KR102549305B1 - 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

마이크로그리드 시스템이 제공된다. 상기 마이크로그리드 시스템은, 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원; 상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치; 및 상기 분산 전원 및 복수 개의 에너지저장장치를 제어하는 중앙 제어기를 포함하되, 상기 중앙 제어기는, 상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하며, 상기 마스터 장치는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수를 출력하다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경할 수 있다.

Description

마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법{Microgrid system and method of controlling thereof}
본 발명은 마이크로그리드 시스템 및 그 제어방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 에너지저장장치를 기저전원으로 이용하는 소규모 전력 계통에서, 정전 없이 전력 품질이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는, 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법에 관련된 것이다.
섬이나 산 정상과 같이 대규모 전력망에 연결이 어려운 오지의 경우에는 디젤 발전기와 같은 발전 장치와 부하로 구성된 소규모 전력 계통을 구성한다. 하지만, 최근 들어, 이산화탄소와 같이 온난화를 가속시키는 물질의 배출을 줄이기 위하여 디젤 발전기 대신 재생 에너지를 이용하여 전기를 공급하기도 한다.
상기 재생 에너지를 이용할 경우, 재생 에너지의 발전량이 부하의 소비 패턴과 일치하지 않기 때문에, 에너지저장장치를 사용하여, 재생 에너지의 발전량이 부하보다 많은 경우에는 충전하고, 부하가 재생 에너지의 발전량보다 많은 경우에는 방전한다.
에너지저장장치를 사용하더라도 재생 에너지 발전량이 부족하거나 에너지저장창지에 고장이 발생한 경우 전기를 공급하기 위하여 디젤 발전기를 계속 사용한다. 즉, 에너지저장장치가 전력 계통의 주파수와 전압을 유지하는 기저전원으로 동작한다.
에너지저장장치를 사용하는 종래의 소규모 전력 계통에서, 에너지저장장치의 고장에 대비하여 복수 개의 에너지저장장치를 설치할 수 있다. 그러나 복수 개의 에너지저장장치를 설치해도 1세트의 에너지저장장치만 동작하고 나머지 에너지저장장치는 정지 상태에서 대기한다. 1세트의 에너지저장장치만을 설치할 경우에는 전력변환장치의 고장에 대비하여 복수의 전력변환장치를 사용하기도 하지만, 이 경우에도 1대의 전력변환장치만 동작하고 나머지 전력변환장치는 정지 상태에서 대기한다.
에너지저장장치가 기저전원으로 동작하는 소규모 전력 계통에서 에너지저장장치에서 고장이 발생하면 대기중인 다른 에너지저장장치, 전력변환장치 또는 디젤 발전기가 동작하여 일정한 주파수의 전기를 공급할 때까지 최소 수 ms에서 수백 ms가 소요되어 정전으로 연결된다.
복수의 에너지저장장치 또는 복수의 전력변환장치를 설치해도 동시에 운전하지 않고 1세트 또는 1대만 운전하는 이유는 소수의 전력변환장치가 병렬로 전력을 분담하는 상황에서 1대의 전력변환장치에서 고장이 발생하면 전력 계통의 주파수를 일정하게 유지할 수 없기 때문이다.
소규모 전력 계통에서 에너지저장장치가 종래의 제어 방법을 사용하여 기저전원으로 동작할 때 발생 가능한 문제는 다음과 같다.
첫째, 기저전원으로 동작하는 에너지저장장치를 설치한 이후 예상되는 전력소비 증가까지 반영하여 과도하게 큰 전력변환장치를 처음부터 설치하기 때문에 초기 투자 비용이 높아 경제성이 낮다.
둘째, 에너지저장장치에서 고장이 발생할 경우, 순간적인 정전이 발생하기 때문에 전력 공급의 신뢰성이 낮다.
셋째, 장기간 운전한 이후, 배터리의 수명이 감소하여 배터리를 추가로 설치해야 할 경우 전체 배터리를 교체해야 하기 때문에 유지 비용이 과도하게 발생된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 에너지저장장치를 기저전원으로 이용하는 소규모 전력 계통에서, 정전 없이 전력 품질이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는, 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 일 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 마이크로그리드 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로그리드 시스템은, 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원; 상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치; 및 상기 분산 전원 및 복수 개의 에너지저장장치를 제어하는 중앙 제어기를 포함하되, 상기 중앙 제어기는, 상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하며, 상기 마스터 장치는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수를 출력하다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지저장장치는, 충, 방전이 가능한 배터리; 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전시키거나 상기 배터리에 충전되어 있는 전력을 변환하여 외부로 방전시키는 전력변환장치; 및 상기 배터리에 대한 충전 또는 방전이 이루어지도록, 상기 전력변환장치를 제어하는 장치 제어기를 포함하되, 상기 에너지저장장치가 슬레이브 장치인 경우, 상기 장치 제어기는 상기 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링하여, 상기 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마스터 장치의 출력 주파수에 대한 모니터링을 통하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우, 상기 슬레이브 장치는, 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력이 분담되면, 새로운 유효 전력 기준값을 상기 슬레이브 장치에 지령하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수 변경 값을 정상 상태에서의 출력 주파수 값으로 복귀시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치에 대한 우선 순위를 부여하며, 상기 마스터 장치의 출력 주파수가 상기 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 모니터링되는 경우, 상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 것으로 인식하여, 상기 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 스스로 마스터 장치로 전환될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 상황을 상기 슬레이브 장치가 인식하지 못한 경우, 상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치를 마스터 장치로 전환시키고, 나머지 슬레이브 장치들에 대한 우선 순위를 새롭게 부여할 수 있다.
한편, 본 발명은 마이크로그리드 시스템 제어 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 마이크로그리드 시스템 제어 방법은, 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원 및 상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 방법으로, 상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하는 단계; 정상 상태에서는 상기 마스터 장치에서 일정한 전압 및 일정한 주파수가 출력되다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경되도록 하는 단계; 및 상기 슬레이브 장치를 통하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링하여, 상기 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인하는 단계를 포함하되, 상기 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우, 상기 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원; 상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치; 및 상기 분산 전원 및 복수 개의 에너지저장장치를 제어하는 중앙 제어기를 포함하되, 상기 중앙 제어기는, 상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하며, 상기 마스터 장치는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수를 출력하다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경할 수 있다.
이에 따라, 에너지저장장치를 기저전원으로 이용하는 소규모 전력 계통에서, 정전 없이 전력 품질이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는, 마이크로그리드 시스템 및 그 제어 방법이 제공될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 에너지저장장치를 이용하고 동작중인 에너지저장장치에서 발생되는 고장을 빠르게 검출하여 대응하기 때문에 에너지저장장치를 기저전원으로 이용하여 소규모 전력 계통에서 정전을 예방할 수 있으며, 이를 통하여, 전력 품질이 우수한 전기를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 에너지저장장치를 동시에 운전할 수 있기 때문에, 에너지저장장치를 설치하는 초기에는 전력 수요에 맞춰서 작은 용량의 재생 에너지원과 에너지저장장치를 설치하고, 이후, 부하가 증가하면 재생 에너지원과 에너지저장장치를 추가로 설치할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 초기 투자 비용을 줄여서 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템의 에너지저장장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 복수 개의 에너지저장장치에 대한 중앙 제어기의 마스터-슬레이브 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 마스터 장치의 마스터 모드를 위한 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 슬레이브 장치의 슬레이브 모드를 위한 제어 블록도이다.
도 6은 주파수 설정값 사이의 관계를 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 마스터 장치에 고장이 발생한 경우, 슬레이브 장치의 운전 모드 전환을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템을 검증하기 위한 시뮬레이션 모델 구성도이다.
도 9는 도 8의 시뮬레이션 모델 회로도이다.
도 10은 시뮬레이션 모델의 초기 기동을 보여주는 도면이다.
도 11은 마스터 장치에 과부하가 인가되어도 공칭 주파수가 유지되는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 마스터 장치에 과부하 인가 시 주파수가 이동되는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 13은 비교 예1의 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 실시 예1의 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 비교 예2 실시 예2의 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 비교 예3의 시뮬레이션 결과이다.
도 17은 실시 예3의 시뮬레이션 결과이다.
도 18은 실시 예4의 시뮬레이션 결과이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템의 에너지저장장치를 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은, 예를 들어, 섬이나 산 정상과 같이 대규모 전력망에 연결이 어려운 오지에서 수용가 측에 전력을 공급하기 위한 소규모 전력 계통 시스템이다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은, 분산 전원(110), 에너지저장장치(energy storage system; ESS)(120) 및 중앙 제어기(central controller)(130)를 포함할 수 있다. 이때, 분산 전원(110)과 에너지저장장치(120) 각각은, 수용가 측과 배전선을 통하여 전기적으로 연결되며, 상기 배전선에는 차단기와 변압기가 설치될 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 분산 전원(110)과 에너지저장장치(120)는 저속 통신망(131)을 통하여 중앙 제어기(130)와 통신 연결될 수 있다.
상기 분산 전원(110)은 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 발전 설비이다. 여기서, 상기 재생 가능한 에너지는 예를 들어, 풍력 및 태양광일 수 있다. 이에 따라, 상기 분산 전원(110)은 풍력 발전기와 태양광 발전기로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 분산 전원(110)은 저속 통신망(131)을 통하여 통신 연결되어 있는 중앙 제어기(130)에 의하여 운전이 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 분산 전원(110)으로 풍력 발전기와 태양광 발전기를 예시하였으나, 이는 일례일 뿐, 분산 전원(110)으로는 풍력 발전기만이 구비될 수 있고, 태양광 발전기만이 구비될 수도 있다. 또한, 분산 전원(110)으로는 풍력 발전기나 태양광 발전기 외에도 지열 발전기가 더 구비될 수 있다.
이때, 각 발전기는 1대 또는 2대 이상 구비될 수 있는데, 이는, 마이크로그리드 시스템(100)이 설치되는 현장에서의 재생 에너지 획득 가능성, 각 발전기의 용량 및 이들이 담당할 부하의 크기 등에 따라서 결정될 수 있다.
이러한 분산 전원(110)은 날씨나 계절 등의 영향에 따라서 출력이 변동되는 특성이 있다. 이를 보완하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 비상 발전 설비(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 비상 발전 설비(140)는 화석 연료를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 발전 설비일 수 있다. 예를 들어, 상기 비상 발전 설비(140)는 디젤 발전기로 구비될 수 있다. 디젤 발전기는 경유를 에너지원으로 하며, 분산 전원(110) 및 에너지저장장치(120)와 함께 복수의 부하, 예를 들어, 수용가 측에 대한 전력 공급을 담당할 수 있다.
이러한 비상 발전 설비(140)는 저속 통신망(131)을 통하여 중앙 제어기(130)와 통신 연결될 수 있다. 비상 발전 설비(140)는 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원(110)의 발전량이 부족하거나 에너지저장장치(120)에 심각한 문제가 발생된 경우, 중앙 제어기(130)의 제어에 따라 운전될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 화석 연료를 에너지원으로 하는 비상 발전 설비(140)로 디젤 발전기를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 석탄을 연료로 사용하는 발전 설비가 비상 발전 설비(140)로 구비될 수 있음은 물론이다.
에너지저장장치(120)는 분산 전원(110)과 연결되어 마이크로그리드를 이룬다. 상기 에너지저장장치(120)는 분산 전원(110)으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 장치이다.
즉, 에너지저장장치(120)는 분산 전원(110)의 발전량이 부하보다 많은 경우, 분산 전원(110)으로부터 잉여 전력을 공급 받아 저장하고, 부하가 분산 전원(110)의 발전량보다 많은 경우, 저장되어 있는 전력을 부하, 예를 들어, 수용가 측으로 출력한다. 여기서, 수용가는 일반 가정이나 공장 등과 같이 전력을 소비하는 전력 소비자를 의미할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이러한 에너지저장장치(120)는 배터리(121), 전력변환장치(122) 및 장치 제어기(123)를 포함할 수 있다.
상기 배터리(121)는 충, 방전이 가능한 2차 전지로 구비될 수 있다. 또한, 상기 전력변환장치(122)는 분산 전원(110)의 발전량이 부하보다 많은 경우, 분산 전원(110)으로부터 공급되는 전력을 변환하여 배터리(121)를 충전시키거나, 부하가 분산 전원(110)의 발전량보다 많은 경우, 배터리(121)에 충전되어 있는 전력을 변환하여 외부로 방전시킬 수 있다.
상기 장치 제어기(123)는 배터리(121)에 대한 충전 또는 방전이 이루어지도록, 전력변환장치(122)를 제어할 수 있다. 즉, 장치 제어기(123)는 배터리(121)에 대한 충전 또는 방전이 이루어지도록, 전력변환장치(122)에 스위칭 신호를 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템(100)은 복수 개의 에너지저장장치(120)를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 제1 에너지저장장치(120a), 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c)로 이루어진 3개의 에너지저장장치(120)를 예시하였으나, 이는 일례일 뿐, 에너지저장장치(120)는 2개만 구비될 수도 있고, 4개 이상 구비될 수도 있다. 다만, 후술되는 마스터-슬레이브 제어를 위하여, 에너지저장장치(120)는 적어도 3개 이상 구비되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 에너지저장장치(120a), 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c) 중 어느 하나는 중앙 제어기(130)에 의하여 마스터 장치(master unit)로 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 에너지저장장치(120a)가 중앙 제어기(130)에 의하여 마스터 장치로 설정될 수 있다. 이에, 나머지 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c)는 슬레이브 장치들(slave units)로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수(constant voltage constant frequency; CVCF)를 출력할 수 있다.
이 상태에서, 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)에 과부하가 인가되면, 과도 상태에서 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)에서 부담하는 과부하의 크기와 과도 상태의 지속 시간을 줄이기 위하여, 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경할 수 있다.
한편, 종래의 마스터-슬레이브 제어에서는 마스터 장치에 이상이 발생된 경우, 중앙 제어기에서 별도로 슬레이브 장치에 작동 명령을 내리는데, 이 경우, 중앙 제어기와 슬레이브 장치 간의 물리적인 통신 거리로 인하여, 통신 딜레이가 발생되고, 이러한 통신 딜레이는 정전을 유발하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬레이브 장치로 설정된 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c) 각각의 장치 제어기(123)는 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)의 출력 주파수를 항시적으로 모니터링할 수 있다.
이를 통하여, 슬레이브 장치로 설정된 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c) 각각의 장치 제어기(123)는 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)의 정상 작동 여부를 확인할 수 있다.
슬레이브 장치로 설정된 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c)는, 마스터 장치로 설정된 제1 에너지저장장치(120a)의 출력 주파수를 모니터링하는 과정에서, 제1 에너지저장장치(120a)의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우, 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬레이브 장치가 항시적으로 출력 주파수를 모니터링하면서 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인하고, 주파수에 이상 발생 시, 즉각적으로 드룹 제어될 수 있다. 이에 따라, 종래에 중앙 제어기와 슬레이브 장치 간 발생되던 통신 딜레이 및 이로 인한 정전 발생은 방지될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬레이브 장치로 설정된 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c)는 중앙 제어기(130)에 의하여, 우선 순위가 부여될 수 있다. 여기서, 상기 우선 순위는 마스터 장치로 전환될 우선 순위를 의미하는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 중앙 제어기(130)는 저속 통신망(131)을 통하여, 풍력 발전기 및 태양광 발전기로 구비되는 분산 전원(110)과 통신 연결될 수 있다. 또한, 중앙 제어기(130)는 저속 통신망(131)을 통하여, 제1 에너지저장장치(120a), 제2 에너지저장장치(120b) 및 제3 에너지저장장치(120c)와 통신 연결될 수 있다. 그리고 중앙 제어기(130)는 저속 통신망(131)을 통하여, 디젤 발전기로 구비되는 비상 발전 설비(140)와도 통신 연결될 수 있다.
이를 통하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중앙 제어기(130)는 적어도 하나의 분산 전원(110), 복수 개의 에너지저장장치(120) 및 적어도 하나의 비상 발전 설비(140)를 개별 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중앙 제어기(130)는, 복수 개의 에너지저장장치(120) 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치(120)는 마스터 모드로 운전되는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치(120)는 슬레이브 모드로 운전되는 슬레이브 장치로 설정할 수 있다.
상기 중앙 제어기(130)는 복수 개의 에너지저장장치(120)의 배터리(121) 충전 상태 및 각종 상태 데이터를 종합하여, 마스터 장치로 운전될 에너지저장장치(120)를 설정할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어기(130)는 복수 개의 에너지저장장치(120) 중에서 배터리(121)의 충전율이 가장 높은 에너지저장장치(120)를 마스터 장치로 설정할 수 있다.
이와 같이, 중앙 제어기(130)에 의하여, 마스터 장치로 설정된 에너지저장장치(120)는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수를 출력하다가, 과부하가 인가되면, 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경할 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이, 마스터 장치의 출력 주파수에 대한 모니터링을 통하여, 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인한 슬레이브 장치는, 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담하며, 이에, 중앙 제어기(130)는 마스터 장치의 출력 주파수 변경 값을 정상 상태에서의 출력 주파수 값으로 복귀시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중앙 제어기(130)는 복수 개의 에너지저장장치(120) 중에서 어느 하나를 마스터 장치로 설정함에 따라, 슬레이브 장치로 설정된 에너지저장장치(120)에 대한 우선 순위를 부여할 수 있다.
이에 따라, 적어도 둘 이상의 슬레이브 장치는 마스터 장치의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 모니터링되는 경우, 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 것으로 인식할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 스스로 마스터 장치로 전환될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 우선 순위가 가장 높은 슬레이브 장치가, 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링할 수 있고, 마스터 장치의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 모니터링되는 경우, 스스로 마스터 장치로 전환될 수 있다.
한편, 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 상황을 슬레이브 장치가 인식하지 못한 경우, 중앙 제어기(130)는, 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치를 마스터 장치로 전환시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중앙 제어기(130)는, 나머지 슬레이브 장치들에 대한 우선 순위를 새롭게 부여할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 복수 개의 에너지저장장치에 대한 중앙 제어기의 마스터-슬레이브 제어 과정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 복수 개의 에너지저장장치에 대한 중앙 제어기의 마스터-슬레이브 제어 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 중앙 제어기(central controller)는 마이크로그리드 시스템에 대한 점검을 시작할 수 있다(S1).
즉, 중앙 제어기로부터 마이크로그리드에 대한 모니터링 시작 신호가 복수 개의 에너지저장장치(ESS Units)에 전달될 수 있다.
이에, 복수 개의 에너지저장장치는 각각, 상태에 대한 응답을 할 수 있다(S2).
중앙 제어기는 응답된 복수 개의 에너지저장장치의 상태 정보에 기반하여, 어느 하나의 에너지저장장치를 마스터 장치(Master unit)로 설정하는 명령을 출력할 수 있다(S3).
이에, 해당 에너지저장장치는 마스터 모드로 세팅될 수 있다(S4-1). 그리고 나머지 에너지저장장치(slave units)는 슬레이브 모드로 세팅되고, 각 에너지저장장치 별 우선 순위가 부여될 수 있다(S4-2).
한편, 중앙 제어기는 마스터 모드를 개시하는 명령을 출력할 수 있다(S5-1). 이에, 마스터 모드로 세팅된 마스터 장치에 대한 제어가 개시될 수 있다(S5-2).
또한, 중앙 제어기는 슬레이브 모드를 개시하는 명령을 출력할 수 있다(S5-3). 이에, 슬레이브 모드로 세팅된 슬레이브 장치들에 대한 제어가 개시될 수 있다(S5-4).
여기서, 마스터 모드로 세팅된 마스터 장치는 정전압 정주파수(CVCF)로 제어될 수 있다(S6-1). 예를 들어, 마스터 장치에 과부하가 인가되는 경우, 마스터 장치는 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경하도록 제어될 수 있다.
이때, 마스터 모드로 세팅된 마스터 장치에 대한 정전압 정주파수(CVCF) 제어에 이상이 발생되면(S6-2), 예를 들어, 전류가 허용 범위를 벗어난 경우, 상기 마스터 모드로 세팅된 마스터 장치는 마이크로그리드에서 분리될 수 있다(S6-3).
한편, 슬레이브 모드로 세팅된 슬레이브 장치들에 대한 제어가 개시되면(S5-4), 상기 슬레이브 모드로 세팅된 슬레이브 장치들은 전력 제어로 운전될 수 있다(S7-1).
이때, 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 것으로 확인되면(S7-2), 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 슬레이브 모드에서 마스터 모드로 운전 모드가 스스로 전환되고, 이에 따라, 정전압 정주파수(CVCF)로 제어될 수 있다(S8).
이에, 중앙 제어기(130)는 나머지 슬레이브 장치들에 대한 우선 순위를 새롭게 부여하는 명령을 출력할 수 있다(S9-1).
이에, 나머지 슬레이브 장치들의 우선 순위가 세팅되며, 전력 제어로 운전될 수 있다(S9-2).
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 마스터 장치의 마스터 모드를 위한 제어 블록도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 슬레이브 장치의 슬레이브 모드를 위한 제어 블록도이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 마스터 모드는 일정한 주파수의 전압을 출력할 수 있다. 이때, 마스터 모드에서는 중앙 제어기(130) 또는 전력변환장치(도 2의 122) 자체에서 설정한 기준값으로 출력 전압의 크기를 제어할 수도 있고, 출력 전압의 크기를 일정하게 유지할 수도 있다.
다른 장치의 출력이나 부하가 급격하게 변동하여 마스터 장치에 과부하가 인가되는 종래의 마스터-슬레이브 제어 방법과는 다르게, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마스터 장치는 과부하의 크기와 지속 시간을 줄이기 위하여 주파수를 공칭 주파수에서 다른 주파수로 이동시킬 수 있다.
정상 상태에서, 마스터 장치의 장치 제어기(도 2의 123)는 출력 전압의 위상각 θt을 일정한 크기로 증가시키고, 주파수를 일정하게 유지할 수 있다. 하지만, 마스터 장치 유효 전력 Pmaster의 절대값이 공칭 전력보다 높아지면, 하기의 계산식 1을 통하여, 위상각 보상값
Figure 112022038905902-pat00001
을 계산할 수 있다.
[계산식 1]
Figure 112022038905902-pat00002
여기서, 상기 s는 마스터 장치 유효 전력의 부호로, 유효 전력이 에너지저장장치에서 마이크로그리드로 공급될 때 부호는 (-)이고, 유효 전력이 마이크로그리드에서 에너지저장장치로 공급될 때 부호는 (+)이다. 또한, Kθ는 위상각 보상값을 계산하기 위한 계수이다. 주파수 변동 범위(허용 범위)를 제한하기 위하여, 상기 계산식 1과 같이 계산된 위상각 보상값의 최대값과 최소값이 제한될 수 있다.
마스터 장치에서 출력하는 전압의 위상각은 하기의 계산식 2를 통하여 계산될 수 있다.
[계산식 2]
Figure 112022038905902-pat00003
여기서, 상기 θt-1는 이전 주기에서의 위상각이며, θs는 장치 제어기의 1 샘플링 주기 동안의 위상각 변화량으로, 상기 위상각 변화량은 하기의 계산식 3을 통하여 계산될 수 있다.
[계산식 3]
Figure 112022038905902-pat00004
여기서, 상기 fsampling는 마스터 모드에서의 샘플링 주파수이다.
만약, 위상각 보상값이 0이라면, 전압 위상각은 매 샘플링 주기마다 θs 증가하여 공칭 주파수가 될 수 있다.
위상각 보상값의 부호가 (+)인 경우에는 위상각이 더 빠르게 증가하고, 주파수는 공칭 주파수보다 높게 된다. 반대로, 위상각 보상값의 부호가 (-)인 경우에는 위상각이 더 느리게 증가하고 주파수는 공칭 주파수보다 낮게 된다.
마스터 장치에서 주파수를 공칭 주파수와 다른 값으로 이동시키면, 슬레이브 모드에서, 주파수-유효전력 드룹 제어가 작동하여, 공칭 전력을 초과한 마스터 장치의 유효 전력 일부를 슬레이브 장치들이 분담한다. 이후, 중앙 제어기에서 마스터 장치의 과부하를 반영하여, 새로운 유효 전력 기준값을 슬레이브 장치에 지령하면, 마스터 장치에서 출력되는 주파수, 즉, 마이크로그리드의 주파수는 공칭 값으로 회복될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 슬레이브 모드에서는 중앙 제어기의 지령에 따라서 유효 전력과 무효 전력을 제어하고, 마이크로그리드의 주파수와 전압 크기에 따라서 주파수-유효전력 드룹과 전압-무효전력 드룹이 동작하여 유효 전력과 무효 전력 제어기를 보조할 수 있다.
또한, 슬레이브 모드에서는 주파수를 통하여 마스터 장치의 상태를 점검할 수 있다. 마이크로그리드의 주파수가 허용 범위를 벗어나면, 우선 순위가 높은 슬레이브 장치는, 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 것으로 판단하고 스스로 마스터 장치로 전환하여 주파수를 일정하게 유지할 수 있다.
슬레이브 장치에서 마이크로그리드로 유효 전력을 공급할 때, 즉, 배터리 방전을 통하여, 마이크로그리드로 유효 전력이 공급될 때, 유효 전력의 부호는 (+)이다. 중앙 제어기는 분산 전원의 발전량, 부하의 전력 수요, 그리고 에너지저장장치들의 배터리 충전 상태를 고려하여 각각의 슬레이브 장치에 유효 전력 기준값을 지령할 수 있다.
중앙 제어기에서 유효 전력 기준 값을 지령하면, 슬레이브 모드에서는 중앙 제어기에서 보내온 유효 전력 기준값과 마이크로그리드의 주파수에 따른 드룹 보상값을 합산하여 유효 전력을 제어할 수 있다. 슬레이브 모드에서는 하기의 계산식 4를 통하여 계산된 기준값 P*에 따라서 슬레이브 장치의 유효 전력을 제어할 수 있다.
[계산식 4]
Figure 112022038905902-pat00005
여기서, 상기 P* central은 중앙 제어기에서 보내온 유효 전력 기준값이며, Kactive는 주파수-유효전력 드룹 계수이고, fm는 측정한 마이크로그리드의 주파수이다.
만약, 주파수가 설정 범위 보다 높다면, 즉, (fnom+Δfmin)보다 높은 주파수에서, 슬레이브 장치는 마이크로그리드로 보내는 유효 전력을 감소시키거나 마이크로그리드에서 가져오는 유효 전력을 증가시키는 방향으로 작동하게 된다. 반대로, (fnom-Δfmin)보다 낮은 주파수에서는 마이크로그리드로 보내는 유효 전력을 증가시키거나 마이크로그리드에서 가져오는 유효 전력을 감소시키는 방향으로 작동하게 된다. 유효 전력 기준값이 결정되면, q축 전류 기준값 I* q를 계산한다.
정상적인 조건이라면, 마스터 장치가 주파수를 일정하게 유지하기 때문에 마이크로그리드의 주파수가 공칭 주파수로 일정하게 유지된다. 그러나 3가지의 경우에 주파수가 변동될 수 있다.
첫번째, 부하 또는 분산 전원의 유효 전력이 급변하는 경우, 슬레이브 장치에서 측정된 주파수가 짧은 시간 동안 공칭 주파수와 달라질 수 있다. 이 경우에는 슬레이브 장치의 장치 제어기가 반응하기 전에 마이크로그리드의 주파수가 공칭 주파수로 회복될 수 있다. 두번째, 마스터 모드에서 설명한 것과 같이, 분산 전원의 유효 전력 또는 부하의 급격한 변동에 의하여 마스터 장치가 공칭 전력을 초과하는 과도 전력을 부담해야 할 경우, 마스터 모드가 작동되어, 허용 범위 내에서 주파수를 낮추거나 높일 수 있다. 세번째, 마스터 장치가 사고에 의해서 마이크로그리드에서 분리된 경우, 주파수가 변동하게 된다.
슬레이브 모드의 또 다른 기능은 마이크로그리드의 주파수를 측정하여 마스터 장치가 정상적으로 동작하는지 여부를 확인하는 것이다. 전술한 바와 같이, 마스터 장치가 마이크로그리드에 연결되어 운전되고 있다면, 주파수는 공칭 주파수에서 일정한 범위 이내로 유지될 수 있다. 그러나 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리되면, 상황에 따라 주파수가 변동될 수 있다.
마스터 장치가 부담하던 유효 전력이 크지 않고 슬레이브 장치의 드룹 제어가 충분히 보상 한다면, 마이크로그리드의 주파수가 허용 범위 이내를 유지하여, 슬레이브 장치는 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 것으로 판단하지 못할 수 있다. 이런 경우에는 중앙 제어기에서 통신을 통하여 우선 순위가 높은 슬레이브 장치에 마스터 장치로의 전환을 지령할 수 있다.
마스터 장치에서 부담하던 유효 전력이 크거나 슬레이브 장치의 드룹 제어가 충분히 보상하지 못했다면, 마이크로그리드의 주파수는 허용 범위를 벗어날 수 있다. 이런 경우, 슬레이브 장치는 마스터 장치가 전력망에서 분리된 것으로 판단하고, 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 스스로 마스터 장치로의 전환을 결정할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 마스터 장치가 마이크로그리드에 연결되어 있다면, 슬레이브 장치에서 측정된 주파수는 회색으로 표시되어 있는 (fnom-Δfmaster_low)보다 높고 (fnom+Δfmaster_high)보다 낮은 범위를 유지할 수 있다.
슬레이브 장치의 주파수-유효전력 드룹 제어는 (fnom-Δfmin)보다 낮거나 (fnom+Δfmax)보다 높은 주파수에서 작동될 수 있다. 슬레이브 장치의 주파수-유효전력 드룹 제어가 작동해도 주파수가 (fnom-Δflow)보다 낮거나 (fnom+Δfhigh)보다 높아지면, 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 것으로 판단하여, 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 마스터 장치로 전환되어 일정한 주파수를 공급할 수 있다.
각 에너지저장장치의 장치 제어기에서 사용하는 클럭 소자의 정밀도를 고려하여 Δflow는 Δfmaster_low보다 0.1㎐ 이상 낮게 설정할 수 있다. 동일하게 Δfhigh는 Δfmaster_high보다 0.1㎐ 이상 높게 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마스터 장치에서 고장이 발생되면, 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 정전압 정주파수로 전환되어 기저 전원으로 작동하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템에서, 마스터 장치에 고장이 발생한 경우, 슬레이브 장치의 운전 모드 전환을 설명하기 위한 도면으로, 도 7을 참조하면, 마스터 장치에서 고장이 발생되기 이전에는 주파수 편차가 허용 범위를 유지한다. 이때, 마스터 장치에 고장이 발생되지 않았어도 측정 위치에 따라서 주파수가 흔들리는 것처럼 보일 수 있다. 그러나 마스터 장치에서 고장이 발생된 경우, 주파수는 계속 낮아지거나 높아진다.
슬레이브 장치는, 주파수 편차가 허용 범위를 벗어날 경우, 드룹 제어를 시작한다. 주파수가 낮아지면, 슬레이브 장치는 유효 전력 방전량을 증가시키거나 충전량을 감소시킨다.
그러나 드룹 제어를 해도 주파수가 허용 범위를 벗어날 경우, 슬레이브 장치는 마스터 장치가 고장으로 마이크로그리드에서 분리된 것으로 판단하여, 마스터 모드로 작동되는 마스터 장치로 전환된다. 이후, 중앙 제어기는 대기중인 에너지저장징치를 슬레이브 장치로 작동시키거나 다른 발전원을 작동시킬 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템을 검증하기 위한 시뮬레이션 모델 구성도이고, 도 9는 도 8의 시뮬레이션 모델 회로도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 시뮬레이션 기간을 단축하기 위하여, 시뮬레이션 모델에는 디젤 발전기, 태양광 발전 그리고 풍력 발전은 포함되지 않았다. 전력 계통에 연계되어 출력을 제어하는 장치들은 전류원과 같아서, 시뮬레이션 모델에 3상 정전류원 lcs 1세트를 사용하였다.
100㎾급 에너지저장장치 3세트를 사용하였고, 순서대로 ESS1, ESS2, ESS3으로 표시하였다. ESS1이 마스터 장치로 지정되어 운전을 시작하고 2.8초 이후에 전력망에서 분리된다. ESS2와 ESS3은 슬레이브 장치로 지정되며, ESS2가 높은 우선 순위를 갖는다.
부하는 순수 저항성 부하와 정류성 부하로 단순화하였다. 정류성 부하는 단상 부하 2세트와 3상 부하 1세트, 저항성 부하는 총 5세트를 사용하였다. 부하는 사전에 설정된 시간에 전력망에 연결되거나 분리된다.
에너지저장장치의 공칭 전압은 380V이며, 배전망의 공칭 전압은 6.4㎸이다. 변압기의 누설 임피던스는 6.5%이고, 배선 선로는 저항 성분이 우세하다.
분산 전원은 에너지저장장치들 ESS1, ESS2, ESS3으로 구성되며 정전류원은 CS로 표시하였다. 에너지저장장치 제어기는 DLL 파일로 구현하였으며, 샘플링 주파수는 10㎑, PWM 주파수는 5㎑이다. 마이크로그리드의 중앙 제어기는 별도로 구현하기 않았고, 유효 전력 기준값은 각 장치별로 패턴을 지정하였다. 이때, 무효 전력은 0으로 설정하였다.
도 10은 시뮬레이션 모델의 초기 기동을 보여준다. 도 10을 참조하면, 3세트의 에너지저장장치에서 마이크로그리드에 공급하는 유효 전력은 각각, PESS1, PESS2, PESS3, 정전류원에서 공급하는 유효 전력은 Pcs, 정유기에서 직류로 변환된 전력을 소비하는 부하의 유효 전력은 각각, Prect1, Prect2, Prect3, 교류 전력을 소비하는 저항 부하의 유효 전력은 각각, PRd1, PRd2, PRd3, PRd4, PRd5이다.
마스터 장치 ESS1이 동작을 시작하여 전압 Vab_ESS1을 마이크로그리드에 공급한다. 마스터 장치에서 일정한 주파수를 공급해도, 각각의 장치에서는 부하 또는 발전량이 변동하는 순간 주파수가 미세하게 달라진다.
각각의 에너지저장장치에서 마이크로그리드에 공급하는 전류(la_ESS1, la_ESS2, la-_ESS3)는 마이크로그리드의 부하와 각 장치의 동작에 따라 달라진다. 슬레이브 장치는 각각의 유효 전력과 무효 전력 기준에 따라서 전류가 결정되지만, 마스터 장치의 전류 la_ESS1는 마이크로그리드에서 유효 전력과 무효 전력, 각각의 수요와 공급에 따라서 결정되기 때문에 부하가 급변하거나 다른 전원의 출력이 달라지면 급격하게 변동된다. 마이크로그리드의 배전 임피던스 2세트에 흐르는 전류(lDL1, lDL2)는 에너지저장장치의 부하의 상태에 따라서 결정된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템을 검증하기 위하여 마스터 장치의 주파수 이동에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도 11은 마스터 장치에 과부하가 인가되어도 공칭 주파수가 유지되는 경우의 시뮬레이션 결과이고, 도 12는 마스터 장치에 과부하 인가 시 주파수가 이동되는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
저주파수 트립 레벨을 57㎐로 설정하고, 슬레이브 장치가 드룹 제어를 시작하는 주파수의 하한값(Δfmin)은 0.1㎐, 마스터 장치의 주파수 하한값(Δfmaster_low)은 59.1㎐이다. 공칭 주파수를 유지하는 경우, 3.2초에 저항 부하 Rd5가 분리되기 전에 마스터 장치의 유효 전력은 대략 145㎾이다. 주파수를 이동하는 경우, 저항 부하 Rd5가 분리되기 전에 마스터 장치의 유효 전력은 대략 128.5㎾이다.
즉, 주파수 이동에 의해서 마스터 장치의 과부하가 개선된 것을 확인할 수 있다. 주파수 하한값을 더 낮추거나 슬레이브 장치의 드룹 계수를 높인다면, 슬레이브 장치에서 부담하는 유효 전력이 증가하여 마스터 장치의 과부하를 더욱 개선할 수 있다. 부하가 감소되거나 중앙 제어기에서 슬레이브 장치에 새로운 전력 기준값을 지령하여 유효 전력이 증가하게 되면, 마스터 장치의 과부하 상태가 해결되고, 주파수는 공칭 주파수로 회복된다.
마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 이후, 시뮬레이션은 슬레이브 장치가 마스터 장치로 전환되는 경우와 전환되지 않는 경우를 비교하였다.
마스터 장치(ESS1)가 계통에서 분리되는 순간 우선 순위가 높은 슬레이브 장치(ESS2)의 유효 전력, 슬레이브 장치(ESS2, ESS3)의 드룹 계수 설정, ESS2의 마스터 장치로 전환 여부를 조건으로 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 조건과 결과는 아래 표 1에 나타내었다.
ESS2 드룹 계수 제어 Case 과도 상태


60㎾ 방전
낮음		 드룹 제어 유지 Case1 안정
모드 전환 Case2 안정

높음		 드룹 제어 유지 Case3 리플 발생
모드 전환 Case4 리플 발생


10㎾ 방전
낮음		 드룹 제어 유지 Case5 정전
모드 전환 Case6 안정

높음		 드룹 제어 유지 Case7 리플 발생
모드 전환 Case8 안정


60㎾ 충전
낮음		 드룹 제어 유지 Case9 정전
모드 전환 Case10 안정

높음		 드룹 제어 유지 Case11 정전
모드 전환 Case12 안정
마스터 장치인 ESS1이 마이크로그리드에서 분리된 후 우선 순위가 높은 슬레이브 장치인 ESS2가 드룹 제어를 유지하면, 드룹 계수의 크기에 따라서 과도 상태 리플이 발생되거나 정전이 발생되었다.
그러나 마스터 장치인 ESS1이 마이크로그리드에서 분리된 후 우선 순위가 높은 슬레이브 장치인 ESS2가 마스터 장치로 전환된 경우에는 대부분 안정적으로 동작하였으며, 슬레이브 장치의 드룹 계수가 높은 일부 경우에 과도 상태 리플이 발생되었다. 즉, 마스터 장치인 ESS1이 마이크로그리드에서 분리된 후 우선 순위가 높은 슬레이브 장치인 ESS2가 마스터 장치로 전환된 경우에는 낮은 드룹 계수를 사용한다면 주파수를 안정적으로 유지할 수 있었다.
비교 예1
비교 예1은 드룹 계수가 낮고, ESS2가 60㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 드룹 제어를 유지하는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 13을 참조하면, 비교 예1의 경우, 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면 주파수가 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 작동되어 유효 전력의 출력을 증가시킨다.
주파수는 3초 이전에 약 59.2㎐, 3초에 부하 Rd4가 전력망에 연결된 이후에는 58.2㎐ 정도로 안정된다. 주파수를 공칭 주파수로 회복하기 위해서는 중앙 제어기에서 ESS2와 ESS3으로 보내는 유효 전력 기준값을 증가시켜야 한다.
실시 예1
실시 예1은 드룹 계수가 낮고, ESS2가 60㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 마스터 장치로 전환되는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 14를 참조하면, 실시 예1은 비교 예1과 동일하게 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면, 주파수가 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 작동되어 유효 전력의 출력을 증가시킨다. 그러나 3초에 부하 Rd4가 전력망에 연결되어 주파수가 59㎐ 이하로 내려가면 ESS2가 마스터 장치로 전환되어 주파수를 공칭 주파수로 유지한다.
단, ESS2가 마스터 장치로 전환된 이후 과부하 상태가 되기 때문에 마이크로그리드의 주파수를 59.1㎐로 이동시켜 과부하 상태를 완화시킨다.
비교 예2
비교 예2는 드룹 계수가 높고, ESS2가 60㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 드룹 제어를 계속 유지하는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
실시 예2
실시 예2는 드룹 계수가 높고, ESS2가 60㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 마스터 장치로 전환되는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 15를 참조하면, 비교 예2와 실시 예2의 경우, 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면, 주파수가 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 유효 전력의 출력을 증가시킨다. 이때, 비교 예2와 실시 예2의 경우, 드룹 계수가 높기 때문에 비교 예1에 비하여 주파수 강하폭은 낮지만 과도 상태에서 리플이 발생된다. 3초에 Rd4가 연결되어도 주파수가 59.4㎐ 이상으로 유지되기 때문에 ESS2는 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리된 것으로 판단하지 못하고 슬레이브 모드 상태를 유지한다. 이때는 중앙 제어기에서 ESS2에 마스터 모드로의 전환을 지령해야 한다.
비교 예3
비교 예3은 드룹 계수가 낮고, ESS2가 10㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 드룹 제어를 유지하는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 16을 참조하면, 비교 예3의 경우, 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면 주파수가 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 작동된다. 그러나 드룹 계수가 낮게 설정된 ESS2와 ESS3이 빠르게 반응할 수 없기 때문에 ESS2와 ESS3은 전압 이상 또는 주파수 이상으로 정지하게 된다.
즉, 마이크로그리드는 정전 상태가 된다. 주파수가 다시 60㎐로 회복된 것처럼 보이는 것은 트립으로 정지한 이후 ESS2와 ESS3 제어기 PLL의 동작에 의한 것이다.
실시 예3
실시 예3은 드룹 계수가 낮고, ESS2가 10㎾를 방전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 마스터 장치로 전환되는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 17을 참조하면, 실시 예3은 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면, 주파수가 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 작동된다. 그러나 주파수는 계속 낮아지고, ESS1이 전력망에서 분리된 것으로 판단한 ESS2가 마스터 장치로 전환된다. ESS2가 마스터 장치로 전환되면, 주파수를 일정하게 제어하기 때문에 마이크로그리드는 빠르게 안정된다.
3초 이후에 Rd4가 전력망에 연결되면 순간적으로 ESS2의 출력이 공칭 전력보다 더 높게 되기 때문에, ESS2에서 주파수를 이동시킨다.
실시 예4
실시 예4는 드룹 계수가 낮고, ESS2가 60㎾를 충전하는 상황에서 ESS1이 전력망에서 분리되고, ESS2가 마스터 장치로 전환되는 경우에 대하여 시뮬레이션 하였다.
도 18을 참조하면, 실시 예4는 2.8초에 ESS1이 전력망에서 분리되면, 주파수는 낮아지고, ESS2와 ESS3의 드룹 제어가 작동되어, ESS2의 충전량은 감소시키고 ESS3의 발전량은 증가시킨다.
그러나 주파수는 계속 낮아지고, 결국, 허용 범위를 벗어나서 ESS2가 마스터 장치로 전환된다. ESS2가 마스터 장치로 전환되면, ESS2는 충전에서 방전으로 자동으로 전환되어 주파수를 일정하게 제어한다. ESS2가 충전하는 상황이었기 때문에 다른 경우보다 주파수의 강하폭이 더 크다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템 제어 방법에 대하여 도 19를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 각 구성들의 도면 부호는 도 1 및 도 2를 참조한다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로그리드 시스템 제어 방법은 S110 단계 내지 S130 단계를 포함할 수 있다.
S110 단계
상기 S110 단계에서는 복수 개의 에너지저장장치(120) 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치(120)는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치(120)는 슬레이브 장치로 설정할 수 있다.
이때, 상기 S110 단계에서는 복수 개의 에너지저장장치(120)의 충전 상태 및 각종 데이터에 기반하여, 마스터 장치 및 슬레이브 장치를 설정할 수 있다. 예를 들어, S110 단계에서는 배터리(121)의 충전율이 가장 높은 에너지저장장치(120)를 마스터 장치로 설정할 수 있다.
한편, S110 단계에서는 슬레이브 장치에 대한 우선 순위를 부여할 수 있다. 마스터 장치가 마이크로그리드에서 분리되는 경우, 우선 순위가 가장 높은 슬레이브 장치가 마스터 장치로 전환될 수 있다.
S120 단계
상기 S120 단계에서는 마스터 장치에서 일정한 전압 및 일정한 주파수가 출력되다가, 과부하가 인가되면, 정상 상태에서의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경되도록 할 수 있다. 이를 통하여, 마스터 장치에서 부담하는 과부하의 크기와 과도 상태의 지속 시간을 줄일 수 있따.
S130 단계
상기 S130 단계에서는 슬레이브 장치를 통하여, 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링할 수 있다. 이를 통하여, S130 단계에서는 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인할 수 있다.
S130 단계에서는 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우, 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹 제어를 통하여, 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담할 수 있다.
또한, S130 단계에서는 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹 제어를 통하여, 마스터 장치에 인가되는 유효 전력이 분담되면, 마스터 장치의 출력 주파수 변경 값을 정상 상태에서의 출력 주파수 값으로 복귀시킬 수 있다.
여기서, 마스터 장치의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 슬레이브 장치들에 의하여 모니터링되는 경우, 슬레이브 장치는 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 것으로 인식할 수 있다. 이에, 우선 순위가 높은 슬레이브 장치는 스스로 마스터 장치로 전환될 수 있다.
다른 예로, 우선 순위가 가장 높은 슬레이브 장치가 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링할 수 있으며, 마스터 장치의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 모니터링되는 경우, 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 것으로 인식하여, 스스로 마스터 장치로 전환될 수 있다.
한편, S130 단계에서는 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 상황을 슬레이브 장치가 인식하지 못한 경우, 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치를 마스터 장치로 전환시킬 수 있다.
또한, S130 단계에서는 나머지 슬레이브 장치들에 대한 우선 순위를 새롭게 부여할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100; 마이크로그리드 시스템
110; 분산 전원
120; 에너지저장장치
120a; 제1 에너지저장장치
120b; 제2 에너지저장장치
120c; 제3 에너지저장장치
121; 배터리
122; 전력변환장치
123; 장치 제어기
130; 중앙 제어기
131; 저속 통신망
140; 비상 발전 설비

Claims (7)

  1. 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원;
    상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치; 및
    상기 분산 전원 및 복수 개의 에너지저장장치를 제어하는 중앙 제어기;를 포함하되,
    상기 중앙 제어기는, 상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하며,
    상기 마스터 장치는, 정상 상태에서, 일정한 전압 및 일정한 주파수를 출력하다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수를 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경하되,
    상기 에너지저장장치는,
    충, 방전이 가능한 배터리;
    상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전시키거나 상기 배터리에 충전되어 있는 전력을 변환하여 외부로 방전시키는 전력변환장치; 및
    상기 배터리에 대한 충전 또는 방전이 이루어지도록, 상기 전력변환장치를 제어하는 장치 제어기;를 포함하되,
    상기 에너지저장장치가 슬레이브 장치인 경우, 상기 장치 제어기는 상기 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링하여, 상기 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인하며,
    상기 마스터 장치의 출력 주파수에 대한 모니터링을 통하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우,
    상기 슬레이브 장치는, 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담하고,
    상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력이 분담되면, 새로운 유효 전력 기준값을 상기 슬레이브 장치에 지령하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수 변경 값을 정상 상태에서의 출력 주파수 값으로 복귀시키는, 마이크로그리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치에 대한 우선 순위를 부여하며,
    상기 마스터 장치의 출력 주파수가 상기 기 설정된 허용 범위를 벗어난 것으로 모니터링되는 경우, 상기 슬레이브 장치는 상기 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 것으로 인식하여, 상기 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치가 스스로 마스터 장치로 전환되는, 마이크로그리드 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 마스터 장치가 마이크로그리드로부터 분리된 상황을 상기 슬레이브 장치가 인식하지 못한 경우,
    상기 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치 중에서 우선 순위가 높은 슬레이브 장치를 마스터 장치로 전환시키고, 나머지 슬레이브 장치들에 대한 우선 순위를 새롭게 부여하는, 마이크로그리드 시스템.
  7. 재생 가능한 에너지를 에너지원으로 하여 전력을 생산하는 분산 전원 및 상기 분산 전원과 연결되어 마이크로그리드를 이루되, 상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 기 저장되어 있는 전력을 외부로 출력하는 복수 개의 에너지저장장치를 포함하는 마이크로그리드 시스템을 제어하는 방법으로,
    상기 복수 개의 에너지저장장치 중에서, 어느 하나의 에너지저장장치는 마스터 장치로 설정하고, 나머지 에너지저장장치는 슬레이브 장치로 설정하는 단계;
    정상 상태에서는 상기 마스터 장치에서 일정한 전압 및 일정한 주파수가 출력되다가, 과부하가 인가되면, 상기 정상 상태에서의 출력 주파수가 기 설정된 허용 범위 내에서 다른 값으로 변경되도록 하는 단계; 및
    상기 슬레이브 장치를 통하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링하여, 상기 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인하는 단계;를 포함하되,
    상기 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우, 상기 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담하되,
    상기 에너지저장장치는,
    충, 방전이 가능한 배터리;
    상기 분산 전원으로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전시키거나 상기 배터리에 충전되어 있는 전력을 변환하여 외부로 방전시키는 전력변환장치; 및
    상기 배터리에 대한 충전 또는 방전이 이루어지도록, 상기 전력변환장치를 제어하는 장치 제어기;를 포함하되,
    상기 에너지저장장치가 슬레이브 장치인 경우, 상기 장치 제어기는 상기 마스터 장치의 출력 주파수를 모니터링하여, 상기 마스터 장치의 정상 작동 여부를 확인하며,
    상기 마스터 장치의 출력 주파수에 대한 모니터링을 통하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수가 다른 값으로 변경된 것으로 확인되는 경우,
    상기 슬레이브 장치는, 주파수-유효전력 드룹(droop) 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력을 분담하고,
    상기 분산 전원 및 상기 복수 개의 에너지저장장치를 제어하는 중앙 제어기는, 상기 슬레이브 장치에 대한 주파수-유효전력 드룹 제어를 통하여, 상기 마스터 장치에 인가되는 유효 전력이 분담되면, 새로운 유효 전력 기준값을 상기 슬레이브 장치에 지령하여, 상기 마스터 장치의 출력 주파수 변경 값을 정상 상태에서의 출력 주파수 값으로 복귀시키는, 마이크로그리드 시스템 제어 방법.
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