KR20220075969A - 주파수 조정 운용 방법 및 계통 주파수 조정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 주파수 조정 운용 방법은, 계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하는 주파수 조정 방전 단계; 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 충전 단계; 계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 기준 충전량 회복 운용 단계; 및 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

주파수 조정 운용 방법 및 계통 주파수 조정 시스템{FREQUINCY REGULATION OPERATING METHOD AND GRID SYSTEM FREQUINCY REGULATION SYSTEM}

본 발명은 에너지 저장 장치를 이용한 주파수 조정 운용 방법 및 계통 주파수 조정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 효율적이고 적극적으로 계통 주파주 조정을 수행할 수 있도록 슈퍼커패시터를 구비한 에너지 저장 장치에 적합한 주파수 조정 운용 방법 및 계통 주파수 조정 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 지구온난화 등의 환경문제로 신재생 전원의 사용이 늘어나고 있으며, 대한한국 정부에서도 2030년까지 신재생전원의 비중을 20%까지 늘리겠다는 3020 정책을 발표하는 등 신재생 전원의 사용을 장려하고 있다. 그러나 풍력, 태양광 등의 신재생 분산전원이 광범위하게 국내계통에 유입되고, 수요와는 무관하게 날씨 등에 의해 발전량이 변동하는 특성 때문에 국내계통의 전압, 주파수 등이 흔들리는 계통 불안정이 발생할 수 있다.

전력계통에서는 수용가의 사용량을 미리 예측하고 발전량을 사용량과 동일하도록 제어하여 주파수 등을 일정하도록 유지하여 전력품질을 높이는 것이 매우 중요한 사항이다. 그러나 신재생 전원은 기존 발전기 등과 달리 관성이 적어서 주파수 변동에 대응하는 능력이 없어 별도의 주파수 조정용 ESS를 요구하고 있다.

도 1은 교류 계통에 설치되어 운영되는 주파수 조정용 에너지 저장 장치의 연결 구조를 도시한 구성도이다.

국내계통에는 신재생 전원의 증가에 대응하기 위하여 2015년부터 리튬이온 배터리로 구성된 376MW 규모의 주파수 조정용 에너지저장장치(Frequency Regulation Energy Storage Ssystem, FR-ESS)를 설치하여 운용하고 있다.

도 2는 주파수 조정용 에너지 저장 장치의 작동원리를 나타내는 그래프이다.

도 1과 같은 주파수 조정용 에너지(전력) 저장 장치는 기본적으로 도 2와 같이 계통의 주파수가 규정 주파수보다 크면 계통의 전력을 흡수하는 충전 동작으로 주파수를 낮추며, 규정 주파수보다 낮으면 에너지를 계통으로 흘려주는 방전 동작으로 주파수를 유지하도록 한다. 좀 더 구체적인 주파수 조정 장치의 제어전략은 크게 과도상태와 정상상태로 구분된다. 두 가지 제어전략의 구분은 국내계통의 가장 작은 발전기 탈락 기준보다 큰 변동의 경우는 과도상태로 동작하고, 작을 경우는 정상상태 운전모드로 동작하는 것이다.

수명이 4000회 이내인 리튬이온 배터리만을 사용하는 시스템의 경제성을 향상시키기 위하여 20만회 이상의 장수명을 가진 슈퍼캐시터와의 병행운전을 사용할 수도 있으며, 이에 대한 연구도 진행되고 있다. 이러한 혼합시스템의 경우 장수명인 슈퍼커패시터가 초기 30초 이내의 정상상태 주파수 조정에 참여하고, 리튬이온 배터리는 과도상태의 주파수 조정으로 역할분담하도록 하는 것이 주된 전략이다.

그런데, 장수명의 슈퍼커패시터를 사용하는 주파수 조정 시스템의 경우에도, 기존의 리튬이온 배터리에 적용한 기준 충전량(SOC-base) 기준으로 충방전을 제어하는데, 이러면 적은 에너지를 효율적으로 사용하기 어렵다. 다시말해, 슈퍼커패시터를 사용하는 주파수 조정 시스템에 리튬 이온 배터리에 사용하는 수명경감이 최소화하도록 하는 운전 전략을 그대로 사용하는 것은 적합하지 않다.

대한민국 등록공보 10-0928727호

본 발명은 슈퍼커패시터를 사용한 에너지저장장치의 효용성을 증대시키기 위하여 향상된 주파수 조정 운전 전략에 따른 주파수 조정 운용 방법 및 계통 주파수 조정 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 주파수 조정 운용 방법은, 계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하는 주파수 조정 방전 단계; 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 충전 단계; 계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량(SOC-base)으로 회복시키기 위한 기준 충전량 회복 운용 단계; 및 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 에너지 저장 매체는, 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기준 충전량을 변경하는 단계에서는, 일정기간 동안의 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전전력의 적분값과, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 방전전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로, 상기 기준 충전량을 일정범위 내에서 높이거나 낮추어 변경할 수 있다.

여기서, 상기 에너지 저장 매체에 대한 충전 전력량이 소정의 기준 충전 출력량 미만이면 상기 회복 충전전력의 적분값으로 반영하고, 상기 에너지 저장 매체에 대한 방전 전력량이 소정의 기준 방전 출력량 미만이면 상기 회복 방전전력의 적분값으로 반영할 수 있다.

(예컨대, 30분 동안의 회복 충전전력 적분값과 회복 방전전력 적분값의 차가 소정의 기준 값 미만이면 기준 충전량을 변경하지 않고, 소정의 기준 값 이상이면 그에 비례하는 값을 반영하여 기준 충전량을 변경할 수 있다.)

여기서, 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서는, 상기 에너지 저장 매체의 충전량에서 상기 기준 충전량을 차감한 값이 제1 차이값 이상이면, 제1 충전 전력량에 따른 충전을 수행하고, 상기 차감한 값이 제2 차이값 이상이면, 제2 충전 전력량에 따른 충전을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서는, 상기 기준 충전량에서 상기 에너지 저장 매체의 충전량을 차감한 값이 제1 차이값 이상이면, 제1 방전 전력량에 따른 충전을 수행하고, 상기 차감한 값이 제2 차이값 이상이면, 제2 방전 전력량에 따른 충전을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 계통 주파수 조정 시스템은, 계통의 전력으로 충전하고, 계통으로 저장된 전력을 방전하는 에너지 저장 매체; 상기 에너지 저장 매체와 계통의 전력 충전 및 방전을 위한 전력 변환을 수행하는 PCS부; 계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면 상기 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하고, 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 장치; 계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키는 기준 충전량 회복부; 및 상기 에너지 저장 매체를 상기 기준 충전량으로 회복시킬때의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 기준 충전량 설정부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 에너지 저장 매체는, 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기준 충전량 설정부는, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전전력의 적분값에서 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 방전전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로, 상기 기준 충전량을 변경할 수 있다.

여기서, 상기 기준 충전량 설정부는, 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전 및 방전 전력량의 차가 소정의 기준 미만이면 기존 값을 유지하고, 기준 이상이면 회복 충전 및 방전 전력량의 차에 비례하는 값을 반영하여 기준 충전량을 변경할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 주파수 조정 운용 방법 및/또는 계통 주파수 조정 시스템을 실시하면, 기준 충방전량을 고정하지 않고 상황에 따라 변동하도록 함에 따라 충방전량을 효율적으로 제어하고 총충방전을 줄임으로써 저장장치를 효율적으로 운용하고 수명 감소를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 주파수 조정 운용 방법 및/또는 계통 주파수 조정 시스템은, 일과시간이 시작되어 전력수요가 늘어나거나, 일과가 끝나 전력수요가 감소하는 시간 등 예측되는 상황에서 기준충전량 값을 높이거나 낮추는 방향으로 조정하여 주파수 조정용 에너지 저장 장치의 효용성을 증가시키는 이점이 있다.

본 발명의 주파수 조정 운용 방법 및/또는 계통 주파수 조정 시스템은, 전체 전력 계통의 전력 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 교류 계통에 설치되어 운영되는 주파수 조정용 에너지 저장 장치의 연결 구조를 도시한 구성도.
도 2는 주파수 조정용 에너지 저장 장치의 작동원리를 나타내는 그래프.
도 3은 정상상태 주파수 조정용 전력저장장치 제어 방식을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 주파수 조정 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 5는 SOC 변동량을 산출하는 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 계통 주파수 조정 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 7은 기준 충전량(SOC-base)을 65%로 고정한 상태에서 슈퍼캐시터 100kW 스택을 FR 운전한 결과를 나타낸 그래프들.
도 8은 일정시간 동안 SOC 회복에 사용된 전력량을 적분하고 비교하여 이에 비례하는 SOC 변동량을 산출하여 기준 충전량(SOC-base)를 40-70% 사이에서 변동하도록 하여 운전하도록 해준 결과를 나타내는 그래프들.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 3은 정상상태 주파수 조정용 전력저장장치 제어 방식을 나타내는 그래프이다.

정상상태의 운전전략은 SOC 운전구간과 주파수 변동을 고려하여 배터리 수명경감을 최소화하는 제어전략을 채택하여 주파수 변동값과 배터리 충전량에 따라 결정된다.

더 자세히는 배터리의 충전량(SOC)를 기준 충전량(SOC-base)인 65%의 일정값으로 유지하며, 주파수가 60±0.03[Hz]를 벗어나는 경우에 배터리 SOC가 정상범위(80% ～ 50%)에 있는 경우에는 계통 주파수 변동에 따라 기존 발전원들의 4% Droop 특성을 적용한 비례계수 값을 이용하여 주파수제어 요구량을 계산하여 제어하는 운전전략을 사용한다.

주파수가 안정영역(60±0.03[Hz]) 내이면 기준 충전량(SOC-base, 65%)으로 회복하기 위해 정격의 5% 혹은 10%로 충방전을 실시하는 SOC 회복제어를 수행한다. 또한, 배터리의 불필요한 충·방전 동작을 방지하기 위해 SOC 불감대(63% ～ 67%)를 설정하여 이 영역에서는 충방전을 하지 않는다.

그러나 사용전력은 주야간과 환경에 따라 패턴이 달라지므로 기준 충전량(34)을 65%로 고정하여 운전하면, 기준 충전량(SOC-base)으로 회복하기 위해 사용되는 전력이 많이 소모되고 필요시에 전력을 충분히 충전하거나 방전할 수 없다.

주파수 제어에 사용되는 전력은 대부분 총 출력의 10% 이상으로 큰 값을 보이며, 주파수가 불감대에 도달하면 SOC 회복을 위한 5-10% 의 작은 전력이 흐르게 된다. 이 작은 전력을 회복전력량이라 정의하고, 주파수가 낮아져서 스택으로부터 에너지를 방전하여 주파수를 높이는 방전제어 이후에는 SOC를 기준값으로 회복하기위해 반대의 회복충전전력(41)이 흐르게 된다. 주파수 높아지는 경우는 반대로 충전제어와 이후에 회복방전전력(42)이 흐른다.

본 발명에서는 슈퍼커패시터를 사용하는 주파수 제어 운전전략은 SOC 회복제어에서 기준 충전량(SOC-base) 값을 고정하지 않고 일정범위 내에서 자동으로 변동하도록 함으로써 회복에 사용되는 전력량을 최소화하고, 특정 패턴이 예상되는 시간대에 SOC를 미리 변동해놓아 대응 충방전량이 크도록 하는 저장장치의 효용성을 높이는 방안을 제공한다.

다시말해, 전력계통 주파수 조정용 전력 저장 장치를 운용함에 있어, 기준 충전량(SOC-base)을 일정한 범위에서 고정하지 않고, 일정기간의 충방전 회복전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로 변화시켜 설정하는 방법을 제시한다.

더 자세히는 직전 일정 기간의 회복 충전전력량(41)과 회복 방전전력량(42)의 절대치의 차를 구하고 이값에 비례하도록 기준 충전량(SOC-base)를 점차적으로 일정범위(40~70%) 내에서 변동시킴으로써 ESS 의 효용성을 증가시키는 방안을 제공하는 것이다. 이 때 회복충전량이 더 커지면 기준 충전량을 높이고, 회복 방전량이 더 커지면 기준 충전량을 낮추는 방향으로 변경하는 것이다.

도 4는 본 발명의 사상에 따른 주파수 조정 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도시한 주파수 조정 운용 방법은, 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면(S20) 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하는 주파수 조정 방전 단계(S30); 계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면(S40) 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 충전 단계(S50); 계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 기준 충전량 회복 운용 단계(S70); 및 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 단계(S90)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 에너지 저장 매체는 전력 에너지 저장용 배터리 모듈이나 슈퍼커패시터 모듈을 구비한 ESS인 것이 일반적일 것이다. 보다 빈번한 주파수 조정 작업으로의 투입을 위한 관점에서는, 충방전 회수가 매우 많은 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈들로 이루어진 ESS이거나, 리륨이온 배터리 모듈과 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈이 함께 적용될 ESS인 것이 바람직하다. 그러나, 권리범위가 이에 한정되지 않음은 물론이다.

상기 기준 충전량을 변경하는 단계(S90)에서는, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 충전전력의 적분값에서 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 방전전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로, 상기 기준 충전량을 변경할 수 있다.

즉, 상기 S90 단계에서 본 발명의 사상에 따라, 슈퍼커패시터의 기준 충전량을 일정기간의 회복충전 및 회복방전 전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로 변화시켜 설정한다. 이를 수행하는 단순한 방안에서는, SOC 회복 운전이 지령이 있는 경우, SOC 회복을 위한 충전 또는 방전으로 판정하여, SOC 회복 운전 충/방전으로서 적분할 수 있다.

도 5는 SOC 변동량을 산출하는 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

그런데, 구현에 따라서는, 실제로 계통의 주파수 조정을 위한 충전 및/또는 방전이 수행되었어도, 충전/방전 전력이 상기 기준값(도 5에서는 10%) 미만이면, 실제로 슈퍼커패시터에는 SOC 회복 충전/방전으로서 영향을 주는 것을 반영할 것이 요구될 수도 있다.

도 5는 상술한 방식으로 상술한 SOC 변동량을 산출 반영을 수행하는 상세 과정을 예시한다.

이러한 경우, 상기 S90 단계를 수행하기 위해, 상기 에너지 저장 매체에 대한 충전 전력량이 소정의 기준 충전 출력량 미만이면(S83) 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 충전전력의 적분값으로 반영하고(S84), 상기 에너지 저장 매체에 대한 방전 전력량이 소정의 기준 방전 출력량 미만이면(S85) 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 방전전력의 적분값으로 반영(S56)할 수 있다. 도면에서 기준 방전 출력량 및 방전량은 -로 표현하였으며, 기준 방전 출력량 미만/이상 여부는 표현된 수치의 절대값에 대한 것임을 밝혀둔다.

도시한 바와 같이, 상기 에너지 저장 매체에 대한 충전 전력량이 소정의 기준 충전 출력량 이상이면, 계통 주파수 보상을 위한 충전(S82)으로, 상기 에너지 저장 매체에 대한 충전 전력량이 소정의 기준 방전 출력량 이상이면 계통 주파수 보상을 위한 충전(S87)으로 취급된다.

도시한 흐름도에 따른 기준 충전량 회복 충방전 전력 적분(S88) 및 SOC 변동량을 산출(S89)은, SOC 회복 운전이 지령을 확인할 필요없이, 슈퍼커패시터(ESS) 출력단의 전력 변동을 확인하여 수행될 수 있다.

한편, 구현에 따라, 기준 충전량 회복 충/방전을 도 3에 도시한 바와 같이, 2 단계로 구분하여 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 기준 충전량 회복 운용 단계(S70)에서는, 상기 에너지 저장 매체의 충전량에서 상기 기준 충전량(도 3에서는 65%)을 차감한 값이 제1 차이값(도 3에서는 65-63%) 이상이면, 제1 충전 전력량에 따른 충전을 수행하고, 상기 차감한 값이 제2 차이값(도 3에서는 65-50%) 이상이면, 제2 충전 전력량에 따른 충전을 수행할 수 있다.

마찬가지로, 상기 기준 충전량 회복 운용 단계(S70)에서는, 상기 기준 충전량(도 3에서는 65%)에서 상기 에너지 저장 매체의 충전량을 차감한 값이 제1 차이값(도 3에서는 67-65%) 이상이면, 제1 방전 전력량에 따른 방전을 수행하고, 상기 차감한 값이 제2 차이값(도 3에서는 80-65%) 이상이면, 제2 방전 전력량에 따른 방전을 수행할 수 있다.

구현에 따라, 상기 기준 충전량을 변경하는 단계(S90)에서는, 충방전 회복전력 이외에, 충방전량, 평균 SOC, 계통 주파수 평균 등의 값을 사용하여 기준 충전량(SOC-base)을 설정할 수 있다.

구현에 따라, 상기 기준 충전량을 변경하는 단계(S90)에서는, 상기 기준 충전량의 변동범위를 한정할 수 있다. 예컨대, 슈퍼커패시터의 수명에 악영향을 끼치지 않도록, 상기 기준 충전량의 변동범위를 40-70% 로 한정하여 운영할 수 있다.

도 6은 본 발명의 사상에 따른 계통 주파수 조정 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도시한 계통 주파수 조정 시스템은, 계통의 전력으로 충전하고, 계통으로 저장된 전력을 방전하는 에너지 저장 매체(10); 상기 에너지 저장 매체(10)와 계통의 전력 충전 및 방전을 위한 전력 변환을 수행하는 PCS부(20); 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 상기 에너지 저장 매체(10)에 충전된 전력을 출력하고, 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체(10)에 충전하는 주파수 조정 장치(40); 계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체(10)를 기준 충전량으로 회복시키는 기준 충전량 회복부(60); 및 상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 기준 충전량 설정부(70)를 포함할 수 있다.

상기 PCS부(20)는 상기 에너지 저장 매체(10)와 함께 ESS의 형태를 형성할 수 있다. 도면에서는 에너지 저장 매체(10)의 슈퍼커패시터 구성을 강조하기 위해 구분되도록 표현하였다.

여기서, 상기 에너지 저장 매체(10)는 전력 에너지 저장용 배터리 모듈이나 슈퍼커패시터 모듈을 구비한 ESS일 수 있으나, 도시한 바와 같이, 보다 빈번한 주파수 조정 작업으로의 투입을 위한 관점에서, 충방전 회수가 매우 많은 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈들로 이루어진 ESS이거나, 리륨이온 배터리 모듈과 전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈이 함께 적용될 ESS인 것이 바람직하다.

상기 기준 충전량 설정부(70)는 전력계통 주파수 조정용 전력저장장치를 운용함에 있어서, 기준 충전량(SOC-base)을 일정한 범위에서 고정하지 않고, 일정기간의 회복충전 및 회복방전 전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로 변화시켜 설정하기 위한 것이다.

구현에 따라, 상기 기준 충전량 설정부(70)는, 충방전 회복전력 이외에, 충방전량, 평균 SOC, 계통 주파수 평균 등의 값을 사용하여 기준 충전량(SOC-base)을 설정할 수 있다.

상기 기준 충전량 설정부(70)는 기준 충전량(SOC-base)을 변경함에 있어서, 일정기간의 평균 SOC 를 산출하여 직전 기준충전량과의 비교를 통하여 평균 SOC 가 낮아졌으면 기준 충전량을 높이고, 평균 SOC 가 높아졌으면 기준 충전량을 낮추는 방향으로 설정할 수 있다.

또한 상기 기준 충전량 설정부(70)는 기준 충전량(SOC-base)을 변경함에 있어서, 일정기간의 충전 및 방전 전력의 적분 값의 차에 비례하는 값을 반영하여 기준 충전량을 재설정할 수 있다.

구현에 따라, 상기 기준 충전량 설정부(70)는 상기 기준 충전량의 변동범위를 한정할 수 있다. 예컨대, 슈퍼커패시터의 수명에 악영향을 끼치지 않도록, 상기 기준 충전량의 변동범위를 40-70% 로 한정하여 운영할 수 있다.

상기 주파수 조정 장치(40)는 일반적인 ESS를 이용한 계통 주파수 조정 장치의 형태로 구현될 수 있다.

상기 주파수 조정 장치(40), 상기 기준 충전량 회복부(60) 및 상기 기준 충전량 설정부(70)는 본 발명의 사상에 따른 예컨대 도 4의 흐름도에 따른 주파수 조정 운용 방법을 수행할 수 있다. 상기 주파수 조정 장치(40)는 상기 S20 단계 내지 S50 단계를 수행하고, 상기 기준 충전량 회복부(60)는 상기 S70 단계를 수행하며, 상기 기준 충전량 설정부(70)는 상기 S90 단계를 수행할 수 있다.

도 7은 기준 충전량(SOC-base)을 65%로 고정한 상태에서 슈퍼캐시터 100kW 스택을 FR 운전한 결과를 나타낸 그래프들이다.

구체적으로, 도 7(a)는 주파수 변동에 대응하여 주파수가 60.03 Hz 보다 크면 전력에너지를 슈퍼커패시터에 충전(+)하며, 주파수가 59.97Hz 보다 작으면 슈퍼커패시터에 충전된 에너지를 계통으로 방전(-)한 결과를 나타낸 것으로 방전보다는 충전이 전반적으로 많음을 알 수 있다. 여기서, 중간의 10kW 미만의 충방전은 SOC의 기준값으로의 회복을 위한 반대동작이다.

도 7(b)에서 SOC 가 65% 이상으로 높게 유지되는 경우가 많음에도 SOC 가 65%로 고정되어 있어서 대응량이 상대적으로 적음을 알 수 있다.

도 7(c)는 일정시간(10분) 동안 충방전 회복제어에 사용된 전력량(41, 42)을 표시한 것으로 주파수 제어에 사용된 전력을 제외하고 순수히 SOC 회복제어에 사용된 10% 이하의 전력만을 합산한 값이다. 여기서, SOC 가 65% 로 고정되어 있어 회복제어에 많은 전력(41, 42)이 사용되고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 사상에 따라 소정의 시간 간격으로 기준 충전량 변경을 수행하되, 각 기준 충전량 변경 시점에서, 기준 충전량 변경을 위한 SOC 회복 충/방전 적분 기간은, 해당 기준 충전량 변경 시점 이전에 소정의 시간 구간 동안을 적용할 수 있다.

예컨대, 60분 단위로 기준 충전량 변경을 수행하고, 각 기준 충전량 변경 시점에서 그 이전 60분 동안의 기준 충전량 변경을 위한 SOC 회복 충/방전 적분값으로부터 다음에 적용할 기준 충전량 값을 결정할 수 있다. 이 경우, 기준 충전량 변경와 적분값 생성 기간이 동일하다. 다른 구현에서는, 2개의 기준 충전량 변경 단위 시간 동안의 적분값을 적용하는 등 적분값 생성 기간을 기준 충전량 변경 단위 시간의 배수로 적용할 수 있다.

예컨대, 10분 단위로 기준 충전량 변경을 수행하고, 각 기준 충전량 변경 시점에서 그 이전 2 시간 동안의 기준 충전량 변경을 위한 SOC 회복 충/방전 적분값으로부터 다음에 적용할 기준 충전량 값을 결정할 수 있다. 이 경우는, 기준 충전량 값을 결정에 있어서, 일종의 시프트되는 타임 윈도우를 적용한 것이다.

도 8은 본 발명의 사상에 따른 운전 전략으로 일정시간 동안 SOC 회복에 사용된 전력량을 적분하고 비교하여 이에 비례하는 SOC 변동량(61)을 산출하여 기준 충전량(SOC-base)를 40-70% 사이에서 변동하도록 하여 운전하도록 해준 결과를 나타내는 그래프들이다. 구체적으로 도 8은 10분 단위로 충방전 회복전력량을 비교하여 그 차에 비례하도록 기준 충전량(SOC-base)를 40~70% 사이에서 변동하여 운영한 결과이다. 10분마다 충방전 회복충전량을 계산한 것은 하나의 예로 본 발명을 10분으로 한정하는 것은 아니다.

도 8a는 도 7a와 같이 주파수 제어에 사용된 충방전 전력을 표시한 것이고, 도 8b의 SOC를 표시한 결과에서 기준충전량(34, SOC-base)을 나타내는 중간선이 시간에 따라 40 ~70% 사이로 변동하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 8c에서 기준충전량을 65%로 고정했던 도 7c에 비하여 충방전 회복전력, 특히 충전 회복전력이 크게 줄어들었음을 알 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 에너지 저장 매체
20 : PCS부
40 : 주파수 조정 장치
60 : 기준 충전량 회복부
70 : 기준 충전량 설정부

Claims (9)

1. 계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하는 주파수 조정 방전 단계;
   계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 충전 단계;
   계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 기준 충전량 회복 운용 단계; 및
   상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 단계
   를 포함하는 주파수 조정 운용 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 저장 매체는,
   전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈을 포함하는 주파수 조정 운용 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 기준 충전량을 변경하는 단계에서는,
   일정기간 동안의 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전전력의 적분값과 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 방전전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로, 상기 기준 충전량을 일정범위 내에서 높이거나 낮추어 변경하는 주파수 조정 운용 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 에너지 저장 매체에 대한 충전 전력량이 소정의 기준 충전 출력량 미만이면 상기 회복 충전전력의 적분값으로 반영하고,
   상기 에너지 저장 매체에 대한 방전 전력량이 소정의 기준 방전 출력량 미만이면 상기 회복 방전전력의 적분값으로 반영하는 주파수 조정 운용 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 기준 충전량 회복 운용 단계에서는,
   상기 에너지 저장 매체의 충전량에서 상기 기준 충전량을 차감한 값이 제1 차이값 이상이면, 제1 충전 전력량에 따른 충전을 수행하고, 상기 차감한 값이 제2 차이값 이상이면, 제2 충전 전력량에 따른 충전을 수행하는 주파수 조정 운용 방법.
   
6. 계통의 전력으로 충전하고, 계통으로 저장된 전력을 방전하는 에너지 저장 매체;
   상기 에너지 저장 매체와 계통의 전력 충전 및 방전을 위한 전력 변환을 수행하는 PCS부;
   계통의 주파수가 하한 기준보다 낮아지면 상기 에너지 저장 매체에 충전된 전력을 출력하고, 계통의 주파수가 상한 기준보다 높아지면 계통의 전력을 상기 에너지 저장 매체에 충전하는 주파수 조정 장치;
   계통의 주파수가 상기 상한 기준 및 하한 기준의 사이에 있으면, 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키는 기준 충전량 회복부; 및
   상기 에너지 저장 매체를 상기 기준 충전량으로 회복시킬때의 상기 에너지 저장 매체에 대한 전력 수급에 따라 상기 기준 충전량을 변경하는 기준 충전량 설정부
   를 포함하는 계통 주파수 조정 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 에너지 저장 매체는,
   전력 저장용 슈퍼커패시터 모듈을 포함하는 계통 주파수 조정 시스템.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 기준 충전량 설정부는,
   상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전전력의 적분값에서 상기 에너지 저장 매체를 기준 충전량으로 회복시키기 위한 상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 방전전력의 적분값의 차에 비례하는 값으로, 상기 기준 충전량을 변경하는 계통 주파수 조정 시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 기준 충전량 설정부는,
   상기 에너지 저장 매체에 대한 회복 충전 및 방전 전력량의 차가 소정의 기준 미만이면 기존 값을 유지하고, 기준 이상이면 회복 충전 및 방전 전력량의 차에 비례하는 값을 반영하여 기준 충전량을 변경하는 계통 주파수 조정 시스템.
   
   

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