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KR101530207B1 - 태양광발전 인버터 시스템용 afd 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 afd 단독운전 검출 방법 - Google Patents

태양광발전 인버터 시스템용 afd 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 afd 단독운전 검출 방법 Download PDF

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KR101530207B1
KR101530207B1 KR1020140058727A KR20140058727A KR101530207B1 KR 101530207 B1 KR101530207 B1 KR 101530207B1 KR 1020140058727 A KR1020140058727 A KR 1020140058727A KR 20140058727 A KR20140058727 A KR 20140058727A KR 101530207 B1 KR101530207 B1 KR 101530207B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
inverters
single operation
discrimination index
disturbance component
Prior art date
Application number
KR1020140058727A
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English (en)
Inventor
유병규
Original Assignee
공주대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 공주대학교 산학협력단 filed Critical 공주대학교 산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명에서 제시하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈은 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압 및 출력전류의 데이터를 획득하고, 상기 데이터를 샘플링하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출하는 검출부(110): 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)상태를 판단하는 판단부(120); 상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 주파수 외란 제공부(130); 상기 주파수 외란 성분이 반영된 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출하는 연산부(140); 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하여 출력하는 판별지수 산출부(150); 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 비교부(160); 및 상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(170);를 포함한다.

Description

태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 AFD 단독운전 검출 방법{An improved active frequency drift anti-islanding detecting module for multiple PV micro-inverter systems and detecting method using the same}
본 발명은 계통연계 태양광발전 시스템의 단독운전(islanding)을 검출하는 시스템 및 방법 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 AFD 단독운점 검출 방법에 관한 것이다.
최근 화석에너지 고갈과 환경오염 문제로 대체 에너지를 이용한 발전에 전 세계적으로 많은 관심이 집중되고 있다. 대체 에너지를 통한 발전은 대용량 발전에 비해 용량이 작고 수요지 근처에 분산적으로 존재하여 태양광발전이라 부른다. 초기의 태양광발전은 용량이 작아 기존 전력계통과는 분리된 상태로 운전되었는데, 최근에는 그 용량이 증가하면서 전력계통과 연계된 상태로 가동되고 있다.
태양광발전은 일반적으로 차단기의 구조를 갖는 계통연계 장치를 통해 전력계통과 연계되어 상시에는 함께 연결되고 전력계통에 문제가 발생하면 전력계통과 분리되는 구조를 갖는다.
연계하여 운전되는 중 상용 교류전원이 공급되는 측에서 지락이나 단락과 같은 사고가 발생하면 계통연계 장치가 개방되어 상용전원 전력계통과 태양광발전 계통이 분리되고 이에 따라 전력계통에서 발생한 과전류가 부하로 흐르지 않아 부하 및 계통연계 태양광발전 시스템을 보호할 수 있다.
이때 전력계통이 분리되면 태양광발전만이 부하에 연결되어 전력을 공급하게 되는데 이러한 상태를 단독운전(islanding) 상태라 한다. 즉, 계통 연계형 시스템에서의 단독운전(islanding)이란 상용계통이 정전으로 인해 배전계통과 차단된 경우 태양광발전시스템과 같은 태양광발전이 하나의 독립된 배전계통을 구성하여 부하에 발전전력을 지속적으로 공급하고 있는 현상을 말한다.
그러나 이러한 단독운전 상태에서는 태양광발전이 생산하는 유효전력의 크기와 부하의 크기에 따라 주파수 변동이 발생하여 안정적인 전력공급이 어려운 경우가 있으며, 단독운전 상태가 지속되는 중 전력계통 측의 전원이 회복되면 양측 전압의 위상차에 의해 단락 또는 탈조가 발생하는 사고가 일어날 가능성이 있다. 따라서 태양광발전의 계통 연계시에는 이러한 단독운전 상태를 신속하게 감지하는 것이 필요하다.
이러한 단독운전 검출기법은 크게 수동적 기법과 능동적 기법으로 분류할 수 있다. 수동적 기법은 기본적으로 전압과 주파수 등 인버터의 제어에 필요한 시스템 파라미터를 이용하여 검출된 파라미터가 정상범위를 벗어나는 경우 단독운전임을 판단하여 인버터를 정지시키는 방법이다. 그러나 인버터의 출력전력과 부하의 소모 전력이 일치하는 경우에 단독운전 발생시 전압 및 주파수의 변화가 매우 미소하므로 단독운전 검출이 실패할 확률이 높다.
이런 단점을 보완한 능동적 기법은 인버터의 출력전류에 임의의 외란을 인가하여 단독운전 발생시 전압의 크기 또는 주파수의 변화를 유도하는 기법이다. 특히 그 중 능동형 주파수 변동기법(Active Frequency Drift Method; AFD 기법)이 많이 알려져서 사용되고 있다.
AFD 기법은 전류의 주파수를 빠르게 해서, 단독운전이 발생했을시 빠른 주파수 변동에 대해서 전압의 주파수가 빠르게 변화하게 함으로써 변화된 전압의 주파수를 특정값까지 변동시켜서 단독운전을 검출하는 기법이다.
예를 들면, 한국전력공사 공칭 주파수가 60Hz 인데, 계통 정전이 발생하였을 때, AFD 기법을 통해 태양광 인버터는 주파수를 변동시켜 과주파수 릴레이(Over Frequency Relay; OFR)의 트립(Trip) 설정값인 60.5Hz(한국 기준)을 넘어서는 것으로 단독운전을 검출하는 것이다. 혹은 공칭 주파수 60Hz를 저주파수 릴레이(Under Frequency Relay : UFR)의 트립 (Trip)설정값인 59.3Hz(한국 기준)을 넘어서는 것으로 단독운전을 검출하는 것이다.
한편, 기존의 AFD에 의한 단독운전 검출방법의 경우, 태양광발전의 전력변환장치가 출력인 교류 측을 기준을 병렬운전하게 되었을 때, 서로 영향을 끼쳐서 상쇄효과로 인해 단독운전을 검출하지 못하는 현상이 발생하게 된다.
도 1은 단일 태양광발전 인버터 시스템의 구성도로서, (a)는 계통연계된 상태를 나타내며, (b)는 단독운전된 상태를 나타낸다.
도 2는 종래의 AFD 방식을 이용한 태양광발전 인버터의 전류 파형으로, (a)는 양의 주파수 외란 성분에 기초한 전류 파형이며, (b)는 음의 주파수 외란 성분에 기초한 전류 파형을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 단독운전이 발생되기 전에, 태양광발전 인버터의 출력전압 주파수는 계통 전압에 의해 유지된다. 반면에, 단독운전이 일어나면, 종래의 AFD 방식은 과주파수 릴레이(OFR) 및 저주파수 릴레이(UFR)의 기준값으로 주파수 천이를 야기시킨다.
도 2의 (a)를 참조하면, 주파수 외란 성분(cf)이 양의 성분일 때, 태양광발전 인버터의 출력전압의 주파수는 단독운전이 발생 후의 과주파수 릴레이 기준값보다 증가된다. 동일하게, 도 2의 (b)를 참조하면, 주파수 외란 성분(cf)이 음의 성분일 때, 태양광발전 인버터의 출력전압의 주파수는 저주파수 릴레이 기준값 보다 감소된다.
즉, 한 개의 태양광발전 인버터는 양의 주파수 변화를 가지고, 다른 한 개의 태양광발전 인버터는 음의 주파수 변화를 갖는 AFD 기법을 각각 적용하면, 서로의 상호 상쇄효과로 인하여 단독운전이 발생해도 이를 검출하지 못하고 발전을 지속하하게 되며, 이는 단독운전을 방지하지 못하는 것을 의미한다.
따라서, 복수 개의 태양광발전 인버터의 전력변환장치가 병렬운전 할 때 서로 영향을 끼치지 않는 단독운전 검출 기법이 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록번호 제10-1027066호 (발명의 명칭: 전류 크기 변동에 따른 상관관계 기반의 단독운전 검출 방법)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수 개의 태양광발전 인버터가 병렬운전 할 때 서로 영향을 끼치지 않으면서 단독운전 여부를 판단함과 동시에 단독운전 불검출 영역을 줄여줄 수 있는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 시스템 및 이를 이용한 AFD 단독운전 검출 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈은 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류를 각각 수신한 후, 샘플링하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출하는 검출부(110): 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 출력전압의 영 교차점 여부(zero-crossing)를 판단하는 판단부(120); 상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 출력전압의 영 교차점(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 주파수 외란 제공부(130); 상기 주파수 외란 성분이 반영된 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출하는 연산부(140); 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하여 출력하는 판별지수 산출부(150); 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 비교부(160); 및 상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(170);를 포함한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류는 양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값을 갖도, 출력전류의 평균값이 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 양의 반주기 주파수의 전류 피크값은,
Figure 112014045963062-pat00001
으로 나타내며, cfp는 양의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 음의 반주기 주파수의 전류 피크값은,
Figure 112014045963062-pat00002
으로 나타내며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(170)는 상기 처리신호를 수신하는 경우 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 한다.
상기 판별지수 산출부(150)는 상기 단독운전 판별지수를 아래에 기재된 수학식을 이용하여 산출하며,
Figure 112014045963062-pat00003
N: 상용주기의 총 개수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 양의 반주기 주파수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 음의 반주기 주파수이며, cfp는 양의 주파수 외란 성분이며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법은 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 데이터를 각각 수신한 후, 샘플링하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력 전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출하는 단계(S110): 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 출력전압의 영 교차점 여부(zero-crossing)를 판단하는 단계(S120); 판단부에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 출력전압의 영 교차점(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 발생되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 단계(S130); 상기 주파수 외란 성분이 반영된 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 연산부(140)에서 산출하는 단계(S140); 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하여 출력하는 단계(S150); 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 단계(S160); 및 상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 단계(S170);를 포함한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류는, 양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값을 갖도, 출력전류의 평균값이 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 양의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,p)은,
Figure 112014045963062-pat00004
으로 나타내며, cfp는 양의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 음의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,n)은,
Figure 112014045963062-pat00005
으로 나타내며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 S150은 상기 단독운전 판별지수를 아래에 기재된 수학식을 이용하여 산출하며,
Figure 112014045963062-pat00006
N: 상용주기의 총 개수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 양의 반주기 주파수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 음의 반주기 주파수이며, cfp는 양의 주파수 외란 성분이며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 시스템 및 방법에 따르면 주파수 릴레이에 의지하지 않고, 별도의 제안하는 단독운전 판별 지수를 이용하여, 단독운전을 검출할 수 있어, 계통 정전시 태양광 인버터의 출력전압의 주파수가 주파수 릴레이 (Over Frequency Relay/Under Frequency Relay)의 설정값에 도달하지 않아도 단독운전을 검출 할 수 있음으로, 보다 빠르게 검출할 수 있다.
또한 단독운전 검출을 위한 주파수 변동 외란의 크기도 줄일 수 있게 되며, 주파수 변동의 외란이 적어지면, 그만큼 고주파 성분이 줄어들어 태양광 인버터의 출력 전력 품질이 높아진다.
단독운전 판별지수(Correlation Parameter : Cp)를 적용해서, 이 판별지수가 일정값 이상이면, 단독운전이라 판단한다. 반대로 이 판별지수가 일정값 이하가 되면 단독운전이 아니라고 판단한다.
따라서, 태양광 인버터들의 교류 측 병렬운전 시에도, 기존의 기법이 서로 상쇄작용으로 인해 단독운전 검출을 못하는 반면에, 본 발명에서 제시하는 검출 모듈은 단독운전을 확실하게 검출할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 단일 태양광발전 인버터 시스템의 구성도로서, (a)는 계통연계된 상태를 나타내며, (b)는 단독운전된 상태를 나타낸다.
도 2는 종래의 AFD 방식을 이용한 태양광발전 인버터의 전류 파형으로, (a)는 양의 주파수 외란 성분에 기초한 전류 파형이며, (b)는 음의 주파수 외란 성분에 기초한 전류 파형을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 AFD 기법이 적용된 태양광발전 인버터의 출력전류의 파형을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단독운전 상태를 검출하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 태양광발전 인버터 출력전압의 양의 주파수 파형, 음의 주파수 파형, 주파수 외란 성분의 파형 및 단독운전 판별지수와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 단독운전을 실험하기 위한 병령형 태양광발전 인버터 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명에서 사용된 실험 재원을 나타낸 표이다.
도 9는 기존의 AFD 단독운전 검출 방법이 적용된 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도로서, (a)는 단일 태양광 인버터에 +5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도이며, (b)는 단일 태양광 인버터에 -5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 시뮬레이션 상태도이며, (c)는 2개의 태양광 인버터가 병렬 운전시 +5% 주파수 외란성분 및 -5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법이 적용된 시뮬레이션 결과도로서, 보다 상세하게는 단독운전 판별지수 Cp가 적용된 f 및 Vgrid, Igrid, Iinv, Vinv/100 및 f 각각의 전류/전압 파형을 나타낸다.
여기서, (a)는 단일 태양광 인버터에 +2.5% 주파수 외란성분 및 -2.5% 주파수 외란성분이 주입된 상태의 시뮬레이션이며, (b)는 두 개의 태양광 인버터가 병렬 연결시 +2.5% 주파수 외란성분 및 -2.5% 주파수 외란성분이 주입된 상태의 시뮬레이션을 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 기재된 실시 예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈을 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈(100)은 검출부(110), 판단부(120), 주파수 외란 제공부(130), 연산부(140), 판별지수 산출부(150), 비교부(160) 및 제어부(170)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 검출부(110)는 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 및 출력전압을 각각 인가받아, 샘플링한 후, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출하는 기능을 수행한다.
상기 판단부(120)는 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing) 상태를 판단하는 기능을 수행한다.
상기 주파수 외란 제공부(130)는 상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압이 제로-크로싱(zero-crossing) 상태일 경우, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 반주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 기능을 수행한다.
상기 연산부(140)는 상기 주파수 외란 성분이 반영된 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출하는 기능을 수행한다.
상기 판별지수 산출부(150)는 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하여 출력하는 기능을 수행한다.
상기 비교부(140)는 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
상기 제어부(150)는 상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 동작을 정지시키는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법(S100)은 검출단계(S110), 판단단계(S120), 주파수 외란 제공단계(S130), 연산단계(S140), 판별지수 산출단계(S150), 비교단계(S160) 및 제어단계(S170)를 포함한다.
상기 검출단계(S110)는 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압 및 출력전류의 데이터를 획득(S111)하고, 상기 데이터를 샘플링(S112)하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출부(110)에서 검출하는 단계일 수 있다.
상기 판단단계(S120)는 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing) 상태를 판단하는 단계일 수 있다.
상기 주파수 외란 제공단계(S130)는 상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 주파수 외란 제공부(130)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 단계일 수 있다.
상기 연산단계(S140)는 연산부(140)에서 상기 주파수 외란 성분이 반영된 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출하는 단계일 수 있다.
상기 판별지수 산출단계(S150)는 판별지수 산출부(150)에서 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하는 단계일 수 있다.
상기 비교단계(S160)는 비교부(160)에서 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수(Cp_ref)를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수(Cp_ref)보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 단계일 수 있다.
상기 제어단계(S170)는 상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 단계일 수 있다.
여기서, 단독운전 상태는 전력계통이 분리되면 태양광발전만이 부하에 연결되어 전력을 공급하게 되는데 이러한 상태를 나타낸다.
참고로, 상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류(
Figure 112014045963062-pat00007
)는 양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값(
Figure 112014045963062-pat00008
,
Figure 112014045963062-pat00009
)을 갖으며, 아래의 식 1과 같이 정의될 수 있다.
[식 1]
Figure 112014045963062-pat00010
여기서, 양의 주파수 외란 성분(positive chopping fraction)이 반영되어 변동된 제1 태양광발전 인버터의 양의 반주기 주파수는
Figure 112014045963062-pat00011
이며, 상기 양의 주파수 외란 성분은
Figure 112014045963062-pat00012
이다. 또한, 음의 주파수 외란 성분(negative chopping fraction)이 반영되어 변동된 제2 태양광발전 인버터의 음의 반주기 주파수는
Figure 112014045963062-pat00013
이며, 상기 음의 주파수 외란 성분은
Figure 112014045963062-pat00014
이다.
여기서, 양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값(
Figure 112014045963062-pat00015
,
Figure 112014045963062-pat00016
)은 아래에 기재된 식 2 및 식 3을 이용하여 도출된다.
먼저, 단독운전이 발생되기 이전에, 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 반 주기는 도 5에서 도시된 바와 같이,
Figure 112014045963062-pat00017
이다.
이렇게, 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 평균값은 아래에 기재된 식 2로 표현될 수 있다.
[식 2]
Figure 112014045963062-pat00018
또한, 반주기 동안 주파수 외란 성분이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류는 아래에 기재된 식 3으로 유추될 수 있다.
[식 3]
Figure 112014045963062-pat00019
따라서, 상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 양의 반주기 주파수의 전류 피크값(
Figure 112014045963062-pat00020
) 및 음의 반주기 주파수의 전류 피크값(
Figure 112014045963062-pat00021
)은 식 2 및 식 3을 통해 계산되어질 수 있다.
Figure 112014045963062-pat00022
Figure 112014045963062-pat00023
한편, 상기 S150은 상기 단독운전 판별지수(Cp)를 아래에 기재된 식 4를 이용하여 산출하는 단계일 수 있다.
[식 4]
Figure 112014045963062-pat00024
여기서, N: 상용주기의 총 개수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 양의 반주기 주파수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 음의 반주기 주파수이며, cfp는 양의 주파수 외란 성분이며, cfn은 음의 주파수 외란 성분이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단독운전 상태를 검출하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 태양광발전 인버터 출력전압의 양의 주파수 파형, 음의 주파수 파형, 주파수 외란 성분의 파형 및 단독운전 판별지수와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 단독운전을 검출하기 위하여 앞에서 상술한 식 4를 통해 도출되는 단독운전 판별지수((Correlation Parameter : Cp)를 적용하여, 이 판별지수가 일정값(Cp,set) 이상이면, 단독운전이라 판단하고, 이 판별지수가 일정값(Cp,set) 이하가 되면 단독운전이 아니라고 판단한다. 이는 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수가 상호 대칭이 이루어지지 않음을 나타내며, 양의 반주기 주파수와 음의 반주기 주파수의 진폭 차가 발생됨을 알 수 있다. 따라서, 차에 따른 진폭의 크기가 커질수록, 차에 따른 단독운전 판별지수는 기준판별지수보다 증가하게 됨을 나타낸다.
도 7은 단독운전을 실험하기 위한 병령형 태양광발전 인버터 시스템을 나타낸 예시도이며, 도 8은 실험 재원을 나타낸 표이다.
본 실험에서는 이상 계통 상태 하, 특히 복수 개의 태양광발전 인버터들에서의 단독운전 검출 능력 및 작동을 확인하기 위한 실험이며, 본 실험은 도 8에 기재된 회로 변수들에 기초하였다.
본 발명에서 제시한 주파수 외란 성분 cf는 2.5% ~ 2.5%로 설정되며, 단독운전을 판단하기 위한 단독운전 판별지수의 기준값은 0.25로 결정된다. 만약, 공칭 계통 주파수가 2.5 % 주파수 외란 성분이 포함된 60Hz로 결정되어지면, 단독운전 주파수 f1p 및 f1n은 식 1로부터 약 61.538 Hz 및 58.536Hz로 계산되어진다. 보다 상세한 재원은 도 8을 참조한다.
도 9는 기존의 AFD 단독운전 검출 방법이 적용된 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도로서, (a)는 단일 태양광 인버터에 +5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도이며, (b)는 단일 태양광 인버터에 -5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 시뮬레이션 상태도이며, (c)는 2개의 태양광 인버터가 병렬 운전시 +5% 주파수 외란성분 및 -5% 주파수 외란성분을 주입된 경우의 단독운전 검출 시뮬레이션 상태도를 나타낸다.
즉, 도 9를 참조하면, 기존의 AFD 단독운전 검출 방법의 경우, +5% 주파수 외란성분을 주입할 경우, 단독운전이 발생된 후, 60.5Hz를 이탈하는 시점부터 0.097초에서 단독운전이 차단되며, -5% 주파수 외란성분을 주입할 경우, 단독운전이 발생된 후, 59.3.Hz 미만으로 주파수 이동하는 시점부터 0.102초에서 단독운전이 차단되어, 국제적인 기준인 2초 내에 단독운전 방지 기준에 부합된다. 그러나, 태양광 인버터 2개를 병렬로 배치할 경우, 주파수간 상쇄효과로 인하여 단독운전이 검출되지 않음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법이 적용된 시뮬레이션 결과도로서, 보다 상세하게는 단독운전 판별지수 Cp가 적용된 f 및 Vgrid, Igrid, Iinv, Vinv/100 및 f 각각의 전류/전압 파형을 나타낸다.
여기서, (a)는 단일 태양광 인버터에 +2.5% 주파수 외란성분 및 2.5% 주파수 외란성분이 주입된 상태의 시뮬레이션이며, (b)는 두 개의 태양광 인버터가 병렬 연결시 +2.5% 주파수 외란성분 및 2.5% 주파수 외란성분이 주입된 상태의 시뮬레이션을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 단독운전이 발생되기 전 상태에서는 태양광 인버터의 출력전류의 직류성분의 크기는 매우 작으며, 단독운전이 발생된 후, 주파수 f는 과주파수 릴레이 또는 저주파수 릴레이에 과도하게 이탈되지 않는다.
이후, 기준값 0.25를 초과하는 시점부터 점차 증가하다가, 초과하는 시점부터 0.099초에 단독운전이 확임됨을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서 제시하는 태양광발전용 AFD 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 단독운전 검출 방법은 계통 전압의 반주기를 이용함에 따라 태양광 인버터들 사이에서 상쇄효과없이 항상 반주기의 주파수 외란 성분(cfp, cfn)을 주입함으로써, 두 개의 태양광 인버터가 병렬연결될지라도 상쇄효과 없이 단독운전이 일어난 후 1초 내에서 단독운전을 검출할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제시하는 태양광발전용 AFD 단독운전 검출 모듈 및 이를 이용한 검출 방법은 주파수 릴레이에 의지하지 않고, 별도의 제안하는 단독운전 판별 지수를 이용하여, 단독운전을 검출한다. 따라서, 계통 정전시 태양광 인버터의 출력전압의 주파수가 과주파수/저주파수 릴레이(Over Frequency Relay/Under Frequency Relay)의 설정값에 도달하지 않아도 단독운전을 검출 할 수 있음으로, 보다 빠르게 검출할 수 있다.
또한, 단독운전 검출을 위한 주파수 변동 외란의 크기도 줄일 수 있게 되며, 주파수 변동의 외란이 적어지면, 그만큼 고주파 성분이 줄어들어 태양광 인버터의 출력 전력 품질이 높아진다.
본 발명에서 제시하는 단독운전 판별지수(Correlation Parameter : Cp)를 적용해서, 이 판별지수가 일정값 이상이면, 단독운전이라 판단하고, 반대로 이 판별지수가 일정값 이하가 되면 단독운전이 아니라고 판단하여, 태양광발전 인버터들의 교류 측 병렬운전 시에도, 기존의 기법이 서로 상쇄작용으로 인해 단독운전 검출을 못하는 반면에, 본 발명에서 제시하는 검출 모듈을 이용한 단독운전 검출 방법은 단독운전을 확실하게 검출할 수 있다는 이점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 기법의 문제점인 주파수 외란 성분에 의해 계통으로 유입되는 전류의 파형을 의도적으로 왜곡시킴으로써 계통 유입 전류의 역률(THD)이 좋지 않고, 단독운전 불검출 영역이 넓게 존재하며, 검출 속도 또한 느린 단점을 개선시킬 수 있다는 이점을 갖는다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 단독운전 검출 모듈 110: 검출부
120: 판단부 130: 주파수 외란 제공부
140: 연산부 150: 산출부
160: 비교부 170: 제어부

Claims (11)

  1. 병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압 및 출력전류의 데이터를 획득하고, 상기 데이터를 샘플링하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출하는 검출부(110):
    상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)상태를 판단하는 판단부(120);
    상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 주파수 외란 제공부(130);
    상기 주파수 외란 성분이 반영된 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출하는 연산부(140);
    상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하여 출력하는 판별지수 산출부(150);
    상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 비교부(160); 및
    상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(170);를 포함하고,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류는,
    양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값을 갖되, 출력전류의 평균값이 동일한 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 양의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,p)은,
    Figure 112015024257178-pat00025

    으로 나타내며, cfp는 양의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 음의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,n)은,
    Figure 112015024257178-pat00026

    으로 나타내며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(170)는,
    상기 처리신호를 수신하는 경우 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판별지수 산출부(150)는,
    상기 단독운전 판별지수(Cp)를 아래에 기재된 수학식을 이용하여 산출하며,
    Figure 112014045963062-pat00027

    N: 상용주기의 총 개수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 양의 반주기 주파수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 음의 반주기 주파수이며, cfp는 양의 주파수 외란 성분이며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈.
  7. 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 기재된 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 모듈을 이용한 단독운전 검출 방법에 있어서,
    병렬로 연결된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압 및 출력전류의 데이터를 획득하고, 상기 데이터를 샘플링하여, 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류에 따른 양의 반 주기 주파수 및 음의 반 주기 주파수를 검출부(110)에서 검출하는 검출단계(S110):
    판단부(120)를 이용하여 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing) 상태를 판단하는 판단단계(S120);
    주파수 외란 제공부를 이용하여 상기 판단부(120)에서 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전압의 제로-크로싱(zero-crossing)을 인지하면, 상기 양의 반주기 주파수 및 상기 음의 판주기 주파수 각각에 임의의 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 적용되도록 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류 각각에 서로 다른 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)을 제공하는 주파수 외란 제공단계(S130);
    연산부(140)를 이용하여 상기 주파수 외란 성분이 반영된 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류의 양의 반 주기 주파수의 진폭과 음의 반 주기 주파수 진폭의 차이값을 산출한 후, 판별지수 산출부(150)에서 상기 차이값을 단독운전 판별지수로 산출하는 판별지수 산출단계(S140);
    비교부(160)에서 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수와 내부에 기 설정된 기준판별지수를 비교하여 상기 차이값이 적용된 단독운전 판별지수가 상기 기준판별지수보다 클 경우, 단독운전상태로 결정하여 처리 신호를 출력하는 비교단계(S150); 및
    상기 처리신호의 수신 여부에 따라 상기 제1 및 제2 태양광발전 인버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어단계(S160);를 포함하고,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 제1 및 제2 태양광발전 인버터의 출력전류는,
    양의 반주기 주파수 및 음의 반주기 주파수에 따라 서로 다른 전류 피크값을 갖되, 출력전류의 평균값이 동일한 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 양의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,p)은,
    Figure 112015024257178-pat00028

    으로 나타내며, cfp는 양의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 주파수 외란 성분(cf: chopping fraction)이 반영된 상기 음의 반주기 주파수의 전류 피크값(Ipk,n)은,
    Figure 112015024257178-pat00029

    으로 나타내며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 비교단계(S150)는,
    상기 단독운전 판별지수(Cp)를 아래에 기재된 수학식을 이용하여 산출하며,
    Figure 112014045963062-pat00030

    N: 상용주기의 총 개수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 양의 반주기 주파수, f1p[k]은 k 시점에서 계산된 상용계통 전압의 음의 반주기 주파수이며, cfp는 양의 주파수 외란 성분이며, cfn은 음의 주파수 외란 성분인 것을 특징으로 하는 태양광발전 인버터 시스템용 AFD 단독운전 검출 방법.
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