KR101776618B1

KR101776618B1 - 마이크로그리드 제어장치, 마이크로그리드 제어방법 및 연료발전기 제어방법

Info

Publication number: KR101776618B1
Application number: KR1020160046994A
Authority: KR
Inventors: 백종복; 송유진; 채수용; 김규덕; 박석인; 오세승; 성윤동
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-09-12

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 연료발전기 및 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드를 제어하는 제어장치에 있어서, 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색하고, 제1운전범위 혹은 제1운전점으로 연료발전기를 작동시키거나 연료발전기를 오프(OFF)시키는 제1제어블럭; 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 에너지저장장치의 출력을 제어하는 제2제어블럭; 및 제1시구간에서 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정하는 중앙제어블럭을 포함하는 마이크로그리드 제어장치를 제공한다.

Description

마이크로그리드 제어장치, 마이크로그리드 제어방법 및 연료발전기 제어방법{CONTROL APPARATUS FOR MICROGRID, CONTROL METHOD FOR MICROGRID AND CONTROL METHOD FOR FUEL GENERATOR}

본 발명은 마이크로그리드에 대한 제어 기술 및 마이크로그리드에 포함되는 연료발전기에 대한 제어 기술에 관한 것이다.

마이크로그리드란 분산전원을 포함하는 국소적인 전력시스템을 의미한다. 기존의 광역적 전력시스템이 가지는 문제, 예를 들면, 대정전과 같은 문제를 해결하기 위해 마이크로그리드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

마이크로그리드에는 다수의 분산전원이 포함될 수 있다. 예를 들어, 마이크로그리드에는 연료발전기(예, 디젤발전기, 가스발전기 등), 재생에너지발전기(예, 태양광발전기, 풍력발전기 등), 에너지저장장치(예, 배터리 등) 등이 분산전원으로서 포함될 수 있다.

마이크로그리드에서 최대 전력의 생산 시점에는 마이크로그리드에 포함된 분산전원들이 모두 가동되지만, 부하가 일정한 수준으로 유지되는 경우에는, 분산전원들 중 일부만이 선택적으로 가동될 수 있다. 예를 들어, 연료발전기는 가동되지 않고, 에너지저장장치만 마이크로그리드에 전력을 공급할 수 있다. 다른 예로서, 연료발전기만 마이크로그리드에 전력을 공급할 수도 있다.

분산전원들이 선택적으로 가동될 수 있을 때, 최저의 가동비용으로 최고의 효율을 낼 수 있도록 분산전원들을 선택하는 것이 바람직하다. 분산전원들은 종류에 따라 그리고, 전력 생산량에 따라 가동비용이 다를 수 있다. 예를 들어, 연료발전기의 일종인 디젤발전기는 저출력에서 가동비용(구체적으로, 전력생산단가)이 높은 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 부하가 작은 경우에는 에너지저장장치만으로 전력을 공급하는 것이 비용적인 측면에서 바람직하다.

이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 복수의 분산전원이 포함된 마이크로그리드를 저비용 고효율로 제어하는 기술을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 연료발전기 및 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드를 제어하는 제어장치에 있어서, 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색하고, 제1운전범위 혹은 제1운전점으로 연료발전기를 작동시키거나 연료발전기를 오프(OFF)시키는 제1제어블럭; 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 에너지저장장치의 출력을 제어하는 제2제어블럭; 및 제1시구간에서 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정하는 중앙제어블럭을 포함하는 마이크로그리드 제어장치를 제공한다.

이러한 마이크로그리드 제어장치에서, 제1제어블럭은, 연료발전기의 연료량을 증감시키면서 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색할 수 있다.

그리고, 제1제어블럭은, 연료량의 증감량 대비 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 운전범위 혹은 운전점을 제1운전범위 혹은 제1운전점으로 결정할 수 있다.

그리고, 제1제어블럭은, 제1운전범위 혹은 제1운전점을 저장하는 메모리를 더 포함하고, 재기동될 때, 연료발전기를 제1운전범위 혹은 제1운전점으로 운전시킬 수 있다.

그리고, 제2제어블럭은, 드룹제어를 통해 에너지저장장치의 출력을 제어할 수 있다.

그리고, 제1제어블럭은, 제1운전범위 혹은 제1운전점에서 연료발전기의 출력을 정전력제어할 수 있다.

그리고, 중앙제어블럭은, 제1운전범위 혹은 제1운전점에서의 연료발전기의 발전단가와 에너지저장장치의 충방전단가를 이용하여 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용을 계산할 수 있다.

그리고, 중앙제어블럭은, 계산에서 있어서, 제1시구간에서는 연료발전기의 발전단가와 에너지저장장치의 충방전단가가 고정되는 것으로 설정할 수 있다.

그리고, 중앙제어블럭은, 연료발전기의 기동비용을 포함하여 연료발전기의 작동비용을 계산하되, 연료발전기의 온(ON)제어에 기동비용의 절반을 적용하고 연료발전기의 오프(OFF)제어에 기동비용의 절반을 적용할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은, 적어도 하나의 연료발전기 및 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드를 제어하는 방법에 있어서, 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색하는 단계; 제1운전범위 혹은 제1운전점으로 연료발전기를 작동시키거나 연료발전기를 오프(OFF)시키는 단계; 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 에너지저장장치의 출력을 제어하는 단계; 및 제1시구간에서 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정하는 단계를 포함하는 마이크로그리드 제어방법을 제공한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 연료발전기를 제어하는 방법에 있어서, 투입연료량과 출력량을 계측하는 단계; 투입연료량 및 출력량을 이용하여 단위연료당 출력량을 계산하고 이전 스텝에서 계산한 값과 비교하는 단계; 단위연료당 출력량이 이전 스텝에서 계산한 값보다 큰 경우 투입연료량의 증감 상태를 유지하고, 단위연료당 출력량이 이전 스텝에서 계산한 값보다 작은 경우 상기 투입연료량의 증감 상태를 반대로 제어하는 단계; 및 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 경우 최적운전점으로 판단하는 단계를 포함하는 연료발전기 제어방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 복수의 분산전원이 포함된 마이크로그리드를 저비용 고효율로 제어하는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 연료발전기를 최적운전점으로 가동시켜 마이크로그리드 전체의 전력생산단가를 낮추는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 하드웨어 배치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드에 대한 제어 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료발전기의 제어방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은 최적운전점 혹은 최적운전범위를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은 제1제어블럭 혹은 제1로컬제어기의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 제1예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.
도 9는 연료발전기의 출력 중 일부가 충전에 사용되는 경우의 발전단가를 비교하는 그래프이다.
도 10은 제2예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.
도 11은 제3예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.
도 12는 제4예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.
도 13은 제5예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.

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 마이크로그리드의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 마이크로그리드(100)에는 연료발전기(20), 에너지저장장치(30), 재생에너지발전기(40) 등의 분산전원과 부하(40)가 포함될 수 있다.

연료발전기(20)는 연료의 투입에 따라 전력이 생산되는 발전기로서, 디젤발전기, 가스발전기 등의 화석연료발전기가 대표적이다.

에너지저장장치(30)는 충전을 통해 에너지를 저장하고 방전을 통해 마이크로그리드(100)로 전력을 공급한다. 플라이휠, 배터리 등이 대표적이다.

재생에너지발전기(40)는 자연에서 발생하는 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전기로서, 태양광발전기, 풍력발전기 등이 대표적이다.

도 1과 같이 마이크로그리드(100)에는 연료발전기(20), 에너지저장장치(30), 재생에너지발전기(40)가 모두 포함될 수도 있지만, 실시예에 따라서는, 연료발전기(20)만 포함되거나 연료발전기(20) 및 에너지저장장치(30)만 포함될 수도 있다.

도 1에는 설명의 편의상 각 종류의 분산전원이 하나씩 포함되어 있는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서는 각 종류의 분산전원이 둘 이상 포함될 수 있다.

마이크로그리드(100)에는 분산전원들(20, 30, 40)을 제어하는 제어장치(110)가 포함될 수 있다.

분산전원들(20, 30, 40)과 부하(10)는 전력버스를 통해 연결될 수 있다. 이때, 전력버스는 교류(AC)버스일 수도 있고, 직류(DC)버스일 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 제어장치(110)는 중앙제어블럭(210), 제1제어블럭(220), 제2제어블럭(230), 제3제어블럭(240) 등을 포함할 수 있다.

제1제어블럭(220)은 연료발전기에 대한 제어를 수행할 수 있다. 제1제어블럭(220)은 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 운전범위 혹은 운전점을 탐색하고, 이러한 운전범위 혹은 운전점으로 연료발전기를 작동시킬 수 있다. 혹은 제1제어블럭(220)은 온오프(ON/OFF)제어를 통해 연료발전기를 온(ON)시키거나 오프(OFF)시킬 수 있다.

제2제어블럭(230)은 에너지저장장치에 대한 제어를 수행할 수 있다. 제2제어블럭(230)은 마이크로그리드-구체적으로는 마이크로그리드의 전력버스-의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 에너지저장장치의 출력을 제어할 수 있다. 제2제어블럭(230)은 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 에너지저장장치를 드룹제어할 수 있다.

제3제어블럭(240)은 재생에너지발전기에 대한 제어를 수행할 수 있다. 재생에너지발전기는 가능한 최대의 출력이 발생하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 마이크로그리드에 태양광발전기가 포함되는 경우, 제3제어블럭(240)은 태양광발전기를 MPPT(Maximum Power Point Tracking)로 제어할 수 있다.

중앙제어블럭(210)은 제1제어블럭(220), 제2제어블럭(230) 및 제3제어블럭(240)을 총괄적으로 관리할 수 있다. 예를 들어, 중앙제어블럭(210)은 연료발전기의 출력을 증가시키고 에너지저장장치의 출력을 감소시키고자 할 때, 제1제어블럭(220)으로 출력 감소 지령을 전송하고 제2제어블럭(230)으로 출력 증가 지령을 전송할 수 있다.

중앙제어블럭(210)은 마이크로그리드에 포함된 분산전원들이 최저의 비용으로 작동되도록 제1제어블럭(220), 제2제어블럭(230) 및 제3제어블럭(240)을 제어할 수 있다.

구체적인 예로서, 중앙제어블럭(210)은 일정한 시구간을 결정하고 이러한 시구간에서 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 제1제어블럭(220), 제2제어블럭(230) 및 제3제어블럭(240)을 제어할 수 있다.

이때, 중앙제어블럭(210)은 마이크로그리드에 포함된 분산전원들의 작동비용이 최소가 되도록, 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정할 수 있다. 구체적으로, 제1제어블럭(220)이 연료발전기의 최적운전점을 결정하고, 중앙제어블럭(210)은 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태만 결정할 수 있다. 예를 들어, 중앙제어블럭(210)이 연료발전기의 상태를 온(ON)으로 결정하는 경우, 제1제어블럭(220)은 연료발전기를 턴온하고 연료발전기의 운전점을 최적운전점으로 제어할 수 있다. 그리고, 중앙제어블럭(210)이 연료발전기의 상태를 오프(OFF)로 결정하는 경우, 제1제어블럭(220)은 최적운전점으로 운전되는 연료발전기를 해당 운전점에서 턴오프시킬 수 있다. 이와 같은 제어방식에 따라 연료발전기는 최적운전점-단위연료당 출력량이 최대가 되는 운전점-에서 온오프(ON/OFF)되게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 하드웨어 배치를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 각각의 분산전원들(20, 30, 40)에는 로컬제어기(320, 330, 340)가 연결될 수 있고, 로컬제어기(320, 330, 340)는 통신을 통해 중앙제어기(310)와 연결될 수 있다. 여기서, 제1로컬제어기(320)는 단독으로 혹은 중앙제어기(310)의 일부 구성과 함께 도 2를 참조하여 설명한 제1제어블럭을 구성할 수 있다. 그리고, 제2로컬제어기(330)는 단독으로 혹은 중앙제어기(310)의 일부 구성과 함께 도 2를 참조하여 설명한 제2제어블럭을 구성할 수 있다. 그리고, 제3로컬제어기(340)는 단독으로 혹은 중앙제어기(310)의 일부 구성과 함께 도 2를 참조하여 설명한 제3제어블럭을 구성할 수 있다.

제1로컬제어기(320)는 연료발전기(20)에서 생산된 전력을 변환하여 전력버스로 공급할 수 있다. 전력버스가 DC버스인 경우, 제1로컬제어기(320)는 연료발전기(20)의 AC전력을 DC전력으로 변환하여 DC버스로 공급할 수 있다.

제2로컬제어기(330)는 에너지저장장치(30)의 충방전을 제어할 수 있다. 제2로컬제어기(330)는 전력버스에 형성된 전력을 에너지저장장치(30)로 공급하여 에너지저장장치(30)를 충전할 수 있다. 그리고, 제2로컬제어기(330)는 에너지저장장치(30)의 전력을 전력버스로 공급하여 에너지저장장치(30)를 방전시킬 수 있다.

제3로컬제어기(340)는 재생에너지발전기(40)의 출력을 제어할 수 있다. 제3로컬제어기(340)는 재생에너지발전기(40)의 출력을 제어하여 재생에너지발전기(40)를 MPPT 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로그리드에 대한 제어 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 제어장치는 마이크로그리드의 각종 데이터를 수집할 수 있다(S402). 예를 들어, 제어장치는 에너지저장장치의 상태(SOC(state-of-charge), SOH(state-of-health), DOD(Depth-of-Discharge), 출력전압, 출력전류, 온도 등)에 대한 데이터를 수집한다. 그리고, 제어장치는 연료발전기의 상태(작동상태, 연료잔량, 운전점 등)에 대한 데이터를 수집한다. 그리고, 제어장치는 재생에너지발전기에 관련된 데이터(현재 발전량, 예측 발전량, 기상상태 등)를 수집한다. 그리고, 제어장치는 부하에 관련된 데이터(현재 부하량, 예측 부하량 등)를 수집한다.

제어장치는 수집된 데이터를 활용하여 제어에 필요한 파라미터들을 결정할 수 있다(S404). 파라미터는 예를 들어, 아래 수학식 1 및 수학식 2를 참조하여 설명하는 연료발전기의 발전단가, 에너지저장장치의 충방전단가 등일 수 있다.

제어 파라미터가 결정되면 제어장치는 마이크로그리드에 대한 최적화를 수행할 수 있다(S406). 예를 들어, 제어장치는 마이크로그리드가 최적화되도록 마이크로그리드에 포함된 분산전원들이 각각 발전할 전력량을 분배하고, 각 분산전원의 온오프시퀀스를 결정할 수 있다. 여기서, 최적화는 비용적인 측면에서의 최적화일 수도 있고, 에너지효율적인 측면에서의 최적화일 수도 있으며, 자원의 분배의 측면에서의 최적화일 수도 있다.

최적화가 수행된 후에는 제어장치는 결정된 제어값에 따라 분산전원들을 제어하게 된다(S408).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료발전기의 제어방법의 흐름을 나타내는 도면이다.

제1제어블럭 혹은 제1로컬제어기는 도 5에 도시된 흐름에 따라 연료발전기를 제어하여 연료발전기의 최적운전점을 탐색할 수 있다. 예를 들어, 제1제어블럭은 연료발전기의 연료량을 증감시키면서 단위연료당 출력량이 최대가 되는 최적운전범위 혹은 최적운전점을 탐색할 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1제어블럭은 주기적으로 연료발전기의 출력량 및 투입연료량을 계측한다(S502).

그리고, 제1제어블럭은 투입연료량 및 출력량을 이용하여 단위연료당 출력량을 계산하고(S504), 이전 스텝에서 계산한 값과 비교한다(S506).

비교단계(S506)에서, 단위연료당 출력량이 이전 스텝보다 커진 경우(S506에서 YES), 제1제어블럭은 투입연료량의 증감 상태를 유지한다. 예를 들어, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량이 이전 스텝보다 커진 경우(S506에서 YES), 이전 스텝보다 투입연료량을 증가시켰는지 판단하고(S510), 투입연료량을 증가시킨 경우(S510에서 YES), 투입연료량을 계속해서 증가시킨다(S512). 반면에, S510 단계에서, 이전 스텝보다 투입연료량이 감소시킨 것으로 판단되는 경우(S510에서 NO), 제1제어블럭은 계속해서 투입연료량을 감소시킨다(S514).

한편, 비교단계(S506)에서, 단위연료당 출력량이 이전 스텝보다 작은 경우(S506에서 NO), 제1제어블럭은 투입연료량의 증감 상태를 반대로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량이 이전 스텝보다 작은 경우(S506에서 NO), 이전 스텝보다 투입연료량을 증가시켰는지 판단하고(S520), 투입연료량을 증가시킨 경우(S520에서 YES), 투입연료량을 감소시킨다(S522). 반면에, S520 단계에서, 이전 스텝보다 투입연료량이 감소시킨 것으로 판단되는 경우(S520에서 NO), 제1제어블럭은 투입연료량을 증가시킨다(S524).

그리고, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량으로 연료발전기가 최적운전점에서 운전되고 있는지 판단한다(S530). 예를 들어, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 경우, 해당 운전점을 최적운전점으로 판단하게 된다. 이상적으로는, 단위연료당 출력량의 변동량이 0인 경우, 제1제어블럭은 해당 운전점을 최적운전점으로 판단하게 된다. 다만, 실질적으로 단위연료당 출력량의 변동량이 0인 지점을 찾기 어렵기 때문에 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 경우, 해당 운전점을 최적운전점으로 판단하게 된다.

그리고, 제1제어블럭은 현재 스텝 값을 저장하고 다시 S502 단계로 돌아갈 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량에 따라 투입연료량의 증감량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하인 경우, 투입연료량의 증감량이 작아지도록 제어할 수 있다. 이러한 과정을 통해, 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량이 실질적으로 0인 지점에서 투입연료량의 증감없이 상태를 유지할 수 있게 된다.

그리고, 일단, 최적운전점 혹은 최적운전범위가 결정되면, 제1제어블럭은 이러한 최적운전점 혹은 최적운전범위를 메모리에 저장하고 있다가, 연료발전기가 턴오프된 후 재기동할 때, 연료발전기의 운전점을 이러한 최적운전점 혹은 최적운전범위로 운전시킬 수 있다.

도 6은 최적운전점 혹은 최적운전범위를 예시적으로 나타내는 그래프이다.

도 6에는 연료량 대비 단위연료당 출력량 그래프가 도시되어 있다. 이러한 단위연료당 출력량 그래프는 연료발전기의 특성에 따라 다르게 나타날 수 있다. 도 6에서도 A 케이스의 연료발전기와 B 케이스의 연료발전기의 단위연료당 출력량 그래프가 상이하다. 다만, 대체적으로 연료발전기는 출력이 낮을 때보다는 출력이 일정 수준 이상을 초과할 때 단위연료당 출력량이 높다.

이에 따라, 단위연료당 출력량 그래프는 증가 곡선을 그리거나 위로 볼록한 곡선을 그리게 된다. 제1제어블럭 혹은 제1로컬제어기는 위로 볼록한 곡선의 꼭지점(Ap) 혹은 증가 곡선의 최대값 지점(Bp)을 최적운전점으로 탐색하게 된다. 이때, 도 5에 도시된 제어방법이 사용될 수 있다.

A 케이스에서 Ap 지점은 단위연료당 출력량의 변동량이 0인 지점이다. 제1제어블럭은 단위연료당 출력량이 변동량이 0인 지점을 최적운전점으로 결정할 수 있다. 혹은 제1제어블럭은 단위연료당 출력량의 변동량이 일정 기준값 이하인 범위(Ad)를 최적운전범위로 결정할 수 있다.

한편, 연료발전기의 최대출력(MAX)까지 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하인 지점이 나타나지 않는 경우, 제1제어블럭은 최대출력지점(Bp)을 최적운전점으로 설정할 수 있다. 혹은 제1제어블럭은 최대출력지점(Bp)으로부터 일정한 범위(Bd)를 최적운전범위로 설정할 수 있다.

도 7은 제1제어블럭 혹은 제1로컬제어기의 출력을 나타내는 그래프이다.

연료발전기의 출력은 제1제어블럭 혹은 제1로컬제어기에 의해 변환되어 전력버스(Vbus)로 전달된다.

도 7을 참조하면, 제1제어블럭은 일정 전류 이하에서는 전압제어와 유사하게 출력을 제어하게 되지만, 일정 전류 이상에서는 연료발전기가 최적운전점에서 운전되도록 정전력제어를 수행하게 된다. 그리고, 제1제어블럭은 출력이 최대전류(Imax)를 초과하지 못하도록 제어하게 된다.

한편, 연료발전기의 최적운전점이 결정되면, 중앙제어블럭은 연료발전기가 최적운전점에서 온(ON)되거나 오프(OFF)되도록 제어할 수 있다. 이때, 중앙제어블럭은 연료발전기가 온(ON)되었을 때의 전체 분산전원의 작동비용과 연료발전기가 오프(OFF)되었을 때의 전체 분산전원의 작동비용을 비교하여 연료발전기의 온오프 상태를 결정할 수 있다.

J는 목적함수로서 분산전원의 작동비용의 함수이다. Cdg는 연료발전기의 발전단가, Pdg는 연료발전기의 출력, Sdg는 연료발전기의 온오프 상태, Cbat는 에너지저장장치의 충방전단가, Pbat는 에너지저장장치의 출력, Nstart는 연료발전기의 기동횟수, Cdgstart는 연료발전기의 기동비용이다.

중앙제어블럭은 분산전원의 작동비용의 합(J)가 최소가 되도록 연료발전기의 온오프 상태를 결정할 수 있다.

중앙제어블럭은 연료발전기를 최적운전점에서 정전력제어하기 때문에, Cdg 및 Pdg는 상수로 결정될 수 있다. 다만, 중앙제어블럭은 연료발전기와 에너지저장장치의 발전비율을 의도적으로 조절하기 위해 Cdg를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 연료잔량이 얼마남지 않은 경우, 분산전원의 작동비용의 측면에서는 연료발전기를 계속해서 작동시키는 것이 유리하더라도 연료가 모두 소진되는 것을 방지하기 위해 연료발전기의 작동을 줄일 필요가 있다. 이 경우, 중앙제어블럭은 별도의 다른 제어구성을 덧붙이지 않고 Cdg를 가변시켜 연료발전기의 작동량을 조절할 수 있다. 구체적으로 중앙제어블럭은 연료잔량에 따라 Cdg를 가변시킬 수 있다. 일 예로, 중앙제어블럭은 연료잔량이 작아질수록 Cdg를 증가시킬 수 있다. 다른 예로서, 중앙제어블럭은 연료잔량이 일정 한도보다 작아지면 Cdg를 다른 값으로 변경시킬 수 있다.

에너지저장장치의 충방전단가(Cbat)는 에너지저장장치의 상태(예를 들어, SOC(state-of-charge), SOH(state-of-health), DOD(Discharge-of-Depth)) 혹은 그 변동량에 따라 변할 수 있다. 에너지저장장치의 충방전단가(Cbat)는 에너지저장장치를 충전하는데 사용되는 전력의 단가-예를 들어, 연료발전기의 발전단가 혹은 상용전력망의 전력단가-에 충전효율을 곱한 값을 포함한다. 그리고, 충방전단가(Cbat)는 에너지저장장치의 감가상각비-예를 들어, SOH의 감소에 따른 교체비용-를 포함한다.

한편, 연료발전기가 오프되면, 대체 공급제로서 에너지저장장치가 부족한 전력을 공급하게 된다. 반대로 연료발전기가 온되면, 에너지저장장치의 전력 공급이 줄어들거나 에너지저장장치가 충전 상태로 변경될 수 있다. 비용적인 측면에서 보면, 연료발전기의 작동비용이 증가하면 에너지저장장치의 작동비용이 감소하고, 연료발전기의 작동비용이 감소하면 에너지저장장치의 작동비용이 증가하게 된다. 이에 따라, 중앙제어블럭은 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용을 비교하여 연료발전기의 투입여부를 결정할 수 있다.

도 8은 제1예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다. 도 8에서 연료발전기는 디젤발전기로 가정한다.

중앙제어블럭은 일정한 시구간을 결정하고 이러한 시구간에서 연료발전기의 작동비용과 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 연료발전기의 온오프 상태를 결정할 수 있다.

도 8을 참조하면, 디젤발전기는 기동비용이 있기 때문에 초기에는 에너지저장장치보다 작동비용이 높게 산출된다.

하지만, 디젤발전기의 발전단가(Ca)가 에너지저장장치의 충방전단가(Cb1)보다 낮기 때문에 일정 시구간의 누적 작동비용을 비교하면 디젤발전기의 누적 작동비용이 에너지저장장치의 누적 작동비용보다 낮을 수 있다. 이러한 경우, 중앙제어블럭은 해당 구간에서 디젤발전기를 온상태로 결정할 수 있다.

도 8의 비교는 디젤발전기의 출력이 전부 부하로 전달된다고 가정할 때의 그래프이다.

경우에 따라서는 디젤발전기의 출력보다 부하가 작아 디젤발전기의 출력 중 일부가 에너지저장장치의 충전에 이용되어야 할 때가 있다.

도 9는 연료발전기의 출력 중 일부가 충전에 사용되는 경우의 발전단가를 비교하는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 디젤발전기의 출력 중 일부가 에너지저장장치의 충전에 이용되면 발전단가가 올라가게 된다-발전단가가 Ca에서 Cc1으로 올라간다. 중앙제어블럭은 디젤발전기를 최적운전점으로 운전하기 때문에 이러한 경우가 다수 발생할 수 있다.

도 10은 제2예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.

도 10은 도 9와 같이 디젤발전기의 출력 중 일부가 에너지저장장치의 충전에 이용되는 것을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 디젤발전기의 출력 중 일부가 에너지저장장치의 충전에 이용되기 때문에 발전단가(Cc1)가 상승하였다. 다만, 이때에도 디젤발전기의 발전단가(Cc1)가 에너지저장장치의 충방전단가(Cb2)보다 낮을 수 있다.

그런데, 이렇게 디젤발전기의 발전단가(Cc1)가 에너지저장장치의 충방전단가(Cb2)보다 낮더라도 그 차이가 크지 않은 상태에서 디젤발전기의 기동비용까지 고려하게 되면, 일정한 시구간의 누적 작동비용은 에너지저장장치가 더 낮을 수 있다. 이러한 경우, 중앙제어블럭은 디젤발전기를 오프시킬 수 있다.

도 11은 제3예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.

마이크로그리드에는 연료발전기가 복수 개 포함될 수 있는데, 이 경우, 복수의 연료발전기의 기동대수에 따라 작동비용이 다르게 계산될 수 있다.

도 11에서 부하는 디젤발전기 한 대 출력과 두 대 출력 사이에 해당된다. 이때, 디젤발전기를 두 대 기동하는 경우, 디젤발전기의 출력 중 일부는 충전에 사용되게 된다.

도 11의 그래프에서 발전단가는 에너지저장장치만 사용하는 경우(Cb3)가 제일 높고, 한 대의 디젤발전기와 나머지는 에너지저장장치로 충당하는 경우(Ca + Cb4)가 그 다음으로 높으며, 두 대의 디젤발전기를 사용하되 출력의 일부가 충전에 사용되는 경우가 발전단가는 가장 낮다. 다만, 디젤발전기의 기동비용이 있기 때문에 최종적으로는 한 대의 디젤발전기와 에너지저장장치를 병렬로 이용하는 것이 전체 분산전원의 작동비용을 최저로 만들게 된다.

한편, 도 8 내지 도 11에서는 연료발전기가 오프된 상태에서 기동되는 경우의 작동비용을 비교해 보았는데, 연료발전기가 일단 기동된 상태에 있으면 중앙제어블럭은 기동비용을 제외한 발전단가로 작동비용을 비교하면 된다.

도 12는 제4예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.

도 12를 참조하면, 연료발전기가 온상태에 있기 때문에 기동비용을 작동비용에 포함시킬 필요가 없다. 이에 따라, 발전단가가 낮은 디젤발전기의 누적비용이 낮게 계산되고, 중앙제어블럭은 디젤발전기를 온상태로 유지시키게 된다.

기동비용은 연료발전기가 기동되는 구간에서 포함시킬 수 있으나, 연료발전기가 오프되는 경우, 다시 기동을 예비하고 있다고 볼 수 있기 때문에 연료발전기의 온제어에 기동비용의 절반을 적용하고 연료발전기의 오프제어에 기동비용의 절반을 적용할 수도 있다.

도 13은 제5예시에 따른 작동비용 비교 그래프이다.

도 13에서는 디젤발전기의 기동구간에서 기동비용의 절반이 적용되고 있다. 중앙제어블럭은 디젤발전기를 오프하는 구간과 온하는 구간에서 각각 기동비용의 절반을 적용하여 작동비용을 비교할 수 있다.

한편, 마이크로그리드에는 복수의 연료발전기와 복수의 에너지저장장치가 포함되고, 중앙제어블럭은 이러한 복수의 연료발전기 각각 및 복수의 에너지저장장치 각각의 기동여부를 결정하기 위해 전체 분산전원의 작동비용을 계산할 수 있다.

수학식 2에서 Pres는 재생에너지발전기의 출력을 나타내고, Pload는 부하의 크기를 나타낸다.

중앙제어블록은 목적함수 J가 최소가 되도록 연료발전기의 기동대수 및 에너지저장장치 각각의 출력을 결정할 수 있다.

특히, 에너지저장장치의 출력을 결정할 때, 전체 에너지저장장치의 출력이 일정하게 유지되더라도 각각의 에너지저장장치의 출력을 다르게 제어할 수 있다. 예를 들어, 중앙제어블럭은 SOH의 감가상각비용이 낮은 에너지저장장치의 출력을 높게 하고 SOH 감가상각비용이 높은 에너지저장장치의 출력을 낮게 제어할 수 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

적어도 하나의 연료발전기 및 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드를 제어하는 제어장치에 있어서,
상기 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색하고, 상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점으로 상기 연료발전기를 작동시키거나 상기 연료발전기를 오프(OFF)시키는 제1제어블럭;
상기 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 상기 에너지저장장치의 출력을 제어하는 제2제어블럭; 및
제1시구간에서 상기 연료발전기의 작동비용과 상기 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 상기 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정하는 중앙제어블럭
을 포함하는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1제어블럭은,
상기 연료발전기의 연료량을 증감시키면서 상기 단위연료당 출력량이 최대가 되는 상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점을 탐색하는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1제어블럭은,
연료량의 증감량 대비 상기 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 운전범위 혹은 운전점을 상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점으로 결정하는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1제어블럭은,
상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점을 저장하는 메모리를 더 포함하고, 재기동될 때, 상기 연료발전기를 상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점으로 운전시키는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제2제어블럭은,
드룹제어를 통해 상기 에너지저장장치의 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1제어블럭은,
상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점에서 상기 연료발전기의 출력을 정전력제어하는 마이크로그리드 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 중앙제어블럭은,
상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점에서의 상기 연료발전기의 발전단가와 상기 에너지저장장치의 충방전단가를 이용하여 상기 연료발전기의 작동비용과 상기 에너지저장장치의 작동비용을 계산하는 마이크로그리드 제어장치.
제7항에 있어서,
상기 중앙제어블럭은,
상기 계산에서 있어서, 상기 제1시구간에서는 상기 연료발전기의 발전단가와 상기 에너지저장장치의 충방전단가가 고정되는 것으로 설정하는 마이크로그리드 제어장치.
제7항에 있어서,
상기 중앙제어블럭은,
상기 연료발전기의 기동비용을 포함하여 상기 연료발전기의 작동비용을 계산하되, 상기 연료발전기의 온(ON)제어에 상기 기동비용의 절반을 적용하고 상기 연료발전기의 오프(OFF)제어에 상기 기동비용의 절반을 적용하는 마이크로그리드 제어장치.
적어도 하나의 연료발전기 및 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드를 제어하는 방법에 있어서,
상기 연료발전기에 대하여, 연료량 제어를 통해 단위연료당 출력량이 최대가 되는 제1운전범위 혹은 제1운전점을 탐색하는 단계;
상기 제1운전범위 혹은 상기 제1운전점으로 상기 연료발전기를 작동시키거나 상기 연료발전기를 오프(OFF)시키는 단계;
상기 마이크로그리드의 전압 혹은 주파수가 안정되도록 상기 에너지저장장치의 출력을 제어하는 단계; 및
제1시구간에서 상기 연료발전기의 작동비용과 상기 에너지저장장치의 작동비용의 합이 최소가 되도록 상기 연료발전기의 온오프(ON/OFF) 상태를 결정하는 단계
를 포함하는 마이크로그리드 제어방법.
연료발전기를 제어하는 방법에 있어서,
투입연료량과 출력량을 계측하는 단계;
상기 투입연료량 및 상기 출력량을 이용하여 단위연료당 출력량을 계산하고 이전 스텝에서 계산한 값과 비교하는 단계;
상기 단위연료당 출력량이 이전 스텝에서 계산한 값보다 큰 경우 상기 투입연료량의 증감 상태를 유지하고, 상기 단위연료당 출력량이 이전 스텝에서 계산한 값보다 작은 경우 상기 투입연료량의 증감 상태를 반대로 제어하는 단계; 및
상기 단위연료당 출력량의 변동량이 기준값 이하에 해당되는 경우 최적운전점으로 판단하는 단계
를 포함하는 연료발전기 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 단위연료당 출력량의 변동량에 따라 상기 투입연료량의 증감량을 제어하는 단계를 더 포함하는 연료발전기 제어방법.