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  1. (Korea Electrotechnology Research Institute, Korea.)



Renewable Energy Source (RES), Frequency Stability, Frequency Response, Penetration limit of RES

1. 서 론

전 세계적으로 기후 변동 및 화석연료 고갈 등의 환경적 요인에 대한 경각심 증대로 산업 전반의 패러다임이 변화하고 있다(1). 전력산업의 경우, 태양광 및 풍력발전원 중심의 재생에너지의 적극적인 보급을 통한 에너지전환을 추진 중이다. 국내의 경우에도 재생에너지 보급 확산에 관한 보급계획을 지속적으로 발표하고 있다. 특히, ‘재생에너지 3020 이행계획’을 통해서 2030년까지 전력계통 내 재생에너지의 발전비중을 20%로 목표하고, ‘제 5차 신재생에너지 기본계획’ 및 ‘9차 전력수급 기본계획’을 통해 2034년까지 재생에너지 발전비중을 25.8%로 목표함에 따라 향후 대규모 재생에너지 설비가 확충될 것으로 전망된다(2-4).

다만, 재생에너지는 기상요인에 의존적인 출력특성을 가지고, 전력변환설비 기반의 전력계통 연계로 비동기특성 등 기존 동기발전원과 상이한 출력특성을 가진다. 이로 인해, 전력계통의 안정적 운영을 위해서는 재생에너지 출력 예측기술의 고도화와 전력계통의 유연자원 확보 등 안정성 확보를 위한 운영방안 수립이 요구될 수 있다. (5) 더욱이, 재생에너지가 전력계통 연계 시, 기존 동기발전원을 대체함에 따라 전력계통의 관성 및 주파수응답 성능이 변동될 수 있어, 전력계통 운영기관은 전력계통 운영기관은 안정적인 재생에너지 수용 및 전력계통 운영을 위해 별도의 주파수안정도 확보방안 확충이 필요할 것이다.

한편, 전력계통의 주파수안정도 확보를 위한 다양한 방안들이 기존 연구들을 통해 수행됐다(6-12). 가장 대표적인 방안을 살펴보면, 우선 BESS (Battery Energy Storage System)와 같이 속응성을 가진 전력설비를 활용하여 주파수응답을 제공하여 외란 직후 빠른 응답을 통해 전력계통의 주파수안정도를 확보하는 방법이 있다(6), (7). 두 번째로는 전력계통에서 기운영 중인 주파수예비력인 1차 예비력을 추가확보하여 운영하는 것이다(8). 마지막으로 전력계통에 연계되는 재생에너지가 직접 주파수응답을 제공하는 방안이 있다(9), (10). 이처럼 전력계통의 주파수안정도 확보에 기여할 수 있는 다양한 자원들 및 방법이 존재하는 만큼 전력계통 운영기관은 전력계통의 운영실정에 맞는 방안을 확충하여 전력계통의 주파수안정도를 확보해야 할 것이다(11), (12). 따라서 전력계통 내 주파수안정도 확보자원의 확충도 중요하지만, 효과적으로 전력계통 운영에 반영하기 위해서는 각 자원이 갖는 주파수응답 성능을 평가하고, 그 효과를 정량화하여 전력계통이 목표로 하는 재생에너지 수용성 확보와 주파수안정도 확보할 수 있어야 할 것이다.

최근 국내 전력계통 운영에 있어 재생에너지 수용에 따른 다양한 이슈가 부상하고, 전력계통 운영기관에서 재생에너지 수용성 확보를 위한 다양한 검토가 수반되고 있다. 다만, 재새에너지의 수용성 확보를 위한 설비확충 및 요구조건을 정확하게 가능하고 자원별 주파수응답에 대한 유효성을 판단하기 어렵다. 이에 본 논문에서는 미래 국내 전력계통을 대상으로 재생에너지 확충과 다양한 주파수안정도 확보자원을 모델링하고, 이를 전력계통 해석용 프로그램인 PSS/E (Power System Simulator for Engineering)를 이용하여 분석함으로써 주파수안정도 확보방안별 재생에너지 수용증대를 위한 주파수응답 성능을 도출하고, 이를 정량화하는 방안을 제안한다.

2. 국내 전력계통 주파수 운영성능 요구조건

주파수는 전력공급과 수요 간의 균형을 나타내는 전력계통의 중요한 지표로써 전력계통 운영기관은 이를 안정적인 범위 내로 유지할 수 있도록 운영체계를 수립하여 운영 중이며, 국내 전력계통은 ±0.2 Hz를 운영범위로 선정하여 운영 중이다. 더욱이, 전력계통 내 발전기 고장 등 과도한 상황에서도 주파수는 일정 수준 이상 유지될 수 있어야 하며, 이는 국내의 경우에는 N-1에 대해서 59.7 Hz, N-2에 대해서는 59.2 Hz로 이상으로 주파수 유지를 요구한다(13).

이와 같이 전력계통의 주파수를 유지하기 위해 전력계통 운영기관은 별도의 예비력 체계에 따라 발전기에 제어성능 및 예비력을 요구하여 운영 중이다(14). 일반적으로, 외란 이후 주파수 편차에 따라 동기발전기 조속기의 출력조정이 수반되는 1차 예비력 PFR (Primary Frequency Response)이 있다. 이를 통해, 지속적인 주파수 하락을 억제하고 전력계통의 최소과도 주파수가 결정되며, 주파수가 회복된다. 다만, 비례제어에 의한 주파수의 잔류 편차가 존재함에 따라 이후 중앙급전에 의한 지령신호로 출력조정이 수반되는 AGC (Automatic Generation Control)인 2차 예비력 SFR (Secondary Frequency Response)를 통해 공칭주파수로 주파수를 회복한다. 추가적으로 주파수 확보 및 예비력 제공 발전기의 가용성 복구를 위한 3차 예비력 TFR (Tertiary Frequency Response)을 활용하는 등 주파수가 안정적으로 유지될 수 있도록 한다. 국내 전력계통도 제어의 목적 및 제어성능에 따라 예비력을 구분하고, 별도 응답성능을 요구하여 운영 중이며, 이는 다음 표 1과 같다.

표 1. 국내 전력계통 운영예비력 운영기준

Table 1. Operating reserve criteria in the Korean power system

Operating reserve

Capacity

(MW)

Resource

Maximum Activating Time

Minimum Duration Time

Frequency control reserve

700

AGC

5min

30min

Frequency

restoration

reserve

PFR

1,000

GF+ESS

10s

5min

SFR

1,400

AGC+ESS

10min

30min

TFR

1,400

Manual

30min

-

Total

4,500

표 1과 같이 국내 전력계통은 정상상태 주파수 유지를 위한 제어예비력과 과도상태 주파수 회복을 위한 회복예비력으로 예비력을 구분하고, 총 4,500 MW 만큼 확보하여 운영 중이다. 여기서, 국내 전력계통의 주파수안정도에 큰 영향을 미치는 PFR은 동기발전기의 조속기 응답과 ESS (Energy Storage system)을 통해 총 1,000 MW의 예비력으로 확보되어 운영 중이다. 이는 외란 직후 10초 이내의 빠른 응답이 요구됨에 따라 전력계통의 최소과도 주파수를 결정하는 주요한 요소이다.

다만, 국내 전력계통은 재생에너지 보급이 선도적인 해외 전력계통에서 운영 중인 관성 및 속응 주파수 예비력 FFR (Fast Freqeuncy Response) 등에 운영방안은 부재하여 재생에너지 수용증대 시 저하되는 관성과 주파수 변동의 대응이 제한적이다(15), (16). 이로 인해, 전력계통에서는 동특성이 가장 빠른 응답 성능이 요구되는 PFR에 의존되는 만큼 재생에너지 수용이 제한될 수 있고, 주파수안정도 확보방안의 확충이 요구될 것이다.

3. 전력계통 주파수안정도 확보방안 및 주파수응답 성능 정량화

본 장에서는 전력계통의 주파수안정도 확보를 위한 대표 방안들의 특징 및 고려사항을 기술하며, 이를 기반으로 전력계통의 재생에너지 수용용량 증대를 위한 자원들의 주파수응답 성능 평가 및 이를 정량화하는 방법을 제시하였다.

3.1 BESS를 통한 주파수안정도 확보방안

BESS (Battery Energy Storage System)는 배터리의 빠른 응답특성을 통해 외란 직후 출력을 제공할 수 있어 전력계통의 주파수안정도를 효과적으로 확보하는 방안 중 하나이다. 다만, 이를 효과적으로 운용하기 위해서는 전력계통의 운영조건을 반영한 종합적인 제어전략이 요구되며, 배터리의 수명 특성 및 SoC (State of Discharge) 등의 내부 특성에 대해서도 효율적인 관리 및 운영방안이 요구된다.

국내의 경우, 전국 각지 변전소에 총 376 MW 규모의 Li-ion 기반 BESS가 상용운전 중이며, 전력계통의 주파수 운전조건에 따라 제어모드 구분하여 효과적으로 제어하는 제어전략이 적용되었다(17). 이에 관한 출력특성은 다음 그림 1과 같다.

그림. 1. 국내 전력계통 BESS 주파수응답 제공 사례

Fig. 1. Example of frequency response of BESS in Korean power system

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig1.png

그림 1의 결과는 국내 전력계통 내 발전기 고장 BESS의 실주파수응답으로써 해당 조건에서 설비점검 등의 사유로 204 MW 설비만 가용한 상황에서 도출된 결과이다. 주파수응답을 살펴보면, 외란 직후 과도한 주파수 하락에 대해 정격 수준으로 출력을 제공하는 동적 제어모드로 전력계통의 주파수 변동에 적극적으로 응답성능을 제공함을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 상용운전 중인 BESS의 제어전략과 설치 위치 등을 고려하여 모델링 및 분석하였다.

3.2 PFR 추가확보를 통한 주파수안정도 확보방안

PFR은 전력계통의 주파수안정도 유지를 위해 운영 중인 주요한 예비력으로써 국내 전력계통에서는 다음 식(1)을 기반으로 확보하여 운영이 수반된다.

(1)
$ {PFR}=\sum_{i=1}^{n}\min\left(P_{rated,\:i}-P_{g en,\:i},\:\dfrac{P_{rated,\:i}\times 0.2( {Hz})}{f_{0}\times SD_{i}}\right)$

즉, 개별 발전기($i$)의 정격출력($P_{rated,\:i}$)과 급전 계획된 출력($P_{g en,\:i}$) 간 차이로 계산되는 출력 여유와 공칭주파수($f_{0}$)로부터 0.2 Hz의 주파수 변동에 대해 속도조정률($SD_{i}$)로 계산되는 예상 응답량 간 비교를 통해 그 중, 작은 값을 응답가능량으로 결정하고 예비력에 반영한다. 이후, 전력계통 내 PFR을 제공하는 모든 동기발전기($n$)의 예비력을 누적하여 1,000 MW를 확보하여 운영 중이다. 다만, 이 중 동기발전기에 의해 확보되는 PFR은 조속기의 기계적 시정수에 의해 응답의 지연 특성이 있다.

전력계통의 PFR 추가확보는 발전기의 속도조정률을 민감하게 조정하여 운영하거나 추가적인 발전기들에 예비력 제공을 요구하는 방안이 있다. 다만, 속도조정률의 조정은 발전기 특성상 물리적인 변경이 제한적임에 따라 본 논문에서는 추가 발전기를 통한 PFR 추가확보를 주파수안정도 확보방안으로써 분석하였다.

3.3 재생에너지의 주파수응답 제공을 통한 주파수안정도 확보방안

마지막은 전력계통에 연계되는 재생에너지를 통한 주파수응답 제공으로 이미 재생에너지 보급이 선도적인 해외 전력계통 운영기관의 경우, 연계기준으로써 주파수응답을 명시하여 운영하고 있다. 또한, 많은 기존 연구에서 재생에너지의 주파수응답 및 관성응답에 관한 가능성 및 성능을 제시하고 있다. 이를 통해 재생에너지의 주파수응답은 기상요건의 변동에도 확실한 응답성능만 확보된다면, 주파수안정도 확보에 효과적인 방안으로 사료된다.

국내 전력계통에서도 시장운영규칙 및 연계기준을 통해 재생에너지 주파수응답의 요구조건을 명시하고 있다. 다만, 예비력 확보기준 등에 관해서는 부재한 실정이다. 이에 관한 성능기준은 다음 표 2와 같다(18).

표 2. 재생에너지 연계기준에 따른 주파수응답 요구조건

Table 2. Frequency response criteria of RES according to grid connection code in Korean power system

Index

RES Grid

connection code

Modeling value for analysis

Speed Droop (SD)

3 ~ 5%

5%

Frequency

Dead-band

≤ 0.06%

0.06%

Gen type

Wind, PV, Fuel Cell

Wind, Some of PV

Reserve

N/A

≤ 2%

본 논문에서는 상기 연계기준을 참고하여 송전계통에 연계되는 재생에너지를 대상으로 주파수응답 제공을 적용하였으며, 예비력의 경우에는 해외 전력계통 운영기관의 기준을 참고하여 응답 가능용량의 2% 이내로 예비력을 확보하는 것을 가정하여 분석하였다(19).

3.4 재생에너지 수용증대를 위한 주파수응답 성능 정량화 방법

주파수응답 성능의 정량화는 전력계통이 주파수 유지기준을 만족하면서 재생에너지의 수용성을 확보하는 것을 기준으로 수행될 수 있다. 즉, 전력계통의 수용한계 조건으로부터 재생에너지 수용용량 증대를 위한 주파수안정도 확보자원의 운영조건을 도출하고, 이를 통한 주파수 개선 및 재생에너지 수용용량 증대에 대하여 투입된 주파수안정도 확보자원의 용량에 따른 비교를 통해 정량화할 수 있다. 다음 그림 2는 이에 관한 정량화 절차이다.

이에 따라 우선, 재생에너지 수용에 대한 기준으로써 재생에너지 수용한계($P_{RES,\:li mi t}$)를 산출한다. 이는 재생에너지 출력($P_{RES}$) 및 동기발전원 출력($P_{SG}$)을 단위 재생에너지 용량($P_{RES,\:un}$)씩 조정하고, 상정고장 시 최소과도 주파수($f_{nadir}$)가 기준을 만족하는 최대 재생에너지로써 산출한다. 이때, 국내 전력계통에서 운영 중인 N-1 고장에 대한 주파수 유지기준 59.7 Hz를 적용하여, N-1 고장을 기준으로 검토한다. 이후, 추가 재생에너지 수용 목표용량($P_{RES,\:t\arg et}$)에 대해 주파수 유지

그림. 2. 재생에너지 수용증대를 위한 주파수응답 성능 평가 절차

Fig. 2. Performance evaluation procedure of frequency response for increasing RES

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig2.png

기준을 만족하는 주파수안정도 확보자원($P_{sourc.}$)의 운영조건을 도출하고, 그 효과 및 주파수응답 성능을 정량화한다.

또한, 최종 주파수안정도 확보자원의 주파수응답 성능 정량화는 식(2)식(3)과 같이 재생에너지 수용용량 증대효과와 최소과도 주파수 개선 효과를 통해 단위 용량당 성능으로써 정량화한다.

(2)
$MW_{eff.RES}=\dfrac{\triangle P_{RES,\:li mi t}}{P_{sourc.}}( {MW}/ {MW})$

(3)
$MW_{eff.\triangle f}=\dfrac{\triangle f_{nadir}}{P_{sourc.}}( {Hz}/ {MW})$

4. 사례연구

4.1 재생에너지 수용증대에 따른 전력계통 주파수 특성

본 사례연구에서는 제안한 정량화 방안을 통해 전력계통 주파수안정도 확보방안의 주파수응답 성능을 평가하고 전력계통의 재생에너지 수용증대를 검토하였다. 이를 위해, PSS/E를 기반으로 전력계통을 모델링하고 분석을 수행하였다. 전력계통 모델은 국내 전력계통 운영기관이 구축한 2030년의 계통계획 DB를 기반으로 재생에너지 확충계획을 반영하여 모델링하였다. 재생에너지 모델링의 경우, WECC (Western Electricity Coordinating Council)의 Working Group에서 제시한 2nd Generation model을 참고하여 모의하였으며(20), (21), BESS는 CBEST 모델을 기반으로 Fortran 언어 기반 제어알고리즘을 구현 및 모델링하여 검토하였다(22). 또한, 본 분석에서는 전력계통의 검토 초기조건으로 국내 운영기준을 반영하여 PFR 확보용량을 1,000 MW로 반영하였고, 상정고장은 1.46 GW 수준의 급전출력을 갖는 최대단위 발전기 고장을 적용하여 검토하였다.

그림. 3. 재생에너지 수용증대에 따른 전력계통 주파수 추이

Fig. 3. Frequency trend according to increasing penetration of RES in power system

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig3.png

표 3. 재생에너지 수용증대에 따른 주파수 특성

Table 3. Frequency characteristic according to increasing penetration of RES in power system

Penetration level

(GW)/(ratio)

Total PFR

(MW)

RoCoF

(Hz/s)

System inertia

(GWs)

Nadir frequency

(Hz)

0

(0.00%)

1,000

-0.0566

774.548

59.806

7.95

(10.00%)

-0.0680

644.456

59.783

15.61

(19.64%)

-0.0712

615.484

59.722

21.96

(27.62%)

-0.0777

564.296

59.700

25.49

(32.06%)

-0.0799

548.749

59.660

31.74

(39.30%)

-0.0846

518.044

59.636

35.02

(44.04%)

-0.0902

485.823

59.597

다음은 전력계통의 재생에너지 수용성 검토로써 재생에너지의 전력계통 내 수용용량을 증대해가며 도출된 전력계통의 주파수 추이는 다음 그림 3표 3과 같다. 해당 결과를 통해, 재생에너지 수용률 증대에 따라 전력계통 관성이 저하되어 전력계통이 동일한 주파수 예비력을 확보하더라도 주파수응답 특성이 저하되는 추이를 보임을 확인할 수 있다. 더욱이, 국내 전력계통의 주파수 유지기준 59.7 Hz에 따라 전력계통 내 재생에너지의 수용은 21.96 GW으로 제한될 수 있다. 다만, 전국 단위 재생에너지의 최대 이용률이 68.42%까지 도출될 수 있음에 따라 이에 따른 재생에너지 출력 35.02 GW에서도 전력계통의 수용성이 확보될 수 있어야 하며, 이를 위해서는 별도 주파수안정도 확보자원의 확충이 요구될 것이다(23). 이에 본 사례에서는 35.02 GW의 재생에너지 용량을 재생에너지 수용 목표용량으로 선정하고 주파수안정도 확보방안에 따른 주파수응답 성능을 평가 및 정량적 효과를 분석하였다.

그림. 4. 재생에너지 수용증대를 위한 BESS 운영조건 분석

Fig. 4. Analysis of operating condition of BESS for increasing penetration of RES

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig4.png

4.2 재생에너지 수용증대를 위한 방안별 주파수응답 성능 분석

먼저, 국내 전력계통 내 상용운전 중인 BESS의 제어전략에 따른 재생에너지 수용증대를 분석하였다. 앞서 제시한 정량화 분석 절차에 따라 주파수응답을 제공하는 BESS 용량을 증대해가며 분석하였고, 이에 따라 도출된 결과는 다음 그림 4와 같다.

주파수응답을 제공하는 BESS의 용량 증대함에 따라 외란 직후의 RoCoF (Rate of Change of Frequency) 및 최소과도 주파수가 모두 상승함을 확인할 수 있다. 최종적으로 329 MW의 BESS가 주파수응답 제공하는 경우, 외란 직후의 과도한 주파수변동을 인지하여 빠른 시간 내에 정격출력 수준의 응답을 제공함으로써 전력계통의 RoCoF를 약 0.01 Hz/s 개선함을 확인할 수 있다. 이는 전력계통의 관성 측면에서 56 GWs에 등가적인 관성응답이 제공됨을 의미하며, 이와 동시에 지속적인 정격출력을 외란 이후 유지함으로써, 전력계통의 급격한 수급 불균형을 완화하고 관성영역 및 PFR의 제어영역에서 응답 성능을

그림. 5. BESS의 연계 용량별 주파수응답 성능 분석

Fig. 5. Frequency response performance analysis depending on capacity of BESS

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig5.png

제공함을 확인할 수 있다. 이를 통해, 최소과도 주파수 또한 전력계통의 안정도 기준인 59.7Hz 이상 확보함으로써 전력계통은 35.02 GW의 재생에너지 목표 수용용량에 대한 수용성을 확보함을 확인할 수 있다.

도출된 결과를 기반으로 단위 용량별 BESS의 최소과도 주파수 개선에 대한 주파수응답 성능은 다음 그림 5와 같이 나타낼 수 있으며, 이는 주파수응답을 제공하는 BESS의 용량에 비례하여 증가하는 특성을 확인할 수 있다.

다음은 동일한 분석방법에 따라 PFR 추가확보와 RES의 주파수응답 제공에 적용하여 분석하였으며, 이에 대한 재생에너지 목표 수용용량에 대한 수용성 확보의 최종 결과 및 단위 용량별 최저주파수 개선에 대한 주파수응답 성능은 다음 그림 6그림 7과 같다.

즉, PFR의 추가확보와 재생에너지의 주파수응답 제공을 통해 최소과도 주파수가 상승하여 주파수안정도를 확보하며, 전력계통이 재생에너지 목표 수용용량에 대한 수용성을 확보함을 확인할 수 있다. 여기서, 재생에너지의 주파수응답의 경우가 PFR 추가확보에 비해 높은 주파수응답 성능을 가짐을 확인할 수 있다.

그림. 6. 재생에너지 수용증대를 위한 PFR 추가확보 및 RES 예비력의 운영조건 분석

Fig. 6. Analysis of operating condition of Extra PFR and RESFR for increasing penetration of RES

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig6.png

그림. 7. PFR 추가확보 및 RES 예비력 확보에 따른 주파수응답 성능 분석

Fig. 7. Frequency response performance analysis depending on operating condition of Extra PFR and RESFR of BESS

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig7.png

이를 통한 주파수안정도 확보방안별 재생에너지 수용증대를 위한 주파수응답 성능을 정량화하고, 그 결과들을 종합하여 정리하면 다음 표 4와 같다.

표 4. 주파수안정도 확보방안별 재생에너지 수용성 확보조건 분석

Table 4. Analysis of conditions with securing the penetration of RES depending on resource for securing frequency stability

Index

Base case

BESS

Extra PFR

RES FR

Required MW

(MW)

N/A

329.0

654.5

359.0

RoCoF

(Hz/s)

-0.0902

-0.0809

-0.0904

-0.0854

System inertia

(GWs)

485.82

541.87

485.04

513.38

Nadir frequency

(Hz)

59.60

59.70

59.70

59.70

MWeff.RES (MW/1 MW)

N/A

39.67

19.94

36.35

MWeff.△f (mHz/1 MW)

N/A

0.31

0.15

0.30

우선, BESS를 통한 주파수응답 자원 확보 시 결과는 BESS 1 MW 투입당 39.67 MW의 재생에너지 수용용량 증대 효과를 보여, PFR 추가확보 및 재생에너지의 주파수응답 제공의 경우와 비교하여 각각 98.66%, 8.97% 수준 높은 재생에너지 수용용량 증대 효과를 보임을 확인할 수 있다.

이를 통해, 가장 적은 용량으로 목표 재생에너지 수용용량 35.02 GW의 전력계통 수용성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 최소과도 주파수에 대한 개선효과도 우수하며, 외란 직후의 빠른 응답 제공을 통해 RoCoF에도 가장 효과적인 기여를 확인할 수 있다. PFR 추가확보에 대해서는 동기발전기의 출력이 기계적 시정수에 의해 목표출력 도달에 출력지연이 있어 상대적으로 많은 용량확보가 요구되며 비교적으로 가장 낮은 효과를 보임을 확인할 수 있다.

마지막으로 재생에너지 주파수응답 제공의 경우, 약속된 예비력이 전력변환설비에 의해 정확하게 제어가 수반됨에 따라 우수한 재생에너지 수용용량 증대효과 및 최저주파수 개선효과를 보임을 확인할 수 있다. 다만, 이러한 기여효과를 보장하기 위해서는 기상조건에도 약속된 예비력의 확보 및 유지가능한 운전특성 확보가 필요할 것이다.

이와 같이 주파수안정도 확보방안별 재생에너지 수용용량 증대효과와 최소과도 주파수 개선효과의 정량화를 기반으로 전력계통 운영에 있어 목표하는 주파수안정도 확보 및 재생에너지 수용증대에 고려될 수 있을 것이다.

4.3 재생에너지 수용증대를 위한 전력계통 주파수안정도 확보방안 간 운영조건 검토

실제 전력계통 운영에서는 확충된 주파수안정도 확보자원들은 동일한 계통운전 조건에서 동시적으로 운영이 수반된다. 이에 따라 전력계통 운영기관은 재생에너지 수용증대를 위한 주파수안정도 확보방안 간 운영조건에 따른 전력계통의 주파수응답 성능을 분석하고, 전력계통에서 요구되는 성능 확보를 위한 운영방안 확충 및 수립이 요구될 것이다.

이를 위해, 본 절에서는 앞선 방식을 통해 도출된 결과 및 주파수안정도 확보방안별 추가 운영조건에 대한 검토 결과를 토대로 운영조건별 주파수응답 성능을 분석하였으며, 해당 결과를 정리하면 다음 그림 8과 같다.

그림. 8. 주파수안정도 확보자원 간 운영조건에 따른 주파수응답 성능 도식화

Fig. 8. Schematic of frequency response performance depending on operating conditions of resources for securing frequency stability

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/fig8.png

그림 8은 본 논문에서 검토한 주파수안정도 확보자원이 갖는 용량별 선형적인 주파수응답 성능 특성과 자원별 조합에 따른 주파수응답 성능을 통해, 동일한 주파수개선 효과를 보이는 상호관계 조건을 도식화하여 나타낸 것이다. 이는 자원별 응답 성능에 따라 가장 효과가 우수한 BESS 및 재생에너지의 주파수응답 조건에 의존적인 평면의 형태로 적합성이 도출된다. 즉, 해당 두 자원의 투입용량이 높을수록 보다 적은 용량으로도 전력계통은 목표하는 주파수 개선효과가 도출된다.

추가적으로 이에 대한 유효성을 분석하기 위해 주파수응답 성능 간 관계를 통해 도출한 상기 결과와 모의해석 결과 간의 추가적인 비교를 통한 검증을 수행하였으며, 이는 다음 표 5와 같다.

표 5. 주파수안정도 확보자원 간 운영조건별 주파수응답 성능 추정결과 비교

Table 5. Estimation results of frequency response performance depending on operating conditions of resources for securing frequency stability

Index

PFR

(MW)

BESS

(MW)

RESFR

(MW)

Estimated

f support

(Hz)

Simulation

f support

(Hz)

Error

(%)

Point#1

1,000

94

243

0.1056

0.1024

3.12

Point#2

1,000

282

243

0.1583

0.1538

2.93

Point#3

1,133

0

243

0.1027

0.1035

0.77

Point#4

1,103

0

243

0.0973

0.0960

1.35

Point#5

1,103

100

100

0.1030

0.1038

0.77

위와 같이 2개 이상의 주파수안정도 확보자원의 운영조건을 변경하여 검토한 복수의 운영조건에서 주파수응답 성능 간 관계를 기반한 추정값과 모의해석을 통해 도출된 주파수응답 성능은 상당히 유사한 수준으로 도출됨을 확인할 수 있다. 결과 간 오차는 약 3\% 내외로 도출되었으며, 분석된 조건에서의 결정계수($R^{2}$) 또한 0.95 이상 도출됨을 통해 높은 정확성을 가짐을 확인할 수 있다.

즉, 주파수안정도 확보자원의 주파수응답 성능 간 관계 분석을 통해 전력계통 운영조건으로부터 목표 재생에너지 수용을 위해 요구되는 주파수응답 성능을 기준으로 전력계통 운영자는 효과적인 주파수안정도 확보자원의 운영조건을 선정함에 참고할 수 있을 것이다. 또한, 이에 따른 전력계통 운영을 통해 전력계통의 주파수응답 성능 확보와 재생에너지 수용한계 증대가 가능할 것이다.

5. 결 론

향후, 전력계통 내 대규모 재생에너지 확충 및 운영이 전망되는 만큼 전력계통에서 안정적 운영을 위한 주파수안정도의 성능 유지는 아주 중요한 고려사항이다. 전력계통의 전원구성 변동에 따른 주파수 특성 또한 지속적으로 변화하는 만큼 추가 주파수안정도 확보방안의 확충은 필수적일 것이며, 전력계통 운영방안의 재고 또한 요구될 것이다.

이를 위한 다양한 주파수안정도 확보자원들을 운용하는 방안들이 대두되고는 있으나 전력계통에 요구되는 주파수응답 성능을 기준으로 이에 대한 종합적으로 검토하고 정량적인 분석이 필요할 것이다. 이를 위해, 본 논문에서는 향후 국내 전력계통을 대상으로 주파수안정도 확보방안들의 주파수응답 성능을 평가하고, 전력계통의 재생에너지 수용용량 증대효과 및 주파수 개선효과를 기준으로 주파수응답 성능을 정량화하는 방안을 제시하였으며, 사례연구를 통해 분석하였다.

이를 통해, 제어성능이 우수한 BESS가 단위 용량당 가장 높은 주파수응답 성능을 제공하며, 재생에너지의 주파수응답 또한 매우 효과적임을 분석되었다. 특히, 국내 육지계통 내 운영 중인 336 MW의 BESS 설비를 통해, 검토조건 전력계통의 재생에너지 목표 수용용량에 대한 수용성이 확보가능함을 확인할 수 있다. 유사시를 대비한 추가 주파수안정도 확보방안의 확충이 필요할 경우, 재생에너지의 주파수응답을 고려한 적정한 운영방안 수립 및 관리를 통해서 보다 효과적으로 전력계통 운영이 가능할 것으로 사료된다.

향후, 현행 운영예비력 체계만으로는 보급 목표된 재생에너지의 안정적인 수용 및 전력계통의 운영이 제한될 수 있다. 따라서 전력계통 운영기관에서는 주파수안정도 확보자원들이 갖는 주파수응답 성능을 고려하고, 효과적으로 전력계통의 주파수안정도 확보방안이 요구되는 만큼 제안된 정량화 방법이 전력계통 운영방안 수립에 참고될 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was partially supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) grant funded by the Korea Government (MOTIE) (A Study on the Improvement of Grid Code and Power Market System for Renewable Energy Expansion, 20193710100061)

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저자소개

최우영(Woo Yeong Choi)
../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/au1.png

He received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Jeonbuk National University, Jeonju, South Korea, in 2014, 2016, and 2022, respectively.

He has been a Post-Doc Researcher with the Distributed Power System Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Gwangju, South Korea, since May 2022.

His research interests include Power System Analysis, Renewable Energy Source, Frequency control, and Battery Energy Storage System.

His e-mail address is choiwy@keri.re.kr

국경수(Kyung Soo Kook)
../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.8.1054/au2.png

He received his B.S and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University, Seoul, South Korea, in 1996 and 1998, respectively.

He obtained a Ph.D. degree in the same field from the Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech.), USA, in 2007.

From 1998 to 2004 he was with Korea Electrotechnology Research Institute as a senior researcher.

From 2007 to 2010, he was with Electric Power Research Institute as a senior project engineer.

In May 2010, he joined Jeonbuk National University as a faculty member in the department of electrical engineering.

His research interests include Power System Operations and Controls, Renewable Energy Sources, Smart Grid, and Energy Storage Systems.

His e-mail address is kskook@jbnu.ac.kr