KR20220168509A - 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20220168509A
KR20220168509A KR1020210078332A KR20210078332A KR20220168509A KR 20220168509 A KR20220168509 A KR 20220168509A KR 1020210078332 A KR1020210078332 A KR 1020210078332A KR 20210078332 A KR20210078332 A KR 20210078332A KR 20220168509 A KR20220168509 A KR 20220168509A
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Abstract

본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 전력 계통에 대하여 모니터링되는 주파수 정보를 입력받는 입력부; 상기 입력받은 정보를 이용하여 주파수 편차로부터 드룹값을 산출하는 드룹 연산부; 및 상기 드룹값에 상기 주파수 편차를 적용하여 보정을 위한 전력 변동을 결정하여, 결정된 상기 전력 변동에 따라 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 출력을 변동시키는 출력 제어부를 포함하되, 상기 주파수 편차와 상기 전력 변동은 2차 함수를 형성하는 관계를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

가변형 속도조정률 드룹 제어 장치 및 방법{VARIABLE SPEED REGULATION DROOP CONTROL APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 계통의 안정화 운전을 위해 제어할 수 있는 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 계통 주파수의 변동 편차에 따라 ESS/발전기 등을 속도조정률 Droop을 제어하여 전력계통의 관성을 증대시킬 수 있는 가변형 속도조정률 드룹(Droop) 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전력 계통은 발전소, 변전소 및 부하를 송전선으로 연결하여 전력의 발생에서 소비까지 이루어지는 하나의 시스템을 의미한다. 이러한 전력계통은 전력 발생과 소비에 대한 동시성으로 수요와 공급이 평형을 이루어야 하기 때문에 전력 수요 감시가 지속적으로 이루어져야 한다.
전력 수요 감시는 소규모 계통에서 감시가 용이하였으나, 점차 산업의 고도화, 정보화로 인하여 전력수요가 급증하여 전력설비도 대규모화, 복잡화되고 있기 때문에, 더이상 인위적인 방법에 의해 전력 계통을 효과적으로 운용하기 곤란하다는 한계에 도달하였다.
이에 따라, 최근에는 ESS(Energy Storage System), FACTS(Flexible AC Transmission System), HVDC(High Voltage Direct Current transmission system)와 같은 신기술 설비를 활용하여 전력계통 운용업무의 효율적인 수행을 위한 통합 전력설비 운영 및 자동화가 급속히 추진되고 있다.
특히, ESS는 하이브리드 전기차(HEV) 또는 전기차(EV) 등의 수송용 에너지 분야를 중심으로 리튬 이온 전지의 대용량화, 장기 수명화의 연구가 진행되어 대형 리튬이온 전지의 상용화가 시작되고 있다.
더욱이, 고속의 응동특성을 가지고 있는 ESS는 안정도 향상을 위한 응용 방안이 검토되고 있다. 현재 국내에는 상당 규모의 ESS를 주파수조정 예비력으로 활용하고 있다.
우리나라는 신재생 3020 정책에 따라 2030년까지 신재생발전의 비중을 20%까지 증가시킬 계획을 가지고 있다. 신재생발전의 비중이 증가하게 되면 전력계통의 관성이 낮아져서, 발전기 탈락시 주파수 하락 변동폭이 증가하게 된다. 이러한 주파수 하락 변동폭 증가는 주파수 안정도 하락을 가져오게 되고, 심할 경우 저주파수 계전기(UFR)이 동작하여 대규모 부하차단에 의한 광역정전이 발생할 수 있다. 따라서, 주파수 변동폭 및 변화률을 제어하여 주파수안정도를 향상시킬 수 있는 대책방안을 수립하는 연구가 절실히 요구되고 있다.
현재 대용량 전력저장시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 스마트그리드의 세계적인 추세에 따라 신재생에너지 발전력의 증가와 함께 전력저장시스템은 전체 전력계통에 확대 보급되어 운용될 예정이며, 현재 주파수조정용 ESS가 국내에 376MW가 설치되어 운전되고 있다. 현재 이러한 ESS등이 충방전을 통해 Contingency 상황에서 계통을 보조하는 역할을 하고 있지만, 출력을 제어할 때 계통 상황의 심각한 정도와 관계없이 설정된 일관 된 값으로 제어를 하여서 계통의 관성을 보조하는 효과가 미미함을 알 수 있다.
따라서, ESS는 대용량 전력저장시스템으로 활용될 경우에, 주파수 변동폭 및 변화율을 제어하여 주파수 안정도를 향상시키기 위한 주파수 조정용 ESS의 드룹 제어 방안이 요망된다.
대한민국 등록공보 10-1763071호 : 드룹 제어 방법/장치
본 발명은 계통의 교란된 상황에 맞추어서 계통 관성 및 주파수 안정도를 향상시키기 위한 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 전력 계통에 대하여 모니터링되는 주파수 정보를 입력받는 입력부; 상기 입력받은 정보를 이용하여 주파수 편차로부터 드룹값을 산출하는 드룹 연산부; 및 상기 드룹값에 상기 주파수 편차를 적용하여 보정을 위한 전력 변동을 결정하여, 결정된 상기 전력 변동에 따라 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 출력을 변동시키는 출력 제어부를 포함하되, 상기 주파수 편차와 상기 전력 변동은 2차 함수를 형성하는 관계를 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 연산부는, 상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
Figure pat00001
)과 기준 주파수값(
Figure pat00002
)의 차이인 상기 주파수 편차(△f)를 연산하되,
기준 주파수 값은 60Hz 또는 50Hz의 중심주파수에 대하여 부동대역을 고려하여 중심주파수±부동대역의 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 지정할 수 있다.
여기서, 상기 연산부는, 상기 주파수 편차(△f)에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값을 구하는 단계; 및 게인값에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(K_new)을 구하는 단계를 수행하여 상기 드룹값을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 연산부는, 상기 입력받은 주파수 정보를 하기 수학식에 적용하여 속도조정률 드룹값으로서, 상기 게인값(Gain) 및 상기 드룹값(K_new)을 연산할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, 상기 적산계수(K)는, 종래 기술에 따른 드룹값으로서, 상기 주파수 편차(△f)와, 상기 종래 기술에 따른 드룹값을 적용하여 산출된 전력 변동은 1차 함수를 형성하는 관계를 가지게 하할 수 있다.
여기서, 상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 설정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 입력부는, 상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법은, 전력 계통에 대하여 모니터링되는 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계; 상기 계통 주파수와 기준 주파수의 주파수 편차와 보정 전력에 대한 2차 함수를 적용하여 보정을 위한 전력 변동을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 전력 변동에 따라 출력 변동이 이루어지도록 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계에서는, 상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
Figure pat00005
)과 기준 주파수값(
Figure pat00006
)의 차이인 상기 주파수 편차(△f)를 연산할 수 있다.
여기서, 상기 2차 함수를 적용하여 전력 변동을 결정하는 단계는, 상기 주파수 편차(△f)에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값을 구하는 단계; 게인값에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(K_new)을 구하는 단계; 및 상기 드룹값에 상기 주파수 편차를 곱하여 전력 변동을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 주파수 편차(△f)를 하기 수학식에 적용하여 속도조정률 드룹값으로서, 상기 게인값(Gain) 및 상기 드룹값(K_new)을 연산할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, 상기 적산계수(K)는, 하기 수학식에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00009
(여기서,
Figure pat00010
은 ESS의 정격용량(MW) 또는 발전기의 조속기의 정격용량(MW) ,
Figure pat00011
은 정격주파수(60Hz or 50Hz),
Figure pat00012
는 속도조정률(%))
여기서, 상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받는 단계; 및 상기 계통 주파수가 부동대역을 벗어나는지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치를 실시하면, 계통의 교란된 상황에 맞추어서 계통 관성 및 주파수 안정도를 적절하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 신재생발전의 비중이 증가하게 되면 전력계통의 관성이 낮아져서, 발전기 탈락시 주파수 하락 변동폭 및 변화률이 증가한 환경에서도, 주파수 편차에 따라 ESS 또는 발전기 조속기의 속도조정률 Droop이 제어되어 주파수 변동폭 및 변화율을 최적으로 관리할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 계통 주파수 안정도 하락에 따른 저주파수 계전기(UFR)이 동작하여 대규모 부하차단에 의한 광역정전이 발생하는 것을 예방하는 이점이 있다.
본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 계통의 관성을 보조해 주어서 급진적인 주파수 하락을 막아주고 최소 주파수까지 주파수가 떨어지는 것을 방지하는 이점이 있다.
본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, 주파수조정용 ESS에 적용할 경우 기존의 주파수조정용 ESS 보다 주파수편차가 적을 때 ESS의 출력이 낮아지고, 주파수편차가 클 경우 ESS의 출력이 대폭 증가하므로, 충/방전 용량에 한계가 있는 ESS의 SOC 관리에도 유리한 이점이 있다.
본 발명의 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치는, ESS의 계통 주파수 관리에 대한 기여도를 높이며, 주파수 편차에 의해 속도조정률 Droop이 실시간 변화함으로, 기존 발전기들의 조속기와의 협조가 용이한 이점이 있다.
도 1a는 일반적인 Droop 제어 장치를 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기에 적용한 신호 생성 구성도.
도 1a는 계통관성을 개선시키기 위해 본 발명의 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치를 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기에 적용한 신호 생성 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 사상에 따라 계통관성을 개선하기 위해 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치의 연산부 및 제어부를 나타낸 신호 생성 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 계통관성을 개선하기 위해 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법을 나타낸 흐름도.
도 5는 종래기술에 따라 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치에 의해 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치의 알파지수(α) 변화에 의한 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따라 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치의 베타지수(β) 변화에 의해 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프.
도 9는 종래 기술의 드룹 제어 방법과 본 발명의 사상에 따른 드룹 제어 방법의 시간에 따른 주파주 조정 효과를 비교한 그래프.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
전력 계통의 관성응답이란 외란에서 전력 계통을 일정하게 유지하려는 성질이다. 이는 발전기의 정격 용량과 회전자 운동에너지와 관련되며 관성모먼트와 각속도를 통해 구할 수 있다. 관성을 유도하기 위한 공식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00013
상기 수학식에서, J는 관성 모먼트,
Figure pat00014
는 발전기의 각속도,
Figure pat00015
은 가속토크,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
는 기계,전기적 토크를 의미한다. 그리고 해당 공식을 p.u.법을 적용한 관성상수 H로 나타내면 하기 수학식 2와 같다.
Figure pat00018
그리고, 전력 계통의 총 관성은 회전 발전기의 관성들을 가중 하여 합산한 값으로 나타낼 수 있으며 하기 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure pat00019
여기서, k는 관성에 기여 하는 발전기 개수이며
Figure pat00020
은 관성에 기여하는 발전기의 관성과 발전기의 크기를 의미한다.
Figure pat00021
는 시스템의 관성
Figure pat00022
는 계통에 연계된 모든 발전력을 의미한다.
신재생발전은 화석 연료를 이용하여 발전하는 기존의 발전 방식과는 달리 화석연료를 재활용 하거나 재생 가능한 에너지를 변환하여 발전하는 방식으로 3개의 신에너지(연료전지, 석탄액화하 가스화에너지, 수소에너지)와 8개의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 풍력, 바이오매스, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)로 나뉜다. 특히 이중 에서 태양광, 풍력, 연료전지는 인버터 기반의 발전기로 기존의 발전기와 상당히 다른 특성을 가진다.
한국은 물론 세계적으로 신재생 발전 비중이 증가 되고 있다. 산업통상자원부에서 발표한 8차 수급 계획에 따르면 한국은 3020 정책에 따라 2030년 까지 전체 발전대비 신재생 발전 비율을 20%로 증가시킬 계획을 가지고 있다. 특히 인버터 기반의 발전기는 전세계적으로 2050년까지 태양광 2,400GW, 해상풍력 2,472GW, 육상풍력 489GW까지 늘어날 것이라 예상 되고 있다. 그 중 풍력은 전 세계적으로 총 564GW로 설치 되어 가장 활발히 사업이 진행되고 있다. 가장 큰 해상 풍력 단지인 영국 혼시 해상풍력은 1.2GW의 규모이다.
전력저장장치(ESS)는 HEV, EV 등의 수송용 에너지 분야를 중심으로 리튬 이온 전지의 대용량화, 장기 수명화의 연구가 진행되어 대형 리튬이온 전지의 상용화가 시작되고 있다. 대형 리튬 이온 전지의 보급이 상정되는 시장은, 자동차 분야, 농업, 건설기계 분야, 산업 기계 분야, 이륜, 전차 등의 이동체 기기 분야, 자연 에너지 분야 등 헤아릴 수 없는 시장 잠재력을 보유하고 있다. 대전력 저장 분야로서는, NAS 전지, Redox 플로우 전지 등의 대형 전지가 상용화 초기 단계에 있어, 자가 발전 설비와의 경합, 전원 고품질화 시스템으로서 새로운 시장이 기대되고 있다. 이 전지들은 리튬 전지에 비하여 성능은 열세이지만, 용량 대비 가격이 특히 우수하여, 대용량의 전력 저장용으로 사용이 시작되고 있는 단계이다.
최근 전력저장시스템(ESS)의 국내 전력망 투입의 사업화가 활발히 진행되고 있으며, 신시장 활성화를 위한 제도가 마련되고 있는 상황이다. 다양한 ESS의 응용 방안 중에서 고속의 응동특성을 가지고 있는 ESS의 경우, 안정도 향상을 위한 응용 방안 등이 검토되고 있다. 현재 국내에는 대규모의 ESS를 주파수조정 예비력으로 활용하고 있다.
인버터 기반 발전 비율이 증가함에 따라 관성이 지속적으로 감소하고 있다. 발전기의 조속기 또는 ESS의 고속 응동특성의 장점을 부각시켜 신재생 발전 비중이 증가하면 발생하게 될 전력계통의 저관성 문제를 해결할 수 있는 방법이 절실히 필요하다. 따라서 확대 보급된 수많은 대용량 전력저장시스템 또는 발전기 조속기를 이용하여 계통의 관성을 유지 시키기 위한 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치 및 그 방법을 제공한다면 전력계통의 신뢰도를 향상시키고 대규모 발전기 연쇄 고장 및 UFR에 의한 부하차단 예방 등 광역정전을 예방하는 이점이 있을 것이다.
본 발명의 주된 사상은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, ESS나 발전기에 대한 가변형 속도조정률 Droop 제어를 수행하여 전력 계통의 심각한 상황에 맞추어서 계통 관성 및 주파수 안정도를 향상시키고자 한다.
도 1a 및 1b는 계통관성을 개선시키기 위해 본 발명인 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치를 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기에 적용한 개념도이다.
도 1a 및 1b를 참조하면, 주파수조정용 ESS(FR-ESS) 또는 발전기의 조속기는 전력계통의 주파수(
Figure pat00023
)을 입력 받아 기준 주파수(
Figure pat00024
)와 비교하는 단계, 그리고 상기 비교된 값(
Figure pat00025
)이 Gain값(
Figure pat00026
)에 의해 비례된 전력전장시스템의 출력조정값(
Figure pat00027
)이 연산되는 단계, 그리고 상기 연산값(
Figure pat00028
)에 기준이 되는 출력값(
Figure pat00029
)에 반영하여 연산된 전력저장시스템 혹은 발전기의 출력값(
Figure pat00030
)으로 전력저장시스템 출력을 제어하는 단계를 수행하는 제어기를 구비한다.
그리고, 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 조속기의 출력값(
Figure pat00031
)은 전력저장시스템(ESS) 정격용량에 의해
Figure pat00032
에서
Figure pat00033
까지로 제한될 수 있다. 여기서, 주파수 편차
Figure pat00034
는 계통의 취득한 주파수값(
Figure pat00035
)과 기준 주파수값(
Figure pat00036
)의 차이를 말하며, 이때 기준 주파수 값은 60Hz(유럽의 경우 50Hz)와 같이 중심주파수인 한 값을 지정할 수 있고, 부동대역을 고려하여 중심주파수(60Hz)±부동대역 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 정의할 수 있다.
이때, Droop인 K값(적산계수)은 속도조정률(
Figure pat00037
)과 하기 수학식 4와 관련이 있다.
Figure pat00038
여기서,
Figure pat00039
은 ESS의 정격용량(MW) 또는 발전기의 조속기의 정격용량(MW) ,
Figure pat00040
은 정격주파수(60Hz or 50Hz),
Figure pat00041
는 속도조정률(%)을 나타내며, Droop인
Figure pat00042
값과는 반비례의 관계를 가진다. 따라서 K값 대신 그것에 대응하는
Figure pat00043
값을 적용하여 제안된 발명을 구현할 수 있다. 그렇기 때문에 하기의 설명은 K값으로만 설명한다. 그러나, 상기 K값은 종래 일반적인 기술에 따른 드룹값인 적산계수로 볼 수 있으며, 이러한 관점의 설명은 후술하겠다.
전력계통의 발전과 수요의 불균형에 의해 계통 주파수가 변화할 때, 계통의 주파수 변동폭이 작아지도록 설치하여 운영하는 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 조속기에 추가로 본 발명인 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치를 그림과 같이 설치하여, 주파수 변동시 해당 설비의 속도조정률 Droop을 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치가 주파수 편차에 따라 연산한 값으로 주기적으로 제어하여 계통관성 및 주파수 안정도를 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 가변형 속도조정률 드룹(Droop) 제어 장치를 나타낸 구성도이다.
전력 계통에 대하여 모니터링되는 주파수 정보를 입력받는 입력부(100); 상기 입력받은 정보를 이용하여 주파수 편차로부터 드룹값을 산출하는 드룹 연산부(200); 및 상기 드룹값에 상기 주파수 편차(△f)를 적용하여 보정을 위한 전력 변동(△P)을 결정하여, 결정된 상기 전력 변동(△P)에 따라 주파수 조정용 ESS 또는 발전기(1000)의 출력을 변동시키는 출력 제어부(300)를 포함하되, 상기 주파수 편차(△f)와 상기 전력 변동(△P)은 2차 함수를 형성하는 관계를 가지고 있다.
구체적으로, 상기 연산부(200)는, 상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
Figure pat00044
)과 기준 주파수값(
Figure pat00045
)의 차이인 상기 주파수 편차(△f)를 연산하되, 기준 주파수 값은 60Hz 또는 50Hz의 중심주파수에 대하여 부동대역을 고려하여 중심주파수±부동대역의 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 지정할 수 있다.
구현에 따라, 도시한 바와 같이, 상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 드룹값을 산출하는데 필요한 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 설정부(400)를 더 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 입력부(100)는, 상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받을 수 있다.
도 2에 도시한 가변형 속도조정률 드룹(Droop) 제어 장치는, 전력 계통의 주파수 정보를 입력받아, 상기 입력받은 정보를 이용하여 속도조정률 Gain 및 Droop(K_new)값을 연산 또는 결정하고, 상기 연산 또는 결정된 결과에 의해 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 Droop K값을 제어하여, 전력 계통의 주파수 변동시 계통 관성 및 주파수 안정도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 사상에 따라 계통관성을 개선하기 위해 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치의 연산부(200) 및 제어부(300)를 나타낸 신호 생성 구조도이다.
도 3에 도시한 상기 연산부(200)는, 상기 주파수 편차(△f)에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값(Gain)을 구하는 단계; 및 상기 게인값(Gain)에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(Knew)을 구하는 단계를 수행하여 상기 드룹값(Knew)을 산출한다.
도 3을 참조하면, 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치의 상기 연산부(200)는 전력계통의 주파수(
Figure pat00046
)을 입력 받아 기준 주파수(
Figure pat00047
)와 비교하여 주파수 편차를 연산하고, 베타지수(β)를 더하는 단계, 그리고 상기 연산된 값(
Figure pat00048
)에 알파지수(α)를 곱하는 단계, 그리고 그 연산된 결과 값(
Figure pat00049
)에 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 K을 곱하는 단계를 수행하고, 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 Droop을 제어하도록 최종 결과값인 드룹값(Knew)을 상기 제어부(300)로 제공한다.
여기서, 상기 드룹값(Knew)은 하기 수학식 5에 따라 산정될 수 있다.
Figure pat00050
이때, Gain에 적용되는 주파수 편차 0 또는 0 보다 큰 수인 절대값
Figure pat00051
를 적용한다.
도 4는 본 발명의 사상에 따라 계통관성을 개선하기 위해 가변형 속도조정률 드룹(Droop) 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도시한 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법은, 전력 계통에 대하여 모니터링되는 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계(S200); 상기 계통 주파수와 기준 주파수의 주파수 편차(△f)와 보정을 위한 전력 변동(△P)에 대한 2차 함수를 적용하여 보정을 위한 전력 변동(△P)을 결정하는 단계(S220, S250); 및 결정된 상기 전력 변동(△P)에 따라 출력 변동이 이루어지도록 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기를 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
도시한 바와 같이, 상기 S200 단계 이전에, 상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받는 단계(S100); 및 상기 계통 주파수가 부동대역을 벗어나는지 확인하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
도시한 상기 2차 함수를 적용하여 전력 변동(△P)을 결정하는 단계(S220, S250)는, 주파수 편차에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값을 구하는 단계(S220의 전 과정); 게인값에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(K_new)을 구하는 단계(S220의 후 과정); 및 상기 드룹값에 상기 주파수 편차(△f)를 곱하여 전력 변동(△P)을 산출하는 단계(S250)를 포함할 수 있다.
상기 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계(S200)에서는, 상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
Figure pat00052
)과 기준 주파수값(
Figure pat00053
)의 차이인 주파수 편차(△f)를 연산할 수 있다. 이때, 부동대역을 고려하여 60Hz±부동대역 주파수 편차를 적용하여 높은 주파수의 경우와 낮은 주파수의 경우의 두가지 값으로 기준 주파수값을 지정한다.
구현에 따라, 도시하지는 않았지만, 상기 S220 단계 이전에, 상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 4에 나타낸 각 단계들의 수행 흐름을 기술하면, 계통 주파수 정보를 취득할 수 있는 장치로부터 주파수 정보를 주기적으로 입력받아(S100), 취득한 주파수값(
Figure pat00054
)과 기준 주파수값(
Figure pat00055
)의 차인 주파수 편차(△f)가 정해놓은 부동대역값을 초과하면 다음 단계로 넘어가고, 범위 이내이면 종료한다(S150, S200).
다음 단계로, 입력받은 계통주파수 정보를 통해 속도조정률 드룹값(Knew)을 연산한다(S220). 드룹값(Knew)을 연산은 도 3에서 설명한 Gain 및 드룹값(Knew)을 상기 수학식 5에 따라 구할 수 있다.
다음 단계로, 연산된 속도조정률 Droop인 드룹값(Knew)로부터 도 3의 제어부(300)는 전력 변동(△P)을 산출하여(S250), 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기에 제공하여 제어한다(S300).
상기 제공된 방법에 의해 반복적으로 상술한 과정들을 수행하여 전력 계통의 관성 및 주파수 안정도가 개선될 수 있도록 속도조정률 드룹 제어를 수행한다.
도 5는 종래기술에 따른 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 일반적인 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 주파수 부동대역에서는 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 조속기의 출력 변동은 없으며, 부동대역을 벗어나면 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 조속기는 계통의 주파수 편차(△f)에 비례하여 출력이 변동한다. 기준 주파수보다 계통 주파수가 낮으면 주파수조정용 ESS는 주파수 편차(△f)에 비례해서 출력이 방전되고, 발전기 조속기는 발전력을 주파수 편차(△f)에 비례하도록 증가시키며, 기준 주파수보다 계통 주파수가 높으면 주파수조정용 ESS는 주파수 편차(△f)에 비례해서 출력이 충전하게 되고, 발전기 조속기는 발전력을 주파수 편차(△f)에 비례하도록 감소시킨다.
이때, 주파수 편차(△f)는 계통의 취득한 주파수값(
Figure pat00056
)과 기준 주파수값(
Figure pat00057
)의 차이를 말하며, 이때 기준 주파수 값은 60Hz(유럽의 경우 50Hz)와 같이 한 값을 지정할 수 있고, 부동대역을 고려하여 60Hz±부동대역 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 정의할 수 있다.
상기 부동대역을 벗어난 주파수 편차(△f)와 ESS/발전기의 전력 변동(△P)의 관계는 상기 수학식 4의 적산계수(K)에 따른 기울기를 가진 직선 형태를 가진다. 즉, 상기 적산계수(K)는, 주파수 편차와, 일반적인 기술에 따른 드룹값을 적용하여 산출된 전력 변동은 1차 함수를 형성하는 관계를 가지게 하는 종래 일반적인 기술에 따른 드룹값으로 볼 수 있다. 즉, 종래기술에 따른 드룹 제어에서는 고정된 상수와 같은 상기 적산계수(K)를 주파수 편차에 곱하여 드룹 제어할 전력 변동(△P)을 산정하는 바, 도 5와 같이 주파수 편차와 전력 변동(△P)은 하기 수학식 6의 1차 함수 직선 형태를 가지게 된다.
Figure pat00058
도 6은 본 발명에 따라 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치에 의해 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 사상에 따른 속도조정률 드룹(Droop) 수행이 주파수 편차(△f)에 따라 실시간으로 제어되어 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 출력전력 변동(△P)이 도 6의 그래프와 같이 기존 수학식 6에서 하기 수학식 7로 변경된다.
Figure pat00059
상기 수학식 7에 상기 수학식 5를 적용하면, 최종적으로 산출되는 출력 전력 변동(△P)은 하기 수학식 8과 같다.
Figure pat00060
주파수 편차(△f)가 적을 때에는 출력 전력 변동(△P)이 기존 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기 보다 적고, 주파수 편차가 많을 때에는 출력 전력 변동(△P)이 기존 주파수조정용 ESS 또는 발전기 조속기 보다 많아진다. 이러한 효과로 계통관성 및 주파수 안정도가 더욱 개선될 수 있고, 기존 발전기 조속기와도 협조가 더욱 잘될 수 있다. 이때, 주파수 편차(△f)는 계통의 취득한 주파수값(
Figure pat00061
)과 기준 주파수값(
Figure pat00062
)의 차이를 말하며, 이때 기준 주파수 값은 60Hz(유럽의 경우 50Hz)와 같이 한 값을 지정할 수 있고, 부동대역을 고려하여 60Hz±부동대역 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 정의할 수 있다.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 가변형 속도조정률 드룹(Droop) 제어 장치의 알파지수(α) 변화에 의한 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 속도조정율 드룹(Droop) 제어 장치에 의해 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 출력변동이 상기 수학식 8의 관계를 가지며, 알파지수(α)의 값에 따라 기울기의 크기가 바뀐다. 알파지수(α)의 값이 클수록 Droop의 Gain이 커져 주파수 편차에 대한 출력변동이 더 커지게 된다.
도 8은 본 발명에 따라 가변형 속도조정률 Droop 제어 장치의 베타지수(β) 변화에 의해 주파수 조정용 ESS 또는 발전기 조속기의 주파수 변화에 따른 출력변화를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 사상에 따른 속도조정율 Droop 제어장치에 의해 주파수조정용 ESS 또는 발전기의 출력변동이 상기 수학식 8의 관계를 가지며, 베타지수(β)의 값에 따라 주파수 편차에 따른 출력변동의 곡률의 크기가 바뀐다. 베타지수(β)의 값이 클수록 Droop의 Gain이 커지고 곡률이 적어져 주파수 편차가 적은 영역에서는 출력변동이 더 커지고, 주파수 편차가 많은 영역에서는 출력변동이 작아진다.
상기 알파지수(α)와 베타지수(β)에 적절한 값을 적용하면, 계통에 가장 효율적인 가변형 속도조정률 Droop 제어가 가능해진다.
상술한 도 7 및 도 8의 상기 알파지수(α)와 베타지수(β)에 대한 내용을 반영한 것이, 상술한 도 2의 설정부(400)이며, 상기 도 4의 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법에 반영하면, 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 단계를 더 포함하게 된다.
.
도 9는 종래 기술의 드룹 제어 방법과 본 발명의 사상에 따른 드룹 제어 방법의 시간에 따른 주파주 조정 효과를 비교한 그래프이다.
도시한 그래프는, 본 발명의 사상(가변속도 조정률 DROOP 제어 장치)을 적용할 경우 Contingency 상황과 그렇지 않은경우를 모의해본 결과 값이다. 본 발명의 사상에 따른 해당 제어 장치를 적용할 경우 계통의 관성을 보조해 주어서 급진적인 주파수 하락을 막아주고 최소 주파수까지 주파수가 떨어지는 것을 방지해 주는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 입력부
200 : 연산부
300 : 제어부
400 : 설정부
1000 : ESS/발전기

Claims (14)

  1. 전력 계통에 대하여 모니터링되는 주파수 정보를 입력받는 입력부;
    상기 입력받은 정보를 이용하여 주파수 편차로부터 드룹값을 산출하는 드룹 연산부; 및
    상기 드룹값에 상기 주파수 편차를 적용하여 보정을 위한 전력 변동을 결정하여, 결정된 상기 전력 변동에 따라 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 출력을 변동시키는 출력 제어부
    를 포함하되,
    상기 주파수 편차와 상기 전력 변동은 2차 함수를 형성하는 관계를 가지는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
    Figure pat00063
    )과 기준 주파수값(
    Figure pat00064
    )의 차이인 상기 주파수 편차(△f)를 연산하되,
    기준 주파수 값은 60Hz 또는 50Hz의 중심주파수에 대하여 부동대역을 고려하여 중심주파수±부동대역의 주파수 편차를 적용하여 두가지 값으로 기준 주파수를 지정하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 주파수 편차(△f)에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값을 구하는 단계; 및
    게인값에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(K_new)을 구하는 단계
    를 수행하여 상기 드룹값을 산출하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 입력받은 주파수 정보를 하기 수학식에 적용하여 속도조정률 드룹값으로서, 상기 게인값(Gain) 및 상기 드룹값(K_new)을 연산하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
    Figure pat00065

    Figure pat00066

  5. 제3항에 있어서,
    상기 적산계수(K)는,
    종래 기술에 따른 드룹값으로서,
    상기 주파수 편차(△f)와, 상기 종래 기술에 따른 드룹값을 적용하여 산출된 전력 변동은 1차 함수를 형성하는 관계를 가지게 하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 설정부
    를 더 포함하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받는 가변형 속도조정률 드룹 제어 장치.
  8. 전력 계통에 대하여 모니터링되는 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계;
    상기 계통 주파수와 기준 주파수의 주파수 편차와 보정 전력에 대한 2차 함수를 적용하여 보정을 위한 전력 변동을 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 전력 변동에 따라 출력 변동이 이루어지도록 주파수 조정용 ESS 또는 발전기의 조속기를 제어하는 단계
    를 포함하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 계통 주파수와 기준 주파수를 비교하는 단계에서는,
    상기 전력 계통에서 취득된 주파수값(
    Figure pat00067
    )과 기준 주파수값(
    Figure pat00068
    )의 차이인 상기 주파수 편차(△f)를 연산하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 2차 함수를 적용하여 전력 변동을 결정하는 단계는,
    상기 주파수 편차(△f)에 베타지수를 더하고, 알파지수를 곱하여 게인값을 구하는 단계;
    게인값에 적산계수(K)를 곱하여 드룹값(K_new)을 구하는 단계; 및
    상기 드룹값에 상기 주파수 편차를 곱하여 전력 변동을 산출하는 단계
    를 포함하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주파수 편차(△f)를 하기 수학식에 적용하여 속도조정률 드룹값으로서, 상기 게인값(Gain) 및 상기 드룹값(K_new)을 연산하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
    Figure pat00069

    Figure pat00070

  12. 제10항에 있어서,
    상기 적산계수(K)는,
    하기 수학식에 따라 산출되는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
    Figure pat00071

    (여기서,
    Figure pat00072
    은 ESS의 정격용량(MW) 또는 발전기의 조속기의 정격용량(MW) ,
    Figure pat00073
    은 정격주파수(60Hz or 50Hz),
    Figure pat00074
    는 속도조정률(%))
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전력 계통의 관성이 작으면 상기 알파지수 및 베타지수를 각각 크게 설정하고, 관성이 크면 상기 알파지수 및 베타지수를 작게 설정하는 단계
    를 더 포함하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 전력 계통의 주파수 정보를 취득할 수 있는 외부 장치로부터 계통 주파수 정보를 주기적으로 입력받는 단계; 및
    상기 계통 주파수가 부동대역을 벗어나는지 확인하는 단계
    를 더 포함하는 가변형 속도조정률 드룹 제어 방법.






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