신재생 에너지원과 에너지 저장장치가 연계된 직류 배전 시스템의 제어 및 안정도 해석

Abstract

최근 지구온난화와 자원고갈 등의 환경 문제가 대두되고 전기 에너지의 신뢰성 향상에 대한 요구가 늘어남에 따라 신재생 에너지 분산발전과 에너지 저장장치에 대한 관심이 고조되고 있다. 다양한 신재생 에너지원과 에너지 저장장치를 효과적으로 활용하기 위해 시스템을 효율적으로 통합하고 운영하는 기술이 필요하다. 전력전자 기반의 직류 배전 시스템은 이러한 시스템의 통합이 용이하며, 잠재적으로 전체 시스템의 효율 향상이 가능하기 때문에 소규모 그리드에서 교류 배전 시스템의 대안으로써 연구가 활발히 진행되고 있다. 직류 배전 시스템에 대한 연구는 효용성 분석, 토폴로지, 운영 방법 등 다양한 측면에서 진행되어 왔으나 대부분 단일 전원을 대상으로 수행되었다. 따라서 직류 배전 시스템의 장점을 극대화하고 이를 확산시키기 위해 다양한 전원이 포함된 시스템 통합 기술에 대한 연구가 필요하며 전원의 특성을 고려한 운영 및 제어 전략이 함께 수립되어야 한다. 또한 다양한 전원이 컨버터를 통하여 연계되기 때문에 시스템 간의 간섭이나 전력 품질과 관련된 안정도 분석에 관한 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 먼저 신재생 에너지원과 에너지 저장장치를 포함하는 직류 시스템의 특징을 기존 교류 시스템과 비교 분석하였다. 또한 직류 배전 시스템의 통합과 관련한 주요 이슈를 살펴보기 위해 소규모 직류 배전 시스템을 구성하고 동작을 구현하였다. 제시된 직류 배전 시스템의 운영과 제어 전략은 효율적인 에너지 관리와 안정적인 전압원 제공의 두 가지 측면에서 기술하였다. 이를 위해 제어구조를 두 개의 계층으로 분리하여 시스템이 동작하도록 하였으며 상위 제어기에서는 효율적인 운용을 위해 에너지 관리 스케줄링을 결정한다. 로컬 제어기를 통하여 컨버터는 서로 독립적으로 동작하면서 자동적으로 다양한 모드 변환을 시도할 수 있도록 하였으며 이를 통해 갑작스런 사고에도 버스 전압이 허용 범위 내에 안정적으로 유지되도록 하였다. 또한 직류 배전 시스템의 전력 품질에 관한 연구의 일환으로 우선 제안한 시스템의 다양한 모드에서 소신호 모델을 분석하였다. 이를 바탕으로 이질적인 전원이 전력변환장치를 통해 직류 형태로 통합된 시스템에서 시스템간의 간섭을 해결하고 버스 전압의 안정도를 보장하기 위한 가이드를 제시하였다. 더불어 사고 상황 해석과 여러 동작들이 전력 품질에 미치는 영향을 살펴봄으로써 제안한 방법의 타당성을 확인하고 시스템 설계와 운영에 관한 현실적인 문제에 대하여 논의하였다. 시스템의 동작을 검증하기 위해 Matlab/Simulink를 이용한 소프트웨어 테스트베드를 제작하고 모의 실험 결과를 제시하였으며, 하드웨어 시스템 장치를 구축하여 전력 시스템의 안정적인 동작과 제안한 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하였다.