KR20160001883A - 마이크로그리드 시스템, 그 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

마이크로그리드 시스템, 그 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 장치에 있어서, 분산전원들 각각에 대한 효율정보를 저장하는 메모리, 효율정보에 따라 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하는 제어부 및 드룹게인을 포함하는 제어정보를 분산전원들 중 일부 혹은 전부로 전송하는 통신부를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어장치를 제공한다.

Description

마이크로그리드 시스템, 그 제어장치 및 제어방법{MICROGRID SYSTEM, CONTROL APPARATUS FOR THE SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR THE SYSTEM}
본 발명은 마이크로그리드 시스템 및 그 시스템을 제어하는 기술에 관한 것이다.
마이크로그리드란 분산전원을 포함하는 국소적인 전력시스템을 의미한다. 기존의 광역적 전력시스템이 가지는 문제, 예를 들면, 대정전과 같은 문제를 해결하기 위해 이러한 마이크로그리드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
마이크로그리드에는 하나의 분산전원만 포함될 수 있으나 마이크로그리드의 규모가 커질수록 더 많은 분산전원들이 포함된다. 이렇게 둘 이상의 분산전원들이 하나의 마이크로그리드에 포함될 경우, 이러한 분산전원들 간의 로드 쉐어링(load sharing)이 문제가 된다.
마이크로그리드에서 로드 쉐어링을 위한 제어 방법 중 가장 일반적인 방법은 분산전원의 용량에 비례하여 각각의 분산전원의 출력량을 결정하는 방법이다. 예를 들어, 이러한 방법에 의하면, 마이크로그리드 내에 200KW 발전기와 100KW 발전기가 포함되어 있고 부하량이 30KW인 경우, 200KW 발전기가 20KW의 전력을 생산하고 100KW 발전기가 10KW의 전력을 생산하게 된다.
이러한 방법은 분산전원의 특성이 동일한 경우, 예를 들어, 전술한 200KW 발전기와 100KW 발전기가 모두 디젤발전기인 경우, 유용한 방법이다. 하지만, 마이크로그리드 내에 포함되는 둘 이상의 분산전원이 서로 다른 특성의 에너지원을 사용하는 경우, 예를 들어, 하나는 디젤발전기이고 다른 하나는 연료전지인 경우, 이러한 방법으로는 분산전원을 최적으로 제어하기 어려워진다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 일 측면에서, 둘 이상의 분산전원들의 각각의 효율 특성에 맞추어 제어함으로써 마이크로그리드 시스템의 효율을 최적화하는 기술을 제공하는 것이다.
다른 측면에서, 본 발명의 목적은, DC버스와 분산전원 사이에 컨버터들을 위치시킴으로써 출력에 따라 전압범위 혹은 주파수범위가 넓어지는 분산전원을 최적의 효율로 운전하는 기술을 제공하는 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 목적은, DC버스를 둘 이상의 서브버스로 형성하고 각각의 서브버스에 분산전원과 부하를 분리 배치하여 부하량을 쉽게 파악할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 장치에 있어서, 상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보를 저장하는 메모리, 상기 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하는 제어부 및 상기 드룹게인을 포함하는 제어정보를 상기 분산전원들 중 일부 혹은 전부로 전송하는 통신부를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하는 단계 및 상기 분산전원들 각각이 상기 드룹게인에 따라 드룹 제어를 수행하는 단계를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 장치에 있어서, 상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보를 저장하는 메모리, 상기 효율정보에 따라 상기 분산전원들의 총효율이 증가하도록 상기 분산전원들 각각에 대한 출력량지령치을 계산하는 제어부 및
상기 출력량지령치을 포함하는 제어정보를 상기 분산전원들 중 일부 혹은 전부로 전송하는 통신부를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어장치를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, DC전압이 형성되는 DC버스, 상기 DC버스로 전력을 공급하고 상기 DC전압의 변동에 따라 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들 및 상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각의 출력제어값을 계산하고 상기 출력제어값을 이용하여 상기 분산전원들의 출력량을 제어하는 제어장치를 포함하는 DC마이크로그리드 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 둘 이상의 분산전원들의 각각의 효율 특성에 맞추어 제어함으로써 마이크로그리드 시스템의 효율을 최적화하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, DC버스와 분산전원 사이에 컨버터들을 위치시킴으로써 출력에 따라 전압범위 혹은 주파수범위가 넓어지는 분산전원을 최적의 효율로 운전하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, DC버스를 둘 이상의 서브버스로 형성하고 각각의 서브버스에 분산전원과 부하를 분리 배치하여 부하량을 쉽게 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 제어장치에 대한 블록도이다.
도 3은 출력에 따른 분산전원의 효율 그래프를 나타낸다.
도 4는 도 1의 제어장치의 제어 흐름도이다.
도 5는 도 1의 제1서브실시예로서 출력제어값으로 출력량지령치를 전송하는 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 6은 부하량 대비 최대 효율 출력량의 매핑 그래프이다.
도 7은 분산전원에서의 드룹제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1의 제2서브실시예로서 출력제어값으로 드룹게인을 전송하는 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 9는 마이크로그리드 시스템이 드룹게인으로 분산전원들을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 10은 분산전원들의 드룹게인을 변경하는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 마이크로그리드 시스템(이하 '시스템', 100)은 DC버스(110), 분산전원(120, 122, 124) 및 부하(140, 142) 등을 포함할 수 있다.
분산전원은 전력을 생산하는 소스를 포함하고 있는데, 이러한 소스로는 디젤발전기 및 가스터빈발전기와 같은 내연기관발전기가 사용될 수 있고, 배터리와 같은 에너지저장장치가 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 소스로는 연료전지와 같은 연료주입형 발전기가 사용될 수도 있다. 뿐만 아니라 분산전원은 태양광발전기 혹은 풍력발전기와 같은 재생에너지발전기를 포함할 수도 있다. 물론 분산전원 중 일부가 재생에너지발전기를 소스로 사용하는 경우, 다른 일부는 내연기관발전기, 배터리 혹은 연료주입형 발전기와 같이 제어에 따라 출력을 조절할 수 있는 발전기를 소스로 사용해야 한다.
도 1을 참조하면, 제1분산전원(120)은 디젤발전기를 소스로 사용하고 있으며, 제2분산전원(122)은 연료전지를 소스로 사용하고 있고, 제3분산전원(124)은 배터리를 소스로 사용하고 있다. 아래의 설명에서는 시스템(100)이 이러한 3개의 분산전원(120, 122, 124)을 포함하고 있는 것으로 설명하나 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니며 시스템(100)은 두 개의 분산전원을 포함할 수도 있고, 또한 4개 이상의 분산전원을 포함할 수도 있다.
분산전원(120, 122, 124)은 전력변환장치, 예를 들어, 컨버터를 통해 DC버스(110)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1분산전원(120)은 AC를 출력하는 디젤발전기를 소스로 사용하기 때문에 이러한 출력을 DC버스(110)로 전달하기 위해 제1분산전원(120)과 DC버스(110) 사이에 AC/DC컨버터인 제1컨버터(130)가 위치한다.
제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)은 DC를 출력하는 연료전지 및 배터리를 각각 포함하고 있기 때문에 DC버스(110)에 바로 연결될 수 있다.
도 1의 실시예에서는 제2분산전원(122)이 DC/DC컨버터인 제2컨버터(132)를 통해 DC버스(110)와 연결되고 있고, 제3분산전원(124)이 DC/DC컨버터인 제3컨버터(134)를 통해 DC버스(110)와 연결되고 있다. 연료전지 및 배터리의 출력전압이 변할 수 있기 때문에 이러한 DC/DC컨버터가 변동하는 분산전원의 출력전압을 DC버스(110)의 일정 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
전술한 제1컨버터(130)도 유사한 역할을 수행할 수 있는데, 예를 들어, 디젤발전기의 출력전압이 변할 수 있는데, 이에 따라, 제1컨버터(130)는 AC를 DC로 변환하는 역할 뿐만 아니라 변동하는 AC전압들을 일정한 DC전압으로 변환하는 역할도 함께 수행한다.
한편, 시스템(100)은 부하(140, 142)를 포함할 수 있는데, 이러한 부하는 AC부하일 수도 있고, DC부하일 수도 있다. 도 1의 실시예에서는 시스템(100)이 AC부하인 제1부하(140) 및 DC부하인 제2부하(142)를 포함하는 것으로 도시되었으나 본 발명이 이로 제한되는 것은 아니다.
AC부하인 제1부하(140)는 DC버스(110)로부터 전력을 공급받기 위해 DC/AC컨버터인 제4컨버터(136)를 통해 DC버스(110)와 연결될 수 있다.
DC부하인 제2부하(142)는 DC전력을 직접 공급받을 수 있기 때문에 DC버스(110)와 직접 연결될 수 있다. 도 1의 실시예에서는 제2부하(142)가 DC/DC컨버터인 제5컨버터(138)를 통해 DC버스(110)와 연결되는 것으로 도시되어 있는데, 제2부하(142)의 전압범위와 DC버스(110)의 전압범위가 상이한 경우, 제5컨버터(138)가 DC버스(110)의 전압을 제2부하(142)의 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
제어장치(150)는 분산전원들(120, 122, 124) 각각에 대한 효율정보에 따라 분산전원들(120, 122, 124) 각각의 출력제어값을 계산하고 이러한 출력제어값을 이용하여 분산전원들(120, 122, 124)의 출력량을 제어한다.
도 2는 도 1의 제어장치에 대한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제어장치(150)는 메모리(210), 통신부(220) 및 제어부(230) 등을 포함할 수 있다.
메모리(210)는 분산전원들(120, 122, 124) 각각에 대한 효율정보를 저장하고, 제어장치(150)의 기능 수행에 필요한 제반 정보들을 저장할 수 있다.
통신부(220)는 제어부(23)에서 생성한 제어정보를 분산전원들(120, 122, 124)로 전송하고, 또한 다른 정보들을 분산전원들(120, 122, 124)로부터 수신할 수 있다. 그리고, 통신부(220)는 부하들(140, 142)과도 정보를 주고 받을 수 있으며, 다른 장치, 예를 들어, 센싱장치, 외부 서버와도 정보를 주고 받을 수 있다.
통신부(220)는 정보를 주고 받는 장치들과 유선망을 통해 연결되어 있을 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니며 무선망을 통해 연결될 수도 있다. 또한, 통신부(220)는 디지털신호를 통해 장치들과 정보를 주고 받을 수도 있으나 아날로그신호를 통해 장치들과 정보를 주고 받을 수도 있다. 예를 들어, 통신부(220)는 제1분산전원(120)이 현재 출력하고 있는 전력량에 대한 정보를 0V ~ 5V 사이의 아날로그신호를 통해 수신할 수 있다.
제어부(230)는 메모리(210)에 저장되어 있는 각각의 분산전원들(120, 122, 124)에 대한 효율정보에 따라 분산전원들(120, 122, 124) 각각의 출력제어값을 계산한다.
여기서, 출력제어값은 분산전원들(120, 122, 124)의 출력량을 변경할 수 있는 제어값을 의미하는데, 예를 들어, 출력지령치가 이러한 출력제어값의 한 예이다. 출력지령치도 여러 가지 형태일 수 있는데, 예를 들어, 출력지령치는 출력량에 대한 지령치일 수도 있고, 출력전류에 대한 지령치일 수도 있으며, 출력전압에 대한 지령치일 수도 있다.
제어부(230)는 분산전원들(120, 122, 124)의 효율이 증가하는 방향으로 출력제어값을 계산한다.
도 3은 출력에 따른 분산전원의 효율 그래프를 나타낸다.
도 3의 (a)는 디젤발전기를 소스로 사용하는 제1분산전원(120)의 출력대비효율 그래프이다.
도 3의 (a)을 참조하면, 한 시점에서의 출력이 A에 해당될 때, 제1분산전원(120)의 출력이 증가하면(A1방향) 제1분산전원(120)의 효율은 증가한다. 반면에 같은 시점에서 제1분산전원(120)의 출력이 감소하면(A2방향) 제1분산전원(120)의 효율은 감소한다.
도 3의 (b)는 연료전지를 소스로 사용하는 제2분산전원(122)의 출력대비효율 그래프이다.
도 3의 (b)를 참조하면, 한 시점에서의 출력이 B에 해당될 때, 제2분산전원(122)의 출력이 증가하면(B1방향) 제2분산전원(122)의 효율은 감소한다. 반면에 같은 시점에서 제2분산전원(122)의 출력이 감소하면(B2방향) 제2분산전원(122)의 효율은 증가한다.
제어부(230)는 분산전원들(120, 122, 124)의 효율이 증가하는 방향으로 출력제어값을 계산하는데, 예를 들어, 한 시점에서 제1분산전원(120)은 A에 해당되는 전력을 발전하고 있고, 제2분산전원(122)은 B에 해당되는 전력을 발전하고 있는 경우, 제어부(230)는 제1분산전원(120)의 출력이 증가되고 제2분산전원(122)의 출력이 감소하도록 출력제어값을 계산하게 된다.
이렇게 제어부(230)가 제1분산전원(120)의 출력을 증가시키고 제2분산전원(122)의 출력을 감소시키면 전술한 바와 같이 두 분산전원(120, 122)에서 모두 효율이 증가하게 된다.
부하량이 일정 범위 내로 유지될 때, 제1분산전원(120)의 증가된 출력량만큼 제2분산전원(122)의 출력량을 감소시킴으로써 전술한 바와 같이 효율도 증가시키고 또한 부하량에 대응되는 총출력량도 일정한 범위 내로 유지할 수 있게 된다.
한편, 부하량이 증가하거나 감소하는 경우에 제어부(230)는 제1분산전원(120) 및 제2분산전원(122) 중 한 분산전원에 대한 출력제어값만 변경하여 분산전원들(120, 122, 124)의 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 부하량이 증가하는 경우, 제어부(230)는 제1분산전원(120)의 출력량이 증가하도록 제1분산전원(120)에 대한 출력제어값을 계산할 수 있다. 또한, 부하량이 감소하는 경우, 제어부(230)는 제2분산전원(122)의 출력량이 감소하도록 제2분산전원(122)에 대한 출력제어값을 계산할 수 있다.
도 4는 도 1의 제어장치의 제어 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 제어장치(150)는 분산전원들(120, 122, 124)의 효율정보에 따라 출력제어값을 계산한다(S410).
그리고, 제어장치(150)는 계산된 출력제어값을 분산전원들(120, 122, 124)로 전송한다(S420).
도 4에는 도시되지 않았으나 제어장치(150)는 다른 장치들과 정보를 송수신하는 다른 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어장치(150)는 출력제어값을 계산하는 단계(S410)에서 각 분산전원들(120, 122, 124)의 현재 출력량 정보를 사용할 수 있는데, 이를 위해, 제어장치(150)는 S410 단계 이전에 분산전원들(120, 122, 124)로부터 현재 출력량 정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 예로서, 제어장치(150)는 출력제어값을 계산하는 단계(S410)에서 부하량의 변동 정보를 사용할 수 있는데, 이를 위해, 제어장치(150)는 S410 단계 이전에 센싱장치(미도시)로부터 부하량 변동 정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5는 도 1의 제1서브실시예로서 출력제어값으로 출력량지령치를 전송하는 마이크로그리드 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제1서브실시예에 따른 시스템(500)은 도 1의 실시예와 마찬가지로 DC버스(110), 분산전원(120, 122, 124), 부하(140, 142), 컨버터들(130, 132, 134, 136, 138) 및 제어장치(150) 등을 포함할 수 있다.
도 5에서 DC버스(110)는 3개의 서브버스로 구성되고, 제1서브버스(112)에는 분산전원들(120, 122, 124)의 전력이 공급된다. 그리고, 제2서브버스(114)에는 부하들(140, 142)이 연결되고, 제1서브버스(112)와 제2서브버스(114)는 제3서브버스(116)를 통해 연결된다.
이러한 DC버스(110)의 구성에서 제3서브버스(116)에 흐르는 전력량만 파악되면, 분산전원들(120, 122, 124)과 부하들(140, 142) 사이에 주고 받는 전력량은 쉽게 파악된다.
제1서브실시예에 따른 시스템(500)은 제3서브버스(116)에 흐르는 전력량을 파악하기 위해 전력센서(560) 혹은 전류센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어장치(150)는 이러한 전력센서(560) 혹은 전류센서(미도시)를 통해 획득되는 전력량(Pload) 혹은 전류량에 따라 부하량을 계산할 수 있다. 그리고, 제어장치(150)는 이러한 부하량 및 메모리(210)에 저장된 효율정보를 이용하여 각각의 분산전원들(120, 122, 124)에 대한 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산한다.
제어장치(150)는 수학식 1을 만족하도록 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
ηi()는 i번째 분산전원의 효율함수.
한편, 제어장치(150)는 부하량에 따라 분산전원들(120, 122, 124) 전체의 효율이 최대가 되는 분산전원들(120, 122, 124) 각각의 출력량을 매핑정보로서 저장하고 있으면서 이러한 매핑정보를 이용하여 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수도 있다.
도 6은 부하량 대비 최대 효율 출력량의 매핑 그래프이다.
도 6을 참조할 때, 부하량의 증가에 따라 초기에는 디젤발전기로 발전하고, 이후 연료전지와 에너지저장장치(예를 들어, 배터리)를 가동하는 것이 분산전원들 전체를 최대 효율로 가동하는 것이다.
도 6은 부하량 대비 최대 효율 출력량 매핑정보의 일 예이지만, 시스템 설계자 혹은 운영자는 실험 혹은 계산을 통해 이러한 매핑정보를 획득할 수 있다.
제어장치(150)는 이러한 매핑정보를 메모리(210)에 저장하고 있으면서 부하량에 따라 분산전원들(120, 122, 124) 전체의 효율이 최대가 되는 분산전원들(120, 122, 124) 각각의 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조할 때, 부하량이 Pc에 해당되는 경우, 매핑정보에 따르면, 디젤발전기를 사용하는 제1분산전원(120)의 출력량을 Pc1으로, 연료전지를 사용하는 제2분산전원(122)의 출력량을 Pc2로, 배터리를 사용하는 제3분산전원(120)의 출력량을 Pc3로 설정하는 것이 분산전원들(120, 122, 124)을 최대 효율로 가동하는 것이 된다. 이에 따라, 제어장치(150)는 Pc1, Pc2 및 Pc3를 각각 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)로 하여 각각의 분산전원들(120, 122, 124)로 전송할 수 있다.
한편, 제어장치(150)는 분산전원의 용량 순서에 따라 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1분산전원(120), 제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)은 모두 부하량의 증가에 따라 효율이 증가하다가 일정 지점(최대 효율점)을 지나면 부하량의 증가에 따라 효율이 감소하는 특성을 가질 수 있다-도 3 참조. 이때, 제어장치(150)는 용량의 순서에 따라 용량이 가장 큰 제1분산전원(120)이 최대 효율점에서 운전되도록 제1분산전원(120)에 대한 출력량지령치(P1_ref)를 계산하고, 잔여 부하량에 대하여 다음 용량이 큰 제2분산전원(122)이 최대 효율점에서 운전되도록 제2분산전원(122)에 대한 출력량지령치(P2_ref)를 계산하며, 제3분산전원(124)에 대한 출력량지령치(P3_ref)가 최종 잔여 부하량에 해당되도록 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
한편, 부하변동폭이 일정 범위 이내에 있는 상태를 정상상태로 할 때, 제어장치(150)는 이러한 정상상태에서 각각의 분산전원들(120, 122, 124)의 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 변경하여 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 정상상태가 된 한 시점에서 제1분산전원(120)의 효율이 제2분산전원(122)의 효율보다 높을 때, 제어장치(150)는 제1분산전원(120)의 출력량지령치(P1_ref)를 증가시키고 제2분산전원(122)의 출력량지령치(P2_ref)를 감소시킬 수 있다. 제어장치(150)가 이렇게 출력량지령치를 변경할 경우, 효율이 높은 제1분산전원(120)의 출력이 증가하고 효율이 낮은 제2분산전원(122)의 출력이 감소하여 전체적으로 효율이 높아지게 된다. 물론 이때, 부하변동폭이 일정 범위 이내에 있음으로 분산전원들(120, 122, 124)의 출력변동폭도 일정 범위 이내에 있어야 한다. 이에 따라, 제어장치(150)는 제1분산전원(120)의 증가된 출력량이 제2분산전원(122)의 감소된 출력량과 실질적으로 동일 혹은 유사하도록 출력량지령치를 계산한다.
부하량에 변동이 있는 경우에 제어장치(150)는 부하량 변동 정보에 따라 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
예를 들어, 제어장치(150)는 부하량 증가에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 양의 값을 갖는 분산전원의 출력량지령치를 증가시키고 부하량 감소에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 음의 값을 갖는 분산전원의 출력량지령치를 감소시키는 방향으로 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 한 시점에서 A의 출력을 나타내는 제1분산전원(120)의 출력대비효율의 기울기(Ka) 혹은 미분값은 양의 값이고 B의 출력을 나타내는 제2분산전원(122)의 출력대비효율의 기울기(Kb) 혹은 미분값은 음의 값이다.
이때, 제어장치(150)는 부하량 증가에 대하여 제1분산전원(120)의 출력량지령치(P1_ref)를 증가시키고 부하량 감소에 대하여 제2분산전원(122)의 출력량지령치(P2_ref)를 감소시키는 방향으로 출력량지령치(P1_ref, P2_ref, P3_ref)를 계산할 수 있다.
한편, 분산전원들(120, 122, 124)은 드룹(Droop)제어를 수행할 수 있다.
도 7은 분산전원에서의 드룹제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)는 부하전류대비 DC버스전압을 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 부하량(iload)의 증가에 따라 DC버스(110)의 전압(VDC)은 하강한다.
분산전원들(120, 122, 124)은 이러한 DC버스전압(VDC)의 특성에 따라 드룹 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 이러한 분산전원들(120, 122, 124)은 DC버스전압(VDC)이 감소하면 부하량(iload)이 증가한 것으로 판단하여 출력전류를 증가시키고 반대로 DC버스전압(VDC)이 증가하면 부하량(iload)이 감소한 것으로 판단하여 출력전류를 감소시킨다.
도 7의 (b)는 드룹제어를 수행하는 분산전원에서의 DC버스전압(VDC) 대비 출력전류(io)를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (b)를 참조하면, 이러한 분산전원은 DC버스전압(VDC)이 증가하면 출력전류(io)를 감소시키고 DC버스전압(VDC)이 감소하면 출력전류(io)를 증가시키는 방향으로 드룹제어를 수행한다.
드룹제어에서는 드룹게인(Droop Gain, DG)이 사용될 수 있다. 드룹게인(DG)은 입력대비출력의 기울기 혹은 미분값에 해당된다.
도 7의 (b)를 참조할 때, 드룹게인(DG)의 절대값이 크면 출력전류(io)가 DC버스전압(VDC)의 변동에 민감하게 반응하게 되고, 드룹게인(DG)의 절대값이 작으면 출력전류(io)가 DC버스전압(VDC)의 변동에도 크게 변하지 않게 된다.
제어장치(150)는 출력제어값을 이러한 드룹게인으로 설정하여 분산전원들(120, 122, 124)의 출력을 제어할 수 있다.
도 8은 도 1의 제2서브실시예로서 출력제어값으로 드룹게인을 전송하는 마이크로그리드 시스템의 구성도이고, 도 9는 마이크로그리드 시스템이 드룹게인으로 분산전원들을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 제2서브실시예에 따른 시스템(800)은 도 1의 실시예와 마찬가지로 DC버스(110), 분산전원(120, 122, 124), 부하(140, 142), 컨버터들(130, 132, 134, 136, 138) 및 제어장치(150) 등을 포함할 수 있다.
제2서브실시예에 따른 시스템(800)은 DC버스(110)의 전압(VDC)을 파악하기 위해 전압센서(860)를 더 포함할 수 있다. 이때, 제어장치(150)는 DC버스전압(VDC)의 변동을 통해 부하량의 변동을 파악할 수 있다(도 7에 대한 설명 참조). 혹은 제어장치(150)는 전류센서 혹은 전력센서를 더 포함하고 있으면서 이러한 전류센서 혹은 전압센서를 통해 부하량의 변동을 직접 파악할 수도 있다.
제어장치(150)는 이러한 DC버스전압(VDC) 혹은 부하량 및 메모리(210)에 저장된 효율정보를 이용하여 각각의 분산전원들(120, 122, 124)에 대한 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 계산한다.
도 9을 참조하면, 제어장치(150)는 분산전원들(120, 122, 124) 각각에 대한 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하고, 이렇게 계산된 드룹게인을 분산전원들(120, 122, 124)로 전송한다(S910). 여기서, 드룹게인(DG1, DG2, DG3)이 제어장치(150)에 의해 계산되는 것으로 설명하였으나 이는 다른 장치에 의해 계산될 수 있다. 예를 들어, 분산전원들(120, 122, 124) 중 한 분산전원이 이러한 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 계산할 수도 있다. 이때, 이러한 분산전원을 마스터 분산전원이라 하고 다른 분산전원을 슬레이브 분산전원이라고 할 수 있다.
그리고, 각각의 분산전원들(120, 122, 124)은 이렇게 계산된 드룹게인에 따라 드룹제어를 수행할 수 있다(S920).
구체적인 예로서, 제어장치(150)는 DC버스전압(VDC)의 변동 혹은 부하량의 변동이 있는 경우, 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 변경하여 분산전원들(120, 122, 124)의 총효율이 증가하게 할 수 있다.
예를 들어, 제어장치(150)는 DC버스전압(VDC)의 감소 혹은 부하량 증가에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 양의 값을 갖는 분산전원의 드룹게인 절대값을 증가시킬 수 있다. 반대로, 제어장치(150)는 DC버스전압(VDC)의 증가 혹은 부하량 감소에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 음의 값을 갖는 분산전원의 드룹게인 절대값을 감소시킬 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 한 시점에서 A의 출력을 나타내는 제1분산전원(120)의 출력대비효율의 기울기(Ka) 혹은 미분값은 양의 값이고 B의 출력을 나타내는 제2분산전원(122)의 출력대비효율의 기울기(Kb) 혹은 미분값은 음의 값이다.
이때, 제어장치(150)는 부하량 증가에 대하여 제1분산전원(120)의 드룹게인(DG1)의 절대값을 증가시키고 부하량 감소에 대하여 제2분산전원(122)의 드룹게인(DG2)의 절대값을 감소시키는 방향으로 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 계산할 수 있다.
한편, 부하변동폭이 일정 범위 이내에 있는 상태를 정상상태로 할 때, 제어장치(150)는 이러한 정상상태에서 각각의 분산전원들(120, 122, 124)의 드룹게인(DG1, DG2, DG3)를 변경하여 효율을 증가시킬 수 있다.
도 10은 분산전원들의 드룹게인을 변경하는 것을 나타내는 도면이다.
마이크로그리드 시스템(800)이 정상상태에 있는 한 시점에서 제1분산전원(120)의 효율이 제2분산전원(122)의 효율보다 높은 경우, 제어장치(150)는 제1분산전원(120)의 드룹게인(DG1) 절대값을 증가시키고 제2분산전원(122)의 드룹게인(DG2) 절대값을 감소시킬 수 있다.
이때, 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 변경하기 전의 정상상태를 제1정상상태라고 하고 드룹게인(DG1, DG2, DG3)을 변경한 후에 부하변동폭이 일정 범위 이내로 들어온 시점을 제2정상상태라고 할 때, 제어장치(150)는 제1정상상태와 제2정상상태에서 분산전원들(120, 122, 124) 각각에 대한 드룹게인(DG1, DG2, DG3)의 총합을 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 도 9에서 제1정상상태에서 제1분산전원(120), 제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)의 드룹게인이 DG1, DG2 및 DG3이고, 제2정상상태에서 제1분산전원(120), 제2분산전원(122) 및 제3분산전원(124)의 드룹게인이 DG1-1, DG2-1 및 DG3(DG3는 변동없음)일 때, 다음과 같은 수식이 성립할 수 있다.
Figure pat00002
한편, 제어장치(150)는 한 시점에서 제1분산전원(120)의 효율이 제2분산전원(122)의 효율보다 높은 경우, 제1분산전원(120)의 드룹게인(DG1) 절대값을 제2분산전원(122)의 드룹게인(DG2) 절대값보다 크게 함으로써 분산전원들(120, 122, 124) 전체의 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 시스템(100)은 분산전원들(120, 122, 124)과 DC버스(110) 사이에 컨버터들(130, 132, 134)를 위치시킬 수 있는데, 이러한 컨버터들(130, 132, 134)은 분산전원들(120, 122, 124)의 변동하는 출력 전압 및 출력 주파수를 입력받아 일정 전압의 DC버스전압(VDC)으로 변환하는 역할을 수행한다.
앞서 설명한 바와 같이 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 효율을 증대시키기 위해 정상상태에서도 각 분산전원의 출력을 변경할 수 있다. 이렇게 출력을 변경하게 되면, 분산전원들(120, 122, 124)의 출력 전압 및 출력 주파수는 광범위하게 변동할 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 분산전원들(120, 122, 124)과 DC버스(110) 사이에 컨버터들(130, 132, 134)를 위치시킴으로써 이러한 광범위한 출력 전압 혹은 출력 주파수의 변동을 모두 커버할 수 있게 된다.
이에 따라 내연기관발전기인 디젤발전기를 사용하는 제1분산전원(120)은 제1컨버터(130)의 입력 전압 범위 혹은 입력 주파수 범위에서 최대 효율이 되는 속도로 운전할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 둘 이상의 분산전원들의 각각의 효율 특성에 맞추어 제어함으로써 마이크로그리드 시스템의 효율을 최적화하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, DC버스와 분산전원 사이에 컨버터들을 위치시킴으로써 출력에 따라 전압범위 혹은 주파수범위가 넓어지는 분산전원을 최적의 효율로 운전하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, DC버스를 둘 이상의 서브버스로 형성하고 각각의 서브버스에 분산전원과 부하를 분리 배치하여 부하량을 쉽게 파악할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 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.

Claims (18)

  1. 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보를 저장하는 메모리;
    상기 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하는 제어부; 및
    상기 드룹게인을 포함하는 제어정보를 상기 분산전원들 중 일부 혹은 전부로 전송하는 통신부
    를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    부하량 증가에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 양의 값을 갖는 분산전원의 드룹게인 절대값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 분산전원들의 총효율이 증가하도록 상기 드룹게인을 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로그리드 시스템이 제1정상상태에서 제2정상상태로 천이할 때,
    상기 제어부는,
    상기 제1정상상태와 상기 제2정상상태에서 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인의 총합을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    부하변동폭이 일정 범위 이내에 있고, 제1분산전원의 효율이 제2분산전원의 효율보다 높을 때,
    상기 제어부는,
    상기 제1분산전원의 드룹게인을 상기 제2분산전원의 드룹게인보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  6. 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각에 대한 드룹게인(Droop Gain)을 계산하는 단계; 및
    상기 분산전원들 각각이 상기 드룹게인에 따라 드룹 제어를 수행하는 단계
    를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 드룹게인을 계산하는 단계에서,
    부하변동폭이 일정 범위 이내에 있고, 제1분산전원의 효율이 제2분산전원의 효율보다 높을 때,
    상기 제1분산전원의 드룹게인을 상기 제2분산전원의 드룹게인보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어방법.
  8. 복수의 분산전원들을 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보를 저장하는 메모리;
    상기 효율정보에 따라 상기 분산전원들의 총효율이 증가하도록 상기 분산전원들 각각에 대한 출력량지령치을 계산하는 제어부; 및
    상기 출력량지령치을 포함하는 제어정보를 상기 분산전원들 중 일부 혹은 전부로 전송하는 통신부
    를 포함하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    부하량 증가에 대하여 출력대비효율의 미분값 혹은 기울기가 양의 값을 갖는 분산전원의 출력량지령치를 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  10. 제8항에 있어서,
    부하변동폭이 일정 범위 이내에 있고, 제1분산전원의 효율이 제2분산전원의 효율보다 높을 때,
    상기 제어부는,
    상기 제1분산전원의 출력량지령치를 증가시키고 상기 제2분산전원의 출력량지령치를 감소시키는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    용량이 큰 순서대로 분산전원들 중 일부가 최대 효율에서 운전되도록 상기 분산전원들 각각에 대한 출력량지령치를 계산하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템 제어장치.
  12. DC전압이 형성되는 DC버스;
    상기 DC버스로 전력을 공급하고 상기 DC전압의 변동에 따라 드룹(Droop) 제어를 수행하는 복수의 분산전원들; 및
    상기 분산전원들 각각에 대한 효율정보에 따라 상기 분산전원들 각각의 출력제어값을 계산하고 상기 출력제어값을 이용하여 상기 분산전원들의 출력량을 제어하는 제어장치
    를 포함하는 DC마이크로그리드 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 출력제어값은 상기 분산전원들 각각의 드룹게인 혹은 출력량지령치인 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    부하변동폭이 일정 범위 이내에 있고, 제1분산전원의 효율이 제2분산전원의 효율보다 높을 때,
    상기 제어장치는,
    상기 제1분산전원의 출력제어값을 상기 제2분산전원의 출력제어값보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 분산전원들 각각의 출력을 변환하여 상기 DC버스로 공급하는 복수의 전력변환기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 분산전원들 중 제1분산전원은 내연기관발전기이고,
    상기 제1분산전원은,
    상기 제1분산전원의 출력을 변환하여 상기 DC버스로 공급하는 제1컨버터의 입력 전압 범위 혹은 입력 주파수 범위에서 최대 효율이 되는 속도로 운전되는 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 DC버스는 상기 복수의 분산전원들의 전력이 공급되는 제1서브버스, 부하들이 연결되는 제2서브버스 및 상기 제1서브버스와 상기 제2서브버스를 연결하는 제3서브버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제3서브버스에 흐르는 전류량에 따라 부하량을 계산하고, 상기 부하량에 따라 상기 분산전원들 각각의 출력제어값을 계산하는 것을 특징으로 하는 DC마이크로그리드 시스템.
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