KR20220049320A - 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하여 전압을 제어함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템에 관한 것이다.

Description

스마트 에너지 융합 솔루션 시스템{SMART ENERGY CONVERGENCE SOLUTION SYSTEM}
본 발명은 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하여 전압을 제어함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전력계통망에 연계되는 모든 발전설비는 전력계통의 운용 안정성을 저해하지 않으면서 연계되어야 하며, 이에 대한 기술적 요건은 국가마다 상이하기는 하지만 통상 그리드 코드(GRID CODE)나 송배전 사업자측에 명시된다.
따라서 새로운 발전설비를 전력계통망에 연계하고자 할 때 전력계통망의 안정성 및 신뢰성을 위협하지 않으면서 부하에 연계 가능하도록 새로운 발전설비에대하여 설계할 필요성이 있다.
최근에는 대규모 집중형 전원과는 달리 전력 소비 지역 부근에 소규모로 분산하여 배치되는 발전 전원으로서 분산형 전원(DER: Distributed Energy Resource)이 공급되고 있으며, 분산형 전원에도 연계 용량을 고려한 설계가 필요하다.
대표적으로 분산형 전원은 직류 수용가의 등장과 함께 직류전원의 직접적인 공급에 대한 요구가 증대됨에 따라 직류전원을 직접 수용가에 공급할 수 있는 직류 배전을 중심으로 개발되고 있다.
이러한 분산형 전원의 활용성을 높이기 위해 배전 계통에 신에너지나 재생에너지 및 자가용 발전설비를 이용하고 있으며, 그 중 신에너지는 연료전지, 석탄액화가스화, 중질잔사유 가스화 및 수소 에너지 등이 있다.
재생 에너지는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물 및 지열등이 있으며, 이들을 이용한 분산 발전기나 발전 모듈 등이 송배전 계통과 연계되도록 분산 발전 설비의 용량을 산정하고 있다.
이때, 분산 발전원으로 동작하는 분산 발전기 등은 송배전 전력품질을 결정하는 전압에 영향을 줄 수 있기 때문에, 연계 용량의 관점에서 송출 전압의 크기를 정하여 전력 계통의 안정화를 제공한다.
그러나, 종래의 분산 발전 설비는 송배전 계통에서 정해놓은 운용 전압에 따라 소내 전압을 결정하고, 결정에 따라 고정된 전압으로 송배전 계통에 송출하므로 분산 발전 용량을 높이지 못하여 발전 효율이 낮다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1815464호 대한민국 등록특허 제10-2072972호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하여 전압을 제어함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템을 제공하고자 한다
이를 위해, 본 발명에 따른 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템은, 복수의 분산형 발전설비의 전력을 제어하기 위한 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템으로서,상기 분산형 발전설비는, 분산형 발전 설비에서 송배전측으로 전력을 공급하는 소내 변압기를 제어하는 탭 절환기; 상기 탭 절환기에 탭 절환 제어신호를 제공하는 자동전압 조정기; 상기 분산형 발전설비에서 송배전측으로 공급 가능한 허용 전압 범위를 기록하는 기준값 메모리; 및 상기 자동전압 조정기에 소내 변압기를 변압전보다 승압시키는 명령이 포함된 셋트 포인트 제어신호를 상기 자동전압조정기에 제공하는 송출 제어기를 포함하고, 상기 복수의 분산형 발전설비에 배치되어 측정 데이터를 출력하는 복수의 센서장치; 및 상기 복수의 센서장치로부터의 측정데이터에 기초하여 상기 각각의 분산형 발전설비의 전압을 조정하기 위한 전압조정신호를 상기 송출제어기에 송신하는 SCADA를 포함하되, 상기 SCADA는 상기 복수의 센서장치로부터 취득되는 측정 데이터를 이용하여 상기 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하고, 상기 분산형 발전설비의부하모델을 이용하여 분산형 발전설비가 접속되는 노드의 전압을 산출하며, 상기 송출제어기로 하여금 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 제어 변수값을 산출하여 이를 상기 복수의 분산형 발전설비 각각에 송신하며, 그리고, 상기 송출제어기는 상기 SCADA 로부터 수신 받은 상기 제어변수값에 따라 상기 분산형 발전설비의 전압을 제어하되, 상기 SCADA 와 통신이 두절될 경우, 직전의 분산형 발전설비의 부하모델에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어하기 위한 제어변수값을 산출하고, 상기 SCADA 와 통신이 두절된 이후 소정시간이 경과되면, 상기 직전의 분산형 발전설비의 부하모델을 폐기하고 기 설정된 제어방식에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명은 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하여 전압을 제어함으로써 수시로 급변하는 발전 계통의 전압에 대응하여 분산형 발전 전원의 최종 발전 출력량을 증대시켜 발전 측면에서 발전 효율이 향상되고, 경제성을 향상시킬 수 있는 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템을 나타낸 구성도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1과 같이, 본 발명은 분산형 발전 설비(10)에서 발전된 전력을 송배전측에 공급하는 것으로, 분산형 발전 설비(10)가 송배전측의 전력계통망에 연계되도록 소내(power station)의 제어 노드(20)에 의해 송전 전압이 조정된다.
여기서 분산형 발전 설비(10)는 소규모로 전력 소비 지역 부근에 분산하여 배치가 가능한 발전기나 발전모듈 등을 포함한 발전원으로서 흔히 발전기라 하며 분산형 전원(DER: Distributed Energy Resource)을 공급한다.
분산형 발전 설비(10)로는 실시예로 신에너지, 재생 에너지 및 자가용 발전설비 등이 있다. 이때 신에너지에는 연료전지, 석탄액화가스화, 중질잔사유 가스화 및 수소 에너지 등이 있고, 재생 에너지에는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물 및 지열 등이 있다.
송배전측은 대규모 및 소규모의 수용가나 공장 등의 전력 부하에 전력을 공급하는 전력 계통으로, 국가별로 송배전측을 관리하는 주최는 다를 수 있으며 보통은 공공기관이나 전력 사업체(예: 한국전력)에서 설치 및 관리된다.
제어 노드(20)는 분산형 발전 설비(10)에서 발전된 전력을 송배전측에 공급하도록 제어하는 것으로, 제어 노드(20)에는 연계 용량에 적합하도록 전압을 조절하는 소내 변압기(21)를 포함한다. 또한 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 더 포함할 수 있다.
실시예로써 분산형 발전 설비(10)의 출력단에는 인버터(22)가 설치되어 전압은 물론 주파수를 조절하고, 캐패시커는 인버터(22)의 출력단에서 전압을 조절하여 송출 전압을 안정화한다.
소내 변압기(21)는 최종적으로 변압을 한다. 이러한 소내 변압기(21)는 통상 변전소 안의 부하에 전력을 공급하기 위한 변압기로 모선에 직접 접속되는 것을 의미하기도 하지만 본 발명에서는 송배전측으로 송전을 위한 변압기를 의미한다.
이러한 계통에서 분산형 발전 설비(10)는 태양광 PV(Photovoltaic) 패널과 같이 다수개의 발전원으로 구성될 수 있으며, 소내 변압기(21)나 인버터(22)는 분산형 발전 설비(10)의 출력단에 각각 구비되거나 다수의 분산형 발전 설비(10)에 공통 연결될 수 있다. 이는 캐패시터(23) 역시 마찬가지이다.
이와 같은 분산형 발전 설비(10)는 소내 변압기(21), 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 포함하는 제어 노드(20)를 통해 전력 계통망(송배전측)에 연계되는 분산형 발전 시스템을 구성하고, 송배전측 전력계통의 운용 안정성을 저해하지 않도록 연계가 이루어진다.
또한, 분산형 발전 설비(10)를 전력 계통망에 연계시 전력계통망의 안정성 및 신뢰성을 위협하지 않으면서 연계가 이루어지도록 상술한 분산형 발전 설비(10) 및 그를 위한 제어 노드(20)의 계통 설계가 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치(100)는 탭 절환기(110), 자동전압조정기(120), 기준값 메모리(130), 송출 제어기(140), 복수의 센서장치 및 SCADA를 포함하며, 이들 구성 요소는 상술한 분산형 발전 시스템의 분산형 발전 설비(10) 및 그를 위한 제어 노드(20)와 연동된다.
이때, 탭 절환기(110)는 제어 노드(20)의 하나인 소내 변압기(21)를 조절하고, 자동전압조정기(120)는 탭 절환기(110)를 제어한다. 기준값 메모리(130)는 송배전측의 허용 전압 범위를 기록하며, 송출 제어기(140)는 상기 허용 전압 범위 내에서 소내 변압기(21)를 그 변압 전보다 승압되도록 강제한다.
이와 같이 본 발명은 분산형 발전 설비(10)의 발전 전력을 송배전측으로 연계 공급시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 소내 송출 전압을 이전보다 승압되도록 제어한다.
소내 전압의 승압 제어는 본 발명에서 감시를 통한 판단 시점, 분산형 발전 설비(10)의 발전량 감소로 인해 전압 강하 시점 및 부하량 증가로 인한 전압 강하시 등의 경우에 진행하며, 승압은 허용 전압 범위 이내에서 이루어진다.
따라서, 수시로 급변하는 발전 계통의 전압에 대응하여 분산형 발전 전원의 최종 발전 출력량을 증대시켜 발전 측면에서 발전 효율이 향상되고, 경제성을 향상시키며, 계통의 전압 강하를 방지하여 전력 공급 신뢰성을 높인다.
구체적으로, 상기 탭 절환기(110)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 전력을 공급하는 소내 변압기(21)(station transformer)를 제어한다. 소내 변압기(21)는 제어 노드(20)의 하나로 보통은 송출측 종단부에 구비된다.
탭 절환기(110)는 발전 전력을 공급중인 소내 변압기(21)를 제어하도록 부하시 탭 절환기(110)(OLTC: On Load Tap Changer)를 적용한다. 부하시 탭 절환기(110)는 전력을 공급중인 상태에서 탭 위치를 변화시켜 소내 변압기(21)의 권선비를 절환시킨다.
특히, 본 발명에 적용되는 부하시 탭 절환기(110)는 소내 변압기(21)의 2차측에 연결되고, 탭 절환에 의해 소내 변압기(21)의 2차측 권선수를 증가시켜 소내 변압기(21)에서 승압이 이루어지게 한다. 즉, 직전 변압 상태보다 승압되도록 강제한다.
종래의 OLTC는 변압기 1차 측에 설치된 상태에서 탭 절환을 함으로써 수용가 공급을 위한 감압이 이루어지도록 하는 것이 보통인 것에 비해, 본 발명에서는 OLTC의 2차측에 설치되어 2차측 권선수(권선비)를 증가시키는 것이다.
또한, 일반적인 경우에는 CVR(Conservation Voltage Reduction)을 이용하여 전압 및 무효전력의 최적화 제어를 통해 전력 계통을 구성하는 각 노드의 전압 크기를 허용 전압 범위 이내에서 최적 하한으로 유지시켜 에너지를 절감함에 반해, 본 발명은 그 반대로 승압이 이루어지게 하여 발전 효율 등을 향상시킨다.
자동전압조정기(120)는 탭 절환기(110)로 탭 절환 제어신호를 제공(전송)하는 것으로, 본 발명에서는 분산 발전 설비에서 발전된 전력을 송배전측으로 송출되는 전압 조정을 목적으로 탭 절환기(110)를 제어한다.
이러한 자동전압조정기(120)는 후술하는 기준값 메모리(130)에 저장된 허용 전압 범위 이내에서 승압이 이루어지도록 부하시 탭 절환기(110)를 제어하는 AVR(Automatic Voltage Regulator)인 것이 바람직하다.
실시예로 태양광 발전소, 풍력 발전소 및 연료 전지 등과 같은 분산형 전원의 연계 용량이 500kW급을 초과하는 분산형 발전 설비(10)의 경우, 송배전측에서 규정하는 배전계통 연계기술 기준에 따라 22.9kV 특별 고압으로 연계를 해야 한다.
분산형 발전 설비(10)의 최종 발전 전압은 대략 380V ~ 6,600V 수준이므로, 이를 송배전측에서 규정하는 22.9kV 특별 고압으로 연계되도록 소내 변압기(21)에 의해 승압할 필요가 있다.
이때, 송배전측에서 규정하고 있는 바와 같이 계통 연계시 22.9kV를 기준으로 3% ~ 5%의 여유분을 인정하므로, 결국 자동전압조정기(120)는 22.9kV±3% ~ 5%의 허용 전압 범위 이내에서 송배전측으로 발전 전원을 송출할 수 있다.
기준값 메모리(130)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 공급 가능한 허용 전압 범위를 기록하는 것으로, 위에서 설명한 바와 같이 계통 연계시 규정된 허용 전압을 범위를 기록한다.
여기서는 대한민국에서 송배전측 계통을 관리하는 전력 사업자인 한국전력™을 예로 들어 설명하므로, 발전 전원을 22.9kV±3% ~ 5%의 전압 범위 이내에서 송출하며, 그에 따른 허용 전압 범위를 제공한다.
다만, 계통 연계를 위한 승압은 국가별 혹은 지역별로 상이할 수 있으며, 또한 송배전측 연계 용량이나 분산형 발전 설비(10)에 따른 연계 용량에 따라서도 다를 수 있으므로 기준값 메모리(130)에는 그에 따른 허용 전압 범위를 기록한다.
송출 제어기(140)는 분산 발전 설비의 발전량에 따라 셋트 포인트(set point) 제어신호를 자동전압조정기(120)에 제공하는데, 셋트 포인트 제어신호에는 허용 전압 범위 이내에서 소내 변압기(21)를 승압시키는 명령이 포함되어 있다.
송출 제어기(140)에 의해 제어되는 셋트 포인트 제어신호는 발전 전원과 송배전측의 연계를 위한 승압에 이용되지만, 본 발명에서는 이미 허용 범위 이내에 있는 송전 전압을 이전 보다 더욱 높이는 승압을 목적으로 한다.
허용 범위 이내에 있는 발전 전원을 이전보다 더욱 높임에 따라 허용 범위 이내에서 강제로 승압이 이루어지도록 함으로써, 부하에 따른 전압 강하를 방지하고 최대 출력량을 제공하게 하여 최대 효율의 발전량을 제공하게 한다.
이러한 이유로 송출 제어기(140)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 출력되는 전압이 계통 연계에 따라 규정된 최대값이 되도록 승압시키는 것이 바람직하다. 즉, 허용 전압 범위 이내 중에서 최대값이 되도록 제어한다.
복수의 센서장치는 복수의 분산형 발전설비에 배치되어 측정 데이터를 출력할 수 있다.
SCADA는 복수의 센서장치로부터의 측정 데이터에 기초하여 각각의 분산형 발전설비의 전압을 조정하기 위한 전압조정신호를 송출제어기에 송신할 수 있다.
SCADA는 복수의 센서장치로부터 취득되는 측정 데이터를 이용하여 상기 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하고, 분산형 발전설비의 부하모델을 이용하여 분산형 발전설비가 접속되는 노드의 전압을 산출하며, 송출제어기로 하여금 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 제어 변수값을 산출하여 이를 복수의 분산형 발전설비 각각에 송신할 수 있다.
송출제어기는 SCADA 로부터 수신 받은 상기 제어변수값에 따라 상기 분산형 발전설비의 전압을 제어하되, SCADA 와 통신이 두절될 경우, 직전의 분산형 발전설비의 부하모델에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어하기 위한 제어변수값을 산출하고, SCADA 와 통신이 두절된 이후 소정시간이 경과되면, 직전의 분산형 발전설비의 부하모델을 폐기하고 기 설정된 제어방식에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 분산형 발전 설비(10)에서 발전량의 변동에 따라 제어 노드(20)를 제어함으로써, 그 발전량에 의해 제공 가능한 최적의 허용 범위 내 승압 조건을 설정할 수 있다.
이에, 본 발명은 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 송출되는 전압을 제어하는 적어도 하나 이상의 제어 노드(20)를 포함한다. 이러한 제어 노드(20)는 소내 변압기(21)를 비롯하여 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 포함할 수 있다.
소내 변압기(21)의 2차측에는 인버터(22)와 캐패시터(23)가 순차로 연결됨에 따라 각 노드에서 전압이 조절되며, 소내 변압기(21)의 탭 절환기(110) 뿐만 아니라 다른 제어 노드(20)를 제어하여 발전량에 따라 승압을 가능하게 한다. 이러한 제어는 바람직하게 실시간으로 이루어진다.
따라서, 본 발명의 송출 제어기(140)는 제어 노드(20)에서 검출된 전압을 감시하여, 그 감시 결과에 따라 허용 전압 범위 이내의 셋 포인트 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
특히 제어 노드(20)에 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 포함하는 경우, 허용 전압 범위 이내에서 승압이 이루어지도록 인버터(22) 및 캐패시터(23) 중 어느 하나 이상을 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 분산형 발전 설비(10)가 태양광 PV 패널이고 날씨나 태양의 고도 변화로 인해 발전량이 줄어들면 인버터(22)의 전압이 낮아진다. 이에 송출 제어기(140)는 인버터(22)의 감시 결과 전압 감소가 있으면 인버터(22)에서 승압이 이루어지도록 해당 인버터(22)를 제어한다.
위와 같이 본 발명은 송출 제어기(140)에서 허용 전압 범위를 참조하여 현재의 송출 전압이나 현재의 소내 변압기 2차측 전압 대비 승압이 이루어지도록 제어 노드(20)를 제어한다.
이때, 본 발명의 송출 제어기(140)는 제어 노드(20)의 감시를 통해 제어 노드(20) 각각에서의 전압을 감시하고, 이를 통해 전압 제어 효율을 더욱 향상시키는 방안을 제공한다.
이를 위해 송출 제어기(140)는 제어 노드(20) 각각에 대한 전압을 추출한다. 제어 노드(20)의 전압은 각 노드의 입력단 및/또는 출력단 전압을 의미하며, 계측 장치를 구비한 노드와 구비하지 않는 노드로 구분한다.
전압 제어를 위한 제어 노드(20)에 계측 장치가 있어서 직접 해당 제어 노드(20)에서의 전압을 측정할 수 있는 경우, 송출 제어기(140)는 제어 노드(20)들 중 계측 장치가 있는 제어 노드(20)에서 계측 데이터를 수집한다. 계측 데이터의 수집은 바람직하게 실시간으로 이루어진다.
또한, 수집된 계측 데이터를 이용하여 실시간 전력 데이터를 분석하고, 4단자 정수법에 상기 분석된 전력 데이터를 적용하여 파라미터를 산출한다. 파라미터값의 산출 역시 실시간으로 변동되는 전압에 대응할 수 있도록 실시간으로 산출한다.
이때, 4단자 정수법은 분산형 발전 설비(10)를 입력측으로 하고 상기 송배전측을 출력측으로 하며, 파라미터는 전압, 전류, 임피던스, 무효전력 및 역률 등을 포함한다.
따라서, 파라미터로 제어 노드(20)에서의 조정 전압을 산출하여 허용 전압 범위 이내에서 제어 노드(20)를 조정한다. 바람직하게 파라미터를 통해 확인된 조정 가능 전압 범위에서 승압이 이루어지도록 제어 노드(20)를 실시간 제어한다.
파라미터를 이용하여 전력 계통의 전압을 산출하는 방법으로는 여러 방법이 적용될 수 있다. 예컨대, 뉴튼-랩손 법(Newton-Raphson method), 어댑티브 뉴튼-랩손 법, 패스트-디커플드 법(Fast-Decoupled method) 및 엑셀러레이티드 가우스-자이델 법(Accelerated Gauss-Seidel method) 중 어느 하나가 이용될 수 있다. 따라서, 그 산출된 전압을 근거로 하여 허용 전압 범위 이내에서 전압을 조정한다.
반면, 제어 노드(20)들 중 계측 장치가 없는 제어 노드(20)의 경우, 송출 제어기(140)는 부하 모델링 기법을 통해 제어 노드(20)들 중 적어도 하나 이상의 노드를 포함하는 부하 모델을 구성한다.
전압 조정에 이용되는 제어 노드(20)의 부하 모델링은 ZIP 모델이나 복합(정적 및 동적) 부하 모델이 이용될 수 있으며, 그 후 전력 조류(power flow) 계산 기법을 통해 상기 부하 모델에서의 전력 조류를 산출한다.
전력 조류 산출은 4단자 정수법을 비롯하여 뉴튼-랩손 법, 어댑티브 뉴튼-랩손 법, 패스트-디커플드 법 및 엑셀러레이티드 가우스-자이델 법 등이 이용될 수 있다.
예컨대, 뉴튼-랩손 법으로 입력 전압을 조금씩 조정하여 산출 전압들의 서로간의 근사치가 오차 범위 이내로 들어올 때 전압 등의 파라미터를 산출할 수 있다.
도시된 바와 같이 뉴튼-랩손 법은 현재 x값에서 접선을 그리고 그 접선이 x축과 만나는 지점으로 x를 이용시켜 가면서 점진적으로 해를 찾는 방법이다.
따라서, 뉴튼-랩손 법을 수식화하면 임의 값이나 초기값 x1에서 시작해서 아래의 <수학식>에 따라 수렴할 때까지 계속 x를 이동시켜 나가며 근사치를 찾게 되며, 그 종료 조건은 x값의 변화가 거의 없을 때까지이다.
즉, |xt+1-xt| 값이 매우 작은 값이면 뉴턴-랩손 법을 종료하고 x=xt+1이 해(solution), 즉 f(xt+1)=0이라고 판단하는 것이다.
<수학식>
Figure pat00001
또한, 본 발명은 위와 같이 산출된 전력 조류를 이용하여 부하 모델을 구성하는 각 노드에서의 파라미터를 산출한다. 산출된 파라미터는 상술한 바와 같이 전압, 전류, 임피던스, 역률 및 무효전력 등이 있다.
따라서, 파라미터로 제어 노드(20)에서의 조정 전압을 산출하여 허용 전압 범위 이내에서 제어 노드(20)를 조정한다. 바람직하게 파라미터를 통해 확인된 조정 가능 전압 범위에서 승압이 이루어지도록 제어 노드(20)를 실시간 제어한다.
다만, 모든 노드를 반영하도록 송출 제어기(140)는 계측 장치가 있는 제어 노드(20)와 계측 장치가 없는 제어 노드(20)에서 각각 상술한 방법으로 전압을 추측한 후, 모든 제어 노드(20)를 각각 최적의 상태로 제어함으로써 최종 송출 전압이 허용 전압 범위 이내에서 승압되도록 조정한다.
위와 같이 본 발명의 송출 제어기(140)는 분산형 전원의 실시간 부하 모델 구성을 기반으로 4단자 정수법을 사용하여 전력계통 분석을 한다.
또한 분산형 전원의 소내 계통 및 송배전 계통의 전압, 전류, 무효전력, 역률 등을 산출하여 최대 효율의 발전량을 만들기 위한 전압을 실시간으로 산출한다.
따라서, 실시간 산출된 정보를 바탕으로 자동전압조정기(120), 인버터(22) 및 캐패시터(23) 등에 제어 포인트를 설정하여 전압을 조정한다.
또한 송출 제어기(140)는 분산형 전원 소내 계통 및 그와 연계된 송배전 계통의 전압 변동에 따라 분산형 전원의 최종 출력 전압을 허용 전압 범위에서 실시간으로 산출한 안정도를 감안하여 기존 전압대비 높게 전압을 조정한다.
따라서, 수시로 급변하는 계통의 전압에 대응하여 분산형 전원의 최종 발전 출력량을 증대시켜 에너지 효율을 향상시키고, 분산형 전원의 경제성을 상승시켜 분산형 전원의 확대 보급 가능하게 한다.
또한, 기존 전압대비 전압을 높게 조정하여 수시로 급변하는 계통의 전압에 대응하고 분산형 전원 계통 및 송배전 계통의 전압강하를 저감하여 계통의 신뢰도를 증대시킬 수 있게 한다.
즉, 분산형 전원을 실시간 부하모델 기반 전압 무효전력 최적화 제어를 통하여 계통의 안정성을 확보하고 분산형 전원의 발전량을 증대시켜 에너지 효율향상을 극대화 한다.
실시예로 태양광 발전소, 풍력 발전소 및 연료 전지 등과 같은 분산형 전원의 연계 용량이 500kW급을 초과하는 분산형 발전 설비(10)의 경우, 송배전측에서 규정하는 배전계통 연계기술 기준에 따라 22.9kV 특별 고압으로 연계를 해야 한다.
분산형 발전 설비(10)의 최종 발전 전압은 대략 380V ~ 6,600V 수준이므로, 이를 송배전측에서 규정하는 22.9kV 특별 고압으로 연계되도록 소내 변압기(21)에 의해 승압할 필요가 있다.
다만, 본 발명은 송출 제어기(140)에서 분산형 발전 설비(10)의 발전 상태를 감시하여 현재의 연계 용량이 고용량에 해당하는 경우에는 소내 변압기(21), 인버터(22) 및 캐패시터(23)의 순서로 각각 승압이 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하다.
반면, 분산형 발전 설비(10)의 발전 상태를 감시하여 현재의 연계 용량이 고용량 발전 용량을 기준으로 설정된 값 이하로 내려가면 인버터(22), 캐패시터(23) 및 소내 변압기(21)의 순서로 각각 승압이 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하다.
실시예로써 국가별로 서로 차이가 있기는 하지만 대한민국의 경우 연계 용량이 500kW급을 초과하는 경우 고용량으로 지정되어 있어서, 이러한 경우에는 대용량이면서도 보호장치가 있는 소내 변압기(21)로 먼저 승압하는 것이다.
반면 100kW급 ~ 500kW급은 저용량으로 지정되어 있으므로, 분산형 발전 설비(10) 자체는 고용량 발전기임에도 발전 환경 등에 따라 발전량이 감소하여 일정 기준값 이하로 내려가면, 상기 100kW급 ~ 500kW급의 저용량 구간에 있는지 확인하여 인버터(22)로 먼저 승압하는 것이다. 알려진 바와 같이 인버터(22)는 승압 이외에 주파수 제어 역시 가능하고, 변압기보다 저용량 정밀 제어에 유리하기 때문이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을것이다.

Claims (1)

  1. 복수의 분산형 발전설비의 전력을 제어하기 위한 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템으로서,
    상기 분산형 발전설비는,
    분산형 발전 설비에서 송배전측으로 전력을 공급하는 소내 변압기를 제어하는 탭 절환기;
    상기 탭 절환기에 탭 절환 제어신호를 제공하는 자동전압 조정기;
    상기 분산형 발전설비에서 송배전측으로 공급 가능한 허용 전압 범위를 기록하는 기준값 메모리;
    상기 자동전압 조정기에 소내 변압기를 변압전보다 승압시키는 명령이 포함된 셋트 포인트 제어신호를 상기 자동전압조정기에 제공하는 송출 제어기를 포함하고,
    상기 복수의 분산형 발전설비에 배치되어 측정 데이터를 출력하는 복수의 센서장치;
    상기 복수의 센서장치로부터의 측정데이터에 기초하여 상기 각각의 분산형 발전설비의 전압을 조정하기 위한 전압조정신호를 상기 송출제어기에 송신하는 SCADA를 포함하되,
    상기 SCADA는 상기 복수의 센서장치로부터 취득되는 측정 데이터를 이용하여 상기 각각의 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하고, 상기 분산형 발전설비의 부하모델을 이용하여 분산형 발전설비가 접속되는 노드의 전압을 산출하며, 상기 송출제어기로 하여금 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 제어 변수값을 산출하여 이를 상기 복수의 분산형 발전설비 각각에 송신하며,
    상기 송출제어기는 상기 SCADA 로부터 수신 받은 상기 제어변수값에 따라 상기 분산형 발전설비의 전압을 제어하되,
    상기 SCADA 와 통신이 두절될 경우, 직전의 분산형 발전설비의 부하모델에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어하기 위한 제어변수값을 산출하고,
    상기 SCADA 와 통신이 두절된 이후 소정시간이 경과되면, 상기 직전의 분산형 발전설비의 부하모델을 폐기하고 기 설정된 제어방식에 따라 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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