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문제 정의
- 정상상태 주파수에서 속도조정율에 의한 비례상수(K1=dP/df)에 의한 출력목표값(P1=K1Δf)과 출력이 정상적인지를 확인한다. 계통주파수가 에너지저장장치에 설정된 주파수 불감대를 벗어나는 경우 주파수 변화에 따른 출력목표값과 실제 출력량이 같은지 확인한다. 이때 출력량에 오차 및 출력지연이 발생하지 않아야 한다.
- 또한 실시간 및 히스토리컬 트렌드 기능도 다양한 사용자 편의성과 신속성을 구비하여 시운전 수행 및 계통연계 운전 중 운전현황을 신속히 분석하고 예방정비 및 고장조치를 수행하는 데 기여할 수 있도록 하였다.
- 4MW 에너지저장장치 건설과 운전제어시스템 개발을 통하여 얻은 기술을 기반으로 28MW 및 24MW 주파수조정용 에너지저장장치 운전제어시스템을 완성하고 이를 서안성 및 신용인 주파수조정용 에너지저장장치에 적용하였다. 또한 운전제어시스템의 설계 및 설치와 에너지저장장치의 계통연계 운전을 위한 시운전을 개발한 절차서에 따라 수행하였다. 28MW 및 24MW용 제어기는 그림 3과 같이 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 주파수조정용 에너지저장장치의 개발과 시운전 및 계통연계 자동제어 운전결과를 소개하고자 한다.
- 에너지저장장치가 자동모드로 운전 중일 때 일부 FRC 또는 PCS의 운전모드 전환 및 고장, SOC의 변화 등의 변화에 따라서 FRCM이 정상적으로 참여율을 계산하는지 확인하는 시험이다.
제안 방법
- 4MW 에너지저장장치 건설과 운전제어시스템 개발을 통하여 얻은 기술을 기반으로 28MW 및 24MW 주파수조정용 에너지저장장치 운전제어시스템을 완성하고 이를 서안성 및 신용인 주파수조정용 에너지저장장치에 적용하였다. 또한 운전제어시스템의 설계 및 설치와 에너지저장장치의 계통연계 운전을 위한 시운전을 개발한 절차서에 따라 수행하였다.
- 배터리 SOC의 FRC 입력신호를 모의로 조작할 수 있도록 시뮬레이션 기능을 개발하여 시험하였다. SOC 값은 SOC의 정상 및 과도상태 가용범위, 불감대 등이며, 주파수의 불감대 구간에서도 동시에 SOC기중제어 기능을 확인하며 정상상태와 과도상태로 구분하여 시험한다. 그림 15에서 SOC는 각각 85, 70, 60, 45%로 설정되어 있다.
- 에너지저장장치를 계통에 연계하여 자동운전하기 위한 시운전은 운전제어시스템에 대한 검증과 에너지저장장치 전체 시험으로 구분하여 진행한다. 각 시험은 제어기 신호 건전성 시험, 시스템 보호시험, 제어 알고리즘 응동시험, 신호계측시험, 시스템 기능시험으로 구성된다. 제어기 신호건전성 시험은 루프시험, 시스템 보호시험은 시퀀스 시험과 이중화 시험, 제어알고리즘 응동시험은 배터리 출력제어 및 계통연계,신호계측시험은 주파수측정, 시스템 응답시간 측정, 시스템 기능시험은 운전화면과 데이터저장장치, 시각동기화 장치 등각 시스템의 기능을 시험한다.
- 개발한 운전화면과 운전방법은 제어기 개별 및 일괄제어 기능, 제어기 튜닝 기능, 주파수변동 모의시험 기능, 경보 및 이벤트 기능, 트렌드 기능, 통신 네트워크 감시 기능, 기동시퀀스, 자동제어 감시기능 등으로 구성하였으며, 그림 2는 4MW 배터리 에너지저장장치의 구성이다[1-5].
- 고장 신호를 감지한 부제어기는 고장신호를 감지한 후 정상적인 출력신호를 생성하는데 그림 18에서 출력이 “0”이 된 시간만큼 소요되었다. 고장신호를 인지하여 처리하는 프로그램을 최적하여 정상화하였다.
- 과도상태 주파수에서 주파수 하락시 일정기준 이하가 될 경우 과도상태를 정상적으로 판단하는지, 주파수 회복시 일정기준 이상이 될 경우 과도상태 응동에서 벗어나는지, 과도상태를 벗어날 경우 설정한 속도조정율에 따라 출력을 제어하는지, 과도상태 응동시 출력목표값은 비례상수(K2, 계통정수)과 FRCM으로부터 수신한 참여율(A)에 비례한 값(P2=KΔfA)을 정상적으로 생성하는지 등을 확인한다.
- FRCM은 각 FRC의 통합 SOC, PCS의 운전 상황에 맞게각 FRC의 출력요구량 실시간으로 계산하여 ESS의 일부 설비를 사용하지 못하는 경우에도 계통에서 요구하는 출력을 낼 수 있도록 각 FRC의 참여율을 계산하는 역할을 수행한다. 또한 FRC의 평균 SOC가 가용 SOC 범위를 벗어난 경우, 정상상태 제어를 수행하지 않고 SOC를 회복하기 위한 제어를 수행한다.
- 배터리 에너지저장장치를 주파수조정용으로 운전제어하기 위하여 제어알고리즘을 개발하고 모의시험을 수행하였다. 모의시험을 완료한 후 운전화면, 운전방법, 통신방법, 주파수조정용 제어시스템을 개발하고 200ms 이내로 응동하는 고속의 주파수조정용 에너지저장장치를 개발하였다.
- SOC 유지제어는 그림 14와 같이 주파수와 SOC의 불감대 구간 및 주파수조정구간 밖에서 SOC유지제어를 정상적으로 수행하는지를 확인하는 시험이다. 배터리 SOC의 FRC 입력신호를 모의로 조작할 수 있도록 시뮬레이션 기능을 개발하여 시험하였다. SOC 값은 SOC의 정상 및 과도상태 가용범위, 불감대 등이며, 주파수의 불감대 구간에서도 동시에 SOC유지제어 기능을 확인하며 정상상태와 과도상태로 구분하여 시험한다[3].
- 배터리 에너지저장장치를 주파수조정용으로 운전제어하기 위하여 제어알고리즘을 개발하고 모의시험을 수행하였다.
- 그림 8은 그림 6, 7과 같은 시기 자동발전제어용으로 설치한 신용인 주파수조정용 에너지저장장치의 운전결과이다. 배터리 저주파수 릴레이의 보호기능 설정 오류상태로 운전하여 고장 정지하였다.
- 그림 12에서 SOC가 50% 이하로 떨어진 경우, 출력목표값과 달리 실출력이 0kW로 떨어졌는데, 이는 PCS에서 배터리의 가용용량이 설정값을 벗어난 자체적으로 출력을 차단하여 나타난 결과이다. 배터리가 가용용량을 벗어난 경우 배터리를 보호하기 위한 시퀀스가 정상 동작하는지 확인하였다.
- 최근 전력계통과 연계하여 대용량 배터리 에너지저장장치(Energy Storage System)에 전력을 저장하였다가 전력계통의 최대부하 보상, 주파수 조정, 신재생에너지 출력 평준화 등에 이용할 수 있는 기술개발이 진행되고 있다. 배터리를 이용한 에너지저장장치의 실용성을 확인하기 위하여 제주시 조천변전소에 4MW급 실증단지를 건설하여 4MW/8MWh급 주파수조정용 에너지저장장치 기술을 개발하였다. 이를 기반으로 28, 24MW 규모의 에너지저장장치 운전제어시스템과 관련 기술을 개발하여 사업화에 적용하고 있으며, 이와 관련된 연구도 지속적으로 진행하고 있다[1, 2].
- 시운전 시험 전과 후 결과를 통해 에너지저장장치가 계통 상황에 따른 정상적인 응동을 수행하기 위해서는 시운전 시험이 필수적으로 선행되어야 한다는 것을 확인하였다. 서안성 및 신용에 설치된 에너지저장장치에 대한 성능과 고장정지 없이 안정적으로 자동운전을 위한 시운전 시험항목을 선정하고 시운전 시험을 진행하여 계통상황에 따른 정상적인 자동운전이 가능하게 되었다.
- 에너지자장장치에 확대 적용되며 PCS-BAT의 단위 용량이 각 변전소 마다 상이하고, 제작사별 에너지저장장치의 구성이 상이하여 이를 모두 포함할 수 있는 시운전 시험 항목 및 방법이 필요하였다. 서안성, 신용인 에너지저장장치의 시운전 경험을 바탕으로 시운전 시험절차를 완성하고 이에 따라 신김제, 경산 등 7개 변전소의 총 184MW 주파수추종용 에너지저장장치의 계통연계 자동제어운전을 위한 시운전 검증을 수행하였다.
- 그림 4, 5는 24MW 및 28MW 주파수조정용 에너지저장장치 운전제어시스템 개발 및 적용과 관련된 내용이다. 서안성, 신용인에 설치한 주파수조정용 에너지저장장치는 각각 주파수추종 운전 및 자동발전제어용으로 구분하여 설치하였으나, 연구개발용으로 개발한 28, 24MW 운전제어시스템은 모든 알고리즘을 운용할 수 있도록 구성하였다[2, 4]. 미국은 PJM, CAISO 등의 전력거래소를 통한 자동발전제어 운전을 상용화하고 있다[8].
- 시운전 시험 중 마지막 항목으로 시스템 보호기능 중 하나인 이중화에 대한 검증시험을 수행한다. 그림 18은 이중화 시험 중 발생한 문제점으로 주제어기의 이상이 발생하여 부제어기로 전환되는 순간 에너지저장장치의 출력목표값 신호가 끊어져 정상적으로 운전하지 못한 경우를 보여주고 있다.
- 모든 신호에 이상이 없으면 시스템 보호시험으로 시퀀스 시험을 진행한다. 시퀀스 시험은 PCS단위 제어시험, FRC단위 제어시험, FRCM 단위 제어시험, 비상정지시험으로 진행한다. PCS, FRC, FRCM 각 시스템별로 진행하되 초기에는 각 시스템별로 전체시스템의 수동모드 정지상태에서 시스템별로 순차적으로 기동한다.
- 신호 건전성 시험은 FRC를 기준으로 FRC와 연계된 모든 시스템과의 루프시험을 통해 확인한다. 모든 신호에 이상이 없으면 시스템 보호시험으로 시퀀스 시험을 진행한다.
- 에너지저장장치 설비 중 주전원, 제어, 통신에 대하여 이중화를 구성하여 현재 운전 중인 설비에 고장이 발생할 경우 이를 감지하여 이중화된 설비로 자동 전환되어 연속운전이 가능한지 여부를 확인하였다.
- 수동 충방전은 수동모드에서의 충방전 기능 및 출력목표값에 대하여 배터리 출력이 정상적인지를 그림 12와 같이 확인하는 시험이다. 에너지저장장치 전체 일괄모드 운전으로 100kW씩 정격출력까지 충전 및 방전 시 출력의 오프셋 및 리플 등이 정상적인지, 출력이 목표값에 수렴하는지를 확인한다. 일부 PCS에서 오버슈트, 수렴하지 않는 오프셋과 과도한 리플 등이 발생한 경우도 있었다.
- SOC 유지제어는 계통이 안정된 상태인 주파수 불감대구간에서 수행한다. 에너지저장장치가 주파수 변동에 지속적으로 응동이 가능하도록 SOC유지 능력을 검증한다.
- 에너지저장장치를 계통에 연계하여 자동운전하기 위한 시운전은 운전제어시스템에 대한 검증과 에너지저장장치 전체 시험으로 구분하여 진행한다. 각 시험은 제어기 신호 건전성 시험, 시스템 보호시험, 제어 알고리즘 응동시험, 신호계측시험, 시스템 기능시험으로 구성된다.
- 따라서 데이터저장장치는 여러 가지 기능을 구비하고 있어야 한다. 이벤트성이 아닌 주기성의 데이터 정렬 및 저장기능을 갖추어야 하며, 데이터 추출기능에 있어서는 샘플링 주기 설정, 데이터 검색 및 선택 기능,신속한 데이터 추출, 20ms 주기의 공약수와 일치하는 주기로 데이터 추출 기능 등을 갖추도록 하였다. 또한 실시간 및 히스토리컬 트렌드 기능도 다양한 사용자 편의성과 신속성을 구비하여 시운전 수행 및 계통연계 운전 중 운전현황을 신속히 분석하고 예방정비 및 고장조치를 수행하는 데 기여할 수 있도록 하였다.
- 자동운전 시 FRC에 참여율을 결정하는 FRCM에 대한 참여율 배분시험을 진행한다.
- 제어 알고리즘 응동시험의 배터리 출력제어 시험으로 수동 충방전, PCS 불시정지, SOC 유지제어 및 가중제어, 정상상태 및 과도상태 응동시험을 수행하였다.
- 각 시험은 제어기 신호 건전성 시험, 시스템 보호시험, 제어 알고리즘 응동시험, 신호계측시험, 시스템 기능시험으로 구성된다. 제어기 신호건전성 시험은 루프시험, 시스템 보호시험은 시퀀스 시험과 이중화 시험, 제어알고리즘 응동시험은 배터리 출력제어 및 계통연계,신호계측시험은 주파수측정, 시스템 응답시간 측정, 시스템 기능시험은 운전화면과 데이터저장장치, 시각동기화 장치 등각 시스템의 기능을 시험한다.
- SOC는 주파수가 입력되는 주기별로 SOC의 각 조건에 대하여 변화된 값을 설정한다. 주파수가 불감대를 벗어날 때 각 조건에 맞게 충방전을 수행하는지를 확인한다. 과도상태 주파수의 경우는 SOC 불감대가 정상상태 응동과 다르게 설정되며 시험은 정상상태 주파수와 동일한 방법으로 진행한다.
- 주파수조정용 에너지저장장치의 전반적인 시운전 내용과 선정 이유에 대하여 기술하였으며, 이 외에도 표준화한 운전화면, 유지정비용 콘솔, 데이터저장장치, 시각동기화 장치의 기능시험도 수행하였다. 특히 데이터저장장치는 20ms 주기로 동작한 주파수대비 에너지저장장치의 응동을 분석하는데 중요한 역할을 담당한다.
- 표 1은 정상상태와 과도상태 시 각 FRC의 참여율을 나타내고 있다. 표 1에서 FRC #1의 PCS #1의 배터리의 SOC가 4%, 떨어져있고, FRC #2의 전체 PCS의 SOC가 81%, FRC#3의 PCS #1이 불시정지 되었을 상황을 모의하여 FRCM이 각 FRC별 참여율을 정상적으로 계산하는지 확인하였다.
성능/효과
- 시운전 중 운전시퀀스 동작, 이중화 시험(주전원, 통신, 제어), 목표 출력값에 대한 시간지연과 오프셋, 충방전 전환 시 스파크, 계통주파수 측정오류 등 운전 중에 발생할 수 있는 다양한 문제를 사전에 발견하여 조치할 수 있었다. 계통연계 자동제어 시운전을 통해 에너지저장장치 설비 전반에 대한 무고장 연속 자동운전 성능을 검증조치할 수 있었다.
- 에너지저장장치에 대한 연구개발을 통하여 확보한 28MW 및 24MW용 운전제어시스템 기술은 ‘14년에 서안성, 신용인 28, 24MW 에너지저장장치, ’15년에 신김제, 신계룡 등 전국 7개 변전소 총 184MW의 에너지저장장치에 적용하여 그 이듬해 4～5월경 계통연계 자동제어운전을 위한 시운전을 완료하였다. 서안성 및 신용인 에너지저장장치의 경우 성능시험을 진행하는 동안 계통연계 자동제어 시운전을 수행하기 전 대형 원자력발전의 불시탈락에 의한 과도주파수 응동에 실패하였으나 계통연계 자동제어 시운전 완료 후 발생한 계통사고시에는 정상적인 동작을 함으로써 계통연계 자동제어시운전의 중요성을 확인하였다.
- 시운전 시험 전과 후 결과를 통해 에너지저장장치가 계통 상황에 따른 정상적인 응동을 수행하기 위해서는 시운전 시험이 필수적으로 선행되어야 한다는 것을 확인하였다. 서안성 및 신용에 설치된 에너지저장장치에 대한 성능과 고장정지 없이 안정적으로 자동운전을 위한 시운전 시험항목을 선정하고 시운전 시험을 진행하여 계통상황에 따른 정상적인 자동운전이 가능하게 되었다.
후속연구
- 확대 설치 중인 주파수조정용 에너지저장장치는 기존 발전소의 주파수조정 운전을 대신하여 운전함으로써, 기존 발전소의 효율적인 안정운전과 전력생산비용 절감에 기여할것으로 보인다. 에너지저장장치가 전력계통에 확대 설치됨에 따라 전력계통에 미칠 영향개선과 효율적인 안전운영과 신속한 유지정비를 위하여 운전제어시스템의 성능과 시운전 프로세스를 지속적으로 개선해 나갈 계획이다.
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