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[분산전원 기술 동향] 마이크로그리드에서의 부하 변동 해석과 전원 주파수 특성 평가를 이용한 복수 분산형 전원의 제어 전략과 설비 용량 계산 - 일본편
2010-04-05



개요

태양광발전 · 풍력발전 등으로 대표되는 재생 가능한 에너지 발전이나, 열전병합에 의해 에너지 이용 효율을 향상시키는 천연가스 폐열발전 등과 같은 에너지 이용 기술의 도입이 정책적으로 점차 확대, 보급되고 있다. 그러나 이러한 분산형 전원이 계통에 대량으로 도입되면 전력 계통의 전력 품질이나 안정성에 영향을 미칠 것으로 염려되고 있다. 한편, 최근 전력에너지로의 의존도 진전이나 고품질의 전력 품질을 요구하는 부하장치의 도입 확대와 더불어, 전력 품질 유지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 요구를 충족하는 기술로서, 가스엔진이나 태양광발전 등의 자연에너지를 포함하는 복수(複數)의 분산형 전원으로 한 전력과 열의 소규모 네트워크를 구축하고, 수요 변화에 맞춰 설비군을 최적 제어해 수급 균형을 맞추면서 전력을 공급하는 '마이크로그리드'개념이 제창되어 큰 관심을 불러일으키고 있다.
본 연구팀은 일본 시미즈(清水)건설기술연구소의 한 실험동에 구축한 마이크로그리드 시험 설비의 실증운전을 2004년 1월부터 해왔다. ' 통합 가스게이트 제어'라 불리는 방법에 따라 복수 종류의 분산형 전원을 제어해 부하추종운전 즉, 전력 계통으로부터의 매전(買電)을 일정하게 하는 운전을 실현했다.
2006년 7월 말부터는 위의 분산형 전원 제어 기술을 적용해 천연가스 폐열발전을 주 전원으로 한 발전 출력 600㎾급 마이크로그리드 실용 설비의 운전을 개시했다. 본 마이크로그리드에서는 계통에 접속한 상태에서 구내 수전점(이하 연계점)의 부하 변동 조류를 일정하게 하기 위해, 분산형 전원의 출력 조정을 하는 연계 운전과, 계통에서 분리해 분산
전원만으로 마이크로그리드 내에 고품질의 전력을 공급하는 자립 운전을 실현하고 있다.
본고에서는 마이크로그리드 실용 설비를 대상으로 부하 변동 해석과 전원 주파수 특성 평가를 한다.
부하 변동 해석에서는 천이 확률 분포를 이용해 계측 주기를 결정하고, 그 계측 주기에서 취득한 하루 부하 변동 데이터를 주파수 해석함으로써 보상해야하는 변동 성분을 정한다. 전원 주파수 특성 평가에서는 전(全) 전원의 응답 특성 및 가스엔진 발전기의 연비 특성, 자립 운전 특성을 취득함으로써 각 전원이 보상 가능한 주파수 대역을 정한다. 또한 마이크로그리드 실용 설비 내의 발전기 용량과 축전장치의 전력 변환장치 용량, 축전 용량을 산출하는 설계법을 제안하며, 마이크로그리드 실용 설비에 있어서 부하추종운전용에 필요한 설비 용량을 재검토한다.

 


[그림 1] 마이크로그리드 실용 설비 구성


본고에 제시한 방법을 이용하면, 복수 종류의 분산형 전원을 협조시켜 운전시킬 때 어느 전원에서 어느 주파수 대역의 변동을 보상시킬 것인가 하는 제어 전략을 정량적(定量的)으로 정할 수 있다. 또한 제어 전략을 근거로 설비 용량을 결정하는 일이 가능하다.

마이크로그리드 실용 설비 개요

1. 설비 구성
마이크로그리드 실용 설비의 전체 구성은 <그림 1>과 같다. 주력 전원에는 가스엔진 발전기(GE)를 사용하고, 고속의 부하 변동 보상용에 축전장치인 니켈-수소전지(NiMH), 전기 이중층 커패시터(EDLC)를 조합했다. <표 1>에는 각 전원의 사양을 나타냈다. 각 전원으로부터 각 실험동으로의 전력간선은 6.6㎸급으로 구성되며, 평상시에는 전력 계통에 연계해 기술연구소 내의 전 실험동(12동, 9변 전실)에 전력을 공급하고 있다. 한편, <그림 1>에서 색을 칠해 구분해 놓은 범위(5동, 4변전실)는 자립 운전의 대상이며, 자립 운전용 차단기 개방에 의해 분산형 전원만을 이용한 전력 공급이 가능하다.

 


2. 기본 제어 전략
각 전원은 제어 시스템에 따라 통합적으로 출력제어가 이루어지고 있다. 제어 시스템은 각 전원, 연계점에 설치되어 있는 제어 단말을 사이에 두고 전력 계측을 하며, 계측값을 바탕으로 '통합 가스게이트 제어'라 불리는 방법을 이용해 각 전원의 출력지령값을 결정, 제어 말단을 사이에 두고 출력 제어를 실행한다. 통합 가스게이트 제어는 각 전원의 응
답 성능에 근거해 전원에 순서를 붙여 응답성이 낮은 전원부터 차례차례 가능한 한 부하추종운전을 하는 제어 방식으로, 전원 간 출력 간섭을 일으키는 일 없이 고 정밀도의 부하추종운전을 실현할 수 있다. 마이크로그리드 실용 설비에서는 가장 빠른 변동을 전기 이중층 커패시터에서, 중간이 되는 변동을 니켈-수소전지에서, 가장 늦은 변동을 가스엔진 발전기에서 각각 보상한다.
또한 자립 운전 시에는 가스엔진 발전기 350㎾가 자신의 주파수, 전압을 제어함으로써 자립범위의 주파수, 전압이 결정된다. 다시 말해, 가스엔진 발전기 350㎾가 연계 운전할 경우의 전력 계통 역할을 한다. 자립범위의 주파수, 전압을 안정화시키기 위해서는 가스엔진 발전기 350㎾의 출력 변동을 힘껏 억제할 필요가 있다. 그래서 가장 빠른 변동을 전기 이중층 커패시터에서, 그 이하의 변동을 니켈-수소 전지에서 보상한다.

부하 변동 해석

1. 하루 부하 변동
<그림 2>는 마이크로그리드 실용 설비에서의 대표적인 하루 부하 변동 그래프(중간기)이다. 전력수요의 최고와 최저 차이는 약 300㎾이며, 정상적으로 100㎾의 단주기 변동이 있는 것이 특징이다.

2. 부하 변동의 계측 주기 결정

 

[그림 2] 마이크로그리드의 하루 부하 변동


부하 변동은 여러 빠르기의 변동이 겹쳐져 있기때문에, 계측 주기에 따라서는 부하 변동을 파악하는 데 실수를 범할 우려가 있다. 따라서 부하 변동을 정확하게 파악할 수 있는 계측 주기를 결정하기 위한 지표로서, 부하 변화와 부하 변화율의 천이 확률분포를 이용한다. 천이 확률 분포란 어떤 계측 시각의 계측값을 가로축으로 하고, 다음 계측 시각에서의 계측값을 세로축으로 했을 때의 각 좌표의 플롯발생 확률을 콘투어 플롯(Contour Plot)으로 나타낸 것이다. 부하 변동을 적절하게 파악할 수 있는 계측 주기이면 플롯 그림에 특징적인 형상이 나타나기 때문에, 다양한 계측 주기에 있어서의 천이 확률분포를 그려 특징이 나타나는 계측 주기를 채용함으로써 부하 변동 파악에서 일어나는 실수를 막을 수 있다. <그림 3>은 일례로 부하를 1초, 5초, 10초 주기로 계측했을 때의 천이 확률 분포이다. <그림 3>의 ⒜를 보면 ⒝, ⒞와 비교해 100㎾ 정도 플롯 폭이 퍼져 있으며, 1초 간격의 빠른 부하 변동이 존재함을 알 수 있다. 마찬가지로 <그림 3>의 ⒟, ⒠, ⒡를 비교하면 ⒟에는 Y자형의 특징적인 분포가 보이므로 1초 간격으로 규칙적인 부하 변동이 있는 것으로 여겨지지만, ⒠, ⒡에는 특별한 분포가 보이지않아 부하 변동은 랜덤성이 강하다. 이상을 감안해 마이크로그리드 실용 설비에서는 부하의 계측 주기 및 부하 변동 보상용 전원 제어 주기를 각각 1초로 정했다.

 

[그림 3] 천이 확률 분포


[그림 4] 전력 수요의 주파수 해석


3. 부하 변동의 주파수 해석
위의 결과를 바탕으로 1초 주기로 계측을 한 부하변동에 대해 푸리에 변환을 해 각 주파수 성분에 분해한다. <그림 4>는 <그림 2>의 하루 부하 변동을 주파수 해석한 결과이며, 여러 주파수 대역의 변동 성분이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 마이크로그리드 실증 설비에서는 <그림 4>에서 계측된 모든 주파수 대역의 부하 변동을 보상하는 것으로서, 제어 전략 및 각 전원의 설비 용량을 정했다.

전원 주파수 특성 평가

1. 응답 특성(보드 선도(Bode Diagram))
위에서 얻은 각 주파수 대역의 변동을 복수 종류의 분산형 전원으로 협조해 보상시키기 위해 각 전원이 각각 보상 가능한 주파수 대역을 정한다. 다음 순서로 어떤 주파수의 정현파 상(狀)의 유효전력 지령을 각 전원에 입력하고, 그 출력을 계측함으로써 주파수를 파라미터로 한 응답 특성을 구했다.

 
① 바이어스가 걸린 어떤 주파수의 정현파 상 전력지령에 대한 전원의 유효전력 출력을 계측한다.
② 계측값을 지령값의 주파수를 기본파로 해 주파수 해석한다.
③ 해석 결과 얻은 기본파 성분의 진폭과 위상에서 지령값에 대한 게인, 위상차를 계산한다.


<그림 5>는 마이크로그리드 실용 설비에 도입한 분산형 전원의 주파수 응답 특성을 나타낸 것이다.
이를 통해 가스엔진 발전기는 약 0.01㎐ 이하, 니켈-수소전지는 약 1㎐ 이하, 전기 이중층 커패시터는 수 ㎐ 이하의 부하 변동에 대해 보상 가능한 것으로 나타났다.

2. 연비 특성
앞에서는 각 분산형 전원이 응답 성능에 있어 보상 가능한 주파수 대역을 정했지만, 실제로 마이크로그리드를 운용하는 경우에는 분산형 전원의 출력에 따라 변화하는 발전 효율을 고려해 운전 방법을 결정하는 것이 바람직하다. 그래서 출력에 따라 발전 효율이 크게 변화하는 가스엔진 발전기의 연비특성을 취득했다. 연비 특성은 정출력 운전 시의 발전 효율과, 정현파 상 전력 지령을 내린 과도 운전 시의 발전 효율로부터 평가한다. 발전 효율은 발전전력량과 소비 연료량에서 산출하고, 정출력 운전 시에는 발전 출력을, 과도 운전 시에는 정현파 상 전력 지령 주파수를 각각 파라미터로 하고 있다.

 



<그림 6>은 발전 효율 그래프이다. <그림 6>의 ⒜로부터 발전 효율은 운전 주파수에 의존하지 않음을 알 수 있다. 또한 과도 운전 시의 평균 발전 출력은 각각 275㎾, 60㎾이며, 같은 출력에서 정출력 운전을 한 경우의 발전 효율을 <그림 6>의 ⒝를 통해 살펴보면, <그림 6>의 ⒝의 발전 효율과 일치함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 가스엔진 발전기는
이미 앞에서 취득한 보상 가능한 주파수 대역 전부를 변동 보상에 사용하는 주파수 대역으로 했다.

3. 자립 운전 성능
자립 운전 시에는 분산형 전원만으로 마이크로그리드의 전력 품질을 일정하게 유지하지 않으면 안 된다. 마이크로그리드 실용 설비에서는 연계 운전 시 가스엔진 발전기 350㎾가 전력 계통의 역할을 맡기 때문에, 가스엔진 발전기 350㎾의 출력 변동이 자립계통의 전력 품질에 영향을 미친다. 따라서 더미 로드(Dummy Load)와 가스엔진 발전기 350㎾를 직결한 모의 자립 계통을 구축하고 더미 로드를 제어함으로써 램프 상(狀)에 부하를 증감시킨 경우와, 정현파 상에 부하 변동시킨 경우의 가스엔진 350㎾의 출력 변동이 모의 자립 계통의 주파수에 미치는 영향을 시험했다. 램프 상 출력 변동에서는 가스엔진 출력이 최저 출력에서 최대 출력으로 변화하기까지의 시간(출력 변화율)을 파라미터로 해 출력 변화율과 계통 주파수 변동의 관계를 평가했다. 출력을 일정 비율로 증감시켰을 때 계통 주파수의 최대 편차를 당해 변화율에서의 계통 주파수 변동으로 했다. 또한 정현파 상 출력 변동에서는 가스엔진 발전기 350㎾가 최대 출력에서 최소 출력 사이에서 변화하는 정현파 응답에 대한 계통 주파수의 최대 편차를 정현파 상 전력 지령 주파수를 파라미터로 해 평가했다.

 


<그림 7>의 ⒜에 램프 상 전력 변동 시의, <그림 7>의 ⒝에 정현파 상 출력 변동 시의 계통 주파수 변동을 각각 나타냈다. <그림 7>의 ⒜의 결과를 통해 자립 운전 시 계통 주파수 변동의 허용 변동 범위를 ±0.2㎐에 설정하면 가스엔진에 허용되는 변화율은 약 ±1㎾/sec가 되는 것을 알 수 있다. 자립 운전 시에는 가스엔진 출력을 이 변동 범위 내로 한정하면 안정된 주파수에서의 전력 공급이 가능하다. 마찬가지로 <그림 7>의 ⒝의 결과를 통해 가스엔진만으로 자립 운전을 할 때에는, 0.005㎐ 이하의 주파수 대역에서 부하 변동 보상을 시키면 마이크로그리드 계통 주파수의 변동을 ±0.2㎐로 얻을 수 있다.

분산형 전원의 제어 전략과 설비 용량 계산

1. 제어 전략
3장에서 얻은 부하 변동, 4장에서 평가한 전원 주파수 특성을 바탕으로, 본 마이크로그리드에서 각 전원이 보상하는 부하 변동의 주파수 대역을 정량적으로 결정한다. 4장의 결과를 통해 가스엔진 발전기는 약 0.01㎐ 이하, 니켈-수소전지는 약 1㎐ 이하, 전기 이중층 커패시터는 수 ㎐ 이하의 부하 변동에 대해 보상 가능하다는 사실을 나타냈지만, 각 전원의 보상 대역을 결정할 때에는 각 전원의 제어 주기도 고려해야 한다. 3장의 결과를 바탕으로 제어 시스템과 제어 말단은 소 내 LAN 회선을 가지고 1초 간격으로 통신을 하기 때문에 전원의 출력 제어는 부하 변동에 대해 최대 2초가 늦다. 부하 변동을 단순한 정현파로 가정한 경우, 2초 보상 지연에 대해서도 보상 효과를 얻을 수 있는 부하 변동의 주파수에서는

 


의 진폭이 부하 변동의 진폭보다 작기 때문에

 


가 된다. 따라서 제어 시스템에서는 가스엔진 발전기, 니켈-수은전지의 출력만을 제어해 1/12㎐ 이하의 주파수 성분의 부하 변동을 보상하기로 했다. 또한 1/12㎐ 이상의 주파수 성분의 부하 변동에 대해서는 전기 이중층 커패시터의 자율 제어로 보상하기로 했다.
마찬가지로 자립 운전 시에는 제어 시스템에 따라 1/12㎐ 이하의 주파수 성분의 부하 변동을 니켈-수은전지로, 1/12㎐ 이상의 주파수 성분의 부하 변동에 대해서는 전기 이중층 커패시터의 자율 제어로 각각 보상을 하기로 했다.

 


<표 2>에 연계 운전 시, 자립 운전 시 각 전원의 보상 주파수 대역을 나타냈다. 이에 따라 각 전원의 보상 주파수 대역이 정량적으로 표현됐다.

2. 설비 용량 설계 방법
앞에서 산출한 보상 주파수 대역을 바탕으로, 본마이크로그리드에서 부하추종운전을 하기 위해 최저한으로 필요한 분산형 전원의 설비 용량을 재검토한다. 용량 산출에 있어서는 다음의 조건도 적용하기로 한다.

 
· 전원 종류는 변경하지 않는다.
· 전원 용량이 변해도 전원의 특성은 변하지 않는다.
· 운전 시간은 실운용과 같은 8:00-18:00로 한다.
· 니켈-수소전지는 야간에 만(滿)충전한다.
· 니켈-수소전지에는 전지 용량을 관리하기 위한 베이스 출력은 부여하지 않는다.


용량 산출 순서는 다음과 같다.
① 하루 부하 변동 데이터를 푸리에 변환해 전원마다 보상하는 주파수 대역의 변동 성분을 추출한다.
②추출한 변동 성분을 푸리에 역변환함으로써 각 전원이 보상해야 하는 부하 변동의 파형을 작성한다.
③ 각 전원의 정격 용량은 작성한 파형의 진폭에서 산출한다. 또한 파형을 시간 적분함으로써 축전장치의 용량을 산출한다.
④ ①~③을 휴일 등 특별한 날을 뺀 과거 1년간의 모든 하루 부하 변동 데이터에 실시한다.
⑤ 자립 운전에 대해서도 같은 작업을 행한다.

 



3. 설계 결과
<그림 8>은 연계 운전 시 각 전원의 설비 용량 크기에 따라 부하 변동 보상이 연간 운전 시간에 대해 어느 정도 보상할 수 있는가를 정리한 것이다.
예를 들어 가스엔진 발전기의 경우 100㎾의 정격용량을 가지고 있으면 운전 시간의 40%에 해당하는 시간의 변동이 보상 가능하다. 또한 <표 3>의 결과로 실제 도입한 설비 용량보다 적은 설비 용량으로 운전이 가능할 가능성을 나타냈다. 한편, 본고에서 산출하고 있는 용량은 부하 변동 보상용에 필요한 용량이며, 예를 들어 가스엔진 발전기와 같이 최저 부분 부하 출력이 필요한 전원에 대해서는 그에 해당되는 출력을 가미해 용량을 결정할 필요가 있다.

마무리

본고에서는 시미즈건설기술연구소에 구축한 마이크로그리드 실용 설비에 대해 부하 변동 해석과 전원 주파수 특성을 평가했다. 부하 변동 해석에서는 천이 확률 분포를 이용해 계측, 제어 주기를 1초로 결정했다. 또한 각 전원의 설비 용량을 설계하기 위해 취득한 하루 부하 변동 데이터를 주파수 해석했다. 각 전원의 주파수 특성 평가에서는 모든 전원의 응답 특성 및 가스엔진 발전기의 연비 특성, 자립 운전 특성을 취득함으로써 각 전원이 보상해야 하는 주파수 대역을 정했다.
게다가 부하 변동 해석과 전원 주파수 특성의 평가 결과를 바탕으로, 각 전원의 운용 방법을 바꾸지 않고 부하 변동 보상을 할 경우에 필요한 마이크로그리드 실증 설비 내의 발전기 용량과 축전장치의 전력 변환장치 용량, 축전 용량에 대해 재검토를 해서 변동 보상용 축전장치의 용량 삭감이 가능하다는 것을 확인했다. 특히 니켈-수소전지에 대해서는 10㎾h 정도의 용량으로 부하 변동 보상이 가능하다는 것을 나타냈다.
본고의 방법을 이용함으로써, 복수 종류의 분산형 전원을 협조시켜 운전시킬 때 어느 전원으로 어느 주파수 대역의 변동을 보상시키면 되는가 하는 제어 전략을 정량적으로 정할 수가 있다. 제안한 용량설계법은 부하와 전원을 따로따로 평가한 결과를 근거로 하기 때문에, 마이크로그리드 설계 단계에서 구축 범위의 전력 계측이 가능하면 부하 변동 보상용에 요구되는 전원 응답 성능 및 그 설계 용량을 사전에 설계할 수 있다. 또한 각종 전원에 대해 특성평가를 실시, 데이터베이스화 해 둠으로써 계획 시 전원 선정에 이용하는 일도 가능하다.
한편, 본고에서 검토한 마이크로그리드 실용 설비에는 자연에너지가 포함되어 있지 않지만, 부하 변동과 자연에너지 출력 변동은 거의 같기 때문에 본고의 방법은 자연에너지를 대량으로 포함한 마이크로그리드에서도 적용이 가능하다.

 
푸리에 변환(Fourier Transform)
시간 함수 f(t)는 서로 다른 주파수의 정현파의 중복으로 표현할 수 있는데, f(t)에 포함되는 각 주파수 성분의 크기를 나타내는 함수 F(t)를 f(t)의 푸리에 변환이라 한다. 신호 해석, 화상 처리, 제어 등의 분야에 널리 쓰인다.

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