마이크로그리드와 DER로 산업 시설 및 상업 시설에서 지속 가능성과 회복력을 극대화하는 방법

태양 에너지, 풍력 에너지, 열병합 발전(CHP), 배터리 에너지 저장 시스템(BESS), 그리고 기존의 발전기까지 포함하는 분산형 에너지 자원(DER)은 상업용 시설과 산업용 시설의 지속 가능성과 회복력을 향상하는 데 크게 기여할 수 있습니다. 특히 이러한 분산형 에너지 자원이 자동화된 제어 시스템을 사용하여 에너지 생성, 흐름, 저장 및 소비를 스마트하게 조정하는 마이크로그리드와 결합할 경우에는 더욱 그렇습니다.

마이크로그리드의 환경적, 경제적 이점을 극대화하기 위해서는 마이크로그리드의 컨트롤러는 실시간으로 DER의 운영과 통합 사이에서 균형을 맞추고, 조명, 냉난방 및 환기장치(HVAC) 시스템, 전기 자동차(EV) 충전 및 정보 기술 설치와 같은 스마트 부하를 관리하고, 과거의 수요 정보를 사용하여 미래의 부하를 예측하고, 유틸리티 전력망에 안전하고 효율적으로 연결하며, 실시간 에너지 가격 데이터를 통해 수요 대응 기능을 지원해야 합니다.

이 기사에서는 마이크로그리드를 구성하는 부품들을 검토하고, 마이크로그리드 아키텍처를 살펴봅니다. 그리고 DER의 상호 연결에 대한 요구 사항을 규정하는 IEEE 1547에 대한 개요와 마이크로그리드 컨트롤러의 기능을 설명하기 위한 포괄적인 기술 공정을 제공하는 IEEE 2030에 대한 개요를 제시합니다. 그런 다음 마이크로그리드 컨트롤러의 지속 가능성, 회복력 및 경제적 이점을 개선할 방법을 살펴보고, 마지막으로 마이크로그리드의 사이버 보안 문제에 대한 간략한 개요로 마무리할 것입니다.

마이크로그리드를 구성하려면 무엇이 필요하나요?

마이크로그리드를 구현하는 방식과 부품은 다양합니다. 마이크로그리드와 DER이 지속 가능성과 회복력을 어떻게 극대화할 수 있는지 알아보려면 마이크로그리드 부품 및 아키텍처에 대한 정의와 이에 대한 몇 가지 예시를 살펴보는 것으로 시작하는 것이 좋습니다. 미국 에너지부(DOE)는 마이크로그리드를 '명확하게 구분된 전기적 경계 내에서 전력망과 관련하여 제어 가능한 단일 개체로 작동하는 상호 연결된 부하와 분산형 에너지 자원의 집합체로, 마이크로그리드는 전력망과 연결하거나 분리되어 계통 연계형 모드 또는 독립형 모드로 작동할 수 있다.'라고 정의하고 있습니다.

마이크로그리드의 정의는 간단하지만 마이크로그리드를 구현할 때 선택할 수 있는 마이크로그리드의 종류, 작동 방식, 선택 가능한 하위 시스템은 다양하며, 마이크로그리드의 지속 가능성과 회복력을 극대화하려면 수많은 아키텍처와 운용 방법의 선택이 필요합니다. 자동화는 중요한 고려 사항입니다. 자동화된 하위 시스템의 예는 다음과 같습니다(그림 1).

• 다양한 범위의 DER과 CHP를 포함한 마이크로그리드 내 발전
• 전력 분배 네트워크
• BESS
• 산업 단지에서의 HVAC 시스템, 기계 및 모터와 같은 부하
• 전기 자동차 충전과 V2G(차량-그리드 간) 연결 관리
• 마이크로그리드 컨트롤러 및 개폐기
• 계통 연계형 설치를 위한 유틸리티 전력망과 상호 연결

그림 1: 마이크로그리드에는 다양한 DER, CHP 및 부하가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

마이크로그리드의 종류

마이크로그리드는 독립형 또는 계통 연계형으로 분류할 수 있습니다.

시설 주도 독립형은 가장 보편적인 종류입니다. 광산, 작업 현장, 산간 주거 지역, 군사 기지와 같이 상업용 유틸리티 전력망이 제공되지 않는 고립된 지역에서 그 사용 사례를 찾아볼 수 있습니다.

커뮤니티 주도 독립형은 벽지 지역에서도 찾아볼 수 있습니다. 외딴 마을, 도서 지역, 커뮤니티에서도 사용 사례를 찾을 수 있습니다. 시설 주도형 마이크로그리드는 단일 기관에 의해 제어되지만, 이에 비해 커뮤니티 주도형 마이크로그리드는 여러 사용자의 요구 사항에 따라야 합니다. 그래서 보다 복잡한 명령 및 제어 시스템이 필요하게 됩니다.

계통 연계형 시설은 단일 소유주를 가지며, 이는 주 전력망이 불안정한 지역에서 전력이 필요한 경우 전력 공급의 신뢰성을 개선하거나, 마이크로그리드 소유자가 필요하지 않은 부하나 다른 서비스를 포기하는 대가로 경제적 혜택을 얻는 경우에 사용됩니다. 계통 연계형 시설 방식은 병원, 데이터 센터, 연속 공정 제조 공장 및 기타 고가용성 건물 등에서 사용됩니다.

계통 연계형 커뮤니티는 다수의 에너지 사용자와 에너지 생산자가 주 전력망에 연결되어 단일 개체로 관리됩니다. 이의 사용 사례로는 사업체 또는 대학 캠퍼스, 마을, 소규모 도시가 포함됩니다. 계통 연계형 커뮤니티에는 다양한 에너지 사용자, 생산자 및 저장 시설이 있어 제어하기가 가장 복잡할 가능성이 있습니다.

외부와 단절된 섬과 같기도 한 마이크로그리드

DOE의 마이크로그리드 정의는 마이크로그리드의 부품 외에도 '계통 연계형 모드 및 섬 모드'에서의 마이크로그리드 작동을 포함합니다. 이러한 모드를 정의하기는 간단하지만, 그 구현은 보다 복잡하며 이는 일부 IEEE 표준에서 다루어지고 있습니다.

IEEE 1547-2018는 분산 자원과 전력 시스템의 상호 연결을 위한 표준으로, DER과 전력망의 상호 연결 및 상호 운용성에 대한 기술적 요구 사항을 자세히 설명합니다. IEEE 1547은 계속 개선 중인 표준입니다. 이전 버전의 IEEE 1547은 낮은 수준의 DER 침투율에 맞추어 제정되었으며, 당시에는 DER이 대용량 전력 시스템에 미치는 총 지역적 영향의 잠재성을 고려하지 않았습니다. IEEE 1547-2018은 전송 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 전압 및 주파수 규정과 라이드스루(ride-through) 기능에 관한 더 엄격한 요구 사항을 추가했습니다. 최근에는 비정상적인 작동 성능을 보완하기 위해 1547a-2020 개정안이 추가되었습니다.

IEEE 2030.74는 마이크로그리드 컨트롤러의 기능을 두 가지 안정 상태(SS) 작동 모드과 네 가지 전환(T) 유형의 관점에서 설명합니다(그림 2).

• 안정 상태 계통 연계형 모드인 SS1은 마이크로그리드가 유틸리티 전력망에 연결되어 있습니다. 컨트롤러는 마이크로그리드의 부품을 사용하여 피크 저감, 주파수 조정, 무효 전력 지원, 램프 관리와 같은 서비스를 전력망에 제공합니다.
• 안정적인 섬 상태인 SS2는 '아일랜딩' 상태라고도 불리며, 마이크로그리드가 유틸리티 전력망에서 분리되어 독립적으로 작동하는 경우를 말합니다. 부하와 마이크로그리드 전력 생산과 에너지 저장 서비스의 균형을 맞추어 안정적인 마이크로그리드 작동을 유지하는 데에는 컨트롤러가 필수적입니다.
• T1은 계통 연계형 모드에서 안정 상태의 섬 모드로의 계획된 전환을 의미합니다. 유틸리티 전력망을 사용할 수 있는 경우에도 섬 모드로 전환하는 데 경제적 또는 작동 상의 이점이 있을 수 있습니다. 또한 이 모드는 마이크로그리드 작동 테스트를 지원합니다.
• T2는 계통 연계형에서 안정 상태의 섬 모드로 예상치 않게 전환할 때입니다. 이는 데이터 센터의 무정전 전원 공급 장치를 작동하는 것과 유사하며, 주 전력망에 장애가 발생할 때 자주 사용됩니다. 마이크로그리드는 독립적인 전력 네트워크로 원활하게 분리되어 작동합니다.
• T3는 안정 상태의 섬 모드가 유틸리티 전력망에 재연결됨을 말합니다. 이는 마이크로그리드의 '전력망 형성' 발전기가 전력망 전력의 주파수와 위상각을 감지하고 마이크로그리드와 주 전력망을 재연결하기 전에 이들을 정확히 일치시키는 복잡한 기술 절차입니다.
• T4는 안정 상태의 섬 모드로의 블랙 스타트입니다. 이 경우 마이크로그리드가 다운되었으므로 유틸리티 전력망으로부터 분리되어 섬 모드에서 다시 시작해야 합니다. 이러한 상황은 마이크로그리드 컨트롤러가 T2 안정 전환을 통해 처리할 수 없는 갑작스러운 정전으로 인해 발생할 수 있습니다. 또한 섬 모드가 모든 부하에 대해 계속 공급할 만큼 충분한 전력 발전 또는 에너지 저장 여유분이 없고, 발전기를 온라인 상태로 전환하기 전에 불필요한 부하를 모두 차단해야 하는 경우에 필요합니다. 또한 마이크로그리드의 모든 BESS는 재연결하기 전에 적어도 일부는 재충전되어야 합니다.

그림 2: IEEE 2030.74에서는 마이크로그리드 컨트롤러가 두 가지 안정 상태 조건과 이러한 상태 간의 네 가지 전환 유형에 대응할 수 있도록 요구합니다. (이미지 출처: 전국 교외 전력 협동조합(NRECA)2)

마이크로그리드 구현하기

DER과 부하의 조합의 경우의 수는 마이크로그리드의 조합의 수만큼 많지만, 자동화된 컨트롤러와 개폐기는 공통된 요소입니다. 위 그림 1에 표시된 것과 같은 대규모 마이크로그리드에서는 중앙 집중식 통제실, DER 및 부하용 분산 개폐기로 분리되는 경우가 많으며, 계통 연계형 설계의 경우 마이크로그리드와 유틸리티 전력망 사이의 개폐기 역할을 하는 변전소로 분리되어 있는 경우가 많습니다.

마이크로그리드 컨트롤러는 정보가 필요하며, 회복력과 지속 가능성을 최대화하려면 신속하게 정보를 얻을 수 있어야 합니다. 컨트롤러는 센서의 네트워크를 사용하여 DER의 기능 및 부하를 실시간으로 모니터링합니다. 계통 연계형 마이크로그리드의 경우 컨트롤러는 지역 유틸리티 전력망의 상태도 모니터링합니다. 이상 징후가 발생하면 컨트롤러는 밀리초 단위로 응답하여 연결된 DER, 부하 또는 개폐기에 명령을 보냅니다.

개폐기 크기는 수 kW부터 수 MW에 이르며, 컨트롤러의 요구에 대해 수 밀리초 내에 응답해야 하고, 그렇지 않으면 심각한 오류 상태가 발생할 위험이 있습니다. 일부 개폐기에는 추가적인 보호 계층을 제공하기 위해 자동으로 작동하는 스마트 회로 차단기가 갖춰져 있습니다.

소규모 설치에서는 컨트롤러와 개폐기가 단일 장비에 통합되어 있을 수 있으며, 이를 에너지 제어 센터(ECC)라고 합니다. ECC는 사전 배선, 조립 및 공장 테스트를 완료한 상태로 제공됩니다. ECC는 마이크로그리드 설치 작업을 간소화하고 속도를 높이며, 전력망 전력 및 우선순위가 지정된 부하가 있는 DER 등 다수의 에너지원을 관리할 수 있습니다. 예를 들면, Schneider Electric은 빌딩 규모의 마이크로그리드를 위한 ECC 1600/2500 제품군을 제공합니다(그림 3). ECC 1600/2500 라인의 특징은 다음과 같습니다.

• 100kW ~ 750kW의 정격 전력으로 구성하여 주문할 수 있으며, 기존 건물 또는 새 건물에 맞게 최적화 가능
• PV, BESS, 풍력, 가스 및 디젤 발전기와 같은 여러 DER과 함께 작동
• 컨트롤러는 대기 발전기 또는 BESS와 같은 앵커 자원과 함께 PV를 사용해 정전 중에 회복력을 지원
• 자동화된 지능형 계량 기능을 통해 전력 품질, 에너지 사용량 및 DER 생산에 대한 심층 정보 제공
• 1,600A ~ 2,500A 전력 분배 버스가 있는 개폐기
• 클라우드 기반 분석을 통해 회복력과 DER 수익률 극대화

그림 3: ECC는 마이크로그리드 컨트롤러(왼쪽)와 개폐기(오른쪽)를 단일 장비로 결합합니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

안전하고 신뢰할 수 있는 에너지

사이버 보안은 에너지 보안과 회복력의 중요한 요건입니다. 국제 에너지 기구(IEA)는 에너지 보안을 '적절한 가격으로 에너지원을 중단 없이 사용할 수 있는 것'으로 정의합니다. 마이크로그리드는 저렴하고 안전하며 회복력이 뛰어난 에너지 공급을 보장하는 데 크게 기여합니다.

통신은 마이크로그리드의 핵심 요소입니다. 이는 성능을 최적화하기 위해 클라우드 및 지역 유틸리티 전력망와 통신하는 것을 의미합니다. 또한 통상적인 마이크로그리드를 구성하는 다양한 DER과 부하는 서로 다른 제조업체의 제품이어서 서로 다른 표준의 통신 프로토콜과 기술을 사용합니다. 인터넷 연결과 Wi-Fi와 같은 무선 기술은 거의 모든 마이크로그리드에서 찾아볼 수 있으며, 이점을 최대화하기 위한 필수 요소입니다. 또한 일기 예보와 연료 및 에너지의 실시간 가격 정보 수집과 같은 보조 기능도 지원합니다.

사이버 보안 확보는 까다로운 과제입니다. 민감한 네트워크와 데이터에 공격자가 접속하고 제어 소프트웨어를 조작하여 마이크로그리드 작동을 손상시킬 수 있는 사이버 취약성을 해결하려면 보안 하드웨어 외에도 정책, 절차, 인력이 필요합니다. 테러리스트에 대한 우려뿐 아니라, 경쟁사나 부도덕한 직원도 고려의 대상입니다. 운영자 오류가 발생할 수 있고, 구형 소프트웨어로 인해 네트워크에 밝혀지지 않은 허점 등이 있을 수 있습니다(그림 4). 사이버 보안은 결코 나중으로 미룰 수 없는 문제입니다. 처음부터 마이크로그리드와 관련한 하드웨어, 소프트웨어 및 프로세스의 모든 측면을 고려해서 설계해야 효율적입니다.

그림 4: 인력, 공정, 물리적 보안의 허점으로 인한 취약성은 마이크로그리드 공격 경로가 될 수 있습니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

요약

마이크로그리드는 수많은 DER과 부하를 단일 시스템에 통합하여 에너지 지속 가능성과 회복력을 극대화합니다. 여러 종류의 마이크로그리드 아키텍처를 사용하여 특정 에너지 및 연결 요구 사항을 지원할 수 있습니다. 마이크로그리드의 수가 증가하고 DER의 보급이 증가함에 따라, IEEE 1547 상호 연결 표준이 발전했으며 마이크로그리드의 사이버 보안에 대한 관심이 높아지고 있습니다.