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KR102113868B1 - 계통연계형 태양광 발전 시스템 - Google Patents

계통연계형 태양광 발전 시스템 Download PDF

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KR102113868B1
KR102113868B1 KR1020190120408A KR20190120408A KR102113868B1 KR 102113868 B1 KR102113868 B1 KR 102113868B1 KR 1020190120408 A KR1020190120408 A KR 1020190120408A KR 20190120408 A KR20190120408 A KR 20190120408A KR 102113868 B1 KR102113868 B1 KR 102113868B1
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KR
South Korea
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grid
inverter
power
circuit breaker
load
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KR1020190120408A
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김상성
김경선
김영록
Original Assignee
김상성
김경선
김영록
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈과, 상기 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통 및 부하에 공급하는 계통연계형 인버터를 포함하는 태양광 발전부; 및 일단은 계통에 연결되고, 타단은 상기 계통연계형 인버터에 연결되어 상기 계통연계형 인버터의 동작 모드에 따라 전력의 충방전이 이루어지며, 계통 이상 시 부하로 공급되는 전력을 제어하는 부하 전력 관리부;를 포함할 수 있다.

Description

계통연계형 태양광 발전 시스템 {System for power controlling of grid-connected solar inverter}
본 발명은 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 이용하여 마이크로그리드의 계통에 전력을 공급하며, 계통 이상 시 효율적으로 전력을 제어하고 관리할 수 있는 계통연계형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
태양광과 풍력 등과 같이 신재생 에너지 사용의 확대를 위하여 지능형 전력망(smart grid)이 대두됨에 따라, 신재생 에너지를 기반으로 하는 분산발전 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 신재생 에너지 발전 시스템과 에너지 저장장치 등이 융, 복합된 소규모 전력망인 마이크로그리드(Microgrid)의 관심 또한 증가하고 있다.
마이크로그리드는 여러 개의 전력변환 장치가 하나의 버스(DC-bus)에 묶여 있는 구조로 구성되어 있다. 이 장치들은 서로 이격되어 있기 때문에 자율적으로 전력 제어에 참여하는 분산제어 방식이 필수적이다.
여기서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하여 계통에 공급하는 에너지 발전 시스템과, 불규칙적으로 발전되는 신재생에너지를 전력 수요에 따라 효율적으로 운용하고, 정전 또는 계통사고에 대비하여 독립적으로 전력망을 운용하기 위한 에너지 저장 시스템은 그리드 내 전력을 제어하고 관리하는데 있어서 중추적인 역할을 수행한다.
종래의 마이크로그리드를 운영하기 위한 제어방법으로, 하나의 중앙 제어기가 모든 장치들의 전력량을 실시간으로 측정하여 상위 계통과의 전력 거래량과 배터리충방전량을 조절하는 중앙집중식 제어방식과, 그리드 내의 각 전력변환장치들이 정해진 규칙에 따라 독립적으로 제어를 수행하는 분산제어방식이 있다.
이때, 중앙집중식 제어방식은 마이크로 그리드를 구성하는 전력변환장치들과 중앙 제어기 간에 실시간으로 신호를 주고받기 위해 원거리 고속통신망이 요구되기 때문에 통신 설비 비용에 큰 부담이 따른다는 문제점이 있으며, 따라서 마이크로 그리드에서는 분산제어방식을 선호하고 있는 추세이다.
하지만, 종래의 분산제어방식은 발전 시스템과 에너지 저장 시스템이 분산되어 독립적으로 운용되기 때문에, 그리드의 내의 전력 상황에 따라 배터리 충·방전량이나 계통전력을 유동적으로 제어할 수 없고 그리드 내에서 전력이 순환하는 문제가 발생할 수 있는 단점이 존재한다.
한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국등록특허 제10-1072986호 한국공개특허 제10-2019-0048623호
본 발명의 일측면은 계통 정상 상태에서는 태양광을 이용하여 마이크로그리드의 계통에 전력을 공급하다가 계통의 이상이 감지되면 효율적으로 전력을 제어하고 관리할 수 있는 계통연계형 태양광 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈과, 상기 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통 및 부하에 공급하는 계통연계형 인버터를 포함하는 태양광 발전부; 및 일단은 계통에 연결되고, 타단은 상기 계통연계형 인버터에 연결되어 상기 계통연계형 인버터의 동작 모드에 따라 전력의 충방전이 이루어지며, 계통 이상 시 부하로 공급되는 전력을 제어하는 부하 전력 관리부;를 포함할 수 있다.
상기 계통연계형 인버터는, 계통측에 구비된 제1 재폐로 차단기와 상기 계통연계형 인버터 사이에 설치되어 상기 태양광 발전부를 계통과 연결시키거나 계통으로부터 차단하는 인버터 스위치의 스위칭을 제어하고,
상기 부하 전력 관리부는, 일단은 계통측에 구비된 제2 재폐로 차단기와 연결되고, 타단은 인버터 스위치측에 연결되는 제어 모듈과, 상기 제어 모듈에 연결되는 배터리를 포함하고,
상기 계통연계형 인버터는,
상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 ON 상태인 계통 정상 상태에서, 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측에 접속시켜 상기 태양전지 모듈로부터 생산되는 전력을 계통에 공급하는 계통연계 모드;
상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태에서, 계통 이상 상태를 검출하여 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측으로부터 개방시켜 독립적으로 부하에 전력을 공급하는 독립운전 모드; 및
상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태에서, 계통 이상 상태를 검출하지 못하여 상기 인버터 스위치가 제1 재폐로 차단기측에 연결된 상태에서 부하에 전력을 공급하는 단독운전 모드; 중 어느 하나의 동작 모드에 따라 동작하고,
상기 제어 모듈은, 상기 계통연계형 인버터와 주기적으로 통신을 수행하여 상기 계통연계형 인버터가 기 설정된 기준시간 이상 단독운전 모드를 유지하고 있는 것으로 확인되면, 상기 계통연계형 인버터로 계통 이상 상태임을 알릴 수 있는 경고 데이터를 생성하여 상기 계통연계형 인버터로 전송하고,
상기 계통연계형 인버터는, 상기 계통연계 모드 또는 상기 단독운전 모드로 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 동안 상기 경고 데이터를 수신하면 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측으로부터 개방시켜 상기 독립운전 모드로 동작 모드를 전환하되,
상기 계통연계형 인버터는, 상기 독립운전 모드로 동작 모드가 전환되면 상기 인버터 스위치가 제1 재폐로 차단기측과는 개방되면서 상기 제어 모듈측에 접속되도록 스위칭하고,
상기 제어 모듈은, 상기 독립운전 모드로 동작하는 상기 계통연계형 인버터로부터 공급되는 전력을 상기 배터리에 임시 저장한 후, 상기 제2 재폐로 차단기가 ON 상태인 계통 정상 상태로 전환되면, 임시 저장된 전력을 계통으로 공급하되,
상기 계통연계형 인버터가 상기 독립운전 모드로 전환된 것으로 확인되면, 상기 제1 재폐로 차단기가 개방되기 이전과 이후의 계통 전류의 변화량을 산출하고, 산출된 변화량에 기초하여 부하 전압의 변화량을 산출하며, 산출된 변화량이 기 설정된 임계 구간 이내에 형성되도록 상기 계통연계형 인버터로부터 공급되는 전력량을 제어하거나 임시 저장된 전력을 부하로 전송할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 계통연계형 인버터가 자율적인 판단으로 동작모드롤 변경할 뿐만 아니라, 계통연계형 인버터의 단독운전 시에도 부하 전력 관리부가 계통연계형 인버터의 모드 전환을 보조함으로써 인버터의 단독운전 모드 전환 시간을 최소화할 수 있다.
또한, 단독운전 시 부하에 인가되는 전압의 변화량에 따라 부하의 과전압 시 전력을 분산 저장하고, 부하의 저전압 시 임시 저장된 전력을 공급함으로써 분산제어기반의 장점을 유지하면서, 급작스러운 계통 이상시에도 중요 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구체적인 구성이 도시된 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 계통연계형 인버터의 실제 모습의 일 예가 도시된 도면이다.
도 4 내지 도 6은 계통연계형 인버터의 동작 모드에 따른 구체적인 전력 제어 방법으로 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 계통연계형 태양광 발전 시스템의 구체적인 구성이 도시된 제어 블록도이다.
본 발명에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템(1)은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하여 계통에 공급하되, 불규칙적으로 발전되는 신재생에너지를 전력 수요에 따라 효율적으로 운용하고, 정전 또는 계통사고에 대비하여 독립적으로 전력망을 운용할 수 있는 기술에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템(1)은 태양광 발전부(100) 및 부하 전력 관리부(200)를 포함할 수 있다.
태양광 발전부(100)는 태양광을 전력으로 변환하고, 변환된 전력을 계통 및 계통과 병렬로 연결된 부하에 공급하기 위한 것으로, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈(110)과, 태양전지 모듈(110)로부터 수신되는 입력 전압을 항상 일정한 전압으로 유지시키는 부스트컨버터(120)와, 부스트컨버터(120)로부터 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통(grid) 및 계통과 병렬 연결된 부하에 공급하는 계통연계형 인버터(130)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 발전 시스템(1)은 상위 계통과 연계되어 상호 간의 전력 거래를 하는 계통연계 상태와, 정전 또는 필요시 상위 계통과의 연결을 끊고 독립적으로 전력망을 운용하는 독립운전 상태로 동작될 수 있다.
계통연계형 인버터(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 외부 환경으로부터 인버터를 보호할 수 있는 케이스가 구비될 수 있으며, 삼상 계통에 연계하여 운전하되어 태양전지 모듈(110)로부터 수신되는 입력 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
이때, 계통연계형 인버터(130)는 태양광 발전 시스템(1)이 계통연계 모드로 동작하면 상위 계통으로부터의 유·출입 전력을 제어하거나 마이크로그리드의 기조전압원으로써 동작하고, 상위 계통 고장 시 태양광 발전 시스템(1)이 독립운전 상태로 전환되면, 계통연계형 인버터(130)는 교류 측 부하를 위한 전압 제어를 수행할 수 있다.
이를 위해, 계통연계형 인버터(130)의 계통측은 LC 필터로 구현되어 있으며, 계통과 병렬 연결된 부하(Load)는 출력 캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 계통(Grid)에 이상이 감지되면 계통(Grid)과 분리시키기 위해 계통연계형 인버터(130)에 의해 제어되는 인버터 차단기(135) 및 계통 관리자에 의해 제어되며, 인버터 차단기(135)측에 형성되는 제1 재폐로 차단기(recloser, 131)가 존재한다.
즉, 상기 계통연계형 인버터(130)는, 계통측에 구비된 제1 재폐로 차단기(310)와 태양광 발전부(100) 사이에 설치되어 상기 태양광 발전부(100)를 계통과 연결시키거나 계통으로부터 차단하는 인버터 스위치(135)의 스위칭을 제어할 수 있다.
이때, 계통연계형 인버터(130)는 제1 재폐로 차단기(310)의 ON/OFF 여부와 인버터 스위치(135)의 스위칭 동작에 따라 계통연계 모드, 독립운전 모드 및 단독운전 모드 중 어느 하나의 동작 모드로 동작될 수 있다. 이와 관련하여, 도 3 내지 도 5를 함께 참조하여 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5는 계통연계형 인버터(130)의 구체적인 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
계통연계 모드는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 재폐로 차단기(310) 및 후술하는 부하 전력 관리부(200)와 연결되는 제2 재폐로 차단기(320)가 ON 상태인 계통 정상 상태에서, 상기 인버터 스위치(135)를 제1 재폐로 차단기(310)측에 접속시켜 상기 태양전지 모듈(110)로부터 생산되는 전력을 계통에 공급하는 모드이다.
즉, 계통연계형 인버터(130)는 재폐로 차단기(310, 320)가 닫혀 있는 계통 정상 상태에서는 인버터 스위치(150)가 제1 재폐로 차단기(310)에 연결되는 계통연계 모드로 동작하여 부하 또는 계통으로 전력을 공급할 수 있다.
계통연계형 인버터(130)는 계통연계 모드로 동작되는 동안 유·무효 전력을 지령받아 출력전류를 제어하며, 지령치는 계통전압의 위상과 동일한 위상을 갖는 일정한 크기의 값을 갖는 것으로 가정한다. 계통연계 모드에서는 차단기(SW)가 닫혀 있으므로 부하에는 계통전압이 인가된다.
독립운전 모드는 도 4에 도시된 바와 같이 재폐로 차단기(310, 320)가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태에서, 계통연계형 인버터(130)가 계통 이상 상태를 검출하거나 인지하여 상기 인버터 스위치(135)를 제1 재폐로 차단기(310)측으로부터 개방시켜 독립적으로 부하에 전력을 공급하는 모드이다.
독립운전 모드에서 계통연계형 인버터(130)는 차단기(135)를 개방하여 계통과 분리시키면, 부하의 전압을 제어할 수 있다. 독립운전 모드는 계통연계 모드와 내부 루프는 동일하며 외부 전압 제어기의 출력이 출력 전류의 지령치가 될 수 있다. 독립운전 모드에서 계통연계형 인버터(130)는 교류 전압원으로 동작할 수 있다. 여기서, 부하 전압은 계통연계형 인버터(130)의 출력 전압에 의해 결정된다.
단독운전 모드는 도 5에 도시된 바와 같이 재폐로 차단기(310, 320) 가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태임에도, 계통연계형 인버터(130)가 계통 이상 상태를 검출하지 못하여 상기 인버터 스위치(135)가 제1 재폐로 차단기(310)측에 연결된 상태에서 부하에 전력을 공급하는 모드이다.
즉, 단독운전 모드는 재폐로 차단기(310, 320)가 개방되었음에도 계통연계형 인버터(130)가 이를 인지하지 못한 채 전류 제어 동작을 수행하고 있는 구간의 동작 모드를 의미한다. 이러한 경우, 계통연계형 인버터(130)의 출력전류는 재폐로 차단기(310)가 개방되기 전과 동일한 전류를 출력할 수 있다. 따라서, 부하 전류는 계통연계형 인버터(130)의 출력전류에 의해 결정될 수 있다.
계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드로 동작하게 되는 경우, 인버터의 출력전압과 주파수는 연결된 부하와의 관계에 의해서 결정된다. 따라서 불규칙적인 전압변동을 초래하고 전압변동이 정상동작 범위를 벗어날 경우 과전압 또는 저전압 상황을 유발하여 부하의 고장을 야기할 수 있다. 또한, 단독운전 현상이 발생되어 인버터가 전력을공급하고 있다면 작업자는 직접적으로 감전되거나 또는 선로작업 중이라면 전기쇼크로 인하여 추락할 수 있는 위험이존재한다.
이와 같이, 계통연계형 인버터(130)는 단독운전 모드 시 중요부하에 안정된 전압이 공급되지 못하는 상태가 발생할 수 있으므로, 계통 이상 상태 또는 단독운전을 신속하게 검출하고, 인버터 스위치(135)를 차단하는 단독운전 모드에서 동작하는 시간을 최소화하여 독립운전 모드로 빠르게 전환되는 것이 중요하다.
이를 위해, 종래에는 계통연계형 인버터(130)의 단독운전 여부를 감지하기 위한 다양한 기술들이 개시되어 있으며, 예컨대 한국등록특허 제10-1072986호에는 3개 이상의 태양전지 모듈별로 각각 체결되는 3개 이상의 인버터가 다단으로 각각 연동되어 가동됨으로써 종래의 단독운전으로 발생되는 전원 다운이나 고장동기의 문제점을 해결할 수 있는 기술이 개시되어 있으며, 한국등록특허 제10-1038560호에는 인버터의 출력 전압을 기초로 산출되는 무효 전력을 이용하여 태양광 인버터와 연계점을 통해 연결되어 있는 부하에 리액턴스 성분이 포함되어 있는 경우에도 단독운전을 인지할 수 있는 기술이 개시되어 있다. 이와 같은 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 여부를 자체적으로 감지하는 기술은 이미 공지된 기술로, 구체적인 내용은 생략하기로 한다.
한편, 종래 기술에 따른 단독운전 감지 기술은 계통연계형 인버터(130)에서 자체적으로 수행되는 기술들로, 계통연계형 인버터(130)의 고장이나 오작동 시에는 이러한 단독운전 감지 기술의 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 중앙집중제어 방식의 경우 계통연계형 인버터(130)의 단독운전을 별도의 장치에서 모니터링할 수 있으나, 이를 계통연계형 인버터(130)로 통지하기 위해는 별도의 통신망을 구축해야 하므로 발전 시스템을 유지 관리하기 위한 비용이 증가하게 된다는 문제점이 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 계통연계형 태양광 발전 시스템(1)은 계통연계형 인버터(130)의 단독운전 모드의 전환 과정을 보조하고, 단독운전 발생 시 계통연계형 인버터(130)를 대신하여 부하 전압을 일정하게 제어하는 부하 전력 관리부(200)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 부하 전력 관리부(200)는 일단은 계통측에 구비된 제2 재폐로 차단기(320)와 연결되고, 타단은 인버터 스위치(135)측에 연결되는 제어 모듈(210)과, 상기 제어 모듈(210)에 연결되어 계통연계형 인버터(130)의 동작 모드에 따라 전력의 충방전이 이루어지는 배터리(220)를 포함할 수 있다.
상기 제어 모듈(210)은, 일단이 제2 재폐로 차단기(320)에 연결되며, 이때, 제2 재폐로 차단기(320)와 연결되는 연결점에 제1 접속부(211)가 병렬 설치되어 제1 재폐로 차단기(310)가 형성된 위치까지 연장될 수 있다. 또한, 제어 모듈(210)의 타단에는 제2 접속부(212)가 인버터 스위치측(135)와 접속되기 위한 위치까지 연장 형성될 수 있다.
이러한 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)의 계통연계 모드에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제2 제폐로 차단기(320)를 통해 계통에만 연결된 상태일 수 있으며, 이러한 경우 종래의 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 즉, 부하 전력 관리부(200)의 제어 모듈(210)은 계통의 잉여 전력을 배터리(220)에 전달하여 잉여 전력을 저장하고 있다가, 필요 시 배터리(220)에 저장된 전력을 계통으로 공급하는 양방향 컨버터의 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어 모듈(210)은 양방향 컨버터이거나 양방향 컨버터를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
또한, 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)의 독립운전 모드에서는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 접속부(211)가 제1 제폐로 차단기(310)에 연결되고, 제2 접속부(212)는 인버터 스위치(135)에 연결된 상태를 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 계통연계형 인버터(130)의 독립운전 모드로 동작되면 인버터가 부하의 전력 제어를 수행할 수 있으며, 이 과정에서 제어 모듈(210)은 인버터 스위치(135)에 의해 부하와 병렬로 연결되어 계통연계형 인버터(130)로부터 부하에 공급되는 전력을 함께 제공받을 수 있다. 따라서, 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)의 독립운전 모드에서는 태양전지 모듈(110)이 충분한 전력을 생산하는 경우 배터리(220)를 충전하고, 밤이나 일조량이 적어 태양전지 모듈(110)이 부하에 공급하기 위한 전력을 충분하게 생산하지 못하는 경우 배터리(220)를 충전된 전력을 부하에 공급할 수 있다.
한편, 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)가 계통이상을 감지하지 못한 단독운전 모드로 동작되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 접속부(211)는 제1 재폐로 차단기(310)에 접속되고, 제2 접속부(212)는 인버터 스위치(135)에 접속되지 않을 수 있다.
이때, 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드임을 감지하여 계통연계형 인버터(130)가 이를 감지하지 못한 것으로 판단되면 계통연계형 인버터(130)에 이를 통지하여 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드에서 신속히 독립운전 모드로 전환되도록 유도할 수 있다.
이를 위해, 제어 모듈(210)은, 상기 계통연계형 인버터(130)와 주기적으로 통신을 수행하여 계통연계형 인버터(130)로부터 인버터 스위치(135) 제어에 대한 정보를 수집할 수 있다.
제어 모듈(210)은 수신된 정보에 기초하여 계통연계형 인버터(130)의 단독운전을 감지할 수 있다. 구체적으로, 제어모듈(210)은 자신이 제2 재폐로 차단기(320)와 차단된 상태에서 계통연계형 인버터(130)가 인버터 스위치(135)를 제1 재폐로 차단기(310)측에 접속한 상태인 것으로 확인하면, 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 상태로 전환되었다고 판단할 수 있다.
이때, 제어 모듈(210)은 계통연계형 인버터(130)가 기 설정된 기준시간(예컨대 5초) 이상 단독운전 모드를 유지하고 있는 것으로 확인되면, 상기 계통연계형 인버터(130)로 계통 이상 상태임을 알릴 수 있는 경고 데이터를 생성하여 상기 계통연계형 인버터로 전송할 수 있다. 이때, 기준 시간은 상술한 예시에 한정되는 것은 아니며 부하의 중요도와 전력 전송 환경 등에 따라 상이하게 설정될 수 있다.
따라서, 계통연계형 인버터(130)는 계통 이상을 인지하지 못한 상태로 단독운전 모드로 동작되더라도 제어 모듈(210)로부터 경고 데이터를 수신하면 상기 인버터 스위치(135)를 제1 재폐로 차단기(310)측으로부터 개방시켜 제2 접속부(212)에 접속되도록 스위칭함으로써 독립운전 모드로 동작 모드를 전환할 수 있다.
이때, 제어 모듈(210)은 독립운전 모드로 동작하는 상기 계통연계형 인버터(130)로부터 공급되는 전력을 제2 접속부(212)를 통해 공급받아 상기 배터리(220)에 임시 저장한 후, 상기 제2 재폐로 차단기(320)가 ON되어 계통이 다시 정상 상태로 전환되면, 임시 저장된 전력을 계통으로 공급할 수 있다. 이는, 계통연계 상태에서는 태양광 발전부(100)가 항상 최대 전력을 제공하는 것을 목적으로 하기 때문이다.
한편, 상술한 바와 같이 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드인 경우에는 계통의 차단을 인식하지 못한 상태로 배전 계통과 병렬부하에 지속적으로 전류를 공급기만 하여 부하의 과전압 또는 저전압 현상을 야기할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 제어 모듈(210)은 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드로 동작되는 경우 부하 전압을 안정적으로 제어하는 역할을 인터버를 대신하여 수행할 수 있다.
이를 위해, 제어 모듈(210)은 제어 모듈(210)은 계통연계형 인버터(130)가 단독운전 모드로 전환된 것으로 확인되면, 상기 제1 재폐로 차단기(310)가 개방되기 이전과 이후의 계통 전류의 변화량을 산출하고, 산출된 변화량에 기초하여 부하 전압의 변화량을 산출하며, 산출된 변화량이 기 설정된 임계 구간 이내에 형성되도록 상기 계통연계형 인버터(130)로부터 공급되는 전력량을 제어하거나 임시 저장된 전력을 부하로 전송할 수 있다.
단독운전 모드에서의 계통연계형 인버터의 출력전류는 재폐로 차단기(310)가 개방되기 전과 동일한 전류를 출력할 수 있다. 따라서, 부하 전류는 계통연계형 인버터(130)의 출력전류에 의해 결정되며, 단독운전 모드에서의 부하 전압의 변동은 계통연계형 인버터의 출력전류와 부하전류의 차에 의해 결정될 수 있다.
즉, 부하 전압의 변동은 제1 재폐로 차단기(310)가 개방되기 직전의 계통전류에 의해 결정되며, 이러한 전압변동은 정상동작 범위를 벗어날 수 있으며 과전압 또는 저전압 상황을 유발하여 부하의 고장을 야기한다. 따라서, 계통연계형 인버터(130)는 이 구간에서 동작하는 시간을 최소화하여 최대한 빠르게 전압 제어 모드(독립운전 모드)로 전환될 필요가 있으며, 제어 모듈(210)은 계통연계형 인버터(130)가 독립운전 모드로 전환되기 전까지 부하 전압의 변동량을 모니터링하여 변동량이 적정 구간 내에서 유지되도록 제어할 수 있다.
계통연계 모드에서는 차단기(SW)가 닫혀 있으므로 부하에는 계통전압이 인가되며, 부하 전류(IL) 및 계통전류(Ig)는 다음의 수학식 1, 2에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019099568955-pat00001
[수학식 2]
Figure 112019099568955-pat00002
여기서, IL은 부하 전류, Ig는 계통 전류, Vg는 계통 전압, Io는 인버터의 출력 전류를 의미한다.
따라서, 부하 전류는 계통연계형 인버터의 출력전류(Io)에 의해 결정되고, 부하 전압(VL)은 다음의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019099568955-pat00003
제어 모듈(210)은 상술한 바와 같은 수학식을 이용하여 부하 전압의 변동량을 산출하고, 산출된 부하 전압의 변동량이 기 설정된 임계 구간 이내에 형성되도록 상기 계통연계형 인버터(130)로부터 공급되는 전력량을 제어하거나 임시 저장된 전력을 부하로 전송할 수 있다.
예컨대, 제어 모듈(210)은 부하 전압의 변동량이 기 설정된 임계 구간을 초과하여 부하에 과전압이 예상되는 경우, 주파수 위상이 천이된 전력 신호를 부하로 공급함으로써 부하로 전달되는 전압을 감압시킬 수 있다. 이 외예도, 제어 모듈(210)은 제1 접속부(211)에 구비된 가변저항값을 변화시켜 제어 모듈(210)로 더 많은 전류가 인가되도록 제어함으로써 부하로 공급되는 전력을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 부하 전력 관리부(200)는 계통연계형 인버터(130)의 단독운전 시에도 계통연계형 인버터(130)의 모드 전환을 보조함으로써 인버터의 단독운전 모드 전환 시간을 최소화할 수 있으며, 단독운전 시 부하에 인가되는 전압의 변화량에 따라 부하의 과전압 시 전력을 분산 저장하고, 부하의 저전압 시 임시 저장된 전력을 공급함으로써 분산제어기반의 장점을 유지하면서, 급작스러운 계통 이상시에도 중요 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 계통연계형 태양광 발전 시스템
100: 태양광 발전부
110: 태양전지모듈
120: 부스트 컨버터
130: 계통연계형 인버터
135: 인버터 스위치
200: 부하 전력 관리부
210: 제어 모듈
220: 배터리
310: 제1 재폐로 차단기
320: 제2 재폐로 차단기

Claims (2)

  1. 계통연계형 태양광 발전 시스템에 있어서,
    내부를 보호할 수 있는 케이스가 구비되며, 태양전지 모듈로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통 및 부하에 공급하는 계통연계형 인버터를 포함하고,
    상기 계통연계형 태양광 발전 시스템은, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 상기 태양전지 모듈 및 상기 계통연계형 인버터를 포함하는 태양광 발전부; 및 일단은 계통에 연결되고, 타단은 상기 계통연계형 인버터에 연결되어 상기 계통연계형 인버터의 동작 모드에 따라 전력의 충방전이 이루어지며, 계통 이상 시 부하로 공급되는 전력을 제어하는 부하 전력 관리부;를 더 포함하고,
    상기 계통연계형 인버터는, 계통측에 구비된 제1 재폐로 차단기와 상기 계통연계형 인버터 사이에 설치되어 상기 태양광 발전부를 계통과 연결시키거나 계통으로부터 차단하는 인버터 스위치의 스위칭을 제어하고,
    상기 부하 전력 관리부는, 제어 모듈과, 상기 제어 모듈에 연결되는 배터리를 포함하고,
    상기 제어 모듈은, 일단이 계통측에 구비된 제2 재폐로 차단기와 연결되되, 상기 제2 재폐로 차단기와 병렬 연결된 제1 접속부가 상기 제1 재폐로 차단기측에 형성되고, 타단에 형성된 제2 접속부가 상기 인버터 스위치측에 형성되고,
    상기 계통연계형 인버터는,
    상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 ON 상태인 계통 정상 상태에서, 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측에 접속시켜 상기 태양전지 모듈로부터 생산되는 전력을 계통에 공급하는 계통연계 모드;
    상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태에서, 계통 이상 상태를 검출하여 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측으로부터 개방시켜 독립적으로 부하에 전력을 공급하는 독립운전 모드; 및
    상기 제1 재폐로 차단기 및 상기 제2 재폐로 차단기가 OFF되어 계통으로부터 차단된 계통 이상 상태에서, 계통 이상 상태를 검출하지 못하여 상기 인버터 스위치가 제1 재폐로 차단기측에 연결된 상태에서 부하에 전력을 공급하는 단독운전 모드; 중 어느 하나의 동작 모드에 따라 동작하고,
    상기 제어 모듈은, 상기 계통연계형 인버터와 주기적으로 통신을 수행하여 상기 계통연계형 인버터가 기 설정된 기준시간 이상 단독운전 모드를 유지하고 있는 것으로 확인되면, 상기 계통연계형 인버터로 계통 이상 상태임을 알릴 수 있는 경고 데이터를 생성하여 상기 계통연계형 인버터로 전송하고,
    상기 계통연계형 인버터는, 상기 계통연계 모드 또는 상기 단독운전 모드로 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 동안 상기 경고 데이터를 수신하면 상기 인버터 스위치를 제1 재폐로 차단기측으로부터 개방시켜 상기 독립운전 모드로 동작 모드를 전환하되,
    상기 계통연계형 인버터는, 상기 독립운전 모드로 동작 모드가 전환되면 상기 인버터 스위치가 제1 재폐로 차단기측과는 개방되면서 상기 제어 모듈측에 접속되도록 스위칭하고,
    상기 제어 모듈은, 상기 독립운전 모드로 동작하는 상기 계통연계형 인버터로부터 공급되는 전력을 상기 배터리에 임시 저장한 후, 상기 제2 재폐로 차단기가 ON 상태인 계통 정상 상태로 전환되면, 임시 저장된 전력을 계통으로 공급하되,
    상기 계통연계형 인버터가 상기 독립운전 모드로 전환된 것으로 확인되면, 상기 제1 재폐로 차단기가 개방되기 이전과 이후의 계통 전류의 변화량을 산출하고, 산출된 변화량에 기초하여 부하 전압의 변화량을 산출하며, 산출된 변화량이 기 설정된 임계 구간 이내에 형성되도록 상기 계통연계형 인버터로부터 공급되는 전력량을 제어하거나 임시 저장된 전력을 부하로 전송하는, 계통연계형 태양광 발전 시스템.
  2. 삭제
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