KR20160081216A - 독립형 마이크로그리드 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 독립형 마이크로그리드 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존의 EMS 독립형 마이크로그리드 시스템의 단점을 극복하기 위해 보다 저렴하고 효율적인 운영이 가능한 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 부하에 전원을 공급하여 방전하거나, 또는 충전이 가능한 배터리 에너지 저장 장치; 부하에 전원을 공급하거나, 또는 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 신재생 에너지원; 및, 부하에 전원을 공급하거나, 또는 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 디젤 엔진 발전 장치를 포함하고, 배터리 에너지 저장 장치가 신재생 에너지원 및 디젤 엔진 발전 장치를 직접 제어하는 독립형 마이크로그리드 시스템을 개시한다.

Description

독립형 마이크로그리드 시스템{Independent type microgrid system}
본 발명의 일 실시예는 독립형 마이크로그리드 시스템에 관한 것이다.
도서(섬) 지역의 경우 기존의 배전 선로를 통한 전력 공급이 불가능하거나 배전 선로를 설치하는데 비용이 너무 많이 소요된다. 그렇기 때문에 도서(섬) 지역에는 디젤 엔진 발전 장치를 이용한 자체적인 전력을 공급해 오고 있다. 하지만 디젤 엔진 발전 장치만을 이용한 전력 공급은 환경 오염 문제와 연료비 상승, 그리고 디젤 엔진 발전 장치의 효율을 고려하지 않는 운전 등에 의해 원활한 운영이 이루어지지 않는다. 디젤 엔진 발전 장치는 정격 전력으로 동작하지 않을 때 효율이 감소한다. 최근 디젤 엔진 발전 장치의 문제점을 인식하고 해결하기 위해 마이크로그리드 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있다. 독립형 마이크로그리드 시스템은 신재생 에너지원의 하나인 태양 전지 발전 장치(PV : Photovoltaic), 배터리 에너지 저장 장치(BESS : Battery Energy Storage System) 등이 기존의 디젤 엔진 발전 장치(디젤DG : Diesel Generator)와 병렬로 결합되어 상호 동작을 수행한다. 기존 도서(섬) 지역에서는 디젤 엔진 발전 장치에서 전원을 공급하였지만 독립형 마이크로그리드 시스템을 적용함에 따라 배터리 에너지 저장 장치에서 주전원을 공급하고 디젤 엔진 발전 장치, 태양 전지 발전 장치 등은 병렬로 연결되어 운전한다. 이러한 독립형 마이크로그리드 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 전체 시스템을 제어하는 EMS(Energy Monitoring System)가 반드시 필요하다.
많은 도서(섬) 지역에 EMS 독립형 마이크로그리드 시스템의 설치가 증가하고 있지만, 기존의 EMS 제어기는 상위 제어기로서 하위 제어기인 디젤 엔진 발전 장치, 태양 전지 발전 장치, 배터리 에너지 저장 장치 등과 통신선으로 연결되어야 하므로 이에 따른 설치, 유지, 보수에 대한 경비가 추가적으로 필요하다.
또한 통신이 두절되었을 경우 EMS 독립형 마이크로그리드 시스템의 운영 및 제어가 불가능하다. 아울러 EMS 통신선의 현장 설치가 용이하지 않다는 단점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 독립형 마이크로그리드 시스템을 제공하는데 있다. 즉, 본 발명은 기존의 EMS 독립형 마이크로그리드 시스템의 단점을 극복하기 위해 보다 저렴하고 효율적인 운영이 가능한 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템을 제공한다. 다르게 설명하면, 중앙의 제어장치(EMS) 없이 배터리의 PCS(Power Conditioning System) 만으로 독립형 마이크로그리드 시스템을 구성하고, 또한 그에 따른 구체적인 운영 방법을 제공한다.
본 발명은 EMS(Energy Monitoring System)가 없는 독립형 마이크로그리드 시스템에 있어서, 부하에 전원을 공급하여 방전하거나, 또는 충전이 가능한 배터리 에너지 저장 장치; 상기 부하에 전원을 공급하거나, 또는 상기 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 신재생 에너지원; 및, 상기 부하에 전원을 공급하거나, 또는 상기 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 디젤 엔진 발전 장치를 포함하고, 상기 배터리 에너지 저장 장치가 상기 신재생 에너지원 및 디젤 엔진 발전 장치를 직접 제어하는 독립형 마이크로그리드 시스템을 제공한다.
상기 신재생 에너지원은 태양 전지 발전 장치, 풍력 발전 장치 또는 연료 전지 발전 장치일 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장 장치는 발전량, 부하량 및 배터리 잔존 용량에 따라, 정상 운전 모드, 과전압 방지 모드, 충전 운전 모드, 수동 운전 모드 또는 부하 차단 모드로 상기 배터리 에너지 저장 장치, 신재생 에너지원, 디젤 엔진 발전 장치 또는 부하를 제어할 수 있다.
상기 정상 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는, 배터리가 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 방식으로 충전 또는 방전되도록 하고, 상기 신재생 에너지원이 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking) 방식으로 발전하도록 하며, 상기 디젤 엔진 발전 장치를 턴오프할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장 장치는 배터리 잔존 용량이 98 %를 초과하거나, 상기 신재생 에너지원에 의해 계통 전압이 110 %를 초과할 경우 상기 과전압 방지 모드를 수행할 수 있다.
상기 과전압 방지 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 신재생 에너지원 또는 상기 디젤 엔진 발전 장치를 턴오프할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장 장치는 배터리 잔존 용량이 10 %보다 작을 경우 상기 충전 운전 모드를 수행할 수 있다.
상기 충전 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 신재생 에너지원 또는 디젤 엔진 발전 장치를 턴온하여 배터리가 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 방식으로 충전되도록 할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 디젤 엔진 발전 장치가 최대 효율 점에서 발전하도록 제어할 수 있다.
상기 수동 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 신재생 에너지원 또는 상기 디젤 엔진 발전 장치만이 부하에 전원을 공급하도록 하고, 남는 전원으로 배터리를 충전하도록 할 수 있다.
상기 발전량과 부하량이 일치하기 않거나, 상기 신재생 에너지원의 고장, 상기 디젤 엔진 발전 장치의 고장 또는 배선 선로의 고장 시 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 부하 차단 모드를 수행하되, 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 부하에 연결된 부하 차단기를 동작시킬 수 있다.
도서(섬) 지역의 경우 기존의 배전 선로를 통한 전력 공급이 불가능하기에, 디젤 엔진 발전 장치를 이용한 자체적인 전력을 공급해 오고 있지만, 디젤 엔진 발전 장치 만의 이용에 따른 환경 오염 문제와 연료비 상승, 그리고 디젤 엔진 발전 장치의 낮은 효율이 문제되고 있다. 그러나, 본 발명에 따르면 신재생 에너지원의 하나인 태양 전지 발전 장치 및 배터리 에너지 저장 장치를 디젤 엔진 발전 장치와 병렬로 결합하여 상호 동작을 수행하도록 하고, 배터리 에너지 저장 장치에서 주전원을 공급하도록 하며, 태양 전지 발전 장치와 디젤 엔진 발전 장치가 보조 전원으로 동작하도록 함으로써, 디젤 엔진 발전 장치의 운전 시간이 감소하고, 디젤 엔진 발전 장치의 구동 시 최대 효율점 운전으로 디젤 엔진 발전 장치의 효율이 상승하는 효과가 있다.
또한, EMS 독립형 마이크로그리드 시스템에서는 통신을 통해 디젤 엔진 발전 장치, 태양 전지 발전 장치 및 배터리 에너지 저장 장치를 운영 및 제어하여야 함으로써, 통신 두절 시 독립형 마이크로그리드 시스템의 운영 및 제어가 불가능한 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면 배터리 에너지 저장 장치의 PCS에서 EMS의 역할을 대신 수행하여 EMS 없이도 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템의 운전이 가능하다. 또한, 본 발명은 배터리 에너지 저장 장치의 PCS에서 온/오프(on/off) 기능을 갖는 디지털 입/출력 부재(I/O)의 신호로 태양 전지 발전 장치 및 디젤 엔진 발전 장치로의 운전 명령이 가능하다. 더불어, 본 발명에서는 EMS 통신이 필요하지 않다.
한편, 전력 계통에서 디젤 엔진 발전 장치 고장, 신재생 에너지원 고장, 배전 선로 고장 등과 같은 외란이 발생하여 일부 발전 전력의 탈락 등으로 전력 계통에서 발전 전력과 부하량의 평형이 일치하지 않으면 과도적으로 배터리 에너지 저장 장치의 과부하 운전으로 배터리 에너지 저장 장치가 손상될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 로드 쉐딩(Load shedding) 기능을 수행하며, 일례로 발전단과 부하단의 연결 지점에 차단기(CB : Circuit Breaker)가 설치되어 있으며 로드 쉐딩(Load shedding) 시 상술한 차단기를 턴오프하여 시스템을 보호하도록 한다. 여기서, 태양 전지 발전 장치와 디젤 엔진 발전 장치의 동작은 배터리 에너지 저장 장치에서 관리하기에 배터리 에너지 저장 장치는 세 발전단의 상태를 항상 확인하며, 부하 차단기의 온/오프 명령은 배터리 에너지 저장 장치에서 담당하게 된다.
도 1은 종래의 EMS 독립형 마이크로그리드 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 EMS가 없는 독립형 마이크로그리드 시스템의 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 독립형 마이크로그리드 시스템 중에서 배터리 에너지 저장 장치의 세부 회로도이다.
도 4는 본 발명의 독립형 마이크로그리드 시스템 중에서 배터리 에너지 저장 장치의 CVCF 제어 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 독립형 마이크로그리드 시스템 중에서 배터리 에너지 저장 장치의 CC-CV 제어 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 운전 상태도이다.
도 7은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 정상 운전 모드 시 전력 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 정상 운전 모드 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 과전압 방지 모드 시 전력 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 과전압 방지 모드 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 충전 운전 모드 시 전력 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 충전 운전 모드 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 수동 운전 모드 시 전력 흐름도이다.
도 14는 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템의 수동 운전 모드 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
전력 계통에 연결되어 있지 않은 소규모 섬이나 오지에서는 전력을 공급하기 위해 디젤 엔진 발전 장치를 사용한다. 섬 지역에 전력을 공급하는 디젤 엔진 발전 장치는 효율 및 연료의 문제를 안고 있지만 신재생 에너지를 이용한 마이크로그리드 시스템을 적용하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. 일반적으로 독립형 마이크로그리드 시스템에는 EMS라는 상위 제어기에서 신재생 에너지원의 동작을 제어하지만, 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템에서는 EMS를 사용하지 않고 PCS 자체에서 EMS 기능을 수행할 수 있으며, 이를 본 발명에서 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템이라 정의한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 구성을 간략하게 나타낸다. EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)은 태양 전지 발전 장치(110), 배터리 에너지 저장 장치(120), 디젤 엔진 발전 장치(130) 및 부하(140)를 포함하며, 그 외에 다수의 신재생 에너지원(예를 들면, 풍력 발전 장치, 연료 전지 발전 장치 등)이 연결될 수 있다. EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)은 EMS라는 상위 제어기가 없기 때문에 배터리 에너지 저장 장치(120)가 소규모 EMS 기능을 대신 수행하며, 이러한 배터리 에너지 저장 장치(120)가 태양 전지 발전 장치(110)와 디젤 엔진 발전 장치(130)의 구동 명령을 담당한다. 도면 중 미설명 부호 141은 부하 차단기이다.
도 3은 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100) 중 배터리 에너지 저장 장치(120)에 대한 구성 및 제어 방식을 나타내며, 배터리 에너지 저장 장치(120)는 배터리(121), 3상 DC-AC 인버터(122), LC 필터(123) 그리고 변압기(124)를 포함한다. 도 3에서 미설명 부호 125는 CVCF(Contant Voltage Constant Frequency) 제어 신호 입력부, 126은 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 제어 신호 입력부, 127은 DSP 컨트롤 보드, 128은 PWM 게이트 드라이버이다.
도 6을 참조하면, 정상적으로 동작하고 있는 배터리 에너지 저장 장치(120)는 CVCF 제어를 수행하여 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 기본 전원으로 동작한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)를 전압원으로 사용하는 이유는 디젤 엔진 발전 장치(130)의 동작 횟수 및 시간을 최소화함에 있다. 반면에 수동 운전 시 배터리 에너지 저장 장치(120)는 전류형으로 동작하여 디젤 엔진 발전 장치(130)를 통해 배터리를 충전한다.
도 6에서 B는 BESS를 의미하며 이는 배터리 에너지 저장 장치이고, P는 PV를 의미하며 이는 태양 전지 발전 장치이며, D는 DG를 의미하며 이는 디젤 엔진 발전 장치이다.
도 4는 정상 운전 모드, 과전압 방지 모드 및/또는 충전 운전 모드에서의 배터리 에너지 저장 장치(120)의 제어 블록도이다. 배터리 에너지 저장 장치(120)가 전력을 공급하는 경우 CVCF 제어를 수행한다. 도 4는 전압 제어기로 동작하며, 3상 커패시터 전압을 측정하여 동기 좌표계로 변환한 후 기준 지령값 V* de, V* qe와 비교하여 에러값을 PI 제어기로 제어한다. PI 제어기의 출력은 3상 좌표계로 변환하여 3상 DC-AC 인버터의 PWM의 명령으로 출력된다. q축 제어기 출력에 -Vpeak만큼 전향 보상 성분을 추가하여 PI 제어기의 부담을 감소시킨다.
도 5는 수동 운전 모드에서의 배터리 에너지 저장 장치(120)의 제어 블록도이다. 수동 운전 모드는 디젤 엔진 발전 장치(130)가 전력을 공급하고 배터리 에너지 저장 장치(120)는 계통 연계형으로 디젤 엔진 발전 장치(130)가 생성하는 전압으로 배터리를 충전한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)는 계통 연계형으로 동작하여 배터리 충전을 수행하고 CC-CV 제어를 수행하게 된다. 따라서 전압 제어와 전류 제어로 동작하게 된다. 배터리를 일정한 전압(V* dc)까지 PI 제어기를 통해 제어하고 그 출력은 DC 전류의 지령값이 된다. DC 전류 지령값(I* dc)을 AC 전류 지령값(I* qe)으로 변환하여 PI 전류 제어기로 3상 DC-AC 인버터의 PWM 지령 값을 만들고 배터리 에너지 저장 장치(120)를 제어하게 된다. 전압 제어기의 출력에 리밋(Limit) 성분은 배터리로 유입되는 전류의 크기를 제한하기 위해 사용하고, PI 전류 제어기의 모든 제어는 동기 좌표계에서 이루어지며 인덕터(ωL)에 의한 전류 위상차를 고려한다.
디젤 엔진 발전 장치(130)는 평상시에는 정지해 있지만 배터리 에너지 저장 장치(120)의 배터리 잔존 용량(SOC : State of Charge)이 부족할 경우 배터리 에너지 저장 장치(120)의 충전용으로 최대 효율점에서 운전하거나 부조일이 지속될 때 수동 운전 모드로 전환되어 CVCF 동작을 수행하며 전압원으로 운영된다.
태양 전지 발전 장치(110)는 전류형으로 동작하며, 태양 전지 발전 장치(110)의 발전량은 낮에 최대 전력점(Maximum Power Point)에서 운전하지만, 밤이나 부조일에 정지한다. 태양 전지 발전 장치(110)는 계통 전압의 상승 시 발전량을 제한하는 과전압 방지 기능을 포함한다.
상술한 바와 같이 도 6은 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 운전 방법에 대한 전체 블록도이다.
EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)은 태양 전지 발전 장치(110), 배터리 에너지 저장 장치(120) 및 디젤 엔진 발전 장치(130)의 동작이 서로 연관되어 있으며, 다음의 외적인 요소에 따라 운영 방법이 달라진다.
외적인 요소는 발전량 또는 일사량, 일사량과 부하와의 관계, 배터리 잔존 용량으로 이 3가지 요소를 고려하여 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 운영 방법을 구분할 수 있다.
도 3에서의 정상 운전 모드, 과전압 방지 모드 및/또는 충전 운전 모드는 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100) 운전 시 정상적으로 동작하는 경우를 말하지만 외적인 요소에 따라 구분된 것이다.
EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)은 평상 시 정상 운전 모드에서 동작을 하지만, 배터리 잔존 용량이 대략 98% 이상 증가하거나 태양 전지 발전 장치(110)의 과전압 방지 기능이 제대로 동작하지 않아 계통 전압이 대략 110% 이상 증가하게 되면 과전압 방지 모드로 전환된다. 과전압 방지 모드에서는 태양 전지 발전 장치(110)가 정지하고, 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 부하(140)에 전력을 공급하게 되며, 배터리 SOC가 90% 이하로 감소하면 과전압 방지 모드에서 정상 운전 모드로 전환된다. 여기서, 상술한 잔존 용량의 수치 및 계통 전압의 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례에 불과하며, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
반면에 정상 운전 모드에서 동작하던 시스템(100)이 배터리 SOC가 대략 10% 이하로 감소하면 충전 운전 모드로 전환된다. 충전 운전 모드로 전환되면 배터리 에너지 저장 장치(120)의 PCS에서 디젤 엔진 발전 장치(130)를 구동시키며 태양 전지 발전 장치(110)와 디젤 엔진 발전 장치(130)를 발전하여 부하(140)에 전력을 공급한다. 이때 남는 전력을 배터리 에너지 저장 장치(120)의 충전 모드를 통해 배터리를 충전하며, 배터리의 SOC가 대략 95% 이상 도달 시 충전 운전 모드를 중단하고 정상 운전 모드로 전환된다. 마찬가지로, 상술한 잔존 용량의 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례에 불과하며, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
수동 운전 모드는 기상 악화로 인해 부조일이 장기간 지속될 때, 배터리 에너지 저장 장치(120)의 한정된 용량으로 오랜 시간동안 부하(140)에 전력을 공급할 수 없고, 태양 전지 발전 장치(110)의 발전이 이루어지지 않기 때문에, 디젤 엔진 발전 장치(130)를 사용하여 부하(140)에 전력을 공급하는 운전 모드이다. 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 수행하던 전력 공급을 중단하고, 디젤 엔진 발전 장치(130)에서 CVCF 제어를 수행하며 최대 효율점 운전을 통해 부하(140)에 전력을 공급한다. 디젤 엔진 발전 장치(130)의 발전 전력과 부하(140)의 요구 전력 차이를 배터리에 충전하여 SOC를 가득 충전한다. 배터리 SOC가 대략 95%까지 충전되는 동안 부조일이 지속될 경우 배터리 에너지 저장 장치(120)는 정지하고 디젤 엔진 발전 장치(130)만 동작하게 된다. 부조일이 종료되면 수동 운전 모드에서 정상 운전 모드로 전환된다. 마찬가지로, 상술한 잔존 용량의 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례에 불과하며, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
도 7은 정상 운전 모드에서의 전력 흐름을 나타낸다. 정상 운전 모드는 하루 일과동안 해가 뜨고 다시 해가 지는 날씨에서 운전하는 모드로, EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 운전하는데 큰 외적인 문제없이 동작하는 모든 영역을 말한다.
이때의 배터리 에너지 저장 장치(120)는 CVCF 제어를 통해 배터리를 충방전하고, 태양 전지 발전 장치(110)는 일사량에 따라 발전량을 조절하는 최대 출력 추종 제어(MPPT:Maximum Power Point Tracking)를 수행하거나 일사량이 없을 때에는 정지하게 되며, 이때 디젤 엔진 발전 장치(130)는 동작하지 않는다.
도 8은 정상 운전 모드에서의 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100) 운영되는 방법이다.
정상운전 중 주간에는 태양 전지 발전 장치(110)가 MPPT 제어를 수행하며 계통 연계형으로 동작하고, 이때의 계통은 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 만들어주는 전압을 기준으로 한다. 일사량의 변화에 따라 태양 전지 발전 장치(110)에서 발전하는 전력과 부하(140)에 필요한 전력의 차이에 의해 정상 운전 모드에서의 세부 동작이 구분된다.
태양 전지 발전 장치(110)에서 발전하는 전력이 부하(140)에 필요한 전력보다 많은 한낮에는 태양 전지 발전 장치(110)에서 발전하는 전력을 부하(140)로 공급하고 남는 전력을 배터리 에너지 저장 장치(120)를 충전하는데 사용한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)가 충전 모드로 동작하면, 배터리 에너지 저장 장치(120)의 AC측에서는 CVCF 제어를 수행하여 전압원으로 동작, 배터리 에너지 저장 장치(120)의 DC측에는 배터리에 전류를 유입하는 충전 모드로 동작한다.
태양 전지 발전 장치(110)에서 발전하는 전력이 부하(140)에 필요한 전력보다 적은 새벽녘 또는 해질 무렵에는 부하(140)의 부족한 전력만큼 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 공급한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)가 방전 모드로 동작하면 CVCF 제어를 수행하여 부하(140)로 전력을 공급하게 된다.
주간을 지나 야간으로 들어서면 태양 전지 발전 장치(110)는 정지하고, 부하(140)에 공급되는 전력은 모두 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 담당한다. 주간동안 태양 전지 발전 장치(110)를 통해 배터리 에너지 저장 장치(120)에 에너지를 충전해 두었기에 야간 동안의 전력 공급은 배터리 에너지 저장 장치(120)를 통해 충분히 가능하고, 주간과 동일하게 CVCF 제어를 수행하여 부하(140)에 전력을 공급한다.
도 9는 과전압 방지 모드에서의 전력 흐름을 나타낸다. 과전압 방지 모드는 두 가지의 경우로 정의된다. 첫 번째, 정상 운전 모드에서 태양 전지 발전 장치(110)가 발전하는 전력보다 부하(140)에 필요한 전력이 적을 경우 남는 전력을 배터리 에너지 저장 장치(120)에 충전한다. 하지만, 배터리의 잔존 용량이 무한대일 수 없기에 배터리 SOC가 대략 98% 이상 넘어가는 경우 과전압 방지 모드로 동작한다. 두 번째, 태양 전지 발전 장치(110)는 MPPT 제어로 인해 계통 전압을 대략 107%　이내로 유지해야 하지만 이를 유지하지 못하고 대략 110% 이상 넘어가게 되는 경우 과전압 방지 모드로 동작한다. 두 가지 경우에서 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 전력 흐름은 도 10과 같다.
도 10은 과전압 방지 모드에서의 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 운영되는 방법이다. 정상 운전 모드에서 동작하던 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 앞서 정의한 두 가지 경우가 발생하면 과전압 방지 모드로 운영 방법이 전환된다.
배터리의 SOC가 대략 98% 이상 초과하거나 계통 전압이 대략 110% 이상 초과하게 되면 과전압 방지 모드를 배터리 에너지 저장 장치(120)가 확인하여, 태양 전지 발전 장치(110)를 정지시키고 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 부하(140)로 전력을 공급하여 배터리 잔존 용량을 감소시킨다. 태양 전지 발전 장치(110)의 정지 명령은 배터리 에너지 저장 장치(120)의 PCS에서 디지털 입출력 부재(I/O)를 통해 신호를 송신하여 이를 수신한 태양 전지 발전 장치(110)는 발전을 정지한다. 배터리의 잔존 용량이 대략 90% 이하로 내려갔을 때 과전압 방지 모드가 중단되고 다시 정상 운전 모드로 전환된다. 즉 태양 전지 발전 장치(110)의 발전량에 따라 배터리 에너지 저장 장치(120)를 구동하는 정상 운전 모드로 동작하게 된다.
도 11은 충전 운전 모드에서의 전력 흐름을 나타낸다. 충전 운전 모드는 배터리 잔존 용량이 대략 10% 이하인 경우 수행되며, EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 정상 운전 모드로 동작하는 도중 배터리 잔존 용량이 대략 10% 이하로 감소하였을 경우에 충전 운전 모드로 전환한다. 충전 운전 모드에서는 태양 전지 발전 장치(110)와 함께 디젤 엔진 발전 장치(130)를 동작시켜 부하(140)에 요구되는 전력 외에 남는 전력을 이용하여 배터리를 충전한다.
도 12는 충전 운전 모드에서의 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 운영되는 방법이다. 배터리 잔존 용량이 대략 10% 이하로 감소하면 배터리 에너지 저장 장치(120)의 PCS에서 디지털 입출력 부재(I/O)를 통해 디젤 엔진 발전 장치(130)로 운전 명령을 전송한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)의 PCS로부터 입력된 운전 명령에 따라 디젤 엔진 발전 장치(130)는 부족한 용량을 보조해 주고 배터리를 충전하기 위해 최대 효율점 운전을 통해 유효 전력 제어를 수행한다. 디젤 엔진 발전 장치(130)가 최대 효율점에서 운전하기에 효율이 들쑥 날쑥한 디젤 엔진 발전 장치(130)의 동작이 아닌 효율을 극대화시킨 디젤 엔진 발전 장치(130)의 동작을 통해 연료 절감 효과와 효율 상승을 기대할 수 있다.
배터리 에너지 저장 장치(120)는 CVCF 제어를 계속 수행하며 태양 전지 발전 장치(110)와 디젤 엔진 발전 장치(130)가 부하(140)에 공급하는 전력 외에 남는 전력으로 배터리를 충전한다. 배터리 잔존 용량이 대략 95% 이상 도달하면 디젤 엔진 발전 장치(130)는 정지하고 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)은 정상 운전 모드로 전환되어 동작한다.
도 13은 수동 운전 모드에서의 전력 흐름을 나타낸다. 기상 악화로 인해 부조일이 장기간 지속될 때, 배터리 에너지 저장 장치(120)의 한정된 용량으로 오랜 시간동안 부하(140)에 전력을 공급할 수 없고, 태양 전지 발전 장치(110)의 발전이 이루어지지 않는다. 이러한 조건에서의 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)의 운영 방안을 수동 운전 모드로 정의한다. 수동 운전 모드에서는 부조일이 장기간 지속되기에 태양 전지 발전 장치(110)는 동작하지 않고, 그동안 배터리 에너지 저장 장치(120)를 통해 전력을 공급하였지만, 이마저 배터리 잔존 용량이 부족하기에 배터리 에너지 저장 장치(120)가 부하(140)에 전력을 공급하기 어렵게 된다. 정상 운전 모드, 과전압 방지 모드 및/또는 충전 운전 모드에서는 배터리 에너지 저장 장치(120)가 부하(140)에 전력을 공급하고 있었지만, 수동 운전 모드에서는 디젤 엔진 발전 장치(130)가 그 역할을 대신한다. 디젤 엔진 발전 장치(130)가 부하(140)에 전력을 공급하고 배터리 에너지 저장 장치(120)는 충전 모드로 동작한다.
도 14는 수동 운전 모드에서의 EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 운영되는 방법이다. EMS가 없는 도서용 독립형 마이크로그리드 시스템(100)이 수동 운전 모드로 전환되면 배터리 에너지 저장 장치(120)는 부하(140)에 전력을 공급할 수 없게 되고, 디젤 엔진 발전 장치(130)가 그 역할을 대신한다. 디젤 엔진 발전 장치(130)는 CVCF 제어로 부하(140)에 전력을 공급하고 남는 전력으로 배터리를 충전한다. 배터리 에너지 저장 장치(120)는 충전 모드로 동작하여 배터리 잔존 용량이 가득 차게 되면 배터리 에너지 저장 장치(120)를 정지시킨다. 즉, 장기간 부조일 시 디젤 엔진 발전 장치(130)가 부하(140)의 모든 전력을 담당하게 된다.
여기서, 다시 도 2를 참조하면, 전력 계통에서 디젤 엔진 발전 장치(130)의 고장, 신재생 에너지원의 고장, 배전 선로의 고장 등과 같은 외란이 발생하여 일부 발전 전력의 탈락 등으로 전력 계통에서 발전 전력과 부하량의 평형이 깨지면 과도적으로 시스템(100)에서 배터리 에너지 저장 장치(120)가 손상될 수 있다. 이와 같은 문제점을 방지하기 위하여 로드 쉐딩(Load shedding) 기능을 수행한다. 즉, 발전단과 부하단의 연결된 지점에 차단기(141)(CB : Circuit Breaker)가 설치되어 있는데, 로드 쉐딩(Load shedding) 시 이러한 차단기(141)를 턴오프한다. 태양 전지 발전 장치(110)와 디젤 엔진 발전 장치(130)의 동작은 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 관리하기에 배터리 에너지 저장 장치(120)는 세 발전단의 상태를 항상 확인하고, 부하 차단기(141)의 온/오프(on/off) 명령은 배터리 에너지 저장 장치(120)에서 담당한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 독립형 마이크로그리드 시스템
110; 태양 전지 발전 장치 120; 배터리 에너지 저장 장치
121; 배터리 122; 3상 DC/AC 인버터
123; LC 필터 124; 변압기
130; 디젤 엔진 발전 장치 140; 부하
141; 차단기

Claims (11)

  1. EMS(Energy Monitoring System)가 없는 독립형 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    부하에 전원을 공급하여 방전하거나, 또는 충전이 가능한 배터리 에너지 저장 장치;
    상기 부하에 전원을 공급하거나, 또는 상기 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 신재생 에너지원; 및,
    상기 부하에 전원을 공급하거나, 또는 상기 배터리 에너지 저장 장치를 충전하는 디젤 엔진 발전 장치를 포함하고,
    상기 배터리 에너지 저장 장치가 상기 신재생 에너지원 및 디젤 엔진 발전 장치를 직접 제어함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지원은 태양 전지 발전 장치, 풍력 발전 장치 또는 연료 전지 발전 장치인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 에너지 저장 장치는 발전량, 부하량 및 배터리 잔존 용량에 따라, 정상 운전 모드, 과전압 방지 모드, 충전 운전 모드, 수동 운전 모드 또는 부하 차단 모드로 상기 배터리 에너지 저장 장치, 신재생 에너지원, 디젤 엔진 발전 장치 또는 부하를 제어함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정상 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는,
    배터리가 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 제어 방식으로 충전 또는 방전되도록 하고, 상기 신재생 에너지원이 최대 출력 추종 제어(Maximum Power Point Tracking) 방식으로 발전하도록 하며,
    상기 디젤 엔진 발전 장치를 턴오프함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 배터리 에너지 저장 장치는
    배터리 잔존 용량이 98 %를 초과하거나, 상기 신재생 에너지원에 의해 계통 전압이 110 %를 초과할 경우 상기 과전압 방지 모드를 수행함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 과전압 방지 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 신재생 에너지원 또는 상기 디젤 엔진 발전 장치를 턴오프함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 배터리 에너지 저장 장치는
    배터리 잔존 용량이 10 %보다 작을 경우 상기 충전 운전 모드를 수행함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 충전 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 신재생 에너지원 또는 디젤 엔진 발전 장치를 턴온하여 배터리가 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 방식으로 충전되도록 함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 디젤 엔진 발전 장치가 최대 효율 점에서 발전하도록 제어함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 수동 운전 모드일 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치는
    상기 신재생 에너지원 또는 상기 디젤 엔진 발전 장치만이 부하에 전원을 공급하도록 하고, 남는 전원으로 배터리를 충전하도록 함을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 발전량과 부하량이 일치하기 않거나, 상기 신재생 에너지원의 고장, 상기 디젤 엔진 발전 장치의 고장 또는 배선 선로의 고장 시 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 부하 차단 모드를 수행하되, 상기 배터리 에너지 저장 장치는 상기 부하에 연결된 부하 차단기를 동작시킴을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드 시스템.
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