1. 서 론

최근 지구온난화에 대응하기 위한 탄소 저감 정책으로 대형 화력발전소들이 재생에너지 기반의 분산형 발전원들로 대체되고 있다. 그러나, 태양광 및 풍력 등 재생에너지 발전원들의 비중이 증가함으로써 이들의 잦은 출력 변동으로 인해 전력 계통의 주파수 변동폭이 증가하는 문제가 발생하고 있다 ⁽¹⁾-⁽³⁾. 재생에너지의 출력 변동으로 인한 계통 주파수 변동은 계통 관성이 작은 도서 지역 전력 계통에서 더욱 심각하게 나타난다. 다수의 대형 동기 발전기를 포함한 육지 계통의 경우 계통 관성이 크기 때문에 계통 주파수 변동이 비교적 작지만, 도서 지역의 경우 관성이 작은 소형 디젤 발전기 위주로 전력 계통이 구성되어 재생에너지의 출력 및 부하 변동에 더욱 민감한 특성을 가진다. 최근 도서 지역에는 연료 비용 및 탄소 배출 저감을 위해 디젤 발전기를 재생에너지 발전원으로 대체하고자 하는 사업이 활발히 진행되고 있는데, 계통 관성 감소로 인한 주파수 난조 현상이 재생에너지 보급의 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다 ⁽⁴⁾.

전술한 문제를 해결하기 위한 한 방법으로 인버터를 통해 동기 발전기의 출력 특성을 모사함으로써 계통에 관성 응답을 제공하기 위한 가상동기기 기술이 최근 활발히 연구되고 있다 ⁽³⁾. 가상동기기는 계통 내에서 인버터가 전압원으로 작동하도록 함으로써 계통에 다양한 보조 서비스를 제공하는 그리드-포밍 (grid-forming) 기술의 일종이다 ⁽⁵⁾. 가상동기기는 동기기의 기계 및 전자기적 특성의 모사 방식에 따라 다양한 토폴로지가 존재한다 ⁽⁶⁾-⁽⁸⁾. 실제 동기기와 유사한 특성을 모사하기 위해 기계적 회전 운동을 나타내는 스윙(swing) 방정식 뿐만 아니라 제동 권선, 여자 회로 및 다양한 제어 시스템을 포함하여 복잡하고 높은 차수의 동기기 모델을 사용할 수도 있지만, 이는 제어 이득의 설계가 어렵고 파라미터들이 실제 응답에 미치는 영향을 직관적으로 분석하기 어렵다는 단점이 있다. 가상동기기 구현을 위해서는 비교적 간단한 발전기 모델을 적용할 수 있다. 참고문헌 ⁽⁷⁾에서는 스윙 방정식, 댐핑 기능이 통합된 드룹제어, 그리고 간략화된 여자 시스템으로 구성된 가상동기기가 제안된 바 있으며, 관련된 많은 분석과 응용 방법이 다루어져 왔다 ⁽⁸⁾.

본 논문에서는 실제 재생에너지의 비중 확대로 인해 계통 주파수 변동 문제를 겪고 있는 국내 도서 지역 전력 계통에 대한 가상동기기 기술 적용 사례를 다루고자 한다. 재생에너지를 포함한 도서 지역 전력 계통의 구성을 소개하고 해당 계통에 적용된 가상동기기 알고리즘에 대하여 설명한다. 또한, 실측 데이터를 통해 가상동기기 적용을 통한 주파수 안정화 효과와 파라미터 설정에 따른 성능 변화를 분석한다.

2. 도서 지역 전력 계통 구성

본 논문에서 다루고자 하는 가상동기기 기술은 제주시 한립읍에 위치한 비양도 전력 계통의 주파수 안정화를 위해 개발되었다. 비양도 전력 계통은 제주시의 주 계통과 연계하지 않는 독립형 마이크로그리드이다. 비양도에는 도서 지역 융복합 지원 사업을 통해 10kW 풍력 발전기 2기, 20kW의 집단 태양광 발전소, 그리고 32호의 가정집에 각각 2.5kW의 개별 태양광 설비가 설치되었다. 또한, 재생 에너지의 출력 변동에 대응 하기 위해 1MWh의 배터리 에너지 저장 시스템이 구축되어 있으며, 이는 250kW의 인버터를 통해 계통에 연계된다. 그림 1과 그림 2는 비양도 전력계통의 단선도와 사진을 보여준다.각각의 발전원들은 EMS (Energy Management System)를 통해 원격 조작 및 실시간 모니터링이 가능하다. 그림 3은 EMS를 통한 비양도 전력 계통 모니터링 화면을 보여준다. 각 발전원 들의 출력과 총 부하, 차단기 개폐 현황, 배터리의 SoC (State-of-Charge) 등이 실시간으로 업데이트된다.

비양도의 평균 부하는 약 60kW이지만, 재생에너지 출력 또는 부하 변동에 의해 5~10kW의 출력 변동이 순시적으로 발생하며 낮 시간대의 최대 부하는 100kW에 달한다. 비양도의 디젤 발전기는 주로 1기만 동작하고 부하가 높은 시간대에는 1기를 추가로 투입하여 병렬 운전을 수행한다. 그러나, 디젤 발전기가 1기만 동작할 때는 계통 관성이 부족해 재생에너지 투입 시 계통 주파수가 크게 흔들리는 현상이 발생한다. 그림 4는 평일 오후 시간대에 디젤 발전기가 1기만 동작하고 있을 때 태양광 및 풍력 발전 등 재생에너지 투입에 의한 주파수 변동 관측 파형을 보여준다. 재생에너지가 투입됨에 따라 계통 주파수의 변동폭이 투입 전과 비교하여 2배 이상 증가한 것을 확인할 수 있다.

그림 5는 비양도의 디젤 발전기 및 계통 관성을 측정하기 위한 시험 파형을 보여준다. 측정된 관성은 가상동기기의 관성 파라미터 설계에 참고된다. 총 부하가 60kW일 때 병렬운전 중인 2기의 디젤 발전기 중 1기를 차단한 후 각각의 출력단 주파수 변화를 관찰하였다. 그림 5(a)는 계통에서 분리된 디젤 발전기 출력단의 주파수 및 출력 변화를 나타내며, 그림 5(b)는 계통에 연계된 디젤 발전기의 출력단 주파수 및 출력 변화를 나타낸다. 계통에서 분리된 디젤발전기의 관성상수 $H_{DG,\:trip}$의 계산은 그림 5(a)로부터 다음과 같다.

계통에 연계된 디젤발전기와 나머지 계통의 특성을 포함하는 관성상수 $H_{DG,\:run+grid}$는 그림 5(b)로부터 다음과 같다.

두 디젤발전기 관성상수가 같다고 가정하면 B-도서 계통의 관성상수는 아래와 같이 계산할 수 있다.

3. 가상동기기 알고리즘

그림 6은 비양도의 BESS 인버터에 적용하기 위한 가상동기기 알고리즘을 나타낸다. 기계부는 식(4)와 같이 관성상수 $H$를 포함하는 스윙 방정식 및 드룹 제어로 구성되어 있다.

드룹 계수 $\\bar{D}_{p}$는 댐핑 계수의 역할을 동시에 수행한다. 변수 위의 '_' 표시는 단위법(per-unit)으로 표시됨을 의미한다. $\bar{\omega}_{r}$은 가상동기기의 주파수, $\theta_{n}$은 공칭 주파수, $\theta_{r}$은 가상동기기의 위상각을 의미한다.

가상동기기의 전기부는 내부 전압제어기와 상위 무효전력 제어기로 구성된다. PI (Proportional-Integral)제어를 기반으로 필터 커패시터 단의 전압 크기 $\bar{V}_{m}$을 $\bar{V}_{set}$으로 제어한다. ⁽⁷⁾에서는 무효전력 제어가 내부 제어 루프로 구성되어 있지만, 비양도의 경우 평균 부하 대비 인버터 정격이 충분한 무효전력을 공급할 만큼 크기 때문에 전압을 우선적인 제어 대상으로 고려하여 전압 제어기를 내부 제어루프로 구성하였다. 따라서, 출력 무효전력 $\bar{Q}_{e}$는 계통 전압과 커패시터 전압의 차이에 의해 결정된다. 무효전력 출력 조절이 필요한 경우에는 $\bar{V}_{set}$의 값을 수동 또는 자동으로 변경함으로써 조절이 가능하다. EMS (Energy Management System)를 통해 운전원이 수동으로 전압 지령 조절 신호 $u_{set}$을 상승 또는 하강으로 결정할 수 있으며, 자동 모드에서는 무효전력 지령 $\bar{Q}_{\text {set }}$과 출력 무효전력 $\bar{Q}_e$의 오차에 따라 전압 지령이 자동으로 상승 또는 하강한다.

그림 6에서와 같이 기계부에서 생성된 위상각 $\theta_r$과 전기부에서 생성된 전압 크기 지령 $\bar{e}_r$을 통해 3상 전압 지령 $e_{^*a b c}$를 계산하고 PWM (Pulse-Width Modulation)을 통해 인버터의 출력 전압을 합성한다.

4. 시뮬레이션 결과

가상동기기의 적용 효과를 검증하기 위해 비양도 계통 정보를 기반으로 Matlab/Simscape 기반 시뮬레이션 모델을 구현하였다. 디젤 발전기, 태양광 및 BESS 인버터 등 모두 실제 계통과 동일한 용량으로 구현하여 현장 적용 전 가상동기기의 출력 특성을 사전 검토하였다. 시뮬레이션 시나리오로 디젤 발전기 2기, 집단 태양광, 그리고 BESS 인버터가 병렬운전 중에 디젤 발전기 1기가 탈락되는 상황을 모의하고 인버터의 출력과 계통 주파수 변화를 확인하였다. 총 부하는 60kW, 태 양광 출력 10kW, BESS의 유효 및 무효전력 설정값은 0으로 설정하였다. 가상동기기 모드에서 관성과 드룹 계수는 각각 H=0.5_S, $\bar{D}_p= 10pu$로 설정하었다. 계통의 전압과 주파수에 대한 제어 주도권은 일차적으로 디젤 발전기의 자동발전제어기가 가져가는데, 이 제어기는 정상상태에서 디젤 발전기들 간의 부하 분담도 조정한다. 가상동기기도 드룹 기능을 제공하기 때문에 자동발전제어기에 연계 시 디젤 발전기와 함께 부하 분담이 가능하다. 하지만, 현장 여건 상 실제로 가상동기기를 디젤 발전기들의 자동발전제어기에 연계하는데 한계가 있었기 때문에, 현장과 동일한 조건을 모의하기 위해 시뮬레이션 상에서도 가상동기기는 디젤 발전기의 자동발전제어기에 연계하지 않았다. 따라서, 이와 같은 구성에서 드룹 계수는 전적으로 댐핑 계수로 작용하게 된다.

그림 8은 전술한 디젤 발전기 탈락 시나리오에 따라 시뮬레이션을 수행했을 때, BESS 인버터의 출력 유효전력과 계통 주파수 파형을 보여준다. 그림 8(a)에서 볼 수 있듯이 BESS 인버터가 정전력 모드로 작동할 때는 인버터의 유효전력 출력이 과도상태에서 매우 작은 변화만 발생할 뿐 일정하게 유지된다. 반면 가상동기기 적용 시에는 그림 9(a)와 같이 발전기 탈락 직후 유효전력이 최대 17.7kW 까지 상승하며 이로 인해 계통 주파수의 최저점이 59.29Hz에서 59.68Hz로 상승하였다. 다라서, 가상동기기의 관성 및 댐핑 반응이 계통 주파수 변동 저감에 크게 기여할 수 있음을 확인할 수 있다.

5. 현장 실증 결과

가상동기기의 적용 효과를 검증하기 위해 비양도에 설치된 250kW BESS 인버터에 가상동기기 알고리즘을 적용 후 현장 시험을 진행하였다. 먼저, 디젤 발전기 1기와 BESS 인버터가 병렬로 운전 중일 때, 정상 상태에서 정전력 모드와 가상동기기 모드 두 가지 운전 모드에 대한 100초 동안의 인버터 출력 및 계통 주파수 변화를 관측하였다. 가상동기기의 관성과 드룹 계수는 각각 H=0.5_S, $\bar{D}_p= 10pu$로 설정하였다. 그림 7(a)와 그림 7(b)를 비교해 볼 때 BESS 인버터가 정전력 모드로 동작하는 경우 유효전력 출력이 일정한 반면 계통주파수의 변동이 크게 나타났다. 가상동기기 모드에서는 관성 및 댐핑 응답에 의한 유효전력 변동으로 인해 계통주파수의 변동폭이 크게 저감된 것을 확인할 수 있다.

가상동기기의 응답 특성에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 관성상수 $H$와 댐핑 계수 $\\bar{D}_{p}$이다. 두 파라미터에 따른 가상동기기의 응답 특성 변화를 분석하기 위해 다양한 관성 상수와 댐핑 계수 값에 대하여 추가 시험을 진행하였다. 추가 시험에서는 디젤 발전기 2기와 BESS 인버터가 병렬로 운전할 때, 운전 중인 1기의 디젤 발전기를 탈락시켜 인버터의 관성 반응에 의한 출력 전력과 주파수 변화를 관측하는 방법으로 진행되었다. 탈락되는 디젤 발전기는 정전력 모드로 작동시켜 각 시험마다 일정하게 24kW의 발전량 변동이 발생하도록 하였다.

그림 10은 디젤 발전기 1기 탈락 시 BESS 인버터의 출력 유효전력 및 계통 주파수 파형을 보여준다. 그림 10(a)는 관성 및 댐핑계수를 H=1_s, $\\bar{D}_{p}= 5pu$로 설정한 경우이며, 최대 유효전력 변화량은 11.5kW, 계통 주파수 변화는 0.514Hz로 나타났다. 관성과 드룹 계수를 H=2_s, $\bar{D}_{p}= 20{pu}$로 증가 시킨 경우 최대 유효전력 변화량은 17.9kW로 증가하고, 계통 주파수 변화는 0.219Hz로 감소하였다. 그림 10의 시험 결과를 포함하여 다양한 파라미터 값에 대한 시험 결과는 표 1에 명시된 바와 같다. 가상동기기의 관성과 댐핑이 증가할수록 주파수 변화량

이 감소하여 계통 안정화에 더 크게 기여할 수 있음을 확인할 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 도서 지역의 전력계통에서 재생에너지 발전 및 부하 소비의 순시적인 변동에 따른 계통 주파수 변화를 최소화하기 위한 개발된 가상동기기 알고리즘을 소개하고, 현장 실증 결과를 통해 적용 효과를 검토하였다. BESS 인버터에 가상동기기 기술을 적용하여 디젤 발전기와 병렬 운전을 수행한 결과 인버터의 관성 및 댐핑 반응이 주파수 안정도 개선에 크게 기여함을 확인하였다. 적용된 가상동기기 기술은 매우 간단하고 직관적인 구조를 가지며 기존의 디젤 발전기와 동일한 방식으로 운용이 가능하다. 적용된 가상동기기는 2022년 10월부터 현 시점까지 성공적으로 운전되고 있으며, 추후 추가적인 기술 보완을 통해 향후 국내외 도서지역에 확대 적용될 예정이다.