KR20180046174A

KR20180046174A - 신재생기반 독립형 마이크로그리드의 최적 운전을 위한 운영 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180046174A
Application number: KR1020160141104A
Authority: KR
Inventors: 김슬기; 김종율; 변길성; 김응상
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-08
Also published as: KR102563891B1

Abstract

본 발명은 신재생기반 독립형 마이크로그리드의 최적 운전을 위한 운영 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 독립형 마이크로그리드의 운영 방법은, 향후의 대상 기간의 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 장기예측을 수행하는 단계, 마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건을 반영해 운전비용을 저감하기 위한 스케줄링을 수행하되, 상기 장기 예측을 기반으로 에너지저장장치의 충방전, 디젤발전기의 출력, 또는 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을 포함하는 스케줄값을 결정하는 단계, 상기 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 단기예측을 수행하는 단계, 및 상기 단기예측을 기준으로 상기 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후, 위배가 되지 않는 경우 상기 스케줄값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 상기 제약조건이 위배되지 않도록 상기 스케줄값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

신재생기반 독립형 마이크로그리드의 최적 운전을 위한 운영 시스템 및 방법{Operating System and Method for Optimal Operation of a Renewable Energy based Islanded Micro-grid}

본 발명은 도서지역 및 산간지역 등 계통에 연계되지 않고 부하에 자립적으로 전력을 공급해야 하는 독립형 마이크로그리드(MG, Microgrid)의 운영 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 태양광발전 및 풍력발전 등의 신재생에너지발전원을 기반으로 하기 때문에 출력변동이 심하여 주파수 변동이 심한 독립형 마이크로그리드의 주파수를 경제적으로 효율적으로 안정화하여 운전하기 위한 운영 시스템 및 방법에 관한 것이다.

독립형 마이크로그리드는 도서지역이나 비전화지역을 대상으로 발전단가가 높고 탄소가스를 배출하는 디젤발전기를 대신하여, 신재생에너지발전원과 에너지저장장치 등의 분산전원을 이용하여 친환경 및 고품질 전력을 공급하는 소규모 전력시스템으로서, 온실효과 감축, 에너지 효율 증가, 지역적 애로사항 해결 등의 장점을 지니고 있다. 도서지역의 대체 전원으로서 태양광 및 풍력 등의 다양한 신재생에너지발전원이 점진적으로 보급되고 있으나, 설치 용량이 증대됨에 따라 기존의 복수기 디젤발전기들의 응동만으로는 증가된 용량의 신재생에너지발전원들의 출력변동에 대응하지 못하여, 계통의 안정성이 심각하게 저해되거나 또는 다량의 신재생에너지발전을 정지하여야 하는 문제가 발생한다. 또한, 갑작스러운 디젤발전기 또는 선로의 고장으로 주파수 하락 시, 연계된 신재생에너지발전원들이 자체 저주파수 보호 기능에 의해 대거 탈락됨에 따라 전체 독립계통이 붕괴되는 위험도 증가한다.

종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 디젤발전기를 에너지저장장치 등의 충분한 용량의 인버터기반 전원으로 교체 또는 확충하는 방법이 있으나, 이는 수백 kW급 이상의 독립형 마이크로그리드에서는 에너지저장장치 용량이 과도하게 필요하여 투자비용면에서 현실적이지 못하며, 기술적으로도 투입된 설비들 간의 협조 운전 없이, 사전에 정해진 간단한 시퀀스에 의해 단일 설비(에너지저장장치)의 기능 및 용량에만 의존하는 방식으로는 안정적인 신재생에너지 수용률 향상을 기대하기 어려우며, 해당 인버터 고장 시 예비 인버터를 두는 방식이외에는 대안이 없다는 단점이 있다. 따라서 신재생에너지의 수용률을 안정적으로 높이기 위하여, 신재생에너지발전원 도입으로 인한 계통 주파수의 변동을 "효율적으로" 최소화하면서 경제적으로 운영할 수 있는 기술의 적용이 필수적이다. 이를 위하여 특정 설비의 확충으로 인한 예비력 보강만으로는 비용과 기술면에서 한계가 있으며, 마이크로그리드를 구성하는 전원, 부하 및 저장장치 등 개별 기기 및 마이크로그리드 전체의 상태를 예측/분석하여 최적 운전계획을 수립하고 이를 근간으로 구성 개별기기들 간의 효율적인 협조운전을 통하여 마이크로그리드를 한계점 가까이에서 운전 가능케 하는 고도의 중앙 관리시스템이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 정확한 신재생에너지발전 및 부하의 장단기 예측을 바탕으로 마이크로그리드의 운전 제약조건을 고려하여 전체 운전비용을 최소화할 수 있는 운전 스케줄을 수립하고, 시스템 상태를 실시간으로 감시하면서 신재생에너지발전 출력과 부하의 단기예측을 이용하여 에너지저장장치와 복수의 디젤발전기들 간의 협조제어, 신재생에너지발전 잉여 시 자동감발제어를 수행할 수 있는 체계를 갖춘 운영 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다. 이와 같은 본 발명의 운영 시스템 및 방법은, 일정한 시간 간격으로 마이크로그리드 상태를 예측 진단하여 디젤발전, 신재생에너지발전 및 에너지저장장치의 운전계획을 사전에 수립하고, 단기 예측 진단을 통하여 모든 분산자원들이 돌발적인 상황에 경제적이며 안정적으로 대응할 수 있는 수단을 제공한다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 독립형 마이크로그리드의 운영 방법은, 향후의 대상 기간의 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 장기예측을 수행하는 단계; 마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건을 반영해 운전비용을 저감하기 위한 스케줄링을 수행하되, 상기 장기 예측을 기반으로 에너지저장장치의 충방전, 디젤발전기의 출력, 또는 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을 포함하는 스케줄값을 결정하는 단계; 상기 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 단기예측을 수행하는 단계; 및 상기 단기예측을 기준으로 상기 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후, 위배가 되지 않는 경우 상기 스케줄값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 상기 제약조건이 위배되지 않도록 상기 스케줄값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성하는 단계를 포함한다.

상기 스케줄값을 결정하는 단계에서 상기 제약조건으로서, 수학식

을 적용하며, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _rnw 는 운영계획 수립대상인 신재생에너지발전원의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pload _i 는 i번째 구간의 독립형 마이크로그리드 장기예측 부하, Pess ^(k) _i 는 k번 에너지저장장치의 i번째 구간의 출력, Prnw ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 신재생에너지발전원의 장기예측 출력, ΔPrnw ^(k) _i 는 k번 신재생에너지발전원의 i번째 구간의 감발출력, Pde ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 디젤발전기 출력이다.

상기 에너지저장장치의 충방전에 대한 스케줄값 결정에 있어서, i번째 구간의 k번 에너지저장장치의 충전상태 SOC ^(k) _i 는, 최소충전제약 SOCmin ^(k) 와 최대충전제약 SOCmax ^(k) 사이에서, 수학식

을 적용하여 결정하되, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, Pess ^(k) _i 는 k번 에너지저장장치의 i번째 구간의 출력, η ^(k) _BAT 는 k번 에너지저장장치의 배터리의 충방전 효율, η ^(k) _PCS 는 k번 에너지저장장치의 충방전장치의 출력효율을 나타낸다.

상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계는, 상기 단기예측에 따른 상기 에너지저장장치의 충전상태 데이터와 상기 에너지저장장치의 충방전에 대한 스케줄을 이용하여, 다음 주기의 각 에너지저장장치의 충전상태를 계산하고, 상기 각 에너지저장장치의 충전상태가 충전상태의 운전제약 조건을 만족하지 않으면 상기 충전상태의 운전제약 조건을 만족하도록 상기 각 에너지저장장치의 충방전값을 재계산하여 지령하는 단계를 포함한다.

상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계는, 이전 주기의 상기 에너지저장장치의 단기예측 출력값과 상기 디젤발전기의 출력 스케줄을 이용하여, 다음 주기의 각 디젤발전기의 출력 지령값을 계산하고, 상기 각 디젤발전기의 출력 지령값이 최소 및 최대 운전출력 제약 조건을 만족하지 않으면 상기 조건을 만족하도록 상기 각 디젤발전기의 출력 지령값을 재계산하여 지령하는 단계를 포함한다.

상기 각 디젤발전기의 출력 지령값 P ^* de ^(k) 의 계산은, 수학식

을 적용하되, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pde ^(k) _i 는 디젤발전기들의 출력스케줄, ? _k 는 k번 디젤발전기의 분배계수, Pess ^(k) 는 직전 주기의 에너지저장장치들의 출력값, P ^* ess ^(k) 는 직전 주기의 에너지저장장치들에 대한 지령값이다.

또한, 상기 독립형 마이크로그리드의 운영 방법은, 주파수 추종을 위하여, 상기 마이크로그리드의 기준 주파수와 실제 주파수의 차이에 사전에 정해진 드룹계수를 곱하여 산출되는 증감분을, 각 에너지저장장치에 대한 출력 지령값에 더하여 상기 각 에너지저장장치의 출력을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계에서, 수학식

을 적용하여, 신재생에너지발전원 전체의 감발출력 합의 지령값 ΔP ^* rnw,total을 만족하는 각 신재생에너지발전원의 감발출력 실시간 지령값을 결정하되, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pload는 단기 부하예측값, Prnw는 단기 신재생에너지발전 예측값, Pde ^(k) 는 k번 디젤발전기의 실시간 출력, Pess,min ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최대충전출력, Pess ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 실시간 출력이다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 독립형 마이크로그리드의 운영 시스템은, 향후의 대상 기간의 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 장기예측을 수행하는 장기 예측부; 마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건을 반영해 운전비용을 저감하기 위한 스케줄링을 수행하되, 상기 장기 예측을 기반으로 에너지저장장치의 충방전, 디젤발전기의 출력, 또는 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을 포함하는 스케줄값을 결정하는 운전 스케줄링부; 상기 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 단기예측을 수행하는 단기 예측부; 및 상기 단기예측을 기준으로 상기 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후, 위배가 되지 않는 경우 상기 스케줄값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 상기 제약조건이 위배되지 않도록 상기 스케줄값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성하는 출력지령부를 포함한다.

본 발명에 따른 신재생기반 독립형 마이크로그리드의 최적 운전을 위한 운영 시스템 및 방법에 따르면, 국내외 독립형 MG의 신재생에너지 수용률 향상에 기여할 수 있다.

또한, 독립형 MG 운영 시스템의 기능의 고도화가 달성될 수 있도록 한다.

그리고, 우리나라 MG 운영기술의 경쟁력 제고 및 선진 시장 진출 기회를 마련할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지발전원 기반의 대규모 독립형 마이크로그리드 및 운영시스템의 구성에 대한 예시도이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 독립형 마이크로그리드 운영시스템의 운영절차도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 에너지저장장치들의 실시간 출력지령값의 계산절차도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 디젤발전기들의 실시간 출력지령값의 계산 절차도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 신재생에너지발전원들의 실시간 감발출력 지령값의 계산 절차도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 주파수 제어를 위한 에너지저장장치들의 충방전 출력제어도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드의 운영방법의 수행을 위한 운영시스템의 블록도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지발전원 기반의 대규모 독립형 마이크로그리드 및 운영시스템의 구성에 대한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)는 태양광발전 및 풍력발전 등의 신재생에너지발전원, 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System), 디젤발전기 등의 분산전원/자원들과 부하 등의 설비를 포함하며, 운영시스템(120)은 이와 같은 독립형 마이크로그리드(110)의 분산 자원들의 최적 운전을 관리 및 운영한다.

운영시스템(120) 또는 MG(Microgrid) EMS(Energy Management System)은 신재생에너지발전원의 신재생출력예측, 부하에 대한 장단기 예측, 마이크로그리드(110)의 분산자원들의 운전계획을 수립하는 최적 스케줄링, 실시간 운전지령을 통한 마이크로그리드(110)의 제어 등을 수행하되, 주파수 협조 제어, 신재생 감발 최소화, ESS SOC(State Of Charge) 제어 등을 통해 시스템의 안정성, 경제성을 제고한다.

즉, 본 발명의 운영시스템(120)은, 정확한 신재생에너지발전 및 부하의 장단기 예측을 바탕으로 마이크로그리드(110)의 운전 제약조건을 고려하여 전체 운전비용을 최소화할 수 있는 운전 스케줄을 수립하고, 시스템 상태를 실시간으로 감시하면서 신재생에너지발전 출력과 부하의 단기예측을 이용하여 에너지저장장치(ESS)와 복수의 디젤발전기들 간의 협조제어, 신재생에너지발전 잉여 시 자동감발제어를 수행할 수 있다. 본 발명에서 운영시스템(120)은 일정한 시간 간격으로 마이크로그리드(110) 상태를 예측 진단하여 디젤발전, 신재생에너지발전 및 에너지저장장치의 운전계획을 사전에 수립하고, 단기 예측 진단을 통하여 모든 분산자원들이 돌발적인 상황에 경제적이며 안정적으로 대응할 수 있는 수단을 제공한다.

본 발명은 신재생에너지발전원 공급 비율이 높거나 높아지고 있는 수백 kW급 이상의 독립형 마이크로그리드(110)에서의 정상 운전 및 비상 운전 시 계통의 주파수 불안정성 문제를 해결하면서, 동시에 경제적인 운전이 가능하게 하여 신재생에너지의 수용률을 효율적으로 증대시킬 수 있도록 제안되었다.

아래 표는 기존의 독립형 마이크로그리드의 운영 체계와 본 발명에서 제안하는 운영시스템(120)의 체계를 비교한 것이다.

도 2는 본 발명에서 제안하는 독립형 마이크로그리드 운영시스템(120)의 운영절차도이다. 운영시스템(120)에서의 독립형 마이크로그리드(110)의 운영방법은 장기예측(210), 최적운전 스케줄링(220), 단기예측(230), 그리고 실시간 출력지령(240)의 단계로 구성된다.

<장기 및 단기 예측>

먼저, 장기예측(210)은 신재생에너지발전원의 발전예측과 마이크로그리드 부하예측으로 나누며, 향후의 대상 기간, 예를 들어, 향후 24시간에 대하여 순차 시간대별, 예를 들어, 1시간 주기로 15분에서 30분 단위씩 예측이 수행된다.

단기예측(230)은 신재생에너지발전 예측 및 마이크로그리드 부하예측으로 구성되며, 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서, 예를 들어, 향후 15분에서 1시간에 대하여 순차 시간대별, 예를 들어, 5분에서 15분 주기로 1분에서 5분 단위씩 실시간 예측한다.

도서지역은 인프라가 열악하여 개별 신재생에너지 분산전원의 측정값 및 수용가 부하의 계측값 획득이 어렵고, 도서전체의 발전량 데이터(수용가 전체 부하 + 수용가 전체 태양광발전 + 배전손실)만 이용할 수 있는 경우가 많다. 따라서 이런 경우 전체 과거 발전량 데이터를 기반으로 예측을 한 뒤 이로부터 적정한 오차를 감안한 신재생에너지발전 예측을 감하여 순수 부하를 예측하는 방식 등을 사용한다.

<최적운전 스케줄링>

마이크로그리드 분산자원들의 출력을 계획하는 최적스케줄링(220)은, 신재생에너지발전원의 발전과 부하의 장기 예측을 기반으로 하나 이상의 디젤발전기의 출력, 하나 이상의 에너지저장장치의 충방전, 또는 필요 시 하나 이상의 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을, 예를 들어, 매 15분~30분 주기로 결정한다. 마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건(발전 및 부하 수급 균형, 디젤발전 최소/최대 운전 출력 제약, 저장장치 출력 및 용량 제약 등)을 고려/반영하여 전체의 운전비용(연료비용, 신재생에너지발전 감발 손실비용, 기타)을 최소로 저감하는 스케줄링을 수립한다. 이와 같은 파라미터들을 이용한 효율적인 데이터를 수립하는 상세한 설명은 다음과 같다.

먼저, 목적함수 F는 [수학식1]과 같이 산출된다.

[수학식1]

여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간을 나타내며, N은 하루의 구간 수를 나타낸다. N은 15분단위의 운영계획을 수립하는 경우는 96, 1시간단위로 수립하는 경우는 24가 된다. Pess ^(k) _i 는 k번 에너지저장장치의 i번째 구간의 출력으로서 방전 시 양의값(+), 충전시 음의값(-)을 갖는다. Pde ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 디젤발전기 출력을 나타내며, ΔPrnw ^(k) _i 는 k번 신재생에너지발전원의 i번째 구간의 감발출력을 나타낸다. FuelCost _i 와 RegCost _i 는 각각 i번째 구간의 연료비 그리고 신재생에너지발전 감발비용으로서 [수학식2], [수학식3]과 같이 나타낸다.

[수학식2]

[수학식3]

여기서, FuelRate ^(k) 는 k번 디젤발전기의 단위출력당 연료비 단가로서, 발전기의 출력에 따라 좌우되는 함수의 형태의 파라미터이며, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수이다. RnwgenRate ^(k) 는 k번 신재생에너지발전원의 단위출력당 단가로서, 운영자가 적절한 기준에 의해서 결정하며 예로서 전기요금단가를 적용할 수 있다. N _rnw 는 운영계획 수립대상인 신재생에너지발전원의 개수이다.

제약조건으로서 [수학식4] 내지 [수학식12]가 적용된다.

[수학식4]

[수학식5]

[수학식6]

[수학식7]

[수학식8]

[수학식9]

[수학식10]

[수학식11]

[수학식12]

여기서, Pload _i 는 i번째 구간의 독립형 마이크로그리드 장기예측 부하, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, Prnw ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 신재생에너지발전원의 장기예측 출력, Pess,min ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최대충전출력, Pess,max ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최대방전출력, Pde,min ^(k) 는 k번 디젤발전기의 최소 운전출력, Pde,max ^(k) 는 k번 디젤발전기의 최대 운전출력, SOCmin ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최소충전제약, SOCmax ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최대충전제약, 그리고 SOC ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 에너지저장장치의 충전상태로서 [수학식13]과 같이 계산된다.

[수학식13]

여기서, η ^(k) _BAT 및 η ^(k) _PCS 는 각각 k번 에너지저장장치의 배터리의 충방전 효율 및 충방전장치의 출력효율을 나타낸다.

<실시간 출력지령 값 산정>

독립형 마이크로그리드 분산자원들(에너지저장장치, 디젤발전기, 신재생에너지발전원)에 대한 최적 스케줄은 예측값을 기반으로 산출하였기 때문에, 실시간 운전 시 최적운전계획에서 계산된 스케줄값을 그대로 적용 시에 사전에 정의된 운전제약을 위배할 가능성이 있다. 따라서, 실시간으로 최종 출력을 지령 시(240)는 실시간 단기예측된 값을 기준으로 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후 위배가 되지 않는 경우 스케줄 값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 제약조건이 위배되지 않도록 스케줄 값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성한다.

이하, 도 3, 도 4, 도 5를 참조하여 최적운전계획의 스케줄을 기반으로 에너지저장장치, 디젤발전기 그리고 신재생에너지발전원에 대한 최종출력 지령값을 연산하는 실시간 출력지령의 수행 절차를 설명한다. 실시간 출력지령은 매1초에서 매10초 주기로 실행될 수 있고, 시스템의 환경 또는 마이크로그리드 구성에 따라 그 주기는 다름값으로 조정이 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 에너지저장장치들(ESS)의 실시간 출력지령값의 계산절차도이다.

도 3을 참조하면, 에너지저장장치들(ESS)의 충방전 출력지령값은 다음과 같이 실시간 산출된다.

먼저, 실시간 단기예측된 충전상태(SOC) 데이터(31)와 최적 충방전 스케줄(32)(Pess ^(k) _i , η ^(k) _BAT , η ^(k) _PCS 등)을 받아서 [수학식13]을 이용하여 해당 주기(다음 주기)의 각 에너지저장장치의 충전상태를 계산한다(33). 다음에 계산된 각 저장장치의 SOC가 [수학식11], [수학식12]의 SOC 운전제약 조건을 만족하는 지 여부를 판별하고(34), 만족하는 경우 최적충방전 스케줄 값(35)을 그대로 실시간 충방전값으로 지령(37)하고, 만족하지 않는 경우 제약조건을 만족하도록 재계산(36)을 통해 각 에너지저장장치의 충방전값을 수정하여 수정된 값으로 각 에너지저장장치에 지령(37)한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 디젤발전기들의 실시간 출력지령값의 계산 절차도이다.

도 4를 참조하면, 디젤발전기들의 실시간 출력지령값은 다음과 같이 실시간 산출된다.

먼저, 직전 주기의 에너지저장장치들의 단기예측 출력값 Pess ^(k) 과 디젤발전기들의 출력스케줄 Pde ^(k) _i 을 받아서(41, 42), 직전 주기의 에너지저장장치들의 출력값 Pess ^(k) 으로부터 직전 주기의 운영시스템의 에너지저장장치들에 대한 실시간 지령값 P ^* ess ^(k) 를 뺀 값의 합을 적절히 분배하여, 디젤발전기들의 출력스케줄 Pde ^(k) _i 에 더함으로써 [수학식14]와 같이 디젤발전기의 실시간 지령값 P ^* de ^(k) 을 계산할 수 있다(43).

[수학식14]

여기서, α _k 는 k번 디젤발전기의 분배계수로서 전체 디젤발전기들의 분배계수를 더하면 1이어야 한다. 분배계수는 발전기의 운전조건 또는 운전전략에 따라 정할 수 있으며, 예를 들어, 전체 디젤발전기의 출력의 합을 해당 발전기 출력으로 나눈 값이나 전체 디젤발전기의 정격의 합을 해당 발전기의 정격으로 나눈 값 등을 기초로 결정할 수 있다.

결국, 상기의 방식은 직전 주기에 에너지저장장치들이 마이크로그리드(110)의 주파수 유지를 위하여 운영시스템(120)의 실시간 지령값 P ^* ess ^(k) 이외에 추가적으로 충전 또는 방전한 출력(도 6과 같이 기준 주파수와의 차이에 드룹계수(Dk, k=1~Ness)를 곱하여 산출되는 에너지저장장치들의 출력값 Pess ^(k) 의 증감분)을 디젤발전기들이 보상하도록 하기 위한 것으로서, 에너지저장장치들이 추가적인 출력증감으로 인하여 적정한 충전상태를 벗어나는 것을 방지하기 위함이다.

다음에, 계산된 디젤발전기의 실시간 지령값 P ^* de ^(k) 이 [수학식7], [수학식8]의 디젤발전 최소 및 최대 운전출력 제약 조건을 위배하는지 여부를 판별하고(44), 위배하지 않는 경우 그대로 출력지령하고(45, 47), 위배하는 경우 제약조건 경계를 만족하도록 재계산(36)을 통해 수정된 지령값으로 디젤발전기의 출력을 지령한다(46, 47).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 신재생에너지발전원들의 실시간 감발출력 지령값의 계산 절차도이다.

도 5를 참조하면, 독립형 마이크로그리드(110)의 신재생에너지발전원들의 실시간 감발출력 지령값은 다음과 같이 실시간 산출된다.

먼저, 도 2와 같은 주기로 계산되는 단기 부하예측값과 단기 신재생에너지발전예측값을 받고(51), 또한 에너지저장장치의 실시간 출력과 디젤발전기의 실시간 출력을 입력받아서(52), [수학식15]의 조건을 만족하는 신재생에너지발전원들의 감발출력 합을 구한다(53).

이 조건은 부하예측값 Pload에서 디젤발전실시간 지령값들과 신재생에너지발전예측값을 뺀 후 신재생에너지발전 감발출력값을 더한 값은, 결국 에너지저장장치들이 도 6과 같은 주파수 추종 제어 체계에서 충전을 통해 감당해야 하는 신재생에너지발전원 잉여출력으로서, 이 값은 실시간 주기 내에 주파수 추종을 위하여 에너지저장장치들이 현재의 실시간 출력 수준에서 추가로 충전할 수 있는 한계 이내에 있어야 한다는 조건이다.

[수학식15]

여기서, Pload와 Prnw는 단기 부하예측값 및 단기 신재생에너지발전예측값을 나타낸다. Pde ^(k) 는 k번 디젤발전기의 실시간 출력, Pess ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 실시간 출력을 나타낸다. ΔPrnw,total는 모든 신재생에너지발전원의 감발출력(스케줄값)의 합을 나타낸다.

[수학식15]는 [수학식16]과 같이 나타낼 수 있고, 필요한 신재생에너지발전원 전체의 감발출력 합의 지령값 ΔP ^* rnw,total은 [수학식17]과 같이 0과 [수학식16]을 만족하는 최소값(ΔPrnw,total의 최소값) 중 큰 값으로 선정한다(54).

개별 신재생에너지발전원의 감발출력 실시간 지령값 ΔP ^* rnw ^(k) 는 [수학식18]을 만족하도록 분배하여 결정하고 지령한다(55, 56).

[수학식16]

[수학식17]

[수학식18]

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 주파수 제어를 위한 에너지저장장치들의 충방전 출력제어도이다.

도 6을 참조하면, 분산자원들의 실시간 출력지령값 계산에 앞서, 독립형 마이크로그리드(110)는 에너지저장장치들(ESS)의 협조제어에 의해 일차적인 마이크로그리드의 주파수 제어가 이루어지는 시스템으로 가정한다. 도 6과 같이 주파수 추종을 위하여 필요한 보상 출력, 즉, 마이크로그리드의 기준 주파수(f ^* )와 실제 주파수(f)의 차이에 사전에 정해진 드룹(droop) 계수(Dk, k=1~Ness)를 곱하여 산출되는 증감분을, 운영시스템(120)의 실시간 출력지령값(P ^* ess ^(k) )에 더하여 각 에너지저장장치들의 출력(Pess ^(k) )이 결정된다. 즉, 주파수 추종을 위하여 필요한 출력 증감분을 드룹계수들을 통하여 각 에너지저장장치들에 분배하여 주파수 제어를 하는 것으로서, 이는 대규모 계통 또는 여러 대의 주파수 추종능력 발전기를 갖는 계통에서 주파수를 제어하기 위하여 사용된다.

위와 같은 독립형 마이크로그리드(110)의 운영방법의 수행을 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)은, 도 7과 같이 구성될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 운영방법의 수행을 위한 운영시스템(120)의 블록도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)은, 위에서 기술한 장기예측(210)을 수행하는 장기 예측부(121), 위에서 기술한 최적운전 스케줄링(220)을 수행하는 운전 스케줄링부(122), 위에서 기술한 단기예측(230)을 수행하는 단기 예측부(123), 및 위에서 기술한 실시간 출력지령(240)을 수행하는 출력지령부(124)를 포함할 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 독립형 마이크로그리드(110)의 분산 자원들의 최적 운전을 관리 및 운영하기 위하여 필요한 데이터나 설정 정보 등의 저장을 위하여 메모리 등 저장 수단이 더 포함될 수 있다.

독립형 마이크로그리드(110)의 분산 자원들의 최적 운전을 관리 및 운영하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)은, 반도체 프로세서와 같은 하드웨어로 구현될 수 있다. 이외에도 운영시스템(120)은, 반도체 프로세서와 같은 하드웨어, 응용 프로그램과 같은 소프트웨어, 또는 이들의 결합으로 구현될 수도 있다. 또한, 운영시스템(120)의 어느 한 구성요소가 다른 구성 요소들 중 하나 이상의 기능을 포함하도록 구현될 수도 있으며, 운영시스템(120)의 어느 한 구성요소는 다른 복수의 구성요소로 분리되어 각각의 기능을 실현하도록 구현될 수도 있다.

더 나아가, 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)에서의 독립형 마이크로그리드(110)의 분산 자원들의 최적 운전을 관리 및 운영하기 위한 데이터 처리 기능은 컴퓨터 등 장치로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하며, 이와 같은 기록 매체와 컴퓨터 등 장치의 결합으로 기능 수행에 필요한 데이터나 정보를 입력하거나 출력하고 디스플레이하도록 구현할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치, 하드 디스크, 이동형 저장장치 등이 있으며 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크(예, 인터넷, 이동통신 네트워크 등)로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장된 형태가 가능하며 네트워크를 통해 실행될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드(110)의 분산 자원들의 최적 운전을 관리 및 운영하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)은, 국내외 독립형 MG(110)의 신재생에너지 수용률 향상에 기여할 수 있다. 또한, 독립형 MG(110) 운영 시스템(120)의 기능의 고도화가 달성될 수 있도록 한다. 그리고, 우리나라 MG(110) 운영기술의 경쟁력 제고 및 선진 시장 진출 기회를 마련할 수 있다.

대규모 육지계통으로부터 전력을 공급받지 않는 도서지역의 전력계통, 즉 독립형 마이크로그리드(110)는 신재생에너지발전원의 큰 출력변동성에 취약하여, 기존의 운영 방식으로는 추가적인 신재생에너지발전원의 안정적인 수용이 어렵다. 신재생에너지발전원 확대로 증가된 출력변동성을 보완하기 위하여 저장장치 등의 설비 증설만으로는 비용이 막대하고 수용률 향상에도 한계가 있으므로, 기존의 디젤발전과 태양광발전 및 풍력발전 등의 신재생에너지발전원, 에너지저장장치 및 부하 간의 긴밀한 협조운전을 통한 안정화가 핵심이며, 이를 위해서 시스템상태를 예측하고 전원들의 운전계획을 수립하여 통합적인 지령을 할 수 있는 관리장치 및 운영전략이 필요하다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 운영시스템(120)은, 신재생에너지발전원 공급 비율이 높거나 높아지고 있는 독립 계통의 주파수 불안정성 문제를 해결하면서, 동시에 경제적인 운전이 가능하게 하여 신재생에너지의 수용률을 효율적으로 증대시킬 필요가 있는 수백 kW급 이상의 독립형 마이크로그리드(110)에 적용이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

마이크로그리드(110)
운영 시스템(120)
장기 예측부(121)
운전 스케줄링부(122)
단기 예측부(123)
출력지령부(124)

Claims

향후의 대상 기간의 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 장기예측을 수행하는 단계;
마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건을 반영해 운전비용을 저감하기 위한 스케줄링을 수행하되, 상기 장기 예측을 기반으로 에너지저장장치의 충방전, 디젤발전기의 출력, 또는 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을 포함하는 스케줄값을 결정하는 단계;
상기 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 단기예측을 수행하는 단계; 및
상기 단기예측을 기준으로 상기 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후, 위배가 되지 않는 경우 상기 스케줄값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 상기 제약조건이 위배되지 않도록 상기 스케줄값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 스케줄값을 결정하는 단계에서 상기 제약조건으로서, 수학식

을 적용하며, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _rnw 는 운영계획 수립대상인 신재생에너지발전원의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pload _i 는 i번째 구간의 독립형 마이크로그리드 장기예측 부하, Pess ^(k) _i 는 k번 에너지저장장치의 i번째 구간의 출력, Prnw ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 신재생에너지발전원의 장기예측 출력, ΔPrnw ^(k) _i 는 k번 신재생에너지발전원의 i번째 구간의 감발출력, Pde ^(k) _i 는 i번째 구간의 k번 디젤발전기 출력인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 에너지저장장치의 충방전에 대한 스케줄값 결정에 있어서,
i번째 구간의 k번 에너지저장장치의 충전상태 SOC ^(k) _i 는, 최소충전제약 SOCmin ^(k) 와 최대충전제약 SOCmax ^(k) 사이에서, 수학식

을 적용하여 결정하되, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, Pess ^(k) _i 는 k번 에너지저장장치의 i번째 구간의 출력, η ^(k) _BAT 는 k번 에너지저장장치의 배터리의 충방전 효율, η ^(k) _PCS 는 k번 에너지저장장치의 충방전장치의 출력효율을 나타내는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계는,
상기 단기예측에 따른 상기 에너지저장장치의 충전상태 데이터와 상기 에너지저장장치의 충방전에 대한 스케줄을 이용하여, 다음 주기의 각 에너지저장장치의 충전상태를 계산하고,
상기 각 에너지저장장치의 충전상태가 충전상태의 운전제약 조건을 만족하지 않으면 상기 충전상태의 운전제약 조건을 만족하도록 상기 각 에너지저장장치의 충방전값을 재계산하여 지령하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계는,
이전 주기의 상기 에너지저장장치의 단기예측 출력값과 상기 디젤발전기의 출력 스케줄을 이용하여, 다음 주기의 각 디젤발전기의 출력 지령값을 계산하고,
상기 각 디젤발전기의 출력 지령값이 최소 및 최대 운전출력 제약 조건을 만족하지 않으면 상기 조건을 만족하도록 상기 각 디젤발전기의 출력 지령값을 재계산하여 지령하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제5항에 있어서,
상기 각 디젤발전기의 출력 지령값 P ^* de ^(k) 의 계산은, 수학식

을 적용하되, 여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pde ^(k) _i 는 디젤발전기들의 출력스케줄, α _k 는 k번 디젤발전기의 분배계수, Pess ^(k) 는 직전 주기의 에너지저장장치들의 출력값, P ^* ess ^(k) 는 직전 주기의 에너지저장장치들에 대한 지령값인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
주파수 추종을 위하여, 상기 마이크로그리드의 기준 주파수와 실제 주파수의 차이에 사전에 정해진 드룹계수를 곱하여 산출되는 증감분을, 각 에너지저장장치에 대한 출력 지령값에 더하여 상기 각 에너지저장장치의 출력을 산출하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 최종 출력지령값을 생성하는 단계는, 수학식

을 적용하여, 신재생에너지발전원 전체의 감발출력 합의 지령값 ΔP ^* rnw,total을 만족하는 각 신재생에너지발전원의 감발출력 실시간 지령값을 결정하되,
여기서, i는 하루의 N개의 구간 중 i번째 구간, N _ess 는 운영계획 수립 대상인 에너지저장장치의 개수, N _de 는 운영계획 수립대상인 디젤발전기의 개수, Pload는 단기 부하예측값, Prnw는 단기 신재생에너지발전 예측값, Pde ^(k) 는 k번 디젤발전기의 실시간 출력, Pess,min ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 최대충전출력, Pess ^(k) 는 k번 에너지저장장치의 실시간 출력인 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 방법.
향후의 대상 기간의 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 장기예측을 수행하는 장기 예측부;
마이크로그리드 설비들의 운전 제약조건을 반영해 운전비용을 저감하기 위한 스케줄링을 수행하되, 상기 장기 예측을 기반으로 에너지저장장치의 충방전, 디젤발전기의 출력, 또는 신재생에너지발전원의 잉여발전의 감발량을 포함하는 스케줄값을 결정하는 운전 스케줄링부;
상기 장기예측이 이루어지는 시간대 내에서 순차 시간대별로 주기적으로 신재생에너지발전원의 발전과 마이크로그리드 부하에 대한 단기예측을 수행하는 단기 예측부; 및
상기 단기예측을 기준으로 상기 운전제약 조건에 대한 위배여부를 판별한 후, 위배가 되지 않는 경우 상기 스케줄값을 그대로 사용하고, 위배되는 경우 상기 제약조건이 위배되지 않도록 상기 스케줄값을 조정하여 최종 출력지령값을 생성하는 출력지령부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 마이크로그리드의 운영 시스템.