국내에서의 풍력발전 연구는 낙도나 여지와 같은 미전화지역에 적합한 신뢰성있는 풍력발전기를 개발하고 또한 보다 안정된 전력 공합을 위하여 태양광이나 디젤발전과의 복합발전기술을 개발하는 방향으로 추진됨이 요구된다. 아울러 에너지 자립도를 높이고 환경오염을 가능한 한 줄일수 있도록 강풍지역과 풍력자원이 풍부한 지역을 발굴하고 이들 지역에 풍력발전원지를 건설 운용함이 바람직하다.
본 논문은 도서지역에서 현실적으로 가장 간단히 적용될 수 있는 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 모델링 방법을 제시하였다. 모델링 대상으로는 풍력발전기는 농형유도발전기를, 디젤발전기는 동기발전기를 대상으로 하였고, 각각에 대한 파라미터 설정과 제어기의 모델링은 현재 제작 및 판매되고 있는 소용량급들에 대한 자료수집과 분석을 통하여 도출된 기준값에 근거하였다. 제안된 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템 모델링방법의 타당성을 입증하기 위하여 국내 낙도지역을 대상으로 하여 모델링하고, 그 결과를 시뮬레이션하여 고찰하였다.
본 연구에서는 최대 발전량이 500kW인 서해 도서의 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템에 대한 경제성 분석을 수행하였다. 이를 위해 해당 도서에 대한 연간 전력 부하 변동치와 바람 데이터를 수집하고 분석하였으며, 풍력을 포함하여 신재생 에너지에 대한 하이브리드 최적화 모델로 미국의 NREL에서 개발한 Homer 프로그램을 이용하였다. 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 경제성을 판단하기 위해 풍속과 경유 가격을 변수로 하는 민감도 해석도 수행하였다. 그 결과, 현재의 조건에서는 경제성이 낮았으나, 풍속이 초속 3미터가 넘거나 경유 가격이 리터당 2.4달러를 초과할 경우 대상지역에도 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템이 경제성을 갖는 것으로 평가되었다.
본 전기자동차(EV)의 사용을 늘리고 계통 부담을 최소화하기 위해 재생에너지를 사용하는 마이크로그리드가 중요한 역할을 담당해야 한다. 마이크로그리드는 소형 디젤발전과 같은 화석연료를 사용할 수도 있지만, 많은 경우에 친환경 에너지인 재생에너지로부터 에너지를 공급받을 수 있다. 그러나 태양광과 풍력과 같은 재생에너지는 가변적인 출력 특성을 갖는다. 따라서 전기자동차의 충·방전 에너지 수요를 충족하는 동시에 안정적으로 부하 전력을 공급하기 위해서 마이크로그리드에 디젤발전 또는 전기차-그리드(V2G)를 병행 에너지원으로 활용하는 전기자동차 충전인프라 구성에 대한 검토가 필요하다. 이와 같은 배경으로 본 연구에서는 태양광발전, 풍력발전, 디젤발전과 V2G를 활용하여 부하에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 마이크로그리드의 모델을 구성하였다. 제안된 마이크로그리드는 태양광발전과 풍력발전을 1차 공급에너지원으로 전력 수요에 대응토록 하고, 부하의 전기차의 운영 유형과 부하 동기기의 회전속도를 판단하여 부족 전력에 대해 디젤발전으로부터 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 모델이다. 이렇게 제안된 모델의 시스템 성능을 검증하기 위해 MATLAB/Simulink로 시뮬레이션함으로써 마이크로그리드의 안정적 운영 방안을 고찰하였다.
우리나라 자가발전 도서 132개 중 10개 도서를 대상으로 디젤발전과 태양광 풍력의 경제성을 비교하였다. 도서별 전력수요 추정과 함께 발전원의 수명기간 동안 총 비용을 총 발전량으로 나눈 균등화발전단가(원/kWh)를 경제성 분석지표로 사용하였다. 도서별 실제 태양광과 풍황 등 자원량을 반영하지는 않았고 태양광 15%, 풍력 21% 이용률을 가정하였다. 그 결과 4개도서가 경제성 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 향후 국가 차원의 손실 최소화 방안 및 국가적 편익 비용을 산출함으로서 향후 도서지역 중장기 경제적 전력공급을 위한 도서 전원 구성에 관한 정책적 방향을 제시할 예정이다.
For the wind-diesel hybrid electric power generation system equiped with two diesel generators, the diesel power sharing is studied analytically and a power sharing technique of less fuel consumption is developed. Based on the technique, as example, a diesel power sharing algorithm is suggested for two diesel generators of capacity 500Kw(200Kw+300Kw).
본 논문은 도서지역에서 운용되고 있는 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템의 풍속변화 등으로 인한 주파수변동 문제를 해결할 수 있는 플라이휘일 저장장치의 모델링 및 제어기 설계 방법을 제안하였다. 플라이휘일 저장장치는 효율측면에서 유리한 영구자석 동기기형 플라이휘일로 선정하여 모델링하였고, 주파수보상 제어기는 AC/DC/AC 양방향컨버터로 구성하되 동기기측 컨버터는 연계계통의 주파수변동에 대하여 충방전운전을 하도록 하고, 계통측 컨버터는 직류버스전압 일정제어를 통하여 출력을 하도록 설계하였다. 제안된 모델링 및 제어기 설계방법을 풍력-디젤 하이브리드 독립운전계통에 적용한 결과 풍속변화에 따른 주파수변동을 적정범위내로 유지할 수 있었다.
현재 도서지역에 도입되어 운용되고 있는 풍력-디젤 하이브리드 발전시스템에는 풍속과 부하변동에 대하여 적정범위의 전압주파수를 갖는 전력을 공급하기 위하여 고가의 제어가 복잡한 플라이휘일 또는 배터리 에너지저장장치를 설치운영하고 있다. 그러나, 본 논문은 이와 같이 비경제적이고 복잡도가 높은 에너지저장장치를 설치하지 않고, 풍속 및 부하변동에도 안정적인 운전이 가능한 영구자석형(PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator) 풍력-디젤 복합발전시스템으로 구성되는 독립형 마이크로그리드의 운전제어 알고리즘과 모델링 방법을 제안하였다. 먼저, 부하 및 풍속변동에 관계없이 적정범위의 전압주파수를 유지할 수 있는 PMSG 풍력발전기의 운전제어 알고리즘을 제안하고, 이를 바탕으로 한 전가변속 운전이 가능한 PMSG, WT측 컨버터 및 Grid측 컨버터를 모델링하고, 이를 독립형 마이크로그리드에 적용하여 풍속 및 부하변화에 대하여 전압주파수가 적정범위내로 잘 유지됨을 입증하였다.
현행 농어촌전화촉진법에 의한 10호이상 도서전화사업이 2006년 말까지 완료될 예정임에 따라 전국적으로 43개에 달하는 10호미만 미전화유인도서 및 벽지지역에 대한 전화사업의 필요성이 제기되었다. 10호미만 도서지역의 전화사업을 위하여 도서전화사업의 기본취지인 전력정책의 보편공급목표를 달성하면서 사회적 경제적비용을 최소화할 수 있는 방법의 채택이 요구되었다 본 연구에서는 대부분의 도서지역이 채택하고 있는 기존의 디젤방식과 최근 활발한 보급이 이루어지고 있는 태양광 풍력 등 신재생에너지에 의한 발전방식의 기술적 옵션에 대한 타당성 분석을 실시하였다. 10호미만 도서지역과 5호미만 벽지지역에 디젤엔진과 태양광 등 신재생에너지를 보급할 경우 발생될 기술적, 경제적 비용의 분석을 실시하였으며 연구 결과 소규모 도서지역과 벽지에서는 태양광이 디젤엔진보다 경제적인 대안으로 판명되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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