 상으로, 상기 송전 네트워크는 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하도록 구성된다.
[0011]
일 실시예 상으로, 상기 장치는 최적 위치에서 회로(circuit)에 연결되도록 구성된다.
[0012]
일 실시예 상으로, 계통 연결(grid connection)로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차(accumulated voltage differential)는 상기 회로를 따른 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%이다.
[0013]
일 실시예 상으로, 계통 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 회로를 따른 총 누적 전압 차의 약 50%이다.
[0014]
일 실시예 상으로, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나: 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차; 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차; 그리고 c) 최대 부하에서 총 누적 전압 차;의 평균이다.
[0015]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드(current mode) 또는 전압 모드(voltage mode)에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0016]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0017]
일 실시예 상으로, 상기 전류 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0018]
일 실시예 상으로, 상기 전압 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0019]
일 실시예 상으로, 상기 장치는 상기 적어도 하나의 연결 상에서 노이즈를 억제하기 위한 하나 이상의 필터를 더 포함한다.
[0020]
일 실시예 상으로, 노이즈를 억제하기 위해 상기 하나 이상의 필터와 상기 DC 접촉기 사이에 연결되는 스너버 회로(snubber circuit)를 더 포함한다.
[0021]
일 실시예 상으로, 상기 중성 연결은 접지로부터 분리된다.
[0022]
일 실시예 상으로, 상기 스위치들은 복수의 탄화규소 MOSFET 스위치를 포함한다.
[0023]
일 실시예 상으로, 상기 스위치들은 상기 적어도 하나의 활선 연결 및 상기 중성 연결에 연결되는 복수의 대칭적인 하프 브리지 토폴로지 암(half-bridge topology arm)을 포함한다.
[0024]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 필터는: 전자기 간섭(EMI; electromagnetic interference) 초크; 노이즈 필터링을 위하여 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 연결되는 차동 모드 초크; 그리고 간섭을 억제하기 위해 상기 스위치들에 연결되는 공통 모드 초크, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0025]
일 실시예 상으로, 상기 스위치들은 다음 중 적어도 하나를 위하여: DC 전력의 부드러운 변동을 위하여; 그리고, 전체 위상 오프셋 범위로 각각의 스위칭 사이클을 완료하기에 충분한 에너지를 저장하기 위하여; 복수의 커패시터를 가진다.
[0026]
일 실시예 상으로, 상기 복수의 커패시터는 오류(fault) 발생 시 상기 커패시터를 방전시키기 위해 페일-세이프(failsafe) 메커니즘에 연결된다.
[0027]
일 실시예 상으로, 상기 캐패시터들은 다층 인쇄회로기판(PCB)과 인터리빙(interleaving) 구조를 통해 연결된다.
[0028]
일 실시예 상으로, 상기 인터리빙 구조는 상기 커패시터들 중 하나의 포지티브 컨택(contact)을 상기 PC의 하나 이상의 포지티브 층에 연결하고 상기 커패시터들 중 하나의 네거티브 컨택을 상기 PCB의 하나 이상의 네거티브 층에 연결하는 하나 이상의 스루홀(through-hole)을 포함한다.
[0029]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 생성된 자기장을 상쇄하기 위해 교번 극성층(alternating polarity layer)들을 정의한다.
[0030]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 8개의 전기 전도성 층을 포함한다.
[0031]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 적어도 2개의 외부 전기 전도성 음극층을 갖는다.
[0032]
일 실시예 상으로, 상기 페일-세이프 메커니즘은: 오류 발생 시 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터의 연결을 끊도록 구성된 하드웨어 안전 장치 메커니즘; 그리고 오류 발생 시 다음 중 적어도 하나로 구성되는 소프트웨어 안전 장치 메커니즘: 상기 커패시터들을 접지에 신속하게 연결 및 분리하도록 구성되고; 그리고 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터를 턴-오프(turn off)시키도록 구성되는, 중 적어도 하나의 메커니즘을 포함한다.
[0033]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 마스터 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 포함한다.
[0034]
일 실시예 상으로, 상기 DC 장비는: 배터리 태양광 발전기; 유체 동력 발전기(hydrokinetic power generator); 그리고, 풍력 발전기, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0035]
일 실시예 상으로, 상기 전송 네트워크 커넥터는: AC 접촉기; AC 릴레이; 그리고, 상기 적어도 하나의 활선 단자 각각에 대한 AC 회로 차단기, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0036]
일 실시예 상으로, 상기 장치는 부하에 연결되도록 구성되고 다음을 포함하는 부하 커넥터: 상기 부하에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 부하 단자; 그리고 상기 부하의 중성 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 부하 중성선 단자, 를 더 포함한다.
[0037]
일 실시예 상으로, 상기 부하 커넥터는 상기 적어도 하나의 부하 단자 각각에 대한 DC 회로 차단기를 포함한다.
[0038]
일 실시예 상으로, 상기 장치는 외부 장비와 통신하기 위해 하나 이상의 전자 제어 장비에 연결되는 통신 인터페이스를 더 포함한다.
[0039]
본 명세서의 일 양상은, 넓은 형태로서, 송전(electricity transmission) 네트워크에서 전력(electrical power)을 조절(regulate)하기 위한 방법을 제안하는 바, 상기 방법은: DC 장비(device)에 연결(connect)되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기(contactor); 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되고 이하를 포함하는 전송 네트워크 커넥터: 상기 송전 네트워크의 적어도 하나의 활선 연결(live connection)에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자(live terminal); 및 상기 송전 네트워크의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되는 중성 단자(neutral terminal); 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치(switch); 및 상기 스위치들에 연결되고 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 연결 (neutral connection) 각각의 전력을 독립적으로 조절하도록 구성되는, 하나 이상의 전자 제어 장비(electronic controlling device)를 포함하는 전력 조절 장치를 이용하고, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비 내에서, 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독(voltage reading)을 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하는 단계; 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하는 단계; 그리고 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0040]
일 실시예 상으로, 상기 전압을 증가시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나: 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하는 단계; 무효 전력을 증가시키는 단계; 실효 전력(real power)을 흡수하는 단계; 그리고 실효 전력을 감소시키는 단계;를 포함한다.
[0041]
일 실시예 상으로, 상기 전압을 감소시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나:실효 전력을 소싱(sourcing)하는 단계; 실효 전력을 증가시키는 단계; 무효 전력을 흡수하는 단계; 그리고 무효 전력 감소시키는 단계;를 포함한다.
[0042]
일 실시예 상으로, 상기 전압 판독을 수신하는 방법은 다음 중 적어도 하나: 적어도 매 마이크로초(microsecond); 적어도 매 초(second); 그리고 매 마이크로초(microsecond)와 매 초(second) 사이;를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성된다.
[0043]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 이동 평균(moving average)을 계산하는 방법은, 다음 중 적어도 하나: 10분 윈도우 이내; 그리고 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서;를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하는 단계를 포함한다.
[0044]
일 실시예 상으로, 상기 송전 네트워크는 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 방법은 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하는 단계를 포함한다.
[0045]
일 실시예 상으로, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 전류 모드(current mode) 또는 전압 모드(voltage mode)에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0046]
일 실시예 상으로, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0047]
일 실시예 상으로, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0048]
일 실시예 상으로, 상기 전압 모드일 때, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0049]
본 명세서의 일 양상은, 넓은 형태로서, 전력 조절 장치가 회로 상에서 연결되기 위한 최적 위치를 결정하는 방법을 제안하는 바, 해당 방법은 상기 회로를 따라 총 누적 전압 차를 결정하는 단계; 그리고 상기 총 누적 전압 차를 기반으로 상기 최적 위치를 계산하는 단계를 포함한다.
[0050]
일 실시예 상으로, 상기 최적 위치를 계산하는 단계는 계통 연결(grid connection)로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차이를 상기 총 누적 전압 차이의 약 40% 내지 60%가 되도록 계산하는 단계를 포함한다.
[0051]
일 실시예 상으로, 상기 최적 위치를 계산하는 단계는 계통 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차를 상기 총 누적 전압 차의 약 50%가 되도록 계산하는 단계를 포함한다.
[0052]
일 실시예 상으로, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나: 최대 병입(feed-in) 시 총 누적 전압 차; 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고, 최대 부하에서 총 누적 전압 차;의 평균이다.
[0053]
본 명세서의 일 양상은, 넓은 형태로서, 양방향 전력 분배 네트워크를 제안하는 바, 해당 양방향 전력 분배 네트워크는 고전압 변압기에 연결된 전력 분배 버스(distribution bus); 상기 전력 분배 버스에 연결된 복수의 중전압 전력 공급 라인(feed line); 각각의 공급 라인에 연결된 복수의 저전압 분배 라인(distribution line)으로, 다음 중 적어도 하나: 하나 이상의 부하; 그리고 하나 이상의 소스(source);에 연결되는 복수의 저전압 분배 라인; 상기 복수의 공급 라인 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 중전압 전력 조절 장치이되: DC 장비와 연결되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기; 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성되고 이하: 상기 중전압 전력 공급 라인의 적어도 하나의 활선 연결에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자; 그리고, 상기 중전압 전력 공급 라인의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자;를 포함하는 전송 네트워크 커넥터; 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치; 그리고, 상기 스위치들에 결합되고, 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여, 상기 중전압 전력 공급 라인의 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 독립적으로 전력을 조절하여, 상이한 부하 및 소스 조건 동안에 상기 전력 분배 버스의 전압을 유지하도록, 상기 스위치들을 제어하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어 장비;를 포함하는 적어도 하나의 중전압 전력 조절 장치를 포함한다.
[0054]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는: 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독을 수신하고; 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고; 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록: 구성된다.
[0055]
일 실시예 상으로, 상기 전력 분배 버스 및 상기 중전압 전력 공급 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나: 약 5kV; 약 7.2kV; 약 10kV; 약 11kV; 약 12.47kV; 약 15kV; 약 20kV; 약 22kV; 약 25kV; 약 33kV; 약 34.5kV; 그리고, 약 35kV, 이다.
[0056]
일 실시예 상으로, 상기 저전압 분배 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나: 약 220V ~ 240V; 약 100V 내지 120V; 약 400V; 그리고, 약 240V, 이다.
[0057]
일 실시예 상으로, 상기 저전압 분배 라인은 저전압 전력 조절 장치에 연결된다.
[0058]
일 실시예 상으로, 상기 미리 정의된 상한 값은 공칭 값(nominal value)보다 5% 높은 것이다.
[0059]
일 실시예 상으로, 상기 미리 정의된 하한 값은 공칭 값보다 5% 낮은 것이다.
[0060]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하여; 무효 전력을 증가시켜; 실효 전력(real power)을 흡수하여; 그리고 실효 전력을 감소시켜; 에 의해 상기 전압을 증가시키도록 구성된다.
[0061]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 실효 전력을 소싱(sourcing)하여; 실효 전력을 증가시켜; 무효 전력을 흡수하여; 그리고 무효 전력 감소시켜,에 의해 상기 전압을 감소시키도록 구성된다.
[0062]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 적어도 매 밀리 초(millisecond)마다; 15-25밀리 초마다; 35-65밀리 초마다; 100-200밀리 초마다; 500-700밀리 초마다; 적어도 매 초(second); 매 마이크로 초(microsecond)와 매 초(second) 사이; 그리고, 2-5초마다; 를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성된다.
[0063]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 2분 윈도우 이내; 6분 윈도우 이내; 10분 윈도우 이내; 15분 윈도우 이내; 20분 윈도우 내; 그리고, 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서,를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하도록 구성된다.
[0064]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 공급 라인은 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하도록 구성된다.
[0065]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 최적 위치에서 상기 중전압 전력 급전 라인에 연결되도록 구성된다.
[0066]
일 실시예 상으로, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%이다.
[0067]
일 실시예 상으로, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 50%이다.
[0068]
일 실시예 상으로, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나: 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차; 최소 병입에서 총 누적 전압 차; 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차; 최대 부하에서 총 누적 전압 차; 최대 병입 및 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고, 최소 병입 및 최대 부하에서 총 누적 전압 차,의 평균이다.
[0069]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드 또는 전압 모드에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0070]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0071]
일 실시예 상으로, 상기 전류 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0072]
일 실시예 상으로, 상기 전압 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다.
[0073]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 상기 적어도 하나의 연결 상에서 노이즈를 억제하기 위한 하나 이상의 필터를 더 포함한다.
[0074]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 노이즈를 억제하기 위해 상기 하나 이상의 필터와 상기 DC 접촉기 사이에 연결되는 스너버 회로(snubber circuit)를 더 포함한다.
[0075]
일 실시예 상으로, 상기 중성 연결은 접지로부터 분리된다.
[0076]
일 실시예 상으로, 상기 스위치들은 복수의 탄화규소 MOSFET 스위치를 포함한다.
[0077]
일 실시예 상으로, 상기 스위치들은 적어도 하나의 활선 연결 및 중성 연결에 연결되는 복수의 대칭적인 하프 브리지 토폴로지 암을 포함한다.
[0078]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 필터는: 전자기 간섭(EMI) 초크; 노이즈 필터링을 위하여 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 연결되는 차동 모드 초크; 그리고, 간섭을 억제하기 위해 상기 스위치들에 연결되는 공통 모드 초크, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0079]
일 실시예 상으로, 상기 스위치는 DC 전력의 변동의 부드러운 변동을 위하여 복수의 커패시터를 가진다.
[0080]
일 실시예 상으로, 상기 복수의 커패시터는 오류(fault) 발생 시 상기 커패시터를 방전시키기 위해 페일-세이프(failsafe) 메커니즘에 연결된다.
[0081]
일 실시예 상으로, 상기 캐패시터들은 다층 인쇄회로기판(PCB)과 인터리빙(interleaving) 구조를 통해 연결된다.
[0082]
일 실시예 상으로, 상기 인터리빙 구조는 상기 커패시터들 중 하나의 포지티브 컨택(contact)을 상기 PC의 하나 이상의 포지티브 층에 연결하고 상기 커패시터들 중 하나의 네거티브 컨택을 상기 PCB의 하나 이상의 네거티브 층에 연결하는 하나 이상의 스루홀(through-hole)을 포함한다.
[0083]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 생성된 자기장을 상쇄하기 위해 교번 극성층(alternating polarity layer)들을 정의한다.
[0084]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 8개의 전기 전도성 층을 포함한다.
[0085]
일 실시예 상으로, 상기 다층 PCB는 적어도 2개의 외부 전기 전도성 음극층을 갖는다.
[0086]
일 실시예 상으로, 상기 페일-세이프 메커니즘은: 오류 발생 시 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터의 연결을 끊도록 구성된 하드웨어 안전 장치 메커니즘; 그리고 오류 발생 시 다음 중 적어도 하나로 구성되는 소프트웨어 안전 장치 메커니즘: 상기 커패시터들을 접지에 신속하게 연결 및 분리하도록 구성되고; 그리고 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터를 턴-오프(turn off)시키도록 구성되는, 중 적어도 하나의 메커니즘을 포함한다.
[0087]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 마스터 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 포함한다.
[0088]
일 실시예 상으로, 상기 DC 장치는: 배터리; 태양광 발전기; 유체 동력 발전기; 그리고, 풍력 발전기, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0089]
일 실시예 상으로, 상기 전송 네트워크 커넥터는: AC 접촉기; AC 릴레이; 그리고, 적어도 하나의 활선 단자 각각에 대한 AC 교류 차단기, 중 적어도 하나를 포함한다.
[0090]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 부하에 연결되도록 구성되고 다음을 포함하는 부하 커넥터: 상기 부하에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 부하 단자; 그리고 상기 부하의 중성 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 부하 중성선 단자, 를 더 포함한다.
[0091]
일 실시예 상으로, 상기 부하 커넥터는 적어도 하나의 부하 단자 각각에 대한 DC 회로 차단기를 포함한다.
[0092]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 외부 장치와 통신하기 위해 하나 이상의 전자 제어 장비에 연결되는 통신 인터페이스를 더 포함한다.
[0093]
본 명세서의 일 양상은, 넓은 형태로서, 양방향 전력 분배 네트워크를 제공하는 방법을 제안하는 바, 상기 방법은 전력 조절 장치를 전력 분배 버스에 연결되는 중전압 전력 공급 라인에 연결하는 단계를 포함하고, 상기 전력 조절 장치는: DC 장비와 연결되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기; 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성되고 이하: 상기 중전압 전력 공급 라인의 적어도 하나의 활선 연결에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자; 그리고, 상기 중전압 전력 공급 라인의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자;를 포함하는 전송 네트워크 커넥터; 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치; 그리고, 상기 스위치들에 결합되고, 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여, 상기 중전압 전력 공급 라인의 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 독립적으로 전력을 조절하여, 상이한 부하 및 소스 조건 동안에 상기 전력 분배 버스의 전압을 유지하도록, 상기 스위치들을 제어하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어 장비;를 포함한다.
[0094]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는: 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독을 수신하고; 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고; 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록: 구성된다.
[0095]
일 실시예 상으로, 상기 전력 분배 버스 및 상기 중전압 전력 공급 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나: 약 5kV; 약 7.2kV; 약 10kV; 약 11kV; 약 12.47kV; 약 15kV; 약 20kV; 약 22kV; 약 25kV; 약 33kV; 약 34.5kV; 그리고, 약 35kV, 이다.
[0096]
일 실시예 상으로, 상기 미리 정의된 상한 값은 공칭 값(nominal value)보다 5% 높은 것이다.
[0097]
일 실시예 상으로, 상기 미리 정의된 하한 값은 공칭 값보다 5% 낮은 것이다.
[0098]
일 실시예 상으로, 상기 전압을 증가시키는 방법은: 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하는 단계; 무효 전력을 증가시는 단계; 실효 전력(real power)을 흡수하는 단계; 그리고 실효 전력을 감소시키는 단계; 를 포함한다.
[0099]
일 실시예 상으로, 상기 전압을 감소시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나: 실효 전력을 소싱(sourcing)하는 단계; 실효 전력을 증가시키는 단계; 무효 전력을 흡수하는 단계; 그리고 무효 전력 감소시키는 단계;를 포함한다.
[0100]
일 실시예 상으로, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나: 적어도 매 밀리 초(millisecond)마다; 15-25밀리 초마다; 35-65밀리 초마다; 100-200밀리 초마다; 500-700밀리 초마다; 적어도 매 초(second); 매 마이크로 초(microsecond)와 매 초(second) 사이; 그리고, 2-5초마다; 를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성된다.
[0101]
일 실시예 상으로, 상기 평균을 계산하는 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비내에서, 다음 중 적어도 하나: 2분 윈도우 이내; 6분 윈도우 이내; 10분 윈도우 이내; 15분 윈도우 이내; 20분 윈도우 내; 그리고, 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서;를 기초로 이동 평균을 계산하도록 구성된다.
[0102]
일 실시예 상으로, 상기 송전 네트워크는 다상 송전 네트워크이고, 상기 방법은 서로 독립적으로 다중 활선 연결의 전압을 변경하는 단계를 포함한다.
[0103]
일 실시예 상으로, 상기 중전압 전력 조절 장치는 최적 위치에서 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성된다.
[0104]
일 실시예 상으로, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%이다.
[0105]
일 실시예 상으로, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 50%이다.
[0106]
일 실시예 상으로, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나: 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차; 최소 병입에서 총 누적 전압 차; 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차; 최대 부하에서 총 누적 전압 차; 최대 병입 및 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고, 최소 병입 및 최대 부하에서 총 누적 전압 차,의 평균이다.
[0107]
일 실시예 상으로, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서, 전류 모드 또는 전압 모드에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0108]
일 실시예 상으로, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서, 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0109]
일 실시예 상으로, 상기 전류 모드일 때, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0110]
일 실시예 상으로, 상기 전압 모드 일 때, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
[0111] 본 발명의 광의의 형태 및 이들의 각각의 특징은 함께 및/또는 독립적으로 사용될 수 있고, 별도의 광의에 대한 언급은 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 또한, 방법의 특징은 시스템 또는 장치를 사용하여 수행될 수 있고 시스템 또는 장치의 특징은 방법을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0112] 이제 본 발명의 다양한 실시예 및 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
[0113] 도 1은 전력 조절 장치의 예의 개략도이다.
[0114] 도 2는 전력 조절 장치의 동작의 일례의 흐름도이다.
[0115] 도 3은 처리 시스템의 예의 개략도이다.
[0116] 도 4는 전력 조절 장치의 예의 개략도이다.
[0117] 도 5a 및 5b는 전력 조절 장치의 인쇄 회로 기판 상의 커패시터의 개략도이다.
[0118] 도 6은 전력 조절 장치의 스위치의 예에 대한 개략도이다.
[0119] 도 7은 전력을 조절하는 방법의 예의 절차 흐름도이다.
[0120] 도 8의 부도면 (a) 내지 (d)는 부하 역률에 따른 전압 차를 나타내는 페이저 다이어그램이다.
[0121] 도 9는 양방향 전력 분배 네트워크의 개략도이다.
[0122] 도 10a는 저전압 오버헤드 분배 네트워크에 대한 태양광 발전 영향을 예시하는 그래프이다.
[0123] 도 10b는 고압 오버헤드 배전 네트워크에 대한 태양광 발전 영향을 예시하는 그래프이다.
[0124] 도 10c는 전압 프로파일에 대한 태양광 발전 효과를 예시하는 그래프이다.
[0125] 도 11은 저전압 전송 네트워크의 개략도이다.
[0126] 도 12a 및 12b는 오버헤드 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0127] 도 13a 및 13b는 전압 조정을 갖는 오버헤드 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0128] 도 14a 및 14b는 지하 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0129] 도 15a 및 15b는 전압 조정을 갖는 지하 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0130] 도 16은 방사상 오버헤드 회로의 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0131] 도 17은 고압 변전소의 개략도이다.
[0132] 도 18은 중전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0133] 도 19는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0134] 도 20은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0135] 도 21은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0136] 도 22는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0137] 도 23은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0138] 도 24는 중전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0139] 도 25는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0140] 도 26은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0141] 도 27은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0142] 도 28은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0143] 도 29는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0144] 도 30은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0145] 도 31은 5차 고조파의 14Vrms 및 7차 고조파의 6Vrms를 갖는 전압 파형을 도시한다.
[0146] 도 32는 전류 모드에서의 단자 전압을 도시한다.
[0113] 도 1은 전력 조절 장치의 예의 개략도이다.
[0114] 도 2는 전력 조절 장치의 동작의 일례의 흐름도이다.
[0115] 도 3은 처리 시스템의 예의 개략도이다.
[0116] 도 4는 전력 조절 장치의 예의 개략도이다.
[0117] 도 5a 및 5b는 전력 조절 장치의 인쇄 회로 기판 상의 커패시터의 개략도이다.
[0118] 도 6은 전력 조절 장치의 스위치의 예에 대한 개략도이다.
[0119] 도 7은 전력을 조절하는 방법의 예의 절차 흐름도이다.
[0120] 도 8의 부도면 (a) 내지 (d)는 부하 역률에 따른 전압 차를 나타내는 페이저 다이어그램이다.
[0121] 도 9는 양방향 전력 분배 네트워크의 개략도이다.
[0122] 도 10a는 저전압 오버헤드 분배 네트워크에 대한 태양광 발전 영향을 예시하는 그래프이다.
[0123] 도 10b는 고압 오버헤드 배전 네트워크에 대한 태양광 발전 영향을 예시하는 그래프이다.
[0124] 도 10c는 전압 프로파일에 대한 태양광 발전 효과를 예시하는 그래프이다.
[0125] 도 11은 저전압 전송 네트워크의 개략도이다.
[0126] 도 12a 및 12b는 오버헤드 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0127] 도 13a 및 13b는 전압 조정을 갖는 오버헤드 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0128] 도 14a 및 14b는 지하 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0129] 도 15a 및 15b는 전압 조정을 갖는 지하 회로를 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0130] 도 16은 방사상 오버헤드 회로의 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0131] 도 17은 고압 변전소의 개략도이다.
[0132] 도 18은 중전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0133] 도 19는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0134] 도 20은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0135] 도 21은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0136] 도 22는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0137] 도 23은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0138] 도 24는 중전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0139] 도 25는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0140] 도 26은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0141] 도 27은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0142] 도 28은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0143] 도 29는 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0144] 도 30은 저전압 분배 피더/급전선을 따른 전압 프로파일 다이어그램이다.
[0145] 도 31은 5차 고조파의 14Vrms 및 7차 고조파의 6Vrms를 갖는 전압 파형을 도시한다.
[0146] 도 32는 전류 모드에서의 단자 전압을 도시한다.
[0147] 도 1을 참조하여 전력 조절 장치의 예를 설명한다.
[0148] 송전 네트워크에서 전력을 조절하도록 구성된 전력 조절 장치(electrical power regulating apparatus)(100). 상기 전력 조절 장치(100)는 DC 접촉기(DC contactor)(110), 전송 네트워크 커넥터(transmission network connector)(120), 복수의 스위치(130), 하나 이상의 필터(140), 하나 이상의 전자 제어 장비(electronic controlling device)(150), 하나 이상의 활선 연결(live connection)(160A, 160B, 160C), 및 중성 연결(neutral connection)(160N)을 포함한다.
[0149] DC 단자(DC terminals)(110A, 110B)를 갖는 상기 DC 접촉기(110)는 DC 장비(미도시)에 연결하도록 구성된다. 상기 DC 장비는 배터리, 태양광 발전기; 유체 동력 발전기, 풍력 발전기 등을 들 수 있다.
[0150] 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 이 예에서 전송 버스(transmission bus)(170)를 통해 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성된다. 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 적어도 하나의 활선 단자(120A, 120B, 120C) 및 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되는 활선 단자들(120A, 120B, 120C)을 포함한다. 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 상기 송전 네크워크의 중성선 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자(neutral terminal)(120N)를 더 포함한다.
[0151] 적어도 하나의 연결(160A, 160B, 160C) 상의 노이즈를 억제하도록 구성된 하나 이상의 필터(140)가 제공된다. 이 예에서, 전송 네트워크 커넥터(120)는 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)을 갖는 하나 이상의 필터(140)에 연결된다. 상기 활선 연결(160A, 160B, 160C)은 각각의 활선 단자(120A, 120B, 120C)에 연결되고, 상기 중성 연결(160N)은 상기 중성 단자(120N)에 연결된다. 그러나, 다른 적절한 구성이 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
[0152] 상기 복수의 스위치(130)는 상기 DC 접촉기에 연결되고 이 예에서 상기 하나 이상의 필터(140), 특히 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)에 연결됨으로써, 상기 전송 네트워크 커넥터에 대한 순방향 연결(onward connectivity)을 제공한다.
[0153] 상기 스위치(140)들은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비(150)와 더 연결된다. 상기 하나 이상의 전자 제어 장비(150)는 상기 DC 단자(110A, 110B)와 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 상기 중성 연결(160N)을 선택적으로 연결하도록 상기 스위치(140)를 제어하여, 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 상기 중성 연결(160N) 각각에 대한 전력을 독립적으로 조절할 수 있도록 구성된다.
[0154] 따라서, 상기 하나 이상의 제어 장비(150)는 상기 스위치(130)들을 제어할 수 있는 임의의 적절한 제어 장비로부터 형성될 수 있고, 마이크로프로세서, 마이크로칩 프로세서, 로직 게이트 구성, FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 기타 전자 장비, 시스템 또는 배열과 같은 로직을 구현하는 것에 선택적으로 연관된 펌웨어를 포함할 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위해 나머지 설명은 전자 제어 장비를 참조하지만, 필요에 따라 장비 간에 분산된 제어와 함께 다중 제어 장비가 사용될 수 있으며, 이에 따라 본 명세서에서 단수(singular)로 표현되는 사항은 복수(plural)를 포함할 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
[0155] 상기 전력 조절 장치(100)의 동작의 예는 이제 도 2를 참조하여 설명된다.
[0156] 이 예에서, 전력 조절 장치(100)는 송전 네트워크에 접속된다. 200 단계에서, 상기 전력 조절 장치(100)의 상기 하나 이상의 상기 활선 단자(120A, 120B, 120C)는 상기 송전망으로부터 전력을 수신하고, 상기 중성선 단자(120N)는 상기 송전망의 상기 중성(neutral) 또는 접지(earth)에 연결된다. 일 예에서, 상기 하나 이상의 활선 단말(120A, 120B, 120C) 각각은 상기 송전 네트워크로부터 개별적인 위상(phase)을 가지는 전력을 수신한다.
[0157] 상기 활선 연결(160A, 160B, 160C)은 상기 AC 전원의 개별적인 위상을 전달하기 위해 각각의 활선 단자(120A, 120B, 120C)에 연결된다. 210 단계에서, 상기 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)를 통해 전달되는 AC 전력은 상기 AC 전력의 노이즈 및/또는 간섭을 필터링하기 위해 상기 하나 이상의 필터(140)를 통과한다.
[0158] 필터링된 AC 전력은 상기 하나 이상의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)을 갖는 상기 스위치(130)들로 전달된다. 220 단계에서, 상기 전자 제어 장비(150)는 상기 하나 이상의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중선 연결(160N)의 스위치(130)들을 제어한다. 상기 스위치(130)들은 상기 DC 단자(110A, 110B)와 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성연결 (160N)을 선택적으로 연결하도록 제어되어, 상기 하나 이상의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N) 각각에 대한 전력이 독립적으로 공급되도록 한다. 이것은, 예를 들어 배터리를 충전하기 위해, 230 단계에서 DC 전력이 상기 DC 단자(110A, 110B)로 출력되도록 한다.
[0159] 대안적으로, 이것은 240 단계에서 상기 DC 장비로부터 상기 DC 단자들로 공급되는 DC 전력이, 상기 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N) 상의 전력을 변조하는 데 사용될 수 있게 한다. 예를 들어, 상기 전력 조절 장치(100)은, 예를 들어 연결에서 전압 또는 전류의 위상, 크기 또는 조건을 조정하여, 상기 하나 이상의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N) 각각에 대한 전력을 독립적으로 조절할 수 있으며, 이는 차례로 각 활선 연결에 대한 불평형 전압 또는 전류 입력을 수용하는 데 사용될 수 있으며 각 활선 연결의 전압 및/또는 전류를 조정할 수 있게 하여 전력을 조절 및/또는 조절한다. 상기 전력 조절 장치(100)가 상기 하나 이상의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N) 각각의 전력을 독립적으로 조절할 수 있기 때문에, 상기 전력 조절 장치(100)가 불평형 부하와 함께 또는 불평형 전원으로 작동하는 것이 허용된다. 이것은 또한 상기 전력 조절 장치(100)가 3상, 2상 및 단상 시스템 중 어느 하나로 구현될 수 있게 하고, 시스템의 전압 및/또는 전류를 조절하도록 동작한다.
[0160] AC-DC 전력 시스템에 대해 여기에서 설명된 전력 조절 장치(100)는 단지 예시적인 것임을 이해해야 한다. 상기 전기 조절 장치(100)는 DC-대-AC 전력 시스템, AC-대-AC 전력 시스템 또는 DC-DC 전력 시스템을 조절할 수 있다.
[0161] 여기서 여러 추가 기능에 대해 설명된다.
[0162] 상기 전자 제어 장비는 전류 모드 또는 전압 모드에서 작동하도록 상기 스위치들를 제어하도록 구성된다. 또한, 상기 전자 제어 장비는 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경 변경하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다. 이를 통해 상기 전력 조절 장치는 출력 요구 사항(output requirement)을 충족하고 요구 사항이 변경될 때 모드 간 전환에 적합한 전압 또는 전류를 제공할 수 있다.
[0163] 따라서, 상기 전류 모드에 있을 때, 상기 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자 각각이 미리 정의된 전류 파형을 갖도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성된다. 유사하게, 상기 전압 모드에 있을 때, 상기 전자 제어 장비는 상기 스위치들을 제어하여 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자 각각이 미리 저의된 전압 파형을 갖도록 구성된다. 이를 통해 상기 전력 조절 장치는 상기 DC 장비 또는 송전 네트워크의 요구 사항을 충족하는 전압 또는 전류 파형을 제공할 수 있다.
[0164] 상기 전력 조절 장치는 노이즈를 억제하기 위해 상기 하나 이상의 필터와 상기 DC 접촉기 사이에 연결되는 스너버 회로(snubber circuit)를 더 포함할 수 있다.
[0165] 일례에서, 상기 중성 연결은 하나 이상의 커패시터 등을 사용하여 달성될 수 있는 송전 네트워크의 접지와 같은 접지로부터 분리된다. 이를 통해 상기 중성 연결을 조절하거나 변조할 수 있으므로 시스템이 제공할 수 있는 전체 제어 측면에서 더 큰 유연성을 제공한다.
[0166] 상기 스위치들은 상기 적어도 하나의 활선 연결과 중성 연결에 연결하는 복수의 대칭적인 하프 브리지 토폴로지 암(half-bridge topology arm)일 수 있으며, 이는 상기 활선 연결과 중성 연결의 선택 가능한 스위칭을 허용한다. 또한, 상기 스위치들은 실리콘 카바이드 MOSFET 스위치일 수 있으며, 이는 유리하게는 상기 스위치들이 물리적으로 컴팩트하도록 허용한다.
[0167] 일 예에서, 상기 하나 이상의 필터는, 전자기 간섭(EMI) 초크; 노이즈 필터링을 위해 적어도 하나의 활선 연결 및 상기 중성 연결에 연결된 차동 모드 초크(differential-mode choke); 및 간섭을 억제하기 위해 상기 스위치들에 연결된 공통 모드 초크(common-mode choke); 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 하나 이상의 필터는 상기 송전 네트워크 또는 스위치로들부터의 잡음 또는 간섭을 유리하게 제거한다.
[0168] 상기 스위치들은 전체 위상 오프셋 범위(full-phase offset range)로 각 스위칭 사이클을 완료하고 따라서 DC 전력의 부드러운 변동을 완료하기 위해 충분한 에너지를 저장하도록 구성된 복수의 커패시터를 가질 수 있고, 이를 통해 DC 전력을 최소한의 변동으로 공급하여 DC 장치 보호를 용이하게 할 수 있다. 상기 커패시터는 필름 커패시터, 세라믹 커패시터 및 전해 커패시터 중 어느 하나일 수 있다. 다른 유형의 커패시터도 적합할 수 있음을 이해될 수 있다.
[0169] 상기 복수의 커패시터는 다층 PCB와 인터리빙 구조로 연결되어 PCB 트랙에 의한 노이즈를 더욱 최소화할 수 있다. 일 예에서, 상기 인터리빙 구조는 상기 커패시터들 중 하나의 포지티브 컨택(contact)을 상기 PCB의 하나 이상의 포지티브 층에 연결하고, 상기 커패시터들 중 하나의 네거티브 컨택을 상기 PCB의 하나 이상의 네거티브 층에 연결하는 하나 이상의 스루홀(through-hole)을 포함한다. 추가적으로, 상기 다층 PCB는 상기 PCB의 각 층에 의해 생성된 자기장을 상쇄하기 위해 교번 극성층(alternating polarity layer)을 정의할 수 있다. 일 예에서, 상기 다층 PCB는 전기 전도성 네거티브 층을 갖는 8개의 전기 전도성 층을 포함하고, 상기 네거티브 층 중 2개는 외부 층이고 층 사이의 교번 극성을 가질 수 있다.
[0170] 일 예에서, 상기 복수의 커패시터는 오류(fault)가 발생한 경우 상기 커패시터들을 방전하기 위해 페일-세이프(failsafe) 메커니즘에 추가로 연결될 수 있다. 상기 오류는 과전류, 전압 오버슈트, 전력 손실, 제어 장비 오류 및/또는 통신 오류일 수 있다.
[0171] 상기 페일-세이프 메커니즘은 하드웨어 페일-세이프 메커니즘 및/또는 소프트웨어 페일-세이프 메커니즘일 수 있다. 이 예에서 하드웨어 페일-세이프 메커니즘은 오류 발생 시 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터의 연결을 끊도록 구성되는 반면 소프트웨어 페일-세이프 메커니즘은 상기 커패시터들를 접지에 신속하게 연결 및 분리하도록 구성되거나; 및/또는 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터를 턴-오프(turn off)하도록 구성된다. 상기 페일-세이프 메커니즘은 MOSFET 스위치, 마이크로컨트롤러와 같은 장치의 전자 장치가 과전류 또는 전압 오버슈트에 의해 손상되는 것을 방지한다.
[0172] 상기 전자 제어 장비는 마스터 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 포함할 수 있다.
[0173] 상기 전송 네트워크 커넥터는 AC 접촉기; AC 릴레이; 및 상기 적어도 하나의 활선 단자 각각을 위한 AC 회로 차단기를 포함한다.
[0174] 추가적으로, 상기 전력 조절 장치는 부하에 연결하기 위한 부하 커넥터를 포함할 수 있다. 상기 부하 커넥터는 상기 부하에 연결되는 적어도 하나의 부하 단자와, 상기 부하의 중성 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되는 부하 중성 단자를 포함할 수 있다. 유사하게, 상기 부하 커넥터는 상기 적어도 하나의 부하 단자 각각에 대한 DC 회로 차단기를 포함할 수 있다.
[0175] 상기 전력 조절 장치는 외부 장치와 통신하기 위해 전자 제어 장치에 연결되는 통신 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 상기 통신 인터페이스는 WAN, 블루투스, WLAN 및/또는 상기 전력 조절 장치가 외부 컴퓨터에 의해 제어 또는 구성될 수 있도록 하는 적절한 직렬 포트일 수 있다.
[0176] 전자 제어 장비의 예는 도 3을 참조하여 설명된다.
[0177] 이 예에서, 상기 전자 제어 장비(160)는, 도시된 바와 같이, 버스(304)를 통해 상호 연결되는, 적어도 하나의 마이크로프로세서(300), 메모리(301), 키보드 및/또는 디스플레이와 같은 선택적 입/출력 장치(302), 인터페이스(303)를 포함한다. 이 예에서 상기 인터페이스(303)는 상기 전자 제어 장비(160)를 통신 네트워크 등과 같은 주변 장치에 연결하기 위해 사용될 수 있다.
[0178] 사용 시, 상기 마이크로프로세서(300)는 상기 전자 제어 장비(160)를 제어하는 것을 포함하여 필요한 프로세스가 수행되도록 하기 위해 상기 메모리(301)에 저장된 애플리케이션 소프트웨어 형태의 명령을 실행한다. 상기 애플리케이션 소프트웨어는 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 포함할 수 있으며, 운영 체제(OS) 환경 등과 같은 적절한 실행 환경에서 실행될 수 있다.
[0179] 따라서, 상기 전자 제어 장비(160)는 임의의 적절한 제어 시스템으로부터 형성될 수 있고 마이크로프로세서, 마이크로칩 프로세서, 로직 게이트 구성, FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 로직 구현과 선택적으로 연관된 펌웨어 또는 기타 모든 전자 장치, 시스템 또는 배열과 같은 전자 처리 장치를 포함할 수 있다.
[0180] 그러나, 하기 예/실시예의 목적을 위해 가정된 상술한 구성이 필수적인 것은 아니며, 수많은 다른 구성이 사용될 수 있음이 이해될 수 있다. 또한, 상이한 프로세싱 시스템들 사이의 기능의 분할은 특정 구현에 따라 변할 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
[0181] 상기 전력 조절 장치의 일 예는 이하 도 4를 참조하여 더 상세히 설명된다.
[0182] 송전 네트워크에서 전력을 조절하도록 구성된 전력 조절 장치(400). 상기 전력 조절 장치(400)는 DC 접촉기(410), 복수의 커패시터(431), 복수의 스위치(430), 공통 모드(CM; common-mode) 초크(441), 차동 모드(DM; differential-mode) 초크(442), EMI 초크(443), 그리드/계통(grid) 커넥터 및 로드/부하 커넥터를 포함한다. 상기 그리드 커넥터는 AC 커넥터(421), AC 릴레이(422), AC 회로 차단기(423) 및 3개의 AC 단자(420A, 420B, 420C) 및 AC 중성 커넥터(420N)를 포함한다. 상기 부하 커넥터는 부하 회로 차단기(471)와 3개의 부하 단자(470A, 470B, 470C) 및 부하 중성 커넥터(470N)를 포함한다. 상기 전력 조절 장치(400)는 또한 3개의 연결(460A, 460B, 460C) 및 중성 연결(460N)을 포함한다. 상기 3개의 연결(460A, 460B, 460C)은 상기 AC 단자(420A, 420B, 420C)와와 함께 각각의 활선 연결에 연결된다. 중성 연결.
[0183] 상기 DC 단자(410A, 410B)들을 갖는 DC 접촉기(410). 상기 DC 단자(410A, 410B)들은 배터리 및 저전압(LV; low volate) 태양광 발전기에 연결하도록 구성된다. 이 예에서, 상기 DC 접촉기(410)는 두 단자(410A, 410B)를 스위칭하기 위한 적어도 하나의 기계적 스위치를 포함한다. 기계식 스위치들은 견고하고 신뢰할 수 있으며 전기 안전을 개선하기 위해 전압 및 전류에서 높은 차단(breaking) 기능을 갖도록 구성할 수 있다.
[0184] 일 실시예에서, 안전 연동 메커니즘(즉, 세이프티 인터로킹(safety interlocking) 메커니즘)이 구현된다. 상기 안전 연동 메커니즘은 여러 AC 접촉기에 연동하거나, 및/또는 상기 AC 및 AC 및 DC 접촉기들에 모두 연동하는 것을 포함할 수 있다. 상기 안전 연동 메커니즘은 상기 제어 장비(451, 452) 중 하나와 같은 온보드(on-board) 프로세서와 전원을 켜기 위한 보조 외부 프로세서를 사용할 수 있다. 상기 온보드 프로세서는 상기 전력 조절 장치(400)의 상태를 모니터링하는 반면 상기 외부 프로세서는 배터리 전압 및/또는 배터리 극성과 같은 안전 고려 사항에서 모니터링할 수 있다. 두 프로세서는 상기 접촉기를 작동하기 전에 서로 교차 확인한다.
[0185] DC 버스 센서(410C)는 상기 DC 단자(410A, 410B)들에서 전류를 모니터링하도록 구현된다. 상기 DC 버스 센서(410C)는 상기 제어 장비(451)에 연결되고 누설 전류(leakage current) 또는 잔류 전류(residual current)가 검출되게 한다. 예에서, 상기 DC 버스 센서(410C)에 대해 시그마-델타 구성(Sigma-Delta configuration)이 사용되며, 이는 센싱에서 고전압 절연 및 정확도를 제공한다.
DC 커패시터들
[0186] 상기 DC 컨택터(410)는 상기 커패시터(431)들를 통해 상기 스위치(430)들에 접속된다. 이 예에서, 상기 커패시터(431)들은 폴리프로필렌 커패시터이다. 상기 폴리프로필렌 커패시터는 상대적으로 높은 리플(ripple) 전류로 작동할 수 있어 사용자가 커패시터 수명을 감소시키지 않으면서 고차 고조파(higher order harmonics)를 제어할 수 있다. 상기 폴리프로필렌 커패시터는 또한 자가 치유(self-healing) 기능이 있어 커패시터의 크기를 줄여 필요한 커패시턴스를 제공하고 과도 전압(transient voltage)을 수용할 수 있다.
[0187] 이 예에서, 상기 전력 조절 장치(400)에는 12개의 커패시터가 있다. 상기 커패시터들은 3x4 어레이 배열로 다층 인쇄 회로 기판(PCB)에 실장된다. 상기 커패시터들을 연결하는 트랙은 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 인터리빙 구조의 다층 PCB 상에 위치한다. 상기 인터리빙 구조는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 보다 구체적으로 설명된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 12개의 커패시터는 교번 극성(alternating polarity) 방식으로 기판(520) 상에 배치된다. 따라서 커패시터(511)의 양극 컨텍/접점(contact)은 커패시터(512)의 음극 컨텍/접점에 인접하게 위치한다. 또한 상기 기판(520)은 8개의 층을 가지며 각 층은 구리로 도금되어 해당 층을 전도성으로 만들어 '트레이스(trace)' 인덕턴스 효과를 최소화한다. 해당 레이어들은 커패시터 컨텍/접점의 양극 또는 음극에 연결되어 해당 레이어들의 극성이 번갈아 가며 형성된다.
[0188]
도 5B를 참조하면, 커패시터(510)는 포지티브 컨택/접점(510a) 및 네거티브 컨택/접점(510b)을 갖는다. 포지티브 컨택(510b)은 기판(520)의 쓰루홀/관통홀('비아(via)'라고도 함) 구조(520a)에 의해 제2층(522), 제5층(525) 및 제7층(527)과 접촉한다. 네거티브 컨택(510b)은 상기 제1 층(521) 상에 납땜되는 한편, 쓰루홀 구조(520b)를 갖는 다른 층(523, 524, 526, 528)과 접촉한다. 유사하게, 커패시터(511, 512)들은 도 5b에 도시된 바와 같이 쓰루홀 구조(520c, 520d 및 520e, 520f)를 갖는 기판(520)에 연결된다. 한 예에서 상기 인터리빙 구조는 레이어당 약 2 oz 구리가 있는 8개의 레이어를 사용하고 해당 레이어들은 두께가 약 0.4mm인 FR4 PCB 재료로 분리된다. 다른 시스템 요구 사항에 따라 다른 적절한 재료 및/또는 두께가 사용될 수 있다는 점은 고려되어야 한다.
[0189] 상기 인터리빙 구조는 전류가 다중 층에 걸쳐 분포됨에 따라 기생 인덕턴스가 감소되도록 한다. 또한 인덕턴스를 유도하는 레이어에 '트랙(track)'이 없다. 극성이 교차/교번하는 병렬 레이어는 커패시터를 보완하기 위해 기생 커패시턴스를 증가시킬 수 있다. 설명한 바와 같이 양극과 음극 사이에 판 패턴이 교대로 있어 기생 인덕턴스를 최소화하고 총 커패시턴스를 증가시킨다. 이것은 또한 와전류 순환(eddy current circulation)이 적기 때문에 등가 직렬 저항(ESR; equivalent series resistance)과 온도를 향상신다(자장에서 유도된 전류가 트레이스/와이어(traces/wires)와 상호 작용하는 현상). 보다 안정적인 온도에서는 작동 중 온도로 인한 정전 용량의 변화가 감소한다.
[0190]
이 예에서, 상부 층(521) 및 하부 층(528)은 음(negative)이고, 따라서 보드(520)는 최소 전자기 간섭(EMI; minimal electromagnetic interference)을 갖고 따라서 전자기 호환성(EMC; electromagnetic compatibility)의 개선을 갖는다. 상기 인터리빙 구조는 또한 보드(520) 내에서 유도되는 EMI 전류를 감소시키고, 그에 따라 보드(520) 내 잡음의 전체 크기를 감소시킨다.
[0191]
상기 전력 조절 장치(400)는 또한 상기 커패시터(432)들를 접지에 연결하고 오류(fault)가 발생한 경우 커패시터의 방전을 제어하는 페일-세이프 시스템(433)을 포함한다. 상기 페일-세이프 시스템(433)은 소프트웨어 페일-세이프 메커니즘 및 하드웨어 페일-세이프 메커니즘을 포함한다. 전압 이상이 감지되면 상기 소프트웨어 페일-세이프 메커니즘은 상기 커패시터들을 빠르게 켜고 꺼서(on and off) 상기 커패시터들을 안전하게 방전한다. 또한 전원이 끊긴 경우 상기 하드웨어 안전 장치 메커니즘은 상기 DC 및 AC 접촉기를 개방(open)한다. 상기 하드웨어 페일-세이프 메커니즘에는 외부 DC 배터리 퓨즈(fuse)와 외부 AC 그리드 퓨즈도 포함된다.
스위치들
[0192]
커패시터(431)들은 3개의 연결(460A, 460B, 460C) 및 중성 연결(460N) 각각을 변조하기 위한 스위치(430)들에 연결된다. 도 6은 3개의 연결부(460A, 460B, 460C) 및 중성 연결부(460N) 각각에 연결되는 4개의 대칭 하프 브리지 토폴로지 암(430A, 430B, 430C, 430N)을 포함하는 스위치(430)들의 예를 도시한다. 각 대칭형 하프 브리지 토폴로지 암에는 2개의 MOSFET 스위치가 포함된다. 이 예에서 상기 MOSFET 스위치들은 실리콘 카바이드 스위치, 특히 ROHM 표준을 준수하는 1200V 55A SCT3040 MOSFET이다.
[0193]
상기 스위치(430)들의 상승 시간(rise time), 하강 시간(fall time) 및 데드 타임(dead-time)과 같은 스위칭 특성은 성능을 최적화하기 위해 하드웨어 설계 및/또는 상기 제어 장비(451, 452)들에 의해 구성될 수 있다. 상기 스위치(430)들은 특정 절연 장비가 사용됨에 따라 1차 측(primary side)에서 2차 측(secondary side)으로의 커패시턴스가 감소하기 때문에 더 높은 스위칭 주파수(약 100kHz)에서 작동할 수 있다. 이것은 또한 고전압 절연 장벽이 잡음 내성을 증가시키고 1차 측과 2차 측 사이에 고전압 보호를 제공하도록 한다. 상기 스위치(430)들은 EMI/EMC 요건을 충족시키기 위해 시간 경과에 따른 전압 변화(dv/dt)를 감소시키는 스너버 회로(433)를 더 포함할 수 있다.
CM 초크(choke)
[0194]
상기 CM 초크(441)는 고주파 공통 모드 전류를 억제 및/또는 거부하기 위해 상기 스위치(430)들에 연결된다. 상기 활선 연결(460A, 460B, 460C) 및 중성 연결(460N)는 상기 CM 초크(441)에 연결되고 코어를 통과한다. 상기 CM 초크(441)의 코어는 분말 코어일 수 있으며, 낮은 손실로 높은 주파수에서 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 CM 초크(441)는 또한 낮은 에너지 손실을 유지하면서 더 넓은 온도 범위 조건에서 작동하도록 구성된다. 또한, 일 예에서, 상기 CM 초크(441)는 상기 전력 조절 장치(400)의 외부 샤시(chassis)로부터 절연되어, 주변 장비에 대한 고주파 자기 결합을 최소화할 수 있다. 상기 CM 초크(441)의 권선(windings)은 비-인터리브 구조로 되어 인접 도체로 전파되는 커플링 노이즈를 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 상기 권선은 저주파 및 고주파에서 구리 손실을 최소화하는 구리 플랫 바 권선(copper flat bar winding)일 수 있다. 플랫 바 권선은 라운드 와인딩과 비교할 때 표피 효과(skin effect)를 감소시킬 수도 있다. 상기 플랫 바 권선의 증가된 표면적은 상기 CM 초크(441)의 열 분산에 도움이 될 수 있다.
DM 초크
[0195]
상기 CM 초크(441)는 대역통과(bandpass) 필터처럼 작동하고 상기 스위치(430)들에 의해 생성된 PWM으로부터 고주파수를 평활화(smooth)하는 DM 초크(442)에 결합된다. 상기 DM 초크(442)는 EE 코어로 구성된 개별 차동 모드 인덕터를 포함할 수 있다. 상기 EE 코어는 토로이달(toroidal) 코어와 비교할 때 작고 제조하기 쉽다. 또한 상기 EE 코어는 고주파 노이즈와 표유 자기장(stray magnetic field)으로부터 보호할 수 있다. 또한, DM 초크(442)의 코어는 고포화점 분말 코어 재료로 이루어질 수 있으므로, 상기 DM 초크(442)는 저손실로 고주파에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이것은 상기 DM 초크가 일관된 필터 성능을 갖도록 하고 인덕터가 단기간에 과대 평가된 용량을 갖도록 한다. 상기 DM 초크(441)는 낮은 에너지 손실을 유지하면서 더 넓은 온도 범위 조건에서 작동하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 DM 초크(442)는 상기 전력 조절 장치(400)의 외부 섀시와 절연되어 주변 기기와의 고주파 자기 결합을 최소화할 수 있다.
[0196] 상기 DM 초크(442)의 권선은 저주파 및 고주파에서 구리 손실을 최소화하기 위해 얇고 편평한 구리 필름일 수 있는 구리 필름 권선을 포함한다. 또한 구리 필름 권선은 원형 권선에 비해 표피 효과(skin effect)를 감소시킬 수 있다. 필름 와인딩의 증가된 표면적은 DM 초크(442)의 열 분산에 도움이 될 수 있다. 필름 와인딩의 사용은 또한 크기 및/또는 표피 효과 손실을 손상시키지 않으면서 권수를 증가시킬 수 있다.
EMI 필터
[0197] 상기 DM 초크(442)는 고주파 전자기 간섭을 걸러내는 EMI 필터(443)에 연결된다. 이는 표유 공통 모드 전류가 그리드/계통으로 내보내지는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있으며 그리드/계통에서 제어 회로에 영향을 미치는 공통 모드 전류를 방지할 수 있다. 상기 EMI 필터(443)는 나노-결정질 재료를 갖는 링 코어를 포함한다. 고체 에나멜 구리 와이어는 특히 50Hz에서 구리 손실을 최소화하기 위해 코어 재료 주위에 사용할 수 있다. 상기 EMI 필터(443)는 누설 인덕턴스를 최소화하기 위해 대칭적인 권선을 포함한다. 상기 EMI 필터(443)는 또한 PCB 설계에 Y 커패시터(Y2 정격(rated))를 포함할 수 있다.
[0198] 전류 및/또는 전압 측정은 상기 전력 조절 장치(400)의 임의의 지점에서 구현될 수 있는 것으로 이해된다. 일 예에서, AC 전류 및 전압 측정은 상기 DM 초크(442)와 상기 EMI 초크(443) 사이에서 구현된다. AC 전류는 LEM(100-p) 100A 고정밀 홀 효과 센서로 측정할 수 있다.
[0199]
상기 전력 조절 장치(400)는 상기 DM 초크(442)와 상기 EMI 초크(443) 사이에 클래스 X 커패시터(X2 정격(rated))들을 포함한다. 상기 X 커패시터들은 고전압 과도 현상을 최소화하기 위해 고전압 애플리케이션에 유용할 수 있다. 이것은 또한 PCB의 전원 트레이스(power trace)로부터 신호 트레이스(signal trace)를 보호하고 1차 측(primary side)에서 2차 측(secondary side)으로 보호 기능을 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 디커플링 커패시터를 통한 중성 연결(460N)을 위해 이 지점에서 접지 링크가 제공된다.
부하 콘텍터(Load Contactor)
[0200] 이 예에서, 상기 전력 조절 장치(400)는 상기 부하 커넥터를 포함하므로 상기 전력 조절 장치(400)는 상기 그리드에 연결되어 있는 동안 UPS 기능을 제공할 수 있다. 상기 부하 커넥터는 각 활선 연결(460A, 460B, 460C)에 대해 63A 회로 차단기(471)를 가진다. 상기 커넥터는 암페놀(Amphenol) 커넥터일 수 있다. 상기 전력 조절 장치(400)는 부하 성분(load component)과 일치하도록 고조파 성분(harmonic component)을 보상할 수 있으므로, 이를 통해 고조파 성분이 관리되고 상기 그리드에 통과되지 않도록 할 수 있다. 이것은 또한 부하에 "깨끗한" AC 소스를 제공한다. 상기 전력 조절 장치(400)는 중성 연결(460N)이 변조될 수 있기 때문에 불균형 부하 조건으로 동작할 수 있다.
[0201] 이것은 부하가 3상, 2상 또는 단상 부하인지 여부에 관계없이 상기 전력 조절 장치(400)가 부하에 대한 소스가 될 수 있게 한다. 이것은 농기구, 컨베이어 벨트, 냉장고 등과 같은 대형 유도 기계가 있는 오프 그리드 부하(off grid load)에 특히 유용하다.
AC 접촉기
[0202]
상기 AC 접촉기(421)는 상기 그리드/계통에 연결하기 위해 상기 EMI 필터(443)에 연결된다. 상기 AC 접촉기(421)는 4W 미만과 같이 낮은 전력 소비를 갖는 38kW 차단 용량을 갖는 Semmens 3상(AC-3 정격) 접촉기일 수 있다. 상기 AC 접촉기(421)는 또한 견고하고 신뢰성이 높으며 짧은 스위치 온 및 오프 (switch on and off) 응답 시간을 제공하면서 높은 고장 전류를 차단할 수 있다. 상기 AC 접촉기(421)는 상기 제어 장비(451, 452) 중 적어도 하나와 통신하는 내부 센서를 포함할 수 있으므로 AC 접촉기 작동 상태가 모니터링 및 제어된다.
AC 릴레이
[0203]
AC 릴레이(422, 422a, 422b)는 추가 절연을 제공하기 위해 상기 AC 접점(421)과 상기 그리드 사이에 결합된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 중성 연결(460N)은 2개의 AC 릴레이(422a, 422b)에 개별적으로 결합된다. 상기 AC 릴레이(422, 422a, 422b)들은 상기 제어 장비(451, 452) 중 적어도 하나와 통신한다. 또한, 상기 AC 접촉기(421) 및 상기 AC 릴레이(422)는 서로 다른 제어 장비(451, 452)에 의해 제어된다. 이는 상기 AC 접촉기(421) 및 AC 릴레이(422)가 추가적인 안전을 제공하는 인터로킹을 수행하게 한다. 유사하게, 2개의 AC 릴레이(422a, 422b)는 또한 중성 연결(460N)에 추가적인 안전을 제공하기 위해 상이한 제어 장비(451, 452)에 의해 제어된다.
회로 차단기(Circuit Breaker)
[0204] 상기 부하 연결 회로 차단기(471)와 유사하게, 상기 회로 차단기(423)는 상기 AC 단자(420A, 420B, 420C)와 상기 AC 접촉기(421) 사이의 절연 장벽을 형성하기 위해 각각의 활선 연결에 연결된다. 이것은 상기 전력 조절 장치(400)에 추가적인 과전류 보호를 제공한다. 상기 회로 차단기(423)는 다양한 온도에서 작동을 허용하고 온도로 인한 조기 파손이 없도록 정격이 63A이다.
MCU
[0205]
상기 제어 장비(451, 452)는 2개의 온-보드 마이크로프로세서일 수 있다. 제1 마이크로프로세서(451)는 상기 장치(400)의 동작을 제어하기 위한 실행 가능한 프로그램들을 포함하고, 제2 마이크로프로세서(452)는 안전 인터로킹 제어기로서 기능한다. 아날로그 측정(451a) 및 온도 측정(452a)은 각각 마이크로프로세서(451, 452)에 연결될 수 있다. 또한, 통신 인터페이스(453)는 상기 마이크로프로세서(451, 452)에도 연결된다. 상기 통신 인터페이스(453)는 Modbus(TCP/IP), USB, RS232/485, 이더넷, DRM(demand response mode/요구 응답 모드) 통신을 위한 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다. 이것은 외부 프로세서가 상기 장치(400)를 모니터링, 제어 및/또는 구성하기 위해 상기 장치(400)와 통신하는 것을 허용한다.
[0206]
상기 전력 조절 장치는 적어도 다음과 같은 이점을 제공한다:
- 20밀리초 미만의 빠른 응답
- 지속적인 전압 제어
- 깜박임 문제 해결
- 전압 불균형 문제 해결
- 낮은 전력 손실
- 415V 3상 출력을 생성하고 3상 시스템을 하나의 배터리에 연결할 수 있. 이는 장치 당 하나의 배터리 및 배터리 관리 시스템만 필요하다는 점에서 비용 이점을 제공한다. 이것은 또한 MOSFET을 사용하여 가능해진 더 높은 변조 주파수로 인해 더 작은 단위를 초래한다. 더 작은 크기는 더 작은 캐비닛을 의미하므로 공간과 재료를 모두 절약한다.
- 4사분면(four-quadrant) 장비이므로 유효(active) 전력과 무효(reactive) 전력을 유연하게 관리할 수 있다. 이는 배터리 에너지 저장 시스템, 태양광 발전(PV) 설치 및 전력 분배 시스템 전압 관리에 유리하다.
- 전해 콘덴서를 사용하지 않아 커페시터 및 기타 부품이 모두 고품질 부품으로 신뢰성이 있다.
- 프로그램에 따라 자동으로 작동할 수 있으며 유지 관리 및 서비스가 거의 필요하지 않는다.
VAR (Volt-Amp Reactance) 관리
[0207]
전력을 조절하는 방법의 예는 도 7을 참조하여 설명된다.
[0208]
이 예에서, 송전 네트워크에서 전력을 조절하는 방법은 위에서 설명된 것과 실질적으로 유사한 전력 조절 장치(100)를 사용하는 것을 포함한다. 상기 전력 조절 장치(100)는 DC 접촉기(110), 전송 네트워크 커넥터(120), 복수의 스위치(130), 하나 이상의 전자 제어 장비(150), 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)을 포함한다. 상기 DC 단자(110A, 110B)들을 갖는 상기 DC 접촉기(110)는 DC 장비(미도시)에 연결하도록 구성된다. 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 이 예에서 전송 버스(transmission bus)(170)를 통해 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성된다. 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 적어도 하나의 활선 단자(120A, 120B, 120C) 및 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되는 활선 단자들(120A, 120B, 120C)을 포함한다. 상기 전송 네트워크 커넥터(120)는 상기 송전 네크워크의 중성선 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자(neutral terminal)(120N)를 더 포함한다.
[0209] 상기 복수의 스위치(130)는 상기 DC 접촉기에 연결되고 이 예에서 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 중성 연결(160N)에 연결됨으로써 상기 전송 네트워크 커넥터에 대한 순방향 연결을 제공한다. 상기 하나 이상의 필터(140)는 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 상의 노이즈 및/또는 간섭을 필터링하기 위해 상기 스위치(130)들과 상기 적어도 하나의 활선 단자(120A, 120B, 120C) 사이에 선택적으로 구현될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
[0210] 상기 스위치(140)들은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비(150)와 더 연결된다. 상기 하나 이상의 전자 제어 장비(150)는 상기 DC 단자(110A, 110B)와 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 상기 중성 연결(160N)을 선택적으로 연결하도록 상기 스위치(140)를 제어하여, 상기 적어도 하나의 활선 연결(160A, 160B, 160C) 및 상기 중성 연결(160N) 각각에 대한 전력을 독립적으로 조절할 수 있도록 구성된다.
[0211] 따라서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비(150)는 상기 스위치(130)들을 제어할 수 있는 임의의 적절한 제어 장비로부터 형성될 수 있고, 마이크로프로세서, 마이크로칩 프로세서, 로직 게이트 구성, FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 기타 전자 장비, 시스템 또는 배열과 같은 로직을 구현하는 것에 선택적으로 연관된 펌웨어를 포함할 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위해 나머지 설명은 전자 제어 장비를 참조하지만, 필요에 따라 장비 간에 분산된 제어와 함께 다중 제어 장비가 사용될 수 있으며, 이에 따라 본 명세서에서 단수(singular)로 표현되는 사항은 복수(plural)를 포함할 수도 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
[0212] 사용시, 상기 장치는 정의된 한계 내에서 전압을 유지하기 위해 네트워크의 전압을 조정하도록 구성된다. 이를 달성하기 위해, 상기 장치는 하나 이상의 전자 제어 장비(150)가 700 단계에서 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독(voltage reading)을 수신하도록 구성된다. 다상 네트워크 또는 단상 네트워크의 단일 활선 연결. 여기에는 다상 네트워크의 여러 위상에 해당하는 여러 활선 연결 각각에 대한 전압이 포함되거나 단상 네트워크의 단일 활선 연결에 대한 전압이 포함될 수 있다.
[0213]
이어서, 710 단계에서, 상기 하나 이상의 제어 장비(150)는 하나 이상의 활선 연결에 대한 전압 판독의 평균을 계산한다. 상기 평균은 일반적으로 몇 초에서 몇 분과 같은 설정된 시간 동안의 이동 평균이지만 이것이 필수는 아니며 다른 평균을 사용할 수도 있다.
[0214] 720 단계에서, 상기 하나 이상의 제어 장비는, 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 더 큰 것인지를 결정한다. 만약 더 크다면, 730 단계에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 스위치들을 제어하여 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장치에 선택적으로 연결하고 이에 의해 상기 적어도 하나의 활선 연결 상의 전압을 감소시킨다.
[0215] 만약 큰 경우가 아니라면, 740 단계에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작은지를 결정한다. 만약 작다면 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 스위치들을 제어하여 750 단계에서 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결함으로써 상기 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시킨다.
[0216] 따라서, 전술한 방법 및 장치는 상기 전력 조절 장치를 사용하여 전력 전송 네트워크 상의 하나 이상의 활선 연결, 그리고 하나의 특정 예에서 상기 송전 네트워크의 공급(feeder) 라인 상에서 공급되는 전력을 조절한다. 특히, 상기 장치는 DC 부하 또는 소스와 같은 DC 장비에 활선 연결 및/또는 중성 연결을 선택적으로 연결하여 작동하므로, 네트워크의 전력 공급 또는 전력 소모에 관계없이 네트워크의 전압 레벨을 제어하고 원하는 작동 한계 내에서 유지할 수 있다. 유리하게는, 상기 장치는 상기 송전 네트워크가 실질적으로 실시간으로 전압을 관리할 수 있게 한다. 이를 통해 상기 네트워크는 다양한 병입(feed-in) 전력과 고객 부하 변동을 보다 쉽게 수용할 수 있으므로 재생 가능 에너지원을 보다 완벽하게 활용할 수 있다.
[0217] 상기 방법은 단상 또는 다상 네트워크에서 사용될 수 있다. 후자의 경우 중성 연결을 제어하여 활선 연결의 각 위상을 독립적으로 제어할 수 있다. 이를 통해 상기 장치는 3상 균형을 유지하고 각 위상에 대해 독립적으로 전압을 공급할 필요 없이 동작을 수행할 수 있다.
[0218] 유리하게는, 상기 방법은 상기 전력 조절 장치가 불균형 송전 네트워크에서 전력을 조절할 수 있게 한다. 따라서, 상기 전력 조절 장치는 송전 네트워크의 어느 곳에서나 설치되어 활선 연결(들)에 공급되는 전압을 증가 또는 감소시켜 전압을 조절할 수 있다. 또한, 이는 상기 전력 조절 장치를 상기 네트워크에 연결하는 것만으로 간단하게 달성할 수 있으며, 상기 네트워크를 재구성할 필요가 없으며, 이를 통해 기존 네트워크 인프라에 쉽게 개조할 수 있다.
[0219] 상기 설명에 더하여, 다수의 추가 특징이 설명된다.
[0220] 일 예에서, 전압을 증가시키는 것은 무효 전력(reactive power)을 증가시키거나 소싱(sourcing)하는 것 및/또는 실효 전력(real power)을 감소시키거나 흡수하는 것을 포함할 수 있다. 추가적으로, 전압을 감소시키는 것은 실효 전력(real power)을 증가시키는 것 및/또는 무효 전력(reactive power)을 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 무효 전력이 상기 송전 네트워크의 무효 전력과 유효 전력이 되도록 조절하여, 선행(leading)또는 후행 무효 전력(lagging reactive power)을 생성한다. 이것은 상기 장치를 커패시터 또는 인덕터로 작동하도록 동작함으로써 상기 네트워크에 인덕턴스 또는 커패시턴스를 효과적으로 도입함으로써 달성된다.
[0221] 일 예에서, 상기 전압 판독을 수신하는 것은 1초 마다 또는 마이크로초(microsecond) 내지 수초 범위의 전압 판독을 수신하는 것을 포함한다. 이것은 상대적으로 높은 주파수에서 응답하는 전압의 모니터링 및 조절을 허용한다. 그러나 이것은 필수 사항이 아니며 상기 네트워크와 관련된 선호하는 구현 및 제어 요구 사항에 따라 더 높거나 낮은 주파수에서 전압이 결정될 수 있다.
[0222] 일 예에서, 상기 이동 평균을 계산하는 것은 10분의 윈도우 내에서 이동 평균을 계산하는 것을 포함한다. 이를 통해 단기 전압 변동 또는 불안정을 수용할 수 있는 일정 기간 동안의 평균을 계산할 수 있다. 따라서, 예를 들어 이것은 상기 장치가 단기 스파이크 또는 전압 강하에 반응하는 것을 방지한다. 그러나 상기 평균은 몇 밀리 초(millisecond)에서 몇 분과 같은 다른 윈도우에 대해 계산될 수 있다는 것도 이해될 수 있다.
[0223] 일 예에서, 상기 송전 네트워크는 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고 서로 독립적으로 활선 연결 중 다수의 출력 전력을 변경한다. 이를 통해 각 활선 연결을 독립적으로 조정할 수 있다.
[0224] 일 예에서, 상기 장치는 최적 위치(optimal position)에서 회로에 연결되도록 구성된다. 상기 전력 조절 장치는 고객 계량기(customer meter) 뒤에 또는 배전 네트워크(distribution network)의 계량기 앞에 구현될 수 있다. 상기 최적 위치는 또한 다양한 부하를 공급하는 회로 상에 있을 수 있다.
[0225] 일 예에서, 상기 회로 상의 상기 최적 위치는 누적 전압 차가 상기 회로 상의 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%, 또는 보다 바람직하게는 상기 총 누적 전압 차의 약 50%인 경우에 발생한다. 이것은 상기 장치가 상기 그리드/계통(grid)과 상기 장치 사이의 전압 차를 보상함으로써 상기 회로를 따라 공급 전압을 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 장치 후 부하에 대한 전압 공급은 허용된 포락선/범위(envelope) 내에서 유지된다. 일 예에서, 상기 송전 네트워크의 회로는 동일한 부하를 갖는 10개의 부하 위치(L1 내지 L10)를 포함한다. 각 부하 위치 사이의 전압 차(ΔV)는 동일하므로 L1에 대한 계통 연결(grid connection) 간의 전압 차는 ΔV이고, L2에 대한 계통 연결 간의 전압 차는 2ΔV이고, L3에 대한 계통 연결 간의 전압 차는 3ΔV 등일 수 있다. L3에서의 상기 누적 전압차는 ΔV, 2ΔV, 3ΔV의 합으로 6ΔV이며, 따라서 총 누적 전압차는 55ΔV이다. 이 예에서 상기 최적 위치는 누적 전압차가 55ΔV(
27.5ΔV)의 약 50%인 위치이다. 상술한 부하 배열에 따르면 상기 최적 위치는 상기 누적 전압 차가 28ΔV이고 총 누적 전압 차의 50%에 가장 가까운 L7이다.
[0226] 상기 송전 네트워크의 회로는 각 위치에서 다양한 부하 및/또는 발전기를 포함할 수 있음을 이해할 수 있다. 상기 총 누적 전압 차는 부하 및/또는 발전이 시간에 따라 변화함에 따라 변화할 수 있으므로 최적 위치 결정을 위한 총 누적 전압 차에 대해서는 통계적 계산이 취해질 수 있다. 일 예에서, 상기 총 누적 전압 차는 최대 병입(maximum feed-in)에서 총 누적 전압 차와 최대 부하(maximum load)에서 총 누적 전압 차 중 적어도 하나의 평균이다. 최대 병입 시 최대 누적 전압 차는 대부분 병입이 발생할 때의 전압 차이며 부하 수요(load demand)가 최소인 것과 일반적으로 일치한다. 일 예에서 상기 부하 수요는 자체 태양광 발전기에 의해 부하가 부분적으로 공급될 수 있는 낮 시간에 최소이다. 유사하게, 상기 최대 부하에서의 전압 차는 상기 부하 수요가 최대일 때의 공급 전압이다. 한 가지 예에서, 상기 부하 수요는 가정 사용량이 많고 태양광 발전기의 공급이 최소인 야간에 최대이다.
[0227] 또 다른 예에서 부하 역률(load power factor)을 기반으로 한 전압 차동 계산은 도 8과 같이 호주 표준 AS3008의 섹션 4.5에서 설명할 수 있다. 전송 라인 또는 변압기의 직렬 임피던스에 걸친 전압 차동에 대한 완전한 공식은 다음과 같다:
[0228] 부하단(load end)에서 단일 역률 부하 전류(unity power factor load current)에 대한 전압 상승은 전송 라인의 저항 부분과 변압기 임피던스에 걸쳐서만 관찰된다. 마찬가지로, 순수한 무효 부하(reactive load)는 전송 라인과 변압기 임피던스의 리액티브 부분에서 전압 강하(유도성인 경우, 즉 계통에서 VAR(s) 흡수) 또는 상승(용량성인 경우 VAR(s) 주입)만 발생한다.
[0229] 중전압(MV; medium voltage) 또는 LV 피더/급전선(feeder)에 따른 분산 부하 문제는 동일한 원리를 기반으로 하지만 약간 다른 방정식을 필요로 한다.
양방향 계통/그리드
[0230] 상기 전력 조절 장치 및 송전 네트워크의 전력 조절 방법에 의해, 양방향 계통/그리드가 구축될 수 있다. 양방향 전력 분배 네트워크의 예는 도 9를 참조하여 설명된다.
[0231] 양방향 전력 분배 네트워크(900)는 고전압 변압기(901)에 연결된 전력 분배 버스(910)를 포함한다.
[0232] 상기 전력 분배 버스 및 중전압(medium voltage) 전력 공급 라인의 전압은 기존 인프라 및/또는 법적 제한에 따라 다른 국가 또는 주에서 다를 수 있다. 상기 전력 분배 버스 및 중전압 공급 라인 상의 전압은 약 5kV, 약 7.2kV, 약 10kV, 약 11kV, 약 12.47kV, 약 15kV, 약 20kV, 약 22kV, 약 25kV, 약 33kV, 약 34.5kV 및 약 35kV이다. 호주의 예에서 전력 분배 버스와 중전압 공급 라인의 전압은 약 11kV이다.
[0233] 복수의 중전압 전력 공급 라인(920A, 920B)은 상기 전력 분배 버스(910)에 연결된다. 복수의 저전압 분배 라인(930)은 각각의 공급 라인(920A, 920B)에 연결된다. 저전압 분배 라인의 전압은 기존 인프라 및/또는 법적 제한 사항에 따라 국가 또는 주마다 다를 수 있다. 저전압 분배 라인의 전압은 약 220V 내지 240V, 약 100V 내지 120V, 약 400V, 및 약 240V 중 적어도 하나일 수 있다. 호주의 예에서 저전압 분배 라인의 전압은 약 220V ~ 240V이다.
[0234] 상기 저전압 분배 라인(930)은 하나 이상의 부하(L) 및/또는 하나 이상의 소스(S)에 추가로 연결된다. 이 예에서, 상기 저전압 분배 라인(930)은 저전압 변압기(931)들을 통해 중전압 전력 공급 라인(920A, 920B)에 연결된다. 상기 양방향 전력 분배 네트워크(900)는 중전압 전력 공급 라인(920A)에 연결된 중전압 전력 조절 장치(940)를 포함하여 상이한 부하 및 소스 조건 동안 전력 분배 버스(910)의 전압을 유지한다.
[0235] 상기 중전압 전력 조절 장치(940)는 전술한 전력 조절 장치(100)와 실질적으로 유사하다. 따라서, 상기 중전압 전력 조절 장치(940)는 DC 장비에 연결되도록 구성된 DC 단자들을 갖는 DC 접촉기; 고압 전력 공급 라인(920A)에 연결되도록 구성된 전송 네트워크 커넥터를 포함한다. 상기 중전압 전력 조절 장치(940)는 중전압 전력 공급 라인(920A)의 활선 연결(들)에 연결된 활선 단자(들) 및 상기 중전압 전력 공급 라인(920A)의 중성 또는 접지에 연결되도록 구성된 중성 단자를 포함한다. 상기 중전압 전력 조절 장치(940)는 상기 DC 접촉기에 연결된 복수의 스위치 및 상기 스위치들에 연결된 하나 이상의 전자 제어 장비를 더 포함한다. 상기 전자 제어 장비(들)는 스위치들를 제어하여 상기 DC 단자들과 상기 활선 단자(들) 및 중성 단자를 선택적으로 연결하여 상기 중전압 전력 공급 라인 920A의 활선 연결(들) 및 중성 연결 각각에 대한 전력을 독립적으로 조절하고 이에 의해 상이한 부하 및 소스 조건 동안 상기 전력 분배 버스(910)의 전압을 유지한다.
[0236] 이러한 배열은 상기 전력 조절 장치가 중전압 전력 공급 라인의 전압을 조절할 수 있게 하여 다양한 부하 및 발전 조건 하에서 법정 한계 내에서 전압을 유지하게 한다. 병입(feed-in)/발전이 부하 소비보다 훨씬 큰 조건에서 이 배열을 사용하면, 이 배열을 통해 중전압 전력 공급 라인이 법정 전압 제한 내에 있고 안정적으로 상기 병입/발전을 수행할 수 있다. 많은 양의 병입 전력을 상기 전력 공급 라인에 안정적으로 전달함으로써 병입 전력을 변전소 또는 고전압 네트워크로 내보내 사용하도록 할 수 있다. 이러한 배열은 또한 상기 전력 분배 버스의 전압이 한도 내에서 안정화되거나 유지되도록 한다. 따라서 이러한 배열을 통해 상기 전력 분배 버스의 전압을 안정적으로 유지하면서 더 많은 병입/발전을 내보낼 수 있으므로 양방향 전력 네트워크가 구현된다.
[0237] 상기 설명에 더하여, 다수의 추가 특징이 설명된다.
[0238] 일 예에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독을 수신한다. 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 15-25밀리초마다, 35-65밀리초마다, 100-200밀리초마다, 500-700밀리초마다, 2-5초마다 상기 전압 판독을 수신할 수 있다. 수신 전압 판독의 주파수는 계량 시스템이 취할 수 있는 임의의 주파수일 수 있음이 이해될 수 있다.
[0239] 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 후속적으로 상기 하나 이상의 활선 연결에 대한 전압 판독의 평균을 계산한다. 일례에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전압 판독의 이동 평균을 계산하고, 상기 이동 평균은 시간 윈도우에서 취해진 전압 판독을 평균화하여 계산된다. 상기 윈도우는 2분, 6분, 10분, 15분 또는 20분일 수 있다. 또한, 상기 이동 윈도우는 가변 길이 또는 일정한 길이일 수도 있다.
[0240] 이동 평균을 계산할 때 평균이 미리 결정된 상위 값보다 크면 하나 이상의 전자 제어 장치는 스위치를 제어하여 DC 장치에 적어도 하나의 라이브 연결을 선택적으로 연결하고 그에 따라 전압을 감소시킨다. 적어도 하나의 라이브 연결. 평균이 미리 정해진 더 낮은 값보다 작으면, 하나 이상의 전자 제어 장치는 스위치를 제어하여 하나 이상의 라이브 연결을 DC 장치에 선택적으로 연결하고 이에 따라 라이브 연결에 공급되는 전압을 증가시킨다.
[0241] 이것은 상기 전력 조절 장치가 상기 중전압 전력 공급 라인 상의 하나 이상의 활선 연결 상의 전압을 자주 모니터링하고 상기 하나 이상의 활선 연결 상의 전압을 효과적으로 조절할 수 있게 한다.
[0242] 일 예에서, 미리 정의된 상한 값은 공칭 값(nominal value)보다 약 5% 높고, 미리 정의된 하한 값은 공칭 값보다 약 5% 낮다. 상기 미리 정의되는 상한 또는 하한 값은 임의의 값일 수 있으며 시스템 능력 및/또는 법적 제한에 기초할 수 있음을 이해할 수 있다.
[0243] 일 예에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 무효 전력을 증가시키고/시키거나 실효 전력을 감소시킴으로써 전압을 증가시킬 수 있다. 다른 예에서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 실효 전력을 증가시키고/거나 무효 전력을 감소시킴으로써 전압을 감소시킬 수 있다. 다시 말해서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 무효 전력 또는 실효 전력을 차례로 증가 또는 감소시키는 선행(leading) 무효 전력 또는 지연(lagging) 무효 전력을 생성하도록 장치를 제어할 수 있다.
[0244] 다른 예에서, 상기 저전압 분배 라인은 상기 저전압 전력 조절 장치에 연결된다. 이것은 저전압 분배 라인 상의 전압이 조절되는 것을 허용하고, 이는 중전압 전력 공급 라인 상의 전압 조절을 더욱 용이하게 할 수 있다.
[0245] 일 예에서, 상기 중전압 전력 공급 라인은 다상 전송 네트워크이고 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하도록 구성된다. 이를 통해 위상 간의 균형을 맞출 필요 없이 각 위상의 전압을 독립적으로 조정할 수 있다. 이는 양방향 전력 분배 네트워크가 다양한 부하 조건 및/또는 발전/병입 조건에서 안정적으로 기능할 수 있는 능력을 더욱 확장한다.
[0246] 일례에서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 최적 위치에서 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성된다.
[0247] 일 예에서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%이다.
[0248] 일 예에서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 50%이다.
[0249] 일 예에서, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나: 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차; 최소 병입에서 총 누적 전압 차; 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차; 최대 부하에서 총 누적 전압 차; 최대 병입 및 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고, 최소 병입 및 최대 부하에서 총 누적 전압 차;의 평균이다.
부하 및 내장형 태양광 발전으로 인한 배전 피더(Distribution Feeder) 전압 차
[0250] 수학식 1(Equation (1))은 임의의 시점에서 부하 활용 및 태양광 발전으로 인한 11kV 피더 백본(feeder backbone)을 따라 전압의 강하 또는 상승을 시뮬레이션하기 위해 개발될 수 있다. 전체 피더/급전선(feeder) 길이를 동일하게 유지하면서 노드 수(dmax)를 변경하면 보다 세분화된 분석이 가능하다.
배전 변압기(Distribution Transformer)를 통한 전압 차동
[0251] 상기 배전 변압기는 부하 또는 태양광 송출로 인해 이를 통과하는 순 전류가 있는 임피던스로 평가된다.
저전압 회로에 따른 전압 차동
[0252] LV(low voltage) 피더/급전선(feeder)은 3단계에 걸쳐 평균화 된 4명의 고객이 할당된 각 섹션으로 분할된다. 오버헤드(OH; Overhead) 도체는 LV ABC 또는 Moon으로 가정하고 지하(UG; underground) 도체는 240mm2 Al로 가정된다. 저전압 회로에 따른 전압은 다음과 같이 주어진다.
[0253] 상기 11kV 버스에서 피더 백본의 모든 섹션에서 선택한 LV 회로 끝까지의 총 전압 강하/상승을 계산하기 위해, 수학식 2(Equation (2))의 첫 번째 전압 값(Vs)을 수학식 1(Equation (1))의 원하는 섹션 V로, 수학식 3(Equation (3))의 첫 번째 전압 값(Vs)을 수학식 2(Equation (2))의 계산된 V로 대체하여 세 공식을 결합할 수 있다.
[0254] MV 및 LV 피더들을 시뮬레이션할 때 다음과 같은 가정이 이루어진다.
- 수학식 1(Equation (1))과 수학식 3(Equation (3))은 상기 피더(feeder)가 동일한 섹션으로 분할되어야 하며 각 섹션에는 배전 변압기가 할당된다. 정확도를 위해 상기 MV 피더에는 400m 이하의 섹션 길이가 필요하다. LV 피더의 경우 일반적인 섹션 길이는 극 사이의 평균 스팬(average span)이다. 이것은 일반적으로 주거용 부동산의 평균 거리 전면의 두 배이다. 일반적인 도로 폭(플롯 크기)은 30m로 각 LV 섹션의 길이는 60m이다. 대부분의 LV 관련 사항은 대략적인 수치이다. 가정당 ADMD(After Diversity Maximum Demand)가 3 내지 4 kVA라고 가정하고 OH 도체의 경우 300m 또는 UG 도체의 경우 540m일 수 있다. 배전 변압기는 MV 피더의 평균 변압기 크기(총 설치 용량을 변압기 수로 나눈 값)로 설정하거나 일반 계산을 수행하는 경우 "통상"의 크기로 설정할 수 있다. 일반적인 배전 변압기 크기는 315 KVA이다.
- 이 분석을 위해 상기 피더/급전선은 전체 길이에 걸쳐 동일한 도체로 구성되어 있다고 가정한다.
- 태양광 보급율은 연구된 배전 피더(distribution feeder)의 모든 변압기에서 동일하다고 가정한다. 예를 들어 태양광 보급율이 10%일 때 모든 변압기는 태양광 보급율은 10%이다.
- 부하 활용은 연구된 배전 피더의 모든 변압기에서 동일하다고 가정한다.
- 부하 및 태양광 역률은 모든 변압기에서 동일하다고 가정한다. 부하 역률은 지역에 따라 다르지만 주거 지역에서는 0.95pf가 상당히 일반적이다. 태양광 PV는 일반적으로 태양광 발전의 증가가 시작될 때 unity pf로 설정되었다.
- 모든 배전 변압기는 X/R 비율이 '10'인 4% 임피던스를 갖는 것으로 가정한다. 설치된 변압기의 대부분이 탭 5(공칭)로 가정된 변압기는 탭 5로 기록된다.
- 각 배전 변압기에는 일반적으로 최소 2개의 LV 회로가 있다.(따라서 한 회로의 부하 또는 발전은 변압기 전류 부하/발전의 절반이다)
무효 전력을 이용한 라인 드롭 보상
[0255] 전송선로의 전압 강하는 
로 표시되며, 각도(
)=±90°인 경우 0으로 설정할 수 있다. 즉, 부하 각도(load angle)를 소스 또는 라인 임피던스 각도보다 90° 앞서(lead)거나 지연(lag)시키도록 설정한다.
[0256] 소스 임피던스가 구역(zone) 변전소 버스와 같이 무효 성분(reactive component)에 의해 지배되는 경우, 저항 전압 강하(resistive voltage drop)를 상쇄하는 데 필요한 무효 성분이 작고, 선행 역률(leading power factor)은 1에 매우 가깝다.
[0257] 소스 임피던스 X/R 비율이 11kV 급전선과 같이 1에 가까울 경우, 저항 전압 강하를 보상하기 위해 필요한 선행 무효 성분(leading reactive component)은 크기가 실효 전력 성분(real power component)에 접근하고, 요구되는 역률은, 아래 표와 같이, 0.8(선행/leading)로 떨어진다.
[0258] 부하가 실제로 발생원(예: 계통 연결 PV 시스템)인 경우, 상기 피더/급전선에 다시 주입된 전력으로 인한 전압 상승은 VAR(s)을 흡수하는 PV 시스템, 즉 선행 역률(leading power factor)로 동작하는 PV 시스템에 의해 보상될 수 있다. 실제 시스템에는 내장형 PV 발전(embedded PV generation)과 병렬로 로컬 부하가 포함될 수 있으며 조건에 따라 수요가 감소하거나 역전이 발생할 수 있다. 이러한 예에서 부하의 실제 역률은 부분적 전압 강하 보상만 필요하기 때문에 1에 훨씬 더 가까울 수 있다. 변전소의 탭 절환기(tap-changer)에 통합된 기존 LDC는 천천히 변하는 부하에 대해 신뢰할 수 있다.
분산형 태양광 PV 발전의 영향
[0259]
상기 수학식에 기초하여, 태양광 PV 발전의 영향을 식별하기 위한 모델이 개발될 수 있다. 이 모델은 주거용 태양광 발전이 태양광 발전 보급률의 10%마다 약 1.15%의 LV 네트워크 전압 상승을 초래한다는 것을 보여주는데, 이는 선형이 아닐 수 있다. 태양광 PV 보급률(in %)은 LV 공급 영역에서 총 태양광 PV 인버터 용량(KW)에서 해당 영역에 공급하는 배전 변압기 용량(kVA)의 몫(quotient)을 기반으로 한다. 해당 내용은 도 10a에 표시된다. 중전압 네트워크는 도 10b와 같이 태양광 PV 보급률의 10%당 0.5%가 약간 넘는 전압 상승을 경험할 수 있. 태양광 PV 보급율의 영향은 특히 급전선/회로 끝에서 매우 다른 전압 프로파일을 초래한다. 모델링된 11kV 피더/급전선 끝의 전압 프로파일은 도 10c에 예시로 표시된다. 아래 요약 표는 전반적인 효과와 구성 방법을 나타낸다.
| 태양광 보급률 | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% |
| 11kV 전압 상승 | 0.53% | 1.06% | 1.59% | 2.12% | 2.64% | 3.17% |
| 변압기 VR | 0.40% | 0.80% | 1.20% | 1.60% | 2.00% | 2.40% |
| LV 전압 상승 | 1.08% | 2.18% | 3.32% | 4.49% | 5.70% | 6.93% |
| 총 | 2.01% | 4.04% | 6.10% | 8.21% | 10.34% | 12.50% |
위의 영향이 완화되지 않으면 태양광 PV 보급율이 약 30%에 도달할 때까지 대부분의 네트워크에서 전압 제한 초과가 발생할 수 있다.
[0260] 상기 전력 조절 장치는 배터리 에너지 저장 시스템 관리 도구, 태양광 PV 발전 인터페이스 및 배전 시스템 전압 관리 장치로 사용할 수 있고 해당 장치로 적합하다. 배전 시스템 전압을 관리하는 능력은 위에서 설명한 계산 및 모델링을 통해 검증할 수 있다. 이를 통해 배전 시스템 엔지니어는 태양광 발전의 영향을 최대한 완화하기 위해 장치를 구현할 적절한 크기와 위치를 결정할 수 있다.
[0261] 전력을 조절하는 방법의 예가 설명된다. 이 예에서 무효 전력 관리는 아래 주어진 공학적 공식을 기반으로 하는 송전 네트워크의 전압을 조절하는 데 사용된다.
[0262] 실효 전력(P)과 무효 전력(Q)은 모두 전압에 영향을 미치며, 그 영향은 각각 네트워크 저항(R)과 리액턴스(X)에 비례한다. 네트워크 전압이 V인 위치에서 네트워크 세그먼트의 전압 변화는 다음에 따라 고객 연결 지점의 실효 및 무효 전력에 따라 달라진다.
[0263] 위와 같은 근사(approximation)는 네트워크 전압이 전압 변화에 비해 클 때 유효하며 균형 잡힌 3상 배전선로를 가정한다. 부호 규칙은 전력 흐름의 방향이 고객을 향한다는 것이며, 즉, 부하의 경우 P > 0이고 태양광 발전이 부하를 초과할 경우 P < 0이다.
[0264] P 및 Q를 모두 사용하여, 상기 전압은 저항성 부하로부터 전력 소비를 줄이기 위한 보존 전압 감소(CVR, conservation voltage reduction) 전략에 따라 또는 임의의 다른 정책에 따라, 원하는 레벨로 설정될 수 있다. 완전히 평평한 전압 프로파일의 경우, 무효 전력을 다음과 같이 설정하여 전압 변화를 0으로 만들 수 있다.
[0265] 전압 강하(P > 0)에 대응하기 위해 고객은 커패시터와 같이 선행 무효 전력(leading reactive power), 즉 Q < 0을 공급해야 한다. 마찬가지로, 전압 상승(P < 0)에 대응하기 위해 고객은 인덕터처럼 지연 무효 전력(lagging reactive power), 즉 Q > 0을 소비해야 한다.
[0266] 따라서 상기 무효 전력의 영향은 분배 라인의 X/R 비에 의해 증폭되거나 감소된다. 이것은 단위 길이당 저항에 대한 단위 길이당 (유도) 리액턴스의 비율이며, 실제로는 값의 범위가 발생할 수 있다. 더 높은 전압 분배 및 전송 라인은 더 높은 X/R 비율을 가질 수 있다.
저전압 및 11kv 네트워크의 전압 관리
[0267] 도시 네트워크에 대한 전형적인 장비 및 부하를 갖는 방사형(radial) LV 네트워크는 전력을 조절하는 방법을 설명하는 데 사용된다. 결과는 240 ± 6% VAC로 가정되는 배전 변압기 단자 전압의 백분율로 표시된다.
[0268] 도 11은 11kV 피더/급전선에 연결된 LV 네트워크와 함께 여러 배전 변압기를 공급하는 변전소로 구성된 배전/분배 네트워크를 보여준다. 단일 공급원이 있는 이 네트워크는 호주의 모든 네트워크를 대표한다. 모든 주 관할에서는 240 ± 6% VAC 또는 230 + 10% 또는 230 -6% VAC에서 저전압을 유지해야 한다. 변전소 및 배전 변압기에는 부하 증가에 따른 전압 강하를 보상하기 위해 변압기가 공칭 240/230VAC보다 높은 전압을 출력할 수 있는 탭 권선(tapped winding)이 있다. 변전소 변압기에는 부하에 따라 11kV 버스 전압을 변경하는 온-로드 탭 절환기(on-load tap-changer)가 있다(즉, 부하가 증가함에 따라 11kV 전압이 증가함). 배전 변압기에는 오프-로드 탭 절환기(off-load tap-changer)가 있다. 무부하 상태에서 탭 설정을 변경해야만 전압을 변경할 수 있다. 탭은 일반적으로 설치 시 설정되며 LV 영역 정전 시에만 변경할 수 있다.
[0269] PV 발전 배전 네트워크 전압의 영향은 공학적 전압 계산에 의해 입증될 수 있다. OH 배전 변압기에는 1 내지 4개의 저전압 회로가 있다. 각 회로의 길이는 최대 300 내지 400m이다. 315kVA 변압기에서 40m 간격으로 고객 부하를 나타내기 위해 10개의 부하 지점이 있는 간단한 OH 방사형 네트워크를 사용하여, 회로를 따라 전압 프로파일을 다양한 고객 부하, 태양광 PV 발전, VARS 및 배터리 저장에 대해 계산할 수 있다. 이 예에서 무효 전력 관리는 배전 또는 고객 구내에서 상기 전력 조절 장치를 사용하여 구현된다.
DER 발전의 전압 규정
[0270] 동일한 네트워크에서 PV 발전의 효과를 결정하기 위해 0.97PF에서 0.5kW의 최소 주간 부하로 각 고객에게 5kW의 PV 발전이 적용된다. 주거지의 ADMD는 일반적으로 한낮에 0.3 및 1kW 사이이다. 도 12a는 결과 전압 프로파일을 보여준다. 상기 전압 프로파일은 전압 감소에서 전압 증가로 반전된다. 고객 당 6kW를 초과하는 PV 발전은 +6%의 규제 한계를 초과하는 전압 상승을 보게 된다. PV 발전량은 변압기 정격의 19%이다. 여러 배전 유틸리티는 과도한 전압 상승을 제한하기 위해 배전 변압기 정격의 25%로 최대값을 설정한다. 도 12b는 PV 발전량이 고객 당 10kW로 증가하고 총 발전량이 배전 변압기 정격의 32%일 때 전압 상승을 보여준다. PV 발전을 증가시키면 상기 LV 회로를 따라 정상 상태 전압이 증가한다. 회로/피더의 끝에 있는 집의 전압 상승이 가장 높다.
[0271] 상기 전압 프로파일은 최적 위치에 지연 무효 전력(lagging reactive power)을 추가함으로써 현저하게 개선될 수 있으며, 상기 최적 위치는 최소 전압 변화가 상기 전체 네트워크가 원하는 작동 한계 내에 유지되도록 보장할 수 있는 네트워크 내의 위치이다. 도 13a는 50kVAR의 지연 VAR을 사용하여 그림 12B에 표시된 것과 동일한 부하 및 발전으로 상기 회로를 따라 전압 상승을 보여준다. 상기 전압 프로파일은 법적 한계가 있는 모든 고객 전압과 회로를 따라 거의 이상적인 균일한 전압 프로파일로 크게 개선되었다. 지연 VAR(lagging VARs)을 추가하면 법정 전압 규정을 유지하면서 배전 변압기의 32%를 태양광 PV 발전에 사용할 수 있다.
[0272] 도 13b는 +6%의 전압 조절 한계를 위반하지 않고 95%의 PV 발전이 LV 네트워크로 내보낼 수 있음을 보여준다. VAR 보상이 없으면 전압은 공칭 값보다 32% 상승한다. 상기 최적 위치에서 지연 VAR 보상으로 최대 전압 상승은 법정 한계 내에서 공칭보다 6% 높다. 전체 PV 발전은 최적 위치에서 100kVAR 지연을 갖거나 180kW의 부하로 배터리를 충전하여 달성할 수 있다.
지하 회로
[0273] 전형적인 3상 UG 배전 변압기는 500kVA(4% 임피던스)이고 240mm² 4C Al 섹터 XLPE의 LV 회로가 최대 4개 있다. 이하의 분석은 UG LV 배전 회로에 대한 것이다. OH 회로에 대해서도 유사한 결과를 얻을 수 있다. 도 14a는 +6%의 전압 규정 한계를 초과하려면 가구당 10kW의 PV 발전이 필요함을 보여준다다. 발전 임계 값이 높은 이유는 UG 회로가 OH 회로에 비해 임피던스와 X/R 비율이 낮기 때문이다. 이 조건에서 상기 PV 발전은 19%의 OH 임계값과 유사한 DT 정격의 20% 이다. 도 12b는 PV 발전이 DT 정격의 40%일 때 전압 프로파일을 보여준다. 전압은 공칭 값보다 13% 높게 상승한다.
[0274] 도 15a는 전압을 적절한 조정으로 되돌리기 위해 140k VAR 지연 보상이 필요함을 보여준다. 상기 지연 보상은 일반적으로 UG 케이블의 용량 특성으로 인해 OH 회로와 비교할 때 더 높다. 배전 변압기 정격의 100%에서 PV 발전으로 전압이 법정 한계를 크게 초과하는 공칭보다 40% 높게 상승한다. 도 15b는 424kVAR 지연 보상이 피더/회로를 따라 최적 위치에 추가된 후의 전압 프로파일을 보여준다. 상기 지연 보상은 최대 전압을 법정 한계까지 가져온다.
11kV 피더의 전압 관리
[0275] VAR 관리는 모든 유형의 11kV 피더/급전선에 대해 유사한 결과를 생성하는 것으로 표시될 수 있다. VAR 양자는 관련된 피더의 임피던스에 따라 달라진다. 11kV 피더/급전선의 경우 배전 변압기 인덕턴스를 도체의 X에 추가해야 한다. 따라서 11kV 급전선을 따라 전압을 관리하려면 더 많은 VAR이 필요할 수 있다. 상기 LV에서 11kV 전압을 관리하는 것은 고전압(7KV)용 전력 조절 장치를 사용하는 것보다 훨씬 경제적인 솔루션이다. 전자 부품의 비용은 전압에 따라 기하급수적으로 증가한다. 상기 배전 변압기의 LV 단자들에 연결하여 11kV 전압을 조절하는 상기 전력 조절 장치가 가장 경제적인 솔루션일 수 있다.
전력 조절 장치의 배치
[0276] 법정 제한 내에서 네트워크 전압을 유지하기 위해 VAR 관리를 배치하는 많은 방법이 있다. VAR 싱킹/발전(sinking/generation)을 위한 상기 전력 조절 장치를 고객 구내의 계량기 뒤 또는 DNSP(Distribution Network Service Provider) 네트워크의 계량기 앞에 배치하면 동일한 결과를 얻을 수 있다. 위의 분석은 단일 회로/피더에서 모든 고객의 전압을 조절하기 위해 상기 최적 위치에 배치된 상기 전력 조절 장치로 수행되었다. 대안은 각 고객에게 분산된 VAR 싱킹/발전이다. 이 방법은 AS4777.2.2015를 준수하는 스마트 인버터의 Volt/VAR 및 Volt/Watt 설비의 적용을 의무화하여 DNSP에서 선호할 수 있다.
피크 부하에 대한 전압 규정
[0277] 도 16은 0.97의 역률과 함께 5kW의 ADMD(After Diversity Maximum Demand)를 갖는 LV 회로의 방사상을 따른 전압 프로파일을 도시한다. 상기 프로파일은 회로를 따라 일반적인 전압 강하가 있는 단방향 계통/그리드를 나타낸다. 상기 전압은 규정된 규정의 -6% 이내이다. 유도 피더 임피던스 및 부하를 보상하기 위해 선행 VAR을 생성하면 상기 전압 강하는 개선될 수 있다.
[0278] 상기 전력 조절 장치를 VAR 생성기(선행 VAR)로 전환함으로써 회로/피더의 전압이 법정 한계 내에서 유지되도록 조절될 수 있다. 수요를 단일 PF로 가져오기 위한 주요 VAR의 생산은 수요를 단일 역률로 가져옴으로써 수요 관리에 사용할 수 있다. 호주에서는 태양광 PV의 대규모 보급에도 불구하고 네트워크 시스템 피크는 변경되지 않았으며 여전히 태양 시간 이외의 이른 저녁에 위치한다. 상기 전력 조절 장치는 태양광 시간 외에 네트워크 전압을 조절하고 피크 수요를 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.
[0279] 일반적으로 국지적 시스템 피크는 태양 시간 외에 발생하고 전압 강하는 여전히 모든 DNSP의 주요 관심사이다. 상기 전력 조절 장치의 적용은 전압 조절을 개선하고 모든 고객을 규정 전압 한계 내로 가져올 수 있다. 대부분의 태양광 인버터는 연결된 DC 소스 없이는 최고의 VAR을 제공할 수 없으며 태양광 시간 외에는 전압을 조절할 수 없다.
전압 변동(Voltage Fluctuations)
[0280] DNSP는 간헐적인 DER로 인한 전압 변동과 관련이 있다. 태양광 PV의 경우, 일시적인 구름 덮개로 인해 인버터 출력이 크게 변동할 수 있다. 일반적으로 이것은 몇 초/분에 걸친 태양 출력의 느린 감쇠에 대한 문제가 되지 않는다. 또한 AS4777.2:2015를 준수하는 스마트 인버터에는 전압 변동(voltage fluctuations)을 늦추는 램핑이 적용되었다. AS4777.2:2015 램핑 없이도 상기 전력 조절 장치는 VAR 출력을 즉시 조정하여 전압 상승/하강을 개선하여 Pst 및 Plt 측정값을 준수 범위 내에서 유지할 수 있다.
[0281] 전압 변동에 대한 최악의 경우는 상한 또는 하한 전압 한계에 도달했을 때 인버터가 순간적으로 셧다운되는 경우일 것이다. 이 상황은 여러 인버터가 함께 종료될 때 더 복잡해질 수 있다. 상기 전력 조절 장치는 법정 전압 제한을 유지하여 인버터가 먼저 셧다운되는 것을 방지하고 전압 상승/하강을 감지하고 보상을 위해 VAR을 순간적으로 조정함으로써 과도한 전압 변동을 방지할 수 있다. DNSP 및 고객에 대한 추가 이점으로, 상기 전력 조절 장치는 정상적인 처짐/팽장(sag/swell) 인스턴스도 보상한다.
고조파(Harmonic) 생성 및 감쇠
[0282]
일반적으로 AS4777.2:2015를 준수하는 태양광 인버터는 고조파 출력(harmonic output)이 낮고 일반적으로 DNSP에 문제가 되지 않는다. 국부적인 공진이 문제를 일으킬 수 있는 경우가 소수 있을 수 있다. 감지되지 않은 태양광 인버터 장비 고장으로 인해 상당한 고조파가 발생할 수 있다. 배경 고조파(Background harmonic) 문제는 네트워크의 다른 장비로 인해 발생할 가능성이 더 크다. 상기 전력 조절 장치는 로컬 네트워크에서 최대 24kHz의 고조파를 감쇠하도록 프로그래밍될 수 있다. 또한 보류 중인 고조파 문제를 나타내는 전압의 고조파 함량을 측정할 수 있다.
[0283] 주로 OH 배전/분배 네트워크는 20-30% 범위의 DER 보급과 함께 광범위한 전압 규정 문제를 보기 시작할 것이다. 주로 UG 네트워크의 경우 보급 수준은 30-40% 범위이다. VAR 관리를 채택하면 기존의 온라인 탭 절환기(online tap changer)들 또는 고정 탭 변압기 없이도 11kV 또는 LV 네트워크의 전압을 조절할 수 있다. 상기 전력 조절 장치와 함께 무효 전력 관리를 사용하면 규정 한계 내에서 11kV 및 LV를 유지할 수 있다. 규정 한계 내에서 전압을 유지하면서 네트워크 장비의 열 정격(thermal rating)까지 DER 발전이 가능하다. 상기 전력 조절 장치를 사용하면 피크 수요 시간에 전압 강하를 최소화할 수 있어 LV 회로 길이를 늘려 네트워크 자본 비용을 낮출 수 있다.
[0284] 다중 회로가 있는 일반적인 LV 배전 변압기에서 각 회로의 단일 전력 조절 장치는 AS477.2:2015 Volt/VAR 설정 대신 해당 회로에 대한 전압을 제어할 수 있다. 유사하게, 11kv 피더/급전선의 전압은 훨씬 더 큰 dSTATCOM에도 불구하고 각 회로에 설치된 단일 전력 조절 장치에서 제어할 수 있다. UG 피더/급전선의 전압 상승은 피더의 더 낮은 X/R 비율로 인해 더 낮아질 것이다. UG 피더들은 OH 피더들에 비해 더 많은 DER 용량을 호스팅할 수 있어야 한다. 예를 들어, 최적 위치에 있는 배전 변압기의 LV 단자들에 배치된 LV 전력 조절 장치를 사용하여 11kV 피더의 전압 조절이 바람직하다.
[0285] 일반적으로 11kV 및 LV 네트워크를 설계할 때 전압 강하는 중요한 설계 요소이다. 도체 크기는 일반적으로 열 정격이 아닌 전압 강하에 대해 선택된다. 이 방법을 사용하면 많은 기존 설계 규칙이 더 이상 적합하지 않는다. LV 회로의 길이는 더 이상 결정적인 요소가 아니며 LV 영역은 도체 및 배전 변압기의 궁극적인 열 정격에 맞게 구축할 수 있다. 배터리를 포함한 DER의 보급이 증가함에 따라 배전 변압기에 대한 최대 수요가 감소할 가능성이 있다. 상기 전력 조절 장치로 최대 요구 사항이 감소하고 전압 강하 문제가 해결됨에 따라 LV 회로는 훨씬 더 적은 수의 배전 변압기를 필요로 할 수 있다. 이는 DNSP에 상당한 자본 절감을 가져올 것이다.
[0286] 11kV 네트워크의 전압 규정은 변전소 변압기의 온-로드 탭 절환기(on-load tap changer)들에 의해 달성된다. 상기 탭 절환기들은 변전소 제어 시스템 내에서 라인 강하 보상 릴레이/계전기(relay(s)) 또는 동등한 알고리즘에 의해 제어된다. 도시 지역에서 하위 전송 변압기에는 11kV 버스바(busbar)에 연결된 다양한 부하 곡선을 가진 여러 11kV 피더/급전선이 있다. 이로 인해 11kV 전압 규정이 더 어려워지고 많은 경우에 고객 전압 불만을 초래하는 전압 규정 문제가 발생한다. 무효 전력 관리를 사용하면 11kV 네트워크의 전압 규정을 훨씬 간단하게 만들 수 있고 하위 전송 변압기에서 값비싼 온-로드 탭 절환기의 필요성을 최소화할 수 있다.
양방향 계통/그리드
[0287] 태양광 발전은 호주에서 계속해서 빠르게 성장하고 있으며 전기 비용을 절감하고 있다. 유틸리티 규모(utility-scale)의 태양광이 마침내 시장에 본격적으로 진입함에 따라 대부분의 태양광 용량은 주거용 고객의 옥상에 남아 있고 상업 부문은 이러한 성장 궤적을 따르기 시작했다. 고객 소유의 분산형 태양광 발전은 앞으로 수년간 우리의 총 전력 공급에 크게 기여할 것이다. Electricity Network Transformation Roadmap(ENA 및 CSIRO, 2016)은 2050년까지 전체 전기의 50%가 계량기 뒤에서 생성될 것으로 예상한다. 이는 이미 세계 최고 수준의 옥상 태양광 수준에서 크게 증가한 것이다. DER 발전의 대부분은 배전 네트워크가 구축된 도시 지역에 있을 것이다. 상기 배전 네트워크는 단방향 전력 흐름을 위해 설계되었으며 DER의 증가하는 보급은 이미 양방향 전력 흐름을 수용하는 기존 배전 네트워크의 한계를 강조하고 있다.
[0288] DER은 주로 LV 및 중전압(11kV) 네트워크에 연결되며, DNSP들은 대량의 DER 발전을 수용하는 데 3가지 주요 관심사가 있다. 그러한 관심사는 다음와 같다
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첫 번째 주요 관심사는 이러한 네트워크로 내보내진 모든 발전은 해당 네트워크에서 전압 상승을 일으킬 것이라는 점이다. 대부분의 DNSP는 법정 제한(LV의 경우 230VAC +10%, -6%, 22kV 이하의 고전압의 경우 ±5%) 이내로 전압을 포함하기 위해 송출량을 제한한다.
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DNSP의 두 번째 주요 관심사는 단방향 네트워크의 전압 등급을 뒤집는 역 전력 흐름(reverse power flow)이다. 기존 배전 네트워크는 고부하 및 저부하 조건에서 법정 전압 제한을 유지하기 위해 전압을 높이거나 낮추도록 설계된다. 변압기 탭 절환기(transformer tap changer)들은 단방향 네트워크의 전압 레벨을 관리하는 데 사용되었다.
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마지막 관심사는 네트워크 오류의 식별, 위치 및 격리이다. 대부분의 DER 발정은 출력 정격(output rating)에 10%를 더한 전류로 제한되며 전압이 붕괴되지 않는 한 배전 네트워크에 오류가 있는 경우에도 정격 전류를 계속 공급한다. 따라서 고-임피던스 오류(high impedance faults)가 발생하고 전압이 붕괴되지 않는 경우 DER 발전은 계속해서 오류를 공급한다. 중전압의 기존 시스템에서, 민감한 접지 오류 보호는 대부분의 고-임피던스 오류를 감지하지만 DER이 크게 보급되면 더 이상 의도한 대로 작동하지 않을 수 있으며, 고-임피던스 오류는 감지되지 않고 장기간 지속되어 위험한 상태를 초래할 수 있다.
[0289] DER이 미래에 온실 가스 감소 및 재생 가능한 DER의 확장에 중요한 역할을 하려면 이러한 모든 우려가 타당하고 해결될 필요가 있다. 이 백서(white paper)는 단방향 계통/그리드의 한계를 극복하고 미래를 위해 완전히 작동하는 양방향 그리드를 구축하기 위해 새로운 기술을 구현하는 방법을 제시한다.
호주 옥상 태양광 발전소
[0290] 호주는 세계 다른 지역에 비해 엄청난 양의 옥상 태양광 발전을 보유하고 있다. 오늘날 호주는 전체 주택의 15% 이상에서 세계에서 가장 높은 DER 보급률을 기록하고 있다. 이는 두 번째의 보급을 보이는 벨기에의 두 배 이상의 보급율이다. 대조적으로, 호주의 1인당 재생 가능 발전은 상업 및 대규모 설치에서 태양광 및 풍력의 더 낮은 비중으로 인해 8위에 불과하다. 주거용 시장은 지금까지 설치 용량의 꾸준한 성장을 주도했지만 이제 태양광 비용은 상업 및 산업 고객이 가능한 한 많은 태양광을 설치하도록 장려할 만큼 충분히 낮다. 이는 전력 요금을 줄이기 위한 강력한 경제성과 기업의 사회적 책임 및 환경 목표를 달성해야 하는 압력의 조합에 의해 추진된다. 이러한 고객은 종종 태양광 발전에 이상적인 높은 품질의 지붕 공간(높은 높이, 연속적, 그늘지지 않은 넓은 면적)을 보유하고 있다.
[0291] "계량기 뒤"에 연결된 태양광에 의해 생성된 분산 발전소는 총 용량의 7GW에 도달했으며 호주의 전력 공급에 중요한 기여를 하고 있다. 점점 더 많은 기여를 할 수 있고 또 그래야 한다.
[0292] 일부 주(state) 관할 구역에서는 계통/그리드로 송출할 수 있는 것에 제한을 두었다. 특히 상업 및 산업 고객이 배전 네트워크의 제약으로 인해 사용 가능한 지붕 공간이 허용하는 만큼 많은 태양광을 설치할 수 없는 퀸즐랜드(QLD) 및 남호주(SA)에서 제한이 있다. 전기 공급을 위해 설계된 계통/그리드에 대한 태양광 입력의 기술적 영향은 배전 네트워크 서비스 제공자(DNSP)들이 연결할 수 있는 총 태양광 양을 제한한다는 것을 의미한다. 상업 고객은 송출을 0으로 제한할 수 있다. 이는 태양광에 대한 경제적인 경우를 심각하게 제한하고, 소매 에너지 오프셋(retail energy offset) 및 송출 수익(export revenue)보다는 각 고객의 최대 부하에 따라 크기가 조정되는 물리적 및 경제적 잠재력에 비해 시스템이 종종 크게 축소되는 결과를 낳는다.
[0293] 주거 고객이 연결하는 것을 방지하는 부정적인 정치적 결과로 인해, 그들은 일반적으로 우선순위를 받고 광범위한 연결 연구 및 절차 없이 적당한 시스템(도시 환경에서 일반적으로 최대 5kW)을 연결할 수 있다. 이것은 계속되지 않을 것이다. 태양광 가구의 비율은 매우 높은 농도의 폭으로 계속 증가하고 있다. 그린필드 개발은 이미 100% 가정에서 태양광으로 제안되었으며 배전 네트워크 설계에 대한 특별한 고려가 필요하다. 이것은 시간이 지남에 따라 그림을 바꿀 것이지만 수년 동안 대부분의 옥상 태양광은 기존 네트워크에 연결된 기존 지붕에 설치될 것이다.
[0294] 이 백서(white paper)는 전력 조절 장치 기술 및 네트워크 통합 제어를 사용하여 태양광 배치에 대한 계통/그리드 제한을 해결할 수 있는 방법을 설명한다. 옥상 태양광으로 인한 기술적 문제, 기존 및 신규 솔루션 모두 사용 가능한 솔루션, 전국 DNSP의 상황, 네트워크가 태양광 성장을 비즈니스를 위한 변혁적(transformative) 기회로 수용할 수 있는 잠재력에 대해 설명한다.
[0295] 위의 단락들은 VAR 관리가 DER 발전량이 많은 배전 네트워크의 전압을 관리할 수 있음을 보여준다. 이를 달성할 수 있는 방법은 이를 계통/그리드에 연결하는 상기 배전 네트워크에 의해 결정된다. 대량 공급 지점(bulk supply point)들에서 고객에게 단방향 전력을 공급하도록 설계된 자산을 관리할 때, 배전 네트워크 서비스 공급자(DNSP)는 인버터 연결 발전의 역 전력 흐름(reverse power flows)에 적응해야 한다.
[0296] 다음 영향은 관리되어야 한다.
- 최대 태양광 출력 시간에 전압 상승으로 인한 전압 포락선(voltage envelope) 확대;
- 최대 태양광 출력 시간에 네트워크의 열 제한에 도달하는 것.
- 태양광 출력이 부하와 유사한 수준에 있을 때 단독운전 방지 보호(anti-islanding operation)를 실패하는 것; 그리고
- 고속 스위칭을 사용하는 인버터 집중으로 인한 고조파 왜곡(harmonic distortion).
[0297] 이들 중 전압 상승은 대부분의 DNSP에 대해 가장 우선시되며 태양광 보급율이 높은 망/네트워크 영역에서 즉각적인 주의가 필요하다. 전압이 법적 한계를 벗어나면 모든 표준 준수(standard-complying) 인버터가 트립-오프(trigging off)되기 때문에 네트워크 안정성에 대한 위협이 없다. 가능한 데이터에 따르면 인버터의 25-35%가 일부 지역에서 트립-오프된다. 이는 인버터를 수동으로 재설정해야 하고 태양광 송출로 인한 수익 감소로 인해 예상 투자 수익을 달성하지 못하는 고객에게는 허용되지 않는다.
[0298] 이것은 호주 전기의 5.3%를 생산하는 옥상 태양광의 기존 양에서 일어나고 있으며, 이는 예측된 50%에도 가깝지 않는다. 태양광 발전(solar PV)이 그 수준까지 성장하면 실로 큰 변화가 될 것이다.
[0299] 호주 DNSP는 태양광 송출의 영향에 대해 다양한 반응을 보인다. 여기에는 태양광 연결 수 제한, 태양광 시스템에 대한 0 또는 기타 송출 요구 사항 부과, 발생한 네트워크 비용을 충당하기 위해 고객의 추가 투자 요구 등이 포함된다. 이러한 조치는 고객이 계통/그리드에 대한 의존도를 줄이는 기술을 사용하려는 더 큰 인센티브를 갖게 되기 때문에 네트워크 비즈니스에 "죽음의 소용돌이(death spiral)"를 제공한다. 또는 DNSP는 더 많은 옥상 태양광을 수용하기 위해 계통/그리드를 강화하기 위해 전통적인 네트워크 측 투자를 할 수 있다. 그러나 이러한 조치는 비용이 많이 들고 시간이 지남에 따라 요금을 통해 고객에게 전가되어 그리드 공급 전력의 매력이 떨어지기 때문에 이것은 또한 죽음의 소용돌이를 일으키기도 한다.
[0300] DNSP가 비용이 많이 들고 고객 청구서에 상승 압력을 가하는 대규모 망/네트워크 측 투자를 요구하지 않는 솔루션이 가능할 수 있다. 많은 DNSP가 전력 흐름 및 전압을 관리하기 위해 고객 발전을 능동적으로 관리할 수 있는 기술을 시연하고 있다. 네트워크 전압은 태양광 출력을 줄이는 것보다 고객 송출에 훨씬 적은 영향을 미치는 무효 전력을 사용하여 제어할 수 있다. 무효 전력은 가능한 범위 내에서 태양광 및 저장 인버터의 기능을 사용하여 제공될 수 있다. 그러나 무효 전력은 고효율로 무효 전력을 제공하도록 특별히 설계된 전력 전자 장비인 전력 조절 장치에 의해 보다 포괄적으로 제공될 수 있다.
[0301] 고객 현장(customer site)에 연결된 스마트 인버터 또는 전력 조절 장치를 사용하여 로컬 지능형 제어를 통해 전압 상향식 관리. 이건은 또한 적절한 통신 인터페이스를 통해 DNSP들에 네트워크 성능에 대한 완전한 가시성을 제공할 수 있지만 제어가 로컬이기 때문에 SCADA 품질 제어가 필요하지 않는다. 이는 대부분의 DNSP가 현재 운영 제어와 통합할 준비가 되어 있지 않은 DERMS(distributed energy resource management systems: 분산 에너지 자원 관리 시스템)와 대조적으로 비용 절감과 단순성을 모두 나타낸다. 이를 통해 전압 관리에 대한 계층적(tiered) 접근 방식을 허용하여 고객 계량기 뒤에서 사이트별로 전압 문제를 효과적으로 해결한 다음, 시간이 지남에 따라 DERMS를 사용하여 발생하는 열 제한을 관리할 수 있다. 각 주(state)의 구역 변전소 규모의 시연은 DNSP가 이 접근 방식이 상업적이고 실용적인 의미가 있으며 주요 태양광 공급 장치로 전환할 때 네트워크의 미래를 보장한다는 것을 보여준다.
[0302] 요약하면,
- 전압 규정은 DER 네트워크의 필수 전제 조건이고,
- 전압 규정은 DER의 진정한 이점을 제공하고,
- VAR 관리는 전압을 유지하기 위한 기존 대안보다 경제적이다.
전통적인 단방향 계통/그리드 전압 규정
[0303] 아래의 도 17은 일반적인 중전압 네트워크의 구성을 나타낸다. 변전소 변압기에는 일반적으로 모든 부하 조건에 대해 11kV 버스를 조절하는 온-로드(on-load) 탭 절환기(tap changer)가 있다. 호주에서는 일반적으로 사용되는 두 가지 제어 방법이 있다.
[0304] 일정한 변전소 전압 - 탭 절환기 위치는 변전소에서 일정한 전압을 유지하기 위해 부하 조건에 따라 달라지며, 부하가 변할 때 변전소 네트워크에서 발생하는 전압 변화를 보상한다.
[0305] 조정된 피더/급전선 전압 - 11kV 버스 전압은 고부하 조건에서 약 103%로 증가하고, 저부하 조건에서 약 100%로 감소한다. 탭 절환(tap changing)은 일반적으로 실시간 SCADA 시스템과 관련된 LDC(Load Drop Compensation) 릴레이/계전(Relay) 또는 VVR(Volt VAR Regulation) 알고리즘에 의해 결정된다. 상기 LDC 릴레이/계전은 11kV 급전선의 임피던스(저항 및 인덕턴스)를 시뮬레이션하고 급전선을 따라 전압을 모델링하여 탭을 절환/변경하고 급전선을 따라 약 1/3 위치에서 일정한 값으로 급전선 전압을 조절하는 시기를 결정한다. 상기 VVR 알고리즘은 LDC와 유사하지만 커패시터 및 레귤레이터 스위칭을 수용할 수 있는 기능이 있다.
[0306] 배전 변압기들은 일반적으로 고정된 오프로드(off-load) 탭 절환기를 가지며 11kV 및 LV 네트워크의 전압 규정에서 중요한 역할을 한다. 상기 11KV 피더/급전선의 시작 부분의 전압은 피더/급전선 끝의 전압보다 높으므로, 배전 탭들은 피더 시작 부분에서 배전 변압기 단자의 전압을 낮추고 피더 끝 부분에서 배전 변압기의 LV 단자 전압을 높이도록 설정된다. 일반적으로 상기 탭은 저부하 조건에서 상기 배전 변압기의 LV 단자들에서 245VAC로 설정된다. 이 구성은 도시 지역에서 상당히 일반적이다.
[0307] 시골 지역에서 11kV 피더/급전선은 일반적으로 훨씬 더 길고 피더/급전선을 따라 하나 이상의 전압 조정기를 가질 수 있다. 상기 전압 조정기들은 부하에 따라 전압을 높이거나 낮출 수 있다.
[0308] 전압 규정은 단일 분배 피더/급전선 또는 다중 피더/급전선에 적용될 수 있다. 단일 피더/급전선의 경우 피더 시작 부분에 위치한 전압 조정기와 LDC 릴레이/계전기는 각 피더의 전압을 독립적으로 조정한다. 공통 버스의 다중 피더의 경우 LDC 부하 전류는 모든 피더의 합계이며 상기 공통 버스는 온-로드 탭 절환기서 조정된다.
[0309] LDC 방식은 널리 사용되지만 많은 단점이 있다. 몇 가지 단점은 다음과 같다.
- LDC 시스템은 일반적으로 전력 흐름이 제어 버스에서 한 방향으로 흐르는 경우에만 전압을 제어하도록 구성된다.
- LDC 전압은 부하가 피더 또는 피더들을 따라 균등하게 분포되어 있다고 가정한다.
- LDC는 R 및 X 설정에 따라 결정된 하나의 표시 피더(notational feeder)만 제어한다.
- 여러 피더를 제어하는 LDC의 경우, 각 피더에 균등하게 분포된 부하가 있고 각 피더에 대해 동일한 부하 프로필이 있다고 가정하지만 그렇지 않은 경우가 많으므로 결과가 위협될 수 있다.
- 분산 직렬 또는 션트 커패시터 뱅크 다운스트림(shunt capacitor banks downstream)은 전압 규정을 더 어렵게 만든다.
LDC와 양방향 계통/그리드
[0310] LDC는 전력이 언제든지 임의의 방향으로 흐를 수 있는 진정한 양방향 계통/그리드를 갖는 데 항상 장애물이 될 것이다. 기존의 LDC는 전력 흐름이 제어 버스/레귤레이터 시스템에서 한 방향으로 흘러갈 때만 올바른 결과를 생성한다. 이것이 DNSP가 DER 발전 송출을 LV 및 MV 네트워크로 제한하는 또 다른 이유이다. 하나 이상의 피더/급전선이 제어 버스로 전력을 가져오는 동안 다른 피더/급전선이 상기 제어 버스에서 전력을 내보내는 경우 상황은 더욱 악화된다. 이러한 상황에서 전압은 LDC 제어 방식을 사용하는 피더를 따라 올바르게 제어될 수 없다.
진정한 양방향 계통/그리드의 요구 사항
[0311] 진정한 양방향 그리드의 경우, 각 회로/피더에 대한 전압은 해당 회로/피더 내의 부하 또는 발전과 독립적으로 제어되어야 한다. VAR 관리는 현재 사용할 수 있는 적절한 기술이 있는 유일한 실행 가능한 방법이다. 첫 번째 백서 'Is Grid Full'에서는 LV 피더/급전선의 전압이 부하 및 발전 조건 모두에 대한 법적 한계 내에서 관리될 수 있는 방법을 보여주었다. 모든 LV 네트워크는 법정 한계 내에서 계통 전압을 유지하면서 배전 변압기 정격의 최대 200%까지 DER을 수용할 수 있다. 상술한 200%는 100%가 HV 그리드로 송출되고, 나머지 100%는 해당 LV 피더의 고객이 소비하는 것으로 구성된다. 발전이 최소이고 부하가 최대인 야간 시간에 증가된 부하로 인한 전압 강하를 보상하기 위해 선행(leading) VAR을 생성하여 전압을 유지할 수 있다. 전력 조절 시스템을 사용하면 원격 감지 없이 *?*전압을 항상 자율적으로 유지할 수 있다.
[0312] 상술한 첫 번째 백서 'Is the Grid Full'에서는, 드룹(droop) 제어 알고리즘을 사용하는 분산 VAR 관리 대신에 전력 조절 장치의 배치가 해당 회로/급전선의 전압을 조절할 수 있는 회로/급전선을 따라 최적의 지점이 있음을 보여주었다. 상기 전력 조절 장치는 계량기 앞이나 뒤에 배치할 수 있으며 각 부하/발전 현장에서 분산 VAR 관리의 많은 기술 및 상업적 불평등을 해결한다.
[0313] 요약하면, 다음과 같은 사실을 알 수 있다.
- 기존 배전 네트워크는 단방향 전력 흐름 전용으로 설계되었다.
- 양방향 배전 네트워크는 전력 흐름을 관리하기 위해 각 피더/회로에 독립적인 전압 제어가 있어야 한다.
- LDC와 같은 기존 전압 제어를 비활성화하고 독립적인 전압 제어 메커니즘으로 교체해야 한다.
- 단방향 네트워크의 역 전력 흐름은 테이퍼된(tapered) 배전 변압기 탭 등급으로 인해 더 많은 전압 문제를 일으킬 것이다.
전력 조절 장치 특성
[0314] 상기 전력 조절 장치는 DER을 상기 배전 네트워크에 도입하는 데 직면한 많은 네트워크 문제를 해결하도록 특별히 설계되었다. DNSP가 직면한 주요 문제는 다음과 같다.
- 전압 관리, 특히 네트워크의 낮은 전압 레벨 생성으로 인한 전압 상승
- 간헐(intermittent) 발전으로 인한 전압 변동
- 오류 식별 및 위치
- 상(phases) 간의 전압 균형
- 고조파 완화
- 네트워크 안정성.
[0315] 상기 전력 조절 장치는 최신 실리콘 카바이드 및 폴리프로필렌 커패시터 기술을 사용하여 20년의 예상 수명을 제공하는 고급 4사분면, 3상, 4선 인버터이다. 상기 전력 조절 장치 인버터에는 다음과 같은 기능이 있다.
- 하나의 패키지에 포함된 진정한 3상 380-480VAC 인버터. 상기 전력 조절 장치는 3개의 독립적인 위상 출력을 시뮬레이션하기 위해 중성(neutral)이 변조되는 4선식 장치이다. 각 위상 출력은 위상 정격까지 서로 다른 전압과 전류를 가질 수 있다.
- 3상 4선 또는 단상 2선으로 구성할 수 있다. 2상을 병렬로 연결하여 단상(single phase) 및 중성 인버터(neutral inverter)를 생산할 수 있다.
- 가변 주파수 또는 고정 50Hz - 60Hz. 전력 조절 장치 주파수는 기존 네트워크에 맞게 50Hz 또는 60Hz로 고정될 수 있다. 원격 펌핑 또는 모터 시동의 경우 전력 조절 장치를 가변 주파수 드라이브로 구성할 수 있다.
- DC 입력 범위 600 - 980VDC. 배터리가 80% DoD일 때 최대 전압에서 출력을 활성화하려면 큰 DC 전압 범위가 필요하다.
- 전체 4사분면 - VAR을 소싱/싱킹(sourcing/sinking)하고 kW를 전체 정격으로 반입/송출할 수 있다.
- 개별 위상 전류 밸런싱이 있는 4선 3상(four wire three phase). 상기 중성을 변조함으로써 위상 사이에서 전력을 이동하여 위상 전압의 균형을 맞추고 전력 조절기(power conditioner)처럼 작동할 수 있다.
- 에너지 저장 장비의 배터리 충전 및 방전.
- 그리드 처짐/팽창(sag/swell) 및 전압 변동에 대한 전력 조절 보상. 상기 전력 조절 장치는 공급 품질을 향상시키기 위한 전력 조절기(power conditioner)로 사용될 수 있다. 위상 전압을 특정 전압 및 대역폭으로 조절할 수 있다. 처짐 및 팽창(Sags 및 Swell)은 먼저 VAR을 소싱하거나 싱킹하여 전압 편위(voltage excursions)를 수정하고 배터리가 있는 경우 실효 전력을 생성하거나 소비하여 전압을 수정함으로써 수정될 수 있다.
- 프로그래밍 가능한 고조파 싱크. 상기 전력 조절 장치는 최대 25kHz의 고조파 주파수를 싱크(sink)하도록 프로그래밍할 수 있다.
- 선택 가능한 전류원(current source) 또는 전압원(voltage source) 인버터. 상기 전력 조절 장치는 네트워크에 연결될 때 전류 모드 또는 오프 그리드 애플리케이션을 위한 전압 모드에 있을 수 있는 그리드 형성 인버터이다. 시간 경과에 따른 변화는 2 주기(cycle) 미만이다.
- 역률 보정. 상기 전력 조절 장치는 필요한 경우 고정된 선행 또는 후행 역률 보정 장치 또는 드룹(droop) 곡선이 있는 가변 선행 또는 후행 VAR 발생기로 구성될 수 있다.
- 전력 흐름 조절. 상기 전력 조절 장치는 반입 또는 송출을 지정된 수준으로 제한하도록 프로그래밍할 수 있다.
- 무정전 전원 공급 장치(UPS; Uninterruptable Power Supply) 기능. 상기 전력 조절 장치는 라인 인터랙티브 또는 온라인 UPS일 수 있다. 라인 인터랙티브 모드에서 상기 전력 조절 장치는 2 사이클 미만으로 전류 모드에서 전압 모드로 변경할 수 있다.
- 오프 그리드 운영(Off grid operation). DER 발전 및 백업 발전기와 함께 상기 전력 조절 장치는 계통/그리드에 부분적으로 또는 완전히 오프 그리드 전원 공급 장치일 수 있다.
- 방향성 시퀀스(Directional sequence) 보호. 진정한 4선식 장치인 상기 전력 조절 장치는 선간(line to line) 및 선간 접지(line to ground) 오류를 감지하고 네트워크에서 분리하는 데 사용할 수 있는 포지티브, 네거티브 및 제로 시퀀스 전압과 전류를 계산할 수 있다.
- 네트워크 안정성. 전력 조절 장치는 네트워크 중단에 대한 독립적인 UPS를 고객에게 제공함으로써 네트워크 신뢰성 SAIDI를 향상시킬 수 있다.
- 무정전 전원 공급 장치(UPS; Uninterruptable Power Supply) 기능. 상기 전력 조절 장치는 라인 인터랙티브 또는 온라인 UPS일 수 있다. 라인 인터랙티브 모드에서 상기 전력 조절 장치는 2 사이클 미만으로 전류 모드에서 전압 모드로 변경할 수 있다.
- 오프 그리드 운영(Off grid operation). DER 발전 및 화석 연료 백업과 함께 상기 전력 조절 장치는 계통/그리드에 부분적으로 또는 완전히 오프 그리드 전원 공급 장치일 수 있다.
- 방향성 시퀀스(Directional sequence) 보호. 진정한 4선식 장치인 상기 전력 조절 장치는 선간(line to line) 및 선간 접지(line to ground) 오류를 감지하고 네트워크에서 분리하는 데 사용할 수 있는 포지티브, 네거티브 및 제로 시퀀스 전압과 전류를 계산할 수 있다.
- 네트워크 안정성. 전력 조절 장치는 네트워크 중단에 대한 독립적인 UPS를 고객에게 제공함으로써 네트워크 신뢰성 SAIDI를 향상시킬 수 있다.
230VAC 전압 표준/규격
[0316] 호주의 대부분의 관할 구역은 230VAC +10%-6%의 새로운 전압 표준을 채택했다. 임시 조치로 시스템은 새 표준에 맞는 이전 240VAC±6% 표준과 일치하도록 구성되었다. 향후 언젠가는 국제 전압 규격인 230VAC+10/-6%로 완전히 전환할 계획이다. 잠정 230VAC +10%-6% 표준은 253VAC 대 254VAC의 전압 상한이 거의 동일하지만, 이전 하한인 225VAC에 비해 훨씬 더 낮은 216VAC를 가진다. 잠정 230VAC 표준으로 이동하면 네트워크의 PV 호스팅 용량이 증가할 수 있다고 제안되었다. 이것은 배전 변압기의 탭 설정이 공칭 230VAC로 설정된 경우에만 해당된다. 이것은 비용이 많이 드는 작업이 될 것 이다(배전 변압기 탭 설정을 변경하기 위해 승무원을 보내는 데 약 $2000가 소요되며, 상기 전력 조절 장치를 사용하여 전압을 관리하는 경우 필요하지 않는다. 아래 단락에서 다음과 같이 표시할 수 있다. 상기 전력 조절 장치에 의한 VAR 관리는 기존 배전망의 변경 없이 국제 230VAC±6%를 달성할 수 있다.
양방향 계통/그리드의 전압 관리
[0317] 다음은 양방향 계통/그리드에서 전압을 관리하는 LV 전력 조절 장치의 능력을 입증하기 위한 몇 가지 사례 연구이다. 사례 연구는 양방향 그리드에서 전압을 조절하기 위한 VAR 관리의 가능성을 보여주기 위해 선택된다. 상기 전력 조절 장치는 모두 배전 변압기의 터미널이나 LV 피더/급전선을 따라 최적 지점에서 LV 네트워크에 배치된다. 양방향 그리드에서 가능한 부하 및 생성의 많은 순열(permutations)이 있다. 부하 및 발전의 모든 순열에 대한 전력 조절 장치 VAR 관리의 적용 가능성을 입증하기 위해 극한 조건(즉, 최대 부하 및 최대 발전)만 분석된다. 두 가지 하중 사례가 아래에서 탐색된다.
- LV 네트워크의 DER에서 장비의 열 정격(thermal rating)까지 최대 발전이 있는 경우
- DER 발전이 없고 배전 장비의 정격까지의 최대 부하만 있는 경우. 이 상황은 DER 발전이 없는 저녁 피크를 시뮬레이션한다.
[0318] 이들 각각의 경우에 LDC/VVR 11kV 전압은 비활성화되고, 모든 전압은 LV 네트워크의 전력 조절 장치(VAR) 제어를 통해 관리된다. 부하 흐름 패키지(load flow package)를 사용하여 아래 그림에 표시된 전압 프로파일을 계산했다.
일반적인 변전소 구성
[0319] 도 17은 이 보고서에 사용된 전형적인 MV 변전소를 도시한다. 상기 변전소는 11kV 버스와 병렬로 연결된 2개의 하위 전송 변압기(우리 연구에서는 33/11kV)로 구성된다. 상기 11kV 버스에는 상기 버스에 연결된 여러 11kV 피더/급전선이 있어 주변 지역에 전력을 분배한다. 각 11kV 피더/급전선에는 각 11kV OH 피더/급전선에 연결된 400m 간격으로 25개의 배전 변압기가 있다. 각 OH 11kV 피더/급전선은 전체 길이를 따라 문(Moon) 전도체(AAC 7/4.75)가 있는 3 상(phase)이다. 각 11kV 피더/급전선에는 315kVA의 정격과 11000/415의 전압 비율을 가진 25개의 배전 변압기가 델타/와이(delta/wye) 배열로 있다. 문 전도체(Moon conductor)는 1m/sec의 풍속에 대해 400A(7.8MVA) 이상의 정격을 가지고 있다. 일반적으로 11kV 피더/급전선은 최대 수요 활용률(peak demand utilisation)이 60-70%(4.5-5.3MVA)이다. 이 보고서에서 분석된 모든 '최대' 부하/발전 사례는 DNSP의 모든 운영 상황을 다룰 피더/급전선 당 7.8MVA를 사용하고 있다.
[0320] 상기 11kV 피더/급전선의 최악의 전압 규정은 발전 및 부하 상황 모두에 대해 상기 피더/급전선의 끝에서 발생한다. 일반적으로 상기 11kV는 LDC/VVR 전압 규정으로 11±5% kV로 유지된다. 또한 상기 11kV 피더/급전선의 전압은 공칭(nominal) 값의 ±5% 이내로 설계된다. 상기 11kV 피더/급전선을 따라 허용되는 전압 강하 또는 상승은 5%이다.
[0321] 상기 LV 전압 규정은, 400m의 총 LV 회로 길이를 제공하기 위해, 각각 40m 간격으로 10개의 노드로 구성된 단일 LV 3상, 4선, 문 도체 회로(single LV 3 phase, 4 wire, Moon conductor circuit)로 모델링 되었다. 일반적으로 각 배전 변압기에서 발생하는 최소 2개의 LV 회로가 있다. 2개의 LV 토폴로지가 모델링되었다.
- 각 10개 발전 지점에서 단일 PF(unity PF)에서 15.75kW의 동일한 발전을 갖는 배전 변압기의 회로. 각 회로의 길이는 400m이다.
- 1개의 LV 회로는 회로를 따라 등간격으로 10개의 발전 지점 각각에서 길이 400m 및 31.5kW의 상기 배전 변압기의 상기 LV 단자들에 연결된다. 이 '최대' 상황은 정상적인 2 회로 토폴로지와 비교하여 최대 전압 상승 또는 하강을 생성한다.
[0322] DER 발전의 영향을 평가하기 위해, 첫 번째 배전 변압기와 마지막 배전 변압기에 대한 전압 규정이 자세히 표시된다. 상기 LV 네트워크들에 대한 올바른 조정을 유지하는 데 필요한 VAR들은 11kV 피더/급전선의 마지막 배전 변압기에서 최대여야 한다. 모든 전압 규정 분석에는 공칭 230VAC가 사용되었다. 호주의 현재 법정 전압 제한은 230+10%-6%이다.
[0323] 상기 변전소에 대한 두 가지 조건이 자세히 분석되는 바, 하나는 DER의 최대 발전이 배전 변압기의 정격 열(thermal rating)과 같고 다른 하나는 각 배전 변압기의 최대 부하가 배전 변압기의 열 정격, 즉 315kVA와 같다. 예시적인 변전소에서 11kV 피더/급전선 F1은 최대 발전량을 갖고 F2는 최대 부하를 갖게 된다. 이로한 구성은 모든 부하 및 발전 조건에서 네트워크 전압을 관리하는 VAR들의 성능/용량을 보여준다. F1은 법정 조건 내에서 전압을 관리하기 위해 지연(lagging) VAR이 사용되는 최대 발전 조건을 나타낸다. F2는 법정 한계 내에서 전압을 관리하기 위해 선행(leading) VAR이 사용되는 최대 부하 조건에 피더/급전선이 있는 상황을 나타낸다.
[0324] 상기 최대 발전량 분석을 위해, 최대 발전 시점의 국부 부하(local load)가 DER 발전에서 공급되고 전체 발전은 배전 변압기를 통해 다시 공급되는 것으로 가정한다.
[0325] 이 간단한 토폴로지 및 아래의 분석은 오늘날 많은 DNSP의 경우와 같이 전압을 제어하기 위한 발전 송출을 제한하지 않고 변전소의 LV 네트워크 및 11kV의 전압을 성공적으로 조절하기 위한 VAR 관리의 적용을 입증할 것이다. 발전은 태양광 PV에서 DER 발전이 최대이고 전압 상승이 기존 규제 한계로 유지될 수 있는 '한낮(midday)' 상황을 나타낸다. 피크 수요는 DER 발전이 없고 11kV 및 LV 네트워크에서 전압 강하가 최대인 저녁 피크(evening peak)를 나타낸다.
[0326] 위의 모든 분석에서, LV 전력 조절 장치는 전압을 낮추기 위해 지연 VAR을 생성하거나 전압을 증가시키기 위해 선행 VAR을 생성하는 데 사용된다. 11kV 전압 제어의 경우, 상기 전력 조절 장치는 배전 변압기 DT17의 LV 단자들에 배치되고, LV 전압 제어의 경우, 상기 전력 조절 장치는 LV 회로를 따라 위치 7에 배치된다. VAR 제어의 최적 배치는 회로를 따라 66% 부하 균형 지점에 있다는 것이 이전 단락에서 입증되었다. 모든 VAR 관리 분석은 부하 균형점 66% 또는 그 부근에서 VAR 관리로 수행되었다.
각 DT에 대해 2개의 LV 회로가 있는 단일 OH 11kV(MV) 피더/급전선의 전압 관리
최대 발전 분석
[0327] 도 18은 VAR 관리가 있거나 없는 단일 11kV에 따른 전압 프로파일을 보여준다. 각 배전 변압기는 PF1에서 315KW을 가지며 총 7.8MVA를 발전하기 위해 11kV 피더/급전선으로 다시 발전한다. VAR 관리가 없는 상기 11kV 피더/급전선의 끝에서 전압 상승은 11kV 버스 전압보다 7%에 높게 접근한다. dStatcom이 17번 위치에 있는 배전 변압기의 LV 단자들에 추가되어 지연(lagging) VAR의 1000kVAR를 발전하면, 상기 피더/급전선 끝의 전압은 11kV 전압 규정 한계 내에 있는 +4.9%로 감소한다.
[0328] DT1 및 DT25에서 LV 회로들에 대한 VAR 보상이 없는 전압 규정은 도 19에 도시된다. 배전 변압기1의 LV 회로 전압 규정은 230VAC+10%의 허용된 전압 규정 한계의 정확히 이내인 9.3%이었다. 예상대로 DT25의 전압 규정은 230VAC+10%의 허용 한계보다 컸고, 15.8%였다.
[0329] LV 전압을 법정 한계 내로 되돌리려면, 상기 LV 회로를 따라 VAR 관리가 필요하다. 도 20은 25kVARdml 지연(lagging) VARS의 모든 LV 회로에 적용되거나, F1을 따라 배전 변압기당 50kVAR이 적용될 때 DT1 및 DT25에서의 LV 전압 규정을 보여준다. DT25의 각 회로 끝에서 전압 규정은 9.9%였다. DT1에서 전압 규정은 5.9%에 불과하다.
[0330] 각 회로에서 25kVAR를 갖는 F1을 따른 각 배전 변압기의 역률은 0.964 내지 0.962 범위에 있다. 이러한 역률은 일반적인 피크 부하 조건(peak load condition)들에서 단방향 계통/그리드가 경험하는 것과 유사하다. 11kV 급전선 F1 역률은 0.923이었다.
[0331] 도 20은 전체 전압 규정이 각 LV 회로에서만 VAR 관리에 의해 완전한 11kV 피더/급전선에서 관리될 수 있음을 보여준다. 대안은 상기 11kV 및 LV 회로에서 VAR 관리를 결합하는 것이다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 11kV 전압 및 관련 LV 단자 전압은 배전 변압기들의 LV 버스를 통해 11kV 피더/급전선에서 직접 VAR 관리에 의해 관리될 수 있다. 이하의 분석은 상기 11kV 및 LV 회로 모두의 전압 규정을 통해 LV 전압 규정을 달성할 수 있음을 보여준다.
[0332] 도 21은 각 LV 회로에 20kVAR가 있고 DT17의 LV 단자에 추가 400kVAR이 있는 DT1 및 DT25의 전압 규정을 보여준다. DT17의 400kVAR는 모든 배전 변압기의 LV 단자 전압을 낮춘다. 더 낮은 터미널 배전 변압기 LV 터미널 전압은 전압 규정을 유지하기 위해 더 낮은 VAR 보상을 초래한다.
VAR 관리 효율성
[0333] 전압 규정은 LV 회로들에 대한 VAR 관리에만 의해, 또는 11kV 및 LV 둘 다의 VAR 관리 조합에 의해 달성될 수 있다. 어떤 VAR 관리 방법이 더 효율적인지 결정하려면 각 옵션에 필요한 총 VARS를 계산해야 한다. 도 19 및 20에 설명된 경우 법적 제한을 유지하는 데 필요한 총 VAR은 각각 1250kVAR(25x50kVAR) 및 1400kVAR(25x40 + 400)이다. 균일한 발전 및 균일한 임피던스를 위한 간단한 경우에 대해서는, 오로지 LV 회로 VAR 관리가 더 효율적이다.
각 DT에 대해 1개의 LV 회로가 있는 단일 OH 11kV(MV) 피더/급전선의 전압 관리
[0334] 정격이 100kVA보다 큰 대부분의 대형 배전 변압기에는 1개 이상의 LV 회로가 있는 것이 일반적이지만, 더 작은 정격 배전 변압기의 경우에는 하나의 LV 회로가 일반적이다. 모든 구성에 대한 VAR 관리의 보편적인 적용을 평가하기 위해 단일 LV 회로 상황이 분석된다. 이하의 분석은 각 315kVA 배전 변압기에 하나의 LV 회로만 연결되고 배전 변압기당 총 315kW에 대해 가정당 31.5kW의 발전이 있는 '최대' 경우에 대한 VAR 관리의 적용 가능성을 보여준다. 도 22는 피더/급전선 시작 부분에서 DT1에 연결되고 피더/급전선 끝 부분에서 DT25에 연결된 회로를 따라 전압 상승을 보여준다. DT1에 대한 전압 상승은 +10% 한계 내에 있는 반면, DT25의 단일 회로 끝에서 최대 전압은 12.7%이고 +10% 한계를 초과한다.
[0335] 도 23은 각 배전 변압기에서 H7에서 60kVAR의 VAR 보상을 갖는 DT1 및 DT25를 따른 전압 상승을 도시한다. LV의 전압 규정은 각 배전 변압기에 대한 법적 한계 내에서 유지된다. 11kV 급전선의 전압 규정은 각 배전 변압기의 H7에서 60kVAR를 기반으로 2.4%이다.
[0336] 단일 회로의 경우, 배전 변압기당 2개의 LV 회로에 대한 각 회로의 25kVAR에 비해 LV 전압을 법정 한계 내로 유지하려면, 60kVAR가 필요하다. 결과는 비슷하지만 단일 회로에 대해 더 심각한 전압 상승을 관리하려면 추가 10kVAR가 필요하다.
호스팅 용량
[0337] 위의 결과로부터, 최대 DER 호스팅 용량은 분배 등급의 100%보다 크며, 100% DER 발전은 송출될 수 있으며 로컬 부하에 대한 DER 발전은 최대 100%일 수 있다.
[0338] 요약하면, 다음 사항에 유의해야 한다.
- 상기 전력 조절 장치를 통해, VAR 관리 및 DER 호스팅 용량은 배전 변압기 정격의 100% 이상이다.
- LV 법정 전압 제한은 배전 변압기의 열 정격과 동일한 DER 발전을 송출하는 동안 유지될 수 있다.
- 11kV 급전선 전압은 각 배전 변압기의 전체 송출에 대해 ±5% 이내이다.
- 11kV 및 LV VAR 관리를 모두 사용하여 11kV 및 LV 전압을 조절할 수 있다.
- LV VAR 보상은 11kV와 LV VAR 관리의 조합보다 적은 VAR만 필요하다.
- 100% DER 송출의 경우, 배전 변압기 PF는 > 0.95이고 11kV PF는 > 0.9이다.
- 위에 제시된 분석에서, 100% 송출을 위한 지연(lagging) VAR 요구 사항은 배전 변압기 정격의 kVA당 200VAR 미만이다.
최대 부하가 있는 피더/급전선에 대한 전압 규정
[0339] 상기 전력 조절 장치는 VARS를 송출하면서 회로의 전압을 높일 수 있다. 피더/급전선에 과부하가 걸리면 피더/급전선을 따라 전압이 떨어진다. 단방향 계통/그리드에서 배전 변압기의 탭 절환기는 최대 부하 조건에서 전압을 조절하는 데 사용된다. 배전 변압기 LV 단자 전압은 최대 부하 조건에서 전압 강하를 보상하기 위해 피더/급전선의 시작 부분보다 높게 설정된다. 전압 강하를 조절하기 위한 배전 변압기 탭 절환기 외에도 션트 커패시터는 피더/급전선을 따라 전압 강하를 제한하고 역률을 개선하는 데 사용된다.
7.8MW 부하의 배전 변압기당 2 회로 분석
[0340] 도 24는 7.8MW의 총 부하에 대해 피더/급전선을 따라 각 배전 변압기에서 315kW의 부하를 갖는 11kV 전압 강하를 나타낸다. 모든 배전 변압기 탭이 공칭으로 설정된 경우 피더/배전선에 대한 전압 규정은 10.3%이다. 선행 VAR의 2MVAR이 배전 변압기7 및 배전 변압기17의 LV 단자에 배치되면, 전압 규정은 4.9%로 향상된다.
[0341] DT1 및 DT25에 대한 LV 전압 규정은, 각각 157.5kW의 부하를 갖는 2개의 CCT를 사용하여, 도 25에 도시된다. DT1은 법적 한계에서 허용되는 -6% 이내인 반면 DT25는 -13.7%의 전압 강하로 법적 한계를 훨씬 벗어난다.
[0342] 도 26은 선행 VAR 보상과 함께 DT1 및 DT25의 LV CCT를 따른 전압 규정을 보여준다. 각 회로의 H7에서 60kVAR로, 전압은 -6% 법정 한계 내에서 유지된다.
[0343] LV 전압 강하를 조절하는 또 다른 옵션은 분배 변압기 LV 단자 전압을 증가시켜, 상기 LV 회로 전압을 조절하기 위해 더 적은 LV 선행 VAR 보상이 필요하도록 하는 것이다. 도 27은 DT17의 LV 단자들에서 선행하는 2MVAR이 있는 DT1 및 DT25의 전압 규정을 보여준다. 2MVAR은 배전 변압기 LV 단자 전압을 2-5% 증가시켜, LV 전압 강하를 보상하기 위한 선행 VAR을 줄인다. 11kV 피더/급전선의 역률은 0.98이고 배전 변압기의 역률은 0.994 ~ 0.998이다. 11kV 전압 보상의 효율성을 입증하기 위해 11kV에서 한 위치만 사용되었지만, 11kV 피더를 따라 여러 11kV 주입 사이트(injection site)를 사용할 수 있다. 실제로 여러 C&I 사이트에서 기존 변압기 용량을 사용하는 것이 적절할 수 있다.
VAR 효율성(Efficiency)
[0344] 230VAC+10%-6%의 규제 한계를 충족하는 데 필요한 총 VARS는 두 가지 방식으로 충족될 수 있다.
- LV 회로에서만 선행 VARS(도 25)
- 11kV 전압 규정을 개선하기 위한 선행(leading) VAR과 LV 전압 규정을 개선하기 위한 LV 선행 VARS의 조합(도 26).
[0345] LV 선행 VARS에만 필요한 총 VARS는 3000kVAR인 반면, 11kV와 LV VAR의 조합에 대해서는 2750kVAR이다. 이 조합은 LV VARS만 사용하는 것보다 더 효율적이다.
7.8MW 부하의 배전 변압기당 1 회로 해석
[0346] 도 28은 배전 변압기당 1 회로의 전압 규정을 보여주지만 배전 변압기당 최대 부하가 315kW이다. 부하는 각각 31.5kW의 부하 10개에 균등하게 분산된다. LV 선행 VAR 솔루션 만은, 상기 피더/급전선을 따라 심각한 11KV 전압 강하로 인해, 찾을 수 없었다. 11kV 전압 강하는 -6% 미만으로 개선되어야, 상기 LV 회로에 대해 수용 가능한 선행 VAR 솔루션을 얻을 수 있다. 도 27에는 각 LV 회로의 배전 변압기 7LV에서 1MVAR, 배전 변압기 17LV에서 2MVAR, 및 H7에서 90kVAR가 있는 한 가지 솔루션이 도 27에 도시된다.
[0347] 요약하면, 다음 사항에 유의해야 한다.
- 전력 조절 장치, VAR 관리로 DER 호스팅 용량은 배전 변압기 정격의 100% 이상이다.
- LV 법정 전압 제한은 배전 변압기의 열 정격과 동일한 DER 발전을 송출하는 동안 유지될 수 있다.
- 11kV 피더/급전선 전압은 각 배전 변압기의 전체 송출에 대해 ±5% 이내이다.
- 11kV 및 LV VAR 관리를 모두 사용하여 11kV 및 LV 전압을 조절할 수 있다.
- LV VAR 보상은 11kV와 LV VAR 관리의 조합보다 적은 VAR만 필요하다.
- 100% DER 송출의 경우 배전 변압기 PF는 > 0.95이고 11kV PF는 > 0.9이다.
- 위에 제시된 분석에서 100% DER 송출을 위한 지연 (lagging) VAR 요구 사항은 배전 변압기 정격의 kVA당 200VAR 미만이다.
양방향 계통/그리드 논의
[0348] 위의 분석에서 배전 변압기 당 2개의 LV 회로가 있고 100% DER 발전을 내보내는 11kV 피더/급전선은 법정 전압 제한을 유지하기 위해 1250kVAR이 필요하다. 전체 배전 변압기 정격과 동일한 발전 및 전체 부하가 없는 동일한 피더/급전선은 법정 전압 제한을 유지하기 위해 2750kVAR가 필요하다.
[0349] 양방향 계통/그리드에 대한 전압 강하를 관리하는 데 필요한 송출 VAR(exporting VAR)들은, 발전으로 인한 전압 상승을 관리하는 데 필요한 흡수 VAR(absorbing VAR)들보다 훨씬 많다. 주된 이유는 배전 변압기 임피던스와 라인 임피던스가 주로 유도성(inductive)이며 선행 VAR이 전압을 조절하기 전에 취소해야 하기 때문이다. 양방향 계통/그리드의 경우, 전압 규정에 필요한 VAR들의 양은 전압 상승을 제한하기 위한 VAR이 아니라 DER 발전을 사용할 수 없을 때 전압 강하에 의해 결정된다.
[0350] 위의 모든 분석은 모든 배전 변압기 탭 설정이 중성 탭에 있고, 변압기의 비율이 11000/415라고 가정했다.
[0351] 요약하면, 다음 사항에 유의해야 한다.
- 상기 전력 조절 장치에 의한 VAR 관리는 장비의 열 정격까지 모든 발전 및 부하 조건에서 양방향 배전 네트워크의 법정 전압 제한을 유지할 수 있다.
- 상기 전력 조절 장치 VAR 관리를 사용하면 DER 호스팅 용량을 배전 변압기 열 정격의 100%까지 늘릴 수 있다.
- 최대 배전 변압기의 열 정격까지 전력을 생성 및 송출할 때 법정 전압 제한을 유지할 수 있다.
- 전체 피더/회로에 대한 법정 전압 제한을 유지하기 위해 최적 위치에 배치하는 경우 하나의 전력 조절 장치만 필요하다.
- 법정 전압 제한을 유지하면서 배전 변압기의 최대 정격까지 완전히 부하된 전력 VAR 관리가 전압을 유지하기 위한 기존 대안보다 경제적일 때, 상기 전력 조절 장치에 의한 VAR 관리는 11kV 및 LV 네트워크 모두에서 전압을 조절할 수 있다.
230VAC±6% 표준으로 이동
[0352] 위의 단락에서 VAR 관리는 전력이 임의의 방향으로 흐를 때 배전 네트워크의 전압을 조절할 수 있음을 보여주었다. 사용된 표준은 230VAC+10%-6%의 임시 호주 표준이었다. 이 섹션에서는 전압이 230VAC±6%의 국제 표준으로 조정될 수 있음을 보여준다. 위의 섹션 7에서 최대 부하에 대한 결과(예: 230VAC-6%)가 동일하므로 발전 전압 상승 조정만 분석된다.
[0353] 도 29는 25개의 배전 변압기 각각에서 315kW를 송출하는 11kV 피더/급전선의 시작과 끝에서의 전압 규정을 보여준다. 최대 발전 조건에서, 각 LV 회로에 대해 전압 규정을 230VAC±6%로 유지하려면 지연 VAR의 45kVAR가 필요했다. 각 배전 변압기에는 총 90kVAR가 필요했다.
[0354] 도 30은 전력 조절 장치의 지연 VAR 600kVAR이 DT17의 저전압 단자들에 주입되는 대안적인 VAR 관리 배열을 도시한다. 이것은 11kV 피더/급전선을 따라 각 배전 변압기에서 LV 단자 전압을 감소시켰고 상기 LV 회로들을 따라 VAR 요구사항을 이전 45kVAR 대신 35kVAR로 줄였다. 이 배열은 각 LV 회로를 따라 배치될 때 단지 2250kVAR에 비해 총 11kV 피더/급전선 VAR 요구 사항을 2350kVAR로 증가시켰다.
[0355] 최대 부하 전압 규정을 관리하기 위해, 피더/급전선을 따라 전압으로 조정하기 위해 적어도 하나의 11kV 선행 VAR 주입이 필요했다. 11kV VAR 주입이 필요하기 때문에, 11kV와 LV VAR 주입의 조합이 가장 효율적인 결과가 될 것이다.
[0356] 요약하면 다음 사항을 유의해야 한다.
- 상기 전력 조절 장치에 의한 VAR 관리는, 장비의 열 정격까지 모든 발전 및 부하 조건에서 양방향 배전망에서 법정 전압을 230VAC±6%의 국제 표준으로 유지할 수 있다.
전압 변동(fluctuations) 제한
[0357] DNSP는 간헐적인 DER로 인한 전압 변동에 대해 당연히 우려한다. 일반적으로 간헐적 구름은 몇 초/분에 걸쳐 태양 출력이 천천히 감소하기 때문에 문제가 되지 않는다. 전압 변동의 최악의 경우는 상한 또는 하한 전압 한계에 도달했을 때, 인버터가 순간적으로 셧다운되는 경우이다. 이 상황은 여러 인버터가 함께 종료될 때 더 복잡해질 수 있다. 급격한 발전 감소는 LV 피더/급전선의 모든 고객에게 전압 변동을 일으킬 수 있다. AS4777.2:2015를 준수하는 스마트 인버터에는 전압 변동을 늦추는 램핑(ramping)이 적용되었다. 상기 전력 조절 장치는 Pst 및 Plt 측정값을 모두 준수하도록 유지하기 위해 전압 상승/하강을 개선하기 위하여 VAR 출력을 즉시 조정할 수 있다.
[0358] 상기 전력 조절 장치는 법정 전압 제한을 유지하여 인버터가 먼저 셧다운되는 것을 방지하고, 전압 상승/하강을 감지하고 보상하기 위해 VAR을 순간적으로 조정함으로써, 과도한 전압 변동을 방지할 수 있다.
[0359] DNSP 및 고객에 대한 추가 이점으로서, 상기 전력 조절 장치는 또한 정상적인 처짐/팽창 인스턴스(sag/swell instances)를 보상한다.
[0360] 요약하면 이하와 같다.
- 상기 전력 조절 장치는 조절 전압 변동 한계를 유지하기 위해 LV 및 11kV 피더/급전선 모두에서 전압 변동을 개선할 수 있다.
고조파(Harmonics) 제한
[0361] 일반적으로 AS4777.2:2015를 준수하는 태양광 인버터는 고조파 출력이 낮고 일반적으로 DNSP에 문제가 되지 않는다. 국부적인 공진이 문제를 일으킬 수 있는 경우가 소수 있을 수 있다. 감지되지 않은 태양광 인버터 장비 고장으로 인해 상당한 고조파가 발생할 수 있다. 배경 고조파(Background harmonic) 문제는 네트워크의 다른 장비로 인해 발생할 가능성이 더 크다.
[0362] 상기 전력 조절 장치는 로컬 네트워크에서 최대 24kHz까지 임의의 고조파를 감쇠하도록 프로그래밍될 수 있다. 또한 계류 중인 고조파 문제를 나타내는 전압의 고조파 함량을 측정할 수도 있다.
전력 조절 장치 시뮬레이션
[0363] 전력 조절 장치는 50Hz 기본파 뿐만 아니라 50Hz 파형을 왜곡하는 일부 5차 및 7차 고조파를 생성하도록 전압 모드로 구성되었다. 전류 모드로 구성된 다른 전력 조절 장치에 직접 연결되었다. 상기 전류 모드 전력 조절 장치는 선택된 각 고조파에 대한 고조파 전류를 계산하고 PI 제어기로 실시간으로 상쇄 고조파 전류를 변화시키는 펌웨어(firmware)를 갖는다. 교정/보정 시간 간격은 20msecs 또는 50Hz 기본의 1주기이다. 이하의 측정은 모두 상기 전류 모드 전력 조절 장치의 단자들에서 수행되었다.
[0364] 도 31은 5차 고조파의 14Vrms 및 7차 고조파의 6Vrms를 갖는 전압원 전력 조정 장치의 출력을 도시한다. 평평한 파형은 일반적으로 여러 홀수 고조파가 있는 50Hz 파형이다.
[0365] 도 32는 도 31에 도시된 5차 및 7차 고조파를 상쇄하기 위해 전류 모드 전력 조절 장치를 켰을 때의 전압 파형 결과를 나타낸다. 상기 5차 및 7차 고조파는 중성(neutral)으로 션트(shunt)되고 50Hz만 230Vrms가 남는다.
[0366] LV 네트워크에 배치될 때 전력 조절 장치는 24kHz까지의 홀수 또는 짝수 고조파를 싱크(sink)할 수 있다. 배전 변압기 임피던스와 비교하여 가장 낮은 임피던스가 되기 때문에 전체 LV 피더에 대한 모든 고조파를 제거할 수 있다.
[0367] 요약하면 다음과 같다.
- 상기 전력 조절 장치는 전체 LV 피더/급전선 또는 고객 설비에서 최대 24kHz까지 모든 고조파를 싱크(sink)할 수 있다.
배전 변압기 탭 절환(Tap-Changing) 전략들
[0368] 단방향 네트워크에서 고정 분배 변압기 탭 절환기 설정은 피크 수요에서 전압 강하를 보상하도록 설계되었다. 일반적으로 배전 변압기 탭 절환기 설정은 피더/급전선의 첫 번째 1/3에서 배전 변압기 LV 단자 전압을 낮추고, 중간 1/3은 공칭 탭(nominal tap)에 있으며, 마지막 1/3은 LV 단자 전압을 높인다. 단방향 네트워크에서도 이러한 일반적인 탭 설정 설계는 이상적이지 않다. 11kV 피더/급전선이 재구성될 때 탭 설정은 항상 상당한 비용을 들여 변경해야 한다.
[0369] LV 네트워크에서 DER 발전으로 일반적인 배전 변압기 탭 설정은 전압 규정 문제를 악화시키지만, 동시에 비-발전 시간의 전압을 지원할 것이 요구된다. 따라서 고정 배전 변압기 탭 절환기를 사용하는 것은 더 이상 미래의 DER 네트워크를 위한 실행 가능한 엔지니어링 솔루션이 아니다.
[0370] 대안은 온-로드 (on-load) 탭 절환기가 있는 배전 변압기를 갖는 것이다. 이 솔루션이 제안되었지만 경제적이지 않은 것으로 나타났다. 상기 전력 조절 장치 VAR 관리 시스템은 현재 기술로 가장 경제적이고 실용적인 솔루션이다. 기존 단방향 네트워크가 전력 조절 장치 양방향 네트워크로 변환되는 경우, 이상적인 배전 변압기 탭 설정은 중성 탭(neutral tap)이다. 이 백서에서는 설명하지 않았지만 기존 단방향 배전 변압기 탭 설정은 상기 전력 조절 장치 VAR들의 크기를 변경하여 수용할 수 있다.
[0371] 새로운 양방향 전력 네트워크 설계 접근 방식은 탭 절환기가 있는 배전 변압기를 필요로 하지 않는다.
[0372] 위의 내용은 분산 에너지 자원(DER) 발전이 연결된 모든 고객 간에 공유될 수 있도록 기존의 단방향 배전 그리드/계통을 양방향 배전 그리드/계통으로 변환하는 방법을 보여준다. DER의 호스팅 용량을 기존 그리드 장비의 열 정격과 동일하게 증가시킬 수 있는 전력 조절 장치 기술에 대해 설명한다. LV 배전 네트워크에 DER 설치를 제한하는 몇 가지 기술적인 문제가 있다. 그들은 다음과 같다.
- 전압 규정(Voltage regulation)
- 전압 변동
- 고조파 발생
전압 규정
[0373] 전압 규정은 아마도 오늘날 DER 호스팅 용량을 제한하는 가장 큰 문제일 것이다. 네트워크 용량은 일반적으로 열 용량 제한보다 더 자주 전압 조정 문제로 인해 제한된다. 단방향 전력 흐름을 위해 설계된 네트워크에서 DER 발전은 연결 지점에서 네트워크 전압을 증가시키고 궁극적으로 법정 전압 상한을 넘어 정상 상태(steady state) 전압을 증가시킨다. 전압 규정에 대한 일반적인 DNSP 반응은 DER에서 네트워크로의 송출을 제한하거나 값비싼 장비를 배전 네트워크로 업그레이드하는 것이다. DER 송출에 대한 제한은 재생 에너지 시장의 개발을 제한하고 탄소 배출 감소를 제한한다.
전압 변동
[0374] 재생 에너지의 간헐성(intermittency)은 네트워크에서 전압 변동을 일으킬 수 있고 LV 피더의 모든 고객에게 영향을 미칠 수 있다. 구름 덮개가 태양광 설비 위로 이동함에 따라 출력은 구름이 음영을 일으키기 전에 높은 수준에서 태양 전지가 완전히 그늘에 있을 때 낮거나 거의 0 수준으로 전환된 다음, 구름이 지나가면 다시 높은 수준으로 돌아간다. 태양광 출력의 이러한 변화는 네트워크 전압에 직접적인 영향을 미치므로 음영 기간 동안 전압이 강하한다. 충분히 심각한 경우 조명 수준이 달라질 수 있으며 집, 창고 및 사무실에 있는 사람들에게 자극을 줄 수 있다.
고조파
[0375] 거의 모든 DER 발전기는 적절하게 설계되지 않은 경우 고조파를 생성할 수 있는 전력 전자 인버터를 사용한다. 전압 변동 및 고조파는 전압 조정 문제에 부차적이지만 DER이 주류 기술이 되기 전에 해결해야 하는 기술적 문제이다.
[0376] 지난 80년 동안 모든 배전 그리드/계통은 한쪽 끝에는 발전이 있고 다른 쪽 끝에는 부하가 있는 단방향 네트워크로 설계되었다. 구역 변전소 및 송전 변전소의 변압기 탭 절환기는 네트워크 전압을 법정 한계 내로 유지하는 데 사용되었다. DER을 설치하면 기존의 단방향 그리드와 호환되지 않는 그리드의 양쪽 끝에서 발전이 발생한다. 미래의 배전 네트워크는 DER 발전을 수용하기 위해 '진정한' 양방향 그리드/계통이여야 한다.
[0377] 이 백서는 전력 조절 기술이 어떻게 기존의 단방향 그리드를 모든 발전 및 부하 조건에 대해 진정한 양방향 그리드로 전환할 수 있는지 보여준다. DER 발전은 배전 변압기를 통해 다시 내보내고 11kV 피더/급전선을 따라 다른 11kV 피더/급전선에 공급하거나, 구역 변전소 변압기를 통해 하위 전송 네트워크로 다시 내보낼 수 있다. 상기 전력 조절 기술은 VAR 관리를 사용하여 11kV 및 LV 네트워크의 전압을 조절하여 호스팅 용량을, 다른 고객 용으로는 100% 송출로 증가시키고 현지 고객 사용용으로 100%로 증가시킨다(200%). 전력 조절 시스템은 한 위치에서 LV 또는 11kV 피더/회로의 모든 발전 및 부하 조건에 대한 전압을 조절할 수 있다.
[0378] 상기 전력 조절 시스템은 또한 전압 변동 및 고조파를 감소시켜, 배전 네트워크에서 DER 호스팅 용량을 증가시키기 위한 모든 문제를 해결할 수 있다.
[0379] 문맥이 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서 및 뒤따르는 청구범위 전반에 걸쳐, "포함하다" 또는 "포함하는"과 같은 표현의 변형은, 언급된 정수 또는 정수 그룹의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이지만, 다른 정수 또는 정수 그룹이 제외되는 것은 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 달리 명시되지 않는 한 용어 "대략/약"은 ±20%를 의미한다.
[0380] 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어 "지지대"에 대한 언급은 복수의 지지대를 포함한다. 본 명세서 및 다음의 청구범위에서, 반대 의도가 명백하지 않는 한 다음 의미를 갖는 것으로 정의되어야 하는 다수의 용어가 참조될 것이다.
[0381] 물론, 상술한 내용은 본 발명의 예시적인 일례로서 주어졌으며, 당업자에게 명백한 바와 같이 상술한 내용에 대한 모든 수정 및 변환된 내용은 본 명세서에 기술된 바와 같이 본 발명의 넓은 범위 내에 속하는 것으로 취급될 것이다.
Claims (106)
- 송전(electricity transmission) 네트워크에서 전력(electrical power)을 조절(regulate)하기 위한 장치에 있어서,
a) DC 장비(device)에 연결(connect)되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기(contactor);
b) 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되고 이하를 포함하는 전송 네트워크 커넥터:
i) 상기 송전 네트워크의 적어도 하나의 활선 연결(live connection)에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자(live terminal); 및
ii) 상기 송전 네트워크의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되는 중성 단자(neutral terminal);
c) 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치(switch); 및
d) 상기 스위치들에 연결되고 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 연결 (neutral connection) 각각의 전력을 독립적으로 조절하도록 구성되는, 하나 이상의 전자 제어 장비(electronic controlling device)
를 포함하되, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는:
i) 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독(voltage reading)을 수신하고;
ii) 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고;
iii) 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고
iv) 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하여;
b) 무효 전력을 증가시켜;
c) 실효 전력(real power)을 흡수하여; 그리고
d) 실효 전력을 감소시켜;
에 의해 상기 전압을 증가시키도록 구성되는
장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 실효 전력을 소싱(sourcing)하여;
b) 실효 전력을 증가시켜;
c) 무효 전력을 흡수하여; 그리고
d) 무효 전력 감소시켜;
에 의해 상기 전압을 감소시키도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 적어도 매 마이크로초(microsecond);
b) 적어도 매 초(second); 그리고
c) 매 마이크로초(microsecond)와 매 초(second) 사이;
를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 10분 윈도우 이내; 그리고
b) 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서;
를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전 네트워크는 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 최적 위치에서 회로(circuit)에 연결되도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 계통 연결(grid connection)로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차(accumulated voltage differential)는 상기 회로를 따른 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%인
장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 계통 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 회로를 따른 총 누적 전압 차의 약 50%인
장치.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나:
a) 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차;
b) 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차; 그리고
c) 최대 부하에서 총 누적 전압 차;
의 평균인
장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드(current mode) 또는 전압 모드(voltage mode)에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 전류 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 전압 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 적어도 하나의 연결 상에서 노이즈를 억제하기 위한 하나 이상의 필터를 더 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 노이즈를 억제하기 위해 상기 하나 이상의 필터와 상기 DC 접촉기 사이에 연결되는 스너버 회로(snubber circuit)를 더 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중성 연결은 접지로부터 분리되는
장치.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치들은 복수의 탄화규소 MOSFET 스위치를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치들은 상기 적어도 하나의 활선 연결 및 상기 중성 연결에 연결되는 복수의 대칭적인 하프 브리지 토폴로지 암(half-bridge topology arm)을 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 필터는:
a) 전자기 간섭(EMI; electromagnetic interference) 초크;
b) 노이즈 필터링을 위하여 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 연결되는 차동 모드 초크; 그리고
c) 간섭을 억제하기 위해 상기 스위치들에 연결되는 공통 모드 초크,
중 적어도 하나를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치들은 다음 중 적어도 하나를 위하여:
a) DC 전력의 부드러운 변동을 위하여; 그리고,
b) 전체 위상 오프셋 범위로 각각의 스위칭 사이클을 완료하기에 충분한 에너지를 저장하기 위하여;
복수의 커패시터를 가지는
장치.
- 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 복수의 커패시터는 오류(fault) 발생 시 상기 커패시터를 방전시키기 위해 페일-세이프(failsafe) 메커니즘에 연결되는
장치.
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 캐패시터들은 다층 인쇄회로기판(PCB)과 인터리빙(interleaving) 구조를 통해 연결되는
장치.
- 제23항에 있어서, 상기 인터리빙 구조는 상기 커패시터들 중 하나의 포지티브 컨택(contact)을 상기 PC의 하나 이상의 포지티브 층에 연결하고 상기 커패시터들 중 하나의 네거티브 컨택을 상기 PCB의 하나 이상의 네거티브 층에 연결하는 하나 이상의 스루홀(through-hole)을 포함하는
장치.
- 제23항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 생성된 자기장을 상쇄하기 위해 교번 극성층(alternating polarity layer)들을 정의하는
장치.
- 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 8개의 전기 전도성 층을 포함하는
장치.
- 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 적어도 2개의 외부 전기 전도성 음극층을 갖는
장치.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페일-세이프 메커니즘은:
a) 오류 발생 시 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터의 연결을 끊도록 구성된 하드웨어 안전 장치 메커니즘; 그리고
b) 오류 발생 시 다음 중 적어도 하나로 구성되는 소프트웨어 안전 장치 메커니즘:
i) 상기 커패시터들을 접지에 신속하게 연결 및 분리하도록 구성되고; 그리고
ii) 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터를 턴-오프(turn off)시키도록 구성되는,
중 적어도 하나의 메커니즘을 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 마스터 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC 장비는:
a) 배터리
b) 태양광 발전기;
c) 유체 동력 발전기(hydrokinetic power generator); 그리고,
d) 풍력 발전기,
중 적어도 하나를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 네트워크 커넥터는:
a) AC 접촉기;
b) AC 릴레이; 그리고,
c) 상기 적어도 하나의 활선 단자 각각에 대한 AC 회로 차단기,
중 적어도 하나를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 부하에 연결되도록 구성되고 다음을 포함하는 부하 커넥터:
i) 상기 부하에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 부하 단자; 그리고
ii) 상기 부하의 중성 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 부하 중성 단자,
를 더 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 커넥터는 상기 적어도 하나의 부하 단자 각각에 대한 DC 회로 차단기를 포함하는
장치.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 외부 장비와 통신하기 위해 하나 이상의 전자 제어 장비에 연결되는 통신 인터페이스를 더 포함하는
장치.
- 송전(electricity transmission) 네트워크에서 전력(electrical power)을 조절(regulate)하기 위한 방법에 있어서,
상기 방법은:
a) DC 장비(device)에 연결(connect)되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기(contactor);
b) 상기 송전 네트워크에 연결되도록 구성되고 이하를 포함하는 전송 네트워크 커넥터:
i) 상기 송전 네트워크의 적어도 하나의 활선 연결(live connection)에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자(live terminal); 및
ii) 상기 송전 네트워크의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되는 중성 단자(neutral terminal);
c) 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치(switch); 및
d) 상기 스위치들에 연결되고 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 연결 (neutral connection) 각각의 전력을 독립적으로 조절하도록 구성되는, 하나 이상의 전자 제어 장비(electronic controlling device)
를 포함하는
전력 조절 장치를 이용하고,
상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비 내에서,
i) 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독(voltage reading)을 수신하는 단계;
ii) 상기 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하는 단계;
iii) 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하는 단계; 그리고
iv) 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하는 단계
를 포함하는
방법.
- 제35항에 있어서, 상기 전압을 증가시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나:
a) 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하는 단계;
b) 무효 전력을 증가시키는 단계;
c) 실효 전력(real power)을 흡수하는 단계; 그리고
d) 실효 전력을 감소시키는 단계;
를 포함하는
방법.
- 제35항 또는 제36항에 있어서, 상기 전압을 감소시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나:
a) 실효 전력을 소싱(sourcing)하는 단계;
b) 실효 전력을 증가시키는 단계;
c) 무효 전력을 흡수하는 단계; 그리고
d) 무효 전력 감소시키는 단계;
를 포함하는
방법.
- 제35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 판독을 수신하는 방법은 다음 중 적어도 하나:
a) 적어도 매 마이크로초(microsecond);
b) 적어도 매 초(second); 그리고
c) 매 마이크로초(microsecond)와 매 초(second) 사이;
를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성되는
방법.
- 제35항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서
이동 평균(moving average)을 계산하는 방법은, 다음 중 적어도 하나:
a) 10분 윈도우 이내; 그리고
b) 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서;
를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하는 단계를 포함하는
방법.
- 제35항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전 네트워크는 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 방법은 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하는 단계를 포함하는
방법.
- 제35항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 전류 모드(current mode) 또는 전압 모드(voltage mode)에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제35항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제41항 또는 제42항에 있어서, 상기 전류 모드일 때, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제41항 또는 제42항에 있어서, 상기 전압 모드일 때, 상기 방법은 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 전력 조절 장치가 회로 상에서 연결되기 위한 최적 위치를 결정하는 방법에 있어서,
a) 상기 회로를 따라 총 누적 전압 차를 결정하는 단계; 그리고
b) 상기 총 누적 전압 차를 기반으로 상기 최적 위치를 계산하는 단계
를 포함하는
방법.
- 제45항에 있어서, 상기 최적 위치를 계산하는 단계는 계통 연결(grid connection)로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차이를 상기 총 누적 전압 차이의 약 40% 내지 60%가 되도록 계산하는 단계
를 포함하는
방법.
- 제45항에 있어서, 상기 최적 위치를 계산하는 단계는 계통 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차를 상기 총 누적 전압 차의 약 50%가 되도록 계산하는 단계
를 포함하는
방법.
- 제45항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나:
a) 최대 병입(feed-in) 시 총 누적 전압 차;
b) 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고,
c) 최대 부하에서 총 누적 전압 차;
의 평균인
방법.
- 양방향 전력 분배 네트워크에 있어서,
a) 고전압 변압기에 연결된 전력 분배 버스(distribution bus);
b) 상기 전력 분배 버스에 연결된 복수의 중전압 전력 공급 라인(feed line);
c) 각각의 공급 라인에 연결된 복수의 저전압 분배 라인(distribution line)으로, 다음 중 적어도 하나:
i) 하나 이상의 부하; 그리고
ii) 하나 이상의 소스(source);
에 연결되는 복수의 저전압 분배 라인;
d) 상기 복수의 공급 라인 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 중전압 전력 조절 장치이되:
i) DC 장비와 연결되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기;
ii) 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성되고 이하:
(1) 상기 중전압 전력 공급 라인의 적어도 하나의 활선 연결에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자; 그리고,
(2) 상기 중전압 전력 공급 라인의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자;
를 포함하는 전송 네트워크 커넥터;
iii) 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치; 그리고,
iv) 상기 스위치들에 결합되고, 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여, 상기 중전압 전력 공급 라인의 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 독립적으로 전력을 조절하여, 상이한 부하 및 소스 조건 동안에 상기 전력 분배 버스의 전압을 유지하도록, 상기 스위치들을 제어하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어 장비;
를 포함하는 적어도 하나의 중전압 전력 조절 장치
를 포함하는
장치.
- 제49항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는:
(1) 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독을 수신하고;
(2) 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고;
(3) 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고
(4) 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록:
구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항에 있어서, 상기 전력 분배 버스 및 상기 중전압 전력 공급 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나:
a) 약 5kV;
b) 약 7.2kV;
c) 약 10kV;
d) 약 11kV;
e) 약 12.47kV;
f) 약 15kV;
g) 약 20kV;
h) 약 22kV;
i) 약 25kV;
j) 약 33kV;
k) 약 34.5kV; 그리고,
l) 약 35kV,
인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저전압 분배 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나:
a) 약 220V ~ 240V;
b) 약 100V 내지 120V;
c) 약 400V; 그리고,
d) 약 240V,
인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저전압 분배 라인은 저전압 전력 조절 장치에 연결되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 정의된 상한 값은 공칭 값(nominal value)보다 5% 높은 것인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 정의된 하한 값은 공칭 값보다 5% 낮은 것인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하여;
b) 무효 전력을 증가시켜;
c) 실효 전력(real power)을 흡수하여; 그리고
d) 실효 전력을 감소시켜;
에 의해 상기 전압을 증가시키도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 실효 전력을 소싱(sourcing)하여;
b) 실효 전력을 증가시켜;
c) 무효 전력을 흡수하여; 그리고
d) 무효 전력 감소시켜,
에 의해 상기 전압을 감소시키도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 적어도 매 밀리 초(millisecond)마다;
b) 15-25밀리 초마다;
c) 35-65밀리 초마다;
d) 100-200밀리 초마다;
e) 500-700밀리 초마다;
f) 적어도 매 초(second);
g) 매 마이크로 초(microsecond)와 매 초(second) 사이; 그리고,
h) 2-5초마다;
를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 2분 윈도우 이내;
b) 6분 윈도우 이내;
c) 10분 윈도우 이내;
d) 15분 윈도우 이내;
e) 20분 윈도우 내; 그리고,
f) 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서,
를 기초로 이동 평균(moving average)을 계산하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 공급 라인은 다상(multi-phase) 전송 네트워크이고, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 서로 독립적으로 다수의 활선 연결의 전압을 변경하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 최적 위치에서 상기 중전압 전력 급전 라인에 연결되도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 50%인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제62항 또는 제63항에 있어서, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나:
a) 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차;
b) 최소 병입에서 총 누적 전압 차;
c) 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차;
d) 최대 부하에서 총 누적 전압 차;
e) 최대 병입 및 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고,
f) 최소 병입 및 최대 부하에서 총 누적 전압 차,
의 평균인
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드 또는 전압 모드에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제65항 또는 제66항에 있어서, 상기 전류 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제65항 또는 제66항에 있어서, 상기 전압 모드일 때, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하도록 구성되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 상기 적어도 하나의 연결 상에서 노이즈를 억제하기 위한 하나 이상의 필터를 더 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 노이즈를 억제하기 위해 상기 하나 이상의 필터와 상기 DC 접촉기 사이에 연결되는 스너버 회로(snubber circuit)를 더 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중성 연결은 접지로부터 분리되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치들은 복수의 탄화규소 MOSFET 스위치를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치들은 적어도 하나의 활선 연결 및 중성 연결에 연결되는 복수의 대칭적인 하프 브리지 토폴로지 암을 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 필터는:
a) 전자기 간섭(EMI) 초크;
b) 노이즈 필터링을 위하여 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 연결되는 차동 모드 초크; 그리고,
c) 간섭을 억제하기 위해 상기 스위치들에 연결되는 공통 모드 초크,
중 적어도 하나를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치는 DC 전력의 변동의 부드러운 변동을 위하여 복수의 커패시터를 가지는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제 49 항 내지 제 75 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 커패시터는 오류(fault) 발생 시 상기 커패시터를 방전시키기 위해 페일-세이프(failsafe) 메커니즘에 연결되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제75항 또는 제76항에 있어서, 상기 캐패시터들은 다층 인쇄회로기판(PCB)과 인터리빙(interleaving) 구조를 통해 연결되는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제77항에 있어서, 상기 인터리빙 구조는 상기 커패시터들 중 하나의 포지티브 컨택(contact)을 상기 PC의 하나 이상의 포지티브 층에 연결하고 상기 커패시터들 중 하나의 네거티브 컨택을 상기 PCB의 하나 이상의 네거티브 층에 연결하는 하나 이상의 스루홀(through-hole)을 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제77항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 생성된 자기장을 상쇄하기 위해 교번 극성층(alternating polarity layer)들을 정의하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제77항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 8개의 전기 전도성 층을 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제77항 내지 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 PCB는 적어도 2개의 외부 전기 전도성 음극층을 갖는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제76항 내지 제81항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페일-세이프 메커니즘은:
a) 오류 발생 시 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터의 연결을 끊도록 구성된 하드웨어 안전 장치 메커니즘; 그리고
b) 오류 발생 시 다음 중 적어도 하나로 구성되는 소프트웨어 안전 장치 메커니즘:
i) 상기 커패시터들을 접지에 신속하게 연결 및 분리하도록 구성되고; 그리고
ii) 상기 DC 접촉기 또는 상기 전송 네트워크 커넥터를 턴-오프(turn off)시키도록 구성되는,
중 적어도 하나의 메커니즘을 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제82항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 마스터 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC 장치는:
a) 배터리;
b) 태양광 발전기;
c) 유체 동력 발전기; 그리고,
d) 풍력 발전기,
중 적어도 하나를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 네트워크 커넥터는:
a) AC 접촉기;
b) AC 릴레이; 그리고,
c) 적어도 하나의 활선 단자 각각에 대한 AC 교류 차단기,
중 적어도 하나를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 부하에 연결되도록 구성되고 다음을 포함하는 부하 커넥터:
a) 상기 부하에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 부하 단자; 그리고
b) 상기 부하의 중성 또는 접지 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 부하 중성 단자,
를 더 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 커넥터는 적어도 하나의 부하 단자 각각에 대한 DC 회로 차단기를 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 제49항 내지 제87항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 외부 장치와 통신하기 위해 하나 이상의 전자 제어 장비에 연결되는 통신 인터페이스를 더 포함하는
양방향 전력 분배 네트워크.
- 양방향 전력 분배 네트워크를 제공하는 방법으로서, 상기 방법은 전력 조절 장치를 전력 분배 버스에 연결되는 중전압 전력 공급 라인에 연결하는 단계를 포함하고,
상기 전력 조절 장치는:
i) DC 장비와 연결되도록 구성된 DC 단자(terminal)들을 갖는 DC 접촉기;
ii) 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성되고 이하:
(1) 상기 중전압 전력 공급 라인의 적어도 하나의 활선 연결에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 활선 단자; 그리고,
(2) 상기 중전압 전력 공급 라인의 중성(neutral) 또는 접지(earth) 중 적어도 하나에 연결되도록 구성된 중성 단자;
를 포함하는 전송 네트워크 커넥터;
iii) 상기 DC 접촉기에 연결된 다수의 스위치; 그리고,
iv) 상기 스위치들에 결합되고, 상기 DC 단자들과 상기 적어도 하나의 활선 단자 및 상기 중성 단자를 선택적으로 연결하여, 상기 중전압 전력 공급 라인의 상기 적어도 하나의 활선 연결과 상기 중성 연결에 독립적으로 전력을 조절하여, 상이한 부하 및 소스 조건 동안에 상기 전력 분배 버스의 전압을 유지하도록, 상기 스위치들을 제어하도록 구성된 하나 이상의 전자 제어 장비;
를 포함하는
방법.
- 제89항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는:
(1) 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독을 수신하고;
(2) 적어도 하나의 활선 연결의 전압 판독의 평균을 계산하고;
(3) 상기 평균이 미리 정의된 상한 값보다 크면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선의 전압을 감소시키도록 상기 스위치들을 제어하고; 그리고
(4) 상기 평균이 미리 정의된 하한 값보다 작으면, 상기 적어도 하나의 활선 연결을 상기 DC 장비에 선택적으로 연결하여 상기 적어도 하나의 활선 연결에 공급되는 전압을 증가시키도록 상기 스위치들을 제어하도록:
구성되는
방법.
- 제89항 또는 제90항에 있어서, 상기 전력 분배 버스 및 상기 중전압 전력 공급 라인 상의 전압은 다음 중 적어도 하나:
a) 약 5kV;
b) 약 7.2kV;
c) 약 10kV;
d) 약 11kV;
e) 약 12.47kV;
f) 약 15kV;
g) 약 20kV;
h) 약 22kV;
i) 약 25kV;
j) 약 33kV;
k) 약 34.5kV; 그리고,
l) 약 35kV,
인
방법.
- 제89항 내지 제91항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 정의된 상한 값은 공칭 값(nominal value)보다 5% 높은 것인
방법.
- 제89항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 정의된 하한 값은 공칭 값보다 5% 낮은 것인
방법.
- 제89항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압을 증가시키는 방법은:
a) 무효 전력(reactive power)을 소싱(sourcing)하는 단계;
b) 무효 전력을 증가시는 단계;
c) 실효 전력(real power)을 흡수하는 단계; 그리고
d) 실효 전력을 감소시키는 단계;
를 포함하는
방법.
- 제89항 또는 제94항에 있어서, 상기 전압을 감소시키는 방법은 다음의 단계 중 적어도 하나:
a) 실효 전력을 소싱(sourcing)하는 단계;
b) 실효 전력을 증가시키는 단계;
c) 무효 전력을 흡수하는 단계; 그리고
d) 무효 전력 감소시키는 단계;
를 포함하는
방법.
- 제89항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비는 다음 중 적어도 하나:
a) 적어도 매 밀리 초(millisecond)마다;
b) 15-25밀리 초마다;
c) 35-65밀리 초마다;
d) 100-200밀리 초마다;
e) 500-700밀리 초마다;
f) 적어도 매 초(second);
g) 매 마이크로 초(microsecond)와 매 초(second) 사이; 그리고,
h) 2-5초마다;
를 기초로 상기 전압 판독을 수신하도록 구성되는
방법.
- 제89항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평균을 계산하는 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비내에서, 다음 중 적어도 하나:
a) 2분 윈도우 이내;
b) 6분 윈도우 이내;
c) 10분 윈도우 이내;
d) 15분 윈도우 이내;
e) 20분 윈도우 내; 그리고,
f) 후속 안정성 평균화(subsequent stability averaging)가 적어도 매 10분마다 발생하는, 마이크로초(microsecond) 윈도우 내에서,
를 기초로 이동 평균을 계산하도록 구성되는
방법.
- 제89항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전 네트워크는 다상 송전 네트워크이고, 상기 방법은 서로 독립적으로 다중 활선 연결의 전압을 변경하는 단계를 포함하는
방법.
- 제89항 내지 제98항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중전압 전력 조절 장치는 최적 위치에서 상기 중전압 전력 공급 라인에 연결되도록 구성되는
방법.
- 제89항 내지 제99항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 40% 내지 60%인
양방향 전력 분배 네트워크.
방법.
- 제89항 내지 제100항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압 연결로부터 상기 최적 위치까지의 누적 전압 차는 상기 중전압 전력 공급 라인을 따라 총 누적 전압 차의 약 50%인
방법.
- 제100항 또는 제101항에 있어서, 상기 총 누적 전압 차는 다음 중 적어도 하나:
a) 최대 병입(feed-in)에서 총 누적 전압 차;
b) 최소 병입에서 총 누적 전압 차;
c) 최소 부하(load)에서 총 누적 전압 차;
d) 최대 부하에서 총 누적 전압 차;
e) 최대 병입 및 최소 부하에서 총 누적 전압 차; 그리고,
f) 최소 병입 및 최대 부하에서 총 누적 전압 차,
의 평균인
방법.
- 제89항 내지 제102항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서, 전류 모드 또는 전압 모드에서 동작하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제89항 내지 제103항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서, 전류 모드와 전압 모드 사이에서 동작을 변경하도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제103항 또는 제104항에 있어서, 상기 전류 모드일 때, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 상기 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전류 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
- 제103항 또는 제104항에 있어서, 상기 전압 모드 일 때, 상기 방법은, 상기 하나 이상의 전자 제어 장비에서 상기 적어도 하나의 활선 단자 또는 DC 단자들 각각이 미리 정의된 전압 파형을 가지도록 상기 스위치들을 제어하는 단계를 포함하는
방법.
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