KR102328080B1

KR102328080B1 - 분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR102328080B1
Application number: KR1020210042132A
Authority: KR
Inventors: 이진재; 이광세; 강민상; 김대진; 김병기; 유경상; 김찬수; 남양현
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-11-18
Also published as: WO2022211193A1

Abstract

분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예 따른 테스트 시스템은, 상기 분산 전원 발전에 대한 수학적 모델링을 수행하며, 정격 출력을 유지하는 동적 제어, 상기 분산 전원의 상태를 제어하는 감독 제어 및 상기 분산 전원의 안전을 제어하는 안전 제어 결과를 반영한 출력값을 제공하는 분산 전원 시뮬레이터; 상기 분산 전원 시뮬레이터가 제공한 출력값을 전기적 에너지로 변환하여 전력으로 출력하는 전력 변환부; 상기 출력된 전력에 대해 전압 사고를 재현하는 전압 사고 재현부; 상기 분산 전원 시뮬레이터, 상기 전력 변환부 및 상기 전압 사고 재현부를 포함하는 전력 계통의 특정 구간의 전력 품질을 측정하는 전력 품질 측정부; 및 상기 전력 계통의 데이터를 취득하고 상기 분산 전원 시뮬레이터 및 상기 전력 변환부 각각에 대한 제어를 수행하는 감시 제어 및 데이터 취득부를 포함한다.

Description

분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR TESTING PERFORMANCE AND RELIABILITY OF DISTRIBUTED POWER SOURCE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 분산 전원의 성능 및 신뢰성 확보를 위한 테스트 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산 전원의 실제 출력 성능과 전기/화학적 시험을 다양한 조건에서 수행할 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 화석 에너지의 고갈과 환경 오염의 문제로 인해, 친환경적이고 가격 경쟁력의 잠재성을 가진 신재생 에너지를 이용하는 분산 전원의 도입 비중이 증대하고 있다. 분산 전원의 예로서는 풍력, 태양열 및 이를 추적하는 에너지 세이빙 시스템(ESS)가 있으며, 이러한 분산 전원은 발전소와 같은 대규모 집중형 전원과 달리 넓은 지역에 소규모 발전 설비가 분포하게 된다.

이러한 분산 전원은 대규모 집중형 전원과 달리 고장에 의해 전체 계통의 정전이 발생하는 문제점을 해결할수 있으며, 에너지 저장과 전력 거래 등을 통해 마이크로 그리드와 스마트 그리드와 같은 신개념의 전력 계통을 구축할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 분산 전원은 해상이나 산간 등에 광역적으로 분포하여, 설치 이후에 유지 보수가 어려우며, 풍력 발전기와 같은 경우에는 발전기의 가격도 고가이기 때문에 분산 전원의 운용에 대한 테스트와 제어가 어려운 점이 존재한다.

도 1은 분산 전원을 이용한 전력 계통을 도시하는 개요도이다.

분산 전원(1)은 해상이나 산간에 태양열, 태양광 또는 풍력 발전기로부터 자연 환경에 의한 발전을 수행하여 재생 에너지를 전력 계통(2)에 공급하게 된다. 특히, 풍력 발전의 경우에는 메가 와트(MW)급의 발전 용량이 보편화되어 있고, 대규모 발전 단지에서 사용 운전을 개시하고 있어 풍력 발전의 비중이 커지고 있는 상황이다.

한편, 분산 전원(1)은 바람, 일조량, 기후 등에 영향을 받기 때문에, 발전량이 안정적이지 않으며, 항상 자연 환경의 변화에 따른 성능과 신뢰성의 문제를 내포하고 있다. 주로 인적이 드문 지역이나 해상 등에 설치되는 부유식 풍력 발전기는 그 초기 설치 비용도 고가이지만, 20년이상의 장기간 운용이 필요하기 때문에 자연 환경에 강인하고 안정적으로 전력을 생산할 수 있어야 한다.

이를 위하여 초기 비용 이외에 설치 후 운영 및 관리를 위한 비용 절감이 큰 경쟁력 요소로 평가되고 있다. 이를 위하여, 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 평가할 수 있는 솔루션이 절실히 요구된다.

한편, 분산 전원(1)은 전력 계통(2)을 통해 전력 수요 시스템(3)에 전력을 공급하게 된다. 궁극적으로 분산 전원(1)은 전력 공급을 안정적으로 수행하여야 하기 때문에 분산 전원(1)의 성능과 신뢰성을 확보하는 것은, 단순히 자연 환경의 변화에 적응하여 관리하는 것 외에도 실제 전력 계통에서 발생 가능한 다양한 상황에서의 출력 전력의 성능과 신뢰성도 관리되어야 한다.

한편, 분산 전원을 실제 구동시키는 어려움에 착안하여, 분산 전원의 성능을 측정하기 위한 다양한 시뮬레이션 시스템이 개발되어 오고 있다.

그러나, 종래의 분산 전원 시뮬레이션 기술들은 단지 분산 전원의 발전 성능을 소프트웨어적으로만 시뮬레이션 하여 그 결과를 제공하고 있다. 하지만, 고가의 풍력 발전기와 같은 분산 전원은 외부 환경에 따라 동적인 제어가 필요하며, 상태 변화에 따른 감독제어가 필요하다. 또한, 실제 전력 계통과 연결되어 다양한 조건에 그 성능과 신뢰성이 평가되지 않은 시뮬레이션은 향후 운영 및 관리에 따른 신뢰성을 제공하지 못하기 때문에 막대한 유지 비용을 소모될 위험이 존재한다.

특히, 풍력 발전기와 같은 분산 전원의 설치와 운용에 있어서, 각 국가마다 엄격한 계측과 측정을 통한 공인 인증을 거쳐야 하는데 종래 시스템은 이러한 실험을 계측과 측정을 위한 평가 시스템을 제공하기 어려웠다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분산 전원의 실제 출력 성능과 전기/화학적 시험을 다양한 조건에서 수행할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자연 환경 변화에 따른 동적 제어, 분산 전원의 상태에 기초한 감독 제어 및 비상 상황에서의 안전 제어가 반영된 분산 전원의 테스트 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 전력 계통에서 발생하는 변화와 전압 고장 상태를 모사하여 제공하고, 분산 전원 및 전력 변환부의 상태를 계측하고 감시 제어할 수 있는 테스트 시스템 및 그 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 테스트 시스템은 분산 전원과 전력 계통의 구성 요소들을 장거리에서 강건한 통신 시스템으로서 구현함으로써 확장성을 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트 하는 시스템은, 상기 분산 전원 발전에 대한 수학적 모델링을 수행하며, 정격 출력을 유지하는 동적 제어, 상기 분산 전원의 상태를 제어하는 감독 제어 및 상기 분산 전원의 안전을 제어하는 안전 제어의 결과를 반영한 출력값을 제공하는 분산 전원 시뮬레이터; 상기 분산 전원 시뮬레이터가 제공한 출력값을 전기적 에너지로 변환하여 전력으로 출력하는 전력 변환부; 상기 출력된 전력에 대해 전압 사고를 재현하는 전압 사고 재현부; 상기 분산 전원 시뮬레이터, 상기 전력 변환부 및 상기 전압 사고 재현부를 포함하는 전력 계통의 특정 구간의 전력 품질을 측정하는 전력 품질 측정부; 및 상기 전력 계통의 데이터를 취득하고 상기 분산 전원 시뮬레이터 및 상기 전력 변환부 각각에 대한 제어를 수행하는 감시 제어 및 데이터 취득부를 포함한다.

여기서, 상기 분산 전원 시뮬레이터는, 환경 변수에 따라 상기 분산 전원의 발전을 수학적으로 모델링하는 분산 전원 동적 모델링부; 외부 환경의 파라메터의 동적인 변화에도 정격 출력을 유지하도록 상기 분산 전원을 동적으로 제어하는 분산 전원 동적 제어부; 상기 분산 전원의 상태를 모니터링하고, 상기 분산 전원의 상태 파라메터에 따라 상기 분산 전원을 감독 제어하는 분산 전원 감독 제어부; 및 분산 전원의 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 중지 동작을 수행하는 안전 제어부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 분산 전원 감독 제어부는 상기 분산 전원 동적 제어부보다 상위에서 제어를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 전력 변환부와 연결되며, 전력 수요자의 그리드를 모사하는 그리드 시뮬레이터를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 그리드 시뮬레이터는 그리드의 주파수 이상 상태를 재현하며, 상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 주파수 이상 상태에 응답하여 상기 전력 변환부를 제어할 수 있다.

여기서, 상기 전압 사고 재현부는, 상기 전력 계통의 저전압 상태를 재현하고 상기 저전압 상태의 데이터를 저장하고 보상을 수행하는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 장치 및 상기 전력 계통의 과전압 상태를 재현하고 상기 과전압 상태의 데이터를 저장하고 보상을 수행하는 HVRT(High Voltage Ride Through) 장치를 포함하며, 상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 저전압 또는 과전압 상태에 응답하여 상기 전력 변환부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는, 상기 전력 변환부를 상기 전압 사고 재현부와 상기 그리드 시뮬레이터 사이에서 스위칭하는 스위치를 더 포함하고, 상기 감시 제어 및 데이터 취득부가 상기 스위치를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터는, 환경 변수에 따라 상기 분산 전원의 발전을 수학적으로 모델링하는 분산 전원 동적 모델링부; 외부 환경의 파라메터의 동적인 변화에도 정격 출력을 유지하도록 상기 분산 전원을 동적으로 제어하는 분산 전원 동적 제어부; 상기 분산 전원의 상태를 모니터링하고, 상기 분산 전원의 상태 파라메터에 따라 상기 분산 전원을 감독 제어하는 분산 전원 감독 제어부; 및 분산 전원의 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 중지 동작을 수행하는 안전 제어부; 및 상기 분산 전원 동작 모델링부, 상기 분산 전원 동적 제어부, 상기 분산 전원 감독 제어부 및 상기 안전 제어부의 동작이 반영된 유효 전력값 및 무효 전력값을 전기적 에너지로 변환하는 전력 변환부로 출력하는 외부 출력부를 포함한다.

여기서, 상기 분산 전원은 풍력 발전기이며, 상기 분산 전원 동작 제어부에 입력되는 외부 환경 파라메터는 풍속이며, 상기 분산 전원의 상태 파라메터는 상기 풍력 발전기의 온도, 오일 상태, 냉각수 상태, 펌프 상태, 대기 상태 중 적어도 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기 풍력 발전기를 포함하여 발전을 수행하는 플랜트를 모사하는 플랜트 모델부 및 상기 플랜트 모델부를 제어하는 플랜트 제어부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 플랜트 모델부는 상기 풍력 발전기의 발전에 관한 물리 정보를 수신하여 플랜트 발전 정보를 제공하며, 상기 플랜트 제어부는 상기 풍력 발전기의 제어 정보를 수신하여 상기 풍력 발전기의 동작 모드, 시작/중지 시퀀스, 안전 동작 정보를 피드백할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 감시 제어 및 데이터 취득 장치는, 상기 분산 전원은 풍력 발전기이며, 상기 풍력 발전기의 운전과 관련된 값을 호출하는 호출부;

풍속, 습도, 로터 속도, 로터 토크, 블레이드 피치 각도 중 적어도 하나의 정보를 제공하는 운전 상태 정보 제공부; 발전기 속도, 발전기 토크, 유효 전력, 무효 전력, 주파수 중 적어도 하나의 정보를 제공하는 발전 상태 정보 제공부; 상기 분산 전원 시뮬레이터의 제어 상태를 표시하는 제1스테이트 머신 표시부; 및 상기 전력 변환부의 제어 상태를 표시하는 제2스테이트 머신 표시부를 포함한다.

여기서, 상기 호출부, 운전 상태 제공부, 발전 상태 제공부, 제1스테이트 머신 표시부 및 제2스테이트 머신 표시부는 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 형태로 제공되며, 상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 분산 전원 시뮬레이터와 상기 전력 변환부와 미리 정해진 통신 프로토콜을 통해 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 방법은, 분산 전원 시뮬레이터가 분산 전원의 동적 모델링을 수행하기 위한 정보를 등록하는 단계; 상기 분산 전원 시뮬레이터가 수학적 모델링을 통해 분산 전원의 발전을 모델링하는 단계; 상기 분산 전원 시뮬레이터가 상기 분산 전원의 외부 환경, 상태 변화 및 이상 상태에 따라 상기 분산 전원의 제어를 수행하는 단계; 전력 변환부가 상기 모델링 및 분산 전원의 제어에 기초하여 생성된 출력 전력값을 기초로 전기적 에너지로 변환하여 전력 계통에 출력하는 단계; 상기 전력 계통의 이상 상태를 재현하는 단계; 상기 분산 전원 및 상기 전력 계통에서 미리 정해진 구간의 전력 품질을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전력 품질을 기초로 상기 분산 전원 시뮬레이터 및 상기 전력 변환부에 대해 감시 제어를 수행하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 분산 전원 제어 단계는, 외부 환경 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 정격 출력을 유지하기 위한 동적 제어를 수행하는 단계; 상기 분산 전원의 상태 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 감독 제어를 수행하는 단계; 및 상기 분산 전원의 이상 동작 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 안전 제어를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 분산 전원은 풍력 발전기이며, 상기 외부 환경 파라메터는 풍속이며, 상기 동적 제어는 블레이드 각도를 제어하는 것일 수 있다.

여기서, 상기 분산 전원은 풍력 발전기이며, 상기 분산 전원 상태 파라메터는 온도, 오일, 냉각수, 펌프 제어, 대기 상태 중 적어도 하나의 정보, 상기 감독 제어는 냉각, 대기, 운전, 종료 중 적어도 하나일 수 있다.

여기서, 상기 이상 상태 재현 단계는, 저전압 또는 과전압 상태의 전압값과 시간을 설정하는 단계 및 상기 저전압 또는 과전압 사고를 재현하여 대응하기 위한 제어 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 이상 상태 재현 단계는, 전력 계통에서 발생 가능한 주파수 이상 상태의 주파수와 시간을 설정하는 단계 및 상기 주파수 이상 상태 사고를 재현하여 대응하기 위한 제어 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 테스트 시스템 및 방법은, 분산 전원의 시뮬레이팅에 있어서, 자연 환경 변화에 따른 동적 제어, 분산 전원의 상태에 기초한 감독 제어 및 비상 상황에서의 안전 제어가 반영된 출력 전력값을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제공된 출력 전력값에 대해 전력 계통에 실제 전기 에너지를 출력하여 전압 고장 상태를 재현하여 전력 품질 값을 측정하고 이를 전력 계통의 감시 제어에 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에 따르면, 분산 전원의 시뮬레이터 및 전력 변환부 모두의 데이터를 취득하고 감시 제어를 수행함으로써 분산 전원이 적용된 전력 계통에 대한 통합적인 테스트가 가능하다.

도 1은 분산 전원을 이용한 전력 계통을 도시하는 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 따른 분산 전원 시뮬레이터와 플랜트 시뮬레이터와의 신호 흐름을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압 사고 재현부를 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 감시 제어 및 데이터 취득을 위한 인터페이스를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템의 네트워크를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 제어 단계를 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 전력 계통의 이상 상태 재현을 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터와 감시 제어 및 데이터 취득부의 제어를 위한 스테이트 머신을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환부와 감시 제어 및 데이터 취득부의 제어를 위한 스테이트 머신을 설명하는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서, "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예컨대 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예컨대 모듈은ASIC(application-specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템을 도시한 블록도이다.

분산 전원 테스트 시스템(1000)은 분산 전원 시뮬레이터(100), 전력 변환부(200), 스위치(SW), 전압사고 재현부(300), 그리드 시뮬레이터(400), 감시 제어 및 데이터 취득부(500) 및 계측/분석부(600)를 포함한다.

분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템(1000)은 근거리 통신 프로토콜을 통해 하나의 물리적 공간에 구현될 수도 있지만, 원거리 통신을 통해 분산 구현 또는 신규 구성와의 확장이 가능하다.

분산 전원 시뮬레이터(100)은 분산 전원의 발전에 대한 수학적 모델링과 분산 전원 제어를 수행하여 다양한 조건을 반영한 분산 전원의 유효 전력(P)과 무효 전력(Q)의 값을 출력한다.

본 발명의 실시예에서 분산 전원 시뮬레이터는 분산 전원에 대한 동적/수학적 모델링을 수행하고, 다양한 자연 환경에 대해 정격 출력이 가능한 동적 제어, 발전기 내부 상태 파라메터 변화에 따른 분산 전원 감독 제어와, 고장/비상 상태에 대한 안전 제어를 모두 수행하여 분산 전원에 대한 시뮬레이션 결과를 제공한다.

이러한 분산 전원 시뮬레이터(100)는 HILS(Hardware In Loop Simulator)에 의해 구현될 수 있다. HILS는 복잡한 실시간 제어 대상을 선형 또는 비선형 모델링하여 사전 검증이 가능한 시스템으로, 자동차, 항공, 국방, 철도 분야 등에 광범위하게 사용되고 있다. 본 발명의 실시예에서는 풍력 발전기와 같이 분산 전원이 실제 전력 계통에서 고장 상태를 포함한 다양한 조건에 대해 대응이 가능한 분산 전원 시뮬레이터(100)을 제공한다. 분산 전원 시뮬레이터(100)의 상세한 구성과 타 구성요소와의 연계 동작은 후술하기로 한다.

전력 변환부(200)는 분산 전원 시뮬레이터(100)가 출력한 유효/무효 전력값에 대응하는 실제 전력을 출력한다. 본 발명의 실시예에서는 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 정확히 측정 및 검증할 필요가 있기 때문에, 단순한 시뮬레이션 값이 아니라 시뮬레이션 값에 대응한 전기적 출력을 전력 변환부(200)를 통해 생성하게 된다.

전력 변환부(200)에 의해 생성된 전기적 출력과 그 실시간 변화값은 수요 시스템 또는 수요 시뮬레이터에 제공되고, 전력 품질 측정 및 감시 제어의 대상이 된다.

전압 사고 재현부(300)는 전력 계통에서 발생할 수 있는 전압 사고를 재현한다. 전압 사고 재현부(300)는 순간적인 저전압 또는 과전압 상태를 발생시키고, 이를 위한 보상 제어에 대한 기능을 수행할 수 있다. 전압 사고 재현부(300)는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 장치 또는 HVRT(High Voltage Ride Through) 장치를 포함할 수 있다.

그리드 시뮬레이터(400)은 전기적 출력이 공급되는 그리드의 시뮬레이션을 수행한다. 예를 들어, 그리드 시뮬레이터(400)은 220V 전압을 생성하여 공급하는 계통을 모사하는 방식으로 시뮬레이션 기능을 수행할 수 있다. 또한 그리드 시뮬레이터(400)은 주파수의 이상 상태값을 발생시키고 이를 보상하기 위한 기능을 수행할 수 있다.

한편, 전력 변환부(200)에서 출력된 전기적 출력은 실제 그리드(GRID)에 제공될 수 있다. 실제 그리드에 제공된 전기적 출력에 대한 전력 품질은 측정되고 감시제어에 활용될 수 있다.

스위치(SW)는 감시 제어 및 데이터 취득부(500)의 제어에 따라 전력 변환부(200)의 출력을 전압 사고 재현부(300), 그리드 시뮬레이터(400) 또는 그리드에 선택적으로 연결할 수 있다.

전력 품질 측정부(600)은 구현된 전력 계통에서 실제로 측정된 전력의 품질을 측정한다. 전력 품질 측정부(600)은 DEWETRON사의 측정 자치가 이용될 수 있으며, 분산 전원 시스템의 인증에 필요한 데이터를 계측 및 측정할 수 있다. 따라서, 본 발명 실시예에 따른 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템을 이용하는 경우에는 분산 전원의 전력 계통 구현을 위한 인증 가능성의 검토와 측정을 위한 오퍼레이터 교육이 가능하게 된다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)는 측정된 전력 품질을 포함하는 전력 계통의 데이터를 취득하고, 분산 전원 시뮬레이터(100) 타 구성 요소를 감시 제어하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 분산 전원 시뮬레이터(100)의 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템으로 구현될 수 있다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)는 분산 전원 시뮬레이터(100)에서 시험 명령을 전송하고, 분산 전원과 전력 계통의 측정값을 모니터링하고 저장 및 분석하는 기능을 수행한다. 감시 제어 및 데이터 취득부(500)의 구체적인 구현예는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

또한, 감시 제어 및 데이터 취득부(500)는 스위치를 제어하여, 전압 사고 재현부(300), 그리드 시뮬레이터(400) 또는 실제 그리드와의 선택적인 연결을 제어하며, 고장 상태 또는 이상 상태를 재현하여 신뢰성을 테스트 환경을 생성하기도 한다.

이하, 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템(1000)의 각 구성 요소에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에서는 자연 환경과 상태 파라메터는 풍력 발전을 기초로 설명하기로 한다. 하지만, 발명의 범주 내에서 다른 분산 전원 발전기도 적용될 수 있음은 자명하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.

분산 전원 시뮬레이터(100)은 분산 전원 동적 모델링부(110), 분산 전원 동적 제어부(120), 감독 제어부(130), 안전 제어부(140), 상태 표시부(150), 신호 입력/출력 모듈(160), 확장 슬롯(170) 및 외부 출력부(180)를 포함한다.

분산 전원 동적 모델링부(110)은 분산 전원에 대한 수학적 모델링을 수행하는 구성요소로 메모리와 중앙 처리 장치를 포함한 컴퓨팅 유닛으로 구현될 수 있다.

예를 들어, 풍력 발전기는 바람의 운동 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고 이후, 발전기의 회전으로 전달되어 생산된 전기 에너지를 전력 계통에 전달하게 된다. 따라서, 분산 전원 동적 모델링부(110)자연 환경의 환경 변수인 바람 신호를 입력 받아서 공력 토크를 계산하는 블록, 기계적인 토크를 계산하는 계산하는 블록, 발전기와 전력 장치들의 블록을 포함할 수 있다.

분산 전원 동적 모델링부(110) 풍속과 같은 환경 변수에 따라 각각의 블록의 결과값을 수학적 모델링 기법으로 계산하여 시뮬레이션 기능을 제공한다. 풍력 발전기의 경우에는 실제 바람을 일으키는 것이 불가능하기 때문에 분산 전원의 성능과 신뢰성을 테스트하기 위해서는 이러한 수학적 모델링이 필수적이다.

분산 전원 동적 제어부(120)는 외부 환경의 유동적인 상황에서 분산 전원의 동작 제어를 수행하게 된다. 예를 들어, 풍속이 느리거나 또는 지나치게 빨라지는 상황에서 풍력 발전기의 정격 전력을 출력을 유지하기 위하여, 미리 정해진 시퀀스에 따라 풍력 발전기의 블레이드의 각도 등을 제어하게 된다.

감독 제어부(130)는 분산 전원의 상태를 모니터링하고 시퀀스에 따라 분산 전원의 상태를 제어하게 된다. 예를 들어, 풍력 발전기의 온도, 오일, 냉각수, 펌프 제어, 대기 상태 등의 상태를 모니터링하고 정해진 시퀀스에 따라 분산 전원을 감독 제어한다. 감독 제어부(130)는 분산 전원 동작 제어부(120)의 제어보다 상위에서 감독 제어를 수행할 수 있다.

안전 제어부(140)는 분산 전원의 고장이나 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 동작 중지를 수행하게 된다. 예를 들어, 풍력 발전기의 과발전을 수행하거나, 정격 전류 이상의 오버 슈팅 발생, 임계치 이상의 진동 발생이 발생하는 경우에는 안전 시퀀스에 따라 동작을 중지하거나 안전 모드로 풍력 발전기를 전환시킬 수 있다.

분산 전원 동적 제어부(120), 감독 제어부(130) 및 안전 제어부(140)는 PLC(Programmable Logic Controller)로 구현될 수 있다. 따라서 컴퓨팅 유닛으로 구현된 분산 전원 동적 모델링부(110)과 신호 입력/출력 모듈(160)을 통해 아날로그/디지털 통신 또는 디지털/아날로그 통신을 수행할 수 있다.

전술한 분산 전원 동적 모델링부(110), 분산 전원 동적 제어부(120), 감독 제어부(130) 및 안전 제어부(140)는 상호 유기적으로 연결하여, 단순히 분산 전원을 동작을 시뮬레이팅하는 것이 아니라 실제 분산 전원이 발전기로서 동작할 때 발생할 수 있는 환경 파라메터에 따른 동적 제어, 상태 변화에 따른 감독 제어, 비상 사태에 따른 안전 제어까지 반영한 시뮬레이션을 수행하고 그 결과 값을 출력하게 된다.

출력값은 전술한 다양한 조건에 반영된 실시간의 유효 전력 및 무효 전력값이 될 수 있으며, 외부 출력부(180)를 통해 전력 변환부로 제공되게 된다.

한편, 상태 표시부(150)는 분산 전원이 설정, 입력 파라메터, 현재 상태, 동작, 출력값을 표시한다. 상태 표시부(150)는 디스플레이 장치에 의해 구현될 수 있으며, 실제 액츄에이터가 포함되어 동작 모습을 기계적으로 보여주는 장치로 구현될 수 있다.

확장 슬롯(170)은 다수의 장소에 배치된 다른 규격과 조건을 반영한 분산 전원의 시뮬레이팅 장치를 추가할 수 있도록 장치 내부에 제공된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터(100)는 분산 전원과 그 동작을 모델링하는 것 뿐 아니라, 분산 전원이 실제 운용될 때 발생하는 외부 환경에 따른 동적 제어, 상태 변화에 따른 감독 제어, 비상 사태에 응답하는 안전 제어 동작까지 반영된 분산 전원의 시뮬레이팅을 수행하고, 그 결과 값을 유효/무효 전력값을 출력하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 단순히 분산 전원의 제품 규격이 아니라 실제 운용에 있어서 발생하는 모든 케이스에 대한 출력을 제공함으로써 분산 전원이 성능과 신뢰성을 테스트할 수 있는 기초 데이터를 생성하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예 따른 분산 전원 시뮬레이터와 플랜트 시뮬레이터와의 신호 흐름을 도시한 블록도이다.

분산 전원 자체적으로 발전을 하게 되지만, 발전소인 플랜트에 속해서 전체적인 발전을 수행할 수 있다. 따라서, 분산 전원의 시뮬레이션 뿐 아니라 플랜트에 대한 시뮬레이션을 함께 수행하여, 전력 계통에 공급되는 전기 에너지를 결정할 수 있다.

이를 위하여, 분산 전원 시뮬레이터(100)는 내부 또는 외부에 위치한 플랜트 모델부(100A)와 플랜트 제어부(100B)와 통신하여 플랜트 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

분산 전원 시뮬레이터(100)의 분산 전원의 시뮬레이션에 기반하여 플랜트 모델부(100A)에 분산 전원의 물리 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 풍력 발전기의 전기 토크, 로터 속도, 발전 속도 등을 제공할 수 있다.

플랜트 모델부(100A)는 전력 변환 시스템의 HILS를 이용하여 구현될 수 있다. 플랜트 모델부(100A)는 분산 전원의 물리 정보에 기초하여 전력 변환을 위한 플랜트 발전 정보가 제공된다. 예를 들어, 전력, 전압, 전류, 센서 신호 등이 제공될 수 있다.

한편, 플랜트 모델부(100A)는 플랜트 제어부(100B)를 통해 제어될 수 있다. 플랜트 제어부(100B)가 플랜트 모델부(100A)를 제어하기 위해서, 분산 전원 시뮬레이터(100)는 분산 전원 제어 정보를 플랜트 제어부(100B)에 제공한다. 예를 들어, 풍력 발전기의 동작 모드, 시작/중지 시퀀스, 안전 동작 정보를 플랜트 제어부(100B)에 전송할 수 있다.

플랜트 제어부(100B)는 분산 전원 제어 정보에 기초하여 플랜트 모델부(100A)를 제어하고 이에 대한 응답값 및 피드백을 수신한다. 수신된 응답값과 피드백은 플랜트 제어 정보로서 분산 전원 시뮬레이터(100)에 제공된다. 예를 들어, 풍력 발전기에 속한 플랜트의 계측값, 피드백 신호, 알람, 안전 조치 결과값을 제공할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 분산 전원이 속한 플랜트 역시 모사함으로써 더 정확한 전기적 에너지 출력값을 획득하여 분산 전원의 성능과 신뢰성을 더 정확하게 테스트하는 것이 가능하다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환부의 구성을 도시한 블록도이다.

전력 변환부(200)는 직류 공급부(210)와 인버터(220)를 포함한다.

직류 공급부(210)는 시뮬레이팅된 출력값을 전력으로 변환하기 전력 소스로서 직류 전원을 공급하기 위한 장치이다. 직류 공급부(210)는 30kw급 배터리 시뮬레이터와 연계되어 구현될 수 있다.

인버터(220)는 직류 공급부로부터 공급받은 직류 전력과 분산 전원 시뮬레이터로부터 수신한 시뮬레이터 출력을 이용하여 직류-교류(DC-AC) 변환을 수행하여 교류 전력을 출력한다. 여기서 시뮬레이터 출력은 유효 전력(P)값과 무효 젼력(Q)값이며, 인버터(220)은 상기 시뮬레이터 출력에 대응하는 실제 전기 에너지를 출력하게 된다.

따라서, 전력 변환부(200)는 단순히 소프트웨어적인 시뮬레이션 값이 아닌 실제적 전기적 출력을 생성하게 되고, 생성된 전기적 출력은 전력 계통에 다양한 조건에서 실험된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전압 사고 재현부를 도시한 블록도이다.

전압 사고 재현부(300)는 LVRT 설비(310)과 HVRT 설비(320)를 포함한다.

LVRT 설비(310)은 분산 전원이 동작하여 전력 계통에 전기 에너지를 공급할 때, 저전압에 의한 전압 사고 재현을 결정하고 저전압의 크기, 지속 시간, 기울기 값을 설정하게 된다. 이렇게 저전압 상태가 발생하게 되면, LVRT 설비(310)는 전력 계통의 데이터를 저장하고, 보상 등을 통해 특정 상태가 도달하게 되면 동작의 종료를 결정하게 된다.

HVRT 설비(320)은 분산 전원이 동작하여 전력 계통에 전기 에너지를 공급할 때, 과전압에 의한 전압 사고 재현을 결정하고 과전압의 크기, 지속 시간, 기울기 값을 설정하게 된다. 이렇게 과전압 상태가 발생하게 되면, HVRT 설비(320)는 전력 계통의 데이터를 저장하고, 보상 등을 통해 특정 상태가 도달하게 되면 동작의 종료를 결정하게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 감시 제어 및 데이터 취득을 위한 인터페이스를 도시한 도면이다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)은 분산 제어 시뮬레이터(100)과 전력 변환부(200)의 데이터를 취득하고 제어를 수행하게 된다. 감시 제어 및 데이터 취득부(500)는 이러한 데이터 취득과 제어에 적합한 유저 인터페이스를 제공한다.

도 7에 도시된 예시를 살펴보면, 시뮬레이션되는 풍력 발전기에 대한 상태 정보와 환경 파라메터를 입력/표시하고, 풍력 발전기의 운전을 위한 설정, 운전의 시작과 종료, 스테이트 머신의 상태 정보, 안전 정보를 제공할 수 있다.

인터페이스 상단에는 풍력 발전기의 주요 디지털값 호출부(510)과 풍력 발전기의 주요 아날로그값 호출부(520)가 배치된다. 주요 디지털 값은 풍력 발전기의 장치의 정상/비정상 여부 정보, 제어를 위한 ON/OFF 신호를 포함한다. 주요 아날로그값은 시간에 따른 발전기 토크, 풍속, 출력, 온도, 블레이드 각도를 포함한다.

인터페이스 상단에는 풍력 발전기의 파라메터의 입력/출력과 로그를 보관하는 기능을 추가로 제공할 수 있다.

영역(530)에서는 풍력 발전기의 운전과 관련된 상태 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 풍속값 및 습도 값, 로터 속도, 로터 토크, 각각의 블레이드의 피치 각도, 풍력 발전기의 Y축 각도인 Yaw각도, 전력 케이블의 꼬임 각도 정보 등이 표시된다.

영역(540)에서는 풍력 발전기의 발전과 관련된 상태 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 발전기 속도, 발전기 토크, 시뮬레이션된 모델의 전기적 출력, 전력 변환부(200)에 연결된 장치의 전기적 출력 명령 값, 전력 변환부의 전압, 전류, 유효 전력, 무효 전력, 주파수, DC 전압, DC 전류 정보 등이 표시된다.

인터페이스 하단의 영역(550)에는 환경에 따른 풍력 발전기의 운전 상태 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 시간에 따른 풍속값 및 평균 블레이드의 피치 각도 정보와 시간에 따른 발전기 속도 및 발전기의 전기적 출력값이 실시간으로 표시될 수 있다.

영역(560)에서는 제어 대상인 풍력 발전기의 시뮬레이터(HILS)의 스테이트 머신 상태값이 표시된다. 영역(570)에서는 제어 대상인 전력 변환부의 스테이트 머신 상태값이 표시된다. 상기 스테이트 머신에 대해서는 이후 도 12 및 도 13을 통해 상술하기 한다.

영역(580)에서는 풍력 발전기의 시뮬레이터(HILS)와 감시 제어 및 데이터 취득부(500)와의 통신 상태를 표시한다. 상기 풍력 발전기 시뮬레이터와 상기 전력 변환부는 특징 통신 프로토콜을 통해 연결되어 유/무선 방식을 통신을 수행할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 감시 제어 및 데이터 취득부(500)는 분산 전원 시뮬레이터(100) 및 전력 변환부(200)의 데이터를 취득하여 제공하고, 분산 전원 시뮬레이터(100)의 동적 제어, 감독 제어, 안전 제어를 수행한다. 또한, 전력 품질 측정값에 기초하여 전력 변환부(200)를 제어를 통합적으로 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 분산 전원과 관련된 파라메터와 전력 변환부와 계통과 관련된 파라메터에 따른 전력 품질 데이터를 취득하고 통합적인 감시 제어가 가능하다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성 테스트 시스템의 네트워크를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템은 서버 기반으로 원격으로 동작하거나, 확장이 가능하다. 서버로 구현된 테스트 시스템은 다수의 소켓(SOCKET 1~SOCKET5)를 이용하여 각각의 구성요소와 통신한다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)은 SOCKET 1을 통해 서버와 통신하며, 도 7에서 도시된 바와 같은 GUI(Graphic User Interface)와 연결된다. 도 7에 도시된 바와 같이 GUI는 환경 파라메터나 상태 파라메터를 입력하는 데이터 입력부, 상태 데이터나 동작 데이터를 로딩하는 데이터 로딩부, 환경 변화에 따른 운전 상태를 실시간으로 표시하는 실시간 표시부를 포함할 수 있다.

분산 전원 시뮬레이터(100)은 SOCKET 2를 통해 HILS와 연결되어 전술한 모델링과 동적, 감독, 안전 제어 동작을 수행할 수 있다.

한편, 인버터(220)의 경우에는 SOCKET 3을 통해 전압사고 재현부(300)의 LVRT/HVRT 연결되어 저전압 상태 및 과전압 상태의 보상을 위한 동작을 수행할 수 있다.

그리드 시뮬레이터(400)은 SOCKET 4를 통해 실제 수요자의 그리드를 모사하는 데이터를 제공하고, 주파수 이상 상태에 대한 동작 및 보상에 관한 통신을 수행할 수 있다.

직류 공급부(210)는 SOCKET 5를 통해 배터리 시뮬레이터와 연결된다. 배터리 시뮬레이터 30kw급 직류 전원 소스를 이용하여 전력 변환부(200)가 전기적 출력을 생성할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템은 서버 기반으로 구현되어 원격 또는 타 기능으로의 확장을 용이하게 할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 방법을 도시한 흐름도이다.

단계(S100)에서는 분산 전원의 데이터를 분산 전원 시뮬레이터에 등록한다. 예를 들어, 풍력 발전기의 상세 사양 정보, 제어 가능 정보, 출력 정보 등 동적 모델링을 수행하기 위한 기초 데이터를 등록할 수 있다.

단계(S110)에서는 분산 전원 시뮬레이터가 수학적 모델링을 통해 분산 전원 발전기를 모델링한다. 예를 들어, 풍력 발전기는 바람의 운동 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고 이후, 발전기의 회전으로 전달되어 생산된 전기 에너지를 전력 계통에 전달하게 된다. 따라서, 환경 변수인 바람 신호를 입력 받아서 공력 토크를 계산하는 블록, 기계적인 토크를 계산하는 계산하는 블록, 발전기와 전력 장치들의 블록을 이용하여 분산 전원의 발전기를 모델링한다.

단계(S120)에서는 분산 전원의 제어를 수행한다. 분산 전원의 제어는 분산 전원의 동적 제어, 감독 제어 및 안전 제어를 포함한다.

예를 들어, 풍속이 느리거나 또는 지나치게 빨라지는 상황에서 풍력 발전기의 정격 전력을 출력을 유지하기 위하여, 미리 정해진 시퀀스에 따라 풍력 발전기의 블레이드의 각도 등을 동적으로 제어하게 된다. 또한, 풍력 발전기의 온도, 오일, 냉각수, 펌프 제어, 대기 상태 등의 상태를 모니터링하고 정해진 시퀀스에 따라 분산 전원의 상태를 제어한다.

또한, 분산 전원의 고장이나 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 동작 중지를 수행하게 된다. 예를 들어, 풍력 발전기의 과발전을 수행하거나, 정격 전류 이상이 오버 슈팅 발생, 임계치 이상의 진동 발생이 발생하는 경우에는 안전 시퀀스에 따라 동작을 중지하거나 안전 모드로 풍력 발전기를 전환시킬 수 있다.

단계(S100, S110, S120)을 통해 분산 전원은 분산 전원 시뮬레이터에 등록되어 동작에 관한 모델링을 수행할 뿐 아니라, 외부 환경에 따른 동적 제어와 상태 변화에 따른 감독 제어, 이상 상태에 대한 안전 제어를 시뮬레이션 하게 된다.

수학적 모델링과 분산 전원의 제어가 HILS 기반으로 수행되면, 분산 전원은 발전 데이터인 출력 전력값은 전원 변환부(200)에 의해 전기적 에너지인 실제 전력으로 변환되어 출력된다(S130). 출력된 전력은 고장 재현부(300) 또는 그리드 시뮬레이터(400)에 제공된다.

단계(S140)에서는 모사하는 전력 계통의 이상 상태를 발생시키고 관련된 데이터를 저장 및 보상을 수행한다. 예를 들어, 저전압 또는 과전압 상태를 발생시켜 전력 계통 전압 사고를 재현하거나, 그리드 시뮬레이터가 주파수 이상 상태를 재현할 수 있다. 이러한 이상 상태의 보상은 전력 변환 및 출력을 제어함으로써 보상될 수 있다.

단계(S150)에서는 다양한 조건에서의 분산 전원과 전력 계통의 전력 품질 데이터를 측정하게 된다. 전력 품질은 실제 전력 품질을 측정하는 계측기를 통해 측정이 되며, 측정된 전력 품질 데이터는 분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는데 이용하게 된다.

이와 같이, 분산 전원의 시뮬레이션에 따라 변환된 전력이 출력되고 다양한 조건에서 제어되는 상황에 획득된 데이터는, 단계(S160)에서 계통 및 전력 변환부의 감시 제어를 수행하는데 이용된다.

예를 들어, 풍력 발전기 SCADA 시스템을 이용하여 정해진 시퀀스에 따라 분산 전원 제어를 수행하거나, 전력 변환에 대한 제어를 수행할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 제어 단계를 도시한 흐름도이다.

본 발명의 실시예에서, 분산 전원 시뮬레이터(100)는 다양한 조건에 대해 분산 전원 제어를 수행하고 이를 출력에 반영하게 된다.

단계(S121)은 외부 환경 파라메터를 수신하여 입력 받는다. 예를 들어, 풍력 발전기에서 외부 환경 파라메터는 풍속이 될 수 있다. 실제로 바람을 일으킬 수 없기 때문에, 풍속이 느려지거나 빨라지는 상황을 입력할 수 있다.

단계(S122)는 정격 출력을 유지하기 위하여 분산 전원을 동적으로 제어하게 된다. 예를 들어, 풍속이 지나치게 빠를 경우에는 풍력 발전기의 블레이드 각도를 조절하여 출력을 감소시킬 수 있다. 블레이드 각도가 조절된 풍력 발전기의 출력은 다른 요소들에 대해서도 종합적으로 영향을 끼치게 되고 실제 풍력 발전기의 출력 변화 상황을 야기하게 된다.

단계(S123)에서는 대기, 운전 등에 있어서 분산 전원 상태를 표시하는 분산 전원 상태 파라메터를 수신하여 입력 받는다. 예를 들어, 풍력 발전기의 온도, 오일, 냉각수, 펌프 제어, 대기 상태 등 분산 전원의 감독을 위한 파라메터를 입력 받는다.

단계(S124)에서는 분산 전원 상태 파라메터에 기초하여 분산 전원의 감독 제어를 수행한다. 예를 들어, 풍력 발전기의 온도가 너무 높은 경우에는 냉각 시퀀스에 따라 냉각을 수행하고, 분산 전원의 대기, 운전, 종료 등에 대한 감독 제어를 수행한다.

단계(S125)에서는 이상 동작 파라메터를 수신하여 입력 받는다. 이상 동작의 파라메터는 분산 전원에서 발생할 수 있는 치명적인 이상 상태로서 정격 전류 이상의 오버 슈팅 발생, 임계치 이상의 진동이 해당될 수 있다.

단계(S126)에서는 발생된 이상 동작에 대해 안전 시퀀스에 따라 동작을 중지하거나 안전 모드로 풍력 발전기를 전환시킴으로써 안전 제어를 수행하게 된다.

단계(S127)에서는 분산 전원의 수학적 모델링과 전술한 분산 전원의 제어가 모두 반영된 실시간 발전 전력 데이터를 생성하여 출력하게 된다. 따라서, 분산 전원 시뮬레이터(100)에서 출력되는 데이터는 단순히 분산 전원의 동작을 모델링한 것이 아니라 다양한 조건에 대한 분산 전원의 제어결과 값이 반영된 실시간 출력 값이 될 것이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따라 전력 계통의 이상 상태 재현을 도시한 흐름도이다.

단계(S141)에서는 전력 계통에서 저전압 상태를 설정한다. 계통에서의 저전압 사고의 전압과 시간을 설정한다.

단계(S142)는 LVRT 동작을 수행하여 설정된 저전압 사고를 재현한다. 또한, LVRT는 재현된 저전압 사고를 대응을 위한 저전압 제어 명령을 생성한다.

단계(S141)에서는 전력 계통에서 저전압 상태를 설정한다. 이를 위하여, 계통에서의 저전압 사고의 전압과 시간을 설정한다.

단계(S142)는 LVRT 동작을 수행하여 설정된 저전압 사고를 재현한다. 또한, LVRT는 재현된 저전압 사고를 대응을 위한 저전압 제어 정보를 생성한다.

단계(S143)에서는 전력 계통에서 과전압 상태를 설정한다. 이를 위하여, 계통에서의 과전압 사고의 전압과 시간을 설정한다.

단계(S144)는 HVRT 동작을 수행하여 설정된 과전압 사고를 재현한다. 또한, HVRT는 재현된 과전압 사고를 대응을 위한 과전압 제어 정보를 생성한다.

단계(S145)에서는 전력 계통에서 발생 가능한 주파수 이상 상태를 설정한다. 이를 위하여, 계통에서의 주파수 이상 상태의 시간과 주파수 변화 값을 설정한다.

단계(S146)는 그리드 시뮬레이터는 설정된 주파수 이상 상태의 사고를 재현한다. 또한, 그리드 시뮬레이터는 재현된 주파수 이상 상태의 대응을 위한 계통 제어를 위한 정보를 생성한다.

단계(S147)에서는 감시 제어 및 데이터 취득부(500)이 고장 상태의 데이터를 저장하고 분산 전원 시뮬레이터(100)의 유효 전력과 무효 전력을 제어하거나, 전력 변환부(200)의 인버터를 제어하여 전력을 보상하여 안정적인 전력 출력이 되도록 보상을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명이 실시예는 고장 상태를 재현하여 보상하는 과정을 제공하여, 실제 전력 계통에서 발생하는 전력 품질을 측정하여 분산 전원의 성능과 신뢰성을 테스트하는 것이 가능하다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 분산 전원 시뮬레이터와 감시 제어 및 데이터 취득부의 제어를 위한 스테이트 머신을 설명하는 도면이다.

상태(S0)은 감시 제어 및 데이터 취득부(500)이 리셋을 수행한 상태이다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)이 모든 장치가 정상 상태이고 파라메터 설정이 종료되어, 시작 명령을 수신하면 시작 명령 상태(S10)으로 천이된다.

시작 명령의 전송과 시뮬레이션 모델의 초기화 상태가 되면 상태(S20)으로 천이되며, 시뮬레이션 모델의 준비 상태가 완료되면 상태(S30)으로 천이된다.

이후, 시뮬레이션의 초가 상태 조건을 만족하는 지를 판단한다. 예를 들어, 풍력 발전기의 블레이드 각도가 90도인지, 현재 정지 상태인지의 조건을 만족하면 대기 상태(S40)으로 천이된다.

이후 상태(S50)에서는 모델링에 따른 운전이 시작되어 모델이 설정한 시나리오에 따라 분산 전원을 운전하고, 전기적 출력이 발생한다. 또한, 상태(S50)에서는 그리드 시뮬레이터, 전압 사고 재현 부등의 장치가 동기화 되어 운영되게 된다.

감시 제어 및 데이터 취득부(500)의 종료 명령을 수신하면, 분산 전원 시뮬레이션 모델이 정지 상태가 되며, 전기적 출력을 서서히 감소시키고, 블레이드 피치각을 증가시키는 등의 동작을 통해 분산 전원을 정지 상태(S60)으로 천이시킨다.

만약, 각각의 상태에서 분산 전원 모델, 전력 변환부, 그리드 시뮬레이터, 전압 사고 재현부 등의 주변 장치의 오류가 발생되는 경우에는 중앙의 오류 상태로 천이된다.

이와 같이, 감시 제어 및 데이터 취득부(500)은 분산 전원 시뮬레이터 및 주변 장치를 동기화 시켜 그 운용을 제어하게 된다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환부와 감시 제어 및 데이터 취득부의 제어를 위한 스테이트 머신을 설명하는 도면이다.

상태(P0)에서는 최초 전력 변환 장치의 초기화 상태로서 감시 제어 및 데이터 취득부(500)의 시작 명령을 통해 천이된다.

상태(P5)는 전력 변환부(200)이 감시 제어 및 데이터 취득부(500)에서 전송할 명령을 처리할 준비가 되어 있는 확인하는 상태이다. 준비가 완료되면 다음 상태(P6)로 천이되어 시작 명령을 수신하게 된다.

상태(P7)에서는 전력 변환부(200)가 AC 와 DC 스위치가 활성화되었는지를 확인하고, 활성화되어 있는 경우에는 전력 변환부(200)의 초기 입력값과 명령값을 초기화하는 상태(P10)으로 천이된다.

상태(P20)에서는 전력 변환부(200)의 DC 전압을 상승시킨다. 정격 전압까지 상승이 되면, 전력 변환부(200)이 출력 모드인지를 확인하는 상태(P30)으로 천이된다.

상태(P40)는 전력 변환부(200)이 분산 전원 시뮬레이터 모델로부터 출력 전력값을 받기위해 대기하는 상태이다.

이 때 전력 변환부(200)이 분산 전원 시뮬레이터 모델로부터 출력 전력값 명령을 받으면, 상태(P50)에서 전기적 출력을 발생시키게 된다.

이후, 감시 제어 및 데이터 취득부(500)이 종료 명령을 내리게 되면, 상태(P60)은 전기적 출력을 서서히 감소시키며 전력 변환부(200)를 정지시키게 된다.

전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 분산 전원 시뮬레이터는 동적 제어, 감독 제어, 안전 제어를 포함한 다양한 조건의 분산 전원의 동작을 모델링하고, 이에 따른 전력 출력값에 대응하는 전기적 에너지를 출력하여 고장 상태 재현이 가능한 전력 계통에 공급하게 된다.

이러한 분산 전원 시뮬레이터와 동기화된 전력 계통에서 전력 품질 값은 측정되어 분산 전원의 선능 및 신뢰성을 보다 정확하고 실제에 가깝게 측정하고 테스트할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명의 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나, 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는, 하드디스크, 플로피디스크, 자기테이프 등의 자기기록 매체, CD-ROM, DVD 등의 광기록 매체, 플롭티컬디스크 등의 자기-광 매체, ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같이, 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어를 포함한다. 프로그램 명령은, 컴파일러에 의해 만들어지는 기계어 코드, 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에서 실행될 수 있는 고급언어 코드를 포함한다. 하드웨어는 본 발명에 따른 방법을 처리하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있고, 그 역도 마찬가지이다.

본 발명의 실시예에 따른 방법은 프로그램 명령 형태로 전자장치에서 실행될 수 있다. 전자장치는 스마트폰이나 스마트패드 등의 휴대용 통신 장치, 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 기기, 카메라, 웨어러블 장치, 가전 장치를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 기록매체의 형태로, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 온라인으로 배포될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 구성요소, 예컨대 모듈 또는 프로그램 각각은 단수 또는 복수의 서브 구성요소로 구성될 수 있으며, 이러한 서브 구성요소들 중 일부 서브 구성요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성요소가 더 포함될 수 있다. 일부 구성요소들(모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 분산 전원 시뮬레이터
200: 전력 변환부
300: 전압 사고 재현부
400: 그리드 시뮬레이터
500: 감시 제어 및 데이터 취득부

Claims

분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 시스템에 있어서,
상기 분산 전원 발전에 대한 수학적 모델링을 수행하며, 정격 출력을 유지하는 동적 제어, 상기 분산 전원의 상태를 제어하는 감독 제어 및 상기 분산 전원의 안전을 제어하는 안전 제어의 결과를 반영한 출력값을 제공하는 분산 전원 시뮬레이터;
상기 분산 전원 시뮬레이터가 제공한 출력값을 전기적 에너지로 변환하여 전력으로 출력하는 전력 변환부;
상기 출력된 전력에 대해 전압 사고를 재현하는 전압 사고 재현부;
상기 분산 전원 시뮬레이터, 상기 전력 변환부 및 상기 전압 사고 재현부를 포함하는 전력 계통의 특정 구간의 전력 품질을 측정하는 전력 품질 측정부; 및
상기 전력 계통의 데이터를 취득하고 상기 분산 전원 시뮬레이터 및 상기 전력 변환부 각각에 대한 제어를 수행하는 감시 제어 및 데이터 취득부
를 포함하며,
상기 분산 전원 시뮬레이터는,
환경 변수에 따라 상기 분산 전원의 발전을 수학적으로 모델링하는 분산 전원 동적 모델링부;
외부 환경의 파라메터의 동적인 변화에도 정격 출력을 유지하도록 상기 분산 전원을 동적으로 제어하는 분산 전원 동적 제어부;
상기 분산 전원의 상태를 모니터링하고, 상기 분산 전원의 상태 파라메터에 따라 상기 분산 전원을 감독 제어하는 분산 전원 감독 제어부; 및
분산 전원의 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 중지 동작을 수행하는 안전 제어부
를 포함하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 분산 전원 감독 제어부는 상기 분산 전원 동적 제어부보다 상위에서 제어를 수행하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력 변환부와 연결되며, 전력 수요자의 그리드를 모사하는 그리드 시뮬레이터를 더 포함하는 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
제4항에 있어서,
상기 그리드 시뮬레이터는 그리드의 주파수 이상 상태를 재현하며,
상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 주파수 이상 상태에 응답하여 상기 전력 변환부를 제어하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
제5항에 있어서,
상기 전압 사고 재현부는,
상기 전력 계통의 저전압 상태를 재현하고 상기 저전압 상태의 데이터를 저장하고 보상을 수행하는 LVRT(Low Voltage Ride Through) 장치 및
상기 전력 계통의 과전압 상태를 재현하고 상기 과전압 상태의 데이터를 저장하고 보상을 수행하는 HVRT(High Voltage Ride Through) 장치를 포함하며,
상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 저전압 또는 과전압 상태에 응답하여 상기 전력 변환부를 제어하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
제6항에 있어서,
상기 전력 변환부를 상기 전압 사고 재현부와 상기 그리드 시뮬레이터 사이에서 스위칭하는 스위치를 더 포함하고,
상기 감시 제어 및 데이터 취득부가 상기 스위치를 제어하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 시스템.
분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하기 위한 분산 전원 시뮬레이터에 있어서,
환경 변수에 따라 상기 분산 전원의 발전을 수학적으로 모델링하는 분산 전원 동적 모델링부;
외부 환경의 파라메터의 동적인 변화에도 정격 출력을 유지하도록 상기 분산 전원을 동적으로 제어하는 분산 전원 동적 제어부;
상기 분산 전원의 상태를 모니터링하고, 상기 분산 전원의 상태 파라메터에 따라 상기 분산 전원을 감독 제어하는 분산 전원 감독 제어부; 및
분산 전원의 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 중지 동작을 수행하는 안전 제어부; 및
상기 분산 전원 동작 모델링부, 상기 분산 전원 동적 제어부, 상기 분산 전원 감독 제어부 및 상기 안전 제어부의 동작이 반영된 유효 전력값 및 무효 전력값을 전기적 에너지로 변환하는 전력 변환부로 출력하는 외부 출력부
를 포함하는 것인 분산 전원 시뮬레이터.
제 8 항에 있어서,
상기 분산 전원은 풍력 발전기이며,
상기 분산 전원 동작 제어부에 입력되는 외부 환경 파라메터는 풍속이며,
상기 분산 전원의 상태 파라메터는 상기 풍력 발전기의 온도, 오일 상태, 냉각수 상태, 펌프 상태, 대기 상태 중 적어도 하나인 것인 분산 전원 시뮬레이터.
제 9항에 있어서,
상기 풍력 발전기를 포함하여 발전을 수행하는 플랜트를 모사하는 플랜트 모델부 및
상기 플랜트 모델부를 제어하는 플랜트 제어부를 더 포함하는 것인 분산 전원 시뮬레이터.
제 10항에 있어서,
상기 플랜트 모델부는 상기 풍력 발전기의 발전에 관한 물리 정보를 수신하여 플랜트 발전 정보를 제공하며,
상기 플랜트 제어부는 상기 풍력 발전기의 제어 정보를 수신하여 상기 풍력 발전기의 동작 모드, 시작/중지 시퀀스, 안전 동작 정보를 피드백하는 것인 분산 전원 시뮬레이터.
분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하기 위한 분산 전원 시뮬레이터와 상기 분산 전원 시뮬레이터의 출력값을 전기적으로 에너지로 변환하는 전력 변환부와 연결된 감시 제어 및 데이터 취득 장치에 있어서,
상기 분산 전원은 풍력 발전기이며,
상기 풍력 발전기의 운전과 관련된 값을 호출하는 호출부;
풍속, 습도, 로터 속도, 로터 토크, 블레이드 피치 각도 중 적어도 하나의 정보를 제공하는 운전 상태 정보 제공부;
발전기 속도, 발전기 토크, 유효 전력, 무효 전력, 주파수 중 적어도 하나의 정보를 제공하는 발전 상태 정보 제공부;
상기 분산 전원 시뮬레이터의 제어 상태를 표시하는 제1스테이트 머신 표시부; 및
상기 전력 변환부의 제어 상태를 표시하는 제2스테이트 머신 표시부
를 포함하는 감시 제어 및 데이터 취득 장치.
제 12항에 있어서,
상기 호출부, 운전 상태 제공부, 발전 상태 제공부, 제1스테이트 머신 표시부 및 제2스테이트 머신 표시부는 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 형태로 제공되며,
상기 감시 제어 및 데이터 취득부는 상기 분산 전원 시뮬레이터와 상기 전력 변환부와 미리 정해진 통신 프로토콜을 통해 연결된 것인 감시 제어 및 데이터 취득 장치.
제 13항에 있어서,
상기 분산 전원 시뮬레이터는,
환경 변수에 따라 상기 분산 전원의 발전을 수학적으로 모델링하는 분산 전원 동적 모델링부;
외부 환경의 파라메터의 동적인 변화에도 정격 출력을 유지하도록 상기 분산 전원을 동적으로 제어하는 분산 전원 동적 제어부;
상기 분산 전원의 상태를 모니터링하고, 상기 분산 전원의 상태 파라메터에 따라 상기 분산 전원을 감독 제어하는 분산 전원 감독 제어부; 및
분산 전원의 고장 또는 이상 상태가 발생했을 때 안전을 위한 제어 또는 중지 동작을 수행하는 안전 제어부를 포함하는 것인 감시 제어 및 데이터 취득 장치.
분산 전원의 성능 및 신뢰성을 테스트하는 방법에 있어서,
분산 전원 시뮬레이터가 분산 전원의 동적 모델링을 수행하기 위한 정보를 등록하는 단계;
상기 분산 전원 시뮬레이터가 수학적 모델링을 통해 분산 전원의 발전을 모델링하는 단계;
상기 분산 전원 시뮬레이터가 상기 분산 전원의 외부 환경, 상태 변화 및 이상 상태에 따라 상기 분산 전원의 제어를 수행하는 단계;
전력 변환부가 상기 모델링 및 분산 전원의 제어에 기초하여 생성된 출력 전력값을 기초로 전기적 에너지로 변환하여 전력 계통에 출력하는 단계;
상기 전력 계통의 이상 상태를 재현하는 단계;
상기 분산 전원 및 상기 전력 계통에서 미리 정해진 구간의 전력 품질을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 전력 품질을 기초로 상기 분산 전원 시뮬레이터 및 상기 전력 변환부에 대해 감시 제어를 수행하는 단계
를 포함하며,
상기 분산 전원 제어 단계는
외부 환경 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 정격 출력을 유지하기 위한 동적 제어를 수행하는 단계;
상기 분산 전원의 상태 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 감독 제어를 수행하는 단계; 및
상기 분산 전원의 이상 동작 파라메터를 수신하여, 상기 분산 전원의 안전 제어를 수신하는 단계를 포함하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 방법.
삭제
제 15항에 있어서,
상기 분산 전원은 풍력 발전기이며,
상기 외부 환경 파라메터는 풍속이며, 상기 동적 제어는 블레이드 각도를 제어하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 방법.
제 15항에 있어서,
상기 분산 전원은 풍력 발전기이며,
상기 분산 전원 상태 파라메터는 온도, 오일, 냉각수, 펌프 제어, 대기 상태 중 적어도 하나의 정보, 상기 감독 제어는 냉각, 대기, 운전, 종료 중 적어도 하나인 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 방법.
제 15항에 있어서,
상기 이상 상태 재현 단계는,
저전압 또는 과전압 상태의 전압값과 시간을 설정하는 단계 및
상기 저전압 또는 과전압 사고를 재현하여 대응하기 위한 제어 정보를 생성하는 단계를 포함하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 방법.
제 15항에 있어서,
상기 이상 상태 재현 단계는,
전력 계통에서 발생 가능한 주파수 이상 상태의 주파수와 시간을 설정하는 단계 및
상기 주파수 이상 상태 사고를 재현하여 대응하기 위한 제어 정보를 생성하는 단계를 포함하는 것인 분산 전원 성능 및 신뢰성 테스트 방법.