[논문]배터리 가용성 극대화를 고려한 BESS의 AGC 주파수제어 추종운영방안

최우영; 유가람; 국경수

doi:10.5370/kiee.2016.65.7.1161

배터리 가용성 극대화를 고려한 BESS의 AGC 주파수제어 추종운영방안
Operating Method of BESS for Providing AGC Frequency Control Service Considering Its Availability Maximization 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.7, 2016년, pp.1161 - 1168

최우영 (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)

Abstract ▼ AI-Helper

Battery energy storage system(BESS) attract the attention of the power system operators with its fast response to a disturbance in spite of its limited energy capacity. This paper proposes the operating method of BESS for following the Automatic Generation Control(AGC) frequency control which is centrally distributed by a system operator. As BESS needs to just meet the control requirement from the system operator, it should be able to properly manage the state of charge(SOC) of BESS to be available to control signal. For doing these, the proposed method distributes the control requirement to available batteries in proportion to its SOC. In addition, unavailable batteries are controlled to recover the SOC to an appropriate range, and the recovering power is supplied by available batteries meeting the control requirement. Moreover, the proposed method manages the efficiency of power conversion system (PCS) by limiting the number of PCS to be assigned for the low control requirement. Finally, the case studies are carried out to verify the effectiveness of proposed strategy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다수의 배터리로 구성된 BESS를 대상으로 전력계통의 AGC 주파수제어 신호를 보다 효과적으로 추종하기 위한 운영방안을 제안하였다. 즉, BESS를 구성하는 다수 배터리의 개별 SOC와 AGC 주파수제어 신호의 크기에 따라 운전모드를 정상 제어와 회복 제어 그리고 저 전력 제어 모드로 구분하고 각 제어 모드 별 최우선 목표를 제어 신호의 추종, 배터리의 SOC 회복, 그리고 PCS의 효율 관리로 각각 적용함으로써 BESS의 가용성을 극대화하였다.
본 장에서는 앞 장에서 기술된 고려사항들을 반영하여 AGC 주파수제어 수행을 위한 BESS의 운영방안을 제시하였다. 본 운영방안에서는 배터리의 가용성 및 주파수제어 신호의 크기에 따라 BESS 제어 모드를 정상 제어, 회복 제어 그리고 저 전력 제어의 총 세 가지로 구분하고 각 제어 모드 별 운전 조건에 따라 배터리의 AGC 주파수제어 추종을 극대화한다.
BESS는 에너지 제약, 수명 특성 그리고 PCS의 효율 등 기존 발전원들과는 매우 상이한 특성을 지니고있다. 이에 본 장에서는 AGC 주파수제어 및 제어 수행을 위한 BESS의 고려 사항을 검토하였다.

가설 설정

5MW 정격의 배터리 4대로 이루어진 단위 시스템을 가정하였다. 또한, SOC에 따른 비례배분 검증을 위해 배터리 별 초기 SOC를 다르게 가정하였고, SOC 유지 구간은 특정 배터리의 수명을 고려하여 가정된 값이다.
표 4는 제안된 운영방안의 유효성 검증을 위해 가정한 BESS의 설정값으로 1MW/0.5MW 정격의 배터리 4대로 이루어진 단위 시스템을 가정하였다. 또한, SOC에 따른 비례배분 검증을 위해 배터리 별 초기 SOC를 다르게 가정하였고, SOC 유지 구간은 특정 배터리의 수명을 고려하여 가정된 값이다.

제안 방법

다음으로는 BESS의 AGC 주파수제어 신호 추종을 위해 제안된 본 운영방안의 성능을 종합적으로 평가하였다.
위 그림 2에서 Battery#4의 SOC가 제어 수행에 따라 운영 범위를 벗어나 회복제어를 수행하게 되고 이에 따라 BESS의 AGC 주파수제어 신호 추종에 오차가 발생함을 확인할 수 있다. 따라서, 배터리의 가용성을 고려하여 AGC 주파수제어 신호의 추종을 우선적으로 만족할 수 있도록 BESS의 회복제어를 수행하도록 한다.
또한, 국내 실계통의 정상상태 주파수 이력 데이터를 기준으로 BESS의 AGC 주파수제어 추종 운영을 모의하는 사례 연구를 통해 제안된 운영방안의 유효성을 검증하였다.
마지막은 PCS의 운영 효율에 대한 분석으로 저 출력 제어 모드 수행 유무에 따라 배터리 별 출력이 정격의 10%보다 낮게 수행한 출력 비율을 기준으로 비교하였다. 다음 표 6은 BESS의 저출력 수행 비율에 대한 분석 결과를 나타낸다.
본 논문에서는 제안된 BESS의 AGC 주파수제어 추종운영방안을 모의해석을 이용한 다양한 사례연구를 통해 분석하여 그 유효성을 확인하였다.
본 사례 연구에서는 국내 실계통의 정상상태 주파수 이력 데이터를 기준으로 AGC 주파수제어 신호를 가정하고, 이에 대한 BESS의 추종 운영 결과를 분석하여 제안된 운영방안의 유효성을 검증하였다. 다음 그림 6은 3일 동안 국내 계통에서 측정된 정상상태 주파수를 나타낸다.
본 장에서는 앞 장에서 기술된 고려사항들을 반영하여 AGC 주파수제어 수행을 위한 BESS의 운영방안을 제시하였다. 본 운영방안에서는 배터리의 가용성 및 주파수제어 신호의 크기에 따라 BESS 제어 모드를 정상 제어, 회복 제어 그리고 저 전력 제어의 총 세 가지로 구분하고 각 제어 모드 별 운전 조건에 따라 배터리의 AGC 주파수제어 추종을 극대화한다. 다음 그림 5는 이러한 제어 전략에 대한 순서도를 나타낸다.
즉, 정상 제어에서는 제어 신호의 추종을 최우선적으로 수행하며, 가용한 배터리의 SOC에 따라 제어 신호를 비례배분함으로써 가용 에너지가 많은 배터리의 서비스 참여를 높인다. 이때, 지령된 주파수제어 신호와 BESS 내 가용 출력을 비교하여 가용 출력이 충분할 경우에만, 비가용 배터리의 회복제어를 수행 한다. 한편 회복 제어 모드에서는 BESS 내 가용 출력에 따라 비가용 배터리의 제어 가용성 확보를 위한 충전 또는 방전 수행토록 하였고, 저 전력 제어 모드에서는 배터리의 저 출력 시 전력변환설비의 효율 악화를 방지토록 하였다.
이를 위해 다수의 배터리로 구성된 BESS를 대상으로 계통의 AGC 주파수제어 신호를 보다 효과적으로 추종하는 방안을 제안한다. 이를 위해, BESS를 구성하는 다수 배터리의 개별 SOC에 따른 가용 상태 및 제어 신호의 크기에 따라 정상 제어와 회복제어 그리고 저 전력 제어로 모드를 구분하여 AGC 주파수제어를 수행하도록 하였다.
이를 위해 다수의 배터리로 구성된 BESS를 대상으로 계통의 AGC 주파수제어 신호를 보다 효과적으로 추종하는 방안을 제안한다. 이를 위해, BESS를 구성하는 다수 배터리의 개별 SOC에 따른 가용 상태 및 제어 신호의 크기에 따라 정상 제어와 회복제어 그리고 저 전력 제어로 모드를 구분하여 AGC 주파수제어를 수행하도록 하였다. 즉, 정상 제어에서는 제어 신호의 추종을 최우선적으로 수행하며, 가용한 배터리의 SOC에 따라 제어 신호를 비례배분함으로써 가용 에너지가 많은 배터리의 서비스 참여를 높인다.
이때, 지령된 주파수제어 신호와 BESS 내 가용 출력을 비교하여 가용 출력이 충분할 경우에만, 비가용 배터리의 회복제어를 수행 한다. 한편 회복 제어 모드에서는 BESS 내 가용 출력에 따라 비가용 배터리의 제어 가용성 확보를 위한 충전 또는 방전 수행토록 하였고, 저 전력 제어 모드에서는 배터리의 저 출력 시 전력변환설비의 효율 악화를 방지토록 하였다. 이를 통해 AGC 주파수제어 신호에 대한 BESS의 우수한 추종성을 유지하면서도 서비스 지속을 위한 BESS의 가용성을 극대화할 수 있다.

성능/효과

BESS 내 배터리들은 제어 신호의 추종에 있어 가용성이 높을수록 제안된 운영방안에 따라 제어에 적극적으로 참여한다. 그로 인해 배터리 별 초기 SOC가 다르게 가정되었지만, 제어가 지속됨에 따라 모든 배터리들의 SOC가 4시간 이내에 동일하게됨을 확인할 수 있다.
다음 사례에서는 모든 배터리가 가용 상태이지만, 제어 신호의 크기가 BESS 정격의 10%보다 낮아짐에 따라 가장 가용성이 뛰어난 Battery#4가 모든 제어를 수행함을 확인할 수 있다. 이를 통해 BESS가 제어 신호에 정확히 추종하며, PCS 효율 관리를 위한 적절한 제어 배분이 수행됨을 보인다.
[9] 이러한 AGC 주파수제어는 관성 제어나 조속기에 의한 1차 주파수제어 등의 자체적인 제어를 수행하는 방식과는 달리 계통 운영자로부터 계통의 주파수 편차에 따라 계산된 제어 신호가 각 발전기들로 지령되기 때문에 제어 신호의 추종이 가장 중요하다. 따라서 속응성과 정확성이 우수한 BESS는 AGC 주파수제어에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 평가받는다.
제안된 운영방안에 따라 배터리의 SOC가 가용 범위에 있는 경우, BESS는 AGC 주파수제어 신호에 대한 추종성을 확보할 수 있음을 확인하였고, 배터리의 SOC 또한 설정된 유지 범위 이내로 유지될 수 있었다. 또한, BESS의 출력이 낮은 경우에도 적절한 출력 배분으로 PCS의 효율 급감을 방지할 수 있음을 확인하였다. 향후, BESS도 EMS를 통해 AGC 주파수제어 서비스에 참여할 것으로 예상됨에 따라 계통 운영자가 BESS의 특성을 고려하여 적절한 제어 신호를 송출할 경우, 제안된 운영방안의 효과는 더욱 커질 수 있을 것으로 판단된다.
마지막으로 AGC 주파수제어 신호의 크기가 낮을 경우에 PCS의 효율 관리를 위한 저 전력 제어 모드에 대한 BESS 응동 결과이다.
앞선 두 사례들과 달리 BESS 내 모든 배터리들의 SOC가 운영 범위 하한에 도달하여 더 이상 방전 제어 신호에 정확한 추종을 수행하지 못함을 확인할 수 있다. 위 상황에서 배터리들은 제어 가용성 확보를 위해 정격의 10% 수준으로 회복제어를 수행한다.
위 사례 또한 Battery#1이 방전 시에는 비가용 상태로 판단되지만, 충전 시 가장 가용한 자원으로 판단됨에 따라 비례배분을 통해 다른 배터리보다 많은 충전을 수행함을 확인할 수 있으며, 이를 통해 BESS가 AGC 주파수제어 신호에 정확하게 추종함을 확인할 수 있다.
위 사례에서는 BESS 내 가용 출력이 충분하기 때문에 Battery#1이 방전 시 비가용 상태임에도 불구하고 회복 제어를 통해 가용성을 확보함을 확인할 수 있으며, 가용한 배터리들은 SOC에 따라 비례배분을 수행함으로써 BESS가 AGC 주파수제어 신호에 정확하게 추종함을 확인할 수 있다. 더욱이 Battery#4의 SOC가 약 68%로 가장 높기 때문에 보다 많은 방전을 수행함을 보인다.
80% 수준으로 AGC 주파수제어 신호를 추종하였다. 이때 BESS가 AGC 주파수제어 신호를 추종하지 못한 경우는 모든 배터리가 비가용할 경우이며, 이는 본 사례 연구에서 BESS의 정격만을 기준으로 AGC 주파수제어 신호를 가정함에 따른 결과로서 계통 운영자가 BESS의 가용 여부를 판단하고 적절한 주파수제어 신호를 지령할 경우, 제어 신호 추종 오차는 감소할 것으로 판단된다.
)에 따라 정상 제어 모드 또는 회복 제어 모드로 제어된다. 이러한 제어방법에서는 BESS의 제어 가용성을 정확하게 판단하고 AGC 주파수제어 요구량을 만족할 수 있을 경우에만 BESS의 SOC를 관리함으로써 BESS의 SOC 관리로 인해 AGC 주파수제어신호의 추종에 오차가 커지는 기존 방식보다 제어신호의 이행률이 크게 향상될 수 있다. 다음 표 2는 정상 제어 모드와 회복 제어 모드의 판단 기준을 요약한 것이다.
다음 사례에서는 모든 배터리가 가용 상태이지만, 제어 신호의 크기가 BESS 정격의 10%보다 낮아짐에 따라 가장 가용성이 뛰어난 Battery#4가 모든 제어를 수행함을 확인할 수 있다. 이를 통해 BESS가 제어 신호에 정확히 추종하며, PCS 효율 관리를 위한 적절한 제어 배분이 수행됨을 보인다.
저 전력 제어 모드를 통해 제어를 수행함으로써 낮은 부하율에서의 출력 발생율을 약 38% 감소시킴으로써 PCS의 효율 향상에 상당히 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 나머지 저 전력 출력에 대한 응답 13.
제안된 운영방안에 따라 배터리의 SOC가 가용 범위에 있는 경우, BESS는 AGC 주파수제어 신호에 대한 추종성을 확보할 수 있음을 확인하였고, 배터리의 SOC 또한 설정된 유지 범위 이내로 유지될 수 있었다. 또한, BESS의 출력이 낮은 경우에도 적절한 출력 배분으로 PCS의 효율 급감을 방지할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 다수의 배터리로 구성된 BESS를 대상으로 전력계통의 AGC 주파수제어 신호를 보다 효과적으로 추종하기 위한 운영방안을 제안하였다. 즉, BESS를 구성하는 다수 배터리의 개별 SOC와 AGC 주파수제어 신호의 크기에 따라 운전모드를 정상 제어와 회복 제어 그리고 저 전력 제어 모드로 구분하고 각 제어 모드 별 최우선 목표를 제어 신호의 추종, 배터리의 SOC 회복, 그리고 PCS의 효율 관리로 각각 적용함으로써 BESS의 가용성을 극대화하였다.
즉, 제안된 운영방안에 따라 모든 배터리의 SOC가 제어 시작 이후 13,880초 이내에 동일한 수준으로 확보되었으며, SOC가 제어 구간인 50∼80% 이내로 유지됨을 확인할 수 있다.

후속연구

최근 모바일 기기 시장의 급성장과 전기자동차 보급 확대에 따라 배터리의 경제성이 빠르게 향상되면서 전력 계통에서도 배터리 기반의 전기저장장치인 BESS의 활용이 고려되고 있다. BESS는 전력 제어의 속응성과 정확성이 기존 발전원들에 비해 매우 우수한 자원으로써 전력 계통의 운영 효율 향상에 상당한 기여를 해줄 수 있을 것으로 기대된다.[1] 국내의 경우, BESS를 국가 경제의 성장 동력으로 활용하고자 BESS를 이용한 다양한 분야에서의 R&D 및 설비 투자 등 정부의 적극적인 지원이 이루어지고 있다.
또한, BESS의 출력이 낮은 경우에도 적절한 출력 배분으로 PCS의 효율 급감을 방지할 수 있음을 확인하였다. 향후, BESS도 EMS를 통해 AGC 주파수제어 서비스에 참여할 것으로 예상됨에 따라 계통 운영자가 BESS의 특성을 고려하여 적절한 제어 신호를 송출할 경우, 제안된 운영방안의 효과는 더욱 커질 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력계통에서 주파수는 어떤 파라미터인가?	주파수는 전력계통에서 가장 중요한 기능인 전력수급의 균형 유지 여부를 나타내는 파라미터로써 계통운영에서는 이러한 주파수제어를 위해 크게 관성 제어와, 조속기를 통한 1차 주파수제어 그리고 AGC를 통한 2차 주파수제어로 구분하여 운영하고 있다. 특히, 2차 주파수제어는 중앙제어로써 Energy Management System(EMS)을 기반으로 계통 운영자로부터 송출된 제어 신호를 통해 정상 상태 혹은 과도 상태 시 계통 주파수를 공칭 주파수로 회복시키기 위해 수행되는데, 중앙집중식 운영방식을 취하고 있는 대규모 전력계통에서는 이러한 2차 주파수제어의 중요성이 매우 높다고 할 수 있다.
	BESS는 에너지 제약 등 기존 발전기와는 상이한 특성을 지니기 때문에 BESS를 활용한 AGC 주파수제어가 전력계통에 효과적으로 기여하기 위해 BESS의 장·단점을 고려한 별도의 운영방안은 어떤 것이 있는가?	이를 위해 다수의 배터리로 구성된 BESS를 대상으로 계통의 AGC 주파수제어 신호를 보다 효과적으로 추종하는 방안을 제안한다. 이를 위해, BESS를 구성하는 다수 배터리의 개별 SOC에 따른 가용 상태 및 제어 신호의 크기에 따라 정상 제어와 회복제어 그리고 저 전력 제어로 모드를 구분하여 AGC 주파수제어를 수행하도록 하였다.
	BESS의 긍정적인 의의는?	최근 모바일 기기 시장의 급성장과 전기자동차 보급 확대에 따라 배터리의 경제성이 빠르게 향상되면서 전력 계통에서도 배터리 기반의 전기저장장치인 BESS의 활용이 고려되고 있다. BESS는 전력 제어의 속응성과 정확성이 기존 발전원들에 비해 매우 우수한 자원으로써 전력 계통의 운영 효율 향상에 상당한 기여를 해줄 수 있을 것으로 기대된다.[1] 국내의 경우, BESS를 국가 경제의 성장 동력으로 활용하고자 BESS를 이용한 다양한 분야에서의 R&D 및 설비 투자 등 정부의 적극적인 지원이 이루어지고 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
Hongyan Piao, Shifeng Chen, Haichao Lv, and Haoming Liu, "Control Strategy of Battery Energy Storage System to Participate in the Second Frequency Regulation," Smart Electric Distribution Systems and Technologies (EDST) International Symposium on, Sept. 2015
Yunzhi Cheng, Mehriar Tabrizi, Mandhir Sahni, Alfredo Povedano, and David Nichols, "Dynamic Available AGC Based Approach for Enhancing Utility Scale Energy Storage Performance," IEEE Transactions On Smart Grid, Vol. 5, No. 2, Mar. 2014

상세보기
Bolun Xu, Alexandre Oudalov, Jan Poland Andreas Ulbig and Goran Andersson, "BESS Control Strategies for Participating in Grid Frequency Regulation," Preprints of the 19th World Congress The International Federation of Automatic Control Cape Town, South Africa, 2014
Atsushi Hashimoto, Akihiko Yokoyama, "A New Control Strategy of Multiple Sets of Battery Energy Storage System for Load Frequency Control in Power System with Massive Integration of Renewable Energy Resources," IEEE Power Systems Computation Conference (PSCC), 2014
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"PJM Manual 12 : Balancing Operations," PJM, Aug. 2014
D.-I. Stroe et al., "Degradation Behaviour of Lithium-Ion Batteries based on Field Measured Frequency Regulation Mission Profile," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015 IEEE, in press.
"Analysis of battery lifespan depend on DOD," Samsung SDI, 2013
"Sandia National laboratories, Sandia national laboratories inverter database," Sandia National laboratories, 2014.[Online]. Available: http://www.gosolarcalifornia.ca.gov/equipme-nt/inverter_tests/summaries/dd

저자의 다른 논문 :

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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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