KR20230004174A

KR20230004174A - 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법

Info

Publication number: KR20230004174A
Application number: KR1020210086103A
Authority: KR
Inventors: 최경식; 김범주; 임건표; 정문선
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2023-01-06

Abstract

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템은, 기 설치된 태양광 발전 단지에 위치한 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기; 상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력으로 충전되는 에너지 저장장치; 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성을 측정하는 설치된 계측기 집합; 및 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 계측기 집합에서 전송받은 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈의 발전을 제어하는 복합 제어장치를 포함할 수 있다.

Description

신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법{RENEWABLE ENERGY COMPLEX CONSTRUCTION SYSTEM AND WIND POWER GENERATION CONTROL METHOD OF THE COMPLEX}

본 발명은 풍력 및 태양광을 이용한 신재생에너지 복합 단지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 기 설치된 태양광 발전 단지에 풍력 발전 설비를 간편하게 추가할 수 있는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및 기 설치된 태양광 발전 단지에 추가 설치된 풍력 발전 설비를 위한 풍력 발전 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수력발전, 화력발전 및 원자력발전과 같은 발전방법을 통하여 가정이나 공장 등에서 필요로 하는 전기를 생산한다.

이러한 발전 방법들은 비교적 규모가 큰 발전설비를 필요로 하고 자원의 한계나 유지보수의 문제로 인하여 최근에는 공해가 없으면서도 무한하게 이용할 수 있는 신재생에너지를 이용한 발전에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 신재생에너지로는 태양에너지, 풍력, 수력 또는 조력과 같은 것을 들 수 있으며, 이들 대체에너지 중에서 그 효용성과 범용성 및 발전 가능성을 모두 고려하여 볼 때, 가능성이 있는 신재생에너지로 태양광 발전과 풍력발전이 주목받고 있다.

물론, 이러한 대체에너지는 각종 기후환경과 운전 특성에 따라 그 효율이 크게 좌우되기는 하지만, 발전 효율을 증가시키게 되면 실질적으로 석유를 대체할 에너지로 인식하고 있다.

기존의 신재생에너지원인 태양광과 풍력터빈은 일조량이 좋은 곳에는 태양광 풍황이 좋은 곳에는 풍력터빈을 설치하고 있다. 일반적으로 신재생 발전원인 태양광과 풍력터빈은 독립적으로 설치 운영해왔다. 풍력터빈을 신규 설치하기 위해서 부지와 송배전선로 계통용량을 확보해야한다. 그러나 부지를 확보하고 발전사업과 개발행위허가를 확보하는 과정에서 주민 민원으로 많은 어려움을 겪는다. 또한 국내 대부분 계통 여유용량이 거의 없으며 이를 확보하는데 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.

특히, 풍력터빈을 설치하려고 할 때 국내 풍황이 좋은 곳이 많지 않기 때문에 풍력터빈 신규용량 증가는 매우 제한적이다. 또한, 풍황이 좋아도 계통연계 여유 용량이 거의 없어 설치에 제약이 따르며 계통용량 신규 신청 후 사업 개시까지 수년이 걸린다. 또한 풍력터빈 신규 설치시 민원 문제가 제기 때문에 풍력터빈을 신규로 건설하는 것은 까다로운 상황이다.

한편, 태양광 발전과 풍력발전은 그 방식의 특성상 일간, 연간으로 상호 보완적인 특성을 갖는데 이는 태양광과 풍력이 각기 상반된 기상특성에서 동작하기 때문이다. 따라서, 태양광 발전과 풍력발전이 상호 복합된 발전방식을 채택하면 그 에너지 효율이 더욱 높아질 수 있게 될 것이다. 즉, 상술한 문제를 해결하기 위한 방안으로 신규 풍력터빈 설치를 할 때 풍황이 좋은 곳에 위치한 태양광을 선택하여 그 부지를 활용하고 신규 풍력터빈 파워라인을 태양광 출력 파워라인과 연결하는 방안이 있다.

이와 같은 태양광 발전과 풍력발전이 상호 복합된 하이브리드 발전 방식의 일반적인 발전 운영(제어) 방식은, 풍력과 태양광의 두 가지 에너지원 중 높은 전압의 에너지원 전력만이 하나의 단일 회로인 PWM 충전부 또는 MPPT부로부터 전력 변환되어 배터리에 충전되며, 두 가지 에너지원 중에 보다 낮은 에너지원은 무시되어 충전이 이루어지지 않는 단점이 있다.

대부분의 경우 풍력터빈이 최대출력을 낼 때 날씨는 비가오거나 흐린 날씨이며 이때 태양광 출력은 매우 낮다. 반대로 맑은 날씨 일 때 태양광 출력은 많고 풍력발전 출력은 낮다. 이렇게 기상에 대한 태양광과 풍력의 발전 출력의 상보성으로 인해 두 개 출력의 합이 송배전선로 계약용량 보다 낮을 빈도가 높아 대부분의 경우 태양광과 풍력터빈에서 나오는 전력을 조정하지 않고 배전계통에 송출할 수 있다.

그런데, 상술한 복합 발전 구성의 경우, 빈도는 낮지만 태양광과 풍력터빈 출력의 합이 송배전선로 계약용량보다 클때 초과 발전출력을 저장하거나 제한시키기 위한 방안 마련이 요망된다.

대한민국 등록공보 10-2014201호

본 발명은 태양광 발전 설비와 풍력 발전 설비가 함께 계통 연계된 복합 발전 단지에서 태양광 발전과 풍력 발전의 출력 합이 송배전선로 계약용량 보다 커지는 상황에서 효율적으로 대처할 수 있는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및 풍력 발전 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 기존 태양광에 신규 풍력을 송배전 선로에 연계할 때 계통용량을 확보해야 하는 상황에서도, 계약용량을 별도로 확보하지 않고 신규풍력 터빈을 연계하는 방법을 제공하고자 한다

본 발명의 일 측면에 따른 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템은, 기 설치된 태양광 발전 단지에 위치한 풍력 터빈에서 생산되는 전력으로 충전되는 에너지 저장장치; 및 상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성의 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(관점에 따라서는 발전량으로 대체될 수도 있음)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈의 발전을 제어하는 복합 제어장치를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성을 측정하는 계측기 또는 계측기 집합을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 풍력 터빈에 대하여 정지를 지시한 후, 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량을 산출하고, 상기 에너지 저장장치에 대하여 상기 관성 발전량 만큼 여유 공간을 보유하도록 설정할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통의 차단기 사이에 연계되며, 상기 계측기 집합은, 상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및 상기 풍력용 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 풍력 전력계측기를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기의 판넬쪽 선로에 연계되며, 상기 계측기 집합은, 상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및 상기 태양광 변압기의 판넬쪽 선로 중 태양광 선로에 설치된 태양광 선로 전력계측기를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 풍력 터빈 총 용량(다른 구현에서는 풍력 변압기 용량을 적용할 수도 있음)이 반영된 태양광 출력 제한 값을, 순간 태양광 발전 출력이 초과하지 않도록, 태양광 판넬 릴레이를 제어할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통의 차단기 사이에 연계되거나, 상기 태양광 발전 단지의 변압기의 판넬쪽 선로에 선택적으로 연계될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템은, 기 설치된 태양광 판넬들을 구비하는 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및 상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성의 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈 및 상기 태양광 판넬들의 발전을 제어하는 복합 제어장치를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 풍력 터빈 총 용량이 반영된 태양광 출력 제한 값을, 순간 태양광 발전 출력이 초과하지 않도록, 태양광 판넬 릴레이를 제어할 수 있다.

여기서, 상기 태양광 판넬들의 일부에 상기 릴레이가 설치되되, 상기 릴레이가 설치된 태양광 판넬들의 총 용량은 상기 풍력터빈 총용량과 유사할 수 있다.

여기서, 상기 태양광 판넬들의 일부에 상기 릴레이가 설치되되, 상기 릴레이가 설치된 태양광 판넬들은 적어도 2개의 릴레이를 통해 on/off 되도록 적어도 2개 이상으로 그룹화되며, 상기 복합 제어장치는 상기 적어도 2개 이상으로 그룹화된 태양광 판넬들을 릴레이 제어할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0이 되도록 상기 풍력터빈 메인제어기의 정격출력 설정값(Rated Power Setting)을 재설정하는 신호를 송출할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0에 도달하면, 상기 풍력터빈을 정지 또는 대기모드로 신호를 송출하며, 그 후 예약된 시간에 상기 풍력터빈을 기동시키는 신호를 송출할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는, 상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0이 되도록, 태양광 PCS의 역률값(cosθ)을 조정하고 상기 풍력터빈 메인 제어기 정격출력 설정값을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 복합 제어장치는 풍력터빈 메인 제어기에 예약된 시간(예: 09:00~16:00)에 풍력 터빈을 정지 또는 대기 모드로 그 외 시간에는 운전 모드로 전환하는 신호를 송출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 복합 제어장치는, 기 설치된 태양광 발전 단지에 신규 풍력터빈을 연계할 때 계약 용량을 별도로 확보하지 않고, 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로에 연계하여 신재생 복합 단지를 구축할 수 있도록, 상기 계약 선로의 용량에 따라, 태양광 발전 및/또는 상기 풍력 터빈의 발전을 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계; 상기 계약 선로의 여유 용량이 없으면 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계; 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 및 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계; 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계; 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 및 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계의 수행이후, 상기 에너지 저장장치 배터리 SOC가 최소 기준 레벨 미만으로 떨어지면 방전을 중단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계에서는, 정지 명령 이후 풍력터빈 날개의 관성으로 정지할 때까지의 회전에 의해 방출되는 전기출력을 상기 에너지 저장장치에 저장할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계; 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합 시간대이면, 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계; 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합 시간대가 아니면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계; 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태에서 전력 판매 적합 시간대이면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계; 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계; 및 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태에서 전력 판매 적합 시간대가 아니면, 상기 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기준 용량은, 상기 풍력 터빈의 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량 만큼 상기 에너지 저장장치에 대하여 여유 공간을 보유하도록 설정될 수 있다.

여기서, 상기 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계에서는, 상기 계약 선로의 계약 용량에서 상기 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값을 뺀 값으로 산출할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법을 실시하면, 태양광 단지에 추가 설치된 풍력 발전 설비로 인하여 태양광 발전과 풍력 발전의 출력 합이 송배전선로 계약용량 보다 커지는 상황에서 효율적으로 대처할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법은, 현재 운영중인 태양광 단지에 풍력을 설치하는 방식으로 송배전선로 신규용량을 확보하지 않고 풍력발전을 지원할 수 있는 이점이 있다. 즉, 국내 풍황이 좋은 곳이 많지 않으며 신규 풍력을 설치하는 경우 송배전선로 용량이 남아있는 곳이 거의 없으며 신규선로 용량을 확보하기 위해 걸리는 시간은 매우 긴 문제 상황을 해결할 수 있다.

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법은, 날씨 변화에도 불구하고 비교적 꾸준한 신재생에너지 발전출력을 송배전선로에 제공할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법은, 풍력 발전 설비에 구비된 에너지저장장치의 용량의 대/소에 따라 경제성있는 발전 제어를 수행하는 이점이 있다.

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법은, 운영시스템의 안정성과 배터리 수명을 높이는 이점이 있다.

본 발명의 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템 및/또는 풍력 발전 제어 방법은, 송배전 선로, 태양광 변압기 등 기존 태양광 발전 단지 설비를 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량(TXs)이 계약용량(m)과 같거나 큼)의 일 실시예를 도시한 단지 구성도.
도 2는 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 큰면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 최소인 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 큰면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 작은 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도.
도 4는 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 충분히 큰 경우 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 또 다른 실시예를 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크고 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치)의 다른 실시예를 도시한 단지 구성도.
도 6은 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 태양광 판넬 용량을 릴레이를 사용하여 변경하는 경우의 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크고 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치)의 또 다른 실시예를 도시한 단지 구성도.
도 8a는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기의 출력 값(e)가 계약용량(m)을 초과하지 못하도록 풍력터빈 메인제어기 설정값을 제어하는 과정을 도시한 흐름도.
도 8b는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기의 출력 값(e)가 계약용량(m)을 초과하면 풍력터빈을 정지시키고 예약된 시간이 되면 운전모드로 전환되는 제어를 도시한 흐름도.
도 8c는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 예약된 시간에 풍력 터빈을 정지 또는 운전 모드로 전환하는 제어 과정을 도시한 흐름도.
도 8d는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기의 출력 값(e)가 계약용량(m) 초과하지 못하도록 태양광 인버터(PCS) 역률 초기값(θ)값을 조정하는 신호를 보내고, 풍력터빈 메인제어기 설정값을 제어하거나 또는 정지모드 신호를 송출하는 과정을 도시한 흐름도.
도 9는 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 송배전선로 용량에서 풍력터빈 용량을 뺀 것과 같거나 큰 경우)의 또 다른 실시예를 도시한 단지 구성도.

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.

태양광 단지와 풍력터빈을 신규 설치하는 경우 일반적으로 배전계통 송전선로 연계 용량을 확보하기 때문에 각각 발전하는 대로 송배전선로에 생산된 전력을 송출하면된다.

상기 송전선로 연계 용량을 매칭하는데 있어 본 발명의 설명에서는 계통선로의 용량으로서 계약용량과, 신재생에너지 발전 단지의 출력용량으로서 변압기 용량을 적용한다. 이는 선로의 용량은 공사 등에 의해 변경될 수 있으나, 계약용량은 계약 기간 동안 최소 용량으로 반드시 지켜져야 하는 용량으로서 특정이 용이함을 감안한 것이다. 또한, 태양광 변압기 용량은 태양광 발전 설비(보다 구체적으로는 PCS 인버터)의 출력 용량 보다 소정의 안전 마진을 추가한 용량을 가지는데, 이 또한 특정이 용이하고 변경 가능성이 낮음을 감안한 것이다. 다른 구현에서는 다른 용량 관련 파라미터를 적용할 수 있음은 물론이다.

또한, 하기 설명에서 에너지 저장장치 배터리 SOC의 기준 레벨을 90%로 구체적으로 지정하지만, 다른 구현에서는 다른 %값을 가질 수 있음은 물론이다. 다만, 상기 기준 레벨은 풀 충전 레벨 100% 또는 배터리를 운영할 때의 최대 충전 레벨(예 : 95%)에서, 본 발명의 사상에 따라, 풍력터빈 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량 만큼 여유 공간을 보유하도록 설정하여야 한다. 구현에 따라 상술한 관성 발전량 만큼 여유 공간(마진)에 추가적으로, V2G 서비스를 위한 마진, 계통 안정화 운전을 위한 마진 등을 더한 값을, 상기 풀 충전 레벨 100% 또는 운영 중 최대 충전 레벨에서 뺀 값으로, 상기 기준 레벨을 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량(TXs)이 계약용량(m)과 같거나 큼)의 일 실시예를 도시한 단지 구성도이다.

도시한 복합 단지 구축 시스템은, 기 설치된 태양광 발전 단지에 위치한 풍력 터빈(21)에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기(22); 상기 풍력 터빈(21)에서 생산되는 전력으로 충전되는 에너지 저장장치(12); 상기 풍력용 변압기(22)에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성을 측정하는 설치된 계측기 집합(13, 14); 및 상기 풍력용 변압기(22)에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 계측기 집합(13, 14)에서 전송받은 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈의 발전을 제어하는 복합 제어장치(11)를 포함할 수 있다.

풍력 터빈은 해당 발전 단지에 복수 개가 설치될 수 있으며, 상기 풍력용 변압기(22)는 복수 개의 각 풍력 터빈의 PCS들(212-1 ~ 212-n)의 용량을 모두 감당할 수 있는 용량을 가지며, 상기 복합 제어장치(11)는 상기 복수 개의 각 풍력 터빈의 제어기들(211-1 ~ 211-n)을 제어할 수 있다.

도시한 상기 복합 제어장치(11)는, 본 발명의 사상에 따라 풍력 발전을 제어하기 위한 구성으로서, 주기적으로 상위 시스템(예 : 전력 회사 서버, 복합 발전 단지 그리드 관리 서버 등)에 접속하여 상기 계약 선로의 용량값을 갱신한다.

본 발명의 사상에 따라 상기 복합 제어장치는, 상기 풍력 터빈에 대하여 정지를 지시한 후, 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량을 산출하고, 상기 에너지 저장장치(12)에 대하여 상기 관성 발전량 만큼 여유 공간을 보유하도록 설정할 수 있다. 상기 여유 공간 보유 설정은 에너지 저장장치(12) 배터리의 SOC에 대한 기준 레벨로서 설정될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하겠다.

도시한 복합 단지 구축 시스템의 상기 복합 제어장치(11)는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)와 계통의 차단기(51) 사이에 연계되며, 상기 계측기 집합은, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기(13)와 상기 풍력용 변압기(22)와 계통과의 연계 경로에 설치된 풍력 전력계측기(14)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 사상과 같이 설치하려는 풍력터빈에 대한 계통용량(선로용량)을 확보하지 않고 기존 태양광 발전단지 부지에 풍력터빈을 연결하는 경우에, 적용할 수 있는 방식은 3가지이다.

첫 번째 방식은 도 1에 도시한 바와 같이, 태양광의 변압기 용량(TXs)이 송배전선로 계약용량(m)와 같거나 크며 풍력터빈 파워라인이 차단기(51)와 태양광 변압기(33)사이에 연결되는 경우이다.

두 번째는 태양광 변압기 용량(TXs)이 송배전선로 계약용량(m)과 같거나 크며 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기과 태양광 PCS사이에 연결되는 경우, 세 번째는 태양광 변압기 용량(TXs)이 계약용량(m)에서 풍력터빈 변압기 용량(TXw)을 뺀 것과 같거나 크며 풍력터빈 파워라인이 차단기와 태양광 변압기 사이에 연결되는 방식이며, 이들은 하기 도 5 및 도 7에서 후술하겠다.

풍력터빈 파워라인 연결 및 운영 방식에 따라 풍력 발전 제어 방법의 알고리즘이 각각 조금씩 달라진다.

첫 번째 방식은 태양광에 붙어있는 변압기 용량(TXs)이 송배전선로 계약용량(m)와 같거나 크면서 풍력터빈 파워라인이 차단기(51)와 태양광 변압기(33)사이에 연결되는 경우 전체 복합 단지 시스템의 기기 배열은 도 1과 같다.

풍력터빈(21)에서 생산된 전력이 태양광 발전출력과 합한 출력 값이 송배전선로 계약용량을 초과하지 못하도록 한다. 이를 위해서 풍력터빈의 출력을 제한시키는 복합 제어장치가 필요하다. 복합 제어장치는 도 1에서 복합 제어장치(11), 에너지 저장장치(12) 및 전력계측기(13,14)로 구성된 것으로 볼 수 있으며, 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로서, 풍력터빈(21)과 함께 풍력터빈(21) 후단에 위치하여, 기 설치된 태양광 발전 단지에 용이하게 설치될 수 있다.

기존 태양광 단지에 풍력터빈 n대를 연결하는 경우에 있어서 복합 제어장치 에너지저장장치의 용량이 작은 경우(예:풍력터빈 용량으로 10분 충전할 수 있는 양(0.16n*(A/n)[kWh] 미만)와 큰 경우(예:풍력터빈 용량으로 10분 충전할 수 있는 양(0.16n*(A/n)[kWh]이상)로 구분할 수 있다.

기존 태양광에 풍력터빈 n대를 연결하고 작은 용량의 에너지저장장치를 설치할 때, 송배전선로 계약용량을 m으로 하고 태양광 출력이 b이고 송배전선로 여유 용량을 d라고 하면 송배전선로 여유용량(d)는 m-b가 되고 풍황에 따라 n개의 풍력터빈에서 출력 C는 c1+c2+...+cn이 된다.

만약 계통여유 용량 d가 0 보다 크고 C<d 이면 풍력터빈 출력(C)는 송배전선로로 송전한다.

도 2는 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 큰면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 최소인 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 3은 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 큰면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 작은 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.

만약 C≥d 일때(S270)의 풍력 발전 제어 방식은 두가지 방향이 있다.

첫째는, 구비된 에너지 저장장치의 용량이 극히 작아 최소화 활용하는 경우로, 도 2의 흐름도와 같이 풍력터빈을 즉시 정지시키는(S280) 것이다.

도 2의 흐름도에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계(미도시); 상기 계약 선로의 여유 용량이 없으면(S220), 풍력 터빈을 정지시키는 단계(S240); 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면(S270), 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계(S400); 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계(S420); 및 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계(S440)를 포함할 수 있다.

상기 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계에서는 상술한 바와 같이, 송배전선로 여유 용량 d = m-b를 적용할 수 있다.

한편, C < d인 경우(S260)는, 상기 계약 선로의 여유 용량이 풍력 발전 출력 대비 충분한 경우이므로, 계통으로 풍력 발전 출력을 공급한다(S265).

도시한 S240 단계 또는 S420 단계에서의 정지 명령 이후 풍력터빈은 날개의 관성으로 수 초간 전기출력을 방출하게된다. 이때 상기 에너지 저장장치(12)로 이를 저장한다. 만약 에너지 저장장치의 배터리 SOC가 소정 기준레벨인 90%에 도달하면 풍력터빈을 정지시킨다(S420).

이후, C<d 조건일때 에너지저장장치의 PCS는 송배전선로로 d-C만큼 방전하며(S1265), 상기 배터리 SOC가 0~10% 될때(S1400)까지 계속 방전 10% 미만으로 떨어지면 방전을 중단한다(S1450). 여기서, 10%가 최소 충전을 위한 최소 기준 레벨이다. 한편, d=0이고 C>0인 경우(S220), 풍력터빈을 정지시킨다(S240).

두번째는, 구비된 에너지 저장장치의 용량이 작지만 어느 정도 활용하는 경우로, 도 3의 흐름도와 같다.

도 3의 흐름도에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계; 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나(S220), 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면(S270), 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계(S400); 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계(S420); 및 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계(S290, S250, S440)를 포함할 수 있다.

도 3의 경우는 C≥d 일때 제어 방식으로서, 풍력터빈 출력 중 d값 만큼은 송배전선로로, C-d 출력은 에너지 저장장치의 배터리 쪽으로 송출한다(S290). 만약 배터리의 SOC가 미리 정해진 기준 레벨(예: 90%)에 도달하면 풍력터빈을 멈춘다(S420). 만약 배터리의 SOC가 90% 이하이면 에너지저장장치 PCS는 배터리에 충전한다(S440). 만약 C<d 조건이면 에너지저장장치의 PCS는 송배전선로로 d-C만큼 방전하여(S1265) 배터리 SOC가 0~10% 될때까지(S1400) 계속 방전 10% 미만으로 떨어지면 방전을 중단한다(S1450).

한편, d=0이고 C>0인 경우(S220)에도, 풍력터빈의 출력 전력을 에너지 저장장치의 배터리쪽으로 송출하도록 결정하며(S250), 이때 배터리 SOC가 90% 이상이거나 그 값에 도달하면 풍력터빈을 멈추도록, 도시한 S400 단계로 이동한다.

도 4는 태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크면서 복합 제어장치의 에너지저장장치 용량이 충분히 큰 경우 복합 단지에서의 풍력 발전 제어 방법의 또 다른 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 4는 기존 태양광에 풍력터빈 n대를 연결하여 복합 단지를 구축할 때, 복합 운영 제어 시스템의 에너지 저장장치의 저장용량이 충분히 큰 경우로서, 충분한 저장용량의 상기 에너지 저장장치를 이용하여 발전 전력을 판매할 때 최대의 이익을 얻을 수 있도록 REC(Renewable Energy Certificate) 가중치 시간대를 반영하고자 한다. 예컨대, 풍력터빈 용량으로 10분 충전할 수 있는 양(0.16n*(A/n)[kWh]) 이상의 용량을 상기 에너지 저장장치가 저장할 수 있다.

도 4의 흐름도에 따른 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법은, 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계; 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합(REC) 시간대이면(S2264), 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계(S2266); 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합 시간대가 아니면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여(S2300), 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고(S2440), 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계(S2260); 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태(S2270)에서 전력 판매 적합 시간대이면(S2274), 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계(2400); 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계(S2420); 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계(S2440); 및 상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태에서 전력 판매 적합 시간대가 아니면(S2290 경유 경로에 따름), 상기 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고(S2440), 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계(S2420)를 포함할 수 있다.

이러한 시스템에서, d>0이고 C<d인 경우(S2260), 그 시점이 REC 가중치 시간대(예:10:00~15:00)(S2264)라면, 복합 제어장치는 n개의 풍력터빈에서 나오는 출력(C)을 송배전선로 쪽으로 송전한다(S2266). 그러나, REC 가중치 시간대가 아니면 배터리로 충전시키되, 이때 배터리 SOC가 미리 정해진 값(예: 90%) 이상이거나 또는 충전 후 그 값에 도달하면 송배전선로로 송출한다(S2266).

만약 C≥d 경우에 그 시점이 REC 가중치 시간대(S2274)라면, 복합 제어장치는 풍력터빈 출력 중 d 만큼은 송배전선로 쪽으로 송전하고 나머지(C-d)는 배터리 쪽으로 보낸다(S2280). 이때 배터리의 미리 정해놓은 SOC 값(예: 90%)에 도달하면 풍력터빈을 정지시킨다(S2420). 만약 가중치 시간대가 아니면 풍력터빈 출력(C)를 모두 배터리로 보내고(S2290), 미리 정해놓은 SOC 값(예: 90%)에 도달하면 풍력터빈 출력(C)을 풍력터빈을 정지시킨다(S2420). 에너지저장장치 배터리 충전중에 C<d 이고 REC시간대일때(S2444), 에너지저장장치 PCS는 송배전선로로 d-C만큼 송배전선로 방전한다(S2450).

만약, d=0이고 C＞0일때(S2220), 배터리쪽으로 송전하며(S2240), 이때에도 배터리 SOC가 미리 정해놓은 SOC 값(예: 90%) 이상이거나 그 값에 도달하면 풍력터빈을 멈춘다(S2420).

도 5는 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크고 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치)의 다른 실시예를 도시한 단지 구성도이다.

도 5에 도시한 복합 단지 구축 시스템의 상기 복합 제어장치(11)는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)의 판넬쪽 선로에 연계되어, 상기 판넬쪽 선로 중 풍력 선로를 형성한다.

도 5에 도시한 두번째 연결방식은 태양광 변압기 용량(TXs)이 송배전선로 계약용량(m)과 같거나 크면서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기(33)와 태양광 PCS(32)사이에 연결되는 복합 단지 시스템을 구성한다. 도 1의 경우와 비교하면, 상기 복합 제어장치를 위해 연계 계통에 대하여 설치되는 계측기 집합은, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기(13)와, 상기 태양광 변압기(33)의 판넬쪽 선로 중 태양광 선로에 설치된 태양광 선로 전력계측기(15)로 이루어짐을 알 수 있다. 구현에 따라, 상기 태양광 선로 전력계측기(15)는 생략하고, 태양광 변압기 전력계측기(13)은 태양광 설비 내 변압기와 전려계통 연계점 사이에 있는 태양광 설비 운용을 위한 전력 계량기에서 출력 값을 가져 올 수 있다.

도시한 신재생에너지 복합 단지 시스템을 위한 풍력발전 운영방식은, 계약용량 mkW를 초과하지 않기 위해 태양광 출력을 제한하지 않고 대신 풍력출력을 제어하는 방식과, 풍력출력을 제한하지 않고 태양광 출력을 제한하는 방식이 있으며 각각의 경우 운용 알고리즘이 달라진다.

계약용량 mkW를 초과하지 못하도록 태양광 출력을 제한하지 않고 대신 풍력출력을 제어하는 방식의 알고리즘은 앞에서 기술한 도 2 내지 도 4 중 하나와 같은 첫 번째 방식의 알고리즘을 따른다. 물리적으로 풍력터빈의 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치하는 것 외에는 제어 방법상 차이점이 없다.

계약용량 mkW를 초과하지 못하기 위해 풍력출력을 제한시키지 않고 태양광 판넬 용량을 조정하는 방법은 도 6과 같다.

도 6은 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 태양광 판넬 용량을 릴레이를 사용하여 변경하는 경우의 제어 과정을 도시한 흐름도이다.

판넬 용량 변경은 일반 접속함에 릴레이를 설치하여 태양광 변압기용량(SPc; Solar Power capacity)에서 풍력터빈 총용량(WTtc;Wind Turbine total capacity)을 반영한 기준 값을 초과하지 못하도록 예를 들면 복합 제어장치에서 신호를 보내 릴레이 R1, R2, R3를 제어할 수 있다. 이렇게 여러개로 나누어 용량을 제어함으로써 태양광 출력(발전량)을 극대화시킬 수 있다.

태양광 판넬 전부에 릴레이가 설치되지 않고, 도 5와 같이 일부에만 설치할 수 있다. 릴레이(릴레이 접속함)가 설치되는 태양광 판넬들은 그 총 용량이 풍력터빈 총용량과 유사한 것이 유리하다. 한편, 태양광 판넬의 일반적인 발전 제어 알고리즘과 매칭이 용이하도록, 상기 릴레이가 설치되는 태양광 판넬들은 모두 3개의 릴레이(R1, R2, R3)를 통해 on/off 되도록 3 그룹화하는 것이 유리하다.

릴레이가 태양광 판넬을 감당하는 어레이(Array) 비율은 WTtc/SPc이며 릴레이 수는 3이상 설치하여 한 개의 릴레이가 감당하는 어레이 용량은 WTtc/3SPc에 해당 된다. 태양광 PCS 바로 후단에 설치된 전력계측기(15) 실시간 출력 값 X라고 정의하며, α는 복합 제어장치에서 계측기로부터 값을 읽고 여유용량을 계산하고 계산 결과 릴레이에 신호를 주어 판넬 용량이 변경하는데 걸리는 응동 시간을 고려하여 릴레이가 미리 작동할 수 있도록 제어값에서 값을 일정 값을 빼는 것을 말한다.

이렇게 함으로써 순간 태양광 출력이 태양광 출력 제한 값(SPc-WTtc) 값을 초과하는 것을 방지할 수 있다. 만약 어느 시점 t1에서 X가 태양광 출력 제한 값(SPc-WTtc) 초과하면(S4020), 복합 제어장치에서는 접점상태(on)에 있는 릴레이 3개중 1개를 개방(off)시키는 신호를 송출하고(S4060), t2 싯점에서 X가 태양광 출력 제한 값(SPc-WTtc)을 초과하면 복합 제어장치에서는 접점상태에 있는 릴레이 2개중 1개를 개방하는 신호를 송출하고(S4060), t3에서 X가 이 값을 초과하면 복합 제어장치에서는 접점상태에 나머지 릴레이 1개를 개방하는 신호를 송출한다(S4060).

만약, t4에서 X가 태양광 출력 제한 값(SPc-WTtc) 이하이면(S4040), 복합 제어장치에서는 개방중에 있을 수 있는 최대 3개 릴레이 중 1개를 접점상태(on)로 전환시키는 신호를 송출하며(S4050), 그 이후 X가 태양광 출력 제한 값 이하로 떨어지는 경우 개방 상태에 있는 릴레이 1개를 접점시키거나 또는 접점시킬 릴레이가 없다면 현 상태의 태양광 판넬 용량이 유지된다.

도 7은 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 계약용량과 같거나 크고 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치)의 또 다른 실시예를 도시한 단지 구성도이다.

도시한 복합 단지 구축 시스템은, 기 설치된 태양광 판넬들을 구비하는 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기(13); 및 상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성의 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈 및 상기 태양광 판넬들의 발전을 제어하는 복합 제어장치(11)를 포함할 수 있다.

도시한 시스템에서는, 풍력터빈 파워 라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 위치하고, 복합 제어장치 풍력터빈 제어기의 정격출력 설정값 제어를 수행한다.

도 5의 경우와 비교하면, 도 5와 같이 추가적으로 에너지저장장치를 이용한 풍력터빈 출력제어 방식은 배터리 가격이 크게 소요되는 바, 도 7에서는 에너지 저장장치를 활용하지 않고 풍력발전기와 태양광 출력을 직접 제어하는 방식을 제안한다. 이때 복합 제어장치 구성은 복합 제어기, 전력계측기(13)으로 간단해 진다. 전력계측기(13) 없이 그 값을 전력계량기(52)에서 가져올 수 있다.

도 8a는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기(13)의 출력 값(e)가 계약용량(m)을 초과하지 못하도록 풍력터빈 메인제어기 설정값을 제어하는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8b는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기(13)의 출력 값(e)가 계약용량(m)을 초과하면 풍력터빈을 정지시키고 예약된 시간이 되면 운전모드로 전환되는 제어를 도시한 흐름도이다.

도 8c는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 예약된 시간에 풍력 터빈을 정지 또는 운전 모드로 전환하는 제어 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8d는 도 7에서 풍력터빈 파워라인이 태양광 변압기와 PCS 사이에 접속되고 복합 제어장치가 전력계측기(13)의 출력 값(e)가 계약용량(m) 초과하지 못하도록 태양광 인버터(PCS) 역률 초기값(θ)값을 조정하는 신호를 보내고, 풍력터빈 메인제어기 설정값을 제어하거나 또는 정지모드 신호를 송출하는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8a는 복합 제어장치에서 수행되는 실시간 제어 알고리즘을, 도 8b는 부분 예약제어 알고리즘을, 도 8c는 예약제어 알고리즘을, 도 8d는 태양광 및 풍력 제어 알고리즘을 나타낸다.

도 7과 같은 에너지 저장장치 없는 복합 단지 시스템을 위한 첫번째 제어방식은 태양광 출력을 제어하지 않고 풍력터빈을 직접 실시간 제어 하는 방법으로서, 도 8a에 도시한 흐름도에 따르는 경우에는, 복합 제어장치가 전력계측기(13)로부터 전력값(e)을 읽은 후, 목표 값(계약용량 mkW)에서 전력값을 뺀 값(m-e)이 0이 되도록 풍력터빈 메인제어기의 정격출력 설정값(Rated Power Setting)을 재설정하는 신호를 송출한다(S7061, S7051). 제어 응동속도가 낮은 것을 고려하여 목표 값에 제어 여유도 α를 주어 목표값을 (m-α)-e로 설정 운영할 수 있다. 이때 복합 제어장치 신호송출 갱신 주기는 100~300ms 수준이 되며 실시간 제어가 된다.

상기 첫번째 제어방식을 도 8b에 도시한 흐름도에 따라 수행할 수도 있다. 이 경우는, 복합 제어장치가 현재 출력 값을 목표값과 비교하여 풍력터빈 메인제어 정격출력 설정값을 제어하는 방법으로서, 풍력발전기 피치 시스템 피로를 누적시킬 수 있어 복합 제어장치가 목표 값 0에 도달하면 풍력발전기를 정지 또는 대기모드로 신호를 송출하며 그 후 예약된 시간(예 16:00)에 풍력터빈을 기동시키는 신호를 송출한다(S7052).

상기 첫번째 제어방식을 상술한 도 8b의 경우보다도 간단하게 구현하면 도 8c의 흐름도와 같다. 도 8c에 도시한 흐름도는 풍력터빈 발전량 저감을 감수하고 예약운전으로 시간을 정해(예: 09:00~16:00) 풍력터빈을 정지하고(S70630 기동시키는(S7053) 방법을 나타낸다.

두번째 제어방식은 도 8d에 도시한 바와 같이, 태양광 PCS의 역률값(cosθ)을 조정하고 풍력터빈 메인 제어기 정격출력 설정값을 제어하여 목표값이 0(즉, 목표 값(계약용량 mkW)에서 전력값을 뺀 값(m-e)이 0)이 되도록 하는 고차적인 방법이다.

풍력 메인 제어기의 정격출력 설정 값을 조정하는 것과 태양광 PCS의 역률 값을 조정하는 것 중 후자의 응동 시간이 짧은 경우 먼저 태양광 PCS의 역률 값을 조정하여 목표값((m-e)=0)에 도달시키면서 풍력 메인 제어기 정격출력 설정값을 제어하거나(S8060, S8050) 또는 풍력터빈 피치제어 피로누적을 고려하여 풍력터빈을 바로 정지 시킬 수 있다(S8050). 그 외 제어 수단이 태양광 PCS가 추가되는 것외는 나머지 사항은 첫 번째 제어방식과 동일하다.

세번째 제어 방식은 앞서 설명한 도 6의 흐름도에 따른 제어 방식과 거의 동일한 바, 중복되는 설명은 생략한다.

상술한 첫번째 제어 방식은 풍력터빈을 직접 제어하는 방식을 적용하면서도 별도의 에너지 저장장치를 이용하지 않아 경제적이다. 또한 풍력 메인제어기를 실시간으로 제어함으로써 풍력터빈 발전량을 늘릴 수 있다. 풍력 메인제어기 부분 예약 방식은 풍력터빈의 피치제어에 따른 피로누적을 막을 수 있는 이점이 있다. 풍력 메인제어기 예약시간제어 방식은 설비구성이 단순하며 간단한 조작으로 큰 효과를 낼 수 있다.

상술한 두번째 제어 방식은 태양광 인버터(PCS)와 풍력 메인제어기를 제어함으로써 제어 응동시간을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 9는 본 발명의 사상에 따른 복합 단지 구축 시스템으로 추가 구축된 복합 단지 시스템(태양광 변압기 용량이 송배전선로 용량에서 풍력터빈 용량을 뺀 것과 같거나 큰 경우)의 또 다른 실시예를 도시한 단지 구성도이다.

도 9에 도시한 상기 복합 제어장치를 위해 연계 계통에 대하여 설치되는 계측기 집합은, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기(13)와, 상기 태양광 변압기(33)의 판넬쪽 선로 중 태양광 선로에 설치된 태양광 선로 전력계측기(15)로 이루어짐을 알 수 있다. 구현에 따라, 상기 풍력용 변압기(22)와 계통과의 연계 경로에 설치된 풍력 전력계측기를 더 포함할 수도 있다.

도시한 복합 단지 구축 시스템의 상기 복합 제어장치(11)는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)와 계통의 차단기(51) 사이에 연계되며, 구현에 따라, 상기 태양광 발전 단지의 변압기(33)의 판넬쪽 선로에 연계되어, 상기 판넬쪽 선로 중 풍력 선로를 선택적으로 형성할 수도 있다. 전자의 경우 에너지 저장장치(12)는 태양광 발전 판넬들(34-1 ~ 34-n)을 위해서만 이용되며, 후자의 경우 에너지 저장장치(12)는 태양광 발전 판넬들(34-1 ~ 34-n) 및 풍력 터빈(21)을 위해 이용된다.

도 9에 도시한 세 번째 복합 단지 구성은, 태양광 변압기 용량(TXs)이 계약용량(m)에서 풍력터빈 변압기 용량(TXw)을 뺀 것과 같거나 크면서 풍력터빈 파워라인이 차단기와 태양광 변압기 사이에 연결되는 방식이다.

풍력터빈은 어떤 제한도 받지 않고 출력운전을 할 수 있으며 태양광은 변압기 용량(m-TXw)을 초과하지 못하도록 릴레이에 신호를 주어 태양광 판넬 용량를 상황에 맞게 조정할 수 있으며 조정 알고리즘은 두 번째 방식의 알고리즘을 따라하면 된다.

다만 릴레이 작동 시간을 고려하여 α 값을 반영하여 릴레이를 제어하는데 이 것의 유효성이 확보되지 않을 때 복합 제어장치를 활용하여 태양광 출력이 변압기 용량(m-TXw)를 초과하지 못하도록 할 수 있다. 이를 위해 태양광 PCS 후단에 파워라인을 복합 제어장치에 연결하였다.

도 9에 도시한 복합 단지 시스템의 경우, 계통과의 연결은 도 1과 유사하지만, 태양광 발전 설비에 본 발명의 사상에 따른 복합 제어장치(11)가 제어가능한 릴레이 접속함(35-1)을 구비하는 바, 도 5의 경우와 같은 운용 알고리즘으로 운용/제어할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

11 : 복합 제어장치 12 : 에너지 저장장치
13 : 태양광 변압기 전력계측기 14 : 풍력 전력계측기
15 : 전력계측기
51 : 계통 차단기 52 : 계통 전력계량기
212-1 ~ 212-n : 풍력 터빈의 PCS
211-1 ~ 211-n : 풍력 터빈의 제어기

Claims

기 설치된 태양광 발전 단지에 위치한 풍력 터빈에서 생산되는 전력으로 충전되는 에너지 저장장치; 및
상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성의 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈의 발전을 제어하는 복합 제어장치
를 포함하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제1항에 있어서,
상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성을 측정하는 계측기 또는 계측기 집합
을 더 포함하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 풍력 터빈에 대하여 정지를 지시한 후, 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량을 산출하고, 상기 에너지 저장장치에 대하여 상기 관성 발전량 만큼 여유 공간을 보유하도록 설정하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복합 제어장치는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통의 차단기 사이에 연계되며,
상기 계측기 집합은,
상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및
상기 풍력용 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 풍력 전력계측기
를 포함하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복합 제어장치는, 상기 태양광 발전 단지의 변압기의 판넬쪽 선로에 연계되며,
상기 계측기 집합은,
상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및
상기 태양광 변압기의 판넬쪽 선로 중 태양광 선로에 설치된 태양광 선로 전력계측기
를 포함하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 풍력 터빈 총 용량이 반영된 태양광 출력 제한 값을, 순간 태양광 발전 출력이 초과하지 않도록, 태양광 판넬 릴레이를 제어하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제1항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 태양광 발전 단지의 변압기와 계통의 차단기 사이에 연계되거나, 상기 태양광 발전 단지의 변압기의 판넬쪽 선로에 선택적으로 연계되는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
기 설치된 태양광 판넬들을 구비하는 태양광 발전 단지의 변압기와 계통과의 연계 경로에 설치된 태양광 변압기 전력계측기; 및
상기 풍력 터빈에서 생산되는 전력을 출력하는 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로를 통해 계통으로 공급하되, 상기 풍력용 변압기에서 출력되는 전력을 계통에 연계하는 경로의 전기적 특성의 계측값들로부터 파악된, 상기 태양광 발전 단지의 운영에 따른 태양광 출력(발전량)과 상기 계약 선로의 용량에 따라, 상기 풍력 터빈 및 상기 태양광 판넬들의 발전을 제어하는 복합 제어장치
를 포함하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제8항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 풍력 터빈 총 용량이 반영된 태양광 출력 제한 값을, 순간 태양광 발전 출력이 초과하지 않도록, 태양광 판넬 릴레이를 제어하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제9항에 있어서,
상기 태양광 판넬들의 일부에 상기 릴레이가 설치되되, 상기 릴레이가 설치된 태양광 판넬들의 총 용량은 상기 풍력터빈 총용량과 유사한 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제9항에 있어서,
상기 태양광 판넬들의 일부에 상기 릴레이가 설치되되, 상기 릴레이가 설치된 태양광 판넬들은 적어도 2개의 릴레이를 통해 on/off 되도록 적어도 2개 이상으로 그룹화되며,
상기 복합 제어장치는 상기 적어도 2개 이상으로 그룹화된 태양광 판넬들을 릴레이 제어하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제8항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0이 되도록 상기 풍력터빈 메인제어기의 정격출력 설정값(Rated Power Setting)을 재설정하는 신호를 송출하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제8항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0에 도달하면, 상기 풍력터빈을 정지 또는 대기모드로 신호를 송출하며, 그 후 예약된 시간에 상기 풍력터빈을 운전모드로 전환하는 신호를 송출하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제8항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
예약된 시간에 상기 풍력터빈을 정지 또는 대기 모드, 그리고 그 외에 시간은 운전모드로 전환하는 신호를 송출하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
제9항에 있어서,
상기 복합 제어장치는,
상기 계약 선로의 용량에서 상기 전력계측기의 전력값을 뺀 값이 0이 되도록, 태양광 PCS의 역률값(cosθ)을 조정하고 상기 풍력터빈 메인 제어기 정격출력 설정값을 제어하는 신재생에너지 복합 단지 구축 시스템.
기 설치된 태양광 발전 단지에 신규 풍력터빈을 연계할 때 계약 용량을 별도로 확보하지 않고, 상기 태양광 발전 단지의 계약 선로에 연계하여 신재생 복합 단지를 구축할 수 있도록, 상기 계약 선로의 용량에 따라, 태양광 발전 및/또는 상기 풍력 터빈의 발전을 제어하는 복합 제어장치.
태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계;
상기 계약 선로의 여유 용량이 없으면 풍력 터빈을 정지시키는 단계;
풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계;
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 및
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계
를 포함하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계;
상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과하면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계;
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계; 및
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계
를 포함하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계의 수행이후,
상기 에너지 저장장치 배터리 SOC가 최소 기준 레벨 미만으로 떨어지면 방전을 중단하는 단계
를 더 포함하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계에서는,
정지 명령 이후 풍력터빈 날개의 관성으로 정지할 때까지의 회전에 의해 방출되는 전기출력을 상기 에너지 저장장치에 저장하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
태양광 출력(발전량)의 현재 측정값으로부터 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계;
풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합 시간대이면, 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계;
풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량 보다 작고, 전력 판매 적합 시간대가 아니면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 계통으로 전달하는 단계;
상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태에서 전력 판매 적합 시간대이면, 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하는 단계;
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계;
상기 현재 충전량이 상기 기준 용량보다 작으면, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량 중에서 상기 계약 선로의 여유 용량은 계통으로 전달하며, 상기 풍력 터빈이 발전한 현재 전력량에서 상기 계약 선로의 여유 용량을 차감한 전력량은 상기 에너지 저장장치에 저장하는 단계; 및
상기 계약 선로의 여유 용량이 없거나, 풍력 터빈의 출력(발전량)이 상기 계약 선로의 여유 용량을 초과한 상태에서 전력 판매 적합 시간대가 아니면, 상기 에너지 저장장치의 현재 충전량을 소정 기준 용량과 비교하여, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 작으면 상기 풍력 터빈이 발전한 전력을 상기 에너지 저장장치에 저장하고, 상기 현재 충전량이 상기 기준 용량 보다 크면 상기 풍력 터빈을 정지시키는 단계
를 포함하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
제17항, 제18항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 용량은,
상기 풍력 터빈의 날개가 관성으로 멈출때까지의 관성 회전으로 인한 관성 발전량 만큼 상기 에너지 저장장치에 대하여 여유 공간을 보유하도록 설정되는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.
제17항, 제18항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계약 선로의 여유 용량을 산출하는 단계에서는,
상기 계약 선로의 계약 용량에서 상기 태양광 출력(발전량)의 현재 측정값을 뺀 값으로 산출하는 복합 단지의 풍력 발전 제어 방법.