KR910003296B1 - 전력계통 연계용 인버터 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전력계통 연계용 인버터 장치

제1도는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터 장치를 나타낸 블록도.

제2도는 제1도내의 위상 메모리 21을 상세하게 나타낸 회로도.

제3a도 및 3b도는 계통연계 인버터장치의 동작을 설명하는 벡터도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 인버터 장치를 나타낸 볼록도.

본 발명은 계통연계용 인버터장치의 보호에 관한 것이다.

태양전지 또는 연료전지등의 직류전력을 인버터를 사용하여 AC전력으로 변환시켜 변환된 전력을 연계리액터 또는 변압기를 거쳐서 전원계통에 연결하는 계통이 에너지의 유효한 사용이라는 관점에서 이용되어가고 있다. 일본국의 전기학회의 "반도체 전력 변환식"의 제9, 3절에 기재된 바와 같이 계통연계 인버터는 AC전압을 사용하여 인버터동작을 행하는 선로 전류전환형 인버터와 인버터의 출력전압위상을 바람직하게 제어할 수 있는 자체 전류전환형 인버터로 대별된다.

자체전류 전환형 인버터는 바람직하게 지상 또는 진상 무효전력을 AC전력계통에 공급할 수 있다.

그리하여 AC전력계통 용량이 작을지라도 안정되게 동작시킬 수 있다.

종래의 자체전류전환장치에 있어서 인버터는 위상 θ_S을 갖고 있는 AC전력계통 전압 V_S에 대해서 위상 θI을 갖는 인버터전압 VI를 출력한다. 제3a 및 3b도는 전압과 위상에 대한 벡터도를 나타내고 있다. 제3a도는 계통전압 V_S와 출락전류 I의 위상이 일치된 역률 1의 운전상태를 나타내고 제3b도는 계통전압 V_S보 다도 진상된 전류가 공급되고 있는 경우를 나타내고 있다.

인버터 전압 VI는 계통전압 V_S과 전류 I보다도 90°앞선 연계리액터의 전압강하에 대응하는 전압 XI외 벡터합에 해당된다.

제3a도에 나타낸 바와 같이 역률이 1일 때에 V_S와 I는 같은 위상이고 인버터 위상 θI는 전류 I에 실질적으로 비례하는 값만큼 계통전압위상보다도 앞서 있다. 제3b도에 나타낸 전상전류 I가 긍급될 때에 전압 VI의 크기는 전류 I에 대응하는 무효전력에 의해서 감소시킬 수 있다. 이와 반면에 지상전류 I가 공급될 때에 는 전압 VI는 증가된다. 따라서 유효전력은 θI을 변경시킴에 의해서 제어될 수 있고 유효전력은 전압 VI의 크기를 제어함에 의해서 제어될 수 있다.

상술한 구성으로 유효전력과 무효전력을 제어할 수 있는 계통연계 발생기를 실현시킬 수 있다. 종래 구성에 있어서 AC회로차단기가 개방되어 AC계통내에 정전이 생겼을 때에 인버터가 가능한한 신속한것이 바람직하다.

이 타입의 인버터에 있어서 주파수 또는 전압이 표준치로부터 이탈될 때에 이상 전압 또는 이상 주파수 검출기는 인버터를 정지시키도록 동작한다(이 경우에 부하는 AC차단기 보다도 인버터에 더 가까이 있게 된다). AC회로차단기가 개방될 때에 인버터 출력전압 VI와 계통전압 V_S에 의해서 한정되는 위상각 θI은 부하의 크기에 의해서 결정된다. 인버터 출력유효전력이 AC회로차단기가 개방되기 전의 부하유효전력과 상이할 때 θI은 회로가 개방되기 전후에 변화한다. 주파수는 이 차이를 적분함에 의해서 얻은 값에 의해서 변경되고 주파수변화는 이상 주파수로서 검출된다. 그 결과로 인버터는 정지된다. 인버터 출력무효전력이 부하 무효전력과 상이할 때에 계통전압 V_S의 크기는 AC회로 차단기의 개방전후에 변화된다.

그러므로 계통전압 V_S가 감소될 경우에 인버터 전압기준 Vl는 감소되고 인버터는 전압 기준 VI에 응하여 출력전압 VI가 감소된다.

이 포지티브 피드백 동작으로 계통전압 V_S는 감소되고 인버터의 이상전압이 검출된다. 이 결과로 인버터의 운전이 정지된다.

이와 대조적으로 만일 계통전압 V_S가 증가되면 인퍼터 전압기준 VI는 증가되고 인버터는 이 전압기준 VI에 응하여 그 출력전압 VI를 증가시킨다. 이 결과로 계통전압 V_S가 더 증가된다. 이 경우에 인버터의 이상전압은 상술한 계통전압의 감소때와 같이 검출된다.

인버터 출력과 부하의 유효 및 무효전력 모두가 같을 경우에는 거의 없으나 인버터의 유효 전력기준이 시간에 따라서 변화되므로 이 인버터는 상기 두경우(이상 주파수 또는 이상전압)중 하나에 계입되어 정지된다.

상술한 바와 같이 인버터의 주파수와 전압은 서비스 차단으로 인해서 변화되고 이상전압 또는 이상 주파수 검출기는 이를 검출하여 인버터를 정지시킨다. 인버터에 대해서 서비스차단으로부터 정지시까지의 시간 T가 일본과 미국이 약간 차이는 있으나 0.5∼1초 이내에 있어야 함이 요구된다. 종래의 장치에서는 다음 문제점이 있다.

서비스차단으로부터 인버터가 정지되도록 까지의 시간 T를 단축시키기 위하여 이상검출기의 검출감도가 향상될 수 있거나 검출부터 동작까지의 동작시간이 단축될 수 있으나 계통전압내의 변화는 정상상태에서 ±5% 그리고 때때로 +l0% 또는 -15%가 예상된다. 예를 들면 변압기 또는 회전기는 전원투입시에 계통전압의 순시 감도를 정상상태에서 경험한다. 이상검출기의 동작레벨이 +l0%와 -15%범위내가 되도록 설정 되면 또, 동작시간이 0.5∼1초 범위내가 되도록 설정되면 인버터는 필요이상으로 자주 정지된다.

이상 주파수 검출기를 위해서는 ±1㎐범위내가 되도록 검출레벨을 설정하는 것은 바람직하지 않다. 시판하는 이상주파수검출기의 동작시간은 1∼2초이다.

계통주파수의 변화범위가 50㎐+1㎐이고 주파수 49㎐이하이고 51㎐이상이 이상주파수로서 검출된다. 인버터가 49㎐근방에서 동작되는 동안에 서비스 차단이 생기고 인버터의 발진주파수가 서서히 증가되어 51㎐에 도달된다. 그 이후에 이상주파수 검출기가 1초경과후에 동작되어 인버터는 정지된다. 49㎐로부터 51㎐까지의 2㎐의 변경을 위하여 요구되는 시간은 최악상태에서 약 5초이다. 인버터를 정지시키는 이상 발생시부터의 시간 T는 2㎐라는 주파수변경기간(5초)과 이상 주파수 검출기의 동작시간(1초)와 합 즉, 약 6초여야할 것이다.

상술한 바와 같이 종래 장치의 검출기술로 인버터를 1초내에 정지시키기는 어렵다.

본 발명은 상기 사정을 고려하여 행해진 것이고 그 목적은 전력계통의 회로차단기가 개방되어 서비스차단이 생길때에 인버터를 신속하게 정지시킬 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해서 인버터의 AC출력전압의 위상을 순차로 기억하는 위상 메모리가 구성되어 있다.

서비스차단이 기억된 위상과 실제 전압위상간의 편차가 소정치를 초과할 때에 서비스차단이 검출된다.

위상메모리내에 기억된 위상은 통상 실제 전압위상과 일치하지만 정전시에는 일치될 수 없다. 인버터의 주파수가 0.5㎐(반사이클)로 변경된다고 하면 위상은 1초 동안에 180°변화된다. 만일 위상 엇갈림이 30°를 초과하는 것을 이상으로 보면 이상검출을 할 수 있고 인버터를 1/6초이내에 정지시킬 수 있다.

제1도는 본 발명의 일실시예를 나타내는 블록도이다. 제1도에 있어서 부호 1은 전지(DC전원)을 지시하고, 2는 PWM인버터, X는 연계리액터, 4 및 20은 AC회로차단기, 5는 전원, 6은 부하, 7은 전압검출기, 8은 전류검출기, 9는 유효전력설정기, 10은 위상연산기, 11, 14 및 17은 가산기, 12는 전원위상연산기, 13은 무효전력설정기, 15는 증폭기, 16은 무효전력 연산기, 18은 이상전압검출기, 19는 이상주파수 검출기, PT1 및 PT2는 계기용 변성기, CT는 계기용 변류기이다. 만일, 변압기 T가 생략되면 동작원리에는 차이가 없음을 주기한다.

부호 21은 위상메모리, 22는 위상비교기, 23은 파형 정형회로이다. 위상비교기 22로부터의 출력 E22는 이상전압 검출기 18로부터의 출력 E18과 이상주파수 검출기 19로부터의 출력 E19와 함께 인버터 정지 스퀀서 100으로의 입력이다. 시퀀서 100은 OR게이트로 구성되고 출력들 El8,El9 및 E22중의 하나가 논리 "1" 에 있을 때에 출력 논리 "1"의 E100을 발생한다. 인버터 2내에 점호펄스발생기(도시치 않음)가 논리 "1"의 출력 E100을 수신할 때 인버터 2내의 사이리스터로외 점호펄스의 공급을 정지한다. 그리하여 인버터 3의 동작이 정지된다.

제1도의 배열에서는 유효전력 기준 P은 유효전력설정기 9로부터 공급된다. 위상연산기 10은 유효전류 I 에 대해서 연계리액터 X의 전압강하에 상당하는 계통전압 V_S와 X·I에 의해서 한정되는 위상각 θI=tan^-1(X ·I/V_S)을 연산한다.

θI가 적을 때 θI=X ·I/V_S이다. 왜냐하면 X 및 V_S는 거의 일정하고 유효전류 I에 비례하는 위상은 θI로서 공급될 수 있다. 계통전압의 위상 θI 및 위상 θ_S가 가산기 11에 의해서 가산되고 가산된 위상의 합이 인버터의 위상기준 θI^*의 출력이 된다.

무효 전력기준 Q가 무효전력 설정기 13으로부터 공급된다. 무효전력 연산기 16에 의해서 전압검출기 7부터의 출력과 전류검출기 8로부터의 출력 E8에 준하여 연산된 무효전력 E16이 편차 El4를 얻기 위하여 값 Q로부터 감산되고 편차 E14가 증폭기 15에 의해서 증폭된다. 시스템 전압 V_S의 크기를 나타내는 증폭된 값 E15와 출력 E7이 가산기 17에 의해서 가산되어 인버터의 출력전압기준 VI의 크기가 결정된다. 인버터 출력전압 VI의 크기를 변경시키는 수단이 인버터 2가 펄스폭변조(PWM) 제어될 때에 펄스폭을 변경시킴으로써 실현 가능하다. PWM제어를 행하지 아니할 때, 제4도에 나타낸 바와 같이 전압기준 VI에 의해서 제어되는 춥퍼 3이 위상기준 θI^*에 의해서 제어되는 비-PWM인버터 2의 DC입력측에 배치되어 있다. 그리하여 출력 전압의 크기를 조정하고 있다.

위상 메모리 21은 5∼10초의 시정수에 연계점 A에서의 주어진 전압위상을 기억하는 회로이고, 통상 계통 전압 V_S와 위상로크된 구형파 E2l를 출력한다. 출력 E21은 메모리 21에 연결된 위상비교기 22의 하나의 입력으로 입력된다. 위상 비교기 22의 또 하나의 입력은 파형 정형회로 23에 의해서 실시간 방법으로 연계점 A에서의 전압 V_S를 구형파로 변환시킴으로서 얻어지는 신호 E23을 수신한다.

위상 비교기 22로 공급되는 2개의 신호들 E21 및 E23은 정상상태에서 동일위상이고 비교기 22로부터의 출력 E22는 논리 "0"이다.

AC회로차단기 4가 개방될 때에 전압 V_S의 주파수 및 위상은 상술한 바와 같이 변경된다. 특히 인버터 전압 VI및 계통전압 V_S간의 위상차 θI는 AC전력 계통의 유효전력에 대해서 실제적으로 비례해서 제어된다. 만일, 연계리액터 X의 임피던스가 0.3(유니트당)이라 하면 정격시 θI=tan^-10.3=16.7", 그리하여 θI의 변동범위는 0°내지 최대 20°이다.

AC회로 차단기 20이 개방되거나 AC전력계통에 정전이 생겼다고 하면, θI는 연계리액터 X와 부하 6의 임퍼던스에 의해서 결정되는 고유값이 된다. 이 경우에 위상메모리 21로부터의 출력 E21과 파형 정형회로 23으로부터의 출력 E23은 큰 위상차를 갖고. 위상비교기 22로부터의 출력 E22는 논리 "1"로 될 것이다. 그러나 많은 경우에 E2l과 EQ3사이의 위상차는 적다.

주파수가 서서히 변하고 증가된다고 하면 이 경우 위상은 위상메모리 21로부터의 출력 E21의 입력에 응하여 5∼10초의 지연시간이 있으므로 즉시, 변경되지 않는다. 한편, 연계점 A에서의 전압 위상을 나타내는 신호 E23의 위상은 상대적으로 지연시간 없이 앞선다.

만일, 위상비교기 22의 검출레벨이 ±10°이면, E22는 논리 "1"이다. 그리하여 E2l에 대한 E23의 위상차가 10°를 초과할 때 시퀀서 100은 이상주파수를 판단하여 인버터 2를 정지시킨다.

제2도는 위상메모리 21의 상세회로도이다. 부호 101은 정현파를 구형파로 변환시키는 파형 정형회로를 지시하고 부호 102는 위상비교기, 103은 적분증폭기, 104는 전압제어발진기(VCO) 105는 분주기, 106은 바이어스회로, 부품들 102∼105는 알려진 회로 윽, 위상록크 루푸(PLL)회로를 구성한다. 만일 입력 E_S및 출력 E2l이 위상차를 갖으면 위상비교기 102는 이 위상차에 해당되는 출력 E102를 발생한다. 적분증폭기 103은 출력 E102를 적분하여 적분출력 E103로 출력한다. VCO 104는 입력전압 E103에 비례하는 주파수신호 E104를 발생하는 발진기이고 그 중심주파수가 바이어스회로 106에 의해서 조정(프리세트)될 수 있다.

위상비교기 102로부터의 출력 E102가 "0"이 아닌한, 출력 E102는 적분되어 VCO 104의 발진주파수를 변경한다. 그리하여 입력 E_S와 출력 E2l은 안정상태에서 서로 일치한다.

적분증폭기 103의 적분시정수에 의해서 응답시간이 판단된다. PLL회로가 단일 IC로서 시장에서 구할 있으므로 여기에 상세한 설명을 생략하겠다.

상술한 동작으로 정전시에 낮은 속도와 주파수변화에 응하여 신속하게 판단될 수 있다. 즉, 만일 주파수 1초동안에 0.4㎐로 변경되면 종래의 장치는 상술한 바와 같이 검출하는데 약 6초를 요한다. 이와 대조적으로 1초내의 위상차는 360°×0.4=144°에 해당되므로 이상주파수는(10°/144°+t)초내에 10°의 엇갈림에 상당하는 검출레벨을 사용하여 검출할 수 있다. 이 경우에 t는 오등작을 방지하기 위한 시간 여유이다. 계통 전압파형은 때때로 역률개선 캐패시터의 투입시에 흐트러질 수 있다. 그러므로 본 발명의 장치의 설치위치에 의존되는 것이지만 t는 약 0.1초이다. 그리하여 10°/144°+t는 0.2초이하이고, 정전시부터 인버터의 정지 까지의 시간이 종래의 장치에 비해서 크게 단축될 수 있다.

제1도의 실시예에서 위상메모리 21의 하나의 입력에 가해지는 제1AC전압 E23차 위상비교기 22의 다른 입력에 가해지는 제2AC전압 E21은 모두 연계점 A에서 전압 V_S에 해당되는 E_S를 채용한다. 그러나 제1 및 제2AC전압들 E23 및 E21의 검출점들은 같을 필요는 없다. 예를 들면 제4도에 나타낸 바와 같이 제2AC전압 E2l의 검출점이 인버터 2와 연계리액터 X와의 사이의 점 B로 선택될 수 있다 이 경우에 제1도의 경우에 비해서 θI가 크게 변화될지라도 위상비교기 22의 검출레벨은 이 변동분을 고려해서 +30°로 넓힐수 있다. 연계점 A에서의 전압 V_S의 위상은 거의 고정되는 한편, 인버터 2의 출력점에서의 전압 VI는 전력제어에 따라서 변화된다. 따라서, 제1AC전압 E23의 검출점은 점들 A 및 B사이에 연계점 근방에 세트되는 것이 바람직하다.

위상연산기 10내에 AC전력계통의 전압위상이 프리세트됨을 주기한다. 인버터 2의 출력전압 VI의 위상과 인버터를 구성하는 전력장치 (사이리스터)의 점호위상이 1대 1로 대응하고 있다. 만일, 이런 이유로 인버터 2의 제어 회로내의 논리회로의 신호가(인버터 2내의 사이리스터의 점호펄스) 주회로 전압(VI)를 검출함이 없이 사용되면 제2AC전압 E2l의 위상이 검출될 수 있다.

이 경우에 이 장치는 인터페이스 부분이 생략될 수 있으므로 경제적이다. 상술한 설명에서 부호 1은 DC전원을 지시한다. 다른 전원계통에 의해서 전력 공급되는 계통내에서 다른 전원계통부터의 AC전력을 DC전력으로 변환시키는 정류기로부터의 출력은 전원 1로서 생각될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 계통정전이 신속하고 신뢰성있게 검출될 수 있고 인버터가 정지될 수 있다. 그리하여 본 발명은 AC전력 계통의 안전을 유지하는 요구에 일치시킬 수 있는 것이다.

Claims (12)

1. 연계리액터를 거쳐서 계통전압을 갖는 AC전력계통에 결합되고 상기 AC전력의 전력제어를 위한 인버터와, 실시간내에 상기 AC전력계통의 계통전압의 위상을 지시하는 계통위상신호를 검출하는 계통위상검출 수단과, 상기 AC계통의 계통전압의 위상을 소정의 지연시간을 갖고 검출하고 검출결과를 잠시 기억하여 비교위상신호를 제공하는 비교위상 검출수단과, 상기 인버터, 상기 계통 검출수단 및 상기 비교위상 검출수단에 결합되어 계통 위상신호와 비교위상신호를 위비교하여 계통 위상신호와 비교 위상신호간의 위상차가 소정값을 초과할 때에 상기 인버터를 정지시키는 정지수단을 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 계통 위상 검출기 수단이 실시간내의 계통전압과 실질적으로 동일 위상인 위상신호의 외상을 검출하고 시스템 위상신호를 출력하는 수단을 포함하는 전력 계통연계용 인버터 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 비교위상 검출수단은 실시간내의 상기 AC전력계통의 계통전압과 실질적으로 동일 위상인 위상신호의 위상을 검출하고 비교위상신호를 출력하는 수단을 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 비교위상 검출수단이 실시간내의 상기 AC전력계통의 계통전압에 대하여 위상차를 갖는 위상신호의 위상을 검출하고 비교위상신호를 출력하는 수단을 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
5. 제4항에 있어서, 위상신호의 위상이 상기 인버터를 구성하는 스위치소자의 점호펄스의 위상에 상당하는 전력계통연계용 인버터 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 정지수단이 위상신호와 비교위상신호간의 위상차를 지시하는 제 1신호를 출력하는 위상비교 수단과, 소정의 시정수를 갖는 제 1신호를 적분하고 적분결과를 지시하는 제 2신호를 출력하는 적분수단과, 제 2신호의 신호레벨에 대응하는 주파수를 갖는 비교위상신호를 출력하는 신호발생수단을 포함하는 전력게통연계응 인버터 장치.
7. 제6항에 있어서 상기 정지수단이 상기 신호 발생수단에 결합되고 제 2신호의 신호레벨과 상관없이 비교위상신호의 신호 위상을 조정하는 수단을 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 인버터는 소정의 위상기준과 소정의 전압기준에 응하여 동작되는 PWM인버터를 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
9. 제1항에 있어서. 상기 인버터는 소정의 위상기준에 응하여 동작되는 비-PWM인버터와, 소정의 전압기준에 응하고 상기 비-PWM인버터로의 DC입력전압을 제어하는 수단을 포함하는 전력계통연계용 인버터 장치.
10. AC회로차단기와 관계 리액터를 거쳐서 전력계통에 인버터를 결합시키는 장치에 있어서 전력계통의 전압의 제 1AC전압위상을 소정의 시정수로 순차 기억함에 의해서 얻어지는 제 1위상신호를 실시간내의 전력 계통전압의 제2AC전압위상을 검출함에 의해서 얻어지는 제 2위상신호와 비교하는 수단과, 상기 비고수단의 비교결과가 소정의 값을 초과할 때에 상기 장치를 정지시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 연계용 인버터 장치.
11. 제10항에 있어서, 제1 및 제 2AC전압이 인버터 출력과 인버터의 결합점사이에 또, 전력계통간에 위치한 임의의 검출점들로부터 얻어지는 AC전압들인 전력계통연계용 인버터 장치.
12. 제10항이 있어서, 제1 및 제 2 AC전압들중, 직어도 하나가 상기 인버터를 구성하는 전력장치의 점호위상에 대등하는 신호로서 얻어지는 전력 계통 연계용 인버터 장치.

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