KR101539394B1 - 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템의 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원격지나 도서 지역에 적용되는 독립형 하이브리드 전원 장치를 위한 운전 제어 시스템 및 그 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 초기 투자비의 최소화를 통한 경제성을 고려한 시스템의 구성 방식과 이때의 시스템 운전 및 제어기법을 제공한다. 독립형 전원공급시스템 설계에 있어 태양광, 풍력 및 저장장치로만 구성할 경우 디젤발전기의 의존은 낮출 수가 있지만 신재생전원 및 축전지에 대한 과도한 투자비가 경제성을 저하하게 된다. 따라서 디젤발전기를 적정하게 운전하는 것이 초기 투자비를 줄이게 되며 이때 디젤발전기와 연계운전되는 축전지저장장치의 충방전 운전 및 단독운전이 시스템의 가동율과 에너지 이용율을 최대화할 수 있다. 특히 디젤발전기의 운전 시에 절체 과정없이 계통 병입과 차단이 무순단으로 실행되어 전력품질이 제고되며 디젤발전기를 고효율 운전점에서 상시 운전함으로써 연료효율을 높일 수 있는 방법을 제공한다.

Description

교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템의 제어 시스템 및 그 제어방법 {Control System for Alternating Current Common Bus Type Hybrid Power System and Method thereof}

본 발명은 신재생에너지 발전장치, 엔진발전기, 축전지 등을 결합한 하이브리드 전원 시스템에 관한 것으로서, 특히, 태양광, 풍력 등을 이용한 신재생에너지 발전원, 디젤엔진발전기 등 연료 발전장치, 축전지 등 전원 장치들을 교류공통모선에 연결하여 연동시키는 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템에서 전원장치들의 절체 없이 각 전원장치를 운전 혹은 정지할 수 있게 하는 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

본 기술에 관련된 종래의 기술은 독립형 전원공급에 있어서 디젤발전기의 의존을 줄이거나 최소화하기 위해서 다량의 태양광 혹은 풍력발전 등 신재생에너지전원을 설치하고 이들이 출력하는 전력을 축전지로 전량을 저장한 다음 교류전원으로 변환하기 위해서 이 축전지에 무정전전원장치(UPS)를 설치하여 전원을 공급하는 방식이다. 이 경우 태양광이나 풍력발전 등 신재생에너지가 기상조건으로 더 이상 전력을 생산할 수 없을 경우에는 디젤발전기를 가동하여 별도로 설치된 충전장치를 이용하여 충전을 지속하여 전원공급을 지속하거나 혹은 디젤발전기를 가동하고 이를 무정전전원장치의 전원과 절체하여 부하에 전력을 공급하게 된다.

전원을 절체하기 위해서는 기계식 ATS(자동절체스위치) 혹은 정지형 STS(static transfer switch, 정지형 절체스위치)를 사용하게 되는데 전자는 0.2초 정도의 정전을 유발하며 후자는 반 사이클 이내에 절체가 되므로 정전을 초래하지는 않는다. 후자는 전자에 비해 가격이 높고 통전 시에 전력손실이 있어 별도의 바이패스용 전자접촉기를 병렬로 사용하기도 하는 등 시스템 구성이 복잡해지고 비용이 증가하게 된다.

도 1은 기존 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 시스템의 구성도이다.

도 1과 같이, 태양전지(2) 및 태양광발전용 전력변환장치(6), 풍력발전기(3) 및 풍력발전용 전력변환장치(7)와 축전지(4)가 직류공통모선(8)에 연결되며 이 직류공통모선(8)에는 직류를 교류로 변환하는 무정전전원장치(9)이 설치되어 교류전원을 발생하게 된다. 또한 디젤발전기(1)는 자동절체스위치(10)으로 연결되어 무정전전원장치(9)의 출력 교류전원과 절체되어 부하(20)에 전력을 공급하게 된다. 따라서 디젤발전기(1)의 전원과 무정전전원장치(9)의 전원은 병렬로 운전될 수 없고 둘 중의 한쪽 전원에 의해서만 전력을 부하(20)에 공급하게 된다. 시스템 구성에 따라서는 자동절체스위치(10)는 무정전전원장치(9)의 내부에 있는 정지형 절체 스위치로 대체될 수도 있고 이 경우에는 절체 시간이 반 사이클 정도로 짧게 된다. 이러한 시스템의 경우 운전 방식은 축전지(4)의 충전상태를 축전지 전압으로 판단하여 충전량이 충분하지 못하다 판단될 경우 디젤발전기(1)를 가동하고 별도로 설치된 충전기(5)를 이용하여 축전지(4)를 충전하거나 혹은 자동절체스위치(10)를 이용하여 직접 부하(20)에 전력을 공급할 수 있게 된다.

이와 같이 통상의 하이브리드 시스템은 축전지의 전압만을 감시하여 충전상태를 감시하여 일사량의 저하에 따른 태양광발전의 출력 감소나 혹은 부하 증가에 의한 축전지의 방전에 의해 축전지 전압강하 등이 발생하면 디젤발전기를 가동하여 축전지를 충전하거나 혹은 디젤발전기로 부하에 전력을 공급하는 등 매우 단순하게 구성되어 있다. 따라서 신재생전원의 발전량이 충분해도 부하가 낮을 경우에는 이를 다 저장하거나 이용할 수 없어 신재생전원 설비의 이용율이 낮게 되며 발전량이 충분하지 않을 경우에는 이를 경험적으로 예측하여 디젤발전기를 가동하는 운전 자동화가 되어 있지 않아 운영에 있어 어려움이 있다.

따라서, 기존의 하이브리드 시스템이 가지고 있는 문제점인 초기투자비 과다, 운영 및 유지 보수비 증가 등의 문제점을 해결하며 운전 조건 하에서 필연적인 전원 절체로 인한 순간정전의 문제를 해결하여 전력품질을 제고할 필요가 있으며, 또한 단순한 축전지의 전압 감시에 의한 디젤발전기의 가동과 절체 등 운전과 운영에 있어서의 어려움이 있으므로 이를 자동화할 필요가 있고, 특히 원격지나 도서지역의 비전문가에 의한 운전으로 설비 이용율과 가동율 저하의 문제를 해결할 필요성이 있다.

관련 선행 문헌으로서 대한민국공개특허공보 제10-2002-0080614호 (2002.10.26. 공개) 등이 참조될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 신재생에너지 발전장치, 연료 발전장치, 축전지 등을 결합한 독립형 하이브리드 전원 시스템에 있어서, 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전장치와 축전지 저장장치 및 디젤 등 연료 발전장치의 용량 선정에 있어 초기 투자비를 고려한 최적 구성으로 경제성을 확보할 수 있도록 하고, 이를 위해서 신재생에너지 발전장치와 축전지의 용량을 최적화함과 동시에 연료 발전장치가 필요한 시점에서 이들 전원과 병렬 운전되거나 혹은 분리될 필요가 있으므로 이러한 병렬운전이 가능한 독립형 하이브리드 전원 시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 기존의 하이브리드 전원 시스템에서 신재생에너지 발전장치와 디젤 발전장치 간의 전원 절체를 위해 사용되는 자동절체스위치(ATS, automatic transfer switch)를 사용하지 않고 무정전으로 디젤발전기의 운전과 정지가 가능하도록 하여 전력품질을 제고할 수 있는 독립형 하이브리드 전원 시스템을 제공하는 데 있다.

그리고, 기존의 하이브리드 전원 시스템에서 필수적으로 사용되는 축전지용 충전기가 별도로 필요 없이 시스템 구성을 단순화하고 초기 투자비를 절감할 수 있는 독립형 하이브리드 전원 시스템을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 하나 이상의 신재생에너지 발전장치, 연료 발전장치, 및 축전지의 전력을 교류공통모선에 연계하여 별도의 전원 절체장치 없이 무정전으로 상기 교류공통모선에 직접 연결된 부하에 전력을 공급하기 위한 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템으로서, 상기 연료 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 개폐기; 상기 개폐기의 접점의 온오프 상태를 제어하는 디지털 통합 제어기; 상기 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제1 인버터; 상기 신재생에너지 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제2 인버터; 및 상기 디지털 통합 제어기를 제어하여 상기 개폐기의 접점이 온오프되도록 제어하여 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력을 제공하도록 제어하거나, 상기 제1 인버터를 제어하여 상기 축전지의 상기 교류공통모선을 통한 충전 또는 방전을 제어하는 에너지관리시스템을 포함하고, 상기 연료 발전장치 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선으로 제공하는 교류전압을 기준으로 해당 전압과 주파수에 따라 상기 제2 인버터가 중단없이 지속적으로 운전되는 것을 특징으로 한다.

상기 신재생에너지 발전장치는 태양 전지 또는 풍력 발전기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 축전지가 상기 제1 인버터를 통하여 상기 교류공통모선에 교류전압을 제공하는 동안, 상기 에너지관리시스템이 디지털통합제어장치를 제어하여 상기 개폐기의 스위칭을 제어함으로써, 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선의 전압, 주파수, 및 위상의 허용 범위 내에서 일치되는 발전 전력을 동기투입하도록 제어할 수 있다.

상기 제1 인버터는, 상기 연료 발전장치가 상기 개폐기를 통해 동기 투입 중이면, 계통연계 운전모드에서 전류제어를 수행하고, 상기 연료 발전장치가 정지 중이면, 정전압-정주파수 모드에서 전압제어를 수행할 수 있다.

상기 제1 인버터는, 상기 개폐기 접점의 온오프 상태에 의해 상기 연료 발전장치의 운전 여부를 판단하되, 상기 개폐기 접점의 오프 상태 시에 그 이전의 시스템 클럭의 한 클럭 전에 상기 연료 발전장치가 운전 중이었던 경우에 상기 계통연계 운전모드에서 상기 정전압-정주파수 모드로 전환할 수 있다.

상기 에너지관리시스템은 상기 부하에 대한 소정의 예측, 및 상기 신재생에너지 발전장치에 대한 소정의 발전 예측을 포함한 발전 계획에 따라 자동적인 상기 제어를 수행할 수 있다.

상기 연료 발전장치는 상기 에너지관리시스템의 제어에 따라, 상기 신재생에너지 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력 공급 시에 상기 교류공통모선의 전압, 주파수, 및 위상의 허용범위 내에서 일치되는 발전 전력을 동기투입하는 정출력 운전 모드로 병렬 동작하고, 자체기동 또는 상기 제1 인버터가 상기 교류공통모선의 전압과 주파수를 제어하는 동안에 정전압-정주파수 운전 모드로 동작할 수 있다.

상기 에너지관리시스템의 제어에 따라, 주간 시간대에 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지가 운전 시작 시에 상기 연료 발전장치를 정출력 운전 모드로 동작시키면서 상기 부하에 공급하고 남는 잉여전력으로 상기 축전지를 충전하고, 야간 시간대나 경부하 시에 상기 연료 발전장치의 운전을 정지하고 충전된 상기 축전지를 이용해 상기 교류공통모선을 통해 상기 부하로 전력을 공급할 수 있다.

상기 에너지관리시스템의 제어에 따라, 주간 시간대에 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지가 운전 시작 시에 상기 축전지의 충전율이 임계치 이상이면 상기 연료 발전장치의 운전을 정지하고, 상기 축전지와 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지를 이용하여 상기 부하로 전력을 공급하고, 야간 시간대나 경부하 시에 상기 연료 발전장치를 정출력 운전 모드로 동작시키면서 상기 부하에 공급하고 남는 잉여전력으로 상기 축전지를 충전할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 하나 이상의 신재생에너지 발전장치, 연료 발전장치, 및 축전지의 전력을 교류공통모선에 연계하여 별도의 전원 절체장치 없이 무정전으로 상기 교류공통모선에 직접 연결된 부하에 전력을 공급하기 위한 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 연료 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 개폐기; 상기 개폐기의 접점의 온오프 상태를 제어하는 디지털 통합 제어기; 상기 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제1 인버터; 상기 신재생에너지 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제2 인버터를 이용하며, 상기 디지털 통합 제어기를 제어하여 상기 개폐기의 접점이 온오프되도록 제어하여 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력을 제공하도록 제어하는 단계; 및 상기 제1 인버터를 제어하여 상기 축전지의 상기 교류공통모선을 통한 충전 또는 방전을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 연료 발전장치 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선으로 제공하는 교류전압을 기준으로 해당 전압과 주파수에 따라 상기 제2 인버터가 중단없이 지속적으로 운전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 독립형 하이브리드 전원 시스템에 따르면, 유지비가 들지 않는 신재생에너지 발전장치과 유지보수와 운영비가 드는 축전지 및 디젤 등 연료 발전장치의 최적 조합과 이들의 무순단 제어를 통하여 초기투자비 및 운영비를 최소할 수 있다.

또한, 기계식 자동절체스위치(ATS)를 사용하지 않고 전원의 무정전 절체가 가능하여 전력품질을 제고할 수 있으며 이러한 스위치의 설비 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 통상 별도로 설치되는 축전지용 충전기를 설치하지 않아도 되므로 초기 투자비를 절감할 수 있다.

도 1은 기존 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 축전지용 인버터의 양모드 운전을 위한 인터페이스 구성도이다.
도 4는 도 2의 축전지용 인버터의 운전모드 변환 흐름도이다.
도 5는 도 2의 디젤 발전기의 운전모드 변환 흐름도이다.
도 6은 도 2의 에너지관리시스템의 발전계획에 의한 운전 사례도의 일례이다.
도 7은 도 2의 에너지관리시스템의 발전계획에 의한 운전 사례도의 다른 예이다.
도 8은 도 2의 축전지용 인버터의 양모드 운전 실시 사례이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에서 태양 전지나 풍력 발전기를 신재생에너지 발전장치로서 예로 들어 설명하지만, 경우에 따라서 조력, 수력, 화력, 수소, 폐기물 등을 이용한 신재생에너지 발전장치로 대체될 수 있음을 의미한다. 또한, 본 발명에서 디젤 발전기를 연료 발전장치로서 예로 들어 설명하지만, 경우에 따라서 가솔린, 가스, 석탄 등을 이용한 연료 발전장치로 대체될 수 있음을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템은, 디젤 발전기(1), 태양 전지(2), 풍력 발전기(3), 축전지(4)를 포함하며, 태양 전지(2), 풍력 발전기(3), 축전지(4)에는 각각 전력변환장치로서 직류-교류 변환하는 계통 연계형 인버터(16/17/18)(도 1의 전력변환장치(6,7)가 직류 정전압 발생장치인 것과 다름, 또한, 18은 충전시 교류-직류 변환)가 연결되고 계통 연계형 인버터(16/17/18)는 교류 공통모선(32)에 연결되며 교류 공통모선(32)에 직접 부하(20)가 연결된다. 디젤 발전기(1)에 연결된 개폐기(31)는 디지털 통합 제어장치(30)의 제어에 따라 디젤 발전기(1)가 교류 공통모선(32)에 동기 투입할 수 있도록 동작한다. 이외에도 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템의 전반적인 제어를 위한 에너지관리시스템(40)이 더 포함된다.

이러한 구조에서 태양전지(2)와 풍력발전기(3)는 부하(20)의 크기에 관계없이 항상 최대출력을 내도록 제어되므로 이러한 설비의 이용율이 좋아지게 된다. 태양전지(2)용 인버터(16)와 풍력발전기(3)용 인버터(17)는 전압과 주파수의 기준이 되는 계통전압이 있어야 운전이 가능한 계통 연계형 인버터로서, 여기에서는 디젤발전기(1)나 혹은 축전지(4)와 인버터(18)가 이를 위하여 전압과 주파수의 기준이 되는 기준교류전압을 교류 공통모선(32)을 통해 인버터들(16, 17)로 제공할 수 있다.

축전지(4)의 충전상태가 낮을 경우 디젤발전기(1)을 가동하여 디젤발전기(1)가 교류 공통모선(32)에 기준교류전압을 제공하게 되고, 이때 부하가 낮아 잉여전력이 발생할 경우 이 잉여전력이 축전지용 인버터(18)를 통해 축전지(4)를 충전하게 된다. 교류 공통모선(32)에 제공된 태양전지(2)와 풍력발전기(3)의 잉여전력 역시 축전지용 인버터(18)를 통해 축전지(4)를 충전할 수 있다.

축전지(4)의 충전량은 태양전지(2)와 풍력발전기(3) 등 신재생에너지 전원의 잉여전력과 디젤발전기(1)의 적정 부하 조건에서 임의로 설정이 가능하기 때문에 디젤발전기(1)를 고효율 운전점에서 운전할 수 있고 소비되는 연료량에 비해 많은 전력을 생산, 저장할 수 있게 된다.

부하(20)가 경부하이고 축전지(4)의 충전상태가 높을 경우 디젤발전기(1)를 정지하게 되는데 이때는 계통연계형으로 동작하는 인버터들(16, 17)이 기준이 되는 전압과 주파수가 없기 때문에 트립될 수 있다. 이때 축전지(4)와 인버터(18)이 교류 공통모선(32)의 전압과 주파수를 일정하게 유지하는 무정전전원장치로 동작하게 된다. 따라서 신재생전원용 인버터들(16, 17)은 트립하지 않고 계속 운전을 할 수 있게 된다.

발전원으로서 태양전지(2), 풍력발전기(3) 및 축전지(4)로만 계속적으로 부하(20)에 전력을 공급할 수 없는 경우가 발생할 수 있는데 이는 자연조건이 항상 일정하지 않고 또한 축전지(4)의 용량에 제한이 있기 때문에 신재생에너지 전원의 출력이 충분하다해도 발전과 부하 소비의 시점 차이로 디젤발전기(1)의 운전이 필요하게 된다. 이 경우 디젤발전기(1)을 기동하여, 축전지(4)용 인버터(18)가 전압과 주파수를 유지하고 있는 교류 공통모선(32)에 디젤발전기(1)의 발전 전력을 동기투입을 하게 되는데 이를 위해서는 디지털통합제어장치(30)가 필요하며, 이는 기동된 디젤발전기(1)와 교류 공통모선(32)의 전압, 주파수, 위상을 허용범위 내로 일치시켜 개폐기(31)를 스위칭함으로써 과도적인 충격을 줄이는 기능을 한다. 디젤발전기(1)의 발전 전력이 교류 공통모선(32)에 개폐기(31)를 통해 동기 투입되면 전압과 주파수를 제어하던 축전지(4)용 인버터(18)와의 유효전력, 무효전력 분담 문제가 발생하므로, 축전지(4)용 인버터(18)는 원래의 계통연계 모드로 운전모드를 변경하거나 혹은 트립 후에 재기동할 수 있다. 이러한 방식으로 자동절체스위치(10) 없이도 전원의 절체가 가능하므로 정전이 없고 설비의 이용율을 개선할 수 있다.

이러한 운전과 전원의 절체 과정은 각 기기들과 통신망(33)으로 연결된 에너지관리시스템(40)의 감시 및 제어에 의해 이루어질 수 있다. 에너지관리시스템(40)은 부하에 대한 소정의 예측, 신재생에너지 전원장치(2,3)에 대한 소정의 발전출력 예측을 수행하고 이와 같은 예측을 포함한 최적의 발전계획을 수립하게 되며 실시간으로 변동되는 상황에 대응하여 디지털통합제어장치(30), 인버터들(16, 17, 18) 등에 대한 적절한 제어를 수행하게 된다. 즉, 에너지관리시스템(40)은 부하 및 발전의 예측에 기반한 발전계획 기능, 도입량이나 운전 목적에 따른 운전 모드의 선택 기능 등 에너지의 관리와 시스템 전체적으로 효율적인 운전을 계획, 실행, 감시하는 기능을 가진다.

도 3은 도 2의 축전지(4)용 인버터(18)의 양모드(계통연계 운전모드(전류제어모드)/정전압-정주파수 모드(전압제어모드)) 운전을 위한 인터페이스 구성도이다.

디젤발전기(1)의 동기투입 운전용 개폐기(31) 접점의 온(입력) 또는 오프(입력되지 않음) 상태를 축전지(4)용 인버터(18)로 입력(50)하는 것에 의해 모드의 절환이 이루어지게 된다. 동기투입 운전용 개폐기(31)는 디젤발전기(1)의 제어를 위해 사용되는 디지털 통합제어장치(30)의 동기 투입 신호(51)에 의해 개폐가 제어되고, 에너지관리시스템(40)의 제어 명령에 의해 디지털 통합제어장치(30)가 동기 투입 신호(51)를 '로직 하이', 또는 '로직 로우'로 발생시켜 개폐기(31)가 디젤발전기(1)의 전력을 투입 혹은 차단할 수 있게 된다.

축전지(4)용 인버터(18)는 동기투입 운전용 개폐기(31)의 개폐 상태에 따라 디젤발전기(1)의 운전 상태를 판단하게 되고 디젤발전기(1)가 동기 투입을 위해 운전 중이면 계통연계 운전모드로 전류제어를 하게 되고, 디젤발전기(1)가 정지 중이면 전압제어 즉, 정전압-정주파수 모드로 운전하게 되어 교류 공통모선(32)의 전압과 주파수를 유지하며 이를 통하여 다른 인버터(16, 17)들이 계통연계 운전을 지속할 수 있는 전압기준을 제공하게 된다.

디젤발전기(1)의 동기투입 운전용 개폐기(31)는 에너지관리시스템(40)의 발전계획에 따라 의도적으로 운전 혹은 정지할 수도 있고 고장이나 보호회로의 동작에 따라 비의도적으로 트립될 수 있는데 어느 경우에 있어서도 축전지(4)용 인버터(18)는 빠른 운전 모드의 전환으로 시스템의 전압과 주파수를 안정적으로 유지할 수 있도록 해주며 다른 인버터들(16, 17)이 트립되지 않고 계속 운전할 수 있도록 해준다.

도 4는 도 2의 축전지(4)용 인버터(18)의 운전모드 변환 흐름도이다.

도 2와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템이 기동되면(60), 축전지(4)용 인버터(18)는 에너지관리시스템(40)의 제어에 따라 동기투입 운전용 개폐기(31)의 접점 상태를 판단하되(61) 접점이 입력(온 상태)되고(예, 동기 투입 신호(51)가 '로직 하이') 디젤발전기(1)가 운전 중일 경우(63)에는, 자신이 전압제어 운전 중인가를 판단하여(69) 아닐 경우(계통연계 운전모드(전류제어모드))에는 현재 상태를 유지하고 전압제어모드(정전압-정주파수 모드)로 운전 중일 때는 전압제어에서 전류제어 즉, 정전압-정주파수 제어에서 계통연계 운전모드(전류제어모드)로 모드를 전환한다(70). 이후 축전지(4)용 인버터(18)는 에너지관리시스템(40)의 운전 명령(71)에 따라서 운전을 정지하거나 운전을 재개할 수 있다(72).

개폐기(31)의 접점이 입력되지 않은 경우(접점 오프)에는(62), 먼저, 축전지(4)용 인버터(18)는 한 스텝 이전(예, 접점 오프 전 시스템 클럭의 한 클럭 이전 클럭 신호 발생 시)에 디젤발전기(1)가 운전 중인지를 판단한다(64). 이때 이전 클럭에서 디젤발전기(1)가 운전 중이었다가 접점 오프가 발생하여 정지 혹은 트립되었다고 판단되면(66), 축전지(4)용 인버터(18)는 모드를 전류제어모드(계통연계 운전모드)에서 전압제어모드(정전압-정주파수 모드)로 전환하여 운전하게 된다. 또한, 그렇지 않을 경우(65)는 동기투입 운전용 개폐기(31)의 접점 상태를 판단하는 루프로 되돌아가 지속적으로 접점 상태를 판단하게 된다.

도 5는 도 2의 디젤 발전기(1)의 운전모드 변환 흐름도이다.

일반적으로 디젤발전기(1)는 2개의 운전 모드 즉, 정전압-정주파수 운전 모드와 정출력 운전 모드로 운전될 수 있는데 전자는 독립전력계통에서 부하 상태와 관계없이 계통의 전압과 주파수를 유지하도록 운전하는 것이고, 후자는 계통연계운전이나 혹은 다른 발전기가 운전되어 교류공통모선에 전력이 공급 중일 때 추가로 투입되어 부하의 일부를 분담하여 운전하는 경우이다.

본 발명에서 디젤발전기(1)는 운전 상황에 따른 이러한 모드의 전환이 필요하다. 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템이 기동되면(80), 디젤발전기(1)는 에너지관리시스템(40)으로부터의 기동 명령이 있는지를 검사한다(81).

기동 명령에 따라, 디젤발전기(1)는 자체기동(Black start)인지를 판단하여(82) 자체기동이면 정전압-정주파수 운전모드로 변경(84)하여 기동하고 기동이 완료되면 비동기투입을 하게 된다(85). 자체기동이란 외부에서 전력이 공급되지 않는 상황에서 기동하는 것으로써 여기에서는 최초의 발전 시작이나 정전 후 재기동 운전이 해당된다.

기동 명령에 따라, 자체기동이 아닐 경우에는, 태양전지(2)와 풍력발전기(3)의 발전 전력이 교류 공통모선(32)에 투입됨과 동시에 추가로 병렬운전 투입되는 것인지 혹은 축전지(4)용 인버터(18)의 단독운전 상태에서 디젤발전기(1)가 투입되는지 여부에 따라 병렬운전 모드 여부를 결정한다(83). 병렬운전 모드인 경우 디젤발전기(1)는 다른 모드라면 정출력운전 모드로 전환하고(86) 기동하여 이미 전압과 주파수를 유지하고 있는 교류 공통모선(32)에 동기투입을 하게 된다(90). 동기투입은 디지털 통합제어장치(30)의 개폐기(31) 접점 제어에 따라 교류 공통모선(32)에 디젤발전기(1)의 전력이 추가로 투입되도록 하는 것으로서, 개폐기(31)의 접점 입력에 따라 디젤발전기(1)가 교류 공통모선(32)의 전압, 주파수 및 위상차를 허용 범위 내로 조정하여 개폐기(31)를 통해 추가로 투입함으로써 디젤발전기(1)가 기존 교류 공통모선(32)에의 외란을 최소화하도록 한다.

83 단계에서 병렬운전 모드가 아닐 경우에는, 디젤발전기(1)는 축전지(4)용 인버터(18)의 운전상태를 검사하여(87) 운전 중이면 이 축전지(4)용 인버터(18)가 교류공통모선(32)의 전압과 주파수를 제어하는 마스터로 운전되고 있다고 판단하여 해당 정전압-정주파수 모드로 전환하여(88) 기동하고 동기투입을 하게 된다(90). 동기투입이 이루어지면 도 4에서 기술한 것처럼 축전지(4)용 인버터(18)는 전압제어에서 전류제어로 모드를 변경하여 운전하게 된다.

병렬운전 모드가 아니면서 축전지(4)용 인버터(18)도 운전되고 있지 않은 상황은 정전 상황이거나 혹은 명령에러로 판단하게 된다(89).

도 6은 도 2의 에너지관리시스템(40)의 발전계획에 의한 운전 사례도의 일례이다.

본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템에서, 24시간 동안의 부하(20) 실측 데이터(100)와 태양 전지(2)에 의한 태양광 발전량(103)을 이용하여 운전을 모의한 경우 축전지(4) 전력량(104)과 디젤발전기(1) 발전량(101)을 함께 나타낸 것이다.

여기에서는 주간 시간대에 축전지(4)를 충전하고 야간 시간대에 방전 운전하는 것을 모의한 것으로서, 주간 시간에는 태양 전지(2) 운전 시작으로 태양광 발전량(103)이 증가하므로 디젤발전기(1) 발전량(101)는 경부하 상태가 되어 연료 효율이 낮아지는 문제가 있기 때문에 효율이 높은 정출력 운전 모드로 운전을 하고 부하에 공급하고 남는 잉여전력을 축전지(4)로 충전하게 된다(104 참조). 축전지(4)를 충전하므로 축전지(4)의 충전율(SOC, State of Charge, 102)는 증가하는 것을 볼 수 있다. 축전지(4)는 충전율(102)이 80%까지 충전을 지속하고 이후는 운전을 정지하는데 이는 충전율(102)의 측정 불확실도로 인해 과충전되는 것을 방지하기 위해서이다. 야간 시간대(또는 부하가 임계치 이하인 경부하 시에)에는 디젤발전기(1)를 운전정지하고(101 참조), 축전지(4)의 방전운전으로 부하(20)에 전력을 공급하게 되며(100 참조) 이때 충전율(102)는 감소하여 20%까지 운전하고 정지하게 되며 이때 다시 디젤발전기(1)이 운전을 재개하는 것을 볼 수 있다. 이 모드의 운전 방식은 야간 경부하 시에 디젤발전기(1)를 정지하여 정숙한 전력공급이 가능한 장점이 있다.

도 7은 도 2의 에너지관리시스템(40)의 발전계획에 의한 운전 사례도의 다른 예이다.

여기서는 주간 시간대에 축전지(4)를 방전하고 야간 시간대에 충전하는 운전방식을 나타낸다. 주간 시간대에 태양전지(2)가 운전 시작으로 태양광발전량(103)이 충분한 출력을 내고 있고 축전지(4)의 충전율(102)이 임계치 이상으로 높을 경우 디젤발전기(1)를 운전 정지하고(101 참조), 태양광발전량(103)과 축전지(4) 전력량(104)으로만 부하(100)에 전력을 공급하는 방식이다. 이때 축전지(4)의 충전율(102)은 최소인 20% 부근까지 혹은 태양광발전(103)이 운전 정지되는 시점까지 운전될 수 있으며 이후 야간 시간대(또는 부하가 임계치 이하인 경부하 시)에는 디젤발전기(1)가 연료효율이 높은 정출력 운전 모드로 부하(100) 전력 공급 잉여분을 축전지(4)에 충전하게 된다. 이 모드 운전은 태양광발전량(103)의 출력을 100% 부하에 공급하고 디젤 발전기(1)을 야간에 고효율 운전하므로 도 6의 운전 방식에 비해 연료소비량이 낮은 장점이 있다.

도 8은 도 2의 축전지(4)용 인버터(18)의 양모드 운전 실시 사례이다.

축전지(4)용 인버터(18)의 운전 모드 전환에 따른 운전 결과를 도시하고 있다. 도 8의 120은 디젤발전기(1)와 축전지(4)용 인버터(18)가 모두 운전 중인 상태에서 디젤발전기(1)가 전환시점(112)에서 운전을 정지할 경우 축전지(4)용 인버터(18)가 전류제어 모드에서 전압제어 모드로 순시적으로 전환되는 과도 상태를 보여주고 있다. 교류공통모선(32)의 전압파형(110)과 인버터(18) 부하전류(111)이 나타나 있는데 디젤발전기(1)가 운전을 정지했음에도 불구하고 전압파형(110)이 전압과 주파수를 잘 유지하는 것을 볼 수 있고 전류파형(111)은 디젤발전기(1)의 운전 정지와 동시에 전체 부하전류를 담당함으로써 증가한 것을 볼 수 있다.

도 8의 130은 반대 과정 즉, 축전지(4)용 인버터(18)가 전압제어모드로서 운전 중인 상태에서 전환시점(113)에 디젤발전기(1)가 동기투입되는 과정을 보여주고 있다. 교류공통모선(32)의 전압 파형(110)은 약간의 전압 감소 후에 규정된 전압 및 주파수로 회복하는 것을 볼 수 있는데 이는 디젤발전기(1)가 부하(20)의 전전류를 분담함으로서 약간의 과도 상태를 거치면서 회복되는 과정을 보여주고 있다. 본 사례에서는 축전지(4)용 인버터(18)는 디젤발전기(1)의 동기투입과 동시에 운전을 정지하고 재기동 운전을 대기하는 상태로 하였기 때문에 인버터(18) 전류파형(111)은 부하전류를 부담하다가 전환시점(113)에서부터는 0 전류로 감소하는 것을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 교류공통모선형 하이브리드 전원 시스템에서는, 자동절체스위치(ATS, automatic transfer switch)를 사용하지 않고도 무정전으로 디젤발전기(1)의 운전과 정지 및 정전압-정주파수 운전모드와 정전력 운전모드의 전환을 통해 병렬운전 및 독립운전으로의 무정전 절환이 가능하게 된다. 또한 태양광, 풍력 등 신재생전원장치들은 계통연계 운전을 하게 되며 축전지(4) 저장장치용 인버터(18)는 계통연계와 독립운전의 양모드 운전이 가능하도록 구성됨으로써, 이를 통하여 디젤발전기(1)의 운전없이도 독립 계통의 전압과 주파수를 일정하게 유지할 수 있게 되며 필요에 따라서 언제든지 디젤발전기(1)는 계통 병입 운전 혹은 정지를 할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1 : 디젤발전기
2 : 태양전지
3 : 풍력발전기
4 : 축전지
5 : 충전기
6 : 태양광발전용 전력변환장치
7 : 풍력발전용 전력변환장치
8 : 직류공통모선
9 : 무정전전원장치
10 : 자동절체스위치
16, 17, 18 : 축전지용 전력변환장치(인버터)
20 : 부하
30 : 디젤발전기용 디지털통합제어장치
31 : 동기투입용 개폐기
32 : 교류공통모선
33 : 통신선로
40 : 에너지관리시스템

Claims (10)

1. 하나 이상의 신재생에너지 발전장치, 연료 발전장치, 및 축전지의 전력을 교류공통모선에 연계하여 별도의 전원 절체장치 없이 무정전으로 상기 교류공통모선에 직접 연결된 부하에 전력을 공급하기 위한 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템으로서,
   상기 연료 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 개폐기; 상기 개폐기의 접점의 온오프 상태를 제어하는 디지털 통합 제어기; 상기 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제1 인버터; 상기 신재생에너지 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제2 인버터; 및
   상기 디지털 통합 제어기를 제어하여 상기 개폐기의 접점이 온오프되도록 제어하여 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력을 제공하도록 제어하거나, 상기 제1 인버터를 제어하여 상기 축전지의 상기 교류공통모선을 통한 충전 또는 방전을 제어하는 에너지관리시스템을 포함하고,
   상기 연료 발전장치 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선으로 제공하는 교류전압을 기준으로 해당 전압과 주파수에 따라 상기 제2 인버터가 중단없이 지속적으로 운전되며,
   상기 제1 인버터는,
   상기 연료 발전장치가 상기 개폐기를 통해 동기 투입 중이면, 계통연계 운전모드에서 전류제어를 수행하고,
   상기 연료 발전장치가 정지 중이면, 정전압-정주파수 모드에서 전압제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 신재생에너지 발전장치는 태양 전지 또는 풍력 발전기 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 축전지가 상기 제1 인버터를 통하여 상기 교류공통모선에 교류전압을 제공하는 동안, 상기 에너지관리시스템이 디지털통합제어장치를 제어하여 상기 개폐기의 스위칭을 제어함으로써, 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선의 전압, 주파수, 및 위상의 허용 범위 내에서 일치되는 발전 전력을 동기투입하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 인버터는,
   상기 개폐기 접점의 온오프 상태에 의해 상기 연료 발전장치의 운전 여부를 판단하되, 상기 개폐기 접점의 오프 상태 시에 그 이전의 시스템 클럭의 한 클럭 전에 상기 연료 발전장치가 운전 중이었던 경우에 상기 계통연계 운전모드에서 상기 정전압-정주파수 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 에너지관리시스템은 상기 부하에 대한 소정의 예측, 및 상기 신재생에너지 발전장치에 대한 소정의 발전 예측을 포함한 발전 계획에 따라 자동적인 상기 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 연료 발전장치는 상기 에너지관리시스템의 제어에 따라,
   상기 신재생에너지 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력 공급 시에 상기 교류공통모선의 전압, 주파수, 및 위상의 허용범위 내에서 일치되는 발전 전력을 동기투입하는 정출력 운전 모드로 병렬 동작하고,
   자체기동 또는 상기 제1 인버터가 상기 교류공통모선의 전압과 주파수를 제어하는 동안에 정전압-정주파수 운전 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 에너지관리시스템의 제어에 따라,
   주간 시간대에 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지가 운전 시작 시에 상기 연료 발전장치를 정출력 운전 모드로 동작시키면서 상기 부하에 공급하고 남는 잉여전력으로 상기 축전지를 충전하고,
   야간 시간대나 경부하 시에 상기 연료 발전장치의 운전을 정지하고 충전된 상기 축전지를 이용해 상기 교류공통모선을 통해 상기 부하로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 에너지관리시스템의 제어에 따라,
   주간 시간대에 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지가 운전 시작 시에 상기 축전지의 충전율이 임계치 이상이면 상기 연료 발전장치의 운전을 정지하고, 상기 축전지와 상기 신재생에너지 발전장치인 태양전지를 이용하여 상기 부하로 전력을 공급하고,
   야간 시간대나 경부하 시에 상기 연료 발전장치를 정출력 운전 모드로 동작시키면서 상기 부하에 공급하고 남는 잉여전력으로 상기 축전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템.
10. 하나 이상의 신재생에너지 발전장치, 연료 발전장치, 및 축전지의 전력을 교류공통모선에 연계하여 별도의 전원 절체장치 없이 무정전으로 상기 교류공통모선에 직접 연결된 부하에 전력을 공급하기 위한 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 연료 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 개폐기; 상기 개폐기의 접점의 온오프 상태를 제어하는 디지털 통합 제어기; 상기 축전지와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제1 인버터; 상기 신재생에너지 발전장치와 상기 교류공통모선 사이에 결합된 계통 연계형 제2 인버터를 이용하며,
    상기 디지털 통합 제어기를 제어하여 상기 개폐기의 접점이 온오프되도록 제어하여 상기 연료 발전장치가 상기 교류공통모선으로 전력을 제공하도록 제어하는 단계; 및
    상기 제1 인버터를 제어하여 상기 축전지의 상기 교류공통모선을 통한 충전 또는 방전을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 연료 발전장치 또는 상기 축전지가 상기 교류공통모선으로 제공하는 교류전압을 기준으로 해당 전압과 주파수에 따라 상기 제2 인버터가 중단없이 지속적으로 운전되며,
    상기 제1 인버터는,
    상기 연료 발전장치가 상기 개폐기를 통해 동기 투입 중이면, 계통연계 운전모드에서 전류제어를 수행하고,
    상기 연료 발전장치가 정지 중이면, 정전압-정주파수 모드에서 전압제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 교류공통모선형 독립형 하이브리드 전원 시스템의 제어 방법.

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