1. 서 론

지구온난화로 인한 폭염, 폭설 등 이상기후를 해결하기 위해 정부는 온실가스 배출이 없는 발전을 목적으로 친환경정책을 추진하였다 ^(1-2). 재생에너지발전원 (즉, Renewable Energy Source (RES))는 이러한 정책에 부합하는 환경친화적인 에너지 공급 발전원으로 주목을 받으며 설치용량이 꾸준히 확대되어 왔다. 태양광의 경우 일사량과 구름과 같은 기상 조건에 따라 차이가 매시간 뚜렷하여 그로 인한 발전량의 변화가 원인이 되어 duck curve와 같은 전력수급 문제를 야기한다 ^(3-4).

이와 같은 문제들을 해결하기 위해 에너지저장장치인 ESS(Energy Storage System)를 연계한 발전이 제안되었다 ⁽⁵⁾. ESS는 보조발전원으로서 여러 역할을 수행한다. 대표적으로 ESS는 에너지를 원하는 시간대에 전력을 충전하고 방전할 수 있는 에너지 이동(time shifting)이 가능하다 ⁽⁶⁾. 이를 활용한 전력평활화(power smoothing)는 RES의 간헐적인 출력을 ESS가 보상하여 전체 시스템의 출력의 변동성이 적어진다 ⁽⁷⁾. 또한 일반적인 ESS 외에도 HESS(Hybrid Energy Storage System)로 전력평활화가 적용된 연구도 진행되었다 ^(8-9). 이외에도 ESS는 주파수 조정(frequency regulation) 기능으로 발전기의 조속기 역할을 대신하여 안정도 향상을 도모할 수 있다 ^(10-12). 따라서 화석연료를 대체하고 안정적인 계통을 수립하기 위해 RES-ESS가 연계하여 증가하는 추세이다 ⁽¹³⁾.

PV와 ESS는 직류를 출력하기 때문에 전력변환장치와 하나의 시스템이 되어 교류계통과 연계한다 ⁽¹⁴⁾. 두 종류의 시스템을 연계하여 한꺼번에 제어를 하는 경우 확장될 가능성이 매우 높아지기 때문에 제어기를 pu로 설계한다면 발전가능성이 농후할 것이다. 하지만 RES-ESS의 제어기를 pu단위로 설계 할 경우 용량이 다른 두 개의 장치가 설치 되며 어려움이 있고, ESS의 경우 SOC 피드백이 포함되므로 기준 용량을 통일할 때 복잡성이 증가하게 된다.

이는, 서로 다른 용량을 가진 RES와 ESS를 per unit (pu) 으로 나타내는 제어기를 설계하는데 기존의 방법으로 실제값(actual)과 기준용량(base)을 나누면 ESS의 전력은 ESS의 용량으로 PV의 전력은 PV의 용량으로 나눠지며, 이를 그대로 시스템에 대입하면 per unit제어 요소들의 계산이 어긋나 완전히 다른 결과가 도출된다. 따라서 연계시스템의 모델을 수학적으로 하나씩 분석하며 pu값을 도출하고 도출된 요소를 조정하는 상수가 필요하다.

본 논문에서는 기준용량선정 및 조율 상수를 이용한 PV-ESS 연계시스템의 per unit 모델을 제안한다. 제안하는 방법은 용량이 다른 ESS와 PV의 pu값 도출을 위해 ESS의 내부 전력값을 ESS의 정격용량을 기준값으로 설정하고 ESS의 출력 전력값은 PV의 정격용량을 기준값으로 설정하며 단위 통일을 위해 조율 상수 $\alpha$를 거쳐 per unit PV-ESS 모델을 완성한다. 완성된 모델은 PSCAD 시뮬레이션을 사용하여 전력평활화방법을 적용한다. 논문의 구성은 다음과 같이 구성되었다. 2장에서 기존의 PV-ESS연계 시스템을 소개하고 3장에서 서로 다른 용량의 PV-ESS시스템의 pu단위로 모델링 하는 방법을 소개한다. 4장에서는 PSCAD를 이용하여 사용가능성을 검증한 후, 마지막으로 5장에서 결론에 관하여 설명한다.

2. 기존에 연구된 PV-ESS 연계 모델

신재생에너지와 ESS를 연계하여 Power Smoothing을 하는 방법은 기존 연구에서 소개가 되었다 ^(7,9). 그림 1은 PV-ESS 연계시스템의 상위 제어 블록선도이다. ESS 내부의 잔여용량(즉, State of Charge (SOC)) 피드백을 위해 $K_{P}$는 PV정격출력을 SOC 사용량으로 나눈 값이며 식(1)과 같다. SOC는 에너지와 전력을 적용하여 식(2)와 같이 표현할 수 있다 ⁽⁷⁾. 식(3)은 ESS의 용량을 에너지 단위인 [J]로 표현하여 나타낸 것이다. 이때 시간상수 $h$를 곱하여 PV-ESS의 전력평활화 효과는 그림 2의 블록선도와 같이 등가화 되는데, 그림 2의 첫 번째 블록선도에서 ESS의 내부를 $T$ = $K_{E}$ /$K_{P}$ 라는 시정수(Time constant)의 고주파 통과 필터(High Pass Filter)의 형태로 나타낸다 ⁽⁷⁾. 이는 PV-ESS의 결합으로 PV에서 생산된 전력의 변동성분 중 급변하는 성분을 ESS가 담당하여 충전과 방전을 하면서 전력 평활화를 수행하기 때문이다. 마지막으로 그림 2의 두 번째 블록선도와 같이 최종적으로 계통으로 출력되는 전력 $P_{PVout}$은 $T$ = $K_{E}$ /$K_{P}$의 시정수를 갖는 저주파 통과 필터(Low Pass Filter)와 천천히 변동되는 출력이 나오게 된다 ⁽⁷⁾.

여기서 $K_{P}$[MW]는 전력평활화를 위한 상수, $SOC_{use}$는 SOC의 사용값, $P_{PV,\:rat}$[MW]는 PV의 정격용량, $SOC(t)$는 SOC의 시간함수, $K_{E}$[MWs]는 ESS의 용량에너지, $\triangle P_{ESS}(t)$[MW]는 ESS변화량의 시간함수, $t$[s]는 시간으로 함수의 독립변수, h는 3600초를 1시간으로 나눈 상수값, E[MWh]는 ESS의 사용 용량, 마지막으로 $T$는 시정수를 의미한다.

3. 제안하는 Per Unit 기반 PV-ESS 연계시스템 제어기 설계 방법

서론에서 논의한 것처럼 PV와 ESS의 용량이 다를 경우 pu로 제어기를 설계할 때 단위를 맞추어서 설계해야 하는 부분이 있다. 본 장은 그림 1의 PV-ESS 연계 제어기를 pu 단위를 바탕으로 하는 PV-ESS 연계모델을 만드는 방법에 관하여 설명한다. 식(4)는 pu을 나타낸 식으로 pu 기반 PV-ESS 시스템을 구성하기 위해 모든 전력 값을 기준값으로 나누어 pu로 나타내야 한다. 이때 PV와 ESS의 용량 중 ESS의 내부는 ESS의 용량을 기준값으로 설정하고 ESS의 외부는 PV의 용량을 기준값으로 설정하여 식(5)-(6)으로 정한다. 최종적으로 모든 파라미터는 식(7)-(10)과 같이 나타낸다.

여기서 $P_{pu}$은 임의의 pu값, $P_{actual}$[MW]은 임의의 실제값, $P_{base}$[MW]은 임의의 기준값, $P_{ESS,\:base}$[MW]은 ESS의 기준값, $P_{ESS,\:rat}$[MW]은 ESS의 정격용량, $P_{PV,\:pu}(t)$[MW]은 시간에 따른 PV의 pu단위 출력 함수, $P_{PV}(t)$[MW]은 시간에 따른 PV의 출력 함수, $P_{PV,\:base}$[MW]은 PV의 기준값, $P_{PVout}(t)$[MW]은 시간에 따른 PV-ESS의 출력 함수, $P_{PVout,\:pu}(t)$[MW]는 시간에 따른 PV-ESS의 pu단위 출력 함수, $\triangle P_{ESS,\:pu}(t)$[MW]는 시간에 따른 ESS의 pu단위 출력 함수, $P_{ofs}(t)$[MW]은 시간에 따른 PV와 ESS변화량의 차이 함수, 마지막으로 $P_{ofs,\:pu}(t)$[MW]는 시간에 따른 $P_{ofs}(t)$의 pu단위 함수를 의미한다.

그림 1의 블록선도에서 $\triangle P_{ESS}(t)$를 식(11)로 설계하였다. 기준값이 다른 식(7)와 식(10)의 차를 구하기 위해 조율상수 $\alpha$를 도입하였다. 상수 $\alpha$는 식(12)과 같다. $\triangle P_{ESS,\:pu}(t)$를 구하기 위해 식(11)을 식(9)에 대입하고 식(7)와 식(12)을 사용하여 나타내면 식(13)과 같이 나타낼 수 있다. $P_{ofs}(t)$은 그림 1의 블록선도에서 식(14)와 같이 나타낼 수 있다. $P_{ofs,\:pu}(t)$는 식(10)에 식(2)와 식(14)를 대입해서 식(15)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 $\alpha$는 제어기의 단위통일을 위한 상수이다.

위의 수식을 바탕으로 그림 3의 pu기반 PV-ESS 시스템을 구성하였다. 식(2)-(3)을 기반으로 그림 3A에서 정확한 SOC값의 도출을 위해 $\triangle P_{ESS,\:pu}$에 기준값인 $P_{ESS,\:base}$을 곱해 피드백 루프를 구성하였다. 그림 3B는 그림 3A 블록선도의 등가변환으로 SOC를 기준으로 피드백 루프를 구성하였다.

그림 3의 ESS의 내부를 정리하면 그림 4의 첫 번째 블록선도로 표현할 수 있다. 그림 2의 첫 번째 블록선도와 같은 구성의 블록선도이며 마찬가지로 ESS의 고주파 통과 필터 역할을 수행한다. 또한 모든 폐루프를 정리한 그림 4의 두 번째 블록

선도는 $P_{PV,\:pu}$가 저주파 통과 필터를 거친 후 $P_{PVout,\:pu}$를 나타내며 이는 마찬가지로 그림 2의 두 번째 블록선도와 같은 형태임을 확인할 수 있다. 이러한 pu 연계시스템은 기존의 전력평활화와 SOC의 작동 범위를 PV의 용량 범위 내에서 구할 수 있다는 장점과 더불어 pu를 기반으로 하는 제어기 설계가 가능하다.

4. PSCAD기반 시뮬레이션 결과

5. 결 론

본 논문에서는 정격용량이 다른 PV-ESS의 설계를 위해 기준용량선정방법과 조율상수 $\alpha$를 사용하여 pu단위로 제어기 설계하는 방법을 제안하였다. 제안하는 모델은 ESS내부는 $P_{ESS,\:base}$을 사용하고 ESS외부는 $P_{PV,\:base}$을 사용하여 pu값으로 변환 후 상수 $\alpha$를 도입하여 계통을 구성하였다. 이를 바탕으로 일반적인 PV-ESS 연계 시스템과 pu를 기반으로 하는 PV-ESS 연계시스템의 출력값을 비교하고 전력 평활화를 확인하여 사용의 타당성을 PSCAD 시뮬레이션 프로그램을 기반으로 검증하였다. 제안하는 방법은 기존의 power smoothing과 SOC의 작동 범위의 장점을 그대로 유지하면서 pu제어기 설계가 가능하다는 장점을 갖는다. 이는 현재 PV와 ESS를 연계하는 형태가 늘어나기 때문에 신재생에너지의 안정적인 전력공급이 가능해질 것으로 보이며, 향후 서로 다른 용량의 설비를을 연계하는데 적용 및 응용이 될 수 있어 기대가 된다.