KR20230065500A - 전력변환기용 자동화 검사시스템 - Google Patents

전력변환기용 자동화 검사시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미래형 스마트 에너지 산업을 가속화하기 위한 핵심적 요소기술로서 전력변환기용 테스트베드 기능검사 자동화 기술이 설계 구현된 전력변환기용 자동화 검사시스템을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 전력변환기용 테스트베드 기능검사 자동화 기술이 적용됨으로써, 최근 탄소배출 저감을 위한 재생에너지 분야에 필수적으로 투입되는 전력변환기(PCS) 및 인버터의 제품생산 시 품질 관리절차에 자동화된 기능검사를 도입하여 산업의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 고압을 다루는 전력변환기(PCS)의 시험과정에서 발생할 수 있는 시험 인력의 감전 등 위험을 기능검사 자동화를 통하여 안전성을 확보할 수 있어, 미래형 스마트 에너지 산업을 가속화할 수 있는 효과가 있다.

Description

전력변환기용 자동화 검사시스템{AUTOMATION TEST SYSTM FOR POWER CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 전력변환기용 테스트베드 기능 검사를 위한 자동화 검사시스템에 관한 것이다.
전력변환장치의 제품 성능 시험 과정을 수작업에서 자동으로 프로그램화하는 것이 필요하다. 사람이 하나하나 진행하던 수검사의 경우 작업자의 컨디션 혹은 예상치 못한 실수 등으로 인하여 휴먼에러(Human Error) 발생 가능성이 존재 하지만, 장치의 검사 기준치를 지정하여 검사시스템을 프로그래밍화 할 경우 늘 일정한 패턴으로 검사가 가능하며, 이에 따른 검사 시간의 단축 및 작업자의 피로도 감소로 인한 효율성 제고 용이하기 때문이다. 또한, 장치 특성상 전기를 다루게 되는 부분에서 자동화로 인한 안정성 확보가 필수적이기 때문이다.
상술한 바와 같은 이유로, 자동화된 실시간 시뮬레이션 시험 테스트 기술 개발이 이루어지고 있는데, 국외 주요업체의 기술개발 현황으로서, ABB社의 경우 Medium Voltage 전력기기의 제어기 평가를 위해서 실시간 시뮬레이터를 이용하고 있다. ABB社는 제어성능 목적을 달성하기 위해 전력변환기를 매우 상세한 실시간 시뮬레이션을 설계하고 수행할 수 있을 정도의 정교한 툴과 위험 및 극한의 상황에서 동작을 모사하는 것이 필요하여, 실시간 시뮬레이터를 도입 후 시험을 통해 모든 컨버터가 올바른 작동 및 안전을 확인한 바 있다.
또한, 칠레 및 라틴아메리카에 전력관련 모니터링, 프로텍션(Protection), 제어솔루션을 제공하는 CONECTA社는 풍력 발전단지와 태양광발전 단지의 전력을 최고로 발전 할 수 있는 시스템의 EDAG/ERAG (Datached Equipment /Generation Reduction) SIPS protection 개발하고 구축을 하였다. 이때 실시간 시뮬레이터를 이용하여 가상의 실제 시스템을 구축하여 실제 개발된 제품을 연결하여 기존 시험 시나리오보다 더욱더 많은 항목을 시험하고 안정성을 평가하고 시스템을 구축하는데 성공한 바 있다.
또한, 세계적인 기업인 슈나이더 전기(Schneider Electric)는 MV Drive분야의 다양한 플랫폼의 성능 평가를 위해서 실시간 시뮬레이터를 이용하여 가상의 플랜트를 구성하여 다양한 성능검증을 하고 있다.
반면, 국내의 경우, 최근 주요 인버터 생산 업체들은 하드웨어보다 소프트웨어 개발에 집중하고 있고, 기존의 전력 변환 기술만이 아닌 각 생산설비들과의 연결을 통해 데이터들을 수집/분석하고 효율적인 운영을 위한 기술들이 개발되고 있으나, 국내 업체들에 의한 소프트웨어 및 검사 자동화와 관련된 기술 개발은 아직 전무한 실정이다.
본 발명은 미래형 스마트 에너지 산업을 가속화하기 위한 핵심적 요소기술로서 전력변환기용 테스트베드 기능검사 자동화 기술이 설계 구현된 전력변환기용 자동화 검사시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 전력변환기용 자동화 검사시스템은, 테스트 대상 설비/기기(EUT : Equipment under test)의 검사 자동화를 위한 자동화 운용 소프트웨어 파트와 하드웨어 파트를 포함하며, 상기 자동화 운용 소프트웨어 파트는 사용자 인터페이스, 모니터링 솔루션, 통신 프로그램을 포함하고, 상기 하드웨어 파트는 통신모듈, 제어보드, DC전원공급장치, 각종 검사를 위한 계측기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 자동화 운용 소프트웨어 파트는, DC 전원 공급 모드, 충/방전 모드, 태양광 시뮬레이터 모드, 연료전지 시뮬레이터 모드 중 적어도 하나의 운전 모드에 따라 테스트 대상 설비/기기에 관한 자동화 검사를 실행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템에 의하면, 전력변환기용 테스트베드 기능검사 자동화 기술이 적용됨으로써, 최근 탄소배출 저감을 위한 재생에너지 분야에 필수적으로 투입되는 전력변환기(PCS) 및 인버터의 제품생산 시 품질 관리절차에 자동화된 기능검사를 도입하여 산업의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 고압을 다루는 전력변환기(PCS)의 시험과정에서 발생할 수 있는 시험 인력의 감전 등 위험을 기능검사 자동화를 통하여 안전성을 확보할 수 있어, 미래형 스마트 에너지 산업을 가속화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템은, 스마트에너지 산업을 위한 디지털트윈의 핵심 기술로서 적용됨으로써, 향후 스마트 시티, 스마트 산단, 스마트 팜 등에 적용되어 현실세계와 가상세계를 하나의 공간으로 결합하여 문제가 발생하기 전에 차단함으로써 중단 시간을 방지 등 에너지산업 분야에서의 획기적 생산성 개선을 기대할 수 있고, 보다 장기적 안목에서는 상술한 바와 같은 테스트 자동화 기술을 기반으로 한 전력 생산의 프로세스의 최적화, 생산성 향상, 비용 절감을 통해 범국가차원에서 추진하고 있는 스마트그리드 및 신재생에너지 2030 프로젝트의 완성도를 높여 전력의 안정적 수요공급 조절, 신재생에너지 인프라 확대와 이용 활성화를 촉진함과 동시에 에너지원을 다양화하고 에너지 자립도를 증진하는 효과를 유발할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전력변환기용 자동화 검사시스템을 현실의 전력기자재와 가상의 디지털트윈과의 연동을 위한 데이터센터 및 파일럿 테스트베드 구축에 활용된 예를 도시한 시스템 구축 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 시스템 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 주요 구현 기능을 설명하기 위한 도표.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 운전 모드별 기능을 설명하기 위한 도표.
도 5는 본 발명의 전력변환기용 자동화 검사시스템에서의 제1 실시예에 따른 PCS용 통신구성도.
도 6은 본 발명의 전력변환기용 자동화 검사시스템에서의 제1 실시예에 따른 PCS용 자동화 검사 프로세스 설계도.
도 7은 본 발명의 전력변환기용 자동화 검사시스템에서의 제2 실시예에 따른 ECS용 통신구성도.
도 8은 본 발명의 전력변환기용 자동화 검사시스템에서의 제2 실시예에 따른 ECS용 자동화 검사 프로세스 설계도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 수소연료전지, 태양광에너지, 이차전지, 선박용이차전지, 전기자동차급속충전기 등 다양한 분산 발전 및 전력기기 AC/DC 하이브리드 마이크로그리드 등과 같은 신재생 에너지 또는/및 스마트 에너지 산업 관련 기술/장비에 연계될 수 있는 전력변환시스템에 관한 자동화 검사시스템을 제공한다. 이에 대한 일 예로서, 도 1에는 전력변환기용 자동화 검사시스템(도 1의 케이스에서는 테스트/인증 설비 파트에 설치됨)을 현실의 전력기자재와 가상의 디지털트윈과의 연동을 위한 데이터센터 및 파일럿 테스트베드 구축에 활용된 예를 도시한 시스템 구축 개념도가 도시되고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 시스템 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 주요 구현 기능을 설명하기 위한 도표이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템의 운전 모드별 기능을 설명하기 위한 도표이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템은, 테스트 대상 설비/기기(EUT : Equipment under test)의 검사 자동화를 위한 자동화 운용 소프트웨어 파트와 하드웨어 파트를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 자동화 운용 소프트웨어 파트는 사용자 인터페이스, 모니터링 솔루션, 통신 프로그램 등을 포함할 수 있고, 하드웨어 파트는 통신모듈, 제어보드, DC전원공급장치, 각종 검사를 위한 계측기 등을 포함할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 전력변환기용 자동화 검사시스템(이하, '자동화 검사시스템'이라 간략 명명함)은 도 3의 도표에서와 같은 기능들을 가질 수 있다.
본 발명의 자동화 검사시스템은 일반 성능 측면에서 볼 때, ⅰ) 주요 부품(ex. DC Link capacitor, IGBT 등)이 시스템 규격 상의 내압을 충족하도록 하고, ⅱ) 정밀도 높은 고품질(ex. 오차범위 ＜ ±1% F.S.)의 직류 전력 공급이 가능하도록 함은 물론, 작은 출력 전압 리플(ex. Peak to Peak ＜ 1% F.S.)이 달성될 수 있도록 하며, ⅲ) 빠른 단/양방향 과도 특성 응답(ex. 500ms 미만)이 실현되도록 하고, ⅳ) DC전원공급장치의 상태(ex. 운전, 대기, 고장)에 따른 상태별 색상 표시(ex. 정상 운전 상태인 경우 Green, 대기 상태인 경우 White, 고장 상태인 경우 Red)를 위한 LED 램프 구성을 포함하며, ⅴ) 장비 운용시의 소음 규정 충족(ex. 장비 전반 3m 부근에서 소음 레벨 78dB 이하)할 수 있도록 하고, 비상 상황에서의 장비 비상 정지를 위한 수동 비상 정지 스위치가 채용되도록 하며, ⅵ) DC전원공급장치를 통해서 넓은 DC 출력 전압 범위(ex. 150V~1100V 또는 870V~1500V 등) 내의 다양한 테스트 전압을 이용한 EUT 시험이 가능하고, 백투백(Back-To-Back) 방식 적용을 통한 양방향 운전(전원 공급 및 회생) 지원으로 다양한 응용분야의 전력변환장치의 시험이 가능하도록 하며, ⅶ) 검사장비 내의 제어 전원 이중화로 연속적인 전ⅳⅲⅱ원 공급 및 전원 공급의 안정성을 확보하고, ⅷ) 필요에 따라 자동화 검사장비의 병렬 구성으로 용량 확장이 가능하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 자동화 검사시스템은 DC 전원 공급 모드, 충/방전 모드(배터리 시뮬레이션 모드), 태양광(PV) 시뮬레이터 모드, 연료전지 시뮬레이터 모드 등과 같이, 테스트 대상 설비/기기의 특성에 맞춰 다양한 검사/시뮬레이션이 가능하도록 설계될 수 있다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 4의 도표에서 확인할 수 있는 바와 같이, ⅰ) DC 전원 공급 모드는 사용자가 지령한 전압 값으로 DC 정전압을 생성하는 모드로서, DC 전압 변경시 Ramp rate를 설정하여 원하는 기울기로 DC 전압을 가변할 수 있도록 설계되며, ⅱ) 충/방전 모드는 배터리 시뮬레이션을 위해 AC 전원으로부터 배터리를 충/방전하는 모드로서, 이때의 배터리 충/방전 방식으로는 정전압(CV : Constant Voltage) 방식, 정전류(CC : Constant Current) 방식, 정전력(CP : Constant Power) 방식 중 어느 하나의 방식에 따른 충/방전 모드를 지원할 수 있도록 설계되며, ⅲ) 태양광 시뮬레이터 모드는 태양광 셀을 모의하여 태양광 인버터의 시험이 가능하도록 직류 전압을 생성하는 모드로서, MPP(Maximum Power Point) 전압, 전력, 일사량, 태양광 셀의 온도 등의 파라미터를 입력하여 MPP 곡선을 생성함으로써 생성된 MPP 곡선에 따라 시뮬레이터를 동작시키도록 설계되며, ⅳ) 연료전지 시뮬레이터 모드는 연료전지 셀을 모의하여 연료전지 인버터의 시험이 가능하도록 직류 전압을 생성하도록 설계될 수 있다.
또한, 본 발명의 자동화 검사시스템은 보호 기능 및 트립(Trip) 기능으로서, 시스템 장애 발생시 설비 보호를 위한 기능이 작동될 수 있도록 하고, 이러한 보호 기능의 적용 여부 및 동작 설정을 사용자가 선택할 수 있도록 설계되며, 트립 발생시 문제 해결 전까지 전류 공급(재투입)이 될 수 없도록 하는 구조를 갖도록 설계되고, 지락 및 서지 보호를 위한 장치가 설치될 수 있다.
상술한 본 발명의 자동화 검사시스템은, 제1 실시예에 따라 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 PCS용 통신구성도 및 자동화 검사 프로세스를 갖도록 설계되거나, 제2 실시예에 따라 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 ECS(Energy Conversion System)용 통신구성도 및 자동화 검사 프로세스를 갖도록 설계될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 전력변환기용 자동화 검사시스템으로서,
    테스트 대상 설비/기기(EUT : Equipment under test)의 검사 자동화를 위한 자동화 운용 소프트웨어 파트와 하드웨어 파트를 포함하며,
    상기 자동화 운용 소프트웨어 파트는 사용자 인터페이스, 모니터링 솔루션, 통신 프로그램을 포함하고, 상기 하드웨어 파트는 통신모듈, 제어보드, DC전원공급장치, 각종 검사를 위한 계측기를 포함하며,
    상기 자동화 운용 소프트웨어 파트는, DC 전원 공급 모드, 충/방전 모드, 태양광 시뮬레이터 모드, 연료전지 시뮬레이터 모드 중 적어도 하나의 운전 모드에 따라 테스트 대상 설비/기기에 관한 자동화 검사를 실행하는 것을 특징으로 하는, 전력변환기용 자동화 검사시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC 전원 공급 모드는,
    사용자가 지령한 전압 값으로 DC 정전압을 생성하는 모드로서, DC 전압 변경시 Ramp rate를 설정하여 원하는 기울기로 DC 전압을 가변할 수 있도록 설계되며,
    상기 충/방전 모드는,
    배터리 시뮬레이션을 위해 AC 전원으로부터 배터리를 충/방전하는 모드로서, 이때의 배터리 충/방전 방식으로는 정전압(CV : Constant Voltage) 방식, 정전류(CC : Constant Current) 방식, 정전력(CP : Constant Power) 방식 중 어느 하나의 방식에 따른 충/방전 모드를 지원할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 전력변환기용 자동화 검사시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 시뮬레이터 모드는,
    태양광 셀을 모의하여 태양광 인버터의 시험이 가능하도록 직류 전압을 생성하는 모드로서, MPP(Maximum Power Point) 전압, 전력, 일사량, 태양광 셀의 온도의 파라미터를 입력하여 MPP 곡선을 생성함으로써 생성된 MPP 곡선에 따라 시뮬레이터를 동작시키도록 설계되며,
    상기 연료전지 시뮬레이터 모드는, 연료전지 셀을 모의하여 연료전지 인버터의 시험이 가능하도록 직류 전압을 생성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 전력변환기용 자동화 검사시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환기용 자동화 검사시스템은,
    보호 기능 및 트립(Trip) 기능으로서, 시스템 장애 발생시 설비 보호를 위한 기능이 작동될 수 있도록 하고, 상기 보호 기능의 적용 여부 및 동작 설정을 사용자가 선택할 수 있도록 설계되며, 트립 발생시 문제 해결 전까지 전류 공급이 될 수 없도록 하는 구조를 갖도록 설계되고, 지락 및 서지 보호를 위한 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는, 전력변환기용 자동화 검사시스템.
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