WO2018117530A1 - Ｅｓｓ용 ｐｃｓ 및 ｐｃｓ 운전 방법 - Google Patents

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WO2018117530A1
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진보건
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Definitions

  • the present invention relates to an ESS PCS and a PCS operation method for performing a fault treatment, and more particularly, to reduce a power failure time for a health section that unnecessarily experiences a power failure when a failure occurs in a microgrid system including an ESS.
  • the present invention relates to a PCS for PC and a method of operating the PCS.
  • Microgrids are small-scale power supply systems that consist of distributed power sources (solar, wind power, etc.), batteries (power storage devices), etc., to power loads.
  • Microgrids are usually operated in a linked operation mode in which electricity is traded in connection with a large-scale power system, and in the event of a failure in the utility company's line, the microgrid can be switched to an independent operation mode that supplies its own power separately from the power system. It is mainly installed in buildings, university campuses and factories, and aims to reduce electricity bills and improve power supply reliability.
  • microgrids installed in remote areas, such as island areas can be operated by configuring one system with its own loads without being connected to an external power system.
  • microgrids To improve power supply reliability, one of the goals of installing microgrids, microgrids must be operated uninterrupted. If a fault occurs in the power system, it must be accurately detected and quickly separated from the upper power system and the microgrid. In addition, if a failure occurs in the microgrid, only the corresponding part should be quickly separated to prevent a power failure.
  • the magnitude and direction of the fault current varies depending on the microgrid and the power system connection state, each distributed power supply connection state, fault location, fault occurrence type, and the like.
  • conventional circuit breakers (MCCB, ACB, etc.) and fault handling methods cannot adequately cope with various kinds of failures occurring in the microgrid, so that a local failure may affect the entire microgrid, causing a total power failure. In particular, this causes more frequent inconveniences for microsystems installed in islands and the like having independent systems.
  • microgrid systems including those installed in remote areas are equipped with an ESS to prepare for power failure or failure of the power generation device, and to compensate for power generation and load inequality.
  • the ESS installed in the prior art microgrid system has not performed active work on the microgrid system except for the storage and emission of surplus power.
  • FIG. 11 shows a schematic block diagram of a gateway integrated PCS that can be applied to an external grid-connected microgrid according to the prior art.
  • the microgrid system in which the gateway integrated PCS of FIG. 11 is installed includes a renewable power generation facility and a bidirectional meter for external power supply.
  • the illustrated gateway integrated PCS is composed of a PCS gateway 100 and a PCS 50, and the PCS gateway 100 is roughly an external system power input 110, a power supply output 170, a communication unit 150, and a bi It is configured to include a path path setting unit 130.
  • the external system power input terminal 110 receives the external system power 30, and the power supply output terminal 170 provides the power of the external system power 30 or the PCS 50 to the customer distribution panel 60.
  • the communication unit 150 is disposed adjacent to the power supply output terminal 170 or disposed to be included in the power supply output terminal 170, and transmits and receives power information data with the bidirectional meter 20 and the PCS 50, and various wired and wireless communication methods. Send and receive power information data with a power management center (not shown).
  • the bypass path setting unit 130 forms a power supply path for supplying power to the customer distribution panel 60 through the PCS 50 while simultaneously connecting the external system power 30 and the PCS 50 in series.
  • the grid power 30 is directly connected to the customer distribution panel 60 to form a bypass power supply path.
  • the bypass path setting unit 130 may be configured to include a system protection interruption module 131, a load protection interruption module 133, and a path switching module 135.
  • the system protection disconnect module 131 connects the external system power 30 and the PCS 50 input terminal through the system power input terminal 110, and the system protection disconnect module 131 outputs the PCS 50 output terminal and the customer distribution panel 60 through the power supply output terminal 170.
  • bypass path setting unit 130 the customer distribution panel 60 directly through the power supply output terminal 170, the external system power 30, the path switching module 135 is introduced through the external system power input terminal 110.
  • the bypass path setting unit 130 the customer distribution panel 60 directly through the power supply output terminal 170, the external system power 30, the path switching module 135 is introduced through the external system power input terminal 110.
  • bypass path setting unit 130 monitors the operating state of the PCS 50, and according to the result, the grid protection disconnection module 131, the load protection disconnection module 133, and the path switching to form a power supply path. It may further include a control module (not shown) for operating the module 135.
  • the external grid power input 110 may include a surge protector 115 to block surges flowing through the external power line
  • the surge protector 115 may include a PCS gateway 100 and a PCS ( 50 is an apparatus capable of effectively protecting 50
  • the external grid power input 110 is shown as including a surge protector 115, but the various on the start of the power supply path to which the external grid power 30 is drawn It may optionally be placed in position.
  • the PCS 50 may be connected to a renewable energy generation device and an ESS (energy storage device) to supply power to the home distribution panel 60 or an external system, or store power in the ESS with the external system power 30.
  • ESS energy storage device
  • the PCS gateway 100 is disposed between the external grid power 30 and the PCS 50 so that the PCS 50 can operate from the external grid power 30 through the PCS 50 during normal operation of the PCS 50.
  • the gateway-integrated PCS shown in FIG. 11 does not take any action on the fault generated in the system, but is only a passive device that switches only the power transmission path. In addition, it was not suitable for application to remote microgrid systems with independent strains.
  • the present invention is to provide a microgrid or a fault handling method that can quickly identify the fault location and take action. More specifically, when a line failure or a device failure occurs in the Off-Grid, the present invention proposes a method of identifying a location of a failure using an ESS, recovering a location after separating the failure point.
  • the present invention seeks to improve reliability through stable grid operation of microgrids.
  • the ESS PCS is used to quickly identify fault points and isolate them.
  • the system detects a failure it may include a control device for identifying the location of the failure while gradually increasing the voltage of the power output to the system where the failure is detected.
  • control device may increase the voltage of the power output to the system, which is gradually increased for the fault location, to the normal operation level according to the location and the processing result of the fault.
  • control device determines the location of the failure on the microgrid while gradually increasing the voltage output from the active PCS immediately after reconnecting with the system that was cut off according to the failure. Information may be transmitted to the control device.
  • control device when detecting a failure in the system step of disconnecting the connection to the system; Checking whether the ESS PCS itself operates normally; Connecting the ESS PCS to the system, and gradually increasing the voltage output to the connected system, and determining a location where the failure occurs; Transmitting information on the failure location determination to a control device of the system; And increasing the voltage output to the system to a normal operation level according to the instruction of the control device.
  • the determining of the location of the failure may include: checking whether the PCS itself operates normally when the ESS PCS is connected to the system; And if it is confirmed that the ESS PCS is operating normally, by gradually increasing the voltage supplied from the ESS PCS, it may include the step of monitoring the current of the system, to determine whether the line / load side failure.
  • the process of connecting the PCS for the ESS to the system the step of closing the DC stage switch to control the battery and the inverter of the ESS; Closing an AC stage switch for controlling the inverter and the microgrid of the ESS; And closing the IGBT constituting the inverter.
  • the PCS for ESS may further include a data communication unit for transmitting the information on the location of the failure to the control device.
  • a failure handling method includes a plurality of distributed power supplies, a plurality of distributed loads, lines connecting the distributed power supplies and distributed loads, and all or some of the distributed power supplies.
  • the method may further include connecting the distributed power supplies to the microgrid.
  • the determining of the location of the failure may include: checking whether the ESS PCS is connected to the micro grid, whether the ESS PCS is normally operating; If it is confirmed that the ESS PCS operates normally, gradually increasing the voltage supplied from the ESS PCS and monitoring the current of the microgrid to check whether there is a line / load side failure; Checking whether a line / load side fault is detected, each load section; And if the failure is not confirmed in each load section may include checking the line failure.
  • the step of checking whether the line / load side failure is if the increase trend is clearly higher than the current change trend in the steady state, compared to the current change trend due to the gradual increase in voltage, It can be determined by the load side failure.
  • the step of checking whether the ESS PCS itself is a failure it may further include a step of checking whether the start-up is possible to gradually increase the voltage output after the failure occurs.
  • the microgrid system having the PCS for the ESS of the present invention has the advantage of not having to install a separate diesel generator or a large capacity diesel generator for each distributed power source for failure testing.
  • the microgrid system provided with the PCS for the ESS of the present invention has an advantage of minimizing the amount of generated power of a renewable source that is discarded by power failure.
  • the microgrid system having the PCS for the ESS of the present invention has an advantage of easy maintenance in a microsystem that forms an independent system without a separate external power system such as an island area.
  • the PCS for ESS or the failure handling method of the present invention has an advantage of more efficiently utilizing an ESS that is increasing in capacity.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a microgrid system having a PCS for an ESS according to the spirit of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a PCS for an ESS applicable to the microgrid system of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a PCS for an ESS applicable to the microgrid system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a failure handling method performed in the control device and / or PCS for ESS of FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a connection structure for a microgrid system of a PCS for an ESS that can be applied to perform steps S20 and S30 of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an embodiment of a fault location determining method performed in step S50 of FIG. 3;
  • Figure 6a is a graph showing the voltage and current measured for Off-Grid pressurization in steady state.
  • Figure 6b is a graph showing the voltage and current measured for off-grid pressurization in the state of failure of the microgrid.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a more detailed process of sequentially connecting and failing distributed power supplies installed in a microgrid in operation S555 of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a more detailed process of checking whether line sections have failed in step S589 of FIG. 5.
  • 9A to 9C are block diagrams illustrating the action taken from the occurrence of a failure of the microgrid system to the black start according to the spirit of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing voltage and current waveforms with a gradual soft start in accordance with the inventive concept of an active PCS.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a gateway integrated PCS that can be applied to an external grid-connected microgrid according to the prior art.
  • first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a component When a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be understood that the component may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. .
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a microgrid system 700 in which a PCS for an ESS according to the spirit of the present invention is applied.
  • the illustrated microgrid system 700 includes a plurality of distributed power supplies 740 and 750 for powering the grid; Multiple distributed loads 771, 772, 773 consuming power in the system; Lines connecting the distributed power supplies (740, 750) and distributed loads (771, 772, 773) to the grid; And an ESS 720 that stores power supplied from all or a portion of the distributed power sources 740 and 750 and provides stored power to all or a portion of the distributed loads 771, 772, and 773.
  • Each of some or all of the plurality of distributed power sources 740, 750 and distributed loads 771, 772, 773 may include blocking means 781-788 that can selectively connect or disconnect the grid. Can be.
  • the lines should ideally have the same electrical characteristics (potential) for the plurality of distributed sources 740, 750 and distributed loads 771, 772, 773 connected to the grid, but the supply power and / or load Due to the imbalance and the impedance of the long lines themselves, they have different electrical properties (potential, current) at each point.
  • specific points of the tracks 781 to 783 may be provided at specific points of the lines.
  • the detection means may be provided at each connection point of the plurality of distributed power sources 740 and 750 and the distributed loads 771, 772 and 773, or may be provided in a predetermined length unit.
  • each or all of the plurality of distributed power supplies 740, 750 and distributed loads 771, 772, 773 may be provided with detection means for monitoring its running condition and / or electrical characteristics, or Monitoring means.
  • the ESS 720 is a configuration to alleviate the power burden due to uneven load requirements in the microgrid, but a method using a lithium secondary battery has been implemented recently, but any known energy storage means may be applied.
  • the plurality of distributed power sources 740, 750 also have PCS 745, 755, respectively, and the plurality of distributed loads 771, 772, 773 also have their own blocking means 786-788.
  • the function according to the spirit of the invention is implemented using the PCS 730 of the ESS 720 and the blocking means 781 that connects / blocks the PCS 730 to the grid, and thus the PCS 730 for the ESS 720. ) And the blocking means 781 will be described in more detail.
  • the PCS 730 for the ESS 720 may be referred to as a PCS for the ESS.
  • the PCS 730 converts the power stored in the ESS 720 into alternating current (or direct current) suitable for the microgrid and supplies it to the microgrid system.
  • a blocking means 781 for blocking the connection with the microgrid system in an abnormal situation such as a power failure or an electric leakage.
  • the PCS 730 for the ESS has a power phase synchronization function for matching the power phase of the system and the power output from the PCS to the system, and adjusts the amount of power supplied to the system (ie, the magnitude of the voltage and / or current).
  • a surge mitigation / protection function for mitigating and / or blocking a risk factor such as a surge generated from a system side to be transmitted to the ESS 720 may be performed, and configurations for this may be provided. Since the above functions have been known several times as PCS technology in the ESS field, detailed descriptions will be omitted.
  • the drawings illustrate a solar cell (PV: Photo Voltaic) and a wind turbine (WT) as distributed power sources.
  • PV Photo Voltaic
  • WT wind turbine
  • control device 760 is expressed as driving the shut-off means 781 in order to respond to the system failure occurrence and determine the location of the failure. It is apparent that the PCS 730 is instructed to operate the blocking means 781, and the active PCS 730 operates the blocking means 781 according to the instruction.
  • the ESS PCS 730 is temporarily Can be separated from the system.
  • the IGBT (more specifically, the IGBT constituting the inverter) provided in the ESS PCS 730 to protect the ESS PCS 730 itself in the temporary system separation process and the fault location determination process according to the present invention.
  • the open time of is advantageously within about several hundred [us].
  • the PCS 730 for ESS in the function of adjusting the amount of power supplied to the system, it is advantageous to be able to adjust the amount of power to a continuous value as possible. Even when discontinuously adjusting the amount of power, it is advantageous if the steps are as detailed as possible.
  • the illustrated PCS 730 for the ESS is a maximum current (ESS rated current) that can be sent to the grid from 0 [A] for a predetermined test time (e.g., a specified period in the range of 1 to 3 seconds) at startup or For distributed loads connected to the grid, it can be gradually increased to a level of 80% of the specified rated current (in case of failure, the voltage will rise to a proportional proportion).
  • PCS 730 for ESS according to the spirit of the present invention, according to the connection state of the plurality of distributed power sources (740, 750) and a plurality of distributed loads (771, 772, 773) for the system of the microgrid system, It is possible to adjust the amount of power output to the system, which can be implemented by applying the ESS technology and / or PCS technology for configuring a known smart grid system.
  • gradually increasing the output voltage for a predetermined time may be performed by connecting the ESS, which has been separated from the grid, to the grid, at 0V at the beginning of the connection.
  • a period of time e.g., a specified period in the range of 1 second to 3 seconds
  • it may be performed in a manner of sequentially raising the voltage up to a predetermined voltage level.
  • the relationship between time and voltage forms a linear function continuously (a straight line with a predetermined slope), but in actual application, it is a condition that shows a relationship in which the relationship between time and voltage increases proportionally. (discrete) and / or the relationship between the time and voltage of the curve.
  • the point of reference for measuring voltage and current is preferably an output terminal (connection point with a system) of the PCS for the ESS, but is not limited thereto.
  • the functions of the conventional general ESS PCS can be used.
  • the number of cells used to generate output power among the fully charged battery cells may be sequentially increased.
  • the output voltage may be adjusted by adjusting the capacity and / or the number of unit cells of the temporary energy storage means.
  • a transformer having multiple stage taps capable of increasing the output voltage level discontinuously can be used.
  • control device 760 may further include a black start.
  • the control device 760 is advantageously installed at the central control site of the microgrid system 700, and actively uses the ESS 720 and the PCS 730 for the ESS, and thus the same as the ESS 720. It is advantageous to be located at or near the site.
  • the control device 760 is a detection means installed in the ESS 720, the ESS PCS 730, the distributed power sources 740, 750 and distributed loads 771, 772, 773, the tracks ( 791 to 795) or data (signal) communication with the monitoring means.
  • the control device 760 may include a power line communication means that can access each detection means or monitoring means or a wired / wireless communication means that uses a separate medium from the power line.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a PCS applicable to the PCS 730 for the ESS of FIG. 1.
  • the illustrated ESS PCS 730 is a PCS that performs the power conversion and intermediation of the system and the ESS 720 for supplying and storing the remaining power from the system and providing the stored power when the system lacks power. In addition to being able to charge the battery of the ESS 720, it is possible to discharge the power charged in the battery to the system.
  • a DC / DC converter 732 is inserted between the grid-connected inverter 743 and the ESS 720 for controlling the active power entering and exiting the ESS 720, and the inverter
  • the DC voltage of 743 may be kept constant and the DC voltage of the ESS 720 may be adjusted by the ratio of the DC / DC converter 732.
  • the power conversion structure of this type has a large degree of freedom in control, and can independently control the AC input current and the battery charge / discharge current, and reduce the harmonics of the input current.
  • the illustrated ESS PCS 730 includes a blocking means 781 for blocking connection with a system; And a control device 736 that detects a location of the failure while gradually increasing the voltage output to the system where the failure is detected when the system detects a failure.
  • the ESS PCS 730 is configured to convert the power stored in the ESS 720 into an AC power suitable for the microgrid and to supply the microgrid with an output from the ESS 720.
  • a DC / DC converter 732 for converting the DC power to be DC power of a desired voltage and / or current;
  • an inverter 734 for converting DC power output from the DC / DC converter 732 into AC power.
  • the DC / DC converter 732 may be a DC / DC converter having a structure in which a DC / AC converter 737, an isolation transformer 735, and an AC / DC converter 739 are connected in series.
  • the DC / AC conversion circuit 737 and the AC / DC conversion circuit 739 are provided with switching elements (eg, IGBTs) that operate in a PWM method, and in accordance with the operation of the PWM method, the ESS 720 is connected to a system.
  • the voltage of the output power can be adjusted.
  • the isolation transformer 735 performs an AC power transfer function of the DC / AC conversion circuit 737 and the AC / DC conversion circuit 739, and blocks a surge and a leak between the ESS and the grid.
  • the control device 736 is a PWM1 signal for controlling the operation of the switching elements constituting the DC / AC conversion circuit 737 for DC / DC conversion of the switching elements constituting the AC / DC conversion circuit 739
  • a PWM2 signal can be generated to control the operation.
  • the control device 736 is a DC on / off signal for controlling the DC stage blocking element for intermittent connection between the ESS 720 and the PCS 730, and the blocking element 781 for intermittent connection between the PCS 730 and the grid.
  • CB on / off signal can be generated.
  • the control device 736 may receive a phase synchronization signal input from the outside or generated inside the PCS to generate a PWM3 signal for driving the power switching device IGBT constituting the inverter 743.
  • the control device 736 receives an input voltage value (input V) and an input current value (input I) from a voltage sensor and a current sensor installed at an input terminal of the ESS side, and outputs an output voltage from the voltage sensor and current sensor provided at the output side of the grid.
  • a value (output V) and an output current value (output I) can be input.
  • the control device 736 calculates a power factor by measuring a grid voltage and a current, and controls the driving of the DC / DC converter 732 and the inverter 743 to maintain the power factor of 0.95 or more.
  • control device 736 may measure the voltage (capacitor voltage) of the DC link between the DC / DC converter 732 and the inverter 743 and control the inverter 743 according to the measurement result. Specifically, when the voltage of the DC link is less than the reference, the control device 736 may control the inverter 743 to convert the AC power of the system to DC power to transfer to the DC link. On the other hand, when the voltage of the DC link is greater than the reference, the controller 150 may control the inverter 110 to convert the DC power charged in the DC link into AC power to transfer to the system. In addition, in the charging mode, the control device 736 may measure the current (not shown inverter current) of the DC link and control the bidirectional DC / DC converter 732 so that the measured current is kept constant.
  • the PCS 730 for the ESS may be a system phase detection circuit (not shown) for detecting a phase of power supplied to the system and generating the phase synchronization signal, and / or a failure according to the spirit of the present invention.
  • the apparatus may further include a data communication unit 738 for transmitting the location determination result information to the control device of FIG. 1.
  • circuit breaker 781 and the DC stage switch with the grid are not shown to be included in the PCS 730 for the ESS, the circuit breakers CB are provided in close proximity to the power input / output device. According to the point of view, the disconnection device 781 and / or the DC switch of the system may be classified as being included in the PCS 730 for the ESS.
  • the PCS 730 for the ESS includes zero voltage switching (ZVS) (ZVS) in order to reduce switching on / off losses of the switching elements constituting the DC / DC converter 732 and / or the inverter 743.
  • ZVS zero voltage switching
  • An additional resonant tank may be further provided to enable voltage switching) and zero current switching (ZCS), or a DC link may be provided between the DC / DC converter 732 and / or the inverter 743.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a failure handling method performed by the control device 760 of FIG. 1 and / or the control device 736 of FIG. 2. That is, depending on the implementation, the failure handling method according to the flowchart shown in FIG. 2 is performed by the control device 736 of the PCS for ESS of FIG. 2, by the control device 760 of FIG. 1, or shared / cooperated by both devices. Can be done. In the following description, the case of sharing / cooperation will be described in detail.
  • the illustrated failure processing method includes: detecting a failure in the microgrid system (S1); A system shutdown step (S2) of shutting off the distributed power supplies and the ESS; Connecting the ESS PCS to the microgrid system (S30); Gradually increasing the voltage output from the connected ESS PCS (S40), and determining the location where the failure occurs (S52, S54, S500); And blocking the location where the failure has occurred (S600) and connecting the distributed power supplies to the microgrid (S700).
  • the failure detection step S1 may be performed by the distributed power supplies connected to the microgrid system and the PCS for the ESS.
  • each PCS can detect failures in the microgrid system as a self-protection function to protect each distributed power supply or ESS mediated by the system.
  • the PCS that has detected the failure can report it to the control device using data communication means.
  • the system shutdown step (S2) may be performed by the PCS that has detected a failure by the PCS itself function, and the PCS that has not detected the failure by a blocking command of the control device that has reported the failure.
  • control device may also cut off the distributed loads and distributed power supplies that do not have their own PCS. Can be.
  • the steps S52 to S55 are processes for checking whether the ESS PCS (more specifically, the control device) has failed on the distributed load side, and the illustrated step S500 is to determine whether or not the distributed power sources or the line side have failed, rather than the distributed load side. It is a process for.
  • the step S600 is for separating the section determined as a failure in the step S55 and S500 from the system, specifically, can be separated by turning off the cut-off means of the distributed power or distributed load determined failure.
  • step S700 the microgrid is restarted with only the failure part removed from the system before the complete recovery of the failure in the state where the failure has occurred, and may be referred to as a black start.
  • step S700 if it is confirmed that the failure section of the system is separated (S600), first connect the ESS PCS to the microgrid system to supply power to the healthy section, and distributed power (PV / WT) sequentially blocked ) PCS can be connected to the microgrid system.
  • PV / WT distributed power
  • steps S1, S2, and steps S500, S600, and S700 may be performed by the control device 760 of FIG. 1 being the main agent and the control device 736 of the ESS PCS cooperatively.
  • steps S30 to S55 and S90 may be performed by the control device 736 of the PCS for the ESS as a main agent and report the result to the control device 760 of FIG. 1.
  • Determining the location where the failure occurs is a process performed by the control device 736 of Figure 2, checking whether a failure pattern appears in the output voltage value and output current value of the PCS (S52) ); Generating fault detection information when the fault pattern appears (S55); If the failure pattern does not appear, determining whether 80% of the rated rectification has been reached (S54); If 80% of the rated rectification is reached (in this case, the failure detection information is generated in step S55, and after the step S500 is performed), may further include a step (S90) of pressing up to 100% of the rated current. The step S90 is performed together with the step S700.
  • connection structure 4 illustrates an embodiment of a connection structure for the microgrid system of the PCS for the ESS that can be applied to perform the steps S2 and S30.
  • the blocking means includes: a DC stage switch (DC CB) for intermitting the battery of the ESS and the PCS inverter; An AC stage switch (AC CB) intermittent between the inverter and the microgrid of the ESS PCS; And an IGBT interrupting means for controlling the IGBT constituting the inverter (the control device 736 of FIG. 2 may also perform this role).
  • DC CB DC stage switch
  • AC CB AC stage switch
  • IGBT interrupting means for controlling the IGBT constituting the inverter (the control device 736 of FIG. 2 may also perform this role).
  • the battery of the ESS is interrupted with the inverter via the DC stage switch (DC CB), and the inverter is again connected via the AC stage switch (AC CB) to the ESS blocking device (CB, 781 in FIG. 1) or the microgrid system. Can be cracked down.
  • Table 1 below describes the criteria of the failure location determination performed in the failure location determination step (S50).
  • the criteria described in the above table may be applied to the failure location determination method described below.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an embodiment of a fault location determining method performed in the fail location determining steps S52 to S55.
  • the illustrated failure location determination method when the ESS PCS is connected to the microgrid system (S30), checking whether the normal operation of the ESS PCS itself (S120); If it is confirmed that the ESS PCS is operating normally, by gradually increasing the voltage supplied from the ESS PCS to the system, by monitoring the current of the micro grid, to confirm whether the line / load side failure (S150); If the line / load side failure is confirmed, checking whether the failure for each load section (S580); If the failure is not confirmed in each load section may include a step (S589) to determine whether the line failure.
  • step S30 of the figure means step S30 of FIG. 2.
  • the control device 736 in FIG. 2 calculates an input power value calculated from an input voltage value (input V) and an input current value (input I), and an output voltage value (output V) and output current value (output I). If the difference in the calculated output power is significant, it may be determined that the PCS itself is malfunctioning.
  • the measuring point of the input voltage value (input V) and the input current value (input I) is near the DC stage switch DC CB in FIG. 4, and output voltage value (output V) and output current value (output I). The measuring point of may be near the AC stage switch AC CB.
  • the implementation after confirming the normal operation of the PCS itself for the ESS in the step S120, enough power to perform a gradual pressurization (Off-Grid pressurization) and / or a black start to the system according to the spirit of the present invention is stored in the ESS It may further comprise the step of confirming that. This is due to the fact that considerable power is required, such as gradual pressurization into the system, to check the overall system for failure.
  • FIG. 6A illustrates the voltage and current measured for off-grid pressurization in a normal state.
  • FIG. 6B is a graph showing voltage and current measured for off-grid pressurization in a state where a failure occurs in the microgrid.
  • the system voltage is 380 [V]
  • the total load is 1.5 [M]
  • the PCS capacity for the ESS is 2.0 [M]
  • a one-line ground in load 2 772 of FIG. It is assumed that an accident occurs.
  • the failure determination current may be a reference current amount sufficient to determine the failure, and may be a current amount that does not interfere with the power distribution evenly to the line / load side connected to the grid. By the way, in general, it can be applied as the maximum current (rated current) that can be sent to the line / load side connected system in the PCS for ESS.
  • step S30 of FIG. 3 since the distributed power sources are not connected, when the off-grid pressurization is smooth, it may be determined that the failure is not caused by the distributed power supply.
  • step S150 When it is determined that the pressurization is possible in the off-grid system in step S150, that is, failure failure detection information is generated in step S55 of FIG. 3, in the pressurized system (parts of distributed loads connected to the system in step S30), a failure section is performed.
  • the distributed power supplies may be sequentially connected and malfunction may be checked. For example, if a power failure situation occurs again due to the associated distributed power supply, it may be determined that the failure is caused by the distributed power supply.
  • being able to pressurize the off-grid system means that the voltage-current pattern according to the graph shown in FIG. 6a appears.
  • the method may further perform the step of transmitting the information on the failure position determination to the control device of the system.
  • the information on the failure location determination may include only the failure of the off-grid press, include the output voltage value / current value at the time determined as a failure, or may include a voltage value / current value pattern determined as failure. .
  • step S580 when the current value measured at the end of each load section is measured at a predetermined ratio or more by comparing with a preset setting value, it is determined as a failure of the corresponding load section.
  • a failure section is determined by comparing a current value measured at the end of each load section with a setting value. For example, when the measured value> Setting X 0.5 (which can be changed), the corresponding section is broken. It can be determined.
  • the rated capacity of the ESS is 1M
  • 0.8 may be applied as the magnification multiplied by the setting value.
  • the magnification may be adjusted according to the capacity of the ESS, such as setting the magnification to 0.7.
  • a difference occurs in the measured before and after current magnitudes in the case of the line failure section, and the difference in the measured magnitudes before and after the current may be estimated as the current flowing through the failure point. In the case of a normal line section where no fault has occurred, the difference in the magnitude of the measured current before and after appears similar.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a more detailed process of sequentially connecting and failing a distributed power source installed in a microgrid in operation S555 of FIG. 4.
  • 7 is a diagram illustrating sequentially connecting distributed power supplies installed for inspection after a failure, assuming that only the solar power power (PV) and the wind power power (WT) are distributed power sources separated from the corresponding microgrid system due to a failure. will be.
  • PV solar power
  • WT wind power
  • the illustrated distributed power test method includes connecting the PCS of the wind power source (WT) with the grid (S210) and checking whether a power failure occurs (S220); If the power failure by the wind power source (WT) does not occur, connecting the PCS of the solar power source (PV) with the grid (S230) and checking whether the power failure occurs (S240); If the power failure by the solar power supply PV does not occur, it may include a step (S250) for determining a momentary failure.
  • step S220 When the power failure is confirmed in step S220, a line failure of the wind power supply (WT) is determined (S225). When the power failure is confirmed in step S240, the line failure of the solar power PV may be determined. )
  • the wind power source (WT) is first inspected and then the solar power source (PV) is inspected. This inspection order may be changed.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a more detailed process of checking whether line sections have failed in step S189 of FIG. 4.
  • the drawings assume that there are only 1, 2, 3 track sections.
  • the illustrated line section inspection method may include: checking whether the current magnitude before measurement in line section 3 is similar to the magnitude of current after measurement (meaning that it is within the range considered to be practically the same) (S320); If the current magnitudes before / after measurement in line section 3 are similar to each other, checking whether the current magnitudes before measurement in line section 2 are similar to the current magnitudes after measurement (S330); If the current magnitudes before / after measurement in line section 2 are similar to each other, checking whether the current magnitudes before measurement in line section 1 are similar to the current magnitudes after measurement (S340); If the current magnitudes before / after measurement of the line section 1 are similar to each other, the method may include re-checking and / or checking an exception section (excluded section) (S350).
  • step S320 If it is determined in step S320 that the current magnitudes before and after the measurement are different from each other, the failure of the line section 3 is determined (S325). If it is determined in step S335 and in step S340 that the current magnitudes before and after the measurement are different from each other, the failure of the line section 1 may be determined. (S345)
  • FIGS. 9A to 9C are block diagrams illustrating actions taken from a failure of a microgrid system to a black start according to the spirit of the present invention.
  • green for each CB means connection
  • red for disconnection means disconnection
  • gray for power generation devices means stop functioning.
  • the ESS PCS is connected to the microgrid system while the distributed power supplies PV and WT are disconnected from the system, and the ESS is operated to operate the system. Gradually increase the voltage of.
  • FIG. 10 shows voltage and current waveforms with a gradual soft start in accordance with the inventive concept of the ESS PCS.
  • the voltage / current waveform of the ESS output stage is shown as the output voltage gradually rises from 0V to the rated voltage for about 1 second.
  • the Soft Start operation of the ESS PCS described above may be associated with Black Start, which isolates the failure portion of the system and starts the microgrid again.
  • the VCB side UVR relay may be required to deactivate the function during the Black Start, to deactivate the UVR relay and to activate the ESS PCS after all breakers have been inserted.
  • the present invention relates to a PCS and a PCS operation method for performing an ESS, and can be used in the field of ESS.

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Abstract

본 발명의 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법은, 다수의 분산 전원들과, 다수의 분산 부하들과, 상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들과, 상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하면, 상기 분산 전원들 및 상기 ESS를 담당하는 ESS용 PCS를 차단하는 단계; 상기 ESS용 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계; 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계를 포함할 수 있다.

Description

ＥＳＳ용 ＰＣＳ 및 ＰＣＳ 운전 방법
본 발명은 고장 처리를 수행하는 ESS용 PCS 및 PCS 운전 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 ESS를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 고장 발생시 불필요하게 정전을 경험하는 건전구간에 대한 정전시간을 단축할 수 있는 ESS용 PCS 및 PCS 운전 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드는 분산전원(태양광, 풍력 등), 배터리(전력 저장 장치) 등으로 구성되어 부하에 전력을 공급하는 소규모 전력 공급 시스템이다. 마이크로그리드는 평상시에는 대규모 전력계통과 연계되어 전력을 거래하는 연계 운전모드로 운전되며, 전력회사 측 선로에서 고장 발생시에는 전력계통과 분리되어 자체적으로 전력을 공급하는 독립운전모드로 전환할 수 있다. 주로 건물, 대학 캠퍼스, 공장 등을 대상으로 설치하며, 전기요금 절감, 전력공급 신뢰도 향상 등을 목표로 한다. 한편, 도서 지역 등 오지에 설치된 마이크로그리드의 경우 외부의 전력계통과 연계없이 자체 부하들과 하나의 계통을 구성하여 운전될 수 있다.
마이크로그리드 설치 목표 중 하나인 전력 공급 신뢰도 향상을 위해서는 마이크로그리드를 무정전으로 운전해야 한다. 전력계통에서 고장이 발생할 경우, 이를 정확하게 감지하여 신속하게 상위 전력계통과 마이크로그리드를 분리하여야 한다. 또한, 마이크로그리드 내부에서 고장이 발생하였을 경우, 해당되는 부분만 신속하게 분리하여 정전이 발생하지 않도록 해야 한다. 한편, 마이크로그리드와 전력계통의 연계 상태, 각 분산전원의 연계 상태, 고장 발생 위치, 고장 발생 형태 등에 따라 고장 전류의 크기와 방향이 달라진다. 하지만, 기존의 차단기(MCCB, ACB 등) 및 고장 처리 방법은 마이크로그리드에서 발생하는 다양한 종류의 고장에 적절하게 대응할 수 없어, 국지적인 고장이 마이크로그리드 전체에 영향을 주어 전체 정전이 발생할 수 있다. 특히, 이는 독립된 계통을 가지는 도서 지역 등에 설치된 마이크로시스템에 더욱 빈번한 불편함을 초래하게 된다.
한편, 오지에 설치된 것을 포함한 일반적인 마이크로그리드 시스템은 정전이나 발전 장치의 고장에 대비하고, 발전 및 부하의 불평준을 보상하기 위한 ESS를 구비한다. 그런데, 종래기술의 마이크로그리드 시스템에 설치된 ESS는 잉여 전력 저장 및 방출 외에는 마이크로그리드 시스템에 대한 능동적인 작업을 수행하지 않았다.
도 11은 종래 기술에 따른 외부 계통 연계형 마이크로그리드에 적용될 수 있는 게이트웨이 통합 PCS의 개략적인 구성도를 도시한다. 도 11의 게이트웨이 통합 PCS가 설치된 마이크로그리드 시스템은, 신재생 발전 설비 및 외부 전력 공급에 대한 양방향 미터기를 구비한다.
도시한 게이트웨이 통합 PCS는, PCS 게이트웨이(100) 및 PCS(50)으로 구성되며, PCS 게이트웨이(100)는 개략적으로 외부 계통 전력 입력단(110), 전력 공급 출력단(170), 통신부(150) 및 바이패스 경로 설정부(130)를 포함하여 구성된다.
외부 계통 전력 입력단(110)은 외부 계통 전력(30)을 공급받으며, 전력 공급 출력단(170)은 외부 계통 전력(30) 또는 PCS(50)의 전력을 수용가 분전반(60)으로 제공한다.
통신부(150)는 전력 공급 출력단(170)에 인접하여 배치되거나 전력 공급 출력단(170)에 포함되도록 배치되어, 양방향 미터기(20) 및 PCS(50)와 전력 정보 데이터를 송수신하며, 다양한 유무선 통신 방식을 이용하여 전력 관리 센터(미도시)와 전력 정보 데이터를 송수신한다.
바이패스 경로 설정부(130)는 외부 계통 전력(30)과 PCS(50) 간을 직렬 연결하는 동시에 PCS(50)를 통해 전력을 수용가 분전반(60)으로 공급하는 전력 공급 경로를 형성하거나 또는 외부 계통 전력(30)을 바로 수용가 분전반(60)으로 연결하여 바이패스 전력 공급 경로를 형성시킨다.
이를 위해 바이패스 경로 설정부(130)는, 계통 보호 차단 모듈(131), 부하 보호 차단 모듈(133) 및 경로 전환 모듈(135)를 포함하여 구성될 수 있는데, 보호 차단 모듈(133)이 외부 계통 전력 입력단(110)을 통해 외부 계통 전력(30)과 PCS(50) 입력단을 연결시키는 동시에 계통 보호 차단 모듈(131)이 전력 공급 출력단(170)을 통해 PCS(50) 출력단과 수용가 분전반(60)을 연결시킴으로써 실질적으로 외부 계통 전력(30)과 PCS(50) 간의 직렬 연결을 구성하여 외부 계통 전력(30)이 PCS(50)를 통해 수용가 분전반(60)으로 공급되는 전력 공급 경로를 형성하게 된다.
또한 바이패스 경로 설정부(130)는, 경로 전환 모듈(135)이 외부 계통 전력 입력단(110)을 통해 인입되는 외부 계통 전력(30)을 전력 공급 출력단(170)을 통해 바로 수용가 분전반(60)으로 연결시켜 바이패스 전력 공급 경로를 형성하게 된다.
나아가서 바이패스 경로 설정부(130)는 PCS(50)의 작동 상태를 모니터링하고, 그 결과에 따라 전력 공급 경로를 형성시키기 위해 계통 보호 차단 모듈(131), 부하 보호 차단 모듈(133) 및 경로 전환 모듈(135)을 동작시키는 제어 모듈(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한걸음 더 나아가서 외부 계통 전력 입력단(110)은 외부 전력선을 통해 유입되는 서지(surge)를 차단하기 위한 서지 보호기(115)를 포함할 수 있는데, 서지 보호기(115)는 PCS 게이트웨이(100)와 PCS(50)를 효과적으로 보호할 수 있는 장치이며, 도면에서는 외부 계통 전력 입력단(110)이 서지 보호기(115)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 외부 계통 전력(30)이 인입되는 전력 공급 경로의 시작 부분 상의 다양한 위치에 선택적으로 배치될 수도 있다.
상기 PCS(50)는 신재생 발전 장치 및 ESS(에너지 저장 장치)에 연결되어, 가정용 분전반(60) 또는 외부 계통으로 전력을 공급하거나, 외부 계통 전력(30)으로 ESS에 전력을 저장할 수 있다.
도시한 게이트웨이 통합형 PCS에서 PCS 게이트웨이(100)는 외부 계통 전력(30)과 PCS(50) 사이에 배치되어 PCS(50) 정상 운영시에는 외부 계통 전력(30)으로부터 PCS(50)를 통한 가정용 분전반(60)까지의 직렬 전력 경로를 설정하지만, PCS(50)에 문제가 발생되는 경우에는 바이패스 경로를 형성하여 외부 계통 전력(30)으로부터 가정용 분전반(60)까지를 바로 연결하는 전력 공급 경로를 설정하게 된다.
그런데, 도 11에 도시한 게이트웨이 통합형 PCS도 계통에서 발생된 고장에 대한 어떠한 조치도 취하지 못하고 다만 전력 전달 경로만을 전환하는 수동적 장치에 지나지 않는다. 또한, 독립된 계통을 가지는 오지의 마이크로그리드 시스템에 적용하는데 적합하지 않았다.
본 발명은 고장 위치를 신속하게 파악하여 조치할 수 있는 마이크로그리드 또는 고장 처리 방법을 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, Off-Grid에서 선로고장 및 기기고장이 발생시, ESS를 이용하여 고장의 위치를 파악하고 고장 지점을 분리 후 복전시키는 방법을 제안하고자 한다.
본 발명은 마이크로그리드의 안정적 계통 운영을 통한 신뢰도를 향상시키고자 한다. 이를 위해, ESS PCS를 통해 신속하게 고장 지점을 파악하여 고장 지점을 분리하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 ESS용 PCS는, 계통에서 남는 전력을 공급받아 저장하고, 계통에서 전력이 부족하면 저장된 전력을 제공하는 ESS와 계통의 전력 변환 및 중개를 수행하는 ESS용 PCS에 있어서, 계통과의 연결을 차단하는 차단 수단; 및 계통에서 고장을 감지하면, 고장이 감지된 상기 계통으로 출력하는 전력의 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장의 위치를 파악하는 제어 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 상기 고장 위치 파악을 위해 점진적으로 전압을 높였던, 상기 계통으로 출력되는 전력의 전압을, 상기 고장의 위치 및 처리 결과에 따라, 정상 운전 수준까지 높일 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 상기 고장 발생에 따라 차단되었던 계통과 다시 연결한 직후, 상기 액티브 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 마이크로그리드 상에서 상기 고장의 위치를 판단하고, 상기 판단된 위치에 대한 정보를 상기 관제 장치로 전송할 수 있다.
여기서, 상기 제어 장치는, 상기 계통에서 고장을 감지하면 상기 계통과의 연결을 차단하는 단계; 상기 ESS용 PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계; 상기 ESS용 PCS를 상기 계통에 연결하되, 상기 연결된 계통으로 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 상기 고장 위치 판단에 대한 정보를 상기 계통의 관제 장치로 전송하는 단계; 및 상기 관제 장치의 지시에 따라 상기 계통으로 출력하는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계는, 상기 ESS용 PCS가 상기 계통에 연결되면, PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계; 및 상기 ESS용 PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, 상기 ESS용 PCS에서 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 상기 계통의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ESS용 PCS를 상기 계통에 연결하는 과정은, 상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치를 닫는 단계; 상기 ESS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치를 닫는 단계; 및 상기 인버터를 구성하는 IGBT를 닫는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ESS용 PCS는 상기 고장의 위치를 파악한 것에 대한 정보를 상기 관제 장치로 전송하기 위한 데이터 통신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 고장 처리 방법은, 다수의 분산 전원들과, 다수의 분산 부하들과, 상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들과, 상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법에 있어서,
상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하면, 상기 분산 전원들 및 상기 ESS를 담당하는 ESS용 PCS를 차단하는 단계; 상기 ESS용 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계; 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계 이후, 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계는, 상기 ESS용 PCS가 마이크로그리드에 연결되면, 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계; 상기 ESS용 PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, 상기 ESS용 PCS에서 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 마이크로그리드의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계; 선로/부하측 고장이 확인되면, 각 부하 구간별 고장여부를 확인하는 단계; 및 각 부하 구간에서 고장이 확인되지 않으면 선로 고장여부를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계는, 전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 뚜렷하게 높은 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정할 수 있다.
여기서, 상기 ESS용 PCS 자체의 고장 여부를 확인하는 단계 이후, 상기 고장 발생 후 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 기동이 가능한지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 ESS용 PCS 또는 고장 처리 방법을 실시하면, 빠른 고장구간 제거로 인한 안정적인 계통 운영이 가능하여 마이크로그리드 시스템의 신뢰도를 향상하는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 ESS용 PCS를 구비한 마이크로그리드 시스템은 고장 테스트를 위해 별도의 디젤발전기를 설치하거나 각 분산 전원별로 대용량의 디젤발전기를 구비할 필요가 없는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 ESS용 PCS를 구비한 마이크로그리드 시스템은 정전에 의해서 버려지는 신재생원의 발전 전력량 최소화하는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 ESS용 PCS를 구비한 마이크로그리드 시스템은 도서 지역 등 별도의 외부 전력 시스템이 연계되지 않고 독립적인 계통을 이루는 마이크로시스템에서 유지 관리가 용이한 이점이 있다.
또는, 본 발명의 ESS용 PCS 또는 고장 처리 방법은, 대용량화되어 가는 ESS를 보다 효율적으로 이용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 ESS용 PCS를 구비한 마이크로그리드 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 마이크로그리드 시스템에 적용할 수 있는 ESS용 PCS의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 3은 도 1의 관제 장치 및/또는 ESS용 PCS에서 수행되는 고장 처리 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 도 3의 S20 단계 및 S30 단계를 수행하는데 적용될 수 있는 ESS용 PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조를 도시한 블록도.
도 5는 도 3의 S50 단계에서 수행되는 고장 위치 판단 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 6a는 정상 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프.
도 6b는 마이크로그리드에 고장이 발생된 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프.
도 7은 도 5의 S555 단계에서 마이크로그리드에 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도.
도 8은 도 5의 S589 단계에서 선로 구간들의 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템의 고장 발생시부터 black start까지의 조치 모습을 도시한 블록도.
도 10은 액티브 PCS의 본 발명의 사상에 따른 점진적인 승압 기동(Soft Start)에 따른 전압 및 전류 파형을 도시한 그래프.
도 11은 종래 기술에 따른 외부 계통 연계형 마이크로그리드에 적용될 수 있는 게이트웨이 통합 PCS의 개략적인 구성도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 ESS용 PCS가 적용된 상태의 마이크로그리드 시스템(700)을 도시한 블록도이다.
도시한 마이크로그리드 시스템(700)은, 계통에 전력을 공급하는 다수의 분산 전원들(740, 750); 계통에서 전력을 소비하는 다수의 분산 부하들(771, 772, 773); 상기 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)을 계통에 연결하는 선로들; 및 상기 분산 전원들(740, 750)의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS(720)를 포함한다.
상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부의 각각은, 선택적으로 계통과 연결시키거나 차단할 수 있는 차단 수단(781 ~ 788)을 구비할 수 있다.
상기 선로들은 계통에 연결된 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)에 대하여 이상적으로는 동일한 전기적 특성(전위)을 가져야 하지만, 공급 전력 및/또는 부하의 불균형 및 긴 길이의 선로 자체의 임피던스에 의해, 각 지점마다 서로 다른 전기적 특성(전위, 전류)을 가지게 된다.
상기 서로 다른 전기적 특성을 모니터링하기 위해 상기 선로들의 특정 지점들에 전기적 특성의 검측 수단(781 ~ 783)(예: 전류계, 전압계, 변류계, 홀센서)을 구비할 수 있다.
예컨대, 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 연결 지점마다 검측 수단을 구비하거나, 소정 길이 단위로 검측 수단을 구비할 수 있다.
구현에 따라, 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부의 각각은, 자신의 운행 상태 및/또는 전기적 특성을 모니터링하기 위한 검측 수단 또는 모니터링 수단을 구비할 수 있다.
상기 ESS(720)는 마이크로그리드에서 불균일한 부하 소요에 의한 전력 부담을 완화시키는 구성으로서, 최근 리튬 2차 전지를 이용하는 방식이 실시되고 있지만, 공지된 어떠한 에너지 저장 수단을 적용할 수 있다.
상기 다수의 분산 전원들(740, 750)도 각자 PCS(745, 755)을 구비하고, 상기 다수의 분산 부하들(771, 772, 773)도 각자 차단 수단(786 ~ 788)을 구비하지만, 본 발명의 사상에 따른 기능은 ESS(720)의 PCS(730) 및 이 PCS(730)를 계통에 연결/차단하는 차단 수단(781)을 이용하여 구현되는 바, ESS(720)에 대한 PCS(730) 및 차단 수단(781)을 보다 상세히 설명하겠다.
상기 ESS(720)에 대한 PCS(730)는 ESS용 PCS로 칭할 수 있으며, 상기 ESS(720)에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류(또는 직류) 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드 계통에 공급하며, 정전이나 누전 등 비정상 상황에서 상기 마이크로그리드 계통과의 연결을 차단하는 차단 수단(781)을 구비한다.
상기 ESS용 PCS(730)는 계통의 전력 위상과 PCS에서 계통으로 출력되는 전력의 위상을 맞추기 위한 전력 위상 동기 기능, 계통으로 공급되는 전력량(즉, 전압 및/또는 전류의 크기)을 조절하는 기능, 계통 측에서 발생된 서지 등 위험 요인이 ESS(720)로 전달되는 것을 완화 및/또는 차단하는 서지 완화/보호 기능을 수행할 수 있으며, 이를 위한 구성들을 구비할 수 있다. 상술한 기능들은 ESS 분야 PCS 기술로서 수회 공지되었는 바, 상세 설명은 생략하겠다.
도면에서는 분산 전원들로서 태양 전지(PV : Photo Voltaic) 및 풍력 터빈(WT : Wind Turbine)을 예시하고 있다.
상기 구조 설명 및 하기 방법 설명에서 상기 관제 장치(760)가 계통 고장 발생 대응 조치 및 고장 위치 판단을 위해 차단 수단(781)을 구동시키는 것으로 표현되었으나, 실제적으로는 상기 관제 장치(760)가 상기 액티브 PCS(730)에 대하여 상기 차단 수단(781)에 대한 동작을 지시하고, 상기 액티브 PCS(730)가 상기 지시에 따라 상기 차단 수단(781)을 동작시킴은 자명하다.
상술한 ESS용 PCS(730)의 전력 위상 동기 기능 및 서지 완화/보호 기능을 위한 구성들에 의해, ESS(720)가 연결된 마이크로그리드 계통에 고장이 발생된 경우, ESS용 PCS(730)는 잠시 계통에서 분리될 수 있다. 이러한 일시적인 계통 분리 과정 및 본 발명이 사상에 따른 고장 위치 판단 과정에서 상기 ESS용 PCS(730) 자체를 보호하기 위해 상기 ESS용 PCS(730)에 구비되는 IGBT(보다 구체적으로는 인버터를 구성하는 IGBT)의 Open 시간은 약 수백 [us] 이내인 것이 유리하다.
본 발명의 사상에 따른 ESS용 PCS(730)는, 계통으로 공급되는 전력량을 조절하는 기능에 있어서, 가능한 연속적인 값으로 전력량을 조절할 수 있는 것이 유리하다. 불연속적으로 단계적으로 전력량을 조절하는 경우에도, 가급적 단계가 세부적인 것이 유리하다. 예컨대, 도시한 ESS용 PCS(730)는, 기동시 소정의 테스트 시간(예: 1초 내지 3초 범위의 지정된 기간) 동안 0[A]부터 계통에 내보낼 수 있는 최대 전류(ESS 정격 전류) 또는 계통에 연결된 분산 부하들에 대하여 규정된 정격 전류의 80%의 수준(고장이 아닌 경우 전압도 이와 비례하는 수준까지 올라가게 된다)까지 점진적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 ESS용 PCS(730)는, 마이크로그리드 시스템의 계통에 대한 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 다수의 분산 부하들(771, 772, 773)의 연결 상태에 따라, 계통으로 출력되는 전력량을 조절할 수 있는데, 이는 공지된 스마트그리드 시스템을 구성하기 위한 ESS 기술 및/또는 PCS 기술을 적용하여 구현될 수 있다.
상술한 ESS용 PCS에서 소정 시간 동안(예: 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간) 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 것은, 계통과 분리되었던 ESS를 계통에 다시 연결시키면서, 연결 초기에는 0V에서, 소정 시간 동안(예: 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간), 소정의 전압 레벨까지 순차적으로 전압을 높이는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 가장 바람직하게는 시간과 전압의 관계가 연속적으로 1차 함수(소정 기울기의 직선)를 이루는 것이지만, 실제 적용의 경우 시간과 전압의 관계가 비례하여 증가하는 양상을 나타내는 조건으로, 불연속적(discrete) 및/또는 곡선의 시간과 전압의 관계의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 전압 및 전류 측정의 기준이 되는 지점은 ESS용 PCS의 출력단(계통과의 연결지점)이 바람직하지만, 이에 한정하지는 않는다.
상술한 바와 같이, ESS용 PCS에서 소정 시간 동안 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 방안으로서 종래의 일반적인 ESS용 PCS의 기능을 이용할 수 있다. 상기 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 방안을 예시하면, 다수 개의 배터리 셀들로 이루어진 ESS의 경우, 완충된 배터리 셀들 중 출력 전력을 생성하는데 이용하는 셀들의 개수를 순차적으로 증가시킬 수 있다. 또는, ESS 배터리에 저장된 전력을 계통으로 공급함에 있어 슈퍼 커패시터 등 별도의 임시 에너지 저장 수단을 이용하는 경우, 상기 임시 에너지 저장 수단의 용량 및/또는 단위 셀 개수를 조정하는 방식으로 출력 전압을 조정할 수 있다. 또는, 출력 전압 레벨을 불연속적으로 증가시킬 수 있는 다단 탭을 구비하는 변압기를 이용할 수 있다.
도 1에 도시한 본 발명의 사상에 따른 ESS용 PCS로 구현된 마이크로그리드 시스템(700)은, 상기 ESS용 PCS(730)를 이용하여 마이크로그리드 계통에서 고장이 발생된 위치를 판단하고, 고장에 따른 후속 조치로서 Black Start를 수행하는 관제 장치(760)를 더 포함할 수 있다.
상기 관제 장치(760)는, 마이크로그리드 시스템(700)의 중앙 통제 사이트에 설치되는 것이 유리하며, 상기 ESS(720) 및 ESS용 PCS(730)를 적극적으로 이용하므로, 상기 ESS(720)와 동일한 사이트(장소)에 위치하거나, 근접하여 위치하는 것이 유리하다.
상기 관제 장치(760)는, 상기 ESS(720), 상기 ESS용 PCS(730), 상기 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773), 선로들에 설치된 검측 수단(791 ~ 795) 또는 모니터링 수단과 데이터(신호) 통신을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 관제 장치(760)는 각 검측 수단 또는 모니터링 수단에 접근할 수 있는 전력선 통신 수단이나 별도의 전력선과 독립된 매체를 이용하는 유/무선 통신 수단을 구비할 수 있다.
도 2는 도 1의 ESS용 PCS(730)로 적용할 수 있는 PCS의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 ESS용 PCS(730)는, 계통에서 남는 전력을 공급받아 저장하고, 계통에서 전력이 부족하면 저장된 전력을 제공하는 ESS(720)와 계통의 전력 변환 및 중개를 수행하는 PCS로서, 계통의 전력을 ESS(720)의 배터리에 충전할 수 있음은 물론 상기 배터리에 충전된 전력을 계통으로 방전하는 것이 가능하다.
도시한 ESS용 PCS(730)의 구성은, ESS(720)에 출입하는 유효전력을 제어하는 계통연계형 인버터(743)와 ESS(720) 사이에 DC/DC 컨버터(732)를 삽입하여, 인버터(743)의 DC 전압은 일정하게 유지하고 ESS(720)의 DC 전압은 DC/DC 컨버터(732)의 시비율로 조절하는 방식을 적용할 수 있다. 이러한 방식의 전력 변환 구조는, 제어의 자유도가 커 교류 입력전류와 배터리 충방전전류를 독립적으로 제어 가능하고 입력전류의 고조파 저감이 가능하다.
도시한 ESS용 PCS(730)는, 계통과의 연결을 차단하는 차단 수단(781); 및 계통에서 고장을 감지하면, 고장이 감지된 상기 계통으로 출력하는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장의 위치를 파악하는 제어 장치(736)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 ESS용 PCS(730)는, 상기 ESS(720)에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드에 공급하는 기능을 수행하기 위한 구성들로서, ESS(720)에서 출력되는 직류 전력을 원하는 전압 및/또는 전류의 직류 전력으로 변환하기 위한 DC/DC 컨버터(732); 및 상기 DC/DC 컨버터(732)에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 인버터(734)를 포함할 수 있다.
상기 DC/DC 컨버터(732)는 DC/AC 변환 회로(737), 절연 트랜스포머(735), AC/DC 변환 회로(739)가 직렬 연결된 구조의 DC/DC 컨버터일 수 있다. 상기 DC/AC 변환 회로(737) 및 AC/DC 변환 회로(739)는 PWM 방식으로 동작하는 스위칭 소자(예: IGBT)들을 구비하며, 상기 PWM 방식의 동작에 따라, ESS(720)에서 계통으로 출력되는 전력의 전압이 조정될 수 있다. 상기 절연 트랜스포머(735)는 DC/AC 변환 회로(737)와 AC/DC 변환 회로(739)의 교류 전력 전달 기능 및 ESS와 계통간의 서지, 누란 등을 차단하는 기능을 수행한다.
상기 제어 장치(736)는, DC/DC 변환을 위해 DC/AC 변환 회로(737)를 구성하는 스위칭 소자들의 동작을 제어하기 위한 PWM1 신호 및 AC/DC 변환 회로(739)를 구성하는 스위칭 소자들의 동작을 제어하기 위한 PWM2 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어 장치(736)는 ESS(720)와 PCS(730)의 연결을 단속하는 DC단 차단 소자를 제어하는 DC on/off 신호와, PCS(730)와 계통의 연결을 단속하는 차단 소자(781)를 제어하는 CB on/off 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어 장치(736)는 외부에서 입력되거나 PCS 내부에서 생성되는 위상 동기 신호를 입력받아, 상기 인버터(743)를 구성하는 전력 스위칭 소자(IGBT)를 구동하기 위한 PWM3 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어 장치(736)는 ESS측 입력단에 설치된 전압 센서 및 전류 센서로부터 입력 전압값(입력 V) 및 입력 전류값(입력 I)을 입력받고, 계통측 출력단에 설치된 전압 센서 및 전류 센서로부터 출력 전압값(출력 V) 및 출력 전류값(출력 I)을 입력받을 수 있다.
상기 제어 장치(736)는 계통 전압과 전류를 측정하여 역률을 계산하고, 역률이 0.95 이상으로 유지되도록 DC/DC 컨버터(732) 및 인버터(743)의 구동을 제어할 수 있다.
다른 구현에서 상기 제어 장치(736)는 DC/DC 컨버터(732) 및 인버터(743) 사이의 DC 링크의 전압(커패시터 전압)을 측정하고 측정결과에 따라 인버터(743)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 DC 링크의 전압이 기준 미만인 경우, 상기 제어 장치(736)는 계통의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 링크로 전달하도록 상기 인버터(743)를 제어할 수 있다. 반면, DC 링크의 전압이 기준 초과인 경우, 제어부(150)는 DC 링크에 충전된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통으로 전달하도록 인버터(110)를 제어할 수 있다. 또한, 충전 모드에서, 제어 장치(736)는 상기 DC 링크의 전류(미도시한 인버터 전류)를 측정하고 측정된 전류가 일정하게 유지되도록 양방향 DC/DC 컨버터(732)를 제어할 수 있다.
구현에 따라, 상기 ESS용 PCS(730)는, 계통에 공급되고 있는 전력의 위상을 검출하여 상기 위상 동기 신호를 생성하기 위한 계통 위상 검출 회로(미도시) 및/또는 본 발명의 사상에 따른 고장 위치 판단 결과 정보를 도 1의 관제 장치로 전송하기 위한 데이터 통신부(738)를 더 포함할 수 있다.
도면에서, 계통과의 차단 장치(781) 및 DC단 스위치는 상기 ESS용 PCS(730)에 포함되지 않는 것으로 도시되었지만, 차단 장치(CB)들은 전력 입/출력 장치에 근접하여 설치되는 것을 감안하면, 관점에 따라서는 상기 계통과의 차단 장치(781) 및/또는 DC단 스위치는 상기 ESS용 PCS(730)에 포함되는 것으로 구분할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 ESS용 PCS(730)는, DC/DC 컨버터(732) 및/또는 인버터(743)를 구성하는 스위칭 소자의 스위칭 온/오프 손실을 저감시키기 위해, ZVS(Zero Voltage Switching : 영전압 스위칭)과 ZCS(Zero Current Switching : 영전류 스위칭)가 가능하도록 추가적인 공진 탱크를 더 구비하거나, DC/DC 컨버터(732) 및/또는 인버터(743) 사이에 DC 링크를 구비할 수 있다.
도 3은 도 1의 관제 장치(760) 및/또는 도 2의 제어 장치(736)에서 수행되는 고장 처리 방법을 도시한 흐름도이다. 즉, 구현에 따라, 도시한 흐름도에 따른 고장 처리 방법은, 도 2의 ESS용 PCS의 제어 장치(736)가 수행하거나, 도 1의 관제 장치(760)가 수행하거나, 양 장치가 분담/협력하여 수행할 수 있다. 하기 설명에서는 분담/협력의 경우로 구체화하여 기재하겠다.
도시한 고장 처리 방법은, 상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하는 단계(S1); 상기 분산 전원들 및 ESS를 차단하는 계통 차단 단계(S2); 상기 ESS용 PCS를 상기 마이크로그리드 시스템에 연결하는 단계(S30); 상기 연결된 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서(S40), 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계(S52, S54, S500); 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고(S600) 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.
상기 고장 감지 단계(S1)는, 마이크로그리드 계통에 연결된 각 분산 전원들 및 ESS용 PCS에서 자체적으로 수행될 수 있다. 즉, 각 PCS가 계통과 매개하는 각 분산 전원 또는 ESS를 보호하기 위한 자체 보호 기능으로서, 마이크로그리드 계통에서 발생된 고장을 감지할 수 있다. 고장을 감지한 PCS는 이를 상기 관제 장치에 데이터 통신 수단을 이용하여 보고할 수 있다.
상기 계통 차단 단계(S2)는, 고장을 감지한 PCS는 PCS 자체 기능에 의해, 고장을 감지하지 못한 PCS는 상기 고장을 보고받은 관제 장치의 차단 명령에 의해 수행될 수 있다.
도면에서는 상기 계통 차단 단계(S2)에서 계통에 연결된 PCS들만을 계통에서 차단하는 것으로 도시되었지만, 다른 구현에서는 상기 관제 장치에 의해, 자체 PCS를 구비하지 않는 분산 부하들 및 분산 전원들도 계통에서 차단할 수 있다.
도시한 S52 단계 내지 S55 단계는 ESS용 PCS(보다 구체적으로 제어 장치)가 분산 부하측의 고장 여부를 확인하기 위한 과정이며, 도시한 S500 단계는 분산 부하측이 아닌 분산 전원들이나 선로측 고장 여부 및 위치 확인을 위한 과정이다.
상기 S40 단계 내지 S500 단계에 대해서는 후속 도면에서도 설명된다.
상기 S600 단계는 상기 S55 단계 및 S500 단계에서 고장으로 판정된 구간을 계통에서 분리하기 위한 것으로, 구체적으로는 고장 판정된 분산 전원 또는 분산 부하의 차단 수단을 off시켜 분리할 수 있다.
상기 S700 단계는 고장이 발생된 상태에서 고장의 완전한 복구 전에 고장 부분만을 계통에서 분리한 상태로 마이크로그리드를 재가동하는 것으로서, Black Start라 칭해질 수 있다. 상기 S700 단계에서는, 계통의 고장 구간이 분리된 것(S600)을 확인하면, 우선 ESS용 PCS를 마이크로그리드 계통에 연결하여 건전 구간에 전력을 공급하고, 순차적으로 차단한 분산 전원들(PV/WT)의 PCS를 마이크로그리드 계통에 연결할 수 있다.
도면에서, S1, S2 단계 및 S500, S600, S700 단계는 도 1의 관제 장치(760)가 주체가 되고 ESS용 PCS의 제어 장치(736)가 협조하여 수행될 수 있다. 도면에서, S30 단계 내지 S55 단계, S90 단계는 ESS용 PCS의 제어 장치(736)가 주체가 되어 수행하고, 도 1의 관제 장치(760)에 그 결과를 보고할 수 있다.
상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계(S52, S54)는, 도 2의 제어 장치(736)가 수행하는 과정으로서, PCS의 출력 전압값 및 출력 전류값에 고장 패턴이 나타나는지 확인하는 단계(S52); 상기 고장 패턴이 나타나면 고장검출 정보를 발생하는 단계(S55); 상기 고장 패턴이 나타나지 않으면 정격 정류의 80%에 도달하였는가를 판단하는 단계(S54); 정격 정류의 80%에 도달하였으면(이때, S55 단계에서는 고장 미검출 정보가 발생하고, S500 단계 이후가 수행된다), 정격 전류의 100%까지 가압하는 단계(S90)를 더 포함할 수 있다. 상기 S90 단계는 상기 S700 단계와 함께 수행된다.
도 4는 상기 S2 단계 및 S30 단계를 수행하는데 적용될 수 있는 ESS용 PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조의 일 실시예를 도시한다.
도시한 ESS용 PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조로서 차단 수단은, 상기 ESS의 배터리와 PCS 인버터를 단속하는 DC단 스위치(DC CB); 상기 ESS용 PCS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치(AC CB); 및 상기 인버터를 구성하는 IGBT를 단속하는 IGBT 단속 수단(도 2의 제어 장치(736)가 이 역할도 함께 수행할 수 있음)을 포함할 수 있다.
도시한 바와 같이, ESS의 배터리는 DC단 스위치(DC CB)를 통해 인버터와 단속되고, 인버터는 다시 AC단 스위치(AC CB)를 통해 ESS 차단 장치(CB, 도 1의 781) 또는 마이크로그리드 계통과 단속될 수 있다. 계통에서 발생된 고장으로 인하여 계통으로부터 분리되었던 ESS용 PCS가 본 발명의 사상에 따라 계통에 다시 연계되는 순서는, 먼저 DC단 스위치(DC CB)가 닫히고(close), 다음 AC단 스위치(AC CB)가 닫히고, DC-AC 변환 동작에 따라 인버터를 구성하는 IGBT가 닫히는 것이다.
하기 표 1은 상기 고장 위치 판단 단계(S50)에서 수행되는 고장 위치 판단의 기준을 설명한다.
Figure PCTKR2017014643-appb-T000001
상기 표에 기재된 기준들은 후술하는 고장 위치 판단 방법에 적용될 수 있다.
상기 표에서 선로 고장 여부를 판단하는 근거가 되는 "선로 고장구간에서 서로 크기 차이가 발생하는 계측된 전/후의 전류"에서, "전/후"는 고장 발생 후 각 선로의 계측 지점들의 선로상 위치의 앞 지점 및 뒤 지점을 의미할 수 있다.
도 5는 상기 고장 위치 판단 단계(S52 내지 S55)에서 수행되는 고장 위치 판단 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 고장 위치 판단 방법은, ESS용 PCS가 마이크로그리드 계통에 연결되면(S30), ESS용 PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계(S120); ESS용 PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, ESS용 PCS에서 계통으로 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 마이크로그리드의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계(S150); 선로/부하측 고장이 확인되면, 각 부하 구간별 고장여부를 확인하는 단계(S580); 각 부하 구간에서 고장이 확인되지 않으면 선로 고장여부를 확인하는 단계(S589)를 포함할 수 있다.
도시한 흐름도는 도 3에서의 ESS용 PCS의 마이크로그리드 계통 연결 단계(S30)가 수행됨에 따라 실행되는 것으로, 도면의 S30 단계는 도 2의 S30 단계를 의미한다.
상기 PCS 정상 동작 여부 확인 단계(S120)에서 ESS용 PCS나 ESS가 정상 동작하지 않으면, ESS의 고장으로 판단하고 절차를 종료한다(S125). ESS용 PCS의 자체 정상 동작 여부 확인하는 것은, ESS용 PCS에서 사용되는 일반적인 기술들을 적용할 수 있다. 예컨대, 도 2의 제어 장치(736)가 입력 전압값(입력 V) 및 입력 전류값(입력 I)에서 계산한 입력 전력값과, 출력 전압값(출력 V) 및 출력 전류값(출력 I)에서 계산한 출력 전력값에 차이가 현저하다면, PCS 자체의 고장으로 판단할 수 있다. 여기서, 입력 전압값(입력 V) 및 입력 전류값(입력 I)의 측정 지점은, 도 4의 DC단 스위치(DC CB) 부근이고, 출력 전압값(출력 V) 및 출력 전류값(출력 I)의 측정 지점은, AC단 스위치(AC CB) 부근일 수 있다.
구현에 따라, 상기 S120 단계에서 ESS용 PCS 자체의 정상 동작을 확인한 후, 본원 발명의 사상에 따른 계통으로의 점진적인 가압(Off-Grid 가압) 및/또는 black start를 하기에 충분한 전력이 ESS에 저장되어 있는가를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 계통 전반이 고장 여부를 확인하기 위해 계통으로의 점진적인 가압 등에 상당한 전력이 소요됨을 감안한 것이다.
상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계(S150)에서 ESS용 PCS에서 계통으로 공급하는 전압/전류를 점진적으로 증가시키는 것은 도 3의 S40 단계의 수행을 의미한다.
상기 S150 단계에서 수행되는 ESS용 PCS에서 계통으로 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키는 작업은 Off-Grid 가압이라고 칭할 수 있는데, 도 6a는 정상 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프이며, 도 6b는 마이크로그리드에 고장이 발생된 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.
상기 양 그래프에서, 계통전압은 380[V]이고, 전체 부하는 1.5[M]이고, ESS용 PCS 용량은 2.0[M]이며, 구체적인 고장 사례로서 도 1의 부하 2(772)에서 1선 지락사고 발생을 가정한 것이다.
도시한 고장이 발생된 상태의 전압/전류 그래프에서 전압이 약 114[V]로 상승시켰을 때, 고장판단 전류의 80%(약 2.4[kA]) 근접함을 알 수 있다.(정격전류 : 약 3.0[kA]) 즉, 마이크로그리드 시스템에 고장이 발생되면, 전압 공급의 증가에 따른 계통 전류의 증가가 정상 상태인 경우보다 현저히 크게 나타나는데(그 결과, 고장 판단 전류 80%에 이른 시기에 도달하게 된다), 이는 부하나 선로에서 누설이나 지락, 단락이 발생하여, 계통의 부하측 임피던스를 정상보다 낮춰진 것에 기인할 수 있다. 상기 양 그래프에 나타나는 현상을 이용하여 상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 방법은, 전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 뚜렷하게 높은 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정하는 것이다. 여기서, 고장 판단 전류는 고장을 판단하기에 충분한 기준 전류량으로서, 계통에 연결된 선로/부하측으로 고르게 전력을 배포하기에 지장이 없는 전류량일 수 있다. 그런데, 일반적으로는 ESS용 PCS에서 선로/부하측이 연결된 계통에 내보낼 수 있는 최대 전류(정격전류)로 적용될 수 있다.
도 3의 S30 단계는 분산 전원들이 연결되지 않은 상태이므로, Off-Grid 가압이 원활하면 분산 전원에 의한 고장은 아니라고 판단할 수 있다.
상기 S150 단계에서 Off-Grid 계통에 가압이 가능한 것으로 확인되면, 즉, 도 3의 S55 단계에서 고장 미검출 정보가 발생하면, 가압된 계통(S30 단계에서 계통에 연결된 분산 부하들 부분)에서는 고장구간이 없다고 판단하고, 상기 S555 단계에서는 설치된 분산 전원들을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시할 수 있다. 예컨대, 연계되는 분산 전원으로 인하여 정전 상황이 다시 발생하면 해당 분산 전원으로 인한 고장이라 판단할 수 있다. 여기서, 상기 Off-Grid 계통에 가압이 가능하다는 것은 도 6a에 도시한 그래프에 따른 전압 - 전류 패턴이 나타나는 것을 의미한다.
상기 S150 단계에서 Off-Grid 가압이 제대로 이루어지지 않으면, 선로구간 및 부하측 전류의 크기/방향을 측정하는 S580 단계 이후의 작업들이 수행된다. 이경우, 또한, 상기 고장 위치 판단에 대한 정보를 상기 계통의 관제 장치로 전송하는 단계를 더 수행할 수 있다. 여기서, 고장 위치 판단에 대한 정보는, Off-Grid 가압의 실패 여부만을 포함하거나, 실패로 판단한 시점의 출력 전압값/전류값을 포함하거나, 실패로 판단한 전압값/전류값 패턴을 포함할 수 있다.
상기 S580 단계에서는 부하 구간별로 말단에서 측정된 전류값을 미리 설정한 세팅(setting) 값과 비교하여 소정 비율 이상으로 측정된 경우, 해당 부하 구간의 고장으로 판정한다. 다시 말해, 상기 S580 단계에서는 각 부하 구간의 말단에서 측정된 전류 값을 Setting값과 비교하여 고장구간 판별하는데, 예컨대, 측정된 값 > Setting X 0.5(변경될 수 있음)인 경우 해당 구간이 고장으로 판정할 수 있다. 그런데, ESS의 정격용량이 1M의 경우 세팅값에 곱하는 배율로 0.8을 적용하고, ESS의 정격용량이 2M의 경우, 상기 배율을 0.7로 설정하는 등 ESS의 용량 등에 따라 배율을 조정할 수 있다.
상기 S589 단계에서는, 선로 고장구간의 경우 계측된 전/후의 전류 크기에 차이 발생하는 것을 이용하는데, 상기 전/후에 계측된 전류 크기의 차이를 고장 지점에 흐르는 전류로 추정할 수 있다. 고장이 발생되지 않은 정상 선로구간의 경우 계측된 전/후의 전류 크기의 차이는 비슷하게 나타난다.
도 7은 도 4의 S555 단계에서 마이크로그리드에 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도이다. 도 7은 고장 후 검사를 위해 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계하는 것을 표현함에 있어, 고장에 의해 해당 마이크로그리드 계통으로부터 분리된 분산 전원은 태양광 전원(PV) 및 풍력 전원(WT)만 있다고 가정한 것이다.
도시한 분산 전원 검사 방법은, 풍력 전원(WT)의 PCS를 계통과 연결하고(S210) 정전이 발생되는지 여부를 확인하는 단계(S220); 풍력 전원(WT)에 의한 정전이 발생되지 않으면, 태양광 전원(PV)의 PCS를 계통과 연결하고(S230) 정전이 발생되는지 여부를 확인하는 단계(S240); 태양광 전원(PV)에 의한 정전이 발생되지 않으면 순간 고장으로 판정하는 단계(S250)를 포함할 수 있다.
상기 S220 단계에서 정전 발생을 확인하면 풍력 전원(WT)의 선로 고장을 판정하고(S225), 상기 S240 단계에서 정전 발생을 확인하면 태양광 전원(PV)의 선로 고장을 판정할 수 있다.(S245)
도면에서는 먼저 풍력 전원(WT)을 검사한 후 태양광 전원(PV)을 검사하였는데, 이 검사 순서는 바뀌어도 무방하다.
도 8은 도 4의 S189 단계에서 선로 구간들의 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도이다. 도면은 선로 구간은 1, 2, 3만 있다고 가정한 것이다.
도시한 선로 구간 검사 방법은, 선로 구간 3의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사(실무상 동일하다고 보는 범위에 속하는 것을 의미한다)한 지 확인하는 단계(S320); 선로 구간 3의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 선로 구간 2의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사한 지 확인하는 단계(S330); 선로 구간 2의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 선로 구간 1의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사한 지 확인하는 단계(S340); 선로 구간 1의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 재확인 및/또는 예외 구간(제외 구간)를 검사하는 단계(S350)를 포함할 수 있다.
상기 S320 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 3의 고장을 판정하고(S325), 상기 S330 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 2의 고장을 판정하고(S335), 상기 S340 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 1의 고장을 판정할 수 있다. (S345)
앞서 표 1의 설명과 마찬가지로 선로 고장 여부를 판단하는 근거가 되는 "선로 고장구간에서 서로 크기 차이가 발생하는 계측된 전/후의 전류"에서, "전/후"는 고장 발생 후 각 선로의 계측 지점들의 선로상 위치의 앞 지점 및 뒤 지점을 의미할 수 있다.
도면에서는 선로 구간 3, 2, 1의 순서로 검사하였는데, 이 검사 순서는 어떻게 바뀌어도 무방하다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템의 고장 발생시부터 black start까지의 조치 모습을 도시한 블록도이다. 도면에서 각 CB의 녹색은 연결을 의미하며, 적색은 차단을 의미하고, 발전 장치들의 경우 회색이 기능 정지를 의미한다.
도 9a에 도시한 바와 같이 정상 상태에서는 마이크로그리드의 대부분의 차단 수단이 닫힌 상태에 있으며, ESS도 동작 여부와 무관하게 닫힌 차단 수단에 의해 마이크로그리드 계통에 연결되어 있다.
도 9b에서 부하 2에서 탈락이 발생하면 자체 PCS를 구비하는 ESS 및 각 분산 전원들(PV, WT)은 차단 수단(CB: Circuit Breaker) 및/또는 PCS 자체 보호 기능에 의해 마이크로그리드 계통에서 차단된다.
다음 본 발명의 사상에 따른 사고 대응 조치를 수행하는 상태인 도 9c에서는, 분산 전원들(PV, WT)은 그대로 계통에서 차단시킨 채로, ESS PCS를 마이크로그리드 계통과 연결하고, ESS를 동작시켜 계통의 전압을 점진적으로 높여준다.
도 10은 ESS PCS의 본 발명의 사상에 따른 점진적인 승압 기동(Soft Start)에 따른 전압 및 전류 파형을 도시한다.
즉, 배터리용 PCS의 Soft Start기능으로서, 출력 전압을 0V에서 정격전압까지 약 1초에 걸쳐 서서히 상승시킴에 따른 ESS 출력단의 전압/전류 파형을 도시한다.
상술한 ESS PCS의 Soft Start 동작은, 계통에서 고장 부분을 차단하고 다시 마이크로그리드를 가동시키는 Black Start와 연계될 수 있다. Black Start를 위한 계통 조건으로서, VCB측 UVR 계전기는 Black Start 동안에는 기능을 비활성화시킬 것과, UVR계전기를 비활성화 시킨 후, 모든 차단기를 투입한 후 ESS PCS를 기동할 것이 요구될 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
* 부호의 설명
700 : 마이크로그리드 시스템
730 : ESS용 PCS
732 : DC/DC 컨버터
734 : 인버터
736 : 제어 장치
740, 750 : 분산 전원들
760 : 관제 장치
771, 772, 773 : 분산 부하들
781 ~ 788 : 차단 수단
781 ~ 785 : 검측 수단
본 발명은 고장 처리를 수행하는 ESS용 PCS 및 PCS 운전 방법에 관한 것으로서, ESS 분야에 이용 가능하다.

Claims (12)

  1. 계통에서 남는 전력을 공급받아 저장하고, 계통에서 전력이 부족하면 저장된 전력을 제공하는 ESS와 계통의 전력 변환 및 중개를 수행하는 ESS용 PCS에 있어서,
    계통과의 연결을 차단하는 차단 수단; 및
    계통에서 고장을 감지하면, 고장이 감지된 상기 계통으로 출력하는 전력의 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장의 위치를 파악하는 제어 장치
    를 포함하는 ESS용 PCS.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 고장 위치 파악을 위해 점진적으로 전압을 높였던, 상기 계통으로 출력되는 전력의 전압을, 상기 고장의 위치 및 처리 결과에 따라, 정상 운전 수준까지 높이는 것을 특징으로 하는 ESS용 PCS.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 고장 발생에 따라 차단되었던 계통과 다시 연결한 직후, 상기 액티브 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 마이크로그리드 상에서 상기 고장의 위치를 판단하고, 상기 판단된 위치에 대한 정보를 상기 관제 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 ESS용 PCS.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 계통에서 고장을 감지하면 상기 계통과의 연결을 차단하는 단계;
    상기 ESS용 PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계;
    상기 ESS용 PCS를 상기 계통에 연결하되, 상기 연결된 계통으로 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계;
    상기 고장 위치 판단에 대한 정보를 상기 계통의 관제 장치로 전송하는 단계; 및
    상기 관제 장치의 지시에 따라 상기 계통으로 출력하는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계
    를 포함하는 PCS 운전 방법을 수행하는 ESS용 PCS.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계는,
    상기 ESS용 PCS가 상기 계통에 연결되면, PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계; 및
    상기 ESS용 PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, 상기 ESS용 PCS에서 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 상기 계통의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS용 PCS.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 ESS용 PCS를 상기 계통에 연결하는 과정은,
    상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치를 닫는 단계;
    상기 ESS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치를 닫는 단계; 및
    상기 인버터를 구성하는 IGBT를 닫는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS용 PCS.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고장의 위치를 파악한 것에 대한 정보를 상기 관제 장치로 전송하기 위한 데이터 통신부를 더 포함하는 ESS용 PCS.
  8. 다수의 분산 전원들과,
    다수의 분산 부하들과,
    상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들과,
    상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법에 있어서,
    상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하면, 상기 분산 전원들 및 상기 ESS를 담당하는 ESS용 PCS를 차단하는 단계;
    상기 ESS용 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계;
    상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및
    상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계
    를 포함하는 고장 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 ESS용 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준까지 높이는 단계 이후,
    상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계를 더 포함하는 고장 처리 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계는,
    상기 ESS용 PCS가 마이크로그리드에 연결되면, 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계;
    상기 ESS용 PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, 상기 ESS용 PCS에서 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 마이크로그리드의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계;
    선로/부하측 고장이 확인되면, 각 부하 구간별 고장여부를 확인하는 단계; 및
    각 부하 구간에서 고장이 확인되지 않으면 선로 고장여부를 확인하는 단계
    를 포함하는 고장 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계는,
    전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 뚜렷하게 높은 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정하는 고장 처리 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 ESS용 PCS 자체의 고장 여부를 확인하는 단계 이후,
    상기 고장 발생 후 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 기동이 가능한지 확인하는 단계
    를 더 포함하는 고장 처리 방법.
PCT/KR2017/014643 2016-12-21 2017-12-13 Ｅｓｓ용 ｐｃｓ 및 ｐｃｓ 운전 방법 WO2018117530A1 (ko)

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