임건표 한전 전력연구원 선임연구원
운영 알고리즘 및 제어시스템 개발
전력계통의 안정적 운영 기여할 듯
한전은 에너지 이용효율을 높이기 위해 2017년까지 총 6250억원을 투자, 주파수조정용 ESS 500MW를 구축하는 사업을 진행 중에 있다. 2014년 52MW를 시작으로 2015년 200MW, 2016년 124MW, 2017년 124MW로 분산 구축한다.
올해 주파수조정용 ESS 구축사업은 2년차 사업으로 총 사업비 약 1800억원을 투자, 연말까지 200MW를 설치 완료한다는 계획이다. 우선적으로 345kV 신계룡변전소 등 7개 변전소에 8개의 세부사업을 통해 전체 184MW의 주파수조정용 ESS를 설치할 예정이다.
한전은 지난달 각 사업별로 ESS설비의 주요 구성품인 PCS(전력변환장치)와 배터리 부분으로 구분해 입찰을 진행, 사업자를 선정했다. 입찰에는 모두 33개사(PCS 20사, 배터리 13사)가 참여했으며 컨소시엄 주관사 기준으로 PCS분야 8개사, 배터리 분야 6개사(2개사 중복 선정)가 선정됐다.
한전은 선정된 사업자들과 계약을 완료하고 연말까지 설치를 완료할 예정이다. 이후 6개월간의 시운전을 거친 뒤 지난해 설치한 주파수조정용 ESS 52MW와 연계, 운영할 계획이다.
전력계통 주파수조정용 ESS를 설치, 운영함으로써 전력구입비용 절감과 중소기업의 일자리 창출의 기회를 제공할 것으로 예상된다. 특히 국내 중소기업들이 ESS사업 실적 확보를 통해 ESS산업 경쟁력을 갖추고, 해외 시장 진출에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대를 모은다.
한전 전력연구원 ESS연구사업단에서는 대용량 배터리를 사용하는 ESS를 이용해 전력계통의 주파수 안정화를 목적으로 하는 주파수조정용 ESS 운영알고리즘과 운전방법, 이를 운용하기 위한 제어시스템을 개발했다.
주파수 조정용 ESS 알고리즘은 전력계통의 주파수 조정을 위해 적정 충방전 양을 계산, ESS를 제어하는 알고리즘으로 변전소 내 주파수 조정용 ESS 통합 제어시스템에 적용된다.
주파수 조정용 ESS 알고리즘의 특징을 살펴보면, 전력계통의 주파수 회복을 위한 대용량 ESS의 충방전 제어를 비롯해 주파수 변화율을 실시간 감시, 계통의 상태를 정상·과도상태로 구분하고 적정 ESS 출력량을 계산해 배터리별 출력량을 배분한다.
또 대용량 ESS의 효율적 관리를 위한 계층적 제어 기능을 깆추고 있으며 배터리 간 SOC(State of Charge) 밸런싱을 위한 가중·비례제어 기능과 계통주파수 회복 후 ESS 영향 최소화를 위한 출구제어모드 기능 등을 보유하고 있다.
주파수조정용 ESS를 구성하는 주요시스템은 제어시스템, 전력충방전시스템, 배터리, 배터리감시시스템이다.
제어시스템은 전력계통 및 ESS와 필요한 신호를 송수신해 전체 ESS를 운전제어하는 시스템으로 전력계통 주파수를 안정화시키기 위한 핵심기술이다. 제어시스템은 전력계통 주파수를 정상상태모드, 과도상태모드, 과도상태에서 정상상태로 복귀하는 전환운전모드로 구분해 판단, 제어한다.
주요기능은 주파수변화에 대한 전체 출력요구량 연산, 과도상태 판단기준에 따른 ESS의 과도상태모드 연산, 전환운전모드 연산, 충전상태에 따른 에너지저장장치의 가용출력 배분 및 충전율 연산 등으로 구성되어 있으며, 전력계통 주파수변화에 대한 최적안정화가 가능하도록 개발했다.
한전 전력연구원 ESS연구사업단에서는 주파수조정용 ESS 제어시스템의 실용성 검증을 위해 제주시 조천변전소에 4MW급 실증단지를 건설, 시험을 완료했다.
이를 기반으로 서안성 및 신용인 변전소에 각각 설치한 28MW 및 24MW급의 주파수조정용 ESS를 운용하기 위한 대용량 제어시스템을 개발하고 계통연계 자동제어시운전을 완료했다. 또한 올해 말까지 전국 8개 변전소에 건설할 계획인 총 200MW 배터리 ESS 사업에 관련기술을 적용할 계획이다.
최근 원자력발전소 불시정지 시 발생한 주파수저하에 대해 ESS의 고속충방전 성능을 활용, 효과적으로 필요한 전력을 공급하기도 했다. 주파수변동 직후 기존 발전기가 3~5%의 출력변동율로 전력을 공급하는데 비해 ESS는 200ms(≒0% 출력변동율) 이내로 전력공급이 가능하다.
향후 한전에서는 2018년까지 500MW ESS를 확보할 계획으로, 500MW를 동시에 200ms 이내로 전력을 공급할 수 있게 될 전망이다.
500MW ESS를 운용할 경우 기존에 주파수조정을 담당하던 발전기의 최대출력 안정운전 및 고가발전기 운전 최소화, 대용량 발전기 고장과 같은 불시정지로 인한 계통주파수하락의 억제 및 회복시간 단축 등으로 전력계통을 보다 안정적으로 운용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.