KR20210010753A - 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템은, 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전 모듈을 포함하는 태양광 발전부; 상기 태양광 발전부와 2차 전지 사이에 배치되고, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 DC 전압을 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 상기 2차 전지와 계통 사이에 배치되고, 상기 2차 전지로부터 출력되는 직류 전압을 상기 계통에서의 교류 전압과 동일한 주파수 및 레벨을 갖는 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터; 및 상기 태양광 발전부에 배치된 센서로부터 발전 전압 및 발전 전류를 수신하고, 상기 2차 전지로부터 2차 전지 충방전 전압 및 2차 전지 충방전 전류를 수신하고, 상기 계통 측으로부터 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 수신하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하기 위한 컨버터 제어 신호와, 상기 DC/AC 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 EMS를 포함하고, 상기 2차 전지는 상기 DC/DC 컨버터가 동작시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 DC 전압에 의해 충전되고, 상기 DC/AC 인버터가 동작시 상기 DC/AC 인버터를 통해 상기 계통에 교류 전압을 공급한다.

Description

직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템{HYBRID RENEWABLE ENERGY SYSTEM USING DC COMMON TYPE}
본 발명은 신재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전과 에너지 저장 장치를 함께 사용하는 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 ESS(Energy storage system)는 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 ESS란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신재생 에너지인 태양광 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 ESS의 중요성이 대두되고 있다. 만약 ESS가 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있다.
이러한 ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
그런데, 태양광 발전과 ESS를 설치하고 계통(grid)에 연계하는 경우, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 전력은 태양과 발전 모듈 -> 태양광 인버터 -> 변압기 -> PCS -> 배터리를 거쳐 충전된다.
구체적으로, 종래기술에 따른 태양광 연계형 ESS의 충방전 제어장치는 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부(100)와, 태양광 발전부(100)로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통(400)으로 방전하는 ESS(Energy storage system)(200)와, ESS(200)의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS(Power Management System)(300)를 포함하여 구성되고, 태양광 발전부(100)는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전모듈(110)과, 상기 각 태양광 발전모듈(110)을 결합하는 접속반(120)과, 태양광 발전모듈(110)로부터 생산된 DC 전력을 접속반(120)을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 태양광 인버터(130)와, 태양광 인버터(130)로부터 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기(140) 및 보호 계전기(150)를 포함하고, ESS(200)는 다수의 배터리(210)로 이루어지고 배터리(210)에 DC 전력을 AC 전력 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전과 충전하기 위한 PCS(220)와, 각 배터리(210)를 관리하는 BMS(Battery management system)(220)로 구성되고, PMS(300)는 태양광 발전부(100)의 태양광 발전전력(ys)과 ESS(200)의 ESS 충전전력(ye) 간의 오차전력(err)을 산출하는 오차전력 산출부(310)와, 오차전력 산출부(310)를 통해 산출된 오차전력을 전달받아 PI 제어를 통해 ESS(200)의 충전목표전력에 제어신호(Cout)를 출력하는 PI 제어부(320)와, ESS(200)의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량(soc)을 계산하여 ESS(200)의 충전 제어 신호(Run/Stop)를 출력하는 충전량 체크부(330)를 포함하여 이루어진다.
한편, 신재생 에너지에서의 효율 개선은 지속적으로 추구해야 할 주제인데 위와 같은 토폴로지에서는 태양광 인버터에서의 효율 저하, 변압기에서의 효율 저하, 그리고 PCS에서의 효율 저하가 발생하는 단점이 있다.
특허등록 10-1871237호 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치 특허등록 10-1811125호 피크컷 모드 운전이 가능한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 및 그 장치 특허등록 10-1602895호 전력 피크 관리가 가능한 분산 ESS 기반의 수요반응 서비스 시스템
본 발명은 태양광 발전 모듈과 ESS 사이에 DC/DC 컨버터만 배치함으로써 변환 효율을 극대화할 수 있는 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 부하 변동에 적응적으로 ESS를 발전함으로써 ESS의 사용 효율을 극대화할 수 있는 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템을 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템은, 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전 모듈을 포함하는 태양광 발전부; 상기 태양광 발전부와 2차 전지 사이에 배치되고, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 DC 전압을 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 상기 2차 전지와 계통 사이에 배치되고, 상기 2차 전지로부터 출력되는 직류 전압을 상기 계통에서의 교류 전압과 동일한 주파수 및 레벨을 갖는 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터; 및 상기 태양광 발전부에 배치된 센서로부터 발전 전압 및 발전 전류를 수신하고, 상기 2차 전지로부터 2차 전지 충방전 전압 및 2차 전지 충방전 전류를 수신하고, 상기 계통 측으로부터 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 수신하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하기 위한 컨버터 제어 신호와, 상기 DC/AC 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 EMS를 포함하고, 상기 2차 전지는 상기 DC/DC 컨버터가 동작시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 DC 전압에 의해 충전되고, 상기 DC/AC 인버터가 동작시 상기 DC/AC 인버터를 통해 상기 계통에 교류 전압을 공급한다.
또한, 상기 EMS는 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 태양광 발전 전압이 상기 2차 전지의 충전 가능 레벨을 초과하는지를 판단하고, 상기 태양광 발전 전압이 상기 2차 전지의 충전 가능 레벨을 초과하면, 상기 EMS는 상기 컨버터 제어 신호를 상기 DC/DC 컨버터에 출력하여 상기 2차 전지를 충전하고, 충전 시작 시각을 저장하고, 상기 EMS는 현재 시각이 17시를 넘었는지 판단하고, 현재 시각이 17시를 넘었다고 판단되면, 상기 EMS가 부하 전력 곡선에서 변곡점을 추정한다.
또한, 상기 EMS는 부하 전력 곡선에 변곡점이 존재하는 것으로 추정되면, 상기 2차 전지가 최대 발전으로 동작하도록 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력하고, 부하가 중간 전력점에 도달하였는지를 판단하고, 상기 중간 전력점에 도달하였다면, 상기 2차 전지로부터 상기 계통에 부하의 크기에 대응한 전력이 공급되도록 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력한다.
또한, 상기 EMS는 현재 시각이 24시를 초과하는지를 판단하고, 현재 시각이 24시를 넘어서면, 상기 2차 전지의 전력량을 충전 시작 시각으로 제산하고, 기저 발전 전력용 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력하여 상기 2차 전지가 기저 발전 전력을 상기 계통에 공급하게 한다.
또한, 상기 EMS는, 상기 계통 측으로부터 수신되는 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 상기 부하 전력 곡선에서 변곡점을 추정하는 변곡점 추정부; 및 상기 기존 부하 전력 데이터에서의 최대 부하 전력과 상기 변곡점 추정부에서 추정된 변곡점 전력을 이용하여 중간 전력점을 계산하는 중간 전력점 계산부를 포함한다.
또한, 상기 변곡점 추정부는, 상기 데이터 저장부에 저장된 부하 전력 데이터를 독출하고, 상기 부하 전력 데이터에 대하여 2차원의 부하 전력 데이터 프로필을 생성하며, 상기 부하 전력 데이터 프로필에 대하여 가우시안 평활화를 수행하여 변곡점을 추출하고, 추출한 변곡점을 이용하여 제로 크로스 포인트를 추출하고, 추출된 제로 크로스 포인트 중 양에서 음으로 변하는 점들을 추출하고, 복수의 제로 크로스 포인트 중 최대 변경점을 변곡점으로 선정한다.
본 발명의 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템에 따르면, 태양광 발전 모듈과 ESS 사이에 DC/DC 컨버터만 배치함으로써 변환 효율을 극대화할 수 있고, 부하 변동에 적응적으로 ESS를 발전함으로써 ESS의 사용 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 태양광 연계형 ESS의 충방전 제어장치의 전체 블록 구성도,
도 2는 ESS 적용시 연도별 시간대별 부하 증감을 나타낸 도표,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 전체 블록 구성도,
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 주간 에너지 흐름도,
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 야간 에너지 흐름도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 충방전 흐름도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 EMS 내부 블록도, 및
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 변곡점 추정 순서도이다.
본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명은 근래들어 태양광 발전 용량이 증가하는 데에 비해 ESS 설비 용량이 비례하여 증가하지 않음으로 인해 발생하는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다.
도 2는 ESS 적용시 연도별 시간대별 부하 전력 곡선을 나타낸 도표이다. 태양광 발전 용량이 증가하면서 주간(5 ~ 19시)에는 해마다 부하량이 급격히 감소하는 추세를 보인다. 그러다가 일몰시각이 지나 22시가 될 때까지는 부하량이 최대치를 보인다. 22시이후 자정까지 부하량이 줄기는 하지만, 여전히 감당해야 하는 부하가 상당 수준이고, 24시 이후 새벽 5시까지는 부하량이 낮은 상태를 유지한다.
따라서 본 발명은 태양광 발전과 ESS가 함께 설치된 하이브리드 시스템에 적용되는 것으로, 주간에 태양광 발전 용량을 ESS에 온전히 충전하였다가 ESS를 야간 발전에 이용하게 하는 기술이다. 한편 본 발명에 따르면, 태양광 발전부와 ESS 사이에 DC/DC 컨버터만 배치하여 발전 효율을 극대화하는 토폴로지를 제시하고자 한다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 전체 블록 구성도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템은, 태양광 발전부(311), DC/DC 컨버터(313), 2차 전지(315), DC/AC 인버터(317), 계통(319), 및 EMS(321)를 포함한다.
태양광 발전부(311)는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전 모듈을 포함한다.
DC/DC 컨버터(313)는 태양광 발전부(311)과 2차 전지(315) 사이에 배치되고, 태양광 발전부(311)로부터 출력되는 DC 전압을 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력한다.
DC/AC 인버터(317)는 2차 전지(315)와 계통(319) 사이에 배치되고, 직류 전압을 계통(319)에서의 교류 전압과 동일한 주파수 및 레벨을 갖는 교류 전압으로 변환한다.
2차 전지(315)는 DC/DC 컨버터(313)가 동작시 DC/DC 컨버터(313)로부터 출력되는 DC 전압에 충전되고, 계통(319)과의 사이에 배치되는 DC/AC 인버터(317)가 동작시 DC/AC 인버터(317)를 통해 계통(319)에 교류 전압을 공급한다.
EMS(321)는 태양광 발전부(311)에 배치된 센서로부터 발전 전압 및 발전 전류를 수신하고, 2차 전지(315)로부터 2차 전지 충방전 전압 및 2차 전지 충방전 전류를 수신하고, 계통(319) 측으로부터 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 데이터를 수신하여 DC/DC 컨버터(313)를 제어하기 위한 컨버터 제어 신호(Scon)와, DC/AC 인버터(317)를 제어하기 위한 인버터 제어 신호(Sinv)를 생성하여 출력한다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 주간 에너지 흐름도로서, 태양광 발전부(311)가 발전하는 DC 전압을 DC/DC 컨버터(313)가 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 2차 전지(315)에 충전한다.
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템의 야간 에너지 흐름도로서, 2차 전지(315)에 충전된 DC 전압을 DC/AC 인버터(317)가 상용 교류 전압으로 변환하여 계통(319)에 공급한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ESS 충방전 흐름도로서, 하절기를 예로 든 것이다.
EMS(321)는 태양광 발전부(311)로부터 출력되는 태양광 발전 전압이 ESS의 2차 전지(315)를 충전할만한 레벨을 초과하는지를 판단한다(S411).
태양광 발전 전압이 ESS의 2차 전지(315)를 충전할만한 레벨을 초과하면, EMS(321)는 컨버터 제어 신호(Scon)를 DC/DC 컨버터(313)에 출력하고, DC/DC 컨버터(313)는 태양광 발전부(311)로부터 출력되는 DC 전압을 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력함으로써 2차 전지(315)를 충전한다(S413). 아울러 EMS(321)는 충전 시작 시각을 저장한다.
EMS(321)는 현재 시각이 17시를 넘었는지를 판단하고(S415), 현재 시각이 17시를 넘었으면, 부하 전력 곡선에서 변곡점을 추정한다(S417).
부하 전력 곡선에 변곡점이 존재하는 것으로 추정되면, ESS의 2차 전지(315)가 최대 발전으로 동작하도록 인버터 제어 신호(Sinv)를 DC/AC 인버터(317)에 출력한다(S419).
EMS(321)는 부하 전력 곡선에서 부하가 중간 전력점(Pmed)에 도달하였는지를 판단하고(S421), 중간 전력점(Pmed)에 도달하였다면, 2차 전지(315)로부터 계통(319)에 부하의 크기에 대응한 전력이 공급되도록 인버터 제어 신호(Sinv)를 DC/AC 인버터(317)에 출력한다(S423).
EMS(321)는 현재 시각이 24시를 초과하는지를 판단하고(S425), 현재 시각이 24시를 넘어서면, 2차 전지(315)의 전력량(Wbat)을 충전 시작 시각으로 제산하고, 기저 발전 전력용 인버터 제어 신호를 DC/AC 인버터(317)에 출력하여 ESS가 기저 발전 전력(Pbat=Wbat/충전시작시각)을 계통(319)에 공급하게 한다(S427).
한편, 도 2에 도시된 연도별 시간대별 부하 전력 곡선을 살펴보면, 19시를 전후로 부하량이 급격히 증가하는 경향을 보이기는 하나, 부하 전력 곡선에서의 변곡점이 발생하는 시각이 매년 앞당겨지고, 짧은 시간 동안 복수의 변곡점이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 발명에서는 가우시안 평활화 기법을 이용하여 변곡점을 추정함으로써 야간 발전 제어의 정밀도를 제고하고자 하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 EMS 내부 블록도로서, EMS(321)는 중앙처리부(511), 인터페이스(513), 데이터 저장부(515), 변곡점 추정부(517), 및 중간전력점 계산부(519)를 포함한다.
데이터 저장부(515)는 계통(319) 측으로부터 수신되는 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 저장한다.
변곡점 추정부(517)는 기존 부하 전력 데이터에서 변곡점을 추정하는바, 도 6에서 구체적으로 설명하기로 한다.
중간전력점 계산부(519)는 기존 부하 전력 데이터에서의 최대 부하 전력과 변곡점 추정부에서 추정된 변곡점 전력을 이용하여 수학식 1에 따라 중간 전력점(Pmed)을 계산한다.
Figure pat00001
여기서, Ppeak는 최대 부하 전력, Pinf는 변곡점 전력으로 최대 발전 시작 전력이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 변곡점 추정 순서도이다.
데이터 저장부(515)에 저장된 부하 전력 데이터를 독출하고(S611), 부하 전력 데이터에 대하여 2차원 프로필을 생성하며(S613), 부하 전력 데이터 프로필에 대하여 가우시안 평활화를 수행하여(S615), 변곡점을 추출한다(S617).
일반적으로 부하 곡선은 복수개의 변곡점이 발생할 수 있다.
가우시안 평활화 기법은 복수개의 변곡점에서 작은 변화들을 무시하여 부하 전력 데이터 프로필의 큰 윤곽만을 이용할 수 있도록 하는 방법이다. 가우시안 평활화의 경우 표준편차 시그마(
Figure pat00002
)의 값을 달리 줄 수 있다. 시그마의 값이 커질수록 평활화의 효과는 더욱 커져서 변곡점의 개수를 줄일 수 있다. 이때 가우시안 평활화를 위한 가우시안 가중치 수식은 수학식 2와 같다.
Figure pat00003
수학식 1의 가우시안 가중치와 부하 전력 데이터를 직접 컨볼루션 연산으로 승산하는바, 이는 부하 전력 데이터에 가우시안 가중치를 곱하면 평활화되는 원리를 이용한 것이다. 이에 따라 구해지는 변곡점(Pin: inflection point)은 수학식 3과 같다.
Figure pat00004
수학식 2에서 x', y', x'', y''는 각각 부하 전력 데이터와 가우시안 가중치의 일차 및 이차 미분결과값이다.
이후, 추출한 변곡점을 이용하여 제로 크로스 포인트를 추출한다. 즉, 단계 S617에서 추출한 변곡점 Pin의 값을 이용하여 변곡점의 기울기에 대하여 제로 크로스 포인트를 추출해낸다. 여기서 제로 크로스 포인트란 변곡점의 기울기가 양에서 음으로 또는 음에서 양으로 변경되는 지점을 말한다.
이후, 제로 크로스 포인트 중 양에서 음으로 변하는 점들을 추출한다(S619). 즉, 부하 전력 곡선의 기울기가 증가하다가 감소하는 지점들을 추출한다.
이후, 복수의 제로 크로스 포인트 중 최대 변경점을 변곡점으로 선정하고, 최대 발전을 시작하도록 제어한다(S621).
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
311: 태양광 발전부
313: DC/DC 컨버터
315: 2차 전지
317: DC/AC 인버터
319: 계통
321: EMS

Claims (7)

  1. 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전 모듈을 포함하는 태양광 발전부;
    상기 태양광 발전부와 2차 전지 사이에 배치되고, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 DC 전압을 소정 레벨의 DC 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 2차 전지와 계통 사이에 배치되고, 상기 2차 전지로부터 출력되는 직류 전압을 상기 계통에서의 교류 전압과 동일한 주파수 및 레벨을 갖는 교류 전압으로 변환하는 DC/AC 인버터; 및
    상기 태양광 발전부에 배치된 센서로부터 발전 전압 및 발전 전류를 수신하고, 상기 2차 전지로부터 2차 전지 충방전 전압 및 2차 전지 충방전 전류를 수신하고, 상기 계통 측으로부터 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 수신하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하기 위한 컨버터 제어 신호와, 상기 DC/AC 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 EMS를 포함하고,
    상기 2차 전지는 상기 DC/DC 컨버터가 동작시 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 DC 전압에 의해 충전되고, 상기 DC/AC 인버터가 동작시 상기 DC/AC 인버터를 통해 상기 계통에 교류 전압을 공급하는
    직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 EMS는 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 태양광 발전 전압이 상기 2차 전지의 충전 가능 레벨을 초과하는지를 판단하고, 상기 태양광 발전 전압이 상기 2차 전지의 충전 가능 레벨을 초과하면, 상기 EMS는 상기 컨버터 제어 신호를 상기 DC/DC 컨버터에 출력하여 상기 2차 전지를 충전하고, 충전 시작 시각을 저장하고, 상기 EMS는 현재 시각이 17시를 넘었는지 판단하고, 현재 시각이 17시를 넘었다고 판단되면, 상기 EMS가 부하 전력 곡선에서 변곡점을 추정하는 것을 특징으로 하는
    직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 EMS는
    부하 전력 곡선에 변곡점이 존재하는 것으로 추정되면, 상기 2차 전지가 최대 발전으로 동작하도록 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력하고, 부하가 중간 전력점에 도달하였는지를 판단하고, 상기 중간 전력점에 도달하였다면, 상기 2차 전지로부터 상기 계통에 부하의 크기에 대응한 전력이 공급되도록 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력하는 기능을 더 포함하는
    직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 EMS는
    현재 시각이 24시를 초과하는지를 판단하고, 현재 시각이 24시를 넘어서면, 상기 2차 전지의 전력량을 충전 시작 시각으로 제산하고, 기저 발전 전력용 인버터 제어 신호를 상기 DC/AC 인버터에 출력하여 상기 2차 전지가 기저 발전 전력을 상기 계통에 공급하게 하는 기능을 더 포함하는
    직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 EMS는,
    상기 계통 측으로부터 수신되는 소정 구간, 소정 지역 단위의 기존 부하 전력 데이터를 저장하는 데이터 저장부;
    상기 부하 전력 곡선에서 변곡점을 추정하는 변곡점 추정부; 및
    상기 기존 부하 전력 데이터에서의 최대 부하 전력과 상기 변곡점 추정부에서 추정된 변곡점 전력을 이용하여 중간 전력점을 계산하는 중간 전력점 계산부
    를 포함하는 직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중간 전력점 추정부는 아래의 수학식에 따라 중간 전력점을 계산하는
    직류 공통 방식을 이용한 하이브리드 신재생 에너지 시스템.
    Figure pat00005

    여기서, Ppeak는 최대 부하 전력, Pinf는 변곡점 전력으로 최대 발전 시작 전력임.
  7. 제5항에 있어서, 상기 변곡점 추정부는
    상기 데이터 저장부에 저장된 부하 전력 데이터를 독출하고, 상기 부하 전력 데이터에 대하여 2차원의 부하 전력 데이터 프로필을 생성하며, 상기 부하 전력 데이터 프로필에 대하여 가우시안 평활화를 수행하여 변곡점을 추출하고, 추출한 변곡점을 이용하여 제로 크로스 포인트를 추출하고, 추출된 제로 크로스 포인트 중 양에서 음으로 변하는 점들을 추출하고, 복수의 제로 크로스 포인트 중 최대 변경점을 변곡점으로 선정하는 것을 특징으로 하는
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150128453A (ko) * 2014-05-09 2015-11-18 주식회사 루젠 태양광 발전을 이용한 배터리 에너지 저장시스템
KR101602895B1 (ko) 2015-07-15 2016-03-14 주식회사 우암코퍼레이션 전력 피크 관리가 가능한 분산 ess 기반의 수요반응 서비스 시스템
KR101811125B1 (ko) 2016-03-18 2017-12-20 두산중공업 주식회사 피크컷 모드 운전이 가능한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 및 그 장치
KR101871237B1 (ko) 2018-02-26 2018-06-27 주식회사 케이디티 태양광 연계형 ess의 충방전 밸런싱 제어장치
KR20190053499A (ko) * 2017-11-10 2019-05-20 주식회사 야베스 태양광 발전 연계 전력 공급 시스템
KR101988485B1 (ko) * 2018-12-21 2019-06-12 (주)대현엔지니어링 태양광발전과 에너지저장장치의 지능적 연계를 위한 pms 기반의 능동형 수배전반

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150128453A (ko) * 2014-05-09 2015-11-18 주식회사 루젠 태양광 발전을 이용한 배터리 에너지 저장시스템
KR101602895B1 (ko) 2015-07-15 2016-03-14 주식회사 우암코퍼레이션 전력 피크 관리가 가능한 분산 ess 기반의 수요반응 서비스 시스템
KR101811125B1 (ko) 2016-03-18 2017-12-20 두산중공업 주식회사 피크컷 모드 운전이 가능한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 및 그 장치
KR20190053499A (ko) * 2017-11-10 2019-05-20 주식회사 야베스 태양광 발전 연계 전력 공급 시스템
KR101871237B1 (ko) 2018-02-26 2018-06-27 주식회사 케이디티 태양광 연계형 ess의 충방전 밸런싱 제어장치
KR101988485B1 (ko) * 2018-12-21 2019-06-12 (주)대현엔지니어링 태양광발전과 에너지저장장치의 지능적 연계를 위한 pms 기반의 능동형 수배전반

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