KR102504362B1 - 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법 - Google Patents

신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법 Download PDF

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KR102504362B1 KR1020200183865A KR20200183865A KR102504362B1 KR 102504362 B1 KR102504362 B1 KR 102504362B1 KR 1020200183865 A KR1020200183865 A KR 1020200183865A KR 20200183865 A KR20200183865 A KR 20200183865A KR 102504362 B1 KR102504362 B1 KR 102504362B1
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Abstract

본 발명에 의한 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은, 신재생에너지 하이브리드 전력 시스템에서의 다양한 전력 공급원과 전력 저장원의 경제성을 고려한 최적 설비 용량을 설계할 수 있는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것이다.

Description

신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법 {Method for utility capacity optimization design of renewable energy hybrid system}
본 발명은 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것으로, 복수의 에너지 원으로부터 전력을 공급받는 신재생에너지 하이브리드 전력 시스템에서 다양한 전력 공급원의 설비와 전력 저장장치의 경제성을 고려한 최적 설비 용량을 설계할 수 있는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것이다.
최근 신재생에너지 별로 그리드 패러티(grid parity) 달성 지역이 확대되면서 신재생에너지 산업 성장을 위한 자생력이 확보되는 추세이다. 또한, 유가하락에도 불구하고 신재생에너지 시장은 높은 성장세를 유지하고 있다. 이는 운송과 발전이라는 수요시장의 차이, 정책 의지 및 기술 발달 등에 따른 것으로 분석된다.
신재생에너지 하이브리드 시스템은 2개 이상의 신재생에너지 발전원과 에너지 저장장치를 결합한 에너지 (전력, 열 및 가스) 공급 시스템으로서, 불균일한 신재생에너지 생산량, 지역별로 불균등한 자원 분포 등의 문제를 보완하여 신재생에너지 보급 확대에 기여하고 있다. 국내외적으로 신재생에너지 하이브리드 시스템에 대한 다양한 실증이 진행되고 있다. 전력만을 공급하는 시스템으로서는, 태양광-풍력 하이브리드 발전시스템 또는 태양광-풍력-디젤 하이브리드 발전시스템 등이 널리 연구되고 있다. 이러한 하이브리드 발전시스템을 효율적으로 운영하기 위하여 수요 예측 및 기상 데이터를 활용한 시스템 설계 기술의 중요성이 높아지고 있다.
해외에서 개발된 신재생에너지 타당성평가 프로그램은 청정에너지(Clean energy)를 에너지원으로 하는 프로젝트의 특정 시스템에 대한 시행타당성을 분석할 수 있어서, 프로젝트를 시행하기에 앞서 예비타당성(Prefeasibility)을 평가할 수 있다. 그러나, 이러한 프로그램은 태양열과 기타 신재생열에너지원과의 복합적용을 구현하는 것이 제공되지 않고, 최적화 기능이 개발되어 있지 않아 그 자체로는 최적설계를 위한 툴로서 적합하지는 않다는 문제점이 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 신재생에너지 발전원(태양전지, 풍력발전 등)과 배터리 또는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)를 포함하는 신재생에너지 하이브리드 시스템, 즉, 신재생에너지 하이브리드 발전 시스템을 설계함에 있어서, 종래에는 중심기기를 기준으로 군집화를 수행한 후, 최적 조합을 구하는 방식으로 이루어져, 각각의 설비 용량 자체의 최적화에 대해서는 고려하지 않고 있는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 신재생에너지 하이브리드 발전 시스템의 설비 용량을 최적화함으로써, 동일 부하 조건에서의 설비비 최소화를 달성하여 경제성을 확보할 수 있는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원과 연결되고, 부하에 전력을 공급하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 있어서, 연산 처리 수단에서, (a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계, (b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계, (c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계, (d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계, (e) 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수(F)를 설정하는 단계 및 (f) 지역 최적화 알고리즘을 수행하여 현재의 최적점을 저장한 후, 전역 최적화 알고리즘을 수행하여 multistart를 통해 개선시키되, 상기 시스템 모델 방정식과 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수이며, 상기 제약 조건식은 하기의 식들 중 적어도 하나를 포함하고,
Figure 112022106272501-pat00125

(여기서,
Figure 112022106272501-pat00126
는 태양전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00127
는 태양전지 설비의 배터리 의 방전 최대 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00128
는 연료전지 설비의 배터리의 충전 최대 전 력 용량,
Figure 112022106272501-pat00129
는 연료전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00130
는 태양전지 설비의 배터리의 충전량,
Figure 112022106272501-pat00131
는 연료전지 설비의 배터리의 충전량,
Figure 112022106272501-pat00132
는 태양전지 설비의 배터리의 최대 충전량,
Figure 112022106272501-pat00133
는 연료전지 설비의 배터리의 최 대 충전량 [kWh].) 상기 목적 함수는 하기의 식과 같은 것
Figure 112022106272501-pat00134

(여기서,
Figure 112022106272501-pat00135
는 계통 전원의 최대 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00136
는 태양전지의 최대 발전 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00137
는 연료전지의 최대 발전 전력 용량,
Figure 112022106272501-pat00138
는 태양전지 설비의 배터리의 최대 용량,
Figure 112022106272501-pat00139
는 연료전지 설비의 배터리의 최대 용량,
Figure 112022106272501-pat00140
는 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량,
Figure 112022106272501-pat00141
는 연 료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용,
Figure 112022106272501-pat00142
는 계통 전원의 단위 용량당 설비 비용,
Figure 112022106272501-pat00143
는 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용,
Figure 112022106272501-pat00144
는 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용,
Figure 112022106272501-pat00145
는 태양전지 발전 설 비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용,
Figure 112022106272501-pat00146
는 태양전지 발전 설비의 단위 용량 당 배터리 비용,
Figure 112022106272501-pat00147
는 연 료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용,
Figure 112022106272501-pat00148
는 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용,
Figure 112022106272501-pat00149
는 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용,
Figure 112022106272501-pat00150
는 연 료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용,
Figure 112022106272501-pat00151
는 태양전지 설비의 배터리의 충방전 효율,
Figure 112022106272501-pat00152
는 연료전지 설비의 배터리의 충방전 효율.)을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 시스템 모델 방정식(
Figure 112022106272501-pat00153
)에서, DC/DC 및 DC/AC 컨버터 효율(
Figure 112022106272501-pat00154
)에 관한 행렬(
Figure 112022106272501-pat00155
)과 계통 전원 공급 전력, 태양전지 및 연료전지 발전 전력(
Figure 112022106272501-pat00156
)에 관한 행렬(
Figure 112022106272501-pat00157
)을 곱한 값과, 태양전지 및 연료전지 배터리 충방전 효율(
Figure 112022106272501-pat00158
)에 관한 행렬(
Figure 112022106272501-pat00159
)과 태양전지 및 연료전지 배터리 충방전 전력(
Figure 112022106272501-pat00160
)에 관한 행렬(
Figure 112022106272501-pat00161
)을 곱한 값의 차가 부하의 소요전력(
Figure 112022106272501-pat00162
)인 것 을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 비용 정보는 단위 용량당 계통 전력 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 및 연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 설비별 효율 정보는 태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 거싱 바람직하다.
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본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은, 복잡한 신재생에너지 하이브리드 (발전)시스템의 설비 용량을 최적화할 수 있어, 동일한 부하 조건에서의 설비비 최소화를 달성하므로 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 신재생에너지 하이브리드 시스템의 전력 연결 구조, 전력 흐름, 운전 알고리즘 등을 설비 용량 설계에 반영할 수 있어, 더욱 정확하게 설비 용량 최적 설계를 구현할 수 있으며, 더욱이 복잡한 목적 함수에 대해서도 최적화를 통해 보다 신속하게 최적 설비 용량 정보를 산출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 신재생에너지 하이브리드 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 나타낸 순서 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에서 계약 조건식 산출을 위해 활용한 모델링 기법을 나타낸 예시도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 상세히 설명한다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 설비별 기기를 수 개의 군집으로 구분하고 각 군집을 대표하는 수 개의 중심기기에 대해서만 조합을 만들어 선형 계획법을 수행하여 용량 및 최적 중심기기를 선정하고, 선정된 중심기기에 대응되는 군집에 포함된 기기들에 대해서만 정수 계호기법을 수행하여 최종적으로 기기를 선정함으로써, 실질적으로 모든 기기에 대한 검토를 하는 효과를 제공하면서도 설계안 도출에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 나타낸 순서 예시도로서, 도 2를 참조로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원과 연결되고, 부하에 전력을 공급하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 있어서, (a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계, (b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계, (c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계, (d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계, (e) 비용 정보 및 효율 정보에 기초하여, 목적 함수를 설정하는 단계, 및 (f) 시스템 모델 방정식과 제약 조건식을 만족하면서, 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계를 포함하고, 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것을 특징으로 한다.
이 때, 태양전지 발전 설비 대신 풍력 발전 설비로 구성되어도 무방하며, 본 발명에서는 원활한 설명을 위해 태양전지 발전 설비만을 언급하였으나, 태양전지 대신 풍력 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비와 풍력 발전 설비 모두를 포함하여 구성될 수도 있다.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면, 상기 (a) 단계는, 연산처리수단이 신재생에너지 하이브리드 시스템이 포함하는 설비의 기본 정보에 기초하여 시스템 모델 방정식을 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 설비 기본 정보는 부하의 소요 전력, 발전 설비의 종류, 개수 등을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 다양한 에너지 공급원(태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원)과 저장부(에너지 저장장치)를 포함하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 경우, 시스템 모델 방정식은 아래와 같이 산출될 수 있다. 물론, 본 발명의 기술 사상의 범위를 신재생에너지 하이브리드 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우만으로 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 배터리는 연료전지 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비에 연결되되, 연료전지 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비에 포함되지 않은 별도의 배터리 시스템일 수도 있다.
Figure 112020141327093-pat00028
여기서,
Figure 112020141327093-pat00029
: 부하의 소요 전력 [kW],
Figure 112020141327093-pat00030
: 계통 전원의 공급 전력 [kW],
Figure 112020141327093-pat00031
: 태양전지의 발전 전력 [kW],
Figure 112020141327093-pat00032
: 연료전지의 발전 전력 [kW],
Figure 112020141327093-pat00033
: 태양전지 설비의 배터리 충방전 전력 [kW],
(
Figure 112020141327093-pat00034
충전,
Figure 112020141327093-pat00035
방전),
Figure 112020141327093-pat00036
: 연료전지 설비의 배터리 충방전 전력 [kW]
(
Figure 112020141327093-pat00037
충전,
Figure 112020141327093-pat00038
방전),
Figure 112020141327093-pat00039
: DC/DC 컨버터의 효율,
Figure 112020141327093-pat00040
: DC/AC 컨버터의 효율,
Figure 112020141327093-pat00041
: 태양전지 설비의 배터리의 충전 효율,
Figure 112020141327093-pat00042
: 태양전지 설비의 배터리의 방전 효율,
Figure 112020141327093-pat00043
: 연료전지 설비의 배터리의 충전 효율,
Figure 112020141327093-pat00044
: 연료전지 설비의 배터리의 방전 효율이다.
상기 (b) 단계는, 연산처리수단에서, 설비별 비용 정보를 입력받는 것으로, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 비용 정보는
Figure 112020141327093-pat00045
(연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 [원/kWh]),
Figure 112020141327093-pat00046
(계통 전원의 단위 용량당 설비 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00047
(태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00048
(태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00049
(태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00050
(태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용 [원/kWh]),
Figure 112020141327093-pat00051
(연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00052
(연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용 [원/kW]),
Figure 112020141327093-pat00053
(연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용 [원/kW]), 및
Figure 112020141327093-pat00054
(연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용 [원/kWh])중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
이 때, 연료전지 발전 설비로는, 가스 공급이 상시 가능하므로 무한 전력 공급원으로 가정하는 것이 바람직하며, 태양전지 발전 설비는 제한된 변동성 전력 공급 소스로, 전력 계통은 시간대별 차별 요금제로 공급되는 전력 소스, 부하는 변동 에너지 사용기기, 에너지 저장장치는 단기 전력 저장 장치이며, 전원단과 부하단을 연결하여 충방전이 가능한 한정된 전력 공급원으로 가정하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계는, 연산처리수단에서, 설비 효율 정보를 입력받는 것으로, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 설비 효율 정보는 태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계는 연산처리수단에서, 상기 부하로부터 요구 전력과 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받는 것이 바람직하다.
상기 제약 조건 정보는 각 배터리의 최대 충전 전력, 최대 방전 전력, 및 최대 충전량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 제약 조건 정보는
Figure 112020141327093-pat00055
(태양전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량 [kW]),
Figure 112020141327093-pat00056
(태양전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량 [kW]),
Figure 112020141327093-pat00057
(연료전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량 [kW]),
Figure 112020141327093-pat00058
(연료전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량 [kW]),
Figure 112020141327093-pat00059
(태양전지 설비의 배터리의 충전량 [kWh]),
Figure 112020141327093-pat00060
(연료전지 설비의 배터리의 충전량 [kWh]),
Figure 112020141327093-pat00061
(태양전지 설비의 배터리의 최대 충전량 [kWh]),
Figure 112020141327093-pat00062
(연료전지 설비의 배터리의 최대 충전량 [kWh]) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 산출하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 상기 제약 조건식은 하기의 식들 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
Figure 112020141327093-pat00063
여기서,
Figure 112020141327093-pat00064
: 태양전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00065
: 태양전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00066
: 연료전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00067
: 연료전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00068
: 태양전지 설비의 배터리의 충전량 [kWh],
Figure 112020141327093-pat00069
: 연료전지 설비의 배터리의 충전량 [kWh],
Figure 112020141327093-pat00070
: 태양전지 설비의 배터리의 최대 충전량 [kWh],
Figure 112020141327093-pat00071
: 연료전지 설비의 배터리의 최대 충전량 [kWh]이다.
태양전지용 배터리/연료전지용 배터리의 충방전 전력은 배터리 수명 단축을 방지하기 위하여 배터리 충방전 전력을 소정의 최소값과 최대값 사이로 한정하는 것이며, 태양전지용 배터리/연료전지용 배터리의 충전량은 신재생에너지 하이브리드 시스템의 안정적 운영을 위해 배터리가 과충전과 과방전 사이에서 운영될 수 있도록 하는 제약 조건식이다.
이러한 제약 조건식들을 통해서 다양한 조건에서도 다양한 에너지 공급원(태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원)과 부하가 균형을 이루도록 하이브리드 운전을 수행할 수 있다.
상기 (e) 단계는 연산처리수단에서, 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수(F)를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것이 바람직하며, 하기의 식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
Figure 112020141327093-pat00072
여기서,
Figure 112020141327093-pat00073
: 계통 전원의 최대 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00074
: 태양전지의 최대 발전 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00075
: 연료전지의 최대 발전 전력 용량 [kW],
Figure 112020141327093-pat00076
: 태양전지 설비의 배터리의 최대 용량 [kWh],
Figure 112020141327093-pat00077
: 연료전지 설비의 배터리의 최대 용량 [kWh]
Figure 112020141327093-pat00078
: 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 [kWh],
Figure 112020141327093-pat00079
: 연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 [원/kWh],
Figure 112020141327093-pat00080
: 계통 전원의 단위 용량당 설비 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00081
: 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00082
: 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00083
: 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00084
: 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용 [원/kWh],
Figure 112020141327093-pat00085
: 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00086
: 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00087
: 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용 [원/kW],
Figure 112020141327093-pat00088
: 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용 [원/kWh]이다.
Figure 112020141327093-pat00089
<최적화 알고리즘 코드>
(여기서, 상기 최적화 알고리즘 코드는, 처음에 이진행렬을 랜덤하게 만들고 나서, 이전에 탐색했던 행렬인지 아닌지는 히스토리 테이블을 통해서 검색하여, 등록되어 있지 않으면(이전에 탐색한 적이 없으면), 해당하는 랜덤 이진행렬로부터 세션을 시작하는 것을 의미함다. 이 때, 세션은 한번의 BSS와 다수번의 UDS를 수행하는 함수이며, T는 최적화되는 이진행렬 결과값을 의미함.)
상기 (f) 단계는 연산처리수단에서, 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수의 출력이 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 (f) 단계는 지역 최적화 알고리즘 또는 전역 최적화 알고리즘에 적용하여, 상기 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 지역 최적화(local search) 알고리즘은, 탐색점 주변을 면밀히 탐색하는 양분 탐색(BSS, Bisectional Search)과 양분 탐색을 통해서 획득한 정보를 기반으로 이웃 영역을 확장 탐색하는 단향 탐색(UDS, Unidirectional Search)로 나눌 수 있다. 또한, 전역 최적화(global search) 알고리즘을 위해서는, 가장 용이하면서도 간단하게 구현할 수 있는 multistart 기법을 활용하는 것이 바람직하다. 상기 전역 최적화 알고리즘은 지역 최적화 알고리즘을 수행하고 난 후, 전역 최적해를 찾기 위해 multistart 전략을 적용한 것으로, 이전 탐색의 최적값 유지를 보장하기 위해 이전 탐색까지의 비용함수가 가장 낮은 해를 저장한 후 다시 임의의 행렬(
Figure 112020141327093-pat00090
)을 시작점으로 탐색을 재시작 한다. 여기서
Figure 112020141327093-pat00091
은 차원이고
Figure 112020141327093-pat00092
는 행렬에서 열의 길이(row length)이다. 생성된 초기 행렬은 이전에 탐색했던 해인지 아닌지를 확인하여 이전에 탐색된 점이 아니면 초기점부터 지역탐색을 마지막 열의 길이(
Figure 112020141327093-pat00093
)까지 탐색을 수행한다. 전역탐색의 루틴은 현재의 최적점을 저장하고 multistart를 통해 개선시키며 목적함수를 최소화시키는 전역 최적해를 탐색하기 위해 최대 multistart 횟수인 {n umMaxRestart까지 탐색을 수행한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 계통 전원
20 : 부하
1 : 태양전지 발전 설비
110 : 태양전지
210 : 연료전지
121, 221 : DC/DC 컨버터
122, 222 : DC/AC 컨버터
130, 230 : 배터리

Claims (8)

  1. 태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원과 연결되고, 부하에 전력을 공급하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 있어서, 연산 처리 수단에서,
    (a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계;
    (b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계;
    (c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계;
    (d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계;
    (e) 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수(F)를 설정하는 단계; 및
    (f) 지역 최적화 알고리즘을 수행하여 현재의 최적점을 저장한 후, 전역 최적화 알고리즘을 수행하여 multistart를 통해 개선시키되, 상기 시스템 모델 방정식과 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수이며,
    상기 제약 조건식은 하기의 식들 중 적어도 하나를 포함하고,
    Figure 112022106272501-pat00163

    (여기서,
    Figure 112022106272501-pat00164
    는 태양전지 설비의 배터리의 충전 최대 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00165
    는 태양전지 설비의 배터리 의 방전 최대 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00166
    는 연료전지 설비의 배터리의 충전 최대 전 력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00167
    는 연료전지 설비의 배터리의 방전 최대 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00168
    는 태양전지 설비의 배터리의 충전량,
    Figure 112022106272501-pat00169
    는 연료전지 설비의 배터리의 충전량,
    Figure 112022106272501-pat00170
    는 태양전지 설비의 배터리의 최대 충전량,
    Figure 112022106272501-pat00171
    는 연료전지 설비의 배터리의 최 대 충전량 [kWh].)
    상기 목적 함수는 하기의 식과 같은 것
    Figure 112022106272501-pat00172

    (여기서,
    Figure 112022106272501-pat00173
    는 계통 전원의 최대 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00174
    는 태양전지의 최대 발전 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00175
    는 연료전지의 최대 발전 전력 용량,
    Figure 112022106272501-pat00176
    는 태양전지 설비의 배터리의 최대 용량,
    Figure 112022106272501-pat00177
    는 연료전지 설비의 배터리의 최대 용량,
    Figure 112022106272501-pat00178
    는 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량,
    Figure 112022106272501-pat00179
    는 연 료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용,
    Figure 112022106272501-pat00180
    는 계통 전원의 단위 용량당 설비 비용,
    Figure 112022106272501-pat00181
    는 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용,
    Figure 112022106272501-pat00182
    는 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용,
    Figure 112022106272501-pat00183
    는 태양전지 발전 설 비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용,
    Figure 112022106272501-pat00184
    는 태양전지 발전 설비의 단위 용량 당 배터리 비용,
    Figure 112022106272501-pat00185
    는 연 료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용,
    Figure 112022106272501-pat00186
    는 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용,
    Figure 112022106272501-pat00187
    는 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용,
    Figure 112022106272501-pat00188
    는 연 료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용,
    Figure 112022106272501-pat00189
    는 태양전지 설비의 배터리의 충방전 효율,
    Figure 112022106272501-pat00190
    는 연료전지 설비의 배터리의 충방전 효율.)
    을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 모델 방정식(
    Figure 112022106272501-pat00191
    )에서,
    DC/DC 및 DC/AC 컨버터 효율(
    Figure 112022106272501-pat00192
    )에 관한 행렬(
    Figure 112022106272501-pat00193
    )과 계통 전원 공급 전력, 태양전지 및 연료전지 발전 전력(
    Figure 112022106272501-pat00194
    )에 관한 행렬(
    Figure 112022106272501-pat00195
    )을 곱한 값과, 태양전지 및 연료전지 배터리 충방전 효율(
    Figure 112022106272501-pat00196
    )에 관한 행렬(
    Figure 112022106272501-pat00197
    )과 태양전지 및 연료전지 배터리 충방전 전력(
    Figure 112022106272501-pat00198
    )에 관한 행렬(
    Figure 112022106272501-pat00199
    )을 곱한 값의 차가 부하의 소요전력(
    Figure 112022106272501-pat00200
    )인 것
    을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비용 정보는
    단위 용량당 계통 전력 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 및 연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 설비별 효율 정보는
    태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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