KR20200079755A - 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 및 그 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로그리드 간 에너지 프로슈머 기술을 포함하여 전력거래 시스템을 구축하고, 에너지 프로슈머 기술을 적용하여 마이크로그리드에 피크부하가 발생할 경우 다른 마이크로그리드에서 에너지를 구매하는 분산형 부하의 전력제어장치(ADR)의 네트워크 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일시예에 의한 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템은 다수개의 마이크로그리드와, 대형 태양광발전소와, 전력변환장치와, 집중형 부하의 전력제어장치와, 부하 프로슈머 제어장치와, 분산형 부하의 전력제어장치로 구성된다.
본 발명에 의하면, 에너지 프로슈머를 통해 남는 전기에너지를 판매함으로서 전기 생산자의 이득과 계통보다 싼 전기를 구매함으로서 소비자의 이득을 취함으로서 전체 시스템의 이용률을 개선할 수 있다. 또한 다수의 마이크로그리드 간 저압직류배전(LVDC) 망 연계를 통한 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 및 그 운영방법 {Microgrid system considering load environment and the Methods of operation}
본 발명은 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다. 특히 마이크로그리드(Microgrid), 에너지 프로슈머(energy prosumer) 운용방법과 저압직류배전(LVDC) 기술분야에 관한 것이다.
마이크로그리드(Microgrid, 이하 ‘MG’로 병행 표기한다)는 기존 광역 전력시스템으로부터 독립된 분산전원(distributed energy resources)을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템을 말한다.
마이크로그리드는 지역화된 전력망으로 수용가의 풍력, 태양광 등의 분산 에너지 자원을 연결한 것으로써, 전체 전력 계통과 독립적(off-grid)으로 동작하여 자급자족이 가능하며, 필요에 따라 전력 계통과 연계(on-grid)되어 동작할 수 있다.
마이크로그리드는 분산전원과 부하를 결합하는 전력망이 교류(AC)로 되어 있는 AC 마이크로그리드와 직류(DC)로 되어 있는 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다.
AC 마이크로그리드는 기본의 배전망을 그대로 활용하는 장점이 있으나, 교류계통의 단점인 동기화, 안정도, 무효전력소모의 문제점이 있었다.
발전 · 소비량 예측 등의 기능을 필요로 한다는 점에서 스마트그리드와 유사하지만, 그 적용 규모가 스마트그리드에 비하여 상대적으로 작고, 발전원과 수용가(전력소비자)의 위치가 가깝기 때문에 대규모 송전 설비가 필요하지 않다는 차이점이 있다.
마이크로그리드는 기존의 중앙집중식 전력공급 시스템과는 다르게 신재생에너지전원을 포함한 분산전원으로 구성되는 지역적 전력공급시스템으로 계통 연계형과 독립형으로 구분된다. 또한 부하의 형태에 따라 도심형의 부하밀집형 마이크로그리드와 농어촌형의 부하 분산형 마이크로그리드로 나눌 수 있으며 도심형은 계통연계형, 농어촌형은 독립형으로 구성되는 경우가 많다.
이중 상용 전력망이 없는 도서나 원격지에 전력을 최적으로 안정하게 공급할 수 있는 독립형 마이크로그리드는 기존의 디젤발전기로만 전력을 공급하는 대신 신재생에너지를 포함한 분산전원으로 전력을 공급하게 된다.
저압직류배전 시스템(LVDC)은 종래의 22.9kV AC 배전 시스템을 대신하여 수십 내지 수백 볼트(Volt) 또는 1 kV 내외의 전압을 갖는 DC 배전 시스템을 사용하는 것이다. 종래에는 전압 가변의 용이성을 이유로 AC배전을 주로 사용하였으나, 최근에는 전력전자 기술의 발달과 전력 가격하락으로 인하여 DC를 이용한 배전시스템이 각광받고 있다.
본 발명과 관련되는 선행문헌으로 등록특허공보 10-1796669호(공고일: 2017. 11. 10.) 산업단지 마이크로그리드시스템이 개시된다. 종래 기술은 종래의 AC망을 이용한 전력거래가 아닌 개별적인 DC망을 이용하여 산업단지의 공장 간의 전력거래가 가능한 마이크로그리드 시스템의 제공을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 산업단지 마이크로그리드시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분산전원부(3) 및 부하(11)를 포함하며, 상용전원부(6)와 AC망(5)으로 연결된 복수개의 전력수요부(10)와, 상기 복수개의 전력수요부(10)와 DC망(7)과 데이터망(8)으로 연결되며, 중앙제어기(4), 에너지저장시스템(ESS)(2), 분산전원부(3)를 갖춘 발전사업부(1)를 포함하며, 상기 복수개의 전력수요부(10)는 서로 간을 DC망으로 연결한 적어도 하나의 전력수요부 그룹을 포함하고, 상기 발전사업부(1)는 상기 DC망을 통한 전력수요부 간 전력거래, 전력 수요부의 잉여 전력 저장, 전력공급을 요구하는 전력수요부로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 관련되는 다른 선행문헌으로 한국 공개특허공보 10-2014-0038174호(공개일: 2014. 3. 28.)의 저압 배전 선로의 AC/DC 컨버터 및 그 AC/DC 컨버터의 제어방법의 기술이 개시된다.
도 2는 일반적인 저압직류배전(LVDC) 선로의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 LVDC 배전 선로(20)에는 전기차 충전소 배터리(25), 태양광 발전기(26), 풍력발전기(27), 부하의 공급을 위한 DC/DC 컨버터(23) 및 DC/AC 컨버터(24) 등 다양한 파워시스템들이 병입된다.
본 발명과 관련되는 다른 선행문헌으로 한국 등록특허공보 10-1277185호(공고일: 2013. 6. 24.)의 DC 마이크로그리드 시스템 및 이를 이용한 AC 및 DC 복합마이크로 시스템은 독립된 분산전원을 중심으로 한 국소적인 전력공급시스템 중 DC 마이크로그리드 시스템과 이를 이용한 AC 및 DC 마이크로그리드 시스템이 개시된다.
DC 마이크로그리드 시스템은 적어도 하나의 분산전원과, 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치와, 전력변환장치에 연결된 보호 스위치를 구비하는 에너지 저장장치와, DC 전력부하(load) 및 분산전원의 전체 전력과 DC 전력부하 전력의 차이에 따라 상기 전력변환장치의 출력 전압을 조절하여 상기 에너지 저장장치의 충전과 방전 모드를 제어하는 제어부로 이루어진다. AC 및 DC 복합 마이크로그리드 시스템은 상술한 DC 마이크로그리드 시스템이 AC 마이크로그리드 시스템과 양방향 전력변환기로 연결된다. 이에 의하면, DC 마이크로그리드 시스템을 구성하는 에너지 저장장치에서의 충전과 방전 모드에서 전력 변환에 따른 손실이 없게 되어 에너지 이용 효율이 제고된다.
신재생에너지를 이용한 하이브리드 형태의 마이크로그리드 시스템은 태양의 일사량이나 부하의 사용량에 따라 마이크로그리드 내에 잉여전력 및 부족전력이 발생한다. 마이크로그리드 내에 잉여전력이 발생한 경우에는 특별한 부하요소가 없는 한 버려지는 에너지로 간주되어 시스템의 이용률을 저하시킬 수 있다.
종래의 마이크로그리드에 관한 기존의 연구는 개별적인 분산 전원의 효율을 높이기 위한 연구와 분산 전원을 상용 전원에 계통 연계하기 위한 연구에 한정되었다.
기존의 마이크로그리드에 관한 연구는 개별적인 분산 전원의 효율을 높이는 것에서 그쳤을 뿐, 마이크로그리드 전원과 병행하여 효율적으로 사용할 수 있는 에너지 컨슈머 제어 시스템을 제안하지 못하였다.
특히 부하환경에 맞는 마이크로그리드(MG)시스템의 설계와 운용에 따른 엔지니어링 기술로 구축된 시스템의 안정적이고 경제적인 운용을 위한 에너지관리시스템(PMS) 기술의 문제점을 해결하지 못하였다.
한국등록특허공보 제10-1133328호(공고일: 2012. 4. 5.) 한국등록특허공보 제10-1277185호(공고일: 2013. 6. 24)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 마이크로그리드 간 에너지 프로슈머 기술을 적용한 전력거래 시스템을 구축하고, 저압직류배전을 이용하여 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 마이크로그리드에 에너지 프로슈머 기술을 적용하여 마이크로그리드에 피크부하가 발생할 경우 다른 마이크로그리드에서 에너지를 구매하는 분산형 부하의 전력제어장치(ADR)의 네트워크 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
앞에서 설명한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일시예는 다음과 같다.
본 발명의 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템은 적어도 하나 이상의 분산전원, 상기 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치, 상기 전력변환장치에 연결된 DC 전력부하를 포함하는 마이크로그리드 시스템에 있어서,
태양광 패널에서 생산되는 전력(이하 ‘태양전지’라 한다)과, 상기 태양광 패널에서 생성된 전력을 축전하는 리튬 이온 배터리(이하, ‘2차 전지’라 한다)와 , 상기 태양전지로부터의 PV 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환하는 PV DC/AC 인버터와, 2차 전지로부터의 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 Battery DC/AC 인버터로 구성되는 대형 태양광 발전소와;
상기 PV DC/AC 인버터의 출력단과 Battery DC/AC 인버터의 출력단이 공통으로 AC Bus에 연결되어 교류전압(380V)을 AC/DC 전력변환기에서 직류전압(750V)으로 변환시키는 DC Bus로 구성되는 전력변환장치와;
태양전지와, 태양광 발전 전력을 축적하는 2차 전지와, 상기 AC/DC 전력변환기 출력전압을(750V)을 기설정된 직류전압(380V)로 변환시키는 DC/DC 컨버터와, 상기 DC/DC 컨버터로부터 생성된 출력전압(380V)을 기설정된 교류전압(220V)로 변환시키는 DC/AC 인버터와, 상기 태양전지로부터 PV 출력전압을 기설정된 직류전압(380V)으로 변환시키는 태양전지 DC/DC 컨버터와, 2차 전지로부터 생성된 출력전압을 기설정된 직류전압(380V)으로 변환시키는 2차 전지 DC/DC 컨버터와, 분산형 부하로 구성되는 소형 태양광발전소와; 상기 소형 태양광발전소에 통신선으로 연결되는 분산형 부하 전력제어장치(ADR)를 포함하는 마이크로그리드 시스템으로 구성된다.
상기 AC Bus에 교류전압이 입력되고, AC/DC 전력변환기에서 직류전압으로 변환시켜서 DC BUS에 저압직류배전(LDVC)을 하도록 하고, 상기 DC Bus을 통하여 직류전압이 마이크로그리드 1(MG1), 마이크로그리드 2(MG2), 마이크로그리드 3(MG3)에 DC BUS을 통하여 공급된다.
상기 분산형 부하의 전력제어장치는 다수개의 마이크로그리드 시스템(MG)과, 집중형 부하의 전력제어장치와 부하 프로슈머 제어장치가 이더넷(Ethernet) 또는 모드버스(MODBUS)와 같은 통신선으로 연결된다.
상기 집중형 부하의 전력제어장치는 대형 태양광 발전소의 전력을 제어하고, 부하 프로슈머 제어장치는 마이크로그리드 시스템의 전력을 제어한다.
상기 분산형 부하의 전력제어장치는 분산형 마이크로그리드에서 DC BUS로부터 전력을 수전하는 부하모드와, DC BUS와 분리되어 2차 전지 및 태양광으로부터 부하를 유지한 독립모드와, EMS에서 요구하는 발전량에 대응하는 발전모드와, 비상시 수용가 부하를 고려하지 않고 DC BUS 보호를 위해서 발전하는 비상발전모드 등 4가지 모드로 전력제어 모드를 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 부하 프로슈머 제어장치(P-EMS)는 이더넷(Ethernet) 또는 모드버스(MODBUS) 통신으로 에너지 프로슈머 에이전트(prosumer agent)는 전력거래회사와 전력을 거래하되, 마이크로그리드에서 발전한 잉여전력을 전력이 부족한 다른 마이그로그드에 판매할 수 있고, 반대로 다른 마이그로그리드에서 발전한 잉여전력을 마이크로그리드로 양방향으로 판매한다.
한편, 부하환경을 고려한 마이크로그리드 운영방법은 분산형 부하의 배터리 잔량 및 분산형 재생 에너지 발전량을 모니터링하는 단계; 분산형 부하 및 부하 요구량 점검 단계; 에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계에서 마이크로그리드 잉여전력이 없다고 판단되는 경우에는, AC BUS 라인의 발전량 및 부하사용량, 충전·방전을 모니터링하는 단계; 집중형 부하 및 부하 요구량 점검 단계; AC/DC Bus용 전력변환장치의 전력제어단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 수용가(전력 소비자)는 전기요금이 낮은 시간대에 에너지저장시스템(ESS)에 충전하고 전기요금이 높은 시간대에 에너지저장시스템 방전을 통해 필요한 전력을 사용하는 방식으로 수용가의 에너지비용을 절감하는 효과가 있다.
에너지저장시스템을 각 수용가에 적용할 경우 송배전망 연계형 에너지 저장시스템과 같이 순시 전압 강하와 상승, 순시 정전, 전압 변동 등의 각종 전력품질 문제를 해결할 수 있다. 또한 전력공급 중단을 대비하기 위한 설비가 비상발전기이며, 에너지저장시스템 역시 충전된 전력을 이용하여 비상발전기와 같이 전력공급이 중단된 상황에서 백업전원의 역할을 수행할 수 있는 장점이 있다.
에너지 프로슈머(energy prosumer)제어를 통해 잉여 전기에너지를 판매함으로서 전기 생산자의 이득과 계통보다 싼 전기를 구매함으로서 소비자의 이득을 취함으로서 전체 시스템의 이용률을 개선할 수 있다. 다수의 마이크로그리드 간 저압직류배전(LVDC) 망 연계를 통한 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 에너지 프로슈머 기술을 도입하여 마이크로그리드 설계 사양을 평상시 부하 수준으로 감안하고 피크부하가 발생할 경우 다른 마이크로그리드에서 에너지를 구매하는 방식으로 전체 시스템의 투자비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 산업단지 마이크로그리드시스템을 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 저압직류배전(LVDC) 선로의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면.
도 4는 분산형 부하의 전력제어장치 네트워크 시스템을 나타낸 도면.
도 5는 분산형 부하간 에너지 프로슈머(energy prosumer) 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 도면.
도 7은 부하환경을 고려한 마이크로그리드 운영방법을 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로그리드 시스템을 나타낸 도면이고, 도 4는 분산형 부하의 전력제어장치(ADR)의 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 분산형 부하간 에너지 프로슈머(energy prosumer) 개념도이고, 도 6은 본 발명에 의한 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 도면이다. 도 7은 부하환경을 고려한 마이크로그리드 운영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3과 도 4에 도시된 도면으로 설명한다.
본 발명의 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템은 마이크로그리드 시스템(점선으로 표시된 부분, MG1, MG2, MG3)과, 대형 태양광발전소(30)와, 전력변환장치(40)와, 집중형 부하의 전력제어장치(PMS, 60)와, 부하 프로슈머 제어장치(P(Prosumer)-EMS, 70)와, 분산형 부하의 전력제어장치(ADR, 120)로 구성된다.
상기 대형 태양광 발전소(30)는 태양전지와, 2차 전지와 , 태양전지로부터의 PV 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 PV DC/AC 인버터(31)와, 2차 전지로부터 출력전압을 기설정된 교류전압(380V)으로 변환시키는 Batttery DC/AC 인버터(32)로 구성된다.
대형 태양광 발전소(30)는 PV DC/AC 인버터(31)의 출력단과 Battery DC /AC 인버터(32)의 출력단이 공통으로 교류 버스(AC BUS, 80)를 통해서 집중형 부하(50)에 연결된다.
상기 전력변환장치(40)는 PV DC/AC 인버터(31)의 출력단과 Battery DC/AC 인버터(32)의 출력단이 공통으로 AC Bus(41)에 연결되어 교류전압(380V)이 AC/DC 전력변환기(42)에서 직류전압(750V)으로 변환시키는 DC Bus(43)로 구성된다.
마이크로그리드 시스템(MG)은 태양전지와, 2차 전지와, 상기 전력변환장치(40)의 출력전압을(750V)을 기설정된 직류전압(380V)로 변환시키는 DC/DC 컨버터와(101)와, 상기 DC/DC 컨버터로부터 생성된 출력전압(380V)을 기설정된 교류전압(220V)로 변환시키는 DC/AC 인버터(102)와, 상기 태양전지로부터 PV 출력전압을 기설정된 직류전압(380V)으로 변환시키는 태양전지 DC/DC 컨버터(104)와, 2차 전지로부터 생성된 출력전압을 기설정된 직류전압(380V)으로 변환시키는 2차 전지 DC/DC 컨버터(105)와, 분산형 부하(103)로 구성되는 소형 태양광발전소(100)와; 소형 태양광발전소(100)에 통신선으로 연결되는 분산형 부하 전력제어장치(120)로 구성된다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 0대형 태양광 발전소(30)의 용량은 30Kw이고, 분산형 부하(103)의 용량은 보통 3Kw 내지 5Kw이다. AC BUS(80)에는 380볼트(V)의 교류전류가 흐른다.
집중형 부하(50)은 일반적으로 대도시 주택단지와 같은 계통부하로 380V이다.
AC Bus(41)에 380V 교류전압이 입력되고, AC/DC 전력변환기(42)에서 750V 직류전압으로 변환시켜서 DC BUS(90)에 750V 저압직류배전(LDVC)이 된다.
즉 DC Bus(43)을 통하여 750V 직류전압을 마이크로그리드 1(MG1), 마이크로그리드 2(MG2), 마이크로그리드 3(MG3)에 저압직류배전(LVDC) 선로인 DC BUS(90)망을 통하여 공급한다.
마이크로그리드 시스템2(MG2), 마이크로그리드 시스템3(MG3)의 구성은 MG1과 동일하다. 지역의 크기에 따라서 다수개의 마이크로그리드 시스템(MG)이 설치된다.
마이크로그리드 시스템(MG)은 일반적인 소형주택이나 건물과 같은 분산형 부하(103)와 관련된다. 분산형 부하의 전력제어장치(120)는 이더넷(Eternet) 또는 모드버스(MODBUS)와 같은 통신선으로 마이크로그리드 시스템(MG)과 부하 프로슈머 제어장치(70)에 연결되어 전력을 제어한다.
도 4에 도시된 분산형 부하의 전력제어장치(120)는 다수개의 마이크로그리드 시스템(MG)과, 집중형 부하의 전력제어장치(60)와 부하 프로슈머 제어장치(70)가 이더넷(Ethernet/ MODBUS) 통신선으로 연결되는 네트워크 시스템이다.
여기서 집중형 부하의 전력제어장치(60)는 대형 태양광 발전소(30)의 전력을 제어하고, 부하 프로슈머 제어장치(70)는 마이크로그리드 시스템의 전력을 제어한다.
본 발명의 일시예로 부하 프로슈머 제어장치(70)는 분산형 부하의 전력제어장치(120)을 통하여 마이크로그리드 시스템 1(MG1)에 연결되어 구성되고,
마이크로그리드 시스템 1은 750V 직류전압을 380V 직류전압으로 변경시키는 양방향 DC/DC 컨버터(101)와, 2차 전지 DC/DC 컨버터(105)와, 태양전지에서 생산되는 출력전압을 380V 직류 전압으로 변환시키는 PV DC/DC 컨버터(104)와 380V 직류 전압으로 220V 교류전압으로 변경시키는 단상 인버터(102)로 구성된다.
마이크로그리드 시스템 2(MG2)와 마이크로그리드 시스템 3(MG3)은 마이크로그리드 시스템 1(MG1)과 동일하게 구성된다.
본 발명의 일시예에 따른 분산형 부하의 전력제어장치(120)는 에너지 제어 정보 수신을 위해서 이더넷(Ethernet) 기반의 통신선으로 연결된다.
분산형 부하의 전력제어장치(120)는 분산형 마이크로그리드에서 다음 4가지 모드의 전력제어 모드를 구현할 수 있다.
(1) Mode 1(부하모드): DC BUS으로부터 전력을 수전하는 모드(2차 전지 충전 및 부하 작동으로 DC BUS으로부터 전력을 수전하는 모드)
(2) Mode 2(독립모드): DC BUS과 분리되어 2차 전지 및 태양광으로부터 부하를 유지하는 모드(DC BUS과 독립되어 전력 수금이 없는 모드)
(3) Mode 3(발전모드): EMS에서 요구하는 발전량에 대응하는 모드(2차 전지, 태양광의 발전량이 부하량보다 많은 경우 발전하는 모드)
(4) Mode 4(비상발전모드): 비상시 수용가 부하를 고려하지 않고 DC BUS 보호를 위해서 발전하는 모드 등이다.
분산형 부하의 전력제어장치(120)은 분산형 부하를 대상으로 발전모드를 통해서 계통에 대한 안정성을 확대하는 것이 주목적이다. 따라서 분산형 부하 내 마이크로그리드(MG) 전력제어가 가능하고, 부하 프로슈머 제어장치(70)에서 지시하는 지령에 따라서 에너지 프르슈머를 운용할 수 있다.
도 5는 분산형 부하간 에너지 프로슈머(energy prosumer)를 나타낸다.
도 5는 도시된 바와 같이, 에너지 거래 시스템(에너지프로슈머, energy prosumer)은 신재생에너지 발전단지 구성 시 초과에너지(잉여전력) 및 부족에너지(부족전력) 발생에 대한 문제를 해결하기 위해 초과에너지가 발생한 발전시스템에서 부족에너지가 발생한 시스템으로 전력 거래를 할 수 있은 시스템이다.
피크부하 발생 또는 신재생 에너지 발전량 부족으로 인한 전력 부족으로 전력을 구매한다. 잉여전력이 발생한 곳에서 전력 판매를 통한 수익이 발생한다.
프로슈머 에이전트(prosumer agent)는 거래대상 전력중계를 통해서 차익금을 수수료 이익을 얻는다. 각각의 분산형 부하는 잉여전력을 판매하는 프로슈머가 될 수 있고, 부족한 전력을 구매하는 소비자가 될 수도 있다.
예를 들어, 분산형 부하 1은 프로슈머이고, 분산형 부하 2는 소비자가 되고, 반대로 분산형 부하 2는 소비자가 되고, 분산형 부하 1은 프로슈머가 된다.
신재생에너지를 이용한 하이브리드 형태의 마이크로그리드 시스템(MG)은 태양의 일사량이나 부하의 사용량에 따라 마이크로그리드 내에 잉여전력 및 부족전력이 발생한다. 마이크로그리드 시스템(MG)은 내에 잉여전력이 발생한 경우에는 특별한 부하요소가 없는 한 버려지는 에너지로 간주되어 시스템의 이용률을 저하시킬 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 에너지 프로슈머를 통해 남는 전기에너지를 판매함으로서 전기 생산자의 이득과 계통보다 싼 전기를 구매함으로서 소비자의 이득을 취함으로서 전체 시스템의 이용률을 개선할 수 있다.
즉, 마이크로그리드 1(MG1)에서 발전한 잉여전력을 마이그로그리드 2(MG2)에 판매할 수 있다. 그 반대로 마이그로그리드 2(MG2)에서 생산한 잉여전력을 마이크로그리드 1(MG1)에 판매할 수 있다.
에너지 프로슈머 시스템 구성 중 가장 핵심이 되는 시스템은 생산된 전력을 부하에 전달하는 PCS(Power Conversion System)이다. PCS의 신뢰성은 전체 시스템의 신뢰성 확보에 영향을 미친다. PCS는 전력변환장치(40), 컨버터 및 인버터를 말한다.
본 발명은 다수의 마이크로그리드 시스템(MG)에 저압직류배전(LVDC) 망을 연계하여 전력 손실을 저감시키는 것이 기술적 특징이다.
도 6은 본 발명에 의한 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템 도면이다.
본 발명은 장거리 에너지 전송을 위한 저압직류배전(LVDC)을 적용하고, 분산형 부하의 전력제어장치(120) 네트워크는 이더넷(Ethernet/ MODBUS) 통신선에 의하여 다수개의 마이크로그리드 시스템(MG)과 집중형 부하의 전력제어장치(60)와 부하 프로슈머 제어장치(70)에 연결된다.
마이크로그리드 시스템(MG)은 소형 주택이나 아파트와 분산형 부하에 연결된다. 마이크로그리드 1(MG1), 마이그로그리드 2(MG2)와 마이그로그리드 3(MG3)의 구성은 동일하다.
본 발명에 의하면, 신재생에너지 발전원(태양광발전)의 출력을 제어하여 수용가에 안정적이고 깨끗한 전력을 공급하고 발전원을 포함한 실시간 계통 최적제어를 통해 전체 시스템의 효율 증대할 수 있다.
도 7은 부하환경을 고려한 마이크로그리드 운영방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7에 도시된 마이크로그리드 운영방법은, 분산형 부하의 배터리(2차 전지) 잔량(SOC) 및 분산형 재생 에너지 발전량을 모니터링하는 단계; 분산형 부하 및 부하 요구량 점검 단계; 에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계에서 마이크로그리드 잉여전력이 없다고 판단되는 경우에는
AC BUS(80) 라인의 발전량 및 부하사용량, 충전·방전을 모니터링하는 단계;
집중형 부하(50) 및 부하 요구량 점검 단계; AC/DC Bus용 전력변환장치(40) 전력제어단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계로 마이크로그리드를 운영한다.
본 발명에 의하면, 상용 전력망이 없는 도서나 원격지에 전력을 최적으로 안정하게 공급할 수 있는 독립형 마이크로그리드는 기존의 디젤발전기로만 전력을 공급하는 대신 신재생에너지를 포함한 분산전원으로 전력을 공급할 수 있다.
수용가(전력 소비자)는 전기요금이 낮은 시간대에 에너지저장시스템을 충전하고 전기요금이 높은 시간대에 에너지저장시스템 방전을 통해 필요한 전력을 사용하는 방식으로 수용가의 에너지비용을 절감할 수 있게 된다.
특히 본 발명의 일 실시예에서는 순시적인 피크부하가 높은 경우 마이크로그리드 시스템의 설치비용이 증가하여 비경제적인 투자가 이루어 질 수 있어 마이크로그리드MG 간의 피크부하를 대응할 수 있는 에너지 프로슈머 기술을 제시한다.
이상과 같이, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 의해 본 발명의 기술사상 범위 내에서 청구범위를 수정 및 변형할 수 있다.
30: 대형 태양광발전소
40: 전력변환장치
50: 집중형 부하
60: 집중형 부하의 전력제어장치(PMS)
70: 부하 프로슈머 제어장치(P-EMS)
80: 교류 버스(AC BUS)
90: 직류 버스(DC BUS)
100: 소형 태양광발전소
101: DC/DC 컨버터
102: DC/AC 인버터
103: 분산형 부하
120: 분산형 부하의 전력제어장치(ADR)
MG1 : 마이크로그리드 시스템 1
MG2 : 마이크로그리드 시스템 2
MG3 : 마이크로그리드 시스템 3

Claims (6)

  1. 적어도 하나 이상의 분산전원과, 상기 분산전원의 전력을 직류로 변환하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치에 연결된 DC 전력부하를 포함하는 마이크그리드 시스템에 있어서,
    태양전지와, 2차 전지와, 태양전지로부터의 PV 출력전압을 기설정된 교류전압으로 변환시키는 PV DC/AC 인버터(31)와, 2차 전지로부터의 출력전압을 기설정된 교류전압으로 변환시키는 Battery DC/AC 인버터(32)로 구성되는 대형 태양광 발전소(30)와;
    상기 PV DC/AC 인버터(31)의 출력단과 Battery DC/AC 인버터(32)의 출력단이 공통으로 연결되는 AC Bus(41)와, 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 AC/DC 전력변환기(42)와, 마이크로그리드에 직류전압을 공급하는 DC Bus(43)로 구성되는 전력변환장치(40)와;
    태양전지와, 2차 전지와, 상기 DC Bus(43)에서 공급된 출력전압을 기설정된 직류전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터(101)와, 상기 DC/DC 컨버터(101)로부터 생성된 출력전압을 기설정된 교류전압으로 변환시키는 DC/AC 인버터(102)와, 상기 태양전지의 PV 출력전압을 기설정된 직류전압으로 변환시키는 태양전지 DC/DC 컨버터(104)와, 상기 2차 전지로부터 생성된 출력전압을 기설정된 직류전압으로 변환시키는 2차 전지 DC/DC 컨버터(105)와, 분산형 부하(103)를 포함하는 소형 태양광발전소(100)와; 상기 소형 태양광발전소(100)와 통신선으로 연결되는 분산형 부하 전력제어장치(120)를 포함하는 마이크로그리드 시스템을 구성하되,
    상기 AC Bus(41)에 교류전압이 입력되고, 교류전압을 AC/DC 전력변환기(42)에서 직류전압으로 변환시켜서 DC BUS(90)에 저압직류배전(LDVC)이 되도록 하고,
    상기 DC Bus(43)에서 DC BUS(90)로 공급된 직류전압이 마이크로그리드 1(MG1), 마이크로그리드 2(MG2), 마이크로그리드 3(MG3)에 배전되도록 하는 것을 특징으로 하는 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분산형 부하의 전력제어장치(120)는 다수개의 마이크로그리드 시스템(MG)과, 집중형 부하의 전력제어장치(60)와 부하 프로슈머 제어장치(70)가 이더넷(Ethernet) 또는 모드버스(MODBUS)와 같은 통신선으로 연결되고,
    상기 집중형 부하의 전력제어장치(60)는 대형 태양광 발전소(30)의 전력을 제어하고, 부하 프로슈머 제어장치(70)는 마이크로그리드 시스템(MG)의 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분산형 부하의 전력제어장치(120)는 분산형 마이크로그리드에서 DC BUS(90)로부터 전력을 수전하는 부하모드와, DC BUS(90)와 분리되어 2차 전지 및 태양광으로부터 부하를 유지한 독립모드와, EMS에서 요구하는 발전량에 대응하는 발전모드와, 비상시 수용가 부하를 고려하지 않고 DC BUS(90) 보호를 위해서 발전하는 비상발전모드 등 4가지 모드로 전력제어 모드를 구현하는 것을 특징으로 하는 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부하 프로슈머 제어장치(70)는 이더넷(Ethernet) 또는 모드버스(MODBUS) 통신으로 에너지 프로슈머 에이전트에 연결되고, 상기 에너지 프로슈머 에이전트는 전력거래회사와 전력을 거래하되,
    마이크로그리드에서 발전한 잉여전력을 전력이 부족한 다른 마이그로그드에 판매할 수 있고, 반대로 다른 마이그로그리드에서 발전한 잉여전력을 마이크로그리드로 양방향으로 판매할 수 있는 것을 특징으로 하는 부하환경을 고려한 마이크로그리드 시스템.
  5. 부하환경을 고려한 마이크로그리드 운영방법에 있어서,
    분산형 부하의 배터리 잔량 및 분산형 재생 에너지 발전량을 모니터링하는 단계; 분산형 부하 및 부하 요구량 점검 단계;
    에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드를 운영방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 에너지 프로슈머를 위한 잉여전력 분석하고 전력제어를 위한 지령치 전달 단계에서 마이크로그리드 잉여전력이 없다고 판단되는 경우에는
    AC BUS(80) 라인의 발전량 및 부하사용량, 충전·방전을 모니터링하는 단계;
    집중형 부하(50) 및 부하 요구량 점검 단계; AC/DC Bus용 전력변환장치(40) 전력제어단계; 분산형 부하의 전력제어시스템(ADR)에서 전력제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로그리드를 운영방법.
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