1. 서론

최근, 피크저감 및 수요관리, 신재생에너지전원의 출력안정화, 주파수조정(FR, frequency regulation) 등 다양한 기능을 가지고 있는 전기저장장치(energy storage system, ESS)에 대한 관심이 전 세계적으로 크게 증가하고 있다 ⁽¹⁾ . 우리나라도 정부 주도하(K-ESS 2020)에 2020년까지 6.4조원 규모의 기술개발과 설비투자, ESS 설치 의무화 정책을 적극적으로 추진하고 있다. 또한, 한전에서는 2014년도부터 시범용으로 52[MW]의 주파수조정용 ESS를 설치하기 시작하여, 현재 총 376[MW]의 주파수조정용 ESS를 운용하고 있다 ⁽²⁾ . 여기서, 주파수조정용 ESS는 전력계통의 수요와 공급 특성에 따라 충·방전 기능을 수행하는 것을 말하며, 기존에 주파수조정을 담당하고 있는 발전기에 비하여 응답속도가 상당히 빠르기 때문에 주파수조정에 효과적일 것으로 기대하고 있다 ^(3-5) . 하지만, 대규모의 주파수조정용 ESS가 도입되어 운용되는 경우, 유효전력만을 공급하기 때문에 전력계통의 안정성을 악화시킬 가능성이 있다. 또한, 주파수조정용 ESS에 대한 운용상의 경험 및 국제적인 기술표준이 없는 상황임으로, 주파수조정용 ESS의 운용에 따른 전기품질, 계통영향성, 기여도 등에 대한 종합적인 연구가 필요한 실정이다.

따라서, 본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 주파수조정용 ESS의 모델링 및 계통영향성 평가 알고리즘을 제안한다. 즉, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수 응동특성을 비교하여, 주파수조정용 ESS 도입에 따른 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제시한다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다. 이를 바탕으로 제주계통의 1/2의 모델 계통을 대상으로 다양한 시나리오에 따른 시뮬레이션을 수행하여, 제안한 평가알고리즘과 모델링이 주파수조정용 ESS 도입에 따른 전력계통 영향성 평가에 대한 유용성을 확인한다.

2. 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가알고리즘

기존의 주파수조정은 전력계통의 수요와 공급에 따라 발전기가 수초에서 수분 사이의 반응속도로 출력을 증발 또는 감발하여 주파수를 60±0.2[Hz] 범위 이내로 일정하게 유지한다^[6]. 하지만 주파수조정용 ESS는 0.2초 이내의 반응속도로 충·방전을 수행하여 계통의 주파수를 일정하게 유지할 수 있다^[7]. 따라서, 기존 발전기의 주파수조정에 비하여 응답속도가 빠른 주파수조정용 ESS가 운용되는 경우, 전력계통의 주파수 특성이 달라지기 때문에, 여기에서는 주파수조정용 ESS에 의한 계통영향성 평가알고리즘을 제안한다. 즉, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수제어 특성과 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어 특성을 비교하여 계통영향성을 평가하며, 이에 대한 상세한 절차는 다음과 같다.

[Step 1] 대상계통의 크기 및 부하 상태를 설정하고 일정수준 이상의 주파수가 변동되도록 부하급변을 발생시킨다.

[Step 2] 부하변동 발생시, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수제어를 수행하고 전력계통의 주파수를 측정하여, 최소주파수($F _ {gov\_min}$), 최소주파수 도달시간($T_ {gov\_min}$) 및 최대주파수 회복시간($T_ {gov\_max}$)을 기준치로 설정한다.

[Step 3] 동일한 부하변동에 대하여 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어를 수행하고 전력계통의 주파수를 측정하여 최소주파수($F_ {ESS\_min}$), 최소주파수 도달시간($T_{ESS\_min}$) 및 최대 주파수 회복시간($T_ {ESS\_max}$)을 산출한다.

[Step 4] [Step 2]에서 기준치로 설정한 최소주파수 ($F_ {gov\_min}$)와 [Step3]에서 산출한 최소주파수($F_ {ESS\_min}$)를 비교하여 서로 같지 않은 경우에는 식 (1)과 같이 전력계통의 주파수 변화량과 ESS의 출력 변화량 그리고 주파수 조정용 ESS의 용량을 이용하여 주파수조정용 ESS의 응동특성을 산출한다.

[Step 5] [Step 2]에서 기준치로 설정한 최소주파수 도달시간($T_{gov\_min}$)과 [Step3]에서 산출한 최소주파수 도달시간($T_{ESS\_min}$)를 비교하여 서로 같지 않은 경우에는 식 (2)를 이용하여 주파수조정용 ESS의 주파수제어 여유도(α)를 평가한다.

[Step 6] [Step 2]에서 기준치로 설정한 최대주파수 도달시간($T_{gov\_min}$)과 [Step3]에서 산출한 최대주파수 도달시간($T_{Ess\_max}$)를 비교하여 서로 같지 않은 경우에는 식 (3)을 이용하여 주파수조정용 ESS의 주파수 회복특성(β)을 구한다.

[Step 7] 기존 발전기의 조속기에 상응하는 주파수조정용 ESS의 등가용량을 산출하기 위하여, 기준치로 설정한 최소주파수($T_{gov\_max}$)보다 큰 경우에는 주파수조정용 ESS의 용량을 감소시키고, 기준치 보다 작은 경우에는 주파수조정용 ESS의 용량을 증가시켜, [Step 3]에서 [Step 6]을 반복 수행하고, 기준치와 동일한 경우에 평가를 완료한다.

상기의 절차를 플로우차트로 나타내면 그림 1과 같다.

그림 1 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가알고리즘

Fig. 1 Influence evaluation algorithm for power system of frequency regulation ESS

3. PSCAD/EMTDC를 이용한 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가 모델링

주파수조정용 ESS의 도입에 따른 계통영향성을 평가하기 위해 전력계통 해석 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존의 동기발전기, 주파수조정용 ESS, 부하로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다^[8-11].

3.1 동기발전기 모델링

동기발전기의 제어기는 출력전압을 조정하는 여자기와 유효전력을 제어하는 조속기로 구성된다. 여자기는 동기발전기에서 발생하는 무효전력을 제어하여, 출력전압을 정전압으로 제어하는 역할을 수행한다. 또한, 회전기의 계자전압 및 계자전류를 제어함으로써 발전기의 보호기능역할도 담당한다. 이러한 기능을 가지는 여자기는 그림 2와 같이 현재 많이 사용되고 있는 IEEE의 ST1A 타입의 정지형 여자방식을 이용하고, 이를 PSCAD/EMTDC로 나타내면 그림 3과 같다.

그림 2 정지형 여자시스템 블록도

Fig. 2 Diagram of static excitation system(ST1A)

그림 3 여자기 모델링

Fig. 3 Modeling of excitor

한편, 동기발전기의 조속기는 회전속도를 일정한 값으로 유지하기 위해 사용하는 제어장치로서, 계통의 수요전력량만큼 제어하는 유효전력 제어부와 동기발전기 속도를 계통의 주파수(60[Hz])에 추종하도록 제어하는 속도제어부로 구성된다. 이러한 조속기는 그림 4와 같이 기계 유압 제어 방식의 GOV2를 사용하고, 이를 PSCAD/EMTDC로 모델링하면 그림 5와 같다.

그림 4 조속기의 제어 블록도

Fig. 4 Control diagram of governor(GOV2)

그림 5 조속기 모델링

Fig. 5 Modeling of governor

3.2 주파수조정용 ESS의 모델링

목표로 하는 주파수조정용 ESS의 유효전력과 무효전력의 출력값을 얻기 위하여, ESS의 출력을 결정하는 d-q축의 기준전류($I _ { ref-d } ^ { }$, $I _ { ref-q } ^ { }$)를 산정하여야 한다. 즉, ESS의 기준링크전압과 목표전력을 의한 DC 링크전압을 서로 비교하여 전압차를 구하고, 전압차를 PI제어에 의하여 전류로 변환하면 d-q축의 기준전류를 구할 수 있다. 따라서, d-q축의 기준전류를 구하는 식을 나타내면 식 (4), 식 (5)와 같다.

(4)

$I _ { ref-d } =(Kp+ \frac{ Ki } { s } )(V _ { DC-d } ^ { * } +V _ { DC-d } )$

(5)

$I _ { ref-q } =(Kp+ \frac{ Ki } { s } )(V _ { DC-q } ^ { * } +V _ { DC-q } )$

여기서,$I _ { ref-d }$: ESS 출력을 위한 d축 기준전류, $I _ { ref-q }$: ESS 출력을 위한 q축 기준전류, $V _ { DC-dq } ^ { * } $: 기준 DC 링크전압,$V _ { DC-dq }$: 목표 DC링크전압

또한, d-q축 기준전류가 음의 값을 가질 때 ESS를 충전하고, 양의 값을 가질 때 ESS를 방전하기 위하여, 기본 전류제어 알고리즘에 적용하면 식 (6), 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.

(6)

$V _ { d } =(I _ { ref-d } -I _ { d } )(Kp+ \frac{ Ki } { s } )-I _ { q } \times \omega L+V _ { sq }$

(7)

$V _ { q } =(I _ { ref-q } -I _ { q } )(K _ { p } + \frac{ K _ { i } } { s } )-I _ { d } \times \omega L$

여기서, $V _ { d } ^ { }$, $V _ { q } ^ { }$: 인버터 출력을 위한 d-p축 전압, $I _ { d }$, $I _ { q }$: d-q동기좌표계에 의한 계통전류, $V _ { sq } ^ { }$: 계통의 순시전압

상기의 식 (6), 식 (7)를 이용하여 세부적인 전류제어 알고리즘을 모델링하면 그림 6과 같다. 한편, 상기의 d-q축의 기준전류를 구하는 관계식 식 (4)와 식 (5)를 전류제어 알고리즘인 식 (6)과 식(7)에 적용하여, 정전류원으로 충·방전을 수행할 수 있도록 주파수조정용 ESS를 모델링하면 그림 7과 같이 나타낼 수 있다.

그림 6 전류제어 모델링

Fig. 6 Modeling of current controller

그림 7 주파수조정용 ESS 모델링

Fig. 7 Modeling of frequency regulation ESS

3.3 전력계통 모델링

상기의 내용을 바탕으로 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 동기발전기 3대, 주파수조정용 ESS, 부하 등으로 구성된 전력계통을 모델링하면 그림 8과 같다. 여기에서, No. 1 부분은 동기발전기, No. 2는 주파수조정용 ESS, No. 3은 부하를 나타낸 것이다.

그림 8 전체계통 모델링

Fig. 8 Total modeling of power system

4. 시뮬레이션 결과 및 특성 분석

4.2 PSCAD/EMTDC 모델링의 성능 평가

4.2.1 동기발전기의 출력특성 분석

앞에서 제시한 PSCAD/EMTDC를 이용한 동기발전기 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기의 출력특성을 분석하였다. 즉, 전력계통의 부하를 282[MW]에서 3초 후에 3[MW]의 부하가 급격하게 증가되도록 설정한 경우, 그림 9와 같이 동기발전기 3대의 출력이 각각 94[MW]에서 3초 후에 목표치인 95[MW]로 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있었다. 단, 실제의 동기발전기의 출력 특성은 지연특성이 있지만, 여기서는 고려하지 않았다.

그림 9 동기발전기의 출력 특성

Fig. 9 Output characteristics of synchronous generator

4.2.2 주파수조정용 ESS의 출력특성 분석

앞에서 제시한 PSCAD/EMTDC를 이용한 주파수조정용 ESS 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기와 동일한 조건에서 ESS의 출력특성을 분석한 결과, 그림 10과 같이 ESS의 출력이 3초 후에 목표치인 2[MW]로 잘 제어되고 있음을 확인하였다.

그림 10 주파수조정용 ESS의 출력 특성

Fig. 10 Output characteristic of ESS

4.3 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가

4.3.1 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성

먼저 기존 발전기의 조속기에 의한 전력계통의 주파수 응동특성을 분석하면 그림 11과 같이 나타낼 수 있다. 즉, Case I의 운용조건에 따라, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 3[MW]의 조속기가 동작하여((시간지연은 고려하지 않음), 전력계통의 주파수가 부하변동 후 약 3초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 하락하고, 18.1초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다.

그림 11 조속기에 의한 주파수 특성

Fig. 11 Frequency characteristics of generator governor

4.3.2 주파수조정용 ESS에 의한 주파수 응동특성

여기서는 Case II의 운용조건에 대하여, 주파수조정용 ESS에 의한 전력계통의 주파수 응동특성을 분석하면 그림 12와 같다. 즉, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 1[MW]의 조속기와 2[MW]의 주파수조정용 ESS가 동작하여, 전력계통의 주파수가 부하변동 후 약 2.8초 후에 최저점인 59.919[Hz]까지 하락하고, 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.889 [Hz]이지만, 2[MW]의 용량을 주파수조정용 ESS로 대체하는 경우, 주파수 최대 저하치는 59.919[Hz]까지만 하락하여, 전력계통의 주파수 변동폭을 약 0.03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.1초에 주파수가 59.983[Hz]까지 회복되지만, 주파수조정용 ESS는 16.5초에 59.983[Hz]까지 회복되어 주파수제어 성능이 약 1.6초 정도 개선될 수 있음을 알 수 있었다.

그림 12 주파수조정용 ESS에 의한 주파수 특성

Fig. 12Frequency characteristics of ESS

4.3.3 주파수조정용 ESS의 용량특성에 의한 성능평가

주파수조정용 ESS의 성능을 평가하기 위하여, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 특성(59.889[Hz])에 상응하는 주파수조정용 ESS의 등가용량을 산출하였다. 즉, Case Ⅱ의 운용조건을 초기상태로 가정하고, ESS의 용량을 100[kW]씩 변동시켜가면서 주파수 응동특성을 확인한 결과, 그림 13과 같이 1.5[MW] 용량의 ESS가 투입되면 기존의 조속기와 동일한 주파수 최저점인

그림 13 주파수조정용 ESS의 주파수 특성(1.5[MW])

Fig. 13 Frequency characteristics of ESS(1.5[MW])

5. 결 론

본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수제어 특성을 비교하여, 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS, 부하로 구성된 전력계통의 모델링을 제시하였다. 이에 대한 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)PSCAD/EMTDC를 이용한 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기와 주파수조정용 ESS의 출력특성을 분석한 결과, 동기발전기와 ESS 모두 목표 출력이 잘 제어됨을 확인할 수 있었다.

(2)기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성의 운용조건(Case I)에 따라, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 3[MW]의 조속기가 동작하여 전력계통의 주파수가 부하변동 후 3초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 하락하고, 18.1초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다.

(3)주파수조정용 ESS에 의한 주파수 응동특성의 운용조건(Case II)에 따라, 1[MW]의 조속기와 2[MW]의 주파수조정용 ESS가 동작하는 경우, 전력계통의 주파수는 부하변동 후 2.8초 후에 최저점인 59.919[Hz]까지 하락하고, 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 즉, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.889[Hz]이지만, 2[MW]의 용량을 주파수조정용 ESS로 대체하는 경우, 주파수 최대 저하치는 59.919[Hz]까지만 하락하여, 전력계통의 주파수 변동폭을 약 0.03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.1초에 주파수가 다시 59.983[Hz]까지 회복되지만, 주파수조정용 ESS는 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되어 주파수제어 성능이 약 1.6초 정도 개선될 수 있음을 알 수 있었다.

(4) 주파수조정용 ESS의 용량특성에 의한 성능평가 조건(Case Ⅲ)에 따라 시뮬레이션을 수행한 결과, 1.5[MW] 용량의 ESS가 투입되면 기존의 조속기와 동일한 주파수 최저점인 59.889[Hz]까지 도달함을 확인할 수 있었다. 즉, 주파수조정용 ESS는 1.5[MW]의 용량으로도 2[MW]의 조속기와 동일한 성능을 확보할 수 있어서 주파수조정용 ESS의 주파수 응답특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 조속기는 부하변동 후 3초 만에 주파수의 최저점인 59.889 [Hz]까지 하락하지만, 1.5[MW]의 주파수조정용 ESS는 약 4.5초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 도달하기 때문에 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어가 전력계통의 주파수제어 여유도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.