2.1 모델 개요

2018년에 고시된 장기 송변전설비계획에 따르면, 70kV 전용변전소 구성의 목적은 발전고객의 접속전압·규모 선택권 확대 및 접속대기 최소화로서, 90MVA급 연계용량을 가질 것으로 예상된다. 기본적으로 일반부하 연계 시 고려되어야 하는 품질 문제가 완화될 것으로 예상되며, 추가적으로 신재생발전설비의 과도변동특성, 출력 불확실성에 대비하기 위해서는 ESS 설계가 병행적으로 진행되어야 한다. 그림 1은 신재생 접속 전용 변전소의 개념도를 나타낸다. ESS를 포함한 변전소 설계 시, 출력 용량에 주목하여 에너지, PCS 용량 설계가 요구되며, 변전소 한계 용량 및 접속 지점의 과부하를 고려해야 한다. 신재생에너지의 안정적인 계통연계를 위해, Fault ride through(FRT) 등 제어능력 확보가 요구되며, 이러한 접속기준은 국제 표준규격을 기반으로 대상이 되는 계통에 맞추어 세부조정이 가능해야 한다.

2.2 전용변전소 계통 영향 평가

한국전력공사 및 산업체의 경우, 계통 운영자의 요구 조건에 대해 사전 검토 절차를 수행해야 하며, 일반적으로 투입 하고자 하는 설비를 시뮬레이션 상에 구성하여 검토를 진행한다. 한국의 경우, 한국전력공사에서 제공하는 계통 raw data를 기반으로 PSS/e 툴을 이용한 영향 평가를 수행하는 것이 일반적이다. 현재 활용되고 있는 전력 수급 계획 기반으로 분석을 진행하며, 전용변전소를 포함한 분석을 정리하면 그림 2와 같다.

2.3 에너지저장장치 제어 요구사항

전력계통에서 전력의 변동이 발생하는 상황에서, 주요 변동 요소인 주파수를 중심으로 동요방정식(Swing equation)을 구성하면 식 (1)과 같다.

여기서, $M$은 동기발전기 관성, $D$는 댐핑, $P_{m}$는 기계적 입력, $P_{e}$는 전기적 출력을 나타낸다.

일반적으로 과도상태에서 전력계통의 주파수를 ESS를 이용해 제어하기 위해서는 Droop 제어가 이용되며, 전력계통의 주파수 변화에 따라 유효전력을 조정하는 방식으로 출력 제어를 수행할 수 있다. 식 (1)을 이용하면, 관성을 가진 주요 동기발전기의 출력 변화에 따른 주파수 변화를 식 (2), (3)과 같이 예상하여, ESS 제어 입력신호로 사용할 수 있다. 또한 운영자가 요구하는 응답속도에 맞게 파라미터를 조정함으로서 고유의 Droop 제어로 활용될 수 있다.

일반적으로 ESS에 요구되는 유효전력 제어는 IEEE 1547에 제시되어 있다. 별도의 분산전원으로서, 역률제어를 포함한 정전력 제어기능이 요구될 것으로 예상되며, 전력계통의 사고에 따른 과도응답에 대해, Droop 제어와 같은 주파수 응답제어가 요구될 수 있다. 본 논문에서는 응답속도를 조정할 수 있는 Droop 제어를 포함하여 유효전력 제어 기능을 제공하고자 한다.

2.4 IEEE 1547 기준 요구사항 분석

송전급 계통을 대상으로 진행하는 영향 평가에 ESS가 탑재된 전용변압기를 포함하여 시뮬레이션 해석을 진행하기 위해서는, 주요 계통연계기준을 준수할 수 있도록 독립된 모델이 구성되어야 한다. 계통연계기준은 일반적으로 계통 고유의 특성을 반영하여 설계되므로, 국가별로 상이한 부분이 있다. 국내 산업체의 경우, 전용변전소를 설계하는데 있어, 국내 규정 뿐 아니라, 해외 일반기준을 고려사항으로 포함하기 때문에, IEEE와 같은 해외기준을 대상으로 주요 연계기준사항을 도출하여 사용자정의모델에 포함하고자 한다.

2018년에 개정된 IEEE 1547⁽⁸⁾은, ESS를 포함한 분산형 에너지원을 Distributed Energy Resource(이하 DER)로 규정하여, 계통에 연계될 때 필수사항 및 권장사항을 분리하여 제시하였으며, 국가별 특성에 맞추어 연계규정을 조정하여 준용할 것을 언급하였다. 기존 규정보다 무효전력제어에 대해 세부적으로 언급한 것이 특징으로, 개정된 IEEE 1547을 기준으로 국가별로 계통연계규정의 조정이 예상된다. 개정된 IEEE 1547을 기반으로, ESS가 포함된 전용변전소에 고려해야 하는 일반적인 항목은 아래와 같다.

· 2초 이내에 트립 가능해야 함

· DER은 지정 운영 주파수/전압 범위 내에서 연속 운전이 가능해야 함(전압: 0.88~1.10 pu, 주파수: 공칭주파수 ±2% 권장)

· 유효전력을 정격의 백분율로 제한할 수 있어야 함 (저/과 주파수 시 출력제어 기능은 필수 항목으로 권장함)

· DER의 출력변화율을 정격용량의 20%/분 이내로 제한 가능할 것을 권장함

· Low voltage ride through (이하 LVRT), high voltage ride through (이하 HVRT) 기능 보유 필요

· DER은 0.4초 이내에 고장 전 유효전력 출력의 80% 이상 회복해야 함

· DER은 회복 이후 최대 5초 동안 과도상태 전압 지원 기능을 사용할 수 있어야 함

출력변화율 중 감소율 제어의 경우, 별도의 저장장치가 필요하기 때문에 의무화로 명시하지는 않았다. 요약하면, 특정 조건 하에서 DER이 유지되어야 하고, 변화율에 대한 제한 조건 입력이 가능해야 한다. 기존 PSS/e에서 제공하는 Generic 모델 중 ESS로 활용이 가능한 모델(CBEST)은 단순 조류계산 및 동적 유효전력 제어(초기 및 과도 제어) 조건 하에서 활용이 가능하나, IEEE 1547에서 요구하는 과도 전압 제어 기능, 주파수 제어 및 LVRT-HVRT 기능 활용이 어려워 전용변전소 모델 설계에 어려움이 있다. 본 논문에서는 다양한 조건 하에서 정적 및 동적해석을 기반으로 전용변전소의 계통 영향 평가를 수행할 수 있도록 시뮬레이션 기반을 마련하는 것을 목표로 한다. IEEE 1547의 일반적인 요구사항을 준용하여 사용자정의모델 설계를 진행하고자 한다.

IEEE 1547은 언급한 일반적인 제어 요구사항 외에도 무효전력·전압제어에 대해 3가지 의무 제어 모드를 수행할 수 있도록 제시하였다. 연계되는 DER은 전압제어에 대해 일정역률 제어(Constant power factor mode), 전압·무효전력 제어(Voltage-reactive power mode), 일정 무효전력 제어(Constant reactive power mode)를 수행할 수 있어야 한다. 여기서 전압·무효전력 제어는 지정된 전압변동에 따라 무효전력 공급이 수행될 수 있도록 Droop 제어 형태로 진행되는 것을 의미하며, 그림 3과 같은 예시적인 응용이 제시되었다. 전용변전소가 ESS를 포함하는 경우, 언급한 제어모드를 수행할 수 있어야 한다.

본 논문에서 진행하고자 하는 사용자정의모델은 일반적인 요구사항에서 언급된 바와 같이, 동적모델을 포함하여 과도상태 해석이 가능해야 하며, 송전선로 고장 및 발전기 탈락과 같은 과도상태에서 요구되는 응답을 수행할 수 있어야 한다. 또한 전압·무효전력제어에서 명시한 3가지 제어모드가 가능해야 한다. 본 논문에서 구성할 사용자정의모델에 요구되는 응답능력을 신규개발항목을 포함하여 정리하면 표 1과 같다.

3.1 계통 안정도 평가 절차

계통 운영에 대해 모의하는 과정에서 신뢰도 기준을 위반하는 사례가 있는 경우, 투입하는 설비의 파라미터를 조정하여 계통에 미치는 영향을 조정하거나, 연계되는 설비 인근 계통을 보강해야 한다. 개별 설비를 계통에 도입하기 이전에 운영자의 요구 조건에 맞는 검토 절차가 필요하다. 그림 4는 언급한 계통 해석 절차를 도시한다. 국내 전력계통에 대해 사전 검토 시에는, 한국전력에서 사용하는 Database는 제공받아 사용해야 하며, 준수해야 하는 규정도 고시된 기준을 따라야 한다. 하지만, PSS/e와 같은 전력계통 해석 조건에서는, 제공된 라이브러리만을 이용하여, 필요한 동적특성을 구현하기 어려우며, 개별 설비를 제공하는 입장에서 계통 영향 평가를 진행할 수 있도록 모델을 제공해야 할 것으로 판단된다. 그림 4에 도시된 계통 해석 절차상에서 표시된 바와 같이, 모델 구성 및 데이터 조정방안을 제시하여, 사업자 또는 운영자가 자체적인 설비 조정 및 계통 해석을 진행할 수 있도록 설계 과정을 제시하고자 한다.

3.2 Package S/S 기반 전용변전소 UDM 설계

본 논문에서는 현대일렉트릭(前 현대중공업)에서 제작하는 ESS가 포함된 전용변전소(Package Substation)를 기반으로, 한국전력공사가 제공하는 전국 계통 raw data 안에서, IEEE 1547 기준을 준용하여, 계통 영향 평가를 진행할 수 있는 사용자 정의 모델을 설계하고자 한다.

계통 영향 평가는, 정적 해석(조류계산, 과부하, 전압 변동 범위)과 동적 해석(과도 안정도, 전압 보상, 주파수 보상)이 대상이며, IEEE 1547에서 제공한 범위 안에서 수행하는 것을 기본 모델의 영역으로 정의하였다.

그림 5는 UDM 모델의 간략화 된 제어 구조이다. 순시치 해석 프로그램에서와는 달리 PSS/e는 실효치 기반의 해석프로그램이므로 일반적으로 사용하는 제어기를 수정하여 적용해야한다. 개발 모델의 경우 유/무효전력 독립 제어를 위해 RMS Model-based Decoupled Control 모듈을 추가하였다. 이는 PSS/e가 순시치가 아닌 실효치 기반으로 동적 모델이 설계되어야하므로 위상 추적 및 Decoupled 제어를 위해 사용되는 DQ Transform과 위상 추적 기능이 적용되지 않기 때문이다. 대신 주입 전류의 Phasor를 실수부와 허수부를 분리하는 알고리즘을 적용하였다.

그림 6는 구성한 사용자정의모델의 응답 특성을 결정하는 PSS/e 상의 모델 파라미터 입력 창을 나타낸다. 파라미터의 순서 별로, 1번부터 3번까지는, 유효전력 제어기의 PI 파라미터를 나타내며, 4번부터 6번까지는 무효전력 제어기의 PI 파라미터를 나타낸다. 유·무효전력 제어기 파라미터는 일정전력제어를 위한 것으로, 추종제어를 위한 파라미터는 7번부터 10번까지 제시되어 있다(무효·유효전력 순서).

11번, 12번 입력 창은 각각 유효전력, 무효전력 한계 값을 설정하기 위해 구성되었으며, 언급한 3가지 제어 모드(정전력 제어, Droop 제어, 역률 제어)를 설정하기 위한 창은 13번, 14번에 구성되었다. 각 Droop 제어 상에서 응답에 대한 민감성을 조정하는 불감대 설정은 15번, 16번에서 입력이 가능하다. 마지막으로 역률 설정은 17번에서 독립적으로 입력이 가능하다.

4.1 사용자 정의 모델 적용 지역

구성된 사용자 정의 모델을 8차 전력수급기본계획을 기반으로 제공된 PSS/e raw data에 적용하여 응답 능력을 확인하고자 한다. 적용 연도는 2024년으로 신재생에너지 패키지 변전소 설치 예상 연도를 목표로 하였다. IEEE 1547에서 규정한 DER 응답 능력을 확인하고, 향 후 계통 해석에 적용하여 영향 평가를 수행할 수 있는지 검증하고자 한다.

본 논문에서는 국내 계통 중, 태양광발전의 연계량이 증가하여 전용변전소의 주요 수요지역으로 판단되는 전라남도 신안지역을 대상 설치 지역으로 설정하였다. 그림 7에 도시된 PSS/e 계통도와 같이, 신안지역과 신안GS 상의 변압기를 70kV로 변형 구성하여, 그림 8과 같은 DER 모선으로 설정하였다. 해당 모선은 전용변전소 연계 모선으로 구성되어, 사용자 정의 모델 상에서 입력된 제어 능력을 따를 수 있도록 모의된다. IEEE 1547에 제시된 운영 기준 중에서, 유·무효전력의 정전력 제어, Droop 제어, 역률제어가 정확히 동작하는지 제시하고자 한다. Droop 값은 0.5pu로 설정하였으며, Dead-band의 경우 0.1%로 선정하였다. 변전소 모델 내의 개발 모델 용량의 정격은 25MVA로 설계하였다. 동적 모델 검증은 Droop 제어 상에서 상정사고를 모의하고, 선로 제거를 진행하는 사례연구를 포함함으로서 도출될 수 있도록 구성하였다.

4.2 제어 모드 확인

Droop 제어 검증을 목표로 시뮬레이션을 진행하였다. 전용 변전소가 주파수, 전압 변동을 보상하도록 Droop 제어 모드를 설정하고, 상정사고를 모의, 6cycle 후 선로 제거가 진행되도록 모의하였다. 상정사고는 전압과 주파수 변동을 야기하기 위해 신안 모선 인근 지역인 화원과 안좌 모선을 연결하는 345kV 1회선 선로 고장을 모의하였으며, 차단기 동작 조건을 적용하기 위해 5cycle 뒤에 선로를 Trip시키는 시나리오를 적용하였다. 모의된 전압 변동은 그림 9와 같다.

1초에 모의된 상정사고에 따라 전압변동이 발생하며, 고장 및 선로제거가 진행되기까지 전압 강하가 발생한다. Mode 1은 제어 능력이 포함되지 않은 전용변압기 모델 응답을 나타내며, Mode 2의 경우 제어 능력을 포함한 시뮬레이션을 나타낸다. Mode 2에서 최저전압이 높아지는 현상이 발생하며, 이는 구현된 전용변전소의 DER(ESS)이 탈락되지 않고 무효전력을 공급하기 때문에 발생하는 현상으로 평가된다. 상정사고 과정에서 전용변전소가 공급하는 무효전력은 그림 10에 나타난다. 상정사고가 발생하고, 저전압이 유지되는 동안 설정된 파라미터에 따라 무효전력 공급을 진행하며, 고장이 제거된 이후에는 높은 전압이 유지됨에 따라 무효전력 흡수(진상 제어)가 진행되는 것이 확인된다.

그림 11은 유효전력에 대한 Droop 제어 응답 결과와 그에 따른 계통 영향을 확인하기 위해 도시하였다. 상정사고가 발생하여 계통에 주파수 변화가 발생하면, 전용변전소에 설정된 Droop 계수에 따라 출력 제어가 진행된다. 주파수를 추종하여 유효전력 공급 및 흡수를 진행하는 것이 확인된다. 전용변전소 규모 상 주파수 회복에 기여하는 바는 적으나, 그림에 도시된 바와 같이, 최저주파수가 소폭 상승하는 것이 확인된다.

그림 12은 전용변전소의 정전력 모드를 확인하기 위해 구성되었다. 유효전력 출력 지령을 2.5초, 무효전력 출력 지령을 3초에 설정함으로서 각각의 출력 변화가 독립적으로 진행될 수 있는지 확인하고자 하였다. 각각 입력된 출력 지령(0.5MW, 0.5Mvar)에 따라 동작하는 것이 확인된다.

그림 13의 경우, 역률 제어 모드를 확인하기 위해 도시한 그래프이다. 2.5초부터 역률제어모드를 입력한 결과, 설정된 역률이 준수되도록 전용변전소가 동작하는 것을 확인할 수 있다. 대상 계통이 과전압 상태로 운전됨에 따라, 추가적인 무효전력 공급이 발생하지 않는 것이 확인된다.

시뮬레이션 결과를 토대로 개발 모델이 계통 안정도에 기여한 정도를 정량적 수치를 표기하면 표 2와 같다. 지역적 특성을 갖는 전압의 경우, 최저전압 기준, 약 3% 정도의 전압 개선 효과를 확인할 수 있다. 그러나 대상 패키지 모델의 용량이 전국 계통에 비해 작아, 주파수 측면에서의 계통 안정도 개선 효과는 높지 않은 것으로 나타난다.