KR20230069461A - 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

전력 변환 장치의 전력 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20230069461A KR1020210155517A KR20210155517A KR20230069461A KR 20230069461 A KR20230069461 A KR 20230069461A KR 1020210155517 A KR1020210155517 A KR 1020210155517A KR 20210155517 A KR20210155517 A KR 20210155517A KR 20230069461 A KR20230069461 A KR 20230069461A
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문주영
류호선
이경규
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한국전력공사
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Abstract

전력변환장치에 정격출력 이상의 지령이 인가되는 경우, 계통 상황을 고려하여 유효전력과 무효전력의 출력량을 분배하여 효과적으로 계통 안정도에 기여할 수 있는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템이 개시된다. 상기 전력 제어 시스템은,재생 에너지 소스로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치로부터 출력되는 상기 교류 전력으로부터 전류를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 좌표 변환기, 상기 교류 전력으로부터 전압을 측정하여 측정 위상, 측정 주파수 및 측정 전압을 산출하는 위상 동기부, 상기 측정 주파수 및 측정 전압을 이용하여 측정 유효전력 및 측정 무효전력을 산출하고, 상기 측정 유효전력 및 측정 무효전력을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력 및 기준 무효전력과 비교하여 유효전력 상한치 및 무효전력 상한치를 연산하는 전력 리미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 장치의 전력 제어 시스템 및 방법{System and Method for power control of power conversion device}
본 발명은 전력 제어 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력변환장치에 정격출력 이상의 지령이 인가되는 경우, 계통 상황을 고려하여 유효전력과 무효전력의 출력량을 분배하여 효과적으로 계통 안정도에 기여하는 전력 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다.
에너지 저장 장치, 태양광, 풍력 등과 같은 재생 에너지를 계통에 연계하기 위해서는 전력변환장치가 필수로 요구된다. 전력변환장치의 주요 설계지표는 정격출력, 정격전압, 정격전류, 정격 주파수 등이 있으며, 일반적으로 설비의 안정성을 확보하기 위하여 설계마진을 가지고있다.
전력변환장치의 제작사는 비용을 절감하기 위하여 설계마진을 최소로 하기 위한 노력을 하고 있다. 그에 따라서 설계마진을 줄이기 위해서는 재생에너지 발전원의 최적 제어기술을 필요로 한다.
재생 에너지 발전원은 전력변환장치를 이용하여 전류 또는 전압을 제어하며 계통에 유효전력과 무효전력을 공급할 수 있다. 전력변환장치의 유효전력(P)과 무효전력(Q)은 전력변환장치의 정격출력(
Figure pat00001
)에 의해서 제한된다.
상위 제어기 지령 또는 계통환경에 따라서 요구되는 유효전력과 무효전력의 합이 정격출력보다 큰 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 기존에는 초기에 설정되어있는 조건에 따라서 유효전력 또는 무효전력을 우선적으로 내보내거나, 고정된 비율을 가지고 전력을 출력하게 된다.
재생 에너지 발전원이 차지하는 비중이 점차 증가함에 따라 계통의 전압, 주파수 안정도 문제가 중요해지고 있으며, 재생에너지 발전원도 이러한 계통 안정도 문제에 기여할 것을 요구받고 있다.
하지만, 전력변환장치 정격출력 이상의 지령이 인가되는 경우에 초기에 세팅되어 있는 조건으로 유효전력과 무효전력을 출력하게 되는 경우에 계통의 상황에 효과적으로 보상하기 어렵다.
1. 한국등록특허번호 제10-2130093호(등록일자: 2020년06월29일)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 전력변환장치에 정격출력 이상의 지령이 인가되는 경우, 계통 상황을 고려하여 유효전력과 무효전력의 출력량을 분배하여 효과적으로 계통 안정도에 기여할 수 있는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전력변환장치에 정격출력 이상의 지령이 인가되는 경우, 계통 상황을 고려하여 유효전력과 무효전력의 출력량을 분배하여 효과적으로 계통 안정도에 기여할 수 있는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템을 제공한다.
상기 전력 제어 시스템은,
재생 에너지 소스로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치로부터 출력되는 상기 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 좌표 변환기;
상기 교류 전력으로부터 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θ), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 위상 동기부;
상기 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하고, 상기 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산하는 전력 리미터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 제어 시스템은, 상기 측정 위상(θ) 및 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 상기 전력 변화 장치(120)에 구성되는 다수의 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 기준 신호 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 제어 시스템은, 상기 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 이용하여 전력 변환 장치를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)는 상기 측정 전압(Vmeas), 상기 측정 주파수(fmeas), 계통의 정격 전압(Vrated), 계통의 정격 주파수(frated)를 p.u(per unit method) 단위로 변환하고, 1[pu]와의 차이를 통해 산출되는 전압과 주파수의 오차 비율을 이용하여 역률(sin,cos)을 계산하고, 상기 역률과 상기 전력 변환 장치(120)의 정격 출력(Srated)을 곱하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오차 비율은 미리 설정되는 가중치를 적용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)과 상기 정격 출력(Srated)의 비교는 수학식
Figure pat00002
으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유효 전력값(P_ref) 및 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)이하이면, 상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)보다 크면, 상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)을 각각 상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 상기 무효전력 상한치(Qlimit)와 비교하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비교 결과, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)이상이면, 상기 유효전력 상한치(Plimit)가 사용되고, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)보다 작으면, 상기 유효 전력값(P_ref)이 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비교 결과, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)이상이면, 상기 무효전력 상한치(Qlimit)가 사용되고, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)보다 작으면, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 좌표 변환기가 재생 에너지 소스로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치로부터 출력되는 상기 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 단계; (b) 위상 동기부가 상기 교류 전력으로부터 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θ), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 단계; 및 (c) 전력 리미터가 상기 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하고, 상기 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 전력 제어 방법은, 상기 (c) 단계 이후, (d) 기준 신호 발생기가 상기 측정 위상(θ), 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 상기 전력 변화 장치에 구성되는 다수의 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 제어 방법은, 상기 (d) 단계 이후, 제어기가 상기 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 이용하여 전력 변환 장치를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양광, 풍력, 에너지저장장치 등과 같은 재생에너지에 적용 가능한 전력 변환기술로 유효전력과 무효전력의 최적제어를 통해 계통 안정화에 기여하고 재생에너지 수용성 확보가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 재생에너지 전력변환장치의 설계마진을 최소로 하여 설계함으로써 재생에너지 구축비용 절감을 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 제어 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 2에 도시된 전력 리미터의 블럭 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력 제어 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력의 요구량이 전력변환장치의 정격출력보다 작은 경우, 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력의 요구량이 전력변환장치의 정력출력보다 큰 경우, 결과 그래프이다.
도 6은 일반적인 리액턴스 저항의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 기호를 설명하면 다음과 같다.
Iabc: 전력변환장치의 출력단 전류
Vabc: PCC(Point of Common Coupling)단 전압
Vd,Vq: 회전 좌표계 d축,q축 전압
Vdref, Vqref: d축, q축 지령 전압
Pref,Qref: 유/무효 전력 지령
Vdc: DC(Direct Current)단 전압
Vmeas: PCC단 측정 전압
Vrated: 전력변환장치의 정격 전압
fmeas: PCC단 측정 주파수
frated: 계통의 정격 주파수
Srated: 전력변환장치의 정격 출력
Pmeas: 측정 유효전력
Pout: 유효전력 실제 출력
Plimit: 유효전력 상한치
Qmeas: 측정 무효전력
Qout: 무효전력 실제 출력
Qlimit: 무효전력 상한치
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 전력 제어 시스템(100)은, 재생 에너지 소스(110)로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치(120), 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 좌표 변환기(130), 교류 전력으로부터 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θmeas), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 위상 동기기(140), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하여 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산하는 전력 리미터(150), 측정 위상(θmeas) 및 유효전력 상한치(Plim) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 전력 변화 장치(120)를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 기준 신호 발생기(160), 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 이용하여 전력 변환 장치(120)를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 제어기(170), 기준 전압값(Vd_ref,Vq_ref)을 변조하여 스위칭 신호(switching signal)를 생성하여 전력 변환 장치(120)에 구성되는 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 변조부(180) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
재생 에너지 소스(110)는 태양광, 풍력 등과 같은 재생 에너지에 의해 생성되는 소스이다. 물론, 재생 에너지 소스(110)는 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 태양광, 풍력 등에 의해 생성되는 에너지를 저장하는 장치의 소스가 될 수 있다.
전력 변환 장치(120)는 재생 에너지 소스(110)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 전력 변환 장치(120)는 전력용 스위칭 소자 2개가 병렬로 한 쌍으로 3개가 형성된다. 즉, 중성점(미도시)을 기준으로 대칭되게 한 쌍의 전력용 스위칭 소자가 배치된다. 이러한 배치가 상(Phase)에 대응하여 구성된다. 전력 변환 장치(120)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리에 저장하는 역할과 방전할 때 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 양방향 인버터 역할을 한다.
전력용 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor)가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터, TRIAC(Triode for alternating current), SCR(Silicon Controlled Rectifier), I.C(Integrated Circuit) 회로 등이 사용될 수 있다.
특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
도 1을 계속 참조하면, 재생 에너지 소스(110)와 전력 변환 장치(120) 사이에 평활 커패시터(111)가 구성될 수 있다.
전력 변환 장치(120)의 출력 전력은 출력 필터 인덕터(121)를 통해 계통(미도시) 또는 부하(load)에 연결될 수 있다. 계통은 송전계통 및 배전계통으로 구성되는 송배전계통 (Transmission and Distribution Systems)으로서, 발전 설비에서 생산된 전력을 직접 소비하는 수용가까지 유통 배분하는 설비들의 결합이다. 따라서, 송전선, 배전선, 변전소 및 이들과 밀접한 관계를 갖는 각종 보호 장치, 제어 장치, 조정 장치(차단기, 피뢰기, 보호 계전 시스템, 전압 조정용 콘덴서) 등이 구성된다.
출력 필터 인덕터(121)의 앞단에는 좌표 변환기(130)가 구성되고, 출력 필터 인덕터(121)의 후단에는 위상 동기기(140)가 구성될 수 있다.
좌표 변환기(130)는 전력변환장치(120)로부터 출력되는 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 즉, 120°간격의 위상차를 갖는 abc상을 dq(direct-quadrature)로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 좌표 변환기(130)는 센서, 마이크로프로세서 등을 포함하여 구성될 수 있다.
위상 동기기(140)는 위상 동기 회로로서 교류 전력으로부터 PCC((Point of Common Coupling)단 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θmeas), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 기능을 수행한다. 부연하면, 위상 동기기(140)는 입력 신호와 출력신호에서 되먹임된 신호와의 위상차를 이용해 출력신호를 제어하기 위해, 측정 위상(θmeas), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하고, 이를 전력 리미터(150), 기준 신호 발생기(160), 제어기(170)에 제공한다. 부연하면, 측정 전압(Vmeas) 및 측정 주파수(fmeas)는 전력 리미터(150)에 전달되고, 측정 위상(θmeas)은 기준 신호 발생기(160)에 전달된다. 위상 동기기(140)는 센서, 마이크로프로세서 등을 포함하여 구성될 수 있다.
센서는 전류 센서, 전압 센서등이 될 수 있다. 물론, 이들 센서들은 단독으로 구성될 수도 있고, 좌표 변환기, 위상 동기기의 내부에 구성될 수도 있다. 또한, 전류 센서로는 홀 센서, 광섬유 전류 센서, CT(Current Transformer)형 전류 센서 등이 사용될 수 있다. 전압 센서로는 PT(Potential Transformer)가 될 수 있다.
전력 리미터(150)는 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하고, 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plim) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산한다. 전력 리미터(150)는 비교 회로, 마이크로프로세서 등을 포함하여 구성될 수 있다.
기준 신호 발생기(160)는 측정 위상(θmeas), 유효전력 상한치(Plim) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 전력 변화 장치(120)를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 기능을 수행한다. 기준 신호 발생기(160)는 전자회로, 마이크로프로세서 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제어기(170)는 제어 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref), 회전 좌표계 d,q축 전압(Vd,Vq), 측정 위상(Qmeas), DC단 전압(Vdc)를 이용하여 전력 변환 장치(120)에 구성되는 전력용 스위칭 소자(미도시)를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 기능을 수행한다. 제어기(170)는 마이크로프로세서, 전자회로 등을 포함하여 구성될 수 있다.
계통의 안정도는 크게 전압 안정도와 주파수 안정도를 구분할 수 있으며, 아래 수식에서 보는 것처럼 유효전력(P)은 부하각(δ)이 비례하여 계통 주파수 제어에 영향을 미치고, 무효전력(Q)은 계통 전압 제어에 영향을 미친다. 따라서, 계통 안정도는 전력변환장치의 유효전력과 무효전력의 출력량을 조절하여 제어가 가능하며, 이전에 언급하였듯이 무효전력과 유효전력은 전력변환장치(120)의 정격용량에 의해 제한된다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
이고, θ는 위상이다.
Figure pat00005
여기서, X는 리액턴스 저항이고, VG는 발전 전압이고, VL은 선로 전압이다. 이를 이해하기 쉽게 나타낸 도면이 도 6이다.
도 1을 계속 참조하면, 인버터 기반의 재생 에너지 발전원이 증가함에 따라서 재생 에너지의 출력을 제어하는 전력변환장치 또한 계통 전압/주파수 안정도에 기여할 것을 요구받고 있다. 경우에 따라서는 계통의 전압, 주파수 안정도 확보를 위한 무효전력, 유효전력의 요구량이 전력변환장치의 정격용량보다 큰 경우가 발생할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 계통의 상황을 파악하고 최적의 유효 전력량과 무효 전력량을 연산하여 제한된 용량내에서 계통 안정도에 효과적으로 기여할 수 있다.
부연하면, 순시적으로 계통의 전압과 주파수의 변화를 측정하여 유효전력과 무효전력의 상한치(Limit)를 연산하고 유효전력과 무효전력이 정격전력에 의해 제한될 때, 자동적으로 유효전력과 무효전력이 분배될 수 있도록 제어한다.
도 1을 계속 참조하면, 변조부(180)는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 변조하여 스위칭 신호(switching signal)를 생성하여 전력 변환 장치(120)에 구성되는 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 기능을 수행한다.
변조기(180)는 전력변화장치(120)에 구성되는 전력용 스위칭 소자의 온오프 제어를 수행한다. 이를 위해, 스위칭 신호를 생성하며, 스위칭 신호는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 또는 PFM(Pulse Frequency Modulation)가 될 수 있다. 이를 위해 변조기(180)는 스위칭 레귤레이터, 증폭기, 스위칭 소자 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 도 2에 도시된 전력 리미터(150)의 블럭 다이어그램이다. 도 2를 참조하면, 먼저, 측정된 측정 전압(Vmeas)과 계통의 정격 전압(Vrated)을 입력으로 하여 나눗셈 연산기를 통해 p.u(per unit method) 단위로 변환하여 Vp,u를 산출한다. 이후, 측정된 측정 주파수(fmeas)와 계통의 정격 주파수(frated)를 입력으로 하여 나눗셈 연산기를 통해 fp,u를 산출한다. p.u는 어떤 양을 나타내는데 그 절대량이 아니고 기준량에 대한 비로서 나타내는 방법을 말한다.
정상상태를 의미하는 1[pu]와의 차이를 계산하여 오차를 연산한다. 필요 시, 해당 오차에 K1, K2를 곱하여 전압, 주파수의 오차에 가중치를 줄 수 있다. K1 및 K2는 해당 기술을 적용하는 현장의 상황을 고려한 환경변수를 의미하며, 일반적으로는 K1, K2를 1로하여 제어하나, 계통환경에 따라 무효전력의 가중치가 필요한 곳은 K1을 1 이상으로, 유효전력의 가중치가 필요한 곳은 K2를 1 이상으로 선정한다.
해당 오차의 절대값을 구하고 전압과 주파수의 오차의 비율을 계산한다. 유효전력과 무효전력은 역률로 표현이 가능하기 때문에 전압, 주파수의 오차 비율을 활용하여 전력 변환 장치(120)의 정격 최대 출력시의 역률을 연산한다.
전압과 주파수 오차의 상대적 비율을 활용하여 계산한 역률(sin,cos)과 전력 변환 장치(120)의 정격출력(Srated)을 곱하여 유효전력 상한치(Plimit)와 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력 제어 과정을 보여주는 흐름도이다. 특히, 도 3은 앞서 계산한 유효전력과 무효전력의 상한치(Plimit, Qlimit)의 활용방안을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 상위 제어기(미도시)에서 지령으로 요구하는 유효 전력값(P_ref), 무효 전력값(Q_ref)을 확인하여 전력변환장치(120)의 정격출력(Srated)과 비교한다(단계 S311,S312,S320). 즉, 유효 전력값(P_ref) 및 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 정격 출력값 이하인지 아니면, 정격 출력값보다 큰지를 확인한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00006
단계 S320에서, 정격 출력값 이하이면 각각의 지령을 그대로 사용한다(단계 S330).
이와 달리, 단계 S320에서, 유·무효전력 값이 전력 변환 장치의 정격출력보다 큰 경우에는 유·무효전력지령과 유·무효전력 상한치 값과 비교한다(단계 S341,S342).
단계 S341에서, 지령에 따른 유효 전력값(P_ref)이 유효전력 상한치(Plimit) 이상인 경우에는 유효전력 상한치를 사용한다. 이와 달리, 지령에 따른 유효 전력값(P_ref)이 유효전력 상한치(Plimit) 보다 작은 경우, 유효 전력값(P_ref)이 사용된다(단계 S351,S352).
한편, 단계 S342에서, 무효 전력값(Q_ref)이 무효전력 상한치(Qlimit) 이상인 경우에는 무효전력 상한치를 사용한다. 이와 달리, 지령에 따른 무효 전력값(Q_ref)이 무효전력 상한치(Qlimit) 보다 작은 경우, 무효 전력값(Q_ref)이 사용된다(단계 S353,S354).
해당방법을 사용하여 전력변환장치의 최대출력이 요구되는 경우에 계통 전압, 주파수 조건에 맞는 유·무효전력 최대치에 따라 자동적으로 출력분배가 수행된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력의 요구량이 전력변환장치(120)의 정격출력(Srated)보다 작은 경우, 결과 그래프이다. 도 4를 참조하면, 유효전력 실제 출력(Pout)은 지령에 따른 유효 전력값(P_ref)이 되고, 무효전력 실제 출력(Qout)은 무효 전력값(Q_ref)이 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유/무효 전력의 요구량이 전력변환장치(120)의 정력출력(Srated)보다 큰 경우, 결과 그래프이다. 도 5를 참조하면, 유효전력 실제 출력(Pout)은 지령에 따른 유효전력 상한치(Plimit)가 되고, 무효전력 실제 출력(Qout)은 무효전력 상한치(Qlimit)가 된다. Sref는
Figure pat00007
) 이다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 전력 제어 시스템
110: 재생 에너지 소스
111: 평활 커패시터
120: 전력 변환 장치
121: 인덕터
130: 좌표 변환기
140: 위상 동기기
150: 전력 리미터
160: 기준 신호 발생기
170: 제어기
180: 변조부

Claims (20)

  1. 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템에 있어서,
    재생 에너지 소스(110)로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치(120)로부터 출력되는 상기 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 좌표 변환기(130);
    상기 교류 전력으로부터 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θ), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 위상 동기부(140);
    상기 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하고, 상기 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산하는 전력 리미터(150);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 위상(θ), 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 상기 전력 변화 장치(120)에 구성되는 다수의 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 기준 신호 발생기(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 이용하여 전력 변환 장치(120)를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 제어기(170);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)는 상기 측정 전압(Vmeas), 상기 측정 주파수(fmeas), 계통의 정격 전압(Vrated), 계통의 정격 주파수(frated)를 p.u(per unit method) 단위로 변환하고, 1[pu]와의 차이를 통해 산출되는 전압과 주파수의 오차 비율을 이용하여 역률(sin,cos)을 계산하고, 상기 역률과 상기 전력 변환 장치(120)의 정격 출력(Srated)을 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오차 비율은 미리 설정되는 가중치를 적용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)과 상기 정격 출력(Srated)의 비교는 수학식
    Figure pat00008
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유효 전력값(P_ref) 및 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)이하이면, 상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)보다 크면, 상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)을 각각 상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 상기 무효전력 상한치(Qlimit)와 비교하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)이상이면, 상기 유효전력 상한치(Plimit)가 사용되고, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)보다 작으면, 상기 유효 전력값(P_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)이상이면, 상기 무효전력 상한치(Qlimit)가 사용되고, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)보다 작으면, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 시스템.
  11. 전력 변환 장치의 전력 제어 방법에 있어서,
    (a) 좌표 변환기(130)가 재생 에너지 소스(110)로부터 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 변환하는 전력변환장치(120)로부터 출력되는 상기 교류 전력으로부터 전류(Iabc)를 검출하여 좌표 변환 정보를 생성하는 단계;
    (b) 위상 동기부(140)가 상기 교류 전력으로부터 전압(Vabc)을 측정하여 측정 위상(θ), 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 산출하는 단계; 및
    (c) 전력 리미터(150)가 상기 측정 주파수(fmeas) 및 측정 전압(Vmeas)을 이용하여 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 산출하고, 상기 측정 유효전력(Pmeas) 및 측정 무효전력(Qmeas)을 각각 미리 설정되는 기준 유효전력(P_ref) 및 기준 무효전력(Q_ref)과 비교하여 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 연산하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후,
    (d) 기준 신호 발생기(160)가 상기 측정 위상(θ), 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)를 이용하여 상기 전력 변화 장치(120)에 구성되는 다수의 전력용 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    제어기(170)가 상기 전류 지령 신호(Id_ref,Iq_ref)를 이용하여 전력 변환 장치(120)를 제어하는 전압 지령값(Vd_ref,Vq_ref)을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 무효전력 상한치(Qlimit)는 상기 측정 전압(Vmeas), 상기 측정 주파수(fmeas), 계통의 정격 전압(Vrated), 계통의 정격 주파수(frated)를 p.u(per unit method) 단위로 변환하고, 1[pu]와의 차이를 통해 산출되는 전압과 주파수의 오차 비율을 이용하여 역률(sin,cos)을 계산하고, 상기 역률과 상기 전력 변환 장치(120)의 정격 출력(Srated)을 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 오차 비율은 미리 설정되는 가중치를 적용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)과 상기 정격 출력(Srated)의 비교는 수학식
    Figure pat00009
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유효 전력값(P_ref) 및 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)이하이면, 상기 기준 유효전력(P_ref) 및 상기 기준 무효전력(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)의 제곱근의 값이 상기 정격 출력(Srated)보다 크면, 상기 유효 전력값(P_ref) 및 상기 무효 전력값(Q_ref)을 각각 상기 유효전력 상한치(Plimit) 및 상기 무효전력 상한치(Qlimit)와 비교하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)이상이면, 상기 유효전력 상한치(Plimit)가 사용되고, 상기 유효 전력값(P_ref)이 상기 유효전력 상한치(Plimit)보다 작으면, 상기 유효 전력값(P_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)이상이면, 상기 무효전력 상한치(Qlimit)가 사용되고, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 상기 무효전력 상한치(Qlimit)보다 작으면, 상기 무효 전력값(Q_ref)이 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 전력 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102130093B1 (ko) 2013-07-15 2020-07-03 두산중공업 주식회사 풍력단지 제어기 및 이의 무효 전력 지령 분배 방법, 그리고 이를 이용하는 시스템

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