Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 12 pp. 7451-7458, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.12.7451 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 풍력복합발전시스템을위한멀티에이전트제어 강승진 1, 고희상 1, 부창진 2, 김호찬 3* 1 한국에너지기술연구원, 2 제주국제대학교전기에너지공학과, 3 제주대학교전기공학과 Multi-agent Control for Wind Hybrid Power Systems Seung-Jin Kang 1, Hee-Sang Ko 1, Chang-Jin Boo 2, Ho-Chan Kim 3* 1 Korea Institute of Energy Research, 2 Department of Electrical Energy Engineering, Jeju International University, 3 Department of Electrical Engineering, Jeju National University 요약본논문에서는독립된풍력복합발전시스템을대상으로시스템의모델링과다양한환경에서체계적으로동작시키기위한멀티에이전트기반의제어방법을제안한다. 멀티에이전트제어는풍력발전기, 디젤발전기, 배터리, 부하로구성되는새로운형식의하이브리드제어방법이고, 풍속과배터리의충전상태에따라풍력복합발전시스템의운전은 14개의모드로나누어수행된다. 시뮬레이션성능평가를통해제안된알고리즘이독립된풍력복합발전시스템에서다양한풍속변화가존재하는경우에도효율적으로운전될수있음을보여준다. Abstract In this paper, the system modeling and multi-agent control algorithm in isolated wind hybrid power systems are proposed. The multi-agent control is a new type of the hybrid control method that is made up of wind turbine, diesel generator, battery, and dumpload. Fourteen different modes of operations of the wind hybrid power system are performed by wind speed changes and the SOC of battery. Simulation results show that the efficient operations under various wind variations in isolated wind hybrid power systems can be obtained using proposed algorithms. Key Words : Bus frequency and voltage, modeling, multi-agent control, wind hybrid power systems 1. 서론 발전량의 15% 이상을분산형전원으로공급하도록하였 다 [2]. 2011년남아공더반에서열린제17차유엔기후변화협 계통연계가힘든외지나도서지역에서는중앙계통으 약 (UNFCCC) 당사국총회에서 2020년까지모든국가가 로부터전력을공급받기힘들기때문에독립적인발전 참여하는새로운기후체제출범에합의하였고, 이로인 시스템이필요하다. 이러한독립적인발전을실현하기 하여산업부문별또는제품 설비에대한온실가스감축 위해최근에각광받고있는풍력복합발전시스템은기 활동에대한요구가강화되고있다. 새로운기후협약이 존의계통에서국부적으로운영되거나독립적으로운영 행시이산화탄소를저감해야하는데, 현재건설중인신 되어왔고, 전력을복구하거나, 주파수및전압유지, 유 도시의경우는이산화탄소를저감을위하여부분적인신 무효전력제어등의기능을풍력발전기와디젤발전기, 재생에너지발전설비를도입하도록하고있다 [1]. 2014년 배터리와같은분산전원들을활용하여실현한다. 발표한제2차에너지기본계획은 2035년까지총에너지의 일반적으로풍력복합발전시스템은풍력발전기와디 11% 를신재생에너지로보급하는계획을수립하였고, 공 젤발전기를기본으로배터리와덤프로드등을활용하여 급방식도대규모집중식발전설비공급방식에서탈피해 제어기역할을하도록구성한다. 풍력복합발전시스템 본논문은 2014학년도제주대학교학술진흥연구비지원사업에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Ho-Chan Kim(Jeju National Univ.) Tel: +82-64-754-3676 email: hckim@jejunu.ac.kr Received November 3, 2014 Revised December 3, 2014 Accepted December 11, 2014 7451
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 은실제로복잡하게구성되어있어, 체계적인제어방법이필요하고, 또한일부시스템의고장으로인한정전등의문제가생겼을때전체시스템이영향을받는문제가발생한다 [3]. 이러한문제의해결방안으로나오는것이분산관리시스템으로멀티에이전트 (multi-agent system, MAS) 라는개념이사용된다 [4]. 시스템에고르게분산된각에이전트들은주변의정보를모아시스템의상태를진단하고판단하여다른에이전트들과의협동을통해원하는목표를이루도록한다. 본논문에서는풍력복합발전시스템을대상으로멀티에이전트기반의제어방법을제안하고운영제어를통해시스템관리의효율성이좋아짐을확인하도록한다. 이를위해풍력복합발전시스템모델링과멀티에이전트시스템에대하여살펴보고, 풍력복합발전시스템에적용할수있는멀티에이전트제어방법을제안한다. 제안한멀티에이전트기반의복합풍력발전시스템의성능은 Matlab/Simulink 프로그램을작성과에이전트별동작특성과시스템의성능을분석하도록한다. 2. 풍력복합발전시스템모델링본논문에서고려한풍력복합발전시스템은유도발전기 (IG) 기반의풍력발전기, 디젤엔진 (DE) 을동력원으로갖는동기발전기 (SG), 3상사이리스터브리지컨버터를포함하는배터리, 저항장치로구성되어있는덤프로드와부하로구성된다. 3상덤프로드는각상에 7개의트랜지스터로구성된다 [3]. 풍력발전기의출력이부하에서요구되는전력을충분히공급할수있다면, 동기발전기는디젤엔진으로부터분리되어지고, 전압유지를위해동기콘덴서로동작한다. 덤프로드와배터리의주요목적은시스템주파수를조정하는것이다. 동기발전기는전압제어를위하여여자기시스템의무효전력제어기능을수행하고, 유도발전기의무효전력을보상하기위해서도사용된다. 전압형컨버터보다비교적간단한구조의전류형컨버터는배터리시스템에이용되는데, 이는충전전류가배터리수명에큰영향을끼칠수있기때문이다. 배터리의완만한충전은 DC 버스에서큰용량의인덕터를사용하여전류의변동을최소화하면가능하다. Fig. 1은전반적인풍력복합발전시스템의구성을보 여준다 [3]. wind wind turbine diesel engine q f DE governor clutch induction generator IG C a synchronous generator E fd excitation controller V b SG ω s ( = f ) r dump dumpload dumpload controller consumer load L filt P dump C filt ω s ( = f ) V c P BS converter controller battery storage system [Fig. 1] The overall control scheme of the wind hybrid power systems Fig. 2는전체풍력복합발전시스템의전기적인등가모델을나타낸다 [5]. diesel-synchronous generator unit wind-induction generator unit R1 L1 R2 L2 C a I 2 I 1 I 3 R3 X3 I 5 I 4 r dump [Fig. 2] Electrical system topology model equivalent load dumpload battery storage systsem 변환된유도발전기및동기발전기전류요소에서부하와덤프로드의전류요소와의차를통해전체독립된계통에서안정적인전류균형을이룰수있도록한다. Fig. 2에서나타낸전류값을사용하여표현하면식 (1) 과같다. (1) 풍력복합발전시스템유도발전기의전류요소는식 (2) 와같이나타낼수있다. (2) 각각장치들을모델링한전류식을재배열하면풍력복합발전시스템의모델링은식 (3) 과같이행렬로표현할수있다. 7452
풍력복합발전시스템을위한멀티에이전트제어 (3) 여기서 와 는배터리의컨버터인터페이스에사용되는커패시터와인덕터의값을나타낸다. 3. 멀티에이전트제어 3.1 멀티에이전트시스템 풍력복합발전시스템을대상으로멀티에이전트제어기를설계하기위해서는풍력복합발전을구성하는요소에대한상태, 제어, 관리에대한각각에대한에이전트설계가필요하다. Fig. 3은풍력발전기, 디젤발전기, 배터리, 덤프로드그리고부하요소에대한각각의에이전트를나타내었다. 부하에이전트를통해부하에서요구되는사용량을확인한경우에, 멀티에이전트시스템은풍력발전기의출력을확인하고배터리에이전트를통해안정적으로전압과주파수를제어할수있도록동작시킨다 [4]. [Fig. 3] Multi-agent configuration in wind hybrid power systems 풍력에이전트는다른에이전트들의출력값모니터링을통해현재부하의요구전력량, 배터리에이전트로부터배터리의상태등데이터를제공받는다. 풍력발전기의출력전력량이부하에이전트의전력요구량보다부족할경우풍력에이전트는디젤에이전트에디젤발전기의발전을요구하거나배터리에이전트에방전을요청한다. 반대로풍력발전기의발전량이부하요구전력량보다 높을경우에는풍력에이전트는배터리에이전트에충전을요청할수있고, 배터리의상태가충전가능한상황이아닐경우 ( 완충상태 ) 덤프로드에이전트에작동을요청할수있다. 그리고상황에따라서배터리의충전과덤프로드의동작을함께요청하는경우가발생할수도있다. 디젤에이전트는다른에이전트들의출력상태를모니터링하며대기하고있다가풍력에이전트와부하에이전트의상태가풍력발전량이부하가요구하는전력량보다부족한경우가발생하게되면디젤에이전트는디젤발전기의동작을명령하여시스템에부족한전력을분배하게된다. 본논문에서는디젤발전기의출력을몇개의레벨로맞추어발전하도록한다. 예를들어 30 kw 용량의디젤발전기를미운전, 10 kw, 20 kw 그리고 30 kw 의 4단계레벨로나누어운전하도록하는것이다. 배터리가풍력복합발전시스템에서동작할때, 배터리에이전트는풍력에이전트와디젤에이전트, 부하에이전트의상태를모니터링하고내부매커니즘에의해배터리의 SOC를판단하여배터리의동작여부를결정하게된다. 만약배터리의 SOC가방전을할수없는상태라면배터리에이전트는동작을거부하게된다. 만약배터리의 SOC가방전을할수있는상태라면배터리에이전트는방전을시작하여전력망에부족한전력을공급해준다. 배터리의 SOC가 80% 를기준으로충전속도가많이늦어지므로, 본논문에서는 SOC가 80% 에도달하면배터리의충전성능을고려하여배터리에이전트는덤프로드에이전트를호출하고충전해야할양의일부를덤프로드를통해소모하도록한다. SOC가 0% 가될때까지일정한출력으로방전을진행할수있지만, 일반적으로배터리의수명을고려하여 SOC가 20% 에도달할때까지방전을진행하도록한다. Fig. 4는배터리에이전트를 Matlab/Simulink에서제공하는 Stateflow 차트를활용하여구현한모델을보여준다. 배터리에이전트는풍력에이전트의출력값과디젤에이전트의출력값, 그리고부하에이전트의출력값을비교하는간단한구조로구성하였고, 배터리의 SOC 에따라배터리에 ON/OFF 명령또는충 / 방전출력값을결정하는기능을수행한다. 7453
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 [Fig. 4] Battery agent 덤프로드에이전트는풍력에이전트와디젤에이전트, 부하에이전트의전력량비교를통하여동작한다. 풍력복합발전시스템에전력이남는경우배터리와덤프로드의동작을확인해보면남는전력은우선적으로배터리가충전을진행하여야하지만, 배터리의 SOC가 100% 일경우배터리가더이상충전을진행할수없기때문에덤프로드에이전트가이를확인하고덤프로드의동작을명령할수있다. 배터리의 SOC가 100% 가아니더라도순간적으로풍력복합발전시스템에전력이너무많이남는경우와 SOC가 80% 에도달하면, 배터리의충전만으로이를전부충당할수없기때문에덤프로드에이전트는덤프로드의동작을통해배터리가충전을진행하고남는전력을소비시킨다. 작하게한다. 부하사용량과풍력발전의차가디젤발전최소값보다작을때 ( ), 멀티에이전트제어기는배터리가상한상태 (SOC=80%) 에서는풍력발전기, 디젤발전기, 배터리방전, 그리고덤프로드방전이되는 Mode 10으로동작시키고, 배터리가상한상태가아닌경우에는풍력발전기, 디젤발전기, 그리고배터리충전이되는 Mode 9가운전시킨다. Fig. 6에서풍력발전기가동작하지않는경우에멀티에이전트제어기는디젤발전기, 배터리, 그리고덤프로드에이전트를호출하여부하사용량과배터리의충전상태에따라 Mode 4, Mode 12, Mode 2, Mode 7, 또는 Mode 8로동작시킨다. 3.2 멀티에이전트제어멀티에이전트제어의운영방법을 Fig. 5와 6에나타내었고, 다양한환경에서배터리의작동상태에따른각각에이전트들의동작상태를 Table 1과같이설계하였다. Fig. 5에서풍력발전에이전트는풍력발전량 ( ) 에따라배터리에이전트의현재배터리상태 ( ) 와부하에이전트의부하사용량 ( ) 의상태를확인한다. 풍력발전기가출력상태 ( ) 에서부하사용량이풍력발전량보다큰경우 ( ), 현재의배터리상태에서최소유지해야하는배터리하한상태 (SOC=20%) 의차 ( ) 를계산하고부하사용량과풍력발전량 ( ) 의차 ( ) 보다큰경우 ( ) 에멀티에이전트제어기는풍력발전기와배터리방전이되는 Mode 1으로동작하게한다. 부하사용량과풍력발전량차가사용가능한배터리량보다크고 ( ), 디젤발전최소값보다큰경우 ( ) 에멀티에이전트제어기는풍력발전기, 디젤발전기와배터리방전으로구성된 Mode 3가동 [Fig. 5] Flowchart of multi-agent control ( ) [Fig. 6] Flowchart of multi-agent control ( ) 7454
풍력복합발전시스템을위한멀티에이전트제어 [Table 1] Operation modes in multi-agent control Operation Modes Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5 Mode 6 Mode 7 Mode 8 Mode 9 Mode 10 Mode 11 Mode 12 Mode 13 Mode 14 Battery (Discharge) Battery (Charge) Battery SOC ( 20%) Multi-agent operation states Diesel Generator + Diesel Generator Only Battery Diesel Generator SOC ( 80%) SOC ( 80%) Diesel Generator + Diesel Generator + Diesel Generator Diesel Generator + Diesel Generator 4. 컴퓨터시뮬레이션 본논문에서는멀티에이전트제어방법을적용하고풍력발전기, 디젤발전기, 배터리, 덤프로드는 AC버스에연결시킨복합풍력발전시스템의동적특성을분석하였다. 시뮬레이션에서디젤발전기출력을, 풍력발전기의출력을, 부하의요구량을, 배터리의출력을, 덤프로드의출력을 라고표현하였다. 시뮬레이션을위한시스템파라미터의값들은 Table 2와같다. [Table 2] System parameters Kind Rating (kw) 55 Diesel Generator (kw) 55 Dumpload (kw) 55 Battery (kwh) 50 Load (kw) 40 Frequency (Hz) 50 AC Voltage (V) 230 시뮬레이션은풍속의변화에따라각각의 Mode 들이상황에맞게적절하게동작하는지를확인한다. Case 1은 Fig. 8과같이풍속이일정한간격으로감소하고부하는 39kW로고정하여시뮬레이션을진행하였다. 컴퓨터시뮬레이션을수행하기위해풍력복합발전시스템은 Matlab/Simulink 프로그램을이용하여모델링하였고, 전체시스템의구성도는 Fig. 7과같다. [Fig. 8] Wind data [Fig. 7] Simulation configuration of wind hybrid power systems Fig. 9에서 60초까지는풍력발전기의발전량이부하의요구전력량보다많으므로배터리에이전트를통해 Mode 5로동작한다. 배터리가충전모드로동작하여남는전력모두를배터리의충전하고디젤발전기와덤프로드는동작하지않음을확인할수있다. 60초부터풍속이감소하여풍력발전기가부하에충분한전력을공급하지못하므로, 제어기는낮은레벨로디젤발전기를동작시켜부족한전력을부하에공급하고, 남는전력을배터리에충전시키는 Mode 9로시스템을동작시킨다. 90초정도 7455
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 에배터리의 SOC가 80% 에도달함을배터리에이전트를통해확인한후에, 제어기는배터리의충전량이작아지는것을덤프로드를동작시켜남는전력을소비하는 Mode 13으로시스템을동작시키는것을확인할수있다. 120초에풍속이더감소하여풍력발전기의출력량이많이감소하였음을확인하고, 제어기는배터리에이전트를통해배터리를충전모드를방전모드로전환하여 Mode 3 으로시스템을동작시키고부족한전력을공급해주었다. Fig. 11은시뮬레이션에서풍력복합발전시스템의전압과주파수출력을나타내었는데, 풍속이변동되고각에이전트들이동작하는순간에는순간적으로전압과주파수가변동하였지만전압의안정범위인 230 V ± 6% 인 216.2 V에서 243.8 V 이내에서, 50 Hz ± 1% 인 49.5 Hz에서 50.5 Hz사이안정된주파수를유지함을확인할수있다. 그리고빠른시간내에전압과공칭주파수가 230 V와 50 Hz로회복됨을알수있다. Case 2는 Fig. 12와같이풍속이일정한간격으로증가하고부하는마찬가지로 39kW로고정하여시뮬레이션을수행하였다. [Fig. 9] Power outputs of agents Fig. 10은시뮬레이션에서배터리의 SOC를보여준다. 90초에배터리의상태가 80% 에도달함에따라배터리의충전량이감소함을확인할수있고, 120초에배터리가방전모드로전환되어배터리의 SOC가감소하는것을확인할수있다. [Fig. 11] Bus outputs (a) voltage (b) frequency [Fig. 12] Wind data [Fig. 10] SOC curve of battery Fig. 13에서 60초까지는풍력발전기의출력이부하요구량보다부족하기때문에, 제어기는낮은레벨로디젤발전기를동작시키고배터리는방전모드로놓고전력 7456
풍력복합발전시스템을위한멀티에이전트제어 부족분을공급시키는 Mode 3로시스템을동작시켰다. 60 초부터풍속이증가하여풍력발전기의출력이커졌으므로, 제어기는디젤발전기의작동이중지시키고배터리의방전만으로시스템에부족한전력량을전부공급시키는 Mode 1로시스템을동작시킴을확인할수있다. 120초이후에풍속의급격한증가에따라풍력발전량도급격히증가하였고시스템에는많은전력이남는다. 따라서제어기는배터리가충전을진행하였지만배터리가남는전력을전부충전할수없기때문에 Mode 6로시스템을동작시켜배터리와덤프로드를통해남는잉여전력을소비함을확인할수있다. Case 1의결과와마찬가지로 Fig. 15에서전압과주파수가상황이변화할때마다과도현상을거친후안정되는것을확인할수있었다. 그리고에이전트들의동작을통하여전력품질이안정적으로유지되는것을확인할수있었다. [Fig. 15] Bus outputs (a) voltage (b) frequency 5. 결론 [Fig. 13] Power outputs of agents Fig. 14는시뮬레이션에서배터리의 SOC를보여준다. 처음에는풍속이작아배터리는방전모드로동작을하다가 120초에풍속이증가할때충전모드로전환되는과정에서다음과같은 SOC의변화를확인할수있다. 본논문에서는풍력복합발전시스템을대상으로멀티에이전트제어방법을활용한전력품질제어방법을제안하였다. 풍력발전기, 디젤발전기, 배터리와덤프로드를대상으로에이전트를구성하였으며, 시뮬레이션결과전력품질제어가각 Mode 에맞게적절히이루어지는것을확인할수있었다. 본논문에서제안한멀티에이전트제어기법은향후풍력복합발전시스템의제어기법으로활용될수있을것이라기대된다. References [Fig. 14] SOC curve of battery [1] D. S. Lee, J. S. Park, H. Y. Shin, Y. J. Choi., H. J. Lee., and J. H. Choi, Microgrid village design with renewable energy resources and its economic feasibility evaluation, IEEE T&D Asia, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/td-asia.2009.5356841 7457
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