KR20230061145A - 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기 및 이를 채용한 배전 계통 제어 시스템 - Google Patents

서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기 및 이를 채용한 배전 계통 제어 시스템 Download PDF

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박시호
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Abstract

본 발명은 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기 및 이를 채용한 배전 계통 제어 시스템으로서, 송전 계통의 변전소로부터 수용가에 전력을 공급하는 배전 계통에서 서로 다른 배전 선로 간에 전력 조류를 제어하여 안정적인 전력을 공급할 수 있는 기술을 개시한다.

Description

서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기 및 이를 채용한 배전 계통 제어 시스템{Smart transformer connected between different distribution lines to control power flow and distribution system control system employing the same}
본 발명은 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기 및 이를 채용한 배전 계통 제어 시스템으로서, 보다 상세하게는 송전 계통의 변전소로부터 수용가에 전력을 공급하는 배전 계통에서 서로 다른 배전 선로 간에 전력 조류를 제어하여 안정적인 전력을 공급할 수 있는 기술에 대한 것이다.
배전 계통의 구성방식은 도 1에 도시된 바와 같은 방사형, 루프형, 네트워크형 등 3가지로 구분될 수 있다.
방사형 방식, 루프형 방식, 네트워크 방식 순으로 전력 공급 신뢰도는 증가하나 설비 이용률은 감소할 수 있다. 가령, 루프 방식 및 네트워크 방식은 고장시 다른 선로를 통해 전력 공급이 가능하다는 이점을 가지고 있어 신뢰도가 높다. 하지만 고장시 다른 선로가 고장 선로의 용량까지 감당해야 하므로 상시 운전 용량이 줄어들어 설비 이용률이 떨어지는 단점이 있다.
국내 특고압 (22.9kV) 배전 선로는 상기의 세가지 선로 방식 모두가 적용 가능하지만, 단방향 방사형 구조를 채택하고 있다.
기존의 국내 전력 계통의 배전 분야는 전력 수요 증가에 대해서 선로 증설이라는 양적인 확대로만 대응하고 있는 실정이다. 이러한 배전계통에서의 양적 대응은 현재 수준의 전력 수용 증가에 대하여 가장 경제적인 대응 방안이 될 수 있다. 그러나 전력 수요의 증가뿐만이 아니라, 배전 계통에 연계 운영될 것으로 예상되는 다수의 대용량 신재생 발전 설비를 고려할 때, 단순 선로 증설을 통한 양적 대응만으로는 전력 품질 유지에 한계가 있다.
일례로서, 기존 구축된 배전망의 경우, 수용가에 전력 공급만을 담당하는 단방향 구조의 배전선로를 적용하여 양방향 조류를 고려할 필요가 없었다. 하지만 재생에너지의 배전망 접속량 증가로 일부 지역에서는 부하량보다 재생에너지 발전량이 많아져 변전소 방향으로 역조류가 흐르는 현상이 나타나고 있다. 단방향으로 설계된 계통에 역조류가 발생하게 되면 계통 사고시 보호 협조 방법 변경 등 배전 운영 관점에서도 고려할 요소가 많아진다.
아울러 기존 구축된 배전 계통의 경우, 배전 계통 내에서 조류제어가 가능한 전력 설비가 존재하지 않기 때문에 재생에너지 발전량 증가에 따른 역조류 현상으로 양방향 보호 계전기 설치 및 선로 운영 프로세스가 개정되어야 하는 문제가 발생한다.
나아가서 현재의 교류 배전 시스템에 적용 가능한 전력 조류제어 설비가 없기 때문에, 말단 또는 중간점의 단순 연계는 순환전류 또는 배전선로 과부하를 발생시킬 우려가 있다. 재생에너지 확대로 배전단에 증가하는 역조류 현상을 해결하고, 배전 전압의 형태를 안정적인 교류를 유지하면서 순환 전류와 과부하를 해소하기 위해서는 변전소 인출단 전압의 위상을 제어해주는 경제적인 전력 조류 제어 설비가 필요하다.
한국 특허등록번호 제10-1132759호 한국 특허공개공보 제10-2018-0010026호 한국 특허공개공보 제10-2019-0124450호
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 현재 구축된 배전 계통의 변경이나 운영 프로세스의 개정 없이 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있는 스마트 변압기를 제공하고자 한다.
특히, 신재생 발전 설비 등이 구축됨에 따라 부하량보다 재생에너지 발전량이 많아져 변전소 방향으로 역조류가 발생됨으로써 역조류 현상을 제어할 수 있는 양방향 보호 계전기를 설치하거나 선로 운영 프로세스 자체를 개정하여야 하는 문제를 해결하고자 한다.
나아가서 현재의 교류 배전 시스템에 적용 가능한 전력 조류 제어 설비의 부재로 인해 말단 또는 중간점의 단순 연계시 순환전류 또는 배전선로 과부하를 발생시킴으로써 배전 전압을 안정적으로 제공할 수 없는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기의 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 일실시예는, 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로의 중단 간에 연결되어 전력 조류를 제어하되, 입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서, 상기 제1 배전 선로가 연결되는 1차측 권선과; 2선으로 독립되어 분리된 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하여, 상기 주권선에 상기 제2 배전 선로가 연결되고, 상기 추가 권선에 전력 변환부가 연결되는 메인 변압기부; 및 상기 2차측 권선의 추가권선 출력단에 일단이 연결되고, 상기 2차측 권선의 주권선 출력단에 타단이 연결되어, 상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로의 전력 조류를 제어하는 전력 변환부를 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로는, 3상 전력을 공급하며, 상기 메인 변압기부는, 상기 제1 배전 선로에 연결되는 1차측 권선과; 3상 전력의 각 상에 대하여 2선으로 분리되어 구성되는 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어할 수 있다.
나아가서 상기 메인 변압기부는, 상기 제1 배전 선로의 전압과 상기 제2 배전 선로의 전압 차이를 기초로 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선비가 조절될 수 있다.
여기서 상기 메인 변압기부의 상기 1차측 권선은, 상기 제1 배전 선로와 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결될 수 있다.
또한 상기 메인 변압기부의 상기 주권선은, 상기 제2 배전 선로와 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결되며, 상기 메인 변압기부의 상기 추가권선은, 상기 전력 변환부와 델타 결선으로 연결될 수 있다.
바람직하게는 상기 전력 변환부는, 일측이 상기 2차측 권선의 추가권선에 연결되어, 교류를 직류로 변환하며, 전력 조류 제어에 필요한 유효 전력을 상기 추가권선으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급하는 정류기; 및 일측이 상기 정류기의 타측에 연결되고 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 조류 제어에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정하는 인버터를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 전력 변환부는, 상기 인버터의 출력단에 일측이 연결된 인덕터와; 일측이 상기 인덕터의 타측과 연결되고, 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결된 커패시터를 포함하는 필터를 더 포함할 수 있다.
한걸음 더 나아가서 전력 조류 기능 수행에 따라 선택적으로 상기 전력 변환부를 상기 2차측 권선의 주권선에 연결시키는 스위치부를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 전력 변환부는, 상기 정류기와 상기 인버터 사이에 배치된 DC 링크 커패시터를 더 포함하며, 상기 스위치부는, 상기 필터를 상기 2차측 권선의 주권선에 선택적으로 연결시키는 제1 스위치; 상기 DC 링크 커패시터의 중성점과 상기 필터의 커패시터 중성점을 상기 2차측 권선의 주권선에 선택적으로 연결시키는 제2 스위치; 및 전력 조율의 수행 여부 및 상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로 중 어느 하나에 사고 발생 여부에 따라 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 선택적으로 동작시키는 스위치 제어기를 포함할 수 있다.
일례로서, 1차측 권선이 상기 메인 변압기부의 상기 주권선과 상기 제2 배전 선로에 연결되고 2차측 권선이 상기 전력 변환부에 연결되어 각 상마다 보상 전압을 제공하는 전압 보상기를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 일실시예는, 발전 설비와 변전소가 그물망 구조로 연계되어 연결된 송전 계통; 하나 이상의 상기 변전소 이후 단으로 구성되어 각기 다른 수용가에 전력을 공급하도록 서로 분리된 복수의 배전 선로를 포함하는 배전 계통; 및 상기 배전 계통에서 선택된 서로 다른 두 개의 배전 선로 중단 간에 연결되어 배전 선로의 전력 조류를 제어하는 상기의 스마트 변압기를 포함할 수 있다.
일례로서, 상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는, 하나의 변전소에 배치된 하나의 메인 변압 설비로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택될 수 있다.
일례로서, 상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는, 하나의 변전소에 배치된 서로 다른 메인 변압 설비로부터 각각 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택될 수 있다.
일례로서, 상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는, 서로 다른 변전소에 배치된 각각의 메인 변압 설비로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 현재 구축된 배전 계통의 변경이나 운영 프로세스의 개정 없이 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 다권선 구조의 변압기와 변압기 용량 대비 소용량의 전력변환 장치를 포함하는 경제적인 배전용 전력 조류 제어 장치를 제공할 수 있다. 또한 제어 기능이 없는 수동 변압기에 능동 전력제어가 가능한 소용량의 전력변환기를 결합하여 기존 변압기로 수행할 수 없었던 전력 조류 제어가 가능하게 된다.
나아가서 본 발명은, SOP 방식에 비해 소용량의 전력 변환장치만 요구되므로, 경제적으로 전력 조류를 제어할 수 있다. 변압기 하나만을 사용하기 때문에 UPFC 방식보다 구조가 간단하며 전력변환장치의 용량도 적고 설치 필요 공간의 제약도 해소될 수 있다.
한걸음 더 나아가서 본 발명에 따른 스마트 변압기를 적용하여 제1 배전 선로와 제2 배전선로를 전기적으로 절연시킬 수 있으며, 배전 선로의 비상시 다른 배전 선로에 영향을 미치지 않도록 연결을 차단할 수 있어 계통 운용의 안정성을 도모할 수 있다. 또한 본 발명은 메인 변압기부의 1차측과 2차측 턴비 조절이 가능하므로 전압 차이가 많은 서로 다른 종류의 배전 선로에도 적용이 가능하게 된다.
또한 다양한 형태의 배전망에 본 발명을 적용하여 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있으므로, 늘어나는 신재생에너지 양을 배전 선로의 추가 증설 없이도 경제적으로 수용할 수 있게 된다.
본 발명의 효과는 위에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 배전 계통의 구성에 대한 개념도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 일실시예에 대한 구성도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 일실시예에 대한 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기에서 메인 변압기부의 일실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기에서 전력 변환부의 일실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 구성도를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 회로도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 일실시예에 대한 구성도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 기존 배전 계통의 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기를 제시하며, 아울러 본 발명에 따른 스마트 변압기를 적용하여 배전 계통의 배전 선로에 대한 전력 조류를 제어할 수 있는 배전 계통 제어 시스템을 제시한다.
계통 상황에 따라 전력 조류 제어가 가능한 능동형 전력 설비가 배전망 내 존재한다면, 설비 이용률을 증대시킬 수 있으며 이에 따라 기존 선로와 설비를 이용하여 재생에너지 접속 용량을 확대시킬 수 있다.
송전계통은 배전 계통과 달리 계통제어를 위한 다양한 능동형 제어 설비를 운영 중이다. 무효전력 보상 장치로 SCV와 STATCOM 등이 있으며, 유효전력 제어 장치로 TCSC와 UPFC 등이 사용되고 있다.
유무효 전력 조류 제어가 가능한 UPFC를 배전 계통에도 적용하는 것이 가능할 수도 있으나, UPFC를 배전 계통에 적용시 UPFC 보상에 필요한 전력용량을 모두 감당할 수 있는 직렬/병렬 인버터가 필요하고, 또한 장치 규모를 고려한 설치 공간이 필요하며 장치 구축에 많은 비용이 소요되는 단점이 있기에 실질적으로 UPFC를 배전 계통에 적용하는 것은 적절하지 않다.
나아가서 백투백(Back-to-Back) 전압형 인버터 구조의 SOP(Soft Open Point) 기술은 배전선로 연계 기술 및 두 배전선로 간 상시 조류 교환과 비상시 차단 및 무효전력 공급 기능을 통해 상시 급전 효율을 개선하고 비상시 고장 파급을 축소할 수 있는 기술이다. 이러한 SOP 기술은 국내 단방향 방사형 배전선로 방식의 보호 체계를 유지하면서 신재생에너지 확대로 배전단에 증가하는 역조류 문제 해결할 수 있는 기술일 수 있다. 하지만 SOP 기술의 경우, 선로 전체 용량을 감당하는 백투백(Back-to-Back) 인버터를 구축하는데 상당히 높은 비용이 소요되고 아울러 장치를 설치할 충분히 넓은 부지 확보가 필요하기에 실제 계통에 적용하기 어려운 문제가 있다.
따라서 본 발명에서는 상기에서 설명한 기술들의 실제 계통 적용시 발생되는 다양한 제반 문제를 해소할 수 있으며 배전 선로 두 모선 사이에 위치하여 경제적인 비용으로 전력 조류 제어가 가능하고, 설치 공간 역시 적게 드는 배전용 전력 조류 제어 기술을 제시하고자 한다.
일례로서, 본 발명에서는 다권선 구조의 변압기와 변압기 용량 대비 소용량의 전력변환 수단을 포함하는 스마트 변압기를 제시하여 경제적으로 배전용 전력의 조류를 제어하며, 이를 통해 전체 배전 계통의 전력 조류를 제어할 수 있는 시스템을 제시한다.
특히, 본 발명에서는 제어 기능이 없는 수동 변압기에 능동 전력 제어가 가능한 소용량의 전력 변환기를 결합하여 기존 변압기를 통해 수행할 수 없었던 전력 조류 제어가 가능한 스마트 변압기를 제시한다.
본 발명에서 제시하는 기술은 SOP 방식에 비해 소용량의 전력 변환장치만 요구되므로 경제적으로 배선 선로의 전력 조류를 제어할 수 있으며, UPFC 방식보다 구조가 간단하고 전력변환장치의 용량도 적으며 장치의 설치 공간도 적으므로 현재 구축된 전력 계통에 바로 적용이 가능한 기술이다.
이러한 본 발명에 따른 스마트 변압기에 대하여 실시예를 통해 살펴보고, 다음으로 본 발명에 따른 스마트 변압기를 채용하여 전체 전력 계통을 제어할 수 있는 전력 계통 제어 시스템에 대하여 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 일실시예를 제시한다.
도 2는 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 일실시예에 대한 구성도를 도시하며, 도 3은 본 발명에 따른 스마트 변압기의 일실시예에 대한 회로도를 도시하며, 도 4는 스마트 변압기에서 메인 변압기부의 일실시예를 도시하며, 도 5는 스마트 변압기에서 전력 변환부의 일실시예를 도시한다.
상기 도 2 내지 도 5의 본 발명에 따른 스마트 변압기의 일실시예를 참조하여 설명한다.
본 발명에서 제시하는 스마트 변압기(100)는 단상 또는 3상 전력에 모두 적용될 수 있는데, 이하의 실시예에서는 3상 전력에 대한 실시예로서 설명하도록 한다.
스마트 변압기(100)는, 메인 변압기부(110), 전력 변환부(130), 스위치부(150) 등을 포함할 수 있다.
메인 변압기부(110)는 다권선 구조의 저주파 메인 변압기(LFT)가 적용될 수 있다. 가령 메인 변압기부(110)는 입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서 1차측 권선(111)과 2선으로 독립되어 분리된 주권선(113)과 추가권선(115)을 포함하는 2차측 권선으로 구성될 수 있다.
스마트 변압기(100)는 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로의 중단 간에 연결되는데, 메인 변압기(110)부의 1차측 권선(111)은 제1 배전 선로(10)에 연결되고, 2차측 권선의 주권선(113)은 제2 배선 선로(50)에 연결될 수 있다. 그리고 2차측 권선의 추가권선(115)은 전력 조류를 제어하는 전력 변환부(130)에 연결될 수 있다
상기 실시예에서 보는 바와 같이 3상 전력을 공급하는 경우, 제1 배전 선로(10)의 R, S, T의 각 상 전력이 1차측 권선(111)과 연결되며, 2차측 권선은 3상의 R, S, T 각 상의 결선을 변압기 내부적으로 연결하지 않고 3상 전력의 R, S, T 각 상마다 2선으로 독립적 분리시켜 주권선(113)과 추가권선(115)으로 구성할 수 있다. 제2 배전 선로(50)의 R, S, T 각 상 전력이 주권선(113)과 연결될 수 있으며, 추가권선(115)의 R, S, T 각 상 전력이 전력 변환부(130)에 연결될 수 있다.
상기 실시예에서는 메인 변압기부(110)의 1차측 권선(111)을 제1 배전 선로(10)와 델타 결선 방식으로 연결시켰으나, 상황에 따라서는 1차측 권선(111)과 제1 배전 선로(10)를 와이 결선 방식으로 연결시킬 수도 있다.
또한 상기 실시예에서는 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선(113)과 제2 배전 선로(50)를 와이 결선 방식으로 연결시켰으나, 상황에 따라서는 2차측 권선의 주권선(113)과 제2 배전 선로(50)를 델타 결선 방식으로 연결시킬 수도 있다. 마찬가지로 2차측 권선의 추가권선(115)과 전력 변환부(130) 간도 델타 결선으로 연결시켰으나 와이 결선 방식이 적용될 수도 있을 것이다.
나아가서 메인 변압기부(110)는 제1 배전 선로(10)의 전압과 제2 배전 선로(50)의 전압 차이를 기초로 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비가 조절될 수 있다. 즉, 1차측 권선과 2차측 권선의 턴비를 조절함으로써 전압 차이가 큰 이종의 배선 선로에도 적용이 가능하다.
예를 들어 메인 변압기부(110)의 1차측 권선과 2차측 권선의 턴(NP/Ns)을 조절해서 설계하면 MV급 22.9kV 배전과 LV급 380V 배전 사이에서도 본 발명에 따른 스마트 변압기(100)를 적용하여 전력 조류 제어가 가능하다. 따라서 22.9kV급 이하의 배전선로 어느 곳이라도 본 발명에서 제안하는 스마트 변압기를 쉽게 연계할 수 있게 된다.
만약, 주전원이 연결되는 결선의 전압의 크기가 동일한 경우, 권선 NP과 Ns는 동일하며, 추가 권선 NAux의 턴비는 전력 조류 제어를 위해서 주입하는 전압의 최대 크기에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들어 Ns : NAux = 10 : 1 이면 추가권선(115)의 전압 VAux는 주권선(113)의 전압 VTR과 대비 1/10의 크기를 가지게 된다.
전력 변환부(130)는 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전력 조류를 조절할 수 있다.
일례로서, 전력 변환부(130)는 변압기 용량 대비 10%급의 전력변환용 컨버터를 포함할 수 있다. 여기서 전력 변환부(130)의 용량은 요구되는 전력 조류를 얻기 위한 주입 전압의 크기에 따라 변경될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 스마트 변압기(100)는 요구되는 용량에 기초하여 추가적으로 전력 변환부(130)의 컨버터 용량만큼 추가적으로 직렬 변압기를 구축할 수 있다.
전력 변환부(130)는 2차측 권선의 추가권선(115) 출력단에 일단이 연결되고, 2차측 권선의 주권선(113) 출력단에 타단이 연결되어, 제1 배전 선로(10)와 제2 배전 선로(50)의 전력 조류를 제어할 수 있다.
전력 변환부(130)는 교류를 직류로 변환하는 정류기(131)와 직류를 교류로 변환하는 인버터(135)를 포함하여 2스테이지 구조로 구성될 수 있다.
정류기(131)는 3상의 교류 전압을 입력받아 직류 링크 전압을 생성할 수 있다. 인버터(135)는 정류기(131)에서 생성된 직류 링크 전압을 이용하여 3상의 교류 전압을 생성할 수 있다. 상기 실시예에서는 3상 회로를 예시로 설명하나, 이에 국한되지 않고 멀티레벨 구조의 컨버터나 그 이외에 3상 전력 변환에 적용되는 다양한 구조의 전력변환장치가 적용될 수 있다.
정류기(131)는 일측이 2차측 권선의 추가권선(115)에 연결되어, 교류를 직류로 변환하고, 전력 조류 제어에 필요한 유효 전력을 추가권선(115)으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급할 수 있다.
인버터(135)는 일측이 정류기(131)의 타측에 연결되고 타측이 2차측 권선의 주권선(113)에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 조류 제어에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정할 수 있다. 여기서 주입 전압의 크기는 직류 링크 전압과 인버터의 변조율에 의해 결정될 수 있다.
또한 전력 변환부(130)는 필터(137)를 포함할 수 있다.
필터(137)는, 인버터(135)의 출력단에 일측이 연결된 인덕터(138) 및 일측이 인덕터(138)의 타측과 연결되고, 타측이 2차측 권선의 주권선(113)에 연결된 커패시터(139)를 포함할 수 있다.
필터(137)의 포함된 커패시터(139)의 와이 결선을 통해 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선(113)을 와이 결선으로 완성할 수 있다.
이러한 구성을 통해 인버터(135)의 3상 출력 전압 및 위상을 제어함으로써 배전 선로의 3상 전력에 대한 전력 조류를 제어할 수 있게 된다.
나아가서 전력 변환부(130)는 정류기(131)와 인버터(135) 사이에 배치된 DC 링크 커패시터(133)를 더 포함할 수 있다.
DC 커패시터(133) 중성점과 필터(137)의 커패시터(139)중성점이 서로 연결될 수 있다. DC 링크 커패시터(133)를 통해 인버터(135)의 출력에 대한 상 불평형을 해소할 수 있다.
상기 실시예에 제시된 중성점 연결 방식 이외에도 상 불평형 제어를 위한 다양한 방식이 적용될 수 있는데, 예를 들어 4레그 인버터 토폴리지 등이 적용 가능하다.
스위치부(150)는 전력 조류 기능 수행에 따라 선택적으로 전력 변환부(130)를 2차측 권선의 주권선(113)에 연결시킬 수 있다.
스위치부(150)는 전력 변환부(130)의 필터(137)를 2차측 권선의 주권선(113)에 선택적으로 연결시키는 제1 스위치(151)와 DC 링크 커패시터(133)의 중성점과 필터(137)의 커패시터 중성점(139)을 2차측 권선의 주권선(113)에 선택적으로 연결시키는 제2 스위치(155)를 포함할 수 있다.
그리고 스위치부(150)는 전력 조율의 수행 여부 및 제1 배전 선로(10)와 제2 배전 선로(50) 중 어느 하나에 사고 발생 여부에 따라 제1 스위치(151)와 제2 스위치(155)를 선택적으로 동작시키는 스위치 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.
스마트 변압기(100)가 전력 조류 제어 기능을 수행하지 않을 경우, 제2 스위치(155)가 ON되어 계통 전압을 바이패스하는 기능을 수행할 수 있다.
스마트 변압기(100)가 전력 조류 제어 기능을 정상적으로 수행 중에는 제2 스위치(155)가 OFF되고 전력 변환부(130)의 필터(137)에 배치된 커패시터(139)가 직렬 연결되어 2차측 권선의 주권선(113)이 와이 결선으로 완성되어 전압을 직렬 보상할 수 있다.
제1 스위치(151)는 스마트 변압기(100)의 초기 기동시 ON되며, 배전 선로(10, 50)가 정상 운행시에 항상 ON 상태를 유지할 수 있다. 만약 제1 배전 선로(10) 또는 제2 배전 선로(50) 중 어느 하나에 단락 사고가 발생하게 되면, 한쪽 배전 선로의 사고가 다른 배전 선로로 전파되지 않도록 제1 스위치(151)와 제2 스위치(155) 모두 OFF 될 수 있다. 이와 같은 경우, 메인 변압기부(110)의 2차측 권선 주권선(113)과의 와이 결선 연결이 끊어지게 되고, 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 연결이 오픈되기 때문에 2차측 권선에 연결된 제2 배전 선로(50)가 스마트 변압기(100)와 연결이 차단될 수 있다. 이러한 차단 기능을 통해서 제1 배전 선로(10) 또는 제2 배전 선로에 비상 상황이 발생되는 경우, 전파되지 않도록 차단할 수 있는 기능을 가지게 된다.
상기 도 2 내지 도 5의 실시예에서는 본 발명에 따른 스마트 변압기의 메인 변압기부를 제1 배전 선로와 델타 결선 방식으로 연결하고 제2 배전 선로와 와이 결선 방식으로 연결하는 일례로 설명하였는데, 필요에 따라 변압기를 추가하여 적용하는 경우, 제1 배전 선로와 제2 배전 선로의 연결 방식을 모두 직렬로 3상 델타 구조를 적용하여 스마트 변압기가 배치될 수도 있다.
이와 관련하여 도 6은 본 발명에 따른 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 구성도를 도시하며, 도 7은 본 발명에 따른 스마트 변압기의 다른 실시예에 대한 회로도를 도시한다.
상기 도 6 및 도 7의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 살펴본 상기 도 2 내지 4의 실시예와 중복되거나 유사한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 도 6 및 도 7의 실시예에서 스마트 변압기(200)는 메인 변압기부(110)의 1차측 권선이 제1 배전 선로(10)와 델타 결선 방식으로 연결되고, 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선도 제2 배전 선로(50)와 델타 결선 방식으로 연결될 수 있다.
스마트 변압기(200)의 전력 조류 제어 여부에 따라 스마트 변압기(200)를 배선 선로(10, 50)와 선택적으로 연결하는 스위치부(250)가 배치될 수 있다.
아울러 메인 변압기부(110)의 2차측 권선의 주권선과 제2 배전 선로(50) 사이에 전압 보상기(270)가 추가적으로 배치될 수 있다.
전압 보상기(270)는 3상의 R, S, T 각각에 대응되어 구비될 수 있는데, 전압 보상기(270)는 1차측 권선이 메인 변압기부(210)의 2차측 권선의 주권선과 제2 배전 선로(50)에 델타 결선 방식으로 연결되고, 2차측 권선이 전력 변환(230)부에 연결되어 각 상마다 보상 전압을 제공할 수 있다.
그리고 전력 변환부(230)의 인버터(235) 및 필터(237)도 3상의 R, S, T 각각에 대응되어 구비될 수 있다.
전압 보상기(270)는 각 상마다 독립적으로 보상 전압을 제어할 수 있고, 전기적으로 절연된 보상 전압을 생성할 수 있다. 이러한 전압 보상기(270)를 통해 보다 용이하게 배전 선로 상의 전압 불평형을 보상할 수 있게 된다.
나아가서 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스마트 변압기는 메인 변압기부의 1차측과 2차측 턴비를 조절할 수 있기 때문에, 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전압이 차이가 많이 나는 상황에서도 전력 조류를 제어할 수 있다.
기존 UPFC 방식과 SOP 방식은 배전 전압 차이가 많은 MV-LV 배전 선로와 같이 두 배전 선로의 전압 차이가 일정 수준 이상으로 크게 발생하는 경우, 바로 적용할 수 없는 문제가 있다. 하지만 본 발명에서 제안하는 스마트 변압기는 배전 선로 간의 전압 차이가 크게 발생되는 상황에도 변압기의 권선비를 변경하여 해당 상황별로 유연하게 적용할 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기에서 살펴본 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기를 채용한 배전 계통 제어 시스템을 제시하는데, 이와 관련하여 도 8은 본 발명에 따른 배전 계통 제어 시스템의 일실시예에 대한 구성도를 도시한다.
송전 계통(300)은 발전 설비(310, 320, 330)와 변전소(350, 360)를 포함하며, 이들 설비 간은 그물망(Mesh) 구조를 적용하여 상호 복잡하게 연계될 수 있다.
이와 대비하여 배전 계통(400)은 단방향으로 구성되어 수용가(500)에 전력을 공급할 수 있는데, 예를 들어 154kV/22.9kV 급의 변전소(S/S; Sub Station)로부터 인출되어 수용가로 전력을 공급하는 22.9kV급 배전선로는 단방향 방사형(Radial) 구조가 적용될 수 있다.
본 발명에서 제시하는 스마트 변압기는 배전 계통(400)의 다양한 상황에 적용될 수 있는데, 실시예로서 3가지 경우를 제시하여 설명하도록 한다.
제1 실시예로서, 하나의 변전소 A(350)에 배치된 하나의 메인 변압 설비 Mtr(351)로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 두개의 배전 선로(412, 412)에 본 발명에 따른 스마트 변압기(100a)를 적용하여 배전 계통의 전력 조류를 제어할 수 있다. 이러한 경우, 하나의 배전 선로에 신재생에너지 접속량이 많아 다른 인접 선로로 에너지를 우회할 필요가 있는 경우, 본 발명에 따른 스마트 변압기(100a)를 적용하여 전력 우회가 가능하게 된다.
제2 실시예로서, 하나의 변전소 A(350)에 배치된 서로 다른 메인 변압 설비 Mtr(351, 355)로부터 각각 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 두개의 배전 선로(412, 421)에 본 발명에 따른 스마트 변압기(100b)를 적용하여 배전 계통의 전력 조류를 제어할 수 있다.
제3 실시예로서, 각기 다른 변전소 A(350)와 변전소 B(360) 각각에 배치된 메인 변압 설비(355, 361)로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 두개의 배전 선로(422, 431)에 본 발명에 따른 스마트 변압기(100c)를 적용하여 배전 계통의 전력 조류를 제어할 수 있다.
이와 같이 다양한 형태의 배전망에 본 발명을 적용하여 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있으므로, 늘어나는 신재생에너지 양을 배전 선로의 추가 증설 없이도 경제적으로 수용할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 본 발명을 통해 현재 구축된 배전 계통의 변경이나 운영 프로세스의 개정 없이 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 다권선 구조의 변압기와 변압기 용량 대비 소용량의 전력변환 장치를 포함하는 경제적인 배전용 전력 조류 제어 장치를 제공할 수 있다. 또한 제어 기능이 없는 수동 변압기에 능동 전력제어가 가능한 소용량의 전력변환기를 결합하여 기존 변압기로 수행할 수 없었던 전력 조류 제어가 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100a, 100b, 100c : 스마트 변압기,
110. 210 : 메인 변압기부,
130, 230 : 전력 변환부,
150, 250 : 스위치부,
270 : 전압 보상기.

Claims (14)

  1. 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로의 중단 간에 연결되어 전력 조류를 제어하되,
    입력단 개수와 출력단 개수가 조절된 다권선 변압기로서, 상기 제1 배전 선로가 연결되는 1차측 권선과; 2선으로 독립되어 분리된 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하여, 상기 주권선에 상기 제2 배전 선로가 연결되고, 상기 추가 권선에 전력 변환부가 연결되는 메인 변압기부; 및
    상기 2차측 권선의 추가권선 출력단에 일단이 연결되고, 상기 2차측 권선의 주권선 출력단에 타단이 연결되어, 상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로의 전력 조류를 제어하는 전력 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로는, 3상 전력을 공급하며,
    상기 메인 변압기부는,
    상기 제1 배전 선로에 연결되는 1차측 권선과; 3상 전력의 각 상에 대하여 2선으로 분리되어 구성되는 주권선과 추가권선을 포함하는 2차측 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 변압기부는,
    상기 제1 배전 선로의 전압과 상기 제2 배전 선로의 전압 차이를 기초로 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선비가 조절되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 변압기부의 상기 1차측 권선은,
    상기 제1 배전 선로와 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결된 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 변압기부의 상기 주권선은,
    상기 제2 배전 선로와 와이 결선 또는 델타 결선 중 어느 하나로 연결되며,
    상기 메인 변압기부의 상기 추가권선은,
    상기 전력 변환부와 델타 결선으로 연결된 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    일측이 상기 2차측 권선의 추가권선에 연결되어, 교류를 직류로 변환하며, 전력 조류 제어에 필요한 유효 전력을 상기 추가권선으로부터 공급받아 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급하는 정류기; 및
    일측이 상기 정류기의 타측에 연결되고 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결되어 직류를 교류로 변환하며, 전력 조류 제어에 필요한 주입 전압과 상기 주입 전압의 위상각을 조정하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    상기 인버터의 출력단에 일측이 연결된 인덕터와; 일측이 상기 인덕터의 타측과 연결되고, 타측이 상기 2차측 권선의 주권선에 연결된 커패시터를 포함하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    전력 조류 기능 수행에 따라 선택적으로 상기 전력 변환부를 상기 2차측 권선의 주권선에 연결시키는 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    상기 정류기와 상기 인버터 사이에 배치된 DC 링크 커패시터를 더 포함하며,
    상기 스위치부는,
    상기 필터를 상기 2차측 권선의 주권선에 선택적으로 연결시키는 제1 스위치;
    상기 DC 링크 커패시터의 중성점과 상기 필터의 커패시터 중성점을 상기 2차측 권선의 주권선에 선택적으로 연결시키는 제2 스위치; 및
    전력 조율의 수행 여부 및 상기 제1 배전 선로와 상기 제2 배전 선로 중 어느 하나에 사고 발생 여부에 따라 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 선택적으로 동작시키는 스위치 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  10. 제 2 항에 있어서,
    1차측 권선이 상기 메인 변압기부의 상기 주권선과 상기 제2 배전 선로에 연결되고 2차측 권선이 상기 전력 변환부에 연결되어 각 상마다 보상 전압을 제공하는 전압 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 전력 조류를 제어하는 스마트 변압기.
  11. 발전 설비와 변전소가 그물망 구조로 연계되어 연결된 송전 계통;
    하나 이상의 상기 변전소 이후 단으로 구성되어 각기 다른 수용가에 전력을 공급하도록 서로 분리된 복수의 배전 선로를 포함하는 배전 계통; 및
    상기 배전 계통에서 선택된 서로 다른 두 개의 배전 선로 중단 간에 연결되어 배전 선로의 전력 조류를 제어하는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 스마트 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는,
    하나의 변전소에 배치된 하나의 메인 변압 설비로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는,
    하나의 변전소에 배치된 서로 다른 메인 변압 설비로부터 각각 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 스마트 변압기가 연결되는 두 개의 배전 선로는,
    서로 다른 변전소에 배치된 각각의 메인 변압 설비로부터 연계되는 복수의 배전 선로 중 선택된 것을 특징으로 하는 배전 계통 제어 시스템.
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