정주용
(JooYong Jung)
1iD
김남규
(NamKyu Kim)
2iD
권영진
(YoungJin Kwon)
2iD
양재영
(JaeYoung Yang)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Republic of Korea
/ Dept. of Power System Research, Hyosung Corporation, Republic of Korea)
-
(Dept. of Power System Research, Hyosung Corporation, Republic of Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Energy Storage System, Plant Controller, User Defined Model, Grid Connection Code
1. 서 론
최근 ESS 시장은 신재생 발전원 증가에 따른 변동성에 대응하기 위해 ESS 보급이 전 세계적으로 급격하게 증가하고 있다. ESS 설비 규모는 2022년
43.8GW/91.5GWh 대비 2030년 508GW/1,432GWh로 10배 이상 증가할 것으로 전망되고 있다. 국내 ESS 시장은 ESS 화재
사고 등으로 인한 ESS 보급 정책 축소로 인해 ESS 시장은 다소 침체 상황이나, 재생에너지 대응을 위해 2036년까지 ESS 필요량 26.3 GW를
구축하기 위한 계획을 수립 중이므로 대규모 ESS 단지는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다[1].
대규모 ESS 단지가 전력계통에 연계되는 경우 계통에 미치는 영향과 성능을 검토하기 위해 PSS/E와 같은 전력계통 해석 프로그램을 이용하여 계통해석을
수행할 필요가 있다. 전력계통 해석 프로그램을 사용하여 대규모 ESS 단지를 구성하는 장치 및 설비의 정격 선정, 내부 부하와 손실을 고려한 인버터의
파라미터 및 출력의 검증, 그리고 계통연계기준 충족 여부를 검증하기 위하여 ESS 단지의 상세 모델링이 필요하다. 단지 제어기는 전력계통과의 연계점을
기준으로 제어를 수행하지만, 개별 인버터는 단지 내부 구성에 따라 연속 운전전압, L/HVRT(Low/High Voltage Ride Through),
L/HFRT(Low/High Frequency Ride Through), 전압에 따른 무효전류 공급, ROCOF(Rate of Change of Frequency)
등의 그리드 코드를 만족할 수 있도록 해석을 통해 결정된 파라미터로 설정되어야 한다. 이를 위하여 개별 인버터는 각 인버터의 연계점을 기준으로 운전한다.
따라서, ESS 단지는 단지를 구성하는 단지 제어기, 인버터, 내부 선로, 부하, 변압기 등 장치를 모두 포함하여 상세하게 모델링 되어야 한다[2].
본 논문에서는 PSS/E를 이용한 대규모 ESS 단지의 그리드 코드 검토, 계통 영향 평가 및 단지 설계 사양 검토를 위한 ESS 단지 제어기 UDM(User
Defined Model)을 개발하고, 제어성능을 확인하기 위해 ESS 단지의 각 인버터가 단지 제어기의 제어 기능에 따라 동작함을 확인하는 사례연구를
수행하였다.
2. ESS 단지제어기 모델링
2.1 PSS/E ESS 단지 제어기 UDM 개발의 필요성
대규모 전력계통 해석 프로그램인 PSS/E는 ESS를 그림 1(a)와 같이 인버터, 전기적 제어, 단지 제어기의 조합으로 구성한다[3].
그림 1. PSS/E Generic Model의 ESS 단지제어 구성 (a) REPC_A (b) REPC_B
Fig. 1. ESS plant control configuration of PSS/E generic model (a) REPC_A (b) REPC_B
여기서, WECC는 단지제어를 수행하기 위한 범용모델로 단일 인버터로 등가화된 단지를 제어하기에 적합한 REPC_A 모델(PSS/E 모듈명: REPCA1)과
다수의 인버터를 제어하기 위한 REPC_B 모델(PSS/E 모듈명: PLNTBU1, REAXBU1)를 제시하고 있으며, 두 모델 모두 사용자의 선택에
따라 유효전력제어, 무효전력제어, 주파수-유효전력제어, 전압제어, 역률 제어 등 기본 제어를 수행할 수 있다[4]. 그림 1(a)의 REPC_A 모델은 단지의 모든 인버터를 단일 인버터로 등가화하여 개별 인버터의 파라미터 세팅에 따른 영향을 분석할 수 없으므로 대규모 단지를
상세 모델링 하기에 적합하지 않다. 그림 1(b)와 같은 REPC_B 모델의 경우 다수의 인버터가 설치된 대규모 단지를 모델링이 가능하지만, 위에서 언급한 각 제어의 경우 제조사의 제어 및 보호
알고리즘이 다르게 설계될 경우 다른 응답이 야기될 수 있고, 추가적인 전압-무효전력, 과/저주파수 상태의 유효전력 제어, 각 출력의 램프레이트 제어,
무효전력-유효전력 제어 등의 기능을 검토할 수 없다. 각국의 그리드 코드는 경우에 따라 범용모델에서 제공하지 않는 기능을 요구하는 사례가 많고, 일부
유틸리티는 현장 시험 이전에 단지 제어기 및 인버터의 설정값과 해석에 사용된 UDM의 파라미터를 상호 비교하는 절차를 진행하므로 실제 제조사의 알고리즘이
반영된 UDM의 개발이 필수적이다[5].
2.2 ESS 단지용 단지 제어기 UDM의 구성 및 기능
전력계통 연계점을 기준으로 복수의 인버터를 제어하기 위한 단지 제어기를 그림 2와 같이 PSS/E UDM으로 모델링 하였다. 단지 제어기(MPLTCON)는 PSS/E dynamic 모델 중 “BUS Other” 유형을 사용하였다.
해당 모델은 POI 모선의 전압, 전류 및 유·무효 전력을 측정하여 사용자에 의해 요구되는 유·무효 전력을 충족하기 위한 출력 지령을 개별 인버터에
전송한다. 개별 인버터는 단지 제어기와 호환되는 출력 보조모델(INV_AUXCON)을 통해 출력 지령 값을 전달받도록 설계하였다. 보조모델은 출력을
전달함과 동시에 인버터의 정상 동작 정보를 단지 제어기에 제공하여 출력 분배 기능에 필요한 정보를 제공한다.
그림 2. ESS 단지 제어기 PSS/E UDM 구성
Fig. 2. ESS plant controller PSS/E UDM configuration
개발된 단지 제어기의 기능은 IEEE 1547-2018 기준에서 요구하는 표준 제어 기능 중 주요 제어를 선별적으로 고려하였다. IEEE 1547-2018은
PSS/E 범용모델에서 제공하는 주파수-유효전력 제어, 전압-무효전력 제어, 역률 제어, 전압제어 외에도 전압-유효전력 제어 기능을 포함하고 있으며,
전압-무효전력 제어 기능은 범용모델과 다른 응답 특성을 요구하고 있다[6-7]. 범용모델과 UDM의 지원 제어 기능의 차이를 표 1로 나타내었다.
표 1 범용모델과 UDM의 제어 기능 항목
Table 1 Control functions of the generic model and UDM
|
제어 기능 항목
|
REPC_B
(범용모델)
|
MPLTCON
(UDM)
|
|
역률 제어
|
○
|
○
|
|
전압제어
|
○
|
○
|
|
주파수-유효전력 제어
|
○
|
○
|
|
전압-무효전력 제어
|
△
|
○
|
|
전압-유효전력 제어
|
×
|
○
|
|
○: 지원, ×: 미지원, △: 일부 지원
|
UDM의 주파수-유효전력 제어는 그림 3(a)와 같이 주파수 편차에 비례하여 사전에 지정된 속도조정률 특성에 따라 유효전력을 제어하고, 전압-무효전력 제어는 그림 3(b)와 같이 입력된 좌표를 기반으로 결정된 특성에 따라 전압이 변동되면 그에 상응하는 무효전력 지령 값을 제어하도록 설계되었다. 그리고, 전압-유효전력
제어는 그림 3(c)와 같이 계통 전압 상승 시 ESS의 유효전력을 감발하는 기능으로 설정에 따라 유효전력을 흡수하도록 구성되었다[7]. 역률 제어는 유효전력에 따라 요구되는 무효전력을 지령 값으로 출력하고, 전압제어는 POI 점의 전압 오차를 고려하여 각 인버터의 무효전력 지령
값을 제어하도록 모델에 반영되었다.
그림 3. ESS 단지 제어기 UDM의 제어 기능 특성곡선
Fig. 3. Control function characteristic curves of ESS plant controller UDM
3. 사례연구
3.1 사례연구 구성
개발된 ESS 단지 제어기 모델의 성능을 검증하기 위해 그림 4의 모의 계통을 구성하여 사례연구를 수행하였다.
사례연구에 사용한 ESS 단지는 21.0 MW의 충·방전이 가능하며 역률 0.3을 만족하는 무효전력 출력을 낼 수 있도록 용량에 약 6.6%의 여유를
두어 4.3 MVA 의 성능을 갖는 인버터 6대가 사용되었다.
그림 4. ESS 단지 제어기 UDM 성능 확인을 위한 모의 계통
Fig. 4. Simulation system for verification of performance of ESS plant controller
UDM
추가로 3, 6번 인버터 연계 모선에는 ESS 제어에 필요한 소내 부하를 0.625 MVA, 역률 0.8로 모델링 하였다. 단지 제어기는 POI
모선(BUS 7000)을 기준으로 측정된 전압, 전류, 유·무효전력을 이용하여 개별 인버터가 출력해야 하는 유·무효전력 지령 값을 산정하고 해당 지령
값은 보조 모델(INV_AUXCON)을 통해 인버터로 전달된다. 본 논문에서는 단지 제어기를 UDM으로 제작하여 기능을 확인하고자 하였으므로 인버터의
경우 PSS/E 라이브러리에서 제공하는 그림 1의 범용모델 REECCU1, REGCA1을 사용하였다.
사례연구에서는 ESS 단지 내부의 단위기 탈락 및 부하 변동이 발생할 때 단지 제어기에 의해 요구되는 유효전력이 복구되는 것과 POI 모선의 주파수
및 전압이 변경될 때 주파수-유효전력, 전압-유효전력, 전압-무효전력 제어 기능이 각각 설계한 성능을 만족하는지 검증하여 단지 제어기 UDM의 정합성을
검토하였다. 제어 기능 검증을 위한 Case는 표 2와 같으며, 파라미터 설정값은 표 3과 같다.
표 2 단지제어기 UDM 기능검증을 위한 사례연구 모의조건
Table 2 Simulation conditions for verification of ESS plant controller UDM functions
|
Case
|
모의 조건
|
기능검증항목
|
|
1
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단지 내 부하 감소
|
유효전력 제어
|
|
2
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단지 내 인버터 1기 탈락
|
유효전력 제어
|
|
3
|
계통 측 발전기 1기 탈락
|
주파수-유효전력 제어
|
|
4
|
Case3 +
단지 내 인버터 1기 탈락
|
주파수-유효전력 제어 & 유효전력 제어
|
|
5
|
계통 측 전압 상승
|
전압-유효전력 제어
|
|
6
|
계통 측 전압 저하
|
전압-무효전력 제어
|
표 3 ESS 단지 제어기 UDM 제어기능 특성 파라미터 설정
Table 3 Control parameter setting of ESS plant controller functions
|
제어 기능
|
특성 파라미터
|
|
주파수-유효전력 제어
|
속도조정률: 2%
부동대: ±36 mHz
|
|
전압-유효전력 제어
|
Point1:(V1, P1)=(1.05, 0.814) p.u.
Point2:(V2, P2)=(1.10,-0.814) p.u.
|
|
전압-무효전력 제어
|
Point1:(ΔV1, ΔQ1)=(-0.08,+0.44) p.u.
Point2:(ΔV2, ΔQ2)=(-0.02,+0.00) p.u.
Point3:(ΔV3, ΔQ3)=(+0.02,-0.00) p.u.
Point4:(ΔV4 Δ,Q4)=(+0.08,-0.44) p.u.
|
3.2 사례연구 결과
3.2.1 Case 1: 단지 내 부하 변동 시 ESS 단지제어 모의 결과
그림 5는 Case 1의 모의 결과를 나타낸다. 단지 내 부하 1, 2가 4.5초에 각각 0.2 MW, 0.1 MW 감소한 조건에서 단지 제어기가 POI의
유효전력 출력을 유지하는 제어를 수행함을 확인하였다. 부하가 급변함에 따라 POI 기준 출력이 순간적으로 0.3 MW 증가하였고, 이후 단지 제어기가
오차를 감지하여 각 인버터에 전달되는 출력 지령을 0.05 MW 감발하였다. 결과적으로 POI의 총출력량이 0.3 MW 감소하여 기존의 5 MW 출력을
유지하였다.
그림 5. 단지 내 부하 변동 시 ESS 단지제어 모의 결과
Fig. 5. Simulation results of ESS plant control when internal loads change
3.2.2 Case 2: 단지 내 인버터 탈락 시 ESS 단지제어 모의 결과
Case 2는 1 MW로 운전 중이던 1번 인버터가 내부 문제로 탈락한 경우를 가정한 사례이다. 그림 4에서 ESS#1 (BUS 1000)이 임의 탈락됨에 따라, 그림 6의 결과와 같이 POI 지점의 유효전력이 1 MW 감소하였다. 유효전력의 감소를 감지한 단지 제어기는 운전 중인 남은 5기의 인버터의 유효전력 지령을
변경하였고, 각 인버터는 0.2 MW씩 상향 출력하여 POI의 유효전력은 지령 값인 5 MW로 회복하였다.
그림 6. 인버터 1기 탈락 시 ESS 단지제어 모의 결과
Fig. 6. Simulation results of ESS plant control with inverter #1 trip
3.2.3 Case 3: 주파수-유효전력 제어 기능 모의 결과
그림 7은 Case 3의 결과를 나타낸다. 계통의 주파수가 변동되기 위한 조건으로 9000번 모선에 설치한 50 MW 발전기를 탈락시켰고, 발전기 탈락으로
인한 주파수 변동에 따라 단지 제어기가 주파수-유효전력(droop) 제어를 수행하는 것을 확인하였다. 발전기 탈락 후 주파수의 변동을 감지한 단지
제어기는 설계한 목적대로 부동대인 기준 주파수 대비 ±36 mHz를 벗어나기 전까지는 별도 출력을 조정하지 않았고, 이후 주파수 편차에 비례하여 유효전력
출력을 증가시켰다. 계통 주파수는 59.8 Hz에서 최소과도 주파수가 형성되었으며 준 정상상태 주파수 59.842 Hz에서 ESS 단지의 유효전력은
2.63 MW 증가하였다. 2.63 MW는 단지 제어기에 설정된 2%의 droop 특성에 해당하는 값이다.
그림 7. 주파수-유효전력 제어 모의 결과
Fig. 7. Simulation results of Frequency–Watt control
3.2.4 Case 4: 주파수-유효전력 제어 중 인버터 탈락 모의 결과
그림 8은 Case 3번 모의 조건인 9000번 모선의 발전기 탈락 후 ESS 단지가 주파수 응답을 하던 도중 20초 이후 추가적인 1번 인버터의 탈락을
상정한 결과를 나타낸다. 발전기 탈락 후 인버터 탈락 이전인 5∼25초 구간에는 앞선 Case 3번의 결과와 같은 응답이 관측되었지만, 인버터가 탈락한
이후 주파수-유효전력에 따라 상승한 지령 값이 반영되어 각 인버터의 출력은 0.741 MW 증가하였고, 설정된 속도조정률에 따라 0.162 mHz의
주파수 변동에 요구되는 7.7 MW의 출력이 발생함을 확인하였다. 여기서, 7.7 MW는 5 MW의 출력 지령 값과 주파수가 하락함에 따라 주파수
제어에 의해 2.7 MW가 고려된 출력이다.
그림 8. 주파수-유효전력 제어 중 인버터 탈락 모의 결과
Fig. 8. Simulation results of inverter #1 trip during frequency-watt control
3.2.5 Case 5: 전압-유효전력 제어 기능 모의 결과
그림 9는 Case 5의 결과를 나타낸다. 본 사례에서는 POI의 전압을 상승시키기 위해 7100번 모선에 용량성 부하를 인가하여 변경된 전압에 따른 단지
제어기의 전압-유효전력 성능을 확인하였다. 용량성 부하가 인가됨에 따라 POI 모선의 전압이 순간적으로 1.15 p.u.까지 상승하였고, 단지 제어기는
전압의 상승을 감지하여 설정된 전압-무효전력 제어 특성에 따라 유효전력 출력 지령을 제한하였다. 전압이 1.1 p.u.를 초과하였으므로 표 3의 설정에 따라 정격 유효전력 용량으로 충전하도록 각 인버터에 유효전력 지령을 전송하였고 인버터는 자체적인 전력 상승률 제약에 따라 일정 기울기에
따라 정격 출력을 충전하는 운전으로 변경되었다.
그림 9. 전압-유효전력 제어 모의 결과
Fig. 9. Simulation results of Voltage–Watt control
이후 발전기 여자전압 제어 및 인버터 유효전력 충전 동작에 따라 전압이 하락하여 전압-유효전력 제어에 의한 유효전력 제한조건이 완화되었다. 그 결과,
ESS 단지의 연계점 전압은 1.089 p.u. 인근에서 형성되었고 ESS 단지는 약 12 MW의 유효전력을 충전하는 조건에서 운전하여 요구되는 특성을
만족함을 확인하였다.
3.2.6 Case 6: 전압-무효전력 제어 기능 모의 결과
그림 10은 Case 6의 결과를 나타낸다. 본 사례에서는 계통의 전압이 하락하는 것을 상정하기 위해 7100번 모선에 유도성 부하를 연결하여 계통 전압이
하락할 때 단지 제어기의 전압-무효전력 제어성능을 검증하였다. 유도성 부하의 투입에 따라 연계점 전압이 순간적으로 0.824 p.u.로 하락하였고,
단지 제어기는 전압의 하락을 감지하여 설정된 전압-무효전력 제어 특성에 따라 무효전력 지령을 각 인버터에 전송하였다. 과도 초기 전압이 0.08 p.u.이상
강하하자 단지 제어기는 ESS 단지 전체의 무효전력 출력이 0.44 p.u.가 되도록 각 인버터의 무효전력 출력을 증가시켰다. 이때, 각 인버터 인출점의
무효전력 총합은 0.444 p.u.로 계산되었다. 연계점 총량과 차이가 발생한 이유는 ESS 단지 내부의 선로 및 변압기에서 소모하는 무효전력을 인버터가
모두 감당하고 POI 점의 출력을 만족해야 하기 때문이다. 이후, 10초에 투입되었던 용량성 부하를 제거하여 전압이 1.0 p.u.으로 복구되었고
그에 따라 ESS 단지의 출력은 0 p.u.로 초기화됨을 확인하였다.
그림 10. 전압-무효전력 제어 모의 결과
Fig. 10. Simulation results of Voltage–Var control
4. 결 론
대용량 신재생 및 ESS 단지가 증가함에 따라 PSS/E 프로그램을 이용한 계통 영향평가, 단지 내의 엔지니어링 측면의 검토, 그리고 그리드 코드
준수 여부 검토를 위해 단지 제어기, 여러 대의 인버터를 각각 모델링하여 검증하는 사례가 발생하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 PSS/E 프로그램에서
적용할 수 있는 단지 제어기의 UDM을 모델링하고, 범용모델로 구성한 인버터를 연결하여 단지 내외의 변화를 통해 기능을 검증하였다. 미래 전력계통은
재생에너지 증가에 따라 약전원 특성이 강화될 것이고 그에 따라 신재생 및 ESS 단지가 요구받는 그리드 코드가 강화될 것으로 예상된다. 따라서, 향후에는
대단위 전력계통과 함께 인버터 UDM을 포함한 상세 ESS 단지를 모델링하여 인버터 제어기 파라미터에 따른 유/무효전력 공급능력(Capability)과
변압기, 케이블, 모선 등의 정격검토, L/HVRT, L/HFRT, 전압에 따른 무효전류 출력 등의 그리드 코드를 만족하는지 검토를 진행할 계획이다.
References
Ministry of Trade, Industry, and Energy, Energy Storage (ESS) Industry Development
Strategy, pp. 2~11, Oct. 2023.
Jae-young Yang, Nam-gyu Kim, Young-jin Kwon, and Joo-yong Jung, “A Development of
UDM of ESS Plant Controller for Verification of Detailed ESS Site Modeling,” Proceedings
of the 2024 Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference, pp. 17, Jul.
2024.
SIEMENS-PTI, Model Library PSS®E 34.9.5, pp. 661~739, May. 2022.
EPRI, Model User Guide for Generic Renewable Energy System Models, pp. 20~60, Oct.
2023.
Eskom, Grid Connection Code For Battery Energy Storage (BESF) Connected to The Electricity
Transmission System (TS) or The Distribution System (DS) in South Africa, pp. 15~30,
Mar. 2023.
IEEE Standards Coordinating Committee 21, IEEE Std 1547-2018 IEEE Standard for Interconnection
and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated Electric Power
Systems Interfaces, pp. 36~55, Feb. 2018.
Narang, David, Rasel Mahmud, Michael Ingram, and Andy Hoke, “An Overview of Issues
Related to IEEE Std 1547-2018 Requirements Regarding Voltage and Reactive Power Control.
Golden,” CO: National Renewable Energy Laboratory, pp. 10~13, 2021.
저자소개
He received his M.S. degree in electrical and electronic engineering from Yonsei University.
Currently, he is a senior researcher in Power & Industrial Systems R&D Center at Hyosung,
Korea, and pursuing the Ph.D. degree in electrical engineering at Yonsei University.
His research interests are control and protection system design for HVDC, FACTS and
interaction analysis between power electronic devices.
He received M.S. degree in electrical engineering from Inha University. Currently,
he is an senior researcher in Power & Industrial Systems R&D Center at Hyosung, Korea.
His research interests are power system analysis for HVDC, energy storage system and
interaction analysis between power electronic devices.
He received B.S., M.S. and Ph.D. degree from Myongji University, Korea in 2000, 2002,
2010 respectively. He was a researcher at KEPCO-KDN Co., Ltd. His research interests
are to develop power system protective algorithm and signal processing algorithm.
He is a chief researcher in Power & Industrial Systems R&D Center at Hyosung, Korea
from 2011. His research interests are power system analysis, protection and automation
for FACTS and DER.
He received M.S. degree in electrical engineering from Jeonbuk National University.
Currently, he is an researcher in Power & Industrial Systems R&D Center at Hyosung,
Korea. His research interests are power system analysis for HVDC, energy storage system.