KR102001566B1 - 분산발전기의 용량 산정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 용량 산정 시스템은 직류배전 계통의 복수의 버스에 각각 연결되는 복수의 분산발전기의 최대 용량을 각각 산출하는 최대 용량 산출부; 및 상기 분산발전기의 최대 용량을 상기 직류배전 계통의 인버터의 용량으로 제한하는 최대 용량 제한부; 를 포함할 수 있다.

Description

분산발전기의 용량 산정 시스템{POWER CAPACITY CALCULATION SYSTEM OF DISTRIBUTED GENERATOR}
본 발명은 분산발전기의 용량 산정 시스템에 관한 것이다.
직류(DC) 인터넷 데이터 센터(IDC: Internet Data Center) 등의 직류 수용가의 등장과 함께 직류전원의 직접적인 공급에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라, 직류전원을 직접적으로 수용가에 공급할 수 있는 직류배전이 개발되고 있다. 직류배전의 활용성을 높이기 위해서는 직류배전 계통에 태양광, 풍력, 배터리 등의 분산발전기가 연계될 필요가 있다.
최근, 도심지에 직류배전 계통을 설계 및 운영함에 있어서, 투자비 분석을 통한 경제적 관점에서 직류배전 계통에 연계되는 분산발전기의 용량을 산정하고 있다. 다만, 별개의 발전원으로 동작하는 분산발전기는 직류배전 계통의 전력품질을 결정하는 전압에 영향을 줄 수 있다. 오직, 경제적 관점에서, 분산발전기의 용량을 산정하는 경우, 직류배전의 계통의 전압을 안정화하기 위하여, 전압 레귤레이터(Voltage regulator) 등의 부가적인 장치가 필요하고, 이는 오히려, 직류배전의 경제성을 저하시키는 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 분산발전기의 용량을 산정함에 있어서, 경제성뿐만 아니라, 일정한 전압범위 내에서 직류배전 계통이 운영될 수 있도록 분산발전기의 용량이 산출될 필요가 있다.
또한, 현재, 교류배전 계통에 있어서, 수용가의 전체 전력 사용량 및 최소/최대 부하를 통해 분산발전기의 적정 용량을 산정하고 있으나, 이는 직류배전 계통을 설계 및 운영할 시, 활용하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 따라서, 직류배전 계통에서도 활용 가능하고, 다양한 형태의 전력망 구조에서도 안정적으로 직류배전 계통을 운영할 수 있는 분산발전기의 최대 발전 용량 산정 방법이 필요하다.
본 발명의 과제는 다양한 형태의 전력망 구조의 직류배전 계통에 적용가능한 분산발전기의 용량 산정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용량 산정 시스템은 직류배전 계통의 복수의 버스에 각각 연결되는 복수의 분산발전기의 최대 용량을 각각 산출하는 최대 용량 산출부; 및 상기 분산발전기의 최대 용량을 상기 직류배전 계통의 인버터의 용량으로 제한하는 최대 용량 제한부; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용량 산정 시스템은 다양한 형태의 전력망 구조의 직류배전 계통에 적용 가능하면서도, 직류배전 계통의 과전압 상황을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류배전 계통의 구성도이다.
도 2은 도 1의 실시예에 따른 직류배전 계통의 등가 모델을 나타낸 도이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산발전기의 용량 산정 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산발전기의 용량 산정 방법을 나타내는 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조할 수 있다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 할 수 있다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 할 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭할 수 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류배전 계통의 구성도이고, 도 2은 도 1의 실시예에 따른 직류배전 계통의 등가 모델을 나타낸 도이다
도 1을 참조하면, 직류배전 계통은 교류(AC) 전원(100), 교류 전원(100)과 연결되어, 교류 전원(100)을 직류 전원으로 변환하는 AC/DC 인버터(101), AC/DC 인버터(101)로부터 제공되는 직류 전원을 직류배전 선로(Line1- Line )를 통해 공급받는 직류 부하(110-113)을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1의 직류배전 계통의 AC/DC 인버터(101)의 직류 전원, 직류배전 선로 (Line1-4), 직류 부하(110-113)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 직류 전원(Vdc), 선로 어드미턴스(g12, g23, g34, g45), 및 종속 전류원(Unit2-Unit5)로 등가될 수 있다. 도 2에서, 직류 전원(Vdc) 및 직류 부하(110-113)에 따른 종속 전류원(Unit2-5)이 연결되는 버스(Bus1-5)에는 전압 V1-V5이 형성되는 것으로 가정한다. 도 1 및 도 2에 도시된 직류 부하(110-113) 및 종속 전류원(Unit2-Unit5)이 연결되는 복수의 버스(Bus2-5) 각각에 복수의 분산발전기가 개별적으로 연계될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산발전기의 용량 산정 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 3을 참조하면 분산발전기의 용량 산정 시스템은 최대 용량 산출부(201) 및 최대 용량 제한부(202)를 포함할 수 있다.
최대 용량 산출부(201)는 분산발전기의 발전가능한 최대 용량을 산출하고, 최대 용량 제한부(202)는 최대 용량 산출부(210)에서 산출되는 분산발전기의 최대 용량을 제한할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산발전기의 용량 산정 방법을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 용량 산정 시스템의 용량 산정 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산발전기의 용량 산정 방법은 전압 민감도 행렬을 산출하는 것으로 시작한다(4201). 전압 민감도 행렬은 직류배전 계통의 전력망 구성에 따른 전력 방정식을 수립하고, 수립된 전력 방정식에 따른 자코비안(Jacobian) 행렬의 역행렬로부터 산출될 수 있다. 전력망이 n+1개의 버스로 구성된 것으로 가정하면, 직류 전원과 연결되는 버스는 생략할 수 있으므로, 자코비안 행렬 및 전압 민감도 행렬은 n행 n열의 정방 행렬로 표현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 버스별 전력 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00001
수학식 1으로부터 버스별 전력의 전압에 대한 편미분을 통해, 자코비안(Jacobian) 행렬이 산출될 수 있고, 자코비안 행렬은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00002
수학식 2를 참조하면, 자코비안 행렬을 연산하기 위하여, 버스별 전압 값을 대입해야 한다. 다만, 분산발전기가 투입되는 시점의 최악의 상황을 가정해야만, 가용가능한 분산발전기의 최대용량을 산정할 수 있다. 따라서, 버스별 전압 값의 경우, 부하가 직류배전 계통에 연결되지 않은 것으로 가정한다. 부하가 직류배전 계통에 연결되지 않은 경우, 버스별 전압은 동일하므로, 수학식 2는 수학식 3와 같이 변형되어 표현될 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00003
전압 민감도 행렬을 산출하기 일 예의 조건으로 선로 어드미턴스를 하기의 표 1에 기재된 바와 같이 선정하였다.
Figure 112017101706940-pat00004
상기 선로 어드미턴스를 자코비안 행렬에 대입한 후, 역행렬을 산출하면, 전압 민감도 행렬(S)은 수학식 4과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00005
전압 민감도 행렬을 산출한 후, 전압 민감도 행렬로부터 전력망의 버스별 최대 전압 민감도가 결정될 수 있다(S402). 복수의 버스로 구성되는 전력망의 버스별 최대 전압 민감도는 전압 민감도 행렬의 열별 최대값으로부터 산출될 수 있다. 전압 민감도 행렬이 n행 n열의 정방 행렬이므로, 열별 최댓값은 n개가 존재할 수 있다.
버스별 최대 전압 민감도가 결정된 후, 버스별 최대 전압 민감도로부터 분산발전기가 발전할 수 있는 최대 용량이 산정될 수 있다(S403). 일 예로, j번째 버스에 연결되는 분산발전기의 최대 용량은 j번째 버스의 최대 전압 민감도, j번째 버스의 최대 전압 민감도에 대응하는 i번째 버스의 전압, 및 버스별 허용 전압에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, j번째 버스에 연결되는 분산발전기의 최대 용량은 하기의 수학식 5에 따라 산출될 수 있다. 여기서, Max(j)는 j번째 버스의 최대 전압 민감도, Vi는 j번째 버스의 최대 전압 민감도에 대응하는 i번째 버스의 전압, Pj는 j번째 버스에 투입되는 분산발전기의 용량, Vmin은 버스별 최소 허용 전압, Vmax은 버스별 최대 허용 전압을 나타낸다.
Figure 112017101706940-pat00006
분산발전기를 투입하는 경우, 전력 변화는 증가하므로, 버스별 최소 허용 전압 Vmin에 관한 수식이 제거되어, 수학식 5은 수학식 6와 같이 변형되어 표현될 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00007
여기서, 직류배전 계통의 공칭 전압(nominal voltage)에 대응되게 Vi를 1500V로 가정하고, 최대 허용전압을 1600V로 가정하면, 수학식 4의 전압 민감도 행렬(S)에 따른 열별 최대 전압 민감도 성분에 따른 버스별 분산발전기의 최대 용량은 하기의 표 2와 같다.
Figure 112017101706940-pat00008
분산발전기의 최대 용량이 산출된 후, 산출된 분산발전기의 최대 용량은 직류배전 계통의 AC/DC 인버터의 용량으로 제한될 수 있다(S204). 직류배전 계통의 부하량이 최소인 상황에서 분산발전기가 AC/DC 인버터가 감당할 수 있는 용량보다 크게 발전을 하는 경우, 기기 고장 및 직류배전 계통의 과전압 상황이 초래될 수 있다. 따라서, 산정된 분산발전기의 최대 용량은 AC/DC 인버터의 용량으로 제한될 필요가 있다.
일 예로, AC/DC 인버터 정격 용량은 110kW일 수 있다. 분산발전기의 최대 용량을 AC/DC 인버터 용량으로 제한하면, 표 2의 분산발전기의 용량은 하기의 표 3과 같이 제한될 수 있다. 표 3을 참조하면, Bus 2와 3의 경우 AC/DC 인버터 용량만큼 분산발전기를 설치할 수 있고, Bus 4와 5의 경우 AC/DC 인버터 용량보다 작게 분산발전기를 설치할 수 있다.
Figure 112017101706940-pat00009
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200: 용량 산정 시스템
201: 최대 용량 산출부
202: 최대 용량 제한부

Claims (6)

  1. 직류배전 계통의 복수의 버스에 각각 연결되는 복수의 분산발전기의 최대 용량을 각각 산출하는 최대 용량 산출부; 및
    상기 분산발전기의 최대 용량을 상기 직류배전 계통의 인버터의 용량으로 제한하는 최대 용량 제한부; 를 포함하고,
    상기 최대 용량 산출부는, 상기 직류배전 계통의 전력망 구성에 따른 전력 방정식을 수립하고, 수립된 전력 방정식에 따른 자코비안 행렬의 역행렬로부터 전압 민감도 행렬을 산출하고,
    상기 최대 용량 산출부는, 상기 전압 민감도 행렬 중 j열의 최대값으로부터 결정되는 복수의 버스 중 j번째 버스의 최대 전압 민감도, 상기 j번째 버스의 최대 전압 민감도에 대응하는 i번째 버스의 전압, 및 버스별 최대 허용 전압에 따라, 상기 j번째 버스에 연결되는 분산발전기의 최대 용량을 산출하는 용량 산정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최대 용량 산출부는,
    복수의 분산발전기 중 하나의 버스와 나머지 버스 간의 전압 민감도에 따라 상기 하나의 버스의 분산발전기의 최대 용량을 산출하는 용량 산정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 민감도는 복수의 버스의 선로 임피던스에 따라 결정되는 용량 산정 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 최대 용량 산출부는,
    하기의 수학식에 따라 상기 j번째 버스에 연결되는 분산발전기의 최대 용량을 산출하는 용량 산정 시스템.
    [수학식]
    Figure 112019017949059-pat00010

    (Pj: j번째 버스에 연결되는 분산발전기의 용량, Vmax: 버스별 최대 허용 전압, Vi: j번째 버스의 최대 전압 민감도에 대응하는 i번째 버스의 전압, Max(j): j번째 버스의 최대 전압 민감도)
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