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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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Research article

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The Transactions P of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEEP Vol. 70P, No. 2, p.76-84

ISSN (print) :

1229-800X

ISSN (online) :

2586-7792

Received : 6 May 2021Revised : 12 May 2021Accepted : 25 May 2021

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEEP.2021.70.2.076

A Study on Operation Characteristics of Digital Grid Power Router Analysis Model

디지털그리드 전력중계 장치 해석모델 동작 특성 연구

김석웅 (Seok-Woong Kim) ¹iD 이학주 (Hak-Ju Lee) ¹iD 김욱원 (Wook-Won Kim) ^†iD

(Smart Power Distribution Laboratory, KEPCO Research Institute, Daejeon, Korea.)

^†Corresponding Author: Smart Power Distribution Laboratory, KEPCO Research Institute, Daejeon, Korea. E-mail: wookwon.kim@kepco.co.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

Recently, the power utilization rate of the distribution line(D/L) has reached utility’s limit due to the gird connection of distributed generation(DG) based on renewable energy. Also, the problem of reducing power grid reliability is caused by frequent fluctuations of DG. To solve this problem, a digital grid power router(DGPR) is proposed to increase the grid connection rate of DGs. In this study, a control model was developed to enable real-time power supply by applying a digital grid for power exchange and using a back to back(BTB) bidirectional power conversion system. The proposed system can improve the power utilization rate of D/L. Also, the power grid is not affected by changes in the output of DG because it enables asynchronous gird connection. In this paper, a design method and control model for the digital grid power router are presented considering the multi microgrid(MG). Finally, the effects of load sharing and power utilization rate improvement are verified using PSIM.

Key words

Digital grid power router(DGPR), Multi microgrid, Back to back(BTB), Bidirectional converter, Grid utilization rate, Surplus power

1. 서 론

마이크로그리드는 에너지 공급 및 독립운전을 통해 유연한 계통 운영이 가능하여 기존의 중앙 집중형 송배전 시스템에서 탈피한 분산형 시스템으로 각광받고 있다⁽¹⁾. 이에 따른 마이크로그리드 기술개발의 수요 급증으로 멀티 마이크로그리드간의 경제성 및 안정성을 고려한 최적 운영 및 제어기술에 대한 개발이 진행되고 있다^(2,³⁾. 마이크로그리드는 전력계통과의 상시 연계 여부에 따라 계통연계형 마이크로그리드와 독립형 마이크로그리드로 구분할 수 있다⁽⁴⁾. 계통연계형 마이크로그리드는 평상시에는 전력계통과 연계되어 전력을 거래하며, 비상시에는 계통으로부터 분리되어 운전할 수 있어 수용가에 무정전으로 전력을 공급할 수 있는 것이 특징이다^(5,⁶⁾. 이러한 계통연계형 마이크로그리드는 주로 빌딩, 캠퍼스, 군부대 등에 적용될 수 있으며, 해당 수용가의 공급 신뢰도 향상 및 전력 거래를 통한 이윤 추구를 목적으로 한다⁽⁷⁾. 독립형 마이크로그리드는 전기적으로 고립된 지역(섬, 사막, 극지방 등)에 전력을 공급하기 위한 용도로 개발되었으며, 기존 디젤발전소와 신재생에너지, 배터리 등을 조합하여 구축된다^(8-¹⁰⁾.

최근 계통연계형 마이크로그리드는 태양광발전, 풍력발전 등 다수의 분산전원(DG)이 배전계통으로 유입됨에 따라 배전선로 이용률 초과 및 재생에너지의 변동성으로 전압상승을 초래하여 배전계통의 부담이 증가하고 있다⁽¹¹⁾. 또한, 분산전원의 미활용 전력 발생 시, 배전계통의 역방향 전류가 발생하거나 분산전원 출력 제한을 초래하므로 전력 불균형 문제가 발생하고, 분산전원 운영효율이 감소하는 문제가 있다⁽¹²⁾. 제주계통의 경우, 낮은 수요와 분산전원 증가에 따른 공급과잉으로 분산전원 변동성에 대응하기 위한 송·배전용 전기설비 이용규정을 개정하였고, 100kW 이상 분산전원에 대해 감시 및 제어 시스템을 도입하여 전기설비의 이용을 제한하고 있다. 분산전원 잉여전력 활용을 위하여 멀티터미널 마이크로그리드의 전력융통을 위한 기술이 제안되었지만, 발전원의 비용함수를 이용한 전력융통 기술로서 배전계통 측면에서 배전선로의 부담을 완전히 해소하기 어려운 문제점이 있다⁽¹³⁾.

이러한 문제를 개선하기 위하여 분산전원에 의한 전압상승 억제, 미활용 전력의 융통, 분산전원 운영효율 향상 등 배전선로 부담을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다^(14-¹⁶⁾. 본 논문에서는 분산전원이 혼재된 멀티 마이크로그리드 간 전력융통을 위한 서브 그리드 형태의 디지털그리드를 구성하고, 전력중계 장치를 배전선로 종단에 연계하여 양방향 전력변환을 통해 전력융통 및 조류제어를 수행하는 디지털그리드 전력중계 장치를 설계하고, 이를 검증하였다.

2. 디지털그리드 구조

디지털그리드는 멀티 MG를 이용하여 배전계통의 신뢰도 향상 및 분산전원의 계통연계에 의한 계통 부담 경감을 위하여 MG간 양방향 전력융통이 가능한 신 전력공급 방식이다⁽¹⁷⁾. 배전선로간 전력 조류제어가 가능하여 일정 구간 내에서 전기에너지의 소비가 자유로우며, 이에 의해 지역에너지 자립률 상승 및 신재생에너지 확대보급이 가능하다. 인접 MG간의 전력 조류제어를 통해 전압관리, 전력손실감소, 고장 자동절체로 파급고장을 방지하고, 계통 안정화에 기여할 수 있다. 분산전원 종류와 무관하게 Plug&play 방식으로 분산전원 연계가 가능하고, 전력의 P2P 거래로 소규모 분산자원 중개사업에 활용 가능하다⁽¹⁸⁾. 그림 1은 디지털그리드 전력중계 장치(Digital Grid Power Router, 이하 DGPR)를 이용한 간접 연계방식으로 상호 독립 운영중인 배전선로 간의 전력융통이 가능하도록 확장 운영이 가능한 시스템이다. 독립 배전계통은 비동기식 계통연계 방식으로 신재생에너지 출력변화에 영향을 받지 않고 대용량의 분산전원을 추가로 연계할 수 있는 장점이 있다. 또한, DGPR 비상 공급모드를 적용하여 배전선로의 지락, 단락 등 계통사고에 대응이 가능하고, 실시간 계통 분리가 가능하여 계통을 보호할 수 있다. 특정 지역내에 연계되어있는 분산전원을 클러스터(Cluster)로 관리함에 따라 운영 변수가 감소하고, 배전선로 운영 측면에서 분산전원 관리가 용이하다. 독립 배전계통의 미활용 전력융통에 따른 지역내 자체생산·소비로 독립 배전계통의 제어 자유도가 상승하는 효과를 얻을 수 있다.

그림. 1. 디지털그리드 개념도

Fig. 1. Block diagram of the Digital grid

2.1 시스템 구조

그림 2와 같이 독립적인 배전계통으로 구성된 멀티 마이크로그리드간 전력융통을 위한 BTB(Back to back) 전력변환 장치를 구성하여 배전선로 종단에 연계하고, 배전계통 상황에 따라 정류기(AC→DC), 인버터(DC→AC)로 동작하는 양방향 전력중계 장치(DGPR)를 적용한다⁽¹⁹⁾. DGPR 시스템 구성은 22.9kV의 배전전압을 DGPR로 연결하기 위한 수백 kW급 수배전반과 저압용 차단기(ACB)로 구성된다. DGPR은 배전선로와 연계 가능한 AC 입출력 단자와 디지털그리드와 연계 가능한 DC 입출력 단자를 구성한다. AC 입출력 단자는 AC 22.9kV 배전계통으로 연계, DC 입출력 단자는 DC 750V 디지털그리드와 연계하여 양방향 전력조류 제어가 가능하도록 설계한다. DGPR은 상위제어기의 지령으로 전력조류 및 출력 전력량을 결정하고, 상위제어기는 DGPR의 동작 상태를 모니터링한다. DC 입출력단은 자동 개폐용 차단기, 과전류 보호 퓨즈로 구성하고 과전압, 과전류, 저전압, 과열 등 비상상황에 보호동작을 수행한다.

그림. 2. 디지털그리드 전력중계 시스템

Fig. 2. System of power router on digital grid

2.2 DGPR 기능

DGPR은 MG 계통의 상황을 고려하여 운전모드를 결정할 수 있다⁽²⁰⁾. 본 논문에서 표 1과 같이 4가지의 운전모드를 제안하며, 전류의 방향에 따라 AC를 DC로 정류하기 위한 운전모드 2가지와 DC를 AC로 변환하기 위한 운전모드 2가지로 구분한다. 첫 번째 모드는 디지털그리드의 DC 750V의 전압을 유지하기 위한 DCCV(Direct Current Constant Voltage)이며, DGPR은 디지털그리드의 전압제어 기능을 수행하고 이때, 해당 기기는 Master로 동작한다. 두 번째 모드는 디지털그리드로 공급 가능한 전력을 융통하기 위한 DCCP(Direct Current Constant Voltage)이며, DGPR은 전력제어 기능을 수행하고, 이때 장치는 Slave로 동작한다. 세 번째 모드는 디지털그리드의 전력을 MG 계통으로 공급하기 위한 ACCP(Alternate Current Constant Power)이며, 계통 주파수 동기화(PLL)를 이용하여 계통으로 전력을 공급한다. 마지막 모드는 계통의 정전, 전원 탈락 등 비상상황을 고려한 독립운전 모드이며, DGPR은 계통의 전압과 주파수를 공급하기 위한 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)로 동작한다. 본 논문에서 전력중계장치 3기의 조합을 통한 전력융통 방법을 제안하므로, Master 1기와 Slave 2기로 Master-slave를 정의한다.

그림. 3. 디지털그리드 전력중계 장치 전력 회로

Fig. 3. Power circuit of digital grid power router

표 1. 디지털그리드 전력중계 장치 제어모드

Table 1. Control mode of digital grid power router

Control mode	Current Direction	Description
DCCV	AC to DC	Digital grid voltage control
DCCP	AC to DC	Digital grid power control
ACCP	DC to AC	Grid-connected control
CVCF	DC to AC	Stand-alone grid control

3. DGPR 모델링

3.1 시스템 설계

DGPR을 구성하기 위한 시스템 상세회로는 그림 3과 같다. 양방향 전력변환이 가능한 DGPR은 3상 AC 입출력 단자에 DC-Link 커패시터를 충전하기 위한 초기 충전회로(CHR), 필터 커패시터(ACC), 필터 인덕터(ACL)로 구성되어 있다. 대용량 DGPR은 다양한 토폴로지로 구성할 수 있으나, 본 논문에서는 2-level 컨버터를 적용하였고 전력회로는 반도체스위치 6개의 직병렬로 구성한다. DGPR의 DC 입출력 단자는 디지털그리드의 전압을 유지하기 위한 DC- Link 커패시터가 존재하며, 각 DGPR의 DC-Link는 DC분전반과 연결되어 디지털그리드를 공유한다. DGPR의 용량($P_{\text {rated_PCS }}$)은 연계 계통 내 분산전원 전체 발전량($\Sigma P_{DG}$)에서 기저부하($P_{\text {base_load }}$)를 제외한 전력 값으로 설계하고, DGPR의 용량만큼 배전선로 이용률이 감소하기 때문에 배전선로 부담을 해소할 수 있다.

(1)

$$ P_{\text {rated_PCS }}=\sum P_{D G}-P_{\text {base_load }} $$

3.1.1 디지털그리드 정격전압

최근 한국은 한국전기설비규정(KEC)를 개정함에 따라 DC 전압을 750V에서 1.5kV로 상향 조정했다. 한전은 LVDC 프로젝트를 이용하여 선로 이용률 향상을 위하여 바이폴 ±750V의 전압을 채택하였다. 이러한 규정을 만족하기 위하여 디지털그리드 전압은 DC 750V로 채택하고, 전압변동률은 10%의 범위로 제한한다.

3.1.2 전력용 반도체

DGPR은 전력용 반도체를 이용하여 AC의 전력을 DC로 변환하기 위한 스위칭 동작으로 전력변환이 가능하며, 전력용 반도체는 IGBT를 사용한다. IGBT의 정격전압과 전류는 식(2)와 식(3)과 같이 결정되며, 산출된 결과를 활용하여 IGBT 사양을 결정한다.

(2)

$V_{\text {CE_rated }}=\left[\left(V_{dc}\times\triangle V_{\text {dc_max}}\right)+\delta_{CB}\right]\times\eta$

여기서, $V_{\text {CE_rated }}$는 IGBT의 C-E간 전압정격, $\triangle V_{dc"_{"\max}}$는 디지털그리드 DC-Link의 최대 전압변동률, $\delta_{CB}$는 DC 차단기의 급변전압, $\eta$는 설계 여유율이다.

(3)

$I_{\text{C_rated}}=\left(\sqrt{\dfrac{2}{3}}\times\dfrac{P_{\text {pcs_rated}}}{V_{LL}}\right)\times\triangle i_{\text {a_max}}\times N_{m}\times\eta$

여기서, $I_{\text {C_rated}}$는 IGBT의 정격전류, $V_{LL}$은 AC 선간전압, $\triangle i_{\text {a_max}}$는 DGPR 출력 전류 리플율, $N_{m}$은 과부하 정격 배수, $\eta$는 설계 여유율이다.

3.1.3 AC 필터 인덕터

AC 입출력단에 전류 필터 및 전압 승압용으로 사용하는 필터 인덕터는 정격 상전류 기준으로 전류 용량을 정하고, pu 임피던스를 이용하여 인덕턴스를 산출한다.

(4)

$I_{\text {ACL_rated}}=i_{a}=\dfrac{P_{\text {pcs_reated}}}{\sqrt{3}\times V_{LL}}$

정격용량과 인버터 출력전압에 따른 시스템의 pu 임피던스는 식(5)와 같다.

(5)

$Z_{pu}=\dfrac{\sqrt{3}\times V_{LL}^{2}}{P_{\text {pcs_rated}}}$

(6)

$Z_{ACL}=Z_{pu}\times\%Z_{ACL}$

(7)

$L_{ACL}=\dfrac{Z_{ACL}}{2\pi f_{0}}$

여기서, $f_{0}$는 기본파 성분의 주파수, $Z_{pu}$는 pu 임피던스, %$Z_{ACL}$은 %임피던스로 일반적으로 12%로 설계하여 부하에 따른 응답특성이 원활하도록 설계한다.

3.1.4 AC 필터 커패시터

AC 필터 커패시터는 컨버터의 스위칭으로 발생되는 전압 고주파 성분을 소거하여, 계통의 안정적인 전압을 공급하고 계통에서 발생되는 노이즈 성분을 제거하기 위하여 사용한다. AC 필터의 사용 정격전압은 컨버터의 출력전압 변동 오차율을 반영하여 식(8)과 같이 정한다.

(8)

$V_{\text {ACC_rated}}=V_{LL}\times\eta$

여기서, $V_{\text {ACC_rated}}$는 AC 필터 커패시터의 정격전압이며, $\eta$는 설계 여유율이다. AC 필터 커패시턴스는 필터 인덕터와 필터 커패시터의 공진 주파수에 의해 결정된다. 여기서 공진 주파수는 기본 주파수보다 큰 값으로 설계한다.

(9)

$2\pi(kf_{0})L_{ACL}=\dfrac{1}{2\pi(kf_{0})C_{ACC}}$

(10)

$C_{ACC}=\dfrac{1}{(2\pi kf_{0})^{2}L_{ACL}}$

여기서, $k$는 공진차수, $f_{0}$는 기본파 성분의 주파수, $C_{ACC}$는 AC 필터 커패시턴스 값으로 Y결선인 경우에 대하여 적용한다. 필터 커패시터가 $\triangle$결선인 경우에는 합성 임피던스 환산에 따라 커패시턴스 값에 3배를 적용하여 산출한다.

3.2 시스템 제어모델

DGPR은 표 1과 같이 DCCV, DCCP, ACCP, CVCF 제어 기능을 탑재하고 있으며, 계통정보를 고려하여 제어방법을 결정할 수 있다. 각 제어모드는 PI(Proportional-Integral) 제어기를 활용하여 feedback loop로 구성하며, 제어목적에 따라 제어지령 및 알고리즘을 변경할 수 있다. DGPR은 기본적으로 계통과 주파수 동기화를 위한 PLL 기능을 포함하며, 계통주파수를 이용하여 좌표변환을 연산한다. 본 논문에서 DGPR의 수학적 모델은 일반적인 3상 전압형 PWM 컨버터와 동일하므로, plant 모델링과 동기좌표계 모델링의 수학적 산출은 생략하기로 한다. 그림 4는 표 1에서 제안한 총 4가지 운영모드의 제어 블록도이며, 각 모드별 제어모델의 지령은 다음과 같이 결정된다.

그림. 4. 디지털그리드 전력중계 장치 제어모델; (a) DC 정전압 제어, (b) DC 정전력 제어, (c) AC 정전력 제어, (d) AC 정전압&정주파수 제어

Fig. 4. Control scheme of digital grid power router; (a) DCCV, (b) DCCP, (c) ACCP, (d) CVCF

그림 4. (a) DCCV는 디지털그리드의 전압을 제어하기 위한 모드이며, DC-Link 커패시터의 전압과 AC 필터 인덕터의 전류를 취득하여 전압(Outer), 전류(Inner) 피드백 제어루프를 구성한다. 본 제어모드에서 DGPR은 디지털그리드의 안정적인 DC 전압을 공급하기 위하여 동작하며, 제어대상은 DC-Link 커패시터의 전압이 된다.

(11)

$V_{DC}^{*}=750Vdc$(Nominal voltage of digital grid)

그림 4. (b) DCCP는 계통의 전력을 디지털그리드로 공급하기 위한 모드이며, AC 필터 인덕터의 전류를 취득하여 전류 피드백 루프를 구성한다. 본 제어모드에서 DGPR은 디지털그리드에 공급가능한 전력을 정전력으로 공급하기 위하여 동작하며, 제어대상은 AC 필터 인덕터의 전류가 된다.

(12)

$P_{DC}^{*}=P_{routing}$(Routing power of DGPR)

그림 4. (c) ACCP는 디지털그리드의 전력을 계통으로 공급하기 위한 모드이며, 계통에서 필요로 하는 유효, 무효전력을 지령치로 활용하여 계통 전압의 연산을 통해 전류를 산출하고 전류 피드백 제어루프를 구성한다. 본 제어모드에서 DGPR은 계통에 공급가능한 전력을 정전력으로 공급하기 위하여 동작하며, 이때 제어대상은 AC 필터 인덕터의 전류가 된다.

(13)

$P_{AC}^{*}=P_{MG}$(Active power requirements of MG)

(14)

$Q_{AC}^{*}=Q_{MG}$(Reactive power requirements of MG)

그림 4. (d) CVCF는 계통의 전압과 주파수를 제어하기 위한 모드이며, 독립계통을 구성하기 위한 전압 피드백 제어루프를 구성한다. 본 제어모드에서 계통 전압과 주파수를 유지하기 위하여 지령은 식(15), (16)과 같이 설정하며, 이때 제어대상은 AC 필터 커패시터의 전압이 된다.

(15)

$V_{grid}^{*}=340V$(Grid voltage in independent system)

(16)

$\theta_{grid}^{*}=60Hz$(Grid frequency in independent system)

3.3 운전모드별 동작특성

멀티터미널 MG 계통 확대구성을 통해 그림 5와 같이 DGPR 운전모드 조합이 가능하며, 운전모드별 DGPR 동작 특성은 표 2와 같다. N:N 전력융통 방식은 DGPR간 병렬 연계운전 동작으로 특정 DGPR의 master 동작이 필요하며, master 기기가 디지털그리드의 전압제어를 수행한다. 이때, slave 기기는 각 MG 정보를 취득하여 디지털그리드의 전력 입출력 여부 및 융통 전력량을 결정한다. 각 MG간 잉여전력 및 필요전력은 상위운영시스템에 의해서 결정되며, 전력 매칭결과에 따라 전력교환을 실시한다. 본 논문은 4개의 디지털그리드 운영조건을 상정하고, DGPR을 조합하여 전력융통 시나리오를 모의하였다.

그림. 5. 운전모드에 따른 전력조류; (a) 단독공급모드, (b) 다중공급모드, (c) 병렬공급모드, (d) 슬레이브 공급모드

Fig. 5. Power flow according to operation model; (a) single supply mode, (b) Multi supply mode, (c) Parallel supply mode, (d) Slave supply mode

표 2. 운전모드에 따른 DGPR 제어모드 결정

Table 2. Control state of DGPR operation mode

Operation mode	DGPR1	DGPR2	DGPR3
Single supply	DCCV	ACCP	Stand by
Multi supply	DCCV	ACCP	ACCP
Parallel supply	DCCV	CVCF	DCCP
Slave supply	Stand by	ACCP	DCCV

3.3.1 단독공급모드

단독공급모드는 전력매칭 결과에 따라 DGPR간 1:1로 전력교환을 한다. 본 모드에서 DGPR1은 MG1의 잉여전력을 활용하여 디지털그리드의 전압제어를 수행하며, DGPR2는 MG2의 필요전력을 공급하기 위한 MG 계통 전력제어를 수행한다.

3.3.2 다중공급모드

다중공급모드는 전력매칭 결과에 따라 DGPR간 1:N으로 전력교환을 한다. 본 모드에서 DGPR1은 MG1의 잉여전력을 활용하여 디지털그리드의 전압제어를 수행하며, DGPR2, 3는 MG2, 3의 필요전력을 공급하기 위한 MG 계통 전력제어를 수행한다. 단독공급 및 다중공급 모드는 MG내 잉여전력 발생에 따라 계통 전압상승을 방지하기 위하여 동작한다. 인접 MG로 전력융통을 실시함에 따라 분산전원 연계점 전압상승 완화 및 해당 MG 내 분산전원 최대 출력을 유지할 수 있다.

3.3.3 병렬공급모드

병렬공급모드는 MG2의 계통고장 발생 시, 안정적인 전력을 공급하기 위해 N:1 전력교환을 한다. DGPR1과 DGPR3는 각 계통의 공급 가능한 전력을 산출하여 디지털그리드에 공급하고 이때, DGPR1은 디지털그리드의 전압제어를 수행하고, DGPR3는 디지털그리드에 일정한 전력을 공급하기 위한 정전력 제어를 수행한다. DGPR2는 디지털그리드 전력을 사용하여 MG2의 계통을 복구하기 위한 정전압/정주파수 제어를 수행한다. 병렬공급 모드는 DGPR의 계통 보조전원 특성을 이용하여 전력공급이 불가한 상황을 대비할 수 있으며, 계통 의존도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 전력공급 신뢰도를 개선할 수 있다.

3.3.4 슬레이브 공급모드

일반적으로 DGPR의 Master 선정은 연계된 기기 간 용량이 가장 큰 값으로 한다. 그러나 계통 운영환경에 따라 공급 가능한 전력의 크기는 실시간으로 변경되며, 이에 따라 DGPR의 master와 slave는 실시간으로 변경될 수 있다. 본 모드에서는 DGPR3에 master 권한을 부여하여도 디지털그리드의 전압 유지가 가능함을 확인하며, 이때, DGPR3는 디지털그리드의 전압제어를 수행하고, DGPR2는 디지털그리드의 전력을 MG2로 공급하게 된다.

4. 모델검증

4.1 멀티 마이크로그리드 구성

본 논문에서 제안한 DGPR의 전력융통 및 조류제어 특성분석을 위하여 해당 연구과제의 실증사이트인 울산테크노파크 산업단지 내 주거단지, 연구단지, 산업단지 총 3개의 사이트를 개념적으로 분리하여 멀티 MG를 구성하였다. 각 MG별 배전선로 종단 연계점에 DGPR을 연결하고 디지털그리드 선로를 구성하면 그림 6과 같다. 사이트별 수용가 부하 및 분산전원 용량은 표 3과 같다.

그림. 6. 멀티 마이크로그리드 실증(울산테크노파크)

Fig. 6. Demonstration site of multi MG (Ulsan TP)

표 3. 멀티 마이크로그리드의 분산전원&수용가 용량

Table 3. Capability of DG&load in multi MG site

Site	DG		Load
Site	PV	ESS	P2G/ESS	Customer
MG1	700kW	-	1MW	3.9MW
MG2	50kW	-	-	4.1MW
MG3	250kW	250kWh	250kWh	2.7MW

그림. 7. MG계통 상황을 고려한 DGPR 운영전략

Fig. 7. Strategy of DGPR operation by MG condition

4.2 시나리오 운전전략

DGPR 운전모드는 MG 계통에 연계되어있는 분산전원 및 부하의 상황을 고려하여 그림 7과 같이 결정하며, 부하 제한범위($P_{limit}$)는 각 MG별 전체 소비전력($\Sigma P_{load}$)의 90\%로 설정한다. 제안한 DGPR의 제어모드를 결정하기 위하여 첫 번째로 MG 계통의 전압, 주파수의 상태 및 분산전원의 연계 여부를 확인한다. 일부 분산전원의 고장으로 계통에 일시적인 문제가 발생하면 분산전원의 복구 또는 계통과 분리하여 고장을 소거하고, 이를 제외한 MG 계통의 장기적 고장에 대해서는 즉시 해당 DGPR을 CVCF 모드로 동작한다. 반대로 MG 계통 정상운전 조건이라면 선로 내에 연계된 분산전원($\Sigma P_{DG}$)을 최대 출력(MPPT)으로 운전한다. 이때, 에너지저장기능을 갖는 ESS와 P2G는 최대출력 운전 및 분산전원 발전량 산출에서 제외한다.

두 번째로 중계전력량($P_{routing}$) 및 전력조류의 방향을 결정하기 위하여 해당 MG에서 공급하는 수용가 부하의 전체 소비전력($\Sigma P_{load}$)과 부하 제한범위($P_{limit}$)를 비교한다. 부하의 전체 소비전력이 부하 제한범위보다 크면 DGPR은 디지털그리드에서 MG계통으로 필요전력을 공급하며, 이때, DGPR은 ACCP 모드로 동작한다. 반대로 수용가 부하의 전체 소비전력이 부하 제한범위보다 작으면 DGPR은 MG 계통에서 디지털그리드로 잉여전력을 융통한다.

(17)

$P_{routing}=P_{limit}-\Sigma P_{load}$

세 번째로 각 MG간 융통 가능한 전력량을 산출하여 비교를 통해 전력량이 가장 큰 MG 계통의 DGPR을 master로 선정하고 나머지 DGPR을 slave로 선정한다. 이때 master로 선정된 DGPR은 디지털그리드의 전압제어를 수행하고 slave로 선정된 DGPR은 디지털그리드에 일정한 전력을 공급한다. 이때, master의 융통 전력량($P_\text {routing_master}$)은 인접 MG에서 요구하는 필요전력량($P_\text {routing_demand}$)에서 slave의 융통 전력량($P_\text {routing_slave}$)을 제외한 값으로 결정된다.

(18)

$P_{\text {routing_master}}=P_{\text {routring_demand}}-P_{\text {routing_slave}}$

디지털그리드의 안정적인 운영을 위하여 DGPR 운영전략에 따라 결정된 제어모드는 DCCV→ACCP(CVCF)→DCCP의 순서로 투입 시퀀스(Sequence)를 적용한다. 제안한　운영전략은 MG 계통의 요구에 따라 1개 이상의 DGPR이 ACCP 또는 CVCF 운영되는 조건에서 성립되며, 시스템 내, 요구 전력이 없는 상태라면 모든 DGPR은 대기상태를 유지한다.

표 4. 전력중계 효과 검증을 위한 시뮬레이션 시나리오

Table 4. Simulation scenario for verification of power routing

Site	Routing Direction	Operation mode(Routing power)
Site	Routing Direction	Single	Multi	Parallel	Slave
MG1	AC→DC	350kW	500kW	250kW	-
MG1	DC→AC	-	-	-	-
MG2	AC→DC	-	-	-	-
MG2	DC→AC	350kW	350kW	500kW	500kW
MG3	AC→DC	-	-	250kW	500kW
MG3	DC→AC	-	150kW	-	-

4.3 시뮬레이션 결과

DGPR 시나리오 검증을 위하여 표 4와 같이 중계전력을 구성하고, 각 MG별 연계된 분산전원과 부하를 고려하여 전력량을 결정하였다.

그림 8의 시뮬레이션 결과는 각 MG 계통의 전력부하량의 변화와 DGPR의 중계전력을 비교한 파형이며, 잉여전력 및 요구전력에 대해 융통되는 결과를 PSIM을 이용하여 검증하였다. 본 시뮬레이션에서는 초기충전 회로를 생략함에 따라 0.2s까지의 과도구간을 안정시간(settling time)으로 간주한다. 대용량 전력지령에 따른 과도응답을 해소하기 위하여 ramp 함수를 이용하여 지령치를 가산하였다. DGPR은 운영전략에 의해 정해진 제어모드로 동작하며, 중계전력을 공급 또는 소비하며 동작한다.

그림 8. (a) 단독공급모드는 0.4s 구간부터 DGPR을 투입하였고, MG1의 잉여전력을 MG2로 공급함에 따라 350kW의 중계전력이 DGPR1에서 DGPR2로 융통됨을 확인할 수 있다. 융통 전력의 크기만큼 MG1(3.9MW→4.25MW)의 잉여전력 개선효과 및 MG2(4.1MW→3.75MW)의 전력부하 개선 효과를 확인할 수 있다.

그림 8. (b) 다중공급모드는 0.2s, 0.6s 구간으로 나눠서 DGPR을 순차적으로 투입하였고, MG1의 잉여전력을 MG2와 MG3로 공급함에 따라 350kW(0.2s~1s) 중계전력이 DGPR1에서 DGPR2로 융통되고, 150kW(0.6s~1s) 중계전력이 DGPR1에서 DGPR3로 융통됨을 확인할 수 있다. 융통 전력의 크기만큼 MG1(3.9MW→4.4MW)의 잉여전력 개선효과 및 MG2(4.1MW→3.75MW), MG3(2.7MW→2.55MW)의 전력부하 개선 효과를 확인할 수 있다.

그림 8. (c) 병렬공급모드는 0.2s, 0.6s 구간으로 나눠서 DGPR을 순차적으로 투입하였고, MG1과 MG3의 잉여전력을 MG2로 병렬공급함에 따라 500kW(0.2s~0.6s), 250kW (0.6s~1s) 중계전력이 DGPR1에서 DGPR2로 융통되고, 250kW(0.6s~1s) 중계전력이 DGPR3에서 DGPR2로 융통됨을 확인할 수 있다. 융통 전력의 크기만큼 MG1(3.9MW→4.15MW), MG3(2.7MW→2.95MW)의 잉여전력 개선효과 및 MG2(4.1MW→3.6MW)의 전력부하 개선 효과를 확인할 수 있다.

그림 8. (d) 슬레이브 공급모드는 0.4s 구간부터 DGPR을 투입하였고, MG3의 잉여전력을 MG2로 공급함에 따라 500kW의 중계전력이 DGPR3에서 DGPR2로 융통됨을 확인할 수 있다. 융통 전력의 크기만큼 MG3(2.7MW→3.2MW)의 잉여전력 개선효과 및 MG2(4.1MW→3.6MW)의 전력부하 개선 효과를 확인할 수 있다.

그림 9는 MG 계통 영향평가를 위한 시뮬레이션 모드별 개선효과를 도시한 그래프이다. 계통 관점에서 전력량 개선 효과는 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 그래프의 +% 범위이다. 해당 결과는 디지털그리드의 전력을 MG 계통으로 공급함에 따라 부하 분담 효과를 보여준다. 두 번째로 그래프의 -% 범위이다. 해당 결과는 MG계통의 잉여전력을 디지털그리드로 전달함에 따라 계통 이용률 개선 효과를 보여준다. Single supply mode에서 MG1은 약 9.0%의 계통 이용률 개선효과를 보여주며, MG2는 약 8.5%의 부하 분담 효과를 보여준다. Multi supply mode에서 MG1은 약 12.8%의 계통 이용률 개선효과를 보여주며, MG2는 약 8.5%, MG3는 5.6%의 부하 분담 효과를 보여준다. Parallel suppy mode에서 MG1은 약 6.4%, MG3는 9.3%의 계통 이용률 개선효과를 보여주며, MG2는 약 12.2%의 부하 분담 효과를 보여준다. 마지막으로 slave supply mode에서 MG3는 약 18.5%의 계통 이용률 개선 효과를 보여주며, MG2는 약 12.2%의 부하 분담 효과를 보여준다.

본 시뮬레이션 분석은 특정 멀티 마이크로그리드 사이트의 시나리오 가정으로 얻어진 결과로 MG 계통의 전체 분산전원 발전량, 수용가 부하량, DGPR 용량, DGPR의 수량 및 부하 제한범위에 따라 달라질 수 있다.

그림. 8. 시뮬레이션 결과; (a) 단독공급모드, (b) 다중공급모드, (c) 병렬공급모드, (d) 슬레이브 공급모드

Fig. 8. Simulation results; (a) single supply mode, (b) Multi supply mode, (c) Parallel supply mode, (d) Slave supply mode

그림. 9. 부하 분담률 및 계통 이용률 개선 효과

Fig. 9. The effect of improving the load sharing rate and grid utilization rate

5. 결 론

기존 MG 시스템의 경우, 분산전원 과잉공급으로 배전선로 역조류 발생에 따른 전압상승 요인이 발생하고, 이러한 문제를 해결하기 위해 분산전원 이용 제한으로 전체 시스템 운영효율이 감소한다. 또한, 태양광 사업자의 배전계통 연계 요청에 대응하기 위하여 배전선로 증설이 불가피한 상황이며, 태양광 설비 연계기준, 보호협조 설계 등 한전 규정을 적용해야 하므로 복잡한 시스템이 요구된다.

본 논문에서 제안한 DGPR 기술을 적용하면 배전시스템 운영자(DSO) 요청에 따라 실시간으로 전력융통을 실시할 수 있으며, MG 계통의 운영상태에 따라 DGPR을 4가지 모드로 운영하여 MG계통 부담 완화 및 배전선로 신설 투자비 절감 등 분산전원 유입에 따른 문제를 해소할 수 있다. 또한 독립 배전계통 구성으로 분산전원 비동기식 계통연계가 가능하므로 분산전원 출력 변동에 대응이 가능하며, 인접 계통의 조류제어로 전압관리, 전력손실감소, 고장 자동절체 등 계통 신뢰도를 개선할 수 있다.

향후, 본 기술의 적용으로 단기적 관점에서 배전선로의 분산전원 연계용량을 확대할 수 있고, 장기적 관점에서 공급자간 전력거래를 통해 수급균형 조정 및 장경간 배전선로 품질을 보상할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

This research was supported by the KEPCO under the project entitled by “Practical Demonstration of P2G Based on Multi- Microgrid for Grid Connected Operations(R19DA04)”.

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저자소개

김석웅(Seok-Woong Kim)

He received B.S. degree in electrical engi- neering from Chungbuk National University, Cheongju and M.S. degree in electrical engi- neering from Hanyang University, Seoul, Korea, in 2012 and 2016, respectively.

He has been working as a researcher at KEPCO Research Institute.

His research interests include micro grid, power conversion system and DC distri- bution system.

이학주(Hak-Ju Lee)

He received B.S., M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 1989, 1991 and 2004, respectively.

He has been working as a principal researcher at KEPCO Research Insti- tute.

His research interests include micro grid, distribution planning & power quality and power electronics.

김욱원(Wook-Won Kim)

He received B.S., M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hanyang University, Seoul, Korea, in 2008, 2011 and 2015, respec- tively.

He has been working as a senior researcher at KEPCO Research Institute.

His research interests include micro grid, power system reliability and resilience.

KIEEThe Transactions P ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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디지털그리드 전력중계 장치 해석모델 동작 특성 연구

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 디지털그리드 구조

2.1 시스템 구조

2.2 DGPR 기능

3. DGPR 모델링

3.1 시스템 설계

(1)

3.1.1 디지털그리드 정격전압

3.1.2 전력용 반도체

(2)

(3)

3.1.3 AC 필터 인덕터

(4)

(5)

(6)

(7)

3.1.4 AC 필터 커패시터

(8)

(9)

(10)

3.2 시스템 제어모델

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

3.3 운전모드별 동작특성

3.3.1 단독공급모드

3.3.2 다중공급모드

3.3.3 병렬공급모드

3.3.4 슬레이브 공급모드

4. 모델검증

4.1 멀티 마이크로그리드 구성

4.2 시나리오 운전전략

(17)

(18)

4.3 시뮬레이션 결과

5. 결 론

Acknowledgements

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김석웅(Seok-Woong Kim)

이학주(Hak-Ju Lee)

김욱원(Wook-Won Kim)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions P of
the Korean Institute of Electrical Engineers