그리드 연계형 대비 독립형 마이크로그리드: 주요 차이점 및 장비 요구 사항

마이크로그리드는 그리드 연결 모드와 오프그리드 모드라는 두 가지 기본 운전 모드를 갖는다. 이 두 모드는 제어 논리, 장비 선정, 보호 설정 측면에서 명확히 구분된다. 이러한 차이를 이해하는 것은 프로젝트 초기 단계에서 장비를 선정하는 데 있어 기초가 된다.

1. 두 유형의 마이크로그리드 작동 방식

그리드 연결 운전 시 마이크로그리드는 공통 결합 지점(PCC)을 통해 외부 주 그리드에 연결된다. 주 그리드가 전압과 주파수의 안정성을 담당한다. 마이크로그리드 내 분산형 발전기 및 에너지 저장 장치는 주 그리드를 따라 동작하며, 주로 협조적 역할을 하지 지원적 역할을 하지 않는다. 외부 그리드는 매우 큰 전압 원 및 주파수 원처럼 작용하며, 마이크로그리드의 변동을 흡수한다.

오프그리드 운전 시 PCC가 차단되어 마이크로그리드는 소규모 독립 전력 시스템이 된다. 외부 전원에 의존할 수 없으므로, 마이크로그리드 내 에너지 저장 장치, PV, 디젤 발전기 및 기타 전원이 자체적으로 전압과 주파수를 생성하고, 발전과 부하를 지속적으로 균형 있게 조절해야 한다. 제어 방식은 그리드 추종에서 능동적 지원으로 전환되며, 난이도가 크게 증가한다.

두 모드 간 전환은 계획된 전환과 비계획된 전환으로 나뉜다. 계획된 전환은 준비 시간이 있다: 내부 발전 및 부하를 먼저 조정한 후, 마이크로그리드를 원활하게 분리할 수 있다. 비계획된 전환은 보통 계통 고장에 의해 유발된다. 이상을 감지한 후, 제어기는 신속하게 분리해야 하며, 에너지 저장 장치 또는 예비 전원이 즉시 전력을 인계받아야 한다. 동시에 일부 비중요 부하는 차단하여 소규모 시스템의 과부하 및 붕괴를 방지해야 한다. 계통 연결 모드로 복귀할 때는 전압, 주파수, 위상 동기화를 먼저 완료해야 한다. 그렇지 않으면 개폐 순간에 돌입 전류가 발생해 장비 손상을 초래할 수 있다.

2. 정전 시 독립형 운영의 기술적 과제

공급 전력이 끊기고 시스템이 독립형 운영으로 전환된 후 가장 큰 변화는 시스템 관성의 소실 주 전력망에는 회전 기계가 많아 자연스럽게 관성력을 제공하며, 급격한 부하 변화로 인해 발생하는 주파수 변동을 완충할 수 있다. 반면, 계통 분리형 마이크로그리드는 규모가 작고, 에너지 저장 장치의 전력 변환기와 같은 전력 전자 장치는 동일한 물리적 관성력을 제공하지 못한다. 따라서 주파수와 전압은 교란에 대해 더 빠르게, 그리고 더 큰 진폭으로 반응한다.

이는 세 가지 구체적인 문제를 야기한다. 첫째, 주파수 및 전압의 고속 조정 이다. 계통 분리 모드에서는 에너지 저장 전력 변환기가 그리드 팔로잉에서 그리드 포밍으로 전환하여 전압 및 주파수 기준을 능동적으로 설정해야 한다. 이는 계통 연계 모드보다 훨씬 제어하기 어렵다. 둘째, 예기치 않은 전환의 원활함 이다. 전환 중 전압 또는 주파수가 과도하게 하락하면 민감한 부하가 차단되거나 손상될 수 있다. 따라서 전환 제어는 밀리초 단위 내에 상태를 식별하고 전략을 변경해야 한다. 셋째, 접지 시스템의 변화 그리드에 연결된 경우, 접지는 주 그리드에 의해 수행된다. 그리드에서 분리된 후에는 접지 방식이 변경될 수 있으며, 이는 고장 전류 경로 및 보호 장치 작동의 정확성에 직접적인 영향을 미친다.

변압기, 개폐장치 및 보호 시스템에 대한 서로 다른 요구 사항

변압기

그리드 연결 구조에서는 변압기 용량이 주로 마이크로그리드와 전력망 간의 전력 교환량에 의해 결정되며, 벡터 그룹과 변압비는 전력망 전압에 맞추어 선정한다. 오프그리드 구조에서는 변압기가 경하중 및 충격 부하 조건에서도 전압을 안정적으로 유지해야 하므로, 전압 조정 능력과 임피던스 설계에 대한 추가 요구사항이 발생한다. 단락 용량이 제한된 경우, 변압기 임피던스는 고장 전류를 제한하는 데도 기여한다. 중멍(Zhongmeng)의 배전용 변압기 및 건식 변압기는 마이크로그리드 용량과 부하 특성에 따라 벡터 그룹 및 전압 조정 구성 방식을 조정할 수 있어, 두 가지 구조의 서로 다른 우선순위에 유연하게 대응한다.

개폐기

그리드 연결 운전과 독립형 운전의 경계는 일반적으로 PCC에 설정된다. 이 지점의 스위치는 양방향 차단 능력을 가져야 한다: 그리드 고장 시 신속하게 차단하여 마이크로그리드가 고장 난 그리드로 전력을 공급하는 것을 방지해야 하며, 독립형 운전이 필요할 때도 신뢰성 있게 개방되어야 한다. 중멍의 고압 및 저압 스위치기어와 프리패브리케이티드 캐빈 장비는 공장에서 사전 조립 및 테스트를 완료한다. 현장에서는 단지 배선만 연결하면 되므로, 신속한 구축이 요구되는 마이크로그리드 프로젝트에 적합하다.

보호 시스템

이 영역은 두 아키텍처 간 차이가 가장 큰 부분이다. 계통 연계 운전 시 고장 전류는 주로 메인 계통에서 공급되며, 단락 전류 수준이 비교적 높다. 계통 비연계 운전으로 전환된 후에는 단락 전류가 마이크로그리드 내 분산 전원에 의해서만 공급되므로, 계통 연계 시의 값보다 훨씬 낮을 수 있다. 보호 정세를 여전히 계통 연계 조건에 맞춰 설정해 둔다면, 계전기가 계통 비연계 모드에서 고장을 탐지하지 못해 작동하지 않을 수 있다. 따라서 보호 시스템은 두 운전 모드 모두에서 적응형 기능을 가져야 하거나, 최소한 운전 모드 변경 시 보호 정세 그룹을 전환할 수 있어야 한다. 계통 인터페이스는 또한 계통 측과 마이크로그리드 측 양쪽에서 발생하는 고장을 모두 커버하기 위해 양방향 보호 기능을 필요로 한다. 중멍(Zhongmeng)의 보호 및 제어 장치는 개폐기 및 변압기와 통합된 완전한 패키지 형태로 공급될 수 있어, 서로 다른 공급업체에서 제공하는 장비 간 조정 리스크를 줄일 수 있다.

4. 독립형 시스템에서의 전압, 주파수 및 부하 변동 문제

독립형 모드에서는 전압과 주파수를 더 이상 주전원망이 지원하지 않는다. 이들은 에너지 저장 컨버터나 디젤 발전기와 같은 주요 제어 원에 의해 실시간으로 조절된다. 일반적인 운전 목표는 주파수를 약 50Hz로 유지하고 전압 편차를 부하가 허용할 수 있는 범위 내로 제한하는 것이다. 그러나 실제 운전 중에는 태양광 발전 출력의 변화와 대형 부하의 시작 및 정지가 모두 교란을 유발한다.

부하 변동은 오프그리드 시스템에 대한 가장 직접적인 테스트이다. 비교적 큰 모터가 시작될 때, 시스템 전압이 순간적으로 떨어질 수 있다. 구름으로 인해 PV 출력이 갑자기 감소하면 주파수가 상승할 수 있다. 오프그리드 제어는 이러한 지속적인 교란 하에서도 안정성을 유지해야 한다. 동시에 배터리 에너지 저장 장치는 변동을 완화하기 위해 신속하게 충전 및 방전을 수행해야 하며, 필요 시 우선순위에 따라 일부 비중요 부하를 자동으로 차단해야 한다. 표준에서는 이미 오프그리드에서 그리드 연결으로의 전환 시간을 10밀리초 이내로 요구하고 있으나, 이는 컨트롤러와 스위치 기어의 응답 속도에 매우 높은 일관성 요구사항을 부과한다.

5. 프로젝트 초기 단계에서 확인해야 할 전기적 파라미터

초기 단계의 파라미터가 명확할수록, 장비 선정 및 보호 설정 단계에서의 재작업이 줄어든다. 다음 파라미터를 먼저 확인해야 한다:

단락 전류 수준. 단락 전류의 최대값과 최소값은 계통 연계 운전 조건과 계통 분리 운전 조건에 대해 각각 산정해야 한다. 계통 연계 운전 시에는 계통과 분산 전원이 공동으로 제공하며, 계통 분리 운전 시에는 분산 전원만이 제공한다. 두 값은 수 배 차이가 날 수 있다. 이는 개폐기 차단 용량 선정 및 보호 설정값 결정의 직접적 근거이다.

접지 방식 계통 측과 마이크로그리드 측의 접지 방식은 조화되어야 한다. 중성점 접지 방식은 단상 지락 전류의 크기와 경로를 결정하며, 변압기 벡터군 선택에도 영향을 준다. 계통 분리 운전 후에는 접지 조건이 달라질 수 있으므로, 전환 전후의 접지 구성은 설계 단계에서 명확히 정의되어야 한다.

변압기 파라미터 이러한 사항에는 정격 용량, 전압 비율, 벡터 그룹, 임피던스 전압, 전압 조정 방식이 포함된다. 용량은 마이크로그리드와 외부 그리드 간 최대 연속 교환 전력에 따라 선택할 수 있으며, 독립형 모드에서 충격 부하를 시동할 수 있는 능력도 점검해야 한다.

고조파 특성. 인버터 및 비선형 부하의 고조파 스펙트럼, 차수, 함량을 사전에 파악해야 한다. 고조파는 전력 품질에 영향을 미치며, 변압기의 추가 가열 및 커패시터 공진을 유발할 수도 있다. 선정 시 해당 고조파 내성 능력 또는 완화 대책을 적절히 매칭해야 한다.

허용 주파수 및 전압 범위. 그리드 연결 상태와 독립형 상태 모두에서의 작동 한계, 그리고 전환 중 허용되는 과도 편차를 정의해야 한다. 이러한 지표는 컨버터 제어 전략 및 보호 설정을 직접 결정한다.

부하 분류 및 최대 충격 부하. 오프그리드 시스템은 용량이 제한되어 있다. 중요 부하와 비중요 부하를 구분해야 하며, 가장 큰 단일 모터의 시동 방식과 시동 전류를 확인해야 한다. 이를 통해 에너지 저장 컨버터에 요구되는 과부하 능력과 오프그리드 부하 절전 전략의 임계값이 결정된다.

중멍 제품 통합 포인트: 위의 사양은 궁극적으로 특정 장비에 구현되어야 한다. 배전 변압기는 전압 변환 및 임피던스 매칭을 담당한다. 개폐장치는 계통연계지점(PCC)의 개폐 및 회로 보호를 담당한다. 맞춤형 배전 장비는 변압기, 개폐장치, 보호 및 제어, 모니터링 기능을 프리패브리케이티드 캐빈 또는 패드마운티드 변전소에 통합하여 현장 조립 시 협조 오류를 줄인다. 단락전류, 접지 방식, 고조파, 부하 특성이 프로젝트 초기 단계에서 확정되면, 표준 제품에 대한 수동적 타협이 아니라 실제 운전 조건에 맞춘 완전한 장비를 맞춤 제작할 수 있다.

6. 적용 사례

7. 자주 묻는 질문

질문: 그리드 연결형 마이크로그리드와 독립형 마이크로그리드의 주요 차이점은 무엇인가요?

답변: 주요 차이점은 제어 로직에 있습니다. 그리드 연결 모드에서는 외부 주 전력망이 전압 및 주파수 기준을 제공하고, 마이크로그리드는 이 기준을 따릅니다. 반면 독립형 모드에서는 마이크로그리드가 자체 에너지 저장 장치 및 발전기를 통해 전압과 주파수를 직접 설정해야 하므로 제어가 훨씬 복잡해집니다.

질문: 두 구조 간 보호 시스템이 다른 이유는 무엇인가요?

A: 단락 전류 수준이 현저히 다름. 계통 연계 모드에서는 주 계통이 높은 고장 전류를 공급함. 계통 비연계 모드에서는 분산 전원만 고장 전류를 공급하며, 이 값은 계통 연계 시의 값보다 훨씬 작을 수 있음. 계통 연계 조건에 맞춰 설계된 보호 설정은 계통 비연계 모드에서 고장을 탐지하지 못할 수 있으므로, 적응형 보호 또는 전환 가능한 설정 그룹이 필요함.

Q: 계통 비연계 상태에서 계통 연계 상태로 전환할 때 요구되는 전환 시간은 얼마인가요?

A: 업계 표준은 계통 비연계에서 계통 연계로의 전환 시간을 10ms 이내로 규정함. 이는 제어기 및 개폐 장치의 응답 속도에 매우 높은 요구 사항을 제시하며, 재연결 전에 전압, 주파수, 위상의 정확한 동기화를 필요로 함.

Q: 마이크로그리드에서 변압기의 역할은 무엇인가요?

A: 변압기는 마이크로그리드와 외부 전력망 사이의 전압 변환 및 임피던스 매칭을 담당한다. 계통 분리 모드에서는 저부하 및 충격 부하 조건 하에서도 전압 안정성을 유지해야 한다. 또한, 단락 용량이 제한된 경우 변압기 임피던스가 고장 전류를 제한하는 데 도움을 줄 수 있다.

Q: 마이크로그리드 프로젝트 초기 단계에서 확인해야 할 전기적 파라미터는 무엇인가?

A: 핵심 파라미터에는 두 운영 모드별 단락 전류 수준, 접지 방식, 변압기 파라미터(용량, 변압비, 벡터 그룹, 임피던스), 고조파 특성, 허용 주파수 및 전압 범위, 최대 충격 부하를 포함한 부하 분류가 있다. 이러한 사항을 조기에 확인하면 장비 선정 및 보호 설정 시 재작업을 줄일 수 있다.