2.1 계통안정화용 970MW ESS의 주요 역할

2.2 ESS 구성 및 배터리 수명감소 특성⁽²⁾

3.1 과거 376MW ESS 배터리 수명 산정기준

’14∼‘16년 376MW 주파수조정 ESS 도입 당시엔 국내 전력 계통에 적합한 배터리 수명산정 기준이 없어 해외에서 운영중인 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory) 배터리 사용 패턴을 적용했다. PNNL 패턴은 24시간 동안 4초 단위 정해진 충·방전 신호를 입력 했을 때 PCS(전력변환장치) 및 배터리가 정상적으로 동작하는지 확인하는 패턴이다. 북미 전력회사에서 ESS 시스템의 연계 동작을 테스트 하는 시험 패턴으로 20msec 단위로 주파수 제어를 하는 계통안정화 ESS와는 목적이 다르다.

PNLL의 기준 배터리 사용 패턴은 3.6Cycle/1일이며, 여기서 1Cycle은 30분(계통안정화 ESS는 30분 용도) 동안의 배터리 정격 충·방전 1회를 의미한다. 주파수조정 ESS 운전실적(’15∼’17년)을 분석한 결과, 실사용 패턴은 해외 기준(PNNL) 대비 약 10% 수준인 0.36Cycle/1일이었다. 화재로 ’18년 가동 중지된 이후 ’21년 주파수 조정용으로 다시 활용되고 있는 ESS는 표 2와 같이 배터리 부담경감을 위해 주파수 조정 불감대 및 속도조정률을 완화하여 운전중이며 ESS의 사용패턴은 약 0.04Cycle/1일로 사용 정도가 더욱 낮아졌다.

3.2 과거 376MW ESS 배터리 수명 산정기준

ESS 배터리 설치물량은 10년 동안 동일 성능유지 및 사용패턴 등을 고려 제작사별 기술 수준(원자재 비율, 제조 공법 등)에 따라 자체 산출하고 있으며, 발전제약완화 ESS는 과도 상태 진입 시 30분 동안 최대 출력유지 가능함을 기본 사양으로 한다. 본 연구에서는 ESS 배터리의 SOC Center는 65%이고 최대 방전 가능 SOC는 10%이며, 90% 효율과 자연 감소분(10년)을 고려한다. PCS 용량 56MW ESS를 기준으로 하면, 다음 사양을 만족시키기 위한 최소 용량은 그림 4와 같다.

ESS 사용 패턴과 배터리 설치용량(10년보증)간 상관관계를 분석한 결과(그림 5), 0.5Cycle/1일 이하일 경우 ESS 사용 패턴 보다 자연 감소분의 영향이 큼을 확인할 수 있으며, 0.5Cycle/1일 이상일 경우 사용 패턴과 배터리 최초 설치용량이 비례함을 확인할 수 있다.

4.1 미래 계통 주파수 변동 상대계수(K)

동기기 설비 구축량 대비 향후 재생e 투입량이 늘어날 전망이며, ESS 투입 시 투입 용량에 비례하여 주파수 변동성은 낮아진다. 미래 계통의 주파수 변동 정도를 예측하기 위해 제9차 전력수급기본계획 및 동요방정식 기반, 주파수 변동계수 k를 도출한다. 주파수 변동계수 k는 같은 주파수 변동 요소에 대한 주파수 변동 정도 수치를 나타내며, k는 아래와 같다.(2),

○ $H_{gen,sys}$ : 계통 등가 관성 정수

$\triangle P$는 유효전력 밸런싱 오차 및 사전부하 예측량에 대한 실제 부하의 오차 정도를 나타내며(3),

○ $P_{\text {Load }}^{80 \%}: 80 \%$ 부하 수준의 총 부하

○ $P_{R E}^{80 \%}: 80 \%$ 재생 $\mathrm{e}$ 평균 출력

부하의 경우 약 3%의 예측 오차⁽⁴⁾⁽⁵⁾, 재생e의 경우 8%의 예측 오차⁽⁶⁾를 적용하고 $H_{gen,sys}$는 계통 등가 관성 정수를 의미한다. 부하 및 재생에너지는 서로 독립적인 특성이 있어 전체 변동성은 위의 공식과 같이 ‘Sum-Of-Square‘로 표현될 수 있다⁽⁵⁾. 본 항에서는 산업부의 9차 수급계획과 한전의 PSS/e DB를 이용하여 대표년 주파수 변동계수를 나타낸다. 계통안정화 ESS 투입 시, 투입량에 따라 유효전력 밸런싱 오차를 고속으로 보상하여 주파수 변동계수는 감소한다.

계통안정화 ESS의 주파수 불감대를 36[mHz]로 적용할 경우, 40[mHz]∼50[mHz]사이에서 주파수 편차가 나타나게 된다. 0.97GW ESS, 50[mHz] 주파수 편차를 기준으로 설정할 경우 Droop 제어에 의하여 ESS의 유효전력 출력량은 아래와 같이 결정된다.(5)

제9차 전력수급계획 기반 ESS 투입 여부를 구분하여 주파수 변동 상대계수 K(’21년도 주파수 변동계수 k를 기준으로 환산)를 산출할 수 있다. 선형 보간법을 이용하여 가장 심각한 상황을 고려할 수 있다. 그 결과는 아래 표 3 및 그림 6과 같으며, 본 연구에서는 계통안정화 ESS 투입 조건을 고려 배터리 운전 패턴을 분석한다.

참고로 계통안정화용 ESS가 발전제약완화용으로 활용될 경우 ESS의 투입 용량이 주파수 변동계수에 영향을 주지 않았지만, 주파수 조정용으로 활용될 경우 같은 주파수 편차 발생 시에도 투입되는 ESS의 용량이 다르기 때문에 그 영향을 각각 확인하여야 한다.

위의 표 4 및 그림 6을 살펴보면, 선형 보간법을 이용한 보수적인 범위 사용 시 투입되는 계통안정화 ESS의 용량이 줄어들더라도 주파수 변동계수는 선형 보간법을 이용한 범위 내에

있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 다양한 환경변화에 대비하기 위해 이어질 시뮬레이션에서도 선형 보간법을 이용해 산출된 주파수 변동 상대계수 K의 값을 이용한다.

4.2 기준 주파수 프로파일

Duty Cycle을 제작하기 위한 기준 주파수 프로파일을 선정해야 하며, 배터리 사용량이 가장 많은 경부하 시기를 대표 패턴으로 한다. 일반적인 경우 1년 중 5월의 주파수 변동 정도가 가장 크다. 이와 같은 이유로 ’21년 5월 주파수 프로파일에 대한 Cycle/1일의 평균을 구한 후, 이와 가장 유사하게 배터리의 Cycle/1일을 나타내는 ‘21년 4월 4일의 1Day 주파수 프로파일을 기준 주파수 프로파일로 설정한다.

기준 주파수 프로파일을 이용하여 미래 계통의 주파수 변동 정도를 반영한 시뮬레이션 진행용 Duty Cycle을 제작한다. 미래 계통의 주파수 변동 정도는 주파수 변동 상대계수 K를 이용하며 미래 계통 주파수 프로파일을 제작하기 위한 기본 수식은 아래와 같다.(6)

즉 기준 주파수 프로파일에서 기준 주파수를 벗어나는 주파수 편차를 분리해서 주파수 변동 상대계수 K를 곱한 후, 다시 기준 주파수 60[Hz]에 더함으로써 미래 계통주파수 프로파일을 제작할 수 있다. 예를 들면, ’21년 00시 00분 00초 60.1[Hz]가 PMU에서 관측되었을 경우, ‘34년 주파수 변동 상대계수 K가 1.0819이라면 같은 주파수 변동요소 발생 가정 시, ’34년의 주파수는 60+0.1*1.0819 = 60.10819 [Hz]로 결정된다.(7)

4.3 주파수 조정 불감대 및 속도조정률

주파수 변동성에 대한 검토 시 제9차 전력수급계획을 기본으로 향후 NDC 상향 등에 대한 부분은 반영하지 못했다. 따라서 향후 재생e 변동성의 불확실성을 고려, 본 연구에서는 보수적인 상황을 가정하여 주파수 조정 불감대는 ±0.03Hz, 속도조정률은 0.28%로 주파수 조정 ESS의 파라미터를 설정하고 시뮬레이션을 진행한다. 산업부 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준(제2장 제4조)에서 설명하고 있는 조속기 및 전기저장장치의 속도조정률의 기준은 아래와 같으며, 위 신뢰도 기준 항목을 살펴보면, 전기저장장치의 속도조정률은 2% 이내이다. 그리고 주파수조정용 전기저장장치의 불감대는 최대 0.06%(36mHz) 이내로 정정함을 원칙으로 한다. 이러한 주파수조정용 ESS의 특징을 통해 주파수조정용 ESS는 주파수 응답 측면에서는 빠르고 정확하게 공급이 가능하지만 0.06%의 좁은 불감대로 인해 충·방전 전력이 설비용량에 의해 제한될 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해, 주파수조정용 ESS는 정상상태의 소규모 주파수 진동에도 에너지를 출력하여 배터리의 SOC가 충분하지 않을 수 있다는 단점이 있다. 이와 같은 특징을 고려하여 주파수조정용 ESS와 발전제약완화용 ESS를 협력 운용하는 적절한 운용 전략을 검토해야 할 필요가 있다.

주파수 조정 불감대는 제어 작동이 되지 않는 작동 신호의 특정한 범위이며 입력이 변화해도 출력이 발생하지 않는 입력의 범위를 말한다. 속도조정률은 부하가 변화했을 때 주파수가 얼마나 변화했는지를 의미하며 정격출력에 도달하는 주파수 변화율을 의미한다.

4.4 765kV 및 발전기 설비정지 고장 실적

대규모 발전기 탈락시 정상상태로의 주파수 회복을 위한 동작 상황을 고려하여 765kV 및 발전기의 6개년 평균 설비고장 실적을, 향후 ESS 운영기간인 10년을 적용한다. 일반적으로 고장 후 주파수 회복까지 ESS의 최대출력 지속시간은 5분 이내이나, 배터리 최대 방전시간 30분까지 적용한다. ’15∼’20년 설비정지 고장 평균이 22[회/년]인 점에서, 10년(3650일) 중 약 220일간 30분 고장이 났음을 가정하여 최종적으로 배터리 수명산정 기준을 수립한다.

4.5 재생e 변동성 등의 불확실성에 대한 보완사항

현재, 제10차 전력수급기본계획의 개략적인 물량만 확인이 가능하며 정확한 연구 수행을 위해서는 계통 DB와 신규(중지) 발전기 등의 확정된 물량이 필요하다. 미래 재생e 변동성에 대한 정확한 예측 한계와 ESS 설비운영 기준의 변동 가능성을 고려하여, 아래와 같은 방식으로 보다 보수적으로 보완하였다. 첫째, 배터리 사용량이 가장 많은 경부하 시기인 5월을 대표 패턴으로 선정하여 최근 년도(’21년) Data 및 1년 중 배터리 사용량이 가장 많은 날을 기준으로 했으며, ’21년 5월 대표 패턴은 ESS가 미운전된 조건이다. 참고로 상반기(1~6월)에 배터리 사용량이 높으며, 년 평균 대비 5월은 약 30% 정도 많다. 둘째, 산업부 “전력계통 신뢰도 및 전기품질 유기기준” 은 ESS 속도조정률 2%와 주파수 조정 불감대 ±0.036Hz를 제시하고 있으나, 향후 재생e 변동성의 불확실성(NDC 상향 등)을 고려 속도조정률 0.28%와 주파수 조정 불감대 ±0.03Hz을 적용했다. 속도조정률은 빈도 10% 경감 및 불감대는 출력부담 86% 경감 효과가 있으며, 현 기준으로 운전 시 배터리 사용패턴은 10% 수준이다.

4.6 新 계통안정화용 ESS 배터리 수명 산정기준

본 논문에선 기준 주파수 프로파일에 주파수 변동 상대계수 K를 적용하여 “미래 계통 주파수 프로파일”을 제작했다. 이에 주파수 조정 불감대 및 속도조정률, 765kV 및 발전기 설비정지 고장 실적 등을 반영하여 계통안정화 ESS 배터리의 사용 패턴을 결정했다. 최종 도출된 값은 0.80119Cycle/1일(정상상태:0.78, 과도상태:1.12Cycle/1일)이며, 이를 계통안정화 ESS 구매규격에 반영하고 적정한 설치물량을 산정한다.