본 논문에서는 PV와 ESS를 결합한 직류 마이크로그리드의 고효율 운전 및 에너지 관리를 위해, 직류 마이크로그리드의 주요 구성요소로 제안한 PCS 등의 운영 방안 및 에너지 관리 시스템의 운영 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다.

최근 환경오염 및 이로 인한 지구 온난화 현상을 저감하기 위해 재생에너지를 비롯한 분산형 전원의 확산에 따라 마이크로그리드의 중요성이 강조되고 있다. 그 중 직류 마이크로그리드는, 신재생에너지원과 연계가 용이하며, 교류 마이크로그리드 대비 전력변환 단계를 1단계 감소시켜 전력변환 효율을 증가시킬 수 있다. 하지만, 대표적인 신재생 에너지원인 Photovoltaic(PV)는 발전량이 일정하지 않기 때문에 이를 단독으로 마이크로그리드에 직접 연계 시 배전망에 전압 변동을 야기할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 PV와 Energy Storage System(ESS)을 연계한 시스템이 사용되었다. 그러나, 부하 상황이나 ESS의 State of Charge(SoC)를 고려하지 않았고, 구체적인 에너지 관리 방안이 제안되지 않았다.

마이크로그리드의 전체 부하를 감당할 수 있도록 설계된 Main Energy Storage System (MESS)는 시스템의 상당량의 부하를 감당할 수 있게 설계되어 있기에, 스위칭 손실이 큰 비중을 차지하는 낮은 효율의 경부하 구간의 운영 비중이 높다. 따라서 경부하 운전시 효율 개선을 위해 스위칭 모드 변경 등의 방안들이 제안되었으나, 적용 범위가 제한적이고, 제어 방식의 특성상 출력 리플이 증가하는 등의 단점을 동반한다. 또한 작은 용량의 모듈의 병렬 운전을 통해 대용량의 부하를 감당하고자 기존 Load sharing 기법으로 큰 부하를 감당하는 방법이 제안되었으나, 해당 방법 역시 경부하 효율이 여전히 좋지 않거나, 개선된 방법론에서도 특정 PCS가 고정적으로 더 높은 빈도로 사용되어 해당 PCS만 집중적으로 수명이 단축되는 문제점이 있다.

신재생에너지의 간헐적인 출력특성을 보완하고자 제시된 마이크로그리드 운영 기법의 경우, Two-layer 방식의 모델 예측제어 EMS 운영 알고리즘 등이 제시되었으나, 구조가 복잡하며, 사전 안정도 확인이 필수적이다.

이러한 기존 연구의 한계를 개선하기 위하여 본 논문에서는 PV-ESS 통합형 모듈이 적용된 직류 마이크로그리드와 이를 위한 계층적 제어구조를 다음과 같이 제안하였다.

첫째, 부하 상황과 ESS의 SoC를 고려한 PV-ESS 통합형 모듈의 일정 전력을 출력하는 것을 목표로 하는 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 알고리즘은 직류 마이크로그리드의 배전망 안정성을 고려하여 일정 전력을 출력하고, 잉여 전력 발생 시 PV-ESS 통합 모듈의 ESS를 충전한다. 또한, ESS의 방전 방지를 위해 3차 제어로부터 강제 충전 지령을 받는다.

둘째, 경부하에서 높은 효율을 갖는 MESS 시스템의 병렬 운전 및 특정 모듈 열화방지를 위한 우선순위 모듈 선택 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 알고리즘은 병렬로 구성된 각 모듈의 최대 효율점까지 동작 후, 다음 모듈을 동작하는 방식으로, 동작 수량이 결정되면 부하를 1/n로 감당한다. 또한, 특정 모듈이 집중 사용되어 열화되는 것을 방지하기 위한 목적으로 각 모듈의 사용전류를 적분하여 개별 모듈의 총 사용량을 판단해, 각 모듈이 균형적으로 사용될 수 있도록 하였다.

셋째, 위의 시스템이 연계된 직류 마이크로그리드의 합리적인 운영을 위해, 계통 전력의 수전 모드를 줄이고, 부하에 안정적인 전압원을 제공하는 것을 목적으로 하는, 시스템에 연계된 MESS와 PV-ESS의 SoC를 고려한 Energy Management System (EMS) 운영 알고리즘을 제안하였다. PV-ESS 통합 모듈의 출력이나 MESS의 방전을 통해 부하를 우선적으로 분담하였고, 전기요금이 저렴한 야간, 또는 배터리 충전 모드 활성화시 ESS를 충전하는 방식의 제어를 제안하였다.

제안하는 전체 시스템에 사용되는 알고리즘들의 유효성을 PV-ESS 통합 시스템, MESS, 직류 부하, 계통 연계형 AC/DC 컨버터 등이 결합된 직류 마이크로그리드에 구성하여, 계층적 제어 관점에서 타당성을 실험적으로 검증하였다.