김용하
(Yong-Ha Kim)
1
박종민
(Jong-Min Park)
1
이혜선
(Hye-Seon Lee)
1
한상화
(Sang-Hwa Han)
1
정재훈
(Jea-Hoon Jung)
1
최유림
(You-Rim Choi)
1
임태훈
(Tae-Hun Lim)
1†
-
(Incheon National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Energy Storage System, Frequency Stability, Local Characterisric, Solar Power, Wind Power
1. 서론
저렴한 전기요금과 생활수준 향상 등으로 인하여 전력소비량은 매년 증가하고 있지만 대단위 발전소의 건설 및 송전망의 건설에 대한 어려움에 직면하고 있다[1]. 이의 해결을 위한 하나의 방안으로 우리나라에서도 에너지 3020계획에 의거하여 주로 태양광발전과 풍력발전의 보급 확산을 적극 추진하고 있는 실정이나
이들 에너지원의 출력변동성이 전력계통 운용에 어려움을 주고 있는 실정이다[2].
출력변동성에 대응하여 전력계통의 수급을 맞추기 위해서는 출력변동성에 대응할 수 있는 적정 수준의 예비력 확보가 필요하다. 적정 수준의 예비력 확보는
공급 측면의 경우 기저 부하 설비의 건설을 통한 전력의 확보 등이 있다. 그러나 기저 부하 설비인 원자력 발전소나 석탄 발전소의 경우 안전성 및 환경문제로
인해 발전소의 건설이 어려워지고 있는 실정이다.
따라서 본 논문에서는 “주파수 안정도 측면에서의 국내 전력계통에서 수용 가능한 풍력 및 태양광발전 투입한계량 산정에 관한 연구”[3], “풍력 및 태양광발전이 국내 전력계통에 미치는 국지적 특성에 관한 연구”[4] 및 “예비력을 고려한 국내 전력계통에서 수용 가능한 풍력 및 태양광발전량 산정에 관한 연구”[5] 논문을 전제로 하여 계획된 신재생에너지원 용량이 투입되더라도 이들의 출력변동성에 대응할 수 있는 방안의 하나로 에너지저장장치(이하 ESS)의 추가
설치를 고려하였다. 즉 우리나라 전력계통계획에서 계획된 재생에너지원이 투입되었을 때 전력계통의 안정적인 운전을 위하여 필요한 ESS의 용량을 산정하였다[6].
본 논문에서의 시뮬레이션 데이터는 한국전력공사의 PSS/E Data를 사용하였으며, 시뮬레이션은 PowerWorld Simulator로 수행하였다.
본 연구는 7차 전력수급기본계획의 기간에 진행되어 모든 데이터는 7차 전력수급기본계획에 근거하였다.
2. ESS의 모델링
ESS의 계통 연계형 모델링을 위해 PowerWorld Simulator의 CBEST 모델을 적용하였다. CBEST 모델은 미국 전력연구소(Electric
Power Research Institute, EPRI)에서 개발한 Battery energy storage 모델이며, ESS 시뮬레이션 모델링에
가장 많이 활용되고 있다. 그림. 1은 CBEST의 Block diagram을 나타낸다.
Fig. 1. Block diagram of CBEST[7]
3. 풍력 및 태양광발전의 투입방법
풍력 및 태양광발전의 투입년도 및 투입방법은 참고문헌 [3-5][3-5]에서의 방법과 동일하게 하였으며, 제 7차 전력수급기본계획의 종료년도인 2029년도를 시뮬레이션의 대상년도로 하였다.
상기 논문의 풍력 및 태양광발전의 투입 방법을 간단히 요약하면 다음과 같다.
3.1 투입 위치 선정
풍력 및 태양광발전의 추가 투입 위치는 현재 운용되고 있는 풍력 및 태양광발전의 위치에 설치 용량에 비례한 용량으로 배분하여 투입하였다.
3.2 정지(병렬 해지) 발전기 선정
전력의 공급과 수급의 균형을 맞추기 위해 풍력 및 태양광발전이 전력계통에 투입한 용량만큼 일반 발전기를 정지하였다. 정지발전기의 기준은 다음과 같이
하였다.
(1) 우리나라의 계통구성상 수도권에 부하가 집중되어 수도권 송전망의 혼잡 및 송전 손실을 고려하여 수도권의 발전기는 정지하지 않는 것으로 하였다.
(2) 수도권에는 LNG 발전소가 다수 건설되어 있으므로 비수도권지역의 LNG 발전소를 정지시킨다.
(3) 오염물질 배출이 심한 무연탄 및 유연탄을 정지하는 것으로 하였다.
(4) 동일한 전원종별에 대해서는 건설 년도가 오래된 발전소부터 정지하는 것으로 하였다.
4. 풍력 및 태양광발전의 투입년도 및 투입량 산정
풍력 및 태양광발전의 투입량은 2029년도 제 2차 에너지 기본계획의 계획량으로 하였다. 그러나 제 2차 에너지기본계획은 2020년, 2025년,
2035년 1차 에너지기준 신재생에너지 원별 보급 목표 비율 및 보급 목표량[toe]만 명시되어있다. 따라서 2020년, 2025년, 2035년 1차
에너지 기준 원간 목표 비율을 회귀분석하여 2029년 원별 목표 보급 비율을 산정한 후 같은 방법으로 보급 목표량[toe]을 회귀분석을 수행하여 신재생에너지
원별 보급 목표량[MW]을 산정하였다. 산정된 신재생에너지원 중 본 논문에 투입되는 풍력 및 태양광발전 투입량은 표 1과 같다[3].
Table 1. Wind energy of 2029 fiscal year of the second energy basic plan and planned
solar power generation amount
|
|
풍력
|
태양광
|
합계
|
|
투입량 (MW)
|
10,947
|
9,840
|
20,787
|
5. ESS 투입 위치 설정 및 투입 용량 산정
5.1 ESS 투입 위치 설정
10분 출력변동성을 고려할 경우 출력의 변동으로 인해 선로조류가 바뀌게 된다. 이 때 신재생에너지원이 아닌 일반발전기 접속 모선에 ESS를 투입할
경우 출력변동시 조류의 변동이 크게 되어 전력계통 운용에 또 다른 문제를 발생시키게 된다.
그러므로 2029년도에 풍력 및 태양광발전의 계획량을 모두 수용하기 위한 ESS 투입 위치는 (1) 풍력발전 및 태양광 발전기가 접속되어있는 모선,
(2) Slack 모선으로 하였다. 전력계통에서 Slack 발전기는 계통상황에 변화하는 송전선로 손실의 조정기능을 담당하는데, 풍력 및 태양광발전의
투입으로 Slack 발전기의 발전력이 커지는 경우가 발생할 수 있어 Slack발전기의 발전력을 분담하고자 ESS를 Slack 모선에 접속하였다. 또한
송전 손실을 줄이기 위하여 ESS 투입 위치는 신재생에너지원이 접속되어 있는 모선으로 결정하였다.
ESS가 접속된 모선은 표 2와 같다.
Table 2. ESS input location
|
Name of Bus
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에너지원 전원종류
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영월
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태양광
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여수산단
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풍력
|
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장흥
|
풍력
|
|
평창
|
풍력
|
|
진보
|
풍력
|
|
송도
|
풍력
|
|
영덕
|
풍력
|
|
삼천포#6
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화력, Slack 모선
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|
횡성
|
풍력
|
|
태백
|
풍력
|
|
신제천1
|
태양광
|
|
창원1
|
태양광
|
5.2 ESS 투입 용량 산정
ESS를 투입하여 제 2차 에너지기본계획의 신재생에너지원 계획량을 모두 수용할 수 있는 ESS 투입 용량을 도출하기 위해서 기존 발전기를 정지하고
ESS를 투입하는 방법으로 Simulation을 수행하여 신재생에너지원 추가 투입을 위한 적정 ESS 투입 용량을 산정하였다.
ESS의 모선별 투입용량은 ESS 전체투입용량을 각 모선별로 균등하게 분배하였으며 이때 슬랙모선은 계통에서 발생하는 손실을 담당하며, 기준모선으로서의
역할을 담당하므로 이보다 큰 용량인 450MW를 투입하도록 하였다. 이를 기준으로 각 모선의 ESS의 용량을 50MW씩 증가시켜가며 수렴주파수 및
주파수의 수렴여부 를 확인하였다.
6. 사례 연구
신재생에너지원 발전기가 투입되어있는 위치에 2029년 신재생에너지 계획량만큼 추가 투입하여 출력변동성을 고려할 경우 제 2차 에너지기본계획에 의해
풍력발전과 태양광 발전을 모두 투입한 경우 풍력과 태양광발전의 10분 출력변동성에 의해 주파수가 59.8Hz 아래로 떨어져 수렴하는 현상이 발생하였다.
풍력과 태양광 발전의 10분 출력변동성에 의한 주파수는 표 4와 같다.
6.1 ESS 투입량 산정을 위한 주파수 평가 요소
ESS 투입 용량을 산정하기 위해 주파수 평가 요소를 구성하였다. 주파수 평가 요소는 참고문헌 [3][3]과 동일하게 하였다. 참고문헌 [3][3]의 주파수 평가 요소와 본 논문에서 이용한 평가 요소는 다음과 같다.
6.1.1 출력변동성에 대한 주파수 평가 요소
풍력발전 및 태양광발전의 출력변동성을 변수로 한 시나리오를 구성하여 ESS 투입량을 산정하였다.
풍력 및 태양광 발전의 출력변동성은 한국전력거래소(KPX)에서 2014년도에 수행한 “신재생에너지 설비의 대규모화에 따른 수급계획 수립 방안 연구”의
보고서의 결과를 활용하였다[8]. “참고문헌 [3][3]에서 사용한 출력변동성 시나리오는 표 3과 같다.
Table 3. Output variation scenario in reference[3]
|
|
시나리오에서 고려된
|
풍력 출력 변동률 (%)
|
태양광 출력 변동률 (%)
|
|
풍력 출력 변동성
|
태양광 출력 변동성
|
|
시나리오 1
|
5분
|
0분
|
25
|
0
|
|
시나리오 2
|
0분
|
5분
|
0
|
32
|
|
시나리오 3
|
10분
|
0분
|
29
|
0
|
|
시나리오 4
|
0분
|
10분
|
0
|
35
|
|
시나리오 5
|
5분
|
5분
|
25
|
32
|
|
시나리오 6
|
5분
|
10분
|
25
|
35
|
|
시나리오 7
|
10분
|
5분
|
29
|
32
|
|
시나리오 8
|
10분
|
10분
|
29
|
35
|
풍력과 태양광의 출력변동성이 가장 큰 값을 가진 시나리오 8을 대상으로 ESS 투입 용량 산정 주파수 평가요소로 사용하였다. 또한 주파수 규정 범위는
[전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준]에 명시된 60Hz±0.2Hz로 하였다[9].
6.1.2 N-1 Rule
발전기 사고를 고려하는 경우 여러 대의 발전기가 동시에 고장날 확률은 매우 적으므로 발전기 한 대만의 고장을 고려하되 전력계통은 항시 가장 최악의
상태가 발생한 경우에도 계통의 안정성을 유지하여야 하므로 발전기중 가장 큰 용량의 발전기가 고장 났다고 가정하는 N-1 Rule을 적용하였다.
전력계통에서 발전기의 탈락은 전력계통의 주파수 변동에 큰 영향을 미친다. 따라서 대용량 단위기 1기 고장 시 전력계통 수급평형을 이루며 주파수의가
규정치 범위 내에서 유지되는지를 판정하였다. 이 때 수렴 주파수 규정 범위는 60Hz±0.2Hz로 하였다.
탈락 발전기는 표 4와 같이 하였다.
Table 4. Simulation result of frequency stabilitylimitation according to the volatility
of fluctuation rate of power[3]
|
|
수렴 주파수 (Hz)
|
수용가능여부
|
|
시나리오 1
|
59.84
|
가능
|
|
시나리오 2
|
59.85
|
가능
|
|
시나리오 3
|
59.82
|
가능
|
|
시나리오 4
|
59.84
|
가능
|
|
시나리오 5
|
59.75
|
불가능
|
|
시나리오 6
|
59.74
|
불가능
|
|
시나리오 7
|
59.74
|
불가능
|
|
시나리오 8
|
59.72
|
불가능
|
6.2 출력변동성에 ESS 투입 용량
Slack모선을 제외한 나머지 신재생에너지원 접속 모선에 250MW의 용량을 접속하고, Slack모선에 450MW의 ESS를 접속하여 총 3,200MW
용량의 ESS를 투입하여 각 모선의 ESS 투입 용량을 50MW씩 증가시키며 출력변동성에 대한 수렴 주파수를 도출한 결과는 표 5와 같다.
Table 5. N-1 Rule applied drop generator
|
탈락 발전기
|
총 탈락 발전력 (MW)
|
|
신고리 6G
|
1,460
|
그림. 2는 ESS를 3,800MW 투입시킨 경우의 주파수 수렴특성을 보인 것이다.
Fig. 2. Frequency convergence characteristics when ESS is input at 3,800MW
출력변동성에 대한 주파수 도출 결과 2029년 국내 전력계통에서 제 2차 에너지기본계획의 풍력 및 태양광발전의 계획량을 모두 수용하기 위해서는 필요한
ESS 투입 용량은 최소 3,800MW로 도출되었다.
6.3 N-1 Rule에 의한 ESS 투입 용량
출력변동성에 대한 ESS 투입 용량 산정과 마찬가지로 각 모선의 ESS 투입 용량을 증가시키며 N-1 Rule 시뮬레이션을 수행한 결과는 표 6과 같다.
Table 6. Frequency for output volatility by ESS input capacity
|
ESS 투입 용량 (MW)
|
주파수 (Hz)
|
|
3,200
|
59.778
|
|
3,800
|
59.815
|
|
4,400
|
59.824
|
|
5,000
|
59.833
|
그림. 3은 ESS 투입 용량 [MW]이 3,800MW일 때 경남지사의 수렴특성을 보인 것이다.
Fig. 3. Frequency convergence characteristic of Gyeongnam branch when N-1 rule is
applied
경남지사의 경우 ESS투입 전 주파수의 변동 폭이 최대 0.22Hz이었지만 ESS를 투입함으로써 주파수의 변동 폭이 최대 0.13Hz로 감소하고,
동요횟수도 줄어들고 있다.
N-1 Rule에 의한 주파수 도출 결과 2029년 국내 전력계통에서 제 2차 에너지기본계획의 풍력 및 태양광발전의 계획량을 모두 수용하기 위한 ESS
용량은 시뮬레이션 초기 조건이었던 3,200MW로 도출되었다.
Table 7. N-1 Rule simulation result by ESS input capacity
|
ESS 투입 용량 (MW)
|
주파수 (Hz)
|
|
3,200
|
59.951
|
|
3,800
|
59.990
|
|
4,400
|
60.000
|
|
5,000
|
60.010
|
7. 결 론
본 논문에서는 “주파수 안정도 측면에서의 국내 전력계통에서 수용 가능한 풍력 및 태양광발전 투입한계량 산정에 관한 연구”, “풍력 및 태양광발전이
국내 전력계통에 미치는 국지적 특성에 관한 연구” 논문 및 “예비력을 고려한 국내 전력계통에서 수용 가능한 풍력 및 태양광발전량 산정에 관한 연구”
논문을 전제로 2029년 국내 전력계통에서 풍력 및 태양광발전을 제 2차 에너지기본계획의 계획량을 수용하기 위한 대안으로 ESS 설치를 제안하였으며,
투입 용량을 산정하였다.
본 논문의 결론을 요약하면 다음과 같다.
(1) 재생에너지원의 10분 출력변동성에 의한 주파수 변동에 대처하기 위한 ESS 투입 용량 산정 결과, ESS 용량은 최소 3,800MW일 때 2029년
국내 전력계통이 풍력 및 태양광발전의 계획량을 모두 수용할 수 있는 것으로 도출되었다.
(2) N-1 Rule에 의한 ESS 투입 용량 산정 결과, ESS 용량은 시뮬레이션 초기 조건인 3,200MW일 때 2029년 국내 전력계통이 풍력
및 태양광발전의 계획량을 모두 수용할 수 있는 것으로 도출되었다.
(3) 풍력 및 태양광발전의 투입 위치나 정지발전기의 위치, ESS의 투입 위치에 따라 결과가 상이해질 수 있지만, 현재 신재생발전이 운용되고 있는
지점을 기반으로 신재생에너지원을 투입하였을 경우에 출력변동성에 의한 ESS 투입 용량과 N-1 Rule 에 의한 ESS 투입 용량을 산정한 결과,
주파수 시나리오를 모두 만족하는 ESS 투입 용량은 3,800MW로 산정되었다.
즉 2029년 국내 전력계통에서 풍력 및 태양광을 모두 수용하기 위한 대책으로 ESS 설치 방안이 있으며, 이때의 ESS 용량은 최소 3,800MW
이상 투입하여야 계통의 주파수를 규정치 내로 유지할 수 있음을 도출하였다.
추후에는 ESS 투입으로 인한 전력계통의 국지적 특성(모선 전압, 선로용량, P-V, Q-V, 고장전류, 과도안정도 등)을 검토하여 신재생에너지원의
수용을 위한 전력계통 관점에서의 대책을 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) ESS기술개발사업의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20172410104650)
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and
Planning(KETEP) ESS technology development project and the Ministry of Trade, Industry
& Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20172410104650).
References
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Ministry of Trade Industry and Energy , Announcement of implementation plan of renewable
energy 3020, http://www.motie.go.kr/motiee/presse/press2.html
Lee Hye-Seon, 2016, A Study on the Wind & Solar Power Acceptable Capacity of Korea
Electric Power System on Frequency Stability, The Korean Institue of Illuminating
and Electrical Installation Engineers, Vol. 30, No. 11, pp. 71-80
Kim Seong-Hee, 2017, A Study on the Local Characteristics by Wind & Solar Power
on Korea Electric Power System, The Korean Institue of Illuminating and Electrical
Installation Engineers, Vol. 31, No. 2, pp. 82-94
Kim Seong-Hee, 2017, A Study on the Wind & Solar Power Acceptable Capacity of Korea
Electric Power System according to System Operation Reserve, The Korean Institue of
Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 31, No. 10, pp. 114-115
Kim Eui-kyung, 2018, A Study on the VPP(Virtual Power Plant) system considering the
characteristics and benefits of renewable energy resources, Ph.D. Thesis, Electrical
Engineering, Incheon Nationa University
Kozdras Kelly, 2016, Modeling & Analysis of Small Hydroelectric Generation and Battery
Energy Storage Connected as a Microgrid, M.Sc. Thesis, Electrical Engineering, University
of Washington, pp. 22-31
Korea Power Exchange , 2014, Study on the plan of demand and supply plan with large-scale
renewable energy equipment
National Law Information Center , Electric Business Law Article 18, http://www.law.go.kr
Biography
was graduated from Korea University in 1982 with an Electrical Engineering degree.
He graduated from the Graduate School in 1987 with Electrical Engineering(Master).
He graduated from the Graduate School of Electrical Engineering in 1991 (Doctor).
Professor of Electrical Engineering, Incheon National University, since 1992.
Tel : (032) 835-8434
E-mail : yhkim@incheon.ac.kr
was graduated from Incheon University in 2006 with Electrical Engineering degree.
He graduated from the Graduate School in 2013 with Electrical Engineering(Master).
From 2013 to present, he have a Doctor's degree in Electrical Engineering from Incheon
graduate school.
Tel : 010-8871-6618
E-mail : heaven13@hanmail.net
was graduated from Incheon University in 2015 with Electrical Engineering degree.
She graduated from the Graduate School in 2017 with Electrical Engineering(Master).
From 2018 to present, she have a Doctor's degree in Electrical Engineering from Incheon
graduate school.
From 2017 to present day researcher in KEPRI
Tel : (042)865-7782
E-mail : air863@naver.com
acquired a bachelor`s degree by Academic Credit Bank System. He graduated from Incheon
University in 2015 with Electrical Engineering (Master).
From 2018 to present, he have a Doctor's degree in Electrical Engineering from Incheon
graduate school.
Tel : 010-9105-6425
E-mail : hans7174@korea.kr
From 2012 to present, he have a bachelor`s degree in Electrical Engineering from Incheon
graduate school.
Tel : (032) 835-4604
E-mail : wognsmo1@naver.com
From 2015 to present, she have a bachelor`s degree in Electrical Engineering from
Incheon graduate school.
Tel : (032) 835-4604
E-mail : fladbchl@naver.com
was graduated from Incheon University in 2018 with Electrical Engineering degree.
From 2018 to present, he have a master's degree in Electrical Engineering from Incheon
graduate school.
Tel : (032) 835-4604
E-mail : oth225@naver.com