KR101277185B1 - Ｄｃ 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 ａｃ 및 ｄｃ 복합 마이크로그리드 시스템 - Google Patents

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Abstract

독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템 중 DC 마이크로그리드 시스템과 이를 이용한 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템이 개시된다. DC 마이크로그리드 시스템은, 적어도 하나의 분산전원과, 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치와, 전력변환장치에 연결된 보호 스위치를 구비하는 에너지 저장장치와, DC전력부하(load) 및 분산전원의 전체 전력과 DC전력부하 전력의 차이에 따라 상기 전력변환장치의 출력 전압을 조절하여 상기 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부로 이루어진다. AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템은 상술한 DC 마이크로그리드 시스템이 AC 마이크로그리드 시스템과 양방향 전력변환기로 연결된다. 이에 의하면, DC 마이크로그리드 시스템을 구성하는 에너지 저장장치에서의 충전과 방전 모드에서 전력 변환에 따른 손실이 없게 되어 에너지 이용 효율이 제고된다.

Description

ＤＣ 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 ＡＣ 및 ＤＣ 복합 마이크로그리드 시스템{DC microgrid system and AC/DC hybrid microgrid system using it}
본 발명은 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템인 마이크로그리드 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC 마이크로그리드 시스템과 이를 AC 마이크로그리드 시스템과 결합시킨 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.
마이크로그리드(Microgrid)는 기존의 광역적 전력시스템으로부터 독립된 분산전원(distributed energy resources)을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 의미한다.
마이크로그리드는 분산전원과 부하를 결합하는 전력망이 AC로 되어 있는 AC 마이크로그리드와, DC로 되어 있는 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다. AC 마이크로그리드는 기존의 배전망을 그대로 활용하는 장점이 있으나, 교류계통의 단점인 동기화, 안정도, 무효전력소모의 문제가 있었다.
도 1은 종래의 일반적인 AC 마이크로그리드 시스템(한국특허출원 제10-2009-0092365호)이다. 도시된 바와 같이 AC 마이크로그리드 시스템(100)은 전력부하(161)에 전력을 공급하기 위하여 다수의 분산전원과 에너지 저장장치를 구비한다.
분산전원으로는 출력의 직접적인 제어가 가능한 보일러(boiler, 101), 열병합 발전기(CHP, 102), 연료전지(fuel cell, 103)와, 마이크로터빈(micro turbine, 104)과 그 전력변환장치(131), 태양광 발전(photovolatic, 112)과 그 전력변환장치(142), 풍력발전(wind turbine, 111)과 그 전력변환장치(141)를 구비한다.
에너지 저장장치(121)는 충전 및 방전 기능을 모두 갖는 전력변환장치(151)로서 양방향 AC/DC 전력변환기가 필요하다. 참고로 이에 대한 구체적인 제어방법은 미국특허 제7,983,799호에 개시되어 있다.
분산전원 중 태양광 발전(112)의 경우 낮에만 전력을 생산하므로, 생산된 전력의 일부를 저장장치(121)로 충전했다가 필요한 전력을 방전시켜 전력부하(161)에 공급한다. 이때, 태양광 발전(112)으로부터 전력부하(161)로 전력이 사용되는 과정을 살펴보면, 낮에는 태양광 발전(112)의 전력변환장치(142)를 거쳐 전력부하(161)로 연결되고, 밤에는 태양광 발전(112)의 전력변환장치(142) --> 저장장치(121)의 전력변환장치(151)(충전 모드) --> 저장장치(121)에 저장 --> 저장장치(121)의 전력변환장치(151)(방전 모드) --> 전력부하(161)의 경로로 연결된다.
이때, 각각의 전력변환장치(142, 151)에서의 AC/DC 변환 및 DC/AC 변환 과정 각각에서 4~10%의 전력 손실을 발생시키며, 이러한 전력 변환 과정을 여러 번 거치면 손실은 더욱 더 커지는 결과를 가져온다.
따라서 최근에는 태양광, 풍력 등의 신재생에너지원들의 에너지 이용 효율을 높이기 위한 방법으로 AC 마이크로그리드와 DC 마이크로그리드를 복합한 하이브리드 마이크로그리드가 연구 중에 있다.
도 2는 AC/DC 복합 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면으로서, AC 마이크로그리드(210)와 DC 마이크로그리드(220) 사이에 양방향 전력변환장치(230)를 구비한다. AC 마이크로그리드(210)는 앞서 도 1과 같은 AC/AC 또는 DC/AC 변환의 전력변환장치(212, 214, 216)들이 사용된다. DC 마이크로그리드(220)의 전력변환장치(222, 224, 226)는 DC/DC 변환 구조를 갖게 됨에 따라 AC/AC 또는 DC/AC 변환 구조를 갖는 AC 마이크로그리드(210)보다 전력 변환 과정에서의 손실이 낮다. 따라서 DC 마이크로그리드(220)는 AC 마이크로그리드(210)보다 상대적으로 높은 에너지 이용 효율을 갖게 된다.
그러나 AC 마이크로그리드(210)와 DC 마이크로그리드(220) 모두 분산전원 각각에 컨버터(converter) 또는 PCS(power conditioning system)의 전력변환장치를 장착함에 따라 각각의 전력변환장치를 거칠 때마다 발생되는 전력손실의 문제는 잔존할 수밖에 없었다.
또한 각각의 분산전원에 장착된 전력변환장치와 에너지 저장장치는 마이크로그리드 전압을 기준으로 출력 전압 및 전력을 제어하는 구조로서, 분산전원의 출력 전력의 합과 부하 전력의 차에 의하여 에너지 저장장치에 충전 또는 방전 동작을 수행한다. 즉, 분산전원의 출력 전력의 합이 부하전력보다 클 경우 에너지 저장장치는 충전 모드가 되고, 그 반대인 경우 에너지 저장장치는 방전 모드가 된다.
이때 충전 모드와 방전 모드의 전환시, 에너지 저장장치의 전력변환장치를 거치는 과정에서 전력 손실이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, DC 마이크로그리드의 에너지 저장장치의 충전과 방전 과정에서 전력변환에 따른 전력 손실을 제거하기 위하여 에너지 저장장치에 장착된 전력변환장치를 보호 스위치로 대체하고, 분산전원의 전력과 부하전력을 대비하고 그에 따라 분산전원의 출력 전압을 조절하여 에너지 저장장치의 충전 및 방전 모드를 제어하는 DC 마이크로그리드 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상술한 DC 마이크로그리드를 이용하여 에너지 저장장치의 완전 충전 또는 완전 방전 상태에 따라 양방향 전력변환장치를 통해 AC 마이크로그리드로 전력을 공급하거나 공급받는 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 DC 마이크로그리드 시스템은, 적어도 하나의 분산전원; 상기 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치; 상기 전력변환장치에 연결된 보호 스위치를 구비하는 에너지 저장장치; 상기 전력변환장치 및 상기 보호 스위치에 연결된 DC전력부하(load); 및 상기 분산전원의 전체 전력과 상기 DC전력부하 전력의 차이에 따라 상기 전력변환장치의 출력 전압을 조절하여 상기 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 분산전원의 전체 전력이 상기 DC전력부하 전력보다 크면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 상향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 충전되도록 제어하고, 상기 분산전원의 전체 전력이 상기 DC전력부하 전력보다 작으면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 하향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 방전되도록 제어한다.
또한 본 발명의 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템은, 상술한 DC 마이크로그리드 시스템; 상기 DC 마이크로그리드 시스템에 연결된 양방향 전력변환장치; 및 상기 양방향 전력변환장치와 연결된 AC 마이크로그리드 시스템; 으로 이루어지되, 상기 AC 마이크로그리드 시스템은, 적어도 하나의 분산전원, 에너지 저장장치, 상기 분산전원 및 상기 에너지 저장장치의 전력을 각각 교류로 변환하는 전력변환장치 및 상기 전력변환장치에 연결된 AC전력부하(load)를 포함한다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 분산전원의 전체 전력이 상기 DC전력부하 전력보다 크면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 상향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 충전하고, 충전이 완료되면 상기 양방향 전력변환장치를 통해 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로 전력을 공급한다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 분산전원의 전체 전력이 상기 DC전력부하 전력보다 작으면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 하향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 방전되고, 방전이 완료되면 상기 양방향 전력변환장치를 통해 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로부터 전력을 공급받는다.
본 발명의 DC 마이크로그리드 시스템에 의하면, 분산전원의 전체 전력과 부하전력을 대비하여 각 분산전원에 장착된 전력변화장치의 최대 출력 전압을 조절함으로써 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 선택할 수 있고, 에너지 저장장치에서 충전과 방전 과정 중 전력 변환에 따른 손실이 없어 에너지 이용 효율이 제고된다.
또한, 본 발명의 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템에 의하면, 상술한 DC 마이크로그리드 시스템을 종래의 AC 마이크로그리드 시스템과 결합함으로써 DC 마이크로그리드 시스템을 구성하는 에너지 저장장치의 완전 충전 및 방전 상태에 따라 전력을 전체 각각의 시스템을 구성하는 부하로 효율적으로 공급할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 AC 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 DC 마이크로그리드 시스템을 포함한 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명의 일실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 DC 마이크로그리드 시스템(점선으로 표시된 부분)을 포함한 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템(300)의 구성도이다.
도시된 바와 같이, DC 마이크로그리드 시스템(320)은 분산전원으로서 태양광 발전(325)과 연료전지(321)를 포함하고, 각각의 분산전원에는 DC/DC 전력 변환을 위해 PCS(Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(326, 322)가 연결된다. 에너지 저장장치(323)와 전력변환장치(322, 326) 사이에는 보호 스위치(324)가 배치됨으로써 에너지 저장장치(323)는 보호 스위치(324)를 거쳐 전력변환장치(322, 326)와 연결되며, 각각의 전력변환장치(326, 322)와 보호 스위치(324)는 DC전력부하(327)와 연결된다.
그리고 AC 마이크로그리드 시스템(310)은 분산전원으로서 태양광 발전(313)과 풍력 발전(315)을 포함하고, 각각의 분산전원에는 DC/AC와 AC/AC 전력 변환을 위해 PCS(Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(314, 316)가 연결된다. 에너지 저장장치(323)는 전력변환을 위한 PCS((Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(312)가 연결되며, 각각의 전력변환장치(312, 314, 316)는 AC전력부하(317)와 연결된다.
상술한 DC 마이크로그리드 시스템(320)과 AC 마이크로그리드 시스템(310)은 AC/DC 또는 DC/AC 전력 변환을 위한 양방향 전력변환장치(330)에 의하여 연결된다.
이하에서는, 위와 같이 구성된 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템(300) 중 먼저 DC 마이크로그리드 시스템(320)의 작동을 위한 제어부(미도시)에 대하여 설명한다.
제어부는, 분산전원인 태양광 발전(325)과 연료전지(321)에서 발전되는 전체 전력량이 DC전력부하(327)에서 소모되는 전력량보다 큰 경우, 각각의 분산전원(325, 321)에 장착된 전력변환장치(326, 322)의 출력 전압을 샹향 조정하여 에너지 저장장치(323)에 전력이 충전되도록 제어한다. 따라서 출력 전압의 설정값에 따라 충전 전력을 조절할 수 있다.
반대로, 제어부는, 분산전원(325, 321)에서 발전되는 전체 전력량이 DC전력부하(327)에서 소모되는 전력량보다 적은 경우, 전력변환장치(326, 322) 출력 전압을 하향 조정하여 에너지 저장장치(323)로부터 전력이 방전되도록 제어한다. 만약, 분산전원에서의 발전이 전혀 이루어지지 않게 되면 에너지 저장장치(323)의 충전 전력이 DC전력부하(327)를 감당한다.
위와 같은 에너지 저장장치(323)에서의 충전과 방전 과정에서 보호 스위치(324)는, 과충전이나 과방전으로부터 에너지 저장장치(323)를 보호하는 역할을 하며, 보통 상태에서 보호 스위치(324)는 닫혀 있으며, 비상시에 에너지 저장장치(323)으로부터 분리할 수 있도록 개방된다. 따라서 보호 스위치(324)를 사용하게 되면 종래의 마이크로그리드 시스템(100, 200)과는 달리 전력 변환에 따른 전력 손실이 발생하지 않게 된다.
다음으로, 상술한 DC 마이크로그리드 시스템(320)을 포함한 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템(300)의 작동을 위한 제어부(미도시)에 대하여 설명한다.
AC 마이크로그리드 시스템(310)은 도 1, 2에 도시된 종래의 AC 마이크로그리드 시스템(100 또는 210)과 동일하게 작동된다.
DC 마이크로그리드 시스템(320)의 제어부는, 에너지 저장장치(323)가 완전히 충전된 상태에서 분산전원(321, 325)에서의 발전 전력량이 DC전력부하(327) 전력량보다 큰 경우, 에너지 저장장치(323)에 충전된 전력이 보호 스위치(324)를 거친 후, 양방향 전력변환장치(330)를 통하여 AC 전력으로 변환되어 AC 마이크로그리드 시스템(310)에 공급되도록 제어한다. 공급된 AC 전력은 AC 마이크로그리드 시스템(310)의 전력 상태에 따라 AC전력부하(317)로 공급되거나 또는 AC/DC 전력변환장치(312)를 거쳐 에너지 저장장치(311)에 저장된다.
반대로 제어부는, 에너지 저장장치(323)가 완전히 방전된 상태에서 분산전원(321, 325)에서의 발전 전력량이 DC전력부하(327) 전력량보다 적은 경우 양방향 전력변환장치(330)를 통하여 AC 마이크로그리드 시스템(310)으로부터 DC 전력을 공급받도록 제어한다. 공급받은 DC 전력은 우선적으로 DC전력부하(327)로 공급된다.
이때 DC 마이크로그리드 시스템(320)을 구성하는 에너지 저장장치(323)는 전력 변환 없이 충전과 방전이 가능하므로 전력 손실을 최소화할 수 있다. 구체적으로 도 1에 도시된 종래의 DC 마이크로그리드 시스템(100)을 구성하는 에너지 저장장치(121)에 장착된 전력변환장치(151)는 충전 또는 방전 과정에서 각각 3~13%의 에너지 손실이 발생된다. 그러나 본 발명의 경우 이러한 손실 발생이 없고, 따라서전체 에너지 이용효율을 6~25% 정도 높일 수 있으므로, 동일한 부하 전력량을 기준으로 마이크로그리드를 설계할 때, 종래에 비하여 설비 투자 비용을 저감시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
300 : AC 및 DC 마이크로그리드 시스템
310 : AC 마이크로그리드 시스템
320 : DC 마이크로그리드 시스템
330 : 양방향 전력변환장치
311, 323 : 에너지 저장장치
313, 325 : 태양광 발전
315 : 풍력 발전
321 : 연료전지
317 : AC전력부하
327 : DC전력부하
312, 314, 316, 322, 326 : 전력변환장치
324 : 보호 스위치

Claims (5)

  1. DC 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 분산전원;
    상기 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치;
    상기 전력변환장치에 의해 직류로 변환된 에너지를 저장하는 에너지 저장장치;
    상기 전력변환장치와 상기 에너지 저장장치 사이에 배치되어, 통상의 상태에서 닫혀 있고 비상시 개방됨으로써 과충전이나 과방전으로부터 상기 에너지 저장장치를 보호하는 보호 스위치;
    상기 전력변환장치 및 상기 보호 스위치에 연결된 DC전력부하(load);
    상기 분산전원의 전체 전력과 상기 DC전력부하 전력의 차이에 따라 상기 전력변환장치의 출력 전압을 조절하여 상기 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부; 및
    AC 마이크로그리드 시스템과 연결되어, 상기 에너지 저장장치에 충전된 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로 전달하거나, 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로부터 전송된 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 DC 전력부하 또는 상기 에너지 저장장치로 공급하는 양방향 전력변환장치;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 크면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 상향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 먼저 충전되도록 제어하고, 이후 상기 에너지 저장장치가 완충된 상태에서 상기 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 크면 상기 에너지 저장장치의 충전된 전력을 상기 양방향 전력변환장치를 통해 AC 전력으로 변환하여 상기 AC 마이크로그리드 시스템에 전송하도록 제어하고,
    상기 제어부는, 상기 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 작으면, 상기 전력변환장치의 출력 전압을 하향 조절하여 상기 에너지 저장장치가 방전되도록 제어하고, 이후 상기 에너지 저장장치가 완전 방전된 상태에서 상기 분산 전원의 발전전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 작으면 상기 양방향 전력변환장치를 통하여 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로부터 DC 전력을 공급받도록 제어하는 것을 특징으로 하는 DC 마이크로그리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 적어도 하나의 분산 전원과, 상기 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 제1 전력변환장치와, 상기 제1 전력변환장치에 의해 직류로 변환된 에너지를 저장하는 제1 에너지 저장장치와, 상기 제1 전력변환장치와 상기 제1 에너지 저장장치 사이에 배치되어, 통상의 상태에서 닫혀 있고 비상시에 개방됨으로써 과충전이나 과방전으로부터 상기 에너지 저장장치를 보호하는 보호 스위치와, 상기 제1 전력변환장치 및 상기 보호 스위치에 연결된 DC전력부하(load) 및 상기 분산전원의 전체 전력과 상기 DC전력부하 전력의 차이에 따라 상기 제1 전력변환장치의 출력 전압을 조절하여 상기 제1 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부를 포함하는 DC 마이크로그리드 시스템;
    상기 DC 마이크로그리드 시스템에 연결된 양방향 전력변환장치; 및
    상기 양방향 전력변환장치와 연결된 AC 마이크로그리드 시스템; 으로 이루어지되,
    상기 AC 마이크로그리드 시스템은, 적어도 하나의 분산전원, 제2 에너지 저장장치, 상기 분산전원 및 상기 제2 에너지 저장장치의 전력을 각각 교류로 변환하는 제2 전력변환장치 및 상기 제2 전력변환장치에 연결된 AC전력부하(load)를 포함하고,
    상기 양방향 전력변환장치는, 상기 제1 에너지 저장장치에 충전된 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 AC 전력부하 또는 상기 제2 에너지 저장장치로 전달하거나, 상기 제2 에너지 저장장치에 충전된 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 DC 전력부하 또는 상기 제1 에너지 저장장치로 공급하고,
    상기 제어부는, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 크면, 상기 제1 전력변환장치의 출력 전압을 상향 조절하여 상기 제1 에너지 저장장치가 먼저 충전되도록 제어하고, 이후 상기 제1 에너지 저장장치가 완충된 상태에서 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 크면 상기 제1 에너지 저장장치의 충전된 전력을 상기 양방향 전력변환장치를 통해 AC 전력으로 변환하여 상기 AC 마이크로그리드 시스템에 전송하도록 제어하고,
    상기 제어부는, 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 분산전원의 발전 전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 작으면, 상기 제1 전력변환장치의 출력 전압을 하향 조절하여 상기 제1 에너지 저장장치가 방전되도록 제어하고, 이후 상기 제1 에너지 저장장치가 완전 방전된 상태에서 상기 DC 마이크로그리드 시스템의 분산전원의 발전전력량이 상기 DC전력부하의 전력량보다 작으면 상기 양방향 전력변환장치를 통하여 상기 AC 마이크로그리드 시스템으로부터 DC 전력을 공급받도록 제어하는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템.
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