KR101038274B1 - 마이크로그리드를 위한 마이크로전원 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로그리드에서 중요한 역할을 하는 마이크로전원과 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 성공적인 마이크로그리드의 구현을 위한 마이크로전원의 구성 및 그 제어구조에 관한 것과 마이크로그리드가 상위 전력계통과 재접속될 때 부드러운 재접속과 마이크로전원의 부드러운 제어모드 전환을 위한 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로전원(1200)은, 상위 전력 계통과 연결되는 모선3(1205)과 하위 계통에 연결되는 모선2(1206) 사이에 결합된 제1 연결용 스위치(1212), 내부의 모선1(1210)과 상기 모선2(1206) 사이에 결합된 제2 연결용 스위치(1211), DC 전력원으로부터의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 인버터 및 상기 모선1, 모선2 및 모선3의 전압을 측정하고, 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전류를 측정하여, 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 개폐를 제어하는 신호 및 상기 인버터의 출력 전압을 제어하는 신호를 생성하는 마이크로전원 제어장치를 포함한다.

Description

마이크로그리드를 위한 마이크로전원 및 그 제어방법{Micro-Source and its Control Method for Microgrid}
본 발명은 마이크로그리드에서 중요한 역할을 하는 마이크로전원과 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 성공적인 마이크로그리드의 구현을 위한 마이크로전원의 구성 및 그 제어구조에 관한 것과 마이크로그리드가 상위 전력계통과 재접속될 때 부드러운 재접속과 마이크로전원의 부드러운 제어모드 전환을 위한 제어방법에 관한 것이다.
최근 발전 및 변전소의 입지 문제, 송전 및 배전선로의 건설 투자 문제, 환경 문제 등에 따라 태양광, 연료전지, 마이크로터빈, 에너지 저장장치, 디젤 엔진 발전 등과 같은 여러 가지 형태의 마이크로전원들이 한전과 같은 전력회사의 전력 계통에 많이 도입되고 있다.
상기와 같은 마이크로전원들은 현재 전력 계통에 설치되어 전력을 공급함에 있어서, 전력 계통과 분리되어 마이크로전원들만이 단독으로 운전하는 것과 마이크로전원의 단자 전압을 제어하는 것이 허용되지 않고 있으며, 마이크로전원의 무효전력 출력이 제한되고 있다.
마이크로전원들은 전력계통의 일부를 전체 전력시스템과 독립적(independently)으로 운전할 수 있는 새로운 운전 방법의 잠재적인 가능성을 가지고 있다. 이것은 수용가의 전력 품질(power quality)을 향상시키는 과제 및 노력과 함께 마이크로그리드(microgrid)라 불리는 새로운 개념을 가져왔다.
마이크로그리드는 여러 가지 형태의 마이크로전원들과 소비자 및 소비자 단체인 수용가로 구성되고 단독 운전(islanded operation)이 가능한 소규모 전력망으로 정의될 수 있다. 즉, 마이크로그리드는 짧은 시간의 정전시 전력을 공급할 수 있는 무정전전원공급장치(uninterruptible power supply)와 다르게 하나 또는 그 이상의 마이크로전원들에 의해 지속적인 단독 운전이 가능하며, 마이크로전원에 의해 전력을 공급받는 소비자 및 소비자 단체인 수용가는 높은 신뢰도 및 품질의 전력을 공급받을 수 있을 뿐만 아니라 다양한 서비스를 제공받을 수 있다.
도 1은 두 개의 마이크로전원(100, 101)과 부하 #1-4(102, 103, 104, 105)를 포함하는 수용가(106)가 한전과 같은 전력회사의 전력 계통인 상위 전력계통(107)에 연결용스위치(interface switch)(108)와 변압기(109)를 통해 연결된 마이크로그리드에 관한 종래의 구성 예를 나타내는 것이다.
도 1의 상위 전력계통(107)에서 사고 등이 발생되는 경우, 마이크로그리드로 운전하는 수용가(106)는 연결용스위치(108)를 개로(open)함으로써 상위 전력계통(107)을 분리하여 단독으로 운전할 수 있어서 상위 전력계통(107)의 사고를 경험하지 않을 수 있다. 그러나, 도 1에서 마이크로그리드로 운전하지 않는 이웃수용가(110)는 상위 전력계통(107)에서 발생된 사고에 의한 정전 등을 경험하게 될 것이다.
도 1에서 각 마이크로전원(100, 101)은 적절한 전력을 공급하기 위해 전압 및 전류를 측정하는 센서와 제어장치를 포함한다. 도 1에서 연결용스위치(108) 또한 센서와 제어장치를 포함한다. 연결용스위치(108)의 센서와 제어장치들은 상위 전력계통(107)의 전압 및 전류를 측정하여 전력 품질을 감시하고 필요시 연결용스위치(108)를 개로하여 마이크로그리드를 단독 운전으로 전환하거나, 도 1에서 연결용스위치(108)의 양단 각 모선(111, 112) 전압의 동기조건을 판단하여 마이크로그리드를 계통연계 운전으로 전환하기 위해 연결용스위치(108)를 폐로(close)한다.
또한, 마이크로그리드에서는 마이크로전원(100, 101)과 연결용스위치(108)를 통합관리 및 제어하는 마이크로그리드 통합제어기가 존재할 수 있다. 마이크로그리드 통합제어기는 상위 전력계통(107)과 통신하여 마이크로그리드내 마이크로전원의 출력을 조정할 수 있으며, 상위 전력계통(107)으로부터 계획된 정전을 통보 받아서 마이크로그리드의 단독 운전 전환으로 해당 수용가(106)는 지속적인 무정전의 전력을 공급받을 수 있다.
다음에 계통에 연계되어 운전되는 종래의 마이크로전원의 제어방법을 설명한다.
도 2는 두 개의 전압원(200, 201)과 이들을 연결하는 선로, 변압기, 동기리액턴스 또는 연결용 인덕터 등을 표현하는 등가 임피던스(202)를 나타낸다.
도 2에서 두 개의 전압원(200, 201) 사이에서 흐르는 유효전력과 무효전력은 수학식 1과 같이 된다.
[수학식 1]
Figure 112010022910054-pat00001
[수학식 1]에서 P는 두 개의 전압원 사이에서 흐르는 유효전력이고, Q는 두 개의 전압원 사이에서 흐르는 무효전력이며, V1,V2는 각 전압원(예를 들어, V1은 수용가의 전압, V2은 상위 전력계통의 전압)의 전압크기(실효치)이고, δ12는 각전압원의 위상차δ12=δ1-δ2이고, δ1, δ2는 각전압원의 전압위상이고, X는 선로 및 동기리액턴스 또는 연결용 인덕터의 등가 임피던스의 인덕턴스 성분이다.
[수학식 1]에서 각 전압원의 위상차인 δ12의 운전범위가 30o이하임을 고려하면 [수학식 1]은 [수학식 2]와 같이 된다.
[수학식 2]
Figure 112010022910054-pat00002
[수학식 2]는 두 개의 전압원 사이에서 전달되는 유효전력은 두 개의 전압원의 전압위상 차에 의해 제어될 수 있고, 두 개의 전압원 사이에서 전달되는 무효전력은 두 개의 전압원의 전압크기 차에 의해 제어될 수 있는 것을 나타낸다.
[수학식 2]로부터 전력 계통에 연계된 마이크로전원은 도 3과 같은 제어기를 이용하여 마이크로전원의 유효전력을 제어할 수 있고, 도 4와 같은 제어기를 이용하여 마이크로전원의 무효전력을 제어할 수 있다.
도 3의 제어기는 마이크로전원이 출력하고자 하는 유효전력 지령치(300)와 마이크로전원이 현재 출력하고 있는 유효전력(301)의 차인 오차(302)를 추종제어블록(303)으로 입력하고, 제어블록의 출력(304)을 전력 계통의 전압위상(305)과 더하여 마이크로전원의 출력 전압의 위상(306)을 결정한다.
도 4의 제어기는 마이크로전원이 출력하고자 하는 무효전력 지령치(400)와 마이크로전원이 현재 출력하고 있는 무효전력(401)의 차인 오차(402)를 추종제어블록(403)으로 입력하고, 제어블록의 출력(404)을 전력 계통의 전압크기(405)와 더하여 마이크로전원의 출력 전압의 크기(406)를 결정한다.
다음에 마이크로전원이 전력계통과 분리되어 운전되는 단독 운전인 경우, 종래의 마이크로전원의 제어방법을 설명한다.
마이크로전원이 전력 계통과 분리되어 단독으로 운전될 때, 마이크로그리드로 운전되는 수용가(106)에서 요구하는 전력을 마이크로그리드 내 마이크로전원들(100, 101)이 모두 공급해야 한다. 따라서, 마이크로전원은 유효전력과 무효전력을 제어할 수 없고, 마이크로전원은 해당 수용가(106)에서 요구하는 정격의 기준 주파수 및 전압을 제공해야 한다.
마이크로전원이 정격의 기준 주파수 및 전압을 제공하는 것에 있어서, 주파수와 유효전력의 드룹(droop) 특성을 나타내는 도 5와 전압과 무효전력의 드룹 특성을 나타내는 도 6과 같은 특성을 이용하면 마이크로전원의 과도안정도를 개선시켜줄 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6과 같은 드룹 특성을 이용한 마이크로전원들이 전력 계통과 분리되어 단독으로 운전되는 경우 마이크로전원들 사이에서 적절한 전력의 분배가 가능하다.
도 5 및 도 6과 같은 드룹 특성은 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112010022910054-pat00003
[수학식 3]에서 Pi *,Qi *는 단독으로 운전되는 전력망내 i번째 마이크로전원의 유효전력 및 무효전력의 설정치이고, Pi(t),Qi(t)는 단독으로 운전되는 전력망내 i번째 마이크로전원의 유효전력 및 무효전력의 출력이고, ωo는정격주파수이고, Vo는 정격 전압이고, ω(t)는 단독으로 운전되는 전력망의 공통 운전 주파수이고, Vi(t)는 i번째 마이크로전원의 단자 전압이고, kp는 유효전력과 주파수간의 드룹 특성의 비례 이득(static droop gain)이고, kp<0이고, kQ는 무효전력과 전압 간의 드룹 특성의 비례 이득이고, kQ<0이고, i=1,2,...,n이며, n은 마이크로 전원의 수이다.
[수학식 3]으로부터 전력 계통과 분리되어 단독으로 운전되는 마이크로전원은 도 7과 같은 제어기를 이용하여 유효전력을 수용가(106)에게 공급할 수 있고, 도 8과 같은 제어기를 이용하여 무효전력을 수용가(106)에게 공급할 수 있다.
도 7의 제어기는 마이크로전원의 유효전력 설정치(700)와 수용가(106) 내 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위해 마이크로전원에서 현재 출력되고 있는 유효전력(701)의 차를 드룹 특성의 비례 이득블록(702)과 곱하여 주파수 변동분(703)을 결정하고, 주파수 변동분(703)은 정격 주파수(704)에 더해져서 마이크로전원의 출력 전압의 주파수(705)를 결정하고, 마이크로 전원의 출력 전압의 주파수(705)는 적분기(706)에 의해 적분되어 마이크로전원의 출력 전압의 위상(707)을 결정한다.
도 8의 제어기는 마이크로전원의 무효전력 설정치(800)와 수용가(106) 내 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위해 수반되는 무효전력을 공급하기 위해 마이크로전원에서 현재 출력되고 있는 무효전력(801)의 차를 드룹 특성의 비례 이득블록(802)과 곱하여 전압의 크기 변동분(803)을 결정하고, 전압의 크기 변동분(803)과 정격 전압의 크기(804)를 더하여 마이크로전원의 출력 전압의 크기(805)를 결정한다.
다음에 계통연계 운전 및 단독 운전이 가능한 종래의 마이크로전원의 제어방법을 설명한다.
전력 계통 전체에서 정상상태 주파수가 동일하게 나타나는 주파수 특성과 도 5에서 나타낸 각 드룹 특성 곡선(500, 501)은 마이크로전원이 계통에 연계되어 운전될 때, 전력 계통의 주파수인 정격 주파수(502)에서 각 마이크로전원의 유효전력 설정치인 Pi *(503,504)의 유효전력을 출력할 수 있게 해준다.
이러한 주파수 특성으로부터, 마이크로전원이 전력계통에 연계되어 운전되는 계통연계 운전과 전력계통과 분리되어 운전되는 단독 운전이 둘 다 가능하기 위해서, 마이크로전원의 유효전력 제어기로 도 7의 제어기가 요구된다. 즉, 도 7의 제어기는 마이크로전원이 계통에 연계되어 운전될 때, Pi *(503,504)의 유효전력을 출력할 수 있게 해주기 때문에, 계통연계 운전 및 단독 운전을 하는 마이크로전원은 도 7의 제어기만으로 계통에 연계되어 유효전력을 원하는 값으로 제어할 수 있고, 계통과 분리된 단독 운전에서 수용가(106)에서 요구하는 정격 주파수를 제공하면서 요구되는 유효전력을 공급할 수 있다.
도 5와 같은 주파수 특성과 다르게, 전력 계통 전체에서 정상상태 전압이 동일하게 나타나지 않는 전압 특성(local characteristics) 때문에 마이크로전원이 계통에 연계되어 운전될 때, 마이크로전원의 단자 전압은 정격 전압이 되지 못하여, 정격 전압(600)에서 무효전력 설정치인 Qi *(601)의 무효전력을 마이크로전원이 출력할 수 없다.
이러한 전압 특성 때문에, 마이크로전원이 전력계통에 연계되어 운전되는 계통연계 운전과 전력계통과 분리되어 운전되는 단독 운전이 둘 다 가능하기 위해서, 계통연계 운전에서 무효전력을 제어하는 도 4의 제어기가 요구되고, 단독 운전에서 전압의 기준을 제공하는 도 8의 제어기 둘 다가 요구된다.
계통연계 운전 및 단독 운전을 하는 마이크로전원은 도 4의 제어기와 도 8의 제어기가 조합된 도 9의 제어기를 이용하여, 계통에 연계되어 무효전력을 원하는 값으로 제어할 수 있고, 계통과 분리된 단독 운전에서 수용가(106)에서 요구하는 정격 전압을 제공할 수 있다.
도 9의 선택스위치(900)가 필요한 제어기로 적절히 선택 및 전환하기 위해서 마이크로전원이 계통에 연계되어 운전되는지 단독으로 운전되는지가 확인되어야 한다.
다음에 단독으로 운전되는 마이크로전원이 상위 전력계통(107)과 재접속하기 위한 종래의 제어방법을 설명한다.
마이크로전원에 의해 상위 전력계통(107)과 분리되어 단독으로 운전되는 수용가(106)가 상위 전력계통(107)과 재접속하기 위해서, 수용가(106)의 독립된 전압 위상 및 크기를 상위 전력계통(107)의 독립된 전압 위상 및 크기와 동기화 시킬 수 있는 적절한 재동기화 제어가 요구된다.
만약, 재동기화 제어 없이 상위 전력계통(107)과 수용가(106)를 재접속하면, 이들 사이에서 과도적으로 순환 전류가 상당히 발생하는 과도현상이 나타날 수 있다. 이러한 과도현상은 여러 보호장치들을 활성화시키거나, 여러 장치들에게 스트레스를 가져올 수 있다.
위에서 설명된 것과 같이 마이크로전원이 상위 전력계통(107)과 분리되어 단독으로 운전되는 경우, 도 7과 도 9의 드룹 특성 때문에 단독으로 운전되는 수용가(106)는 드룹 특성에 의해 상위 전력계통(107)의 주파수 및 전압보다 낮거나 높은 주파수 및 전압으로 운전된다.
도 7의 제어기를 이용하여 단독으로 운전되는 수용가(106)가 상위 전력계통(107)의 주파수보다 낮은 주파수로 운전되는 경우, 상위 전력계통(107)과의 주파수 편차에 의해 상위 전력계통(107)과 수용가(106)를 연결하는 스위치 양단 전압의 위상차는 0-360° 사이에서 변하면서 연결용스위치(108) 양단 전압이 순간 같아지는 시점을 만나게 된다. 따라서, 연결용스위치(108)의 양단 전압 차가 최소로 되는 시점에 연결용스위치(108)를 폐로하는 방법으로 두 개의 독립된 전압의 노드를 연결할 수 있다.
그러나, 이러한 방법에서는 연결용스위치(108)의 투입시점에서 전압의 위상은 일치하지만, 전압의 크기가 불일치되어 전압크기 차에 의한 과도현상이 발생될 수 있다.
또 다른 방법으로, 연결용스위치(108) 양단 전압의 위상 및 크기 정보를 측정할 수 있는 마이크로전원이 해당 수용가(106)내에 존재한다면, 해당 마이크로전원은 도 10과 도 11의 제어기를 이용하여 해당 수용가(106)의 전압을 상위 전력계통(107)의 전압으로 동기화할 수 있다.
그러나, 이러한 방법에서는 연결용스위치(108)의 제어기와 빠른 통신이 가능한 마이크로전원이 요구된다. 빠른 통신의 낮은 신뢰도는 상기 동기화 기능의 성능을 보장하지 못한다.
도 10의 제어기는 해당 수용가(106)의 전압위상(1000)과 상위 전력계통(107)의 전압위상(1001)으로부터 연결용스위치(108) 양단 전압의 위상 차(1002)를 계산하고, 위상 차(1002)를 제어블록(1003)으로 입력하여 제어블록의 출력(1004)을 도 7에서 동기화를 위한 주파수 변동분(708)으로 입력하여 동기화를 수행한다.
도 10의 전압 위상 동기화 제어기와 유사한 도 11의 제어기는 연결용스위치(108) 양단의 전압크기를 동기화 시킬 수 있다.
도 11의 제어기는 해당 수용가(106)의 전압크기(1100)와 상위 전력계통(107)의 전압크기(1101)로부터 연결용스위치(108) 양단 전압의 크기 차(1102)를 계산하고, 크기 차(1102)를 제어블록(1103)으로 입력하여 제어블록의 출력(1104)을 도 8에서 동기화를 위한 전압 변동분(902)으로 입력하여 동기화를 수행한다.
마이크로그리드의 구현에서 요구되는 조건 중 첫 번째로, 마이크로그리드 내 마이크로전원은 마이크로그리드가 단독 운전으로 전환시 즉시 단독 운전에 대응할 수 있어야 한다. 즉, 마이크로그리드 내에 존재하여 마이크로그리드를 구성하는 마이크로전원들(100, 101)은 마이크로그리드의 운전모드를 즉시 판단할 수 있어야 한다. 종래 마이크로그리드의 단독 운전 전환은 상위 전력계통(107)과 마이크로그리드 사이에 위치한 연결용스위치(108)가 상위 전력계통(107)의 전압품질을 감시하는 것에 의해 결정되고 있다. 따라서, 상기 연결용스위치(108)와 마이크로전원 사이에 빠른 통신이 요구된다. 그러나, 빠른 통신은 신뢰도 문제에 따라 마이크로그리드(1201)의 바람직한 구현을 보장할 수 없다. 빠른 통신 없이 마이크로전원(1200)이 마이크로그리드(1201)의 운전모드를 즉시 판단할 수 없으므로, 종래의 마이크로전원은 단독운전에서 주파수 및 전압의 기준을 제공하기 위해 마이크로그리드의 운전모드에 상관없이 드룹 특성을 이용한 도 7과 도 8의 제어기를 이용하고 있다. 그러나, 도 8의 제어기를 이용하는 마이크로전원은 계통연계 운전에서 무효전력을 제어할 수 없고 드룹 특성의 전압제어를 하게 된다. 계통연계 운전에서 분산전원 등의 전압제어는 전력회사로부터 현재 규제되고 있다.
따라서, 바람직한 마이크로그리드의 구현을 위해, 마이크로전원들(100, 101)은 상기 연결용스위치(108)와 빠른 통신 없이 마이크로그리드의 운전모드를 즉시 판단하여 계통연계 운전에서 유효 및 무효전력을 제어하고 단독운전에서 정격의 기준 주파수 및 전압을 제공하는 것이 본 발명의 첫 번째 해결하고자 하는 과제이다.
마이크로그리드의 구현에서 요구되는 조건 중 두 번째로, 마이크로그리드가 단독 운전 중 상위 전력계통(107)이 정상상태로 회복되면 마이크로그리드는 적절한 동기화 방법을 이용하여 상위 전력계통(107)과 재접속되어야 한다. 그러나, 대부분의 종래의 마이크로전원은 연결용스위치(108)와 지리적으로 멀리 위치되어, 빠른 통신 없이 상위 전력계통의 전압을 측정할 수가 없어서 마이크로그리드의 전압을 상위 전력계통의 전압과 동기화 시키기가 어렵다. 즉, 마이크로그리드의 전압을 상위 전력계통(107)의 전압과 동기화시키기 위해서 또한 빠른 통신이 요구되며, 빠른 통신의 신뢰도 문제에 의해 마이크로그리드의 바람직한 구현을 보장할 수 없다.
따라서, 바람직한 마이크로그리드의 구현을 위해, 마이크로전원들(100, 101)은 상기 연결용스위치(108)와 빠른 통신 없이 마이크로그리드의 전압을 상위 전력계통의 전압과 동기화 시키고 동기화가 완료된 후 마이크로그리드를 상위 전력계통(107)과 부드럽게 재접속하는 것이 본 발명의 두 번째 해결하고자 하는 과제이다.
도 1에서 부하#1(102)에 마이크로전원#3가 존재하고, 마이크로전원#3에 의해 또 다른 마이크로그리드가 구성된다면, 이 마이크로그리드가 하위 계층의 마이크로그리드가 되어 도 1의 마이크로그리드는 계층적인 구성으로 운전 가능하다. 이와 같은 경우, 상위 마이크로그리드가 상위 전력계통에 분리되어 단독으로 운전되지만, 하위 마이크로그리드는 상위 마이크로그리드에 연계되어 운전하게 되므로, 하위 마이크로그리드 내의 마이크로전원들은 전압 품질 향상을 위해 전압 제어가 필요 할 수 있다.
이와 같이 계층적인 마이크로그리드가 구성되는 경우, 하위 마이크로그리드가 계통에 연계되어 운전될 때에도 유효 및 무효전력 제어와 정격의 기준 주파수 및 전압 제어의 두 제어 모드를 부드럽게 전환하는 것이 본 발명의 마지막 해결하고자 하는 과제이다.
따라서, 상기 해결하고자 하는 과제에 따른 본 발명의 목적은, 1) 마이크로그리드 기술이 전력계통에서 구현되기 위해 중요한 역할을 하는 마이크로전원의 구성 및 제어구조를 제시하고, 2) 상기 마이크로전원의 구성에서 전력 품질을 향상시킬 수 있는 상기 마이크로전원의 유효 전력의 제어 방법 및 3) 무효전력 제어방법을 제시하는 것에 목적이 있다.
그리고, 4) 마이크로그리드와 상위 전력계통으로의 부드러운 재접속을 가능하게 하는 상기 마이크로전원의 제어방법을 제시하고, 5) 상기 마이크로전원이 계통연계 운전에 있을 때, 상기 마이크로전원의 제어모드를 부드럽게 전환할 수 있는 제어방법을 제시하는 것에 목적이 있다.
본 발명에 따른 마이크로전원(1200)이 연결용스위치(1212)와 통신 없이도 마이크로그리드(1201)의 운전모드를 즉시 판단하여 마이크로전원이 마이크로그리드의 각 운전모드에 따른 제어모드를 제공하기 위해서, 상기 연결용스위치(1212)를 마이크로전원(1200)과 일체화하고, 도 9의 제어기를 개량하여 마이크로그리드의 운전모드에 따른 제어방법을 이용한다. 본 발명에 따른 마이크로전원에 일체화 된 상기 연결용스위치(1212)는 마이크로전원 제어장치에 의해 통신 없이 제어된다.
본 발명에 따른 마이크로전원(1200)은 연결용스위치(1212)를 포함하므로 빠른 통신이 요구되지 않아서, 마이크로그리드(1201)의 전압을 상위 전력계통의 전압과 동기화 시키는 것이 가능하고, 마이크로전원의 제어장치가 직접 연결용스위치(1212)를 제어하므로 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 부드러운 재접속이 가능하다. 또한, 본 발명의 마이크로전원(1200)의 제어방법에 따른 개량한 도 9의 제어기에서는 재접속 후 활성화되는 제어 블록의 출력에 비활성화되는 제어 블록의 출력을 피드포워드(feedforward)함으로써, 마이크로전원의 출력 전압 지령치를 재접속 시점에서 연속이 되게 하여, 더 빠른 정상상태 도달 시간을 가능하게 함으로써 마이크로그리드의 부드러운 재접속에 기여한다.
본 발명의 마이크로전원(1200)의 제어방법에 따른 개량한 도 9의 제어기는 계층적인 마이크로그리드에서 하위 마이크로그리드가 계통에 연계되어 운전될 때에도 유효 및 무효전력 제어와 정격의 기준 주파수 및 전압 제어의 두 제어 모드를 부드럽게 전환할 수 있게 해준다.
더욱 상세하게, 본 발명의 일면에 따른 마이크로전원은, 상위 전력 계통과 연결되는 모선3(1205)과 하위 계통에 연결되는 모선2(1206) 사이에 결합된 제1 연결용 스위치(1212); 내부의 모선1(1210)과 상기 모선2(1206) 사이에 결합된 제2 연결용 스위치(1211); DC 전력원으로부터의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 인버터; 및 상기 모선1, 모선2 및 모선3의 전압을 측정하고, 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전류를 측정하여, 계통 연계 운전과 단독 운전을 위한 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 개폐를 제어하는 신호 및 상기 인버터의 출력 전압을 제어하는 신호를 생성하는 마이크로전원 제어장치를 포함한다.
상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 제1 연결용 스위치(1212) 및 상기 제2 연결용 스위치(1211)와 통신 없이 직접 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)를 제어할 수 있다.
상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 인버터의 출력 전압의 위상을 제어하기 위한 출력전압위상 지령치를 생성하는 유효 전력 제어기; 및 상기 인버터의 출력 전압의 크기를 제어하기 위한 출력전압크기 지령치를 생성하는 무효 전력 제어기를 포함한다.
상기 유효 전력 제어기는, 유효전력 설정치(P*)와 상기 모선1을 통해 현재 출력되고 있는 유효전력 P(t)의 차이(ep)를 계산하는 제1 감산기(1310); 상기 차이(ep)를 유효전력과 주파수간의 드룹 특성의 비례 이득인 kp와 곱하여 주파수 변동분(Δω)을 결정하는 비례 이득블록; 정격 주파수(ωo)에서 상기 주파수 변동분(Δω)을 감산하여 상기 현재 출력의 전압의 주파수(ωo - Δω)를 결정하는 제2 감산기(1350); 상기 출력 전압의 주파수(ωo - Δω)를 적분하는 적분기; 및 상기 적분기에서 적분된 값과 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)을 합산하여 상기 출력전압위상 지령치를 결정하는 합산기를 포함한다.
상기 무효 전력 제어기는, 무효전력 설정치(1400)와 상기 모선1을 통해 현재 출력되고 있는 무효전력(1401)의 차이(eQ)를 계산하는 제1 감산기(1402); 상기 차이(eQ)로부터 무효전력을 추종제어하기 위한 제1경로 또는 드룹 특성을 이용한 전압 제어를 위한 제2경로로 선택적으로 상기 차이(eQ)를 출력하기 위한 선택 스위치(1403); 상기 제1경로에서 상기 차이(eQ)로부터 무효전력을 추종제어하기 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)을 생성하는 무효전력 추종제어블록; 상기 제2 경로에서 상기 차이(eQ)와 무효전력과 전압 간의 드룹 특성의 비례 이득인 kQ를 곱한 값을, 드룹 특성을 이용한 전압제어를 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 생성하는 비례 이득블록; 상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플링하여 샘플링된 값을 출력하는 샘플 및 유지(S&H) 블록(1417); 상기 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)으로부터 상기 샘플링된 값을 감산하는 제2 감산기(1406); 상기 제2 감산기(1406)의 출력, 정격 전압의 크기(V0)(1407) 및 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)을 합산하는 합산기(1408); 상기 합산기(1408)의 출력에서 상기 현재 출력의 전압크기(V1(t))(1409)의 차인 전압크기 오차(ev)(1410)를 출력하는 제3 감산기(1410); 및 상기 출력전압크기 지령치(V*)(1412)를 결정하는 전압크기 추종제어블록(1411)을 포함한다.
상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)을 결정하기 위한 전압 위상 동기화 제어기를 더 포함하고, 상기 전압 위상 동기화 제어기는, 상기 모선1의 전압위상을 상기 모선2의 전압위상과 동기화시키기 위한 제1 전압위상 동기화 제어기; 상기 모선2의 전압위상을 상기 모선3의 전압위상과 동기화시키기 위한 제2 전압위상 동기화 제어기; 및 상기 제1 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 합산한 값을 상기 전압위상 변동분(Δδ)(1301)으로 출력하는 합산기(1515)를 포함한다.
상기 제1 전압위상 동기화 제어기는, 상기 모선2의 전압위상과 상기 모선1의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ21)를 계산하는 제1 감산기(1505); 상기 전압위상 오차(δ21)와 동기화 이득(kδ CS)을 곱하는 제1 동기화이득블록(1506); 및 상기 제1 동기화이득블록의 출력을 적분하여 상기 제2 연결용 스위치의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)을 출력하는 제1 적분기(1507)를 포함하고, 상기 제2 전압위상 동기화 제어기는, 상기 모선3의 전압위상과 상기 모선2의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ32)를 계산하는 제2 감산기(1510); 상기 전압위상 오차(δ32)와 동기화 이득(kδ IS)을 곱하는 제2 동기화이득블록(1511); 및 상기 제2 동기화이득블록의 출력을 적분하여 상기 제1 연결용 스위치의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 출력하는 제2 적분기(1512)를 포함한다.
하드리미터에 의해 상기 제1 동기화이득블록 또는 상기 제2 동기화이득블록의 출력인 주파수 변동분을 소정 임계 범위(Δωmin~Δωmax)로 제한하여, 마이크로전원의 출력 전압의 주파수를 정격 주파수 부근으로 유지할 수 있다.
상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)을 결정하기 위한 전압 크기 동기화 제어기를 더 포함하고, 상기 전압 크기 동기화 제어기는, 상기 모선1의 전압크기를 상기 모선2의 전압크기와 동기화시키기 위한 제1 전압크기 동기화 제어기; 상기 모선2의 전압크기를 상기 모선3의 전압크기와 동기화시키기 위한 제2 전압크기 동기화 제어기; 및 상기 제1 전압크기 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 합산한 값을 상기 전압크기 변동분(ΔV)(1414)으로 출력하는 합산기(1611)를 포함한다.
상기 제1 전압크기 동기화 제어기는, 상기 모선2의 전압크기와 상기 모선1의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V21)를 계산하는 제1 감산기(1605); 및 상기 전압크기 오차(V21)로부터 상기 제2 연결용 스위치의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)을 결정하는 제1 적분제어기(1606)를 포함하고, 상기 제2 전압크기 동기화 제어기는, 상기 모선3의 전압크기와 상기 모선2의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V32)를 계산하는 제2 감산기(1608); 및 상기 전압크기 오차(V32)로부터 상기 제1 연결용 스위치의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 결정하는 제2 적분제어기(1609)를 포함한다.
하드리미터에 의해 상기 합산기의 출력의 전압변동분을 소정 임계 범위(ΔVmin~ΔVmax)로 제한하여, 마이크로전원의 출력 전압의 크기를 정격 부근으로 유지할 수 있다.
상기 제1 연결용 스위치(1212)가 폐로될 때, 상기 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속이 되는 것을 방지하여 상기 제1 연결용 스위치(1212)에 흐르는 과도 전류를 방지하기 위하여, 상기 무효 전력 제어기는, 상기 샘플 및 유지 블록(1417)을 이용해, 단독 운전 제어 모드에서 계통연계 운전 모드로 전환하기 전에, 상기 단독 운전 중에 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 소정 샘플링 스텝마다 기억하고, 상기 계통연계 운전 모드로 전환하여 상기 무효전력 제어기가 무효전력 추종제어 모드로 전환한 후, 상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)의 샘플링 값을 상기 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 피드포워드할 수 있다.
단독 운전과 계통 연계 운전을 수행하는 마이크로전원의 출력 전압의 크기를 제어하기 위한 출력전압크기 지령치를 생성하는 무효 전력 제어방법은 무효전력 추종 제어와 드룹 특성을 이용한 전압제어의 각 제어 경로를 선택하는 선택 스위치(1403)가 드룹 특성을 이용한 전압제어 모드 경로에서 무효전력 추종 제어 모드 경로로 전환할 때, 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속이 되는 것을 방지함으로써, 상기 무효전력 추종 제어가 빠르게 추종되어 마이크로전원의 제어모드가 부드럽게 전환되기 위해서, 샘플 및 유지 블록(1417)을 이용해, 상기 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 소정 샘플링 스텝마다 기억하는 단계; 및 상기 드룹 특성을 이용한 전압제어 모드에서 상기 무효전력 추종제어 모드로 전환한 후, 상기 무효전력 추종제어 모드에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)의 샘플링 값을 피드포워드하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 마이크로그리드를 위한 마이크로전원에 따르면, 마이크로그리드 기술이 전력계통에서 구현되기 위해 중요한 역할을 하는 마이크로전원이 상위 전력 계통에서의 사고 등에 의한 짧은 시간의 순간전압 강하, 긴 시간의 정전, 전력 품질 저하에 따른 마이크로그리드의 단독 운전 전환 시점을 정확히 판단할 수 있다. 마이크로전원의 단독 운전 전환 시점 판단은 마이크로그리드의 각 운전 모드에 따른 마이크로전원의 제어 모드를 가질 수 있게 하여 마이크로전원은 계통연계 운전에서 유효 및 무효전력을 제어하고, 단독 운전에서 정격의 기준 주파수 및 전압을 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로그리드를 위한 마이크로전원 및 그 제어방법에 따르면, 마이크로전원의 정밀한 제어기 파라미터 튜닝을 하지 않더라도 마이크로그리드와 상위 전력계통으로의 부드러운 재접속을 가능하게 한다. 또한, 이러한 제어 방법은 무효전력의 제어와 드룹 특성의 전압제어 사이 전환을 원활하게 할 수 있어서, 계통연계 운전에서도 필요시 드룹 특성의 전압제어를 가능하게 해준다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 종래 마이크로그리드에 관한 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 두 개의 전압원 사이에서 흐르는 유효 및 무효전력을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 종래 마이크로전원의 유효전력 제어기에 관한 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 종래 마이크로전원의 무효전력 제어기에 관한 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수와 유효전력의 드룹(droop) 특성을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전압과 무효전력의 드룹(droop) 특성을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주파수와 유효전력의 드룹(droop) 특성에 의한 종래 마이크로전원의 유효전력 제어기에 관한 구성도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전압과 무효전력의 드룹(droop) 특성에 의한 종래 마이크로전원의 무효전력 제어기에 관한 구성도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단독 운전과 계통연계 운전이 가능한 종래 마이크로전원의 무효전력 제어기에 관한 구성도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 종래 마이크로전원의 전압위상 동기화 제어기에 관한 구성도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 종래 마이크로전원의 전압크기 동기화 제어기에 관한 구성도.
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원의 구성 및 제어구조와 상기 마이크로전원에 의해 구현된 마이크로그리드에 관한 구성도.
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원들로 구성된 계층적인 마이크로그리드에 관한 구성도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원의 유효전력 제어기에 관한 구성도.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원의 무효전력 제어기에 관한 구성도.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원의 전압위상 동기화 제어기에 관한 구성도.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원의 전압크기 동기화 제어기에 관한 구성도.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원(1200)에 의해 구현된 마이크로그리드(1201)의 구성을 나타낸다.
도 12a를 참조하면, 발명의 일실시예에 따른 마이크로그리드(1201)는 마이크로전원(1200)과 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)를 포함한다. 마이크로전원(1200)은, 변압기(1203)를 통해 상위 전력계통(1204)과 연결된 모선3(1205), 제 1연결용스위치(IS:Interface Switch)(1212)와 제 1 연결용스위치(1212)를 통해 모선3(1205)과 연결되는 모선2(1206), 제 2 연결용스위치(CS:Connection Switch)(1211)와 제 2 연결용스위치(1211)를 통해 모선2(1206)와 연결되는 모선1(1210), 이외에 DC 전력원(1207), 인버터(1208), 마이크로그리드 통합제어장치(1213), 및 마이크로전원 제어장치(1214)를 포함한다. 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)은 마이크로그리드 운전이 구현되는 수용가의 부하들로 구성될 수 있고, 필요시 여러 가지 형태의 마이크로전원들도 구성될 수도 있다. 해당 수용가는 모선2(1206)를 통하여 마이크로전원(1200)과 상위 전력계통(1204)으로부터 필요한 전력을 공급받거나 남는 전력은 반대로 마이크로전원(1200)과 상위 전력계통(1204)으로 전송할 수 있다. 변압기(1203)는 상위 전력계통(1204) 및 수용가의 전압크기 여부에 따라 포함되지 않을 수도 있다.
도 12a와 같이, 마이크로그리드 통합제어장치(1213)는 상위 전력계통(1204) 및 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)과 양방향 통신하여 마이크로그리드 운전에 필요한 제어 신호들을 주고 받을 수 있으며, 마이크로전원(1200)과 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)에 대한 통합적인 제어를 수행할 수 있다. 또한, 마이크로전원 제어장치(1214)는 각 모선(1210, 1211, 1212)의 전압들(V1,V2,V3)과 각 연결용스위치(1211, 1212)에 흐르는 전류들(IM,IU)을 측정하여, 각 연결용스위치(1211, 1212)의 개폐를 제어하기 위한 신호들(S* IS,S* CS)을 생성하고, 인버터(1208)의 출력전압을 제어하기 위한 지령치(V*)(1216)(출력전압위상 지령치 포함)를 생성할 수 있다.
마이크로전원(1200)의 DC 전력원(power source)(1207)은 태양광, 수소/연료전지, 수소·연료전지, 바이오에너지(바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스, BtL), 해양에너지(조력발전, 조류발전, 파력발전, 해수온도차 이용), 풍력, 지열, 수력, 폐기물 등 다양한 발전 기술을 이용한 발전 시스템으로부터 공급되는 DC(Direct Current) 전력원(power source)일 수 있으며, 이는 빠른 응답을 보장하는 에너지 저장장치를 포함할 수 있으며, 필요하다면 DC 전압을 변압시켜주는 DC-DC 컨버터 등이나 여러 가지 형태의 전력 변환을 위한 전기 제어 장치나 전력원들이 포함될 수도 있다.
마이크로전원(1200)의 인버터(1208)는 DC 전력원(1207)으로부터의 DC 전압을 수용가에 필요한 소정 크기 및 위상의 AC 전압으로 변환한다. 이때 인버터(1208)는 마이크로전원 제어장치(1214)로부터의 출력전압 지령치(V*)(1216)(출력전압위상 지령치 포함)에 따라 해당 전압 크기와 위상이 추종된 AC 전압을 출력할 수 있다. 인버터(1208)에서는 고조파 성분을 제거하기 위한 필터 또는 변압기 등이 포함될 수 있다.
마이크로전원 제어장치(1214)는 각 모선(1210, 1211, 1212)의 전압들(V1,V2,V3)만을 측정하고, 각 연결용스위치(1211, 1212)에 흐르는 전류들(IM,IU)만을 측정하여 마이크로그리드 운전에 대한 전력제어를 수행할 수 있다. 마이크로전원 제어장치(1214)는 통신 없이 직접 측정한 각 전압 및 전류 신호(V1,V2,V3,IM,IU)(1215)를 이용하여 인버터(1208)의 출력전압을 제어하기 위한 지령치(V*)(1216)(출력전압위상 지령치 포함)를 결정할 수 있으며, 측정된 각 전압 신호(V1,V2,V3)로부터 동기화 여부를 확인하여 각 연결용 스위치인 CS(1211)와 IS(1212)의 개로 및 폐로 여부를 결정하여 CS(1211)와 IS(1212)의 각 스위칭 신호(S* CS,S* IS)(1217, 1218)를 결정할 수 있다.
마이크로전원(1200)의 마이크로그리드 통합제어장치(1213)는 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)에 있는 또 다른 마이크로전원 및 부하들과 양방향 통신(1219)하여 이들을 제어하거나 감시할 수 있다. 또한, 마이크로그리드 통합제어장치(1213)는 마이크로전원 제어장치(1214)보다 상위 제어를 수행하고 마이크로전원 제어장치(1214)의 전력과 전압의 지령치와 설정치 등을 변경할 수 있다. 또한, 마이크로그리드 통합제어장치(1213)는 마이크로전원(1200) 및 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)의 최적운전을 위해 상위 전력계통(1204)의 특정 제어장치와 양방향 통신(1220)을 할 수 있다.
이와 같은 마이크로전원(1200)은 상위 전력계통(1204)에서의 사고 등에 의한 짧은 시간의 순간전압 강하, 긴 시간의 정전, 전력 품질 저하에 따른 단독 운전 전환 시점을 정확히 판단하여 단독 운전으로 전환할 때 발생되는 과도현상을 바람직하게 최소화할 수 있고, 운전모드에 따라 다른 제어모드를 가질 수 있다. 즉, 마이크로전원(1200)은 바람직하게 계통연계 운전에서 무효전력을 제어할 수 있고, 단독 운전에서 주파수 및 전압의 기준을 제공하기 위해 드룹 특성의 전압제어를 수행할 수 있다.
또한, 마이크로전원(1200)은 상위 전력계통(1204)의 전압의 위상 및 크기를 빠른 통신 없이 직접 측정(예를 들어, V1,V2,V3,IM,IU의 측정)할 수 있으므로 마이크로그리드의 전압(V2)을 상위 전력계통(1204)의 전압(V3)과 바람직하게 동기화 시킬 수 있고, 상위 전력계통(1204)과 재접속하는 단계에서도 과도현상을 최소화시킬 수 있다.
또한, 마이크로전원(1200)은 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)이 연결되는 위치에 존재하므로 두 개의 전력망(1201, 1204)을 연결하는 역할(grid-interfacing 또는 gateway)을 하게 된다. 또한, 마이크로전원(1200)은 종래 전력계통에 삽입되어, 마이크로전원(1200)을 기준으로 상위 전력계통과 하위 전력계통을 구분시키고, 하위 전력계통은 마이크로전원(1200)에 의해 마이크로그리드(1201)와 같이 높은 신뢰도 및 전력 품질과 다양한 서비스의 전력을 제공받을 수 있다. 이러한 개념을 이용하면, 마이크로전원(1200)으로 구현된 마이크로그리드(1201) 내에 또 다른 마이크로전원(1200)이 존재할 수 있고, 또 다른 마이크로전원(1200)을 이용해 마이크로그리드(1201) 내에 또 다른 마이크로그리드를 구현할 수 있다. 즉, 마이크로전원(1200)을 이용한 계층적인 마이크로그리드가 구현될 수 있다.
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따라 일반적인 전력계통에 본 발명에 따른 마이크로전원(1200)이 삽입되어 계층적인 마이크로그리드(1238/1240/1242)가 구현된 전력계통의 구조를 보여준다.
도 12b에서, 다수의 마이크로전원 및 다수의 부하들로 구성될 수 있는 수용가#1-4(1230, 1231, 1232, 1233)는 전력계통에 존재하는 다수의 선로, 발전기, 변압기 등이 표현된 등가 전원(1234)으로부터 전력을 공급받거나 남는 전력은 등가 전원(1234)으로 공급할 수 있다.
도 12b에서, 마이크로전원A(1235), 마이크로전원B1(1239), 마이크로전원B2(1241)는 도 12a의 마이크로전원(1200)과 유사한 구조일 수 있다. 도 12a는, 마이크로전원A(1235)는 모선1(1236)과 모선2(1237) 사이에 삽입되어 수용가#2-4(1231, 1232, 1233)를 위한 상위 계층의 마이크로그리드A(1238)의 구성이 되도록 구현하고, 마이크로전원B1(1239)은 모선2(1237)와 수용가#3(1232) 사이에 삽입되어 수용가#3(1232)를 위한 하위 계층의 첫 번째 마이크로그리드B1(1240)의 구성이 되도록 구현하고, 마이크로전원B2(1241)는 모선2(1237)와 수용가#4(1232) 사이에 삽입되어 수용가#4(1232)를 위한 하위 계층의 두 번째 마이크로그리드B2(1242)의 구성이 되도록 구현한 예이다. 여기서 마이크로전원들(1235, 1239, 1241)은 수용가들에게 마이크로그리드의 서비스, 즉 높은 품질의 전력 및 다양한 서비스의 전력을 제공할 수 있게 된다. 그러나, 도 12b에서 수용가#1(1230)은 마이크로전원A(1235)의 외부에 위치됨에 따라 마이크로그리드A(1235)에 포함되지 않아서 마이크로그리드의 다양한 서비스를 제공받지 못한다.
도 12a의 마이크로전원(1200)의 구성 및 제어구조는 마이크로그리드에 국한된 기술은 아니다. 즉, 마이크로전원(1200)은 마이크로그리드뿐만 아니라 마이크로그리드와 유사하게 부하에 가까이 위치한 전원장치로서 계통연계 및 단독으로 운전이 가능하고 높은 품질의 전력 및 다양한 서비스의 전력을 부하에 공급하는 전원장치로 이용될 수도 있다.
다음에는 마이크로전원(1200)의 구성에서 전력 품질을 향상시킬 수 있는 상기 마이크로전원(1200)의 유효 및 무효전력 제어방법을 제시한다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원(1200)의 마이크로전원 제어장치(1214)에 구비되는 유효전력 제어기를 나타낸다.
도 13에서, 본 발명의 일실시예에 따른 유효전력 제어기는, 제1 감산기(1310), 비례 이득블록(1320), 제2 감산기(1330), 적분기(1340) 및 합산기(1350)를 포함한다. 여기서는 도 7의 제어기에서 동기화를 위한 주파수 변동분(708)대신, 동기화를 위한 전압위상 변동분(Δδ)(1301)이 추가되어, 출력전압위상 지령치(1300)를 결정한다.
제1 감산기(1310)를 이용해 유효전력 설정치(P*)와 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위해 모선1(1210)을 통해 현재 출력되고 있는 유효전력 P(t)의 차이(ep)를 구하고, 비례 이득블록(1320)을 이용해 이 오차(ep)를 유효전력과 주파수간의 드룹 특성의 비례 이득인 kp와 곱하여 주파수 변동분(Δω)을 결정하고, 제2 감산기(1330)를 이용해 정격 주파수(ωo)에서 주파수 변동분(Δω)을 뺌으로써 마이크로전원의 출력 전압의 주파수(ωo - Δω)가 결정될 수 있다. 마이크로 전원의 출력 전압의 주파수(ωo - Δω)는 적분기(1340)에 의해 적분된 후, 이 적분값은 합산기(1350)에서 동기화를 위한 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)과 더해져 마이크로전원의 출력전압위상 지령치(δ*)(1300)(도 12a에서 1216의 전압위상 성분에 해당함)가 결정될 수 있다.
도 13의 유효전력 제어기에 입력되는 동기화를 위한 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)은 도 15의 전압위상 동기화 제어기에서 결정되는 전압 위상 변동분(Δδ)이 입력되며, 전압 위상 변동분(Δδ)은 동기화 제어가 요구되는 시점에 출력될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원(1200)의 마이크로전원 제어장치(1214)에 구비되는 무효전력 제어기를 나타낸다.
도 14에서, 본 발명의 일실시예에 따른 무효전력 제어기는, 계통 연계 운전시의 무효전력 추종제어 모드와 단독 운전 시의 드룹 특성의 전압제어 모드가 결합된 형태를 가진다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무효전력 제어기는, 제1 감산기(1402), 선택스위치(selection switch)(1403), 무효전력 추종제어블록(1404), 비례 이득블록(1405), S&H(sample and hold: 샘플 및 유지) 블록(1417), 제2 감산기(1406), 합산기(1408), 제3 감산기(1410), 및 전압크기 추종제어블록(1411)을 포함한다.
제1 감산기(1402)를 이용해 마이크로전원의 무효전력 설정치(1400)와 마이크로전원에서 모선1(1210)을 통해 현재 출력되고 있는 무효전력(1401)의 차이(eQ)를 구하고, 이 무효전력 오차(eQ)는 선택스위치(1403)로 입력될 수 있다.
선택스위치(1403)는 마이크로그리드(1201)의 운전모드가 계통연계 운전이면 무효전력을 추종제어하기 위해서 무효전력 오차(eQ)를 무효전력 추종제어블록(1404)으로 입력할 수 있고, 마이크로그리드(1201)의 운전모드가 단독 운전이면 드룹 특성을 이용하여 전압을 제어하기 위해서 무효전력 오차(eQ)를 드룹 특성의 전압제어를 위한 비례 이득블록(1405)으로 입력할 수 있다.
경우에 따라서는, 선택스위치(1403)는 마이크로그리드(1201)의 운전모드가 계통연계 운전이더라도 드룹 특성을 이용한 전압제어를 위해서 무효전력 오차(eQ)를 드룹 특성의 전압제어를 위한 비례 이득블록(1405)으로 입력할 수 있고, 무효전력을 추종제어하기 위해서 무효전력 오차(eQ)를 무효전력 추종제어블록(1404)으로 입력할 수도 있다.
무효전력 추종제어블록(1404)은 무효전력 오차(eQ)로부터 무효전력을 추종제어하기 위한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)을 생성한다. 비례 이득블록(1405)은 무효전력 오차(eQ)와 무효전력과 전압 간의 드룹 특성의 비례 이득인 kQ를 곱하여 드룹 특성의 전압크기 제어를 위한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 생성하며, 샘플 및 유지 블록(1417)은 드룹 특성의 전압크기 제어를 위한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플링하여 출력한다.
이에 따라 제2 감산기(1406)는 무효전력을 추종제어하기 위한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 샘플 및 유지 블록(1417)에서 샘플링된 드룹 특성의 전압크기 제어를 위한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 감산하여 무효전력 제어기의 전압크기 변동분(ΔVQ)을 결정한다.
합산기(1408)는 제2 감산기(1406)에서 출력되는 전압 변동분(ΔVQ)을 정격 전압의 크기(V0)(1407) 및 동기화를 위한 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)과 더하여 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)를 출력한다.
또한, 제3 감산기(1410)는 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)와 모선1(1210)의 현재 전압크기(V1(t))(1409)의 차인 전압크기 오차(ev)를 출력하며, 전압크기 오차(ev)는 모선1(1210)에 대한 전압크기 추종제어블록(1411)로 입력된다.
모선1(1210)에 대한 전압크기 추종제어블록(1411)은 모선1(1210)의 전압크기를 추종제어하기 위한 출력 전압크기 지령치(V*)(1412)(도 12a에서 1216의 전압크기 성분에 해당함)를 결정한다.
도 14에서, 무효전력 추종제어블록(1404)의 초기화(reset)(1413) 기능은 선택스위치(1403)가 무효전력 추정제어블록(1404)으로부터 드룹 특성의 비례 이득블록(1405)으로 전환될 때부터, 다시 선택스위치(1403)가 무효전력 추정제어블록(1404)을 선택하기 전까지 활성화될 수 있다. 특히, 선택스위치(1403)가 무효전력 추정제어블록(1404)에서 드룹 특성의 비례 이득블록(1405)으로 전환될 때, 도 14의 제어기에서 무효전력 추종제어블록(1404)의 초기화(reset)(1413) 기능이 활성화되는 경우에, 무효전력 추정제어블록(1404)의 결과가 드룹 특성의 전압제어에 영향을 미치지 않게 되어 더 정확한 드룹 특성의 전압제어가 가능하게 될 것이다.
도 14의 무효전력 제어기에 입력되는 동기화를 위한 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)은 도 16의 전압크기 동기화 제어기에서 결정되는 전압 크기 변동분(ΔV)이 입력되며, 전압 크기 변동분(ΔV)은 동기화 제어가 요구되는 시점에 출력될 수 있다.
이하, 도 15를 참조하여, 도 13의 유효전력 제어기의 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)으로서 입력될 전압 위상 변동분(Δδ)의 결정 방법과, 도 16을 참조하여 도 14의 무효전력 제어기의 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)으로서 입력될 전압 크기 변동분(ΔV)의 결정방법에 관하여 자세히 설명한다.
마이크로전원(1200)은 전력계통의 전압을 기준으로 상대적인 전압을 출력하는 전류제어에 의한 종속된 전압제어방법(grid-following control)이 아닌, 전력계통의 전압에 상관없이 독립된 전압을 출력하는 전압제어방법(grid-forming control)을 이용하기 때문에, 제 1연결용 스위치 IS(1212)의 폐로뿐만 아니라 제 2연결용 스위치 CS(1211)를 폐로 하기 전에, 접속 시 과도현상을 바람직하게 최소화시키기 위해서 각 독립된 전압의 동기화 제어가 요구된다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원(1200)의 마이크로전원 제어장치(1214)에 구비되는 유효전력 제어기의 전압 위상 변동분(Δδ)(1301)으로서 입력될 전압 위상 변동분(Δδ)을 결정하기 위한 전압위상 동기화 제어기를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전압위상 동기화 제어기는, CS(1211)의 전압위상 동기화 제어기, IS(1212)의 전압위상 동기화 제어기, 및 합산기(1515)를 포함한다. CS(1211)의 전압위상 동기화 제어기는, 신호 입력 스위치(SW1)(1500), 감산기(1505), 동기화이득블록(1506) 및 적분기(1507)를 포함하고, 신호 입력 스위치(SW1)(1500)가 폐로된 경우, 모선1(1210)의 전압위상(1501)을 모선2(1206)의 전압위상(1502)과 동기화시킨다. IS(1212)의 전압위상 동기화 제어기는, 신호 입력 스위치(SW2)(1503), 감산기(1510), 동기화이득블록(1511) 및 적분기(1512)를 포함하고, 신호 입력 스위치(SW2)(1503)가 폐로된 경우, 모선2(1206)의 전압위상(1502)을 모선3(1205)의 전압위상(1504)과 동기화시킨다.
CS(1211)의 전압위상 동기화 제어기에서, 감산기(1505)는 모선2(1206)의 전압위상(1502)과 모선1(1210)의 전압위상(1501)의 차인 전압위상 오차(δ21)를 계산하고, 동기화이득블록(1506)은 전압위상 오차(δ21)와 동기화 이득(kδ CS)을 곱하고, 이 곱한 결과는 적분기(1507)에서 적분되어, CS(1211)의 전압위상 동기화를 위한 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)으로 결정된다. 이러한 CS(1211)의 전압위상 동기화 제어기에서, 마이크로전원(1200)이 출력하는 전압의 주파수가 정격 부근으로 유지될 수 있도록, 동기화이득블록(1506)의 출력은 마이크로전원(1200)이 동기화 제어 중 하드리미터(hard limiter)(1509)에 의해 주파수가 소정 임계 범위(Δωmin~Δωmax)에서 제한될 수 있다.
IS(1212)의 전압위상 동기화 제어기에서, 감산기(1510)는 모선3(1205)의 전압위상(1504)과 모선2(1206)의 전압위상(1502)의 차인 전압위상 오차(δ32)를 계산하고, 동기화이득블록(1511)은 전압위상 오차(δ32)와 동기화 이득(kδ IS)을 곱하고, 이 곱한 결과는 적분기(1512)에서 적분되어, IS(1212)의 전압위상 동기화를 위한 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)으로 결정된다. 이러한 IS(1212)의 전압위상 동기화 제어기에서, 마이크로전원(1200)이 출력하는 전압의 주파수가 정격 부근으로 유지될 수 있도록, 동기화이득블록(1511)의 출력은 마이크로전원(1200)이 동기화 제어 중 하드리미터(hard limiter)(1514)에 의해 주파수가 소정 임계 범위(Δωmin~Δωmax)에서 제한될 수 있다.
이에 따라, 합산기(1515)는 CS(1211)의 전압위상 동기화 제어기의 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)과 IS(1212)의 전압위상 동기화 제어기의 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 더하여, 마이크로전원(1200)의 동기화 제어기의 전압위상 변동분(Δδ)을 결정한다. 이 전압위상 변동분(Δδ)은 도 13의 전압위상 변동분(Δδ)(1301)으로 입력될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 마이크로전원(1200)의 마이크로전원 제어장치(1214)에 구비되는 무효전력 제어기의 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)으로서 입력될 전압 크기 변동분(ΔV)을 결정하기 위한 전압크기 동기화 제어기를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전압크기 동기화 제어기는, CS(1211)의 전압크기 동기화 제어기, IS(1212)의 전압크기 동기화 제어기, 합산기(1611), 및 하드리미터(1612)를 포함한다. CS(1211)의 전압크기 동기화 제어기는, 신호 입력 스위치(SW1)(1600), 감산기(1605), 및 적분제어기(1606)를 포함하고, 신호 입력 스위치(SW1)(1600)가 폐로된 경우, 모선1(1210)의 전압크기(1601)를 모선2(1206)의 전압크기(1602)와 동기화시킨다. IS(1212)의 전압크기 동기화 제어기는, 신호 입력 스위치(SW2)(1603), 감산기(1608), 및 적분제어기(1609)를 포함하고, 신호 입력 스위치(SW2)(1603)가 폐로된 경우, 모선2(1206)의 전압크기(1502)를 모선3(1205)의 전압크기(1504)와 동기화시킨다.
CS(1211)의 전압크기 동기화 제어기에서, 감산기(1605)는 모선2(1206)의 전압크기(1602)와 모선1(1210)의 전압크기(1601)의 차인 전압크기 오차(V21)를 계산하고, 적분제어기(1606)는 전압크기 오차(V21)로부터 CS(1211)의 전압크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)을 결정한다.
IS(1212)의 전압크기 동기화 제어기에서, 감산기(1608)는 모선3(1205)의 전압크기(1604)과 모선2(1206)의 전압크기(1602)의 차인 전압크기 오차(V32)를 계산하고, 적분제어기(1609)는 전압크기 오차(V32)로부터 IS(1212)의 전압크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 결정한다.
이에 따라, 합산기(1611)는 CS(1211)의 전압크기 동기화 제어기의 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)과 IS(1212)의 전압크기 동기화 제어기의 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 더하여, 마이크로전원(1200)의 동기화 제어기의 전압크기 변동분(ΔV)을 결정하고, 전압크기 변동분(ΔV)은 도 14의 전압크기 변동분(ΔV)(1414)으로 입력될 수 있다. 이때 이러한 전압크기 동기화 제어기에서, 마이크로전원(1200)이 출력하는 전압의 크기가 정격 부근으로 유지될 수 있도록, 합산기(1611)의 출력(ΔV)은 마이크로전원(1200)이 동기화 제어 중 하드리미터(hard limiter)(1612)에 의해 전압크기가 소정 임계 범위(ΔVmin~ΔVmax)에서 제한될 수 있다.
도 16과 같은 전압크기 동기화 제어기에서 적분제어기(1606)의 초기화(reset)(1613) 기능은, CS(1211)가 개로된 이후부터 CS(1211)의 전압크기 동기화 제어기를 활성화시키기 위해 신호 입력 스위치(SW1)(1600)의 두 스위치가 폐로되기 전까지 활성화 될 수 있다.
마찬가지로, 도 16의 전압크기 동기화 제어기에서 적분제어기(1609)의 초기화(reset)(1614) 기능은 IS(1212)가 개로된 이후부터 IS(1212)의 전압크기 동기화 제어기를 활성화시키기 위해 신호 입력 스위치(SW2)(1603)의 두 스위치가 폐로되기 전까지 활성화 될 수 있다.
다음에는 본 발명의 목적 중, 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 부드러운 재접속을 가능하게 하는 마이크로전원(1200)의 제어방법을 제시하기에 앞서 마이크로전원(1200)에 의한 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 재접속에 관한 일실시예를 먼저 설명한다.
도 13에서 제시된 마이크로전원(1200)의 유효전력 제어기는 마이크로그리드(1201)의 운전모드(계통 연계 운전 모드 또는 단독 운전 모드)를 고려하지 않고 운전될 수 있다.
그러나, 도 14에서 제시된 마이크로전원(1200)의 무효전력 제어기가 마이크로그리드(1201)의 운전모드(계통 연계 운전 모드 또는 단독 운전 모드)를 고려하여, 선택스위치(1403)를 무효전력 추종제어 또는 드룹 특성의 전압제어 중 하나로 선택하여야 한다.
마이크로그리드(1201)가 단독 운전 중에 있을 때, 도 6의 드룹 특성에 의해 결정된 전압변동분(ΔVD)(1415)만큼 정격 전압의 크기(V0)(1407) 보다 낮거나 높은 전압의 크기로 운전 될 수 있다.
이와 같은 운전 조건에서 마이크로그리드(1201)가 상위 계통과 재접속하기 위해서는 그 전에 IS(1212)의 양단전압을 동기화시키는 마이크로전원(1200)의 전압위상 동기화 제어기(도 15) 및 전압크기 동기화 제어기(도 16)가 활성화되어야 한다. 동기화 제어기들(도 15, 도 16)이 활성화되면, 전압위상 변동분(Δδ)과 전압크기 변동분(ΔV)을 마이크로전원(1200)의 유효전력 제어기(도 13) 및 무효전력 제어기(도 14)의 전압위상 변동분(Δδ)(1301)과 전압크기 변동분(ΔV)(1414)으로 입력하면서 제어를 수행하면, IS(1212)의 양단전압의 동기화는 완료될 수 있다.
IS(1212)의 양단전압의 동기화가 완료되면, 마이크로전원(1200)은 IS(1212)를 폐로시켜 마이크로그리드(1201)를 상위 전력 계통(1204)에 재접속시키고, 도 14의 선택스위치(1403)를 드룹 특성의 전압제어에서 무효전력 추종제어로 선택하여 무효전력을 제어할 수 있다.
이와 같은 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 재접속에 관한 일실시예에서, 재접속 전 IS(1212)의 양단전압의 동기화가 완료되었을 때 합산기(1408)에서 출력되는 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)는 [수학식 4]와 같고, 재접속 후 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)는 [수학식 5]와 같이 나타난다.
[수학식4]
Figure 112010022910054-pat00004
[수학식5]
Figure 112010022910054-pat00005
[수학식 4]와 [수학식 5]에서 V1 *는 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치이고, Vo는 정격 전압의 크기(1407)이고, ΔVD는 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(1415)이고, ΔVT는 무효전력 추종제어에 의해 결정된 전압크기 변동분(1416)이고, ΔV는 도 16의 전압 크기 동기화 제어기의 전압크기 변동분이다.
[수학식 4]와 [수학식 5]로부터 재접속 전과 후에, 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속으로 변하는 것을 알 수 있다.
이와 같은 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)의 불연속은 IS(1212)의 폐로에 의한 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 재접속시 과도현상을 상당히 발생시킬 수 있으며, 과도현상은 무효전력 추종제어를 방해하게 될 수 있으나 아래와 같이 부드러운 재접속을 가능하게 하는 방법이 제안된다.
이하, 본 발명의 목적 중 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 부드러운 재접속을 가능하게 하는 마이크로전원(1200)의 제어방법을 설명한다.
도 14의 무효전력 제어기에서, 샘플 및 유지 블록(1417)은,
(a) 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플링한다.
(b) 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)의 샘플링된 값을 갱신(update)하여 출력할 수 있다.
(c) 무효전력 추종제어블록(1404)이 결정한 무효전력 추종제어의 출력, 즉, 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에서 샘플 및 유지 블록(1417)의 출력이 감산되도록 감산기(1406)로 피드포워드(feedforward)한다.
특히, 샘플 및 유지 블록(1417)은 (a) 과정에서 소정 샘플링 스텝마다 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플하고, (b) 과정에서 마이크로그리드(1201)가 계통연계 운전으로 전환하기 전 단독으로 운전되고 있고 마이크로전원(1200)이 드룹 특성의 전압제어를 하고 있을 때, 샘플 및 유지 블록(1417)의 출력을 (a) 과정에서 샘플링한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)으로 갱신(1418)하여 출력할 수 있다. 또한, 샘플 및 유지 블록(1417)은 (c) 과정에서 마이크로그리드(1201)가 계통연계 운전으로 전환하여 계통연계 운전에 있고, 마이크로전원(1200)이 무효전력 추종제어를 하고 있을 때, (b) 과정에서 갱신된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 무효전력 추종제어의 출력(ΔVT)(1416)에 피드포워드함으로써, 감산기(1406)가 무효전력 추종제어를 위한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 샘플 및 유지 블록(1417)의 갱신된 출력(ΔVD)(1415)이 감산되도록 할 수 있다.
다시 말하여, 도 14의 무효전력 제어기에서, 샘플 및 유지 블록(1417)은 단독 운전 중인 마이크로그리드(1201)의 전압(V2)(예를 들어, 모선2의 전압)이 상위 전력계통(1204)의 전압(V1)과 동기화되어 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)를 재접속한 후, 재접속되기 전 샘플된 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 이용하여 마이크로전원(1200)이 무효전력 추종제어를 하는 동안 샘플링된 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 유지(hold)하여 무효전력 추종제어의 출력(1416)에 피드포워드(feedforward)함으로써, 감산기(1406)가 무효전력 추종제어를 위한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 샘플 및 유지 블록(1417)에서 갱신되어 유지되는 출력(ΔVD)(1415)이 감산되도록 할 수 있다.
즉, 도 14의 무효전력 제어기에서, 샘플 및 유지 블록(1417)은, 마이크로전원(1200)이 무효전력 추종제어로 제어모드를 전환하기 전, 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 기억하고, 마이크로전원(1200)이 무효전력 추종제어로 제어모드를 전환한 후, 무효전력 추종제어로 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 피드포워드하여, 무효전력 추종제어의 더 빠른 제어 성능을 보장하게 되며, 이는 신뢰도 및 전력 품질의 향상과 마이크로전원(1200) 뿐만 아니라 마이크로그리드의 나머지 부분(1202)에 있는 여러 장치들의 성능과 수명 등을 향상 시킬 수 있다.
다음에는 본 발명의 목적 중, 계통연계 운전 중에도 마이크로전원(1200)의 제어모드를 부드럽게 전환할 수 있는 제어방법을 제시하기에 앞서 마이크로전원(1200)의 동작에 대한 가능한 일실시예를 먼저 제공한다.
마이크로전원(1200)은 마이크로그리드(1201)가 계통연계 운전일 때 무효전력 추종제어를 하고, 단독 운전일 때 드룹 특성의 전압제어를 한다. 그러나, 다음에 설명되는 일실시예에서는 마이크로그리드(1201)가 계통연계 운전일 때, 마이크로전원(1200)이 무효전력을 추종제어를 하지 않아도 된다.
무효전력 추종제어는 전력계통의 전압을 기준으로 상대적인 전압을 출력하는 전류제어에 의한 종속된 전압제어방법(grid-following control)으로 전력계통의 전압에 상관없이 독립된 전압을 출력하는 전압제어방법(grid-forming control)인 드룹 특성의 전압제어만큼 전력품질을 보장할 수 없다.
마이크로전원(1200)을 이용하여 계층적인 마이크로그리드가 구현될 수 있다. 즉, 하위 계층의 마이크로그리드는 상위 계층의 마이크로그리드와 연계되어 있지만, 하위 계층의 마이크로그리드에 대하여 상위 전력계통의 역할을 하게 되는 상위 계층의 마이크로그리드는 상위 전력계통과 분리되어 단독으로 운전할 수 있다. 이에 따라, 하위 계층의 마이크로그리드는 전력회사에서 규제하는 전압제어가 가능하다. 즉, 하위 계층의 마이크로그리드에 마이크로전원(1200)이 구비되는 경우에, 계통연계 운전임에도 불구하고 드룹 특성의 전압제어가 가능하다. 이와 같은 결과는 마이크로그리드가 계통연계 운전에 있을 때, 마이크로전원(1200)이 무효전력 추종제어와 드룹 특성의 전압제어의 각 제어모드를 필요에 따라 전환할 수 있어야 하는 것을 의미한다. 이뿐만 아니라 상위 전력계통에서 전압제어를 허용하는 경우도 마찬가지로 마이크로그리드가 계통연계 운전에 있을 때, 마이크로전원(1200)이 각 제어(도 14에 따른 무효전력 추종제어와 드룹 특성의 전압제어) 모드를 필요시 전환할 수 있어야 한다.
이하, 이와 같은 내용을 감안하여, 본 발명의 목적 중 계통연계 운전 중에도 마이크로전원(1200)의 각 제어(도 14에 따른 무효전력 추종제어와 드룹 특성의 전압제어) 모드를 부드럽게 전환할 수 있는 제어방법을 제시한다.
마이크로전원(1200)의 제어모드를 부드럽게 전환할 수 있는 제어방법은, 마이크로그리드(1201)와 상위 전력계통(1204)의 부드러운 재접속을 가능하게 하는 마이크로전원(1200)의 제어방법에서와 같이, 마이크로전원(1200)의 합산기(1408)가 출력하는 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속으로 변하는 것을 연속적으로 변할 수 있도록 해결하는 것이다. 따라서, 마이크로전원(1200)의 제어모드를 부드럽게 전환할 수 있는 제어방법은, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로전원(1200)의 무효전력 제어기인 도 14의 샘플 및 유지 블록(1417)이 수행하는 각 과정 (a), (b), (c) 중, (b)와 (c) 과정을 마이크로그리드(1201)의 운전 모드에 상관없이 수행하도록 선택 스위치(1403)을 제어함으로써 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1201: 마이크로그리드
1200: 마이크로전원
1202: 마이크로그리드의 나머지 부분
1203: 변압기
1204: 상위 전력계통
1205: 모선3
1206: 모선 2
1210: 모선 1
1212: 제 1연결용스위치
1211: 제 2 연결용스위치
1207: DC 전력원
1208: 인버터
1213: 마이크로그리드 통합제어장치
1214: 마이크로전원 제어장치

Claims (19)

  1. 상위 전력계통과 연결되는 모선3(1205)과 하위 계통에 연결되는 모선2(1206) 사이에 결합된 제1 연결용 스위치(1212);
    내부의 모선1(1210)과 상기 모선2(1206) 사이에 결합된 제2 연결용 스위치(1211);
    DC 전력원으로부터의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 인버터; 및
    상기 모선1(1210), 모선2(1206) 및 모선3(1205)의 전압을 측정하고, 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전류를 측정하여, 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 개폐를 제어하는 신호 및 상기 인버터의 출력 전압을 제어하는 신호를 생성하는 마이크로전원 제어장치를 포함하고,
    상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 인버터의 출력 전압의 위상을 제어하기 위한 출력전압위상 지령치를 생성하는 유효 전력 제어기; 및 상기 인버터의 출력 전압의 크기를 제어하기 위한 출력전압크기 지령치를 생성하는 무효 전력 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로전원 제어장치는,
    상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)와 통신 없이 직접 상기 제1 연결용 스위치(1212)와 상기 제2 연결용 스위치(1211)를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유효 전력 제어기는,
    유효전력 설정치(P*)와 상기 모선1(1210)을 통해 현재 출력의 유효전력 P(t)의 차이(ep)를 계산하는 제1 감산기(1310);
    상기 차이(ep)를 유효전력과 주파수간의 드룹 특성의 비례 이득인 kp와 곱하여 주파수 변동분(Δω)을 결정하는 비례 이득블록(1320);
    정격 주파수(ωo)에서 상기 주파수 변동분(Δω)을 감산하여 상기 현재 출력의 전압의 주파수(ωo - Δω)를 결정하는 제2 감산기(1330);
    상기 출력 전압의 주파수(ωo - Δω)를 적분하는 적분기(1340); 및
    상기 적분기에서 적분된 값과 전압 위상 변동분(1301)을 합산하여 상기 출력전압위상 지령치를 결정하는 합산기(1350)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 무효 전력 제어기는,
    무효전력 설정치(Q*)(1400)와 상기 모선1(1210)을 통해 현재 출력의 무효전력(1401)의 차이(eQ)를 계산하는 제1 감산기(1402);
    상기 차이(eQ)를 무효전력의 추종제어를 위한 제1경로 또는 드룹 특성을 이용한 전압 제어를 위한 제2경로로 선택적으로 출력하기 위한 선택 스위치(1403);
    상기 제1경로에서 상기 차이(eQ)로부터 무효전력을 추종제어하기 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)을 생성하는 무효전력 추종제어블록(1404);
    상기 제2 경로에서 상기 차이(eQ)와 무효전력과 전압 간의 드룹 특성의 비례 이득인 kQ를 곱한 값을, 드룹 특성을 이용한 전압제어를 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)으로서 생성하는 비례 이득블록(1405);
    상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플링하여 샘플링된 값을 출력하는 샘플 및 유지 블록(1417);
    상기 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)으로부터 상기 샘플링된 값을 감산하는 제2 감산기(1406);
    상기 제2 감산기의 출력, 정격 전압의 크기(1407) 및 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)을 합산하는 합산기(1408);
    상기 합산기의 출력에서 상기 현재 출력의 전압크기(1409)의 차인 전압크기 오차(ev)를 출력하는 제3 감산기(1410); 및
    상기 출력전압크기 지령치(V*)(1412)를 결정하는 전압크기 추종제어블록(1411)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 전압 위상 변동분(1301)을 결정하기 위한 전압 위상 동기화 제어기를 더 포함하고,
    상기 전압 위상 동기화 제어기는,
    상기 모선1(1210)의 전압위상을 상기 모선2(1206)의 전압위상과 동기화시키기 위한 제1 전압위상 동기화 제어기;
    상기 모선2(1206)의 전압위상을 상기 모선3(1205)의 전압위상과 동기화시키기 위한 제2 전압위상 동기화 제어기; 및
    상기 제1 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 합산한 값을 상기 전압위상 변동분(1301)으로 출력하는 합산기(1515)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전압위상 동기화 제어기는,
    상기 모선2(1206)의 전압위상과 상기 모선1(1210)의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ21)를 계산하는 제1 감산기(1505);
    상기 전압위상 오차(δ21)와 동기화 이득(kδCS)을 곱하는 제1 동기화이득블록(1506); 및
    상기 제1 동기화이득블록(1506)의 출력을 적분하여 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)을 출력하는 제1 적분기(1507)를 포함하고,
    상기 제2 전압위상 동기화 제어기는,
    상기 모선3(1205)의 전압위상과 상기 모선2(1206)의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ32)를 계산하는 제2 감산기(1510);
    상기 전압위상 오차(δ32)와 동기화 이득(kδIS)을 곱하는 제2 동기화이득블록(1511); 및
    상기 제2 동기화이득블록(1511)의 출력을 적분하여 상기 제1 연결용 스위치(1212)의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 출력하는 제2 적분기(1512)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  8. 제7항에 있어서,
    하드리미터(1509,1514)에 의해 상기 제1 동기화이득블록(1506) 또는 상기 제2 동기화이득블록(1511)의 출력의 주파수를 소정 임계 범위(Δωmin~Δωmax)로 제한하여, 상기 현재 출력의 전압 주파수를 정격 부근의 주파수로 유지하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 마이크로전원 제어장치는, 상기 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)을 결정하기 위한 전압 크기 동기화 제어기를 더 포함하고,
    상기 전압 크기 동기화 제어기는,
    상기 모선1(1210)의 전압크기를 상기 모선2(1206)의 전압크기와 동기화시키기 위한 제1 전압크기 동기화 제어기;
    상기 모선2(1206)의 전압크기를 상기 모선3(1205)의 전압크기와 동기화시키기 위한 제2 전압크기 동기화 제어기; 및
    상기 제1 전압크기 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 합산한 값을 상기 전압크기 변동분(1414)으로 출력하는 합산기(1611)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전압크기 동기화 제어기는,
    상기 모선2(1206)의 전압크기와 상기 모선1(1210)의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V21)를 계산하는 제1 감산기(1605); 및
    상기 전압크기 오차(V21)로부터 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)을 결정하는 제1 적분제어기(1606)를 포함하고,
    상기 제2 전압크기 동기화 제어기는,
    상기 모선3(1205)의 전압크기와 상기 모선2(1206)의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V32)를 계산하는 제2 감산기(1608); 및
    상기 전압크기 오차(V32)로부터 상기 제1 연결용 스위치(1212)의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 결정하는 제2 적분제어기(1609)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  11. 제9항에 있어서,
    하드리미터에(1612) 의해 상기 합산기(1611) 출력의 전압크기를 소정 임계 범위(ΔVmin~ΔVmax)로 제한하여, 상기 현재 출력의 전압크기를 정격 부근으로 유지하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 연결용 스위치(1212)가 폐로될 때, 마이크로전원(1200)의 모선1(1210)에 대한 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속이 되는 것을 방지하여 상기 제1 연결용 스위치(1212)의 과도 전류를 방지하기 위하여,
    상기 무효 전력 제어기는,
    상기 샘플 및 유지 블록(1417)을 이용해, 단독 운전 제어 모드에서 무효전력 추종제어 모드로 전환하기 전에, 상기 단독 운전 중에 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 소정 샘플링 스텝마다 기억하고,
    상기 무효전력 추종제어 모드로 전환한 후, 상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)의 샘플링 값을 상기 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 피드포워드하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원.
  13. 단독 운전과 계통 연계 운전을 수행하는 마이크로전원의 출력 전압의 크기를 제어하기 위한 출력전압크기 지령치를 생성하는 무효 전력 제어방법에 있어서,
    무효전력 추종 제어와 드룹 특성을 이용한 전압제어의 각 제어 경로를 선택하는 선택 스위치(1403)가 드룹 특성을 이용한 전압제어 모드 경로에서 무효전력 추종 제어 모드 경로로 전환할 때, 마이크로전원의 출력 단자에 대한 전압크기 지령치(V1 *)가 불연속이 되는 것을 방지하여 상기 무효전력 추종 제어가 빠르게 추종되어 마이크로전원의 제어모드가 부드럽게 전환되기 위하여,
    샘플 및 유지 블록(1417)을 이용해, 상기 드룹 특성에 의해 결정된 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 소정 샘플링 스텝마다 기억하는 단계; 및
    상기 드룹 특성을 이용한 전압제어 모드에서 상기 무효전력 추종제어 모드로 전환한 후, 상기 무효전력 추종제어 모드에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)에 상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)의 샘플링 값을 피드포워드하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원의 제어 방법.
  14. 유효전력 설정치(P*)와 현재 출력의 유효전력 P(t)의 차이(ep)를 계산하는 제1 감산기(1310);
    상기 차이(ep)를 유효전력과 주파수간의 드룹 특성의 비례 이득인 kp와 곱하여 주파수 변동분(Δω)을 결정하는 비례 이득블록(1320);
    정격 주파수(ωo)에서 상기 주파수 변동분(Δω)을 감산하여 상기 현재 출력의 전압의 주파수(ωo - Δω)를 결정하는 제2 감산기(1330);
    상기 출력 전압의 주파수(ωo - Δω)를 적분하는 적분기(1340);
    상기 적분기에서 적분된 값과 전압 위상 변동분(1301)을 합산하여 출력전압위상 지령치를 결정하는 합산기(1350); 및
    상기 전압 위상 변동분(1301)을 결정하기 위한 전압 위상 동기화 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 유효 전력 제어기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전압 위상 동기화 제어기는,
    모선1(1210)의 전압위상을 모선2(1206)의 전압위상과 동기화시키기 위한 제1 전압위상 동기화 제어기;
    상기 모선2(1206)의 전압위상을 모선3(1205)의 전압위상과 동기화시키기 위한 제2 전압위상 동기화 제어기; 및
    상기 제1 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 합산한 값을 상기 전압위상 변동분(1301)으로 출력하는 합산기(1515)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 유효 전력 제어기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전압위상 동기화 제어기는,
    상기 모선2(1206)의 전압위상과 상기 모선1(1210)의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ21)를 계산하는 제1 감산기(1505);
    상기 전압위상 오차(δ21)와 동기화 이득(kδ CS)을 곱하는 제1 동기화이득블록(1506); 및
    상기 제1 동기화이득블록(1506)의 출력을 적분하여 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδCS)(1508)을 출력하는 제1 적분기(1507)를 포함하고,
    상기 제2 전압위상 동기화 제어기는,
    상기 모선3(1205)의 전압위상과 상기 모선2(1206)의 전압위상의 차인 전압위상 오차(δ32)를 계산하는 제2 감산기(1510);
    상기 전압위상 오차(δ32)와 동기화 이득(kδIS)을 곱하는 제2 동기화이득블록(1511); 및
    상기 제2 동기화이득블록(1511)의 출력을 적분하여 상기 제1 연결용 스위치(1212)의 전압 위상 동기화를 위한 상기 전압위상 변동분(ΔδIS)(1513)을 출력하는 제2 적분기(1512)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 유효 전력 제어기.
  17. 무효전력 설정치(1400)와 현재 출력의 무효전력(1401)의 차이(eQ)를 계산하는 제1 감산기(1402);
    상기 차이(eQ)를 무효전력의 추종제어를 위한 제1경로 또는 드룹 특성을 이용한 전압 제어를 위한 제2경로로 선택적으로 출력하기 위한 선택 스위치(1403);
    상기 제1경로에서 상기 차이(eQ)로부터 무효전력을 추종제어하기 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)을 생성하는 무효전력 추종제어블록(1404);
    상기 제2 경로에서 상기 차이(eQ)와 무효전력과 전압 간의 드룹 특성의 비례 이득인 kQ를 곱한 값을, 드룹 특성을 이용한 전압제어를 위해 결정한 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)으로서 생성하는 비례 이득블록(1405);
    상기 전압크기 변동분(ΔVD)(1415)을 샘플링하여 샘플링된 값을 출력하는 샘플 및 유지 블록(1417);
    상기 전압크기 변동분(ΔVT)(1416)으로부터 상기 샘플링된 값을 감산하는 제2 감산기(1406);
    상기 제2 감산기의 출력, 정격 전압의 크기(1407) 및 전압 크기 변동분(ΔV)(1414)을 합산하는 합산기(1408);
    상기 합산기의 출력에서 상기 현재 출력의 전압크기(1409)의 차인 전압크기 오차(ev)를 출력하는 제3 감산기(1410);
    출력전압크기 지령치(V*)(1412)를 결정하는 전압크기 추종제어블록; 및
    상기 전압 크기 변동분((ΔV))(1414)을 결정하기 위한 전압 크기 동기화 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 무효 전력 제어기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전압 크기 동기화 제어기는,
    모선1(1210)의 전압크기를 모선2(1206)의 전압크기와 동기화시키기 위한 제1 전압크기 동기화 제어기;
    상기 모선2(1206)의 전압크기를 모선3(1205)의 전압크기와 동기화시키기 위한 제2 전압크기 동기화 제어기; 및
    상기 제1 전압크기 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)과 상기 제2 전압위상 동기화 제어기에서 결정한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 합산한 값을 상기 전압크기 변동분(1414)으로 출력하는 합산기(1611)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 무효 전력 제어기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전압크기 동기화 제어기는,
    상기 모선2(1206)의 전압크기와 상기 모선1(1210)의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V21)를 계산하는 제1 감산기(1605); 및
    상기 전압크기 오차(V21)로부터 상기 제2 연결용 스위치(1211)의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVCS)(1607)을 결정하는 제1 적분제어기(1606)를 포함하고,
    상기 제2 전압크기 동기화 제어기는,
    상기 모선3(1205)의 전압크기와 상기 모선2(1206)의 전압크기의 차인 전압크기 오차(V32)를 계산하는 제2 감산기(1608); 및
    상기 전압크기 오차(V32)로부터 상기 제1 연결용 스위치(1212)의 전압 크기 동기화를 위한 전압크기 변동분(ΔVIS)(1610)을 결정하는 제2 적분제어기(1609)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로전원 제어장치의 무효 전력 제어기.
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