2.1 수소융복합 마이크로그리드 계통

수소 융복합 마이크로그리드는 그림 1과 같이 ESS, 연료전지, 태양광 등 전력변환장치(PCS, Power Conversion System) 기반의 분산자원(distributed resources)으로 구성되며, 일반적으로 단일 수용가로 고려하여 하나의 계통 연계점(Point of Common Coupling, PCC)을 통해 상용전원(Utility grid)과 접속된다.

마이크로그리드는 그림 1과 같이 소내에 발전설비와 수전해를 포함한 부하 및 ESS로 구성된다. 본 절에서는 마이크로그리드의 전체 운전/제어기술과 인버터 단위의 제어기술을 살펴보고, 대상 계통에 적합한 운전 개념을 정의하고, 3장의 시뮬레이션 분석을 위한 운전 시나리오를 도출한다.

2.2 마이크로그리드 운전/제어 기술

본 절에서는 마이크로그리드의 전체 운전/제어기술과 인버터 단위의 제어기술을 살펴보고, 대상 계통에 적합한 운전 개념을 정의하고, 3장의 시뮬레이션 분석을 위한 운전 시나리오를 도출한다.

계통형 마이크로그리드의 운전모드는 계통 연계 모드와 독립운전 모드로 동작할 수 있다. 전자는 상위 계통과 연결되어 PCC를 통해 전력 교환이 가능한 운전 모드를 의미하며, 분산형 전원의 출력과 부하의 수요 일치 여부에 따라 power-matched operation, power-mismatched operation으로 분류된다. 신재생 기반 분산전원의 출력이 부하 수요를 충족하지 못하는 mismatched 운전이 대다수이다. 후자인 독립 운전 모드는 주로 마이크로그리드의 안정성 확보와 마이크로그리드가 상위 계통과의 연결점인 PCC가 끊어진 후 부하에 대한 연속적인 전력 공급이 가능한 운전 모드이다.

독립운전 모드에서의 제어는 부하에 지속적으로 신뢰할만한 전력을 공급하기 위한 아주 중요한 요소이며, 이러한 제어를 위해 마이크로그리드 전체의 제어모드로는 master- slave 모드, peer to peer 모드가 있으며, 인버터의 제어 모드로는 유・무효전력 제어(P/Q control), 전압/주파수 제어(V/f control), 드룹 제어(Droop control)가 있다.

Master-slave 모드는 Master 인버터와 Slave 인버터 간의 통신을 전제로 Master 인버터 내부에서 계통의 주파수를 생성하고 전압의 크기를 일정하게 제어하는 정전압정주파수(Constant –Voltage Constant-Frequency, CVCF) 제어모드로 동작한다. 전압/주파수 제어를 통해 소내 전압과 주파수를 유지하며, 나머지 Slave 자원들은 에너지관리시스템(Energy Management System, EMS)에 의해 유・무효전력 급전제어 또는 로컬 컨트롤러에 의해 설정된 출력을 내게 된다. 또한, 태양광 등 일부 Slave 자원은 최대전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 제어모드로 동작한다. Peer to peer control 모드는 인버터 간 통신 없이, 인버터 간 협조 제어 방식인 드룹 제어방식을 채택하여 각 인버터를 독립적으로 제어할 수 있다.

2.3 계통연계 제어 기술

PCS의 계통연계 제어기술은 표 1과 같이 Grid-Feeding, Grid-Supporting, Grid-Forming(GFM) 방식 등 3개의 제어방식이 존재한다. Grid-Feeding, Grid-Supporting은 Grid following(GFL) 제어방식으로 분류되며, 기본적으로 PQ 출력제어(전류제어) 방식을 적용하며, Grid-Supporting의 경우 계통 안정성 확보를 위한 LVRT(Low Voltage Ride Through), 부하 변동에 대응하기 위한 드룹 제어가 추가로 적용된다.

Grid-Forming 제어방식은 무관성 전원인 인버터 기반 발전원에 가상(또는 인공)관성(Virtual inertia)을 부여해 계통 안정화 기능을 수행하는 방식으로 동기화를 위한 PLL 없이 CVCF 제어가 가능하다. 가상관성 제어 토폴로지는 기본적으로 인버터의 빠른 속응성을 이용한 주파수 응답을 제공하는데 목적이 있으며, 동기 발전기의 어떤 부분을 모델링하느냐에 따라 분류된다 ^[3].

동기 발전기 자체의 다이나믹스를 모방한 Synchronous Generator Model Based(VISMA, Synchronverters 등)와 그보다는 단순화된 동요 방정식을 모방한 Swing Equation Based(Ise Lab's Topology 등), 주파수 응답만 모방한 가장 간단한 Frequency-Power Response Based(VSG 등)가 존재한다. 그리드 포밍 인버터를 통해 병렬 운전(Parallel operation)과 주파수 및 전압 조정을 제공하기 위해 기존의 동기 발전기 드룹 제어와 유사한 개념의 Droop-based approach 제어 토폴로지가 적용 될 수 있다. 이 경우 GFM의 유효전력 및 무효전력 출력은 그리드 전압 및 주파수의 함수이므로 즉시 필요 전력을 제공하기 위해 ESS가 필수적으로 필요하며, 그렇지 않으면 자기 동기화(Self-synchronization) 기능이 상실된다. 따라서 ESS 외 풍력, 태양광 등은 드룹 기반 전력제어 방식에 적합하지 않다. 반면, 독립운전이나, 마이크로그리드 내 컨버터 병렬운전 시 통신 없는 부하 분담 방식(Load sharing)에 적용 가능하나, 과도현상에 대해 느린 응답 특성을 보이는 단점을 가진다.

2.4 마이크로소스 구성 및 PCS 제어로직

분산형 전원의 출력 제어는 PCS 출력단 및 계통의 전압, 전류의 크기 및 위상 정보로부터 일반적으로 Dual-loop 제어를 통해 PWM의 게이트 신호를 생성하여, PCS의 출력 전류 또는 전압을 제어하는 방식을 적용한다.

그림 2는 GFL 제어 기반 계통연계형 마이크로소스의 구성 및 제어블록선도이며, 인버터의 DC link 측 Prime mover source로 배터리, 연료전지 스택, 신재생에너지원 등을 적용할 수 있다 ^[4].

GFL 제어 방식 중 PQ 출력제어는 계통연계 시 가장 일반적인 방식으로, 그림 2와 같이 일정한 유・무효전력을 공급하기 위한 제어방식이다. 마이크로그리드의 상위 제어기인 EMS에서 계통 내에서 필요로 하는 유효전력, 무효전력 지령값(P_ref, Q_ref)을 PCS의 외부 제어기인 Power controller에 전달하면, PCS 출력측 전압, 전류 정보로부터 abc-dq 변환과 계통전압위상추적기(Phase-Locked Loop, PLL)을 이용하여, 전력계산(Power Calculation) 모듈에서 PCS 출력측 유・무효전력(P_g, Q_g)를 계산하여 PI 제어를 통해 유・무효전력 지령값을 각각의 전류 지령값(I_{d_ref}, I_{q_ref})으로 계산한다.

그림 2. GFL 인버터 기반 마이크로소스 구성

Fig. 2. GFL inverter-based microsource topology

해당 기준전류를 내부 전류제어기를 통해 VSC 출력측 전압의 dq축 기준성분(Vdq_ref)을 생성하여 PCS의 출력전류를 제어한다.

3상 평형 교류 시스템에서 Kirchhoff laws를 적용하면, P_g와 Q_g는 식 (1)~(2)와 같이 각각 dq축 기준전류(I_{d_ref}, I_{q_ref})로부터 기준전압(V_{d_ref}, V_{q_ref})를 계산할 수 있다.

여기서, ω는 각주파수 2πf, R과 L은 각각 PCC와 VSC 사이의 저항과 인덕턴스를 나타낸다.

계통 연계 여부와 상관없이 부하 변동 등에 대응하기 위해 기존의 동기발전기의 드룹제어와 유사 개념으로 유효전력-주파수, 무효전력-전압 간 드룹 제어를 추가하여 각 제어별 드룹 계수를 미리 설정하여 계통 전압 및 주파수를 제어하는 방법이 일반적으로 적용된다.

드룹 제어기는 그림 2의 PQ 제어 기반 Power controller에 그림 3과 같이 각각 주파수, 전압 관련 드룹제어 블록을 추가하여 구현한다. 여기서, 유효전력-주파수, 무효전력-전압 관계식은 다음과 같다.

여기서, ω, V는 측정된 각주파수 및 인버터 출력단의 전압 크기를 의미한다. P, Q는 각각 인버터 출력단의 유・무효전력, P_ref, Q_ref는 유・무효전력의 기준신호를 나타낸다.

그림 3. 드룹제어기 제어블록선도

Fig. 3. Control block diagram of droop controller

ω0는 공칭 각주파수(Nominal angular frequency), V0는 공칭 전압(Nominal voltage)을 의미한다. k_p와 k_q는 각각 유효전력 및 무효전력에 대한 드룹계수를 나타낸다. 드룹계수의 설정에 따라 제어 속도가 결정되며, 발전원 간 드룹계수 k_p, k_q의 상대적 크기에 따라 외란 이후 유효 및 무효전력 변화에 차이가 발생한다.

그리드포밍 인버터는 전압형 컨버터(Voltage Sourced Conveter, VSC)에 다양한 그리드포밍 주파수 제어방법을 적용하여 가상관성을 부여해 계통 안정화 기능을 수행하는 방식으로 정의된다. 그림 1과 같이 기존 그리드 팔로우 또는 서포팅 방식과 비교할 경우 동기화를 위한 PLL 없이 CVCF 제어가 가능함을 특징으로 Primary control block은 외부 제어(Outer loop)로 계통과의 동기화 유지를 위한 제어를 수행하며, Voltage/Current control block은 인버터 장치 자체의 출력단의 전압/전류 제어를 수행한다.

3. 수소융복합 마이크로그리드 모델링

본 논문에서는 수소융복합 기반 마이크로그리드의 다양한 운전상황을 검증하기 위한 전산해석모델을 그림 5와 같이 구현하고, GFM 인버터 기반 ESS를 Master 인버터로 한 운전제어 방안을 제안하였다. 그림 5의 해석모델은 태양광, 연료전지, ESS 등 하이브리드 분산형 전원, 부하, 수전해 모델 및 그리드 연계 계통으로 구성된다.

그림 5의 단위 모델은 EMTP/RV에서 제공하는 Toolbox의 기 검증된 모델을 활용하였으며, 시스템 단위에서 4장의 시계별 기반 모의분석 이전에 각 설비의 PCS 제어기 초기화와 계통 구성의 적정성을 확인하기 위해 Load flow option을 활용하였다.

3.1 전원 네트워크 및 부하

마이크로그리드는 그림 1과 같이 단일 수용가로 보고 하나의 PCC를 통해 상용전원과 접속된다. 상용전원은 EMTP/RV의 “임피던스를 포함한 3상 전원모델”로 구현하며, 계통연계를 기본으로 전압은 22.9kV로 설정하였다. 수전해를 제외한 부하는 총 3MVA(지상역률 95%)로 부하변동을 위해 1MVA(지상역률 95%)를 추가로 사용하였다. 수전해 출력 조정에 대한 사례 분석 시 1MW급 PEM type 수전해 부하로 사용하였다.

그림 4. GFM 인버터 기반 마이크로소스 구성

Fig. 4. GFM inverter-based microsource topology

그림 5. 계통연계형 수소융복합 마이크로그리드 구성도

Fig. 5. Single-line diagram of grid-connected hydrogen-based microgrid

3.3 태양광 발전 및 일사량 변동

태양광 발전설비는 PV array와 GFL로 구성되며, 전류원으로 표현된다. PV는 EMTP/RV의 태양광단지모델을 활용하여 3개의 300kVA급 PV 어레이로 구성된 1.5MVA급 발전설비로 모델링하였다. 발전단지 제어기의 유효전력 제어모드는 유효전력 지령치인 0.7 p.u.에 따라 유효전력을 출력하도록 Power control 모드로 설정하였다.

그림 6. 태양광 일사량 데이터의 예

Fig. 6. Example of solar irradiance data

무효전력 제어는 Q제어모드로 설정하였다. 주위조건으로 온도는 25도, 일사량은 1,000W/m²로 설정하였다. 태양광 발전량 출력 변동을 모의하기 위해 그림 6과 같이 최대 1,400W/m², 최소 300W/m² 범위에서 일사량 변화를 상정하였다.

3.5 수전해 및 부하 변동

수전해 모델 또한 계통 연계를 위해 DC/DC 컨버터와 VSC를 적용하며, 재생에너지 출력 변동성 대응을 위해 PEM을 채택한다. 수전해 모델의 스택 압력은 35 bar, 스택 온도는 50℃를 가정하며, 저전압 운전특성(1~2V)을 가진 수전해 스택에 전원을 공급받기 위해 일정 수량(30개)의 셀을 직렬 구성하였다.

스택 분극 커브(Polarization curve)에서 운전 전압의 범위는 39V~55V로 가정하였다. 교류 22.9kV 전원에 연결된 정류기를 거쳐 2차측 직류 모선 전압(DC bus voltage)은 100V로 가정하고, DC/DC 벅 컨버터(Buck converter)의 PI제어를 통해 적정값으로 감압하였다. 본 논문에서 수전해 모델은 EMTP exchage platform에서 제공된 PEM type WE library를 기반으로 계통연계를 위해 EMTP/RV의 Signal generator와 Controlled current source model을 활용하였으며, 전환 효율과 역률은 100%를 가정하였다. 수전해 모델의 출력 측 각 상의 전류는 식 (6)과 같다.

(6)

$i_{a}=ki_{dc}(t)\cos(\omega t+0)[A]$

$i_{b}=ki_{dc}(t)\cos(\omega t-120^{\circ})[A]$

$i_{c}=ki_{dc}(t)\cos(\omega t+120^{\circ})[A]$

여기서, $k$는 교류전원 최댓값과 수전해 스택 정격 출력전류의 비로, 다음 식 (7)로 계산된다.

(7)

$k =\dfrac{\sqrt{2}\times P_{WE_{rated}}}{\sqrt{3}\times V_{ac}\times I_{dc_{rated}}}=\dfrac{\sqrt{2}\times 1,\: 000,\: 000}{\sqrt{3}\times 22,\: 900\times 200}=0.178$

마이크로그리드 전력계통 이벤트와 별개로 수소 공급량 등 수전해 운전상황을 가정하여, 그림 7과 같이 수전해 스택의 입력전류 지령치(I_{dc_ref})를 100A (0s~1.2s) → 200A (1.2s~1.7s) → 50A (1.7s~2s)로 변동시켰다. 이때 출력 전류 $i_{dc}(t)$는 PI제어에 의해 지령치를 따라감을 확인하였다.

그림 7. 수전해 스택의 DC전류

Fig. 7. DC current of the water electrolysis stack

스택 운전 전압 $V_{dc}$은 그림 8과 같이 약간의 차이는 있으나, 48.5V~51V로 일정하게 유지됨을 확인하였다. 수전해 모델의 유효전력 정격출력은 출력전류 200A, 운전전압 50V를 기준으로 약 1MW로 계산된다.

그림 8. 수전해 스택의 운전전압

Fig. 8. Operating voltage of the water electrolysis stack

4. 사례 연구

4.2 시뮬레이션 해석

4.2.1 Case 1 : MG 독립운전 전환 및 부하변동

마이크로그리드 운전전략 또는 계통 외란으로 그림 5의 주차단기가 0.7s에 트립되어, 독립운전모드로 전환되고, 1.2s에 기존 3MVA(역률 95%)부하에 1MVA(역률 95%) 부하가 추가되었다가 1.7s에 탈락되는 상황을 가정하였다.

그림 10의 (a)와 (b)는 각각 부하측 모선전압과 주파수를 나타낸 것으로, 독립운전 전환과 부하 변동 시에도 허용범위를 만족하는 것을 확인하였다. 그림 10의 (c)는 분산전원의 유효전력 출력을 포함하여 그리드와 부하 측 전력량을 나타낸다. 계통연계 시 각 분산전원은 고정된 유효/무효전력을 출력하며, 계통에 약 0.8MW를 역송한다. 독립운전 전환 시 FC, PV의 출력량의 변동은 없으며, 부하에 일정한 전력공급을 위해 ESS의 GFM 인버터는 약 0.8MW의 유효전력을 감축하여 운전하며, 1MVA의 부하 변동 시 Master 역할을 수행하여 소내 전압 및 주파수를 유지한다.

4.2.2 Case 2 : PV 단기 출력변동

그림 6의 태양광 일사량 변화에 따른 태양광 발전설비의 출력을 포함한 분산자원 및 부하의 유효전력 출력과 소내 계통 주파수와 모선전압의 크기를 그림 10의 (a)와 (b)와 같이 도식화 하였다. 0.7s에 독립운전 전환 후 태양광 출력 변동에도 마이크로그리드의 부하측 모선 전압과 계통 주파수는 허용범위를 만족하였다. 그림 11의 (c)를 살펴보면, PV 유효전력 출력은 그림 6의 일사량 변화에 응동하나, 표준 일사량 1,000W/m²를 초과하는 구간에선 유효전력 출력 지령치인 1.05MW를 고정적으로 출력하는 것을 확인하였다. 또한, 최소 일사량인 300W/m²로 감소하는 2.6s에 PV는 약 432kW의 유효전력만을 출력하는 것을 확인하였다. 부하에 일정 전력을 공급하고 전압/주파수를 유지하기 위해 ESS의 GFM 인버터는 PV 출력에 대응하여 부하와 PV 출력의 차이만큼 유효전력을 공급하였다.

그림 9. 수전해 설비의 유효전력

Fig. 9. Active power of the water electrolysis facility

그림 10. 독립운전 전환 및 부하변동 모의결과(Case 1)

Fig. 10. Simulation results of islanded operation switching and load variation (Case 1)

그림 11. PV 단기 출력변동 모의결과(Case 2)

Fig. 11. Simulation results of PV short-term output fluctuations (Case 2)

4.2.3 Case 3 : 수전해 설비 가동

그림 12는 3.5항의 수전해 설비의 출력 조정에 따른 전압, 주파수 및 유효전력 출력량을 도식화한 것으로, 수전해 출력 변동에 따라 ESS의 GFM 인버터의 출력 조정으로 전압/주파수가 허용 범위를 기준으로 전압/주파수 회복됨을 확인하였다. 그림 9의 수전해 스택 출력전류 지령치에 따라 1.2s에 증가된 부하량 0.5MW는 ESS의 유효전력이 0.5MW 증가됨을 확인하였다. 또한, 1.7s에 수전해 전력이 0.25MW로 감소함에 따라 ESS의 유효전력 출력은 1.3MW로 감소됨을 확인하였다.

그림 12. 수전해 설비 부하변동 모의결과(Case 3)

Fig. 12. Simulation results of load change in water electrolysis facility (Case 3)