Energy Storage System Application for a Mini-Grid with Renewable Energy Sources

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신재생 에너지원이 포함된 미니그리드에서의 에너지 저장장치 적용 연구

송지영^*, 이한상^* ,이계병^*, 장길수^*, 권세혁^* 고려대학교^*

Energy Storage System Application for a Mini-Grid with Renewable Energy Sources

Jiyoung Song^*, Hansang Lee^* , Kyebyung Lee^* , Gilsoo Jang^* , Se-hyuk Kwon^* Korea University^*

Abstract - When renewable energy sources fluctuated severely are connected with power system, as conventional plants compensate electrical output with a slow response it causes a frequency and voltage problems. In this paper, we can show that the power system can be operated reliably by connecting with the energy storage which has a fast response time through controlling charge or discharge of energy storage .

1. 서 론

최근 이산화탄소 배출권 문제등 에너지와 환경문제가 대두됨에 따라 신재생에너지의 도입이 증가하고 있다. 하지만 신재생에너지의 특성상 출력을 임의로 조절하기가 쉽지 않기 때문에 계통에서 많은 비중을 차 지하지 못하고 있다. 이는 주파수, 전압문제를 야기 시키기에 이를 적절 히 보상해 줄 수 있는 기기 또는 기법이 필요함을 의미한다[1]. 특히 국 소계통에 연계 되어 있는 신재생에너지의 출력변동은 큰 계통에 비하여 전기적 관성이 작기 때문에 작은 출력변동으로 인하여 주파수, 전압변동 에 미치는 영향이 크다. 본 논문에서는 상대적으로 신재생에너지원의 비 중이 큰 국소계통에서 신재생에너지원 도입을 위한 에너지 저장장치의 적용 및 제어 기법에 대해 알아보고, PSCAD/EMTDC툴을 이용하여 그 효과를 검증해 보았다.

2. 본 론

2.1 계통구성

신재생 에너지원이 연계된 국소계통을 구성하기 위하여 소형발전원, 신재생 에너지원, 부하단 그리고 에너지 저장장치로 이루어진 계통을 구 성하였다. 신재생 에너지원은 출력변동이 가장 잘 표현되는 풍력 발전원 으로 모의하였다. 이러한 작은 독립된 계통은 상위계통과 연계된 하위계 통이 얘기치 못한 사고 등에 의해 상위계통과 분리되어 독립운전을 하 는 경우와 동일하게 적용될 수 있다.

<그림 1> 계통 구성도

2.1.1 계통 모델링

<그림 1>과 같은 구성으로 울릉도 면적의 약5배 크기의 400km

의 국 소 계통을 가정하였다. 소형발전원, 풍력발전원, ZIP모델의 부하가 22.9kV의 배전급 계통에 연계 되어있다. 부하량은 약 3MW수준으로 ZIP모델비율은 한전에서 통상적으로 사용하는 35.1 : 14.1 : 50.8(active power), 44.4 : 29.3 : 26.3(reactive power)로 결정하였다.

부하와 발전단 및 에너지 저장장치 사이에 약10km의 거리를 두어 적 절한 선로 임피던스를 반영하였다. 계통의 세부 구성은 아래의 <표 1>

과 같다.

본 논문에서는 출력 보상을 위한 에너지 저장장치연계를 시스템 관점 에서 바라보았기 때문에 에너지 저장장치별 특성, 용량제한을 고려하지 않고 DC전압원으로 모델링 하였다.

<표 1> 계통 구성

계통구성

지역면적 - 400km

소형발전원 용량

정격전압

20MVA 13.8kV

풍력발전원 용량

정격전압

2MW 480V 부하

(MW+jMVar)

Z I P

0.9477+j0.1865 0.3807+j0.1231 1.3716+j0.1105

선로임피던스[4] R

X

0.074  /km 1.212mH/km 2.1.2 인버터 설계

풍력발전의 출력변동에 따라 AC계통과 DC에너지 저장장치 사이 인 터페이스로 PWM방식의 6Pulse IGBT 인버터를 구성하였다. 충전 및 방전에 따라 PWM에 인가되는 신호를 PI제어기를 통하여 제어할 것이 다. 인버터 출력단에는 상용주파수 60Hz의 출력을 위하여 적정한 값의 LC필터를 연결하였다.

2.1.4 제어 범위

분산전원의 계통 연계기준으로써 30kW이하의 발전원에 대해

    

    를, 30kW이상은     

    를 이 상 주파수로 정의하고 있다[3]. 또한 본 논문에서 다루고자 하는 22.9kV 배전계통에서는 부하량에 따라 22.0 - 23.9kV을 운전 범위로 정의하고 있으므로 운전범위를 벗어나는 주파수 및 전압에 대해 계통의 주파수 60Hz와 전압22.9kV에서 운전될 수 있도록 제어할 것이다.

2.1.3 제어기 설계

앞서 언급한 제어범위 내에서 운전될 수 있도록 PI 제어기를 설계 하 였다. 계통의 주파수를 입력으로 받아 인버터 제어신호의 위상각을 출력 으로 갖는 제어기와 계통의 전압을 입력으로 받아 인버터 제어신호의 크기를 출력으로 갖는 제어기를 설계하였다[2]. 이렇게 출력된 위상각과 전압 크기로 만들어진 전압은 120‘ 위상차를 두어 3상 제어신호를 만들 어 내고, PWM의 삼각파와 비교되어 인버터의 펄스 신호로 인가된다.

PI 파라미터는 풍력발전의 출력변동에 대해 인버터단의 응답이 소형 발전원의 전기적 응답 속도보다 빠르게 반응 하도록 0.01msec의 시정수 를 결정하였다.

<그림 2> PI 제어기

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17

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2.2 시뮬레이션 결과 및 분석

<그림 3>과 같이 풍속을 변화 시켜 초기 안정화 시점(2sec)이후부터 21sec까지 모의를 하였다. 풍력발전의 가시적인 출력변동을 반영하기 위 하여 통상적인 풍속(12m/sec)이상으로 운전되도록 임의의 풍속을 발생 시켰다.

<그림 3> 풍속의 변화

2.2.1 에너지 저장장치 도입 이전

<그림 4>는 에너지 저장장치 도입 이전의 소형발전원 및 풍력발전원 의 출력을 나타낸다. 풍력발전의 출력 변동에 대해 소형발전원이 출력 보상을 하고 있지만 <그림 5>에서처럼 주파수가 정상운전범위를 넘어 58.5Hz～61Hz 범위에서 운전되고, 전압 또한 20.9kV～22.5kV사이에서 운전이 되어 0.92pu 이하의 저전압 문제를 일으키고 있다.

소형 발전원은 풍력발전의 출력변동에 대해 즉각적인 전기적 출력을 내지만 기계적 출력이 따라오지 못함으로써 생기는 불안정한 주파수 문 제를 야기한다.

<그림 4> 에너지 저장장치 연계 이전의 출력변동

<그림 5> 에너지 저장장치 연계 이전의 주파수 및 전압변동

2.2.2 에너지 저장장치 도입 후

<그림 6>은 에너지 저장장치 연계 후 계통의 출력변동을 나타낸다.

<그림 5>와 다르게 풍력발전의 출력 변화를 보상하는 것이 소형발전원 출력이 아닌 에너지 저장장치의 출력임을 알 수 있다. 소형발전원 역시 출력변동에 보상을 하고 있기는 하지만 그 양이 미비하여 <그림 7>과 같이 발전기 출력 변화에 따른 주파수 및 전압변동이 계통에 영향을 미 치지 않고 안정적으로 운영되는 것을 확인할 수 있다.

<그림 6> 에너지 저장장치 연계 후 출력변동

<그림 7> 에너지 저장장치 연계 후 주파수 및 전압변동

3. 결 론

현재 신재생에너지원이 계통에 연계 되었을 때 발생하는 주파수 및 전압문제로 인하여 신재생에너지원의 도입이 제한적이다. 본 논문에서는 신재생 에너지원의 출력변동(풍력)에 따른 계통 주파수 및 전압변동을 적정 운전범위 내로 유지시키기 위한 에너지 저장장치 도입 및 제어에 따른 효과를 알아보았다. 이를 통해 계통에서 신재생에너지원이 차지하 는 비중을 높일 수 있고, 에너지 효율측면, 환경적인 측면에서 많은 이 점을 얻을 수 있다. 특히 최근 스마트 그리드가 학계에 큰 이슈로 떠오 르면서 스마트 그리드 도입에 필수 요건인 에너지 저장장치 개발 및 도 입에 따른 시스템 관점의 통합 운영 전략에 관한 연구가 수반 되어야 하겠다.

[참 고 문 헌]

[1] J.W. Smith, J.A. Taylor, D.L. Brooks, R.C. Dugan, “Interconnection studies for wind generation”, in Proc. 2004 Rural Electric Power Conf, pp.1-8.

[2] 손광명, 이계병, 홍준희, “PSCAD/EMTDC를 이용한 마이크로그리드 의 시뮬레이션 모델 개발”, 대한전기학회, 56권 3호, 2007년 3월 [3] IEEE Standard 1547, "Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems", 2008

[4] T.M. Papazoglou, "Review of the Maximum Efficiency of

Transmission Lines", IEEE Trans, vol. 35, pp307-310, 1992