KR102195169B1 - 입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템 - Google Patents

입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102195169B1
KR102195169B1 KR1020200048438A KR20200048438A KR102195169B1 KR 102195169 B1 KR102195169 B1 KR 102195169B1 KR 1020200048438 A KR1020200048438 A KR 1020200048438A KR 20200048438 A KR20200048438 A KR 20200048438A KR 102195169 B1 KR102195169 B1 KR 102195169B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
voltage
receiving
renewable energy
active
Prior art date
Application number
KR1020200048438A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200125483A (ko
Inventor
박가우
Original Assignee
(주)지필로스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)지필로스 filed Critical (주)지필로스
Publication of KR20200125483A publication Critical patent/KR20200125483A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102195169B1 publication Critical patent/KR102195169B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
    • H02J3/16—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load by adjustment of reactive power
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/12—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation
    • Y04S10/123—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation the energy generation units being or involving renewable energy sources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

본 발명의 계통을 모니터링하는 모니터링 장치와 연결된 수전해 시스템은, 계통과 연계된 수전단(A)으로부터 교류 전력을 수전하여 수전해장치가 활용가능한 직류로 전환하는 전력변환장치와, 전력변환장치로부터 전력을 공급받아 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치와, 수전해장치와 전력변환장치의 운전을 제어하는 전력관리장치를 포함하고, 전력관리장치는 모니터링 장치로부터 전력변환장치의 수전단전압(VE(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 수신하고, 수신된 수전단전압(VE(t)) 및 계통주파수(FG(t))에 따라서, 전력변환장치가 계통으로부터 유효전력을 흡수하거나, 계통의 무효전력을 흡수하거나, 계통으로 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전해장치로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단하여 수전해장치의 오작동 또는 손상을 방지하는 한편 계통의 전압 및 주파수를 안정화한다.

Description

입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템{Electrolysis system controlling reactive power and active power for stabilizing input voltage}
본 발명은 입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템에 관한 것이다.
태양광 및 풍력발전으로 대표되는 재생에너지는 시간대별, 계절별 출력 편차가 큰 발전방식이다. 최근 재생에너지 설비용량이 증가하면서 주파수와 전압으로 평가하는 계통전력의 품질을 손상시킬 가능성이 있으며, 그 우려가 현실로 나타나고 있다.
수전해 기술은 19세기에 상업화되었으나, 수소 수요처의 부족 및 탄화수소 연료로부터 얻는 수소대비 경제성 부족 등의 이유로 특수 목적으로만 활용되고 있었다. 그러나 고순도 수소의 산업적 수요 증가 및 이산화탄소 감축을 위한 청정에너지원의 필요성 증대로 새로운 기술적 연구가 수행되고 있으며, 최근 들어 단기적 변동성이 큰 재생에너지를 장기적으로 저장하기 위해 주목받고 있다.
수전해장치는 전기화학적 방식을 통해 물을 분해하여 수소와 산소를 얻어내는 장치이며, 전해질의 구성 및 이온의 종류에 따라 알칼리방식, 고분자 전해질막(PEM, Polymer electrolyte membrane) 방식, 고체산화물(SO) 방식 등으로 구분된다. 재생에너지의 출력을 수전해장치를 활용해 수소로 변환하고자 하는 기술은 2000년대 중반부터 기술개발이 추진되어 최근에는 MW급 플랜트가 건설되는 초기 상업화 단계에 이르고 있다.
수전해장치는 에너지효율 증가를 위해 전극에 촉매가 사용되고 있는데, 알칼리방식과 PEM 방식이 속하는 저온수전해의 경우 역전류 흐름에 의한 촉매손상이 장치의 수명을 단축하는 요소로 지목되고 있다. 재생에너지의 출력을 수전해장치에 직접 활용하기 위해서는 수전해장치와 연계된 계통의 안정화 또한 중요한 요소라고 할 수 있다. 상기한 이유로 수전해장치는 재생에너지와 독립계통을 구성하기보다는 교류계통에 연결되어 동작되고 있다.
일반적인 교류 전력계통에서 주파수는 유효전력의 발전량에서 부하량을 제외한 수급차로 결정되며, 전압은 선로의 유도저항, 발전기와 부하의 상대적 배치, 정확히는 무효전력의 수급차에 따라 결정된다.
재생에너지와 연료전지 등을 포함한 신재생에너지는 기존 기력발전 대비 발전원이 분산되어 있기 때문에 계통이 전반적으로 안정적이더라도 지엽적인 계통사고를 발생시킬 위험이 증가하게 되었다. 이는 연계되어 있는 수전해장치의 운전에 악영향을 줄 가능성이 높아짐을 의미한다.
도 1은 재생에너지 출력변화에 의한 계통전압 및 주파수의 변동을 전압-주파수 그래프 상에 도시한 도면이다.
표 1은 유, 무효전력의 수급불균형과 전력계통에 미치는 영향을 비교한 것이다.
유효전력, 무효전력의 수급불균형에 따른 전력계통에 나타나는 현상
불균형 전력 수요 〉공급 수요〈 공급 계통이상의 범위
유효전력 계통주파수 저하 계통주파수 상승 연계 계통 전체
무효전력 수전단 전압 저하 수전단 전압 상승 불균형점 주변
무효전력이란 교류송배전에서 전압과 전류의 위상차에 의해 그 누적일률이 0이 되는 전력성분을 의미한다. 코일(리액터)과 콘덴서(커패시터) 등에 전류가 흐를 때, 자체 용량만큼 전류위상을 전압위상에 대해 90도씩 이동시키는 성질을 가지고 있으며, 전자제품 및 특정 부하가 만드는 무효전력성분은 그 구성 부품이 유도하는 상변화의 백터합으로 나타낼 수 있다.
기존 계통과 부하 사이에 있는 재생에너지 출력이 상승할 때, 그 부하량보다 큰 재생에너지 출력은 상위 계통으로 흐르고자 하는 경향을 보인다. 이러한 역조류 흐름은 연계점 인근의 전압을 상승시킨다. 반대로 재생에너지의 출력이 순간적으로 감소하는 경우, 재생에너지가 공급하던 전류분이 상대적으로 먼 거리의 계통에서 공급됨에 따라 전압이 감소하게 된다.
도 2a는 일반적인 수전해장치에 연결되는 3상 사이리스터 정류기의 회로도이고, 도 2b는 도 2b의 회로의 출력전압패턴을 도시한 도면이다.
수전해장치는 수소를 생산하기 위해 직류 전력을 요구하므로, 일반적으로 계통에 연결된 수전해장치는 사이리스터 정류에 기반한 전력변환 및 공급장치를 탑재하고 있다. 그러나 사이리스터 정류방식은 1) 입력 교류 전압에 의해 발생하는 직류 출력 전압의 리플을 일정 수준 이상 통제할 수 없으며, 2)입력되는 계통의 전압 또는 계통에 흐르는 무효전력에 대한 제어가 불가능하다는 단점이 있다. 또한, 3) 수전해장치와 같은 저전압 고전류 기기의 경우, 변압기를 통해 일차 감압을 수행해야 하는데, 이 변압기의 크기가 크고 효율을 높이기 어려운 점도 개선할 요소이다.
(선행기술 1) 공개특허번호 제10-2017-0021606호, 2017년 2월 28일 공개, 배터리 에너지 저장 시스템 및 이를 이용한 무효 전력 보상 방법
본 발명은 계통에 연결되어 수소를 생산하는 수전해장치를 포함하는 수전해 시스템에 있어서, 계통으로부터 수전해장치에 연결된 전력변환장치에 스위칭 소자가 활용되어 펄스폭변조(PWM) 제어를 포함한 능동적 변환방식을 적용해 수전해장치에 공급되는 전력의 변환효율을 향상하는 한편, 수전해장치에 전력을 전달하는 전력변환장치가 무효전력의 흡수 또는 주입을 담당하여 수전해장치 및 연계된 계통의 안정화를 보조하는 방식을 제안한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통을 모니터링하는 모니터링 장치와 연결된 수전해 시스템은, 계통과 연계된 수전단(A)으로부터 교류 전력을 수전하여 수전해장치가 활용가능한 직류로 전환하는 전력변환장치와, 전력변환장치로부터 전력을 공급받아 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치와, 수전해장치와 전력변환장치의 운전을 제어하는 전력관리장치를 포함하고, 전력관리장치는 모니터링 장치로부터 전력변환장치의 수전단전압(VE(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 수신하고, 수신된 수전단전압(VE(t)) 및 계통주파수(FG(t))에 따라서, 전력변환장치가 계통으로부터 유효전력을 흡수하거나, 계통의 무효전력을 흡수하거나, 계통으로 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전해장치로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단하여 수전해장치의 오작동 또는 손상을 방지하는 한편 계통의 전압 및 주파수를 안정화한다.
전력관리장치는, 계통주파수(FG)가 상승할 때 전력변환장치가 계통이 수용하지 못하는 유효전력을 수전해장치에 전달하여 수소로 변환하도록 지시하고, 수전단전압(VE(t))이 상승할 때 전력변환장치가 계통의 무효전력을 흡수하도록 제어하고, 수전단전압(VE(t))이 하강할 때 전력변환장치가 계통으로 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전단전압(VE)을 지정된 범위로 유지하도록 동작함으로써 수전해장치로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단할 수 있다.
전력관리장치는 재생에너지원의 출력전력(PR(t))이 재생에너지원의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높은 경우, 현재 재생에너지 출력전력(PR(t))과 운전기준점전력(P0)의 차이에 일정한 계수(α, 여기에서, α는 1보다 작은 양의 실수값임)를 곱한 값으로 유효전력지령치(PW*(t))를 계산하고, 계산된 유효전력지령치(PW*(t))를 이용하여 전력변환장치를 제어하거나, 재생에너지원의 출력전력(PG(t))이 재생에너지원의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높지 않으면서, 출력상승에 의해 재생에너지 출력(PR(t))이 계통전압(VG(t)) 및 계통전류(IG(t))의 곱으로 나타나는 계통의 전력요구량(PG)보다 높은 경우,
Figure 112020041258376-pat00001
(여기에서, β는 소정의 값)에 의하여 유효전력지령치(PW(t)*)를 계산하고, 전력변환장치는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력을 흡수하여 운전하는 한편, 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 안정화할 수 있다.
전력관리장치는, 수전단전압(VE(t))이 기준치 대비 일정 범위 이상 차이를 보일 때, 재생에너지원의 출력전력(PR), 재생에너지원의 출력전류(IR), 재생에너지원의 출력전압(VR) 및 계통전압(VG)과 계통전류(IG)의 위상차(ΘG)을 기준으로 하여 계통에 주입하거나 흡수할 무효전력지령치(QE*(t))을 계산하고, 계산된 무효전력지령치(QE*(t))에 따라 전력변환장치에 지령하고, 전력변환장치는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 수전단(A)에서의 무효전력을 흡수하여 수전해장치의 수전단전압(VE(t)) 및 계통전압(VG(t))을 안정화할 수 있다.
일 측면에 따른 수전해 시스템은, 수전해장치에서 생산되는 수소를 저장하는 수소저장장치 및 연료전지 또는 수소의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수소발전장치를 더 포함하고, 전력관리장치는 재생에너지 출력이 급격히 감소하거나 부하가 증가하는 시점에 수소발전장치가 계통과 연계된 지점(B)으로 유효전력을 출력하도록 제어할 수 있다.
재생에너지원의 유효전력(PR(t))이 계통 발전 최소 전력(PL)보다 작으면(PR(t)<PL), 전력관리장치는
Figure 112020041258376-pat00002
에 의하여 수소발전장치가 발전할 유효전력지령치(PF*(t))를 계산하고, 수소발전장치는 유효전력지령치(PF*(t))에 기초하여 계통으로 유효전력을 출력하도록 제어할 수 있으며, 여기에서, a는 소정의 계수이다.
일 측면에 따른 수전해 시스템은, 수전해장치에서 생산되는 수소를 저장하는 수소저장장치 및 연료전지 또는 수소의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수소발전장치를 더 포함하고, 전력관리장치는 계통전압 변동시 수소발전장치가 계통으로 유효전력을 주입하거나, 무효전력을 주입하거나, 무효전력을 흡수하여 수전해장치가 수전하는 전압을 일정하게 유지하도록 제어할 수 있다.
전력관리장치는, 수전단전압(VE(t))이 소정의 기준치보다 낮아지는 경우 재생에너지 정보 및 계통의 정보를 수집하여 수소발전장치에 출력할 유효전력지령치(PF*(t))및 무효전력지령치(QF*(t))를 계산하고, 유효전력지령치(PF*(t)) 및 무효전력지령치(QF*(t))에 따라 수소발전장치가 운전하도록 지령하고, 수소발전장치는 운전 과정에서 인버터 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력 및 무효전력을 계통에 주입하여 계통의 전압 및 주파수를 안정화할 수 있다.
전력관리장치는 수전해 시스템의 무효전력지령치(Q*(t))를 전력변환장치 및 수소발전장치가 분담하도록 제어하고, 전력관리장치는 무효전력을 배분할 때, 전력변환장치의 용량(QE_Max)와 인버터의 용량(QF_Max) 비율에 따르거나, 유효전력 운전을 하지 않는 쪽을 우선하도록 배분할 수 있다.
전력변환장치와 수전해장치 사이에 직류전력을 저장하는 전력저장장치를 더 포함하고, 전력관리장치는 수전해장치의 운전중 계통사고 발생으로 인해 수전해장치에 전력공급이 불가능할 때 전력관리장치가 시스템을 안정적으로 종료하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 계통에 연결되어 수소를 생산하는 수전해장치를 포함하는 수전해 시스템에 있어서, 계통으로부터 수전해장치에 연결된 전력변환장치에 스위칭 소자가 활용되어 펄스폭변조(PWM)제어를 포함한 능동적 변환방식을 적용하여 수전해장치에 공급되는 전력의 변환효율을 향상하는 한편, 수전해장치에 전력을 전달하는 전력변환장치가 무효전력의 흡수 또는 주입을 담당하여 수전해장치 및 연계된 계통의 안정화를 보조할 수 있다.
도 1은 재생에너지 출력변화에 의한 계통전압 및 주파수의 변동을 전압-주파수 그래프 상에 도시한 도면이다.
도 2a는 일반적인 수전해장치에 연결되는 3상 사이리스터 정류기의 회로도이고, 도 2b는 도 2b의 회로의 출력전압패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 전력변환 3상 PWM방식 전력변환장치의 회로도 예시를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발전장치 및 전력저장장치가 추가 구비된 수전해 시스템의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 6a는 재생에너지 발전소와 교류계통 사이에 수전해 시스템이 연계된 계통상황을 나타내는 도면이며, 도 6b는 재생에너지가 연결되는 송전선에는 송전선 저항성분에 의한 전압강하(ΔVLR)와 인덕턴스에 의한 전압변동(ΔVLX)이 나타나므로, 재생에너지 출력전압(VR)과 계통연계점의 전압(VP) 사이에 성립되는 관계를 나타내는 벡터도면이고, 도 6c는 수전해 시스템이 수전하는 수전단전압(VE)과 재생에너지 출력전압(VR)과의 관계를 나타내는 벡터도면이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d 및 도 7e는 도 6a, 도 6b 및 도 6c와 유사한 상황에서 수전해 시스템(100)이 운전하는 상황을 나타낸 도면이다.
도 8a는 수전해 시스템이 계통으로부터 수전받는 상황을 나타내는 도면이고, 도 8b는 무효전력의 흡수를 통해 수전해장치로 전달하는 유효전력을 유지하는 상황의 전력관계를, 도 8c는 전압의 상태를 나타낸 도면이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 도 5에 도시된 바와 같이 수전해 시스템에 수소발전장치가 추가되는 경우의 송전선의 상황을 나타내는 도면이고, 도 9b는 도 9a의 상황에서 무효전력 및 유효전력의 변화를 나타내는 도면이고, 도 9c는 도 9a의 상황에서 전압 및 전류의 변화를 나타내는 도면이고, 도 9d는 수소발전장치의 유효전력이 최대치일 때 전력변환장치에서 무효전력운전을 수행하는 경우 무효전력 및 유효전력의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10에서 수전해 시스템이 유효전력을 조정하는 과정을 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 12는 도 10에서 수전해 시스템이 무효전력을 조정하는 과정을 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 13은 도 11 및 도 12에서 도시된 절차를 거쳐 도출한 지령치를 전력변환장치 및 수소발전장치에 전달하여 수전해 시스템의 동작을 상세하게 나타내는 순서도이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타내는 도면이다.
수전해 시스템(100)은 재생에너지원(10) 및 그와 연계되어 있고 인접한 변전소(30) 사이에 설치된다. 이하에서, 변전소(30)는 변전소와 연결된 계통(30)이라고도 한다.
수전해 시스템(100)은 전력변환장치(110), 수전해장치(120) 및 전력관리 장치(130)를 포함한다. 수전해 시스템(100)은 수소저장장치(140) 및 모니터링 장치(150)를 더 포함할 수 있으며, 수소저장장치(140) 및 모니터링 장치(150)는 실시예에 따라 수전해 시스템(100) 외부에 설치될 수도 있다.
전력변환장치(110)는 계통(30)과 연결된 수전단(계통연계점 A이라고도 함)으로부터 계통(30)의 교류전력을 수전하여 수전해장치(120)가 활용가능한 직류로 전환한다.
수전해장치(120)는 전력변환장치(110)로부터 전력을 공급받아 물을 분해하여 수소와 산소를 생산한다.
전력관리장치(130)는 전력변환장치(110), 수전해장치(120) 및 모니터링 장치(150)를 제어한다.
모니터링 장치(150)는 전력관리장치(130)와 연결되며, 수전단전압(VE), 수전단전류(IE) 및 계통주파수(FG)를 계측하여 전력관리장치(130)에 전달한다. 계통(30)에서 실제 측정되는 계통전압(VG) 및 계통전류(IG)는 계통(30)에 연결된 계통연계점 A에 대해 모니터링 장치(150)에서 측정한 수전단전압(VE), 수전단전류(IE) 및 계통주파수(FG)와 차이가 있을 수 있다. 또한, 수전단전압(VE) 및 수전단전류(IE)는 전력관리장치(130)가 이용하는 계통(30)의 변화를 감지하기 위한 정보이지만, 계통(30)과 연계된 계통연계점 A에서 측정한 정보이므로, 계통(30)에서 실제 측정되는 계통전압(VG) 및 계통전류(IG)와 구별하여 명칭하도록 한다.
전력관리장치(130)는 모니터링 장치(150)로부터 수전단전압(VE) 및 계통주파수(FG)를 수신하고, 수신된 수전단전압(VE) 및 계통주파수(FG)에 따라서, 전력변환장치(110)가 계통(30)으로부터 유효전력을 흡수하거나, 계통(30)의 무효전력을 흡수하거나, 계통(30)으로 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전해장치(120)로 계통(30)의 유효전력 및 계통(30)의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단하여 수전해장치의 오작동 또는 손상을 방지하는 한편 계통의 전압 및 주파수를 안정화한다.
계통주파수(FG)는 유효전력의 흡수 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
전력관리장치(130)는, 계통주파수(FG)가 상승할 때 전력변환장치(110)가 계통이 수용하지 못하는 유효전력을 수전해장치(120)에 전달하여 수소로 변환하도록 지시한다. 또한, 전력관리장치(130)는 계통주파수(FG)가 하강할 때는 전력변환장치(110)의 운전 유효전력을 0까지 지속적으로 감소하여 계통 사고의 위험을 회피한다.
또한, 수전단전압(VE)이 상승할 때 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)가 무효전력을 흡수하도록 제어하고, 수전단전압(VE)이 하강할 때 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)가 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전단전압(VE)을 지정된 범위로 유지하도록 동작함으로써 수전해장치(120)로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단할 수 있다.
전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR)이 인근 계통의 수용량(PG_MAX)보다 높은 경우, 재생에너지원(10)의 출력전력(PR)과 수전단전압(VE)을 기준으로 하여 전력변환장치(110)가 흡수할 유효전력지령치(PE*(t))을 지정해 전력변환장치(110)에 지령하고, 전력변환장치(110)는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력을 흡수하여 운전하는 한편, 수전단전압(VE) 및 계통주파수(FG)를 안정화할 수 있다.
전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 재생에너지원(10)의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높은 경우, 현재 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))과 운전기준점전력(P0)의 차이에 일정한 계수(α, 여기에서, α는 1보다 작은 양의 실수값임)를 곱한 값으로 유효전력지령치(PW*(t))를 계산하고, 계산된 유효전력지령치(PW*(t))를 이용하여 전력변환장치(110)를 제어할 수 있다.
또한, 전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 재생에너지원(10)의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높지 않으면서, 출력상승에 의해 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 계통전압(VG(t)) 및 계통전류(IG(t))의 곱으로 나타나는 계통의 전력요구량(PG)보다 높은 경우(IR(t)>IP(t)),
Figure 112020041258376-pat00003
(여기에서, β는 소정의 값)에 의하여 유효전력지령치(PW*(t))를 계산할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(110)는 전력관리장치(130)의 제어에 따라 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력을 흡수하여 운전하는 한편, 계통의 전압(VE(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 안정화한다.
전력관리장치(130)는, 수전단전압(VE(t))이 기준치 대비 일정 범위 이상 차이를 보일 때, 재생에너지원(10)의 출력전력(PR), 재생에너지원(10)의 출력전류(IR), 재생에너지원(10)의 출력전압(VR) 및 계통전압(VG)과 계통전류(IG)의 위상차(ΘG)을 기준으로 하여 계통, 즉, 수전단(계통연계점 A)에 주입하거나 흡수할 무효전력지령치(QE*(t))을 계산하고, 계산된 무효전력지령치(QE*(t))에 따라 전력변환장치(110)에 지령할 수 있다. 이에 따라, 전력변환장치(110)는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 수전단에서의 무효전력을 흡수하여 수전해장치(120)의 수전단전압(VE(t))을 안정화하고, 그에 따라 계통전압(VG(t))을 안정화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환 3상 PWM방식 전력변환장치(110)의 회로도 예시를 나타내는 도면이다.
전력변환장치(110)는 필터부(410), 스위칭부(420), DC-Link부(430)를 포함할 수 있다. 필터부(410)는 스위칭 동작에 의해 교류계통(30)에 전달되는 반사파를 억제하는 역할을 한다. 스위칭부(420)는 전력관리장치(130)가 전달하는 수전단전압지령치(VE*(t)), 수전단전류지령치(IE*(t)) 및 스위칭 패턴에 따라 교류를 직류로 변환하고 수전해장치(120)가 요구하는 전압 및 전류를 출력한다. DC-Link부(430)는 스위칭 동작 중 일시적으로 변동되는 DC전압을 안정화한다.
필터부(410), DC-Link부(430)는 커패시터와 리액터 등 수동 소자로 구성되어 있으며, 전력관리장치(130)가 지시하는 스위칭 패턴에 따른 전력 조정의 기능은 스위칭부(420)의 동작에 의해 실현된다.
다시 도 3을 참조하면, 수전해장치(120)는 수전해 스택과 직류전력 컨버터, 수분 분리기 등 보조장치(도시되지 않음)가 포함된 것으로, 수전해 스택은 알칼리방식이나 양이온전해질막(PEM), 음이온전해질막(AEM), 고체산화물전해질(SOE)방식 등이 적용될 수 있으며, 필요한 물이나 열의 공급장치는 여기에 도시하지 않았으나 포함되어 있는 것으로 간주한다.
수소저장장치(140)는 수전해장치(120)로부터 발생하는 수소를 저장하기 위한 장치로 기체압축방식(CG), 유기용해방식(LOHC), 고체저장방식, 액화방식 등이 적용될 수 있으며, 장치의 용량 증대를 위해 압축기 등 별도의 장치가 포함될 수 있다.
전력관리장치(130)는 전력변환장치(110) 및 수전해장치(120)와 상호 통신하여 전력변환장치(110) 및 수전해장치(120)의 운전을 제어한다. 또한, 전력관리장치(130)는 수소저장장치(140)로부터 현재 수소 저장량 등의 정보를 신호로서 수신하는 한편 모니터링 장치(150)가 전송하는 수전해 시스템(100)의 계통연계점 A에서 측정한 수전단전압(VE) 및 계통주파수(FG)를 수신하여 전력변환장치(110)가 잉여전력 흡수 또는 무효전력 보상운전을 할지 여부를 결정한다.
또한, 모니터링 장치(150)는 필요에 따라서 인근의 재생에너지원(10)과 통신하여 재생에너지원(10)의 출력전력(PR), 출력 전압값(VR) 및 전류값(IR)을 전달받아 전력관리장치(130)에 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소발전장치(160) 및 전력저장장치(170)가 추가 구비된 수전해 시스템(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 수전해 시스템(100)은 도 3의 수전해 시스템(100)과 비교할 때, 수소저장장치(140)의 수소를 활용하여 발전하고, 그 발전전력을 계통에 반환하는 수소발전장치(160)를 더 포함할 수 있다. 도 3의 구조와 동일한 부분에 대해서 동일한 동작은 도 3에서의 설명을 참조한다.
수소발전장치(160)는 연료전지가 사용될 수 있으며, 그 외에도 수소 터빈 등 내/외연기관도 적용될 수 있다. 여기에서, 수소발전장치(160)로서 연료전지를 채용할 수 있다.
수소발전장치(160) 내부에 포함되는 인버터(162)는 전력변환장치(110)와 동일하게, 전력관리장치(130)는 수전단전압(VE)의 변동시 일반부하 연계점(B)에 대하여 인버터(162)가 유효전력을 주입하거나 무효전력을 주입하거나 무효전력을 흡수하여 수전해장치(120)가 수전하는 전압을 일정하게 유지하도록 제어할 수 있다. 여기에서, 일반부하 연계점(B)은, 수소발전장치(160)가 계통(30)과 연계되는 지점으로, 수소발전장치(160)의 유효전력의 주입, 무효전력의 흡수 또는 무효전력의 주입을 통해 계통전력에 영향을 주는 지점을 나타낸다.
더 나아가 수소발전장치(160)는 저장된 수소가 충분할 경우, 계통사고상황을 인지하고 발전하여 인접부하(20)에 전력을 공급하는 독립운전기능을 갖도록 제작될 수 있다.
또한, 수전해 시스템(100) 및 내부 구성요소가 계통 외란에도 안정적으로 동작할 수 있도록 전력변환장치(110)와 수전해장치(120) 사이에 전력저장장치(170)가 포함될 수 있다. 전력저장장치(170)는 수전해장치(120)가 연계된 재생에너지원(10)의 출력변동에 의해 영향받지 않도록 하며, 계통사고가 발생할 때에도 전력변환장치(110) 또는 수전해장치(120)가 운전될 수 있는 최소 전력을 공급하는 역할을 한다. 전력변환장치(110)는 배터리, 슈퍼커패시터 등 전기화학적 저장장치이거나 플라이휠 등 기계적 저장장치 등 방식에 구애받지 않고 설치할 수 있다. 전력저장장치(170)는 수전해장치(120)의 운전중 계통사고 발생 등 수전해 시스템(100)에 전력공급이 불가능할 때 전력관리장치(130)의 제어에 따라 수전해 시스템(100)을 안정적으로 종료할 수 있다.
수소발전장치(160) 또는 전력저장장치(170)가 포함되는 경우, 전력관리장치(130)는 수소발전장치(160)의 운전상태 및 전력저장장치(170)의 전력저장량 등 현황 정보를 수신하며, 수소발전장치(160)의 출력에 기인한 유효전력과 인버터(162)를 통한 무효전력의 발생량을 지시하고, 제어할 수 있다.
전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 급격히 감소하거나 부하가 증가하는 시점에 수소발전장치(160)가 계통으로 유효전력을 출력하도록 제어할 수 있다.
전력관리장치(130)는, 수전단전압(VE) 및 계통주파수(FG)가 소정의 기준치보다 낮아지는 경우 재생에너지 정보 및 계통의 정보를 수집하여 수소발전장치(160)에 출력할 유효전력지령치(PF*(t)) 및 무효전력지령치(QF*(t))를 계산하고, 유효전력지령치(PF*(t)) 및 무효전력지령치(QF*(t))에 따라 수소발전장치(160)가 운전하도록 지령하고, 수소발전장치(160)는 운전 과정에서 인버터(162) 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력 및 무효전력을 계통에 주입하여 계통의 전압 및 주파수를 안정화할 수 있다.
전력관리장치(130)는 수전해 시스템(100)의 무효전력지령치(Q*(t))를 전력변환장치(110) 및 수소발전장치(160)가 분담하도록 제어하고, 전력관리장치(130)는 무효전력을 배분할 때, 전력변환장치(110)의 용량(QE_Max)와 인버터(162)의 용량(QF_Max) 비율에 따르거나, 유효전력 운전을 하지 않는 쪽을 우선하도록 배분할 수 있다.
도 6a는 재생에너지원(10)과 교류계통(30) 사이에 수전해 시스템(100)이 연계된 계통상황을 나타낸 도면이다. 도 6b는 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)과 일반부하 연계점(B)의 전압(VP) 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6c는 수전해 시스템(100)이 수전하는 수전단전압(VE)과 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)과의 관계를 나타내는 벡터도면이다.
이때, 수전해 시스템(100)은 별도의 운전을 하지 않는 것으로 가정한다. 재생에너지원(10)이 연결되는 송전선(L)은 재생에너지원(10)에서 수전해 시스템(100) 사이의 제1 송전선(L1) 및 수전해 시스템(100)과 일반부하 연계점(B) 사이의 제2 송전선(L2)을 포함하는 것으로 가정한다.
재생에너지원(10)이 연결되는 송전선(L)의 전압변동(ΔVL)에는 송전선(L) 저항성분(RL)에 의한 전압강하(ΔVLR)와 송전선(L) 인덕턴스(XL)에 의한 전압변동(ΔVLX)이 나타난다. 송전 전압이 매우 크고 송전선의 저항값이 작으므로 송전선에 의한 유효전압 강하는 매우 작다. 따라서 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)과 일반부하 연계점(B)의 전압(VP) 사이에는 아래 식과 같은 관계가 성립하며, 이를 도 6b에 백터도면으로 도시하였다. 이를 식으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112020041258376-pat00004
Figure 112020041258376-pat00005
Figure 112020041258376-pat00006
알려진 바와 같이, 연계된 계통 전체의 전류위상이 동일하다고 할 때, 전압 및 전력은 유효성분과 무효성분이 서로 90도의 위상각 차이를 가지는 백터합으로 정의할 수 있으며, 이를 복소평면에 나타낼 수 있다. 이때, 유효성분을 실수부에, 무효성분을 허수부에 나타내며, 수식에서 i가 붙은 항목은 무효전력에 관련된 항목이다. 실제 측정값은 제곱평균(Root Mean Square)으로 나타나므로, 유효전력분이 동일하다고 할 때, 무효성분이 존재하는 쪽이 더 크게 나타난다.
일반부하 연계점(B)의 전압(VP)은 계통연계조건에 의해 일정 범위 내에서 고정되므로, 일반적으로 재생에너지원(10)의 출력전력(PG)이 증가할 때 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)보다는 계통(30)에 흐르는 전류(IL)가 비례하여 증가해야 한다. 그러나 계통전류(IL)가 증가하면 송전선 전압강하(ΔVL)도 증가하며, 계통(30)에 전력을 주입하기 위한 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)은 일반부하 연계점(B) 전압(VP)보다 높음(VR>VP)이 자명하다.
또한, 재생에너지원(10)의 출력전력(PR)은 계통 연계 시점에서 변전소(30)의 출력전압(VG)과 위상이 동등해야 하고, 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)의 위상은 송전선 전압변동(VL)을 반영하여야 하므로, 재생에너지원(10)의 유효 출력이 실제 출력보다 낮아지게 된다.
상기 서술을 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020041258376-pat00007
Figure 112020041258376-pat00008
재생에너지원(10)과 부하연계지점(B) 사이에 있는 수전해장치(120)는 송전선(L1)에 의한 전압강하량(VL1)이 부하연계지점(B) 에서의 전압강하량(VL= VL1+ VL2)보다 작게 나타나야 하므로, 수전해장치(120)가 수전하는 수전단전압(VE)은 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)보다 높아야 한다.
상기 설명에 대한 관계식은 아래와 같으며, 도 6c에 백터 도면으로 나타내었다. 이를 식으로 나타내는 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112020041258376-pat00009
Figure 112020041258376-pat00010
Figure 112020041258376-pat00011
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d 및 도 7e는 도 6a, 도 6b 및 도 6c와 유사한 상황에서 수전해 시스템(100)이 운전하는 상황을 나타낸 도면이다.
수전해장치(120)가 수전하는 수전단전압(VE)은 일반적인 수전해장치(120)의 정격전압보다 높은 상태이므로, 대부분의 전력변환장치(110)는 수전해장치(120)에 높은 전압을 인가하게 된다. 도 7b는 도 7a의 상태의 전력관계를 나타내고, 도 7c는 도 7a의 상태의 전압의 상관계를 나타낸다.
더 상세하게 나타내자면, 수전해장치(120)는 통상적인 교류계통 전력(국내의 경우 3상 380V)을 정류한 직류전력을 공급받는 상태를 전제하여 제작되며, 기존에 사용되는 정류장치(도시되지 않음)는 무효전력분(QL)에 관계없이 유효전력분(PW)만 전달하도록 운전된다. 그렇기 때문에, 재생에너지원(10)의 출력 전압(VR)은 선간 전압변동을 포함한 무효분(VLQ)을 포함해야 한다.
도 7c의 선로 전압(VL)은 선로의 저항성분에 대한 전압(VLR)과 리액턴스에 의한 전압(VLQ)으로 나눌 수 있다. 이를 식으로 나타내면 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020041258376-pat00012
Figure 112020041258376-pat00013
발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(110)는 수전해장치(120)에 인가되는 유효전력(PE)을 최대화하면서 재생에너지원(10)의 출력전압(VR)과 계통전압(VP)의 위상을 유지할 수 있도록 무효전력 성분(QE)을 주입할 수 있다. 여기에서, 무효전력 성분(QE)은 전력변환장치(110)가 주입하는 무효전력 성분이다.
또한, 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(110)는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR)이 배전망을 통해 부하(20) 및 계통(30)에 전달되는 동안 발생하는 무효전력(QL)을 흡수 상쇄할 수 있다. 이때 수전해 시스템(100)의 전력변환장치(110)의 무효전력분(QE)은 전력변환장치(110)가 발생시키는 무효성분 전압(VQ)와 수전해 전류(IE)의 곱이자 전류(IE)의 제곱에서 가공 임피던스(XE)를 나눈 값으로 나타낼 수 있으며, 아래 수학식 5과 같이 전력변환장치(110)의 무효전력 흡수에 의한 전압강하를 도출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020041258376-pat00014
Figure 112020041258376-pat00015
Figure 112020041258376-pat00016
Figure 112020041258376-pat00017
Figure 112020041258376-pat00018
전술한 바와 같이, 전압(VQ)은 전력변환장치(110)의 무효전력 보정에 의한 전압변동이고, 임피던스(XL)는 송전선(L)의 임피던스를 나타내고, 임피던스(XE)는 전력변환장치에서 송전선 L에 의한 무효전력 상쇄를 위해 발생시키는 가공 임피던스이다.
도 7d는 전력변환장치(110)의 무효전력 보정 후의 전력관계를 나타내는 도면이고, 도 7e는 전력변환장치(110)의 무효전력 보정 후의 전압관계를 나타내는 도면이다.
도 7e에서, 전압(VP')은 전력변환장치(110)의 무효전력 보정 후의 일반부하 연계점 B의 전압을 나타내고, 수전단전압(VE')는 전력변환장치(110)의 무효전력 보정 후의 수전해 시스템(100)의 수전단전압을 나타내고, 전압(VR')는 전력변환장치(110)의 무효전력 보정 후의 재생에너지원(10)의 출력전압을 나타낸다.
한편, 수전해장치(120)가 운전중인 상태에서 재생에너지원(10)의 출력이 급감하게 되는 경우, 수전해 시스템(100)은 운전을 유지하기 위해 계통(30)으로부터 수전단전압(VE)을 공급받아야 한다. 이와 같이, 수전해 시스템(100)은 운전을 유지하기 위해 계통(30)으로부터 수전단전압(VE)을 공급받아야 하는 경우에 대하여, 도 8a, 도 8b 및 도 8c를 참조하여 설명한다.
도 8a는 수전해 시스템(100)이 계통으로부터 수전받는 상황을 나타내는 도면이고, 도 8b는 무효전력의 흡수를 통해 수전해장치(120)로 전달하는 유효전력을 유지하는 상황의 전력관계를 나타내는 도면이고, 도 8c는 전압의 상태를 나타내는 도면이다.
이때 계통(30)으로부터 전달되는 계통연계점 A의 수전단전압(VE)은 지점 B의 일반부하 연계점 전압(VP)에 비해 낮아지게 된다. 이 과정은 다음과 같이 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020041258376-pat00019
Figure 112020041258376-pat00020
여기에서, 전압(ΔVL2R)은 송전선(L2)의 저항성분에 의한 전압강하를 나타내고, 전압(ΔVL2X)은 송전선(L2)의 임피던스성분에 의한 전압강하를 나타낸다. 도 8a에서 도시한 송전선 전압강하(ΔVL2)는 전압(ΔVL2R) 및 전압(ΔVL2X)에 대한 전압강하의 합이다.
전력관리장치(130)는 모니터링 장치(150)가 수전단전압(VE)의 강하를 감지하면, 전력변환장치(110)는 전력관리장치(130)로부터의 지시에 따라 무효전력(QE')을 흡수시켜 계통송전에 의한 전압강하를 상쇄하도록 운전할 수 있다. 도 8b는 전력변환장치(110)가 무효전력(QE')을 흡수시켜 계통송전에 의한 전압강하를 상쇄하도록 운전하는 경우의 전력 상태를 나타내는 도면이고, 이는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020041258376-pat00021
Figure 112020041258376-pat00022
Figure 112020041258376-pat00023
여기에서, 임피던스(XE2)는 계통(30)으로부터의 수전상황에서 무효전력 흡수를 위해 전력변환장치(110)에서 발생하는 가공 임피던스이며, 무효전력(QE'(t))은 가공 임피던스 및 전류에 의해 전력변환장치(110)가 흡수하는 무효전력을 나타낸다.
도 8c에서, 전압(VP)는 배전망의 전압으로 일반부하 연계점(B)의 전압이고, 전압(Vw)은 수전해 시스템(100)에 입력되는 교류전압의 유효성분을 나타낸다. 전압(VW)는 일반부하 연계점 B의 전압(VP)과 선간전압강하(VL2)와 무효분 보상전압(VQ')의 합으로 나타낼 수 있다. 결과적으로 계통과 수전해 시스템(100)의 전압차(ΔVLR2)는 저항성분만을 포함하는 작은 값으로 나타난다.
본 실시예에서는 재생에너지원(10)과 수전해장치(120), 일반부하 연계점(B) 사이에 추가적인 발전원이나 부하가 없으며, 송전선(L)에 의한 전압강하가 충분히 큰 상황을 가정하고 있으나, 실제로 송전선(L)에 의한 전압강하보다 인근의 부하의 동작여부에 의한 전압변동 요소의 비중이 더 크다. 실시예에 따라서는 인근에 이어진 부하 또는 다른 발전원에 의한 전압 변동이 발생할 수 있으며, 전압의 상승 및 하강에 따라 무효전력의 발생 및 흡수를 통해 수전해장치(120)가 사용해야 할 직류전압을 일정 범위 내로 유지할 수 있다.
도 9a는 도 5에 도시된 바와 같이 수전해 시스템(100)에 수소발전장치(160)가 추가되는 경우의 송전선(L)의 상황을 나타내는 도면이고, 도 9b는 도 9a의 상황에서 무효전력 및 유효전력의 변화를 나타내는 도면이고, 도 9c는 도 9a의 상황에서 전압 및 전류의 변화를 나타내는 도면이다. 도 9d는 수소발전장치(160)의 유효전력이 최대치일 때 전력변환장치(110)에서 무효전력(QE"(t))운전을 수행하는 경우 무효전력 및 유효전력의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9a와 같이 수전해 시스템(100)에 수소발전장치(160)가 추가되는 경우, 수소발전장치(160)의 출력은 계통에 전달된다.
이때 수소발전장치(160)의 출력 전류를 전류(IF1), 수전해 시스템(100) 연계지점(A)의 전압을 제1 수전단전압(VE1)이라고 가정하자. 계통(30)에서 인출하는 전류가 전류(IF2)로 증가하게 되면 송전선(L2)에서 발생하는 전압강하량도 증가(ΔVL2 → ΔVL2')하므로 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)도 전압(VP')으로 변화할 때 전압(VP')이 기준치에 미달할 수 있다(VP' = VE1 - 2ΔVL2' < VP).
이때 수전해 시스템(100)의 전력변환장치(110) 또는 수소발전장치(160)의 인버터(162)는 증가하는 전압 강하를 반영하여 무효전력을 발생시켜 동작한다.
도 9b에서 유효전력(PF)은 수소발전장치(160)의 인버터(162)가 계통에 공급하는 유효전력을 나타내고, 무효전력(QF)은 수소발전장치(160)의 인버터(162)가 계통에 공급하는 무효전력을 나타낸다. 도 9b의 좌측 도면은 수소발전장치(160)의 동작 전의 유효전력과 무효전력의 관계를 나타내고, 도 9b의 우측 도면은 수소발전장치(160)의 동작 후의 유효전력과 무효전력의 관계를 나타낸다.
도 9c에 도시한 바와 같이 수소발전장치(160)의 인버터(162)의 무효전력운전에 의해 수전해 시스템(100) 연계지점(A)의 제1 수전단전압(VE1)은 제2 수전단전압(VE2)으로 증가하여 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)을 출력 전류(IF, 본 실시예에서는 선간 전류 IL과 같다.) 상승 이전과 동일하게 유지할 수 있다.
도 9c의 상부 도면은 수소발전장치(160)의 인버터(162)의 무효전력운전 전의 전압관계를 나타내는 도면이고, 도 9c의 하부 도면은 수소발전장치(160)의 인버터(162)의 무효전력운전 후의 전압관계를 나타내는 도면이다. 도 9c에서, 제1 수전단전압(VE1)은 수소발전장치(160)의 인버터(162)의 무효전력운전 전의 일반부하 연계지점(B)의 전압이고, 제2 수전단전압(VE2)은 수소발전장치(160)의 인버터(162)의 무효전력운전 후의 일반부하 연계지점(B)의 전압을 나타낸다.
이때, 전력관리장치(130)의 제어에 따라 수소발전장치(160)의 인버터는 무효전력을 배분할 수 있다.
수소발전장치(160)의 인버터(162)는 아래 도 9c와 같이 인버터(162)가 출력하는 전류(I1)에 상응하는 유효전력(PF1)과 무효전력(QF1=0)을 통해 출력(P1, 여기에서, P1=PF1+QF1)을 내고 있다.
수소발전장치(160)의 인버터(162)가 인출하는 전류(IF1)가 발전 출력 증가에 따라(IF2)로 증가할 때, 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)을 유지하기 위한 무효전력도 증가해야 한다. 총 출력(P2)은 P2=QF2+PF2로 나타내고, 총 출력(P2)은 수소발전장치(160)를 기준으로 설계될 인버터(162)의 용량(호의 반지름)을 초과하는 것은 불가능하다. 여기에서, 증가된 전류(I2)에 상응하는 유효전력은 유효전력(PF2)으로 나타내고, 전류(I2)에 상응하는 무효전력은 무효전력(QF2)으로 나타낸다.
이와 같이, 수소발전장치(160)의 인버터(162)가 인출하는 전류(IF1)가 발전 출력 증가에 따라(IF2)로 증가할 때, 일반부하 연계점(B)의 전압(VP)을 유지하기 위한 무효전력도 증가하도록 하기 위하여, 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)가 무효전력(QE")을 계통에 주입하도록 운전하도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 수전해 시스템(100)의 수소발전장치(160)가 필요 최대의 유효전력 출력(P2')을 내는 것이 가능하다. 이때 계통에 주입되는 출력은 인버터(162)의 출력(PF, QF)에 전력변환장치(110)가 주입하는 무효전력(QE")을 합한 값이 된다. 도 9d는 전력관리장치(130)의 제어에 따라, 전력변환장치(110)가 무효전력을 계통에 주입하는 경우의 유효전력과 무효전력의 관계를 도시한다.
도 10은 전력관리장치(130)에 의한 수전해 시스템(100)의 운전 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
수전해 시스템(100)은 별도의 통신망을 통해 또는 직접 계통(30)으로부터 계통(30) 관련 데이터를 수신한다(1010). 계통(30) 관련 데이터는 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t)), 재생에너지원(10)의 출력전류(IR(t)), 계통(30)의 전압(VG(t)), 계통(30)의 전류(IR(t)), 계통주파수(FG(t)), 위상각차(ΘG(t))를 포함할 수 있다.
또한, 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)의 운전에 이용되는 시스템 운전 관련 데이터(모니터링 장치(150)와 계통(30)의 연계지점 A에서 측정되는 수전단전압(VE(t)), 계통연계지점 A에서 측정되는 수전단전류 IE(t), 유효전력 PW(t), 무효전력 QE(t) 등), 수전해장치(120)(수소생산량 HV, 수소압력 HP 등), 수소저장장치(140)(저장압력 Sp 등)에서 시스템(100)의 운전 관련 데이터를 수집한다(1020).
이를 위해, 전술한 바와 같이, 모니터링 장치(150)는 연계지점(A) 또는 그 외 용이한 지점에 설치되어 계측된 계통정보, 즉, 계통주파수(FG)와 수전단전압(VE), 수전단전류(IE) 등을 수신할 수 있다. 모니터링 장치(150)는 일정시간 단위로 데이터를 수집하여 전력관리장치(130)에 전달하고, 전력관리장치(130)는 계통정보, 재생에너지정보 및 전력변환장치(110)의 운전데이터 및 수소저장장치(140)의 운전데이터에 기초하여 유효전력을 조정할 수 있다(1030).
또한, 전력관리장치(130)는 무효전력을 조정할 수 있다(1040).
이를 위하여, 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)에 대한 수전단전압지령치(VE*(t)), 수전단전류지령치(IE*(t)) 및 위상지령치(ΘE*(t))를 계산하여 전달할 수 있다(1050). 수전해 시스템(100)에 수소발전장치(160)가 추가된 경우에는 전력변환장치(110)뿐만 아니라 수소발전장치(160)의 인버터(162)에 대한 전압지령치(VF*(t)), 전류지령치(IF*(t)) 및 위상지령치(ΘF*(t))를 계산하여 전달할 수 있다.
도 11은 도 10에서 수전해 시스템(100)이 유효전력을 조정하는 과정을 상세하게 나타내는 순서도이다.
전력관리장치(130)는 재생에너지 출력패턴에 기반한 수전해 시스템(100)의 운전기준점(P0), 계통요소 및 계통연계기준에 근거한 고전압 및 저전압 기준(VG_High, VG_Low), 위상각의 상한 및 하한(ΘG_High, ΘG_Low), 수전해장치(120)의 운전전력(PE0), 수소의 저장 및 발전을 기준하는 압력(HP_High, HP_Low)은 운전 시점에 지정되어 전력관리장치(130) 내부에 저장되는 값으로 정의한다(1110).
여기에서, VG(t)는 계통(30)의 실제 전압이고, IG(t)는 계통(30)의 실제 전류이고, FG(t)는 계통주파수이고, PE(t)는 전력변환장치(110)의 유효전력출력이고, PF(t)는 수소발전장치(160)의 유효전력출력이고, IR(t)는 재생에너지원(10)의 출력전류이고, VE(t)는 연계지점(A)에서 측정되는 전압이면서 전력변환장치(110)로 인가되는 전압이고, IE(t)는 연계지점(A)에서 전력변환장치(110)로 인가되는 전류이다.
다음의 수학식 8은 전력변환장치(110)가 각 조건(1112, 1130, 1116, 1146)의 조건에 따라 유효전력지령치(PW*(t))를 계산하는 방법을 나타낸다. 단계 1112 및 단계 1130은 계통주파수(FG(t))가 정상범위 이상인 경우로, 단계 1112 및 단계 1130은 각각 계통주파수(FG(t))를 계통주파수(FG(t))에 대한 별도의 임계치를 비교하는 방식으로 대체될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020041258376-pat00024
Figure 112020041258376-pat00025
Figure 112020041258376-pat00026
Figure 112020041258376-pat00027
수전해장치(120)와 전력변환장치(110)의 운전은 외부에서 직접 지시하지 않는 한, 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 재생에너지원(10)의 소정의 운전기준점전력(P0)보다 높은 경우로 정의할 수 있다(PR(t) > P0)(1112). 이때의 운전기준점전력(P0)은 재생에너지원(10)의 평균출력, 연계되는 송전선의 용량, 재생에너지 발전사업자 또는 송배전사업자와의 계약에 의해 지정되는 소정의 값이다.
전력변환장치(110)는 수학식 8의
Figure 112020041258376-pat00028
에 의하여 유효전력지령치(PW*(t))를 계산할 수 있다(1114). 여기에서, α는 1보다 작은 양의 실수값으로, 연계된 재생에너지원(10)의 발전패턴에 의해 지정되는 소정의 값이다. 즉, 수전해장치(120)의 유효전력지령치(PW*(t))는 현재 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))과 운전기준점전력(P0)의 차이에 일정한 계수(α)를 곱한 값으로 정의할 수 있으며, 인근 부하 분포 등 필요에 따른 보정항이 포함될 수 있다.
또한, 재생에너지원(10)의 출력전력(PG(t))이 재생에너지원(10)의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높지 않으면서(1112), 출력상승에 의해 재생에너지원(10)의 출력전력(PR(t))이 계통전압(VG) 및 계통전류(IG)의 곱으로 나타나는 계통의 전력요구량(PG)보다 높은 경우(IR(t)>IP(t))(1130), 역조류에 의한 전압상승 및 주파수의 상승을 발생시키는 원인이 되므로 수전해 시스템(100)이 동작할 수 있다. 이 경우, 전력변환장치(110)는 수학식 8의
Figure 112020041258376-pat00029
에 의하여 유효전력지령치(PW*(t))를 계산할 수 있다(1132). 여기에서, β는 연계 계통의 용량과 수전해 시스템(100)의 용량의 비교 및 사업자 협의를 통해 결정되는 소정의 값이다.
또한, 현재 전력변환장치(110) 출력(PE)이 정격 운전전력(PE0) 이상인 경우(PE ≥ PE0)(1116), 유효전력지령치(PW*(t))를 갱신하지 않고
Figure 112020041258376-pat00030
에 따라 유지한다(1134). 또한, 저장된 수소의 압력(HP)이 충분히 높으면(Hp ≥ Hp_High)(1118), 유효전력지령치(PW*(t))를 0으로 결정한다(PW*(t)=0)(1120).
이때 전력변환장치(110)의 출력(PE(t))은 수전해장치(120)의 입력전력(유효전력)과 이전 단계에서 지령된 무효전력의 백터합으로 정의할 수 있다(PE(t)=PW(t)+QE(t-1)).
수소발전장치(160)가 존재하는 경우(조건 K)(1140), 재생에너지원(10)의 유효전력(PR(t))이 계통 발전 최소 전력(PL)(여기에서 PL은 재생에너지 발전사업자, 계통운영자와의 협의에 의해 결정된 소정의 값이다.)보다 작으면(PR(t)<PL)(1142), 전력관리장치(130)는 단계 1144(
Figure 112020041258376-pat00031
에 의하여 수소발전장치(160)가 발전할 유효전력지령치(PF*(t))를 계산할 수 있다(1144).
수소발전장치(160)가 존재하는 경우(도 11에서 조건 K를 만족하는 경우)(1140), 저장된 수소의 압력(HP)이 최저 압력(HP_Low)보다 높은 경우에는 단계 1144(
Figure 112020041258376-pat00032
에서 계산한 유효전력지령치(PF*(t))를 이용하고(1150), 저장된 수소의 압력(HP)이 최저 압력(HP_Low)보다 낮은 경우에는, 유효전력지령치(PF*(t))를 0으로 한다(1148).
[수학식 9]
Figure 112020041258376-pat00033
Figure 112020041258376-pat00034
여기에서, a는 소정의 계수로서, 배전망 운영자와 사전에 정의된 소정의 배수를 나타낸다.
도 10에서, 유효전력을 조정하는 단계(1030)가 종료되면, 무효전력 조정 단계로 진행한다(1040).
도 12는 도 10에서 수전해 시스템(100)이 무효전력을 조정하는 과정을 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 전력관리장치(130)는 수전단전압(VE(t))과 계통전압의 기준값(VG_High)을 비교한다(1210).
수전해장치(120) 운전시 수전단전압(VE(t))이 계통전압의 기준값(VG_High, 계통 정격과 양의 편차가 소정의 수준인 값(일반적으로 정격 대비 10%인 경우를 말한다)보다 높을 때(VE(t)>VG _High)(1210) 무효 전력의 흡수가 필요하며, 전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전류(IR), 계통전류(IG) 및 위상각차(ΘG(t))를 수집하고 이전 단계에서 도출한 유효전력지령치(PW*(t), PF*(t))를 확인한 후(1214), 이를 참고하여 전력변환장치(110)에 주입 또는 흡수할 무효전력지령치(QE*(t))를 지정한다(1216). 전력관리장치(130)는 무효전력지령치(QE*(t))와 함께 운전전류지령치(IQ*(t))를 지정할 수도 있다.
전력변환장치(110)와 인버터(162)에서 유효전력(Pw, PF)과 무효전력(QE,QF)의 총합은 각 장치(110, 162)의 용량을 상회할 수 없다. 이에 따라 무효전력의 지령을 도출할 때에는 기존해 도출한 유효전력지령치(PW*(t), PF*(t))를 기반으로 총 수전/발전용량이 각 장치의 용량을 초과하지 않도록 한다.
동작 1216에서, Q*(t)는 수학식 Q*(t)=F(PR, IG, θG, VG)로 계산할 수 있다. Q*(t)는 수전해 시스템(100)이 내는 무효전력지령치(목표치)로서, 전력변환장치(110)의 무효전력(Q_E*(t))과 연료전지 인버터(162)의 무효전력(Q_F*(t))의 합으로 정의한다.
전력변환장치(110)의 수전단전압(VE)이 기준전압값(VE _Low, 계통 정격과 음의 편차가 소정의 수준인 값으로 일반적으로 정격 대비 10%인 경우를 말한다)보다 낮을 때(VE<VE _Low)(1212), 무효 전력의 발생을 통한 보완이 필요하다. 전력관리장치(130)는 재생에너지원(10)의 출력전류(IR), 계통전류(IG) 및 위상각차(ΘG(t))를 수집하고(1214), 이를 참고하여 전력변환장치(110)에 주입 또는 흡수할 무효전력지령치(QE*(t))와 운전전류지령치(IQ*(t))를 계산한다(1216).
수전해장치(120)가 운전하지 않을 경우라도, 계통전압을 기준으로 비교하여(VG > VG_High or VG < VG_Low) 무효전력운전을 지시할 수 있으며, 이 때의 출력은 연계된 인근계통구성을 감안하여 보정될 수 있다.
상기 과정을 통하여 도출된 유효전력지령치(PE*(t)), 무효전력지령치(QE*(t)), 수전단전압지령치(VE*(t)) 및 수전단전류지령치(IE*(t))를 수신한 전력변환장치(110)는 유효전력지령치(PE*(t)), 무효전력지령치(QE*(t)), 수전단전압지령치(VE*(t)) 및 수전단전류지령치(IE*(t))를 준수할 수 있도록 내부의 스위칭 소자에 On/Off 패턴을 전달하고, 스위칭소자의 동작에 의해 무효전력 및 유효전력을 조정할 수 있도록 한다. 상기의 과정을 일정 주기(Δt) 마다 수행한다.
수소발전장치(160)가 존재하는 경우[이하 조건 K라 한다](1218), 그리고 수소발전장치 인버터(162)의 유효전력(PF(t))이 0보다 큰 경우(PF(t)>0)(1220), 전력관리장치(130)는 운전할 무효전력지령치(Q*(t))를 전력변환장치(110)에 우선 배분하여 무효전력지령치(QE *(t))를 수학식 QE *(t)=Min(Q*(t), QE_Max)로 계산하고, 인버터(162)의 무효전력지령치(QF *(t))를 수학식 QF *(t)=Q*(t)-QF *(t)로 계산할 수 있다(1222). 여기에서, QE_Max는 전력변환장치(110)의 용량(QE_Max)을 나타낸다.
수소발전장치(160)가 존재하는 경우[이하 조건 K라 한다](1218), 그리고 수소발전장치(160)의 유효전력(PF(t))이 0인 경우(PF(t)=0)(1220), 전력관리장치(130)는 운전할 무효전력지령치(Q*(t))를 인버터(162)에 우선 배분하여 무효전력지령치(QF *(t))를 수학식 QF *(t)=Min(Q*(t), QF_Max)로 계산하고, 전력변환장치(110)의 무효전력지령치(QE *(t))를 수학식 QE *(t)=Q*(t)-QE *(t)로 계산할 수 있다(1222). 여기에서 QF_Max는 인버터(162)의 용량(QF_Max)을 나타낸다.
수소발전장치(160)가 존재하지 않는 경우(1218), 시스템(100)의 무효전력 운전량(Q(t))는 전력변환장치(110)의 무효전력으로 나타나야 하므로 시스템(100)의 전체 무효전력지령치(Q*(t))는 전력변환장치(110)의 무효전력지령치(QE*(t))와 같으며 수학식(QE*(t)=Q*(t))로 결정할 수 있다(1226).
참고로, 도 12는 무효전력 운전에 대해서면 도시되어 있으며, 유효전력 운전과 무효전력 운전은 총량을 공유하는 관계일 뿐이며, 수전해장치(120)는 유효전력 운전과 무효전력 운전을 별도로 수행할 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12에서 도시된 절차를 거쳐 도출한 지령치를 전력변환장치(110) 및 수소발전장치(160)에 전달하여 수전해 시스템(100)의 동작을 상세하게 나타내는 순서도이다.
수소발전장치(160)가 존재하는 경우(조건 K)(1310), 전력관리장치(130)는 무효전력 조정 단계에서 주입할 무효전력지령치(Q*(t))를 전력변환장치(110) 및 수소발전장치(160) 내 인버터(162)가 분담하도록 제어할 수 있다. 추가적으로, 전력관리장치(130)는 운전전류지령치(IQ*(t))도 전력변환장치(110) 및 수소발전장치(160) 내 인버터(162)가 분담하도록 제어할 수 있다.
이는 수학식 Q*(t)=QE(t)+QF(t), IQ*(t)=IQE(t)+IQF(t)으로 나타낼 수 있다. 여기에서, QE(t)는 전력변환장치(110)의 무효전력 출력이고, IQE(t)는 전력변환장치(110)의 운전전류이고, QF(t)는 수소발전장치(160)의 무효전력 출력이고, IQF(t)는 수소발전장치(160)의 운전전류이다.
전력관리장치(130)는 무효전력지령치(Q*(t))를 배분할 때, 전력변환장치(110)의 용량(QE_Max)와 인버터(162)의 용량(QF_Max) 비율에 따르도록 무효전력을 배분할 수 있다. 또는 전력관리장치(130)는 무효전력지령치(Q*(t))를 배분할 때, 도 13에 도시된 바와 같이 유효전력 운전을 하지 않는 쪽을 우선하도록, 유효전력 운전을 하지 않는 쪽에서 무효전력 운전을 우선하도록 배분할 수 있다.
전력관리장치(130)는 수소발전장치(160)의 유효전력지령치(PH *(t))를 수학식 PH *(t)=PF *(t)+QF *(t)로 계산하고, 전류지령치(IH*(t))를 수학식 IH *(t)=PH(t)/VE(t)로 계산할 수 있다(1312).
수소발전장치(160)가 존재하지 않는 경우(1310), 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)의 유효전력지령치(PE *(t))를 수학식 PE *(t)=PW *(t)+QE *(t)로 계산하고, 전류지령치(IE *(t))를 수학식 IE *(t)=PE(t)/VE(t)로 계산할 수 있다(1314).
이 경우, 전력관리장치(130)는 전력변환장치(110)의 수전단전압지령치(VE *(t))를 수학식 VE *(t)=VG(t)+δ로 계산할 수 있다(1316). 여기에서, δ는 선간전압 강하 등에 의한 전압강하 예측값을 활용한 보정치이다.
전력관리장치(1310)는 수소발전장치(160)의 유효전력지령치(PF *(t)), 수소발전장치(160)의 무효전력지령치(QF *(t)), 수소발전장치(160)의 전류지령치(IH *(t)), 전력변환장치(110)의 유효전력지령치(PW *(t)), 전력변환장치(110)의 무효전력지령치(QE *(t)), 전력변환장치(110)의 전류지령치(IE *(t)), 전력변환장치(110)의 수전단전압지령치(VE *(t))를 이용하여 전력변환장치(110) 및 수소발전장치(160)의 동작을 제어할 수 있다(1318).
소정의 시간 경과후(1320), 전력관리장치(1310)는 동작을 정지하거나(1322), 동작 1030으로 되돌아갈 수 있다.
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: 재생에너지원 100: 수전해 시스템
110: 전력변환장치 120: 수전해 장치
130: 전력관리장치 140: 수소저장장치
150: 모니터링 장치 30: 변전소

Claims (10)

  1. 재생 에너지원과 계통 사이에 설치되며, 계통과 연계된 수전단(A)을 모니터링하는 모니터링 장치와 연결된 수전해 시스템으로서,
    계통과 연계된 수전단(A)으로부터 교류 전력을 수전하여 수전해장치가 활용가능한 직류로 전환하는 전력변환장치;
    전력변환장치로부터 전력을 공급받아 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치; 및
    수전해장치와 전력변환장치의 운전을 제어하는 전력관리장치;를 포함하고,
    전력관리장치는 모니터링 장치로부터 전력변환장치의 수전단전압(VE(t)), 계통주파수(FG(t)) 및 재생에너지원의 출력전력(PR(t))을 수신하고, 전력변환장치가 계통주파수(FG(t)) 및 재생에너지원의 출력전력(PR(t))에 따라 계통으로부터 유효전력을 흡수하거나, 수신된 수전단전압(VE(t))에 따라서 계통의 무효전력을 흡수하거나 계통으로 무효전력을 주입하도록 제어하여, 수전해장치로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단하여 수전해장치의 오작동 또는 손상을 방지하는 한편 계통의 전압 및 주파수를 안정화하고,
    수전해 시스템은,
    수전해장치에서 생산되는 수소를 저장하는 수소저장장치; 및
    연료전지 또는 수소의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수소발전장치; 를 더 포함하고,
    전력관리장치는 재생에너지 출력 전력(PR(t))이 급격히 감소하거나 부하가 증가하는 시점에 수소발전장치가 수소발전장치의 계통연계지점(B)으로 유효전력을 출력하도록 제어하고,
    전력관리장치는 계통전압 변동시 수소발전장치가 수전발전장치의 계통연계지점(B)으로 유효전력을 주입하거나, 무효전력을 주입하거나, 무효전력을 흡수하여 수전해장치가 수전하는 전압을 일정하게 유지하도록 제어하고,
    전력관리장치는, 수전단전압(VE(t))이 소정의 기준치보다 낮아지는 경우 재생에너지 정보 및 계통의 정보를 수집하여 수소발전장치에 출력할 유효전력지령치(PF*(t))및 무효전력지령치(QF*(t))를 계산하고, 유효전력지령치(PF*(t)) 및 무효전력지령치(QF*(t))에 따라 수소발전장치가 운전하도록 지령하고,
    수소발전장치는 운전 과정에서 인버터 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력 및 무효전력을 계통에 주입하여 계통의 전압 및 주파수를 안정화하고,
    전력관리장치는 수전해시스템의 무효전력지령치(Q*(t))를 전력변환장치 및 수소발전장치가 분담하도록 제어하고, 전력관리장치는 무효전력을 배분할 때, 전력변환장치의 용량(QE_Max)와 인버터의 용량(QF_Max) 비율에 따르거나, 유효전력 운전을 하지 않는 쪽을 우선하도록 배분하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    전력관리장치는,
    계통주파수(FG)가 상승할 때 전력변환장치가 계통이 수용하지 못하는 유효전력을 수전해장치에 전달하여 수소로 변환하도록 지시하고,
    수전단전압(VE(t))이 상승할 때 전력변환장치가 계통의 무효전력을 흡수하도록 제어하고,
    수전단전압(VE(t))이 하강할 때 전력변환장치가 계통으로 무효전력을 주입하도록 제어하여,
    수전단전압(VE)을 지정된 범위로 유지하도록 동작함으로써 수전해장치로 계통의 유효전력 및 계통의 무효전력으로 인한 과전압 또는 저전압이 유입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    전력관리장치는 재생에너지원의 출력전력(PR(t))이 재생에너지원의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높은 경우, 현재 재생에너지 출력전력(PR(t))과 운전기준점전력(P0)의 차이에 일정한 계수(α, 여기에서, α는 1보다 작은 양의 실수값임)를 곱한 값으로 유효전력지령치(PW*(t))를 계산하고, 계산된 유효전력지령치(PW*(t))를 이용하여 전력변환장치를 제어하거나,
    재생에너지원의 출력전력(PG(t))이 재생에너지원의 소정의 운전기준점전력(PO)보다 높지 않으면서, 출력상승에 의해 재생에너지 출력전력(PR(t))이 계통전압(VG(t)) 및 계통전류(IG(t))의 곱으로 나타나는 계통의 전력요구량(PG)보다 높은 경우,
    Figure 112020041258376-pat00035
    (여기에서, β는 소정의 값)에 의하여 유효전력지령치(PW*(t))를 계산하고,
    전력변환장치는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 유효전력을 흡수하여 운전하는 한편, 계통전압(VG(t)) 및 계통주파수(FG(t))를 안정화하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    전력관리장치는, 수전단전압(VE(t))이 기준치 대비 일정 범위 이상 차이를 보일 때, 재생에너지원의 출력전력(PR), 재생에너지원의 출력전류(IR), 재생에너지원의 출력전압(VR) 및 계통전압(VG)과 계통전류(IG)의 위상차(ΘG)을 기준으로 하여 계통에 주입하거나 계통으로부터 흡수할 무효전력지령치(QE*(t))을 계산하고, 계산된 무효전력지령치(QE*(t))에 따라 전력변환장치에 지령하고,
    전력변환장치는 내부의 스위칭 소자의 동작을 통해 수전단(A)에서의 무효전력을 흡수하여 수전해장치의 수전단전압(VE(t)) 및 계통전압(VG(t))을 안정화하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    재생에너지원의 유효전력(PR(t))이 계통 발전 최소 전력(PL)보다 작으면(PR(t)<PL), 전력관리장치는
    Figure 112020092239034-pat00036
    (여기에서, a는 소정의 계수)에 의하여 수소발전장치가 발전할 유효전력지령치(PF*(t))를 계산하고, 수소발전장치는 유효전력지령치(PF*(t))에 기초하여 계통으로 유효전력을 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    전력변환장치와 수전해장치 사이에 직류전력을 저장하는 전력저장장치를 더 포함하고,
    전력관리장치는 수전해장치의 운전중 계통사고 발생으로 인해 수전해장치에 전력공급이 불가능할 때 전력관리장치가 시스템을 안정적으로 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
KR1020200048438A 2019-04-25 2020-04-22 입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템 KR102195169B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20190048552 2019-04-25
KR1020190048552 2019-04-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200125483A KR20200125483A (ko) 2020-11-04
KR102195169B1 true KR102195169B1 (ko) 2020-12-24

Family

ID=73571752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200048438A KR102195169B1 (ko) 2019-04-25 2020-04-22 입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102195169B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4207530A1 (en) * 2022-01-04 2023-07-05 Sungrow Hydrogen Sci.&Tech. Co., Ltd. Alternating current electrolysis system, and method and device for controlling the same

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102564108B1 (ko) * 2021-07-06 2023-08-09 (주)테크윈 전력 관리시스템
WO2023174529A1 (en) * 2022-03-16 2023-09-21 Hitachi Energy Switzerland Ag A system comprising a hydrogen electrolyser unit and an enhanced static compensator and a method for controlling the system
CN114737203B (zh) * 2022-04-24 2023-09-26 国网浙江省电力有限公司金华供电公司 一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006037226A (ja) * 1999-05-12 2006-02-09 Stuart Energy Systems Corp エネルギー分配ネットワーク
JP2016140161A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 株式会社東芝 電力供給システムおよびその制御方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170021606A (ko) 2015-08-18 2017-02-28 주식회사 엘지화학 배터리 에너지 저장 시스템 및 이를 이용한 무효 전력 보상 방법
KR20190026379A (ko) * 2017-09-05 2019-03-13 한국에너지기술연구원 정격 전압 및 정격 주파수의 유지 제어가 가능한 독립형 마이크로그리드 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006037226A (ja) * 1999-05-12 2006-02-09 Stuart Energy Systems Corp エネルギー分配ネットワーク
JP2016140161A (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 株式会社東芝 電力供給システムおよびその制御方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4207530A1 (en) * 2022-01-04 2023-07-05 Sungrow Hydrogen Sci.&Tech. Co., Ltd. Alternating current electrolysis system, and method and device for controlling the same
AU2023200028B2 (en) * 2022-01-04 2023-12-14 Sungrow Hydrogen Sci. & Tech. Co., Ltd Alternating current electrolysis system, and method and device for controlling the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200125483A (ko) 2020-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102195169B1 (ko) 입력전압 안정화를 위한 유효 및 무효전력 조정기능을 갖는 수전해 시스템
US9841778B2 (en) Use of distributed generator (DG) inverters as STATCOMs for decreasing line losses
US8744635B2 (en) Power production control method based on power production rate requirement
CN104578151B (zh) 大型光伏电站并网逆变器无功与电压控制方法
US20200150707A1 (en) Use of distributed generator (dg) inverters as statcoms for decreasing line losses
CN108964097B (zh) 抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法
CN103346577A (zh) 降低风电场功率损耗的风电场avc无功控制系统及方法
JP2011193685A (ja) パワーコンディショナ
CN114552659A (zh) 含电氢储能的多能量综合管理型能量路由器及控制方法
CN111628507A (zh) 一种抑制暂态过电压的新型调相机与svg协调控制方法
CN201766373U (zh) 分布式光伏电源并网电能质量调控装置
CN103545814A (zh) 一种交直流混合电力系统协调电压控制方法
CN111900710A (zh) 一种并网型直流微电网协调控制方法
CN117117886A (zh) 一种海上大规模风电送出系统及其控制方法
Hajahmadi et al. Output power smoothing of wind power plants using unified inter-phase power controller equipped with super-capacitor
Jin et al. Optimal power distribution method for wind farms to enhance the FRT capability of the LCC-HVDC system under commutation failure
CN103414214A (zh) 异步风电机组的低电压穿越和无功控制系统及方法
CN114362237A (zh) 一种多模式的柔性直流电网协同控制方法
Dai et al. Impact of fault ride-through characteristics of large-scale distributed photovoltaic integration on voltage in receiving-end grid
Chowdhury et al. Role of grid integration of distributed generation in power quality enhancement: A review
Zhang et al. Coordinated Control Strategy of Grid-Forming Wind Power Generation System with Energy Storage System for Primary Frequency Regulation
Feng et al. Recovery control for hybrid MTDC systems with offshore wind farms supplying weak grids
CN112242699A (zh) 孤立直流微电网改进自适应有源阻尼控制方法
CN113992083B (en) Reactive power control strategy of auxiliary generator set of energy storage system
Lei et al. Voltage Coordination Control Strategy for Low Voltage Distribution Networks in Western Rural Areas under Photovoltaic Storage Access.

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant