KR102234560B1 - 저압직류(lvdc) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 및 그 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템으로 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템에 있어서, 분산형 마이크로그리드와 부하 프로슈머 제어장치에 통신선으로 연결되는 분산형 부하 전력제어장치는 분산형 마이크로그리드의 전력을 제어하고, 상기 부하 프로슈머 제어장치는 밀집형 마이크로그리드 및 분산형 마이크로그리드의 전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 분산형 마이크로그리드 시스템에 있어서, 분산형 부하 전력제어장치는 분산형 부하를 부하모드, 독립모드, 발전모드와, 밀집형 공급모드, 비상발전모드 중 어느 하나의 모드로 전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 및 그 운용 방법{The Connection System of Distributing type Load and Gathering type Load using Low Voltage Direct Circuit and The Operating Method thereof}

본 발명은 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다. 특히 분산형 부하의 에너지 프로슈머(energy prosumer) 운용방법과 저압직류(LVDC, 이하 ”LVDC’라 한다)배전 기술분야에 관한 것이다.

21세기 인류에게 가장 중요한 화두는 환경과 에너지이다. 20세기 말까지 전 세계에서 진행된 산업화의 영향으로 지구온난화현상을 유발하는 탄소가스 배출이 증대되어 다양한 형태의 환경 문제가 대두되기 시작했다. 따라서 이러한 전 지구적 문제를 해결하기 위해서 에너지 자원 생산 및 소비 부문에서는 커다란 전환이 요구되었다.

탄소 배출이 많은 화석연료 에너지 자원에서 환경 친화적 에너지 자원인 재생에너지 자원을 개발하고 소비하는 것이 그 핵심이었다. 동시에 에너지 소비가 경제 성장과 비례한다는 일반적인 이론에서 벗어나 에너지 소비를 감소시키면서도 경제 성장을 달성하는 에너지 소비 효율화를 꾀하는 것 또한 에너지 전환의 중요 주제이다.

기존의 전력시스템은 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 단방향 구성이었다. 하지만 기존의 소비자 중에서 직접 전기를 생산하여 공급자 역할까지 하는 프로슈머가 등장하였다. 기존의 전력시스템에서 이들은 자급자족만 하였고, 전체 계통망에는 기여하지 않았다. 생산되고 남은 전기는 대부분 버릴 수밖에 없어 효율성이 떨어졌다.

마이크로그리드(Microgrid, 이하 ‘MG’로 병행 표기한다)는 이들이 생산하는 전기에너지를 활용하여 전체 네트워크의 에너지를 극대화시키기 위한 기술로, 발전소에서만 전기를 생산하는 것이 아니라 양방향 송배전을 바탕으로 다수의 프로슈머가 전력망의 전력생산을 맡게 된다.

마이크로그리드는 기존 광역 전력시스템으로부터 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 의미하고, 전원이 분산됨에 따라 안정적인 전기공급이 가능해지고, 재생가능 에너지의 효율적인 이용도 가능하다.

마이크로그리드는 기존의 중앙집중식 전력공급 시스템과는 다르게 신재생에너지전원을 포함한 분산전원으로 구성되는 지역적 전력공급시스템으로 계통 연계형과 독립형으로 구분될 수 있다.

또한 부하의 형태에 따라 도심형의 부하밀집형 마이크로그리드(대형 건물형) 와 농어촌형의 부하 분산형 마이크로그리드(가정 혹은 소형 건물)로 나눌 수 있으며 도심형은 계통연계형으로 농어촌형은 독립형으로 구성되는 경우가 많다.

이 중 상용 전력망이 없는 도서나 원격지에 전력을 최적으로 안정하게 공급할 수 있는 독립형 마이크로그리드는 기존의 디젤발전기로만 전력을 공급하는 대신 신재생에너지를 포함한 분산전원으로 전력을 공급하게 된다.

본 발명과 관련되는 선행문헌으로 등록특허공보 제10-1277185호(공고일: 2013. 6. 24.) "DC 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템" 이 공개되어 있다.

상기 특허공보에 공개된 DC 마이크로그리드 시스템은 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템 중 DC 마이크로그리드 시스템과 이를 이용한 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템이 개시된다. DC 마이크로그리드 시스템은, 적어도 하나의 분산전원과, 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치와, 전력변환장치에 연결된 보호 스위치를 구비하는 에너지 저장장치와, 상기 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부로 이루어진다. AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템은 DC 마이크로그리드 시스템이 AC 마이크로그리드 시스템과 양방향 전력변환기로 연결되어 구성된다.

본 발명과 관련되는 다른 선행문헌으로 등록특허공보 제10-2021995호(공고일: 2019. 9. 18.) “독립형 마이크로그리드 시스템”이 공개되어 있다.

상기 특허공보에 공개된 마이크로그리드 시스템은 태양광 패널로부터 생성된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 직류-교류 변환기 및 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하거나, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 양방향 변환기를 포함하되, 상기 직류-교류 변환기의 출력 및 상기 양방향 변환기의 교류 단자는 서로 연결되고, 상기 양방향 변환기의 직류 단자는 축전지와 연결된 것을 특징으로 한다.

종래의 마이크로그리드에 관한 연구는 개별적인 분산 전원의 효율을 높이기 위한 연구와 분산 전원을 상용 전원에 계통 연계하는 연구에 한정되었다.

부하환경에 맞는 마이크로그리드 시스템의 설계와 운용에 따른 엔지니어링 기술로 구축된 시스템의 안정적이고 경제적인 운용을 위한 에너지관리시스템(PMS) 기술의 문제점을 해결하지 못하였다.

따라서 지역 및 부하환경에 맞는 마이크로그리드 시스템의 설계와 운용에 따른 엔지니어링 기술이 선행되어야 하며 구축된 시스템의 안정적이고 경제적인 운용을 위한 에너지관리시스템(PMS) 기술이 필요하게 된다.

특히 순시적인 피크부하가 높은 경우 마이크로그리드 시스템의 설치비용이 증가하여 비경제적인 투자가 이루어 질 수 있어 MG 간의 피크부하를 대응할 수 있는 에너지 프로슈머 기술이 추가적으로 요구된다.

저압직류(LVDC: Low Voltage Direct Circuit)배전기술은 선로의 절연계급이 낮아 교류보다 경제적이고 송전에 교류보다 최소 1상이 적어서 선로 구성비용의 절감도 가능한 것으로 교번하는 성분(주파수)가 없어 리액턴스 성분이 없어 무효전력도 발생하지 않는다, 직류송전이 교류송전보다 송전용량 상승, 송전손실 저감, 환경적으로 적은 영향, 투자비 감소 등에 이점이 있다. DC 전원을 사용하는 디지털 부하의 급증에 따라 기존 교류배전에 비해 전력변환 소실을 감소하여 에너지 효율을 증대시킨다.

본 발명과 관련되는 다른 선행문헌으로 공개특허공보 제10-2017-0107304호(공개일: 2017. 9. 258.)“직류배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법”이 공개되었다.

상기 공개특허공보에 공개된 발명은 직류배전 선로의 전압 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로 직류배전 선로의 전압 제어 시스템은 분산 전원의 접속점에 설치되어 분산 전원이 연결된 부스에 유입되는 유효 전력 및 부스 전압을 수집하고, 유효 전력과 부스 전압 간의 선형화된 관계를 나타내는 선형 관계 정보를 생성하는 로컬 장치와, 주전력 변환 장치의 접속점에 연결되고, 유효 전력과 부스 전압 간 선형 관계 정보를 근거로 직류 배전 선로의 조류 해석을 수행함으로써 주전력 변환 장치로부터 직류 배전 선로로 공급되는 부스 전압을 제어하는 마스터장치를 포함한다.

오늘날 전 세계적으로 태양광, 풍력 에너지 등의 신재생엔너지원의 출력 형태가 직류임에 따라 교류 배전에 비해 전력 변환단계를 감소하고, 계통운영이 효율적인 직류배전에 대한 연구개발이 요구되는 경향이다.

등록특허공보 제10-1113508호(공고일: 2012. 2. 29.) 등록특허공보 제10-1277185호(공고일: 2013. 6. 24)

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 분산형 부하와 밀집형 부하에서 발생하는 잉여 전력이 다른 마이크로그리드에서 에너지를 구매하는 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하의 연계 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 분산형 마이크로그리드 내의 전력을 부하모드, 독립모드, 발전모드, 밀집형 공급 모드 및 비상발전 모드 등 5가지 모드로 제어하여 운용하는 방법을 제공하는 데에 있다. .

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 마이크로그리드에 에너지 프로슈머 기술을 적용하여 마이크로그리드에 피크부하가 발생할 경우 다른 마이크로그리드에서 에너지를 구매하는 분산형 부하의 전력제어장치(ADR)의 네트워크 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템은 태양전지와, 2차전지를 포함하는 태양광 발전소와, 상기 태양광 발전소에 교류부스로 연결되는 밀집형 부하와, 상기 태양광 발전소와 부하프로슈머 제어장치와 연결되는 밀집형 부하 전력제어장치로 구성되는 밀집형 마이크로그리드와;
태양전지와, 2차전지와, 저압직류(LVDC)배전망으로 공급되는 직류전압을 기설정된 직류전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터와, 상기 DC/DC 컨버터에서 생성된 출력으러 기설정된 교류전압으로 변환시키는 DC/AC 인버터와, 분산형 부하와
분산형 부하 전력제어장치로 구성되는 분산형 마이크로그리드와;
상기 분산형 마이크로그리드와 상기 부하 프로슈머 제어장치에 통신선으로 연결되고 상기 분산형 마이크로그리드의 전력을 제어하는 분산형 부하 전력제어장치와; 상기 밀집형 마이크로그리드 및 상기 분산형 마이크로그리드의 전력을 제어하는 부하 프로슈머 제어장치와; 태양전지에서 발전되는 전력이 DC/AC 인버터의 출력단과, 2차 전지에서 생성된 전력이 DC/AC 인버터의 출력단이 공통으로 연결되는 교류부스를 포함하는 공지의 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템을 개선한 발명이다.
본 발명은 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 AC/DC 전력변환기, 직류전압을 공급하는 직류부 및 AC 및 DC 연계용 분전반으로 구성되는 전력변환장치와;
AC 및 DC 연계용 분전반은 밀집형 부하의 태양전지 인버터의 출력, 2차전지 인버터의 출력, 계통 및 밀집형 전력변환장치들의 출력과 연계되는 AC/DC 인버터의 출력단과, 분산형 부하와 전력연계를 위한 직류부스와, 2차전지 연계를 위한 직류입력단과, 차단기와, 전력측정 센서가 상호 연결되어 구성되고;
상기 AC 및 DC 연계용 분전반은 밀집형 전력망의 교류부스와 분산형 전력망인 직류부스를 연계시켜서 계통의 3상 380볼트 교류전력을 받아 분산형 부하의 LVDC 전력망에 750볼트 직류를 항상 유지시켜주는 전압제어를 수행하고;
분산형 마이크로그리드 내의 분산형 부하의 배터리 충전상태를 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리 DC/DC 방전량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 운용방법은 분산형 부하 전력제어장치는 분산형 부하를 부하모드, 독립모드, 발전모드와, 밀집형 공급모드, 비상발전모드 중 어느 하나의 모드로 전력을 제어하는 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 운용방법에 있어서,
상기 부하모드는 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 전력을 분산형 부하에 경우로, 분산형 부하가 필요로 하는 수요전력보다 적은 경우 밀집형 부하에 교류 전력망을 통해 부족한 전력을 분산형 부하에 공급하고;
상기 독립모드는 밀집형 계통과 연계되는 LVDC 배전망을 제외하고, 태양전지, 2차전지의 전력을 분산형 부하에 인가하는 경우로 주간에 밀집형 교류전력을 사용하는 것보다 태양전지 및 2차전지가 분산형 부하에서 수용할 수 있는 충분한 에너지가 있을 때 태양전지 및 2차전지에서 발전된 전력을 이용하여 독립모드로 분산형 수용가에 전력을 공급하고;
상기 발전모드는 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 밀집형 부하로 전력을 보내는 동시에 분산형 부하에 전력을 인가하는 경우로 태양전지 및 2차전지에서 발전된 전력이 부하가 요구하는 수요 전력보다 높을 경우 부하가 사용하고 남는 잉여전력을 밀집형 부하에 교류전력망으로 공급하고;
상기 밀집형 공급 모드는 태양전지, 2차전지 컨버터의 정지 또는 발전된 에너지가 없을시 밀집형 부하로 LVDC 배전망으로만 분산형 부하의 전력을 공급하는 경우로 분산형 부하 태양전지, 2차전지의 고장발생시 또는 태양전지 발전이 없고 배터리의 충전상태에 따라 방전할 수 없는 경우 분산형 부하의 수용가에서 필요로 하는 전력 수요량을 오로지 밀집형 부하로 부터만 공급하고;
상기 비상발전모드는 비상상황으로 태양전지, 2차전지 컨버터의 전력을 분산형 부하에 보내지 않고, 분산형 부하의 태양전지 발전 전력 및 2차전지에 충전된 에너지를 모두 밀집형 부하에 공급하고;
밀집형 부하의 에너지 거래를 위한 정보는 각 분전반의 분산형 부하 전력제어장치에서 2차전지 충전상태와 태양전지의 발전 전력, 소비되는 부하 전력의 정보를 이용하여 정립되고;
2차전지 충전상태가 10%이하이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 큰 경우 에너지 부족상태로 각 분전반에 에너지 거래를 요청하는 상태를 나타내고;
2차전지 충전상태가 50%이상이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적은 경우 에너지 거래 활성화 상태로 에너지 거래 요청 분전반이 있을 경우 동작하여 에너지 거래가 이루어지고; 2차전지 충전상태가 100%이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적은 경우로 더 이상 전력 수용이 어렵기 때문에 해당 전력은 중앙 DC-AC 인버터를 통해 밀집형 부하로 전력 거래가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 의하면, 에너지 프로슈머(energy prosumer)제어를 통해 잉여 전기에너지를 판매함으로서 전기 생산자의 이득과 계통보다 싼 전기를 구매함으로서 부하환경을 고려한 마이크로시스템의 이용률을 개선할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의하면, 분산형 마이크로그리드 내의 전력제어는 부하모드, 독립모드, 발전모드, 밀집형 공급 모드 및 비상발전 모드 5가지 모드를 구현할 수 있어서,분산형 부하와 밀집형 부하 저압직류(LVDC)배전망 연계를 통한 전력 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

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도 1은 본 발명의 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 LVDC망을 통한 밀집형과 분산형 부하의 연계를 나타낸 도면.
도 3은 분산형 마이크로그리드 부하모드 전력제어를 나타낸 도면.
도 4는 분산형 마이크로그리드 독립모드 전력제어를 나타낸 도면.
도 5는 분산형 마이크로그리드 발전모드 전력제어를 나타낸 도면.
도 6은 분산형 마이크로그리드 밀집형 공급모드 전력제어를 나타낸 도면.
도 7은 분산형 마이크로그리드 비상발전모드 전력제어를 나타낸 도면.
도 8은 분산형 마이크로그리드 에너지프로슈머를 나타낸 도면.
도 9는 밀집형 부하와 분산형 부하 연계용 분전반 구조도.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 LVDC망을 통한 밀집형과 분산형 부하 연계를 나타낸 도면이다.

도 3은 분산형 마이크로그리드 부하모드 전력제어를 나타낸 도면이고, 도 4는 분산형 마이크로그리드 독립모드 전력제어를 나타낸 도면이며, 도 5는 분산형 마이크로그리드 발전모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 6은 분산형 마이크로그리드 밀집형 공급모드 전력제어를 나타낸 도면이고, 도 7은 분산형 마이크로그리드 비상발전모드 전력제어를 나타낸 도면이며, 도 8은 분산형 마이크로그리드 내의 에너지프로슈머(energy prosumer)를 나타낸 도면이다.

도 9는 밀집형 부하와 분산형 부하 연계용 분전반 구조도이다.

도 1은 본 발명의 마이크로그리드 시스템을 나타낸다.

저압직류배전 시스템(LVDC)은 종래의 3상 380 Volt(이하 '볼트'라 한다) 교류배전 시스템을 대신하여 수십 내지 수백 볼트 또는 1k 볼트 내외의 전압을 갖는 저압직류(LVDC) 배전 망을 사용하는 것이다. 종래에는 전압 가변 용이성을 이유로 AC배전을 주로 사용하였으나, 최근에는 전력전자기술의 발달로 인하여 직류를 이용한 배전시스템을 사용한다.

ESS(Energy Storage System)은 에너지저장장치로 배터리(Battery)를 포함한 전력변환장치를 의미한다. PV(Photovoltaic)는 태양광발전으로 태양광 패널(PV) 또는 태양광 전지를 의미한다.

태양광 발전소(10)는 태양광 패널(PV)에서 생산되는 전력(이하 ‘태양전지’라 한다)과, 상기 태양광 패널에서 생성된 전력을 축전하는 리튬 이온 배터리(이하, ‘2차전지’라 한다)와, 상기 태양전지로부터의 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 DC/AC 인버터(11)와, 2차전지로부터 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 DC/AC 인버터(12)로 구성된다.

태양광 발전소(10)는 DC/AC 인버터(11)의 출력단과 DC /AC 인버터(12)의 출력단이 공통으로 교류부스(25)를 통해서 밀집형 부하(20)에 연결된다.

밀집형 마이크로그리드(30)는 상기 태양광 발전소(10)와, 상기 태양광 발전소(10)가 교류부스(25)로 연결되는 밀집형 부하(20)와, 상기 태양광 발전소(10)와 부하프로슈머 제어장치(50)와 연결되는 밀집형 부하 전력제어장치(15)로 구성된다.

밀집형 부하(20)는 도심형으로 계통(한전)과 연결되어 있다.

상기 전력변환장치(40)는 DC/AC 인버터(11)의 출력단과 DC/AC 인버터(12)의 출력단이 공통으로 교류부스(41)에 연결되어 교류전압(380볼트)이 직류전압(750볼트)으로 변환시키는 AC/DC 전력변환기(42)와, 750 볼트 저압직류(LVDC)를 공급하는 직류부스(43)와, AC 및 DC 연계용 분전반(45)으로 구성된다.

분산형 마이크로그리드(100)는 태양전지와, 2차전지와, 분산형 부하(80)와, 상기 전력변환장치(40)의 출력전압(750 볼트)을 기설정된 직류전압(380 볼트)로 변환시키는 DC/DC 컨버터와(82)와, 상기 DC/DC 컨버터로부터 생성된 출력전압(380볼트)을 기설정된 교류전압(220 볼트)로 변환시키는 DC/AC 인버터(83)와, 분산형 부하(80)로 구성되는 소형 태양광발전소(81)와, 상기 태양광발전소(81)에 통신선으로 연결되는 분산형 부하 전력제어장치(ADR, 70)로 구성된다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 밀집형 마이크로그리드 용량은 30키로볼트이고, 분산형 마이크로그리드 용량은 3키로볼트 내지 5키로볼트이다.

교류부스(41)에 380 볼트 교류전압이 입력되고, AC/DC 전력변환기(42)에서 750 볼트 직류전압으로 변환시켜서 직류부스(60)에 750 볼트 저압직류(LVDC)가 공급된다.

즉 직류부스(43)를 통하여 750볼트 직류전압을 분산형 마이크로그리드 1(100), 분산형 마이크로그리드 2(200), 분산형 마이크로그리드 3(300)에 저압직류(LVDC) 배전선로인 직류부스(60)를 통하여 저압직류전력이 공급된다.

분산형 부하(80)는 분산형 마이크로그리드1(100), 분산형 마이크로그리드 2(200), 순산형 마이크로그리드 3(300)의 분산형 부하와 동일하다. 지역의 크기에 따라서 다수 개의 분산형 마이크로그리드 시스템(MG)이 설치된다.

분산형 마이크로그리드 시스템은 일반적인 소형주택이나 건물과 같은 분산형 부하(80)를 포함한다. 분산형 부하 전력제어장치(90)는 이더넷(Ethernet) 또는 모드부스(MODBUS)와 같은 통신선으로 분산형 마이크로그리드 시스템과 부하 프로슈머 제어장치(P-EMS, 50)에 연결된다.

분산형 부하 전력제어장치(70)는 분산형 마이크로그리드의 전력을 제어하고, 부하 프로슈머 제어장치(P-EMS, 50)는 밀집형 마이크로그리드(30) 및 분산형 마이크로그리드(100)의 전력을 제어한다. 부하 프로슈머 제어장치(50)는 밀집형 마이크로그리드(30) 및 분산형 부하 전력제어장치(90)에 명령을 내리고 모니터링한다.

신재생에너지를 이용한 하이브리드 형태의 마이크로그리드 시스템은 태양의 일사량이나 부하의 사용량에 따라 마이크로그리드 내에 잉여전력 및 부족전력이 발생한다.

마이크로그리드 시스템은 내에 잉여전력이 발생한 경우에는 특별한 부하요소가 없는 한 버려지는 에너지로 간주되어 시스템의 이용률을 저하시킬 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 에너지 프로슈머를 통해 남는 전기에너지를 판매함으로서 전기 생산자의 이득과 계통보다 싼 전기를 구매함으로서 분산형 마이크로그리드 시스템의 이용률을 개선할 수 있다.

분산형 마이크로그리드 1(100)에서 발전한 잉여전력을 분산형 마이그로그리드 2(200)에 판매할 수 있다. 그 반대로 분산형 마이그로그리드 2(200)에서 생산한 잉여전력을 분산형 마이크로그리드 1(100)에 판매할 수 있다.

에너지 프로슈머 시스템 구성 중 가장 핵심이 되는 시스템은 생산된 전력을 부하에 전달하는 PCS(Power Conversion System)와 EMS(Energy Management System 이다. PCS의 신뢰성은 전체 시스템의 신뢰성 확보에 영향을 미친다. PCS는 전력변환장치(40), 컨버터 및 인버터를 말한다.

본 발명은 다수의 분산형 부하에 저압직류(LVDC)배전망을 연계하여 전력 손실을 저감시키는 것이 기술적 특징이다.

도 2는 저압직류(LVDC)배전망을 통한 밀집형 부하와 분산형 부하의 연계 시스 템을 나타내는 도면이다.

밀집형 마이크로그리드 용량은 30Kw이고, 분산형 마이크로그리드 용량은 보통 3Kw 내지 5Kw이다. 밀집형 부하(20)는 일반적으로 대도시 주택단지와 같은 계통부하에 380Volt 교류가 흐른다.

밀집형 부하(20)는 도심형으로 계통(한전)과 연계되어 있다. 교류부스(41)에 380 볼트 교류전압이 입력되고, AC/DC 전력변환기(42)에서 750 볼트 직류전압으로 변환되어 직류부스(60)인 저압직류(LDVC) 배전망에 공급된다.

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도 1에 도시된, 직류부스(43)에서 출력된 750V 직류전압은 분산형 마이크로그리드 1(100), 분산형 마이크로그리드 2(200), 분산형 마이크로그리드 3(300)에 저압직류(LVDC)배전망 선로인 직류부스(60)를 통하여 저압직류 전력이 공급된다.

분산형 마이크로그리드(100)는 태양전지와, 2차전지와, 분산형 부하(80), 상기 태양전지로부터의 PV 출력전압을 기설정된 직류전압(380볼트)으로 변환시키는 DC/DC 컨버터(86)와, 2차전지로부터 출력전압을 기설정된 직류전압(380볼트)으로 변환시키는 DC/DC 컨버터(87)와、750볼트 직류전압을 380볼트로 변경시키는 DC/DC 컨버터(82)와 분산형 부하(80)에 교류전원을 공급하는 DC/AC 인버터(83)로 구성된다.

분산형 부하(80)는 농어촌형 또는 소형건물로 독립형 부하이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 밀집형 마이크로그리드(30)는 태양전지와, 2차전지와, 상기 태양전지로부터의 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 AC/DC 인버터(11)로 구성되는 태양광 발전소(10)와; 상기 태양광 발전소(10)에 교류부스(25)로 연결되는 밀집형 부하(20)와; 상기 태양광 발전소(10)와 부하프로슈머 제어장치(50)와 연결되는 밀집형 부하 전력제어장치(15)로 구성된다.

밀집형 마이크로그리드와 분산형 마이크로그리드사이에 AC와 DC 분전반과 DC/AC 인버터를 포함한 AC 및 DC 연계용 분전반(45)이 배치된다.

분산형 부하의 전력제어장치(90)는 마이크로그리드(100) 내의 분산형 부하(80)의 전력제어를 부하모드, 독립모드, 발전모드, 밀집형 공급 모드 및 비상발전 모드 5가지 모드의 전력제어를 구현할 수 있다.

밀집형 부하(20) 및 분산형 부하(80)간의 전력제어를 위해서는 밀집형 전력망의 교류부스와 분산형 전력망인 직류부스를 연계시켜주는 AC 및 DC 연계용 분전반(45)은 계통의 3상 380Volt 교류 전력을 받아 분산형 부하의 LVDC 전력망에 750Volt 직류를 항상 유지시켜주는 전압제어를 수행한다.

LVDC에 연계된 분산형 부하(80)의 전력변환장치(40)는 전류제어를 통해 분산형 부하(80)에서의 잉여전력을 밀집형 부하(20)로 교류 전력망으로 공급하거나, 부족한 전력은 집중형 부하(20)에서 분산형 부하(80)로 공급해주는 양방향으로 전력제어를 수행한다.

분산형 부하(80)의 전력제어장치(90)는 분산형 마이크로그리드 및 밀집형 마이크로그리드에서 다음 5가지 모드의 전력제어 모드 기능을 구현할 수 있다.

(1) 부하모드: 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 전력을 분산형 부하에 인가하는 경우

(2) 독립모드: 밀집형 계통과 연계되는 LVDC 배전망을 제외하고, 태양전지, 2차 전지의 전력을 분산형 부하에 인가하는 경우

(3) 발전모드: 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 밀집형 부하로 전력을 보내는 동시에 분산형 부하에 전력을 인가하는 경우

(4) 밀집형 공급 모드: 태양전지, 2차전지 컨버터의 정지 또는 발전된 에너지가 없을 시 밀집형 부하로 LVDC 배전망으로만 분산형 부하의 전력을 공급하는 경우

(5) 비상발전모드: 비상상황으로 태양전지, 2차전지 컨버터의 전력을 분산형 부하에 보내지 않고, 밀집형 부하로 전력을 보내는 경우

LVDC에 연계된 분산형 부하(80)의 전류제어를 통해 수용가(전력 소비자)는 전기요금이 낮은 시간대에 에너지저장시스템을 충전하고 전기요금이 높은 시간대에 에너지저장시스템 방전을 통해 필요한 전력을 사용하는 방식으로 수용가의 에너지비용을 절감할 수 있게 된다.

특히 본 발명의 일 실시예에서는 순시적인 피크부하가 높은 경우 마이크로그리드 시스템의 설치비용이 증가하여 비경제적인 투자가 이루어 질 수 있어 마이크로그리드MG 간의 피크부하를 대응할 수 있는 에너지 프로슈머 기술을 제시한다.

도 3은 분산형 마이크로그리드 부하모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 3은 부하모드인 경우를 보여주는 경우로, 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망의 전력이 모두 부하에 인가하는 경우이다.

주간에 날씨가 흐려서 태양전지의 발전량이 낮거나 배터리에 충전된 에너지가 부족하여 태양전지에서 발전된 전력과 배터리의 잉여 전력이 분산형 부하(80)가 필요로 하는 수요전력보다 적은 경우 밀집형 부하(20)에 교류 전력망을 통해 부족한 전력을 분산형 수용가에 공급한다.

이때 분산형 부하(80)의 배터리 충전상태(SOC: State of Charge)을 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리 DC/DC 방전량을 제어해야 한다. 도 4는 분산형 마이크로그리드 독립모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 4는 독립모드인 경우를 보여주는 경우로, 밀집형 계통과 연계되는 LVDC 배전망을 제외하고 태양전지, 2차전지의 전력이 모두 부하에 인가하는 경우를 나타낸다.

주간에 밀집형 교류전력을 사용하는 것보다 태양전지 및 2차전지가 분산형 부하(80)에서 수용할 수 있는 충분한 에너지가 있을 때 태양전지 및 2차전지에서 발전된 전력을 이용하여 독립모드로 분산형 수용가에 전력을 공급한다.

독립모드인 경우 태양전지와 2차전지의 에너지를 이용하기 때문에 에너지를 절감하고, 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한 밀집형 부하(20)의 전력망에 문제가 생긴 경우, 예를 들어, 사고 및 정전이 발생한 경우 분산형 부하(80)의 태양전지 및 2차전지가 수용가의 분산형 부하(80)를 최대한으로 전력을 생산하여 전력을 공급한다.

이때 분산형 부하(80) 배터리 충전상태(SOC)를 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리의 DC/DC 방전량을 제어한다.

도 5는 분산형 마이크로그리드 발전모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 5는 발전모드인 경우로, 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 밀집형 부하로 전력을 보내는 동시에 분산형 부하에 전력을 인가하는 경우를 나타낸다.

태양 전지 및 2차전지로부터 발전된 전력이 부하가 요구하는 수요 전력보다 높 경우 사용하고 남는 잉여전력을 밀집형 부하(20)의 교류전력망에 전달한다.

이때 분산형 부하(80)의 배터리 충전상태를 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리 DC/DC 방전량을 제어해야 한다.

도 6은 분산형 마이크로그리드 밀집형 공급모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 6은 밀집형 공급 모드로, 태양전지, 2차전지 컨버터의 정지 또는 발전된 에너지가 없을시 밀집형 부하로 LVDC 배전망으로만 분산형 부하의 전력을 공급하는 경우를 나타낸다.

분산형 부하(80)의 태양전지 및 2차전지의 고장발생시 또는 태양전지 발전이 없고 배터리의 충전상태에 따라 방전할 수 없는 경우 분산형 부하(80)의 수용가에서 필요로 하는 전력 수요량을 오로지 밀집형 부하(20)로 부터만 공급한다.

도 7은 분산형 마이크로그리드 비상발전모드 전력제어를 나타낸 도면이다.

도 7은 비상발전모드로 비상상황으로 태양전지, 2차전지 컨버터의 전력을 분산형 부하에는 보내지 않고, 밀집형 부하로 전력을 보내는 경우를 나타낸다.

교류 밀집형 계통의 사고시 교류부하에 연결된 주요 부하(크리티컬 부하)들에 반드시 전력을 유지시켜줘야 할 경우 분산형 부하(80)의 태양전지 발전 전력 및 2차전지에 충전된 에너지를 분산형 부하(80)에 공급하지 않고 모두 밀집형 부하(20)에 공급한다.

이 비상발전모드는 집중형에 설치된 크리티컬한 주요 부하가 있을 경우 기존의 AC망이 사고발생시 에만 해당하는 것으로 일반적으로는 주요부하에 UPS(무정전 전원공급시스템) 시스템 및 비상발전 발전기가 설치되어 있을 수 있다.

비상발전기 또는 UPS 정지(수리중)에 정전상황이 복구될 시간동안 최소한의 전력이라도 유지시켜주기 위한 모드로 일반 상황에서는 거의 사용하지 않는 비상발전 모드이다. 이때 분산형 부하(80)의 배터리 충전상태를 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리 DC/DC 방전량을 제어한다.

도 8은 밀집형 부하 내의 에너지프로슈머를 나타내는 도면이다.

밀집형 부하(80)의 에너지 거래를 위한 정보는 각 분전반의 분산형 부하 전력제어장치(70)에서 2차전지 충전상태와 태양전지의 발전 전력, 소비되는 부하 전력의 정보를 이용하여 정립된다.

(1) 2차전지 충전상태가 10%이하이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 큰 경우 에너지 부족상태로 각 분전반에 에너지 거래를 요청하는 상태를 나타낸다.

(2) 2차전지 충전상태가 50%이상이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적은 경우 에너지 거래 활성화 상태로 에너지 거래 요청 분전반이 있을 경우 동작하여 에너지 거래가 이루어진다.

(3) 2차전지 충전상태가 100%이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적어서 더 이상 전력 수용이 어렵기 때문에 해당 전력은 중앙 DC-AC 인버터를 통해 밀집형 부하로 전력 거래가 이루어진다.

도 9는 밀집형 부하와 분산형 부하 연계용 분전반 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 AC & DC 연계용 분전반(45)의 구조를 도 9에서 상세하게 나타내고 있다. AC & DC 연계용 분전반(45)은 밀집형 부하(20)의 전력변환장치 및 부하, 양방향 연계용 AC/DC 컨버터, 분산형 마이크로그리드의 전력변환 장치를 수용하기 위한 분전반이다.

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도 9에 도시된 분전반은 밀집형 부하(20)의 태양전지 인버터(11)의 출력(#1), 2차전지 인버터(12)의 출력(#2), 계통 및 밀집형 전력변환장치들의 출력과 연계되는 AC/DC 인버터의 출력(#3)과, 분산형 부하(80)와 전력연계를 위한 직류부스 (#3-1), #2의 배터리 연계를 위한 DC입력단(#2-1, 2-2)로 AC 전력라인과 DC전력라인을 분기한 구성을 나타낸다. GRID는 계통(한전)이고, 차단기(MCCB), 전력측정 센서(#5)가 상호 연결되어 구성된다.

도 9의 분전반은 옥외 및 옥내 노출이 가능한 타입의 외함 및 분전반 내부회로로 설계된다. 분전반 외함은 실내 및 실외에 설치환경에 용이하도록 방수 및 방진 기능을 가질 수 있도록 설계된다.

교류와 직류 전력데이터 감시는 각각의 전압센서와 전류센서를 별도로 사용하여 전력데이터를 모니터링할 수 있도록 구성되고, 실시간 교류전력 감시를 위한 상별 전압, 전류, 온도, 전력량 모니터링이 가능한 센서모듈이 선정된다.

또한 각각의 분기된 부하 및 전력 라인별 개별 모니터링 가능한 구조이고, 각각의 유닛별 개별 ID로 분기 전력라인을 모니터링할 수 있다.

각 유닛별 접속을 통해 데이터 수집을 위한 통신 컨버터로 전력 모니터링 데이터를 전송한다. 수집된 모니터링 데이터는 AutoBase 기반의 HMI 모니터링 유닛에서 데이터 취압 후 PLC(Programmable Logic Controller)를 통해 PCS 및 EMS와 연동한다.

상기 표는 교류 센서모듈을 통해 수집할 수 있는 전력모니터링 데이터들을 나타내고 있으며, 각 R, S, T 상의 전압· 전류· 전력(유/무효)데이터 및 SAG, SWELL 발생시 이벤트 데이터가 발생된다.

각각의 분기라인마다 접속되어있는 센서를 통한 데이터는 RS-485 통신을 이용하여, 각각의 고유 ID를 갖고 있으며, 이에 따라 해당 분기된 라인에서 검출된 전력데이터 및 이벤트 발생 확인이 가능하다.

교류라인과 직류라인을 독립적으로 구성하여 외부에서 쉽게 인식할 수 있도록 이중도어로 제작하였으며, 전면부에는 전력량계, 분전반 내부 전력 및 상태 데이터를 모니터링하기 위한 HMI로 구성된다.

다음 그림은 HMI 모니터링을 보여준다. 분전반 전력감시 모니터링 정보 확인을 위한 분전반 도어에 설치된 HMI의 UI구성으로 초기화면으로 각 분전라인별 전력 모니터링 데이터를 확인 할 수 있도록 구성하였다. 분기 라인별(ESS,PV,AC/DC,BAT)의 세부 데이터를 각각 확인할 수 있는 로그창을 설정한다.

상기 그림은 분전반 전력감시 모니터링 정보 확인을 위한 분전반 도어에 설치된 HMI의 UI구성으로 초기화면으로 각 분전라인별 전력 모니터링 데이터를 확인 할 수 있도록 구성하였으며, 분기 라인별(ESS,PV,AC/DC,BAT)의 세부 데이터를 각각 확인할 수 있는 로그창을 설정한다.

본 발명의 실시예는 지역 및 부하환경에 맞는 마이크로그리드 시스템의 설계와 운용에 따른 엔지니어링 기술이 선행되어야 하며 구축된 시스템의 안정적이고 경제적인 운용을 위한 에너지관리시스템(PMS) 기술이 필요하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 일실시예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술사상과 균등 범위 내에서 청구범위를 수정 및 변형할 수 있다.

본 발명에서 개발된 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템은 지역 및 부하환경에 맞는 마이크로그리드 시스템의 운영에 유용한 발명이고, 구축된 마이크로그리드 시스템의 안정적이고 경제적인 운용을 위한 에너지관리시스템(PMS) 기술 산업에도 유용한 발명이다.

10: 대형 태양광발전소 20: 밀집형 부하
15: 밀집형 부하 전력제어장치(PMS) 30: 밀집형 마이크로그리드
40: 전력변환장치 45: AC 및 DC 연계용 분전반
50: 부하 프로슈머 제어장치(P-EMS) 60: LVDC용 직류부스
70: 분산형 부하 전력제어장치(ADR) 80: 분산형 부하
100: 분산형 마이크로그리드 1 200: 분산형 마이크로그리드 2
300: 분산형 마이크로그리드 3

Claims (10)

1. 태양전지와, 2차전지를 포함하는 태양광 발전소(10)와, 상기 태양광 발전소(10)에 교류부스(25)로 연결되는 밀집형 부하(20)와, 상기 태양광 발전소(10)와 부하프로슈머 제어장치(50)와 연결되는 밀집형 부하 전력제어장치(15)로 구성되는 밀집형 마이크로그리드(30)와;
   태양전지와, 2차전지와, 저압직류(LVDC)배전망으로 공급되는 직류전압을 기설정된 직류전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터(82)와, 상기 DC/DC 컨버터(82)에서 생성된 출력전압을 기설정된 교류전압으로 변환시키는 DC/AC 인버터(83)와,
   분산형 부하(80)와 분산형 부하 전력제어장치(70)로 구성되는 분산형 마이크로그리드(100)와; 상기 분산형 마이크로그리드(100)와 상기 부하 프로슈머 제어장치(50)는 통신선으로 연결되어 상기 분산형 마이크로그리드(100)의 전력을 제어하는 분산형 부하 전력제어장치(70)와, 상기 밀집형 마이크로그리드(30) 및 상기 분산형 마이크로그리드(100)의 전력을 제어하는 부하 프로슈머 제어장치(50)와;
   태양전지에서 발전되는 전력이 DC/AC 인버터의 출력단과, 2차 전지에서 생성된 전력이 DC/AC 인버터의 출력단이 공통으로 연결되는 교류부스(41)를 포함하는
   공지의 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템에 있어서,
   교류전압을 직류전압으로 변환시키는 AC/DC 전력변환기(42)와, 직류전압을 공급하는 직류부스(43)및 AC 및 DC 연계용 분전반(45)으로 구성되는 전력변환장치(40)와;
   상기 AC 및 DC 연계용 분전반(45)은 밀집형 부하의 태양전지 인버터의 출력, 2차전지 인버터의 출력, 계통 및 밀집형 전력변환장치들의 출력과 연계되는 AC/DC 인버터의 출력단과, 분산형 부하와 전력연계를 위한 직류부스와, 2차전지 연계를 위한 직류입력단과, 차단기와, 전력측정 센서가 상호 연결되어 구성되고;
   상기 AC 및 DC 연계용 분전반(45)은 밀집형 전력망의 교류부스와 분산형 전력망인 직류부스를 연계시켜서 계통의 3상 380볼트 교류전력을 받아 분산형 부하의 LVDC 전력망에 750볼트 직류를 항상 유지시키는 전압제어를 수행하고;
   분산형 마이크로그리드(100) 내의 분산형 부하(80)의 배터리 충전상태를 지속적으로 모니터링하여 과방전 현상이 나타나지 않도록 배터리 DC/DC 방전량을 제어하는 것을 특징으로 하는 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템.
   
2. 분산형 부하 전력제어장치(90)는 분산형 부하(80)를 부하모드, 독립모드, 발전모드와, 밀집형 공급모드 또는 비상발전모드 중 어느 하나의 모드로 전력을 제어하는 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 운용방법에 있어서,
   상기 부하모드는 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 전력을 분산형 부하에 경우로, 분산형 부하가 필요로 하는 수요전력보다 적은 경우 밀집형 부하에 교류 전력망을 통해 부족한 전력을 분산형 부하에 공급하고;
   상기 독립모드는 밀집형 계통과 연계되는 LVDC 배전망을 제외하고, 태양전지, 2차전지의 전력을 분산형 부하에 인가하는 경우로 주간에 밀집형 교류전력을 사용하는 것보다 태양전지 및 2차전지가 분산형 부하에서 수용할 수 있는 충분한 에너지가 있을 때 태양전지 및 2차전지에서 발전된 전력을 이용하여 독립모드로 분산형 수용가에 전력을 공급하고;
   상기 발전모드는 태양전지, 2차전지 및 LVDC 배전망을 통해 밀집형 부하로 전력을 보내는 동시에 분산형 부하에 전력을 인가하는 경우로 태양전지 및 2차전지에서 발전된 전력이 부하가 요구하는 수요 전력보다 높을 경우 부하가 사용하고 남는 잉여전력을 밀집형 부하에 교류전력망으로 공급하고;
   상기 밀집형 공급 모드는 태양전지, 2차전지 컨버터의 정지 또는 발전된 에너지가 없을시 밀집형 부하로 LVDC 배전망으로만 분산형 부하의 전력을 공급하는 경우로 분산형 부하 태양전지, 2차전지의 고장발생시 또는 태양전지 발전이 없고 배터리의 충전상태에 따라 방전할 수 없는 경우 분산형 부하의 수용가에서 필요로 하는 전력 수요량을 오로지 밀집형 부하로 부터만 공급하고;
   상기 비상발전모드는 비상상황으로 태양전지, 2차전지 컨버터의 전력을 분산형 부하에 보내지 않고, 분산형 부하의 태양전지 발전 전력 및 2차전지에 충전된 에너지를 모두 밀집형 부하에 공급하고;
   밀집형 부하의 에너지 거래를 위한 정보는 각 분전반의 분산형 부하 전력제어장치에서 2차전지 충전상태와 태양전지의 발전 전력, 소비되는 부하 전력의 정보를 이용하여 정립되고;
   2차전지 충전상태가 10%이하이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 큰 경우 에너지 부족상태로 각 분전반에 에너지 거래를 요청하는 상태를 나타내고;
   2차전지 충전상태가 50%이상이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적은 경우 에너지 거래 활성화 상태로 에너지 거래 요청 분전반이 있을 경우 동작하여 에너지 거래가 이루어지고;,
   2차전지 충전상태가 100%이면, 부하 전력이 태양전지 발전 전력보다 적은 경우로 더 이상 전력 수용이 어렵기 때문에 해당 전력은 중앙 DC-AC 인버터를 통해 밀집형 부하로 전력 거래가 이루어지는 것을 특징으로 하는 저압직류(LVDC) 배전망을 이용한 분산형 부하와 밀집형 부하 연계 시스템 운용방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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