KR101785825B1 - 독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 충전 상태 기반의 드룹 제어 방법 및 장치 - Google Patents

독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 충전 상태 기반의 드룹 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 충전 상태 기반의 드룹 제어 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 드룹(Droop) 제어 장치는 배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 획득하는 충전 상태 계산부, 고정된 게인(gain) 값을 제공하며, 상기 획득된 충전 상태 값과 상기 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 출력하는 이득부 및 상기 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 출력하는 출력 전압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 충전 상태 기반의 드룹 제어 방법 및 장치{STATE OF CHARGE BASED DROOP CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR THE RELIABLE OPERATION OF A STAND ALONE DC MICROGRID}
본 발명은 독립형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 위한 SoC(State of Charge) 기반의 드룹(droop) 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 우리나라는 480개의 유인도가 존재하며, 이 중 내륙의 전력 계통을 이용하는 곳도 있지만, 약 2km 이상 떨어진 곳은 독립적으로 디젤 발전기만을 사용하여 전력을 생산하고 있다.
이와 같은 곳은 디젤 발전기의 원가 상승으로 인한 경제적 손실과 CO2 배출로 인한 환경 파괴의 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 신재생에너지 발전기를 결합한 독립형 마이크로그리드의 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히, DC 마이크로그리드는 AC 마이크로그리드의 단점인 동기화 문제와 무효 전력과 같은 문제가 없기 때문에 더욱 효율적이며, 태양광, 연료 전지 등 DC로 에너지를 생산하는 분산 전원의 에너지 효율 측면에서도 장점을 가질 수 있다.
이러한 독립형 마이크로그리드는 기존 전력망과 단절되어 있기 때문에 운영 시에 전력 균형을 유지하는 것이 가장 중요한 요소이자 신뢰도와 안정도를 결정짓는 기술이다.
따라서, 안정도 향상을 위해 독립형 마이크로그리드 시스템에서는 분산 전원들과 에너지 저장 장치가 각각 자율적으로 제어를 수행하는 드룹(Droop) 제어 방법을 적용한다.
한편, 종래의 드룹 제어 방식은 정격 DC 전압으로부터 출력 DC 전류와 가상의 가변 게인(gain) 값을 곱한 결과를 감해 기준 DC 출력 전압을 산출하며, SoC(State of Charge)에 따라 가상의 가변 게인 값이 다르게 설정되어 에너지 저장 장치를 보호하였다.
그러나, 종래의 드룹 제어 방식은 출력 DC 전압의 변화율이 크기 때문에 전체적인 시스템의 안정도가 떨어지는 문제가 있다.
이는, 검출된 출력 DC 전류로 기준 DC 출력 전압을 산출하게 되는데, 출력 DC 전류 값의 변화율이 너무 크기 때문에 기준 DC 출력 전압의 변화율 또한 크게 된다.
또한 에너지 저장 장치의 SoC에 따라 가상의 가변 게인 값이 변경되는 순간 과도 상태가 존재하고 기준 DC 출력 전압도 크게 변하게 되어 출력 DC 전압이 안정적이지 못하다.
또한, 에너지 저장 장치의 제어를 위해 고려해야 하는 값이 출력 DC 전압과 가상의 가변 게인 값 두 가지 이므로 제어의 속응성 또한 떨어지는 문제가 있다.
이와 같이, 종래의 드룹 제어 방식은 분산 전원 운용의 안정도가 떨어지게 되어 안정적인 전력 공급에 어려움이 있으며, 이로 인해 잦은 문제 발생으로 인한 유지 보수 및 교체가 필요하므로, 결과적으로 독립형 마이크로그리드의 주된 장점인 미래의 경제적 이득을 얻지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 독립형 DC 마이크로그리드의 신뢰성 및 안정도를 향상시킬 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드의 드룹(Droop) 제어 장치는 배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 획득하는 충전 상태 계산부, 고정된 게인(gain) 값을 제공하며, 상기 획득된 충전 상태 값과 상기 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 출력하는 이득부 및 상기 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 출력하는 출력 전압부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 드룹(Droop) 제어 방법은 (a) 배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 계산하는 단계, (b) 상기 획득된 충전 상태 값과 고정된 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 계산하는 단계 및 (c) 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 계산하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 DC 전압의 안정도가 크게 향상되므로 유지 보수 및 교체의 회수를 감소시킬 수 있다.
또한, 유지 보수 및 교체의 회수가 감소되므로 독립형 마이크로그리드의 주된 장점인 미래의 경제적 이득을 얻을 수 있다.
또한, 에너지 저장 장치의 보호와 수명 관리가 보다 정확하게 관리될 수 있어 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 에너지 저장 장치의 드룹(Droop) 제어의 시퀀스가 간단해지므로 속응성이 향상되어 전체적인 시스템의 효과적인 운영이 가능하다.
또한, 변동성이 심한 부하로 인해 안정도나 신뢰성이 보다 중요하게 여겨지는 소형의 섬이나 도서 산간 지역에 적용하는 경우, 종래의 드룹 제어 방식보다 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 독립형 마이크로그리드 전력망으로서 PSCAD/EMTDC 모의 실험도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드에서의 동작 모드를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 일반적인 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 SoC 증가로 인한 에너지 저장 장치를 보호하는 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 SoC 감소로 인한 에너지 저장 장치를 보호하는 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 9는 종래의 드룹 제어 방식과 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방식을 비교한 모의 실험 파형이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 시스템의 블록도를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 시스템은 드룹 제어 장치(100), 에너지 저장 장치(200) 및 PI 콘트롤러(300)를 포함할 수 있으며, 에너지 저장 장치(200)는 배터리(210)와 ESS(Energy Storage System)(220)를 포함할 수 있다.
드룹 제어 장치(100)는 에너지 저장 장치(200)에 포함된 배터리(210)의 출력 전류 값(iin)을 이용하여 에너지 저장 장치(200)의 충전 상태(State of Charge, 이하 ‘SoC’라 칭함) 값을 계산하고, SoC 값에 고정된 게인(gain) 값을 곱한 결과를 기저 전압(V0)에 더하여 Vdroop *을 계산한다.
그리고 비례 적분(PI) 콘트롤러(300)와 같은 보상기(compensator)는 Vdroop *에 DC link의 전압 강하와 상승을 반영하여 실제 출력 전압인 Vref를 계산함으로써, 최종적으로 Vref가 Vdroop *을 추종하게 된다.
앞서, 종래의 드룹 제어 방식에 대한 문제점을 언급한바 있지만, 종래의 경우는 에너지 저장 장치의 출력 DC 전류와 가상의 가변 게인 값을 고려하여 기준 DC 출력 전압을 산출함으로써, 독립형 마이크로그리드에 드룹 제어를 적용 시 출력 DC 전압의 변화율이 크기 때문에 전체적인 시스템의 안정도가 감소하는 문제가 있었다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 드룹 제어 방식은 에너지 저장 장치(200)의 SoC 값에 기초하여(직접 변수로 사용하여) 기준 출력 DC 전압을 산출하므로, 에너지 저장 장치(200)의 보호와 수명 유지에 효과적이고, 고정된 게인 값을 사용하므로 게인 값이 변하지 않아 제어 시퀀스가 SoC 값 1개만 필요하기 때문에 제어의 속응성이 뛰어난 장점이 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)의 구성을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)는 충전 상태 계산부(110), 이득부(120), 출력 전압 계산부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
각 구성 요소를 설명하면, 충전 상태 계산부(110)는 에너지 저장 장치(200)에 포함된 배터리(210)의 출력 전류 값(iin)을 이용하여 에너지 저장 장치(200)의 SoC 값을 계산할 수 있다.
이를 위해 충전 상태 계산부(110)는 배터리(210)로부터 출력되는 전류 값인 iin을 적분하여 SoC 값을 계산할 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112016012356480-pat00001
여기서, SoC*은 SoC의 초기 값이다.
한편, 이득부(120)는 에너지 저장 장치(200)의 전압 변화량을 계산할 수 있다.
이를 위해 이득부는 에너지 저장 장치(200)의 SoC 값이 최대일 때 출력 DC 전압의 크기도 최대가 되고, 에너지 저장 장치(200)의 SoC 값이 최소일 때 출력 DC 전압의 크기도 최소가 되는 원리를 이용하여, 에너지 저장 장치(200)의 SoC 방전심도(Depth of Discharge) 값에 고정된 게인 값을 곱하여 전압 변화량을 계산할 수 있다.
이득부(120)가 에너지 저장 장치(200)의 전압 변화량을 계산하는 수학식은 아래의 [수학식 2]과 같다.
[수학식 2]
Figure 112016012356480-pat00002
여기서, K는 고정된 게인 값으로서, 이득부(120)는 전압 변동률(예를 들어 ±5%)과 방전심도(예를 들어 0.8)를 먼저 정하고 그 두 값을 이용하여 게인 값을 계산할 수 있다.
한편, 출력 전압 계산부(130)는 에너지 저장 장치(200)의 출력 DC 전압 값을 계산할 수 있다.
이를 위해 출력 전압 계산부(130)는 기저 전압과 이득부(120)에서 계산된 전압 변화량을 이용하여 출력 DC 전압을 계산할 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면 아래의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
Figure 112016012356480-pat00003
여기서, V0는 기저 전압이다.
참고로, 게인 값이 정해지면 기저 전압 값도 정해지며, 게인 값과 기저 전압 값이 정해진다면 에너지 저장 장치(200)의 출력 DC 전압 드룹 제어는 상기 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 제어부(140)는 상기 충전 상태 계산부(110), 이득부(120) 및 출력 전압 계산부(130)를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
드룹 제어 장치(100)는 에너지 저장 장치(200)에 포함된 배터리(210)의 출력 전류 값(iin)을 적분하여 에너지 저장 장치(200)의 SoC 값을 계산한다(S301).
여기서 SoC 값의 계산은 상기 [수학식 1]을 이용할 수 있다.
S301 후, 드룹 제어 장치(100)는 에너지 저장 장치(200)의 SoC 방전심도에 고정된 게인 값을 곱하여 전압 변화량을 계산한다(S302).
여기서 ‘게인 값’은 먼저 정해진 전압 변동률과 방전심도를 이용하여 계산됨으로써 고정된 값을 가질 수 있으며, 전압 변화량 계산은 상기 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
S302 후, 드룹 제어 장치(100)는 S302에서 계산된 전압 변화량과 기저 전압(V0) 값을 이용하여 에너지 저장 장치(200)의 출력 DC 전압 값을 계산한다(S303).
여기서 출력 DC 전압 값 계산은 상기 [수학식 3]을 이용할 수 있다
참고로, 드룹 제어 장치(100)는 에너지 자장 장치(200)의 SoC 값에 따라서, 독립형 마이크로그리드에 속한 분산 전원들을 다양한 모드(mode)로 운용할 수 있는데, 이에 대해서는 도 5를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 독립형 마이크로그리드 전력망으로서 PSCAD/EMTDC 모의 실험도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 전력망은 전력을 소모하는 수용가인 부하(load)(10), 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)와 연결된 에너지 저장 장치(200), 태양광 어레이(PV: photovoltaic array)(20) 및 엔진 발전기(EG: engine generator)(30) 등의 전력 요소를 필요에 따라 선택적으로 포함할 수 있다.
여기서, 각 전력 요소는 각각의 전력 변환용 인버터 또는 컨버터 등을 포함하여 해당 전력 요소와 DC 그리드 사이의 필요한 전력 변환을 수행할 수 있다.
먼저, 부하(10)는 전력을 소비하는 전력 요소로서 마이크로그리드로부터 전력을 공급받아 소비하는 구성이다.
부하와 그리드 사이에 구비된 전력 변환 인버터는 직류인 그리드 전압을 부하에서 요구하는 적절한 형태의 교류 전원으로 변환하여 부하에 전력을 공급할 수 있다.
한편, 에너지 저장 장치(200) 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)와 연결될 수 있으며, 드룹 제어 장치(100)는 드룹 제어 기법을 활용하여 에너지 저장장치(200)와 DC 그리드 사이의 전력 흐름을 제어하여 DC 그리드의 전체적인 전력 균형을 조절할 수 있다.
상기 부하(10)는 전력을 소비하기 위한 구성이고, 후술하는 태양광 어레이(20) 및 엔진 발전기(30)는 전력을 공급하기 위한 분산 전원이다.
이들 분산 전원(20, 30)에서 생성되는 전력과 부하(10)가 소비하는 전력 사이에 균형이 맞지 않는 경우, 에너지 저장 장치(200)가 전력을 수용하거나 공급하면서 마이크로그리드 전력망의 전력 균형을 조절할 수 있다.
에너지 저장 장치(200)에는 통상적으로 에너지 저장을 위해 사용되는 소자를 사용할 수 있고, 그 실시예로서 배터리, 연료 전지 등이 포함될 수 있다.
에너지 저장 장치(200)에 연결된 전력 변환 컨버터는 직류인 그리드 전압과 에너지 저장 장치(200) 사이에서 양방향 전력 변환 및 전력 전달 기능을 수행하면서 그리드의 전력을 제어할 수 있다.
즉, 에너지 저장 장치(200)는 그리드로부터 전력을 공급받아 저장하기도 하고 저장된 전력를 그리드로 공급하기도 하여야 하므로, 전력 변환 컨버터는 그리드와 에너지 저장 장치(200) 사이에서 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터가 사용될 수 있다.
특히 에너지 저장 장치(200)에 주로 사용되는 배터리는 유입되는 전류에 고조파 함유율이 낮을 것이 요구되고 충?방전시의 전류 리플이 배터리의 수명에 영향을 주기 때문에, 전류 리플 저감을 위해 양방향 3상 인터리브 DC-DC 컨버터(Bidirectional 3-phase Interleaved DC-DC converter)를 사용할 수 있다.
태양광 어레이(20)는 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 통상적인 태양광 소자를 사용할 수 있다.
태양광 어레이(20)에 연결된 전력 변환 컨버터는 태양광 어레이(20)의 출력을 변환하여 DC 그리드에 공급하는 역할을 하는데, 일사량과 온도에 의해 출력이 변동하는 태양광 어레이(20)로부터 항상 최대 출력을 얻기 위해서 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행할 수 있다.
일반적으로 태양광 어레이(20)의 개방 상태의 전압 레벨이 그리드 전압에 비해 낮기 때문에, 전력 변환 컨버터는 전압을 높일 수 있는 승압 기능을 가진 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있으며, 승압용 DC-DC 컨버터의 일예로서 부스트 컨버터를 사용할 수 있다.
또한, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 방법을 사용하는 경우 출력에는 특정 주파수의 리플이 포함되므로 이 전류 리플을 저감하기 위하여 3상 인터리브 부스트 DC-DC 컨버터(3-phase interleaved Boost DC-DC converter)를 사용할 수 있다.
참고로, MPPT 제어 기법 중에서도 Perturbation & Observation 기법을 사용하면 구현이 용이하면서도 안정적으로 제어가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 엔진 발전기(30)는 DC 그리드 전압에 따른 전력 지령을 인가받고 그에 따라 적절한 전력을 DC 그리드로 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
엔진 발전기(30)의 전력 변환 컨버터는 교류인 엔진 발전기 출력을 직류로 변환하여 그리드로 공급할 수 있다.
엔진 발전기(30)의 출력을 조절하는 방법으로는 각속도 제어 방식을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드에서의 동작 모드를 도시한 도면이다.
에너지 저장 장치의 과도한 충전 혹은 방전은 에너지 저장 장치의 수명에 악영향을 미치므로 에너지 저장 장치의 SoC는 독립형 마이크로그리드의 신뢰성을 위해 고려해야 할 중요한 요소이다.
에너지 저장 장치의 SoC 범위 중에서 최대 값(MAX)과 최소 값(MIN)까지 사용하는 것은 에너지 저장 장치의 수명에 나쁜 영향을 미치므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 장치(100)는 도 5와 같이 3개의 모드로 독립형 마이크로그리드를 동작시킬 수 있다.
참고로, 독립형 마이크로그리드는 도 4에 도시된 바와 같은 전력 요소, 즉, 태양광 어레이와 엔진 발전기를 포함할 수 있으며, 에너지 저장 장치의 SoC 최대 값을 90%, 최소 값을 20% 그리고 정상 범위를 최대 값과 최소 값의 사이(20%~90%)로 가정하였다.
먼저, 드룹 제어 장치(100)는 SoC의 범위가 20% ~ 90%에서 정상 모드인 MODE 1로 운용하며, 이때, 엔진 발전기는 동작을 멈추고 태양광 어레이는 M 모드(Max Mode)로 발전할 수 있다.
만일, SoC가 90%를 초과(SoC > SoCMax)하는 경우 드룹 제어 장치(100)는 독립형 마이크로그리드를 MODE 2로 운용할 수 있다.
이는 에너지 저장 장치가 과충전 상태인 경우로서, 엔진 발전기는 동작을 멈추고 태양광 어레이는 L(Low) 모드, 즉, 저전력 모드로 발전할 수 있다.
만일 MODE 2에서, SoC 범위가 90% 미만(SoC < SoCMax)으로 감소하는 경우, 드룹 제어 장치(100)는 독립형 마이크로그리드를 정상 모드인 MODE 1로 운용할 수 있다
또한, MODE 1에서 SoC 범위가 20% 미만(SoC < SoCMin)으로 감소하는 경우, 드룹 제어 장치(100)는 독립형 마이크로그리드를 MODE 3로 운용할 수 있다.
이는 에너지 저장 장치가 과방전 상태인 경우로서, 태양광 어레이는 M 모드(Max Mode)로 발전하는 상태이다.
만일 MODE 3에서, SoC 범위가 20% ~ 90%로 증가하면, 드룹 제어 장치(100)는 독립형 마이크로그리드를 정상 모드인 MODE 1로 운용할 수 있다.
참고로, 상기 SoC의 범위는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 보호 및 그리드 전력 제어의 효과가 나타날 수 있는 값들로서, 에너지 저장 장치의 종류, 그리드 망의 특성 등에 따라 다른 값들을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 일반적인 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 6은 도 5에 도시된 동작 모드 중 제3 모드에서 제1 모드로 전환하는 과정으로서, 에너지 저장 장치의 SoC가 미리 설정된 최대 값과 최소 값의 범위 내에 존재하는 경우이다.
이 경우, 분산 전원인 태양광 어레이는 동작(발전)하여 전력을 생산하고 엔진 발전기는 동작하지 않는다.
도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 장치의 출력 DC 전압이 SoC에 따라서 달라지므로 변화율이 매우 낮은 것을 볼 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 SoC 증가로 인한 에너지 저장 장치를 보호하는 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 7은 도 5에 도시된 동작 모드 중 제 1 모드에서 제2 모드로 전환하는 과정이다.
즉, 에너지 저장 장치를 보호하는 구간으로서, 에너지 저장 장치의 SoC가 미리 설정된 최대 값을 초과하는 경우이다.
이 경우, 태양광 어레이는 부하량에 따라서 감소 발전하고 엔진 발전기는 동작하지 않는다.
도 7에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 장치의 출력 DC 전압이 SoC에 따라서 달라지므로 변화율이 매우 낮다.
참고로, 도 7에서 SoC의 미리 설정된 최대 값은 90%으로 설정되었으며, 이에 따라 에너지 저장 장치가 안정하게 보호되는 것을 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 드룹 제어 방법을 적용한 SoC 감소로 인한 에너지 저장 장치를 보호하는 상황에서의 모의 실험 파형이다.
도 8은 도 5에 도시된 동작 모드 중 제3 모드, 즉, 에너지 저장 장치를 보호하는 구간으로서, 에너지 저장 장치의 SoC가 미리 설정된 최소 값 미만인 경우이다.
이 경우, 태양광 어레이와 엔진 발전기 모두 동작한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 장치의 출력 DC 전압이 SoC에 따라서 달라지므로 변화율이 매우 낮다.
참고로, 도 8에서 SoC의 미리 설정된 최소 값은 20%로 설정되었으며, 이에 따라 에너지 저장 장치가 안정하게 보호되는 것을 볼 수 있다.
도 9는 종래의 드룹 제어 방식과 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방식을 비교한 모의 실험 파형이다.
도 9는 에너지 저장 장치의 전력과 SoC 및 종래의 드룹 제어 방식과 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방식을 적용한 에너지 저장 장치의 기준 DC 전압의 파형을 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 드룹 제어 방식이 종래의 드룹 제어 방식보다 에너지 저장 장치의 기준 DC 전압의 변화율이 작은 것을 볼 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 드룹 제어 장치
110 : 충전 상태 계산부
120 : 이득부
130 : 출력 전압 계산부
140 : 제어부
200 : 에너지 저장 장치
300 : PI 콘트롤러

Claims (11)

  1. 독립형 마이크로그리드의 드룹(Droop) 제어 장치에 있어서,
    배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 획득하는 충전 상태 계산부;
    고정된 게인(gain) 값을 제공하며, 상기 획득된 충전 상태 값과 상기 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 출력하는 이득부; 및
    상기 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 출력하는 출력 전압부
    를 포함하되,
    상기 드룹 제어 장치는 가변 게인 값을 이용하지 않고 상기 고정된 게인 값만을 이용하며, 상기 이득부는 상기 충전 상태 값 자체와 상기 고정된 게인 값을 이용하여 상기 전압 변화량을 출력하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 상태 계산부는
    상기 출력 전류 값을 적분하여 상기 충전 상태 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득부는
    상기 충전 상태 값과 연관된 충전 상태 방전심도(Depth of Discharge;DoD)에 상기 고정된 게인 값을 곱하여 상기 전압 변화량을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 전압부는
    상기 전압 변화량에 기저 전압 값을 더하여 상기 출력 전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 이득부는
    미리 정해진 전압 변동률과 방전심도를 이용하여 상기 게인 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 장치.
  6. 독립형 마이크로그리드의 드룹(Droop) 제어 방법에 있어서,
    (a) 배터리로부터의 출력 전류 값을 이용하여 충전 상태(State of Charge;SoC) 값을 계산하는 단계;
    (b) 상기 획득된 충전 상태 값과 고정된 게인 값을 이용하여 전압 변화량을 계산하는 단계; 및
    (c) 전압 변화량을 이용하여 독립형 마이크로그리드의 제어 전압인 출력 전압을 계산하여 출력하는 단계
    를 포함하되,
    상기 드룹 제어 방법은 가변 게인 값을 이용하지 않고 상기 고정된 게인 값만을 이용하며, 상기 충전 상태 값 자체와 상기 고정된 게인 값을 이용하여 상기 전압 변화량을 계산하는
    는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 출력 전류 값을 적분하여 상기 충전 상태 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 충전 상태 값과 연관된 충전 상태 방전심도(Depth of Discharge;DoD)에 상기 고정된 게인 값을 곱하여 상기 전압 변화량을 계산하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    에너지 저장 장치의 충전 상태가 미리 설정된 정상 범위 내에 해당하는 경우,
    상기 에너지 저장 장치는 상기 독립형 마이크로그리드에 포함된 신재생 에너지 발전기와 엔진 발전기 중 상기 신재생 에너지 발전기로부터 상기 충전 상태에 대응되는 맥스 모드로 충전되되
    상기 엔진 발전기는 발전이 정지된 상태인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    에너지 저장 장치의 충전 상태가 미리 설정된 정상 범위를 초과하는 경우,
    상기 에너지 저장 장치는 상기 독립형 마이크로그리드에 포함된 신재생 에너지 발전기와 엔진 발전기 중 상기 신재생 에너지 발전기로부터 상기 충전 상태에 대응되는 로우 모드로 충전되되
    상기 엔진 발전기는 발전이 정지된 상태인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    에너지 저장 장치의 충전 상태가 미리 설정된 정상 범위에 미달되는 경우,
    상기 에너지 저장 장치는 상기 독립형 마이크로그리드에 포함된 신재생 에너지 발전기와 엔진 발전기 중 상기 신재생 에너지 발전기로부터 상기 충전 상태에 대응되는 하이 모드로 충전되는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드용 드룹 제어 방법.
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