KR101734488B1 - 전력 계통 제어 방법 - Google Patents

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KR101734488B1
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(주)해바람에너지
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Abstract

본 발명은 전력 계통 제어 방법으로서, 도서 지역에 디젤 발전기를 운용하며 전력을 공급하는 전력 계통 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 형태는 전력망으로의 전력 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 상기 전력관리장치에 전송하는 과정; 전력 생산량과 송전단의 전력 수요량에 따른 전력 공급을 관리하는 전력관리장치가, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 실시간으로 모니터링하는 전력 운행 상태 모니터링 과정; 상기 전력관리장치가, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하여 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하는 과정; 상기 전력관리장치가, 상기 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량, 충전 시간량을 이용하여 전력저장장치에 저장할 시간별 충전 목표치를 산출하는 시간별 충전 목표치 산출 과정; 상기 전력관리장치가, 상기 시간별 충전 목표치를 전력망에서의 송전단으로의 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치에 전송하는 과정; 및 상기 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 발전 전력과, 디젤 발전기의 발전 전력 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 시간별 충전 목표치에 도달할 때까지 상기 전력저장장치의 충전을 수행하는 충전 수행 과정;을 포함할 수 있다.

Description

전력 계통 제어 방법{Method for controlling electric power system}
본 발명은 전력 계통 제어 방법으로서, 도서 지역에 디젤 발전기를 운용하며 전력을 공급하는 전력 계통 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 디젤 발전기의 발전 전력을 가정에 공급하는 전력 공급로를 도시한 그림이다.
계통 연계가 어려운 일부 도서 지역에서는 독립적으로 디젤 발전기를 이용하여 전력을 생산하여 사용하게 된다.
도서 지역 내의 디젤 발전기의 경우 대용량 디젤 발전기 1대를 운영하기 보다는 저용량 디젤 발전기 2대 이상을 병렬로 연결하여 분산 운영하는 경우가 대부분이다. 예를 들어, 저용량의 디젤 발전기 1대 용량이 초과하는 부하가 발생하는 경우 2번째 디젤 발전기가 운영을 실시하여 부하를 제어한다.
이를 위하여 전력관리장치(10)(PMS;Power Management System)는 독립형 디젤 발전기의 전력 공급과 송전단의 전력 수요를 모니터링하여 전력 변동에 따라서 전력변환장치(20)(PCS;Power Conditioning System)에 지령을 내려 예비력 회복, 주파수 제어, 전력 품질 및 신뢰도 향상, 신재생 에너지 관리, 에너지 관리, 전압 관리 등을 통해서 송배전 효과를 높이게 된다.
그런데 이러한 기존의 전력관리장치(10)(PMS)는, 전력 소모가 적은 심야 시간대에도 디젤 발전기를 가동하여야 하기 때문에 에너지 효율성이 떨어진다. 따라서 에너지 효율성을 높일 수 있는 수단의 필요성이 절실하다.
한국등록특허 10-1316550호
본 발명의 기술적 과제는 전력 공급을 효율적으로 할 수 있는 전력 계통의 제어 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 전력변환장치의 안정적인 전력 송전이 이루어지도록 하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 전력망으로의 전력 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 상기 전력관리장치에 전송하는 과정; 전력 생산량과 송전단의 전력 수요량에 따른 전력 공급을 관리하는 전력관리장치가, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 실시간으로 모니터링하는 전력 운행 상태 모니터링 과정; 상기 전력관리장치가, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하여 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하는 과정; 상기 전력관리장치가, 상기 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량, 충전 시간량을 이용하여 전력저장장치에 저장할 시간별 충전 목표치를 산출하는 시간별 충전 목표치 산출 과정; 상기 전력관리장치가, 상기 시간별 충전 목표치를 전력망에서의 송전단으로의 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치에 전송하는 과정; 및 상기 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 발전 전력과, 디젤 발전기의 발전 전력 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 시간별 충전 목표치에 도달할 때까지 상기 전력저장장치의 충전을 수행하는 충전 수행 과정;을 포함할 수 있다.
상기 신재생 에너지원 발전기는, 풍력 발전기 및 태양광 발전기를 포함하며, 전력저장장치는, B는 전력저장장치의 용량[Kwh], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간이라 할 때, B[Kwh] = R2 × t2× 1.3에 의해 결정되는 용량을 가지는 전력저장장치임을 특징으로 할 수 있다.
상기 충전 시간량을 산출하는 것은, B는 전력저장장치의 용량[Kwh], Wp는 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Sp는 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Cp는 충전 목표치 도달을 위한 전력 변동량[Kw]이라 할 때,
Figure 112015075432810-pat00001
에 의해 충전 시간량(t1)이 산출됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 시간별 충전 목표치를 산출하는 것은, W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치의 시간당 예측 변동전력[Kw], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간, t1은 충전 시간량이라 할 때,
Figure 112015075432810-pat00002
에 의해 시간별 충전 목표치(A)가 산출됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 충전 수행 과정은, 상기 전력저장장치에 전력 충전 중에 신재생 에너지원 발전기의 전력 생산량이 기준치 이하로 떨어진 경우 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어할 수 있다.
상기 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어하는 것은, 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)을 제어하며, W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치의 시간당 예측 변동전력[Kw], R1은 도서지역의 평일 전력 수요량[Kw]이라 할 때,
Figure 112015075432810-pat00003
에 의해 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)이 산출됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 충전 수행 과정이 있은 후, 상기 전력관리장치는, 전력저장장치의 충전이 완충되거나, 상기 시간별 충전 목표치에 도달한 경우, 전력저장장치의 충전을 중지하고 송전을 수행하라는 송전 메시지를 상기 하이브리드 전력변환장치에 전송하는 과정; 상기 하이브리드 전력변환장치는, 상기 송전 메시지를 수신하면 전력저장장치의 충전을 중지하고 전력저장장치에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 하는 과정; 상기 하이브리드 전력변환장치는, 상기 전력저장장치의 충전된 전력을 주기적으로 파악하여 30% 미만으로 충전되어 있는 경우, 상기 전력관리장치에 방전 경고 메시지를 전송하는 과정; 상기 전력관리장치가, 상기 방전 경고 메시지를 수신한 경우, 디젤 발전기의 전력 생산이 이루어지도록 제어하며, 디젤 발전기 전력 생산 메시지를 상기 하이브리드 전력변환장치에 전송하는 과정; 및 상기 하이브리드 전력변환장치가, 상기 디젤 발전기 전력 생산 메시지를 수신한 경우, 디젤 발전기의 발전 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 심야 시간대에 디젤 발전기의 운행을 하지 않고 하이브리드 전력변환장치의 단독 운행이 이루어질 경우 연료절감 및 디젤발전기의 안정성의 향상을 이룰 수 있다.
도 1은 디젤 발전기의 발전 전력을 가정에 공급하는 전력 공급로를 도시한 그림.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 계통 제어 시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 계통 제어 과정을 도시한 플로차트.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하는 과정을 도시한 플로차트.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하는 과정을 도시한 플로차트.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전력저장장치를 이용한 전력 송전 과정을 도시한 플로차트.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해서 보다 명확해질 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 계통 제어 시스템을 도시한 구성도이다.
디젤 발전기는 디젤 발전을 수행하여 전력을 생산하는 발전기로서, 디젤 기관을 원동기로 하여 발전 전력을 생산한다.
신재생 에너지원 발전기(400)는 디젤과 같은 원료가 아닌 자연 환경을 이용하여 발전 전력을 생산하는 발전이다. 예를 들어, 신재생 에너지원 발전기(400)는 풍력 발전기, 태양광 발전기가 해당될 수 있다.
전력저장장치(300)는 전력을 충전하여 심야에 송전단을 통해 전력을 제공하도록 전력의 충전 및 방전이 이루어질 수 있는 전력 저장체이다.
본 발명의 독립운전이 가능한 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS;Hybrid power conditioning system)는 기존의 PCS (power conditioning system) 기능 이외에도 전력 소모가 적은 심야 시간 때에 디젤 발전기를 가동하지 않고 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS) 단독 운영이 가능하며 전력관리장치(100)(PMS;power management system) 운영에 따라서 효율적으로 전력저장장치(300)에 전력저장 및 소비가 가능하다. 따라서 하이브리드 전력변환장치(HPCS)는 불안정한 신재생전력을 전력망에 안정적으로 연계하여 제공한다. 하이브리드 전력변환장치(200)는, 신재생 에너지원 발전기(400)의 운행 상태 및 전력저장장치(300)의 잔량을 전력관리장치(100)에 전송하며, 신재생 에너지원 발전기(400)의 발전 전력과, 디젤 발전기의 발전 전력 중 어느 하나 이상을 이용하여 시간별 충전 목표치에 도달할 때까지 전력저장장치(300)의 충전을 수행한다. 이를 상술하면, 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 기본적은 상용화된 PCS(power conditioning system)의 전력변동에 따른 전력품질 향상도모등과 같은 기능은 기본적으로 갖추고 있으므로 상세한 설명을 생략한다. 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 입력단은 풍력 발전기와 태양광 발전기에 병렬로 연결되어 전력 공급을 받아서 전력저장장치(300)에 전력을 저장한다.
하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)의 출력단은 양방향구조로 이루어져 있으며 기존의 PCS (power conditioning system) 기능과 같이 독립디젤 발전기의 전력 변동 발생하는 경우 송전단에 예비전력을 공급하여 전력품질 향상 역할을 기본적으로 하면서 전력저장장치(300)의 전력이 부족하거나 독립형 디젤발전기 발전효율을 고려한 발전기 운영 시 발생하는 잉여전력을 전력저장장치(300)에 저장할 수 있다.
하이브리드전력변환장치(HPCS)는 풍력 발전기 및 태양광 발전기와 송전단이 완벽하게 분리되어 있으므로 풍력 발전기와 태양광 발전기에서 발생할 수 있는 이상전력으로 인해서 발생할 수 있는 송전단 전력 사고를 미연에 방지할 수 있다.
하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)를 운영하기 위해서 높이 30M 가량의 기상탑이 설치되며 데이터로서, 풍속센서, 풍향센서, 온도센서, 습도센서, 기압센서, 일사량센서, 강우량센서로 구성되어 있다. 기상탑에 설치되어 있는 모든 센서들의 신호측정 및 측정신호 변환하여 데이터화하여 수집 및 개별적 데이터 저장을 하면서 실시간으로 전력관리장치(100)(PMS)으로 데이터를 전송한다.
또한 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 상시 운영 중에는 전력관리장치(100)(PMS)의 명령에 따라서 송전단에서 전력 공급받기도 하고 반대로 공급해주기도 한다. 전력관리장치(100)(PMS)는 현재 운영 중인 디젤 발전기의 출력 용량을 상시 추정한다.
하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 전력관리장치(100)(PMS)의 명령에 따라서 풍력 발전기와 태양과 발전기의 현재 운행 상태 및 전력 저장 장치의 잔량을 체크하여 전력관리장치(100)(PMS)로 전송한다. 또한 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 상시 운영 중에는 전력관리장치(100)(PMS)의 지령에 따라서 송전단에서 전력 공급받기도 하고 반대로 공급해주기도 한다. 전력관리장치(100)(PMS)는 현재 운영 중인 디젤 발전기의 출력 용량을 상시 추정한다.
하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 전력관리장치(100)(PMS)의 명령에 따라서 풍력 발전기와 태양과 발전기의 현재 운행 상태 및 전력 저장 장치의 잔량을 체크하여 전력관리장치(100)(PMS) 전송한다.
전력관리장치(100)(PMS;Power Management System)는, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기(400)의 운행 상태 및 전력저장장치(300)의 잔량을 실시간으로 모니터링하는 전력 운행 상태 모니터링한다. 전력관리장치(100)(PMS)는, 신재생 에너지원 발전기(400)의 당일 전력 예측 생산량을 예측하여 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하고, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기(400)의 당일 전력 예측 생산량, 충전 시간량을 이용하여 전력저장장치(300)에 저장할 시간별 충전 목표치를 산출하는 시간별 충전 목표치 산출한다. 그리고 전력관리장치(100)는 시간별 충전 목표치를 전력망에서의 송전단으로의 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치(200)에 전송한다.
이하 상술하면, 전력관리장치(100)(PMS)는 도서 지역의 시간별 전력 소비 데이터를 다량으로 보유하고 있다. 전력관리장치(100)(PMS)는 각각의 독립형 디젤 발전기의 전력 생산 및 기름 소비 기준율에 대한 데이터를 보유 하고 있다. 전력관리장치(100)(PMS)는 풍력 발전기와 태양광 발전기의 실시간 발전량 측정 및 누적 발전량을 저장하고 있다. 전력관리장치(100)(PMS)는 송전단에 지령을 내려 현재의 부하용량 증가와 감소를 상시 추정한다.
전력관리장치(100)(PMS)는 현재 운영 중인 디젤 발전기의 출력 용량을 상시 추정한다. 전력관리장치(100)(PMS)가 풍력 발전기의 발전량 예측을 위해서는 설치 장소의 신뢰할 수 있는 기상청 자료 10년 이상의 데이터 또는 기상탑을 설치하여 실측을 통해서 얻은 데이터를 저장되어 있어야하며 현재 날짜를 기준으로 하여 ±3개월 이사의 데이터만 추출할 수 있어야 하며, 추출된 ±3개월의 데이터와 현재 풍속센서에 의해서 현재 지역의 측정된 풍속데이터를 10분 간격으로 저장되고 있는 데이터와 비교 분석하여 현재의 풍속 데이터와 가장 비슷하면서 확률이 높은 패턴주기를 찾아서 당일 평균풍속 대를 예측하여 풍력 발전기의 출력용량과 대입하여 당일 발전량을 예측한다.
전력관리장치(100)(PMS)가 태양광 발전기의 발전량을 예측하기 위해서는 설치장소의 신뢰할 수 있는 천문우주지식정보에서 제공하는 일출,일몰 데이터를 보유하고 있어야 하며 현재 날짜를 기준으로 당일 일출,일몰 데이터와 현재 실시간으로 측정한 기상탑에서 풍속, 온도, 습도, 기온 데이터를 대입하여 당일 일조량을 예측하고 현재 측정된 일사량 데이터와 대입하여 평균 일사량을 예측하여 태양과 발전 용량과 대입하여 당일 발전량을 예측한다.
전력관리장치(100)(PMS)는 예측한 전력저장에 있어서 시간별 충전 목표치를 산정하고 전력저장장치(300)에 전력을 저장한다. 전력관리장치(100)(PMS)는 전력저장장치(300)에 전력저장 과정 중에 풍력 발전기와 태양광 발전기의 전력 생산이 저하되거나 발전하지 않을 경우 디젤 발전기에 지령을 내려 디젤 발전기의 출력을 높여 시간에 따른 목표치에 도달하도록 한다.
전력관리장치(100)(PMS)는 전력저장장치(300)에 전력저장 과정 중에 시간에 따른 목표치에 도달하는 경우에나 전력저장장치(300)의 전력이 완전 충전되었을 경우에는 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)에 지령을 내려 도서지역의 평시 전력소모를 도와 디젤 발전기의 운전 효율을 높이다.
전력관리장치(100)(PMS)는 심야시간이 되면 디젤 발전기에 지령을 내려 운영 정지하고 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)에 지령을 내려 단독운영을 실시한다. 전력저장장치(300)의 전력량이 30% 미만으로 감소하는 경우 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 전력관리장치(100)(PMS)에게 경고 메시지를 전달한다. 전력관리장치(100)(PMS)는 경고 메시지를 확인하고 디젤 발전기 지령을 내려 디젤발전기를 가동한다. 시스템 운영자는 전력관리장치(100)(PMS)가 전송한 시스템 운영 계획을 확인하여 운영 명령 여부를 부여 및 취소 할 수 있다. 시스템 운영자는 전력관리장치(100)(PMS)는 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)의 운영 중에도 취소 및 비상 정지를 부여할 수 있다. 전력관리장치(100)(PMS)는 도서지역을 관리하는 한전 통합운영시스템이 있는 경우에 모든 데이터 전송과 모든 제어권한을 부여할 수 있으므로 별다른 관리자가 없어도 기존의 독립형 디젤발전기 관리자가 통합하여 운영 및 관리가 가능하다. 참고로, 전력관리장치(100)(PMS)와 한전 통합운영시스템간의 데이터 전송 및 지령과 제어시호는 광케이블로 안전적으로 송수신할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 계통 제어 과정을 도시한 플로차트이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하는 과정을 도시한 플로차트이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하는 과정을 도시한 플로차트이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전력저장장치를 이용한 전력 송전 과정을 도시한 플로차트이다.
전력망으로의 전력 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)가, 신재생 에너지원 발전기(400)의 운행 상태 및 전력저장장치(300)의 잔량을 전력관리장치(100)에 전송하는 과정(S310)을 가진다. 신재생 에너지원 발전기(400)는, 풍력 발전기 및 태양광 발전기를 포함할 수 있다. 따라서 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 풍력 발전기의 운행 상태 및 태양광 발전기의 운행 상태를 전력관리장치(100)(PMS)에 전송하다. 아울러 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 디젤 발전기의 운행 상태 역시 전력관리장치(100)(PMS)에 전송하다.
풍력 발전기의 발전 용량 및 태양광 발전기의 발전 용량을 합한 신재생 에너지 발전 총용량이, 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)에 입력되는 입력 허용 용량의 30% 미만으로 되도록 설계되어야 한다. 심야 시간 때 단독운전을 위해 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는, 전력저장장치(300)의 전력을 저장시에 전력생산 부하에 대해서는 전력생산 및 공급이 어려운 도서지역을 고려하여 디젤 발전기가 아닌 풍력 발전기와 태양광 발전기를 병렬로 연결하여 운영하며 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)의 안정성을 보장하기 위해서는 풍력 발전기와 태양광 발전기의 출력 용량이 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)의 입력용량의 30% 미만으로 산정이 매우 중요하며 용량 산정은 하기의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112015075432810-pat00004
여기서 W는 풍력 발전기의 발전 용량이며, S는 태양광 발전기의 발전 용량이며, P는 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)의 허용 용량을 나타낸다.
한편, 전력 생산량과 송전단의 전력 수요량에 따른 전력 공급을 관리하는 전력관리장치(100)(PMS)가, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기(400)의 운행 상태 및 전력저장장치(300)의 잔량을 실시간으로 모니터링하는 전력 운행 상태 모니터링 과정(S320)을 가진다. 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)로부터 풍력 발전기의 운행 상태 및 태양광 발전기의 운행 상태, 디젤 발전기의 운행 상태, 전력저장장치(300)의 잔량을 수신하여 실시간으로 모니터링하는 것이다.
전력관리장치(100)(PMS)는 신재생 에너지원 발전기(400)의 당일 전력 예측 생산량을 예측하여 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하는 과정(S330)을 가진다. 신재생 에너지원 발전기(400)에 해당하는 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량의 예측 과정을 도 4에 도시하였는데, 전력관리장치(100)(PMS)가 풍력 발전기의 발전량 예측을 위해서는 설치 장소의 신뢰할 수 있는 기상청 자료 10년 이상의 데이터 또는 기상탑을 설치하여 실측을 통해서 얻은 데이터를 저장되어 있어야 하며 현재 날짜를 기준으로 하여 ±3개월 이사의 데이터만 추출할 수 있어야 하며, 추출된 ±3개월의 데이터와 현재 풍속센서에 의해서 현재 지역의 측정된 풍속 데이터를 10분 간격으로 저장되고 있는 데이터와 비교 분석하여 현재의 풍속 데이터와 가장 비슷하면서 확률이 높은 패턴주기를 찾아서 당일 평균 풍속대를 예측하여 풍력 발전기의 출력 용량과 대입하여 당일 생산량(당일 전력 예측 생산량)을 예측한다.
Figure 112015075432810-pat00005
상기의 [수학식 2]에서 Wp는 10년 이상의 신뢰할 수 있는 풍속 데이터이고, Wm은 현재 날짜를 기준으로 ±3개월 내의 풍속데이터 범위이고, Wd는 현재 측정한 풍속 데이터이며, Wp는 풍력 발전기의 예측 발전량을 의미한다.
또한 신재생 에너지원 발전기(400)에 해당하는 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량의 예측 과정을 도 5에 도시하였는데, 전력관리장치(100)(PMS)가 태양광 발전기의 발전량을 예측하기 위해서는 설치장소의 신뢰할 수 있는 천문우주지식정보에서 제공하는 일출,일몰 데이터를 보유하고 있어야 하며 현재 날짜를 기준으로 당일 일출,일몰 데이터와 현재 실시간으로 측정한 기상탑에서 풍속, 온도, 습도, 기온 데이터를 대입하여 당일 일조량을 예측하고 현재 측정된 일사량 데이터와 대입하여 평균 일사량을 예측하여 태양과 발전 용량과 대입하여 당일 발전량을 예측한다.
태양광 발전기의 발전량 예측을 위해서 한국천문연구원에서 제공하는 일출, 일몰 시각표 데이터와 태양광 발전기 설치 단지 다량의 기존 기상데이터에서 현재 날짜를 기준으로 하여 일조량을 추출하고 현재 측정한 일사량과 비교하여 당일 발전량을 예측한다.
Figure 112015075432810-pat00006
여기서 Ss는 당일 일출, 일몰 시간 Sc는 태양광발전 단지의 당일 예상 기상 데이터, Sd는 현재 측정한 일사량 데이터이며, Sp는 태양광발전 예측 발전량을 의미한다.
한편, 신재생 에너지원 발전기(400)의 당일 전력 예측 생산량을 예측한 후에는, 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하게 되는데, 이때 고려되어야 할 것이 전력저장장치(300)의 용량이다. 전력 소모가 적은 심야시간에는 디젤 발전기 가동하지 않고 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는 단독적으로 운영하여 도서지역의 전력을 공급하기 위해서는 전력저장장치(300)의 용량산정이 매우 중요하며 전력저장장치(300)의 안전적인 전력공급 및 전력저장장치(300) 보호를 위해서 30%이상의 추가 용량을 가질 수 있어야 한다.
이를 위해, 신재생 에너지원 발전기(400)는, 풍력 발전기 및 태양광 발전기라 할 때, B는 전력저장장치(300)의 용량[Kwh], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치(300)에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간이라 할 때, B[Kwh] = R2 × t2× 1.3에 의해 결정되는 용량 이상을 가지는 전력저장장치(300)가 사용되어야 한다.
충전 시간량은, 전력저장장치(300)에 충전이 이루어질 수 있는 시간량으로서, B는 전력저장장치(300)의 용량[Kwh], Wp는 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Sp는 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Cp는 충전 목표치 도달을 위한 전력 변동량[Kw]이라 할 때, 충전 시간량(t1)은 하기의 수학식 4에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112015075432810-pat00007
한편, 충전 시간량의 산출(S330)이 된 후에는, 전력관리장치(100)가, 상기 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기(400)의 당일 전력 예측 생산량, 충전 시간량을 이용하여 전력저장장치(300)에 저장할 시간별 충전 목표치를 산출하는 시간별 충전 목표치 산출 과정(S340)을 가진다.
시간별 충전 목표치를 산출하는 것은, W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치(300)의 시간당 예측 변동전력[Kw], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치(300)에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간, t1은 충전 시간량이라 할 때, 하기의 [수학식 5]에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112015075432810-pat00008
충전 목표치 산출 과정(S340)이 있은 후, 전력관리장치(100)가, 시간별 충전 목표치를 전력망에서의 송전단으로의 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치(200)에 전송(S350)한다. 그리고, 하이브리드 전력변환장치(200)가, 신재생 에너지원 발전기(400)의 발전 전력과, 디젤 발전기의 발전 전력 중 어느 하나 이상을 이용하여 시간별 충전 목표치에 도달할 때까지 전력저장장치(300)의 충전을 수행하는 충전 수행 과정(S360)을 가진다.
충전 수행 과정(S360)은, 전력저장장치(300)에 전력 충전 중에 신재생 에너지원 발전기(400)의 전력 생산량이 기준치 이하로 떨어진 경우 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어한다. 이때, 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어하는 것은, 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)을 제어하며, W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치(300)의 시간당 예측 변동전력[Kw], R1은 도서지역의 평일 전력 수요량[Kw]이라 할 때, 하기의 [수학식 6]에 의해 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)이 산출될 수 있다.
Figure 112015075432810-pat00009
풍력발전기와 태양광발전의 전력 생산이 적어 매 시간 목표치 도달이 어려울 경우에 는 디젤 발전기 전력에서 추가적인 전력 공급을 해주고 반대로 풍력발전기와 태양광발전의 전력 생산이 높을 경우에는 디젤 발전기의 보조 전원으로 전력을 공급해주게 된다.
이를 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)가 미리 예측하여 미리 변동전력 컨트롤 위해서 디젤 발전기를 효율적으로 운영하기 위한 디젤 발전기의 전력 발전량 K는 하기의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112015075432810-pat00010
상기의 [수학식 7]에서 A는 시간별 충전 목표치, Wp는 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Sp는 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw]이다.
한편, 상기와 충전 수행 과정(S360)이 있은 후, 전력저장장치(300)에 저장된 전력을 이용하여 송전단을 통해 각 가정에 공급하게 된다. 이를 위해 전력관리장치(100)(PMS)는, 도 6에 도시한 바와 같이 전력저장장치(300)의 충전이 완충되거나, 상기 시간별 충전 목표치에 도달한 경우, 전력저장장치(300)의 충전을 중지하고 송전을 수행하라는 송전 메시지를 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)에 전송하는 과정(S370)을 가진다. 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는, 송전 메시지를 수신하면 전력저장장치(300)의 충전을 중지하고 전력저장장치(300)에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 하는 과정(S372)을 가진다.
하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)는, 전력저장장치(300)의 충전된 전력을 주기적으로 파악하여 30% 미만으로 충전되어 있는 경우, 전력관리장치(100)(PMS)에 방전 경고 메시지를 전송(S374)한다. 전력관리장치(100)가, 방전 경고 메시지를 수신한 경우, 디젤 발전기의 전력 생산이 이루어지도록 제어하며, 디젤 발전기 전력 생산 메시지를 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)에 전송하는 과정(S376)을 가진다. 하이브리드 전력변환장치(200)(HPCS)가, 디젤 발전기 전력 생산 메시지를 수신한 경우, 디젤 발전기의 발전 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 한다(S378).
따라서 대부분의 도서 지역내의 부하 패턴은 비슷하며 예를 들어 선정한 섬은 가사도이며 이 섬 내의 평균부하는 124kW이며 최대부하는 305kW이며 최소부하 80kW이다. 또한 시간대로 보면 평균적으로 19시 이후부터 04시 이전까지 전력 소모가 급격하게 떨어지면 이때 디젤 발전기의 운행을 하지 않고 하이브리드 전력변환장치(200)의 단독 운행이 이루어질 경우 연료절감 및 디젤발전기의 안정성의 향상을 이룰 것이다.
예를 들어, 500kW 독립형 디젤발전기 2대로 전력을 공급하는 도서지역이 있으며 지역의 부하가 상시적으로 600kW 이상이 발생한다며 디젤 발전기 2대를 운영하게 되며 1대는 100% 운영과 25%로 운영하게 된다.
디젤 발전기 운영에 따른 연비를 계산해보면 100% 운영 시 에는 155.2ℓ / 500kW= 0.31ℓ이고 75% 운영 시 에는 116.2ℓ / 375kW = 0.31ℓ이고 50% 운영 시 에는 185.5ℓ / 250kW = 0.3.4ℓ이고 25% 운영 시 에는 155.6ℓ / 125kW = 0.45ℓ이다.
100% 운영을 기준으로 하여 75% 운영 중에는 기름소모가 같으며 50% 운영 중에는 기름소모가 0.03ℓ가 더 발생하였으며 25% 발전 시에 0.14ℓ 추가적으로 연료를 소모하게 연비가 감소하는 것을 확인할 수 있으므로 최대한 디젤 발전기를 100%로에 가깝게 운영하는게 매우 중요하며 이에 발생하는 잉여 전력을 활용하는 것이 매우 중요하다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
100:전력관리장치
200:하이브리드 전력변환장치
300:전력저장장치
400;신재생 에너지원 발전기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 전력망으로의 전력 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 전력관리장치에 전송하는 과정;
    전력 생산량과 송전단의 전력 수요량에 따른 전력 공급을 관리하는 전력관리장치가, 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 운행 상태 및 전력저장장치의 잔량을 실시간으로 모니터링하는 전력 운행 상태 모니터링 과정;
    상기 전력관리장치가, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량을 예측하여 미리 설정된 충전 목표치에 도달하도록 하는 충전 시간량을 산출하는 과정;
    상기 전력관리장치가, 상기 디젤 발전기의 전력 생산량, 신재생 에너지원 발전기의 당일 전력 예측 생산량, 충전 시간량을 이용하여 전력저장장치에 저장할 시간별 충전 목표치를 산출하는 시간별 충전 목표치 산출 과정;
    상기 전력관리장치가, 상기 시간별 충전 목표치를 전력망에서의 송전단으로의 송전을 담당하는 하이브리드 전력변환장치에 전송하는 과정; 및
    상기 하이브리드 전력변환장치가, 신재생 에너지원 발전기의 발전 전력과, 디젤 발전기의 발전 전력 중 어느 하나 이상을 이용하여 상기 시간별 충전 목표치에 도달할 때까지 상기 전력저장장치의 충전을 수행하는 충전 수행 과정;을 포함하고,
    상기 신재생 에너지원 발전기는, 풍력 발전기 및 태양광 발전기를 포함하며,
    전력저장장치는, B는 전력저장장치의 용량[Kwh], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간이라 할 때, B[Kwh] = R2 × t2× 1.3에 의해 결정되는 용량을 가지며,
    상기 충전 시간량을 산출하는 것은,
    B는 전력저장장치의 용량[Kwh], Wp는 풍력 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Sp는 태양광 발전기의 당일 전력 예측 생산량[Kw], Cp는 충전 목표치 도달을 위한 전력 변동량[Kw]이라 할 때,
    Figure 112016071331893-pat00011
    에 의해 충전 시간량(t1)이 산출됨을 특징으로 하는 전력 계통 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 시간별 충전 목표치를 산출하는 것은,
    W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치의 시간당 예측 변동전력[Kw], R2는 도서지역의 심야 시간대의 평균 소비 전력[Kw], t2[hour]는 전력변환장치가 전력저장장치에 충전된 전력만을 이용하여 송전단으로의 송전이 이루어지도록 할 수 있는 최대 가능 시간, t1은 충전 시간량이라 할 때,
    Figure 112015075432810-pat00012

    에 의해 시간별 충전 목표치(A)가 산출됨을 특징으로 하는 전력 계통 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 충전 수행 과정은,
    상기 전력저장장치에 전력 충전 중에 신재생 에너지원 발전기의 전력 생산량이 기준치 이하로 떨어진 경우 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어하는 전력 계통 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 디젤 발전기의 전력 생산량을 높이도록 제어하는 것은, 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)을 제어하며,
    W는 풍력 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], S는 태양광 발전기의 시간당 발전 용량[Kw], C는 전력저장장치의 시간당 예측 변동전력[Kw], R1은 도서지역의 평일 전력 수요량[Kw]이라 할 때,
    Figure 112015075432810-pat00013

    에 의해 디젤 발전기의 전력 생산의 변동량(D)이 산출됨을 특징으로 하는 전력 계통 제어 방법.
  7. 삭제
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