[논문]심야전력 부하평준화를 위한 심야전기보일러 통전제어시스템 개발

정봉만; 박석인; 유승원; 한승호; 최병윤

심야전력 부하평준화를 위한 심야전기보일러 통전제어시스템 개발
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정봉만 (한국에너지기술연구원) , 박석인 (한국에너지기술연구원) , 유승원 (한국에너지기술연구원) , 한승호 (한전 전력연구원) , 최병윤 (한전 전력연구원)

심야전력요금제도의 정착으로 최근 심야전력축열기기의 보급이 활성화되고 있다. 그러나 모든 심야 전력축열기기들이 심야요금개시시간대인 22:00경에 동시에 가동됨에 따라 23:00에 심야전력 부하가 최대에 이르러 전력피크가 발생하여 한전의 수요관리에 큰 어려움을 주고 있다. 따라서 이 피크 부하를 심야전력 공급시간대의 저부하시간대로 분산시킬 수 있는 심야 전력축열기기 통전시간제어가 필요하게 되었다.

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문제 정의

전력 부문에서의 부하 관리의 궁극적 목표는 최대 부하의 효과적인 억제와 부하곡선의 평준화에 의한 전력계통 운영의 효율화를 기하는 것이다. 즉, 년간 최대부하를 낮춤으로써 신규발전설비의 건설을 억제하고 일간 부하 평준화를 이룸으로써 첨두 또는 중간부하대 발전소의 운전을 가능한 줄이며 저렴한 가격의 발전 연료를 사용하는 발전설비의 가동률을 상승시키는 것과 함께 필요한 전력수요의 가능한 많은 부분을 기저 부하용 발전설비로 공급하도록 함으로써 발전효율이 높고 투자 규모가 큰 기저 부하용 발전설비의 이용률을 높이는 것이다.

제안 방법

예측 시간을 알기 위해서는 먼저 전날에 실제 평균온도 상승률과 히터가 off 되고 최고온도에서 부하사용량에 따라 온도하강률을 1시간 즉정하여 부하사용을 하지 않을 때, 즉 무부하시 평균온도 상승률을 계산한다. 그리고 20:00 시부터 그날의 부하사용에 의해서 떨어지는 온도 하강률을 측정하면서 그 전날 무부하시 평균온도 상승률에서 온도 하강률을 빼서 그날의 평균온도상승률을 계산한다. 계산된 평균온도상승율과 현재의 평균온도, 목표 평균온도에서 위의 축열 예측 시간 계산식에서 축열 시간을 예측하여 축열이 06시 30분에 끝나도록 히터에 제어 신호를 준다.
그러나 보일러마다 유량과 심야 전력 전원의 차이로 인해서 정확히 축열량을 측정하기 어렵고 또한 여러 가지 센서들이 필요하여 원가 상승 요인이 된다. 따라서 축열량을 대표하며, 여러 가지 변수들인 부하 사용량, 외부 온도 차에 의한 자연 열 손실률 등을 모두 고려할 수 있는 보일러 내부의 온도를 측정하여 평균온도를 구한다. 이 평균온도의 상승률과 하강률을 측정하면 보일러의 축열량의 변화를 알 수 있다.
보일러의 축열량을 알아보기 위한 평균온도를 계산하기 위해서는 그림 3과 같이 보일러의 상판 중앙부로부터 균등 5분할 하여 4개 지점의 수온을 Thermistor를 사용하여 측정한다.
예측 시간을 알기 위해서는 먼저 전날에 실제 평균온도 상승률과 히터가 off 되고 최고온도에서 부하사용량에 따라 온도하강률을 1시간 즉정하여 부하사용을 하지 않을 때, 즉 무부하시 평균온도 상승률을 계산한다. 그리고 20:00 시부터 그날의 부하사용에 의해서 떨어지는 온도 하강률을 측정하면서 그 전날 무부하시 평균온도 상승률에서 온도 하강률을 빼서 그날의 평균온도상승률을 계산한다.
부하로는 팬 코일 유니트를 썼으며 PC를 사용하여 전체 보일러를 제어하였다. 온도 센서는 보일러 측면에 4개의 벽면 센서와 삽입형 센서를 사용하여 보일러 내부 온도를 측정하였고, 히터의 동작 제어를 위한 Relay만 제어해주고. 그 외의 것은 기존의 보일러 제어기에서 담당하였다.

대상 데이터

실험 조건은 무부하실험과 팬 코일 유니트의 부하량에 대한 실험, 온도제어기의 온도 변화에 따른 실험 등 모든 조건의 실험으로 극한 환경에서도 사용자가 보일러를 쓰는데 불편이 없도록 여러 가지 데이터를 확보했다.
한전 전력연구원에 심야전기보일러 실험 장치를 구성하였다. 부하로는 팬 코일 유니트를 썼으며 PC를 사용하여 전체 보일러를 제어하였다.

이론/모형

제어방식은 이전의 보일러 운전 조건 및 운전 상태를 분석하여 축열 시간을 예측, 제어하는 Adaptive Feed Forward 제어방식을 사용한다. 간단히 설명하면 하루 전 보일러의 평균온도 실제 상승률과 부하율을 측정하여 보일러의 무부하 상승률을 계산하여 현재 상태의 부하율을 측정하여 보일러의 실제 상승률을 계산하는 방식이다.

성능/효과

그림 6의 실험 파형은 온도 센서를 벽면에 5개 붙이고, 새벽 3시를 중심으로 보일러의 축열이 되도록 제안된 알 고리즘 사용하여 실험한 결과이다. 실험 결과 3시를 중심으로 히터의 동작이 되어 알고리즘이 잘 동작됨을 알 수 있다.
그림 7의 실험 파형은 온도 센서를 벽면에 4개 붙이고, 새벽 6시 30분에 보일러의 축열이 끝나도록 제안된 알고리즘 사용하여 실험한 결과이다. 실험 결과 6시 30분 근처에서 첫 번째 히터의 off가 나타나 알고리즘이 잘 동작함을 알 수 있다. 현재까지는 이러한 조건으로 계속 여러 가지 상황을 만들어 가며 실험 중이며 계속된 실험으로 알고리즘상의 변수인 예비율, 하강율 비율 등의 값을 인공지능적으로.

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