KR101704252B1 - 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법 - Google Patents

독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법 Download PDF

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박중성
송일근
이학주
채우규
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은 전력 계통과 분리되어 운영되는 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 독립형 마이크그리드 운영 장치는 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 데이터 취득부; 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 예측부; 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 제 2 기간별로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 제어량 산출부; 및 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 제어부를 포함하고, 발전기들 중 내연 발전기와 에너지 저장부는 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING STAND-ALONE MICROGRID}
본 발명은 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게 전력 계통과 분리되어 운영되는 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 장치 및 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 자국 내 전력계통이 연계되지 않은 도서지역이나 고립지역은 대부분 소규모 내연발전을 이용하여 전기를 공급하고 있다. 이러한 지역은 대부분 연료를 운송하는 비용이 높아 전력계통이 연계된 지역보다 동일한 전기 사용량에 있어 높은 비용을 감당할 수밖에 없는 실정이다.
현재는 이러한 지역에 연료 운송비용이 없고, 온실가스를 배출하지 않는 친환경 에너지원인 신재생 에너지가 많이 보급되고 있는 상황이다. 하지만 신재생 에너지의 경우 기후환경에 의해 발전 출력이 변동되어 제어할 수 없는 전원이기 때문에, 수용가의 전기 사용량 변동을 만족시키기 위해서는 반드시 배터리와 같은 에너지 저장장치와 내연 발전기가 필요하다.
이러한 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템은 기본적으로 신재생 에너지원이 발전한 전기를 배터리에 전량 저장하며, 수용가는 배터리로부터 전기를 공급 받는 구조이다. 또한, 이러한 독립형 마이크로그리드 시스템은 신재생 에너지원의 발전량과 배터리의 충전량 모두가 부족한 경우, 내연 발전기를 기동시킴으로써 배터리를 충전하는 시스템 형태를 띠고 있다.
상기 시스템에서 가장 문제가 되고 있는 부분은 배터리의 잦은 충전 및 방전에 의해 배터리의 수명이 단축되는 부분이다. 또한, 이러한 배터리는 비교적 고가의 가격으로 형성되어, 교체비용 또한 높은 문제가 존재한다. 다만, 상술한 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템은 신재생 에너지원의 출력이 나오는 데로 충전을 하고 필요할 때마다 전기를 사용하는 구조이다 보니 배터리의 잦은 충전 및 방전으로 배터리의 수명이 급히 줄어드는 실정이다.
따라서, 이러한 소규모의 마이크로그리드 시스템에도 자동으로 배터리의 수명을 고려한 운전이 가능하도록 해주는 운영 장치가 필요하다. 다만, 현재 세계 여러 나라에서 스마트그리드와 마이크로그리드의 기술을 통해 이루어지는 운영 시스템의 경우, 대부분 다양한 제어를 수행할 수 있도록 자원들을 제어하는 기술이고, 이는 도서 지역이나 고립 지역에 적용하기에는 그 규모가 크고 운영 방법이 상이하여, 적용하기가 불가능한 문제점이 존재한다.
한국공개특허 제2002-0080614호(명칭: 복합발전전원의 공급장치 및 방법)
본 발명은 독립형 마이크로그리드 시스템의 필수 요소인 에너지 저장 장치 즉, 배터리의 적정 충전 및 방전 운전을 수행할 수 있는 소규모 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 특수한 상황을 고려하여, 배터리의 용량을 고려한 최적 운영이 이루어지도록 에너지 저장 장치와 비상 발전기만을 제어함으로써 제어 포인트를 최소화시키고, 이에 따라 시스템 규모를 줄일 수 있는 소규모 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 계통과 분리되어 운영되는 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 장치는 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 데이터 취득부; 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 예측부; 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 제 2 기간별로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 제어량 산출부; 및 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 제어부를 포함하고, 발전기들 중 내연 발전기와 에너지 저장부는 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 장치는 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교함으로써, 에너지 저장부에 대한 상태를 판단하는 저장부 상태 판단부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제어부는 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위를 초과할 경우, 내연 발전기에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 충전 잔량이 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인 경우, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어량 산출부는 제 2 기간별로 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소가 되도록 상기 제어 파라미터를 산출할 수 있다.
또한, 내연 발전기의 연료 비용은 내연 발전기의 최소 부하에 대한 발전 비용, 내연 발전기의 작동 상태, 최소 부하 이상의 각 발전 구간에서의 한계 비용 및 출력값을 근거로 산출될 수 있다.
또한, 제어량 산출부는 내연 발전기에 대해 현재 주기에서의 출력값에서 이전 주기에서의 출력값을 뺀 값이 내연 발전기의 출력 증발율 이하이고, 이전 주기에서의 출력값에서 현재 주기에서의 출력값을 뺀 값이 내연 발전기의 출력 감발율 이하가 되도록 제어 파라미터를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로그리드 운영 장치는 데이터 취득부를 통해 수행되는 측정 정보와 기상 정보의 수집과, 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량의 산출은 기설정된 주기마다 반복 수행되고, 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 검증부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 상기 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내인 경우에만, 상기 제어 파라미터를 이용하여 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전력 계통과 분리되어 운영되는 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 방법은 데이터 취득부에 의해, 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 단계; 예측부에 의해, 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계; 제어량 산출부에 의해, 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 상기 제 2 기간별로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 단계; 및 제어부에 의해, 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 단계를 포함하고, 발전기들 중 내연 발전기 및 에너지 저장부는 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 방법은 저장부 상태 판단부에 의해, 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교함으로써, 에너지 저장부에 대한 상태를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 방법은 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과할 경우, 제어부에 의해, 내연 발전기에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 충전 잔량이 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 방법은 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 미만인 경우, 제어부에 의해, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 충전 잔량이 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 파라미터를 산출하는 단계는 제 2 기간별로 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소가 되도록 이루어질 수 있다.
또한, 내연 발전기의 연료 비용은 내연 발전기의 최소 부하에 대한 발전 비용, 상기 내연 발전기의 작동 상태, 최소 부하 이상의 각 발전 구간에서의 한계 비용 및 출력을 근거로 산출될 수 있다.
또한, 제어 파라미터를 산출하는 단계는 내연 발전기에 대해 현재 주기에서의 출력값에서 이전 주기에서의 출력값을 뺀 값이 내연 발전기의 출력 증발율 이하이고, 이전 주기에서의 출력값에서 현재 주기에서의 출력값을 뺀 값이 내연 발전기의 출력 감발율 이하가 되도록 이루어질 수 있다.
또한, 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 단계 및 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계는 기설정된 주기마다 반복 수행되고, 본 발명의 마이크로그리드 운영 방법은 검증부에 의해, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 단계는, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내인 경우에만 이루어질 수 있다.
본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법에 따르면, 기존의 소규모 내연발전이 주가 되는 에너지시스템이 아닌, 소규모 신재생발전원이 주가 되는 시스템에 적합하도록 설계되었고, 소규모의 독립된 신재생에너지 단지에서 출력되는 신재생에너지 발전량과 부하량을 예측하여 배터리의 충전 및 방전, 그리고 내연 발전기 출력과 제어 가능한 부하량을 계획하여 전체적인 부하를 평준화(Load Leveling and Peak Shift) 함으로서 배터리의 SOC를 최적으로 관리할 수 있으며, 결과적으로 시스템 구성 중 가장 고 비용 기기인 에너지 저장부(배터리)의 교체 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 장치 및 방법에 따르면, 기존의 복잡한 운영시스템(EMS)을 사용하지 않고 소규모에 적합한 필수 운영 모듈만을 탑재하여 운영 장치의 규모를 획기적으로 줄였으며, 소규모 신재생에너지 기반의 에너지 시스템에 적합한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 시스템에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 그리드 운영 장치에 대한 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량이 기설정된 정상 충전 범위를 초과하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 그리드 운영 장치를 통한 제어 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량이 기설정된 정상 충전 범위 미만인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 그리드 운영 장치를 통한 제어 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량을 증가시키는 제어 방법에 대한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량을 감소시키는 제어 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 시스템(1000)에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 독립형 마이크로그리드 운영 시스템(1000)에 대한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 운영 시스템(1000)은 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템과, 이를 운영하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)를 포함하여 구성된다. 먼저, 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템을 살펴보자.
도 1에 도시된 것처럼, 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템은 내연 발전기(10), 에너지 저장 장치(20), 전력 변환기(30), 변압기(40), 부하(51, 52, 53) 및 신재생 에너지 발전 설비(61, 62)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템은 배전 선로(dl)로의 효율적인 전력 공급을 위해 내연 발전기(10)와 에너지 저장 장치(20)를 병렬로 구성한 것을 특징으로 한다.
내연 발전기(10)는 디젤을 연료로 하여 발전을 수행하는 기능을 한다. 이렇게 내연 발전기(10)를 통해 생성된 전력은 에너지 저장 장치(20)의 충전에 이용되거나, 또는 배전선로(dl)를 통해 부하(51, 52, 53)로 공급될 수 있다.
에너지 저장 장치(20)는 내연 발전기(10)로부터 발전된 전력을 저장하고, 필요 시, 부하(50)로 전력을 공급하는 기능을 한다. 여기서, 에너지 저장 장치(20)는 배터리 등으로 구성될 수 있다. 즉, 부하(51, 52, 53)에 공급되는 전력은 내연 발전기(10) 및 에너지 저장 장치(20)로부터 배전 선로(dl)를 따라, 변압기(40)를 거쳐 공급이 이루어진다.
또한, 신재생 에너지 발전 설비(61, 62)는 신재생 에너지 예를 들어, 풍력 및 태양광을 이용하여 발전하는 기능을 한다. 여기서, 신재생 에너지의 경우, 기상 조건에 따라 발전량의 변화폭이 크므로, 신재생 에너지의 운영을 위해서는 이러한 기상 조건을 고려하는 것이 중요하다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 대한 설명이 이루어진다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)는 상술한 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템에 특화된 기능을 탑재한 것을 특징으로 한다. 즉, 종래의 마이크로그리드 운영 시스템의 경우, 여러 운전 어플리케이션-데이터베이스-SCADA의 계층 구조를 따르는 점에 기인하여, 다양한 기능들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기능은 내연 발전기들의 유효 전력과 무효 전력을 제어하여 계통의 전압과 주파수를 유지시키는 제 1 기능, 서로 다른 비용함수를 가진 내연발전기들을 각 발전량에 따른 한계비용을 고려하여, 발전량을 재배분 해주는 제 2 기능, 다양한 계통 상황도를 표시하는 제 3 기능, 계통의 조류량을 계산하는 제 4 기능, 그리고 계통 고장 발생 시 선로와 변압기, 발전기 등의 구성기기들 중 어느 부분에서 고장이 발생했으며, 고장 유형이 무엇인지 분석하는 제 5 기능이 이에 해당한다.
다만, 제 1 기능 및 제 2 기능의 경우, 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템의 경우, 다양한 내연 발전기들이 존재하지 않기에 부적합하다. 그리고, 제 3 기능의 경우, 반드시 필요한 포인트만 보여주는 수준으로 줄일 필요가 있고, 제 4 기능의 경우, 소규모 발전 단지에서는 하나의 모선에 발전원들과 부하들이 함께 있는 것으로 봐도 무방하기에 과도한 기능이다. 마지막으로, 제 5 기능 역시, 소규모 마이크로그리드 시스템에서 반드시 필요한 기능은 아니다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)는 제어 포인트가 단순하고 연산이 가벼운 소규모 독립계통 운영을 하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 그리드 운영 장치(100)는 위에서 언급한 배터리의 잦은 충전 또는 방전에 의해 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다. 이하, 도 2를 참조로, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 대한 설명이 이루어진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 대한 블록도이다. 상술한 바와 같이, 독립형 마이크로그리드 시스템의 경우, 전력계통과 분리된 독립된 계통이며, 기후 조건에 따라 출력이 랜덤하게 변동하는 태양광과 풍력과 같은 신재생 에너지원이 주 전원이다. 이에 따라, 배터리 즉, 에너지 저장부(20)의 역할이 매우 큰 비중을 가지고 있다. 배터리의 경우 매우 고가의 장비이며, 외기 온도나 습도 외에도 충전량 및 방전량 등의 사용 환경에 따라 수명에 큰 영향을 받는다. 외기 온도나 습도는 항온 항습 설비를 통해 일정하게 유지할 수 있지만, 배터리의 충전량 및 방전량을 제어하기는 어렵다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)는 이러한 배터리를 주 제어 전원으로 운용하는 마이크로그리드 계통에서 부하량 및 신재생에너지 발전량 예측 데이터를 기반으로 배터리의 가용 에너지 용량을 고려하여 제어 가능한 내연 발전기(10) 및 부하 자원에 대한 기동정기 계획 및 경제 급전을 수행하여 배터리의 충방전 범위를 최적으로 제어하는 것을 그 목적으로 한다. 이를 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 통신부(110), 데이터 취득부(120), 예측부(130), 저장부 상태 판단부(140), 제어량 산출부(150), 검증부(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 포함된 각 구성들은 본 발명의 설명을 위해 각각 구분된 것이고, 예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로 프로세서 등과 같이 하나의 처리부를 통해 각 기능이 수행될 수 있다.
이하, 도 2를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로 그리드 운영 장치(100)에 대한 설명이 이루어진다.
먼저, 통신부(110)는 외부 서버(70)와, 독립형 마이크로그리드 시스템과의 통신을 수행하는 기능을 한다. 여기서, 외부 서버(70)는 예를 들어, 기상 정보를 제공하는 기상청 서버 등이 포함될 수 있다. 상술한 바와 같이, 신재생 에너지의 경우 그 특성상 기상 정보가 중요하기에, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)는 예를 들어, 기상청 서버와 같은 외부 서버(70)와의 연동 과정을 수행할 수 있다.
데이터 취득부(120)는 통신부를 통해, 외부 서버(70)와 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 각 구성들로부터 정보를 수집할 수 있다. 구체적으로, 데이터 취득부(120)는 외부 서버(70), 내연 발전기(10), 에너지 저장부(20) 및 부하(50)로부터 정보를 수집할 수 있다. 여기서, 정보는 내연 발전기(10), 에너지 저장부(20) 및 부하(50)에 대한 측정 정보와, 외부 서버(70)로부터 수집된 기상 정보를 포함한다. 여기서, 측정 정보는 신재생 발전 설비(60)에 대해 측정된 실측 발전량, 부하(60)에 대해 측정된 제어 가능 부하량 및 제어 불가능 부하량 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 제어 가능 부하는 자동 전원 제어(ASC) 스케쥴링 가능한 펌프, 에어컨 부하 등이 이에 해당될 수 있다.
예측부(130)는 데이터 취득부(120)를 통해 취득된 측정 정보와 기상 정보를 근거로, 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비(60)의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 기능을 한다. 이를 위해, 예측부(130)는 신재생 발전 설비(60)의 발전량을 예측하는 발전량 예측 모듈(131)과, 부하(50)의 부하량을 예측하는 부하량 예측 모듈(132)을 포함할 수 있다.
여기서 제 1 기간은 제 2 기간보다 길다. 예를 들어, 제 1 기간은 하루 또는 2일과 같은 일 단위, 그리고 제 2 기간은 1시간 또는 2시간과 같은 시간 단위일 수 있다. 일반적으로, 부하 패턴은 하루 단위로 유사하게 반복이 이루어진다. 이에 따라, 제 1 기간의 경우, 필요에 따라 24시간, 48시간과 같이, d일 * 24 시간과 같이 설정될 수 있다.
여기서, 발전량 예측 모듈(131)은 외부 서버(70)에서 수집된 기상 정보를 근거로, 기설정된 주기(예를 들어, 15분) 단위로 생성된 풍속 및 일사량 패턴을 이용하여, 풍력 발전량 및 태양광 발전량을 예측하는 기능을 한다. 다만, 상술한 외부 서버(70)의 여건에 따라 기상 예보를 활용할 수 없는 경우가 있기 때문에, 기상 예보 활용의 가치가 높고 낮음에 따라 예측 방법을 달리할 수 있도록 기상 예보와 기존 관측 데이터를 기반으로 한 패턴에 가중치를 반영하여 발전량을 예측하는 방식을 채택한다.
즉, 발전량 예측 모듈(131)은 외부 서버(70)로부터 수신된 기상 정보를 근거로 향후 제 2 기간 동안의 일사량을 추출하고, 계측된 일사량 정보를 근거로 최근 일사량 패턴을 도출하며, 기상 정보를 근거로 추출된 일사량 값과, 계측된 정보를 근거로 도출된 일사량 패턴을 근거로 태양광 발전량을 도출할 수 있다. 또한, 발전량 예측 모듈(131)은 외부 서버(70)로부터 수신된 기상 정보를 근거로 향후 제 2 기간 동안의 풍속을 추출하고, 계측된 일사량 정보를 근거로 최근 풍속 패턴을 도출하며, 기상 정보를 근거로 추출된 풍속과, 계측된 정보를 근거로 도출된 풍속 패턴을 근거로 풍속 발전량을 도출할 수 있다.
그리고, 부하량 예측 모듈(132)은 위에서 설명한 제어 가능 부하가 아닌, 제어 불가능 부하에 대해서만 부하 예측을 수행하는 기능을 한다. 여기서, 예측 부하 값은 기설정된 제 1 기간(예를 들어, 24시간 또는 48시간) 동안의 3상 일괄 유효전력 및 무효전력 부하를 의미할 수 있다.
또한, 데이터 취득부(120)와 예측부(130)를 통한 정보 취득 및 발전량과 부하량의 예측은 기설정된 주기 마다 반복되어 수행될 수 있다. 여기서, 기설정된 주기는 예를 들어, 15분 또는 30분과 같이, 상술한 제 2 기간보다 짧게 설정되는 것이 바람직하다.
제어량 산출부(150)는 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 제 2 기간별로 발전기들(10, 60), 에너지 저장부(20) 및 부하(50)에 대한 제어 파라미터를 산출하는 기능을 한다. 여기서, 각 구성들에 대한 제어 파라미터는 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소화 되는 것을 목적 함수 조건으로 결정할 수 있고, 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015085761018-pat00001
수학식 1에서 변수 k는 에너지 저장부(20) 즉, 배터리의 연료 비용을 나타내고, SOC는 최종 저장 전력량을 나타낸다. 제약조건으로는 내연 발전기(10)와 에너지 저장부(20)의 물리적 특성과 에너지 수급균형이 반영된다. 그리고, FLC는 t 시간의 내연 발전기 i의 연료 비용(원/h)을 나타낸다. 구체적으로, FLCi ,j는 아래의 수학식 2와 같이, 최소부하 발전비용 FLCm i ,t와, i 발전기 on/off 상태(ui,t), 최소 부하 이상의 각 발전 구간(b)에서 한계 비용(MCi ,b) 및 출력(gi,t,b)로 표현될 수 있다.
Figure 112015085761018-pat00002
또한, STCi ,j는 t 시간의 내연 발전기 i의 기동 비용으로, 기동시에만 비용으로 추가되는 부분을 나타낸다. 다음은 시간 t에 따라 변화하는 부하에 대해 신재생에너지 발전단지 내 에너지 수급 균형을 유지하면서 비용 최소화가 가능한 목적 함수의 최적 해를 구하기 위해 비상발전기의 출력 증발율 및 감발율을 고려하였으며, 이러한 비상발전기의 시간에 대한 물리적 출력 조건은 다음과 같다.
Figure 112015085761018-pat00003
여기서, RURi와 RDRi는 각각 비상발전기 i의 출력 증발율[kW/h]와 출력 감발율[kW/h]을 나타낸다.
그리고, gi,t와 gi,t- 1는 각각 t 시간과 t-1 시간의 내연 발전기 i의 출력[kW]을 나타낸다. t 시간에서의 내연 발전기 i의 on/off 상태 ui,j(0 또는 1)는 비상발전기 i의 기동상태 si ,t(0 또는 1)와 정지상태 di ,t(0 또는 1)로 나타낼 수 있다. 이는 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015085761018-pat00004
제어부(170)는 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 기능을 한다.
저장부 상태 판단부(150)는 에너지 저장부(20)에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교함으로써, 에너지 저장부(20)에 대한 상태를 판단하는 기능을 한다. 에너지 저장부(20) 즉, 저장부의 경우, 별도의 연료 비용이 없으므로, 충전 및 방전에 대한 효율로 에너지 저장부(20)의 충전 잔량(SOC)를 표현할 수 있다. 이때, 시간 t에 대한 에너지 저장부(20)의 충전 상태 x(0 또는 1)와 방전 상태 y(0 또는 1)에 따른 충전량(gx i ,t)과 방전량(gy i ,t)은 각각 최대 충전값(gX i,t)과 최대 방전값(gY i,t)을 초과할 수 없다. 이는 아래의 수학식 5 내지 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015085761018-pat00005
Figure 112015085761018-pat00006
Figure 112015085761018-pat00007
즉, 에너지 저장부(20)의 충전 및 방전 출력은 에너지 저장부(20)의 물리적 용량 이내에 있어야 하고, SOC 역시 아래의 수학식 8과 같이, 배터리의 수명을 고려하여 적정 범위로 상한 제약(SOCM i ,t) 및 하한 제약(SOCm i ,t) 을 주는 것이 중요하다. 바람직하게, 상한 제약은 70 내지 90% 범위로, 그리고 하한 제약은 10 내지 30%의 범위로 설정될 수 있다. 상술한 SOC와 상한 제약(SOCM i ,t) 및 하한 제약(SOCm i ,t) 간의 관계는 아래의 수학식 8과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112015085761018-pat00008
이에 따라, 제어부(170)를 통해, 에너지 저장부(20)의 충전 잔량이 상한 제약과 하한 제약 사이의 정상 충전 범위를 비교하는 과정이 요구된다. 즉, 제어부(170)를 통한 판단 결과, 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과할 경우, 에너지 저장부(20)의 충전 잔량을 정상 충전 범위 내로 감소시키는 과정이 필요하다. 즉, 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과할 경우, 제어부(170)는 내연 발전기(10)에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 충전 잔량 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어할 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하자. 도 3a 및 도 3b에서 x 축은 시간을 나타내고, y축은 충전 잔량 즉, SOC를 나타낸다. 그리고, 막대 그래프에 대한 y축은 내연 발전기를 통해 발전되는 전력량(kW)과, 상수도 펌프 즉, 부하를 통해 소모되는 부하량(kW)을 나타낸다.
본 예시에서, 정상 충전 범위에서 상한 제약을 80%로 가정할 때, 35시에서 41시 구간에서 충전 잔량이 정상 충전 범위를 벗어남을 알 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 따르면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제어부(170)를 통한 내연 발전기(10)에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 하는 일련의 과정을 거치게 된다. 이에 따라, 도 3b에서 영역(33)에 도시된 바와 같이, 상수도 펌프의 전력량이 증가하고, 영역(32)에 도시된 바와 같이, SOC는 상한 제약을 초과하지 않게 된다.
다시, 도 2를 참조하자. 이번에는 제어부(170)를 통한 판단 결과, 충전 잔량이 정상 충전 범위도 존재할 수 있다. 이 경우에는 충전 잔량을 정산 충전 범위 내로 증가시키는 과정이 필요하다. 즉, 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인 경우, 제어부(170)는 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어를 수행할 수 있다. 도 4a 및 도 4b를 참조하자. 도 3과 마찬가지로, 도 4a 및 도 4b에서 x 축은 시간을 나타내고, y축은 충전 잔량 즉, SOC를 나타낸다. 그리고, 막대 그래프에 대한 y축은 내연 발전기를 통해 발전되는 전력량(kW)과, 상수도 펌프 즉, 부하를 통해 소모되는 부하량(kW)을 나타낸다.
본 예시에서, 정상 충전 범위에서 하한 제약을 20%로 가정할 때, 10시에서 11시 구간에서 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만임을 알 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치(100)에 따르면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제어부(170)를 통한 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시키는 일련의 과정을 거치게 된다. 이에 따라, 도 4b에서 영역(42)에 도시된 바와 같이, 내연 발전량이 증가하고, SOC는 하한 제약을 위배하지 않게 된다. 다시, 도 2를 참조하자.
검증부(160)는 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 기능을 한다. 상술한 바와 같이, 데이터 취득부(120)를 통해 수행되는 측정 정보와 기상 정보의 수집과, 예측부(130)를 통해 수행되는 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량의 산출은 기설정된 주기마다 반복 수행된다. 여기서, 기설정된 주기는 제 2 기간보다 짧다. 위에서 설명한 것처럼, 신재생 에너지의 경우, 기상 상황에 따라 그 발전량의 변경될 수 있으므로, 상술한 검증 과정을 통해 이전 주기에서의 예측량이 이번 주기에서의 측정값과 유사한지 판단한다.
즉, 제어부(170)를 통해 이루어지는 제어 파라미터를 이용한 제어 과정은 검증부(160)에서 판단된 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내인 경우에만 이루어진다. 만일, 검증 결과, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위를 벗어나면, 상술한 예측 과정, 제어 파라미터의 산출 및 검증 과정을 재수행함으로써 해당 예측 값을 교정할 수 있다. 이에 따라, 제어부(170)는 예측값과 측정 값 간의 차가 임계 오차 범위를 벗어나지 않을 때에만 상술한 제어 과정을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 방법에 대한 흐름도이다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 시스템은 발전기들, 에너지 저장부 및 부하를 포함하는 소규모 독립형 마이크로그리드 시스템과, 본 발명의 일 실시에에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 시스템에서, 발전기들 중 내연 발전기와 에너지 저장부는 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결될 수 있다.
이하, 도 5를 참조로, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 방법에 대한 설명이 이루어진다. 또한, 이하에서는 위에서 언급된 부분과 중복되는 사항은 생략하여 설명이 이루어진다.
먼저, 데이터 취득부에 의해, 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 단계(S110)가 이루어진다. 위에서 설명한 바와 같이, 측정 정보는 내연 발전기와 신재생 에너지 발전 설비들을 포함하는 발전기들에 대한 발전량 정보와, 부하들에 대한 부하량 정보를 포함한다. 또한, 여기서 부하량 정보는 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 방법을 통해 제어 가능한 부하를 나타내는 제어 가능 부하와, 제어가 불가능한 제어 불가능 부하량이 포함될 수 있다.
그 후, 저장부 상태 판단부에 의해, 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교하는 단계(S120)가 이루어진다. 구체적으로, S120 단계는 상기 충전 잔량이 기설정된 정상 충전 범위에 속하는지 판단하는 단계이다. 위에서 설명한 바와 같이, 에너지 저장부의 경우, 배터리 등으로 구성될 수 있는 이러한 배터리는 그 특성상 잦은 충전 및 방전 시, 그리고 과도한 충전 상태 또는 방전 상태일 때, 그 수명이 급격히 감소하는 문제점이 존재한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 마이크로그리드 운영 방법에 따르면, 에너지 저장부의 충전 잔량을 확인하고, 해당 충전 잔량이 정상 충전 범위 내에 속하게 함으로써 에너지 저장부의 수명을 보다 늘릴 수 있다. S120 단계에서의 판단 결과, 충전 잔량이 정상 충전 범위에 속하는 경우, 제어는 S130 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S170 단계로 전달된다. 먼저, 충전 잔량이 정상 충전 범위에 속하지 않는 경우를 살펴보자.
S170 단계는 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인지를 판단하는 단계이다. 즉, 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인 경우는 현재 에너지 저장부가 과도한 방전 상태임을 알 수 있다. 반대로, 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과한 경우는, 현재 에너지 저장부과 과충전된 상태임을 알 수 있다. 이에 따라, S170 단계에서의 판단 결과, 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만으로 판단된 경우, 제어는 S180 단계로 전달되어, 에너지 저장부의 충전 잔량을 증가시키는 제어가 수행된다. 반대로, S170 단계에서의 판단 결과, 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과한 것으로 판단된 경우, 제어는 S190 단계로 전달되어, 에너지 저장부의 충전 잔량을 감소시키는 제어가 수행된다.
구체적으로, S180 단계는 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인 경우, 제어부에 의해, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계이다. 여기서, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키는 과정은 기설정된 우선 순위에 따라 설비의 선택이 이루어질 수 있다.
그리고, S190 단계는 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위를 초과할 경우, 제어부에 의해, 발전기들 중 내연 발전기에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계이다. S180 단계와 마찬가지로, 제어 가능 부하와 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 정지시키는 과정은 기설정된 우선 순위에 따라 설비의 선택이 이루어질 수 있다.
이제, 충전량이 정상 충전 범위 이내인 경우, 이루어지는 과정에 대한 설명이 이루어진다. S130 단계는 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계이다. 구체적으로, S130 단계는 예측부에 의해, S110 단계에서 수집된 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계를 나타낸다. 상술한 바와 같이, S130 단계에서 언급된 예측 발전량은 신재생 발전 설비에 대한 값을 나타내고, 예측 부하량은 부하의 예측 부하량을 나타낸다. 여기서, 예측 발전량과 예측 부하량, 그리고 이들에 대한 산출 방법은 위에서 도 2를 참조로 상세히 설명하였으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.
그 후, 제어량 산출부에 의해, S130 단계를 통해 산출된 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 제 2 기간별로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 단계(S140)가 수행된다. 상술한 바와 같이, S140 단계는 제 2 기간별로 상기 발전기들 중 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소가 되도록 이루어질 수 있다. 또한, 내연 발전기의 연료 비용은 내연 발전기의 최소 부하에 대한 발전 비용, 내연 발전기의 작동 상태, 최소 부하 이상의 각 발전 구간에서의 한계 비용 및 출력을 근거로 산출될 수 있다. 그리고, 이러한 제어 파라미터는 현재 주기에서의 출력에서 이전 주기에서의 출력을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 증발율 이하이고, 이전 주기에서의 출력에서 현재 주기에서의 출력을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 감발율 이하가 되도록 산출될 수 있다. 이러한 제어 파라미터에 대한 산출 방법은 위에서 도 2를 참조로 상세히 설명하였으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.
그 후, 검증부에 의해, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 단계(S150)가 이루어진다. 상술한 바와 같이, S110 단계를 통해 수행되는 측정 정보와 기상 정보의 수집과, S130 단계를 통해 수행되는 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량의 산출은 기설정된 주기마다 반복 수행된다. 여기서, 기설정된 주기는 제 2 기간보다 짧다. 위에서 설명한 것처럼, 신재생 에너지의 경우, 기상 상황에 따라 그 발전량의 변경될 수 있으므로, 상술한 검증 과정을 통해 이전 주기에서의 예측량이 이번 주기에서의 측정값과 유사한지 판단한다. S150 단계에서의 판단 결과, 예측값과 측정값의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내에 존재하는 것으로 판단된 경우, 제어는 S160 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S130 단계로 전달되어 상술한 예측 프로세스를 재수행 함으로써, 상기 예측값의 오차가 오차 범위 내로 들어오도록 제어를 수행한다.
S160 단계는 제어부에 의해, 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 과정을 수행한다. 구체적으로, S160 단계는 S150 단계를 통해 판단된 검증 과정이 통과되는 경우에만 수행되고, 그렇지 않은 경우 제어는 S110 단계로 전달되어 상술한 과정을 재수행하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량을 증가시키는 제어 방법에 대한 흐름도이다. 이하, 도 6을 참조로, S180 단계에 대한 설명이 더 이루어진다. 위에서 도 5를 참조로 설명한 바와 같이, S180 단계는 에너지 저장부의 충전 잔량이 정상 충전 범위 미만인 경우, 제어부를 통해 이루어지는 단계를 나타낸다.
먼저, 신재생 발전 설비가 작동 중인지 판단하는 단계(S181)가 수행된다. S181 단계에서의 판단 결과, 신재생 발전 설비가 작동 중인 것으로 판단된 경우, 제어는 S183 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S182 단계로 전달된다.
S183 단계는 작동 가능한 발전 설비가 존재하는지 확인하는 단계이다. S183 단계에서의 확인 결과, 작동 가능한 발전 설비가 존재하는 경우, 제어는 S184 단계로 전달되어, 해당 발전 설비를 작동시킨다. 여기서, S184 단계는 무작위로 발전 설비를 동작시키는 것이 아닌, 기설정된 우선 순위에 따라 발전 설비를 동작시킬 수 있다. 그리고, S183 단계에서의 확인 결과, 작동 가능한 발전 설비가 존재하지 않는 경우, 제어는 S182 단계로 전달된다.
S182 단계는 제어 가능 부하가 작동 중인지 확인하는 단계이다. 상술한 바와 같이, 제어 가능 부하는 자동 전원 제어(ASC) 스케쥴링 가능한 펌프, 에어컨 부하 등이 이에 해당될 수 있다. S182 단계에서의 판단 결과, 제어 가능 부하가 작동 중인 것으로 확인된 경우, 제어는 S185 단계로 전달되어, 해당 부하를 작동 중지시키는 단계가 수행된다. S184 단계와 마찬가지로, 부하의 작동 중지는 무작위로 이루어지는 것이 아닌, 기설정된 우선 순위에 따라 이루어질 수 있다. S182 단계에서의 판단 결과, 제어 가능한 부하가 작동 중이지 않은 경우, 즉, 제어 가능한 부하가 존재하지 않는 경우, 제어는 S120 단계로 전달되어 도 5에 도시된 과정들을 재 수행하게 된다.
또한, 위의 설명에서 충전 잔량을 증가시키기 위해, 먼저 신재생 발전 설비에 대한 확인 이후, 제어 가능한 부하가 작동 중인지 확인하는 것으로 설명되었으나, 이는 단지 예시일뿐이고, 부하를 먼저 확인하고, 그 이후, 발전 설비의 확인을 수행하는 방식도 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량을 감소시키는 제어 방법에 대한 흐름도이다. 이하, 도 7을 참조로, S190 단계에 대한 설명이 더 이루어진다. 위에서 도 5를 참조로 설명한 바와 같이, S190 단계는 에너지 저장부의 충전 잔량이 정상 충전 범위를 초과하는 경우, 제어부를 통해 이루어지는 단계를 나타낸다.
먼저, 내연 발전기가 작동 중인지 판단하는 단계(S191)가 수행된다. S191 단계에서의 판단 결과, 내연 발전기가 작동 중인 것으로 판단된 경우, 제어는 S192 단계로 전달되어, 내연 발전기에 대한 작동을 중지시킨다. 상술한 바와 같이, 에너지 저장부는 내연 발전기에서 발전된 전력을 저장하는 기능을 하나, 과도하게 충전된 경우, 에너지 저장부의 수명을 단축시킬 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장부의 과도한 충전 상태에서 내연 발전기가 작동되는 경우, 내연 발전기의 작동 중지 과정이 필요하다. S191 단계에서의 판단 결과, 내연 발전기가 작동 중이지 않은 경우, 제어는 S193 단계로 전달된다.
S193 단계는 신재생 발전 설비를 통한 발전량이 부하량 이상인지 판단하는 단계이다. S193 단계를 통한 판단 결과, 신재생 발전 설비를 통한 발전량이 부하량 이상인 경우, 제어는 S194 단계로 전달된다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S120 단계로 전달되어, 도 5에 도시된 단계들을 재수행하게 된다.
S194 단계는 제어 가능한 펌프 중, 작동시킬 수 있는 펌프가 존재하는지 판단하는 단계이다. S194 단계에서의 판단 결과, 제어 가능한 펌프들 중 작동시킬 수 있는 펌프가 존재하는 것으로 판단된 경우, 제어는 S195 단계로 전달되어 해당 펌프를 작동시키는 과정이 수행된다. 그 이후, 제어는 S193 단계로 전달되어, 상술한 판단 과정을 재수행한다. 또한, S194 단계에서의 판단 결과, 제어 가능한 펌프들 중, 추가로 작동시킬 수 있는 펌프가 존재하지 않는 경우, 제어는 S196 단계로 전달된다.
S196 단계는 작동시킬 수 있는 더미 부하가 존재하는지 판단하는 단계이다. S196 단계에서의 판단 결과, 작동 가능한 더미 부하가 존재하는 경우, 제어는 S197 단계로 전달되어 해당 더미 부하를 작동시키는 과정이 수행된다. 그 이후, 제어는 S193 단계로 전달되어, 상술한 판단 과정을 재수행한다. 또한, S196 단계에서의 판단 결과, 제어 가능한 더미 부하들 중, 추가로 작동시킬 수 있는 더미 부하가 존재하지 않는 경우, 제어는 S198 단계로 전달된다.
S198 단계는 작동 중지시킬 수 있는 신재생 발전 설비가 존재하는지 판단하는 단계이다. S198 단계에서의 판단 결과, 작동 중지 시킬 수 있는 신재생 발전 설비가 존재하는 경우, 제어는 S199 단계로 전달되어 해당 신재생 발전 설비를 작동 중지시키는 과정이 수행된다. 그 이후, 제어는 S193 단계로 전달되어, 상술한 판단 과정을 재수행한다. 또한, S196 단계에서의 판단 결과, 신재생 발전 설비들 중, 작동 중지 시킬 수 있는 설비가 존재하지 않는 경우, 제어는 S193 단계로 전달된다.
S190 단계에 대한 설명에서, S194 단계, S196 단계 및 S198 단계를 통해 이루어지는 과정들은 상기 단계들의 순서로 순차적으로 이루어지는 것으로 설명되었으나, 이는 예시일 뿐이고, 다양한 순서로 판단을 수행하고 이에 따른 제어가 수행되는 것도 가능하다. 또한, S195 단계, S197 단계 및 S199 단계에서 수행되는 제어는 무작위로 설비를 선택하여 작동 또는 작동 중지시키는 것이 아닌, 기설정된 우선 순위에 따라 이루어진다는 점이 이해되어야 한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 독립형 마이크로그리드 운영 장치
110 : 통신부 120 : 데이터 취득부
130 : 예측부 131 : 발전량 예측 모듈
132 : 부하량 예측 모듈 140 : 저장부 상태 판단부
150 : 제어량 산출부 160 : 검증부
170 : 제어부

Claims (18)

  1. 전력 계통과 분리되어 운영되는 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 장치로서,
    상기 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 데이터 취득부;
    상기 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 예측부;
    상기 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 상기 제 2 기간별로 상기 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 제어량 산출부; 및
    상기 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 발전기들 중 내연 발전기와 상기 에너지 저장부는 상기 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결되고,
    상기 제어량 산출부는,
    상기 제 2 기간별로 상기 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소가 되도록 상기 제어 파라미터를 산출하고,
    상기 내연 발전기의 연료 비용은 상기 내연 발전기의 최소 부하에 대한 발전 비용, 상기 내연 발전기의 작동 상태, 최소 부하 이상의 각 발전 구간에서의 한계 비용 및 출력값을 근거로 산출되며,
    상기 제 1 기간은 상기 제 2 기간보다 긴 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교함으로써, 상기 에너지 저장부에 대한 상태를 판단하는 저장부 상태 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위를 초과할 경우, 상기 내연 발전기에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 미만인 경우, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어량 산출부는,
    상기 내연 발전기에 대해 현재 주기에서의 출력값에서 이전 주기에서의 출력값을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 증발율 이하이고, 이전 주기에서의 출력값에서 현재 주기에서의 출력값을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 감발율 이하가 되도록 상기 제어 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 취득부를 통해 수행되는 측정 정보와 기상 정보의 수집과, 상기 예측부를 통해 이루어지는 상기 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량의 산출은 기설정된 주기마다 반복 수행되고, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 검증부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과, 현재 주기에서 수집된 상기 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내인 경우에만, 상기 제어 파라미터를 이용하여 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 장치.
  10. 전력 계통과 분리되어 운영되는 독립형 마이크로그리드 시스템에 대한 운영 방법으로서,
    데이터 취득부에 의해, 상기 독립형 마이크로그리드 시스템에 포함된 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 단계;
    예측부에 의해, 상기 측정 정보와 기상 정보를 근거로 차후 제 1 기간에 대해 발전기들 중 신재생 발전 설비의 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계;
    제어량 산출부에 의해, 상기 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 근거로 상기 제 2 기간별로 상기 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어 파라미터를 산출하는 단계; 및
    제어부에 의해, 상기 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 발전기들 중 내연 발전기 및 상기 에너지 저장부는 상기 부하에 연결된 배전 선로에 병렬로 연결되고,
    상기 제어 파라미터를 산출하는 단계는,
    상기 제 2 기간별로 상기 내연 발전기의 연료 비용과 기동 비용의 합이 최소가 되도록 이루어지고,
    상기 내연 발전기의 연료 비용은 상기 내연 발전기의 최소 부하에 대한 발전 비용, 상기 내연 발전기의 작동 상태, 최소 부하 이상의 각 발전 구간에서의 한계 비용 및 출력을 근거로 산출되며,
    상기 제 1 기간은 상기 제 2 기간보다 긴 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    저장부 상태 판단부에 의해, 상기 에너지 저장부에 저장된 충전 잔량과, 기설정된 정상 충전 범위를 비교함으로써, 상기 에너지 저장부에 대한 상태를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위를 초과할 경우, 상기 제어부에 의해, 상기 내연 발전기에 대한 작동을 중지하고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프(dump) 부하를 포함하는 제어 가능 부하를 구동시키며, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 작동이 정지되게 함으로써 상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 미만인 경우, 상기 제어부에 의해, 신재생 발전 설비들 중 적어도 하나의 설비를 작동시키고, 상수도 펌프 및 비사용 덤프 부하를 포함하는 제어 가능 부하의 작동을 중지시킴으로써 상기 충전 잔량이 상기 정상 충전 범위 내에 속하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제어 파라미터를 산출하는 단계는,
    상기 내연 발전기에 대해 현재 주기에서의 출력값에서 이전 주기에서의 출력값을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 증발율 이하이고, 이전 주기에서의 출력값에서 현재 주기에서의 출력값을 뺀 값이 상기 내연 발전기의 출력 감발율 이하가 되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 측정 정보와 기상 정보를 수집하는 단계 및 상기 제 2 기간별 예측 발전량 및 예측 부하량을 산출하는 단계는 기설정된 주기마다 반복 수행되고,
    검증부에 의해, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과 현재 주기에서 수집된 측정 정보를 비교함으로써, 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량에 대한 검증을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 파라미터를 근거로 발전기들, 에너지 저장부 및 부하에 대한 제어를 수행하는 단계는,
    상기 이전 주기에서 산출된 예측 발전량 및 예측 부하량과, 현재 주기에서 수집된 상기 측정 정보에 포함된 측정 발전량 및 측정 부하량 간의 차가 기설정된 임계 오차 범위 이내인 경우에만 이루어지는 것을 특징으로 하는, 독립형 마이크로그리드 운영 방법.
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