중단 없는 에너지를 위한 내일의 자가 치유 전력망 구축

전력전자 내부자

Sandia National Laboratories의 전기 엔지니어인 Michael Ropp와 그의 팀은 전력망의 탄력성, 신뢰성 및 자가 치유 특성을 개선하기 위한 코드 라이브러리를 만들었습니다. (이미지 :크레이그 프리츠)

허리케인이나 악의적인 집단의 공격을 받는 경우에도 중단 없는 전력을 보장하면서 적응하고 다시 살아날 수 있는 자가 치유 그리드의 잠재적 가치를 상상하는 것은 어렵지 않습니다. Sandia National Laboratories와 New Mexico State University의 팀이 함께 최첨단 알고리즘 라이브러리를 통해 이러한 비전을 실현하고 있습니다. 이러한 알고리즘을 그리드 릴레이에 코딩함으로써 시스템은 그리드 운영자가 수리를 시작하거나 지침을 제공하기 전에 최대한 많은 병원, 식료품점 및 가정에 전력을 신속하게 복원할 수 있습니다.

Sandia 전기 엔지니어이자 프로젝트 책임자인 Michael Ropp은 "궁극적인 목표는 상황이 정말 나빠졌을 때 시스템이 자가 치유되고 임시 구성을 형성할 수 있도록 하는 것입니다."라고 말했습니다. "시스템이 손상되거나 손상된 후에는 가능한 한 많은 고객에게 전력을 제공하는 새로운 정상 상태에 도달하는 방법을 자동으로 알아낼 수 있습니다. 이것이 바로 '자가 치유'의 의미입니다. 핵심은 전적으로 로컬 측정으로 수행하므로 값비싼 광섬유나 인간 컨트롤러가 필요하지 않다는 것입니다."

Ropp과 다른 많은 사람들이 구상한 미래의 전력망에는 배터리 뱅크와 같은 지역 에너지 저장 시스템과 함께 옥상 태양광 패널 및 풍력 터빈과 같은 재생 에너지 공급이 더 많아질 것입니다. 이러한 시스템 중 다수는 주 전력망이 다운되더라도 병원, 수처리 공장 및 기타 중요 인프라 주변에 전력을 공급하는 작은 '섬'인 마이크로그리드를 형성할 수 있습니다. 이 Sandia 프로젝트를 통해 마이크로그리드가 손상되면 자동으로 스스로 복구하고 서로 연결하여 전력을 공유하고 최대한 많은 고객에게 서비스를 제공할 수 있습니다.

마이크로그리드는 그리드의 탄력성을 높일 수 있지만 에너지 생산과 에너지 소비의 균형을 맞추고 시스템 일부가 손상되거나 사용할 수 없게 될 경우 재구성하는 등 특정 중요한 기능을 자동으로 수행해야 합니다. 이러한 자가 치유 기능은 또한 회로에 의도하지 않은 루프를 형성하는 등 문제를 일으키는 방식으로 마이크로그리드를 연결하는 것을 방지할 수 있어야 합니다.

오늘날 전력 인버터를 사용하는 마이크로그리드에서 이를 달성하려면 운영자는 재해 발생 시 신뢰할 수 없고 사이버 공격에 취약할 수 있는 값비싼 고속 통신을 설치해야 합니다. Ropp는 이 프로젝트의 목적은 각 개별 장치가 수행할 수 있는 측정만을 사용하여 자가 치유를 지원하고 비용을 절감하는 동시에 신뢰성을 높이는 것이라고 말했습니다.

인버터가 많은 마이크로그리드가 수행해야 하는 주요 기능 중 하나는 전력 수요가 공급보다 커지면 소수의 고객을 차단하는 것입니다. 천연가스, 석탄 또는 원자력 발전소로 구동되는 전력망에서 이러한 수요-공급 불균형이 발생하면 전력망의 주파수가 떨어집니다. 기존 릴레이 알고리즘이 이를 감지하면 그리드 일부에 대한 전원을 차단합니다. 그러나 마이크로그리드에 전력을 공급하도록 설계된 인버터가 과부하되면 전원 공급 장치의 전압 조절이 중단되고 전압이 떨어진다고 Ropp은 말했습니다. 팀은 이러한 전압 감소를 사용하여 덜 중요한 고객의 전원을 차단할 시기를 릴레이에 알려주는 알고리즘을 개발했습니다.

허리케인이나 지진과 같은 자연 재해가 발생하는 동안 병원, 생활 보조 시설, 수처리 시설은 특히 중요하므로 전력을 유지하는 것이 중요합니다. 은행, 식료품점, 레크리에이션 센터 또는 대피소 역할을 하는 학교도 지역사회의 기능에 매우 중요합니다.

또한 팀은 손상된 영역을 피하는 방식으로 시스템이 자체 조립할 수 있는 알고리즘을 개발했습니다. 그들은 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 사용하여 3개의 상호 연결된 마이크로그리드로 구성된 작은 시스템을 모델링했으며, 통신 없이도 알고리즘을 통해 시스템이 어떻게 전력 생산과 소비의 균형을 맞추고 나무가 쓰러진 선로나 손상된 발전소와 같은 특정 문제를 격리하고 문제를 해결하여 중요한 시설의 전력을 복원할 수 있는지를 보여주었습니다.

북미의 그리드 인프라 대부분은 주택, 사무실 및 기타 일반 고객에게 단방향 전력 흐름을 제공하는 단일 전력선을 갖도록 설계되었습니다. 따라서 그리드는 현재 루프에서 작동할 때 안정적으로 설계되지 않았다고 Ropp와 프로젝트에 참여한 또 다른 Sandia 전기 엔지니어인 Matthew Reno는 말했습니다. 시스템의 특정 맞춤 설계 부분만 루프로 작동할 수 있습니다.

옥상 태양광과 같은 마이크로그리드와 분산형 자원은 전반적인 탄력성을 높이지만 그리드가 불안정한 루프로 조립될 가능성도 있습니다. 리노는 “스위치를 닫으면 루프가 형성되도록 양쪽이 이미 연결되어 있는지 알아내기 위해 가능한 측정값을 찾으려고 노력하고 있었습니다”라고 말했습니다.

팀은 차단기 양쪽에 있는 그리드 부분이 동일한 전원 공급 장치에 의해 전력을 공급받는지 확인하기 위해 차단기가 사용할 수 있는 몇 가지 수학적 방법을 조사했으며 이러한 두 가지 방법이 이 목적에 효과가 있다고 판단했습니다. 연구원들은 과학 저널 IEEE Transactions on Power Delivery에 게재된 논문에서 이러한 방법의 비교를 공유했습니다. .

팀은 또한 유사한 문제에 대한 솔루션을 연구하고 있습니다. 일반적으로 시스템 끝에 있는 전력선이 정격보다 더 많은 전류를 지원하는 것을 발견하면 어떻게 해야 할까요? 그들은 과부하 라인 릴레이가 특정 패턴으로 열리고 닫혀 전압을 변조하는 모스 부호와 같은 방법을 개발했습니다. 따라서 우선 순위가 낮은 고객을 위한 릴레이는 이 패턴을 감지하고 라인에 더 이상 과부하가 걸리지 않을 때까지 스스로 연결을 끊을 수 있다고 Ropp은 말했습니다. 이는 통신으로 간주될 수 있지만 해커나 운영자에게 취약할 수 있는 별도의 시스템이 필요하지 않으며 전력선 자체를 사용하여 신호를 전송합니다.

연구자들은 이러한 방법의 성능을 향상시키는 방법을 연구해 왔습니다. 예를 들어, 문제가 감지되면 마이크로그리드를 더 작은 하위 마이크로그리드로 신속하게 나누는 방법을 개발했습니다. 이를 통해 문제가 하나의 하위 마이크로그리드에만 국한되어 다른 마이크로그리드도 정상적으로 작동할 수 있기를 바랍니다. 팀의 초기 테스트에서는 마이크로그리드 경계점을 정의하는 이 방법이 때때로 작동하지만 항상 작동하는 것은 아니므로 더 많은 작업이 필요하다는 것을 시사합니다.

Ropp과 팀은 라인 및 부하 계전기 제조업체와 협력하여 알고리즘 라이브러리를 회사 제품에 통합하고 먼저 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트베드에서 테스트한 다음 Sandia의 분산 에너지 기술 연구소 또는 뉴멕시코 주립 대학의 유사한 중전압 시설에서 실제 생활에서 테스트할 수 있기를 원한다고 Lavrova는 말했습니다.

"우리는 이것이 사람들이 실제로 사용할 수 있는 것이 되기를 원합니다. 특히 모든 단일 전기 회로의 모든 단일 지점에서 광섬유 통신을 감당할 수 없는 저소득층 지역사회에서는 더욱 그렇습니다."라고 Ropp은 말했습니다. "우리의 알고리즘 라이브러리를 사용하면 매우 우수한 성능과 매우 우수한 탄력성을 얻을 수 있습니다. 커뮤니케이션이 가능하더라도 이는 여전히 백업이 될 수 있습니다."

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