KR20200066472A

KR20200066472A - 전류기반 dc 마이크로그리드 해석방법

Info

Publication number: KR20200066472A
Application number: KR1020180152676A
Authority: KR
Inventors: 김명복; 곽봉우
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-10
Also published as: KR102215924B1

Abstract

본 발명의 일 실시 예는, DC마이크로그리드에 있어서 에너지관리시스템을 효율적으로 운영 가능하며, 에너지관리시스템의 운영 알고리즘을 보다 효과적으로 분석할 수 있어서, 현재의 에너지 산업 등에 널리 쓰일 수 있는, 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법을 제공한다.

Description

전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법{METHOD FOR ELECTRICITY BASED DC MICROGRID ANALYZATION}

본 발명은 마이크로그리드 해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전압원 대신 전류원으로 각 전력 모듈의 구성 및 모델링을 하고, 이를 구동하기 위한 C언어기반의 운영 알고리즘을 구축하는, 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법에 관한 것이다.

마이크로그리드는(Microgrid), 기존의 광역적 전력시스템으로부터 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 말하는 것으로, 기존 전력시스템과 상호보완적인 관계를 가지고 있다. 기존의 전력시스템은 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 단 방향 구성이었다.

하지만 기존의 소비자 중에서 직접 전기를 생산하여 공급자 역할까지 하는 프로슈머가 등장하였다. 기존의 전력시스템에서 이들은 자급자족만 하였고, 전체 계통망에는 기여하지 않았다. 생산되고 남은 전기는 대부분 버릴 수밖에 없어 효율성이 떨어졌다.

마이크로그리드는 이들이 생산하는 전기에너지를 활용하여 전체 네트워크의 에너지를 극대화 시키기 위한 기술로, 발전소에서만 전기를 생산하는 것이 아니라 양방향 송배전을 바탕으로 다수의 프로슈머(Prosumer)가 전력망의 전력생산을 맡게 되는 것이다. 전원이 분산됨에 따라 안정적인 전기공급이 가능해지고, 재생가능 에너지의 효율적인 이용도 가능할 것으로 예상되고 있다.

DC(Direct Current-직류) 마이크로그리드 운영에 대한 해석 및 분석에 관한 기술의 경우, 종래의 전용 소프트웨어로 해석해야 되어 비용 등이 비싸고 많은 해석 시간이 소요됐다. 또한, 종래 방법은 전압 및 전력 기반의 해석 방법이어서 해석 시간이 많이 소요되며 고가의 전용 소프트웨어가 사용됐다. 또한 시각동기화기반 측정장비 또는 별도의 컨버터를 사용하여, 마이크로그리드 운영에 있어서 고비용이 요구되었다.

대한민국 등록특허 제 10-1726341호(발명의 명칭: ＰＭＵ를 이용한 인버터 기반 독립형 마이크로그리드 시스템 및 이의 운영 제어 방법)에서는, 복수의 분산전원 기기가 연계되는 지점의 전압 및 위상을 결정하는 컨버터들을 갖는 독립형 마이크로그리드; 독립형 마이크로그리드에 구비되는 컨버터들을 제어하기 위하여 각각의 컨버터들에 대응하여 구성되고, 노이즈가 없는 정현파 신호를 기반으로 각각의 컨버터들의 스위치 동작을 제어하는 컨버터 제어기; 최초의 동작기준값을 제공하는 마이크로그리드 EMS(Microgrid Energy Management System)를 구비하고, 마이크로그리드 운영을 위한 발전예측, 경제급전 기능을 수행하고, 하위의 설비의 운전 상태를 자동 감시 및 제어하는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 기능을 수행하는 마이크로그리드 제어센터;를 포함하고, 개별 마이크로그리드에 설치된 시각동기화기반 측정장비(PMU)를 통해 취득한 데이터가 마이크로그리드 제어센터(Microgrid Control Center)에 주기적으로 전송되고, 상위 멀티 마이크로그리드 제어 타워에서 멀티 마이크로그리드 상호연계를 위한 명령을 하달하는 구조인 것을 특징으로 하는 PMU를 이용한 인버터 기반 독립형 마이크로그리드 시스템이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1726341호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, DC 마이크로그리드 운영에 있어, 기존의 전압원을 이용한 방법 대신, 전류원을 이용하여, 각 전력 모듈의 구성 및 모델링을 하고, 이를 구동하기 위한 C언어기반의 운영 알고리즘 구축을 수행하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다음과 같다.

사업자와 고객사 간의 DC 마이크로그리드 망에 있어서, 상기 사업자의 DC 마이크로그리드 망은, 분산전원(DR: Distributed Resources)의 발전 전력을 이에 연결된 제1컨버터가 직류로 변환하는 단계; 상기 제1컨버터가, 이에 연결된 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템)에 직류로 변환된 에너지를 저장하는 단계; CHP(Combined Heat and Power, 열병합)의 발전 전력을, 이에 연결된 제2컨버터가 직류로 변환하는 단계; 상기 제2컨버터가, 이에 연결된 상기 ESS에 직류로 변환된 에너지를 저장하는 단계; ESS에 연결되는 SOC(State Of Charge)확인부가 잔존용량을 확인하는 단계; 및 상기 제1컨버터와 상기 제2컨버터에 연결된 중앙 제어부가, 상기 분산전원과 상기 CHP의 발전 전력량에 따라 상기 제1컨버터와 상기 제2컨버터의 출력 전류를 조절하여 상기 ESS의 충전과 방전을 제어하는 단계;를 포함하며,

상기 사업자의 DC 마이크로그리드 망과 연결되는, 상기 고객사의 DC 마이크로그리드 망은, 로컬 분산전원(DR: Distributed Resources)의 발전 전력을 이에 연결된 로컬 제1컨버터가 직류로 변환하는 단계; 상기 로컬 제1컨버터와 연결되고, 로컬 ESS 사이에 위치하는 로컬 제2컨버터가, 직류로 변환된 에너지를 상기 로컬 ESS에 저장하는 단계; 로컬 ESS에 연결되고, 상기 로컬 제2컨버터 사이에 위치하는 로컬 SOC확인부가 잔존용량을 확인하는 단계; 상기 로컬 제1컨버터, 상기 로컬 제2컨버터, 및 상기 중앙 제어부에 연결된 인버터가, 직류를 교류로 전환하는 단계; 상기 인버터에 연결된 인버터 제어부, 이에 연결된 AC 제어부, 상기 인버터 제어부와 상기 AC 제어부 사이에 위치하는 고객사 공장(factory)부하(load)를, 이에 연결된 부하측정부(Wattmeter)가 부하를 측정하는 단계; 상기 AC 제어부에 연결된 한국전력 계통 AC그리드로 전력을 전송하는 단계; 및 상기 로컬 제1컨버터와 상기 로컬 제2컨버터에 연결된 상기 중앙 제어부가, 상기 사업자 및 고객사 마이크로그리드의 전체 전력과, 상기 고객사 공장부하 전력의 차이에 따라, 상기 컨버터들의 출력 전류를 조절하여, 상기 로컬 ESS의 충전과 방전을 제어하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 CHP는, 정전류원인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1컨버터, 상기 제2컨버터, 상기 로컬 제1컨버터, 및 상기 로컬 제2컨버터는 DC-DC컨버터로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 분산전원 및 상기 로컬 분산전원은, PV(Photovoltaic, 광발전)로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1컨버터, 상기 제2컨버터, 상기 로컬 제1컨버터, 상기 로컬 제2컨버터, 상기 분산전원 및 상기 로컬 분산전원은, 전압제어형 전류원인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 인버터는 전류형 AC-DC 인버터로 구성되고, 상기 인버터 및 상기 인버터 제어부는 상기 중앙 제어부에 상시 연결되어, 전력 제한 수치를 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 전류기반 DC마이크로그리드 해석방법을 이용하여, 전류기반 DC 마이크로그리드 운영방법을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법을 이용하여, 마이크로그리스 시스템을 구축하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, DC마이크로그리드 운영을 효율적으로 하기 위해서 에너지관리시스템이 필요하며, 에너지관리시스템의 운영 알고리즘을 보다 효과적으로 분석할 수 있어서, 현재의 에너지 산업 등에 널리 쓰일 수 있다.

종래의 방법은, 전압 및 전력 기반의 해석 방법이어서, 해석 시간이 많이 소요되며 고가의 전용 소프트웨어가 있어야 하나, 본 발명에 의하면, 기존의 범용 소프트웨어(PSIM, Pspice)로 해석이 가능할 수 있다. 또한, 산업용, 가정용, 및 빌딩 에너지관리시스템의 운영 알고리즘 검증 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은, 일반적인 DC마이크로그리드의 일 실시 예에 따른 DC마이크로그리드 사업자와 고객사(Factory #n)간의 전력모듈 블럭도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 운영 해석을 위한 모델링을 구현한 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 Local ESS의 SOC가 낮을 때, 신재생에너지에 의해서 부하 전력 공급 모의실험용 결과(CaseⅠ)를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 ESS 및Local ESS의 SOC가 낮을 때 비상발전 시, 부하 전력 공급 모의실험용 결과(CaseⅡ)를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 ESS 및Local ESS의 SOC가 낮을 때 비상발전 시, 부하 전력 공급 모의실험용 결과(CaseⅢ)를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 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 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 전류기반 DC마이크로그리드 해석방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 운영 해석을 위한 모델링을 구현한 구성도이다. 사업자의 DC 마이크로그리드 망(100)에 있어서,

첫째 단계에서, 분산전원(110)의 발전 전력을, 이에 연결된 제1컨버터(140)가 직류로 변환할 수 있다.

둘째 단계에서, 제1컨버터(140)가, 이에 연결된 ESS(120)에 직류로 변환된 에너지를 저장할 수 있다.

셋째 단계에서, CHP(150)의 발전 전력을, 이에 연결된 제2컨버터(141)가 직류로 변환할 수 있다.

여기서, CHP(150)는 정전류원인 것으로 할 수 있다. 정전류원은, 전류가 일정하고 전압이 부하에 따라 가변되는 전원 장치일 수 있다. 따라서 부하에 따라 발생되는 전압량이 변동하여도, 최대 소비전력은 정격출력 전류가 고정되어 있으므로, 전류기반 DC 마이크로그리드에서 일정한 전류를 공급할 수 있다.

넷째 단계에서, 제2컨버터(141)가, 이에 연결된 ESS(120)에 직류로 변환된 에너지를 저장할 수 있다.

다섯째 단계에서, ESS(120)에 연결되는 SOC(State Of Charge)확인부(130)가 잔존용량을 확인할 수 있다.

여섯째 단계에서, 제1컨버터(140)와 제2컨버터(141)에 연결된 중앙 제어부(160)가, 분산전원(110)과 CHP(150)의 발전 전력량에 따라, 제1컨버터(140)와 제2컨버터(141)의 출력 전류를 조절하여 ESS(120)의 충전과 방전을 제어할 수 있다.

사업자의 DC 마이크로그리드 망(100)과 연결되는 고객사의 DC 마이크로그리드 망(200)은,

첫째 단계에서, 로컬 분산전원(210)의 발전 전력을, 이에 연결된 로컬 제1컨버터(240)가 직류로 변환할 수 있다.

둘째 단계에서, 로컬 제1컨버터(240)와 연결되고, 로컬 ESS(220) 사이에 위치하는 로컬 제2컨버터(241)가, 직류로 변환된 에너지를 로컬 ESS(220)에 저장할 수 있다.

셋째 단계에서, 로컬 ESS(220)에 연결되고, 로컬 제2컨버터(241) 사이에 위치하는 로컬 SOC확인부(230)가 잔존용량을 확인할 수 있다.

넷째 단계에서, 로컬 제1컨버터(240), 로컬 제2컨버터(241), 및 중앙 제어부(160)에 연결된 인버터(250)가, 직류를 교류로 전환할 수 있다. 여기서 인버터(250)는, 전류형 AC-DC 인버터로 구성되고, 인버터(250) 및 인버터 제어부(260)는, 중앙 제어부(160)에 상시 연결되어, 전력 제한 수치를 설정할 수 있다.

다섯째 단계에서, 인버터(250)에 연결된 인버터 제어부(260), 이에 연결된 AC 제어부(290), 인버터 제어부(260)와 AC 제어부(290) 사이에 위치하는 고객사 공장부하(270)를, 이에 연결된 부하측정부(280)가 부하를 측정할 수 있다.

여섯째 단계에서, AC 제어부(290)에 연결된 한국전력 계통 AC그리드(300)로 전력을 전송할 수 있다.

일곱째 단계에서, 로컬 제1컨버터(240)와 로컬 제2컨버터(241)에 연결된 중앙 제어부(160)가, 사업자의 마이크로그리드 망(100)과 고객사의 마이크로그리드의 망(200)의 전체 전력과, 고객사 공장부하(270) 전력의 차이에 따라, 컨버터들(140, 141, 240, 241)의 출력 전류를 조절하여, 로컬 ESS(220)의 충전과 방전을 제어할 수 있다.

여기서, 제1컨버터(140), 제2컨버터(141), 로컬 제1컨버터(240), 및 로컬 제2컨버터(241)는 DC-DC컨버터로 구성할 수 있다. 또한, 분산전원(110) 및 로컬 분산전원은(210), PV(Photovoltaic, 광발전)로 구성할 수 있다.

또한, 제1컨버터(140), 제2컨버터(141), 로컬 제1컨버터(240), 로컬 제2컨버터(241), 분산전원(110) 및 로컬 분산전원(210)은, 전압제어형 전류원인 것으로 할 수 있다. 여기서 전압제어형 전류원은, 전류원을 이용해 전압제어를 수행할 수 있다. 또한, 전압제어는, 피드백(FeedBack)제어 중에 정전류 제어로서, 출력전압이나 전류 또는 전력을 검출하여 입력전압의 변동이나 부하저항의 변동에 관계없이, 희망하는 일정한 전압이나 전류 또는 전력을 유지하도록 하는 제어 방식으로서, 낮은 저항에 의한 과전류를 방지할 수 있다.

예를 들어, 분산전원(110)에서 제1컨버터(140)를 거쳐, ESS(120)로 공급되는 전력을 모두 전류 흐름을 이용함으로써, 전압 변환 과정이 없어 종래 발명 대비 전력 공급 과정을 단축할 수 있다. CHP(150)에서 제2컨버터(141)를 거쳐, ESS(120)로 공급되는 전력 공급 또한 마찬가지다.

더불어, 로컬 분산전원(210)에서 로컬 제1컨버터(240) 및 로컬 제2컨버터(241)를 거쳐, 로컬 ESS(220)로 공급되는 전력 또한, 전류 흐름을 이용함으로써, 전압 변환 과정이 생략된 전력 공급 과정을 수행할 수 있다.

여기서 마이크로그리드(Microgrid)는, 명확히 정의된 전기적 범위 안에서 상호 연결된 '수용가(需用家, Consumer)'와 '분산전원(DR: Distributed Resource)'의 그룹으로서, 이는 계통에 대하여 하나의 제어 가능한 개체이며, 계통으로부터 연결 및 독립이 가능할 수 있다. 또한, 전력 품질 및 공급의 안정성을 확보하기 위하여, 대부분의 마이크로그리드는 ESS를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 분산전원은(110, 210), 대규모 집중형 전원과는 달리, 전력 수요자 인근 지역에 설치 가능한 소규모 발전 설비를 이용하여 수요자에게 필요한 전력을 전량 공급하거나, 이미 사용 중인 중앙 집중식 전력 공급 체계의 단점을 보완하기 위한 용도로 적용 가능한 발전 방식을 의미할 수 있다.

보다 상세하게는, 분산전원의 종류에 대해 서술하자면, 신에너지 및 재생에너지가 있을 수 있다. 여기서 신에너지는, 연료전지, 석탄액화가스화 및 중질잔사유 가스화, 및 수소에너지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 에너지를 의미할 수 있다. 여기서 재생에너지는, 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 및 지열로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 에너지를 의미할 수 있다.

ESS(120, 220)는, 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장하는 장치 또는 더 넓은 범위의 체계 전체를 의미할 수 있다. 또한, 전력 공급 과잉 시점에는 전력을 저장하고, 수요가 많아지는 시점에는 저장해 둔 전력을 로컬로 공급하는 역할을 수행함으로써, 마이크로그리드의 전력 품질 및 공급의 안정성에 기여할 수 있다.

SOC는, 잔존용량(殘存容量, State Of Charge)으로, 축전지의 연료량을 표시할 수 있는 척도를 의미할 수 있다. 잔존용량을 직접적으로 측정할 수는 없으며, 대신 간접적으로 측정할 수 있는 화학측정법, 전압측정법, 전류적분법, 및 압력측정법이 있으며, 이는 종래기술을 사용한 것일 수 있다.

사업자는, 커스토머(Customer)로서, 한국전력공사를 의미할 수 있다. 단, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 고객사는, 개인 전력 공급자(프로슈머, Prosumer)를 의미할 수 있다. 단, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

DC-DC컨버터(Converter)는, DC(직류)를 DC(직류)로 변환하는 기기일 수 있다. 즉, DC (직류)로 전압을 변환하는 장치를 뜻할 수 있다. 원래 전압보다 낮은 전압을 생성하는 것을 강압 컨버터, 원래 전압보다 높은 전압을 생성하는 것을 승압 컨버터라 할 수 있다. 보통 리니어 레귤레이터 또는 스위칭 레귤레이터라 칭하며, 이는 변환을 위한 방식의 명칭을 의미할 수 있다. 또한, AC(교류) 를 DC로 변환하는 AC-DC컨버터가 필요할 수 있다.

AC-DC 인버터(Inverter)는, 직류(DC)를 교류(AC)로 바꾸기 위한 전기적 장치일 수 있다. 적절한 변환 방법이나 스위칭 소자, 제어 회로를 통해 원하는 전압과 주파수를 얻을 수 있다. (ex. 50hz/60hz | 110V~220V) 또한, AC-DC 인버터는, 특정 전원 소스(전압원, 전류원, 주파수, 크기, 및 방향)를 다른 성분의 전원으로 사용하기 위해 사용하는 전력 변환기 중 출력이 AC Source 형식의 변환기를 총칭하는 단어를 의미할 수 있다. 전력용 인버터는, 일반적으로 사용하는 DC-AC 전력변환의 인버터로, 주파수 및 전압이 고정되어 있거나 변경 가능하더라도 운전 중 조작이 불가능한 것이 특징으로, 출력파형과 드라이브 방식에 따라 4가지 종류로 나눌 수 있다.

부하(Load)는, 주로 전기회로에서 전류의 일정 분량을 의도적으로 출력 쪽으로 흐르도록 하는 것으로서, 보다 상세하게는, 발전소의 발전기가 병렬로 연결되어 구성되어 있는　전력계통에서는, 그 계통으로부터 전력을 끌어들이는 모든 전기설비, 더욱이 이들에 전력을 공급하기 위한 배전선로 그 자체도 포함하여 전력계통에서 본 부하라고 할 수 있다. 그러므로, 부하는 저항의 한 부분일 수 있다.

부하측정부(280)는, 와트미터(wattmeter) 또는 전력계(電力計)를 의미하고, 직류 또는 교류의 전기회로를 측정하는 계기 재는 계기로서, 자기장 안에서 가동 코일을 회전하여 순간의 값을 지시하는 지시 전력계와, 맴돌이류를 이용하여 전력을 적산(積算)하여 지시하는 전력량계가 있으며, 보통 사용되는 것은 전류력계형(電流力計形)이라고 하며, 전류 코일 C.C.와 전압 코일 P.C.가 있는데, 전자가 고정코일, 후자가 가동코일로 형성될 수 있다.

CHP(150)는, Combined Heat and Power 또는 열병합(熱倂合)을 의미하고, 다수의 열원에서 발생하는 열을 사업자가 일괄적으로 합산하여 각 사용자에게 전달하는 냉난방방식의 일종으로, 주로 관공서, 병원, 백화점, 상업용 빌딩이나 업무용 빌딩, 오피스텔, 대규모 택지지구나 최소 300~500세대 이상의 개별 공동주택 단지들을 중심으로 쓰는 난방 방식일 수 있다.

중앙 제어부(160)는, ESS(120) 및 로컬 ESS(220)의 SOC가 낮으면, 로컬 분산전원(210)으로 ESS(120)를 충전하고, 충전이 완료되면 분산전원(110) 발전 전력을 차단할 수 있다. 또한, ESS(120) 및 로컬 ESS(220)의 SOC가 낮고, 기후로 인하여 분산전원(110) 발전이 불가능한 경우, CHP(150)의 가동 지령을 내리고, 로컬 분산전원(210)으로 ESS(120)를 충전하며, 고객사의 공장부하(270)에 따른 전력공급을 할 수 있다.

EMS(Energy Management System) 알고리즘 검증용 마이크로그리드 모델링에 있어서, 다음과 같은 식을 적용할 수 있다.

E = ∫Pdτ = ∫Idτ (If V is unit volt.)

인버터(250)는, 전력 제한 수치(Peak)를 설정할 수 있다. 또한, 인버터(250)가 중앙 제어부(160)에 상시 연결되어, 고객사로의 전력 공급 및 고객사로부터 전력 수급에 있어 신뢰 수준을 높일 수 있다.

여기서, 설정한 전력 제한 수치에 그 이상의 고객사 공장부하(270)가 걸리면 고객사로 전력공급을 할 수 있다. 또한, 고객사 공장부하(270) 변동에 따라 전력 제한 수치를 탄력적으로 변경이 가능할 수 있다. 또한, 고객사 공장부하(270)를 측정하는 부하측정부(280)도 전압 변환 과정 없이 바로 전류를 측정할 수 있어, 부하측정이 수월할 수 있다.

보다 상세하게는, 부하 전력이 전력 제한 수치를 넘을 경우, 사업자 DC 마이크로그리드 망(100)과 한국전력 계통 AC 그리드(300)에서, 고객사 DC 마이크로그리드 망(200)으로 전력이 공급되어 고객사 공장부하(270)에 따른 전력을 충당하고, 남은 전력은 로컬 ESS(220)에 저장할 수 있다. 예를 들어, CHP(150)발전으로ESS(120)를 충전하고, 로컬ESS및 고객사 공장부하(270)에 전력을 충당하는 과정에서 모두 전류 흐름을 이용함으로써, 전압 변환 과정이 없어 종래 발명 대비 전력 공급 과정을 단축할 수 있다.

고객사 공장부하(270) 전력이 인버터(250) 주입 전력보다 낮을 경우, 한국전력 계통 AC그리드(300)로의 전력 공급을 결정할 수 있다. 이때 인버터(250)의 출력 지령은, 부하전력의 90%의 미만으로 지정하여, 갑작스런 고객사 공장부하(270) 변동에 대비할 수 있다. 또한, 전력의 흐름은 전류의 흐름으로 하여, 전압 변환 과정을 거치지 않을 수 있다.

고객사의 인버터의 경우 전류형으로, 전압 변환이 필요 없어 경우의 수에 따른 전력 제한치 설정이 용이할 수 있다.

또한, 배터리 용량은 커패시터 용량(V_C=1V)으로 할 수 있다. 또한, ESS(120)의 SOC는 커패시터 전압(VC)으로 할 수 있다. 또한, 시간은 시간(hour) 단위에서 초(second) 단위로 할 수 있다.

본 발명의 전류기반 DC마이크로그리드 해석방법에 있어서, 전류원으로 각 전력 모듈의 구성 및 모델링, 그리고 이를 구동하기 위한 C언어기반의 운영 알고리즘 구축을 위해, 범용 소프트웨어(PSIM 또는 PSPICE)를 사용할 수 있다. PSIM(PowerSIM)은, 전자 회로 시뮬레이션 소프트웨어 패키지로 전력 전자 및 모터 드라이브 시뮬레이션 용으로 특별히 설계되었지만 전자 회로의 시뮬레이션에 사용할 수 있다. 또한, 노드 분석 및 사다리꼴 규칙 통합을 시뮬레이션 알고리즘의 기초로 사용할 수 있다. 또한, 이상적인 스위치를 사용하여 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 기반 시뮬레이터보다 빠른 시뮬레이션 속도를 제공할 수 있다. PSPICE(피스파이스)는, 데스크톱용 전자설계 자동화 소프트웨어인 오알캐드(OrCAD)의 주요 어플리케이션 중 하나로서, 캡처된 회로를 시뮬레이션 하는 도구로 회로의 동작을 다양한 방법으로 분석할 수 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로컬 ESS(220)의 SOC가 낮을 시, 신재생에너지에 의한 부하전력공급 모의실험용 결과(CaseⅠ)를 나타낸 그래프이다. 고객사의 요청에 따라, 고객사의 공장 부하(270)를 위한 필요전력(a1)공급을 위해, 사업자의 마이크로그리드 망(100)에서의 전력공급량이 100%에 이르고(d1), 로컬 분산전원(210) 발전은 로컬 ESS(220) 충전 및 부하전력을 공급하며(e1), 사업자의 마이크로그리드 분산전원(110)을 발전하고, 사업자의 마이크로그리드 ESS(120)를 방전하여, 필요한 부하전력을 공급할 수 있다(f1).

도 4는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 사업자의 마이크로그리드 ESS(120) 및 로컬 ESS(220)의 SOC가 낮을 때 비상발전 시, 부하전력공급 모의실험용 결과(CaseⅡ)를 나타낸 그래프이다. 작업량이 오전에 많은 경우(a2), 사업자 마이크로그리드 ESS(120)의 SOC가 낮으면, 부하전력 공급이 지연되어(d3) 고객사 로컬 분산전원(210) 발전을 하여 사업자 마이크로그리드 ESS(220)를 충전하고(d2), 분산전원(110)이 아닌, CHP(150)의 가동 지령을 내릴 수 있다(c1). 고객사의 분산전원(210) 발전으로 고객사의 로컬 ESS(220)를 충전하고, 고객사의 로컬 ESS(220) 충전 및 부하전력을 공급하며(e2), CHP(150)가동으로 사업자 마이크로그리드 ESS(120)를 충전하고, 부하전력을 공급할 수 있다(f2).

도 5는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 사업자의 마이크로그리드 ESS(120) 및 로컬 ESS(220)의 SOC가 낮을 때 비상발전 시, 부하 전력 공급 모의실험용 결과(CaseⅢ)를 나타낸 그래프이다. 작업량이 오후에 많은 경우(a3), 고객사의 분산전원(210) 발전으로 사업자의 마이크로그리드 ESS(120)를 충전하고(d2), 로컬 ESS(220) 및 사업자의 마이크로그리드 ESS(120) 완충 시, 분산전원(110) 발전의 전력을 차단하며(f3), 마이크로그리드 ESS(120)의 완충으로 인해 분산전원의 발전 전력을 차단할 수 있다(f4).

본 발명의 전류기반 DC마이크로그리드 해석방법을 이용하여, 전류기반 DC 마이크로그리드 운영방법을 사용할 수 있다.

본 발명의 전류기반 DC마이크로그리드 해석방법을 이용하여, 마이크로그리드 시스템을 구축할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 사업자DC 마이크로그리드 망
110 : 분산전원
111 : 분산전원 Pattern
120 : ESS
130 : SOC확인부
140 : 제1컨버터
141 : 제2컨버터
150 : CHP
160 : 중앙 제어부
161 : 제1제어부
162 : 제2제어부
200 : 고객사 DC 마이크로그리드 망
210 : 로컬 분산전원
211 : 로컬 분산전원 Pattern
220 : 로컬 ESS
230 : 로컬 SOC확인부
240 : 로컬 제1컨버터
241 : 로컬 제2컨버터
250 : 인버터
260 : 인버터 제어부
270 : 고객사 공장부하
280 : 부하측정부
290 : AC 제어부
300 : 한국전력 계통 AC 그리드

Claims

마이크로그리드 해석방법에 있어서,
사업자의 DC 마이크로그리드 망은,
ⅰ) 분산전원(DR: Distributed Resources)의 발전 전력을, 이에 연결된 제1컨버터가 직류로 변환하는 단계;
ⅱ) 상기 제1컨버터가, 이에 연결된 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템)에 직류로 변환된 에너지를 저장하는 단계;
ⅲ) CHP(Combined Heat and Power, 열병합)의 발전 전력을, 이에 연결된 제2컨버터가 직류로 변환하는 단계;
ⅳ) 상기 제2컨버터가, 이에 연결된 상기 ESS에 직류로 변환된 에너지를 저장하는 단계;
ⅴ) ESS에 연결되는 SOC(State Of Charge)확인부가 잔존용량을 확인하는 단계; 및
ⅵ) 상기 제1컨버터와 상기 제2컨버터에 연결된 중앙 제어부가, 상기 분산전원과 상기 CHP의 발전 전력량에 따라, 상기 제1컨버터와 상기 제2컨버터의 출력 전류를 조절하여 상기 ESS의 충전과 방전을 제어하는 단계;를 포함하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
마이크로그리드 해석방법에 있어서,
상기 사업자의 DC 마이크로그리드 망과 연결되는, 고객사의 DC 마이크로그리드 망은,
ⅰ) 로컬 분산전원(DR: Distributed Resources)의 발전 전력을, 이에 연결된 로컬 제1컨버터가 직류로 변환하는 단계;
ⅱ) 상기 로컬 제1컨버터와 연결되고, 로컬 ESS 사이에 위치하는 로컬 제2컨버터가, 직류로 변환된 에너지를 상기 로컬 ESS에 저장하는 단계;
ⅲ) 로컬 ESS에 연결되고, 상기 로컬 제2컨버터 사이에 위치하는 로컬 SOC확인부가 잔존용량을 확인하는 단계;
ⅳ) 상기 로컬 제1컨버터, 상기 로컬 제2컨버터, 및 상기 중앙 제어부에 연결된 인버터가, 직류를 교류로 전환하는 단계;
ⅴ) 상기 인버터에 연결된 인버터 제어부, 이에 연결된 AC 제어부, 상기 인버터 제어부와 상기 AC 제어부 사이에 위치하는 고객사 공장(factory) 부하(load)를, 이에 연결된 부하측정부(Wattmeter)가 부하를 측정하는 단계;
ⅵ) 상기 AC 제어부에 연결된 한국전력 계통 AC그리드로 전력을 전력을 전송하는 단계; 및
ⅶ) 상기 로컬 제1컨버터와 상기 로컬 제2컨버터에 연결된 상기 중앙 제어부가, 상기 사업자 마이크로그리드 망과 상기 고객사 마이크로그리드 망의 전체 전력과, 상기 고객사 공장부하 전력의 차이에 따라, 상기 컨버터들의 출력 전류를 조절하여, 상기 로컬 ESS의 충전과 방전을 제어하는 단계;를 포함하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 1 에 있어서,
상기 CHP는, 정전류원인 것을 특징으로 하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제1컨버터, 상기 제2컨버터, 상기 로컬 제1컨버터, 및 상기 로컬 제2컨버터는 DC-DC컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 분산전원 및 상기 로컬 분산전원은, PV(Photovoltaic, 광발전)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제1컨버터, 상기 제2컨버터, 상기 로컬 제1컨버터, 상기 로컬 제2컨버터, 상기 분산전원 및 상기 로컬 분산전원은, 전압제어형 전류원인 것을 특징으로 하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 2에 있어서,
상기 인버터는, 전류형 AC-DC 인버터로 구성되고, 상기 인버터 및 상기 인버터 제어부는, 상기 중앙 제어부에 상시 연결되어, 전력 제한 수치를 설정하는 것을 특징으로 하는 전류기반 DC 마이크로그리드 해석방법.
청구항 1 또는 2의 해석방법을 이용한 전류기반 DC 마이크로그리드 운영방법.
청구항 1 또는 2의 해석방법을 이용하여 구축된 것을 특징으로 하는 마이크로그리드 시스템.