KR920001314B1 - 전력부하 평준화장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

전력부하 평준화장치

제1도는 종래 전력계통의 블럭 다이어그램.

제2도는 종래 전기 에너지 충, 방전 회로도.

제3도는 본 발명의 회로도.

제4a, b도는 본 발명의 등가회로도로서, (a)는 충전상태를 나타낸 것이고, (b)는 방전상태를 나타낸 것이다.

제5a, b, c도는 제4도에 대한 백터도로서, (a)는 충전상태를 나타낸 것이고, (b), (c)는 방전상태를 나타낸 것이다.

제6도는 본 발명의 전력변환부에 관한 제어회로도.

제6a도는 전압전류 제어회로도.

제6b도는 유효, 무효 전력제어회로도.

제6c도는 동기신호 제어회로도.

제6d도는 GTO 게이트신호도.

제6e도는 AC/DC 보호회로도.

제7도는 본 발명의 한 부하전력의 패턴을 나타낸 예시도.

본 발명은 전력수요가 적고 요금이 싼 심야전력을 이용하여 이를 축전지에 저장 시켰다가 부하에 전력이 다량 필요한 최고부하(PEAK LOAD)시 수전전력에 상기 저장된 전력을 추가시켜 공급하므로 부하전력량의 상승에 관계없이 상용 수전전력을 일정량 이상을 초과되지 않도록 한, 소위 최저부하시 축전지를 충전시키고 부하에서 전력수요가 기준치(예컨대 평균부하 (AVERAGE LOAD)이상되면 상용전원과 전기적으로 병렬 접속되어 그 기준치 이상의 소요전력을 부하로 공급케하므로 발전설비의 운전효율을 높히고 발전비용을 저하케하여 전력요금을 대폭 절약할 수 있음을 특징으로 한 부하 전력 평균화 장치에 관한 것이다.

주지된 바와같이 전력에너지는 제어가 용이하고 환경 오염등의 염려가 없을 뿐만 아니라 가속화되고 있는 자동화장치등으로 그 활용범위가 확대됨에 따른 평균 부하율이 매년 저하되면서 발전설비의 운전효율저하를 초래하여 결과적으로 발전비용이 상승하게 되므로, 현재 이를 개선하기 위한 연구노력이 선진 각국에서 활발히 진행되고 있다. (예컨대 미국과 국제공동연구중에는 있는 일본의 문라이트(MOON LIGHT)계획등) 이것을 수용가 측에서 심야전력(예컨대 자국의 전력 요금 : KWH 당 41원 98전)을 이용하여 전력을 저장하였다가 전력수요가 많을 때(예컨대 자국의 제2종 업무용전력 요금 : KWH당 135원 10전)활용한다면 많은 전력 요금을 절감할 수가 있고 나아가 국가적인 차원의 에너지 절약정책에 부응할 수 있을 것이다.

이에 종래 같은 목적으로 활용키 위한 방안으로 창출된 것을 제2도에 의거 살펴보면, 상용전력에서 병렬 연결된 입력변압기(TRANSFORMER)를 통해 고압을 저압으로 강압시킨후 충전정류기(TN)에서 필요한 전압을 직류로 바꾼후 이것을 축전지(BT)에 저장시켰다가 최고부하시 축전기(BT)에 저장된 전력을 다시 인버터(IN)에서 교류로 바꾸어 출력변압기(TR2)에서 필요한 전력으로 승압후 부하측에 공급토록 된 것이다. 그러나, 전기에너지는 일단 연료로부터 발생되고 나면 저장하기가 어렵기 때문에 발전량을 그때 그때 조절해야 하나 조절이 어렵고 발전설비로 평균부하를 기준으로 하면 안되고 최고부하를 충족할 수 있는 용량으로 설비되어야 하므로 수용가 측에서 저장방법을 강구하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기의 조건을 충족시키려면 고압일 경우에 입, 출력 변압기(TR1) (TR2)와 충전정류기(TN) 및 인버터(IN)의 변환기를 각각 설치해야 했으며, 축전기(BT)를 포함한 상기 각 장치들도 최고 부하시 전용량을 감당할 수 있는 대용량화가 되어야 하므로 그 설치비용이 막대하였고, 그에 비례한 충, 방전효율이 저조하여 경제성이 없었다.

본 발명은 상기한 제반문제점을 해소코자 창출된 것으로 이를 첨부도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명의 회로도로서 TM은 전력변환부인데, 이 전력변환부(TM)는 삼상 2중 인버터 또는 GTO인버터 방식으로 구성되어 출력전압과 직류전압의 관계식이

인 관계가 성립되므로 이 조건을 만족할 수 있도록

가 일정하게 제어되면서 위상변이각 β만 변이시키면 충전 또는 방전시킬수 있도록 되어 있다. V1은 입력측인데, 이 입력측(V1)은 부하측(V2)과 동일라인(LINE)이며 이라인(LINE)에 전력변환부(TM)와 변류기(CT)가 장치되어 있고, 입력측(V1)과 전력변환부(TM)간에는 리액터(ER)가 설치되어 있다.

BT는 축전지인데, 이 축전지(BT)는 전력변환부(TM)에 직렬 연결되어 있다. 제4도는 본 발명의 등가회로도로서 Eu는 상용전원 전압, Iu는 상용전원전류, Ir은 리액터 전류, Im은 충전 또는 방전전류, Em은 축전지(BT)전압이다. 제5도는 제3도 내지 제4도의 작동에 의해 백터도로서 상용전원전압(Eu)을 기준으로 축전지(BT)의 위상을 -β만큼 변이시킬때의 리액터(ER)에 전압이 발생하게 된다. 즉, 리액터전류(Ir)가 존재함을 나타낸 것이며, 제5b, c도는 부하가 증가함에 따라 변이각 β를 변이시킴으로써 전력전환부(TM)에서 공급되는 리액터전류(Ir)가 증가하는 것을 볼수 있고 상용전원에서 공급되는 회로전류(Iu)는 일정한 상태에서 부하전류(IL)가 증가되는 것을 알수 있다. 제6도는 전력변환부(TM)의 제어 회로도로서, 먼저 각 기판의 회로(A1-A5)의 구성을 살펴보면 회로(A1)은 전력변환부(TM)의 전압, 전류를 제어하는 회로로서 변환부(TM)의 출력전압과 전류제한을 제어하고 이 전압, 전류제어신호는 인버터(GTO)의 제어펄스(PULSE)폭을 결정하며, 과부하가 발생하면 기기보호를 위해 전력변환부(TM)의 정지는 물론 사용전원과 부하 분담이 되도록 전압, 전류를 제어하는 것이다. 제6a도에서 회로(A1)을 상세히 설명하고자 한다.

제6a도의 회로(A1)의 출력 전압과 전류를 제어하는 회로로서 인버터 변압기의 1차측에 전류제한용변류기(CT2)로 부터 전류를 검출받아 회로(A1)의 3상 전류변환 회로로 보내준다. 3상 전류변환회로는 3상 전류를 검출받아 3상 전류를 DC전압으로 변환하여 전류제한 과부하 검출회로로 보내준다. 과부하 검출회로에서는 변환된 값을 검출받아 과부하 경보 설정치로 조정된 값과 비교하여 그값 이상이면 또 전류제한 검출회로는 변환된 값을 전류전환 명령회로로 보내준다. 과부하 경보신호로 보내준다. 명령회로는 변류기(CT2)에서 검출된 전류값이 설정치 이상일때는 인버터 출력이 전류에 의해 제어되게 해주기 위해서 정상 상태에서의 전압으로 전환된 모드를 전류모드로 전환해준다. 이때 전류제어 상태임을 표시하기 위한 신호를 외부로 보내준다. 또 인버터 출력으로 부터 3상 전압을 트랜스(PT)를 통해 검출받고, 트랜스(PT) 2차 전압을 회로(A1)의 분압회로로 보내준다. 이 분압회로는 트랜스(PT) 2차 전압을 분압하여 전압을 제어하기 위해 변환회로로 보내준다.

변환회로에서는 AC전압을 DC전압으로 변환시켜 전류제한용(CT)에서 검출된 전압이 과부하 검출회로를 통해 합산하여 전압 전환 명령회로로 보내진다. 여기서 인버터 전압을 조정하기 위해 외부로부터 전압조정기를 통해 인터버 출력 제어회로로 신호가 들어오면 인버터 출력전압 제어회로는 이 신호전압을 전압전환명령회로로 보내지는 전압에 가감하여 인버터 전압을 조정한다. 전압 전환 명령회로에서는 입력된 신호를 전압, 전류 명령회로로 보내준다. 전압제어시에는 전압제어 상태임을 표기하는 신호를 외부로 보내준다.

전압, 전류 명령회로는 밧데리 측으로부터 검출받은 전압과 합산하여 출력전압을 제어하기 위해 인버터(GTO)의 아나로그 펄스폭을 조정하기 위한 명령을 A2회로로 보내준다.

회로(A2)는 상용전원으로부터 부하전류를 검출하여 부하상태를 판단하고 직류전압을 검출하여 축전지(BT)의 충, 방전상태를 판독하게 된다. 또한 상용전원과 동기를 맞추기 위한 기준을 설정하여 상용전원에 이상이 발생하여 동기를 맞출수 없을때 출력(CB)를 트립시켜야 할지를 판독하고 회로(A1)에서 검출된 전압, 전류에 따라 부하분담지령을 하는 기능을 가진 회로이다. 제6b도에서 회로(A2)를 상세히 설명하고자 한다.

제6b도의 회로(A2)는 인버터의 유효, 무효전력 제어회로로서 유효전력 충전시에는 인버터가 상용전원으로부터 부하전류를 검출받아 변환회로를 사용하여 변류기(CT1)에서 검출된 전류의 값과 합산하여 제어회로로 보내진다. 유효전력 제어에서는 충전/방전 극성변환회로에서 충전모드로 전환하여 지정된 유효전력량을 축전기(BT)에 전력을 저장하는 신호를 회로(A3)로 보내준다.

또 유효전력 방전시에는 인버터가 상용으로 부터 검출받은 변류기(CT1)의 전류값을 변환하여 유효전력 설정기에서 보내진 값과 합산하여 제어회로로 보내준다. 또 유효전력 제어에서는 충전/방전 극성 변환회로가 방전모드로 전환되어 지정된 유효전력량을 계통으로 방출하는 신호를 회로(A3)로 보내준다.

진상 무효전력 제어시에는 인버터가 계통에 연계되어 가변 캐패시터로 동작하여 상용전원으로 부터 부하 전압 및 전류를 검출받아 변환회로를 거쳐 제어회로로 보내준다. 이 변환된 값은 제어회로에서는 무효전력 설정기에서 보내진 값과 합산하여 제어회로로 보내준다. 제어회로에서는 보내준 무효전력값과 진상/지상 변환회로에서 진상모드로 변환되어 지정된 무효전력량을 전압 명령회로로 보내준다. 지상 무효전력 제어시에는 인버터가 계통에 연계되어 가변 리액터로 동작하며 상용전원으로부터 부하 전압 및 전류를 검출받아 변환회로를 사용하여 검출된 전압, 전류를 제어회로로 보내준다.

이 값은 지상모드로 변환된 지정된 무효전력량으로 전압명령회로로 보내준다. 또 상용전원과 동기를 맞추기 위한 기준을 설정하여 상용전원에 이상이 발생하여 동기를 맞출 수 없을 경우에는 출력 브래카를 트립시켜야 할지를 판독하고 회로(A1)제어회로에서 검출받은 전압과 전류에 따라 부하분담을 하는 회로이다. 회로(A3)은 기준주파수 발진을 하여 상용전원과 동기를 위하여 VOC(Voltage Control led Oscillator)에서 동기펄스를 만들며 인버터(GTO)의 점호시간을 결정하고 회로(A2)에서 검출된 인버터(GTO)를 제어하게되며 디지탈 IC의 기준주파수를 위한 클릭(CLOCK)을 발생시키는 회로이다.

제6c도에서 회로(A3)을 상세히 설명하고자 한다.

제6c도의 (A3)는 동시신호 제어회로로서 회로(A1)으로부터 아나로그 신호를 PIN 48번으로 검출받아 D/A변환기를 사용하여 비교기로 보내준다.

인버터 출력 전압과 주파수를 상용전원에 동기화 시키기 위해 동기신호 전압을 검출받아 변환기를 사용하여 비교기로 보내준다. 또, 크리스탈 발전기(VCO)에서는 1,8432MHz로 발진하여 기본클럭(CLOCK)펄스 921.6KHz로 분주되어 동기화 하기 위해 변환회로로 보내주고, 변환기로도 보내준다.

변환기에서는 크리스탈발진기에서 발진한 펄스를 변환기를 통해 위상동기를 검출받기 위해 외부로 펄스트랜스로 보내준다. 이 펄스트랜스의 2차전압을 검출받아 비교기로 보내주고, 또 상용주파수 60HZ와 동기화 하기 위한 펄스를 상용주파수 60HZ변환기로 보내준다. 비교기에서 변환회로에서 보내주는 펄스신호를 10BIT 디지탈 명령으로 변환되어 인버터(GTO)의 펄스폭을 조절하기 위해 두개의 변별기를 갖게 되는데 이 명령은 두개의 변별기 신호로 보내준다.

진상 위상 변별기는 비교기에서 보내준 10BIT 디지탈 명령신호를 위상 변별하여 4BIT 디지탈 값을 인버터(GTO)펄스폭을 제어하기 위해 회로(A4)로 보내준다. 지상 위상 변별기에서도 비교기에서 보내준 10BIT 디지탈 명령신호를 위상 변별하여 4BIT 디지탈 값을 인버터(GTO)펄스폭을 제어하기 위해 회로(A4)로 보내준다. 또 상용전원과 동기화 하기 위해 변환기와 변환회로로 부터 동기신호를 검출받아 클럭(CLOCK)펄스를 발생시킨다.

A4는 회로(A3)에서의 신호에 따라 게이트 지령을 인버터(GTO)에 보내게 되며 인버터(GTO)에 과전류가 흐를때 고장을 막기 위해 변환기를 정지 시키고 제어용 클럭펄스 등에 이상 즉 내부고장이 발생했을때 인버터(GTO)를 정지시키는 회로이다. 제6d도에서 A4를 상세히 설명하고자 한다.

제6d도의 A4는 인버터(GTO)게이트 신호로서 회로(A3)로부터 클럭(CLOCK)펄스를 검출받아 클럭(CLOCK)의 이상유무를 감지하기 위해 감지회로로 보내준다. 여기에서는 보내준 클럭(CLOCK)을 감지하여 클럭(CLOCK)이상 발생신호와 LOGIC이상 발생신호를 만들어 보내준다.

회로(A3)으로 부터 보내준 진상 4BIT디지탈 신호를 진상 식별기에서 분주하여 인버터로 가는 게이트 명령회로로 변환한다.

이 디지탈 신호를 감지하는 감지회로를 부착하여 GATE신호에 이상이 발생할 경우 기기보호를 위해 인버터를 정지시킨다. 게이트 명령회로는 인버터(GTO)를 구동하기 위해 고주파 펄스로 변환하여 인버터로 보내준다.

또 지상 4BIT디지탈 신호를 지상식별기에서 분주하여 인버터로 가는 게이트 명령 회로로 변환된다. 이 디지탈 신호를 지상식별기에서 분주하여 인버터로 가는 게이트 명령회로로 변환된다. 이 디지탈 신호의 이상유무를 감지하기 위한 감지회로를 부착하여 이상시 기기보호를 위해 인버터를 정지시킨다.

휴즈(FUSE)가 끊어짐을 방지하고 기기보호를 위해 인버터 변압기 일차측에 변류기(CT2)를 부착하여 변류기(CT2)로 부터 3상 전류를 검출받아 전류제한 설정기에서 설정된 값이상이면 제한회로에서 지상 펄스구동회로로 보내주어 지상 펄스폭을 변조시킨다. A5는 상용전원과 변환기의 동기검출회로이다.

(GTO)는 인버터로서, 이 인버터(GTO)의 기능은 직류를 교류로, 교류를 직류로 변환시키는 기능을 하며 제어회로의 지시에 따라 상용교류전력을 직류로 변환하여 축전지(BT)를 충전시키거나 축전지(BT)의 충전전력을 교류전력으로 변환시켜 사용전원과 병렬로 전력을 공급하도록 전력변환을 행한다. 제6e도에서 A5을 상세히 설명하고자 한다. 제6e도의 A5는 AC/DC 보호회로로서, 회로 전원용 +20 볼트와 -20볼트를 감지 회로에서 감지하여 고장이 발생되면 제어전압 이상 신호를 발생하며 기기보호를 위해 정지시킨다. 이 보호회로는 인버터 3상 출력전압을 검출받아 정류회로를 사용하여 AC를 DC로 변환시킨다. 이 변환된 값은 전압감지 회로로 보내준다. 전압감지 회로에서는 인버터 출력전압이 규정치 이상일 경우에는 인버터 출력 과전압을 발생하며 인버터 출력전압이 규정치 이하일 경우에는 인버터 출력 저전압을 발생하여 기기보호를 위해 인버터를 정지 시키고 알람을 발생한다. 또 밧데리 전압을 감지하여 밧데리 전압이 균등 전압이상으로 충전되면 밧데리 수명이 짧아지므로 설정치 이상일 경우에는 밧데리 과전압 경보로 정지시키고 알람을 발생한다. 밧데리 저전압일 경우에는 저전압 정보를 발생하며 밧데리 종지전압 이하일 경우에는 밧데리 보호를 위해 기기를 정지시킨다. 또 동기 검출은 기기 특성을 위해 자동으로 설정되며 동기 이상시 동기 이상신호를 발생한다. 이와같이 구성된 본 발명의 작용 및 그 효과를 설명하면 다음과 같다. 먼저 제7도의 부하전력패턴(지하철 2호선의 부하패턴임)을 한예로 설명한다. 즉, 하루중 대략 8시경부터 10시정도까지, 17시경부터 21시까지가 최고부하의 피크가 생기고 13시부터 17시까지, 23시부터 다음날 새벽 7시까지에 저부하가 형성되고 있음을 알 수 있다. 따라서 경부하시의 전력을 축전지(BT)에 충전하여 중부하시 활용하게 되면 중부하시를 기준으로 한 발전설비가 필요없게 되며 평균부하치의 발전설비로도 충분히 부하를 감당할 수 있도록 되는 것이다.

따라서, 현재는 본 발명과 같이 부하평준화 장치가 없기 때문에 그 발전설비를 최고의 부하를 충족시킬 수 있는 용량을 갖추어야 하므로 시설비, 유지비등의 경제적 측면에서 보더라도 많은 문제점을 배제할 수가 없었다. 이에 본 발명은 상기한 문제점을 완전 해소한 것으로 제3도 내지 제5도에 의거 전력부하 평준화 장치의 작용효과를 살핀다. 상용전원전압(Eu)과 전력변환부(TM)의 위상변이각 β의 제어를 위해 리액터(ER)를 설치하고 상용전원전압(Eu)에 연결되어 있는 전력변환부(TM)의 변류기에서 부하전류를 검출하여 부하가 경부하시에는 상용전원전압(Eu)대한 전력변환부(TM)의 위상변이각 -β를 지상으로 조절하여 전류가 전력변환부(TM)의 각 기능을 거쳐 직류로 축전지(BT)에 저장시킨 후 수정용량 이상의 중부하시 및 최고 부하시에는 위상변이각 β를 진상으로 조절하여 부하측에 사용전원전류(Iv)와 축전지(BT)의 방전전류(Im)를 병렬로 공급하게 되는 것이다.

즉, 심야전력 예컨대(23시부터 다음날 07시까지)에는 전력변환부(TM)의 위상이 사용전원을 기준으로 하여 -β만큼 변이시키면 평균전력 P=VI SIN(θ-β)가 된다. 이것을 유효전력분으로 환산하면 P=-VI COS(θ＋90-β)의 값은 1상한에 존재하게 된다. 따라서 축전지(BT)의 충전전류(Im)가 전력변환부(TM)쪽으로 흐르게 된다. 이때의 등가회로는 제4a도에 표시했으며 백터도는 제5a도에 표시했다. 반대로 전력변환부(IM)의 위상이 상용전원전압(Eu)을 기준으로 하여 진상으로 β°만큼 변이시키면 리액터(Er)에 전압이 발생한다. 즉, 리액터전류(Ir)가 존재하게 되는 것이다. 이때의 리액터전류(Ir)은 변이각 β의 증감에 비례하여 변하게 되며 리액터 전류(Ir)가 작다는 것은 방전전류(Im)가 적은것이고 리액터전류(Ir)이 크다는 것은 방전전류(Im)가 많이 흐른다는 의미가 된다.

즉, 상용전원전압(Eu)을 기준으로 전력변환부(TM)의 위상을 진상으로 β°만큼 변이시키면 평균전력 P=VI SIN(θ＋β)가 되고 이것을 다시 유효 전력으로 환산하면 P=-VI COS(θ＋90°＋β)가 된다. 따라서 COS(θ＋90°＋β)값은 2상한에 존재하므로 상용전원과 병렬상태로 평균부하는 사용전원이 부담하도록 하고 그 이상의 전력(EH)은 본 발명의 전력부하 평준화장치에서 부담하게 된다.

이때의 등가회로는 제4b도에 표시된 바와 같고 벡터도는 제5b, c도에 표시한 것으로, 제5b, c도는 부하가 증감함에 따라 변이각 β를 변이 시킴으로써 전력변환부(TM)에서 공급되는 리액터전류(Ir)이 증가하는 것을 볼수가 있고, 상용전원전류(Iu)는 일정한 상태에서 부하전류(I_L)이 증가되는 것을 알수 있다. 이때 전력변환부(TM)의 위상을 변이시키는 것은 입력측(V1)과 부하측(V2)간에 설치된 변류기(CT)의 전류검출에 의하여 일정하게 행하여지므로 부하측의 평균부하치 이상의 전력에서 그 요구되는 만큼의 전력을 보상시켜줄 수 있도록하여 부하전력량의 상승에 관계없이 상용수전 전력을 일정량이상(평균부하치)초과되지 않도록 된것으로 저렴한 장치비로서 전력을 효율적으로 이용할 수가 있고 전력비를 절감하여 생산원가를 저렴하게 할수 있도록 함에 따라 국가 에너지 절약정책에 크게 기여할 수 있는 매우 획기적인 발명이다.

Claims (1)

1. 입력측(V1)과 부하측(V2)간에 설치된 변류기(CT)의 전류를 검출하여 상용전원(Eu)과 전력 변환부(TM)간의 위상변이각 제어를 위해 리액터(ER)를 설치하여 벡터제어함으로써 축전지(BT)를 충, 방전시킬 수 있도록 하는 구성과 전력변환부(TM)의 제어기능을 가진 회로(A1-A4) 및 펄스폭을 제어하여 전력을 변환시키는 인버터(GTO)전력의 위상차를 제어하는 리액터(ER)를 설치하여 축전지(BT)의 저장 전력을 상용전원과 병렬로 방전시킬 수 있는 구성을 각각 구비하여 수전전력을 평준화 시킬수 있음을 특징으로 한 전력부하 평준화 장치.

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