독립형 마이크로그리드 설계 및 제어기술 개발


본고에서는 마이크로그리드에 대한 개념과 그 효용을 간단히 기술하고 특히 독립형 마이크로그리드의 설계, 구축, 운영에 필요한 에너지믹스 설계 및 경제성 분석 도구, OpenDSS를 이용한 독립형 마이크로그리드의 동특성 모의 도구, 에너지관리시스템에 대해서 정리한다.

안종보 박사 / 한국전기연구원 스마트배전연구센터 책임연구원, 마이크로그리드설계기술팀장



서론

최근 마이크로그리드(Micro Grid)에 대한 관심은 현재의 집중적인 전력공급시스템(Macro Grid)의 대안으로서 지역적 에너지 공급체계로서 가치와 지능형 전력망(Smart Grid)의 축소판 혹은 단위 셀로서의 역할과 효용에 기인하는 것으로 보인다. 지역적인 에너지 공급체계는 원자력, 화력 대규모 발전설비에 대한 환경적, 사회적 제약, 신재생에너지를 포함한 분산전원 기술의 발전, 에너지 소비 비중 중전기에너지 소비의 증가에 다른 피크부하 저감과 효율 제고 등의 측면에서 중장기적인 대안이 될 것으로 보이는 것에 기인한 것이며, 성장동력산업으로 기대를 모으고 있는 스마트그리드는 국가적인 전력인프라로서의 규모로 인하여 구축에 시간이 소요되며 무엇보다 현재로서는 뚜렷한 비즈니스 모델을 찾지 못하고 있는 상황에서 축소형 규모 혹은 사업성이 있는 대상 중심의 비즈니스 전개가 관심의 대상이 되고 있으며 빌딩 혹은 빌딩군, 지역 기반의 스마트그리드화는 마이크로그리드 형태를 띠기 때문이다.
마이크로그리드는 ‘다수의 소규모 분산전원과 부하의 집합체(cluster)로서 기존의 전력망과 연계 혹은 분리 운전될 수 있는 소규모 전력망’으로 정의할 수 있으며 다음과 같은 효용이 기대되고 있다.
첫째, 계통연계 문제의 단순화와 분산전원 대량 도입에 다른 전력 인프라의 확충 측면이다. 태양광, 풍력 같은 신재생에너지를 이용한 청정발전의 기술개발 및 보급이 확산되고 있으나 기술적인 측면에서 이러한 신재생에너지 전원은 간헐적이고 예측 불가하며 제어할 수 없는 출력 특성을 가지기 때문에 전력망에 무계획적으로 대량 보급되는 경우에는 기존 전력 인프라로서는 계통 보호와 전력품질 유지가 어렵게 된다. 마이크로그리드는 이러한 분산전원의 계통연계 문제를 단순화, 내재화하여 계통운영을 용이하게 하며, 간헐적인 출력 특성에 기인하는 전압변동 같은 전력품질문제를 해결하여 분산전원과 기존 전력망의 조화로운 공존을 가능하게 하는 기술이다.
둘째, 전력품질 개선과 중요 부하에 대한 무정전화에 대한 요구이다. 마이크로그리드 내의 부하는 열부하와 전력부하로 나눌 수 있으며 전력부하는 다시 전압변동 등 전력품질에 민감한 민감부하(sensitive load) 혹은 중요부하(critical load), 조절이 가능한 조정부하(adjustable load) 및 필요에 따라서 차단이 가능한 부하(shedable load)로 구분된다.
중요부하는 정지형 스위치(Static Transfer Switch, STS)로 계통정전이나 전압강하 등 계통에 외란이 발생할 경
우에 빠르게 계통으로부터 분리하여 독립운전으로 전환함으로써 부하에 지속적으로 전력을 공급할 수 있게 되는데, 이는 마이크로그리드 내에 설치된 전력저장장치와 분산발전원을 활용할 수 있기 때문이다. 또 마이크로그리드 내에는 순시적인 전압강하나 상승, 플리커, 고조파 등으로부터 전력품질을 보상하는 기기들도 설치될 수 있는데 때로는 에너지저장장치와 결함된 형태로 나타나기도 한다. 부하 혹은 분산전원의 운전 특성에 의한 전압변동을 보상할 수 있는 UPQC(Unified Power Quality Conditioner), DVR(Dynamic Voltage Restorer), SVC(Static Var Compensator)과 고조파 저감용으로 사용되는 APF(Active Power Filter) 등이 여기에 속한다.
셋째, 에너지 비용 저감과 전력피크 저감 등 측면으로서 집중식 전력공급시스템은 발전원과 수요지가 멀리 떨어져 있어 발전 시 발생하는 폐열을 유효하게 이용하는 것이 어렵다. 그러나 마이크로그리드는 에너지 공급 측면에서 열과 전기를 동시에 공급하는 분산형 지역적 에너지 공급기술로서 수요지 근처에 신재생에너지 전원과 가스 기반의 소형열병합발전 및 전기와 열 저장시스템을 결합하여 열과 전기를 동시에 수용가에 공급함으로써 송배전 손실저감, 에너지 효율향상, 증가하는 부하에 대응하는 설비투자의 지연 등의 이익을 수용가와 전력회사에 제공할 수 있다. 한편 조정부하와 차단이 가능한 부하는 전력요금 절감을 위한 Peak-shaving 운전이나 독립운전 시의 발전과 부하의 밸런스를 위하여 부하삭감 혹은 차단하는 등으로 사용될 수 있다.
넷째, 마이크로그리드와 스마트그리드 기술의 결합으로서 구현되는 스마트 마이크로그리드(smart micro grid)의 미래가치이다. 마이크로그리드는 지역적인 에너지 공급체계로서 전력품질의 유지, 중요 부하의 보호, 에너지 비용 저감 등 에너지 공급 측면이 강조되었으나 스마트그리드의 기술요소들 예를 들면, AMI, 수요반응(Demand Response, DR), 전력거래, 전기자동차의 충전 인프라 등이 결합되면서 스마트그리드의 단위 셀로서의 기능 구현이 가능하게 된다. 이는 마이크로그리드 내의 발전 및 수요자원, 그리고 감시와 제어를 위한 통신네트워크 인프라를 통하여 용이하게 구현할 수 있으며 새로운 비즈니스 및 서비스를 가능하게 한다.
이와 같이 마이크로그리드는 친환경적인 신재생에너지 전원과 고효율의 분산전원을 기존의 전력망에 안정적으로 접속하고 또 그 다양한 효용을 수용가와 전력사업자에게 공통으로 제공할 수 있는 기술이며 스마트그리드 기술과의 통합을 통하여 새로운 비즈니스와 서비스를 창출할 수 있는 미래혁신적인 기술이다.


독립형 마이크로그리드 설계 및 제어 기술

(1) 독립형 마이크로그리드
마이크로그리드는 통상 계통연계형으로 설계, 운영되며 필요시 상용의 전력계통으로부터 분리되어 독립형으로 전환하여 운전될 수 있으며 이를 마이크로그리드의 독립운전(stand-alone/island operation)이라 한다. 그러나 본고에서 기술할 독립형 마이크로그리드(off-grid/remote micro grid)는 상용전원 혹은 전력망이 없는 원격지나 도서 등에 전력을 공급하기 위한 독립전원공급시스템을 의미한다. 마이크로그리드의 독립운전은 중요부하에 대한 전력품질의 유지, 무정전화가 그 목적으로서 미리 계획된 부하, 전원설계 및 절환 절차를 가지고 제한적으로 운전되는 것인 반면, 독립형 마이크로그리드는 전력이 공급되지 않는 지역의 전화나 기존 디젤발전소 혹은 하이브리드발전에 연료 절감 등을 목적으로 신재생발전원을 추가하는 것을 목적으로 하며 초기 투자비의 최적화, 시스템 안정성의 확보, 운영 및 유지보수 비용의 절감 등 설계, 구축, 운영 각 단계에서 계통연계형 마이크로그리드의 독립운전과는 다른 기술적인 측면들이 고려되어야 한다.
독립형 마이크로그리드는 기존의 하이브리드시스템과는 구분되는데 독립형으로 적용되는 하이브리드시스템은 디젤발전 기반의 디젤-태양광, 디젤-풍력 하이브리드가 가장 일반적이며 여기에 에너지저장장치가 결합되거나 혹은 태양광과 풍력이 동시에 도입될 수도 있으며, 신재생전원과 에너지저장장치의 도입량이 클 경우 디젤발전기를 백업용으로만 사용하는 인버터 기반의 하이브리드시스템도 있다. 독립형 마이크로그리드와 하이브리드시스템의 개념적인 차별성은 논란의 여지는 있지만 필자의 의견은 다음과 같다.
첫째는 신재생에너지전원이나 분산전원의 도입률(penetration ratio) 차이로서 기존의 디젤발전소에 태양광이나 풍력발전을 발전기 용량이나 부하 용량에 비해 적게 도입한 경우, 혹은 처음부터 신재생발전원과 에너지저장장치만으로 전력을 공급할 목적으로 충분하게 도입한 경우나 소수력발전처럼 단일의 전원으로만 공급하는 경우 등은 독립형 마이크로그리드라 할 수 없는 측면이 있다. 왜냐하면 마이크로그리드는 개념적으로 ‘다양한 종류의 소규모 분산전원을 충분히 도입하고 이들의 통합적인 제어를 통하여 공급을 최적, 경제적으로 하는 소규모 전력망’으로 정의할 때 위에서 기술한 형태의 하이브리드시스템은 도입량이 적어 보조전원으로의 역할만 하거나 혹은 충분한 분산전원의 도입에도 불구하고 설계단계에서부터 상호영향이 없는 단순한 시스템 구성으로 인하여 통합적인 제어의 필요성이 없기 때문에 통상의 하이브리드 혹은 독립전원시스템인 것이다. 또한 이들 시스템은 부하나 수용가의 규모와 투자경제성을 고려하지 않아 과대한 초기 투자비가 들거나 혹은 도입에 따른 경제적인 효과가 매우 제한적인 한계가 있다.
둘째, 독립형 마이크로그리드에서는 부하특성, 자연조건, 초기투자비 등을 고려한 최적의 에너지 믹스(energy mix) 설계, 이들의 동적인 안정성 확보를 전제로 이러한 시스템을 관리, 제어하는 에너지관리시스템(energy management system, EMS)의 기능이 하이브리드시스템과는 다른 측면이다. 후술할 독립형 마이크로그리드용 EMS는 부하와 발전의 예측, 발전계획, 실시간제어 등을 통하여 경제적인 전력 공급을 하도록 하는 것이다.
본고에서는 독립형 마이크로그리드의 핵심기술인 에너지믹스 설계 및 경제성 분석, 시스템 동특성 모의, 및 제어 운영기술에 대해서 간략히 소개하고자 한다.

(2) 독립형 마이크로그리드의 에너지 믹스 설계 및 경제성 분석 기술
독립형 마이크로그리드를 최적으로 설계, 운영하기 위해서는 부하패턴 분석, 신재생에너지원의 최적 도입 용량 및 출력 예측, 에너지저장장치 용량 설계 등 엔지니어링이 필요하며 이를 위하여 자체적으로 개발한 프로그램을 간단히 소개한다. 이 프로그램의 주요 기능은 부하량 곡선 생성, 신재생에너지원 출력량 계산, 일간 에너지저장장치 및 디젤발전기 운영전략 수립, 연 단위 운영모의를 통한 마이크로그리드 최적 설계와 연 단위 경제성평가이다. 각 기능을 아래의 표 1에 요약하였다.




(3) 독립형 마이크로그리드의 동특성 모의 기술
독립형 마이크로그리드는 상용의 전력계통과 연계되어 있지 않는 독립전원시스템이기 때문에 자체의 안정적인 운전이 무엇보다 중요하며 다양한 출력 및 운전특성을 가진 분산전원, 부하특성, 배전망 특성 등을 설계 단계에서 사전에 모의, 검증하는 기술이 필요하여 OpenDSS를 이용하여 자체적으로 개발한 모의기술을 소개한다.
OpenDSS(Open Distribution System Simulator)는 미국의 EPRI가 1997년에 개발 시작하여 2008년부터 오픈소스 형태로 배포하고 있는 배전 해석모의 프로그램으로 시간 및 기간 경과에 따른 해석과 지리적인 분포 해석이 장점이며 신재생전원 등 분산전원의 배전 및 수용가 배전 해석에 특화된 새로운 접근 툴이다. 주파수영역 해석(조류계산, 과도, 고조파 등)을 통한 분산전원 해석, 에너지효율, PHEV/EV, 용량 산정, 계획 등이 가능하다.
OpenDSS는 파스칼언어 기반으로 델파이를 이용해 주요 모의엔진이 개발되었으며 사용자 정의 모델과 제어를 위해 C-언어, 비주얼 베이직과 연계가 가능하며 Case Study를 위해 일정한 형식을 갖춘 텍스트 기반의 입력과 출력을 가진 형태로 구성된다. 복잡한 모델링 과정과 조류해석, 파라미터 적용 등의 이유로 수용가에서 쉽게 활용하기 어려운 난점을 극복하기 위해 국내 실정에 맞는 단순화한 선로 구성, 대표적인 분산전원 또는 신재생 전원 모델과 파라미터를 구성하여 최소한의 입력으로 손쉽게 해석할 수 있도록 구성하였다. 태양광발전 모델링의 경우 일사 변동에 대한 모의 및 동특성 해석, 에너지저장장치 모델링 및 해석은 P, Q 특성 해석, 배전계통 또는 수용가의 선로거리에 따른 전압변동 해석 등이 가능하고 선로거리별 부하를 모의하고 부하패턴을 적용하면 초/시간/일/주 단위의 전력, 전압, 손실 등이 모의 가능하여 분산전원 도입에 따른 영향과 에너지를 저감할 수 있는 기초 해석이 가능하다. 기본적이고 단순화한 사례를 통해 사전 해석 지식을 배양하여 좀 더 복잡한 계통과 정확한 모델계통을 가진 독자적인 사례를 구성하고 적용할 수 있는 접근 용이성을 제공한다.



(4) 독립형 마이크로그리드용 제어 기술
독립형 마이크로그리드의 제어기술은 에너지관리시스템인 EMS, 전력관리시스템인 PMS(power management system) 및 인버터 기술로 요약될 수 있다. 먼저 EMS는 독립형 마이크로그리드의 운전에 필요한 제어를 수행하기 위해 데이터의 수집과 저장, 발전계획 및 실시간제어 등으로 아래 그림 2와 같이 구성되며 구성 기기인 분산전원, 부하기기, 보호기기 등은 신뢰성 높은 통신망으로 연결되나 반드시 고속의 통신망일 필요는 없다.



에너지관리 관점에서 보면 EMS의 감시 및 제어 주기는 수초에서 수 일 혹은 주일 단위로 수행되기 때문이다. 독립형 마이크로그리드의 EMS에 있어서 전력요금제도 등은 중요한 변수가 아니며 대신에 연료비, 유지비용, 예비력 확보 등이 발전계획 최적화에서 중요하게 고려되어야 할 요소들이다.





그림 5는 발전계획의 한 사례를 보여주고 있는데 디젤-태양광-축전지로 구성된 마이크로그리드에 있어서 부하가 많은 주간 시간대에 태양광이 발전을 하고 부족전력은 디젤발전이 담당하게 되나 이 경우 디젤발전기의 부하율이 낮아 효율(발전량/연료소비량)이 떨어지므로 적정 부하율까지 축전지에 전력을 저장함으로써 부하율을 높이고 이를 경부하인 야간시간대에 방전하여 전력을 공급하고 디젤발전기의 운전을 정지함으로써 전체 연료비를 절감할 수 있는 경우이다.



독립형 마이크로그리드에서 PMS는 다음과 같은 목적으로 사용된다. 첫째는 태양광, 풍력 발전 등 간헐적 출력특성을 가진 신재생발전원의 비중이 높은 디젤발전기 기반의 전력공급시스템에서 급격한 부하 변동이나 신재생전원의 탈락 등 외란에 대해서 디젤발전기의 전압 및 주파수 안정성을 보장할 필요가 있을 때 과도적으로 축전지저장장치의 충방전 제어나 부하차단 등을 PMS는 통신 기반의 EMS 대신 빠르게 처리할 수 있어 전력계통의 동요나 불필요한 트립을 방지할 수 있다.
둘째, EMS는 통신을 통하여 기기의 제어와 감시를 제어하므로 통신 기능이 없는 부하장치, 절체 스위치 등의 제어를 위해서는 기기의 직접제어가 가능한 디지털 입출력 인터페이스가 필요하기 때문이다. PMS는 아래 그림 6과 같이 분산발전원의 출력과 부하 상태를 빠르게 계측, 연산하고 미리 설정된 알고리즘에 의해 제어가능한 축전지저장장치의 빠른 충방전제어와 부하차단 등을 통해서 시스템을 안정화시킬 수 있다.



특히 축전지저장장치의 빠른 유효 및 무효전력의 보상을 위해서는 통신에 의존하지 않고 아날로그 인터페이
스를 통해 충방전 명령을 제공하게 되며, PMS의 각종 기기감시 기능을 이용하여 비상 시 전원절체 등의 기능도 부가적으로 구현할 수 있다.
독립형 마이크로그리드에 적용되는 인버터는 기존의 계통 연계형 인버터와는 다른 조건에서 운전될 수 있도록 설계 혹은 파라미터의 조정이 필요하다. 소규모의 독립 계통의 경우 전압 및 주파수의 과도적인 변동이 크며, 상간 전압불평형이나 전압 고조파 등으로 인하여 불필요한 트립이나 오동작이 발생할 수 있어 이에 대한 충분한 대책이 필요하다. 특히 축전지용 인버터는 디젤발전기가 정지하는 경우에는 시스템의 전압과 주파수를 유지하는 마스터 기능 즉, 전압제어 기능이 필요로 할 경우도 있으며 순간정전 등 전력품질의 악화를 막으려면 범퍼 없는 운전 모드 간의 절체 제어기능이 중요하다.


결언
본고에서는 마이크로그리드에 대한 개념과 그 효용을 간단히 기술하였으며 특히 독립형 마이크로그리드의 설계, 구축, 운영에 필요한 에너지믹스 설계 및 경제성 분석 도구, OpenDSS를 이용한 독립형 마이크로그리드의 동특성 모의도구, 에너지관리시스템에 대해서 정리하였다.