Consensus-Based Coordinated Frequency Regulation for VSC-HVDC Interconnected Power Systems with Heterogeneous Resources

전력망은 완벽한 균형을 유지해야 하는 거대하고 섬세한 기계입니다. 매 초마다 생성되는 전력량은 사용되는 전력량과 일치해야 합니다. 만약 이 균형이 조금이라도 깨지면, 시스템이 회전하는 속도인 주파수가 흔들리기 시작합니다. 과거에 이 시스템은 발전소의 거대한 회전 터빈에 의존했습니다. 이 무거운 기계들은 거대한 플라이휠처럼 작동하여, 운동 에너지 속에 에너지를 저장하고 속도의 급격한 변화에 자연스럽게 저항했습니다. 이들은 수요가 급증하거나 발전기가 고장 났을 때도 전등이 안정적으로 켜져 있도록 유지해 주는 내장된 완충 장치 역할을 했습니다.

오늘날, 풍경이 바뀌고 있습니다. 우리가 더 깨끗한 에너지로 전환함에 따라, 그 무거운 터빈들을 태양광 패널과 풍력 발전소로 대체하고 있습니다. 이러한 에너지원들은 회전하는 금속이 아닌 전자 컨버터를 통해 전력망에 연결됩니다. 이들은 전력을 생산하는 데는 매우 뛰어나지만, 그와 같은 무거운 물리적 관성을 가지고 있지 않습니다. 이들은 장애물에 다르게 반응하며, 이들이 함께 많이 연결될수록 시스템 전체는 더욱 취약해집니다. 게다가, 현대의 전력망은 종종 고압 직류 송전선을 사용하여 서로 다른 지역들을 연결하는데, 이는 서로 다른 회전 리듬을 공유하지 않는 지역들 사이의 가교 역할을 합니다. 이는 복잡한 퍼즐을 만들어냅니다. 무거운 플라이휠이 사라지고, 자원들이 서로 다르며, 지역들이 빠른 전자식 가교로 연결되어 있을 때 어떻게 시스템의 안정성을 유지할 것인가 하는 문제입니다.

상하이 전기 공과대학교와 상하이 국영 전력 공사의 연구진은 이러한 다양한 자원들을 조율하는 새로운 방법을 개발함으로써 이 과제에 도전했습니다. 그들은 고압 직류 링크로 연결된 세 개의 뚜렷한 구역으로 구성되고, 전통적인 발전기, 현대적인 풍력 및 태양광 컨버터, 그리고 에너지 저장 시스템이 섞여 있는 전력망에 집중했습니다. 연구팀은 이 모든 서로 다른 자원들을 동일하게 취급하는 것이 문제라는 점을 깨달았습니다. 전통적인 발전기, 풍력 발전소, 배터리 저장 장치는 모두 주파수 변화에 서로 다른 속도와 능력으로 반응합니다. 이를 해결하기 위해, 그들은 중앙의 지시 없이도 이 이질적인 자원들이 서로 대화하고 협력할 수 있게 하는 2계층 제어 시스템을 만들었습니다.

이 시스템의 첫 번째 계층은 각 지역 내에서 작동하는 신속 대응팀처럼 기능합니다. 전력 감소와 같은 교란이 발생하면, 해당 지역의 자원들은 주파수가 급락하는 것을 막기 위해 즉각적으로 반응해야 합니다. 연구진은 이 서로 다른 자원들이 로컬 정보를 공유할 수 있는 알고-리즘을 설계했습니다. 중앙 사무실이 해결책을 계산하기를 기다리는 대신, 자원들은 이웃들과 협상합니다. 그들은 각자의 특정 능력과 비용에 근거하여 각자가 얼마나 기여할지를 합의합니다. 이 과정은 밀리초 단위로 일어납니다. 시스템은 특정 유형의 컨버터와 같이 가장 빠른 자원들이 즉시 개입하여 하락을 저지하고, 느린 자원들이 뒤따라 지원하도록 보장합니다. 이러한 국지적 조율은 매우 빠르게 일어나서, 물리적인 무게가 없음에도 불구하고 과거의 무거운 플라이휠이 가졌던 자연스러운 저항을 모사합니다.

초기 위기 상황이 관리되면, 시스템의 두 번째 계층이 투입되어 그리드를 완벽한 상태로 복구합니다. 초기 반응 이후에도 주파수가 정확한 목표치로 돌아오지 않을 수 있으며, 서로 연결된 지역 간의 전력 흐름이 불균형할 수 있습니다. 여기서 두 번째 계층이 역할을 수행합니다. 이 계층은 각 지역 전체를 하나의 에이전트로 취급하여 다른 지역들과 통신합니다. 고압 직류 링크를 사용하여 한 지역에서 다른 지역으로 보내는 전력량을 조절합니다. 또한 주파수를 정상으로 되돌리고 특정 지역이 모든 일을 도맡지 않도록 하는 2차 조정을 조정합니다. 이 계층은 장기적인 복구가 안정적일 뿐만 아니라 경제적이도록 보장하며, 전력망을 유지하는 데 드는 전체 비용을 최소화하는 방식으로 노력을 분산합니다.

아이디어를 테스트하기 위해, 연구진은 전 세계 엔지니어들이 사용하는 표준 모델을 기반으로 한 3개 구역 전력 시스템의 상세 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 한 지역에 상당한 양의 새로운 부하를 추가하는 것과 맞먹는 갑작스러운 수요 급증을 도입했습니다. 그들은 이 새로운 2계층 방식과 전통적인 제어 전략을 비교했습니다. 결과는 그들의 접근 방식이 훨씬 더 효과적임을 보여주었습니다. 주파수는 덜 급격히 떨어졌고, 더 빠르게 회복되었으며, 진동 없이 올바른 값으로 안정되었습니다. 아마도 가장 중요한 점은, 주파수 조절에 드는 총비용이 더 낮았다는 것입니다. 시스템은 전통적인 발전기부터 전자 컨버터에 이르기까지 모든 자원을 안전한 운용 범위 내에서 관리하여, 단 하나의 유닛도 과부하되거나 손상되지 않도록 방지했습니다.

연구는 또한 자원 간의 통신이 실패할 경우 어떤 일이 벌어질지, 즉 현대의 분산 시스템에서 현실적인 우려 사항을 조사했습니다. 연구진은 한 지역 내의 두 자원 사이의 연결이 끊기는 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 이 끊어진 연결이 있음에도 불구하고 시스템은 안정적으로 유지되었습니다. 남은 자원들이 누락된 정보를 보완하기 위해 행동을 조정하였고, 주파수는 여전히 매끄럽게 회복되었습니다. 이는 이 방법이 견고하다는 것을 입증했습니다. 즉, 이 방식은 기능하기 위해 완벽하고 끊김 없는 네트워크에 의존하지 않습니다. 연결이 끊기거나 자원이 예측 불가능하게 행동할 수 있는 현대 전력망의 복잡한 현실을 처리할 수 있습니다.

이 연구 결과는 전력망이 재생 에너지와 전자적 연결에 더 많이 의존하며 계속 진화함에 따라, 기존의 중앙 집중식 제어 방식은 더 이상 충분하지 않다는 것을 시사합니다. 안정성의 핵심은 다양한 자원들이 국지적이고 빠르게 조율하면서도, 동시에 상호 연결된 전체 시스템에 대한 폭넓은 시야를 유지할 수 있도록 허용하는 데 있습니다. 그리드를 상부에서 명령을 내려야 하는 기계가 아니라, 협상하고 적응할 수 있는 에이전트들의 집합체로 취급함으로써, 엔지니어들은 신뢰성을 희생하지 않고도 보안과 효율성을 유지할 수 있습니다. 이 연구는 미래의 전력망이 신뢰성을 유지하면서도 높은 수준의 재생 에너지를 통합할 수 있는 청사진을 제공합니다. 이 작업은 적절한 조율이 있다면, 서로 다른 부분들로 이루어진 그리드도 하나의 탄력적인 전체로서 기능할 수 있음을 확인시켜 줍니다.