KR102572795B1 - 독립형 마이크로그리드에서 에너지저장장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신재생발전기반 도서지역 마이크로그리드에서 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치에 관한 것으로, 배터리의 용량 후보군을 선정하고, 상기 용량 후보군으로부터 배터리의 후보 용량을 제공하는 용량 후보군 선정부; 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선 및 부하곡선을 이용하여 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출하는 최적운전계획 산출부; 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 운전 수익을 산출하고, 상기 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하는 경제성 분석부; 및 상기 용량 후보군에 포함된 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석 결과를 기반으로 배터리의 최적용량을 결정하는 최적용량 결정부를 포함한다.
Description
본 발명은 독립형 마이크로그리드에 관한 것으로서, 특히, 신재생발전기반 도서지역 마이크로그리드에서 에너지저장장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
독립형 마이크로그리드는 지리적인 또는 기타 안보적인 이유 등으로 기존의 전력계통에 접속되지 않으며, 다수의 분산전원으로 구성되어 자체 부하에 전력을 공급하는 소규모 지역전력망으로서, 도서지역 전원공급시스템이 대표적이다.
독립형 마이크로그리드는 환경이나 입지, 규모, 기타 요건 등에 따라 다양한 구성을 가질 수 있으나, 가장 보편적인 신재생 에너지전원인 태양광 발전 및 풍력 발전과, 부하와 신재생에너지 발전과의 편차를 보완하기 위한 에너지저장장치(ENERGY STORAGE SYSTEM), 그리고 신재생에너지전원이 충분한 발전량을 내지 못하거나 고장 등으로 인한 유지보수가 필요한 경우, 대체할 수 있는 디젤발전장치로 구성되는 형태가 일반적이다.
독립형 마이크로그리드는 연계방식에 따라 교류 계통을 기반으로 하여 모든 분산전원이 개별적으로 접속되어 시스템을 구성하는 제1 방식과, 태양광발전, 풍력발전 및 배터리 장치를 공통 직류로 묶어 이를 연계 인버터를 통해 교류단에 접속하고, 디젤발전장치를 교류 및 직류단에 접속하여 시스템을 구성하는 제2 방식으로 구분할 수 있다.
도 1은 종래의 독립형 마이크로그리드 시스템의 일 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 교류 계통 기반 독립형 마이크로그리드는 교류 계통을 기반으로 각 전원 장치들인 풍력 발전, 태양광 발전, 디젤 발전, 배터리 등을 결합하여 교류 계통 부하에 전력을 공급할 수 있도록 한다.
도 2는 종래의 독립형 마이크로그리드 시스템의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 독립형 마이크로그리드는 직류단을 공통으로 각 전원 장치들을 결합하여 교류계통 부하에 전원을 공급할 수 있다. 즉, 태양광발전(Photovoltaic; PV), 풍력발전(Wind Turbine; WT) 및 배터리 장치는 인버터를 통해 직류전원을 교류전원으로 변환하여 교류단에 전력을 공급하고, 디젤발전장치는 교류 및 직류단에 전력을 공급할 수 있다.
이러한 독립형 마이크로그리드의 설계를 위하여, 이를 구성하는 태양광발전, 풍력발전, 배터리, 충방전장치(PCS: Power Conditioning System) 및 디젤발전장치의 용량을 설계하여야 하며, 이를 설치하는 도서지역의 부하량과 부하패턴, 상불평형 등의 각종 부하데이터, 일사량 및 풍속 조건 등을 충분히 고려하여, 부하에 안정적인 전력을 공급하면서도 시스템 설치에 드는 투자비 및 운전에 드는 운전 비용(예컨대, 연료비) 등이 최소가 되도록 분산전원들의 최적 용량을 산정하는 것이 중요하다.
특히, 신재생발전 기반 도서지역 마이크로그리드에서의 에너지저장장치는 신재생에너지발전이 큰 경우 충전하거나, 신재생에너지발전이 모자란 경우 방전하는 방식을 통해서 도서지역 전체의 발전과 부하의 균형을 맞추는 중추적인 역할을 수행한다.
그런데, 에너지저장장치(즉, 충방전장치 및 배터리)는 대부분 리튬 또는 연축 전지 등의 이차전지를 이용하기 때문에 초기 투자비가 높아서 최적 용량을 설계하여 경제성을 확보하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 도서지역 마이크로그리드에서 도서지역 부하를 절체하지 않고 신재생발전 잉여출력을 최대한 활용하면서, 가장 경제적으로 발전과 부하의 평형조건, 분산전원들의 출력 및 용량 제약조건을 만족하는 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 도서지역 마이크로그리드에서 도서지역 부하를 절체하지 않고 신재생발전 잉여출력을 최대한 활용하면서, 가장 경제적으로 발전과 부하의 평형조건, 분산전원들의 출력 및 용량 제약조건을 만족하는 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 용량 후보군을 선정하고, 상기 용량 후보군으로부터 배터리의 후보 용량을 제공하는 용량 후보군 선정부; 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선 및 부하곡선을 이용하여 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출하는 최적운전계획 산출부; 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 운전 수익을 산출하고, 상기 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하는 경제성 분석부; 및 상기 용량 후보군에 포함된 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석 결과를 기반으로 배터리의 최적용량을 결정하는 최적용량 결정부를 포함하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 용량 후보군에서 선택된 후보 용량을 입력 받는 단계; 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선 및 부하곡선을 이용하여 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출하는 단계; 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 운전 수익을 산출하고, 상기 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하는 단계; 및 상기 용량 후보군에 포함된 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석결과를 기반으로 배터리의 최적용량을 결정하는 단계를 포함하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 태양광 발전 및 풍력 발전의 용량에 관한 데이터, 도서지역의 일사량 및 풍속 데이터, 상기 도서지역의 부하 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 상기 도서지역의 일사량 및 풍속 데이터를 기반으로 신재생발전 출력곡선을 산출하는 신재생발전 산정부; 상기 도서지역의 부하 데이터를 기반으로 부하 곡선을 산출하는 부하 산정부; 및 상기 부하곡선에서 상기 신재생발전 출력곡선을 뺀 '부하-출력' 곡선의 최대값 및 최소값을 기반으로 충방전장치의 최적용량을 결정하는 최적용량 결정부를 포함하는 도서지역 마이크로그리드의 충방전장치 최적용량을 산정하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 도서지역의 일사량 및 풍속 데이터를 기반으로 신재생발전 출력곡선을 산출하는 단계; 상기 도서지역의 부하 데이터를 기반으로 부하 곡선을 산출하는 단계; 및 상기 부하곡선에서 상기 신재생발전 출력곡선을 뺀 '부하-출력' 곡선을 산출하는 단계; 및 상기 '부하-출력' 곡선의 최대값 및 최소값을 기반으로 충방전장치의 최적용량을 결정하는 단계를 포함하는 도서지역 마이크로그리드의 충방전장치 최적용량을 산정하기 위한 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 최적운전계획 산출부는, 상기 도서지역의 일사량과 풍속 데이터를 이용하여 상기 태양광발전 출력곡선과 풍력발전 출력곡선을 산정하고, 상기 도서지역의 부하 데이터를 기반으로 상기 부하 곡선을 산정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 최적운전계획 산출부는, 디젤발전의 연료비에 관한 목표함수가 최소화되도록 일간 최적운전계획을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 최적운전계획 산출부는, 발전과 부하의 평형조건, 분산전원들의 출력 및 용량 제약조건을 만족하도록 일간 최적운전계획을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 경제성 분석부는, 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 일간 운전 수익을 산출하고, 미리 결정된 운전 기간에 대한 일간 최적운전계획들을 기반으로 누적 운전 수익을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 경제성 분석부는, 상기 누적 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하여 내부투자수익률 및 투자비 회수기간을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 최적용량 결정부는, 상기 용량 후보군 중에서 경제성 분석 결과가 가장 좋은 후보 용량을 배터리의 최적용량으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 에너지저장장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 신재생발전 기반 도서지역 마이크로그리드를 구성하는 에너지저장장치의 최적 용량에 대한 설계 기준을 제시함으로써, 불필요한 자원의 낭비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 투자비 및 운전비의 투입 효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명을 통해 이뤄지는 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 독립형 마이크로그리드 시스템의 일 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 독립형 마이크로그리드 시스템의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 도서지역 마이크로그리드에서 분산전원들의 일간 최적운전계획을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도서지역 마이크로그리드에서 분산전원들의 일간 최적운전계획을 나타내는 표이다.
도 2는 종래의 독립형 마이크로그리드 시스템의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 도서지역 마이크로그리드에서 분산전원들의 일간 최적운전계획을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도서지역 마이크로그리드에서 분산전원들의 일간 최적운전계획을 나타내는 표이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다. 먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
또한, 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.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 도서지역 마이크로그리드에서 도서지역 부하를 절체하지 않고 신재생발전 잉여출력을 최대한 활용하면서, 가장 경제적으로 발전과 부하의 평형조건, 분산전원들의 출력 및 용량 제약조건 등을 만족하는 에너지저장장치의 최적용량을 산정하기 위한 방안을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충방전장치 및 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치 및 그 방법에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 장치(이하, 설명의 편의상 'PCS용량 산정장치'라 칭함, 300)는 데이터 수집부(310), 신재생발전 산정부(320), 부하 산정부(330), 최적용량 결정부(340) 등을 포함할 수 있다.
데이터 수집부(310)는 태양광 발전 및 풍력 발전의 용량에 관한 정보, 도서지역의 일사량 및 풍속에 관한 정보, 도서지역의 부하 정보 등을 수집할 수 있다. 이때, 상기 정보들은 시스템 관리자 또는 설계자 등으로부터 입력 받거나, 혹은 유/무선 연결된 외부 장치로부터 수신될 수 있으며 이를 제한하지는 않는다.
신재생발전 산정부(320)는 도서지역의 일사량에 관한 정보와 태양광 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 해당 지역의 태양광 발전값을 계산할 수 있다. 신재생발전 산정부(320)는 도서지역의 풍속에 관한 정보와 풍력 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 해당 지역의 풍력 발전값을 계산할 수 있다.
신재생발전 산정부(320)는 상기 계산된 태양광 발전값을 기반으로 태양광발전 출력곡선을 생성하고, 상기 계산된 풍력 발전값을 기반으로 풍력발전 출력곡선을 생성할 수 있다. 신재생발전 산정부(320)는 태양광발전 출력곡선과 풍력발전 출력곡선을 합산하여 신재생발전 출력곡선을 생성할 수 있다.
부하 산정부(330)는 도서지역의 부하데이터를 기반으로 해당지역의 부하곡선을 생성할 수 있다.
최적용량 결정부(340)는 부하곡선에서 신재생발전 출력곡선을 뺀 '부하-출력 곡선'을 생성할 수 있다. 최적용량 결정부(340)는 '부하-출력 곡선'의 최대값과 최소값을 각각 검출하고, 상기 검출된 최대값 및 최소값을 기반으로 충방전장치의 최적용량을 결정할 수 있다.
이와 같이 결정된 충방전장치의 최적용량은 디젤발전의 도움 없이 순시적으로 부하를 절체하지 않고 전력을 공급할 수 있으며, 또한 순시적으로 태양광 발전 및 풍력 발전의 잉여분을 버리지 않고 모두 저장할 수 있는 적정용량을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전장치의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 PCS용량 산정장치(300)는 미리 결정된 태양광 발전 및 풍력 발전의 용량을 입력 받을 수 있다(S410). 이때, 상기 태양광 발전 및 풍력 발전의 용량은 도서지역의 입지, 환경 조건, 마이크로그리드 설계 요건 등에 의해 미리 결정될 수 있다.
PCS용량 산정장치(300)는 도서지역의 일사량과 풍속에 관한 정보를 입력 받을 수 있다(S420).
PCS용량 산정장치(300)는 도서지역의 일사량에 관한 정보와 태양광 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 해당 지역의 태양광 발전값을 계산할 수 있다. 또한, PCS용량 산정장치(300)는 도서지역의 풍속에 관한 정보와 풍력 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 해당 지역의 풍력 발전값을 계산할 수 있다.
PCS용량 산정장치(300)는 상기 계산된 태양광 발전값을 기반으로 태양광발전 출력곡선을 생성하고, 상기 계산된 풍력 발전값을 기반으로 풍력발전 출력곡선을 생성할 수 있다. 그리고, PCS용량 산정장치(300)는 태양광발전 출력곡선과 풍력발전 출력곡선을 합산하여 신재생발전 출력곡선을 생성할 수 있다(S430).
PCS용량 산정장치(300)는 도서지역의 부하데이터를 입력 받아 해당 지역의 부하곡선을 생성할 수 있다(S440, S450).
PCS용량 산정장치(300)는 부하곡선에서 신재생발전 출력곡선을 뺀 '부하-출력 곡선'을 생성할 수 있다. PCS용량 산정장치(300)는 '부하-출력 곡선'의 최대값(즉, Max (부하-신재생))과 최소값(Min (부하-신재생))을 각각 검출할 수 있다.
PCS용량 산정장치(300)는 '부하-출력' 곡선의 최대값 및 최소값을 기반으로 충방전장치의 최적용량을 결정할 수 있다.
좀 더 구체적으로, '부하-출력' 곡선의 최대값 및 최소값이 0보다 크거나 같은 경우(If Max (부하-신재생)≥0 and Min (부하-신재생)≥0), 충방전장치의 최적용량은 아래 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
여기서 α는 불확실성을 고려한 추가용량임.
한편, '부하-출력' 곡선의 최대값 및 최소값이 0보다 작은 경우(If Max (부하-신재생)<0 and Min (부하-신재생)<0), 충방전장치의 최적용량은 아래 수학식 2를 통해 결정될 수 있다.
여기서 α는 불확실성을 고려한 추가용량임.
또한, '부하-출력' 곡선의 최대값이 0보다 크거나 같고, '부하-출력' 곡선의 최소값이 0보다 작은 경우(If Max (부하-신재생)≥0 and Min (부하-신재생)<0), 충방전장치의 최적용량은 아래 수학식 3을 통해 결정될 수 있다.
여기서, α는 불확실성을 고려한 추가용량임.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예는 신재생발전 기반 도서지역 마이크로그리드를 구성하는 충방전장치의 최적 용량에 대한 설계 기준을 제시함으로써, 불필요한 자원의 낭비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 투자비 및 운전비의 투입 효과를 극대화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 장치(이하, 설명의 편의상 '배터리용량 산정장치'라 칭함, 500)는 용량 후보군 선정부(510), 최적운전계획 산출부(520), 경제성 분석부(530), 최적용량 결정부(540) 등을 포함할 수 있다.
용량 후보군 선정부(510)는 도서지역의 마이크로그리드에 투입 가능한 비용과 설치 환경 등을 고려하여 배터리의 용량 후보군을 선정하고, 상기 용량 후보군으로부터 배터리의 후보 용량을 순차적으로 선택하여 제공할 수 있다.
최적운전계획 산출부(520)는 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선, 부하곡선을 입력 받아, 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출할 수 있다.
즉, 최적운전계획 산출부(520)는 해당일의 태양광 및 풍력 발전곡선과 해당일의 부하곡선을 이용하여, 일간 연료비용을 최소화하거나 운전수익(연료비 절감)을 최대화하며, 모든 분산전원의 출력 및 용량 제약과 발전 및 부하의 수급균형 제약을 만족하도록 배터리의 일간 충/방전 및 디젤발전의 일간 출력 스케줄을 수립할 수 있다.
경제성 분석부(530)는 최적운전계획 산출부(520)에 의해 산출된 일간 최적운전계획으로부터 일간 운전수익을 산출할 수 있다. 그리고, 경제성 분석부(530)는 전체 운전기간 동안의 일간 최적운전계획들을 기반으로 전체 누적 운전수익을 계산할 수 있다.
경제성 분석부(530)는 선정된 후보 용량의 배터리 투자비와 정해진 운전기간에 대한 누적 운전수익을 기반으로 경제성을 분석하여 내부투자수익률 및 투자비 회수기간을 산출할 수 있다. 경제성 분석부(530)는 모든 배터리 후보 용량들에 대해 상술한 방법과 동일한 방법으로 경제성을 분석할 수 있다.
모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석이 완료되면, 최적용량 결정부(540)는 배터리 용량의 후보군 중에서 경제성 분석 결과가 가장 좋은 후보 용량을 배터리의 최적용량으로 결정할 수 있다.
이와 같이 결정된 배터리의 최적용량은 디젤발전의 도움 없이 순시적으로 부하를 절체하지 않고 전력을 공급할 수 있으며, 또한 순시적으로 태양광 발전 및 풍력 발전의 잉여분을 버리지 않고 모두 저장할 수 있는 적정용량을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 최적용량을 산정하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리용량 산정장치(500)는 도서지역의 마이크로그리드에 투입 가능한 비용과 설치 환경 등을 고려하여 배터리의 용량 후보군을 선정하고, 상기 용량 후보군으로부터 배터리의 후보 용량을 순차적으로 입력 받을 수 있다(S605). 이때, 상기 후보 용량은 배터리 용량이 작은 순서대로 입력되거나, 혹은 배터리 용량이 큰 순서대로 입력될 수 있으며 이를 제한하지는 않는다.
배터리용량 산정장치(500)는 상기 배터리의 후보 용량으로부터 배터리 투자비를 결정할 수 있다(S610).
배터리용량 산정장치(500)는 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선, 부하곡선을 입력 받아(S615), 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출할 수 있다(S620).
즉, 배터리용량 산정장치(500)는 해당일의 태양광 및 풍력발전 출력곡선과 해당일의 부하곡선을 이용하여, 일간 연료비용을 최소화하거나 운전수익(연료비 절감)을 최대화하며, 모든 분산전원의 출력 및 용량 제약과 발전 및 부하의 수급 균형 제약을 만족하도록 배터리의 일간 충/방전 및 디젤발전의 일간 출력 스케줄을 수립할 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 배터리용량 산정장치는 태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선, 부하곡선을 직접 연산하여, 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출할 수 있다. 즉, 배터리용량 산정장치(500)는 도서지역의 일사량에 관한 정보와 태양광 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 태양광발전 출력 곡선을 산출할 수 있다. 또한, 배터리용량 산정장치(500)는 도서지역의 풍속에 관한 정보와 풍력 발전의 용량에 관한 정보를 기반으로 태양광발전 출력 곡선을 산출할 수 있다. 또한, 배터리용량 산정장치(500)는 도서지역의 부하데이터를 기반으로 해당 지역의 부하곡선을 산출할 수 있다.
이러한 일간 운전계획의 최적화 연산을 위한 목적함수는, 특정 기간 동안 소비되는 디젤발전 연료비의 합으로 설정되며, 아래 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
여기서, i는 하루 중 시간을 나타내고, Pess i 는 i 번째 시간의 에너지저장장치 출력으로서 방전 시 + 값, 충전 시 - 값을 갖는다. Pde i 는 i 번째 시간의 디젤발전 출력을 나타낸다. 그리고, FuelCost i 는 i 번째 시간의 연료비로서 아래 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
여기서, FuelRate(Pde i )는 디젤 발전의 단위 발전량 당 연료비로서 발전 단가를 나타낸다. 발전 단가는 발전 출력에 좌우되기 때문에, 발전 출력의 함수 형태로 표시될 수 있다.
또한, 일간 운전계획의 최적화 연산을 위한 제약조건은 독립형 마이크로그리드의 발전과 부하의 평형조건으로 설정되며, 아래 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
여기서, Pload i 는 i번째 시간의 부하, Ppv i 는 i번째 시간의 태양광발전 출력, Pwind i 는 i번째 시간의 풍력발전 출력, Pess,min 는 에너지저장장치 최대충전출력, Pess,max는 에너지저장장치 최대방전출력, Pde,min는 디젤발전 최소출력, Pde,max는 디젤발전 최대출력, SOCmin는 에너지저장장치 최소충전상태, SOCmax는 에너지저장장치 최대충전상태를 나타낸다. 그리고 SOC i 는 i번째 시간의 배터리 충전상태로서 아래 수학식 7과 같이 계산된다.
여기서, η BAT 및 η PCS 는 배터리의 효율 및 충방전장치의 효율을 나타낸다.
배터리용량 산정장치(500)는 상술한 목적함수를 최소화하면서 상술한 제약조건들을 만족하는 도서지역 마이크로그리드의 일간 최적운전계획을 산출할 수 있다.
가령, 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리용량 산정장치(500)는 상술한 제약조건들을 만족하면서 일간 디젤발전 운전비용을 최소화하는 분산전원들의 운전 스케줄을 나타내는 그래프를 산출할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 배터리용량 산정장치(500)는 상술한 제약조건들을 만족하면서 일간 디젤발전 운전비용을 최소화하는 분산전원들의 운전 스케줄을 나타내는 표를 산출할 수 있다.
배터리용량 산정장치(500)는 일간 최적운전계획으로부터 일간 운전수익을 산출할 수 있다(S625). 이때, 배터리용량 산정장치(500)는 아래 수학식 8을 통해 일간 운전수익을 산출할 수 있다.
배터리용량 산정장치(500)는 전체 운전기간에 대한 일간 최적운전계획들을 수립하고(S630), 상기 일간 최적운전계획들로부터 전체 누적 운전수익을 계산할 수 있다(S635).
배터리용량 산정장치(500)는 후보 용량의 배터리 투자비와 정해진 운전기간에 대한 누적 운전수익을 기반으로 경제성을 분석하여 내부투자수익률 및 투자비 회수기간을 산출할 수 있다(S640).
모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석이 완료되지 않은 경우(S645), 배터리용량 산정장치(500)는 상술한 과정들을 반복적으로 수행하면서 모든 배터리 후보 용량들에 대해 경제성을 분석할 수 있다.
한편, 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석이 완료되면(S645), 배터리용량 산정장치(500)는 배터리 용량 후보군 중에서 경제성 분석 결과가 가장 좋은 후보 용량을 배터리의 최적용량으로 결정할 수 있다(S650).
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예는 신재생발전 기반 도서지역 마이크로그리드를 구성하는 배터리의 최적 용량에 대한 설계 기준을 제시함으로써, 불필요한 자원의 낭비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 투자비 및 운전비의 투입 효과를 극대화할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300 : PCS용량 산정장치 310 : 데이터 수집부
320 : 신재생발전 산정부 330 : 부하 산정부
340 : 최적용량 결정부 500 : 배터리용량 산정장치
510 : 용량 후보군 선정부 520 : 최적운전계획 산출부
530 : 경제성 분석부 540 : 최적용량 결정부
320 : 신재생발전 산정부 330 : 부하 산정부
340 : 최적용량 결정부 500 : 배터리용량 산정장치
510 : 용량 후보군 선정부 520 : 최적운전계획 산출부
530 : 경제성 분석부 540 : 최적용량 결정부
Claims (10)
- 배터리의 용량 후보군을 선정하고, 상기 용량 후보군으로부터 배터리의 후보 용량을 제공하는 용량 후보군 선정부;
태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선 및 부하곡선을 이용하여 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출하는 최적운전계획 산출부;
상기 일간 최적운전계획을 기반으로 운전 수익을 산출하고, 상기 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하는 경제성 분석부; 및
상기 용량 후보군에 포함된 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석 결과를 기반으로 배터리의 최적용량을 결정하는 최적용량 결정부를 포함하되,
상기 경제성 분석부는, 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 일간 운전 수익을 산출하고, 미리 결정된 운전 기간에 대한 일간 최적운전계획들을 기반으로 누적 운전 수익을 산출하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 최적운전계획 산출부는,
상기 도서지역의 일사량과 풍속 데이터를 이용하여 상기 태양광발전 출력곡선과 풍력발전 출력곡선을 산정하고, 상기 도서지역의 부하 데이터를 기반으로 상기 부하 곡선을 산정하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 최적운전계획 산출부는,
아래 수학식을 통해 정의된 목표함수가 최소화되도록 일간 최적운전계획을 산출하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치.
[수학식]
- 제1항에 있어서,
상기 최적운전계획 산출부는, 발전과 부하의 평형조건과 분산전원들의 출력 및 용량 제약조건들을 만족하도록 일간 최적운전계획을 산출하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 경제성 분석부는,
상기 누적 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하여 내부투자수익률 및 투자비 회수기간을 산출하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 최적용량 결정부는,
상기 용량 후보군 중에서 경제성 분석 결과가 가장 좋은 후보 용량을 배터리의 최적용량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 장치. - 배터리의 용량 후보군에서 선택된 후보 용량을 입력 받는 단계;
태양광발전 출력곡선, 풍력발전 출력곡선 및 부하곡선을 이용하여 배터리와 디젤발전의 일간 최적운전계획을 산출하는 단계;
상기 일간 최적운전계획을 기반으로 운전 수익을 산출하고, 상기 운전 수익과 상기 후보 용량의 투자비를 기반으로 경제성을 분석하는 단계; 및
상기 용량 후보군에 포함된 모든 후보 용량들에 대한 경제성 분석결과를 기반으로 배터리의 최적용량을 결정하는 단계를 포함하되,
상기 경제성 분석 단계는, 상기 일간 최적운전계획을 기반으로 일간 운전 수익을 산출하고, 미리 결정된 운전 기간에 대한 일간 최적운전계획들을 기반으로 누적 운전 수익을 산출하는 것을 특징으로 하는 도서지역 마이크로그리드의 배터리 최적용량을 산정하기 위한 방법. - 삭제
- 삭제
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