인버터 기반 자원 고침투에 대비한 빠른 주파수 조절 제어 아키텍처

초록

본 논문은 인버터 기반 재생에너지 비중이 높은 전력망에서 주파수 변동을 제어하기 위해, 1차 제어에 최적화된 드룹·가상동기기(VSM)를 적용하고, 2차 제어에 현실적인 제어실 업데이트 주기를 갖는 모델 예측 제어(MPC)를 결합한 2계층 제어 구조를 제안한다. 고정밀 전력망 모델에서 Hankel 특이값을 이용해 차수를 축소한 응답 모델과 칼만‑부시 관측기를 설계해 제한된 측정값만으로 상태와 교란을 추정한다. 사우디아라비아 전력망 데이터를 활용한 시뮬레이션에서 제안 방식이 기존 방법보다 빠른 주파수 복구와 제약 만족을 보임을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 저관성 전력계통에서 발생하는 RoCoF 급증과 주파수 편차 문제를 해결하기 위해, 기존의 드룹 제어와 가상동기기(VSM) 방식에 대한 파라미터 최적화를 1차 제어 단계에서 수행하고, 2차 제어 단계에서는 제약을 명시적으로 고려할 수 있는 모델 예측 제어(MPC)를 도입한 점이 핵심이다. 특히, MPC가 전통적인 SCADA 주기(26 초)와 유사한 12 초 업데이트 속도로 구현될 수 있도록, 고차원 전력망 동역학을 Hankel 특이값(Hankel Singular Values, HSV) 기반 차원 축소 기법으로 저차 모델로 변환하였다. 이렇게 얻어진 저차 모델은 시스템 주파수 응답을 정확히 포착하면서도 실시간 최적화에 필요한 계산량을 크게 낮춘다.

관측기 설계에서는 전체 상태를 직접 측정할 수 없는 전력계통의 현실을 반영해, 칼만‑부시(Kalman‑Bucy) 관측기를 저차 모델에 적용하였다. 관측기는 주파수, 전압 및 AC 연결선 흐름 등 측정 가능한 출력만을 이용해 내부 상태와 외부 교란(발전 손실·부하 급증)을 실시간으로 추정한다. 이 추정값은 MPC의 예측 모델에 입력되어, 교란에 대한 사전 대응과 제약(주파수 편차, RoCoF, 전력 교환 한계 등) 준수를 동시에 달성한다.

시뮬레이션에서는 사우디아라비아 전력망의 대표적인 3지역 연계 모델을 사용했으며, 급격한 발전 손실 시나리오에서 제안된 2계층 제어가 기존 드룹·VSM 단일 제어에 비해 주파수 복구 시간을 30 % 이상 단축하고, 전력 교환 제한을 초과하지 않으며, 배터리 SOC 제한도 만족함을 보여준다. 또한, 관측기 오차가 작아 실제 교란을 거의 정확히 파악함을 확인했으며, 이는 MPC가 정확한 상태 정보를 기반으로 최적 제어 신호를 산출할 수 있게 함을 의미한다.

이와 같이, 고차원 전력망 모델을 체계적으로 저차화하고, 제한된 측정값만으로 상태·교란을 추정하며, 현실적인 제어 주기로 MPC를 적용한 통합 제어 프레임워크는 저관성·고침투 전력계통에서 빠른 주파수 조절을 실현하는 실용적인 해법으로 평가된다.