복합에너지시스템의 성능개선에 관한 연구
최정훈*ㆍ문채주**ㆍ장영학***
A Study on System Retrofit of Complex Energy System
Jung-Hun Choi
*ㆍChae-Joo Moon
**ㆍYoung-Hak Chang
***요 약
풍력이나 태양광 같은 재생에너지의 활용은 온실가스 감축과 경제성 확보를 얻기 위해서 많은 나라에서 피 할 수 없는 선택이 되고 있다. 그러나 재생에너지의 간헐성 때문에 계통으로 연계되는 재생에너지의 비중이 커지게 되어 얻어지는 문제가 더욱 크게 부각되고 있다. 복합에너지시스템은 일반적으로 2개 이상의 재생에너 지원이 서로 함께 사용되면서 시스템 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 에너지 공급에서 더욱 안정적이다. 전력시 스템을 비교해 보면 복합에너지시스템의 제어 및 최적화는 모델링, 운전 및 운영계획의 요소가 더욱 어려워진 다. 마이크로그리드시스템을 갖는 삼마도에 대한 복합에너지시스템 성능개선의 주 목적은 다양한 분산전원, 에 너지저장장치, 전력계통의 신뢰성을 확보하기 위해서 상호 조화롭게 조정하는 것으로 운전비용을 줄이고 최상 의 경제적인 이득을 얻기 위한 것이다. 본 논문은 최적의 마이크로그리드시스템을 갖는 개선된 삼마도 복합에 너지시스템을 제안한다. 시험운전결과 ESS의 SOC 변동폭이 약 12%로 낮아졌으며, 태양광 발전제약이 제거되 었고, 디젤발전기의 운전시간이 감소함을 확인할 수 있었다.
ABSTRACT
The application of renewable energies such as wind and solar has become an inevitable choice for many countries in order to achieve the reduction of greenhouse gases and healthy economic development. However, due to the intermittent characteristics of renewable energy, the issue with integrating a larger proportion of renewable energy into the grid becomes more prominent. A complex energy system, usually consists of two or more renewable energy sources used together to provide increased system efficiency as well as greater balance in energy supply. Compared with the power system, control and optimization of the complex energy system become more difficult in terms of modeling, operation, and planning. The main purpose of the complex energy system retrofit for samado island with microgrid system is to coordinate the operation with various distributed energy resources, energy storage systems, and power grids to ensure its reliability, while reducing the operating costs and achieving the optimal economic benefits. This paper suggests the improved complex energy system of samado island with optimal microgrid system. The results of test operation show about 12% lower SOC variation band of ESS, elimination of operation limit in PV and reduction of operation time in diesel generator.
키워드
Renewable Energy, Solar Energy, Wind Energy, ESS(Energy Storage System) 재생 에너지, 태양 에너지, 풍력 에너지, 에너지 저장 장치
* 국립목포대학교 대학원([email protected])
** 교신저자: 국립목포대학교 스마트그리드연구소
*** 국립목포대학교 스마트그리드연구소([email protected]) ㆍ접 수 일 : 2021. 01. 07
ㆍ수정완료일 : 2021. 01. 27
ㆍReceived : Jan. 07. 2021, Revised : Jan. 27, 2021, Accepted : Feb. 17, 2021 ㆍCorresponding Author : Chae-Joo Moon
Mokpo National University Email : [email protected]
http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2021.16.1.61
Ⅰ. 서 론
디젤엔진을 사용한 발전으로 전력을 공급하고 있 는 도서지역은 운영비용 뿐만 아니라 온실가스감축 이 요구되는 관점에서 재생에너지로 전력을 공급하 는 것이 필연적이다. 또한, 풍력이나 태양광 같은 재 생에너지의 사용은 온실가스 감축과 지속가능한 경 제개발을 위하여 모든 국가에서 피할 수 없는 선택 이 되고 있다. 그러나 계통에 연계되는 재생에너지 의 용량이 점점 커지게 되고 재생에너지의 간헐적인 특성 때문에 발생하는 전력계통 불안정 등 많은 어 려움이 등장하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 태양광, 풍력, 에너지저장장치 등 다중의 에 너지원과 설비가 집적된 재생에너지중심의 전력시스 템을 운영하기 위한 효과적인 방법의 개발이 요구되 고 있다.[1][2]
융복합에너지시스템의 제어 및 최적화는 전통적인 전력시스템과 비교해 볼 때 시스템모델링, 운전 및 계획 등이 더욱 어려워지고 있다. 융복합에너지시스 탬의 주 목표는 다양한 에너지원과 에너지저장장치, 전력계통과 운전이 조화롭도록 하는 것이다. 에너지 자립섬이라는 일반적인 도서특성에 맞추어 설계된 융복합에너지시스템은 운영단가를 줄이고 최적의 경 제적인 운전이 되어야 한다. 이러한 목적을 위하여 제어방법, 최적화방법, 성능분석, 계획 및 예측기법을 활용한 방법들이 있다[2-3].
융복합에너지시스템을 적용하기 위해서는 용량 최 적화와 LCOE분석을 통한 경제성분석이 사용되기도 하지만 HORMER 프로그램을 사용하여 최적의 경제 성을 갖춘 시스템 구성 및 용량을 산정하고 있다.
이러한 마이크로그리드 설계에서 태양광, ESS, 연료 전지 등의 설비가 사용되는 융복합에너지시스템의 경우 DC 설비 특성을 고려하여 직류배전시스템의 적용을 검토하여야 한다. 재생에너지의 안정적인 전 원공급과 전력품질을 유지하기 위해서는 ESS 도입 이 필수적이며, 재생에너지의 적정 용량과 경제성을 갖춘 직류마이크로그리드 설계가 되어야 한다. 마이 크로그리드 설계는 부하패턴분석, 신재생에너지원의 최적도입용량 및 출력예측, 에너지저장장치 용량 설 계 등 엔지니어링이 요구된다. 독립형 마이크로그리 드 설계를 검증하기 위해서는 부하량 함수를 생성,
재생에너지원 출력계산, ESS 및 엔진발전기 운영방 법수립, 연간 경제성평가 등의 절차를 확인하여야 한 다. 또한, 재생에너지원은 도서지역의 특성에 적합한 용량, 종류, 비상발전기와 ESS 연계성 등을 조합하 여 설계하여 안정성을 유지하여 한다[4-9].
도서지역의 태양광, 풍력 등 재생에너지 복합발전 을 위한 용량을 산정하기 위해서는 기상과 부하패턴 의 사전분석이 수행된다. 또한 태양광 설치용량을 계산하기 위해서는 기초지자체의 개발행위허가에 적 합한 부지가 선정되어야 하고 선정된 위치에서 전력 계통 연계를 위한 경과지 조사는 GIS를 이용하는 방 법이 효과적이다. 독립형으로 운전되는 도서의 경우 경제성을 확보하기 위한 재생에너지원의 적합한 조 합이 요구된다. 이러한 방법은 군사적으로 이동형으 로 사용되기도 한다[10]-[12].
본 연구에서는 상마도, 중마도, 하마도 등 3개 섬 으로 구성된 삼마도 에너지융복합시스템의 운전현황 과 문제점을 분석하고 해결방안을 제시한다. 직류마 이크로그리드 구축을 위하여 분산전원 용량의 결정 은 미국의 NREL(: National Energy Energy Laboratory) 연구소에서 개발한 HOMER(: Hybrid Optimization Model for Multiple Energy Resources) 프로그램을 이용한다. 그리고 개선된 시스템을 적용 한 운전결과를 고찰하고자 한다.
Ⅱ. 에너지복합시스템의 분석
2.1 삼마도 마이크로그리드 시스템
삼마도 마이크로그리드시스템은 그림 1과 같이 태 양광 122.4kW 용량으로 발전 출력은 DC-DC 컨버 터를 거쳐서 DC500~550V로 강압하고, 풍력은 3kW 용량 10기로 발전출력은 컨버터에서 직류로 변환하고 양방향 인버터를 통해 다시 교류로 변환되 는 직류결합 방식이다. 부하에 공급되는 전력은 재생 에너지원에서 양방향 인버터를 통하여 부하에 공급 되고, 디젤 발전기에서 상시 운전하여 부족한 부하를 추종하는 방식으로 가동되고 있다.
ESS는 1,231kWh 용량으로 구성되어 있으며,
양방향 인버터가 모든 재생에너지와 계통을 연결
하는 단일의 통로로 축전지의 충⦁방전 모드중 단
일 모드만 사용하고 축전지의 SOC에 따라 태양 광 및 풍력의 발전출력을 제어한다. 이러한 운전 방식으로 인하여 재생에너지원의 발전손실이 발생 한다. 1㎾h당 디젤발전기의 발전원가는 392.45 원으로 계산되고, 태양광 발전원가는 3,069.85원 으로 계산되어 태양광이 디젤발전기 보다 7.8배 높게 나타난다.
그림 1. 삼마도 마이크로그리드시스템 Fig. 1 Microgrid system of samado island
2.2 ESS 활용율
삼마도는 재생에너지원중 풍력과 태양광에서 발생 되는 전력을 ESS에 저장하고 야간에 충전된 전력을 사용한다. 부하분담은 그림 2와 같은 형태로 재생에 너지가 없을 경우 상시 디젤발전기가 2~3대가 연동 되었으나, 재생에너지 설치후 30kWh~60kWh 까 지만 디젤발전이 부하를 감당하고 부족한 전력은 재 생에너지에서 분담한다.
그림 2. ESS와 디젤발전기의 부하분담 Fig. 2 Load balance of ESS and diesel
그러나 디젤발전기가 24시간 상시 운전으로 인하
여 ESS 이용은 SOC의 50∼80%에서 운전되어 그만 큼 재생에너지의 활용성이 낮아진다. 실제로 태양광 발전에서 생산되는 전력은 낮 시간대에는 실시간 사 용되지만 현재 시스템에서는 대부분의 전력은 충전 되고 그 용량은 약 360kWh에 도달하는 것으로 분석 되었다. 재생에너지 발전용량 추가 없이 교류계통 운전모드로 변경시, 재생에너지원이 충전되지 않고 디젤발전기가 연속 운전되어야 한다. 따라서, 설치된 재생에너지원으로 1,200kWh의 ESS를 충전하기에 는 설비용량이 부족함을 알 수 있다.
2.3 재생에너지 출력제한
삼마도 복합에너지시스템은 디젤발전기가 상시 기 동하여 섬내의 기저 부하를 공급하고, 기상악화 등 비상상황을 대비하여 ESS의 SOC를 40% 이상으로 ESS를 운전하고 있으며, 디젤발전기는 96년에 설치 된 노후된 상태로 출력을 낮출 경우 전력 헌팅 및 정 지가 발생한다.
이와 같은 이유로 그림 3과 같이 최대 출력이 생 성되는 낮 시간대에는 디젤과 재생에너지 생산량이 총 부하를 초과하므로 재생에너지 출력을 제한하여 야 한다.
그림 3. 태양광발전 출력제한 영역 Fig. 3 Power limit area of solar system
2.4 전력생산 비율
삼마도 복합에너지시스템의 운전결과를 분석하면
그림 4와 같이 디젤발전이 73%, 태양광 25%, 풍력
발전이 2%로 나타난다. 풍력시스템은 3kW 용량의
10기로 총 30kW 설비를 보유하고 있으나 설치장소
의 평균풍속이 3.3m/s로 기동풍속 2.5m/s에 비해
너무 낮게 유지되어 출력이 매우 적게 나타난 것으
로 보인다.
그림 4. 전력생산 비율 Fig. 4 The rating of power generation
2.5 운전현황
2016년 11월 삼마도 복합에너지시스템의 운전현 황은 그림 5와 같이 디젤발전기 출력이 1,100kWh
∼1,600kWh, 태양광 출력이 0∼500kWh, ESS의 출력이 0∼700kWh 로 디젤발전기 출력이 2배 이 상을 나타내고 있다.
그림 5. 복합에너지시스템의 운전현황 Fig. 5 Operation conditions of complex energy system
Ⅲ. 복합에너지시스템의 최적 설계
3.1 개선된 마이크로그리드 시스템 설계 직류결합 마이크로그리드시스템의 단점은 양방향 인버터가 모든 부하를 부담하여 인버터 고장시 재생 에너지를 사용할 수 없다. 또한, 550VDC 직류전압 레벨이 현재 표준으로 적용하고 있는 380VDC와 상 이하여 각종 직류부품 및 소자 사용과 대체 사용이 어렵다. 따라서 이러한 제약사항을 극복하기 위해서 는 그림 6과 같이 교류결합 마이크로그리드 시스템 을 설계하여 제시한다.
그림 6. 교류결합 마이크로그리드 설계 Fig. 6 Design of AC coupling microgrid system
3.2 재생에너지 용량설계
재생에너지 용량은 현장 실정과 최적의 비용을 산 정하기 위하여 HOMER 프로그램을 이용하여 설계 한다. 풍력발전시스템은 낮은 풍속으로 이용율이 매 우 적고 현장 여건상 신규설치가 어렵기 때문에 설 계조건에서 제외하고 태양광시스템 용량을 선정한다.
80kW 용량의 디젤발전기 3대, 기존 태양광발전시스 템 122.4kW, ESS 1,231kWh를 기준으로 태양광발전 시스템의 용량은 그림 7과 같이 348kW로 계산된다.
최근 2년간 평균 부하인 1,174kW를 재생에너지원 으로 공급하기 위해서는 일평균 발전시간을 3.5시간 으로 계산할 경우 약 335kW 용량이 계산되고 소내 전력 등 손실을 4%로 반영하면 348kW 용량이 얻어 진 것이다. 한편, ESS는 80%의 SOC로 운전할 경우 960kWh가 되고, 기존 풍력시스템의 일평균 52kWh 을 제외하면 908kWh를 태양광에서 공급하여야 한 다. 3.5시간으로 발전되는 태양광시스템 용량은 약 259kW로 얻어지나 현장 여건은 외부사업의 20kW 태양광의 합산이 가능하고 신규 100kW를 설비를 추 가면 총 242.4kW의 태양광설비를 구축할 수 있다.
설계용량과 약 17kW 차이가 발생한 것은 현장여건
에 기인한 것이다. 설계 용량을 기준으로 평균부하
의 약 72%인 906kWh를 재생에너지로 공급할 수 있
으며, SOC 76% 용량 범위로 운전할 수 있다. 이렇
게 설비를 구축하면 재생에너지 출력이 계통과 ESS
에서 모두 사용되어 손실이 없어진다.
그림 7. HOMER 프로그램 계산 결과 Fig. 7 The output of HOMER program
3.3 운전모드 설계
삼마도 마이크로그리드는 상마도의 디젤발전기와 중마도의 재생에너지와 ESS로 그림 8과 같이 구성 된다.
그림 8. 운전모드 설계 Fig. 8 Design of operation mode
① 상마도 디젤발전기 운전중에도 중마도 재생에너 지전력은 상마도 PCS와 연계하여 운전한다. ② 50kW 이하의 경부하운전에서는 디젤발전기를 정지하고 중마 도 PCS만으로 운전한다. ③ 상마도 발전기는 중마도 EMS에서 원격으로 자동제어로 운전한다. ④ 중마도에 서 발전기-PCS 절체는 PCS 내부 Static Switch로 무 순단절체를 수행한다. ⑤ 중마도 PCS는 시스템 신뢰성 을 확보하기 위하여 2대로 구성하여 2중화를 구현한다.
⑥ 디젤발전기의 운전시간을 단축하기 위하여 자동운 전 기능 추가에 필요한 제어패널을 설치한다. ⑦ 상세 전력 모니터링을 위하여 PMU를 설치한다.
Ⅳ. 개선된 복합에너지시스템 운전
4.1 운전현황
2020년 11월 개선된 복합에너지시스템의 운전현황 은 그림 9와 같이 디젤발전기 출력이 800kWh∼
2,000kWh로 나타난 것은 부하도 증가하고 신재생 출력도 증가하여 총 부하를 추종하기 위한 변동폭이 증가되었다. 태양광 출력은 0∼1,200kWh로 태양광 설비용량이 보강되었으며, 출력제한이 발생하지 않는 다. ESS의 출력은 –100∼400kWh로 변동폭이 줄 어 최적의 범위에서 동작하고 있는 것을 알 수 있다.
그림 9. 개선된 복합에너지시스템 월간 운전현황 Fig. 9 Monthly operation conditions of advanced
complex energy system
2020년 11월 11일의 경우 그림 10과 같이 ESS가 –100kWh에서 +120kWh까지 이상적인 범위에서 운전하고 있으며, 디젤발전기가 9시부터 19시까지 정지하여 디젤발전기 운전이 최소화된다.
아는 설계에서 추구한 연료비 절감으로 운전비용 감 소되고 더 나아가 탄소중립에 기여한 것이 된다.
그림 10. 개선된 복합에너지시스템 일간 운전현황 Fig. 10 Daily operation conditions of advanced complex
energy system
4.2 SOC 변화
ESS는 개선 전후 용량이 같기 때문에 그 변화량 으로 운전현황을 정량적으로 비교할 수 있다. 2016 년 11월과 개선후 2020년 11월 SOC 운전자료를 비 교하면 그림 11과 같다.
그림 11. SOC 변화폭의 비교 Fig. 11 Comparison of SOC variation band
2016년 11월에 비해 2020년 11월의 SOC가 평균 12% 낮게 유지된 것은 부하증가와 디젤발전기 정지 에 따른 효과로 보이며, 특히 개선된 복합에너지시스 템은 기존 122.4kW 태양광 용량이 242.4kW로 증가 하였음에도 개선된 효과를 확인할 수 있다.
Ⅵ. 결론
2050년 탄소중립을 선언한 국가적인 명제는 파리 협정 이후 국제사회가 온실가스 감축을 위한 노력에 동참하고 새로운 국가 성장동력을 발굴하기 위한 것 이다. 온실가스 감축은 재생에너지 보급이 가장 유 력한 대안인 만큼 이를 위한 기술개발이 절실하다.
본 연구에서는 삼마도 복합에너지시스템의 마이크 로그리드 설계를 변경하여 최적의 운전방안을 발굴 하고 증가하는 부하에 대응하기 위한 설비개선 방안 이다. 기존 복합에너시스템의 문제점은 디젤발전기 기저부하로 마이크로그리드를 운전하여 발생하는 재 생에너지원 출력제한과 디젤발전기 중심의 운전으로 연료비에 의한 운영비용이 높게 나타난다.
개선된 복합에너지시스템은 태양광설비 용량이 증 가되었음에도 재생에너지 출력제한이 발생하지 않고 디젤발전기를 정지시키고 운전이 가능하게 되었다.
이로 인하여 연료비를 절약할 수 있다.
또한, PCS를 추조하는 ESS의 SOC가 평균 12%
낮게 유지되어 운전의 효율서이 향상됨을 알 수 있 다. 본 연구는 부하가 2,000kW이하인 경우 적용한 사례로 향후 우리나라 유인도서의 마이크로그리드 설계의 중요한 이정표가 될 수 있을 것으로 판단한 다. 특히 설계절차의 제시와 더불어 디젤 중심의 기 저부하 운전을 ESS 중심으로 변경할 수 있다는 것 을 입증한 것이다.
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1981년 전남대학교 공대 계측공 학과 졸업, 1984년 전남대학교 대 학원 전기공학과(석사), 1991년 전남대학교 대학원 전기공학과 (공박)
1991년 ∼ 현재 목포대학교 제어로봇공학과 교수, 목포대학교 스마트그리드연구소장
※ 관심분야 : 전력변환시스템, 제어 로봇, 스마트 그리드, 마이크로그리드
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저자 소개
최정훈(Jung-Hun Choi)
2002년, 2004년 목포대학교 공학 사, 공학석사 졸업
2014년∼현재 (재)녹색에너지연 구원 상용화사업실 팀장
※ 관심분야 : 마이크로그리드, 태양광발전시스템
문채주(Chae-Joo Moon)
