새로운 전력 시스템을 위한 4가지 주요 스마트 그리드 기술: 배전 네트워크의 혁신

1. 신소재 및 장비 연구개발 및 자산 관리

1.1 신소재 및 신부품 연구개발

다양한 신소재는 새로운 전력 분배 및 소비 시스템에서 에너지 변환, 전력 전송, 운영 제어의 직접적인 수단으로서, 운영 효율성, 안전성, 신뢰성, 시스템 비용을 직접적으로 결정합니다. 예를 들어:

• 새로운 도체 소재는 에너지 소비를 줄여 에너지 부족과 환경 오염 문제를 해결할 수 있습니다.

• 스마트 그리드 센서에 적용되는 고급 전자자석 소재는 시스템 운영의 신뢰성을 향상시킵니다.

• 새로운 절연 소재와 절연 구조는 전력 전자 장비 통합으로 인한 일시적인 과전압 문제를 해결할 수 있습니다.

• 세대 반도체 소재(갈륨 질화물(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)를 포함)를 기반으로 개발된 차세대 마이크로파 라디오프리퀀시 장치 및 전력 전자 장치는 통신 및 전자 분야에서 에너지 절약과 소비 감소를 위한 기술적 지원을 제공할 수 있습니다.

1.2 신형 전력 장비 및 전기 소비 시설 연구개발

구체적인 신제품 측면에서 기업들은 특히 소프트 노멀 오픈 스위치 기어를 포함하는 새로운 전력 전자 장비를 개발하고 있습니다. 이러한 장비는 연결된 피더 상의 유동 및 무효 전력 흐름을 제어하여 전력 균형, 전압 개선, 부하 이전, 고장 전류 제한 등의 기능을 달성합니다.

에너지 인터넷의 물결 속에서, 새로운 기술을 통합하여 "기능 + 모니터링 + 전자화 + 디지털화 + 인공지능"을 실현함으로써 기업은 저수준 모방에서 고수준 제조로, 단일 제품에서 종합 솔루션으로, 제조 공장에서 혁신 주도 시설로 발전할 수 있습니다. 이를 통해 저전압 전기 장비 제조 및 혁신은 탄소 감축, 디지털화, 지속 가능한 발전에 기여할 수 있습니다.

1.3 전력 장비의 전체 수명 주기 자산 관리 기술

새로운 전력 분배 및 소비 시스템에는 다양한 신형 전력 장비와 전기 소비 장치가 포함되어 있어, 전력 분배 장비의 전체 수명 주기 관리와 생태 설계가 매우 중요합니다. 모든 장비의 안전한 운영을 보장하면서 경제성을 달성하는 것이 필수적입니다.

전체 수명 주기 운영 및 유지보수는 조달 요구 단계, 장비 수령 단계, 생산 및 운영 단계, 폐기 단계를 포함합니다. 자산 관리에서는 통합 설계를 실시하여 데이터 공유와 최적화된 관리를 보장해야 합니다. "인터넷 +" 기술 등을 통합하여 관리 범위를 확장하고 관리 효율성을 향상시켜야 합니다.

2. 분산 발전 및 마이크로그리드 기술

2.1 분산 신에너지 발전 기술

2.1.1 효율적이고 경제적인 신에너지 및 재생 가능 에너지 개발 기술

신에너지 개발 기술의 발전으로 일부 재생 가능 에너지(예: 풍력 및 태양광 에너지)는 높은 수준의 응용을 달성하여 전력 분배 시스템에서 주요 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 더 낮은 비용과 더 높은 효율성을 가진 새로운 소재와 통합 태양광 패널 기술의 개발이 여전히 중요합니다.

동시에, 수소 에너지, 지열 에너지, 바이오매스 에너지 등 다른 에너지원의 개발을 더욱 촉진해야 합니다. 예를 들어, 수소 생산-저장-수송 기술, 다단계 지열 활용 기술, 바이오 연료 기술 등이 있습니다.

또한, 집중형 및 분산형 신에너지의 조정된 개발은 송전 손실을 줄이고, 신에너지 이용 효율을 향상시키며, 그리드의 신에너지 흡수 능력을 강화하여 더 나은 사회적 및 경제적 이익을 제공할 수 있습니다.

2.2 분산 에너지 계획 기술

분산 에너지 소유권의 계획 및 최적화를 해결하는 핵심은 서로 다른 엔티티 간의 정보 통신 장벽과 조정 장벽을 깨는 것입니다.

기술적 관점에서 보면, 계획 단계에서 더 많은 기술적 제약 조건을 고려해야 합니다. 이는 전압 수준, 단락 전류 수준, 전력 품질(플리커, 고조파) 등을 포함합니다.

수학적 관점에서 보면, 다목적 및 다중 불확실성 조합 최적화를 포함하는 계획 방법은 매우 복잡합니다. 따라서 자원과 운영을 통합한 다목적 최적화 계획이 중요합니다.

또한, 분산 에너지를 가진 시스템에 대한 네트워크 분석 및 평가, 전력 분배 시스템과 통신 네트워크의 통합 및 최적 계획, 종합적인 신뢰성, 위험 및 경제 분석을 위한 모델 및 시뮬레이션 도구 개발에도 주의를 기울여야 합니다.

2.3 분산 신에너지 발전을 위한 활성 지원 기술

분산 발전(DG)은 특정 범위 내에서 주파수와 전압을 조정할 뿐만 아니라, 주파수와 전압의 급격한 변화를 억제해야 합니다.

현재 일부 학자들은 시스템이 전력 부족을 겪을 때 DG가 즉각적인 주파수와 전압 지원을 제공할 수 있도록 하는 "관성-강성 보상기"를 제안했습니다. DG의 주파수 관성 지원 능력은 전력 단계 변화 동안 제공되는 유효 전력 보상을 사용하여 정량적으로 표현되며, 후속 그리드 연결 표준 수립의 기초를 제공합니다.

2.4 분산 신에너지 발전의 출력 예측 기술

분산 신에너지 발전은 광범위한 공간 분포, 복잡한 주변 미기상 특성, 건물 및 인간 활동의 영향으로 인해 출력 예측이 어려울 수 있습니다.

현재 분산 신에너지 발전 출력에 대한 연구는 주로 날씨 예보와 기후 조건을 사용하여 발전량을 예측하는데 초점을 맞추고 있으며, 자연 조건이 신에너지 출력에 미치는 영향에 지나치게 중점을 두고 있습니다. DG의 공간 분포 특성과 인간 사회 활동 관련 요인에 대한 고려가 부족합니다.

2.5 분산 신에너지 발전의 클러스터 제어 기술

분산 제어는 높은 신에너지 도입률을 가진 전력 분배 시스템에서 DG를 위한 이상적인 클러스터 제어 방법입니다.

현재 분산 신에너지 발전의 클러스터 제어 기술에 대한 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 관련 성과는 주로 단일 발전 장치의 제어에 집중하며, 여러 신에너지 발전 장치가 그리드 연결 인버터를 통해 시스템에 연결될 때의 조정된 제어 전략에 대해 거의 고려하지 않습니다.

주요 문제는 다음과 같습니다: 전력 단계 변화 동안 여러 인버터 사이의 불균형 전력 분배 메커니즘, 여러 인버터의 다중 시간 척도 제어 전략 간의 상호 작용 메커니즘, 전력 분배 선의 저항이 무시할 수 없는 경우 전통적인 드롭 제어(유효 전력-주파수 및 무효 전력-전압 특성 곡선 기반)의 부족으로 DG가 일차 주파수 및 전압 조절에 참여할 수 없다는 점입니다.

2.6 분산 에너지 저장 기술

전력 관점에서 보면, 새로운 전력 분배 시스템의 정적 및 동적 문제는 본질적으로 다양한 시간 척도에서의 전력 불균형 문제입니다:

• 피크 부하 기간의 비교적 긴 시간 척도에서, 발전과 부하 사이의 전력 불균형은 피크-골 차이와 같은 정적 문제를 초래합니다.

• 전력 단계 변화에서 일차 주파수/전압 조절까지의 비교적 짧은 시간 척도에서, 전력 전자 장비는 동기 발전기의 로터 관성을 갖추지 못하여 시스템의 전력 불균형을 지원할 수 없어 시스템의 안정성이 감소하고 전력 품질이 저하됩니다.

분산 에너지 저장 기술은 다양한 시간 척도에서 발생하는 정적 및 동적 문제를 해결하기 위한 실현 가능한 솔루션을 제공합니다.

2.6.1 에너지 저장을 위한 피크 삭감 및 주파수 조절 기술

분산 펌핑 저장, 흐름 배터리, 리튬 이온 배터리, 냉/열 저장 기술을 대표로 하는 에너지형 에너지 저장은 부하 피크를 제거하고, 피크와 골을 채우며, 변동을 완화하고, 충전 기와 함께 작동하여 충전 전력의 영향을 완화하여 전력 분배 장비의 활용률을 향상시킵니다.

에너지 저장을 위한 피크 삭감 및 주파수 조절 기술은 에너지 저장 시스템에 용량, 응답 속도, 비용, 안전성, 전력/에너지 밀도 등에서 높은 요구사항을 제시합니다. 단일 에너지 저장 유형으로는 이러한 요구사항을 충족할 수 없으므로, 종합적인 장점을 가진 하이브리드 에너지 저장 기술에 대한 연구가 필요합니다.

2.6.2 안정성 및 전력 품질 향상 기술

분산 에너지 저장 기술은 새로운 전력 분배 시스템의 안정성 및 전력 품질을 향상시키기 위한 실현 가능한 솔루션을 제공합니다.

일부 학자들은 에너지 저장 시스템을 그리드 연결 인버터 제어 전략과 조정하여 DG가 시스템에 동적 안정성 지원을 제공하도록 하는 방법을 제안했습니다. 대규모 전력 전자 장비 통합으로 인해 시스템 관성이 감소함에 따라, 그리드 연결 인버터와 에너지 저장의 결합은 시스템의 동적 안정성을 향상시키는 중요한 수단이 될 것입니다.

또한, 슈퍼 커패시터를 대표로 하는 전력형 에너지 저장은 빠른 응답 능력을 가지고 있어 전력 분배 시스템의 전력 품질 향상에 중요한 역할을 합니다. 현재, 대용량, 안전하고 경제적인 에너지 저장 장치는 아직 완전히 적용되지 않아, 증가하는 부하의 대규모 통합에 따른 피크 삭감 요구를 충분히 충족하지 못하고 있습니다.

2.6.3 마이크로그리드 기술

마이크로그리드 수준에서 다양한 분산 자원의 조정된 제어를 고려하고, 외부적으로 마이크로그리드를 전압/전류 소스로 간주하면, 전력 분배 시스템의 주파수 및 전압 안정성 제어의 복잡성을 줄일 수 있습니다.

마이크로그리드 클러스터 수준에서 전력 상호 지원 및 조정 최적화를 고려하면, 다른 지역의 신에너지와 부하의 상보적 특성을 활용하여 DG 출력 변동 및 피크-골 차이와 같은 경제적 조정 문제를 해결할 수 있습니다.

2.6.4 신에너지 마이크로그리드의 주파수 및 전압 동적 안정성 기술

상대적으로 독립적이며 자율적인 지역인 신에너지 마이크로그리드는 전력 분배 시스템과 유사한 동적 안정성 문제를 직면하고 있습니다.

일부 학자들은 전압 소스 가상 동기 발전기(VSG) 제어 전략을 제안했습니다. VSG는 DG의 동적 주파수 및 전압 지원 능력을 향상시키는 일반적인 제어 방법이며, 그 핵심 아이디어는 그리드 연결 인버터를 제어하여 동기 발전기의 외부 특성(유효 전력-주파수 및 무효 전력-전압)을 시뮬레이션하는 것입니다.

전통적인 VSG 기술로 시뮬레이션된 동기 발전기의 가상 관성 및 감쇠는 일반적으로 고정되어 있습니다. 다양한 유형의 전력 교란 하에서 고정된 관성 매개변수는 마이크로그리드 주파수 동적 조절의 안정성 및 신속성 요구를 충족할 수 없습니다.

이러한 고려 사항을 바탕으로, 일부 학자들은 적응형 가상 관성 제어 기술을 제안했습니다. 또한, 다른 학자들은 전통적인 드롭 제어를 개선하여 이차 주파수 제어를 전통적인 드롭 제어에 통합하여 관성 및 감쇠 특성을 시뮬레이션하는 일반화된 드롭 제어 기술을 제안했습니다.

2.6.5 마이크로그리드 클러스터의 거시 제어 기술

마이크로그리드 클러스터의 운영 및 제어에서의 주요 문제는 여러 마이크로그리드의 통합 규제를 어떻게 달성할 것인지, 그리고 어떻게 전력 상호 지원 및 최적 운영을 실현할 것인지입니다.

일부 학자들은 전력 분배 층, 마이크로그리드 클러스터 층, 마이크로그리드 층, 단위 층을 포함하는 마이크로그리드 클러스터를 위한 4단계 제어 구조를 제안했습니다.

마이크로그리드 클러스터 층에서 주로 사용되는 두 가지 주요 전략은 마스터-슬레이브 제어와 피어-투-피어 제어입니다.

• 마스터-슬레이브 제어는 마이크로그리드 간의 높은 통신을 요구하며, 주파수 및 전압 조절에 대한 마스터 제어 장치에 큰 압박을 가합니다.

• 피어-투-피어 제어는 이러한 단점을 극복합니다: 각 마이크로그리드 단위는 사전 설정된 드롭 곡선을 기반으로 자율적인 피어-투-피어 제어를 수행하며, 통신이나 상위 제어가 필요하지 않습니다.

일부 학자들은 AC 및 DC 마이크로그리드로 구성된 하이브리드 마이크로그리드 클러스터를 위한 제어 전략을 제안했습니다. 이 전략은 AC 마이크로그리드의 유효 전력-주파수 특성과 DC 마이크로그리드의 유효 전력-전압 특성을 표준화하여 통일된 제어 규모를 얻어, 하이브리드 마이크로그리드 클러스터의 피어-투-피어 제어를 가능하게 합니다.

마이크로그리그 클러스터의 실시간 조정 최적화에 대한 도전과제를 해결하기 위해, 일부 학자들은 분산 구조 하에서 부분적으로 관찰 가능한 마르코프 결정 프로세스(POMDP)를 기반으로 한 마이크로그리드 클러스터의 조정 최적화 모델링 방법을 제안했습니다. 이 방법은 약한 통신 조건에서도 부분적으로 관찰된 정보를 기반으로 최적화 모델링을 가능하게 하고, 라그랑주 승수를 사용하여 목적 함수를 해藕花深处，有鸥鹭。