KR101943468B1 - 마이크로그리드 시스템 및 고장 처리 방법 - Google Patents

마이크로그리드 시스템 및 고장 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 마이크로그리드 시스템은, 다수의 분산 전원들; 다수의 분산 부하들; 상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들을 구비하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS; 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드에 공급하되, 비정상 상황에서 상기 마이크로그리드와의 연결을 차단하는 차단 수단을 구비하는 ESS PCS; 및 상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면, 상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장에 대한 처리를 수행하는 관제 장치를 포함할 수 있다.

Description

마이크로그리드 시스템 및 고장 처리 방법{MICROGRID SYSTEM and TROUBLE PROCESSING METHOD thereof}
본 발명은 고장 처리를 수행하는 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 고장 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 계통에 고장 발생시 불필요하게 정전을 경험하는 건전구간에 대한 정전시간을 단축할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드는 분산전원(태양광, 풍력 등), 배터리(전력 저장 장치) 등으로 구성되어 부하에 전력을 공급하는 소규모 전력 공급 시스템이다. 마이크로그리드는 평상시에는 대규모 전력계통과 연계되어 전력을 거래하는 연계 운전모드로 운전되며, 전력회사 측 선로에서 고장 발생시에는 전력계통과 분리되어 자체적으로 전력을 공급하는 독립운전모드로 전환할 수 있다. 주로 건물, 대학 캠퍼스, 공장 등을 대상으로 설치하며, 전기요금 절감, 전력공급 신뢰도 향상 등을 목표로 한다. 한편, 도서 지역 등 오지에 설치된 마이크로그리드의 경우 외부의 전력계통과 연계없이 자체 부하들과 하나의 계통을 구성하여 운전될 수 있다.
마이크로그리드 설치 목표 중 하나인 전력 공급 신뢰도 향상을 위해서는 마이크로그리드를 무정전으로 운전해야 한다. 전력계통에서 고장이 발생할 경우, 이를 정확하게 감지하여 신속하게 상위 전력계통과 마이크로그리드를 분리하여야 한다. 또한, 마이크로그리드 내부에서 고장이 발생하였을 경우, 해당되는 부분만 신속하게 분리하여 정전이 발생하지 않도록 해야 한다. 한편, 마이크로그리드와 전력계통의 연계 상태, 각 분산전원의 연계 상태, 고장 발생 위치, 고장 발생 형태 등에 따라 고장 전류의 크기와 방향이 달라진다. 하지만, 기존의 차단기(MCCB, ACB 등) 및 고장 처리 방법은 마이크로그리드에서 발생하는 다양한 종류의 고장에 적절하게 대응할 수 없어, 국지적인 고장이 마이크로그리드 전체에 영향을 주어 전체 정전이 발생할 수 있다. 특히, 이는 독립된 계통을 가지는 도서 지역 등에 설치된 마이크로시스템에 더욱 빈번한 불편함을 초래하게 된다.
도 11은 종래 기술에 따른 분산전원(40)을 이용한 건전구간 전원공급 시스템을 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 분산전원(40)을 이용한 건전구간의 전원공급 시스템은, 배전자동화용 IED(100), 분산전원용 IED(200) 및 중앙관리장치(300)를 포함한다.
배전자동화용 IED(100)는 배전선로의 전압 및 전류를 계측하며, 배전계통에서 선로 사고가 발생하면, 선로사고 이벤트를 중앙관리장치(300)로 전송하여 배전자동화 시스템 운영자가 분석할 수 있도록 한다.
일단 일시고장이 발생하면 배전자동화용 IED(100)는 고장전류로부터 배전계통의 고장여부, 고장조류의 방향을 판단하고, 고장으로 판단하는 경우 FI(Fault Indicator)정보를 중앙관리장치(300)로 전송한다.
중앙관리장치(300)는 일단 일시고장인 경우 배전자동화용 IED(100)들로부터 제공되는 고장정보로부터 고장구간을 판단하여 배전자동화용 IED(100)에 개폐기(30) 조작명령을 전송한다. 배전자동화용 IED(100)는 개폐기(30)제어 수행 후 그 결과를 중앙관리장치(300)로 전송함으로써 고장처리절차를 진행한다.
즉, 배전자동화용 IED(100)는 배전선로의 과전류를 계측하여, 차단기(Circuit Breaker) 또는 리클로저(Recloser)의 보호기기(20)를 통해 선로를 차단하고, 이를 통해 보호기기(20)의 부하단이 무전압이 되면 개폐기를 통해 배전선로의 고장을 검출하게 된다. 또한, 중앙관리장치(300)의 제어신호에 기초하여 개폐기의 투입·개방을 제어함으로써, 고장구간이 배전계통에서 분리되도록 제어하는 역할을 수행한다.
배전선로에 고장이 발생하는 경우, 배전자동화용 IED(100)는 분산전원용 IED(200)로 고장발생정보를 송신하여, 분산전원용 IED(200)가 분산전원(40)을 통해 건전구간으로 전력을 공급할 수 있도록 한다.
나아가, 배전자동화용 IED(100)는 분산전원(40)과 배전자동화용 IED(100) 사이에 존재하는 부하단에 대해 평균 부하전류를 계측하는 역할을 수행한다. 미리 정해진 시간 동안 부하단에 대한 부하전류를 측정함으로써, 평균부하전류를 연산할 수 있다. 이를 통해 시간대별 부하단이 소모하는 평균 전력량을 연산할 수 있고, 배전자동화용 IED(100)가 연산한 정보는 분산전원용 IED(200)로 전송되어, 배전계통의 고장 발생시 분산전원(40)을 통해 공급할 전력량을 산정하는 데이터로 활용될 수 있다.
분산전원용 IED(200)는 분산전원(40)과 연결되어, 배전계통 고장 시 분산전원(40)이 계통으로 공급할 수 있는 전력량을 산정한다. 분산전원용 IED(200)는 분산전원(40)의 발전량과 배터리 저장량에 기초하여 전력량을 산정할 수 있다.
분산전원용 IED(200)는 배전자동화용 IED(100)와 Peer to Peer 방식으로 연결되어, 분산전원(40)과 연계된 배전 선로에서 소모되는 전력량을 파악하고, 배전자동화용 IED(100)로부터 고장발생 정보를 수신한다.
나아가, 배전자동화용 IED(100)으로부터 고장발생과 고장조류 정보를 수신하면, 고장으로 인해 불필요하게 정전을 경험하게 되는 건전구간을 파악하고, 분산전원(40)과 계통 사이의 개폐기를 제어하여, 건전구간으로 전원이 공급될 수 있도록 한다.
분산전원용 IED(200)는 고장정보에 포함된 고장발생과 고장전류에 대한 정보를 분석하여 고장구간을 인식하거나, 고장정보를 전송하는 배전자동화용 IED(100)의 식별정보를 통해 고장발생 구간을 인지할 수 있다.
중앙관리장치(300)는 전체적인 시스템을 모니터링하고, 배전자동화용 IED(100)로부터 수신된 배전계통의 고장정보를 분석하여 개폐기(30)의 투입·개방을 제어하는 역할을 수행한다. 배전자동화용 IED(100)로부터 고장정보를 수신하면, 중앙관리장치(300)는 고장정보를 분석하고, 개폐기(30)의 투입·개방을 제어하는 신호를 배전자동화용 IED(100)로 전송하여, 고장 선로가 계통에서 분리될 수 있도록 한다.
그런데, 도 11에 도시한 마이크로그리드 시스템은 각 분산전원 및 분산부하(배전) 마다 IED를 구비하는데, 각 IED는 고장이 발생하였을 때 이를 정확히 파악하는데 상당한 테스트 전력이 필요하게 된다. 종래기술의 경우 상기 테스트 전력을 위해 각 IED가 상당한 용량의 에너지 저장장치를 구비하거나, 테스트 전력 생산을 위한 디젤 발전기 등을 구비하여야 하는데, 이는 설비 비용 증대의 원인이 될 수 밖에 없다.
대한민국 특허공보 10-1336042호
본 발명은 고장 위치를 신속하게 파악하여 조치할 수 있는 마이크로그리드 또는 고장 처리 방법을 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, Off-Grid에서 선로고장 및 기기고장이 발생시, ESS를 이용하여 고장의 위치를 파악하고 고장 지점을 분리 후 복전시키는 방법을 제안하고자 한다.
본 발명은 마이크로그리드의 안정적 계통 운영을 통한 신뢰도를 향상시키고자 한다. 이를 위해, SS PCS를 통해 신속하게 고장 지점 파악하여 고장 지점을 분리하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로그리드 시스템은, 다수의 분산 전원들; 다수의 분산 부하들; 상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들을 구비하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS; 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드에 공급하되, 비정상 상황에서 상기 마이크로그리드와의 연결을 차단하는 차단 수단을 구비하는 ESS PCS; 및 상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면, 상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장에 대한 처리를 수행하는 관제 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 관제 장치는, 상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면 상기 분산 전원들 및 상기 ESS를 차단하는 단계; 상기 ESS PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계; 상기 연결된 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 차단 수단은, 상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치; 상기 ESS PCS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치; 및 상기 인버터를 구성하는 IGBT를 단속하는 IGBT 단속 수단을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ESS PCS의 인버터를 구성하는 IGBT의 Open 시간은 400 [us](마이크로세컨드)이내이며, 상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 시간은 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 관제 장치는, 상기 분산 전원들 및 상기 분산 부하들, 선로들에 설치된 검측 수단 데이터 통신을 수행할 수 있는 통신 수단을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 관제 장치는, 상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이기 위해 지정된 기간 동안 0[A]부터 상기 마이크로그리드에 내보낼 수 있는 정격 전류의 80%의 수준까지 점진적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 마이크로그리드의 고장 처리 방법은, 다수의 분산 전원들과, 다수의 분산 부하들과, 상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들과, 상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법에 있어서,
상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하면, 상기 분산 전원들 및 ESS를 차단하는 단계; 상기 ESS의 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계; 상기 ESS의 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 ESS의 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계는, 상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치를 닫는 단계; 상기 ESS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치를 닫는 단계; 및 상기 인버터를 구성하는 IGBT를 닫는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계에서는, 전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 뚜렷하게 높은 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정할 수 있다.
여기서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계에서는, 상기 ESS의 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이기 위해 지정된 기간 동안 0[A]부터 상기 마이크로그리드에 내보낼 수 있는 정격 전류의 80%의 수준까지 점진적으로 증가시킬 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 마이크로그리드 시스템 또는 고장 처리 방법을 실시하면, 빠른 고장구간 제거로 인한 안정적인 계통 운영이 가능하여 마이크로그리드 시스템의 신뢰도를 향상하는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 마이크로그리드 시스템은 고장 테스트를 위해 별도의 디젤발전기를 설치하거나 각 분산 전원별로 대용량의 배터리를 구비할 필요가 없는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 마이크로그리드 시스템은 정전에 의해서 버려지는 신재생원의 발전 전력량 최소화하는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 마이크로그리드 시스템은 도서 지역 등 별도의 외부 전력 시스템이 연계되지 않고 독립적인 계통을 이루는 마이크로시스템에서 유지 관리가 용이하고, 장전류 공급 용도에 적합한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 관제 장치에서 수행되는 고장 처리 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 도 2의 S20 단계 및 S30 단계를 수행하는데 적용될 수 있는 ESS PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조를 도시한 블록도.
도 4는 도 2의 S50 단계에서 수행되는 고장 위치 판단 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 5는 정상 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프.
도 6은 마이크로그리드에 고장이 발생된 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프.
도 7은 도 4의 S155 단계에서 마이크로그리드에 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도.
도 8은 도 4의 S189 단계에서 선로 구간들의 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템의 고장 발생시부터 black start까지의 조치 모습을 도시한 블록도.
도 10은 ESS PCS의 본 발명의 사상에 따른 점진적인 승압 기동(Soft Start)에 따른 전압 및 전류 파형을 도시한 그래프.
도 11은 종래 기술에 따른 분산전원을 이용한 건전구간 전원공급 시스템을 도시한 블록도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템(700)을 도시한 블록도이다.
도시한 마이크로그리드 시스템(700)은, 계통에 전력을 공급하는 다수의 분산 전원들(740, 750); 계통에서 전력을 소비하는 다수의 분산 부하들(771, 772, 773); 상기 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)을 계통에 연결하는 선로들; 및 상기 분산 전원들(740, 750)의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS(720)를 포함한다.
상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부의 각각은, 선택적으로 계통과 연결시키거나 차단할 수 있는 차단 수단(781 ~ 788)을 구비할 수 있다.
상기 선로들은 계통에 연결된 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)에 대하여 이상적으로는 동일한 전기적 특성(전위)을 가져야 하지만, 공급 전력 및/또는 부하의 불균형 및 긴 길이의 선로 자체의 임피던스에 의해, 각 지점마다 서로 다른 전기적 특성(전위, 전류)을 가지게 된다.
상기 서로 다른 전기적 특성을 모니터링하기 위해 상기 선로들의 특정 지점들에 전기적 특성의 검측 수단(781 ~ 785)(예: 전류계, 전압계, 변류계, 홀센서)을 구비할 수 있다.
예컨대, 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 연결 지점마다 검측 수단을 구비하거나, 소정 길이 단위로 검측 수단을 구비할 수 있다.
구현에 따라, 상기 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773)의 전부 또는 일부의 각각은, 자신의 운행 상태 및/또는 전기적 특성을 모니터링하기 위한 검측 수단 또는 모니터링 수단을 구비할 수 있다.
상기 ESS(720)는 마이크로그리드에서 불균일한 부하 소요에 의한 전력 부담을 완화시키는 구성으로서, 최근 리튬 2차 전지를 이용하는 방식이 실시되고 있지만, 공지된 어떠한 에너지 저장 수단을 적용할 수 있다.
상기 다수의 분산 전원들(740, 750)도 각자 PCS(745, 755)을 구비하고, 상기 다수의 분산 부하들(771, 772, 773)도 각자 차단 수단(786 ~ 788)을 구비하지만, 본 발명의 사상에 따른 기능은 ESS(720)의 PCS(730) 및 이 PCS(730)를 계통에 연결/차단하는 차단 수단(781)을 이용하여 구현되는 바, ESS(720)에 대한 PCS(730) 및 차단 수단(781)을 보다 상세히 설명하겠다.
상기 ESS(720)에 대한 PCS(730)는 ESS PCS(730)로 칭할 수 있으며, 상기 ESS(720)에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류(또는 직류) 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드 계통에 공급하며, 정전이나 누전 등 비정상 상황에서 상기 마이크로그리드 계통과의 연결을 차단하는 차단 수단(781)을 구비한다.
상기 ESS PCS(730)는 계통의 전력 위상과 PCS에서 계통으로 출력되는 전력의 위상을 맞추기 위한 전력 위상 동기 기능, 계통으로 공급되는 전력량(즉, 전압 및/또는 전류의 크기)을 조절하는 기능, 계통 측에서 발생된 서지 등 위험 요인이 ESS(720)로 전달되는 것을 완화 및/또는 차단하는 서지 완화/보호 기능을 수행할 수 있으며, 이를 위한 구성들을 구비할 수 있다. 상술한 기능들은 ESS 분야 PCS 기술로서 수회 공지되었는 바, 상세 설명은 생략하겠다.
상술한 ESS PCS(730)의 전력 위상 동기 기능 및 서지 완화/보호 기능을 위한 구성들에 의해, ESS(720)가 연결된 마이크로그리드 계통에 고장이 발생된 경우, ESS PCS(730)는 잠시 계통에서 분리될 수 있다. 이러한 일시적인 계통 분리 과정 및 본 발명이 사상에 따른 고장 위치 판단 과정에서 상기 ESS PCS(730) 자체를 보호하기 위해 상기 ESS PCS(730)에 구비되는 IGBT(보다 구체적으로는 인버터를 구성하는 IGBT)의 Open 시간은 약 수백 [us](마이크로세컨드) 이내인 것이 유리하다.
본 발명의 사상에 따른 ESS PCS(730)는, 계통으로 공급되는 전력량을 조절하는 기능에 있어서, 가능한 연속적인 값으로 전력량을 조절할 수 있는 것이 유리하다. 불연속적으로 단계적으로 전력량을 조절하는 경우에도, 가급적 단계가 세부적인 것이 유리하다. 예컨대, 도시한 ESS PCS(730)는, 기동시 소정의 테스트 시간(예: 1초 내지 3초 범위의 지정된 기간) 동안 0[A]부터 계통에 내보낼 수 있는 최대 전류(정격 전류)의 80%의 수준(고장이 아닌 경우)까지 점진적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 ESS PCS(730)는, 마이크로그리드 시스템의 계통에 대한 다수의 분산 전원들(740, 750) 및 다수의 분산 부하들(771, 772, 773)의 연결 상태에 따라, 계통으로 출력되는 전력량을 조절할 수 있는데, 이는 공지된 스마트그리드 시스템을 구성하기 위한 ESS 기술 및/또는 PCS 기술을 적용하여 구현될 수 있다.
상술한 ESS PCS에서 소정 시간 동안(예: 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간) 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 것은, 계통과 분리되었던 ESS를 계통에 다시 연결시키면서, 연결 초기에는 0V에서, 소정 시간 동안(예: 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간), 소정의 전압 레벨까지 순차적으로 전압을 높이는 방식으로 수행될 수 있다. 이 경우, 가장 바람직하게는 시간과 전압의 관계가 연속적으로 1차 함수(소정 기울기의 직선)를 이루는 것이지만, 실제 적용의 경우 시간과 전압의 관계가 비례하여 증가하는 양상을 나타내는 조건으로, 불연속적(discrete) 및/또는 곡선의 시간과 전압의 관계의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 전압 및 전류 측정의 기준이 되는 지점은 ESS PCS의 출력단(계통과의 연결지점)이 바람직하지만, 이에 한정하지는 않는다.
상술한 바와 같이, ESS PCS에서 소정 시간 동안 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 방안으로서 종래의 일반적인 ESS PCS의 기능을 이용할 수 있다. 상기 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 방안을 예시하면, 다수 개의 배터리 셀들로 이루어진 ESS의 경우, 완충된 배터리 셀들 중 출력 전력을 생성하는데 이용하는 셀들의 개수를 순차적으로 증가시킬 수 있다. 또는, ESS 배터리에 저장된 전력을 계통으로 공급함에 있어 슈퍼 캐패시터 등 별도의 임시 에너지 저장 수단을 이용하는 경우, 상기 임시 에너지 저장 수단의 용량 및/또는 단위 셀 개수를 조정하는 방식으로 출력 전압을 조정할 수 있다. 또는, 출력 전압 레벨을 불연속적으로 증가시킬 수 있는 다단 탭을 구비하는 변압기를 이용할 수 있다.
도시한 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템(700)은, 상기 ESS PCS(730)를 이용하여 마이크로그리드 계통에서 고장이 발생된 위치를 판단하고, 고장에 따른 후속 조치로서 Black Start를 수행하는 관제 장치(760)를 더 포함할 수 있다.
상기 관제 장치(760)는, 마이크로그리드 시스템(700)의 중앙 통제 사이트에 설치되는 것이 유리하며, 상기 ESS(720) 및 ESS PCS(730)를 적극적으로 이용하므로, 상기 ESS(720)와 동일한 사이트(장소)에 위치하거나, 근접하여 위치하는 것이 유리하다.
상기 관제 장치(760)는, 상기 ESS(720), ESS PCS(730), 상기 분산 전원들(740, 750) 및 분산 부하들(771, 772, 773), 선로들에 설치된 검측 수단(791 ~ 795) 또는 모니터링 수단과 데이터(신호) 통신을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 관제 장치(760)는 각 검측 수단 또는 모니터링 수단에 접근할 수 있는 전력선 통신 수단이나 별도의 전력선과 독립된 매체를 이용하는 유/무선 통신 수단을 구비할 수 있다.
도 2는 도 1의 관제 장치(760)에서 수행되는 고장 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 고장 처리 방법은, 상기 마이크로그리드 시스템에서 고장을 감지하는 단계(S10); 상기 분산 전원들 및 ESS를 차단하는 계통 차단 단계(S20); 상기 ESS PCS를 상기 마이크로그리드 시스템에 연결하는 단계(S30); 상기 연결된 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서(S40), 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계(S50); 및 상기 고장이 발생된 위치를 차단하고(S60) 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
상기 고장 감지 단계(S10)는, 마이크로그리드 계통에 연결된 각 분산 전원들 및 ESS의 PCS에서 자체적으로 수행될 수 있다. 즉, 각 PCS가 계통과 매개하는 각 분산 전원 또는 ESS를 보호하기 위한 자체 보호 기능으로서, 마이크로그리드 계통에서 발생된 고장을 감지할 수 있다. 고장을 감지한 PCS는 이를 상기 관제 장치에 데이터 통신 수단을 이용하여 보고할 수 있다.
상기 계통 차단 단계(S20)는, 고장을 감지한 PCS는 PCS 자체 기능에 의해, 고장을 감지하지 못한 PCS는 상기 고장을 보고받은 관제 장치의 차단 명령에 의해 수행될 수 있다.
도면에서는 상기 계통 차단 단계(S20)에서 계통에 연결된 PCS들만을 계통에서 차단하는 것으로 도시되었지만, 다른 구현에서는 상기 관제 장치에 의해, 자체 PCS를 구비하지 않는 분산 부하들 및 분산 전원들도 계통에서 차단할 수 있다.
상기 S40 단계 및 S50 단계에 대해서는 후술하겠다.
상기 S60 단계는 상기 S50 단계에서 고장으로 판정된 구간을 계통에서 분리하기 위한 것으로, 구체적으로는 고장 판정된 분산 전원 또는 분산 부하의 차단 수단을 off시켜 분리할 수 있다.
상기 S70 단계는 고장이 발생된 상태에서 고장의 완전한 복구 전에 고장 부분만을 계통에서 분리한 상태로 마이크로그리드를 재가동하는 것으로서, Black Start라 칭해질 수 있다. 상기 S70 단계에서는, 계통의 고장 구간이 분리된 것(S60)을 확인하면, 우선 ESS PCS를 마이크로그리드 계통에 연결하여 건전 구간에 전력을 공급하고, 순차적으로 차단한 분산 전원들(PV/WT)의 PCS를 마이크로그리드 계통에 연결할 수 있다.
도 3은 상기 S20 단계 및 S30 단계를 수행하는데 적용될 수 있는 ESS PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조의 일 실시예를 도시한다.
도시한 ESS PCS의 마이크로그리드 계통에 대한 연결 구조로서 차단 수단은,
상기 ESS의 배터리와 PCS 인버터를 단속하는 DC단 스위치(DC CB); 상기 ESS PCS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치(AC CB); 및 상기 인버터를 구성하는 IGBT를 단속하는 IGBT 단속 수단(미도시)을 포함할 수 있다.
도시한 바와 같이, ESS의 배터리는 DC단 스위치(DC CB)를 통해 인버터와 단속되고, 인버터는 다시 AC단 스위치(AC CB)를 통해 ESS 차단 장치(CB, 도 1의 781) 또는 마이크로그리드 계통과 단속될 수 있다. 계통에서 발생된 고장으로 인하여 계통으로부터 분리되었던 ESS PCS가 본 발명의 사상에 따라 계통에 다시 연계되는 순서는, 먼저 DC단 스위치(DC CB)가 닫히고(cloes), 다음 AC단 스위치(AC CB)가 닫히고, DC-AC 변환 동작에 따라 인버터를 구성하는 IGBT가 닫히는 것이다.
하기 표 1은 상기 고장 위치 판단 단계(S50)에서 수행되는 고장 위치 판단의 기준을 설명한다.
Figure 112016121140897-pat00001
상기 표에 기재된 기준들은 후술하는 고장 위치 판단 방법에 적용될 수 있다.
상기 표에서 선로 고장 여부를 판단하는 근거가 되는 "선로 고장구간에서 서로 크기 차이가 발생하는 계측된 전/후의 전류"에서, "전/후"는 고장 발생 후 각 선로의 계측 지점들의 선로상 위치의 앞 지점 및 뒤 지점을 의미할 수 있다.
도 4는 상기 고장 위치 판단 단계(S50)에서 수행되는 고장 위치 판단 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 고장 위치 판단 방법은, ESS PCS가 마이그로그리드 계통에 연결되면(S30), ESS PCS 자체의 정상 동작 여부를 확인하는 단계(S120); ESS PCS가 정상 동작하는 것이 확인되면, ESS PCS에서 계통으로 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키면서, 마이크로그리드의 전류를 모니터링하여, 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계(S150); 선로/부하측 고장이 확인되면, 각 부하 구간별 고장여부를 확인하는 단계(S180); 각 부하 구간에서 고장이 확인되지 않으면 선로 고장여부를 확인하는 단계(S189)를 포함할 수 있다.
도시한 흐름도는 도 2에서의 ESS PCS의 마이크로그리드 계통 연결 단계(S30)가 수행됨에 따라 실행되는 것으로, 도면의 S30 단계는 도 2의 S30 단계를 의미한다.
상기 PCS 정상 동작 여부 확인 단계(S120)에서 ESS PCS나 ESS가 정상 동작하지 않으면, ESS의 고장으로 판단하고, 절차를 종료한다. ESS PCS의 자체 정상 동작 여부 확인하는 것은, ESS PCS에서 일반적인 기술이므로 상세 설명을 생략한다.
구현에 따라, 상기 S120 단계에서 ESS PCS 자체의 정상 동작을 확인한 후, 본원 발명의 사상에 따른 계통으로의 점진적인 가압(Off-Grid 가압)을 하기에 충분한 전력이 ESS에 저장되어 있는 가를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 계통 전반이 고장 여부를 확인하기 위해 계통으로의 점진적인 가압에 상당한 전력이 소요됨을 감안한 것이다.
상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 단계(S150)에서 ESS PCS에서 계통으로 공급하는 전압/전류를 점진적으로 증가시키는 것은 도 2의 S40 단계의 수행을 의미한다.
상기 S150 단계에서 수행되는 ESS PCS에서 계통으로 공급하는 전압을 점진적으로 증가시키는 작업은 Off-Grid 가압이라고 칭할 수 있는데, 도 5는 정상 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프이며, 도 6은 마이크로그리드에 고장이 발생된 상태에서 Off-Grid 가압에 대하여 측정된 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다.
상기 2 그래프에서, 계통전압은 380[V]이고, 전체 부하는 1.5[M]이고, ESS PCS 용량은 2.0[M]이며, 구체적인 고장 사례로서 도 1의 부하 2에서 1선 지락사고 발생을 가정한 것이다.
도시한 고장이 발생된 상태의 전압/전류 그래프에서 전압이 약 114[V]로 상승시켰을 때, 고장판단 전류의 80%(약 2.4[kA]) 근접함을 알 수 있다.(정격전류 : 약 3.0[kA]) 즉, 마이크로그리드 시스템에 고장이 발생되면, 전압 공급의 증가에 따른 계통 전류의 증가가 정상 상태인 경우보다 현저히 크게 나타나는데(그 결과, 고장 판단 전류 80%에 이른 시기에 도달하게 된다), 이는 부하나 선로에서 누설이나 지락, 단락이 발생하여, 계통의 부하측 임피던스를 정상보다 낮춰진 것에 기인할 수 있다. 상기 2 그래프에 나타나는 현상을 이용하여 상기 선로/부하측 고장여부를 확인하는 방법은, 전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 뚜렷하게 높은 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정하는 것이다. 여기서, 고장 판단 전류는 고장을 판단하기에 충분한 기준 전류량으로서, 계통에 연결된 선로/부하측으로 고르게 전력을 배포하기에 지장이 없는 전류량일 수 있다. 그런데, 일반적으로는 ESS PCS에서 선로/부하측이 연결된 계통에 내보낼 수 있는 최대 전류(정격전류)로 적용될 수 있다.
도 2의 S30 단계는 분산 전원들이 연결되지 않은 상태이므로, 분산 전원에 의한 고장은 아니라고 판단할 수 있다.
상기 S150 단계에서 Off-Grid 계통에 가압이 가능한 것으로 확인되면, 즉, 가압된 계통(S30 단계에서 계통에 연결된 부분)에서는 고장구간이 없다고 판단하고, 상기 S155 단계에서는 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시할 수 있다. 예컨대, 연계되는 분산 전원으로 인하여 정전 상황이 다시 발생하면 해당 분산 전원으로 인한 고장 판단할 수 있다. 상기 Off-Grid 계통에 가압이 가능하다는 것은 도 5에 도시한 그래프에 따른 전압 - 전류 패턴이 나타나는 것을 의미한다.
상기 S150 단계에서 Off-Grid 가압이 제대로 이루어지지 않으면, 선로구간 및 부하측 전류의 크기/방향을 측정하는 S180 단계 이후의 작업들이 수행된다.
상기 S180 단계에서는 부하 구간별로 말단에서 측정된 전류값을 미리 설정한 세팅(setting) 값과 비교하여 소정 비율 이하로 저하된 경우, 해당 부하 구간의 고장으로 판정한다. 다시 말해, 상기 S180 단계에서는 각 부하 구간의 말단에서 측정된 전류 값을 Setting값과 비교하여 고장구간 판별하는데, 예컨대, 측정된 값 > Setting X 0.5(변경될 수 있음)인 경우 해당 구간이 고장으로 판정할 수 있다. 그런데, ESS의 정격용량이 1M의 경우 세팅값에 곱하는 배율로 0.8을 적용하고, ESS의 정격용량이 2M의 경우, 상기 배율을 0.7로 설정하는 등 ESS의 용량 등에 따라 배율을 조정할 수 있다.
상기 S189 단계에서는, 선로 고장구간의 경우 계측된 전/후의 전류 크기에 차이 발생하는 것을 이용하는데, 상기 전/후에 계측된 전류 크기의 차이를 고장 지점에 흐르는 전류로 추정할 수 있다. 고장이 발생되지 않은 정상 선로구간의 경우 계측된 전/후의 전류 크기의 차이는 비슷하게 나타난다.
도 7은 도 4의 S155 단계에서 마이크로그리드에 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계 및 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도이다. 도 7은 고장 후 검사를 위해 설치된 분산 전원을 순차적으로 연계하는 것을 표현함에 있어, 고장에 의해 해당 마이크로그리드 계통으로부터 분리된 분산 전원은 태양광 전원(PV) 및 풍력 전원(WT)만 있다고 가정한 것이다.
도시한 분산 전원 검사 방법은, 풍력 전원(WT)의 PCS를 계통과 연결하고(S210) 정전이 발생되는지 여부를 확인하는 단계(S220); 풍력 전원(WT)에 의한 정전이 발생되지 않으면, 태양광 전원(PV)의 PCS를 계통과 연결하고(S230) 정전이 발생되는지 여부를 확인하는 단계(S240); 태양광 전원(PV)에 의한 정전이 발생되지 않으면 순간 고장으로 판정하는 단계(S250)를 포함할 수 있다.
상기 S220 단계에서 정전 발생을 확인하면 풍력 전원(WT)의 선로 고장을 판정하고(S225), 상기 S240 단계에서 정전 발생을 확인하면 태양광 전원(PV)의 선로 고장을 판정할 수 있다.(S245)
도면에서는 먼저 풍력 전원(WT)을 검사한 후 태양광 전원(PV)을 검사하였는데, 이 검사 순서는 바뀌어도 무방하다.
도 8은 도 4의 S189 단계에서 선로 구간들의 고장 여부 검사를 실시하는 보다 구체적인 과정을 도시한 흐름도이다. 도면은 선로 구간은 1, 2, 3만 있다고 가정한 것이다.
도시한 선로 구간 검사 방법은, 선로 구간 3의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사(실무상 동일하다고 보는 범위에 속하는 것을 의미한다.)한 지 확인하는 단계(S320); 선로 구간 3의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 선로 구간 2의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사한 지 확인하는 단계(S330); 선로 구간 2의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 선로 구간 1의 계측전의 전류 크기가 계측후의 전류 크기와 유사한 지 확인하는 단계(S340); 선로 구간 1의 계측전/후의 전류 크기가 서로 유사하면, 재확인 및/또는 예외 구간(제외 구간)를 검사하는 단계(S350)를 포함할 수 있다.
상기 S320 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 3의 고장을 판정하고(S325), 상기 S330 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 2의 고장을 판정하고(S335), 상기 S340 단계에서 계측전/후의 전류 크기가 서로 다름을 확인하면 선로 구간 1의 고장을 판정할 수 있다. (S345)
앞서 표 1의 설명과 마찬가지로 선로 고장 여부를 판단하는 근거가 되는 "선로 고장구간에서 서로 크기 차이가 발생하는 계측된 전/후의 전류"에서, "전/후"는 고장 발생 후 각 선로의 계측 지점들의 선로상 위치의 앞 지점 및 뒤 지점을 의미할 수 있다.
도면에서는 선로 구간 3, 2, 1의 순서로 검사하였는데, 이 검사 순서는 어떻게 바뀌어도 무방하다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 사상에 따른 마이크로그리드 시스템의 고장 발생시부터 black start까지의 조치 모습을 도시한 블록도이다.
도 9a에 도시한 바와 같이 정상 상태에서는 마이크로그리드의 대부분의 차단 수단이 닫힌 상태에 있으며, ESS도 동작 여부와 무관하게 닫힌 차단 수단에 의해 마이크로그리드 계통에 연결되어 있다.
도 9b에서 부하 2에서 탈락이 발생하면 자체 PCS를 구비하는 ESS 및 각 분산 전원들(PV, WT)은 차단 수단(CB: Circuit Breaker) 및/또는 PCS 자체 보호 기능에 의해 마이크로그리드 계통에서 차단된다.
다음 본 발명의 사상에 따른 사고 대응 조치를 수행하는 상태인 도 9c에서는, 분산 전원들(PV, WT)은 그대로 계통에서 차단시킨 채, ESS PCS를 마이크로그리드 계통과 연결하고, ESS를 동작시켜 계통의 전압을 점진적으로 높여준다.
도 10은 ESS PCS의 본 발명의 사상에 따른 점진적인 승압 기동(Soft Start)에 따른 전압 및 전류 파형을 도시한다.
즉, 배터리용 PCS의 Soft Start기능으로서, 출력 전압을 0V에서 정격전압까지 약 1초에 걸쳐 서서히 상승시킴에 따른 ESS 출력단의 전압/전류 파형을 도시한다.
상술한 ESS PCS의 Soft Start 동작은, 계통에서 고장 부분을 차단하고 다시 마이크로그리드를 가동시키는 Black Start와 연계될 수 있다. Black Start를 위한 계통 조건으로서, VCB측 UVR 계전기는 Black Start 동안에는 기능을 비활성화시킬 것과, UVR계전기를 비활성화 시킨 후, 모든 차단기를 투입한 후 ESS PCS를 기동할 것이 요구될 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
700 : 마이크로그리드 시스템
740, 750 : 분산 전원들
771, 772, 773 : 분산 부하들
720 : ESS
781 ~ 788 : 차단 수단
781 ~ 785 : 검측 수단

Claims (10)

  1. 다수의 분산 전원들;
    다수의 분산 부하들;
    상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들;
    을 구비하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS;
    상기 ESS에 저장된 전력을 상기 마이크로그리드에 적합한 교류 전력으로 변환하여 상기 마이크로그리드에 공급하되, 비정상 상황에서 상기 마이크로그리드와의 연결을 차단하는 차단 수단을 구비하는 ESS PCS; 및
    상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면, 상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서 상기 고장에 대한 처리를 수행하는 관제 장치
    를 포함하고,
    상기 관제 장치는,
    상기 분산 전원들 및 상기 분산 부하들을 연결하는 선로들에 설치된 검측 수단과 데이터 통신을 수행할 수 있는 통신 수단을 구비하고,
    상기 관제 장치는,
    상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면 상기 분산 전원들 및 상기 ESS를 차단하는 단계;
    상기 ESS PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계;
    상기 연결된 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및
    상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계
    를 수행하는 마이크로그리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단 수단은,
    상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치;
    상기 ESS PCS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치; 및
    상기 인버터를 구성하는 IGBT를 단속하는 IGBT 단속 수단
    을 포함하는 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ESS PCS의 인버터를 구성하는 IGBT의 Open 시간은 400[us]이내이며,
    상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이는 시간은 1초 내지 3초 범위에서 지정된 기간인 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관제 장치는,
    상기 ESS PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이기 위해 지정된 기간 동안 0[A]부터 상기 마이크로그리드에 내보낼 수 있는 정격 전류의 80%의 수준까지 점진적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.
  7. 다수의 분산 전원들과,
    다수의 분산 부하들과,
    상기 분산 전원들 및 분산 부하들을 연결하는 선로들과,
    상기 분산 전원들의 전부 또는 일부에서 공급되는 전력을 저장하고, 상기 분산 부하들의 전부 또는 일부로 저장된 전력을 제공하는 ESS를 구비하는 마이크로그리드의 고장 처리 방법에 있어서,
    상기 마이크로그리드에서 고장을 감지하면, 상기 분산 전원들 및 ESS를 차단하는 단계;
    상기 ESS의 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계;
    상기 ESS의 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이면서, 상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계; 및
    상기 고장이 발생된 위치를 차단하고 상기 분산 전원들을 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계
    를 포함하는 고장 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 ESS의 PCS를 상기 마이크로그리드에 연결하는 단계는,
    상기 ESS의 배터리와 인버터를 단속하는 DC단 스위치를 닫는 단계;
    상기 ESS의 인버터와 마이크로그리드를 단속하는 AC단 스위치를 닫는 단계; 및
    상기 인버터를 구성하는 IGBT를 닫는 단계
    를 포함하는 고장 처리 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계에서는,
    전압의 점진적인 증가에 따른 전류의 변화 추이를 정상상태인 경우와 비교하여, 정상 상태의 전류 변화 추이보다 소정의 값 이상의 증가 추이가 확인되면, 선로/부하측 고장으로 판정하는 고장 처리 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고장이 발생된 위치를 판단하는 단계에서는,
    상기 ESS의 PCS에서 출력되는 전압을 점진적으로 높이기 위해 지정된 기간 동안 0[A]부터 상기 마이크로그리드에 내보낼 수 있는 정격 전류의 80%의 수준까지 점진적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 고장 처리 방법.
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