신현
(Hyun Shin)
1
김일환
(Eel-Hwan Kim)
†
-
(M.S. Candidate, Dept. of Electrical Engineering, Jeju National University, Jeju, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Dual current control, Energy storage system, Unbalanced grid voltage, Water electrolysis device
1. 서 론
현재 제주특별자치도는 2030년까지 제주지역에서 소비되는 전력수요를 전부 신재생에너지로 공급한다는 CFI(Carbon Free Island) 2030
프로젝트를 야심차게 추진하고 있다(1). 여기서 2030년까지 도입되는 신재생에너지 설비는 풍력 2,345 MW, 태양광 1,411 MW, 연료전지 104 MW, 기타 225 MW 등
총 4,085 MW를 설비를 구축할 예정이다. 하지만 불규칙한 출력 특성을 갖는 신재생에너지원은 출력예측과 조절이 쉽지 않기 때문에 제주지역과 같이
부하용량이 작은 계통에서는 계통안정도를 악화시킬 수가 있다. 2019년 말 기준 제주지역에는 풍력 290 MW, 태양광 261 MW의 설비 용량이
계통에 연계되어 운용되고 있는데, 이 한해에만 계통의 안정성을 위하여 풍력단지 출력제한을 46회 시행하였다. 이는 추후 제주지역에 도입하는 신재생에너지
설비 용량이 계속 증가하고 있어 이에 대한 대책이 절실하게 요구되고 있다. 그 방안중 하나가 BESS (Battery energy storage system:
배터리 에너지 저장 장치)와 WED (Water electrolysis device: 수전해장치)를 통해 신재생에너지에서 과잉 생산된 전력을 수소
가스와 전기에너지로 저장하는 것으로, 현재 제주 상명풍력발전단지에 이와 관련된 설비를 구축하여 실증 시험을 수행하고 있다.
그러나 선행연구에 따르면 공급전압의 불안정은 WED에 악영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 불평형 전압 조건에서 한 상에 과전류로 인해 연계된 인버터의
보호동작이 발생하여, WED의 운전이 정지되면 재가동시 전극 활성 감소 및 내부저항 증가로 WED의 수명에 치명적이다(2). 대개 WED는 계통과 인버터의 연계로 이루어져 있다. WED의 DC 전압 변동에 따른 전기분해 효율 관한 연구에 집중되어 있어 인버터 운전에 관한
연구는 부족한 실정이다(8-9). 따라서 본 논문은계통사고 등으로 야기된 불평형 전압에 따라 발생한 과전류로 인해 인버터 보호 동작 시에도 BESS가 양방향 DC/DC 컨버터로
연계되어 방전하여 지속적으로 WED에 전력공급을 할 수 있도록 시스템을 구성하였다(10-13). 이때 인버터에 이중전류제어와 단일전류제어를 각각 도입하여 인버터의 출력특성을 비교분석하였다(16-18).
제안한 이중전류제어 알고리즘의 타당성을 검증하고자 260 kW WED와 500 kWh BESS가 연계된 제주상명풍력발전단지를 모델 사이트로 정하여,
계통전압 불평형률 15% 하에 전력계통 및 전력전자 시스템을 해석할 수 있는 PSCAD/EMTDC 컴퓨터 해석 프로그램을 통해 분석하였다.
2. 이중전류제어 이론
3상 전력계통의 전압, 전류가 여러 부하의 특성, 이상전압 발생 등으로 인해 3상 평형이 틀어지는 경우가 발생한다. 이는 전압과 전류의 불규칙한 위상차를
만들어 불평형 3상 회로를 만든다. 불평형 계통전압은 정상분, 역상분, 영상분으로 구성되며, 대칭좌표이론을 통하여 세 개의 독립된 성분을 나타낼 수
있다(14). 대칭좌표이론을 통해 정상분 전압, 역상분 전압을 계산하면 아래의 식(1), (2)와 같이 계산된다. 여기서 $E_{i}$(i=a, b, c)는 전력계통 3상 전압을 의미하여, 식(1)의 $E_{p i}$는 계통의 3상 전압의 정상분 전압을, 식(2)의 $E_{n i}$는 역상분 전압을 의미한다. 영상분의 경우는 제 3고조파 성분으로 Y-Δ 변압기를 사용하여 Δ결선 내부에서 순환되기 때문에 제어하지
않는다. 그리고 j는 위상이 $90^{\circ}$앞당겨진 신호를 의미하며 $\angle 90^{\circ}$를 구현하기 위해 전역통과필터를 사용한다.
구해진 정상분과 역상분 전압을 3상/2상 변환식을 통해 dq프레임으로 변환하여, 각각을 제어하는 이중제어를 수행한다(3-4). 불평형 전압 조건을 해결하는 방법에는 유·무효전력 리플 제거, 출력 전류 안정화 등 여러 가지가 있으나, 본 논문에서는 역상전류를 0으로 제어하여
WED에 과전류가 유입되는 것을 방지하는 것으로 하였다. PI 제어가 적용된 이중 전류제어는 전압방정식에 의해 식(3)~(6)과 같이 도출되며, 여기서 $K_{p}$는 제어기의 비례이득 값, $K_{i}$는 적분이득 값을 의미한다. $\omega$는 계통의 각주파수, $L$는
필터 인덕턴스이다. 또한 3상/2상 변환식을 통해 도출된 전류 $i_{dq}$와 전압 $V_{dq}$가 방정식에 포함된다. 윗첨자의 p와 n은 정상분과
역상분을 각각 나타낸다. 식(3), (4)의 방정식은 그림 1의 정상분 전류 제어 다이어그램을 통해 도식화 되었으며, 식(5), (6)은 그림 2와 같이 역상분 전류 제어 다이어그램을 통해 도식화 하였다.
Fig. 1. Control diagram of the positive current
Fig. 2. Control diagram of the negative current
Fig. 3. 3-phase conversion of stationary reference frame
정상분과 역상분 전류의 지령치는 다음
식(7)~(10)와 같다. 이중전류제어를 통해 구해진 정상분과 역상분의 전압 지령치는
그림 3과 같이 정지좌표계에서 합쳐진 값이 3상 abc 전압으로 변환되어 각 상의 지령 값으로 출력된다.
3. 컴퓨터 모델링 및 해석
현재 제주특별자치도 내의 21 MW 상명풍력발전단지는 3 MW 풍력발전기 7 대로 구성되어 있다. 본 논문에서는 그림 4와 같이 3 MW 풍력발전기 한 대를 WED, BESS를 연계하여 모델링하였다. 260 kW WED와 500 kWh BESS는 그림 4의 이중전류제어를 수행하는 1 MW PCS를 통해 0.8 kV DC 링크로 연계되어있다. 또한 PCS로 과전류가 유입될 경우 PCS 자체 보호 동작으로
인해 스위칭이 중단 될 수 있도록 하였으며, 이때 BESS가 양방향 DC/DC 컨버터로 설계되어 WED로 전력공급 하도록 모델링하였다. 실제 가변적인
풍력발전량에 따른 각 설비의 응동 특성을 확인하기 위하여, 실제 풍력발전기 출력 데이터를 사용한 Look-up-table을 적용하였다. Look-up-table의
데이터를 등가 전류원으로 그림 5와 같이 모델링하였다. 그림 6은 WED로 전력공급을 안정화시키기 위한 이중전류제어 PCS 시뮬레이션 모델이다. 앞서 언급한 이중전류제어 이론에서 도출된 정상분과 역상분 dq 전압
지령치를 통해 동작 할 수 있도록 설계하였다. 수전해 방식을 이용한 수소 생산 기술에는 알칼라인, 양성자 교환막, 고온 수증기 분해 등이 있으며,
본 논문에서는 양성자 교환막 수전해 기술을 고려하였다. WED 모델링은 그림 7과 같이 수행하였다. 이 때 온도와 전류가 입력이며 식(11), (12), (13)에 의하여 WED의 셀 전압과 수소생산량이 출력이 된다. 식(11)에서 $V_{0}$은 물의 온도에 따른 해리 전압이다. 컴퓨터 해석 시에는 물 온도가 일정하게 유지된다고 가정하였고, 333 K(약 60 ℃)일 때
1.2 V로 계산된다(5). $\eta_{c}$는 WED 셀의 캐소드 전압이며 약 1 V, $\eta_{a}$은 애노드 측 전압을 의미하며 약 0.3 V로 나타낸다(6). I는 WED로 유입되는 전류, $R_{pem}$은 WED의 내부저항으로 식(12)로 계산 할 수 있다. $V_{H}$는 수소 생산량을 의미한다. 이는 WED로 유입되는 전류와 분해되는 물의 온도에 연관되어 있으며, 식(13)을 통해 발생하는 수소 생산량을 알 수 있다. 여기서 R은 8.314 Joule/mol kelvin, I는 유입 전류, T는 켈빈온도, t는 시간(s),
F는 패러데이 상수 96,485 C/mol, P는 압력 그리고 Z는 수소의 과잉전자수로 정의한다. 이때 P는 1 그리고 Z는 2라고 가정하여 해석
진행하였다(7).
Fig. 4. PSCAD/EMTDC model of Sangmyeong Wind Power Plant with WED and BESS
Fig. 5. PSCAD/EMTDC equivalent model of Wind turbine
Fig. 6. Dual control for AC/DC converter
Fig. 7. PSCAD/EMTDC model of polymer electrolyte membrane
Table 1. System parameter
|
Quantity
|
Value
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|
Rated Wind Turbine power [MW]
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3.0
|
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1 MW PCS DC link voltage [kV]
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0.8
|
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BESS capacity [MWh]
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0.5
|
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BESS DC link voltage [kV]
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0.53
|
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Rated WED power [MW]
|
0.26
|
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Minimum WED power [MW]
|
0.05
|
|
WED DC link voltage [kV]
|
0.38
|
3.1 해석 결과 및 고찰
아래 컴퓨터 해석 결과는 과잉 생산되는 풍력발전출력을 활용하여 WED와 BESS로 전력을 공급하는 경우이다. 이때 시스템의 정상상태 해석을 진행하여
시뮬레이션 모델링 타당성 검증을 하였고, 10초에 3상 계통전압의 불평형률이 15% 일 때 시스템에 이중전류제어를 도입하기 전과 후를 비교 분석하였다.
시스템의 안정성을 고려하여 각각의 시스템 투입 시간은 단계적으로 다음과 같이 진행하였다.
1) 0.5초 풍력발전기 PCS 운전 시작
2) 2초 이중전류제어 PCS 운전 시작
3) 3초 WED DC/DC 컨버터 운전 시작
4) 4.5초 BESS DC/DC 컨버터 운전 시작
3.1.1 해석 결과
가. 정상상태 해석
그림 8은 풍력, WED 그리고 BESS 시스템 각각의 유효전력과 무효전력 출력 결과 파형이다. 이 결과에서 풍력출력은 실제 풍력발전데이터를 사용하였는데
WED 및 BESS의 정격 값인 760 kW 보다 풍력발전 출력이 큰 경우에는 WED 와 BESS 로 충전되고 있음을 나타내고 있다. 그림 9의 1 MW PCS는 22.9 kV/0.48 kV 변압기로 연계되어 있으며, 유입되는 약 390 V의 3상 순시 전압과 약 1.4 kA의 전류는 평형상태이다.
이때 DC 링크 전압은 0.8 kV로 제어되고, 4.5초에 모든 시스템이 동작하며 약 1 kA의 정격 DC 전류가 유입됨을 그림 10을 통해 확인 할 수 있다. 그림 11은 정ㆍ역상분 전압을 3상/2상 변환식을 통해 dq프레임으로 변환한 결과이다. 그래프 상단의 결과에서 d축 정상분 전압은 0 V, q축 정상분 전압은
–390 V로 3상/2상 변환식 계산 값과 동일하게 나왔다. 그림 12는 dq 전류의 정ㆍ역상분 결과이다. 3상 계통에 전압, 전류는 불평형이 없기 때문에 dq 전압과 전류의 역상분이 나타나지 않았으며, 이를 통해 안정적으로
시스템이 동작함을 알 수 있다. WED의 정격인 260 kW로 운전하며 WED 전압은 약 380 V로 유지됨을 그림 13을 통해 확인 할 수 있다. 그림 14에서 3초에 WED에 연계된 DC/DC 컨버터가 운전 시작하였으며, 3초부터 수소가 발생하여 20초까지 약 0.1 ㎥ 수소가 발생하였다. 그림 15는 BESS의 정격전력 및 전압의 결과이다. 여기서 상단 결과와 같이 BESS의 500 kW 정격 용량으로 충전을 하고 있는 상태이며, 충전상태의
배터리의 전압이 상승하는 것이 그림 15의 하단 결과에 나타나 있다. 또한 그림 16의 SOC(State of charge: 잔존용량) 파형을 통해서도 충전상태임을 알 수 있다.
Fig. 8. Simulation results (top: active power; bottom: reactive power)
Fig. 9. Simulation results of 1 MW PCS (top: instantaneous three-phase voltage; bottom: instantaneous three-phase current)
Fig. 10. Simulation results of 1 MW PCS (top: DC link voltage; bottom: DC link current)
Fig. 11. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence voltage; bottom: dq-axis negative sequence voltage)
Fig. 12. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence current; bottom: dq-axis negative sequence current)
Fig. 13. Simulation results of WED (top: DC power; bottom: DC link voltage)
Fig. 14. Simulation results of WED (Volume of hydrogen produced)
Fig. 15. Simulation results of BESS (top: DC power; bottom: DC link voltage)
Fig. 16. Simulation results of BESS (State of charge)
나. 과도상태 해석
1) 시나리오 1: 단일전류제어
Fig. 17. Simulation results of 1 MW PCS (top: instantaneous three-phase voltage; bottom: instantaneous three-phase current)
Fig. 18. Simulation results of 1 MW PCS (top: DC link voltage; bottom: DC link current)
Fig. 19. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence voltage; bottom: dq-axis negative sequence voltage)
Fig. 20. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence current; bottom: dq-axis negative sequence current)
Fig. 21. Simulation results of WED (top: DC power; bottom: DC link voltage)
Fig. 22. Simulation results of WED (Volume of hydrogen produced)
Fig. 23. Simulation results of WED (Volume of hydrogen produced)
Fig. 24. Simulation results of BESS (State of charge)
그림 17~23은 DC/AC 인버터에 이중전류제어가 아닌 일반적인 단일전류제어를 적용하였을 때의 컴퓨터 해석 결과들이다. 10초에 15% 전압 불평형이 발생함에
따라
그림 17의 하단 3상 전류 결과에서 최대정격전류인 1.4 kA보다 1.2배 이상의 전류가 유입되는 것을 확인 할 수 있다. 이로 인해 인버터의 자체 보호동작으로
스위칭 동작이 정지되는 것을
그림 17의 3상 계통 전압이 0 V, 전류가 0 A되는 것을 통해 알 수 있다. 전력공급이 중단된다면 WED 운전이 정지되며, WED의 On/Off 손실로
인해 수명이 저하된다. 이러한 경우를 방지하기 위해 앞서 언급한 바와 같이 병렬로 연계된 BESS가 방전하여 WED에 전력 공급하도록 모델링하였고,
이에 따라 WED의 지속적인 운전이 가능하였다.
그림 18의 DC 링크 전압은 인버터의 스위칭이 중단됨에 따라 순간 75%의 전압 리플이 발생하였다. 하지만 BESS가 방전하여 단시간 내에 0.8 kV로
회복되었다. 또한
그림 18의 하단 DC전류는 순간 0.3 kA 상승하였고 인버터 동작이 중지되어 계통으로부터 유입되는 전류는 0 A가 되었다.
그림 17의 3상 계통이 탈락 됨에 따라 위상검출부터 3상 2상 변환까지 과정이 정상적으로 이루어지지 않게 되어
그림 19 정역상분 dq 전압이 0 V에서 리플이 발생하였다.
그림 20의 dq 전류 역시 인버터의 스위칭이 중단되며 0 A가 되었다. 인버터의 동작은 중지되었지만 BESS가 방전하여 WED에 전력공급을 하는 것을
그림 21~24에서 확인 할 수 있다.
그림 21에서 인버터 자체 보호동작으로 인해 WED의 DC 전력이 순간 0 W가 되는 과도상태가 발생하지만 BESS가 즉시 방전하여 최소운전전력인 20%,
즉 정격전력 260 kW의 52 kW 만큼만 공급하였다. 또한
그림 21의 하단 결과에서 WED의 전압 역시 과도상태가 있지만 약 0.3 V의 미세한 차이임을 알 수 있다. WED가 최소운전전력으로 운전을 한다면 계통의
불평형이 완전히 복구될 때까지의 충분한 시간을 고려하여 동작 할 수 있도록 한다. 이에 따라 수소발생량이 정상상태와 비교할 때 초당 0.006 ㎥에서
0.001 ㎥로 줄어들었으며 20초까지 약 0.05 ㎥ 수소가 발생하였음을
그림 22를 통해 알 수 있다.
그림 23의 BESS의 DC/DC 컨버터는 500 kW로 정격운전 중에 PCS 동작 중단 시 WED의 최소 운전전력 만큼, 즉 결과에서 –0.052 kW 방전하고
있음을 보여준다. 또한
그림 24와 같이 BESS의 SOC가 감소하고 있으므로 이 상태가 지속될수록 풍력발전기의 잉여전력 활용도가 떨어질 것이다.
2) 시나리오 2: 이중전류제어
Fig. 25. Simulation results of 1 MW PCS (top: instantaneous three-phase voltage; bottom: instantaneous three-phase current)
Fig. 26. Simulation results of 1 MW PCS (top: DC link voltage; bottom: DC link current)
Fig. 27. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence voltage; bottom: dq-axis negative sequence voltage)
Fig. 28. Simulation results of 1 MW PCS (top: dq-axis positive sequence current; bottom: dq-axis negative sequence current)
Fig. 29. Simulation results of WED (top: DC power; bottom: DC link voltage)
Fig. 30. Simulation results of WED (Volume of hydrogen produced)
Fig. 31. Simulation results of BESS (top: DC power; bottom: DC link voltage)
Fig. 32. Simulation results of BESS (State of charge)
그림 25~32는 DC/AC 인버터에 이중전류제어를 도입하여 시나리오1과 동일한 15%의 전압 불평형 발생 시의 컴퓨터 해석 결과이다. 계통전압의 불평형률이 15
%가 발생함은
그림 25의 상단 결과를 통해 알 수 있다.
그림 25 하단의 3상 전류 파형에서 전압 불평형 발생 순간에 약 23%의 전류 불평형이 나타났다. 하지만
식(11), (12)와 같이 역상분 전류를 0으로 제어하였기 때문에 최대 정격전류가 1.2 배 이하로 발생하여 인버터의 보호동작이 발생하지 않았고, 단시간 내로 불평형률이
약 4%로 줄어들어 WED로 안정적인 전력공급을 수행하였음을 알 수 있다.
그림 26의 DC 링크 전압은 약 7%의 리플율이 발생하였지만
그림 18과 같이 순간 75 %의 리플이 발생한 단일전류제어에 비해 더욱 안정적임을 알 수 있다.
그림 26 하단 결과의 DC 링크 전류는 불평형 발생 시에 미미한 리플이 발생하지만 인버터의 보호 동작은 하지 않았으며, 불평형 발생 전과 동일하게 1 kA를
유지하였다.
그림 27의 상단 그래프는 정상분 dq 전압이며 3상 계통 전압의 불평형에 따라 d축 전압은 10초에 미미한 리플이 발생하였으며, q축 전압은 390 V를
벗어남을 알 수 있다. 하단 결과는
그림 11의 하단 결과와 달리 역상분 dq전압이 나타났다. 이때
그림 28에서 d축 정상분 전류는 10초에 과도상태가 발생하였지만 단 시간 내에 정상적으로 제어를 하고 있으며, q축 전류는 4%의 전류 불평형으로 인해 약
0.1 kA 상승한 것과 같이 나타났다. 하단 그래프를 통해 역상분 dq전류가 0으로 제어됨을 알 수 있다. WED의 DC 전력이 과도 상태가 발생한
단일전류제어와 달리
그림 29에서 DC 전력의 과도상태가 발생하지 않고 정상동작 하였다. 이에 따라 초당 0.006 ㎥의 수소를 생산할 수 있어 최소운전 시에 비해 6배 더 생산할
수 있음을
그림 30 결과에서 확인 할 수 있다.
그림 31의 상단 결과를 통해 BESS가 500 kW 정격운전을 함에 따라 지속적으로 충전상태에 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 하단 BESS 전압 역시
상승하고 있다. 또한 정상상태와 동일하게 BESS로 전력이 정상 공급됨에 따라
그림 32의 SOC도 지속적으로 충전하고 있는 상태에 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 3상 불평형 계통전압 발생 시 이중전류제어 알고리즘을 도입하여 계통전류에서 발생하는 역상분 전류를 0으로 제어하는 방안을 제시하였다.
단일전류제어를 수행하였을 때에는 인버터 보호 설정 값인 정격전류의 1.2 배 이상의 전류가 유입됨에 따라 인버터의 스위칭 동작이 중지되었다. 이에
따라 BESS가 방전하여 WED의 운전을 유지시켰지만 순간적으로 DC 링크 전압에 큰 과도상태가 발생하였고, 정격운전을 하지 못하여 그 만큼 수소생산량
역시 줄어들었다. 또한 불평형 발생이 장기간 지속될 경우 단일전류제어 시에는 BESS가 계속적으로 방전하므로 결국 WED에 전력을 공급하지 못하게
되기 때문에 WED의 수명이 단축 될 수 있다. 그러나 이중전류제어의 경우 3상 계통 전압 불평형률이 15% 하에서 전력계통에 연계된 인버터의 지속적인
운전이 가능하므로 단일전류제어에 비하여 수소발생량이 6배 많고, 지속적으로 BESS가 충전상태에 있어 잉여전력량 활용이 높아졌다. 따라서 이중전류제어를
도입하였을 때 효율성이 높은 BESS와 WED의 운전을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제임. (No. 20173010140890)
본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 "전기차 통합유지보수 기반구축사업"의 지원을 받아 수행된 연구과제임. (No. P0013681)
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Biography
He received the B.S. degree in electrical engineering from Jeju National University,
Jeju, Korea, in 2019.
Currently, he is a Master’s course in Jeju National University, Jeju City, Korea.
He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Chung-Ang
University, Seoul, Korea, in 1985, 1987 and 1991, respectively.
Since 1991, he has been with the Department of Electrical Engineering, Jeju National
University, Jeju City, Korea, where he is presently working as a Professor.
He was a Visiting Scholar at Ohio State University, Columbus, OH, USA, in 1995; and
at the University of Washington, Seattle, WA, USA, in 2004.
His current research interests include power electronics and control, drive systems,
renewable energy control applications and power quality.
He is a Member of KIEE, KIPE and IEEE.