KR101742599B1

KR101742599B1 - 다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템

Info

Publication number: KR101742599B1
Application number: KR1020160108976A
Authority: KR
Inventors: 이환귀; 이종훈
Original assignee: 주식회사 주왕산업
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2036-08-26

Abstract

본 발명은 다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 PV(Photovoltaic, 131)에 의한 태양광 발전 전원을 직류전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(130); 풍력 또는 소수력에 의한 발전 전원을 직류전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터(120); 배터리 저장장치(141)에 연결되어 배터리 충전전압으로 감압(step-down)하거나, 배터리의 전압을 인버터가 동작하는 전압으로 승압(step-up)하는 DC-DC 컨버터(140); 상기 컨버터들과 병렬로 연결되고, 발전 전력을 배터리 저장장치(141)에 저정하거나 부하(300)에서 사용이 가능한 상용전원으로 변환하는 PCS(110); 계통(30)과 상기 PCS(110) 사이에 제공되는 스위치(102); 상기 스위치(102)의 상기 계통 측에 설치되어 상기 PCS(110)와 연결되는 제1 계통감시부(151); 및 상기 스위치(102)의 상기 PCS 측에 설치되어 상기 PCS(110)와 연결되는 제2 계통감시부(152);를 포함하는, 다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템{Interconnection generation system with mulit monitoring}

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 기존의 태양광 발전 시스템은 계통연계형과 독립형으로 크게 구분된다. 태양광 발전사업용으로는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 사용하며, 그 일실시예의 구성을 도 1에 나타내 보였다. 한편, 한전과 같은 전력공급 사업자의 계통전력 공급이 어려운 도서지역에는 독립형 태양광 발전 시스템을 사용하며, 그 일실시예의 구성을 도 2에 나타내 보였다. 도 1 및 도 2에서 부재번호 10은 직류모선이고, 20은 배터리 충-방전기, 22는 배터리, 30은 계통, 40은 인버터, 50은 부하, 60은 PV 컨버터, 70은 태양전지를 지시하며, 이들 부재들은 당업자에게 널리 공지되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같은 계통연계형 태양광 발전 시스템은 통상적으로 사업자가 발전전력을 계통(30)에 공급하여 전력판매를 통해 수익을 얻는 목적으로 사용된다.

도 2에 도시한 바와 같은 독립형 태양광 발전 시스템은 통상적으로 한전과 같은 전력공급 사업자에 의한 전력 계통이 없는 도서지역 등에 사용되는 것으로, 배터리 및 별도의 발전기와 협조운전에 의해 부하(50)에 전력을 공급하는 형태로 사용된다. 이러한 특정한 상황에서 사용되는 태양광 발전 시스템의 기능을 접목하여 부하(50) 단에는 양질의 전력을 공급하고, 태양전지(70)에서 발전된 잉여전력을 계통(30)을 통해 판매하여, 수익을 올리고, 또한 심야시간대의 저렴한 심야전력을 이용하여 배터리(22)를 충전시켜, 발전차액으로 수익을 올릴 수 있는 복합기능의 태양광 발전 시스템의 개발이 요구되고 있다.

이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허공보 2006-0057115호, 및 한국등록번호 0891513호에 개시되어 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다중 계통감시 기능을 두어 계통 이상에 의해 계통과의 연결이 차단된 이후 계통 쪽에서 복전이 되었는지를 확인하여, 복전시에 계통과의 연결을 수행하는 기능을 수행시에 계통 측과 전압, 주파수 위상을 맞추는 과정을 수행하여 원활한 계통연계가 이루어지는 계통연계형 발전 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 발전기 유무에 따른 발전 시스템 운영 알고리즘을 제공하여 무정전 기능을 갖는 계통 연계형 발전 시스템의 성능과 효율성을 높이도록 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

본 발명은 다중 계통감시 기능을 가진 계통연계형 발전 시스템에 있어서,

PV(Photovoltaic, 131)에 의한 태양광 발전 전원을 직류전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(130); 풍력 또는 소수력에 의한 발전 전원을 직류전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터(120); 배터리 저장장치(141)에 연결되어 배터리 충전전압으로 감압(step-down)하거나, 배터리의 전압을 인버터가 동작하는 전압으로 승압(step-up)하는 DC-DC 컨버터(140); 상기 컨버터들과 병렬로 연결되고, 발전 전력을 배터리 저장장치(141)에 저정하거나 부하(300)에서 사용이 가능한 상용전원으로 변환하는 PCS(110); 계통(30)과 상기 PCS(110) 사이에 제공되는 스위치(102); 상기 스위치(102)의 상기 계통 측에 설치되어 상기 PCS(110)와 연결되는 제1 계통감시부(151); 및 상기 스위치(102)의 상기 PCS 측에 설치되어 상기 PCS(110)와 연결되는 제2 계통감시부(152);를 포함하는, 다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템을 제공한다.

이 때, 상기 제2 계통감시부(152)는 상기 계통이 정상상태일 때 상기 계통의 이상 여부를 실시간으로 감시하고, 상기 제1 계통감시부(151)은 상기 계통이 이상상태일 때 상기 계통의 정상 여부를 실시간으로 감시하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 계통감시부(151)에서 복전을 감지하는 경우, 계통의 전압, 주파수, 위상을 동기화하여 상기 스위치(102)를 on 상태로 전환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PCS(110)와 상기 부하(300) 사이에는 CTTS(170)를 통해 디젤 발전기(200)가 상기 부하(300)와 병렬로 연결되어 있있어 ESS(141)의 잔여 용량이상(?) 계통의 이상이 계속될 경우, 디젤 발전기(200)를 가동하여 부하(300)의 주 전력을 디젤발전기(200)으로 공급할 수 있다.

또한, 디젤발전기(200) 가동 중 청구항 3과 같이 상기 제1 계통감시부(151)에서 복전을 감지하는 경우, 상기 스위치(102)를 on 상태로 전환하고 CTTS(170)에 의해 계통의 전압, 주파수, 위상을 동기화 하여 부하(300)의 주전력을 계통과 연계되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다중 계통감시 기능을 두어 계통 이상에 의해 계통과의 연결이 차단된 이후 계통 쪽에서 복전이 되었는지를 확인하여, 복전시에 계통과의 연결을 수행하는 기능을 수행시에 계통 측과 전압, 주파수 위상을 맞추는 과정을 수행하여 원활한 계통연계가 이루어지는 효과를 제공한다.

또한, 발전기 유무에 따른 발전 시스템 운영 알고리즘을 제공하여 무정전 기능을 갖는 계통 연계형 발전 시스템의 성능과 효율성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 종래의 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구성도.
도 2는 종래의 독립형 태양광 발전 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 다중 계통 감시의 계통연계형 발전 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 다중 계통 감시의 계통연계형 발전 시스템의 구성도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B"를 의미한다.

도 3 및 4는 본 발명에 따른 다중 계통 감시의 계통연계형 발전 시스템의 구성도를 도시한 것으로서, 도 3은 디젤 발전기가 없는 부하에 대한 경우이고, 도 4는 디젤 발전기를 포함하는 부하에 대한 경우이다.

먼저 도 3을 참조하여 디젤 발전기가 없는 부하에 대한 경우에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따르면, 계통(30)과 PCS(power conversion system, 110)의 사이에는 스위치(102)가 제공된다. 스위치(102)의 계통(30) 쪽에는 제1 계통감시부(151)이 설치되어 PCS와 연결되고, 스위치의 PCS 쪽에는 제2 계통감시부(152)가 설치되어 PCS와 연결되어 있다. 이는 도 3에 잘 도시되어 있다.

PCS(110)는 계통과 연결돼 최적 및 최대효율운영기법(MPPT) 등을 이용해 태양광 발전으로부터의 직류전력, 풍력 발전으로부터의 교류전력을 배터리 저장장치(또는 ESS, 141)에 저장 또는 부하에서 사용이 가능한 상용전원으로 변환하는 장치이다. 태양광 발전 또는 풍력 발전으로부터의 발전전력이 큰 경우, PCS를 통해 배터리 저장장치(141)에 에너지를 저장(충전) 한다. 또한 충전하는 동시에 상용전원을 사용하는 부하에 전력공급이 가능하다.

발전량이 감소한 경우, 에너지 저장장치(141)에 저장된 에너지를 방전하여 상용전원을 사용하는 부하에 안정된 교류전원(Leveling화)을 공급한다. 저장장치에 전력을 저장하고 남는 잉여전력은 각 가정의 경우, 전력값이 높은 시간대에 연계된 계통(Grid)을 통해 판매할 수도 있고, 저장장치에 저장된 전력이 부족한 경우, 연계된 계통으로부터 부족한 전력을 공급받아 배터리 모듈에 전력을 저장(충전) 한다.

이러한 PCS에는 태양광 발전을 위한 PV(photovoltaic, 131)가 DC-DC 컨버터(130)를 통해 연결되어 있고, 풍력 또는 소수력 발전 장치(121)가 AC-DC 컨버터(120)를 통해 연결되어 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 에너지 저장장치 또는 ESS(141)이 DC-DC 컨버터(140)를 통해 연결되어 있다. 이는 도면에 도시된 바와 같이 각각 병렬로 연결되어 있다.

DC-DC 컨버터(130)는 PV(131)에서 입력되는 직류전압을 최대 전력점 추종(MPPT) 방식에 의해 제어된 전력을 PCS(110)로 공급하는 역할을 한다. 보다 구체적으로는 DC-DC 컨버터(130)와 PCS(110) 사이에는 직류모선(도면 미도시)이 더 제공될 수 있다. 직류모선은 DC-DC 컨버터(130)와 또 다른 DC-DC 컨버터(140)의 전기적 연결을 제어하도록 기능하는데, 이는 일반적인 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또 다른 DC-DC 컨버터(140)는, 충전시에는 직류모선에 공급되는 전압을 감압하여 에너지 저장장치(141)에 공급하고, 방전시에는 에너지 저장장치의 전압을 승압하여 직류모선으로 공급한다.

스위치(102)의 PCS 측은 부하(300)가 연결되어 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 운영 방법에 대해 설명하기로 한다.

정상상태에서는, 본 발전시스템은 계통연계형 PCS 를 통하여 정상적인 발전 운전을 수행하게 된다. 이때, 스위치(102)는 on 상태에 위치하고, 제2 계통감시부(152)를 통해 계통 이상 여부를 실시간으로 체크하게 된다. 에너지 저장장치(141)은 부하용량과 최대 보장 무정전 시간을 곱한 용량으로 설계되어 있다.

제2 계통감시부(152)에 의해 계통 이상이 발견되면, 0.5초 이내에 스위치를 off 시킨다. 이후, 발전원(PV, 풍력, 소수력 등)과 에너지 저장장치를 활용하여 독립 운전을 수행하게 된다. 또한, 제2 계통감시부(152)는 계통과의 전기적 연결이 차단된 상태이므로, 제1 계통감시부(151)을 활성화시켜 계통 측의 복전 여부를 계속 체크하게 된다. 제1 계통감시부(151)는 스위치가 on 상태에서는 비활성화상태로 유지되는 것이 바람직하다.

독립 발전을 수행하는 경우에, 본 발전 시스템은 부하량에 따라 동작을 수행하게 되는데, 계통과는 다른 내부의 60Hz의 임의의 주파수로 동작을 하게 된다. 즉, 제2 계통감시부(152)는 내부의 임의의 주파수, 위상, 및 전압으로 동작하고 있고, 제1 계통감시부(151)는 계통과 동일한 주파수, 위상, 및 전압으로 동작을 하게 된다.

제1 계통감시부(151)에서 복전을 감지하는 경우에는 PCS(110)는 제2 계통감시부(152)와 제1 계통감시부(151)의 전압, 주파수, 위상을 맞추는 동작을 수행한다. 즉, 발전 시스템 내부의 전압, 주파수, 위상을 제1 계통감시부(151)를 통해 획득한 계통(30)의 전압, 주파수, 위상과 동일하게 맞추는 작업을 수행한다. 이와 같이, 계통의 복전 확인시에 본 발명에 따른 발전 시스템은 내부의 전압, 주파수, 위상을 계통과 일치시킨 후에 통전 과정을 수행함으로써, 이의 불일치에 따른 충격 및 기기 파손을 방지하는 효과가 있다.

이후에 스위치(102)를 on 상태로 전환하고, 앞에서 설명한 정상 상태의 발전을 수행하게 된다.

도 4는 디젤 발전기를 포함하는 부하의 경우이다.

도 4에 도시된 바와 같이, PCS(110)에는 CTTS(170)를 통해 디젤 발전기(200)와 부하(300)가 병렬로 연결되어 있다.

CTTS(closed transition transfer switch)는 무정전 절체 시스템의 한 종류로서 일반적인 ATS의 개방절체(open transition)와는 달리 폐쇄형 절체를 의미한다. 계통과 발전기 두 전원이 모두 살아있는 경우 두 전원의 동기화를 검출하여 100ms(최소 20ms이내) 이내에 계통분리가 가능한 계폐장치이다. 즉, 무정전으로 절체가 가능하도록 하는 콘트롤러와 전원을 절체하는 스위치부로 구성이 되어있다.

ATS는 두 개의 다른 전원 요소 간 부하를 전환시켜주는 장치로, 계통이 정전되고 발전기가 가동될 때 발전 전원 쪽으로 부하를 절체하는 시스템이다. CTTS는 ATS와 기본적인 개념은 비슷하다. 하지만 전환시 개방형이 아닌 폐쇄형이라는 것이 가장 큰 차이다.

일반적인 ATS는 한전 전원이 끊길 경우 연결을 분리한 뒤 발전기로 옮기는 방식이기 때문에 0.01~0.10초가량 정전이 발생할 수밖에 없다. 반면 CTTS는 극히 짧은 절체 순간에 양 전원을 동시 투입했다가 하나의 전원을 끊어버리는 구조이기 때문에 무정전 절체가 가능한 장점이 있다.

이하, 디젤 발전기를 포함하는 부하의 경우, 발전 시스템의 운영 방법에 대해 설명한다.

정상상태에서는, 본 발전시스템은 계통연계형 PCS 를 통하여 정상적인 발전 운전을 수행하게 된다. 이때, 스위치(102)는 on 상태에 위치하고, 제2 계통감시부(152)를 통해 계통 이상 여부를 실시간으로 체크하게 된다. 에너지 저장장치(141)은 부하용량과 발전기 가동 및 운전시간을 곱한 용량으로 설계되어 있다.

제2 계통감시부(152)에 의해 계통 이상이 발견되면, 0.5초 이내에 스위치를 off 시킴과 동시에, 디젤 발전기를 가동시킨다. 이후, 발전원(PV, 풍력, 소수력 등)과 에너지 저장장치, 그리고 디젤 발전기를 활용하여 독립 운전을 수행하게 된다.

이때, CTTS(170)를 통해 디젤 발전기 쪽으로 부하를 이동시키게 되는데, 이때 전압과 주파수, 위상각이 모두 동기화된 후에 발전기 쪽으로 부하를 절체한다.

이후, 제2 계통감시부(152)는 계통과의 전기적 연결이 차단된 상태이므로, 제1 계통감시부(151)을 활성화시켜 계통 측의 복전 여부를 계속 체크하게 된다. 제1 계통감시부(151)는 스위치가 on 상태에서는 비활성화상태로 유지되는 것이 바람직하다.

이 경우, CTTS(170)에 의하여 계통(30)과 디젤 발전기(200)간 전압, 주파수, 위상을 맞추는 동작을 수행한다. 이후, CTTS(170)에 의하여 계통으로의 절체가 이루어지고, 비상발전기는 off 상태로 전환한다.

이후, 완전한 정상상태의 동작이 진행된다.

본 발명은 다중 계통감시 기능을 가진 계통연계형 발전 시스템을 제공하고,

이때, 상기 제2 계통감시부(152)는 상기 계통이 정상상태일 때 상기 계통의 이상 여부를 실시간으로 감시하고, 상기 제1 계통감시부(151)은 상기 계통이 이상상태일 때 상기 계통의 정상 여부를 실시간으로 감시하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 계통감시부(151)에서 복전을 감지하는 경우, 상기 스위치(102)를 on 상태로 전환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PCS(110)와 상기 부하(300) 사이에는 CTTS(170)를 통해 디젤 발전기(200)가 상기 부하(300)와 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

30 : 계통 102 : 스위치
110 : PCS 120 : AC-DC 컨버터
130, 140 : DC-DC 컨버터 121 : 풍력 또는 소수력 발전 장치
131 : PV 141 : 에너지 저장장치 또는 ESS
170 : CTTS 200 : 디젤 발전기
300 : 부하

Claims

다중 계통감시 기능을 가진 계통연계형 발전 시스템에 있어서,
태양광 발전을 위해 PV(Photovoltaic, 131)에서 입력되는 직류전압을 최대 전력점 추종(MPPT)방식에 의해 제어된 전력을 PCS에 공급하는 DC-DC 컨버터(130);
풍력 또는 소수력에 의한 발전 전원을 직류전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터(120);
배터리 저장장치(141)에 연결되어 배터리 충전전압으로 감압(step-down)하거나, 배터리의 전압을 인버터가 동작하는 전압으로 승압(step-up)하는 DC-DC 컨버터(140);
상기 컨버터들과 병렬로 연결되고, 발전 전력 또는 상용 전력을 배터리 저장장치(141)에 저장하거나 부하(300)에서 사용이 가능한 상용전원으로 변환하는 PCS(110);
상기 계통 측에 설치되어 상기 PCS(110)와 연결되는 제1 계통감시부(151);
상기 계통과 연결되는 제1 계통감시부(151)와 병렬로 연결되어 상기 계통의 이상 여부를 실시간으로 체크하는 제2 계통감시부(152); 및
상기 제1 계통감시부(151) 및 상기 제2 계통감시부(152) 사이에 배치되어 상기 제2 계통감시부(152)의 상기 계통의 이상 여부 판단에 따라 상기 계통과 상기 제2 계통감시부(152)의 연결을 해제하는 스위치(102);를 포함하며,
상기 제2 계통감시부(152)를 통해 상기 계통의 이상이 발견되면, 상기 스위치(102)를 설정된 시간 이내에 off 하고, 상기 태양광 발전, 풍력 또는 소수력과 같은 발전원과 상기 배터리 저장장치를 활용하여 독립 운전을 수행하고, 상기 제1 계통감시부(151)를 활성화시켜 상기 계통 측의 복전 여부를 계속하여 체크하며,
상기 독립 운전을 수행하는 경우, 상기 제2 계통감시부(152)는 내부의 임의의 주파수, 위상 및 전압으로 동작하고, 상기 제1 계통감시부(151)는 상기 계통과 동일한 주파수, 위상, 및 전압으로 동작하며,
상기 제1 계통감시부(151)에서 복전을 감시하는 경우, 상기 PCS(110)는 상기 제2 계통감시부(152)와 상기 제1 계통감시부(151)의 전압, 주파수, 및 위상을 맞추는 동작을 수행하여 상기 계통과의 통전 과정을 수행하여, 상기 전압, 주파수, 및 위상의 불일치에 따른 충격 및 기기의 파손을 방지하고,
상기 PCS(110)와 상기 부하(300) 사이에는 CTTS(170)를 통해 디젤 발전기(200)가 상기 부하(300)와 병렬로 연결되며, 상기 배터리 저장장치(141)의 잔여용량의 이상이 계속될 경우,
상기 디젤 발전기를 가동하여 상기 부하의 전력을 상기 디젤 발전기로 공급하며,
상기 CTTS는,
절체 순간에 양 전원을 동시에 투입했다가 하나의 전원을 끊어버려 무정전 절체가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는,
다중 계통감시가 가능한 계통연계형 발전 시스템.
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