KR20230090897A - 다회로 전력 변환 장치를 이용한 다중 마이크로 그리드 시스템 - Google Patents

다회로 전력 변환 장치를 이용한 다중 마이크로 그리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치를 일체로 형성하여 전기가 이동함에 따라 발생되는 손실을 최소화함과 동시에 관리하기에 용이한 다중 마이크로 그리드 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 전력 변환 장치가 배전망 및 전원 소스, 부하와 직접 연결되어 보호 동작이나 대응 운전 구현이 가능하며, 마이크로 그리드의 에너지 용량이 부족할 경우, 필요한 용량만큼 신규 시설을 짓지 않고 다른 마이크로 그리드에서 여유 전력을 공유해 줄 수 있어 유지 비용을 절약할 수 있고, 전력 변환 장치에 출력 특성이 서로 다르거나 응답 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 연계되어 설치될 수 있으므로 마이크로 그리드 내에서 다양한 대응 운전을 수행할 수 있는 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.

Description

다회로 전력 변환 장치를 이용한 다중 마이크로 그리드 시스템 {Multi micro-grid system using multi-circuit power converter}
본 발명은 다중 마이크로 그리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력 변환 장치를 일체로 형성하여 전기가 이동함에 따라 발생되는 손실을 최소화함과 동시에 관리하기에 용이한 다중 마이크로 그리드 시스템에 관한 것이다.
직류 배전 방식은 1880년에 개발된 이후 근래 신재생 에너지 발전원, 에너지 저장장치, 전기 자동차 등과 통신 분야를 포함한 IT 기술과의 융합으로 발생한 스마트 그리드 시장의 등장으로 다시 주목을 받고 있다. 특히, 전력 변환 장치의 발달, 직류 부하의 증가와 같은 환경의 변화와 더불어, 리액턴스 성분 및 주파수가 없어
무효전력으로 인한 손실과 표피효과가 없으며 절연 레벨이 낮고 전력 효율 상승과 같은 기존 직류의 장점이 부각되어 전력 계통의 패러다임이 AC에서 DC로 변화하고 있다. DC 마이크로 그리드(Microgrid, MG)는 AC 마이크로 그리드와 시스템 구성 요소는 동일하지만 전력변환기 없이 DC 기반의 분산전원 및 부하와 연결되어 있다는 것에 차이점이 있다.
DC 마이크로 그리드에서는 다수의 분산전원을 전력 변환 과정 없이 직접 연결할 수 있어 에너지 효율 증대 및 비용 저감의 효과를 가져오며, 전압과 주파수 제어가 필요한 AC와 달리 DC 전력망에서는 전압만 제어하므로 중요 부하를 제어하는데 유용한 것으로 알려져 있다.
마이크로 그리드는 다수의 소규모 분산전원과 부하의 집합체로서, 기존의 전력망과 연계 또는 분리 운전될 수 있는 소규모 전력망이다. 그러나, DC 마이크로 그리드에서는 선로 저항으로 인한 전압 변동 및 손실이 영향을 끼치기 때문에 전압 제어를 통해 이러한 단점을 보완할 필요가 있다. 따라서, DC 마이크로 그리드 및 DC 마이크로 그리드 간의 전압 협조 제어를 통해 단일 DC 마이크로 그리드 내부의 전압뿐만 아니라 DC로 구성된 배전망 전체의 전압이 일정 범위를 유지해야 한다.
DC 마이크로 그리드에서는 전압이 제어 대상이며, 유효전력에 따라 계통 내 전압이 조정되기 때문에 발전원들의 출력 조정이 필요하다. 또한, DC 마이크로 그리드에서는 주로 유효전력을 사용하는 부하가 연결되며 이러한 부하들의 변동에 따라서 전압이 변동되고 전압이 제어되지 않는다면 정전과 같은 계통의 안정도에 영향을 끼치기 때문에 DC/DC 컨버터와 같은 전력 변환 장치가 설치되어 전압이 제어된다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1450711호 ("직류 배전 기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템", 2014.10.07.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전력 변환 장치가 배전망 및 전원 소스, 부하와 직접 연결되어 빠르게 보호 동작이나 대응 운전 구현이 가능한 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
또한, 마이크로 그리드에서 에너지 용량이 부족할 경우, 필요한 용량만큼 신규 시설을 짓지 않고, 다른 마이크로 그리드에서 여유 전력을 공유해 줄 수 있어 유지 비용을 절약할 수 있고, 에너지 효율이 높은 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
아울러, 전력 변환 장치에 출력 특성이 서로 다르거나 응답 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 연계되어 설치될 수 있으므로, 마이크로 그리드 내에서 다양한 대응 운전을 수행할 수 있는 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템은, DC 전류 또는 AC 전류가 이동 가능하도록 형성되는 배전망; 상기 배전망과 전기적으로 연결되어, 상기 배전망으로부터 전력을 공급받거나 상기 배전망에 전력을 공급하는 복수의 마이크로 그리드; 상기 마이크로 그리드로부터 송신되는 전력 정보를 수신받으며, 상기 전력 정보가 저장되고, 각 상기 마이크로 그리드의 동작을 제어하는 TOC;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 그리드는, 일단이 상기 배전망과 전기가 이동 가능하도록 연결되는 메인 전기 통행로, 상기 메인 전기 통행로의 타단과 연결되며, 상기 메인 전기 통행로에 공급되는 전기의 전압을 제어하거나 상기 메인 전기 통행로에 공급되는 전기의 전류를 DC에서 AC 또는 AC에서 DC로 변환하는 전력 변환 장치 및 일단이 상기 전력 변환 장치와 연결되며, 타단은 DC 부하, DC 소스 또는 AC 부하와 연결되는 적어도 하나 이상의 분기 전기 통행로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 변환 장치는, 상기 메인 전기 통행로와 연결되며, 상기 메인 전기 통행로로부터 공급되는 전기 또는 상기 메인 전기 통행로로 공급되는 전기의 전압을 제어하거나 전류를 DC에서 AC로 변환하거나 AC에서 DC로 변환하는 제1전력 변환 장치 및 상기 제1전력 변환 장치로부터 전기를 공급받거나 상기 제1전력 변환 장치로 전기를 공급하며, 상기 전기의 전압을 제어하거나 전류를 DC에서 AC로 변환하거나 AC에서 DC로 변환하는 제2전력 변환 장치를 포함하고, 상기 제1전력 변환 장치와 상기 제2전력 변환 장치는 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전력 변환 장치는, 적어도 하나 이상 설치되며, AC 전류를 DC 전류로 변환하는 AC/DC 컨버터 모듈, 적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터 모듈, 적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류를 AC 전류로 변환하는 DC/AC 인버터 모듈 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2전력 변환 장치는, 적어도 하나 이상 설치되며, AC 전류를 DC 전류로 변환하는 AC/DC 컨버터 모듈, 적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터 모듈, 적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류를 AC 전류로 변환하는 DC/AC 인버터 모듈 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 그리드는, 상기 전력 변환 장치에 연결되는 상기 분기 전기 통행로의 타단에 연결되어 설치되며, 상기 DC 소스로부터 생산된 전기나 상기 배전망으로부터 공급되는 전기가 저장되는 복수의 배터리로 형성되는 ESS를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 ESS는, 출력 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 상기 분기 전기 통행로에 연결되어 형성되거나 응답 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 상기 분기 전기 통행로에 연결되어 형성되어 상기 마이크로 그리드 내 복수의 전력 운영 시퀀스가 수행 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 그리드는, 상기 전력 변환 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 마이크로 그리드 내 전력을 모니터링하며, 전력 정보를 수집하는 EMS를 더 포함하며, 상기 EMS에서 수집된 상기 전력 정보는 상기 TOC로 송신되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법에 있어서, 전력 공유 대상 마이크로 그리드를 모니터링하는 EMS로부터 전력 공유 요청 신호가 상기 TOC에 송신되는 전력 공유 요청 송신 단계; 상기 TOC가 상기 EMS로부터 송신된 전력 공유 요청 신호를 수신받는 전력 공유 요청 수신 단계; 상기 TOC에 저장된 복수의 상기 마이크로 그리드의 전력 정보가 분석되는 잉여 전력 분석 단계; 상기 잉여 전력 분석 단계에 의해 잉여 전력을 공유할 수 있는 적어도 하나 이상의 마이크로 그리드가 도출되는 제1도출 단계; 상기 제1도출 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 복수인지 판단되는 판단 단계; 상기 판단 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 복수라고 판단되었을 경우 진행되며, 상기 제1도출 단계에서 도출된 복수의 마이크로 그리드의 위치가 분석되는 위치 분석 단계; 상기 복수의 마이크로 그리드의 잉여 전력량과 상기 전력 공유 대상 마이크로 그리드 사이 거리를 기반으로 하나의 전력 공급 마이크로 그리드가 도출되는 제2도출 단계; 상기 전력 공급 마이크로 그리드로부터 잉여 전력이 공급되는 전력 공급 단계; 및 상기 전력 공급 단계에서 공급되는 전력을 상기 전력 공유 대상 마이크로 그리드가 수신받는 전력 수신 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력 공유 방법은, 상기 판단 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 하나라고 판단되었을 경우, 상기 제1도출 단계에서 도출된 하나의 마이크로 그리드가 전력 공급 마이크로 그리드가 되고, 상기 전력 공급 마이크로 그리드로부터 잉여 전력이 공급되는 전력 공급 단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템은 전력 변환 장치가 배전망 및 전원 소스, 부하와 직접 연결되어 빠르게 보호 동작이나 대응 운전 구현이 가능한 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
또한, 마이크로 그리드에서 에너지 용량이 부족할 경우, 필요한 용량만큼 신규 시설을 짓지 않고, 다른 마이크로 그리드에서 여유 전력을 공유해 줄 수 있어 유지 비용을 절약할 수 있고, 에너지 효율이 높은 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
아울러, 전력 변환 장치에 출력 특성이 서로 다르거나 응답 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 연계되어 설치될 수 있으므로, 마이크로 그리드 내에서 다양한 대응 운전을 수행할 수 있는 다중 마이크로 그리드 시스템을 제공함에 있다.
도 1은 종래 다중 마이크로 그리드 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 확대도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 전력 변환 장치 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 전력 변환 장치 개략도
도 6은 종래 및 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 이상 동작 발생 시 동작 예시도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 ESS 시스템 운전 예시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법 순서도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래 다중 마이크로 그리드 시스템의 개략도를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 DC 마이크로 그리드 시스템은 DC 전류가 흐르는 배전망(2)과 배전망(2)에 복수의 마이크로 그리드(1)가 전기적으로 연결되어 형성된다. 각 마이크로 그리드(1)에는 PMS(전력 관리 시스템)가 설치되고, PMS(5)가 EMS(에너지 관리 시스템)와 통신하며 마이크로 그리드(1)의 전력이 관리되고, EMS(6)에서 수집된 정보는 TOC(통합 운영 센터)로 송신된다.
배전망(2)과 마이크로 그리드(1) 사이에는 전압 제어를 위한 전력 변환 장치(4)가 설치되며, 전기 통행로(3a)는 분기되어 복수 개의 DC 소스(310), DC 부하(320) 또는 AC 부하(330)와 전기적으로 연결된다.
이때, 분기된 전기 통행로(3b)에도 전력 변환 장치(4)가 각각 설치되어 전압이 제어되며, DC 전류가 흐르는 전기 통행로(3b)로부터 AC 부하에 공급되는 전류를 DC 전류에서 AC 전류로 변환하여 AC 부하에 전기가 안정적으로 공급될 수 있도록 한다.
즉, 종래에는 배전망(2)과 마이크로 그리드(1) 사이의 전기 통행로(3a) 상에 전력 변환 장치(4)가 설치되었으며, DC 소스, DC 부하 및 AC 부하의 개수만큼 전력 변환 장치(4)가 분기된 전기 통행로(3b) 상에 추가로 설치된다.
배전망(2)에 새로운 마이크로 그리드(1)를 구성하기 복잡하고 비용이 많이 소요되며, 새로운 DC 소스나 DC 부하를 설치하기 위해서는 전력 변환 장치(4)를 추가로 설치해야 한다. 이때, 각각의 전력 변환 장치의 제조 회사가 다르기 때문에 연계하기 위해서는 여러 사양을 검토해야 한다는 문제점이 있다.
따라서, 마이크로 그리드(1) 내에 신규 시설을 추가하기에도 비용이 많이 소요되고 설치에 번거롭다는 문제점이 있다. 또한, 마이크로 그리드(1) 내에서 전력 문제가 발생될 경우, PMS(5) → EMS(6) → TOC(7) 순으로 통신하기 때문에 문제를 대응할 때 통신 속도 및 프로토콜 등의 제약으로 인해 딜레이가 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 도 1을 참조하여 설명한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 개략도를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 DC 마이크로 그리드 시스템은 DC 전류가 흐르는 배전망(20), 배전망(20)에 연결되는 적어도 하나 이상의 마이크로 그리드(10) 및 각 마이크로 그리드(10)의 실시간 전력 데이터를 송수신하며, 배전망(20)에 연결된 복수 개의 마이크로 그리드(10)의 전력 정보를 수집하는 통합 운영 센터인 TOC(30)를 포함한다.
각 마이크로 그리드(10)는 서로 잉여 전력을 공유할 수 있다. 각 마이크로 그리드(10)의 전력 정보는 TOC(30)에 송신되어 저장된다. 제1마이크로 그리드 내 DC 부하(320) 또는 AC 부하(330)에 공급되어야 할 전력이 부족할 경우에는 제1마이크로 그리드를 제외한 복수의 타 마이크로 그리드의 잉여 전력을 확인한 후, 타 마이크로 그리드→배전망(20)→마이크로 그리드(10) 순으로 전력이 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명의 마이크로 그리드 시스템은 하나의 배전망(20)에 복수의 마이크로 그리드(10)가 서로 연계되어 설치되어 전력 공유가 자유롭기 때문에 전력을 생산하는 DC 소스(태양광 발전소, 풍력 발전소 등)를 신설하지 않아도 된다는 효과가 있다.
도 3을 참조하여 본 발명의 다회로 전력 변환 장치가 적용된 마이크로 그리드(10)를 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 확대도를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 하나의 마이크로 그리드(10)는 제1전력 변환 장치(110), 제2전력 변환 장치(120), 제1전력 변환 장치(110)와 배전망(20) 사이에 설치되며, 배전망(20)에서 제1전력 변환 장치(110)로 전기가 이동하거나 제1전력 변환 장치(110)에서 배전망(20)으로 전기가 이동할 수 있도록 설치되는 메인 전기 통행로(200), 제2전력 변환 장치(120)와 DC 소스(310), DC 부하(320), ESS(300) 및 AC 부하(330) 사이에 설치되는 분기 전기 통행로(210)를 포함한다. 이때, 분기 전기 통행로(210)는 DC 계열과 연결되는 DC 전류 통행로(211)와 AC 계열과 연결되는 AC 전류 통행로(212)를 포함한다.
또한, 제1전력 변환 장치(110) 또는 제2전력 변환 장치(120)와 전기적으로 연결되어 제1전력 변환 장치(110) 또는 제2전력 변환 장치(120)를 모니터링하여 마이크로 그리드(10)가 제대로 동작하고 있는지 판단하고, TOC(30)와 전기적으로 연결되어 통신하는 EMS(400)를 더 포함한다.
종래의 마이크로 그리드 시스템은 각 전력 변환 장치(4)와 전기적으로 연결되는 PMS(5)가 설치되고, 이를 EMS(6)에 송신하여 마이크로 그리드(1)를 모니터링하였으나, 본 발명의 마이크로 그리드 시스템은 PMS(5)가 설치되지 않고, 전력 변환 장치(4)와 통신하는 EMS(6)만으로도 마이크로 그리드(1)를 모니터링할 수 있기 때문에 경제적으로 절감되는 마이크로 그리드(1)를 구축할 수 있으며, 마이크로 그리드(1) 내 문제가 발생됐을 경우 대응이 빠르다는 효과가 있다. 문제 발생에 대한 대응 절차는 후술하도록 한다.
제1전력 변환 장치(110)는 배전망(20)과 직접 연결되는 메인 전기 통행로(200)에 설치되어 전압을 제어하거나(배전망(20)에 DC 전류가 흐를 경우) DC 전류를 AC 전류로 변환하거나 AC 전류를 DC 전류로 변환하기 위해(배전망(20)에 AC 전류가 흐를 경우) 설치되고, 제2전력 변환 장치(120)는 DC 부하(320), DC 소스(310) 및 AC 부하(330)와 연결되는 복수 개의 분기 전기 통행로(210)와 연결되어 전압을 제어하거나 DC 전류를 AC 전류로 변환하거나 AC 전류를 DC 전류로 변환하기 위해 설치되며, 제1전력 변환 장치(110)와 제2전력 변환 장치(120)는 일체의 전력 변환 장치(100)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하여 상술한 바와 같이 종래에는 배전망(2)과 연결되는 전력 변환 장치와 하나의 전력 소스 또는 부하에 대응하는 각각의 전력 변환 장치(4)가 다수 설치되었으나, 본 발명의 전력 변환 장치(100)는 제1전력 변환 장치(110)와 제2전력 변환 장치(120)가 일체로 형성된다. 본 발명의 전력 변환 장치(100)는 복수의 DC 소스(310), DC 부하(320), AC 부하(330), ESS(300)가 직접 연결될 수 있어 설치하기 쉽고, 마이크로 그리드(10)를 빠르게 구축할 수 있으며, 마이크로 그리드(10) 내 전력 소스나 부하의 추가나 제거가 간편하다는 효과가 있다.
보다 자세히 설명하자면, DC 전원은 일정한 크기와 방향을 갖는 전원으로, 그 크기만 같으면 동일 전원으로 판정되기 때문에 연계하기 쉽다. 종래에는 기존 형성된 마이크로 그리드(1) 내에 추가로 DC 부하나 DC 소스를 신설하기 위해서는 전력 변환 장치(4)도 함께 설치해야 했으며, 각각의 전력 변환 장치(4)의 제조사가 다르기 때문에 마이크로 그리드(1) 내에 연계하기 위해서는 여러 사양을 검토하여야 한다.
그러나, 본 발명은 미리 설치된 제2전력 변환 장치(120)에 분기 전기 통행로(210)만 연결하면 되기 때문에 DC 부하(320) 또는 DC 소스(310)의 추가나 제거가 쉽고 빠르다는 효과가 있다.
아울러, 종래의 ESS는 배터리의 안전성을 확보하기 위해 하나의 제조사에서 제작된 배터리로 ESS를 구성하는 것이 일반적이나 본 발명의 제2전력 변환 장치(120)와 같이 다회로 전력 변환 장치를 활용할 경우, 제조사가 다른 배터리를 제2전력 변환 장치(120)에 연결하여 ESS(300)를 구성하면 배터리 공급망 부족 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 전력 변환 장치 개략도를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 전력 변환 장치(100)는 AC 전류가 흐르는 배전망(20)과 연결된다. 이는 하나의 예를 설명하기 위한 것으로, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 DC 전류가 흐르는 배전망과 연결될 수도 있다.
먼저, DC 부하(320)로 전원이 공급되는 것을 설명하도록 한다. 배전망(20)과 연결되는 DC 계열의 마이크로 그리드(10)는 제1전력 변환 장치(110)에 의해 DC 전류로 변환되며, 제1전력 변환 장치(110)는 적어도 하나 이상의 AC/DC 컨버터 모듈(111)로 구성된다. 제1전력 변환 장치(110)를 통과한 전기는 제2전력 변환 장치(120)로 이동한다.
제2전력 변환 장치(120)는 적어도 하나 이상의 제2DC/DC 컨버터 모듈(121)과 DC/AC 인버터 모듈(122)을 포함하여 구성된다. 전기는 제2전력 변환 장치(120)를 통과하여 전압이 제어되어 DC 부하(320)로 공급되고, DC/AC 인버터 모듈(122)을 통과하여 AC 전류로 변환되어 AC 부하(330)로 공급될 수 있다.
DC 소스(310)에서 생산되는 전기는 제2전력 변환 장치(120)의 제2DC/DC 컨버터 모듈(121)을 통과하여 전압이 제어되어 ESS(300)에 공급되어 전력이 저장되거나 제2DC/DC컨버터 모듈(121)을 통과하여 DC 부하(320)에 공급될 수도 있고, DC/AC 인버터 모듈(122)을 통과하여 AC 부하(330)로 공급될 수도 있다. 또한, 제2DC/DC 컨버터 모듈(121)과 제1전력 변환 장치(110)의 AC/DC 컨버터 모듈(111)이 DC 전류를 AC 전류로 변환하는 인버터의 기능을 겸해 AC 배전망(20a)으로 전력이 공급될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 전력 변환 장치 개략도를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 AC 배전망(20a)과 DC 배전망(20b)에 본 발명의 마이크로 그리드(10)가 연결되어 설치된다.
AC 배전망(20a)은 제1전력 변환 장치(110)의 제1AC/DC 컨버터 모듈(111)과 연결되어 교류 전원이 직류 전원으로 변환된다. 이때, 전기가 반대로 제1전력 변환 장치(110)에서 AC 배전망(20a)으로 이동할 때는 AC/DC 컨버터 모듈(111)이 DC 전류를 AC 전류로 변환시키는 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, AC/DC 컨버터 모듈(111)은 양방향 전력 변환 모듈로 형성되는 것이 바람직하다.
DC 배전망(20b)은 제1전력 변환 장치(110)의 제1DC/DC 컨버터 모듈(112)과 연결되어 전압이 제어된다. 제1전력 변환 장치(110)를 통과한 전기는 제2전력 변환 장치(120)의 제2DC/DC 컨버터 모듈(121) 또는 DC/AC 인버터 모듈(122)에 의해 전압이 제어되거나 교류 전원으로 변환되어 DC 부하(320), AC 부하(330)로 공급될 수 있다. 이때, DC/AC 인버터 모듈(122) 또한 AC/DC 컨버터 모듈의 기능을 수행할 수 있는 양방향 전력 변환 모듈로 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 전력 변환 장치(100)는 AC 배전망(20a)과 DC 배전망(20b)에 동시에 연결되어 마이크로 그리드 시스템을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템에 사용되는 전력 변환 장치(100)는 DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터, AC/DC 컨버터가 모듈화되어 설치되기 때문에 다양한 형태의 DC 소스(310), DC 부하(320), ESS(300) 및 AC 부하(330)에 대응 가능하므로 연계하기 용이하다.
이때, 본 발명의 전력 변환 장치(100)의 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121)은 스위치부, 보호 회로부, 계측 회로부, 제어기 및 변압부를 포함하고, AC/DC 컨버터 모듈(111)과 DC/AC 인버터 모듈(122)은 스위치부, 보호 회로부, 계측 회로부, 제어기 및 전력 변환부를 포함한다.
DC/DC 컨버터 모듈(112, 121), AC/DC 컨버터 모듈(111), DC/AC 인버터 모듈(122)의 스위치부는 반도체 스위칭 소자로 전기 신호의 온/오프 전환을 제어하고, 계측 회로부는 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121) 및 DC/AC 인버터 모듈(122)을 통과하는 전류 또는 전압의 크기를 측정한다. 보호 회로부는 과전류, 과전압, 과열 시 도전을 차단하는 안전 회로이고, 제어기는 스위치부, 계측 회로부, 보호 회로부의 동작을 제어한다.
추가로, DC/DC 컨버터 모듈(112, 121)의 변압부는 전압 제어를 하기 위함이고, DC/AC 인버터 모듈(122)의 전력 변환부는 AC 부하(330)와 연계되기 위해 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 것이다.
본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템은 각 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121), AC/DC 컨버터 모듈(111) 및 DC/AC 인버터 모듈(122)은 상술한 구성을 포함하여 형성되기 때문에 마이크로 그리드(10) 내에서 문제가 발생할 경우 빠르게 대응할 수 있다는 효과가 있다. 이는 도 6을 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 종래 및 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 이상 동작 발생 시 동작 예시도를 도시하고 있다. 설명의 편의를 위해 하나의 예를 들어 마이크로 그리드 시스템 내의 ESS(300)에 이상이 발생되었다고 가정한다.
종래에는 도 6a에 도시된 바와 같이, ESS에서 문제가 발생됐을 경우, ESS와 1:1로 연결된 전력 변환 장치(4)와 통신하는 PMS(5a)로 전력 변환 장치(4)의 제어기에서 계측된 현재 상태가 송신되고, PMS(5a)에서 EMS(6a)로 전달된다. EMS(6a)로 전달된 데이터는 TOC(7)로 송신되고, 다른 마이크로 그리드의 ESS와 연계하기 위해, 다른 마이크로 그리드의 EMS(6b)→다른 마이크로 그리드의 PMS(5b) 순으로 데이터가 송신된다.
다시 설명하자면, 이상이 발생됐다는 데이터는 문제가 발생된 마이크로 그리드의 PMS(5a)→문제가 발생된 마이크로 그리드의 EMS(6a)→TOC(7)→다른 마이크로 그리드의 EMS(6b)→다른 마이크로 그리드의 PMS(5b) 순으로 전달되어 전력 이동이 제어된다. 이때, 이를 전달하는 과정에서 통신 속도 및 프로토콜 등의 제약으로 딜레이가 발생됨에 따라 신속하게 대처하기 어렵다는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명은 도 6b에 도시된 바와 같이 전력 변환 장치(100)가 메인 전기 통행로(200)에 의해 배전망(20)에 직접 연결되기 때문에 EMS(400)를 통한 별도의 통신 전달 과정 없이 전력 변환 장치(100) 내에 포함되는 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121)의 보호 회로부 및 제어기와 DC/AC 인버터 모듈(122)의 보호 회로부 및 제어기에 의해 즉시 보호 동작이나 대응 운전 구현이 가능하도록 설치되어 종래 다수의 전력 변환 장치를 활용한 마이크로 그리드 시스템 보다 안정적인 운영이 가능하다.
전력 변환 장치(100)는 연계되는 DC 소스(310)의 상태를 모니터링하고 전력 변환 장치(100)의 제어를 위하여 개별 혹은 전력 변환 시스템 제어부와 함께 사용하는 공동 연결된 통신망이 설치되고, 이는 EMS(400)와 연결된다. 통신 이상 또는 DC 소스(310)의 상태를 확인할 수 없을 경우, 미리 정해진 시간 이후 전력 변환 시스템을 정지하여 DC 소스(310)와 전력 변환 장치(100)를 보호하며 이를 EMS(400)가 수집하여 TOC(30)로 송신하여 조치를 취할 수 있도록 해 전력 변환 시스템의 안정성을 유지한다.
즉, 본 발명의 전력 변환 장치(100)는 이상 발생 시 자체적으로 보호 동작이 실행되며, 전력 변환 장치(100)와 통신하는 EMS(400)는 이상 운전이 발생되었다는 데이터를 TOC(30)에 송신하기 위해 구비되는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템의 ESS 시스템 운전 예시도를 도시하고 있다. 도 7의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 본 발명의 ESS(300)는 서로 다른 배터리로 구성되어 다양한 운전 모드에 대해 대응하여 운전될 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 7의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 상측에 위치하는 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121)에 C 레이트가 2C인 제1배터리(310)가 연결되고, 하측에 위치하는 DC/DC 컨버터 모듈(112, 121)에는 C 레이트가 0.5C인 제2배터리(320)가 연결되어 ESS(300)가 설치된다고 가정한다. 이때, C 레이트는 배터리에 통전하는 전류의 크기를 나타내는 단위로, 어떤 한 배터리를 완충 상태에서 1시간에 완전히 방전되는 때의 전류 값을 1C라고 한다. 즉, 제1배터리(310)는 완충 상태에서 30분만에 완전히 방전되는 배터리이고, 제2배터리(302)는 완충 상태에서 2시간만에 완전히 방전되는 배터리이다.
도 7의 (a)는 단주기 운전 예를 도시한 것으로, 전압 안정화나 긴급 부하 등 많은 전류를 필요로 할 때, 제1배터리(301)로부터 상대적으로 높은 전류가 공급되는 운전 방식이다. 도 7의 (b)는 장주기 운전 예를 도시한 것으로, 부하가 높을 때 방전되는 Peak Shaving 또는 전력 보조를 목적으로 운전이 필요할 때, 제2배터리(302)로부터 상대적으로 낮은 전류가 공급되는 운전 방식이다. 도 7의 (c)는 최대 파워로 운전되는 예를 도시한 것으로, 최대한 많은 전류를 공급해야 할 경우, 제1배터리(301)와 제2배터리(302)로부터 동시에 전류가 공급되는 운전 방식이다.
도 7의 (d)는 상술한 바와 같이 출력 특성이 다른 리튬 배터리를 혼용하여 사용하는 것이 아니라, 응답 특성이 빠른 슈퍼커패시터(303)와 응답 특성이 느린 연료 배터리(304)를 함께 사용하는 예를 도시한 것이다. 응답 특성이 빠른 슈퍼커패시터(303)는 에너지 밀도가 상대적으로 낮고, 응답 특성이 느린 연료 배터리(304)는 에너지 밀도가 상대적으로 높기 때문에 슈퍼커패시터(303)와 연료 배터리(304)를 혼용하여 여러 상황에 적절하게 대응할 수 있는 ESS(300)를 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법 순서도를 도시하고 있다. 복수 개의 마이크로 그리드 중 제1마이크로 그리드가 타 마이크로 그리드로부터 전력을 공급받는 방법을 설명하도록 한다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법은 전력 공유 요청 송신 단계(S100), 전력 공유 요청 수신 단계(S110), 잉여 전력 분석 단계(S120), 제1도출 단계(S130), 판단 단계(S140), 위치 분석 단계(S150), 제2도출 단계(S160), 전력 공급 단계(S170) 및 전력 수신 단계(S180)를 포함한다.
먼저, 제1마이크로 그리드의 전력 변환 장치(100)와 통신하는 EMS(400)가 TOC(30)에 전력 공유를 요청하는 신호를 송신하는 전력 공유 요청 송신 단계(S100)가 진행되며, TOC(30)가 EMS(400)로부터 송신된 전력 공유 요청 신호를 수신받는 전력 공유 요청 수신 단계(S110)가 진행된다.
상술한 바와 같이 TOC(30)에는 마이크로 그리드(10)의 전력 정보가 저장되므로, 저장된 전력 정보를 기반으로 제1마이크로 그리드를 제외한 제2마이크로 그리드~제n마이크로 그리드의 잉여 전력량이 분석되는 잉여 전력 분석 단계(S120)가 진행된다. 잉여 전력 분석 단계(S120) 이후, 제1마이크로 그리드에 전력을 공급할 수 있는 적어도 하나 이상의 마이크로 그리드(10)가 도출되는 제1도출 단계(S130)가 진행된다.
이후, 제1도출 단계(S130)에서 도출된 마이크로 그리드(10)의 개수가 하나인지 판단하는 판단 단계(S140)가 진행되며, 마이크로 그리드(10)의 개수가 복수라고 판단될 경우에는 제1도출 단계(S130)에서 돌출된 마이크로 그리드(10)의 위치 정보를 분석하는 위치 분석 단계(S150)가 진행되어 제1마이크로 그리드와 가까운 순으로 정렬된다.
위치 분석 단계(S150) 이후, 제1마이크로 그리드와 제1도출 단계(S130)에서 도출된 마이크로 그리드(10) 사이 거리와 제1도출 단계(S130)에서 도출된 마이크로 그리드(10)의 잉여 전력량을 조합하여 제1마이크로 그리드에 전력을 공급할 하나의 마이크로 그리드(10)가 도출되는 제2도출 단계(S160)가 진행된다.
제2도출 단계(S160)에서 도출된 제n마이크로 그리드의 DC 소스(310)로부터 생산된 전기 또는 ESS(300)에 저장된 전기가 제1마이크로 그리드에 공급되는 전력 공급 단계(S170)와 제1마이크로 그리드가 전력을 수신받는 전력 수신 단계(S180)가 진행되어 제1마이크로 그리드는 일시적인 전력난을 해결할 수 있다.
제1도출 단계(S130)에서 도출된 마이크로 그리드(10)의 개수가 복수인지 판단하는 판단 단계(S140)가 진행되며, 마이크로 그리드(10)의 개수가 한 개라고 판단될 경우에는 제1도출 단계(S130)에서 도출된 하나의 제m마이크로 그리드에서 생산된 전기 또는 ESS(300)에 저장된 전기가 제1마이크로 그리드(10)에 공급되는 전력 공급 단계(S160)가 진행된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 된다.
10 마이크로 그리드 20 배전망
20a AC 배전망 20b DC 배전망
30 TOC 100 전력 변환 장치
110 제1전력 변환 장치 120 제2전력 변환 장치
111 AC/DC 컨버터 모듈 112 제1DC/DC 컨버터 모듈
121 제2DC/DC 컨버터 모듈 122 DC/AC 인버터 모듈
200 메인 전기 통행로 210 분기 전기 통행로
211 DC 전류 통행로 212 AC 전류 통행로
300 ESS 301 제1배터리
302 제2배터리 303 슈퍼커패시터
304 연료 배터리 310 DC 소스
320 DC 부하 330 AC 부하
400 EMS

Claims (10)

  1. DC 전류 또는 AC 전류가 이동 가능하도록 형성되는 배전망;
    상기 배전망과 전기적으로 연결되어, 상기 배전망으로부터 전력을 공급받거나 상기 배전망에 전력을 공급하는 복수의 마이크로 그리드;
    상기 마이크로 그리드로부터 송신되는 전력 정보를 수신받으며, 상기 전력 정보가 저장되고, 각 상기 마이크로 그리드의 동작을 제어하는 TOC;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 그리드는,
    일단이 상기 배전망과 전기가 이동 가능하도록 연결되는 메인 전기 통행로,
    상기 메인 전기 통행로의 타단과 연결되며, 상기 메인 전기 통행로에 공급되는 전기의 전압을 제어하거나 상기 메인 전기 통행로에 공급되는 전기의 전류를 DC에서 AC 또는 AC에서 DC로 변환하는 전력 변환 장치 및
    일단이 상기 전력 변환 장치와 연결되며, 타단은 DC 부하, DC 소스 또는 AC 부하와 연결되는 적어도 하나 이상의 분기 전기 통행로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전력 변환 장치는,
    상기 메인 전기 통행로와 연결되며, 상기 메인 전기 통행로로부터 공급되는 전기 또는 상기 메인 전기 통행로로 공급되는 전기의 전압을 제어하거나 전류를 DC에서 AC로 변환하거나 AC에서 DC로 변환하는 제1전력 변환 장치 및
    상기 제1전력 변환 장치로부터 전기를 공급받거나 상기 제1전력 변환 장치로 전기를 공급하며, 상기 전기의 전압을 제어하거나 전류를 DC에서 AC로 변환하거나 AC에서 DC로 변환하는 제2전력 변환 장치
    를 포함하고,
    상기 제1전력 변환 장치와 상기 제2전력 변환 장치는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1전력 변환 장치는,
    적어도 하나 이상 설치되며, AC 전류를 DC 전류로 변환하는 AC/DC 컨버터 모듈,
    적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터 모듈,
    적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류를 AC 전류로 변환하는 DC/AC 인버터 모듈
    중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2전력 변환 장치는,
    적어도 하나 이상 설치되며, AC 전류를 DC 전류로 변환하는 AC/DC 컨버터 모듈,
    적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터 모듈,
    적어도 하나 이상 설치되며, DC 전류를 AC 전류로 변환하는 DC/AC 인버터 모듈
    중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 그리드는,
    상기 전력 변환 장치에 연결되는 상기 분기 전기 통행로의 타단에 연결되어 설치되며,
    상기 DC 소스로부터 생산된 전기나 상기 배전망으로부터 공급되는 전기가 저장되는 복수의 배터리로 형성되는 ESS
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 ESS는,
    출력 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 상기 분기 전기 통행로에 연결되어 형성되거나
    응답 특성이 서로 다른 복수의 배터리가 상기 분기 전기 통행로에 연결되어 형성되어
    상기 마이크로 그리드 내 복수의 전력 운영 시퀀스가 수행 가능한 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 그리드는,
    상기 전력 변환 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 마이크로 그리드 내 전력을 모니터링하며, 전력 정보를 수집하는 EMS
    를 더 포함하며,
    상기 EMS에서 수집된 상기 전력 정보는 상기 TOC로 송신되는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템.
  9. 제1항의 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법에 있어서,
    전력 공유 대상 마이크로 그리드를 모니터링하는 EMS로부터 전력 공유 요청 신호가 상기 TOC에 송신되는 전력 공유 요청 송신 단계;
    상기 TOC가 상기 EMS로부터 송신된 전력 공유 요청 신호를 수신받는 전력 공유 요청 수신 단계;
    상기 TOC에 저장된 복수의 상기 마이크로 그리드의 전력 정보가 분석되는 잉여 전력 분석 단계;
    상기 잉여 전력 분석 단계에 의해 잉여 전력을 공유할 수 있는 적어도 하나 이상의 마이크로 그리드가 도출되는 제1도출 단계;
    상기 제1도출 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 복수인지 판단되는 판단 단계;
    상기 판단 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 복수라고 판단되었을 경우 진행되며, 상기 제1도출 단계에서 도출된 복수의 마이크로 그리드의 위치가 분석되는 위치 분석 단계;
    상기 복수의 마이크로 그리드의 잉여 전력량과 상기 전력 공유 대상 마이크로 그리드 사이 거리를 기반으로 하나의 전력 공급 마이크로 그리드가 도출되는 제2도출 단계;
    상기 전력 공급 마이크로 그리드로부터 잉여 전력이 공급되는 전력 공급 단계; 및
    상기 전력 공급 단계에서 공급되는 전력을 상기 전력 공유 대상 마이크로 그리드가 수신받는 전력 수신 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전력 공유 방법은,
    상기 판단 단계에서 도출된 마이크로 그리드의 개수가 하나라고 판단되었을 경우,
    상기 제1도출 단계에서 도출된 하나의 마이크로 그리드가 전력 공급 마이크로 그리드가 되고,
    상기 전력 공급 마이크로 그리드로부터 잉여 전력이 공급되는 전력 공급 단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 그리드 시스템을 이용한 전력 공유 방법.
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