[논문]자체기동발전원으로서 BESS의 활용가능성 분석 및 용량 산정에 관한 연구

김차년; 유원근; 김헌태; 이흥재

doi:10.5370/kiee.2018.67.9.1119

자체기동발전원으로서 BESS의 활용가능성 분석 및 용량 산정에 관한 연구
A Study on the Feasibility Analysis and Capacity Estimation of BESS for Self-Starting Generators 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.9, 2018년, pp.1119 - 1124

김차년 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kwangwoon University) , 유원근 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Seoil University) , 김헌태 (Dept. of Ministry of Trade, Industry and Energy Notification) , 이흥재 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

So far BESS(Battery Energy storage system) has been widely applied to power systems rapidly. Usually it has been used to regulate the renewable energy output and to adjust the power system frequency. In 2013, EPRI has reported a study of utilizing BESS to replace two black start generators of American Electric Power(AEP) that will be demolished. If the BESS can be used as a self-starting generator, it is possible to shorten the long-distance primary transmission line and shorten the restoration time because BESS is capable of the high-speed start and there is no restriction on the installation position. This paper presents a possibility of using BESS as a self-starting generator by using PSCAD/EMTDC in Korean power systems. Herein, the process to estimated the required capacity of BESS is also presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

BESS를 울산 T/P변전소에 설치하여 가압한 경우 발생한 문제는 선로 임피던스에 의한 영향으로 판단된다. 따라서 본 논문에서는 선로 임피던스 영향에 의한 이상현상 가능성을 검토하였다. 다음 표 3은 본 논문에서 검토한 시송전 선로 데이터이다.
15 순환정전사태 이후로 정전에 대한 사회적 관심이 높아짐에 따라 정전복구계획의 신뢰성 확보뿐만 아니라 정전복구시간 단축이 요구되는 실정으로 이에 따른 연구가 필요한 시점이다. 본 논문에서는 국내 시송전 계통을 대상으로 BESS의 자체기동발전기 대체 가능성을 PSCAD/EMTDC를 이용하여 검토하였고 울산복합화력과 한림복합화력을 대상으로 자체기동발전기를 대체하는데 소요되는 BESS의 용량을 산정하였다.

제안 방법

또한 울산복합#1 발전소의 가스터빈을 기동부터 계통병입까지 배터리에서 공급해야할 부하는 기동 및 계통병입 시퀀스에 의한 부하로 산정하였다.(매우적은 부하(Ignitor 등) 무시) 배터리 용량은 표 6과 같이 산정된 소비전력량에 따라 보수율(1/0.8=1.25), PCS효율 (0.8~0.85), 방전심도(0.8), 여유계수 1.2를 적용하고, 기동실패 마진 2회를 감안하여 기동횟수 3회를 적용하여 산출하였다.
기존에 보고된 시송전선로의 동특성 분석을 위한 연구에서는 장거리 선로 가압에 따른 여러 가지 현상에 초점을 두고 분석하기 위하여 우선공급발전소의 기동절차를 고려하지 않았다. 그러나 본 논문에서는 전력변환 기술기반의 BESS를 자체발전기동원으로 사용하며, 시송전선로를 축소하여 모의를 수행한다. 그러므로 우선공급발전소 기동절차를 상세히 모의 할 필요가 있다.
그러나 위치제약에서 자유로운 BESS의 특성을 고려할 때 현재 자체기동발전기 위치에서 가압하여 대체 가능성을 분석하는 것은 타당하지 않다. 따라서 본 논문에서는 다음과 같이 BESS 설치 위치를 고려하여 모의를 수행하였다.
그림 6에서 보는 바와 같이 기동모터 가압 시 전압강하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 울산복합발전소 D/L에 BESS를 설치하여 복구절차 진행시에는 전압강하를 보상하기 위하여 초기 가압 전압을 1.05[pu]로 설정하여 진행하였다. 다음 그림 7은 울산복합발전소 D/L에 BESS를 설치하였을 때의 모의결과이다.
그러므로 우선공급발전소 기동절차를 상세히 모의 할 필요가 있다. 따라서 표 1과 같이 상대적으로 용량이 큰 전동기 3대를 전동기부하로 설정하였고 나머지 소내부하는 2[MVA](pf 0.95)로 설정하였다. 울산복합#1의 복구절차 모의를 위한 부하구성은 다음 표1과 같다.
본 논문에서는 자체기동발전원으로서의 BESS 활용 가능성을 상세히 검토하기 위하여 사례대상 우선공급발전소 기동절차를 반영한 복구절차를 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모의를 수행하였으며, 배터리용량은 가스터빈 기동부터 계통병입까지의 절차(기동 및 병입 시퀀스)를 기반으로 부하용량과 부하사용 시간을 고려하여 산정하였다. 또한 순간출력이 필요한 기동모터의 기동용량을 고려하여 BESS의 순간 출력도 산정하였다.(다만, 한림복합은 비상발전기로 기동하므로 고려하지 않음)
표 3에서 보는 바와 같이 B값이 X값보다 약 20배의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 선로 임피던스의 X, B값의 비율을 가변하여 모의를 수행하였다. 다음 표 4는 X, B 비율을 가변하여 모의한 결과이다.
본 논문에서는 자체기동발전원으로서의 BESS 활용 가능성을 상세히 검토하기 위하여 사례대상 우선공급발전소 기동절차를 반영한 복구절차를 PSCAD/EMTDC를 이용하여 모의를 수행하였으며, 배터리용량은 가스터빈 기동부터 계통병입까지의 절차(기동 및 병입 시퀀스)를 기반으로 부하용량과 부하사용 시간을 고려하여 산정하였다. 또한 순간출력이 필요한 기동모터의 기동용량을 고려하여 BESS의 순간 출력도 산정하였다.
전술한 바와 같이 한림복합#1발전소는 발전기 기동 시 기동모터를 자체 디젤발전기로 기동하므로 모의를 위한 전동기 구성은 오일펌프, 워터인젝션펌프만 고려하여 모의를 수행하였다. 또한 소내부하는 2[MVA](pf 0.

대상 데이터

국내 시송전 계통은 7개 지역으로 나누어져 있으며 본 논문에서 검토한 시송전 계통은 영남지역 예비 시송전 계통과 제주지역 주 시송전 계통이다. 다음 그림 1은 영남지역 예비 시송전 계통이며, 그림 2는 제주지역 주 시송전 계통이다.
17[MW]로 산정할 수 있다. 따라서 배터리 용량은 2[MWh], 출력은 9.2[MW]로 선정하였다.
울산복합#1발전소 기동 시 시송전 선로를 포함하여 기동하였을 경우 이상현상으로 인해 기동에 실패하였으므로 울산복합#1발전소 기동에 소요되는 배터리 용량은 발전소 D/L에 설치한 경우에 대하여 용량을 선정하였다. 또한 울산복합#1 발전소의 가스터빈을 기동부터 계통병입까지 배터리에서 공급해야할 부하는 기동 및 계통병입 시퀀스에 의한 부하로 산정하였다.

성능/효과

영남지역 예비 시송전 계통에서 울산 T/P 변전소에 설치하여 가압하는 경우 발생한 이상 현상 검토 결과 선로 임피던스 X, B값의 비율에 따른 이상현상 발생 가능성을 확인하였다. 그러므로 BESS를 자체기동발전원으로 시송전 계통을 구성하는 경우에는 우선공급발전소 변압기에 직접 설치하는 것이 가장 바람직하며 시송전선로를 경유하는 경우에는 B/X 비율이 적은 선로를 이용하는 것이 필수적인 조건임을 확인하였다.
그림 7을 살펴보면 안정하게 기동이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 BESS를 이용하여 복구를 진행할 경우 장거리 선로를 이용하여 우선공급발전소를 기동하는 것은 예기치 않은 문제가 발생할 가능성이 있음을 확인할 수 있다.
모의결과 BESS를 우선공급발전소의 변압기에 설치하는 경우와 적정한 선로 임피던스 비율을 가지는 시송전 계통에서 자체기동 발전기를 대체하여 설치하는 경우에는 자체기동발전원으로 충분히 활용 가능함을 확인하였다. 영남지역 예비 시송전 계통에서 울산 T/P 변전소에 설치하여 가압하는 경우 발생한 이상 현상 검토 결과 선로 임피던스 X, B값의 비율에 따른 이상현상 발생 가능성을 확인하였다.
모의결과 BESS를 우선공급발전소의 변압기에 설치하는 경우와 적정한 선로 임피던스 비율을 가지는 시송전 계통에서 자체기동 발전기를 대체하여 설치하는 경우에는 자체기동발전원으로 충분히 활용 가능함을 확인하였다. 영남지역 예비 시송전 계통에서 울산 T/P 변전소에 설치하여 가압하는 경우 발생한 이상 현상 검토 결과 선로 임피던스 X, B값의 비율에 따른 이상현상 발생 가능성을 확인하였다. 그러므로 BESS를 자체기동발전원으로 시송전 계통을 구성하는 경우에는 우선공급발전소 변압기에 직접 설치하는 것이 가장 바람직하며 시송전선로를 경유하는 경우에는 B/X 비율이 적은 선로를 이용하는 것이 필수적인 조건임을 확인하였다.
울산 T/P 변전소에서 울산복합#1발전소까지의 시송전 선로를 포함하여 복구절차를 진행하였을 경우 그림 5와 같이 5초에 울산복합#1발전소 소내부하 가압 시 전압 파형이 안정하지 않는 것을 확인할 수 있으며 7초에 대용량 모터 가압 후 일정 수준 이상의 부하가 접속되면서 안정되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 기동모터가 기동이 끝나고 발전소 기동절차에 의해서 기동모터가 분리된 후 다시 전압 변동이 발생하고 기동에 실패하였다.

후속연구

85[MW]/720[KWh]의 BESS를 공급한 바 있으나 연구 결과는 발표되지 않았다. 이러한 BESS는 고속 기동이 가능하고 설치위치에 대한 제약이 없으므로 BESS를 이용하여 자체기동발전기를 대체할 수 있다면 위치 제약에서 벗어나 장거리 시송전 선로를 축소 할 수 있을 것으로 기대되며 정전복구시간의 단축도 가능할 것으로 기대된다. 국내에서도 9.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BESS의 장점은?	85[MW]/720[KWh]의 BESS를 공급한 바 있으나 연구 결과는 발표되지 않았다. 이러한 BESS는 고속 기동이 가능하고 설치위치에 대한 제약이 없으므로 BESS를 이용하여 자체기동발전기를 대체할 수 있다면 위치 제약에서 벗어나 장거리 시송전 선로를 축소 할 수 있을 것으로 기대되며 정전복구시간의 단축도 가능할 것으로 기대된다. 국내에서도 9.
	전정전 또는 광역정전 발생 시 초기 대응방안은?	15 순환정전 사태를 통하여 볼 때 광역정전사고로 인한 경제적, 사회적 손실은 매우 지대하므로 이러한 사고가 발행하였을 때 신뢰성 있는 신속한 복구를 수행하는 것은 사고의 예방과 더불어 매우 중요하다. 이러한 전정전 또는 광역정전 발생 시 세계 여러 국가의 초기 대응방안은 전체계통을 개방한 후 우선공급계통을 가압하여 정전구간을 순차적으로 복구하여 전체계통을 복구하는 방식을 채택하고 있으며 우리나라도 동일한 방식을 채택하고 있다. 그러나 이러한 방식은 우선공급계통을 구성하는 과정에서 장거리 무부하 선로를 가압하게 되며 이로 인하여 페란티 현상 등 여러 가지 문제가 발생할 가능성이 있다[1].
	다양한 국가에서 진정전 또는 광역정전 발생 시 책택한 초기 대응방안이 가져올 문제점은?	이러한 전정전 또는 광역정전 발생 시 세계 여러 국가의 초기 대응방안은 전체계통을 개방한 후 우선공급계통을 가압하여 정전구간을 순차적으로 복구하여 전체계통을 복구하는 방식을 채택하고 있으며 우리나라도 동일한 방식을 채택하고 있다. 그러나 이러한 방식은 우선공급계통을 구성하는 과정에서 장거리 무부하 선로를 가압하게 되며 이로 인하여 페란티 현상 등 여러 가지 문제가 발생할 가능성이 있다[1]. 최근 설치 용량이 급속도로 증가하고 있고 대용량화 되는 BESS(Battery Energy Storage System)설비에 대하여 기존의 신재생에너지 출력 안정, 전력계통 주파수 조정 이외의 활용방안에 대한 연구[3-8]가 발표되고 있으며, 2013년 미국 EPRI에서는 AEP(American Electric Power)의 철거 예정인 Black Start용 발전기 2대의 교체를 위하여 BESS를 이용한 우선공급발전소 기동에 대한 연구가 보고되었다[2].

참고문헌 (8)

Heung-Jae Lee, Won-Kun Yu, "A Study on the Damping Loads Prediction to prevent Harmonic Resonance during the Power System Restoration", The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 62, Issue 7, pp. 913-917, 2013.

원문보기 상세보기
"Use of Large Scale Energy Storage for Transmission System Support", EPRI Report, 2013.
Thien, Tjark, et al. "Planning of grid-scale battery energy storage systems: Lessons learned from a 5 MW hybrid battery storage project in germany", Proc. BATTCON Int. Battery Conf. 2015.
PSCAD_User_Guide_v4_3_1
Weijia Liu, Lei Sun, Zhenzhi Lin, Fushuan Wen and Yusheng Xue. "Multi-objective restoration optimisation of power systems with battery energy storage systems", IET Generation, Transmission & Distribution, Vol 10, Issue 7, pp. 1749-1757, 2016

상세보기
Dan Wu,Fen Tang, Josep M. Guerrero,Juan C. Vasquez, Guoliang Chen and Libing Sun, "Autonomous active and reactive power distribution strategy in islanded microgrids", Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2014 Twenty-Ninth Annual IEEE. pp. 2126-2131, 2014.
Bahrman, Michael, and Per-Erik Bjorklund. "The new black start: system restoration with help from voltagesourced converters", IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 12, Issue 1, pp. 44-53, 2014

상세보기
Kannan, A., and R. Kayalvizhi. "Modeling and implementation of dq control system for a unified power flow controller", International Journal of Engineering and Technology, Vol. 2, Issue 6, pp. 450-457, 2010.

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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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