KR20240051540A

KR20240051540A - 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기

Info

Publication number: KR20240051540A
Application number: KR1020220131330A
Authority: KR
Inventors: 백주원; 김호성; 김명호; 박시호; 유명효; 윤혁진; 정동근
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2024-04-22

Abstract

본 발명은 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기에 관한 것으로서, 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로에 설치되며, 상기 제1 배전 선로가 연결되는 1차측 권선과, 독립되어 분리된 주권선과 보조권선을 포함하며 상기 주권선에 상기 제2 배전 선로가 연결되는 변압기; 상기 2차측 권선의 보조권선에 일단이 연결되어 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 AC-DC 컨버터; 상기 AC-DC 컨버터의 출력단에 연결된 커패시터(이하 '직류 링크단')에 연결되어 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키고 상기 AC 전력 출력단은 상기 제2 배전선로에 연결되는 DC-AC 컨버터; 상기 제2 배전 선로의 역률을 전달받아 역률 개선값을 연산하고, 상기 DC-AC 컨버터의 교류 출력값을 제어하여 역률 개선에 필요한 크기와 위상을 가지는 교류를 상기 제2 배전 선로에 전달하여 역률을 개선시키는 제어부를; 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하여 여러 선로들이 연계되는 지점에서 스마트 변압기를 통해 유 무효 전력양을 제어함으로써 선로간의 전력 조류 불평형을 해소시키며, 선로의 역률을 개선하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기가 제공되는 이점이 있다.

Description

선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기{Smart Transformer for Line Power Factor Correction Power Current Control}

본 발명은 서로 다른 배전 선로 간에 연결되어 선로 역률 개선에 기여하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기로서, 보다 상세하게는 송전 계통의 변전소로부터 수용가에 전력을 공급하는 배전 계통에서 서로 다른 배전 선로 간에 전력 조류를 제어하여 안정적인 전력을 공급할 수 있는 스마트 변압기의 제어에 의하여 선로의 역률을 개선시키는 기술에 대한 것이다.

배전 계통의 구성방식은 방사형, 루프형, 네트워크형 등 3가지로 구분될 수 있으며, 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 (229kV) 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 증설이 라는 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 대응만 으로는 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.

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.

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.

본 발명자는 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 현재 구축된 배전 계통의 변경이나 운영 프로세스의 개정 없이 서로 다른 두 개의 배전 선로의 전력 조류를 제어할 수 있는 스마트 변압기를 제공하는 기술을 선출원특허 10-2021-0146089로 제안한 바가 있으며, 이를 기초로 추가 연구를 계속한 바에 의하면 새로운 용도로서 선로 역률 개선에서 기술적 가치가 발견되고 있다.

현재, 발전기 연계 송전선에서는 전체적인 전압보상과 역율 제어를 위해 동기 조상기나 진상 지상 전류 제어용 커패시터 또는 인덕턴스 보상을 하였으며 각각의 선로의 전력제어는 불가능하였다.

송전 계통망에서는 계통제어를 위한 다양한 능동 전력제어 설비가 적용되고 있으며 무효전력보상장치로 SVC(Static Var Compensator)와 STATCOM(Static Synchronous Compensator)이 있고, 유효전력제어장치로 TCSC(Thyristor Controlled Series Capacitor)와 UPFC(Unified Power Flow Controller)가 사용되고 있다.

이중 유효 및 무효전력제어가 동시에 가능한 UPFC는 전력용량 전체를 감당하는 구조이므로 송전선로 전력제어설비로는 경제적인 측면에서 부적합하다.

그러므로 TCSC와 UPFC의 장점을 결합한 구조를 통해 선로용량보다 매우 작은 설비를 통해 송전선로의 전력제어가 필요하다.

배전선로 단에서도 국내에서 주로 적용된 방사형 계통에서 각 선로의 전력제어를 할 수가 없으므로 신재생 에너지원의 연계 또는 전기차 등에 대한 수요에 대응하기 위해 선로증설외에는 다른 방법이 거의 없었다.

이를 해소하기 위해 Back-Back 인버터 구조를 통한 전력 조류 제어를 하는 기법이 제안되었으나 역시 경제성과 설비 공간이 큰 문제점으로 실제 계통에 적용된 사례가 없는 실정이다.

그러므로 송전망에서 선로 전력제어를 할 수 있거나 배전망에서 단순선로 증설 방식이 아닌 선로 이용률을 높이고 전력 품질을 개선할 경제적인 모델이 필요하다.

한편, 연계된 여러 전력선로에서 선로에 흐르는 전력은 연계된 부하량과 신재생 에너지원들의 외부 에너지원의 총량에 영향을 직접적으로 받는다.

이에 따라 선로간의 부하 불평형 또는 신재생 에너지에 의한 선로 포화등이 발생하면 이를 해소할 방안이 없는 문제점이 있다.

한국 특허등록번호 제10-1132759호 한국 특허공개공보 제10-2018-0010026호 한국 특허공개공보 제10-2019-0124450호 한국 특허출원 제10-2021-0146089호 한국 특허출원 제10-2021-0146083호

본 발명은 여러 선로들이 연계되는 지점에서 스마트 변압기를 통해 유 무효 전력양을 제어 함으로써 선로간의 전력 조류 불평형을 해소시키며, 선로의 역률을 개선하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로에 설치되며, 상기 제1 배전 선로가 연결되는 1차측 권선과, 독립되어 분리된 주권선과 보조권선을 포함하며 상기 주권선에 상기 제2 배전 선로가 연결되는 변압기; 상기 2차측 권선의 보조권선에 일단이 연결되어 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 AC-DC 컨버터; 상기 AC-DC 컨버터의 출력단에 연결된 커패시터(이하 '직류 링크단')에 연결되어 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키고 상기 AC 전력 출력단은 상기 제2 배전선로에 연결되는 DC-AC 컨버터; 상기 제2 배전 선로의 역률을 전달받아 역률 개선값을 연산하고, 상기 DC-AC 컨버터의 교류 출력값을 제어하여 역률 개선에 필요한 크기와 위상을 가지는 교류를 상기 제2 배전 선로에 전달하여 역률을 개선시키는 제어부를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기를 기술적 요지로 한다.

본 발명은 또한, 상기 직류 링크단에는 상기 제어부에 의해 제어받는 외부 DC 전력단이 연결되어 상기 제어부의 역률 보상시 필요한 전력 크기값을 상기 외부 DC 전력단에서 보완시키는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 외부 DC 전력단은 ESS 시스템인 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 선로에 흐르는 전력량을 계측하여 선로 전력값을 연산하고 이를 통해 제어할 전력의 추정치와 초기 제어값을 설정하는 단계; 사용자가 설정한 초기 제어값을 기반으로 선로 전력 기준치를 도출하고 이를 계측치와 비교하는 a 단계; 상기 a 단계에서 유효전력 측정값이 유효전력기준치를 초과하면 무효전력 비교를 수행하는 b단계; 상기 b 단계에서 무효전력측정치가 무효전력 기준치를 미달하면 현재 상태를 유지하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계; 상기 b 단계에서 무효전력 측정치가 무효전력 기준치보다 초과하면 전압 보상치를 도출하여 전압 보상을 실행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계; 상기 a 단계에서 유효전력 측정치가 유효전력 기준치보다 작다면 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 연산을 수행하고 무효전력 기준치와 무효전력 측정치를 비교하는 c 단계; 상기 c 단계에서 무효전력 측정치가 기준치에 미달하면 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값의 보상제어를 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계; 상기 c 단계에서 무효전력 측정치가 기준치를 초과하면 연산한 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 추가 연산하여 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 및 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 제어하는 동작을 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계;를 수행하는 어플리케이션이 포함되는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기는 여러 배전 선로가 접속하는 지점에서 각 배전선로 설치되고, 각 배전선로의 정보를 통합 획득하고 정보를 연산하여 상기 제어부로 제어명령을 출력시키는 메인 제어부를 더 포함하여 구성되어 상기 메인 제어부를 통해 특정 선로의 과부하 또는 전압 변동, 전력 조류 제어가 필요할 때, 각 배전선로의 선로 전압과 유 무효전력을 통합 제어보상하여, 안정적인 전압조정과 전력조류 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기로 되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하여 여러 선로들이 연계되는 지점에서 스마트 변압기를 통해 유 무효 전력양을 제어함으로써 선로간의 전력 조류 불평형을 해소시키며, 선로의 역률을 개선하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기가 제공되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 회로 블럭도
도 2는 본 발명의 제어부 제어 흐름도
도 3은 본 발명 중 AC-DC 컨버터의 출력에만 의존하는 실시예의 역률 개선도
도 4는 본 발명 중 외부 DC 전력단의 출력에 의존하는 실시예의 역률 개선도
도 5와 도 6은 계통에 대한 본 발명의 실시예시도

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 1은 본 발명의 회로 블럭도이며, 도 2는 본 발명의 제어부 제어 흐름도이며, 도 3은 본 발명 중 AC-DC 컨버터의 출력에만 의존하는 실시예의 역률 개선도이며, 도 4는 본 발명 중 외부 DC 전력단의 출력에 의존하는 실시예의 역률 개선도이며, 도 5와 도 6은 계통에 대한 본 발명의 실시예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명은 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기에 관한 것으로서, 크게 제1 배전 선로(11)와 제2 배전 선로(15), 1차측 권선(111), 주권선(112)과 보조권선(113)을 포함하는 2차측 권선(114), 변압기(110); AC-DC 컨버터(131); 커패시터(이하 '직류 링크단(132)'); DC-AC 컨버터(133); 제어부(300); 외부 DC 전력단(200)을 포함하여 구성된다.

본 발명은 도 1에서 보여지는 바와 같이 수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로(11)와 제2 배전 선로(15)에 설치되는 변압기에 AC-DC-AC 컨버터(133)가 결합된 스마트 변압기의 새로운 용도를 개척하는 발명이다.

'변압기에 AC-DC-AC 컨버터가 결합된 스마트 변압기'에 관한 주요 기술은 선출원 발명 10-2021-0146083, 10-2021-0146089을 통해 먼저 제안된 바가 있다.

이하, 상기 스마트변압기(110)에 대하여 도 1과 함께 살펴보면, 변압기(110)의 1차측 권선(111)에는 상기 제1 배전 선로(11)가 연결되고, 2차측 권선(114)은 독립적으로 분리된 주권선(112)과 보조권선(113)으로 구분되며, 상기 주권선(112)에 상기 제2 배전 선로(15)가 연결된다.

상기 변압기(110)는 다권선 구조의 저주파 변압기(LFT)를 사용하는 것을 고려할 수 있다.

상기 보조권선(113)에는 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 AC-DC 컨버터(131)의 AC 입력단이 연결되고, 상기 AC-DC 컨버터(131)의 DC 출력단에는 커패시터(이하 '직류 링크단(132)')가 연결된다.

본 발명에서 상기 AC-DC 컨버터(131)는 3상 정류기부로서, 전력 조류 제어에 필요한 유효 전력을 변압기의 보조권선을 통해 흡수하여 DC 링크 전압을 생성 및 제어하며, 계통의 무효 전력 보상에 필요한 무효 전력을 공급할 수 있다.

상기 직류 링크단(132)에는 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키고 AC 전력 출력단이 상기 제2 배전 선로(15)에 연결되는 DC-AC 컨버터(133)가 연결된다.

본 발명에서 상기 DC-AC 컨버터(133)는 3상 인버터로서, 계통과 동일한 주파수의 교류 전압을 생성하여 선로에 직렬로 연결되어 전력 조류 제어에 필요한 주입 전압과 주입 전압의 위상각을 조정하게 된다.

이때, 주입 전압의 크기는 DC 링크 전압과 인버터의 변조율에 의해서 결정된다.

이와 같이 상기 직류 링크단(132)에 의해 연결되는 AC-DC 컨버터(131)와 DC-AC 컨버터(133)를 3상 AC to AC 전력변환장치 또는 Back to Back 컨버터(이하, '전력변환장치(130)'로 설명함)로 정의할 수 있다.

상기 DC-AC 컨버터(133)를 각상에 직렬로 연결시키는 일실시예로서는, 변압기의 2차측 주권선을 3상 Y 결선으로 구성하고 각 R, S, T 결선의 나머지 한선을 DC-AC 컨버터(133)에 연결한다.

즉, 상기 DC-AC 컨버터(133)의 출력단을 Y결선의 중성점에 연결하여 출력 직렬 보상회로부를 구성할 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 DC-AC 컨버터(133)는 출력 전압 및 위상 제어를 통해서 3상 모선의 전력 조류를 제어할 수 있는 3상 인버터로 작동되므로, 상 불평형을 최소화시키도록 제어할 수 있다.

본 발명에서 상기 변압기(110)는 서로 다른 배전 선로의 전원을 접속할 수 있도록 1차측 권선(111)과 2차측 권선(114)이 존재하며, 전력 조류 제어를 위한 컨버터 접속을 위한 보조권선이 3상 결선으로 감겨 있는 구조이다.

본 발명의 상기 전력변환장치(130)는 고장이나 동작 정지를 대비해 두 개의 바이패스 스위치 SW1(1), SW2(2)를 둘 수 있다.

이에 의하면, 상기 전력변환장치(130)가 전력 조류 장치의 기능을 수행하지 않을 경우 SW2(2) 스위치가 ON 되어 계통 전압을 바이패스하는 기능을 수행한다.

상기 전력변환장치(130)가 전력 조류 제어 장치가 정상 동작 중에는 SW2(2) 스위치가 OFF 되고 인버터 내부의 필터 커패시터와 직렬 연결되어 2차측 권선이 Y결선이 완성되어 전압을 직렬 보상한다.

SW1(1) 스위치는 전력변환장치 초기 기동시 ON이 되며, 선로가 정상 운행시에는 항상 ON 상태를 유지한다.

한편, 변압기(110) 1차측 혹은 2차측에 단락 사고가 발생하게 되면, 한쪽 선로의 사고가 다른 선로로 전파되는걸 방지하기 위해서 SW1(1) 스위치와 SW2(2) 스위치 모두를 OFF 하게 된다.

이 경우 변압기(110) 2차측의 Y 결선이 연결이 끊어지게 되고 변압기(110) 2차측의 연결이 OPEN 되어지기 때문에 2차측 배전 선로가 변압기와 연결이 차단되는 효과를 가지게 된다.

이 기능을 통해서 배전 선로에 비상시 차단할 수 있는 기능을 가지게 된다.

이와 같이 구성되는 스마트 변압기(110)는 도 5와 도 6에서 보여지는 바와 같이 두 송전 또는 배전 모선간에 연계시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 스마트 변압기(110)는 변압기 용량 대비 일부의 전력변환장치를 포함하도록 구성하며, 전력변환장치의 용량은 원하는 전력조류양에 비례하여 결정한다.

기존 UPFC(Unified Power Flow Controller)의 경우 배전 선로의 전압 클래스가 동일한 선로에만 적용 가능했지만, 스마트변압기의 경우 변압기 턴을 조절할 수 있으므로 배전 선로의 전압이 크게 차이나는 곳에도 전력 조류 제어를 할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명은 이와 같이 구성되는 스마트 변압기(110)에서, 상기 제2 배전 선로(15)의 역률 개선값을 상기 DC-AC 컨버터(133)로 출력시키는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명은 상기 제2 배전 선로(15)에 흐르는 전력량을 계측하여 역률 개선값을 연산하고, 상기 DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력값을 제어하여 역률 개선에 필요한 크기와 위상을 가지는 교류를 출력시키는 제어부(300)가 포함된다.

즉, 상기 제어부(300)에서는 선로에 흐르는 전력량을 계측하여 선로 전력값을 연산하고 이를 통해 제어할 전력의 추정치와 초기 제어값을 연산하게 된다.

상기 제어부(300)에는 필요한 출력의 크기와 위상을 제어하는 상기 DC-AC 컨버터 제어토플로지가 포함되어, 역률 개선에 필요한 크기와 위상이 출력되게 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 도 2와 함께 살펴보기로 한다.

역률 개선을 위하여 본 발명의 제어부(300)는 역률 개선을 실행시키는 어플리케이션이 포함된다.

상기 어플레케이션에 의하여 실행되는 초기 단계(S1)는 선로에 흐르는 전력량을 계측하여 선로 전력값을 연산하고 이를 통해 제어할 전력의 추정치와 초기 제어값을 설정하는 단계이다.

즉, 본 발명에 의하면 선로에서 유지되기를 희망하는 역률 또는 크기와 위상을 초기 제어값으로 입력시킬 수 있으며, 계측한 선로 전력량으로 상기 역률, 크기 또는 위상을 연산하여 출력시키게 된다.

본 발명의 a 단계(S2)는 상기 사용자가 설정한 초기 제어값을 기반으로 선로 전력 기준치를 도출하는 단계이다.

상기 a 단계(S2) 후 유효전력 측정값이 유효전력기준치를 초과하는 여부를 비교하는 단계(S3)를 수행한다.

상기 단계(S3)에서 유효전력 측정값이 유효전력기준치를 초과하면 무효전력 비교를 수행하는 b 단계(S31)를 수행한다.

상기 b 단계(S31)에서 무효전력측정치가 무효전력 기준치를 미달하면 현재 상태를 유지하고 상기 a 단계(S2)를 재수행하는 단계(S311)를 수행한다.

상기 b 단계(S31)에서 무효전력 측정치가 무효전력 기준치보다 초과하면 전압 보상치를 도출하여 전압 보상을 실행하고 상기 a 단계(S2)를 재수행하는 단계(S312)를 수행한다.

상기 단계(S3)에서 유효전력 측정치가 유효전력 기준치보다 작다면 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 연산을 수행하는 단계(S32)와 무효전력 기준치와 무효전력 측정치를 비교하는 c 단계(S33)를 수행한다.

상기 c 단계(S33)에서 무효전력 측정치가 기준치에 미달하면 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값의 보상제어를 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계(S331)를 수행한다.

상기 c 단계(S33)에서 무효전력 측정치가 기준치를 초과하면 연산한 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 추가 연산하여 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 및 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 제어하는 동작을 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계(S332)를 수행한다.

이와 같이 이루어지는 제어 어플리케이션에 의하면, 본 발명은 계측된 전력량과 초기 설정값을 지속적으로 비교 감시하여, 초기 설정값이 유지되도록 상기 DC-AC 컨버터(133)가 작동된다.

상기 어플리케이션에 의한 실행은 유효전력과 무효전력의 크기에 따라 순차 실행되고 있으나, 이에 의한 실행 결과는 도 3에서 보여지는 바와 같이 제2 배전 선로(15)의 피상전력이 A와 같은 경우, B와 같은 초기 설정값을 가지도록 역률을 개선시키고자 한다면, DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력값이 C와 같이 출력되게 하는 것이 연속 실행된다.

상기 제어부에는 상기 DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력값이 C로 정해지면 이에 맞추어 DC-AC 컨버터(133)를 출력시키는 제어 토플로지가 내장된다.

따라서, 도 3에서 보여지는 바와 같이 본 발명은 희망하는 초기 설정값이 미리 입력되면, 제2 배전 선로(15)의 피상전력 A를 자동감지하여 DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력을 C로 출력시키도록 연산하고 제어함으로써 역률을 개선시킬 수 있다.

주목할 점은, 도 3에서 보여지는 바와 같이 DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력값은 보조권선(113)에 의해 전달되는 AC-DC 컨버터(131)의 전력량에 의해 크기가 a 만큼 제한되므로, 이에 의존하여 역률을 개선시키는 경우에는 피상 전력의 크기는 E만큼 작아지고 있으나 실효전력값은 F만큼 증가됨을 알 수 있다.

즉, 도 3에서 살펴본 바와 같이, 상기 DC-AC 컨버터(133)의 출력 크기는 AC-DC 컨버터(131)의 출력 절대값 a에 의해 제한되므로 도 3의 크기 a를 가지는 원의 범위를 초과할 수 없으며, 이러한 제한은 희망하는 위상 개선시 상기한 바와 같은 역률 개선 후 피상전력의 크기는 작아지므로 피상전력 위상을 회전시키는 역률 개선보다 D만큼의 손해가 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 이를 보완하기 위하여 상기 직류 링크단(132)에 상기 제어부(300)에 의해 제어받는 외부 DC 전력단(200)이 연결되어 상기 제어부(300)의 역률 보상시 필요한 전력 크기값을 상기 외부 DC 전력단(200)에서 보완시키는 특징을 가진다.

이에 의하면 상기 DC-AC 컨버터(133) 출력 반경은 외부 DC 전력단(200)의 입력 크기에 의하여 제어될 수 있다.

따라서, 상기 제어부(300)는 상기 외부 DC 전력단(200)을 통해 전달되는 DC 전력의 크기를 역률 개선에 필요한 전력의 크기에 따라 제어할 수 있는 것이 바람직하다.

이에 사용되는 상기 외부 DC 전력단(200)은 ESS 시스템으로 되는 것이 바람직하며, 기타 수소 연료전지나 친환경 에너지 장치에서 직접적인 연결도 고려할 수 있다.

상기 외부 DC 전력단(200)이 연결되는 경우의 실시예에 대하여 살펴보면, 도 4에서 보여지는 바와 같이 제2 배전 선로(15)의 피상전력이 A와 같은 경우, B와 같은 초기 설정값을 가지도록 역률을 개선시키고자 한다면, DC-AC 컨버터(133)의 교류 출력값을 C와 같이 출력하면 될 것이고, 상기 외부 DC 전력단(200)에서 전달되는 입력을 제어하여 크기 a를 크기 a'로 증가시키면 된다.

따라서, 본 발명은 도 4에서 보여지는 바와 같이 희망하는 초기 설정값 B가 미리 입력되면, 제2 배전 선로의 피상전력 A를 자동감지하여 DC-AC 컨버터(133)의 출력을 C로 출력시키도록 제어함으로써 역률을 개선시키면서, 도 3에서 보여지는 바와 달리 피상전력의 크기값 변동없으므로 실효전력값을 도 3에서보다 D 만큼 더 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 이와 같이 구성되는 상기 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기를 도 5와 도 6에서 보여지는 바와 같이 여러 배전 선로가 접속하는 지점에서 각 배전선로에 설치시키고, 각 배전선로의 정보를 통합 획득하고 정보를 연산하여 각 제어부(300)로 제어명령을 출력시키는 메인 제어부(300)를 더 포함시킬 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 상기 메인 제어부(300)를 통해 특정 선로의 과부하 또는 전압 변동, 전력 조류 제어가 필요할 때, 각 배전선로의 선로 전압과 유, 무효전력을 통합 제어보상하여, 안정적인 전압조정과 전력조류 제어를 실행시킬 수 있는 이점이 있다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : SW1 2 : SW2
11 : 제1 배전 선로 15 : 제2 배전 선로
110 : 변압기 111 : 1차측 권선
112 : 주권선 113 : 보조권선
114 : 2차측 권선 200 : 외부 DC 전력단
130 : 전력변환장치 131 : AC-DC 컨버터
132 : 직류 링크단 133 : DC-AC 컨버터
300 : 제어부

Claims

수용가에 전력을 공급하는 서로 분리된 제1 배전 선로와 제2 배전 선로에 설치되며, 상기 제1 배전 선로가 연결되는 1차측 권선과
독립되어 분리된 주권선과 보조권선을 포함하며, 상기 주권선에 상기 제2 배전 선로가 연결되는 변압기;
상기 2차측 권선의 보조권선에 일단이 연결되어 AC 전력을 DC 전력으로 변환시키는 AC-DC 컨버터;
상기 AC-DC 컨버터의 출력단에 연결된 커패시터(이하 '직류 링크단')에 연결되어 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키며, AC 전력 출력단이 상기 제2 배전선로에 연결되는 DC-AC 컨버터;
상기 제2 배전 선로의 역률을 전달받아 역률 개선값을 연산하고, 상기 DC-AC 컨버터의 교류 출력값을 제어하여 역률 개선에 필요한 크기와 위상을 가지는 교류를 상기 제2 배전 선로에 전달하여 역률을 개선시키는 제어부를 ;
포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기.
제1항에 있어서,
상기 직류 링크단에는 상기 제어부에 의해 제어받는 외부 DC 전력단이 연결되어
상기 제어부의 역률 보상시 필요한 전력 크기값을
상기 외부 DC 전력단에서 보완시키는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기.
제2항에 있어서 상기 외부 DC 전력단은
ESS 시스템인 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기.
제1항에 있어서 상기 제어부는
선로에 흐르는 전력량을 계측하여 선로 전력값을 연산하고 이를 통해 제어할 전력의 추정치와 초기 제어값을 설정하는 단계;
사용자가 설정한 초기 제어값을 기반으로 선로 전력 기준치를 도출하고 이를 계측치와 비교하는 a 단계;
상기 a 단계에서 유효전력 측정값이 유효전력기준치를 초과하면 무효전력 비교를 수행하는 b단계;
상기 b 단계에서 무효전력측정치가 무효전력 기준치를 미달하면 현재 상태를 유지하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계;
상기 b 단계에서 무효전력 측정치가 무효전력 기준치보다 초과하면 전압 보상치를 도출하여 전압 보상을 실행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계;
상기 a 단계에서 유효전력 측정치가 유효전력 기준치보다 작다면 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 연산을 수행하고 무효전력 기준치와 무효전력 측정치를 비교하는 c 단계;
상기 c 단계에서 무효전력 측정치가 기준치에 미달하면 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값의 보상제어를 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계;
상기 c 단계에서 무효전력 측정치가 기준치를 초과하면 연산한 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 추가 연산하여 연산한 유효전력 보상 각도와 전압 조정값 및 무효전력 보상 각도와 전압 조정값을 제어하는 동작을 수행하고 상기 a 단계를 재수행하는 단계;
를 수행하는 어플리케이션이 포함되는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서
상기 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기는
여러 배전 선로가 접속하는 지점에서 각 배전선로 설치되고,
각 배전선로의 정보를 통합 획득하고 정보를 연산하여 상기 제어부로 제어명령을 출력시키는 메인 제어부를 더 포함하여 구성되어
상기 메인 제어부를 통해 특정 선로의 과부하 또는 전압 변동, 전력 조류 제어가 필요할 때, 각 배전선로의 선로 전압과 유 무효전력을 통합 제어보상하여, 안정적인 전압조정과 전력조류 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 선로 역률 개선식 전력 조류 제어용 스마트 변압기.