KR101034271B1 - 전력 계통의 운전 예비력 공급시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

전력 계통의 운전 예비력 공급시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생에너지원의 계통 연계의 운전 예비력 공급 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 신재생에너지원의 에너지 저장장치; 상기 에너지 저장장치와 직/병렬로 연결된 복수개의 DC/DC 컨버터; 상기 DC/C 컨버터를 통해 유입되는 출력을 전력계통으로 전달하는 DC/AC 인버터; 상기 DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 제어하여, 계통 고장 발생시 계통주파수를 미리 정해진 값으로 제어 하면서 주파수 예비력을 발생시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 제공하게 되면, 에너지저장장치를 상시운전하지 않고, 연계용량이 제한되는 주요 원인인 계통고장에 의한 신재생에너지전원 탈락 시에만 과도적으로 에너지를 공급함으로써, 잦은 충방전을 피하고, 상대적으로 에너지저장시스템의 용량을 줄이면서, 신재생에너지전원의 도입용량을 증대시키게 된다.
Figure R1020080119448
신재생에너지, DC/DC 컨버터, DC/AC 컨버터, 에너지저장장치(ESS), 운전 예비력

Description

전력 계통의 운전 예비력 공급시스템 및 그 제어방법{Operating reserve power supply system in electric power system, and control method thereof}
본 발명은 신재생에너지 전원 탈락에 의한 출력부족으로 발생하는 주파수 감소를 과도적으로 완화시켜, 신재생에너지전원의 도입한계용량을 증대시킬 수 있는 주파수 운전예비력 공급시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
신재생에너지전원의 계통연계 시 수반되는 출력변동에 대한 계통 안정화 수단으로서 첫째, 기존의 수력 및 화석연료 발전기에 의한 공급, 둘째, 고압 직류송전시스템(HVDC)에 의한 이웃 계통에서의 공급, 셋째, 신재생에너지 전원의 발전출력 제한으로 분류할 수 있다.
첫째, 기존의 수력 및 화석연료 발전기에 의한 공급은 제공할 수 있는 주파수 예비력의 한계가 있으며, 이 한계에 의해 신재생에너지전원의 연계가능 용량이 결정된다. 지속적인 신재생에너지전원 연계 증대를 위해서는 이러한 발전기를 증설해야 하나, 높은 투자비용이나 오랜 건설기간 외에도 민원, 환경문제 등의 이슈가 해결되어야 한다.
둘째, HVDC시스템에 의한 이웃 계통으로부터의 예비력 공급 또한 발전소 건설과 마찬가지로, 건설비용과 기간이 신재생에너지전원 연계용량 확대라는 목적에 부합되지 않으며, 계통전반의 안정도나 신뢰도의 향상의 다목적 역할을 수행하므로, 신재생에너지전원으로 인한 출력변동 안정화라는 특화된 목적만을 수행하기에는 현실적인 어려움이 있다.
셋째, 신재생에너지전원의 발전출력 제한은 신재생에너지전원의 도입용량 확대라는 목적에 부합되지 않는다.
이에, 종래 기술에서는 에너지저장장치를 상시 충방전 운전을 통하여 신재생에너지전원의 출력변동을 완화하였으나, 이 경우, 잦은 충방전으로 인하여 고가의 에너지저장장치의 교체 비용이 너무 많이 들어 비효율적이었다. 또한, 특정 용량의 신재생에너지전원의 출력변동 완화를 위해서는 상당한 용량의 에너지저장시스템이 필요하여, 이중적인 비용문제가 발생할 수 있다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 에너지저장장치를 상시운전하지 않고, 연계용량이 제한되는 주요 원인인 계통고장에 의한 신재생에너지전원 탈락 시에만 과도적으로 에너지를 공급함으로써, 잦은 충방전을 피하고, 상대적으로 에너지저장시스템의 용량을 줄이면서, 신재생에너지전원의 도입용량을 증대시키고자 함이다.
또한 신재생에너지전원의 연계에 따른 주파수 예비력을 에너지저장장치를 이용하여 공급하는 시스템을 효과적으로 제어하고, 효율적이 운전 예비력 운전방법을 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명은 신재생에너지원의 전력계통 연계의 운전예비력 공급시스템에 있어서, 신재생에너지원의 에너지 저장장치; 상기 에너지 저장장치와 직/병렬로 연결된 복수개의 DC/DC 컨버터; 상기 DC/C 컨버터를 통해 유입되는 출력을 전력계통으로 전달하는 DC/AC 인버터; 상기 DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 제어하여, 계통 고장 발생시 계통주파수를 미리 정해진 값으로 제어 하면서 주파수 예비력을 발생시키는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 에너지 저장장치는 배터리, 슈퍼 커패시터, 초전도 저장장치 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 제어부는 전압제어기, 전류 및 위상각 제어기 및 스위칭 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 상기 주파수 예비력 제어기, 전류 제어기 및 스위칭 제어기를 통하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 것이 바람직하고, 상기 제어부는 상기 전압 제어기, 전류 또는 위상각 제어기 및 스위칭 제어기를 통하여 상기 DC/AC 인버터를 제어하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 신재생에너지의 전력계통 연계의 운전 예비력 운전방법에 있어서, (a) 시스템 대기 상태에서 계통고장이 발생 여부를 판단하는 단계; (b) 상기 계통고장이 발생시 에너지 저장장치를 이용하여 제1차 주파수 운전예비력 공급하는 단계; (c) 상기 계통고장이 제거 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 계통고장이 제거된 경우, 상기 시스템 주파수의 회복 여부를 판단하는 단계; (e) 상기 시스템 주파수가 회복된 경우, 상기 에너지저장장치에 에너지를 충전하는 단계; 및 (f) 상기 충전이 완료여부를 판단하는 단계를 포함한다.
더하여, 상기 (a) 단계에서 계통고장이 발생되지 않는 경우, 상기 시스템 대기 모드를 유지하는 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계에서 계통고장이 제거되지 않은 경우, 상기 (b) 단계로 전환하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 (d) 단계에서 상기 시스템 주파수 회복되지 않은 경우, 상기 (c) 단계로 전환하고, 상기 (c) 단계에서 계통고장이 제거되지 않은 경우, 상기 (b) 단계로 전환하는 것일 수 있고, 상기 (f) 단계에서 상기 충전이 완료된 경우 상기 시스템 대기 모드로 전환하고, 상기 충전이 완료되지 않은 경우, 상기 (e) 단계로 전환하는 것일 수 있다.
이와같은 본 발명을 제공하면, 첫째, 본 발명은 비교적 소용량의 에너지저장장치를 이용하여 신재생에너지전원의 연계용량을 증대시키거나, 계통의 주파수 안정도를 개선시킬 수 있고 둘째, 본 발명은 에너지저장장치의 충방전 횟수가 경감되어 저장장치의 교체 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은 1차 운전 주파수 예비력 공급원으로서 에너지저장장치를 이용함으로써, 기존의 가스엔진 발전기 등의 추가건설을 대체할 수 있으므로, 비용 및 건설기간을 경감할 수 있고 넷째, 본 발명은 계통고장 시 신재생에너지전원 탈락에 의하여 부족한 1차 주파수 예비력을 공급함으로써, 신재생에너지전원의 연계용량을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 운전예비력을 공급할 때의 시스템 주파수의 변화를 나타낸 그래프이다. 발전량과 부하량의 차이는 계통 주파수의 변화를 가져온다. 따라서 풍력 발전의 출력 변동은 주파수 예비력의 공급을 필요로 한다. 주파수 예비력은 도 1에 나타낸 바와 같이 크게 3단계로 구성되는데 각각 15~30초 안에 자동적으로 투입되는 1차(Primary) 주파수 예비력과 전력계통운영자에 의하여 3~5분 안에 자동적으로 투입되는 2차(Secondary) 주파수 예비력, 그리고 전력계통운영자가 15분 안에 수동으로 투입하는 3차(Tertiary) 주파수 예비력이 있다.
도 2는 계통 고장 시 시스템 주파수의 변동을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 신재생에너지전원이 연계된 계통에 고장이 발생하면, 저전압에 의 해 신재생에너지전원들이 대거 계통으로부터 탈락을 하고, 계통주파수는 하락하게 된다. 이 때, 59.2Hz 미만이 되는 경우, 저주파 계전에 의해 계통 내의 일부 부하가 자동 탈락이 된다. 따라서 계통고장으로 탈락되더라도 주파수가 59.2Hz 이상을 유지할 수 있는 최대용량이 신재생에너지전원의 계통연계 한계용량이 된다.
이처럼 신재생에너지전원의 연계용량 증대를 위하여, 속응성이 빠른 1차 주파수 예비력 확보가 필요하므로, 본 발명에서는 에너지저장장치를 이용하여 1차 주파수 예비력을 공급하는 시스템과 그 제어 또는 운전방법을 제안하고자 한다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 에너지저장장치(Energy Storage System:ESS)를 이용한 주파수예비력 공급시스템의 구성도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 시스템은 에너지저장장치(ESS:10), DC/DC 컨버터(20), DC/AC 인버터(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성한다.
에너지저장장치(ESS:10)는 한 개는 또는 여러 개를 병렬로 연결할 수 있으며, 에너지저장장치(ESS:10)의 낮은 전압의 직류출력은 DC/DC 컨버터(20)를 통하여 공통직류전압으로 승압되고, DC/AC 인버터(30)를 통하여 교류출력으로 변환된다. 연계변압기를 통하여 전력계통에 연계되어 운전된다.
여기서 에너지저장장치는 다양한 종류의 에너지저장장치(예: 배터리, 수퍼 커패시터, 초전도저장장치 등)를 적용할 수 있으며, 신재생에너지전원의 연계용량 증대를 위한 수단뿐만 아니라, 계통의 동적인 안정도 개선을 위한 1차 운전 주파수 예비력 공급수단으로서 사용할 수 있다.
DC/DC 컨버터(20)는 계통 고장 발생 시 계통주파수를 명령값으로 제어하면서 주파수 예비력을 발생하는 역할을 하며, 동시에 에너지저장장치의 낮은 전압을 공통직류단의 높은 전압으로 승압하는 역할을 한다. DC/AC 인버터(30)는 직류출력을 교류출력으로 변환시켜주면서, DC/DC 컨버터(20)를 통하여 전달된 에너지저장장치의 에너지를 전력계통으로 전달하는 역할을 한다.
도 4는 제어부에 의한 DC/DC 컨버터를 제어하는 구성을 예시한 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 계통주파수의 명령값(fsys_ord)과 실제값(fsys)는 주파수는 예비력 제어기를 통하여 DC-DC 컨버터로 유입되는 직류전류의 명령값(idc_ord)을 출력하고, 이 값은 직류전류 실제값(idc)과 함께 전류제어기와 스위칭제어기를 통하여 DC-DC 컨버터의 스위칭 신호를 발생하여 DC-DC 컨버터가 운전된다.
도 5는 제어부에 의한 DC/AC 인버터를 제어하는 구성을 예시한 도면이다. DC/AC 인버터(30)는 공통직류단의 전압(Vdc)를 일정한 값(Vdc_ord)가 되게 제어함으로써 DC/DC 컨버터(20)를 통해 공통직류단으로 유입되는 출력을 그대로 전력계통으로 전달하게 된다. 전압제어기는 직류단 전압 명령값(Vdc_ord)와 실제값(Vdc)를 입력받아 인버터의 출력전류 명령값 또는 인버터 출력전압위상각의 명령값을 출력한다.
이러한 출력값은 하위의 전류제어기 또는 위상각제어기와 스위칭 제어기를 통하여 DC/AC 인버터(30)를 구동하는 스위칭 신호를 발생한다. 여기서, 전압제어기 이하의 하위제어기로서 인버터 출력전류의 크기를 제어하는 전류제어기를 사용할 수도 있으며, 또는 인버터 출력전압의 위상각을 제어하는 위상각 제어기를 사용할 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 계통 고장 발생하는 경우, 제어부(40)에 의해 특정 계통 주파수 명령값으로 제어하고 에너지 저장장치로부터 1차 주파수 운전예비력을 공급하게 함으로써, 신재생에너지전원의 연계용량을 증대시키거나, 계통의 주파수 안정도를 개선시킨다. 또한, 에너지저장장치의 충방전 횟수가 경감되어 저장장치의 교체 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 운전 예비력 공급시스템에 의해 1차 예비력 보상에 의한 연계용량 증대를 그래프로 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 계통고장으로 신재생에너지전원이 탈락되는 순간에 에너지저장장치를 이용하여 1차 주파수 예비력을 공급함으로써 계통주파수가 하락되는 정도를 완화시켜 신재생에너지전원의 연계용량 한계를 증대시키고자 한다.
즉, 약 15초에서 길게는 1분 이내의 시간동안만 과도적으로 전력을 공급하기 때문에 에너지저장장치의 용량을 상당히 줄일 수 있다. 예를 들어, 주파수 예비력으로서 1분 동안 약 60MW의 전력이 공급되어야 한다면, 저장장치가 이상적인 경우 1MWh 용량이면 된다. 또한, 파장이 큰 송전계통의 고장은 빈번하지 않으므로 (예> 2003년의 경우, 우리나라 55회), 이 모든 고장에 대해 신재생에너지전원이 매번 탈락한다하더라도, 저장장치의 필요한 충방전 횟수는 상시운전 시보다 현저히 줄어들기 때문에, 저장장치의 교체나 보수 비용이나 작업을 훨씬 경감할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 신재생에너지원의 전력계통의 연계에 의한 운전 예비력을 공급하는 방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 운전 예비력 공급 시스템은 기동 후 상시 대기모드로 운전된다.(S100) 이 모드에서는 시 스템이 계통에 연계된 상태에서 출력이 0인 상태이며, 출력 지령이 있을 시, 항시 출력을 낼 수 있는 운전상태이다. 상시적으로 계통고장 여부를 감시 또는 판단하고(S110), 계통고장이 아닌 경우 시스템 대기 모드를 유지(S100)한다.
계통고장여부를 판단하여 계통고장이 발생한 경우, 도 4 및 도 5에 나타난 제어부(40)의 제어에 따라 1차 주파수 운전예비력을 공급한다(S300). 그리고 지속적으로 계통고장 제거여부를 판별하며(S400), 계통고장이 제거되지 않은 경우는 다시 운전예비력 공급을 지속하고(S300), 계통고장이 제거된 경우, 주파수가 회복되었는지 여부(S500)를 판별한다.
주파수가 회복될 때 까지 운전예비력 공급을 지속하고, 주파수가 회복되면, 방전된 에너지 저장장치 충전모드(S600)로 전환된다. 충전완료이 완료되었는지를 판별하여(S700), 충전이 완료되면, 시스템 대기 모드(S100)로 전환하게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 운전예비력을 공급할 때의 시스템 주파수의 변화를 나타낸 그래프,
도 2는 계통 고장시 시스템 주파수의 변동을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에서 제안하는 에너지저장장치(Energy Storage System:ESS)를 이용한 주파수예비력 공급시스템의 구성도,
도 4는 제어부에 의한 DC/DC 컨버터를 제어하는 구성을 예시한 도면,
도 5는 제어부에 의한 DC/AC 인버터를 제어하는 구성을 예시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 운전 예비력 공급시스템에 의해 1차 예비력 보상에 의한 연계용량 증대를 그래프로 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 신재생에너지원의 전력계통의 연계에 의한 운전 예비력을 공급하는 방법의 흐름도를 예시한 도면이다.

Claims (10)

  1. 신재생에너지원의 전력계통 연계의 운전예비력 공급시스템에 있어서,
    신재생에너지원의 에너지 저장장치;
    상기 에너지 저장장치와 직/병렬로 연결된 복수개의 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터를 통해 유입되는 출력을 전력계통으로 전달하는 DC/AC 인버터;
    상기 DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터를 제어하여, 계통 고장 발생시 계통주파수를 미리 정해진 값으로 제어 하면서 주파수 예비력을 발생시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 전압제어기, 주파수 예비력 제어기, 전류 제어기, 위상각 제어기, 또는 스위칭 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전예비력 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치는 배터리, 슈퍼 커패시터, 초전도 저장장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 운전 예비력 공급시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 주파수 예비력 제어기, 전류 제어기, 및 스위칭 제어기를 통하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 전압 제어기, 전류 또는 위상각 제어기, 및 스위칭 제어기를 통하여 상기 DC/AC 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 공급시스템.
  6. 신재생에너지의 계통 연계 발전의 운전 예비력 운전방법에 있어서,
    (a) 시스템 대기 상태에서 계통고장이 발생 여부를 판단하는 단계;
    (b) 상기 계통고장이 발생시 에너지 저장장치를 이용하여 제1차 주파수 운전예비력을 공급하는 단계;
    (c) 상기 계통고장의 제거 여부를 판단하는 단계;
    (d) 상기 계통고장이 제거된 경우, 상기 시스템 주파수의 회복 여부를 판단하는 단계;
    (e) 상기 시스템 주파수가 회복된 경우, 상기 에너지저장장치에 에너지를 충전하는 단계;
    (f) 상기 충전이 완료여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 주파수 예비력 제어기, 전류 제어기, 및 스위칭 제어기를 이용하여 DC/DC 컨버터를 제어하고, 전압 제어기, 전류 또는 위상각 제어기, 및 스위칭 제어기를 이용하여 DC/AC 인버터를 제어하여, 상기 제1차 주파수 운전예비력을 공급하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 운전방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 계통고장이 발생되지 않는 경우, 상기 시스템 대기 모드를 유지하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 운전방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 계통고장이 제거되지 않은 경우, 상기 (b) 단계로 전환하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 운전방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 시스템 주파수 회복되지 않은 경우, 상기 (c) 단계로 전환하고, 상기 (c) 단계에서 계통고장이 제거되지 않은 경우, 상기 (b) 단계로 전환하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 운전방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 충전이 완료된 경우 상기 시스템 대기 모드로 전환하고, 상기 충전이 완료되지 않은 경우, 상기 (e) 단계로 전환하는 것을 특징으로 하는 운전 예비력 운전방법.
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