KR102678463B1 - Control method of switching device for DC power system having power directionality - Google Patents

Control method of switching device for DC power system having power directionality Download PDF

Info

Publication number
KR102678463B1
KR102678463B1 KR1020220152550A KR20220152550A KR102678463B1 KR 102678463 B1 KR102678463 B1 KR 102678463B1 KR 1020220152550 A KR1020220152550 A KR 1020220152550A KR 20220152550 A KR20220152550 A KR 20220152550A KR 102678463 B1 KR102678463 B1 KR 102678463B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
fault
converter
current
direct current
Prior art date
Application number
KR1020220152550A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20240070979A (en
Inventor
박건우
김형준
Original Assignee
주식회사 넥스트스퀘어
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 넥스트스퀘어 filed Critical 주식회사 넥스트스퀘어
Priority to KR1020220152550A priority Critical patent/KR102678463B1/en
Publication of KR20240070979A publication Critical patent/KR20240070979A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102678463B1 publication Critical patent/KR102678463B1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102—Parallel operation of dc sources being switching converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/20—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution using protection elements, arrangements or systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S40/00—Systems for electrical power generation, transmission, distribution or end-user application management characterised by the use of communication or information technologies, or communication or information technology specific aspects supporting them
    • Y04S40/12—Systems for electrical power generation, transmission, distribution or end-user application management characterised by the use of communication or information technologies, or communication or information technology specific aspects supporting them characterised by data transport means between the monitoring, controlling or managing units and monitored, controlled or operated electrical equipment

Abstract

본 발명은 양방향 전력제거기의 차단 기능에 전류 흐름이 양방향성의 기능을 갖는 반도체 소자를 활용하여 전력의 방향을 결정할 수 있도록 함으로써 전력 관리의 편의성 및 계통의 안정화를 향상시키도록 한 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치에 관한 것으로서, 신재생원으로부터 전기 에너지를 생산하는 전력 생산부와, 상기 전력 생산부로부터 생산된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 1 DC/DC 컨버터와, 상기 전력 생산부로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 전력 저장부와, 상기 전력 저장부에서 저장된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 2 DC/DC 컨버터와, 외부의 전력계통으로부터 유입되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 출력하는 양방향 AC/DC 컨버터와, 상기 제 1, 제 2 DC/DC 컨버터와 양방향 AC/DC 컨버터와 부하 사이에 각각 구성되어 상기 전력계통에서 유입되는 전력, 상기 전력 저장부에 저장된 전력, 상기 전력 생산부에서 생산된 전력 중 어느 하나의 전력을 선택적으로 공급하기 위한 양방향 전력제어기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. The present invention is a DC power system with power direction that improves the convenience of power management and system stabilization by determining the direction of power by utilizing a semiconductor device with a bidirectional current flow function in the blocking function of a bidirectional power eliminator. It relates to a general switching device, comprising: a power production unit that produces electrical energy from a renewable source; a first DC/DC converter that rectifies and outputs the electrical energy produced by the power production unit; and a first DC/DC converter that rectifies and outputs the electrical energy produced by the power production unit. A power storage unit that stores power, a second DC/DC converter that rectifies and outputs the electrical energy stored in the power storage unit, and a bidirectional AC/DC converter that converts alternating current power flowing in from an external power system into direct current power and outputs it. and, each configured between the first and second DC/DC converters, the two-way AC/DC converter, and the load, which of the power flowing in from the power system, the power stored in the power storage unit, and the power produced by the power production unit It is characterized by including a bi-directional power controller for selectively supplying one power.

Description

전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제어방법{Control method of switching device for DC power system having power directionality}{Control method of switching device for DC power system having power directionality}

본 발명은 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치에 관한 것으로, 특히 전력 관리의 편의성을 높이며 계통의 안정화를 향상시키도록 한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a switching device for a direct current power system with power directionality. In particular, it relates to a control method of a switching device for a direct current power system with power directionality to increase convenience of power management and improve system stability.

전력변환기술의 비약적 발전, 직류기반의 디지털부하 증가 및 직류 기반의 신재생에너지, 에너지저장장치, 전기자동차의 보급 확대에 대한 기대감으로 직류배전 기술 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 직류 전원 공급 방식은 AC/DC 전력변환 횟수를 줄인 고효율 변환을 통해 소비전력을 저감하는 방식으로 지구온난화에 대한 대응이 시급한 지금, 매우 효과적인 대책이 될 수 있다. 따라서, 저압직류(LVDC; Low Voltage Direct Current) 배전망에서 정상상태를 고려한 운영 기술과 보호 측면에서의 운영 기술을 개발함으로써 에너지효율과 전력품질을 제고, 계통의 신뢰성을 증가시킬 필요가 있다.Demand for the development of DC power distribution technology is increasing due to the rapid development of power conversion technology, the increase in DC-based digital load, and expectations for the expansion of DC-based renewable energy, energy storage devices, and electric vehicles. The direct current power supply method reduces power consumption through high-efficiency conversion that reduces the number of AC/DC power conversions, and can be a very effective measure at a time when response to global warming is urgently needed. Therefore, there is a need to improve energy efficiency and power quality and increase the reliability of the system by developing operation technology considering normal conditions and operation technology in terms of protection in the Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution network.

이러한 저압직류 배전계통에서 보호 관련 연구가 다양하게 수행되어 왔다. A variety of protection-related research has been conducted in these low-voltage direct current distribution systems.

1. 스마트그리드에서 활용가능 한 advanced local measurements and communications을 활용하여 fast dc fault detection and interruption이 가능한 방법을 제안하였다. 1. We proposed a method that enables fast dc fault detection and interruption by utilizing advanced local measurements and communications available in smart grid.

2. DC 고장을 검출하고 위치를 찾기 위하여 직류(DC) 방향을 기반으로 하며, 제어 가능한 solid-state circuit breakers와 결합한 여러 지능형 계전기를 사용한 방법을 제안하였다. 2. A method based on direct current (DC) direction and using multiple intelligent relays combined with controllable solid-state circuit breakers is proposed to detect and locate DC faults.

3. 고장 및 비고장 상황을 구분하기 위하여 고장전류의 1차 및 2차 미분 값을 이용한 방법을 제안하였다. 3. A method using the first and second derivatives of the fault current was proposed to distinguish between fault and non-fault situations.

4. hybrid AC/DC LV distribution system의 과도반응을 해석하고 각 시스템을 위한 보호 방법을 제안하였다. 4. The transient response of the hybrid AC/DC LV distribution system was analyzed and protection methods for each system were proposed.

5. LVDC 시스템에서 단락 보호를 위한 퓨즈 사용이 평가되었다. 5. The use of fuses for short-circuit protection in LVDC systems was evaluated.

6. 인덕터와 커패시터, one current and one voltage transducer로 구성된 Hybrid passive-overcurrent relay를 제안하였다. 이 논문에서, 저저항 고장 검출을 위하여 계전기는 간단한 과전류 기능을 사용하며, 고저항 사고 검출을 위하여 실시간 discrete wavelet transform이 사용되었다. 6. A hybrid passive-overcurrent relay consisting of an inductor, a capacitor, and one current and one voltage transducer was proposed. In this paper, the relay uses a simple overcurrent function to detect low-resistance faults, and a real-time discrete wavelet transform is used to detect high-resistance faults.

7. 통신 장비가 필요없는 등가 인덕턴스 추정 기반의 고장 검출 방법이 제안되었다. 7. A fault detection method based on equivalent inductance estimation that does not require communication equipment was proposed.

8. 커패시터 방전 특성을 갖춘 고장전류 혹은 high impedance faults (HIFs) with arcing phenomenon로부터 특징을 추출하기 위하여 mathematical morphology (MM) 기반의 보호 방법을 제안하였다. 8. A protection method based on mathematical morphology (MM) was proposed to extract features from fault currents with capacitor discharge characteristics or high impedance faults (HIFs) with arcing phenomenon.

9. 과전류, 전류의 1차 및 2차 미분, 신호처리 기법의 장점을 사용한 고장 검출 방법을 제안하였다. 9. A fault detection method using the advantages of overcurrent, first and second derivatives of current, and signal processing techniques was proposed.

10. 지능형 전자장비 및 solid-state circuit breaker를 적용한 ring-bus LVDC 마이크로그리드에서의 보호 방법을 제안하였다. 10. A protection method in ring-bus LVDC microgrid using intelligent electronic equipment and solid-state circuit breaker was proposed.

11. 저저항 고장과 고저항 고장을 구분하여, 저저항 고장은 인덕터에 걸리는 전압을 활용하고 고저항 고장은 지락전류를 활용한 고장 검출 및 위치 추정 방법을 제안하였다.11. By distinguishing between low-resistance faults and high-resistance faults, a fault detection and location estimation method was proposed using the voltage applied to the inductor for low-resistance faults and using ground fault current for high-resistance faults.

12. 커패시터 방전 전류를 분석하고 이것을 활용은 고장 영역 검출 방법을 제안하였다. 12. Capacitor discharge current was analyzed and a fault area detection method using this was proposed.

13. voltage change (dv/dt) and the change of current (di/dt)을 결합한 새로운 보호 방법을 제안하였다.13. A new protection method combining voltage change (dv/dt) and the change of current (di/dt) was proposed.

최근 인구 증가에 따른 내연기관의 사용량 증가와 전세계적인 공업화로 인하여 화석연료의 수요증가 문제가 대두되고 있다. 화석 연료는 지구 온난화, 미세 먼지 등의 심각한 환경 오염을 유발하는 요인이 된다. 이러한 이유로 친환경 에너지에 대한 관심이 점차 증가하고 있으며 특히 스마트 그리드(Smart Grids) 분야에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Recently, the problem of increased demand for fossil fuels is emerging due to increased use of internal combustion engines due to population growth and global industrialization. Fossil fuels cause serious environmental pollution such as global warming and fine dust. For this reason, interest in eco-friendly energy is gradually increasing, and research in the field of smart grids is especially actively conducted.

이러한 스마트 그리드는 전력망의 고도화를 의미하며 친환경적인 요소와 지역 발전의 통합을 통한 전력 공급을 가능하게 한다. 스마트 그리드에 의하면 실시간 수집되는 전력 정보를 이용하여 전력 생산자와 전력 소비자 간의 효율적인 전력 생산 및 소비가 가능하며 지능형 전력 인터페이스 장비들을 이용하여 전력망의 안정화 및 고효율화를 추구할 수 있도록 한다.This smart grid represents the advancement of the power grid and enables power supply through the integration of eco-friendly elements and local power generation. According to the smart grid, efficient power production and consumption between power producers and power consumers is possible using power information collected in real time, and intelligent power interface equipment can be used to pursue stabilization and high efficiency of the power grid.

한편, 스마트 그리드를 구현하는 방법으로는 마이크로/나노 그리드의 고도화를 통한 상향식 접근 방식이 효과적이며 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 고도화된 마이크로/나노 그리드 중에서도 기존의 교류 전력이 아닌 직류 전력을 사용하는 직류 그리드(직류 그리드)에 관한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.Meanwhile, as a way to implement a smart grid, a bottom-up approach through advancement of micro/nano grid is effective, and many studies related to this are in progress. Among these advanced micro/nano grids, research on direct current grids (direct current grids) that use direct current power rather than existing alternating current power is currently being actively conducted.

이때 교류 전력이 아닌 직류 전력을 사용할 경우 배전에 필요한 전선의 사용량을 줄일 수 있으며 안정적인 전력 공급이 가능하며 신재생 에너지원과 같은 직류 분산 전원의 연결이 용이한 이점이 있다. 또한 대부분의 전자 기기들이 내부적으로는 직류 전원을 사용한다는 점을 고려하여 볼 때 직류 전력을 사용할 경우 전력 변환 횟수를 줄일 수 있어 시스템의 고효율화를 달성할 수 있고 전력 변환에 필요한 추가 부품의 불필요한 사용을 줄일 수 있어 자원 소비를 절감하고 제품의 가격 경쟁력을 높일 수 있다.At this time, if direct current power is used rather than alternating current power, the amount of wires required for distribution can be reduced, stable power supply is possible, and direct current distributed power sources such as renewable energy sources can be easily connected. Additionally, considering that most electronic devices use direct current power internally, using direct current power can reduce the number of power conversions, thereby achieving high system efficiency and eliminating unnecessary use of additional components required for power conversion. This can reduce resource consumption and increase the price competitiveness of products.

직류 그리드에 해당하는 직류 마이크로/나노 그리드 시스템은 일반적으로 분산 전원(신재생 발전기; 풍력, 태양광 등), 에너지 저장 장치(배터리), 부하(직류 부하)가 직류 선로에 결합되어 기존의 교류 전력망과 연계된 소규모 전력망 형태를 가진다.The DC micro/nano grid system, which corresponds to the DC grid, generally combines distributed power sources (renewable generators; wind power, solar power, etc.), energy storage devices (batteries), and loads (DC loads) into DC lines to connect to the existing AC power grid. It has a small-scale power grid connected to the

직류 마이크로/나노 그리드의 효율적인 운용을 위해서는 직류 선로에 연결되어 있는 분산 전원, 에너지 저장 장치, 직류 부하, 교류 전력망 사이의 전력 흐름이 효과적으로 관리되어야 한다. 다시 말해서, 직류 전력 시스템 내의 부하의 소모량, 에너지 저장 장치의 전력 저장 상태, 분산 전원의 전력 생산량에 따라 직류 전력 시스템을 구성하는 각 구성 요소 간에 적절한 동작점 설정 및 긴밀한 전력 배분이 이루어져야 한다. For efficient operation of a DC micro/nano grid, power flow between distributed power sources, energy storage devices, DC loads, and AC power grids connected to DC lines must be effectively managed. In other words, appropriate operating points and tight power distribution must be established between each component that constitutes the DC power system according to the consumption of the load in the DC power system, the power storage state of the energy storage device, and the power production of the distributed power source.

이를 위해 각 구성 요소는 그리드의 직류 전압을 제어하는 전력 변환 장치로부터 직류 전력계통 시스템의 전력 상태 정보를 필요로 한다.To this end, each component requires power status information of the DC power grid system from a power conversion device that controls the DC voltage of the grid.

이와 같은 직류 전력계통 시스템에서는 각 구성 요소의 전력 상태 정보를 바탕으로 전력 흐름을 관리해야 한다. 이때, 부가적인 통신 장치를 사용하여 각 요소 장치 간의 정보 전달을 수행할 수도 있으나 직류 전력망 이외에 추가적인 통신망을 필요로 하기 때문에 비효율적인 단점이 있다.In such a DC power system, power flow must be managed based on the power status information of each component. At this time, information can be transmitted between each element device using an additional communication device, but it has the disadvantage of being inefficient because it requires an additional communication network in addition to the DC power grid.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 제어 흐름이 양방향성 기능을 갖는 반도체 소자를 활용하여 전력의 방향을 결정할 수 있도록 함으로써 전력 관리의 편의성 및 계통의 안정화를 향상시키도록 한 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is intended to solve the above problems, and the control flow uses a semiconductor device with a bidirectional function to determine the direction of power, thereby improving the convenience of power management and stabilization of the system. The purpose is to provide a method of manufacturing a switching device for power systems.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치는 신재생원으로부터 전기 에너지를 생산하는 전력 생산부와, 상기 전력 생산부로부터 생산된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 1 DC/DC 컨버터와, 상기 전력 생산부로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 전력 저장부와, 상기 전력 저장부에서 저장된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 2 DC/DC 컨버터와, 외부의 전력계통으로부터 유입되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 출력하는 양방향 AC/DC 컨버터와, 상기 제 1, 제 2 DC/DC 컨버터와 양방향 AC/DC 컨버터와 부하 사이에 각각 구성되어 상기 전력계통에서 유입되는 전력, 상기 전력 저장부에 저장된 전력, 상기 전력 생산부에서 생산된 전력 중 어느 하나의 전력을 선택적으로 공급하기 위한 양방향 전력제어기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a switching device for a direct current power system having power direction according to the present invention includes a power production unit that produces electrical energy from a renewable source, and a first rectifier that rectifies and outputs the electrical energy produced by the power production unit. A DC/DC converter, a power storage unit that stores the electrical energy produced by the power generation unit, a second DC/DC converter that rectifies and outputs the electrical energy stored in the power storage unit, and a second DC/DC converter that rectifies and outputs the electrical energy stored in the power storage unit. A bi-directional AC/DC converter that converts alternating current power into direct current power and outputs it, the first and second DC/DC converters, the bi-directional AC/DC converter and the load, respectively, and is configured between the power system and the load, the power flowing in from the power system. It is characterized by including a bi-directional power controller for selectively supplying either power stored in the storage unit or power produced by the power production unit.

본 발명에 의한 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제어방법은 다과 같은 효과가 있다.The control method of a switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention has the following effects.

첫째, 직류 그리드 형태의 스마트 그리드에서 계통에 단락과 같은 사고가 발생한 경우, 위험 요소를 즉시 제어할 수 있다.First, if an accident such as a short circuit occurs in the system in a smart grid in the form of a direct current grid, risk factors can be immediately controlled.

둘째, 직류 그리드 형태의 스마트 그리드에서 계통에 단락과 같은 사고가 발생한 경우, 위험 요소를 즉시 차단할 수 있으며 양방향 전력제어의 기능과 반도체 소자의 양방향성 전류 흐름 기능을 활용하여 전력의 방향을 결정할 수 있다.Second, if an accident such as a short circuit occurs in the system in a smart grid in the form of a direct current grid, hazardous elements can be blocked immediately and the direction of power can be determined by utilizing the function of bidirectional power control and the bidirectional current flow function of semiconductor devices.

셋째, 전력 관리의 편의성과 계통의 안정화를 높일 수 있다. 즉, IGBT를 이용하여 전력의 방향을 결정할 수 있으므로 추가적인 제어 없이 편리하게 전력 관리를 할 수 있다.Third, the convenience of power management and system stabilization can be improved. In other words, since the direction of power can be determined using the IGBT, power can be conveniently managed without additional control.

넷째, 신재생 에너지 및 ESS와 연결 스위치, 교류 측과 연결 스위치, 부하 측과 연결 스위치, 제어 및 통신을 통해 각 부분의 전류를 입력으로 받은 후 제어 파트에서 스위치 동작을 제어할 수 있다.Fourth, the switch operation can be controlled from the control part after receiving the current from each part as input through the switch connected to renewable energy and ESS, the switch connected to the AC side, and the switch connected to the load side, control and communication.

도 1은 본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 저압 직류배전(LVDC) 시스템에서 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치를 설명하기 위한 구성도
도 3은 도 2에서 정상상태와 (1)번 위치의 양방향 AC/DC 컨버터의 직류측에서 고장 발생시 전류의 흐름을 비교한 도면
도 4는 도 2의 정상상태와 (2)번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 도면
도 5는 도 2의 정상상태와 (3)번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 도면
도 6은 본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 양방향 전력제어기를 고려한 보호 방식을 설명하기 위한 구성도
도 7은 도 6의 제어부에 대한 동작 알고리즘
도 8 내지 도 10은 Case 1의 시뮬레이션으로 SW1, SW2, SW3에 흐르는 전류를 보여주는 도면
도 11의 도 10의 SW1, SW2, SW3의 동작 결과를 나타낸 도면
도 12는 도 8 내지 도 10에서 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프
도 13 내지 도 16은 Case 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프
도 17은 도 13 내지 도 15에서 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프
도 18 내지 도 21은 Case 3의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프
도 22는 도 18 내지 도 20에서 직류 부하의 소비전력을 그래프
도 23 내지 도 26은 Case 4의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프
도 27은 도 23 내지 도 25에서 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프1 is a schematic configuration diagram of a switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram illustrating a switching device for a direct current power system with power direction in a low voltage direct current distribution (LVDC) system.
FIG. 3 is a diagram comparing the current flow in the normal state and when a fault occurs on the DC side of the bidirectional AC/DC converter at position (1) in FIG. 2.
Figure 4 is a diagram comparing the current flow in the normal state of Figure 2 and when a failure occurs at position (2).
Figure 5 is a diagram comparing the current flow in the normal state of Figure 2 and when a failure occurs at position (3).
Figure 6 is a configuration diagram illustrating a protection method considering a bidirectional power controller of a switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention.
Figure 7 is an operation algorithm for the control unit of Figure 6
Figures 8 to 10 are diagrams showing the current flowing in SW1, SW2, and SW3 in the simulation of Case 1.
A diagram showing the operation results of SW1, SW2, and SW3 of FIG. 10 in FIG. 11
Figure 12 is a graph showing the power consumption of the direct current load in Figures 8 to 10
Figures 13 to 16 are graphs showing the simulation results of Case 2
Figure 17 is a graph showing the power consumption of the direct current load in Figures 13 to 15
Figures 18 to 21 are graphs showing the simulation results of Case 3.
Figure 22 is a graph showing the power consumption of the direct current load in Figures 18 to 20
Figures 23 to 26 are graphs showing the simulation results of Case 4
Figure 27 is a graph showing the power consumption of the direct current load in Figures 23 to 25

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

도 1은 본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention.

본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 신재생원으로부터 전기 에너지를 생산하는 전력 생산부(PV)(110)와, 상기 전력 생산부(110)로부터 생산된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 1 DC/DC 컨버터(120)와, 상기 전력 생산부(110)로부터 생산된 전기 에너지를 저장하는 전력 저장부(ESS)(130)와, 상기 전력 저장부(130)에서 저장된 전기 에너지를 정류하여 출력하는 제 2 DC/DC 컨버터(140)와, 외부의 전력계통(150)으로부터 유입되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 출력하는 양방향 AC/DC 컨버터(160)와, 상기 제 1, 제 2 DC/DC 컨버터(120, 140)와 양방향 AC/DC 컨버터(160)와 부하(170) 사이에 각각 구성되어 상기 전력계통(150)에서 유입되는 전력, 상기 전력 저장부(130)에 저장된 전력, 상기 전력 생산부(110)에서 생산된 전력 중 어느 하나의 전력을 선택적으로 공급하기 위한 양방향 전력제어기(200)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention includes a power generation unit (PV) 110 that produces electrical energy from a renewable source, and a power generation unit 110 producing electrical energy. A first DC/DC converter 120 that rectifies and outputs electrical energy, a power storage unit (ESS) 130 that stores the electrical energy produced by the power production unit 110, and the power storage unit 130. A second DC/DC converter 140 that rectifies and outputs the stored electrical energy, and a bidirectional AC/DC converter 160 that converts AC power flowing in from the external power system 150 into DC power and outputs it, It is configured between the first and second DC/DC converters 120 and 140, the bidirectional AC/DC converter 160, and the load 170, respectively, to store power flowing in from the power system 150 and the power storage unit ( 130) and a bidirectional power controller 200 for selectively supplying any one of the power stored in the power generator 110 and the power produced by the power generation unit 110.

여기서, 상기 양방향 전력제어기(200)는 외부로부터 고장이 발생하여 전류가 흐르지 못한 위치 신호를 수신하는 통신부(210)와, 상기 통신부(210)를 통해 수신된 고장 위치 신호를 전달받아 고장이 발생한 위치에 따른 전력의 방향을 결정하는 조작신호를 출력하는 제어부(220)와, 상기 제어부(220)의 조작신호를 전달받아 선택적으로 ON/OFF되어 상기 부하(170)에 필요한 DV 전원을 공급하는 제 1 내지 제 4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함하여 이루어진다.Here, the two-way power controller 200 includes a communication unit 210 that receives a position signal from the outside in which current fails to flow due to a failure, and a location where the failure occurs by receiving the failure location signal received through the communication unit 210. A control unit 220 that outputs an operation signal that determines the direction of power according to the control unit 220, and a first unit that receives the operation signal from the control unit 220 and is selectively turned on/off to supply the DV power required for the load 170. to fourth switches (SW1, SW2, SW3, SW4).

여기서, 상기 양방향 전력제어기(200)는 직류 그리드 형태의 스마트 그리드에서 전력계통(150)에 단락과 같은 사고가 발생한 경우, 위험 요소를 즉시 제어할 수 있는 스마트 그리드 환경에서 에너지 분전 시스템을 제공하기 위한 장치이다. Here, the bidirectional power controller 200 is used to provide an energy distribution system in a smart grid environment that can immediately control risk factors when an accident such as a short circuit occurs in the power system 150 in a smart grid in the form of a direct current grid. It is a device.

상기 양방향 전력제어기(200)를 활용한다면 제 1 내지제 4 스위치(SW1, SW2. SW3, SW4)를 이용하여 전력의 방향을 결정할 수 있으므로, 추가적인 제어 없이 편리하게 전력 관리를 할 수 있다. If the bidirectional power controller 200 is used, the direction of power can be determined using the first to fourth switches (SW1, SW2, SW3, and SW4), so power management can be conveniently performed without additional control.

본 발명은 저전압 직류배전 시스템에서 고장 시 전류의 특성 분석을 통해 고장이 발생한 위치를 판단하고, 그에 따라 스위치 동작을 제어할 수 있다. The present invention can determine the location of a fault by analyzing the characteristics of current at the time of a fault in a low-voltage direct current distribution system and control the switch operation accordingly.

즉, 상기 양방향 전력제어기(200)를 이용하여 적어도 어느 한 곳의 위치에서 고장이 발생하여 정상적인 전류가 흐르지 않아 부하(170)에 필요한 전원이 공급되지 않을 경우에 전력 생산부(110), 에너지 저장부(130), 전력계통(150) 및 부하(170) 사이에 각각 연결된 제 1 내지 제 4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 구성하고 각 부분의 전류를 입력으로 받은 후 상기 제어부(220)에서 스위치 동작을 결정할 수 있다.That is, when a failure occurs in at least one location using the bidirectional power controller 200 and normal current does not flow, the power required for the load 170 is not supplied, the power generation unit 110 and the energy storage unit. (130), first to fourth switches (SW1, SW2, SW3, SW4) are connected respectively between the power system 150 and the load 170, and after receiving the current from each part as input, the control unit 220 The switch operation can be determined.

한편, 상기 전력 생산부(110)는 이후 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지(PV)를 하나의 실시예로 설명하는데, 이에 한정하지 않고 풍력, 지열, 조력 등과 같은 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다.Meanwhile, the power production unit 110 will later describe a solar cell (PV) that produces electrical energy from sunlight as an example, but is not limited to this and can produce electrical energy from energy sources such as wind, geothermal, and tidal power. You can.

도 2는 저압 직류배전(LVDC) 시스템에서 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치를 설명하기 위한 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram for explaining a switching device for a direct current power system with power direction in a low voltage direct current distribution (LVDC) system.

도 2에 도시된 바와 같이, 전력계통(150)과 연계되어 있으며, 제 1 DC/DC 컨버터(120)를 거쳐 직류 부하에 전력을 공급할 수 있도록 제 1 내지 제 3 스위치(SW1, SW2, SW3)를 구비하고 있다.As shown in FIG. 2, it is connected to the power system 150 and includes first to third switches (SW1, SW2, and SW3) to supply power to the direct current load through the first DC/DC converter 120. It is equipped with

이때 상기 제 1 내지 제 3 스위치(SW1, SW2, SW3)의 전단에 고장 발생이 가능한 위치를 (1) 내지 (4)로 나타내고 있고, (1)은 양방향 AC/DC 컨버터의 직류측 고장위치를 나타내고, (2)는 태양전지에 연결된 DC/DC 컨버터의 고장위치를 나타내며, (3)은 직류 선로에서의 고장위치를 나타내고, (4) 직류 모선에서의 고장위치를 나타낸다.At this time, positions where a failure can occur in front of the first to third switches (SW1, SW2, and SW3) are indicated by (1) to (4), and (1) indicates the fault location on the DC side of the bidirectional AC/DC converter. (2) represents the fault location of the DC/DC converter connected to the solar cell, (3) represents the fault location in the DC line, and (4) represents the fault location in the DC busbar.

도 3은 도 2에서 정상상태와 (1)번 위치의 양방향 AC/DC 컨버터의 직류측에서 고장 발생시 전류의 흐름을 비교한 도면이다.FIG. 3 is a diagram comparing the current flow in the normal state and when a fault occurs on the DC side of the bidirectional AC/DC converter at position (1) in FIG. 2.

도 3에서와 같이, 정상상태에서는 부하로 전류가 흘러가게 된다. 그렇지만 SW1의 경우 PV측, 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 캐패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 고장전류가 흘러오게 된다. As shown in Figure 3, in a normal state, current flows to the load. However, in the case of SW1, the fault current flows in the opposite direction to the normal state due to the discharge of the capacitor of the DC/DC converter connected to the PV side and load.

따라서 정상상태와는 반대 극성의 전류가 흐르게 된다. SW2의 경우 정상상태와 고장상태의 고장전류의 흐름 방향은 동일하다. SW3의 경우 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 캐패시터 방전 때문에 정상상테와는 반대 방향으로 전류가 흐르게 되어 반대 극성의 전류가 측정된다.Therefore, a current of opposite polarity to the normal state flows. In the case of SW2, the direction of flow of fault current in normal state and fault state is the same. In the case of SW3, the current flows in the opposite direction to the normal state due to the discharge of the capacitor of the DC/DC converter connected to the load, and a current of opposite polarity is measured.

도 4는 도 2의 정상상태와 (2)번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 도면이다. SW1의 경우 고장시점으로 전류가 주입되는 방향과 정상상태의 방향이 동일하다. SW2의 경우 정상상태에서는 PV측에서 부하로 전력이 공급되는 방향이지만, 고장 발생시 양방향 AC/DC 컨버터 측, 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 고장전류 흐름이 나타나게 된다.Figure 4 is a diagram comparing the current flow in the normal state of Figure 2 and when a failure occurs at position (2). In the case of SW1, the direction in which the current is injected at the time of failure and the direction in the normal state are the same. In the case of SW2, in the normal state, power is supplied from the PV side to the load, but when a fault occurs, the fault current flows in the opposite direction to the normal state due to the discharge of the capacitor on the bidirectional AC/DC converter side and the DC/DC converter connected to the load. do.

따라서 반대 극성의 전류가 측정될 것이다. SW3의 경우 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 때문에 정상상태와는 반대 방향으로 전류가 흐르게 되어 반대 극성의 전류가 측정될 것이다.Therefore, a current of opposite polarity will be measured. In the case of SW3, the current flows in the opposite direction to the normal state due to the discharge of the capacitor of the DC/DC converter connected to the load, and a current of opposite polarity will be measured.

도 5는 도 2의 정상상태와 (3)번 위치에서 고장 시 전류 흐름을 비교한 도면이다. SW1, SW2, SW3 모두 정상상태와 고장 시 전류 흐름의 방향은 동일하다. 따라서 정상상태와 동일한 극성의 전류가 측정될 것이다.Figure 5 is a diagram comparing the current flow in the normal state of Figure 2 and when a failure occurs at position (3). For SW1, SW2, and SW3, the direction of current flow is the same in normal state and in case of failure. Therefore, a current of the same polarity as in the steady state will be measured.

도 3 내지 도 5에서 (1)~(3)번 위치 고장 시 SW1, SW2, SW3의 고장전류 흐름을 비교하였다. 이것을 표로 정리하면 아래의 표 1과 같다. 즉, 표 1은 고장시 SW1, SW2, SW3의 전류 극성 변화를 나타낸 것이다.In Figures 3 to 5, the fault current flows of SW1, SW2, and SW3 were compared when the locations (1) to (3) failed. This is summarized in Table 1 below. That is, Table 1 shows the change in current polarity of SW1, SW2, and SW3 during a fault.

위의 표 1에서 +는 (+)의 값으로 측정된 전류 값이고, (-)는 고장전류 흐름이 반대가 되어 반대 극성 즉, (-)의 전류 값으로 측정됨을 의미한다. 본 발명에서 양방향 전력제어를 고려한 보호 방식에서 이 특성을 활용하여 (2), (3), (4)번의 고장위치를 구별한다.In Table 1 above, + is the current value measured as a (+) value, and (-) means that the fault current flow is reversed and measured as a current value of (-) with the opposite polarity. In the present invention, this characteristic is used in the protection method considering bidirectional power control to distinguish the fault locations (2), (3), and (4).

직류 모선에서의 고장인 (4)번 위치에서 고장이 발생하면 기존 보호 방식 중 차동보호 계전기의 원리를 응용하여 (4)번 위치 고장을 판별할 수 있다. 정상 상태에서는 전류의 흐름에 따라 SW1에 흐르는 전류와 SW2에 흐르는 전류의 합이 SW3에 흐는 전류와 같다. 한편, 어느 하나의 위치에서 고장이 발생하면 이 식이 성립하지 않게 된다.If a fault occurs at location (4), which is a fault in the DC busbar, the fault at location (4) can be determined by applying the principle of differential protection relay among existing protection methods. In a normal state, depending on the current flow, the sum of the current flowing in SW1 and the current flowing in SW2 is equal to the current flowing in SW3. On the other hand, if a failure occurs at any one location, this equation does not hold true.

도 6은 본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 양방향 전력제어를 고려한 보호 방식을 설명하기 위한 구성도이고, 도 7은 도 6의 제어부에 대한 동작 알고리즘이다.FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a protection method considering bidirectional power control of a switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention, and FIG. 7 is an operation algorithm for the control unit of FIG. 6.

도 6에서와 같이, 제어부(220)가 존재하며, 여기에서 각 스위치(SW1, SW2, SW3)에 흐르는 전류(iSW1,iSW2,iSW3)를 입력으로 받는다. 그 이후 일정한 연산을 거쳐 각 스위치에 동작 신호를 전송한다.As shown in FIG. 6, there is a control unit 220, which receives currents (i SW1, i SW2, and i SW3) flowing through each switch ( SW1 , SW2 , and SW3 ) as input. After that, an operation signal is transmitted to each switch through certain calculations.

먼저, 각 스위치의 전류 값(iSW1,iSW2,iSW3)을 입력으로 받는다. 다음 단계로 고장발생 여부를 판단한다. 각 스위치의 전류값이 고장발생 여부 판단을 위한 기준값보다 크면 직류측이 고장이 발생한 것으로 판단한다.First, the current value of each switch (i SW1 , i SW2 , i SW3 ) is received as input. The next step is to determine whether a failure has occurred. If the current value of each switch is greater than the reference value for determining whether a failure has occurred, it is determined that the DC side has failed.

직류측 고장이 발생한 경우, 각 고장위치를 판단하여 스위치 동작을 제어한다. 우선, 직류 모선의 고장인 (4)번 위치 여부를 판단하기 위하여 iSW1+iSW2=iSW3이 성립하는지 판단한다. 만약 이 식이 성립한다면 직류 모선이 정상상태인 것을 의미하므로 (4)번 고장이 아니다. 성립하지 않는다면 직류 모선 고장이 발생한 것이므로 고장 위치는 (4)번으로 판단이 가능하다. (4)번 위치 고장일 경우 교류(AC) 측 및 PV 측 양 방향으로부터 고장전류 공급이 가능하므로 SW1, SW2 모두 Open하여야 한다. When a DC fault occurs, the switch operation is controlled by determining the location of each fault. First, in order to determine whether position (4) is the fault of the DC bus, determine whether i SW1 +i SW2 =i SW3 holds true. If this equation holds true, it means that the DC bus is in a normal state, so it is not a fault (4). If this does not hold true, a DC bus failure has occurred, and the fault location can be determined as (4). In case of a fault at position (4), fault current can be supplied from both the AC and PV sides, so both SW1 and SW2 must be open.

또한, 부하측으로 비정상 전류 공급을 방지하기 위하여 SW3도 Open하여야 한다. 모든 스위치를 Open하면 부하로 전력공급이 불가능하므로 부하에는 정전이 발생하게 된다.Additionally, SW3 must also be opened to prevent abnormal current supply to the load side. If all switches are opened, power cannot be supplied to the load, so a power outage occurs in the load.

그 외 고장위치 판별을 위하여 표 1에 나타낸 전류의 극성 변화를 활용한다. 고장위치 (1)번의 경우 SW1과 SW3이 (+) → (-)로 극성이 변화한다. 따라서, (-)로 극성이 변화하면 값이 0보다 작아 지게 때문에 iSW1<0, iSW2>0, iSW3<0이 성립하면 고장위치가 (1)번으로 판단할 수 있다. In addition, the polarity change of the current shown in Table 1 is used to determine the location of the fault. In case of fault location (1), the polarity of SW1 and SW3 changes from (+) to (-). Therefore, when the polarity changes to (-), the value becomes less than 0, so if i SW1 <0, i SW2 >0, and i SW3 <0 are established, the fault location can be determined as (1).

이 경우에는 교류측으로부터 비정상 전류 유입을 방지하기 위하여 SW1을 Open한다. SW2와 SW3은 Close 동작을 유지하여 PV로부터 부하에 정상전류 공급을 할 수 있다. 고장위치 (2)번의 경우 SW2와 SW3이 (+) → (-)로 극성이 변화한다. 따라서, (-)로 극성이 변화하면 값이 0보다 작아지게 때문에 iSW1>0, iSW2<0, iSW3<0이 성립하면 고장위치가 (2)번으로 판단할 수 있다. In this case, SW1 is opened to prevent abnormal current inflow from the AC side. SW2 and SW3 can maintain the Close operation to supply normal current from the PV to the load. In case of fault location (2), the polarity of SW2 and SW3 changes from (+) to (-). Therefore, when the polarity changes to (-), the value becomes less than 0, so if i SW1 >0, i SW2 <0, and i SW3 <0 are established, the fault location can be determined as (2).

이 경우, PV측을 분리하기 위하여 SW2만 Open하고 SW1과 SW3은 Close를 유지하여 교류(AC) 측에서 AC/DC 컨버터를 거쳐 Load2로 정상전력을 공급할 수 있다. (1)번과 (2)번 위치가 아니라면 최종적으로 (3)번 위치로 판단하여 SW3만 Open하고 SW1과 SW2는 Close를 유지한다. 그러면 PV 및 교류(AC) 측으로부터 부하에는 전력공급을 지속할 수 있다. 부하로는 전력을 공급할 수 없으므로 부하에 정전이 발생하게 된다.In this case, in order to separate the PV side, only SW2 is opened and SW1 and SW3 are kept closed so that normal power can be supplied from the alternating current (AC) side to Load2 through the AC/DC converter. If it is not the positions (1) and (2), it is ultimately judged to be the (3) position, and only SW3 is opened, and SW1 and SW2 remain closed. Then, power can be continuously supplied to the load from the PV and alternating current (AC) sides. Since power cannot be supplied to the load, a power outage occurs in the load.

도 7에서와 같이, 각 고장위치를 결정한 후 스위치 동작을 결정한다. 양방향 전력제어기를 활용하지 않는 기존 방법의 경우 고장이 발생하면 모든 전원을 차단하기 때문에 PV로부터 부하로 전력공급 혹은 PV를 이용한 ESS 충전을 할 수 없다.As shown in Figure 7, after determining each fault location, the switch operation is determined. In the case of existing methods that do not utilize a bidirectional power controller, if a failure occurs, all power is cut off, making it impossible to supply power from PV to the load or charge the ESS using PV.

그러나 본 발명은 양방향 전력제어기를 이용한 보호 방법을 적용한다면 고장위치에 따라 PV로부터 부하에 전력공급이 가능하여 정전시간이 줄어들어 전력 공급의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.However, in the present invention, if a protection method using a bidirectional power controller is applied, power can be supplied to the load from PV according to the fault location, thereby reducing power outage time and improving power supply reliability.

본 발명에 의한 전력 방향성을 갖는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 계통모델은 도 6과 같다.The system model of the switching device for a direct current power system with power direction according to the present invention is shown in FIG. 6.

이때 PV의 용량은 2kW이다. 직류 배전선로의 길이는 2km이며, 직류 부하량은 50kW이다.At this time, the capacity of PV is 2kW. The length of the DC distribution line is 2km, and the DC load is 50kW.

즉, 도 6의 계통 모델은 전력계통 프로그램을 이용하여 구현하였다. That is, the system model in FIG. 6 was implemented using a power system program.

상기와 같이 구현된 계통 모델을 검증하기 위하여 4가지의 시뮬레이션 조건을 설정하였다. Case 1은 AC/DC 컨버터의 직류측 고장이다. Case 2는 PV측 고장이며, Case 3은 직류 선로의 고장이다. Case 4는 직류 모선의 고장이다.In order to verify the system model implemented as above, four simulation conditions were set. Case 1 is a failure on the DC side of the AC/DC converter. Case 2 is a PV side failure, and Case 3 is a DC line failure. Case 4 is a failure of the DC busbar.

상기 Cace 1 내지 Cace 4에 대하여 고장 발생시간은 0.5초이며, 영구고장으로 설정하였다. AC/DC 컨버터는 교류측으로부터 고장전류 유입을 막기 위하여 고장발생 즉시 shut down되는 것으로 가정하였다. 또한, 시뮬레이션시 각 스위치의 동작 시간은 고려하지 않았고 각 스위치의 동작 결과에서 1은 'close', 0은 'open' 동작을 의미한다.For Cace 1 to Cace 4, the failure occurrence time was 0.5 seconds and were set as permanent failures. The AC/DC converter was assumed to be shut down immediately upon failure to prevent the inflow of fault current from the AC side. Additionally, the operation time of each switch was not considered during the simulation, and in the operation results of each switch, 1 means 'close' and 0 means 'open' operation.

그 시뮬레이션의 결과는 다음과 같다.The results of the simulation are as follows.

도 8 내지 도 10은 Case 1의 시뮬레이션으로 SW1, SW2, SW3에 흐르는 전류를 보여주는 도면이다. 0.5초에 고장이 발생하고 SW1에 흐르는 전류는 0보다 작으며, SW2에 흐르는 전류는 0보다 크고, SW3에 흐르는 전류는 0보다 작은 것을 알 수 있다. Figures 8 to 10 are diagrams showing the current flowing through SW1, SW2, and SW3 in the simulation of Case 1. It can be seen that a failure occurs in 0.5 seconds and the current flowing in SW1 is less than 0, the current flowing in SW2 is greater than 0, and the current flowing in SW3 is less than 0.

따라서 도 7의 동작 알고리즘에 따라 Fault location은 (1)로 판단하고, 도 11의 결과와 같이 SW1, SW2, SW3의 동작 결과를 나타낸다.Therefore, according to the operation algorithm of FIG. 7, the fault location is determined to be (1), and the operation results of SW1, SW2, and SW3 are shown as the results of FIG. 11.

도 7의 알고리즘과 같이 SW1만 open되며, 나머지 SW2, SW3는 close 동작을 유지한다.As in the algorithm of Figure 7, only SW1 is opened, and the remaining SW2 and SW3 maintain the close operation.

도 12는 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프이다. Figure 12 is a graph showing the power consumption of a direct current load.

도 12에서와 같이, 0.5초 동안 고장이 발생함에도 불구하고, 고장측의 SW1만 open되기 때문에 비록 AC side로부터 전력공급이 없더라도 PV측 및 부하에 연결된 커패시터의 방전으로 인하여 부하에 정상적인 전력공급을 지속할 수 있다.As shown in Figure 12, despite a fault occurring for 0.5 seconds, only SW1 on the fault side is open, so even though there is no power supply from the AC side, normal power supply to the load continues due to the discharge of the capacitor connected to the PV side and the load. can do.

도 13 내지 도 16은 Case 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.Figures 13 to 16 are graphs showing the simulation results of Case 2.

즉, 도 13 내지 도 15는 Case 2에서 sw1, sw2, sw3에 흐르는 전류를 나타낸다. 표 1의 분석결과와 같이, sw1에 흐르는 전류는 0.5초 동안 고장발생 직후 (+) 부호를 나타내며, sw2에 흐르는 전류는 (-), sw3에 흐르는 전류 또한 (-)를 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 동작 알고리즘에 따라 고장위치 (2)번으로 판단하고, sw2만 open되고 sw1과 sw3은 close 동작을 유지하는 것을 도 16을 통하여 알 수 있다.That is, Figures 13 to 15 show currents flowing through sw1, sw2, and sw3 in Case 2. As shown in the analysis results in Table 1, the current flowing in sw1 shows a (+) sign immediately after the fault occurs for 0.5 seconds, the current flowing in sw2 shows (-), and the current flowing in sw3 also shows (-). Accordingly, it can be seen through FIG. 16 that the fault location (2) is determined according to the operation algorithm, and only sw2 is open, while sw1 and sw3 maintain close operation.

도 13 내지 도 15에서 SW동작 후 oscillation이 발생하였음을 파형을 통하여 알 수 있다. 이것의 원인은 AC/DC 컨버터의 내부 스위치가 shut down 되었기 때문에 AC/DC 컨버터는 6 펄스 다이오드 정류기로 동작하게 된다. 이 경우, 큰 리플을 가지는 전류가 부하측으로 공급되기 때문에 도 16과 같은 파형이 나타난 것이다.13 to 15, it can be seen from the waveform that oscillation occurred after SW operation. The reason for this is that the internal switch of the AC/DC converter is shut down, so the AC/DC converter operates as a 6-pulse diode rectifier. In this case, a waveform as shown in FIG. 16 appears because a current with a large ripple is supplied to the load side.

도 17은 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프이다. Figure 17 is a graph showing the power consumption of a direct current load.

도 17에서와 같이, 0.5초 동안 고장이 발생하였음에도 불구하고 정상상태와 동일한 전력소비가 나타남을 알 수 있다. 즉, SW2만 Open되므로 AC/DC 컨버터 및 부하와 연결된 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전으로 인하여 정상전력이 공급됨을 알 수 있다.As shown in Figure 17, it can be seen that the power consumption is the same as in the normal state even though the failure occurred for 0.5 seconds. In other words, since only SW2 is open, it can be seen that normal power is supplied due to the capacitor discharge of the AC/DC converter and the DC/DC converter connected to the load.

도 18 내지 도 21은 Case 3의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.Figures 18 to 21 are graphs showing the simulation results of Case 3.

즉, 도 18 내지 도 20은 Case 3에서 SW1, SW2, SW3에 흐르는 전류를 나타낸다. 표 1의 분석결과와 같이, 고장 발생 시 모두 (+)의 부호를 나타내므로 도 7의 알고리즘에 따라 고장위치 (3)번으로 판단하고 도 21과 같이 SW3만 Open 되고 나머지는 close 상태를 유지한다.That is, Figures 18 to 20 show the current flowing through SW1, SW2, and SW3 in Case 3. As shown in the analysis results in Table 1, when a failure occurs, both show a (+) sign, so the fault location is determined to be (3) according to the algorithm in Figure 7, and only SW3 is opened as shown in Figure 21, and the rest remain closed. .

도 22는 직류 부하의 소비전력을 나타낸다. 직류 선로 고장으로 SW3이 open 된 후 정상적인 전력공급이 불가능하다. SW3이 Open되어 고장영역이 고립되더라도 고장은 영구고장이기 때문에 실제 선로에서 고장은 남아있는 상태이다. 따라서, 부하 측 DC/DC 컨버터의 커패시터 방전 시 전류가 고장점으로 흐르게 되므로 부하에는 전력공급이 되지 않은 것이다.Figure 22 shows the power consumption of a direct current load. Normal power supply is impossible after SW3 is opened due to a DC line failure. Even if SW3 is opened and the fault area is isolated, the fault remains in the actual line because it is a permanent fault. Therefore, when the capacitor of the DC/DC converter on the load side discharges, the current flows to the fault point, so power is not supplied to the load.

도 23 내지 도 26은 Case 4의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.Figures 23 to 26 are graphs showing the simulation results of Case 4.

즉, 도 23 내지 도 25는 Case 4에서 SW1, SW2, SW3에 흐르는 전류를 나타낸다. 이 경우 파형의 크기에서 알 수 있듯이 iSW1+iSW2=iSW3이 성립하지 않는다. 따라서 동작 알고리즘에 따라 고장위치 (4)번으로 판단하고 도 26과 같이 모든 SW가 Open 된다.That is, Figures 23 to 25 show currents flowing through SW1, SW2, and SW3 in Case 4. In this case, as can be seen from the size of the waveform, iSW1+iSW2=iSW3 does not hold true. Therefore, according to the operation algorithm, the fault location (4) is determined and all SWs are opened as shown in Figure 26.

도 27은 직류 부하의 소비전력을 나타낸 그래프이다. 도 22의 Case 3과는 달리 고장발생후에도 일정시간 동안은 소비전력이 발생함을 알 수 있다. 그 이유는 DC/직류 부하 측의 커패시터 방전으로 인하여 전력이 공급되기 때문이다.Figure 27 is a graph showing the power consumption of a direct current load. Unlike Case 3 in Figure 22, it can be seen that power consumption occurs for a certain period of time even after a failure occurs. The reason is that power is supplied due to capacitor discharge on the DC/DC load side.

이상과 같이 본 발명에서는 신재생에너지가 연계된 저압직류배전계통에서 양방향 전력제어기를 이용한 운영 기법을 제공한다. As described above, the present invention provides an operation technique using a bidirectional power controller in a low-voltage direct current distribution system linked to new and renewable energy.

우선, 저압직류배전계통에서 고장이 발생 가능한 위치에 따라 고장 시 전류흐름의 특성을 분석한 후, 이 특성을 이용하여 저압직류배전계통에서 양방향 전력제어기를 이용한 보호 방식이다. First, it is a protection method using a bidirectional power controller in the low-voltage direct-current distribution system by analyzing the characteristics of the current flow in the event of a fault according to the location where the fault may occur in the low-voltage direct-current distribution system, and then using these characteristics.

본 발명의 보호 방식에서는 고장 전류의 부호 변화에 따라 고장 위치를 AC/DC 측 고장, PV측 고장, 직류 선로측 고장, 직류 모선측 고장으로 판단하고 각 고장위치에 따라 양방향 전력제어기의 스위치 동작이 결정된다.In the protection method of the present invention, the location of the fault is determined as a fault on the AC/DC side, a fault on the PV side, a fault on the DC line side, or a fault on the DC bus line according to the sign change of the fault current, and the switch operation of the bidirectional power controller is performed according to each fault location. It is decided.

그 방법은 전력계통 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통하여 검증한다. 저압직류배전계통 및 방법을 모델링하고, 고장위치를 달리하면서 시뮬레이션을 수행한다. The method is verified through simulation using a power system program. Model low-voltage direct current distribution systems and methods, and perform simulations while varying fault locations.

그 결과, 알고리즘에 따라 고장위치를 정확히 판단하고 양방향 전력제어기의 스위치가 동작함을 확인할 수 있다.As a result, it is possible to accurately determine the fault location according to the algorithm and confirm that the switch of the bidirectional power controller operates.

한편, 이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.Meanwhile, although the present invention has been described above using several preferred examples, these examples are illustrative and not limiting. Those of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.

110 : 전력 생산부 120 : 제 1 DC/DC 컨버터
130 : 전력 저장부 140 : 제 2 DC/DC 컨버터
150 : 전력계통 160 : 양방향 AC/DC 컨버터
170 : 부하 200 : 양방향 전력제어기110: Power production unit 120: First DC/DC converter
130: Power storage unit 140: Second DC/DC converter
150: Power system 160: Bidirectional AC/DC converter
170: Load 200: Bidirectional power controller

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 전력계통과 연계되며, 제 1 DC/DC 컨버터를 거쳐 직류 부하에 전력을 공급할 수 있도록 제 1 내지 제 3 스위치를 구비하고 상기 제 1 내지 제 3 스위치의 전단에 고장 발생이 가능한 제 1 내지 제 4 고장위치를 각각 설정하는 단계;
상기 제 1 내지 제 3 스위치에 흐르는 전류값(iSW1,iSW2,iSW3)을 전달받아 임의로 셋팅된 기준값과 비교하여 상기 제 1 내지 제 4 고장위치에 대한 고장발생 여부를 판단하는 단계;
상기 직류측의 고장발생 여부에 따라 제 1 내지 제 4 고장위치 중 상기 제 1 내지 제 3 스위치의 동작을 제어하고 상기 전류값이 iSW1 + iSW2= iSW3이 성립한지 판단하여 상기 제 4 고장위치에 대한 고장인 경우 제 1 내지 제 3 스위치를 제어하여 OPEN하는 단계;
상기 전류값 iSW1 < 0, iSW2 > 0, iSW3 < 0이 성립되면 상기 제 1 내지 제 4 고장위치 중 제 1 고장위치에 고장이 발생하였다고 판단하여 제 1 스위치는 OPEN하고 제 2 및 제 3 스위치는 CLOSE하여 전력 생산부로부터 부하에 정상전류를 공급하는 단계;
상기 전류값 iSW1 > 0, iSW2 < 0, iSW3 < 0이 성립되면 상기 제 1 내지 제 4 고장위치 중 제 2 고장위치에 고장이 발생하였다고 판단하여 제 2 스위치는 OPEN하고 제 1 및 제 3 스위치는 CLOSE하여 전력 생산부는 분리하고 교류측에서 양방향 AC/DC 컨버터로 거쳐 정상전력을 공급하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 그리고 제 4 고장위치에 고장이 발생하지 않는 경우 제 3 고장위치에 고장이 발생하였다고 판단하여 제 3 스위치는 OPEN하고 제 1 및 제 2 스위치는 CLOSE하여 전력 생산부 및 교류측으로부터 부하에 전력을 공급하는 단계를 포함하여 이루어지고,
양방향 전력제어기를 통해 고장위치에 따라 전력 생산부로부터 부하에 전력공급이 가능하도록 제어하여 정전시간을 줄이는 것을 특징으로 하는 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제어방법.It is connected to the power system, has first to third switches to supply power to a direct current load through a first DC/DC converter, and is capable of causing a failure before the first to third switches. Setting each fault location;
Receiving current values (i SW1 , i SW2 , i SW3 ) flowing through the first to third switches and comparing them with arbitrarily set reference values to determine whether a failure has occurred at the first to fourth fault locations;
Depending on whether a failure occurs on the direct current side, the operation of the first to third switches among the first to fourth fault locations is controlled, and the current value is determined to determine whether i SW1 + i SW2 = i SW3 is established, and the fourth fault is determined. In case of a location failure, controlling the first to third switches to open them;
If the current values i SW1 < 0, i SW2 > 0, and i SW3 < 0 are established, it is determined that a fault has occurred at the first fault location among the first to fourth fault locations, and the first switch is opened and the second and fourth fault locations are determined. 3. Closing the switch to supply normal current from the power generation unit to the load;
If the current values i SW1 > 0, i SW2 < 0, and i SW3 < 0 are established, it is determined that a failure has occurred at the second fault location among the first to fourth fault locations, the second switch is OPEN, and the first and fourth fault locations are determined. 3 Step of closing the switch to separate the power generation unit and supplying normal power from the AC side through a two-way AC/DC converter;
If a failure does not occur at the first, second, and fourth fault locations, it is determined that a fault has occurred at the third fault location, and the third switch is OPEN and the first and second switches are CLOSED, thereby disconnecting the power from the power generation unit and the AC side. It includes the step of supplying power to the load,
A control method for a switching device for a direct current power system with power direction, characterized in that it reduces power outage time by controlling power supply to the load from the power generation unit according to the fault location through a bi-directional power controller. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 고장위치는 양방향 AC/DC 컨버터의 직류측 고장위치를 나타내고, 상기 제 2 고장위치는 전력 생산부에 연결된 DC/DC 컨버터의 고장위치를 나타내며, 상기 제 3 고장위치는 직류 선로에서의 고장위치를 나타내고, 상기 제 4 고장위치는 직류 모선에서의 고장위치를 나타내는 것을 특징으로 하는 전력 방향성을 가지는 직류 전력계통용 스위칭 장치의 제어방법.The method of claim 6, wherein the first fault location represents a fault location on the DC/DC converter of the bidirectional AC/DC converter, the second fault location represents a fault location of the DC/DC converter connected to the power generation unit, and the third fault location is represents the fault location in the direct current line, and the fourth fault location represents the fault location in the direct current busbar. A control method of a switching device for a direct current power system with power direction, characterized in that.
KR1020220152550A 2022-11-15 Control method of switching device for DC power system having power directionality KR102678463B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220152550A KR102678463B1 (en) 2022-11-15 Control method of switching device for DC power system having power directionality

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220152550A KR102678463B1 (en) 2022-11-15 Control method of switching device for DC power system having power directionality

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20240070979A KR20240070979A (en) 2024-05-22
KR102678463B1 true KR102678463B1 (en) 2024-06-26

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Augustine et al. DC Microgrid Protection: Review and Challenges.
Qu et al. Planning and analysis of the demonstration project of the MVDC distribution network in Zhuhai
Jafari et al. Study of smart grid protection challenges with high photovoltaic penetration
Patel et al. Adaptive protection scheme for a real-world microgrid with 100% inverter-based resources
Chen et al. AC and DC microgrid with distributed energy resources
Chandraratne et al. Adaptive overcurrent protection for power systems with distributed generators
Bakhteev et al. The improving efficiency of electric receivers on the industrial enterprises in case of short-term power outages
Khademlahashy et al. A review on protection issues in micro-grids embedded with distribution generations
Vishnupriya et al. Fault Ride Through for a DC ring bus microgrid
Yuan et al. An MVDC microgrid for a remote area mine site: Protection, operation and control
Patil et al. A novel protection scheme for DC microgrid with hierarchical control
Prince et al. Total harmonic distortion based fault detection in islanded DC microgrid
KR102678463B1 (en) Control method of switching device for DC power system having power directionality
Mazlumi et al. DC microgrid protection in the presence of the photovoltaic and energy storage systems
KR20240070979A (en) Switching device for DC power system having power directionality
Alexis Distributed generation on phase-to-phase short circuit protection in distribution network
Varghese Integration of Distributed Generation System and Electric Vehicle Charger in V2G mode for Grid Voltage Sag Mitigation
Oudalov et al. Microgrid protection
Dubey et al. Protection schemes in microgrid
Dai et al. DC line protection for flexible MVDC distribution grid with renewable energy resources
Li et al. A protection method for microgrids based on information sharing
Heinbokel et al. Zonal protection of DC swarm microgrids using a novel multi-terminal grid interface with decentralized control
Shahid et al. Comparison of resistive and inductive superconductor fault current limiters in AC and DC micro-grids
Rong et al. Impact of Photovoltaic Generation Integration on Protection of Distribution Systems
Adebiyi et al. Investigation to determine the impacts of SPV penetration on an unbalanced distribution grid