디젤발전기와 에너지저장장치 연계문제 분석

디젤 발전기 세트와 에너지 저장 시스템의 상호 연결에 관한 네 가지 핵심 쟁점에 대한 자세한 영어 설명입니다. 이 하이브리드 에너지 시스템(흔히 "디젤 + 에너지 저장" 하이브리드 마이크로그리드라고 함)은 효율 향상, 연료 소비 감소, 안정적인 전력 공급을 위한 첨단 솔루션이지만, 제어가 매우 복잡합니다.

핵심 이슈 개요

1. 100ms 역방향 전력 문제: 에너지 저장 장치가 디젤 발전기에 전력을 역으로 공급하는 것을 방지하여 발전기를 보호하는 방법.
2. 일정한 출력: 디젤 엔진을 고효율 구역에서 지속적으로 작동시키는 방법.
3. 에너지 저장 장치의 갑작스러운 분리: 에너지 저장 시스템이 네트워크에서 갑자기 분리될 때 발생하는 영향을 처리하는 방법.
4. 무효전력 문제: 전압 안정성을 보장하기 위해 두 전원 간의 무효전력 공유를 조정하는 방법.

1. 100ms 역방향 전력 문제

문제 설명:
역전력은 전기 에너지가 에너지 저장 시스템(또는 부하)에서 디젤 발전기로 다시 흐를 때 발생합니다. 디젤 엔진의 경우, 이는 엔진을 구동하는 "모터"와 같은 역할을 합니다. 이는 매우 위험하며 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다.

• 기계적 손상: 엔진의 비정상적인 구동으로 인해 크랭크샤프트와 커넥팅로드와 같은 부품이 손상될 수 있습니다.
• 시스템 불안정성: 디젤 엔진의 속도(주파수)와 전압에 변동을 일으켜 잠재적으로 정지로 이어질 수 있습니다.

디젤 발전기는 기계적 관성이 크고 속도 조절 시스템의 응답 속도가 느리기 때문에(일반적으로 수초 정도) 100ms 이내에 이 문제를 해결해야 합니다. 디젤 발전기는 스스로 이 전기적 역류를 신속하게 억제할 수 없습니다. 이 작업은 에너지 저장 시스템의 초고속 전력 변환 시스템(PCS)이 처리해야 합니다.

해결책:

• 핵심 원리: "디젤이 앞서고, 에너지 저장이 따른다." 전체 시스템에서 디젤 발전기 세트는 "전력망"과 유사하게 전압 및 주파수 기준 소스(즉, V/F 제어 모드) 역할을 합니다. 에너지 저장 시스템은 정전력(PQ) 제어 모드로 작동하며, 출력 전력은 마스터 컨트롤러의 명령에 의해서만 결정됩니다.
• 제어 논리:
  1. 실시간 모니터링: 시스템 마스터 컨트롤러(또는 저장 PCS 자체)는 출력 전력을 모니터링합니다(P_디젤) 및 디젤 발전기의 방향을 매우 빠른 속도(예: 초당 수천 회)로 실시간으로 제어합니다.
  2. 전력 설정점: 에너지 저장 시스템의 전력 설정점(P_세트)을 만족해야 합니다.P_로드(총 부하 전력) =P_디젤+P_세트.
  3. 급속 조정: 부하가 갑자기 감소하여 발생하는 경우P_디젤음수 추세를 유지하려면 컨트롤러가 몇 밀리초 이내에 저장 PCS에 명령을 전송하여 방전 전력을 즉시 줄이거나 흡수 전력(충전)으로 전환해야 합니다. 이렇게 하면 과도한 에너지가 배터리로 흡수되어P_디젤여전히 긍정적입니다.
• 기술적 보호 조치:
  • 고속 통신: 디젤 컨트롤러, 저장 PCS, 시스템 마스터 컨트롤러 간에는 최소한의 명령 지연을 보장하기 위해 고속 통신 프로토콜(예: CAN 버스, 고속 이더넷)이 필요합니다.
  • PCS 신속한 대응: 최신 저장 PCS 장치는 종종 10ms 이내인 100ms보다 훨씬 빠른 전력 대응 시간을 제공하므로 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
  • 중복 보호: 제어 링크 외에, 역전력 보호 계전기는 일반적으로 디젤 발전기 출력에 최종 하드웨어 장벽으로 설치됩니다. 그러나 작동 시간이 수백 밀리초에 불과할 수 있으므로, 주로 백업 보호 역할을 하며, 핵심적인 급속 보호는 제어 시스템에 의존합니다.

2. 일정한 전력 출력

문제 설명:
디젤 엔진은 정격 출력의 약 60%~80% 부하 범위에서 최대 연비와 최저 배출량으로 작동합니다. 부하가 낮으면 "습식 스태킹"과 탄소 축적이 발생하고, 부하가 높으면 연료 소비가 급격히 증가하고 수명이 단축됩니다. 디젤 엔진의 목표는 부하 변동으로부터 디젤 엔진을 분리하여 효율적인 설정점에서 안정적으로 유지하는 것입니다.

해결책:

• "피크 쉐이빙 및 밸리 필링" 제어 전략:
  1. 기준점 설정: 디젤 발전기 세트는 최적의 효율점(예: 정격 전력의 70%)으로 설정된 일정한 전력 출력으로 작동합니다.
  2. 보관 규정:
     • 부하 수요 > 디젤 설정점일 때: 부족한 전력(P_load - P_diesel_set)은 에너지 저장 시스템의 방전으로 보완됩니다.
     • 부하 수요 < 디젤 설정점일 때: 초과 전력(P_diesel_set - P_load)은 에너지 저장 시스템 충전에 의해 흡수됩니다.
• 시스템 이점:
  • 디젤 엔진은 지속적으로 높은 효율로 원활하게 작동하여 수명을 연장하고 유지 관리 비용을 절감합니다.
  • 에너지 저장 시스템은 급격한 부하 변동을 완화하여 잦은 디젤 부하 변화로 인한 비효율성과 마모를 방지합니다.
  • 전반적인 연료 소비량이 크게 감소합니다.

3. 에너지 저장의 갑작스러운 단절

문제 설명:
에너지 저장 시스템은 배터리 고장, PCS 고장 또는 보호 트립으로 인해 갑자기 오프라인 상태가 될 수 있습니다. 이전에 저장 장치에서 처리되던 전력(발전 또는 소비)은 즉시 디젤 발전기 세트로 완전히 전환되어 대규모 전력 쇼크를 발생시킵니다.

위험 요소:

• 저장소가 방전(부하를 지지) 중일 경우, 저장소가 분리되면 전체 부하가 디젤로 전환되어 과부하, 주파수(속도) 저하 및 보호적 정지가 발생할 가능성이 있습니다.
• 저장소가 충전 중(과잉 전력을 흡수 중)인 경우, 저장소가 분리되면 디젤의 과잉 전력이 이동할 곳이 없어 역전력 및 과전압이 발생할 가능성이 있으며, 또한 정지가 유발됩니다.

해결책:

• 디젤 사이드 스피닝 예비력: 디젤 발전기 세트는 최적 효율점만을 고려하여 설계해서는 안 됩니다. 동적 예비 용량을 확보해야 합니다. 예를 들어, 최대 시스템 부하가 1000kW이고 디젤 발전기가 700kW로 작동하는 경우, 디젤 발전기의 정격 용량은 700kW + 최대 잠재 단계 부하(또는 저장 장치의 최대 전력)보다 커야 합니다. 예를 들어, 1000kW 용량의 발전기를 선택하여 저장 장치 고장 시 300kW의 완충 용량을 확보하는 것입니다.
• 빠른 부하 제어:
  1. 시스템 실시간 모니터링: 저장 시스템의 상태와 전력 흐름을 지속적으로 모니터링합니다.
  2. 오류 감지: 갑작스러운 저장 분리를 감지하면 마스터 컨트롤러는 즉시 디젤 컨트롤러에 빠른 부하 감소 신호를 보냅니다.
  3. 디젤 반응: 디젤 컨트롤러는 새로운 부하에 맞춰 출력을 낮추기 위해 즉각적으로 작동합니다(예: 연료 분사를 빠르게 줄여서). 회전 예비 용량은 이러한 느린 기계적 반응에 필요한 시간을 벌어줍니다.
• 최후의 수단: 부하 차단: 디젤 발전기가 감당하기에는 전력 충격이 너무 클 경우, 가장 신뢰할 수 있는 보호 방법은 중요 부하와 발전기 자체의 안전을 우선시하여 비임계 부하를 차단하는 것입니다. 부하 차단 방식은 시스템 설계에 필수적인 보호 요건입니다.

4. 무효전력 문제

문제 설명:
무효전력은 자기장을 형성하는 데 사용되며, 교류 시스템에서 전압 안정도를 유지하는 데 필수적입니다. 디젤 발전기와 저장용 PCS 모두 무효전력 조절에 참여해야 합니다.

• 디젤 발전기: 여자 전류를 조절하여 무효 전력 출력과 전압을 제어합니다. 무효 전력 용량이 제한적이며 응답 속도가 느립니다.
• 저장 PCS: 대부분의 최신 PCS 장치는 4분면으로 구성되어 있어 무효 전력을 독립적이고 빠르게 주입하거나 흡수할 수 있습니다(피상 전력 정격 kVA를 초과하지 않는 경우).

과제: 두 장치를 과부하시키지 않고 시스템 전압 안정성을 보장하기 위해 두 장치를 어떻게 조정할 것인가.

해결책:

• 제어 전략:
  1. 디젤 발전기가 전압을 제어합니다. 디젤 발전기 세트는 V/F 모드로 설정되어 시스템의 전압 및 주파수 기준을 설정합니다. 이는 안정적인 "전압원"을 제공합니다.
  2. 저장소는 반응형 규제에 참여합니다(선택 사항):
     • PQ 모드: 저장소는 활성 전력만 처리합니다(P), 무효 전력(Q)을 0으로 설정합니다. 디젤은 모든 무효 전력을 공급합니다. 이는 가장 간단한 방법이지만 디젤에 부담을 줍니다.
     • 무효 전력 분배 모드: 시스템 마스터 컨트롤러는 무효 전력 명령을 보냅니다(Q_세트)을 현재 전압 조건에 따라 저장 PCS에 연결합니다. 시스템 전압이 낮으면 저장 장치에 무효 전력을 주입하도록 명령하고, 높으면 저장 장치에 무효 전력을 흡수하도록 명령합니다. 이를 통해 디젤 엔진의 부하를 줄여 유효 전력 출력에 집중할 수 있으며, 동시에 더욱 정밀하고 빠른 전압 안정화를 제공합니다.
     • 역률(PF) 제어 모드: 목표 역률(예: 0.95)이 설정되고, 저장 장치는 자동으로 무효 출력을 조정하여 디젤 발전기 단자에서 일정한 전체 역률을 유지합니다.
• 용량 고려 사항: 저장용 PCS는 충분한 피상 전력 용량(kVA)을 고려하여 설계되어야 합니다. 예를 들어, 500kW 용량의 PCS가 400kW의 유효 전력을 출력하면 최대제곱(500² - 400²) = 300kVAr무효 전력의 경우. 무효 전력 수요가 높으면 더 큰 PCS가 필요합니다.

요약

디젤 발전기 세트와 에너지 저장 장치 간의 안정적인 상호 연결을 성공적으로 달성하려면 계층적 제어가 필요합니다.

1. 하드웨어 계층: 빠르게 반응하는 저장 PCS와 고속 통신 인터페이스를 갖춘 디젤 발전기 컨트롤러를 선택하세요.
2. 제어 계층: "디젤은 V/F를 설정하고, 저장 장치는 PQ를 설정한다"는 기본 아키텍처를 채택합니다. 고속 시스템 컨트롤러는 유효 전력 "피크 감축/밸런스 충전" 및 무효 전력 지원을 위한 실시간 전력 공급을 수행합니다.
3. 보호 계층: 시스템 설계에는 포괄적인 보호 계획이 포함되어야 합니다. 즉, 저장소의 갑작스러운 분리를 처리하기 위한 역전원 보호, 과부하 보호, 부하 제어(부하 차단 포함) 전략이 포함되어야 합니다.

위에 설명한 솔루션을 통해 귀하가 제기한 네 가지 핵심 문제를 효과적으로 해결하여 효율적이고 안정적이며 신뢰할 수 있는 디젤-에너지 저장 하이브리드 발전 시스템을 구축할 수 있습니다.