KR20220092259A - Method for utility capacity optimization design of renewable energy hybrid system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것으로, 복수의 에너지 원으로부터 전력을 공급받는 신재생에너지 하이브리드 전력 시스템에서 다양한 전력 공급원의 설비와 전력 저장장치의 경제성을 고려한 최적 설비 용량을 설계할 수 있는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for optimally designing a facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, and in a new and renewable energy hybrid power system that receives power from a plurality of energy sources, the optimal facility capacity considering the economic feasibility of facilities and power storage devices of various power sources It relates to a method for optimal designing of capacity of a new and renewable energy hybrid system that can design
최근 신재생에너지 별로 그리드 패러티(grid parity) 달성 지역이 확대되면서 신재생에너지 산업 성장을 위한 자생력이 확보되는 추세이다. 또한, 유가하락에도 불구하고 신재생에너지 시장은 높은 성장세를 유지하고 있다. 이는 운송과 발전이라는 수요시장의 차이, 정책 의지 및 기술 발달 등에 따른 것으로 분석된다.Recently, as the regions achieving grid parity for each new and renewable energy have been expanded, self-sustainability for the growth of the new and renewable energy industry is being secured. In addition, despite the drop in oil prices, the renewable energy market is maintaining high growth. This is analyzed to be due to differences in demand markets such as transportation and power generation, policy will and technological development.
신재생에너지 하이브리드 시스템은 2개 이상의 신재생에너지 발전원과 에너지 저장장치를 결합한 에너지 (전력, 열 및 가스) 공급 시스템으로서, 불균일한 신재생에너지 생산량, 지역별로 불균등한 자원 분포 등의 문제를 보완하여 신재생에너지 보급 확대에 기여하고 있다. 국내외적으로 신재생에너지 하이브리드 시스템에 대한 다양한 실증이 진행되고 있다. 전력만을 공급하는 시스템으로서는, 태양광-풍력 하이브리드 발전시스템 또는 태양광-풍력-디젤 하이브리드 발전시스템 등이 널리 연구되고 있다. 이러한 하이브리드 발전시스템을 효율적으로 운영하기 위하여 수요 예측 및 기상 데이터를 활용한 시스템 설계 기술의 중요성이 높아지고 있다.The new and renewable energy hybrid system is an energy (electricity, heat and gas) supply system that combines two or more renewable energy sources and energy storage devices. This contributes to the expansion of the supply of new and renewable energy. Various demonstrations of new and renewable energy hybrid systems are underway at home and abroad. As a system for supplying only electric power, a solar-wind hybrid power generation system or a solar-wind power-diesel hybrid power generation system has been widely studied. In order to efficiently operate such a hybrid power generation system, the importance of system design technology using demand forecasting and weather data is increasing.
해외에서 개발된 신재생에너지 타당성평가 프로그램은 청정에너지(Clean energy)를 에너지원으로 하는 프로젝트의 특정 시스템에 대한 시행타당성을 분석할 수 있어서, 프로젝트를 시행하기에 앞서 예비타당성(Prefeasibility)을 평가할 수 있다. 그러나, 이러한 프로그램은 태양열과 기타 신재생열에너지원과의 복합적용을 구현하는 것이 제공되지 않고, 최적화 기능이 개발되어 있지 않아 그 자체로는 최적설계를 위한 툴로서 적합하지는 않다는 문제점이 있다.The new and renewable energy feasibility evaluation program developed overseas can analyze the implementation feasibility of a specific system of a project that uses clean energy as an energy source, so it is possible to evaluate the preliminary feasibility before implementing the project. have. However, this program has a problem in that it is not suitable as a tool for optimal design by itself because it is not provided to implement a complex application of solar heat and other renewable heat energy sources, and an optimization function has not been developed.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 신재생에너지 발전원(태양전지, 풍력발전 등)과 배터리 또는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)를 포함하는 신재생에너지 하이브리드 시스템, 즉, 신재생에너지 하이브리드 발전 시스템을 설계함에 있어서, 종래에는 중심기기를 기준으로 군집화를 수행한 후, 최적 조합을 구하는 방식으로 이루어져, 각각의 설비 용량 자체의 최적화에 대해서는 고려하지 않고 있는 문제점이 있다.In addition, as shown in FIG. 1, a new and renewable energy hybrid system including two or more renewable energy power sources (solar cells, wind power generation, etc.) and a battery or energy storage system (ESS, Energy Storage System), that is, new In designing a renewable energy hybrid power generation system, there is a problem in that the optimization of each facility capacity itself is not considered because it is made in a manner to obtain an optimal combination after performing clustering based on a central device in the prior art.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 신재생에너지 하이브리드 발전 시스템의 설비 용량을 최적화함으로써, 동일 부하 조건에서의 설비비 최소화를 달성하여 경제성을 확보할 수 있는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 관한 것이다.Therefore, the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to optimize the facility capacity of a complex new and renewable energy hybrid power generation system, thereby achieving economic efficiency by minimizing facility cost under the same load condition. It relates to an optimal design method for the capacity of a renewable energy hybrid system.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원과 연결되고, 부하에 전력을 공급하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 있어서, (a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계, (b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계, (c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계, (d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계, (e) 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수를 설정하는 단계, 및 (f) 상기 시스템 모델 방정식과 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것이 바람직하다. In order to solve the above problems, the solar cell power generation facility, the fuel cell power generation facility, and the system power source according to an embodiment of the present invention are connected to, and the facility capacity optimization method of the renewable energy hybrid system to supply power to the load In (a) generating a system model equation, (b) receiving cost information for each facility, (c) receiving efficiency information for each facility, (d) constraint condition information including facility operation conditions , generating a constraint expression based on the constraint information, (e) setting an objective function based on the cost information and the efficiency information, and (f) the system model equation and the constraint expression and calculating optimal facility capacity information for which the objective function is minimized while satisfying , preferably a linear function with respect to the square of each of the maximum battery capacity of the solar cell power plant, the maximum battery capacity of the fuel cell power plant, and the maximum hydrogen capacity of the fuel cell power plant.
또한, 상기 시스템 모델 방정식에서, 상기 계통 전원의 공급 전력, 상기 태양전지의 발전 전력, 상기 연료전지의 발전 전력, 상기 태양전지 설비의 배터리 충방전 전력, 상기 연료전지 설비의 배터리 충방전 전력 각각에 부하까지의 효율을 곱하여 합산한 전력이 부하의 소요 전력이 동일한 것이 바람직하다.In addition, in the system model equation, the power supply of the system power, the power generated by the solar cell, the power generated by the fuel cell, the battery charge/discharge power of the solar cell facility, and the battery charge/discharge power of the fuel cell facility, respectively It is preferable that the power required by the load is the same as the power obtained by multiplying the efficiency up to the load and adding the power.
또한, 상기 비용 정보는 단위 용량당 계통 전력 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 및 연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the cost information includes system power facility cost per unit capacity, solar cell facility cost per unit capacity of solar cell power generation facility, DC/DC converter cost per unit capacity of solar cell power generation facility, and DC per unit capacity of solar cell power generation facility /AC converter cost, battery cost per unit capacity of solar cell power generation facility, fuel cell facility cost per unit capacity of fuel cell power generation facility, DC/DC converter cost per unit capacity of fuel cell power generation facility, unit capacity of fuel cell power generation facility It is preferable to include at least one of a DC/AC converter cost per unit, a battery cost per unit capacity of the fuel cell power generation facility, and a hydrogen tank facility cost per unit hydrogen capacity of the fuel cell power generation facility.
또한, 상기 설비 효율 정보는 태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the facility efficiency information includes DC/DC converter efficiency for solar cells, DC/AC converter efficiency for solar cells, DC/DC converter efficiency for fuel cells, DC/AC converter efficiency for fuel cells, charging efficiency of solar cells, and battery for solar cells. It is preferable to include at least one of the discharge efficiency, the charging efficiency of the fuel cell battery, and the discharge efficiency of the fuel cell battery.
또한, 상기 제약 조건식은 하기의 식들을 만족할 수 있다. In addition, the constraint expression may satisfy the following expressions.
여기서, 
또한, 상기 목적 함수는 하기의 식과 같은 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the objective function is as follows.
여기서, 
또한, 상기 목적함수 설정 단계는 지역 최적화 알고리즘 또는 전역 최적화 알고리즘에 적용하여, 상기 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the objective function setting step is applied to a local optimization algorithm or a global optimization algorithm to calculate the optimal facility capacity information.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은, 복잡한 신재생에너지 하이브리드 (발전)시스템의 설비 용량을 최적화할 수 있어, 동일한 부하 조건에서의 설비비 최소화를 달성하므로 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있다.The method for optimally designing a facility capacity of a hybrid renewable energy system according to an embodiment of the present invention can optimize the facility capacity of a complex new and renewable energy hybrid (power generation) system, and achieves the minimization of the facility cost under the same load condition, so it is economical There are advantages to obtaining
또한, 신재생에너지 하이브리드 시스템의 전력 연결 구조, 전력 흐름, 운전 알고리즘 등을 설비 용량 설계에 반영할 수 있어, 더욱 정확하게 설비 용량 최적 설계를 구현할 수 있으며, 더욱이 복잡한 목적 함수에 대해서도 최적화를 통해 보다 신속하게 최적 설비 용량 정보를 산출할 수 있는 장점이 있다.In addition, the power connection structure, power flow, and operation algorithm of the new and renewable energy hybrid system can be reflected in the facility capacity design, so that the optimal facility capacity design can be implemented more accurately, and even more complex objective functions can be optimized more quickly It has the advantage of being able to calculate optimal facility capacity information.
도 1은 신재생에너지 하이브리드 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 나타낸 순서 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에서 계약 조건식 산출을 위해 활용한 모델링 기법을 나타낸 예시도이다.1 is a diagram schematically illustrating a renewable energy hybrid system.
2 is a flowchart illustrating a method for optimally designing a capacity of a renewable energy hybrid system according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram illustrating a modeling technique utilized for calculating a contract condition in a method for optimally designing a capacity of a renewable energy hybrid system according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 상세히 설명한다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a method for optimal designing of the capacity of the renewable energy hybrid system of the present invention will be described in detail. The specific structural or functional descriptions below are only exemplified for the purpose of describing embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms and described in the present specification or application. It should not be construed as being limited to the examples. Since the embodiment according to the concept of the present invention may have various changes and may have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Terms such as first and/or second may be used to describe various elements, but the elements are not limited to the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements, for example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be named a second element, and similar The second component may also be referred to as the first component. When it is mentioned that a certain element is connected or connected to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that another element may exist in between. On the other hand, when it is stated that a certain element is directly connected to or directly connected to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions for describing the relationship between elements, that is, between and immediately between or adjacent to and directly adjacent to, etc., should be interpreted similarly. The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, the terms include or have are intended to designate that the specified feature, number, step, action, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers, steps, actions, It should be understood that the possibility of the presence or addition of components, parts or combinations thereof is not precluded in advance. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 설비별 기기를 수 개의 군집으로 구분하고 각 군집을 대표하는 수 개의 중심기기에 대해서만 조합을 만들어 선형 계획법을 수행하여 용량 및 최적 중심기기를 선정하고, 선정된 중심기기에 대응되는 군집에 포함된 기기들에 대해서만 정수 계호기법을 수행하여 최종적으로 기기를 선정함으로써, 실질적으로 모든 기기에 대한 검토를 하는 효과를 제공하면서도 설계안 도출에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.In the method for optimal designing of facility capacity of a new and renewable energy hybrid system according to an embodiment of the present invention, the equipment for each facility is divided into several clusters, and a combination is made only for several central devices representing each cluster by performing a linear programming method. And by selecting the optimal central device, performing the integer counting method only on the devices included in the cluster corresponding to the selected central device, and finally selecting the device, providing the effect of reviewing practically all devices while providing the design plan There is an advantage in that the time required for derivation can be greatly reduced.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 나타낸 순서 예시도로서, 도 2를 참조로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법을 자세히 설명한다.2 is a flowchart illustrating a method for optimally designing a capacity of a renewable energy hybrid system according to an embodiment of the present invention. A detailed description of how to optimally design a facility capacity.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원과 연결되고, 부하에 전력을 공급하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법에 있어서, (a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계, (b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계, (c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계, (d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계, (e) 비용 정보 및 효율 정보에 기초하여, 목적 함수를 설정하는 단계, 및 (f) 시스템 모델 방정식과 제약 조건식을 만족하면서, 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계를 포함하고, 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것을 특징으로 한다.The method for optimally designing the facility capacity of a renewable energy hybrid system according to an embodiment of the present invention is connected to a solar cell power generation facility, a fuel cell power generation facility, and a system power source, and the facility capacity of a renewable energy hybrid system that supplies power to a load In the optimal design method, (a) generating a system model equation, (b) receiving cost information for each facility, (c) receiving efficiency information for each facility, (d) including facility operation conditions receiving constraint information and generating a constraint expression based on the constraint information, (e) setting an objective function based on the cost information and the efficiency information, and (f) satisfying the system model equation and the constraint expression while calculating optimal facility capacity information for which the objective function is minimized, wherein the objective function is a maximum supply power capacity of a system power source, a maximum power generation power capacity of a solar cell, a maximum generation power capacity of a fuel cell, and a solar cell power generation It is characterized in that it is a linear function with respect to the square of each of the maximum battery capacity of the facility, the maximum battery capacity of the fuel cell power plant, and the maximum hydrogen capacity of the fuel cell power plant.
이 때, 태양전지 발전 설비 대신 풍력 발전 설비로 구성되어도 무방하며, 본 발명에서는 원활한 설명을 위해 태양전지 발전 설비만을 언급하였으나, 태양전지 대신 풍력 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비와 풍력 발전 설비 모두를 포함하여 구성될 수도 있다.At this time, it may be composed of a wind power generation facility instead of a solar cell power generation facility, and in the present invention, only a solar cell power generation facility is mentioned for a smooth description, but includes a wind power generation facility instead of a solar cell or both a solar cell power generation facility and a wind power generation facility may be configured.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면, 상기 (a) 단계는, 연산처리수단이 신재생에너지 하이브리드 시스템이 포함하는 설비의 기본 정보에 기초하여 시스템 모델 방정식을 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 설비 기본 정보는 부하의 소요 전력, 발전 설비의 종류, 개수 등을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 다양한 에너지 공급원(태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원)과 저장부(에너지 저장장치)를 포함하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 경우, 시스템 모델 방정식은 아래와 같이 산출될 수 있다. 물론, 본 발명의 기술 사상의 범위를 신재생에너지 하이브리드 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우만으로 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 배터리는 연료전지 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비에 연결되되, 연료전지 발전 설비 또는 태양전지 발전 설비에 포함되지 않은 별도의 배터리 시스템일 수도 있다. In detail about each step, the step (a) preferably includes the step of calculating the system model equation based on the basic information of the facility included in the renewable energy hybrid system by the calculation processing means. Here, the basic facility information may include power required for a load, the type and number of power generation facilities, and the like. In the case of a new and renewable energy hybrid system including various energy sources (solar cell power generation facility, fuel cell power generation facility and system power) and storage unit (energy storage device) shown in FIG. 3, the system model equation can be calculated as follows have. Of course, the scope of the technical idea of the present invention is not limited only to cases in which the renewable energy hybrid system includes a grid power source, a fuel cell power generation facility, and a solar cell power generation facility. In addition, the battery may be a separate battery system connected to the fuel cell power generation facility or the solar cell power generation facility, but not included in the fuel cell power generation facility or the solar cell power generation facility.
여기서, here,
(
(
상기 (b) 단계는, 연산처리수단에서, 설비별 비용 정보를 입력받는 것으로, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 비용 정보는 
이 때, 연료전지 발전 설비로는, 가스 공급이 상시 가능하므로 무한 전력 공급원으로 가정하는 것이 바람직하며, 태양전지 발전 설비는 제한된 변동성 전력 공급 소스로, 전력 계통은 시간대별 차별 요금제로 공급되는 전력 소스, 부하는 변동 에너지 사용기기, 에너지 저장장치는 단기 전력 저장 장치이며, 전원단과 부하단을 연결하여 충방전이 가능한 한정된 전력 공급원으로 가정하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable to assume that the fuel cell power generation facility is an infinite power supply because gas can be supplied at all times, the solar cell power generation facility is a limited variable power supply source, and the power system is a power source that is supplied with a time-based differential rate system , the load is a device using variable energy, and the energy storage device is a short-term power storage device.
상기 (c) 단계는, 연산처리수단에서, 설비 효율 정보를 입력받는 것으로, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 설비 효율 정보는 태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.The step (c) is to receive facility efficiency information from the arithmetic processing means, and when the system includes a grid power source, a fuel cell power generation facility, and a solar cell power generation facility, the facility efficiency information is a DC/DC converter for solar cells Efficiency, DC/AC converter efficiency for solar cell, DC/DC converter efficiency for fuel cell, DC/AC converter efficiency for fuel cell, charging efficiency of solar cell battery, solar battery discharge efficiency, fuel cell battery charging efficiency and fuel cell battery It is preferable to include at least one or more of the discharge efficiency of
상기 (d) 단계는 연산처리수단에서, 상기 부하로부터 요구 전력과 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받는 것이 바람직하다. In step (d), it is preferable that the operation processing means receives constraint condition information including the required power and facility operation conditions from the load.
상기 제약 조건 정보는 각 배터리의 최대 충전 전력, 최대 방전 전력, 및 최대 충전량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템이 계통 전원, 연료전지 발전 설비, 태양전지 발전 설비를 포함하는 경우, 상기 제약 조건 정보는 
상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 산출하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 상기 제약 조건식은 하기의 식들 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to calculate a constraint condition expression based on the above constraint condition information. In detail, the constraint expression preferably includes at least one of the following expressions.
여기서, here,
태양전지용 배터리/연료전지용 배터리의 충방전 전력은 배터리 수명 단축을 방지하기 위하여 배터리 충방전 전력을 소정의 최소값과 최대값 사이로 한정하는 것이며, 태양전지용 배터리/연료전지용 배터리의 충전량은 신재생에너지 하이브리드 시스템의 안정적 운영을 위해 배터리가 과충전과 과방전 사이에서 운영될 수 있도록 하는 제약 조건식이다.The charging/discharging power of the solar cell battery/fuel cell battery limits the battery charging/discharging power to between a predetermined minimum value and the maximum value in order to prevent shortening of the battery life, and the charge amount of the solar cell battery/fuel cell battery is a renewable energy hybrid system It is a constraint expression that allows the battery to operate between overcharging and overdischarging for the stable operation of
이러한 제약 조건식들을 통해서 다양한 조건에서도 다양한 에너지 공급원(태양전지 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 계통 전원)과 부하가 균형을 이루도록 하이브리드 운전을 수행할 수 있다.Through these constraint formulas, hybrid operation can be performed so that various energy sources (solar cell power generation facilities, fuel cell power generation facilities, and system power sources) and loads are balanced even under various conditions.
상기 (e) 단계는 연산처리수단에서, 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수(F)를 설정하는 것이 바람직하다.In the step (e), it is preferable to set the objective function (F) based on the cost information and the efficiency information in the arithmetic processing means.
상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것이 바람직하며, 하기의 식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.The objective function is the maximum supply power capacity of the system power source, the maximum power generation power capacity of the solar cell, the maximum generation power capacity of the fuel cell, the maximum battery capacity of the solar cell power generation facility, the maximum battery capacity of the fuel cell power generation facility, and the fuel cell power generation Preferably, it is a linear function with respect to each square of the maximum hydrogen capacity of the plant, and is preferably calculated by the following formula.
여기서,here,
<최적화 알고리즘 코드><Optimization algorithm code>
(여기서, 상기 최적화 알고리즘 코드는, 처음에 이진행렬을 랜덤하게 만들고 나서, 이전에 탐색했던 행렬인지 아닌지는 히스토리 테이블을 통해서 검색하여, 등록되어 있지 않으면(이전에 탐색한 적이 없으면), 해당하는 랜덤 이진행렬로부터 세션을 시작하는 것을 의미함다. 이 때, 세션은 한번의 BSS와 다수번의 UDS를 수행하는 함수이며, T는 최적화되는 이진행렬 결과값을 의미함.)(Here, the optimization algorithm code, after randomly creating a binary matrix at first, searches through the history table to see if it is a previously searched matrix, and if it is not registered (if it has not been searched before), the corresponding random It means starting a session from this sequence, in this case, the session is a function that performs one BSS and multiple UDS, and T means the optimized binary sequence result.)
상기 (f) 단계는 연산처리수단에서, 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수의 출력이 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 (f) 단계는 지역 최적화 알고리즘 또는 전역 최적화 알고리즘에 적용하여, 상기 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 지역 최적화(local search) 알고리즘은, 탐색점 주변을 면밀히 탐색하는 양분 탐색(BSS, Bisectional Search)과 양분 탐색을 통해서 획득한 정보를 기반으로 이웃 영역을 확장 탐색하는 단향 탐색(UDS, Unidirectional Search)로 나눌 수 있다. 또한, 전역 최적화(global search) 알고리즘을 위해서는, 가장 용이하면서도 간단하게 구현할 수 있는 multistart 기법을 활용하는 것이 바람직하다. 상기 전역 최적화 알고리즘은 지역 최적화 알고리즘을 수행하고 난 후, 전역 최적해를 찾기 위해 multistart 전략을 적용한 것으로, 이전 탐색의 최적값 유지를 보장하기 위해 이전 탐색까지의 비용함수가 가장 낮은 해를 저장한 후 다시 임의의 행렬(
한편, 본 발명의 실시예에 따른 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.On the other hand, the method for optimal designing of the capacity of the renewable energy hybrid system according to the embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various electronic information processing means and recorded in a storage medium. The storage medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The program instructions recorded in the storage medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the software field. Examples of the storage medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floppy disks. (magneto-optical media) and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by an apparatus for electronically processing information using an interpreter or the like, for example, a computer.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, in the present invention, specific matters such as specific components and the like and limited embodiment drawings have been described, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above one embodiment. No, various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .
10 : 계통 전원
20 : 부하
1 : 태양전지 발전 설비
110 : 태양전지
210 : 연료전지
121, 221 : DC/DC 컨버터
122, 222 : DC/AC 컨버터
130, 230 : 배터리10: grid power
20: load
1: Solar cell power generation facility
110: solar cell
210: fuel cell
121, 221 : DC/DC converter
122, 222 : DC/AC converter
130, 230: battery
Claims (8)
(a) 시스템 모델 방정식을 생성하는 단계;
(b) 설비별 비용 정보를 입력받는 단계;
(c) 설비별 효율 정보를 입력받는 단계;
(d) 설비 운전 조건을 포함하는 제약 조건 정보를 입력받고, 상기 제약 조건 정보에 기초한 제약 조건식을 생성하는 단계;
(e) 상기 비용 정보 및 상기 효율 정보에 기초하여, 목적 함수(F)를 설정하는 단계; 및
(f) 상기 시스템 모델 방정식과 상기 제약 조건식을 만족하면서, 상기 목적 함수가 최소가 되는 최적 설비 용량 정보를 산출하는 단계;
를 포함하고,
상기 목적 함수는 계통 전원의 최대 공급 전력 용량, 태양전지의 최대 발전 전력 용량, 연료전지의 최대 발전 전력 용량, 태양전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 연료전지 발전 설비의 배터리 최대 용량, 및 연료전지 발전 설비의 수소 최대 용량 각각의 제곱에 대하여 선형 함수인 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
In the method for optimal designing the capacity of a new renewable energy hybrid system that is connected to a solar cell power generation facility, a fuel cell power generation facility, and a system power source, and supplies power to a load,
(a) generating a system model equation;
(b) receiving cost information for each facility;
(c) receiving efficiency information for each facility;
(d) receiving constraint condition information including facility operation conditions, and generating a constraint condition expression based on the constraint condition information;
(e) setting an objective function (F) based on the cost information and the efficiency information; and
(f) calculating optimal facility capacity information in which the objective function is minimized while satisfying the system model equation and the constraint equation;
including,
The objective function is the maximum supply power capacity of the system power source, the maximum generated power capacity of the solar cell, the maximum generated power capacity of the fuel cell, the maximum battery capacity of the solar cell power generation facility, the maximum battery capacity of the fuel cell power generation facility, and the fuel cell power generation being a linear function of each square of the plant's maximum hydrogen capacity;
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
상기 시스템 모델 방정식에서,
상기 계통 전원의 공급 전력, 상기 태양전지의 발전 전력, 상기 연료전지의 발전 전력, 상기 태양전지 설비의 배터리 충방전 전력, 상기 연료전지 설비의 배터리 충방전 전력 각각에 부하까지의 효율을 곱하여 합산한 전력이 부하의 소요 전력이 동일한 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
The method of claim 1,
In the system model equation,
The power supplied by the system power, the power generated by the solar cell, the power generated by the fuel cell, the battery charge/discharge power of the solar cell facility, and the battery charge/discharge power of the fuel cell facility are multiplied by the efficiency up to the load. The power required by the load is the same
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
상기 비용 정보는
단위 용량당 계통 전력 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 태양전지 설비 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 태양전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 연료전지 설비 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/DC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 DC/AC 컨버터 비용, 연료전지 발전 설비의 단위 용량당 배터리 비용, 및 연료전지 발전 설비의 단위 수소용량당 수소 탱크 설비 비용 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
The method of claim 1,
The cost information is
Grid power facility cost per unit capacity, solar cell facility cost per unit capacity of solar cell power generation facility, DC/DC converter cost per unit capacity of solar cell power generation facility, DC/AC converter cost per unit capacity of solar cell power generation facility, solar Battery cost per unit capacity of cell power generation facility, fuel cell facility cost per unit capacity of fuel cell power generation facility, DC/DC converter cost per unit capacity of fuel cell power generation facility, DC/AC converter cost per unit capacity of fuel cell power generation facility , a battery cost per unit capacity of a fuel cell power generation facility, and a hydrogen tank facility cost per unit hydrogen capacity of a fuel cell power generation facility.
상기 설비 효율 정보는
태양전지용 DC/DC 컨버터 효율, 태양전지용 DC/AC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/DC 컨버터 효율, 연료전지용 DC/AC 컨버터 효율, 태양전지용 배터리의 충전 효율, 태양전지용 배터리의 방전 효율, 연료전지용 배터리의 충전 효율 및 연료전지용 배터리의 방전 효율 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
The method of claim 1,
The facility efficiency information is
DC/DC converter efficiency for solar cell, DC/AC converter efficiency for solar cell, DC/DC converter efficiency for fuel cell, DC/AC converter efficiency for fuel cell, charging efficiency of solar cell battery, discharge efficiency of solar cell battery, fuel cell battery What includes at least one of charging efficiency and discharging efficiency of a fuel cell battery
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
상기 제약 조건식은 하기의 식들 중 적어도 하나를 포함하는 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
여기서,
The method of claim 1,
The constraint expression includes at least one of the following expressions
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
here,
상기 목적 함수는 하기의 식과 같은 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
여기서,
The method of claim 1,
The objective function is the same as the following equation
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
here,
상기 (f) 단계는
지역 최적화 알고리즘 또는 전역 최적화 알고리즘에 적용하여, 상기 최적 설비 용량 정보를 산출하는 것
을 특징으로 하는 신재생에너지 하이브리드 시스템의 설비 용량 최적 설계 방법.
The method of claim 1,
The step (f) is
Calculating the optimal facility capacity information by applying a local optimization algorithm or a global optimization algorithm
An optimal design method for facility capacity of a new and renewable energy hybrid system, characterized in that
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|---|---|
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2020
- 2020-12-24 KR KR1020200183865A patent/KR102504362B1/en active IP Right Grant
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