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KR101135284B1 - 충전장치를 채용하고 무효전력 제어기능을 갖는 다중기능 전력변환 장치 및 방법 - Google Patents

충전장치를 채용하고 무효전력 제어기능을 갖는 다중기능 전력변환 장치 및 방법 Download PDF

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KR101135284B1
KR101135284B1 KR1020110015603A KR20110015603A KR101135284B1 KR 101135284 B1 KR101135284 B1 KR 101135284B1 KR 1020110015603 A KR1020110015603 A KR 1020110015603A KR 20110015603 A KR20110015603 A KR 20110015603A KR 101135284 B1 KR101135284 B1 KR 101135284B1
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power supply
reactive
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최기수
엄주경
배정환
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(주)인텍에프에이
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Abstract

분산전원을 채용하여 유효전력과 무효전력을 제어하는 다중기능 전력변환시스템이 제공된다. 본 발명에 따른 다중기능 전력변환시스템은 하나 이상의 풍력이나 태양광 등을 사용하는 보조전원 장치가 전력계통과 연결되고 상기 보조전원장치와 연결되면서 전원을 일시 저장하는 배터리와 같은 분산전원장치가 연결되고, 전력변환기는 기간 전력 공급원이나 주 전력 공급원과 같은 대용량의 전원공급원과 시스템을 연결하여 소비부하 상태를 점검하여 유효전력 뿐 아니라 무효전력도 제어하는 기능을 갖는다.

Description

충전장치를 채용하고 무효전력 제어기능을 갖는 다중기능 전력변환 장치 및 방법{Multi-functional power conversion apparatus and method with a rechargeable battery device and reactive power control function}
본 발명은 신재생 에너지원과 에너지원으로부터의 전력을 일시적으로 저장할 수 있는 분산전원과 이러한 시스템을 통해 전력계통을 안정화시키기 위한 전력변환시스템과 관련된다.
인류가 석탄이나 석유 등의 화석 에너지를 사용하면서 수많은 환경문제가 대두되었고 이와 함께 화석 에너지의 고갈문제도 직면하게 되었다. 과학자들은 짧으면 몇 십년 내로 이러한 화석 에너지가 고갈할 것을 인류에게 경고하고 있다.
이러한 추세에 발 맞추어 연구가들은 다양한 신재생 에너지원에 대한 연구를 진행하고 있는데, 대표적으로 풍력 에너지, 태양광/태양열 에너지, 지열 에너지 등이 있다. 다만, 이러한 신재생 에너지는 여전히 고가의 설비비 문제와 채산성 문제로 완전히 화석 에너지를 대체하고 있지는 못한 실정이다. 그럼에도 불구하고 원자력 에너지나 수력, 화력으로 대변되는 주요 국가 기간 전력 공급원은 일별, 계절별로 변동 폭이 심하여 필요 이상의 전력 예비분을 생산할 수 있는 예비 전력을 늘 비축하여야 하는 어려움이 있다.
기간 전력 공급원인 주 전력 공급원으로부터 발생되는 전력을 효율적으로 사용하기 위해 전력계통에 신재생 에너지원을 연결시킬 수 있다. 이 경우 소비부하 측의 상태를 고려하여 적절하게 전력변환을 해주기 위하여 배터리와 같은 충전장치가 필요하다. 이 때 신재생 에너지가 유효전력만을 공급하게 되면, 주 전력 공급원이 용량이 작거나 신재생 에너지원이 주 전력 공급원에 비해 대형인 경우 무효전력 보상이 제대로 이루어지지 않아 전력계통의 불안정성이 증가하게 된다. 따라서 전력계통에 신재생 에너지를 공급할 때에 무효전력도 보상해주어 기간 전력 공급원이나 주 전력 공급원에 의해 운용되는 전력계통을 효율적으로 관리할 수 있는 장치 및 시스템이 필요하다.
상기의 과제를 해결하기 위한 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치는 하나 이상의 보조전원장치로부터 대체 전력을 공급받는 대체전력 입력부; 상기 대체전력 입력부로부터 입력된 전기를 교류로 변환하는 전력변환스위칭부; 상기 대체전력 입력부와 연결되고 상기 대체전력 입력부로부터 또는 그리드로부터 상기 전력변환스위칭부를 통해 공급되는 전기를 저장하는 충전전원부; 및 소비부하와 연결된 그리드로부터 역률과 유효전력 및 무효전력 요구량을 통신을 통해 수신하고, 상기 그리드로부터 수신된 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량에 부합되도록 상기 전력변환스위칭부를 통해 출력되는 전압과 전류를 제어하는 전력제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환방법은 전력제어부가 소비부하가 연결된 그리드로부터 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량을 제공받는 단계; 상기 전력제어부가 상기 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량에 따라 전력변환스위칭부에 생산해야할 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 전압과 전류간의 상차이가 나도록 하는 역률 커맨드를 인가하는 단계; 및 상기 전력변환스위칭부는 상기 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 역률 커맨드에 기반하여 하나 이상의 보조전원장치 및 충전전원장치 중 적어도 하나 이상의 전원장치로부터 전압 및 전류를 상기 소비부하에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력변환시스템에 의해 다양한 신재생 에너지와 같은 대체전원을 통해 전력계통의 전원공급을 안정적으로 유지할 수 있게 되고, 또한 전원공급 그리드 및 소비자 수요 측의 유효전력과 무효전력의 정보를 입력받아 유효전력 보상 뿐 아니라 무효전력을 보상함으로써 전력계통의 전력을 효율적으로 운용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 다중기능 전력변환기를 채용한 전체 시스템도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 1상 - 3상 변환을 할 수 있는 전력변환 시스템도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 스탠드-바이 상태를 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 배터리를 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 재생 에너지와 배터리를 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 그리드 측으로부터 넘어오는 잉여 에너지를 배터리에 충전시키는 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따라 그리드와 소비부하측의 역률 정보에 의해 전력계통의 무효전력을 제어하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따라 소비부하 측의 역률에 따라 전력변환기를 통한 무효전력 제어를 나타내는 도면이다.
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따라 무효전력을 제어하기 위한 전류제어기 블럭도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 소비부하측의 무효전력을 제어하는 시스템 및 재생에너지와 배터리로부터의 전력공급에 대한 전력변환 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 그리드가 단절된 경우 대체 에너지와 배터리에 의한 전력공급에 대한 전력변환 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치의 블럭도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 전력변화기의 전력제어부가 소비부하가 연결된 그리드로부터 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량을 제공받아 전력계통이 안정화될 수 있도록 전압과 전류를 공급하는 방법을 나타내는 순서도이다.
이하 본 명세서에서 기술되는 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
오랜 기간 동안 석탄, 석유 등의 화석 에너지에 의존해온 인류는 환경 문제와 화석 에너지 고갈이라는 문제에 직면하게 되었다. 이러한 화석 에너지원을 대체하기 위해 원자력 에너지가 각광받고 있으나 원자력 에너지 역시 방사선 누출이라는 위험 요소를 안고 있고, 또한 하나의 원자력 발전소 건설에도 막대한 자금이 투여된다.
최근 화두는 원자력 발전소나 화력, 수력 발전에 의한 기간 전력 공급원에 더하여 개별적인 대체 에너지인 신재생 에너지를 개발하는 것이다. 이러한 대체 에너지 혹은 신재생 에너지를 개발하게 되면 기간 전력 공급원이나 하나의 큰 시스템 내의 주 전원 공급원이 부담하는 전력을 신재생 에너지원이 분담하는 측면에서 전력계통 운용에 큰 도움이 된다. 즉, 전력계통 운용자가 소비부하 측의 상태를 통신을 통해 모니터링 하여 소비부하의 전력 수요가 피크치일 때 신재생 에너지를 보조적으로 사용할 수 있도록 대용량 배터리나 충전장치와 같은 분산전원을 구비하면 전력 계통에 큰 안정을 가져올 수 있다.
더불어 전력변환기가 소비부하 측의 유효전력 뿐 만 아니라 무효전력까지도 보상할 수 있다면 전력 계통의 안정성은 더욱 높아진다. 이는 소비부하에 전력을 공급하는 기간 전력 공급원의 전력규모가 작은 경우에 더욱 필수적이다. 좀더 상세하게는, 기간 전력 공급원의 전력이 용량이 크기 않은 디젤 발전기와 같은 소규모 발전기에 의해 운용되는 경우 전원 보조를 위해 신재생 에너지를 전력계통에 접목할 경우 단순히 유효전력만 신재생 에너지를 통해 공급되면 전력계통이 불안정해질 수 있다. 비단 기간 전력 공급원이 소규모인 경우 뿐만 아니라 신재생 에너지의 중요성이 부각되면서 점점 더 소비자가 직접 생산하는 신재생 에너지원의 규모가 증가하면 신재생 에너지에 의한 전력 비율이 커지게 되고 전력계통의 안정화는 더욱 중요한 이슈가 될 것이다.
만일 이러한 신재생 에너지가 전력계통의 역률에 따라 유효전력과 무효전력을 적절히 배분할 수 있다면 신재생 에너지를 충분히 사용하면서도 전력계통은 안정되게 운용될 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전력변환기와 전력제어 기능을 통해 단순히 대체 에너지 혹은 신재생 에너지를 부가하여 기간 전원 공급원의 예비 전력 공급분을 상쇄하여 비용을 감소시키는 것 뿐만 아니라 무효전력 보상에 의한 전력계통 안정을 꾀할 수 있다.
본 명세서 전체를 걸쳐서 신재생 에너지와 대체 에너지는 서로 동일한 의미로 사용될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다중기능 전력변환기를 채용한 전체 시스템도를 나타낸다.
도 1에 따르면 다양한 신재생 에너지 공급원으로서 풍력발전기(110), 연료전지(120), 태양광발전기(130)가 도시되어 있다. 도 1에서 도시된 대체 에너지 혹은 신재생 에너지 공급원은 일례로 도시된 것일 뿐 위의 3가지로 한정되는 것은 아니다. 지열발전, 바이오, 태양열, 폐기물, 수력, 해양(조력), 수소, 동식물 유기물, 기존의 화력 발전 등을 모두 포함한다.
이러한 신재생 에너지 공급원에 의해 주 전력 공급원 또는 기간 전원과 같은 주 전원(140)의 소비부하 부담을 덜 수 있다. 이러한 전력계통 운용을 위해서 본 발명에 따른 다중기능 전력변환 시스템(100)이 계통에 포함된다. 다중기능 전력변환 시스템(100)은 교류를 직류로 변환시키는 컨버터로서 AC/DC(101), 또한 직류를 다른 크기의 직류로 변환시키는 컨버터로서 DC/DC(103), DC/DC 배터리 충전기(109)와 직류를 교류로 변환시키는 인버터인 DC/AC(105), DC/AC(105)로부터 출력되는 PWM 출력 전압을 정현파에 근사하도록 고조파 노이즈를 제거하는 인덕터가 포함되는 정현파 정류필터(107)로 구성된다.
또한, 스마트 그리드를 실현하기 위해 소비부하 상태를 점검하여 이를 통신으로 받아서 EMS(Energy Management system, 160)에 보내기 위한 컨트롤 센터(170)가 있으며, EMS(160)는 컨트롤 센터(170)로부터 소비부하 상태를 전송받아 본 발명에 따른 다중기능 전력 변환 시스템(100)을 제어하는 역할을 수행한다. EMS(160)는 일종의 전력제어기라고 할 수 있으며 본 명세서에서 전력제어기 혹은 전력제어부와 혼용될 것이다. 물론, EMS(160)와 본 발명에 따른 전력제어부는 별도의 장치로 구성될 수 있다. 즉, EMS(160)는 단순히 컨트롤 센터(170)로부터 그리드와 소비부하 상의 정보, 예를 들면, 역률 정보, 유효전력 요구량, 무효전력 요구량을 수신하고 이를 전력제어부에 전달하여 전력제어부는 수신한 역률 정보, 유효전력 요구량, 무효전력 요구량에 맞게 전력변환장치의 스위칭부를 제어하여 역률에 부합되는 전압과 전류를 생성할 수 있다. 또한, 인버터(혹은 컨버터) 제어에 요구되는 d-q 변환 및 이에 따른 PI 제어기 등의 제어기 역할을 수행하여 출력되는 전압과 전류의 크기 및 위상차를 조절하는 역할을 담당한다.
배터리 뱅크(150)에는 신재생 에너지 공급원으로 발생되는 에너지, 소비부하, 또는 그리드(140)로부터의 잉여 전원을 배터리 충전기(109)를 통해 충전할 수 있다. 배터리 충전기(109)는 충전장치 혹은 충전전원부라고 불리울 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 1상 - 3상 변환을 할 수 있는 전력변환 시스템도를 나타낸다.
도 1에서의 DC/AC(105)는 도 2에서와 같이 3개의 1상 DC/AC(1051, 1052, 1053) 장치로 구성되고 각각은 하나의 교류파를 생성하고 3개의 1상 DC/AC 장치는 서로 적절하게 120도 차이가 나도록 제어함으로써 최종적으로 3상 전원을 생성해 낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 대체 에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 스탠드-바이 상태를 나타내는 도면이다.
도 3에서는 기간 전원과 같은 그리드(140) 만이 소비부하(180, 190)에 전원을 공급하고 있는 일상적인 전력 계통이라고 할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 다중기능 전력변환 시스템(100)은 전력 계통에서 그리드(140)와 연결되어 있지만 아직까지는 동작을 하고 있지 않은 상황이다. 현 상황에서는 전력 계통에서 발생되는 유효전력과 무효전력 부족분을 메우기 위해 전력 피크치 이상의 전력을 예비적으로 그리드(140)가 생산해 낼 수 있는 상태이어야 한다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 재생에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4a에 따르면 풍력 발전기(110)가 동작 중에 있고, 이러한 풍력 발전기(110)를 통해 생성되는 대체 에너지가 본 발명에 따른 다중기능 전력변환 시스템(100)을 거쳐서 전력 계통에 전원이 공급되고 있다. 그리드(140)는 부족한 전력을 풍력 발전기(110)를 통해 다중기능 전력변환 시스템(100)으로부터 공급받을 수 있다. 도 4a의 경우는 전력 계통에서 그리드(140)가 공급하는 전원 이상으로 전원이 필요한 경우이며 마치 풍력에 의한 전원 생성이 가능한 때라고 할 수 있다.
현재는 전체 전력 계통에서 그리드(140)로부터 공급되는 전원이 소비부하(180, 190)를 충분히 감당할 수 없기 때문에 보조 전원으로부터 전원이 공급되어야 하는 상황이다. 만일 날씨 상태에 따라 태양광 발전은 용이하지 않고 대신 바람이 세게 불고 있다면 대체 에너지인 풍력 발전기(110)를 통해 전력을 보충받아야 하는 상황이다. 따라서 풍력 발전기(110)로부터 생성되는 에너지는 배터리 뱅크(150)와 같은 (보조) 분산전원에 충전되지 않고 바로 전력 계통의 전력원으로 작용한다. 이 때, EMS(160)가 전력 계통에서 전원을 필요로 한다는 것을 통신을 통해 전달받고 DC/AC(105)를 동작시켜 풍력 발전기(110)를 통해 생성된 전원을 전력 계통에 공급한다.
동일한 동작을 수행하되 풍력 발전기(110)가 아닌 태양광 발전기(130)가 대체 에너지로서의 보조 전원으로 작용하는 일례를 나타낸 것이 도 4b이다. 이 경우는 날씨 여건 상 태양광을 통해 용이하게 발전을 할 수 있는 상황이라고 할 수 있을 것이다. 태양광 발전기(130)를 통해 생성되는 에너지는 직류전원이므로 별도의 AC/DC 변환이 필요하지 않다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 신재생 에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다. 도 4c의 경우는 풍력 발전기(110)가 동작하면서 태양광 발전기(130)도 함께 동작하는 경우이다.
도 4a 내지 도 4c의 어느 경우라도 생성된 신재생 에너지는 그리드의 전원을 보충하는 역할을 한다. 그런데, 이 때 신재생 에너지가 그리드의 전원을 보충할 때 소비부하에서 소비되는 유효전력과 무효전력의 비율을 깨뜨려 일방적으로 유효전력만 공급한다면 전력계통이 불안정하게 된다. 소비부하가 늘 저항성분만 존재한다면 신재생 에너지의 일방적인 유효전력 공급은 전력계통에 도움이 될 수 있을 것이나, 소비부하가 저항성분만 있는 경우는 오히려 많지 않고 늘 무효전력도 존재하게 된다. 따라서, 소비부하의 역률 정보를 반영하여 신재생 에너지에서 공급되는 전압과 전류가 역률 관계를 깨뜨리지 않으면서 그리드의 전원을 보조하지 않으면 전력계통이 불안정하게 된다.
전력변환장치(100)는 이러한 소비부하의 역률 정보를 반영하여 DC/AC(105) 스위칭 제어를 통해 전압과 전류가 위상차가 나도록 제어할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따라 대체 에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
현재 보조 전원인 풍력 발전기(110)와 태양광 발전기(130) 모두에서 전원이 생성되고 있으나 전력 계통에서 소비되는 부하가 보조 전원까지 모두 필요로 하지 않는다면 이때는 보조 전원에서 생산되는 잉여 전력을 일종의 분산 전원이면서 충전전원장치인 배터리 뱅크(150)에 충전한다. 배터리 뱅크(150)에 충전된 전력은 일시 저장되어 차후 보조 전원에 의해 전력이 생성되지 않거나 전력 계통에 부하가 많이 걸릴 때에 요긴하게 사용될 수 있을 것이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 대체 에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다. 도 5a에 따른 동작을 수행하는 시간이 충분히 길어져 배터리 뱅크(150)에 충분한 정도의 전기 에너지가 저장된 것을 알 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 대체 에너지 공급 전원을 통한 전력 공급시 배터리 충전과 함께 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 또 다른 일례를 나타내는 도면이다.
배터리 뱅크(150)에 이미 충전이 완료되어 더 이상 충전이 필요하지 않은 상태가 되었다. 따라서 보조 전원인 풍력 발전기(110)와 태양광 발전기(130)에서 발생된 전기 에너지가 분산 전원인 배터리 뱅크(150)를 바이패스하여 소비부하(180, 190)에 공급된다. 만일 EMS(160)가 그리드(140) 측과의 통신을 통해 그리드(140)의 전원 공급량을 조절하면 전력 효율성에 큰 도움이 될 것이다. 전력제어기라고 할 수 있는 EMS(160)는 배터리 뱅크(150)와 보조 전원 및 소비부하 연결 상의 전력 공급을 제어할 수 있다. 배터리 뱅크(150) 출력단이나 보조 전원 연결단에 스위치를 장착하고 이를 전력 제어기가 제어할 수도 있고, DC/AC(105)의 스위칭 동작을 통해서도 전력 출력을 제어할 수 있을 것이다.
이 때에도 EMS(160)를 통해서 소비부하(180, 190) 측의 역률과 요구되는 유효전력, 무효전력 정보를 수신하면 풍력 발전기(110)와 태양광 발전기(130)와 같은 대체 에너지 전력을 소비부하에 공급함에 있어 유효전력, 무효전력이 소비부하에서의 역률을 유지하면서 공급될 수 있도록 스위칭 제어를 할 수 있다. 스위치 반도체는 보통 전력변화기기용으로 사용되는 다양한 스위칭 반도체가 사용될 수 있으며 대표적으로는 IGBT, GTO, POWER MOSFET 등이 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 배터리를 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
보조 전원인 풍력 발전기(110)나 태양광 발전기(130)를 통해서는 현재 전력이 생산되지 않는 상태이다. 하지만 그리드(140)를 통해서는 전력 계통에 충분한 전력을 공급할 수 없는 정도의 소비부하(180, 190)가 연결되어 있다. EMS(160)는 이러한 전력 계통 상태를 통신으로 수신하여 이제는 미리 충전된 배터리 뱅크(150)를 가동하여 전력 계통에 전원을 공급한다. 마찬가지로 EMS(160)를 통해서 미리 역률과 요구되는 유효전력과 무효전력을 수신하여 배터리 뱅크(150)의 DC/AC 전력변환 시 전압과 전류 위상차를 주어 요구되는 역률, 유효전력, 무효전력을 만족할 수 있도록 스위칭 제어를 행한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 재생 에너지와 배터리를 통한 전력 공급시 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7에 따르면 전력 계통은 주 전원(140)에 더하여 풍력 발전기(110), 태양광 발전기(130), 배터리 뱅크(150)의 전력을 모두 필요로 할 정도로 소비부하(180, 190) 요구가 큰 상태이다. EMS(160)는 부하 상태를 수시로 전송받아 배터리 뱅크(150)의 전원을 전력 계통에 계속 투입할지를 고려하여 만일 풍력 발전기(110)와 태양광 발전기(130)를 통해서도 충분히 소비부하(180, 190)를 감당할 수 있다면 배터리 뱅크(150)로부터의 전원 공급은 차단할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 그리드 측으로부터 넘어오는 잉여 에너지를 배터리에 충전시키는 전력변환을 수행하는 시스템의 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
현재 소비부하(180, 190) 요구는 그리 크지 않은 상태라 할 수 있다. 기간 전원이라고 할 수 있는 그리드(140)에서 공급되는 전력은 잉여 전력이 발생하는 경우라 할 수 있다. 주로 여름 낮에 큰 전력을 공급하다가 밤이 되어서 잉여 전력이 발생하는 경우를 예로 들 수 있는데, 이 때는 EMS(160)를 통해 전력 계통의 부하 상태를 체크하여 잉여 전력이 발생되고 있다고 판단되는 경우 잉여 전력을 배터리 뱅크(150)와 같은 분산 전원에 충전할 수 있다. 이 때 AC/DC(105)의 스위칭 소자(다이오드)는 정류기로 작용하여 그리드 측의 AC 전원을 배터리 뱅크(150)에 충전할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따라 주 전원과 소비부하측의 역률 차이로 인해 전력변환기기를 통해 무효전력만을 공급하는 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
현재 소비부하(180, 190)에서의 역률은 0.7이고 주 전원 측의 역률은 0.9이다. 이 경우 본 발명에 따른 다중기능 전력변환 시스템(100)은 무효전력을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어 즉, 배터리 뱅크(150)에 축전된 전기 에너지를 DC/AC(105)를 통해 AC로 변환하되 출력되는 전류와 전압 간에 90도 위상차가 나도록 변환하면 무효전력 만을 공급할 수 있고, 공급되는 무효전력을 제어하면 소비부하 측의 역률 0.7이 만족될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 일례는 그리드와 소비부하가 연결된 측에 무효전력 만을 공급하는 경우이다.
도 9b를 참조하여 본 발명에 따른 전력변환기에서의 무효전력 보상에 대해 좀더 자세히 설명하도록 한다.
도 9b의 (a)에서와 같이 그리드인 주 전원(140, 보통 한국전력 공급 기간전원)은 교류이고 소비부하(180)가 저항과 인덕터가 포함된 (a)에서와 같은 등가회로를 가진다면 전류 ia는 전압 v 에 대해 위상 차가 생기는 지상전류가 된다. 이 때 전력계통 전체적으로 유효전력과 무효전력이 모두 필요하면 본 발명에 따른 전력변환기에서 해당 유효전력과 무효전력을 공급해 줄 수 있다.
구체적으로 (c)를 참조하면, 유효전력 Pa 에 대해 무효전력 Pr이 존재하면 전체전력은 Pw가 되고 역률 PF = cos θ = Pa / Pw 이 된다. 그런데, 현재 그리드인 주 전원이 공급할 수 있는 한도는 Pw 밖에 되지 않고 전체 소비부하는 Pw'를 필요로 한다고 가정하자. 이 때 도 9a 에서 EMS(160) 에서는 역률 정보(cos θ)를 그리드 측으로부터 전송받아 보상(제어)해야할 유효전력과 무효전력의 크기를 계산한다. 역률인 cos θ를 전력변환기기에서 알고 있으므로 전력변환기기는 스위칭 부인 DC/AC (105)를 통해 공급할 수 있는 전력을 공급하되 유효전력 크기는 Pa', 무효전력 크기는 Pr'을 공급한다. 이렇게 되면 전체 소비부하가 요구하는 Pw' 만큼의 전력을 전력변환기가 보상하여 전력계통에 공급할 수 있으며, 역률 균형을 맞추어주므로 전력계통이 불안정해 지는 위험을 막을 수 있다. 역률은 보상 전이나 보상 후에도 cos θ = Pa/Pw = (Pa + Pa')/Pw'는 동일하게 유지된다.
앞에서 도 9a 에서와 같이 무효전력 만을 보상하는 경우가 도 9b의 (d)에 도시되어 있다. 현재 전력계통에서 소비부하는 Pw'' 를 요구하고 있고 이 때 그리드 측 역률은 cos θ = Pa / Pw이나 소비부하는 cos θ' = Pa/Pw'' 가 요구된다.
따라서, EMS(160)를 통해서 소비부하에서 요구하는 역률 정보를 수신한 후에 전력변환기에서 무효전력 Pr''만을 생산하여 전력계통을 안정화 시킬 수 있다.
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따라 무효전력을 제어하기 위한 전류제어기의 블럭도를 도시한다.
도 9c에 따르면, 단상 전류를 dq 좌표로 변환한 형태로 제어기가 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 9c에서 iq(913)는 인버터 출력 전류의 q축 전류이고, id(923)는 인버터 출력 전류의 d축 전류이다. 보통 3상 전류는 d-q 변환에 의해 위와 같은 d-q 전류로 변환될 수 있고, 종종 iq는 토크(torque) 전류, id는 플럭스(flux) 전류로 구분되기도 한다.
Eq(950)는 전력계통으로부터 입력받아 d-q 변환된 q축 전압이고, Ed(960)는 전력계통으로부터 입력받아 d-q 변환된 d축 전압이다. iq *(910)는 위상각(w)의 크기에 대한 q축 레퍼런스 전류이고, id *(920)는 위상각(w)의 크기에 대한 d축 레퍼런스 전류이다. wL(970)는 전류제어기의 게인값이고 이 때 w는 출력전류와 출력전압간의 위상차이를 나타낸다. 보통 위상각 θ/t= w = 2πf 가 성립한다.
전단인 전류제어기(900)에서는 레퍼런스 값인 iq *(910), id *(920)와 실제 전류값인 iq(911)와 id(921) 간의 차이값이 PI 제어기(930, 940)입력이 되고 PI 제어기(930, 940) 출력에 wL* iq *, wL* id * 값이 가감되면서 전류제어를 수행한다. 후단 시스템(990)에서는 전류제어기의 출력치 전압을 통해 시스템에 공급되는 전류 iq(913), id(923)를 생성한다. 이러한 전류제어기(900)는 본 발명에 따른 무효전력을 고려한 전류제어를 가능하게 하고, 전압과 위상을 조절할 수 있는 역할을 담당한다. 이러한 전류제어 기능은 일례로 도 4a의 EMS(160)에서 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 무효전력을 제어하는 시스템 및 재생에너지와 배터리로부터의 전력공급에 대한 전력변환 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9a와 마찬가지로 소비부하(180, 190) 측의 역률이 낮고 따라서 무효전력 제어가 필요한 상황이므로 EMS(160)는 이러한 전력 계통의 역률을 수신하여 다중기능 전력변환 시스템(100)을 통해 무효전력을 제어하여 전력계통을 안정화 시킬 수 있다. 안정화 방법은 도 9b를 통해 설명하였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 그리드가 단절된 경우 대체 에너지와 배터리에 의한 전력공급에 대한 전력변환 동작의 일례를 나타내는 도면이다.
그리드(140)가 단절되었으나 여전히 소비부하(180, 190) 측의 전원 요구가 있는 경우 EMS(160)는 전원 단절을 수신하여 즉시 다중기능 전력변환 시스템(100)을 제어하여 풍력 발전기(110), 태양광 발전기(130) 및 가능한 경우 배터리 뱅크(150)를 통해 소비부하에 전력을 공급한다. 예를 들어 한국전력의 전원 공급이 사고로 차단된 경우 이러한 대체 에너지 공급원을 통해 임시로 전원이 차단되지 않도록 하는 대규모 UPS(Uninterruptable power supply) 시스템으로서의 기능도 가능하다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치의 블럭도이다.
도 12에서 전력변환장치(1200)의 대체전력 입력부(1210)는 앞에서 언급된 다양한 종류의 대체 에너지원인 보조전원장치(1290)로부터 대체 전력을 공급받는다. 이렇게 공급된 대체 에너지원은 교류로 생산되는 경우 미리 AC/DC 스위칭을 통해 직류로 변환하고 그렇지 않고 직류로 생산된 경우에는 직접 혹은 간단한 필터링 만을 거쳐 배터리 뱅크와 같은 충전전원부(1220)에 저장할 수 있다. 충전전원부(1220)는 충전기능을 수행하기 위해 커패시턴스 성분을 포함할 것이다. 물론 충전이 필요로 하지 않는 경우에는 바로 전력변환스위칭부(1230)을 통해 바로 소비부하에 연결될 수 있다. 전력변환스위칭부(1230)는 DC를 예를 들어 PWM과 같은 스위칭 동작에 의해 AC로 변환하여 소비부하에 공급하거나 그리드에 공급할 수 있다. 주지하다시피 대체 에너지나 소비자가 자체적으로 생산하는 전기를 한국전력과 같은 기간 전원(그리드)에 공급하면 수익을 창출할 수 있다.
상기 전력변환스위칭부(1230)에 의해 생성되는 교류 전기는 인덕터를 포함하는 정류 필터부(1240)에 의해 필터링된다. 전력제어부(1250)는 전력변환장치(1200)의 출력단에 연결된 소비부하로부터 산출되는 역률과 유효전력 요구량과 무효전력 요구량을 피드백 받아서 전력변환스위칭부(1230)를 통해 출력되는 전압과 전류의 위상차를 조절할 수 있고 이로 인해 소비부하에서 요구하는 역률, 유효전력 및 무효전력을 전력계통에 공급한다. 이와 같이 본 발명에 따른 전력변환장치(1200)는 단순히 전력계통에 유효전력 만을 공급하는 것이 아니라 소비부하의 역률 정보를 피드백 받아 유효전력과 무효전력이 소비부하의 요구에 부응하도록 전력변환 스위칭을 제어하는 기능을 가지고 있다.
전력제어부(1250)는 소비부하의 전력공급이 보조전원장치(1290) 또는 충전전원부(1220)로부터 공급되지 않아도 되는 경우 상기 보조전원장치(1290)로부터의 전력을 상기 충전전원부(1220)로 충전하도록 한다. 또한, 전력제어부(1250)는 소비부하에 전원을 공급하는 한국전력 등과 같은 기간 전원 공급기관의 기간 전원으로부터 상기 전력변환스위칭부(1230)를 통해 전기 에너지를 상기 충전전원부(1220)로 충전할 수 있다.
더불어 전력제어부(1250)는 상기 전력변환스위칭부(1230)를 통해 상기 충전전원부(1220) 또는 상기 대체전력 입력부(1210)를 통해 입력된 대체 에너지를 기간전원으로 공급할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 전력변환기의 전력제어부가 소비부하가 연결된 그리드로부터 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량을 제공받아 전력계통이 안정화될 수 있도록 전압과 전류를 공급하는 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저 전력변환기의 전력제어부는 소비부하가 연결된 그리드로부터 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량을 피드백 받는다(S1310).
전력제어부는 상기의 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량에 따라 전력변환스위칭부에 생산해야할 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 전압과 전류간의 상차이가 나도록 하는 역률 커맨드를 인가한다.(S1320) 전압 커맨드는 전압의 크기를 나타낼 것이고 전류 커맨드는 전류의 크기를 나타내며 역률 커맨드는 전력변환스위칭을 제어하여 전압과 전류 간의 위상차를 제어하는 커맨드로서의 역할을 담당한다. 만일 전력변환기가 무효전력 만을 공급하는 경우라면 역률 커맨드에 따라 전압과 전류 간의 위상 차는 90도가 될 것이다.
전력변환스위칭부는 상기 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 역률 커맨드에 기반하여 하나 이상의 보조전원장치 및 충전전원장치 중 적어도 하나 이상의 전원장치로부터 전압 및 전류를 상기 소비부하에 공급한다.(S1330)
앞에서 생산된 전압과 전류 간의 상 차이는 상기 그리드나 소비부하로부터 제공받은 역률 정보의 역률을 유지시키도록 제어되는 것을 특징으로 하고, 전력제어부는 상기 유효전력 및 무효전력 요구량이 없는 경우 상기 그리드 및 상기 보조전원장치 중 적어도 하나 이상의 전원장치로부터 충전전원장치로 충전하게 된다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100; 다중기능 전력변환 시스템
110; 풍력발전기
120; 연료전지발전기
130; 태양광발전기
140; 그리드
150; 배터리 뱅크
160; EMS
180, 190; 소비부하

Claims (6)

  1. 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치에 있어서,
    하나 이상의 보조전원장치로부터 대체 전력을 공급받는 대체전력 입력부;
    상기 대체전력 입력부로부터 입력된 전기를 교류로 변환하는 전력변환스위칭부;
    상기 대체전력 입력부와 연결되고 상기 대체전력 입력부 및 그리드 중 적어도 어느 하나로부터 상기 전력변환스위칭부를 통해 공급되는 전기를 저장하는 충전전원부; 및
    소비부하와 연결된 상기 그리드로부터 역률정보와 유효전력 및 무효전력 요구량을 통신을 통해 수신하고, 상기 그리드로부터 수신된 상기 역률정보, 유효전력 및 무효전력 요구량에 부합되도록 상기 전력변환스위칭부를 통해 출력되는 전압, 전류 및 상기 전압 및 상기 전류 간의 위상각을 제어하는 전력제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력제어부는 소비부하로의 전력공급이 상기 대체전력입력부 또는 상기 충전전원부로부터 공급되지 않아도 되는 경우 상기 보조전원장치로부터 상기 대체전력입력부로 입력된 전기를 상기 충전전원부로 충전하도록 하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력제어부는 상기 그리드로부터 상기 소비부하로 전력 공급이 필요하지 않거나 전력공급에 잉여전력이 발생하는 경우 상기 그리드로부터 전기를 상기 충전전원부로 충전하도록 하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환장치.
  4. 전력제어부가 소비부하가 연결된 그리드로부터 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량을 제공받는 단계;
    상기 전력제어부가 상기 역률 정보, 유효전력 및 무효전력 요구량에 따라 전력변환스위칭부에 생산해야할 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 전압과 전류간의 위상차이가 나도록 하는 역률 커맨드를 인가하는 단계; 및
    상기 전력변환스위칭부는 상기 전압 커맨드, 전류 커맨드 및 역률 커맨드에 기반하여 하나 이상의 보조전원장치 및 충전전원장치 중 적어도 하나 이상의 전원장치로부터 전압 및 전류를 상기 소비부하에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 생산된 전압과 전류 간의 상 차이는 상기 그리드로부터 제공받은 역률 정보에 따른 역률을 유지시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전력제어부는 상기 유효전력 및 무효전력 요구량이 없는 경우 상기 그리드 및 상기 보조전원장치 중 적어도 하나 이상의 전원장치로부터 상기 충전전원장치로 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무효전력 제어기능을 포함하는 전력변환방법.
KR1020110015603A 2010-11-15 2011-02-22 충전장치를 채용하고 무효전력 제어기능을 갖는 다중기능 전력변환 장치 및 방법 Active KR101135284B1 (ko)

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