KR20170031327A - 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템을 공개한다. 본 발명은 독립형 하이브리드 전원 시스템의 구성에 있어, 직류 공통 모선형 전원 시스템과 교류 공통 모선형 전원 시스템을 결합한 직류-교류 공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 채용함으로써, 종래 기술의 직류 공통 모선형 전원 시스템의 단점 및 교류 공통 모선형 전원 시스템의 단점을 극복하였다. 구체적으로, 본 발명은 직류 공통 모선형 전원 시스템이 교류 공통 모선에 결합됨으로써, 직류 공통 모선형 전원 시스템의 발전원이 정지되거나 고장이 발생한 경우에도 교류 공통 모선에 연결된 다른 신재생 에너지 발전원 또는 디젤발전기에서 부하로 전원을 공급하므로 정전이 발생하지 않아 전원 공급의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 기본적으로 직류 공통 모선형 전원 시스템으로부터 부하측으로 전원을 공급하고, 증감하는 부하에 대응하는 2차적 에너지 공급 수단으로 디젤발전기가 설치된 교류 공통 모선형 전원 시스템을 동작시킴으로 인해서, 계절적인 부하 변동이나 지속적인 부하 증가 혹은 감소에 대해서 시스템의 공급용량의 확대 혹은 축소를 용이하게 하면서도 역전력의 발생으로 인한 문제점을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 디젤발전기를 교류 공통 모선형 전원 시스템에 연결함으로써 축전지용 충전기와 전원의 절체를 위한 자동절체스위치 등을 설치하지 않아도 되므로 초기 투자비를 절감할 수 있다.
Description
본 발명은 신재생 에너지 전원, 엔진발전기, 축전지 등을 결합한 하이브리드 전원 시스템에 관한 것이다.
원격지나 도서 지역에는 상용의 전력계통이 없기 때문에 대부분 디젤발전기로 전력을 공급하게 되며 연료비 절감, 배출가스 저감, 유지보수비 절감 등의 이유로 태양광, 풍력 및 축전지와 같은 에너지 저장장치 등을 결합한 하이브리드 혹은 마이크로그리드로 전원 시스템을 구성하게 된다.
이러한 종래 기술에 따른 하이브리드 전원 시스템은 에너지원을 결합하는 방식에 따라 직류 공통 모선형과 교류 공통 모선형으로 구분된다.
종래의 기술 중의 하나인 직류 공통 모선형 하이브리드 시스템은 독립형 전원공급에 있어서 디젤발전기의 의존을 줄이거나 최소화하기 위해서 충분한 용량의 태양광 혹은 풍력발전 등 신재생 에너지 발전 설비를 설치하고 이들이 출력하는 전력을 직류-직류 전력 변환기를 통하여 축전지로 전량을 저장한 다음, 축전지에 저장된 직류 전원을 교류전원으로 변환하기 위해서 이 축전지에 단방향성 직류-교류 전력변환장치인 무정전전원장치(UPS)를 설치하여 전원을 공급하는 방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 직류공통모선방식의 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 전원 시스템으로의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 도 1에 도시된 종래 기술의 직류 공통 모선 방식의 하이브리드 전원 시스템은 태양광 발전기(2) 및 태양광발전용 전력변환장치(6), 풍력발전기(3) 및 풍력발전용 전력변환장치(7)와 축전지(4)가 직류공통모선(8)에 연결되며, 이 직류공통모선(8)에는 직류를 교류로 변환하는 단방향성 무정전 전원장치(9)가 설치되어 교류전원을 발생하여 부하(20)에 전력을 공급하게 된다.
또한, 디젤발전기(1)는 자동 절체 스위치(10)로 연결되어 무정전 전원장치(9)의 고장시에 출력 교류전원과 절체되어 부하(20)에 전력을 공급하게 된다. 따라서 디젤발전기(1)의 전원과 무정전 전원장치(9)가 출력하는 전원은 병렬로 운전될 수 없고 둘 중의 한쪽 전원에 의해서만 전력을 부하(20)에 공급하게 된다.
도 1에 도시된 직류 공통 모선 방식의 하이브리드 전원 시스템의 경우, 태양광이나 풍력발전 등 신재생 에너지가 기상조건으로 인하여 충분한 전력을 생산할 수 없을 경우에는 디젤발전기(1)를 가동하여 별도로 설치된 충전지(4)를 이용하여 충전을 지속하여 전원공급을 지속하거나, 혹은 디젤발전기(1)를 가동하고 이를 무정전 전원장치(9)의 전원과 자동절체 스위치(10)로 절체하여 부하(20)에 전력을 공급하게 된다.
이 방식의 장점은 직류 공통 모선에 대용량의 축전지(4)를 설치하고 있기 때문에 신재생 에너지의 간헐성이나 수요공급의 불균형 등을 해소하기 위한 특별한 제어가 필요 없다는 것이다. 축전지(4)의 용량이 충분히 커서, 충전 혹은 방전 여력이 충분하다면, 신재생 에너지 전원(2,3)의 출력은 축전지(4)로 충전되고 또한 부하(20)는 무정전 전원장치(9)에 의해 추종되기 때문이다. 부하(20)가 감소하여 축전지(4)의 전압이 상승하면 신재생 에너지 전원(2,3)의 전력 변환 장치(6,7)는 자동적으로 출력을 줄여서 더 이상 충전이 되지 않도록 설계되며, 신재생 에너지 전원(2,3)의 에너지 생산량이 부족하여 축전지(4)의 전압이 낮아지면 디젤발전기(1)를 가동하여 충전하도록 운영되기 때문이다.
그러나, 이 방식의 단점은 직류 공통 모선으로 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하로 제공하는 무정전 전원장치(9)에 의해 부하(20)로의 전력공급 용량이 제한되어, 부하가 증가하는 경우에 대응이 어려울 뿐만 아니라, 무정전 전원장치(9)에 고장이 발생하는 경우, 전체 전원 공급 시스템으로부터 부하로 전원 공급이 중단되어 전력 공급의 신뢰도가 낮다는 문제점이 존재한다. 이러한, 문제점을 일부 개선한 방식이 교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템이다.
도 2는 종래 기술에 따른 교류 공통 모선 방식의 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 전원 시스템으로의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 교류 공통 모선 방식의 하이브리드 전원 시스템은 태양광 발전기(2) 및 태양광발전용 전력변환장치(16), 풍력발전기(3) 및 풍력발전용 전력변환장치(17), 축전지(4) 및 축전지용 전력변환장치(18), 디젤발전기(1)가 모두 교류공통모선(32)에 연결되는 구조이며, 이 교류공통모선(32)에 부하(20)가 연결되어 교류전력이 공급된다.
도 1에 도시된 직류 공통 모선 방식의 하이브리드 전원 시스템의 구성과 다른 점은 태양광 발전기(2)에 연결된 태양광발전용 전력변환장치(16), 풍력발전기(3)에 연결된 풍력발전용 전력변환장치(17), 축전지(4)에 연결된 축전지용 전력변환장치(18)가 모두 직류-교류 전력변환장치라는 점이다.
특히, 축전지(4)용 전력변환장치(18)는 교류 공통 모선(32)에 잉여 전력이 발생할 때, 이를 축전지에 저장하거나, 교류 공통 모선(32)에 전력이 부족한 경우에는 축전지(4)에 저장된 전력을 교류 공통 모선(32)측으로 방전할 수 있는 양방향성 운전이 가능해야 하며, 디젤발전기(1)가 운전되는 경우에는 계통 연계 운전을 해야 하며, 정지하는 경우에는 독립운전으로 전압과 주파수를 유지하는 정전압-정주파수 운전이 가능한 양모드 운전을 지원해야 한다는 점이다.
도 2에 도시된 하이브리드 전원 시스템은 태양광, 풍력, 축전지와 같은 에너지 저장장치 및 디젤발전기를 모두 교류 공통 모선(32)에 연결하는 방식으로써 특히 축전지(4)의 직류-교류 변환장치(18)는 양방향성 전력 변환 장치를 사용하여 시스템의 전압과 주파수를 일정하게 유지하는 역할을 디젤발전기(1)와 선택적으로 할 수 있도록 설계된다.
이 방식의 장점은 에너지원들이 모두 교류 공통 모선(32)에 연계되어 있기 때문에, 어느 하나의 에너지 발전원이 문제가 발생하여도 다른 에너지 발전원에서 전력을 공급하므로 전력공급의 신뢰도를 높일 수 있으며, 부하의 증가에 따른 용량의 확대가 용이하고 별도의 절체장치 없이 디젤발전기(1)의 백업 운전이 가능한 점 등이다.
그러나, 이 방식의 단점은 수요와 공급의 균형제어가 과도적으로 불안정할 수 있으며, 특히 디젤발전기(1)가 마스터로 운전되고 있을 때에는 갑작스런 부하의 감소나 신재생 에너지 발전원의 출력 증가 등의 요인으로 역전력이 발생할 가능성이 있으며, 이때 이를 줄이는 적절한 조치가 취해지지 않으면 디젤발전기(1)가 트립될 수 있다는 점이다. 이러한 잉여전력 문제를 해결하기 위해서 별도의 전력관리시스템을 이용하여 더미부하의 인가나 혹은 신재생 에너지 발전원의 출력제한 등의 조치를 취하기도 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 직류 공통 모선 방식의 전원 시스템과 교류 공통 모선형 방식의 전원 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은, 제 1 분산 발전기 및 제 1 에너지 저장 수단이 직류 공통 모선에 연결되고, 상기 제 1 분산 발전기로부터 생성되어 상기 직류 공통 모선에 출력된 직류 전력 또는 상기 제 1 에너지 저장 수단으로부터 방전되어 상기 직류 공통 모선에 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 직류 공통 모선 전원 시스템; 및 상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 제 2 분산 발전기, 및 제 2 에너지 저장 수단이 교류 공통 모선에 연결되어, 상기 교류 공통 모선으로 출력된 전력을 부하로 공급하는 교류 공통 모선 전원 시스템을 포함한다.
또한, 상기 직류 공통 모선 전원 시스템은, 상기 제 1 분산 발전기; 상기 제 1 분산 발전기에서 생성된 전력을 소정 레벨의 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 공통 모선으로 출력하는 제 1 전력 변환 장치; 상기 직류 공통 모선에 연결되어 상기 제 1 분산 발전기에서 생성된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 직류 공통 모선을 통해서 방전하는 제 1 에너지 저장 수단; 및 상기 제 1 전력 변환 장치 또는 상기 제 1 에너지 저장 수단으로부터 상기 직류 공통 모선으로 출력된 직류 전력을 교류로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 직류-교류 전력 변환 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교류 공통 모선 전원 시스템은, 신재생 에너지 전원 및 개폐기가 스위칭됨으로써 상기 교류 공통 모선에 연결되는 연료 발전기를 포함하는 상기 제 2 분산 발전기; 상기 신재생 에너지 전원에서 생성된 전력을 소정 레벨의 직류 전력으로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 제 2 전력 변환 장치; 상기 연료 발전기와 교류 공통 모선의 전압, 주파수, 및 위상이 사전에 정의된 허용범위 내로 일치되도록 상기 개폐기의 스위칭을 제어하는 디지털 통합 제어 장치; 및 상기 교류 공통 모선에 연결되어 상기 신재생 에너지 전원 또는 상기 연료 발전기에서 생성된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 교류 공통 모선을 통해서 방전하는 상기 제 2 에너지 저장 수단;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은, 상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 상기 제 2 전력 변환 장치, 및 상기 연료 발전기로부터 상기 교류 공통 모선으로 입력되는 전류를 각각 측정하는 출력 전류 검출부; 상기 교류 공통 모선에 연결된 부하로 출력되는 전류를 검출하는 부하 전류 검출부; 및 상기 교류 공통 모선의 전압을 측정하는 전압 검출부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은, 상기 출력전류 검출부 및 상기 부하 전류 검출부로부터 입력되는 전류값 및 상기 전압 검출부로부터 입력되는 전압값을 이용하여, 상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 상기 신재생 에너지 전원 및 상기 연료 발전기의 상태를 감시하여 고장 발생 여부를 감지하고, 고장이 발생한 것으로 판단되면, 상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기의 출력을 제한하거나, 더미 부하를 투입 또는 차단시키거나, 상기 제 2 에너지 저장 수단을 충전 또는 방전시키도록 제어하는 전력 관리 시스템을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 관리 시스템은, 유무선 통신망을 통해서 에너지 관리 시스템과 통신을 수행하여, 상기 에너지 관리 시스템으로 상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기의 운전 모드 및 발전량, 부하량, 상기 출력전류 검출부에서 측정된 전류값, 상기 부하전류 검출부에서 측정된 전류값, 및 상기 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 하나를 포함하는 상태 정보를 제공하고, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 제어 명령을 수신하는 제 1 통신부; 상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템에 포함되는 전력 변환 장치들로부터 분산 발전기들의 상태 정보를 수신하고 상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템으로 제어 명령을 출력함으로써 상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템을 제어하는 제 2 통신부; 상기 출력전류 검출부 및 상기 부하 전류 검출부로부터 전류값을 입력받고, 상기 전압 검출부로부터 상기 교류 공통 모선의 전압값을 입력받아 상기 분산 발전기들의 발전량 및 부하의 전력량을 계산함으로써 교류 공통 모선의 불안정성 및 역전력의 발생, 분산 발전기들의 고장을 감지하게 하는 아날로그 입력부; 상기 제 1 에너지 저장 수단 및 상기 제 2 에너지 저장 수단으로 충전 또는 방전을 지시하는 아날로그 제어 명령을 출력하여, 부하의 변동 및 분산 발전기들의 트립을 포함하는 외란을 보상하도록 하는 아날로그 출력부; 및 잉여 전력의 발생 여부에 따라서 더미 부하의 투입 및 차단을 지시하는 제어 명령을 출력하고, 신재생 에너지 전원들의 고장에 따른 접점 출력을 읽어 들임으로써, 분산 발전기들의 고장을 검출하도록 하는 디지털 입출력부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은, 유무선 통신망을 통해서 상기 전력 관리 시스템 및 원격지의 관리자 단말과 연결되고, 상기 전력 관리 시스템으로부터 수신된 정보에 기초하여 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 운전 데이터 저장, 발전량 및 부하의 예측, 발전계획 생성, 보고서 작성 기능을 수행하고, 생성된 정보들을 상기 관리자 단말로 제공하며, 상기 관리자 단말로부터 특정 제어 명령을 수신하면, 수신된 제어 명령을 상기 전력 관리 시스템으로 전달하여 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 에너지 관리 시스템을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기는, 태양광 발전기 및 풍력 발전기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 독립형 하이브리드 전원 시스템의 구성에 있어, 직류 공통 모선형 전원 시스템과 교류 공통 모선형 전원 시스템을 결합한 직류-교류 공통모선형 하이브리드 전원 시스템을 채용함으로써, 종래 기술의 직류 공통 모선형 전원 시스템의 단점 및 교류 공통 모선형 전원 시스템의 단점을 극복하였다.
구체적으로, 본 발명은 직류 공통 모선형 전원 시스템이 교류 공통 모선에 결합됨으로써, 직류 공통 모선형 전원 시스템의 발전원이 정지되거나 고장이 발생한 경우에도 교류 공통 모선에 연결된 다른 신재생 에너지 발전원 또는 디젤발전기에서 부하로 전원을 공급하므로 정전이 발생하지 않아 전원 공급의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 기본적으로 직류 공통 모선형 전원 시스템으로부터 부하측으로 전원을 공급하고, 증감하는 부하에 대응하는 2차적 에너지 공급 수단으로 디젤발전기가 설치된 교류 공통 모선형 전원 시스템을 동작시킴으로 인해서, 계절적인 부하 변동이나 지속적인 부하 증가 혹은 감소에 대해서 시스템의 공급용량의 확대 혹은 축소를 용이하게 하면서도 역전력의 발생으로 인한 문제점을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 디젤발전기를 교류 공통 모선형 전원 시스템에 연결함으로써 축전지용 충전기와 전원의 절체를 위한 자동절체스위치 등을 설치하지 않아도 되므로 초기 투자비를 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 직류공통모선방식의 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 전원 시스템으로의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 교류공통모선방식의 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 전원 시스템으로의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템 중 직류 공통 모선형 전원 시스템과 교류 공통 모선형 전원 시스템의 연결 구성만을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 실 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 교류공통모선방식의 디젤-태양광-풍력-축전지 하이브리드 전원 시스템으로의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템 중 직류 공통 모선형 전원 시스템과 교류 공통 모선형 전원 시스템의 연결 구성만을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 실 구성예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템 중 직류 공통 모선형 전원 시스템과 교류 공통 모선형 전원 시스템의 연결 구성만을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은 복수의 분산 발전기(태양광 발전기(2) 및 풍력 발전기(3)를 포함함)과 축전지(4)가 포함되어 직류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템으로 구성된 제 1 전원 시스템(70)과, 복수의 분산 발전기(태양광 발전기(2-1) 및 풍력 발전기(3-1), 디젤발전기(1)를 포함함) 및 축전지(4-1)가 포함되어 교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템으로 구성된 제 2 전원 시스템(71)을 포함하여 구성된다. 제 1 전원 시스템(70)이 교류 공통 모선(32)에 연결됨으로써, 제 1 전원 시스템(70)과 제 2 전원 시스템(71)은 서로 연결되어 있다.
도 1에 도시된 종래 기술에서 직류 공통 모선 전원 시스템 내에 설치되어 있던 디젤발전기(1)는 본 발명의 바람직한 실시예에서는 교류 공통 모선 전원 시스템인 제 2 전원 시스템(71)에 포함되도록 설치되며, 태양광 발전기(2, 2-1), 풍력발전기(3, 3-1), 축전지(4, 4-1)는 제 1 전원 시스템(70) 및 제 2 전원 시스템(71)에 각각 설치될 수도 있고, 둘 중 어느 하나에만 선택적으로 설치될 수 있다.
단, 동일한 종류의 신재생 에너지 전원이라도 직류 공통 모선 전원 시스템인 제 1 전원 시스템(70)과 교류 공통 모선 전원 시스템인 제 2 전원 시스템(71)에 설치되는 용량은 차이가 있는데, 이는, 직류 공통 모선 전원 시스템인 제 1 전원 시스템(70)이 기저부하를 담당하고 잉여전력의 에너지저장 기능을 수행하며 전력 공급 시스템의 불안정성을 줄이기 위한 목적 때문에, 기본적으로 제 1 전원 시스템(70)에 설치되는 분산 발전기(2, 3) 및 축전지(4)의 용량이 교류 공통 모선 전원 시스템인 제 2 전원 시스템(71)에 설치되는 용량보다 크게 설계되기 때문이다.
제 2 전원 시스템(71)의 분산 발전기들(1, 2-1, 3-1)은 피크부하에 대응하기 위한 최소의 용량으로 설치되며, 특히 디젤발전기(1)와 축전지시스템(4-1, 18)은 직류 공통 모선 시스템인 제 1 전원 시스템(70)의 고장 시에 백업용으로 활용이 가능하도록 충분한 용량을 가지게 설계될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 전원 시스템(70)은 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 발전기(2), 태양광 발전기(2)로부터 입력된 직류 전력을 축전지에 저장하기에 적합한 전압의 직류 전력으로 변환하는 태양광 전력 변환 장치(6), 풍력 발전기(3), 풍력 발전기(3)에서 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 풍력 전력 변환 장치(7), 태양광 발전기(2) 및 풍력 발전기(3)에서 생성된 전력을 저장하는 축전지(4), 축전지에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 공통 모선(32)로 출력하는 직류-교류 전력 변환 장치(9-1), 및 상기 태양광 전력 변환 제어장치(6), 풍력 전력 변환 장치(7), 축전지(4) 및 직류-교류 전력 변환 장치(9-1)가 상호 연결되는 직류 공통 모선(8)을 포함하여 구성된다.
한편, 제 2 전원 시스템(71)은 태양광 발전기(2-1)과 태양광 발전기(2-1)에서 생성된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 태양광 전력 변환 장치(16), 풍력 발전기(3-1)와 풍력 발전기(3-1)에서 생성된 교류 전원의 전압을 변환하여 출력하는 풍력 전력 변환 장치(17), 축전지(4-1) 및 태양광 발전기(2-1) 및 풍력 발전기(3-1)에서 생성된 전력을 변환하여 축전지(4-1)에 저장하거나, 축전지(4-1)에 저장된 전력을 교류 공통 모선(32)로 출력하는 축전지 전력 변환 장치(18)을 포함하여 구성되고, 전력 변환 장치들(16, 17, 18)은 교류 공통 모선(32)에 연결되어 있다.
또한, 디젤발전기(1)는 개폐기(31)를 통해서 교류 공통 모선(32)에 연결되고, 개폐기(31)는 디지털 통합 제어 장치(30)에 의해서 스위칭됨으로써 디젤발전기(1)에서 생성된 전력을 교류 공통 모선(32)으로 제공하거나 전력의 제공을 중단한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 전원 시스템에서는 제 1 전원 시스템(70)이 1차적으로 부하에 전원을 공급하게 되는데, 제 1 전원 시스템(70)에 포함된 태양광 발전기(2), 풍력발전기(3) 및 축전지(4)로만 계속적으로 부하(20)에 전력을 공급할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이는 자연조건이 항상 일정하지 않고 또한 축전지(4)의 용량에 제한이 있기 때문이다. 또한, 신재생 에너지 전원의 출력이 충분한 경우에도 발전과 부하 소비의 시점 차이로 디젤발전기(1)의 운전이 필요한 경우가 발생한다. 이 경우 디젤발전기(1)를 기동하여, 축전지(4-1)에 연결된 전력 변환 장치(18)가 전압과 주파수를 유지하고 있는 교류 공통 모선(32)에, 디젤발전기(1)의 발전 전력을 동기투입을 하게 되는데, 이를 위해서는 디지털 통합 제어 장치(30)가 필요하다. 디지털 통합 제어 장치(30)는 기동된 디젤발전기(1)와 교류 공통 모선(32)의 전압, 주파수, 위상을 허용범위 내로 일치시켜 개폐기(31)를 스위칭함으로써 과도적인 충격을 줄이는 기능을 한다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 전체 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템은, 도 3에 도시된 제 1 전원 시스템(70) 및 제 2 전원 시스템(71)에 전력 관리 시스템(PMS)(59)과 에너지 관리 시스템(EMS)(50)이 결합되어 제 1 전원 시스템(70)과 제 2 전원 시스템(71)을 제어한다.
에너지 관리 시스템(50)은 유무선 통신망을 통해서 전력 관리 시스템(59) 및 원격지의 관리자 단말(84)과 연결된다. 에너지 관리 시스템(50)은 전력 관리 시스템(59)으로부터 수신된 정보에 기초하여 본 발명의 전원 시스템의 운전 데이터 저장, 발전량 및 부하의 예측, 발전계획 생성, 보고서 작성 등의 기능을 수행하고, 생성된 정보들을 관리자 단말(84)로 제공하는 한편, 관리자 단말(84)로부터 특정 제어 명령을 수신하면, 해당 제어 명령을 전력 관리 시스템(59)으로 전달하여 전체 전원 시스템을 제어하도록 한다. 또한, 에너지 관리 시스템(50)은 축전지들(4,4-1)의 충전 상태를 감시하여 분산 발전원들의 출력을 제한하거나, 디젤발전기(1)를 이용한 충전 제어 등 전체 전원 시스템의 에너지 수요와 공급을 관리한다.
여기서, 관리자 단말(84)은 유무선 통신망을 통해서 에너지 관리 시스템(50)에 접속이 가능한 컴퓨터, 스마트폰, 스마트패드 등으로 구현될 수 있다.
전력관리 시스템(59)은 에너지 관리 시스템(50), 전력 변환 장치들(6, 7, 9, 16, 17, 18) 및 디지털 통합 제어장치(30)와 유선 또는 무선 방식으로 통신을 수행하여 본 발명의 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 전반적인 기능을 제어한다.
전력관리 시스템(59)의 세부 구성을 살펴보면, 전력관리 시스템(59)은 제 1 통신부(81), 제 2 통신부(82), 아날로그 입력부(ADC)(57), 아날로그 출력부(DAC)(60), 및 디지털 입출력부(DIO)(62)를 구비하고, 상기 구성요소들은 전력관리 시스템(59) 내부에 포함된 제어부(미도시 됨)와 연동되어 본 발명의 전원 시스템을 제어한다.
제 1 통신부(81)는 유무선 통신망을 통해서 에너지 관리 시스템(50)과 통신을 수행하고, 에너지 관리 시스템(50)으로 전체 전원 시스템의 상태 정보(현재의 각 분산 발전기의 운전 모드 및 발전량, 부하량, 측정된 전류값 및 전압값 등을 포함함)를 제공하고, 에너지 관리 시스템(50)으로부터 제어 명령을 수신할 수 있다.
제 2 통신부(82)는 제 1 전원 시스템(70) 및 제 2 전원 시스템(71)에 포함되는 전력 변환 장치들(6, 7, 9, 16, 17, 18) 및 디지털 통합 제어장치(30)와 유선 또는 무선 방식으로 통신을 수행하여 상기 전력 변환 장치들로부터 분산 발전기들의 상태 정보를 수신하고 제어 명령을 출력함으로써 제 1 전원 시스템(70) 및 제 2 전원 시스템(71)을 제어한다.
아날로그 입력부(ADC)(57)는 출력전류 검출부(51, 52, 54, 55) 및 부하 전류 검출부(56)에서 측정한 전류값을 입력받고, 전압 검출부(53)에서 측정한 교류 공통 모선의 전압값을 입력받는다. 전력관리 시스템(59)은 아날로그 입력부(57)로 입력된 측정 전류값 및 측정 전압값 정보들을 이용하여 각 분산 발전기의 발전량 및 부하의 전력량 등을 계산한다. 전력관리 시스템(59)은 출력 전류 및 부하 전류를 감시함으로써, 교류공통모선(32)의 불안정성을 감시하고 부하와 분산 발전기들의 급변에 따른 역전력의 발생, 분산 발전기들의 고장 등을 빠르게 감지하게 된다.
아날로그 출력부(DAC)(60)는 축전지(4, 4-1)와 같은 에너지 저장 장치로 충전 또는 방전을 지시하는 아날로그 제어 명령을 출력하여, 부하(20)의 변동이나 분산 발전기들의 트립과 같은 외란을 보상할 수 있도록 한다.
디지털 입출력부(DIO)(62)는 잉여 전력이 발생하는 경우에는 더미 부하(63)의 투입을 지시하는 제어 명령을 출력하고, 잉여 전력의 발생이 중단된 경우에는 더미 부하(63)의 차단을 지시하는 제어하는 명령을 출력하며, 분산 발전기들의 고장에 따른 접점 출력을 읽어 들임으로써, 분산 발전기들의 고장을 통신에 의존하지 않고 빠르게 검출할 수 있도록 한다.
상기와 같은 구성요소들을 포함함으로써, 전력관리 시스템(59)은 시스템 상태 변화를 실시간으로 감시할 수 있고, 상태 변화에 대해서 시간 지연 없는 실시간으로 조치를 취할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 전력관리 시스템(59)은 출력전류 검출부(51, 52, 54, 55) 및 부하 전류 검출부(56)로부터 입력되는 전류 정보로부터 각 분산 발전기들(1, 2-1, 3-1, 4-1) 및 제 1 전원 시스템(70)의 상태를 감시하고, 부하(20)와 분산 발전기들(1, 2-1, 3-1, 4-1)의 급변에 따른 역전력의 발생, 분산 발전기들(1, 2-1, 3-1, 4-1)의 고장 등을 빠르게 감지할 수 있다.
또한, 전력 관리 시스템(59)은 제 1 전원 시스템(70) 또는 제 2 전원 시스템(71)에 역전력 발생하거나 전력 기기 고장 등의 시스템의 문제 발생이 감지되면, 축전지 전력 변환 장치(18)로 제어 명령을 전송하여 축전지(4-1)를 충전 또는 방전시키거나, 디지털 입출력부(62)를 통해서 제어 명령을 전송하여 더미부하(63)를 투입 혹은 차단시키거나, 제 2 통신부(82)를 통해서 제어 명령을 출력하여 각각의 분산발전기(16, 17)의 출력을 제한하는 등의 조치를, 에너지 관리시스템(50)과 독립적으로 빠르게 처리한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 실 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하여, 실제 실시예를 설명하면, 직류 공통 모선 시스템인 제 1 전원 시스템(70)은 태양광 발전기(2) 및 그 전력변환장치(6), 태양광 발전기(2)에서 생성된 전력을 저장하는 축전지(4)로 구성되고, 양방향 운전(충전 혹은 방전) 및 양모드 운전(계통연계운전 혹은 독립운전)이 가능한 직류-교류 전력변환장치(9-1)를 포함하여 구성된다.
교류 공통 모선 시스템인 제 2 전원 시스템(71)은 디젤발전기(1), 태양광 발전기(2-1) 및 그 전력변환장치(16), 디젤발전기(1) 및 태양광 발전기(2-1)에서 생성된 전력을 저장하는 축전지(4-1) 및 그 전력변환장치(18)를 포함하여 구성되고, 제 1 전원 시스템(70)의 전력 변환 장치(9-1)는 제 2 전원 시스템(71)의 교류 모선(32)에 연결됨으로써, 제 1 전원 시스템(70)은 제 2 전원 시스템(71)에 결합된다.
각 용량의 설계는 평균 부하 30kW, 최대부하 60kW, 최소부하 10kW로 가정하면 일간 필요전력량은 30kW x 24시간 = 720kWh가 되며 이 중에서 50%의 전력을 태양광으로부터 공급받을 경우 평균 일조시간이 3.5시간이면 100kWp의 태양광발전이 필요하다. 이 경우에 태양광 발전기(2)와 전력변환장치(6)는 70kW, 태양광 발전기(2-1)과 전력변환장치(16)은 30kW로 배분한다. 축전지(4)는 납축전지로 백업시간과 비용을 고려하여 충분한 용량으로 선정하되 전력변환장치(9-1)는 50kW로 설계하고, 축전지(4-1)은 백업 및 야간기저부하용으로 사용할 목적으로 리튬전지를 사용할 수 있으며 전력변환장치(18)는 직류공통모선(8)의 축전지용 전력변환장치(9-1)의 백업용으로 동일한 50kW로 설계한다. 디젤발전기(1)는 백업용도 및 50%의 부하 전력을 공급하는 목적으로 100kW를 선정한다.
이 경우에 디젤발전기(1)의 가동 없이도 최대 130kW 부하에 대응이 가능하고, 직류 공통 모선(8)에 고장이 발생하여 제 1 전원 시스템(70)으로부터의 전원 공급이 중단된 경우에도 최소 50kW, 최대 180kW까지 전력공급이 가능한 시스템으로 설계될 수 있다.
교류 공통 모선(32)의 30kW 용량의 태양광발전은 낮 시간대에 기저부하용으로 사용되며 축전지(4-1)를 충전하는 용도로 사용되고 교류공통모선(32)에 있어 태양광발전(2-1, 16)과 축전지저장장치(4-1, 18)이 마스터 운전을 하는 직류공통모선(8)의 전력변환장치(9-1)와 연계 운전 하는데 안정성의 문제를 초래하지 않는다.
전력 관리 시스템(59)은 출력 전류 검출부(51, 52, 54)로부터 각 분산 발전기(1, 2-1)의 출력 전류를 입력받고, 부하 전류 검출부(56)로부터 부하 전류를 입력받으며, 전압 검출부(53)로부터 전압값을 입력받아 계통전압을 상시 감시함으로써 전원 시스템의 상태를 지속적으로 감시할 수 있다. 또한, 전력관리시스템(59)은 통신망(83)을 통해서 주요 분산 발전기(1, 2, 2-1)와 연계하고 있으며, 추가적으로 통신망(80)을 통해서 에너지 관리 시스템(50)과도 정보를 송수신할 수 있도록 구성된다. 전력 관리 시스템(59)은 분산 발전기의 출력전류를 검출함으로써 기기의 고장이나 계통전압의 불안정 등을 빠르게 검출하여 필요한 조치를 취하게 된다.
예를 들어, 직류 공통 모선 시스템(70)의 전력변환장치(9-1)의 고장이 감지되면, 즉, 출력 전류 검출부(51)에서 과전류 혹은 0 전류가 감지되면, 전력 관리 시스템(59)은 교류 공통 모선 시스템(71)의 축전지용 전력 변환 장치(18)로 시스템 마스터 즉, 전압과 주파수를 유지하는 독립운전 모드로 운전할 것을 에너지 관리 시스템(50)과 관계없이 빠르게 명령함으로써 정전 없는 빠른 전력망의 유지가 가능하다.
이러한 모드 변환 정보는 에너지 관리 시스템(50)에게 전달되며 에너지 관리 시스템(50)은 필요에 따라 디젤발전기(1)의 가동 등 전력의 수요와 공급 필요성에 따라 후속 조치를 취할 수 있게 해준다.
다른 예로서, 갑작스런 부하(20)의 증가에 의해서, 부하의 소비 전력량이 직류공통모선 시스템(70)의 전력변환장치(9-1)의 용량을 초과하는 것이 감지되면, 전력 관리 시스템(59)은 교류 공통 모선 시스템(71)의 축전지용 전력변환장치(18)에 최대 방전 명령을 제공함으로써 과도적인 피크 부하에 대응할 수 있다. 이 경우에도, 이러한 상황 정보는 에너지 관리 시스템(50)으로 전달되고, 필요에 따라 디젤발전기(1)를 가동하는 등의 후속 조치가 취해질 수 있다.
에너지 관리 시스템(50)은 전력 관리 시스템(59)으로부터 수신한 운전 데이터를 저장 및 관리하게 되며, 이 데이터들을 이용하여 부하예측, 태양광 및 풍력발전 예측, 발전계획 등 에너지관리 기능을 하게 된다. 에너지 관리 시스템(50)은 인터넷(84)을 통하여 관리자 단말에 의해서 원격감시 및 제어가 가능하며, 또한 신재생 에너지의 출력 예측을 위한 기상정보를 수신하는 기능도 수행한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 디젤발전기
2, 2-1 : 태양광 발전기
3, 3-1 : 풍력 발전기 4, 4-1 : 축전지
8 : 직류 공통 모선 9-1 : 직류-교류 전력 변환 장치
6, 7, 9, 16, 17, 18 : 전력 변환 장치
20 : 부하 30 : 디지털 통합 제어 장치
32 : 교류 공통 모선 50 : 에너지 관리 시스템
51, 52, 54, 55 : 출력전류 검출부
53 : 전압 검출부 56: 부하 전류 검출부
57 : 아날로그 입력부 59 : 전력 관리 시스템
60 : 아날로그 출력부 63 : 더미 부하
62 : 디지털 입출력부 70 : 제 1 전원 시스템
71 : 제 2 전원 시스템 81 : 제 1 통신부
82 : 제 2 통신부 84 : 관리자 단말
3, 3-1 : 풍력 발전기 4, 4-1 : 축전지
8 : 직류 공통 모선 9-1 : 직류-교류 전력 변환 장치
6, 7, 9, 16, 17, 18 : 전력 변환 장치
20 : 부하 30 : 디지털 통합 제어 장치
32 : 교류 공통 모선 50 : 에너지 관리 시스템
51, 52, 54, 55 : 출력전류 검출부
53 : 전압 검출부 56: 부하 전류 검출부
57 : 아날로그 입력부 59 : 전력 관리 시스템
60 : 아날로그 출력부 63 : 더미 부하
62 : 디지털 입출력부 70 : 제 1 전원 시스템
71 : 제 2 전원 시스템 81 : 제 1 통신부
82 : 제 2 통신부 84 : 관리자 단말
Claims (8)
- 제 1 분산 발전기 및 제 1 에너지 저장 수단이 직류 공통 모선에 연결되고, 상기 제 1 분산 발전기로부터 생성되어 상기 직류 공통 모선에 출력된 직류 전력 또는 상기 제 1 에너지 저장 수단으로부터 방전되어 상기 직류 공통 모선에 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 직류 공통 모선 전원 시스템; 및
상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 제 2 분산 발전기, 및 제 2 에너지 저장 수단이 교류 공통 모선에 연결되어, 상기 교류 공통 모선으로 출력된 전력을 부하로 공급하는 교류 공통 모선 전원 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 직류 공통 모선 전원 시스템은
상기 제 1 분산 발전기;
상기 제 1 분산 발전기에서 생성된 전력을 소정 레벨의 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 공통 모선으로 출력하는 제 1 전력 변환 장치;
상기 직류 공통 모선에 연결되어 상기 제 1 분산 발전기에서 생성된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 직류 공통 모선을 통해서 방전하는 제 1 에너지 저장 수단; 및
상기 제 1 전력 변환 장치 또는 상기 제 1 에너지 저장 수단으로부터 상기 직류 공통 모선으로 출력된 직류 전력을 교류로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 직류-교류 전력 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 교류 공통 모선 전원 시스템은
신재생 에너지 전원 및 개폐기가 스위칭됨으로써 상기 교류 공통 모선에 연결되는 연료 발전기를 포함하는 상기 제 2 분산 발전기;
상기 신재생 에너지 전원에서 생성된 전력을 소정 레벨의 직류 전력으로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 제 2 전력 변환 장치;
상기 연료 발전기와 교류 공통 모선의 전압, 주파수, 및 위상이 사전에 정의된 허용범위 내로 일치되도록 상기 개폐기의 스위칭을 제어하는 디지털 통합 제어 장치; 및
상기 교류 공통 모선에 연결되어 상기 신재생 에너지 전원 또는 상기 연료 발전기에서 생성된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 교류 공통 모선을 통해서 방전하는 상기 제 2 에너지 저장 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 상기 제 2 전력 변환 장치, 및 상기 연료 발전기로부터 상기 교류 공통 모선으로 입력되는 전류를 각각 측정하는 출력 전류 검출부;
상기 교류 공통 모선에 연결된 부하로 출력되는 전류를 검출하는 부하 전류 검출부; 및
상기 교류 공통 모선의 전압을 측정하는 전압 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 출력전류 검출부 및 상기 부하 전류 검출부로부터 입력되는 전류값 및 상기 전압 검출부로부터 입력되는 전압값을 이용하여, 상기 직류 공통 모선 전원 시스템, 상기 신재생 에너지 전원 및 상기 연료 발전기의 상태를 감시하여 고장 발생 여부를 감지하고, 고장이 발생한 것으로 판단되면, 상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기의 출력을 제한하거나, 더미 부하를 투입 또는 차단시키거나, 상기 제 2 에너지 저장 수단을 충전 또는 방전시키도록 제어하는 전력 관리 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 5 항에 있어서, 상기 전력 관리 시스템은
유무선 통신망을 통해서 에너지 관리 시스템과 통신을 수행하여, 상기 에너지 관리 시스템으로 상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기의 운전 모드 및 발전량, 부하량, 상기 출력전류 검출부에서 측정된 전류값, 상기 부하전류 검출부에서 측정된 전류값, 및 상기 전압 검출부에서 검출된 전압값 중 적어도 하나를 포함하는 상태 정보를 제공하고, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 제어 명령을 수신하는 제 1 통신부;
상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템에 포함되는 전력 변환 장치들로부터 분산 발전기들의 상태 정보를 수신하고 상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템으로 제어 명령을 출력함으로써 상기 직류 공통 모선 전원 시스템 및 상기 교류 공통 모선 전원 시스템을 제어하는 제 2 통신부;
상기 출력전류 검출부 및 상기 부하 전류 검출부로부터 전류값을 입력받고, 상기 전압 검출부로부터 상기 교류 공통 모선의 전압값을 입력받아 상기 분산 발전기들의 발전량 및 부하의 전력량을 계산함으로써 교류 공통 모선의 불안정성 및 역전력의 발생, 분산 발전기들의 고장을 감지하게 하는 아날로그 입력부;
상기 제 1 에너지 저장 수단 및 상기 제 2 에너지 저장 수단으로 충전 또는 방전을 지시하는 아날로그 제어 명령을 출력하여, 부하의 변동 및 분산 발전기들의 트립을 포함하는 외란을 보상하도록 하는 아날로그 출력부; 및
잉여 전력의 발생 여부에 따라서 더미 부하의 투입 및 차단을 지시하는 제어 명령을 출력하고, 신재생 에너지 전원들의 고장에 따른 접점 출력을 읽어 들임으로써, 분산 발전기들의 고장을 검출하도록 하는 디지털 입출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 5 항에 있어서,
유무선 통신망을 통해서 상기 전력 관리 시스템 및 원격지의 관리자 단말과 연결되고, 상기 전력 관리 시스템으로부터 수신된 정보에 기초하여 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템의 운전 데이터 저장, 발전량 및 부하의 예측, 발전계획 생성, 보고서 작성 기능을 수행하고, 생성된 정보들을 상기 관리자 단말로 제공하며, 상기 관리자 단말로부터 특정 제어 명령을 수신하면, 수신된 제어 명령을 상기 전력 관리 시스템으로 전달하여 상기 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템을 제어하는 에너지 관리 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 분산 발전기 및 상기 제 2 분산 발전기는, 태양광 발전기 및 풍력 발전기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류-교류 공통 모선형 하이브리드 전원 시스템.
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