KR102553192B1 - 독립형 dc 배전 시스템 설계 장치 - Google Patents

독립형 dc 배전 시스템 설계 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로그리드 클러스터에 적용되는 독립형 DC 배전 시스템 설계 장치에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 독립형 DC 배전 시스템 설계 장치는 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량의 크기를 산출하고, 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량 중 크기가 가장 큰 초과 발전량을 신재생에너지 발전원(410)의 용량으로 설정할 수 있다.
본 발명은 마이크로그리드 클러스터에 속하는 복수의 마이크로그리드의 발전 용량을 고려하여 중앙 분산 전원을 추가 설치하도록 설계하는 것에 의해 독립형 DC 배전 시스템이 상용전력계통으부터 안정적으로 독립하게 할 수 있다.

Description

독립형 DC 배전 시스템 설계 장치{Design device of stand-alone DC power distribution system}
본 발명은 마이크로그리드 클러스터에 적용되는 독립형 DC 배전 시스템 설계 장치에 관한 것이다.
직류(DC, Direct Current) 배전 기술은 선로의 절연 계급이 낮아 교류보다 경제적이고, 송전에 교류보다 최소 1상이 적어서 선로 구성 비용의 절감도 가능하다. 그리고, 직류 배전 기술은 교번하는 성분(주파수)이 없어 리액턴스 성분이 없어 무효전력도 발생하지 않고 표피효과도 발생하지 않는다.
단순히 비교하면 직류 송전이 교류 송전 보다 송전용량 상승, 송전손실저감, 환경적으로 적은 영향 및 투자비 감소 등에 있어 이점이 있다.
최근, DC기반 분산전원 증가, 에너지 저장장치 사용, 마이크로그리드 구축 등에 따라 기존 AC 배전망의 단점을 보완하고 효율을 증대할 수 있는 DC 배전망에 대한 관심이 증가하고 있다.
마이크로그리드(Micro Grid)는 전력망에 정보 기술이 접목되어 발전량 조절을 위한 제어가 수행되며, 발전·소비량 예측 등의 기능을 필요로 한다는 점에서 스마트그리드와 유사하지만, 그 적용 규모가 스마트그리드에 비하여 상대적으로 작고, 발전원과 수용가(전력소비 주체)의 위치가 가깝기 때문에 대규모 송전 설비가 필요하지 않다는 차이점이 있다.
미국의 에너지국(Department Of Energy, DOE)은 마이크로그리드(Micro Grid)를 다음과 같이 정의하고 있다.
명확히 정의된 전기적 범위 안에서 상호 연결된 '수용가'와 '분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)'의 그룹으로 계통에 대하여 하나의 제어 가능한 개체(entity)이며, 계통으로부터 연결 및 독립이 가능하다.
마이크로그리드의 개념은 점점 확대되고 있다. 마이크로그리드는 수용가와 DER이 융합된 형태(공급형 MG) 외에 1) 수용가만 존재하는 형태(수요형 MG) 2) 분잔 에너지 자원 만 존재하는 형태 3) 1) 및 2)에 ESS(Energy Storage System)가 융합된 형태 등이 존재한다.
최근, 마이크로그리드 간을 DC 배전망으로 연결하기 위한 시도가 되고 있다. 이때, 마이크로그리드 간은 MVDC(Midium Voltage Direct Currnet) 계통으로 구성되며, 마이크로그리드 내부는 LVDC(Low Voltage Direct Currnet) 계통으로 구성될 수 있다.
그리고, 클러스터링된 복수의 마이크로그리드는 상용전력계통으로부터 분리되어 독립적으로 운영될 필요가 있다. 여기서, 상용전력계통은 한국전력공사에서 운영하는 배전망과 같이 AC 배전망으로 구성된 벌크 그리드(Bulk Grid)를 지칭할 수 있다.
KR10-2017-0138178 (출원일 : 2017.10.24) KR10-2013-0123408 (출원일 : 2013.10.16)
본 발명은 마이크로그리드 클러스터에 적용되는 독립형 DC 배전 시스템 설계 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 독립형 DC 배전 시스템 설계 장치는 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량의 크기를 산출하고, 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량 중 크기가 가장 큰 초과 발전량을 신재생에너지 발전원(410)의 용량으로 설정할 수 있다.
여기서, 상기 설정된 신재생에너지 발전원(410)의 용량의 기 설정된 비율을 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 용량으로 설정할 수 있다.
그리고, 상기 신재생에너지 발전원(410)은 태양광 발전일 수 있다.
또한, 중앙 분산 전원(400)은 DC 배전라인을 통해, 간접라인 및 직접라인과 별개로 중앙 ESS(100)에 접속될 수 있다.
본 발명은 마이크로그리드 간을 연결하는 DC 배전 시스템(MVDC 배전 시스템)을 직접라인, 간접라인, ESS 지리적 위치 좌표, ESS 용량, 분산전원 용량 및 선로 용량 측면에서 자동으로 설정할 수 있다.
본 발명은 마이크로그리드 클러스터에 속하는 복수의 마이크로그리드의 발전 용량을 고려하여 중앙 분산 전원을 추가 설치하도록 설계하는 것에 의해 독립형 DC 배전 시스템이 상용전력계통으부터 안정적으로 독립하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 마이크로그리드 클러스터를 나타낸다.
도 2는 도 1의 통합 운영 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DC 배전 시스템 설계 장치의 기능 블록도를 나타낸다.
도 4는 일별 초과 발전량 정보의 예시를 나타낸다.
도 5는 도 1의 중앙 분산 전원의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
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 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 DC 배전 시스템 설계 장치에 대하여 설명한다. 이하에서, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 종래 주지된 사항에 대한 설명은 생략하거나 간단히 한다.
* 마이크로그리드 클러스터 구조 *
마이크로그리드 클러스터는 복수의 마이크로그리드가 DC 배전망으로 연결되는 군집이다. 단일 마이크로그리드 클러스터는 복수의 마이크로그리드, 중앙 ESS(Energy Stroage System) 및 중앙 분산 전원을 포함할 수 있다. 그리고, 단일 마이크로그리드 클러스터에서 복수의 마이크로그리드, 중앙 ESS 및 중앙 분산 전원은 DC 망으로 상호 접속되고 그 DC 망을 통해 수전 및 송전을 할 수 있다.
이하, 본 발명의 DC 배전 시스템 설계 장치가 설계하고자 하는 마이크로그리드 클러스터의 배전망 구조에 대하여 설명한다. 이하의 설명은 단일 마이크로그리드 클러스터를 기준으로 한다.
먼저, 마이크로그리드 클러스터는 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1), 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2)를 포함할 수 있다. 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1)의 개수와 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2)의 개수는 동일한 것으로 가정한다.
제 1 판매자 마이크로그리드(MG1-1)는 복수의 판매자 마이크로그리드에서 년간 전력 판매량이 가장 많은 마이크로그리드일 수 있다. 제 2 판매자 마이크로그리드(MG2-1)는 복수의 판매자 마이크로그리드에서 년간 전력 판매량이 두 번째로 많은 마이크로그리드일 수 있다. 제 n 공급자 마이크로그리드(MGn-1)는 복수의 공급자 마이크로그리드에서 년간 전력 판매량이 n 번째로 많은 마이크로그리드일 수 있다. 여기서, 각각의 판매자 마이크로그리드에 대한 전력 판매량은 판매자 마이크로그리드의 년간 발전량의 총합에서 그 판매자 마이크로그리드의 년간 부하량의 총합을 차감한 값을 의미할 수 있다. 이하, 판매자 마이크로그리드는 자신의 실시간 발전량에서 자신의 실시간 부하량을 초과하는 발전량(이하, '초과 발전분')은 모두 판매하는 것으로 가정한다. 판매자 마이크로그리드의 년간 발전량은 해당 판매자 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 불가능한 발전원(예를 들어, 태양광 또는 풍력 발전)인 경우, 분산전원의 1년 동안의 실시간 발전량을 모두 합하는 것에 의해 산출될 수 있으며, 해당 판매자 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 가능한 발전원(예를 들어, 연료전지)인 경우, 분산전원의 출력 용량을 이용하여 산출될 수 있다. 이때, 출력 제어 가능한 발전원의 년간 발전량은 '365*1일 최대 운영 가능 시간*출력 용량'일 수 있다. 이때, 초과 발전분은 후술하는 직접 라인을 통해 구매자 마이크로그리드로 송전되거나, 직접 라인 및 간접 라인을 통해 중앙 ESS(100)에 송전될 수 있다. 판매자 마이크로그리드의 년간 부하량은 1년 동안의 판매자 마이크로그리드의 실시간 부하량을 모두 합하는 것에 의해 산출될 수 있다.
제 1 구매자 마이크로그리드(MG1-2)는 복수의 구매자 마이크로그리드에서 년간 전력 구매량이 가장 많은 마이크로그리드일 수 있다. 제 2 구매자 마이크로그리드(MG2-2)는 복수의 구매자 마이크로그리드에서 년간 전력 구매량이 두 번째로 많은 마이크로그리드일 수 있다. 제 n 구매자 마이크로그리드(MGn-2)는 복수의 구매자 마이크로그리드에서 년간 전력 구매량이 n 번째로 많은 마이크로그리드일 수 있다. 여기서, 각각의 구매자 마이크로그리드에 대한 전력 구매량은 구매자 마이크로그리드의 년간 부하량의 총합에서 그 구매자 마이크로그리드의 년간 발전량의 총합을 차감한 값을 의미할 수 있다. 구매자 마이크로그리드의 년간 부하량은 1년 동안의 구매자 마이크로그리드의 실시간 부하량을 모두 합하는 것에 의해 산출될 수 있다. 그리고, 구매자 마이크로그리드의 년간 발전량은 해당 구매자 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 불가능한 발전원(예를 들어, 태양광 또는 풍력 발전)인 경우, 분산전원의 1년 동안의 실시간 발전량을 모두 합하는 것에 의해 산출될 수 있으며, 해당 구매자 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 가능한 발전원(예를 들어, 연료전지)인 경우, 분산전원의 출력 용량을 이용하여 산출될 수 있다. 이때, 출력 제어 가능한 발전원의 년간 발전량은 '365*1일 최대 운영 가능 시간*출력 용량'일 수 있다. 이하, 구매자 마이크로그리드는 자신의 실시간 부하량에서 자신의 실시간 발전량을 초과하는 부하량(이하, '초과 부하분')에 대한 전력을 모두 구매하는 것으로 가정한다. 이때, 초과 부하분은 후술하는 직접 라인을 통해 판매자 마이크로그리드로부터 수전거나, 직접 라인 및 간접 라인을 통해 중앙 ESS(100)로부터 수전할 수 있다.
복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1)는 마이크로그리드 클러스터에서 전력 판매자의 역할을 가지고, 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2)는 전력 구매자의 역할을 가질 수 있다. 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각은 계통 접속점(P1-1, P2-1, ..., Pn-1)을 가질 수 있다. 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각은 계통 접속점(P1-2, P2-2, ..., Pn-2)을 가질 수 있다. 계통 접속점을 통해 복수의 판매자 마이크로그리드와 복수의 구매자 마이크로그리드는 MVDC 배전망에 접속될 수 있다. MVDC 배전망은 계통 DC 전압이 1.5 kV ~ 100 kV인 DC 계통일 수 있다. 도 1에서 MCDC 배전망은 제 1 직접라인(L1-1), 제 1 간접라인(L1-2), 제 2 직접라인(L2-1), 제 2 간접라인(L2-2), ..., 제 n 직접라인(Ln-1), 제 n 간접라인(Ln-2)을 포함할 수 있다.
제 1 직접라인(L1-1)은 제 1 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P1-1)과 제 1 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P1-2)을 최단거리로 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다. 제 1 간접라인(L1-2)은 제 1 직접라인(L1-1)과 중앙 ESS(100)를 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다.
제 2 직접라인(L2-1)은 제 2 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P2-1)과 제 2 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P2-2)을 최단거리로 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다. 제 2 간접라인(L2-2)은 제 2 직접라인(L2-1)과 중앙 ESS(100)를 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다.
제 n 직접라인(Ln-1)은 제 n 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점(Pn-1)과 제 n 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점(Pn-2)을 최단거리로 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다. 제 n 간접라인(Ln-2)은 제 n 직접라인(Ln-1)과 중앙 ESS(100)를 연결하는 MVDC 배전라인일 수 있다.
즉, 복수의 판매자 마이크로그리드와 복수의 구매자 마이크로그리드는 동일한 개수이고, 판매자 마이크로그리드의 년간 전력 판매량 순위와 구매자 마이크로그리드의 년간 전력 구매량 순위가 동일한 판매자 마이크로그리드와 구매자 마이크로그리드 간을 직접라인으로 최단거리로 연결할 수 있다. 이는 판매자 마이크로그리드의 전력 판매 규모와 구매자 마이크로그리드의 전력 구매 규모를 매칭하고 판매자 마이크로그리드에서 최단거리로 구매자 마이크로그리드로 전력 공급을 직접하게 하는 것에 의해, MVDC 배전망에서의 전력 손실을 최소화하기 위함이다.
그리고, 중앙 ESS(100)는 마이크로그리드 클러스터 내의 모든 직접 라인에 간접 라인을 통해 연결될 수 있다. 간접 라인은 직접 라인에 1:1로 매칭될 수 있다.
이때, 중앙 ESS(100)는 모든 간접 라인의 길이의 합이 최소가 되는 지리적인 위치에 설치될 수 있다. 이에 의해, MVDC 배전망을 위한 공사 비용이 절감될 수 있다. 물론, 판매자 마이크로그리드의 전력 판매 규모와 구매자 마이크로그리드의 전력 구매 규모를 매칭하고 판매자 마이크로그리드에서 최단거리로 구매자 마이크로그리드로 전력 공급을 직접하게 하는 것에 의해, MVDC 배전망의 공사 비용이 최소화될 수도 있다.
중앙 ESS(100) 측에 중앙 분산 전원(400)이 설치될 수 있다. 중앙 분산 전원(400)은 DC 전력망을 통해 중앙 ESS(100)에 직접 연결될 수 있다. 중앙 분산전원(400)은 도 1에서와 같이, 중앙 분산 전원(400)이 속하는 마이크로그리드 클러스터의 부족 발전량을 보상할 수 있다. 중앙 분산 전원(400)은 간접라인 및 직접라인과 직접 접속되지 않는다. 그리고, 중앙 분산 전원(400)은 DC 배전라인을 통해, 간접라인 및 직접라인과 별개로 중앙 ESS(100)에 접속된다. 이는 마이크로그리드 클러스터 내에서의 전력 거래시, 송전 손실이 최소화되게 지리적으로 배치된 중앙 ESS(100)를 중심으로 전력 거래를 하기 위함이다. 물론, 중앙 분산 전원(100)과 중앙 ESS(100) 간의 지리적인 거리를 최소화하는 것에 의해 중앙 분산 전원(100)이 중앙 ESS(100)에 송전할 때 발생하는 송전 손실을 최소화하는 것이 바람직하다. 이 같은 구조를 통해, 본 발명에서 중앙 ESS(100)는 전력 거래시 전력을 공급하는 역할을 총괄하며, 중앙 ESS(100)는 마이크로그리드 클러스터 내의 실시간 전력 초과분을 저장하여 마이크로그리드 클러스터의 전력 예비력을 확보할 수 있다. 그리고, 중앙 ESS(100) 또는 마이크로그리드 클러스터의 전력 부족분은 중앙 ESS(100) 측에 설치된 중앙 분산 전원(400)이 보상할 수 있다. 그리고, 중앙 ESS(100) 측에 설치된 중앙 분산 전원(400)이 발전하여 중앙 ESS(100)에 공급한 전력은 중앙 ESS(100)를 통해 전력이 부족한 구매자 마이크로그리드에 판매될 수 있다.
여기서, 중앙 분산 전원(400)은 신재생에너지 발전원(410) 및 출력 제어 가능한 분산전원(420)를 포함할 수 있다. 여기서, 신재생에너지 발전원(410)은 태양광 발전, 풍력 발전 등일 수 있다. 다만, DC 배전망에서의 변환 손실을 최소화하기 위해, 발전 출력이 DC인 태양광 발전으로 신재생에너지 발전원(410)을 구성하는 것이 바람직하다.
출력 제어 가능한 분산전원(420)은 연료전지일 수 있다. 출력 제어 가능한 분산전원(420)과 구분되는 개념으로 상기 신재생에너지 발전원(410)은 외부 자연 환경에 따라 출력이 가변되는 출력 제어 불가능한 발전원일 수 있다. 앞서 본 바와 같이 출력 제어 불가능한 발전원은 예를 들어, 태양광 발전 또는 풍력 발전일 수 있다.
신재생에너지 발전원(410)은 중앙 분산 전원(400)의 메인 발전원이고, 출력 제어 가능한 분산전원(420)이 중앙 분산 전원(400)의 서브 발전원일 수 있다.
중앙 ESS(400)는 실시간 신재생에너지 발전원(410)의 발전 출력을 저장하고, 그 저장된 신재생에너지 발전원(410)의 발전 출력을 마이크로그리드 클러스터의 운영 중 발생하는 마이크로그리드 클러스터의 발전량 부족분을 보상하는데 사용할 수 있다. 그리고, 중앙 ESS(400)는 위와 같이, 마이크로그리드 클러스터에 속하는 마이크로그리드의 발전 및 신재생에너지 발전원(410)의 발전을 이용해 마이크로그리드 클러스터의 전력 수급 운영 중 부족분이 발생할 때, 그 부족분을 출력 제어 가능한 분산전원(420)으로 보상할 수 있다.
제 1 직접라인(L1-1)에는 제 1-1 계측기(M 1-1)가 설치될 수 있다. 제 1-1 계측기(M 1-1)는 제 1 직접라인(L1-1)을 통해 제 1 구매자 마이크로그리드(MG 1-2)가 구매하는 총 구매 전력량을 계측할 수 있다. 제 1-1 계측기(M 1-1)는 제 1 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P1-2) 측에 설치될 수 있다.
제 1 간접라인(L1-2)에는 제 1-2 계측기(M 1-2)가 설치될 수 있다. 제 1-2 계측기(M 1-2)는 제 1 간접라인(L1-2)을 통해 중앙 ESS(100)로부터 제 1 구매자 마이크로그리드(MG 1-2)가 구매하는 구매 전력량을 계측할 수 있다.
제 2 직접라인(L2-1)에는 제 2-1 계측기(M 2-1)가 설치될 수 있다. 제 2-1 계측기(M 2-1)는 제 2 직접라인(L2-1)을 통해 제 2 구매자 마이크로그리드(MG 2-2)가 구매하는 총 구매 전력량을 계측할 수 있다. 제 2-1 계측기(M 2-1)는 제 2 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점(P2-2) 측에 설치될 수 있다.
제 2 간접라인(L2-2)에는 제 2-2 계측기(M 2-2)가 설치될 수 있다. 제 2-2 계측기(M 2-2)는 제 2 간접라인(L2-2)을 통해 중앙 ESS(100)로부터 제 2 구매자 마이크로그리드(MG 2-2)가 구매하는 구매 전력량을 계측할 수 있다.
제 n 직접라인(Ln-1)에는 제 n-1 계측기(M n-1)가 설치될 수 있다. 제 n-1 계측기(M n-1)는 제 n 직접라인(Ln-1)을 통해 제 n 구매자 마이크로그리드(MG n-2)가 구매하는 총 구매 전력량을 계측할 수 있다. 제 n-1 계측기(M n-1)는 제 n 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점(Pn-2) 측에 설치될 수 있다.
제 n 간접라인(Ln-2)에는 제 n-2 계측기(M n-2)가 설치될 수 있다. 제 n-2 계측기(M n-2)는 제 n 간접라인(Ln-2)을 통해 중앙 ESS(100)로부터 제 n 구매자 마이크로그리드(MG n-2)가 구매하는 구매 전력량을 계측할 수 있다. 즉, 복수의 판매자 마이크로그리드와 복수의 구매자 마이크로그리 간을 연결하는 직접 라인 각각에서 구매자 마이크로그리드 측에 계측기가 설치될 수 있다. 그 직접라인에 설치된 계측기는 그 직접라인과 연결된 구매자 마이크로그리드가 판매자 마이크로그리드 및 중앙 ESS로부터 구매하는 총 구매 전력량을 계측할 수 있다. 그리고, 복수의 직접 라인 각각에 중앙 ESS(200)를 연결하는 간접 라인 각각에 계측기가 설치될 수 있다. 간접 라인 각각에 설치된 계측기는 간접라인을 통해 그 간접라인과 직접라인을 매개로 연결되는 구매자 마이크로그리드가 중앙 ESS(200)로부터 구매하는 구매 전력량을 계측할 수 있다.
중앙 ESS(100)는 복수의 판매자 마이크로그리드 중 어느 하나와 복수의 구매자 마이크로그리드 중 어느 하나를 상호 연결하는 단일 직접라인(L1-1, L2-1, ..., Ln-1)에 단일 간접라인(L1-2, L2-2, ..., Ln-2)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 중앙 ESS(100)는 전체 간접 라인(L1-2, L2-2, ..., Ln-2)의 길이의 합이 최소가 되는 지리적인 위치에 설치될 수 있다.
이와 같은 마이크로그리드 클러스터는 통합 운영 장치(TOC, 200)에 의해 운영될 수 있다. 물론, 마이크로그리드 클러스터에 속하는 복수의 판매자 마이크로그리드 및 복수의 구매자 마이크로그리드 각각은 그 내부에 설치된 EMS(Energy Management Storage)에 의해 운영 동작을 수행할 수 있다. 이하, 통합 운영 장치(200)에서 전력 거래 관련된 사항을 중심으로 설명한다.
통합 운영 장치(200)는 전력량 수집부(210) 및 전력거래 정산부(220)를 포함할 수 있다.
전력량 수집부(210)는 직접라인에 설치된 계측기(M 1-1, M 2-1, ..., M n-1) 및 간접라인에 설치된 계측기(M 1-2, M 2-2, ..., M n-2)로부터 계측된 구매 전력량을 기 설정된 제 1 주기로 수집할 수 있다.
전력거래 정산부(220)는 수집된 구매 전력량을 기초로 다음의 수학식 1에 따라 기 설정된 제 2 주기로 전력 구매 비용을 산출할 수 있다. 여기서, 제 2 주기는 제 1 주기와 같을 수 있다.
[수학식 1]
전력 구매 비용 = 직접 구매 비용 + 간접 구매 비용
여기서,
직접 구매 비용 : 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 연결된 직접 라인을 통해 판매자 마이크로그리드로부터 직접 공급 받은 구매 전력량에 대한 비용
간접 구매 비용 : 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 직접라인을 매개로 연결된 간접 라인을 통해 중앙 ESS로부터 공급 받은 구매 전력량에 대한 비용
전력 구매 비용 산출시, 전력거래 정산부(220)는 직접라인에 설치된 계측기에 의해 계측된 총 구매 전력량에서 간접라인에 설치된 계측기에 의해 계측된 구매 전력량을 차감하는 것에 의해, 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 연결된 직접 라인을 통해 판매자 마이크로그리드로부터 직접 구매한 구매 전력량을 산출할 수 있다. 그리고, 전력거래 정산부(220)는 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 연결된 직접 라인을 통해 판매자 마이크로그리드로부터 직접 공급 받은 구매 전력량(직접 구매량)에 단위 전력 직접 구매 비용을 곱하는 것에 의해 직접 구매 비용을 산출할 수 있다.
전력 구매 비용 산출시, 전력거래 정산부(220)는 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 직접라인을 매개로 연결된 간접 라인을 통해 중앙 ESS로부터 공급 받은 구매 전력량(간접 구매량)을 간접라인에 설치된 계측기를 통해 파악할 수 있다. 이때, 전력거래 정산부(220)는 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 직접라인을 매개로 연결된 간접 라인을 통해 중앙 ESS로부터 공급 받은 구매 전력량(간접 구매량)에 단위 전력 간접 구매 비용을 곱하는 것에 의해, 간접 구매 비용을 산출할 수 있다.
여기서, 단위 전력 간접 구매 비용은 다음의 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
단위 전력 간접 구매 비용 = 단위 전력 직접 구매 비용 + (간접 라인 길이 * 간접 라인 단위 길이 당 추가 비용)
간접 라인 길이는 전력 구매 비용 부가 대상이 되는 구매자 마이크로그리드에 직접라인을 통해 연결되는 간접 라인의 길이일 수 있다. 전력 구매 비용 정산시, 구매자 마이크로그리드에 직접라인을 통해 연결되는 간접 라인의 길이에 대한 추가 비용을 반영하는 것에 의해, MVDC 배전망의 구축에 따른 투자 비용을 복수의 사용자 마이크로그리드로부터 형평성이 있게 회수할 수 있다.
* DC 배전 시스템 설계 장치 *
이하, 도 1 및 도 2에서 설명된 DC 배전 시스템을 설계하는 장치에 대하여 설명한다.
DC 배전 시스템 설계 장치(300)는 설계 프로그램이 내장된 PC일 수 있다. DC 배전 시스템 설계 장치(300)는 MG 정보 입력부(310), MG 간 선로 설정부(320), ESS 좌표 설정부(330), 용량 설정부(340), 선로 용량 설정부(350) 및 사용자 인터페이스(360)를 포함할 수 있다.
MG 정보 입력부(310)는 다음의 정보를 입력 받을 수 있다.
1. 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 계통 접속점(P1-1, P2-1, ..., Pn-1)의 지리적 위치 좌표
2. 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 계통 접속점(P2-1, P2-2, ..., Pn-2)의 지리적 위치 좌표
3. 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 연간 발전량 및 부하량 정보
4. 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 발전량 및 부하량 정보
이때, 입력되는 복수의 공급자 마이크로그리드의 개수와 복수의 사용자 마이크로그리드의 개수는 동일할 수 있다.
MG 간 선로 설정부(320)는 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 연간 발전량 및 부하량 정보를 분석하여, 복수의 판매자 마이크로그리드의 연간 전력 판매량 순위를 결정할 수 있다. 그리고, MG 간 선로 설정부(320)는 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 부하량 및 발전량 정보를 분석하여 복수의 구매자 마이크로그리드의 연간 전력 구매량 순위를 결정할 수 있다.
그리고, MG 간 선로 설정부(320)는 판매자 마이크로그리드의 년간 전력 판매량 순위와 구매자 마이크로그리드의 년간 전력 구매량 순위가 동일한 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점과 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점 간을 직접 이으는 단일의 직접라인을 생성할 수 있다.
그리고, ESS 좌표 설정부(330)는 모든 직접라인과의 거리의 합이 최소가 되는 중앙 ESS(100) 지리적 위치 좌표를 결정할 수 있다. ESS 좌표 설정부(330)는 모든 직접라인 각각에서의 좌표를 변수로 하는 목적함수를 이용하여 복수의 직접라인과의 거리의 합이 최소가 되는 중앙 ESS(100)의 지리적 위치 좌표를 결정할 수 있다. 그리고, ESS 좌표 설정부(330)는 결정된 중앙 ESS(100)의 지리적 위치 좌표와 그 지리적 위치 좌표에 대응되는 복수의 직접 라인 각각에서의 지점을 이으는 간접라인을 생성할 수 있다. 이때, 사용자 인터페이스(360)는 1) 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 계통 접속점(P1-1, P2-1, ..., Pn-1)의 마커 및 그 좌표 2) 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 계통 접속점(P2-1, P2-2, ..., Pn-2)의 마커 및 그 좌표 3) 모든 직접라인 및 간접라인 4) 중앙 ESS 마커 및 좌표 5) 간접라인과 접속되는 직접라인의 좌표 등을 디스플레이할 수 있다.
용량 설정부(340)는 마이크로그리드 클러스터에 속하는 모든 판매자 마이크로그리드와 모든 구매자 마이크로그리드 전체를 대상으로 한 년간 일별 초과 발전량 정보를 생성할 수 있다. 여기서, 년간 일별 초과 발전량 정보는 일별로 시간에 따른 초과 발전량에 대한 정보일 수 있다. 그리고, 일별 초과 발전량 정보는 마이크로그리드 클러스터에 속하는 전체 판매자 마이크로그리드 및 전체 구매자 마이크로그리드의 시간별 발전량의 총합에서 마이크로그리드 클러스터에 속하는 전체 판매자 마이크로그리드 및 전체 구매자 마이크로그리드의 시간별 부하량의 총합을 차감한 값을 의미할 수 있다. 이때, 시간별 발전량은 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 불가능한 발전원(예 들어, 태양광 또는 풍력 발전)인 경우, 분산전원의 실시간 발전량일 수 있으며, 마이크로그리드가 보유하는 분산전원이 출력 제어 가능한 발전원(예를 들어, 연료전지)인 경우, 분산전원의 출력 용량이 시간별 발전량일 수 있다. 그리고, 시간별 부하량은 실시간 부하량일 수 있다.
마이크로그리드의 발전량 정보 및 부하량 정보는 과거 마이크로그리드의 발전량 및 부하량으로부터 획득된 정보일 수 있고, 과거 마이크로그리드의 발전량, 부하량, 및 기상 예측 정보 등을 이용해 예측된 정보일 수도 있다.
도 4는 초과 발전량 정보의 예시를 나타낸다.
도 4에서, 초과 발전량이 ‘+'인 영역은 해당 시간에서 마이크로그리드 클러스터에 속하는 모든 마이크로그리드의 발전량이 마이크로그리드 클러스터에 속하는 모든 마이크로그리드의 부하량 보다 많다는 것을 의미하며, 초과 발전량이 '-'인 영역은 해당 시간에서 마이크로그리드 클러스터에 속하는 모든 마이크로그리드의 발전량이 마이크로그리드 클러스터에 속하는 모든 마이크로그리드의 부하량 보다 적다는 것을 의미한다. 그리고, '+'가 지속되는 구간은 발전량 초과 지속 구간이며, '-'가 지속되는 구간은 부하량 초과 지속 구간일 수 있다. 도 4의 초과 발전량 정보는 일별로 생성될 수 있다.
용량 설정부(340)는 년간 일별 초과 발전량 정보를 이용해, 년간 전체 발전량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량을 산출할 수 있다.
그리고, 용량 설정부(340)는 년간 전체 발전량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량 중 가장 큰 초과 발전량을 중앙 ESS(100)의 용량으로 설정할 수 있다. 이는 가장 큰 초과 발전량을 예비력으로 하여, 마이크로그리드 클러스터 내의 전력 수급 안정을 기하기 위함이다. 단일 중앙 ESS(100)가 마이크로그리드 클러스터 내의 ESS 기능을 통합하므로 단일 중앙 ESS(100)의 용량이 다소 높게 설정되어도 ESS를 마이크로그리드 별로 분산 설치하는 것 대비 단일 중앙 ESS(100)의 설치 비용이 적을 수 있다.
그리고, 용량 설정부(340)는 년간 일별 초과 발전량 정보를 이용해, 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량의 크기를 산출할 수 있다. 그리고, 용량 설정부(340)는 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량 중 크기가 가장 큰 초과 발전량을 신재생에너지 발전원(410)의 용량으로 설정할 수 있다. 이는 마이크로그리드 클러스터의 전력 부족분을
중앙 분산 전원(400)의 메인 발전원인 신재생에너지 발전원(410)이 우선하여 충분히 보상하게 하기 위함이다. 다만, 신재생에너지 발전원(410)은 출력이 가변적이고 출력의 예측에 한계가 있어, 가변적이고 출력의 예측에 한계가 있는 신재생에너지 발전원(410)의 발전을 출력 제어 가능한 분산전원(420)이 보상을 하는 것을 통해 독립형 마이크로그리드 클러스터의 공급의 안정성이 확보될 필요가 있다. 이 같은 견지에서, 용량 설정부(340)는 상기와 같은 방법을 통해 설정된 신재생에너지 발전원(410)의 용량의 기 설정된 비율(예를 들어, 10 내지 20%)을 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 용량으로 설정할 수 있다. 물론, 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 용량을 높게 설정하면 할수록 공급의 안정성은 높아질 수 있으나 불필요한 투자 비용이 증가한다. 따라서, 위와 같이, 적절하게 신재생에너지 발전원(410)의 용량의 기 설정된 비율(예를 들어, 10 내지 20%)을 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 용량으로 설정하되, 마이크로그리드 내의 발전원 및 신재생에너지원의 발전원의 열화에 따른 마이크로그리드 내의 발전원 및 신재생에너지원의 발전원의 유지/보수/교체 및 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 적절한 용량 증설을 통해 마이크로그리드 클러스터의 공급 안정성을 확보하는 것이 바람직하다.
설정된 중앙 ESS(100) 용량 및 중앙 분산 전원(400) 내의 신재생에너지 발전원(410) 및 출력 제어 가능한 분산전원(420)의 용량은 사용자 인터페이스(360)를 통해 디스플레이될 수 있다.
선로 용량 결정부(350)는 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 부하량 정보를 이용해 년 중 최대 부하를 가지는 마이크로그리드를 특정할 수 있다. 그리고, 그 마이크로그리드에서의 최대 부하에 대응되는 MVDC 배전 전류를 산출할 수 있다. 이때, MVDC 배전 전압은 고정된 것으로 가정한다. 그리고, 선로 용량 결정부(360)는 그 산출된 MVDC 배전 전류에 마진 계수(예를 들어, 1.2)를 곱한 값을 최대 허용 전류로 할 수 있다. 그리고, 그 최대 허용 전류에 기 설정된 MVDC 배전 전압(예를 들어, 10 kV)을 곱하는 것에 의해, 선로 용량 결정부(350)는 선로 용량을 결정할 수 있다.
MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1 : 판매자 마이크로그리드
MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2 : 구매자 마이크로그리드
L1-1, L2-1, Ln-1 : 직접라인
L1-2, L2-2, Ln-2 : 간접라인
P1-1, P1-2, P2-1, P2-2, Pn-1, Pn-2 : 계통 접속점
M1-1, M1-2, M2-1, M2-2, Mn-1, Mn-2 : 계측기
100 : 중앙 ESS
200 : 통합 운영 장치
300 : DC 배전망 설계 장치
400 : 중앙 분산 전원
410 : 신재생에너지 발전원
420 : 출력 제어 가능한 분산전원

Claims (4)

  1. 직접라인(L1-1, L2-1, …, Ln-1) 및 간접라인(L1-2, L2-2, …, Ln-2)을 포함하는 MVDC 배전망을 통해 연결되는 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1), 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 및 중앙 ESS(100)를 포함하고 통합 운영 장치(200)에 의해 운영되는 마이크로그리드 클러스터의 DC 배전 시스템을 설계하는 장치에 있어서,
    1) 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 계통 접속점(P1-1, P2-1, ..., Pn-1)의 지리적 위치 좌표 2) 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 계통 접속점(P2-1, P2-2, ..., Pn-2)의 지리적 위치 좌표 3) 상기 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 연간 발전량 및 부하량 정보 4) 상기 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 발전량 및 부하량 정보를 입력 받는 MG 정보 입력부(310);
    상기 복수의 판매자 마이크로그리드(MG1-1, MG2-1, ..., MGn-1) 각각의 연간 발전량 및 부하량 정보를 분석하여, 복수의 판매자 마이크로그리드의 연간 전력 판매량 순위를 결정하고, 상기 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 부하량 및 발전량 정보를 분석하여 복수의 구매자 마이크로그리드의 연간 전력 구매량 순위를 결정하고, 상기 판매자 마이크로그리드의 년간 전력 판매량 순위와 상기 구매자 마이크로그리드의 년간 전력 구매량 순위가 동일한 판매자 마이크로그리드의 계통 접속점과 구매자 마이크로그리드의 계통 접속점 간을 직접 이으는 단일의 직접라인(L1-1, L2-1, …, Ln-1)을 생성하는 MG 간 선로 설정부(320);
    상기 모든 직접라인(L1-1, L2-1, …, Ln-1)과의 거리의 합이 최소가 되는 중앙 ESS(100) 지리적 위치 좌표를 결정하는 ESS 좌표 설정부(330); 및
    년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량의 크기를 산출하고, 년간 전체 부하량 초과 지속 구간 각각에서의 초과 발전량 중 크기가 가장 큰 초과 발전량을 신재생에너지 발전원(410)의 용량으로 설정하는 용량 설정부(340);
    상기 복수의 구매자 마이크로그리드(MG1-2, MG2-2, ..., MGn-2) 각각의 년간 부하량 정보를 이용해 년 중 최대 부하를 가지는 마이크로그리드를 특정하고, 상기 특정된 마이크로그리드에서의 최대 부하에 대응되는 MVDC 배전 전류를 산출하고, 상기 산출된 MVDC 배전 전류에 마진 계수를 곱한 값을 최대 허용 전류로 하고, 상기 최대 허용 전류에 기 설정된 MVDC 배전 전압을 곱하는 것에 의해, 선로 용량을 결정하는 선로 용량 결정부(350);
    를 포함하고,
    상기 중앙 ESS(100)는 마이크로그리드 클러스터 내의 모든 직접 라인(L1-1, L2-1, …, Ln-1)에 1:1로 매칭되어 간접라인(L1-2, L2-2, …, Ln-2)을 통해 연결되고,
    상기 직접라인(L1-1, L2-1, …, Ln-1) 및 간접라인(L1-2, L2-2, …, Ln-2)은 MVDC 배전망을 형성하고,
    상기 통합 운영 장치(200)는 전력거래 정산부(220)를 포함하고,
    상기 전력거래 정산부(220)는 다음의 수학식 1에 따라 전력 구매 비용을 산출하고,

    [수학식 1]
    전력 구매 비용 = 직접 구매 비용 + 간접 구매 비용

    여기서,
    * 직접 구매 비용 : 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 연결된 직접 라인을 통해 판매자 마이크로그리드로부터 직접 공급 받은 구매 전력량에 대한 비용
    * 간접 구매 비용 : 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 직접라인을 매개로 연결된 간접 라인을 통해 중앙 ESS로부터 공급 받은 구매 전력량에 대한 비용

    상기 전력거래 정산부(220)는 구매자 마이크로그리드가 구매자 마이크로그리드와 직접라인을 매개로 연결된 간접 라인을 통해 중앙 ESS로부터 공급 받은 구매 전력량에 단위 전력 간접 구매 비용을 곱하는 것에 의해, 간접 구매 비용을 산출하고,

    상기 전력거래 정산부(220)는 다음의 수학식 2에 의해 단위 전력 간접 구매 비용을 산출하는 것을 특징으로 하는 분산전원을 고려한 DC 배전 시스템 설계 장치.

    [수학식 2]
    단위 전력 간접 구매 비용 = 단위 전력 직접 구매 비용 + (간접 라인 길이 * 간접 라인 단위 길이 당 추가 비용)

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