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- 우성 채
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1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 1, pp. 16~22, 주파수추종운전적용을위한 BESS 의운용방법및효과 Operation of Battery Energy Storage System for Governor Free and its Effect 조성민 장병훈 * 윤용범 * 전웅재 * 김철우 * (Sung-Min Cho Byung-Hoon Jang Yong-Bum Yoon Woong-jae Jeon Chulwoo Kim) Abstract - As the development of Battery Energy Storage System(BESS) and the increasing of intermittent energy sources like wind power and photovoltaic, the application of BESS in load frequency control is considered as an effective method. To evaluate the effectiveness of BESS application in frequency control, we defined a governor free model of BESS to conduct dynamic simulation. Using the BESS dynamic model, we implemented the power system dynamic model including steam, gas and hydro turbine generators. In this paper we study the control performance of BESS in primary frequency control. The effect of BESS speed regulation rate and response time on governor free operation is investigated. In addition, we compared BESS from steam turbine generator in view point of frequency regulation.. Key Words : Battery energy storage system, Frequency control, Governor free, Speed regulation rate 1. 서론최근 BESS(Battery Energy Storage System) 를활용한주파수조정에대한관심이매우높다. BESS는부하이전 (Load Shift), 신재생출력안정화 (Renewable Output Smoothing), 비상전원 (Emergency Back-up Source) 등많은분야에활용가능하다 [1, 2]. BESS 기술중납축전지 (Lead-acid) 의활용은 UPS(Uninterruptible Power Supply) 와부하이전에집중되어왔다. 그러나최근리튬이온전지 (Lib, Lithium-ion battery) 가모바일기기에서부터전력용 ESS 등에활용되면서수십MW급리튬이온전지의활용에대한관심이높다. 특히리튬이온전지의빠른응답속도를활용하기위한주파수조정에대한많은연구와시범사업이진행중이다 [3, 4]. 전력계통의주파수는주파수추종 (Governor Free) 운전과자동발전제어 (AGC, Automatic Generation Control) 운전에의해기본적으로유지되어진다. 주파수추종운전 (G/F) 은개별발전기의조속기 (Governor) 에설정되어있는속도조정율 (Speed Regulation Rate) 에의해서계통의주파수변동시발전기의출력이변동되는동작을말한다. 주파수추종응동출력은일반적으로 10초이내에발생하여 30초이상을유지하도록전력시장운영규칙에명시되어있다. 자동발전제어 (AGC) 는계통 EMS(Energy Management System) 에서주파수를계측하여 60Hz를유지하기위한제어기에의한출력보상량을각발전기의출력증감발율 (Ramp up/down Rate) 에따라서발전량을배분한다. 자동발전제어에의한반응은 30초이내에응동하여 30분이상을유지가능하도록전력시장운영 Corresponding Author : KEPCO Research Institute, Korea chosmin@kepco.co.kr * KEPCO Research Institute, Korea Received : August 29, 2014; Accepted : November 20, 2014 규칙에명시되어있다 [5, 6]. BESS에관한연구는미국과일본, 유럽그리고대한민국을중심으로진행되고있다. 미국은주파수조정보조서비스에서 BESS 를활용한자동발전제어 (AGC) 의연구가활발히진행되고있다 [7]. 일본에서는리튬배터리뿐만아니라 RFB(Redox Flow Battery) 를활용하여주파수추종 (G/F) 기능이없이자동발전제어 (AGC) 만을수행하는 RFB의주파수조정효과에대하여발표하였다 [8]. 참고문헌 [9] 에서는유럽주파수기록을파탕으로주파수추종용 BESS의적정용량을경제성기반의목적함수분석을통하여도출하는방법을제시하였다. 이러한선행연구에서발표된 BESS에관한연구는주파수관리를위해 BESS를운영하는제어방법이연구마다상이하고배터리의응답속도에관한실증결과를반영하지않고있다. 또한국가마다주파수를유지하기위한제어개념이상이하고계통을구성하는발전기특성이상이하기때문에그 BESS 적용효과를국내에서그대로기대하기힘들다. 본논문에서는배터리를활용한주파수추종운전의운용방법을제시하고석탄화력발전기의주파수추종운전효과와비교하여분석하였다. 또한제주조천변전소에서의 Lib 실증운용결과를 BESS 모델에고려하였다. 2. 발전기및 BESS 모델주파수추종운전 (G/F) 은발전기의조속기 (Governor) 의동작특성에의해발전기의출력이제어된다. 국내의전력계통은크게원자력, 기력, 가스, 수력의발전기로구성된다. 이중원자력은주파수추종운전을하지않는다. 전력시장운영규칙에는주파수추종운전과자동발전제어 (AGC) 운전을위해주파수조정예비력을 1,500MW이상확보하도록하고있다 [6]. 본논문에서는다음과같은기력발전, 가스터빈발전, 수력의발전 16 Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
2 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 기조속기모델을 MATLAB에서구현하고여기에 BESS의모델을구성하여활용하였다. 2.1 발전기모델 수력발전기의속도조정율은 3~4% 의값을일반적으로갖는다. 국내수력발전기전체설비의용량을가중치로사용한가중평균속도조정율은약 3.42% 로이를속도조정율 (R P) 에반영하였다. 수력발전기모델에서사용된변수들은표 2에정리하였다. 기력발전기의모델은 PSS/E의 IEEEG1의모델을활용하였다 [10]. 주파수의변동량을입력받아재가열 (Reheat) 부분까지고려하여출력 PM1이계통에입력되는발전량이된다. 기력발전기모델에서사용된변수들은표 1에정리하였다. 표 2 수력발전조속기모델변수 Table 2 Hydro Turbine Governor Model Parameters 시정수 (Time Constants) R P R T 조속기 (T R) 서보 (T G) 물 (T W) 그림 1 기력발전기조속기모델 Fig. 1 Steam Turbine Governor Model(IEEEG1) 그림 1에서 K는속도조정율의역수이고 T 3 는적분제어기의적분계수의역수이다. K1~K8은재가열된터빈의출력배분을나타낸다. 일반적으로고압 (High Pressure, HP), 중압 (Intermediate Pressure, IP), 저압 (Low Pressure, LP) 터빈의 3단구성을갖기때문에 K1, K3, K5만사용하고나머지는 0의값으로하였다. T4, T5, T6은고압, 중압, 저압터빈의출력에대한지연 (time lag) 시정수이다. 기력발전기의속도조정율은 5~6% 의값을일반적으로갖는다. 국내전체기력발전기의용량을가중치로사용한가중평균속도조정율은약 5.67% 로이의역수가 K값인 17.6으로반영되어있다. 표 1 기력발전기조속기모델변수 Table 1 Steam Turbine Governor Model Parameters K T1 T2 T3 Uo Uc P MAX P MIN T4 K K2 T5 K3 K4 T6 K5 K6 T7 K7 K 수력발전기의조속기모델은그림 2에나타내었다. 수력모델은조속기 (T R) 와서보모터 (T G), 물 (T W) 의시정수 (Time Constant) 가반영되어있다. 또한수력터빈은게이트의위치변화초기에반대의터빈출력이발생하는특징을갖고있다. 이를보상하기위한과도 droop 보상기 (temporary droop compensator) 가반영되어있다 [5]. 가스터빈의조속기모델은그림 3에나타낸것과같이 PSSE 의 GAST 모델을사용하였다. T1은 valve controller의시정수를나타내고 T2는연소챔버의시정수를, T3은배기가스측정시스템의시정수를나타낸다 [11]. 가스터빈조속기의변수들은표 3 에정리하였다. 그림 3 가스터빈조속기모델 Fig. 3 Gas Turbine Governor Model(GAST) 표 3 가스터빈조속기모델변수 Table 3 Gas Turbine Governor Model Parameters Load R T1 T2 T3 KT V MAX V MIN Dturb Limit BESS(Battery Energy Storage System) 모델주파수추종운전을수행하는 BESS의모델은아래의그림 4와같이나타낼수있다. 속도조정율 (R BESS) 에의해주파수응동량이결정되고시정수 (T BESS) 에의해출력이지연된다. 마지막으로설비의용량을고려하여출력이제한되어지는구조를갖고있다. 그림 2 수력발전조속기모델 Fig. 2 Hydro Turbine Governor Model 그림 4 주파수추종운전 BESS 모델 Fig. 4 G/F Operation BESS Model 주파수추종운전적용을위한 BESS 의운용방법및효과 17
3 전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 앞서언급한기력, 가스, 수력발전기들의속도조정율은일반적으로 3~6% 의범위내에서설정된다. 속도조정율은아래의수식 (1) 과같이정의된다. 이는주파수변동이 3~6% 가되어야발전기의출력이 100% 변동한다는의미이다. 즉, 60Hz 기준으로주파수변동이 1.8~3.6Hz가일어나야출력의 100% 가변동한다. 여기서, : 주파수변동율 (60Hz기준) : 발전기출력변동 ( 정격출력기준 ) (1) 이는제주조천변전소에서실증된 BESS의출력지연수준이다. 2.3 전력계통모델전력계통의 BESS에의한주파수추종운전에대한효과를검토하기위해그림 6과같이발전기관성 (Inertia) 과부하댐핌 (Load Damping) 전달함수에그림 1~4에나타낸기력, 가스, 수력, BESS의조속기모델을연결하여주파수해석을위한모델을 MATLAB에서구현하였다. 국내전력계통의주파수관리범위는 60±0.2Hz이다. 여기서 0.2Hz는 60Hz의약 0.33% 이다. 예를들어속도조정율이 3.3% 인수력발전기는주파수가 60Hz에서 0.2Hz 하락하여 59.8Hz로감소하여도주파수응동출력은정격용량의약 10% 가된다. 속도조정율이 6.6% 인경우는 0.2Hz 하락시주파수추종운전출력이정격용량의약 5% 가된다. 기존의발전기들은부하에전력을공급하면서주파수변동에의해출력을조정해야한다. 그러므로발전기의출력이정격용량의약 95% 정도를유지면서주파수변동에따라서조속기의제어에의해나머지의 5% 출력을조정한다. 그러나 BESS는부하공급의목적이아니고오직순수하게주파수추종운전만을목적으로하기때문에본논문에서는주파수가관리범위를벗어나기전에정격출력의 100% 로주파수추종운전을동작하는것으로가정하였다. 따라서본논문에서는속도조정율을 0.167%, 0.25%, 0.333% 로가정하여모의하였다. 이는주파수가 ±0.1Hz, ±0.15Hz, ±0.2Hz 변동하면정격출력의 100% 로응동하는수치이다. 그림 5는속도조정율과주파수에따른주파수응동출력율을나타내고있다. BESS의응답속도는기본적으로 PCS가 16ms이내에서응답하고배터리가 5~10ms이내에응답하는것으로알려져있다. 그러므로주파수조정을위한 BESS의응답지연은연산처리와입력신호에계측, 그리고장치들간의통신시간에따라서결정된다. 그림 4의 BESS 모델에서배터리응답지연시정수 (T BESS) 는 200ms, 400ms, 800ms의출력지연이이루어지도록설정하였다. 그림 6 주파수해석을위한계통모델 Fig. 6 Power System Model for Frequency analysis 계통의관성정수는표 4에나타낸것과같이첨두부하시간 대와비첨두부하시간대를고려하여설정하였다. 발전기의관성 정수는 1,000MVA기준으로환산한값이고부하댐핑상수는 1로 1% 의주파수변화에의해 1% 의부하가반응하는것으로가정하 였다. 표 4 계통모델변수 Table 4 Power System Model Parameters 구분 발전기출력 (MW) 발전기 Inertia(H) (MWs/MVA) 주파수조정예비력 (MW) 비고 원자력 20, 비첨두기력 20, ,066 부하시가스 5, Off- 수력 Peak 4시 합계 46, ,500 원자력 20, 첨두 기력 22, ,164 부하시 가스 15, 시 Peak 수력 2, 합계 61, ,500 그림 5 BESS 속도조정율에따른주파수응동출력 Fig. 5 G/F Output of BESS by Speed Regulation Rate 주파수조정예비력은기력발전기현재출력을 95% 로가정하여나머지 5% 에해당하는용량을할당하였고가스와수력의주 18
4 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 파수조정예비력은확보해야하는 1,500MW에서기력발전기의주파수조정예비력을제외한값을할당하였다. 3. 사례연구 현재 BESS를활용한주파수조정은기력 ( 석탄화력 ) 발전기의주파수조정기능을대체하는것이가장경제적인활용방안으로분석되고있다. 이는석탄화력발전기의발전단가가가스 ( 복합발전 ) 등에비해상대적으로낮기때문에석탄화력발전기를 100% 출력으로운전하고석탄화력발전기의주파수조정기능을 BESS 가대체하는것이가장적합한활용방안으로검토되고있다 [12]. 3.1 사례 1: 기력발전주파수조정예비력 250MW 대체 BESS를활용한주파수추종운전의효과를분석하기위해표 4에정리한첨두부하시와비첨두부하시의상황에서 1,000MW 발전기탈락시의주파수분석을시행하였다. 그림 7과 8일각각비첨두부하시와첨두부하시의주파수와각각의발전기들의주파수응동출력을나타내고있다. 그림 7은비첨두부하시의 1,000MW 사고시주파수하락을나타내고있으며주파수는최저 59.81Hz 까지하락하였다. 이때기력발전기와가스터빈의주파수추종응동출력을그림 7의하부에나타내었다. 가스터빈의주파수응동출력은사고후초기 5초동안은기력발전기의주파수응동출력과유사하게나타났다. 가스터빈의속도조정율이기력에비해낮고시정수도작아기력에비해빠른응답을보이는것을알수있다. 그림 8은첨두부하시의상정사고모의에대한주파수와발전기응동출력을나타내고있다. 첨두부하시에는수력발전이포함되어운영되는것을모의하였다. 사고시주파수는최저 Hz까지하락하였다. 비첨두부하시보다주파수하락이적은이유는첨두부하시에는운영중인발전기가많아계통의관성이증가되었기때문으로판단된다. 그림 7 상정사고시주파수와발전기출력 ( 비첨두부하 ) Fig. 7 Frequency and output during contingency(off peak) 그림 8 상정사고시주파수와발전기응동출력 ( 피크 ) Fig. 8 Frequency and output during contingency(peak) 또한앞서언급한상황에서기력발전기 5,000MW의주파수조정예비력에해당하는 250MW의주파수조정예비력을 BESS로대체하였을경우의주파수도분석하였다. BESS를활용한주파수추종운전의분석에서앞서언급한 BESS의속도조정율을 0.167%, 0.25%, 0.333% 로변경하며분석하였고 BESS의응답속도도 200ms, 400ms, 800ms로변경하며분석하였다. 그림 9과 10은비첨두부하시와첨두부하시의분석결과를나타내고있다. 그림 9에서 Base case는그림 7의상황과동일하게주파수조정예비력은표 4의조건으로분석한결과이고이때주파수는최저 59.81Hz까지감소한뒤주파수추종응동에의하여약 59.88Hz로회복되었다. 주파수조정예비력 250MW 감소 case는발전기의출력은표 4와동일하게가정하고기력발전기의주파수조정예비력에서 250MW가감소된조건에서분석되었다. 이때주파수는 59.79Hz까지하락후 59.86Hz로회복되었다. 여기에 250MW BESS를구성하여주파수분석을시행을한결과속도조정율에따라서 59.83~59.84Hz로사고시최저주파수가개선되었다. BESS 설치전후로최저주파수는 0.05Hz(59.79Hz 59.84Hz) 개선된것을확인할수있다. 기력발전기예비력 250MW를 BESS로대체한후의최저주파수변화는 0.03Hz(59.81Hz 59.84Hz) 개선된것을확인할수있다. 이는동일한주파수추종예비력의조건에서 BESS가기력발전기보다높은효과를보이는것을확인할수있다. 속도조정율이 % 와 0.25% 인 BESS는주파수가각각 59.9Hz와 59.85Hz 아래로떨어지면정격출력을발생하므로사고시최저주파수는동일하게 59.84Hz로나타났다. 그러나회복되는주파수는속도조정율이 % 인 BESS가더높게나타났다. 이는속도조정율이 0.25% 인 BESS는주파수가 59.85Hz이상으로회복되면 BESS의출력이그림 5에나타낸것과같이감소하기때문이다. 그림 10에서도그림 9과동일한현상을확인할수있다. BESS의속도조정율은효과적인측면에서모의에서적용된 3개의수치중 % 일때가장효과가높게나타났다. 또한속도조정율을 % 보다낮게하면주파수변동시 BESS가보다급 주파수추종운전적용을위한 BESS 의운용방법및효과 19
5 전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 그림 9 비첨두부하시기력대체 BESS 응동주파수분석 Fig. 9 Frequency after Replacing ST with BESS(Off-Peak) 그림 11 BESS 응답속도에따른주파수 Fig. 11 Frequency on different BESS Response Time 9회로속도조정율을 % 로설정하였을때정격출력의 100% 출력으로운전하게되는횟수는연간 27회로추정된다 [3]. 3.2 사례 2: 기력발전동일최저주파수 BESS 응동량 그림 10 첨두부하시기력대체 BESS 응동주파수분석 Fig. 10 Frequency after Replacing ST with BESS(Peak) 앞서사례 1에서분석한결과에서알수있듯이동일한용량으로기력발전기의주파수조정예비력을 BESS로대체한경우상정사고시최저주파수를고려할때 BESS의주파수조정효과가기력에비해우수한것을확인하였다. 따라서이번분석사례는기력발전기 5000MW의주파수조정예비력인 250MW와동일한효과를갖는 BESS의용량을반복적인시뮬레이션을통하여도출하였다. 모든 BESS의속도조정율은 % 로설정하였고응답속도는 200ms를적용하였다. 그림 12는비첨두부하시에그림 7의주파수와동일한 base case에서 250MW의기력발전기의주파수조정예비력을 50MW ~ 250MW BESS로대체하였을경우의주파수를함께나타내고 격하게출력을증가하여주파수유지효과는높게나타날것으로판단되나최적의속도조정율을도출하기위해서는동작빈도와충방전출력등을고려하여추가적인많은분석이필요할것이다. 그림 11은비첨두부하시주파수분석에서 BESS의응답속도의차이로인한영향을나타내고있다. 속도조정율은모두 % 로동일하고그림 4의 BESS 모델에서 TBESS를조정하여단위 unit 입력시정격출력이각각 200ms, 400ms, 800ms 지연뒤에발생하도록하였다. 주파수가하락하는상황에서는 BESS의응답속도가빠를수록주파수의하락이미세하게지연되는것을볼수있다. 주파수가회복되는상황에서는 BESS는이미정격출력을발생하고있어응답속도에의한주파수변동의차이를확인하기힘들다. 그림 9,10에서속도조정율의차이에의한주파수변동에대한영향과비교하면 BESS의수백ms의응답시간차이는주파수변동에큰영향을미치지않음을확인할수있다. 전력거래소의 2013년주파수분석에따르면주파수가 59.9Hz 이하로내려간횟수는 18회이고 60.1Hz이상으로상승한횟수는 그림 12 기력대체 BESS 응동량에따른주파수 (off peak) Fig. 12 Frequency on different exchanged BESS Frequency Response capacity(off peak) 20
6 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 그림 13 기력대체 BESS 응동량에따른주파수 (peak) Fig. 13 Frequency on different exchanged BESS Frequency Response capacity(peak) 있다. 100MW의 BESS로 250MW의기력발전기주파수응동예비력을대체한경우사고시최저주파수는 59.81Hz로동일하게나타났다. 주파수추종운전 (G/F) 은사고시급속한주파수의변동에대응하여주파수를 1차적으로회복하고자동발전제어 (AGC) 에의해주파수가회복되도록하는것이기때문에최저주파수의유지측면에서는 100MW의 BESS가 250MW의기력발전기의주파수조정예비력과동일한효과를얻는것으로볼수있다. 또한 200MW의 BESS에의해 1차적으로회복된주파수를보면기력발전기를포함한 Base case에서회복된주파수보다높은주파수로회복된것을볼수있다. 그림 13은그림 12의분석과동일한방법으로진행된것이며다만발전기의구성을첨두부하시를반영한것이다. 사고시최저주파수의경우만을고려하면 150MW BESS의응동시에는최저주파수가 59.83Hz로 250MW의기력발전기를포함한 Base case의 Hz보다높은주파수로유지하고있음을알수있다. 또한주파수추종운전에의해회복된주파수를보면 Base case에서는 Hz로수렴하였으나 250MW의 BESS로운전한결과 Hz로 base case 보다다소낮은값으로수렴되었다. 이는 BESS의속도조정율이 60Hz에서 0.1Hz이상벗어나면정격출력으로반응하고그이하의주파수변동에서는그림 5에나타낸것과같이주파수변화에비례하여응동하기때문이다. 그림 12와 13에서약 10초부근에서발생하는사고시최저주파수는주파수추종 (G/F) 운전에의해서억제되고 1차적으로회복된다. 이때의최저주파수의관점에서만보면 BESS는기력발전기의주파수조정예비력의 40~60% 의용량으로도동일한효과를얻을수있다. 4. 결론본논문에서는기력발전기와가스터빈, 수력발전기의조속기의모델을포함한계통의주파수분석을위한 dynamic model을구성하여분석하였다. 또한주파수추종운전을위한 BESS의모델 을정의하고속도조정율과응답속도의주파수조정효과의영향을살펴보았다. 본논문의분석결과다음과같은결론을얻게되었다. 첫째, 주파수추종운전에서 BESS의주파수조정효과는속도조정율에큰영향을받는다. 계통의주파수유지범위는 60±0.2Hz이나전력거래소의자체유지관리범위는 60±0.1Hz로 0.1Hz이상의주파수변동에서정격출력을발생하는 % 이하의속도조정율이적합할것으로판단된다. 적정속도조정율을도출하기위해 BESS의주파수추종운전횟수등을함께고려해야할것이다. 이는향후전력거래시장에서 BESS에의한주파수조정보조서비스의정산규정에의하여큰영향을받을것이다. 둘째상정사고시최저주파수를동일한수준으로유지하기위해서는 250MW의기력발전기의주파수조정예비력의 40~60% 에해당하는 100~150MW의 BESS로도동일한효과를얻을수있다. 이는향후기력발전기의주파수조정기능을동일한용량으로 BESS가대체하면계통의주파수유지능력이현재보다향상될것으로기대된다. 이러한 BESS의우수한주파수조정기능을효율적으로계통에적용하기위한다양한연구가계속적으로수행될것이다. References [1]S. M. Cho, "Optimal BESS Sizing for Customer using New Model Considering Efficiency and Life Cycle", Ph. D Dissertation, [2] S. M. Cho, H. S. Shin and J. C. Kim,"Modeling of Battery Energy Storage System at Substation for Load Leveling and Its Economic Evaluation", The Trans. on The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 61, No. 7, [3] J. Y Kim, D. H. Lee, K. W. Cho, S. I. Moon, "Statistic Anaysis based on the frequency Control Performance Standard for introducing Grid Scale BESS in korea Power System", KIEE Power Engineering Society Spring Conference, April [4] "KEPCO ESS Installation for Implement Creative Economic", Electric Power, Nov [5] P. Kundur, "Power System Stability and Control", McGraw-Hill, 1994 [6] Korea Power Exchange, "Electric Power Market Operation Manuel", 2013, 10 [7] P. Mackin, R. Daschmans, B. Williams, B. Haney, R. Hunt, J. Ellis, "Dynamic Simulation Studies of the Frequency Response of the Three U.S. Interconnections with Increased Wind Generation", Lawrence Berkeley National Lab. Dec [8] T. Sasaki, T. Kadoya, K. Enomoto, Study on Load 주파수추종운전적용을위한 BESS 의운용방법및효과 21
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