Optimal planning and design for microgrids

Abstract – 기존의 전통적인 계통에 분산전원 연계가 증가하면서 전세계적으로 마이크로그리드에 대한 관심이 높다. 이번 논문에서는 특별히 마이크로그리드의 최적화 계획 및 설계 방법에 대하여 다룬다. 다양한 해외사례를 소개하고 지리적 조건에 의한 grid-connected, islanding mode의 편익 등 마이크로그리드 최적화 구성방법을 소개한다. 또한, 최근에 연구되고 있는 마이크로그리드간의 최적화 계통연계방법과 경제성 평가방법에 대해서도 다루었다.

Index Terms – DER, Stand alone mode, Grid-connected and islnading mode, MTP, Loop structure, graph partitioning, HOMMER, MILP, Hybrid optimization, Net present cost

Ⅰ. Introduction
최근 증가하는 전력수요에 대한 전력설비 증강에 어려움이 있고, 화석연료 수급 및 가격 불안정성은 전력산업이 직면한 문제이다. 그에 따른 대안으로 신재생에너지를 분산형전원으로 활용하는 방법이 대두되고 있지만, 발전출력이 예측되지 않는 특성을 갖고 있어 안정적인 계통운영에는 큰 장애요소이다. 또한, 분산형전원이 잠재적으로 전통적인 전력계통의 시스템 확장을 감소시키지만 수많은 분산형전원들의 증가로 인해 계통운영을 안정적이고 효율적으로 하는 것은 풀어야할 숙제이다.

마이크로그리드는 분산전원과 부하로 이루어진 소규모 차세대 배전시스템이다. 분산전원이 증가됨에 따라 경제성 및 안정성 등 최적화에 필요한 마이크로그리드 설계와 운영 기술이 더욱 중요해지고 있다. 금번 프로젝트를 준비하며 다양한 MG사례를 조사하며 알게 된 것은 목적, 지역, 부하특성에 따라 여러 형태의 MG구조를 갖고 있고 그 운영방법도 다르다는 것이다.

이 논문에서는 MG의 계획 및 설계의 최적화를 다루고 차기 논문에서 MG 운영의 최적화를 다루고자한다. 세부적인 발전원의 구성 및 배치, 운전방법에 대해서는 모두 다루기는 어렵지만 마이크로그리드의 경제성, 안정성 및 CO2 방출 측면에서의 최적화에 대해서 다루고자 한다.

논문에서 다루어질 내용은 다음과 같은 순서로 진행된다. Ⅱ-마이크로그리드 개요, Ⅲ-해외연구사례, Ⅳ-마이크로그리드 설계 최적화 방법, Ⅴ-마이크로그리드경제성평가도구, Ⅵ-Conclusion

Ⅱ. 마이크로그리드 개요
마이크로그리드는 분산전원과 부하로 이루어진 소규모 차세대 배전시스템이다. 장점으로는 에너지 손실 감소, 송전망 운영비용, 에너지 공급실패 리스크 항목에서 기존 중앙집중형 발전형태 보다 편익이 있다. 또한 day-ahead and balancing market 참여, 단독운전을 통한 계통 지원, 전압 품질 개선의 특징이 있다.

목적은 계통신뢰도를 향상시키고, 온실가스 저감 및 경제적 비용을 최소화하는 것이다. 이외에도 발전 비용 절감, 송변전설비 투자지연, 에너지 공급원 다양화, 고립지역의 전력공급 등이 있다. MG의 최적화 운전을 위해서는 구축 목적과 환경분석을 통한 DER(Distributed Energy Resources) 선정과 용량 비율, 위치선정 등의 검토가 선행되어야 Optimal Planning의 의미를 갖을 수 있다. 마이크로그리드 Optimal Planning의 절차를 살펴보면 다음과 같다. (1) MG 구축 목적 정립 (2) 사이트 부하 및 환경분석을 통한 DER 선정 (3) 전력계통 분리 시 독립적으로 전력수급이 가능하도록 DER 최적비율 도출(Controllable DER, Uncontrollable DER, Storage 용량비율 결정) (4) 경제성에 근거한 각DER의 최적 용량 산정 (5) MG 내 DER 최적위치 선정

Ⅲ. 해외연구사례
여기에서는 그동안 주요국가에서 마이크로그리드 연구사례를 살펴보고자 한다. 독립된 전력계통에서 태양, 바람, 물, 디젤 등 여러개의 신재생에너지의 최적의 조합을 구성하는 연구가 많이 진행되어 왔다. Particle Swarm Optimization technique는 최적의 PV 모듈수 설치를 연구하였다. 또한 몰디브에서는 풍력(태양)과 디젤의 조합을 통한 최적화 설계를 연구하였고, 세네갈에서의 독립계통에서 신재생에너지의 증가와 적용기술이 연계계통의 확장보다 경제적인 것을 보여준다.

그 이후로 비용은 최소화 하면서 에너지원의 최적 사이즈를 찾는 방법이 연구되었다. 그것은 PV와 디젤과 배터리를 조합하는 것이다. 말레이시아에서는 CO2 방출을 감소시키기 위해서 Mixed Integer Liner Programing(MILP) 방법을 통한 신재생에너지의 최적화를 연구하였다. 마이크로그리드 설계의 최적화를 위해 수학적인 알고리즘을 적용하였고, HOMER 프로그램을 적용하여 최적의 전원조합을 연구하였다. 그 결과, grid-connected MG계통에서 최적의 신재생에너지와 에너지저장장치의 조합으로 전략적인 dispatch를 한다면 효율적인 MG계통을 운영할 수 있을 것이다.

더불어, 운영적인 측면에서는 열병합발전의 운영을 PV, fuel cell, heat recovery biler, batteries로 구성하여 비선형적인 방법으로 최적화를 연구하였다. 또한 풍력, 태양광, 배터리를 구성하여 경험적인 알고리즘과 선형적인 모델을 이용하여 최적화를 연구하였고, 그 결과 배터리의 효율적인 이용이 운영비용을 줄여주는 것으로 나왔다.

주요 선진국의 사례는 다음의 표를 대신한다.

Ⅳ. 마이크로그리드 설계 최적화 방법
여기에서는 마이크로그리드의 최적 설계방법을 다루고자 한다. 1) 지리조건에 따른 방식 2) Case Study(grid-connected & Stand alone 경제성 비교) 3) MG 연계방식(interconnection) 4) Loop-based microgrid Topology 으로 크게 4가지 방식으로 구분하여 다뤄보고자 한다.

1. 지리조건에 따른 방식 a) 계통 독립형 MG (Stand alone mode) 지리적 한계로 배전망 구축이 어려운 원거리 지역 또는 고립된 섬 지역은 디젤엔진으로 발전원 사용하나, 저 신뢰도, 높은 운영 및 유지보수 비용, 환경오염 등의 문제점이 있다. 대부분 발전원은 디젤 발전기로 편중되어 있어 전원 다양화 및 친환경 측면에서 신재생 에너지원으로 발전원을 다양화할 필요가 있다 . 따라서 신재생 에너지원, 에너지저장장치, 디젤발전기의 최적용량 조합 도출해야 한다. 신재생에너지원으로는 지역 환경 특성에 맞는 종류가 사용되어야 하고, 기존에 사용되어 온 디젤발전기는 여전히 주발전원으로 구성될 것이다.고립 계통의 부하특성은 기저부하가 매우 작어 최대부하와 최소부하의 차이가 매우 크므로 에너지저장장치도 반드시 필요하다 . MG 내에서 모든 수급 밸런스를 유지해야하므로 Unit Commitment를 고려한 제어가능 발전원을 다양화해야 한다. 섬과 같은 고립된 계통은 부하가 산재되어 있고 산업시설이 거의 없어, Power Balancing이 중요하므로 열은 고려하지 않은 전력공급만이 대상이 될 것이다. Kythnos island in Greece, Dangan island in Zhuhai 지역에서 환경에 맞는 발전원 및 ESS를 구성하여 Stand alone MG를 운영중이나, 최적의 운전계획 수립은 현재 불가한 상태이다 . ∎ 계획방안
 * DER 최적구성 용량 도출(technical Optimization) : 신재생에너지원으로 안정적 전력공급과 일정 예비력을 확보하기 위해서는 디젤발전기 같은 Controllable DER 최소 필요량, 신재생에너지원 같은 Uncontrollable DER의 최대수용 가능량, 부하특성을 고려한 에너지저장장치 최소량이 경제성이 고려되어 산출되면 된다.
 * DER 최적배치(Optimal Placement) : 섬과 같이 비교적 큰 규모에 부하가 넓게 산재된 계통에서는 DER의 최적배치도 매우 중요하다. 그래야지 적정 전압과 주파수를 유지할 수 있으며 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.

b) 계통연계형 MG (grid-connected / islanding mode) grid-connected mode에서는 메인 전력계통에서 전압과 주파수를 제어하므로 경제적 기준만 고려하여 유,무효 전력을 출력만 하면 가능하나, islanding mode에서는 전압과 주파수 안정성을 유지하기 위해 분산형 전원을 제어해야 한다. 또한 계통 연계시에는 분산형 전원을 감시 제어하여 계통 운용 불안요소를 최소화할 필요가 있으며, 계통 이상 시 분산형 전원을 활용하여 자체적으로 전력수급이 가능하도록 하거나, 정전 지역을 최소화하는데 첫 번째 목적이 있다. 그래서 분산형전원과 부하를 Clusting하여 마이크로그리드화 해야한다. ∎ 계획방안
 * 계통 신뢰도 평가 : 전력회사에서 관리하고 있는 시스템 내 배전DB(계통구성 정보, 구가부하, 호수, 분산형전원 연계정보)를 활용하여 해당 배전계통의 신뢰도 평가 및 각 구간별 정전비용을 산출한다.
 * MG 후보군 도출 : 배전계통에 연계중인 분산형전원 종류 및 용량, 인근 부하 정보를 바탕으로 MG 후보군을 도출한다.

Ⅴ. 마이크로그리드 설계 경제성 평가Tool
여기에서는 마이크로그리드 설계 시 3가지 경제성 평가방법을 다룬다. 각각의 tool에 대해서 알아보자.

1. DER-CAM (Customer Adoption Model) 500kW 아하의 소규모 전원에 맞추어 개발되어 해당 지역의 열과 전력 수요를 만족시키는 가장 경제적인 DER 설비조합 및 기설치 설비들의 이상적인 운영스케쥴 도출, 자금회수 기간(Payback period), 순현가 분석(NPV) 및 민감도 분석 등의 수행이 가능하다. GAMS(General Algebraic Modeling System)을 이용하며 최적화 수리기법으로서 MILP(Mixed Integer Linear Program)를 적용, 특정지역의 연간 에너지 비용을 최소화한다.

2. HOMER (Hybrid Optimization of Muliple Energy Resources) HOMER는 U.S. NationalRenewable Energy Laboratory(NREL)에 의해 만들어졌으며, 마이크로그리드에서 신재생에너지를 계획하고 설계하는 시뮬레이션 도구이다. HOMER에 의해 설계되어진 시스템의 실행과 초기투자비, 유지보수비 및 제약조건을 고려한 최적화 설계도 가능하다. DG기기, 독립운전 및 계통연계운전 등 시뮬레이션 가능하다. 또한, 미래부하증가율, 연료비증가율도 반영하여 계산가능하며 HOMER의 주요 역할은 simulation, optimization, sensitivity analysis가 가능하다는 것이다.

3. 게임 이론에 근거를 둔 multiagent system을 적용 변수는 전력, 열에너지 수요와 분산형전원 발전량. 이 지역은 분산형전원 발전을 전력으로만 사용하는 것이 아니라 열에너지 형태로도 사용을 한다. ∎ MG에서 최적화 운전은 분산형전원의 적절한 분산 발전 스케쥴링 전략 ∎ multi-objective nonlinear scheduling problem ∎ 1단계[기초데이터 파악] : 전력에너지&열에너지 수요, 인구 크기, 염색체 길이, 최대 계산 회수의 정보 파악 ∎ 2단계[계산식 준비1] : 인구치 초기화 & 염색체 길이와 분산형전원별 최적발전량 변수 수량 일치 ∎ 3단계[계산식 준비2] : 페널티 비용영역에 해당하는 산출값들은 제외하며 제약조건 확인 ∎ 4단계[계산식 준비3] : 초기 인구치에 대한 적합성 함수 평가
 * 이 식에서는 비용과 배출량을 모두 최소화하는 2개의 산식 수립
 * 제약조건은 전력 에너지와 열 에너지의 밸런스, 전압 제한치, 전류 제한치
 * 인구값에 대해 염색체 길이에 따른 돌연변이 발생 등을 계산 시 적용함

Ⅵ. Conclusion
이 논문에서는 마이크로그리드 계획 및 설계의 최적화를 다루었다. 그 동안에 다루어진 다양한 해외연구사례를 소개하고 마이크로그리드 설계에 있어서 지리에 따른 조건과 여러 가지 분산전원의 조합에 따른 편익을 Case study를 통하여 알아보았다. 또한 요즘 마이크로그리드에서 다뤄지고 있는 interconnection방법 및 loop-based topology 방법을 구성하는데 있어 사용되는 graph partitionning 방법에 대해서도 소개하였다.

MG는 분산형전원의 장점을 부각시킨 계통으로서 운영을 위해서는 분산형전원의 단점과 계통운영 시스템 등의 보완이 필요하다. 따라서 어떠한 목적으로 MG를 구축하느냐에 따라 구성형태는 상이하다.

아직 마이크로그리드 최적화계획에서의 연구되어야 할 내용이 많이 남아있지만, 이번 연구를 통하여 각각의 여건에 부합하고 경제성을 고려한 MG 최적화 계획이 존재한다는 것을 알 수 있었다.