KR102644225B1 - 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 기반의 전력 시장 내 개별 자원 간 거래 인증을 전략 수립을 위한 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치에 관한 것으로, 컴퓨터 장치에서 실행되는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측하는 단계, 상기 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지 판단하는 단계, 상기 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면, 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정하는 단계 및 상기 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 기반의 전력 시장 내 개별 자원 간 거래 인증을 전략 수립을 위한 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치에 관한 것이다.
가상 발전소(VPP)는 개인이 전기 사업자가 돼서 전력을 공급함으로써 전력망의 안정화에 기여하고 수익을 얻을 수 있는 시장이다.
가상 발전소(VPP)는 발전량을 예측하고, 예측과 다른 부분은 ESS, 전기차, 수요관리(DR)등의 유연성 자원들을 활용하여 전력을 효율적으로 운영할 수 있다. 즉 재생 에너지 발전량을 예측하고, 공급이 모자라거나 남으면 제어기술로 에너지 저장장치(ESS), 수요관리(DR)등을 활용하여 필요한 전력량을 맞출 수 있다.
예를 들어 하루 가상 발전소는 태양광과 풍력 발전량이 얼마나 될지 공급량을 예측하고, 전력 사용량은 얼마나 될지 수요량을 시간대별로 예측한다.
그리고 당일에는 에너지 저장장치(ESS)나 전기차 배터리의 충, 방전량 속도조절, 수요관리(DR) 발령을 통한 수요량 조절 등 실시간 제어를 통해 전력량을 조절할 수 있다. 그리고 이를 통해 전력 계통의 운영 리스크를 해소할 수 있는 방안을 마련할 수 있다.
ESS인 파워월과 전기차 배터리등으로 흩어져있는 전력을 네트워크를 통해 통합하고 하나의 발전소처럼 관리할 수 있다.
즉 환경 문제에 대한 관심과 기술의 발전으로 태양광 발전과 풍력 발전을 비롯한 신재생에너지원, 에너지 저장장치(Energy storage system, ESS), 전기자동차, 수요 반응(Demand Response, DR) 등 배전망에 설치되는 분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)이 증가하고 있다. 그러나 이러한 증가는 태양광과 풍력 즉 변동성 재생에너지 자원(Variable Renewable Energy, VRE) 중심으로 이루어지고 있으나 발전량의 불확실성과 변동성이 높아 개별 거래 및 계통 운영상 활용도가 낮은 실정이다.
한편, 세계적 지구 온난화의 주범인 온실가스 감출을 위해 CO2를 배출하지 않는 재생 에너지 및 이를 기반으로 하는 수소의 필요성이 증대되고 있다. 탄소 중립을 지향하는 국제 경제 질서의 대전환으로 저탄소 기술에 대한 선제적 대응이 필요하다.
전 세계적으로 애플, 구글 등 글로벌기업 중심으로 RE100을 기본적으로 요구하고, 이를 위한 국내 기반의 마련이 필요하다. RE100 체계를 국내에서 구현하지 못할 경우, 국내 산업의 핵심인 제조업의 오프 쇼어 가속화와 국내 산업의 경쟁력 악화를 초래하게된다. 즉 애플, 구글 등 글로벌기업 중심으로 RE100 체계로 개편하고 있으며, 이로 인해 국산제품의 수출 진입장벽으로 작용하기 전에 선제적인 대응이 필요한 실정이다.
또한 EU를 중심으로 탄소 국경세를 적용하기 위한 움직임이 가시화되고 있으며, 선제적 대응 필요하다.
본 발명은 이 같은 기술적 배경에서 도출된 것으로, 세계적 지구 온난화 주범인 온실가스 감출을 위해 CO2를 배출하지 않는 재생 에너지 및 이를 기반으로 하는 수소의 필요성이 증대하는 상황에서 수소기반 가상발전소(VPP)의 예측, 추정 진단 및 모니터링 시스템 구축이 가능한 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
대규모 시스템에 적용 가능한 관제 기술 개발을 통해 배터리 기반 ESS와 수소기반 장치들을 동시에 관제 가능한 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
또한 대규모 실증 단지 대상 HIL 시스템을 구축하고, 디지털 트윈 시스템과 실제 시스템의 연계 활용 기법을 개발하고자한다.
수소 기반 장치들의 고도화 모델링 기법을 제시하고 상태 공간 기반의 최적 제어 기법을 제시하며 단/장주기 통합 협조 제어를 통해 제어 성능을 높이고자한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함한다.
즉 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에서 실행되는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측하는 단계, 상기 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지 판단하는 단계, 상기 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면, 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정하는 단계 및 상기 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결하는 단계를 포함한다.
한편, 컴퓨터 장치에 있어서, 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측하고, 상기 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지 판단하며, 상기 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면, 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정하고, 및 상기 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결한다.
본 발명에 의하면 세계적 지구 온난화 주범인 온실가스 감출을 위해 CO2를 배출하지 않는 재생 에너지 및 이를 기반으로 하는 수소의 필요성이 증대하는 상황에서 수소기반 가상발전소(VPP)의 예측, 추정 진단 및 모니터링 시스템 구축이 가능하고, 그린 수소 공급을 통한 배출가스 감축 효과 및 재생 에너지의 안정적 보급과 재생 에너지 변동성 해소 수단 확보를 통한 재생 에너지 보급 확대 기반을 마련할 수 있는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치를 제공할 수 있다는 효과가 도출된다.
또한, 대규모 시스템에 적용 가능한 관제 기술 개발을 통해 배터리 기반 ESS와 수소기반 장치들을 동시에 관제 가능한 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
또한 대규모 실증 단지 대상 HIL 시스템을 구축하고, 디지털 트윈 시스템과 실제 시스템의 연계 활용 기법을 개발할 수 있다.
수소 기반 장치들의 고도화 모델링 기법을 제시하고 상태 공간 기반의 최적 제어 기법을 제시하며 단/장주기 통합 협조 제어를 통해 제어 성능을 높일 수 있고, 가상 발전소의 실시간 관제 및 예측 시스템 기반의 통합 제어를 통한 출력 안정화를 위한 단/장주기 협조 제어 및 운영 시스템을 구축할 수 있다는 효과가 도출된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법이 수행되는 컴퓨터 장치의 예시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에서 실행되는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법의 흐름도이다.
도 3 은 가상 발전소용 분산 자원 관리 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 계측 이력 활용 가상 발전소 내 전력 계통 추정 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 발전소 출력 안정화를 위한 통합 출력 제어 기술 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
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도 3 은 가상 발전소용 분산 자원 관리 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 계측 이력 활용 가상 발전소 내 전력 계통 추정 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 발전소 출력 안정화를 위한 통합 출력 제어 기술 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치는 배터리와 수소연료전지를 인근 재생 에너지와 연계하여 Re100에 기여할 수 있다.
배터리와 수소 연료전지를 합해 2MW가량의 저장설비를 구축하고 이를 이용하여 재생 에너지의 수용성을 높일 수 있다.
일 예로 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치는 집합 전력 자원으로 전력 판매에 참여할 수 있다. 집합전력자원으로 전력 판매에 참여하는 경우 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치는 중개 계약을 통해 모집한 소규모 전력 자원원으로부터 생산된 전력을 통합하여 전력 시장에서 거래하기 위한 가상의 전기 설비를 구축할 수 있다. 집합전력자원은 1MW이상이어야한다.
한편, 예측형 집합 전력 자원으로 참여하는 경우에는 중개 시장 운영 규칙에 따라 재생 에너지와 전기저장장치를 통합한 것이며 재생 에너지 설비 용량이 약 20MW를 초과해야한다.
수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치는 수소연료전지와 배터리를 활용하기 위해 수소 생산과 배터리 충전을 위한 전력이 필요하다. 이때 전력을 구매하는 것은 판매 사업자인 한전에서 전력을 구매하거나, 판매 사업자와 직접 구매자가 주체인 도매 시장에서 전력을 구매하거나, 재생에너지 전기공급사업자와 직접전력 거래(직접 PPA) 방식으로 수행될 수 있다.
재생에너지 전기공급사업자와 직접전력 거래(직접 PPA) 방식으로 수행할 경우, 재생 에너지 전기 공급 사업자는 재생 에너지를 이용하여 생산한 전기를 전력 시장을 거치지 않고 전기 사용자에게 공급할 수 있다.
이때 재생 에너지 발전설비의 설비 수전 용량은 합계 2MW이므로 직접전력거래계약을 맺는 것이 가능하도록 구현될 수 있다.
이에 따라 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치에 의하면 수소기반 가상 발전소의 예측, 추정, 진단 및 모니터링 시스템을 구축할 수 있다. 그리고 디지털 트윈 및 HIL 시스템을 구축하고, 출력 안정화를 위한 단/장주기 협조 제어 및 운영 시스템을 구축할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법이 수행되는 컴퓨터 장치의 예시도이다.
컴퓨터 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 메모리(120), 프로세서(130), 통신 인터페이스(140) 그리고 입출력 인터페이스(110)를 포함할 수 있다. 메모리(120)는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체로서, RAM(random access memory), ROM(read only memory) 및 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치(permanent mass storage device)를 포함할 수 있다. 여기서 ROM과 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치는 메모리(120)와는 구분되는 별도의 영구 저장 장치로서 컴퓨터 장치(10)에 포함될 수도 있다.
또한, 메모리(120)에는 운영체제와 적어도 하나의 프로그램 코드가 저장될 수 있다. 이러한 소프트웨어 구성요소들은 메모리(120)와는 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체로부터 메모리(120)로 로딩될 수 있다. 이러한 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체는 플로피 드라이브, 디스크, 테이프, DVD/CD-ROM 드라이브, 메모리카드 등의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 소프트웨어 구성요소들은 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 아닌 통신 인터페이스(140)를 통해 메모리(120)에 로딩될 수도 있다. 예를 들어, 소프트웨어 구성요소들은 네트워크(170)를 통해 수신되는 파일들에 의해 설치되는 컴퓨터 프로그램에 기반하여 컴퓨터 장치(10)의 메모리(120)에 로딩될 수 있다.
프로세서(130)는 기본적인 산술, 로직 및 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(120) 또는 통신 인터페이스(140)에 의해 프로세서(130)로 제공될 수 있다. 예를 들어 프로세서(130)는 메모리(120)와 같은 기록 장치에 저장된 프로그램 코드에 따라 수신되는 명령을 실행하도록 구성될 수 있다.
통신 인터페이스(140)는 네트워크(170)를 통해 컴퓨터 장치(10)가 다른 장치(일례로, 앞서 설명한 저장 장치들)와 서로 통신하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 일례로, 컴퓨터 장치(10)의 프로세서(130)가 메모리(120)와 같은 기록 장치에 저장된 프로그램 코드에 따라 생성한 요청이나 명령, 데이터, 파일 등이 통신 인터페이스(140)의 제어에 따라 네트워크(170)를 통해 다른 장치들로 전달될 수 있다. 역으로, 다른 장치로부터의 신호나 명령, 데이터, 파일 등이 네트워크(170)를 거쳐 컴퓨터 장치(10)의 통신 인터페이스(140)를 통해 컴퓨터 장치(10)로 수신될 수 있다. 통신 인터페이스(140)를 통해 수신된 신호나 명령, 데이터 등은 프로세서(130)나 메모리(120)로 전달될 수 있고, 파일 등은 컴퓨터 장치(10)가 더 포함할 수 있는 저장 매체(상술한 영구 저장 장치)로 저장될 수 있다.입출력 인터페이스(110)는 입출력 장치(115)와의 인터페이스를 위한 수단일 수 있다. 예를 들어, 입력 장치는 마이크, 키보드 또는 마우스 등의 장치를, 그리고 출력 장치는 디스플레이, 스피커와 같은 장치를 포함할 수 있다. 다른 예로 입출력 인터페이스(110)는 터치스크린과 같이 입력과 출력을 위한 기능이 하나로 통합된 장치와의 인터페이스를 위한 수단일 수도 있다. 입출력 장치(115)는 컴퓨터 장치(10)와 하나의 장치로 구성될 수도 있다.
또한, 다른 실시예들에서 컴퓨터 장치(10)는 도 1의 구성요소들보다 더 적은 혹은 더 많은 구성요소들을 포함할 수도 있다. 그러나, 대부분의 종래기술적 구성요소들을 명확하게 도시할 필요성은 없다. 예를 들어, 컴퓨터 장치(10)는 상술한 입출력 장치(115) 중 적어도 일부를 포함하도록 구현되거나 또는 트랜시버(transceiver), 데이터베이스 등과 같은 다른 구성요소들을 더 포함할 수도 있다.
네트워크(150)는, PAN(personal area network), LAN(local area network), CAN(campus area network), MAN(metropolitan area network), WAN(wide area network), BBN(broadband network), 인터넷 등의 네트워크 중 하나 이상의 임의의 네트워크를 포함할 수 있다. 또한, 네트워크(170)는 버스 네트워크, 스타 네트워크, 링네트워크, 메쉬 네트워크, 스타-버스 네트워크, 트리 또는 계층적(hierarchical) 네트워크 등을 포함하는 네트 워크 토폴로지 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서 프로세서(130)는 분산형 자원의 전력시장 참여 영향분석 엔진을 포함한다. 연간단위 전력시장 분석 위한 발전 스케쥴링 분석용 최적화 엔진을 더 포함한다. 그리고 분산형 자원의 도매시장 거래 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로 분산형 전원이 VPP 형태로 전력시장에 참여하기 위한 용량, 입찰 방식 등 필요한 요건을 정의할 수 있다.
또한 프로세서(130)는 분산형 자원의 거래를 위해 분산형 전원의 특성과 단독설비, 마이크로그리드 설비 등의 운영상황을 고려하여 전력시장에서 최대의 수익을 올리기 위한 거래 전략을 제안하고, ESS, 수소연료전지 등을 고려하여 최적의 거래 금액 산정 방안을 제시할 수 있다. 또한 분산형 전원의 전력시장 참여로 인한 발전량, 탄소배출량 등의 변화 등의 전력계통의 영향 분석결과를 도출할 수 있다.
혼합정수계획법을 이용하여 거래구조별 경제성 확보를 위해 Capex가 최소화되는 분산형 전원의 조합을 도출하는 모델을 도출한다. 또한 분산형 전원이 VPP 형태로 전력시장에서 거래할 수 있도록 전력거래소와 연계하는 입찰시스템의 프로토타입을 제시할 수도 있다.
일 실시예에 있어서 프로세서(130)는 분산자원 관련 데이터의 이상/누락 정도를 평가하고, 이상/누락 데이터의 보정 및 추정을 할 수 있다. 또한, VPP 내 저장장치 관리를 위한 저장장치 상태추정 관련기술 및 시스템 환경·요구사항 분석을 수행할 수 있다. 저장장치의 용량등 상태 추정을 위한 Lab 스케일 데이터 수집 및 데이터 분석을 수행한다.
또한 프로세서(130)는 실증단지 구축 예정 모델(Fuel Cell, Water Electrolysis, Battery, Photovoltaic)의 실시간 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 모델을 도출하고, 각 모델별 입·출력 특성 곡선, PCS 제어 및 유·무효전력 제어 기술을 반영한 디지털 트윈 모델의 출력 정확성 보정하여 각 요소별 모델을 기반으로 한 전체 VPP 시스템 설계기능을 수행할 수 있다.
또한 프로세서(130)는 수소 흡장 및 탈장시 차별화된 동작 특성을 고려하여 복잡성 완화 및 실용성을 높인 수소 탱크(Hydrogen Tank) 모델링을 수행할 수 있다. 구체적으로 Fuel cell 온도, Gas mass flow, Capacitance를 고려한 연료전지(PEMFC)의 동적 모델링을 수행한다. Cell voltage의 영향성을 정확하게 반영할 수 있는 dynamic thermal modeling 기법을 이용한 수전해 설비(PEM Electrolyzer, PEMEL)의 동적 모델 정확도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 프로세서(130)는 VPP 제어 및 운영 기술의 실적용을 위하여 이종의 자원을 통합 모니터링/예측/제어할 수 있는 실시간 데이터 수집 시스템 및 실시간 운영 플랫폼을 포함한다. 최적제어 기술의 경우 계통의 전압, 전류, 주파수, 그리고 전력과 같은 운영 데이터의 실시간 측정값을 기반으로 제어값이 계산되어 실시간 모니터링이 요구되는데 프로세서(130)가 실제 운영상의 데이터의 수집주기와 연구상의 데이터 샘플링 주기를 일치시킬 수 있다.
또한 프로세서(130)는 전일 또는 수시간 전 발전량 예측을 기반으로 유연성 자원의 on/off 및 출력 스케줄을 계산하며 이를 위해 발전량 예측값의 계산을 선행하여 최적운영기술을 제공할 수 있다. 프로세서(130)는 최적운영기술과 최적제어기술의 계산결과를 최종적으로 실제운영 시 각 분산자원과 수배전반 기기들에게 제어 명령으로 전달한다.
프로세서(130)는 전술한 최적제어/운영 기술을 실제 운영상 반영할 수 있도록 위의 모니터링/예측/제어 시스템을 유기적으로 연동해주는 운영 플랫폼을 포함한다.
프로세서(130)는 실증을 통한 분산자원 관리 성능·신뢰도 평가 및 VPP 클라우드 시스템 연계 서비스를 제공한다. 평가결과 지표화, 활용 환경 (모니터링) 구축 및 VPP 제어 요구사항을 반영한 클라우드 연동기능을 수행하고, 시범단지 환경조건을 반영한 정확도 평가 및 전주기적 자동화 프로세스를 구축할 수 있다.
또한 데이터 보정/추정 및 분산자원 관리 전략의 현장 적용 및 보완기능을 수행한다. 구체적으로 데이터 보정/추정 및 분산자원 관리 전략의 현장 적용기능, 현장 적용결과 기반 데이터 보정/추정 및 분산자원 관리 전략 보완기능을 수행한다.
VPP 보조 제어기 최적화 및 성능 분석 기능, 운용 지원 및 검증기능, VPP 출력 안정화 기능의 성능 분석, 제어 알고리즘 최적화 및 성능 분석, 운용 지원 및 검증을 통해 통합 연계 시스템 운전을 통한 DT 모델 성능 고도화가 가능하다.
또한 일 실시예에 있어서 프로세서(130)는 HESS와 BESS의 상태공간 모델을 기반으로 실시간 보조서비스 제공 알고리즘을 포함한다. 국내 보조서비스 체계 변화를 반영하여 VPP 계통 및 이종 분산전원들의 운영 특성을 기반으로 제공 가능한 실시간 보조서비스를 선정할 수 있다. 단일 보조서비스를 최적으로 제공하기 위한 이종 분산전원 최적 제어기 설계 및 서로 다른 보조서비스 시장(예: 주파수제어예비력 및 2차 예비력)에 동시 참여가 가능하기 위한 최적 제어 신호(reference signal)를 생성한다.
HILS(Hardware-in-the-Loop simulation) 또는 실증사이트에서 수집한 데이터를 바탕으로 HESS 모델링 및 제어 알고리즘 검증 및 보완할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에서 실행되는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법의 흐름도이다.
먼저, 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측한다(S200).
가상발전소(Virtual Power Plant, VPP)는 변동성 재생에너지원을 에너지 저장 장치처럼 제어가 가능한 분산 에너지 자원들과 통합하여 하나의 중앙급전발전기처럼 활용하여 변동성 재생에너지원이 전력계통에 미치는 영향을 완화함과 동시에 경제성을 높일 수 있다.
VPP에는 전력망 내 전력망에 산재해 있는 분산 에너지 자원들을 정보통신기술 (Information & Communication technology, ICT)과 자동 제어 기술로 통합하여 하나의 중앙제어발전기처럼 운영 및 관리할 수 있는 시스템이 필요하다. 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 장치는 이러한 통합 운영 시스템으로 VPP를 구성하는 분산 자원들의 수요, 가격, 발전량 등을 예측하고 이를 기반으로 VPP의 최적 운전과 에너지 및 보조서비스 시장에 참여할 수 있다.
VPP는 형태에 따라 공급형, 수요형, 융합형으로 구분할 수 있으며, 대부분의 VPP는 공급형과 수요형으로 공급형 VPP는 태양광, 풍력, ESS로 구성되어 중앙급전발전기와 같이 에너지 및 보조서비스 시장 참여가 가능하다.
또한 VPP는 TVPP(Technical Virtual Power Plant)과 CVPP(Commercial Virtual Power Plant)로도 구분할 수 있는데 TVPP는 배전계통의 안정화를 목적으로 망 사업자가 운영하는 VPP로 지역 내 분산자원을 모집하여 전압·주파수 제어 등 계통 운영 보조가 주 목적이며 CVPP는 구성 자원의 지역적 제한이 없어 송전계통의 전력수급 균형 및 전력시장 참여를 통한 다양한 비즈니스 모델이 가능하다. 현재 운영 중인 VPP는 대부분이 CVPP이며 TVPP는 실증 사업 수준에서 운영되고 있다.
또한 전력저장/공급을 위한 에너지 저장장치로는 리튬 이온 전지, 납축전지, 흐름 전지 등이 있으며 각 장치의 충방전 특성을 고려 운전 최적화 제어 로직 수립 필요하다. 수소연료전지는 PEMFC, PAFC, SOFC 등이 있으며 운전온도, 기동정지, 출력변동 등을 고려하여 최적 효율 운전 제어 기술이 적용된다. 그리고 연계 지역의 전력 사용 패턴을 분석하여 재생에너지/에너지저장/연료전지 통합시스템의 안정적이며 경제적인 운영 계획 설계가 필요하다.
VPP 운영을 위해 설치된 스마트미터급 계측설비에서 측정된 전력 데이터(유/무효전력, 전압 크기)의 이력을 이용한 VPP 내부 전력계통 모델(토폴로지와 선로 임피던스) 추정 알고리즘을 통해 계측 이력을 활용한 VPP 내부 전력계통 모델 생성 및 정정 알고리즘이 적용된다.
일 실시예에 따르면 RE100 달성을 위한 재생에너지, ESS/HESS 통합시스템을 구성 시스템설치비용, 발전단가를 분석하여 경제성 높은 최적 운영 기술을 수립할 수 있다.
일 실시예에 있어서 적어도 하나 이상의 가상 발전소는 수소 기반의 분산전원(Distributed Energy Resource, DER)을 포함하며, 분산전원에서 생산된 전력을 전력계통에 공급할 수 있다.
이때 재생에너지의 간헐성을 극복하기 위해서 단주기(일예로 7일이내) 및 장주기(일예로 7일이상) 에너지 저장을 한다.
그리고 ICT 기술을 활용한 에너지의 균질화를 수행할 수 있다.
구체적으로 12시간 평균 전력 2MW(24MWh/1일) 공급 (전력 변동률 10%이하)을 수소기반 가상발전소의 출력 안정화를 도출할 수 있다.
도 3 은 가상 발전소용 분산 자원 관리 기술을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4 는 계측 이력 활용 가상 발전소 내 전력 계통 추정 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
일 실시예에 따른 수소 기반의 가상 발전소(Virtual Power Plant, VPP)는 수소 기반 VPP의 실시간 관제 및 예측 시스템을 구축하고, 분산전원 관리를 위한 개별 분산전원 출력 및 상태 관제/예측을 수행하며, VPP 제어 성능 향상을 위한 계통상황 예측 및 고정밀 추정기능을 수행할 수 있다. 또한 가상 발전소 출력 안정화를 위한 통합 출력제어기술로 실시간 관제/예측 기반 분산전원 관리, 주파수 조정 및 무효전력 공급 등의 계통 보조서비스 제공을 위한 분산전원 통합 제어, VPP 출력 안정화를 위한 DER 장단기 협조제어를 수행한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 발전소 출력 안정화를 위한 통합 출력 제어 기술 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
로컬 근처의 초단주기 보조제어 기술을 구현하고, 동적 상태공간 모델링 기반 단주기 협조제어 기술을 구현하며, 정상상태 해석 기반 장주기 협조제어 기술을 구현하고, 단/장주기 통합 협조제어 기술 구현을 통한 수소 기반 가상발전소 출력 안정화 즉 고성능 제어가 가능하다.
그리고 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지를 판단한다(S210). 일 실시예에 따른 방법은 통합 에너지 시스템 내 개별 분산자원 최적 용량을 산정한다. 구체적으로 대상지 선정 및 RE100 달성을 위한 필요 재생에너지량을 산정하고, 산정된 재생에너지의 대응을 위한 저장장치(ESS, 수전해 등) 및 연료전지의 최적 필요용량을 산정할 수 있다. 이에 따라 분산자원 산정량 기반 통합 에너지 시스템 설계가 가능하다.
일예로 재생에너지 전기공급사업자와 직접전력 거래(직접 PPA) 방식으로 수행하기 위해 설정된 자원 전력 용량에 부합하는지를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 장치는 복수의 분산전원들의 출력변동에 의한 가상발전소의 출력변동 및 오차를 분석할 수 있다. 그리고, 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 장치는 가상발전소 내에 배치된 부하의 전력수요량을 예측하고, 상기 전력수요량을 기초로 상기 가상발전소의 출력변동 및 오차를 분석할 수도 있다.
그리고 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 장치는 가상발전소의 출력변동 및 오차의 분석결과를 기초로 가상발전소 내에 배치된 가상발전소 출력조정 시스템의 동작을 제어하여 상기 가상발전소의 출력변동을 안정화시킬 수도 있다.
이후에 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면(S220), 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정한다(S230).
이때 일 양상에 있어서, 수요지역의 전력수요 분석을 통해 재생에너지 공급량, 저장장치 공급 전력을 분석하여 에너지 저장 시스템(ESS,Energy Storage System) 용량을 산출하고, 수소저장량으로부터 연료전지 최적 용량 산정하고(S230), 가격을 결정하는 단계는, 산정된 최적 용량을 반영하여 거래 금액을 산정한다.
일 실시예에 따른 방법은 재생 에너지 구현이 가능한 대상지역을 선정하고 지자체로부터 토목, 건축을 지원받고 산단의 에너지 수요 분석을 통하여 재생에너지와 에너지저장 통합시스템을 설계 최적 재생에너지량을 산정할 수 있다. 그리고 수요지역 전력수요 분석을 통하여 재생에너지 공급량, 저장장치 공급 전력을 분석 ESS, 수전해 용량을 계산하고 수소저장량으로부터 연료전지 최적 용량을 산정한다. 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 재생에너지, ESS, 수전해, 연료전지 용량, 수소 저장량을 고려하여 통합적으로 시스템을 설계할 수 있다.
일 양상에 있어서, 전력 용량 거래 금액을 결정하는 가격 결정 단계에서 가격은 입찰 방식으로 결정될 수도 있다.
일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 자원 관리 화면, 사용자 입찰 화면, 낙찰 결과 및 정산금 내역 화면을 제공하는 VPP 사업자용 사용자 인터페이스를 더 제공할 수 있다.
이때 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 장치는 수소 기반의 가상발전소에서 전력계통으로 공급하는 VPP 입찰 발전량을 결정할 수 있다. 여기서, VPP 입찰 발전량은 입찰기간 동안 가상발전소에서 전력계통으로 공급하는 전력공급량 또는 전력 출력량을 포함한다.
그리고 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결한다(S250). 일 실시예에 따르면 전력 시장 참여자가 전력 시장을 통하지 않고 참여자간 직접 거래(Power Purchase Agreement, PPA)를 수행할 수 있다.
추가적으로 수소 기반 가상 발전소의 요소별 디지털 트윈 모델을 도출하고(S260), 도출된 요소별 모델을 기반으로 출력 정확성을 보정한다(S270).
이때 보정하는 단계는, 요소별 모델의 입출력 특성곡선, PCS 제어 및 유·무효 제어 기술을 반영하여 디지털 트윈 모델의 출력 정확성을 보정한다.
일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 E100 기반의 수소 시범단지 인프라의 운영·예측·진단을 위한 실시간 장치 기반 VPP의 디지털트윈을 구축한다. 이는 실시간 장치 기반 VPP의 디지털 트윈 모델을 개발하고, 해당 모델의 검증 및 통신 환경 구축을 위하여 HILS 연계 테스트 환경을 구축한다.
그리고 개발된 디지털트윈 시스템 모델과 실증 사이트 설비 간 실시간 연계 및 운전을 수행하고, VPP-DT 연계 중 실시간 파라미터 튜닝을 통해 디지털 트윈 모델의 정확도를 향상시키고, VPP의 운영상황별 시나리오를 디지털 트윈을 통해 검증하여 최적 솔루션을 도출할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법은 Fuel cell 온도, Gas mass flow, Capacitance를 고려한 연료전지(PEMFC)의 동적 모델링을 수행한다. 이는 Cell voltage의 영향성을 정확하게 반영할 수 있는 dynamic thermal modeling 기법을 이용한 수전해 설비(PEM Electrolyzer, PEMEL)의 동적 모델 정확도를 향상시킬 수 있다.
즉 복잡성 완화 및 실용성 향상 효과를 낼 수 있는 수소 탱크(Hydrogen Tank) 모델링이 가능하다.
전술한 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 컴퓨터 장치에서 실행되는 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법에 있어서,
재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측하는 단계;
상기 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지 판단하는 단계;
상기 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면, 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결하는 단계;를 포함하고,
수요지역의 전력수요 분석을 통해 재생에너지 공급량, 저장장치 공급 전력을 분석하여 에너지 저장 시스템(ESS,Energy Storage System) 용량을 산출하고, 수소저장량으로부터 연료전지 용량을 산정하는 단계;를 더 포함하며,
상기 가격을 결정하는 단계는,
상기 산정된 연료전지 용량을 반영하여 거래 금액을 산정하고,
수소 기반 가상 발전소의 요소별 디지털 트윈 모델을 도출하는 단계; 및
상기 도출된 요소별 모델을 기반으로 출력 정확성을 보정하는 단계;를 더 포함하며,
상기 보정하는 단계는,
요소별 모델의 입출력 특성곡선, PCS 제어 및 유·무효 제어 기술을 반영하여 디지털 트윈 모델의 출력 정확성을 보정하고,
상기 산정하는 단계는,
재생 에너지 구현이 가능한 대상지역을 선정하고 RE100 달성을 위한 필요 재생에너지량을 산정하여 산정된 재생에너지의 대응을 위한 연료전지의 필요용량을 산정하며,
상기 디지털 트윈 모델을 도출하는 단계는,
실증단지 구축 예정 모델(Fuel Cell, Water Electrolysis, Battery, Photovoltaic)의 실시간 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 모델을 도출하고,
상기 보정하는 단계는,
각 모델별 입·출력 특성 곡선, PCS 제어 및 유·무효전력 제어 기술을 반영한 디지털 트윈 모델의 출력 정확성 보정하여 각 요소별 모델을 기반으로 한 전체 VPP 시스템 설계기능을 수행하는, 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 자원 전력을 예측하는 단계는,
기준 일 미만의 단주기 에너지 저장과 기준일 이상의 장주기 에너지 저장을 구분하여 자원 전력을 예측하는, 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법.
- 제 1 항에 있어서,
Fuel cell 온도, Gas mass flow, Capacitance를 고려한 연료전지(PEMFC)의 동적 모델링을 더 수행하는 단계; 를 더 포함하는, 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법.
- 컴퓨터 장치에 있어서,
메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는,
재생에너지 전기공급 사업자의 수소 기반 가상 발전소의 분산형 자원 전력을 예측하고,
상기 예측된 분산형 자원 전력이 전력 거래 시장에 참여 가능한 용량에 부합한지 판단하며,
상기 판단 결과 참여 가능한 분산형 자원 전력에 대해 구매자로부터 전력 구매 요청이 수신되면, 참여 가능한 전력 용량의 거래 금액에 대한 가격을 결정하고, 및
상기 결정된 가격에 따라 재생 에너지 전기 구매자로부터의 전력 구매 요청에 대응되는 거래 계약을 체결하며,
수요지역의 전력수요 분석을 통해 재생에너지 공급량, 저장장치 공급 전력을 분석하여 에너지 저장 시스템(ESS,Energy Storage System) 용량을 산출하고, 수소저장량으로부터 연료전지 용량을 산정하고,
상기 산정된 연료전지 용량을 반영하여 거래 금액을 산정하여 가격을 결정하며,
수소 기반 가상 발전소의 요소별 디지털 트윈 모델을 도출하고,
상기 도출된 요소별 모델을 기반으로 출력 정확성을 보정하되,
요소별 모델의 입출력 특성곡선, PCS 제어 및 유·무효 제어 기술을 반영하여 디지털 트윈 모델의 출력 정확성을 보정하고,
재생 에너지 구현이 가능한 대상지역을 선정하고 RE100 달성을 위한 필요 재생에너지량을 산정하여 산정된 재생에너지의 대응을 위한 연료전지의 필요용량을 산정하며,
실증단지 구축 예정 모델(Fuel Cell, Water Electrolysis, Battery, Photovoltaic)의 실시간 시뮬레이션 기반 디지털 트윈 모델을 도출하고,
각 모델별 입·출력 특성 곡선, PCS 제어 및 유·무효전력 제어 기술을 반영한 디지털 트윈 모델의 출력 정확성 보정하여 각 요소별 모델을 기반으로 한 전체 VPP 시스템 설계기능을 수행하는, 컴퓨터 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220168844A KR102644225B1 (ko) | 2022-12-06 | 2022-12-06 | 수소 기반 가상 발전소의 전력 거래 방법 및 장치 |
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2022
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