KR101015047B1 - 열병합 발전시스템을 고려한 마이크로그리드 운전 제어방법및 장치 - Google Patents

열병합 발전시스템을 고려한 마이크로그리드 운전 제어방법및 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로그리드를 경제적으로 운영하기 위해서는 각 시점의 부하를 고려하여 전력계통에서 전력을 구매하거나, 혹은 자체 분산전원을 발전하여 전력을 판매할 수 있다. 이때, 마이크로그리드 운영자 입장에서는 최대의 이익을 얻기 위해서 부하, 전력 구매 및 판매가격, 열병합 시스템 발전비용을 비교하여 가장 유리한 방향으로 열병합 발전의 출력을 조정하여야 한다. 본 발명에서는 온라인상에서 열병합 발전 설비를 고려한 마이크로그리드의 최적운전 방법을 제안하였다.
열병합 발전, 마이크로그리드, 최적 운전

Description

열병합 발전시스템을 고려한 마이크로그리드 운전 제어방법 및 장치{MicroGrid Operation Control Method and Apparatus Considering Combined Heat and Power Plant}
본 발명은 마이크로그리드 통합 운전 제어방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 전력 계통과 연계되어 운전되는 마이크로그리드의 운영에 있어서 현재 발전 및 부하 현황, 전력계통의 전력 구매 및 판매가격, 분산전원의 발전비용 등을 고려하여 가장 유리한 방향으로 분산전원의 출력을 조정함으로써 최대의 수익을 얻도록 하기 위하여, 최적화 기법을 이용하여 온라인 상에서 열병합 발전 시스템과 같은 분산전원의 출력명령을 최적으로 계산할 수 있는 마이크로그리드 운전 통합 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
미래의 전력시스템은 전력 에너지가 자유롭게 발전, 송전, 배전되고 소비되는 다목적이며 유연한 시스템이 될 것이라 전문가들이 예측하고 있다. 일본, 미국 및 EU를 중심으로 미래의 전력시스템에 대한 연구가 진행되고 있고, 특히 최근 분산전원의 보급에 힘입어 가스엔진, 디젤엔진, 마이크로터빈과 같은 열병합 발전 시스템이 많이 도입되고 있다. 열병합 발전 시스템에는 마이크로그리드 개념이 도입 되어 열병합 발전 설비의 최적운영에 관한 관심이 높아지고 있다.
마이크로그리드란 소규모, 모듈화된 분산전원이 배전망에 다수 보급되어 평상시 부하 전체 혹은 일부에 전력을 공급하며, 계통사고나 정전 등에 의해 배전계통에서 분리될 때 독립운전이 가능한 분산발전과 부하가 혼재된 하나의 독립적인 전력망으로 정의된다. 일반적으로 마이크로그리드는 태양광, 풍력 및 연료전지발전과 같은 신재생에너지전원, 가스엔진, 마이크로터빈과 같은 열병합 발전 설비 등의 분산전원, 그리고 부하로 구성되어 하나의 독립적인 시스템으로 운영된다.
마이크로그리드의 대표적 구성전원인 신재생전원과 열병합 발전의 경우에 있어서, 태양열, 풍력, 조력 등을 이용하는 신재생전원이 외부기상 조건에 의해 발전출력이 결정되어지는데 반하여, 열병합 발전설비는 운영자의 명령에 따라 필요한 만큼의 전기 및 열출력을 발생하게 된다. 종래의 열병합 발전 설비는 일반적으로 전기추종 제어, 열추종 제어, 최대 출력제어 등의 방법으로 운전되어 왔으나 이는 경제적 관점에서 최적의 운전형태로 볼 수 없다. 특히, 마이크로그리드가 경제적으로 수익을 극대화하기 위해서는 주기적으로 열병합 발전의 출력을 최적으로 계산하여 발전(generation of electricity)하여야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 발전 및 부하 현황을 실시간으로 감시하고, 전력구매 및 판매가격, 열병합 발전비용 데이터를 활용한 온라인 최적화 출력명령 계산 기법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목 적은, 전력 계통과 연계되어 운전되는 마이크로그리드의 운영에 있어서 현재 발전 및 부하 현황, 전력계통의 전력 구매 및 판매가격, 분산전원의 발전비용 등을 고려하여 가장 유리한 방향으로 분산전원의 출력을 조정하여 최대의 수익을 얻을 수 있는 마이크로그리드 운전 통합 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 각 분산전원 및 부하의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 온라인상에서 주기적으로 최적화 기법을 이용하여 최적의 열병합 발전의 출력 명령을 결정하여 전송할 수 있는 마이크로그리드 운전 통합 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 방법에서, 상기 마이크로그리드는 열병합 발전 시스템과 적어도 하나 이상의 신재생에너지전원을 포함한 분산전원들을 포함하고 상기 분산전원들을 이용하여 가장 경제적으로 이익이 될 수 있도록 운전하기 위하여, 상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 수집하는 단계; 상기 마이크로그리드가 연계된 전력회사의 전력망으로부터 전력을 구입하는 가격을 입력받는 단계; 상기 마이크로그리드가 분산전원에서 생산된 전력을 연계된 전력회사의 전력망에 판매하는 가격을 입력받는 단계; 상기 열병합 발전 시스템의 발전비용을 입력받는 단계; 및 상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보와, 상기 열병합 발전 시스템의 발전비용, 상기 전력 구입가격, 또는 상기 전력 판매가격에 기초하여 상기 열병합 발전 시스템의 운전을 위한 열병합 출력명령 치를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 마이크로그리드 통합 운전 제어방법은, 네트워크를 통하여 상기 분산전원들과 상기 부하들의 모니터링이나 운전 상태에 관한 정보의 수집이 온라인 상에서 주기적으로 이루어지고, 상기 마이크로그리드는 온라인 상에서 상기 열병합 출력명령치를 주기적으로 계산하여 마이크로그리드를 최적으로 운전할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치에 있어서, 상기 마이크로그리드는 열병합 발전 시스템과 적어도 하나 이상의 신재생에너지전원을 포함한 분산전원들을 포함하고 상기 분산전원들을 이용하여 가장 경제적으로 이익이 될 수 있도록 운전하기 위하여, 상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 수집하는 감시제어 모듈; 및 상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보와 입력되는 상기 열병합 발전 시스템의 발전비용, 전력 구입가격, 또는 전력 판매가격에 기초하여 상기 마이크로그리드의 최적운전을 위한 열병합 출력명령치를 결정하는 최적 연산 모듈을 포함한다.
상기 감시제어 모듈은 네트워크를 통하여 상기 분산전원들과 상기 부하들의 모니터링이나 운전 상태에 관한 정보의 수집을 온라인 상에 주기적으로 수행하며, 상기 최적 연산 모듈은 온라인 상에서 상기 마이크로그리드 내 열 병합발전 시스템의 설비용량 제약 및 열 수급 제약을 만족하면서 경제적 이익 극대화를 위한 열병합 발전 시스템의 출력명령을 주기적으로 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로그리드 운전 통합 제어 방법 및 장치에 따르면, 전력회사의 전력망과 연계되어 운전되는 마이크로그리드의 운영에 있어서 현재 분산전원의 발전 및 부하 현황, 전력계통의 전력 구매 및 판매가격, 분산전원의 발전비용 등을 고려하여 가장 유리한 방향으로 분산전원의 출력을 조정함으로써, 운영측면의 경제적 이익을 추구할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로그리드 운전 통합 제어 방법 및 장치에 따르면, 각 분산전원 및 부하의 상태를 실 시간으로 모니터링하고, 온라인상에서 주기적으로 최적화 기법을 이용하여 최적의 열병합 발전의 출력 명령을 결정하여 전송함으로써, 마이크로그리드를 경제적이고 효율적으로 운영할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전시스템을 포함한 마이크로그리드를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, MMS(Microgrid Management System)(100)는 마이크로그리드(300)의 운전을 통합적으로 감시하며 전반적인 제어를 담당하여 마이크로그리드(300)가 안정적이고 효율적인 운전될 수 있도록 제어하는 마이크로그리드 운전 통합 제어 장치로서, 마이크로그리드(300)가 외부 전력계통(200)과 연계되어 운전 하는 경우 마이크로그리드(300)가 경제적으로 운영될 수 있도록 분산전원의 출력명령을 제어할 수 있다.
마이크로그리드(300)는 전력회사의 전력망(혹은, 외부 전력계통)(200)과 연계된 운전 모드로서 동작될 수 있으며, 디젤 엔진, 가스엔진, 마이크로터빈 등으로 발전하는 열병합 발전 시스템(Combined Heat and Power Plant: CHP) 뿐만 아니라 태양광, 풍력 및 연료전지 등으로 발전하는 신재생에너지전원 등을 포함한 분산전원들을 포함하고, 이러한 각종 분산 전원들을 이용하는 각종 부하를 포함한다.
마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(MMS)(100)는 마이크로그리드(300)의 각 분산전원 및 부하의 상태를 감시하고, 특히, 최적화 계산 모듈을 이용하여 열병합 발전 시스템과 같은 분산전원의 출력명령치를 온라인 상에서 계산하여 전송함으로써, 마이크로그리드(300)의 경제적인 운전제어를 수행할 수 있다.
마이크로그리드(300)의 분산전원들에는 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(MMS)(100)로부터의 발전출력명령에 따라 실제 출력전력을 제어하는 LC(Local Controller)가 포함될 수 있으며, 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(MMS)(100)와 LC간의 통신을 이용한 2개층적 통합 제어가 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(MMS)(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(100)는, 통신 포트, 메모리, 및 디스플레이 수단을 전반적으로 제어하는 중앙제어수단(CPU)을 포함하는 하드웨어(110)를 이용하고, 중앙제어수단(CPU)의 제어를 받는 통신 모듈(120), 감시제어 모듈(130), 및 최적 연산 모듈(140)을 포함하는 소프트웨어 또는 하드웨어를 이용한다. 통신 모듈(120), 감시제어 모듈(130), 및 최적 연산 모듈(140)은 소프트웨어나 하드웨어 또는 이들의 결합에 의하여 운영될 수 있다.
감시제어 모듈(130)은 통신 모듈(120)의 통신관리의 제어를 받으면서 마이크로그리드(300)에 포함된 분산전원들과 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 통신 포트를 통하여 수집하여 필요한 정보를 메모리에 저장 관리하고 디스플레이 수단을 통하여 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.
최적 연산 모듈(140)은 분산전원들과 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 참조하여, 마이크로그리드(300) 내의 열병합 발전 시스템의 발전 출력명령을 계산하고, 계산된 열병합 출력명령치를 통신 모듈(120)의 통신관리의 제어를 받아 통신 포트를 통하여 열 병합 시스템의 LC(Local Controller)로 전송할 수 있다. 도 3과 같이, 최적 연산 모듈(140)은 마이크로그리드(300)의 열병합 발전 시스템의 설비 용량제약을 고려하고, 열 수급 균형을 만족시킬 수 있도록 하면서, 목적함수(예를 들어, 열병합 발전 시스템의 발전비용, 전력 구입비용, 전력판매이익을 변수로하는 함수)의 값을 최대화할 수 있도록 열병합 발전 시스템의 출력명령치를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(100)의 최적 연산 모듈(140)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치의 최적 연산 모듈(140)은, 감시 제어 모듈(130)이 수집하는 분산전원들과 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 이용하여 분산전원의 출력, 부하량 등의 값을 계측할 수 있다(S410).
다음에, 최적 연산 모듈(140)은 전력 구입가격과 전력 판매가격을 입력받고(S420), 열병합 발전 시스템의 발전비용을 입력받는다(S420). 전력 구입가격은 한전과 같은 전력회사로부터 전력을 공급받아 사용할 경우 발생되는 비용의 kWh당 구입가격을 의미한다. 전력 판매가격은 마이크로그리드 내의 분산전원을 통해 생산된 전력을 한전과 같은 전력회사에 판매할 경우 발생되는 수입의 kWh 당 판매가격을 의미한다. 열병합 발전 시스템의 발전비용은 디젤 엔진, 가스엔진, 마이크로터빈 등 열병합 발전 시스템을 이용한 발전에 필요한 비용으로서, 각 에너지별 연료 가격이나 설비 비용 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이와 같이 최적 연산 모듈(140)이 열병합 발전 시스템의 발전비용, 전력 구입가격, 및 전력 판매가격을 입력받으면, 마이크로그리드(300) 내의 열병합 발전 시스템의 설비용량 제약 및 열 수급균형 제약을 만족시킬 수 있도록 하면서, 마이크로그리드 운영자의 경제적 이익을 최대화할 수 있도록 최적화 연산을 수행한다(S440).
이에 따라 최적 연산 모듈(140)은 열병합 발전 시스템의 발전비용, 전력 구입비용, 및 전력판매이익을 변수로하여, 마이크로그리드(300) 내의 열병합 발전 시스템의 출력명령을 최적으로 결정할 수 있다(S450).
마이크로그리드 통합 운전 제어 장치(100)와 마이크로그리드(300)는 전용망, 또는 인터넷 망 등의 네트워크로 연결될 수 있으며, 상호간의 통신을 통하여 온라 인 상에서 감시제어 모듈(130)의 분산전원들과 부하들의 운전 상태에 관한 정보의 수집이나 모니터링, 그리고 최적 연산 모듈(140)의 열병합 출력명령치의 결정 등이 주기적으로(예를 들어, 수분 또는 수십 분으로) 이루어질 수 있고, 결정된 열병합 출력명령치는 온라인으로 열병합 발전 시스템의 LC(Local Controller)로 전달될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전시스템을 포함한 마이크로그리드를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치의 최적화 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치의 최적 운전제어의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (4)

  1. 마이크로그리드 통합 운전 제어 방법에 있어서,
    상기 마이크로그리드는 열병합 발전 시스템과 적어도 하나 이상의 신재생에너지전원을 포함한 분산전원들을 포함하고, 상기 분산전원들을 이용하여 평상시 마이크로그리드를 경제적으로 운전하기 위하여,
    상기 분산전원들과 상기 분산전원들을 이용하는 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 수집하는 단계;
    상기 마이크로그리드가 연계된 전력회사의 전력망으로부터의 전력 구입 가격을 입력받는 단계;
    상기 마이크로그리드가 상기 분산전원들에서 생산한 전력을 연계된 전력회사의 전력망으로의 전력 판매 가격을 입력받는 단계;
    상기 열병합 발전 시스템의 발전비용을 입력받는 단계; 및
    상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보와, 상기 열병합 발전 시스템의 발전비용, 상기 전력 구입가격, 또는 상기 전력 판매가격에 기초하여 상기 마이크로그리드의 운전 수익 최대화를 위한 열병합 발전 시스템의 출력명령치를 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 통합 운전 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    네트워크를 통하여 상기 분산전원들과 상기 부하들의 모니터링이나 운전 상 태에 관한 정보의 수집이 온라인 상에서 주기적으로 이루어지고, 상기 마이크로그리드는 온라인 상에서 상기 수집된 정보를 이용하여 상기 열병합 발전 시스템의 출력을 주기적으로 최적 결정하여 운전하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 통합 운전 제어방법.
  3. 마이크로그리드 통합 운전 제어 장치에 있어서,
    상기 마이크로그리드는 열병합 발전 시스템과 적어도 하나 이상의 신재생에너지전원을 포함한 분산전원들을 포함하고, 상기 분산전원들을 이용하여 평상시 상기 마이크로그리드를 경제적으로 운전하기 위하여,
    상기 분산전원들과 상기 분산전원들을 이용하는 부하들의 운전 상태에 관한 정보를 수집하는 감시제어 모듈; 및
    상기 분산전원들과 상기 부하들의 운전 상태에 관한 정보와 입력되는 상기 열병합 발전 시스템의 발전비용, 상기 마이크로그리드가 연계된 전력회사의 전력망으로부터의 전력 구입 가격, 또는 상기 마이크로그리드가 상기 분산전원들에서 생산한 전력을 연계된 전력회사의 전력망으로의 전력 판매 가격에 기초하여 상기 열병합 발전 시스템의 출력명령치를 결정하는 최적 연산 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 통합 운전 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 감시제어 모듈은 네트워크를 통하여 상기 분산전원들과 상기 부하들의 모니터링이나 운전 상태에 관한 정보의 수집을 온라인 상에 주기적으로 수행하며,
    상기 최적 연산 모듈은 온라인 상에서 상기 마이크로그리드 내 열 병합발전 시스템의 설비용량 제약 및 열 수급 제약을 만족하면서, 주기적으로 상기 열병합 발전 시스템의 출력명령치를 결정하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 통합 운전 제어장치.
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