KR20180083487A - 마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법 - Google Patents

마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로그리드 제어시스템에 관한 것으로서, 디젤발전기와 신재생발전기, 그리고 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드의 디젤발전기 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어시스템에 있어서, 기상예보 데이터로부터 신재생발전기의 출력량을 예측하는 신재생발전기 출력량 예측부; 상기 신재생발전기 출력량 예측부에서 예측한 신재생발전기의 출력량과, 마이크로그리드 내의 부하패턴을 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 디젤발전기 요구발전량 산정부; 그리고, 상기 디젤발전기 요구발전량 산정부에서 산정된 디젤발전기 요구발전량을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 디젤발전기 출력용량 산정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 마이크로그리드 디젤발전기와 신재생발전기의 출력을 제어하여 마이크로그리드를 안정적으로 운용할 수 있다.

Description

마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법{MICROGRID CONTROL SYSTEM AND METHOD OF OPERATING FOR DIESEL GENERATOR FOR MICROGRID}
본 발명은 마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법에 관한 것이다.
마이크로그리드(microgrid)는 전력계통을 일정 단위로 모아 시스템을 구성하고, 소규모 시스템들을 제어함으로써 운영, 관리하는 전력계통 제어시스템이다.
이러한 마이크로그리드는 도서지역에 설치된 디젤발전기에 신재생에너지원과 에너지저장장치를 도입하여, 에너지관리시스템(EMS, energy management system)을 통해 전력망의 안정적이고 효율적인 운영을 수행한다. 이때, 계통부하에 각 발전원들이 전력공급을 분담함으로써 디젤발전 의존도를 낮추고 또한 탄소배출량을 줄일 수 있는 차세대 전력망으로 여겨지고 있다.
마이크로그리드는 주계통과 연계된 On-grid Type과 주계통과 연계되지 않는 Off-grid Type이 있다.
On-grid Type은 주계통과 근접한 도서지역 혹은 주계통 내의 소규모 지역에 적용되며 계통시정수가 큰 주계통에 기인하여 마이크로그리드 내의 외란발생 시 안정성이 비교적 높다.
Off-grid Type은 일반적으로 주계통과 멀리 떨어진 도서지역에 적용되며 보통 에너지저장장치가 주전원으로 이용된다. 이 경우, 계통시정수가 적어 마이크로그리드 내의 전압, 주파수 안정도에 취약할 여지가 있다.
이에 따라, 계통의 안정도 측면에서 취약한 Off-grid Type의 마이크로그리드에서 전력계통을 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있는 운영방법이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제1412742호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로그리드의 디젤발전기를 효율적으로 운영하기 위한 마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템은, 디젤발전기와 신재생발전기, 그리고 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드의 디젤발전기 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어시스템에 있어서, 기상예보 데이터로부터 신재생발전기의 출력량을 예측하는 신재생발전기 출력량 예측부; 상기 신재생발전기 출력량 예측부에서 예측한 신재생발전기의 출력량과, 마이크로그리드 내의 부하패턴을 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 디젤발전기 요구발전량 산정부; 그리고, 상기 디젤발전기 요구발전량 산정부에서 산정된 디젤발전기 요구발전량을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 디젤발전기 출력용량 산정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 신재생발전기 출력량 예측부가 신재생발전기의 출력량을 예측하는 데 이용하는 상기 기상예보 데이터는 운량, 풍속, 풍향, 강수량, 기온, 일사량에 대해 실시간 전달받는 데이터인 것을 특징으로 한다.
상기 신재생발전기 출력량 예측부는 풍속 정보를 기상예보 데이터로서 입력받고, 신재생발전기인 풍력발전기의 전력곡선에 풍속 정보를 대입하여 풍력발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 한다.
상기 신재생발전기 출력량 예측부가 상기 풍속 정보를 이용하여 상기 풍력발전기의 출력량을 예측함에 있어서, 기상예보 데이터로서 입력받은 풍속 정보를 하기 식 1에 대입하여 풍력발전기에 대한 풍속을 계산하고, 계산된 풍력발전기에 대한 풍속을 풍력발전기의 전력곡선에 대입하여 풍력발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
Figure pat00001
(이때, Vz는 지상높이 z에서의 풍속으로서, 단위는 m/s이고, Vh는 지상높이 h에서의 풍속으로 단위는 m/s이며, z0는 지상조도계수로서 단위는 m(미터)임.)
상기 신재생발전기 출력량 예측부는 운량 정보를 기상예보 데이터로서 입력받고, 신재생발전기인 태양광발전기의 전력곡선에 풍속 정보를 대입하여 태양광발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양광발전기의 전력곡선은 사계절 그래프로 가공된 데이터로서, 상기 신재생발전기 출력량 예측부가 입력받은 기상예보 데이터의 일자가 해당되는 사계절 중 한 계절에 대한 그래프의 전력곡선으로부터 태양광발전기의 출력량을 추출하여 태양광발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 한다.
상기 디젤발전기 요구발전량 산정부는 다음의 식 2로부터 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 것을 특징으로 한다.
[식 2]
Figure pat00002
(이때, PDiesel(t1-t2)는 t1부터 t2 동안의 디젤 발전출력으로서 단위는 kW(킬로와트)이고, Aload , t는 t시의 부하 요구전력량, ARES, t는 t시의 신재생 발전출력량으로서 단위는 kWh(킬로와트시)임.)
상기 디젤발전기 요구발전량 산정부는 신재생발전기의 발전특성을 고려하여 0시~9시, 9시~18시, 그리고 18시~24시으로 시간을 세 구간으로 나누어 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 것을 특징으로 한다.
상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 디젤발전기의 최소 출력용량보다 작은 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 산정하고, 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 해당 디젤발전기의 정격용량보다 큰 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최대 출력용량으로 산정하는 것을 특징으로 한다.
상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 기준 배터리 충전상태를 에너지저장장치의 잔존용량과 비교하여, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태 이하의 값을 갖는 경우, 디젤발전기 출력용량을 증가시키고, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우, 신재생발전기의 출력을 제어하고 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 제어하고 더미 부하(dummy load)를 투입하는 것을 특징으로 한다.
상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 산정된 디젤발전기의 출력용량이 디젤발전기를 구성하는 두 대 이상의 디젤발전기에서 분담하여 운전되도록 복수 개의 각 디젤발전기의 출력용량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지저장장치는 Droop제어를 수행하여 계통의 주파수 변동 및 전압 변동에 대해서, 유효전력 및 무효전력의 증감분에 기울기를 주어 자율적으로 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법은, 디젤발전기와 신재생발전기, 그리고 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드의 디젤발전기 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어시스템에서 수행되는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법에 있어서 (a) 단기 기상예보 데이터를 이용하여 신재생발전기의 다음날 출력량을 예측하는 단계; (b) 예측된 신재생발전기의 출력량을 디젤발전기의 전력요구량과 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 단계; 그리고, (c) EMS 운영 알고리즘을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계는 신재생발전기인 풍력발전기 또는 태양광발전기에 대해 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 (b) 단계는 하기의 식으로부터 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
(이때, PDiesel(t1-t2)는 t1부터 t2 동안의 디젤 발전출력으로서 단위는 kW(킬로와트)이고, Aload , t는 t시의 부하 요구전력량, ARES, t는 t시의 신재생 발전출력량으로서 단위는 kWh(킬로와트시)임.)
상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계로부터 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 디젤발전기의 최소 출력용량보다 작은 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 산정하고, 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 해당 디젤발전기의 정격용량보다 큰 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최대 출력용량으로 산정하며, 기준 배터리 충전상태를 에너지저장장치의 잔존용량과 비교하여, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태 이하의 값을 갖는 경우, 디젤발전기 출력용량을 증가시키고, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우, 신재생발전기의 출력을 제어하고 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 제어하고 더미 부하(dummy load)를 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징에 따르면, 본원 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법을 적용하여 마이크로그리드의 디젤발전기 및 신재생발전기를 운영함에 따라, 마이크로그리드 디젤발전기와 신재생발전기의 출력을 제어하여 마이크로그리드를 안정적으로 운용할 수 있다.
그리고, EMS 운영 알고리즘에 따라 디젤발전기의 출력용량을 산정하므로, 단락 및 지락 발생에도 마이크로그리드를 안정적으로 운용할 수 있다.
또한, 마이크로그리드 시스템이 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법으로 동작하는 마이크로그리드 제어시스템을 구비함에 따라, 안정적이고 효율적으로 마이크로그리드 시스템을 운영할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템이 형성되는 마이크로그리드 모델의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템의 개략적인 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템에서 신재생발전기의 출력용량을 예측하는 데 이용하는 신재생발전기의 전력곡선 그래프인 태양광발전기의 전력곡선이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템에서 디젤발전기의 출력용량을 제어하는 데 이용하는 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템이 적용되는 마이크로그리드에 형성된 에너지저장장치가 수행하는 Droop 제어를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템이 적용되는 마이크로그리드에 형성된 풍력발전기의 전력곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템을 적용한 마이크로그리드의 디젤발전기의 유효전력파형을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템을 적용한 마이크로그리드의 에너지저장장치의 배터리 충전상태를 나타낸 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템을 적용한 마이크로그리드의 출력, 에너지저장장치의 잔존용량, 계통주파수 및 계통전압을 나타낸 도면이다.
도 9b는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템을 적용한 마이크로그리드의 출력, 에너지저장장치의 잔존용량, 계통주파수 및 계통전압을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템을 적용한 마이크로그리드의 에너지저장장치의 배터리 충전상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법을 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템 및 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법에 대해 자세히 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템의 구조를 자세히 설명하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템(200)은 도 1에 도시한 마이크로그리드 모델(100)에 연결되어 마이크로그리드 모델(100)의 전력공급원(110)을 제어하는 구성이다.
도 1을 참고로 하는 한 예에서, 마이크로그리드 모델(100)은 전력공급원(110)과 에너지저장장치(120)를 포함하는데, 이때, 전력공급원(110)은 디젤발전기(111)와 신재생발전기(112)를 포함한다.
한 예에서, 신재생발전기(112)는 자연동력원으로부터 전력을 발생하는 장치로서, 기상 상태에 발전량에 영향을 받는 풍력발전원, 태양광발전원, 수력발전원 등의 발전원일 수 있으며, 본 발명의 한 실시예에서는 도 1에 도시한 것처럼 풍력발전원(112a)과 태양광발전원(112b)을 포함하는 실시예를 참고로 하여 설명하도록 한다.
마이크로그리드 모델(100)에서, 디젤발전기(111)는 2대 이상의 디젤발전기로 구성되고, 발전된 전력을 마이크로그리드 모델(100)에 연결된 전력요구시설에 공급한다.
그리고, 한 예에서, 디젤발전기(111)가 2대 이상의 디젤발전기로 구성됨에 있어서, 각각의 디젤발전기는 정격용량의 약 80%로 운용되고, 복수 개의 디젤발전기 중 어느 한 디젤발전기를 운용하는 중, 마이크로그리드 내의 부하변동에 따라 운용중인 디젤발전기 외의 디젤발전기인 예비발전기를 운전시켜 계통을 운영한다.
디젤발전기(111)는 여자기와 조속기, 동기기를 운전하는 내연기관으로 구성되고, 신재생발전기(112)의 출력이 비정상이거나 에너지저장장치(120)의 잔존용량이 기준값 이하로 내려갈 때 발전원으로서 사용된다. 이때, 마이크로그리드에서 신재생발전기(112)가 주 발전원이고 디젤발전기(111)가 예비발전원으로서 사용된다.
이러한 디젤발전기(111)는 는 마이크로그리드 제어시스템(200)에 의해 출력이 조정될 수 있다.
이처럼, 전력공급원(110)이 디젤발전기(111)와 신재생발전기(112)를 포함함으로써 마이크로그리드를 분산전원으로 구성한다.
그리고, 에너지저장장치(120)(ESS, energy storage system)는 마이크로그리드 중 오프그리드 타입(Off-grid Type)에서 주전원으로 이용되는 장비로서, 배터리에 분산형 전원의 잉여 전력을 저장하였다가 계통의 피크부하 발생시 사용되어 공급전력과 수요전력의 균형을 유지한다.
한 예에서, 에너지저장장치(120)는 배터리관리시스템(BMS, battery management system)을 구비하여 잔존용량을 관리하고, PCS(power conversion system)을 구비하여 출력을 조정한다.
즉, 이러한 에너지저장장치(120)는 마이크로그리드 제어시스템(200)에 의해 출력이 조정될 수 있다.
도 1을 참고로 하여 설명한 구조로 형성되는 마이크로그리드 모델(100)에 연결되는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템(200)을 도 2를 참고로 하여 좀더 자세하게 설명하면, 마이크로그리드 제어시스템(200)은 기상예보 데이터 수집부(210), 신재생발전기 출력량 예측부(220), 디젤발전기 요구발전량 산정부(230), 그리고 디젤발전기 출력용량 산정부(240)를 포함한다.
기상예보 데이터 수집부(210)는 기상예보 데이터를 수집하는 부분으로서, 외부의 데이터베이스에 접속하거나 또는 마이크로그리드 모델(100)의 내부에 구현된 데이터베이스에 연결되어 기상예보 데이터를 전달받는다.
한 예에서, 기상예보 데이터 수집부(210)는 적어도 2년치 과거 기상 데이터와 기상청으로부터 생성된 실시간 기상예측 정보를 수집한다.
기상예보 데이터 수집부(210)가 수집하는 실시간 기상예측 정보는 3시간 단위로 생성되는 단기예보 데이터로서, 다음날 풍력발전기(112a)의 풍력발전량과 태양광발전기(112b)의 태양광발전량을 예측하는 데 이용된다.
단기예보 데이터는 운량, 풍속, 풍향, 강수량, 기온, 일사량 정보를 포함한다.
한 예에서, 기상예보 데이터 수집부(210)가 기상청으로부터 단기예보 데이터를 전달받음에 있어서, 인터넷을 통해 기상청 서버로부터 접속하여 단기예보 데이터를 실시간으로 전달받을 수 있다.
신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터 수집부(210)가 수집한 기상예보 데이터로부터 신재생발전기의 출력량을 예측한다.
신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터로부터 풍력발전기(112a)의 출력량을 예측한다.
신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터 중 풍속을 이용하여 풍력발전기(112a)의 출력량을 예측하는데, 마이크로그리드 모델(100)에서 포함하는 풍력발전기(112a) 실제 전력곡선(power curve)에 풍속 정보를 적용하여 출력량을 예측한다.
그리고 이때, 기상예보 데이터 중 풍속 데이터는 평균풍속 정보로서, 10m 높이에서의 측정값이므로, 신재생발전기 출력량 예측부(220)가 평균풍속 정보를 풍력발전기의 실제 전력곡선에 적용함에 있어서, 풍력발전기의 허브 높이를 고려하여 풍속정보를 다음의 식1을 이용하여 수정한다.
[식 1]
Figure pat00004
위의 식 1에서, Vz는 지상높이 z에서의 풍속으로서, 단위는 m/s이고, Vh는 지상높이 h에서의 풍속으로 단위는 마찬가지로 m/s이며, z0는 지표면 거칠기 계수인 지상조도계수로서 단위는 m(미터)이다.
한 예에서, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 위의 식 1을 이용하여 기상예보 데이터 중 풍속 데이터를 풍력발전기의 허브 높이에 맞게 수정하여, 수정된 풍속 데이터를 풍력발전기의 전력곡선에 대입하여 출력량을 예측한다.
그리고, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터 중 일사량, 운량 및 기온정보를 이용하여 태양광발전기(112b)의 출력량을 예측하는데, 마이크로그리드 모델(100)에서 포함하는 태양광발전기(112b)의 실제 전력곡선에 운량 및 기온정보를 적용하여 출력량을 예측한다.
도 3을 참고로 하는 한 예에서, 신재생발전기 출력량 예측부(220)에서 이용하는 기상예보 데이터 중 운량정보는 맑음, 구름 조금, 구름 많음 그리고 흐림 중 어느 하나이고, 3시간 단위로 수신하는 기상예보 데이터의 예보시간과 운량을 도 3의 전력곡선에 적용하여 출력량을 추출하여 시간 및 운량에 따라 산출된 출력량을 합산함으로써 하루 동안의 태양광발전기(112b)의 출력량을 예측한다.
이때, 도 3에 도시한 태양광발전기(112b)의 전력곡선은 시간에 따른 출력량을 운량에 따라 각각 도시하고 있고, 이를 계절별로 나타내고 있으며, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터를 수신한 날짜가 해당되는 사계절 그래프 중 하나의 그래프로부터 하루 동안의 태양광발전기(112b)의 출력량, 즉, 일일 출력량을 예측한다.
도 3의 사계절 그래프는 정격용량 100kW의 PV 전력곡선으로서, 12월을 사계절로 분류하여 전력곡선의 정확도가 향상된 그래프이다. 한 예에서, 도 3의 사계절 그래프는 4월에서 6월의 전력곡선 데이터를 봄 그래프로 분류하고, 7월에서 9월을 여름 그래프로, 10월에서 11월을 가을 그래프로, 그리고 12월에서 3월을 겨울 그래프로 분류하도록 전력곡선을 가공하였다.
그리고 이때, 사계절 그래프는 3년간 누적데이터에서 유효한 데이터를 선별하여 가공된 데이터이다.
신재생발전기 출력량 예측부(220)가 기상예보 데이터 중 운량 정보를 이용하여 태양광발전기(112b)의 일일 출력량을 예측하는 일례를 도 3을 참고로 하여 설명하면, 3월 10일 13시 및 16시에 기상예보 데이터를 실시간 수집함에 따라, 이미 구비하고 있는 사계절 그래프 중 겨울 그래프를 참조하여, 13시에 수집한 기상예보 데이터 중 운량 정보가 맑음인 경우 약 65kW를 추출하고 16시에 수집한 기상예보 데이터 중 운량 정보가 흐림인 경우 약 9kW를 추출하여 태양광발전기(112b)의 일일 출력량 산출에 이용한다.
이때, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 기상예보 데이터를 3시간보다 짧은 주기인 한시간 간격으로 기상예보 데이터를 수신하고, 이를 도 3의 사계절 그래프에 적용하여 태양광발전기(112b)의 일일 출력량을 산출할 수 있다.
한 예에서, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 풍력발전기의 전력곡선 및 태양광발전기의 사계절 전력곡선을 자체적으로 저장하도록 형성될 수 있으나, 다른 한 예로써, 별도의 데이터베이스에 이를 저장하고 있다가 신재생발전기 출력량을 예측할 때 데이터베이스에 접속하여 해당 전력곡선을 참조하는 구조로 형성될 수 있으며, 이를 한정하지는 않는다.
다시 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템(200) 중 디젤발전기 요구발전량 산정부(230)에 대해 자세히 설명하면, 디젤발전기 요구발전량 산정부(230)는 신재생발전기 출력량 예측부(220)에서 예측한 신재생발전기의 출력량과, 마이크로그리드 내의 부하패턴을 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정한다.
디젤발전기 요구발전량 산정부(230)는 다음의 식 2로부터 디젤발전기의 요구발전량을 산정하고, 이때, PDiesel(t1-t2)는 t1부터 t2 동안의 디젤 발전출력이고, 단위는 kW(킬로와트)이며, Aload , t는 t시의 부하 요구전력량, ARES, t는 t시의 신재생 발전출력량으로서 단위는 kWh(킬로와트시)이다.
[식 2]
Figure pat00005
한 예에서, 디젤발전기 요구발전량 산정부(230)는 신재생발전기의 발전특성을 고려하여 0시~9시, 9시~18시, 그리고 18시~24시으로 시간을 세 구간으로 나누어 디젤발전기의 요구발전량을 산정한다.
그리고, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 디젤발전기 요구발전량 산정부(230)에서 산정된 디젤발전기 요구발전량(PDiesel)을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정한다.
한 예에서, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 산정된 디젤발전기의 요구발전량(PDiesel)이 디젤발전기의 최소 출력용량(PMin)보다 작은 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 산정하고, 반대로, 산정된 디젤발전기의 요구발전량(PDiesel)이 해당 디젤발전기의 정격용량, 즉, 디젤발전기의 최대 출력용량(PMax)보다 큰 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최대 출력용량으로 산정한다.
이때, 디젤발전기의 최소 출력용량(PMin) 및 최대 출력용량(PMax)의 단위는 kW(킬로와트)이다.
디젤발전기의 최소 출력용량은 해당 디젤발전기에 대해 지정된 최소 출력용량으로서, 정격용량의 10%이다.
그리고, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 도 4의 알고리즘에 따라 마이크로그리드 내의 부하패턴과 신재생발전기의 출력량을 비교하여 디젤발전기의 출력용량을 제어한다.
도 4를 참고하여 디젤발전기 출력용량 산정부(240)의 디젤발전기 출력용량 제어를 좀더 자세히 설명하면, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 기준 배터리 충전상태(SOC, state of charge)를 에너지저장장치(120)의 잔존용량과 비교하여(Q100), 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태 이하의 값을 갖는 경우, 화살표 예 방향을 따라 디젤발전기 출력용량 증가(S1) 단계를 수행한다.
그러나 이때, 위의 판단단계(Q100)에서 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우, 화살표 아니오 방향을 따라 신재생발전기의 출력을 제어하고 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량(PMin)으로 제어하는 단계(S21)와 더미 부하(dummy load)를 투입하는 단계(S22)를 수행한다.
에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우 수행되는 단계(S21, S22)로 인해, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태에서 유지할 수 있고, 이에 따라, 마이크로그리드 내의 전력품질을 향상할 수 있고, 계통의 블랙아웃 상황을 방지할 수 있다.
그리고 이때, 기준 배터리 충전상태는 마이크로그리드 내의 배터리 용량과 디젤발전기의 출력 증감발률에 따라 선정되어 마이크로그리드 제어시스템(200)에 저장된다.
이러한 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 산정된 디젤발전기의 출력용량이 디젤발전기를 구성하는 두 대 이상의 디젤발전기에서 분담하여 운전되도록 복수 개의 각 디젤발전기의 출력용량을 제어한다.
이와 같이, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)가 디젤발전기의 출력용량을 제어함에 따라 디젤발전기의 기계적 스트레스를 감소시켜 마이크로그리드의 시스템 효율 및 수명을 증가시킬 수 있다.
그리고, 한 예에서, 에너지저장장치(120)는 계통의 주파수 변동 및 전압 변동에 대해서, 유효전력 및 무효전력의 증감분에 기울기를 주어 자율적으로 출력을 제어하는 Droop 제어를 수행한다. 이로 인해, 두 대 이상의 발전기 또는 다른 분산전원과의 병렬제어를 용이하게 수행할 수 있다.
Droop 제어는 도 5에 도시한 것처럼, 세로 축인 주파수(f') 및 전압(V')이 변동주파수(
Figure pat00006
) 및 변동전압(
Figure pat00007
)으로 변동되는 경우, 출력전압(P') 및 출력부하(Q')는 Droop 제어 특성직선의 기울기에 따라 변동출력전압(
Figure pat00008
) 및 변동출력부하(
Figure pat00009
)값으로 그 출력을 변동하도록 제어한다.
도 1 내지 도 5를 참고로 하여 설명한 특징을 갖는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템(200)의 실제 적용예를 도 6 내지 도 10을 참고로 하여 설명하도록 한다.
이때, 본 발명의 설명을 위한 마이크로그리드의 실시예예서, 풍력발전원(112a)과 태양광발전원(112b)의 발전용량은 6:4의 비율로 구현되고, 디젤발전기(111)의 총 발전용량은 5,500kW, 풍력발전원(112a)의 발전용량은 2,400kW, 태양광발전원(112b)의 발전용량은 1,600kW이며, 에너지저장장치(120)는 12MWh의 Li-ion(리튬-이온) 배터리를 2MW의 PCS를 4대 병렬 설치한 구조인 것을 예로 들어 설명하도록 한다.
그리고, 풍력발전원(112a)은 발전용량이 800kW인 풍력발전원 세 대를 병렬로 구비하고, 디젤발전기(111)는 1MW의 발전용량을 갖는 네 대의 병렬구조의 디젤발전기와 500kW의 발전용량을 갖는 세 대의 병렬구조의 디젤발전기를 포함하는 것을 예로 들어 설명하도록 한다.
한 예에서, 기상예보 데이터 수집부(210)가 겨울에 해당하는 일자에 대한 하루 평균풍속 정보로서 4.8m/s를 수신하고, 운량정보를 많음으로서 수신하는 경우, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 평야 기준의 지상조도계수를 0.04m로 이용하고, 식 1을 이용하여 풍력발전기(112a)의 높이가 70m인 경우의 풍속을 계산한다.
그리고 이때, 신재생발전기 출력량 예측부(220)는 계산된 풍속을 도 6의 전력곡선에 대입하여 풍력발전기(112a)의 출력량을 예측하고, 도 3의 전력곡선을 이용하여 태양광발전기(112b)의 출력량을 다음의 표 1과 같이 예측한다.
[표 1]
Figure pat00010
위의 표 1과 같이, 신재생발전기 출력량 예측부(220)가 신재생발전기의 출력량을 시간에 따른 풍력발전기 발전량 및 시간에 따른 태양광발전기 발전량으로서 각각 예측함에 따라, 디젤발전기 요구발전량 산정부(230)는 부하전력량과 신재생발전기의 발전량을 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 디젤 요구 발전량으로서 산정하고, 디젤발전기 출력용량 산정부(240)는 디젤발전기의 요구발전량을 디젤발전기의 정격용량과 비교하여 디젤발전기의 출력용량을 디젤 정출력으로서 산정한다.
그리고, 표 1과 같이 신재생발전기의 발전량이 예측되고, 디젤발전기의 요구발전량 및 출력용량이 산정된 하루에 대해 측정된 유효전력파형은 도 7의 (a)에 도시한 그래프처럼 0시~9시 구간, 9시~18시 구간, 그리고 18시~24시 구간에서 디젤발전의 출력이 변동하고, 도 7의 (b)에 도시한 유효전력 해석결과 그래프에서, 풍력발전기의 출력변동 및 태양광발전기의 출력 변동에 따라 잉여 또는 부족전력을 에너지저장장치가 충방전하여 마이크로그리드 내의 공급 및 수요의 균형을 유지시키는 것을 확인할 수 있다.
그리고 이때, 기준 배터리 충전상태가 0.2~0.8 범위로 정해진 경우, 에너지저장장치의 잔존용량은 도 8에 도시한 것처럼 기준 배터리 충전상태의 범위에서 운전됨을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로그리드 제어시스템(200)의 구조에 따라, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태의 범위의 최저 임계값에 도달하였을 때, 도 9a에 도시한 것처럼 디젤발전기의 출력을 증가시켜 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태의 범위의 최저 임계값에 도달하는 것을 방지하고, 이때, 계통주파수 및 계통전압이 제어됨을 확인할 수 있다.
반대의 예에서, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태의 범위의 최고 임계값에 도달하였을 때, 도 9b에 도시한 것처럼 디젤발전기의 출력을 감소시켜 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태의 범위의 최고 임계값에 도달하는 것을 방지하고, 이때, 계통주파수 및 계통전압이 제어됨을 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드 제어시스템(200)을 적용하였을 때, 마이크로그리드의 에너지저장장치의 배터리 충전상태가 도 10에 도시한 것처럼 기준 배터리 충전상태 범위에 포함되는 것을 확인할 수 있고, 이는 본 발명을 적용함에 따라 기존의 마이크로그리드에서 신재생발전기의 출력특성으로 인해 규정 배터리 충전상태를 초과하는 단점이 해소됨을 나타낸다.
다음으로, 도 11을 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법을 설명하면, 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법은 마이크로그리드 제어시스템(200)에서 수행하는 알고리즘으로서, 도 11에 도시한 것처럼 단기 기상예보 데이터를 이용하여 신재생발전기의 다음날 출력량을 예측하는 단계(S100), 예측된 신재생발전기의 출력량을 디젤발전기의 전력요구량과 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 단계(S200), 그리고 EMS 운영 알고리즘을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
단기 기상예보 데이터를 이용하여 신재생발전기의 다음날 출력량을 예측하는 단계(S100)는 수집한 기상예보 데이터로부터 풍속 정보를 풍력발전기의 전력곡선에 대입하여 풍력발전기의 출력량을 예측하고, 수집한 운량정보를 이용하여 태양광발전기의 출력량을 예측한다.
이때, 식 1을 이용하여 수신한 풍속 정보의 높이를 풍력발전기의 높이에 맞추어 풍속 정보를 계산하여 풍력발전기의 전력곡선에 대입한다.
그리고, 예측된 신재생발전기의 출력량을 디젤발전기의 전력요구량과 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 단계(S200)는 디젤발전기의 전력요구량, 즉, 부하 요구전력량과 신재생발전기의 출력량을 비교하여 식 2로부터 디젤발전기의 요구발전량을 산정한다.
마지막으로, EMS 운영 알고리즘은 에너지저장장치의 잔존용량과 기준 배터리 충전상태를 비교하여 디젤발전기의 출력용량을 제어하는 단계로서, 도 4의 알고리즘으로 운영된다.
마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법에 이러한 단계들로 수행됨에 따라, 마이크로그리드용 디젤발전기가 안정적으로 운영될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 마이크로그리드 111 : 디젤발전기
112 : 신재생에너지원 120 : 에너지저장장치
200 : 마이크로그리드 제어시스템 210 : 기상예보 데이터 수집부
220 : 신재생발전기 출력량 예측부
230 : 디젤발전기 요구발전량 산정부
240 : 디젤발전기 출력용량 산정부

Claims (16)

  1. 디젤발전기와 신재생발전기, 그리고 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드의 디젤발전기 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어시스템에 있어서,
    기상예보 데이터로부터 신재생발전기의 출력량을 예측하는 신재생발전기 출력량 예측부;
    상기 신재생발전기 출력량 예측부에서 예측한 신재생발전기의 출력량과, 마이크로그리드 내의 부하패턴을 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 디젤발전기 요구발전량 산정부; 그리고,
    상기 디젤발전기 요구발전량 산정부에서 산정된 디젤발전기 요구발전량을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 디젤발전기 출력용량 산정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신재생발전기 출력량 예측부가 신재생발전기의 출력량을 예측하는 데 이용하는 상기 기상예보 데이터는 운량, 풍속, 풍향, 강수량, 기온, 일사량에 대해 실시간 전달받는 데이터인 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신재생발전기 출력량 예측부는 풍속 정보를 기상예보 데이터로서 입력받고, 신재생발전기인 풍력발전기의 전력곡선에 풍속 정보를 대입하여 풍력발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신재생발전기 출력량 예측부가 상기 풍속 정보를 이용하여 상기 풍력발전기의 출력량을 예측함에 있어서, 기상예보 데이터로서 입력받은 풍속 정보를 하기 식 1에 대입하여 풍력발전기에 대한 풍속을 계산하고, 계산된 풍력발전기에 대한 풍속을 풍력발전기의 전력곡선에 대입하여 풍력발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
    [식 1]
    Figure pat00011

    (이때, Vz는 지상높이 z에서의 풍속으로서, 단위는 m/s이고, Vh는 지상높이 h에서의 풍속으로 단위는 m/s이며, z0는 지상조도계수로서 단위는 m(미터)임.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신재생발전기 출력량 예측부는 운량 정보를 기상예보 데이터로서 입력받고, 신재생발전기인 태양광발전기의 전력곡선에 풍속 정보를 대입하여 태양광발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 태양광발전기의 전력곡선은 사계절 그래프로 가공된 데이터로서, 상기 신재생발전기 출력량 예측부가 입력받은 기상예보 데이터의 일자가 해당되는 사계절 중 한 계절에 대한 그래프의 전력곡선으로부터 태양광발전기의 출력량을 추출하여 태양광발전기의 출력량을 예측하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디젤발전기 요구발전량 산정부는 다음의 식 2로부터 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
    [식 2]
    Figure pat00012

    (이때, PDiesel(t1-t2)는 t1부터 t2 동안의 디젤 발전출력으로서 단위는 kW(킬로와트)이고, Aload , t는 t시의 부하 요구전력량, ARES, t는 t시의 신재생 발전출력량으로서 단위는 kWh(킬로와트시)임.)
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디젤발전기 요구발전량 산정부는 신재생발전기의 발전특성을 고려하여 0시~9시, 9시~18시, 그리고 18시~24시으로 시간을 세 구간으로 나누어 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 디젤발전기의 최소 출력용량보다 작은 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 산정하고, 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 해당 디젤발전기의 정격용량보다 큰 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최대 출력용량으로 산정하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 기준 배터리 충전상태를 에너지저장장치의 잔존용량과 비교하여, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태 이하의 값을 갖는 경우, 디젤발전기 출력용량을 증가시키고, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우, 신재생발전기의 출력을 제어하고 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 제어하고 더미 부하(dummy load)를 투입하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 디젤발전기 출력용량 산정부는 산정된 디젤발전기의 출력용량이 디젤발전기를 구성하는 두 대 이상의 디젤발전기에서 분담하여 운전되도록 복수 개의 각 디젤발전기의 출력용량을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에너지저장장치는 Droop제어를 수행하여 계통의 주파수 변동 및 전압 변동에 대해서, 유효전력 및 무효전력의 증감분에 기울기를 주어 자율적으로 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 제어시스템.
  13. 디젤발전기와 신재생발전기, 그리고 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드의 디젤발전기 출력을 제어하는 마이크로그리드 제어시스템에서 수행되는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법에 있어서,
    (a) 단기 기상예보 데이터를 이용하여 신재생발전기의 다음날 출력량을 예측하는 단계;
    (b) 예측된 신재생발전기의 출력량을 디젤발전기의 전력요구량과 비교하여 디젤발전기의 요구발전량을 산정하는 단계; 그리고,
    (c) EMS 운영 알고리즘을 이용하여 디젤발전기의 출력용량을 산정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 신재생발전기인 풍력발전기 또는 태양광발전기에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 하기의 식으로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법.
    Figure pat00013

    (이때, PDiesel(t1-t2)는 t1부터 t2 동안의 디젤 발전출력으로서 단위는 kW(킬로와트)이고, Aload , t는 t시의 부하 요구전력량, ARES, t는 t시의 신재생 발전출력량으로서 단위는 kWh(킬로와트시)임.)
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계로부터 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 디젤발전기의 최소 출력용량보다 작은 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 산정하고, 산정된 디젤발전기의 요구발전량이 해당 디젤발전기의 정격용량보다 큰 경우, 디젤발전기의 출력용량을 최대 출력용량으로 산정하며,
    기준 배터리 충전상태를 에너지저장장치의 잔존용량과 비교하여, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태 이하의 값을 갖는 경우, 디젤발전기 출력용량을 증가시키고, 에너지저장장치의 잔존용량이 기준 배터리 충전상태를 초과하는 경우, 신재생발전기의 출력을 제어하고 디젤발전기의 출력용량을 최소 출력용량으로 제어하고 더미 부하(dummy load)를 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드용 디젤발전기 운영방법.

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