[논문]전력계통 주파수조정을 위한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략

윤준영; 유가람; 국경수; 노도환; 장병훈

doi:10.5370/kiee.2014.63.5.622

전력계통 주파수조정을 위한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략
SOC-based Control Strategy of Battery Energy Storage System for Power System Frequency Regulation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.5, 2014년, pp.622 - 628

윤준영 (Smart Grid Research Center, Dept. of Electrical Engineering, Chonbuk National University) , 유가람 (Smart Grid Research Center, Dept. of Electrical Engineering, Chonbuk National University) , 국경수 (Dept. of Electrical Engineering, Chonbuk National University) , 노도환 (Smart Grid Research Center, Dept. of Electrical Engineering, Chonbuk National University) , 장병훈 (Korea Electric Power Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the SOC-based control strategy of BESS(Battery Energy Storage System) for providing power system frequency regulation in the bulk power systems. As the life cycle of BESS would be shortened by frequent changes of charge and discharge required for frequency regulation in a steady state, the proposed algorithm operates BESS within a range of SOC where its life cycle can be maximized. However, during a transient period of which occurrence frequency is low, BESS would be controlled to use its full capacity in a wider range of SOC. In addition, each output of multiple BESS is proportionally determined by its SOC so that the balance in SOC of multiple BESS can be managed. The effectiveness of the proposed control strategy is verified through various case studies employing a test system. Moreover, the control result of BESS with the measured frequency from a real system shows SOC of BESS can be maintained within a specific range although the frequency deviation is biased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 대규모 전력계통에서 배터리 에너지저장장치를 보다 효과적으로 사용하기 위해 계통 상황에 따라 배터리 에너지저장장치의 충전상태(SOC: State of Charge)를 고려한 전력계통 주파수 제어전략을 제안하였다. 즉, 주파수 변동의 폭이 작고 빈도가 높은 전력계통의 정상상태에서는 배터리 에너지저장장치가 충·방전에 의한 수명경감이 작은 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 주파수 변동의 폭이 크고 빈도가 낮으며 속응제어의 중요성이 더 높은 전력계통의 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축은 최소화 하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다.
본 논문에서는 대규모 전력계통에서 배터리 에너지저장장치를 주파수조정에 보다 효과적으로 적용하기 위해 전력계통의 운전조건과 배터리 에너지저장장치의 SOC를 고려하는 배터리 에너지저장장치 제어전략을 제안하였다. 즉, 정상상태에서는 배터리의 수명단축을 최소화하기 위하여 배터리가 특정 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축 영향은 경감하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다.

가설 설정

본 절에서는 제안된 SOC를 고려한 배터리 에너지저장장치의 전력계통 주파수 제어전략을 시험계통에 적용하여 그 유효성을 검증하였다. 그림 3의 시험계통은 총 발전량 702.2MW, 총 부하랑 699.2MW로 가정하였으며, 14기의 발전기와 48개의 선로로 구성되었다. 또한, 사례연구의 편의를 위해 그림 3에서와 같이 배터리 에너지저장장치의 위치를 가정하였다.
단, idling은 주파수 변동이 불감대 범위 이내일 경우 배터리 에너지저장장치의 출력을 0으로 제어하는 전략으로 가정하였다. 그림 4에서와 같이 본 논문의 제어전략에서는 주파수 변동이 불감대 영역 내에 있을 경우에도 SOC를 확보하도록 배터리 에너지저장장치의 충·방전을 제어함에 따라 배터리 에너지저장장치를 정격의 5%인 0.
2MW로 가정하였으며, 14기의 발전기와 48개의 선로로 구성되었다. 또한, 사례연구의 편의를 위해 그림 3에서와 같이 배터리 에너지저장장치의 위치를 가정하였다.
본 절에서는 시험계통에 과도상태를 유발하지 않는 계통외란을 적용하여 배터리 에너지저장장치의 정상상태 제어전략을 검증하였다. 이때 시험계통에 연결된 2대의 배터리 에너지저장장치의 용량을 4MW로 가정하였다. 다음 그림 4는 시험계통에서 1MW의 부하증가가 발생하였을 때 배터리 에너지저장장치의 SOC 변동결과를 제어전략에 따라 비교한 것이다.
본 절에서는 시험계통에 과도상태를 유발하는 계통외란을 적용하여 배터리 에너지저장장치의 과도상태 제어전략을 검증하였다. 이때 시험계통에 연결된 배터리 에너지저장장치의 2대의 용량을 각각 12MW, 초기 SOC는 각각 40%와 60%로 가정하였다. 다음 그림 10는 시험계통에서 모의시작 1초 후에 28MW의 부하증가가 발생하였을 때 주파수변동에 따른 배터리 에너지저장장치의 출력제어 결과를 제어전략에 따라 비교한 것이다.

제안 방법

발전기 탈락과 같은 외란이 발생한 직후인 전력계통의 과도상태에서는 순간적인 주파수 변동이 발생되어 그 변동의 폭이 큼에 따라, 배터리 에너지저장장치의 과도상태 제어전략에서는 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있도록 계통정수 K를 제어계수로 적용하여 총 배터리 에너지저장장치에 대한 제어요구량을 계산 한 후, 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어 한다. 다음 표 3은 이러한 과도상태 제어전략을 요약 한 것이다[17].
본 절에서는 34시간동안의 국내 전력계통 주파수 실측치를 적용하여 배터리 에너지저장장치의 정상상태 제어전략의 SOC 관리효과를 검증하였다. 다음 그림 6과 7은 본 절에서 적용한 주파수 실측치와 주파수 변동량에 대한 분포를 나타낸다.
본 절에서는 시험계통에 4MW BESS 2대를 연결하고, 초기 SOC를 각각 50%로 가정한 후 이러한 주파수 실측치를 적용하여 배터리 에너지저장장치의 정상상태 제어전략을 검증하였다. 다음 그림 8과 9는 각각 주파수 실측치에 대한 배터리 에너지 저장장치의 제어결과 예와 SOC 변동을 나타낸다.
본 절에서는 시험계통에 과도상태를 유발하는 계통외란을 적용하여 배터리 에너지저장장치의 과도상태 제어전략을 검증하였다. 이때 시험계통에 연결된 배터리 에너지저장장치의 2대의 용량을 각각 12MW, 초기 SOC는 각각 40%와 60%로 가정하였다.
본 절에서는 시험계통에 과도상태를 유발하지 않는 계통외란을 적용하여 배터리 에너지저장장치의 정상상태 제어전략을 검증하였다. 이때 시험계통에 연결된 2대의 배터리 에너지저장장치의 용량을 4MW로 가정하였다.
본 절에서는 이러한 정상상태 주파수 변동의 특징을 고려하여 변동이 크지 않은 배터리의 SOC 운전 구간을 배터리 수명이 가장 길수 있는 구간으로 제한하여 잦는 충·방전에 의한 배터리 수명 경감을 최소화 하도록 하는 제어전략을 수립하였다.
본 절에서는 제안된 SOC를 고려한 배터리 에너지저장장치의 전력계통 주파수 제어전략을 시험계통에 적용하여 그 유효성을 검증하였다. 그림 3의 시험계통은 총 발전량 702.
본 절에서는 주파수 변동의 특징이 다르게 나타나는 전력계통의 운전조건을 고려하여 배터리 에너지저장장치의 제어를 정상상태와 과도상태로 구분하여 제안하였다. 즉, 정상상태에서는 배터리의 수명단축을 최소화하기 위하여 배터리가 특정 SOC 구간 내에서 주파수조정에 참여되도록 제어하고, 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 동적성능을 최대한 발휘하도록 제어하였다.
또한, 정상상태와 과도상태에서 주파수 변동 시 배터리 에너지저장장치의 총 설치 용량에 대한 주파수제어 요구량을 먼저 계산한 후 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어함으로써 배터리 에너지저장장치의 SOC를 보다 효과적으로 관리하고 주파수에 대한 과보상 가능성을 방지할 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 제안된 배터리 에너지저장장치의 주파수제어 알고리즘을 시험계통에 적용하여 그 유효성을 검증하고 이를 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 배터리 에너지저장장치의 SOC 관리효과를 확인하였다.
본 절에서는 주파수 변동의 특징이 다르게 나타나는 전력계통의 운전조건을 고려하여 배터리 에너지저장장치의 제어를 정상상태와 과도상태로 구분하여 제안하였다. 즉, 정상상태에서는 배터리의 수명단축을 최소화하기 위하여 배터리가 특정 SOC 구간 내에서 주파수조정에 참여되도록 제어하고, 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 동적성능을 최대한 발휘하도록 제어하였다. 이때, 전력계통의 과도상태는 주파수의 변화율을 기준으로 결정된다.

성능/효과

그림 10에서와 같이 상정고장 이후 주파수가 급격히 하락함에 따라 각각의 배터리 에너지저장장치가 최대출력으로 응동하는 경우에는 오히려 계통 주파수가 기준 값 이상으로 상승 하였으나 본 논문에서 제안한 제어전략에서는 배터리 에너지저장장치가 주파수 회복을 위해 계산된 제어 요구량을 각각의 SOC 비율에 따라 분담하여 방전함으로써 주파수가 과도하게 상승하지 않고 정상상태로 회복되었다.
그림 4에서와 같이 본 논문의 제어전략에서는 주파수 변동이 불감대 영역 내에 있을 경우에도 SOC를 확보하도록 배터리 에너지저장장치의 충·방전을 제어함에 따라 배터리 에너지저장장치를 정격의 5%인 0.2MW로 충전하여 60%인 초기 SOC가 65%까지 증가됨을 알 수 있다.
그림 8에서와 같이 주파수 편차가 불감대 범위 이내일 경우 BESS의 충전이 시작된다. 따라서 그림 9에서와 같이, 배터리 에너지저장장치의 SOC 운전구간을 관리하지 않은 경우 주파수 변동량의 분포가 비대칭으로 인해 SOC가 50% 이하로 감소하나 본 논문에서 제안한 제어전략을 적용한 경우에는 SOC 운전구간의 관리가 적용됨에 따라 실측 주파수 하락의 빈도수가 상승의 경우보다 많음에도 불구하고 SOC가 50% 이상으로 유지되고 있다.
즉, 주파수 변동의 폭이 작고 빈도가 높은 전력계통의 정상상태에서는 배터리 에너지저장장치가 충·방전에 의한 수명경감이 작은 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 주파수 변동의 폭이 크고 빈도가 낮으며 속응제어의 중요성이 더 높은 전력계통의 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축은 최소화 하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다. 또한, 정상상태와 과도상태에서 주파수 변동 시 배터리 에너지저장장치의 총 설치 용량에 대한 주파수제어 요구량을 먼저 계산한 후 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어함으로써 배터리 에너지저장장치의 SOC를 보다 효과적으로 관리하고 주파수에 대한 과보상 가능성을 방지할 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 제안된 배터리 에너지저장장치의 주파수제어 알고리즘을 시험계통에 적용하여 그 유효성을 검증하고 이를 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 배터리 에너지저장장치의 SOC 관리효과를 확인하였다.
또한, 제안된 제어전략에서는 다수의 배터리 에너지저장장치가 설치되어 있을 경우 계통외란으로 인한 주파수 변동 시 배터리 에너지저장장치의 전체 설치 용량에 대한 주파수제어 요구량을 먼저 계산한 후 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어함으로써 배터리 에너지저장장치의 주파수제어를 더욱 효율적으로 수행하면서 배터리 에너지저장장치의 SOC 운전구간을 관리하는데 기여할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략을 시험계통에 적용한 다양한 사례연구를 통해 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘의 유효성을 검증하였고, 더욱이 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 제안된 알고리즘이 배터리 에너지저장장치의 SOC를 관리할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 잦은 충·방전이 요구되는 전력계통 주파수조정에 배터리 에너지저장장치를 적용함으로써 우려되는 배터리의 수명경감을 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
즉, 주파수 변동의 폭이 작고 빈도가 높은 전력계통의 정상상태에서는 배터리 에너지저장장치가 충·방전에 의한 수명경감이 작은 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 주파수 변동의 폭이 크고 빈도가 낮으며 속응제어의 중요성이 더 높은 전력계통의 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축은 최소화 하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다.
특히, 표 2의 배터리의 경우 실험된 방전 깊이와 잔존용량 구간 중 잔존용량 50% ∼ 80% 구간에서 30% 방전 깊이로 운영하였을 때 수명이 가장 길게 나타났다.
57Hz 까지 하락하였다. 하지만, 배터리 에너지저장장치가 설치되어 본 논문에서 제안된 제어전략을 적용한 경우 배터리 에너지저장장치의 용량을 8, 12, 16MW로 증가시킴에 따라 최소 과도 주파수가 상승됨을 확인하였다. 다음 표 6는 이러한 모의해석 결과를 요약한 것이다.

후속연구

즉, 정상상태에서는 배터리의 수명단축을 최소화하기 위하여 배터리가 특정 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축 영향은 경감하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다. 또한, 제안된 제어전략에서는 다수의 배터리 에너지저장장치가 설치되어 있을 경우 계통외란으로 인한 주파수 변동 시 배터리 에너지저장장치의 전체 설치 용량에 대한 주파수제어 요구량을 먼저 계산한 후 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어함으로써 배터리 에너지저장장치의 주파수제어를 더욱 효율적으로 수행하면서 배터리 에너지저장장치의 SOC 운전구간을 관리하는데 기여할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략을 시험계통에 적용한 다양한 사례연구를 통해 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘의 유효성을 검증하였고, 더욱이 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 제안된 알고리즘이 배터리 에너지저장장치의 SOC를 관리할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 이러한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략을 시험계통에 적용한 다양한 사례연구를 통해 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘의 유효성을 검증하였고, 더욱이 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 제안된 알고리즘이 배터리 에너지저장장치의 SOC를 관리할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 잦은 충·방전이 요구되는 전력계통 주파수조정에 배터리 에너지저장장치를 적용함으로써 우려되는 배터리의 수명경감을 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다. 향후 본 논문에서 제안된 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘을 국내에서 진행 중인 관련 실증사업에 적용하여 성능을 실증하고 배터리 에너지저장장치 보급 사업에 적용함으로써 전력계통 주파수 안정화에도 기여할 것으로 기대된다.
이를 통해 잦은 충·방전이 요구되는 전력계통 주파수조정에 배터리 에너지저장장치를 적용함으로써 우려되는 배터리의 수명경감을 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다. 향후 본 논문에서 제안된 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘을 국내에서 진행 중인 관련 실증사업에 적용하여 성능을 실증하고 배터리 에너지저장장치 보급 사업에 적용함으로써 전력계통 주파수 안정화에도 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배터리 에너지저장장치를 주파수조정에 보다 효과적으로 적용하기 위한 방법은?	본 논문에서는 대규모 전력계통에서 배터리 에너지저장장치를 주파수조정에 보다 효과적으로 적용하기 위해 전력계 통의 운전조건과 배터리 에너지저장장치의 SOC를 고려하는 배터리 에너지저장장치 제어전략을 제안하였다. 즉, 정상상태에서는 배터리의 수명단축을 최소화하기 위하여 배터리가 특정 SOC구간 내에서 주파수 제어를 수행하도록 하고, 과도상태에서는 배터리 에너지저장장치의 가용용량을 최대한 사용하여 주파수 제어를 수행하도록 함으로써 주파수제어에 의한 배터리 에너지저장장치의 수명단축 영향은 경감하면서 속응제어에 의한 계통주파수 제어효과를 극대화 할 수 있다. 또한, 제안된 제어전략에서는 다수의 배터리 에너지저장장치가 설치되어 있을 경우 계통외란으로 인한 주파수 변동 시 배터리 에너지저장장치의 전체 설치 용량에 대한 주파수제어 요구량을 먼저 계산한 후 이를 각 배터리 에너지저장장치의 SOC에 따라 비례 배분하여 제어함으로써 배터리 에너지저장장치의 주파수제어를 더욱 효율적으로 수행하면서 배터리 에너지저장장치의 SOC 운전구간을 관리하는데 기여할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 SOC 기반의 배터리 에너지 저장장치 제어전략을 시험계통에 적용한 다양한 사례연구를 통해 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 제어알고리즘의 유효성을 검증하였고, 더욱이 국내 전력계통 주파수 실측치에 적용해 봄으로써 제안된 알고리즘이 배터리 에너지저장장치의 SOC를 관리할 수 있음을 확인하였다.
	배터리 에너지저장장치가 최근 도입되는 이유	배터리 에너지저장장치는 최근 전력제어기의 고도화와 배터리 단가의 경감을 통해 전력계통 운영의 효율성 개선에 적극적으로 적용되고 있으며 전력시장에서도 에너지 저장장치들을 적극적으로 도입하기 위한 노력을 기울이고 있다[1]. 특히 계통 상황에 따라 급속한 변동이 나타나는 계통 주파수의 경우 배터리 에너지저장장치의 속응성은 계통 주파수 제어에 매우 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대되고있다[2][3][4].
	전력계통 주파수란?	현대 생활의 필수품인 전기에너지를 공급하는 전력계통은 핵심 에너지 인프라이지만 최근 에너지 수요의 전기화 등에 따른 전력수요의 꾸준한 증가에 비해 환경문제 등의 제약으로 설비투자가 충분히 이루어지지 못하고 있고, 신재생 발전원들의 경쟁적 도입이 확대됨에 따라 전력공급 신뢰도와 품질의 저하에 대한 우려가 높아지고 있다[1]. 특히 전력계통 주파수는 전력계통의 가장 중요한 임무인 전력수급의 지표가 되는 파라미터로써 전력계통에 부하변동이나 발전기 탈락과 같은 외란이 발생될 경우 전력계통 전체의 주파수에 왜곡을 초래하고 이를 즉각 회복시키지 못하거나 순간적인 주파수변동 폭이 한계치를 벗어날 경우 전기 소비자들의 설비 성능을 저하시키거나 정전을 유발할 수 있는데 지속적인 전력계통 규모의 확대와 신재생 발전원의 수용율 증가는 이러한 전력계통의 주파수제어 자원에 대한 수요를 더욱 높이고 있다.

참고문헌 (17)

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MKE, "K-ESS 2020", May. 2011.
Muhammad Khalid , "Model Predictive Control Based Efficient Operation of Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control", 2010 11th International Conference, Control Automation Robotics & Vision, 2010.
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Gauthier Delille, "Dynamic Frequency Control Support by Energy Storage to Reduce the Impact of Wind and Solar Generation on Isolated Power System's Inertia", IEEE Transaction. vol.3, Oct. 2012.
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P.M. Anderson, A.A. Fouad , "Power system control and stability 2nd Edition", Willey, 2003.
Operating Criteria for Ancillary Services, KPX, 2008. 11.
Jun Bum Han,"A Study on the Criteria for Setting the Dynamic Control Mode of Battery Energy Storage System in Power Systems", KIEE, Vol. 62, No. 4, pp. 444-450, Mar. 2013.

원문보기 상세보기
D. P. Chassin, Z. Huang, M. K. Donnelly, C. Hassler, E. Ramirez, C. Ray, "Estimation of WECC System Inertia Using Observed Frequency Transients", IEEE Transaction. Power System, vol. 20, pp. 1190-1192, 2005.

상세보기
New Power System Engineering, Kil-Young Song, 2011, Dong-Il Publisher.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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