[논문]신재생 에너지원 기반의 마이크로그리드 최적운영 방안

이상봉; 김규호; 이상근

doi:10.5370/kiee.2011.60.8.1467

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an optimal operation of microgrid systems and considering a tie-lines capacities that concerned each grid. The microgrid system consists of a wind turbine, a diesel generator, and a fuel cell. An one day load profile and wind resource for wind turbine generator were used for the ...

This paper presents an optimal operation of microgrid systems and considering a tie-lines capacities that concerned each grid. The microgrid system consists of a wind turbine, a diesel generator, and a fuel cell. An one day load profile and wind resource for wind turbine generator were used for the study. For the grid interconnection, tie-line capacities were applied as constraints. The capacity constraints of tie-lines in production cost analysis are very important issues in the operation and planning of microgrid. In optimization, the Harmony Search (HS) algorithm is used for solving the problem of microgrid system operation which a various generation resources are available to meet the customer load demand with minimum operating cost. The application of HS algorithm to optimal operation of microgrid proves its effectiveness to determine optimally the generating resources without any differences of load mismatch.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 마이크로 그리드의 통합운영에 관한 방안을 제시하였다. 여러 개의 마이크로 그리드로 구성된 계통에 있어서 그리드내의 신재생 전원에 관한 제약을 고려하고 하모니 탐색법을 이용해 문제를 해결하였다.

가설 설정

마이크로 그리드가 세 개가 있는 경우(S, T, U), 각 마이크로 그리드는 m, n, l 개의 발전원으로 구성되어 있고 Pd1, Pd2, Pd3의 부하를 분담하고 있다고 가정하고 각 그리드는 서로의 전력 전송을 위해 연계선으로 연결되어 있다고 하면 다음과 같이 제약식을 나타낼 수 있다. 이때, 연계선로 한계와 각 그리드에서의 발전량 결정은 main controller에 의해 연산되고 제어된다.
즉, 각 발전기들의 비용함수를 이용해 전체 비용함수를 구성하고 목적함수로 사용하였으며 24시간 부하 프로파일을 이용해 제약함수로 구성하였다. 또한 균등하게 풍력, 연료전지, 디젤터빈을 각 1대씩 운영중인 것으로 가정하여 발전출력이 환경적 요인에 결정되도록 하였고 그리드간 연계선로의 한계는 동일하게 4kW로 하였다.

제안 방법

풍력발전기에서의 발전 출력은 풍속에 의해 그 양이 결정되며 일반적으로 유도 발전기가 사용되며 유도 발전기 종류 및 기어박스 유무에 따라 식 (5-1)의 형태로 모델링하는 일정출력방식과 식 (5-2)의 형태로 모델링하는 가변출력방식으로 구분된다. 본 논문에서는 문헌 [10]에서 제안한 식 (5-2)의 가변출력특성을 이용하여 모델링 하였다[10].
마이크로 그리드내 전원과 연계그리간의 최적운용 문제를 위해 다음과 같이 정식화 하였다. 즉, 각 발전기들의 비용함수를 이용해 전체 비용함수를 구성하고 목적함수로 사용하였으며 24시간 부하 프로파일을 이용해 제약함수로 구성하였다. 또한 균등하게 풍력, 연료전지, 디젤터빈을 각 1대씩 운영중인 것으로 가정하여 발전출력이 환경적 요인에 결정되도록 하였고 그리드간 연계선로의 한계는 동일하게 4kW로 하였다.
더욱이 모든 최적화 알리리즘의 경우 이 값의 정확한 처리에 계산 속도가 결정된다. 본 논문에서는 하모니 탐색법이 갖고 있는 코드 소스의 간단성을 크게 변형하지 않도록 하기 위해 간단히 적용할 수 있는 식 (11)의 일반적 페널티법을 사용해 최적화를 실시하였다[12].
본 논문에서의 최적화 구간은 전체 72구간으로 나누어 진행하였다. 이것은 하루를 기준으로 하는 경우 20분 간격으로 발전량 배분 데이터를 계산하여 제공하는 것이다.
이것은 하루를 기준으로 하는 경우 20분 간격으로 발전량 배분 데이터를 계산하여 제공하는 것이다. 마이크로그리드의 실시간 운용을 위해서 중요한 것은 풍력발전기에 필요한 풍속 데이터, 부하 요구량에 관한 추정방법이며 본 연구에서는 미리 계획된 그림 3의 지역별 20분 단위 부하량과 그림 3의 부하량 데이터를 이용하였고 지역별로 부하 종류를 상업용, 중요부하, 거주용 부하로 구분하여 모의 하였다.
HMCR는 0.95를 적용하였고 1)항에서 생성한 변수가 이 값 이하이면 HM을 고려하고 이 단계에서의 3)항을 실시하고 아닐 경우 랜덤변수를 각 발전원의 발전량으로 조작 없이 할당하였다.
하루 24시간에 관한 마이크로그리드 최적운용을 위한 HS 알고리즘을 적용하였고 결과를 얻을 수 있었다. 부하량과 풍속데이터는 20분 간격으로 하였고 발전량에 관한 전체운용 비용은 그림 4와 같다.
본 연구에서는 마이크로 그리드의 통합운영에 관한 방안을 제시하였다. 여러 개의 마이크로 그리드로 구성된 계통에 있어서 그리드내의 신재생 전원에 관한 제약을 고려하고 하모니 탐색법을 이용해 문제를 해결하였다. 각 마이크로 그리드 사이의 환경적 영향으로 부족한 발전량을 타지역에서 공급받으므로써 효율적인 운용을 할 수 있음을 알 수 있고, 그리드가 속한 지역의 풍속과 같은 환경적 요인에 큰 영향을 받음을 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

본 논문에서 고려한 풍력발전기의 출력을 결정하고자 그림 2에서와 같은 세 지역에서의 하루 24시간 풍속데이터를 이용하였고 풍력발전기의 특성은 표 2와 같다.

이론/모형

본 논문에서는 신재생 기반의 연계 마이크로그리드 시스템의 최적운용을 위한 최적화 알고리즘으로 최근에 제안된 하모니 탐색법을 이용하였다. 하모니 탐색법은 최적해의 반복 계산 시 탐색방향과 크기 결정에 있어서 음악의 화음 조율을 모티브로 하여 제안된 알고리즘으로 기존의 진화연산과 유사한 계산과정을 갖고 있으나 코딩의 단순성과 수렴해의 정확성 그리고 단축된 반복계산으로 인해 효율성이 입증된 최적화 알고리즘이다[5,6].

성능/효과

하모니 탐색법의 적용은 목적함수와 제약함수가 구성되어 있는 경우 쉽게 적용가능하나 HMS, HMCR, PAR, NI 등 파라미터 결정에는 신중해야 한다. 반복 시뮬레이션 수행을 통한 경험으로 HMS 크기가 커진다고 해서 수렴이 빠른 것이 아니며 PAR 값에 의해 수렴 속도 및 정확성에 영향을 받는 것으로 확인 되었다. 최적운용을 위한 하모니 탐색법 적용 방법이다.
반복계산 시 미리정한 NI 값을 넘을 경우 계산을 종료하고 다음 발전 구간의 계산을 실시한다. 본 연구에서의 NI 값은 3,000으로 정하였으나 약 2,000번 이내의 반복 계산에서 발전량에 관한 최적값을 얻을 수 있었다.
여러 개의 마이크로 그리드로 구성된 계통에 있어서 그리드내의 신재생 전원에 관한 제약을 고려하고 하모니 탐색법을 이용해 문제를 해결하였다. 각 마이크로 그리드 사이의 환경적 영향으로 부족한 발전량을 타지역에서 공급받으므로써 효율적인 운용을 할 수 있음을 알 수 있고, 그리드가 속한 지역의 풍속과 같은 환경적 요인에 큰 영향을 받음을 확인 할 수 있었다.

후속연구

또한, 주 계통과의 연계 여부와 관련하여 전력구입 또는 판매비용, 전압, 주파수, 고조파, 탄소 배출량 교환등 여러 가지 제약이 포함될 수 있으나 본 연구에서는 주 계통과 분리된 상태에서의 마이크로그리드 단독 운용에 관해서만 분석하였고 추후 연구를 통해 이러한 제약들을 고려할 예정이다.
향후 연구로는 마이크로 그리드가 주 계통과의 연계하여 전력구입, 판매비용, 전압, 주파수, 고조파, 탄소배출량 교환 등 여러 가지 제약을 포함한 운용방안 연구를 통해 각 세부 제약별 영향 평가와 사용된 알고리즘의 수렴성 및 정확성 효과를 명확하게 확인할 수 있는 조건별 모의 수행이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하모니 탐색법은 어떻게 최적의 화음을 탐색하여 최적해를 계산하는가?	하모니 탐색법은 최적의 화음을 위해 악기를 튜닝하는 음악적 모티브를 이용하는 최적화 방법이다. 최적해의 계산 시 현재의 최적해 후보군 중에서 최적의 화음에 가장 근접한 해를 선택하고 이 해를 이용해 탐색 방향, 크기를 조절함으로써 전역해를 탐색하는 방법이다. 탐색 알고리즘으로는 기존의 유전 알고리즘과 비슷한 개념인 competing pool을 이용하는데 유전 알고리즘이 생존에 적합한 세대를 선택하고 나머지는 도태시키는 방법과 같이 하모니 탐색법도 음악에서의 화음에 적합한 해를 선택하여 저장하고 그렇지 않은 해는 화음구성에서 배제하는 방법으로 최적해를 개선해 나간다.
	마이크로그리드의 가장 중요한 장점은 무엇인가?	전력의 효율적 사용, 에너지원의 다양화, 계통의 신뢰도 향상, 그리고 환경적 영향에 관한 패러다임 변화로 인해 전력계통에서의 마이크로그리드는 현재 최선의 전력계통으로 인식되고 있으며 기존의 광역기반 계통을 변화시키고 있다. 마이크로그리드에 관한 가장 중요한 장점은 각종 신재생 또는 기존의 소규모, 마이크로 전원이 중요부하 인근에 설치됨으로 써 전력에너지 사용에 관한 효과를 극대화 시킬 수 있다는 것이다. 이는 기존의 광역기반 분산전원 연계 계통과는 구별되는 차이점으로 주 계통의 사고 또는 고장에 대해 단독운전방지를 수행했던 분산전원 운전과는 다르게 마이크로 그리드 시스템은 주 계통과의 연계를 차단하고 자체적인 운영을 통해 독립적인 전력공급을 지속하여 그리드내의 전력 공급 신뢰성을 확보하게 된다[1,2].
	마이크로그리드가 현재 최선의 전력계통으로 인식되고 있는 이유는 무엇인가?	전력의 효율적 사용, 에너지원의 다양화, 계통의 신뢰도 향상, 그리고 환경적 영향에 관한 패러다임 변화로 인해 전력계통에서의 마이크로그리드는 현재 최선의 전력계통으로 인식되고 있으며 기존의 광역기반 계통을 변화시키고 있다. 마이크로그리드에 관한 가장 중요한 장점은 각종 신재생 또는 기존의 소규모, 마이크로 전원이 중요부하 인근에 설치됨으로 써 전력에너지 사용에 관한 효과를 극대화 시킬 수 있다는 것이다.

참고문헌 (12)

Venkataramanan, G., C. Marnay. "A Larger Role for Microgrids" IEEE Power & Energy Magazine, Vol. 6, Num. 3, May/June 2008, pp.78-82.
Lasseter, R., "MicroGrids," , IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2002.,New York, NY, 2002, p. 305-08.
Krishnamurthy, S., T.M. Jahns, R.H. Lasseter. "The Operation of Diesel Gensets in a CERTS Microgrid" IEEE, Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008
Sakis Meliopoulos, "Challenges in Simulation and Design of Grids," Proceedings of the 2002 IEEE/PES Winter Meeting, 2002.,New York, NY, 2002.
Geem, Z.W., Tseng, C-L. and Park, Y. ''Harmony search for generalised orienteering problem: best touring in China'', Book Advanced in Natural Computation, Vol. 361, No. 2, Springer Berlin/Heidelberg, 2005
Lee, K.S. and Geem, Z.W. ''A new meta-heuristic algorithm for continuous engineering optimisation: harmony search theory and practice'', Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 194, pp.3902--3933, 2005

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Levitin, G., Lisniaski, A. and Elmakis, D. ''Structure optimisation of power system with different redundant elements'', Electric Power System Research, Vol. 43, pp.19-27, 1997

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Mohamed, F., and Heikki, k. "System Modelling and Online Optimal Management of MicroGrid," accepted for publication in the 6th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for Offshore Wind Farms ., 26-8 October 2006, Delft, The Netherlands.
www.cumminspower.com/Commercial1/Diesel/S1215.pdf
J. F. Manwell, J. G. McGowan, A. L. Rogers, Wind Energy explained, John Wiley & Sons, 2002
Hernandez-Aramburo, C. A., and Green, T. C., and Mugniot, N., "Fuel Consumption Minimization of a Microgrid", IEEE Transactions On Industry Applications, vol. 41, Issue. 3, May/June. 2005, p. 673-681.

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Michalewicz, Z., "A Survey of Constraint Handling Techniques in Evolutionary Computation Method" Proc. 4th Annual Conference on Evolutionary Programming, pp. 135-155, 1995

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