① 정상모드

전력계통 주파수가 불감대의 하한(f1) 이상이고 주파수변화율(Rate of Change of Frequency, RoCoF)가 기준 이하인 조건에서는 정상모드로 제어한다. 정상모드에서는 별도로 주파수 유지를 위한 제어를 수행하지 않는다. 다만 상시 충전상태(State Of Charge, SOC)를 일정수준으로 유지시키기 위한 저속 충/방전제어 및 과도모드 제어 시 빠른 응답을 확보하기 위한 시동(Idling)제어를 수행한다.

② 주파수 조정모드

전력계통 주파수가 불감대의 하한(f1) 이하이고 RoCoF가 기준 이하인 조건에서는 주파수 조정모드로 제어한다. 주파수 조정모드에서는 주파수오차에 대한 비례(Droop)제어를 통해서 전력계통의 주파수를 유지하도록 한다. 다만 과도모드 제어를 대비해서 SOC 수준을 80 ~ 90% 수준으로 유지하는 제어도 병행한다.

③ 과도모드

전력계통 주파수가 일정수준(f2)이하로 낮아지거나 주파수와 무관하게 RoCoF가 기준 이상인 조건에서는 과도모드로 제어한다. 과도모드에서는 최대속도로 방전하여 주파수를 회복시키는 제어를 수행한다. 발전제약 완화용 ESS가 과도모드로 제어되는 동안은 충전수준(SOC)을 유지하기 위한 충/방전제어는 수행하지 않는다. 또한 RoCoF가 일정 시간 이상동안 양의 값을 유지하고, 주파수가 불감대의 하한값 이상이면 출구모드가 동작하여 다시 정상모드로 동작한다.

본 논문에서 제안하는 발전제약 완화용 ESS는 기존의 ESS와는 다르게 주파수가 급격하게 하락하는 과도 상황에서 ESS가 최대 방전을 함으로써 계통의 최저주파수 상승에 기여하여 상시 발생하는 발전제약을 완화하는 목적이 있다. 그렇기 때문에 기존의 ESS보다 상시 충전상태를 높게 유지하여야 하며(약 80~90% 수준), 상시 주파수 제어를 목적으로 하는 것이 아니므로 불감대 영역을 더 크게 설정해도 된다는 차이점이 있다.

3.1.1 운영예비력 및 전력수요의 주파수 응동 특성

본 검토에서는 당진 및 태안화력 발전소에 대한 위상각 안정도와 주파수 안정도를 함께 검토해야하기 때문에 표 1과 같이 현행 운영예비력 확보 기준에 준하여 적용하는 것을 원칙으로 하였으며 발전기 탈락으로 인한 전력계통 주파수 특성(최저주파수, RoCof)을 실적과 유사한 수준으로 맞추기 위해서 운영예비력 확보 수준을 일부 조정하였다. 최종적으로는 주파수제어 예비력과 주파수회복 1차 및 2차 예비력 일부를 합한 수준(1,700 ~ 3,100MW)으로 운영예비력을 조정하여 분석에 반영하였다. 운영예비력을 산정할 때는 원자력발전소와 발전제약 대상 발전기는 제외하였으며, 운영예비력을 조정하기 위하여 일반적으로 운영예비력을 제공하는 발전기들에 대해 경제급전 우선순위(Merit order)에 따라서 발전력을 배분하였다.

전력계통의 주파수 모의 시 주파수 변화에 따른 전력수요의 주파수 응동 특성을 반영하기 위하여 계통해석 툴(PSS/E)에서 제공하는 주파수 응동 부하모델(LFGRAL)을 적용하였다. 이 모델은 전력계통 주파수 변화에 Exponential한 부하변화를 고려할 수 있는데 본 분석에서는 전체 전력계통에 동일한 부하특성(약 1.6[%/Hz]수준)을 고려하였다.

3.1.2 발전제약완화용 ESS 모델

발전제약완화용 ESS는 전력계통 주파수가 일정범위 내에서 유지되는 경우 충전수준(SOC)을 유지하기 위한 충/방전제어를 수행하지만 주파수가 일정수준 이하 또는 일정속도 이상으로 하락하는 경우 최대속도로 방전을 시행하여 전력계통의 주파수를 회복시키는 역할을 수행하게 된다. 전력계통 주파수 모의를 위하여 발전제약완화용 ESS 모델은 PSS/E에서 제공하는 발전기 모델인 CBEST 모델을 적용하였으며, 발전제약완화용 ESS의 동작 특성을 다음과 같이 반영하였다. 다음과 같은 동작 특성을 반영하기 위하여 별도의 Python 코드를 활용하여 주파수를 측정하고 제어 모드에 맞는 ESS 출력을 낼 수 있도록 모델링 하였다.

ESS의 설치위치는 154kV 변전소 5개소에 동일한 용량으로 나누어 투입하였으며, 각각 100MW씩 증가시키면서 총 1,500MW까지 분석하였다. 설치한 변전소는 신남원, 인동, 서안성, 신옥천 그리고 신파주이다.

3.3.1 2022년 최소부하 전력계통 분석결과

2022년 최소부하 계통에 대해 ESS의 적용에 따른 당진 및 태안화력 발전단지의 발전제약 감소효과 분석결과는 다음의 표 2와 같다. ESS가 투입되지 않은 Basecase에 대해서 765kV 2회선 고장 시 최저주파수 59.2Hz 이상을 만족시키는 서해안 발전단지의 제약발전량은 1,740MW로 산정되었으며, ESS 투입량을 500MW 단위로 증가시킨 후 감소되는 제약발전량을 산정하였다.

ESS를 500MW 적용하는 경우에는 제약발전량이 1,310MW로 430MW의 제약이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. ESS 1,000MW를 적용하는 경우에는 총 890MW의 제약이 감소하고, ESS 1,500MW 적용 시에는 총 1,330MW의 제약이 감소하는 것을 확인하였다.

그림 5는 ESS 최대출력을 500MW 단위로 1.5GW까지 증가시키면서 최저주파수의 상승효과를 모의한 결과이고, 아래의 그림 6은 ESS 최대출력을 500MW 단위로 1.5GW까지 증가시키면서 최저주파수가 59.2Hz로 유지될 수 있도록 발전제약을 감소시키면서 모의한 결과이다.

그림. 5. ESS 출력에 따른 주파수 모의 결과(22년 최소부하)

Fig. 5. Frequency simulation results depending on ESS output(’22 off-peak)

그림. 6. ESS 출력 및 발전제약감소에 따른 주파수 모의 결과(22년 최소부하)

Fig. 6. Frequency simulation results depending on ESS output and reduction of generation constraints (‘22 off-peak)

그림 7은 각 Case별로 ESS 최대출력 수준에 따른 765kV 송전선로 고장 및 발전기 탈락 시 ESS의 출력변화를 모의한 결과이다. 아래의 그림은 신남원, 인동, 서안성, 신옥천, 신파주 154kV 모선 중 서안성에 투입된 ESS의 출력변화를 나타낸 것이다.

그림. 7. ESS 출력 및 발전제약감소에 따른 주파수 모의 결과(22년 최소부하)

Fig. 7. Frequency simulation results depending on ESS output and reduction of generation constraints (‘22 off-peak)

3.3.2 2022년 최대부하 전력계통 분석결과

2022년 최대부하 계통에 대해 ESS의 적용에 따른 당진 및 태안화력 발전단지의 발전제약 감소효과 분석결과는 다음의 표 3과 같다. ESS가 투입되지 않은 Basecase에 대해서 765kV 2회선 고장 시 최저주파수 59.2Hz 이상을 만족시키는 서해안 발전단지의 제약발전량은 1,040MW로 산정되었으며, ESS 투입량을 500MW 단위로 증가시킨 후 감소되는 제약발전량을 산정하였다.

ESS를 500MW 적용하는 경우에는 제약발전량이 600MW로 440MW의 제약이 감소되는 것을 확인할 수 있었으며, ESS 1,000MW를 적용하는 경우에는 총 890MW의 제약이 감소하며 발전제약량이 150MW까지 감소하였다. 그리고 ESS 1,500MW 적용 시에는 발전제약량이 완전히 해소되며, 1,170MW만 투입하여도 발전제약량이 나타나지 않는 것을 확인하였다.

그림 8은 ESS 최대출력을 500MW 단위로 1.5GW까지 증가시키면서 최저주파수의 상승효과를 모의한 결과이고, 아래의 그림 9는 ESS 최대출력을 500MW, 1GW, 1.17GW로 증가시키면서 최저주파수가 59.2Hz로 유지될 수 있도록 발전제약을 감소시키면서 모의한 결과이다.

그림. 8. ESS 출력에 따른 주파수 모의 결과(22년 최대부하)

Fig. 8. Frequency simulation results depending on ESS output(’22 peak)

그림. 9. ESS 출력 및 발전제약감소에 따른 주파수 모의 결과(22년 최대부하)

Fig. 9. Frequency simulation results depending on ESS output and reduction of generation constraints(‘22 off-peak)

그림 10은 각 Case별로 ESS 최대출력 수준에 따른 765kV 송전선로 고장 및 발전기 탈락 시 ESS의 출력변화를 모의한 결과이다. 아래의 그림은 신남원, 인동, 서안성, 신옥천, 신파주 154kV 모선 중 서안성에 투입된 ESS의 출력변화를 나타낸 것이다.

그림. 10. ESS 출력 및 발전제약감소에 따른 주파수 모의 결과(22년 최소부하)

Fig. 10. Frequency simulation results depending on ESS output and reduction of generation constraints (‘22 off-peak)

2022년 최대 및 최소 계통의 결과를 종합적으로 정리하면 다음의 표 4와 같다. ESS 적용 효율은 ESS가 1MW 투입되었을 때 발전제약이 감소하는 비율을 산정하여 나타내었다.

2022년 최소부하 계통의 경우에는 ESS 적용 효율이 86 ~ 89%로 산정되었고, 최대부하 계통의 경우에는 88~89%로 산정되었다. 이는 2022년 계통의 경우 ESS의 전력변환장치(PCS) 1MW 용량에 대비 86~89MW의 발전제약 감소 효과가 발생하는 것을 의미한다.