KR20220169627A - 분산전원 발전출력 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

분산전원 발전출력 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 분산전원 발전출력 제어 장치는 연계용 변압기의 1차측에 설치되어 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정할 수 있도록 하는 3상 PT(Potential Transformer); 및 3상 PT를 통해 상기 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정하고, PCS(Power Conversion System) 출력전류를 측정한 후, 연계용 변압기의 1차측 전압과 PCS 출력전류에 따라 발전출력을 제어하는 PCS를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산전원 발전출력 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING POWER OUTPUT OF DISTRIBUTED GENERATIONS}
본 발명은 분산전원 발전출력 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연계용 변압기의 1차측 전압과 전력변환장치(Power Conversion System, 이하 간단히 'PCS'라 함)의 출력단 전류를 통해 분산전원 연계시의 발전출력을 제어하여 연계용 변압기 1차측 계통 연계점(Power Conditioning Control, 이하 간단히 'PCC'라 함)의 발전출력을 향상시키는 분산전원 발전출력 제어 장치에 관한 것이다.
태양광발전, 풍력발전 등 분산전원은 PCS(Power Conversion System)를 사용하고 있다.
PCS는 연계용 변압기의 2차측에 설치되어 있고, 계통과 PCC(Power Conditioning Control)에 수전용 전력량계와 발전용 전력량계가 설치되어 있다.
기존의 PCS는 연계용 변압기의 2차측 전압과 PCS의 출력단 전류를 기준으로 출력을 제어하고 있다. 따라서 구내 수전부하, 발전부하, 계통측 부하에 따라 PCC단 최대출격에 영향을 받았다.
즉, PCS는 연계용 변압기의 2차측 전압을 측정하고 PCS의 출력전류를 측정한 후, 이들 2차측 전압과 PCS 전류의 위상을 비교하여 최대출력을 제어한다.
이러한 PCS은 연계용 변압기의 2차측에 메인 부스만 연결하면 연계용 변압기의 2차측 전압과 PCS의 출력전류가 측정될 수 있도록 일체형 구조로 설치되어 있고, 각각의 PCS별로 출력을 제어한다.
그러나, 종래의 방식은 PCS의 연계용 변압기의 2차측을 기준으로 출력을 제어하기 때문에, 연계용 변압기의 %Z, X/R비 등에 의한 변압기 임피던스에 1-2차측 위상변화로 인해, PCC에서 최대전력을 출력시킬 수 없다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 KR 10-2071469호(2020.01.22) 의 '전력변환모듈, 및 병렬구성 모듈형 전력 변환 장치'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 연계용 변압기의 1차측 전압과 PCS의 출력단 전류를 통해 분산전원 연계시의 발전출력을 제어하여 PCC단의 발전출력을 향상시키는, 분산전원 발전출력 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치는 연계용 변압기의 1차측에 설치되어 상기 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정할 수 있도록 하는 3상 PT(Potential Transformer); 및 상기 3상 PT를 통해 상기 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정하고, PCS(Power Conversion System) 출력전류를 측정한 후, 상기 연계용 변압기의 1차측 전압과 상기 PCS 출력전류에 따라 발전출력을 제어하는 PCS를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 3상 PT의 결선 방식은 상기 연계용 변압기의 결선 방식과 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 3상 PT의 결선 방식은 1차 기준에서 2차의 위상각이 30도 뒤진 Yd1인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 3상 PT의 철심 구조는 상기 연계용 변압기의 철심 구조와 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 3상 PT의 철심 구조는 3상 내철형 철심구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 3상 PT의 코일 구조는 1차 코일이 Y 결선되고, 1차 부싱이 A상, B상, C상, N상에 특고압을 연결할 수 있도록 3상 4선 방식이며, 2차 코일이 각 상별로 K, L 단자가 인출하는 구조이며, 2차 코일은 L-K1 간, L-K2 간, 및 L-K3 간 탭 전압을 인출할 수 있는 구조로 상기 연계용 변압기의 2차측 전압과 동일한 전압이 검출되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 PCS는 상기 연계용 변압기의 1차측 전압과 상기 PCS 출력전류에 따라 PT(Potential Transformer) 및 CT(Current Transformer)의 배율을 조정하고, 측정된 전압과 전류의 위상을 비교하여 비교 결과에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 위상제어를 통해 발전전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치는 연계용 변압기의 1차측 전압과 PCS의 출력단 전류를 통해 분산전원 연계시의 발전출력을 제어하여 PCC단의 발전출력을 향상시킨다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산전원 발전출력 제어 방법의 순서도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCS 블럭 구성도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연계용 변압기(발전용)의 1-2차 결선도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연계용 변압기(수전용)의 1-2차 결선도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 철심 코일구조를 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 1-2차 코일 구조를 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 2차측 단자 결선도이다.
도 9 는 기존의 3상 300kW 태양광설비 발전출력 모델 구성도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산전원 발전출력 제어 방법의 순서도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCS 블럭 구성도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연계용 변압기(발전용)의 1-2차 결선도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연계용 변압기(수전용)의 1-2차 결선도이며, 도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 철심 코일구조를 나타낸 도면이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 1-2차 코일 구조를 나타낸 도면이며, 도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 PT의 2차측 단자 결선도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치는 3상 PT(Potential Transformer)(31), 및 PCS(Power Conversion System, 전력변환장치)(15)를 포함한다.
도 1 에서, 미설명부호 11은 계량장치이고, 미설명부호 12는 연계용 변압기이며, 미설명부호 13은 수전부하이며, 미설명부호 14는 발전부하이다.
계량장치(11), 연계용 변압기(12), 수전부하(13) 및 발전부하(14)는 당업자에게 자명한 사항으로서 본 명세서는 그 상세한 설명은 생략한다.
3상 PT(31)는 연계용 변압기(12)의 1차측에 설치되어 연계용 변압기(12)의 1차측 전압을 측정할 수 있도록 한다. 이를 위해 3상 PT(31)는 PCS(15)와 변압기 1차 전압 검출선(32)으로 연결될 수 있다. 이에, PCS(15)는 변압기 1차 전압 검출선(32)을 통해 연계용 변압기(12)의 1차측 전압을 측정한다.
3상 PT(31)는 연계용 변압기(12)의 결선 방식(Yd1, Yd11, Yy0)과 동일하게 2차측 결선을 변경하여 연계용 변압기(12)의 1차측과 2차측의 위상이 동일하도록 한다. 통상적으로, 연계용 변압기(12)의 결선방식(Yd1, Yd11, Yy0)의 결선 방식은 현장에 따라 상이할 수 있다. 이에, 변압기 1차측과 2차측 전압 위상을 맞추기 위해, 3상 PT(31)는 연계용 변압기(12)와 동일한 철심구조와 결선방식으로 제작될 수 있다.
도 2 를 참조하면, 연계용 변압기(12)의 1차측을 기준으로 PCS(15)의 출력을 제어하기 위해서, 연계용 변압기(12)의 1-2차 결선을 확인한다(S10).
연계용 변압기(12)의 결선방식에 따라 3상 PT(31)의 결선 방식을 결정하고, 3상 PT(31)T의 2차측은 PCS(15)에 연결한다(S20). 이 경우, 3상 PT(31)의 결선 방식은 연계용 변압기(12)의 결선 방식과 동일하도록 한다.
즉, 연계용 변압기(12)의 1-2차 결선 방식이 Yd1이면, 연계용 변압기(12)의 3상 PT(31)T의 결선 방식도 Yd1을 적용한다.
연계용 변압기(12)의 1-2차 결선 방식이 Yd11이면, 연계용 변압기(12)의 3상 PT(31)의 결선 방식도 Yd11을 적용한다.
연계용 변압기(12)의 1-2차 결선 방식이 YyO면, 연계용 변압기(12)의 3상 PT(31)의 결선 방식도 Yy0를 적용한다.
다음으로, PCS(15)는 연계용 변압기(12)의 1차측 전압을 검출하고, PCS(15)의 출력전류를 측정한다(S30).
PCS(15)는 상기한 바와 같이 측정된 연계용 변압기(12)의 1차측 전압과 PCS 출력전류에 따라 PT(Potential Transformer, 계기용 변압기) 및 CT(Current Transformer, 계기용 변류기)의 배율을 조정하고, 연계용 변압기(12)의 1차측 전압과 PCS 출력전류의 위상을 비교한 후, 그 비교 결과에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 위상제어를 통해 발전전력을 제어한다(S40).
도 3 을 참조하면, PCS(15)는 6개의 트랜지스터(G1~G6)의 스위칭 동작에 따라 전력을 변환하는 컨버터, 컨버터로부터 출력되는 전력을 필터링하는 LCL 필터(LCL Filter) 및 컨버터의 각 트랜지스터를 PWM 위상 제어를 수행하는 컨버터 제어기(Converter Control)를 포함할 수 있다.
여기서, PCS(15)의 컨버터 제어기는 전류 검출선(16)을 통해 LCL 필터의 1차측에 연결되어 있고, 변압기 1차 전압 검출선(32)을 통해 연계용 변압기(12)의 3상 PT(31)에 연결된다.
이에 따라, 컨버터 제어기는 연계용 변압기(12)의 1차측 전압과 PCS 출력전류의 위상차를 이용하여 6개의 트랜지스터 각각에 대한 PWM 펄스를 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다.
도 4 에는 1차측은 Y결선으로 2차측은 △결선 구조로 된 발전용 변압기의 Y-△ 결선 구조가 도시되었다.
이러한 발전용 변압기의 Y-△ 결선 구조에 있어서, Yd1은 1차 기준에서 2차의 위상각이 30도 뒤진 결선 방식(a)이고, Yd11 결선은 1차 기준에서 2차의 위상각이 30도 앞선 결선 방식(b)이다.
도 5 에는 1차측은 △ 결선으로 2차측은 Y 결선 구조로 된 수전용 변압기의 △-Y 결선 구조가 도시되었다.
도 6 에는 3상 PT(31)의 철심 코일구조가 도시되고, 도 7 에는 3상 PT(31)의 1-2차 코일 구조가 도시되며, 도 8 에는 3상 PT(31)의 2차측 단자 결선도가 도시되었다.
도 6 을 참조하면, 3상 PT(31)의 철심(71)은 연계용 변압기(12)와 동일한 3상 내철형 철심구조이다.
1차 코일(74)은 특고압측의 전압을 분담하기 위해 다발로 분할되며, 2차 코일(75)은 1차코일(74)의 내측에 연결된다.
도 6 에서, 미설명 부호 72는 철심을 고정시키기 위한 철심고정 앵글이며, 73은 철실고정 앵글을 고정시키기 위한 고정볼트이다.
도 7 을 참조하면, 3상 PT(31)의 1-2차 코일구조가 도시된다.
1차 코일(74)은 내부에서 Y 결선되어 있고, 1차 부싱(82)은 A상, B상, C상, N상을 특고압을 연결할 수 있도록 3상 4선 방식이다.
2차 코일은 각각 상별로 K, L 단자가 인출하는 구조로 되어 있다.
또한 2차 코일(75)은 L-K1 간 110V, L-K2 간 220V, L-K3 간 380V로 탭 전압을 인출할 수 있는 구조로 되고, 연계용 변압기(12)의 2차측 전압과 동일한 전압이 3상 PT(31)에서 검출할 수 있도록 구성된다.
미설명 부호 83은 2차 연결단자이고, 84는 2차 코일 탭 전압이다.
도 8 을 참조하면, 3상 피티의 2차측 단자 결선이 도시된다.
도 8 의 (a)는 Yd1 결선도이고, (b)는 Yd11 결선도이며, (c)는 Yy0 결선도이다.
PT 2차측 단자결선은 연계용 변압기(12)의 결선방식과 동일하게 Yd1 결선(a), Yd11 결선(86), Yy0 결선(87)일 수 있다.
도 9 는 기존의 3상 300kW 태양광설비 발전출력 모델 구성도이다.
발전출력을 비교하기 위해 종래의 방식과 발전출력을 비교하였다. 특히 연계용 변압기(12)의 결선방식(Yd1, Yd11)에 의한 1-2차 위상각 차이에 의한 발전전력을 각각 비교하였다.　
분산전원 시스템은 도 9 에 도시된 바와 같이, PV Array, DC-DC Converter와 DC-AC Converter로 모델링하였다. PV Array 일사량 1200W/㎡, 모듈온도 25℃, 300kW 출력 조건에서 해석하였다. DC-DC Converter는 PV의 일사량에 최대전력을 전송할 수 있도록 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 통해 출력전압(VDC2) 제어, DC-AC Converter는 IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor) 6개로 PWM(Pulse Width Modulation)통해 직류를 교류전압으로 전류제어로 출력된다.
전력계통은 변전소 및 연계용 변압기(12)로 구성되어 있다. 모듈과 모듈 사이 상별로 전압과 전류(4V4I)를 측정할 수 있도록 구성되어 있다.
변전소 모듈은 45/60MVA, Y-△-Y결선, NGR 0.6Ω, 2차측 전압은 22.9kV-Y로 출력된다. 변압기 모듈은 300kVA 22.9/0.4kV, 결선은 Yd1, Yd11로 구성하였다.
아래의 표 1 은 300kW 태양광설비 발전출력을 모델링 결과이다.
종래 방식은 변압기 2차측 전압기준으로, 본 실시예는 변압기 1차측 전압기준으로 비교하여 모델링하였다.
본 실시예에 따르면, 발전 효율이 종래방식에 비해 +2.56% 향상됨을 알 수 있다. 즉, 본 실시예는 연계용 변압기(12)의 %Z, X/R 비등 임피던스 특성에 따라 발전효율을 더 향상((490.636-478.413)/478.413 = 2.5549%)시킬 수 있다.
구분 전압측정 PCS 출력
(kWh)		 변압기 결선
(Y-△결선)		 PCC단 출력
(kWh)		 PT 결선 비 교
종래 방식 2차 기준 488.822 Yd1(30도 뒤짐) 478.413 -
본 발명
방식		 1차 기준 310.152 Yd11(30도 앞섬) 285,207 Yd1 PCS 오동작
1차 기준 501.670 Yd1(30도 뒤짐) 490.636 Yd1 PT 정상연결
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원 발전출력 제어 장치는 연계용 변압기(12)의 1차측 전압과 PCS의 출력단 전류를 통해 분산전원 연계시의 발전출력을 제어하여 PCC단의 발전출력을 향상시킨다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
11: 계량장치 12: 연계용 변압기
13: 수전부하 14: 발전부하
15: PCS 31: 3상 PT

Claims (7)

  1. 연계용 변압기의 1차측에 설치되어 상기 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정할 수 있도록 하는 3상 PT(Potential Transformer); 및
    상기 3상 PT를 통해 상기 연계용 변압기의 1차측 전압을 측정하고, PCS(Power Conversion System) 출력전류를 측정한 후, 상기 연계용 변압기의 1차측 전압과 상기 PCS 출력전류에 따라 발전출력을 제어하는 PCS를 포함하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 PT의 결선 방식은
    상기 연계용 변압기의 결선 방식과 동일한 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 PT의 결선 방식은
    1차 기준에서 2차의 위상각이 30도 뒤진 Yd1인 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 PT의 철심 구조는
    상기 연계용 변압기의 철심 구조와 동일한 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 PT의 철심 구조는
    3상 내철형 철심구조인 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 3상 PT의 코일 구조는
    1차 코일이 Y 결선되고, 1차 부싱이 A상, B상, C상, N상에 특고압을 연결할 수 있도록 3상 4선 방식이며, 2차 코일이 각 상별로 K, L 단자가 인출하는 구조이며, 2차 코일은 L-K1 간, L-K2 간, 및 L-K3 간 탭 전압을 인출할 수 있는 구조로 상기 연계용 변압기의 2차측 전압과 동일한 전압이 검출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 PCS는
    상기 연계용 변압기의 1차측 전압과 상기 PCS 출력전류에 따라 PT(Potential Transformer) 및 CT(Current Transformer)의 배율을 조정하고, 측정된 전압과 전류의 위상을 비교하여 비교 결과에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 위상제어를 통해 발전전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 분산전원 발전출력 제어 장치.
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