KR101795589B1 - 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템 - Google Patents

태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광발전장치에서 발전된 전력을 에너지저장장치에 저장하고, 전력량계에서 출력되는 펄스신호에 근거하여 예측전력이 목표전력을 초과하여 산출되는 경우 상기 에너지저장장치에 저장된 전력을 부하측으로 공급하여 전력 계통의 부담을 감소시킬 뿐만 아니라 첨두부하를 저감하고 전력을 안정화시킬 수 있는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 관한 것이다.

Description

태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템{MAXIMUM DEMAND CONTROL SYSTEM FOR GRID-CONNECTED USING PHOTOVOLTAIC SYSTEM AND ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광발전장치에서 발전된 전력을 에너지저장장치에 저장하고, 전력량계에서 출력되는 펄스신호에 근거하여 예측전력이 목표전력에 대해 초과 산출되는 경우 상기 에너지저장장치에 저장된 전력을 부하측으로 공급하여 전력 계통의 부담을 감소시킬 뿐만 아니라 첨두부하를 저감하고 전력을 안정화시킬 수 있는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 관한 것이다.
한국전력공사와 한국에너지공단에서는 전력수요관리를 위해 하계 및 동계피크 전력이 발생되는 경우 미리 계약된 전력부하에 대한 직접제어를 실시하기 위하여 2002년도부터 수년간 100kW이상 대규모 전력수용가를 중심으로 최대수요전력 제어장치를 무상으로 보급, 설치하였다.
이와 더불어, 최대수요전력 제어장치는 에너지이용 합리화법에 따른 고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정 및 전력수용가의 전기요금 절감을 위한 자체적인 수요관리 목적으로 관공서, 공공기관 및 학교 등과 같은 관급 전력수용가 중심으로 빠르게 확대 보급되었으며, 현재는 민간 전력수용가에도 많은 수가 보급되어 전력수요관리에 사용되고 있다.
한편, 전기에너지 원료의 98%를 수입에 의존하고 있는 우리나라 현실에서 국제유가의 불안정, 기후변화협약 규제 대응, 화석 연료의 고갈과 화석 에너지 사용에 따른 환경오염 등으로 인해 신재생에너지의 중요성이 재인식되면서 에너지 공급방식의 다양화 필요성이 증대되었고, 그에 따라 태양광발전 등과 같은 대체 에너지의 연구/개발도 활발히 이루어졌으며, 이러한 연구/개발에 힘입어 일반주택뿐만 아니라 사업장 및 공공분야에서 그 사용량이 증가되고 있다.
또한, 국내 전력산업의 패러다임이 중앙공급방식에서 분산발전으로 변화하고 있고, 분산전원 증가에 따라 전력품질 및 신뢰도 향상, 잉여 생산된 에너지저장의 필요성 등을 고려한 관련 기술의 혁신으로 소형화된 고용량의 에너지저장장치가 개발되었다. 이에, 안정적인 전력공급이라는 목표를 달성하기 위해 에너지저장장치는 점진적으로 확대되고 있는 추세이며, 정부에서도 2017년부터 건축허가를 신청하는 계약전력 1000kW이상의 공공기관은 계약전력 5% 이상 규모의 에너지저장장치를 설치하도록 의무화하였다.
전력피크 발생시 최대수요전력 제어장치를 이용하여 전력수용가에 전력을 공급, 관리하기 위한 기술 중의 하나로서, 등록특허공보 제10-1157651호에 피크시 발전기로 전원절체 가능한 최대수요전력 관리장치 및 그 제어방법이 개시되어 있다.
상기의 기술에서, 최대수요전력 관리장치는 발전기의 전압/전류를 바탕으로 상기 발전기의 상태를 판단하여, 상기 발전기를 기동 또는 정지하는 발전기 감시제어부; 자동전환스위치(ATS)의 공급전원의 상태를 바탕으로 상기 ATS가 공급전원을 선택하도록 제어하는 ATS 감시제어부; 복수의 부하에 온/오프 제어신호를 각각 전송하는 부하 감시제어부; 및 상기 발전기 감시제어부, 상기 ATS 감시제어부 및 상기 부하 감시제어부를 제어하고, 최대수요전력을 감시하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기의 기술은 전력피크 발생시에만 한정해서 발전기를 기동하고 ATS를 절체하여 부하에 전원을 공급하는 방식으로서, 발전기의 기동을 위해 화석연료를 지속적으로 공급해주어야 하는 문제점이 발생된다.
상기와 같은 문제점을 해소하고자 최대수요전력 제어장치가 설치되는 전력 계통에 태양광발전장치 및 에너지저장장치를 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 즉, 에너지저장장치와 기 설치된 전기설비와의 연계를 통해 첨두부하를 저감시키는 한편, 부하 평준화, 전력안정화 및 비상발전 효과를 얻기 위한 다양한 연구와 기술이 개발되어 있으나, 부하를 제어하는 방식, 태양광발전의 충/방전 기능을 융합하는 기술 등이 미흡한 실정이다.
KR 10-1157651 B1 (2012. 06. 12.)
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 태양광발전장치와 에너지저장장치를 전력 계통에 연계하여 최대수요전력 제어장치를 통해 산출된 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되는 경우 에너지저장장치의 저장된 전력을 부하로 공급함으로써, 피크 전력을 저감시킬 수 있는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템은, 수배전반 내부에 설치되고 전력 계통으로부터 인가된 전력을 변성하는 계기용변성기(MOF)에서 출력되는 전압과 전류에 근거하여 소비전력을 측정하는 전력량계; 복수 개의 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 접속한 태양전지 어레이; 상기 태양전지 어레이로부터 입력되는 직류전원을 취합하여 출력하고 보호기능을 수행하는 태양광 접속반 및 상기 태양광 접속반에서 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 공급하는 태양광 인버터를 포함하여 구성되는 태양광발전장치; 상기 태양광발전장치로부터 발전되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리의 충/방전상태를 제어관리하는 배터리관리시스템; 상기 배터리에 저장된 전력의 전압과 주파수를 전력계통에 대응하여 변환시키고 상기 변환된 전력을 상기 전력 계통에 병입시키는 전력변환장치 및 상기 에너지저장장치를 모니터링하여 제어하고 외부 기기와의 통신을 통해 상기 에너지저장장치 상태정보를 제공하는 에너지관리시스템을 포함하여 구성되는 에너지저장장치; 스위칭 신호에 따라 상기 전력 계통으로부터 인가된 전력 또는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력 중에서 선택된 전력을 부하로 공급하도록 스위칭하는 제1 부하개폐기; 및 상기 전력량계로부터 입력된 펄스신호와 목표전력에 근거하여 현재전력 및 예측전력을 산출하고, 상기 산출된 결과에 근거하여 상기 제1 부하개폐기로 스위칭 신호를 출력하는 최대수요전력 제어장치를 포함하여 구성되며, 상기 최대수요전력 제어장치는, 상기 전력량계로부터 출력되는 전력 사용량의 펄스(WP: Watt hour Pulse)신호와 전력 수요시간(EOI: End Of Interval) 펄스신호를 수신하고, 수신된 펄스신호에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하며, 산출된 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력으로 충당 가능한 부하에 대해서는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력이 공급되도록 상기 제1 부하개폐기에 제1 스위칭 신호를 출력하여 전력수요관리 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 부하개폐기의 후단에 설치되어 부하로 공급되는 전력을 단속하는 제2 부하개폐기;를 더 포함하여 구성되고, 상기 최대수요전력 제어장치는, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력이 일정 이하인 경우에는 현재전력이 목표전력을 초과하지 않도록 상기 제2 부하개폐기를 단속하여 부하로 공급되는 전력을 차단하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최대수요전력 제어장치는 상기 전력량계로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는 펄스입력부; 상기 펄스입력부에서 입력받은 펄스신호에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하고, 산출된 현재전력 및 예측전력에 따라 목표전력과 비교하여 스위칭 신호를 생성하며, 이상 여부에 대한 알람신호를 생성하는 제어부;상기 제어부에서 산출된 현재전력 및 예측전력과 설정된 목표전력을 문자 및 그래프로 표시되게 하고, 상기 제어부에서 생성된 스위칭 신호에 대한 부하연결 상태가 표시되도록 제어하는 MMI부; 상기 제어부에서 생성된 제1 스위칭 신호를 상기 제1 부하개폐기로 출력하는 부하접점부; 상기 제어부에서 생성된 알람신호에 근거하여 알람을 출력하는 알람출력부; 상기 제어부의 제어에 따라 원격지와 통신을 수행하는 통신부; 및 외부로부터 전원을 인가받아 동작 요구에 필요한 전원으로 변환하여 공급하는 전원변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 최대수요전력 제어장치의 전면부에는 상기 표시부에 의해 문자, 그래프 및 부하 연결상태가 표시되는 LCD가 구성되고, 상기 최대수요전력 제어장치의 후면부에는, 상기 전력량계로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는 펄스입력단자; 상기 알람출력부에서 출력되는 알람신호를 외부 알람장치로 연결하기 위한 알람출력단자; 상기 부하접점부의 제1 스위칭 신호를 출력하여 상기 제1 부하개폐기로 전송하기 위한 부하접점단자; 상기 통신부와 연계하여 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 통신단자; 및 상기 전원변환부와 연계하여 외부로부터 전원을 인가받기 위한 전원단자를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 통신단자는 근거리 장치와 연결되어 데이터를 송수신하기 위한 RS232통신포트; 및 상기 태양광발전장치와 에너지저장장치와의 통신을 수행하고, 원격의 외부 장치와 통신을 수행하는 RS485통신포트 및 Ethernet통신포트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 펄스입력부는 상기 전력량계에서 출력되는 WP신호를 수신하여 WP입력 포토커플러가 도통되고, 상기 WP입력 포토커플러의 도통에 따라 WP펄스신호가 생성되는 WP펄스신호모듈; 및 상기 전력량계에서 수요시간 15분 종료시 발생되는 EOI신호를 수신하여 EOI입력 포토커플러가 도통되고, 상기 EOI입력 포토커플러가 도통에 따라 EOI펄스신호가 생성되는 EOI펄스신호모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 부하접점부는 릴레이 2개를 이용한 SBO(Select Before Operation) 회로로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1부하개폐기는 1개 부하에 대응하여 상기 전력 계통으로부터 인가되는 전력을 단속하는 제1 개폐기와 상기 에너지저장장치로부터 인가되는 전력을 단속하는 제2 개폐기로 구성되되, 상기 제1 개폐기와 상기 제2 개폐기는 C접점으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 태양광발전장치, 에너지저장장치 및 최대수요전력 제어장치와 통신을 통해 각각 상기 장치의 상태를 수신하여 표시하고 제어하는 원격 모니터링 장치를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 최대수요전력 제어장치의 전력수요관리를 위한 부하를 제어 함과 함께, 태양광발전장치에서 발전된 전력을 에너지저장장치에 저장하고 필요시에 에너지저장장치에 저장된 전력을 부하로 공급함으로써, 첨두부하를 저감시킬 수 있고 안정적인 전력 공급을 이룰 수 있는 장점이 있다.
또한, 최대수요전력 제어장치, 태양광 발전장치 및 에너지저장장치를 상호 연결하고 이를 통합하여 관리 및 제어함에 따라, 각 장치의 관리가 수월하고 전력 계통의 고장을 확인하기가 용이하며, 이에 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템의 전체적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 최대수요전력 제어장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 최대수요전력 제어장치에서 펄스입력부의 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 수요관리곡선을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 부하접점부의 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 통신부의 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 최대수요전력 제어장치의 전면부 및 후면부의 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 최대수요전력 제어장치의 화면에 표시되는 상태정보화면.
도 9 내지 도 11은 각각 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 모니터링 단말기에 표시되는 최대수요전력 제어장치, 에너지저장장치 및 태양광 발전장치의 상태정보 표시화면.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 태양광발전장치에서 발전된 전력을 에너지저장장치에 저장하고, 전력량계에서 출력되는 펄스신호에 근거하여 예측전력이 목표전력을 초과하여 산출되는 경우 상기 에너지저장장치에 저장된 전력을 부하측으로 공급하여 전력 계통의 부담을 감소시킬 뿐만 아니라 첨두부하를 저감하고 전력을 안정화시킬 수 있는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템의 전체적인 구성도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템은, 전력량계(100), 태양광발전장치(200), 에너지저장장치(300), 부하개폐기(400), 최대수요전력 제어장치(500) 및 모니터링 단말기(600)를 포함하여 구성된다.
전력량계(100)는 전기요금 부과를 위해 한국전력공사에서 설치하는 것으로서, 수배전반 또는 배전반 내부에 설치된 계기용변성기에서 출력되는 전압, 전류를 입력받은 후, 부하에서 사용되는 소비전력을 측정하여 시간정보, 정기검침일, 전력량, 전월최대수요전력 발생정보 및 펄스신호 출력 등과 같은 계량정보를 한국전력공사로 전송하여 전력수용가 전기요금을 산출하는 전력기기이다.
상기 태양광발전장치(200)는 무한, 무공해를 가진 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 공급하는 설비로서, 그 구성은 태양으로부터 복사된 빛에 상응하는 직류전원을 생성하는 태양전지 셀이 수 십장 직렬 연결된 상태에서 일정한 틀에 고정 설치된 태양전지 모듈과 복수의 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 접속한 태양전지 어레이, 상기 태양전지 어레이에서 출력되는 전력을 취합하여 출력하는 태양광 접속반 및 상기 태양광 접속반에서 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 공급하는 태양광 인버터를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 태양광 접속반에는 다수의 케이블, 단자대, 역류방지 다이오드 및 차단기 등의 전력기기가 설치되고, 운영, 유지보수, 점검 시 편리성 제공 및 각종 보호기능을 수행하는 전기설비가 구비될 수 있다.
또한, 태양광 인버터에는 최대전력점 추종 제어기능을 포함한 각종 제어기능 및 보호기능을 수행하는 기능이 부여될 수 있다.
상기 에너지저장장치(300)는 태양광발전장치(200)로부터 발전된 에너지를 저장하기 위한 배터리(310), 상기 배터리(310)의 충/방전상태 관리 및 제어를 위한 배터리관리시스템(320, BMS), 상기 태양광발전장치(200)로부터 발전된 전력의 전압과 주파수를 전력계통 및 부하특성에 맞추어 변환하고 관리하기 위한 전력변환장치(330, PCS) 및 상기 에너지저장장치(300)를 모니터링하여 제어하고, 외부와 통신 가능하도록 구성된 에너지관리시스템(340, EMS)을 포함하여 구성된다.
상기와 같은 태양광발전장치(200)와 에너지저장장치(300)는, 통상적으로 태양광 발전이 원활히 이루어지는 오전 10시부터 16시까지 태양광발전장치(200)로부터 발전된 전력이 배터리(310)에 충전되게 되며, 전력 피크발생시 또는 전력수용가의 필요에 따라 배터리(310)에 저장된 전력이 부하로 공급되게 된다.
설계조건에 따라서, 태양광발전장치(200)에서 발전된 전력이 배터리(310)를 만충시키고 잉여전력이 발생되는 경우에는 태양광발전장치(200)에서 발전된 전력을 전력 계통에 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
부하개폐기(400)는 스위칭 신호에 따라 전력의 투입 또는 개방을 단속하는 것으로서, 상기 전력 계통으로부터 인가된 전력 또는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력 중에서 선택된 전력을 부하로 공급하도록 스위칭하는 제1 부하개폐기(410)와 상기 제1 부하개폐기(410)의 후단에 설치되어 부하로 공급되는 전력을 단속하는 제2 부하개폐기(420)로 구성될 수 있다.
상기 제1 부하개폐기(410)는 1개 부하에 대응하여 상기 전력 계통으로부터 인가되는 전력을 단속하는 제1 개폐기(411)와 상기 에너지저장장치(300)로부터 인가되는 전력을 단속하는 제2 개폐기(412)로 구성된다.
즉, 1개의 부하에 대하여 제1 부하개폐기(410)는 제1 개폐기(411)와 제2 개폐기(412)로 구성되는 하나의 쌍으로 이루어진다. 이때, 상기 제1 개폐기(411)와 제2 개폐기(412)는 적어도 하나의 개폐기는 전원을 부하로 공급할 수 있도록 온 상태를 유지할 수 있는 C접점으로 이루어진다.
예를 들어, 제1 개폐기(411)가 온 상태에서는 제2 개폐기(412)는 오프 상태가 되고, 제1 개폐기(411)가 오프 상태에서는 제2 개폐기(412)는 온 상태가 되게 된다. 따라서 부하에는 전력 계통 또는 에너지저장장치(300) 중 적어도 하나의 전력이 공급되게 된다.
제2 부하개폐기(420)는 제1 부하개폐기(410)와 부하 사이에 설치되어 부하로의 전력 공급을 단속한다.
최대수요전력 제어장치(500)는 상기 전력량계(100)로부터 입력된 펄스신호와 목표전력에 근거하여 현재전력 및 예측전력을 산출하고, 상기 산출된 결과에 근거하여 상기 부하개폐기로 스위칭 신호를 출력하는 가능을 수행한다.
자세하게는, 상기 최대수요전력 제어장치(500)는 상기 전력량계(100)로부터 출력되는 전력 사용량의 펄스(WP: Watt hour Pulse)신호와 전력 수요시간(EOI: End Of Interval) 펄스신호를 수신하고, 수신된 펄스신호에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하고, 산출결과 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력으로 충당 가능한 부하에 대해서는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력이 공급되도록 상기 제1 부하개폐기에 제1 스위칭 신호를 출력하여 전력수요관리 기능을 수행한다.
모니터링 단말기(600)는 상기 태양광발전장치(200), 에너지저장장치(300) 및 최대수요전력 제어장치(500)와 통신을 통해 각각 상기 장치의 상태를 수신하여 표시하고 제어한다.
모니터링 단말기(600)는 개인용 컴퓨터 등과 같은 장치로 구성될 수 있으며, 상기 장치들(태양광발전장치, 에너지저장장치 및 최대수요전력 제어장치)의 정보를 수신하여 표시한다. 또한, 모니터링 단말기(600)는 목표전력을 설정할 수 있도록 구성될 수 있으며, 최대수요전력 제어장치(500)의 내부 설정정보를 변경할 수 있다. 또한, 최대수요전력 제어장치(500)의 구동 알고리즘(소프트웨어)을 갱신하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 모니터링 단말기(600)는 상기 태양광발전장치(200), 에너지저장장치(300) 및 최대수요전력 제어장치(500)와 RS485통신 및 Ethernet통신 중에서 선택된 하나로 통신하도록 구성될 수 있으나, 설계조건에 따라서 RS485통신 및 Ethernet통신을 모두 적용하여 통신상의 장애를 최소화하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 최대수요전력 제어장치의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명에 적용된 최대수요전력 제어장치는 펄스입력부(510), 제어부(520), MMI부(530), 부하접점부(540), 알람출력부(550), 통신부(560) 및 전원변환부(570)를 포함하여 구성된다.
펄스입력부(510)는 상기 전력량계(100)로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 최대수요전력 제어장치에서 펄스입력부의 회로도를 나타낸 도면이다.
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제어부(520)는 상기 펄스입력부(510)에서 입력받은 펄스신호에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하고, 산출된 현재전력 및 예측전력에 따라 목표전력과 비교하여 스위칭 신호를 생성하며, 이상 여부에 대한 알람신호를 생성하는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 수요관리곡선을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 4를 참조하여, 현재전력, 예측전력 및 기준전력을 설명한다.
현재전력(Pt)은 수요시한 시작 후 현재까지 사용된 전력량을 의미하고, 예측전력(Q)은 단위시간당 전력변화량을 이용하여, 수요시간 종료시 도달될 것으로 예상되는 전력량을 의미하며, 기준전력(Pr)은 0에서 목표전력까지 최단거리를 갖는 전력들에서 현 수요시한대의 전력을 의미한다.
상기 각각의 현재전력, 예측전력 및 기준전력은 다음의 수학식 1 내지 3을 통해 산출되게 된다.
수학식 1)
현재전력량 = (합성 변성비/펄스정수) × 적산펄스수 × (60/수요시한(분))
여기서, 합성 변성비는 CT(Current Transformer)비와 PT(Potential Transformer)비의 곱, 펄스 정수는 kWh 당 출력되는 펄스의 개수이다.
수학식 2)
예측전력 = 현재전력 + ((단위시간당 전력변화량/ 단위시간(분)) × 남은 수요시한(분))
수학식 3)
기준전력 = (목표전력 / 남은 수요시한(초)) × 경과시간(초)
상기의 수학식 1 내지 3을 이용하여 제어부(520)는 전력 사용량의 펄스(WP: Watt hour Pulse)신호와 전력 수요시간(EOI: End Of Interval) 펄스신호를 이용하여 현재전력, 예측전력 및 기준전력을 산출한다.
또한, 제어부(520)는 산출된 예측전력과 설정된 목표전력을 비교하여, 산출된 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력으로 충당 가능한 부하에 대해서는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력이 공급되도록 상기 제1 부하개폐기에 제1 스위칭 신호를 출력한다.
즉, 제어부(520)는 산출된 예측전력을 기준으로 부하에서 사용되는 수요전력이 목표전력을 초과하지 않도록 부하측에 연결되는 전력을 조정하게 된다.
이에, 상기 제1 부하개폐기(410)의 제1 개폐기(411)는 오프되어 전력 계통의 전력이 부하로 인가되는 것을 차단하고, 제2 개폐기(412)가 온되어 에너지저장장치(300)에 저장된 전력이 부하로 공급되게 된다.
여기서, 제어부(520)의 제1 스위칭 신호에 의해 단속되는 제1 부하개폐기(410)에 연결된 부하는 전력의 중단에 따라 사용을 중단하여도 무방한 전력기기 또는 전력의 중단에 따라 불편하지만 전력소비가 큰 전력기기 등으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전력의 중단에 따라 사용을 중단하여도 무방한 전력기기에는 TV, 오디오 및 주방기구 등이 포함될 수 있고, 전력의 중단에 따라 불편하지만 전력소비가 큰 전력기기에는 냉방기 및 난방기 등으로 구성될 수 있다.
또한, 상시 전원이 투입되어 전력이 공급되어야 하는 부하는 전력 계통의 전원이 상시 연결되도록 구성될 수 있고, 이에 속하는 전력기기는 보안장치, 냉장고 및 보안조명장치 등으로 이루어질 수 있다.
상기에서 제어부(520)는 산출된 예측전력과 설정된 목표전력을 비교하여, 산출된 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되고, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력이 충분하지 않은 경우에는 제2 부하개폐기(420)에 제2 스위칭 신호를 출력하여 부하로 공급되는 전력을 차단하여 최대수요전력을 관리하게 된다.
아울러, 상기 제어부(520)는 제1 부하개폐기(410)로 출력하는 제1 스위칭 신호 또는 제2 부하개폐기(420)로 출력하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 경우, 해당 메시지를 출력하도록 제어함과 동시에 알람신호를 생성하여 출력하도록 구성된다.
MMI부(530)는 상기 제어부(520)에서 산출된 현재전력 및 예측전력과 설정된 목표전력을 문자 및 그래프로 표시되게 하고, 상기 제어부에서 생성된 스위칭 신호에 대한 부하연결 상태가 표시되도록 제어하는 기능을 수행한다. 즉, MMI부(530)는 제어부(520)의 제어에 의해 문자, 그래프 및 부하 연결상태를 표시하도록 제어한다.
부하접점부(540)는 상기 제어부(520)에서 생성된 제1 스위칭 신호를 상기 제1 부하개폐기(400)로 출력한다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 부하접점부의 회로도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 상기 부하접점부는 릴레이 2개를 이용한 SBO(Select Before Operation) 회로로 구성될 수 있다.
상기 SBO 회로는 보조 릴레이(541)와 주 릴레이(542)로 구성된 회로로서, 부하제어 선택신호(DOUT1)에 의해 보조 릴레이(541)가 동작되어 도통되고, 보조 릴레이(541)의 동작에 따라 주 릴레이(542)는 대기 상태가 된다. 이 상태에서 부하제어 실행신호(DOUT2)가 입력되게 되면, 주 릴레이(542)가 도통되고, 상기 주 릴레이(542)의 도통에 의해 제1 스위칭 신호가 출력되게 된다.
이에 따라, 부하제어 선택신호(DOUT1)와 부하제어 실행신호(DOUT2)의 대상이 되는 개폐기의 식별코드가 상이한 경우에는 제1 스위칭 신호가 출력되지 않게 되어 오동작 및 오조작에 의해 부하로의 전원 차단 또는 인가를 방지할 수 있는 장점이 있다.
알람출력부(550)는 상기 제어부(520)에서 생성된 알람신호에 근거하여 알람을 출력하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 알람신호는 음성메시지, 경고음 또는 경고등으로 구성되어 청각 및 시각으로 경고하도록 구성될 수 있다.
통신부(560)는 상기 제어부(520)의 제어에 따라 원격지 장치와 통신이 가능하도록 하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 통신부의 회로도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 상기 통신부(560)는 근거리 장치와 연결되어 데이터를 송수신하기 위한 RS232통신모듈(561), 상기 태양광발전장치와 에너지저장장치와의 통신을 수행하고, 원격의 외부 장치와 통신을 수행하는 RS485통신모듈(562)과 Ethernet통신모듈(563)을 포함하여 구성된다.
상기 RS232통신모듈(561)은 펌웨어 업데이트 및 디버깅을 위하여 MAX232CSE를 사용할 수 있고, RS485통신모듈(562)은 태양광 발전장치(200), 에너지저장장치(300) 및 모니터링 단말기(600)와의 통신을 수행하기 위해 SN75176B가 사용될 수 있다.
이때, 최대수요전력 제어장치(500)는 태양광 발전장치(200), 에너지저장장치(300) 및 모니터링 단말기(600) 사이 및 각 장치들 사이가 RS485통신모듈(562)과 Ethernet통신모듈(563)이 모두 적용된 이중화 통신방식으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 이중화 통신방식에 의해 일측 통신선로에 이상이 있는 경우 정상적인 통신선로를 통해 통신이 가능하도록 함으로써, 통신에 대한 오류를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
전원변환부(570)는 외부로부터 전원을 인가받아 동작 요구에 필요한 전원으로 변환하여 펄스입력부(510), 제어부(520), MMI부(530), 부하접점부(540), 알람출력부(550) 및 통신부(560)로 공급한다.
도 7은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 최대수요전력 제어장치의 전면부 및 후면부의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 최대수요전력 제어장치(500)의 전면부에는 MMI부(530)에 의해 문자, 그래프 및 부하 연결상태가 표시되는 LCD(531)가 구성된다.
또한, 최대수요전력 제어장치(500)의 후면부에는 전력량계로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는 펄스입력단자(511), 알람출력부(550)에서 출력되는 알람신호를 외부 알람장치로 연결하기 위한 알람출력단자(551), 부하접점부(540)의 제1 스위칭 신호를 출력하여 상기 제1 부하개폐기로 전송하기 위한 부하접점단자(541), 통신부(560)와 연계하여 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 통신단자(561) 및 전원변환부(570)와 연계하여 외부로부터 전원을 인가받기 위한 전원단자(571) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에서 최대수요전력 제어장치의 화면에 표시되는 상태정보화면이다.
첨부된 도 8을 참조하면, LCD(531)에 표시되는 내용에는 목표전력, 현재전력, 예측전력, 기준전력을 수요시한(15분)동안 그래프로 표시되게 하고, 상기 표시되는 전력에 대한 정보가 숫자로 표시되도록 한다. 아울러, 일, 월, 년에 대한 최대피크와 시간정보 및 운전방식에 대한 정보가 표시되며, 부하제어에 대한 정보도 표시되게 한다.
도 9 내지 도 11은 각각 본 발명에 따른 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템에 적용된 모니터링 단말기에 표시되는 최대수요전력 제어장치, 에너지저장장치 및 태양광 발전장치의 상태정보 표시화면이다.
첨부된 도 9를 참조하면, 모니터링 단말기에 표시되는 최대수요전력 제어장치의 정보에 해당되는 목표전력, 현재전력, 예측전력, 기준전력이 수요시한(15분)동안 그래프로 표시되고, 현재시간에 대한 시간정보, 자동 또는 수동에 대한 운전방식, 부하제어상태 등의 정보가 표시된다.
첨부된 도 10을 참조하면, 모니터링 단말기에 표시되는 에너지저장장치의 정보에 해당되는 배터리(301) 충.방전 상태정보, 입력전압, 출력전압, 출력 주파수 등의 정보가 표시된다.
첨부된 도 11을 참조하면, 모니터링 단말기에 표시되는 태양광 발전장치의 정보에 해당되는 현재 출력, 금일 발전량, 누적 발전량, 이산화탄소 저감량 및 각각 인버터에 대한 출력 전력 등이 표시된다.
본 발명에 의하면, 최대수요전력 제어장치의 전력수요관리를 위한 부하를 제어 함과 함께, 태양광발전장치에서 발전된 전력을 에너지저장장치에 저장하고 필요시에 에너지저장장치에 저장된 전력을 부하로 공급함으로써, 첨두부하를 저감시킬 수 있고 안정적인 전력 공급을 이룰 수 있는 장점이 있다.
또한, 최대수요전력 제어장치, 태양광 발전장치 및 에너지저장장치를 상호 연결하고 이를 통합하여 관리 및 제어함에 따라 각 장치의 관리가 수월하고 전력 계통의 고장을 확인하기가 용이하며, 이에 유지 및 보수가 용이한 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: 전력량계 200: 태양광발전장치
300: 에너지저장장치 310: 배터리
320: 배터리관리시스템 330: 전력변환장치
340: 에너지관리시스템 400: 부하개폐기
410: 제1 부하개폐기 420: 제2 부하개폐기
500: 최대수요전력 제어장치 510: 펄스입력부
511: WP펄스신호모듈 512: EOI펄스신호모듈
520: 제어부 530: MMI부
540: 부하접점부 550: 알람출력부
560: 통신부 570: 전원변환부
600: 모니터링 단말기

Claims (9)

  1. 수배전반 내부에 설치되고 전력 계통으로부터 인가된 전력을 변성하는 계기용변성기(MOF)에서 출력되는 전압과 전류에 근거하여 소비전력을 측정하는 전력량계;
    복수 개의 태양전지 모듈을 직렬 및 병렬로 접속한 태양전지 어레이; 상기 태양전지 어레이로부터 입력되는 직류전원을 취합하여 출력하고 보호기능을 수행하는 태양광 접속반 및 상기 태양광 접속반에서 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 공급하는 태양광 인버터를 포함하여 구성되는 태양광발전장치;
    상기 태양광발전장치로부터 발전되는 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리의 충/방전상태를 제어관리하는 배터리관리시스템; 상기 배터리에 저장된 전력의 전압과 주파수를 전력계통에 대응하여 변환시키고 상기 변환된 전력을 상기 전력 계통에 병입시키는 전력변환장치 및 에너지저장장치를 모니터링하여 제어하고 외부 기기와의 통신을 통해 상기 에너지저장장치 상태정보를 제공하는 에너지관리시스템을 포함하여 구성되는 에너지저장장치;
    스위칭 신호에 따라 상기 전력 계통으로부터 인가된 전력 또는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력 중에서 선택된 전력을 부하로 공급하도록 스위칭하는제1 부하개폐기; 및
    상기 전력량계로부터 입력된 펄스신호와 목표전력에 근거하여 현재전력 및 예측전력을 산출하고, 상기 산출된 결과에 근거하여 상기 부하개폐기로 스위칭 신호를 출력하는 최대수요전력 제어장치;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 최대수요전력 제어장치는,
    상기 전력량계로부터 출력되는 전력 사용량의 펄스(WP: Watt hour Pulse)신호와 전력 수요시간(EOI: End Of Interval) 펄스신호 및 목표전력에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하고, 산출결과 예측전력이 목표전력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력으로 충당 가능한 부하에 대해서는 상기 에너지저장장치에서 출력되는 전력이 공급되도록 상기 제1 부하개폐기에 제1 스위칭 신호를 출력하여 전력수요관리 기능을 수행하고,
    상기 최대수요전력 제어장치는,
    상기 전력량계로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는 펄스입력부;
    상기 펄스입력부에서 입력받은 펄스신호에 근거하여 현재전력과 예측전력을 산출하고, 산출된 현재전력 및 예측전력에 따라 목표전력과 비교하여 스위칭 신호를 생성하며, 이상 여부에 대한 알람신호를 생성하는 제어부;
    상기 제어부에서 산출된 현재전력 및 예측전력과 설정된 목표전력을 문자 및 그래프로 표시되게 하고, 상기 제어부에서 생성된 스위칭 신호에 대한 부하연결 상태가 표시되도록 제어하는 MMI부;
    상기 제어부에서 생성된 제1 스위칭 신호를 상기 제1 부하개폐기로 출력하는 부하접점부;
    상기 제어부에서 생성된 알람신호에 근거하여 알람을 출력하는 알람출력부;
    상기 제어부의 제어에 따라 원격지와 통신을 수행하는 통신부; 및
    외부로부터 전원을 인가받아 동작 요구에 필요한 전원으로 변환하여 공급하는 전원변환부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 부하개폐기의 후단에 설치되어 부하로 공급되는 전력을 단속하는 제2 부하개폐기;
    를 더 포함하여 구성되고,
    상기 최대수요전력 제어장치는,
    상기 에너지저장장치에 저장된 전력이 일정 이하인 경우에는 현재전력이 목표전력을 초과하지 않도록 상기 제2 부하개폐기를 단속하여 부하로 공급되는 전력을 차단하는 제2 스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 최대수요전력 제어장치의 전면부에는 상기 MMI부에 의해 문자, 그래프 및 부하 연결상태가 표시되는 LCD가 구성되고,
    상기 최대수요전력 제어장치의 후면부에는,
    상기 전력량계로부터 출력되는 펄스신호를 입력받는 펄스입력단자;
    상기 알람출력부에서 출력되는 알람신호를 외부 알람장치로 연결하기 위한 알람출력단자;
    상기 부하접점부의 제1 스위칭 신호를 출력하여 상기 제1 부하개폐기로 전송하기 위한 부하접점단자;
    상기 통신부와 연계하여 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 통신단자; 및
    상기 전원변환부와 연계하여 외부로부터 전원을 인가받기 위한 전원단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 통신단자는,
    근거리 장치와 연결되어 데이터를 송수신하기 위한 RS232통신포트; 및
    상기 태양광발전장치와 에너지저장장치와의 통신을 수행하고, 원격의 외부 장치와 통신을 수행하는 RS485통신포트 및 Ethernet통신포트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하접점부는,
    릴레이 2개를 이용한 SBO(Select Before Operation) 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하접점부는,
    1개 부하에 대응하여 상기 전력 계통으로부터 인가되는 전력을 단속하는 제1 개폐기와 상기 에너지저장장치로부터 인가되는 전력을 단속하는 제2 개폐기로 구성되되, 상기 제1 개폐기와 상기 제2 개폐기는 C접점으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광발전장치, 에너지저장장치 및 최대수요전력 제어장치와 통신을 통해 각각 상기 태양광발전장치, 에너지저장장치 및 최대수요전력 제어장치의 상태를 수신하여 표시하고 제어하는 원격 모니터링 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전장치와 에너지저장장치를 이용한 계통 연계형 최대수요전력 제어시스템.
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