[논문]RTDS를 이용한 신재생에너지 기반 마이크로그리드 시뮬레이션 해석

허세림; 김경훈; 이효근; 황철상; 박민원; 유인근; 박정도; 이동영; 이상진

doi:10.5370/kiee.2011.60.12.2190

RTDS를 이용한 신재생에너지 기반 마이크로그리드 시뮬레이션 해석
Simulation Analysis of a Renewable Energy Based Microgrid using RTDS 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.12, 2011년, pp.2190 - 2195

허세림 (창원대 공대 전기공학과) , 김경훈 (창원대 공대 전기공학과) , 이효근 (창원대 공대 전기공학과) , 황철상 (창원대 공대 전기공학과) , 박민원 (창원대 공대 전기공학과) , 유인근 (창원대 공대 전기공학과) , 박정도 (위덕대 공대 에너지전기공학부) , 이동영 (위덕대 공대 에너지전기공학부) , 이상진 (위덕대 공대 에너지전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to enhanced demands on quality, security and reliability of the electric power energy system, a microgrid has become a subject of special interest. In this paper, output characteristics of energy storage system (ESS) with an electric double layer capacitor (EDLC) and battery energy storage system (BESS) of a renewable energy based microgrid were analyzed under grid-connected and islanded operation modes. The microgrid which consists of photovoltaic and wind power turbine generators, diesel generator, ESS with an EDLC, BESS and loads was modeled using real time digital simulator. The results present the effective control patterns of the microgrid system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PMSG(Permanent magnetic synchronous generator, 영구 자석 동기발전기)형 풍력 터빈 발전 시스템, 태양광 발전 시스템, 디젤 발전 시스템, Li-ion 배터리 에너지 저장장치(Battery energy storage system, BESS), EDLC(Electric double layer capacitor)를 가지는 에너지 저장장치 그리고 부하로 이루어진 마이크로그리드를 RTDS(Real Time Digital Simulator)를 이용하여 모델링 하고 동작 특성을 알아보기 위해 시뮬레이션 해보았다. 모델링 된 마이크로그리드는 계통 연계 운전모드와 독립 운전모드 2가지 모드에서 시뮬레이션 되었고, 계통 연계 시 풍력과 태양광 발전의 출력 변동은 EDLC를 가지는 에너지 저장장치에 의해서 평활화 된다.
본 논문에서는 신재생에너지 기반 마이크로그리드를 RTDS를 이용해 모델링하고 시뮬레이션 해보았다. 전력 품 저하의 요인이 되는 신재생에너지원의 출력 변동은 EDLC를 가지는 에너지 저장장치에 의해서 평활화 되었고, 특히 독립 운전 모드에서는 Li-ion 배터리 에너지 저장장치의 전력 충·방전 운전으로 부하 급변 등의 과도현상이 발생하여도 마이크로그리드 주파수를 60 Hz로 유지하면서 안정정적으로 운전하는 모습을 보였다.

가설 설정

독립 운전 모드에서는 마이크로그리드내의 부하 급변이나 마이크로그리드를 구성하는 장치의 탈락 등 과도현상이 발생했을 때 에너지 저장장치의 동작과 마이크로그리드의 운전 특성을 확인하기 위해 시뮬레이션 하였다. 총 4가지 상황을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였고, 각 상황에서의 조건과 각 시스템의 출력을 표 2에 상세히 기술 하였다.

제안 방법

EDLC는 최대 전압 36.9 V, 66 F의 커패시터를 직렬로 10개 연결하여 최대 전압 369 V일 때 최대 4.5 MJ의 에너지를 저장할 수 있는 6.6 F의 EDLC bank로 등가화해서 모델링 하였다. EDLC를 가지는 에너지 저장장치는 양방향 DC/DC 컨버터를 통해서 계통과 EDLC간에 전력을 주고 받으며, 3상 인버터를 통해 DC에서 AC로 변환되어 계통과 연계된다.
독립 운전 모드에서는 마이크로그리드내의 부하 급변이나 마이크로그리드를 구성하는 장치의 탈락 등 과도현상이 발생했을 때 에너지 저장장치의 동작과 마이크로그리드의 운전 특성을 확인하기 위해 시뮬레이션 하였다. 총 4가지 상황을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였고, 각 상황에서의 조건과 각 시스템의 출력을 표 2에 상세히 기술 하였다.
디젤 발전 시스템은 RSCAD/RTDS 내의 디젤 발전기 컴포넌트와 여자기, 조속기 모델을 사용하여 모델링 하였다. 표 1에 모델링된 마이크로그리드를 구성하는 각 시스템 용량을 표기 하였다.
본 논문에서는 PMSG(Permanent magnetic synchronous generator, 영구 자석 동기발전기)형 풍력 터빈 발전 시스템, 태양광 발전 시스템, 디젤 발전 시스템, Li-ion 배터리 에너지 저장장치(Battery energy storage system, BESS), EDLC(Electric double layer capacitor)를 가지는 에너지 저장장치 그리고 부하로 이루어진 마이크로그리드를 RTDS(Real Time Digital Simulator)를 이용하여 모델링 하고 동작 특성을 알아보기 위해 시뮬레이션 해보았다. 모델링 된 마이크로그리드는 계통 연계 운전모드와 독립 운전모드 2가지 모드에서 시뮬레이션 되었고, 계통 연계 시 풍력과 태양광 발전의 출력 변동은 EDLC를 가지는 에너지 저장장치에 의해서 평활화 된다. 그리고 독립운전 모드에서는 Li-ion 배터리에너지 저장장치에 의해 마이크로그리드 주파수를 60 Hz로 일정하게 유지시킨다.
본 논문에서 모델링 된 전류원 모델로 간략화 된 Li-ion 배터리 에너지 저장장치는 마이크로그리드 전압을 일정하게 유지하도록 하는 d축 전류와 마이크로그리드 주파수를 일정하게 유지하도록 하는 q축 전류를 제어한다. 제어된 d축, q축 전류를 dq 역변환하여 얻은 3상 전류 값 만큼 전류원이 출력하게 되면서 마이크로그리드의 전압과 주파수를 일정하게 제어하면서 마이크로그리드가 안정하게 운전할 수 있도록 한다.
본 논문에서 모델링된 PMSG형 풍력 발전 시스템은 정격 풍속 이하에서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대 전력 추종) 제어를 통해 최대 전력점에서 동작할 수 있도록 제어하였다. 반면 정격 풍속 이상에서는 정격 출력 이상의 출력을 내기 때문에 풍력 발전시스템의 전력변환 장치의 용량이 커져야 한다.
본 논문에서는 3.7 V, 56 Wh의 Li-ion 배터리 병렬, 직렬 20(P)⨯125(S) 개를 연결하여 정격 전압 462.5 V의 140 kWh의 Li-ion 배터리 에너지 저장장치를 전류원으로 등가 화하여 모델링 하였다. Li-ion 배터리 에너지 저장장치는 마이크로그리드가 독립 운전 모드에서 동작할 때, 마이크로그리드의 주파수를 60 Hz로 일정하게 유지시키기 위해서 동작한다.
본 논문에서는 PMSG형 풍력 터빈 발전시스템, 태양광 발전 시스템, 디젤 발전 시스템, Li-ion 배터리 에너지 저장 장치, EDLC를 가지는 에너지 저장장치 그리고 부하로 이루어진 마이크로그리드가 내에 모델링 되었다.
본 논문에서 모델링 된 전류원 모델로 간략화 된 Li-ion 배터리 에너지 저장장치는 마이크로그리드 전압을 일정하게 유지하도록 하는 d축 전류와 마이크로그리드 주파수를 일정하게 유지하도록 하는 q축 전류를 제어한다. 제어된 d축, q축 전류를 dq 역변환하여 얻은 3상 전류 값 만큼 전류원이 출력하게 되면서 마이크로그리드의 전압과 주파수를 일정하게 제어하면서 마이크로그리드가 안정하게 운전할 수 있도록 한다. 그림 3에서 전류원으로 등가화한 Li-ion 배터리 에너지 저장장치의 구성도(a)와 제어 블록도(b)를 나타냈다.
그림 2는 EDLC를 가지는 에너지 저장장치의 신재생 에너지원의 출력 변동 평활화 제어 알고리즘이다. 풍력과 태양광 발전 시스템의 출력의 합과 그 합을 LPF(Low Pass Filter, 저역 통과 필터)에 통과시켜 얻은 값의 차이를 고려하여 EDLC가 전력을 충전하거나 방전하면서 마이크로그리드 내의 신재생 에너지원 출력 변동을 평활화 한다.

이론/모형

시뮬레이션은 계통 연계 운전모드와 독립 운전 모드에서 실시되었다. 계통 연계 운전모드에서는 EDLC를 가지는 에너지 저장장치에 의해서 풍력과 태양광 발전의 출력 변동이 평활화 되고, 그림 4는 그 결과를 보여준다.

성능/효과

본 연구를 통해 개발된 마이크로그리드 RSCAD/RTDS모델은 마이크로그리드의 실제 계통에 적용에 앞서 고장발생등 과도현상에 대한 동작 특성과 그 결과를 미리 예측하여 문제점을 파악하고, 이를 대비하기 위한 보호 시스템 개발 등에 쓰일 수 있는 장점을 가지고 있다.
시뮬레이션을 통해서 에너지 저장장치가 전력을 충전 또는 방전함으로써 마이크로그리드 시스템이 안정적으로 운전될 수 있음을 확인하였다. 그리고 본 연구를 통해 개발된 RTDS 마이크로그리드 모델을 이용하면 실제 마이크로그리드 구축에 앞서 고장 발생 등 여러 가지 과도현상에 대해 마이크로그리드의 동작 특성을 분석 하여 실제 마이크로그리드 운전 시 발생할 수 있는 문제점들을 미리 파악하고 이에 대비할 수 있다.
전력 품 저하의 요인이 되는 신재생에너지원의 출력 변동은 EDLC를 가지는 에너지 저장장치에 의해서 평활화 되었고, 특히 독립 운전 모드에서는 Li-ion 배터리 에너지 저장장치의 전력 충·방전 운전으로 부하 급변 등의 과도현상이 발생하여도 마이크로그리드 주파수를 60 Hz로 유지하면서 안정정적으로 운전하는 모습을 보였다.
15초에 이후부터 Li-ion 배터리 에너지 저장장치가 동작을 하지 않게 되면서, 마이크로그리드의 주파수는 60 Hz를 유지하지 못하고 계속해서 흔들리다. 즉, Li-ion 배터리 에너지 저장장치의 탈락으로 마이크로그리드는 불안정하게 운전되고 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

시뮬레이션을 통해서 에너지 저장장치가 전력을 충전 또는 방전함으로써 마이크로그리드 시스템이 안정적으로 운전될 수 있음을 확인하였다. 그리고 본 연구를 통해 개발된 RTDS 마이크로그리드 모델을 이용하면 실제 마이크로그리드 구축에 앞서 고장 발생 등 여러 가지 과도현상에 대해 마이크로그리드의 동작 특성을 분석 하여 실제 마이크로그리드 운전 시 발생할 수 있는 문제점들을 미리 파악하고 이에 대비할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로그리드란?	최근 높은 안정도와 신뢰도를 가지는 고품질 전력에 대한 소비자의 요구가 증가하고 있는 가운데 마이크로그리드는 이러한 소비자들의 요구를 충족시킬 대안으로 주목받고 있다 [1]. 마이크로그리드는 전력 변환 장치를 가지는 태양광, 풍력, 연료전지 발전과 같은 분산전원과 배터리, 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장장치 그리고 부하로 이루어진 소규모 배전망으로 정의 된다 [2-3]. 마이크로그리드는 기존의 전력망과 연계 (계통 연계 운전 모드, grid-connected operation mode) 혹은 분리되어 독립적으로 운전 (독립운전 모드, islanded operation mode)할 수 있다.
	신재생에너지원 발전의 출력 변동이 전력 품질 저하의 원인이 되는 이유는 무엇인가?	반면, 마이크로그리드 내의 분산전원 중 특히 풍력, 태양광 발전은 시간과 기상 조건에 따라 출력 변동이 심하다. 이러한 신재생에너지원 발전의 출력 변동은 전력 품질을 결정하는 주요 요인인 주파수 변동을 일으켜 전력 품질 저하의 원인이 된다 [4]. 특히, 독립 운전 모드에서는 신재생에너지원 발전의 출력 변동이 주파수 변동에 큰 영향을 미치게 된다.
	풍력 터빈이 바람의 에너지 100% 회수 시 풍력 터빈 통과 후 바람의 속도가 0이 되어야 하지만 현실적으로 불가능한 일이기 때문에 어떠한 값을 고려해야 하는가?	바람이 가지는 에너지는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있고, 풍력 터빈이 바람의 에너지 100% 회수하려면, 풍력 터빈 통과 후 바람의 속도는 0이 되어야한다. 하지만 연속적인 공기 흐름을 볼 때 이것은 불가능한 일이기 때문에 식 (2)와같이 효율의 개념인 Cp(Power coefficient)값이 고려되어져야 한다. 이 때 효율 Cp는 주속비(Tip ratio, λ)와 피치각(Pitch angle, β)의 함수로 나타낼 수 있고, 식 (4)에 그 관계식을 나타내었다.

참고문헌 (5)

R. H. Lasseter, "Microgrid", IEEE PES Winter meeting, January, 2002.
R. H. Lasseter and P.Piagi, "Control and Design of Microgird Components, PSERC Publication, 2006.
J. A. Pecas Lopes, C. L. Moreira, and A. G.Madureira, "Defining control strategies for microgrids islanded operation," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 21, pp. 916-924, 2006.

상세보기
Tan K. T, So P. L and Chu Y. C, "Control of Parallel Inverter-interfaced distributed generation systems in microgrid for islanded operation," International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS), pp. 1-5, 2010.
H. Wei, W. Xin, G. Jiahuan, Z. Jianhua and Y. Jingyan, "Discussion on Application of Super Capacitor Energy Storage System in Microgrid," SUPERGEN '09. International Conference on, pp. 1-4, 2009.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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