KR20060022658A

KR20060022658A - 전력 분배 시스템

Info

Publication number: KR20060022658A
Application number: KR1020057021704A
Authority: KR
Inventors: 브자르네 보그너; 소렌 스티그 아빌트가아드; 젠스-오토 라븐 안데르센
Original assignee: 이씨 파워 에이/에스
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2006-03-10
Also published as: WO2004102766A1; EP1625646A1; JP2007502600A; CN1806374A; GB0310997D0; EP1625646B1; GB2402001A; GB2402001B

Abstract

본 발명은, 로컬 전기분배 네트워크(1)에 관한 것으로, 로컬 전송 허브(13); 및 허브(13)로부터 수신된, 혹은 허브로 송신되는 전기를 선택적으로 수신하거나 송신하도록 교대로 배열된 복수의 유니트(12a 12b)로 이루어지며, 상기 허브는 외부의 그리드(20)로부터 전기를 선택적으로 수신하거나, 송신할 수 있도록 교대로 배열되어 있다. 상기 개별적인 유니트(12a 12b)는 로컬 허브로부터 수신된 에너지 시장에 관한 정보에 기초하여 로컬 전송 허브(13)로, 혹은 로컬 전송 허브로부터 에너지를 수신하거나 송신할지를 결정한다. 이와 동일한 방법으로, 로컬 허브는 외부 그리드로부터 수신된 에너지 시장 정보에 기초하여 외부 그리드(20)로, 혹은 외부 그리드로부터 에너지를 수신하거나 송신할지를 결정한다.

전기 분배, 네트워크, 허브, 유니트, 에너지 시장정보

Description

전력 분배 시스템{Power distribution System}

본 발명은 전력 분배 시스템에 관한 것으로, 특히 전기의 발전이 효율적으로 이루어지도록 확보하면서, 전기의 발전과 소비가 균형을 잡도록 배열된 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 시스템의 일부를 형성하는 로컬 전력 분배 네크워트 및 상기 시스템의 일부를 형성하는 전력-생산 유니트에 관한 것이다.

영국에서의 발전소들은, 풍차나 소규모 열병합 발전유니트(CHP)등의 저출력 유니트에 의해 상대적으로 소량의 전력이 생산되는 곳을 제외하고는 대부분 대형 발전소들에 의하여 발전이 이루어진다. 상기 발전소들은 이를 필요로 하는 곳에 전력을 분배할 수 있도록 내셔널(national) 그리드(grid)에 연결되어 있다. 따라서 이들은 비록 일반적으로 에너지를 저장하지는 않지만, 어느 정도까지는 대형 전력 저장소의 역할을 한다 (펌프 스토리지(pump storage)는 예외이다). 수요와 공급의 균형을 위하여, 그리드로 공급되는 전력의 양은, 발전소들로부터의 발전량을 감소시키거나 페쇄하는 방법에 의하여 그리드 오퍼레이터(grid operators)에 의해 선택적으로 조절된다.

이와 대조적으로, 덴마크에서는 약 70퍼센트의 전기가 소규모 생산자들에 의하여 생산된다. 이들의 전체적인 배열은 발전용량의 지리적인 분배 때문에, 하나의 분배시스템에 의하여 설명될 수 있다. 덴마크에서는 다수의 소형 열병합발전 유니트(CHP Units)와 윈드 터빈(wind turbins)이 있다. 상기 윈드 터빈들은 바람이 불때마다 전력을 생산하기 때문에, 상기 열병합 발전기와 같은 소형 발전 유니트은 중앙에서 이를 조절할 수가 없다. 따라서 덴마크에서는 요구되는 전력보다 많이 전력이 생산되는 경우에는, 예를 들어, 노르웨이로 연결된 해저 케이블과 같은 수단에 의하여 이러한 전력을 수출하거나, 대형 발전소들의 발전을 중단할 수 있다. 따라서, 열병합 발전기(CHPs) 및 윈드 터빈으로부터 그리드(grid)로 공급된 전력은 단지 제한적으로만 조절되는 것이다. 소수의 중간규모의 열병합 발전기 및 대형 윈드 터빈은 극단적인 경우에만 중앙에 의하여 발전이 중단될 수 있다.

앞으로 점점 더 많은 전력이 바람이나 파도와 같은 환경친화적인 수단에 의하여 생산된다면, 상기 덴마크의 상황이 장래에는 더욱 일반적인 상황으로 될 것으로 고려될 수 있다. 또한 소규모의 열병합 발전기(CHP)와 같은 더 효율적인 기술들이 잠재적으로 선호된다. 그러나, 유익한 전체적인 효율 및 효과적인 비용을 조절하는 시스템에 있어서는, 그리드로부터 혹은 그리드로의 전기의 송신과 수신을 조절할 수 있는 효과적인 메카니즘이 존재하는 것이 중요하다. 이러한 시스템은, 주어진 시간내에 기술적으로 가장 쉬운 조절방법인 상기 전력생산 수단을 작동시키거나 중단하는 것이 아닌, 비용적인 측면에서 가장 효과적인 에너지 생산을 유도할 수 있어야 한다.

유럽특허출원 제0297718호는 열병합 발전시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 시스템이 중앙화된 원격 조절 장치에 연결된 시스템에 관한 것이다. 상기 조절장치 는 지역에서 발전하는 것이 경제적으로 실용적인지 또는 그리드로부터 에너지를 도입하는 것이 바람직한지의 여부를 결정할 수 있도록 가스의 가격과 전기의 가격을 체크할 수 있다. 그러나, 상기 발명은 소규모 발전소들로부터 그리드로 전력을 송신하는 것과 관련된 조절의 문제점을 고려하지 못하고 있다.

국제공개공보 제WO 03/007120호는 그리드에 연결되고, 그룹으로 배열된 로컬 전력생산 유니트(LPPUs)에 관한 것이다. 상기 그룹들은 전송 버스(bus)에 결합된 다수의 LPPUs로 구성된 사설(private) 그리드를 포함하며, 상기 사설 그리드는 공용(public) 그리드에 연결될 수 있다. 상기 시스템은 어디서 전력을 구매하고 판매될지를 결정하는 각각의 노드(node)에 링크된 네트워크 조절센타에 의해 중앙에서 조절된다 (상기 노드는 하나 이상의 LPPUs 및 로컬 로드(load)와 콘트롤러로 이루어진다).

미합중국특허 제6,244,805호는 그리드로 판매될 수 있는 전기의 지역발전에 관한 것이다. 상기 시스템은 연료의 가격, 로드(load) 등을 고려하여 이를 수행할 것인지를 결정한다. 그러나 상기 발명은 여러가지 정보들이 사용되기는 하지만, 전체적인 그리드의 발전량에 대한 균형의 문제에 있어서는 전혀 개시되어 있지 않다.

본 발명에 의하면, 본 발명은, 로컬 전송 허브 및 허브로부터 수신된, 혹은 허브로 송신되는 전기를 선택적으로 수신하거나 송신하도록 교대로 배열된 복수의 유니트로 이루어지며, 상기 허브는 외부의 그리드로부터 전기를 선택적으로 수신하거나, 송신할 수 있도록 교대로 배열된 로컬 전기분배 네트워크에 있어서, 상기 각각의 유니트는, 유니트와 허브 사이에서 전달된 데이터에 기초하여 상기 허브로 혹은 상기 허브로부터 전기를 전송 또는 수신할지를 결정할 수 있도록 배열되어 있으며, 상기 허브는 외부 그리드와 허브 사이에서 전달된 데이터에 기초하여 상기 외부 그리드로 혹은 상기 외부 그리드로부터 전기를 전송 또는 수신할지를 결정할 수 있도록 배열되어 있다.

따라서, 상기 유니트와 허브, 및 허브와 외부 그리드 사이에서 전달된 데이타에 의하여 허브의 전기수요 및 전기공급이 균형을 맞출 수 있다.

상기 네트워크는 또한, 전기를 단지 수신만 하거나, 단지 송신만 하는 유니트를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 허브는 그리드에 연결된 복수개의 허브들 중 하나일 수 있으며, 따라서 그리드 그 자체로서 허브의 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 외부 그리드는 각각의 그리드와 추가적인 허브의 사이에서 데이타가 전달될 수 있고 이에 따라 각각의 그리드로 혹은 각각의 그리드로부터 전기를 송신하거나 수신할 것인지를 결정할 수 있는 추가적인 허브에 교대로 연결된 복수개의 그리드들 중 하나일 수 있다.

본 발명은 상기 허브로부터 상위 전력 그리드로의 추가적인 데이터 연결을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 추가적인 허브는 상위 전력 그리드로 혹은 상위전력 그리드로부터 전기를 송신하거나 수신할 지의 여부를 결정할 수 있다.

이러한 패턴들은 국내의 혹은 국제적인 전기공급 네트워크가 고려되는 한, 필요에 따라 여러 번 반복될 수 있다. 상기 시스템은 각각의 발전 유니트와의 통신에 의한 중앙 콘트롤러가 없어도 균형을 맞출 수 있다. 대신에, 데이터들은 단지 이에 연결된 각각의 허브와 공급원 사이, 혹은 이에 연결된 수요과 공급사이를 통과하는 것만이 필요할 뿐이다.

따라서, 다른 측면에서 볼 때, 본 발명은 복수의 서로 다른 전력 분배 서브-네트워크로서 각각의 서브-네트워크는 하나의 허브와, 여기에 전기 및 데이터 연결이 되어있는 복수개의 전기 공급처 및/또는 수요처를 포함하여 이루어지는 전기 분배 네트워크를 제공하며, 상기 공급처는 다른 서브-네트워크들의 허브를 포함하며, 상기 네트워크는 상기 허브들과 이에 연결된 공급처들의 사이에서 전송된 데이터에 기초하여 각각의 허브로 전기를 송신하거나, 각각의 허브로부터 전기를 수신하는 흐름을 조절함으로써 균형을 맞추게 된다.

상기에서 "조절"등의 의미는 유니트/허브 및 허브/외부 네트워크 사이의 데이터 통신에 대하여 참고로 사용된 것으로, 각각의 유니트 또는 허브들이 중앙에서 조절되는 것을 의미하는 것이 아니라, 상기 조절데이터에 기초하여 자율적으로 자율적으로 수행되어, 네트워크 상호작용의 요소들의 조합된 효과가 네트워크를 조절함을 의미한다.

본 발명이 전력 분배 네트워크에 적용되는 경우, 예를 들어 덴마크의 예에서 알 수 있듯이, 소규모의 열병합발전(CHP) 유니트들과 비-발전 수요자가 연결된 로컬 분배 시스템(예를 들면 400V에서)은 하나의 허브를 구성한다. 이들은 교대로 분배 네트워크(예를 들면 10kV)에 교대로 연결되어 또 다른 허브를 구성할 수 있다. 또한 이들은 예를들어 대형 윈드터빈들, 대형 열병합발전(CHP) 유니트 또는 화력발전소들과 같은 대규모의 전력 생산자들과 연결될 수 있다. 여기에는 또한, 더 높은 전압(예를 들면 60kV)의 허브들에 교대로 연결된 복수의 허브들이 존재할 수 있으며, 이들 중 여러개는 (예를 들면) 150kV의 허브에, 또한 (예를 들면) 400kV의 허브에 연결될 수 있다. 추가적인 발전용량은 각각의 허브에 연결될 수 있다.

따라서, 본 발명은 피라미드형 혹은 다수의 특정의 분배 전압에 각각 상응하는 다른 레벨들을 포함하는 계층적인 네트워크에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 유니트와 허브의 단지 2개의 레벨을 포함하는 네트워크에 동등하게 적용될 수 있다. 따라서, 각각의 허브는 단지 다른 허브들에만 연결될 수 있다. 전체 시스템은 거리가 짧아서 전송손실이 심각하지 않은 경우에는 일반적인 전압에서 작동될 수 있으나, 허브들 간의 전송은 승압된 전압에서 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 각각의 유니트와 이들의 허브 사이에 전송 케이블과 개별적인 데이터 케이블이 존재할 수 있다. 선택적으로, 데이터는 적절한 조절의 방법에 의하여 전기 전송 케이블로 송신될 수 있다. 상기 데이터는 또한 무선통신, 인터넷 등을 통하여 송신될 수 있다.

시스템을 조절하기 위하여 다양한 다른 종류의 데이터가 사용될 수 있다. 여기에는 전력 요구량 또는 전력 제안량 등이 포함될 수 있다. 본 시스템을 효율적으로 작동하기 위하여, 상기 데이터는 전력 생산의 물리학적 효율과 관련된 데이터를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 물리학적 효율은 열 효율 및 에너지 손실 요인들(예를 들면, 전송등에 따른)이 있다. 이러한 방법에 의하여 허브들은 최고의 효율에서 작동하는 전력을 차별적으로 얻을 수 있으며, 이에 따라 전체 네트워크의 연료소비를 감소시킬 수 있다. 열병합 발전(CHP)의 경우, 발전시 생기는 열의 사용으로부터 얻어지는 효과적인 효율의 개선이, 효율 데이터를 도출하는 데 있어서 하나의 요인이 될 수 있다.

추가적으로, 혹은 선택적으로, 상기 데이터는 전력 생산의 경제적인 비용에 기초할 수 있다. 이러한 사항은 물론 물리적인 효율과 밀접하게 관련이 있으나, 유지비용 등과 같이 다른 요소들도 고려될 수 있다. 이는 또한 다양한 변형이 존재하는 CHP 유니트들과 같이 복잡한 유니트를 고려하는데 특별히 편리한 방법이다.

단순한 배열에 있어서, 허브로 전송된 데이터는 결국 센트(cents)와 같은 적절한 단위의 유니트당 가격이 된다(또는 관련되어 진다). 이후, 상기 허브는 예를 들어 조절신호를 생산 유니트에 전송함으로써 가장 최저가의 공급원으로부터 전력을 얻는다. 물론, 상기 가격은 생산에 따라 변할 수 있으며, 따라서 동일한 가격으로 서로다른 양의 전기가 공급될 수 있다. 또한 가장 높은 가격의(따라서, 일반적으로 가장 비효율적인) 유니트의 경우에는 수요가 가장 최고치에 있을 때에만 전기를 공급하게 된다.

상기 유니트들은 자신들이 구매하고자 하는 전기의 양을 표시한 데이터를 전송할 수 있으며, 또는 상기 허브는 전압을 모니터링함으로써 언제 초기 용량에 미달하거나 초과하는지를 결정할 수 있다.

좀더 복잡한 배열에 있어서, 상기 허브는 이에 연결된 유니트들로부터 전송된 구매가격 및 판매가격을 결정할 수 있다. 상기 개별적인 유니트들은 이에 따라 상기 허브로부터 전기를 구매할 것인지, 또는 허브에 전기를 판매할 것일지를 결정하게 된다. 따라서, 상기 데이터는 생산 비용에 관련된 것이 아닌, 시장가격에 관련된 값을 가지게 되며; 이는 수요와 공급의 변화에 따른 중요한 변수가 된다.

시장가격에 기초하여 허브로부터 혹은 허브로의 자동 지불을 가능하게 하도록 배열된 측정장비도 본 발명에 관련될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유니트들은 자동적으로 생산비용을 결정하고, 또한 전기를 구매 또는 판매하는 것이 바람직한지 아니면 아무것도 하지 않을 것인지를 자동적으로 결정한다.

상기와 같은 배열에 있어서, 상기 허브는 공급에 대한 수요를 매치시키기 위하여 구매/판매 가격을 변화시킨다. 수요가 증가하면, 상기 허브가 구매하고 판매하는 전기의 가격이, 수요가 감소하고/감소하거나 공급이 충분하게 증가하여 균형에 이를 때까지 증가하게 된다. 로컬 유니트들로부터 생산이 증가함으로써 달성되거나, 혹은 외부의 허브로부터 수입이 증가함으로써 달성되거나 결과에는 관계가 없다.

상기 구매 및 판매가격은 동일할 수 있으나, 바람직하게는, 손실, 작동비용, 이익 등을 고려한 차이(spread)가 있다. 상기 차이와 같은 공제는 본 시스템의 안정성을 향상시키게 된다.

비록, 이러한 시스템이 유니트로부터 허브로 전송되는 데이터가 없이도 작동이 가능하기는 하나, 그 결과는 단순히 기초적인 피드백 조절만이 가능하게 된다. 따라서, 유니트로부터 허브로 데이터가 전송되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 이러한 데이터에 유니트들의 구입 및 구매 가격이 포함되는 것이 팔요하다. 이에 의하여 본 시스템은 전력의 잠재적인 공급자들 뿐만 아니라 현재의 공급자들의 정보가 허브에 제공됨으로 인하여 우수한 안정성을 가지고 작동될 수 있게 된다. 이것은 상기 허브가 안정적인 피드포워드(feed-forward) 시스템으로 작동할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 또다른 측면에 의하면, 본 발명은 전기를 생산 및/또는 소비하는 유니트들에 연결된 허브를 포함하여 이루어지는 로컬 전기 분배 시스템을 제공하며, 상기 허브가 계속적으로 전기의 판매가격 및 구매가격을 결정함에 따라 상기 허브는 유니트들과 함께 시장을 형성하게 되며, 상기 가격들은 본 시스템의 균형을 유지하도록 결정되며, 상기 유니트들은 자동적으로 상기 가격들을 기초로 하여 전기를 허브로 판매할 것인지, 아니면 허브로부터 전기를 구매할 것인지를 자동적으로 결정하게 된다.

상기 유니트들은 열병합발전(CHP) 유니트 들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 유니트는 추가적인 허브가 된다.

본 발명에 있어서의 상기 시스템은 상기 언급된 바람직한 특징들의 일부 또는 전부를 더 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 유니트들의 구매 및 판매 가격들은 상기 허브로 전송되며, 이들은 허브의 작동을 조절하는 것을 돕는데 사용된다.

본 발명은 또한, 전기 공급방법 및/또는 상기 언급된 시스템 또는 장치의 사용을 포함하여 이루어지는 전기 공급 네트워크의 균형을 이루는 방법에까지 확장된다. 또한 본 발명은 열병합발전(CHP) 유니트와 같이, 이러한 상기 전술한 가격 데이터를 도출하고 이를 허브에 전송하고 상기 데이터에 기초하여 조절되는 시스템에 의하여, 허브에 연결된 전력 생산 유니트의 작동방법에까지 확장된다.

본 발명의 일부 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 하기에 기술할 것이나, 이는 예시를 위한 것일 뿐이다.

도 1은 내셔널 전력 생산 네트워크의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전력 생산 네트워크에 편입시킨 로컬 시장의 개략적인 다이어그램이다.

도 3은 전력 생산 네트워크에 연결된 열병합발전(CHP) 유니트의 개략적인 다이어그램이다.

도 4는 실시예의 열병합발전(CHP) 유니트의 발전량에 대한 연료 소비량 및 발열량의 그래프를 나타낸 도면이다.

도 5는 유사한 가스로 전력화한 열병합발전(CHP) 유니트의 발전량에 대한 연료 소비량 및 발열량의 그래프를 나타낸 도면이다.

도 1은 덴마크에서 사용된 종류의 전력 생산 네트워크 1을 나타낸다. 이는 거대한 전력 스테이션에 의하여 대부분의 생산 용량이 공급된 다른 몇몇 국가의 네트워크와 상당한 차이를 보여준다. 가장 큰 스케일의 전력-생산 용량은 수천만 메가와트의 차수를 400킬로볼트 네트워크 3으로 공급하는 하나 또는 그 이상의 종래의 전력 스테이션 2에 의하여 공급된다. 이 네트워크는 장거리에 걸쳐서 전력이 전송되는 데에 사용된다. 그리고 나서 150킬로볼트로 낮추어 변환되고, 지역(regional) 네트워크 4로 공급된다. 이 네트워크는 또한 거대한 앞바다로 부는 바 람에 의한 터빈(offshore wind turbines) 5와 같은 것에 연결되어 있는 전력 생산 용량을 가지고 있다.

그리고 나서, 150킬로볼트 네트워크로부터의 전력은 60킬로볼트로 낮추어 변환되며, 거기에서 구역(district) 네트워크로 공급된다. 이 네트워크에 내륙으로 부는 바람에 의한 터빈(6) 및 거대 구역의 열병합 발전기(7)가 연결되어 있을 수 있다.

전력을 여러 로컬 지역으로 분배시키기 위하여 10킬로볼트로 낮추어 변환시켜 중간 전압 네트워크 20을 형성한다. 보다 작은 스케일의 열병합발전(CHP) 유니트(8), 보다 작은, 내륙으로 부는 바람에 의한 제조공장(inland windmills) 10 또한 네트워크의 이 부분으로 전력을 공급할 수 있다. 네트워크의 이 부분으로부터 거대 산업 빌딩(9)이 공급되고, 어떤 경우에는 네트워크로 전력을 공급하는 옵션을 가질 수도 있다.

400V로 작동하는 로칼 분배 네트워크 11 및 12는 변압기를 통해 중간 전압 네트워크 20 각각으로부터 공급된다.

로칼 네트워크 11은 다수의 소비자(11a, 11b) 등으로 구성되어 있다. 로칼 네트워크 12에서 소비자 몇몇은 그들 자신의 전력 생산 용량을 가지고 있다. 이는 열병합 발전기 12b 및 12d를 포함한다.

이 시스템 전력에서 모든 다른 레벨로 분배 네트워크로 공급되는 것을 알 수 있다. 네트워크에서 과도한 전력이 있다면, 국제적인 해저 케이블에 의하여 400킬로볼트 레벨 3로부터 송신될 수 있다.

종래에는 전력의 공급과 수요의 균형을 맞추기 위하여 중앙에 위치한 제어장치로부터의 명령에 의하여 시스템으로부터 생산 용량을 선택적으로 부가하거나 제거한다.

본 발명에 의해 기술된 실시예는 도 1에 도시된 전력 생산 네트워크를 이러한 중앙의 제어 없이 제어하고 균형을 맞춘다. 그 대신에 네트워크의 개개의 서브섹션은 내부적으로 통신한다. 이들 서브섹션은 교대로 다른 서브섹션과 통신한다.

본 발명의 실시예는 우선 하나의 이러한 서브섹션을 형성하는 로컬 분배 네트워크 12를 참조하여 기술할 것이다. 이는 도 2에 보다 상세하게 나타나 있다.

로컬 분배 네트워크 12는 소도시에 전력을 공급한다. 이는 전력 케이블(15a, 15b) 등 및 데이터 케이블(14a, 14b) 등에 의하여 로컬 분배 허브(13)에 연결되어 있는 다수의 생산/소비 유니트(12a, 12b) 등으로 구성되어 있다. 각각의 유니트는 다수의 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 유니트 12a는 종래의 방식으로 허브로부터 전력을 취하는 한 집단의 하우스이다. 그러나 유니트 12b는 작은 산업 유니트로 에너지를 공급하는 열병합발전(CHP) 유니트이다. 이는 충분한 전력을 생산하여 산업 유니트의 최고의 수요를 공급할 수 있다. 바람직하다면, 또한 허브(13)에 전기를 공급할 수 있으며, 또는 전기를 허브(13)으로부터 수신할 수 있다.

허브(13)는 차례로 중간 전압 네트워크 20에 전력 케이블(17) 및 데이터 케이블(16)에 의하여 연결되어 있다.

그리하여 허브는 유니트(12a, 12b) 등으로 통신할 수 있으며, 전기를 이들 유니트로부터/유니트로 수신하거나 송신할 수 있다. 직접적으로 유사한 방식으로 허브는 중간 전압 네트워크로 통신할 수 있으며 또한 전기를 그로부터 수신하거나 거기로 전기를 송신할 수 있다.

열병합 발전기(CHP)인 12b와 같은 유니트는 가열을 위한 온수 및 전기를 공급할 수 있다. 이들 유니트의 성질은 발열의 효과적인 부산물로 전기가 생산된다는 것이다. 그리하여 일정한 양의 열이 요구된다면 상응하는 양의 전기 또한 생산될 것이다. 이러한 유니트 내에서 전기의 생산에 변화가 있을 수 있다면, 동시에 원하는 정도의 가열을 제공하는 하나 또는 그 이상의 열저장고(thermal stores)가 상기 유니트와 연결되어 제공될 수 있다. 부가적으로 저항 로드가 제공되어 과도한 전기를 사용하여 열저장고를 위해 물을 가열시킬 수 있다. 그러므로 열병합 발전기는 전기 및 열 수요에 대한 변화에 적응할 수 있다.

그러나 열병합 발전기로부터 충분한 열 또는 전기를 생산하는 것이 기술적으로 언제나 가능한 것은 아니거나, 다양한 이유로 인하여 그렇게 하는 것이 비경제적일 수 있다. 결과적으로 열병합 발전기는 허브(13)으로부터 전기를 수신할 수 있다. 또한, 종래의 가스 보일러는 부가 또는 대안의 열원을 부가적으로 공급할 수 있다. 그리하여 전기가 지역적으로 생산될 수 있거나 수신될 수 있으며, 열은 열병합 발전기 자체 또는 가스 보일러로부터 생산될 수 있다. 바람직하다면, 다른 연료셀 또는 태양 패널과 같은 전기원이 상기 유니트로 연결될 수 있다.

더욱이 상기에 나타낸 바와 같이, 전기는 상기 유니트로부터 상기 허브로 송신될 수 있다. 요구된 발열량으로 과도한 전기가 생산되거나 또는 경제적인 이유 로 인한 것일 수 있다. 사실상 본 실시예의 설계에 대한 의도로 상당한 양의 전력이 적어도 몇몇 다양한 유니트로부터 허브로 송신되고, 적절한 때에 상기 허브로부터 중간 전압 네트워크에서 거기로부터 직접적으로 또는 간접적으로 다른 허브로 공급될 수 있다.

각각 개개의 유니트는 열 및 전기를 어떻게 공급하느냐에 따른 옵션을 가지고 있으며, 또한 송신용 전기를 생산하는 옵션을 가지고 있다. 또한, 가능하다면 바람에 의한 터빈(5)으로부터 생산을 유지하는 것이 일반적인 관례라 할지라도, 전력 스테이션 2와 같은 거대 스케일의 생산기에 의하여 생산된 전기의 양은 변할 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 목적은 전기의 소비 및 생산의 균형을 이루는 반면에, 동시에 비용면에서 가장 효과적인 방법으로 전기를 생산하기 위한 것이다. 이는 각 유니트와 그 허브 사이의 통신이 가능함으로써 달성된다. 만약에 전기가 허브내로 수신된다면, 지역적으로 생산될 수 있는 것보다 비용면에서 효과적으로 수신이 활용화된다.

본 발명의 목적은 허브(13) 내에 시장을 형성함으로써 달성된다. 허브는 전기를 각 유니트로부터 또는 중간 전압 네트워크로부터 전기를 구입할 가격 및 그들에게 다시 되팔 가격을 형성한다. 두 가격 사이의 가격 차(원가와 매가의 차이, spread)는 전송 손실, 시스템 작동 비용 및 작동 이익을 가져온다. 허브가 중간 전압 네트워크로 단지 다른 유니트인 것 처럼 통신하는 것에 주지하는 것이 중요하다. 구매 및 판매가격은 데이터 케이블(15a) 등을 거쳐 유니트(12a, 12b) 등 및 중간 전압 네트워크 20으로 전송된다.

각 개개의 유니트는 또한 구매 및 판매 가격을 결정한다. 유니트가 허브로부터 제공된 판매 가격보다 비싼 구입 가격을 가진다면, 전기를 수신할 것이다. 허브의 구매 가격보다 판매 가격이 비싸다면, 전기를 송신할 것이다. 동일한 관계가 허브와 중간 전압 네트워크에도 적용된다. 만약에 어떠한 조건도 적용되지 않는다면, 유니트는 그 자신의 전력만을 생산한다. 그리하여 유니트가 그 자신의 소비를 위한 전기를 생산하는 가격의 범위가 있을 것이다. 이와 같이, 허브가 전기를 중간 전압 네트워크로부터/네트워크로 수신 또는 송신하는 않는 가격의 범위가 있을 것이다. 이들 범위는 또한 시스템에 안정성을 제공한다.

가격은 요구되거나 제공된 전력량과 함께 허브에 데이터 케이블 15a 등을 통하여 통신된다. 이는 허브에 전류공급기 뿐만 아니라 전력의 전위공급기에 대한 정보와 함께 제공되기 때문에 시스템이 보다 안정적으로 작동하도록 한다. 이는 허브가 기본 피드백 시스템이라기 보다는 안정한 피드-포워드 시스템으로 작동할 수 있다는 것을 의미한다.

허브에 의하여 설정된 가격은 자동적으로 그리고 동력학적으로 변화한다. 허브로부터 전기에 대한 수요가 증가하여 그에 대한 공급을 능가한다면, 구매 및 판매 가격은 모두 다시 균형을 이룰 때까지 증가할 것이다. 판매 가격이 올라가는 것은 그들의 일부 또는 전부가 그들 자신의 전력을 생산하는 것이 비용면에서 보다 효과적이라고 결정할 것이기 때문에 유니트 수의 감소를 가져와서 전기를 수신하고자 시도할 것이다. 동시에, 구매 가격이 올라가는 것은 보다 많은 유니트가 허브 로 전기를 송신하는 것이 바람직하다고 결정하도록 할 것이다. 전기의 수신 및 송신을 단지 개시 및 종결할 뿐만 아니라, 유니트는 동일한 이유에 대한 어느 한 방향으로 전송되는 전력량을 변경시킬 수 있다.

그리하여 전력 생산은 각 유니트와 허브사이의 연속적인 실시간 통신에 의하여 비용면에서 효과적인 방법으로 수요와 균형을 이룬다. 허브는 연속적으로 개개의 유니트와 중간 전압 네트워크로부터 전기를 전송하는 가격과 함께 그것으로 그리고 그것으로부터의 전기의 수요 및 공급을 모니터한다. 이는 균형을 이룰 때까지 유니트 및 중간 전압 네트워크로 전달되는 가격을 동력학적으로 조절한다.

전체 그리드 네트워크를 거쳐 각각의 서브섹션은 이전에 기술한 것과 같이 허브와 같은 방식으로 작용한다. 그리하여 (많이 있을 수 있는 것의) 각 중간 전압 네트워크 20는 60킬로볼트의 그리드에 의하여 형성된 허브와 통신하는 하나의 유니트로서 작용한다. 로칼 허브의 범위를 넘어서 전송되는 각 유니트에 관한 데이터는 없다. 그 대신에 각 허브는 거대 스케일의 허브로부터 상응하는 정보를 통신하고 교대로 수신하는 거대 스케일의 허브로 상기에 언급된 가격 정보에 관한 한 세트의 데이터를 전송한다.

이 원리는 400킬로볼트 네트워크에 의하여 형성된 허브로 수평적으로 (이를테면, 분배 체인 내에 주어진 레벨로 연결된 모든 유니트로) 그리고 수직적으로 그리드를 거쳐 적용된다.

몇몇 유니트가 전력을 생산할 수 있을 뿐이며, 예를 들면, 전력 스테이션 2 및 몇몇은 전력을 소비할 수 있을 뿐이고, 예를 들면, 유니트 12a는 시스템에 변형 을 요하지 않는다. 이들 유니트는 단지 제로 용량을 매매하기 위하여 제공될 뿐이다.

분배 시스템의 전체적인 작동을 기술하였으며, 본 발명자들은 시스템에 연결된 유니트 12b와 같은 각각의 열병합 발전기의 작동을 기술하고자 한다.

주요한 열병합 발전기 장치는 내부 연소 엔진 구동 발전기, 열 교환기를 순회하는 냉각제(coolant)이다. 이는 물을 가열하여 교대로 가열 시스템에 공급하고 또한 열저장 유니트에 공급한다. 발전기는 천연가스로부터 연료를 보급받고, 천연가스를 연소시키는 보일러가 있어서 온수를 공급할 수 있다. 열병합 발전기는 도 3을 참조하여 보다 상세하게 기술한다.

열병합 발전기 장치 30는 내부 연소 엔진 구동 공기조절 발전기(internal combustion engine driving an a/c generator)를 포함한다. 이는 방음장치가 된 하우징 내에 포함되어 있다. 냉각제는 종래의 방식으로 엔진 주위를 순회하고 하우징을 통과하여 빠져나가며 열교환기(31)에 제공된다. 열교환기는 중앙 가열 다기관(central heating manifold)(32)에 공급되는 물을 가열시키기 위하여 사용된다. 또한, 가스를 연료화하는 보일러(33)은 온수를 중앙 가열 다기관(32)에 공급한다.

열저장탱크 34는 또한 중앙 가열 다기관에 연결되어 있다. 일정한 시간에 요구된 양보다 많은 열이 생산될 때, 이 탱크에 있는 물의 온도를 올림으로써 저장할 수 있다. 더욱이 (35)에 열펌프 또는 콘덴싱 보일러(condensing boiler)를 부착함으로써 시스템에 탄력성을 줄 수 있다.

열병합 발전기 장치(30)에서 생산된 전기는 생산량 미터(38) 및 소비량 미터 (39)를 거쳐 직접적으로 로칼 로드(37)로 공급될 수 있다. 로칼 로드는 열펌프를 포함하여 과도한 전기생산량을 저장될 수 있는 열로 변환할 수 있다. 또한, 생산량 미터 및 유틸리티 미터(40)를 거쳐 허브로 가는 케이브(41)의 연결로가 있다. 이것은 전기로 하여금 유니트에서 허브로 송신되는 것을 가능토록 한다. 케이블(41) 역시 효용 계량기(40)와 소비량 계량기(39)를 통해 연결되어 수신된 전기가 로컬 로드(37)로 공급되도록 한다.

앞서 논의한 바에 같이, 열은 열 병합 발전기(30) 혹은 보일러(33)에서 요청되는 것에 따라 선택적으로 생산될 수 있다. 또한 열은 열 저장 탱크(34)에서 원상태로 복구될 수 있다. 전기는 열 병합 발전 유니트에 의해 발생 될 수 있고 (선택적으로 송신) 혹은 허브로부터 수신될 수 있다.

앞서 말한 것처럼, 시스템 관리 유니트(36)는 각 부분에 연결되어 있다. 시스템 관리 유니트은 어떠한 전기 발생 방법을 사용할 것인지를 결정하고 전력을 수신할 것인지 송신할 것인지 등을 결정한다. 또한 다수의 특정한 시스템 작동을 컨트롤 하는데, 이는 본 발명의 설명과 관련이 없는 것이다.

시스템 관리 유니트(36)의 기능은 기술, 경제적인 측면에서 어떤 작동 모드가 적절한지를 결정하는 것이다. 만약, 열병합 발전 유니트 단독으로 제공되는 전기보다 더 높은 전기가 요구된다면, 적어도 얼마간의 전력은 수신되어야 한다. 그러나 거의 모든 다른 조건에서, 유니트이 선택할 수 있는 얼마간의 대안들이 될 것이다.

시스템 관리 유니트(36)은 컴퓨터로 구성되는데, 이 컴퓨터는 주어진 상황 속에서 열이나 전기의 생산 방식 중 어떤것이 가장 비용효율이 높은지 계산하고 그에 따라 구입과 판매 가격을 결정한다. 또한 시스템 관리 유니트은 데이터 입력/출력 포트(42)로 구성되는데, 이는 현재의 가스 가격과 허브로부터 받은 가격 데이터와 같은 입력 데이터를 제공하여 유니트으로 하여금 구매와 판매 가격을 허브로 전송시킬수 있도록 한다.

전기를 수신할 것이지 혹은 송신할 것인지를 결정하기 위해서, 유니트은 제품의 현재 비용을 결정한다. 이것은 연료 가격뿐 아니라 열 병합 발전 유니트으로 부터 나오는 발열량에 따라 달라지는데, 왜냐하면 발생 시스템의 효율성은 작업량에 따라 달라지고 생산된 열의 가치는 계산의 하나의 요인으로 포함되어야만 하기 때문이다. 보수 관리비에 바탕을 둔 시간당 유지비 또한 하나의 요인으로 포함 될 수 있다.

그러면 발전 비용은 허브로부터 이용 가능한 구매 및 판매 가격과 비교된다. 만약 생산 비용이 판매 가격보다 높으면, 시스템 관리 유니트(36)은 판매 가격에 원하는 전기의 양을 요청하면서 이 데이터를 링크(42)를 따라 허브에 전송한다. 반면, 전기 생산 가격이 제안된 구매 가격보다 낮으면, 시스템 관리 유니트(36)은 시스템의 최대 용량 이상으로 추가적인 전력을 생산하도록 하고 이것을 허브로 송신한다.

앞서 의논한 바와 같이, 허브는 지속적으로 허브로의 전기 수신과 송신의 밸런스를 모니터하고 필요한 경우 실시간으로 가격들을 조정한다. 따라서 시스템 관 리 유니트은 끊임없이 이 가격들을 모니터하고 지속적으로 위 계산들을 업데이트하며 이에 따라 필요한 시스템의 작동을 변경한다.

다른 전기 생산 유니트들은 각자 유사한 계산을 실행하여, 허브 레벨에서 전기가 비용 효율, 방식 등에서 가장 효율적으로 생산되었음을 볼 수 있다. 이러한 접근은 전체 분배 네트워크를 수평, 수직으로 따라 일어나기 때문에 전체 시스템은 비용 효율이 높게 전기를 발생시킨다. 비록 이러한 계산들이 가장 낮은 레벨의 시스템을 통해 실행되더라도 네트워크의 중심 컨트롤은 없다. 각 유니트에 필요한 것은 각 로컬 허브 등과 시스템을 통해 통신하는 것이다.

시스템 관리 유니트(36)에 의해 만들어진 계산 유형의 예는 디젤 연료를 사용한 열 병합 발전 유니트을 바탕으로 설명되어질 것이다.

사용되지 않는 연료 소비량 kW(Tf)과 지시(실) 효율 기수 (BI), 계수지표(FI)는 상수이다.

즉각의 발전량(PE)이 그에 따른 지시 효율(IV)을 계산하기 위해 첫번째로 사용된다. :

(IV) = (BI) - (Pe) x (FI)

즉각의 연료 소비 kW (IE)가 그 다음으로 계산된다.

(IE) = (Tf) + (Pe/IV)

전형적인 열 병합 발전 유니트을 위해, (Tf)=10kW, (BI)=0.565, (FI)=0.0078, (Pe)=12kW이면,

(IV)=0.565-(12x0.0078)=0.4714

(IE)=10+(12/0.4714)=35.45kW (혹은 3.55 1/h)

다음 상수를 사용하여 연료 소비와 발전량으로부터 발열량을 얻을 수 있다. : 사용되지 않는 열 효율(VT), 계수 열(FV)과 손실(Ta). 동일한 장치에 대한 이 값들은 각각 0.75, 1.2와 0.5이다.

그러면 발열량(Qv)은 다음에서 확인할 수 있다. :

(Qv) = (VT) x (IE) - {(Pe)x(IV)x(FV)} - (Ta)

구체적인 예에서,

(Qv) = 0.75x3.45-(12x0.4714x1.2)-0.5=19.3kW

따라서, 연료 소비와 발열량은 발전량의 간단한 기능으로 전환된다. 도 4는 구체적인 예에서 열 병합 발전 유니트의 이것에 대한 도표이다.

동일한 과정은 천연 가스로 연료를 공급받은 열 병합 발전 유니트에도 적용될 수 있고, 도 5는 그러한 유니트에 상응하는 도표를 나타낸다.

만약 유니트 작동 방식을 변경하고자 한다면, 이는 간단하게 행할 수 있다. 예를 들어 만약 산화질소 방출이 감소되어야만 한다면(효율성의 대가로), (BI)와 (FI)의 새로운 값들은 열 생산량에 있어서 필연적인 증가와 같은 변화를 계산에 넣는것에 익숙해질 것이다.

그러면 시간당 비용은 연료 비용 (cents / kWh)과 작동 시간당 비용(cents / hour)에 바탕을 둔 유지비에 생산된 전기 구성(cents / kWh)을 더하여 적용함으로써 계산된다.

따라서, 디젤의 구체적인 예를 보면,

연료 비용 = 3 cents/kWh x IE

유지비 =- 25 c/h + 0.5 c/kWHel x (PE)이다.

순 비용은 열 생산 비용에서 생산 전기 값을 빼서 계산을 하고 이것은 10c/kWh의 값(구입 가격)에 바탕을 둔 것이다. :

전기 값 = 10cx (Pe)

생산된 전기 값을 포함한 시단당 총 비용은 다음과 같다. :

최종 비용/시간 = 3ckWH x (IE) + 25c + 0.5c/kWh x (Pe) - (10c x (Pe))

이 시스템은 전기 네트워크에 연결되어 원하는 경우 전기가 생산될 수 있는 조건 하에서 작용하는데, 열 소비는 반드시 포함되어야 한다. 시간당 총 비용은 열 생산에 따라 다른 소소들의 열 가격과 유사하고 총 시스템 수신에 나타나는 열 분배 발전 열의 유니트 가격을 형성하도록 나눌 수 있다.

열 가격 = (총 비용/시간) / (Qv)

이 가격은 시스템의 컨트롤에 사용된다. 이를 바탕으로, 유니트은 전기가 유니트에 의해 충분히 생산되지 못할때나 혹은 비용이 효율적일때에만 전기를 수신하도록 구매와 판매 가격을 정한다. 전자의 경우, 구매 가격은 허브에 의해 정해진 판매 가격으로 인상되어야한다. 후자의 경우, 전기를 수신할 지의 여부는 허브의 판매 가격에 따라 달라진다. 유사한 고려사항은 전기를 송신할지를 결정할 때도 적용된다.

Claims

로컬 전송 허브와, 허브로부터 전기를 선택적으로 수신, 송신하도록 설치된 복수개의 유니트들을 포함하여 이루어지며, 상기 허브는 교대로 외부 그리드로부터 전기를 선택적으로 수신, 송신하도록 설치되어 있는 로컬 전기 분배 네트워크에 있어서, 각각의 유니트는 유니트과 허브간의 통신된 데이터를 바탕으로 허브로부터 전기를 수신할 것인지 혹은 송신할 것인지를 결정하도록 설치되어 있고, 상기 허브는 허브와 외부 그리드간의 통신된 데이터를 바탕으로 외부 그리드로부터 전기를 수신할 것인지 혹은 송신할 것인지를 결정하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로컬 전기 분배 네트워크.
제 1항에 있어서,

상기 허브가 그리드에 연결되어있는 다수의 허브들 중 하나로, 상기 그리드 그 자체가 허브로서 작용을 하는 것을 특징으로 하는 로컬 전기 분배 네트워크.
제 2항에 있어서,

상기 외부 그리드가 그러한 다수의 그리드 중 하나로, 여분의 허브에 차례로 연결되어 있어 데이터들이 각각의 그러한 그리드와 여분의 허브 사이에서 통신되어 여분의 허브가 각 그리드로부터 전기를 수신할 것인지 혹은 송신할 것인지를 결정하는 것을 특징으로 하는 로컬 전기 분배 네트워크.
전기 분배 네트워크에 있어서, 다수의 상이한 전력 분배 서브 네트워크를 포함하여 이루어지며, 상기 각 서브 네트워크는 허브와 전기, 데이터 연결에 대한 다수의 전기 공급 및/또는 수요에 대한 다수의 소스들을 포함하여 이루어지며, 상기 소스들은 다른 서브 네크워크들의 허브를 포함하며, 상기 네트워크가 그것에 연결되어 있는 허브와 소스들 사이에서만 전송된 데이터를 기초로 하여 각 허브로 혹은 각 허브로부터의 전기 흐름을 컨트롤 함으로써 밸런스를 맞추는 것을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,

송신 케이블과 분리된 데이터 케이블이 각각의 유니트과 그 허브에 제공됨을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 허브가 구매 및 판매 가격을 결정하도록 설치되고 언급한 가격들이 그것에 연결된 유니트들에 전송됨을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유니트가 자동적으로 생산 비용을 결정하고 전기를 사거나 파는 것 중 어느것이 유리한지를 결정하는 것을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 7항에 있어서,

상기 유니트들이 가격 정보를 허브로 전송하는 것을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 8항에 있어서,

상기 허브가 상기 가격 정보를 네트워크를 컨트롤 하는데 도움을 주도록 사용하는 것을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
제 1 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유니트가 열병합발전 유니트인 것을 특징으로 하는 전기 분배 네트워크.
로컬 전기 분배 시스템에 있어서, 허브와 이에 연결되어 있어 전기를 생산 및/또는 소비하는 유니트들을 포함하여 이루어지며, 상기 허브는 유니트들과 더불어 시장을 형성하여 상기 허브가 전기의 구매와 판매가격을 반복적으로 결정하고, 상기 가격은 시스템의 밸런스를 맞추기 위해 결정되며, 상기 유니트들은 상기 가격들을 기초로 하여 허브로 전기를 송신할 것인지 아니면 허브로부터 전기를 수신할 것인지를 자동적으로 결정하게 됨을 특징으로 하는 로컬 전기 분배 시스템.
제 1 내지 11항 중 어느 한 항의 시스템 또는 장치의 사용을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 전기공급 및/또는 전기분배 네트워크의 밸런스를 맞추는 방법.