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KR-102960831-B1 - POWER CONTROL SYSTEM HAVING A FUNCTION FOR DETECTING AN ABNOMALITY OF POWER MODULE

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Abstract

일 실시예는, 제1 전력 명령에 기반하여 제2 전력 명령을 생성하는 마이크로 컨트롤러; 상기 마이크로 컨트롤러로부터 수신된 상기 제2 전력 명령에 기반하여, 입력된 제1 직류 전원을 변환시켜 제2 직류 전력을 출력하는 제1 컨버터; 및 상기 제2 직류 전력을 입력받아, 계통으로 입력되는 교류 전력을 출력시키는 제2 컨버터;를 포함하며, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 제2 전력 명령 및 상기 제1 컨버터의 출력 전압에 기반하여, 추정 모델을 생성하고, 상기 추정 모델에 의해 추정된 상기 출력 전압의 추정값과 상기 출력 전압 간의 비교 결과에 기반하여 이상 여부를 판단할 수 있는 전력 제어 시스템을 제공한다.

Inventors

  • 김혜진
  • 박석인
  • 백종복
  • 배국열
  • 윤기환
  • 장재원
  • 김상훈

Assignees

  • 한국에너지기술연구원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230811

Claims (15)

  1. 제1 전력 명령에 기반하여 제2 전력 명령을 생성하는 마이크로 컨트롤러; 상기 마이크로 컨트롤러로부터 수신된 상기 제2 전력 명령에 기반하여, 입력된 제1 직류 전원을 변환시켜 제2 직류 전력을 출력하는 제1 컨버터; 상기 제1컨버터로부터 상기 제2 직류 전력을 전달받는 DC(Direct Current) 링크 캐패시터; 및 입력이 상기 DC 링크 캐패시터로 연결되고, DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여, 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 계통으로 출력시키는 제2 컨버터 를 포함하며, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 제1 전력 명령에 대해 램프 레이트 제한 처리된 전력에 대응하는 상기 제2 전력 명령을 생성하고, 상기 제2 전력 명령 및 상기 DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여, 추정 모델을 생성하고-상기 추정 모델은 상기 램프 레이트 제한 처리된 전력을 입력값으로 하고 상기 DC 링크 캐패시터 전압을 출력값으로 하는 전달 함수 또는 상태 공간 모델을 포함함-, 상기 추정 모델에 의해 추정된 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 추정값과 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 측정값 간의 비교 결과에 기반하여 이상 여부를 판단하되, 상기 추정 모델에 의해 추정된 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 추정값과 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 측정값 간의 차이가 설정된 값 이상인 경우 이상 상태로 판단하고, 상기 DC 링크 캐패시터는 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터 사이에 병렬 연결되고, 상기 DC 링크 캐패시터의 용량이 감소함에 따라 상기 설정된 값이 변경되는, 전력 제어 시스템.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈ 제1항에 있어서, 상기 제1 전력 명령을 생성하여 상기 마이크로 컨트롤러로 전송하는 상위 제어기;를 더 포함하는, 전력 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 제1 전력 명령을 수신하고, 수신된 제1 전력 명령에 대해 램프 레이트(ramp rate) 제한 처리를 하여 상기 제2 전력 명령을 생성하는, 램프 레이트 제한기(ramp rate limiter);를 포함하는, 전력 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압 간의 상관 관계에 기반하여 상기 추정 모델을 생성하는 추정 모델 생성부;를 포함하는, 전력 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 추정 모델 생성부는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압 간의 전달 함수를 생성하는, 전력 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 추정 모델 생성부는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여 상태 공간 모델을 생성하는, 전력 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1 전력 명령을 생성하는 상위 제어기; 상기 상위 제어기로부터 수신된 제1 전력 명령에 기반하여 제2 전력 명령을 생성하는 마이크로 컨트롤러; 상기 마이크로 컨트롤러로부터 수신된 상기 제2 전력 명령에 기반하여, 입력된 제1 직류 전원을 변환시켜 제2 직류 전력을 출력하는 제1 컨버터; 상기 제1컨버터로부터 상기 제2 직류 전력을 전달받는 DC(Direct Current) 링크 캐패시터; 및 입력이 상기 DC 링크 캐패시터로 연결되고, DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여, 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 계통으로 출력시키는 제2 컨버터;를 포함하며, 상기 상위 제어기는, 상기 마이크로 컨트롤러로부터 상기 제2 전력 명령 및 상기 DC 링크 캐패시터 전압에 대응하는 데이터를 수신하고, 상기 제2 전력 명령 및 상기 DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여 추정 모델을 생성하고, 상기 추정 모델에 대응하는 적어도 하나의 파라미터를 상기 마이크로 컨트롤러로 전송하며, 상기 추정 모델은 상기 제2 전력 명령에 대응하는 전력을 입력값으로 하고 상기 DC 링크 캐패시터 전압을 출력값으로 하는 전달 함수 또는 상태 공간 모델을 포함하고, 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 전달 함수에 대한 차수 및 상수 또는 상기 상태 공간 모델을 구성하는 차수 및 매트릭스를 포함하고, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 상위 제어기로부터 수신된 상기 적어도 하나의 파라미터에 기반하여 추정 모델을 재생성하고, 상기 재생성된 추정 모델에 의해 추정된 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 추정값과 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 측정값 간의 비교 결과에 기반하여 이상 여부를 판단하되, 상기 재생성된 추정 모델에 의해 추정된 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 추정값과 상기 DC 링크 캐패시터 전압의 측정값 간의 차이가 설정된 값 이상인 경우 이상 상태로 판단하고, 상기 DC 링크 캐패시터는 상기 제1 컨버터와 상기 제2 컨버터 사이에 병렬 연결되고, 상기 DC 링크 캐패시터의 용량이 감소함에 따라 상기 설정된 값이 변경되는, 전력 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 마이크로 컨트롤러는, 상기 제1 전력 명령을 수신하고, 수신된 제1 전력 명령에 대해 램프 레이트(ramp rate) 제한 처리를 하여 상기 제2 전력 명령을 생성하는, 램프 레이트 제한기(ramp rate limiter);를 포함하는, 전력 제어 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 상위 제어기는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압 간의 상관 관계에 기반하여 상기 추정 모델을 생성하는 추정 모델 생성부;를 포함하는, 전력 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 추정 모델 생성부는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압 간의 전달 함수를 생성하는, 전력 제어 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 추정 모델 생성부는, 상기 제2 전력 명령과 상기 DC 링크 캐패시터 전압에 기반하여 상태 공간 모델을 생성하는, 전력 제어 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제

Description

이상 감지 기능을 포함하는 전력 제어 시스템{POWER CONTROL SYSTEM HAVING A FUNCTION FOR DETECTING AN ABNOMALITY OF POWER MODULE} 본 실시예는 컨버터를 포함하는 전력 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력 모듈에 대한 이상 여부를 감지하기 위한 이상 감지 기능을 포함하는 전력 제어 시스템에 관한 것이다. 에너지 저장 장치(Energy Storage System; ESS)는 전기 또는 기타 형태의 에너지를 저장하고 필요할 때 추출하여 사용할 수 있는 시스템을 말한다. 상기 에너지 저장 장치는 에너지의 생산과 사용 사이의 시간적 불일치를 극복하고, 에너지의 안정적인 공급과 수요 조절에 도움이 된다. 상기 에너지 저장 장치는 전력 변환 장치(PCS : Power Conversion System)와 배터리 관리 시스템(BMS : Battery Management System)과 에너지 운영시스템(EMS : Energy Management System)으로 구성될 수 있는데, 배터리 셀이 수십 개에서 수천 개가 사용될 수 있다. 상기 에너지 저장 장치에 사용되는 배터리 셀로는 주로 리튬 이온 2차 전지가 사용되어 충전과 방전이 반복되면서 사용된다. 상기 ESS 또는 PV(photovoltaic) 전원은 DC(direct current) 형태로 공급될 수 있으며, 계통에 출력될 때 전압의 조정과 함께 AC(alternating current)로 변환되어 사용될 수 있다. 이를 위해 전원 공급 장치(예컨대, ESS 또는 PV)와 계통의 사이에는 DC 전압을 조정하기 위한 컨버터(예컨대, 소스측 컨버터)와 DC를 AC로 변환하기 위한 컨버터(예컨대, 그리드측 컨버터)를 포함하는 전력 변환 모듈이 설치될 수 있다. 상기 소스 전원과 그리드측 사이에 연결된 컨버터에 고장이 발생할 경우, 전력 모듈이 정상적으로 동작하지 않을 수 있으며, 시스템 및 계통에 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 컨버터의 고장을 조기에 감지하고, 고장에 의한 시스템의 영향을 최소화시킬 수 있는 방법의 필요성이 요구되고 있다. 도 1a는 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 1b는 일 실시예에 따른 전력 변환 모듈을 나타내는 블록도이다. 도 1c는 일 실시예에 따른 시스템 추정 모델을 나타내는 블록도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 4는 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템에서 이상 여부를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5는 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템에서 이상 여부를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6은 일 실시예에 따른 입출력 데이터를 나타내는 그래프이다. 도 7은 일 실시예에 따른 출력 전압의 예측치와 실측치를 나타내는 그래프이다. 도 8은 일 실시예에 따른 출력 전압의 추정 모델에 의한 고장 발생의 예측을 나타내는 그래프이다. 도 9는 일 실시예에 따른 출력 전압의 추정 모델에 의한 고장 발생의 예측을 나타내는 그래프이다. 도 10은 일 실시예에 따른 캐래시터 용량 감소에 의한 정상 조건 임계값의 변화를 나타내는 그래프이다. 이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 도 1a는 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따라, 전력 제어 시스템은 상위 제어기(110), 마이크로 컨트롤러(micro controller unit; MCU)(120), 전력 변환 모듈(130)을 포함할 수 있다. 상기 전력 변환 모듈(130)은 제1 컨버터(131) 및 제2 컨버터(132)를 포함할 수 있다. 상기 제1 컨버터(131)는 소스측 컨버터(source-side converter)로 지칭하고, 상기 제2 컨버터(132)는 그리드측 컨버터(grid-side converter)로 지칭할 수 있으나, 상기 용어로 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따라, 상기 제1 컨버터(131)는 ESS 또는 PV 등과 같은 전력 소스로부터 DC 전력을 수신하여, 수신된 전력의 전압을 변환시킬 수 있다. 상기 제2 컨버터(132)는 상기 제1 컨버터(131)에서 출력된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 각 계통으로 출력할 수 있다. 따라서, 상기 제1 컨버터(131)는 DC/DC 컨버터일 수 있으며, 상기 제2 컨버터(132)는 DC/AC 컨버터일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따라, 상기 제2 컨버터(132)는 인버터를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 상위 제어기(110)는 MCU(120)로 제1 전력 명령(또는 전력 지령)을 전송할 수 있다. 상기 상위 제어기(110)에서 전송하는 제1 전력 명령에 대응하는 전력값은 설명의 편의상 P로 표기하기로 한다. 상기 상위 제어기(110)로부터 제1 전력 명령을 수신한 MCU(120)는 램프 레이트 제한기(ramp rate limiter)에 의해 제1 전력 명령에 대응하는 전력을 램프 레이트(ramp rate) 제한 처리할 수 있다. 예컨대, 상기 램프 레이트 제한 처리된 전력을 제2 전력으로 지칭할 수 있으며, P*로 표기하기로 한다. 상기 MCU(120)는 상기 램프 레이트 제한기를 통해 변경된 전력 명령(이하, 제2 전력 명령)을 상기 제1 컨버터(131)로 전송할 수 있다. 상기 제1 컨버터(131)는 전력 소스(예컨대, ESS 또는 PV)로부터 수신된 전력을 상기 제2 전력 명령에 기반하여 제2 전력(P*)으로 변환시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 컨버터(131)의 출력 전압은 Vdc로 표기하기로 한다. 상기 제2 컨버터(132)는 DC 형태의 제2 전력(P*)을 입력받아 AC 형태의 제3 전력(Pac)을 출력할 수 있다. 예컨대, 상기 MCU(120)는 제어 신호에 의해 상기 제2 컨버터(132)를 제어함으로써, 상기 제2 컨버터(132)에서 출력되는 DC 링크 전압을 제어하고, 계통으로 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따라, MCU(120)는 제1 컨버터(131)의 출력 전압(Vdc)을 센싱할 수 있다. 상기 MCU(120)는 상기 제2 전력 명령에 기반한 제2 전력(P*)과 상기 센싱된 제1 컨버터(131)의 출력 전압(Vdc)으로 시스템을 식별할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 전력 명령에 기반한 제2 전력(P*)을 입력값으로 하고 상기 센싱된 제1 컨버터(131)의 출력 전압(Vdc)을 출력값으로 하는 시스템 추정 모델을 생성할 수 있다. 상기 시스템 추정 모델은 다양한 모델 추정 알고리즘에 의해 구현될 수 있다. 이하, 도 1b 및 도 1c를 참조하여, 상기 시스템 추정 모델의 구현 예를 상세히 설명하기로 한다. 일 실시예에 따라, 상기 시스템 추정 모델은 블랙박스 모델링에 의해 생성할 수 있다. 상기 블랙박스 모델링은 다양한 구조의 파라미터를 추정하고 결과를 비교하는 시행착오를 거치는 과정을 통해 모델의 정확성을 확보하는 방법이다. 예컨대, 상기 블랙박스 모델링으로서 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 전달 함수를 생성하거나 상태 공간 모델을 생성하는 선형 블랙박스 모델링이 적용될 수 있다. 상기 블랙박스 모델링의 예로서 SVF(state-variable filters) 처리 방법 또는 GPMF(generalized poisoon moment functions) 처리 방법 등이 사용될 수 있다. 도 1b는 일 실시예에 따른 전력 변환 모듈을 나타내는 블록도이며, 도 1c는 일 실시예에 따른 시스템 추정 모델을 나타내는 블록도이다. 예컨대, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 제1 컨버터(131)와 제2 컨버터(132) 사이에는 캐패시터(133)가 병렬 연결될 수 있다. 상기 제1 컨버터(131)와 제2 컨버터(132) 사이에 걸리는 전압은 Vdc일 수 있다. 상기 캐패시터(133)와 분기된 노드 이전에 흐르는 전류는 Idc로 가정하고, 상기 분기된 노드 이후에 흐르는 전류는 Iext로 가정할 수 있다. 아울러, 캐패시터(133)의 캐패시턴스는 Cdc로 가정할 수 있다. 이때, 제2 컨버터(132)에서 출력되는 AC 전력 PAC와 상기 제2 컨버터(132)로 입력되는 DC 전력 PDC는 각각 하기 <수학식 1> 및 <수학식 2>로 나타낼 수 있다. 상기 <수학식 1>에서 Vm은 계통 전압의 피크 값을 나타내며, Id는 계통 전류를 dq 변환한 d축 전류를 나타낸다. 상기 <수학식 1>의 PAC와 <수학식 2>의 PDC가 같다고 가정하면, 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 전류 제어기가 매우 빠르다고 가정하면, 전달 함수 Vdc/iext는 하기 <수학식 4>와 같이 2-pole, 1-zero 시스템으로 표현될 수 있다. 또한, 전류 제어기의 응답 시간을 고려하면, 전달 함수는 하기 <수학식 5> 및 <수학식 6>과 같이 3-pole, 2-zero 시스템으로 표현될 수 있다. 이와 같이 상기 <수학식 4> 또는 <수학식 6>과 같이 전달 함수에 의해 시스템 추정 모델을 생성할 수 있다. 다시 도 1a를 참조하면, 상기 MC