인구가 늘어나고 새로운 산업이 등장하면서 매년 전기 에너지에 대한 요구가 증가하고 있다. 늘어나는 에너지 수요를 충족하고자 현재 에너지 수요의 대부분을 차지하는 화석 연료 기반의 발전도 사용되고 있다. 이로 인해 서서히 화석 연료의 고갈과 석탄 및 천연가스의 가격 인상으로 이어지고 있다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 2022년 상반기 유럽의 평균 천연가스 가격은 2021년 같은 기간에 비해 4배, 석탄 가격은 3배 넘게 올랐다. 화석 연료는 온실 가스의 주요 원인이자 지구 온난화의 주범이다.

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신재생 에너지원이 앞서 언급한 문제를 해결할 수 있는 화석 연료의 대안으로 간주됩니다. 태양광, 풍력 및 수력과 같은 에너지원은 풍부하고 자연에서 순환되기 때문에 자원 고갈은 문제가 되지 않습니다. 유해한 부산물을 생성하지 않는 훨씬 더 친환경적이고 깨끗한 에너지입니다. 많은 국가들이 이러한 대체 에너지원을 채택하기 시작했으며 향후 10년 내에 이러한 자원으로 전체 에너지 수요의 약 40% 또는 절반을 생산하는 것을 목표로 하고 있습니다.

이러한 이점에도 불구하고, 신재생 에너지는 늘어나는 에너지 수요를 충족시킬 만큼 빠르게 성장하지 못하고 있습니다. 현재 상태에서는 탄소 중립(Net-zero)을 달성하는 것은 무리이기 때문에 국가들은 에너지 안보를 위해 석탄과 천연가스를 계속 사용할 수 밖에 없습니다. 이러한 느린 성장 뒤에 있는 대부분의 문제는 마이크로그리드를 사용하여 해결할 수 있습니다.

신재생 에너지를 처리할 때 마이크로그리드의 역할

신재생 에너지원의 유형은 다양한데, 이러한 점이 느린 성장의 주요 원인이기도 합니다. 다양한 에너지원의 출력은 서로 다르므로 간헐성과 변동성이 있을 수 있습니다. 이로 인해 미니그리드 또는 마이크로그리드를 사용하여 설명될 수 있는 에너지 공급과 수요 간의 불일치가 클 수 있습니다. 신재생 에너지원의 간헐적인 특성으로 인해 마이크로그리드는 메인 그리드에 연결되어 신뢰성을 보장하는 하이브리드 시스템이 됩니다. 섬이나 원격 위치에 있는 독립형 시스템의 경우, 여러 신재생 에너지원을 사용하여 전력 공급의 신뢰성을 보장합니다. 예를 들어, 태양광 에너지는 낮에만 사용할 수 있기 때문에 밤 동안 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 수력 또는 풍력 기반의 에너지원이 필요합니다.

단일 시스템에 여러 신재생 에너지원을 도입하게 되면 에너지원에서 부하로의 전력 흐름을 효과적으로 제어하며 메인 그리드가 연결된 상태에서는 문제가 됩니다. 따라서 발전된 전력이 손실되지 않도록 다양한 에너지 관리 전략을 채택합니다. 최적의 시스템은 배터리 스토리지 또는 디젤 발전기와 같은 백업 시스템과 함께 하이브리드 신재생 에너지 시스템을 사용하는 것입니다. 에너지 저장 시스템은 부하가 적은 경우 생성된 초과 에너지를 저장하는 데에도 유용합니다.

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이미지: 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스, Wenbo Shi

마이크로그리드의 에너지 관리 전략

위에서 설명한 바와 같이 최적의 에너지 관리 전략을 사용하면 시스템의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 이 전략은 최적의 자원 스케줄링을 제공하는 센서 입력과 고급 정보 기술을 기반으로 합니다. 이 기술의 목표는 전력 출력과 수명을 극대화하고 운영 및 환경 비용을 최소화하는 것입니다.

집중 제어 전략

이름에서 알 수 있듯이 집중 제어는 신재생 에너지원에서 발생된 전력, 기상 자료 등의 모든 정보를 획득하는 마스터 제어기 또는 중앙 제어기로 구성됩니다. 최적의 제어 변수를 전송하여 각 에너지원 장치의 전력 전자 인터페이스를 관리합니다. 이를 통해 정상 상태에서 유효 전력 및 무효 전력의 균형을 맞출 수 있습니다. 중앙 제어기를 사용하면 각 사용자의 에너지 소비 패턴을 분석하여 최적의 자원 스케줄링을 수행할 수 있습니다.

중앙 제어기와 분산 에너지원 내부의 모든 로컬 제어기 간에 통신 연결을 설정해야 합니다. 이러한 점은 단일 장애점으로 인해 이 시스템의 주요 단점이 되기도 합니다. 마스터 제어기가 오프라인 상태가 되면 로컬 제어기 간에 통신이 이루어지지 않고 전체 시스템이 손상됩니다.

분산 제어 전략

집중 제어 전략과 달리, 분산 제어의 로컬 제어기는 독립적으로 결정을 내릴 수 있습니다. 각 로컬 제어기는 최적의 설정을 제안하고 마스터 제어기로 구성을 전송하며, 여기서 최적의 자원 스케줄링을 평가하여 로컬 제어기로 다시 전송합니다. 이러한 작동 변수 합의 프로세스는 글로벌 목표 및 로컬 목표가 충족될 때까지 계속됩니다.

따라서 마스터 제어기에 장애가 발생하더라도 집중식 접근 방식에 비해 전체 시스템의 성능에 큰 영향을 미치지 않습니다. 이는 시스템의 신뢰성을 높입니다. 이 전략의 또 다른 이점은 시스템의 유연성이 향상된다는 것입니다. 여기서 중앙 제어기에 알리지 않고도 로컬 제어기를 추가하거나 제거할 수 있습니다. 유일한 단점은 로컬 제어기 간에 직접적인 통신이 없기 때문에 시스템의 확장성이 제한된다는 것입니다.

계층적 제어 전략

계층적 제어는 집중 제어와 분산 제어가 조합된 형태입니다. 여기서 로컬 제어기는 그룹으로 나뉘며 각 그룹에는 자체 중앙 제어기가 있습니다. 중앙 제어기는 마이크로그리드의 전반적인 상태를 알기 위해 서로 통신합니다. 여기서 장점은 로컬 제어기 간의 통신 속도가 매우 빠르고 대규모 환경에서 훨씬 더 확장 가능하고 강력하다는 것입니다.

이 전략은 제어 측면에서 세 가지 제어 수준(일차, 이차 및 삼차 제어)을 통해 세 가지 제어 루프를 구현하여 시스템의 신뢰성을 높입니다. 일차 제어 루프는 전압 제어를 담당하며 에너지원에 대한 플러그 앤 플레이 기능을 제공합니다. 이차 루프는 일차 루프로 인한 전압 편차를 보상합니다. 있거나 없을 수도 있는 삼차 루프는 메인 그리드가 있을 때 경제적 에너지 최적화 및 전력 흐름 제어를 담당합니다.

마이크로그리드의 효율적인 신재생 에너지 관리

부하 공급의 연속성을 보장하고 에너지 생산 비용을 낮추기 위해 하이브리드 재생 시스템에서 에너지 최적화 기술과 함께 에너지 관리 전략이 일반적으로 사용됩니다. 사용 중인 마이크로그리드 유형에 따라 집중식 또는 분산식으로 이 전략을 수행할 수 있습니다. 또한, 분산 에너지 시스템의 데이터 처리 문제를 해결하기 위해 향후 사물인터넷(IoT) 기반 기술을 활용할 수 있습니다.

실용적인 마이크로그리드를 구축하려면 고대역 갭(SiC) 및 광대역 갭(GaN)을 기반으로 하는 반도체를 통합하는 것이 효율적인 시스템의 핵심입니다. 인버터를 개발하려는 경우, Semikron Semisel과 같은 제조업체의 시뮬레이션 도구를 사용하여 부품의 변수를 결정할 수 있습니다. Arrow 제품 검색 페이지에 이러한 변수를 삽입하면 Semikron의 IGBT SKM450GB12T4와 같이 용도에 맞는 제품을 선택할 수 있습니다. 절연 구리 지지판이 있는 4세대 고속 트렌치 IGBT입니다. 마찬가지로 아날로그 디바이스(ADI), NXP 반도체인피니언 테크놀로지스와 같은 다른 제조업체의 유사한 제품도 사용할 수 있습니다.

[제공: https://www.arrow.com/]




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