2.3.1 충전 제어 모드

ESS는 낮은 출력으로 충방전 동작을 수행하는 것이 배터리의 발열이 적어서 효율도 좋고 열화에 대한 영향도 가장 적기 때문에 8시까지 가장 낮은 출력으로 충전동작이 이루어지도록 하였다. 그림 5는 충전 제어 모드의 순서도를 나타내고 있다.

연산 동작은 1분 단위로 주기적으로 동작되며 현재의 모드가 충전제어 모드인지 확인하며, 아니면 바로 종료된다. 그 다음 배터리의 충전상태를 BMS(Battery Management System)에서 읽어온다. 충전해야하는 에너지량을 kWh로 환산한 다음 8시까지의 잔여시간을 분단위로 확인하고 아래의 식(1)을 활용하여 PCS의 출력을 확정한다.

여기서 $P_{PCS}^{i}$는 PCS의 i시점의 출력(kW), $S^{i}$는 I시점의 SOC(%), $R_{E}$는 ESS의 정격 에너지용량(kWh), $T_{m}^{i}$는 8시가지의 충전모드 잔여시간(분), $\eta_{c}$는 충전 효율이다.

2.3.2 방전 제어 모드

ESS를 활용한 전력요금 절감은 두 가지 요소로 구분할 수 있다. 첫째로 계절 및 시간대별로 변동하는 요금을 절감하기 위해서 9시 이전에 충전하고 UPS 동작을 위한 배터리에 에너지를 남겨두고 전력요금이 가장 높은 시간대에 방전하는 것과 두 번째로 최대 전력수요를 줄이기 위해서 방전동작을 수행하는 것이다. 방전 제어모드에서는 기본적으로 전일에 부하예측의 결과를 활용하여 수립된 방전계획에 따라서 방전 동작을 수행한다. 또한 실시간으로 월간 목표 최대전력수요 이상의 부하량이 발생하면 그 차이만큼 방전하여 최대전력수요를 목표치 이내로 유지한다. 그림 6은 방전 제어 모드의 순서도를 나타낸다. 그림 6의 제어는 PMS(Power Management System)에서 1분마다 주기적으로 동작된다. 기본적으로 월간 최대전력수요를 유지하기 위해서 식(2)와 같이 최대전력수요 유지를 위한 출력 $P_{peak}$를 계산한다.

여기서 $P_{d}^{i}$는 i시점의 측정된 실시간 부하량(kW)이고 $P_{sp}$는 계획된 월간 최대부하량(kW)이다. $P_{peak}$는 항상 0이상의 값을 갖으며 양수는 방전, 음수는 충전을 의미한다. 그 다음으로 식(3)과 같이 현재의 SOC와 계획된 SOC를 비교하여 출력할 수 있는 최대 출력($P_{sl}$)을 찾는다.

이것은 방전에 의해서 UPS 동작을 위한 SOC값 이하로 줄어드는 상황을 만들지 않기 위한 연산 부분이며 만약 현재의 SOC($S^{i}$)가 유지해야하는 SOC($S_{STOU}^{i}$)보다 낮아도 충전동작을 수행하지는 않도록 하였다.

여기서, $S^{i}$는 i시점의 SOC(%), $S^{i}_{STOU}$는 i시점에 최소한 남겨져야 하는 SOC(%), $R_{E}$는 ESS의 정격 에너지용량(kWh), $\eta_{d}$는 방전 시 효율이다.

그 다음 연산으로는 PCS로 전달되는 최종 출력이 식(4)와 같이 산출된다. 앞서 식(2)에 의해서 도출된 최대전력수요 절감을 위한 출력과 계시별 요금제를 고려하여 계획된 출력($P_{TU}^{i}$)을 합한 출력이 SOC의 제약을 고려하여 식(3)에 의해 도출된 제한출력 이하로 제한되어 PCS로 전달된다. 계획된 출력($P_{TU}^{i}$)은 다음절에서 상세히 설명한다.

여기서 $\alpha$는 SOC를 보정하기 위한 비례계수로 초기값이 1이나 계획된 SOC값보다 실제 측정된 SOC 값이 크면. 즉 계획보다 방전이 충분히 이루어지지 않아 SOC의 계획대비 오차가 5%이상이면 0.01씩 증가하고 5%이하이면 다시 1로 되어 SOC를 보정하기위한 로직이다.

2.3.3 운영 계획 모드

그림 7은 UPS 기능을 겸한 ESS의 운영계획 모드의 순서도를 나타낸다. 운영계획 수립을 위해서는 기본적으로 1일전 부하예측을 수행한다. 부하예측에는 다양한 방법이 있으나 UPS 겸용 ESS의 운영 대상이 되는 부하는 그 크기가 크지 않아 변동성이 크기 때문에 부하예측의 정확성을 높이기보다는 심플한 자기회귀(Auto-regression) 방식을 선택하였다. 내일의 부하를 예측하기 위하여 오늘의 부하와 6일전의 부하량을 일정한 비율로 가중평균이 되도록 하여 부하예측을 수행하였다.

부하예측이 완료되면 예측된 부하를 기준으로 15분단위로 배터리 에너지 사용계획을 수립하였다. 이 단계에서는 배터리의 용량을 5가지로 구분하여 할당하였으며, 이는 다음과 같은 다양한 불확실성을 극복하기 위해서이다. 첫 번째는 부하예측의 부정확성이다. 대규모의 부하에 대한 부하예측보다 적은 수의 부하에 대한 부하예측은 그 정확성이 떨어질 수밖에 없다. 특히 불특정 이벤트에 의한 부하의 변동이 적은 부하에서는 크게 작용하기 때문에 부하예측의 불확실성에 대비해야 한다. 두 번째 배터리시스템의 충전상태(SOC, State Of Charge)는 직접적인 측정이 아닌 추정기법에 의한 것으로 항상 일정 부분의 에러를 포함할 수 있다. 특히 어느 조건에서는 BMS (Battery Management System)에서 배터리의 SOC값을 보정하기도 한다. 이때 SOC는 갑작스러운 변동을 하게 되므로 이에 대한 대비를 해야 한다. 또한 리튬 배터리는 운영 상태에 따라서 배터리의 수명열화가 진행되고 리튬 배터리가 수명이 줄어들면 충방전 가능한 용량도 함께 줄어든다. 이에 대한 측정 부정확성이 항상 존재하기 때문에 이에 대비해야 한다. 따라서 본 논문에서는 부하예측 후 이를 기반으로 배터리의 용량을 5가지 영역으로 구분하였다.

UPS 기능을 위한 배터리 용량($E_{UPS}$)은 목표 공급시간($T_{UPS}$)을 10분 ~ 60분까지 변동 가능한 것으로 가정하여 설정할 수 있도록 하였다. 그림 3의 부하지속곡선에서 평균부하는 240kW 수준이었으므로 만약 이를 10분만 UPS로 동작하기위한 배터리 에너지 용량은 240kW×10/60h = 40kWh이므로 나머지 940kWh를 다른 용도로 활용 가능하다는 계산결과를 얻을 수 있다. SOC 측정오차를 대비한 에너지 용량($E_{SOC}$)은 정격 용량의 6%로 가정하였고 부하예측오차를 대비한 에너지 용량($E_{LDFC}$)은 부하예측값에 10%로 가정하였다. SOH 오차를 대비한 에너지 용량($E_{SOH}$)은 배터리 정격용량의 1%로 가정하였다. 마지막으로 전력요금 절감에 활용가능한 에너지($E_{DC}$)는 아래의 수식과 같이 배터리 정격용량에서 앞서 계산된 4가지의 에너지 용량을 제외한 나머지로 계산하였다.

그림 8은 본 논문에서 수행한 다수의 분석사례 중 부하예측 결과의 예시이다. 이 부하예측의 결과를 활용하여 시간대별 배터리 에너지량을 할당한 결과를 그림 9에서 볼 수 있다.

그림 9에서는 앞서 설명한 설정값과 계산 방법에 의해서 시간대 별로 5개의 배터리 에너지 활용계획이 나타나 있다. 연중 피크를 기준으로 설계된 ESS는 대부분의 시간에 그림 9와 같이 UPS를 위한 용량 등을 남겨두어도 많은 양의 에너지를 전력요금 절감을 위해서 활용 가능함을 확인 할 수 있다.

그림 7의 순서도에서 배터리의 활용 용량을 그림 9와 같이 할당하면 그 다음으로 시간대 별 ESS의 출력을 15분 단위로 수립한다. 수립된 배터리 활용계획은 시간대별로 전력요금 절감을 위해 사용할 수 있는 배터리 양이 결정되어 시간대 별 SOC의 한계값으로 해석할 수 있다.

PCS의 예상출력은 최대전력수용 관리 목적으로 방전된 에너지를 우선적으로 산출하고 나머지 배터리에 충전된 에너지가 계시별 요금제에 의해서 높은 전력요금 시간에 균등하게 방전되는 계획을 수립한다.

여기서, $P_{fc}^{i}$는 15분 단위로 예측된 부하(kW)이고 $P_{sp}$는 계획된 월간 최대전력수요량(kW)이고 $E_{peak}$는 월간 최대전력수요를 초과할 것으로 예상되는 에너지량(kWh)이다.

이렇게 최대전력수요 관리용으로 사용할 에너지량이 구분되면 계시별 요금제의 최대부하 요금시간대의 마지막 시간에 사용가능한 전력요금절감용 배터리 용량($E_{DC}$)에서 $E_{peak}$를 제외하고 나머지 배터리 용량을 하루 동안 총 최대부하 요금시간대의 합으로 나누어 균등히 방전되도록 예상출력($P_{T OU}$)을 산출한다. 또한 그 다음 운영계획의 단계로 SOC 운영 계획을 수립한다. SOC운영 계획은 부하예측 기반으로 계획된 ESS의 예상출력($P_{T OU}$)에 따라서 동작하면 나타나게 될 SOC를 산출하는 것이다. 그림 10은 그림 8의 부하예측 데이터와 그림 9의 배터리 운영 계획을 고려하여 산출된 ESS의 충방전 예상출력과 SOC의 운영계획이다.