최재석 전력기술부문회 회장(경상대 교수)

대한전기학회 전력기술부문회 동계세미나가 18일 한국과학기술회관 소회의실에서 산·학·연 관계자 30여명이 참가한 가운데 열렸다.

이번 세미나는 최근 박사학위를 취득했거나 예정인 신진 연구자들 위주로 발제가 이뤄지고 전기공학도의 다양한 의견과 아이디어가 제시돼 전기산업계가 필요로 하는 문제 해결에 도움을 줬다는 평가를 받았다.

최재석 전력기술부문회 회장(경상대 교수)은 인사말을 통해 “박사학위 논문을 주제로 발표되는 이번 세미나는 젊은이들의 참신한 연구와 아이디어가 노령화 되어가고 있는 전력계에 신선한 바람을 일으킬 것”이라고 말했다.

최 교수는 “전력분야가 세계적으로 이슈가 되고 있고, 전력산업분야, 신사업분야 등에 대한 방향성과 대책에 대해서도 연구가 필요하다”고 덧붙였다

이어 “파리기후협약 이후 새롭게 부상하고 있는 전력에너지에 대한 새로운 변화와 새로운 기술이 연구돼 현장에서 적용할 수 있는 체제변화가 있어야 한다”고 강조했다.

이날 발표된 논문과 발제자는 다음과 같다.

▲해상풍력발전단지의 확률론적 전력망 계획을 위한 최적화 방안(문원식 숭실대 전기공학과) ▲선로전압조정장치와 전기저장장치를 이용한 배전계통의 전압조정 방안에 관한 연구(김병기 한국기술교육대학교-지도교수 노대석) ▲발전기 동적 특성을 고려한 MPC 기반 AGC 전략 설계(DESIGNING MPC-BASED AGC SCHEMES CONSIDERING GENERATOR DYNAMICS MODELS)(장영식 서울대학교) ▲증감발용량 부족위험을 평가하는 방법(민창기 서울대 전기·컴퓨터공학부).

논문 발표내용을 요약했다

문원식 숭실대 전기공학과

▲해상풍력발전단지의 확률론적 전력망 계획을 위한 최적화 방안(문원식 숭실대 전기공학과)=논문에서는 해상풍력발전단지의 전력망 설계에 있어 경제적이고 신뢰성을 갖춘 설계 기술을 제시하고자 발전단지의 특성을 반영해 발전단지 운영기간을 고려한 확률론적 전력망 계획의 최적화 방안을 제시한다.

이를 위해 풍속과 전력설비 고장 발생의 불확실성을 반영한 확률론 기반의 전력망 구성 방안을 제시했으며 풍력터빈의 위치와 육상연계지점에 따라 다양한 전력망을 구성하고 이에 대한 경제성 및 신뢰성 평가를 통한 최적의 전력망 구성을 도출하기 위해 유전알고리즘을 적용한 최적화 과정을 제시했다.

전력망 구성은 풍력발전단지의 풍력터빈이 나열되는 조합에 따라 다양한 구성이 생성될 수 있도록 Open-multiple traveling salesman problem(omTSP) 알고리즘을 적용했고, 풍력터빈 용량과 전력망 구조에 따른 해저케이블 선종을 선택할 수 있도록 해 전력망 구성에 대한 가중치로 활용했다.

기존의 연구에서는 내부 전력망을 중심으로 전력망 최적화를 진행했으나 논문에서는 육상연계지점을 고려해 해상변전소 위치 변화에 따른 내‧외부 전력망 전체에 대한 최적화 연구를 수행했다.

특히 풍속과 풍력터빈의 용량에 따른 출력특성을 이용한 평균전력모델을 공급지장비용에 반영했으며 해저케이블 교차에 대한 제약과 해상변전소와 풍력터빈의 최소 이격 제약을 최적화 제약 조건에 반영했다.

논문에서 제안한 해상풍력발전단지의 확률론적 전력망 계획에 관한 최적화 방안은 해상풍력발전의 특성을 반영해 전력망 설계 기술을 향상시키고 현실적인 문제를 고려함으로써 현재 국내에서 진행되고 있는 해상풍력발전단지에 유용한 연구가 될 것으로 기대한다.

60MW와 100MW의 해상풍력발전단지를 대상으로 참고문헌에서 제시한 연구 결과와의 비교를 담은 사례연구를 통해 이번 논문에서 제안한 방법이 우수한 결과를 얻었고, 480MW의 대용량 풍력발전단지에도 적용이 가능하기 때문에 다양한 해상풍력발전단지에 대한 전력망 계획에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

김병기 한국기술대학교

▲선로전압조정장치와 전기저장장치를 이용한 배전계통의 전압조정 방안에 관한 연구(김병기 한국기술교육대학교-지도교수 노대석)=최근 정부에서는 차세대 성장 동력 산업의 하나로서 녹색성장 정책을 추진해 2030년까지 신재생 에너지전원의 비중을 전체 에너지전원의 11% 정도로 확대하는 보급 사업을 적극적으로 수행하고 있다.

이러한 신재생에너지 전원의 활성화 방안에 따라 지자체와 신재생 에너지 발전사업자를 중심으로 대용량 태양광전원을 배전계통에 활발하게 연계하고 있는 실정이다.

하지만 태양광전원이 배전계통에 도입돼 운용되는 경우, 급격한 출력변동에 의해 수용가전압은 규정치를 벗어날 염려가 있다. 이를 해결하기 위해 전력회사에서는 태양광전원이 연계된 배전계통에 선로전압조정장치(Step Voltage Regulator)를 도입하고 있다. 하지만 미리 설정된 지연시간(tsec) 이후에 탭이 동작하는 SVR의 특성에 의해 이 지연시간동안 수용가전압은 규정치를 벗어날 가능성이 있다.

그러므로 논문에서는 SVR의 시지연 기간 동안 전지전력저장장치(Battery Energy Storage System)에 의해 수용가전압을 안정화시키는 SVR과 BESS의 협조제어알고리즘을 제안한다.

구체적으로 BESS가 계통에 도입되어 운용되는 경우에 기존 SVR모드에서는 BESS의 운용전류가 고려된 SVR의 통과전류에 의해 크기가 증가하거나 감소해 SVR의 탭이 기존 탭을 항상 유지하게 되어, BESS의 도입용량만 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 논문에서는 BESS의 운용(충·방전)전류를 고려하지 않고 부하전류에 의해서만 SVR의 탭을 동작시키는 새로운 제어모드를 제안한다.

또한, 이 제어모드를 바탕으로 SVR의 시지연 기간 동안 수용가전압이 규정범위를 벗어나게 되는 경우, BESS의 충·방전 동작을 결정하고 적정 도입용량을 산정하는 BESS의 운용알고리즘을 제시한다.

장영식 서울대학교

▲발전기 동적 특성을 고려한 MPC 기반 AGC 전략 설계(DESIGNING MPC-BASED AGC SCHEMES CONSIDERING GENERATOR DYNAMICS MODELS)(장영식 서울대학교)=이 논문은 전력시스템에서 기존의 비례적분제어(PI) 기반의 자동발전제어 ( AGC) 설계시스템이 발전기의 부하 기준 설정에 대한 제약 (load reference set-point constraints) 및 시지연 (delayed inputs)으로 생기는 제어 성능 저하와 제어 불안정성에 대한 문제점들을 줄이고자 모델예측제어(MPC) 기반의 자동발전제어 설계방안을 연구했다.

일반적으로 기존의 비례적분제어 기법의 제어기 설계는 단일 입력 단일 출력(Single Input Single Output) 형태이므로 상기의 문제들에 대해 다루는데 어려움이 있으며, 계통이 커지고 발전기의 수가 많아짐에 따라서 그 어려움은 점점 커지게 된다. 위에서 제시한 고려사항을 바탕으로 논문은 모델예측제어기반의 자동발전제어 설계 방안에 대해 다음과 같이 개발했다.

첫 번째로, 논문은 연속 시간 네트워크-발전기 모델에서 발전기들의 특성을 고려한 이산 제어기 설계 공정을 개발하게 된다. 논문에서 사용하게 된 연속 시간 네트워크-발전기 모델은 Massachusetts Institute of Technology에서 연구 개발된 사항으로 네트워크 상에서 다수의 발전기들을 표현한 동적 시스템 모델이다.

이는 실제 시스템에서와 같이, 네트워크 상에 발전기들이 같은 제어지역에 있더라도 서로 다른 주파수를 가질 수 있다는 것을 표현해 준다. 즉, 기존 지역통제오차 (Area Control Error) 계산시에 사용되는 시스템 주파수는 해당 지역을 대표하는 주파수를 의미한다.

실제 시스템에서 자동발전제어 신호는 일정한 시간간격으로 발전기들에게 전달되므로 논문은 위 연속 시간 네트워크-발전기 모델로부터 이산 제어기를 구현하기 위해 다양한 시간의 척도들을 활용함과 동시에 발전기들을 제어하기 위한 설계 공정에 대한 연구를 진행했다.

두 번째로, 모델예측제어기법을 사용한 논문은 발전기들의 시지연 모델을 시지연을 가지지 않는 모델로 변경하는 전환 과정(conversion process) 개발 및 변경된 모델을 바탕으로 제어기를 개발하게 된다.

제안되는 전환 과정을 통해 기존 PI 제어기가 시지연 시스템에서 문제를 가질 수밖에 없는 요인에 대해 분석을 하게 되며, 전환되어 얻어진 모델로부터 발전기특성을 고려한 제어기를 설계하게 된다. 이때 제어기는 주파수와 부하설정기준 제어 신호에 대한 가중합을 최소화하는 목적함수를 가지도록 설계함으로써 논문은 해당 제어기의 목적함수를 이차 계획법(Quadratic programming)의 문제로 변경해 최적해(자동발전제어 신호) 도출시간을 줄일 수 있도록 했다.

마지막연구는 계산시간을 줄이기 위해 시스템 분할 기법을 제안하게 된다. 제안되는 제어기는 큰 규모의 시스템상에 존재하는 많은 수의 발전기들에 의해 자동발전제어 신호 계산에 부담을 가지게 된다.

이는 기존 단일 입력 단일 출력 형태의 비례적분제어기반의 시스템에서는 크게 영향을 받지 않은 문제이다. 따라서 논문은 발전기의 수 증가에 따른 계산시간에 대해 비교하며, 자동발전제어의 목적을 충족시키면서 계산시간을 효과적으로 줄이기 위한 시스템 분할 기법에 대해서 새롭게 제안한다.

시뮬레에션에서는 기존의 비례적분제어기법과 제안되는 모델예측제어기법에 대해 비교 분석하게 된다.

먼저 논문은 발전기의 부하 기준 설정 대한 제약 및 시지연에 대한 고려를 바탕으로 네 가지의 시나리오 결과를 도출하게 된다. 그리고 도출된 결과는 주파수가 안정화되는데 걸리는 시간, 지역 연계선로 상에 의도치 않게 흐른 전력량, 그리고 북미의 제어 성능평가 지수 CPS를 바탕으로 비교 분석하게 된다. 추가적으로, 해당 제어기에 대한 계산시간 분석을 하게 된다.

민창기 서울대 전기·컴퓨터공학부

▲증감발용량 부족위험을 평가하는 방법(민창기 서울대 전기·컴퓨터공학부)=논문은 증감발용량 부족위험을 평가방법을 제안한다. 계통 내 불확실성을 나타내는 발전기 고장과 순부하 예측오차를 명시적으로 고려했다.

발전기 고장을 고려하기 위한 발전기 모델로서 단기 신뢰도연구에서 많이 활용되고 있는 마르코프체인 모델 기반의 용량 상태 모델을 적용했다.

순부하예측 오차는 정규분포를 따른다고 가정했고 7구간 근사화를 통해 정규분포의 각 구간별 확률을 이산적으로 적용했다.

증감발용량 부족위험을 증감발용량 부족위험 기대 값(RC shortage expectation, RSE) 이란 지수로 나타냈다.

수치예제를 통해 이러한 증감발용량 부족위험 기대 값의 계산과정을 상세하게 확인할 수 있다. 제안된 방법의 적용가능성을 보여주기 위해 ‘수정된 IEEE-RTS-96’에 대한 사례연구를 수행했다. 여러 변수들이 증감발용량 부족위험 기대 값에 미치는 영향의 정도를 파악해 분석하기 위해 민감도 분석을 수행했다.

증감발용량 부족위험 기대 값과 이러한 변수들과의 상관성은 계통운영자에게 유용한 정보를 제공할 수 있다. 제안된 방법이 적합한 발전비용 평가방법과 결합된다면, 계통운영자가 적정 증감발용량 수준을 결정하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.