1. 서 론

화석연료의 부족 및 환경문제로 인하여 태양광, 풍력, 연료전지와 같은 신재생에너지가 에너지 자원으로써 전력망에 연계되어 사용되고 있다. 그중에서도 풍력발전의 경우 풍량이 많은 섬 지역이나 전력계통에 연계되지 않은 지역에 특히 효용가치가 높다. 따라서 주 전력계통으로부터 전력수급이 어려운 독립된 지역이나 섬 지역에서 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템에 대한 설치방안에 대해 많은 연구가 진행되고 있다⁽¹⁾~⁽⁶⁾.

그러나 풍력발전의 경우 발전 출력이 불규칙하여 주파수와 전압변동이 심하게 변하는 경향이 있다. 이와 같은 주파수의 진동을 방지하기 위하여 디젤계통에 대한 제어와 풍력발전시스템에 대한 제어가 필요하다. 이를 위하여 풍력발전에 대한 피치제어와 디젤발전시스템에 대한 다양한 방법을 이용하여 풍력-디젤계통의 주파수 제어에 대한 다양한 방법이 제안되어 왔다. 특히 PI제어⁽⁷⁾와 변화구조제어(VSC :Variable Structure Control)⁽⁵⁾, 퍼지제어^(9)(10), $H_{\infty}$제어⁽⁶⁾와 같은 다양한 방법이 제안되어 풍력-디젤계통의 주파수제어를 위한 연구가 진행되어 왔다. 이와 같은 제어 방법은 비록 디젤 전력 시스템의 조속기제어와 풍력발전시스템의 피치제어에 적용을 통하여 주파수 제어를 수행해 왔지만 이와 같은 제어 방법은 조속기의 느린 응답특성으로 인하여 제어에 한계가 있다. 우리나라에서도 울릉도 지역에 풍력발전기와 디젤발전기가 연계되어 시험 운전한 경험이 있으나 풍력발전의 심한 출력변동으로 인하여 디젤 발전기의 조속기가 불안정해 지면서 20일 만에 가동 중단된 사례가 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 에너지 저장장치의 도입이 필수적으로 필요하다. 다양한 종류의 에너지 저장장치가 있지만 주파수 제어를 위해서는 입출력 응답속도가 빠른 에너지 저장장치가 필요하다. 이를 위하여 기존에는 초전도 코일에 DC 전류를 흘려 이에 의한 자기에너지를 저장하는 방식인 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)를 적용하는 방법이 제안되었다⁽¹⁾~⁽³⁾. 설계된 SMES를 이용한 제어 방법은 다양한 동작점 변화를 고려하지 않은 제어 설계방법이며, 저장할 수 있는 자기에너지의 용량이 적어 전력시스템의 적용에는 한계가 있다.

특히 플라이휠 에너지 저장장치는 유효전력의 입출력 응답속도가 매우 빠르기 때문에 갑작스런 부하변동과 풍력발전의 불규칙한 출력에 대응하여 신속하게 주파수제어가 가능하다⁽¹¹⁾~⁽¹³⁾. 따라서 본 논문에서는 풍력-디젤 시스템의 신속한 주파수 제어를 위하여 플라이휠 에너지 저장 장치(Flywheel Energy Storage System : FESS)의 적용을 제안하였으며 이를 제어하기 위해서 강인제어 이론인 QFT(Quantitative Feedback Theory)^(14)(15)를 이용하여 계통의 모델링 오차와(에도 불구하고) 다양한 외란에도 불구하고 제어성능을 나타낼 수 있도록 (제어기를) 설계 하였다. QFT 설계의 장점은 제어기 설계단계에서 계통의 모델링 오차를 파라미터 불확실성의 범위를 설정하여 다양한 영역에서 안정하게 동작할 수 있도록 강인한 제어기가 설계 가능하다는 장점이 있다.

제안한 방법에 의해 설계된 제어기의 강인한 성능을 평가하기 위해 시간영역의 동특성 시뮬레이션을 수행하였으며 다양한 외란이 발생한 경우에 대한 고찰을 통하여 제안한 제어기의 도입 타당성을 검증하였다. 시뮬레이션 결과를 통하여 제안한 제어기는 기존의 다른 제어 방법을 이용한 경우보다 다양한 외란에도 불구하고 에너지 저장장치의 빠른 입출력 특성을 통하여 조속기의 변화량을 최소화 함에도 불구하고 우수한 제어 성능 나타냄을 확인하였다.

2. 풍력-디젤 전력 시스템 모델

Fig. 1은 플라이휠 에너지 저장장치를 포함한 풍력-디젤 전력시스템의 배치 구조를 나타내고 있다. 풍력발전과 디젤발전 및 플라이휠에너지 저장장치가 하나의 모선에 접속이 되어 부하에 전력을 공급할 수 있는 구조로 배치하였다. 이때 풍력 발전기는 기본적으로 피치제어를 수행 하고 있으며 주파수 제어를 위해 플라이휠에너지 저장장치의 유효전력만을 제어하는 것으로 가정하였다.

3. QFT를 이용한 플라이휠 저장장치 제어기 설계

4. Title

본 논문에서는 풍력-디젤 시스템에 외란과 지속적으로 변하는 풍력출력에 효과적으로 대응하기 위하여 플라이휠 에너지 저장장치를 적용하였으며, 시스템의 다양한 외란에 대해서 강인한 대처를 위하여 QFT를 이용하여 플라이휠 에너지 저장장치의 강인제어기를 설계하였다. 설계의 강인성을 검증하기 위해 다양한 외란이 발생한 경우 기존의 제어 방식⁽³⁾과 비교하여 시간영역에서 동특성 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문에서 사용한 디젤시스템, 풍력 시스템의 파라미터는 Table. 1 ⁽³⁾과 같으며, 플라이휠 에너지 저장장치의 출력은 $-0.01\le \Delta P_{fess}\le 0.01$ pu로 제한하였다.

앞 절에서 설계된 플라이휠 에너지 저장장치의 제어기 $K(s)$는 다음 식 (16)과 같다.

Fig. 5는 선정된 주파수 $w_{i}$에 따른 시스템의 템플레이트에 대해 계산된 경계와 공칭 개루프 시스템 전달함수 $L(jw)$를 나타내었다. 그림에서 보여지듯이 모든 선택된 주파수 $w_{i}$에서 공칭 개루프 시스템 $L(jw)$는 모든 QFT 경계조건을 만족함을 알 수 있다.

설계된 제어기의 강인성을 검증하기 위하여 전력 시스템에 0.01 p.u의 $\Delta P_{load}$ 스텝부하 변동이 발생할 경우와 $\Delta P_{load}$의 랜덤부하 변동이 발생한 경우 및 풍력시스템의 입력외란 $\Delta P_{w}$이 랜덤하게 변하는 세 가지의 경우에 대해 동특성 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 6은 디젤계통에 갑작스런 부하외란으로 $\Delta P_{load}$가 0.01 pu의 스텝변동 하였을 경우 기존의 제어방식인 PI 피치제어, SMES 제어⁽³⁾와 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 QFT 제어기를 각각 적용하였을 경우에 대하여 풍력계통과 디젤 계통의 주파수 변화량의 결과를 나타내었다. Fig. 6(a), 6(b)와 같이 주파수 변화량을 살펴보면 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 제어기를 적용하였을 경우의 주파수가 더욱 효과적으로 억제함을 알 수 있고, 주파수 변화량의 최대 편차량 또한 기존의 제어기 보다 매우 적음을 알 수 있다.

Fig. 6(c)는 기존의 제어기와 제안한 제어기를 포함한 경우 디젤 출력전력을 나타내었다. 부하외란이 0.01pu 변동하였기 때문에 최종적으로 디젤 출력은 0.01pu 증가하여 출력되지만 제안한 플라이휠 에너지 저장장치 제어기를 적용 하였을 경우 디젤의 출력 변화가 최소로 변동하여 디젤 조속기의 불안정을 예방 할 수 있다.

Fig. 6(d)는 플라이휠 에너지 저장장치의 출력 전력을 나타내었다. 그림을 보면 부하외란이 갑자기 발생하였을 경우 플라이휠 에너지 저장장치는 외란에 반응하여 매우 신속하게 출력을 보내어 불평형을 신속하게 제어함을 알 수 있다.

Fig. 7은 시간적으로 변화하는 외란에 대처하기 위한 강인제어능력을 확인하기 위한 랜덤 부하변화량 $\Delta P_{load}$를 나타내었다. Fig. 8은 디젤계통에 Fig. 7과 같이 $\Delta P_{load}$가 시간적으로 랜덤하게 부하가 변동하였을 경우에 대하여 기존의 제어방식인 PI 피치제어, SMES 제어⁽³⁾와 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 QFT 제어기를 각각 적용하였을 경우에 대하여 풍력계통과 디젤 계통의 주파수 변화량의 결과를 나타내었다. Fig. 8(a), 8(b)를 보면 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 제어기를 적용하였을 경우의 주파수가 더욱 효과적으로 억제함을 알 수 있고, 제어성능이 더욱 강인함을 알 수 있다.

Fig. 9는 시간적으로 변화하는 외란에 대처하기 위한 강인제어능력을 확인하기 위한 풍력입력 전력이 랜덤하게 변화하는 풍력 입력변화량 $\Delta P_{w}$를 나타내었다.

Fig. 10은 풍력 입력 $\Delta P_{w}$가 Fig. 9와 같이 랜덤하게 변동하는 경우에 대하여 기존 제어방식인 PI 피치제어, SMES 제어⁽³⁾와 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 QFT 제어기를 각각 적용하였을 경우에 대하여 풍력계통과 디젤 계통의 주파수 변화량의 결과를 나타내었다. 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 제어기를 적용하였을 경우의 주파수가 더욱 효과적으로 억제함을 알 수 있고, 기존의 제어기 보다 제어성능이 더욱 강인함을 알 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 풍력-디젤 시스템을 효율적으로 운영하기 위하여 플라이휠 에너지 저장장치 적용을 제안하였으며 강인한 제어 성능을 달성 하도록 QFT 강인제어 이론을 도입하여 제어기를 설계하였다. 제안한 제어기의 강인 성능을 확인하기 위하여 다양한 외란이 발생한 경우 기존의 제어기와 동특성을 비교하여 제어 성능을 검토하였다. 동특성을 비교 검토한 결과 플라이휠 에너지 저장장치의 속응성이 매우 빨라 유효전력 입출력이 매우 빨라 갑작스럽게 변화하는 부하변동에 잘 대처 할 수 있음을 확인하였고, QFT 강인제어 기법을 적용함으로써 다양한 외란에도 강인함을 나타내어 기존의 제어 방식보다 풍력-디젤 시스템의 안정도를 향상시키는데 크게 기여함을 확인하였다. 특히 플라이휠 에너지 저장장치의 적용을 통하여 입력전력과 출력전력의 불일치가 발생 하는 경우 신속하게 전력을 제어함으로써 조속기의 변화량을 최소화 함에도 불구하고 우수한 제어 성능 나타냄을 확인하였다.