KR101644522B1 - Ac 마이크로그리드 3상부하에서의 전력 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신재생에너지전원, 에너지저장장치, 디젤발전기 및 풍력발전기를 포함하여 구성되는 분산전원을 이용한 독립형 마이크로그리드에서 각 선간부하의 수요 전력 및 기저전력에 근거하여 디젤발전기의 최소 운전조건을 산출하고, 상기 디젤발전기의 최소 운전조건에 따라 선간 수요 전력 중 공급되는 평균전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 선간 수요 전력의 실시간 부족분에 대해서는 기저전력에서 해당 선간부하로 실시간으로 추가 공급하도록 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템은 디젤발전기, 풍력발전기, 태양광발전기 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원; 상기 분산전원을 전력계통에 연결하여 전력을 공급하는 AC 그리드; 및 전력 분배장치에서 공급되는 각 선간부하에서의 선간 수요 전력을 검출하여 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS)을 포함하고, 상기 전력관리시스템(PMS)은 상기 검출된 각 선간부하에서의 선간 수요 전력과 기저전력에서 공급할 수 있는 최대 전력에 근거하여 상기 디젤발전기의 출력 전력을 산출하고, 상기 선간 수요 전력 중 상기 디젤발전기에서 출력되어 각각 분배 공급되는 전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 해당 선간 수요 전력의 부족분은 상기 기저전력에서 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

AC 마이크로그리드 3상부하에서의 전력 공급 시스템{POWER SUPPLY SYSTEM OF AC MICROGRID THREE PHASE}

본 발명은 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 신재생에너지전원, 에너지저장장치, 디젤발전기 및 풍력발전기를 포함하여 구성되는 분산전원을 이용한 독립형 마이크로그리드에서 각 선간부하의 수요 전력 및 기저전력에 근거하여 디젤발전기의 최소 운전조건을 산출하고, 상기 디젤발전기의 최소 운전조건에 따라 선간 수요 전력 중 공급되는 평균전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 선간 수요 전력의 실시간 부족분에 대해서는 기저전력에서 해당 선간부하로 실시간 추가 공급하도록 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 관한 것이다.

도서지방이나, 오지 등과 같이 광역적 전력공급이 어려운 지역에서는 풍력발전기, 태양광발전기 등과 에너지저장장치를 이용하여 기존의 전력망과 독립된 형태의 마이크로그리드 전력망이 많이 사용되고 있다.

이러한 마이크로그리드 전력망은 연계방식에 따라 교류로 연결한 AC 마이크로그리드와 직류로 연결한 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다.

상기 AC 마이크로그리드는 기존의 배전망을 그대로 활용하는 장점이 있으나, 동기화, 안정도, 무효전력 문제를 야기한다. 반면 DC 마이크로그리드는 동기화, 안정도, 무효전력에 대한 문제가 없고, 각 전원에서 생산되는 전력을 연계함에 있어 2단계 전력변환이 필요 없어 시스템의 손실과 비용이 적은 장점이 있다.

이러한 독립형 마이크로그리드는 기존 전력망과 단절되어 독립적으로 운영되므로 운영 시에 전력균형을 유지하는 것이 가장 중요한 요소이자 신뢰도를 결정짓는 기술이 된다.

도 1은 AC 마이크로그리드 시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로, 태양광발전((PV, photovoltaic), 10), 에너지저장장치(ESS(energy storage system), 20), 디젤 발전(D/G(diesel generator), 30), 풍력 발전(W/G(wind generator), 40), 소수력발전(50) 및 플라이휠 저장장치(FES, Flywheel Energy Storage)를 포함하여 분산전원이 AC 그리드에 연결되어 수용가에 전력을 공급할 수 있음을 보여주고 있다.

이때, 분산전원 중에서 태양광발전(10) 및 에너지저장장치(20)의 경우 DC 전원을 AC로 변환하는 DC/AC 인버터가 구비되며, 상기 AC 그리드는 3상의 전력을 단상으로 분배하여 부하에 전력을 공급하게 된다.

도 2는 AC 그리드의 3상 전력을 단상으로 공급하는 배선 결선에 대한 개략적인 구성도를 나타낸 것으로서, 3상의 전력을 수용가 측에 단상으로 공급하기 위한 구성도이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 3상 4선식(R, S, T 및 N)의 경우 수용가에서 필요로 하는 전압, 예를 들면 220V로 공급하기 위해서는, 각각의 3상 전력은 중성선(N)과 결합하여 수용가 측에 공급하게 된다. 예를 들어, R상과 N상으로 연결된 전력은 선간부하인 수용가 A 그룹(또는 수용가)에 공급되며, S상과 N상으로 연결된 전력은 선간부하인 수용가 B 그룹(또는 수용가)으로 공급되고, T상과 N상으로 연결된 전력은 선간부하인 수용가 C 그룹(또는 수용가)으로 공급되게 구성될 수 있다. 즉, 각각의 단상 전력은 수용가 그룹 내지 수용가로 공급되게 된다.

그러나 상기와 같은 전력선의 구성은 각 상에 연결된 선간 부하에 전력 불균형이 발생될 수 있다. 즉, 어느 시점에서 각각의 선간부하인 수용가 그룹(A, B 및 C 그룹)에서 사용하는 전력에 차이가 발생될 수 있으며, 이러한 선간부하에서의 수요 전력이 인버터에서 부담할 수 있는 정도 이상으로 차이가 발생되면 AC 그리드에서 전력 불균형이 발생될 수 있다. 예를 들면, R상에 연결된 선간부하의 수용가 그룹에서 사용하는 수요 전력이 허용 최대치에 이르고 S상 또는 T상에 연결된 선간부하의 수용가 그룹에서의 수요전력이 상대적으로 최저치에 머무르는 경우, AC 그리드 측면에서 볼 때 출력되는 전력에 있어 그 선간부하의 수요 전력에 불균형이 발생되며, 이러한 선간부하간 전력 불균형으로 인해 AC 그리드에 전력 불균형이 발생되고, 상기 전력 불균형으로 인해 AC 그리드를 구성하는 인버터에 역전력이 인가될 수 있는 문제점이 발생된다. 이에, 역전력이 인가되는 경우 인버터의 동작이 중지되거나 소손될 수 있으며, 인버터의 기능 정지시 정전이 발생될 수 있는 문제점이 발생된다.

이에 따라, 역전력을 방지하기 위한 기술로서, 등록특허공보 제10-1412742호에 독립형 마이크로그리드 제어 시스템 및 그 제어방법이 개시되어 있다.

상기 기술은 디젤발전기, 신재생에너지전원 및 에너지 저장장치를 구비하는 독립형 마이크로그리드 시스템; 독립형 마이크로그리드 시스템의 구성요소들과 통신하는 에너지관리시스템(EMS); 및 독립형 마이크로그리드 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS)을 포함하며, 에너지관리시스템 및 전력관리시스템을 이용하여 독립형 마이크로그리드 시스템을 제어 및 감시하는 것으로서, 상기 전력관리시스템은, 상기 디젤발전기, 상기 신재생에너지전원 중 적어도 하나에 대한 분산전원의 출력과 부하의 전력을 직접 검출하고, 잉여전력의 발생에 의해 상기 디젤발전기에 역전력이 인가되어 트립되는 사고의 경우에 직접 더미저항부하를 인가하여 역전력을 막으며, 상기 신재생에너지전원이 트립하여 상기 독립형 마이크로그리드 시스템의 전압 및 주파수의 변동이 발생하는 경우, 이를 보상하기 위해 상기 에너지저장장치의 충방전 제어를 통하여 전력의 수급균형을 맞추는 것을 특징으로 한다.

상기 기술은 잉여전력의 발생에 의해 상기 디젤발전기에 역전력이 인가되어 트립되는 사고를 더비저항부하를 투입하여 방지하는 기술로서, 잉여전력을 더미저항부하에서 강제적으로 소비하도록 구성된 것이다. 그러나 상기와 같이 잉여전력을 더미저항부하에서 강제적으로 소비하게 되는 경우, 전력을 낭비하게 되어 효율적이지 못하며, 상기 더비저항부하에서 소비할 수 없는 정도로 큰 잉여 전력에 대해서는 대처하지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.

또한, 상기의 기술은 선간부하인 수용가 그룹(A, B 및 C 그룹)에서의 수요 전력에 차이가 발생될 경우에 대한 실질적인 대안이 되지 못하며, 오히려 전력 불균형을 가중시킬 수 있는 문제점이 발생된다.

이에 더하여, 디젤발전기를 이용한 전력의 공급은 전력 품질이 인버터에 의한 전력 품질보다 저하되고 제어하기 어려운 단점이 있으며, 급변하는 수요 전력에 맞추어 신속한 대응이 불가능한 단점이 있다.

KR 10-1412742 B1 2014. 06. 20.

본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 선간부하인 수용가 그룹에서 소비되는 각 선간 수요 전력을 실시간으로 검출하고, 실시간으로 검출된 각 선간 수요 전력들을 평균한 평균전력을 공급전력으로 하여 각 선간 부하로 공급하되, 공급되는 평균전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 선간 부하에서 발생되는 실시간 부족분의 전력에 대해서는 기저전력에서 실시간 추가 공급되도록 제어하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 선간 수요 전력이 3상 전력인 경우에는 기저전력에서 3상 전력으로 변환하여 공급되도록 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템은 디젤발전기, 풍력발전기, 태양광발전기 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원; 상기 분산전원을 전력계통에 연결하여 전력을 공급하는 AC 그리드; 및 전력 분배장치에서 공급되는 각 선간부하에서의 선간 수요 전력을 검출하여 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS)을 포함하고, 상기 전력관리시스템(PMS)은 상기 검출된 각 선간부하에서의 선간 수요 전력과 기저전력에서 공급할 수 있는 최대 전력에 근거하여 상기 디젤발전기의 출력 전력을 산출하고, 상기 선간 수요 전력 중 상기 디젤발전기에서 출력되어 각각 분배 공급되는 전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 해당 선간 수요 전력의 부족분은 상기 기저전력에서 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 기저전력은 상기 분산전원을 이루는 태양광발전기 또는 에너지저장장치 중에서 선택된 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선간 수요 전력 중 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 해당 선간부하가 3상부하인 경우, 상기 기저전력에서는 출력되는 전력을 3상 인버터를 통해 3상 전력으로 변환 후 상기 선간부하에 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 부족분의 전력을 기저전력에서 부담함에 따라 전력 불균형을 해소할 수 있으므로, AC 그리드에 역전력의 인가를 방지하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다.

또한, 전력 불균형에 따라 발생된 부족분의 전력을 기저전력이 부담함에 따라 디젤발전기의 부담을 감소시킬 수 있으며, 이에 디젤발전기의 동작수명을 연장하면서 디젤발전기의 구동에 따른 연료를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 요구되는 부하 상태에 따라 3상 전력 및 단상 전력을 가변하여 제공할 수 있으므로, 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 AC 마이크로그리드 전력 공급 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 종래 AC 마이크로그리드의 3상 전력을 단상으로 공급하는 배선 결선에 대한 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 대한 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 대한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에서 전력관리시스템에 대한 개략적인 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에서 수요 전력 중 부족분의 전력을 공급하는 인버터 및 전력분배장치의 개략적인 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 태양광발전기, 에너지저장장치, 디젤발전기 및 풍력발전기를 포함하여 구성되는 분산전원을 이용한 독립형 마이크로그리드의 부하에서 실시간으로 발생되는 각 선간 수요 전력을 검출하고, 실시간으로 검출된 각 선간 수요 전력들을 평균한 평균전력을 공급전력으로 하여 각 선간 부하로 공급하되, 공급되는 평균전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 선간 부하에서 발생되는 실시간 부족분의 전력에 대해서는 기저전력에서 실시간 추가 공급하도록 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 관한 것이다.

여기서, 본 발명에서의 기저전력은 분산전원 중 태양광발전기 또는 에너지저장장치 중에서 선택되는 하나 이상의 것으로 구성되며, 기본적으로 항시 생산 또는 저장되어 있는 상태에서 부하에 에너지를 공급할 수 있도록 준비된 전력을 의미하는 것으로 하며, 시간에 따라 또는 계절에 따라 다소 변동될 수는 있으나 초기 설치비용 대비 운전비용이 비교적 저렴한 발전전력을 의미한다.

도 3은 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 대한 개략적인 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에 대한 구성도를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템은 태양광발전기(PV, 100), 에너지저장장치(ESS, 200), 디젤발전기(D/G, 300) 및 풍력발전기(W/G, 400)를 포함하는 분산전원; 상기 분산전원을 전력계통에 연결하여 전력을 공급하는 AC 그리드(500), 및 상기 AC 그리드(500)에서 공급되는 각 선간의 수요 전력을 검출하여 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS, 600)을 포함하여 구성된다.

상기 태양광발전기(PV(photovoltaic), 100)는 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 통상적인 태양광발전장치를 의미한다. 상기 태양광발전기(100)에 연결된 전력변환 장치(110)는 상기 태양광발전기(100)로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 AC 그리드에 공급하는 역할을 하는데, 일사량과 온도에 의해 출력이 변동하는 태양전지로부터 항상 최대 출력을 얻기 위해서 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 일반적으로 태양광 어레이의 개방상태의 전압레벨이 AC 그리드 전압에 비해 상대적으로 낮기 때문에 상기 전력변환 장치(110)로는 승압 기능을 가진 전력변환 장치가 사용될 수 있다. 또한, MPPT 제어 방식 중에서도 Perturbation & Observation 방식을 사용하면 구현이 용이하면서도 안정적인 제어가 가능하다는 장점이 있다.

상기 에너지저장장치(ESS(energy storage system), 200)는 전기에너지를 저장 후 필요시 방전하여 전력을 공급하는 장치로서, 대표적인 예로 배터리 및 연료 전지 등을 들 수 있다.

상기 에너지저장장치(200)에 연결된 전력변환 장치(210)는 AC 그리드(500)와 에너지저장장치(200) 사이에서 양방향 전력 변환 및 전력 전달 기능을 수행하면서 그리드의 전력을 공급 제어한다. 즉, 에너지저장장치(200)는 AC 그리드(500)로부터 전력을 공급받아 저장하기도 하고 저장된 전력을 AC 그리드(500)로 공급하기도 하여야 하므로, 전력변환 장치(210)는 AC 그리드(500)와 에너지저장장치 사이에서 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 양방향 인버터가 사용되는 것이 바람직하다. 특히, 에너지저장장치(200)를 배터리로 구성하는 경우, 배터리는 유입되는 전류에 고조파 함유율이 낮을 것이 요구되고 충·방전시의 전류리플이 배터리의 수명에 영향을 주므로 전류리플 저감을 위해 양방향 3상 DC-AC 전력변환 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 디젤발전기(300)는 전력 공급 지령을 인가받고 그에 따라 적절히 운전되어 생산된 전력을 AC 그리드(500)로 공급하는 역할을 수행한다.

상기 디젤발전기(300)의 전력변환 장치(310)는 교류인 디젤발전기 출력을 정류하여 AC 그리드(500)로 공급한다. 상기 디젤발전기(300)의 출력을 조절하는 방법으로는 각속도 제어 방식이 사용될 수 있다.

상기의 디젤발전기(300)는 후술되는 전력관리시스템(800)으로부터 전송되는 제어신호에 따라 출력을 가변하며 운전이 이루어지게 된다. 예를 들어, 선간부하에서의 전력 수요에 따라 출력을 조절하여 공급 전력을 가변시키게 된다.

상기 풍력발전기(WG(wind generator), 400)는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 이를 AC 그리드(500)로 공급하는 역할을 수행한다. 통상적인 풍력발전기는 회전기를 기반으로 하는 발전장치로서 출력이 교류이므로, 상기 풍력발전기(400)에 연계된 전력변환 장치(410)에서 교류를 정류하고, 정류된 교류를 AC 그리드(500)로 공급한다. 이때, 상기 풍력발전기(400)는 풍속에 따라 출력이 가변되는 데, 주어진 기후 상황에서 최대의 출력을 얻을 수 있도록 통상적으로 최대 출력점을 추적하는 방식을 사용할 수 있다.

설계 조건에 따라서, 상기 풍력발전기(400)는 분산전원에서 배제될 수 있다. 예를 들면, 풍력을 이용한 발전 효율이 저하되는 지역, 또는 풍력발전기를 설치하기 협소한 지역에서는 상기 풍력발전기(400)는 제외된 상태에서 분산전원이 구성될 수 있도록 한다.

상기와 같은 태양광발전기(PV, 100), 에너지저장장치(ESS, 200), 디젤발전기(D/G, 300) 및 풍력발전기(W/G, 400)를 포함하는 분산전원 이외에도 소수력발전(50, 도 1 참조) 및 플라이휠 저장장치(FES, Flywheel Energy Storage, 도 1 참조)도 분산전원으로 더 포함될 수 있음은 당연하다.

여기서, 플라이휠 저장장치(FES)는 기계적 구성의 배터리로서, 플라이휠 저장장치에 에너지를 공급하면 플라이휠의 회전속도는 증가하고 에너지를 추출하면 플라이휠의 회전속도는 감소하게 된다. 즉, 전기 에너지를 플라이휠의 회전속도에 저장하는 장치로서, 플라이휠은 마찰에 의한 손실을 줄이기 위해 챔버 내부는 진공으로 구성되며, 자기 베어링으로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 분산전원은 상호 협조 시스템으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 태양광발전기(100)에 의한 발전량이 선간 수요 전력을 부담하기에 충분한 경우에는 상기 디젤발전기(300)의 운전을 정지하여 디젤 연료를 절감하도록 하며, 수요 전력이상으로 남는 잉여 전력은 상기 에너지저장장치(200)에 저장되는 시스템으로 이루어진다. 더욱 바람직하게는 디젤발전기(300)가 최소 운전되는 상태에서 상기 디젤발전기를 제외한 다른 분산전원을 통해 수요 전력이 부담되도록 상기 분산전원이 제어됨이 바람직하다.

상기 전력분배장치(600)는 상기 AC 그리드(500)에서 출력되는 전력을 각 선간부하에 분배하는 장치로서, 3상 4선식의 공급 전력을 각 선간부하에서 필요로 하는 전력으로 분배한다. 부연하면, 3상이 요구되는 선간부하에는 R, S, T 및 N 상의 3상 4선식 또는 R, S 및 T 3상 3선식에 의한 전력이 공급되도록 하며, 단상이 요구되는 선간부하에는 R, S 및 T 상 중에서 선택된 하나의 전력선과 N 상의 전력선에 의해 전력이 공급되도록 한다.

상기 인버터(700)는 기저전력의 전력을 선간 수요 전력에서 요구하는 전력으로 변환하여 공급하는 것으로서, 3상 전력을 공급하기 위한 3상 인버터(710) 및 단상 전력을 공급하기 위한 단상 인버터(720)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 기저전력은 분산전원의 태양광발전기(100) 또는 에너지저장장치(200) 중에서 선택된 하나 이상으로 구성될 수 있으며, 설계 조건에 따라서 제2의 디젤발전기, 풍력발전기 및 플라이휠 저장장치 등이 더 포함될 수 있다.

상기 전력관리시스템(800)은 상기 AC 그리드에서 공급되는 각 선간부하의 수요 전력을 검출하여 시스템의 안정도를 제어하는 것으로서, 분산전원의 전력발전 상황 및 선간부하의 수요 전력 상황 등을 검출하여 분산전원의 동작으로 제어하는 기능을 수행하게 된다. 예를 들어, 분산전원 중에서 태양광발전기(100)의 발전 상황, 에너지저장장치(200)의 충전 전력 상황 등을 실시간으로 검출하고 이를 실시간 수요 전력과 비교 판단하여 부족분의 전력에 대해서는 디젤발전기의 운전을 통해 생산하는 과정 등을 종합적으로 제어하게 된다.

또한, 전력관리시스템(800)은 비상시 디젤발전장치를 긴급 구동하거나, 분산전원으로부터 공급되는 전력의 갑작스런 변동 또는 선간부하로부터 소비되는 소비전력의 갑작스런 변동에 대응하여 전력 공급 지역의 정전 등을 방지하기 위한 역할도 수행한다.

이를 위해, 상기 전력관리시스템(800)은 분산전원을 구성하는 태양광발전기(100), 에너지저장장치(200), 디젤발전기(300) 및 풍력발전기(400)로부터 생산되는 출력 전력을 검출하게 되는데, 디지털전력계에 연결 접속되는 변류기를 공동으로 이용하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 전력관리시스템(800)은 실시간으로 검출된 각 선간 수요 전력들을 평균한 평균전력을 공급전력으로 하여 각 선간 부하에 전력을 공급하되, 공급되는 평균전력에 비해 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 선간 부하에서 발생되는 실시간 부족분의 전력에 대해서는 기저전력에서 추가 부담하도록 상기 인버터(700)를 제어한다.

종래 기술의 경우, 예를 들면 선간부하 A 그룹에서 요구되는 수요 전력이 50㎾, 선간부하 B 그룹에서 요구하는 수요 전력이 30㎾, 및 선간부하 C 그룹에서 요구하는 수요 전력이 10㎾인 경우, 선간 최대 수요 전력인 50㎾에 맞추어서 총 150㎾의 전력이 생산된 상태에서 각 선간부하에 50㎾씩 공급되도록 구성되곤 하였다. 이에 선간부하 B 그룹과 C 그룹에서는 각각 20㎾ 및 40㎾의 소비되고 남은 잉여 전력이 발생되고, 불필요하게 남는 잉여 전력 등의 발전을 위해 디젤발전기가 과도하게 구동되는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서의 상기 전력관리시스템(800)은 AC 그리드(500)에서 출력되는 각 선간부하 전력들의 평균 전력을 30㎾로 조정하여 공급하도록 하되, 디젤발전기를 통해 발전되는 총 전력은 90㎾가 되도록 한 후 각 선간부하에 30㎾씩 공급하고, 선간부하 A 그룹에서 요구되는 수요 전력 50㎾에 대한 부족분 20㎾는 기저전력에서 공급되게 제어한다.

즉, 상기 전력관리시스템(800)은 각 선간부하에서의 수요 전력에 근거하여 평균전력을 산출하고, 상기 평균전력이 AC 그리드의 제어에 따라 각 선간부하에 공급되도록 하되, 선간 수요 전력 중 공급전력보다 상대적으로 많아 부족분이 발생되는 경우 상기 부족분에 대한 수요 전력은 기저전력에서 공급되도록 제어하게 된다.

다른 예를 들어 설명하면, 선간부하 A 그룹, B 그룹 및 C 그룹에서 요구되는 선간 수요 전력이 각각 40㎾, 40㎾ 및 10㎾인 경우, 평균 전력은 30㎾로 산출되며, 상기 산출된 평균 전력을 공급전력으로 하여 AC 그리드를 통해 공급하되, A 그룹과 B 그룹에 대한 부족분의 전력 10㎾는 각각 기저전력에서 공급되도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 기저전력은 분산전원 중에서 선택된 하나 이상의 전력 공급원으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 디젤발전기(300)를 제외한 나머지 전력으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 풍력발전기(400)는 설치 여부에 따라 기저전력에 포함되거나 제외될 수 있다.

여기서, 상기 기저전력을 구성하는 전력원을 태양광발전기(100) 및 에너지저장장치(200)로 구성하는 경우, 상기 태양광발전기(100) 및 에너지저장장치(200)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(700)를 통해 부족분이 발생된 선간부하에 투입되도록 구성될 수 있다.

다른 설계 조건으로, 검출된 각 선간부하의 수요 전력과 기저전력에서 공급할 수 있는 최대 전력에 근거하여 디젤발전기의 출력 전력을 산출하고, 선간부하에서의 수요 전력 중 상기 디젤발전기에서 출력되어 분배공급되는 전력보다 상대적으로 많은 전력이 소비되는 선간부하에 대해서는, 그 부족분의 전력은 상기 기저전력에서 공급되도록 제어하여 상기 디젤발전기(300)의 구동부담이 최소화되도록 구성된다.

예를 들어, 선간부하 A 그룹, B 그룹 및 C 그룹에서 요구하는 수요 전력이 각각 40㎾, 40㎾ 및 10㎾로 검출되고, 기저전력에서 공급될 수 있는 전력이 최대 50㎾로 검출되는 경우, 디젤발전기(300)의 출력 전력은 45㎾로 운전하도록 제어하여 각 선간부하에 15㎾씩 전력이 공급되도록 하고, 상기 A 그룹 및 B 그룹에서 요구되는 부족분의 전력 각 25㎾는 기저전력에서 공급되도록 제어하는 구성으로 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에서의 전력관리시스템에 대한 개략적인 구성도를 나타낸 것으로서, 상기와 같은 기능을 수행하기 위한 전력관리시스템(800)은 수요전력 검출모듈(810), 공급전력 검출모듈(820), 비교 판단모듈(830), 투입 제어모듈(840) 및 통신모듈(850)을 포함하여 구성된다.

상기 수요전력 검출모듈(810)은 상기 AC 그리드(500)에서 각각의 선간부하 그룹으로 공급되는 수요 전력을 검출하는 기능을 수행하는 것으로서 수요 전력은 전류를 검출하는 것으로 이루어질 수 있다. 이때, 전류의 검출은 변류기(CT)를 이용하여 검출되게 구성될 수 있다.

상기 공급전력 검출모듈(820)은 분산전원의 운전 상태, 충전 상태 등을 검출하는 것으로서, 태양광발전기(100)의 발전량, 에너지저장장치(200)의 충전된 전력량, 디젤발전기(300)의 운전 상황/발전량 및 풍력발전기(400)의 발전량 등을 실시간으로 검출하고, 이를 토대로 AC 그리드(500)에서 공급될 수 있는 전력량 등을 산출한다.

상기 비교 판단모듈(830)은 상기 수요전력 검출모듈(610)에서 검출된 선간부하에서의 수요 전력과 상기 공급전력 검출모듈(820)에서 검출된 공급 가능한 전력을 비교하여 디젤발전기(300)의 최소 운전을 통해 최대 효과를 도출해 낼 수 있는 전력 공급량을 산출한다. 이때, 상기 비교 판단모듈(830)은 디젤발전기(300)의 운전에 따른 전력의 출력량, 기저전력의 출력량 및 각 선간부하의 수요 전력에 근거하여, 상기 디젤발전기(300)의 운전을 최소화할 수 있도록 전력 공급량을 산출하도록 구성된다.

즉, 검출된 각 선간부하에서의 수요 전력과 기저전력에서 공급할 수 있는 최대 전력에 근거하여 상기 디젤발전기(300)의 최소운전에 따른 전력 공급량이 산출되도록 구성된다.

상기 투입 제어모듈(840)은 상기 비교 판단모듈(830)의 제어에 따라 수요 전력에 비해 공급되는 전력이 부족한 선간부하에 기저전력으로부터 공급된 전력이 투입될 수 있도록 상기 기저전력과 전력분배장치(600) 사이에 구성된 인버터(700)의 동작을 제어하게 된다.

상기 통신모듈(850)은 분산전원의 상태 및 수요 전력의 검출 현황 등을 외부장치(예를 들면, 관리서버 또는 모바일 기기 등)에 전송하고, 상기 외부장치로부터 전송된 제어신호를 수신하기 위한 것으로서, 일반적인 통신장치가 사용될 수 있다.

이와 같은 구성에 따라, 선간부하에서의 수요 전력의 최대 전력으로 운전하지 않아도 부족분의 수요 전력을 기저전력에서 부담하게 되어, 디젤발전기(300)가 부담해야 하는 공급전력이 감소되게 되며, 이에 따라 디젤발전기(300)에서 소모되는 연료를 절감할 수 있으며, 디젤발전기(300)의 사용 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명에 따른 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템에서 수요 전력 중 부족분의 전력을 공급하는 인버터 및 전력분배장치의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.

독립형 마이크로그리드 시스템에서는 수용가로 공급되는 단상 전력뿐만 아니라, 필요한 경우 3상 모터를 구동하도록 하는 전력기기도 사용될 수 있다.

이에, 3상 모터의 사용 여부에 따라 수요 전력이 급격히 가변되며, 이러한 수요 전력의 급변은 디젤발전기(300)에 의한 발전에 상당한 부담을 초래하게 된다.

본 발명에서는 이러한 수요 전력의 급격한 변화에 따라 발생되는 부족분의 3상 전력을 공급하기 위해 기저전력으로부터 전력이 공급되도록 구성된다.

즉, 첨부된 도 6을 참조하면, 3상 모터의 수요 전력을 AC 그리드와 기저전력이 협업하여 부담하도록 구성되어 있으며, 기저전력의 전력을 3상 전력으로 변환 후 공급하는 3상 인버터(710)가 더 포함된다.

여기서, 3상 인버터는 파워소자 6개 또는 4개를 사용하여 3상 전압을 생성하고 이를 선간부하에서의 수요 전력으로 공급하는 기능을 수행한다. 상기에서 파워소자 4개를 사용한 인버터의 경우, 직류전압이 공급되면 직렬연결된 직류 링크 캐패시터는 충전되게 되고, 이 충전전압이 인버터에 공급되게 된다. 전압을 공급받은 인버터의 스위치는 턴온 또는 턴오프하여 3상 전력을 생성하여 출력하게 된다.

본 발명에 의하면, 디젤발전기의 부담을 태양광발전기, 에너지저장장치 및 풍력발전기 중에서 선택된 하나 이상의 기저전력이 협업하여 부담할 수 있으므로, 디젤 발전기의 운전에 따른 디젤 연료를 절감할 수 있다. 이에 따라 디젤발전기의 출력을 유지하면서 선간부하에서의 전력 불균형을 방지할 수 있으며, 이를 통해 AC 그리드에 전력 불균형에 의한 역전력의 인가를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 요구되는 부하 상태에 따라 3상 전력 및 단상 전력을 가변하여 제공할 수 있으므로, 전력을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

100: 태양광발전기 110, 210, 310, 410: 전력변환장치
200: 에너지저장장치 300: 디젤발전기
400: 풍력발전기 500: AC 그리드
600: 전력분배장치 700: 인버터
710: 3상 인버터 720: 단상 인버터
800: 전력관리시스템 810: 수요전력 검출모듈
820: 공급전력 검출모듈 830: 비교 판단모듈
840: 투입 스위치 제어모듈 850: 통신모듈

Claims (3)

1. AC 마이크로그리드 시스템에 있어서,
   디젤발전기, 풍력발전기, 태양광발전기 및 에너지저장장치를 포함하는 분산전원;
   상기 분산전원을 전력계통에 연결하여 전력을 공급하는 AC 그리드; 및
   전력 분배장치에서 공급되는 각 선간부하에서의 선간 수요 전력을 검출하여 시스템의 안정도를 제어하는 전력관리시스템(PMS);
   을 포함하고,
   상기 전력관리시스템(PMS)은,
   검출된 상기 각 선간부하에서의 실시간 선간 수요 전력들을 평균한 평균전력으로 이루어지는 공급전력과, 분산전원 중 태양광발전기 또는 에너지저장장치 중 선택되는 하나 이상으로 구성되며 항시 생산 또는 저장되어 있는 상태에서 선간 부하에 에너지를 공급할 수 있도록 준비된 기저전력에서 공급할 수 있는 최대 전력에 근거하여 상기 디젤발전기의 출력 전력을 산출하고, 각 선간부하의 실시간 수요 전력 중 상기 디젤발전기에서 출력되어 분배공급되는 전력보다 상대적으로 많은 전력이 실시간 소비되는 선간부하에 대해서는, 그 부족분의 전력이 상기 기저전력에서 공급되도록 제어하여 상기 디젤발전기의 최소운전에 따른 전력 공급량이 산출되도록 하며,
   상기 전력관리시스템(PMS)은,
   상기 AC 그리드에서 각각의 선간부하 그룹으로 공급되는 수요 전력을 검출하는 수요전력 검출모듈;
   상기 분산전원의 운전 상태, 충전 상태를 실시간 검출하고, 이를 토대로 상기 AC 그리드에서 공급될 수 있는 전력량을 산출하도록 하는 공급전력 검출모듈;
   상기 수요전력 검출모듈에서 검출된 선간부하에서의 수요 전력과 상기 공급전력 검출모듈에서 검출된 공급 가능한 전력을 비교하여 상기 디젤발전기의 최소 운전을 통해 최대 효과를 도출해 낼 수 있는 전력 공급량을 산출하는 비교 판단모듈;
   상기 비교 판단모듈의 제어에 따라 수요 전력에 비해 공급되는 전력이 부족한 선간부하에 기저전력으로부터 공급되는 전력이 투입될 수 있도록 상기 기저전력과 전력분배장치 사이에 구성된 인버터의 동작을 제어하는 투입 제어모듈; 및
   상기 분산전원의 상태 및 수요 전력의 검출 현황을 관리서버 또는 모바일 기기를 포함하는 외부장치에 전송하고, 상기 외부장치로부터 전송된 제어신호를 수신하는 통신모듈;
   로 이루어지며,
   상기 디젤발전기는,
   상기 전력관리시스템(PMS)으로부터 전송되는 제어신호에 따라 출력을 가변하며 운전이 이루어지되, 선간부하에서의 전력 수요에 따라 출력의 조절이 이루어지는 것을 특징으로 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 선간 수요 전력 중 상기 디젤발전기에서 출력되어 분배공급되는 전력보다 상대적으로 많은 전력을 소비하게 되는 해당 선간부하가 3상부하인 경우,
   상기 기저전력에서는 출력되는 전력을 3상 인버터를 통해 3상 전력으로 변환 후 상기 선간부하에 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 AC 마이크로그리드 3상부하의 전력 공급 시스템.
   

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