전남대학교 전기공학과 안선주 교수는 배전계통에서 에너지저장장치의 운영 방안에 대한 발표를 통해"스마트그리드와 신재생에너지에대한 개발 및 보급이 확산되면서 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System)의 필요성이 증가 추세에 있다"며"발전과 수급의 균형을맞춰야 한다"고 언급했다. 또한"대용량 에너지저장장치 연구는 전 세계적인 추세로 앞으로 더욱 활발해질 것으로 보인다"고 덧붙였다. 안 교수는 최근 연구한 내용을 토대로 에너지저장장치의 배전계통 부하 평준화(Load leveling)를 위한 운영 방안, 신재생에너지 연계 시 운영 방안 등을 발표했다.
분산형 전원(Dispersed Generation System) 이란 원자력이나 대용량 화력 등과 같은 집중적이고 대용량이 아닌 소용량의 전력 저장 시스템이나 발전 시스템을 일컫는다. 수력, 태양광, 바이오, 풍력 등의 신재생에너지 전원, 소용량의 열병합발전 시스템, 전기 등을 이용한전력 저장 시스템이 그 예다. 전력회사의 대규모 집중형 전원과 달리 소비지 인근에 배치 가능하다(자료: 녹색성장위원회). 최근 블랙아웃 사태 등전력 수급에 비상등이 켜지자 분산형전원의 가치가 재조명되고 있다. 이에발맞춰 대한전기학회 분산전원계통연회와 에너지관리공단 주관으로 '분산전원계통 기술 세미나'가 10월 12일서울 코엑스에서 개최됐다. △전기연구원 변길성 박사는 '분산형 전원의시물레이션 기법에 관한 연구'△한기 대 노대석 교수는 '분산전원의 계통연계시의 보호협조 문제점 분석 및 대책'△전남대 안선주 교수는 '배전계통에서 ESS 시스템의 운영 방안'△에너지관리공단 최성우 부장은'해상풍력을 이용한 분산전원 구축 현황'△에너지관리공단 한석만 박사는 '분산전원으로서의 자가발전기 활용 방 안'등을 발표했다.
에너지저장장치는 다양한 발전원에서 생산한 전력을 수요가 적을 때 저장했다가 필요할 때 공급함으로써 에너지효율을 높이는 장치다. 정부는 에너지저장장치 산업 육성에 10년간 6.4조 원 투자 방침을 밝힌 바 있다. 그만큼 새로운 차세대성장 동력으로, 전력 공급의 안정화, 신재생에너지의 확산 등에기여하는 미래 핵심 기술 및 산업 분야로 인식되고 있다. 또한정부가 단계적으로 추진 중인 스마트그리드Smart Grid에서 빠져서는 안 될 심장과도 같은 시스템이다. 기존 전력 시스템은 전기 수요가 많지 않은 한밤중에도 전력을 생산하는데, 그 특성상 생산한 전력을 사용하지 않으면 물거품처럼 사라진다. 이 전력을 에너지저장장치에 저장했다가 수요가 증가할 때 사용할 수 있다. 또한 2011년 1월 여수산단 정전사고(피해액 약 700억 원), 2011년 9월 15일 순환 정전사고와같은 대규모 정전 사고를 예방하고, 수력발전소를 제외한 원전등 발전소 운영 시 비상 전력으로 활용할 수 있다. 에너지저장장치의 막중한 임무는 여기에 멈추지 않는다. 첨두부하 분산을 통해 발전소 건설비, 송전선 설치비 등 투자비를 절감할 뿐만 아니라 전력 예비율을 높여 여름·겨울 전력 피크 등에 효과적으로대응할 수 있다. 그리고 출력이 불규칙한 신재생에너지원을 고품질 전력으로 변환하는 등 신재생에너지 보급 확산에도 필요하다. 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 신재생에너지원을 고품질 전력으로 전환해 전력망에 연계하는 데 필요한 시스템이다.
에너지저장장치 운영을 위한 고려사항 배전계통 에너지저장장치 운영 방안 도출을 위해상시 필요한 주 기능으로 부하의 평준화와 신재생에너지 연계 확대를 위한 운영, 필요 시 부가 기능으로 전압 조정 및 무효전력 보상, 손실 감소, 단독운전 시 부하 공급 등 운영 목적(모드)을 분류하고기술적 고려사항을 결정해야 한다. 이때 동시 수행가능한지 불가능한지 운영 모드를 구분하고 운영모드 사이의 전환을 위한 기준 설정이 필요하다. 운영 목적에 따른 운영(충/방전) 알고리즘을 비롯해 수용가 형태 및 부하 패턴 분석, 다수의eeder 중 에너지저장장치 설치 효과가 가장 좋은위치, 용량, 충/방전 패턴, 설치비용 대비 효과 분석, Feeder별 부하 평준화와 합성 부하의 부하 평준화 비교 등 부하 패턴 및 설치 위치에 따른 운영알고리즘을 고려한다.
일별 부하 평준화 운영 방안 잉여 전력이나 저가의 전력을 저장해 최대 수요나 집중 수요 시간대에 활용함으로써 시스템의 필요 예비 전력량을 감소하고 송변전 설비의 이용률을 향상해 설비 증설을 지연할 수 있다. 이는 일별부하 평준화를 통해 실현 가능하다. 부하 패턴을분석해 충전/방전 기준을 설정하여 익일 부하를 예측하고 저장장치의 충전/방전 스케줄링으로 저장장치를 운영하는 것이다. 평상시 부하의 평준화를위해 적용하기 때문에 저장장치는 24시간을 주기로 충전과 방전이 반복되는 패턴으로 운영된다. 부하 패턴 분석을 통해 방전 기준 시각을 설정하고 설비 용량에 따라 저장장치가 방전을 해야 할 최소 방전 기준을 결정한다. 방전 기준 시각의 부하가 최소 방전 기준을 넘으면 방전, 그렇지 않으면 대기 모드로 설정한다(<그림 1> 참조).
순시 첨두부하 저감을 위한 운영 방안 부하의 순시 변동에 따라 일시적으로 주 변압기용량이나 배전선의 용량을 초과하는 경우 첨두부 하를 에너지저장장치로 공급할 수 있다. 연중 대부분의 시간을 대기모드로 운영하고 설비의 과부하가 발생하는 첨두부하 발생 시에만 방전모드로 동작시킨다. 배전계통의 경우 연중 최대 부하 기준75% 이상의 부하가 발생하는 시간이 5%(약 400시간) 미만이기에 독립운전, 전압 보상 등과 같은운영 목적으로도 활용 가능하다(<그림 2> 참조). 배터리와 같은 전력 저장장치는 인버터를 통해계통에 연계되기 때문에 유효전력의 충/방전을 통한 에너지 스케줄링에 부가적으로 무효전력을직접 제어함으로써 계통의 전압 제어에 기여할 수 있다. 저장장치가 충전모드일 때 충전 전력에비래해 무효전력 흡수, 방전모드일 때 방전 전력 에 비례해 무효전력 공급, 대기모드일 때 전압 제어 기기와 협조 운전 방식으로 무효전력을 제어 한다.
독립운전을 위한 운영 방안 전력계통에 일시적인 정전 발생 시에는 독립운전모드로 전환해 일부 수용가에 안정적으로 전력을공급할 수 있다. 저장장치를 독립운전만 적용하는경우에는 정상 상태에서 저장장치는 계통에서 분리돼 있거나 대기모드로 동작해야 한다. 부하 평준화 등과 같은 다른 운영 목적에도 저장장치를 사용하는 경우 운영 중에 저장장치의 에너지량을 모니터링할 수 있어야 하며 독립운전을 대비해 저장된에너지량이 일정 수준 이하로 떨어지지 않도록 방전을 제한할 수 있어야 한다.
신재생에너지 연계 시 운영 방안 출력이 부하의 변동과 상관관계 없이 발생하는신재생에너지원의 경우 그 운영의 경제성을 높이 기 위해 전력 저장장치를 연계 운영한다. 그 방법은, Off-peak 시간에 발생하는 신재생에너지원의출력은 모두 저장장치에 충전하고 첨두부하 시간에는 신재생에너지원의 출력과 저장장치에서 방전하는 전력을 이용해 계통에 일정한 전력을 공급한다(<그림 3> 참조). 신재생에너지원의 평균 출력을 1시간 단위로 예측하고 이를 기반으로 신재생에너지와 전력 저장장치를 포함한 전체 시스템의 출력 레퍼런스를 결정한다. 신재생에너지원의 출력이 레퍼런스 이하일 때에는 저장장치 방전을, 신재생에너지원의 출력이 레퍼런스 이상일 때 충전함으로써 신재생에너지원을 급전 가능한(Dispatchable) 전원으로 동작할 수 있게 한다. 신재생발전기 계통연계 기준에 따라 대규모 신재생발전기는 계통 운영을 위해 유효전력을 제어할수 있도록 다음의 제어 기능을 구비해야 한다. ▲급감발 조정: 유효전력의 출력은 5초 이내에 정격출력의 20%까지로 감발할 수 있어야 함 ▲주파수조정: 계통 주파수 함수에 따라 발전기의 유효전력출력은 자동 조정이 가능해야 함 ▲출력의 상한 조정: 출력 상한은 10분 평균값으로 측정된 유효전력 발전량이 규정된 값을 초과하지 않도록 조정 가능해야 함 ▲유효전력 증발률 조정: 유효전력 출력증발률 속도를 정격의 10%/m까지 제한이 가능해야 함. 이러한 규정은 비상시 신재생발전기의 출력을 제한하는 요구조건들로 전력 저장장치를 용해 이러한 상황에서 신재생에너지원의 출력을 저장함으로써 신재생에너지원은 항상 최대 출력 조건에서 운영한다. 이를 통해 신재생발전 설비 소유자는 이익을 증대함과 동시에 안정적인 계통 운영을 유지할 수 있다(<그림 4> 참조). 배전계통의 말단에 연계된 대규모 신재생에너지원은 경부하 시 과전압 문제가 발생한다. 저장장치를 신재생에너지원의 출력 평준화 및 단주기 출력제어 목적으로 활용하면 신재생에너지원과 저장장치를 포함한 전체 시스템의 출력 변동이 작아져 계통의 전압 변동을 줄이는 간접적인 효과가 있다. 전력 저장장치의 연계 인버터를 통해 무효전력을 직접 제어함으로써 전압 제어가 가능하다.
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