에너지저장시스템을 이용한 제주지역 풍력발전단지 용량 확대 방안

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홍석 현
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1 pp 에너지저장시스템을이용한제주지역 풍력발전단지용량확대방안 6)7) 김범관 *, 김일환 ** < 목차 > Ⅰ. 서론 Ⅱ. 제주지역풍력발전단지의출력특성 Ⅲ. 에너지저장시스템용량산정 Ⅳ. 컴퓨터해석및고찰 Ⅴ. 결론 < 참고문헌 > < 국문초록 > 신 재생에너지중풍력은오늘날화석연료에의한발전단가보다낮은경제성을확보함에따라많은국가에서활발하게보급하고있다. 하지만풍력은풍속자원에의해설치여부가결정되기때문에경제성을확보할수있는지역이한정되어있다. 제주도는우리나라에서풍속자원이가장풍부하여풍력발전을하기에최적의조건을가지고있다. 하지만제주지역은육지지역에비해전력계통이매우취약한지역으로서갑작스런전기적이나기계적인사고등에의해서풍력발전단지가동시에차단되었을때풍력출력변동에따른전력계통의안정도을크게떨어뜨릴가능성이매우높다. 이를방지하기위해현재풍력설비한계용량을설정하여운영되고있다. * 제주특별자치도스마트그리드과 ** 제주대학교전기공학과교수

2 따라서본연구에서는제주동부지역의행원풍력발전단지와서부지역의한경풍력발전단지의 1년간출력데이터분석을통하여풍력발전단지출력변동을완화시켜전력계통의안정도를높일수있는에너지저장시스템의용량을산정하고이를컴퓨터해석을통하여제안한방법의타당성을입증하고자한다. 핵심어 : 신재생에너지, 풍력, 전력계통안정도, 행원풍력발전단지, 한경풍력발전단지 Ⅰ. 서론 최근풍력발전출력의변동성을완화하기위하여에너지저장장치를연계한다양한형태의연구가국내 외에서활발히진행되고있다. 현재미국에서풍력에대한에너지저장장치적용관련법을담당하고있는연방에너지규제위원회 (Federal Energy Regulatory Commission) 는고속으로반응할수있는에너지저장장치가주파수조절서비스에서프리미엄을얻을수있도록각전력시장에서새로운규칙을적용하도록권고하고있다. 섬지역인경우에는신 재생에너지출력이계통연계시계통의안정도를약화시킬수있기때문에설치시에는각프로젝트의출력변동률을제한해서에너지저장장치와신 재생에너지설비의통합시스템을유도하고있으며, 시스템규모에따라 2MW/min 에서몇백 kw/min 의변동률제한을가하고있다. 특히미국 Xtreme Power 사의하와이풍력프로젝트인경우풍력발전기의최대출력의 3% 규모의출력이 1분안에변동되지않도록하고있으며, 그결과대략풍력최대출력대비로볼때 50% 에서 30% 의정격출력과 30분이상의정격출력저장규모 (MWh) 를가진시스템을사용하고있다. Xtreme Power 사는풍력에너지저장장치는지역과출력특성에따라다르지만일반적으로풍력의변동성을고려하여빠르게반응하는에너지저장장치도입시적어도 30 분이상의출력을내보낼수있는저장규모를가진에너지저장장치가효과적이라는의견을제시하고있다

3 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 일본에는세계최초로풍력발전단지에배터리를채용하여운용하고있는롯카쇼무라푸타마타풍력발전소는아오모리에위치하고있으며총 51MW 용량의풍력발전단지에총용량의약 60% 인 30MWh 의 NaS 배터리를채용하여일본풍력발전주식회사에서운용하고있다. 여기서제어체계를살펴보면풍력출력에대해단순한평활화제어, 일정출력제어, 정격출력제어등다양한방안에대해서실증과상업운전을하고있다. 또한신 재생에너지에대한매전체계는단순출력, 일정출력제어, 정출력제어등출력방법에따라요금체계를다르게하고있다. 국내의경우에는국가스마트그리드실증사업의일환으로제주행원풍력발전단지에배터리를채용하여외국의경우와같이출력에대한다양한실증시험을하고있는중이다. 하지만배터리용량선정시적정용량에대한연구는아직미흡한상태이다. 따라서본논문에서는제주동부지역에위치한행원풍력발전단지와서부지역에위치한한경풍력발전단지의 1년간실제출력데이터분석을통하여, 풍력발전단지출력변동을완화시켜계통의안정도를증대시킬수있는에너지저장장치의적정용량을산정하고, 이를컴퓨터시뮬레이션을통하여제안한방법의타당성을입증하고자한다. Ⅱ. 제주지역풍력발전단지의출력특성 1. 행원풍력발전단지의출력특성 행원풍력발전단지는제주의동부지역인구좌읍에자리잡은풍력발전단지이다. 이발전단지에는 년 2월현재에는총 15기, 9.8MW(225kW 기, 600kW 2 기, 660kW 7 기, 750kW 5 기 ) 규모로운전되었으며 2012 년 4월현재에는총 12기, 10.55MW(660kW 5 기, 750kW 5 기, 1500kW 1 기, 2000kW 1) 규모로운전되고있는데, 출력의계통연계는전용선로를통하여성산변전소에연계되어운전되고있다. 행원풍력발전단지의출력특성분석을위하여전력거래소 SCADA 에연계되어축적되어있는 1년간데이터, 즉 년 3월 년 2월까지 1분단위의데이터를수집하여풍력발전단지출력변동률

4 을분석하였는데, [ 그림 Ⅱ-1] 과 [ 표 Ⅱ-1] 은해당기간의 1 분단위의정격설비용량대 비출력변동량에대한빈도분포를나타낸것이다. 여기서보면전체출력의 94% 가 ±3% 이내의출력변동률을보이고있다. [ 그림 Ⅱ-1] 행원 1 분변동률 < 표 Ⅱ-1> 행원 1 분단위풍력발전출력변동률빈도분포 pu 합계합계 pu 횟수 % 횟수 % ,631, , ,

5 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 , , < 표 Ⅱ-2> 에는 까지 1년간의 1분단위출력변동률이 ±30% 가넘는사례가 10건을기록하고있다. 최대출력변동률이발생한시각은 년 1월 21일 12시였으며, 이때의출력변동률은 66%(-6.66MW) 로나타났다. 이에따라최대출력변동률을대비하여 1분단위출력변동률은설비용량대비약 66% 까지고려해야할것으로판단된다. < 표 Ⅱ-2>. 03 ~. 02 행원 1 분단위풍력발전최대출력변동률 일자시간발전량변동량변동률 (MW) (MW) (%) :20: :56: :55: :45: 일자시간발전량변동량변동률 (MW) (MW) (%) :53: :36: :33: :52:

6 9:09: :05: :24: :34: :49: :59: :47: :32: :57: :03: :26: :52: 한경풍력발전단지의출력특성 제주시한경면에위치한한경풍력발전단지는한국남부발전 가운영하는발전소로써 1단계사업에서 NEGMICON 사의 opti 슬립타입 1.5MW 4기총 6MW가 2004년 2 월준공되었고, 2단계사업에서는 Vetas사의 DFIG 타입 V90 3MW 5기총 15MW가 2007년 12월준공되어총 21 MW 용량의설비가구축되어상업운전을하고있다. 한경풍력발전단지의계통연계는 22.9kV 의가공지선을통하여한림변전소에연계되어있다. opti 슬립에의한방식과역률을 1 로제어하는 DFIG 타입이혼재되어운전하고있어전체발전측면에서보면역률은좋겠지만풍속변화에의한출력변동은풍속변화에좌우될것으로보이며, 행원풍력발전단지에비해한경풍력발전단지는 1.5MW 4기와 3MW 5기가혼재되어운전되고있기때문에각터빈출력에의한평활화효과는떨어질것으로예견된다

7 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 [ 그림 Ⅱ-2] 한경 1 분변동률 < 표 Ⅱ-3>. 03 ~. 02 한경 1분단위풍력발전출력변동률빈도분포 pu 합계합계 pu 횟수 % 횟수 % ,002, ,537, , , ,

8 , , , ,579, < 표 Ⅱ-4> 한경 1 분단위풍력발전최대출력변동률 일자 시간 발전량 (MW) 변동량 (MW) 변동률 (%) 일자 0:10: :23: :38: :22: :55: :20: :46: :54: :53: :08: 시간 발전량 (MW) 변동량 (MW) 변동률 (%) 5:41: :28: :14: :24: :52: :49: :39: :16: :27: :25:

9 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 Ⅲ. 에너지저장시스템용량산정 1. 남제주화력발전소증 감발기준 에너지저장장치중하나인배터리를이용하여풍력발전단지의출력을평활화하는데있어서 [ 그림 Ⅲ-1] 에나타낸것과같이출력이정격에서 0으로변동할때가가장안좋은조건이라볼수가있다. 제주지역전력계통인경우연계선이동작한다면이와같은경우에도연계선이빠른시간내에응동해서계통의안정성이문제가되는경우는극히적을것으로보이지만, 만약모든연계선의동작이정지되고있을때는문제가될수가있다. [ 그림 Ⅲ-1] 풍력발전단지출력변동시간에따른배터리용량 출력변동시간단지용량 필요한배터리용량 이경우에제주계통의주파수안정도는한국남부발전 의남제주화력발전소 ( 화순발전소 ) 100MW 급 No3와 No4 기력발전기가제주계통의주파수운전의기준으로정하여운전하고있기때문에이발전기의출력증 감발정수가기준요소가된다. 이발전기의증 감발출력값은 10MW/ 분이다. 그러므로제주지역의계통안정을위해서풍력발전단

10 지의시정수는남제주화력발전기의시정수보다커야한다. [ 그림 Ⅲ-1] 에나타난것과같이풍력단지출력은정격상태로부터 0 으로떨어지는시간이 1분이상되어야한다. 그러므로필요로하는최소배터리의용량은풍력발전단지출력과합성출력목표치에둘러싸인면적분을흡수하는용량을식 (1) 과같이나타낼수있다. [ 그림 Ⅲ-1] 에서나타나는풍력발전단지출력에서증 감발시정수를증가시키기위한최소배터리용량은식 (1) 에의해서구할수가있다. 하지만배터리종류와제어조건에따라배터리의용량은달라진다. 특히 C-rate 조건에따라최소요구배터리용량이달라지는데본논문에서모델배터리로채택한리튬이온배터리는 5C 운전까지는가능하기때문에이를적용하여 C-rate 값에따른풍력발전단지용량별배터리의용량을나타내고있다. < 표 Ⅲ-1> 제주지역풍력발전단지용량배터리요구량 풍력단지용량 [MW] ESS 용량 [MWh] 단지용량기준 C-rate 1C (100%) 10MW/ 분적용 C-rate(MWh) 2C (50%) 5C (20%) 10C (10%) 비고

11 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 2. 풍력발전단지출력기준 < 표 Ⅲ-1> 에서보면풍력발전단지용량에따라필요로하는배터리용량은배터리운전조건즉 C-rate 에따라용량이달라진다. 그러므로제주지역의풍력발전단지에서필요로하는최적의 C-rate 운전조건을얻기위해서는그림 4와 5에서보면행원풍력발전단지와한경풍력발전단지는출력변동빈도가주로 0.2 pu 이내에서나타나고있음을알수있다. 이는총발전설비용량의약 20% 범위에서출력변동이이루어지기때문에행원풍력발전단지는 2MWh, 한경풍력발전단지는 4.2MWh가필요함을나타내고있다. [ 그림 Ⅲ-2] 행원풍력발전단지에요구되는배터리용량 행원풍력발전단지의최소배터리용량은식 (1) 에의해서 10MW*(1/60)/2 = MWh 이다. 즉, 행원풍력발전단지가계통에서탈락시계통주파수에영향을끼치지않는최소배터리용량은 MWh 이어야한다. 단, 이경우배터리가방전할때의 C-rate은최대 10/0.0833=120 이된다. 배터리에 C-rate를 5로제안할경우제안된배터리에용량은 120/5=24 배증가 (24*0.0833) 시킨 2 MWh를최소용량으로가정하고계산하여야한다

12 [ 그림 Ⅲ-3] 한경풍력발전단지에요구되는배터리용량 한경풍력발전단지의최소배터리용량은식 (1) 에의해서 21MW*(2.1/60)/2 = MWh 이다. 즉, 한경풍력발전단지가계통에서탈락시계통주파수에영향을끼치지않는최소배터리용량은 MWh 이어야한다. 단, 이경우배터리가방전할때의 C-rate은최대 21/0.3675= 이된다. 배터리에 C-rate를 5로제안할경우제안된배터리에용량은 /5= 배증가시킨 4.2 MWh를최소용량으로가정하고계산하여야한다. Ⅳ. 컴퓨터해석및고찰 1. 제어시스템모델링 본논문에서적용된배터리모듈은국내 A 사의제품으로공칭전압 3.6V 에 50Ah 180WAh 의정격용량을가진다. 이리튬이온배터리셀은최대충전시 4.2V, 방전제한 은약 3.3V 까지가능하며최대방전전류는 10C(500A) 까지가능하여본논문에서도이

13 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 정격을적용하였다. [ 그림 Ⅳ-1] Shepherd 비선형배터리모델 : 배터리출력전압 [V] : 일정배터리전압 [V] : exponential zone amplitude [V] : exponential zone time constant inverse [Ah] -1 : 정격용량 [Ah] : 극성전압 [V] 사용된배터리모델은 Shepherd model를참조하여 [ 그림 Ⅳ-1] 과같이단순한가변전압소스와직렬연결된저항으로구성하여모델링하였으며, 모델링에필요한각종상수들은배터리의실제방전곡선을이용하여도출하였다. 또한식 (2) 를이용하여방전전류및 SOC(State Of Charge) 에따른전압의동특성을표현하였다. [ 그림 Ⅳ-2] 는 PSCAD/EMTDC 프로그램으로배터리모델링을위한제어구조도이다

14 SOC Battery + - V = A 1 = Ctrl A 50.0 V B Ctrl Comparator A B TIME [ 그림 Ⅳ-2] PSCAD/EMTDC 에의한배터리모델링 풍력발전단지에배터리를연계하여출력의평활화를이루기위해본연구에서사용된모델의 PSCAD/EMTDC 프로그램의모델파일은 [ 그림 Ⅳ-3] 과같다. 여기서풍력발전단지에연계되는배터리는 4 뱅크를병렬연계하여운전하고풍력발전단지는행원과한경풍력발전단지가되도록각각의용량에따라해석을하도록하였다. 그리고계통에 10MW 또는 30MW 의부하용량이연계되어운전되고또한전원은이상적인전원으로간주하여해석하였다. 배터리출력은각뱅크에연결되어있는인버터에의해출력이조절되도록하고, 여기서사용되는인버터는축약형모델로간단하면서도해석시간을단축하도록모델링되어사용하였다. 여기서배터리수명을위하여배터리잔존용량 (State of charge) 을 까지만을사용하게되면사용가능한배터리용량은 4.2*0.6=2.52 MWh 가된다. 실제배터리의잔존용량은 MWh 만있어도계통안정화에문제가없으므로여유분용량인 = MWh를풍력발전단지출력에평활화를위하여사용가능하다. 배터리 SOC가선형적으로내려간다고가정하면실제로제어되는구간에서는오히려곡선이완만하다 /4.2= = 에서 0.2구간을여유분으로두고나머지부분을출력평활화제어에사용하면된다. 결국풍력발전단지용량의약 20% 정도의배터리용량을가지면 < 표 Ⅳ-1> 과같이평활화제어나풍력발전단지탈락출력제어를행할수있을것으로여겨진다

15 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 < 표 Ⅳ-1> 배터리의 SOC 구간별제어방식 SOC 제어방식 비제어구간 ( 과충전구간 ) 평활화제어 / 풍력발전단지탈락출력제어 풍력발전단지탈락출력제어 비제어구간 ( 완전방전구간 ) Wind farm Battery Power Grid Controller P = 0 Q = 0 A V #2 #1 10 [MW] Battery Battery Battery Battery [ 그림 Ⅳ-3] 시뮬레이션용 PSCAD/EMTDC 모델 2. 해석결론및고찰 제안한방법의타당성을검증하기위하여풍력발전단지의약 20% 배터리용량을가 지고 [ 그림 Ⅳ-4] 와같은행원풍력발전단지의실제출력을가지고평활화제어를수행하 였을경우 [ 그림 Ⅳ-5] 와같은결과를얻을수있었다

[ 그림 Ⅳ-4] 년 12 월 15 일행원풍력발전단지실제출력 [ 그림 Ⅳ-5] 행원풍력발전단지의 LPF 의출력과최종계통출력 (. 12. 15.) [ 그림 Ⅳ-5] 에서실선의출력선은배터리를가지고평활화한결과파형이며, 파선은실제출력의저역통과필터를통과한출력이다.

16 [ 그림 Ⅳ-4] 년 12 월 15 일행원풍력발전단지실제출력 [ 그림 Ⅳ-5] 행원풍력발전단지의 LPF 의출력과최종계통출력 ( ) [ 그림 Ⅳ-5] 에서실선의출력선은배터리를가지고평활화한결과파형이며, 파선은실제출력의저역통과필터를통과한출력이다. 이출력은실제출력에서저역통과필터의출력을뺀부분이배터리가평활화를요하는부분이다. [ 그림 Ⅳ-6] 은정격출력에서탈락되었을때 10MW/ 분의시정수를만족하기위해나타낸시뮬레이션결과이다. 이결과

17 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 에서보면제안한풍력발전단지용량의 20% 를가지고도최소출력시정수를만족하고있음을알수있다. [ 그림 Ⅳ-7] 에서 [ 그림 Ⅳ-9] 까지는이값을적용하여한경풍력발전단지의실제출력을평활화했을때의출력과정격에서탈락하였을때배터리의동작을통하여풍력발전단지의증 감발출력특성이행원풍력발전단지와거의비슷하게나타내고있다. 이상과같은결과에서보면행원풍력발전단지나한경풍력발전단지의설비용량의약 20 % 배터리용량을연계하여 5C 로운전한다면출력완화제어나정격에서순간탈락시에도원하는결과값을얻을수있음을나타내고있다. [ 그림 Ⅳ-6] 배터리가채용된행원풍력발전단지의정격출력변동

18 [ 그림 Ⅳ-7] 한경풍력발전단지의최대출력변동 ( ) [ 그림 Ⅳ-8] 한경풍력발전단지의 LPF 의출력과최종계통출력 ( )

19 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 [ 그림 Ⅳ-9] 배터리가채용된한경풍력발전단지의정격출력변동 Ⅴ. 결론 본연구에서는제주지역내행원풍력발전단지와한경풍력발전단지용량의약 20% 의배터리용량을가지고, 년 3월부터 1년간의실제출력을이용하여 PSCAD/EMTDC 프로그램으로배터리와풍력발전제어시스템을모델링과컴퓨터시뮬레이션을행하였다. 풍력발전단지의배터리연계운전시출력특성분석을통하여다음과같은결론을도출하였다. 1. 제주동부 서부지역각 1 곳의풍력발전단지의실제출력을가지고컴퓨터시뮬레

20 이션을수행한결과풍력발전단지의 20% 배터리용량으로출력평활화제어및제주계통 HVDC 운전정지시풍력발전단지정격출력차단에따른조건을만족할수있어, 풍력발전단지의배터리연계운전시단지용량의약 20% 이상으로하면계통안정화에기여할것으로예견된다. 2. PSCAD/EMTDC 프로그램으로배터리및풍력발전제어시스템모델링을통하여컴퓨터시뮬레이션한결과, 연구목적을만족하는결과가나타나고있어제안한모델링이유효함을알수있었다. 3. 배터리채용에의한풍력발전단지운용시계통영향을최소화할수있기때문에제주지역에풍력발전한계용량을높이는데크게기여할것으로여겨진다. 이상과같은결과를토대로제주지역풍력발전단지에시설규모의약 20% 용량배터리를채용하여운전한다면풍력발전출력변동에의한계통영향을최소화할수있어, 추후제주지역에새로운풍력발전단지건설시에제안한방법으로배터리채용에의한풍력발전단지를건설할경우계통영향및풍력발전한계용량을분석하는데유익하리라사료된다

21 에너지저장시스템을이용한제주지역풍력발전단지용량확대방안 [ 참고문헌 ] 정기은 (), " 중국아웃바운드시장변화에따른효과적인중국관광객유치전략에관한연구 ", 중국연구 제48권, pp. 525~540. Jun Shimizukawa, Kenji Iba, Yusuke Hida, Ryuichi Yokoyama(). Mitigation of intermittency of wind power generation using battery energy storage system, UPEC 31st. 제주대학교 (2011), Smart Renewable 풍력발전연구, 효성중공업. 일본전원개발주식회사 (2006), 풍력발전전력계통안정화등기술개발 성과보고서 ( 중간 ), 독립행정법인신에너지산업기술종합개발기구. 김재홍, 김일환 (2011), 리튬이온배터리의 SOC 제어가가능한단상멀티레벨컨버터시뮬레이션, 조명전기설비학회논문집, pp 김재홍, 강명석, 김일환 (2011), 풍력발전의출력변동저감을위한 ESS 최소용량산정기법, 한국태양에너지학회논문집, pp 제주대학교 (), 2011 년이후제주전력계통에서의전원별최적화방안연구, 지식경제부. 제주대학교 (2012), 안정적전력공급방안및풍력발전한계용량증대방안조사, 제주특별자치도. 김윤성, 문대성, 원동준 (), 출력변동저감및출력범위예측향상을위한풍력-연료전지하이브리드시스템의운영방법, 대한전기학회논문지제58권제3호, pp Katsuhisa Yoshimoto, Toshiya. Nanahara(2006), New Control Method for Regulating State-of-Charge of a Battery in Hybrid Wind Power/Battery Energy Storage System, IEEE, Power System Conference and Exposition, PSCE IEEE PES, pp

용도를제고하고전력시스템을안정화시키는많은장점을가지고있다. 따라서에너지저장장치는신재생에너지와기존전력시스템간의조화로운통합을위한수단으로중요성이부각되고있다. 본고에서는유럽에서실제적용되고있는에너지저장기술의하나인 P2G(Power To Gas) 기술과특징을소개하고, 독일사례를중심으

용도를제고하고전력시스템을안정화시키는많은장점을가지고있다. 따라서에너지저장장치는신재생에너지와기존전력시스템간의조화로운통합을위한수단으로중요성이부각되고있다. 본고에서는유럽에서실제적용되고있는에너지저장기술의하나인 P2G(Power To Gas) 기술과특징을소개하고, 독일사례를중심으 Power To Gas 기술개요및현황 Power To Gas 기술개요및현황 1. 개황 고경호한전전력연구원책임연구원 온실가스규제대응과지속가능한에너지시스템구축에대한국가 사회적요구가증가하고있다. 아울러그동안걸림돌이었던신재생에너지의경제성이지속적으로향상되면서신재생에너지보급확대도가속화되고있다. 그러나신재생에너지보급및확대는또다른문제점을발생시킨다. 출력변동성이높은풍력, 태양광발전등의신재생에너지발전량이