KR20230012897A - 분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류 제어 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류 제어 방법 및 그 장치가 개시된다. 이 방법은 PI(Proportional-Integral) 제어기가 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 이용하여 배전계통 전력 조류를 제어하는 방법으로서, 제어 대상인 배전계통의 임의의 지점에서 측정된 분산 전원 출력 측정치와 목표 분산 전원 출력값을 토대로, 상기 복수의 분산 전원의 출력 총량에서 삭감할 값을 결정하는 단계, 상기 복수의 분산 전원의 총 설비 용량을 상기 삭감할 값에 피드 포워드(feed forward) 보상하여 총 출력 지령을 결정하는 단계, 그리고 상기 총 출력 지령을 상기 복수의 분산 전원으로 출력하는 단계를 포함한다.

Description

분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류 제어 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING POWER CURRENT USING DISTRIBUTED POWER}
본 발명은 분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 지속적으로 증가하고 있는 에너지 소비량 중 전기 에너지가 차지하는 비중은 점차 높아지고 있으며, 환경 및 비용의 문제로 인해 새로운 발전 및 송전 시설의 설치는 제약을 받고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 분산 전원(Distributed Generation) 기술이 각광을 받고 있다.
분산 전원이란, 전력계통에 설치되어 있는 주발전기와는 별도로 전력 계통에 연결되어 있는 부하가 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 것이 가능한 설비를 말하며, 이러한 분산 전원은 건설기간이 짧고 첨두부하에 대한 대응이 높으며 송전 손실이 낮은 장점을 갖는다.
현재 분산자원은 배전계통에 대부분 연계되어 전력조류의 방향을 바꿈으로써 배전선로의 과전압의 원인이 되고 있으며, 분산자원의 잦은 출력변동이 수용가 전기품질에도 영향을 주고 있다. 따라서, 분산자원의 연계용량이 늘어날수록 분산자원 제어를 이용한 계통의 전압 안정화에 대한 중요성은 더욱 커지는 실정이다.
해결하고자 하는 과제는 제어 불가능한 분산 전원과 제어 가능한 분산 전원이 혼재된 배전계통에서 제어 가능한 분산 전원을 이용하여 배전 계통의 전력 조류를 제어하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
한 특징에 따르면, PI(Proportional-Integral) 제어기가 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 이용하여 배전계통 전력 조류를 제어하는 방법으로서, 제어 대상인 배전계통의 임의의 지점에서 측정된 분산 전원 출력 측정치와 목표 분산 전원 출력값을 토대로, 상기 복수의 분산 전원의 출력 총량에서 삭감할 값을 결정하는 단계, 상기 복수의 분산 전원의 총 설비 용량을 상기 삭감할 값에 피드 포워드(feed forward) 보상하여 총 출력 지령을 결정하는 단계, 그리고 상기 총 출력 지령을 상기 복수의 분산 전원으로 출력하는 단계를 포함한다.
상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는, 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 독립적으로 제어하기 위한 총 출력 지령을 결정할 수 있다.
상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는, 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 순차적인 단계에 따라 제어하기 위한 총 출력 지령을 결정할 수 있다.
상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는, 변전소의 주변압기 전력조류 제어, 배전선로의 인입단 출력 제어, 배전선로의 특정 포인트 출력 제어, 배전선로의 한 구간 출력량 제어, 그리고 저압계통의 주상변압기 전력조류 제어 중 적어도 하나의 제어를 위한 총 출력 지령을 결정할 수 있다.
상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는, 복수개의 배전선을 서로 다른 레벨 단위로 출력분배하기 위한 총 출력 지령을 결정할 수 있다.
다른 특징에 따르면, 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 이용하여 배전계통 전력 조류를 제어하는 분산 전원 제어 장치로서, 제어 대상인 배전계통의 임의의 지점에서 측정된 분산 전원 출력 측정치와 목표 분산 전원 출력값을 토대로, 분산 전원의 출력 총량 삭감량을 결정하고, 결정된 출력 총량 삭감량을 분산 전원의 총 설비 용량으로 피드 포워드(feed forward) 보상하는 방식으로 합산한 총 출력 지령을 결정하는 PI(Proportional-Integral) 제어기, 그리고 상기 PI 제어기에 의해 결정된 총 출력 지령에 따른 분산 전원을 분배하는 분산 전원 출력부를 포함한다.
상기 PI 제어기는, 상기 목표 분산 전원 출력값이 상기 분산 전원 출력 측정치보다 작으면, 상기 출력 총량 삭감량과 상기 총 설비 용량을 합산하여 총 출력 지령을 결정할 수 있다.
상기 PI 제어기는, 상기 목표 분산 전원 출력값이 상기 분산 전원 출력 측정치보다 크면, 제어 가능한 분산 전원의 총 설비용량을 상기 분산 전원 출력부를 통해 분배시킬 수 있다.
상기 PI 제어기는, 안티-윈드업(anti-windup) 기능을 포함할 수 있다.
상기 배전계통은, 제어 가능한 분산 전원들과 제어 불가능한 분산 전원들이 혼재되고, 상기 PI 제어기는, 상기 제어 가능한 분산 전원들을 대상으로 출력 지령을 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 분산 전원의 출력 총량 삭감량을 결정하고, 제어 가능한 분산 전원의 총 설비 용량을 보상하여 분산 전원의 총 출력 지령을 결정함으로써, 제어 불가능한 분산전원이 포함된 배전계통에서 제어 가능 분산 전원을 이용한 배전계통 전력조류를 제어할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치를 포함하는 배전 계통을 도시한다.
도 2는 실시예에 따른 제어 불가능한 분산 전원과 제어 가능한 분산 전원이 혼재된 배전 계통의 분산 전원의 출력을 제한하는 개념도이다.
도 3은 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 나타낸다.
도 4는 실시예에 따른 배전계통의 예시도이다.
도 5는 실시예에 따른 저압계통 인입단 포인트를 나타낸다.
도 6은 실시예에 따른 배전선로의 특정 포인트를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 배전선로의 인입단 출력 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 주변압기의 전력 조류 제어를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 5, 6, 7, 8의 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 공통된 블록을 나타낸 도면이다.
도 10은 실시예에 따른 배전구간의 구간별 출력 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 공통된 블록을 나타낸 도면이다.
도 12는 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 주변압기 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 13은 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 배전선로 인입단 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 14는 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 저압계통 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명에서 설명하는 장치들은 적어도 하나의 프로세서, 메모리 장치, 통신 장치 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 지정된 장소에 하드웨어와 결합되어 실행되는 프로그램이 저장된다. 하드웨어는 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다. 프로그램은 도면들을 참고로 설명한 본 발명의 동작 방법을 구현한 명령어(instructions)를 포함하고, 프로세서와 메모리 장치 등의 하드웨어와 결합하여 본 발명을 실행한다.
본 명세서에서 "전송 또는 제공"은 직접적인 전송 또는 제공하는 것 뿐만 아니라 다른 장치를 통해 또는 우회 경로를 이용하여 간접적으로 전송 또는 제공도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 도면에 관계없이 동일한 도면번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는" 은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치를 포함하는 배전 계통을 도시하고, 도 2는 실시예에 따른 제어 불가능한 분산 전원과 제어 가능한 분산 전원이 혼재된 배전 계통의 분산 전원의 출력을 제한하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)는 복수의 분산 전원(200, 300)이 하나의 배전 계통에 연계되어 있을 때 복수의 분산 전원(200, 300)을 제어한다. 배전 계통은 복수의 분산 전원(200, 300), 차단기(400), 적어도 하나의 개폐기(500)에 연계된다.
이때, 복수의 분산 전원(200, 300)은 제어 불가능 분산 전원(200)과 제어 가능 분산 전원(300)으로 구성된다.
분산 전원 제어 장치(100)는 제어가 불가능한 분산 전원이 혼재된 배전계통에서 제어 가능 분산 전원만의 출력 제어를 이용해서 배전계통의 임의의 포인트(BUS)에서 목표 출력을 제어한다. 따라서, 분산 전원 제어 장치(100)는 제어 가능 분산 전원의 용량을 감시한다.
한 실시예에 따르면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전계통에 연계된 분산 전원들을 독립적으로 직접 제어할 수 있다. 분산 전원 제어 장치(100)는 제어하고자 하는 배전계통 어느 포인트의 후비에 연계된 각각의 분산 전원을 개별적으로 동시에 제어할 수 있다. 예를들어, 변전소의 주변압기 전력조류 제어, 배전선로의 인입단 출력 제어, 배전선로의 특정 포인트 출력 제어, 배전선로의 한 구간 출력량 제어, 저압계통의 주상변압기 전력조류 제어를 수행할 수 있으며, 이에 대해 도 5 ~ 도 9를 통해 후술하기로 한다.
다른 실시예에 따르면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전계통에 연계된 분산 전원들을 계층적으로 그리고 단계적으로 제어할 수 있다. 이러한 방식은 세가지 실시예를 통해 운용될 수 있다.
한 예시에 따르면, 상위 시스템에서 모든 알고리즘이 구동될 경우, 뱅크, 배전선로 전체, 섹션, 구간, 저압계통 등의 가상의 계층을 만들어서 분산 전원간 그룹을 형성하고, 소프트웨어적으로 단계적인 알고리즘을 구현할 수 있다. 그리고 모든 알고리즘은 상위 시스템에서 분산 전원으로 분배함으로써 모든 관리 및 분배 권한을 상위 시스템이 가지고 있을 수 있다.
다른 예시에 따르면, 만약 하드웨어 단말들에 의해서 분산 전원들이 관리된다면 각 하드웨어의 관리 영역을 나누어 해당 관리 영역 범위에 해당하는 알고리즘들을 각자 구현할 수 있다. 예를 들어, 뱅크, 선로 또는 피더, 섹션, 브랜치, 노드 단위의 제어를 위한 각 제어 알고리즘이 뱅크, 선로, 섹션, 브랜치, 노드의 어느 위치에 설치된 마이크로 프로세서나 PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 제어기에 탑재되어 통신을 통해 지령을 받아 운영될 수 있다. 즉, 소프트웨어적으로 하나의 컴퓨터 내에서 분리되어 구현될 수도 있고, 물리적으로 구분된 하드웨어 수단을 통해 구현될 수도 있다.
분산 전원 제어 장치(100)는 '변전소의 주변압기 전력조류 제어 → 배전선로의 인입단 출력 제어 → 배전선로의 특정 포인트 출력 제어 → 저압계통의 주상변압기 전력조류 제어'를 통해 단계적으로 혹은 bi-pass로 모든 배전계통 단위에서의 출력제어를 안정화할 수 있다. 이때, 단계적인 제어는 변전소의 주변압기 전력조류 제어를 위해 저압계통의 주상변압기 전력조류 제어만을 수행할 수도 있으며, 배전선로의 특정 포인트 제어를 통해 주변압기 전력조류 제어를 수행할 수도 있다. 즉, 제어 포인트에 대해 단계적인 순서를 지켜야 하는 것은 아니다.
또 다른 예시에 따르면, 상위 시스템 방식과 하드웨어 방식이 결합된 하이브리드 형태이다. 뱅크 단위, 배전선로 전체, 섹션, 구간, 저압계통의 단위 영역에서 특정 부분에서만 하드웨어로 관리가 된다면 하드웨어적인 관리영역과 소프트웨어적인 가상의 관리영역이 하이브리드 형태로 혼합되어 알고리즘이 구동될 수 있다.
여기서, 뱅크 단위는 변전소의 주변압기 하부 모든 배전 계통을 의미한다. 일반적으로 하나의 뱅크에 4~7개의 배전 선로가 연계되어 운영되기 때문에 배전 선로는 뱅크뒤에 연계된 하나의 인출 루트(Root)를 갖는 배전선로의 경로 전체를 의미한다. 섹션과 구간은 동일한 의미로 사용되며, 일반적으로 차단기 혹은 개폐기 사이 구간을 의미한다. 저압 계통은 한국에서는 380V 계통 혹은 220V 계통을 의미한다.
예를 들어, n개의 배전선을 동일한 배전선로 레벨에서 출력분배 하는 것이 아니라, n개의 배전선로 + n개의 분산형전원(직접 제어 대상)을 동일한 레벨에 두고 출력분배를 하고, n개의 배전선로 아래에 또다시 존재하는 분산형전원을 배전선로 하위의 분산형전원으로 두고 출력분배를 하는 형태로 혼합할 수 있다.
도 2를 참조하면, 배전계통에 제어가 불가능한 분산 전원이 5만큼 발전을 하고 있더라도, 분산 전원 제어 장치(100)는 이에 대한 출력을 제어할 수 없기 때문에 5의 출력은 기저 출력으로서 그 변동성을 그대로 받아 들어야 한다. 또한, 제어가 가능한 분산 전원의 경우, 출력 제한을 통해서 0~10만큼 자유롭게 제어를 할 수 있다. 이렇게 제어가 가능한 분산 전원과 제어가 불가능한 분산 전원의 출력이 합쳐지면 약 15의 출력을 제공할 수 있으므로, 분산 전원 제어 장치(100)는 제어 가능한 분산 전원의 출력 제한을 이용해서 5~15 범위에서 자유롭게 출력 제한을 제어할 수 있다. 이때, 배전계통에 제어가 가능한 분산 전원과 제어가 불가능한 분산 전원 뿐만 아니라 부하가 존재한다면, 그 부하 역시 제어가 불가능한 전원으로 분류된다.
다시, 도 1을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)는 PI(Proportional-Integral) 제어기(110) 및 분산 전원 출력부(120)를 포함한다.
배전계통의 임의의 포인트(BUS)에서 목표 전력 조류는 제어가 가능한 분산 전원의 출력 제한 범위 내에서 출력되도록 제어된다. PI 제어기(110)는 Anti-windup 기능을 포함하고, 최종 지령을 결정한다. 분산 전원 출력부(120)는 PI 제어기(110)가 결정한 최종 지령을 특정 급전(Dispatch) 방법으로 각 분산 전원에 분배한다.
안티-윈드업(Anti-windup)은 제어가 가능한 분산 전원들만을 이용해서 제어가 불가능한 분산 전원들이 포함된 전력 계통에서 어느 범위, 예컨대, 단위, 영역의 출력을 원하는 대로 제어하기 위해서 PI 제어기(110)의 속응성이 보장되어야 한다. 하지만 적분기에 누적된 값에 의해 PI 제어기(110)의 응답이 늦어지거나 안정성이 낮아지는데, Anti-windup를 통해 이러한 문제를 해결할 수 있다.
여기서, PI 제어기(110)의 입력이 되는 출력 지령은 제어 적용 대상, 즉, 분산 전원의 상위에서 수신하거나 외부/내부에서 선정될 수 있다. 측정값은 제어 대상의 값을 측정, 계산, 측정 후 보정 등을 통한 방식으로 산출될 수 있다.
또한, PI 제어기(110)의 출력이 급전(Dispatch)되는 것은 기존의 여러 응용 서비스에서 많이 활용되고 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
실시예에 따르면, 분산 전원 제어 장치(100)는 제어가 불가능한 분산 전원이 포함된 배전선로 혹은 뱅크 단위에서 원하는 셋-포인트(set-point) 이하로 출력을 제한하고 싶을 때, 제어 가능한 분산 전원들만을 이용하여 전력 조류를 제어한다. 이때, 분산 전원 제어 장치(100)는 제어가 불가능한 분산 전원이 포함되어 있기 때문에 분산 전원의 에너지원이 부족한 경우를 제외하고 원하는 출력으로 제어하며, 모든 단계, 예컨대, 뱅크, 선로, 섹션, 저압계통 등에서의 출력을 효과적으로 제어하기 위하여 단계적인 출력 제어(dispatch)를 할 수 있다.
뿐만 아니라, PI 제어기(110)는 출력 제한 양을 결정하기 때문에 분산 전원이 생성하는 정격 출력의 합을 피드 포워드(feed forward) 보상한다.
도 3은 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)의 PI 제어기(110)가 분산 전원의 출력 총량 삭감량을 결정한다(S101).
PI 제어기(110)는 제어 가능한 분산 전원의 총 설비용량을 피드 포워드 보상하는 방식으로 제어 가능한 분산 전원의 총 출력 지령을 결정한다(S103). 이때, 저압계통 연계를 위한 주상변압기는 주상변압기를 기준으로 하나의 분산 전원과 동일하게 간주될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 배전 계통의 예시도이다.
도 4를 참조하면, F1.CB는 Feeder1의 Circuit Break를 의미하는 약자이다. G는 개폐기를 지칭한다. C.G1은 Controllable Generator1의 약자이다. L1은 Load1의 약자이다. UCG1은 UnControllable Generator1의 약자이다. L.C.G는 Low voltage Controllable Generator의 약자이다. L.U.C.G는 Low voltage Uncontrollable Generator의 약자이다.
도 4는 도 1의 분산 전원이 연계된 배전 계통의 실시예를 도시한 것으로 도면에 나타내지는 않았으나, 각 분산 전원들은 모두 도 1에서 설명한 분산 전원 제어 장치(100)와 연결되어 있다.
이때, 배전선로#1, 배전선로#2, 배전선로#3은 각각 또는 동시에 제어되어 주변압기로 흘러가는 출력의 총 용량이 주변압기의 용량을 초과하지 않아야 한다. F1.CB, F1.G1, F1.G2, F1.G3와 F2.CB, F2.G1, F2.G2, F3.CB, F3.G1, F3.G2의 각 포인트 출력 역시 제어기에서 정한 값을 초과하지 않도록 제어될 수 있어야 한다.
각 배전선로#n을 나누는 구간은 배전선로#2처럼 각 개폐부 및 차단부에 의해서 3구간으로 나뉘어 질수도 있으며, 배전선로#1처럼 4구간으로 나뉘어 질 수도 있다.
또한, 배전선로#3처럼 3구간과 n개의 저압계통으로 나뉘어질 수도 있다. 이렇게 하나의 변전소 주변압기 아래에 세부적으로 나뉘어져 제어될 수 있는 형태는 매우 다양하다.
실시예에 따르면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전계통을 변전소의 주변압기(Bank), 배전선로, 배전구간(Section), 그리고 저압계통으로 나누어서 각각 제어할 수 있다. 즉, 방사형으로 이루어진 배전계통의 경우 최종적으로는 분산 전원에 의해 생산된 전력이 주변 부하들에 의해서 소모되고 남은 전력들이 변전소의 주변압기 용량을 초과하지 않아야 한다. 뿐만 아니라, 일반적으로 하나의 주변압기에 3~7개까지의 배전선로가 연계되기 때문에 각각의 배전선로에서도 분산형전원에 의한 과출력이 발생하지 않아야 한다. 즉, 변전소의 주 변압기, 배전선로들, 배전선로 내 구간들, 저압계통 중 어디에도 과부하는 발생하지 않아야 한다.
저압계통을 하나의 분산형전원 형태로 관리해서 저압 연계용 주상변압기를 기준으로 출력제어를 하게 된다면 큰 배전계통의 관점에서 바라볼 때, 저압계통은 하나의 분산 전원 형태로 간주될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전계통 단위 별로 독립적으로 직접 출력 지령을 제공할 수 있다. 이에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 5는 실시예에 따른 저압계통 인입단 포인트를 나타내고, 도 6은 실시예에 따른 배전선로의 특정 포인트를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 실시예에 따른 배전선로의 인입단 출력 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 실시예에 따른 주변압기의 전력 조류 제어를 설명하는 도면이고, 도 9는 도 5, 6, 7, 8의 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 공통된 블록을 나타낸 도면이다.
이때, 도 5, 6, 7, 8의 배전계통에 대한 분산 전원 제어는 공통된 블록 구조를 가지며, 이를 도 9에 나타내었다.
먼저, 도 5를 참조하면, 저압계통 인입단 포인트 제어를 설명하기 위한 저압계통 구조를 나타낸다.
분산 전원이 연계된 저압계통의 경우, 부하와 분산 전원의 공존률이 가장 높은 곳이다. 특히, 중소용량 분산 전원에는 인버터의 스마트한 기능들이 탑재가 안된 경우가 많기 때문에 제어가 불가능한 분산 전원의 용량 비율이 매우 크다.
주상변압기로 연계되는 저압계통에 제어 가능한 분산형전원(Low voltage Controllable Generator, L.C.G)과 제어가 불가능한(Low voltage UnControllable Generator, L.U.C.G) 및 부하가 연계된 것을 나타내고 있다. 여기서, 제어 포인트는 주상변압기의 1차측 혹은 2차측 유효전력이 된다. 분산 전원 제어 장치(100)는 부하의 크기와 제어 불가능한 분산 전원의 출력과는 상관없이 제어가 가능한 분산 전원의 출력만을 이용하여 주상변압기로 흐르는 전력 조류를 제어할 수 있다.
주상변압기의 전력 조류를 제어하기 위해서, 분산 전원 제어 장치(100)는 Anti-Windup 기반의 PI 제어기(110) 출력을 각 분산 전원에 분배한다. 주상변압기 후비에 존재하는 제어가 가능한 분산 전원 L.C.G1부터 L.C.Gn까지의 지령은 각 분산 전원이 출력을 제한해야 하는 출력 제한의 지령치가 된다. 그러므로, 분산 전원 제어 장치(100)는 Prate.t.L, 즉, 제어에 참여하는 주상변압기 후비연계 분산 전원의 총 설비 용량을 피드 포워드(Feed forward) 방식으로 보상한다. PI 제어기(110)는 총 설비 용량인 Prate.t.L에서 삭감하여야 하는 출력량을 결정한다. 즉, 주상변압기로 제공되는 출력의 크기를 감소시켜야할 때, Pset.L의 값이 PL.meas보다 작기 때문에 '-' 방향으로 PI 제어기(110)는 Prate.t.L와는 '-' 방향으로 더해져서, 즉, '-'값이 더해져서 총 설비 용량에서 삭감시켜야 하는 값을 출력한다.
반대로, Pset.L이 PL.meas보다 클 경우에는 PI 제어기(110)의 Max.V 설정에 따라서 0이상으로 보상을 못하게 되며, 피드 포워드(Feed forward) 되어 보상되는 Prate.t.L인 제어 가능한 분산 전원의 총 설비용량만 출력 분배(dispatch)에 참여하게 된다. 즉, 후비에 연계된 모든 분산 전원은 최대 출력, 즉, 설비 용량으로 설정된다.
여기서, 도 5의 저압 계통 인입단 포인트 제어 블록을 도 9에 적용하면, 도 9의 Pset은 Pset.L로 표시되고, 도 9의 Pmeas은 PL.meas로 표시되며, 도 9의 Prate.t은 Prate.t.L로 표시된다. 그리고 도 9의 분산 전원 출력부(120)는 각각 L.C.G1, L.C.G2,… L.C.Gn을 출력한다.
도 6을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전선로의 임의의 포인트의 출력 전력 조류를 제어할 수 있다. 예를 들어, F.G1의 출력을 제어할 때, F.G2와 F.G3의 출력과는 무관하게 F.G1 후비에 연계된 제어가능한 모든 분산 전원의 출력을 제어하여 F.G1의 출력을 제어할 수 있다. 이 때, 출력 제어를 위한 알고리즘은 도 5와 동일하다.
PI 제어기(110)의 입력이 되는 측정 P값이 배전선로의 특정 포인트에서 측정한 출력이 되어야 한다.
또한, 피드 포워드로 PI 제어기(110)의 출력과 합산되기 위한 Prate.t.Br의 값은 그 특정 포인트의 후비에 존재하는 제어 가능한 모든 분산 전원의 총 설비용량의 합이 되어야 하며, Min.V는 Prate.t.Br과 같아야 하고 Max.V는 0이 되어야 한다.
여기서, 도 6의 배전선로의 임의의 포인트의 출력 제어 블록을 도 9에 적용하면, 도 9의 Pset는 Pset.Br로 표시되고, 도 9의 Pmeas는 PF.G1로 표시되고, 도 9의 Prate.t는 Prate.t.Br로 표시된다. 그리고 도 9의 분산 전원 출력부(120)는 각각 C.G1, C.G2, ..., C.Gn을 출력한다.
도 7을 참조하면, 배전선로의 인입단으로 흐르는 전력 조류도 제어할 수 있다. 예를들어, F.CB로 공급되는 출력을 제어하고자 할 때, F.G1과 F.G2에 공급되는 출력과는 무관하게 F.CB 후비에 연계된 제어 가능한 모든 분산 전원의 출력을 제어하여 F.CB로 흐르는 출력을 제어할 수 있다.
때, 출력 제어를 위한 알고리즘은 도 5 및 도 6과 동일하다. PI 제어기(110)의 입력이 되는 측정 P값이 배전선로의 특정 포인트에서 측정한 출력이 되어야 한다. 또한, 피드포워드로 PI 제어기(110)의 출력과 합산되기 위한 Prate.t.CB의 값은 그 특정 포인트의 후비에 존재하는 제어 가능한 모든 분산 전원의 총 설비용량의 합이 되어야 하며, Min.V는 Prate.t.CB와 같아야 하고 Max.V는 0이 되어야 한다.
여기서, 도 7의 배전선로의 인입단 출력 제어 블록을 도 9에 적용하면, 도 9의 Pset는 Pset.CB로 표시되고, 도 9의 Pmeas는 PF.CB로 표시되고, 도 9의 Prate.t는 Prate.t.CB로 표시된다. 그리고 도 9의 분산 전원 출력부(120)는 각각 C.G1, C.G2, … C.Gn을 출력한다.
도 8을 참조하면, 변전소의 주변압기로 흐르는 전력 조류도 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 8에서 주변압기로 흘러나가는 출력의 측정 포인트를 주변압기의 1차측 및 2차측 출력 중 하나로 설정하고 도 5, 6, 7과 같이 주변압기의 후비에 있는 모든 제어 가능한 분산 전원의 출력을 제어함으로써 주변압기로 흐르는 조류를 제어할 수 있다.
이 때, 방사형 계통의 특성으로 인해 주변압기로 흘러나가는 전류 방향을 정방향으로 잡고 제어가 되어야 하며, PI 제어기(110)의 부호를 반대로 할 경우 정방향을 바꿀 수도 있다. 다른 경우와 동일하게 Anti-windup이 적용된 PI 제어기(110) 출력을 제어에 참여하는 모든 분산 전원의 설비용량의 합과 합산하여 최종적으로 출력제한을 위한 지령을 분배하는 형태로 제어할 수 있다.
여기서, 도 8의 주변압기의 전력 조류 제어 블록을 도 9에 적용하면, 도 9의 Pset는 Pset.BK로 표시되고, 도 9의 Pmeas는 PF.BK로 표시되고, 도 9의 Prate.t는 Prate.t.BK로 표시된다. 그리고 도 9의 분산 전원 출력부(120)는 각각 F1.CB, F2.CB, ..., Fn.CB를 출력한다.
도 9를 참조하면, PI 제어기(110)는 목표 지령치인 Pset, 포인트에서 측정된 유효 전력인 Pmeas를 입력받는다.
PI 제어기(110)는 더하기 빼기(+ -) 블록, PI 제어기(110)의 비례 이득(Proportional gain)인 P 블록, 1/S 블록, PI 제어기(110)의 적분 이득(Integral gain)인 I 블록, PI 제어기(110)의 Anti windup 이득인 a 블록, Max.v-Min.V 블록을 포함한다. 여기서, Max.v는 Maximum value의 약자이고, Min.V는 Minimum value의 약자이다.
또한, Prate.t는 유효 전력 정격의 Total값을 의미한다. 즉, 피드포워드 보상으로 정격 총량을 더해줌으로써 정격 총량에서 PI 제어기(110)의 출력값을 차감하여 원하는 지령을 만들어낼 수 있다.
분산 전원 출력부(120)는 배전단위로 출력지령을 생성하여 출력할 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 배전구간의 구간별 출력 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 10의 실시예에 따른 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 공통된 블록을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)는 배전구간의 구간별 출력량을 제어할 수 있다. 두 개의 개폐기 사이에 분산 전원과 부하가 공존할 경우 두 개폐기 사이에서 생산되고 소모되는 전력의 합을 원하는 양 이하로 제한할 수 있다.
변전소로 공급되는 방향을 정방향으로 할 때, 변전소측 개폐기에서 뒤쪽 개폐기의 출력의 차이가 그 구간의 출력이 된다. 분산 전원 제어 장치(100)는 이 구간의 내에 있는 제어 가능한 분산 전원의 출력을 제어하면 이 구간의 출력을 목표 출력으로 제어할 수 있다.
도 11을 참조하면, 분산 전원 제어 장치(100)는 PI 제어기(110)를 이용하여 배전 구간의 총 출력량을 제어할 수 있다. 이때, 저압 계통 인입단 포인트 제어와 동일한 형태를 취하지만, 제어 대상이 되는 측정값의 계산 방법은 다르다. 배전구간의 출력제어를 위한 측정값은 배전구간이 개폐기 간 출력이기 때문에 양끝 개폐기의 출력을 동일한 CT 측정 방향으로 측정해서 그 차이값이 산출되는 반면, 저압계통 인입단 포인트 제어는 하나의 포인트를 제어하는 것이므로, 그 포인트에서의 출력을 측정한다.
단, 제어 대상이 되는 모든 분산형 전원의 총 설비용량을 피드 보상(feed forward) 해주는 것에 있어서는 동일하다. 분산 전원 출력부(120)의 분배(dispatch) 방법에 대해서는 생략하지만, 분산 전원 출력부(120)의 출력은 결국 분산형 전원 출력제한의 지령치가 된다.
도 12는 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 주변압기 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이고, 도 13은 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 배전선로 인입단 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이고, 도 14는 실시예에 따른 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 저압계통 제어를 위한 분산 전원 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
부하 분산 전원 장치(100)는 배전계통의 단위별로 모든 전력조류를 주변압기 → 배전선로 → 배전선로 임의의점 → 저압계통의 순서로 단계적으로 제어하여 전체 배전계통에 흐르는 전력조류에 과출력이 발생하지 않도록 제한하면서 주변압기로 흐르는 전력조류도 제한할 수 있다.
Anti-windup이 적용된 PI 제어기(110)와 제어에 참여하는 모든 분산형 전원의 총 설비용량의 합을 피드 포워드(feed forward) 해주는 방식으로 모든 단위에서 제어가 가능하다. 이를 적용하여 변전소의 주변압기부터 저압계통까지 순차적으로 제어할 경우, 주변압기로 흐르는 출력을 제어하면서 각 단위별 출력도 안정화할 수 있다.
부하 분산 전원 장치(100)는 도 12와 같은 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 주변압기 제어 블록, 도 13과 같은 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 배전선로 인입단 제어 블록, 도 14와 같은 배전계통 단위별 단계적 제어로 참여하는 저압계통 제어 블록을 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, PI 제어기(110)는 anti-windup이 적용된다. PF.BK는 변전소의 주변 압기에서 측정한 유효 전력이 된다. 여기서, Pset의 값에 Max.R.BK를 통해 제한을 걸어줌으로써, 상위 제어기에서 어떤 지령이 오더라도 설정된 제한 이상을 초과하지 않게 된다. 예를 들어, Pset을 60MVA로 설정하면 주변압기 후비에 있는 모든 분산 전원의 출력을 제어하여 60MVA 이상으로 출력이 흐르지 않도록 제어할 수 있다. 이 방식을 이용하면 Pset을 60MVA로 설정해놓고, Max에서 상위 제어기로부터의 출력 제한 지령을 받을 경우, 주변압기로 공급되는 전력 조류가 주변압기의 정격 용량인 60MVA 이하로 운전되게 하다가 상위 제어기에서 60MVA보다 낮은 제한 지령이 올 경우, 더 낮도록 제어되는 형태로 움직인다.
일반적으로 변전소에 위치한 주변압기 또는 뱅크의 용량은 60MVA이다. 이 용량을 초과하는 전력이 주변압기로 흐르면 주변압기는 손상을 입게 된다. 따라서, 60MVA이하로 전력이 흐로도록 출력 제어를 하게 된다.
주변압기는 송전계통과 배전계통을 연결하여 포인트가 될 수 있다는 차원에서 송전계통 운영을 위해서 배전계통에서 송전계통으로 흐르는 전력 혹은 송전계통에서 배전계통에서 흐르는 전력을 송전계통의 운영을 위해서 원하는 값으로 제어할 필요가 있을때도 있다. 그럴 경우, 상위 제어기에서 Pset 지령을 PI 제어기(110)로 출력함으로써, Pset 지령에 따라 제어된다.
기본적으로, 뱅크-선로-섹션 또는 구간-노드 순서로 배전계통의 범위가 구성되어 있다 즉, 뱅크제어기의 출력이 선로제어기의 입력이 된다. 단만, 주변압기 후비에 연계된 제어가 불가능한 분산 전원의 순시출력보다 낮은 출력으로 제한하지는 못한다.
F1.CB부터 Fn.CB까지의 출력은 배전선로#1부터 배전선로#n의 CB에서 공급되는 각 배전선로들의 총 출력이다. 그러므로 이 F1.CB에서 Fn.CB의 값을 이용하여 주변압기에 연계되어 있는 각 배전선로들의 출력을 제한할 수 있다.
각 배전선로들의 출력을 제한하는 방법은 F1.CB~Fn.CB의 값을 n개 존재하는 Max로 전송해서 Max의 값이 제한되도록 하여, 도 13의 Pset.CB가 제한되도록 한다. 여기서, Pset.CB은 주변압기 용량이 되었던 것처럼 배전선로에 흐를 수 있는 최대전력으로 제한해둘 수 있으며, 상위 제어기가 되는 주변압기 조류 제어 블록의 출력은 Max.R.CB로 입력된다.
도 13의 분산 전원 출력부(120)가 출력하는 C.G1은 도 14에서 저압계통 제어를 위한 최대전력 제한치인 Max.R.L의 입력이 된다. 즉, 도 14의 Pset.L이 저압 계통에 흐를 수 있는 최대 전력이라고 할 경우, 상위 제어 블록이 되는 도 12의 배전 선로 인입단 제어 블록에서 분배된 출력 제한치가 저압 계통 제어를 위한 Max.R.L의 입력이 되어 추가적인 제한을 함으로써 Pset.L과 상관없이 출력이 제한되게 된다. 이처럼, 주변압기부터 단계적으로 Limit 블록을 사용해서 각 단계별 분산형전원의 출력을 제한함으로써 최종적으로 저압계통에 존재하는 분산형전원도 제한할 수 있게 되고, 주변압기로 흐르는 전력 조류를 원하는 출력 이내로 제한할 수 있게 된다.
한편, 하이브리드 제어를 이용하여 통합 제어를 할 수도 있다. 배전 계통의 단위를 단계적으로 제어하는 방식, 예를 들어 n개의 배전선로를 동일한 배전선로 레벨에서 출력분배 하는 것이 아니라, n개의 배전선로 + n개의 분산형전원(직접 제어 대상)을 동일한 레벨에 두고 출력분배를 하고, n개의 배전선로 아래에 또다시 존재하는 분산형전원을 배전선로 하위의 분산형전원으로 두고 출력분배를 하는 형태로 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (10)

  1. PI(Proportional-Integral) 제어기가 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 이용하여 배전계통 전력 조류를 제어하는 방법으로서,
    제어 대상인 배전계통의 임의의 지점에서 측정된 분산 전원 출력 측정치와 목표 분산 전원 출력값을 토대로, 상기 복수의 분산 전원의 출력 총량에서 삭감할 값을 결정하는 단계,
    상기 복수의 분산 전원의 총 설비 용량을 상기 삭감할 값에 피드 포워드(feed forward) 보상하여 총 출력 지령을 결정하는 단계, 그리고
    상기 총 출력 지령을 상기 복수의 분산 전원으로 출력하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는,
    배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 독립적으로 제어하기 위한 총 출력 지령을 결정하는 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는,
    배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 순차적인 단계에 따라 제어하기 위한 총 출력 지령을 결정하는 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는,
    변전소의 주변압기 전력조류 제어, 배전선로의 인입단 출력 제어, 배전선로의 특정 포인트 출력 제어, 배전선로의 한 구간 출력량 제어, 그리고 저압계통의 주상변압기 전력조류 제어 중 적어도 하나의 제어를 위한 총 출력 지령을 결정하는 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 총 출력 지령을 결정하는 단계는,
    복수개의 배전선을 서로 다른 레벨 단위로 출력분배하기 위한 총 출력 지령을 결정하는 방법.
  6. 배전계통에 연계된 복수의 분산 전원을 이용하여 배전계통 전력 조류를 제어하는 분산 전원 제어 장치로서,
    제어 대상인 배전계통의 임의의 지점에서 측정된 분산 전원 출력 측정치와 목표 분산 전원 출력값을 토대로, 분산 전원의 출력 총량 삭감량을 결정하고, 결정된 출력 총량 삭감량을 분산 전원의 총 설비 용량으로 피드 포워드(feed forward) 보상하는 방식으로 합산한 총 출력 지령을 결정하는 PI(Proportional-Integral) 제어기, 그리고
    상기 PI 제어기에 의해 결정된 총 출력 지령에 따른 분산 전원을 분배하는 분산 전원 출력부
    를 포함하는 분산 전원 제어 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 PI 제어기는,
    상기 목표 분산 전원 출력값이 상기 분산 전원 출력 측정치보다 작으면, 상기 출력 총량 삭감량과 상기 총 설비 용량을 합산하여 총 출력 지령을 결정하는 분산 전원 제어 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 PI 제어기는,
    상기 목표 분산 전원 출력값이 상기 분산 전원 출력 측정치보다 크면, 제어 가능한 분산 전원의 총 설비용량을 상기 분산 전원 출력부를 통해 분배시키는, 분산 전원 제어 장치.
  9. 제6항에서,
    상기 PI 제어기는,
    안티-윈드업(anti-windup) 기능을 포함하는, 분산 전원 제어 장치.
  10. 제6항에서,
    상기 배전계통은,
    제어 가능한 분산 전원들과 제어 불가능한 분산 전원들이 혼재되고,
    상기 PI 제어기는,
    상기 제어 가능한 분산 전원들을 대상으로 출력 지령을 결정하는 분산 전원 제어 장치.
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