3.1 국내 주파수조정용 BESS 설치 위치 및 용량

국내 송·배전사업자 한국전력공사 (KEPCO)는 지난 2014년부터 4년간 주파수조정을 위한 자원으로써 총 376 MW 규모의 Li-ion 기반 BESS를 송전망에 설치하였다. 국내 주파수조정용 BESS의 상업운전은 배터리 화재로 인해 한동안 운영이 정지되었으나 제어 설정값 변경 등과 같은 설비보강과 함께 2021년부터 운영을 재개하여 국내 전력계통의 주파수제어에 참여하고 있다. 현재는 주파수조정용 BESS 40 MW를 제주도로 이전함에 따라 그림 1과 같이 국내 육지계통에서는 13개 변전소에서 총 336 MW의 주파수조정용 BESS를 운용하고 있다⁽¹³⁾.

그림. 1. 국내 전력계통의 주파수조정용 BESS 설치 현황

Fig. 1. FR-BESS installation status in Korean power system

3.2 국내 주파수조정용 BESS의 주파수제어

국내에 설치된 주파수조정용 BESS는 계통 정상상태와 과도상태 시의 서로 다른 주파수 변동 특성을 반영하여 계통상태에 따라 제어모드를 구분하고 주파수제어를 수행하도록 아래 표 2와 같이 설계되어있다⁽¹⁴⁾.

국내 주파수조정용 BESS의 정상상태 제어모드는 계통주파수가 사전에 설정된 부동대 범위를 벗어나는 경우에 동작하며 해당 제어조건에서는 2%의 속도조정률에 따른 주파수응답을 수행한다⁽¹⁵⁾. 반면, 계통 내 발전기 고장 등과 같은 외란으로 인해 일정 주기 동안 측정된 주파수변화율 (Rate of Change of Frequency, RoCoF)이 사전에 설정된 고장인지기준을 5회 이상 초과할 경우 주파수조정용 BESS는 과도상태 제어모드로써 동작하게 되고 계통정수를 주파수편차에 대한 제어게인으로 적용하여 주파수응답을 수행한다. 이를 통해 주파수조정용 BESS는 주파수 하락 초기에 정격출력으로써 계통에 유효전력을 공급하고 계통주파수의 급격한 하락을 방지한다⁽¹⁶⁾.

3.3 국내 전력계통 주파수조정용 BESS의 모델링

본 절에서는 국내 주파수조정용 BESS의 주파수제어 성능을 모의하기 위해 실제 운용현장에 구축되어있는 제어알고리즘을 대규모 전력계통 해석프로그램인 PSSⓇE (Power system Simulator for Engineering)의 사용자 정의 모델(User Defined Model, UDM)로 모델링 하였다. UDM은 앞서 분석된 BESS의 주파수제어 전략을 Fortran 언어를 기반으로 모델링하고 이를 Siemens PTI에서 제공하는 PSSⓇE User Model Compile/Link and Environment Manager를 통해 Compile 및 .dll file 생성 과정을 거쳐 구축하였다. 그림 2와 같이 모델링된 주파수조정용 BESS UDM은 동적 모의 이전에 Model Subroutine Library에 삽입되고 동적 모의 시 주파수조정용 BESS의 주파수응답 성능을 모의계통에 반영하게 된다⁽¹⁷⁾, ⁽¹⁸⁾.

그림. 2. PSSⓇE Dynamic simulation의 기본 구조

Fig. 2. Basic Program Structure of PSSⓇE Dynamic simulation with UDM

위와 같은 방법으로 구축한 주파수조정용 BESS UDM의 동작 검증을 위해 주파수조정용 BESS가 설치된 실제 변전소 위치를 고려하여 13개의 개별 모선에 BESS UDM을 연계한 이후 발전기 탈락 시 주파수조정용 BESS의 주파수응답 성능을 그림 3과 같이 검토하였다.

그림. 3. 13개 모선에 연계된 BESS_UDM 주파수제어 모의결과

Fig. 3. Frequency control simulation result of BESS_UDM connected to 13 buses

4.1 BESS의 1차 예비력 대체효과 정량화

본 논문에서 제안하는 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과 정량화 방법에서는 국내 전력계통의 주파수제어 성능 기준인 최소과도주파수로 1차 예비력 화보 자원인 주파수조정용 BESS와 조속기의 주파수제어 성능 기여도를 비교하기 위해 주파수조정용 BESS가 실제 운용현장에서 구현된 제어알고리즘으로 주파수응답 제공 시 계통의 주파수제어 성능을 동일하게 유지할 수 있을 때까지 대체 가능한 조속기응답량을 산정한다. 이후, 주파수조정용 BESS로 대체 가능한 조속기응답량은 투입된 주파수조정용 BESS에 대한 비율로 환산하고 이를 주파수조정용 BESS의 유효용량지수로 나타낸다. 이와 같이 제안하는 정량화 방법은 아래 그림 4의 순서도와 같다.

그림. 4. FR-BESS의 1차 예비력 대체효과 정량화 방법 순서도

Fig. 4. Flowchart of quantification method for the PFR substitution effect by FR-BESS

먼저, 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 정량화하기 위해 분석대상이 되는 재생에너지 기반의 전력계통을 Base Case로 설정한다. Base Case로 설정된 계통의 주파수제어는 동기발전기의 관성응답과 조속기응답만으로 수행되며, 해당 계통을 대상으로 최대용량의 발전기 1기 고장을 모의하여 재생에너지 수용용량 증대 수준에 따라 결정되는 최소과도주파수($f_{nadir,\: b ase case}$)와 최대 주파수편차($\Delta f_{nadir,\: b ase case}$)를 도출한다. 이후 주파수조정용 BESS를 연계하여 동일한 상정고장을 모의하면 주파수조정용 BESS가 계통의 주파수제어 성능에 기여한 만큼 최소과도주파수($f_{nadir,\:i}$)는 $f_{nadir,\: b ase case}$대비 상승하게 된다. $f_{nadir,\:i}$와 $f_{nadir,\: b ase case}$의 비교과정을 통해 주파수조정용 BESS와 조속기응답에 대한 계통의 주파수제어 성능 기여도를 비교하고 $f_{nadir,\:i}$가 $f_{nadir,\: b ase case}$보다 높은 경우에 화력발전기의 조속기를 1대씩 off 하며 동일한 상정고장을 반복 모의한다. 이때 off 된 조속기 1대의 주파수응답 예상량($PFR_{gov_{-}off_{-}i}$) 은 앞서 언급한 바와 같이 재생에너지 수용용량 증대 수준에 따라 결정되는 Base Case의 $\Delta f_{nadir,\: b ase case}$와 off 된 조속기의 속도조정률($SD_{i}$) 기반의 응답 예상량과 발전기 출력여유 중 작은 값으로 아래 식(1)과 같이 계산한다.

반복 모의 과정에서 off 된 조속기 수가 증가할수록 계통에 잔여 조속기응답량이 감소함에 따라 계통의 주파수제어 성능저하로 인해 동일한 상정고장 시에도 $f_{nadir,\:i}$가 감소하며, 만일 $f_{nadir,\:i}$가 $f_{nadir,\: b ase case}$을 위반하는 경우에는 투입된 주파수조정용 BESS의 주파수제어 성능 기여도가 해당 시점까지 off 된 조속기들의 예상 기여도보다 낮은 것으로 판단하여 해당 시점까지 off 된 조속기에 대한 총응답예상량($PFR_{gov_{-}off_{-}total}$)의 이전 값을 대체 가능한 조속기응답량($PFR_{gov_{-}subs}$)으로 산정한다. 결과적으로, $PFR_{gov_{-}subs}$는 초기 투입된 주파수조정용 BESS에 대한 비율로 환산하고 이를 주파수조정용 BESS의 유효용량지수으로 나타내어 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과로써 정량화한다. 이때, BESS의 유효용량지수가 1 이상의 비율로 도출되는 경우 유효한 대체효과라고 할 수 있다.

4.2 재생에너지 수용증대를 고려한 발전기 조속기응답량 산정

국내 전력계통에서는 최대 용량의 발전기 1기 고장 시 계통의 주파수제어 성능을 최소과도주파수를 기준으로 평가하고 0.2 Hz 주파수 편차에 대한 주파수응답 예상량을 1차 예비력으로 확보하여 관리하고 있다. 하지만, 재생에너지 수용용량 증대 시 계통의 주파수제어 성능저하로 인해 주파수 감쇠 폭이 커지고 최소과도주파수는 N-1 상정고장에 대한 주파수제어 성능 유지기준인 59.7 Hz에 근접하여 운영될 것으로 예상된다. 주파수조정용 BESS는 고유한 제어알고리즘이 적용되어 외란 직후에 주파수편차가 작을 때에도 정격출력 수준의 응답을 제공하고 주파수편차가 0.2 Hz 보다 커지더라도 확보된 설비용량만큼 출력이 유지되는 반면, 조속기응답은 사전에 설정된 속도조정률 특성에 따라 주파수편차에 비례하는 응답을 유지하여 주파수편차가 0.2 Hz 이상 발생하는 경우에는 발전기의 출력에 여유가 있다면 확보된 예비력 이상으로 응답할 여지가 있다. 이에 따라 재생에너지 수용용량이 증대된 시점에서는 1차 예비력 서비스 자원 간 주파수제어 성능 기여도 비교 시에 현행 예비력 확보규정에서 적용하고 있는 속도조정률 특성에 따른 0.2 Hz 주파수편차에 대한 응답 예상량이 아닌 재생에너지 수용용량의 증대로 인해 상승한 주파수편차에 대한 응답예상량으로 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 정량화하는 것이 주파수조정용 BESS의 주파수응답 성능을 충분히 반영하는 방법으로 판단된다. 즉, 재생에너지 수용용량 증대에 따른 계통의 주파수제어 성능저하를 고려하지 않고 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 1차 예비려 확보기준인 0.2 Hz 주파수 편차에 대한 조속기응답 예상량으로 정량화하게 되면 주파수조정용 BESS의 주파수제어 성능 기여효과를 과소평가할 수 있으며, 과소평가된 주파수조정용 BESS의 주파수응답 성능만큼 운영계획수립 시 계통의 유연성 확보에 제약이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 재생에너지가 증대된 시점에서 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 정량화하기 위해서는 재생에너지 수용용량 증대 수준에 따라 결정되는 $\Delta f_{nadir,\: b ase case}$에 대한 조속기응답 예상량으로 $PFR_{gov_{-}subs}$을 산정하여야 한다.

5.1 재생에너지 수용증대에 따른 계통운전조건 시나리오 설정

주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과 분석에 앞서 본 절에서는 재생에너지 수용용량 증대 수준에 따른 계통운전조건 시나리오 설정을 위해 국내 전력계통에서 2020년도에 운영된 태양광 및 풍력발전원의 설비용량 각각 13.6 GW, 1.4 GW에 대한 운전실적을 기반으로 그림 5와 같이 재생에너지 발전원 총 15 GW의 설비용량에 대한 춘·추기간 6개월간 시간대별 이용률을 분석하였다. .

그림. 5. 2020년도 춘·추기간의 시간대별 재생에너지 이용률

Fig. 5. Renewable Energy Capacity Factor by time period during spring/autumn in Korean power system in 2020

이력데이터 분석결과 재생에너지는 13시에 최대 81.7%의 이용률을 가지는 것으로 나타났으며, 해당 시점을 기준으로 태양광 및 풍력발전원의 평균 이용률은 아래 그림 6과 같이 각각 57.1%, 20.8%로 확인되었다.

그림. 6. 2020년도 춘·추기간의 시간대별 PV 및 WTG 평균 이용률

Fig. 6. PV & WTG Average Capacity Factor by time period during spring/autumn in Korean power system in 2020

이때, 태양광 및 풍력 발전원별로 도출된 평균 설비이용률을 9차 전력수급기본계획에 수립된 2034년도 태양광 및 풍력발전원의 계획설비용량인 45.6 GW, 24.9 GW에 적용할 경우, ‘34년도 미래 전력계통에서 춘·추기간 중 설비이용률이 높은 시간대의 재생에너지 출력은 평균적으로 31.2 GW 수준일 것으로 전망된다.

위와 같은 분석을 통해 본 절에서는 국내 춘·추기간의 peak 부하 시 전력수요를 대상으로 재생에너지 출력 수준에 따른 계통운전조건 시나리오를 표 3과 같이 구성하였다.

계통운전조건은 재생에너지의 발전 비중에 따라 총 4개의 시나리오를 설정하였으며, 특히 시나리오 4에서는 앞서 도출된 31.2 GW의 재생에너지 출력 조건을 가정하였다. 시나리오 구성 중 재생에너지의 출력 증대 시에는 동기발전원의 급전 제외로 인해 발전기 관성에너지 확보량이 감소하였으며, 주파수조정용 BESS와 발전기 조속기 간의 성능 차이를 명확히 비교하기 위해 재생에너지 발전원의 주파수조정은 제공되지 않는 것으로 가정하였다.

5.2 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과 분석

본 절에서는 제안된 정량화 방법을 적용하여 재생에너지 수용용량 증대 수준별로 구분된 4가지 시나리오를 Base Case로 설정하고 국내 전력계통에 기설치된 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 정량화하였다.

먼저, 시나리오별 Base Case에서 1,520 MW 발전기 탈락 시 계통의 주파수제어 성능을 살펴보면 그림 7과 같다.

그림. 7. (Base Case) N-1 상정고장 시 시나리오별 계통주파수

Fig. 7. (Base Case) System frequency for each scenario in N-1 contingency

위 그림 7과 같이 재생에너지의 출력 비중이 높을수록 계통의 주파수제어 성능저하로 인해 발전기 탈락 시 $f_{nadir,\: b ase case}$는 점차 감소하고 $\Delta f_{nadir,\: b ase case}$은 점차 증가하는 것으로 나타났다, 이 중, 재생에너지 출력이 가장 높은 시나리오#4에서 $f_{nadir,\: b ase case}$와 $\Delta f_{nadir,\: b ase case}$는 각각 59.716 Hz, 0.284 Hz로 도출되어 재생에너지 수용용량이 증대된 국내 전력계통의 N-1 상정고장 시 최소과도주파수는 계통주파수 유지기준인 59.7 Hz에 근접한 것을 확인할 수 있다. 이러한 재생에너지 수용용량 증대 조건에서 제안된 정량화 방법을 기반으로 분석된 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과의 분석결과를 요약하면 아래 표 4와 같다.

위 표 4에서 정리된 바와 같이 총 336 MW의 주파수조정용 BESS에 대한 $PFR_{gov_{-}subs}$는 시나리오별로 각각 498.0, 512.9, 520.3, 529.7 MW로 산정되었으며, $PFR_{gov_{-}subs}$을 주파수조정용 BESS의 투입량에 대한 비율로 나타내어 주파수조정용 BESS 1MW 투입 시 대체 가능한 조속기응답량을 유효용량지수로 환산함으로써 주파수조정용 BESS의 1차 예비력 대체효과를 정량화하였다. 이때, BESS의 1차 예비력 대체효과 정량화 결과를 재생에너지 수용용량 수준에 따라 나타내면 아래 그림 8과 같다.

그림. 8. 재생에너지 출력 수준에 따른 FR-BESS의 유효용량지수

Fig. 8. Effective factor of FR-BESS by RES output power

주파수조정용 BESS의 유효용량지수는 재생에너지 수용용량 증대 수준에 따라 1.482~1.576 사이에서 도출되었으며 검토된 시나리오 모두 1 이상의 값으로 산정되어 주파수조정용 BESS의 주파수응답 성능이 조속기응답 대비 우수한 것으로 도출되었다. 또한, 재생에너지 수용용량이 증가할수록 유효용량지수는 증가하였는데, 이는 계통 내 확보된 관성에너지가 낮을수록 주파수조정용 BESS의 빠른 주파수응답 성능이 급격한 주파수 하락에 크게 기여한 결과로 판단된다. 따라서, 전력계통의 재생에너지 수용용량 증대 시에는 논문에서 제안된 정량화 방법을 통해 1차 예비력 구성 자원간 성능을 비교하고 필요한 1차 예비력량의 구성을 최적화하는 것이 실효적인 운영예비력 운영을 위한 방법일 것으로 판단된다.