KR102049020B1 - 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치 및 풍력발전전력 기반 수소변환시스템 - Google Patents
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Abstract
수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치가 제공된다. 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치는, 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치는, 내부에 배터리를 포함하여 전력을 저장하는 에너지저장장치와, 외부의 풍력발전기로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치에 저장가능도록 변환하는 전력변환기와, 에너지저장장치 및 외부의 수전해장치와 연결되어 에너지저장장치의 전력을 수전해장치로 공급하는 변압기와, 외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정하는 중앙제어기를 포함한다.
Description
본 발명은 전력제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통과의 연계가 불가능하거나 극히 어려운 지역에서 풍력에 의해 발생한 전력을 수소로 변환 저장하기 위한 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치 및 풍력발전전력 기반 수소변환시스템에 관한 것이다.
수소는 압축 저장시 높은 에너지 밀도를 가지며, 연소생성물이 물에 한정되어 다른 연료물질 대비 환경적 부담이 거의 없다. 수소를 활용하는 연료전지 발전장치 및 연료전지에 기반한 제품이 다수 개발되면서, 수소를 안정적이고 적은 비용으로 획득하는 방법의 개발은 관련산업의 발달에 필수요소로 떠오르고 있다.
그 중에서 수전해장치를 사용해 재생에너지를 전력으로 수소를 생산하는 방식은 에너지의 원천부터 활용까지 이산화탄소를 배제할 수 있는 장점이 있고, 재생에너지의 설치비용을 제외한 원가가 매우 낮아 향후 경제적 효과도 볼 수 있다.
그러나 위치와 시간, 날씨 등에 따라 변동성이 큰 재생에너지 발전 출력이 수전해장치에 그대로 투입될 경우, 순간적 변환에 의한 역전압 및 전류의 발생으로 전극에 비가역적 손상이 발생할 가능성이 높다. 특히 풍력의 경우 초 단위로도 발전출력이 변동하는 특징이 있으며, 그렇기 때문에 대부분의 수전해장치는 재생에너지 발전기와 연계되기보다 안정적인 계통전원을 선호한다.
계통이 수용가능한 전력이 풍력발전기 출력 대비 충분히 큰 경우 수전해장치를 주변 계통에 연결하는 것이 더 이로울 것이나, 풍력발전기 인근에서 연계할 수 있는 계통이 없거나, 혹은 풍력발전기의 최대출력이 계통수용전력을 상회하는 경우 풍력발전기와 연결된 수전해장치는 풍력발전기의 출력변동에 대응할 수단이 없는 문제점이 있다.
풍속측정기를 통해 실제 풍속의 변화와 풍속의 변화에 따른 풍력발전전력 발생의 시차를 감안하여 수전해장치 및 전기에너지를 저장하는 에너지저장장치의 운전을 제어함으로써 에너지저장장치의 용량을 최소화하고 수전해장치의 갑작스런 운전 정지를 방지할 수 있는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치 및 풍력발전전력 기반 수소변환시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치는, 내부에 배터리를 포함하여 전력을 저장하는 에너지저장장치와, 외부의 풍력발전기로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치에 저장가능도록 변환하는 전력변환기와, 에너지저장장치 및 외부의 수전해장치와 연결되어 에너지저장장치의 전력을 수전해장치로 공급하는 변압기와, 외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정하는 중앙제어기를 포함한다.
풍속 데이터는 풍력 발전기의 타워 상부에 위치된 풍속측정기 및 유무선 통신을 통해 연결되는 풍속정보제공장치 중 적어도 하나를 통해 수신될 수 있다.
풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 증가하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상이고, 수전해장치(40)가 운전중일 경우, 중앙제어기는 풍력발전전력(P(t))이 실제로 증가하기 전에 변압기의 출력전류지령치(IE*(t))를 미리 상승하도록 변경하여, 수전해장치에 현재에 비하여 증가된 전력을 배터리가 제공하도록 하고, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 수전해장치로 직접 전달되는 경우에 비하여 수전해장치의 운전전력의 증가 속도를 낮추고, 배터리의 충전 여유를 확보하여 향후 증가될 풍력발전전력을 에너지저장장치 및 수전해장치가 미리 대비하도록 동작할 수 있다.
풍속(v(t))이 시동 풍속(vs) 이상이고, 풍속이 기존 대비 증가하고 있으며(v(t)>v(t-1)), 에너지저장장치의 배터리의 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상이고(L(t)≥L0), 수전해장치가 운전중으로 확인되면, 중앙제어기는, 풍속증가에 의한 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 풍력발전전력(P(t)) 사이의 차이값 및 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 상기 차이값 및 배터리 충전량(L(t))을 이용하여 변압기의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 에너지저장장치의 배터리의 방전가능량(PB(t))을 계산하고, 변압기의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기에 전달하여, 변압기의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기(230)의 동작을 제어할 수 있다.
풍속 데이터가 현재 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 감소하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb) 이상일 경우, 중앙제어기는, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 감소하기 이전에 변압기의 출력전류지령치(IE*(t))가 감소되도록 변경하고, 감소된 풍력발전전력(P(t))이 에너지저장장치 내부의 배터리에 충전되도록 제어하고, 수전해장치의 운전전력의 감소속도를 조정할 수 있다.
풍속이 기존 대비 감소하고 있으며(v(t)<v(t-1)), 배터리의 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb) 이상인 경우, 중앙제어기는, 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 풍력발전전력(P(t))의 사이의 차이값을 예측하고, 상기 차이값 및 배터리의 충전량(L(t))을 이용하여 변압기의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 변압기의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기에 전달하여, 변압기의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기의 동작을 제어할 수 있다.
풍속 데이터가 풍속이 감소하고 있음을 나타내고(v(t)<v(t-1)), 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량 이하(Lb)인 경우, 수전해장치가 최소 운전가능 전력으로 운전하는 상태에서 풍력발전전력이 추가로 감소할 때, 중앙제어기는 변압기가 정지하도록 변압기를 제어하여 수전해장치가 안전하게 정지하도록 할 수 있다.
t 시점의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))이 t 시점의 풍력발전전력(P(t))보다 더 낮은 경우, 중앙제어기는 배터리의 전력을 변압기를 통해 수전해장치로 전달하여, 수전해장치의 운전전력의 변동을 축소하고, 수전해장치의 갑작스런 운전 정지를 방지하도록 에너지지저장장치 및 변압기를 제어할 수 있다.
풍력발전전력 기반의 수소변환시스템은, 전력으로 수소를 생산하는 수전해 장치와, 풍속 데이터를 생성하는 풍속측정기와, 풍력발전전력을 내부의 에너지저장장치에 충전하고, 충전된 에너지저장장치의 전력을 수전해 장치에 제공하는 전력제어장치를 포함하고, 전력제어장치는, 내부에 배터리를 포함하여 전력을 저장하는 에너지저장장치와, 외부의 풍력발전기로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치에 저장가능도록 변환하는 전력변환기와, 에너지저장장치 및 외부의 수전해장치와 연결되어 에너지저장장치의 전력을 수전해장치로 공급하는 변압기와, 외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정하는 중앙제어기;를 포함하여, 풍속의 변화 예측에 따라 수전해장치의 운전전력을 선제적으로 조정가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍력의 급격한 출력변동을 제어하기 위해 풍력발전기와 수전해장치 사이에 배터리를 포함한 에너지저장장치가 포함된 전력제어장치를 이용하고, 현재 풍속과, 풍속의 변화에 따른 풍력발전전력의 발생의 시차를 고려하여, 수전해장치 및 에너지저장장치의 운전을 제어함으로써, 에너지저장장치 내부의 배터리 용량을 최소화하고 수전해장치의 갑작스런 운전 정지를 방지하는 등 수전해장치가 안정적으로 동작하도록 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력 기반 수소변환시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 풍속의 증가에 따른 풍력발전전력의 발전출력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적인 배터리의 충전량(SOC)에 따른 셀 전압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 4는 풍력 에너지 증가 국면에서 풍력발전전력의 예측없이 수전해장치에 운전전력을 제공하는 경우와, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력의 예측에 따라 전력제어장치가 작동하는 경우의 전력배분 상황을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력제어장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력의 예측량에 의한 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력제어장치의 운전 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 풍력이 발생하고, 풍속이 증가하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 풍력이 발생하고, 풍속이 감소하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력제어장치의 운전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 증가하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 감소하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 풍속의 증가에 따른 풍력발전전력의 발전출력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적인 배터리의 충전량(SOC)에 따른 셀 전압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 4는 풍력 에너지 증가 국면에서 풍력발전전력의 예측없이 수전해장치에 운전전력을 제공하는 경우와, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력의 예측에 따라 전력제어장치가 작동하는 경우의 전력배분 상황을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력제어장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력의 예측량에 의한 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력제어장치의 운전 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 풍력이 발생하고, 풍속이 증가하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 풍력이 발생하고, 풍속이 감소하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력제어장치의 운전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 증가하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 감소하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력 기반 수소변환시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)은 전력제어장치(110), 풍력발전기(10), 풍속측정기(20), 풍속정보제공장치(30), 수전해장치(40) 및 부하(50)와 연결되어 동작한다.
풍력발전기(10)는 풍력발전전력을 생성한다. 풍력발전기(10)는 인근에서 유일한 풍력 발전장치이거나 풍력발전단지의 일부일 수 있다. 지상에 설치되거나 지상과 유선상으로 연결된 부유식 터빈일 것이나, 다양한 형태의 출력용량의 풍력발전기가 이용될 수 있다.
풍속측정기(20)는 풍력발전기(10)에 내장되거나, 풍력발전기(10) 외부에 별도의 타워(도시되지 않음) 위에 설치될 수 있다. 풍속측정기(20)는 풍력발전기(10)의 운전에 영향을 주지 않는 범위에서 가급적이면 풍력발전기(10)에 인접하게 설치되며, 풍력발전기(10)가 받는 바람이 부는 높이에 설치될 수 있다.
풍속측정기(20)의 풍속 데이터는 유선 혹은 무선 통신을 통해 전력제어장치(110)로 전달한다. 전력제어장치(110)는 풍력발전기(10)로부터 전달된 전력을 수신하여 저장하고, 수전해장치(40)가 안정적인 동작을 수행하도록 내부에 저장된 전력을 수전해장치(40)로 전달하여 수전해장치(40)로 전달되는 전력을 제어할 수 있다.
풍속정보제공장치(30)는 현재 감지되는 풍속을 측정하기 위한 풍속측정기(20)와는 별개로 장기간 축적된 풍속 데이터를 관리 및 처리하는 장치로, 예를 들어, 기상예보를 활용하기 위한 기상위성, 기상청 서버일 수 있다. 전력제어장치(110)는 풍속측정제공장치(30)의 풍속 데이터를 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 전달받아 전력제어장치(110)의 운전모드 변경에 활용한다.
풍속 데이터는 현재 풍속 외에도, 평균 풍속, 최대 풍속 등 기상 예보 정보를 포함할 수 있으며, 미래의 풍속 정보를 예측한 값일 수 있다.
풍속측정기(20) 및 풍속정보제공장치(30)는 풍속 데이터를 일정 시간간격으로 전력제어장치(110)로 제공할 수 있다.
전력제어장치(110)는 풍속측정기(20)의 풍속 데이터 및 풍속정보제공장치(30)로부터 풍속 데이터 중 하나 이상을 수신할 수 있으며, 풍속측정기(20)에서 측정된 풍속 데이터 및 풍속정보제공장치(30)로부터 수신되는 풍속 데이터 중 하나 이상에 기초하여, 수전해장치(40)로 전달하는 전력을 제어할 수 있다.
수전해장치(40)는 알칼리 전해조 방식이나 고분자이온교환막 방식, 또는 고체산화물 방식일 수 있다. 수전해장치(40)의 상세는 공지된 기술이므로 내부의 상세구성은 도시하지 않는다.
부하(50)는 전력제어장치(110) 및 수전해장치(40)가 사용하지 않은 전력을 흡수하여 시스템(100) 전체의 과부하를 방지하도록 구성될 수 있다. 부하(50)는 풍력발전전력을 사용하는 실수요자이거나 소규모 계통(마이크로그리드), 또는 단순 저항장치일 수 있다.
이러한 구성을 이용하여, 풍력발전전력 기반의 수소변환시스템(100)은 풍속의 변화 예측에 따라 수전해장치의 운전전력을 선제적으로 조정할 수 있다.
도 2는 풍속의 증가에 따른 풍력발전전력의 발전출력을 나타내는 그래프이다.
도 2는 일반적인 풍력터빈의 출력곡선을 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 풍력 발전기(10)는 일반적으로 양력에 의해 동작하기 때문에, 일정 수준 이상의 풍속(시동풍속, vs)으로 바람이 불어야 발전 전력이 발생하여 출력되며, 날개의 회전에 의해 풍력발전기(10)의 타워에 걸리는 과부하를 방지하기 위하여 일정한 정격풍속(v)에서는 피치각 조절을 통해 적정 출력을 유지하게 된다. 정격풍속(v)은 풍력 발전기(10)의 정상 동작을 유지하도록 하는 풍속으로 시동풍속(vs)보다 큰 값으로 설정될 수 있다.
또한, 풍력발전전력의 출력은 양력에 의한 회전이 풍력발전기(10)의 축을 회전시켜 발생하므로, 실제 바람의 발생과 터빈에 의한 풍력발전전력의 생성은 약간의 시차가 발생한다. 반대로, 바람이 멈추더라도 터빈은 관성에 의해 수 초 동안 기존의 회전 속도를 유지하게 된다. 이는 시동풍속(vs)과 정격풍속(v) 사이의 영역에서 발생하는 풍속의 변화에도 동일하게 적용된다.
다시 도 1을 참조하면, 전력제어장치(110)는 풍속측정기(20) 및 풍속정보제공장치(30) 중 적어도 어느 하나에서 수신되는 풍속 데이터를 기반으로 위에서 설명한 실제 바람의 t 시점의 발생에 따른 풍속의 변화와 t 시점 이후의 터빈에 의한 풍력발전전력(P(t))의 생성 사이의 시차 사이의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측할 수 있으며, 이에 따라 수전해장치(40)로의 제공하는 에너지 공급을 제어할 수 있다.
도 3은 일반적인 배터리의 충전량(SOC, State of Charge)에 따른 셀 전압 변동을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 전력제어장치(110) 내부에는 풍력발전기(10)로부터의 풍력발전전력을 저장하는 에너지저장장치(240)가 포함된다. 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(후술할 도 5의 244)는 도 3의 배터리 충전량(SOC)에 따른 셀 전압 변동을 나타낼 수 있다.
에너지저장장치(240)에 주로 사용되는 배터리(도 5의 244)는 일정 충전 영역대에서 전압변화가 거의 없으나, 완전 충전 상태이거나 완전 방전에 근접할 때 전압이 크게 변한다. 이러한 전압 변화가 단기간에 반복될 경우 배터리(도 5의 244) 전극에 손상이 발생하여 수명이 감소한다. 에너지저장장치(240)는 재생에너지의 변동성이 수전해장치(40)에 전달되는 것을 막는 것을 일차 목적으로 하고, 목적의 달성을 위해 에너지저장장치(240)는 일정 수준의 충방전 여유분을 보유하고 있어야 하며, 과충전 및 방전을 방지할 수 있도록 충전량을 조정하게 되면 에너지저장장치(240)의 수명도 향상할 수 있다.
따라서, 에너지저장장치(240)의 성능을 유지하고, 수전해장치(40)로 안정적으로 전력을 전달하기 위해서는 에너지저장장치(240)내의 배터리(도 5의 244)가 도 3의 Zone 2의 충전량을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 풍력 에너지 증가 국면에서 풍력발전전력의 예측 없이 수전해 장치(40)에 운전전력을 제공하는 경우와, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력제어장치(110)가 풍력발전전력의 예측에 따라 수전해 장치(40)에 운전전력을 제공하는 경우의 전력배분 상황을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 풍력 에너지 증가 국면에서 풍력발전전력(P(t))의 예측 없이 수전해 장치에 운전전력을 제공하는 경우를 나타낸다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 풍력발전전력의 t 시점의 풍력발전전력의 출력에 대한 예측을 수행하지 않을 경우, 실제 풍력발전전력의 출력(P(t)) 발생 이후에야 수전해장치(40)가 작동하므로, 풍력발전전력이 빠르게 증가할수록 수전해장치(40)의 운전전력 변화량도 이에 따라 늘어난다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, t 시점의 풍속을 통해 t 시점 이후에 발생되는 t 시점의 풍력발전전력의 발전 예측량(P*(t))을 유효하게 예측하고, 예측된 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 기반으로 배터리(도 5의 244)가 선제적으로 충전 또는 방전을 수행하게 되면, 전력제어장치(110)는 풍력발전전력의 발전량 변화에 따른 수전해장치(40)의 운전전력 변화 속도를 늦출 수 있으며, 내부의 배터리(도 5의 244)는 충전 및 방전한계에 다다르는 횟수를 줄여 자체 수명을 증가시킬 수 있다.
도 5는 도 1의 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력제어장치(110)의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
전력제어장치(110)는 중앙제어기(210), 전력변환기(220), 변압기(230) 및 에너지저장장치(240)를 포함할 수 있다. 전력변환기(220) 및 변압기(230) 사이에는 배전반(도시되지 않음)이 설치되어, 전력변환기(220) 및 변압기(230)사이에 전력을 전달하도록 구성될 수도 있다.
중앙제어기(210)는 풍속측정기(20) 및 풍속측정제공장치(30) 중 하나 이상으로부터 풍속 데이터를 수신한다. 중앙제어기(210)는 에너지저장장치(240)의 제어부(242)로부터는 배터리(244)의 충전량을 수신하고, 전력변환기(220) 및 변압기(230)의 동작 전압, 전류 등 운전상태를 수신한다. 또한, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)로부터 운전 여부와 수소 생산량을 수신할 수 있다. 중앙제어기(210)는 수신된 정보를 바탕으로 전력변환기(220), 변압기(230), 에너지저장장치(240) 및 수전해장치(40)의 동작을 제어할 수 있다.
중앙제어기(210)는 통신부(212), 처리부(214) 및 저장부(216)를 포함할 수 있다. 통신부(212)는 풍속측정기(20), 풍속측정제공장치(30), 전력변환기(220), 변압기 및 수전해장치(40)와의 데이터 송수신을 수행하기 위하여 하나 이상의 이종의 통신 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다. 처리부(214)는 통신부(212)를 통해 수신한 데이터를 처리하고, 전력변환기(220), 변압기(230) 및 수전해장치(40)로의 제어 신호를 생성하여 통신부(212)를 통해 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)의 안정적 동작을 위하여 풍력발전전력 및 에너지저장장치(240)에서 공급되는 전력이 배분되어 수전해장치(40)로 공급되도록 제어할 수 있다.
저장부(216)는 처리부(214)에서의 데이터 처리에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 저장부(216)는 중앙제어기(210)가 풍속에 따른 풍력발전전력의 출력을 예측하기 위하여 이용하는 풍속-풍력발전전력의 출력의 대응 관계를 나타내는 풍속-풍력 대조표를 저장할 수 있다.
에너지저장장치(240)는 ESS 제어부(242) 및 배터리(244)를 포함할 수 있다. 배터리(244)는 전력 에너지를 저장한다. ESS 제어부(242)는 배터리(244)에 저장되는 에너지 충전량을 확인할 수 있다. ESS 제어부(242)는 에너지 저장량을 중앙제어기(210)로 전달하여, 중앙제어기(210)가 전력제어장치(110)내에 저장된 에너지 충전량을 확인하고 관리할 수 있다. 배터리(244)는 대개 2차전지가 사용되지만, 슈퍼 커패시터 등 전기화학적 저장 수단이 추가로 사용될 수 있다.
전력변환기(220)는 외부의 풍력발전기(10)로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치(240)에 저장가능하도록 변환한다. 상세하게는, 전력변환기(220)는 풍력발전전력, 통상적으로 교류 전력을 에너지저장장치(240)의 배터리(244)가 요구하는 제 1직류 전력으로 변환한다.
변압기(230)는 에너지저장장치(240) 및 수전해장치(40)와 연결되어, 에너지저장장치(240)의 전력을 수전해장치(40)로 공급한다. 상세하게는, 변압기(230)는 제1 직류 전력을 수전해장치(40)의 운전에 필요한 제2 직류 전력으로 변환한다. 따라서, 변압기(230)의 출력전력(PE(t))는 수전해장치(40)의 운전전력이 된다.
전력제어장치(110)에는 필요에 따라 풍력발전전력을 수전해장치(40)에 직접 전달하기 위해 교류 전력을 제2 직류 전력으로 변환하는 제2 전력변환기(도시되지 않음)가 추가적으로 포함될 수도 있다.
제어의 용이성을 위하여, 전력변환기(220)와 변압기(230) 사이에는 배전반(도시되지 않음)이 있어, 풍력발전기(10)의 풍력발전전력의 출력과 수전해장치(40)의 운전상태에 따라 직류전력의 흐름을 조절할 수도 있다.
에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전량이 충분하고, 풍속측정기(20) 및 풍속정보제공장치(30) 중 하나 이상으로부터 수신한 풍속(v(t))이 풍력발전기(10)의 시동풍속(vs) 이상이 될 때, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)를 기동하도록, 변압기(330)에 명령을 내려 수전해장치(40)에 전력을 공급하도록 지시할 수 있다.
에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전량이 부족할 경우, 중앙제어기(210)는 변압기(330)를 오프(Off) 상태로 유지하도록 제어하고, 풍력발전기(10)에서 수전하는 전력은 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전에 쓰이도록 에너지저장장치(240)의 ESS 제어부(242)를 제어할 수 있다.
중앙제어기(210)는 일정시간 간격으로 풍속측정장치(20) 및 풍속정보제공장치(30) 중 적어도 하나로부터 풍속 데이터를 수신하고, 풍속 데이터 수신시마다 에너지저장장치(240) 내 배터리(244)의 충전 상태를 확인할 수 있다. 이 때의 풍속과 배터리(244)의 충전량을 각각 v(t), L(t)라고 두고 중앙제어기(210)의 저장부(216)에 기록할 수 있다.
중앙제어기(210)는 외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치(40)로 전달되는 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기(230)를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치(40)로 전달되는 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정할 수 있다.
또한, 중앙제어기(210)는 풍속 데이터가 풍속(v(t))이 시동풍속(vs) 이상에서 증가하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)의 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상인 경우, 풍력발전전력(P(t))이 출력되기 이전에 에너지저장장치(240)의 전력이 수전해장치(40)로 전달되도록 변압기(230)를 제어할 수 있다.
수전해장치(40)의 운전전압(VE)과 배터리(244)의 운전전압(VB)은 설치 시점에 고정된다. 수전해장치(40)의 운전전력(PE) 및 배터리(244)의 전력(PB)는 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 수전해장치(40)의 운전전력(PE)은 변압기의 출력전력(PE)과 동일하다.
[수학식 1]
PE=VEIE
[수학식 2]
PB=VBIB
여기에서, IE는 수전해장치(40)의 운전전류이고, IB는 배터리(244)의 운전전류이고, 수전해장치(40)의 운전전압(VE) 및 배터리의 운전전압(VB)은 설치시점에 고정되므로 상수가 된다. 따라서, 이하에서 서술하는 중앙제어기(210)의 변압기(230)에 대한 전력의 제어는 실제로 전류의 제어와 거의 동일하다.
이에 기반하여, 중앙제어기(210)는 변압기(230)의 출력전류(IE)의 지령치(IE*(t))를 지정하여, 배터리(244)에 저장할 풍력발전전력 및 수전해장치(40)에서 사용할 풍력발전전력을 조정할 수 있다.
풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 증가하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상일 경우, 중앙제어기(210)는 풍력발전전력(P(t))이 실제로 증가하기 전에 변압기(230)의 출력전류지령치(IE*(t))를 미리 상승하도록 변경하여, 수전해장치(40)에 현재에 비하여 증가된 전력을 에너지저장장치(240)의 배터리(244)가 제공하도록 하고, 풍력발전전력(P(t))이 수전해장치(40)로 직접 전달되는 경우에 비하여 수전해장치(40)의 운전 전력의 증가 속도를 낮추고, 배터리(244)의 충전 여유를 확보하여 향후 증가될 풍력발전전력을 에너지저장장치(240) 및 수전해장치(40)가 미리 대비하도록 동작할 수 있다.
한편, 풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 감소하고 있음(v(t)<v(t-1))을 나타내고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량이 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb)을 초과하는 경우, 중앙제어기(210)는 t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 감소하기 전에, 변압기(230)의 출력전류지령치(IE*(t))가 감소되도록 변경하여, 감소된 풍력전력이 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)에 충전되도록 제어하여, 수전해장치(40)의 운전전력의 감소속도를 조정할 수 있다.
풍속 데이터가 풍속이 감소하고 있음을 나타내고(v(t)<v(t-1)), 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량 이하(Lb)인 경우, 중앙제어기(210)는 변압기(230)가 정지하도록 변압기(230)를 제어하여 수전해장치(40)가 안전하게 정지하도록 할 수 있다.
또한, 중앙제어기(210)는 풍력발전기(10)에서 실제 출력되는 t 시점의 풍력발전전력(P(t))과 예측한 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 비교할 수 있다. t 시점의 풍속에 따른 풍력발전전력의 예측량(P*(t))이 풍력발전기(10)에서 실제 출력되는 t 시점의 풍력발전전력(P(t))보다 더 낮은 경우, 중앙제어기(210)는 배터리(244)의 방전 전력을 변압기(230)를 통해 수전해장치(40)로 전달하여, 수전해장치(40)의 운전전력의 변동을 축소하고, 수전해장치(40)의 갑작스런 운전 정지를 방지하도록 에너지지저장장치(240) 및 변압기(230)를 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전전력의 예측량에 의한 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력제어장치(110)의 운전 상태를 나타내는 도면이다.
풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력제어장치(110)의 운전 상태는수전해장치(40)의 운전전력(PE), 배터리(244)의 충방전전력(PB) 및 배터리(244)의 충전량(L(t))의 변동으로 나타낸다.
도 6의 그래프에서 (a)구간은 풍속이 감지되었으나, 아직 풍력발전기(10)의 풍력발전전력의 출력이 없는 초기 운전 상태로, 풍속이 증가하는 구간을 나타내고, (b)구간은 풍속이 증가하여 그에 따라 풍력발전전력의 출력이 증가하는 구간을 나타내고, (c)구간은 풍속이 감속이 감소하는 구간을 나타내고, (d)구간은 풍속이 반등하는 구간을 나타낸다.
도 6의 (a) 구간에서, 풍속 데이터가 풍력발전기에서의 풍속(v(t))이 시동풍속(vs) 이상임을 나타내고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)의 충전량(L(t))이 제1 충전량(L0) 이상인 경우, 풍력발전전력(P(t))이 출력되기 이전에 중앙제어기(210)는 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)의 충전 전력이 수전해장치(40)로 전달되도록 변압기(230)를 제어할 수 있다.
도 6의 (b) 구간에서, 풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 증가하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량(L(t))이 제1 충전량(L0) 이상일 경우, 중앙제어기(210)는 풍력발전전력(P(t))이 실제로 증가하기 전에 변압기(230)의 출력전류지령치(IE*(t))를 미리 상승하도록 변경하여, 수전해장치(40)에 현재에 비하여 증가된 전력을 배터리(244)가 제공하도록 하고, 풍력발전전력(P(t))이 수전해장치(40)로 직접 전달되는 경우에 비하여 수전해장치(40)의 운전 전력의 증가 속도를 낮추고, 배터리의 충전 여유를 확보하여 향후 증가될 풍력발전전력(P(t))을 에너지저장장치(240) 및 수전해장치(40)가 미리 대비하도록 동작할 수 있다.
도 6의 (c) 구간에서, 풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기(10)의 시동풍속(vs) 이상에서 감소하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244) 충전량이 소정의 제2 충전량(Lb) 이상일 경우, 중앙제어기(210)는 변압기(230)의 출력전류지령치(IE*(t))가 감소되도록 변경하여, 감소된 풍력전력이 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)에 충전되도록 제어하여, 수전해장치(40)의 운전전력의 감소속도를 조정할 수 있다.
도 6의 (d) 구간은 풍속이 다시 반등하는 경우를 나타내며, 전력제어장치(110)는 도 6의 (b) 구간에서의 동작이 이루어지도록 동작할 수 있다.
도 7은 풍력이 발생하고, 풍속이 증가하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a) 는 풍속 감지 직후의 시스템의 동작을 나타내고, 도 7의 (b) 는 풍력발전전력 발전 이후의 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 동작을 나타낸다.
도 5, 도 6 및 도 7의 (a) 를 참조하면, 풍력발전기(10)의 풍력발전전력이 없는 경우에는, 중앙제어기(210)는 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 전력을 변압기(230)를 통해 수전해장치(40)로 공급할 수 있다. 상세하게는, 배터리(244)가 축적한 전력(L(t))이 충분하고(L(t)≥L0), 풍속측정기(10) 및/또는 풍속정보제공장치(30)로부터 수신한 풍속(v(t))이 풍력발전기(10)의 시동풍속 이상(v(t)≥vs)이 될 때, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)를 기동하도록 하기 위하여, 변압기(230) 및 에너지저장장치(240)에 명령을 내려 배터리(244)의 전력을 수전해장치(40)에 공급하도록 지시한다.
도 5, 도 6 및 도 7의 (b)를 참조하면, 풍력발전기(10)가 발전을 시작하고 변압기(230)가 작동해 수전해장치(40)가 동작을 수행하고 있을 때, 풍속의 증가가 감지되면, 중앙제어기(210)는 저장부(216)에 저장된 풍력발전기(10)의 풍속-출력 대조표로부터 이후 발생할 에너지량을 예측(P*(t)=P(v(t)))할 수 있다. 또한, 중앙제어기(210)는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 배터리의 충전량(L(t))을 확인하고, 변압기(230)에 제어 신호를 보내 수전해장치(40)로 보내는 전력을 선제적으로 원만하게 증가시킨다. 배터리(244)의 충전량(L(t))이 많을수록 수전해장치(40)에 부여하는 방전량이 증가한다. 이 경우의 수전해장치(40)의 전력(PE(t))과 배터리(244)의 전력(PB(t))은 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
PE(t)=PE(t-1)+α×L(t)×(P*(t)-P(t))
여기에서, α는 0<α<1 범위의 소정의 값일 수 있다.
[수학식 4]
PB(t)=P(t)-PE(t))
한편, 배터리(244)의 충전량(L(t))이 부족할 경우(L(t)<L0), 변압기(230)는 오프(Off) 상태(PE(t)=0)를 유지하고, 풍력발전기(10)에서 수전하는 풍력발전전력은 배터리(244)의 충전(PB(t)=P(t)≠P*(t))에 쓰일 수 있다.
또한, 중앙제어기(210)의 제어에 따라, 풍력에너지 출력이 발생하면, 발생된 풍력발전전력은 수전해장치(40) 및 에너지저장장치(240)로 배분되어 전달될 수도 있다.
도 8은 풍력이 발생하고, 풍속이 감소하는 경우 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)는 중앙제어기(210)에서 풍속이 감속되고 있음을 감지한 직후의 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력 흐름을 나타낸다. 도 8의 (a)와 같이 중앙제어기(210)의 풍속이 감소되고 있음을 감지한 직후에는, 도 7의 (b)의 상태와 같이, 풍력발전전력이 수전해장치(40)에 공급되거나, 배터리(240) 충전에 이용될 수 있으며, 에너지저장장치(240)의 전력이 수전해장치(40)로 전달될 수도 있다.
도 8의 (b)는 풍력발전전력의 실제 출력이 감소한 후의 풍력발전전력 기반 수소변환시스템(100)의 전력 흐름을 나타낸다.
중앙제어기(210)는 소정의 시간 동안 풍속이 감소하고 있음을 확인하는 경우, 중앙제어기(210)는 이후 감소할 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하며, 배터리(244)의 충전상태에 따라 변압기(230)가 수전해장치(40)로 보내는 전력을 감소시키고, 남은 전력을 배터리(244)에 비축한다.
상세하게는, 풍속 데이터가 현재 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 감소하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb) 이상일 경우, 풍력발전전력(P(t))이 감소하기 이전에 중앙제어기(210)는 변압기의 출력전류지령치(IE*(t))가 감소되도록 변경하고, 감소된 풍력발전전력(P(t))이 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)에 충전되도록 제어하고, 수전해장치(40)의 운전전력의 감소속도를 조정할 수 있다.
이때, 배터리(244)의 충전량(L(t))이 적을수록 수전해장치(40)의 운전전력 감소량을 증가시킨다. 이 경우의 수전해장치(40)의 전력(PE(t))과 배터리(244)의 전력(PB(t))은 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
PE(t)=PE(t-1)+α×(1-L(t))×(P*(t)-P(t))
[수학식 6]
PB(t)=P(t)-PE(t)
실제로 풍력 출력이 감소하는 시점에서, 배터리(244) 충전량의 감소에 의해 이후의 방전량은 지속적으로 감소하며, 예측을 통해 지정한 수전해장치(40) 운전전력보다 풍력발전전력 출력이 더 낮아질 경우, 배터리(244)가 방전을 수행하여 수전해장치(40)의 출력을 안정시킬 수 있다.
한편, 배터리(244)의 충전량(L(t))이 소정의 제2 충전량(Lb) 이하이고, 수전해장치(40)가 최소 운전가능 전력으로 운전하는 상태에서 풍력발전전력 출력(P(t))이 추가로 감소할 때, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)가 정지할 수 있도록 유도할 수 있다. 이후 배터리(244)의 충전량(L(t))이 다시 회복될때까지 변압기(230)를 오프(Off) 상태로 유지한다. 이는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
if P*(t) < P(t) and L(t) < Lb then PE(t) → 0)
이때, 소정의 제2 충전량(Lb)는 배터리 특성에 따라 차이가 있으나, SOC기준으로 약 20%에서 수전해장치(40)의 정지 시점까지 전력제공이 가능한 여유분을 추가한 수준으로 정의할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 중앙제어기(210)는 풍력발전전력을 저장하는 에너지저장장치(240)와, 풍력발전전력을 에너지저장장치(240)에 저장가능도록 변환하는 전력변환기(220)와, 에너지저장장치의 전력을 수전해장치(40)로 공급 가능하도록 전압을 조정하는 변압기(230)를 제어한다.
전력제어장치(110)의 중앙제어기(210)는 외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측한다(910).
중앙제어기(210)는 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인한다(920).
중앙제어기(210)는 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치(240) 내부의 배터리(244)의 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치(40)로 전달되는 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기(230)를 제어한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 증가하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 10을 참조하면, 중앙제어기(210)는 시간(t), 풍속(v(t)) 및 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전량(L(t))을 확인한다(1010).
중앙제어기(210)는 풍속(v(t))이 시동 풍속(vs) 이상인지 여부(1012), 풍속이 기존 대비 증가하고 있는지 여부를 확인한다(1014). 또한, 중앙제어기(210)는 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전량(L(t))이 방전 가능 수준(L0) 이상인지 여부와(1016), 수전해장치(40)가 운전중인지 여부를 확인한다(1018).
풍속(v(t))이 시동 풍속(vs) 이상이고(1012), 풍속이 기존 대비 증가하고 있으며(v(t)>v(t-1))(1014), 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 충전량이 방전 가능 수준 이상이고(L(t)≥L0)(1016), 수전해장치(40)가 운전중으로 확인되면(1018), 중앙제어기(210)는 풍속증가에 의한 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 실제 풍력발전전력(P(t))사이의 차이값(P*(t)-P(t)) 및 배터리 충전량(L(t))을 확인한다(1020). 중앙제어기(210)는 풍속증가에 의한 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 저장부(216)에 저장된 풍력발전기(10)의 풍속-출력 대조표로부터 예측할 수 있다. 여기에서, 차이값(P*(t)-P(t))에서, 풍력발전전력(P(t)) 아직 출력되기 전까지는 0의 값을 가질 수 있다.
풍력발전기(10)의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 풍력발전전력(P(t)) 사이의 차이값 및 배터리 충전량(L(t))을 이용하여 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 계산한다(1020). 또한, 중앙제어기(210)는 에너지저장장치(240)의 배터리(244)의 방전가능량(PB(t))을 계산할 수 있다(1020).
중앙제어기(210)는 변압기(230)의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기(230)의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기(230)의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기(230)에 전달하여, 변압기(230)의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기(230)의 동작을 제어한다(1022). 이에 따라, 변압기의 출력전류(IE(t))는 출력전류지령치(I*E(t))에 근사해지도록 조정되어, 수전해장치(40)로 전달되는 전력이 원만하게 증가하게 된다. 수전해장치(40)의 운전전력이 증가하는 속도는 배터리(244)의 충전량(L(t))의 충전량에 비례한다.
한편, 수전해장치(40)가 운전중이 아닌 경우에는(1018), 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)가 운전 시동하도록 제어하고(1024), 변압기(230)가 동작(ON)하도록 제어한다(1026).
또한, 풍속이 증가하고(1014), 배터리의 충전량(L(t))이 제1 충전량(L0) 미만인 경우에는, 중앙제어기(210)는 전력 변환기(220)가 동작하도록 대기시키고(1026), 전력 변환기(220)가 동작하도록 하여 발생되는 풍력발전전력을 배터리(244) 충전에 이용한다(1028).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속이 감소하는 경우 전력제어장치의 운전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
중앙제어기(210)는 풍속이 기존 대비 감소하고 있는지 여부(v(t)<v(t-1))를 확인한다(1110). 풍속이 기존 대비 감소하고 있는 경우, 배터리(244)의 충전량(L(t))이 소정의 제2 충전량(Lb)를 초과하는지 여부를 확인한다(1114). 풍속이 기존 대비 감소하고 있으며(v(t)<v(t-1))(1110), 배터리(244)의 충전량(L(t))이 소정의 제2 충전량(Lb)을 초과하는 경우(1112), 수전해장치(40)가 운전중이면(1114), 중앙제어기(210)는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 실제 풍력발전전력(P(t)) 사이의 차이값(P*((t)-P(t))을 계산하고, 계산된 차이값(P*((t)-P(t)) 및 배터리(244)의 충전량(L(t))을 이용하여 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 그에 따라 배터리(244)의 출력전력(PB(t))을 계산한다(1116).
중앙제어기(210)는 변압기(230)의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기(230)의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기(230)의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기(230)에 전달하여, 변압기(230)의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기(230)의 동작을 제어한다(1118). 이에 따라, 변압기의 출력전류(IE(t))는 출력전류지령치(I*E(t))에 근사해지도록 조정되어, 수전해장치(40)로 전달되는 전력이 원만하게 감소하게 된다. 수전해장치(40)의 운전전력이 감소하는 속도는 배터리(244)의 충전량(L(t))의 충전량에 반비례한다.
배터리(244)의 충전량(L(t))이 소정의 제2 충전량(Lb) 이하이고(1112), 수전해장치(40)가 최소 운전가능 전력으로 운전하는 상태에서 풍력발전기의 출력이 추가로 감소할 때, 중앙제어기(210)는 수전해장치(40)가 정지할 수 있도록 지시하고 수전해장치(40)의 정지를 확인할 수 있다(1120). 이후 배터리(244)의 충전량이 다시 회복될때까지 변압기(244)의 출력을 정지하여 오프(Off)상태로 유지한다(1122).
풍속의 변동이 없는 경우(1110), t 시점의 풍력발전전력의 출력(P(t))과 t 시점의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 비교하여(1124), t 시점의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))이 t 시점의 실제 풍력발전전력의 출력(P(t)) 이상인 경우, 풍속 상승 상태(수학식 3과 4)(1126)와 같은 방식으로 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 그렇지 않은 경우 풍속 감소 상태(수학식 5와 6)(1128)와 같은 방식으로 변압기(230)의 출력전력(PE(t))을 계산할 수 있다(1128).
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
10: 풍력발전기 20: 풍속측정기
30: 풍속정보제공장치 40: 수전해장치
50: 부하 210: 중앙제어기
220: 전력변환기 230: 변압기
240: 에너지저장장치
30: 풍속정보제공장치 40: 수전해장치
50: 부하 210: 중앙제어기
220: 전력변환기 230: 변압기
240: 에너지저장장치
Claims (9)
- 내부에 배터리를 포함하여 전력을 저장하는 에너지저장장치;
외부의 풍력발전기로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치에 저장가능도록 변환하는 전력변환기;
에너지저장장치 및 외부의 수전해장치와 연결되어 에너지저장장치의 전력을 수전해장치로 공급하는 변압기; 및
외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정하는 중앙제어기; 를 포함하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제1항에 있어서,
풍속 데이터는 풍력 발전기의 타워 상부에 위치된 풍속측정기 및 유무선 통신을 통해 연결되는 풍속정보제공장치 중 적어도 하나를 통해 수신되는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제1항에 있어서,
풍속 데이터가 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 증가하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상이고, 수전해장치(40)가 운전중일 경우,
중앙제어기는 풍력발전전력(P(t))이 실제로 증가하기 전에 변압기의 출력전류지령치(IE*(t))를 미리 상승하도록 변경하여, 수전해장치에 현재에 비하여 증가된 전력을 배터리가 제공하도록 하고, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 수전해장치로 직접 전달되는 경우에 비하여 수전해장치의 운전전력의 증가 속도를 낮추고, 배터리의 충전 여유를 확보하여 향후 증가될 풍력발전전력을 에너지저장장치 및 수전해장치가 미리 대비하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제3항에 있어서,
풍속(v(t))이 시동 풍속(vs) 이상이고, 풍속이 기존 대비 증가하고 있으며(v(t)>v(t-1)), 에너지저장장치의 배터리의 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0) 이상이고(L(t)≥L0), 수전해장치가 운전중으로 확인되면,
중앙제어기는,
풍속증가에 의한 풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 풍력발전전력(P(t)) 사이의 차이값 및 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 상기 차이값 및 배터리 충전량(L(t))을 이용하여 변압기의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 에너지저장장치의 배터리의 방전가능량(PB(t))을 계산하고, 변압기의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기에 전달하여, 변압기의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기(230)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제1항에 있어서,
풍속 데이터가 현재 풍속(v(t))이 풍력발전기의 시동풍속(vs) 이상에서 감소하고 있음을 나타내고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb) 이상일 경우, 중앙제어기는, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 감소하기 이전에 변압기의 출력전류지령치(IE*(t))가 감소되도록 변경하고, 감소된 풍력발전전력(P(t))이 에너지저장장치 내부의 배터리에 충전되도록 제어하고, 수전해장치의 운전전력의 감소속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제5항에 있어서,
풍속이 기존 대비 감소하고 있으며(v(t)<v(t-1)), 배터리의 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량(Lb) 이상인 경우,
중앙제어기는,
풍력발전전력의 예측량(P*(t))과 풍력발전전력(P(t))의 사이의 차이값을 예측하고, 상기 차이값 및 배터리의 충전량(L(t))을 이용하여 변압기의 출력전력(PE(t))을 계산하고, 변압기의 출력전력(PE(t))의 계산에 따라 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 계산하고, 변압기의 출력전류지령치(I*E(t))를 변압기에 전달하여, 변압기의 출력전류(IE(t))가 출력전류지령치(I*E(t))가 되도록 변압기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제1항에 있어서,
풍속 데이터가 풍속이 감소하고 있음을 나타내고(v(t)<v(t-1)), 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))이 미리 정한 방전 가능 수준의 제1 충전량(L0)보다 낮은 소정의 제2 충전량 이하(Lb)인 경우, 수전해장치가 최소 운전가능 전력으로 운전하는 상태에서 풍력발전전력이 추가로 감소할 때, 중앙제어기는 변압기가 정지하도록 변압기를 제어하여 수전해장치가 안전하게 정지하도록 하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 제1항에 있어서,
t 시점의 풍력발전전력의 예측량(P*(t))이 t 시점의 풍력발전전력(P(t))보다 더 낮은 경우, 중앙제어기는 배터리의 전력을 변압기를 통해 수전해장치로 전달하여, 수전해장치의 운전전력의 변동을 축소하고, 수전해장치의 갑작스런 운전 정지를 방지하도록 에너지저장장치 및 변압기를 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치. - 전력으로 수소를 생산하는 수전해 장치;
풍속 데이터를 생성하는 풍속측정기; 및
풍력발전전력을 내부의 에너지저장장치에 충전하고, 충전된 에너지저장장치의 전력을 수전해 장치에 제공하는 전력제어장치; 를 포함하고,
전력제어장치는,
내부에 배터리를 포함하여 전력을 저장하는 에너지저장장치;
외부의 풍력발전기로부터 전달된 풍력발전전력을 에너지저장장치에 저장가능도록 변환하는 전력변환기;
에너지저장장치 및 외부의 수전해장치와 연결되어 에너지저장장치의 전력을 수전해장치로 공급하는 변압기; 및
외부로부터 t 시점의 풍속 데이터를 수신하고, t 시점의 풍속 데이터를 이용하여 t 시점 이후에 변화하는 풍력발전전력의 예측량(P*(t))을 예측하고, 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))을 확인하고, 풍력발전전력의 예측량(P*(t)) 및 에너지저장장치 내부의 배터리 충전량(L(t))에 기초하여, 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 조정하도록 변압기를 제어하여, t 시점의 풍력발전전력(P(t))이 실제로 변화하기 전에 풍속의 변화에 따라 수전해장치로 전달되는 변압기의 출력전력(PE(t))을 선제적으로 조정하는 중앙제어기;를 포함하여,
풍속의 변화 예측에 따라 수전해장치의 운전전력을 선제적으로 조정가능하도록 구성된 풍력발전전력 기반의 수소변환시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180071550A KR102049020B1 (ko) | 2018-06-21 | 2018-06-21 | 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치 및 풍력발전전력 기반 수소변환시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180071550A KR102049020B1 (ko) | 2018-06-21 | 2018-06-21 | 수전해장치용 풍력발전전력의 전력제어장치 및 풍력발전전력 기반 수소변환시스템 |
Publications (1)
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