KR20130003409A - 신재생에너지 출력 안정화 시스템 - Google Patents

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KR20130003409A KR1020110064749A KR20110064749A KR20130003409A KR 20130003409 A KR20130003409 A KR 20130003409A KR 1020110064749 A KR1020110064749 A KR 1020110064749A KR 20110064749 A KR20110064749 A KR 20110064749A KR 20130003409 A KR20130003409 A KR 20130003409A
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Abstract

본 출원은 신재생에너지 출력 안정화 시스템에 관한 것으로, 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력을 전력계통에 공급하는 시스템에 있어서, 상기 신재생에너지 발전장치 및 상기 전력계통과 연계되도록 구성되고 전력을 변환하는 제1 및 제2 PCS(Power Conditioning System), 상기 제1 PCS에 연계되는 단주기용 에너지 저장장치, 상기 제2 PCS에 연계되는 장주기용 에너지 저장장치 및 상기 단주기용 에너지 저장장치 및 상기 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하여 상기 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력의 출력 변화를 최소화하여 상기 전력계통에 공급하는 출력 안정화 기능을 포함하는 출력 안정화 제어장치를 포함한다. 따라서, 신재생에너지 발전 시스템의 전력 출력을 안정화시킬 수 있다.

Description

신재생에너지 출력 안정화 시스템{POWER STABILIZING SYSTEM FOR RENEWABLE ENERGY GENERATION}
본 출원은 신재생에너지 출력 안정화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 신재생에너지 발전 시스템에 단주기용 에너지 저장장치와 장주기용 에너지 저장장치를 구분하여 연계하고 출력 안정화 제어를 수행하여 신재생에너지원의 출력 안정화 및 활용성을 극대화 할 수 있는 신재생에너지 출력 안정화 시스템에 관한 것이다.
범국가적으로 온실가스를 감축하기 위한 다양한 노력 및 제도적인 지원이 이루어지고 있는 가운데, 발전분야에서는 풍력, 태양광, 조력 발전 등 신재생에너지원의 적용 확대를 통한 청정에너지원의 이용을 장려하고 있으며, 미국 및 유럽의 여러 나라에서는 2030년까지 신재생에너지원의 적용 비율을 20~30%까지 늘리겠다는 계획을 수립하여 사업을 추진하고 있다.
일반적으로 풍력 및 태양광 발전기와 같은 신재생에너지원은 단일 또는 여러 대의 발전기가 발전단지를 구성하여 전력을 생산하며, 일반적으로는 최대출력점을 제어하는 로직이 구성되어 있어서 순간순간 변화하는 풍속 및 일사량에 따라서 생산되는 전력을 한전계통으로 공급하도록 구성되어 있다.
그러나 신재생에너지원은 자연의 힘을 이용하기 때문에 생산되는 전력을 제어하기가 곤란하며, 그 적용 비율이 커지게 되면 출력의 변화로 인하여 전력계통의 안정도에 악영향을 끼칠 수 있으며, 최악의 경우에는 전력공급을 중단해야 하는 상황이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 발전원에 기계적인 또는 전기적인 장치를 적용하여 출력을 제한하는 기능을 구비하고 있으나, 계통의 안정적인 전력 수급을 위해 요구되는 출력 값으로 제어할 수는 없는 상황이다. 그리고 신재생에너지원이 전력 계통에 연계됨에 따라서 안정도를 저해할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 각국에서는 분산전원의 계통연계 규정인 Grid Code를 제정하여 적용하고 있다. 아직은 Grid Code의 적용 초기여서 일부 국가에서 에너지저장장치 및 전력 품질 보상장치를 계통에 연계하여 실증하고 있는 단계로, 품질을 보상하는 설비는 많이 적용되지 않고 있는 상황이나 앞으로는 그 수요가 급격하게 증가할 것으로 예상하고 있다.
본 출원은 신재생에너지 발전 시스템의 전력 출력을 안정화시킬 수 있는 단주기용 에너지 저장장치의 제어기술을 제공한다.
본 출원은 경부하 시간대와 피크 부하 시간대에 안정적으로 전력계통에 전력을 공급할 수 있으며, 신재생에너지의 활용성을 극대화 할 수 있는 장주기용 에너지 저장장치의 제어기술을 제공한다.
본 출원은 에너지 저장장치를 최대 수명까지 활용할 수 있는 단주기용 에너지 저장장치와 장주기용 에너지 저장장치로 구분하여 사용하는 기술을 제공한다.
실시예들 중에서, 신재생에너지 출력 안정화 시스템은 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력을 전력계통에 공급하는 시스템에 있어서, 상기 신재생에너지 발전장치 및 상기 전력계통과 연계되도록 구성되고 전력을 변환하는 제1 및 제2 PCS(Power Conditioning System), 상기 제1 PCS에 연계되는 단주기용 에너지 저장장치, 상기 제2 PCS에 연계되는 장주기용 에너지 저장장치 및 상기 단주기용 에너지 저장장치 및 상기 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하여 상기 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력의 출력 변화를 최소화하여 상기 전력계통에 공급하는 출력 안정화 기능을 포함하는 출력 안정화 제어장치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 출력 안정화 제어장치는 상기 신재생에너지 발전장치의 전력 출력량, 상기 단주기용 에너지 저장장치의 SOC(State of Charge, 잔존용량), 상기 장주기용 에너지 저장장치의 SOC 정보를 기초로 상기 단주기용 에너지 저장장치 및 상기 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 출력 안정화 제어장치는 상기 단주기용 에너지 저장장치의 SOC 값이, 40 내지 60%인 경우 상기 출력 안정화 기능을 수행하고, 40% 미만인 경우 상기 출력 안정화 기능 및 상기 단주기용 에너지 저장장치의 충전을 수행하며, 60% 초과인 경우 상기 출력 안정화 기능 및 상기 단주기용 에너지 저장장치의 방전을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 기 출력 안정화 제어장치는 상기 전력계통이 경부하 시간대인 경우 상기 장주기용 에너지 저장장치를 최대로 충전하고, 피크 부하 시간대인 경우 상기 장주기용 에너지를 방전시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 신재생에너지 출력 안정화 시스템은 상기 제1 PCS, 상기 제2 PCS 및 상기 신재생에너지 발전장치가 상기 전력계통과 연결되는 3개의 통전경로 각각에 차단기를 더 포함할 수 있다.
본 출원의 개시된 기술은 단주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하여 신재생에너지 발전 시스템의 전력 출력을 안정화시킬 수 있다.
본 출원의 개시된 기술은 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하여 경부하 시간대와 피크 부하 시간대에 안정적으로 전력계통에 전력을 공급할 수 있으며, 신재생에너지의 활용성을 극대화 할 수 있다.
본 출원의 개시된 기술은 단주기용 에너지 저장장치와 장주기용 에너지 저장장치로 구분하여 사용함으로써, 각각의 에너지 저장장치를 최대 수명까지 활용할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 신재생에너지 출력 안정화 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 차단기가 포함된 신재생에너지 출력 안정화 시스템 및 각 설비의 정보 흐름을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1에 있는 신재생에너지 출력 안정화 시스템이 운영되는 순서도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 신재생에너지 출력 안정화 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)은 제1 PCS(Power Conditioning System)(120), 제2 PCS(130), 단주기용 에너지 저장장치(140), 장주기용 에너지 저장장치(150) 및 출력 안정화 제어장치(160)를 포함한다.
제1 및 제2 PCS(120,130)는 전력변환장치로서, 신재생에너지 발전장치(110) 및 전력계통(170)과 연계되도록 구성된다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 PCS(120,130)는 신재생에너지 발전장치(110)에서 발생되는 최대 출력을 유지하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracker)회로 및 축전지 또는 직류 전원과의 출력 값을 보정하기 위한 직류-직류 변환기 등으로 구성이 된 전력제어장치와 교류 전원에서 사용하기 위해 신재생에너지 발전장치(110)에서 발생되는 직류 전기를 교류로 바꾸는 역할을 하는 인버터로 구성될 수 있다.
여기서, 신재생에너지 발전장치(110)는 풍력, 태양에너지, 조력 등을 에너지원으로 하는 발전 설비이고, 전력계통(170)은 발전소로부터 전력 사용자에게 공급하기 위한 설비이다.
단주기용 에너지 저장장치(140) 및 장주기용 에너지 저장장치(150)는 각각 제1 PCS(120) 및 제2 PCS(130)에 연계되고, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)에서 상호 구분하여 설치된다. 단주기용 에너지 저장장치(140) 및 장주기용 에너지 저장장치(150)의 용량시간 정격 및 출력 정격은 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)이 적용되는 경우의 신재생에너지원의 용량, 출력 변동량 및 계절별/연간 이용률에 따라 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 단주기용 에너지 저장장치(140)는 신재생에너지 발전장치(110)의 순간적인 전력 출력을 안정화하는데 사용되며, 장주기용 에너지 저장장치(150)는 신재생에너지 발전장치(110)의 수분 내지 시간 단위로 변화하는 전력 출력을 안정화하는데 사용될 수 있다.
출력 안정화 제어장치(160)는 단주기용 에너지 저장장치(140) 및 장주기용 에너지 저장장치(150)의 충방전을 제어하여 신재생에너지 발전장치(110)로부터 생산된 전력의 출력 변화를 최소화하여 전력계통(170)에 공급하는 출력 안정화 기능을 포함한다. 출력 안정화 제어장치(160)는 제1 PCS(120) 및 제2 PCS(130)를 통해 단주기용 에너지 저장장치(140) 및 장주기용 에너지 저장장치(150)의 충방전을 제어한다.
일 실시예에서, 출력 안정화 제어장치(160)는 신재생에너지 발전장치(110)의 전력 출력량, 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC(State of Charge, 잔존용량), 장주기용 에너지 저장장치(150)의 SOC 정보를 기초로 단주기용 에너지 저장장치(140) 및 장주기용 에너지 저장장치(150)의 충방전을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 출력 안정화 제어장치(160)는 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC값이 40 내지 60%인 경우 출력 안정화 기능을 수행하며, 40% 미만인 경우 출력 안정화 기능 및 단주기용 에너지 저장장치(140)의 충전을 병행하여 수행하고, 60%를 초과하는 경우에는 출력 안정화 기능 및 단주기용 에너지 저장장치(140)의 방전을 병행하여 수행할 수 있다. 이는 SOC의 값이 기준치보다 낮으면 단주기용 에너지 저장장치(140)에 저장된 에너지가 필요할 경우 부족분이 생길 수 있으므로 단주기용 에너지 저장장치(140)를 충전하는 것이며, SOC의 값이 기준치보다 높으면 단주기용 에너지 저장장치(140)에 저장된 에너지를 방전을 통해 전력계통(170)에 공급하기 위함이다.
또한, 일 실시예에서, 출력 안정화 제어장치(160)는 전력계통(170)이 경부하 시간대인 경우 전력계통(170)으로부터 전력을 공급받아 장주기용 에너지 저장장치(150)를 최대로 충전하고, 피크 부하 시간대인 경우 장주기용 에너지 저장장치(150)를 방전시켜 전력계통(170)에 전력이 안정적으로 공급되게 할 수 있다.
도 2는 차단기가 포함된 신재생에너지 출력 안정화 시스템 및 각 설비의 정보 흐름을 나타내는 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 일 실시예에서, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)은 제1 PCS(120), 제2 PCS(130) 및 신재생에너지 발전장치(110)가 전력계통(170)과 연결되는 3개의 통전경로 각각에 제1 차단기(180), 제2 차단기(182) 및 제3 차단기(184)를 더 포함한다. 제1, 제2 및 제3 차단기들(180,182,184)은 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)이 가동 중에 전력계통(170)이나 또는 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)의 구성장치에 이상이 발생하게 되면 즉시 개로되어 설비들을 보호할 수 있다. 일 실시예에서, 이상이 발생한 설비는 운영자가 신속하게 파악하여 조치할 수 있도록 경보 신호를 출력 안정화 제어장치(160)에 구비되는 화면에 표시할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)은 제1, 제2 또는 제3 차단기(180,182,184) 중 어느 하나 이상이 개로되어 전력을 공급할 수 없는 경우에도 남아있는 차단기를 통해 전력 공급을 계속할 수 있다.
일 실시예에서, 전력계통(170) 관련 정보, 신재생에너지 발전장치(110)의 전력 출력량, 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 정보 및 장주기용 에너지 저장장치(150)의 SOC 정보는 출력 안정화 제어장치(160)에 전송된다.
도 3은 도 1에 있는 신재생에너지 출력 안정화 시스템이 운영되는 순서도이다.
도 3에서, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)의 구성장치들이 초기화되고(단계 S301), 전력계통(170)이 점검된다(단계 S302).
전력계통(170)의 이상 유무를 판단하여(단계 S303), 이상이 있는 경우 차단기가 개로되고, 신재생에너지 출력 안정화 시스템(100)은 운전 대기 상태가 된다(단계 S304).
단계 S303에서 이상이 없는 경우에는 출력 안정화 제어장치(160)에 구성장치의 정보가 입력되고, 단주기용 에너지 저장장치(140)를 제어하는 단계(경로 A)와 장주기용 에너지 저장장치(150)를 제어하는 단계(경로 B)로 진행된다(단계 S310).
먼저 경로 A의 경우, 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 값이 40 내지 60%의 값인지 판단하고(단계 S320), 40 내지 60%의 값인 경우 출력 안정화 제어치를 산정한다(단계 S330). 이에 반해 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 값이 40 내지 60%의 값이 아닌 경우 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 값이 40% 미만인지 판단하고(단계S321), 40% 미만의 값인 경우 출력 안정화 제어치 및 단주기용 에너지 저장장치(140)의 충전치를 산정한다(단계 S331). 이에 반해 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 값이 40% 미만도 아닌 경우에는 단주기용 에너지 저장장치(140)의 SOC 값이 60%를 초과하는지 판단하고(단계 S322), 60%를 초과하는 경우 출력 안정화 제어치 및 단주기용 에너지 저장장치(140)의 방전치를 산정한다(단계 S332).
산정된 출력 안정화 제어치 및/또는 단주기용 에너지 저장장치의 충전치 또는 방전치를 기초로 단주기용 에너지 저장장치(140)가 제어된다(단계 S340).
경로 B의 경우, 전력 공급에 있어서 피크 부하 시간대인지 판단하고(단계 S350), 피크 부하 시간대인 경우에는 장주기용 에너지 저장장치(150)의 방전치를 산정한다(단계 S360).
이에 반해, 피크 부하 시간대가 아닌 경우 경부하 시간대인지 판단하고(단계 S351), 경부하 시간대인 경우에는 장주기용 에너지 저장장치(150)의 충전치를 산정한다(단계 S361).
산정된 장주기용 에너지 저장장치(150)의 충전치 또는 방전치를 기초로 장주기용 에너지 저장장치가 제어된다(단계 S370).
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 신재생에너지 출력 안정화 시스템
110 : 신재생에너지 발전장치
120 : 제1 PCS(Power Conditioning System)
130 : 제2 PCS
140 : 단주기용 에너지 저장장치
150 : 장주기용 에너지 저장장치
160 : 출력 안정화 제어장치
170 : 전력계통

Claims (5)

  1. 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력을 전력계통에 공급하는 시스템에 있어서,
    상기 신재생에너지 발전장치 및 상기 전력계통과 연계되도록 구성되고 전력을 변환하는 제1 및 제2 PCS(Power Conditioning System);
    상기 제1 PCS에 연계되는 단주기용 에너지 저장장치;
    상기 제2 PCS에 연계되는 장주기용 에너지 저장장치; 및
    상기 단주기용 에너지 저장장치 및 상기 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하여 상기 신재생에너지 발전장치로부터 생산된 전력의 출력 변화를 최소화하여 상기 전력계통에 공급하는 출력 안정화 기능을 포함하는 출력 안정화 제어장치를 포함하는 신재생에너지 출력 안정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 안정화 제어장치는
    상기 신재생에너지 발전장치의 전력 출력량, 상기 단주기용 에너지 저장장치의 SOC(State of Charge, 잔존용량), 상기 장주기용 에너지 저장장치의 SOC 정보를 기초로 상기 단주기용 에너지 저장장치 및 상기 장주기용 에너지 저장장치의 충방전을 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 출력 안정화 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 출력 안정화 제어장치는 상기 단주기용 에너지 저장장치의 SOC 값이,
    40 내지 60%인 경우 상기 출력 안정화 기능을 수행하고,
    40% 미만인 경우 상기 출력 안정화 기능 및 상기 단주기용 에너지 저장장치의 충전을 수행하며,
    60% 초과인 경우 상기 출력 안정화 기능 및 상기 단주기용 에너지 저장장치의 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 출력 안정화 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 출력 안정화 제어장치는 상기 전력계통이
    경부하 시간대인 경우 상기 장주기용 에너지 저장장치를 최대로 충전하고,
    피크 부하 시간대인 경우 상기 장주기용 에너지를 방전시키는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 출력 안정화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 신재생에너지 출력 안정화 시스템은
    상기 제1 PCS, 상기 제2 PCS 및 상기 신재생에너지 발전장치가 상기 전력계통과 연결되는 3개의 통전경로 각각에 차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 출력 안정화 시스템.
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