KR20190036159A - 열 전기 복합 그리드 시스템 및 그 운영 방법 - Google Patents

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KR20190036159A
KR20190036159A KR1020170125057A KR20170125057A KR20190036159A KR 20190036159 A KR20190036159 A KR 20190036159A KR 1020170125057 A KR1020170125057 A KR 1020170125057A KR 20170125057 A KR20170125057 A KR 20170125057A KR 20190036159 A KR20190036159 A KR 20190036159A
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황성욱
이학주
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 열에너지 생산 장치와 전기에너지 생산 장치를 포함하는 분산전원, 열에너지 저장 장치와 전기에너지 저장 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템, 열에너지 사용 부하와 전기에너지 사용 부하를 포함하는 부하, 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 에너지 관리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템과, 상기 열에너지 사용 부하와 상기 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 수집하는 패턴정보 수집단계, 상기 분산전원과 상기 에너지 저장 시스템의 상태정보를 수집하는 상태정보 수집단계, 상기 계통 전력의 가격정보와 상기 분산전원의 발전 비용정보를 수집하는 비용정보 수집단계, 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 운영단계를 포함하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법에 관한 것이다.

Description

열 전기 복합 그리드 시스템 및 그 운영 방법{HEAT AND ELECTRICITY COMBINED GRID SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 이종 에너지(열에너지와 전기에너지)에 대한 통합적 관점의 지표 및 운영 환경을 제공하고, 운영 설비(열병합 발전(CHP), FC(연료 전지), ESS(에너지 저장 시스템), 공조, 조명 등)에 대한 실시간 제어, 그리고 수요 예측 알고리즘 등의 적용을 통한 효율성, 경제성 측면의 다양한 운전방식을 제공할 수 있는 열 전기 복합 그리드 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
지난 수십 년간 지구온난화와 환경오염의 심각성이 점진적으로 더해감에 따라 전 세계적으로 에너지 절감, 온실가스 감축에 대한 필요성을 절실히 공감하게 되었다. 기존의 화석연료를 대체하기 위해 제안된 태양광, 태양열, 풍력, 지열 등 다양한 신재생에너지는 아직 가격경쟁력이나 많은 기술적인 문제에 부딪혀 전반적인 확장으로 이어지지는 못하고 있지만, 국내를 비롯해 미국, 유럽에서 강력한 정부 지원에 힘입어 많은 투자와 연구활동이 진행 중이다.
현재의 전력 인프라는 수력, 화력, 원자력 등을 통해 중앙 집중적으로 생산한 후 일부 독과점적인 업체에 의해 일방적으로 송배전되고, 일방적으로 정해진 고정 가격에 기반해서 과금되고 있다. 과금 체계가 공개되어 있다고는 하지만, 일반적으로 전력은 다른 재화에 비해 가격탄력성이 거의 없다고 봐도 무방할 정도이다. 최근에는 일부 전력 인프라의 노후화에 대한 인식, 신재생에너지의 필요성에 대한 인식 등과 맞물려 기존과 전혀 다른 전력 인프라에 대한 필요성이 생겨남에 따라, 직접 태양광 패널을 설치하여 생산되는 에너지를 자급하거나 오히려 남는 전력을 Utility 사업자에게 되파는 가정도 생겨나고 있다.
앞으로는 전기 자동차가 향후 20여 년간 급속한 성장세를 보일 것으로 예상되고 있는데, 이렇게 되면 이전에는 가솔린/디젤로만 움직이던 자동차들이 가정의 전력 소비량의 많은 부분을 차지하게 될 것이다. 또한, Utility 사업자로부터 계속적으로 전력을 공급받아 매번 비싼 전기요금을 내느니, 신재생에너지와 에너지 저장장치로 이루어진 자급자족형 에너지 설비 또는 좀 더 큰 규모의 마이크로 그리드(Micro Grid)를 가정별, 건물별, 지역별로 구성하고자 하는 니즈도 커지게 될 것이다.
마이크로 그리드는 기존에 소비만 하던 고객 중에서 전력공급망 상에 자체의 발전설비에 의한 자체 소비뿐만 아니라 전력을 공급할 수 있는 능력을 가진 고객들이 등장하였지만, 기존의 전력공급망에서 이런 자체발전 고객은 자급자족만 할 뿐, 전체 네트워크에는 기여하지 못하였던 것을 극복하기 위한 것으로, 전력공급망에 산재하는 자체발전 고객이 생산하는 전기에너지를 활용하여 전체 네트워크의 에너지 활용을 극대화하기 위한 기술이자 새로운 전력 생산/소비 모델이다. 이러한 그리드에 대해 지역적으로 작은 규모로 이루어진 것을 Micro Grid라 하는 반면에, 넓은 지역에 걸쳐 이루어진 형태의 전력공급망은 Macro Grid, Super Grid 등 여러 이름으로 불리고 있다. 대개 마이크로 그리드 시스템은 풍력발전, 태양광발전, 연료전지 등 다수의 분산전원과 축전지저장장치 같은 에너지 저장장치, 복수의 부하로 구성되며, 각 구성들을 감시제어하기 위한 에너지관리시스템이 통신망을 통하여 연결되어 있다.
전 세계적인 인식의 변화와 정부의 추진, 또 이에 따른 시장의 흐름으로 보았을 때, 향후에는 다양한 에너지원과 새로운 형태 및 규모의 에너지 수요처를 유동적이면서 효율적으로 묶어 운영할 수 있는 시스템이 요구될 수밖에 없지만, 이 시스템은 비선형적인 특성과 어려운 미래예측 특성으로 말미암아 상당한 기술적 어려움이 존재한다. 예로, Hybrid 자동차 같은 경우 단 두 개의 에너지원(엔진과 배터리)으로 이루어져 있지만, 에너지 소비패턴의 다양성으로 말미암아 최적화가 상당히 어렵다.
따라서, 보다 많은 에너지원과 더 다양한 에너지 수요처를 유동적으로 통합하고 운영하여 최적의 결과, 즉 최소의 전기요금으로 에너지 소비 만족을 실현할 수 있는 시스템이 필요하다.
이와 관련하여 한국등록특허 제10-0798347호 "재생에너지를 이용한 주택의 복합형 냉난방 시스템"에는 지열을 이용한 펌프 가동 시 필요한 전기를 태양광으로부터 생산된 전기를 사용하고 부족한 전기만 한전의 전기를 사용할 수 있게 하는 기술이 설명되어 있다. 본 선행기술에 따르면, 우천 시 태양광발전시스템의 기능이 저하되거나 또는 상실될 시에는 상용 전원라인으로부터 전기를 공급받아 지열냉난방시스템을 가동시킴으로써, 전기요금을 최소화시킨다.
하지만, 재생에너지원은 전기에너지를 불균일하게 생산하기 때문에, 주로 상용전원으로부터 전기를 공급받게 되고, 그만큼 전기요금의 절감효과가 미비하다.
그러므로 미리 각 재생에너지원의 전력생산에 영향을 주는 변수들을 측정 및 예측하여 보다 전기요금이 최소화될 수 있는 기술이 필요하다.
KR 10-0798347 B1
본 발명은 이종 에너지(열에너지와 전기에너지)에 대한 통합적 관점의 지표 및 운영 환경을 제공하고, 운영 설비(열병합 발전(CHP), FC(연료 전지), ESS(에너지 저장 시스템), 공조, 조명 등)에 대한 실시간 제어, 그리고 수요 예측 알고리즘 등의 적용을 통한 효율성, 경제성 측면의 다양한 운전방식을 제공할 수 있는 열 전기 복합 그리드 시스템 및 그 운영방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 열에너지 생산 장치와 전기에너지 생산 장치를 포함하는 분산전원, 열에너지 저장 장치와 전기에너지 저장 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템, 열에너지 사용 부하와 전기에너지 사용 부하를 포함하는 부하, 분산전원, 에너지 저장 시스템, 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 에너지 관리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템이다.
본 발명에 의하면, 날씨, 온도, 습도 등과 같은 외부환경으로, 영향을 받는 열/전기에너지 생산량 및 사용량, 시간에 따른 계통 전력의 전기 요금 등 복합적이고, 예측이 난해하며, 비선형적인 행태를 보이는 요소들을 고려하여 복합 그리드 시스템을 운영하기 때문에 복잡한 시스템을 안정적으로 구동함과 동시에 효율적인 방식으로 컨트롤할 수 있고, 이에 따라 최종적으로는 최소한의 전기요금이 나올 수 있어 전기요금의 절감이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 열 전기 복합 그리드 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분산전원의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 세부 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 부하의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드의 세부 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 열부하 추종 모드의 운영 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 전기부하 추종 모드의 운영 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 열전기 복합 추종 모드의 운영 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운영방법의 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 열에너지 생산 장치(110)와 전기에너지 생산 장치(120)를 포함하는 분산전원(100), 열에너지 저장 장치(210)와 전기에너지 저장 장치(220)를 포함하는 에너지 저장 시스템(200), 열에너지 사용 부하(410)와 전기에너지 사용 부하(420)를 포함하는 부하(400), 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 에너지 관리 시스템(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템에 관한 것이다.
상기 에너지 관리 시스템(300)의 운전모드는 상기 계통 전력(500)의 가격정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하 및 전기에너지 사용 부하(410,420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 DR모드, 상기 열에너지 사용 부하(410)의 열에너지 사용 패턴 정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하(410)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열부하 추종 운전모드; 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 전기에너지 사용 패턴 정보를 기준으로 상기 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 전기부하 추종 운전모드; 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하(410) 및 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열 전기 복합 추종 운전모드; 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 사용에 따른 탄소배출량 정보를 수집하여 탄소를 적게 배출하도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 저탄소배출 운전모드; 중 어느 하나이며, 기상 정보와 부하의 주변 환경 인자 정보를 추가로 고려하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이종 에너지(열에너지와 전기에너지)에 대한 통합적 관점의 지표 및 운영 환경을 제공하고, 운영 설비(열병합 발전(CHP), FC(연료 전지), ESS(에너지 저장 시스템), 공조, 조명 등)에 대한 실시간 제어, 그리고 수요 예측 알고리즘 등의 적용을 통한 효율성, 경제성 측면의 다양한 운전방식을 제공할 수 있는 열 전기 복합 그리드 시스템에 관한 것으로, 상기 열 전기 복합 그리드 시스템을 경제적으로 운영하기 위해서는 때에 따라 전력계통에서 전력을 구매하거나, 분산전원에서 생산된 에너지를 사용 및 판매하거나, 분산전원에서 생산한 에너지를 충전하여 필요 시 방전하여 사용할 수 있기 때문에 상기 열 전기 복합 그리드 시스템의 운영자입장에서는 최대의 이익을 얻기 위해서 상기 열에너지 사용 부하와 상기 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보와, 상기 분산전원(100)과 상기 열에너지 저장 장치(210) 및 전기에너지 저장 장치(220)의 상태정보와, 상기 계통 전력(500)의 가격정보와, 상기 열에너지 생산 장치(110) 및 전기에너지 생산 장치(120)의 발전 비용정보를 고려하여 가장 유리한 방향으로 운영하여야 하고, 상기 열 전기 복합 그리드 시스템은 학교, 산업단지 등 특정 소규모 지역단위나 전역 단위별로 에너지 수요처(Site)에 설치될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열 전기 복합 그리드 시스템의 개략도로 도 1을 참조하면, 상기 열 전기 복합 그리드 시스템은 상기 분산전원(100)과, 상기 에너지 저장 시스템(200)과, 상기 에너지 관리 시스템(300)과, 상기 부하(400)와, 상기 계통 전력(500)을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 분산전원의 세부 구성도로, 도 2를 참조하면, 상기 분산전원(100)은 상기 열에너지 생산 장치(110)와 상기 전기에너지 생산 장치(120)를 포함하고, 상기 열에너지 생산 장치(110)는 열병합발전기일 수 있고, 상기 전기에너지 생산 장치는 연료전지, 풍력발전기, 태양광 발전기 등일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 세부 구성도로 도 3을 참조하면, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 상기 열에너지 저장 장치(210)와 상기 전기에너지 저장 장치(220)를 포함하고, 상기 열에너지 저장 장치(210)는 축열조일 수 있고, 상기 전기에너지 저장 장치(220)는 ESS(Energy Storage System)일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 부하의 세부 구성도로 도 4를 참조하면, 상기 부하(400)는 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)를 포함하고, 상기 열에너지 사용 부하(410)는 난방열, 온수, 건조열 등일 수 있고, 상기 전기에너지 사용 부하(420)는 조명, 가전기기, 동력 등일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드의 세부 구성도로, 도 5를 참조하면, 상기 에너지 관리 시스템(300)은 상기 열에너지 생산 장치(110)와 상기 전기에너지 생산 장치(120)를 포함하는 상기 분산전원(100), 상기 열에너지 저장 장치(210)와 상기 전기에너지 저장 장치(220)를 포함하는 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 부하(400), 상기 계통 전력(500) 등 다양한 설비를 하나의 플랫폼으로 통합하고, 에너지를 효율적으로 제어하는 시스템으로써, 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보와, 상기 분산전원(100)과 상기 열에너지 저장 장치(210)와 상기 전기에너지 저장 장치(220)의 상태정보와, 상기 계통 전력(500)의 가격정보와, 상기 열에너지 생산 장치(110)의 발전 비용정보를 고려하여 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영한다.
상기 복수의 운전모드 중 상기 DR모드는 상기 계통 전력(500)의 가격정보를 우선적으로 고려하여 상기 부하(410,420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어한다. 예컨대, 상기 계통 전력(500)의 전력 피크 시간에는 상기 분산전원(100) 및 에너지 저장 시스템(200)을 우선적으로 사용하고, 그 외의 시간, 특히 가격이 저렴한 심야 시간대에는 상기 계통 전력(500)으로 부하를 가동 또는 상기 에너지 저장 시스템(200)에 에너지를 저장한다.
도 6은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 열부하 추종 모드의 운영 개략도로, 도 6을 참조하면, 상기 열부하 추종 모드는 상기 열에너지 사용 부하(410)의 열에너지 사용 패턴 정보를 우선적으로 고려하여 상기 열에너지 사용 부하(410)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 스케줄에 따라 제어한다. 예컨대, 상기 열에너지 사용 부하(410) 중 온수 사용량이 급증하는 시간대(오전 6시 ~ 10시, 저녁 6 ~ 10시)에 상기 열에너지 사용 부하(410)의 열소비량을 최소한의 비용으로 공급하도록 축열조, 분산전원, 열병합발전, 계통 전력을 제어한다.
도 7은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 전기부하 추종 모드의 운영 개략도로, 도 7을 참조하면, 상기 전기부하 추종 모드는 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 전기에너지 사용 패턴 정보를 우선적으로 고려하여 상기 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 스케줄에 따라 제어한다. 예컨대, 여름철 에어컨의 사용 등으로 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 사용량이 급증하는 시간대(오후 1시 ~ 오후 3시)에 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 전기소비량을 최소한의 비용으로 공급하도록 ESS, 분산전원, 열병합발전, 계통 전력을 제어한다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전모드 중 열전기 복합 추종 모드의 운영 개략도로, 도 8을 참조하면, 상기 열전기 복합 추종 모드는 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보를 우선적으로 고려하여 상기 열에너지 사용 부하(410) 및 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 스케줄에 따라 제어한다.
또한, 상기 탄소배출 운전모드는 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 사용에 따른 탄소배출량 정보를 수집하거나, 기저장된 탄소배출량 정보를 기초로 탄소를 적게 배출할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어한다.
한편, 본 발명은 이러한 운영자가 수동으로 운전하는 경우에는 전술한 바와 같은 운전모드를 무시하고 운영될 수 있다. 즉, 복수의 운전모드 보다 수동모드가 최우선순위를 갖는다. 또한, 수동모드가 아닌 경우에는 DR모드를 그 다음 우선순위로 설정할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 상기 에너지 관리 시스템(300)은 기상 정보와 상기 부하(400)의 주변 환경 인자 정보를 추가로 고려할 수 있는데, 일반적으로 태양광이나 풍력발전과 같은 분산전원은 본질적으로 그 발전의 근본이 자연환경에 의존적이기 때문에, 전기에너지 생산량이 기상상태 등의 외부환경에 민감하고, 이에 따라 발전량이 불규칙적이며, 예측이 상당히 어렵다. 태양광발전의 경우에는 날씨나 온도뿐만 아니라, 패널의 먼지 등에 의해서도 전기에너지 생산량에 영향을 받고, 풍력발전 역시 변화하는 풍속에 의해 영향을 받는다. 또한, 연료전지 등의 분산전원의 경우에는 전기에너지 생산에 필요한 초기 준비 시간이 존재하므로, 신속한 전기에너지 공급이 어렵다. 고체산화물(Solid Oxide) 연료전지를 이용하기 위해서는 섭씨 800~1000도의 온도를 만족해야 하기 때문에, 상기 온도까지 높이는데 시간이 소요된다. 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지는 적정 온도(~80도)를 만족해야 할 뿐만 아니라 적절한 습도 조건도 만족해야 하므로, 이를 위한 준비에 시간이 소요될 수밖에 없다. 따라서, 이러한 다양한 변수와 비이상적인 현상들을 고려하여야 불필요한 전력의 낭비를 방지할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 에너지 관리 시스템(300)은 각 분산전원에서 생산되는 전기에너지 생산량에 관한 정보를 포함하는 상태정보, 각 분산전원(100)의 열 및 전기에너지 생산에 영향을 주는 외부정보 및 각 분산전원(100)의 열 및 전기에너지 생산비용에 관한 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 정보를 획득하고, 이를 고려하여야 한다.
전기에너지 생산량에 관한 정보는 어느 분산전원(100)으로부터 전기에너지가 얼마만큼 생산되는지에 관한 정보를 의미하는 것으로, 풍력발전기, 태양광 발전기 등의 경우에는 외부환경에 의해 전기에너지 생산량이 변하게 되므로, 전기에너지 생산량을 모니터링 하는 것이 필요하다.
전기에너지 생산에 영향을 주는 외부정보는 날씨나 기온, 풍속 등 전기에너지 생산량에 영향을 주는 변수를 의미하는 것으로, 앞서 기술한 바와 같이 태양광발전기나 풍력발전기는 기존의 계통 전력(500)에 전력공급의 안정성이나 품질이 떨어질 수 있으므로, 실시간으로 모니터링 하는 것이다. 이러한 날씨나 기온, 풍속 등은 기상청 데이터베이스로부터 지역별 온도 정보를 통해서 파악할 수도 있고, 온도센서 등을 통해서도 파악할 수 있다.
전기에너지 생산비용에 관한 정보는 전기에너지 사용 시, 낮과 밤, 또는 실시간으로 변화하는 전기요금뿐만 아니라, 분산전원(100)에 따라 다르게 적용되는 전기요금을 의미한다. 보통 계통 전력(500)의 전기요금이 가장 비싸고, 그 다음으로 열병합발전기, 풍력발전기 및 태양광 발전기의 순이므로, 풍력발전기 및 태양광 발전기에서 생산된 전기에너지 공급량이 많을수록 전기요금의 절감효과는 극대화 된다.
부하(400)의 에너지 사용 패턴 정보는 에너지 수요처로부터 열 및 전기에너지 사용에 관한 에너지사용정보를 수신하며, 상기 에너지사용정보는 공장, 학교, 가정 등과 같은 수요처에서의 실시간 열량 및 전력사용현황을 의미한다.
그리고 부하(400)의 주변 환경 인자 정보, 즉, 부하(400) 주변의 온도, 습도 등의 주변 환경 인자 정보는 부하(400)의 에너지 사용량에 영향을 미치기 때문에 전기요금의 절감효과를 위해 필요한 정보로서 요구된다. 예를들어 전기온수기의 주변 온도가 평상시에 비해 낮다면 온수의 적정 온도를 유지하기 위해 전기사용량은 증가하게 된다. 따라서 이를 고려하여 분산전원(100), 에너지 저장 시스템(200), 계통 전력(500) 등을 적정하게 제어할 필요가 있다.
다음은 본 발명에 따른 열 전기 복합 그리드 시스템을 이용한 열 전기 복합 그리드 운영 방법에 관한 것으로, 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보를 수집하는 패턴정보 수집단계(S100); 상기 분산전원(100)과 상기 열에너지 저장 장치(210)와 상기 전기에너지 저장 장치(220))의 상태정보를 수집하는 상태정보 수집단계(S200); 상기 계통 전력(500)의 가격정보와 상기 열에너지 생산 장치(110)와 상기 전기에너지 생산 장치(120)의 발전 비용정보를 수집하는 비용정보 수집단계(S300); 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 운영단계(S400); 를 포함한다.
상기 운영단계(S400)의 운전모드는 상기 계통 전력(500)의 가격정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하(410)와 상기 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 DR모드; 상기 열에너지 사용 부하(410)의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하(410)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열부하 추종 운전모드; 상기 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 전기부하 추종 운전모드; 상기 열에너지 사용 부하(410) 및 전기에너지 사용 부하(420)의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하(410) 및 전기에너지 사용 부하(420)를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열 전기 복합 추종 운전모드; 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 사용에 따른 탄소배출량 정보를 수집하여 탄소를 적게 배출하도록 상기 분산전원(100), 상기 에너지 저장 시스템(200), 상기 계통 전력(500)의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 저탄소배출 운전모드; 중 어느 하나이며, 상기 운영단계는 기상 정보와 부하의 주변 환경 인자 정보를 추가로 고려하는 것을 특징으로 한다.
예컨대, 열 전기 복합 그리드 시스템에서 사용 가능한 전력 및 열량이 상기 계통 전력(500), 태양광발전기의 생산전력, 열병합발전기의 생산전력 및 열량, 연료전지로 구성되고, ESS 및 축열조에 각각 충전된 전기에너지와 열에너지이며, 기상상태가 맑고, 영하의 온도라면, 우선 태양광발전기의 생산전력으로 전력 및 온수(전기 온수기 등을 통해 생산)를 생산하여 전기에너지 및 열에너지의 수요처로 공급하고, 공급량이 부족한 경우, ESS 및 축열조의 전기에너지 및 열에너지를 수요처에 공급함으로써 전기요금이 최소화될 수 있도록 한다. 그리고 배터리가 방전되면, 연료전지의 전기에너지를 이용한다. 이때 연료전지의 경우에는 전기에너지를 생산하는데 초기 준비 시간이 요구되므로 초기 준비시간 동안에만 열병합 발전기를 가동 또는 계통 전력(500)을 사용하고, 연료전지로부터 전기에너지를 공급받는 시점부터는 열병합 발전기 및 계통 전력(500)의 사용을 중단하고, 연료전지로부터 전기에너지를 공급받는다. 그러나 전기부하 및 열부하의 사용량 및 ESS 및 축열조의 에너지 소진 시기를 예측하여 연료전지의 가동시간을 미리 앞당기면 열병합발전기의 사용에 따른 비용 또는 계통 전력(500)의 사용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 날씨, 온도, 습도 등과 같은 외부환경으로, 영향을 받는 전기에너지 생산량 및 사용량, 시간에 따른 계통 전력(500)의 전기 요금 등 복합적이고, 예측이 난해하며, 비선형적인 행태를 보이는 요소들을 고려하여 복합 그리드 시스템을 운영하기 때문에 복잡한 시스템을 안정적으로 구동함과 동시에 효율적인 방식으로 컨트롤할 수 있고, 이에 따라 최종적으로는 최소한의 전기요금이 나올 수 있어 전기요금의 절감이 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 분산전원
200 : 에너지 저장 시스템
300 : 에너지 관리 시스템
400 : 부하
500 : 계통 전력
110 : 열에너지 생산 장치
120 : 전기에너지 생산 장치
210 : 열에너지 저장 장치
220: 전기에너지 저장 장치
410 : 열에너지 사용 부하
420: 전기에너지 사용 부하

Claims (14)

  1. 열에너지 생산 장치와 전기에너지 생산 장치를 포함하는 분산전원;
    열에너지 저장 장치와 전기에너지 저장 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템;
    열에너지 사용 부하와 전기에너지 사용 부하를 포함하는 부하;
    상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 에너지 관리 시스템; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템의 운전모드는
    상기 계통 전력의 가격정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하 및 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 DR모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템 운전모드는
    상기 열에너지 사용 부하의 열에너지 사용 패턴 정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열부하 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템의 운전모드는
    상기 전기에너지 사용 부하의 전기에너지 사용 패턴 정보를 기준으로 상기 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 전기부하 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템의 운전모드는
    상기 열에너지 사용 부하와 상기 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하 및 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열 전기 복합 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템의 운전모드는
    상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 사용에 따른 탄소배출량 정보를 수집하여 탄소를 적게 배출하도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 저탄소배출 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템은
    기상 정보와 부하의 주변 환경 인자 정보를 추가로 고려하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 열 전기 복합 그리드 시스템을 이용한 열 전기 복합 그리드 운영 방법에 있어서,
    열에너지 사용 부하와 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 수집하는 패턴정보 수집단계;
    분산전원과 에너지 저장 시스템의 상태정보를 수집하는 상태정보 수집단계;
    계통 전력의 가격정보와 상기 분산전원의 발전 비용정보를 수집하는 비용정보 수집단계;
    상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력을 상이하게 제어하는 복수의 운전모드 중 어느 하나를 선택하여 운영하는 운영단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계의 운전모드는
    상기 계통 전력의 가격정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하와 상기 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 DR모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계의 운전모드는
    상기 열에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열부하 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계의 운전모드는
    상기 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 전기부하 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계의 운전모드는
    상기 열에너지 사용 부하 및 전기에너지 사용 부하의 에너지 사용 패턴정보를 기준으로 상기 열에너지 사용 부하 및 전기에너지 사용 부하를 경제적으로 가동할 수 있도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 열 전기 복합 추종 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계의 운전모드는
    상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 사용에 따른 탄소배출량 정보를 수집하여 탄소를 적게 배출하도록 상기 분산전원, 상기 에너지 저장 시스템, 상기 계통 전력의 제어를 미리 정한 프로세스로 제어하는 저탄소배출 운전모드; 인 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 운영단계는 기상 정보와 부하의 주변 환경 인자 정보를 추가로 고려하는 것을 특징으로 하는 열 전기 복합 그리드 운영 방법.
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