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KR101904815B1 - Ｅｓｓ용 ｐｃｓ 및 ｐｃｓ 운전 방법 - Google Patents

Ｅｓｓ용 ｐｃｓ 및 ｐｃｓ 운전 방법 Download PDF

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KR101904815B1
KR101904815B1 KR1020160176083A KR20160176083A KR101904815B1 KR 101904815 B1 KR101904815 B1 KR 101904815B1 KR 1020160176083 A KR1020160176083 A KR 1020160176083A KR 20160176083 A KR20160176083 A KR 20160176083A KR 101904815 B1 KR101904815 B1 KR 101904815B1
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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{PCS for ESS and PCS Operating Method thereof}
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.
대한민국 등록특허공보 10-1620932호
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 112016125921630-pat00001
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.
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

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 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    고장 발생에 따라 차단되었던 계통과 다시 연결한 직후, 액티브 PCS에서 출력되는 전압을 정상 운전 수준 미만에서 점진적으로 높이면서 마이크로그리드 상에서 상기 고장의 위치를 판단하고, 상기 판단된 위치에 대한 정보를 관제 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 ESS용 PCS.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 고장 위치 파악을 위해 정상 운전 수준 미만에서 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. 삭제
  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 정상 운전 수준 미만에서 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계;
    상기 고장 위치 판단에 대한 정보를 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 정상 운전 수준 미만에서 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 정상 운전 수준 미만에서 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.
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