KR101996846B1 - 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ess 운전 시스템 - Google Patents

Abstract

신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리에 저장하는 PMS;를 포함하는 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템이 개시된다.
상기 PMS는 수 ms 단위로 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 계측하는 계측기로부터 상기 출력 전력을 수신하여, 수십 ms 단위로 샘플링하고, 수백 ms 단위로 PCS에 배터리 충전 지령을 전송함으로써, 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리에 저장하는 것을 특징으로 하며, 신재생 에너지원 발전기의 추종 전력에 기준 마진을 적용하여, 기준 마진을 제외한 전력은 배터리에 저장하고, 상기 기준 마진에 의한 전력은 계통으로 송전할 수 있다.

Description

신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템{Power generation tracking ESS operation system of generator of renewable energy source}

본 발명은 REC(Renewable Energy Certificate) 5.0 가중치를 최대한 부여 받을 수 있는 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템에 관한 것이다.

2015년 12월 국제적 신기후체제로 채택된 파리협정에 따라 모든 국가들이 자국의 온실가스 감축계획을 국제사회에 공표하였으며, 우리나라는 경제 전 분야에서 2030년까지 BAU(Business As Usual) 대비 37%를 감축하는 계획을 제출하였다. 특히 에너지 부문은 배출되는 온실가스가 전체 산업의 약 80%를 차지하기 때문에, 발전원 MIX 개선을 통한 화석연료 비중 감소, 태양광, 풍력 등 신재생에너지 확대 추진, Smart Grid 및 CO2 포집·전환기술(CCS) 기술 고도화 등이 적극적으로 추진되고 있다. 또한 정부는 신기후체제를 에너지 부문의 새로운 성장동력으로 활용하고자 2015년 '2030 에너지신산업 확산 전략'을 발표하였고, 에너지 분야의 진입규제 개선과 에너지프로슈머의 확산을 포함하였다. 그 후속 조치로 정부는 수원 솔대마을 등 2곳에 대한 실증사업을 추진하고 전기사업법 등의 관련 규정을 개정하고 있으며, 한국전력공사 주관으로 에너지프로슈머 시범사업이 추진 중이다.

에너지프로슈머의 확산은 기후변화대응과, 에너지안보, 수요관리 등 에너지 부문의 현안 해결과 전력기술과 정보통신기술의 융복합으로 소비자의 역할 확대와 연관되어 있다. 소비자는 신재생에너지 발전원을 직접 설치하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 수요관리 등을 통해 절약하여 잉여 전력을 전력거래소, 한전 또는 기타 소비자에게 판매하여 이익을 창출할 수 있다. 또한 에너지프로슈머는 지능형검침인프라(Advanced Metering Infrastructure) 기술을 활용하여 한전으로부터 공급받아 사용한 전력과 에너지프로슈머가 판매한 전력을 구분하여 관리할 수 있어 효율적인 시장참여가 가능하게 된다.

해외의 경우에는 이미 선진국을 중심으로 그리드패리티(Grid Parity)가 달성되어 소비자가 태양광 발전설비를 설치하여 잉여전력을 여러 방식으로 거래하고 있다. 미국은 태양광 설치 소유주 중 약 90%가 주택용 고객으로 구성되어 있으며, 유럽은 '15년 태양광 설비가 약 97GW로 전세계 용량의 약 42%를 차지할 만큼 신재생 에너지 확대에 앞장을 서고 있다. 또한 일본에서도 자연재해로 인한 전력공급의 안정성 확보 요구 증가에 따라 소매시장이 개방되어 에너지프로슈머 사업이 확대되고 있다. 그러나 이미 에너지프로슈머가 확산단계에 접어든 국가들은 신재생에너지 확산으로 인한 계통운영상의 문제와 전통적 전력판매회사와의 시장균형에 대해 고민을 하고 있다.

우리나라도 에너지프로슈머 사업의 활성화를 추진하고 있지만, 전력가격에 비해 훨씬 비싼 태양광 발전비용이 에너지프로슈머의 자발적인 시장참여에 장애가 되고 있다. 또한 송배전설비를 보유하고 관리하는 전통적 전력판매회사인 한전과 한전의 송배전설비를 이용하여 전력을 판매하는 에너지프로슈머와의 계통운영비용 상승에 대한 리스크 부담주체도 해결해야 한다. 그래서 이러한 문제의 해결방안으로 에너지프로슈머에게 신재생에너지공급인증서(Renewable Energy Certificate) 확대와 같은 인센티브 제공과 계통유지비용의 일부 혹은 전부를 부담하게 하는 계통이용료 납부가 고려되고 있다.

한국등록특허 제10-1380530호(등록일: 2014. 03. 26.) 한국등록특허 제10-1458363호(등록일: 2014. 10. 30.

본 발명의 목적은 에너지프로슈머가 신재생에너지공급인증서(REC) 5.0 가중치를 최대한 부여 받을 수 있도록 하고, 더하여 SMP(System Mraginal Price) 가격대가 가장 높은 시간대에 전력을 판매하게 함으로써 이익을 극대화하게 하려는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 수 ms 단위로 태양전지의 출력 전력을 계측하는 계측기로부터 상기 출력 전력을 수신하여 수십 ms 단위로 샘플링하고 수백 ms 단위로 PCS에 배터리 충전 지령을 전송함으로써, 태양전지가 생산한 전력을 추종하면서 배터리에 저장하되, 계통의 전력이 배터리로 역전송되는 것을 방지하기 위하여 상기 출력 전력 중 미리 설정된 비율은 기준 마진으로 적용하고, 상기 기준 마진을 제외한 전력은 배터리, 상기 기준 마진에 의한 전력은 계통으로 각각 송전하는 한편, 상기 기준 마진에 의한 전력과 계통으로 송전되는 전력의 차가 설정값 미만이면 기준 마진을 하향 조정하고, 설정값을 초과하면 기준 마진을 상향조정하며, 수신되는 전력거래소의 SMP 가격을 기초로, SMP 가격이 높은 시간대에 배터리의 전력을 방전하는 PMS;를 포함하며, 상기 태양전지의 출력 전력 추종은 아래의 수학식 1,2로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템에 의해 달성될 수 있다.
한편, 신재생 에너지원 발전 시스템에 있어서, 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리에 저장하는 PMS;를 포함하는 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 PMS는 수 ms 단위로 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 계측하는 계측기로부터 상기 출력 전력을 수신하여, 수십 ms 단위로 샘플링하고, 수백 ms 단위로 PCS에 배터리 충전 지령을 전송함으로써, 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리에 저장하는 것일 수 있다.

또한, 상기 PMS는 신재생 에너지원 발전기의 추종 전력에 기준 마진을 적용하여, 기준 마진을 제외한 전력은 배터리에 저장하고, 상기 기준 마진에 의한 전력은 계통으로 송전하는 것일 수 있다.

또한, 상기 PMS는 상기 기준 마진에 의한 전력이 설정 값을 벗어나는 경우, 상기 기준 마진을 조정하는 것일 수 있다.

또한, 상기 PMS는 전력거래소의 SMP 가격을 수신하고, SMP 가격이 높은 시간대에 배터리의 전력을 방전하는 것일 수 있다.

또한, 상기 PMS는 상기 배터리의 충전시 전력이 점진적으로 충전되도록 제어하는 것일 수 있다.

또한, 상기 PMS는 상기 배터리의 방전시 전력이 점진적으로 방전되도록 제어하는 것일 수 있다.

본 발명에 의하면, 특정시간(10시~16시)에 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리에 저장함으로써, REC 5.0 가중치를 최대한 부여 받을 수 있다.

또한, SMP 가격을 기준으로 단가가 높은 시간대에 자동 방전하는 스케줄 제어를 통해 이익을 극대화할 수 있다.

또한, 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 추종하여 배터리 저장시 최소한의 마진을 두어 계통의 전력이 배터리에 저장되는 역전송을 방지할 수 있다. 더욱이 최소한의 마진을 두고 운전을 함에도 상기 마진에 따른 계통 송전 전력이 설정 값을 초과하는 경우 마진을 조정(계통 송전 전력이 감소되면 시스템의 효율이 낮은 것으로 판단하여 역전송 방지를 위해 마진을 높이고, 계통 송전 전력이 증가되면 시스템의 효율이 높은 것으로 판단하여 마진을 낮춤)함으로써 시스템의 안정운용 또는 배터리에 충전되는 전력을 극대화할 수 있다.

또한, 배터리가 충전 또는 방전될 때 램프 컨트롤 알고리즘을 적용함으로써, PCS, 배터리 등의 시설이 손상되는 것을 방지하면서도 계통으로 분산형전원의 부드러운 유입을 가능하게 하는 즉, 계통에 갑작스런 주파수 변동을 가하지 않으므로 계통의 안정적 운용에 도움을 준다.

또한, 이상과 같은 효과로 에너지프로슈머 사업 활성화를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템으로 운전한 1분간의 태양광 발전과 PCS 출력을 나타낸 것으로써, 20ms 기준으로 1분간 3000개의 샘플링으로 운전한 결과 그래프이고,
도 3은 도2의 그래프에 마진을 적용한 결과 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템의 Ramp 컨트롤에 의한 PCS 출력값과, 단순 제어값에 의한 PCS 출력값을 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템의 Ramp 컨트롤을 적용한 발전 추이를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

신재생 에너지원 발전 시스템은 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이 태양전지(1)와 같은 신재생 에너지원 발전기, 인버터(2), 변압기(3), PCS(Power, Conditioning System)(4), PMS(Power Management System)(5), EMS(Energy Management System)(6), 배터리(7)를 포함한 구성일 수 있다. 신재생 에너지원 발전기는 신재생 에너지원으로부터 전력을 생산하는 것으로, 상기 태양전지(1)외에도 풍력, 지열, 수력발전기 등 일 수 있다.

신재생 에너지원 발전 시스템은 전력계통의 전압과 주파수를 정격으로 유지하기 위해서 태양전지(1)와 같은 분산전원의 출력과 부하의 수요-공급 간의 균형이 필요하며, PCS(4), PMS(5), EMS(6), 배터리(7)가 충전과 방전을 수행함으로써 이러한 균형을 조절하게 된다.

즉, 태양전지(1)의 출력이 부하보다 클 경우에는 잉여전력이 발생하며 이는 배터리(7)에 저장되어, 전력계통, 즉 교류공통모선의 전압과 주파수가 일정하게 유지된다. 반대로 태양전지(1)의 출력이 부하보다 작을 경우에는 부족전력이 발생하며 이는 배터리(7)를 통하여 부족 전력분을 방전하여야 수요와 공급의 균형이 이루어져 안정적인 운전을 할 수 있다.

이러한 전력공급의 수요와 공급의 균형은 EMS(6)의 제어에 의해 구현된다. EMS(6)는 인버터(2) 및 디지털 전력량계(2a,3a) 등을 통신망으로 연결하여 태양전지(1)의 출력상태와 부하 상태를 감시함으로써 수요와 공급의 균형을 이룬다.

한편, 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템(이하, 운전 시스템)은 REC 5.0 가중치를 최대한 부여 받을 수 있도록 제한된 시간(10시~16시)에 태양전지(1)의 출력 전력을 최대한 추종하여 배터리에 저장하는 PMS(5)를 포함한다.

PMS(5)는 태양전지(1)가 최대 출력을 낼 수 있도록 하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어기술과는 별개로 태양전지(1)에서 출력된 전력을 추종하여 배터리에 저장하는 알고리즘을 탑재한 것이다. 즉, MPPT는 해당 태양전지(1)가 갖고 있는 가용 가능한 생산 최대점을 쫓아가면서 전력으로 뽑아내는 기술이지만, 본 발명의 PMS(5)는 태양전지(1)가 생산한 전력을 최대한 추종하면서 배터리에 저장하는 기술이다.

PMS(5)가 태양전지(1)에서 출력된 전력을 최대한으로 추종하려면, 태양전지(1)에서 출력된 전력을 계측하는 디지털 전력량계(2a,3a)의 정보를 고속으로 샘플링하는 기술이 요구된다. 따라서 PMS(5)에는 수 ms 단위로 신재생 에너지원 발전기의 출력 전력을 계측하는 디지털 전력량계(2a,3a)로부터 상기 출력 전력을 수신하여, 수십 ms 단위로 샘플링하고, 수백 ms 단위로 PCS(4)에 배터리 충전 지령을 전송하는 기능을 탑재하는 것이 바람직하다.

한편, PMS(5)가 태양전지(1)의 출력 전력을 추종하는 과정에서 태양전지(1)의 출력 전력이 급격하게 하락하면 PCS(4)의 응답속도가 지연되는 등의 이유로 계통(9)의 전력이 배터리(7)에 역전송되는 경우가 발생될 수 있다. 이에, PMS(5)는 태양전지(1)의 추종 전력에 기준 마진(예컨대, 태양전지(1)의 출력 전력의 5 ~ 30%)을 적용할 수 있고, 이 경우 기준 마진을 제외한 전력은 배터리(7)에 저장되고, 기준 마진에 의한 전력은 계통(9)으로 송전됨으로써 계통(9)의 역전송을 방지할 수 있다.

상기 기준 마진은 역전송을 방지하는데 기여하지만 기준 마진에 의한 전력은 REC 5.0을 적용받을 수 없는 것을 의미하므로, 본 발명은 기준 마진에 의한 전력이 설정 값을 초과하는 경우 기준 마진을 조정하여 태양전지(1)의 출력 전력을 최대한 배터리(7)로 저장할 수 있게 했다. 예컨대 현재 태양전지(1)의 출력 전력이 100이고, 마진이 30%인 경우 70은 배터리(7)에 저장되고, 30은 계통(9)에 송전되는 상황이라면, 계통(9)에 송전되는 30에 있어서도 다음과 같은 경우이면 30의 일부를 배터리(7)로 저장한다. 온도 등의 영향에 따른 변압기(3) 등 설비의 효율 문제로 계통(9)에 송전되는 30에 대한 손실분이 발생될 수 있다. 이 손실분을 10이라 가정하면 계통(9)에 송전되는 값은 20이 된다. PMS(5)는 기준 마진도 30%인 것을 알고 있고, 디지털 전력량계를 통해 인버터(2)에서 나온 전력과 변압기(3)에서 나와 계통(9)에 송전되는 값도 알고 있다. 보통 손실분이 10이어서 계통(9)에 전송되는 값은 20이어야 하는데 25가 빠져나갔다면 변압기 등 설비의 효율이 좋아진 것을 의미하므로 이 경우 기준 마진을 하향 조정하여 배터리(7)에 충전되는 전력을 증가시킬 수 있다.

반대로 계통(9)에 전송되는 값이 15인 경우 변압기 등 설비의 효율이 나빠진 것으로 판단할 수 있고, 이 경우는 기준 마진을 상향 조정하여 역전송을 방지한다.

PMS(5)는 전력거래소의 SMP 가격을 수신하고, SMP 가격이 높은 시간대에 배터리의 전력을 방전하는 스케쥴 기능을 포함할 수 있고, 배터리의 충전시 전력이 점진적으로 충전되도록 제어하거나, 배터리의 방전시 전력이 점진적으로 방전되도록 제어하는 즉, 램프 컨트롤 알고리즘 기능이 탑재될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 추종 방법, 마진 적용 및 램프 컨트롤에 대해 설명한다.

<추종 방법>

일정구간의 태양광 발전량을

라고 할 때 태양광의 변화량

에 대한

의 변화량

의 비율은

이다. 이는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

이와 같은 수식이 가능할 때, 이를 통해 평균 변화율을 도출해 낼 수 있고, 여기서 도출한 평균변화율은 통해

의 특정 지점

에서 변화량

가 0에 수렴할 때의 변화율인 순간변화율을 도출해 낼 수 있다.

이는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

이를 통해 얻은 순간 변화율을

라 할 때

는 태양광 발전량을 기준으로 한없이 가까워지며 이는 태양광 발전량의 직접적인 추종 전력으로 볼 수 있다. 상기의 두 관계를 그래프로 나타내면 도 2와 같이 나타낼 수 있다.

도 2에서 PV active 는 태양광 발전에서 생산되는 전력값이며, PCS active는 배터리가 전력을 받도록 설정되는 PCS의 출력값이다.

더욱 상세하게 설명하면, 도 2는 1분간의 태양광 출력 데이터이며, 태양광 발전 전력에 따라 PCS 출력이 변화하고 있음을 알 수 있다. 도 2에서 보면 태양광 발전과 PCS 출력이 동일 선상에서 움직이고 있음을 볼 수 있으며, 이는 태양광 발전량 추종 알고리즘에 마진이 적용되지 않은 출력량 그래프이다. 현재 그래프는 20ms를 기준으로 1분간 3000개의 샘플링으로 운전을 한 결과이다.

<마진 적용>

도 3은 도2의 그래프에 마진을 적용한 결과 그래프이다. 도 2와 같은 운전방식은 정해진 충전시간에 효율을 극대화한 운전방식이지만, PCS의 응동속도 문제나 기타 계전기들과의 통신 및 노이즈, 기타 현장 상황을 고려할 땐 적절한 마진을 유지하면서 운전을 하는 것이 합리적이다. 이러한 마진을 적용하는 방법에는 여러 가지 방법이 있겠지만 고속 샘플링을 통해 얻은 태양광 발전 전력에 일정 비율의 마진을 바로 적용하여 이를 PCS 출력에 반영하는 것이 가장 빠르고 정확할 것이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 일정한 마진을 가지고 태양광 발전 전력을 추종하는 결과를 얻기 위해서 고속 샘플링은 필수 요소이다. 본 발명은 오버 샘플링 모듈을 통해서 각 3상에 관한 전압, 전류의 실효값(RMS)을 100

이내로 측정을 하여 이를 태양광 발전량 추종 알고리즘에 반영하여 이를 PCS 출력에 반영한다.

이는 구름 및 기온에 영향을 받는 태양광 발전의 특성에 따라, 발전량이 낮은 경우에도 최대의 효율을 발휘하여 충전 운전을 수행하도록 한다.

이때, 상기 마진은 태양광 발전의 최대 전력점 대비 5~30% 범위인 것이 바람직하다. 예를 들어 설명하면, 태양광 발전에서 100 이라는 전력을 생산한다면 마진 5~30% 범위를 제외한, 나머지 전력인 70~95 범위의 전력을 배터리에 저장하고, 마진의 전력 5~30의 전력은 계통으로 전달한다. 이로 인해, 태양광 발전에서 순간적으로 전력이 급감하더라도, PCS의 출력값이 태양광 최대 전력점을 넘지 못하도록 마진을 주어 계통에서 배터리로 역 전류되는 것을 방지할 수 있다.

<램프 컨트롤>

시스템의 태양광 발전량 추종 충전운전과 REC 5.0을 적용받기 위한 계통으로의 ESS 방전 운전이 독립된 하나의 분산형전원인 태양광 발전소 한 곳에만 적용이 되어있다면 문제는 복잡하지 않을 것이다. 하지만 다수의 태양광 발전 시스템이 운집되어 있고 그 특성상 비슷한 제어 시퀀스의 양상을 가질 때 그것들은 배전계통에 영향을 미칠 수 있다.

태양광 발전 설비가 배전계통에 일정이상의 영향력을 미칠 만큼 보급된 경우를 상정하였을 때, REC의 고효율을 위한 충전 운전을 일제히 수행한다면 분산형전원의 영향 아래에 있는 계통 전체의 주파수가 흔들릴 가능성이 충분히 있다. 마찬가지로 방전 운전에 있어서 한 시점을 기준으로 계통으로 유입이 증가하게 되므로 주파수가 흔들리게 된다.

본 발명의 운전 시스템은 이러한 부분을 최소화하기 위한 하나의 방법으로 ESS의 점진적 출력을 가능하게 하는 램프 컨트롤(Ramp control) 운전을 수행한다. 이는 상기에서 언급한 배전계통에 연결된 분산형전원(특별히 태양광에 적용된)의 부드러운 유입을 가능하게 하며, 독립된 REC 태양광 연계형 ESS들을 서로 연계하여 지역의 배전계통과 융합할 수 있도록 하나의 시스템 체인을 구성하도록 일조할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 운전 시스템의 Ramp 컨트롤에 의한 PCS 출력값과, 단순 제어값에 의한 PCS 출력값을 나타낸 그래프이다. 참조하면, 종래에는 A 지점에서 PCS 의 출력값이 500kW에 도달했고, 이때의 변동 추이를 보면 가파른 상승선을 보인다. 이때의 기울기

라 할 때

의 값이 클수록 배전계통의 주파수를 흔드는 힘이 강해지므로 이를 최소화하기 위한 점진적 램프 운전의 시행이 합리적이라 볼 수 있다.

이를 위해서, 상기 PMS(5)는 램프 컨트롤 알고리즘을 이용하여, PCS의 출력값이 점진적으로 증가하도록 제어한다. 더욱 상세하게 설명하면, PCS의 램프 컨트롤 알고리즘은 위의 수식에서 얻어진 태양광 발전에 따른 출력 값을 PCS에 반영할 때 전체 계통에 미치는 영향을 최소화하는 것에 의의를 둔다. 또한 램프 컨트롤 알고리즘을 통한 운전을 통해 배터리에 급격히 유입되는 부하를 줄여 배터리의 안정적인 운영을 가능하게 한다.

램프 컨트롤 알고리즘의 기본적인 연산방식은 다음과 같다. 램프 컨트롤은 앞서 이야기한 바와 같이 점진적 출력의 상향 하향 조정이다. 이를 위해서는 출력 조절을 위한 기준 값이 존재하며, 이는 앞서 살펴본 태양광 발전량 추종 알고리즘을 통해 도출한 출력 값을 사용한다.

상기 수학식 2의 수식을 통해 얻은 태양광 발전량의 순간 기울기를

라 할 때 여기에 일정한 마진 값이 적용된 PCS의 출력 값은

로 나타낼 수 있다. 태양광 발전량과 목표 PCS 출력 값은

의 규칙 안에서 변화한다.

이와 같은 이해를 기반으로 램프 컨트롤의 목표 값이 되는 것은 어느 한 시점에서 목표 PCS 출력 값인

가 된다. 램프 컨트롤 알고리즘은 상기

에 이르기까지의 PCS의 구간별 출력 조절 운전을 시행하도록 만든다. 상기 램프 컨트롤 알고리즘의 구성요소 가운데 램프는 일정한 기울기를 뜻하며, 이는 사용자 정의 변수가 될 수도 있고 PCS의 용량에 따른 상수로 정의될 수도 있다.

중요한 것은 램프 컨트롤 알고리즘에 따른 운전은 이 램프라고 불리는(Ramp rate) 상수 값

에 따라 램프 운전시간

가 변화하는 것이다.

의 값이 크면 이에 따른 램프 운전시간의 변화 값인

는 비례하여 커지게 된다.

도 5에서 보는 바와 같이, 빨간 곡선은 태양광 발전량 전력 최대 전력점이며, 노란 곡선은 PCS의 목표 출력 값을 나타낸다. 상기 PMS(5)는 1950과 2000 사이클 구간에서 램프 컨트롤 알고리즘이 적용되었음을 알 수 있다. 램프 컨트롤 알고리즘이 없이 태양광 발전량 추종을 하여 운전을 한다면, PCS는 운전이 시작됨과 동시에 태양광 발전량을 추종하기 위해 고출력을 내어 태양광 발전 에너지를 배터리로 가져오게 되며, 이는 계통입장에서 보면 갑작스런 전력의 감소를 유발시키므로 주파수의 흔들림을 야기 시킨다. 이를 방지하기 위해 램프 컨트롤 알고리즘이 적용되며, 이는 ESS의 발전이 시작하는 시간과 발전이 끝나는 시간 모두에 해당하는 사항이며 발전 시작 시엔 램프업을, 발전 종료 시엔 램프다운 운전을 수행하게 한다.

도 5의 그래프에서 알 수 있듯이 램프 컨트롤 운전 알고리즘은 태양광 발전량을 바탕으로 전체 계통과 관계가 있으며 단조 감소만으로 흐름 제어가 불가능한 상황에서 하나의 해결책이자 보호가 될 수 있다.

태양광 발전량 추종 알고리즘을 통해 얻은 PCS의 목표 출력 값을

라고 할 때, 램프 컨트롤 알고리즘을 통해 PCS의 목표 출력 값에 도달하는 수식은 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서 상수

는 램프 출력 값에 영향을 미치는 기울기이며, 이 기울기가 램프 구간의 종단에 가서는 수평이 되어 태양광 발전량의 추종에 영향을 미치지 않게 된다. 이는

이라하는 점진적 램프 컨트롤 목표 값을 갖게 되며 이 목표 값 L이

이면 임의의 실수

에 대하여

를 만족하는

는

이 되며 이는 수평점근선이 되어 태양광 발전량 추종 알고리즘의 도출 값에 수렴하게 된다.

본 발명은 태양광 발전량 추종 알고리즘과 PCS의 출력 운영에 있어서 점진적 출력을 가능하게 하는 램프 컨트롤 알고리즘을 중심으로 REC 효율 극대화와 배전 계통과의 조화방안을 모색하였다.

실시간으로 태양광 발전량을 추종하는 알고리즘은 기존의 태양광과 관련된 최대 전력점 추종 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와는 다른 접근법으로 MPPT가 일사량 등을 변수로 하여 가변적인 스텝을 두고 운전을 하며 기존의 태양전지의 출력과 배터리의 전압차를 염두에 둔 충전효율에 관심을 가졌다면, 본 발명에 따른 태양광 발전량 추종 충전 운전은 실시간으로 태양광 발전 전력을 따라가면서 계통에 영향을 주지 않는 마진을 가지고 신속하고 안정적으로 충전 운전을 수행하는 것이다. 이는 최대의 REC 효율과 배전계통 보호를 보장한다.

또한, 본 발명은 램프 컨트롤 운전을 통해서 배전계통으로의 전력 유입을 안정화시킬 수 있는 방안을 모색하였고, 분산형전원이 가지는 독립적 구성으로부터 벗어나 하나의 시스템이 되어 지역적 전원망 구성에 일조할 수 있는 방안을 제시하였다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1: 태양전지
2: 인버터
3: 변압기
4: PCS
5: PMS
6: EMS
7: 배터리

Claims (7)

1. 수 ms 단위로 태양전지의 출력 전력을 계측하는 계측기로부터 상기 출력 전력을 수신하여 수십 ms 단위로 샘플링하고 수백 ms 단위로 PCS에 배터리 충전 지령을 전송함으로써, 태양전지가 생산한 전력을 추종하면서 배터리에 저장하되,
   계통의 전력이 배터리로 역전송되는 것을 방지하기 위하여 상기 출력 전력 중 미리 설정된 비율은 기준 마진으로 적용하고, 상기 기준 마진을 제외한 전력은 배터리, 상기 기준 마진에 의한 전력은 계통으로 각각 송전하는 한편,
   상기 기준 마진에 의한 전력과 계통으로 송전되는 전력의 차가 설정값 미만이면 기준 마진을 하향 조정하고, 설정값을 초과하면 기준 마진을 상향조정하며,
   수신되는 전력거래소의 SMP 가격을 기초로, SMP 가격이 높은 시간대에 배터리의 전력을 방전하는 PMS;를 포함하며,
   상기 태양전지의 출력 전력 추종은 다음의 수학식 1,2로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지원 발전 시스템의 발전량 추종 ESS 운전 시스템.
   <수학식1>
   

   

   
   <수학식2>
   

   

   
   
   여기서,

   

   은 일정구간의 태양광 발전량,

   

   은 태양광의 변화량,

   

   은

   

   에 대한

   

   의 변화량,

   

   는

   

   에 대한

   

   의 변화량

   

   의 비율.
   또,

   

   은

   

   의 특정 지점

   

   에서 변화량

   

   가 0에 수렴할 때의 변화율인 순간변화율
   
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