The Coordination Control of DC Microgrid on the Whole Operation Range

직류형 마이크로그리드의 전운전영역을 고려한 협조제어

Abstract

Recently, one of the main research on the power distribution system is the microgrid. The microgrid is a combination of power sources and loads, which is controllable and has separable connection. The main objective of microgrid is the deployment of the renewable clean energy and the enhancement of load-side reliability. The modern power sources and loads have DC I/O interfaces, which is the major advantage of DC microgrid compared to the conventional AC grid. The components in the microgrid have diverse features, so there is need of proper coordination control. For achieving economic feature, the active power of renewable energy resources is regarded as major control parameter and the whole operation modes of DC microgrid are defined, and the proper operations of each component are described. From the inherent characteristics of DC, there are two control variables: voltage and active power. Through analysis of operation modes, it is possible to determine exact control objectives and optimized voltage & power control strategy in each mode. Because of consideration of whole operation modes, regardless of the number and capacity of components, this coordination control method can be used without modification. This paper defines operation mode of DC microgrid with several DC sources and suggests economic and efficient coordinated control methods. Simulation with PSCAD proves effectiveness.

1. 서 론

스마트그리드의 주요한 목적은 신뢰성 높은 전력 공급, 신재생 에너지의 보급 및 확산, 전력품질의 개선, 효율최대화, 분산전원의 합리적인 구성, 경제적이고 환경친화적인 운영 등으로 볼 수 있다. 스마트그리드의 발전 방향은 크게 네 가지로 구분된다. 이는 Advanced Metering Infra(AMI), Advanced Distribution Operation(ADO), Advanced Transmission Operation(ATO), Advanced Asset Management(AAM)이다[1]. 이중 배전 분야인 ADO에서 중요한 요소가 마이크로그리드이다. 마이크로그리드는 매우 다양하게 정의가 되고 있다[2~4]. 간략하게 말하면 배전 계통 내에서 마이크로그리드는 제어가능하고 계통에서 분리가 가능한 발전기능을 가지고 있는 부하이다. 경제 및 환경의 문제에 있어서 신재생 에너지의 보급 및 확산은 매우 중요하며 이를 실행할 수 있는 가장 훌륭한 방법은 마이크로그리드의 적용이다. 대부분의 신재생 에너지는 간헐적이고 제어 불가능한 특성을 가지고 있기 때문에 계통에서의 점유율이 올라갈수록 전제 계통을 불안정하게 만든다. 따라서, 신뢰성 있고 안정적인 신재생 에너지의 사용을 위한 최적의 방법은 신재생 에너지와 계통 사이에 연계되어 있는 컴포넌트를 지능적이고 유연하게 운영하는 것이다. 이러한 최적의 컴포넌트가 바로 마이크로그리드이다. 분산전원의 확장은 전통적인 중앙집중식 대규모 전력계통을 소형의 지능형 분산전력시스템으로 변화시키게 되며 소비자의 안정되고 신뢰성있는 전력공급의 요구가 지속적으로 증가함에 따라 전력시스템 운영은 생산자 중심에서 소비자 중심으로 변화하게 된다. 그러한 신뢰성과 안정성의 확보를 위해서는 마이크로그리드의 적용이 필연적이다. 마이크로그리드는 모선전압의 형태에 따라 교류형과 직류형으로 크게 나뉜다. 현재의 발전원 및 부하 등의 컴포넌트들은 전자식 기술의 적용을 통해 대부분 직류형의 인터페이스를 가지고 있으며 직류부하 또한 지속적으로 증가하고 있는 상황이다. 이러한 경향은 교류형 마이크로그리드에 비해 직류형 마이크로그리드에게 많은 장점을 가지게 했으며 이는 아래와 같다. ◇직류형 발전원(PV, Fuel Cell)과의 연계 용이 ◇직류형 저장장치(Battery, SuperCap)와의 연계 용이 ◇비동기 기기(WT)와의 연계 용이 ◇직류부하에 대한 인버터 사용 불필요 ◇전송효율 증대 ◇PHEV와의 연계 용이

현재까지의 대부분의 연구는 직류 배전망에 대한 부분[5-7]이 대부분이며 직류시스템은 주파수를 포함하고 있지 않기 때문에 제어의 단순성은 전체 시스템의 안정도 및 신뢰성을 증가시키게 된다. 그리고 직류와 교류 양방향의 변환과정이 줄어들수록 전체 시스템의 효율은 더욱 증가하게 된다. 또한, 환경 친화적인 기술에 대한 요구는 계속 증가하고 있어 직류 마이크로그리드의 실현가능성을 더욱 높이게 된다[8~15]. 반면, 직류 마이크로그리드의 적용에는 정책상(보조금 및 세제혜택, 전력시장의 참여, 환경관련 우대 등), 기술상(DC/DC 변환기, DC 차단기, 보호기술, 제어기술 등)의 여러 난관 또한 존재한다[16]. 하지만 이러한 난관들은 머지않아 해결될 것이며 이를 위해 직류 마이크로그리드를 위한 효율적인 협조제어방법의 개발은 필수적인 것이다. 본 연구에서는 직류 마이크로그리드의 효율적인 운전을 위하여 주요제어대상인 전압과 전력제어의 구체적인 운영 방법을 제시하고 직류 마이크로그리드의 운전 형태에 따라 가능한 모든 운전 모드를 분석하고 그 특성에 따른 협조제어를 제안한다.

 

2. Control In DC Microgrid

직류 마이크로그리드의 확산을 위하여, 직류마이크로그리드의 안정적이고 신뢰성 있는 협조제어 방법이 필요하다. 주파수가 존재하지 않으므로 직류마이크로그리드의 제어 대상은 크게 모선전압 및 유효전력으로 나눌 수 있다.

2.1 Voltage Control Strategy

직류모선전압의 안정도는 직류 마이크로그리드 전체의 안정도를 나타낸다. 부하의 변화, 발전기의 변동, 계통과의 분리 및 연계, 내외부 고장발생 등으로 인해 마이크로그리드 시스템 모선전압은 불안정하게 된다. 마이크로그리드는 다양한 종류의 발전원을 가지고 있으며 이들은 각기 다른 시정수를 가지고 있다. 따라서 동시에 모든 유닛이 전압제어를 수행하는 경우에는 제어동작이 더욱 복잡해지며 Settling Time이 증가하게 된다. 직류 마이크로그리드의 전압 제어 방법은 크게 세가지로 구분된다 : 중앙집중식제어, 주종제어, 무주종제어[7,17]. 중앙집중식제어의 가장 큰 문제점은 통신이나 중앙제어기에 문제가 발생할 경우 전체 시스템의 동작에 문제가 발생하므로 분산 제어 형태인 주종제어가 필요하다는 연구들이 있다[7]. 하지만 주종제어의 경우 마이크로그리드 내부의 모든 제어기(PCS:Power Conditioning System)가 고성능의 프로세서, 운영체제, 통신프로토콜 스택 및 복잡한 관리 프로세스를 가지고 있어야 한다. 따라서 모든 제어기들의 고장율이 증가하게 되고 전체시스템의 구성 및 운영이 매우 복잡해진다. 즉, 전체 시스템의 고장율이 매우 높아지게 된다. 또한, 주종제어와 무주종제어는 경제적 운영 및 에너지 관리 기능을 구현하기에는 어려움이 있다. 무주종제어는 시스템의 규모가 확장하게 되면 안정적인 운전 영역이 줄며 시스템의 유연성이 줄어들게 된다. 따라서 에너지 관리 시스템(EMS:Energy Management System)을 가지는 경제적인 운전을 위해서는 중앙집중식 제어방식이 적합하다. 게다가 Active Distribution Network(ADN)과의 연계를 위해서는 중앙집중방식이 효과적이다. 전압제어를 위해 MGCC(MicroGrid Central Controller)는 마이크로그리드 내부의 유닛 중에서 주전압제어 유닛을 지정하여 전압제어를 수행하도록 한다. 만약에 주전압제어 유닛이 전압 안정도를 유지하지 못하는 경우에는 부전압제어 유닛이 협조하여 전압제어를 실행하게 된다. 어떠한 경우에도 전압제어에 투입되는 유닛은 최대 2대이며 주,부전압제어 유닛이 제어를 성공하지 못하는 경우에는 부하절체(Load Shedding) 를 진행하여 중요부하를 보호하게 된다. MGCC는 주,부전압 제어 유닛을 지정하기 위하여 마이크로그리드 내부의 모든 유닛의 정보를 취득하며 이에 따라 내부 유닛들의 우선순위 테이블을 구성하게 된다.

본 연구에서 제안하는 전력제어의 우선권은 각 유닛의 현재 발전량 혹은 충전량, 발전량의 기울기, 현재 운전 모드, 유닛의 상태등을 고려하여 계산된다. 현재운전모드에서 해당 유닛의 운전이 가능한 경우 Mode Flag(Smode)는 1이며 불가능한 경우에는 0이다. 따라서, 독립 운전되고 있는 경우에 계통연계제어기(GCC:Grid Connected Controller)는 Mode Flag가 0으로 설정된다. 유지보수나 고장이 발생하여 정지되어 있는 경우에는 해당 유닛의 Status Flag(Sstatus)는 0으로 설정되며 정상인 경우에는 1로 설정된다. 예를 들어 태양광발전(PV1, PV2), 풍력발전(WG1), 전력저장장치(ESS), 디젤엔진(DE)를 포함하고 있는 시스템은 아래와 같다.

표 1전압제어 우선순위 테이블(예) Table 1 Voltage Control Priority Table(Example)

풍력발전기는 현재 유지보수 상태에 있으므로 Sstatus는 0으로 설정되어 있다. 계산 결과에 따라 전력저장장치가 주전압제어장치로 지정이 된다. 직류 마이크로그리드의 안정성은 모선전압의 안정성에 크게 의존된다. 교류시스템의 관점에서 보면 전압의 RMS값이 정격전압의 10~80%를 초과 하는 상태로 0.5주기에서 1분사이를 유지하게 되는 경우 Swell이라고 부른다. 이와 반대로 정격전압의 10~90%인 상태로 0.5주기에서 1분 동안 유지하는 경우 Sag라고 부른다. RMS전압과 정격전압의 차가 10%를 넘는 상태로 1분 이상 유지되는 경우 이를 Overvoltage 또는 Undervoltage라고 부른다[18]. 직류시스템의 관점에서 보면 직류 전압은 교류의 RMS전압으로 판단할 수 있다. 따라서 이러한 전력 품질관련 표준(Sag, Swell, 순간정전)에 따라 전압제어를 수행하는 규칙을 만들 수 있다. 모선전압이 참고치를 따르지 못하는 상태가 0.5주기가 넘기 전까지는 주전압제어기가 전압제어를 수행하게 되며 0.5주기를 넘는 경우 부전압제어기가 전압제어를 동시에 수행하게 된다. Sag/Swell과 순간 정전의 시간 경계는 1분이며 이상상태가 1분을 넘게 되면 부하절체를 수행하여 주요부하의 전력품질을 유지한다. 따라서 본 연구에서 제안하는 전압제어전략은 표 2와 같다.

표 2제안하는 전력품질 기반의 전압제어 전략 Table 2 PQ-based Voltage Control Strategy

2.2 Power Control Strategy

유효전력의 제어 관련하여 주된 목적은 경제성 확보에 있다. 경제성 지수를 사용하여 MGCC는 각 유닛들의 제어우선순위를 정하고 이에 따라 적절한 레퍼런스 값을 지령하게 된다. 각 유닛은 다양한 연료(가솔린, 디젤, 수소 등)를 사용할 수 있으므로 MGCC는 다양한 연료비, 전기료, 운영 및 유지보수 비용, CO2 배출량[19] 등을 고려하여 실제적인 경제운전 및 환경친화적인 운전을 실행하게 된다.

다양한 전원들의 최적의 발전 배분을 위하여 상황에 맞게 다양한 기준으로 각 발전원의 발전량을 분배할 필요가 있다. 특히 마이크로그리드는 그 목적이 다양하므로 일관적인 목적을 가지고 사용하면 그 효용성이 떨어지는 결과를 얻게 된다. 적절할 발전 배분을 위해서 각전원의 상태 및 발전량을 취득하여야하며 이를 이용하여 각각의 목적에 맞게 목적함수를 구성해야 한다.

마이크로그리드의 운전 목적은 다음의 세가지로 구분할 수 있다. 첫째 경제성이다. 발전 배분 시에 연료비, 전기료, 등의 비용을 고려하여 비용이 가장 적게 발생하는 형태로 발전량을 배분한다. 두번째 신뢰성이다. 각각의 전원들은 운전을 진행하면서 발생하는 본래의 MTBF, 사고발생 수, 사고후지속시간, 누적정전시간, 등을 이용하여 신뢰성 지수를 작성할 수 있다. 이를 이용하여 신뢰성이 가장 높은 상태로 발전을 배분한다. 세번째 접근성이다. 마이크로그리드의 주요한 목적중에 하나는 시스템내의 주요부하에 대한 신뢰성을 확보하는 것이다. 따라서, 마이크로그리드 설계 단계에서 주요부하와 인접하게 발전원 및 저장장치를 위치하여 이상발생시에 근접한 위치에서 주요부하에 전력을 안정적으로 공급하도록 설계한다. 운전중에 중요부하의 신뢰성이 우선되는 경우에는 이러한 접근성을 최소로하는 발전 배분을 수행한다. 마이크로그리드 내부의 발전원 및 저장장치는 이러한 다양한 목적에 맞추어 운전을 수행하기 위하여 경제성, 신뢰성, 접근성에 관련된 지수들을 지속적으로 관리하여야 한다. 따라서 본 연구에서 제안 하는 각기기의 관련된 지수는 식(2~4)와 같다.

신뢰성지수에서 각 컴포넌트의 실제 고장 발생수가 가장 중요한 요소가 되어 누적고장 시간 및 제품의 MTBF(Meantime Between Failure)를 년단위로 계산하여 사용한다. MTBF는 값이 클수록 신뢰성이 높으므로 inverse하여 사용한다. 접근성 지수는 중요부하가 여러 개 존재할 수 있으므로 문제발생시에 전력을 공급해야 하는 가장 가까운 중요부하까지의 Km단위의 거리와 사이에 존재하는 컨버터의 개수를 사용한다.

현재 마이크로그리드의 운전상태가 경제성이 중요한 목적이 된다면 전력 배분을 위한 목적 함수는 다음과 같다(전체발전원:N).

신뢰성이 중요한 상태에서의 목적함수는 아래와 같다.

시스템에 문제가 발생하여 중요 부하의 전력 공급이 가장 중요한 경우에 접근성이 중요하며 이때의 목적함수는 아래와 같다.

마이크로그리드의 각 운전상태에 따라 목적함수가 다르게 선정되며 이에 따라 전력제어를 위한 우선표가 작성되어 각 발전원의 참고치를 지령하게 된다. 목적함수에서 사용하는 값들은 Status Flag에 의해 0으로 된 값들은 제외된다. 전형적인 전력 디맨드 관리의 시간인 15분에 한번씩 취득된 값들과 목적함수를 통하여 테이블을 갱신한다. 그 이외에 운전 모드가 변경되는 경우, 발전원이 해당하는 참고치를 출력하지 못하는 경우에도 테이블을 갱신한다. 테이블을 작성할 때에는 현재 발전원의 발전량 정보이외에 현재 운전상태 정보, 상위 배전계통에서의 요구량 및 부하의 요구량을 사용하여 각 발전원의 발전량을 결정한다. 따라서 아래와 같은 전력평형의 조건을 사용한다.

현재 경제성이 중요한 운전모드에서 운전이 되고 있다면 경제성 지수를 이용한 목적함수를 사용하여 전력배분을 수행한다. 예를 들어, 태양광발전(PV), 풍력발전(WG), 연료전지(FC), 디젤엔진(DE)를 포함하고 있는 시스템을 계통연계상태에서 운전하고 있다면 GCC의 Mode Flag는 1이 되고 연료전지는 현재 유지보수 상태라 가정하면 Status Flag는 0이 된다. 그 우선순위 테이블은 아래와 같다.

표 3유효전력제어 우선순위 테이블(예) Table 3 Power Control Priority Table(Example)

현재 운전모드가 내부 신재생원의 발전량이 부하 요구량보다 작은 상태이므로 태양광 및 풍력발전기는 최대전력제어(MPP : Maximum Power Point)를 실행하고 있다.각 유닛 중 그리드가 가장 우선순위가 높기 때문에 GCC를 통해서 필요한 전력을 공급받게 된다. 그리드에서 공급하는 전력이 계약전력을 초과하게 되면 계약전력 이상의 필요전력은 디젤 엔진을 통해서 공급받게 된다. 일반적으로 GCC는 전압제어를 수행하게 되는데 모선전압의 안정성이 매우 중요하므로 이 때에는 전력제어 우선순위 테이블 구성 시에 GCC를 제외하게 된다.

MGCC는 전압제어와 전력제어를 동시에 수행하여야 하며 경제적인 지수, 상위 배전자동화 시스템의 레퍼런스, 내부 컴포넌트들의 상태 및 운전 정보를 수집하는 것이 필수적이다. 이를 통해 MGCC는 전압 우선순위 테이블과 전력 우선 순위 테이블을 구성하여 제어를 위한 컴포넌트를 선택하고 각각의 레퍼런스를 전송한다. 협조제어를 위한 MGCC의 제어 순서도는 그림 1과 같다.

그림 1협조제어 순서도 Fig. 1 Flow Chart of Coordination Control

 

3. Operation Mode & Coordination Control

마이크로그리드는 내부 운영 정보 및 상태 정보 뿐만 아니라 외부의 명령 및 레퍼런스를 고려하여야 한다.그래서 마이크로그리드 자체의 운전 모드를 상세히 분석할 필요가 있다. 마이크로그리드의 전체 운전 모드는 6개로 나눌수 있다:Networked Generator, Networked Equilibrium, Networked Load, Isolated Generator, Isolated Equilibrium, Isolated Load. 마이크로그리드 제어에 관하여 전체 운전 모드, 배전자동화 시스템과의 협조, 마이크로그리드간의 협조에 대한 고려는 필수적인 사항이다. 마이크로그리드의 전체적인 운전 모드의 운전 방식을 분석하고 그때 내부 컴포넌트들의 운전 형태에 대하여 정의하는 것이 필요하다. 직류 마이크로그리드는 무효전력을 고려할 필요가 없으므로 운전 모드를 분석할 때에는 유효전력의 흐름만을 고려하면 된다. 이를 위해 아래의 몇 가지 파라미터의 정의가 필요하다.

Ppassive: 수동 발전원에 의한 발전량. 간헐적이고 제어가 불가한 연료 소비가 없는 형태의 신재생에너지가 대표적(Wind, PV, Tidal, Water, etc.) Pactive: 주동 발전원에 의한 발전량. 제어가 가능한 연료 소비 형태의 발전원(Diesel Engine, Fuel Cell, Gasoline Engine, Micro-turbine, etc.) Pstorage: 에너지 저장장치에 의한 충전량 혹은 방전량 (Super Capacitor, Battery, Flywheel, etc.) Pload: 부하에 의하여 요구되는 전력량 Pgrid: 외부전력망에서 공급되거나 소비되는 전력량

운전모드는 다음에서 정의하고 분석해 본다. 각 운전 모드에서의 목적을 정의하고 그에 따른 적절한 전압제어 및 전력제어를 통해 경제적이고 빠른 응답의 협조제어를 구현한다. 경제적인 운전을 목표로 하므로 파라미터 중 수동전원발전량을 운전모드 판별의 주요 파라미터로 선정한다. 그림 2에서 보면 마이크로그리드의 모든 운전영역을 볼 수 있다. 마이크로그리드의 정의에 따르면 독립운전은 실제 비정상적인 운전형태이다. 즉, 고장 또는 계획된 계통과의 분리에 의한 독립운전 상태도 가능한 한 빨리 계통 연계 형태로 운전이 되도록 변환하는 것이 필요하다. 따라서, 운전모드의 정의에서도 장시간의 운전을 고려할 필요는 없다.

그림 2직류 마이크로그리드의 전 운전 모드 Fig. 2 Whole Operation Mode of DC Microgrid

3.1 MODE1 : Networked Generator

내부 수동발전원의 발전량이 부하의 요구량을 초과하는 경우이며 그리드에 연계되어 있는 상태의 운전모드이다. 초과 발전되는 전력은 계통으로 전송하여 그에 따른 경제적 이익을 얻을 수 있다. 현대의 주동배전망(ADN : Active Distribution Network)에서는 전체 배전망의 안정성, 신뢰성, 효율을 위해서 수시로 전송이 가능하다. 또한 GCC는 배전계통의 요구에 의하여 무효전력을 보상하는데 사용되어 질 수 있다.

배전 자동화 시스템은 배전계통의 안정성을 높이기 위해 더 많은 전력을 공급해줄 것을 요구할 수 있으며 이때에는 주동 발전원을 사용하여 공급이 가능하다. 각 수동 발전원은 MPP 제어를 수행하게 된다. Pset.high은 배전계통에 공급할 수 있는 계약된 전력량의 최소값이며 이를 초과할 시에 마이크로그리드는 배전계통으로 전력을 공급하게 된다.

이 운전모드에서 직류 마이크로그리드는 배전계통상의 소형 발전기의 역할을 할 수 있다. 일반적으로 수동 발전원 들은 MPP 제어를 수행하고 주동 발전원들은 운전되지 않는다. 이 운전모드의 주요한 목적은 유연한 발전 제어를 통해서 경제적 이득을 취하는데 있다. 수동 발전원의 발전량에 여유가 있으므로 발전원중 신뢰성이 높은 전원을 사용하는 것이 유리하다. 따라서 유효전력 제어를 위해서는 신뢰성 지수를 이용하여 발전원을 선택하는 것이 유리하다.

3.2 MODE2 : Networked Equilibrium

이 모드는 마이크로그리드 내부의 수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량과 비슷하며 계통과 연계되어 운전되고 있는 경우이다. 일반적으로 GCC는 모선전압 제어를 진행하며 배전계통과는 전력을 주고받지 않는 상태를 유지한다.

시스템은 Pset.high 과 Pset.low 사이에서 운영되며 평형상태를 유지하기 위하여 에너지 저장장치와 GCC를 활용하게 된다. 에너지 저장장치가 배터리인 경우 SOC(State of Charge)의 제한치를 벗어나는 경우 수동 발전원을 전력제어에 활용하게 된다. 배전계통에서 보면 이 운전모드에서 마이크로그리드는 독립적인 계통 또는 예비력으로 판단할 수 있으며 정상 운전시에는 배전계통에 미치는 영향을 최소화하도록 운전한다. 하지만 배전계통의 요구에 의해 예비력이 필요한 경우 이를 빠르게 공급할 수 있는 준비를 하고 있어야 한다. 일반적으로 수동 발전원은 MPP제어를 수행하고 주동 발전원은 운전하지 않는다. 에너지 저장장치가 주요한 전력 제어기로써 운전되며 GCC가 주전압제어기로써 사용된다. 이 운전 모드의 주요한 목적은 경제성과 배전계통의 신뢰성 확보에 있다. 예비력 형태로 전력전송이 없이 유지되도록 제어를 수행하므로 가능한 적은 비용으로 상태를 유지하는 것이 좋다. 따라서 유효전력 제어를 위해서는 경제성 지수를 사용하는 것이 유리하다.

3.3 MODE3 : Networked Load

이 운전 모드는 수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량보다 적은 상태로 계통과 연계되어 있는 상태이다. 전력평형을 위해 시스템은 그리드로부터 전력을 공급받거나 주동 발전원을 구동해야 한다. 따라서 중요한 목적은 경제성이다. 경제적인 운전을 위하여 MGCC는 연료비, 전기료, CO2 배출량 등의 경제 지수를 고려하여 적은 비용의 친환경적인 컴포넌트를 선택해야 한다.

마이크로그리드의 정의에 의하면 대부분의 마이크로그리드는 이 운전 영역에서 운전된다. 일반적으로 GCC는 주전압제어기로 사용되며 선택된 주동 발전원이 부족한 전력을 공급할 수 있다. 따라서 중요한 목적은 시스템의 신뢰성 확보 및 경제성에 있다. 동시에 전력평형을 유지하는 것이 필요하다. 수동 발전원의 간헐적인 특성에 의하여 마이크로그리드는 배전계통에서 매우 큰 간섭을 가진 부하로 여겨질 수 있다. 주동 배전망의 관점에서 보면 마이크로그리드는 유,무효전력 제어기로 사용될 수 있다. 따라서 마이크로그리드는 배전자동화 시스템으로부터 유,무효전력 레퍼런스를 받게 된다.내부의 모든 수동 발전원들은 MPP제어를 수행하고 선택된 주동 발전원과 GCC가 전력평형을 위해 발전을 진행한다. 따라서 유효전력을 제어하기 위해서는 경제성 지수를 사용하는 것이 필요하다.

3.4 MODE4 : Isolated Generator

마이크로그리드는 계통과 분리되어 독립운전하고 있으며 내부 수동 발전원들의 발전량이 부하의 요구량을 초과하고 있는 상태이다. 에너지 저장 장치들을 완전 충전 상태까지 충전한 이후 수동 발전원들은 전력평형을 위하여 제어 방식을 바꾼다.

기본적으로 모든 주동 발전원들은 운전하지 않으며 수동 발전원은 MPP제어에서 가변출력제어로 운전모드를 변경한다. MGCC는 경제적이고 환경친화적인 특성을 고려하여 각 발전원들의 발전량을 고려하여 레퍼런스를 전송하게 된다. 따라서 MGCC는 수동 발전원 중 가장 경제적이고 환경친화적인 전원을 선택하게 된다.

이 운전모드에서 주요한 목적은 시스템의 신뢰성이다. 따라서 직류 모선 전압의 안전성을 유지하는 것이 매우 중요하다. 시스템 외부로의 전력 운송로가 없으므로 수동 발전원들이 MPP제어되지 않아야 하는 것이 중요하다. 수동 발전원 중 신뢰성이 높은 장치를 우선으로 하여 발전시켜야 하며 따라서 유효전력 제어시에는 신뢰성 지수를 사용하는 것이 필요하다.

3.5 MODE5 : Isolated Equilibrium

수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량과 비슷한 상태로 계통과 분리되어 운전되고 있는 경우이다. 따라서 GCC는 운전하지 않고 있으며 계통에 다시 연결되기를 준비한다.

시스템의 운전형태는 Mode2 연계평형모드와 흡사하다. 전력평형을 위하여 주동 발전원과 저장장치가 구동된다.

이 운전 모드에서의 운전이 이상적인 독립형 마이크로그리드의 운전 형태이다. 수동 발전원은 부하가 요구하는 발전량에 맞추어 발전하고 있으며 시스템 제어가 복잡해지는 것을 피하기 위하여 수동 발전원들은 MPP제어되고 있고 에너지 저장 장치가 시스템을 현재 운전모드에서 계속 운전될 수 있도록 제어한다. 주요한 목적은 직류 모선 전압 안정성의 유지 및 주동 발전원 사용의 최소화이다. 저장 장치를 많이 사용할수록 주동 발전원의 사용을 줄일 수 있다. 경제성 지수를 이용한 유효전력제어를 통해 경제적인 운전을 실행할 수 있다.

3.6 MODE6 : Isolated Load

수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량보다 적은 상태로 계통과 분리되어 운전하고 있는 상태이다. 일반적으로 독립운전 시에는 짧은 전력의 공급은 에너지 저장장치를 통해 긴시간의 전력공급은 주동 발전원을 통해서 진행된다.

예고치 않은 사고나 이벤트의 발생에 의해 마이크로그리드는 계통과 분리될 수 있다. Mode3 연계부하모드가 매우 일반적인 연계 상태의 운전 모드인 것과 마찬가지로 이 운전 모드는 독립 운전형태의 마이크로그리드의 가장 일반적인 운전 모드이다. 가장 중요한 목적은 중요 부하의 전력품질을 유지할 수 있는 신뢰성 있는 전력 공급에 있다. 필요할 경우 Load Shedding을 진행할 수 있어야 한다. 중요부하에 대한 전력공급을 안정화하기 위하여 중요부하에 접근성이 좋은 전원들을 우선으로 발전하는 것이 유효하다. 따라서 전력제어시 접근성 지수를 사용하여 우선순위를 정한다.

3.7 Coordination Control

마이크로그리드의 운전가능한 모든 영역을 분석한 결과에 의하면 각 제어기의 제어방식은 다음으로 정리할 수 있다.

표 4내부 컴포넌트의 제어 방식 Table 4 Control Function of Components

제안하는 직류 마이크로그리드의 전압제어 및 유효전력제어를 각 운전모드와 결합하여 협조제어를 진행한다. 현재 운전상태 및 정보를 통한 운전모드를 선택한 후에 각 운전모드의 특성에 맞도록 전압제어 및 전력제어를 분리하여 실행한다. 각 운전모드에서 일반적으로 주 전압제어장치로 선택될 가능성이 높은 제어기 및 유효전력제어의 목적함수 선정을 위한 제어 특성을 정리하면 아래의 표 5와 같다. 전력제어는 실시간으로 우선순위 테이블을 변경하여 진행하며 유효전력제어는 매 15분, 운전모드의전환시, 제어실패 시에 우선순위 테이블을 변경하여 적용하게 된다.

표 5직류마이크로그리드의 협조제어 Table 5 Coordination Control of DC Microgrid

 

4. 시뮬레이션

시스템 내부의 발전원, 부하, 저장장치가 어떤 종류, 어떤 용량이어도 제안하는 협조제어 방법은 변경없이 적용이 가능하며 직류 마이크로그리드를 더욱 안정적이고 경제적으로 운영할 수 있다. PSCAD를 이용하여 협조제어 방법을 증명한다. 시스템은 태양광발전, 풍력, 배터리, 슈퍼 커패시터, 디젤엔진과 부하로 구성되어 있으며 직류 모선 전압은 600Vdc를 사용하였다.

그림 3시뮬레이션 시스템 Fig. 3 System for Simulation

아래결과는 순서대로 모선전압, 수동전원전력과 부하전력, 수동전원전력과 부하전력의 차, 에너지 저장장치의 전력, 그리드와의 연계전력을 나타낸다.

그림 4시뮬레이션 결과 Fig. 4 Simulation Result

그림 5시뮬레이션 결과 (모선전압) Fig. 5 Simulation Result (DC Bus Voltage)

0초~1초(MODE1)에서 수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량을 초과하고 있으며 GCC를 통하여 그리드로 나머지 발전된 전력 을 보내고 있다. 이 운전모드에서는 수동발전원의 발전량이 충분하므로 배전계통의 요구나 운전조건에 의하여 필요시 신뢰성이 가장 떨어지는 전원부터 발전량을 줄이거나 정지시키는 형태로 발전량을 조정하게 된다. 1.0초에 부하가 변동하여 1초~2.0초 (MODE3)영역에서 수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량보다 적은 상태로 바뀌어 연계부하모드에서 운전되어 계통에서 필요로 하는 전력이 시스템으로 주입되고 있다. 상황에 따라서 계통에서 주입되는 전력보다 내부에서 발전하거나 저장장치를 사용하는 것이 경제적인 경우에는 경제성을 판단하여 내부 주동 발전원을 통하여 발전을 수행하게 된다. 2.0초에서 3.0초사이(MODE2)에서는 수동발전원의 발전량이 부하의 요구량과 비슷한 상태로 계통연계 운전이지만 저장장치를 이용하여 현재 모드를 지속하도록 운전되게 된다. 이때에 마이크로그리드는 배전계통에 대하여 Spinning Reserve의 형태로 운전되게 되며 배전계통의 요구에 의해 빠르게 발전을 진행하여 배전계통의 신뢰성을 높이도록 사용된다. 3.0초에 독립운전 명령에 의해 독립운전이 시작되고 수동 발전원과 부하량이 비슷한 상태인 이상적인 독립운전 상태에서 운전이 되고 있다(MODE5). 수동 발전원의 전력이 지속적으로 감소하여 수동발전원의 발전량과 부하의 요구량의 차가 일정한 범위를 넘어서게 되면 독립 부하 운전모드(MODE6)로 변경이 되며 이때에는 주요부하의 신뢰성 확보를 위하여 주요부하에 근접한 전원부터 발전을 수행하게 된다. 5.0초에 부하가 변동하여 수동 발전원의 발전량이 부하의 요구량을 초과(MODE4)하게 되고 이때에 발전량을 조절하기 위하여 수동발전원들의 신뢰성 지수를 통하여 신뢰성이 높은 전원위주로 운전을 수행하게 된다. 6.0초에 계통과 다시 연계되어 정상 운전을 다시 시작하게 된다(MODE1). 운전모드의 변환 및 부하 변동 시에도 직류모선 전압은 매우 안정적으로 운전되고 있으며 전압의 변동률은 0.5%를 넘지 않음을 알 수 있다.

 

5. 결 론

마이크로그리드는 스마트그리드의 배전 분야에서 가장 주요한 개념이며 이중 직류 마이크로그리드는 교류마이크로그리드에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 직류 마이크로그리드의 확산을 위해서는 효과적이고 경제적인 협조제어 방법이 필수적이다. 따라서 본 연구에서 직류 마이크로그리드의 운전가능한 모든 운전 모드를 정의하고 분석하였다. 직류마이크로그리드의 안정적이고 신뢰성 있는 운전을 위하여 본 협조제어는 전력품질 기반의 전압 제어와 경제적인 전력 제어를 실행할 수 있다. 제어 마진의 관점에서 MGCC는 각 유닛의 전압제어 우선권을 계산하고 주전압제어기가 전압제어를 담당하게 된다. 전력품질관련 표준에 의해 전압이 정해진 시간 안에 제어되지 않는 경우 부전압제어기가 투입되거나 Load Shedding을 진행하여 전압 안정도를 확보한다. 직류마이크로그리드의 운전 모드에 따라 경제성, 신뢰성, 안정성의 관점에서 MGCC는 각 유닛의 발전비용을 사용하여 전력제어 우선순위 테이블을 구성하고 각각의 레퍼런스를 전송하게 된다. 본 협조제어의 장점은 운전 가능한 전 영역의 운전모드의 상세한 분석을 통하여 실시간으로 운영되는 경제적이고 빠른 응답성의 제어를 실현할 수 있으며 시스템의 규모와 관계없이 적용이 가능하다는 것이다.