KR20200022947A - 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통의 전력수급 제어 방법 - Google Patents

신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통의 전력수급 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치는 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 그리고 상기 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 전력계통의 전력수급을 유지하거나 전력계통의 주파수 변화가 소정 범위 이내로 유지될 수 있도록 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통의 전력수급 제어 방법 {DEVICE FOR CONTROLLING POWER SUPPLY AND DEMAND OF ELECTRIC POWER SYSTEM ACCORDING TO OUTPUT FLUCTUATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCE AND METHOD FOR CONTROLLING POWER SUPPLY AND DEMAND OF ELECTRIC POWER SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통의 전력수급 제어 방법에 관한 것이다.
화석 연료 고갈과 에너지난으로 신재생 에너지원의 비중이 전세계적으로 꾸준히 증가하고 있다. 국내에서도 전력수급계획을 통해 신재생 에너지원의 증가를 계획하고 있으며, 특히, 2030년까지 신재생 에너지원의 비율을 20프로 증가시키는 신재생 에너지 3020 정책을 추진하고 있다.
그리고, 현재의 신재생 에너지원은 풍력 에너지와 태양광 에너지를 중심으로 성장하고 있다. 국내에서는 2031년까지 태양광과 풍력 발전기의 용량을 54.4GW까지 증가시키는 계획을 추진 중에 있다.
하지만, 신재생 에너지원은 기후 및 날씨 등에 따라 발전기의 출력이 결정되는 에너지원들로 이뤄져 있어 발전원들의 출력 제어가 어려우며, 순간적으로 발생하는 출력 변동성은 전력수급의 불균형을 초래한다.
또한, 이들 자원은 전력계통에 동기화(synchronous)되어 있지 않아 기존의 발전원을 대체하여 계통에 투입될 시에 계통의 관성을 저하시키기 때문에, 계통에 전력수급 불균형에 따른 주파수 변화가 더욱 크게 나타난다. 이러한 상황에서 국내 전력계통은 타국가와의 계통 연계가 어려워 전기적인 섬의 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 주파수 추종 운전을 하지 않는 원자력 발전의 비중이 높아서 주파수 안정도 유지 측면에서 불리한 여건에 있다.
이러한 국내 전력계통의 특성상 신재생 에너지원의 출력 변동성에 대한 문제는 더욱 크게 나타날 것이므로, 미래 전력계통의 전력수급 안정성을 위한 대책이 시급한 실정이다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력수급 불균형 문제를 해소하고, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 전력계통의 전력수급 제어 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치는 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 그리고 상기 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 전력계통의 전력수급을 유지하거나 전력계통의 주파수 변화가 소정 범위 이내로 유지될 수 있도록 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 운전 모드는, 상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 전력을 공급하는 발전 모드, 그리고 상기 가변속 양수 발전기가 발전에 필요한 물을 끌어올려 전력계통에 부하로 작동되도록 운전하는 양수 모드를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 양수 모드 운전시, 상기 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 상기 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 상기 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 제어할 수 있다.
상기 신재생 에너지원의 출력 변화에 따라 전력계통의 순부하량을 계산하는 순부하 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 계산된 순부하량이 제1 설정값 이하인 경우, 상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 부하로 동작되도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 계산된 순부하량이 제2 설정값 이상인 경우, 상기 가변속 양수 발전기를 발전기로 작동시켜서 전력을 생산하도록 제어할 수 있다.
상기 신재생 에너지원은, 풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 신재생 에너지원의 출력이 소정값 이상이거나, 상기 전력계통의 순부하량이 소정값 이하인 경우, 상기 제어부의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력하는 알람부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 기동정지계획 또는 경제급전을 통해서 상기 가변속 양수 발전기의 운전모드를 결정할 수 있다.
상기 기동정지계획은, 순동예비력(spinnging reserve), 최소 가동/정지시간, 전환비용, 발전기 특성 및 상태, 및 송전선 제약 등의 제약조건을 고려하여 계획될 수 있다.
본 발명의 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동성에 의한 전력계통의 전력수급을 제어하는 방법에서, 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 데이터를 수집하는 단계, 상기 신재생 에너지원의 출력 변화 또는 상기 신재생 에너지원의 출력 변화에 따른 상기 전력계통의 부하 변화를 모니터링하는 단계, 그리고 상기 신재생 에너지원의 출력 변화 또는 상기 전력계통의 부하 변화를 이용하여 상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 운전 모드는, 상기 가변속 양수 발전기가 상기 전력계통에 전력을 공급하는 발전 모드, 그리고 상기 가변속 양수 발전기가 발전에 필요한 물을 끌어올려 상기 전력계통에 부하로 작동되도록 운전하는 양수 모드를 포함할 수 있다.
상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는, 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교하고, 상기 차이가 설정값 이상인 경우, 상기 가변속 양수 발전기를 발전기로 작동시켜서 전력을 생산하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는, 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교하고, 상기 차이가 설정값 이하인 경우, 상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 부하로 동작되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는, 상기 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교해서 상기 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 상기 가변속 양수 발전기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 신재생 에너지원의 출력이 소정값 이상이거나 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이가 소정값 이하인 경우, 제어부의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 신재생 에너지원은, 풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는, 기동정지계획 또는 경제급전을 통해서 상기 가변속 양수 발전기의 운전모드를 결정할 수 있다.
상기 기동정지계획은, 순동예비력(spinnging reserve), 최소 가동/정지시간, 전환비용, 발전기 특성 및 상태, 및 송전선 제약 등의 제약조건을 고려하여 계획될 수 있다.
본 발명에 따르면, 신재생 에너지원의 출력 변화 및 전력계통의 부하 변화를 모니터링하고, 신재생 에너지원의 출력량 및 전력계통의 총부하량을 비교해서 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력수급 불균형을 해소하고, 전력계통의 주파수를 안정적으로 유지시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변화에 따른 전력계통의 순부하량 변화를 모니터링하고, 전력계통의 순부하량 변화를 고려해 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 제어 용량을 전력계통의 부하로 작동시킴으로써, 양수 모드 운전시에 부하 크기를 빠르게 제어해 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 주파수 영향을 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 매월 시간대별 풍력 발전기와 태양광 발전기의 출력 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 하루동안 신재생 에너지원의 출력 변화 및 전력계통의 부하 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동을 모니터링해서 전력계통의 전력수급을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생시 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서, 전력계통 또는 계통은 발전소에서 생산한 전기를 전기사용자에게 공급하기 위하여 물리적으로 상호 연결된 전기설비, 즉, 발전설비, 송변전설비, 배전설비, 기타 부대설비 등을 말한다.
이제 도 1 내지 도 5을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치 및 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치의 블록도이다. 이때, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 데이터 수집부(110), 모니터링부(120), 제어부(130), 그리고 알람부(140)를 포함한다.
데이터 수집부(110)는 전력계통 정보 및 전력계통에 연계되거나 연계될 신재생 에너지원의 출력 데이터 등을 수집한다. 여기서, 전력계통 정보는 전력계통에 연계된 각종 발전기 정보, 모선 정보, 변압기 정보, 발전 데이터, 송변전 데이터, 부하 데이터 등을 포함한다. 부하 데이터는 전력계통의 부하 변화 및 전력계통의 총부하량을 포함한다.
또한, 신재생 에너지원의 출력 데이터는 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변화 및 신재생 에너지원의 출력량을 포함한다. 그리고, 신재생 에너지원은 풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함한다.
신재생 에너지원의 출력 및 출력 변동성은 풍량 및 일사량, 온도 등 신재생 에너지원이 배치된 해당 지역의 기후 및 날씨 등에 의해서 결정된다.
예를 들어, 풍력 발전기의 출력은 해당 지역의 풍속, 공기밀도 등에 의해서 결정이 되며, 그 중에서 특히 풍속에 의해서 출력이 크게 좌우된다. 풍력 발전기의 출력 계산식은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, CP는 바람 에너지가 전기에너지로 변환되는 비율(Power Coefficient)이며, ρ는 공기밀도이다. 그리고, A는 풍력 발전기의 블레이드(blade)가 회전하는 면적이며, Vi는 i번째 지역의 풍속이다. 또한, Pi a는 풍력 발전기의 타워 높이를 고려하기 위한 상관 계수이며, Ni는 i번째 지역의 풍력 발전기의 수이다.
그리고, 태양광 발전기의 출력은 태양광 모듈의 표면 일사량, 표면 온도 등에 의해서 결정되며, 그 중에서 태양광 모듈의 일사량이 태양광 발전기의 출력에 크게 영향을 미친다. 태양광 발전기의 출력은 아래의 수학식 2와 같이 근사화할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, I는 태양광 모듈의 출력 전류이고, V는 태양광 모듈의 출력 전압이며, IL은 광전류, IO는 다이오드 포화전류이다. 또한, RS는 태양전지 내부 직렬 저항, Rsh는 태양전지 내부 병렬저항이다. 그리고, a는 다이오드 이상정수, VT는 열 전위차이며, k는 볼츠만 상수를 나타낸다.
도 2는 매월 시간대별 풍력 발전기와 태양광 발전기의 출력 변화를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 풍속 및 일사량 데이터 등의 기상청 실측 데이터를 활용하여 신재생 에너지원의 출력 변동성을 분석한 결과, 낮 시간대에는 4월 및 5월의 출력이 높고, 11월, 12월 및, 1월의 출력이 낮게 나타났다, 또한, 밤 시간대에서는 11월 및 12월의 출력이 높게 나타났으며, 5월 및 6월의 출력이 낮게 나타났다. 그리고, 4월 및 5월 낮 시간대의 신재생 에너지원의 출력 변동성이 가장 높고, 그로 인한 전력수급 및 주파수 안정도의 영향이 가장 큰 시기인 것으로 나타났다.
다시 말해서, 신재생 에너지원인 풍력 발전기는 풍속에 의해서 출력이 크게 좌우되며, 태양광 발전기는 태양광 모듈의 일사량에 의해서 출력이 좌우된다. 그리고, 출력 변동성이 큰 4월 및 5월 낮 시간대에 신재생 에너지원이 전력계통에 연계되어 있는 경우, 전력계통의 전력수급 불균형 및 주파수 안정도 문제를 야기할 것으로 예상된다.
모니터링부(120)는 신재생 에너지원의 출력 변화를 모니터링하거나, 상기 신재생 에너지원의 출력 변화에 따른 전력계통의 주파수 변화를 모니터링한다. 그리고, 모니터링부(120)는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 출력 모니터링부(122)와 순부하 계산부(124)를 포함한다.
신재생 출력 모니터링부(122)는 신재생 에너지원의 출력 변화를 모니터링한다.
도 3은 신재생 에너지원의 출력 변화 및 전력계통의 부하 변화를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 풍력 및 태양광의 출력이 급변하는 오전이나 오후 시간대에는 전력계통의 총부하량에서 신재생 에너지원의 출력량을 차감한 전력계통의 순부하량이 급변한다. 또한, 신재생 에너지원의 출력이 가장 많은 낮시간대에는 전력계통의 순부하량이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
즉, 신재생 에너지원의 출력은, 도 3에서와 같이, 하루동안 일정한 패턴으로 변동될 수 있다. 그리고, 신재생 출력 모니터링부(122)는 24시간을 주기로 신재생 에너지원의 출력 변화를 모니터링한다.
물론, 신재생 에너지원의 출력은 1분 이내의 짧은 주기로 변동될 수도 있다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치는 1분 주기의 짧은 변동성에 의한 영향을 최소화하도록 순시적으로 주파수를 제어할 필요가 있기 때문에, 신재생 출력 모니터링부(122)는 적어도 1분 이내의 주기로 신재생 에너지의 출력을 모니터링할 수도 있다.
순부하 계산부(124)는 신재생 에너지원의 출력 변화에 따라 발전기가 발전해야 하는 상기 전력계통의 순부하량을 계산하고, 그에 따른 순부하량의 변화를 제어부(130)에 제공한다. 여기서, 전력계통의 순부하량은 전력계통의 총부하량에서 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 총출력량을 차감한 값을 포함한다.
아래의 수학식 3은 발전기의 관성계수를 나타낸다. 발전기의 관성계수 H는 발전기가 동기속도로 회전할 때 발전기가 가지는 에너지를 정격용량으로 표준화한 값이다.
Figure pat00003
여기서, J는 회전 모멘텀이고, w는 동기 회전 속도이며, S는 발전기의 정격 용량이다. 국내의 동기회전속도는 60Hz이다.
그리고, 동기기의 회전속도 (ωs) 변화는 다음의 수학식 4와 같은 동요 방정식을 통해 계산된다.
Figure pat00004
그리고, 계통의 주파수 변화(Δω)는 아래의 수학식 5를 통해서 도출될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, ΔPL은 실시간으로 사용되는 부하량의 변화를 의미하고, ΔP(w)은 전동기 부하처럼 주파수 변화에 의한 부하정수 D에 비례하여 변화하는 부하를 의미한다. ΔPe는 ΔPL과 ΔP(w)를 포함한 전력계통의 총 부하 변화를 의미한다.
우선, 제어부(130)는 기동정지계획(UC:Unit Commitment) 및 경제급전(ED:Economic dispatch)을 통해서 가변속 양수 발전기(30)의 운전모드를 결정한다.
경제급전(ED:Economic dispatch)는 특정 부하에 대해서 최적의 발전기 스케줄을 제공하는데 전력시스템의 부하는 하루 종일 변화하며 최대부하 값도 매일 다르게 나타난다.
다양한 부하를 충족하기 위해서 여러 조합의 발전기 구성이 필요한데 부하증가 및 감소에 따라 발전기를 기동하거나 정지시키는 순서를 미리 결정해야 한다. 기동정지계획(UC)는 하루 동안 발전기의 기동/정지 순서를 결정하고 총운영비용을 최소로 하는 방법을 결정한다.
제어부(130)는 기동정지계획(UC)에 따라 전력계통의 일간/주간 수요를 충족시키면서 이때 드는 총 생산비용을 최소화도록 각각의 발전기의 기동 정지를 결정한다. 그리고, 제어부(130)는 발전에 사용되는 총비용을 기준으로 기동정지계획(UC)을 통해서 가변속 양수발전기의 기본적인 양수모드 및 발전모드를 결정된다.
그리고, 모든 주기(일간/월간)에 대한 총 비용(J)는 아래의 수학식 6과 같이 표현되며, 제어부(130)는 총 비용(J)를 최소화하도록 가변속 양수 발전기(30)의 기동/정지를 결정한다.
Figure pat00006
여기서, i,j는 인덱스(index)이며, t는 시간 인덱스이고, a는 예비력 구간 인덱스이다. 그리고, P(i,t)는 발전기 출력이며, Ru(i,t)는 출력증가 가능한(ramp-up) 예력량이고, Rd(i,t)는 출력감소 가능한(ramp-down) 예력량이다.
또한, SU(i,t)는 발전기를 기동하기 위해 투입되는 기동비용이고,SD(i,t)는 발전기를 기동하기 위해 투입되는 정지비용이며, Fc,i는 연료비용 함수(임의의 발전량을 발전하기 위한 연료비)이며, FR,i는 예비력비용 함수이다.
그리고, Fi는 임의의 발전량을 발전하기 위한 연료비이고, Hi(Pi)는 유닛당 열소비율(Heat rate for units)이고, STCi(Pi)는 발전기 정지 시 기동하기 위해 투입되는 비용(Start up cost)이며, MCi(Pi)는 발전설비 구성요소의 정비에 드는 비용(Maintenance cost)이다.
제어부(130)는 순동예비력(spinnging reserve), 최소 가동/정지시간, 전환비용, 발전기 특성 및 상태, 및 송전선 제약 등의 제약조건을 고려하여 기동정지계획(UC)을 계획한다.
이때, 순동예비력(spinnging reserve)은 순간적인 부하변동으로 예측값보다 높은 수요가 나타나거나 발전기 탈락 등의 사고로 인한 발전력 부족이 발생하였을 때 전력계통에 필요한 예비력을 포함한다. 그리고, 최소 가동/정지시간은 발전기가 계통에 즉시 병입/정지시킬 수 없으므로, 발전기를 전력계통에 투입/정지시키기 위한 최소의 가동 시간 및 최소의 정지 시간을 포함한다.
또한, 전환비용은 발전기의 기동/정지가 변경될 때마다 발생되는 비용을 포함하며, 발전기 특성 및 상태는 수력 발전소의 가용할 수 있는 수량 및 발전기들의 연료 부족 등을 고려한다. 이때, 원자력 발전기는 기저부하를 담당하는 발전기로 운영된다. 그리고, 송전선 제약은 송전 시스템 제한을 피하기 위해서 예비력이 전력계통 전반에 분포되어 있어야 한다(bottling of reserve).
그리고, 제어부(130)는 신재생 에너지원의 출력량 및 전력계통의 총부하량을 비교해서 전력계통의 전력수급을 유지하거나 전력계통의 주파수 변화가 소정 범위 이내로 유지될 수 있도록 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 제어한다. 그리고, 제어부(130)는 주파수 안정도를 유지하기 위해 필요한 가변속 양수 발전기(30)의 양수 용량을 산정한다.
여기서, 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드는 가변속 양수 발전기(30)가 전력계통에 전력을 공급하는 발전 모드, 그리고 가변속 양수 발전기(30)가 발전에 필요한 물을 끌어올려 전력계통에 부하로 작동되도록 운전하는 양수 모드를 포함한다.
즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변속 양수 발전기(30)는 일반적인 발전기와 같이 계통에 전력을 공급하는 발전 모드와, 발전에 필요한 물을 저수지로 끌어올리는 양수 모드 2가지의 운전이 가능하다. 가변속 양수 발전기(30)는 양수 모드 운전시에 발전기가 아닌 물을 저수지로 끌어올릴 때 필요한 전력을 소모하는 부하로서 역할을 한다. 따라서, 본 발명은 전력계통에 전력수급의 불균형이 발생할 경우, 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드로 전환하거나 기존의 사용하던 부하를 차단함으로써, 전력계통의 전력수급 안정성을 높일 수 있다.
또한, 가변속 양수 발전기(30)는 발전 전동기의 회전자 코일을 삼상 분포 권선으로 하며, 가변속 주파수 변환 장치(사이크로 컨버터 등)에 의해 저주파 교류 여자를 행해 펌프 수차의 가변속 운전을 실현한다. 가변속 양수 발전기(30)는 회전 속도를 변화시켜 운전 상태의 최적화가 가능함과 동시에, 플라이 휠 에너지의 이용이 가능한 여러 가지의 특징이 있으며, 펌프 수차 측과 전기측 제어 시스템의 특성을 살린 종합적인 시스템 동작이 가능하다. 본 발명은 이러한 가변속 양수 발전기(30)의 제어 특성을 활용해서 신재생 에너지원(40)의 출력 변동성으로 인한 전력계통의 주파수 영향을 최소화할 수 있는 환경을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 가변속 양수 발전기(30)를 발전 모드로 운전한다. 그리고, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 신재생 출력을 예측하여 신재생 출력이 적정값 이상으로 증가하게 되면 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 양수 모드로 전환할 수 있다. 이때, 양수 모드로 전환된 가변속 양수 발전기(30)는 전력계통에서 전력을 공급받으며 부하로 동작한다.
가변속 양수 모드에서 가변속 양수 발전기(30)를 제어하는 것은 가변속 양수 발전기(30)가 사용하는 부하의 크기이며, 주파수가 적정수치 이상으로 변화하면 주파수에 비례하여 사용하는 부하의 크기를 제어할 수도 있다.
만약 주파수가 하락하여 계통에 추가적인 전력이 필요한 경우, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 가변속 양수 발전기(30)에서 사용하던 부하를 빠르게 감소시키는데, 이는 발전기가 전력을 공급하는 것과 같은 역할을 한다.
그리고, 제어부(130)는 본 발명의 한 실시예에 따라 운전 모드 제어부(132)와 제어 용량 제어부(134)를 포함한다.
운전 모드 제어부(132)는 신재생 에너지원(40)의 출력이 설정값 미만이거나 전력계통의 순부하량이 설정값 이상인 경우, 가변속 양수 발전기(30)를 발전기로 작동시켜서 전력을 생산하도록 제어한다.
그리고, 운전 모드 제어부(132)는 신재생 에너지원(40)의 출력이 설정값 이상이거나 상기 전력계통의 순부하량이 설정값 미만인 경우, 가변속 양수 발전기(30)가 전력계통에 부하로 동작되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어 용량 제어부(134)는 양수 모드 운전시에, 가변속 양수 발전기(30)의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정한다, 그리고, 제어 용량 제어부(134)는 신재생 에너지원(40)의 출력량 및 이나 전력계통의 총부하량을 비교해서 상기 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 제어할 수 있다. 즉, 제어 용량 제어부(134)는 전력계통의 순부하량이 소정값 이하로 낮아지는 경우에 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 양수 모드 운영시에 가변속 양수 발전기(30)의 전체 용량의 60%를 양수시에 사용하고, 나머지 40%를 제어 용량으로 활용하도록 설정할 수 있다. 즉, 100MW의 가변속 양수 발전기(30)는 양수시 60MW의 전력을 사용하여 부하로 운전되다가 40MW의 용량을 제어 용량으로 활용할 수 있다. 이에 따라, 양수 모드시의 가변속 양수 발전기(30)는 20MW 내지 100MW 범위에서 부하의 역할을 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 가변속 양수 발전기(30)의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 양수 모드 운전시 제어 용량을 활용해 전력계통 전체의 부하 크기를 제어함으로써, 신재생 에너지원(40)의 출력 변동 발생시에 전력계통 전체의 부하 크기를 빠르게 조절하고 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 따른 전력계통의 주파수 영향을 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
알람부(140)는 신재생 에너지원(40)의 출력이 소정값 이상이거나, 전력계통의 순부하량이 소정값 이하인 경우, 제어부(130)의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동을 모니터링해서 전력계통의 전력수급을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이때, 이하의 흐름도는 도 1 내지 도 3의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 전력계통 정보 및 전력계통에 연계된 신재생 에너지원(40)의 출력 데이터를 수집한다(S102). 여기서, 전력계통 정보는 전력계통에 연계된 각종 발전기 정보, 모선 정보, 변압기 정보, 발전 데이터, 송변전 데이터, 부하 데이터 등을 포함한다. 그리고, 신재생 에너지원(40)은 풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함한다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 상기 신재생 에너지원(40)의 출력 변화 모니터링하거나, 상기 신재생 에너지원(40)의 출력 변화에 따른 상기 전력계통의 순부하량 변화를 모니터링한다(S104, S106). 이때, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 데이터 수집부(110)에서 수집된 데이터를 이용해 전력계통의 순부하량을 계산하거나 예측할 수 있다.
그리고, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 전력계통의 부하 변화 또는 전력계통의 주파수 변화가 소정 범위 이내로 유지될 수 있도록 상기 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 제어한다.
예를 들어, 신재생 에너지원(40) 출력이 기설정된 설정값보다 크거나, 전력계통의 순부하량이 제1 설정값보다 작은 경우에, 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 양수 모드로 제어할 수 있다(S108, S110). 양수 모드의 가변속 양수 발전기(30)는 발전에 필요한 물을 끌어올려 전력계통에 부하로 작동된다.
그리고, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 양수 모드 운전시에 가변속 양수 발전기(30)의 제어 용량을 제어할 수 있다(S112). 예를 들어, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 가변속 양수 발전기(30)의 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 신재생 에너지원(40)의 출력 또는 전력계통의 순부하량 크기를 고려해 상기 제어 용량을 부하로 작동시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 신재생 에너지원(40)의 출력이 설정값 이하이거나 전력계통의 순부하량이 제2 설정값 이상인 경우, 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 발전 모드로 제어한다(S114). 발전 모드의 가변속 양수 발전기(30)는 가변속 양수 발전기(30)는 발전기도 동작하고 전력계통에 전력을 공급한다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 신재생 에너지원(40)의 출력이 소정값 이상이거나 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이가 소정값 이하인 경우, 제어부(130)의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생시 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
도 5 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 전력계통에 투입된 풍력 발전기 및 태양광 발전기의 출력 변동성 및 그로 인한 주파수 변화를 모니터링한다.
그리고, 본 발명은 신재생 에너지원(40)의 출력 변화 및 전력계통의 부하 변화에 의해서 전력계통의 주파수가 설정 범위를 벗어나거나 설정 범위를 벗어날 것으로 우려되는 경우에 가변속 양수 발전기(30)의 운전 모드를 제어함으로써, 전력계통의 주파수를 적정 범위 이내로 유지시킬 수 있는 환경을 제공한다.
즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 규정 주파수(60Hz) 대비 ㅁ0.2Hz로 주파수의 적정 범위를 설정할 수 있다. 그리고, 신재생 출력 변동성에 의해 주파수가 상기 적정 범위를 벗어나는 경우, 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치(100)는 가변속 양수 발전기(30)를 통해 전력이나 부하를 계통에 투입하여 전력계통의 주파수가 상기 적정 범위 내에서 유지되도록 제어한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 신재생 에너지원의 출력 변화 및 전력계통의 부하 변화를 모니터링하고, 신재생 에너지원의 출력량 및 전력계통의 총부하량을 비교해서 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력수급 불균형을 해소하고 전력계통의 주파수를 안정적으로 유지시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변화에 따른 전력계통의 순부하량 변화를 모니터링하고, 전력계통의 순부하량 변화를 고려해 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 제어 용량을 전력계통의 부하로 작동시킴으로써, 양수 모드 운전시에 부하 크기를 빠르게 제어해 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 주파수 영향을 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 이러한 기록 매체는 서버뿐만 아니라 사용자 단말에서도 실행될 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.

Claims (19)

  1. 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 그리고
    상기 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 전력계통의 전력수급을 유지하거나 전력계통의 주파수 변화가 소정 범위 이내로 유지될 수 있도록 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 제어부
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 운전 모드는,
    상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 전력을 공급하는 발전 모드, 그리고
    상기 가변속 양수 발전기가 발전에 필요한 물을 끌어올려 전력계통에 부하로 작동되도록 운전하는 양수 모드
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 제어부는,
    상기 양수 모드 운전시,
    상기 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 상기 신재생 에너지원의 출력량 및 상기 전력계통의 총부하량을 비교해서 상기 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 제어하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 신재생 에너지원의 출력 변화에 따라 전력계통의 순부하량을 계산하는 순부하 계산부
    를 더 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 순부하량이 제1 설정값 이하인 경우, 상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 부하로 동작되도록 제어하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 순부하량이 제2 설정값 이상인 경우, 상기 가변속 양수 발전기를 발전기로 작동시켜서 전력을 생산하도록 제어하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 신재생 에너지원은,
    풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 신재생 에너지원의 출력이 소정값 이상이거나, 상기 전력계통의 순부하량이 소정값 이하인 경우, 상기 제어부의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력하는 알람부
    를 더 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    기동정지계획 또는 경제급전을 통해서 상기 가변속 양수 발전기의 운전모드를 결정하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 기동정지계획은,
    순동예비력(spinnging reserve), 최소 가동/정지시간, 전환비용, 발전기 특성 및 상태, 및 송전선 제약 등의 제약조건을 고려하여 계획되는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치.
  11. 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동성에 의한 전력계통의 전력수급을 제어하는 방법에서,
    전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 데이터를 수집하는 단계,
    상기 신재생 에너지원의 출력 변화 또는 상기 신재생 에너지원의 출력 변화에 따른 상기 전력계통의 부하 변화를 모니터링하는 단계, 그리고
    상기 신재생 에너지원의 출력 변화 또는 상기 전력계통의 부하 변화를 이용하여 상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 운전 모드는,
    상기 가변속 양수 발전기가 상기 전력계통에 전력을 공급하는 발전 모드, 그리고
    상기 가변속 양수 발전기가 발전에 필요한 물을 끌어올려 상기 전력계통에 부하로 작동되도록 운전하는 양수 모드
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는,
    상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교하고, 상기 차이가 설정값 이상인 경우, 상기 가변속 양수 발전기를 발전기로 작동시켜서 전력을 생산하도록 제어하는 단계를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는,
    상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교하고, 상기 차이가 설정값 이하인 경우, 상기 가변속 양수 발전기가 전력계통에 부하로 동작되도록 제어하는 단계를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는,
    상기 가변속 양수 발전기의 전체 용량 중에 소정 비율을 제어 용량으로 설정하고, 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이를 비교해서 상기 제어 용량의 전부 또는 일부를 전력계통의 부하로 작동시키도록 상기 가변속 양수 발전기를 제어하는 단계를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  16. 제11항에서,
    상기 신재생 에너지원의 출력이 소정값 이상이거나 상기 신재생 에너지원의 출력량과 상기 전력계통의 총부하량의 차이가 소정값 이하인 경우, 제어부의 알람 발생 제어신호에 대응하여 알람 신호를 출력하는 단계
    를 더 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  17. 제11항에서,
    상기 신재생 에너지원은,
    풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  18. 제11항에서,
    상기 가변속 양수 발전기의 운전 모드를 제어하는 단계는,
    기동정지계획 또는 경제급전을 통해서 상기 가변속 양수 발전기의 운전모드를 결정하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 기동정지계획은,
    순동예비력(spinnging reserve), 최소 가동/정지시간, 전환비용, 발전기 특성 및 상태, 및 송전선 제약 등의 제약조건을 고려하여 계획되는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통의 전력수급 제어 방법.
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