KR101097458B1 - 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법 - Google Patents

마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법 Download PDF

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Abstract

마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템은 복수의 분산전원, 에너지저장장치 및 복수의 부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 있어서, 통신망과 연계하여, 상기 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 상기 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 상기 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수집하고, 전력공급망과 연계하여 상기 마이크로그리드 시스템을 통합 관리하는 에너지관리 시스템; 및 상기 전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출하고, 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 상기 마이크로그리드 시스템 자체만의 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 정지형 스위치를 포함할 수 있다.
마이크로그리드(Micro-Grid), 정지형 스위치, 독립 운전, 부하 차단, 부하 추가, 직접부하제어

Description

마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법{MICRO-GRID SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING LOAD IN STATIC TRANSFER SWITCH}
본 발명은 마이크로그리드 시스템에서의 부하제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력공급망과 마이크로그리드 시스템을 연결하는 정지형 스위치에서 전력공급망의 이상에 의해 마이크로그리드 시스템 자체의 독립 운전으로 전환 시 마이크로그리드 시스템의 부하를 직접 제어하여 독립 운전으로 전환 시 발생될 수 있는 문제들을 제거할 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법에 관한 것이다.
환경 및 에너지 문제의 해결방안으로 신재생에너지를 비롯한 다양한 분산전원이 보급되어 그 수요와 용량이 급증하고 있다.
분산전원 중 신재생에너지를 활용하는 태양광이나 풍력발전의 경우 전력생산량이 일기상태에 민감하고, 전력의 생산과 수요에 시간차가 존재하므로 운용 효율의 극대화를 위해서는 에너지저장 시설의 설치와 함께 배전계통과 연계하는 것이 필요하다. 이와 같은 분산전원에서 생산되는 전력을 부하에 효율적으로 공급하기 위해 에너지저장장치를 보유하고 배전계통에 연계된 소규모 전력공급망을 마이크로 그리드(Micro-Grid)라 한다.
마이크로그리드는 기존에 소비만하던 수용가 중에서 전력공급망 상에 자체의 발전설비에 의한 자체 소비뿐만 아니라 전력을 공급할 수 있는 능력을 가진 수용가들이 등장하였지만, 기존의 전력공급망에서 이런 자체발전 수용가는 자급자족만 할 뿐, 전체 네트워크에는 기여하지 못하였던 것을 극복하기 위한 것으로, 전력공급망에 산재하는 자체발전 수용가에서 생산하는 전기에너지를 활용하여 전체 네트워크의 에너지 활용을 극대화 시키기 위한 기술이자 새로운 전력 생산/소비 모델이다.
이러한 그리드에 대해 지역적으로 작은 규모로 이루어 진 것을 Micro-Grid라 하고, 전국적인 차원에서 넓은 지역에 걸쳐 이루어 진 것을 Smart Grid, Super Grid, Smart Electric Grid, Smart Power Grid, Intelli-Grid, Future Grid, Inter-Grid, Intra-Grid 등 여러가지 이름으로 불려지고 있다
도 1은 일반적인 마이크로그리드 시스템에 대한 구성을 나타낸 것으로, 풍력발전(15), 태양광발전(18), 연료전지발전(20) 등의 분산전원, 축전지저장장치(19) 같은 에너지저장장치, 복수의 부하(16, 17)로 구성되고, 이런 마이크로그리드 시스템(14)을 연계점(24)을 통해 전력공급망(10)에 연계하기 위해서 보호용 스위치(11), 변압기(12) 및 정지형스위치(13)가 사용되며, 이들 분산자원(15, 18, 19, 20) 및 부하(16, 17), 정지형스위치(13)를 통합적으로 감시제어하기 위한 에너지관리시스템(23)이 통신망(22)을 통하여 연결되어 있다.
마이크로그리드 시스템(14)은 상용의 전력공급망(10)에 연계되어 운전될 수 있으며, 정전 등으로 인하여 상용 전력공급망(10)에 정전이 발생한 경우에는 독립적으로 복수의 부하(16, 17)에 전력 및 열을 공급할 수 있다. 에너지관리시스템(23)은 마이크로그리드 시스템(14) 내의 열 및 전력 부하(16, 17) 수요정보를 디지털전력량계(21)를 통해서 수집하고, 태양광(18), 풍력(15), 연료전지(20) 등의 분산전원의 발전량 정보, 에너지저장장치(19)의 상태 정보 등을 각각의 제어시스템과의 통신을 통하여 수집하여 마이크로그리드 시스템(14) 내 수용가의 에너지 비용 최소화나 상용 전력공급망(10)으로부터의 구입전력의 적정화 혹은 최대치 억제 등의 경제적인 운용을 위하여 분산자원(15, 18, 19, 20) 및 에너지저장장치(19)를 제어하는 기기이다.
특히 독립 운전 시에는 마이크로그리드 시스템(14) 내의 분산자원(15, 18, 19, 20) 및 에너지저장장치(19)의 용량이 부하에 비해 부족할 경우 비중요 부하(17)를 직접 제어하여 차단시킴으로서 수요(부하)와 공급(발전)의 균형을 유지할 수 있도록 해야 하는데, 이러한 경우는 기상상태에 따라 풍력발전(15), 태양광발전(18)의 발전량이 충분하지 않으면서 부하(16, 17)가 많이 걸리는 경우에 일어날 수 있다.
여기서, 비중요 부하(17)란 에어컨, 난방장치 등 필요에 따라 불편을 감수하고라도 운전을 정지할 수 있는 부하를 말할 수 있다.
도 2는 기존의 기기들로 구성한 마이크로그리드 시스템의 보호 및 감시에 대한 구성을 나타낸 것으로, 상기에서 기술한 마이크로그리드 시스템의 기능을 구현 하기 위해 기존의 기기들로 구성할 경우 직접부하제어를 위하여 직접부하제어장치(31)를 사용해야 하며, 독립 운전되고 있는 마이크로그리드 시스템을 다시 전력공급망(10)에 연계 운전하기 위해서는 동기투입장치(32)를 사용해야 한다.
또한, 연계점(24)에서의 전력품질측정을 위한 전력품질측정장치(33) 및 연계보호용 디지털보호계전기(34)를 연계용 스위치(30)와 함께 사용해야 한다.
이와 같이, 종래의 마이크로그리드 시스템은 직접부하제어기능, 전력품질감시기능, 재동기투입기능 등이 각각 개별적인 기기로 구성해야 한다는 점이며 각 기기들은 개별적으로 전압, 전류 등 전기적인 요소들을 계측하고 연산하는 기능들을 중복적으로 보유하고 있었다. 개별적인 기기들로서는 보호계전기, 스위치, 직접부하제어기, 전력품질 측정기기, 동기투입장치 등이 있으며 이들 기능 중에서 부분적인 결합, 예를 들면 보호계전기와 전력품질 측정기기의 결합, 보호계전기와 스위치의 조합 등이 있지만 전체 기능을 통합한 기기는 없었다. 뿐만 아니라 마이크로그리드 시스템과 같은 특정한 응용분야에 적용하기 위해서는 이러한 기기들의 조합을 통해 구성할 수밖에 없으며 이로 인한 기기 구성의 복잡성, 비용의 증가 등의 문제가 있었다.
도 3은 마이크로그리드 시스템에서 직접부하제어의 필요성을 설명하기 위해 나타낸 것으로, 직접부하제어의 목적은 마이크로그리드 시스템이 전력공급망(10)의 사고나 전력품질의 저하로부터 중요부하(16)를 보호하기 위해 독립 운전으로의 전환할 때 마이크로그리드 시스템(14) 내의 분산자원(15, 18, 19, 20)의 발전량과 부 하(16, 17) 수요의 불균형에 의해 독립운전되는 마이크로그리드 시스템(14)의 전압, 주파수 유지 실패에 따른 시스템 붕괴 즉, 정전을 방지하기 위한 것이다.
이러한 시스템의 붕괴는 마이크로그리드 시스템(14)의 전력공급망(10)과의 연계점(24)에서의 정(+) 혹은 부(-) 조류의 크기 즉, 마이크로그리드 시스템(14) 내부의 발전량과 부하량의 차이에 기인하는 전력조류는 전력공급망(10)으로부터 유입 혹은 유출되는 양과 마이크로그리드 시스템(14) 내부의 분산자원(15, 18, 19, 20)들의 응답 특성에 의해 좌우된다.
즉, 내부의 분산자원(15, 18, 19, 20)의 발전 출력이 부하(16, 17) 수요보다 작은 경우는 그 차이만큼을 전력공급망(10)으로부터 유입하게 되고, 반대의 경우는 그 차이만큼을 전력공급망(10)으로 유출하여 마이크로그리드 시스템(14) 내 전력 수요-공급의 균형을 유지하게 된다. 독립 운전으로의 전환 시에 전자의 경우는 주파수 및 전압의 강하로 나타나고, 후자의 경우는 반대로 주파수 및 전압의 상승이 발생하며 어느 경우든 전압 및 주파수 이상으로 보호계전기가 동작하여 시스템을 차단하게 된다. 통상 전력거래약관 등에 의해 정해져 있는 안정적인 전력의 유지 범위는 주파수 59.3 ~ 60.5[Hz], 전압 ±10[%] 범위이다.
도 3a는 연계점(24)에서 정(+) 방향의 조류가 흐를 경우, 즉 마이크로그리드 시스템(14) 내부의 발전량이 부하량보다 적은 경우로서, 독립 운전으로 전환 시 주파수와 전압이 강하하게 되고, 주파수변동 허용범위(frange)와 전압변동 허용범위(Vrange)를 넘어서 결국은 시스템이 붕괴되는 상황이 발생한다.
도 3b는 연계점(24)에서 부(-) 방향의 조류가 흐를 경우, 마이크로그리드 시스템(14) 내부의 발전량이 부하량보다 큰 경우로서, 독립 운전으로 전환 시 주파수와 전압이 상승하게 되고, 주파수변동 허용범위(frange)와 전압변동 허용범위(Vrange)를 넘어서 결국은 시스템이 붕괴되는 상황이 발생한다.
이와 같이, 마이크로그리드 시스템에서 독립 운전으로 전환 시 필요로 하는 직접부하제어 기능을 마이크로그리드 시스템을 관리, 감시, 제어하는 에너지관리시스템에서 구현할 수도 있지만, 에너지관리시스템은 통신에 의해 정보의 수집과 명령을 송출하기 때문에 전력공급망 주파수(60Hz)의 1 ~ 수 사이클의 짧은 시간 내에 이루어지는 과도 시에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
즉, 마이크로그리드 시스템은 분산자원의 용량제한과 응답속도의 제한으로 인해 독립 운전 시 불안정한 운전 혹은 독립 운전으로의 전환 실패 등을 초래할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 마이크로그리드 시스템과 전력공급망을 연결하는 정전형 스위치에 직접부하제어 기능을 구현하여 독립 운전으로 전환 시 발생될 수 있는 문제들을 해결하여 시스템에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법을 제공하는데 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 정전형 스위치에 마이크로그리드 시스템 내부의 전력품질을 측정, 감시하는 기능을 구현하고, 이를 통해 부하가 요구하는 수준을 만족하지 못할 경우에는 계통을 분리하거나 보상장치로 하여금 적절한 보상을 하도록 명령함으로써, 부하에 안정적인 품질의 전력을 공급하여 정밀기기의 오동작 방지할 수 있으며, 기능 통합에 따라 시스템의 복잡성을 줄이고, 시스템 구현 비용을 줄일 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법을 제공하는데 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 목적은, 정전형 스위치에 독립 운전에서 전력공급망으로의 연계 운전으로 전환하기 위한 기능을 구현할 수 있는 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 관점에 따른 마이크로그리드 시스템은 복수의 분산전원, 에너지저장장치 및 복수의 부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 있어서, 통신망과 연계하여, 상기 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 상기 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 상기 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수집하고, 전력공급망과 연계하여 상기 마이크로그리드 시스템을 통합 관리하는 에너지관리 시스템; 및 상기 전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출하고, 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 상기 마이크로그리드 시스템 자체만의 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 정지형 스위치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 정지형 스위치는 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 부하의 차단량 또는 추가량을 계산하고, 독립 운전으로 전환 시 계산된 상기 차단량 또는 추가량에 해당하는 부하를 차단하거나 추가할 수 있다.
바람직하게, 상기 정지형 스위치는 상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치의 용량보다 큰 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하거나 추가할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 부하는 기 설정된 중요도에 따라 기준 중요도 이상의 중요 부하, 상기 기준 중요도 미만의 비중요 부하, 잉여 전력을 제어하기 위한 더미 부하를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 정지형 스위치는 독립 운전으로 전환 시 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 상기 비중요 부하 중 에서 차단하거나 상기 더미 부하 중에서 추가할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분산전원은 태양광발전기, 풍력발전기, 디젤발전기, 마이크로터빈 및 연료전지를 포함할 수 있고, 상기 에너지저장장치는 BESS(Battery Energy Storage System), SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage), 플라이휠, 슈퍼 커패시터 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따른 정지형 스위치의 부하제어 방법은 복수의 분산전원, 에너지저장장치, 복수의 부하, 정지형 스위치 및 에너지관리 시스템을 포함하는 마이크로그리드 시스템에서 상기 정지형 스위치의 부하제어 방법에 있어서, 상기 에너지관리 시스템에서 통신망과 연계하여 수집한 상기 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 상기 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 상기 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수신하는 단계; 전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어하는 단계는 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 부하의 차단량 또는 추가량을 계산하는 단계; 및 독립 운전으로 전환 시 계산된 상기 차단량 또는 추가량에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어하는 단계는 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장 장치의 용량을 비교하는 단계; 및 상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치보의 용량보다 큰 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 추가하는 단계는 상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치보의 용량보다 크면 상기 전력조류의 방향을 확인하는 단계; 상기 전력조류의 방향이 상기 마이크로그리드 시스템 방향인 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하는 단계; 및 상기 전력조류의 방향이 상기 전력공급망 방향인 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 마이크로그리드 시스템에 필수적으로 구성되는 정지형스위치의 기능에, 스위칭 기능, 마이크로그리드 시스템 내부의 전력품질을 측정 및 감시하는 기능 등 다양한 기능을 통합함으로써, 마이크로그리드 시스템의 안정적인 운전, 전력품질의 관리에 의한 중요부하의 보호, 마이크로그리드 내의 분산자원의 적극적인 활용, 나아가 시스템 구현 비용 감소, 시스템 구성 복잡도 감소 등의 효과를 기대할 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법을 첨부된 도 4 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다. 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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 마이크로그리드 시스템(14)은 분산전원(15, 18, 20), 복수의 부하(16, 17, 38), 에너지저장장치(19), 에너지관리시스템(39) 및 정지형 스위치(37)를 포함한다.
분산전원(15, 18, 20)은 마이크로그리드 시스템(14) 내에서 전력을 발생시켜 복수의 부하(16, 17, 38)에 전력을 제공하는 것으로, 태양광발전기, 풍력발전기, 디젤발전기, 마이크로터빈 및 연료전지 등 마이크로그리드 시스템에 적용할 수 있는 다양한 자원을 포함할 수 있다.
복수의 부하(16, 17, 38)는 전력공급망(10)으로부터 유입되는 전력 또는 마이크로그리드 시스템(14) 내에서 발생된 전력을 소모하는 것으로, 기 설정된 중요도에 따라 기준 중요도 이상의 중요 부하(16), 기준 중요도 미만의 비중요 부 하(17) 및 독립 운전 전환 시 잉여 전력을 제어하기 위한 더미 부하(38)를 포함할 수 있다.
여기서, 중요 부하(16)는 복수의 부하 중 비중요 부하 및 더미 부하를 제외한 부하로서, 독립 운전으로 전환 시에도 전력을 공급 받아야 하는 부하를 의미하고, 비중요 부하(17)는 전술한 바와 같이 에어컨, 난방장치 등 필요에 따라 불편을 감수하고라도 운전을 정지할 수 있는 부하를 의미하고, 더미 부하(38)는 전력공급망(10)과 연계 운전 시에는 차단된 상태로 유지하다 독립 운전으로 전환 시 마이크로그리드 시스템 내의 분산자원(15, 18, 19, 20) 발전량이 중요 부하 및 비중요 부하의 부하량보다 큰 경우 잉여 전력을 소모시키기 위한 부하를 의미하는데, 비중요 부하 및 더미 부하는 몇 개의 군으로 분리되어 독립 운전 시 원하는 부하량만큼 언제라도 차단 혹은 추가가 가능하도록 구성될 수도 있다.
에너지저장장치(19)는 에너지를 저장하는 장치로서, 마이크로그리드 시스템 내에서 전기 에너지의 유입 혹은 유출 속도가 빠르고, 용량 범위 내에서는 출력을 상시적으로 임의 조정이 가능한 분산자원이기 때문에 독립 운전으로의 전환 등 과도상태 시 안정화 용도로 적합하고, 설치된 용량이 전환 시의 특성 개선에 결정적인 역할을 수행한다.
이때, 에너지저장장치(19)는 BESS(Battery Energy Storage System), SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage), 플라이휠 및 슈퍼 커패시터 등 에너지를 저장하고 필요에 따라 에너지를 제공할 수 있는 수단을 모두 포함할 수 있다.
에너지관리시스템(39)은 전력공급망(10)과 연계하여 마이크로그리드 시스템(14)을 통합 관리하는 시스템으로, 통신망(22)과 연계하여 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수집하여 정전형 스위치에 제공한다.
여기서, 에너지관리시스템(39)은 중요 부하 및 비중요 부하 수요정보를 디지털전력량계(21)를 통해 수집할 수 있고, 더미 부하 수요정보을 기 저장할 수 있다.
물론, 에너지관리시스템(39)은 상술한 정보 뿐만 아니라 정지형 스위치에서 필요로 하는 다양한 정보를 정지형 스위치(37)에 제공할 수 있으며, 정보는 일정 시간 주기로 정지형 스위치(37)에 제공될 수도 있고 일정 조건이 만족되는 경우에만 제공될 수도 있는데, 일정 시간 주기 및 일정 조건은 마이크로그리드 시스템을 제공하는 곳에서 결정할 수 있다.
정지형 스위치(37)는 연계점(24)을 통해 보호용 스위치(11), 변압기(12)와 연결된 전력공급망(10)과 마이크로그리드 시스템(14)간 전력조류를 검출하고, 검출된 전력조류와 에너지관리시스템(39)으로부터 수신된 정보 예컨대, 분산전원의 발전량, 에너지저장장치의 용량, 복수의 부하량을 이용하여 전력공급망의 문제로 인해 마이크로그리드 시스템이 독립 운전으로 전환되었을 때의 부족 전력과 잉여 전력을 계산하여 차단하고자 하는 비중요 부하(17) 혹은 추가시키고자 하는 더미 부하(38)를 설정하는 과정을 일정 시간 주기로 반복 수행하고, 독립 운전으로 전환 시 그 시점에 설정된 비중요 부하를 차단하거나 더미 부하를 추가시킴으로써, 독립 운전으로 전환 시 마이크로그리드 시스템 내 전력의 수요-공급 차이에 의해 발생될 수 있는 문제를 제거하여 시스템을 빠르게 안정시킬 수 있다.
이때, 정지형 스위치(37)는 검출된 전력조류의 크기와 에너지저장장치(19)의 용량 차이에 해당하는 부하량을 비중요 부하 혹은 더미 부하 중에서 설정할 수 있고, 독립 운전으로 전환 시 그 시점의 설정된 비중요 부하를 차단하거나 더미 부하를 추가시킬 수 있다.
나아가, 정지형 스위치(37)는 전력조류의 크기가 에너지 저장장치의 용량 보다 큰 경우에만 전력조류의 크기와 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하량을 계산하고 이를 토대로 차단시키고자 하는 비중요 부하를 설정하거나 추가시키고자 하는 더미 부하를 설정할 수 있다.
더 나아가, 정지형 스위치(37)는 독립 운전으로 전환 시 잉여 전력을 제어하기 위해, 더미 부하를 추가할 수도 있지만, 분산전원(15, 18, 20)의 출력을 제어할 수도 있고, 더미 부하 추가와 분산전원의 출력 제어를 별도로 수행하여 잉여 전력을 제어할 수도 있지만 두 가지 모두를 병행하여 잉여 전력을 제어할 수도 있다.
물론, 정지형 스위치(37)는 검출된 전력조류의 방향이 마이크로그리드 시스템(14) 내로 전력이 유입되는 경우에는 시스템 내의 수요량이 분산자원의 발전량보다 크기 때문에 그 차이에 해당하는 부하량을 차단하는 것이 바람직하고, 검출된 전력조류의 방향이 전력공급망(10)으로 전력이 유출되는 경우에는 시스템 내의 수요량이 분산자원의 발전량보다 작기 때문에 그 차이에 해당하는 부하량을 추가시키는 것이 바람직하다.
도 5는 도 4에 도시된 정지형 스위치에 대한 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 정지형 스위치(37)는 차단수단(41), 전류 검출기(43), 전압 검출기(40, 44) 및 제어부(50)를 포함한다.
차단수단(41)은 전력공급망(10)과 마이크로그리드 시스템(14)을 연결시키거나 분리시키기 위한 수단으로, 제어부(50)에 의한 제어에 의해 온 혹은 오프됨으로써, 전력공급망(10)과 마이크로그리드 시스템(14)을 연결시키거나 분리시킬 수 있다.
여기서, 차단수단(41)은 싸이리스터 등 반도체 스위치를 사용할 수 있다.
전류 검출기(43)는 차단수단(41)을 통해 흐르는 전류를 검출하는 수단으로, 마이크로그리드 시스템(14) 측 혹은 전력공급망(10) 측 중 어느 한 곳에서만 설치된다.
이는 전력공급망(10)과의 계통 운전일 때는 차단수단(41)이 온 상태이기 때문에 전력공급망(10) 측과 마이크로그리드 시스템(14) 측의 전류는 동일한 크기를 가지지만, 독립 운전 즉, 차단수단(41)이 개방되어 있을 경우에는 전류는 흐르지 않기 때문이다.
전압 검출기(40, 44)는 전력공급망(10) 측 전압과 마이크로그리드 시스템(14) 측 전압을 검출하는 수단이다.
제어부(50)는 전류 검출기(43) 및 전압 검출기(40, 44)에 의해 검출된 전류 와 전압 그리고 에너지관리시스템으로부터 제공받아 기 저장된 정보를 이용하여 직접부하제어 기능, 전력품질 감시 기능, 전력공급망의 복전 검출 및 동기 투입 기능 등을 수행한다.
이때, 제어부(50)는 전력공급망의 이상 여부에 따라 차단수단(41)으로 스위칭 제어 신호를 출력함으로써, 전력공급망과 마이크로그리드 시스템을 연결하거나 분리시킬 수 있다.
제어부(50)는 전류 검출기(43)에 의해 검출된 전류의 방향 정보를 이용하여 전력공급망 측 사고인지 마이크로그리드 시스템 측 사고인지를 판별할 수 있다.
제어부(50)는 전류 검출기(43) 및 전압 검출기(40, 44)에 의해 검출된 전력조류와 에너지관리시스템으로부터 제공받은 발전량 정보 및 에너지저장장치의 용량 정보 등을 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 발전량과 수요량의 차이를 계산하고, 계산된 차이를 기초로 독립 운전으로 전환 시 복수의 부하를 직접 제어하는 직접부하제어 기능을 수행할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 전압 검출기(40, 44)에 의해 검출된 전력공급망 측 전압과 마이크로그리드 시스템 측 전압을 이용하여 연계운전일 때는 정전, 전압 고조파, 전압강하, 전압상승 등 전력품질을 감시할 수 있고, 독립 운전일 때는 전력공급망(10)의 복전을 검출하여 동기 투입을 수행할 수 있다.
여기서, 제어부(50)는 마이크로그리드 시스템(14) 내의 전력품질을 상시적으로 감시하여 전력품질이 부하가 요구하는 수준을 만족하지 못하는 경우 계통을 분리하거나 보상장치(미도시)로 하여금 적절한 보상을 수행하도록 명령할 수 있으며, 이를 통해 부하에 안정적인 품질의 전력을 공급할 수 있다.
이때, 제어부(50)는 양측의 전압 검출기(40, 44)를 이용하여 검출된 전압을 이용하여 전력공급망과의 동기 투입을 수행할 수 있는데, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
제어부(50)는 차단수단(41)이 오프상태에서 전력공급망이 복전되었는지 체크하고, 전력공급망이 복전이 되지 않았을 경우에는 복전상태를 계속 체크하며, 전력공급망이 복전이 되었을 경우에는 전력공급망 측 전압 검출기(40)에 의해 검출된 전압과 마이크로그리드 시스템 측 전압 검출기(44)에 의해 검출된 전압을 이용하여 전압 편차, 주파수 편차 및 위상 편차를 확인한다.
제어부(50)는 전압 편차, 주파수 편차 및 위상 편차 모두가 각각에 대해 기 설정된 허용 설정치 범위 내인 경우에만 차단수단(41)으로 차단수단(41)을 온시키기 위한 제어신호를 출력한다. 물론, 제어부(50)는 세 조건 즉, 전압 편차, 주파수 편차 및 위상 편차 중 하나라도 일정 허용 설정치 범위 내에 있지 않는 경우에는 동기 투입 조건에 만족하지 않은 것으로 판단하여 차단수단을 온시키지 않는다.
이때, 제어부(50)는 에너지관리시스템으로부터 수신된 정보를 기초로 마이크로그리드 시스템 내의 제어가능한 분산전원에 각각 무효전력과 유효전력 출력명령을 송출함으로서 마이크로그리드 시스템과 전력공급망간 전압 편차와 주파수 편차를 일정 허용 설정치 범위 내에 맞출 수 있으며, 위상 편차의 경우 위상 편차가 설정된 일정 허용 설정치 범위 내에 오도록 기다림으로써 맞출 수 있다.
상기와 같은 동작들을 수행하는 제어부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이 고속 연산이 가능한 디지털신호프로세서(52)를 내장하고 있으며, 전압 검출기(40, 44) 및 전류 검출기(43)에 의해 검출된 전압 및 전류 값에 포함된 노이즈를 필터(45, 47)를 이용하여 제거한 후 아날로그-디지털변환기(49)를 이용하여 디지털값으로 변환하여 읽어 들일 수 있으며, 차단수단의 투입 혹은 차단 조건이 성립하면 디지털출력포트(48)을 통하여 온-오프 신호를 출력하고, 이는 신호변환(46)에 의해 차단수단(41)을 제어하는 제어신호로 변환되어 출력된다.
디지털출력버퍼(56)는 직접부하제어를 위한 디지털 출력을 내는 곳으로, 디지털출력버퍼(56)로부터 출력된 신호는 비중요 부하를 차단시키기 위한 오프신호 혹은 더미 부하를 추가시키기 위한 온 신호일 수 있다.
통신포트(53)는 통신선로를 통해 분산전원, 에너지저장장치, 복수 부하의 디지털계량기 및 에너지관리시스템과 연결되어 있으며, 통신포트를 통해 에너지관리시스템으로부터 제공되는 정보 예를 들어, 발전량 및 부하 정보를 실시간으로 전송받게 되고 이 정보로부터 부하제어 등 제어를 수행하게 된다. 메모리(55)는 응용프로그램 및 에너지관리시스템으로부터 제공받은 정보를 저장하는 곳이며, 표시 및 조작부(51)는 운전상태의 표시와 조작을 위한 장치이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템은 정지형 스위치에 직접부하제어 기능, 동기 투입 기능 및 전력품질 감시 기능 등 다양한 기능을 통합함으로써, 경제적인 비용 부담을 줄일 수 있고, 독립 운전으로 전환 시 발생될 수 있는 시스템 붕괴 등과 같은 문제를 해결하여 시스템에 대한 신뢰성을 향 상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 스위치의 부하제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 정지형 스위치는 마이크로그리드 시스템을 통합 관리하는 에너지관리시스템으로부터 직접부하제어 기능을 수행하기 위해 필요로 하는 마이크로그리드 시스템에 대한 정보를 수신한다(S610).
이때, 정지형 스위치는 에너지관리시스템으로부터 복수의 분산전원에 의한 발전량, 에너지저장장치의 용량 및 충전상태, 복수의 부하 각각에 대한 소비용량 등에 대한 정보를 일정 시간 주기 또는 실시간으로 제공받을 수 있다.
정지형 스위치는 스위치에 구비된 전류 검출기 및 전력 검출기를 통해 검출된 전류와 전력공급망 측 전압, 마이크로그리드 측 전압을 이용하여 전력공급망과 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출한다(S620).
정지형 스위치는 검출한 전력조류와 에너지관리시스템으로부터 제공받은 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 차단해야할 부하 차단량 또는 추가해야할 부하 추가량을 계산한다(S630).
이와 같은 과정 즉, 단계 S610 내지 단계 S630을 독립 운전으로 전환될 때까지 반복 수행한다(S640).
단계 S640에 의해, 정지형 스위치가 전력공급망의 정전 등에 의해 마이크로그리드 시스템 자체의 독립 운전으로 전환되면, 독립 운전으로 전환되는 시점 이전 에 계산된 부하량에 해당하는 부하를 차단하거나 추가시킴으로써, 독립 운전으로 전환 시 수요와 공급의 불균형에 의해 발생될 수 있는 문제 예를 들어, 도 3에 도시된 문제에 의해 발생될 수 있는 마이크로그리드 시스템의 붕괴 등을 방지할 수 있다(S650).
도 7은 도 6에 도시된 단계 S630에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 정지형 스위치는 검출된 전력조류의 크기(A)와 에너지관리시스템으로부터 제공받은 정보 중 에너지저장장치의 용량(B)을 비교하여 전력조류의 크기가 에너지저장장치의 용량보다 큰(A>B)지 판단한다(S710, S720).
단계 S720 판단 결과, 전력조류의 크기가 에너지저장장치의 용량보다 작은 경우에는 마이크로그리드 시스템이 독립 운전으로 전환되더라도 분산전원의 발전량과 에너지저장장치의 용량으로 소비용량을 감당할 수 있기 때문에 부하를 차단하거나 추가할 필요가 없으므로, 부하 차단량을 0으로 설정한다(S790).
반면 단계 S720 판단 결과, 전력조류의 크기가 에너지저장장치의 용량보다 큰 경우에는 전력조류의 방향을 확인한다(S730).
여기서, 전력조류의 방향은 전류 검출기에 의해 검출된 전류의 방향을 통해 알 수 있다.
전력조류의 방향이 마이크로그리드 시스템으로 유입되는 방향인 경우 즉, 전력공급망으로부터 마이크로그리드 시스템으로 전력이 유입되는 경우 연계점이 차단 되면 시스템 내의 구성된 부하의 소비용량이 분산전원의 발전량보다 크고 에너지저장장치가 용량 이상의 출력은 불가능하기 때문에 전력조류의 크기와 에너지저장장치의 용량 차이(A-B)를 부하 차단량(C)으로 계산하고, 복수의 부하 중 기 설정된 비중요 부하에서 계산된 부하 차단량에 가장 근접한 부하를 차단부하로 설정한다(S750, S760).
이는 마이크로그리드 시스템 내의 발전량과 에너지저장장치의 용량만으로 독립 운전으로 전환 시 시스템 내에 구성된 부하의 소비용량을 충당할 수 없기 때문에 독립 운전으로 전환 시 공급 용량과 소비 용량을 맞추기 위해 전력조류의 크기와 에너지저장장치의 용량 차이(A-B)만큼의 소비 용량을 줄이고자 하는 것이다.
반면 전력조류의 방향이 마이크로그리드 시스템에서 유출되는 방향인 경우 즉, 마이크로그리드 시스템의 전력이 전력공급망으로 유출되는 경우 연계점이 차단되면 시스템 내의 구성된 부하의 소비용량이 분산전원의 발전량보다 작기 때문에 전력조류의 크기와 에너지저장장치의 용량 차이(A-B)를 부하 추가량(C)으로 계산하고, 복수의 부하 중 시스템 안정화용 더미 부하에서 부하 추가량에 가장 근접한 부하를 추가부하로 설정한다(S770, S780).
이는 마이크로그리드 시스템 내의 발전량과 에너지저장장치의 용량만으로 독립 운전으로 전환 시 시스템 내에 구성된 부하의 소비용량을 충당하고도 잉여 전력이 발생하기 때문에 독립 운전으로 전환 시 공급 용량과 소비 용량을 맞추기 위해 전력조류의 크기와 에너지저장장치의 용량 차이(A-B)만큼의 소비 용량을 추가시키고자 하는 것이다.
물론, 전력조류의 방향이 마이크로그리드 시스템에서 유출되는 방향인 경우 소비 용량을 추가시키는 것과 별도로 분산전원의 출력제한치를 제어함으로써, 마이크로그리드 시스템 내의 발전량을 줄일 수도 있는데, 별도로 수행될 수도 있고, 상호 보완하는 관계로 수행될 수도 있다.
도 6 및 도 7을 통해 알 수 있듯이, 정전형 스위치는 전력공급망 감시 기능에 의해 독립 운전 전환 여부를 판단하게 되는데, 독립 운전으로 전환되지 않은 경우에는 매 순간 달라지는 발전 및 부하의 변동에 대해서 새로운 차단 혹은 추가 부하량을 계산/설정하는 것을 알 수 있으며, 독립 운전으로 전환되는 경우 즉시 이전에 설정된 부하의 차단 혹은 추가의 부하제어 신호를 출력함으로써, 마이크로그리드 시스템은 안정적으로 독립 운전 모드로 전환된다.
마이크로그리드 시스템은 독립 운전 정상 상태에서는 에너지관리시스템의 급전 명령에 의해 시스템 내의 전력 수급균형을 유지할 수 있게 된다.
본 발명에 의한, 마이크로그리드 시스템 및 정지형 스위치의 부하제어 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치 환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 일반적인 마이크로그리드 시스템에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 기존의 기기들로 구성한 마이크로그리드 시스템의 보호 및 감시에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 마이크로그리드 시스템에서 직접부하제어의 필요성을 설명하기 위해 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템을 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 정지형 스위치에 대한 일 실시예 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지형 스위치의 부하제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 단계 S630에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.

Claims (14)

  1. 복수의 분산전원, 에너지저장장치 및 복수의 부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    통신망과 연계하여, 상기 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 상기 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 상기 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수집하고, 전력공급망과 연계하여 상기 마이크로그리드 시스템을 통합 관리하는 에너지관리 시스템; 및
    상기 전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출하고, 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 상기 마이크로그리드 시스템 자체만의 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 정지형 스위치를 포함하며,
    상기 정지형 스위치는
    검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 부하의 차단량 또는 추가량을 계산하고, 독립 운전으로 전환 시 계산된 상기 차단량 또는 추가량에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정지형 스위치는
    상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치의 용량보다 큰 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 부하는
    기 설정된 중요도에 따라 기준 중요도 이상의 중요 부하, 상기 기준 중요도 미만의 비중요 부하, 잉여 전력을 제어하기 위한 더미 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정지형 스위치는
    독립 운전으로 전환 시 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 상기 비중요 부하 중에서 차단하거나 상기 더미 부하 중에서 추가하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 정지형 스위치는
    독립 운전으로 전환 시 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 잉여 전력을 제어하기 위해, 상기 복수의 분산전원의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 정지형 스위치는
    상기 전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템을 연결시키거나 분리시키기 위한 차단수단;
    상기 차단수단을 통해 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기;
    상기 전력공급망 측에 걸리는 전압과 상기 마이크로그리드 시스템 측에 걸리는 전압을 검출하는 전압 검출기; 및
    상기 전류 검출기 및 상기 전압 검출기에 의해 검출된 전류 및 전압을 이용하여 전력조류를 검출하고, 상기 전력공급망의 이상 여부에 따라 상기 차단수단을 제어하며, 검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 상기 마이크로그리드 시스템 자체만의 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 분산전원은
    태양광발전기, 풍력발전기, 디젤발전기, 마이크로터빈 및 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지저장장치는
    BESS(Battery Energy Storage System), SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage), 플라이휠, 슈퍼 커패시터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 정지형 스위치는
    상기 전력공급망 측 전압과 상기 마이크로그리드 시스템 측 전압을 검출하고, 검출된 두 전압에 대한 전압 편차, 주파수 편차 및 위상 편차 모두가 각각에 대해 기 설정된 허용 설정치 범위 내에 존재하는 경우 상기 마이크로그리드 시스템을 상기 전력공급망으로의 동기 투입을 수행하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  11. 복수의 분산전원, 에너지저장장치, 복수의 부하, 정지형 스위치 및 에너지관리 시스템을 포함하는 마이크로그리드 시스템에서 상기 정지형 스위치의 부하제어 방법에 있어서,
    상기 에너지관리 시스템에서 통신망과 연계하여 수집한 상기 복수의 부하 각각에 대한 전력 수요정보, 상기 복수의 분산전원 각각에 대한 발전량을 포함하는 상태 정보 및 상기 에너지저장장치에 대한 용량을 포함하는 상태 정보를 수신하는 단계;
    전력공급망과 상기 마이크로그리드 시스템간 전력조류를 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시 상기 복수의 부하 각각을 직접 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 제어하는 단계는
    검출된 상기 전력조류와 상기 에너지관리 시스템으로부터 수신된 정보를 이용하여 독립 운전으로 전환 시의 부하의 차단량 또는 추가량을 계산하는 단계; 및
    독립 운전으로 전환 시 계산된 상기 차단량 또는 추가량에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 스위치의 부하제어 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량을 비교하는 단계; 및
    상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치의 용량보다 큰 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하거나 추가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 스위치의 부하제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 추가하는 단계는
    상기 전력조류의 크기가 상기 에너지저장장치의 용량보다 크면 상기 전력조류의 방향을 확인하는 단계;
    상기 전력조류의 방향이 상기 마이크로그리드 시스템 방향인 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 차단하는 단계; 및
    상기 전력조류의 방향이 상기 전력공급망 방향인 경우 상기 복수의 부하 중 상기 전력조류의 크기와 상기 에너지저장장치의 용량 차이에 해당하는 부하를 추가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정지형 스위치의 부하제어 방법.
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