KR20200022954A - 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통 제어 방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법은 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동에 따라 전력계통을 제어하는 방법에서, 신재생 에너지원의 출력량에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동성을 산정하는 단계, 상기 신재생 에너지원의 출력 변동성과 전력계통의 발전기 용량을 이용해 전력계통의 응동량을 예측하는 단계, 그리고 상기 전력계통의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통 제어 방법 {ELECTRIC POWER SYSTEM CONTOL DEVICE ACCORDING TO OUTPUT FLUCTUATION OF RENEWABLE ENERGY SOURCE AND ELECTRIC POWER SYSTEM CONTOL METHOD USING THE SAME}
본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치 및 이를 이용한 전력계통 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 신재생 에너지원을 58.6GW로 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 변동성으로 인해 전력수급의 불균형을 초래한다.
또한, 신재생 에너지원의 발전 특성은 기존의 발전기와 달라 계통의 관성 에너지와 응동 자원 감소를 야기한다. 신재생 에너지원은 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 전력계통 제어 장치 및 전력계통 제어 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법은 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동에 따라 전력계통을 제어하는 방법에서, 신재생 에너지원의 출력량에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동성을 산정하는 단계, 상기 신재생 에너지원의 출력 변동성과 전력계통의 발전기 용량을 이용해 전력계통의 응동량을 예측하는 단계, 그리고 상기 전력계통의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는, 전력계통 데이터를 이용해 전력계통의 주파수 특성 정수를 계산하고, 상기 주파수 특성 정수를 바탕으로 상기 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 상기 응동량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 주파수 특성 정수는, 주파수 변화에 따른 개별 발전기의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 개별 발전기의 발전기 정수를 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는, 개별 발전기의 용량과 상기 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 주파수 특성 정수는, 전력계통의 주파수 변화를 기초로 전력계통에 연계된 발전기들의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 전력계통의 발전기 정수를 포함하되, 상기 비율은 전력계통에 연계된 모든 발전기들에 동일하게 적용될 수 있다.
상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는, 전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는, 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 예측된 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS(Battery Energy Storage System) 용량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 BESS 용량을 산출하는 단계는, 상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한될 수 있다.
상기 BESS 용량을 산출하는 단계는, 상기 발전기 용량을 전력계통에 투입할 때와 동일하거나 유사한 주파수 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 단계는, 상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 BESS의 운전을 제어하는 단계는, 상기 전력계통에 연계된 복수의 BESS들의 온/오프를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치는 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통의 응동량을 예측하는 응동량 예측부, 그리고 상기 전력계통의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통에 연계된 발전기 또는 BESS(Battery Energy Storage System)를 제어하는 운전 제어부를 포함한다.
상기 신재생 에너지원은, 풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 응동량 예측부는, 개별 발전기의 용량과 상기 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산할 수 있다.
상기 응동량 예측부는, 전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과, 전력계통에 연계된 모든 발전기들에 동일하게 적용되는 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산할 수 있다.
상기 응동량 예측부는, 상기 신재생 에너지원의 출력 변동에 대응하기 위한 BESS 용량을 결정하는 BESS 용량 결정부를 포함할 수 있다.
상기 응동량 예측부는, 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 예측된 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS(Battery Energy Storage System) 용량을 산출하되, 상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한할 수 있다.
상기 운전 제어부는, 상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어하는 BESS 제어부를 포함하며, 상기 BESS 제어부는, 상기 전력계통에 연계된 복수의 BESS들의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통의 응동량을 산정하고, 상기 응동량을 기초로 전력계통의 전력 공급 자원을 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력수급 불균형 문제를 해소하고, 전력계통의 주파수를 안정적으로 유지시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 전력계통의 주파수 특성 정수를 계산하고, 주파수 특성 정수을 기초로 BESS(Battery Energy Storage System) 용량을 산출함으로써, 전력계통의 전력 공급 자원을 효율적으로 운영하여 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 추가 전력량에서 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS 용량을 산출하되, 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 예측된 응동량을 예비력량으로 제한함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통에 필요한 전력을 효과적으로 제공하여 전력계통의 전력수급 불균형 문제를 해소할 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변동을 예측하고, 예측된 출력 변동성을 바탕으로 BESS를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 순간적인 출력 변동에 효과적으로 대처할 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 전력계통에 추가적인 발전기 투입이 어려운 경우, 유연성 발전기의 투입과 같은 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정하고, 상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어함으로써, 신재생 에너지원의 순간적인 출력 변동에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동을 고려해 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생으로 인한 발전기 투입시의 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생으로 인한 BESS 제어시의 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 5를 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치 및 전력계통 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 시스템을 간략히 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치의 블록도이다. 이때, 전력계통 제어 장치(100)는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치(100)는 데이터 수집부(110), 응동량 예측부(120), 그리고 운전 제어부(130)를 포함한다.
데이터 수집부(110)는 전력계통 정보 및 전력계통(10)에 연계되거나 전력계통(10)에 연계될 신재생 에너지원(40)의 출력 데이터 등을 수집하고, 신재생 에너지원(40)의 출력 변동성을 예측한다. 여기서, 전력계통 정보는 전력계통(10)에 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.
데이터 수집부(110)는 도 1과 같이 전력계통(10)에 연계된 발전기(20), BESS (Battery Energy Storage System)(30), 신재생 에너지원(40), 및 부하(50)의 데이터를 수집한다. BESS(30)는 발전기(20) 또는 신재생 에너지원(40)에서 생성된 전력을 충전시켜 부하(50)에 공급하는 역할을 수행한다.
그리고, 데이터 수집부(110)는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 출력 변동 예측부(112)를 포함한다.
신재생 출력 변동 예측부(112)는 수집된 전력계통 정보를 바탕으로 신재생 에너지원(40)의 출력 변동을 예측한다. 예를 들어, 신재생 출력 변동 예측부(112)는 계절이나 시간대별로 신재생 에너지원(40)의 출력 변화량이나 출력 변동성을 예측할 수 있다.
신재생 에너지원(40)의 출력 및 출력 변동성은 풍량, 일사량, 및 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.
이와 같이, 풍력이나 태양광과 같은 신재생 에너지원(40)은 풍량, 일사량, 및 온도 등 등과 같은 외부 요소에 의해서 결정되므로, 신재생 출력 변동 예측부(112)는 신재생 에너지원(40)의 출력에 영향을 주는 외부 요소와 신재생 에너지원(40)의 과거 출력 데이터를 종합적으로 고려해서 계절이나 시간대별로 신재생 에너지원(40)의 출력 변동성을 예측할 수 있다.
응동량 예측부(120)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동성과 전력계통(10)의 발전기 용량을 이용해 전력계통의 응동량을 예측한다. 여기서, 전력계통의 응동량은 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동에 대응하기 위해서 발전기들이 추가적으로 발전해야 하는 추가 출력량을 포함한다.
응동량 예측부(120)는 전력계통 데이터를 이용해 전력계통의 주파수 특성 정수를 계산하고, 상기 주파수 특성 정수를 바탕으로 상기 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 응동량을 결정한다.
응동량 예측부(120)는 신재생 에너지원(40)의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS 용량을 산출한다. 이때, 상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한될 수 있다.
그리고, 응동량 예측부(120)는 본 발명의 한 실시예에 따라 주파수 특성정수 분석부(122), 주파수 분석부(124), 및 BESS 용량 결정부(126)를 포함한다.
주파수 특성 정수 분석부(122)는 전력계통 데이터, 신재생 에너지원(40)의 출력 변동 데이터 및 신재생 에너지원(40)의 출력 변동 예측 데이터 등을 기초로 주파수 특성 정보를 계산한다. 여기서, 전력계통의 주파수 특성 정수는 발전기 정수 및 관성 정수를 포함한다.
발전기 정수는 주파수 변화에 따른 발전기의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 값이며, 속도 조정률(Droop 상수)의 역수이다. 발전기 정수는 개별 발전기의 발전기 정수 및 전력계통의 발전기 정수를 포함한다. 여기서, 개별 발전기의 발전기 정수는 주파수 변화에 따른 개별 발전기의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 값을 포함한다.
따라서, 응동량 예측부(120)는 개별 발전기의 용량과 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산할 수 있다. 이 경우, 응동량 예측부(120)는 개별 발전기의 발전기 정수에 대한 신뢰성이 높으면 높을수록 전력계통의 총 응동량 계산에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 전력계통의 발전기 정수는 전력계통의 주파수 변화를 기초로 전력계통에 연계된 발전기들의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 값을 포함하며, 상기 비율은 전력계통에 연계된 모든 발전기들에 동일하게 적용될 수 있다. 그리고, 전력계통의 발전기 정수는 계통의 투입되어 주파수 응동에 참여하는 발전기들의 발전기 정수 합으로 계산될 수도 있다.
따라서, 응동량 예측부(120)는 전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산할 수 있다. 이 경우, 응동량 예측부(120)는 과거 응동량 실적 데이터를 기초로 총 응동량을 산정하므로, 각 발전기의 발전기 정수를 취득하지 않거나 각 발전기의 응동량을 계산하지 않고도 전력계통의 총 응동량을 용이하게 산정할 수 있는 효과가 있다.
발전기(20)는 전력수급 불균형으로 발생한 주파수 변화에 응동하여 출력을 조정하는데, 이때 조정되는 발전기(20)의 출력이 주파수에 비례한다. 또한, 주파수 변화에 응동하여 발전기들의 조속기들은 주파수가 크게 하락하는 것을 방지하기 위해서 회전수 변화를 검출하고 원동기(터빈)의 입력 밸브를 열어 물 또는 증기를 증가시킨다. 이러한 조속기의 주파수 특성을 정수로 표현한 개념이 발전기 정수이다.
발전기 정수(KG)는 주파수 변화량에 따른 발전기 출력량의 변화량으로 정의하며 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
R은 발전기의 속도조정률(droop)이며, ΔP는 발전기의 출력 변화를 나타내고, Δw는 주파수 변화량을 나타낸다.
관성 정수는 발전기(20)가 동기속도로 회전할 때 발전기(20)가 가지는 에너지를 정격용량으로 표준화한 값을 나타낸다.
아래의 수학식 4는 발전기의 관성정수를 나타낸다. 발전기의 관성정수 H는 발전기가 동기속도로 회전할 때 발전기가 가지는 에너지를 정격용량으로 표준화한 값이다.
Figure pat00004
여기서, J는 회전 모멘텀이고, w는 동기 회전 속도이며, S는 발전기의 정격 용량이다. 국내의 동기회전속도는 60Hz이다.
아래의 수학식 5는 다수의 발전기(20)가 계통에 투입되어 있을 때 계통의 관성정수를 나타낸다.
Figure pat00005
주파수 분석부(124)는 발전기 정수 및 관성 정수와 같은 주파수 특성 정수를 바탕으로 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 따른 전력계통(10)의 주파수 시뮬레이션을 실시한다.
주파수 분석부(124)는 신재생 에너지원(40)의 비율 변화에 따른 전력계통(10)의 주파수 분석을 실시하거나 신재생 에너지원(40)의 출력 변화에 따른 전력계통(10)의 주파수 분석을 실시한다.
예를 들어, 주파수 분석부(124)는 신재생 에너지원(40)의 비율이 변화할 때 계통 관성 에너지와 주파수 추종 상태를 나타내는 관성 정수와 발전기 정수를 산정하여 계통 특성의 변화를 분석할 수 있다. 또한, 주파수 분석부(124)는 전력계통(10)에서 동일한 크기의 신재생 에너지원(40)의 출력변동이 발생할 때 신재생 에너지원(40)의 비율에 따라 주파수 변화가 어떻게 변화하는지 분석할 수 있다.
그리고, 동기기의 회전속도 (ωs) 변화는 다음의 수학식 6과 같은 동요 방정식을 통해 계산된다.
Figure pat00006
여기서 Ta는 가속 토크이고, Tm은 기계적 토크이며, Te는 전기적 토크를 나타낸다.
그리고, 계통의 주파수 변화(Δω)는 아래의 수학식 7을 통해서 도출될 수 있다.
Figure pat00007
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 전력계통(10)의 총 부하 변화를 의미한다.
BESS(30)의 모델링은 1차의 LPF 형태로 모델링하였다. BESS(30)는 전력계통(10)의 전력수급 변화 또는 주파수 변화에 대응하여 BESS(30)에 충전된 전력을 계통에 빠르게 제공할 수 있다.
BESS 용량 결정부(126)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 대응하기 위한 BESS 용량을 결정한다.
BESS 용량 결정부(126)는 유연성 발전기가 전력계통에 투입되는 것과 같은 효과를 가지는 BESS 용량을 산정한다. 즉, BESS 용량 결정부(126)는 발전기 용량을 전력계통(10)에 투입할 때와 동일하거나 유사한 주파수 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정할 수 있다.
예를 들어, BESS 용량 결정부(126)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 대응하기 위해서 전력계통(10)에 추가적인 발전기 투입이 어려운 경우, 발전기(20)를 전력계통에 투입하는 것과 같은 주파수 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정할 수 있다.
운전 제어부(130)는 응동량 예측부(120)에서 산정된 전력계통(10)의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통(10)에 연계된 발전기(20) 또는 BESS(30)를 제어한다. 그리고, 운전 제어부(130)는 본 발명의 한 실시예에 따라 전력 공급 자원 결정부(132) 및 BESS 제어부(134)를 포함한다.
전력 공급 자원 결정부(132)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동을 대비하기 위해서 산정한 응동량을 전력계통(10)에 제공할 전력 공급 자원을 결정한다. 여기서, 전력 공급 자원은 전력계통(10)에 연계된 발전기 또는 전력계통(10)에 연계된 BESS를 포함한다.
예를 들어, 전력 공급 자원 결정부(132)는 전력계통(10)에 연계된 복수의 발전기들 또는 전력계통(10)에 연계된 복수의 BESS들 중에서 신재생 에너지원의 출력 변동에 대비해서 전력계통(10)에 추가적인 발전 용량 또는 응동량을 제공할 수 있는 전력 공급 자원을 결정할 수 있다.
BESS 제어부(134)는 BESS 용량을 바탕으로 전력계통(10)에 연계된 BESS(30)의 운전을 제어한다. BESS 제어부(134)는 전력계통(10)에 연계된 복수의 BESS들의 온/오프를 제어할 수 있다. 또한, BESS 제어부(134)는 BESS(30)의 SOC를 고려해서 전력계통(10)에 추가적인 발전 용량을 제공할 BESS(30)를 결정하고, 결정된 BESS(30)의 운전을 제어할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치가 신재생 에너지의 출력 변동을 고려해 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이때, 이하의 흐름도는 도 1 내지 도 2의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치(100)는 전력계통 정보 및 전력계통(10)에 연계된 신재생 에너지원(40)의 출력 데이터를 수집한다(S102). 여기서, 전력계통 정보는 전력계통(10)에 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.
또한, 전력계통 제어 장치(100)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동을 모니터링하고, 신재생 에너지원(40)의 미래 출력 변동성을 예측한다(S104).
그리고, 전력계통 제어 장치(100)는 신재생 에너지원(40)의 출력 변동성에 따른 전력계통(10)의 주파수 특성 정수를 계산한다(S106). 여기서, 주파수 특성 정수는 주파수 변화에 따른 발전기의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 발전기 정수, 및 발전기가 동기속도로 회전할 때 발전기가 가지는 에너지를 정격용량으로 표준화한 값을 나타내는 관성 정수를 포함한다.
전력계통 제어 장치(100)는 상기 주파수 특성 정수를 이용해 주파수 시뮬레이션을 통한 주파수 분석을 실시하고, 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 대비하기 위한 전력계통(10)의 응동량을 산정하고, BESS 용량을 산정한다(S108, S110).
예를 들어, 전력계통 제어 장치(100)는 개별 발전기의 용량과 상기 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산할 수 있다. 또한, 전력계통 제어 장치(100)는 전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산할 수도 있다.
그리고, 전력계통 제어 장치(100)는 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 예측된 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS 용량을 산출한다. 이때, 상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한될 수 있다.
예를 들어, 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따라 전력계통에 필요한 추가 전력량이 100MW로 산출되고, 상기 응동량이 50MW로 예측되면, BESS 용량을 50MW로 산출할 수 있다. 하지만, 전력계통의 예비력량이 30MW인 경우에는 응동량이 예비력량보다 크므로, 응동량은 예비력량인 30MW로 제한되고, BESS 용량은 70MW로 산출될 수 있다.
이때, 전력계통 제어 장치(100)는 상기 신재생 에너지원(40)의 출력 변동에 대응하기 위한 추가적인 발전기 투입이 어려운 경우, 발전기(20)의 전력계통 투입과 같은 주파수 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 산출할 수도 있다.
그리고, 전력계통 제어 장치(100)는 상기 응동량을 바탕으로 전력계통(10)의 전력 공급 자원을 제어한다(S112). 예를 들어, 전력계통 제어 장치(100)는 BESS 용량을 바탕으로 전력계통(10)에 연계된 BESS(30)의 온/오프 운전을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생으로 인한 발전기 투입시의 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치(100)는 신재생 에너지원의 출력 변동성을 대비하기 위해서 전력계통(10)에 발전기를 추가로 투입함으로써, 관성 정수와 발전기 정수를 증가시키고, 전체적인 주파수 특성을 향상시킨다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치(100)는 주파수 응동 자원을 증가시켜 최종 주파수를 증가시킨다. 또한, 전력계통 제어 장치(100)는 전력계통(10)의 관성을 증가시켜 발전기 탈락이나 신재생 에너지원의 과도한 출력 변동과 같은 사건 발생 초반에 전력계통(10)의 주파수 하락율을 억제한다. 전력계통 제어 장치(100)는 상기와 같은 사건 발생 이후에 별도의 발전기나 BESS와 같은 전력 공급 자원을 통해서 전력계통(10)에 필요한 전력을 공급하기 때문에 전력계통의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 신재생 에너지원의 출력 변동성 발생으로 인한 BESS 제어시의 주파수 변화를 도시한 그래프이다.
우선, 전력계통(10)에 원자력 및 신재생 에너지원의 비율이 높은 경우, 주파수 응동에 참여하는 발전기의 수를 확보하기가 어렵기 때문에, 이를 대체하기 위한 추가적인 전력 공급 자원이 필요한 실정이다. BESS(30)는 이러한 계통상황에서 활용하기 좋은 주파수 응동 자원이다.
BESS(30)는 빠른 주파수 응동 특성으로 인해 전력계통(10)에 필요한 전력을 조속히 공급함으로써, 신재생 에너지원(40)의 출력 변동과 같은 순간적인 출력 변화에 효과적으로 대처할 수 있다. 또한, BESS(30)는 발전기 정수 설정이 자유로워 전력계통(10)의 주파수 유지 범위내에서 투입된 제어 용량 모두를 활용할 수 있으므로, 신재생 변동성 제어에 효율성이 높다.
따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 전력계통 제어 장치(100)는 유연성 발전기가 계통에 투입되는 것과 같은 효과를 가지는 등가의 BESS 용량을 산정하고, 해당 용량을 갖는 BESS(30)를 전력 계통(10)에 투입하도록 제어한다.
도 5를 참조하면, BESS 용량 추가를 제외하면, 도 6에서와 같이 발전기를 추가할 때와 비교해서 전원 구성에 차이가 없기 때문에, 관성 정수 및 발전기 정수에 변화가 없다. 또한, BESS와 유연성 발전기가 주파수 변화에 대해서 동일한 출력 목표값을 갖는다 하더라도 BESS의 출력 특성이 더 뛰어나기 때문에, 같은 용량인 경우 최저 주파수가 높게 나타나며, 일반 발전기보다 적은 용량으로 일반 발전기와 동일한 주파수 특성을 갖을 수 있다.
예를 들어, 1,000MW 발전기로 확보되는 예비력량이 50MW(5% 예비율 기준)임을 고려하였을 때, 산정된 등가 BESS 용량은 약 27MW이다. 따라서, 본 발명은 발전기 용량 대비 약 54%의 BESS 용량으로 발전기 투입과 같은 주파수 특성 효과를 갖는다.
이와 같이, 본 발명은 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통의 응동량을 산정하고, 상기 응동량을 기초로 전력계통의 전력 공급 자원을 제어함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력수급 불균형 문제를 해소하고, 전력계통의 주파수를 안정적으로 유지시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 전력계통의 주파수 특성 정수를 계산하고, 주파수 특성 정수을 기초로 BESS 용량을 산출함으로써, 전력계통의 전력 공급 자원을 효율적으로 운영하여 신재생 에너지원의 출력 변동성에 의한 전력계통의 주파수 변화를 최소화시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 추가 전력량에서 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS 용량을 산출하되, 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 예측된 응동량을 예비력량으로 제한함으로써, 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통에 필요한 전력을 효과적으로 제공하여 전력계통의 전력수급 불균형 문제를 해소할 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 신재생 에너지원의 출력 변동을 예측하고, 예측된 출력 변동성을 바탕으로 BESS를 제어함으로써, 신재생 에너지원의 순간적인 출력 변동에 효과적으로 대처할 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명은 전력계통에 추가적인 발전기 투입이 어려운 경우, 유연성 발전기의 투입과 같은 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정하고, 상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어함으로써, 신재생 에너지원의 순간적인 출력 변동에 의한 전력계통의 주파수 변화를 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 (18)

  1. 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동에 따라 전력계통을 제어하는 방법에서,
    신재생 에너지원의 출력량에 따른 신재생 에너지원의 출력 변동성을 산정하는 단계,
    상기 신재생 에너지원의 출력 변동성과 전력계통의 발전기 용량을 이용해 전력계통의 응동량을 예측하는 단계, 그리고
    상기 전력계통의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는,
    전력계통 데이터를 이용해 전력계통의 주파수 특성 정수를 계산하고, 상기 주파수 특성 정수를 바탕으로 상기 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 상기 응동량을 결정하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 전력계통의 주파수 특성 정수는,
    주파수 변화에 따른 개별 발전기의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 개별 발전기의 발전기 정수
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는,
    개별 발전기의 용량과 상기 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  5. 제2항에서,
    상기 전력계통의 주파수 특성 정수는,
    전력계통의 주파수 변화를 기초로 전력계통에 연계된 발전기들의 출력을 조정하는 비율을 결정하는 전력계통의 발전기 정수를 포함하되,
    상기 비율은 전력계통에 연계된 모든 발전기들에 동일하게 적용되는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는,
    전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 전력계통의 응동량을 예측하는 단계는,
    신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 예측된 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS(Battery Energy Storage System) 용량을 산출하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 BESS 용량을 산출하는 단계는,
    상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한되는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 BESS 용량을 산출하는 단계는,
    상기 발전기 용량을 전력계통에 투입할 때와 동일하거나 유사한 주파수 특성을 갖는 등가의 BESS 용량을 결정하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 전력계통의 전력 공급 자원을 제어하는 단계는,
    상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 BESS의 운전을 제어하는 단계는,
    상기 전력계통에 연계된 복수의 BESS들의 온/오프를 제어하는 단계
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  12. 전력계통에 연계된 신재생 에너지원의 출력 변동성에 따른 전력계통의 응동량을 예측하는 응동량 예측부, 그리고
    상기 전력계통의 응동량을 바탕으로 상기 전력계통에 연계된 발전기 또는 BESS(Battery Energy Storage System)를 제어하는 운전 제어부
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
  13. 제12항에서,
    상기 신재생 에너지원은,
    풍력 발전기, 태양광 발전기, 지열발전기, 연료전지, 바이오 에너지, 그리고 해양에너지 중 적어도 하나를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
  14. 제12항에서,
    상기 응동량 예측부는,
    개별 발전기의 용량과 상기 개별 발전기에 설정된 발전기 정수를 이용해 상기 개발 발전기의 응동량을 각각 계산하고, 전력계통에 연계된 개별 발전기들의 응동량을 합산하여 전력계통의 총 응동량을 계산하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
  15. 제12항에서,
    상기 응동량 예측부는,
    전력계통에 연계된 발전기들의 총 발전량과, 전력계통에 연계된 모든 발전기들에 동일하게 적용되는 전력계통의 발전기 정수를 기초로 전력계통의 총 응동량을 계산하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
  16. 제12항에서,
    상기 응동량 예측부는,
    상기 신재생 에너지원의 출력 변동에 대응하기 위한 BESS 용량을 결정하는 BESS 용량 결정부
    를 포함하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
  17. 제12항에서,
    상기 응동량 예측부는,
    신재생 에너지원의 단기 출력 변동에 따른 전력계통에 필요한 추가 전력량을 산출하고, 상기 추가 전력량에서 상기 예측된 응동량을 차감하여 발전기 용량 또는 BESS(Battery Energy Storage System) 용량을 산출하되,
    상기 예측된 응동량이 전력계통의 예비력량보다 큰 경우, 상기 예측된 응동량은 상기 예비력량으로 제한되는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 방법.
  18. 제12항에서,
    상기 운전 제어부는,
    상기 BESS 용량을 바탕으로 전력계통에 연계된 BESS의 운전을 제어하는 BESS 제어부를 포함하며,
    상기 BESS 제어부는,
    상기 전력계통에 연계된 복수의 BESS들의 온/오프를 제어하는 신재생 에너지원의 출력 변동에 따른 전력계통 제어 장치.
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