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문제 정의
- 본 논문에서는 에너지저장장치를 주파수조정용으로 사용하기 위하여 제주시 4MW급 실증단지에 운전제어시스템을 설치하고 시험한 결과를 기술하였다. 제어알고리즘을 개발하기 위하여 전력계통 모의 프로그램 PSS/E를 이용하여 제주 전력계통을 모사하여 모의시험 주파수를 얻은 후 프로그래밍 언어 C#을 이용한 배터리 응동모의시험을 수행하였다.
- 본 논문에서 수행한 출구상태 제어모드를 통해 공급 전환에 대한 운전제어는 가능한 것으로 확인하였다. 앞으로 더욱 짧은 전개시간과 최적의 공급시간에 대한 필요성을 확인하였다.
제안 방법
- 충전상태에 따라 계통의 외란으로 인식하지 않을 만큼의 적정한 양으로 충전하여 충전량을 확보한다. 40～80%의 충전상태에서는 불감대 이외의 영역에서 계통 주파수 변동에 따라 기존 발전원의 4% 출력변동율을 적용한 상수 Kd를 적용하여 충방전을 제어하고, 80～100% 충전상태에서는 방전만 하도록 제어하며, 0～40% 충전상태에서는 충전 제어만이 가능하도록 제어한다.
- 계통 발전량은 702MW, 계통부하는 제주의 2013년 피크부하를 적용하여 699MW, 배터리 #1～4의 충전상태는 5, 55, 75, 95%, 고압직류송전에 의한 주파수 조정은 운전 하지 않는 상태로 풍력발전 13.5MW를 탈락시켜 시험하였다.
- 그림 8은 과도상태 제어모드 모의시험결과를 나타낸다. 계통 발전량은 702MW, 계통부하는 제주의 2013년 피크부하를 적용하여 699MW, 배터리 #1～4의 충전상태는 5, 55, 75, 95%, 고압직류송전에 의한 주파수조정 운전을 하는 상태로 풍력발전 35MW를 탈락시켜 시험하였다. 정상상태에서 고압직류송전에 의한 주파수조정을 하지 않는 경우 에너지저장 장치에 의한 주파수 회복은 제한적이므로 과도상태에서는 주파수가 회복될 수 있도록 고압직류송전과 병행하여 시험 을 하였다.
- 모델링을 하기 위해서 비례정수값을 결정하게 되는데, 대용량 에너지저장장치의 경우 전력계통 주파수의 오차를 감시하여 이를 회복하기 위해 필요한 에너지저장장치의 출력값을 결정하도록 제어하여야 한다. 계통정수를 이용하여 제어기의 비례정수를 결정하였다. 시험계통에 연계하는 에너지저장장치의 운영범위는 전력거래소의 계통운영보조서비스 세부운영기준을 준용하였다.
- 각 배터리의 충전상태와 상관없이 40% 이상의 충전상태를 갖는 배터리는 최대출력을 발생하도록 제어하는 것을 확인하였다. 과도상태 제어모드가 완료된 후 출구상태 제어모드로 전환하여 일정 변동율로 배터리 출력을 감소시키는 제어를 확인하였다.
- 모의시험은 정상상태와 과도상태로 구분하여 시험하였다. 계통정수는 102.
- 모의시험을 완료한 후 그림 4, 5와 같이 주파수조정용 제어시스템을 설치하고 전력충방전시스템 및 배터리와 통신연계를 하였다. 주파수조정용 제어시스템은 발전소 주파수조정용 제어실적을 가진 GE의 Rx3i 제어기와 intouch 프로그램을 설치한 운전용 콘솔을 사용하였다.
- 발전기의 속도조정율을 측정함으로써 주파수추종제어도 전력계통 주파수가 기준값으로부터 ±0.03Hz의 불감대를 벗어날 경우에만 운전제어가 되도록 설정하였다[9].
- 제어알고리즘을 검증하기 위하여 모의시험을 수행하였다. 시험계통에 연계되는 에너지저장장치의 모델링을 에너지저장장치의 출력정격과 에너지용량 제약을 고려하고, 전력계통 주파수를 기준으로 출력제어가 이뤄지는 모델을 적용하였다. 모델링을 하기 위해서 비례정수값을 결정하게 되는데, 대용량 에너지저장장치의 경우 전력계통 주파수의 오차를 감시하여 이를 회복하기 위해 필요한 에너지저장장치의 출력값을 결정하도록 제어하여야 한다.
- 프로그래밍 언어를 이용한 제어알고리즘 모의시험과 유사한 시험결과를 얻어 최종 제어알고리즘을 제어시스템에 적용한 후 전력계통 및 에너지저장장치 실증설비를 연계하였다. 실제 제주 전력계통 주파수 변동 및 모의시험에 사용한 주파수 변동에 대한 에너지저장장치 응답을 시험하였으며 모의시험과 유사한 결과를 얻었다. 설치한 운전제어시스템으로 에너지저장장치를 주파수 조정용으로 사용할 수 있다는 것을 검증하였다.
- 에너지저장장치 전체설비가 정상적으로 전력을 충방전할 수 있는 성능을 확인한 후 그림 7～10의 모의시험과 같은 주파수 변동에 대한 현장시험을 수행하였다. 주파수는 제어기에서 그림 7～10의 모의시험 주파수를 같은 주기로 제어로직으로 입력하도록 하였다.
- 에너지저장장치는 낮은 충전상태에서 운전시 수명이 감소 되므로 방전한계를 설정하였다. 잦은 충방전 동작으로 인한 배터리 수명 감소를 방지하기 위해 주파수 변동을 제어하는 불감대를 설정하였다.
- 제어기에서 제어로직 개발 작업을 하는 동안 운전용 콘솔의 운전화면을 개발하는 작업을 병행하였다. 운전용 콘솔에는 그림 11과 같이 제어기 개별 및 일괄제어 기능, 제어기 튜닝 기능, 주파수변동 모의시험 기능, 경보 및 이벤트 기능, 트렌드 기능, 통신 네트워크 감시 기능, 기동시퀀스, 자동제어 감시기능 등을 개발하여 구성하였다.
- 제어시스템의 일부를 전력계통 및 에너지저장장치 실증설비와 연계하지 않고 알고리즘을 적용하여 모의시험을 수행하였다. 이 과정에서 제어알고리즘을 운전제어시스템에 맞게 코딩하고 수정보완하였으며, 통신시스템과 운전화면을 새로이 개발하여 시험하였다. 프로그래밍 언어를 이용한 제어알고리즘 모의시험과 유사한 시험결과를 얻어 최종 제어알고리즘을 제어시스템에 적용한 후 전력계통 및 에너지저장장치 실증설비를 연계하였다.
- 에너지저장장치는 낮은 충전상태에서 운전시 수명이 감소 되므로 방전한계를 설정하였다. 잦은 충방전 동작으로 인한 배터리 수명 감소를 방지하기 위해 주파수 변동을 제어하는 불감대를 설정하였다. 매우 작고 빠르게 변하는 주파수 변동에 대한 에너지저장장치의 모든 응답 설정은 전반적인 설비의 수명 및 효율을 저하시키므로 불감대를 적절히 설정해야 할 필요가 있다[8].
- 계통정수 K는 전력계통에서 발전기 탈락시 최소 주파수 시점에서 발전기 탈락량에 대한 주파수 오차에 해당하는 값이다. 전력계통 과도시에 에너지저장장치의 특성상 빠른 제어가 가능하기 때문에 계통 외란 발생 후 최소 주파수 시점까지의 도달 이전 시점부터 동작이 가능한 영역에서 주파수 하락에 비례하여 계통에서 요구하는 최대 출력량을 기준으로 에너지저장 장치의 요구량을 산정하여 계통정수 K를 산정하였다. 계통이 과도기간으로부터 회복되기 시작하여 정상상태의 제어모드로 복귀할 때는 급격한 출력변동을 방지할 필요성이 있다.
- 계통 발전량은 702MW, 계통부하는 제주의 2013년 피크부하를 적용하여 699MW, 배터리 #1～4의 충전상태는 5, 55, 75, 95%, 고압직류송전에 의한 주파수조정 운전을 하는 상태로 풍력발전 35MW를 탈락시켜 시험하였다. 정상상태에서 고압직류송전에 의한 주파수조정을 하지 않는 경우 에너지저장 장치에 의한 주파수 회복은 제한적이므로 과도상태에서는 주파수가 회복될 수 있도록 고압직류송전과 병행하여 시험 을 하였다. 주파수가 60Hz에서 정상유지범위 내인 59.
- 99Hz 로 회복되었다. 정상상태와는 달리 주파수변동율이 과도상태 판단기준을 벗어나 과도상태 판단기준이 되는 시간범위를 지속적으로 초과할 경우 과도상태로 판단하였다. 각 배터리의 충전상태와 상관없이 40% 이상의 충전상태를 갖는 배터리는 최대출력을 발생하도록 제어하는 것을 확인하였다.
- 제어기에서 제어로직 개발 작업을 하는 동안 운전용 콘솔의 운전화면을 개발하는 작업을 병행하였다. 운전용 콘솔에는 그림 11과 같이 제어기 개별 및 일괄제어 기능, 제어기 튜닝 기능, 주파수변동 모의시험 기능, 경보 및 이벤트 기능, 트렌드 기능, 통신 네트워크 감시 기능, 기동시퀀스, 자동제어 감시기능 등을 개발하여 구성하였다.
- 발전소의 주파수 조정용으로 상용화된 제어시스템을 에너지저장장치와 연계하여 설치하였다. 제어시스템의 일부를 전력계통 및 에너지저장장치 실증설비와 연계하지 않고 알고리즘을 적용하여 모의시험을 수행하였다. 이 과정에서 제어알고리즘을 운전제어시스템에 맞게 코딩하고 수정보완하였으며, 통신시스템과 운전화면을 새로이 개발하여 시험하였다.
- 본 논문에서는 에너지저장장치를 주파수조정용으로 사용하기 위하여 제주시 4MW급 실증단지에 운전제어시스템을 설치하고 시험한 결과를 기술하였다. 제어알고리즘을 개발하기 위하여 전력계통 모의 프로그램 PSS/E를 이용하여 제주 전력계통을 모사하여 모의시험 주파수를 얻은 후 프로그래밍 언어 C#을 이용한 배터리 응동모의시험을 수행하였다. 발전소의 주파수 조정용으로 상용화된 제어시스템을 에너지저장장치와 연계하여 설치하였다.
- 제어알고리즘을 검증하기 위하여 모의시험을 수행하였다. 시험계통에 연계되는 에너지저장장치의 모델링을 에너지저장장치의 출력정격과 에너지용량 제약을 고려하고, 전력계통 주파수를 기준으로 출력제어가 이뤄지는 모델을 적용하였다.
- 주파수와 배터리 충전상태 등의 데이터를 입력으로 받는다. 주파수 오차를 계산하고 과도상태를 확인한다. 과도상태인 경우 과도상태 제어에 의한 배터리 출력 목표값을 전력 충방전시스템으로 내보낸다.
- 주파수변동율이 과도상태 판단기준을 벗어나 과도상태 판단기준이 되는 시간범위를 초과할 경우 과도상태로 판단하였다. 주파수가 1540[ms]에서 갑자기 하강하여 1610[ms]까지 하강이 지속되었다.
- 주파수조정용 제어시스템과 전력충방전시스템 및 배터리 등 에너지저장장치 전체설비를 통신연계한 후 제어시스템이 실제 제주계통주파수 변동에 응동이 가능한지를 그림 12와 같이 시험하였다.
- 이 과정에서 제어알고리즘을 운전제어시스템에 맞게 코딩하고 수정보완하였으며, 통신시스템과 운전화면을 새로이 개발하여 시험하였다. 프로그래밍 언어를 이용한 제어알고리즘 모의시험과 유사한 시험결과를 얻어 최종 제어알고리즘을 제어시스템에 적용한 후 전력계통 및 에너지저장장치 실증설비를 연계하였다. 실제 제주 전력계통 주파수 변동 및 모의시험에 사용한 주파수 변동에 대한 에너지저장장치 응답을 시험하였으며 모의시험과 유사한 결과를 얻었다.
대상 데이터
- 모의시험은 정상상태와 과도상태로 구분하여 시험하였다. 계통정수는 102.21MW/Hz, 출력변동율은 4%로 하여 제주계통을 대상으로 모의시험을 하였다.
- 주파수 제어기는 제어기 전원장치, 제어알고리즘 연산장치, 통신장치, 주파수 측정장치, 운전용 콘솔로 구성되어 있다. 주파수 제어기는 주파수 조정용 에너지저장장치의 모든 신호를 입력으로 받는다.
- 실제 주파수 조정용 에너지저장장치는 그림 5와 같이 구성되어 있다. 주파수 조정용 제어기는 4세트의 제어기 전원 장치, 제어알고리즘 연산장치, 통신장치, 주파수 측정장치와 1세트의 운전용 콘솔로 구성되어 있다.
- 모의시험을 완료한 후 그림 4, 5와 같이 주파수조정용 제어시스템을 설치하고 전력충방전시스템 및 배터리와 통신연계를 하였다. 주파수조정용 제어시스템은 발전소 주파수조정용 제어실적을 가진 GE의 Rx3i 제어기와 intouch 프로그램을 설치한 운전용 콘솔을 사용하였다. Rx3i의 제어로직 개발프로그램은 Proficy Machine Edition 7.
이론/모형
- 계통정수를 이용하여 제어기의 비례정수를 결정하였다. 시험계통에 연계하는 에너지저장장치의 운영범위는 전력거래소의 계통운영보조서비스 세부운영기준을 준용하였다. 발전기의 속도조정율을 측정함으로써 주파수추종제어도 전력계통 주파수가 기준값으로부터 ±0.
성능/효과
- 60[Hz]를 기준으로 제어하는 전력계통 주파수의 오차를 전력 에너지저장장치를 운전하여 130[ms]의 속도로 제어할 수 있는 것을 확인하였다.
- 84Hz로 변동하였다. 각 배터리의 충전상태별로 배터리 출력을 다르게 제어하는 것을 확인하였다. 에너지저장장치의 용량이 주파수를 완전히 60Hz로 회복하기에는 부족하여 59.
- 정상상태와는 달리 주파수변동율이 과도상태 판단기준을 벗어나 과도상태 판단기준이 되는 시간범위를 지속적으로 초과할 경우 과도상태로 판단하였다. 각 배터리의 충전상태와 상관없이 40% 이상의 충전상태를 갖는 배터리는 최대출력을 발생하도록 제어하는 것을 확인하였다. 과도상태 제어모드가 완료된 후 출구상태 제어모드로 전환하여 일정 변동율로 배터리 출력을 감소시키는 제어를 확인하였다.
- 같은 조건에서 배터리나 전력충방전시스템의 운전여부에 따라 배터리가 일부만 방전할 수 있는 경우에도 그림 7과 같이 방전 가능한 배터리의 출력을 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 같은 조건에서 배터리나 전력충방전시스템의 운전여부에 따라 배터리가 일부만 방전할 수 있는 경우에도 그림 8과같이 방전 가능한 배터리의 출력을 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 그림 14에서는 1000[kw]까지 출력을 내는데 400[ms]가 소요되었으나, 제어기에서 직접 측정한 결과는 70[ms]가 소요되었다. 과도상태에서 주파수가 변동된 후 배터리 출력이 완전히 발생하는데 약 130[ms]가 소요되는 것을 확인하였다. 130[ms]에는 제어기가 제어로직을 처리하는데 필요한 스윕시간 14[ms]가 포함되어 있다.
- 본 논문에서 수행한 시험을 통하여 모의시험과 실증시험 결과가 유사하고 제주도의 실시간 전력계통 주파수 변동에도 운전제어가 가능하여 개발한 알고리즘과 시스템으로 전력계통 주파수 조정이 가능함을 확인하였다. 기존의 발전소가 수행하던 전력계통 주파수조정 역할을 에너지저장장치에 의하여 운전제어할 수 있음을 확인하였다.
- 본 논문에서 수행한 시험을 통하여 모의시험과 실증시험 결과가 유사하고 제주도의 실시간 전력계통 주파수 변동에도 운전제어가 가능하여 개발한 알고리즘과 시스템으로 전력계통 주파수 조정이 가능함을 확인하였다. 기존의 발전소가 수행하던 전력계통 주파수조정 역할을 에너지저장장치에 의하여 운전제어할 수 있음을 확인하였다.
- 전개시간은 더욱 빨라지고, 공급시간은 더욱 짧아지는 에너지저장장치 시스템을 운용하는 것이 더욱 적은 용량의 에너지저장장치로도 계통을 안정적으로 운용하는 방법이 될 것이다. 본 논문에서 수행한 출구상태 제어모드를 통해 공급 전환에 대한 운전제어는 가능한 것으로 확인하였다. 앞으로 더욱 짧은 전개시간과 최적의 공급시간에 대한 필요성을 확인하였다.
- 실제 제주 전력계통 주파수 변동 및 모의시험에 사용한 주파수 변동에 대한 에너지저장장치 응답을 시험하였으며 모의시험과 유사한 결과를 얻었다. 설치한 운전제어시스템으로 에너지저장장치를 주파수 조정용으로 사용할 수 있다는 것을 검증하였다.
- 그림 3은 전력거래소의 자동발전제어신호가 485MW에서 455MW로 하강할 때 주파수변동과 발전기 출력을 나타내고 있다. 소문자 d 지점 전에 자동발전제어신호와 발전기 출력 사이에 5MW 가량 지속적으로 오차가 발생하고 있었으며 대문자 D 지점부터 주파수가 상승하므로 소문자 d 지점에서 자동발전제어신호가 하강하지 않음에도 불구하고 발전기 출력이 하강하면서 주파수조정을 하고 있음을 알 수 있다.
- 제어알고리즘을 제어기에 설치한 후 전력충방전시스템 및 배터리와는 통신연계를 하지 않은 상태에서 제어기 1대 자체만으로 그림 7, 8과 같은 모의시험을 진행하여 그림 9, 10 과 같이 유사한 결과를 얻었다. 알고리즘이 프로그래밍 언어에서의 모의시험과 유사한 결과를 보여줌에 따라 제어알고리즘이 제어기에서 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 알고리즘 코딩을 정상적으로 수행하고 현장시험을 진행할 수 있게 되었다.
- 이상적으로 응답속도가 빠른 에너지저장장치는 일반적인 수력의 1.7배 용량의 효과를 가지며 캘리포니아 전력시장에서 전력구입 비용의 40%를 절감할 수 있다고 한다. 다만 에너지량에 의해 제한받는다.
- 5MW 에너지저장장치 모의시험에서 주파수가 과도상태 판단기준을 벗어났을 때 약 340[ms] 후 배터리가 방전할 수 있는 결과를 확인하였다[14]. 이와 비교하여 본 논문의 시험결과는 실제 에너지저장장치에서 전개시간을 2.6배 단축하여 운전제어할 수 있는 결과를 보여주었다.
- 현재 시스템에서는 제어기와 전력충방전시스템 자체의 처리시간은 수[ms]로 극히 짧은 시간이었으며, 시스템간의 통신지연, 배터리가 출력을 내는데 소요되는 시간이 가장 큰 요소로 측정되었다. 전체 루프에서 79[ms] 시간지연이 발생하였으나 배터리 출력 목표값 180～100[kW]에 따라 배터리 출력을 제어하였음을 확인하였다.
- 배터리가 방전을 시작해 1000[kW]에 도 달하는데도 400[ms]의 시간이 소요되었다. 전체 루프에서 시간지연이 발생하였으나 배터리 출력 목표값에 따라 배터리 출력을 제어하였음을 확인하였다. 또한 과도상태에서 정상상태로 전환할 때 충격을 없애기 위하여 출구상태 제어모드가 정상적으로 동작하였다.
- 001Hz를 설정하여 그림 10과 같은 결과를 얻었다[9]. 제주 전력계통 주파수 변동에 대하여 에너지저장장치 전체설비가 정상적으로 전력을 충방전할 수 있는 성능을 확인하였다. 에너지저장장치는 전력충방전시스템을 통하여 에너지저장장치 배전선로(ESS D/L)에 연계되어 있다.
- 프로그래밍 언어 및 상용 제어기를 이용하여 시험한 모의시험과 에너지저장장치에서의 시험이 유사한 결과를 얻어 에너지저장장치가 130[ms] 이내로 전력계통 주파수 운전제어가 가능함을 확인하였다.
- 지연요소로는 제어기와 전력충방전시스템간의 통신지연, 전력충방전시스템의 동작지연, 배터리 출력 목표값에 도달하는데 소요된 시간 등을 들 수 있다. 현재 시스템에서는 제어기와 전력충방전시스템 자체의 처리시간은 수[ms]로 극히 짧은 시간이었으며, 시스템간의 통신지연, 배터리가 출력을 내는데 소요되는 시간이 가장 큰 요소로 측정되었다. 전체 루프에서 79[ms] 시간지연이 발생하였으나 배터리 출력 목표값 180～100[kW]에 따라 배터리 출력을 제어하였음을 확인하였다.
후속연구
- 에너지저장장치의 주파수 오차에 대한 응답속도가 빨라질수록 발전소의 주파수추종운전 역할을 위한 에너지저장장치의 총 소요용량은 감소하게 될 것이다. 본 논문에서 확인한 시간단축요소와 시간지연요소들을 연구함으로써 보다 적은 용량으로도 발전소가 가지는 주파수추종운전 역할을 대신할 수 있을 것으로 기대한다.
- 서로 다른 설비간에 통신연계, 현장 제어시스템에서 구동가능한 제어알고리즘 코딩 및 수정보완, 새로운 시스템의 운전제어에 적합한 운전화면 개발이 가장 어려운 부분이었으며 추후 개발 시에는 에너지저장장치의 데이터에 적합한 처리속도와 신뢰성을 가진 통신시스템 개발, 최신 제어기에 적합한 알고리즘 개발이 연구개발 초기부터 병행 추진되어야 할 것으로 판단하였다.
- 전개시간이 더욱 빨라질수록 공급시간은 더 짧아질 것이고, 공급시간이 길수록 전개시간에 대한 기술적 요건이 완화될 수 있을 것이다. 전개시간은 더욱 빨라지고, 공급시간은 더욱 짧아지는 에너지저장장치 시스템을 운용하는 것이 더욱 적은 용량의 에너지저장장치로도 계통을 안정적으로 운용하는 방법이 될 것이다. 본 논문에서 수행한 출구상태 제어모드를 통해 공급 전환에 대한 운전제어는 가능한 것으로 확인하였다.
- 세 가지 요소에 의해 에너지저장장치를 운용할 전력계통에 필요한 주파수조정용 에너지저 장장치의 용량을 산정할 수 있을 것이다. 전개시간이 더욱 빨라질수록 공급시간은 더 짧아질 것이고, 공급시간이 길수록 전개시간에 대한 기술적 요건이 완화될 수 있을 것이다. 전개시간은 더욱 빨라지고, 공급시간은 더욱 짧아지는 에너지저장장치 시스템을 운용하는 것이 더욱 적은 용량의 에너지저장장치로도 계통을 안정적으로 운용하는 방법이 될 것이다.
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