3.1 ESS의 모델링

목표로 하는 ESS의 유효전력과 무효전력을 구하기 위하여, ESS의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류($I _ { ref-d } ^ { }$, $I _ { ref-q } ^ { }$)를 먼저 산정하여야 한다. 즉, ESS의 기준 DC 링크전압과 목표전력에 의한 DC 링크전압을 비교하여 전압차를 구한 후, 이 전압차를 비례적분(PI: proportional integral)하면 목표로 하는 d-q축의 기준전류를 구할 수 있다. 여기서, 기준전류를 산정하는 식을 나타내면 식 (1), 식 (2)와 같다^[8-12].

여기서, $I _ { d } ^ { r }$:d축 전류, $I _ { q } ^ { r }$:q축 전류, $V _ { DC-dq } ^ { * }$: 기준 DC 링크전압, $V _ { DC-dq } ^ { }$: 목표 DC 링크전압

또한, 기준전류가 음의 값을 가질 때 ESS를 충전시키고, 양의 값을 가질 때 ESS를 방전시키기 위하여, 기본 전류제어 알고리즘에 적용하면 식 (3), 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 전류제어알고리즘은 디커플링 회로이기 때문에 유효전력과 무효전력을 서로 독립적으로 제어할 수 있다.

여기서, $I _ { ref-q }$: 인버터 출력의 기준전류, $I _ { q } ^ { }$: 계통의 전류

한편, 상기의 식 (3), 식 (4)에 의하여 정전류원으로 충$\cdot$방전을 수행할 수 있는 ESS를 모델링하면 그림 2와 같다.

그림. 2. ESS의 모델링

Fig. 2. Modeling of ESS

3.2 계통모의장치의 모델링

실 계통과 동일한 외란을 발생시킬 수 있는 계통모의장치는 그림 3, 그림 4와 같이 제어부와 인버터부로 구성된다. 구체적으로 제어부에서는 목표로 하는 전압의 오차를 줄이고 응답특성도 빠르게 하기 위하여, 식 (5)와 같이 PI제어 알고리즘을 이용한다. 여기서, 식 (5)의 첫 번째 항은 목표전압($V _ { ac-ref }$)과 현재 출력전압($V( t )$)의 차를 고려하여 비례제어신호를 산정하고, 두 번째 항은 오차를 누적하여 적분제어신호를 구한다. 세 번째 항은 목표로 하는 전압의 파형, 주파수 및 위상을 결정하는 제어신호를 나타낸다. 한편, 식 (6)은 삼각파의 반송파를 출력하는 제어신호를 나타내며, 식 (5)에서 생성된 기준파와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 변환된다.

여기서, $Wave _ { ref }$: 기준 파형, $K _ { p }$: 비례 계수, $K _ { i }$: 적분 계수, $V( t )$: 현재 전압, $V _ { ac-ref }$: 목표전압, $f(t)$ : 목표 주파수, $\phi (t)$: 목표 위상

상기의 기준파형을 구하는 관계식 식 (5)와 반송파 제어신호 관계식 식 (6)을 바탕으로, 계통모의장치의 한 상에 대한 제어부를 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모델링하면 그림 4와 같다. 여기서 A는 목표전압과 현재 출력전압을 비교하여 오차 값을 산정하고, B는 오차 값에 대하여 각각 PI제어를 수행하며, C는 목표로 하는 전압의 파형, 주파수 및 위상을 결정하는 역할을 수행한다. 또한, D는 삼각파의 반송파를 출력하고, E는 기준파와 반송파를 비교하여 PWM신호로 변환하는 역할을 수행한다.

그림. 3. 그리드시뮬레이터 제어기의 모델링

Fig. 3. Modeling of grid-simulator controller

한편, 계통모의장치 인버터를 모델링하면 그림 5와 같고, PWM으로부터 나온 6개의 스위칭 신호에 의하여 구동되는 IGBT는 계통모의장치 제어부에서 생성된 DC 출력을 120°의 위상차를 갖는 3상의 AC출력으로 변환시킨다.

그림. 4. 그리드시뮬레이터 인버터의 모델링

Fig. 4. Modeling of grid-simulator inverter

3.3 단독운전시험장치 모델링

단독운전은 계통의 사고가 발생하는 경우, ESS가 지속적으로 부하에 전원을 공급하는 것을 의미하여, 계통연계 기술기준에서는 사고 발생 시 ESS가 0.5초 이내에 안전하게 정지할 수 있도록 단독운전 방지기능을 구비하도록 요구하고 있다. 따라서 단독운전 방지시험은 ESS와 병렬로 연결된 RLC부하를 이용하여 공진조건을 인위적으로 모의하여 수행하는데, 이때 RLC부하의 공진 강도를 나타내는 척도를 공진지수(Quality Factor)라고하며, 이는 식 (7)과 같다.

여기서, $Q _ { f }$: 공진지수, ${ P _ { R } }$: R에서 소비하는 유효전력, $Q _ { L }$: L에서 발생하는 무효전력, $Q _ { C }$: C에서 발생하는 무효전력

한편, PSCAD/EMTDC를 이용하여 단독운전시험장치를 모델링하면 그림 5와 같이 나타낼 수 있고, 한전의 22.9kV 계통, 모의 RLC부하(정임피던스 부하), 수용가 부하(정전력 부하), ESS 및 제어장치 등으로 구성된다. 여기서, 모의 RLC부하 이외에 수용가 부하를 사용하여, 단독운전 조건을 실 계통 운용조건에 근접하도록 한다.

그림. 5. 단독운전시험장치의 모델링

Fig. 5. Modeling of anti-islanding test equipment

3.4 전체 ESS용 이동형 시험장치 모델링

상기의 내용을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여, ESS, 계통모의장치 및 단독운전시험장치 등으로 구성된 이동형 성능평가 시험장치를 모델링하면 그림 6과 같다. 여기서 A 부분은 한전 22.9kV 계통, B는 수용가 부하, C는 계통모의장치, D는 모의 RLC 부하, E는 ESS를 나타낸 것이다.

그림. 6. 전체 ESS용 이동형 시험장치 모델링

Fig. 6. Entire modeling of potable test equipment for ESS

4.1 계통모의장치

배전계통의 순시전압강하, 순시전압상승, 고조파, 주파수변동 및 LVRT와 같은 각종 계통외란을 발생시키는 계통모의장치는 A사의 모듈을 이용하여 구성한다. 이 장치는 그림 7과 같이 충전회로, 저역통과 필터, 정류기, 인버터 및 싸인 필터 등으로 구성된다. 즉, 정류기와 인버터를 통하여 AC전력을 DC로 변환하고, 다시 AC로 변환하면서 목표로 하는 전압, 주파수 및 위상을 출력하며, 각각의 필터를 통해 전력변환 시 발생하는 고조파를 저감시킨다. 주요 기능으로는 주파수 불변상태에서 전압급변이 가능하며, 전압설정범위는 0-500[V]까지 0.2[%] 단위로 전압변동이 가능하다. 또한, 정격 주파수는 60±5[Hz]로 0.01[Hz]단위로 가변 가능하며, 고조파는 최대 10[%]까지 함유할 수 있다^[13].

그림. 7. 계통모의장치의 구성도

Fig. 7. Configuration of grid-simulator

4.2 단독운전시험장치

단독운전시험장치는 그림 8과 같이 ESS, 모의 RLC 부하, 계측제어장치 및 AC 전원으로 구성된다. 그림 9의 계측제어장치에서 ESS의 출력과 RLC부하의 상호시험조건을 고려하여, 스위치 1을 개방시켜 단독운전 조건을 구현한다. 또한, 모의 RLC 부하는 유·무효전력부하를 모의할 수 있도록 정임피던스 부하(Constants Z) 특성을 이용하여 저항성, 유도성 및 용량성 부하로 구성한다. 구체적으로 저항성부하의 최대 용량은 상당 10[kW]로서 100[W] 단위로 조정이 가능하고, 용량성부하와 유도성부하의 최대 용량은 상당 10[kVar]로서 100[Var] 단위로 가변할 수 있도록 MC를 이용하여 구현한다.

그림. 8. 단독운전시험장치의 구성도

Fig. 8. Configuration of anti-islanding test equipment

4.3 수배전반

30[kW]급 프로토타입 시험장치의 입력전원을 공급하고, 각종 사고로부터 시험장비를 보호하기 위한 수배전반은 그림 9와 같이 MCCB, ACB 및 디지털보호계전기 등으로 구성된다. 여기서 MCCB는 4P 160[AF]/120[AT]급으로 수전단 인입구에 설치되고, ACB는 4P 630[AF]/6000[AT]급으로 MCCB 2차측과 시험장치 1차측 사이에 설치된다. 또한, 디지털보호계전기의 보호협조는 수배전반의 내선규정을 이용하여 산정하였다. 즉, OCR은 실제 1.25[A](한시탭)의 250배(CT의 배수)인 200[A]이상의 단락사고전류가 계전기에 유입되면, 한시특성에 의해 적정시간을 지연하면서 동작하고 약 1,989[A]이상의 단락사고전류가 흐르면 순시특성에 의해 순간적으로 동작하게 된다. 한편, OCGR은 실제 1[A](순시탭)의 40배(CT의 배수)인 40[A] 이상의 지락사고전류가 계전기에 유입되면 한시특성에 의해 적정시간을 지연하면서 동작하고, 약 294[A] 이상의 지락사고전류가 유입되면 순시특성에 의해 순간적으로 동작하게 된다.

그림. 9. 수배전반의 구성도

Fig. 9. Configuration of switchgear

그림. 10. 무진동 컨테이너의 구성도

Fig. 10. Configuration of vibrationless container

4.4 무진동 컨테이너

현장에 설치, 운용중인 ESS의 안전 및 성능을 평가하기 위하여, 현장으로 이동하기 위한 무진동차량 일체형 컨테이너반이 요구된다. 그림 10은 30[kW]급 이동형 성능평가 시험장치의 컨테이너반의 구성도를 나타낸 것으로, 크게 수배전반, 계통모의시험장치, 모의부하, 계측기 등으로 구성된다. 또한, 차량 이동시 발생할 수 있는 진동을 방지하기 위하여 구성장치 바닥에 고무패킹을 설치하고, 시험장비의 흔들림을 방지하기 위하여 레일형태의 고정판을 이용한다^[14].

5.1 시뮬레이션 조건

본 논문에서 제안한 ESS용 성능평가 시험장치의 모델링과 30[kW]급 프로토타입 시험장치의 성능을 확인하기 위하여, 계통모의장치 및 단독운전시험장치의 운용특성을 분석한다. 표 1은 계통모의장치와 단독운전시험장치의 시험조건으로 전압과 주파수의 변동크기와 지속시간을 일정한 단위로 발생시킨다. 즉, 계통모의장치에 의한 순시전압강하시험은 0.9[PU], 0.8[PU], 0.7[PU]의 전압 값이 각각 0.5초 동안 지속되도록 설정하고, 순시전압상승시험은 1.1[PU], 1.2[PU], 1.3[PU]의 전압 값이 각각 0.5초 동안 지속되도록 상정한다. 또한, LVRT시험은 0.9[PU], 0.7[PU], 0.6[PU]의 전압 값이 0.15초, 0.2초, 0.3초 동안 각각 지속되도록 설정하고, 단독운전시험은 ESS가 약 7[kW]로 운전되고 있는 경우를 상정한다.

5.2 PSCAD/EMTDC에 의한 특성분석

(1) 계통모의장치의 특성분석

상기의 시뮬레이션 조건에 따라, PSCAD/EMTDC에 의하여 모델링 된 계통모의장치의 순시전압강하와 순시전압상승의 출력특성을 분석하면 그림 11과 같다. 여기서, 그림 11(a)는 순시전압강하에 대한 특성을 나타낸 것으로, 표 1의 시뮬레이션조건과 같이 순시전압강하의 지속시간이 0.5초 동안씩 진행되고, 각각의 전압의 크기도 설정한 조건 (0.9[pu], 0.8[pu], 0.7[pu])과 동일하게 출력되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 그림 11(b)는 순시전압상승에 대한 특성을 나타낸 것이며, 표 1의 시뮬레이션조건과 같이 순시전압상승의 지속시간이 0.5초 동안씩 진행되고, 전압의 크기도 설정한 조건(1.1[pu], 1.2[pu], 1.3[pu])과 동일하게 출력되고 있음을 확인할 수 있었다.

그림. 11. 순시전압강하 및 순시전압상승 특성

Fig. 11. Characteristics of sag and swell

또한, 상기의 시뮬레이션 조건에 따라, 주파수변동과 고조파 함유율 특성을 분석하면 그림 12와 같다. 여기서, 그림 12 (a)는 주파수 제어특성을 나타낸 것으로, 표 1의 시뮬레이션 조건에 따라 주파수를 60[Hz]에서 50[Hz]로 변동시킨 경우, 한 주기가 0.0167초에서 0.02초로 변동되어 목표로 하는 주파수가 정확하게 출력되고 있음을 확인하였다. 또한, 그림 12(b)는 고조파 특성을 나타낸 것으로, 표 1의 시뮬레이션 조건과 같이 21.37[%]의 3고조파가 함유되어 출력전류의 파형이 왜곡되어 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 상기의 시뮬레이션 조건에 의하여 LVRT의 출력특성을 분석하면 그림 13과 같다. 즉, 첫 번째 구간(Section 1)에서 0.15초 동안 0.9[pu]의 전압이 지속되고, 두 번째 구간(Section 2)에서는 0.2초 동안 0.7[pu]의 전압이 지속됨을 알 수 있었다. 또한 세 번째 구간(Section 3)에서는 0.3초 동안 0.6[pu]의 전압이 지속되어, 목표로 하는 LVRT의 출력특성이 구현되고 있음을 확인하였다.

(2) 단독운전시험장치의 특성분석

그림. 12. 주파수 및 고조파 특성

Fig. 12. Characteristics of frequency and harmonic

그림. 13. LVRT 특성

Fig. 13. Characteristics of LVRT

단독운전시험장치의 제어특성을 확인하기 위하여, 상기의 시뮬레이션 조건에 따라 단독운전 방지특성을 분석하면 그림 14와 같다. 즉, 첫 번째 구간(Section 1)은 ESS의 출력과 모의 RLC 부하를 7[kW]로 동일하게 설정한 경우이며, 오차 전류가 정격전류의 10[%] 미만이 되도록 제어한 것을 나타낸다. 또한, 두 번째 구간(Section 2)에서는 계통의 전원을 차단시켜 단독운전을 모의한 경우이며, ESS가 약 0.31초 동안 운전이 지속된 후 정지하는 것을 알 수 있었다. 따라서 ESS가 분산전원 계통연계 기술기준에 부합하는 단독운전 방지 제어특성을 가지고 있음을 확인하였다.

그림. 14. 단독운전 특성

Fig. 14. Characteristic of anti-islanding

그림. 15. 순시전압강하 및 순시전압상승 특성

Fig. 15. Characteristics of sag and swell

5.3 30kW급 이동형 성능평가 시험장치에 의한 특성분석

(1) 계통모의장치 특성분석

그림. 16. 주파수 변동 및 고조파 함유율 특성

Fig. 16. Characteristics of frequency and harmonic

시뮬레이션과 동일한 시험조건에 따라, 30[kW]급 계통모의장치의 순시전압강하와 순시전압상승의 출력 특성을 분석하면 그림 15와 같다. 여기서, 그림 15 (a)는 순시전압강하에 대한 특성을 나타낸 것으로, 순시전압강하의 지속시간이 0.5초 동안씩 진행되고, 각각의 전압의 크기도 목표 값(0.9[pu], 0.8[pu], 0.7[pu])으로 출력되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 그림 15 (b)는 순시전압상승에 대한 특성을 나타낸 것이며, 순시전압상승의 지속시간이 0.5초 동안씩 진행되고, 전압의 크기도 목표 값(1.1[pu], 1.2[pu], 1.3[pu])으로 출력됨을 알 수 있었다. 따라서 PSCAD/EMTDC에 의한 시뮬레이션 값과 계통모의장치의 값이 일치하여, 시험장치의 유효성을 확인하였다.

또한, 시뮬레이션과 동일한 시험조건에 따라, 주파수변동과 고조파 함유율 특성을 분석하면, 그림 16과 같다. 여기서, 그림 16 (a)는 주파수변동에 대한 출력특성을 나타낸 것으로, 60[Hz]에서 50[Hz]로 변동시킨 경우, 한 주기가 0.0167초에서 0.02초로 변동되어, 목표로 하는 값이 정확하게 출력되고 있음을 확인하였다. 또한, 그림 16 (b)는 고조파 함유율 특성을 나타낸 것으로, 목표로 하는 21[%]의 3고조파가 함유되고 있음을 알 수 있었다. 따라서 PSCAD/ EMTDC에 의한 시뮬레이션 값과 계통모의장치의 값이 일치하여, 시험장치의 유효성을 확인하였다.

그림. 17. LVRT 특성

Fig. 17. Characteristics of LVRT

그림. 18. 단독운전 특성

Fig. 18. Characteristic of anti-islanding

한편, 시뮬레이션과 동일한 시험조건에 따라, 실제 계통모의장치의 LVRT의 출력특성을 분석하면 그림 17과 같다. 즉, 첫 번째 구간(Section 1)에서 0.15초 동안 0.9[pu]의 전압이 지속되고, 두 번째 구간(Section 2)에서는 0.2초 동안 0.7[pu]의 전압이 지속됨을 알 수 있었다. 또한 세 번째 구간(Section 3)에서는 0.3초 동안 0.6[pu]의 전압이 지속되어, 목표로 하는 LVRT의 출력특성이 구현되고 있음을 알 수 있었다. 따라서 PSCAD/EMTDC에 의한 시뮬레이션 값과 계통모의장치의 값이 일치하여, 시험장치의 유효성을 확인하였다.