KR102276881B1 - 에너지 저장장치를 이용한 역률 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계통 연계점에서의 역률 제어 방법에 관한 것으로, 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 단계; 상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수신하는 단계; 상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 순시 무효전력 제한치를 계산하는 단계; 및 상기 순시 무효전력 제한치를 기반으로 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 단계를 포함한다.

Description

에너지 저장장치를 이용한 역률 제어 방법 및 그 장치{METHOD FOR CONTROLLING POWER FACTOR USING ENERGY STORAGE SYSTEM AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 계통 연계점의 역률 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 역률 요금 특성을 반영한 에너지 저장장치 기반의 역률 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
현재 전력 사용량은 갈수록 증가하고 있으나 환경 문제 등으로 인해 발전량을 증가시키는 것에 한계가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 효율적인 전력 사용과 수요관리(demand response)에 대한 개발이 중요한 문제로 대두되고 있다.
수요관리는 전력저장이 가능한 장치를 이용하여 수용가의 전기요금을 절감하는 것을 의미한다. 전기요금은 기본 요금, 전력량 요금 및 역률 요금으로 구성된다. 따라서, 수용가의 전기요금을 절감하기 위해서는, 기본 요금 및 전력량 요금뿐만 아니라 역률 요금을 줄여야 한다.
역률(power factor, PF)은 수용가로 공급되는 전력과 실제 사용되는 전력의 비율을 의미하고, 전력 사용 효율의 지표로 사용된다. 역률을 개선하는 것은 에너지 효율을 향상시키는 것이므로 국가에서는 한국전력공사의 역률 요금제, 국토부의 건물 에너지 효율 등급 인증제도 등과 같은 다양한 제도를 적용하여 전력 수용가 측의 역률 개선을 유도하고 있다.
예컨대, 한국전력공사 전기공급약관 제5장 '전기사용에 따른 협력' 부분을 보면 역률에 대한 내용이 나타나 있다. 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계가 설치된 η 계약전력 20kW 이상의 일반용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력,
Figure 112019111247987-pat00001
고전압으로 전기를 공급받는 일반용전력, 교육용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력 고객은 모두 역률을 일정 수치 이상으로 유지할 의무가 있으며 이를 위반할 시에는 역률 요금을 부과하도록 규정하고 있다.
이러한 역률 개선을 위하여 현재 산업현장에서 이용되는 역률 보상 방법으로는 커패시터 뱅크(capacitor bank) 방법이 있다. 커패시터 뱅크 방법은 회로에 복수 개의 커패시터를 병렬로 설치한 후 부하에 따라 선택적으로 투입하는 방법이다. 한편, 일반 수용가에서는 밤낮에 따라 콘덴서를 개폐하여 역률을 조정하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 역률 제어 방법들은 한국전력공사에서 부과하고 있는 역률 요금의 특성을 전혀 반영하고 있지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 에너지 저장장치를 통해 계통 연계점에서의 무효전력을 순시적으로 보상하여 일반 수용가에서의 역률 요금을 최소화할 수 있는 역률 제어 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 단계; 상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수신하는 단계; 상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 순시 무효전력 제한치를 계산하는 단계; 및 상기 순시 무효전력 제한치를 기반으로 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 단계를 포함하는 역률 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 기본정보 획득부; 상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수집하는 계측정보 수집부; 상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 역률제어 연산부; 및 상기 순시 무효전력 보상값에 관한 정보를 포함하는 제어신호를 에너지 저장장치로 전송하는 무효전력 보상부를 포함하는 역률 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 과정; 상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수신하는 과정; 상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 순시 무효전력 제한치를 계산하는 과정; 및 상기 순시 무효전력 제한치를 기반으로 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 과정이 컴퓨터 상에서 순차적으로 수행되도록 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 역률 제어 방법 및 그 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 에너지 저장장치를 통해 계통 연계점에서의 무효전력을 순시적으로 보상하여 일반 수용가에서의 역률 요금을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 현재 시행되고 있는 역률 요금에 기반하여 장기적으로 해당 기준을 만족하면서 무효전력 보상량을 최소화시켜 일반 수용가의 전기 요금을 절감하고 역률을 효과적으로 보상하여 인근 계통의 전력공급설비에 대한 비용 부담을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 역률 제어 방법 및 그 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수용가 전력 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 역률 제어 방법을 설명하는 순서도;
도 3은 역률 제어 기법에 사용되는 최대 무효전력 누적 제한치를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 역률 제어 기법에 사용되는 단위 시간 별 무효전력 제한치를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 역률 제어 기법에 사용되는 순시 무효전력 제한치를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역률 제어 장치의 구성을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 에너지 저장장치를 통해 계통 연계점에서의 무효전력을 순시적으로 보상하여 일반 수용가에서의 역률 요금을 최소화할 수 있는 역률 제어 방법 및 그 장치를 제안한다. 이하 명세서에서, 본 발명은 한국전력공사 전기공급약관 제43조 제1항에 명시된 무효전력 계량이 가능한 전력량계를 구비한 전력계통에 연계되어 있는 계약전력 20kW 이상의 일반용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력 혹은 고전압으로 전기를 공급받는 일반용전력, 교육용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력 고객에 적용하는 것으로 가정한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수용가 전력 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수용가 전력 시스템(100)은 전력 계통(110)에 연계된 전력 부하(120), 계통 연계점(Point of Common Coupling, PCC, 115)에 설치되는 에너지 저장장치(130), 계통 연계점(PCC, 115)에 설치되는 전력 계측장치(140), 상기 에너지 저장장치(130) 및 전력 계측장치(140)와 통신하는 역률 제어 장치(150)를 포함한다.
전력 부하(120)는, 일반 수용가에 위치하는 부하로서, 계통 연계점(PCC, 115)을 통해 상위 전력계통으로부터 공급 받은 전력을 소비하는 모든 전자기기일 수 있다.
에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS, 130)는 전력을 저장하고 필요할 때 사용 가능하도록 하는 모든 장치를 의미한다. 통상, 에너지 저장장치(130)는 전력 사용 피크(peak) 시간대가 아닌 시간대에 전력을 저장하고, 전력 사용 피크 시간대에 상기 저장된 전력을 사용함으로써 고가의 피크 전력 수요를 최소화시키는 기능을 수행할 수 있다.
특히, 본 실시 예에서 사용되는 에너지 저장장치(130)는, 무효전력의 충/방전이 가능한 장치로서, 역률 제어 장치(150)의 지령에 따라 무효전력의 충/방전 동작을 순시적으로 수행할 수 있다. 이때, 상기 에너지 저장장치(130)는 계통 연계점(PCC, 115)에 설치되어, 상기 계통 연계점(PCC, 115)에서의 역률 제어를 위한 무효전력을 보상할 수 있다.
이러한 에너지 저장장치의 가장 대표적인 예로는 배터리 기반의 에너지 저장장치(Battery Energy Storage System, BESS)가 있다. 이하 본 명세서에서, 상기 에너지 저장장치(130)는 '무효전력 충/방전장치'로 지칭될 수 있다.
전력 계측장치(140)는, 해당 전력 시스템(100)의 계통 연계점(PCC, 115)에 설치되어, 상기 계통 연계점(PCC, 115)을 통해 수용가로 공급되는 유효전력량(P), 무효전력량(Q) 및 역률(PF) 등을 계측할 수 있다. 상기 전력 계측장치(140)는 계통 연계점(PCC, 115)에서 측정한 전력 계측 정보를 역률 제어 장치(150)로 제공할 수 있다.
역률 제어 장치(150)는 전력 계측장치(140) 및 에너지 저장장치(130)와 통신선(160)을 통해 연결되어, 상기 전력 계측장치(140) 및 에너지 저장장치(130)와 유선 통신을 수행할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 역률 제어 장치(150)는, 별도의 통신선 연결 없이, 전력 계측장치(140) 및 에너지 저장장치(130)와 무선 통신을 수행할 수도 있다.
역률 제어 장치(150)는 전력 계측장치(140)로부터 계통 연계점(PCC, 115)에서 측정된 전력 계측 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 전력 계측 정보는 유효전력(P) 정보, 무효전력(Q) 정보 및 역률(PF) 정보 등을 포함할 수 있다.
역률 제어 장치(150)는 전력 계측장치(140)로부터 수신된 전력 계측 정보를 기반으로 수용가의 역률 제어를 위한 무효전력 지령치를 결정할 수 있다. 역률 제어 장치(150)는 역률 제어를 위한 무효전력 지령치를 에너지 저장장치(130)로 전송할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 역률 제어 장치(150)는 전력회사(가령, 한국전력공사)에서 규정하는 역률 요금 특성을 반영하여 무효전력 지령치를 결정하고, 상기 무효전력 지령치를 기반으로 에너지 저장장치(130)의 동작을 제어하여 수용가의 역률을 효과적으로 관리할 수 있다.
현재 한국전력공사에서 규정하는 역률 요금에 관한 특성은 다음과 같다. 한국전력공사 전기공급약관 제5장 '전기사용에 따른 협력' 부분을 보면 역률에 관한 내용이 나타나 있다. 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계가 설치된 η 계약전력 20kW 이상의 일반용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력,
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고전압으로 전기를 공급받는 일반용전력, 교육용전력, 산업용전력, 농사용전력, 임시전력 고객은 모두 역률을 일정 수치 이상으로 유지할 의무가 있으며 이를 위반할 시에는 역률 요금을 부과하도록 규정되어있다.
아울러, ① 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계가 설치된 고객은 전력량계에 의하여 30분 단위의 누적 계량값으로 역률을 계산하고, ② 다만, 저압으로 전기를 공급받는 고객과 원격 검침이 되지 않는 고객은 전력량계에 1 개월간 누적된 계량값으로 역률을 계산하도록 규정되어있다. 본 발명에서는 전자에 해당하는 역률 계산 방법을 따르며, 이에 따라 본 발명의 적용 대상도 무효전력을 계량할 수 있는 전력량계가 설치된 고객을 대상으로 한다.
한국전력공사의 전기공급약관에 따르면, 역률 요금의 추가 및 감액은 낮 시간대와 밤 시간대에 따라 서로 다른 기준을 적용한다. 먼저, 낮 시간대(09시부터 23시까지)의 역률에 따른 요금 추가 또는 감액은 지상역률(遲相力率)에 대하여 적용한다. 이 경우, 평균 역률이 90%에 미달하는 경우에는 미달하는 역률 60%까지 매 1%당 기본요금의 0.2%를 추가하고, 평균 역률이 90%를 초과하는 경우에는 역률 95%까지 초과하는 매 1%당 기본요금의 0.2%를 감액한다. 여기서, 평균 역률은 30분 단위의 역률을 1 개월간 평균하여 계산한다. 다만, 30분 단위의 역률이 지상역률 60%에 미달하는 경우 역률 60%로, 지상역률 95%를 초과하는 경우 역률 95%로 간주하여 1 개월간 평균 역률을 계산한다.
한편, 밤 시간대(23시부터 다음날 09시까지)의 역률에 따른 요금 추가 또는 감액은 진상역률(進相力率)에 대하여 적용한다. 이 경우, 별도의 감액 규정은 없고, 평균 역률이 95%에 미달하는 경우에 미달하는 매 1%당 기본요금의 0.2%를 추가한다. 마찬가지로, 평균 역률은 30분 단위의 역률을 1 개월간 평균하여 계산한다. 다만, 30분 단위의 역률이 진상역률 60%에 미달하는 경우에는 역률 60%로, 지상역률인 경우에는 역률 100%로 간주하여 1 개월간 평균 역률을 계산한다.
위 내용을 간단히 정리하면, 단위 시간 별로 역률 제어를 통해 낮 시간대(09시부터 23시까지)에 30분 단위의 누적 계량값으로 계산한 역률을 지상 90% 이상으로 유지하고, 밤 시간대(23시부터 익일 09시까지)에 30분 단위의 누적 계량값으로 계산한 역률을 진상 95% 이상으로 유지하는 경우, 역률 요금은 부과되지 않는다. 다만, 1 개월간의 평균 역률이 역률 요금을 계산하는데 사용되므로 1 개월 동안의 역률 변화를 단위 시간의 역률 기준치에 반영하여 계산하면 무효전력의 충/방전량을 최소화하면서 수용가의 역률을 제어할 수 있다.
이러한 역률 요금 특성에 따라, 본 발명에 따른 역률 제어 장치(150)에서 사용하는 역률 제어 기법은 한 달간의 평균 역률을 역률 유지 기준 내로 만족시켜 역률 요금이 부과되지 않도록 하는 것을 목적으로 하며, 이를 위해 단위 시간 별로 역률 기준치를 변화시켜 순시적으로 역률 제어를 위한 최적의 무효전력 충/방전 지령치를 도출하는 방식이다. 이러한 역률 제어 기법은 무효전력 충/방전이 가능한 에너지 저장장치(ESS)가 이미 구축되어 있는 경우, 무효전력 부하의 변동이 심하거나 혹은 정밀한 역률 제어가 요구되는 경우 등에 효과적으로 적용될 수 있다. 이하에서는, 본 발명에 따른 역률 제어 장치(150)에서 사용하는 역률 제어 기법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 역률 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 역률 제어 장치(150)는, 시스템 운영자의 역률 제어 개시 명령에 따라, 역률 제어의 대상이 되는 계통 연계점(PCC, 115)에 관한 정보, 현재의 날짜 정보 및 시간 정보 등을 획득할 수 있다(S210). 이때, 상기 정보들은 시스템 운영자로부터 입력될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 한편, 실시 형태에 따라, 계통 연계점(PCC, 115)에 관한 정보는 생략될 수 있다.
역률 제어 장치(150)는 계통 연계점(PCC, 115)에 설치된 전력 계측장치(140)로부터 상기 계통 연계점(PCC, 115)에서의 전압, 전류, 순시 유효전력(Ppcc), 순시 무효전력(Qpcc) 및 역률(PFi) 등에 관한 정보를 수신할 수 있다(S220).
역률 제어 장치(150)는, 현재의 시간 정보를 기반으로, 현재의 역률 요금 시간대가 낮 시간대(09시부터 23시까지)인지 아니면 밤 시간대(23시부터 익일 09시까지)인지를 확인한다(S230). 이는 낮 시간대의 역률 요금은 지상역률(遲相力率)에 대해 적용되고, 밤 시간대의 역률 요금은 진상역률(進相力率)에 대해 적용되기 때문이다.
상기 230 단계의 확인 결과, 현재의 역률 요금 시간대가 낮 시간대인 경우, 역률 제어 장치(150)는 순시 무효전력(Qpcc)에 대해 절대값을 설정할 필요 없이, 해당 순시 무효전력(Qpcc)을 기반으로 순시 무효전력 보상값을 계산한다.
한편, 상기 230 단계의 확인 결과, 현재의 역률 요금 시간대가 밤 시간대인 경우, 역률 제어 장치(150)는 순시 무효전력(Qpcc)에 대해 절대값을 설정하고, 상기 절대값이 설정된 순시 무효전력(Qpcc)을 기반으로 순시 무효전력 보상값을 계산한다(S240). 즉, 진상역률의 경우에는 순시 무효전력(Qpcc)이 음수이므로 절대값을 취하여 순시 무효전력 보상값을 계산한다.
이하에서는, 설명의 편의상, 현재의 역률 요금 시간대가 낮 시간대인 경우를 예시하여 설명하도록 한다.
역률 제어 장치(150)는, 한달 동안의 30분 단위 역률 평균(PFmonth)에 관한 정보와 현재 시간(시점)까지의 30분 단위 역률 평균(PFnow)에 관한 정보를 기반으로 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)를 계산할 수 있다(S250).
역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 1을 이용하여 한달 동안의 30분 단위 역률 평균(PFmonth)을 계산할 수 있다. 왜냐하면, 역률 요금을 산정하기 위한 역률은 30분 단위로 유/무효 전력을 계량하여 계산된 역률의 한달 평균값으로 판단하기 때문이다.
Figure 112019111247987-pat00003
여기서, PFi는 30분 단위의 누적 계량값으로 계산된 역률이고, N은 한달 동안 09시부터 23시까지 30분 간격의 개수임. 예를 들어, 한 달이 30일인 달의 N은 28*30=840이고, 31일인 달의 N은 28*31=868이다. 이하, 본 실시 예에서는, 설명의 편의상, 한 달을 30일이라 가정한다.
한달 동안의 30분 단위 역률 평균(PFmonth)이 미리 정해져 있다면(가령, PFmonth=0.9), 역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 2를 이용하여 K 번째 타임이 경과한 현재 시간부터 한 달이 끝날 때까지 유지해야 하는 30분 단위의 평균 역률 기준치(PFlimit_30)를 계산할 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00004
여기서, PFlimit_30은 현재 시간부터 유지해야 하는 30분 단위 평균 역률 기준치이고, PFnow는 기산(최초) 시간부터 현재 시간까지의 30분 단위 역률 평균이고, PFmonth는 한 달 동안의 30분 단위 역률 평균이고, K는 기산 시간부터 현재 시간까지의 30분 단위 경과 타임 수임.
역률 제어 장치(150)는, 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)에 관한 정보를 기반으로 순시 무효전력 제한치(Qinst)를 계산할 수 있다(S260).
먼저, 30분 내의 평균 역률(PF30)은, 아래 수학식 3과 같이, 누전된 유효전력과 무효전력으로 계산된다.
Figure 112019111247987-pat00005
여기서, PF30은 30분 내 누적 계량값으로 계산된 평균 역률이고, Psum_30은 30분 내의 유효전력 누적량이고, Qsum_30은 30분 내의 무효전력 누적량임.
30분 내의 평균 역률(PF30)은 앞서 도출한 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)보다 높게 유지되어야 하기 때문에, 역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 4를 이용하여 30분 구간 내 현재 시간(Tnow)에서의 최대 무효전력 누적 제한치(Qsum_limit)를 계산할 수 있다. 즉, 역률 제어 장치(150)는 30분 구간 내 현재 시간까지의 유효전력 누적량(Psum)과 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)를 기반으로 30분 구간 내 현재 시간(Tnow)에서의 최대 무효전력 누적 제한치(Qsum_limit)를 계산할 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00006
여기서, Ppcc는 순시 유효전력이고, Psum은 30분 구간 내 현재 시간까지의 유효전력 누적량이고, Qpcc는 순시 무효전력이고, Qsum은 30분 구간 내 현재 시간까지의 무효전력 누적량, PFlimit_30는 30분 단위 평균 역률 기준치임.
가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 30분 구간 내 현재 시간(Tnow)에서의 최대 무효전력 누적 제한치(Qsum_limit)는 상술한 수학식 4를 통해 계산될 수 있고, 이에 따라 30분 구간 내 현재 시간(Tnow)에서의 무효전력 누적량은 상기 최대 무효전력 누적 제한치(Qsum_limit)를 초과하지 않도록 계통 연계점에서의 순시 무효전력을 보상할 수 있다.
역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 5를 이용하여 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)를 계산할 수 있다. 즉, Qsum_limit 값을 현재 시간(Tnow)으로 나누면, 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)를 계산할 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)는 시간 경과에 따라 가변되는 값이다.
Figure 112019111247987-pat00007
여기서, Tnow는 30분 구간 내의 현재 시간이고, Qsum_limit는 30분 구간 내 현재 시간(Tnow)에서의 최대 무효전력 누적 제한치임.
역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 6을 이용하여 무효전력 평균값(Qavg)을 계산할 수 있다. 즉, 현재 시간까지의 무효전력 누적값(Qsum)을 전체 시간(Ttotal)으로 나누면, 무효전력 평균값(Qavg)을 계산할 수 있다. 마찬가지로, 도 4에 도시된 바와 같이, 무효전력 평균값(Qavg)은 시간 경과에 따라 가변되는 값이다.
Figure 112019111247987-pat00008
위 수학식 5를 통해 계산된 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)와 위 수학식 6을 통해 계산된 무효전력 평균값(Qavg) 간의 차이는 무효전력 차분 평균값(Qmargin)이다. 따라서, 상기 무효전력 차분 평균값(Qmargin)은 아래 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00009
전체 시간(Ttotal)과 현재 시간(Tnow) 간의 차이는 앞으로 남은 시간(Trest)이 된다. 따라서, 상기 남은 시간(Trest)은 아래 수학식 8과 같이 계산될 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 현재 시간(Tnow)과 전체 시간(Ttotal)과 남은 시간(Trest) 간의 관계를 확인할 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00010
역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 9를 이용하여 현재 시간부터 남은 시간 동안의 순시 무효전력 제한치(Qinst)를 계산할 수 있다. 즉, 역률 제어 장치(150)는 무효전력 차분 평균값(Qmargin)에 관한 정보를 기반으로 남은 시간 동안의 순시 무효전력 제한치(Qinst)를 계산할 수 있다. 가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 면적(510)에 해당하는 무효전력 누적량(
Figure 112019111247987-pat00011
)과 제2 면적에 해당하는 무효전력 누적량(
Figure 112019111247987-pat00012
)이 동일하다는 점을 이용하여 남은 시간 동안의 순시 무효전력 제한치(Qinst)를 계산할 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00013
여기서, Trest는 남은 시간이고, Ttotal은 전체 시간이고, Qmargin은 무효전력 차분 평균값임.
역률 제어 장치(150)는 현재 시점에서의 순시 무효전력(Qpcc)에 관한 정보와 순시 무효전력 제한치(Qinst)에 관한 정보를 서로 비교할 수 있다(S270).
상기 270 단계의 비교 결과, 현재 시점에서의 순시 무효전력(Qpcc)이 순시 무효전력 제한치(Qinst) 이하인 경우, 역률 제어 장치(150)는 계통 연계점에서의 역률을 제어할 필요가 없기 때문에 해당 프로세스를 종료하게 된다.
한편, 상기 270 단계의 비교 결과, 현재 시점에서의 순시 무효전력(Qpcc)이 순시 무효전력 제한치(Qinst)보다 더 큰 경우, 역률 제어 장치(150)는 아래 수학식 10을 이용하여 역률 제어를 위한 순시 무효전력 보상값(Qcomp)을 계산할 수 있다(S280). 즉, 역률 제어 장치(150)는 순시 무효전력 제한치(Qinst)에 관한 정보와 현재 시점의 순시 무효전력(Qpcc)에 관한 정보를 기반으로 순시 무효전력 보상값(Qcomp)을 계산할 수 있다.
Figure 112019111247987-pat00014
여기서, Qpcc는 현재 시점의 순시 무효전력이고, Qinst는 순시 무효전력 제한치임.
역률 제어 장치(150)는 순시 무효전력 보상값(Qcomp)에 관한 정보를 포함하는 무효전력 지령치(즉, 충/방전 제어신호)를 에너지 저장장치(130)로 전송할 수 있다(S290). 이를 수신한 에너지 저장장치(130)는 순시 무효전력 보상값(Qcomp)에 따라 충/방전 동작을 수행할 수 있다. 현재 시점에서의 순시 무효전력(Qpcc)이 순시 무효전력 제한치(Qinst)보다 크면 역률을 위배할 가능성이 높기 때문에, 둘의 차이만큼 에너지 저장장치(130)가 보상하여 계통 연계점(115)에서의 무효전력을 제어할 수 있다.
통상, 에너지 저장장치(130)는, 낮 시간대의 경우, 무효전력 지령치에 따라 방전 동작을 수행하고, 밤 시간대의 경우, 무효전력 지령치에 따라 충전 동작을 수행하게 된다. 한편, 본 실시 예에서는, 낮 시간대의 지상역률을 보상하는 방법에 대해 자세히 설명하고 있지만, 밤 시간대의 진상역률에 대해서도 동일한 방법을 사용하여 보상할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 역률 제어 방법은 에너지 저장장치를 통해 계통 연계점에서의 무효전력을 순시적으로 보상하여 일반 수용가에서의 역률 요금을 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 역률 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 역률 제어 장치(200)는 기본정보 획득부(210), 계측정보 수집부(220), 역률제어 연산부(230) 및 무효전력 보상부(240)를 포함한다.
기본정보 획득부(210)는 역률 제어의 대상이 되는 계통 연계점(PCC, 115)에 관한 정보, 현재의 날짜 정보 및 시간 정보 등을 획득할 수 있다. 이때, 상기 기본정보 획득부(210)는 해당 정보들을 시스템 운영자로부터 입력 받거나 혹은 자동으로 검출할 수 있다. 한편, 실시 형태에 따라, 계통 연계점(PCC, 115)에 관한 정보는 생략될 수 있다.
계측정보 수집부(220)는 계통 연계점(PCC, 115)에 설치된 전력 계측장치(140)로부터 상기 계통 연계점(PCC, 115)에서의 전압, 전류, 순시 유효전력(Ppcc), 순시 무효전력(Qpcc) 및 역률(PFi) 등에 관한 정보를 수집할 수 있다. 이때, 상기 계측정보 수집부(220)는 해당 정보들을 미리 결정된 시간 단위로(주기적으로) 수집할 수 있다.
역률제어 연산부(230)는 기본정보 획득부(210)로부터 수신된 정보와 계측정보 수집부(220)로부터 수신된 정보를 기반으로 계통 연계점에서의 역률 제어를 위한 순시 무효전력 보상값을 계산할 수 있다.
먼저, 역률제어 연산부(230)는 한달 동안의 30분 단위 역률 평균(PFmonth)에 관한 정보와 현재 시간까지의 30분 단위 역률 평균(PFnow)에 관한 정보를 기반으로 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)를 계산할 수 있다. 이후, 역률제어 연산부(230)는 30분 구간 내 현재 시간까지의 유효전력 누적량(Psum)과 30분 단위 평균 역률 기준치(PFlimit_30)를 기반으로 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)를 계산할 수 있다.
역률제어 연산부(230)는 단위 시간 별 무효전력 제한치(Qlimit)와 무효전력 평균값(Qavg)을 기반으로 현재 시간부터 남은 시간 동안의 순시 무효전력 제한치(Qinst)를 계산할 수 있다. 그리고, 역률제어 연산부(230)는 순시 무효전력 제한치(Qinst)와 현재 시점의 순시 무효전력(Qpcc)을 기반으로 순시 무효전력 보상값(Qcomp)을 계산할 수 있다.
무효전력 보상부(240)는 역률제어 연산부(230)로부터 수신된 순시 무효전력 보상값(Qcomp)에 관한 정보를 포함하는 충/방전 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 충/방전 제어신호를 에너지 저장장치(130)로 전송할 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장장치(130)는 무효전력 보상부(240)로부터 수신된 충/방전 제어신호에 따라 무효전력을 계통 연계점(PCC, 115)으로 충/방전하는 동작을 수행할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 역률 제어 장치는 에너지 저장장치를 통해 계통 연계점에서의 무효전력을 순시적으로 보상하여 일반 수용가에서의 역률 요금을 최소화할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 수용가 전력 시스템 110: 전력 계통
120: 전력 부하 130: 에너지 저장장치
140: 전력 계측장치 150/200: 역률 제어 장치
210: 기본정보 획득부 220: 계측정보 수집부
230: 역률제어 연산부 240: 무효전력 보상부

Claims (10)

  1. 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 단계;
    상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수신하는 단계;
    상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 순시 무효전력 제한치를 계산하는 단계; 및
    상기 순시 무효전력 제한치와 현재 시점의 순시 무효전력을 기반으로 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 순시 무효전력 제한치 계산 단계는, 일정 기간 동안의 단위 시간당 역률 평균에 관한 정보와 상기 일정 기간의 기산 시점에서 현재 시점까지의 단위 시간당 역률 평균에 관한 정보를 기반으로 상기 현재 시점부터 상기 일정 기간의 종료 시점까지의 단위 시간당 평균 역률 기준치를 계산하는 단계와, 상기 평균 역률 기준치를 기반으로 단위 시간 별 무효전력 제한치를 계산하는 단계와, 상기 단위 시간 별 무효전력 제한치와 무효전력 평균치를 기반으로 상기 순시 무효전력 제한치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 계측정보는, 상기 계통 연계점에서의 전압, 전류, 순시 유효전력, 순시 무효전력 및 역률 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 현재 시간 정보를 기반으로 현재의 역률 요금 시간대가 낮 시간대인지 아니면 밤 시간대인지를 확인하는 단계를 더 포함하는 역률 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위 시간당 평균 역률 기준치(PFlimit_t)는 아래 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112021061677262-pat00015

    여기서, PFlimit_t은 현재 시간부터 유지해야 하는 미리 결정된 시간(t) 단위의 평균 역률 기준치이고, PFnow는 최초 기산 시간부터 현재 시간까지 미리 결정된 시간 단위(t)의 역률 평균이고, PFmonth는 한 달 동안 미리 결정된 시간 단위(t)의 역률 평균이고, K는 기산 시간부터 현재 시간까지의 미리 결정된 시간 단위(t)의 경과 타임 수임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 순시 무효전력 제한치는 아래 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112019111247987-pat00016

    여기서, Trest는 남은 시간이고, Ttotal은 전체 시간이고, Qmargin은 단위 시간 별 무효전력 제한치에서 무효전력 평균치를 차분한 값임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 순시 무효전력 보상값은 아래 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
    [수학식]
    Figure 112019111247987-pat00017

    여기서, Qpcc는 현재 시점의 순시 무효전력이고, Qinst는 순시 무효전력 제한치임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 순시 무효전력 보상값에 관한 정보를 포함하는 제어신호를 에너지 저장장치로 전송하는 단계를 더 포함하는 역률 제어 방법.
  9. 청구항 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 방법이 컴퓨터 상에서 수행되도록 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  10. 계통 연계점에서의 역률 제어를 개시하기 위한 현재 시간 정보를 획득하는 기본정보 획득부;
    상기 계통 연계점에 설치된 전력 계측장치로부터 상기 계통 연계점에서의 전력 계측정보를 수집하는 계측정보 수집부;
    상기 현재 시간 정보 및 상기 전력 계측정보를 기반으로, 역률 요금 특성을 반영한 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 역률제어 연산부; 및
    상기 순시 무효전력 보상값에 관한 정보를 포함하는 제어신호를 에너지 저장장치로 전송하는 무효전력 보상부를 포함하고,
    상기 역률제어 연산부는, 일정 기간 동안의 단위 시간당 역률 평균에 관한 정보와 상기 일정 기간의 기산 시점에서 현재 시점까지의 단위 시간당 역률 평균에 관한 정보를 기반으로 상기 현재 시점부터 상기 일정 기간의 종료 시점까지의 단위 시간당 평균 역률 기준치를 계산하고, 상기 평균 역률 기준치를 기반으로 단위 시간 별 무효전력 제한치를 계산하며, 상기 단위 시간 별 무효전력 제한치와 무효전력 평균치를 기반으로 상기 순시 무효전력 제한치를 계산하고, 상기 순시 무효전력 제한치와 현재 시점의 순시 무효전력을 기반으로 상기 계통 연계점에서의 순시 무효전력 보상값을 계산하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 장치.
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