 기후예측을 이용한 독립형 마이크로그리드의 최적 운영방안 대한 연구 출처 : 아주대학교 공학석사학위 논문
지능형 전력망(Smartgrid)은 전력망(Grid)에 IT기술을 융합하여 탄소발생을 저감하고 효율을 향상시킨 차세대 전력망이다. 마이크로그리드는 대부분 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지를 주 에너지공급원으로 사용하나, 기후에 따라서 발전량의 편차가 심하며 전력망의 신뢰도에 심각한 영향을 주는 것이 사실이다. 본 연구의 범위는 최근 독립형 마이크로그리드에 많이 사용하는 태양광발전량을 예측함으로써 에너지저장장치와 예비발전원과의 효율적인 운영을 도모하고 전력망의 신뢰성과 효율을 높이는 데 있다. 여기서 독립형 마이크로그리드(Stand-alone Micro Grid)란 섬이나 배전이 어려운 격오지와 같은 곳에 적용 가능한 소규모형 지능형 전력망를 말한다. 상기의 연구의 결과는 독립형 마이크로그리드의 운영에 대한 보다 신뢰할 수 있고 합리적인 방법을 제시함으로써 지능형 전력망 구축에 일조할 것으로 기대한다.
저자 : 백정호(아주대학교 IT융합대학원) / 김영길(아주대학교 전자공학과 지도교수)
제1장 서 론
독립형 마이크로그리드는 기존의 전력사용패턴과 자료를 근거로 운영계획을 세움으로써 많은 오차가 발생하며 이에 따른 효율저하가 발생할 수 있다. 이는 기상예측을 통해 신재생에너지의 발전량을 예측하고 이 데이터를 운영계획에 반영함으로써 경제성을 높일 수 있다.
본 연구의 범위는 최근 독립형 마이크로 그리드에 적합한 신재생에너지원인 태양광 발전량을 기상청 데이터를 이용하여 예측함으로써 에너지저장장치와 예비발전원과의 효율적인 운영을 도모하고 전력망의 신뢰성과 효율을 높이는 데 있다.
첫째로 전력망의 예상 사용전력과 기상청의 전일 일기예보를 기초로 에너지저장장치의 SOC 운영범위 계획 및 비상발전장치의 운영여부를 결정하는 데 있다.
일기예보와 태양광의 발전량을 기존 DB를 활용하여 태양광발전량을 예측함으로써 최적의 에너지저장장치 충방전량과 비상발전장치의 운전시간을 산정할 수 있다.
기상위성사진
둘째는 실시간 태양광 발전량의 감시를 통하여 전일 발전 예측량과 실제 발전량을 비교 검토함으로써 오차범위 이상이 되었을 때 기상예측이 틀렸다고 판단하고 즉시 전력망 운영계획을 수정하는 것을 가정하였다.
제2장 기후예측을 이용한 지능형전력망 운영방안
(1) 기상예측을 이용한 태양광발전량 예측
마이크로그리드는 대전력 계통과의 연계형태에 따라서 연계형과 독립형으로 구분할 수 있다.
연계형은 평상시에는 대전력망과 연계하여 운용하다가 비상시나 상황에 따라서 독립적으로 운용하는 시스템을 운용하는 것을 말한다. 일본의 산다이(SANDAI) 실증단지에서 우수성이 입증되었다.
독립형은 전력의 송전이 어려운 섬이나 낙오지와 같은 곳에 건설되어 전력을 자급자족하는 형태로 운용된다. 신재생 에너지와 같은 분상형 전원시스템을 주요 전력공급원으로 사용하나 특성상 전력공급이 일정하지 않고 전력변동성이 높아서 이를 해결해야 한다.
따라서 에너지저장장치는 독립형 마이크로그리드에서 매우 중요한 구성요소이며, 전력망 전체를 통제하고 제어하는 수단이다.
마이크로그리드의 요일, 휴무일, 특정행사일 등의 이전 전력사용패턴을 분석하여 후일의 전력사용량을 예측할 수 있으며, 이를 근거로 전력수급계획을 세워야 한다.
태양광 발전 등 신재생에너지와 에너지저장장치의 최대 방전량과 전력사용량을 비교하여 부족한 시간과 전력량을 도출한 후, 디젤발전기나 양수발전과 같은 예비전원의 사용을 계획하여야 한다.
우리나라의 기상청 날씨예보는 정확도가 90% 이상으로, 신뢰할 수 있는 데이터라고 할 수 있다. 따라서 이를 기반으로 일조량을 예상하여 태양광발전량을 예측할 수 있으므로 매우 효과적인 ESS 스케줄링 기법을 제안할 수 있다.
또한 날씨예보가 실제기상여건에 따라 시시각각 변화하는 점을 감안하여 오차를 고려한 운영방안을 수립하여야 한다. 태양광발전의 출력예측을 위해서는 익일의 기상청 예보데이터를 이용할 수 있다.
기상청의 날씨예보는 5단계로 예보되며, 3시간 단위로 알 수 있다. 기상청의 과거 데이터를 기반으로 태양광 발전량의 상관관계를 분석함으로써 날씨와 PV발전량에 대한 출력계수를 산출할 수 있다.
정확한 출력계수를 산출하기 위해서는 대단위 태양광 발전 설비의 연간 발전량 데이터와 기상정보 데이터를 기반으로 빅데이터를 구축하여야 한다.
또한 태양광발전설비의 지리적 위치인 위도와 경도, 태양광 패널의 종류, 설치방식과 방위각 등 세부적인 데이터가 필요하다. 이러한 데이터는 국가적인 차원에서 구축하고 관리하여야 한다.
여기서 출력계수 Kf는 다음 식으로 구할 수 있으며, 출력계수를 기반으로 하여 명일의 태양광발전량을 예측할 수 있다.
여기서 분자 값은 일조시간 동안의 발전량(kWh)이며, 분모 값은 설치된 태양광 패널의 최대 용량 값(KWp)으로 날씨에 따른 발전량과 설치용량의 관계를 의미한다.
태양광발전의 실제 출력은 기상의 변화에 따라서 변화하며 이는 예측결과에 오차를 필연적으로 수반하게 된다.
태양광발전에 가장 영향을 주는 것은 일조량이며, 이는 일조시간을 의미한다.
기상청의 공공데이터를 이용하여 2015년 1년간의 자료를 분석하여 [표 1]과 같이 5단계 날씨별 일조시간의 평균값을 산출하였다.
만약 지역에 따라서 정확한 일조시간 예보값을 알 수 있다면, 상기값을 이용하지 않고 일조시간 예보값을 적용할 수 있다. 하지만, 5단계별 날씨정보만 알 수 있다면 평균값을 사용하여도 무방하다.
일조시간의 값을 도출하였을 경우 예측발전량계수(Wf)는 기본발전량(Wfb)과 시간별 발전량계수(Wft)로 구분할 수 있다. 기본발전량은 일조시간에 영향 없이 기본적으로 생성되는 발전량으로, 일조시간이 0으로 예보되더라도 햇빛이 구름에 산란되므로 발전되는 양은 기본 발전량과 동일하다고 할 수 있다.
시간당 발전량은 과거 일조시간과 발전량의 대비를 통하여 날씨별 발전량 계수로 환산한 경우 일조량에 따라서 비례한다.
다음 [표 2]는 계절별 기본발전량(Wfb)과 시간당발전량()의 계수값을 의미한다.
또한 태양광 발전량에 가장 큰 영향을 주는 것은 기온이며, 반도체의 부특성에 의해서 높은 온도에서 태양광 발전량이 줄어드는 것을 알 수 있다.
기온과 태양광 발전량과의 관계는 다음과 같은 상관관계가 있음을 알 수 있다.
출력계수와 온도계수를 이용하여 차일 발전량에 대한 예상치를 도출할 수 있으며, 이를 바탕으로 전력망의 운영계획을 수립할 수 있다.
여기서 는 태양광발전량의 예상치이며, 와 는 기상예보출력계수와 온도계수이다. 즉, 기본발전량과 일조시간에 따른 발전량계수로 나누어 보면,
로 표현될 수 있다. 기본태양광발전량과 Wft는 일조시간에 따른 태양광발전량이며, h는 일조시간이며, Wt는 기온에 따른 효율의 변화량이라고 할 수 있다.
이를 기반으로 하여 태양광발전량(Pre )과 에너지저장장치의 충방전용량 (Pess)의 합이 예상되는 소비전력량(Pcon-pre)과의 대수를 검토하여야 한다.
만약 태양광발전량과 ESS의 충방전량이 상기 식처럼 예상소비전력을 상회한다면 전력망은 안정적으로 운영이 가능하지만 부족할 경우 비상발전기의 가동을 계획에 포함시켜야 할 것이다. 또한, ESS의 충방전량과 SOC의 상한선 및 하한선을 상회하거나 하회할 경우, ESS의 가용시간과 태양광의 발전시간이 맞지 않는다면 이에 대한 적절한 운영대책을 세워야 할 것이다.
독립형 마이크로그리드에서 발전량의 오차는 전력망 전체의 신뢰도와 밀접한 관련이 있으며, 오차에 대비해 에너지저장장치에 대한 여유를 두고 시스템을 운영하여야만 한다.
만약 에너지저장장치의 여유를 두지 않고 예측량만을 토대로 운영하였다면 출력오차로 인하여 저장장치의 과도한 충방전을 초래할 것이며, 이는 물리적인 한계치에 도달함으로써 전력망의 블랙아웃을 유발할 수 있다.
또한 에너지저장장치의 과도한 방전은 수명에 막대한 영향을 끼침으로써 수많은 경제적 손실이 발생할 것이다. 따라서 에너지저장장치의 운영제한 범위보다 작은 범위로 운영되도록 여유를 두고 스케줄링을 하여야 하며, 예측범위를 크게 초과한 발전량이 감시되었을 경우 즉시 예비전원을 가동하여 에너지저장장치가 물리적 한계까지 도달하지 않도록 조치하여야 한다.
다음 식은 태양광 발전의 출력 오차량과 운영범위를 구하는 식이다.
여기서 SOCrtd는 ESSsoc값의 최대값과 최소값을 의미하며, EratingBAT값은 ESS의 정격용량을 의미한다.
즉, 위식을 이용하여 태양광발전량에 따른 ESS의 효율적인 운영범위를 산정할 수 있다.
상기에 표현한 정확한 출력계수를 산출하기 위해서는 대단위 태양광 발전 설비의 연간 발전량 데이터와 기상정보 데이터를 기반으로 빅데이터를 구축하여야 정확한 수치를 산출할 수 있다.
또한 태양광발전설비의 지리적 위치인 위도와 경도, 태양광 패널의 종류, 설치방식과 방위각도 등 세부사항도 자료에 추가되어야 한다.
독립형 마이크로그리드의 ESS는 계통의 전력을 24시간 동안 공급할 수 있도록 설계하는 것이 일반적이다.
EMS 발전기의 스케줄링에 대한 오차는 에너지 저장장치의 배터리용량으로 충분히 보상이 가능하다.
전력망의 정상동작 시에는 에너지저장장치가 주파수 정상제어(Normal Operation)를 수행하게 되어 SOC가 50%를 중심으로 안정된 범위에서 운용된다.
에너지저장장치의 SOC가 지속적으로 변동되면 이것은 전력수급의 지속적인 오차를 의미하며, EMS는 PCS로 하여금 주파수보상제어(Frequency Supplementary Control) 동작을 수행하게 한다.
주파수보상제어의 기준이 되는 SOC값은 계통의 특성과 전력망의 운용전략에 따라서 정할 수 있다.
(2) 태양광 실시간 모니터링을 이용한 운영방안
기상예측에 따라서 신재생에너지의 발전량을 추정하고 요일이나 전년도 데이터를 기반으로 전력망의 전력 소비량을 예측함으로써 전력수급을 작성할 수 있다.
일반적으로 독립형 전력망에서는 디젤발전기의 운전 시 유효전력 공급을 통해 부하 소비전력을 공급하고 동시에 여자기와 조속기를 이용함으로써 전압과 주파수를 제어하는 방식을 사용한다. 즉, 발전기 운전 시에는 주전원으로 하고 신재생에너지와 ESS를 보조전원으로 활용한다.
하지만 발전기가 가능하지 않을 경우에는 ESS가 전력망을 제어하며, 운영모드는 자동제어모드(Automatic Control Mode)와 수동제어모드(Manual Control Mode)로 나누어 활용한다.
자동제어모드에서는 통합에너지 관리시스템(EMS ;Energy Management System)을 기반으로 신재생에너지와 비상발전원들이 자동적으로 제어되며, 에너지 저장장치의 SOC(State of Charge)값의 상한선과 하한선이 안정적으로 제어된다. 이 상한선과 하한선의 범위는 에너지저장장치가 충분히 충전 또는 방전할 수 있는 상태를 의미하며, ESS가 부하 또는 신재생에너지 전원의 출력변동을 보상할 수 있어야 한다.
여기서 ESS의 PCS는 계통전압과 주파수를 제어하는 능동적인(ACTIVE) 요소로 주제어기 역할을 하며, 계통의 주파수를 생성하고 전압을 일정하게 제어하는 CVCF(Constant-Voltage Constant-Frequency) 제어모드로 동작한다.
만약 기상상태가 좋아서 예상했던 전력량보다 태양광 발전량이 초과할 경우 에너지저장장치가 CVCF 동작을 통해 충전을 하게 되고, 반대로 예상했던 부하사용량이 많을 경우 초과하는 양만큼 방전하게 되므로 계통을 안정시킨다.
이차전지를 이용한 에너지저장장치는 디젤엔진을 이용한 발전기보다 응답속도가 빠르므로, 부하나 태양광발전의 변동에 대한 수급변동은 에너지저장장치가 담당하게 되며, 디젤발전기는 수급변동에 영향 없이 제어 세팅값이나 EMS의 목표치에 따라서 일정한 유효전력을 발생시키게 된다.
만약 태양광발전설비의 출력과 소비전력량의 차이가 지속적으로 발생하게 될 경우 에너지저장장치의 SOC는 감소하거나 증가함으로써 예상했던 정상범위를 벗어나게 될 것이다.
태양광발전설비의 출력과 소비전력 사이의 계속적인 차이가 발생하여 부하예측량과 태양광발전량의 차이가 양수(+)이면 배터리는 방전하며 음수(-)일 경우 배터리는 과충전하게 될 것이다.
따라서 EMS는 부하예측과 신재생에너지의 발전예측을 수행함으로써 부족한 전력에 대해 디젤발전기의 운전으로 보상하거나, 반대의 경우 태양광발전설비의 출력을 제한함으로써 에너지저장장치가 과충전하는 것을 방지할 수 있다.
에너지저장장치는 CVCF 제어를 통해 마이크로그리드의 전압과 주파수를 제어하는 유일한 능동적인(ACTIVE) 요소로 동작한다. 태양광 발전의 출력과 부하의 전력소비의 불균형 시에도 마이크로그리드 전력망의 안정적인 운용을 위해서는 일정시간 간격으로 모니터링을 수행하여야 한다. 전력망의 규모와 형태에 따라서 모니터링 시간은 다르지만 일반적으로 15분 간격으로 신재생에너지 발전량과 부하소비전력을 측정한다.
만약 태양광발전량과 전력소비예측량이 오차범위 이내이거나 에너지저장장치의 SOC의 목표치에 큰 변화없이 운용이 가능할 경우 기존의 스케줄링을 유지하여야 하나, 기후예측이 틀려서 발전량이 큰 차이를 보이거나 전력소비가 크게 늘거나 줄어들 경우 전력수급계획을 보완하여 실행하여야 한다.
(3) 독립형 마이크로그리드 운영방안 시뮬레이션
상기 내용을 종합하여 전일 예측과 실시간 모니터링 시스템을 구축한 소규모 독립형 마이크로그리드의 운영방안을 다음과 같이 실험하였다.
독립형 마이크로 그리드의 규모는 섬에 건설된 AC형태의 전력망으로, 편의상 태양광 100KW, ESS 200KWh(PCS 100KWh)이며 비상용 디젤발전기 200KW 1대를 보조전력으로 구비한 형태이다. 부하의 형태는 일반적인 도심지 데이터인 한국전력(SMART-I) 데이터를 사용하였으며, 시간당 평균전력은 13KWh, 일간 최대 피크(Peak) 전력은 33KW라고 가정한다.
예측에서는 명일 날씨가 맑을 거라고 예상하였지만 당일 구름의 영향으로 발전량이 예측량의 50% 정도밖에 출력되지 못하였을 때의 시나리오를 가정하여 실시하였다.
태양광발전량과 전력소비패턴을 상기자료를 종합하여 산출하였을 경우 [그림 1]과 같다. 단 태양광의 경우 일시적으로 음영의 영향으로 10시부터 12시까지 발전량이 다소 감소하였다고 가정하였으나 하루 총 발전량은 크게 변동이 없을 것으로 가정하였다. 그림과 같이 태양광 발전량은 327.7KWh로서 총 소비전력량 312KWh를 상회하므로 ESS와 태양광 발전의 운영으로 전력소비를 충분히 감당할 수 있는 조건이다.
[그림 2]와 같이 일조시간이 아니거나 소비전력보다 태양광 발전량이 적을 경우는 ESS가 방전하여 전력계통을 안정시키고, 발전량이 남을 경우 ESS의 충전을 통하여 잔여 전력을 비축하는 것을 알 수 있다.
날씨가 맑은 날임을 가정하여 SOC 최대치는 90%이며 최소치는 30%로 설정하였다.
전일 예측을 통하여 태양광 발전량과 소비전력 예측량을 기준으로 운영계획을 수립하였으나, 소비전력량은 항상 급변할 수 있는 변동성을 가지고 있으며 기상예측 또한 정확한 데이터라고 볼 수 없다.
본 논문에서는 기상예측과 실제 발전량이 크게 차이가 나는 것으로 가정하고 운연방안이 변경되는 것을 가정하였다.
[그림 3]과 같이 예상했던 발전량과 현격한 차이가 발생하였을 경우, 발전량 데이터를 근거로 하여 하루 발전량을 추정할 수 있으며, 부족한 전력량에 대한 새로운 운영방안을 수립해야 한다.
에너지 저장장치의 SOC를 참고하여 새로운 운영방안의 반영 여부를 결정하여야 하며 용량과 물리적인 SOC한계 등을 고려하여야 한다.
만약 태양광 발전량의 추정치가 발생오차를 초과할 경우에는 에너지저장장치가 과충전이 되지 않도록 합리적인 상한선을 설정하여 PCS출력을 제한하여야 하며, 추정치가 발생오차와 같이 부족할 경우 비상발전기 등의 운영시점과 시간계획을 수립하여야 한다.
[그림 4]와 [그림 5]는 태양광발전설비의 실시간 모니터링으로 수정된 발전량을 반영하여 새로운 전력운영 방안을 적용하였을 때를 나타낸 것이다.
태양광발전량보다 소비전력이 약 120KWh 정도 크므로 운용자는 에너지저장장치의 방전량만으로 전력망을 운영할지 또는 디젤발전기를 운영해서 부족한 전력을 보충하고 에너지저장장치의 SOC을 확보할 것인지를 결정하여야 한다.
즉, 에너지저장장치의 용량과 다음날의 일기예보가 운영계획에 중요한 변수라고 할 수 있다.
본 연구에서는 에너지저장장치의 용량을 감안하여 디젤발전기를 3시간 정도 운영하여 부족한 전력을 보충하는 것으로 선정하였다.
제4장 결 론
마이크로그리드는 분산형 에너지원을 배전계통의 일부 또는 섬이나 격오지와 같은 고립된 지역에 설치하고 배전계통과 연계 또는 독립적으로 운영하는 지능형 전력시스템을 말한다.
신재생에너지의 대표적인 태양광발전설비는 친환경적이며, 설치장소에 구애받지 않으므로 이와 같은 마이크로그리드에 가장 적합한 분산형 전원이지만 출력이 자연조건에 영향을 많이 받아 발전량과 발전시점이 일정하지 않고 구름 등의 영향으로 전력량에 변동이 있어 전력변동률이 발생한다.
따라서 에너지저장장치와 연계하여야 하며, 태양광의 출력전력변동률을 낮추고, 전력품질을 향상시킴으로써 안정적으로 계통에 전력을 공급할 수 있다.
본 논문에서는 기상예측을 이용한 독립형 마이크로그리드의 운영방안을 개발하였으며, 전일 예측과 실시간 감시를 통하여 전력망의 경제성 및 신뢰성을 향상하고자 연구를 진행하였다.
첫째, 전일 예측을 통하여 에너지저장장치의 효율적인 충방전량과 예비전원의 운전계획을 수립하였다. 기상예측에 따른 태양광발전량을 기존 데이터베이스를 활용하여 추정함으로써 예비전원의 불필요한 가동을 최소화하여 탄소발생을 최소화하였으며, 에너지저장장치의 최적의 SOC 가동범위를 설정하여 전력망의 경제적 운영을 제안했다.
둘째, 태양광발전의 실시간 감시를 통하여 전일 예측량과 실제 발전량의 오차를 검토하여 기존계획을 유지하거나 새로운 운영계획을 반영함으로써 전력망의 신뢰성을 향상시켰다. 기상예측의 신뢰도는 90% 이상으로 비교적 높은 편이나 만약 기상예측이 틀렸을 경우 전력망에 미치는 영향은 매우 크다고 볼 수 있다.
따라서 기상예측이 틀리거나 구름 등 음영의 영향으로 실제 발전량과 예측량이 오차범위를 벗어난 경우 즉시 예비전원에 대한 발전계획을 수정하여 반영함으로써 안정적인 전력수급에 대한 대책을 수립하여야 한다.
※ 본 논문은 요약본으로, 보다 자세한 내용은 아주대학교 전자공학과에 문의하여 확인할 수 있다.
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