소형도서 마이크로그리드 시스템 최적 운영에 관한 연구 = A Study on Optimal Operation of Microgrid System for Islands

국문 초록 (Abstract)

세계 주요 선진국들은 온실가스의 배출량과 흡수량 같게 해 순(Net) 배출을 0(Zero)도 만드는 넷제로(Net-Zero)를 선언하였다.
넷제로(Net-Zero)는 CO2를 포함한 모든 온실가스의 순배출을 제로화하는 개념인 기후 중립과 같은 개념이다. 특히 국가별로 넷제로(Net-Zero)를 선언하였다고는 하나, 정확히 말해서 넷제로(Net-Zero)의 범위가 탄소 중립인지 아니면 기후 중립인지를 명확히 언급하는 것이 중요하다. 2020년 6월 현재 국가별 법률 또는 공식문서에서 Net-Zero 목표가 채택된 국가들이다. 이에 따르면 부탄은 이미 Net-Zero 목표를 달성한 국가이고, 노르웨이를 시작으로 핀란드, 노르웨이, 오스트리아, 아이슬란드, 스웨덴, 코스타리카, 덴마크, EU, 피지, 프랑스, 헝가리, 마셜군도, 포르투갈, 슬로베니아, 스위스, 영국, 일본, 싱가포르는 기후 중립을 선언한 국가이며, 뉴질랜드는 탄소 중립을 선언한 국가로 분류된다. 우리나라도 법률이 제안된 국가의 반열에 포함되어 있다. 하지만 우리나라의 Net-Zero 목표가 탄소 중립인지 기후 중립인지는 명확하지 않다. [1][2][3]
국가별로 제시한 Net-Zero 목표를 달성하기 위한 솔루션으로 10가지 방안을 제시하고 있다. 순서대로 보면, 석탄발전의 단계적 감축, 청정에너지와 에너지효율 개선에 투자, 건축물 개축, 소재의 탈 탄소화, 친환경 자동차로 전환, 대중교통 증가, 항공과 해운의 탈 탄소화, 산림복원, 음식물 폐기물 및 쓰레기 감량, 육식 감축 및 채식 증가 등 10가지이다. [1][2][3]
이러한 배경에서 우리나라는 경제·사회 분야에서의 녹색 전환을 이루기 위해 2020년 7월 그린뉴딜 사업 추진을 발표하였다. [4]
그린 뉴딜 사업은 2020년~2025년까지 3대 분야 8개 추진과제를 위해 73.4조 원을 투자하기로 하였으며, 그린뉴딜 사업 세부 과제 중 그린 스마트 스쿨, 스마트 그린 산단, 그린 리모델링, 그린에너지, 친환경 미래 모빌리티를 5대 대표과제로 내세우고 있다. 미래 비전을 제시하는 과제를 10대 대표과제로 선정발표 하였다. 이에 따라 한국전력공사에서는 도서 지역 그린뉴딜 사업으로 42개 도서 지역에 신재생에너지 등 친환경 발전시스템을 구축하기 위해 소형도서 신재생에너지 자립화 추진, 하이브리드 발전시스템 구축, 대기질 개선 환경설비 구축하기로 하였다.[5]
이중 소형도서 신재생에너지 자립화 추진은 발전설비용량이 0.45MW 미만의 34개 도서를 대상으로 디젤엔진을 태양광, ESS를 설치하는 사업으로 대부분 대상이 디젤엔진은 비상용으로만 사용되는 형태로 설비개선을 추진한다.
현재 일반 상용계통이 공급되지 않는 도서는 1965년「농어촌전화 촉진법」에 의해 한전을 주관 기관으로 하여 전기가 공급되지 않는 농어촌에 전기를 공급하고 있으며, 관리 주체가 한전, 지자체, 민간으로 구분된다.
이러한 도서들은 전력계통이 소규모로 전기요금으로 비용을 충당하는 원가 보상률이 10% 수준이며, 대용량 발전 설비의 운영이 어렵고 고가의 경유를 사용하여 판매 원가가 매우 높다. 또한, 지리적 특성상 단일 전원, 배전선로로 디젤발전기 고장시 복구에 장시간이 소요되는 등 설비 유지관리가 어렵다. [6]
도서 지역의 전력 공급 설비들은 25년 이상 된 디젤엔진을 사용한 발전으로 운영비용뿐만 아니라 온실가스감축이 요구되는 시점에서 재생에너지로 전력을 공급하는 것이 필연적이다. 그러나 도서 지역 계통에 연계되는 재생에너지의 용량은 지리적 특성으로 한계가 있고 재생에너지의 특성인 간헐성 때문에 발생하는 전력계통 불안정이 가장 큰 문제로 이러한 문제를 해결하기 위하여 도서 지역에서는 재생에너지와 에너지저장장치와 에너지관리시스템이 하나의 시스템으로 구축되어 운영하고 있다.
이러한 마이크로그리드 시스템의 제어 및 최적화는 일반적인 전력 시스템과 비교해 볼 때 시스템모델링, 운전 및 계획 등이 더욱 어려워지고 있다. 융마이크로그리드 시스템의 주목표는 다양한 에너지원과 에너지저장장치, 전력계통과 운전이 조화롭게 하는 것이다. 에너지자립 섬이라는 일반적인 도서 특성에 맞추어 설계된 융마이크로그리드 시스템은 운영단가를 줄이고 최적의 경제적인 운전이 되어야 한다. 이러한 목적을 위하여 제어 방법, 최적화 방법, 성능분석, 계획 및 예측기법을 활용한 방법들이 있다. [7][8][9]
그러나 초기에 구축된 마이크로그리드 시스템은 EMS로 디젤발전기 제어 불가능하고 출력 및 부하 감시기능을 통해 사용자에게 출력 권고치를 알람을 띄우는 형태이다. 또한, 디젤발전기가 계통 전압을 형성하고 재생에너지나 ESS 등이 연계 형태로 전력을 공급하는 형태로 디젤발전기가 24시간 정 출력 동작을 하고, 재생에너지와 ESS는 부하의 상태에 따라 전력을 계통에 공급하는 방식이다. 발전원이 각각 독립되어 운영되어야 하나, 디젤발전기가 계통을 형성함에 따라 디젤발전기 고장시 재생에너지도 사용을 못 하거나, ESS의 SOC나 기상 상태에 따라 사용자가 디젤발전기의 출력을 제어하여 ESS의 SOC에 따라 재생에너지의 출력이 제한되어 발전량에 손실을 초래하는 문제가 발생하게 된다. [10][11]
본 논문에서는 해남 삼마도(상, 중, 하마도)에 구축된 재생에너지의 간헐적인 특성에 따른 전력 공급 방식의 불안정성과 디젤발전기 상시 가동으로 인한 디젤발전기의 효율 저하, 재생에너지 출력제한의 문제가 발생한다. 이러한 에너지 손실을 방지하기 위해서는 양방향 인버터의 기저 발전원 사용과 도서 부하, 재생에너지 발전량, ESS의 SOC의 상태 따라 디젤발전기의 on/off 제어가 필요하다. 양방향 인버터를 기저 전원으로 사용하기 위해 Grid Formming 방식의 양방향 인버터와 디젤발전기의 on/off 제어를 위한 Digital Genset controller를 적용하여, 디젤발전기를 기저 발전원으로 사용하는 DC grid를 ESS와 Grid Formming 방식의 양방향 인버터를 기반으로 재생에너지를 기저 전원으로 사용하는 AC grid로 운용하는 방식을 통해 디젤발전기의 운전 최소화와 재생에너지의 출력제한 문제를 해결하고자 한다. 시스템의 검증은 PISIM을 통해 시스템을 시뮬레이션하고, 최종적으로 제안한 시스템을 도서에 실증 운전을 통해 운영한 결과를 바탕으로 타당성을 입증하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In accordance with the 「Rural Electrification Promotion Act」 in 1965, the islands have not been supplied with electricity from KEPCO were established to increase productivity and improve living in rural areas by supplying electricity to rural areas without electricity with KEPCO as the lead agency.
Currently, most diesel generators are aged 25-26 years, installed in 1995-96, making it difficult to meet the increasing demand for electricity and steel towers and so on have critical issues such as chloride-induced corrosion and strong wind, especially of a geographical nature.
In korea, energy self-reliant islands have been promoted based on renewable energy and ESS starting with Gapado in 2011, and then promoted an eco-friendly energy self-reliant island in 2015. However, the island models have been suspended or canceled since Ulleungdo project became stranded due to the fact that the business model was not capable of properly returning on investment.
The small-scale energy self-sufficient island was promoted as an R&D project centered on KEPCO and a convergence support project promoted by the Korea Energy Agency.
Such a complex energy system supplies power to islands using two or more renewable energies and stores the surplus power in an energy storage device, ESS, to supply power during times of high power consumption.
However, in the complex energy system built in the early days, the diesel generator forms the grid voltage, and renewable energy or ESS supplies electricity to the grid depending on the demand of loads. As the diesel generator forms a system, renewable energy cannot be used in the event of a diesel generator failure, or the user controls the output of the diesel generator according to the SOC of the ESS or weather conditions, and the output of renewable energy is limited according to the SOC of the ESS. It causes a loss in power generation.
In this study, to solve the instability of the power supply method due to the intermittent characteristics of renewable energy, the problems of the existing complex system are analyzed, and based on this, it is suggested that the DC grid using the existing diesel generator as the base load is used as the PCS-based AC grid.
The system is to verify through PISIM, to finally perform the demonstration, and then to prove the validity based on the result.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목차 iii
• 그림목차 v
• 국문초록 viii
• 1. 서 론 1
• 2. 연구동향 4
• 가. 국내사례 4
• 나. 국외사례 7
• 3. 마이크로그리드 개념 11
• 가. 마이크로그리드 시스템 개요 11
• 나. 태양광발전시스템 이론 13
• 다. 풍력발전시스템 이론 15
• 라. 디젤발전시스템 개요 17
• 마. 에너지저장장치 개요 19
• 4. 마이크로그리드 실증 시스템 분석 20
• 가. 기존 마이크로그리드 시스템 현황 20
• 1) 해남 삼마도 21
• 2) 신안 상태도 23
• 나. 기존 마이크로그리드 시스템 발전 패턴 분석 25
• 1) 해남 삼마도 발전시스템 분석 25
• 2) 해남 삼마도 발전 전력 현황 분석 35
• 다. 기존 마이크로그리드 시스템 문제점 56
• 5. 마이크로그리드 시스템 개선방안 58
• 가. 삼마도 마이크로그리드 시스템 고도화 59
• 1) 양방향 인버터 63
• 2) 태양광 인버터 65
• 3) uPMD 66
• 4) Digital Advanced Genset Controller 67
• 나. 최적 운영을 위한 운전 모드 제안 70
• 다. 제안시스템의 검증 76
• 6. 마이크로그리드 시스템 실증결과 80
• 가. 마이크로그리드 시스템 구성 81
• 나. 실증시스템 발전량 분석 87
• 7. 결 론 99
• <참고문헌> 101
• Abstract 105