KR20170037192A - Ems 기능을 내장한 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 마이크로그리드 전원 시스템 - Google Patents

Ems 기능을 내장한 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 마이크로그리드 전원 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 EMS 기능을 내장한 전력 변환 장치를 구비하는 마이크로그리드 전원 시스템을 공개한다. 본 발명은 종래에 독립된 컴퓨터 장치에 소프트웨어 형식으로 탑재되어 운영되던 에너지 관리 시스템을 분산 전원 중 어느 하나의 전력 변환 장치에 내장함으로써, 계통 연계형 또는 독립형 소규모 마이크로그리드 전원 시스템 구성에 있어 에 있어서 포함되던 별도의 에너지관리시스템을 생략할 수 있게 되었고, 이에 따라서 에너지 관리 시스템의 설치 및 운영에 투입되는 초기 설치 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 관리 시스템 설치에 수반되는 설치 공간 문제, 소비 전력 문제, 운영 소음 문제를 해결하는 효과가 있다. 또한, 전체 마이크로그리드 전원 시스템에서 에너지 관리 시스템을 운영하기 위한 통신 장치들의 수가 감소함으로써, 마이크로그리드 전원 시스템 구성이 단순해지고, 이에 따라서 시스템 고장이나 유지보수 측면에서도 유리한 효과가 있다.

Description

EMS 기능을 내장한 전력 변환 장치 및 이를 구비하는 마이크로그리드 전원 시스템{The power conversion device embedded with EMS function and Micro-grid power system having the same}
본 발명은 마이크로그리드 전원 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 EMS 기능을 내장된 전력 변환 장치를 구비하는 마이크로그리드 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 마이크로그리드 전원 시스템은 에너지원을 결합하는 방식에 따라 직류 공통 모선형과 교류 공통 모선형으로 구분된다.
종래의 기술 중의 하나인 직류 공통 모선형 마이크로그리드 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.
그러나, 이 방식의 단점은 직류 공통 모선으로 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하로 제공하는 무정전 전원장치에 의해 부하로의 전력공급 용량이 제한되어, 부하가 증가하는 경우에 대응이 어려울 뿐만 아니라, 무정전 전원장치에 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 마이크로그리드 전원 시스템이다.
도 1은 종래기술에 따른 교류 공통 모선형 마이크로그리드 전원 시스템의 구성예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 교류 공통 모선형 마이크로그리드 전원 시스템은 풍력발전기(3)와 풍력발전용 인버터(10), 태양전지(2)와 태양광발전용 인버터(11) 및 축전지(1)와 축전지 전력 변환 장치(10)로 구성된 교류공통모선(13)방식으로서, 이 교류공통모선(13)에 부하(19)가 연결되어 교류전력을 공급하게 된다.
이러한 교류공통모선 방식의 독립형 마이크로그리드에서는 전력계통의 전압과 주파수를 정격으로 유지하기 위해서 분산전원들((2, 11), (3, 12))의 출력과 부하(19)의 수요-공급 간의 균형이 필요하며, 축전지 저장장치(1, 10)가 충전과 방전을 수행함으로써 이러한 균형을 조절하게 된다.
즉, 태양광발전(2, 11)과 풍력발전(3, 12)의 출력이 부하(19)보다 클 경우에는 잉여전력이 발생하며 이는 축전지 저장장치(1, 10)을 통하여 잉여전력을 충전하여야 전력계통, 즉 교류공통모선(13)의 전압과 주파수가 일정하게 유지할 수 있게 된다. 반대로 태양광발전(2, 11)과 풍력발전(3, 12)의 출력이 부하(19)보다 작을 경우에는 부족전력이 발생하며 이는 축전지저장장치(1, 10)을 통하여 부족 전력분을 방전하여야 수요와 공급의 균형이 이루어져 안정적인 운전을 할 수 있다.
이러한 전력공급의 수요와 공급의 균형은 에너지 관리 시스템(Energy Management System)(17)의 제어에 의해 구현된다. 에너지 관리 시스템(17)은 축전지 저장장치용 인버터(10), 태양광발전용 인버터(11), 풍력발전용 인버터(12) 및 디지털전력량계(15) 등을 통신망(14)으로 연결하여 각 발전기의 출력상태와 부하 상태를 감시한다.
에너지 관리 시스템(17)은 이러한 정보로부터 잉여전력 혹은 부족전력이 발생하면 축전지 저장장치(1, 10)에 충전 혹은 방전 명령을 전송하여, 축전기(1)를 충전시키거나 방전시킴으로써 에너지의 수급균형을 맞추게 된다.
또한, 축전지(1)에는 축전지감시스템이 연결되는 경우도 있으며, 그렇지 않을 경우에는 축전지 전력 변환 장치(10)가 축전지(1)의 전압 상태를 관측하여 과충전 혹은 과방전을 방지하게 되는데, 특히 과충전이 될 가능성이 있는 경우 태양광발전(2, 11) 혹은 풍력발전(3, 12)의 운전을 정지하거나 혹은 출력 제한 명령을 통해서 이러한 기능을 달성할 수도 있다.
신재생 전원의 출력이 중분하지 못하고 축전지(1)의 용량이 충분하지 못할 경우에는 디젤발전기를 이용하여 백업전원용으로 사용할 수도 있으며 이러한 디젤발전기의 가동 명령도 에너지 관리 시스템(17)이 수행한다.
에너지 관리 시스템(17)은 부하(19)의 예측이나 신재생전원인 태양광 발전기(2, 11), 풍력 발전기(3, 12)의 출력을 예측하는 기능을 통하여 계획적인 운전이 가능하도록 할 수 있는데, 이를 위해서 인터넷(16)을 통해서 기상청 서버 등으로부터 기상 예측 정보를 수신할 수도 있고 혹은 자체적으로 설치한 기상 관측 장치(18)로부터 온도, 풍속, 일사량 등의 정보를 취득할 수도 있다.
그런데, 이러한 종래 기술에 따른 마이크로그리드 전원 시스템에서는, 안정적인 전력 공급을 위해서, 전용 컴퓨터 장치에 소프트웨어 형식으로 탑재된 에너지 관리 시스템(17)을 설치하여 운용해야 하는데, 이는 초기 투자비의 증가, 운영 시스템의 설치 공간 증가와 전력소모 및 소음, 유지보수 등의 문제가 발생할 수 있으며 전문적인 기술자에 의해 운영되지 않는 일반 수용가의 소규모 마이크로그리드 전원 시스템의 경우에는 운전과 유지보수 등의 어려움으로 인하여, 마이크로그리드 전원 시스템 보급에 장애가 되고 있다.
본 발명은 전력회사나 전문인력에 의해 운용되는 발전설비가 아닌 소규모 수용가나 원격의 독립형 전력공급시스템에 적용되는 계통 연계형이나 독립형 마이크로그리드에 있어서, 마이크로그리드 운영을 위한 전용 EMS 컴퓨터 설치로 인한 문제점인 초기 투자 비용의 증가, 전력소모 및 소음, 통신망 구성의 복잡함, 컴퓨터의 유지보수 등의 문제를 해결할 수 있는 마이크로그리드 전원 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축전지 전력 변환 장치는, 축전지를 제어하여 축전지를 방전시키거나 충전시키는 제어기; 상기 제어기의 제어에 따라서 축전지에 저장된 전력을 교류로 변환하여 교류 공통 모선으로 방전시키거나, 상기 교류 공통 모선으로부터 입력되는 교류 전력을 직류로 변환하여 상기 축전지를 충전시키는 전력 변환부; 및 상기 교류 공통 모선에 연결된 부하의 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계, 태양광 발전기의 출력을 제어하는 태양광 전력 변환 장치, 및 풍력 발전기의 출력을 제어하는 풍력 전력 변환 장치와 통신을 수행하여, 부하의 소비 전력량, 태양광 발전기의 발전량, 및 풍력 발전기의 발전량을 수신하여 표시하고, 부하의 소비 전력량 및 발전량에 따라서 태양광 발전기의 발전량을 제어하는 제어신호, 풍력 발전기의 발전량을 제어하는 제어 신호, 상기 축전지의 충전 또는 방전을 지시하는 제어신호 중 적어도 하나를 생성하여 출력하는 운전 및 표시 장치를 포함한다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 상기 부하의 소비 전력량과 발전량을 비교하여 잉여 전력이 발생하는 경우에는, 상기 태양광 전력 변환 장치 또는 상기 풍력 전력 변환 장치를 제어하여 출력량을 제한하는 동시에 상기 축전지에 충전이 수행되도록 지시하는 제어신호를 상기 제어기로 출력할 수 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 상기 교류 공통 모선에 연결된 디젤 발전기를 제어하는 디지털 통합제어장치와 통신을 수행하고, 상기 디젤 발전기가 동작중인 경우에는, 상기 디젤 발전기가 생산하는 전력량에서, 부하가 소비하는 전력량을 제외한 나머지 전력량을 상기 축전지가 충전하도록 상기 제어기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 축전지가 부하의 소비 전력량 이상의 전력을 충전하였거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 풍력 발전기에서 생산 가능한 전력량과 충전 전력량의 합이 부하의 소비 전력량 이상일 때, 상기 디젤발전기의 운전을 정지하고 축전지가 방전을 하도록 상기 디지털 통합제어장치와 상기 제어기를 각각 제어할 수 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 인터넷 망을 통해서 기상청 서버에 접속하여 기상 정보를 제공받아, 전력 생산 계획을 수립하고, 인터넷 망을 통해서 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 송신하고, 상기 원격 감시 장치로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라서 태양광 전력 변환 장치 및 풍력 전력 변환 장치를 제어할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템은, 태양광 발전기에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 공통 모선으로 출력하는 태양광 전력 변환 장치; 풍력 발전기에서 생성된 교류 전력을 변환하여 교류 공통 모선으로 출력하는 풍력 전력 변환 장치; 상기 교류 공통 모선으로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전지를 충전시키고, 상기 축전지에 충전된 전력을 교류로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 축전지 전력 변환 장치; 및 상기 교류 공통 모선으로부터 부하로 공급되는 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계를 포함한다.
또한, 상기 축전지 전력 변환 장치는, 축전지를 제어하여 축전지를 방전시키거나 충전시키는 제어기; 상기 제어기의 제어에 따라서 축전지에 저장된 전력을 교류로 변환하여 교류 공통 모선으로 방전시키거나, 상기 교류 공통 모선으로부터 입력되는 교류 전력을 직류로 변환하여 상기 축전지를 충전시키는 전력 변환부; 및 상기 교류 공통 모선에 연결된 부하의 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계, 태양광 발전기의 출력을 제어하는 태양광 전력 변환 장치, 및 풍력 발전기의 출력을 제어하는 풍력 전력 변환 장치와 통신을 수행하여, 부하의 소비 전력량, 태양광 발전기의 발전량, 및 풍력 발전기의 발전량을 수신하여 표시하고, 부하의 소비 전력량 및 발전량에 따라서 태양광 발전기의 발전량을 제어하는 제어신호, 풍력 발전기의 발전량을 제어하는 제어 신호, 상기 축전지의 충전 또는 방전을 지시하는 제어신호 중 적어도 하나를 생성하여 출력하는 운전 및 표시 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 상기 부하의 소비 전력량과 발전량을 비교하여 잉여 전력이 발생하는 경우에는, 상기 태양광 전력 변환 장치 또는 상기 풍력 전력 변환 장치를 제어하여 출력량을 제한하는 동시에 상기 축전지에 충전이 수행되도록 지시하는 제어신호를 상기 제어기로 출력할 수 있다.
또한, 상술한 마이크로그리드 전원 시스템은, 전력을 생산하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 디젤 발전기; 및 상기 운전 및 표시 장치와 통신을 수행하고, 상기 운전 및 표시 장치로부터 수신된 제어신호에 따라서 상기 디젤 발전기를 제어하는 디지털 통합 제어 장치를 더 포함하고, 상기 운전 및 표시 장치는, 상기 디젤 발전기가 동작중인 경우에는, 상기 디젤 발전기가 생산하는 전력량에서, 부하가 소비하는 전력량을 제외한 나머지 전력량을 상기 축전지가 충전하도록 상기 제어기를 제어할 수도 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 축전지가 부하의 소비 전력량 이상의 전력을 충전하였거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 풍력 발전기에서 생산 가능한 전력량과 충전 전력량의 합이 부하의 소비 전력량 이상일 때, 상기 디젤발전기의 운전을 정지하고 축전지가 방전을 하도록 상기 디지털 통합제어장치와 상기 제어기를 각각 제어할 수도 있다.
또한, 상기 운전 및 표시 장치는, 인터넷 망을 통해서 기상청 서버에 접속하여 기상 정보를 제공받아, 전력 생산 계획을 수립하고, 인터넷 망을 통해서 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 송신하고, 상기 원격 감시 장치로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라서 태양광 전력 변환 장치 및 풍력 전력 변환 장치를 제어할 수도 있다.
본 발명은 종래에 독립된 컴퓨터 장치에 소프트웨어 형식으로 탑재되어 운영되던 에너지 관리 시스템을 분산 전원 중 어느 하나의 전력 변환 장치에 내장함으로써, 계통 연계형 또는 독립형 소규모 마이크로그리드 전원 시스템 구성에 있어 에 있어서 포함되던 별도의 에너지관리시스템을 생략할 수 있게 되었고, 이에 따라서 에너지 관리 시스템의 설치 및 운영에 투입되는 초기 설치 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 관리 시스템 설치에 수반되는 설치 공간 문제, 소비 전력 문제, 운영 소음 문제를 해결하는 효과가 있다. 또한, 전체 마이크로그리드 전원 시스템에서 에너지 관리 시스템을 운영하기 위한 통신 장치들의 수가 감소함으로써, 마이크로그리드 전원 시스템 구성이 단순해지고, 이에 따라서 시스템 고장이나 유지보수 측면에서도 유리한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 독립형 혹은 계통 연계형 마이크로그리드 전원 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 관리 시스템 기능을 내장한 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템 운전 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 전원 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템은 교류 공통 모선형 마이크로그리드 전원 시스템으로서, 풍력 발전기(3) 및 풍력 전력 변환 장치(12), 태양광 발전기(2) 및 태양광 전력 변환 장치(11), 축전지(1) 및 축전지 전력 변환 장치(10)가 각각 교류 공통 모선에 연결되어 부하(19)로 전력을 공급하고, 부하(19) 역시 교류 공통 모선에 연결되어, 풍력 발전기(3) 및 태양광 발전기(2)에서 생성된 전력 또는 축전지(1)에서 방전된 전력을 공급받는다.
여기서, 축전지 전력 변환 장치(10)는 도 3을 참조하여 후술하는 바와 같이, 종래 기술의 에너지 관리 시스템과 동일한 기능을 수행하는 제어기를 내부에 내장하고, 직렬 통신 방식으로 태양광 전력 변환 장치(11), 풍력 전력 변환 장치(12), 디지털 전력량계(15), 및 기상 관측 장치(18)와 통신을 수행한다.
축전지 전력 변환 장치(10)는 역시 직렬 통신 방식으로 디지털 전력량계(15)로부터 현재 부하에 제공되는 소비 전력량 정보를 제공받고, 기상 관측 장치(18)로부터 현재의 풍속 및 조도 등과 같은 기상 정보를 제공받아, 발전 계획을 세우고, 태양광 전력 변환 장치(11) 및 풍력 전력 변환 장치(12)를 제어함으로써 발전량을 조절한다.
또한, 축전지 전력 변환 장치(10)는 인터넷 망(20)을 통해서 기상청 서버(미도시 됨)에 접속하여 기상 정보를 제공받아 전력 생산 계획을 수립할 수도 있고, 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 송신하고 원격 감시 장치로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라서 태양광 전력 변환 장치(11) 및 풍력 전력 변환 장치(12)를 제어할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 관리 시스템 기능을 내장한 전력 변환 장치의 구성도이다. 특히, 도 3은 에너지 관리 시스템 기능을 내장한 전력 변환 장치가 축전기 전력 변환 장치(10)로 구현된 예를 도시한다.
도 3에 도시된 에너지 관리 시스템 기능을 내장한 축전지 전력 변환 장치(10)는 전력 변환부(31), 절연 변압기(32), 제어기(35) 및 운전 및 표시장치(Man-Machine Interface)(39)를 포함하고, 제어기(35)는 통신 포트(36), 아나로그 입력 포트(37), 및 디지털 입출력 포트(38)를 포함하며, 운전 및 표시 장치(39)는 2개의 통신포트(40,41)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 관리 시스템 기능을 내장한 전력 변환 장치는 축전지(1)의 충방전 제어가 가능한 축전지 전력 변환 장치(10)에 구현하는 것이 가장 적당하다. 축전지 전력 변환 장치(10)는 축전지(1)의 직류전압을 교류전압으로 변환하거나, 혹은 충전 기능을 수행하기 위하여 전력 반도체 스위치들을 포함하는 전력 변환부(31)를 이용하게 되며, 전기적인 절연을 위하여 절연변압기(32)가 내장되는 경우가 많다.
축전지(1)의 충방전 제어를 위해 필요한 모든 기능은 제어기(35)가 수행하게 되며, 이 제어기(35)는 전류의 검출, 각종 보호기능의 수행 등의 목적으로 각각 아나로그 입력포트(37), 디지털 입출력포트(38)과 통상 복수개의 통신포트(36)를 내장하고 있다.
축전지 전력 변환 장치(10)에는 조작 및 운전상태의 표시를 위하여 운전 및 표시장치(MMI)(39)가 설치되는데 최근 소형 패널용 컴퓨터가 설치되는 경우가 많으며, 이는 조작의 간편함, 표시의 그래픽화 등의 장점이 있기 때문이다.
운전 및 표시장치(39)는 제어기(35)의 통신포트(36)과 통신하여 운전 상태의 표시 및 조작이 가능하도록 설계된다. 패널용 컴퓨터가 탑재된 운전 및 표시장치(39)는 축전지(1)의 운전 상태 감시 및 외부 명령의 전송 등의 기본적인 기능을 수행하고도 다른 추가적인 기능을 할 수 있는 리소스를 확보하고 있기 때문에, 이를 이용하여 도 1에서 기술한 에너지 관리 시스템(17)의 기능을 내장할 수 있다.
따라서, 별도의 전용 컴퓨터를 이용하여 에너지 관리 시스템(17)을 운용하는 것보다 경제적이며, 공간을 덜 차지하게 되어 운용이 용이한 장점이 있다.
운전 및 표시장치(39) 기능을 하는 패널용 컴퓨터는 통상의 직렬 통신 및 인터넷 통신 포트의 확장이 용이하므로, 직렬 통신 포트(40)를 이용하여 외부 전원 장치인 태양광 발전기(2) 및 태양광 전력 변환 장치(11), 풍력 발전기(3) 및 풍력 전력 변환 장치(12)와 통신을 수행하여 전력 생산과 관련된 상태 정보를 수신하고 이들을 제어하는 제어신호를 전송하며, 디지털전력량계(15)와 통신을 수행하여 현재 부하(19)의 소비 전력량을 수신하며, 기상 관측 장치(18)와 통신을 수행하여 현재 직접 측정된 기상 정보를 수신할 수 있다.
뿐만 아니라, 운전 및 표시장치(39)는 이더넷통신 포트(41)를 통하여 인터넷 망에 접속하여, 기상청 서버(미도시 됨)로부터 기상 예보 정보를 수신하여 발전 계획을 수립할 수 있고, 다른 컴퓨터나 스마트폰 등과 같은 원격 감시 장치와 통신을 수행하여, 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 전송하고, 원격 감시 장치로부터 발전 제어 신호를 수신하여 마이크로그리드 전원 시스템의 발전량등을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로그리드 전원 시스템 운전 방법을 설명하는 도면이다.
도 4에 도시된 예에서, 본 발명이 적용되는 독립형 전원공급시스템은 교류공통모선형이고 여기에는 다수의 분산전원들이 병렬로 연계되어 운전되고 있으며 이러한 독립전력계통의 전압과 주파수를 유지하는 여러 방법들이 있는데 그 중의 하나가 싱글 마스터(Single master) 운전기법이다.
이는 병렬 운전되는 분산전원 중의 하나가 전력계통의 전압과 주파수를 제어하는 마스터로 동작하고, 다른 기기들은 여기에 계통병렬운전을 함으로써 시스템의 전압과 주파수를 유지하는 방법이다.
본 발명에서는 이 기능을 축전지 전력 변환 장치(10)가 수행하게 되는데, 통상의 3상3선식 인버터 방식에서 전압과 주파수를 일정하게 하는 정전압-정주파수 운전을 하면서 부하가 불평형이고 잉여전력이 발생하여 충전을 해야 하는 경우 전압제어가 불안정해지는 경향이 있다.
도 4에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이, 부하(70)가 경부하이고 태양광발전의 출력(71)이 높을 경우에 잉여전력이 발생하게 되고 이 잉여전력은 축전지에 충전되어야 하는데 전술한 것처럼 제어의 불안정성을 초래할 수 있다. 따라서 도 4의 도면부호 72에 도시된 것처럼, 태양광 발전 출력을 제한할 필요가 있다.
본 발명의 운전 및 표시장치(39)는 디지털 전력량계(15)로부터의 부하 전력 정보, 태양광 전력 변환 장치(11)로부터의 태양광 발전 전력 출력 정보를 바탕으로 실시간으로 상술한 바와 같이 판단하여 태양광 발전의 출력을 제한함으로써 전체 마이크로그리드 전원 시스템을 안정화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 디젤발전기를 포함하는 마이크로그리드 전원 시스템의 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 마이크로그리드 전원 시스템은 도서지역이나 상용전력망이 연계되지 않는 원격지의 전력공급용으로 적용이 가능하다. 이 경우, 축전지(1)의 용량이 충분하지 않을 경우나, 혹은 기상조건이 장기간 바람이 불지 않거나 혹은 태양광이 없을 경우, 즉, 부하의 소비 전력량이 축전지(1)에 충전된 전력량과 태양광 발전기 및 풍력 발전기의 발전량의 합보다 큰 경우에는, 정전을 막기 위하여 백업용 전원으로 디젤발전기(50)를 동작시킬 수 있으며, 이 디젤발전기(50)를 제어하는 디지털통합제어장치(51)를 직렬 통신(14)으로 본 발명의 전력 변환 장치(도 5에 도시된 예에서, 축전기 전력 변환 장치(10))에 연결함으로써, 축전기 전력 변환 장치(10)에 구현된 에너지 관리 시스템 기능, 즉, 운전 및 표시 장치(39)는 축전지(1)의 상태 정보, 태양광 전력 변환 장치(11)의 출력 정보, 풍력 전력 변환 장치(12)의 출력 정보 등에 기초하여 디젤발전기(50)의 운전 및 운전 정지를 명령할 수 있으며, 축전기 전력 변환 장치(10)의 제어기(35)에 충전 명령을 내릴 수도 있다.
물론, 교류공통모선(13) 방식을 채용하고 있기 때문에 충전 운전 중에도 부하(19)에 전력을 공급할 수 있다. 특히, 디젤발전기(50)는 부하량에 따라서 연료의 소비량이 다르고 저부하 혹은 경부하일 때 연료효율이 나쁘기 때문에 연료효율이 높은 정격부하 부근으로 운전점을 결정하는 것이 효율적이다.
운전 및 표시 장치(39)는 디젤발전기(50)가 가동 중일 때 부하(19)의 소비 전력량을 알 수 있으므로 디젤발전기(50)의 정격용량에서 부하의 소비 전력량을 제외한 전력을 충전하도록 축전기 전력 변환 장치(10)의 제어기(35)에 명령함으로서 효율이 높은 정격 부하 부근의 운전점에서 디젤발전기(50)의 운전이 가능하다.
또한, 운전 및 표시 장치(39)는 축전지(1)가 충분히 충전되었을 때(예컨대, 부하의 소비 전력량 이상의 전력을 충전하였거나, 다른 발전기에서 생산 가능한 전력량과 충전 전력량의 합이 부하의 소비 전력량 이상일 때), 디젤발전기(50)의 운전을 정지하고 축전지(1)가 방전을 하도록 축전기 전력 변환 장치(10)의 제어기(35)를 제어할 수도 있다.
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 : 축전지 2 : 태양광 발전기
3 : 풍력 발전기 10 : 축전지 전력 변환 장치
11 : 태양광 전력 변환 장치 12 : 풍력 전력 변환 장치
13 : 교류 공통 모선 14 : 직렬 통신
15 : 디지털 전력량계 17 : 에너지관리시스템(EMS)
18 : 기상 관측 장치 19 : 부하(수용가)
20 : 인터넷 망 31 : 전력 변환부
32 : 절연 변압기 35 : 제어기
39 : 운전 및 표시장치(MMI)

Claims (11)

  1. 축전지를 제어하여 축전지를 방전시키거나 충전시키는 제어기;
    상기 제어기의 제어에 따라서 축전지에 저장된 전력을 교류로 변환하여 교류 공통 모선으로 방전시키거나, 상기 교류 공통 모선으로부터 입력되는 교류 전력을 직류로 변환하여 상기 축전지를 충전시키는 전력 변환부; 및
    상기 교류 공통 모선에 연결된 부하의 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계, 태양광 발전기의 출력을 제어하는 태양광 전력 변환 장치, 및 풍력 발전기의 출력을 제어하는 풍력 전력 변환 장치와 통신을 수행하여, 부하의 소비 전력량, 태양광 발전기의 발전량, 및 풍력 발전기의 발전량을 수신하여 표시하고, 부하의 소비 전력량 및 발전량에 따라서 태양광 발전기의 발전량을 제어하는 제어신호, 풍력 발전기의 발전량을 제어하는 제어 신호, 상기 축전지의 충전 또는 방전을 지시하는 제어신호 중 적어도 하나를 생성하여 출력하는 운전 및 표시 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    상기 부하의 소비 전력량과 발전량을 비교하여 잉여 전력이 발생하는 경우에는,
    상기 태양광 전력 변환 장치 또는 상기 풍력 전력 변환 장치를 제어하여 출력량을 제한하는 동시에 상기 축전지에 충전이 수행되도록 지시하는 제어신호를 상기 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 축전지 전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    상기 교류 공통 모선에 연결된 디젤 발전기를 제어하는 디지털 통합제어장치와 통신을 수행하고,
    상기 디젤 발전기가 동작중인 경우에는, 상기 디젤 발전기가 생산하는 전력량에서, 부하가 소비하는 전력량을 제외한 나머지 전력량을 상기 축전지가 충전하도록 상기 제어기를 제어하는 것을 특징으로 하는 축전지 전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    축전지가 부하의 소비 전력량 이상의 전력을 충전하였거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 풍력 발전기에서 생산 가능한 전력량과 충전 전력량의 합이 부하의 소비 전력량 이상일 때, 상기 디젤발전기의 운전을 정지하고 축전지가 방전을 하도록 상기 디지털 통합제어장치와 상기 제어기를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 축전지 전력 변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    인터넷 망을 통해서 기상청 서버에 접속하여 기상 정보를 제공받아, 전력 생산 계획을 수립하고,
    인터넷 망을 통해서 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 송신하고, 상기 원격 감시 장치로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라서 태양광 전력 변환 장치 및 풍력 전력 변환 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 축전지 전력 변환 장치.
  6. 태양광 발전기에서 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 공통 모선으로 출력하는 태양광 전력 변환 장치;
    풍력 발전기에서 생성된 교류 전력을 변환하여 교류 공통 모선으로 출력하는 풍력 전력 변환 장치;
    상기 교류 공통 모선으로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전지를 충전시키고, 상기 축전지에 충전된 전력을 교류로 변환하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 축전지 전력 변환 장치; 및
    상기 교류 공통 모선으로부터 부하로 공급되는 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 축전지 전력 변환 장치는
    축전지를 제어하여 축전지를 방전시키거나 충전시키는 제어기;
    상기 제어기의 제어에 따라서 축전지에 저장된 전력을 교류로 변환하여 교류 공통 모선으로 방전시키거나, 상기 교류 공통 모선으로부터 입력되는 교류 전력을 직류로 변환하여 상기 축전지를 충전시키는 전력 변환부; 및
    상기 교류 공통 모선에 연결된 부하의 소비 전력량을 측정하는 디지털 전력량계, 태양광 발전기의 출력을 제어하는 태양광 전력 변환 장치, 및 풍력 발전기의 출력을 제어하는 풍력 전력 변환 장치와 통신을 수행하여, 부하의 소비 전력량, 태양광 발전기의 발전량, 및 풍력 발전기의 발전량을 수신하여 표시하고, 부하의 소비 전력량 및 발전량에 따라서 태양광 발전기의 발전량을 제어하는 제어신호, 풍력 발전기의 발전량을 제어하는 제어 신호, 상기 축전지의 충전 또는 방전을 지시하는 제어신호 중 적어도 하나를 생성하여 출력하는 운전 및 표시 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    상기 부하의 소비 전력량과 발전량을 비교하여 잉여 전력이 발생하는 경우에는,
    상기 태양광 전력 변환 장치 또는 상기 풍력 전력 변환 장치를 제어하여 출력량을 제한하는 동시에 상기 축전지에 충전이 수행되도록 지시하는 제어신호를 상기 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    전력을 생산하여 상기 교류 공통 모선으로 출력하는 디젤 발전기; 및
    상기 운전 및 표시 장치와 통신을 수행하고, 상기 운전 및 표시 장치로부터 수신된 제어신호에 따라서 상기 디젤 발전기를 제어하는 디지털 통합 제어 장치를 더 포함하고,
    상기 운전 및 표시 장치는
    상기 디젤 발전기가 동작중인 경우에는, 상기 디젤 발전기가 생산하는 전력량에서, 부하가 소비하는 전력량을 제외한 나머지 전력량을 상기 축전지가 충전하도록 상기 제어기를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    축전지가 부하의 소비 전력량 이상의 전력을 충전하였거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 풍력 발전기에서 생산 가능한 전력량과 충전 전력량의 합이 부하의 소비 전력량 이상일 때, 상기 디젤발전기의 운전을 정지하고 축전지가 방전을 하도록 상기 디지털 통합제어장치와 상기 제어기를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 운전 및 표시 장치는
    인터넷 망을 통해서 기상청 서버에 접속하여 기상 정보를 제공받아, 전력 생산 계획을 수립하고,
    인터넷 망을 통해서 원격 감시 장치로 마이크로그리드 전원 시스템의 상태 정보를 송신하고, 상기 원격 감시 장치로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호에 따라서 태양광 전력 변환 장치 및 풍력 전력 변환 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 전원 시스템.
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