ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 7, pp. 992~998, 2015 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2015.64.7.992 산업용수용가의에너지저장장치적용 Application of Energy Storage System for Industrial Customer 홍종석 * 채희석 ** 강병욱 *** 김태형 김재철 (Jong-seok Hong Hui-seok Chai Byoung-wook Kang Tae-hyeong Kim Jae-chul Kim) Abstract The ESS is composed of Battery Package, PCS(Power Conditioning System) Package, BCU(BESS Control Unit). In Jeju smart grid test-bed, we have developed a business model by ESS power system, renewable energy, transportation, such as customers, and have demonstrated above things. We have analyzed the EMS(Energy Management System) model of KPX where manages supply and demand of domestic electrical power system. We modified and launched EMS for microgrid but the cost was expensive and the system was large size. For releasing this system from industry as a whole, it is imperative to develop PMS(Power Management System) for microgrid. However, the cost of EMS for microgrid is expensive, some systems because it is a large development of the all of the first fruits in urgent PMS(Power Management System) for microgrid to be used in industry in general. Therefore, in this paper, we propose the ESS model considering the power systems characteristics and extensibility in korea. and also we propose the PMS to manage the ESS systems. Key Words : Smart grid, EMS(Energy Management System), PMS(Power Management System), Lithium, Battery, ESS(Energy Storage System), Micro grid 1. 서론 스마트그리드제주실증국책과제스마트리뉴어블 (Smart Renewable) 을통해한전컨소시엄, 포스코컨소시엄, 현대중공업컨소시엄은에너지저장장치 (Energy Storage System, 이하 ESS) 와에너지관리시스템 (Energy Management System, 이하 EMS) 를개발하여대용량풍력발전기출력안정화를목표로하여리튬, 인산철등의배터리기술과대용량인버터기술을이용하여 ESS를개발하여, 제주실증 Test-Bed에설치및실증을완료하였다 [1]. 이후정부, 공공기관, 사업자들과협력하여전력계통보조서비스중주파수조정용 ESS 사업, 에너지다소비산업군용 ESS 사업등사업모델개발에박차를가하고있다. 본논문에서는설치가용이하고확장연계및옥외설치가가능한 20 피트컨테이너용대용량 ESS 를연구, 개발하여상업운전중인산업용수용가에시범설치하였다. 본논문에서는에너지다소비산업군수용가중제철소내단위공장을선정하여 1MW/500kWh Lithium ESS 상용품적용, 실증하고, 향후제철소내 ESS 설비보급확장을위한산업용 ESS 사업모델로사용할계획이다. 아울러, 계통연계시동기화, ESS 충방전응답특성, C-rate 별연속운전특성에대한결과를분석하였다. 2. BCS 패키지 그림 1 은 ESS 의구성도를나타냈으며, 구성은배터리부문 (Battery Conditioning System, 이하 BCS) 패키지, 전력변환부문 (Power Conditioning System, 이하 PCS) 패키지, ESS 통합제어기 (BESS Control Unit, 이하 BCU) 로구성된다. 본장 Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea E-mail : jckim@ssu.ac.kr * Dept. of Electrical Engineering, Soongsil Univ., Korea ** Dept. of Electrical Engineering, Soongsil Univ., Korea *** Dept. of Electrical Engineering, Soongsil Univ., Korea POSCO ICT, Korea Received : March 18, 2015; Accepted : June 29, 2015 그림 1 ESS 구성도 Fig. 1 ESS configuration diagram 992 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 (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 7, JUL, 2015 에서는 BCS 의구성에대하여언급한다. 싱방법의흐름도를나타낸다. 2.1 BCS 구성 BCS는 20피트하이큐빅 (High Cubic, HC) 표준컨테이너에리튬계열배터리랙 (Rack) 과전지를제어하기위한 BMS (Battery Management System) 와배터리충방전시적정온도 (23 ±5 ) 유지를위한공조설비 (Heating, Ventilation and Air Conditioning, 이하 HVAC) 및소방설비, Incoming Panel등을포함한다. 표 1은 500kWh급 BCS에대한상세사양을나타냈다. 표 1 BCS 사양 Table 1 Specification of BCS 구성품상세 Remark Cell Lithium Polymer 57.4 Wh 그림 2 셀밸런싱 BMS 구성도 Fig. 2 Cell balancing BMS configuration Module 14S4P Cell 3.2 kwh Nominal Voltage 51.8 Vdc Battery Rack 14 Module 45 kwh Nominal Voltage 726 Vdc BPU 1 set System 13 Rack 585 kwh Bank BMS Rack BMS 제어 1 set BSC BMS 통합제어 1 set UPS 제어전원공급 2 kva HVAC 공냉식 25 RT Fire Fighting 가스계 (HFC23) 1 set DVR 감시 1 set Incoming Panel ACB, MCCB 1 set Container 20FT HC 1 set 2.2 Battery Management System(BMS) 그림 3 셀밸런싱흐름도 Fig. 3 Cell balancing flowchart 배터리밸런싱은 BMS에서이루어진다. 고전압 BMS에서는셀밸런싱기술을도입하여셀간전압편차를감소시키고자하는노력이있었고, 밸런싱방법으로는저항에의한방전방식의패시브셀밸런싱방법과 DC 컨버터에의한액티브셀밸런싱방법이널리알려져있다 [2]. 패시브셀밸런싱방법은셀간전압편차에대한정보를실시간전압측정을통해획득하며, 이값에근거하여밸런싱동작여부를결정하게된다. 배터리사별전지특성에따른셀밸런싱토플러지를보유하고있으므로본논문에서적용된 L사리튬기반 BMS 셀밸런싱에대하여서술한다 [3]. 그림 2는셀밸런싱장치를포함하는 BMS를표시하였고, 그림 3은배터리셀밸런 3. PCS 패키지 앞서 2 장에서는 ESS 의구성도에서 BCS 패키지에대하여언급했다. 본장에서는 PCS 의구성에대하여언급한다. 3.1 PCS 구성 PCS 는 BCS 와마찬가지로 20 피트하이큐빅표준컨테이너에 Power Conversion Unit( 이하 PCU) 주설비와건식변압기, 스위치기어등계통연계설비와, HVAC, Chiller, UPS 등의주변설비로구성되며, 제어구성은 PCS, PCU, 주변설비등을통 산업용수용가의에너지저장장치적용 993
전기학회논문지 64 권 7 호 2015 년 7 월 합제어하기위한 Control Panel과 BCS와 PCS 및계통연계제어를위한 BCU로구성된다. 그림 4는전력변환장치의주설비인 PCU 단선도를나타냈다. 그림 4의좌측이계통 (AC) 연계측이며우측이 BCS(DC) 측이다. ESS 운전방식분류는계통연계형 (Grid connected type) 운전과마이크로그리드망또는계통에고장이발생한경우중요부하에전원을공급하기위한독립형 (Grid independent type) 운전으로분류할수있으며, 그림 5와같다. 그림 4 PCU 단선도 Fig. 4 PCU single line diagram PCU 구성은계통부터 ACB, EMI Filter, L-C-L Filter, IGBT를병렬구성한 Power Stack, Fuse, DS순이며, 초기기 동시돌입전류발생을방지하기위해초충시스템 (Pre-Charge System) 을병렬로구성하였다. 표 2는 PCU 사양을나타냈다. 표 2 PCU 사양 Table 2 Specification of PCU 구성품 상세 Remark Capacity 3w3φ 1,100 kva AC Voltage 380 V Current 1,670 A DC Voltage 650 1,000 Vdc Current 1,540 Adc IGBT Stack 3 Parallel/phase 1,700 V 1,000 A PF ±0.99 % Capacitance 19,200 μf DC Capacitor Voltage 1,100 V Current 1,600 A Filter LCL 1 set % Impedance 10 % Chiller for IGBT 27,000 kcal/h HVAC for PCS 10,600 kcal/h 3.2 PCS 제어 ESS 적용분야는대표적으로풍력발전출력안정화를위한 Ramp 제어 [4], 계약전력에대한연중첨두부하삭감 (Peak Shaving), 시간대별전력차를이용하는부하평준화 (Load Levelling) 등이 있으며 [5, 6], 적용분야에따라 PCS 제어방법과알고리즘이 필요하다. 그림 5 ESS 제어알고리즘 Fig. 5 ESS control algorithm 계통연계운전에서는초기에계통과 PCS를연계하기위한계통동기화를수행하며, 계통동기화가완료된후에는상위의지령에따라동작하게된다. 기존의운전방식의경우에는스위치기어를동작시켜계통과 PCS의출력측변압기를연계하고전력모듈의출력을변압기 2차측전압과동기화시키는방법을주로이용하였으나, 이러한경우초기충전회로없이연결되는경우과도상태에서정격의 2배이상의돌입전류가발생하여계통에문제를발생시킬수있다 [7]. PCS는초기에전력모듈의출력단을 ACB를통해변압기에연결하고계통전압의위상과크기가동일하도록 PCS의출력을서서히증가시켜변압기를가압한후계통의전압과 PCS의출력전압이일치하는것을확인하고스위치기어를동작시켜계통과연계하는동작을수행한다. 이러한경우계통연계시에발생하는과도상태의전류를정격전류의 10% 이내로제한할수있다. 계통연계운전에서제어모드는 2가지로구성되며, 먼저상위의전력지령치에따라에너지를충 / 방전하는계통전력제어 (Constant Power Control, CP) 모드와배터리의전압을유지하면서 SOC를 100% 로충전하는직류전압제어 (Constant Voltage Control, CV) 모드로구성된다. 계통전력제어의경우상위시스템에서계통의상황과배터리전력을파악하여필요한충방전전력을제어하게되고, 직류전압제어의경우배터리의전압과 SOC를확인하면서완전충전이가능하도록직류전압을제어한다. 계통전력제어와직류전압제어의결정은상위시스템에서결정하게되며, 원하는출력을얻기위해서 AC Current Control에지령치를입력한다. AC Current Control에서계산된지령치는전력모듈로전송되고실제출력에반영된다. 독립운전은정격의크기와주파수를갖는전압을발생하며, 부하에따라서출력전력이결정된다. 출력전압의크기와주파수는 PCS에파라미터로입력되는계통전압크기, 주파수를기준치로사용한다. 출력전압기준값은 AC Voltage Control에입력되며, 원하는전압이출력되도록기준값을전력모듈에전송한다. CP/CP제어에서제어기상세블록도는그림 6과같다. 994
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 7, JUL, 2015 그림 6 계통연계운전 (CP/CV제어) 블록도 Fig. 6 CP/CV control block diagram 는직류전압제어의비례이득값, 는직류전압제어의적분이득값을나타낸다. 직류전압제어는과도상태에오버슈트가발생하지않도록 PI 제어기로설계하였다. 출력전류의기준값은계통전력제어와마찬가지로 AC Current Control에입력되며제어기출력을전력모듈에전송한다. 독립운전모드에서의제어블록도는다음그림 7과같다. 독립운전의경우에는 PCS출력의기준이되는계통전압이존재하지않기때문에 PCS에입력된계통정격전압크기, 주파수파라미터를적용하여 AC 전압기준값을생성하며이는 AC Voltage Control의입력이된다. 계통전력제어기는계통전압의크기를반영하여전류기준값을생성하며수식 (1) 과같다. (1) 그림 7 독립모드블록도 Fig. 7 Grid independent control block diagram 여기서, 는계통전력제어에서계산된출력전류기준 값, 은상위에서 ESS에입력되는출력전력기준값, 는계통전압의크기를나타낸다. 상위의지령이일정한경우계통전압의크기가증가하는경우 ESS의출력전류는감소하게되고, 반대로계통전압의크기가계통전압의크기가감소하는경우출력전류는증가하게된다. AC Current Control은계통전력제어기에서계산된출력전류의기준값을입력받아 PI제어를수행하여출력전압기준값을생성하며, 수식 (2) 와같다. (2) 여기서, 는전력모듈에입력되는출력전압의기준값, 는출력전류의기준값, 는출력전류의피드백값, 는 AC Current Control의비례이득값, 는 AC Current Control의적분이득값을나타낸다. 출력전류와피드백전류의오차에대한제어기출력에제어기의특성을향상시키기위한전향보상으로계통전압크기를반영하여출력전압기준값을생성한다. 직류전압제어기는직류전압의기준값과현재직류전압크기를비교하여일정한전압을유지시킬수있도록출력전류기준값을계산하며수식 (3) 과같다. 값, (3) 여기서, 는직류전압제어에서계산된출력전류기준 는직류전압의기준값, 는직류전압의피드백값, AC Voltage Control 은 PI 로제어로구성되어있으며, 수식 (4) 와같다. (4) 여기서, 는전력모듈에입력되는출력전압의기준값, 는출력전압의기준값, 는출력전압의피드백값, 는 AC Voltage Control의비례이득값, 는 AC Voltage Control의적분이득값을나타낸다. 출력전압기준값과출력전압을비교하여기준값을추종하도록전력모듈에기준값을전송한다. 4.1 ESS 계통연계구성 4. 사례분석 본장에서는사례분석을위해 ESS 시험설비와산업용수용가 ESS 계통연계를나타냈으며, 그림 8은 ESS를계통에연계하기위한전력계통단선도이다. 전압레벨에따라 22,900V 등고압이상에연계하였지만그림 8은산업용수용가내 ESS를설치하여기존첨두부하삭감 (Peak Shaving, 이하 PS), 부하이동 (Load Shifting, 이하 LS) 뿐만아니라비상전원 Back-up용으로적용하기위해중요비상부하전원단인저압 440V에연계한것이다. 본논문에서다루는산업용수용가는비상발전기가없으며, UPS만설치되어있다. 정상시에는 PS, LS를스케쥴링에따라운영하며, 비상시에는 UPS 기동후 ESS를비상전원 Back-up 용으로최대 100kW 4 시간동안사용할수있다. 산업용수용가의에너지저장장치적용 995
전기학회논문지 64 권 7 호 2015 년 7 월 그림 8 ESS 연계전력계통단선도 Fig. 8 Single line diagram for ESS 그림 10 4MVA ESS 시험설비단선도 Fig. 10 4MVA ESS test equip. single line diagram 4.2 ESS 시험설비구성 그림 9는 ESS를계통과연계, 단독시험하기위한장비를나타냈다. 시험장비종류로는전압별전원공급장치와 4MVA 부하장치로구성되었다. 그림 10은 4MVA ESS 시험단선도및배터리모의설비를나타냈으며, 해당시험설비구성은전압별, 부하별시험뿐만아니라배터리모의에대한시험등다양한시험을수행할수있다. 그림 11 계통연계시변압기돌입전류파형 Fig, 11 Tr. inrush current wave on grid connected 그림 9 4MVA ESS 시험설비 Fig. 9 4MVA ESS test equipment 4.3 ESS 시험결과그림 11은스위치기어를직접동작시켜변압기를가압하는경우에나타나는파형으로과도상태에서 2배이상의정격전류가발생하며, 이는계통에문제를발생시킬수있다. 그림 12는 PCS의출력전압을계통전압과동일하게발생시켜스위치기어를연결하는경우계통과연계시에발생하는전류를최소화시킬수있으며, 계통과 PCS가연계되는경우에도전류가정격전류의 10% 이내로제한되는것을알수있다. 그림 12 계통연계시인버터동기화 Fig. 12 Inverter sync. on grid connected 그림 13과 14는 ESS의충전과방전시에파형을나타냈으며, 출력전류의기준방향을 PCS에서계통측으로나가는방향을양의부호로기준으로설정하였으며, 방전은양의부호, 충전은음의부호로나타냈다. 그림 13은충전동작시파형으로출력전류가기준치를약 10ms내에추종하며, 출력전류는계통전압과반대의위상을갖 996
Trans. KIEE. Vol. 64, No. 7, JUL, 2015 는다. 그림 14는방전시파형으로출력전류가기준치를 10ms내에추종하고출력전류의위상은계통전압과동일한것을알수있다. 기준치가변동하여출력전류와일치하지않는구간에서기준치가변동하는것은 PCS의전력출력에따라서계통전압의크기가변동하여발생하는현상으로정상상태에서는기준값이변동하지않는것을확인할수있다. 그림 15와그림 16은각각 1MW, 500kW로충방전연속운전을수행한파형이다. 충전동작시에는배터리전압이상승하면서직류전류는감소하지만계통전압과전류는일정한것을확인할수있다. 반대로방전동작시에는배터리전압이하강하면서직류전류는증가하게된다. 그림 17은 CP-CV모드동작을확인한파형이다. CP모드에서는 1MW로일정하게충전을수행하고배터리전압이설정전압 (795V) 에도달하게되면 CV모드로전환한다. CV모드로운전하는경우배터리전압은일정하게유지되고충전되는전류가점점감소하는것을확인할수있다. 그림 13 충전동작시응답특성 Fig. 13 Step response on charge operation 그림 16 500kW 충방전연속운전 (1CP-rate) Fig. 16 Charge-Discharge continuous operation at 1CP-rate 그림 14 방전동작시응답특성 Fig. 14 Step response on discharge operation 그림 17 CP-CV 모드운전 Fig. 17 CP-CV mode operation 5. 결론 그림 15 1MW 충방전연속운전 (2CP-rate) Fig. 15 Charge-Discharge continuous operation at 2CP-rate ESS는사용목적이계통연계, 독립계통, 신재생에너지출력안정화, 에너지효율화등의목적에따라계통구성방법, ESS의용량및구성요소가결정된다. 또한, ESS 적용에따른전력계통의해석이필수적이며, 그계통에포함된분산전원과의상관관계를분석해야만운전시문제를야기하지않는다. 분석요소로는조류계산, 고장전류계산, 부하분석등이있으며, 이러한분석을통하여시스템설계및운영시나리오를확정할수있다. 본논문에서는에너지다소비산업용수용가에 ESS를적용하기위한준비단계로특정한목적 ( 첨두부하제한, 부하이동등 ) 을 산업용수용가의에너지저장장치적용 997
전기학회논문지 64 권 7 호 2015 년 7 월 위한운전방식이적용되지않았다는점에서한계는있을수있으나, 실제산업용수용가에 ESS를설치운영하고, 계통연계및운전방식에따른결과를실측하여이에대한결과를분석하였다는점에서의미를둘수있다. 계통연계시인버터에의한계통과의동기및전압크기에대한조정없이투입할경우정상전류에비해 2배이상의큰전류가흐르게되며이를 PCS를통해제어할경우 10% 까지줄일수있는것으로판단된다. 또한본논문에서적용한 PCS 제어알고리즘이 C-rate에따른충방전운전을이상없이수행할수있으며, CP-CV 운전에의한베터리충전도원활한것으로확인되었다. References [1] J. S. Hong, C. H. Choi, J. Y. Lee, J. C. Kim, Assessment of Performance for Output Power Control of Wind Turbine using Energy Storage System, The Transactions of Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63P, No. 4, pp. 254-259, Dec., 2014 [2] White Paper Dissipative VS. Non-dissipative balancing(passive VS. Active balancing), based on section 3.2.3.3 of the book Battery Management System for Large Lithium Ion Battery Packs [3] H. S. Kim, S. J. Kim, I. H. Lee, Method and Device for Cell Balancing of Battery Pack, PCT/KR2011/001856, LG Electronics In., 2011 [4] J. W. Park, Y. H. Park, S. I. Moon, Instantaneous Wind Power Penetration in Jeju Island, PES General meeting, July, 2008. [5] K. C. Divya, Jacob Ostergaard, Battery Energy Storage Technology for Power Systems-An Overview, Electric Power System Research, pp. 511-520, 2009. [6] Sergio Vazquez, Srdjan M. Lukic, Eduardo Galvan, Leopoldo G. Franquelo, Juan M. Carrasco, Energy Storage Systems for Transport and Grid Applications, IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 57, No. 12, pp. 3881-3895, 2010. [7] J. H. Shin, G. S. Jang, Y. B. Yoon, The Effect on Real Power System by the Inrush Current of a Transformer, KEPRI, pp. 318-321, Nov. 1999. 저자소개 홍종석 (Jong-seok Hong) 1972년 12월 2일생. 2000년안양대전기공학과졸업. 2002년숭실대학교대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 2012년동대학원전기공학과박사과정수료 Tel : 02-817-7966 E-mail : entrany@gmail.com 채희석 (Hui-seok Chai) 1984년 10월 6일생. 2011년숭실대전기공학과졸업. 현재동대학원전기공학과석박통합과정수료. Tel : 02-817-7966 E-mail : selaff@ssu.ac.kr 강병욱 (Byoung-wook Kang) 1985년 1월 21일생. 2010년숭실대전기공학과졸업. 2012년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 현재동대학원박사과정수료. Tel : 02-817-7966 E-mail : kangbw@ssu.ac.kr 김태형 (Tae-hyeong Kim) 1983년 7월 2일생. 2008년광운대전기공학과졸업. 2010년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 현재 포스코ICT R&D 센터선임연구원 Tel : 031-723-3966 E-mail : th2kim@poscoict.com 김재철 (Jae-chul Kim) 1955년 07월 12일생. 1979년숭실대전기공학과졸업. 1987년서울대대학원전기공학과졸업 ( 박사 ). 현재숭실대전기공학부교수. Tel : 02-820-0647 E-mail : jckim@ssu.ac.kr 998