[논문]쿠바 주파수조정 ESS 운영 전략 검토: 주파수 보상 효과 분석

김수열; 이성은; 김진태

doi:10.18770/kepco.2020.06.02.123

쿠바 주파수조정 ESS 운영 전략 검토: 주파수 보상 효과 분석
Feasibility Study for Application of Frequency Regulation ESS in Cuba: Technological Effects on Improving Frequency Compensation 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.6 no.2, 2020년, pp.123 - 127

김수열 (New and Renewable Energy Lab., KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 이성은 (New and Renewable Energy Lab., KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 김진태 (New and Renewable Energy Lab., KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)

Abstract ▼ AI-Helper

KEPCO has installed Frequency Regulation ESS (FR ESS) of 376 MW since 2015. Frequency Regulation is ancillary service to support stabilizing system frequency, which is divided into governor free and automatic generation control. KEPCO operates FR ESS as governor free application and leads FR ESS market with capability of diverse demonstration and operation experiences. To expand FR ESS role during transient states of power system, KEPCO has extended operating time of charging and discharging. KEPCO has also changed speed droop lower than before to improve contribution on frequency compensation, and acquired much experiences of differentiating bad cells from others. Based on these technologies and know-hows, KEPCO Research Institutes received request of feasibility study and technical cooperation for overseas FR ESS business. This paper suggests the simple and practical method for making technological feasibility study of FR ESS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 국내 주파수조정 ESS 실증 및 사업을 기반으로 해외 전력사 주파수조정 ESS 사업의 타당성을 검토하고, 안정 적인 운영과 수명을 고려하여 ESS 파라미터를 간략히 설정하는 방법을 제시하였다.
쿠바 전력계통에 대한 주파수조정 ESS 타당성에 대해 검토하 였다. 계통 실측 주파수와 계통정수만을 활용하여 간략하게 주파수 조정 ESS 효과를 모의 검증하였다.

가설 설정

주파수 특성 모델의 계통주파수(Power System Frequency)는 쿠바 1초간 주파수 자료이며, 계통관성은 발전력 주파수 특성정수와 부하 주파수 특성 정수의 합으로 구성된 계통정수이다. 쿠바 주파수조정 ESS 운영 전략 검토를 위해 본 연구에서는 200 MW/Hz로 가정하였다.

제안 방법

2018년의 1개년 자료가 확보되지 않아서, 2016년과 2017년에 대해 Case 3과 Case 4의 조건으로 배터리의 수명과 주파수 보상 효과를 검토하였다.
쿠바 전력계통에 대한 주파수조정 ESS 타당성에 대해 검토하 였다. 계통 실측 주파수와 계통정수만을 활용하여 간략하게 주파수 조정 ESS 효과를 모의 검증하였다.
쿠바 전력계통은 계통 대비 단위 발전기 용량이 커 상정고장에 의한 주파수조정 ESS 예비력을 확보하기 보다는 상시 주파수 변동을 유발하는 부하변동량에 대해 주파수조정 ESS를 설치하는 것이 적합한것으로 검토되었다. 그리고 쿠바 전력계통은 주파수 변동이 매우 커 본 논문에서는 히스테리시스 특성을 적용한 불감대를 제안하였으며, 불감대 및 속도조정률을 변경하면서 다양한 Case에 대해 특성을 비교 검토하였다. 향후 해외 주파수조정 ESS사업의 타당성을 조사할 경우, 매우 유익하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
05 Hz와 속도조정율 1%이하에서는 잦은 충방전으로 10년 수명을 보증하기 어렵다. 따라서 불감대 및 속도조정율을 변수로 4가지 조건에 대해 배터리 용량 기준 하루 단위의 충방전 사이클을 산정하였다.
본 논문에서는 기존 국내 FR ESS의 SOC 운전 영역인 50–80구간을 기본으로 적용 검토하였 으며 주파수의 변동량에 따른 ESS 가용 용량을 고려하여 SOC 40– 80까지 수명 영향도가 크게 다르지 않다는 전제하에 시뮬레이션을 진행하였다.
하지만 쿠바 전력계통 주파수는 평상시에도 주파수 운영기준을 초과하는 부하변동이 34–48 MW이고, 요구조건인 15 MW의 주파수조정 ESS를 활용하여 계통안정화를 꾀하는 것은 어려워 보인다. 본 논문에서는 부하변동량 최대치인 48 MW를고려하여 주파수조정 ESS 출력용량을 50 MW로 선정하였고 배터 리는 3차 주파수 응답시간(10분) 및 10년 보증기간 고려하여 20 분 용량으로 산정하였다.
05 Hz)이다. 이를 검토하기 위해 계통운영 주파수 분석을 통해 적용 계통에 적합한 주파수조정 ESS 알고리즘 개발하고, 모델링 및 모의를 통해 사례별 효과를 검증하였다.
주파수 특성 모델을 구현하여 주파수조정 ESS 출력이 계통의 주파수특성에 반영되도록 구성하였다. 제안하는 방법은 ESS를 적용하고자 하는 계통의 일정주기별 취득 주파수 자료와 계통 주파 수특성 정수를 이용하여 주파수 특성 모델(Frequency Model)을 구현하고, 주파수조정 ESS 모델과 연계하여 모의하는 방법이다.
3. 제안한 속도조정률 알고리즘.
주파수 모의는 2년(2016년, 2017년) 데이터에 대해 Case별적용, 모의하여 운영 기준 미유지 시간에 대해 분석하였고, 배터리 수명에 대해 검토하기 위해 주파수 변동성이 큰 대표 날짜(2018년 1월 16일)를 선정하여 주파수 측정 신호를 모델에 입력하여 모의 하였다.
주파수 특성 모델을 구현하여 주파수조정 ESS 출력이 계통의 주파수특성에 반영되도록 구성하였다. 제안하는 방법은 ESS를 적용하고자 하는 계통의 일정주기별 취득 주파수 자료와 계통 주파 수특성 정수를 이용하여 주파수 특성 모델(Frequency Model)을 구현하고, 주파수조정 ESS 모델과 연계하여 모의하는 방법이다.
주파수조정 ESS 모의시험 결과를 살펴보기 위해서는 계통연계점에서 주파수 제어 효과를 확인할 수 있도록 모델링이 되어야 한다. 쿠바 전력계통 자료가 없는 상태에서 간략히 모의할 수 있는 방법으로, 계통정수를 활용하여 간략히 계통연계점에서 주파수 특성 모델을 구성하여 주파수조정 ESS 효과를 모의하였으며, 주파수 조정 ESS 알고리즘은 히스테리시스 기능을 추가하였다.
쿠바 전력계통의 주파수변동폭이 매우 크고 동작 횟수도 많기 때문에 적정한 불감대와 신규의 히스테리시스 동작을 추가하는 알고리즘을 제안하였다.

이론/모형

주파수 제어 효과를 검증하기 위한 모델은 Matlab/Simulink 기반으로 구성하였으며, 상세 모델링은 다음과 같다. 주파수 특성 모델의 계통주파수(Power System Frequency)는 쿠바 1초간 주파수 자료이며, 계통관성은 발전력 주파수 특성정수와 부하 주파수 특성 정수의 합으로 구성된 계통정수이다.

성능/효과

구체적으로 모의 결과를 살펴보면 첫번째 주파수의 경우 기존 대비 FR ESS 보상으로 인해 60 Hz 기준으로 변동폭이 감소하는 것을 inner_Frq(파란색)으로 확인 할 수 있으며, 두번째 출력 (FR_Power)의 경우 응동 시작 주파수 범위 변경으로 인해 응동 빈도수(갈색)가 감소하는 것을 볼 수 있다. 세번째 SOC 변동을 보면 Case3과 Case4의 SOC 영역은 기존 50–80%에서 40–80%으로 운전 영역을 조정하였는데 Case1과 Case2의 시뮬레이션 결과에서볼 수 있듯이 SOC 하한인 50%에 도달하여 주파수 응동이 필요할때 응동을 못하는 경우가 있다.
Case 3은 TABLE 4에서 보는바와 같이 Case 4보다 하루 충방전 횟수는 많지만 주파수 보상 효과는 더 크므로, 배터리 수명과 주파수보상 효과를 고려하여 적절한 속도조정률을 선정하여야 한다. 국내의 경우와 같이 불감대 기능만으로는 안정적인 배터리의 운영을 기대하기 어려웠으며, 불감대 영역을 키우고 히스테리시스 밴드 도입 및 속도조정률 변경을 통해 ESS의 안정적인 동작 및 수명을 만족할 수 있었다. 물론 ESS 파라미터는 현장 시운전을 통해 최종 설정하여 검증하여야 할 것이다.
쿠바 전력계통은 계통 대비 단위 발전기 용량이 커 상정고장에 의한 주파수조정 ESS 예비력을 확보하기 보다는 상시 주파수 변동을 유발하는 부하변동량에 대해 주파수조정 ESS를 설치하는 것이 적합한것으로 검토되었다. 그리고 쿠바 전력계통은 주파수 변동이 매우 커 본 논문에서는 히스테리시스 특성을 적용한 불감대를 제안하였으며, 불감대 및 속도조정률을 변경하면서 다양한 Case에 대해 특성을 비교 검토하였다.

후속연구

향후 해외 주파수조정 ESS사업의 타당성을 조사할 경우, 매우 유익하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 실제 적용시에는 적용대상 계통에 대해 불감대와 히스테리시스를 좀 더 세밀하게 검토해야 하고, 속도조정률을 일률적 으로 적용하기 보다 기준 주파수 대비 높을 때와 낮을 때 별도 설정한다면 더욱 더 효과적으로 주파수 안정화에 기여할 것으로 보인다.
그리고 쿠바 전력계통은 주파수 변동이 매우 커 본 논문에서는 히스테리시스 특성을 적용한 불감대를 제안하였으며, 불감대 및 속도조정률을 변경하면서 다양한 Case에 대해 특성을 비교 검토하였다. 향후 해외 주파수조정 ESS사업의 타당성을 조사할 경우, 매우 유익하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 실제 적용시에는 적용대상 계통에 대해 불감대와 히스테리시스를 좀 더 세밀하게 검토해야 하고, 속도조정률을 일률적 으로 적용하기 보다 기준 주파수 대비 높을 때와 낮을 때 별도 설정한다면 더욱 더 효과적으로 주파수 안정화에 기여할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수조정 ESS 용량은 무엇을 고려하여 산정되어야 하는가?	주파수조정 ESS 용량은 발전기 탈락 시의 최저 주파수 이상 유지 및 정상운전시의 미소 수요변동에 대한 주파수 유지를 고려 해서 산정되어야 한다. 하지만 쿠바 계통은 총 발전용량 6,210 MW대비 최대용량 발전기가 330 MW (5.
	쿠바는 계통주파수 유지율 향상을 위해 220 kV 변전소 2개소에 각각 25 MW 주파수조정 ESS 구축을 검토하고 있으며, 이에 대한 주된 목적은 무엇인가?	• 신규 신재생발전 추가 도입에 따른 계통 안정성 향상 • 158 MW 이하 발전기 고장시에도 부하차단 예방 • 1차 주파수응답용 노후 화력발전소 개선 투자비용 회피 • 화력발전 운전효율 향상 및 유지보수 비용 절감 • 제한운전에 의한 제철소 보상비용 절감
	쿠바 전력계통 문제점은 무엇인가?	ESS는 해외에서도 많이 적용되고 있으며, 특히 쿠바는 낮은 건전성으로 인하여 ESS 도입에 적극적이다. 쿠바 전력계통 문제점은 전력공급 부족으로 예비력 및 주파수 유지율이 저하되어 있으며, 이는 지속적으로 약화되어 왔다(2015년 99.3%, 2016년 98.

참고문헌 (3)

정응수, 전영환, "ESS 유효용량을 반영한 주파수조정 예비력확보에 관한 연구", 한국전력거래소, 최종보고서, Sep. 2017.
윤준영, 유가람, 국경수, 노도환, 장병훈, "전력계통 주파수조정을 위한 SOC 기반의 배터리 에너지저장장치 제어전략", 대한전기학회지, 63권, 5호, pp. 622-628, May 2014.
이성은, 김수열, "쿠바 전력계통 주파수 분석", 한전 전력연구원, 기술지원보고서, Mar. 2019..

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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