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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 주파수조정용 ESS의 모델링 및 계통영향성 평가 알고리즘을 제안한다. 즉, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수 응동특성을 비교하여, 주파수조정용 ESS 도입에 따른 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제시한다.
- 본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수제어 특성을 비교하여, 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS, 부하로 구성된 전력계통의 모델링을 제시하였다.
- 주파수조정용 ESS의 도입에 따른 전력계통의 영향성을 평가하기 위하여, 본 논문에서는 제주계통의 1/2 규모의 모델 계통을 대상으로 120[MW]의 동기발전기 3대, 2[MW]의 주파수조정용 ESS, 282[MW]의 부하로 구성하였다. 또한, 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가를 위하여, 3가지의 모의 시나리오를 상정하였다.
제안 방법
- [Step 2] 부하변동 발생시, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수제어를 수행하고 전력계통의 주파수를 측정하여, 최소주파수(Fgov_min), 최소주파수 도달시간(Tgov_min) 및 최대주파수 회복시간(Tgov_max)을 기준치로 설정한다.
- [Step 3] 동일한 부하변동에 대하여 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어를 수행하고 전력계통의 주파수를 측정하여 최소주파수(FESS_min), 최소주파수 도달시간(TESS_min) 및 최대 주파수 회복시간(TESS_max)을 산출한다.
- 따라서, 기존 발전기의 주파수조정에 비하여 응답속도가 빠른 주파수조정용 ESS가 운용되는 경우, 전력계통의 주파수 특성이 달라지기 때문에, 여기에서는 주파수조정용 ESS에 의한 계통영향성 평가알고리즘을 제안한다.
- 본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수제어 특성을 비교하여, 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS, 부하로 구성된 전력계통의 모델링을 제시하였다. 이에 대한 주요연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 즉, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수 응동특성을 비교하여, 주파수조정용 ESS 도입에 따른 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제시한다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다. 이를 바탕으로 제주계통의 1/2의 모델 계통을 대상으로 다양한 시나리오에 따른 시뮬레이션을 수행하여, 제안한 평가알고리즘과 모델링이 주파수조정용 ESS 도입에 따른 전력계통영향성 평가에 대한 유용성을 확인한다.
- 주파수조정용 ESS의 도입에 따른 전력계통의 영향성을 평가하기 위하여, 본 논문에서는 제주계통의 1/2 규모의 모델 계통을 대상으로 120[MW]의 동기발전기 3대, 2[MW]의 주파수조정용 ESS, 282[MW]의 부하로 구성하였다. 또한, 주파수조정용 ESS의 계통영향성 평가를 위하여, 3가지의 모의 시나리오를 상정하였다. CASE I은 3[MW]의 부하가 급격하게 변동하는 경우, 3[MW]의 발전기 조속기가 동작하여 전력계통의 주파수 응동특성을 평가하는 것이다.
- 앞에서 제시한 PSCAD/EMTDC를 이용한 동기발전기 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기의 출력특성을 분석하였다. 즉, 전력계통의 부하를 282[MW]에서 3초 후에 3[MW]의 부하가 급격하게 증가되도록 설정한 경우, 그림 9와 같이 동기발전기 3대의 출력이 각각 94[MW]에서 3초 후에 목표치인 95[MW]로 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다. 이를 바탕으로 제주계통의 1/2의 모델 계통을 대상으로 다양한 시나리오에 따른 시뮬레이션을 수행하여, 제안한 평가알고리즘과 모델링이 주파수조정용 ESS 도입에 따른 전력계통영향성 평가에 대한 유용성을 확인한다.
- 주파수조정용 ESS의 도입에 따른 계통영향성을 평가하기 위해 전력계통 해석 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존의 동기발전기, 주파수조정용 ESS, 부하로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다[8-11].
- 주파수조정용 ESS의 성능을 평가하기 위하여, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 특성(59.889[Hz])에 상응하는 주파수조정용 ESS의 등가용량을 산출하였다. 즉, Case Ⅱ의 운용조건을 초기상태로 가정하고, ESS의 용량을 100[kW]씩 변동시켜가면서 주파수 응동특성을 확인한 결과, 그림 13과 같이 1.
- 따라서, 기존 발전기의 주파수조정에 비하여 응답속도가 빠른 주파수조정용 ESS가 운용되는 경우, 전력계통의 주파수 특성이 달라지기 때문에, 여기에서는 주파수조정용 ESS에 의한 계통영향성 평가알고리즘을 제안한다. 즉, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수제어 특성과 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어 특성을 비교하여 계통영향성을 평가하며, 이에 대한 상세한 절차는 다음과 같다.
- 따라서, 본 논문에서는 대규모 주파수조정용 ESS가 전력계통에 미치는 영향성을 평가하기 위하여, 주파수조정용 ESS의 모델링 및 계통영향성 평가 알고리즘을 제안한다. 즉, 기존 발전기의 조속기와 ESS에 의한 주파수 응동특성을 비교하여, 주파수조정용 ESS 도입에 따른 계통영향성을 평가할 수 있는 알고리즘을 제시한다. 또한, 전력계통 해석용 상용소프트웨어인 PSCAD/EMTDC를 이용하여, 기존 발전기와 주파수조정용 ESS로 구성된 전력계통의 모델링 방안을 제안한다.
성능/효과
- (1) PSCAD/EMTDC를 이용한 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기와 주파수조정용 ESS의 출력특성을 분석한 결과, 동기발전기와 ESS 모두 목표 출력이 잘 제어됨을 확인할 수 있었다.
- (2) 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성의 운용조건(Case I)에 따라, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 3[MW]의 조속기가 동작하여 전력계통의 주파가 부하변동 후 3초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 하락하고, 18.1초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다.
- (3) 주파수조정용 ESS에 의한 주파수 응동특성의 운용조건(Case II)에 따라, 1[MW]의 조속기와 2[MW]의 주파수조정용 ESS가 동작하는 경우, 전력계통의 주파수는 부하변동 후 2.8초 후에 최저점인 59.919[Hz]까지 하락하고, 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 즉, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.
- (4) 주파수조정용 ESS의 용량특성에 의한 성능평가 조건(CaseⅢ)에 따라 시뮬레이션을 수행한 결과, 1.5[MW] 용량의 ESS가 투입되면 기존의 조속기와 동일한 주파수 최저점인59.889[Hz]까지 도달함을 확인할 수 있었다. 즉, 주파수조정용 ESS는 1.
- 983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.889 [Hz]이지만, 2[MW]의 용량을 주파수조정용 ESS로 대체하는 경우, 주파수 최대 저하치는 59.919[Hz]까지만 하락하여, 전력계통의 주파수 변동폭을 약 0.03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.
- 889[Hz]까지 도달함을 확인할 수 있었다. 따라서, 주파수조정용 ESS는 1.5[MW]의 용량으로도 2[MW]의 조속기와 동일한 성능을 확보할 수 있어서 주파수조정용 ESS의 주파수 응답특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 기존의 조속기는 부하변동 후 3초 만에 주파수의 최저점인 59.
- 5[MW]의 용량으로도 2[MW]의 조속기와 동일한 성능을 확보할 수 있어서 주파수조정용 ESS의 주파수 응답특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 기존의 조속기는 부하변동 후 3초 만에 주파수의 최저점인 59.889[Hz]까지 하락하지만, 1.5[MW]의 주파수조정용 ESS는 약 4.5초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 도달하기 때문에 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어가 전력계통의 주파수제어 여유도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.1초에 주파수가 59.983[Hz]까지 회복되지만, 주파수조정용 ESS는 16.5초에 59.983[Hz]까지 회복되어 주파수제어 성능이 약 1.6초 정도 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
- 03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.1초에 주파수가 다시59.983[Hz]까지 회복되지만, 주파수조정용 ESS는 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되어 주파수제어 성능이 약 1.6초정도 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
- 5[MW]의 용량으로도 2[MW]의 조속기와 동일한 성능을 확보할 수 있어서 주파수조정용 ESS의 주파수 응답특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 조속기는 부하변동 후 3초 만에 주파수의 최저점인 59.889 [Hz]까지 하락하지만, 1.5[MW]의 주파수조정용 ESS는 약 4.5초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 도달하기 때문에 주파수조정용 ESS에 의한 주파수제어가 전력계통의 주파수제어 여유도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 앞에서 제시한 PSCAD/EMTDC를 이용한 주파수조정용 ESS모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기와 동일한 조건에서 ESS의 출력특성을 분석한 결과, 그림 10과 같이 ESS의 출력이 3초 후에 목표치인 2[MW]로 잘 제어되고 있음을 확인하였다.
- 여기서는 Case II의 운용조건에 대하여, 주파수조정용 ESS에 의한 전력계통의 주파수 응동특성을 분석하면 그림 12와 같다. 즉, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 1[MW]의 조속기와 2[MW]의 주파수조정용 ESS가 동작하여, 전력계통의 주파수가 부하변동 후 약 2.8초 후에 최저점인 59.919[Hz]까지 하락하고, 16.5초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.
- 먼저 기존 발전기의 조속기에 의한 전력계통의 주파수 응동특성을 분석하면 그림 11과 같이 나타낼 수 있다. 즉, Case I의 운용조건에 따라, 3[MW]의 부하가 급격하게 변동되는 경우, 3[MW]의 조속기가 동작하여((시간지연은 고려하지 않음), 전력 계통의 주파수가 부하변동 후 약 3초 후에 최저점인 59.889[Hz]까지 하락하고, 18.1초에 다시 59.983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다.
- 889[Hz])에 상응하는 주파수조정용 ESS의 등가용량을 산출하였다. 즉, Case Ⅱ의 운용조건을 초기상태로 가정하고, ESS의 용량을 100[kW]씩 변동시켜가면서 주파수 응동특성을 확인한 결과, 그림 13과 같이 1.5[MW] 용량의 ESS가 투입되면 기존의 조속기와 동일한 주파수 최저점인 59.889[Hz]까지 도달함을 확인할 수 있었다. 따라서, 주파수조정용 ESS는 1.
- 983[Hz]까지 회복되는 특성을 확인할 수 있었다. 즉, 기존 발전기의 조속기에 의한 주파수 응동특성과 비교하면, 3[MW] 조속기에 의한 주파수 최대 저하치는 59.889[Hz]이지만, 2[MW]의 용량을 주파수조정용 ESS로 대체하는 경우, 주파수 최대 저하치는 59.919[Hz]까지만 하락하여, 전력계통의 주파수 변동폭을 약 0.03[Hz] 정도 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 조속기는 18.
- 앞에서 제시한 PSCAD/EMTDC를 이용한 동기발전기 모델링의 신뢰성을 확인하기 위하여, 동기발전기의 출력특성을 분석하였다. 즉, 전력계통의 부하를 282[MW]에서 3초 후에 3[MW]의 부하가 급격하게 증가되도록 설정한 경우, 그림 9와 같이 동기발전기 3대의 출력이 각각 94[MW]에서 3초 후에 목표치인 95[MW]로 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있었다. 단, 실제의 동기발전기의 출력 특성은 지연특성이 있지만, 여기서는 고려하지 않았다.
- 889[Hz]까지 도달함을 확인할 수 있었다. 즉, 주파수조정용 ESS는 1.5[MW]의 용량으로도 2[MW]의 조속기와 동일한 성능을 확보할 수 있어서 주파수조정용 ESS의 주파수 응답특성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 조속기는 부하변동 후 3초 만에 주파수의 최저점인 59.
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