KR20170118285A - 가변 전압 dc 마이크로그리드 시스템 및 이의 운전 방법 - Google Patents

가변 전압 dc 마이크로그리드 시스템 및 이의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템 및 이의 운전 방법으로서, DC 마이크로그리드 시스템 상에서 축전지의 충방전을 제어하는 DC-DC 컨버터를 제거하고 DC 모선에 축전지가 직접 연결되며, 축전지의 SOC(State of Charge)를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 통합 제어 장치가 각 구성에 연계된 컨버터의 운전 제어를 통해 가변 전압 DC 모선의 전압을 제어함으로써, 보다 작은 공간을 차지하고 시스템 구축 및 운용 비용을 줄이면서 동시에 정전압, 정주파수로 마이크로그리드 시스템을 안정적으로 운용할 수 있는 방안을 제시한다.

Description

가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템 및 이의 운전 방법 {System and method ofoperating variable voltage for DC micro-grid}
본 발명은 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템 및 이의 운전 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 DC 마이크로그리드 시스템 상에서 축전지의 충방전을 제어하는 DC-DC 컨버터를 제거하고 DC 모선에 축전지가 직접 연결되며, 축전지의 SOC(State of Charge)를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 통합 제어 장치가 각 구성에 연계된 컨버터의 운전 제어를 통해 가변 전압 DC 모선의 전류를 제어함으로써 정전압, 정주파수로 마이크로그리드 시스템을 운용할 수 있는 방안에 관한 것이다.
신재생 에너지원에 대한 요구가 증가하게 됨에 따라 소규모 발전 및 저장 시설에 대한 수요가 증가하고 있으며, 국지적으로 소규모 발전 및 저장 시설이 증가하면서 수용가에서 어느 정도 전기에너지의 자체 공급이 가능하게 되고 나아가서 특정 수용가가 보유한 잉여 전력을 전력계통을 통해 다른 수용가에게 공급할 수 있는 스마트 그리드 기술이 빠른 속도로 발전되고 있다.
이와 같이 지역적으로 분산된 형태의 소용량 신재생 에너지원들과 저장 장치들이 연계된 그린 에너지 기반 전력공급시스템을 마이크로그리드(Microgrid)라 부르는데, 마이크로그리드의 경우 그린에너지 비율을 증대시킬 수 있으므로 석유 사용 및 그에 따른 탄소 배출을 감소시키며, 장거리 송전에 따른 전송손실을 감소시켜 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 다양한 품질의 전력 서비스를 제공할 수 있어 서비스 품질의 향상과 함께 에너지 요금절약을 위한 선택의 다양성을 제공할 수 있고, 기존 수용가에 대한 획일적인 전력 서비스에서 벗어나 수용가 자체가 능동적인 에너지 생산과 소비를 동시에 수행할 수 있게 된다.
마이크로그리드는 연계방식에 따라 구성요소들을 주모선에 교류로 연계한 AC 마이크로그리드와 직류로 연결한 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다.
AC 마이크로그리드는 기존의 배전망을 그대로 활용할 수 있는 장점을 가지고 있지만 교류계통의 단점인 동기화, 안정도, 무효전력소모의 문제가 존재하기 때문에 이를 보상하기 위한 추가적인 장비가 필요하다.
반면 DC 마이크로그리드는 상기에서 살펴본 AC 마이크로그리드에 발생되는 여러 제반 문제를 해결하며, 각 전원에서 생산되는 전력을 연계함에 있어 2단계 전력변환이 필요 없기에 전력 시스템의 손실과 비용이 낮은 장점을 갖는다.
따라서 마이크로그리드 시스템의 보급을 보다 효과적으로 높이기 위해 마이크로그리드 시스템의 구성이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있는 시스템의 설계가 필요하며, 이와 함께전력 시스템 구축 및 운용 비용을 줄일 수 있는 방안이 강구될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 전력의 동기화, 안정도, 무효전력소모 등의 문제를 해결하기 위한 추가적인 장비의 도입이 필요 없으며, 전력 시스템의 손실과 비용이 낮은 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제시하고자 한다.
특히, DC 마이크로그리드 시스템의 구축시, 시스템의 구성이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있는 방안과 전력 시스템의 구축 및 운용 비용을 줄일 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템은, 기설정된 일정 지역 또는 개별 수용가를 대상으로 전력 서비스를 제공하는 마이크로그리드 시스템에 있어서, DC 전원을 선택적으로 충전과 방전하는 축전지; 상기 축전지와 직접 연결되어 상기 축전지의 SOC(State of Charge)에 따른 가변 DC 전원을 공급하는 가변 전압 DC 모선; 신재생 에너지원으로 DC 전원을 생산하는 분산전원 발전기와 DC-DC 컨버터를 포함하며, 상기 가변 전압 DC 모선에 연결된 분산전원 발전 장치; AC 전원을 생산하는 디젤 발전기와 AC-DC 컨버터를 포함하며, 상기 가변 전압 DC 모선에 연결된 디젤 발전 장치; 상기 가변 전압 DC 모선으로부터 공급받는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 DC-AC 인버터를 포함하며, 부하에 AC 전원을 공급하는 전원 공급 장치; 및 상기 축전지의 SOC를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치를 제어하는 통합 제어 장치를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 가변 전압 DC 모선 상의 기설정된 지점과 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치 각각의 출력단에 설치된 전압 및 전류 센서를 더 포함하며, 상기 통합 제어 장치는, 각 전압 및 전류센서로부터 각 전압 및 전류치를 수집하여, 이를 기초로 상기 축전지의 충전과 방전 및 상기 디젤 발전 장치의 동작을 제어할 수 있다.
나아가서 상기 축전지, 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치 각각은, 상기 가변 전압 DC 모선의 전단에 설치되어 상기 가변 전압 DC 모선과의 연결을 선택적으로 개폐시키는 차폐수단을 더 포함하며, 상기 통합 제어 장치는, 상기 차폐수단을 선택적으로 제어할 수 있다.
바람직하게는 상기 분산전원 발전 장치는, 하나 이상의 태양광 발전기 또는 하나 이상의 풍력 발전기 중 선택된 복수개 분산전원 발전기와 각 분산전원 발전기마다 연결된 DC-DC 컨버터를 포함할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법은, 상기의 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법으로서, 상기 분산전원 발전 장치의 발전 출력만으로 상기 전원 공급 장치를 통한 부하의 소비 전력을 공급하도록 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제어하는 제1 단계; 상기 분산전원 발전 장치의 발전 출력과 상기 부하의 소비 전력을 대비하여 상기 부하의 소비 전력에 대한 상기 발전 출력의 부족 여부를 판단하는 제2 단계; 상기 제2 단계의 판단 결과에 따라 상기 축전지의 충전 또는 방전을 제어하는 제3 단계; 및 상기 축전지의 SOC를 기초로 상기 디젤 발전 장치의 운전을 제어하는 제4 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제1 단계는, 상기 부하의 소비 전력에 따라 상기 분산전원 발전 장치를 부하추종 운전모드로 제어할 수 있다.
바람직하게는 상기 제3 단계는, 상기 제2 단계의 판단 결과, 상기 발전 출력이 상기 소비 전력보다 부족한 경우, 상기 축전지를 방전 모드로 제어하고, 상기 축전지의 SOC를 기설정된 제1 설정치와 대비하여 과방전 여부를 모니터링하며, 상기 제4 단계는, 상기 디젤 발전 장치를 운전 모드로 제어할 수 있다.
만약 상기 축전지의 과방전시, 상기 축전지의 상기 가변 전압 DC 모선에 대한 연결을 폐쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제3 단계는, 상기 제2 단계의 판단 결과, 상기 발전 출력이 상기 소비 전력보다 큰 경우, 상기 축전지를 충전 모드로 제어하고, 상기 축전지의 SOC를 기설정된 제2 설정치와 대비하여 과충전 여부를 모니터링할 수 있다.
만약 상기 축전지의 과충전시, 상기 축전지의 상기 가변 전압 DC 모선에 대한 연결을 폐쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전력의 동기화, 안정도, 무효전력소모 등의 문제를 해결하기 위한 추가적인 장비의 도입이 필요 없으며, 전력 시스템의 손실과 비용이 낮은 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제공할 수 있다.
특히, DC 마이크로그리드 시스템의 구축시, 시스템의 구성이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 전력 시스템의 구축 및 운용 비용을 낮출 수 있게 된다.
도 1은 마이크로그리드 시스템의 일반적인 구성을 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 일실시예에 따른 구성도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에 대한 일실시예의 흐름도를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에서 축전지 등가 회로 모델 및 충전 특성 곡선의 예시를 나타내며,
도 5는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에서 운전 모드별 동작도를 나타내며,
도 6은 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 구현예를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은, DC 마이크로그리드 시스템 상에서 축전지의 충방전을 제어하는 DC-DC 컨버터를 제거하고 DC 모선에 축전지가 직접 연결되며, 축전지의 SOC(State of Charge)를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 통합 제어 장치가 각 구성에 연계된 컨버터의 운전 제어를 통해 가변 전압 DC 모선의 전류를 제어함으로써 정전압, 정주파수로 운용할 수 있는 마이크로그리드 시스템과 이의 운전 방법을 개시한다.
도 1은 마이크로그리드 시스템의 일반적인 구성을 도시하는데, 도 1의 (a)는 고정 전압 AC 마이크로그리드의 개략적인 구성도를 도시하고, 도 1의 (b)는 고정 전압 DC 마이크로그리드의 개략적인 구성도를 도시한다.
일반적인 마이크로그리드 시스템(10a, 10b)의 경우, 주모선(11, 15)의 전압과 주파수가 일정한 값으로 고정된 값을 가지며, 축전지(20, 60), 태양광 발전(30, 70), 디젤 발전기(40, 80)가 에너지원으로 사용되어 일반 AC 부하(50, 90)에 전원을 공급하는 형태로 구성된다.
주모선(11, 15)에 일정한 전압을 유지하기 위해서는 각 에너지원의 전단에 컨버터가 설치되어 원하는 전압 레벨에 맞게 제어가 이루어지며, 고정 전압 AC 모선(11)의 경우에는 축전지(20)와 태양광 발전(30)의 DC 전원을 AC 모선(11)에 맞추기 위해 AC/DC 컨버터(25, 35)가 설치되며, 고정 전압 DC 모선(15)의 경우에는 디젤 발전기(80)의 AC 전원을 DC 모선(15)에 맞추기 위해 AC-DC 컨버터(81)가 설치된다.
이와 같은 마이크로그리드의 경우 전체 시스템을 운반하여 설치하는 것을 고려하였을 때, 대용량에 적합한 AC 마이크로그리드 시스템보다는 상대적으로 규모가 작은 DC 마이크로그리드 시스템이 체적 측면에서 유리하나, 도서 산간 등의 오지에 마이크로그리드 시스템을 구축할 경우, 전체 시스템의 운송을 고려할 때 보다 적은 체적에서 최대한의 용량이 확보될 필요가 있기에, 본 발명에서는 마이크로그리드 시스템의 안정적인 전원 공급을 유지시키면서 시스템의 체적을 보다 줄일 수 있는 방안을 제시한다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 일실시예에 따른 구성도를 도시한다.
본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템(100)은 일정 지역 또는 개별 수용가를 대상으로 전력 서비스를 제공하는 전력 시스템으로서, 축전지(110), 분산전원 발전 장치(120), 디젤 발전 장치(130), 전원 공급 장치(145)와 각 구성들을 제어하는 통합 제어 장치(150)를 포함하고, 각 구성들 간을 병렬로 연결하여 전압을 공급하는 가변 전압 DC 모선(105)을 포함한다.
축전지(110)는 충전을 통해 전원을 저장하고 방전을 통해 전원을 공급하는 배터리를 포함하며, 바람직하게는 다수의 배터리로 구성된 배터리 모듈이나 배터리 팩이 복수개의 집합으로 구성될 수 있다.
본 발명에서는 축전지의 충방전을 제어하는 DC-DC 컨버터를 제거하고 마이크로그리드 시스템(100)의 주모선에 축전지(110)가 직접 연결되기에 주모선의 전압은 축전지(110)의 SOC(State of Charge)에 따라 변화되게 되어 주모선이 가변 전압 DC 모선(105)으로 구성된다.
분산전원 발전 장치(120)는 신재생에너지원으로 전력을 생산하는 장치로서, 상기 도 2에서는 태양광 발전기의 분산전원 발전기(121)와 DC-DC 컨버터(125)를 포함하는 것을 예시로 제시하나, 이외에도 풍력 발전기 등 다양한 신재생에너지원으로 전력을 생산하는 분산전원 발전기와 DC-DC 컨버터를 포함하는 구성이 될 수 있다. 또한 다수의 분산전원 발전기의 집합으로 구성될 수도 있는데, 이때 동일한 종류의 분산전원 발전기들의 집합으로 구성될 수도 있고 또는 서로 다른 이종의 분산전원 발전기들의 집합으로 구성될 수도 있다. 복수의 분산전원 발전기를 포함하는 경우, 각 분산전원 발전기마다 각각 DC-DC 컨버터가 연결될 수 있다.
디젤 발전 장치(130)는 디젤 연료로 엔진을 돌려 전력을 생산하는 장치로서, 디젤 발전기(131)와 AC-DC 컨버터(135)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 도 2에서는 디젤 발전으로 설명하나 디젤 이외의 다양한 연료로 엔진이나 터빈을 동작시켜 전력을 생산하는 구성으로 대체될 수도 있다. 또한 디젤 발전 장치(130)는 다수의 디젤 발전기와 다수의 AC-DC 컨버터를 포함하여 구성될 수도 있다.
전원 공급 장치(145)는 부하(140)로 전원을 제공하는 장치로서, 본 발명에서는 마이크로그리드 시스템의 가변 전압 DC 모선(105)을 통해 DC 전원을 공급하기에 전원 공급 장치(145)는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 DC-AC 인버터를 포함할 수 있다. 전원 공급 장치(145)는 마이크로그리드 시스템으로부터 부하(140)로 제공되는 전원이 항시 정전압, 정주파수로 공급될 수 있도록 기능한다.
통합 제어 장치(150)는 축전지(110)의 SOC를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 분산전원 발전 장치(120), 디젤 발전 장치(130), 전원 공급 장치(145)를 제어하여 부하(140)에 안정적인 전력 공급 서비스를 제공할 수 있도록 기능한다. 바람직하게는 전력 조류 해석 모델에 따라 사전에 여러 상황별 운전 모드가 설정되고, 해당 상황이 발생되는 경우 통합 제어 장치(150)는 그에 따라 설정된 운전 모드로 제어를 수행할 수 있다.
이를 위해 상기 도 2에 도시되진 않았으나, 가변 전압 DC 모선(105) 상의 기설정된 지점과 분산전원 발전 장치(120), 디젤 발전 장치(130), 전원 공급 장치(145) 각각의 출력단에는 전압 및 전류 센서가 설치되며, 통합 제어 장치(150)는 각 전압 및 전류 센서로부터 각 전압 및 전류치를 수집하고, 수집된 각 전압 및 전류치를 기초로 해당 상황을 판단하여 대응되는 운전 모드에 따라 축전지(110)의 충전과 방전, 분산 전원 장치(120)의 동작 및 디젤 발전 장치(130)의 동작을 제어한다.
또한 축전지(110), 분산전원 발전 장치(120), 디젤 발전 장치(130), 전원 공급 장치(145) 각각에는 가변 전압 DC 모선(105)의 전단에 차폐수단(117, 127, 137, 147)이 설치되어 각 구성과 가변 전압 DC 모선(105) 간의 연결이 선택적으로 개폐될 수 있으며, 통합 제어 장치(150)는 각 운전 모드의 설정에 따라 차폐수단(117, 127, 137, 147)을 선택적으로 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명은마이크로그리드의 주모선의 전압이 축전지의 SOC에 따라 변화되는 새로운 구조의 DC 마이크로그리드 시스템으로서, 축전지의 충방전을 제어하는 DC-DC 컨버터를 제거하고 축전지의 SOC를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 통합 제어 장치가 각 구성에 연계된 컨버터의 운전 제어를 통해 가변 전압 DC 모선의 전압을 제어하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제시함으로써, DC 마이크로그리드 시스템의 구축시, 시스템의 구성이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있다.
나아가서 본 발명에서는 상기에서 살펴본 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법을 제시하는데, 이하에서는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에 대하여 그 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에 대한 일실시예의 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법은 앞서 살펴본 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템에서 수행되는 과정이기에 상기 도 2의 실시예를 같이 참조하기로 한다.
본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법은, 개략적으로 분산전원 발전 장치(120)의 발전 출력만으로 전원 공급 장치(145)를 통한 부하(140)의 소비 전력을 공급하도록 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제어하는 제1 단계; 분산전원 발전 장치(120)의 발전 출력과 부하(140)의 소비 전력을 대비하여 부하(140)의 소비 전력에 대한 상기 발전 출력의 부족 여부를 판단하는 제2 단계; 상기 제2 단계의 판단 결과에 따라 축전지(110)의 충전 또는 방전을 제어하는 제3 단계; 및 축전지(110)의 SOC를 기초로 디젤 발전 장치(130)의 운전을 제어하는 제4 단계를 포함할 수 있다.
각 과정에 대하여 상기 도 3을 통해 자세히 살펴보면, 통합 제어 장치(150)는 각 구성에 연계되어 설치된 전압 및 전류 센서를 통해 각 구성의 입력 전압 및 전류또는 출력 전압 및 전류를 감시한다.
그리고 통합 제어 장치(150)는 분산전원 발전 장치(120)의 출력 전압 및 전류값으로 발전출력 PPV를 산출하여 분산전원 발전 장치(120)의 출력 PPV가 항시 최대출력을 내도록 분산전원 발전기(121)에 연계된 DC-DC 컨버터(125)를 제어하여 분산전원 발전 장치(120)가 부하추종 운전 모드로 동작하도록 제어한다. 이때 통합 제어 장치(150)는 분산전원 발전 장치(120)와 전원 공급 장치(145)를 제외한 각 구성에 연결된 차폐수단(117, 137)을 제어하여 전원의 입출력을 차단한다.
전원 공급 장치(145)는 항시 부하(140)로 안정적인 AC 전원을 공급하기 위해DC-AC 인버터를 구비하여 일반 부하에서 사용되는 220V, 60Hz로 전력 PL을 공급한다.
상기 과정을 수행하면서, 통합 제어 장치(150)는 전원 공급 장치(145)의 출력단 전압 및 전류로 부하(140)의 소비 전력 PL을 산출하고, 상기 소비 전력 PL과 분산전원 발전 장치(120)에서 공급하는 발전 출력 PPV를 확인(S110)하고, 상기 소비 전력 PL과 발전 출력 PPV를 대비하여 부하(140)에 대한 공급전력의 부족 여부를 감시(S120)한다.
상기 발전 출력이 상기 소비 전력보다 작아 부하(140)에 대한 공급전력이 부족하다고 판단되는 경우, 통합 제어 장치(150)는 축전지(110)를 방전 모드로 제어하여 부족한 공급전력을 축전지(110)로부터 공급하면서 축전지(110)의 SOC를 측정하고 SOC를 기설정된 제1 설정치와 대비(S170)하여 과방전 여부를 모니터링한다. 상기 도 3의 실시예에서는 SOC의 제1 설정치를 20%로 설정하였는데, SOC의 제1 설정치는 축전지의 성능과 특성에 따라 변경될 수 있다.
만약 축전지(110)의 SOC가 제1 설정치 미만으로 떨어지는 경우, 통합 제어 장치(150)는 디젤 발전 장치(130)를 동작시켜 운전 모드로 제어(S150)한다. 이때 디젤 발전 장치(130)는 디젤 발전기(131)의 앞단에 AC-DC 컨버터(135)를 구비하여 디젤 발전기(131)에서 생산되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다.
축전지(110)의 SOC가 기설정된 하한치 미만으로 떨어지는 경우, 통합 제어 장치(150)는 축전지(110)와 연계된 차폐수단(117)을 제어하여 축전지(110)와 가변 전압 DC 모선(105) 간의 연결을 폐쇄시킨다.
그리고 지속적으로 부하(140)의 소비 전력 PL과 분산전원 발전 장치(120)에서 공급하는 발전 출력 PPV를 확인하여, 발전 장치(120)에서 공급하는 발전 출력 PPV으로 부하(140)의 소비 전력 PL을 공급할 수 있는 상태로 회복되면 축전지(110)의 방전 모드와 디젤 발전 장치(130)의 운전 모드를 정지 모드로 전환한다. 물론 축전지(110)의 방전 모드와 디젤 발전 장치(130)의 운전 모드는 필요에 따라 선택적으로 전환될 수 있다.
상기 발전 출력이 상기 소비 전력보다 커서 부하(140)에 대한 공급전력이 크다고 판단되는 경우, 통합 제어 장치(150)는 축전지(110)를 충전 모드로 제어(S160)하여 여분 전력으로 축전지(110)의 충전을 수행하면서 축전지(110)의 SOC를 측정한다.
통합 제어 장치(150)는 축전지(110)의 SOC를 기설정된 제2 설정치와 대비하여 축전지(110)의 과충전 여부를 모니터링하며, 만약 축전지(110)의 SOC가 기설정된 제2 설정치를 초과하여 과충전으로 판단(S170)되면, 축전지(110)의 충전 모드를 정지시키고 축전지(110)와 연계된 차폐수단(117)을 제어하여 축전지(110)와 가변 전압 DC 모선(105) 간의 연결을 폐쇄(S180)시킨다. 상기 도 3의 실시예에서는 SOC의 제2 설정치를 100%로 설정하였는데, SOC의 제2 설정치는 축전지의 성능과 특성에 따라 변경될 수 있다.
이후 통합 제어 장치(150)는 부하(140)의 소비 전력 PL과 분산전원 발전 장치(120)에서 공급하는 발전 출력 PPV를 확인하고 그에 따라 상기에서 살펴본 과정을 반복적으로 수행한다.
이와 같은 상기의 각 단계는 기설정된 운전 모드에 대응되어 수행될 수 있는데, 가령 상기 도 2에 도시된 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 실시예의 경우 사전에 분석된 전력 조류 해석 모델을 근거로 하기 [표 1]과 같은 운전 모드별 제어가 설정될 수 있다.
운전 모드 전원공급 장치 축전지 분산전원 장치 디젤발전 장치
모드 #1 제어 X 제어 X
모드 #2 제어 제어 X X
모드 #3 제어 제어 제어 X
모드 #4 제어 제어 X 제어
모드 #5 제어 제어 제어 제어
상기 운전 모드 #1은 분산전원 발전 장치(120)의 전력으로 부하(140)의 소비 전력이 충분히 공급될 수 있는 경우로서, 통합 제어 장치(150)는 분산전원 발전 장치(120)가 부하추종 운전 모드로 동작하도록 제어한다.
그리고 상기 운전 모드 #2 내지 운전 모드 #5에서 통합 제어 장치(150)는 축전지의 SOC을 기초로 해당 모드별 구성을 제어하게 되는데, 이에 대하여 그 실시예를 통해 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.
상기 운전 모드 #2 내지 운전 모드 #5의 경우, 주모선인 가변 전압 DC 모선(105)의 전압이 바로 축전지(110)의 SOC에 따라 변화되기에 기본적으로 축전지(110)의 SOC를 기초로 각 운전모드가 제어된다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에서 축전지 등가 회로 모델 및 충전 특성 곡선의 예시를 나타내는데, 축전지 모델링은 AH Counting Method를 적용하여 SOC의 특성을 모델링할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
이때 축전지는 상기 도 4의 (a)와 같은 등가회로로 모델링될 수 있으며, 단자 전압과 출력 전류는 하기 [식 2] 및 [식 3]으로 산출될 수 있고, 이를 기초로 축전지의 SOC는 하기 [식 4]로 산출될 수 있다.
[식 2]
Figure pat00002
[식 3]
Figure pat00003
[식 4]
Figure pat00004
여기서, SOC는 축전지의 State of Charge이며, Voff는 0%에서의 Offset voltage이며, Vn은 100%에서 Nominal voltage이며, QO는 Initial capacity이며, Qn은 Rating Ah capacity이며, iDS는 Discharging current이다.
일반적으로 상기 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이 축전지는 높은 전류로 방전시 사용 가능한 용량이 줄어드는 특성을 가지고 있으며, 나아가서 축전지의 종류별, 제품별 등에 따라 각기 다른 충전 특성 및 방전 특성이 나타난다.
본 발명에서는 축전지의 개별적인 충전 특성 및 충전 특성을 고려하여 실시간 축전지의 SOC를 산출하고, 이를 기초로 운전 모드를 제어한다.
도 5는 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법에서 운전 모드별 동작도를 나타낸다.
상기 도 5의 (a)는 상기 운전모드 #2의 동작도를 나타내며, 상기 도 5의 (b)는 상기 운전모드 #3의 동작도를 나타내며, 상기 도 5의 (c)는 상기 운전모드 #4의 동작도를 나타내며, 상기 도 5의 (d)는 상기 운전모드 #5의 동작도를 나타낸다.
상기 운전 모드 #1에 따라 통합 제어 장치(150)가 분산전원 발전 장치(120)를 부하추종 운전 모드로 동작시켜 부하(140)에 전력을 공급하는 중, 기상 상황으로 인해 분산전원 발전 장치(120)가 발전 전력을 효과적으로 생산하지 못하여 분산전원 발전 장치(120)의 구동 자체가 무의미한 경우, 상기 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 통합 제어 장치(150)는 상기 운전 모드 #2에 따라 분산전원 발전 장치(120)로부터의 전력 공급을 정지시키고 축전지(110)를 방전시켜 소비 전력으로 공급하도록 제어한다. 이때 가변 전압 DC 모선(105)의 전압 VDC는 축전지(110)의 SOC에 따른 VES가 되므로, 통합 제어 장치(150)는 실시간 축전지(110)의 SOC를 산출하고 그에 따라 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 제어하여 부하(140)로의 공급 전류 IL을 조절한다. 즉, 축전지(110)의 방전에 따라 점차적으로 SOC가 떨어지면서 가변 전압 DC 모선(105)의 VDC도 SOC의 감소에 따라 낮아지게 되는데, 부하(140)의 소비 전력을 충족시키기 위해서 통합 제어 장치(150)는 SOC의 감소에 맞춰서 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 통해 부하로 공급되는 공급 전류 IL를 높임으로써 부하(140)의 소비 전력에 충족되는 전력을 공급하도록 제어한다.
만약, 분산전원 발전 장치(120)를 통한 전력 생산이 가능하나 부하(140)의 소비 전력을 충족시킬 정도의 전력 생산이 이루어지지 않는 경우, 상기 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 통합 제어 장치(150)는 상기 운전 모드 #3에 따라 분산전원 발전 장치(120)의 전력 공급과 함께 축전지(110)를 방전시켜 소비 전력으로 공급하도록 제어한다.
이때 가변 전압 DC 모선(105)의 전압 VDC는 축전지(110)의 SOC에 따른 VES가 되므로, 상기 운전 모드 #3의 경우, 통합 제어 장치(150)는 실시간 축전지(110)의 SOC를 산출하고 그에 따라 분산전원 발전 장치(120)의 DC-DC 컨버터(125)를 제어하여 분산전원 발전 장치(120)의 출력 전류 IPV를 조절하고 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 제어하여 부하(140)로의 공급 전류 IL을 조절한다. 즉, 축전지(110)의 방전에 따라 점차적으로 떨어지는 SOC의 감소에 맞춰서 통합 제어 장치(150)는 분산전원 발전 장치(120)의 출력 전류 IPV와 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)의 공급 전류 IL를 높임으로써 부하(140)의 소비 전력에 충족되는 전력을 공급하도록 제어한다.
나아가서 분산전원 발전 장치(120)를 통한 생산 전력이 부하(140)의 소비 전력을 충족시키고 여분으로 남는 경우에도 통합 제어 장치(150)는 상기 운전 모드 #3로 제어하여 여분 전력으로 축전지(110)를 충전시키는데, 이때 통합 제어 장치(150)는 축전지(110)의 SOC를 기초로 분산전원 발전 장치(120)의 출력 전류 IPV를 높이고 부하(140)의 소비 전력에 맞춰서 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)의 공급 전류 IL를 낮춤으로써 여분의 전류가 축전지(110)로 흘러 충전이 수행될 수 있다.
또한 상기 운전 모드 #2로 제어하여 축전지(110)의 방전이 계속됨에 따라 축전지(110)의 저장 전력으로 더 이상 부하(140)의 소비 전력을 충족시키기 부족한 경우, 상기 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 통합 제어 장치(150)는 상기 운전 모드 #4에 따라 축전지(110)의 방전과 함께 디젤 발전 장치(130)를 가동시켜 소비 전력으로 공급하도록 제어한다.
이 경우에도 가변 전압 DC 모선(105)의 전압 VDC는 축전지(110)의 SOC에 따른 VES가 되어 축전지(110)의 방전에 따라 전압 VDC가 점점 떨어지게 되므로, 통합 제어 장치(150)는 실시간 축전지(110)의 SOC를 산출하고 그에 따라 디젤 발전 장치(130)의 AC-DC 컨버터(135)를 제어하여 디젤 발전 장치(130)의 출력 전류 IDG를 조절하고 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 제어하여 부하(140)로의 공급 전류 IL을 조절한다. 즉, 축전지(110)의 방전에 따라 점차적으로 떨어지는 SOC의 감소에 맞춰서 통합 제어 장치(150)는 디젤 발전 장치(130)의 출력 전류 IDG와 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)의 공급 전류 IL를 높임으로써 부하(140)의 소비 전력에 충족되는 전력을 공급하도록 제어한다.
상기 운전 모드 #4의 경우, 디젤 발전의 효율을 고려하여 통합 제어 장치(150)는 디젤 발전 장치(130)를 최대 출력으로 가동시키며, 만약 디젤 발전 장치(130)의 생산 전력이 부하(140)의 소비 전력을 충족시키고 여분 전력이 남으며, 통합 제어 장치(150)는 디젤 발전 장치(130)의 AC-DC 컨버터(135)와 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 제어하여 여분 전력으로 축전지(110)를 충전할 수도 있다.
나아가서 부하(140)의 소비 전력이 최대치에 이르러 분산전원 발전 장치(120)의 생산 전력과 축전지(110)의 방전 전력으로 소비 전력이 충족되지 못하는 경우, 상기 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 통합 제어 장치(150)는 상기 운전 모드 #5에 따라 축전지(110)의 방전 전력 및 분산전원 발전 장치(120)의 생산 전력 이외에도 디젤 발전 장치(130)를 가동시켜 소비 전력으로 공급하도록 제어한다.
이때, 가변 전압 DC 모선(105)의 전압 VDC가 축전지(110)의 SOC에 따라 감소되기에 통합 제어 장치(150)는 실시간 축전지(110)의 SOC를 산출하고 그에 따라 분산전원 발전 장치(120)의 DC-DC 컨버터(125)의 제어로 분산전원 발전 장치(120)의 출력 전류 IPV를 조절하고, 디젤 발전 장치(130)의 AC-DC 컨버터(135)의 제어로 IDG를 조절하고 또한 전원공급 장치의 DC-AC 인버터(145)를 제어하여 부하(140)로의 공급 전류 IL을 조절함으로써 부하(140)의 소비 전력에 충족되는 전력을 공급하도록 제어한다.
이와 같이 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법을 통해 축전지의 컨버터가 제거된 상황에서도 부하에서 요구하는 소비 전력을 충족시킬 수 있도록 정전압, 정주파수로 전력 공급이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 구현예를 도시한다.
상기 도 6에서 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템(200)는 태양광 발전(211), 풍력 발전(213), 축전지(215), 디젤 발전(217) 등의 다양한 분산 전원(210)을 포함하고, 이들 분산 전원(210)이 축전지(215)의 SOC에 따라 변동하는 가변 전압 DC 모선으로 연결되며, 통합 제어 장치(230)가 분산 전원(210)의 각 구성에 대한 제어를 통해 부하(220)로 안정적인 전원 공급이 이루어지게 된다.
이와 같은 본 발명에서는 축전지의 전단에 DC-DC 컨버터 등의 전력 변환 장치를 제거하고 축전지를 직접 DC 모선에 연결함으로써, 가변 전압 DC 마이크로그리드라는 새로운 전력 시스템을 제시하는데, 전체 시스템의 체적을 최대로 줄여 전체 시스템을 패키지로 구현할 수 있기에 DC 마이크로그리드 시스템의 구축시, 시스템의 구성이 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 전력 시스템의 구축 및 운용 비용을 낮출 수 있게 된다.
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 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200 : 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템,
105 : 가변 전압 DC 모선,
110 : 축전지,
120 : 분산전원 발전 장치,
130 : 디젤 발전 장치,
140 : 부하,
145 : 전원 공급 장치,
150 : 통합 제어 장치,
210 : 분산 전원.

Claims (10)

  1. 기설정된 일정 지역 또는 개별 수용가를 대상으로 전력 서비스를 제공하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
    DC 전원을 선택적으로 충전과 방전하는 축전지;
    상기 축전지와 직접 연결되어 상기 축전지의 SOC(State of Charge)에 따른 가변 DC 전원을 공급하는 가변 전압 DC 모선;
    신재생 에너지원으로 DC 전원을 생산하는 분산전원 발전기와 DC-DC 컨버터를 포함하며, 상기 가변 전압 DC 모선에 연결된 분산전원 발전 장치;
    AC 전원을 생산하는 디젤 발전기와 AC-DC 컨버터를 포함하며, 상기 가변 전압 DC 모선에 연결된 디젤 발전 장치;
    상기 가변 전압 DC 모선으로부터 공급받는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 DC-AC 인버터를 포함하며, 부하에 AC 전원을 공급하는 전원 공급 장치; 및
    상기 축전지의 SOC를 기초로 기설정된 전력 조류 해석 모델에 따라 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치를 제어하는 통합 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 전압 DC 모선 상의 기설정된 지점과 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치 각각의 출력단에 설치된 전압 및 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 통합 제어 장치는,
    각 전압 및 전류 센서로부터 각 전압 및 전류치를 수집하여, 이를 기초로 상기 축전지의 충전과 방전 및 상기 디젤 발전 장치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 축전지, 상기 분산전원 발전 장치, 상기 디젤 발전 장치 및 상기 전원 공급 장치 각각은, 상기 가변 전압 DC 모선의 전단에 설치되어 상기 가변 전압 DC 모선과의 연결을 선택적으로 개폐시키는 차폐수단을 더 포함하며,
    상기 통합 제어 장치는, 상기 차폐수단을 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산전원 발전 장치는,
    하나 이상의 태양광 발전기 또는 하나 이상의 풍력 발전기 중 선택된 복수개 분산전원 발전기와 각 분산전원 발전기마다 연결된 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법으로서,
    상기 분산전원 발전 장치의 발전 출력만으로 상기 전원 공급 장치를 통한 부하의 소비 전력을 공급하도록 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템을 제어하는 제1 단계;
    상기 분산전원 발전 장치의 발전 출력과 상기 부하의 소비 전력을 대비하여 상기 부하의 소비 전력에 대한 상기 발전 출력의 부족 여부를 판단하는 제2 단계;
    상기 제2 단계의 판단 결과에 따라 상기 축전지의 충전 또는 방전을 제어하는 제3 단계; 및
    상기 축전지의 SOC를 기초로 상기 디젤 발전 장치의 운전을 제어하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 부하의 소비 전력에 따라 상기 분산전원 발전 장치를 부하추종 운전모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 제2 단계의 판단 결과, 상기 발전 출력이 상기 소비 전력보다 부족한 경우, 상기 축전지를 방전 모드로 제어하고, 상기 축전지의 SOC를 기설정된 제1 설정치와 대비하여 과방전 여부를 모니터링하며,
    상기 제4 단계는,
    상기 디젤 발전 장치를 운전 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 축전지의 과방전시, 상기 축전지의 상기 가변 전압 DC 모선에 대한 연결을 폐쇄시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 제2 단계의 판단 결과, 상기 발전출력이 상기 소비 전력보다 큰 경우, 상기 축전지를 충전 모드로 제어하고, 상기 축전지의 SOC를 기설정된 제2 설정치와 대비하여 과충전 여부를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 축전지의 과충전시, 상기 축전지의 상기 가변 전압 DC 모선에 대한 연결을 폐쇄시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 전압 DC 마이크로그리드 시스템의 운전 방법.
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