KR101667594B1 - 가변속 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

가변속 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기 속도를 제어하여 출력 대비 최대 효율점에서 운전되는 가변속 디젤발전기를 포함하며 마이크로그리드에 대하여 전압제어를 수행하는 제1전력원, 마이크로그리드의 전압변동을 인식하고 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 마이크로그리드에 대하여 전류제어를 수행하는 제2전력원 및 마이크로그리드로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제공한다.

Description

가변속 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법{MICROGRID SYSTEM INCLUDING VARIABLE SPEED DIESEL GENERATOR AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 가변속 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.
마이크로그리드란 분산전원을 포함하는 국소적인 전력시스템을 의미한다. 기존의 광역적 전력시스템이 가지는 문제, 예를 들면, 대정전과 같은 문제를 해결하기 위해 이러한 마이크로그리드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
마이크로그리드에는 다수의 분산전원이 연결될 수 있는데, 이러한 다수의 분산전원 중에는 디젤발전기가 포함될 수 있다.
디젤발전기는 디젤엔진을 원동기로 한 발전기로서 연료만 공급해 주면 지속적으로 전력을 생산할 수 있기 때문에 가장 널리 사용되고 있는 분산전원이다.
종래 디젤발전기에서는 에너지의 효율적인 측면보다는 설치 단가 및 신뢰성이 중요하게 고려되었으나, 최근 들어 신뢰성과 함께 에너지의 효율적 사용, 대기 환경 개선 및 발전 전력 품질 등이 점차 중요하게 되었다.
이러한 측면에서 최근의 디젤발전기는 가변속으로 제어되는 경향이 있다. 디젤발전기가 가변속으로 제어되는 경우, 동일한 출력에 대하여 좀더 높은 효율로 발전할 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 높은 효율로 발전하게 되면, 에너지의 효율적 사용 측면 뿐만 아니라 오염물질을 적게 배출한다는 측면에서 대기 환경 개선의 효과가 발생하게 된다.
다만, 이렇게 디젤발전기를 가변속으로 제어하는 경우, 출력이 많이 변동한다는 문제가 있다. 특히, 마이크로그리드는 전력시스템의 규모가 작기 때문에 상대적으로 이러한 출력변동에 민감하다는 문제가 있다. 이러한 이유로 가변속 디젤발전기를 마이크로그리드에 연결시키는 것은 난제로 알려져 있다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 가변속 디젤발전기를 포함하면서 안정적으로 작동되는 마이크로그리드 시스템에 관한 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 발전기 속도를 제어하여 출력 대비 최대 효율점에서 운전되는 가변속 디젤발전기를 포함하며 상기 마이크로그리드에 대하여 전압제어를 수행하는 제1전력원; 상기 마이크로그리드의 전압변동을 인식하고 상기 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 상기 마이크로그리드에 대하여 전류제어를 수행하는 제2전력원; 및 상기 마이크로그리드로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 마이크로그리드 시스템의 제어 방법에 있어서, 디젤발전기를 포함하고 마이크로그리드에 연결되어 있는 제1전력원에 대하여 드룹제어를 수행하는 단계; 상기 드룹제어가 종료된 상태에서 발전기 속도를 제어하여 출력 대비 최대 효율점에서 운전되도록 상기 디젤발전기를 제어하는 단계; 상기 마이크로그리드에 대하여 상기 디젤발전기의 출력을 전압제어하는 단계; 상기 마이크로그리드에 연결되어 있는 제2전력원에 대하여 상기 마이크로그리드의 전압변동을 인식하고 상기 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 상기 제2전력원을 전류제어로 제어하는 단계; 및 상기 마이크로그리드에 연결되어 있는 부하들로 전력을 공급하는 단계를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 마이크로그리드에 연결되어 있는 분산전원장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 마이크로그리드의 전압변동을 인식하는 단계; 및 상기 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 상기 마이크로그리드에 대하여 전류제어를 수행하는 단계를 포함하되, 상기 마이크로그리드에는 가변속 디젤발전기를 포함하는 다른 분산전원장치가 연결되어 있고 상기 전압변동은 상기 다른 분산전원장치의 가변속 제어에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 분산전원장치 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 마이크로그리드 시스템이 가변속 디젤발전기를 이용하여 고효율로 작동하면서도 그 출력변동에 대하여 안정적으로 작동하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 가변속 디젤발전기의 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 디젤발전기에 대한 가변속 제어에 따라 발생하는 전압변동을 도식화한 도면이다.
도 4는 도 1의 실시예에서 DC버스(110)의 전압에 영향을 미치는 요소들을 표시한 도면이다.
도 5는 전압변동에 따른 전류지령치에 대한 예시 그래프이다.
도 6은 분산전원에서의 드룹제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 DC버스의 형태가 다르게 형성된 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 마이크로그리드 시스템(이하 '시스템', 100)은 DC버스(110), 분산전원(120, 122, 124) 및 부하(140, 142) 등을 포함할 수 있다.
분산전원은 전력을 생산하는 소스를 포함하고 있는데, 이러한 소스로는 디젤발전기 및 가스터빈발전기와 같은 내연기관발전기가 사용될 수 있고, 배터리와 같은 에너지저장장치가 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 소스로는 연료전지와 같은 연료주입형 발전기가 사용될 수도 있다. 뿐만 아니라 분산전원은 태양광발전기 혹은 풍력발전기와 같은 재생에너지발전기를 포함할 수도 있다. 물론 분산전원 중 일부가 재생에너지발전기를 소스로 사용하는 경우, 다른 일부는 내연기관발전기, 배터리 혹은 연료주입형 발전기와 같이 제어에 따라 출력을 조절할 수 있는 발전기를 소스로 사용해야 한다.
도 1을 참조하면, 제1분산전원(120)은 디젤발전기를 소스로 사용하고 있으며, 제2분산전원(122)은 연료전지를 소스로 사용하고 있고, 제3분산전원(124)은 배터리를 소스로 사용하고 있다. 아래의 설명에서는 시스템(100)이 이러한 3개의 분산전원(120, 122, 124)을 포함하고 있는 것으로 설명하나 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니며 시스템(100)은 두 개의 분산전원을 포함할 수도 있고, 또한 4개 이상의 분산전원을 포함할 수도 있다.
분산전원(120, 122, 124)은 전력변환장치, 예를 들어, 컨버터를 통해 DC버스(110)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1분산전원(120)은 AC를 출력하는 디젤발전기를 소스로 사용하기 때문에 이러한 출력을 DC버스(110)로 전달하기 위해 제1분산전원(120)과 DC버스(110) 사이에 AC/DC컨버터인 제1컨버터(130)가 위치한다.
제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)은 DC를 출력하는 연료전지 및 배터리를 각각 포함하고 있기 때문에 DC버스(110)에 바로 연결될 수 있다.
도 1의 실시예에서는 제2분산전원(122)이 DC/DC컨버터인 제2컨버터(132)를 통해 DC버스(110)와 연결되고 있고, 제3분산전원(124)이 DC/DC컨버터인 제3컨버터(134)를 통해 DC버스(110)와 연결되고 있다.
한편, 시스템(100)은 부하(140, 142)를 포함할 수 있는데, 이러한 부하는 AC부하일 수도 있고, DC부하일 수도 있다. 도 1의 실시예에서는 시스템(100)이 AC부하인 제1부하(140) 및 DC부하인 제2부하(142)를 포함하는 것으로 도시되었으나 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니다.
AC부하인 제1부하(140)는 DC버스(110)로부터 전력을 공급받기 위해 DC/AC컨버터인 제4컨버터(136)를 통해 DC버스(110)와 연결될 수 있다.
DC부하인 제2부하(142)는 DC전력을 직접 공급받을 수 있기 때문에 DC버스(110)와 직접 연결될 수 있다. 도 1의 실시예에서는 제2부하(142)가 DC/DC컨버터인 제5컨버터(138)를 통해 DC버스(110)와 연결되는 것으로 도시되어 있는데, 제2부하(142)의 전압범위와 DC버스(110)의 전압범위가 상이한 경우, 제5컨버터(138)가 DC버스(110)의 전압을 제2부하(142)의 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
제1분산전원(120)과 제1컨버터(130)을 합쳐서 제1전력원으로 부를 수 있다. 마찬가지로, 제2분산전원(122)과 제2컨버터(132)를 합쳐서 제2전력원으로 부를 수 있고, 제3분산전원(124)과 제3컨버터(134)를 합쳐서 제3전력원으로 부를 수도 있다.
마이크로그리 시스템은 다른 실시예에서 AC버스(미도시)를 이용하여 마이크로그리드를 구성할 수 있는데, 이 경우, 제1전력원은 제1컨버터(130)와 같은 AC/DC컨버터를 포함하는 것이 아닌 AC/AC컨버터(미도시)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2전력원은 제2컨버터(132) 대신에 DC/AC컨버터(미도시)를 포함할 수 있으며, 제3전력원은 제3컨버터(134) 대신에 DC/AC컨버터(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 제1분산전원(120)은 디젤발전기를 소스로 사용할 수 있는데, 이러한 디젤발전기는 발전기-이 부분을 디젤엔진이라고 부르는 경우도 있음- 및 출력에 따라 효율이 달라질 수 있다.
도 2는 가변속 디젤발전기의 효율 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 U1은 발전기 속도의 단위로서, U1은 r/min(분당 회전수)과 같은 단위일 수 있다. 또한, 도 2에서 U2는 출력의 단위로서, U2는 kW(킬로와트)와 같은 단위일 수 있다. 각 곡선들은 서로 다른 에너지소비율(g/kWh)에 따른 출력 대비 발전기속도 곡선이다.
도 2의 A, B, C 및 D를 참조하면, 같은 출력에 대하여도 발전기 속도를 변경하면 효율이 달라지는 것을 알 수 있다.
도 2의 A에서 발전기 속도가 12(U1)이고, 출력이 2(U2)일 때, 발전기의 에너지소비율은 200g/kWh이다. 그리고, 도 2의 B에서 발전기 속도가 13(U1)이고, 출력이 2(U2)일 때, 발전기의 에너지소비율은 220g/kWh이며, 도 2의 C에서 발전기 속도가 14.8(U1)이고, 출력이 2(U2)일 때, 발전기의 에너지소비율은 240g/kWh이다. 그리고, 도 2의 D에서 발전기 속도가 16(U1)이고, 출력이 2(U2)일 때, 발전기의 에너지소비율은 260g/kWh이다.
도 2의 A, B, C 및 D를 참조하면, 같은 출력에 대하여도 발전기 속도가 12(U1)일 때, 에너지소비율이 가장 낮아 효율이 가장 높은 것을 알 수 있다.
이렇게 디젤발전기는 발전기 속도에 따라 동일한 출력에 대하여도 서로 다른 효율 특성을 가질 수 있다.
마이크로그리드 시스템(100)은 마이크로그리드에 연결되어 있는 디젤발전기의 발전기 속도를 제어하여 이러한 디젤발전기가 최대의 효율로 작동할 수 있도록 제어한다.
그런데, 이렇게 디젤발전기를 가변속 제어하게 되면, 출력이 변동되는 문제가 있다.
도 3은 디젤발전기에 대한 가변속 제어에 따라 발생하는 전압변동을 도식화한 도면이다.
도 3에 도시된 것과 같이, DC버스(110)에 연결되어 있는 제1분산전원(120)을 가변속 제어하게 되면, DC버스(110) 전압에 변동(△V)이 생길 수 있다.
그런데, 역으로 제1분산전원(120)의 출력이 연결되어 있는 DC버스(110)에 전압변동이 유발되지 않는다면, 제1분산전원(120)을 가변속 제어하지 못 할 수 있다.
다시 말해, DC버스(110)의 전압이 변동성이 없으면 제1분산전원(120)의 속도 변경에 따른 출력변동을 받아줄 수 있는 외부시스템이 없기 때문에 제1분산전원(120) 내부적으로도 가변속 제어가 어렵게 되는 문제가 있다.
결국, 제1분산전원(120)에 대한 가변속 제어는 DC버스(110)에 대한 변동제어와 같은 맥락에서 이해되어야 한다. 다시 말해, DC버스(110)를 변동성 있게 제어(변동제어)하지 못하면 제1분산전원(120)을 가변속으로 제어할 수 없게 되는 것이다.
이렇게 DC버스(110)를 변동제어하기 위해서는 DC버스(110)의 전압을 잡고 있는 전력원이 하나이어야 한다.
도 4는 도 1의 실시예에서 DC버스(110)의 전압에 영향을 미치는 요소들을 표시한 도면이다.
도 4를 참조하면, DC버스(110)의 전압은 제1분산전원(120)이 잡고 있다. 다시 말해, 도 4의 실시예에서 제1분산전원(120) 및 제1컨버터(130)를 포함하는 제1전력원이 DC버스(110)에 대하여 전압제어를 수행하고 있다.
제1전력원에 의해 DC버스(110)가 전압제어되고 있기 때문에, 다른 분산전원들은 DC버스(110)에 전압 변동성을 주기 위해 전압제어를 수행하지 않고, 전류제어를 수행하고 있다.
도 4를 참조하면, 제2분산전원(122) 및 제2컨버터(132)를 포함하는 제2전력원은 DC버스(110)에 대하여 전류제어를 수행하고 있으며, 제3분산전원(124) 및 제3컨버터(134)를 포함하는 제3전력원은 DC버스(110)에 대하여 전류제어를 수행하고 있다.
부하들(140, 142)은 DC버스(110)로부터 전력을 공급받고 있음으로 DC버스(110)의 전압 변동성에 영향을 주지 않는 것으로 이해될 수 있다. 물론, 전력의 수요와 공급의 불균형에서 오는 전압 변동은 발생할 수 있지만 도 4에 대한 설명에서는 이러한 상황은 발생하지 않는 것으로 가정한다. 또한, 부하들(140, 142)의 측면에서 볼 때, 제4컨버터(136)와 제5컨버터(138)는 DC버스(110)에서 발생한 전압변동이 부하들(140, 142)에는 영향을 주지 않도록 방어하는 역할도 수행한다. 제4컨버터(136)와 제5컨버터(138)는 DC버스(110의 전압을 일정 전압으로 변환하여 부하들(140, 142)로 공급하는데, 이에 따라, 부하들(140, 142)은 전압변동의 영향을 받지 않고 안정된 전압의 전력을 공급받을 수 있게 된다.
도 4에서 제1분산전원(120)은 제1컨버터(130)에 의해 제어된다. 제1컨버터(130)는 제1분산전원(120)에 포함되어 있는 디젤발전기의 출력도 제어하며, 디젤발전기의 출력을 DC버스(110) 전압의 형태로 변환하기도 한다.
먼저 제1컨버터(130)는 제1분산전원(120)에 포함되어 있는 디젤발전기의 주파수를 제어하여 발전기 속도를 제어한다. 이러한 발전기 속도 제어를 통해 제1컨버터(130)는 제1분산전원(120)에 포함되어 있는 디젤발전기가 최대 효율점에서 운전되도록 한다.
도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 최대 효율점은 출력에 따라 변하기 때문에 제1컨버터(130)는 먼저 제1분산전원(120)의 출력을 인식할 수 있다.
제1분산전원(120)의 출력은 전압과 전류로 인식될 수 있는데, 제1컨버터(130) 내부에 제1분산전원(120)의 출력전압과 출력전류를 센싱할 수 있는 전압센서 및 전류센서가 포함될 수 있다. 제1컨버터(130)는 이러한 전압센서 및 전류센서의 센싱 값을 이용하여 제1분산전원(120)의 출력전압과 출력전류를 인식하게 되고, 이러한 출력전압과 출력전류를 이용하여 제1분산전원(120)의 출력을 인식하게 된다.
제1컨버터(130)가 제1분산전원(120)의 출력을 인식하게 되면, 그 다음으로는 해당 출력에서 최대 효율로 운전될 수 있는 발전기 속도 값을 획득해야 한다. 이를 위해, 제1컨버터(130)는 특정 출력에서 최대 효율을 나타내는 발전기 속도 정보를 저장하고 있을 수 있다. 제1컨버터(130)는 이러한 정보를 이용하여 제1분산전원(120)이 출력 대비 최대 효율점에서 운전되도록 제어할 수 있다.
제1컨버터(130)는 DC버스(110)에 대하여 전압제어를 수행한다. 전압제어를 수행한다는 것은 DC버스(110)의 전압을 제1컨버터(130)가 결정한다는 것이다.
제1컨버터(130)는 내부적으로 AC/DC스테이지, DC링크 및 DC/DC스테이지의 3개의 구성이 직렬 연결된 형태를 가질 수 있다. 이렇게 제1컨버터(130)가 내부적으로 DC링크를 포함하게 되면, DC버스(110)의 전압변동이 줄어드는 장점이 있다. 하지만, 제1컨버터(130)가 이러한 구성으로 제한되는 것은 아니며, 제1컨버터(130)는 AC/DC스테이지 단일 구성으로 이루어질 수도 있다. 구성이 늘어날 수록 비용이 증가하기 때문에 제1컨버터(130)가 AC/DC스테이지의 단일 구성으로 이루어지는 경우 비용 절감의 효과가 있다.
여기서, AC/DC스테이지는 AC전압을 DC전압으로 변환하는 전력변환 구성이며, DC/DC스테이지는 DC전압을 DC전압으로 변환하는 전력변환 구성이다. 그리고, DC링크는 캐패시터와 같이 전력을 일시적으로 저장할 수 있는 장치를 이용하여 DC전압을 일정 수준으로 유지시키는 구성을 의미한다.
한편, 제2분산전원(122) 및 제2컨버터(132)를 포함하는 제2전력원 및 제3분산전원(124) 및 제3컨버터(134)를 포함하는 제3전력원은 DC버스(110)에 대하여 전류제어를 수행할 수 있다. 이때, 전류제어는 실질적으로 제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)에 의해 수행된다고 볼 수 있다.
제2컨버터(132)는 제2분산전원(122)에서 생성되는 DC전력을 변환처리하여 DC버스(110)로 공급한다. 제2분산전원(122)이 연료전지로 구성되어 있는 경우, 제2분산전원(122)은 제2컨버터(132)가 DC버스(110)로 출력하는 전력에 비례하여 전력을 생산하게 된다.
마찬가지로, 제3컨버터(134)는 제3분산전원(124)에서 생성되는 DC전력을 변환처리하여 DC버스(110)로 공급한다. 제3분산전원(124)이 배터리로 구성되어 있는 경우, 제3분산전원(124)은 제3컨버터(134)가 DC버스(110)로 출력하는 전력에 비례하여 전력을 생산하게 된다.
결국, 제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)가 각각 제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)의 출력도 제어한다고 이해할 수 있다.
제1전력원은 제1분산전원(120)을 가변속 제어하지만 출력량을 변동시키는 것은 아니다. 마이크로그리드 시스템 내에서 전력의 수급이 균형을 이루어야한다는 측면에서, 제2전력원 및 제3전력원도 출력량을 변동시키지 않는 것이 바람직하다.
따라서, 제2전력원 및 제3전력원은 DC버스(110)의 전압변동에 대응하여 DC버스(110)로 출력하는 전력량의 변동이 최소화되도록 전류제어를 수행한다.
이를 위해, 제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)는 DC버스(110)의 전압변동을 인식하고 인식된 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 DC버스(110)에 대하여 전류제어를 수행한다.
제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)는 DC버스(110)의 전압이 증가하는 방향으로 전압변동이 인식되면 전류지령치를 감소시키고 DC버스(110)의 전압이 감소하는 방향으로 전압변동이 인식되면 전류지령치를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)가 DC버스(110)로 출력하는 전력량을 일정하게 유지하려고 할 때, DC버스(110)의 전압이 증가하면 전류지령치를 감소시킬 필요가 있다. 반대로, 제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)는 DC버스(110)의 전압이 감소하면 전류지령치를 증가시킬 필요가 있다
제2컨버터(132) 및 제3컨버터(134)는 다음 수식과 같이 전류지령치를 계산할 수 있다.
[수학식 1]
i*=i+K·f(△V)(i*는 전류지령치, i는 측정된 출력전류값, △V는 전압변동, K는 보상계수)
수학식 1에서 f(△V)=△V일 수 있다. 이럴 경우, 전류지령치(i*)는 직전에 측정된 출력전류값(i)에 K·△V를 더한 형태가 된다.
K는 상수일 수 있으나 함수의 형태일 수 있다.
[수학식 2]
K=i/V(i는 측정된 출력전류값, V는 DC버스(110) 전압)
K는 수학식 2와 같은 형태의 함수 값일 수 있다.
[수학식 3]
△i = -(i/V)·(△V) (△i는 전류변화량)
제2전력원 및 제3전력원에서 출력전력량이 일정할 경우, 수학식 3의 관계가 유지되는데, K가 수학식 2와 같을 경우, 제2전력원 및 제3전력원은 수학식 3에 따라 출력전력량을 일정하게 유지하게 된다.
한편, 전류지령치는 다음 수식과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112014103473052-pat00001
수학식 4에 따르면, 전류지령치는 전압변동의 적분치에 비례하게 되는데, 이러한 수식이 사용될 경우, PI(proportional integral) 제어와 같이 전류지령치가 부드럽게 제어되는 효과가 있다.
K는 제2전력원 혹은 제3전력원의 출력량을 결정하는 장치에 의해 결정되는 값일 수 있다. 제2전력원 혹은 제3전력원의 출력량을 결정하는 장치은 각각의 장치(제2전력원 혹은 제3전력원 각각)일 수 있으나 외부 장치일 수도 있다. 예를 들어, 마이크로그리드 시스템(100) 전체를 관리하는 제어장치(도 8의 150 참조)가 별도로 존재하고 이러한 제어장치가 제2전력원 혹은 제3전력원의 출력량을 결정할 수 있다. 그리고, K는 이러한 제어장치에 의해 결정되는 값일 수 있다.
이때, 마이크로그리드 시스템(100)은 이러한 K값을 변경하면서 제2전력원과 제3전력원의 출력량을 조정할 수 있다.
도 5는 전압변동에 따른 전류지령치에 대한 예시 그래프이다.
도 5를 참조하면, K가 K2의 값을 가지고 있을 때 보다, K1의 값을 가지고 있을 때, 전압변동에 대한 전류지령치의 변동이 더 크다. 마이크로그리드 시스템(100)이 K값으로 K2 대신 K1값을 사용하게 되면 전압변동이 증가하는 국면에서 상대적으로 전류지령치를 더 줄이게 되어 해당 전류지령치를 생성하는 전력원의 출력량을 더 줄이는 효과를 만들 수 있다.
또는, 마이크로그리드 시스템(100)은 제2전력원에 대하여는 K값으로 K2를 적용하고 제3전력원에 대하여는 K값으로 K1을 적용할 수 있다. 이렇게 적용하면, 제2전력원은 제3전력원에 비해 상당적으로 DC버스(110)의 전압변동에 덜 민감하게 반응하게 된다.
배터리는 상대적으로 출력값 변경이 쉽고 연료전지는 상대적으로 출력값 변동이 어렵다는 측면에서 마이크로그리드 시스템(100)은 이렇게 K값을 분산전원별로 다르게 적용할 수 있다.
한편, 전술한 가변속 디젤발전기 제어에 따른 DC버스(110)의 전압변동 이외에도 전력의 수급 불균형에 따른 DC버스(110)의 전압변동이 있을 수 있다. 전자의 전압변동을 제1전압변동, 후자의 전압변동을 제2전압변동이라고 할 때, 제1전압변동에 대한 제어와 제2전압변동에 대한 제어는 다르게 진행될 수 있다.
제2전압변동에 대하여 분산전원들은 드룹제어를 수행할 수 있다.
도 6은 분산전원에서의 드룹제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)는 부하전류대비 DC버스전압(VDC)을 나타내는 그래프이다. 도 6의 (a)를 참조하면, 부하량(iload)의 증가에 따라 DC버스(110)의 전압(VDC)은 하강한다.
분산전원들(120, 122, 124)은 이러한 DC버스전압(VDC)의 특성에 따라 드룹 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 이러한 분산전원들(120, 122, 124)은 DC버스전압(VDC)이 감소하면 부하량(iload)이 증가한 것으로 판단하여 출력전류를 증가시키고 반대로 DC버스전압(VDC)이 증가하면 부하량(iload)이 감소한 것으로 판단하여 출력전류를 감소시킨다.
도 6의 (b)는 드룹제어를 수행하는 분산전원에서의 DC버스전압(VDC) 대비 출력전류(io)를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (b)를 참조하면, 이러한 분산전원은 DC버스전압(VDC)이 증가하면 출력전류(io)를 감소시키고 DC버스전압(VDC)이 감소하면 출력전류(io)를 증가시키는 방향으로 드룹제어를 수행한다.
드룹제어에서는 드룹게인(Droop Gain, DG)이 사용될 수 있다. 드룹게인(DG)은 입력대비출력의 기울기 혹은 미분값에 해당된다.
도 6의 (b)를 참조할 때, 드룹게인(DG)의 절대값이 크면 출력전류(io)가 DC버스전압(VDC)의 변동에 민감하게 반응하게 되고, 드룹게인(DG)의 절대값이 작으면 출력전류(io)가 DC버스전압(VDC)의 변동에도 크게 변하지 않게 된다.
제1전력원은 제1전압변동과 제2전압변동을 구분하고 디젤발전기의 가변속에 의하지 않은 마이크로그리드의 전압변동에 대하여 드룹제어를 수행한다. 제1전력원은 직접 디젤발전기를 제어하기 때문에 DC버스(110)의 전압변동이 제1전압변동인지 제2전압변동인지 파악할 수 있다. 제1전력원은 이에 따라 제2전압변동에 대해서만 드룹제어를 수행할 수 있다.
다른 전력원(제2전력원 혹은 제3전력원)도 DC버스(110)의 전압변동 형태를 인식하여 제1전압변동과 제2전압변동을 구분할 수 있다. 예를 들어, 제1전압변동은 시변률이 크고 제2전압변동은 시변률이 작은데, 다른 전력원(제2전력원 혹은 제3전력원)은 이러한 시변률의 차이에 따라 제1전압변동과 제2전압변동을 구분하고, 이에 따라 제2전압변동에 대해서만 드룹제어를 수행할 수 있다.
또는 다른 전력원(제2전력원 혹은 제3전력원)은 제1전력원과 통신을 통해 정보를 주고 받으면서 제1전력원으로부터 제1전압변동 혹은 제2전압변동에 대한 정보를 수신하고 이러한 정보에 따라 드룹제어를 수행할 수 있다.
한편, 마이크로그리드 시스템이 AC그리드로 연결되어 있는 AC마이크로그리드일 때, 마이크로그리드 시스템의 수급 불균형은 AC그리드의 주파수 변동으로 나타나는데, 이에 따라, 분산전원들은 AC마이크로그리드의 주파수변동에 대하여 드룹제어를 수행할 수 있다.
도 7은 DC버스의 형태가 다르게 형성된 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 도 7의 마이크로그리드 시스템(700)은 도 1의 실시예와 마찬가지로 DC버스(110), 분산전원(120, 122, 124), 부하(140, 142), 컨버터들(130, 132, 134, 136, 138) 등을 포함할 수 있다.
도 7에서 DC버스(110)는 3개의 서브버스로 구성되고, 제1서브버스(112)에는 분산전원들(120, 122, 124)의 전력이 공급된다. 그리고, 제2서브버스(114)에는 부하들(140, 142)이 연결되고, 제1서브버스(112)와 제2서브버스(114)는 제3서브버스(116)를 통해 연결된다.
도 7의 실시예와 도 1의 실시예의 차이점은 도 7의 실시예에서는 분산전원들(120, 122, 124)과 부하들(140, 142)이 서로 다른 서브버스로 분리되어 있다는 점이다. 제1분산전원(120)에 대한 가변속 제어에 따라 제1서브버스(112)에 출력 변동이 생길 수 있다는 측면에서 제1서브버스(112)와 제2서브버스(114)를 분리해 놓음으로써 제1서브버스(112)에 생성된 출력 변동이 부하들(140, 142)로 조금 더 적게 전파되도록 하는 효과가 있다.
제3버스(116)에 버퍼(미도시)가 더 포함되어 있으면 이러한 효과는 더 배가될 수 있다. 버퍼(미도시)로는 DC캐패시터, 배터리 혹은 필터 등이 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 마이크로그리드 시스템이 가변속 디젤발전기를 이용하여 고효율로 작동하게 된다. 이러한 디젤발전기의 가변속 제어에 의해 DC버스(110)에는 전압변동이 나타나게 되는데, 디젤발전기를 포함하는 전력원은 전압제어를 수행하고, 다른 전력원은 전류제어를 수행하기 때문에 이러한 전압변동에 대하여도 시스템이 안정적으로 작동하는 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. DC그리드로 연결되어 있는 마이크로그리드 시스템에서,
    출력별 최대 효율을 나타내는 발전기 속도 정보를 저장하고 있으며 상기 정보를 이용하여 각 출력에서 발전기 속도를 출력 대비 최대 효율점으로 제어하는 가변속 디젤발전기, 및 AC/DC 전력변환을 통해 상기 가변속 디젤발전기의 출력을 상기 DC그리드로 전달하는 AC/DC컨버터를 포함하며, 상기 DC그리드에 대해 전압제어를 수행하는 제1전력원;
    상기 DC그리드의 전압변동을 인식하고 상기 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 상기 DC그리드에 대하여 전류제어를 수행하는 제2전력원; 및
    상기 DC그리드로부터 전력을 공급받는 부하
    를 포함하는 마이크로그리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC/DC컨버터는 상기 가변속 디젤발전기의 출력으로부터 순차적으로 ㅇ연결되는 AC/DC스테이지, DC링크 및 DC/DC스테이지를 포함하는 마이크로그리드시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2전력원은 다음 수식과 같이 전류지령치를 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
    i* = i + K·f(△V)(i*는 전류지령치, i는 측정된 출력전류값, △V는 전압변동, K는 보상계수)
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제3항에 있어서,
    상기 제2전력원은 다음 수식과 같이 전류지령치를 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
    Figure 112014103473052-pat00002

    (i*는 전류지령치, i는 측정된 출력전류값, △V는 전압변동, K는 보상계수)
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제3항 혹은 제4항에 있어서,
    상기 K 값을 변경하여 상기 제2전력원의 출력량을 제어하는 제어장치를 더 포함하는 마이크로그리드 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전력원은,
    발전기 속도를 출력 대비 최대 효율점으로 제어하는 동안 나타나는 상기 DC그리드의 제1전압변동과 상기 DC그리드의 전력 수급 불균형에 따라 나타나는 상기 DC그리드의 제2전압변동을 구분하고, 상기 제2전압변동에 대하여 드룹제어를 수행하는 마이크로그리드 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2전력원은,
    상기 DC그리드에 형성되는 전압변동의 시변률의 차이에 따라 상기 제1전압변동 및 상기 제2전압변동을 구분하고, 상기 제1전압변동 및 상기 제2전압변동에 대하여 서로 다른 출력제어를 수행하는 마이크로그리드 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2전력원은,
    상기 제1전력원과의 통신을 통해 송수신된 정보에 따라 상기 제1전압변동 및 상기 제2전압변동을 구분하고, 상기 제1전압변동 및 상기 제2전압변동에 대하여 서로 다른 출력제어를 수행하는 마이크로그리드 시스템.
  9. DC그리드로 연결되어 있는 마이크로그리드 시스템의 제어 방법에 있어서,
    가변속 디젤발전기 및 상기 가변속 디젤발전기의 출력을 상기 DC그리드로 전달하는 AC/DC컨버터를 포함하는 제1전력원에 대하여 드룹제어를 수행하는 단계;
    상기 드룹제어가 종료된 상태에서, 출력별 최대 효율을 나타내는 발전기 속도 정보에 따라 발전기 속도를 제어하여 상기 가변속 디젤발전기가 출력 대비 최대 효율점에서 운전되도록 제어하는 단계;
    상기 DC그리드에 대하여 상기 가변속 디젤발전기의 출력을 전압제어하는 단계;
    상기 DC그리드에 연결되어 있는 제2전력원에 대하여 상기 DC그리드의 전압변동을 인식하고 상기 전압변동에 따라 전류지령치를 계산하여 상기 제2전력원을 전류제어하는 단계; 및
    상기 마이크로그리드에 연결되어 있는 부하들로 전력을 공급하는 단계
    를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2전력원을 제어하는 단계에서,
    상기 DC그리드 전압이 증가하는 방향으로 상기 전압변동이 인식되면 상기 전류지령치를 감소시키고 상기 DC그리드 전압이 감소하는 방향으로 상기 전압변동이 인식되면 상기 전류지령치를 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2전력원을 제어하는 단계에서,
    다음 수식과 같이 전류지령치를 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
    i* = i + K·f(△V)(i*는 전류지령치, i는 측정된 출력전류값, △V는 전압변동, K는 보상계수)
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 제2전력원을 제어하는 단계에서,
    다음 수식과 같이 전류지령치를 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
    Figure 112014103473052-pat00003

    (i*는 전류지령치, i는 측정된 출력전류값, △V는 전압변동, K는 보상계수)
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항 혹은 제12항에 있어서,
    상기 K는 가변되는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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