[논문]에너지저장시스템을 이용한 전력계통의 과도안정도 향상

서규석

doi:10.5762/kais.2017.18.12.26

에너지저장시스템을 이용한 전력계통의 과도안정도 향상
Transient Stability Enhancement of Power System by Using Energy Storage System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.12, 2017년, pp.26 - 31

서규석 (거제대학교 전기공학과)

초록
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전력계통의 과도안정도를 향상시키기 위해 종래에는 무효전력 보상장치를 설치하는 방법을 주로 사용하였다. 전통적인 무효전력 보상장치 중 SVC(Static Var Compensator), 변압기의 탭 변환기는 값이 싸고 기계적 스위칭으로 동작하여 속도가 느리다는 단점이 있고, 전력전자기술을 바탕으로 하는 STATCOM(Static Synchronous Compensator)은 고속으로 동작할 수 있는 장점이 있어 최근에 각광을 받고 있지만 고가의 장치라는 단점이 있다. 또한, 무효전력 보상장치에 기반한 전통적인 방법은 무효전력만을 공급하여 과도안정도를 향상시키기에 대형 전동기의 트립에 의한 급격한 전압붕괴를 막을 수 없다. 반면에 에너지 저장시스템은 무효전력과 유효전력을 동시에 공급할 수 있다. 즉, 선로사고로 인하여 부하에 유효전력의 공급이 감소하는 것을 ESS을 통한 유효전력을 공급함과 동시에 적절한 무효전력의 공급을 통하여 과도안정도를 향상시킬 수 있다. 전력계통의 사고 시 유효전력의 빠른 공급은 과도안정도 향상에 매우 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 대형 전동기 부하와 같은 큰 동적부하를 가지는 전력계통에 대하여 에너지저장시스템을 사용한 과도안정도 향상방법을 제시한다. 또한, 유효전력과 무효전력을 보상하는 방법이 기존의 방법보다 더 효과적으로 과도안정도를 향상시킴을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The conventional method of improving the transient stability in a power system is the use of reactive power compensation devices, such as the STATCOM and SVC. However, this traditional method cannot prevent the rapid voltage collapse brought about by the stalling of the motor due to a system fault. On the other hand, the ESS (Energy Storage System) provides fast-acting, flexible reactive and active power control. The fast-acting power compensation provided by an energy storage system plays a significant role in enhancing the transient stability after a major fault in the power system. In this paper, a method of enhancing the transient stability using an energy storage system is proposed for power systems including a dynamic load, such as a large motor. The effectiveness of the energy storage system compared to conventional devices in enhancing the transient stability of the power system is presented. The results of the simulations show that the simultaneous injection of active and reactive power can enhance the transient stability more effectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전동기와 같은 동적인 부하의 비율이 매우 큰 전력계통의 과도 안정도를 향상시키는 방안으로써 에너지 저장 시스템을 취약 모선에 직접 연결하여 제어하는 방안을 제시하였다. 또한 기존의 과도안정도 향상을 위한 장치와 비교하여 취약모선에 직접 설치한 ESS가 유효전력과 무효전력을 동시에 공급함으로써 더 효과적으로 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 보였다.
즉 선로사고로 인하여 부하에 유효전력의 공급이 감소하는 것을 ESS을 통한 유효전력의 공급함과 동시에 적절한 무효전력의 공급을 통하여 과도안정도를 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 전동기와 같은 많은 동적 부하를 가지는 모의 시스템을 선정하고 선로 사고를 가정하여 사고제거후의 과도안정도를 향상시키기 위해 ESS을 사용하여 시뮬레이션 한 결과를 제시한다. 본 논문에서 사용한 에너지 저장시스템 모델은 전력계통 해석툴인 PSSE[5]에서 제공하는 ESS모델인 CBEST이고, SVC와 STATCOM모델 또한 PSSE의 라이브러리에 내장된 모델을 사용한다.
또한 ESS는 전력계통의 과도안정도 향상에도 효과적으로 사용이 가능하다[2-3]. 본 논문에서는 전력계통의 과도안정도를 향상시키기 위한 ESS의 제어방법을 제안한다. 전력계통에서 과도안정도를 향상시키는 방법은 무효전력 보상장치를 설치하여 안정도를 향상시키는 방법이 주로 사용된다.

가설 설정

전력계통의 사고에 가장 민감한 BUS14에 20Mvar의 SVC를 설치하여 BUS14의 근처에 3상 단락사고가 0.4초의 시각에 발생한다고 가정하고 BUS9와 BUS14사이의 선로를 제거하는 과정을 모의하여 CCT를 구한 결과는 0.08s이다. 이 결과는 보상장치가 없는 경우보다 CCT가 0.

제안 방법

2는 본 논문에서 제안한 방법을 모의하기 위하여 사용한 IEEE 14 bus test system[6]이다. ESS를 이용한 과도안정도 향상을 모의하기 위하여 테스트 시스템의 일부 부하의 크기와 선로임피던스를 수정하였다. 각 모선의 부하는 대형 유도전동기의 비가 40%, 소형 유도전동기의 비가 15%으로 되어 전체 부하중 동적부하의 비를55%으로 구성하여 전력계통의 사고 시에 과도안정도의 여유도가 낮게 구성한다.
본 논문에서 사용한 에너지 저장시스템 모델은 전력계통 해석툴인 PSSE[5]에서 제공하는 ESS모델인 CBEST이고, SVC와 STATCOM모델 또한 PSSE의 라이브러리에 내장된 모델을 사용한다. ESS의 유효전력과 무효전력을 투입량을 제어하는 방법으로 과도안정도를 향상시키는 방법을 제시한다. 기존의 장치를 이용하는 경우와 ESS을 이용하는 경우를 비교하여 유효전력과 무효전력 모두를 보상하는 ESS가 더 효과적으로 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
따라서 과도안정도를 향상을 위한 무효전력보상장치,ESS와 같은 설비들은 BUS14에 설치한다. 과도 안정도의 여유도는 특정 선로에 3상 단락사고를 낸 후 일정 시간 후에 사고를 제거하여 임계고장제거시간 CCT(Critical Clearing Time)[7]을 계산하여 평가한다. BUS9와 BUS14를 연결하는 선로에 사고가 발생한 경우 시스템 전체의 CCT를 결정할 수 있다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 CBEST모델은 20MW용량의 배터리를 가지고 있다. 이 모델을 BUS14에 연결한 후 Fig.
본 논문에서는 전동기와 같은 많은 동적 부하를 가지는 모의 시스템을 선정하고 선로 사고를 가정하여 사고제거후의 과도안정도를 향상시키기 위해 ESS을 사용하여 시뮬레이션 한 결과를 제시한다. 본 논문에서 사용한 에너지 저장시스템 모델은 전력계통 해석툴인 PSSE[5]에서 제공하는 ESS모델인 CBEST이고, SVC와 STATCOM모델 또한 PSSE의 라이브러리에 내장된 모델을 사용한다. ESS의 유효전력과 무효전력을 투입량을 제어하는 방법으로 과도안정도를 향상시키는 방법을 제시한다.
본 논문에서 사용한 에너지저장시스템(ESS) 모델은 PSSE 라이브러리에 내장된 CBEST모델이다. 이 모델은 배터리의 동적인 특성을 나타내는 미분방정식을 블록선도로 나타낸 것으로 제 1동요 안정도(first-swing stability)를 향상시키기 위해 사용할 수 있다.
BUS9와 BUS14를 연결하는 선로에 사고가 발생한 경우 시스템 전체의 CCT를 결정할 수 있다. 테스트 시스템에서 동기발전기는 BUS1과 BUS2에 설치되어 있고, 동기발전기는 PSSE의 GENROU모델을 사용하고 여자시스템은 IEEET1모델을 그리고 터빈-조속기는 TGOV1 모델을 사용한다. BUS3, BUS6 그리고 BUS8에는 무효전력만 공급하는 동기조상기가 연결되어 있고 터빈-조속기 모델이 없다.

이론/모형

Fig.1(a)의 P_AUX는 시스템의 주파수 변동을 반영하는 보조신호인데 PSSE의 CHAAUT 모델을 사용한다. Fig.
이것은 STATCOM의 기능과 일치하게 된다. 본 논문에서 사용한 PSSE의 SVC모델은 Switched-Shunt Capacitor를 모델링한 CSSCST이다. SVC가 연결된 모선의 전압이 지정되면 이 전압을 유지하기 위하여 단계별로 설정된 용량만큼의 무효전력이 투입된다.

성능/효과

ESS의 유효전력과 무효전력을 투입량을 제어하는 방법으로 과도안정도를 향상시키는 방법을 제시한다. 기존의 장치를 이용하는 경우와 ESS을 이용하는 경우를 비교하여 유효전력과 무효전력 모두를 보상하는 ESS가 더 효과적으로 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 전동기와 같은 동적인 부하의 비율이 매우 큰 전력계통의 과도 안정도를 향상시키는 방안으로써 에너지 저장 시스템을 취약 모선에 직접 연결하여 제어하는 방안을 제시하였다. 또한 기존의 과도안정도 향상을 위한 장치와 비교하여 취약모선에 직접 설치한 ESS가 유효전력과 무효전력을 동시에 공급함으로써 더 효과적으로 과도안정도를 향상시킬 수 있음을 보였다. 즉 기존의 보상장치에 비하여 CCT와 취약모선의 최종 수렴전압의 크기가 더 커진다.
이외의 비율로 수많은 시뮬레이션을 수행해 본 결과 40% 미만 또는 70%이상의 경우 전압응답의 속도가 매우 늦어지거나 수렴전압의 크기가 크게 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 본 논문의 시뮬레이션 결과 유효전력과 무효전력을 동시에 공급하는 경우는 유효전력의 공급량을 ESS의 배터리 용량의 50%로 하는 것이 최적의 결과를 가져온다.
11s일 때 주요모선의 전압응답을 나타낸 것이다. 유효전력과 무효전력을 동시에 공급기 때문에 앞서 제시한 모든 결과보다 가장 큰 CCT를 얻을 수 있고, 또한 과도상태를 거처 수렴한 전압의 크기도 가장 크다. BUS14에 직접 연결한 ESS을 통하여 유효전력과 무효전력을 동시에 공급함으로써 인접 모선 BUS13으로부터 큰 전력의 전송으로 인한 손실을 줄여 과도안정도를 높일 수 있다.
50%의 비율일 때 응답속도가 조금 더 빠르다. 이외의 비율로 수많은 시뮬레이션을 수행해 본 결과 40% 미만 또는 70%이상의 경우 전압응답의 속도가 매우 늦어지거나 수렴전압의 크기가 크게 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 본 논문의 시뮬레이션 결과 유효전력과 무효전력을 동시에 공급하는 경우는 유효전력의 공급량을 ESS의 배터리 용량의 50%로 하는 것이 최적의 결과를 가져온다.
전력계통에 ESS을 적용할 때 가장 큰 장점은 유효전력과 무효전력을 동시에 독립적으로 유연하게 제어할 수 있다는 것이다[4]. 즉 선로사고로 인하여 부하에 유효전력의 공급이 감소하는 것을 ESS을 통한 유효전력의 공급함과 동시에 적절한 무효전력의 공급을 통하여 과도안정도를 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 전동기와 같은 많은 동적 부하를 가지는 모의 시스템을 선정하고 선로 사고를 가정하여 사고제거후의 과도안정도를 향상시키기 위해 ESS을 사용하여 시뮬레이션 한 결과를 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력계통에서 과도안정도를 향상시키기 위해 주로 사용되는 방법은 무엇인가?	본 논문에서는 전력계통의 과도안정도를 향상시키기 위한 ESS의 제어방법을 제안한다. 전력계통에서 과도안정도를 향상시키는 방법은 무효전력 보상장치를 설치하여 안정도를 향상시키는 방법이 주로 사용된다. 전통적인 무효전력보상장치 중 SVC(Static Var Compensator), 변압기의 탭 변환기는 값이 싸고 기계적 스위칭으로 동작하여 속도가 느리다는 단점이 있고, 전력전자기술을 바탕으로 하는 STATCOM(Static Synchronous Compensator)는 고속으로 동작할 수 있는 장점이 있어 최근에 각광을 받고 있지만 고가의 장치라는 단점이 있다.
	신재생 에너지원을 기존의 전력계통과 연계할 시 높은 투자비, 출력의 변동성의 문제를 해결하는 방안으로 무엇이 주목받고 있는가?	최근 지구온난화의 문제, 자원고갈의 문제에 대응하기 위하여 태양광이나 풍력발전과 같은 신재생에너지 원의 사용이 각광을 받고 있다. 하지만 신재생 에너지원을 기존의 전력계통과 연계할 시 높은 투자비, 출력의 변동성의 문제가 발생하고 이러한 문제를 해결하는 방안으로 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)의 사용이 주목을 받고 있다. 전력계통에 적용되는 ESS의 주된 용도는 전력계통의 목표주파수를 유지하기 위한 주파수 조정, 첨두부하 저감을 통한 부하의 평준화 그리고 신재생에너지 출력변동율의 최소화 등이다[1].
	전력계통에 적용되는 에너지저장시스템의 주된 용도는 무엇인가?	하지만 신재생 에너지원을 기존의 전력계통과 연계할 시 높은 투자비, 출력의 변동성의 문제가 발생하고 이러한 문제를 해결하는 방안으로 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)의 사용이 주목을 받고 있다. 전력계통에 적용되는 ESS의 주된 용도는 전력계통의 목표주파수를 유지하기 위한 주파수 조정, 첨두부하 저감을 통한 부하의 평준화 그리고 신재생에너지 출력변동율의 최소화 등이다[1]. 또한 ESS는 전력계통의 과도안정도 향상에도 효과적으로 사용이 가능하다[2-3].

참고문헌 (7)

T. Kouskson, P. Bruel and A. Jamil, "Energy Storage : Application and Challenges", PSlolar Energy Materials & Solar Cells 120, pp. 59-80, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.08.015

상세보기
A. K. Srivastave, Ramon Zamora and Douglas Bowman "Impact of Distributed Generations with Storage Devices on the Electric Grid", IEEE Systems Journal. vol. 6, pp. 110-117, March 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/JSYST.2011.2163013

상세보기
Ken-ichi Kawabe and Akihiko Yokoyama," A New Control Scheme of Batteries and Facts Devices for Transient Stability Improvement in Multi-Machine Power System", 17th Power Systems Computation Conference, Stockholm Sweden Aug. 22-26, 2011.
A. Sundaram," Statically Controlled Energy-Storage Devices Compared to Traditional Methods for Improving Power System Stability and Power Quality", EPRI, Palo Alto, CA, 2002. 1001672.
"PSSE-32 Program Application Guide vol. I, II", Shaw Power Technologies Inc.
"Power Systems Test Case Archive - IEEE 14 Bus Power Flow Test Cases", https://www.ee.washington.edu/research/pstca/
J. D. Glover, M. S. Sarma and T. J. Overbye "Power Sytem: Analysis and Design", CENGAGE Learning, 4th Edition, 2010.

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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