[논문]가파도 마이크로그리드 신재생 에너지 전원 구성 방안

김동완; 고지한; 김승현; 김호민; 김일환

doi:10.7836/kses.2014.34.2.016

가파도 마이크로그리드 신재생 에너지 전원 구성 방안
Renewable Energy Configuration Plan of Micro Grid in Gapa Island 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.2, 2014년, pp.16 - 23

김동완 (제주대학교 풍력특성화 협동과정) , 고지한 (제주대학교 풍력특성화 협동과정) , 김승현 (제주대학교 전기공학과) , 김호민 (제주대학교 전기공학과) , 김일환 (제주대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a renewable energy configuration plan of Micro grid in Gapa Island. To analyze the characteristics of Micro grid, BESS (Battery Energy Storage System), PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) and SCIG (Squirrel Cage Induction Generator) are first modelled. The PMSG and SCIG will operate with basis on the real power curve. when the total power demand is larger than the total power generation, the BESS will be operated and the SOC (State Of Charge) is reduced. If the value of SOC could drop down to limited value, the system may be broken because of the voltage drop of BESS. To solve this problem, a DG (Diesel Generator) is used to charge the BESS and keep the voltage value of BESS with in a allowance limit. This paper represents simulation result when PMSG, SCIG connected to the Micro grid installed in Gapa Island. The simulation is carry out by using PSCAD/EMTDC program with actual line constant and transformer parameter in Gapa Island.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 제주특별자치도 대정읍 가파도 마이크로그리드의 신재생 에너지 전원 구성 방안을 모색해 보았다. 시뮬레이션은 실제 가파도 선로 및 변압기 정수를 고려하여 정확한 결과를 얻는데 노력하였다.

가설 설정

- 역률 : 분산전원의 역률은 PCC단에서 90%이상을 유지해야한다.
풍속이 변동함에 따라 회전자계를 공급하는데 필요한 여자전류를 충당하기 위해서 연계된 전력계통으로부터 변동하는 무효전력을 소모하는 것을 볼 수 있다.⁶⁾ 풍력발전기는 15초 이 후에 계통에서 탈락시켰다.

제안 방법

2) 본 논문에서 사용된 BESS는 모델링 된 배터리를 직·병렬로 연결하여 직류전압 1200V의 1MWh용량을 갖는 메인 전원으로 구성하였다.
가파도 마이크로그리드에서 야기될 수 있는 최악의 경우로, 정상운전 중인 풍력발전기 2기를 15초에 탈락시켰으며, 배터리의 잔존용량이 한계점에 도달했을 때 대기 중인 디젤 발전기가 투입되도록 설계하였다.
Case I은 모델링 된 가파도 계통에 250kW급 농형유도 풍력발전기 1기와 100kW급 영구자석형 풍력발전기 1기를 설치하였을 경우이며, Case II은 가파도 계통에 100kW급 영구자석형 풍력발전기 2기를 설치하였을 경우로 나누었다. 각 시뮬레이션에 따라, 가파도 마이크로그리드의 신재생에너지원으로 적합한 전원을 구성해 보았다. 더하여, 마이크로그리드에서 발생 가능한 최악의 경우를 고려하여, 각 시뮬레이션에서 풍력발전기가 모두 탈락하고 BESS의 잔존 용량이 한계점에 도달했을 때 기존에 설치된 디젤 발전기가 운전모드가 되어 부하에 전력 공급 및 배터리에 충전을 할 수 있도록 설계 하였다.
8구간에서 전압은 선형적 특성, 다른 구간에서는 비선형적 특성을 보인다. 결국 선형적 특성구간에서만 제어가 가능하기에 본 논문에서는 배터리의 여유분을 두어 SOC의 0. 26까지 사용할 수 있도록 하였다.
각 시뮬레이션에 따라, 가파도 마이크로그리드의 신재생에너지원으로 적합한 전원을 구성해 보았다. 더하여, 마이크로그리드에서 발생 가능한 최악의 경우를 고려하여, 각 시뮬레이션에서 풍력발전기가 모두 탈락하고 BESS의 잔존 용량이 한계점에 도달했을 때 기존에 설치된 디젤 발전기가 운전모드가 되어 부하에 전력 공급 및 배터리에 충전을 할 수 있도록 설계 하였다.
영구자석형 풍력발전기의 출력전압은 계통전압과 동기 되지 않으므로 직접 계통에 연계할 수 없다. 때문에 PCS를 사용하여 계통 연계가 가능한 교류전력으로 변환시켜 계통연계를 한다. 제어 알고리즘으로는 MSC에서 발전기 측 유·무효전력을 제어하며, GSC에서는 계통 측 무효전력과 직류전압을 제어한다.
배터리의 PCS에는 3상 전압원 인버터 1대와 LCL필터로 구성 된다. 마이크로 그리드가 독립운전으로 운전하는 경우 인버터에서 전압제어를 수행하고, 제어를 위한 위상각은 계통전압이 아닌 60Hz정격 주파수로 제어하여 위상각을 결정하였다.^3,4) 마이크로 그리드내의 BESS 출력 제어 방법으로 전압제어모드와 전류제어모드로 두 가지로 분류할 수 있다.
본 논문에서 독립운전중인 마이크로 그리드 내에 BESS의 일정 출력 제어방법을 이용하면 발전량과 부하량에 실시간 제어가 불가능하므로 일정 출력을 충·방전하는 전류제어모드가 아닌 계통전압을 만들고 주파수 유지를 할 수 있는 전압제어모드로 설계하였다.
사이리스터의 초기 점호각 값과 점호각 지연시간은 과도상태 특성을 결정짓는 중요한 파라메타가 된다. 본 논문에서는 점호각 지연시간을 2초로 두어 초기 돌입 전류를 최소화 하였다.⁵⁾
본 논문의 시뮬레이션에서 사용된 디젤 발전기는 BESS의 정상운전 시, 발전을 하지 않는 대기모드이며, BESS의 배터리 SOC를 실시간으로 체크하여 SOC가 한계점 이하로 떨어지면 운전모드로 전환할 수 있도록 모델링 하였다. 따라서 기존의 디젤 발전기는 150kW 용량을 갖는 3기의 서브 전원으로 구성하였다.
본 논문의 시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용하여 가파도 계통을 모델링하고 풍력발전기를 설치하였을 때 BESS의 동특성 및 계통전압 안정도에 대해 분석하였다. 시뮬레이션은 두 가지 Case로 실행하였다.
12는 PSCAD/EMTDC 프로그램을 이용한 가파도 전력계통 모델링이다. 본 논문의 시뮬레이션은 두 가지 Case를 고려하여 시뮬레이션 하였다.

대상 데이터

BESS의 배터리 모델은 공칭전압 3. 6V 180Ah의 정격용량을 갖는 리튬이온 배터리를 기준으로 모델링하였다. 배터리 모델은 Shepherd model을 참조하여 Fig.
본 논문의 시뮬레이션에서 사용된 디젤 발전기는 BESS의 정상운전 시, 발전을 하지 않는 대기모드이며, BESS의 배터리 SOC를 실시간으로 체크하여 SOC가 한계점 이하로 떨어지면 운전모드로 전환할 수 있도록 모델링 하였다. 따라서 기존의 디젤 발전기는 150kW 용량을 갖는 3기의 서브 전원으로 구성하였다.

이론/모형

6V 180Ah의 정격용량을 갖는 리튬이온 배터리를 기준으로 모델링하였다. 배터리 모델은 Shepherd model을 참조하여 Fig. 1과 같이 가변 전압 소스와 직렬 연결된 저항으로 구성하였으며, 모델링에 필요한 각종 상수들은 배터리의 실제 방전곡선을 이용하여 도출하였다.²⁾ 본 논문에서 사용된 BESS는 모델링 된 배터리를 직·병렬로 연결하여 직류전압 1200V의 1MWh용량을 갖는 메인 전원으로 구성하였다.
농형유도 풍력발전시스템에서 고정자를 직접 전력 계통에 연결하는 방식은 계통 연계 시 과도 상태 돌입 전류의 크기가 정격전류의 7 ∼ 8배 이상이 된다. 이를 방지하기 위해 소프트 스타터 제어 알고리즘을 사용하였다. 사이리스터의 초기 점호각 값과 점호각 지연시간은 과도상태 특성을 결정짓는 중요한 파라메타가 된다.

성능/효과

시뮬레이션 결과를 통해 농형유도 풍력발전기의 발전량이 증가함에 따라 흡수하는 무효 전력량 또한 늘어나게 됨을 알 수 있다. 결국 소규모의 마이크로그리드에서 무효전력이 흔들리게 되면 계통전압이 흔들리는 악영향을 줄 수 있다.
영구자석형 풍력발전기의 경우에는 PCS를 통해 계통 연계하기 때문에 무효전력이 발생하지 않아 풍속이 가변함에도 불구하고 계통전압을 일정하게 잡아주며 부하에 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 이를 통해 소규모의 마이크로그리드에서는 농형유도 풍력발전기보다 영구자석형 풍력발전기가 전압안정도에서 우수한 특성을 갖고 있음을 확인 할 수 있다.

후속연구

결국 소규모의 마이크로그리드에서 무효전력이 흔들리게 되면 계통전압이 흔들리는 악영향을 줄 수 있다. 이러한 문제점은 STATCOM등의 무효전력 보상장치를 설치하여 전력계통의 전압안정화를 향상 시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가파도 계통은 어떻게 구성되어 있는가?	마이크로그리드는 단독 운전이 가능한 소규모 전력망으로 정의 되며, 여러 분야의 신재생에너지와 에너지 저장 장치 등의 전원과 수용가인 부하들로 구성된다.1) 현재 가파도 계통은 150kW급 디젤 발전기 3기와 250kW급 농형유도 풍력발전기 2기 그리고 1MWh BESS의 전원과 50∼250kW 수용가 부하들로 이루어져 있다.
	마이크로그리드란 무엇인가?	우리나라 정부는 제주도 대정읍 가파도를 마이크로그리드 기술을 활용하여 친환경적인 섬으로 구축하고 있다. 마이크로그리드는 단독 운전이 가능한 소규모 전력망으로 정의 되며, 여러 분야의 신재생에너지와 에너지 저장 장치 등의 전원과 수용가인 부하들로 구성된다.1) 현재 가파도 계통은 150kW급 디젤 발전기 3기와 250kW급 농형유도 풍력발전기 2기 그리고 1MWh BESS의 전원과 50∼250kW 수용가 부하들로 이루어져 있다.
	역률, 전압변동, 주파수, 고조파 전압 제한에 대한 배전용 전기설비 접속규정은 무엇인가?	- 역률 : 분산전원의 역률은 PCC단에서 90%이상을 유지해야한다. -전압변동 : 순시전압변동은 발전원의 간헐성에 따라 3∼5% 이내로 제한되어야 한다. -주파수 : 일반적인 계통 주파수 조정범위는 60±0. 2Hz로 정하고 있다. -고조파 전류 : 분산전원으로부터 계통에 유입되는 고조파 전류는 종합 전류 왜형률이 5%를 초과 하지 않도록 해야 한다.

참고문헌 (7)

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Jin Kyung-Min, Kim Seong Hyun, Kim Eel-Hwan, Estimation of minimum BESS capacity for regulating the output of wind farms considering power grid operating condition in Jeju Island, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol 33, No 4, 2013

원문보기 상세보기
Jong-Yul Kim, Seul-Ki Kim, June-Ho Park, Contribution of an Energy Storage System for Stabilizing a Microgrid during Islanded Operation, Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol 4, No 2, 2009

원문보기 상세보기
Wujong Lee, Hyunsik Jo, Hank Ju Lee, Hanju Cha, Seamless Transfer Operation Between Grid-connected and Stand-Alone Modeinthe Three-phase Inverter, Trans. KIEE, Vol 62, No 2, 2013

원문보기 상세보기
Seung-Ho Song, Tae-Hwa Kwon, Firing Angle Control of Soft Starter for Reduction of Inrush Current during Grid Connection of Induction-type Wind Generator, Trans. KIEE, Vol 10, 2005
Ji-Heon Lee, Myong-Bo Shim, Hye-Yeon Lee, Byung-Moon Han, Seung-Chul Yang, Operational Analysis of Energy Storage System to Improve Performance of Wind Power System with Induction Generator, Trans. KIEE, Vol 58, No 6, Jun, 2009
Ahmed A. Daoud, Sobhy S. Dessouky, Ahmed A. Salem, Control Scheme of PMSG Based Wind Trubine for Utility Network Connection, 10th International Conference on Environment and Electircal Engineering(EEEIC), May, 2011

저자의 다른 논문 :

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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