KR102189114B1 - 신재생에너지 연계 수전해 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예는, 재생에너지발전원에 의한 발전전력을 계통과 연결되는 제1노드로 출력하는 재생에너지발전장치; 상기 제1노드와 제2노드 사이의 전력변환을 수행하고, 제1참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제1컨버터; 상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하고, 제2참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제2컨버터; 상기 제2노드로부터 공급되는 전력으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해장치; 및 상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 제어장치를 포함하는 수전해시스템을 제공한다.

Description

신재생에너지 연계 수전해 시스템 및 그 제어 방법{WATER ELECTROYSIS SYSTEM LINKED WITH NEW RENEWABLE ENERGY AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 실시예는 신재생에너지와 연계된 수전해 기술에 관한 것이다.
재생에너지 혹은 신재생에너지는 발전량을 예측하는 것이 쉽지 않고, 발전량의 변동성이 높은 것이 특징이다. 이러한 특성을 가지는 재생에너지 발전전력 혹은 신재생에너지 발전전력을 계통이나 부하로 직접 공급하게 되면, 계통의 전력품질이 저하되고, 부하의 안정화에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
재생에너지 혹은 신재생에너지의 이러한 특성을 보완하기 위해, 재생에너지 혹은 신재생에너지에 의해 발전된 전력을 배터리를 포함하는 에너지저장장치(ESS : energy storage system)에 일시적으로 저장했다가 다시 계통으로 전달하는 방법이 고려되고 있다.
하지만, 배터리와 같은 화학전지는 단위 체적당 저장할 수 있는 에너지의 총량이 제한적이어서, 많은 양의 전력을 저장하지 못하거나, 대용량화를 위해 많은 설비 비용이 요구되는 문제가 있다.
이러한 문제에 대한 대안으로서, 수전해를 이용한 전기에너지 저장방법이 고려되고 있다. 이론적으로, 수소를 저장할 수 있는 시설에 제한이 없다면-예를 들어, 가스관 등을 통해 생산된 수소가 발전소로 직간접적으로 공급되는 경우-, 수전해 시스템의 저장 용량에는 제한이 없다고 볼 수 있다.
다만, 수전해 시스템은 에너지변환효율이 높지 않고, 변동성이 높은 전력에 대해 취약한 특성을 가지고 있어서, 수전해 시스템을 통한 재생에너지 혹은 신재생에너지 발전전력의 저장이 보편화되지 않고 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 재생에너지 혹은 신재생에너지와 연계된 저장시스템에 대하여, 에너지 효율이 높으면서, 설비의 구축 비용은 최소화되는 기술을 제공하는 것이다.
다른 측면에서, 본 실시예의 목적은, 재생에너지 혹은 신재생에너지와 연계된 저장시스템에 대하여, 변동성이 높은 전력이 수전해장치의 수명을 저해시키지 않도록 하는 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 재생에너지발전원에 의한 발전전력을 계통과 연결되는 제1노드로 출력하는 재생에너지발전장치; 상기 제1노드와 제2노드 사이의 전력변환을 수행하고, 제1참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제1컨버터; 상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하고, 제2참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제2컨버터; 상기 제2노드로부터 공급되는 전력으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해장치; 및 상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 제어장치를 포함하는 수전해시스템을 제공한다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제2컨버터가 전압제어모드로 작동될 때, 상기 제2노드로부터 상기 수전해장치로의 전력 공급이 차단될 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, 로우패스필터로 상기 제1참조값에서 미리 설정된 저주파수 대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, 밴드패스필터로 상기 제1참조값에서 상기 계통의 기본 주파수 성분을 제거하여 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제2노드에서 상기 수전해장치로 연결되는 전력전달경로에 수동소자를 포함하는 로우패스필터가 더 배치될 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, 램프레이트제한기(ramp rate limiter)를 통해 제2참조값에서 고기울기를 가지는 변동성분을 제거할 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, SOA(safe operating area)를 통과시킨 값으로 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, 상기 축전장치의 SOC(state of charge)가 미리 설정된 저SOC대역에 해당될 때, 제1드룹게인으로 방전량이 제한되도록 상기 SOA를 설정하고, 상기 축전장치의 SOC가 미리 설정된 고SOC대역에 해당될 때, 제2드룹게인으로 충전량이 제한되도록 상기 SOA를 설정할 수 있다.
상기 수전해시스템에서, 상기 제어장치는, SOC설정값과 상기 축전장치의 SOC측정값의 차이가 줄어들게 하는 보상값을 상기 제2참조값에 반영시킬 수 있다.
다른 실시예는, 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어하는 제1제어부; 상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어하는 제2제어부; 및 상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 상위제어부를 포함하는 수전해시스템 제어장치를 제공한다.
상기 수전해시스템 제어장치에서, 상기 상위제어부는, 로우패스필터 및 밴드패스필터를 포함하고, 상기 제1참조값에서 상기 로우패스필터를 통과한 제1필터값 및 상기 밴드패스필터를 통과한 제2필터값을 제거한 제1값을 이용하여 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템 제어장치에서, 상기 상위제어부는, 상기 축전장치의 SOC측정값과 SOC설정값의 차이에 SOC게인을 곱하여 생성한 제2값을 상기 제1값에 더해 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템 제어장치에서, 상기 SOC게인은 상기 축전장치의 SOC측정값에 따라 다르게 설정될 수 있다.
상기 수전해시스템 제어장치에서, 상기 상위제어부는, SOA(safe operating area)를 통과시킨 값으로 상기 제2참조값을 생성할 수 있다.
상기 수전해시스템 제어장치에서, 상기 SOA는 SOC와 충방전전류량으로 설정되고, 상기 상위제어부는, 미리 설정된 저SOC대역과 고SOC대역에서 서로 다른 드룹게인으로 상기 SOA를 설정할 수 있다.
또 다른 실시예는, 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어하는 단계; 상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어하는 단계; 및 상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 단계를 포함하는 수전해시스템 제어방법을 제공한다.
상기 수전해시스템 제어방법에서, 장기최적화함수 및 단기최적화함수를 이용하여 상기 제1참조값을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 장기최적화함수는, 상기 계통의 전력품질, 상기 수전해장치의 수명 및 수익성 중 적어도 하나의 인자가 포함될 수 있다.
상기 수전해시스템 제어방법에서, 상기 수익성에는 수소단가 및 전력단가가 계산 요소로 포함될 수 있다.
상기 수전해시스템 제어방법에서, 상기 수전해장치의 수명에는 상기 수전해장치의 각 스택의 온오프 횟수가 계산 요소로 포함될 수 있다.
상기 수전해시스템 제어방법에서, 상기 단기최적화함수는, 상기 수전해장치의 각 스택의 최적운전범위가 인자로 포함될 수 있다.
상기 수전해시스템 제어방법에서, 상기 제1참조값을 상기 수전해장치의 최소제한전력 및 최대제한전력 사이의 범위로 제한하는 단계가 더 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 재생에너지 혹은 신재생에너지와 연계된 저장시스템에 대하여, 에너지 효율이 높으면서, 설비의 구축 비용은 최소화되는 기술을 제공할 수 있고, 변동성이 높은 전력이 수전해장치의 수명을 저해시키지 않도록 할 수 있다.
도 1은 일반적인 수전해 시스템의 구성도이다.
도 2는 일반적인 수전해장치의 입력 특성과 재생에너지발전원의 출력 특성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 수전해장치와 축전장치의 용량에 따른 구축 비용을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수전해시스템의 구성도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수전해장치의 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 제어장치의 구성도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 제1참조값으로부터 제2참조값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 8은 일 실시예에 적용될 수 있는 SOA의 일 예시 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 제1참조값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 유효전력설정값 및 무효전력설정값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 수전해시스템 제어방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 수전해 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 수전해 시스템(10)에서 재생에너지발전원 혹은 신재생에너지발전원(11)-이하에서는 재생에너지라는 용어를 재생에너지와 신재생에너지를 모두 포괄하는 용어로 사용함-에서 발전된 전력은 제1DC/AC컨버터(12)를 통해 계통(16)으로 전달될 수 있다. 여기서, 재생에너지발전원(11)에서 생산된 전력이 계통으로 연계되는 지점을 제1노드(N1)로 정의한다.
수전해 시스템(10)은 재생에너지발전원(11)에서 생산된 전력 중 일부를 수전해장치(13)를 통해 저장하기 위해, 제1노드(N1)에 형성되는 전력을 제2DC/AC컨버터(15)를 통해 수전해장치(13)로 전달할 수 있다.
한편, 재생에너지발전원(11)에서 생산된 전력은 변동성이 높기 때문에, 계통(16)의 전력품질에는 부정적으로 작용할 수 있다. 종래의 수전해 시스템(10)에서는 재생에너지발전원(11)이 계통(16)의 전력품질에 부정적으로 작용하는 것을 방지하기 위해 재생에너지발전원(11)의 발전전력량에 비례하는 전력량을 수전해장치(13)로 공급했다. 그런데, 이렇게 고변동성의 전력-재생에너지발전원(11)에서 생산된 전력의 기본 특성을 가지는 전력-을 수전해장치(13)로 공급하게 되면, 수전해장치(13)의 수명이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
고변동성의 전력은 수전해장치(13)의 수명을 저하시킬 뿐만 아니라, 경우에 따라 수전해장치(13)의 온오프를 초래하면서, 전체적인 시스템 효율을 저하시킬 수 있다. 일반적으로 수전해장치(13)는 시동/정지에 대한 내구성이 낮고, 재시동 시의 효율이 높지 않기 때문에 온오프가 자주 발생하게 되면 에너지효율이 낮아지게 된다. 그런데, 재생에너지발전원(11)에서 생산된 고변동성의 전력은 수전해장치(13)의 입력 범위를 초과하거나 입력 범위에 미달될 가능성이 있기 때문에, 수전해장치(13)의 온오프가 자주 발생할 가능성이 있다. 이러한 수전해장치(13)의 입력 범위와 재생에너지발전원(11)에서 생산된 전력의 특성은 도 2를 참조하여 후술한다.
한편, 수전해장치(13)의 입력 범위를 맞추기 위해, 수전해 시스템(10)은 DC/DC컨버터(14)를 더 포함할 수 있다. DC/DC컨버터(14)는 제2DC/AC컨버터(15)와 수전해장치(13) 사이에 배치되면서 제2DC/AC컨버터(15)로부터 수전해장치(13)로 공급되는 전력 혹은 전류의 량을 조절할 수 있다. 하지만, 이러한 솔루션에는 추가적인 컨버터-DC/DC컨버터(14)-가 더 소요됨으로써 전체적인 효율의 저하와 비용의 증가를 초래할 수 있다.
도 2는 일반적인 수전해장치의 입력 특성과 재생에너지발전원의 출력 특성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수전해장치는 일정한 입력 특성을 가질 수 있다. 일 예로서, 제1입력전력(L1)을 초과하는 전력에 대해서는 내부 소자의 파괴가 발생할 수 있기 때문에, 제1입력전력(L1)을 초과하는 전력이 입력될 때, 수전해장치는 턴오프될 수 있다. 다른 예로서, 제4입력전력(L4)보다 작은 전력에 대해서는 충분한 작동에너지를 얻을 수 없기 때문에, 제4입력전력(L4)보다 작은 전력이 입력될 때, 수전해장치는 턴오프될 수 있다. 또 다른 예로서, 수전해장치는 안전한 입력범위-제2입력전력(L2)이하이고 제3입력전력(L3)이상인 범위-를 벗어나는 입력에 대해서는 내부 소자의 수명이 감소되는 특성을 가질 수 있다. 이러한 입력특성을 고려할 때, 일정 범위-예를 들어, 제2입력전력(L2)이하이고 제3입력전력(L3)이상인 범위-로 수전해장치의 입력전력을 제한하는 것이 바람직하다.
반면에, 재생에너지발전원은 고변동성의 출력특성을 가지고 있다. 이러한 재생에너지발전원의 출력전력이 그대로 수전해장치로 전달되는 경우, B지점 및 C지점과 같이 온오프 입력범위를 초과하는 전력이 수전해장치로 전달되면서 수전해장치를 턴오프시킬 수 있다. 또한, A지점과 같이 수전해장치의 안전한 입력범위를 초과하는 전력이 전달되면서 수전해장치의 수명을 저하시킬 수 있다.
수전해장치의 단독 운전에 따른 전술한 문제를 해결하기 위해 일 실시예에 따른 수전해시스템은 축전장치를 더 포함할 수 있다. 축전장치-예를 들어, 배터리 혹은 캐패시터-는 고변동성의 전력을 입출력하는데 유리하고, 전기에너지의 변환에 대한 효율성이 높다는 장점이 있다. 다만, 축전장치는 용량 증가에 따른 구축비용의 증가라는 문제를 가지고 있기 때문에, 일 실시예에 따른 수전해시스템은 수전해장치와 축전장치를 함께 사용하여 축전용량을 증가시키면서도 비용, 효율 및 수명의 측면에서 유리한 구조를 제시한다.
도 3은 일반적인 수전해장치와 축전장치의 용량에 따른 구축 비용을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 축전장치는 용량의 증가에 따른 구축비용의 증가가 가파른 반면-도 3의 L11 참조-, 수전해장치는 용량의 증가에 따른 구축비용의 증가가 완만한 것을 확인할 수 있다-도 3의 L12 참조-.
일 실시예에 따른 수전해시스템은, 이러한 용량에 따른 구축 비용의 그래프를 고려하여, 저변동성의 전력은 고용량을 축전할 수 있는 수전해장치를 이용하고, 고변동성의 전력은 저용량의 축전장치를 이용할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 수전해시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 수전해시스템(100)은 재생에너지발전장치(130), 수전해장치(140), 축전장치(150), 제1컨버터(110), 제2컨버터(120) 및 제어장치(101) 등을 포함할 수 있다.
재생에너지발전장치(130)는 재생에너지발전원(132) 및 DC/AC컨버터(134)를 포함할 수 있다. 재생에너지발전원(132)원은 예를 들어, 태양광발전장치 등일 수 있다. 재생에너지발전원(132)이 발전전력으로서 직류전력을 생산하는 경우, 재생에너지발전장치(130)는 도 4에 도시된 것과 같은 DC/AC컨버터(134)를 내부적으로 포함할 수 있고, 재생에너지발전원(132)이 발전전력으로서 교류전력을 생산하는 경우-예를 들어, 재생에너지발전원(132)이 풍력발전장치인 경우-, 재생에너지발전장치(130)는 AC/AC컨버터(미도시)를 내부적으로 포함할 수 있다. 재생에너지발전장치(130)에서 생산된 전력(Pg, 이하에서는 '발전전력'이라 함)은 계통(170)과 연계되어 있는 제1노드(N1)로 전달될 수 있다.
제1노드(N1)에는 제2스위치(S2)를 경유하여 부하(160)가 연결될 수 있고, 제3스위치(S3)를 더 경유하여 계통(170)이 연결될 수 있다. 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)는 생략될 수 있다. 계통(170)은 매크로그리드라고도 하는 대규모 전력망을 지칭할 수 있는데, 실시예에 따라서는 계통(170) 대신 마이크로그리드와 같은 소규모 전력망이 연결될 수 있다.
제1컨버터(110)는 제1노드(N1)와 제2노드(N2) 사이의 전력변환을 수행할 수 있다. 제2노드(N2)는 전기에너지를 저장하는 장치들이 연결되는 노드로서, 제2노드(N2)에는 수전해장치(140)가 연계될 수 있고, 축전장치(150)가 연계될 수 있다.
제1컨버터(110)는 제1참조값(Pr1)에 따라 제1노드(N1)와 제2노드(N2) 사이의 전력변환량을 제어할 수 있다. 제1노드(N1)에서 부하(160) 혹은 계통으로 전달되는 전력을 부하전력(Pl)이라고 할 때, 제1노드(N1)에서 제2노드(N2)로 전달되는 전력변환량(P1, 이하에서는 '제1전력'이라 함)은 발전전력(Pg)에서 부하전력(Pl)을 차감한 량과 같다. 이러한 제1전력(P1)의 양은 제1컨버터(110)에서 사용하는 제1참조값(Pr1)에 따라 결정될 수 있다. 제1참조값(Pr1)은 양의 값일 수도 있고, 음의 값일 수도 있는데, 제1참조값(Pr1)의 부호에 따라 제1노드(N1)에서 제2노드(P2)로 전력이 흐르거나 그 반대방향으로 전력이 흐를 수 있다.
제2노드(N2)에 형성되는 전력은 수전해장치(140)로 전달되거나 축전장치(150)로 전달될 수 있다. 이하에서는, 축전장치(150)로 전달되는 전력을 제2전력(P2)이라 하고, 수전해장치(140)로 전달되는 전력을 제3전력(P3)이라 한다.
수전해장치(140)와 제2노드(N2) 사이에는 전력량을 제어할 수 있는 능동제어장치-예를 들어, 컨버터-가 배치되지 않을 수 있다. 수전해장치(140)와 제2노드(N2) 사이에는 제1스위치(S1)가 배치될 수 있고, 수동소자-예를 들어, 인덕터, 캐패시터, 저항 등-를 포함하는 로우패스필터(미도시)가 더 배치될 수 있다.
축전장치(150)와 제2노드(N2) 사이에는 전력변환량을 제어할 수 있는 제2컨버터(120)가 배치될 수 있다.
도 4에서, 제1컨버터(110)는 DC/AC컨버터로 도시되고, 제2컨버터(120)는 DC/DC컨버터로 도시되고 있으나, 본 실시예가 이로 제한되는 것은 아니고, 제1노드(N1)에 형성되는 전력의 특성-교류 혹은 직류-에 따라, 그리고, 제2노드(N2)에 형성되는 전력의 특성-교류 혹은 직류-에 따라 제1컨버터(110) 및 제2컨버터(120)의 종류가 결정될 수 있다.
제2컨버터(120)는 제2전력(P2)에 대한 전력량을 제어할 수 있는데, 제3전력(P3)에 대한 전력량은 제2전력(P2)에 의해 간접적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제3전력(P3)은 제1전력(P1)에서 제2전력(P2)을 차감하는 방법으로 결정될 수 있는데, 제2컨버터(120)는 제2전력(P2)을 제어하여 제3전력(P3)을 간접제어할 수 있다.
제2컨버터(120)의 모드에 따라 제2노드(N2)와 수전해장치(150)가 연결되거나 연결해제될 수 있다. 예를 들어, 제2컨버터(120)가 전류제어모드로 작동될 때, 제2노드(N2)와 수전해장치(150)가 연결되고, 제2컨버터(120)가 전압제어모드로 작동될 때, 제2노드(N2)와 수전해장치(150)의 연결이 해제될 수 있다.
제2컨버터(120)는 제2노드(N2)와 축전장치(150) 사이의 전력변환을 수행할 수 있다. 그리고, 제2컨버터(120)는 제2참조값(Pr2)에 따라 제2노드(N2)와 축전장치(150) 사이의 전력변환량을 제어할 수 있다.
제어장치(101)는 제1참조값(Pr1) 및 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다.
제어장치(101)는 제1참조값(Pr1)에 의해 제어되는 제1전력(P1)에서 고변동성의 성분을 제2전력(P2)으로 전달하고, 고변동성의 성분이 제거된 저변동성의 전력을 제3전력(P3)으로 전달할 수 있다. 그리고, 수전해장치(140)는 이러한 저변동성의 안정적인 제3전력(P3)을 이용하여 물을 전기분해하고 수소를 생산할 수 있다.
이를 위해, 제어장치(101)는 제1참조값(Pr1)에서 미리 설정된 주파수대역을 제어하여 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다. 제어장치(101)는 로우패스필터로 제1참조값(Pr1)에서 미리 설정된 저주파수 대역을 제거하여 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있고, 밴드패스필터로 제1참조값(Pr1)에서 계통(170)의 기본 주파수 성분을 제거하여 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다. 제어장치(101)가 제1참조값(Pr1)과 제2참조값(Pr2)을 생성하는 세부 예시는 후술한다.
도 5는 일 실시예에 따른 수전해장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 수전해장치(140)는 다수의 스택(142)과 다수의 스위치로 구성될 수 있다. 각각의 스택(142)은 병렬로 연결되어 있으면서 제3전력(P3)을 나누어서 공급 받을 수 있다. 이때, 각각의 스택(142)으로 공급되는 전력은 미리 설정된 안전범위 내로 제어될 수 있는데, 예를 들어, 각각의 스택(142)으로 공급되는 전력이 안전범위를 초과하는 경우, 보다 많은 스택(142)이 턴온될 수 있고, 공급되는 전력이 안전범위 밑으로 내려가는 경우, 일부의 스택(142)이 추가적으로 턴오프될 수 있다.
한편, 스택(142)의 턴온과 턴오프는 전기에너지로의 변환효율을 낮추고, 스택(142)의 수명을 저하시킬 수 있기 때문에, 일 실시예에 따른 제어장치는 제3전력(P3)을 일정 범위 이내로 유지시키면서 각 스택(142)의 온오프를 최소화시킬 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 제어장치의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 제어장치(101)는 제1제어부(210), 제2제어부(220) 및 상위제어부(230) 등을 포함할 수 있다.
제1제어부(210)는 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어할 수 있다. 여기서, 직결된다는 것은 수전해장치와 제2노드 사이에 능동제어장치가 배치되지 않는 것으로 이해될 수 있다.
제2제어부(220)는 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어할 수 있다.
그리고, 상위제어부(230)는 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제어하여 제2참조값을 생성할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 제1참조값으로부터 제2참조값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 7을 참조하면, 상위제어부는 밴드패스필터(702)를 통해 제1참조값(Pr1)에서 특정 대역의 주파수성분을 추출하여 제1필터값(flt1)을 생성할 수 있다. 여기서, 특정 대역은 계통의 기본 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, 제1참조값(Pr1)에는 60Hz 혹은 50Hz의 기본 주파수 성분이 포함될 수 있는데, 상위제어부는 밴드패스필터(702)를 통해 이러한 기본 주파수 성분을 추출하여 제1필터값(flt1)을 생성할 수 있다. 이러한 제1필터값(flt1)은 제1참조값(Pr1)에서 차감됨으로써, 제2참조값(Pr2)에는 포함되지 않을 수 있다. 상위제어부는 밴드패스필터(702)를 통과한 값을 추가적으로 제1최대최소제한기(704)에 더 통과시켜 제1필터값(flt1)을 생성할 수 있다. 제1최대최소제한기(704)는 제1필터값(flt1)이 과도하게 크거나 작게 되는 것을 방지할 수 있다.
상위제어부는 로우패스필터(706)를 통해 제1참조값(Pr1)에서 저주파 대역의 주파수성분을 추출하여 제2필터값(flt2)을 생성할 수 있다. 이러한 제2필터값(flt2)은 제1참조값(Pr1)에서 차감됨으로써, 제2참조값(Pr2)에는 포함되지 않을 수 있다. 상위제어부는 로우패스필터(706)를 통과한 값을 추가적으로 제2최대최소제한기(708)에 더 통과시켜 제2필터값(flt2)을 생성할 수 있다. 제2최대최소제한기(708)는 제2필터값(flt2)이 과도하게 크거나 작게 되는 것을 방지할 수 있다.
상위제어부는 제1참조값(Pr1)에서 제1필터값(flt1) 및 제2필터값(flt2)을 제거하여 제1값(val1)을 생성하고, 제1값(val1)을 이용하여 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다.
상위제어부는 램프레이트제한기(미도시)를 더 포함하고 있으면서, 램프레이트제한기(미도시)를 통해 제2참조값(Pr2)에서 고기울기를 가지는 변동성분을 제거할 수 있다. 여기서, 고기울기는 미리 설정된 기울기값보다 큰 값의 기울기를 의미할 수 있다.
상위제어부는 축전장치의 SOC(state-of-charge)를 일정 수준으로 유지시키기 위한 제어를 수행할 수 있다. 상위제어부는 SOC설정값(SOCr)과 축전장치의 SOC측정값(SOCe)의 차이가 줄어들도록 보상값을 생성하여 제2참조값(Pr2)에 반영시킬 수 있다.
예를 들어, 상위제어부는 SOC설정값(SOCr)과 SOC측정값(SOCe)의 차이에 SOC게인(Gsoc)를 곱하여 제2값(val2)을 생성하고, 제1값(val1)과 제2값(val2)을 더해 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다.
상위제어부는 SOC게인생성부(710)를 통해 SOC게인(Gsoc)을 계산할 수 있다. SOC게인(Gsoc)은 축전장치의 SOC측정값(SOCe)에 따라 다르게 설정될 수 있다. 상위제어부는 중간 범위의 SOC측정값(SOCe)보다 낮은 범위의 SOC측정값(SOCe)에 대하여 SOC게인(Gsoc)을 낮게 설정할 수 있다. 혹은 상위제어부는 중간 범위의 SOC측정값(SOCe)보다 높은 범위의 SOC측정값(SOCe)에 대하여 SOC게인(Gsoc)을 높게 설정할 수 있다. 높은 SOC 범위 혹은 낮은 SOC 범위에 대하여 축전장치의 입출력 특성이 나쁠 수 있는데, 상위제어부는 이를 고려하여, 높은 SOC 범위 혹은 낮은 SOC 범위에서 SOC게인(Gsoc)을 낮게 설정할 수 있다.
상위제어부는 SOA부(714)를 더 포함하고 있으면서, SOA부(714)를 이용하여 제2참조값(Pr2)을 SOA(safe operating area) 영역 이내로 제한시킬 수 있다. 상위제어부는 제1값(val1) 및 제2값(val2)을 더하고 그 결과값을 SOA부(714)로 통과시켜 제2참조값(Pr2)을 생성할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 적용될 수 있는 SOA의 일 예시 그래프이다.
도 8을 참조하면, SOA는 축전장치의 SOC와 충방전전류량으로 설정될 수 있다.
상위제어부는 제2제한선(LS2)과 같이 축전장치로 공급되는 충전전력을 일정값으로 제한할 수 있고, 제5제한선(LS5)과 같이 축전장치의 방전전력을 일정값으로 제한할 수 있다.
한편, 고SOC 범위에서 방전에 대하여는, 제6제한선(LS6)과 같이 방전전력에 제한이 없을 수 있으나, 충전에 대하여는 충전전력의 제한이 있을 수 있다. 예를 들어, 상위제어부는 미리 설정된 고SOC대역에서 제1드룹게인으로 SOA를 설정할 수 있다. 상위제어부는 이러한 제1드룹게인에 의해, SOC가 높아질 수록 충전전력이 작아지도록 제어할 수 있다.
그리고, 상위제어부는 미리 설정된 저SOC대역에서 제2드룹게인으로 SOA를 설정할 수 있다. 상위제어부는 이러한 제2드룹게인에 의해, SOC가 낮아질 수록 충전전력 혹은 방전전력이 작아지도록 제어할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 제1참조값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 상위제어부는 유효전력설정값(Po) 및 무효전력설정값(Qo)을 확인하고, 유효전력설정값(Po)에 따라 제1참조값(Pr1)을 생성하고, 무효전력설정값(Qo)에 따라 무효전력참조값(Qr1)을 생성할 수 있다. 여기서, 유효전력 혹은 무효전력은 제1전류(P1)에 대한 것으로 이해될 수 있다.
그리고, 상위제어부에서 DQ변환부(910)는 제1참조값(Pr1)-여기서는 유효전력참조값-, 무효전력참조값(Qr1), 제1전력(P1) 측정값-여기서는 유효전력측정값-, 및 무효전력측정값을 이용하여, DQ변환을 실시하고, 제1컨버터의 D축전류참조값(Idr) 및 Q축전류참조값(Iqr)을 계산할 수 있다.
그리고, PWM생성부(912)는 제1컨버터의 D축전류참조값(Idr), Q축전류참조값(Iqr), D축전류측정값(Ide) 및 Q축전류측정값(Iqe)을 이용하여 PWM신호를 생성하고, 스위치드라이버(914)는 PWM신호를 이용하여 제1컨버터의 파워스위치를 제어할 수 있다.
상위제어부는 제1노드에 형성되는 주파수 혹은 제1노드에 형성되는 전압을 보상처리하는 블록을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상위제어부는 제1노드에 형성되는 주파수의 측정값(foe)과 주파수설정값(for)의 차이가 작아지도록 그 차이에 주파수게인생성부(904)에서 생성한 주파수게인(Gf)을 곱하고, 그 결과값을 유효전력설정값(Po)에 더해 제1참조값(Pr1)을 생성할 수 있다.
다른 예로서, 상위제어부는 제1노드에 형성되는 전압(voe)과 전압설정값(vor)의 차이가 작아지도록 그 차이에 전압게인생성부(908)에서 생성한 전압게인(Gv)을 곱하고, 그 결과값을 무효전력설정값(Qo)에 더해 무효전력참조값(Qr1)을 생성할 수 있다.
한편, 상위제어부는 데드밴드제한기(902, 906)를 더 포함할 수 있는데, 제1데드밴드제한기(902)는 상위제어부가 일정한 주파수 범위에서는 주파수에 대한 보상처리를 하지 않도록 제한할 수 있고, 제2데드밴드제한기(906)는 상위제어부가 일정한 전압 범위에서는 전압에 대한 보상처리를 하지 않도록 제한할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 제어장치의 상위제어부가 유효전력설정값 및 무효전력설정값을 생성하는 부분의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 상위제어부는 장기최적화함수부(1002), 단기최적화함수부(1004) 및 최소최대전력제한부(1006)를 포함할 수 있다.
장기최적화함수부(1002)에는 다수의 제1인자들(M1~Ms)이 투입될 수 있다. 장기최적화함수부(1002)는 이러한 다수의 제1인자들(M1~Ms)을 이용하여 무효전력설정값(Qo)을 계산하고, 제1예비유효전력설정값(Po')을 계산하며, 수전해장치 혹은 수전해장치의 각 스택의 온오프상태값(ST)을 계산할 수 있다.
다수의 제1인자들(M1~Ms)에는 계통운영자의 지령치, 계통의 전력품질, 수전해장치의 수명 및 전체 시스템의 수익성 중 적어도 하나의 인자가 포함될 수 있다. 수익성에는 예를 들어, 수소단가 및 전력단가가 계산 요소로 포함될 수 있다. 그리고, 수전해장치의 수명에는 수전해장치의 각 스택의 온오프 횟수가 계산 요소로 포함될 수 있다.
단기최적화함수부(1004)는 제1예비유효전력설정값(Po') 및 다수의 제2인자들(N1~Ns)을 이용하여 제2예비유효전력설정값(Po'')을 계산할 수 있다. 다수의 제2인자들(N1~Ns)에는 예를 들어, 수전해장치의 각 스택의 최적운전범위가 인자포 포함될 수 있다.
최소최대전력제한부(1006)는 제2예비유효전력설정값(Po'')이 수전해장치 혹은 수전해장치의 각 스택의 최소제한전력(Pmin)과 최대제한전력(Pmax)의 범위에 해당되는지 판단하고, 해당 범위를 벗어나는 경우, 최소제한전력(Pmin) 혹은 최대제한전력(Pmax)으로 유효전력설정값(Po)을 계산하고, 그렇지 않은 경우, 제2예비유효전력설정값(Po'')으로 유효전력설정값(Po)을 설정할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 수전해시스템 제어방법의 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 수전해시스템은 유효전력설정값 혹은 무효전력설정값을 이용하여 제1참조값을 생성할 수 있다(S1100).
그리고, 수전해시스템은 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 제2참조값을 생성할 수 있다(S1102).
그리고, 수전해시스템은 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어할 수 있다(S1104).
그리고, 수전해시스템은 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어할 수 있다(S1106).
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 재생에너지 혹은 신재생에너지와 연계된 저장시스템에 대하여, 에너지 효율이 높으면서, 설비의 구축 비용은 최소화되는 기술을 제공할 수 있고, 변동성이 높은 전력이 수전해장치의 수명을 저해시키지 않도록 할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 재생에너지발전원에 의한 발전전력을 계통과 연결되는 제1노드로 출력하는 재생에너지발전장치;
    상기 제1노드와 제2노드 사이의 전력변환을 수행하고, 제1참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제1컨버터;
    상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하고, 제2참조값에 따라 전력변환량이 제어되는 제2컨버터;
    상기 제2노드로부터 공급되는 전력으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해장치; 및
    상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 축전장치로 고변동성의 전력이 전달되고 상기 수전해장치로 저변동성의 전력이 전달되도록 하는상기 제2참조값을 생성하는 제어장치
    를 포함하는 수전해시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2컨버터가 전압제어모드로 작동될 때, 상기 제2노드로부터 상기 수전해장치로의 전력 공급이 차단되는 수전해 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    로우패스필터로 상기 제1참조값에서 미리 설정된 저주파수 대역을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    밴드패스필터로 상기 제1참조값에서 상기 계통의 기본 주파수 성분을 제거하여 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2노드에서 상기 수전해장치로 연결되는 전력전달경로에 수동소자를 포함하는 로우패스필터가 더 배치되는 수전해 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    램프레이트제한기(ramp rate limiter)를 통해 제2참조값에서 고기울기를 가지는 변동성분을 제거하는 수전해 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    SOA(safe operating area)를 통과시킨 값으로 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 축전장치의 SOC(state of charge)가 미리 설정된 저SOC대역에 해당될 때, 제1드룹게인으로 방전량이 제한되도록 상기 SOA를 설정하고,
    상기 축전장치의 SOC가 미리 설정된 고SOC대역에 해당될 때, 제2드룹게인으로 충전량이 제한되도록 상기 SOA를 설정하는 수전해 시스템.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    SOC설정값과 상기 축전장치의 SOC측정값의 차이가 줄어들게 하는 보상값을 상기 제2참조값에 반영시키는 수전해 시스템.
  10. 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어하는 제1제어부;
    상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어하는 제2제어부; 및
    상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 축전장치로 고변동성의 전력이 전달되고 상기 수전해장치로 저변동성의 전력이 전달되도록 하는 상기 제2참조값을 생성하는 상위제어부
    를 포함하는 수전해시스템 제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상위제어부는,
    로우패스필터 및 밴드패스필터를 포함하고, 상기 제1참조값에서 상기 로우패스필터를 통과한 제1필터값 및 상기 밴드패스필터를 통과한 제2필터값을 제거한 제1값을 이용하여 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템 제어장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 상위제어부는,
    상기 축전장치의 SOC측정값과 SOC설정값의 차이에 SOC게인을 곱하여 생성한 제2값을 상기 제1값에 더해 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템 제어장치.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제12항에 있어서,
    상기 SOC게인은 상기 축전장치의 SOC측정값에 따라 다르게 설정되는 수전해 시스템 제어장치.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 상위제어부는,
    SOA(safe operating area)를 통과시킨 값으로 상기 제2참조값을 생성하는 수전해 시스템 제어장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 SOA는 SOC와 충방전전류량으로 설정되고,
    상기 상위제어부는,
    미리 설정된 저SOC대역과 고SOC대역에서 서로 다른 드룹게인으로 상기 SOA를 설정하는 수전해 시스템 제어장치.
  16. 재생에너지발전원의 발전전력이 경유되고 계통과 연결되는 제1노드와, 수전해장치와 직결되는 제2노드 사이의 전력변환을 수행하는 제1컨버터의 전력변환량을, 제1참조값으로 제어하는 단계;
    상기 제2노드와 축전장치 사이의 전력변환을 수행하는 제2컨버터의 전력변환량을, 제2참조값으로 제어하는 단계; 및
    상기 제1참조값에서 미리 설정된 주파수대역을 제거하여 상기 축전장치로 고변동성의 전력이 전달되고 상기 수전해장치로 저변동성의 전력이 전달되도록 하는 상기 제2참조값을 생성하는 단계
    를 포함하는 수전해시스템 제어방법.
  17. 제16항에 있어서,
    장기최적화함수 및 단기최적화함수를 이용하여 상기 제1참조값을 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 장기최적화함수는,
    상기 계통의 전력품질, 상기 수전해장치의 수명 및 수익성 중 적어도 하나의 인자가 포함되는 수전해시스템 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수익성에는 수소단가 및 전력단가가 계산 요소로 포함되는 수전해시스템 제어방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 수전해장치의 수명에는 상기 수전해장치의 각 스택의 온오프 횟수가 계산 요소로 포함되는 수전해시스템 제어방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 단기최적화함수는,
    상기 수전해장치의 각 스택의 최적운전범위가 인자로 포함되는 수전해시스템 제어방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1참조값을 상기 수전해장치의 최소제한전력 및 최대제한전력 사이의 범위로 제한하는 단계를 더 포함하는 수전해시스템 제어방법.
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