[논문]전력계통 주파수응답 기여도 기반의 전기저장장치 주파수추종서비스 유효용량 산정

임현옥; 최우영; 권한나; 국경수

doi:10.5370/kiee.2017.66.11.1561

문제 정의

또한, 본 절에서는 주파수추종서비스에 참여하는 전기저장장치의 비율이 유효용량 지수에 미치는 영향을 검토하였다. 다음 그림 6은 주파수추종서비스에 참여하는 전기저장장치의 용량을 증가시키면서 유효용량 지수를 산정한 결과를 나타낸 것이다[12].
본 논문에서는 전력계통 주파수응답 기여도 기반의 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정방안을 제안하였다. 즉, 전력계통의 주파수응답 성능지표로 사용되고 있는 최소 과도주파수를 일정하게 유지하면서 전기저장장치가 대체할 수 있는 기존 발전기의 조속기 응답량을 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량으로 산정하고, 설비용량과의 비율을 유효용량 지수로 정의하였다.
본 장에서는 국내 전력계통에서 전기저장장치를 이용하여 주파수추종서비스를 제공하기 위한 고려사항과 국내 전기저장장치의 운영현황 및 제어전략에 대해 검토하였다.
본 장에서는 주파수응답 기여도를 기반으로 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 산정하기 위한 방법론을 제안하였다. 먼저, 전력계통의 주파수응답 성능을 평가하기 위한 기준을 분석하고, 최소 과도주파수를 기준으로 전기저장장치의 전력계통 주파수응답 기여도를 평가하며, 이를 통해 전기저장장치의 주파수추종서비스 유효용량을 산정한다.
본 절에서는 국내 전력계통을 대상으로 전기저장장치의 주파수추종서비스에 의한 발전기 조속기 응답의 대체효과를 분석하였다. 이를 위해, 국내 전력계통 모델에 현재 상용운전 중인 전기저장장치 236MW를 추가한 후, 기존 발전기의 조속기 응답용량을 다양하게 변경해가면서 동일한 규모의 발전기 상정고장에 대한전력계통의 주파수응답을 비교하였다.
본 절에서는 에너지 용량 제약을 갖는 전기저장장치의 주파수추종서비스에 대해 출력 지속시간 요구조건을 검토하였다. 현재 국내 전력시장에서 주파수추종서비스는 10초 이내에 응답하여 30초 이상 출력을 지속하는 것이 요구되고 있으나 전기저장장치의 경우, 에너지 용량의 제약으로 인해 주파수응답 시 그 출력 지속시간의 제한여부를 확인할 필요가 있다.

가설 설정

본 장에서는 본 논문에서 제안된 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정방법을 국내 전력계통에 적용하여 유효성을 검증하고 특성을 분석하였다. 국내 전력계통은 피크부하 수준의 43GW를 가정하였고, 전기저장장치는 한전에서 상용운전 중인 236MW를 모델링하여 전기저장장치의 주파수추종서비스 대체효과를 분석하고 유효용량 지수를 산정하였으며, 다양한 계통 운전조건에서 전기저장장치에 유효용량 지수를 적용하여 주파수추종 서비스를 대체하고 전력계통의 주파수응답 특성이 유지됨을 확인하였다. 또한, 전기저장장치의 주파수추종서비스 참여비율에 따른 유효용량 지수의 변동 특성과 출력 지속시간의 고려방안을 검토하였다.
표 2에서와 같이 부하수준을 경부하와 첨두부하를 포함한 5가지로 가정하여 236MW의 전기저장장치에 대한 유효용량 지수를 산정한 결과, 부하수준이 증가할수록 유효용량 지수가 높게 산정되었다. 이때 중간부하 1, 2, 3은 각각 첨두부하의 70%, 75%, 90%를 가정하였다. 따라서 부하수준이 다양하게 변동되는 전력계통의 운영에서는 경부하 시의 유효용량 지수를 기준으로 발전기의 조속기 응답을 전기저장장치의 주파수추종서비스로 대체함으로써 전력계통의 주파수응답 성능을 유지할 수 있을 것이다.

제안 방법

전력계통 운영에서 주파수추종서비스의 요구량 확보에 전기저장장치를 우선하여 정확히 반영하기 위해서는 전력계통의 주파수응답 성능에 대한 기여도를 기준으로 전기저장장치의 용량을 환산하여 고려해야 하며 본 논문에서는 이를 유효용량으로 정의하였다. 또한 이를 정량화하기 위해 주파수응답 성능의 지표로 사용되고 있는 최소 과도주파수를 기준으로 전기저장장치에 의한 기존 발전기의 조속기응답 대체 가능 용량으로써 유효용량을 산정하였다. 다음 그림 3은 본 논문에서 제안된 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정 절차이다.
이를 위해 본 논문에서는 현재 한전이 전기저장장치로 제공하고 있는 주파수추종서비스를 정확히 모델링하여 국내 전력계통의 주파수응답 성능에 대한 기여도를 평가하고, 이를 동일한 서비스를 제공하는 화력 발전기의 조속기 응답용량의 대체효과로 정량화함으로써 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 산정하는 방법을 제안하였다. 또한, 국내 전력계통의 다양한 운전조건을 고려한 사례연구를 통해 제안된 방법의 유효성을 확인하고 유효용량의 특성을 분석하였으며, 전기저장장치의 에너지용량 제약으로 인해 발생될 수 있는 출력 지속시간 조건을 계통운영에서 고려하기 위한 방안도 검토하였다.
국내 전력계통은 피크부하 수준의 43GW를 가정하였고, 전기저장장치는 한전에서 상용운전 중인 236MW를 모델링하여 전기저장장치의 주파수추종서비스 대체효과를 분석하고 유효용량 지수를 산정하였으며, 다양한 계통 운전조건에서 전기저장장치에 유효용량 지수를 적용하여 주파수추종 서비스를 대체하고 전력계통의 주파수응답 특성이 유지됨을 확인하였다. 또한, 전기저장장치의 주파수추종서비스 참여비율에 따른 유효용량 지수의 변동 특성과 출력 지속시간의 고려방안을 검토하였다.
본 장에서는 주파수응답 기여도를 기반으로 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 산정하기 위한 방법론을 제안하였다. 먼저, 전력계통의 주파수응답 성능을 평가하기 위한 기준을 분석하고, 최소 과도주파수를 기준으로 전기저장장치의 전력계통 주파수응답 기여도를 평가하며, 이를 통해 전기저장장치의 주파수추종서비스 유효용량을 산정한다.
본 장에서는 본 논문에서 제안된 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정방법을 국내 전력계통에 적용하여 유효성을 검증하고 특성을 분석하였다. 국내 전력계통은 피크부하 수준의 43GW를 가정하였고, 전기저장장치는 한전에서 상용운전 중인 236MW를 모델링하여 전기저장장치의 주파수추종서비스 대체효과를 분석하고 유효용량 지수를 산정하였으며, 다양한 계통 운전조건에서 전기저장장치에 유효용량 지수를 적용하여 주파수추종 서비스를 대체하고 전력계통의 주파수응답 특성이 유지됨을 확인하였다.
본 절에서는 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 발전기의 조속기 응답 대체효과로 평가하여 이를 유효용량 지수로 정량화하였다. 이를 위해 본 논문에서는 전력계통의 다양한 운전조건을 고려하기 위해 동일한 전기저장장치 용량을 대상으로 다양한 부하수준에서 유효용량 지수를 산정하였으며 그 결과를 요약하면 다음 표 2와 같다.
이때 본 논문에서는 주파수추종서비스 제공을 위한 전기저장장치의 운영전략에서 주파수부동대가 30 mHz로 적용됨에 따라 주파수의 정상상태 회복기준을 59.97 Hz로 적용하였다.
본 절에서는 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 발전기의 조속기 응답 대체효과로 평가하여 이를 유효용량 지수로 정량화하였다. 이를 위해 본 논문에서는 전력계통의 다양한 운전조건을 고려하기 위해 동일한 전기저장장치 용량을 대상으로 다양한 부하수준에서 유효용량 지수를 산정하였으며 그 결과를 요약하면 다음 표 2와 같다.
이를 위해 본 논문에서는 현재 한전이 전기저장장치로 제공하고 있는 주파수추종서비스를 정확히 모델링하여 국내 전력계통의 주파수응답 성능에 대한 기여도를 평가하고, 이를 동일한 서비스를 제공하는 화력 발전기의 조속기 응답용량의 대체효과로 정량화함으로써 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량을 산정하는 방법을 제안하였다. 또한, 국내 전력계통의 다양한 운전조건을 고려한 사례연구를 통해 제안된 방법의 유효성을 확인하고 유효용량의 특성을 분석하였으며, 전기저장장치의 에너지용량 제약으로 인해 발생될 수 있는 출력 지속시간 조건을 계통운영에서 고려하기 위한 방안도 검토하였다.
본 절에서는 국내 전력계통을 대상으로 전기저장장치의 주파수추종서비스에 의한 발전기 조속기 응답의 대체효과를 분석하였다. 이를 위해, 국내 전력계통 모델에 현재 상용운전 중인 전기저장장치 236MW를 추가한 후, 기존 발전기의 조속기 응답용량을 다양하게 변경해가면서 동일한 규모의 발전기 상정고장에 대한전력계통의 주파수응답을 비교하였다. 그림 4는 전기저장장치에 대한 발전기의 주파수추종서비스 대체조건별로 계통 주파수응답 특성을 비교한 것이다.
이때 전기저장장치가 주파수 회복에 소요된 최대시간 이상으로 특정출력을 지속할 수 있는 에너지 용량을 확보하였을 경우, 그 특정출력으로 주파수추종서비스를 제공할 수 있다고 판단할 수 있을 것이다. 이에 따라 본 논문에서는 전기저장장치의 출력 지속시간에 대한 요구조건을 특정출력의 6분 지속으로 제안하며, 이는 전기저장장치의 충전상태(SOC)를 기준으로 판단할 수 있을 것이다. 다음 그림 8은 전기저장장치가 설비용량을 고려하여 특정출력을 6분 이상 지속하기 위해 확보해야 하는 SOC 운영범위를 나타낸 것이다[13].
전력계통 운영에서 주파수추종서비스의 요구량 확보에 전기저장장치를 우선하여 정확히 반영하기 위해서는 전력계통의 주파수응답 성능에 대한 기여도를 기준으로 전기저장장치의 용량을 환산하여 고려해야 하며 본 논문에서는 이를 유효용량으로 정의하였다. 또한 이를 정량화하기 위해 주파수응답 성능의 지표로 사용되고 있는 최소 과도주파수를 기준으로 전기저장장치에 의한 기존 발전기의 조속기응답 대체 가능 용량으로써 유효용량을 산정하였다.
본 논문에서는 전력계통 주파수응답 기여도 기반의 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정방안을 제안하였다. 즉, 전력계통의 주파수응답 성능지표로 사용되고 있는 최소 과도주파수를 일정하게 유지하면서 전기저장장치가 대체할 수 있는 기존 발전기의 조속기 응답량을 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량으로 산정하고, 설비용량과의 비율을 유효용량 지수로 정의하였다.
또한, 국내 전력계통을 이용한 사례연구에서 전기저장장치의 유효용량 지수는 부하수준이 증가할수록 높게 산정되나, 주파수 추종서비스 참여비율과는 상관관계가 적은 것으로 나타나 전력계통 운영 시 경부하 시의 유효용량 지수를 적용하여 발전기의 조속기 응답을 대체하면 전력계통의 주파수응답 성능은 일정수준 이상으로 유지될 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 전기저장장치의 출력 지속시간 요구조건을 고려하기 위해서는 주파수추종서비스를 제공하는 전기저장장치가 현재의 SOC를 해당 출력을 지속하기 위해 확보해야 하는 운영범위 이내로 유지할 경우에만 전기저장장치의 가용용량을 주파수추종서비스 응답용량으로 인정하도록 제안하였다.

성능/효과

그림 7의 총 19가지 상정고장 사례에서 상정고장 발생 후, 주파수가 59.97Hz까지 회복하는데 소요된 시간은 18초에서 5분 19초까지 다양하게 나타났으며, 평균적으로는 약 100초가 소요되었다. 이때 전기저장장치가 주파수 회복에 소요된 최대시간 이상으로 특정출력을 지속할 수 있는 에너지 용량을 확보하였을 경우, 그 특정출력으로 주파수추종서비스를 제공할 수 있다고 판단할 수 있을 것이다.
또한, 국내 전력계통을 이용한 사례연구에서 전기저장장치의 유효용량 지수는 부하수준이 증가할수록 높게 산정되나, 주파수 추종서비스 참여비율과는 상관관계가 적은 것으로 나타나 전력계통 운영 시 경부하 시의 유효용량 지수를 적용하여 발전기의 조속기 응답을 대체하면 전력계통의 주파수응답 성능은 일정수준 이상으로 유지될 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 전기저장장치의 출력 지속시간 요구조건을 고려하기 위해서는 주파수추종서비스를 제공하는 전기저장장치가 현재의 SOC를 해당 출력을 지속하기 위해 확보해야 하는 운영범위 이내로 유지할 경우에만 전기저장장치의 가용용량을 주파수추종서비스 응답용량으로 인정하도록 제안하였다.
위 그림 4에서 기존 발전기의 조속기 응답에 대한 대체 없이 전기저장장치가 추가된 경우(ESS 236MW), 최소 과도주파수가 59.87Hz까지 상승하였고, 조속기를 off한 발전기의 대수를 늘려 계통의 조속기 응답용량을 줄임에 따라 최소 과도주파수가 하락하였다. 특히, 전기저장장치의 설비용량과 동일하게 조속기 응답용량을 줄인 경우 (ESS 236MW – gov 235MW)에서 최소 과도주파수가 BASE 보다 더 높게 결정된 것을 확인할 수 있는데, 이는 전기저장장치가 발전기의 조속기에 비해 주파수추종서비스에 대한 기여 효과가 더 우수하기 때문인 것으로 판단된다.
표 2에서와 같이 부하수준을 경부하와 첨두부하를 포함한 5가지로 가정하여 236MW의 전기저장장치에 대한 유효용량 지수를 산정한 결과, 부하수준이 증가할수록 유효용량 지수가 높게 산정되었다. 이때 중간부하 1, 2, 3은 각각 첨두부하의 70%, 75%, 90%를 가정하였다.

후속연구

97Hz까지 회복하는데 소요된 시간은 18초에서 5분 19초까지 다양하게 나타났으며, 평균적으로는 약 100초가 소요되었다. 이때 전기저장장치가 주파수 회복에 소요된 최대시간 이상으로 특정출력을 지속할 수 있는 에너지 용량을 확보하였을 경우, 그 특정출력으로 주파수추종서비스를 제공할 수 있다고 판단할 수 있을 것이다. 이에 따라 본 논문에서는 전기저장장치의 출력 지속시간에 대한 요구조건을 특정출력의 6분 지속으로 제안하며, 이는 전기저장장치의 충전상태(SOC)를 기준으로 판단할 수 있을 것이다.
전기저장장치는 속응성으로 인해 정상상태뿐만 아니라 계통 외란 발생 시 주파수제어에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 자동발전제어의 관여 없이 이루어지는 주파수추종서비스의 경우 최소 과도주파수를 기준으로 제어성능과 확보용량이 결정됨에 따라 이를 기준으로 전기저장장치가 제공하는 주파수추종서비스의 주파수응답 기여도를 정량화할 수 있을 것이다.
전기저장장치는 속응성으로 인해 정상상태뿐만 아니라 계통 외란 발생 시 주파수제어에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 자동발전제어의 관여 없이 이루어지는 주파수추종서비스의 경우 최소 과도주파수를 기준으로 제어성능과 확보용량이 결정됨에 따라 이를 기준으로 전기저장장치가 제공하는 주파수추종서비스의 주파수응답 기여도를 정량화할 수 있을 것이다. 다음 그림 2는 계통 외란 발생 시 최소 과도주파수에 대한 전기저장장치의 제어효과를 나타낸 모의해석 결과이다.
향후, 전력계통의 신재생 발전 수용증대 등으로 주파수추종서비스의 효율적인 운영과 전기저장장치의 적극적인 적용이 요구됨에 따라 본 논문에서 제안된 전기저장장치 주파수추종서비스의 유효용량 산정방안을 토대로 다양한 자원을 활용한 안정적이고 효율적인 주파수 제어를 도모할 수 있을 것으로 사료되며, 실제 계통운영 적용을 통해 그 유효성을 확인할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기저장장치의 장점은?	최근 신재생발전원이 급격히 확충되어 전력계통의 유연성 제고에 대한 필요성이 높아지고, 휴대용 전기제품 시장의 급격한 성장과 기술의 발달로 배터리의 경제성이 개선됨에 따라 전력계통의 운영에도 전기저장장치를 적극적으로 적용하고자 하는 노력들이 활발히 이루어지고 있다[1][2]. 특히 전기저장장치는 기존의 화력 발전기에 비해 응답속도가 매우 빠르고, 충·방전을 통한 제어범위가 넓어 전력계통의 주파수운영예비력을 제공하는 자원으로 활용되는 것이 매우 효과적인 것으로 알려지고 있다.
	주파수 추종서비스의 역할은?	2Hz 변동 시 응답가능용량을 기준으로 산정하며, 상정고장 후 10초 내에 발전력이 응동하여 30초 이상 출력을 유지할 수 있어야 한다. 이러한 주파수추종서비스는 대용량 발전기 탈락과 같은 계통 고장 발생 시 자동발전제어의 관여 없이 가장 빠르게 응동하여 전력계통의 주파수가 하락하는 것을 막고 일정 수준 이상으로 유지되도록 한다. 따라서 전력계통에서 확보해야 하는 주파수추종 서비스의 요구량은 전력계통 운영에서 최대단위 발전기 탈락 시를 기준으로 유지하고자 하는 주파수 수준에 따라 결정하는 것으로 알려져 있다[5].
	전기저장장치의 제어전략은 어떻게 구분하여 적용되고 있는가?	상용운전 중인 전기저장장치의 제어전략은 전력계통의 주파수 변동에 따라 정상상태와 과도상태로 구분하여 적용되고 있다[8]. 과도상태 제어전략의 경우, 외란 발생 시 전기저장장치의 용량을 최대한 활용하도록 주파수 제어를 수행하고 있으며,[9] 정상상태의 경우 주파수 부동대 이내에서는 전기저장장치의 충전상태를 유지하기 위한 제어를 수행하며, 주파수 부동대 이외의 범위에서는 기존 화력 발전기와 유사한 수준으로 주파수제어를 수행한다[10].

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