마이크로그리드

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1. 개요

마이크로그리드는 기존 전력망과 달리, 분산된 전원을 효율적으로 활용하여 안정적인 전기 공급과 재생 에너지 이용을 가능하게 하는 소규모 전력망이다. 미국 에너지부는 마이크로그리드를 단일 제어 가능한 개체로 작동하는, 상호 연결된 부하 및 분산 에너지 자원의 그룹으로 정의하며, 전력망에 연결되거나 독립적으로 운영될 수 있다. 마이크로그리드는 캠퍼스/기관, 커뮤니티, 원격 독립형, 군사 기지, 상업 및 산업용 등 다양한 유형으로 구분되며, 분산 에너지 자원, 에너지 저장 장치, 부하, 공통 연결 지점 등으로 구성된다. AC, DC, 하이브리드 방식의 토폴로지를 가지며, 중앙 집중식 또는 분산 제어 방식을 사용한다. 마이크로그리드는 탄소 배출 감소, 에너지 공급 안정성, 자연 재해에 대한 보안 강화 등의 장점을 제공하지만, 양방향 전력 흐름, 안정성 문제, 모델링, 낮은 관성, 불확실성 등의 과제도 가지고 있다.

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마이크로그리드
개요
현대적인 마이크로그리드의 다이어그램
정의	특정 경계 내에서 전기를 공급하는 지역 제한적 전력망
구성 요소	분산 에너지원 에너지 저장 시스템 제어 시스템
연결 방식	그리드 연결 모드 독립 모드
특징
신뢰성	전력 공급 안정성 향상
효율성	에너지 효율 증가
비용 절감	에너지 비용 절감 가능
환경 친화성	재생 에너지 통합 용이
기술
분산 에너지 자원 (DER)	태양광 발전 풍력 발전 연료 전지 열병합 발전
에너지 저장 시스템 (ESS)	배터리 플라이휠 수소 에너지
제어 및 자동화	고급 미터링 인프라 (AMI) 마이크로그리드 컨트롤러 통신 네트워크
제어 전략
계층적 제어	중앙 집중식 및 분산 제어 결합
분산 제어	로컬 정보 기반 의사 결정
자율 제어	사전 프로그래밍된 규칙 기반 작동
응용 분야
캠퍼스	대학 및 기업 캠퍼스
군사 기지	전력 안정성 및 보안 강화
병원	필수 서비스의 무정전 전원 공급
농촌 지역	전력 접근성 향상
장점
탄력성	악천후 및 재해에 대한 복원력 강화
지속 가능성	탄소 배출량 감소
경제성	에너지 비용 절감 및 새로운 수익 창출
전력 품질	전압 및 주파수 안정성 향상
과제
기술적 과제	시스템 통합 제어 시스템 설계 사이버 보안
규제적 과제	상호 연결 표준 요금 구조 정책 지원
경제적 과제	초기 투자 비용 투자 수익률 자금 조달 모델
미래 전망
스마트 그리드 통합	스마트 그리드와의 상호 운용성 강화
에너지 관리 시스템	고급 에너지 관리 시스템 개발
분산 에너지 자원 확대	새로운 분산 에너지 자원 통합

2. 정의

기존의 전력 시스템은 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 단방향 구성이었다. 하지만 최근 전기를 생산하는 소비자, 즉 프로슈머가 등장했다. 이들은 기존 전력 시스템에서는 자급자족만 하고 남는 전기는 버려져 효율성이 떨어졌다.

마이크로그리드는 이러한 프로슈머들의 전기를 활용하여 전체 네트워크의 에너지를 극대화하는 기술이다. 발전소 중심의 전력 생산에서 벗어나, 양방향 송배전을 통해 다수의 프로슈머가 전력 생산을 분담하는 방식이다. 이를 통해 전원 분산으로 안정적인 전기 공급이 가능해지고, 재생가능 에너지의 효율적인 이용도 기대된다.

미국 에너지부(United States Department of Energy)는 마이크로그리드를 "전력망과 관련하여 단일 제어 가능한 개체로 작동하는, 명확하게 정의된 전기적 경계 내의 상호 연결된 부하 및 분산 에너지 자원의 그룹"으로 정의한다. 마이크로그리드는 전력망에 연결되거나 분리되어 그리드 연결 모드와 독립 운전 모드 모두에서 작동할 수 있다.^[6]^[7]

버클리 랩(Berkeley Lab)은 마이크로그리드를 "재해 발생 시 건물, 캠퍼스 또는 지역 사회에 전력을 공급할 수 있는 에너지 발전 및 에너지 저장 시설"로 정의하며, 유틸리티 그리드에서 분리 가능한 마이크로그리드를 '아이슬란드형 마이크로그리드'라고 한다.^[8]

EU 연구 프로젝트는 마이크로그리드를 마이크로터빈, 연료 전지, 태양광 발전(PV) 등 분산 에너지 자원(DER), 저장 장치(전기 배터리, 플라이휠 에너지 저장 장치) 및 유연한 부하를 갖춘 저전압(LV) 배전 시스템으로 설명한다. 이러한 시스템은 주 전력망에 연결되거나 분리되어 작동할 수 있으며, 효율적인 관리 및 조정 시 전체 시스템 성능에 이점을 제공할 수 있다.

Electropedia는 마이크로그리드를 배전 전압 레벨(최대 35kV의 저전압 및 중전압)에서 로컬 전력 시스템을 형성하는, 정의된 전기적 경계를 가진 상호 연결된 부하 및 분산 에너지 자원의 그룹으로 정의한다. 이는 단일 제어 가능한 개체로 작동하며 그리드 연결 모드 또는 독립 운전 모드에서 작동할 수 있다.^[10]

Microgrid Knowledge는 마이크로그리드를 "대학 캠퍼스, 병원 단지, 비즈니스 센터 또는 인근 지역과 같은 특정 지리적 영역에 서비스를 제공하는 자급자족 에너지 시스템"으로 정의한다.^[12]

그리드 연결 모드의 재생 에너지 자원을 갖춘 전기 기반 마이크로그리드의 일반적인 구성표

3. 유형

마이크로그리드는 그 특성과 용도에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있다.

캠퍼스/기관 마이크로그리드: 대학교나 병원과 같이 좁은 지역에 위치한 여러 건물의 전력 수요를 충족시키기 위해 사용된다. 소유자가 쉽게 관리할 수 있다는 장점이 있다.^[15]^[16]
커뮤니티 마이크로그리드: 여러 가구, 심지어 수천 명의 고객에게 전력을 공급하며, 지역 사회의 에너지(전기, 난방, 냉방) 공급을 지원한다.^[17] 일부 가구는 자체적으로 재생 에너지원을 보유하여 지역 사회 내에서 에너지 공유를 가능하게 할 수 있다.
원격 독립형 마이크로그리드: 지리적, 경제적 이유로 전력망에 연결되지 않고 독립적으로 운영된다.^[15]^[19] 주로 송전 및 배전 시설에서 멀리 떨어진 지역에 구축된다.^[15]^[19] 재생 에너지원을 활용하면 장기적으로 전력 생산 비용을 절감할 수 있다.^[20]^[21]
군사 기지 마이크로그리드: 군사 시설의 안정적인 전력 공급과 물리적, 사이버 보안을 위해 사용된다.^[15]^[34]
상업 및 산업용 (C&I) 마이크로그리드: 북미와 동아시아에서 빠르게 성장하고 있으며, 주로 전력 공급의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위해 사용된다.^[15]^[19] 정전으로 인한 수익 손실과 가동 중단 시간을 최소화해야 하는 제조 공정에서 유용하다.^[15]^[19]

3. 1. 캠퍼스/기관 마이크로그리드

캠퍼스 마이크로그리드는 소유자가 쉽게 관리할 수 있는 좁은 지리적 영역에 위치한 여러 부하를 지원하기 위해 기존의 현장 발전을 통합하는 데 중점을 둔다.^[15]^[16]

3. 2. 커뮤니티 마이크로그리드

지역 마이크로그리드는 수천 명의 고객에게 서비스를 제공하고 지역 에너지(전기, 난방, 냉방) 보급을 지원할 수 있다.^[17] 일부 가구는 자체 수요 및 지역 사회 내 이웃의 수요를 충족할 수 있는 재생 에너지원을 가질 수 있다. 지역 마이크로그리드는 중앙 집중식 또는 여러 분산 에너지 저장소를 가질 수도 있다. 이러한 마이크로그리드는 양방향 전력 전자 변환기를 통해 함께 연결된 교류(AC) 및 직류(DC) 마이크로그리드 형태로 존재할 수 있다.^[18]

3. 3. 원격 독립형 마이크로그리드

이러한 마이크로그리드는 일반적으로 매크로그리드에 연결하도록 설계되거나 의도되지 않으며, 경제적 문제나 지리적 위치로 인해 항상 독립 운전 모드로 작동한다. 일반적으로 "독립형" 마이크로그리드는 송전 및 배전 기반 시설에서 멀리 떨어진 지역에 구축되므로, 유틸리티 그리드와 연결되지 않는다.^[15]^[19] 연구에 따르면, 재생 에너지원을 주로 사용하는 원격 지역 또는 섬의 독립형 마이크로그리드를 운영하면 해당 마이크로그리드 프로젝트의 수명 동안 전력 생산의 균등화된 비용을 절감할 수 있다.^[20]^[21] 어떤 경우에는 독립형 마이크로그리드가 실제로 국가 그리드 또는 '매크로그리드'에 통합되기도 하는데, 이는 기술적, 규제적, 법적 계획이 필요한 과정이다.^[22]

넓은 원격 지역은 각기 다른 소유자(운영자)를 가진 여러 개의 독립적인 마이크로그리드에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 이러한 마이크로그리드는 전통적으로 에너지 자급자족하도록 설계되었지만, 간헐적인 재생 에너지원과 그 예상치 못한 급격한 변동은 해당 마이크로그리드에서 예상치 못한 전력 부족 또는 과잉 생산을 유발할 수 있다. 에너지 저장 및 스마트 제어가 없으면, 이는 마이크로그리드에서 즉시 허용할 수 없는 전압 또는 주파수 편차를 발생시킨다. 이러한 상황을 해결하기 위해 전력 교환을 하고 전압 및 주파수 편차를 개선하기 위해, 적절한 인접 마이크로그리드에 임시로 상호 연결하는 것이 가능하다.^[23]^[24] 이는 적절한 동기화^[27] 후에 전력 전자 기반 스위치^[25]^[26]를 사용하거나, 두 개의 전력 전자 변환기를 백 투 백(back to back)으로 연결^[28]하고, 새로운 시스템의 안정성을 확인한 후에 달성할 수 있다. 인접 마이크로그리드를 상호 연결해야 할 필요성을 결정하고, 결합할 적절한 마이크로그리드를 찾는 것은 최적화^[29] 또는 의사 결정^[30] 접근 방식을 통해 달성할 수 있다.

원격 독립형 마이크로그리드는 종종 작고 처음부터 구축되기 때문에, 전 세계 전력 부문의 모범 사례를 통합하고 에너지 혁신을 통합하고 추진할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.^[31] 현재 원격 독립형 마이크로그리드가 재생 에너지로 대량 전력을 공급받고, 고객 수준의 스마트 제어로 운영되는 것을 흔히 볼 수 있는데, 이는 기존의 이해 관계와 오래된 기존 인프라로 인해 대규모 전력 부문에서 항상 쉽게 구현할 수 있는 것은 아니다.^[32]^[33]

3. 4. 군사 기지 마이크로그리드

이러한 마이크로그리드는 매크로그리드에 의존하지 않고 안정적인 전력을 보장하기 위해 군사 시설의 물리적 및 사이버 보안에 중점을 두고 적극적으로 배치되고 있다.^[15]^[34]

3. 5. 상업 및 산업용 (C&I) 마이크로그리드

상업 및 산업(C&I) 마이크로그리드는 북미와 동아시아에서 빠르게 성숙하고 있지만, 이러한 유형의 마이크로그리드에 대한 잘 알려진 표준이 부족하여 전 세계적으로 제한을 받고 있다. 산업용 마이크로그리드 설치의 주요 이유는 전력 공급의 보안과 신뢰성이다. 정전으로 인해 높은 수익 손실과 긴 가동 중단 시간이 발생할 수 있는 많은 제조 공정이 있다.^[15]^[19] 산업용 마이크로그리드는 순환 경제의 (거의) 제로 배출 산업 공정을 공급하도록 설계할 수 있으며, 재생 가능 에너지원과 폐기물 처리 모두에서 공급되는 열병합 발전을 통합할 수 있고, 에너지 저장을 추가로 사용하여 이러한 하위 시스템의 운영을 최적화할 수 있다.^[35] 마이크로그리드는 또한 복원력 또는 경제적 이유로 대량의 발전을 갖춘 대형 상업 소매업체에 의해 고정될 수 있다.^[36]

4. 구성 요소

마이크로그리드는 기존 전력 시스템과 달리, 전기를 생산하는 프로슈머들이 참여하는 양방향 송배전 시스템이다. 마이크로터빈, 연료 전지, 태양광 발전 등 다양한 방식으로 전력을 생산하며, 남는 전기는 마이크로그리드 네트워크를 통해 효율적으로 활용된다. 이러한 분산 전원 시스템은 안정적인 전기 공급을 가능하게 하고, 재생가능 에너지의 활용도를 높인다.

독일 프라이부르크에 위치한 지속 가능한 주거 커뮤니티 프로젝트인 태양광 주거 단지.

마이크로그리드는 일반적으로 다음과 같은 요소로 구성된다.

분산 에너지 자원 (DER): 전력을 생산하는 설비와 에너지 저장 장치를 포함한다.
에너지 저장 장치 (ESS): 전력 품질, 주파수 및 전압 조정, 신재생 에너지원의 출력 안정화 등의 기능을 수행한다.
부하: 전기, 열, 냉방을 소비하는 요소를 말한다.
공통 연결 지점 (PCC): 주 전력망에 연결되는 지점이다. PCC가 없는 마이크로그리드는 독립형 마이크로그리드라고 하며, 주로 외딴 지역에 위치한다.

4. 1. 분산 에너지 자원 (DER)

마이크로그리드는 기존 전력 시스템의 단방향 전력 공급 방식에서 벗어나, 전기를 생산하는 프로슈머들의 분산 에너지 자원 (DER)을 활용한다. 이들은 마이크로터빈, 연료 전지, 태양광 발전(PV) 등 다양한 방식으로 전력을 생산하고, 전기 배터리, 플라이휠 에너지 저장 장치 등의 저장 장치를 통해 에너지를 저장한다.^[9]

미국 에너지부(United States Department of Energy)는 마이크로그리드를 "전력망과 관련하여 단일 제어 가능한 개체로 작동하는, 명확하게 정의된 전기적 경계 내의 상호 연결된 부하 및 분산 에너지 자원의 그룹"으로 정의하며, 전력망 연결 및 독립 운전이 모두 가능하다.^[6]^[7] 버클리 랩(Berkeley Lab)은 재해 발생 시 건물, 캠퍼스 등에 전력을 공급할 수 있는 에너지 발전 및 저장 시설로 정의한다.^[8] Electropedia는 최대 35kV의 저전압 및 중전압 배전 전압 레벨에서 로컬 전력 시스템을 형성하는, 정의된 전기적 경계를 가진 상호 연결된 부하 및 분산 에너지 자원의 그룹을 마이크로그리드라고 정의하며, 이는 단일 제어 개체로 작동하고 그리드 연결 또는 독립 운전 모드에서 작동할 수 있다.^[10]

마이크로그리드는 열 에너지원(예: 천연 가스, 바이오가스 발전기, 마이크로 열병합 발전)과 신재생 발전원(예: 풍력 터빈, 태양광)을 모두 활용하여 전력, 난방, 냉방을 사용자에게 제공한다.

4. 2. 에너지 저장 장치 (ESS)

마이크로그리드에서 에너지 저장은 전력 품질 보장, 주파수 및 전압 조정, 신재생 에너지원의 출력 평활화, 시스템 백업 전력 제공, 비용 최적화 등 여러 기능을 수행한다. 에너지 저장은 화학적, 전기적, 압력, 중력, 플라이휠, 열 저장 기술을 조합하여 이루어질 수 있다.^[38]

여러 용량의 에너지 저장 장치가 사용될 때, 소형 에너지 저장 장치가 대형 용량 장치보다 먼저 방전되지 않고, 대형 용량 장치가 완전히 충전되기 전에 소형 저장 장치가 완전히 충전되지 않도록 충전 및 방전을 조정하는 것이 좋다. 이는 충전 상태를 기반으로 에너지 저장 장치를 제어하여 달성할 수 있다.^[38]

여러 에너지 저장 시스템(다양한 기술로 작동)이 단일 감독 장치(에너지 관리 시스템)에 의해 제어되는 경우, 마스터/슬레이브 아키텍처를 기반으로 하는 계층적 제어가 특히 독립 모드에서 최상의 작동을 보장할 수 있다.^[35]

4. 3. 부하

마이크로그리드에서 소비는 전기, 열, 냉방을 소비하는 요소를 의미하며, 이는 단일 장치에서부터 건물, 상업 센터 등의 조명 및 난방 시스템에 이르기까지 다양하다. 제어 가능한 부하의 경우, 전기 소비는 네트워크의 수요에 따라 수정될 수 있다.

4. 4. 공통 연결 지점 (PCC)

공통 연결 지점(PCC)은 마이크로그리드가 주 전력망에 연결되는 전기 회로의 지점이다.^[39] PCC가 없는 마이크로그리드는 독립형 마이크로그리드라고 하며, 주로 기술적 또는 경제적 제약으로 인해 주 전력망과의 연결이 불가능한 원격지(예: 외딴 지역 사회 또는 원격 산업 현장)에 존재한다.

5. 토폴로지

다양한 유형의 공급원으로부터 전력망으로 에너지 흐름을 관리하기 위한 아키텍처가 필요하다. 따라서 마이크로그리드는 세 가지 토폴로지로 분류할 수 있다.^[37]

5. 1. AC 마이크로그리드

AC 출력을 갖는 전원은 AC/AC 컨버터를 통해 AC 버스에 연결되는데, 이 컨버터는 가변 주파수 및 전압을 다른 주파수와 전압의 AC 파형으로 변환한다. 반면 DC 출력을 갖는 전원은 DC/AC 컨버터를 사용하여 AC 버스에 연결된다.

5. 2. DC 마이크로그리드

DC 마이크로그리드 토폴로지에서, 직류 출력을 갖는 전원은 DC 버스에 직접 연결되거나 DC-DC 컨버터를 통해 연결된다. 반면에, 교류 출력을 갖는 전원은 AC-DC 컨버터를 통해 DC 버스에 연결된다.

5. 3. 하이브리드 마이크로그리드

하이브리드 마이크로그리드는 교류(AC) 및 직류(DC) 전원 출력을 모두 지원하는 토폴로지를 갖추고 있다. 또한, 교류 및 직류 버스는 양방향 컨버터를 통해 서로 연결되어 있어 두 버스 간에 양방향으로 전력 흐름이 가능하다.

6. 제어

마이크로그리드 제어에는 중앙 집중식과 분산 방식의 두 가지 접근 방식이 있다. 중앙 집중식 제어는 단일 지점에서 결정을 내리기 위해 많은 정보 전송이 필요하며, 광범위한 지리적 위치와 수많은 장치를 포함하는 상호 연결된 전력 시스템에서는 구현이 어렵다. 분산 제어는 각 장치가 자체 로컬 컨트롤러에 의해 제어되므로 다른 장치의 상황을 알 필요가 없다.^[57] 이러한 두 방식의 절충안으로 1차, 2차, 3차의 세 가지 제어 레벨로 구성된 계층적 제어 방식^[58]이 있다.^[41]^[42]^[59]

6. 1. 계층적 제어

마이크로그리드 제어 또는 모든 제어 문제와 관련하여, 중앙 집중식^[41]^[55] 및 분산^[56]의 두 가지 다른 접근 방식을 식별할 수 있다. 완전한 중앙 집중식 제어는 단일 지점에서 결정이 내려지기 전에 관련 장치 간의 많은 양의 정보 전송에 의존한다. 상호 연결된 전력 시스템은 일반적으로 광범위한 지리적 위치를 포괄하고 엄청난 수의 장치를 포함하므로 구현이 어렵다. 반면에 완전한 분산 제어에서는 각 장치가 다른 장치의 상황을 알지 못한 채 자체 로컬 컨트롤러에 의해 제어된다.^[57] 이러한 두 가지 극단적인 제어 방식 간의 타협점은 1차, 2차 및 3차의 세 가지 제어 레벨로 구성된 계층적 제어 방식^[58]을 통해 달성할 수 있다.^[41]^[42]^[59]

6. 2. IEEE 2030.7

전기 전자 기술자 협회(IEEE)의 제어기 프레임워크는 유틸리티의 영향을 덜 받으며, IEEE 2030.7이 있다.^[63] 이 개념은 다음 4개의 블록에 의존한다.

a) 장치 수준 제어(예: 전압 및 주파수 제어)

b) 근거리 제어(예: 데이터 통신)

c) 감독(소프트웨어) 제어(예: 발전 및 부하 자원의 미래 지향적 분산 최적화)

d) 그리드 계층(예: 유틸리티와의 통신)

7. 장점 및 과제

마이크로그리드는 기존 전력 시스템의 단방향 전력 공급 방식과 달리, 전기를 직접 생산하는 프로슈머의 등장으로 양방향 송배전이 가능해진 기술이다. 프로슈머는 기존 시스템에서는 자급자족만 하고 남는 전기는 버려 효율성이 떨어졌지만, 마이크로그리드를 통해 전체 네트워크의 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 이는 발전소 중심의 전력 생산에서 벗어나 다수의 프로슈머가 전력 생산을 분담하는 방식으로, 전원 분산을 통해 안정적인 전기 공급과 재생가능 에너지의 효율적 이용을 가능하게 한다.

7. 1. 장점

기존의 전력 시스템은 발전소에서 생산된 전기를 소비자에게 전달하는 단방향 구성이었다. 하지만 전기를 직접 생산하여 공급자 역할까지 하는 프로슈머가 등장하였다. 이들은 기존 전력 시스템에서는 자급자족만 하였고, 전체 계통망에는 기여하지 않았다. 생산되고 남은 전기는 대부분 버릴 수밖에 없어 효율성이 떨어졌다.

마이크로그리드는 이들이 생산하는 전기를 활용하여 전체 네트워크의 에너지를 극대화하기 위한 기술이다. 발전소에서만 전기를 생산하는 것이 아니라 양방향 송배전을 바탕으로 다수의 프로슈머가 전력망의 전력 생산을 맡게 된다. 전원이 분산됨에 따라 안정적인 전기 공급이 가능해지고, 재생 가능 에너지의 효율적인 이용도 가능할 것으로 예상된다.

마이크로그리드는 계통 연계 모드와 독립 운전 모드로 작동할 수 있으며, 두 모드 간의 전환을 처리할 수 있다.^[40] 계통 연계 모드에서는 보조 서비스가 마이크로그리드와 주 계통 간의 거래 활동을 통해 제공될 수 있다. 독립 운전 모드에서는 에너지 저장 시스템에서 제공되는 것을 포함하여 마이크로그리드 내에서 생성된 유효 전력 및 무효 전력이 지역 부하의 수요와 균형을 이루어야 한다. 마이크로그리드는 재생 에너지원의 전력을 사용할 수 없는 기간 동안 탄소 배출량 감소의 필요성과 지속적인 신뢰할 수 있는 전력 에너지 제공의 균형을 맞추는 옵션을 제공한다. 또한, 대규모 자산과 수 마일에 걸친 지상 전선 및 기타 전력 기반 시설이 없어, 심각한 기상 이변 및 자연 재해로부터 보호되는 보안을 제공한다.^[41]^[42]

마이크로그리드는 정기적인 유지 보수, 전력 품질 저하 또는 호스트 계통의 부족, 지역 계통의 고장 또는 경제적인 이유로 이러한 두 가지 모드 사이에서 전환될 수 있다.^[42]^[43] 마이크로그리드 구성 요소를 통해 에너지 흐름을 수정함으로써, 마이크로그리드는 국가 배전 시스템을 재설계할 필요 없이 태양광, 풍력 및 연료 전지 발전과 같은 재생 에너지의 통합을 용이하게 한다.^[43]^[44]^[45] 현대적인 최적화 방법을 마이크로그리드 에너지 관리 시스템에 통합하여 효율성, 경제성 및 탄력성을 향상시킬 수도 있다.^[41]^[46]^[45]^[47]

7. 2. 과제

기존 전력 시스템은 발전소에서 소비자로 전기를 단방향으로 전달했지만, 마이크로그리드는 전기를 생산하는 소비자(프로슈머)의 등장으로 양방향 송배전이 가능해지면서 여러 운영상의 과제를 안고 있다. 이러한 과제들은 기존 배전 시스템의 가정들이 더 이상 유효하지 않거나, 송전 시스템 수준에서만 관찰되던 안정성 문제의 결과이다.^[42]

'''양방향 전력 흐름''': 분산 발전 (DG) 장치는 전력 흐름을 역전시켜 보호 협조, 전력 흐름 패턴, 고장 전류 분포 및 전압 제어에 복잡성을 야기한다.^[42]
'''안정성 문제''': DG 장치 제어 시스템 간 상호 작용은 국부적인 진동을 유발할 수 있다. 계통 연계 모드와 계통 분리 모드 간 전환은 과도 안정성을 저해할 수 있다.^[48]^[42] 직류(DC) 마이크로그리드 인터페이스는 더 간단한 제어 구조, 효율적인 배전, 높은 전류 전달 용량을 제공할 수 있다.^[49]^[50]
'''모델링''': 마이크로그리드는 3상 평형 조건, 유도성 송전선, 정전력 부하와 같은 기존 방식의 특성이 적용되지 않아 모델 수정이 필요하다.^[42]
'''낮은 관성''': 마이크로그리드는 낮은 관성 특성을 가지며, 전력 전자 인터페이스 DG 장치의 비중이 클 경우 더욱 심화된다. 이는 계통 분리 모드 작동 시 심각한 주파수 편차를 초래할 수 있다.^[42] 싱크로버터는 동기 발전기를 모방하여 주파수 제어를 제공한다. 배터리 에너지 저장 장치나 플라이휠을 제어하여 주파수를 균형 맞추는 방법도 있다.^[51]
'''불확실성''': 마이크로그리드 운영은 부하 프로파일, 날씨 등 많은 불확실성을 포함한다. 고립된 마이크로그리드에서는 이러한 불확실성이 더 커져서 수요-공급 균형을 맞추기 어렵게 만든다.^[42]

8. 해외 사례

UNDP(유엔 개발 계획)의 "예멘 농촌 회복력 강화"(ERRY) 프로젝트는 지역 사회 소유의 태양광 마이크로그리드를 사용한다. 시간당 2cent의 에너지 비용을 절감한다(디젤 발전으로 생산된 전기는 시간당 42cent). 2020년 애쉬든 어워드 인도주의적 에너지 부문에서 수상했다.^[66]

2020년 봄에 시작된 2년 간의 시범 프로그램인 Harmon’Yeu는 케르 피소(Ker Pissot) 지역과 주변 지역의 23개 가구를 스마트 그리드로 자동화된 마이크로그리드를 통해 연결하는 것이었으며, 이는 Engie의 소프트웨어를 사용했다. 최대 용량 23.7kW의 태양광 패널 64개가 5채의 주택에 설치되었고, 저장 용량 15kWh의 배터리가 1채의 주택에 설치되었다. 6채의 주택은 잉여 태양 에너지를 온수 히터에 저장한다. 동적 시스템은 태양광 패널에서 제공되고 배터리 및 온수 히터에 저장된 에너지를 23채의 주택 시스템에 분배한다. 스마트 그리드 소프트웨어는 5분 간격으로 에너지 공급과 수요를 동적으로 업데이트하여 배터리 또는 패널에서 에너지를 가져올지, 그리고 언제 온수 히터에 저장할지를 결정한다. 이 시범 프로그램은 프랑스에서 최초로 시행된 프로젝트였다.

무선으로 관리되는 마이크로그리드는 아이티 레장글레의 시골 지역에 배치되었다.^[69] 이 시스템은 클라우드 기반 모니터링 및 제어 서비스, 로컬 임베디드 게이트웨이 인프라, 500개 이상의 건물에 배치된 무선 스마트 미터의 메시 네트워크로 구성된 3단계 아키텍처를 갖추고 있다.^[31]

개발 도상국에서 신뢰할 수 있는 전기 서비스를 제공할 때 비기술적 손실(NTL)은 주요 과제로, 총 발전 용량의 11~15%를 차지하는 경우가 많다.^[70] 레장글레에 배치된 430가구 규모의 마이크로그리드에서 72일 동안 수집된 무선 미터 데이터를 기반으로 한 광범위한 데이터 기반 시뮬레이션을 통해 NTL을 총 전력 손실과 구별하여 에너지 절도 감지에 기여하는 방법을 조사했다.^[71]

음페케토니 전력 프로젝트는 음페케토니 인근 케냐 시골 지역에 설치된 지역 사회 기반 디젤 발전 마이크로그리드 시스템이다. 이러한 마이크로그리드의 설치로 인해 음페케토니는 인프라가 크게 성장했다. 이러한 성장에는 근로자당 생산성 증가(100%~200%)와 제품에 따라 소득 수준 증가(20%~70%)가 포함된다.^[72]

캘리포니아주 소노마에 위치한 마이크로 터빈, 연료 전지, 다중 배터리, 수소 전해조 및 태양광 발전(PV) 설비를 갖춘 와이너리가 있다.^[73]^[74]

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