KR101796669B1

KR101796669B1 - 산업단지 마이크로그리드 시스템

Info

Publication number: KR101796669B1
Application number: KR1020160175295A
Authority: KR
Inventors: 고재하; 김춘성; 박주영; 장미금; 이우형; 오현주; 황갑철; 김형진; 이석호; 임철현
Original assignee: 재단법인 녹색에너지연구원
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-11-10
Also published as: WO2018117529A1

Abstract

본 발명은 종래의 AC망을 이용한 전력거래가 아닌 개별적인 DC망을 이용하여 산업단지의 공장 간의 전력거래가 가능한 마이크로그리드 시스템의 제공을 목적으로 하며,
이를 달성하기 위한 분산전원부 및 부하를 포함하며, 상용전원부와 AC망으로 연결된 복수개의 전력수요부와;
상기 복수개의 전력수요부와 DC망으로 연결되며, 중앙제어기, ESS, 분산전원부를 갖춘 발전사업부;를 포함하며,
상기 복수개의 전력수요부는 서로 간을 DC망으로 연결한 적어도 하나의 전력수요부 그룹을 포함하고,
상기 발전사업부는 상기 DC망을 통한 전력수요부 간 전력거래, 전력 수요부의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 산업단지 마이크로그리드 시스템이 개시된다.

Description

산업단지 마이크로그리드 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING MICROGRID}

본 발명은 산업단지 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.

마이크로그리드(Micro Grid)는 전력망에 정보 기술이 접목되어 발전량 조절을 위한 제어가 수행되며, 발전·소비량 예측 등의 기능을 필요로 한다는 점에서 스마트그리드와 유사하지만, 그 적용 규모가 스마트그리드에 비하여 상대적으로 작고, 발전원과 수용가(전력소비 주체)의 위치가 가깝기 때문에 대규모 송전 설비가 필요하지 않다는 차이점이 있다.

미국의 에너지국(Department Of Energy, DOE)은 마이크로그리드(Micro Grid)를 다음과 같이 정의하고 있다.

명확히 정의된 전기적 범위 안에서 상호 연결된 '수용가'와 '분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)'의 그룹으로 계통에 대하여 하나의 제어 가능한 개체(entity)이며, 계통으로부터 연결 및 독립이 가능하다.

다시 말해, 마이크로그리드는 지역화된 전력망으로 수용가와 풍력, 태양광 등의 분산 에너지 자원(DER)을 연결한 것으로써, 전체 전력 계통과 독립적(off-grid)으로 동작하여 전력의 자급자족(自給自足)이 가능하며, 필요에 따라 계통과 연계(on-grid)되어 동작할 수도 있는 전력망이다.

그러나 단순히 수용가와 DER을 연결하는 것만으로는 마이크로그리드를 구성 및 운영하기에 충분하지 않다. 풍력 발전이나 태양광 발전의 경우, 풍속이나 일조량에 따른 발전량의 변화가 발생하기 때문인데, 이러한 풍력이나 태양광 발전 설비를 별다른 제어 없이 계통으로 전력을 공급하도록 연결할 경우, 전력 계통의 전력 품질은 예측과 관리가 매우 어려워진다.

특히 마이크로그리드는 구성되는 전력망의 범위가 작기 때문에 신재생 발전원의 전력 품질 불안정에 더욱 큰 영향을 받게 되므로 마이크로그리드를 구성할 때는 이러한 문제들을 방지하기 위한 기술들이 적용되어야 한다. 또한 전력 품질 및 공급의 안정성을 확보하기 위하여 대부분의 마이크로그리드는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 포함하여 구성된다.

이때, ESS는 전력 공급 과잉 시점에는 전력을 저장하고, 수요가 많아지는 시점에는 저장해 둔 전력을 수용가로 공급하는 역할을 수행함으로써 마이크로그리드의 전력 품질 및 공급의 안정성에 기여한다.

그리고 ESS뿐만 아니라 마이크로그리드에 연결되어 있는 수용가나 DER들을 모니터링하고 제어할 수 있도록 하는 시스템 또한 필요한데, 이러한 시스템들은 마이크로그리드의 상태에 따라 발전원이나 수용가의 동작을 제어하여 전력의 공급 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 해 준다.

또한 단순한 모니터링과 제어뿐만 아니라 발전·수요량을 예측하고 Peak Cut, Load Shift, Demand Response 등의 부가 서비스를 가능하도록 하여 에너지 사용 효율을 높이고 부가적인 이득을 창출할 수 있도록 한다.

한국등록특허공보 제10-1212343호(공고일자 2012년12월13일)

본 발명은 종래의 AC망을 이용한 전력거래가 아닌 개별적인 DC망을 이용하여 산업단지의 공장 간의 전력거래를 가능하게 하는 마이크로그리드 시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 분산전원부 및 부하를 포함하며, 상용전원부와 AC망으로 연결된 복수개의 전력수요부; 상기 복수개의 전력수요부와 DC망으로 연결되며, ESS, 중앙제어기, 분산전원부를 갖춘 발전사업부;를 포함하며, 상기 복수개의 전력수요부는 서로 간을 DC망으로 연결한 적어도 하나의 전력수요부 그룹을 포함하고, 상기 발전사업부는 상기 DC망을 통한 전력수요부 간 전력거래, 상기 전력 수요부의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 산업단지 마이크로그리드 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 전력수요부는 부하 및 상용전원부의 AC망과 연결되어 부하의 AC 소비전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI와; 분산전원부 및 DC망과 연결되어 부하의 DC 소비전력 측정 기능을 포함하는 MG측 AMI;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전력수요부는 분산전원부의 생산전력을 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 산업단지 마이크로그리드 시스템은 분산전원부와, 상기 분산전원부 및 상기 DC망과 연결되어 DC 공급전력 측정 기능을 포함하는 MG측 AMI를 포함하는 전력공급부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 발전사업부는 상기 분산전원부의 생산전력을 저장하는 ESS와; 상기 분산전원부 및 상용전원부의 AC망과 연결되어 발전사업부에서 상용전원부로 공급되는 공급전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI와; 상기 분산전원부, 상용측 AMI, MG측 AMI, ESS로부터 데이터를 전달받아 상기 DC망을 통한 전력수요부 간 전력거래, 상기 전력 수요부의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부로의 전력 공급을 제어하는 중앙제어기;를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, AC망과는 별도로 설치된 개별적인 DC망을 이용하여 공장간의 전력거래를 실현할 수 있고, 공장 간의 전력 직접 거래로 전력 손실이 최소화 된다.

즉, 본 발명은 공장 간의 직접거래가 가능한 DC망을 이용함으로써 단위 공장이 에너지 판매 및 소비가 가능한 구조이며, 발전사업자와 공장 간의 거래도 가능하다.

또한, 확장성이 용이하여 기존 인터넷 망과 같이 발전사업자가 구성해 놓은 DC망에 전력변환기를 연결하여 DC망의 에너지를 수급할 수 있으며, 분산전원을 통한 거래도 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산업단지 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산업단지 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예들에 공통으로 적용되는 전력수요부를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예들에 공통으로 적용되는 발전사업부를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

산업단지는 다양한 전력 소비패턴을 가지고 있어 단위 공장별 에너지 판매 및 소비가 가능한 구조(마이크로그리드)로 구축되기에 최적의 실증 장소이다. 또한, 노동집약적 산업과, 국부적 생산성으로 개발도상국 산업단지와 유사한 전력소비 패턴을 보유하고 있어 본 발명을 적용하기에 적합하다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 산업단지 마이크로그리드 시스템(이하, '시스템')은 복수개의 전력수요부(10)와 발전사업부(20)를 포함한다.

그리고 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템은 복수개의 전력수요부(10), 발전사업부(20) 및 전력공급부(30)를 포함한다.

도 3 및 도 4는 각각 전력수요부(10)와 발전사업부(20)로써, 이들은 일실시예와 다른 실시예에 따른 시스템에 공통으로 적용될 수 있다.

이하, 일실시예에 따른 시스템은 분산전원부(11) 및 부하(12)를 포함하며 상용전원부(70)(예컨대, 한국전력공사)와 AC망(71)으로 연결된 복수개의 전력수요부(10)와, 상기 복수개의 전력수요부(10)와 DC망(81)으로 연결되며 중앙제어기(21), ESS(22), 분산전원부(23)를 갖춘 발전사업부(20)를 포함한다.

바람직하게는 상기 전력수요부(10)는 부하(12) 및 상용전원부(70)의 AC망(71)과 연결되어 부하(12)의 AC 소비전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI(13)와, 분산전원부(11) 및 DC망(81)과 연결되어 부하(12)의 DC 소비전력 측정 기능을 포함하는 MG측 AMI(Advanced Metering Infrastructure, 14)와, 분산전원부(11)의 생산 전력을 저장하는 저장부(15)로 구성될 수 있다.

발전사업부(20)는 상기 분산전원부(11,23,31)의 생산전력을 저장하는 ESS(Energy Storage System, 22)와, 상기 분산전원부(23) 및 상용전원부(70)의 AC망(71)과 연결되어 발전사업부(20)에서 상용전원부(70)로 공급되는 공급전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI(24)와, 상기 분산전원부(11,23,31), 상용측 AMI(13,24), MG측 AMI(14,32), ESS(22)로부터 데이터를 전달받아 상기 DC망(81)을 통한 전력수요부(10) 간 전력거래, 상기 전력 수요부의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부(10)로의 전력 공급을 제어하는 중앙제어기(21)를 포함할 수 있다.

중앙제어기(21)는 시스템 내의 세부 동작사항을 결정하는 기기로써, 전압, 전류, 전력방향, 전술한 각 구성의 상태정보 등을 상용측 AMI(13,24), MG측 AMI(14)으로부터 통신으로 입력 받는다. 그리고 입력된 데이터를 기반으로 여러 개의 부하(12)들에게 어느 정도의 전력을 공급하고 수급할 것인지에 대해 판단하며, 이에 따라 분산전원부(11,23) 등에 설치된 인버터와 컨버터에 전력에 대한 입출력 지령을 생성한다.

ESS(22)는 발전사업부(20)에 설치된 에너지 저장장치로써 다수의 전력수요부(10)의 분산전원부(11)에서 생산되는 전력을 수급 또는 전력수요부(10)에 전력을 공급하는 대용량 저장장치이다. 주요기능은 전력수요부(10)에서 원하는 전력을 공급하거나, 전력수요부(10)가 생산한 전력을 수급해주는 역할로 공급가와 수급가의 차를 두어 발전사업부(20)를 관리하는 발전사업자의 수익 창출이 가능한 구조로 구성된다. 또한 전력수요부(10)에 설치된 컨버터와 물리적으로 결합되어 있고, 확장성을 지니고 있어 컨버터의 결속으로 인해 많은 수의 전력수요부(10)의 접속이 가능한 구조이다.

저장부(15)는 에너지 저장장치로써 전력수요부(10)에 개별적으로 설치되어 있고, 전력수요부(10)마다 설치된 분산전원부(11)의 생산 전력을 저장하거나 부하(12)에 공급해주는 에너지원 역할을 수행한다.

인버터는 상용전원부(70)와 물리적으로 연결되어 상용전원부(70)로 잉여 전력을 전송하기 위한 구성으로, 다른 전력수요부(10), 발전사업부(20) 또는 상용전원부(70)에 잉여 전력을 전송할 수 있게 된다.

컨버터는 분산전원부에서 생산되는 전력을 ESS(22)나 다른 전력수요부(10)에 전송하기 위한 전력변환장치이다. 인버터 및 컨버터는 중앙제어기(21)에 의해 제어될 수 있다.

분산전원부(11,23)는 도면에 태양광 발전패널로 표현되어 있으나, 풍력발전, 열병합발전, 부산물이용발전, 연료전지발전, 소수력발전 등일 수 있다. 분산전원부(11)에서 생산된 전력은 저장부(15)에 저장되거나, 중앙제어기(21)를 통해 ESS(22) 또는 다른 전력수요부(10)에 판매될 수 있다.

한편, 상기 복수개의 전력수요부(10)는 서로 간을 DC망(81)으로 연결한 적어도 하나의 전력수요부 그룹을 포함할 수 있다.

구체적으로 전력수요부 그룹이라 함은 예컨대, 전력 소비패턴이 동일한 전력수요부(10)끼리 또는 전력 소비패턴이 서로 상이한 전력수요부(10)끼리 하나의 DC망(81)에 연결된 것일 수 있다.

또는 전력 소비패턴이 동일하고 전력 생산량이 서로 상이한 전력수요부(10)들의 집합이거나, 전력 소비패턴은 서로 상이하고 전력 생산량이 동일한 전력수요부(10)들의 집합일 수 있다.

또는 전력 소비패턴과 전력 생산량과는 무관하게 인접 지역에 위치된 전력수요부(10)들의 집합일 수 있다.

도 1의 전력수요부 그룹(A)이 전력 생산량은 동일하고 전력 소비패턴은 서로 상이한 전력수요부(10)들의 집합이라면, 전력을 적게 소비하는 전력수요부(10)는 분산전원부(11)에 의해 전력이 남는 상황이 되고, 전력을 많이 소비하는 전력수요부(10)는 분산전원부(11)를 가동하더라도 전력이 필요하므로, 이들을 하나의 DC망(81)에 하나의 그룹으로 묶으면 중앙제어기(21)에서 지령을 내려 전력이 남는 전력수요부(10)의 전력을 ESS(22)로 거치지 않게 하고, 직접 전력을 필요로 하는 전력수요부(10)에 직접 제공할 수 있다. 이는 예를들어 ESS(22)와 각 전력수요부(10)의 사이에 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전력변환기를 설치하여 전력수요부(10) 간 직접 전력 거래 시 ESS(22)로 유입되는 전력을 차단함으로써 실현 가능하다. 따라서, 전력수요부(10) 간 직접거래가 가능한 본 시스템은 손실될 수 있는 전력을 최소화할 수 있고, 전력을 직접 판매한 전력수요부(10)에 직접 거래에 따른 다시말하면 ESS(22)를 사용하지 않고 거래함에 따른 추가 비용 지급이 가능하여 마이크로그리드 활성화에 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템은 일실시예에 따른 시스템과 동일하지만 도 2에 도시된 바와 같이 분산전원부(31), 상기 분산전원부(31) 및 상기 DC망(81)과 연결되어 DC 공급전력 측정 기능을 포함하는 MG측 AMI(32)를 포함하는 전력공급부(30)를 더 포함한다.

이와 같은 전력공급부(30)는 발전사업부(20)를 매개로 전력수요부(10)에 생산 전력을 직접 판매하거나, 발전사업부(20)의 ESS(22)에 생산 전력을 저장함으로써 수익을 낼 수 있다.

상기 시스템은 전력공급부(30)를 갖출 수 있는 사업자가 전력공급부(30)를 구축하여 간단하게 DC망(81)에 연결하는 것만으로 전력사업 참여가 가능하게 접근성을 향상시킨 것이어서, 기존의 전력 시장을 독점하는 체제에서 다양한 공급자들이 전력을 생산하고 판매할 수 있는 경쟁시장 체제로의 변환을 앞당길 수 있으며, 전력을 효율적으로 관리할 수 있다.

10: 전력수요부
20: 발전사업부
30: 전력공급부
70: 상용전원부
71: AC망
81: DC망
91: 데이터망

Claims

DC망에 상호 연결되되, 전력 소비패턴은 서로 상이하고 전력 생산량은 서로가 설정된 오차범위 내에 있는 전력수요부(10)들로 이루어진 전력수요부 A그룹;
상기 DC망과는 다른 DC망에 상호 연결되되, 전력 소비패턴은 서로가 설정된 소비 전력량의 오차범위 내에 있고 전력 생산량은 서로 상이한 전력수요부(10)들로 이루어진 전력수요부 B그룹;
상기 DC망에 의해 상기 전력수요부 A,B그룹과 각각 연결되며, 중앙제어기(21), ESS(22), 분산전원부(23)를 갖춘 발전사업부(20); 및
상기 전력수요부(10)들 간 직접 전력 거래시 상기 ESS(22)로 유입되는 전력을 차단하는 전력변환기;를 포함하며,
상기 전력수요부 A,B그룹에 속한 각각의 전력수요부(10)는 분산전원부(11) 및 부하(12)를 포함하며, 상용전원부(70)와 AC망(71)으로 연결되고,
상기 발전사업부(20)는 상기 DC망(81)을 통한 전력수요부(10) 간 전력거래, 전력 수요부(10)의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부(10)로의 전력 공급을 제어하며,
상기 전력수요부(10)는 부하(12) 및 상용전원부(70)의 AC망(71)과 연결되어 부하(12)의 AC 소비전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI(13)와, 분산전원부(11) 및 DC망(81)과 연결되어 부하(12)의 DC 소비전력 측정 기능을 포함하는 MG측 AMI(14)와, 분산전원부(11)의 생산전력을 저장하는 저장부(15)를 포함하고,
상기 발전사업부(20)는 상기 분산전원부(11,23)의 생산전력을 저장하는 ESS(22)와, 상기 분산전원부(23) 및 상용전원부(70)의 AC망(71)과 연결되어 발전사업부(20)에서 상용전원부(70)로 공급되는 공급전력 측정 기능을 포함하는 상용측 AMI(24)와, 상기 분산전원부(11,23), 상용측 AMI(13,24), MG측 AMI(14,32), ESS(22)로부터 데이터를 전달받아 상기 전력수요부(10) 간의 상기 DC망(81)을 통한 직접 전력거래, 상기 전력 수요부(10)의 잉여 전력을 상기 ESS(22)에 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부(10)로 상기 ESS(22)의 전력 공급을 제어하는 중앙제어기(21)를 포함하는 산업단지 마이크로그리드 시스템.
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