KR101564510B1 - 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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KR101564510B1
KR101564510B1 KR1020140050192A KR20140050192A KR101564510B1 KR 101564510 B1 KR101564510 B1 KR 101564510B1 KR 1020140050192 A KR1020140050192 A KR 1020140050192A KR 20140050192 A KR20140050192 A KR 20140050192A KR 101564510 B1 KR101564510 B1 KR 101564510B1
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손성용
정범진
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가천대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, BESS 시스템 단독으로 주파수 조정을 수행하는 것에 비해 경제적인 주파수 조정 시스템을 구축하기 위한 것으로, 본 발명에 의하면, 주파수 조정을 위해 요구되는 전력을 공급하기 위해, 가동 스케쥴링에 따라 비상발전기를 기동하여 전력계통에 연계시키도록 수용가에 설치되는 비상발전장치와; 주파수 조정 지령에 해당하는 출력값을 일정 수준으로 유지시키도록, 충전 상태의 에너지저장부로부터 우선하여 전력을 방전시키면서 상기 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여 비상발전기 전력으로 전환되도록 제어하는 가상발전장치를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템을 제공한다.

Description

주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 그 방법{System and Method for Serving a Frequency Control under Virtual Power Plant}
본 발명은 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 수용가들이 보유한 비상 발전기와 BESS(Battery Energy Storage System : 배터리 기반의 에너지 저장장치)를 활용한 VPP(Virtual Power Plant : 가상 발전소)에 기반하여, 전력 계통에서 요구하는 주파수로 즉각적으로 조정하기 위해 필요한 전력을 공급하는 주파수 보조 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비상발전기는 정전이나 단선ㆍ단락 등의 전기적 사고 등으로 인하여 상용전원의 공급이 중단되었을 경우 주요 시설물에 대해서 일정시간 사용하기 위한 별도의 전원공급 장치로 정의되고 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 수용가 비상 발전기의 일반적인 구성은 외부 전력 계통에서 수전되는 전력에 대해서 일반 부하와 비상용 부하(소방, 방재 설비 등)로로 구분하고, 비상용 부하에는 자동변환 스위치를 두어 정전 시 자동(또는 수동)으로 변환되어 비상 발전기 계통으로 연결되어 비상 발전기로부터 전력 공급을 받도록 하는 구조를 갖는다.
이러한 ATS 방식은 변환 시에 순간적인 정전이 발생하여 정전과 같은 비상 시에는 문제가 없으나, 전력을 자원화하기 위해 수시로 변환을 하여야 하는 구조에서는 순간 정전으로 인한 수용가의 불편이 커짐에 따라 사용하기 어려운 구조이다.
이를 개선하기 위한 방안으로 도 2에서 보는 바와 같이, 무정전 변환 스위치인 CTTS를 설치하여 계통 전원과 비상 발전기의 전력이 동기화가 이루어 질 때 자동 변환을 하게 하여 수용가 부하의 순간 정전 없이 사용하게 하는 무정전 변환 방식이 도입되고 있다.
그러나 전력 자원화를 위해 필요한 부하는 비상용 부하가 아닌 상시 부하이기 때문에, 일반 부하 중에 일부 부하를 분리하여 비상 발전기에 의해서 공급받는 배선 계통으로 부하 이전을 해주어야 한다.
이와 같은 부하 이전을 위해, 도 3에서 보는 바와 같이, 비상 CTTS/비상 발전기를 기반으로 가상 발전소를 구성하는 방식이 적용된다.
이러한 구성을 통해서 전력 서비스를 할 수 있는 경우는 통상 수요관리 중심의 운용으로 제한된다.
즉, 도 3의 운용은 계통의 요청 또는 VPP 사업자의 판단에 따라서 이루어지는데 주파수조정과 같이 10초 이내의 실시간이 요구되는 것이 아니고 10분이상의 비교적 긴 사전 준비 대응이 가능한 경우를 전제로 한다.
이러한 운용의 단점은 일반 부하 중의 일부를 비상발전기 측의 배선 계통으로 이전하여야 하므로 기축 운용 중인 수용가에서는 정전 공사를 하여야 하는 등의 불편이 발생한다.
이러한 수용가의 불편 사항은 실제 기축 환경에서는 매우 커다란 불편 요인으로 작용하는데, 이는 수용가의 불편에 비해서 수용가가 얻는 이익이 크지 않기 때문이다
한편, 국내 전력 계통 기준 주파수는 60Hz로 전국적으로 동일한데 계통 주파수의 변동 허용 범위는 60±0.2Hz이며, 비상 시 운전 조건만으로 볼 때 계통과 분리된 상태에서 운전하게 되므로 계통 연계를 위한 기능은 지원하고 있지 않은 상황이다.
이때, 계통 주파수가 기준 범위를 넘어가면 전기품질에 악영향을 미치게 되므로 계통운영자는 실시간으로 계통주파수를 60Hz 근처로 보정해야 하는데, 국내 전력 계통에서 0.1Hz의 편차를 보정하기 위해서 필요한 순간 출력은 약 650MW 정도이다.
이를 위해서는 수백 MW의 발전 출력을 주파수 조정명령에 따라 10초 이내로 응답해야 하며 최소 30초 이상 유지할 수 있어야 한다.
이에, BESS(Battery Energy Storage System)는 빠른 응답성과 충, 방전을 쉽게 할 수 있는 장점으로 주파수 보정에 활용할 수 있다.
특히 BESS의 경우 주파수 상승 시 BESS를 충전하고 주파수 하락 시 BESS를 발전함으로써 계통 주파수 조정이 용이하다는 장점이 있는 반면, BESS의 핵심은 이차전지의 경우 응답성이 좋은 이차 전지를 사용해야 하는데 이차전지의 구축 비용이 많이 발생할 뿐만 아니라, 주파수 조정 서비스가 연간 상시 운영되는 것이 아니라 필요 시에만 발생하는 것이므로 비용대비 활용 빈도가 낮으므로 경제성을 확보하기 어려운 단점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수용가에 설치된 다수의 비상 발전기들을 모아서 하나의 가상 발전소로 운영하되, 수용가 비상 발전기로부터 공급되는 전력 주파수를 일정 수준으로 유지하기 위해 속응성이 우수한 밧데리 기반의 에너지 저장장치를 구성하도록 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 본 발명의 목적은, 주파수 조정을 위해 요구되는 전력을 공급하기 위해, 가동 스케쥴링에 따라 비상발전기를 기동하여 전력계통에 연계시키도록 수용가에 설치되는 비상발전장치와; 주파수 조정 지령에 해당하는 출력값을 일정 수준으로 유지시키도록, 충전 상태의 에너지저장부로부터 우선하여 전력을 방전시키면서 상기 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여 비상발전기 전력으로 전환되도록 제어하는 가상발전장치를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템에 의해 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 가상발전장치는, 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하는 주파수조정지령부와; 전달된 주파수 조정 지령을 수신하는 통신부와; 상기 주파수 조정 지령에 따라 에너지저장부와 비상발전장치를 제어하여 전력 출력량을 일정하게 유지시키는 주파수보조 서비스서버와; 상기 주파수보조 서비스서버의 명령에 따라 충전 전력을 방전하고, 방전을 중지한 후 다시 전력계통으로부터 전력을 공급받아 충전모드로 전환하는 배터리 기반의 에너지 저장수단인 에너지저장부와; 상기 에너지저장부의 발전량을 검침하는 계량기를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 주파수보조 서비스서버는, 에너지저장부의 구동과 충전 및 출력량을 제어하는 에너지저장부 구동부와; 비상발전장치로부터 비상발전기의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하고, 비상발전기의 가동에 따른 실제 유효 발전 출력값을 전달받아 분석하는 전력정보 분석부와; 분석된 수용가별 비상발전기들의 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치들의 가동 스케쥴링을 수립하는 스케쥴링 수립부와; 생성된 스케쥴링 정보에 따라 해당 비상발전장치의 비상발전기 가동 지령을 생성하여 전달하는 비상발전기 가동부와; 비상발전기가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 상기 전력정보 분석부로부터 분석된 유효 발전 출력값을 전달받아 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값을 제어하는 출력량 제어부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 비상발전장치는, 가상발전장치의 주파수보조 서비스서버와 비상발전장치와의 통신을 위해 구성되는 통신부와; 상기 통신부를 통해 주파수보조 서비스서버의 명령을 원격으로 전달받아 비상발전기로 회로를 연계시키는 제1 자동부하 변환수단과; 상기 제1 자동부하 변환수단의 변환에 따라 비상발전기로 회로를 연계시키는 제2 자동부하 변환수단과; 비상발전장치의 발전량을 검침하여 전력정보를 생성하는 계량기와; 상기 주파수보조 서비스서버의 명령에 따라 전력계통에 연결되어 전력을 출력하는 비상발전기를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 목적은, 주파수조정지령부가 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하여 통신부에 전달하는 주파수 조정 지령 단계와; 상기 통신부를 통해 주파수 조정 지령을 전달받은 주파수보조 서비스서버가 에너지저장부를 전력계통에 연결시켜 전력을 방전하는 에너지저장부 전력 방전 단계와; 주파수보조 서비스서버가 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여, 상기 가동 스케쥴링에 따라 비상발전장치의 비상발전기를 제어하는 비상발전장치 가동 단계와; 비상발전기가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 주파수보조 서비스서버의 출력량 제어부가 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값을 제어하는 출력값 제어 단계와; 비상발전기의 정상 출력 시점 이후, 에너지저장부 구동부가 에너지저장부의 방전을 정지시켜 전력계통으로의 전력 유입을 차단하는 에너지저장부 방전 정지 단계와; 에너지저장부 구동부가 에너지저장부를 충전 모드로 전환시키는 에너지저장부 충전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법에 의해 달성된다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 비상발전장치 가동 단계는, 주파수보조 서비스서버의 전력정보 분석부가 각 비상발전장치들의 계량기로부터 비상발전기의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하는 전력정보 분석 단계와; 주파수보조 서비스서버의 스케쥴링 수립부가 분석된 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치들의 가동 스케쥴링을 수립하는 스케쥴링 수립 단계와; 비상발전기 가동부가 상기 가동 스케쥴링에 따라 해당 비상발전장치의 가동 지령을 생성하여 전달하는 비상발전기 가동 지령 단계와; 비상발전장치의 통신부를 통해 무선으로 전달된 가동 지령에 따라 원격 제어 가능한 제1 자동부하 변환수단 및 제2 자동부하 변환수단이 회로를 변환하여 비상발전기를 전력계통에 연계시키는 비상발전기 접속 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 출력값 제어 단계는, 주파수보조 서비스서버의 전력정보 분석부가 수용가단에 설치된 통신부를 통해서 계량기로부터 측정되는 비상발전기의 실제 유효 발전 출력값을 전달받는 단계와; 전체 유효 출력값이 주파수조정지령부로부터 지령된 출력값을 유지하기 위해, 출력량 제어부가 비상발전기의 정상 출력될 때까지 지속적으로 에너지저장부의 출력값을 낮추도록 해당 전력값을 에너지저장부 구동부에 지령하는 단계와; 에너지저장부 구동부가 에너지저장부의 전력값을 점차적으로 낮추도록 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
따라서 상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 방법은, BESS 시스템 단독으로 주파수 조정을 수행하는 것에 비해 경제적인 주파수 조정 시스템 구축이 가능하다.
또한 10초 이내의 실시간 응답성이 요구되므로 보조 서비스 중에서 편익이 비교적 높게 나타나며, 수요 관리 모델 중심의 가상 발전소 운용과는 달리 상시 부하에 대해서는 변경 사항이 없고 평상시 가동-중지 상태인 비상 발전기 및 발전기 전력 계통에 대해서만 변경이 이루어지므로 수용가의 불편이 최소화된다.
도 1은 수용가 비상 발전기의 일반적인 구성도,
도 2는 CTTS 방식을 사용한 수용가 비상 발전기의 구성도,
도 3은 가상 발전소 개념의 수용가 비상 발전기의 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템의 전체 구성도,
도 5는 도 4의 주파수보조 서비스서버의 상세 구성도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 지령을 받은 후의 에너지 저장수단의 동작 곡선,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 지령을 받은 후의 전체 발전 출력량 곡선,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법에 따른 전체 순서도,
도 9는 도 8의 비상발전장치 가동 단계의 상세 순서도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템 및 그 운용 방법의 실시예를 첨부되는 도면들을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템의 전체 구성도이고, 도 5는 도 4의 주파수보조 서비스서버의 상세 구성도이다.
또한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 지령을 받은 후의 에너지 저장수단의 동작 곡선이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 지령을 받은 후의 전체 발전 출력량 곡선이다.
또한 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법에 따른 전체 순서도이며, 도 9는 도 8의 비상발전장치 가동 단계의 상세 순서도이다.
도 4는 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템의 구성을 도시하고 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템은 가상발전장치(100)와 비상발전장치(200)로 구성된다.
상기 가상발전장치(100)는 수용가에 설치된 다수의 상기 비상발전장치(200)들을 모아서 하나의 발전소처럼 운영하고자 하는 개념으로 스마트 그리드와 같이 정보 통신과 전력과의 융합 환경에서 새롭게 도입된 개념이다.
또한, 가상 발전장치(100)는 신재생에너지, 에너지 저장장치, 비상발전기 등의 분산자원을 모아서 하나의 발전소처럼 운영하고자 하는 것으로 기존의 수요반응을 포함하는 포괄적인 개념으로, 수요 측 전력 자원을 발전 자원과 대등하게 인정하여 활용하고자 하는 의미를 포함하고 있다.
통상적인 기술적 관점에서 가상발전장치(100)인 VPP(Virtual Power Plant)는 '다수의 분산전원을 모아 하나의 가상의 발전소로 운영하는 시스템'으로 이해되고 기술과 시장관점에서는'분산 자원을 실시간으로 연계하여 이를 모아서 거래 가능하도록 하는 시스템 또는 체계'로 정의되기도 한다.
이때, 가상 발전장치(100)를 운용하고자 하는 사업자는 전력 거래를 위한 수용가의 전력 자원을 전력 거래 서비스 형태에 맞추어 가상 발전소 환경에 맞도록 구성하여야 한다.
이를 위해, 전력 계통의 주파수를 유지하기 위한 주파수 조정 보조 서비스는 계통을 안정하게 유지하기 위해 필요한 것으로, 실시간으로 변하는 전력계통 주파수에 계통 운영자의 지시에 따라 즉각적으로 주파수를 일정 수준으로 유지하기 위해 필요한 전력을 공급하기 위한 서비스이다.
또한 이를 위해서 속응성이 우수한 전력 공급 장치가 필요한데 본 발명에서는 가상 발전소 개념 중에서도 속응성이 우수한 밧데리 기반의 에너지 저장장치(BESS:Battery Energy Storage System)와 수용가의 비상용 발전기에 기반한 가상 발전소를 통하여 주파수 조정 보조 서비스를 제공하는 시스템 구성 및 운용 방법을 제시하고자 한다.
보다 구체적으로, 상기 가상발전장치(100)는 주파수조정지령부(110), 통신부(120), 주파수보조 서비스서버(130), 에너지저장부(140), 계량기(150)를 포함하여 구성된다.
상기 주파수조정지령부(110)는 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하여 이를 통신부(120)에 전달하는 역할을 한다.
이때 상기 주파수조정지령부(110)는 통상 주파수 조정이 실시간으로 이루어져야 하는 상황을 고려하여, 수동이 아닌 계통 상황에 따른 자동 지령이 내려지도록 한다.
상기 통신부(120)는 전달된 주파수 조정 지령을 수신하여 이를 주파수보조 서비스서버(130)에 전달한다.
상기 통신부(120)는 가상발전장치(100) 내에 설치된 RTU(Remote Terminal Unit)이며, 전력계통 운용자간의 표준 통신 프로토콜을 지원하는 전용의 통신 단말장치이다.
상기 주파수보조 서비스서버(130)는 전력 출력량을 파악한 후, 상기 출력량에 따라 우선적으로 에너지저장부(140)의 전력을 방전하면서 전력계통의 출력량을 일정하게 유지하도록 제어하며, 이와 동시에 비상발전장치(200)의 현 시점에서의 가용한 전력을 조사하여 그에 적절한 가동 스케쥴링을 수립하며, 상기 가동 스케쥴링에 따라 해당 수용가의 비상발전장치(200)를 제어한다.
즉, 상기 주파수보조 서비스서버(130)는 에너지저장부(140)의 전력을 방전하면서 비상발전장치(200)의 전력을 사용하도록, 에너지저장부(140)의 방전 출력을 낮춤과 동시에 기동된 비상발전장치(200)를 전력 계통에 연계하도록 제어한다.
이때 주파수보조 서비스서버(130)는 비상발전장치(200)의 원격 제어 가능한 제1 자동부하 변환수단(250)을 제어해서 전력계통에 접속시키게 된다.
이를 위해 상기 주파수보조 서비스서버(130)는 도 5에서 보는 바와 같이, 에너지저장부 구동부(131), 스케쥴링 수립부(132), 전력정보 분석부(133), 비상발전기 가동부(34), 출력량 제어부(135)를 포함하여 구성한다.
상기 에너지저장부 구동부(131)는 에너지저장부(140)를 구동시키기 위한 컨트롤러이며, 주파수 조정 지령에 따라 에너지저장부(140)를 구동시키고, 출력량 제어부(135)의 출력량에 따라 에너지저장부(140)의 출력량을 제어하며 에너지저장부(140)의 전력 공급 정지에 따라 에너지저장부(140)를 충전모드로 전환시킨다.
상기 스케쥴링 수립부(132)는 분석된 수용가별 비상발전기(230)들의 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치(200)들의 가동 스케쥴링을 수립한다.
상기 전력정보 분석부(133)는 각 비상발전장치(200)들의 계량기(220)로부터 비상발전기(230)의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하고, 비상발전기(230)의 가동에 따른 실제 유효 발전 출력값을 전달받아 분석한다.
상기 비상발전기 가동부(134)는 생성된 스케쥴링 정보에 따라 해당 비상발전장치(200)의 가동 지령을 생성하여 전달한다.
상기 출력량 제어부(135)는 상기 전력정보 분석부(133)로부터 분석된 출력값을 전달받아 제어부에너지저장부(140)의 출력값과 비상발전기(230)의 출력값을 제어하여, 비상발전기(230)가 최소 기동한 후 정상로 출력할 때까지 에너지저장부(140)의 출력값과 비상발전기(230)의 출력값 합이 일정하게 유지되도록 한다.
보다 구체적으로, 상기 출력량 제어부(135)는 전체 유효 출력값이 주파수조정지령부(110)로부터 지령된 출력값을 유지하기 위해 비상발전기(230)가 정상 출력될 때까지 지속적으로 에너지저장부(140)의 출력값을 낮추도록 해당 전력값을 에너지저장부 구동부(131)에 지령한다.
상기 계량기(150)는 상기 에너지저장부(140)의 발전량을 검침한다.
상기 에너지저장부(140)는 주파수보조 서비스서버(130)의 명령에 따라 충전 전력을 방전하고, 방전을 중지한 후 다시 전력계통으로부터 전력을 공급받아 충전모드로 전환하도록 하는 밧데리 기반의 에너지 저장수단(BESS : Battery Energe Storige System)으로 구성된다.
상기 에너지저장부(140)는 가상발전장치(100)의 주파수보조 서비스서버(130)로부터 직접 제어를 받게 되므로, 빠른 응답 특성에 따라 지령 받은 시각으로부터 방전을 통해서 신속히 계통에서 원하는 전력 출력을 하게 된다.
즉, 도 6에서 보는 바와 같이, 계통 운영자로부터의 주파수 조정에 대한 지령을 받았을 때, 가상발전장치(100) 사업자에 설치된 에너지저장부(140)의 운전 곡선은 다음과 같다.
PFR(T0) : 시각 T0에서 주파수 조정을 위한 출력 요구 용량(kW)
T1 : 주파수 조정 지령 수신 시각으로부터 에너지저장부의 정격 방전할 때까지의 시각
T2 : 가상발전장치에 연계된 비상발전장치의 최소 기동 및 정상 출력 대기 시각
T3 : 가상발전장치에 연계된 비상발전장치의 최대 기동 및 정상 출력 대기 시각
Bkw(t) : 시간 t에서 에너지저장부의 방전값
상기 에너지저장부(140)는 응속이 빠른 장점이 있는 반면, 핵심 요소인 이차전지의 가격이 비싸다는 단점으로 인해 장시간 방전을 유지하는 것이 부담스러운 측면이 있으며, 가상발전장치(100) 사업자의 지령에 따라 기동되는 비상발전장치(200)가 운전되기 시작하는 시각 이후부터는 출력 제어를 통해 방전율을 조정하게 되고 비상발전장치(200)가 모두 가동되는 시각 이후에는 방전을 중지하게 되며, 전력계통으로부터 전력을 공급받아 충전 모드로 전환되도록 한다.
상기 비상발전장치(200)는 수용가에 설치되어 있으며, 정전 및 화재 시의 비상 상황 발생 시 계통 전원으로부터 분리 운전되어 소방, 방재 설비에 필요한 전력을 공급하는 별도의 전원 공급 장치이다.
이를 위해 상기 비상발전장치(200)는 통신부(210), 계량기(220), 비상발전기(230), 인버터장치(240), 제1 자동부하 변환수단(250), 제2 자동부하 변환수단(260)을 포함하여 구성된다.
상기 통신부(210)는 가상발전장치(100)의 주파수보조 서비스서버(130)와 비상발전장치(200)와의 통신을 위해 구성되는 RTU(Remote Terminal Unit)이다.
보다 구체적으로 상기 통신부(210)는 주파수보조 서비스서버(130)로부터 제어 명령을 전달받아 자동부하 변환수단에 전달하며, 상기 비상발전장치(200)의 비상 발전 출력 상황정보를 전달받아 이를 주파수보조 서비스서버(130)로 전달한다.
상기 인버터장치(240)는 추가되는 계통을 연계시키기 위한 장치이다.
상기 자동부하 변환수단들은 개방형 변환 방식인 ATS(Automatic Transfer Switch)이며, 상기 통신부(210)를 통해 주파수보조 서비스서버(130)의 명령을 원격으로 전달받아 회로를 변환 혹은 연계시키도록 제1 자동부하 변환수단(250)과 제 2 자동부하 변환수단(260)으로 구성된다.
상기 계량기(220)는 비상발전장치(200)의 가동 시각과 발전량을 검침하기 위한 장치이며, 실제 유효 발전 출력값을 측정하여 비상발전 출력 상황 정보로 생성하고, 이를 통신부(210)를 통해 주파수보조 서비스서버(130)로 전달한다.
이때, 상기 계량기(220)는 주파수 보조 서비스 정산을 위한 계량기이므로 사설 계량기가 아닌 전력계통 운영자가 인정하는 법정 계량기이다. (가상발전장치(100)에 설치된 계량기 역시 별도의 법정 계량기이다.)
상기 비상발전기(230)는 기동 시간이 통상 30초 이내이므로, 원격 지령을 받은 후 30초 이내에는 원격의 가상발전장치(100) 사업자가 설정한 출력이 가능한 상태에 도달하게 된다.
이때 각 수용가별 비상발전기(230)들의 출력의 합은 주파수 보조 서비스를 위해 계통주파수조정지령부(110)가 생성한 주파수 조정 지령의 출력값과 오차범위 내에서 동일하게 유지하도록 한다.
이때, 비상발전기(230)들로 전환이 되는 과정 및 완전 전환된 이후에도 가상발전장치(100)의 주파수보조 서비스서버(130)는 수용가단에 설치된 통신부(210)를 통해서 계량기(220)로부터 측정되는 실제 유효 발전 출력값을 전달받음으로써, 전체 유효 출력값이 주파수조정지령부(110)로부터 지령된 출력값을 유지할 수 있도록 지속적으로 비상발전장치(200)의 출력 제어를 수행하도록 한다.
따라서, 비상발전기(230)의 운전 특성은 도 7에서 보는 바와 같이, 가상발전장치(100)의 주파수 조정 지령에 의해서 기동 명령을 수신한 후 발전기 특성에 따라 순차적으로 기동하게 된다.
상기 비상발전기(230)가 최소 기동 및 정상 출력 대기 시간인 T2 이후부터는 전력계통으로 비상발전기(230)가 발전한 전력이 유입되므로 가상발전장치(100)에서는 발전기 출력량을 실시간으로 감시하여 발전되는 양 만큼에 대해서 에너지저장부(140)의 출력을 감소시키게 된다.
또한 모든 비상발전기(230)의 정상 출력이 가능한 T3 이후에는 가상발전장치(100)의 에너지저장부(140) 방전을 정지시키도록 하여 전력계통으로의 전력 유입을 차단한다.
따라서 에너지저장부의 충전 용량(kWh)는 다음의 관계식을 충족해야 한다.
Figure 112014039907344-pat00001
여기서,
BkW : BESS의 출력정격(kW)
BkWh: BESS의 충전용량(kWh)
통상적으로 비상발전장치(200)의 대기 상태에서 60초정도 이내면 기동 후 정상 출력이 가능하므로 비상발전장치(200)의 최대 기동 및 정상 출력 대기 시각 T3를 1분 내외라고 하면 주파수 조정을 위한 에너지저장부(140)는 충전용량이 1분 내외 될 것이다.
이는 BESS 단독으로 이루어진 주파수 조정 시스템에 비해서 최소 1/30~1/60정도의 이차전지 스택만이 있으면 되므로 에너지저장부(140)를 구축하기 위한 비용이 대폭 감소되는 것이다.
이때 가상발전장치(100)를 운용하는 사업자는 주파수 조정 서비스의 전 과정에 대해서 가상발전장치(100) 계량기(150)와 비상발전기 참여 수용가에 설치된 전용 계량기(220)를 통해서 에너지저장부(140) 방전 및 비상발전기(230) 발전량을 검침하여 이를 근거로 하여 계통 운용자에게 주파수 보조 서비스 이행에 대한 정산 자료로 활용하게 된다.
주파수 조정 기간이 모두 종료되는 이후, 에너지저장부(140)는 다시 충전 모드로 전환되도록 한다.
도 8은 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법의 순서도를 도시하고 있다.
도 8에서 보는 바와 같이, 우선 주파수조정지령부(110)가 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하여 이를 통신부(120)에 전달하는 주파수 조정 지령 단계(S100)를 수행한다.
상기 주파수 조정 지령 단계(S100)에 있어서, 상기 주파수조정지령부(110)는 통상 주파수 조정이 실시간으로 이루어져야 하는 상황을 고려하여, 수동이 아닌 계통 상황에 따른 자동 지령이 내려지도록 한다.
이때 상기 통신부(120)는 전달된 주파수 조정 지령을 수신하여 이를 주파수보조 서비스서버(130)에 전달한다.
상기 주파수 조정 지령 단계(S100)를 수행함에 따라, 주파수 조정 지령을 전달받은 상기 주파수보조 서비스서버(130)가 에너지저장부(140)를 전력계통에 연결시켜 주파수 조정 지령의 출력값에 따라 전력을 방전하는 에너지저장부 전력 방전 단계(S200)를 수행한다.
상기 에너지저장부 전력 방전 단계(S200)에 있어서, 주파수보조 서비스서버(130)의 전력정보 분석부(133)가 주파수 조정 지령의 전력 출력량을 파악한 후 전력 출력량에 따라 에너지저장부 구동부(131)기 우선적으로 에너지저장부(140)의 전력을 방전하면서 전력 출력량을 일정하게 유지하도록 제어한다.
상기 에너지저장부 전력 방전 단계(S200)를 수행함에 따라, 에너지저장부(140)의 전력이 방전됨과 동시에 주파수보조 서비스서버(130)가 비상발전장치(200)의 현 시점에서의 가용한 전력을 조사하여 그에 적절한 가동 스케쥴링을 수립한 후, 상기 가동 스케쥴링에 따라 해당 수용가의 비상발전장치(200)를 제어하는 비상발전장치 가동 단계(S300)를 수행한다.
상기 비상발전장치 가동 단계(S300)에 있어서, 상기 주파수보조 서비스서버(130)는 에너지저장부(140)의 전력을 방전하면서 비상발전장치(200)의 전력을 사용하도록, 에너지저장부(140)의 방전 출력을 낮춤과 동시에 기동된 비상발전장치(200)를 전력 계통에 연계하도록 제어한다.
이를 위해 도 9에서 보는 바와 같이 우선, 주파수보조 서비스서버(130)는 수용가별 비상발전기(230)들의 가용 전력을 분석하도록, 주파수보조 서비스서버(130)의 전력정보 분석부(133)가 각 비상발전장치(200)들의 계량기(220)로부터 비상발전기의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하는 전력정보 분석 단계(S310)를 수행한다.
상기 전력정보 분석 단계(S310)를 수행한 후, 주파수보조 서비스서버(130)의 스케쥴링 수립부(132)가 분석된 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치(200)들의 가동 스케쥴링을 수립하는 스케쥴링 수립 단계(S320)를 수행한다.
상기 스케쥴링 수립 단계(S320)를 수행하여, 생성된 스케쥴링에 따라 비상발전기 가동부(134)가 해당 비상발전장치(200)의 가동 지령을 생성하여 전달하는 비상발전기 가동 지령 단계(S330)를 수행한다.
이에 따라, 상기 비상발전장치(200)의 통신부(210)는 전달된 가동 지령을 원격 제어 가능한 제1 자동부하 변환수단(250)에 전달하고, 제1 자동부하 변환수단(250)이 회로를 변환함으로써 비상발전기(230)를 전력계통에 접속시키는 비상발전기 접속 단계(S340)를 수행하도록 한다.
이때 제2 자동부하 변환수단(260)도 비상발전기(230) 측으로 회로를 연계시켜, 비상용부하(270)가 비상발전기(230)로부터 전력을 공급받도록 한다.
상기 비상발전장치 가동 단계(S300)에 의해 수용가의 비상발전기(230)를 가동시킨 상태에서, 비상발전기(230)가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부(140)의 출력값과 비상발전기(230)의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 주파수보조 서비스서버(130)의 출력량 제어부(135)가 에너지저장부(140)의 출력값과 비상발전기(230)의 출력값을 제어하는 출력값 제어 단계(S400)를 수행한다.
상기 출력값 제어 단계(S400)에서는, 주파수보조 서비스서버(130)의 전력정보 분석부(133)가 수용가단에 설치된 통신부(210)를 통해서 계량기(220)로부터 측정되는 비상발전기(230)의 실제 유효 발전 출력값을 전달받고, 출력량 제어부(135)는 전체 유효 출력값이 주파수조정지령부(110)로부터 지령된 출력값을 유지하기 위해 비상발전기(230)의 정상 출력될 때까지 지속적으로 에너지저장부(140)의 출력값을 낮추도록 해당 전력값을 에너지저장부 구동부(131)에 지령하고, 이에 따라 에너지저장부 구동부(131)는 에너지저장부(140)의 전력값을 점차적으로 낮추도록 한다.
상기 출력값 제어 단계(S400)를 수행함에 따라, 모든 비상발전기(230)의 정상 출력이 가능한 시점 이후, 가상발전장치(100)의 에너지저장부(140) 방전을 정지시키도록 하여 전력계통으로의 전력 유입을 차단하는 에너지저장부 방전 정지 단계(S500)를 수행한다.
상기 에너지저장부 방전 정지 단계(S500)에 의해, 주파수 조정이 모두 종료되는 이후, 에너지저장부 구동부(131)가 에너지저장부(140)를 충전 모드로 전환시키는 에너지저장부 충전 단계(S600)를 수행함으로써 본 발명의 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법의 전 과정을 종료하게 된다.
이하 본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 가상발전장치 110 : 주파수조정지령부
120 : 통신부 130 : 주파수보조 서비스서버
140 : 에너지저장부 150 : 계량기
200 : 비상발전장치 210 : 통신부
220 : 계량기 230 : 비상발전기
240 : 인버터 250 : 제1 자동부하 변환수단
260 : 제2 자동부하 변환수단 270 : 비상용부하

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 주파수 조정을 위해 요구되는 전력을 공급하기 위해, 가동 스케쥴링에 따라 비상발전기를 기동하여 전력계통에 연계시키도록 수용가에 설치되는 비상발전장치와;
    주파수 조정 지령에 해당하는 출력값을 일정 수준으로 유지시키도록, 충전 상태의 에너지저장부로부터 우선하여 전력을 방전시키면서 상기 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여 비상발전기 전력으로 전환되도록 제어하는 가상발전장치를 포함하여 구성되고,
    상기 가상발전장치는,
    계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하는 주파수조정지령부와;
    전달된 주파수 조정 지령을 수신하는 통신부와;
    상기 주파수 조정 지령에 따라 에너지저장부와 비상발전장치를 제어하여 전력 출력량을 일정하게 유지시키는 주파수보조 서비스서버와;
    상기 주파수보조 서비스서버의 명령에 따라 충전 전력을 방전하고, 방전을 중지한 후 다시 전력계통으로부터 전력을 공급받아 충전모드로 전환하는 배터리 기반의 에너지 저장수단인 에너지저장부와;
    상기 에너지저장부의 발전량을 검침하는 계량기를 포함하여 구성되며,
    상기 주파수보조 서비스서버는,
    에너지저장부의 구동과 충전 및 출력량을 제어하는 에너지저장부 구동부와;
    비상발전장치로부터 비상발전기의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하고, 비상발전기의 가동에 따른 실제 유효 발전 출력값을 전달받아 분석하는 전력정보 분석부와;
    분석된 수용가별 비상발전기들의 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치들의 가동 스케쥴링을 수립하는 스케쥴링 수립부와;
    생성된 스케쥴링 정보에 따라 해당 비상발전장치의 비상발전기 가동 지령을 생성하여 전달하는 비상발전기 가동부와;
    비상발전기가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 상기 전력정보 분석부로부터 분석된 유효 발전 출력값을 전달받아 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값을 제어하는 출력량 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템.
  4. 주파수 조정을 위해 요구되는 전력을 공급하기 위해, 가동 스케쥴링에 따라 비상발전기를 기동하여 전력계통에 연계시키도록 수용가에 설치되는 비상발전장치와;
    주파수 조정 지령에 해당하는 출력값을 일정 수준으로 유지시키도록, 충전 상태의 에너지저장부로부터 우선하여 전력을 방전시키면서 상기 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여 비상발전기 전력으로 전환되도록 제어하는 가상발전장치를 포함하여 구성되며,
    상기 비상발전장치는,
    가상발전장치의 주파수보조 서비스서버와 비상발전장치와의 통신을 위해 구성되는 통신부와;
    상기 통신부를 통해 주파수보조 서비스서버의 명령을 원격으로 전달받아, 비상발전기로 회로를 연계시키는 제1 자동부하 변환수단과;
    상기 제1 자동부하 변환수단의 변환에 따라 비상발전기로 회로를 연계시키는 제2 자동부하 변환수단과;
    비상발전장치의 발전량을 검침하여 전력정보를 생성하는 계량기와;
    상기 주파수보조 서비스서버의 명령에 따라 전력계통에 연결되어 전력을 출력하는 비상발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 주파수조정지령부가 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하여 통신부에 전달하는 주파수 조정 지령 단계(S100)와;
    상기 통신부를 통해 주파수 조정 지령을 전달받은 주파수보조 서비스서버가 에너지저장부를 전력계통에 연결시켜 전력을 방전하는 에너지저장부 전력 방전 단계(S200)와;
    주파수보조 서비스서버가 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여, 상기 가동 스케쥴링에 따라 비상발전장치의 비상발전기를 제어하는 비상발전장치 가동 단계(S300)와;
    비상발전기가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 주파수보조 서비스서버의 출력량 제어부가 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값을 제어하는 출력값 제어 단계(S400)와;
    비상발전기의 정상 출력 시점 이후, 에너지저장부 구동부가 가상발전장치의 에너지저장부 방전을 정지시켜 전력계통으로의 전력 유입을 차단하는 에너지저장부 방전 정지 단계(S500)와;
    에너지저장부 구동부가 에너지저장부를 충전 모드로 전환시키는 에너지저장부 충전 단계(S600)를 포함하며,
    상기 비상발전장치 가동 단계(S300)는,
    주파수보조 서비스서버의 전력정보 분석부가 각 비상발전장치들의 계량기로부터 비상발전기의 전력정보를 전달받아 가용 전력을 분석하는 전력정보 분석 단계(S310)와;
    주파수보조 서비스서버의 스케쥴링 수립부가 분석된 가용 전력정보에 따라 수용가별 비상발전장치들의 가동 스케쥴링을 수립하는 스케쥴링 수립 단계(S320)와;
    비상발전기 가동부가 상기 가동 스케쥴링에 따라 해당 비상발전장치의 가동 지령을 생성하여 전달하는 비상발전기 가동 지령 단계(S330)와;
    비상발전장치의 통신부를 통해 무선으로 전달된 가동 지령에 따라, 원격 제어 가능한 제1 자동부하 변환수단 및 제2 자동부하 변환수단이 회로를 변환하여 비상발전기를 전력계통에 연계시키는 비상발전기 접속 단계(S340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법.
  7. 주파수조정지령부가 계통 상황에 따른 주파수 조정 지령을 생성하여 통신부에 전달하는 주파수 조정 지령 단계(S100)와;
    상기 통신부를 통해 주파수 조정 지령을 전달받은 주파수보조 서비스서버가 에너지저장부를 전력계통에 연결시켜 전력을 방전하는 에너지저장부 전력 방전 단계(S200)와;
    주파수보조 서비스서버가 비상발전장치의 가동 스케쥴링을 수립하여, 상기 가동 스케쥴링에 따라 비상발전장치의 비상발전기를 제어하는 비상발전장치 가동 단계(S300)와;
    비상발전기가 최소 기동한 후 정상 출력할 때까지 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값 합이 일정하게 유지되도록, 주파수보조 서비스서버의 출력량 제어부가 에너지저장부의 출력값과 비상발전기의 출력값을 제어하는 출력값 제어 단계(S400)와;
    비상발전기의 정상 출력 시점 이후, 에너지저장부 구동부가 가상발전장치의 에너지저장부 방전을 정지시켜 전력계통으로의 전력 유입을 차단하는 에너지저장부 방전 정지 단계(S500)와;
    에너지저장부 구동부가 에너지저장부를 충전 모드로 전환시키는 에너지저장부 충전 단계(S600)를 포함하며,
    상기 출력값 제어 단계(S400)는,
    주파수보조 서비스서버의 전력정보 분석부가 수용가단에 설치된 통신부를 통해서 계량기로부터 측정되는 비상발전기의 실제 유효 발전 출력값을 전달받는 단계와;
    전체 유효 출력값이 주파수조정지령부로부터 지령된 출력값을 유지하기 위해, 출력량 제어부가 비상발전기의 정상 출력될 때까지 지속적으로 에너지저장부의 출력값을 낮추도록 해당 전력값을 에너지저장부 구동부에 지령하는 단계와;
    에너지저장부 구동부가 에너지저장부의 전력값을 점차적으로 낮추도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 조정 서비스를 위한 가상 발전 방법.
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