KR20210055283A - 분산전원의 계통 유지 및 분산 운영 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로그리드 시스템을 구성하는 분산전원에 설치되는 계통 연계형 인버터에 관한 것으로, 상기 마이크로그리드 시스템의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 기준 전압 생성부; 및 상기 분산전원의 직류 전원을 상기 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원으로 변환하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 인버터부를 포함한다.
Description
본 발명은 차세대 마이크로그리드 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로그리드의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통 유지 및 분산 운영 제어 방법에 관한 것이다.
마이크로그리드는 태양광, 풍력 등의 신재생전원 기반 분산전원과 전력 부하가 공통의 선로에 연결되어 운영되는 소규모 저압 전력망이며, 계통과 연계 또는 독립적으로 운전이 가능하다. 마이크로그리드는 자연재해와 재난으로 인하여 정전이 발생할 시 빠른 복구와 지속적인 전력공급을 위한 시스템의 복원력(Resiliency)과 생존가능성(Survivability) 기능이 요구되고 있으며, 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 기존의 마이크로그리드 시스템(10)은 평상 시 상위 전력계통과 연계되는 연계운전 모드로 동작한다. 상기 마이크로그리드 시스템(10)은 중앙 에너지관리시스템(11)을 통하여 분산전원(12, 13)과 부하(15)를 관리하며, 인버터 기반 분산전원(12, 13)은 전력변환장치를 통하여 전류원(Grid feeding) 형태로 전력계통에 공급되며, 출력전력의 최대화를 목적으로 운전한다.
한편, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상위 전력계통에 문제가 발생한 경우, 기존의 마이크로그리드 시스템(10)은 상기 상위 전력계통과 분리되는 독립운전 모드로 동작한다. 이 경우, 마이크로그리드 시스템(10)은 독립운전을 위해 전류원(Grid feeding) 기준 제어 방식에서 전압원 기준(Grid forming) 제어 방식으로 변경된다.
마이크로그리드 시스템(10)의 안정적인 독립운전을 위해서는 해당 시스템의 전압과 주파수의 기준이 되는 동기발전기(14) 또는 CVCF(constant voltage constant frequency) 인버터를 포함하는 에너지 저장장치(13)를 사용하여야 한다. 또한, 전류원 형태로 연계되는 인버터 기반 분산전원(12, 13)은 동기발전기(14)의 회전 관성 또는 감쇠 특성을 가지고 있지 않아 인버터 기반 분산전원의 용량이 증가할수록 시스템의 관성이 작아지게 되며, 동적 응답 성능 및 내/외부 사고에 대한 시스템의 안정성이 취약해질 수 있다.
아울러, 종래의 에너지관리시스템(11)은 중앙집중형 제어 방식으로 분산전원(12, 13)과 부하(15) 등의 구성요소들로부터 입출력 상태를 고속 통신을 통하여 모니터링하고 수집한 정보를 기반으로 구성 요소들의 운전상태를 결정하므로 통신 시스템 의존도가 크고, 추가 구성 요소의 확장 및 변경, 유지보수가 어려운 문제가 있다. 또한, 에너지관리시스템(11)에 의한 중앙집중형 제어방식은 해당 시스템(11)의 강력한 연산 능력을 필요로 하며, 단일 고장 및 정보 보안에 취약하다는 문제가 있다.
이와 같이, 종래의 마이크로그리드 시스템(10)에서는, 독립운전 모드 시, 동기발전기(14), CVCF 인버터를 포함하는 에너지 저장장치(13), 및 에너지관리시스템(11) 중 적어도 하나가 고장 나는 경우, 해당 시스템(10)을 정상적으로 운전할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 마이크로그리드의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통 유지 제어 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 마이크로그리드의 복원력 향상을 위한 분산전원의 분산 운영 제어 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로그리드 시스템을 구성하는 분산전원에 설치되는 계통 연계형 인버터에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 기준 전압 생성부; 및 상기 분산전원의 직류 전원을 상기 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원으로 변환하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 계통 연계형 인버터는 동기기의 관성 및 과도 응답 특성을 가상으로 구현하여 마이크로그리드 시스템의 계통 선로에 제공하는 가상 관성 생성부를 더 포함할 수 있다. 상기 가상 관성 생성부는 가상 동기 머신(Virtual Synchronous Machine)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 계통 연계형 인버터는 미리 결정된 계통유지 제어 알고리즘을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로그리드 시스템을 구성하는 분산전원에 설치되는 계통 연계형 인버터에 있어서, 계통 선로에 연계된 인접 분산전원들과의 기기 간 통신을 통해 상기 마이크로그리드 시스템의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 결정하는 분산운영 제어부; 및 상기 분산운영 제어부를 통해 결정된 운전점에 기초하여, 상기 분산전원에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 분산운영 제어부는 상기 기기 간 통신을 통해 상기 분산전원의 로컬 정보를 상기 인접 분산전원들에게 전송하는 로컬정보 제공부; 상기 기기 간 통신을 통해 상기 인접 분산전원들의 이웃 정보를 수집하는 이웃정보 수집부; 및 상기 로컬 정보 및 이웃 정보를 기반으로 상기 분산전원의 운전점을 결정하는 운전점 결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 마이크로그리드 시스템의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통유지 제어 방법에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 단계; 상기 분산전원의 직류 전원을 상기 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원으로 변환하는 단계; 상기 변환된 교류 전원을 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 단계를 포함하는 분산전원의 계통유지 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 마이크로그리드 시스템의 복원력 향상을 위한 분산전원의 분산운영 제어 방법에 있어서, 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로에 연계된 인접 분산전원들과의 기기 간 통신을 통해 해당 시스템의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 결정하는 단계; 상기 결정된 운전점에 기초하여, 상기 분산전원에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 교류 전원을 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 단계를 포함하는 분산전원의 분산운영 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 분산전원의 계통 유지 및 분산 운영 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 독립운전 모드에서 단일 전압 제어 기반의 분산전원에 의존하지 않고 다수의 전압 제어 기반의 분산전원을 이용하여 마이크로그리드 시스템의 기준 전압 및 주파수를 제어하는 구조를 구비함으로써, 해당 시스템의 안정적인 독립운전과 연계운전 및 내/외부 사고에 적응적으로 대응할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 분산전원들 간의 통신을 통한 분산 운영 제어 알고리즘을 적용하여 중앙집중형 제어방식에 따른 단일 고장 및 정보 보안에 대한 취약성과 통신 시스템 의존도, 시스템의 확장 및 변경 등의 문제점을 해결하여 마이크로그리드 시스템의 복원력(resiliency) 및 생존 가능성(Survivability)을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 분산전원의 계통 유지 및 분산 운영 제어 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 도 2의 에너지 저장장치에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 계통유지 제어부의 일 구성을 나타내는 도면;
도 5는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 분산운영 제어부의 일 구성을 나타내는 도면;
도 6은 도 2의 재생 전원에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 도 2의 에너지 저장장치에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 계통유지 제어부의 일 구성을 나타내는 도면;
도 5는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 분산운영 제어부의 일 구성을 나타내는 도면;
도 6은 도 2의 재생 전원에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 즉, 본 발명에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 마이크로그리드의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통 유지 제어 방법 및 그 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 마이크로그리드의 복원력 향상을 위한 분산전원의 분산 운영 제어 방법 및 그 장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 에너지관리시스템(110), 재생전원(120), 에너지 저장장치(130), 동기 발전기(140), 부하(150), 계통 선로(160), 계통 연계점(170) 및 통신선(180)을 포함한다. 여기서, 상기 에너지관리시스템(110)은 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.
마이크로그리드 시스템(100)은 재생전원(120), 에너지 저장장치(130), 동기 발전기(140) 및 부하(150)가 계통 선로(160)에 연결되어 운영되는 소규모 전력망으로서, 계통 연계점(170)을 통해 상위 전력계통(50)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 전력 수급 상태에 따라 상위 전력계통(50)으로부터 전력을 공급받거나 혹은 상위 전력계통(50)으로 전력을 공급할 수 있다.
마이크로그리드 시스템(100)은, 연계운전 모드 시, 종래의 전류 제어 기반(Grid feeding) 대신 전압 제어 기반(Grid forming)의 분산전원을 상위 전력계통(50)에 연계할 수 있다.
이러한 마이크로그리드 시스템(100)에서, 자연재해나 재난 등으로 인해 상위 전력계통(50)에 정전이 발생한 경우, 해당 시스템(100)은 상기 상위 전력계통(50)으로부터 분리됨과 동시에, 연계운전 모드에서 독립운전 모드로 전환할 수 있다. 이때, 상기 마이크로그리드 시스템(100)은, 종래의 마이크로그리드 시스템과 달리, 분산전원의 제어 방식을 변경할 필요가 없다.
마이크로그리드 시스템(100)은, 독립운전 모드 시, 종래의 단일 전압 기준(single grid forming) 전원이 아닌 다수의 전압 기준(multiple grid forming) 전원을 이용하여 해당 시스템(100)의 안정적인 독립운전을 위한 계통 전압 및 주파수를 제어할 수 있다.
에너지관리시스템(Energy Management System, EMS, 110)은 마이크로그리드 시스템(100)을 구성하는 복수의 분산전원들(120~140)과 통신선(미도시)으로 연결되어 상기 분산전원들(120~140)의 동작 상태를 모니터링하거나 혹은 상기 분산전원들(120~140)의 동작을 원격으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 에너지관리시스템(EMS, 110)은 재생전원(120), 에너지 저장장치(130) 및 동기 발전기(140)의 동작을 실시간으로 감시 및 원격 제어함으로써, 전력계통을 안정화하고 마이크로그리드 시스템(100)을 효율적으로 운영할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS, 110)은 계통 연계점(170)과 통신선(미도시)으로 연결되어 마이크로그리드 시스템(100)과 상위 전력계통(50) 간의 연계 지점에 관한 정보를 실시간으로 획득할 수 있다. 상기 연계 지점에 관한 정보로는 전압 변동 정보, 전압/전류 파형 정보, 전압 불평형 정보, 전압 위상 정보, 역률 정보, 주파수 정보 등이 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
재생전원(120)은 태양광 발전, 풍력 발전 및 조력 발전 등과 같은 신 재생 전원을 포함한다. 상기 재생전원(120)을 통해 생산된 전력은 해당 시스템(100)의 계통 선로(160)를 통해 에너지 저장장치(130)에 저장되거나 혹은 부하(150)로 공급될 수 있다.
재생전원(120)은, 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령에 따라, 소정의 전력량을 발전하여 계통 선로(160)로 제공할 수 있다. 또한, 상기 재생전원(120)은, 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령과 관계없이, 인접 분산전원들(120~140)과의 데이터 통신을 통해 마이크로그리드 시스템(100)의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 스스로 결정하고, 이를 기초로 전력을 생산할 수 있다.
각각의 재생전원(120)은 에너지관리시스템(EMS, 110)뿐만 아니라, 인접 분산전원들(120~140)과 통신선(180)으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 각각의 재생전원(120)은 인접 분산전원들(120~140)과 기기간 통신을 수행할 수 있다.
또한, 각각의 재생전원(120)은 DC/AC 전력 변환을 위한 계통 연계형 인버터(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 계통 연계형 인버터는 마이크로그리드 시스템(100)의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통 유지 및 분산 운영 제어 기능을 적응적으로 수행할 수 있다.
에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS, 130)는 전력을 저장하고 필요할 때 사용 가능하도록 하는 모든 장치를 의미한다. 이러한 에너지 저장장치(ESS, 130)는 태양광 발전 시스템 또는 풍력 발전 시스템 등과 같은 신 재생에너지원을 통해 생산되는 불규칙적인 전력을 안정화시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장장치(ESS, 130)는 전력 사용 피크(peak) 시간대가 아닌 시간대에 전력을 저장하고, 전력 사용 피크 시간대에 상기 저장된 전력을 사용함으로써 고가의 피크 전력 수요를 최소화시키는 기능을 수행할 수 있다.
에너지 저장장치(ESS, 130)는, 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령에 따라, 계통 선로(160)로부터 전력을 공급받아 충전할 수 있고, 내부에 저장된 전력을 계통 선로(160)로 제공하여 방전할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장장치(ESS, 130)는, 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령과 관계없이, 인접 분산전원들(120~140)과의 데이터 통신을 통해 마이크로그리드 시스템(100)의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 스스로 결정하고, 이에 기초하여 충/방전 동작을 수행할 수 있다.
각각의 에너지 저장장치(130)는 에너지관리시스템(EMS, 110)뿐만 아니라, 인접 분산전원들(120~140)과 통신선(180)으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 각각의 에너지 저장장치(130)는 인접 분산전원들(120~140)과 기기간 통신을 수행할 수 있다.
또한, 각각의 에너지 저장장치(ESS, 130)는 DC/AC 전력 변환을 위한 계통 연계형 인버터(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 계통 연계형 인버터는 마이크로그리드 시스템(100)의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통 유지 제어 및 분산 운영 제어 기능을 수행할 수 있다.
동기 발전기(140)는, 일종의 디젤 발전기로서, 디젤 연료를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 마찬가지로, 상기 동기 발전기(140)를 통해 생산된 전력은 마이크로그리드 시스템(100)의 계통 선로(160)를 통해 에너지 저장장치(130)에 저장되거나 혹은 부하(150)로 공급될 수 있다.
동기 발전기(140)는 에너지관리시스템(EMS, 110)뿐만 아니라 인접 분산전원들(120~140)과 통신선(180)으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 동기 발전기(140)는 인접 분산전원들(120, 130)과 기기간 통신을 수행할 수 있다.
부하(150)는, 마이크로그리드 시스템(100)의 수용가에 위치하는 부하로서, 해당 시스템(100)의 분산전원들(120~140)에서 출력하는 전력을 소비하는 모든 전자기기일 수 있다. 또한, 상기 부하(150)는 상위 전력계통(50)으로부터 공급 받은 전력을 소비하는 모든 전자기기일 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은, 독립운전 모드에서 단일 전압 제어 기반의 분산전원에 의존하지 않고 다수의 전압 제어 기반의 분산전원을 이용하여 해당 시스템(100)의 기준 전압 및 주파수를 제어하는 구조를 구비함으로써, 해당 시스템(100)의 안정적인 독립운전과 연계운전 및 내/외부 사고에 적응적으로 대응할 수 있다. 또한, 상기 마이크로그리드 시스템(100)은 분산전원들 간의 통신을 통한 분산 운영 제어 알고리즘을 적용하여 중앙집중형 제어방식에 따른 단일 고장 및 정보 보안에 대한 취약성과 통신 시스템 의존도, 시스템의 확장 및 변경 등의 문제점을 해결하여 해당 시스템(100)의 복원력(resiliency) 및 생존 가능성(Survivability)을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 에너지 저장장치에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 계통유지 제어부의 일 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3의 계통 연계형 인버터에 포함되는 분산운영 제어부의 일 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)는 에너지를 저장하기 위한 배터리(300)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하기 위한 계통 연계형 인버터(400)를 포함한다.
배터리(또는 축전지, 300)는 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령 등에 따라 에너지를 충/방전하는 동작을 수행할 수 있다. 상기 배터리(300)로는 납축전지(Lead Acid Battery), 리튬이온전지, NaS 전지, 레독스플로(Redox-Flow) 전지 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
계통 연계형 인버터(또는 전력 변환 장치, 400)는, 배터리(300)와 계통 선로(160) 사이에 배치되어, 상기 배터리(300)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통 선로(160)로 제공하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 계통 연계형 인버터(400)는 인버터부(미도시), 계통유지 제어부(410) 및 분산운영 제어부(420)를 포함할 수 있다.
인버터부는 배터리(300)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 동작을 수행한다.
계통유지 제어부(410)는 미리 결정된 계통유지 제어 알고리즘을 수행하여 마이크로그리드 시스템(100)의 복원력(resiliency) 및 생존 가능성(Survivability)을 향상시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 계통유지 제어부(410)는 기준 전압 생성부(411) 및 가상 관성 생성부(413)를 포함할 수 있다.
한편, 설명의 편의상, 상기 기준 전압 생성부(411) 및 가상 관성 생성부(413)가 독립적으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 기준 전압 생성부(411) 및 가상 관성 생성부(413)가 하나의 모듈 형태로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
기준 전압 생성부(411)는 마이크로그리드 시스템(100)의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 인버터부는 해당 기준 전압 생성부(411)를 통해 생성된 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원을 계통 선로(160) 방향으로 출력하게 된다.
기준 전압 생성부(411)는, 배터리(300)의 용량에 관계없이, 일정한 기준 전압 및 주파수를 생성할 수 있다. 이러한 기준 전압 생성부(411)를 마이크로그리드 시스템(100)을 구성하는 모든 분산전원들의 계통 연계형 인버터에 설치함으로써, 해당 시스템(100) 내에 다수의 전압 기준(multiple grid forming) 전원을 구현할 수 있고, 이를 통해 해당 시스템(100)의 계통을 안정적으로 유지할 수 있다.
한편, 동기 발전기와 비교하여, 인버터 기반의 분산전원은 동기 발전기의 회전자와 마찰력, 댐퍼 권선이 제공하는 회전 관성 또는 감쇠 특성을 가지고 있지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 가상 관성 생성부(413)는 동기기의 관성 및 과도 응답 특성을 가상으로 구현하여 마이크로그리드 시스템(100)에 제공할 수 있다. 상기 가상 관성 생성부(413)는 마이크로그리드 시스템(100)의 안정적인 독립운전과 연계운전, 내/외부 사고, 부하 변동 및 출력 변동 등에 따라 발생하는 계통 과도 상태에 적응적으로 대응할 수 있다. 일 예로, 상기 가상 관성 생성부(413)는 가상 동기 머신(Virtual Synchronous Machine, VSM)을 통해 구현될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
분산운영 제어부(420)는 미리 결정된 분산운영 제어 알고리즘을 수행하여 마이크로그리드 시스템(100)의 복원력(resiliency) 및 생존 가능성(Survivability)을 향상시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 분산운영 제어부(420)는 로컬정보 제공부(421), 이웃정보 수집부(423) 및 운전점 결정부(425)를 포함할 수 있다.
한편, 설명의 편의상, 상기 로컬정보 제공부(421), 이웃정보 수집부(423) 및 운전점 결정부(425)가 독립적으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 로컬정보 제공부(421), 이웃정보 수집부(423) 및 운전점 결정부(425)가 하나의 모듈 형태로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
로컬정보 제공부(421)는 기기 간 통신을 통해 에너지 저장장치(200)의 로컬 정보를 인접 분산전원들(120~140)에게 주기적으로 제공할 수 있다. 이때, 상기 로컬 정보는 배터리 용량 정보, 배터리 SOC 정보, 배터리의 충/방전 상태 정보, 배터리의 충전량/방전량 정보 및 배터리 효율 정보 등을 포함할 수 있다.
이웃정보 수집부(423)는 기기 간 통신을 통해 인접 분산전원들(120~140)로부터 이웃 정보를 주기적으로 수집할 수 있다. 이때, 상기 이웃 정보는 인접 분산전원의 상태 정보, 발전량 정보, 충/방전량 정보 등을 포함할 수 있다.
운전점 결정부(425)는 에너지 저장장치(200)의 로컬 정보와 인접 분산전원들(120~140)의 이웃 정보를 기반으로 마이크로그리드 시스템(100)의 최적 운영을 위한 해당 에너지 저장장치(200)의 운전점을 결정할 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장장치(200)는 계통 연계형 인버터(400)의 운전점 결정부(425)를 통해 결정된 운전점에 기초하여 충/방전 동작을 수행하게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 계통 연계형 인버터는 계통유지 제어부를 구비함으로써, 다수의 전압 기준(multiple grid forming) 전원을 마이크로그리드 시스템 내에 구현할 수 있고, 이를 통해 해당 시스템의 계통을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 상기 계통 연계형 인버터는 분산운영 제어부를 구비함으로써, 에너지관리시스템에 문제가 발생하더라도 기기 간 통신을 통해 스스로 운전점을 결정할 수 있고, 이를 통해 마이크로그리드 시스템의 안정적인 독립 운전을 가능하게 한다.
도 6은 도 2의 재생전원에 사용되는 계통 연계형 인버터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 재생전원(500)는 신 재생 에너지를 생산하기 위한 신 재생 발전기(600)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하기 위한 계통 연계형 인버터(700)를 포함한다.
신 재생 발전기(600)는 에너지 관리 시스템(EMS, 110)의 제어 명령 등에 따라 전력을 생산할 수 있다. 상기 신 재생 발전기(600)로는 태양광 발전기, 풍력 발전기 또는 조력 발전기 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
계통 연계형 인버터(또는 전력 변환 장치, 700)는, 신 재생 발전기(600)와 계통 선로(160) 사이에 배치되어, 상기 신 재생 발전기(600)에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 계통 연계형 인버터(700)는 인버터부(미도시), 계통유지 제어부(710) 및 분산운영 제어부(720)를 포함할 수 있다.
계통 연계형 인버터(700)의 계통유지 제어부(710) 및 분산운영 제어부(720)는 상술한 도 3 내지 도 5의 계통유지 제어부(410) 및 분산운영 제어부(420)와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 마이크로그리드 시스템 110: 에너지관리시스템
120: 재생전원 130: 에너지 저장장치
140: 동기 발전기 150: 부하
160: 계통 선로 170: 계통 연계점
180: 통신선
120: 재생전원 130: 에너지 저장장치
140: 동기 발전기 150: 부하
160: 계통 선로 170: 계통 연계점
180: 통신선
Claims (8)
- 마이크로그리드 시스템을 구성하는 분산전원에 설치되는 계통 연계형 인버터에 있어서,
상기 마이크로그리드 시스템의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 기준 전압 생성부; 및
상기 분산전원의 직류 전원을 상기 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원으로 변환하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터. - 제1항에 있어서,
동기기의 관성 및 과도 응답 특성을 가상으로 구현하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로에 제공하는 가상 관성 생성부를 더 포함하는 계통 연계형 인버터. - 제2항에 있어서,
상기 가상 관성 생성부는 가상 동기 머신(Virtual Synchronous Machine)을 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터. - 제1항에 있어서,
상기 계통 연계형 인버터는 미리 결정된 계통유지 제어 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터. - 마이크로그리드 시스템을 구성하는 분산전원에 설치되는 계통 연계형 인버터에 있어서,
계통 선로에 연계된 인접 분산전원들과의 기기 간 통신을 통해 상기 마이크로그리드 시스템의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 결정하는 분산운영 제어부; 및
상기 분산운영 제어부를 통해 결정된 운전점에 기초하여, 상기 분산전원에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 인버터부를 포함하는 계통 연계형 인버터. - 제1항에 있어서, 상기 분산운영 제어부는,
상기 기기 간 통신을 통해 상기 분산전원의 로컬 정보를 상기 인접 분산전원들에게 전송하는 로컬정보 제공부;
상기 기기 간 통신을 통해 상기 인접 분산전원들의 이웃 정보를 수집하는 이웃정보 수집부; 및
상기 로컬 정보 및 이웃 정보를 기반으로 상기 분산전원의 운전점을 결정하는 운전점 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계통 연계형 인버터. - 마이크로그리드 시스템의 복원력 향상을 위한 분산전원의 계통유지 제어 방법에 있어서,
상기 마이크로그리드 시스템의 계통을 유지하는 기준 전압 및 주파수를 생성하는 단계;
상기 분산전원의 직류 전원을 상기 기준 전압 및 주파수에 해당하는 교류 전원으로 변환하는 단계;
상기 변환된 교류 전원을 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 단계를 포함하는 분산전원의 계통유지 제어 방법. - 마이크로그리드 시스템의 복원력 향상을 위한 분산전원의 분산운영 제어 방법에 있어서,
상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로에 연계된 인접 분산전원들과의 기기 간 통신을 통해 해당 시스템의 최적 운영을 위한 운전점(operating point)을 결정하는 단계;
상기 결정된 운전점에 기초하여, 상기 분산전원에서 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 단계; 및
상기 변환된 교류 전원을 상기 마이크로그리드 시스템의 계통 선로로 출력하는 단계를 포함하는 분산전원의 분산운영 제어 방법.
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