KR20080041310A - 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ｄｃ/ａｃ컨버터 제어 장치 - Google Patents

무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ｄｃ/ａｃ컨버터 제어 장치 Download PDF

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Abstract

무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서 태양전지어레이로부터 발생되는 출력 전력 정보를 이용하여 현재 발생되는 출력에 해당하는 전력이 계통으로 출력되게 하는 무변압기 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치가 개시되어 있다. 장치는 DC/AC 컨버터가 태양전지어레이로부터 만들어 DC 링크 커패시터로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전 계통에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전 계통에 공급하기 위해, 출력 전류 기준 값을 기초로 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 DC/AC 컨버터를 제어하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치에 있어서, 상기 출력 전류 기준 값은 태양전지어레이의 출력 전력량 계산에 기초한다.

Description

무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ＤＣ/ＡＣ 컨버터 제어 장치{The DC/AC Control System for a Grid-connected Transformerless Type Photovoltaic Generation System}
도 1은 일반적인 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 DC/DC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 단상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 단상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 태양전지어레이
120 : 무변압기형 태양광 발전 시스템의 전력 변환 장치
123 : DC/DC 컨버터 124 : DC 링크 커패시터
125 : DC/AC 컨버터 126 : 계통 연계 리액터
210 : 최대전력점추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어기
220 : 태양전지어레이 출력 전압 제어기
230 : 태양전지어레이 출력 전류 제어기
340 : DC 링크 전압 제어기
350 : DC/AC 컨버터 출력 전류 제어기
540 : DC/AC 컨버터 출력 명령 발생기
545 : PV 출력 전류 명령 548 : DC 링크 전압 제한 제어기
549 : DC 링크 전압 보상 전류 명령
본 발명은 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서 태양전지어레이로부터 발생되는 출력 전력 정보를 이용하여 현재 발생되는 출력에 해당하는 전력이 계통으로 출력되게 하는 무변압기 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치에 관한 것이다.
계통연계 태양광 발전 시스템은 태양전지어레이와 태양전지어레이의 직류전력을 계통연계에 적합한 전압과 주파수의 교류 전력으로 변환하여 주는 전력변환장치로 구성되어 있다. 전력변환장치는 연계 변압기를 사용하는 경우와 연계 변압기를 사용하지 않는 경우에 따라 그 구성이 다르다. 연계 변압기를 사용하는 경우에는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 주는 인버터 시스템과 인버터 시스템에서 만들어진 교류 전압을 연계계통에 적합하도록 승압 혹은 강압하여 주는 연계 변압기로 구성되어 있다. 변압기를 사용하지 않는 경우에는 인버터 시스템이 연계 계통에 적합한 교류 전압을 만들 수 있도록 태양전지어레이에서 발생된 직류전압을 적절한 크기의 직류 전압으로 승압 혹은 강압하여 주는 DC-DC 컨버터와 인버터 시스템으로 구성되어 있으며 절연 변압기의 사용 유무에 따라 절연형과 비절연형으로 구분할 수 있다. 주로 대용량 시스템에서 연계 변압기형을 사용하고 있으며 현재 많은 보급이 이루어지고 있는 3kW 이하의 소용량 시스템에서는 변압기 사용에 따른 부피와 무게, 효율 문제로 인하여 무변압기형이 주로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 계통연계 태양광 발전 시스템은 크게 태양광으로부터 전력을 만들어내는 반도체 모듈들로 구성된 태양전지어레이(110)와 태양전지어레이로부터 만들어진 직류 전력을 태양광 발전 시스템이 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 주파수와 전압을 가지는 교류 전력의 형태로 변환하는 전력변환장치(120)로 구성되어 있다. 일반적으로 주택용과 같은 소용량의 태양광 발전 시스템은 그 크기 와 무게의 제한 조건으로 인하여 변압기를 사용하지 않는 무변압기 형태의 전력변환장치 구성을 사용한다. 무변압기형의 전력변환장치는 크게 태양광으로부터 만들어진 직류 전압을 적절한 크기의 직류 전압으로 만들어 주는 DC/DC 컨버터(123)와 DC/DC 컨버터에 의해 만들어진 직류 전압을 이용하여 적절한 크기의 전압과 주파수를 가지는 교류 전압을 만들어 주는 DC/AC 컨버터(125)로 구성된다. 현재 태양광 발전 시스템의 DC/DC 컨버터에 적용되는 전력변환장치는 내부에 변압기 사용 여부에 따라 절연형과 비절형의 크게 두 종류의 전력변환장치가 사용되고 있으며 절연형의 경우는 풀 브리지 컨버터, 하프 브리지 컨버터, 푸시풀 컨버터 등의 전력변환장치가 적용되고 있으며 시스템의 효율 증대를 위하여 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)이나 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching) 기법을 적용하고 있다.
도 2는 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 DC/DC 컨버터 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 2에서, DC/DC 컨버터(123)는 현재의 운전 조건에서 태양전지어레이(110)가 만들어낼 수 있는 최대전력을 출력하도록 태양전지어레이의 출력전압(211)과 출력전류(212)를 제어하여 DC 링크 커패시터(124)에 만들어진 전력을 전송하는 기능을 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 DC/DC 컨버터 제어 알고리즘은 최대전력점추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking) 제어 모듈(210), 태양전지어레이 출력전압 제어 모듈(220), 태양전지어레이 출력전류 제어 모듈(230)과 DC/DC 컨버터의 구조에 적합한 스위칭 신호를 만들어주는 PWM 발생장치 모듈(240)로 구성되어 있다. 최대출력점추종 제어 모듈(210)은 태양전지의 과거와 현재 출력전압(211)과 출력전류(212)의 정보를 이용하여 현재 상태에서 최대 출력전력을 발생시키기 위한 출력전압 제어 기준값(221)을 만들어낸다. 최대출력점추종 제어 모듈(210)에서 만들어진 출력전압 제어 기준값(221)은 태양전지어레이 출력전압 제어 모듈(220)의 제어 명령으로 사용되며 출력전압 제어 모듈(220)은 현재 태양전지어레이 출력전압(211)과 비교하여 만들진 오차정보(223)를 이용하여 태양전지어레이의 출력전류 제어 기준값(231)을 만들어낸다. 출력전압 제어 모듈(220)에서 만들어진 출력전류 제어 기준값(231)은 태양전지어레이 출력전류 제어 모듈(230)의 제어 명령으로 사용되며 출력전류 제어 모듈(230)은 현재 태양전지어레이 출력전류(212)와 비교하여 만들어진 오차정보(233)를 이용하여 DC/DC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간(241)을 계산하여 준다. 출력전류 제어 모듈(230)에서 계산된 스위칭 시간(241)은 PWM 발생장치(240)에 의하여 DC/DC 컨버터(250)의 각 스위칭에 On/Off 신호(251)로 만들어져 DC/DC 컨버터를 제어한다.
도 3은 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 3에서, DC/AC 컨버터(125)는 DC/DC 컨버터(123)가 태양전지어레이로(110)부터 만들어 DC 링크 커패시터(124)로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전계통(130)에 공급하는 기능을 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 종래의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 알고리즘은 동기회전좌표에 의한 DQ 변환 모듈(310,330), 위상 동기 모듈(320), DC 링크 전압 제어 모듈(340), DC/AC 컨버터 전류 제어 모듈(350), DQ 역변환 모듈(360)과 DC/AC 컨버터 구조에 적합한 스위칭 신호를 만들어주는 PWM 발생장치 모듈(370)로 구성되어 있다. 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 주파수와 위상을 가지는 전압 신호를 만들기 위하여 DQ 변환 모듈(310)과 위상 동기 모듈(320)을 이용한다. 동기회전 좌표변환에 의한 DQ 변환 모듈(320)은 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 삼상 배전 전압 정보(311)와 위상 동기 모듈의 위상각 추정 정보(321)를 이용하여 제어에 필요한 동기 전압 벡터(312,313)를 만들어 내며 위상 동기 모듈(320)은 DQ 변환 모듈(310)에서 만들어진 동기 전압 벡터(312,313)를 이용하여 위상각 추정 정보(321)를 만들어 낸다. 이렇게 만들어진 위상 추정 정보(321)는 DC/AC 컨버터의 삼상 전류값(331)에 적용하여 DC/AC 컨버터의 출력전류 제어에 필요한 동기 전류 벡터(332,333)를 만들어낸다. 여기서 만들어진 동기 전류 벡터(332,333)는 배전계통전압에 동상인 성분(333)과 90°위상차를 가지는 성분(332)으로 구성된다. 태양전지어레이(110)로부터 만들어진 전력을 배전계통(130)으로 인가하기 위하여 DC 링크 전압 제어 모듈(340)을 이용한다. DC 링크 전압 제어 모듈(340)은 현재의 DC 링크 커패시터 전압(343)과 DC/AC 컨버터가 원활한 제어 동작을 수행할 수 있도록 하는 DC 링크 커패시터 전압 기준값(341) 정보를 비교하여 오차정보(344)를 만들고 이렇게 만들어진 오차정보(344)를 이용하여 DC 링크 커패시터 전압(343)이 기준값(341)을 유지할 수 있도록 배전계통 전압에 동상인 출력전류 기준값(351)을 만들어낸다. 또한 배전계통 전압과 90°위상차를 가지는 출력전류 기준값(354)은 배전계통의 상황에 따라 필요한 무효전력에 의하여 결 정할 수 있으나 일반적으로는 0의 값을 가진다. 상기의 제어 모듈에 의해 설정된 동기 전류 벡터의 기준값(351,354)은 전류 제어 모듈(350)의 제어 명령으로 사용된다. 전류 제어 모듈(350)은 동기 전류 벡터의 기준값(351,354)과 현재의 동기 전류 벡터(333,332) 정보를 비교하여 만들어진 오차정보(353,356)를 이용하여 DC/AC 컨버터가 출력해야 할 출력 전압 벡터(361,362)를 만들어낸다. DQ 역변환 모듈(360)은 위상 동기 모듈(320)에서 만들어진 위상각 추정 정보(321)와 전류 제어 모듈(350)에서 만들어진 출력 전압 벡터(361,362)의 정보를 이용하여 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간(371)을 계산하여 준다. DQ 역변환 모듈(360)에서 계산된 스위칭 시간(371)은 PWM 발생장치(370)에 의하여 DC/AC 컨버터(380)의 각 스위칭 소자에 On/Off 신호(381)로 만들어져 DC/AC 컨버터를 제어한다.
도 4는 종래의 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 단상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 4에서, DC/AC 컨버터(125)는 DC/DC 컨버터(123)가 태양전지어레이로(110)부터 만들어 DC 링크 커패시터(124)로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전계통(130)에 공급하는 기능을 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 종래의 단상 DC/AC 컨버터 제어 알고리즘은 주파수 추정 모듈(410), 영전위 검출 모듈(420), 전압 위상 추정 모듈(430), 기준 교류 신호 발생 모듈(440), DC 링크 전압 제어 모듈(450), DC/AC 컨버터 전류 제어 모듈(460)과 DC/AC 컨버터 구조에 적합한 스위칭 신호를 만들어주는 PWM 발생장치 모듈(470)로 구성되어 있다. 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 주파수와 위상을 가지는 전압 신호를 만들기 위하여 주파수 추정 모듈(410), 영전위 검출 모듈(420), 전압 위상 추정 모듈(430)과 기준 교류 신호 발생 모듈(440)을 이용한다. 주파수 추종 모듈(410)은 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 배전계통(130) 연계점(PCC)의 순시 전압 정보(411)로부터 전압의 주파수를 추정하며 추정된 주파수 정보(431)는 전압 위상 추정 모듈(430)의 입력 신호로 사용된다. 영전위 검출 모듈(420)은 순시 전압 정보(411)로부터 입력 전압의 부호가 바뀌는 시점을 검출하여 적절한 신호(432)를 발생시키며 영전위 검출 모듈(420)에서 발생된 신호는 전압 위상 추정 모듈(430)의 동기 신호(432)로 사용된다. 전압 위상 추정 모듈(430)은 주파수 추정 모듈(410)의 주파수 추정 정보(431)와 영전위 검출 모듈(420)에서 발생된 동기 신호(432)를 이용하여 배전계통 연계점의 전압의 위상 정보(441)를 만들어내며 기준 교류 신호 발생 모듈(440)에서는 전압 위상 추정 모듈(430)에서 만들어진 전압 위상 정보(441)를 이용하여 출력 순시 전류의 교류 파형(443)을 만들어낸다. 태양전지어레이(110)로부터 만들어진 전력을 배전계통(130)으로 인가하기 위하여 DC 링크 전압 제어 모듈(450)을 이용한다. DC 링크 전압 제어 모듈(450)은 현재의 DC 링크 커패시터 전압(453)과 DC/AC 컨버터가 원활한 제어 동작을 수행할 수 있도록 하는 DC 링크 커패시터 전압 기준값(451) 정보를 비교하여 오차정보(454)를 만들고 이렇게 만들어진 오차정보(454)를 이용하여 DC 링크 커패시터 전압(453)이 기준값(451)을 유지할 수 있도록 배전계통 전압에 동상인 출력전류 크기 기준값(461)을 만들어낸다. DC/AC 컨버터 출력 전류 제어를 위한 순시 전류 기준 신호(463)는 DC 링크 전압 제어 모듈(450)에서 만들어진 출력전류 크기 기준값(461) 정보와 기준 교류 신호 발생 모듈(440)에서 만들어진 출력 순시 전류의 교류 파형(443)을 곱하여 만들어진다. 여기서 만들어진 출력전류 제어 기준값(463)은 DC/AC 컨버터의 출력전류 제어 모듈(460)의 제어 명령으로 사용되며 출력전류 제어 모듈(460)은 현재 DC/AC 컨버터의 출력전류(464)와 비교하여 만들어진 오차정보(465)를 이용하여 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간(471)을 계산하여 준다. 출력전류 제어 모듈(460)에서 계산된 스위칭 시간(471)은 PWM 발생장치(470)에 의하여 DC/AC 컨버터(480)의 각 스위칭에 On/Off 신호(481)로 만들어져 DC/AC 컨버터를 제어한다.
상술한 바와 같이, 현재 계통연계 태양광 발전 시스템은 그 구성에 따라 연계변압기형의 경우는 최대출력점추종제어를 하기 위하여 인버터 시스템의 교류출력전류를 제어하여 태양전지어레이가 최대출력점에서 운전될 수 있도록 태양전지어레이의 직류출력전압을 조정하는 방법을 사용하고 있으며, 무변압기형의 경우에는 DC-DC 컨버터의 직류출력전류를 제어하여 태양전지어레이가 최대출력점에서 운전될 수 있도록 태양전지어레이의 직류출력전압을 조정하며 인버터 시스템은 DC 링크의 전압이 일정하게 유지될 수 있도록 교류출력전류를 제어하는 방법을 사용하고 있다.
연계 변압기형과 무변압기형에 관계없이 계통연계형 태양광 발전 시스템의 출력은 인버터 시스템의 입력 직류전압을 적절히 유지 혹은 조정하기 위하여 계통연계 출력전류를 제어하고 있으므로 일사량과 같은 외부 환경요인에 의하여 태양전 지어레이의 운전점이 급격하게 변하게 되면 태양전지어레이와 DC-DC 컨버터로부터 DC 링크에 입력되는 전력이 변화하게 되고 이러한 입력전력의 변화는 DC 링크 전압을 변동의 원인이 된다. 그러나 계통연계 인버터가 DC 링크 전압을 일정하게 유지하고 있으므로 이러한 입력전력의 변화는 계통연계 인버터의 출력의 변화로 반영되어 계통에 급격한 출력 변동을 가져오게 된다. 급격한 출력 변동은 계통 측면에서는 계통 전압의 변동과 전류 고조파의 증가 등의 원인이 되며 이는 태양광 발전 시스템이 연계되어 있는 배전 계통의 전력 품질을 저하시키는 문제점이 있다. 또한 인버터 시스템의 입력 직류 전압을 조정하기 위하여 출력 전류를 제어하기 때문에 정상상태 운전조건에서도 출력전류의 기준값이 DC 링크의 전압 제어기의 영향으로 미세하게 변동하기 때문에 출력 전류의 고조파가 증가하는 문제점이 있다.
다시 정리하면, 종래의 계통연계형 태양과 발전 시스템은 다음과 같은 문제를 갖고 있다.
첫째, 계통연계 태양광 발전 시스템의 출력은 인버터 시스템의 입력 직류전압을 적절히 유지 혹은 조정하기 위하여 계통연계 출력전류를 제어하고 있으므로 일사량과 같은 외부 환경요인에 의하여 태양전지어레이의 운전점이 급격하게 변하게 되면 태양전지어레이와 DC-DC 컨버터로부터 DC 링크에 입력되는 전력이 변화하게 되고 이러한 입력전력의 변화는 DC 링크 전압 변동의 원인이 된다. 그러나, 계통연계 인버터가 DC 링크 전압을 일정하게 유지하고 있으므로 이러한 입력전력의 변화는 계통연계 인버터 출력의 변화로 반영되어 계통에 급격한 출력 변동을 가져오게 된다. 급격한 출력 변동은 계통 측면에서는 계통 전압의 변동과 전류 고조파 의 증가 등의 원인이 되며 이는 태양광 발전 시스템이 연계되어 있는 배전 계통의 전력 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
둘째, 인버터 시스템의 입력 직류 전압을 조정하기 위하여 출력 전류를 제어하기 때문에 정상상태 운전조건에서도 출력전류의 기준값이 DC 링크의 전압 제어기의 영향으로 미세하게 변동하기 때문에 출력 전류의 고조파가 증가하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상술한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 환경 조건의 급격한 변동에도 계통 측면에서 계통 전압의 변동과 전류 고조파의 증가를 방지할 수 있는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ＤＣ／ＡＣ 컨버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ＤＣ／ＡＣ 컨버터 제어 장치는 DC/AC 컨버터가 태양전지어레이로부터 만들어 DC 링크 커패시터로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전 계통에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전 계통에 공급하기 위해, 출력 전류 기준 값을 기초로 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 DC/AC 컨버터를 제어하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치에 있어서, 상기 출력 전류 기준 값은 태양광 전지 어레이의 출력 전력량 계산에 기초하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따라, 상기 배전 계통이 3상인 경우, 상기 DC/AC 컨버터 제어 장치는 상기 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 삼상 배전 전압 정보와 위상 동기 모듈의 위상각 추정 정보를 이용하여 제어에 필요한 동기 전압 벡터를 발생시키기 위한 제 1 DQ 변환 모듈; 상기 제 1 DQ 변환 모듈에서 만들어진 동기 전압 벡터를 이용하여 위상각 추정 정보를 발생시키기 위한 위상 동기 모듈; 상기 위상 추정 정보를 상기 DC/AC 컨버터의 삼상 전류값에 적용하여 동기 전류 벡터를 발생시키기 위한 제 2 DQ 변환 모듈; 상기 출력 전류 기준값과 현재의 동기 전류 벡터 정보를 비교하여 생성된 오차정보를 이용하여 DC/AC 컨버터가 출력해야 할 출력 전압 벡터를 발생시키기 위한 전류 제어 모듈; 상기 위상 동기 모듈에서 발생한 위상각 추정 정보와 상기 전류 제어 모듈로부터의 상기 출력 전압 벡터의 정보를 이용하여 상기 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간을 계산하기 위한 DQ 역변환 모듈; 상기 DQ 역변환 모듈에서 계산된 스위칭 시간에 따라 상기 DC/AC 컨버터의 각 스위칭 소자에 온/오프 신호를 제공하여 상기 DC/AC 컨버터를 제어하기 위한 PWM 발생 장치 모듈; 및 상기 태양광 전지 어레이의 출력 전력량, 상기 DC 링크 커패시터의 전압 및 상기 DC 링크 운전 범위 정보를 기초하여 상기 출력 전류 기준 값을 발생시키기 위한 전력 제어 모듈(540)을 포함한다.
다른 실시 에에 의하면, 상기 배전 계통이 3상인 경우, 상기 DC/AC 컨버터 제어 장치는 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 배전계통 연계점의 순시 전압 정보로부터 전압의 주파수를 추정하기 위한 주파수 추정 모듈; 상기 순시 전압 정보로부터 입력 전압의 부호가 바뀌는 시점을 검출하고, 이에 대응하는 영전위 검출 신호를 발생시키고, 상기 검출된 영전위 검출 신호를 동기 신호로서 전압 위상 추정 모듈에 제공하기 위한 영전위 검출 모듈; 상기 주파수 추정 모듈로부터의 주파수 추정 정보와 상기 영전위 검출 모듈로부터의 동기 신호를 이용하여 배전계통 연계점의 전압의 위상 정보를 발생시키기 위한 전압 위상 추정 모듈; 상기 전압 위상 추정 모듈에서 발생되는 상기 전압 위상 정보를 이용하여 출력 순시 전류의 교류 파형을 발생시키기 위한 기준 교류 신호 발생 모듈; 출력전류 크기 기준값 정보와 상기 기준 교류 신호 발생 모듈에서 만들어진 출력 순시 전류의 교류 파형을 곱하여 만들어진 출력전류 제어 기준값 및 상기 DC/AC 컨버터의 출력 전류와 비교하여 만들어진 오차정보를 이용하여 상기 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간을 계산하기 위한 출력 전류 제어 모듈; 상기 출력 전류 제어 모듈에서 계산된 스위칭 시간에 따라 온/오프 신호를 발생시키고, 발생되는 온/오프 신호를 상기 DC/AC 컨버터에 제공하기 위한 PWM 발생장치 모듈; 및 태양광어레이의 단자 전압과 출력전류의 정보를 통해 현재 태양광 어레이의 출력전력을 계산하고, 계산된 출력전력과 현재 배전 계통의 전압 크기를 이용하여 현재 출력 전력을 계통에 인가하기 위한 전류 기준을 계산하며, 현재의 DC 링크 전압과 DC 링크의 운전 범위를 이용하여 적절한 보상 전류 기준 값을 계산하여, 출력 전력 기준 전류와 보상 기준 전류의 합하여 배전계통 전압에 동상인 상기 출력 전류 크기 기준값을 발생시키기 위한 전력 제어 모듈을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
제 1 실시예
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, DC/AC 컨버터(125)는 DC/DC 컨버터(123)가 태양전지어레이로(110)부터 만들어 DC 링크 커패시터(124)로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전계통(130)에 공급하는 기능을 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 종래의 삼상 DC/AC 컨버터 제어 알고리즘을 구성하고 있는 동기회전좌표에 의한 DQ 변환 모듈(510,530), 위상 동기 모듈(520), DC/AC 컨버터 전류 제어 모듈(550), DQ 역변환 모듈(560)과 DC/AC 컨버터 구조에 적합한 스위칭 신호를 만들어주는 PWM 발생장치 모듈(570)과 본 발명에서 제안하는 전력 제어 모듈(540)로 구성되어 있다. 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 주파수와 위상을 가지는 전압 신호를 만들기 위하여 기존의 제어 방법과 동일하게 DQ 변환 모듈(510)과 위상 동기 모듈(520)을 이용한다. 동기회전 좌표변환에 의한 DQ 변환 모듈(520)은 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 삼상 배전 전압 정보(511)와 위상 동기 모듈의 위상각 추정 정보(521)를 이용하여 제어에 필요한 동기 전압 벡터(512,513)를 만들어 내며 위상 동기 모듈(520)은 DQ 변환 모듈(510)에서 만들어진 동기 전압 벡터(512,513)를 이용하여 위상각 추정 정보(521)를 만들어 낸다. 이렇게 만들어진 위상 추정 정보(521)는 DC/AC 컨버터의 삼상 전류값(531)에 적용하여 DC/AC 컨버터의 출력전류 제어에 필요한 동기 전류 벡터(532,533)를 만들어낸다. 여기서 만들어진 동기 전류 벡터(532,533)는 배전계통전압에 동상인 성분(533)과 90°위상차를 가지는 성분(532)으로 구성된다. 태양전지어레이(110)로부터 만들어진 전력을 배전계통(130)으로 인가하기 위하여 본 발명에서 제안하는 전력 제어 모듈(540)을 이용한다. 본 발명에서 제안하는 전력 제어 모듈(540)은 태양광어레이에서 만들어진 전력을 연계되어 있는 배전계통에 인가하기 위한 배전계통 전압에 동상인 출력전류 기준값(545)을 만들어내는 부분과 DC/AC 컨버터가 원활한 제어 동작을 수행할 수 있도록 하는 DC 링크 커패시터 전압(546)의 운전 범위(547)를 제한하는 DC 전압 제한 모듈(548)로 구성되어 있다.
태양광어레이에서 만들어진 전력을 배전계통에 인가하기 위하여 태양광어레이의 단자전압(541)과 출력전류(542)의 정보를 통해 현재 태양광어레이의 출력전력(543)을 계산하고 계산된 출력전력(543) 정보와 현재 배전계통의 전압벡터 정보(513)를 이용하여 현재 출력전력을 계통에 인가하기위한 전류 기준(545)를 계산한다. 또한 DC 전압 제한 모듈(548)은 정상 상태 및 과도 상태에서 DC 링크 운전 전압 확보를 위하여 현재의 DC 링크 전압 정보(546)와 DC 링크의 운전 범위 정보(547)를 이용하여 적절한 보상 전류 기준(549) 값을 계산한다. 전력 제어 모듈(540)에서 계산된 출력 전력 기준 전류(545)와 보상 기준 전류(549)의 합이 배전계통 전압에 동상인 출력전류 기준값(551)이 된다. 또한 배전계통 전압과 90°위상차를 가지는 출력전류 기준값(554)은 기존의 제어 알고리즘과 같은 방법으로 배전 계통의 상황에 따라 필요한 무효전력에 의하여 결정할 수 있으나 일반적으로는 0의 값을 가진다.
전류 제어 모듈 이후의 제어 알고리즘은 기존의 제어 방법과 동일하며 상기의 제어 모듈에 의해 설정된 동기 전류 벡터의 기준값(551,554)은 전류 제어 모듈(550)의 제어 명령으로 사용된다. 전류 제어 모듈(550)은 동기 전류 벡터의 기준값(551,554)과 현재의 동기 전류 벡터(533,532) 정보를 비교하여 만들어진 오차정보(553,556)를 이용하여 DC/AC 컨버터가 출력해야 할 출력 전압 벡터(561,562)를 만들어낸다. DQ 역변환 모듈(560)은 위상 동기 모듈(520)에서 만들어진 위상각 추정 정보(521)와 전류 제어 모듈(550)에서 만들어진 출력 전압 벡터(561,562)의 정보를 이용하여 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간(571)을 계산하여 준다. DQ 역변환 모듈(560)에서 계산된 스위칭 시간(571)은 PWM 발생장치(570)에 의하여 DC/AC 컨버터(580)의 각 스위칭 소자에 On/Off 신호(581)로 만들어져 DC/AC 컨버터를 제어한다.
제 2 실시예
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 단상 DC/AC 컨버터 제어 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 6을 참조하면, DC/AC 컨버터(125)는 DC/DC 컨버터(123)가 태양전지어레이로(110)부터 만들어 DC 링크 커패시터(124)로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배 전계통(130)에 공급하는 기능을 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여 종래의 단상 DC/AC 컨버터 제어 알고리즘은 주파수 추정 모듈(612), 영전위 검출 모듈(613), 전압 위상 추정 모듈(616), 기준 교류 신호 발생 모듈(610), DC/AC 컨버터 전류 제어 모듈(630), DC/AC 컨버터 구조에 적합한 스위칭 신호를 만들어주는 PWM 발생장치 모듈(640)과 본 발명이 제안하는 전력 제어 모듈(620)로 구성되어 있다.
연계되어 있는 배전계통(130)에 적합한 주파수와 위상을 가지는 전압 신호를 만들기 위하여 기존의 제어 방법과 동일하게 주파수 추정 모듈(612), 영전위 검출 모듈(613), 전압 위상 추정 모듈(616)과 기준 교류 신호 발생 모듈(610)을 이용한다. 주파수 추종 모듈(612)은 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 배전계통(130) 연계점(PCC)의 순시 전압 정보(611)로부터 전압의 주파수를 추정하며 추정된 주파수 정보(614)는 전압 위상 추정 모듈(616)의 입력 신호로 사용된다. 영전위 검출 모듈(613)은 순시 전압 정보(611)로부터 입력 전압의 부호가 바뀌는 시점을 검출하여 적절한 신호(615)를 발생시키며 영전위 검출 모듈(613)에서 발생된 신호는 전압 위상 추정 모듈(616)의 동기 신호(615)로 사용된다. 전압 위상 추정 모듈(616)은 주파수 추정 모듈의 주파수 추정 정보(614)와 영전위 검출 모듈(613)에서 발생된 동기 신호(615)를 이용하여 배전계통 연계점의 전압의 위상 정보(618)를 만들어내며 기준 교류 신호 발생 모듈(610)에서는 전압 위상 추정 모듈(616)에서 만들어진 전압 위상 정보(614)를 이용하여 출력 순시 전류의 교류 파형(619)을 만들어낸다.
태양전지어레이(110)로부터 만들어진 전력을 배전계통(130)으로 인가하기 위하여 본 발명에서 제안하는 전력 제어 모듈(620)을 이용한다. 본 발명에서 제안하 는 전력 제어 모듈(620)은 태양광어레이에서 만들어진 전력을 연계되어 있는 배전계통에 인가하기 위한 배전계통 전압에 동상인 출력전류 기준값(625)을 만들어내는 부분과 DC/AC 컨버터가 원활한 제어 동작을 수행할 수 있도록 하는 DC 링크 커패시터 전압(626)의 운전 범위(627)를 제한하는 DC 전압 제한 모듈(628)로 구성되어 있다. 태양광어레이에서 만들어진 전력을 배전계통에 인가하기 위하여 태양광어레이의 단자전압(621)과 출력전류(622)의 정보를 통해 현재 태양광어레이의 출력전력(623)을 계산하고 계산된 출력전력(623) 정보와 현재 배전계통의 전압 크기 정보(623)를 이용하여 현재 출력전력을 계통에 인가하기위한 전류 기준(625)을 계산한다. 또한 DC 전압 제한 모듈(628)은 정상 상태 및 과도 상태에서 DC 링크 운전 전압 확보를 위하여 현재의 DC 링크 전압 정보(626)와 DC 링크의 운전 범위 정보(627)를 이용하여 적절한 보상 전류 기준(629) 값을 계산한다. 전력 제어 모듈(620)에서 계산된 출력 전력 기준 전류(625)와 보상 기준 전류(629)의 합이 배전계통 전압에 동상인 출력전류 크기 기준값(631)을 만들어낸다. 전류 제어 모듈 이후의 제어 알고리즘은 기존의 제어 방법과 동일하다. 따라서 DC/AC 컨버터 출력 전류 제어를 위한 순시 전류 기준 신호(633)는 전력 제어 모듈(620)에서 만들어진 출력전류 크기 기준값(631) 정보와 기준 교류 신호 발생 모듈(610)에서 만들어진 출력 순시 전류의 교류 파형(619)을 곱하여 만들어진다. 여기서 만들어진 출력전류 제어 기준값(633)은 DC/AC 컨버터의 출력전류 제어 모듈(630)의 제어 명령으로 사용되며 출력전류 제어 모듈(630)은 현재 DC/AC 컨버터의 출력전류(632)와 비교하여 만들어진 오차정보(634)를 이용하여 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자 들의 적절한 스위칭 시간(641)을 계산하여 준다. 출력전류 제어 모듈(630)에서 계산된 스위칭 시간(641)은 PWM 발생장치(640)에 의하여 DC/AC 컨버터(650)의 각 스위칭에 On/Off 신호(651)로 만들어져 DC/AC 컨버터를 제어한다.
상술한 실시예들에 의하면, 전력변환장치가 DC-DC 컨버터와 계통연계 인버터로 구성되는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 전력변환장치 출력제어에 있어서 DC-DC 컨버터는 태양전지어레이로부터 최대출력을 발생시키기 위하여 최대출력점추종제어로 운전하며 계통연계 인버터는 태양전지어레이로부터 발생되고 있는 출력 전력 정보를 이용하여 현재 발생되고 있는 출력에 해당하는 전력이 계통으로 출력되도록 계통출력 전류를 제어하도록 한다.
이러한 제어 방식에 의해, DC 링크의 전압을 일정하게 유지하기 위한 과도한 전류 제어 명령의 변화를 제한하는 것이 가능하며, 따라서 일정 전류 출력 제어를 통해 계통 출력 전류의 고조파를 저감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 일사량과 같은 외부 환경 조건의 변화에 의한 입력 전력의 급격한 변동 상태에는 계통 출력 기준값 변동에 제한을 두어 계통 출력의 급격한 변동을 제한하여 계통 전압 변동 및 전류 고조파 등의 전압 품질 문제를 제고하는 것이 가능하며 이러한 운전 상황에서도 DC-DC 컨버터는 최대출력점추종제어로 운전되고 있으므로 태양전지어레이는 최대출력을 발생시키고 있어 출력의 희생을 최소화하는 것이 가능하다.
또한, 적절한 DC 링크 전압 유지를 위한 보조 제어 알고리즘을 사용하여 전 체 시스템 동작의 안정성 확보가 가능하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 외부 환경 조건의 급격한 변동에도 계통 측면에서 계통 전압의 변동과 전류 고조파의 증가를 방지할 수 있는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 ＤＣ／ＡＣ 컨버터 제어 장치를 실현할 수 있게 된다.
본 발명을 상기 실시예에 의해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니고, 당업자의 통상적인 지식의 범위 내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.

Claims (3)

  1. DC/AC 컨버터가 태양전지어레이로부터 만들어 DC 링크 커패시터로 전송하고 있는 직류 전력을 연계되어 있는 배전 계통에 적합한 크기와 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 배전 계통에 공급하기 위해, 출력 전류 기준 값을 기초로 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템의 DC/AC 컨버터를 제어하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치에 있어서,
    상기 출력 전류 기준 값은 태양광 전지 어레이의 출력 전력량 계산에 기초하는 것을 특징으로 하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배전 계통이 3상인 경우, 상기 DC/AC 컨버터 제어 장치는
    상기 DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 삼상 배전 전압 정보와 위상 동기 모듈의 위상각 추정 정보를 이용하여 제어에 필요한 동기 전압 벡터를 발생시키기 위한 제 1 DQ 변환 모듈;
    상기 제 1 DQ 변환 모듈에서 만들어진 동기 전압 벡터를 이용하여 위상각 추정 정보를 발생시키기 위한 위상 동기 모듈;
    상기 위상 추정 정보를 상기 DC/AC 컨버터의 삼상 전류값에 적용하여 동기 전류 벡터를 발생시키기 위한 제 2 DQ 변환 모듈;
    상기 출력 전류 기준값과 현재의 동기 전류 벡터 정보를 비교하여 생성된 오차정보를 이용하여 DC/AC 컨버터가 출력해야 할 출력 전압 벡터를 발생시키기 위한 전류 제어 모듈;
    상기 위상 동기 모듈에서 발생한 위상각 추정 정보와 상기 전류 제어 모듈로부터의 상기 출력 전압 벡터의 정보를 이용하여 상기 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간을 계산하기 위한 DQ 역변환 모듈;
    상기 DQ 역변환 모듈에서 계산된 스위칭 시간에 따라 상기 DC/AC 컨버터의 각 스위칭 소자에 온/오프 신호를 제공하여 상기 DC/AC 컨버터를 제어하기 위한 PWM 발생 장치 모듈; 및
    상기 태양광 전지 어레이의 출력 전력량, 상기 DC 링크 커패시터의 전압 및 상기 DC 링크 운전 범위 정보를 기초하여 상기 출력 전류 기준 값을 발생시키기 위한 전력 제어 모듈(540)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배전 계통이 3상인 경우, 상기 DC/AC 컨버터 제어 장치는
    DC/AC 컨버터가 연계되어 있는 배전계통 연계점의 순시 전압 정보로부터 전압의 주파수를 추정하기 위한 주파수 추정 모듈;
    상기 순시 전압 정보로부터 입력 전압의 부호가 바뀌는 시점을 검출하고, 이에 대응하는 영전위 검출 신호를 발생시키고, 상기 검출된 영전위 검출 신호를 동기 신호로서 전압 위상 추정 모듈에 제공하기 위한 영전위 검출 모듈;
    상기 주파수 추정 모듈로부터의 주파수 추정 정보와 상기 영전위 검출 모듈로부터의 동기 신호를 이용하여 배전계통 연계점의 전압의 위상 정보를 발생시키기 위한 전압 위상 추정 모듈;
    상기 전압 위상 추정 모듈에서 발생되는 상기 전압 위상 정보를 이용하여 출력 순시 전류의 교류 파형을 발생시키기 위한 기준 교류 신호 발생 모듈;
    출력전류 크기 기준값 정보와 상기 기준 교류 신호 발생 모듈에서 만들어진 출력 순시 전류의 교류 파형을 곱하여 만들어진 출력전류 제어 기준값 및 상기 DC/AC 컨버터의 출력 전류와 비교하여 만들어진 오차정보를 이용하여 상기 DC/AC 컨버터를 구성하고 있는 각 스위칭 소자들의 적절한 스위칭 시간을 계산하기 위한 출력 전류 제어 모듈;
    상기 출력 전류 제어 모듈에서 계산된 스위칭 시간에 따라 온/오프 신호를 발생시키고, 발생되는 온/오프 신호를 상기 DC/AC 컨버터에 제공하기 위한 PWM 발생장치 모듈; 및
    태양광어레이의 단자 전압과 출력전류의 정보를 통해 현재 태양광 어레이의 출력전력을 계산하고, 계산된 출력전력과 현재 배전 계통의 전압 크기를 이용하여 현재 출력 전력을 계통에 인가하기 위한 전류 기준을 계산하며, 현재의 DC 링크 전압과 DC 링크의 운전 범위를 이용하여 적절한 보상 전류 기준 값을 계산하여, 출력 전력 기준 전류와 보상 기준 전류의 합하여 배전계통 전압에 동상인 상기 출력 전류 크기 기준값을 발생시키기 위한 전력 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무변압기형 계통연계 태양광 발전 시스템에서의 DC/AC 컨버터 제어 장치.
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