ESS를 활용한 DC-Grid 안정성 기반 MG 운영 기법

MG Operation Technique based on DC-Grid Stability using ESS

Abstract

This paper presents an operational technique that can secure the stability of DC-Grid centering on MG operated based on ESS in multiple MG where three DC-based microgrid(MG) are interconnected. MG1(PV 600kWp, ESS 1.5MWh) has an 830Vdc grid voltage, MG2(PV 300kWp, ESS 1.1MWh) and MG3(PV 100kWp, ESS 500kWh) are DC-based MG with a 750Vdc grid voltage, and MG1 and MG2, 3 are linked by separate DC/DC converters (BTB). In order to keep different grid voltages stable, the power transmission capacity between MG1 and two MG(MG2, MG3) connected with an independent BTB converter was adjusted to secure the overall stability of the system, and this was verified by confirming that the surplus capacity of ESS was maintained in actual operation.

1. 서 론

마이크로그리드(Micro-Grid : MG)란 디젤, 천 연가스, 풍력발전, 태양광 발전등의 에너지원과 수 요처의 전력공급을 제어하고, ESS 및 신재생에너 지를 통한 발전으로 전력 사용을 효율화할 수 있 는 시스템을 의미한다.[1][6][7]

또한, 소규모 지역에서 전력을 자급자족할 수 있는 시스템으로 계통연계형과 독립형 두가지로 나 눠진다.[2][3]

계통연계형은 마이크로그리드 시스템과 계통이 함께 연계되어있어 주로 전력사용량이 큰 산업단 지등에서 주로 사용되는 방식이다.

독립형은 마이크로로그리드 시스템이 독립적으 로 배전망을 구성하여, 수요처의 전력을 모두 감 당할 수 있는 시스템으로 주로 섬, 군부대, 캠퍼 스, 오지 등에서 주로 사용되며, 디젤발전기 등의 추가적인 전력 공급 설비가 함께 구축되어, 안정 적인 전력 공급이 가능하도록 구성된다.

신재생에너지를 활용한 마이크로그리드에서 출력의 변동성을 보상하기 위하여 ESS등, 전력저장 장치를 활용하며 이를 활용한 전력거래, DR대응 등 스마트그리드의 형태를 띄기도 한다.

Fig. 1 Multi-microgrid configuration

마이크로그리드 EMS는 이러한 마이크로그리드 의 각 설비를 제어하기 위하여 구축되는 제어시스 템으로 ESS, PCS, PV 시스템등의 전력변환기 제 어와 알고리즘등을 활용한 최적제어가 이루어질 수 있도록 설계되며, 이를 통해 데이터의 수집, 저장, 제어, 모니터링 등 운용을 위한 총괄적인 행위가 이루어진다.[4][5][9][10]

2. 본 론

2.1 마이크로그리드 배전망 운영 요건

일반적인 운영 상황에서는 실시간 발전되는 에너 지 또는 저장에너지만을 이용하여 부하전력을 공급하 며 AC전력을 활용한 ESS충전은 수행하지 않는다.[8]

Fig. 1에서 보는 바와 같이, 다중 마이크로그리드는 총 3개의 소규모 마이크로그리드가 연계되어 구성되며, MG1은 DC-Grid 기준전압이 830V이 며, MG2, MG3는 기준전압이 750V이다.

각 MG에는 에너지저장시스템이 구축되어있으 며, 이를 활용하여 DC계통 안정성 확보, DR대응, 전력거래 대응 등이 가능하도록 구성되어있다.

부하 공급 전력을 제외한 운영전력은 DC전력으 로만 전송되며, 크게 3개의 MG가 각각 자체적으 로 운영되고 이러한 3개의 MG Main 배전선로와 부하 공급을 위한 에너지 저장용이 아닌 운영 안 정성을 보다 향상시키기 위한 안정화용 ESS 300kWh)는 RMU(총 4회로)를 통하여 연결되어 있다.

Fig. 2 Multi-microgrid Operation Algorithm

2.2 마이크로그리드 배전망 운영

다회로 배전망 운영을 위한 알고리즘 중 노멀 상태 알고리즘은 1번 MG / 2번 MG / 3번MG 가 연계되어 동작되는 알고리즘 모드 기본으로 동 작한다.

노말 운전알고리즘의 제어 주체는 Fig. 2와 같 이 2번 MG의 1.15MWh VRFB의 SOC 상태값을 기 준으로 운영되도록 구성하였다. (SOC_min, SOC_L, SOC_H, SOC_max)

2.2.1 SOC < SOC_min 운전모드

Fig. 3은 2번 MG ESS의 SOC가 SOC_min보다 낮을 때의 동작 알고리즘이며 시스템은 아래와 같이 동작한다.

Fig. 3 Operation at SOC < SOC_min

2번 MG ESS의 SOC가 낮을 경우, 연계 마이크 리드는 2번 MG의 ESS 충전을 우선순위로 두고 동작하며, 결과는 Fig. 4 와 같다.

- 2번 MG PV 발전량 >gen_min인 경우 발전 된 전력을 모두 ESS충전에 적용

- 2번 MG(2-1) PV발전량이 충분한 경우, 2번 MG의 ESS는 PV발전량만으로도 충분한 충전 량을 확보가능, PV발전량만을 통해 충전을 수행

- PV발전량이 변동되어 2번 MG ESS의 충방전 을 위한 컨버터의 용량의 25%미만으로 떨어 질 경우, 다회로연계망을 구성하는 각 ESS용량을 기준으로 2번 MG ESS의 SOC를 확 보할 수 있도록 동작

Fig. 4 PV power + MG1 ESS discharge → MG2 ESS charging

- (시험결과) PV발전+1번 MG ESS 방전 → MG 2-1 ESS 충전

2번 MG PV의 발전량이 gen_min(설정값)보다 작고 1번 MG, 3-2, 3-1의 ESS SOC값이 SOC_L 설정값보다 높을 경우, 방전을 통해 2번 MG ESS 배터리 충전하며, 결과는 Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7과 같다.

- 충전량: [배터리 컨버터 Rate(MG 1, 3-1, 3-2) * gain] + PV_gen

- (시험결과) MG 1 → MG 2-1 ESS 충전

- MG 2-1 충전량 : MG 1 방전 → (Tie 컨버 터_Rate *gain)+PV_gen(2-1)→MG 2-1 ESS 충전

- (시험결과) MG 3-4 ESS → MG 2-1 ESS 충전

- 2-1 충전량: (MG 3-4 ESS_Rate * gain) + PV_gen(2-1) → MG 2-1 ESS 충전

- (시험결과) MG 3-3(ESS) → 2-1 ESS 충전

- 2-1 충전량: 3번 MG 방전(MG 3-3 ESS_ Rate * gain) + PV_gen(2-1) → MG 2-1 ESS 충전

Fig. 5 MG1 → MG2-1 ESS charging

Fig. 6 MG3-2 → MG2-1 ESS charging

Fig. 7 MG3-3 → MG2-1 ESS charging

2.2.2 SOC > SOC_L 운전모드

Fig. 8은 MG 2-1 ESS SOC가 SOC_L 보다 높 은 경우 운전 알고리즘이며, 시스템은 아래와 같이 동작한다.

Fig. 8 Operation at SOC > SOC_L

MG 1, MG3-1, 3-2의 SOC가 SOC_L값 이상 으로 충전요청 발생하지 않은 경우 2번 MG(2-1 + 2-2)의 PV발전량은 3-1 부하와 2-1 ESS 충전 전력을 전달하며, 결과는 Fig. 9와 같다.

- (시험결과) MG 3-3(ESS) → 2-1 ESS 충전

- 3-1 부하 전력공급 : PV_gen(2-1 + 2-2)* 0.3

- MG 2-1 ESS 충전량 : PV_gen(2-1 + 2-2)* 0.3

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(2-1)*0.4

MG 3-4 ESS SOC 부족으로 인한 충전요청시 MG 2-1의 PV발전량을 통해 ESS 배터리 충전하 며, 결과는 Fig. 10과 같다.

- (시험결과) 3-4 ESS 충전 요청

- MG 3-4 ESS 충전량: [PV_gen(2-1 + 2-2) * 0.5]*0.7

- MG 2-1 ESS 방전량 : PV_gen(2-1 + 2-2)* 0.3

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(2-1) - (MG 2-1 ESS 방전량)

MG 3-3 ESS SOC 부족으로 인한 충전요청시 MG 2-1의 PV발전량을 통해 ESS 배터리 충전하며, 결과는 Fig. 11과 같다.

- (시험결과) MG 3-3 ESS 충전 요청

- MG 3-3 ESS 충전량: [PV_gen(2-1 + 2-2)* 0.5]*gain

- MG 2-1 ESS 충전량 : [PV_gen(2-1 + 2-2) - MG 3-3 ESS Rate]*0.3

Fig. 9 MG 3-3 ESS → 2-1 ESS charging

Fig. 10 MG 3-4 ESS charging

Fig. 11 MG 3-3 ESS charging

- PV_gen(2-1 + 2-2)의 발전량이 MG 3-3 ESS Rate 보다 작아서 MG 2-1 충전량은 0

Fig. 12 Operation at SOC > SOC_H

- 발전량이 많은 주간에는 PV_gen(2-1 + 2-2) 발전량이 ESS Rate보다 커지므로 충전가능

2.2.3 SOC > SOC_H 운전모드

Fig. 12는 MG 2-1 ESS SOC가 SOC_H 보다 높은 경우 운전 알고리즘이며, 시스템은 아래와 같이 동작한다.

MG 1, MG 3-4, MG 3-3 ESS SOC가 SOC_L 값 이상으로 충전요청 발생하지 않는 경우 MG 2-1의 PV발전량은 MG 3-2부하와 MG 2-1 ESS 충전 전력을 전달하며, 결과는 Fig. 13과 같다.

- (시험결과) MG 3-1 전력전달, MG 2-1 ESS 충전

- MG 3-1 전력전달 : MG 3-2 PCS_REF = PV_gen(MG 2-1 + MG 2-2)*0.5

- MG 2-1 ESS 충전량 : PV_gen(MG 2-1 + MG 2-2)*0.3

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(MG 2-1)-(MG 2-1 ESS 충전량

MG 3-3 ESS SOC 부족으로 인한 충전 요청시 MG 2-1의 PV발전량을 통해 ESS 배터리를 충전 하며 결과는 Fig. 14와 같다.

- (시험결과) MG 3-3 충전 요청

- MG 3-3 ESS 충전량 : - PV_gen(MG 2-1) [100kW_Limit*gain]

Fig. 13 MG 3-2 supply power, MG 2-1 ESS charging

Fig. 14 MG 3-3 ESS charging

Fig. 15 MG 1 ESS charging

- MG 2-1 ESS 방전량 : MG 3-3 ESS_Rate – PV_gen(MG 2-1) [0으로 제한]

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(MG 2-1) - MG 3-3 ESS 충전량

- MG 3-3 ESS 충전 요청시 MG 2-1 ESS의 방 전운전 시작 전 순간 계통에서 전력 가져옴

- 배터리 컨버터의 정격 100kW 리미트로 인해 초과 PV발전량(MG 2-1)이 부하로 공급

MG 1 ESS SOC 부족으로 인한 충전 요청 시 MG 2-1 ESS를 통해 배터리를 충전하며 결과는 Fig. 15와 같다.

- (시험결과) MG 1 ESS 충전 요청

- MG 3-3 ESS 충전량: Tie_Rate*gain

Fig. 16 MG 3-4 ESS charging

- MG 2-1 ESS 방전량 : Tie_Rate*gain

- MG 3-3 ESS 충전요청시 MG 2-1 ESS의 방 전운전 시작전 순간 계통에서 전력 공급, MG 2-1 PV발전량은 부하로 공급

MG 3-4 ESS SOC 부족으로 인한 충전요청 시 MG 2-1 ESS를 통해 배터리 충전하며, 결과는 Fig. 16과 같다.

- (시험결과) MG3-4 ESS 충전 요청

- MG 3-4 ESS 충전량: -[PV_gen(MG 2-1)+

MG 3-4 ESS Rate*0.5], [100kW_Limit*gain]

- MG 2-1 ESS 방전량 : - 보호 ESS 충전량

- MG 2-1 ESS 1번모듈 정지시 2,3번 모듈에 서 방전량 분담

2.2.4 SOC > SOC_MAX 운전모드

Fig. 17는 MG 2-1 ESS SOC가 SOC_MAX 보 다높은 경우 운전알고리즘이며, 시스템은 아래와 같이 동작한다.

MG 2-1 ESS SOC가 SOC_Max 이상이고 MG 1, MG 3-2, MG 3-1의 SOC가 SOC_L값 이상으 로 충전요청 발생하지 않는 경우 MG 3-1, MG 2-1의 PV발전량은 부하로 소비하며, MG 3-1 부 하는 MG 2-1의 ESS 방전을 통해 공급하며 결과 는 Fig. 18과 같다.

- (시험결과) MG2-1 부하 전력소비, MG3-2 부하 전력공급, MG2-1 ESS 방전

- MG 2 부하 전력전달 : PV_gen(MG2-1)발전량

- MG 3-2 전력공급 : MG3-2 PCS 부하

Fig. 17 Operation at SOC > SOC_MAX

Fig. 18 MG2-1 consumption, MG3-2 supply, MG2-1 ESS discharge

Fig. 19 MG2-1 ESS discharge, MG1 ESS charging

Fig. 20 MG2-1 ESS discharge, MG3-3 ESS charging

PCS_Rate*gain

- MG 2-1 ESS 방전량 : MG3-2(PCS_Rate* gain)

MG 1 ESS의 SOC 부족으로 충전요청시 MG 2-1 ESS를 통해 배터리를 충전하며 결과는 Fig. 19와 같다.

- (시험결과) MG2-1 ESS 방전, MG1 ESS 충전

- MG2-1 부하 전력전달 : PV_gen(MG2-1)발 전량

- MG1 ESS 충전량: -Tie_Rate*gain

- MG2-1 ESS 방전량 : Tie_Rate*gain

MG 3-3 ESS의 SOC 부족으로 충전요청시 MG 2-1 ESS를 통해 배터리를 충전하며 결과는 Fig. 20과 같다.

- (시험결과) MG2-1 ESS 방전, MG 3-3 ESS 충전

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(MG2-1)

- MG 3-3 ESS 충전량: [PV_gen(MG2-1) + MG 3-3 ESS_Rate*0.5]*gain

- MG2 ESS 방전량 : [PV_gen(MG2-1) + MG 3-3 ESS_Rate*0.5], Limit(100kW)

MG 3-4 ESS의 SOC 부족으로 충전요청시 MG 2-1 ESS를 통해 배터리 충전하며 결과는 Fig. 21 과 같다.

- (시험결과) MG 2-1 ESS 방전, MG 3-4 ESS 충전

Fig. 21 MG 2-1 ESS discharge, MG 3-4 ESS charge

- MG 2-1 부하 전력전달 : PV_gen(MG2-1)

- MG 3-4 ESS 충전량: [PV_gen(MG2-1) + MG 3-4 ESS_Rate*0.5]*gain

- MG2 ESS 방전량 : [PV_gen(MG2-1) + MG 3-4 ESS_Rate*0.5] Limit(100kW)

3. 결 론

본 논문은 3개의 MG가 연계된 다중 마이크로그 리드에서 ESS를 기반으로 운영되는 MG를 중심으로 DC-Grid의 안정성을 확보할 수 있는 운영 기법을 제시하였으며, 각 마이크로그리드의 안정성을 확보 할 수 있도록 ESS의 여유용량 부족시 각 MG간 전 력공유를 통해 안정성이 유지됨을 확인하였다.

사 사

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥 원의 “지역혁신클러스터육성(R&D, P0025459)”사 업의 지원을 받아 수행된 연구결과임.