KR20210145139A - 전력 분배 네트워크에서 전력 관리를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20210145139A
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Abstract

본 발명은 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 하나 이상의 전자 처리 장치에서: AC(alternating current) 전원(source)의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하는 단계; 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표(target) 파라미터 값을 결정하는 단계; 상기 파라미터 값과 상기 목표 파라미터 값의 차이를 결정하는 단계; 및, 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터를 제어함으로써 DC(direct current) 에너지 저장 장치와 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

전력 분배 네트워크에서 전력 관리를 위한 시스템 및 방법
본 발명은 전력 공급 그리드와 같은 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서의 다른 이전 간행물 (또는 그로부터 파생된 정보), 또는 알려진 다른 매체에 대한 참조는, 상기 이전 간행물 또는 상기 알려진 다른 매체가 본 명세서와 관련된 노력 분야에서 일반적인 일반 지식의 일부를 형성하는 것에 대한 인정이나 승인, 또는 어떤 형태의 제안으로 받아들여져서도 안 된다.
전력 공급 그리드 또는 네트워크를 운영하는 전기 회사는 주거, 상업 및 산업 고객에게 효율적이고 효율적인 비용의 방식으로 전력을 공급하는 데 있어 점점 더 많은 문제에 직면하고 있다. 태양광 발전 사용의 광범위한 채택을 장려한 태양열 발전 요금 및 기타 보조금에 의해 점점 더 증가하고 있는, 부분적으로 구동되는 그리드 연결이, 분산형 태양광 발전(PV)의 관점에서 특별한 문제에 직면한다.
그리드 안정성은 전통적으로 전력 생산과 소비가 가능한 한 밀접하게 일치하도록 함으로써 네트워크 사업자에 의해 달성되었다. 이것은 전기가 적절한 주파수와 전압으로 공급되는 것을 보장한다. 점점 더 많은 태양광 PV 시스템이 그리드에 연결됨에 따라 훨씬 더 많은 전력 생산이 그리드로 수출되고 있으며, 특히 그리드의 부하가 피크가 아닐 때(off-peak) 이는 공급 주파수, 전압 스파이크 및 공급 과잉의 변화로 이어질 수 있다. 이러한 상황의 발생은 전기 제품을 손상시키고, 유틸리티 작업자에게 부상을 입힐 가능성이 있다.
부하 수요가 공급 용량보다 크거나, 전압 불균형(3상 시스템에서)이 있거나, 역률(power factor)이 낮은 부하가 온라인 상태가 될 때 상기 그리드는 전력 품질 저하를 더 겪을 수 있다. 역률이 낮은 부하는 부하에 전력을 공급하기 위해 전달된 동일한 양의 유효 전력에 대해, 역률이 높은 부하보다 더 많은 전류를 소비한다. 이 것은 발전 및 전송 비용의 증가로 이어진다.
과거에는, 유틸리티 운영자는 부하에 역률 보정을 적용하는, 예를 들어, 네트워크 전체적으로 위치한 고가의 커패시터 뱅크를 선택적으로 연결함으로써 낮은 역률과 같은 문제를 완화하려고 시도했다.
낮에는 태양광 PV 시스템이 부하가 낮을 때 그리드에 너무 많은 전력을 공급하여 그리드 문제를 일으킬 수 있지만, 일반적으로 부하가 높은 밤에는 상기 PV 시스템이 비활성화되어 상기 그리드의 부하 수요를 지원할 수 없다.
따라서, 안정적인 그리드 운영을 촉진하고, 전력 회사가 직면한 상기 문제 중 하나 이상을 개선할 수 있는, 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리할 수 있는 시스템을 제공하는 것이 이로울 것이다.
하나의 넓은 형태에서, 본 발명의 양태는 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 방법을 제공하고자 하며, 하나 이상의 전자 처리 장치에서 상기 방법은: AC(alternating current) 전원(source)의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하는 단계; 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표(target) 파라미터 값을 결정하는 단계; 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하는 단계; 및, 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터를 제어함으로써 DC(direct current) 에너지 저장 장치와 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터는: AC 전원 주파수; AC 전원 전압; 위상 로딩; 및 부하 역률 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 AC 전원은 유틸리티 그리드 또는 발전기 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 인버터는 임피던스를 통해 상기 AC 전원에 연결된 출력을 갖는 양방향 DC/AC 인버터이다.
일 실시 예에서, 상기 인버터는 분배 정적 보상기(distribution Static Compensator; dSTATCOM)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 파라미터 값을 결정하는 단계는, 적어도 하나의 전자 처리 장치에서: 상기 인버터의 출력에서의 AC 전압 크기(magnitude), AC 전류 크기 및 AC 전류 위상 각의 측정값을 결정하는 단계; 및 상기 AC 전원에서의 AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상 각의 측정된 값을 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 제어 신호는 상기 인버터가 적어도 상기 AC 전원으로부터 상기 에너지 저장 장치로의 전력 흐름을 유발하게 하고; 및, 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 AC 전원으로의 전력 흐름을 유발하게 한다.
일 실시 예에서, 상기 AC 전원 및 인버터의 출력은 하나 이상의 AC 부하(load)에 연결되고 및 상기 제어 신호는 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 하나 이상의 부하로의 전력 흐름을 유발한다.
일 실시 예에서, 상기 전력 흐름은 유효 전력(real power; kW) 및 무효 전력(reactive power; kVAR) 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 전자 처리 장치는 상기 인버터가 하나 이상의, 상기 하나 이상의 부하의 작동을 제어하는 스위칭 장치를 작동시키게 하는 제어 신호를 생성한다.
일 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 전자 처리 장치는 상기 인버터의 출력이 상기 AC 전원과 동기화되도록 한다.
일 실시 예에서, 적어도 상기 하나 이상의 전자 처리 장치, 상기 인버터, 상기 에너지 저장 장치, 상기 하나 이상의 AC 부하, 상기 AC 전원 및 하나 이상의 외부 통신 네트워크는 무선 통신을 통해 제어된다.
일 실시 예에서, 상기 제어 신호는 적어도 부분적으로 머신 러닝(machine learning) 알고리즘에 의해, 또는 상기 AC 전원의 상기 하나 이상의 파라미터의 이력(historical) 데이터로부터 생성된다.
일 실시 예에서, 상기 에너지 저장 장치는 공칭(nominal) 작동 전압이 최소 600VDC인 하나 이상의 배터리를 포함한다.
하나의 넓은 형태에서, 본 발명의 양태는 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템을 제공하고자 하며, 상기 시스템은: DC(direct current) 버스에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 DC 에너지 저장 장치; DC 버스에 전기적으로 연결된 입력, 및 AC(alternating current) 부하 및 AC 전원 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 적어도 하나의 DC/AC 인버터; 및, 하나 이상의 전자 처리 장치를 포함하되, 상기 전자 처리 장치는: AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고; 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고; 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고; 및 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터를 제어함으로써 에너지 저장 장치와 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성한다.
일 실시 예에서, 상기 AC 전원은 유틸리티 그리드 또는 발전기 중 적어도 하나를 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 인버터는 임피던스를 통해 상기 AC 전원에 연결된 출력을 갖는 양방향 DC/AC 인버터이다.
일 실시 예에서, 상기 인버터는 분배 정적 보상기(dSTATCOM)를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 시스템은 상기 DC 버스에 전기적으로 연결된 복수의 DC 전원을 더 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 제어 신호는 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 하나 이상의 부하로의 전력 흐름을 유발한다.
일 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 공칭(nominal) 작동 전압이 최소 600VDC인 하나 이상의 배터리를 포함한다.
일 실시 예에서, 적어도 상기 하나 이상의 전자 처리 장치, 상기 인버터, 상기 에너지 저장 장치, 상기 하나 이상의 AC 부하, 상기 AC 전원 및 하나 이상의 외부 통신 네트워크는 무선 통신을 통해 제어된다.
하나의 넓은 형태에서, 본 발명의 양태는 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템을 제공하고자 하며, 상기 시스템은: 각각의 DC(direct current) 버스에 각각 전기적으로 연결된 복수의 DC 에너지 저장 장치; 각각의 인버터는 에너지 저장 장치와 연관되고 연관된 DC 버스에 전기적으로 연결된 입력 및 AC(alternating current) 부하 및 AC 전원 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 복수의 DC/AC 인버터; 및, 하나 이상의 전자 처리 장치를 포함하되, 상기 전자 처리 장치는: AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고; 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고; 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고; 및 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 상기 복수의 인버터를 제어함으로써 상기 복수의 에너지 저장 장치 및 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 복수의 제어 신호를 생성한다.
본 발명의 예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템의 예의 개략도이고;
도 2는 통신 시스템의 예의 개략도이고;
도 3은 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 방법의 제 2 예의 순서도이고;
도 4는 작동 파라미터로서 AC 전원의 전압 레벨을 사용하여 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 방법의 예의 순서도이고; 및
도 5는 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템의 다른 예의 개략도이다.
이제 도 1을 참조하여 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템의 예가 설명된다.
이 예에서, 시스템(100)은 DC(direct current) 버스(106)에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 DC 에너지 저장 장치(140), 상기 DC 버스(106)에 전기적으로 연결된 입력(161)과 적어도 하나의 AC(alternating current) 부하(182, 184)에 전기적으로 연결된 출력(162)을 가진 적어도 하나의 DC/AC 인버터(160), 및 AC 전원(150)을 포함한다.
상기 에너지 저장 장치(140)는 배터리와 같은 전기화학적 저장 장치 또는 커패시터 또는 수소 저장 장치와 같은 정전기 에너지 저장 장치를 포함하는 임의의 적절한 저장 장치일 수 있다. 도시된 예에서, 상기 에너지 저장 장치(140)는 적어도 600VDC의 공칭 작동 전압을 갖는 하나 이상의 배터리를 포함한다.
상기 AC 전원(150)은 일반적으로 전력 그리드 또는 유틸리티 공급 네트워크이지만, 독립형(stand-alone) AC 발전기일 수도 있다. 예를 들어, AC 부하(182, 184)는 AC 기기와 같은 고객 부하, 유도 모터 및 다양한 기타 AC 기계와 같은 산업용 부하를 포함하는 시스템의 제어 및 비제어 부하를 모두 나타낸다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 상기 시스템(100)은 상기 AC 전원(150)의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고, 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고, 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고 및 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 인버터(160)를 제어함으로써 상기 에너지 저장 장치(140) 및 상기 AC 전원(150) 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는 하나 이상의 전자 처리 장치를 더 포함한다.
상기 AC 전원의 작동 파라미터는 예를 들어 AC 전원 주파수, AC 전원 전압, 위상 부하 및 부하 역률 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술한 구성의 장점은 에너지 저장 장치가 유틸리티 회사 등에 의해 배전 네트워크에서 전력 품질을 유지하는 것을 돕는 데 전략적으로 사용될 수 있다는 것이다. 특히, AC 전원의 작동 파라미터는 필요에 따라 하나 이상의 에너지 저장 장치로부터 전력을 제공(sourcing)하거나 싱킹(sinking)함으로써 허용 가능한 한계 내에서 유지될 수 있다. 에너지 저장 장치의 사용을 통해 AC 전원의 작동 파라미터를 더 잘 제어할 수 있는 이러한 유연성은 전기 유틸리티가 주거, 상업 및 산업 고객에게 전력을 보다 효율적이고 비용 효율적으로 공급할 수 있도록 할 것이다.
다수의 추가 기능이 이제 설명될 것이다.
한 예에서, 인버터는, 임피던스를 통해 AC 전원에 연결된 출력과 함께 양방향이다. 인버터는 분배 정적 보상기를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 분배 정적 보상기를 포함하는 양방향 인버터는 그리드에서 네트워크 부하를 지원하거나 무효 전력을 싱크(sink)하기 위해 필요에 따라 상기 인버터로 들어오고 나가는 전력 흐름을 가능하게 한다.
일부 예에서, 에너지 저장 장치는 인버터에 직접 연결될 수 있고, 예를 들어, 네트워크 부하가 낮으며 충전을 위해 충분한 그리드 전력이 이용 가능한 경우 AC 전원으로부터의 전력에 의해 충전될 수 있다. 다른 예에서, 시스템은 에너지 저장 장치를 충전할 수 있는 DC 버스에 전기적으로 연결된 복수의 DC 전원을 포함할 수 있다. 연료 전지, DC 발전기, 풍력 터빈 및 태양광 PV 전지를 포함하지만, 이에 국한되지 않는 DC 출력을 생성할 수 있는 임의의 전원이 추가로 사용될 수 있다.
일반적으로, 파라미터 값을 결정하는 단계는, 적어도 하나의 전자 처리 장치에서, 인버터 출력에서 AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상각의 측정값을 결정하는 단계 및 AC 전원에서 AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상각의 측정값을 결정하는 단계를 포함한다. 이러한 측정에서, 부하 역률 등과 같은 다른 모든 AC 측 파라미터가 결정될 수 있다.
한 예에서, 하나 이상의 전자 처리 장치에서 생성된 제어 신호는, 인버터가 AC 전원으로부터 에너지 저장 장치로의 전력 흐름 및 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 AC전원으로의 전력 흐름 중 적어도 하나를 유발하게 한다.
추가 예에서, 제어 신호는, 예를 들어, 인버터가 네트워크 상의 부하 수요를 지원하기 위해 에너지 저장 장치로부터 하나 이상의 부하로의 전력 흐름을 유발하게 한다. 위의 예에서, 상기 전력 흐름은 유효 전력(kW) 및 무효 전력(kVAR) 중 적어도 하나를 포함한다.
추가 예에서, 생성된 제어 신호는 인버터가 하나 이상의 부하의 동작을 제어하기 위해 하나 이상의 스위칭 장치(예를 들어, 릴레이 또는 스위치)를 작동시키게 한다. 예를 들어, 상기 스위칭 장치는 부하에 의해 소비되는 전력을 조절하거나 네트워크에서 부하를 완전히 차단할 수 있다.
제어 신호는 측정 등을 통해 획득한 결정된 파라미터 값을 기반으로 생성될 수도 있지만, 상기 제어 신호는, 예를 들어 하루 중 특정 시간에 예상되는 일반적인 최대 부하 값과 같은, 머신 러닝(machine learning) 알고리즘에 의해 또는 네트워크의 하나 이상의 파라미터의 이력(historical) 데이터로부터 적어도 부분적으로 생성될 수도 있다.
전형적으로, 시스템은 적어도 하나 이상의 전자 처리 장치, 적어도 하나의 에너지 저장 장치 및 인버터 사이의 무선 통신을 포함한다. 상기 시스템은 또한 하나 이상의 AC 부하, 외부 통신 네트워크(예를 들어, 그리드와 통신하기 위해) 및 가정이나 기업이 일정한 시간 간격으로 AC 전원에서 소비하는 전기량을 측정하고 기록하도록 구성된 AC 전원 미터와 무선으로 통신할 수 있다.
다른 예에서, 시스템은 각각의 DC 버스 및 복수의 DC/AC 인버터에 각각 전기적으로 연결된 복수의 DC 에너지 저장 장치를 포함하고, 에너지 저장 장치와 연관된 각각의 인버터는 연관된 DC 버스에 전기적으로 연결된 입력 및 AC 부하 및 AC 전원 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 출력을 갖는다. 상기 시스템은, 하나 이상의 AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고, 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고, 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고, 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 상기 복수의 인버터를 제어함으로써 상기 복수의 에너지 저장 장치 및 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 복수의 제어 신호를 생성하는 전자 처리 장치를 더 포함한다.
복수의 인버터 및 에너지 저장 장치 모듈을 갖는 시스템에서, 상기 모듈은 예를 들어 전력 공급 네트워크를 지원하는 데 가장 필요한 분배 급전선을 따라 선택된 위치에 설치될 수 있으므로 우수한 제어 능력이 제공된다.
도 1에 도시된 시스템 아키텍처가 이제 더 상세히 설명될 것이다. 시스템(100)은 DC 버스(106)에 전기적으로 연결된 에너지 저장 장치(140)를 포함한다. 일반적으로, 상기 에너지 저장 장치(140)는 상기 DC 버스(106)에 직접 연결된, 공칭 전압이 적어도 600V DC인 하나 이상의 고전압 배터리를 포함한다. 상기 DC 버스(106)는 또한 상기 에너지 저장 장치(140)로부터 AC 전원(150) 및 전력 분배 네트워크의 일부를 형성하는 하나 이상의 AC 부하(182, 184)로 전력을 전달하는 DC/AC 인버터(160)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 그리드와 연계된(grid-tied) DC/AC 인버터(160)는 상기 DC 버스 전압을 AC 주전원(mains) 또는 주전원 주파수(예를 들어, 230-240VAC, 50Hz)의 그리드 전압으로 변환한다.
한 예에서, 인버터(160)는 동기화 접촉기(164)를 통해 작은 임피던스(154)를 통해 AC 전원(150)에 동기화되어 작동하는 4사분면 자체 동기화 타입이다. 상기 시스템에서 사용될 수 있는 인버터 토폴로지의 예는, IEEE Power and Energy Society General Meeting (PES)의 Wolfs, P 및 Maung Than Oo (2013) 저, "A LV Distribution Level STATCOM with Reduced DC Bus Capacitance for Networks with High PV Penetrations"에 설명되어 있다. 따라서, 상기 인버터(160)는 상기 인버터가 AC 전원(150)으로 및 AC 전원(150)으로부터의 전력 전달을 용이하게 할 수 있도록 분배 정적 보상기(dSTATCOM)를 포함하는 양방향 DC/AC 인버터일 수 있다. 예를 들어, 전력은 상기 에너지 저장 장치(140)로부터 상기 AC 전원(150)으로 또는 상기 AC 전원(150)으로부터 상기 에너지 저장 장치(140)로 다시 전달될 수 있다.
상기 시스템(100)은 AC 전원(150)에서의 측정을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 계량기(152)는 가정 또는 사업체가 일정한 시간 간격으로 상기 AC 전원(150)으로부터 얼마나 많은 전기를 소비하는지 측정 및 기록할 수 있는 스마트 계량기이다.
선택적으로, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 DC 버스(106)에 전기적으로 연결된 복수의 DC 전원(120)을 더 포함할 수 있다. 상기 DC 전원(120)은 충전을 용이하게 하기 위해 에너지 저장 장치(140)에 전력을 제공할 수 있지만, 이것이 필수 조건은 아니며 상기 에너지 저장 장치(140)는 대신 AC 전원(150)으로부터의 전력에 의해 충전될 수 있다. 도 1에 도시된 시스템에서, 복수의 태양광 PV 모듈(120)은 시스템(예를 들어, 지붕 장착형 PV 어레이 또는 태양열 농장)의 일부를 형성한다. 각각의 PV 모듈(120)은 상기 태양광 모듈(120)의 저전압 출력(122)을 상기 DC 버스(전형적으로 적어도 600VDC)에 적합한 바람직한 고전압 출력으로 승압하는 DC/DC 변환기(130)에 전기적으로 연결될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 시스템은 AC 전원(150)의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고, 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고, 상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고 및 상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터(160)를 제어함으로써 에너지 저장 장치(140)와 상기 AC 전원(150) 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는 하나 이상의 전자 처리 장치도 포함한다.
이제 도 2를 참조하면, 시스템(100)의 다양한 장치가 통신 네트워크(200)를 통해 통신할 수 있다는 것이 도시된다. 상기 장치들은, 블루투스, 지그비(Zigbee) 등과 같은, 직접 또는 점대점(point-to-point) 연결을 통해서는 물론, 802.11 네트워크, 인터넷, LAN(local area network), WAN(wide area network) 등과 같은 모바일 네트워크, 사설 네트워크를 포함하지만 그에 제한되지 않는, 유선 또는 무선 연결을 통하는 것과 같은 적절한 메커니즘을 통해 통신할 수 있다.
도시된 예에서, 배터리(140)는 노드(204)를 통해 네트워크(200)에 연결되고, 시스템 제어기(170)(하나 이상의 전자 처리 장치로 구성됨)는 노드(206)를 통해 연결된다. 예를 들어, 상기 시스템 제어기(170)는 유틸리티 그리드 운영자와 통신할 수 있는 외부 통신 네트워크(208)에 연결될 수 있다. 선택적으로, DC/DC 변환기(130)(복수의 DC 전원를 갖는 시스템용)는 노드(202)에서 네트워크에 연결될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 인버터, AC 부하 및 AC 전원 미터도 각각의 노드를 통해 통신 네트워크(200)에 연결될 수 있음은 자명하다.
시스템 컨트롤러(170)는 단일 개체일 수 있지만, 상기 시스템 컨트롤러(170)가 지리적으로 분리된 여러 위치에, 예를 들어, 클라우드 기반 환경의 일부로 제공되는 처리 시스템 및/또는 데이터베이스를 사용하여 분산될 수 있음은 자명하다. 그러나, 상술한 구성은 필수적인 것은 아니며 다른 적절한 구성이 사용될 수 있다.
일 예에서, 시스템 제어기(170)는 하나 이상의 처리 시스템을 포함하는 임의의 적절한 전자 처리 장치(들)를 포함할 수 있으며, 예를 들어 이는 선택적으로 이력 부하 및 AC 전원 파라미터에 대한 정보를 포함하는 하나 이상의 데이터베이스에 연결될 수 있다. 따라서, 상기 하나 이상의 처리 시스템은 인버터, 에너지 저장 장치, 로컬 부하, AC 전원 미터 및 외부 통신 네트워크 중 하나 이상을 제어할 수 있는 임의의 적절한 형태의 전자 처리 시스템 또는 장치를 포함할 수 있다.
한 예에서, 적절한 프로세싱 시스템은 프로세서, 메모리, 키보드 및 디스플레이와 같은 입력/출력(I/O) 장치, 및 프로세싱 시스템 버스를 통해 함께 연결된 외부 인터페이스를 포함한다. 상기 입력/출력 장치는 키보드, 키패드, 터치 스크린, 버튼, 스위치 등과 같은 입력을 더 포함할 수 있으므로, 사용자가 데이터를 입력할 수 있지만 이것이 필수적인 것이 아닌 것은 자명하다. 외부 인터페이스는 처리 시스템을 인버터, 에너지 저장 장치, 로컬 부하, AC 전원 미터 및 외부 통신 네트워크를 포함하는 시스템 장치에 연결하는 데 사용된다.
사용시에, 프로세서는 적어도 인버터(160)가 에너지 저장 장치(140)와 AC 전원(150) 사이에 전력 흐름을 유발하도록 허용하기 위해 메모리에 저장된 애플리케이션 소프트웨어 형태의 명령을 실행한다. 따라서 다음 설명의 목적을 위해, 하나 이상의 처리 시스템에 의해 수행되는 동작은 일반적으로 메모리에 저장된 명령의 제어 하에 프로세서에 의해 수행되며, 따라서 이는 아래에서 더 자세히 설명되지 않을 것임은 자명하다.
따라서, 하나 이상의 프로세싱 디바이스는 임의의 적절하게 프로그래밍된 프로세싱 시스템으로부터 형성될 수 있다는 것은 자명하다. 그러나 일반적으로, 전자 처리 장치는 마이크로프로세서, 마이크로칩 프로세서, 로직 게이트 구성, FPGA(Field Programmable Gate Array), EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory) 또는 기타 전자 장치, 시스템의 다양한 장치와 상호 작용하고 제어할 수 있는 시스템 또는 배열(arrangement)과 같은 구현(implementing) 로직과 선택적으로 연결된 펌웨어와 같은 형태이다.
이제 도 3을 참조하면, AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터를 제어하고자 하는 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 방법의 예가 도시된다. 단계 300에서, 하나 이상의 전자 처리 장치는 상기 AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정한다. 예를 들어, 상기 AC 전원이 배전 네트워크의 주 전력망인 경우, 상기 하나 이상의 작동 파라미터는 AC 전원 전압, AC 전원 주파수, 위상 부하(3상 시스템의 경우) 및 부하 역률을 포함할 수 있다. 상기 부하 역률은 유효 전력(kW) 대 피상 전력(kVA)(유효 전력과 무효 전력(kVAR)의 조합)의 비율이다. 무효 전력을 소비하거나 생성하는 부하는, 실제로 부하에 전력을 공급하기 위해 작동하는 전달된 유효 전력의 주어진 양에 대해, AC 전원에서 더 많은 전류를 끌어온다. 따라서, 역률이 낮은 부하는 AC 전원에서 더 많은 전류를 끌어오며, 비효율적이다.
하나 이상의 작동 파라미터의 하나 이상의 파라미터 값은 적절한 측정값으로부터 결정될 수 있다. 한 예에서, AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상각의 측정은 AC 전원 미터에서 이루어지고, AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상각의 측정은 인버터의 AC 출력에서 이루어진다. 이러한 측정에서 하나 이상의 처리 장치가 AC 전원의 모든 작동 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들어, AC 전압의 측정은 전압계, 멀티미터, 진공관 전압계(VTVM), 전계 효과 트랜지스터 전압계(FET-VM) 등을 포함하는 임의의 적절한 전압 센서를 사용하여 이루어질 수 있다. AC 전류의 측정은 멀티미터, 전류계, 피코 전류계 등을 포함하는 임의의 적절한 전류 센서를 사용하여 이루어질 수 있다.
단계 302에서, 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값은 하나 이상의 처리 장치에 의해 결정된다. 예를 들어, 상기 하나 이상의 처리 장치는 상기 목표 파라미터 값을 나타내는 유틸리티 그리드로부터 데이터를 수신할 수 있거나, 상기 목표 값은 데이터베이스로부터 검색될 수 있다. 단계304에서, 상기 하나 이상의 처리 장치는 상기 하나 이상의 작동 파라미터의 실제 파라미터 값과 목표 파라미터 값 사이의 차이를 결정한다. 단계 306에서, 상기 하나 이상의 처리 장치는 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기초하여, 에너지 저장 장치와 AC 전원 사이에서 전력을 전달하도록 인버터를 제어하기 위해 제어 신호를 생성한다. 상기 인버터로 또는 상기 인버터에서 발생하는 전력 흐름은 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값으로 향하도록 한다. 이와 같이, 상기 에너지 저장 장치는 전력 분배 네트워크의 효율 및 전력 품질을 증가시키기 위한 전원 또는 싱크(sink)로 사용될 수 있다.
AC 전원의 작동 매개변수를 제어하는 방법의 특정 예가 그림 4에 도시된다. 이 예에서, 단계 400에서, 하나 이상의 처리 장치는 AC 전원의 AC 전압 레벨을 결정한다. 예를 들어, 상기 AC 전압은 AC 전원 전압을 나타내는 신호를 하나 이상의 처리 장치로 보내는 AC 전원 미터에 위치한 전압 센서에 의해 적절하게 측정될 수 있다. 단계 402에서, 상기 AC 전원의 목표 전압 레벨이 결정된다. (목표 전압 레벨은 상한 및 하한을 갖는 수용 가능한 범위일 수 있다). 상기 AC 전원이 주 유틸리티 그리드인 경우 유틸리티 운영자는 목표 전압 레벨을 설정한다. 단계 404에서, 상기 AC 전원의 전압 레벨과 목표 전압 레벨 사이의 차이는 상기 하나 이상의 처리 장치에 의해 결정된다.
단계 406 및 408에서, 하나 이상의 처리 장치는 AC 전원 전압이 각각 목표 전압보다 크거나 작은지 여부를 결정한다. 즉, 시스템은 네트워크에 과전압 문제 또는 저전압 문제가 있는지 여부를 결정한다. 상기 과전압에 응답하여, 단계 410에서 상기 하나 이상의 처리 장치는 인버터가 AC 전원으로부터 에너지 저장 장치로 무효 전력을 싱크(sink)하게 하여 상기 AC 전원 전압을 낮추도록 하는 제어 신호를 생성한다. 상기 저전압에 응답하여, 단계 412에서 상기 하나 이상의 처리 장치는 상기 인버터가 무효 전력을 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 AC 전원으로 소싱(sourcing)하여 상기 AC 전원 전압을 증가시키도록 하는 제어 신호를 생성한다.
다른 예에서, 저 부하 역률(예를 들어, 무효 전력을 소비하는 하나 이상의 유도 AC 부하가 있는 경우)을 갖는 시스템에 있어서, 인버터는 무효 전력을 그리드에 주입하거나 부하 역률을 허용 가능한 수준으로 증가시키기 위해 부하에 직접 무효 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
다른 예에서, 인버터가 AC 전원과 동기화되기 때문에, 예를 들어 상기 AC 전원이 손실되거나 부하에 충분한 전력을 공급할 수 없는 경우, 시스템은 하나 이상의 AC 부하에 대해 무정전 전원 공급 장치(uninterrupted power supply; UPS) 기능을 제공할 수 있다. 이 예에서, 에너지 저장 장치가 충분한 용량을 갖는다고 가정하면, 상기 시스템은 상기 하나 이상의 AC 부하에 전력을 공급하기 위해 상기 에너지 저장 장치로부터 전력을 공급받을 수 있다.
다른 예에서, 시스템은 동적 부하 균형에 의해 3상 네트워크에서 전압 불균형을 줄이는 데 사용될 수 있다. 각 상의 전압 레벨은 적절한 전압 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 그리고, 하나 이상의 전자 처리 장치가 이러한 측정을 기반으로 전압 레벨을 결정하고 제어 신호를 인버터로 보내 과부하 위상에서 경부하 위상으로 전력이 전송되도록 한다. 대안적으로, 상기 인버터는 상기 과부하된 위상의 균형을 맞추기 위해 에너지 저장 장치에서 하나 이상의 경부하 위상으로 전력 흐름(예를 들어, 무효 전력 보상)을 유발할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템의 다른 예가 도시된다. 상기 시스템은 각각의 고전압 DC 버스를 통해 각각의 DC/AC 인버터에 각각 전기적으로 연결된 복수의 에너지 저장 장치(540)(예를 들어, 고전압 배터리)를 포함한다. 상기 각각의 DC/AC 인버터(560)의 출력(562)은 AC 전원(550)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 각각의 인버터(560)는 상기 AC 전원이 분배 공급기(feeder)를 나타내는 전기 그리드의 급전선에 연결될 수 있다. 복수의 부하(580)가 그리드에 연결된다. 일 예에서, 에너지 저장 장치(540) 및 DC/AC 인버터(560) 중 적어도 하나를 포함하는 각각의 모듈(500)은 상기 전력 분배 네트워크를 지원하는 데 가장 잘 활용될 수 있는 급전선을 따라 선택된 위치에 유틸리티 운영자가 설치할 수 있다. 다른 예에서, 상기 각각의 모듈(500)은 주거용으로 설치된 시스템을 나타낼 수 있다.
도 5에 도시된 배열에서, 각 모듈(500)은 네트워크를 지원하고 AC 전원 전압, AC 전원 주파수, 위상 부하(3상 시스템의 경우) 및 부하 역률과 같은 작동 파라미터를 개선하는 데 사용될 수 있다. 또한, 모듈(500)은 예를 들어 상기 네트워크의 한 부분의 부하가 낮은 경우(그리고 배터리가 충분한 경우), 상기 배터리가 충전 수준이 낮은 다른 배터리 또는 부하가 높은 상기 네트워크의 일부에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있도록 서로 통신할 수 있다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서 및 뒤따르는 청구 범위 전반에 걸쳐, "포함하다"라는 단어 및 "포함하다" 또는 "포함하는"과 같은 변형은 명시된 정수, 또는 정수 또는 단계의 그룹을 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이지만, 다른 정수 또는 정수의 그룹을 제외하지 않는다.
당업자에게 수많은 변형 및 수정이 명백해질 것은 자명하다. 당업자에게 명백해지는 그러한 모든 변형 및 수정은 본 발명이 작성되기 이전에 광범위하게 나타난 정신 및 범위 내에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (23)

  1. 하나 이상의 전자 처리 장치가 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 방법에 있어서,
    AC(alternating current) 전원(source)의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하는 단계;
    상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표(target) 파라미터 값을 결정하는 단계;
    상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하는 단계; 및,
    상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터를 제어함으로써 DC(direct current) 에너지 저장 장치와 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 AC 전원의 상기 하나 이상의 작동 파라미터는 AC 전원 주파수, AC 전원 전압, 위상 로딩(loading), 및 부하 역률 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 AC 전원은 유틸리티 그리드 또는 발전기 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인버터는 임피던스를 통해 상기 AC 전원에 연결된 출력을 갖는 양방향 DC/AC 인버터인, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 인버터는 분배 정적 보상기(distribution static compensator; dSTATCOM)를 포함하는, 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 처리 장치가 상기 파라미터 값을 결정하는 단계는:
    상기 인버터 출력에서의 AC 전압 크기(magnitude), AC 전류 크기 및 AC 전류 위상 각의 측정된 값을 결정하는 단계; 및
    상기 AC 전원에서의 AC 전압 크기, AC 전류 크기 및 AC 전류 위상 각의 측정된 값을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 인버터가:
    상기 AC 전원으로부터 상기 에너지 저장 장치로의 전력 흐름을 유발; 및,
    상기 에너지 저장 장치로부터 상기 AC 전원으로의 전력 흐름을 유발 중 적어도 하나를 하게 하는, 방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AC 전원 및 인버터 출력은 하나 이상의 AC 부하에 연결되고, 및
    상기 제어 신호는 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 하나 이상의 부하로의 전력 흐름을 유발하는, 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 흐름은 유효 전력(real power, kW) 및 무효 전력(reactive power, kVAR) 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 처리 장치는 상기 인버터가 상기 하나 이상의 부하의 작동을 제어하는 하나 이상의 스위칭 장치를 작동하게 하는 제어 신호를 생성하는, 방법.
  11. 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자 처리 장치는 상기 인버터 출력이 상기 AC 전원과 동기화 되게 하는, 방법.
  12. 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 하나 이상의 전자 처리 장치, 상기 인버터, 상기 에너지 저장 장치, 상기 하나 이상의 AC 부하, 상기 AC 전원 및 하나 이상의 외부 통신 네트워크는 무선 통신을 통해 제어되는, 방법.
  13. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 적어도 부분적으로 머신 러닝(machine learning) 알고리즘에 의해, 또는 상기 AC 전원의 상기 하나 이상의 파라미터의 이력(historical) 데이터로부터 생성되는, 방법.
  14. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 공칭(nominal) 작동 전압이 최소 600VDC인 하나 이상의 배터리를 포함하는, 방법.
  15. 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템에 있어서,
    DC(direct current) 버스에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 DC 에너지 저장 장치;
    상기 DC 버스에 전기적으로 연결된 입력, 및 AC 부하 및 AC 전원(source) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 적어도 하나의 DC/AC 인버터; 및,
    하나 이상의 전자 처리 장치를 포함하되,
    상기 전자 처리 장치는:
    상기 AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고;
    상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고;
    상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고; 및
    상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 인버터를 제어함으로써 상기 에너지 저장 장치와 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 제어 신호를 생성하는, 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 AC 전원은 유틸리티 그리드 또는 발전기 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 인버터는 임피던스를 통해 상기 AC 전원에 연결된 출력을 갖는 양방향 DC/AC 인버터인, 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 인버터는 분배 정적 보상기(distribution static compensator; dSTATCOM)를 포함하는, 시스템.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC 버스에 전기적으로 연결된 복수의 DC 전원을 더 포함하는, 시스템.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 에너지 저장 장치로부터 상기 하나 이상의 부하로의 전력 흐름을 유발하는, 시스템.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 공칭(nominal) 작동 전압이 최소 600VDC인 하나 이상의 배터리를 포함하는, 시스템.
  22. 제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 하나 이상의 전자 처리 장치, 상기 인버터, 상기 에너지 저장 장치, 상기 하나 이상의 AC 부하, 상기 AC 전원 및 하나 이상의 외부 통신 네트워크는 무선 통신을 통해 제어되는, 시스템.
  23. 전력 분배 네트워크에서 전력을 관리하기 위한 시스템에 있어서,
    각각의 DC(direct current) 버스에 각각 전기적으로 연결된 복수의 DC 에너지 저장 장치;
    각각의 인버터는 에너지 저장 장치와 연관되고, 연관된 DC 버스에 전기적으로 연결된 입력, 및 AC(alternating current) 부하 및 AC 전원(source) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 복수의 DC/AC 인버터; 및,
    하나 이상의 전자 처리 장치를 포함하되,
    상기 전자 처리 장치는:
    상기 AC 전원의 하나 이상의 작동 파라미터의 파라미터 값을 결정하고;
    상기 하나 이상의 작동 파라미터의 목표 파라미터 값을 결정하고;
    상기 파라미터 값과 목표 파라미터 값의 차이를 결정하고; 및
    상기 결정된 차이에 적어도 부분적으로 기반하여, 상기 복수의 인버터를 제어함으로써 상기 복수의 에너지 저장 장치 및 상기 AC 전원 사이에, 상기 파라미터 값이 상기 목표 파라미터 값을 향하도록 하는, 전력 흐름을 선택적으로 유발하기 위한 복수의 제어 신호를 생성하는, 시스템.
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