KR102235696B1 - 하이브리드 배전망 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템은 AC 배전망, 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제1 DC 배전망, 및 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제2 DC 배전망을 포함하고, 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제1배전망으로 제공하는 제1 전력변환부; 및 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제2 배전망으로 제공하고, 상기 제2 배전망에서 제공되는 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환하여 상기 AC 배전망으로 제공하는 제2 전력변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 배전망 시스템{Hybrid Distribution Network System}

본 발명은 하이브리드 배전망 시스템에 관한 것으로, 특히 고품질 직류 배전망과 저품질 직류 배전망으로 구성된 하이브리드 배전망 시스템에 과한 것이다.

종래에는 교류(AC) 배전망을 이용하여 마이크로그리드를 구성하고 하였으나, 최근에는 신재생 에너지, 전기차 및 디지털 부하의 증가로 직류(DC) 배전망에 대한 필요가 증가하고 있다.

마이크로그리드(Microgrid)는 기존의 광역적 전력시스템으로부터 독립된 분산전원(distributed energy resources)을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 의미한다.

도 1은 종래기술에 따른 AC 마이크로그리드 시스템을 도시한 것이다.

종래의 일반적인 AC 마이크로그리드 시스템은 전력부하(161)에 전력을 공급하기 위하여 다수의 분산전원과 에너지 저장장치를 구비한다.

분산전원으로는 출력의 직접적인 제어가 가능한 보일러(boiler, 101), 열병합 발전기(CHP, 102), 연료전지(fuel cell, 103)와, 마이크로터빈(micro turbine, 104)과 그 전력변환장치(131), 태양광 발전(photovolatic, 112)과 그 전력변환장치(142), 풍력발전(wind turbine, 111)과 그 전력변환장치(141)를 구비한다.

분산전원 중 태양광 발전(112)의 경우 낮에만 전력을 생산하므로, 생산된 전력의 일부를 저장장치(121)로 충전했다가 필요한 전력을 방전시켜 전력부하(161)에 공급한다. 이때, 태양광 발전(112)으로부터 전력부하(161)로 전력이 사용되는 과정을 살펴보면, 낮에는 태양광 발전(112)의 전력변환장치(142)를 거쳐 전력부하(161)로 연결되고, 밤에는 태양광 발전(112)의 전력변환장치(142) --> 저장장치(121)의 전력변환장치(151)(충전 모드) --> 저장장치(121)에 저장 --> 저장장치(121)의 전력변환장치(151)(방전 모드) --> 전력부하(161)의 경로로 연결된다.

이때, 각각의 전력변환장치(142, 151)에서의 AC/DC 변환 및 DC/AC 변환 과정 각각에서 4~10%의 전력 손실을 발생시키며, 이러한 전력 변환 과정을 여러 번 거치면 손실은 더욱 더 커지는 결과를 가져온다.

종래의 이런 문제점을 해결하기 위한 방안으로 AC/DC 하이브리드 배전망에 관한 기술 연구가 진행되고 있다.

예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-1277185호에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 AC/DC 복합 마이크로그리드 시스템을 제공하고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 하이브리드 마이크로그리드 시스템을 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 종래의 하이브리드 마이크로그리드 시스템은 DC 마이크로그리드 시스템(320)은 분산전원으로서 태양광 발전(325)과 연료전지(321)를 포함하고, 각각의 분산전원에는 DC/DC 전력 변환을 위해 PCS(Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(326, 322)가 연결된다. 에너지 저장장치(323)와 전력변환장치(322, 326) 사이에는 보호 스위치(324)가 배치됨으로써 에너지 저장장치(323)는 보호 스위치(324)를 거쳐 전력변환장치(322, 326)와 연결되며, 각각의 전력변환장치(326, 322)와 보호 스위치(324)는 DC전력부하(327)와 연결된다.

그리고 AC 마이크로그리드 시스템(310)은 분산전원으로서 태양광 발전(313)과 풍력 발전(315)을 포함하고, 각각의 분산전원에는 DC/AC와 AC/AC 전력 변환을 위해 PCS(Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(314, 316)가 연결된다. 에너지 저장장치(323)는 전력변환을 위한 PCS((Power Conditioning System)로 이루어진 전력변환장치(312)가 연결되며, 각각의 전력변환장치(312, 314, 316)는 AC전력부하(317)와 연결된다.

상술한 DC 마이크로그리드 시스템(320)과 AC 마이크로그리드 시스템(310)은 AC/DC 또는 DC/AC 전력 변환을 위한 양방향 전력변환장치(330)에 의하여 연결된다.

이러한 종래 기술에 의하면, AC 마이크로그리드 시스템과 DC 마이크로그리드 시스템을 결합하고, 각각의 시스템을 독립적으로 운영할 수 있는 장점이 있지만, 상호간 연동을 통한 다양한 서비스 모델의 개발이 불가능하다는 한계를 가지고 있다.

특히, AC 배전망에서 많이 사용되는 환형망을 이용한 배전망 시스템에 대해서는 DC 배전망에는 적용하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발전원 및 부하원에 적합한 AC, 저품질 DC, 및 고품질 DC 하이브리드 배전망을 구성하여 전력시스템의 효율을 향상하고 안정적 시스템 운영이 가능하도록 하는 하이브리드 배전망 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템은 AC 배전망, 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제1 DC 배전망, 및 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제2 DC 배전망을 포함하고, 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제1배전망으로 제공하는 제1 전력변환부; 및 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제2 배전망으로 제공하고, 상기 제2 배전망에서 제공되는 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환하여 상기 AC 배전망으로 제공하는 제2 전력변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본발명의 다른 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템은 AC 링 메인 유닛(ring main unit)을 포함하는 환형의 AC 배전망, 하나 이상의 분산전원 및 DC 링 메인 유닛을 포함하는 환형의 제1 DC 배전망, 및 하나 이상의 분산전원 및 DC 링 메인 유닛을 포함하는 환형의 제2 DC 배전망을 포함하고, 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제1배전망으로 제공하는 제1 전력변환부; 및 상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제2 배전망으로 제공하고, 상기 제2 배전망에서 제공되는 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환하여 상기 AC 배전망으로 제공하는 제2 전력변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 DC 배전망은 에너지 저장장치(ESS)를 포함할 수 있다.

상기 AC 배전망에서 제공되는 전원, 상기 제1 DC 배전망에서 제공되는 제1 DC 전원, 및 상기 제2 DC 배전망에서 제공되는 제2 DC 전원 중 어느 하나에 의해 동작하는 하이브리드 부하를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 배전망에는 무정전 유지가 필요한 부하가 연결될 수 있다.

상기 제2전력변환부는 IGBT를 포함하는 양방향 전력변환부일 수 있다.

본 발명에 의하면, AC, DC전원을 부하에 동시에 공급함으로써 전원 2중망 구성 및 전원의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 사용자가 사용할 전원망을 선택하여 선택적 요금제 및 다양한 부하 특성에 적합한 최적의 전원 사용으로 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고품질 DC 배전망의 경우 자체적으로 ESS와 같은 전원유지를 위한 설비를 가지고 있기 때문에, 병원 이나 IDE센터와 같이 무정전을 유지 해야 하는 건물의 경우 각 건물별 UPS를 설치지 않고, 전력 배전망 관리 업자가 기 설치된 ESS를 이용하여 무정전을 유지할 수 있다. 따라서 건물주는 UPS 장비 설치 비용을 절감할 수 있고, 배전망 관리 업체는 다양한 전력 서비스 모델을 개발할 수 있다.

또한, 부하별로도 AC 전원만, AC와 저품질 DC 전원 및 AC와 고품질 전원 등 다양한 요구조건을 만족시킬 수 있는 배전망 체계 및 가격 정책 구성이 가능하며, 태양광 등 다양한 신재생에너지 원을 DC 배전망에 연결하여 보다 효율적인 발전이 가능하도록 하고 특히 ESS 및 연료전지와 같은 발전량 제어가 가능한 발전원의 경우 고품질 DC 배전망에 연결하여 보다 안정적 배전망 운영 및 발전비용 극대화를 이룰 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 AC 배전망 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 종래기술에 따른 하이브리드 배전망의 일예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템을 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

본 명세서에서 ‘및/또는’이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, ‘연결되는/결합되는’이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 ‘포함한다’ 또는 ‘포함하는’으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 테스트 장치를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템(300)을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 하이브리드 배전망 시스템(300)은 AC 배전망(310), 저품질 DC 배전망(320), 및 고품질 DC 배전망(330)으로 구성되어 있고, AC 배전망(310)과 저품질 DC 배전망(320) 사이에는 단방향 전력변환부(340)가 형성되고 있고, AC 배전망(310)과 고품질 DC 배전망(330) 사이에는 양방향 전력변환부(350)가 형성되어 있다.

본 발명에서, 저품질 DC 배전망이란 기간망에 해당하는 AC 배전망으로부터 정류기나 사이리스터 등을 이용하여 단방향의 저품질 DC 전원을 만들고, 만들어진 전원을 AC 배전망과는 별도로 DC 배전망을 통하여 전송하는 배전망을 말한다. 그리고 고품질 DC 배전망이란 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 같은 고속 스위칭 소자를 이용해 양방향 고품질 DC 전원을 만들고 이를 별도의 전력망을 통하여 전송하는 배전망을 말한다.

상기 AC 배전망(310)은 디젤 발전소기 등과 같은 전통적인 발전 시설에서 생성된 AC 전원을 가정이나 공장 등에 제공한다. 즉, AC 배전망(310)은 다수의 AC 부하(311)로 전원을 공급한다. 본 실시예에서는 AC 배전망(310)의 부하로 가정(312)과 공장(313)을 예로 들었으나 이외에도 다양한 AC 부하가 포함될 수 있음은 물론이다.

상기 저품질 DC 배전망(320)은 다수의 저품질 DC 부하 및 발전 시스템(321)을 포함한다. 상기 DC 부하로는 DC 공장(322), 전기차(323), 및 DC 가정(325)이 포함될 수 있고, DC 발전 시스템으로는 신재생 발전소(324)가 포함될 수 있다. 신재생 발전소(324)로는 태양광 발전소, 태양열 발전소 또는 풍력발전소 등을 다양한 발전 시스템을 포함할 수 있다.

상기 고품질 DC 배전망(330)은 다수의 고품질 DC 부하 및 발전 시스템(331)을 포함한다. 상기 DC 부하로는 전기차(333), 병원(334), 데이터 센터(335), 및 고품질 DC 공장(336)이 포함될 수 있고, DC 발전 시스템으로는 신재생 발전 시스템 이외에 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System, 333)을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 고품질 DC 부하란 무정전을 유지할 필요가 있는 부하를 의미한다. 저품질 DC 부하란 고품질 DC 부하가 아닌 DC 부하를 의미한다. 일반적으로 고품질 DC 부하의 경우 무정전을 유지하기 위해서는 UPS(무정전시스템)을 별도로 구비하고 있어야 하나, 본 발명의 경우 에너지 저장 장치를 포함하고 있기 때문에 별도의 UPS를 구비하지 않고도 무정전을 유지할 수 있다.

상기 저품질 DC 부하로 사용되는 전기차(323)는 DC 배전망(320)에서 전원을 공급받아 충전만 가능한 부하이고, 고품질 DC 부하로 사용되는 전기차(333)는 DC 배전망(330)에서 전원을 공급받아 충전을 하고, 필요에 따라 DC 배전망(330)으로 방전하여 에너지 저장 시스템(ESS, 332)에 에너지 저장될 수 있도록 한다.

그리고 AC/DC 하이브리드 부하(341)을 AC 배전망(310)과 DC 배전망(320, 330) 사이에 형성하여 필요에 따라 AC 전력 또는 DC 전력을 공급할 수 있다.

상기 AC/DC 하이브리드 부하(341) 중 저품질의 DC 전력이 필요한 부하는 AC 배전망(310)과 저품질 DC 배전망(320) 사이에 형성되고, 고품질의 DC 전력이 필요한 부하는 AC 배전망(310)과 고품질 DC 배전망(330) 사이에 형성될 수 있다.

상기와 같이 저품질 DC 부하와 고품질 DC 부하의 종류에 따라 저품질 DC 전원 및 고품질 DC 전원을 공급함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

사용자는 사용할 전원망을 선택하여 선택적 요금제 및 다양한 부하 특성에 적합한 최적의 전원 사용으로 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

부하별로도 AC 전원만, AC와 저품질 DC 전원 및 AC와 고품질 전원 등 다양한 요구조건을 마족 시킬 수 있는 배전망 체계 및 가격 정책 구성이 가능하며, 태양광 등 다양한 신재생에너지 원을 DC 배전망에 연결하여 보다 효율적인 발전이 가능하도록 하고 특히 ESS 및 연료전지와 같은 발전량 제어가 가능한 발전원의 경우 고품질 DC 배전망에 연결하여 보다 안정적 배전망 운영 및 발전비용 극대화를 이룰 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 하이브리드 배전망 시스템(400)을 도시한 것이다.

본 실시예에 따르면 배전망은 환형으로 되어 있다. 즉, AC 배전망(410), 저품질 DC 배전망(420), 및 고품질 DC 배전망(430)은 환형으로 형성되어 있고, 각각의 배전망에는 RMU(Ring main unit)이 형성되어 있다.

상기 AC 배전망(410)에는 4개의 AC RMU(415)가 형성되어 있고, 상기 저품질 DC 배전망(420)에는 4개의 DC RMU(425)가 형성되어 있고, 상기 고품질 DC 배전망(430)에는 4개의 DC RMU(435)가 형성되어 있다.

환형 배전망 시스템의 나머지 구성요소는 도 3에서 살펴본 시스템과 동일하다. 즉, 환형 하이브리드 배전망 시스템(400)에도 도 3에서와 마찬가지로, 단방향 전력변환부(440), 양방향 전력변환부(450), AC 부하(411), 저품질 DC 부하 및 발전 시스템(421), 고품질 DC 부하 및 발전 시스템(431), 및 AC/DC 하이브리드 부하(441)를 포함한다.

일반적으로, RMU는 수배전에서 보내진 전력을 수용가로 수, 배전시 사용하는 전기계통의 감시, 제어 및 보호를 위해서 사용되는 장치로, SF6 가스에 의해 밀폐 절연되는 구조물 안에 차단기, 개폐기, 접지 및 도체류 등이 포함된 집합체로 구성되어 있다. RMU는 공지의 구성이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

310 : AC 배전망 320 : 저품질 DC 배전망
330 : 고품질 DC 배전망 340 : 단방향 전력변환부
350 : 양방향 전력 변환부

Claims (6)

1. AC 배전망, 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제1 DC 배전망, 및 하나 이상의 분산전원을 포함하는 제2 DC 배전망을 포함하고,
   상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제1 DC 배전망으로 제공하는 제1 전력변환부; 및
   상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제2 DC 배전망으로 제공하고, 상기 제2 DC 배전망에서 제공되는 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환하여 상기 AC 배전망으로 제공하는 제2 전력변환부를 포함하고,
   상기 AC 배전망은 적어도 하나의 AC 부하가 연결되고,
   상기 제1 DC 배전망은 무정전 유지가 요구되지 않는 적어도 하나의 제1 DC 부하가 연결되고,
   상기 제2 DC 배전망은 무정전 유지가 요구되는 적어도 하나의 제2 DC 부하가 연결되고 에너지 저장장치(ESS)를 포함하고,
   상기 AC 배전망과 상기 제1 DC 배전망 사이 및 상기 AC 배전망과 상기 제2 DC 배전망 사이에 AC/DC 하이브리드 부하가 연결되는 하이브리드 배전망 시스템.
   
2. AC 링 메인 유닛(ring main unit)을 포함하는 환형의 AC 배전망, 하나 이상의 분산전원 및 DC 링 메인 유닛을 포함하는 환형의 제1 DC 배전망, 및 하나 이상의 분산전원 및 DC 링 메인 유닛을 포함하는 환형의 제2 DC 배전망을 포함하고,
   상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제1 DC 배전망으로 제공하는 제1 전력변환부; 및
   상기 AC 배전망에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 상기 제2 DC 배전망으로 제공하고, 상기 제2 DC 배전망에서 제공되는 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환하여 상기 AC 배전망으로 제공하는 제2 전력변환부를 포함하고,
   상기 AC 배전망은 적어도 하나의 AC 부하가 연결되고,
   상기 제1 DC 배전망은 무정전 유지가 요구되지 않는 적어도 하나의 제1 DC 부하가 연결되고,
   상기 제2 DC 배전망은 무정전 유지가 요구되는 적어도 하나의 제2 DC 부하가 연결되고 에너지 저장장치(ESS)를 포함하고,
   상기 AC 배전망과 상기 제1 DC 배전망 사이 및 상기 AC 배전망과 상기 제2 DC 배전망 사이에 적어도 하나의 AC/DC 하이브리드 부하가 연결되는 하이브리드 배전망 시스템.
   
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 AC/DC 하이브리드 부하는 상기 AC 배전망에서 제공되는 전원, 상기 제1 DC 배전망에서 제공되는 제1 DC 전원, 및 상기 제2 DC 배전망에서 제공되는 제2 DC 전원 중 어느 하나에 의해 동작하는 하이브리드 배전망 시스템.
   
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2전력변환부는 IGBT를 포함하는 양방향 전력변환부인 하이브리드 배전망 시스템.
   
   

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