1. 서 론

최근 자원 고갈 및 환경 문제로 인해 풍력, 태양광 등과 같은 친환경 에너지를 활용한 분산 전원에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다⁽¹⁾. 분산 전원(Distributed Energy Resources, DER)은 기존의 발전 시설과 달리 부하의 인접한 지역에 상대적으로 작은 규모의 설치가 가능하다. 계통에 연결된 분산 전원 발전 설비는 전체 그리드에 영향을 미치게 된다. 계통에 연계된 분산 전원의 출력은 연계점(Point of Common Coupling, PCC)마다 제어 특성이 다양하여 분산 전원의 연계점 특성에 따른 제어기 파라미터 설정 및 제어가 필요하다^(2-3). 또한 배전 계통의 분산 전원 수용력 확대를 위해서 분산 전원의 출력을 제어하는 것이 가능하다. 단일 계통 시스템에 연계된 다수의 분산 전원의 출력 변화 등으로 인하여 계통의 불안정한 상황을 초래할 수 있으며 사고 발생의 원인이 될 수 있다. 계통의 불안정한 상황은 연계점 전압과 주파수 변동으로 나타날 수 있다. 사고로 인해 분산 전원이 계통으로부터 탈락 시 계통 전체의 수요와 공급의 균형이 무너져 계통의 연계 신뢰도에 큰 영향을 준다⁽⁴⁾. 계통에서 발생되는 비정상 전압 상황은 분산 전원의 무효전력 제어에 영향을 받으며, 비정상 주파수는 분산 전원의 유효전력 제어와 관련이 있다^(5-6).

분산 전원의 적용 확대에 따라 세계 각국에서는 계통 안정적인 운영에 기여할 수 있는 계통 연계형 분산 전원 인버터의 다양한 계통 연계 기준을 정립하고 있다. 이러한 기준에는 계통 연계 인버터가 통신을 통하여 상위 장치에 연결되어 인버터 출력 제어 기능을 수행하는 항목이 포함되어 있다. 계통 안정화를 위한 기능이 탑재된 분산 전원용 인버터를 스마트 인버터라 부르고 있다^(7-8). 그림 1은 스마트 인버터와 에너지 관리 시스템을 활용한 계통연계형 시스템을 나타낸다. 구성 요소는 다수의 분산 전원, 스마트 인버터, 변압기, 계통, 정보 공유용 Utility Gateway, 분산형 에너지 자원 관리 시스템(Distributed Energy Resources Management System, DERMS)이다. 스마트 인버터를 활용한 배전 계통은 분산 전원에서 발생된 전력의 전달만이 아니라 효율적인 출력 제어를 위한 정보의 이동을 포함하고 있다. 분산 전원에서 발전된 에너지는 계통의 상황에 맞게 변압기와 계통을 통해 부하로 전달이 된다. 안정적인 전력 공급을 위해 이동하는 정보는 연계점 전압, 전류, 역률 등을 포함한 계통의 상황과 분산 전원의 동작 상태이다. 분산 전원 주변에 설치되고 인버터와 통신으로 연결된 분산 전원 제어 기능을 갖는 상위 장치를 Utility Gateway라 하며, 계통 운영자에게 스마트 인버터의 정보를 공유하는 역할을 한다. Utility Gateway는 다수의 스마트 인버터 제어기와 접속이 가능하며 분산발전원의 정보를 관리하고, 에너지 자원 관리 시스템에 정보를 제공한다.

계통 연계형 분산 전원의 연계 기준은 국가별 계통의 특성에 따라 다양하며, 계통 운영자에 의해 유연성을 가진다. 미국 전력연구소(Electric Power Research Institute, EPRI)에서는 배전 수용력 확대를 위해 스마트 인버터에 공통으로 필요한 기능과 동작 기준에 관해서 규정하고 있다⁽⁹⁾. 배전계통 연계기준은 IEEE P1547, UL 1741, IEC TC57 등과 같이 국제 기준에 부합하고, 합리적인 기준을 위해 여러 업체의 입장을 고려한 결과이다. 표 1은 한국전력공사 전력연구원에서 선정한 배전계통 연계기준에 필요한 스마트 인버터의 출력 제어 기능을 나타낸다^(10-13).

⁽⁹⁾의 우선순위 지침은 유효전력과 무효전력으로 분류하며, 표 2는 유효전력 관련 기능의 우선순위를 나타낸다. 유효전력 제어의 우선순위는 기본 하드웨어 제한, 장치 제한 설정 그리고 제어 기능이 상충하는 경우가 존재한다. 제어 기능이 동시에 활성화된 경우, 상대적으로 계통의 안정적인 공급 지원에 영향이 큰 제어 기능이 더 높은 우선순위로 동작한다. 표 1의 제어 기능 중, 주파수-유효전력 기능과 상충하는 기능은 전압-유효전력 제어 기능이다. 예를 들어 위 두 개의 기능이 동시에 활성화된 경우, 더 큰 유효전력을 감소시키는 기능의 명령으로 동작한다.

본 논문에서는 스마트 인버터의 출력 제어 기능 검증을 위하여 3-Level 인버터 회로를 사용하는 시뮬레이터의 구성을 제안한다. 개발된 시뮬레이터는 스마트 인버터의 주파수-유효전력 제어 기능을 다양한 계통 조건에서 검증할 수 있으며, 시뮬레이터를 활용한 실험을 통해 제안한 하드웨어의 타당성을 검증한다.

2. 스마트 인버터의 구성

스마트 인버터의 하드웨어는 각종 센서로부터 받은 정보를 통해 출력 제어 기능을 구현하고 상위 장치와 통신을 하는 제어부와 분산 전원에서 발전된 에너지를 계통에 공급하는 전력변환부로 구성된다.

3. 주파수-유효전력 제어

전력 계통의 발전기는 공칭 주파수에 해당하는 일정한 회전수로 회전하며 주파수의 변동은 발전소의 발전력과 부하의 소비 및 손실 전력에 영향을 받는다. 부하가 급변하는 상황 또는 사고로 인해 주파수 변동이 발생하고, 이는 추가적인 사고의 원인이 된다. 따라서 전력 계통의 주파수 변동 폭을 일정한 범위 안에 유지하기 위한 적절한 제어가 필요하다. 발전소의 조속기 제어 또는 분산 전원의 유효전력을 제어하여 계통의 주파수 변동 저감 및 안정적인 계통 공급을 지원할 수 있다.

4. 시뮬레이션 결과

제안하는 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션은 PSIM을 통해 수행하였으며, 시뮬레이션에 사용한 회로도는 그림 4의 구성과 동일하며 파라미터는 표 3과 같다. 불감대 영역은 공칭 주파수를 기준으로 ±0.036 Hz, 단위 주파수(1 Hz)에 따른 지령 유효전력의 변동의 비율은 50으로 설정하였다. 파라미터의 설정 근거는 ⁽¹⁹⁾의 주파수-유효전력의 설정값을 참고하였다. 룩 업 테이블(Lookup Table, LUT)을 통해 계통 주파수 변동을 모의하였으며, 저주파수 영역, 과주파수 영역에 해당하는 시나리오에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 스마트 인버터의 유효전력은 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선에 따라 제어하였다.

계통 주파수가 저주파수 영역인 경우의 주파수-유효전력 시뮬레이션의 결과는 그림 10과 같다. 초기 유효전력은 정격 유효전력의 50 %로 설정하였으며, 불감대 영역에서는 정격 유효전력의 50 %인 7.5 kW를 출력한다. ① 구간은 계통 주파수가 $Fre_{p_{inc}}$이하인 구간에 속하고 계통 주파수가 점진적으로 감소함에 따라 설정한 $Ramp_{p_{inc}}$를 활용하여 지령 유효전력은증가하게 된다. 지령 유효전력이 정격 전력의 100 %가 되는 주파수는 식(3)에 의해 58.964 Hz가 된다. ② 구간은 계통 주파수가 58.964 Hz이하로 감소하지만 지령 유효전력은 정격 전력의 100 %로 제한되어 출력은 15 kW를 유지한다. ③ 구간은 계통 주파수가 부족주파수 영역에서 불감대 영역으로 증가함에 따라 지령 유효전력과 출력 유효전력이 초기 설정한 정격 전력의 50 %로 제어됨을 확인하였다.

과주파수 영역에서의 주파수-유효전력 제어 시뮬레이션의 초기 유효전력은 앞서 설정한 정격 전력의 50 %로 동일하게 설정하였으며 결과는 그림 11과 같다. ① 구간은 계통 주파수가 $Fre_{p_{dec}}$이상으로 과주파수 영역에 속하며, 주파수 증가에 따라 지령 유효전력이 감소하게 된다. 공칭 주파수가 60 Hz 인 경우, 지령 유효전력이 정격 전력의 0 %가 되는 주파수는 식(4)에 의해 61.036 Hz가 된다. ② 구간에서는 계통 주파수가 61.036 Hz이상으로 증가하더라도 지령과 실제 유효전력은 정격 전력의 0 %로 운전한다. ③ 구간은 계통 주파수가 과주파수 영역에서 불감대 영역으로 감소함에 따라 지령 및 실제 유효전력은 초기 유효전력의 설정값인 7.5 kW로 증가하게 된다.

5. 실험 결과

제안하는 주파수-유효전력 제어의 하드웨어 개발 성능을 검증하기 위하여 그림 12와 같은 실험 세트를 구성하였다. 표 4는 제안된 하드웨어 개발 및 유효전력 제어 성능 검증에 사용한 실험 환경 변수를 나타낸다. 스마트 인버터의 주파수-유효전력의 제어 성능을 확인하기 위해 초기 유효전력이 다른 2개의 경우에 대하여 실험을 진행하였으며 주파수 변동에 따른 유효전력의 변화를 확인하였다.

$P_{set}$을 정격 유효전력의 100 %로 설정한 실험 결과는 그림 13과 같으며 $\Delta Fre$는 DSP를 통해 검출한 계통 주파수와 공칭 주파수의 차를 나타낸다. 계통 시뮬레이터를 통해 계통 주파수를 60 Hz에서 60.5 Hz로 가변 시, $P_{set}$은 100 %를 유지하고, $P_{ref}$은 식(4)를 통해 76.8 %로 감소하게 된다. 정격 전력의 76.8 %에 해당하는 a상 전류 $I_{a}$는 램프 형태로 감소하여 약 12 A로 출력하며 이는 그림 13(a)와 같다. 계통 주파수를 60 Hz에서 59.5 Hz로 가변 시, 주파수-유효전력 제어의 실험 결과는 그림 13(b)와 같다. 계통 주파수가 저주파수 영역에 해당하여 식(3)을 통해 $P_{ref}$가 계산되지만, 지령 유효전력은 정격 전력의 100 %로 제한되어 지령 유효전력과 a상 전류가 증가하지 않음을 확인하였다.

$P_{Set}$을 정격 유효전력의 75 %로 설정하여 불감대 영역에서 11.25 kW로 출력하는 실험 결과는 그림 14와 같다. 계통 주파수를 공칭 주파수인 60 Hz에서 60.5 Hz로 가변 시 실험 결과는 그림 14(a)와 같다. 60.5 Hz는 설정한 $Fre_{p_{dec}}$이상의 값으로 과주파수 영역에 해당하여 식(4)을 통해 지령 유효전력은 계산된다. 계산된 지령 유효전력은 정격 유효전력의 51.8 %이며 지령 전류와 상전류는 51.8 %에 해당하는 상전류 7.95 A를 출력한다. 계통 주파수를 60 Hz에서 59.5 Hz로 가변 시 결과는 그림 14(b)와 같다. 59.5 Hz는 설정한 $Fre_{p_{inc}}$의 이하의 값으로 저주파수 영역에 해당하며 식(3)을 통해 지령 유효전력은 98.2 %가 된다. 정격 유효전력의 98.2 %에 해당하는 상전류는 약 15 A이며, 실제 $I_{a}$가 지령 전류를 추종함을 확인하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 스마트 인버터의 주파수-유효전력 제어와 하드웨어 시뮬레이터를 제안하였다. 계통의 사고 또는 부하 변동으로 인해 가변하는 주파수의 변동을 완화하기 위해 주파수-유효전력 제어를 수행하였다. 계통 주파수의 가변은 계통 시뮬레이터를 통해 모의하였으며, 분산 전원의 출력은 DC 공급기를 통해 모의하였다. 가변하는 계통 주파수는 DSP의 eCAP 기능을 통해 검출하였으며, 제안하는 주파수-유효전력 제어 곡선을 통해 계통 주파수를 3개의 영역으로 분류하였다. 주파수-유효전력 제어 곡선에 해당하는 유효전력을 제어하여 계통 시뮬레이터로 공급하였다. 제안한 하드웨어 시뮬레이터 및 주파수-유효전력 제어의 성능과 타당성은 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 검증하였다.