2.1 ESS와 신재생에너지의 계통 연계 구성

본 연구의 에너지 저장 시스템(ESS)의 계통연계 구성은 그림. 1과 같다. 건물 부하에 ESS가 연계되어 있고, 신재생 에너지원으로서 태양광 발전원(PV, photovoltaic)이 계통에 연계되어 있다. EMS(Energy Management System)을 통해서, 태양광의 PCS와 ESS의 PCS에 대해 운전 지령을 주도록 한다. 한편, ACB는 Air Circuit Breaker의 약어이다.

2.2 운영 시나리오를 적용할 장소의 전력 요금

ESS에 적용하기 위한 운영시나리오를 구성하기 전에 먼저 부하 및 전력 요금의 확인이 필요하다. 현시점에서 한국전력에서 정하고 있는 계절별, 시간대별 부하 분류는 표 1과 같다. 표 2는 현 시점에서의 본교에 적용되는 요금표이다. 표 2에서 알 수 있듯이 경부하 시간대와 최대 부하 시간대의 가격을 고려하면, 소비 전력 변동이 심한 여름과 겨울철에는 2배 이상의 요금 차이를 알 수 있다. 따라서 ESS를 최대부하 시간에는 피크부하 저감을 위해 방전을 하고, 경부하 시간대는 충전 동작을 수행하여 전력 요금을 낮출 수 있음을 알 수 있다.

2.3 신재생원이 포함된 ESS 장치의 운영시나리오

본교에 설치된 ESS의 용량, 태양광 발전량, 비상 부하 및 운용 조건은 아래와 같다. 여기서, SoC는 State of Charge의 약어이다.

배터리 용량: 총 500kWh

PV 발전량(건물 옥상 설치): 최대 50kW

최대 비상 부하 전력: 147kW

비상 부하 운전 지속 요구 시간: 2시간

최대 비상 부하 전력량: 147kW*2시간=294kWh

앞서 설명한바와 같이 ESS 운영 시나리오는 크게 계통 연계 모드와 비상 운전 모드 두 가지로 나누어진다. ESS가 종래 디젤 발전기의 역할인 비상 발전기로서 동작해야 하므로, 비상 운전 시 부하는 목표 운전시간인 2시간 동안 PV와 ESS로부터 전력을 공급받아야 한다. 이를 위해 계통 연계 모드 시에는 비상시 동작을 위하여 ESS는 항상 일정량 이상의 SoC를 유지해야 한다. 최대 비상 부하 전력으로 2시간 동안 사용될 시, 필요 전력량은 294kWh이고 PV의 발전량이 0kW 경우를 대비하여 배터리의 비상시 대비 용량을 300kWh로 설정하였다. 이 용량은 SoC 60%에 해당하므로 비상시 전력공급을 대비하기 위하여 최저 SoC값을 60%로 설정하였다.

표 3은 계통 연계 모드 시 계절에 따른 부하 시간대에 따라 ESS의 동작을 구분한 시나리오로 봄·여름·가을일 때에 해당한다. 표 3에 따라 봄·여름·가을에 적용되는 ESS의 운전 시나리오 순서도는 그림. 2와 같다. 겨울 기준으로 ESS 운영 순서도는 그림. 3과 같다. 지면의 제약으로 겨울철 운전 시나리오에 대한 설명은 생략한다.

표 3에 해당하는 계통 연계모드 시나리오의 기본 배경은 경부하 시간에는 낮은 요금을 통해 ESS는 충전을 진행하고 상대적으로 높은 요금 시간인 최대부하시간에 방전한다. 또 중간부하 시간 중 최대부하 시간 사이에 있는 중간부하시간은 다음 최대부하 시간시의 피크전력 저감을 위하해 충전을 하며 그 외의 중간부하시간에는 충·방전 동작을 멈추는 것을 기본으로하여 작성되었다. 그에 해당하는 상태를 시나리오에서는 state를 통해 정해줬다. 다만 실험시 안전성을 위해 배터리의 충전 상한은 90%로 정하였다. ESS의 충·방전량은 SoC 60~90%를 사용하므로 총 용량의 30%에 해당하는 양을 충·방전시간으로 나눠서 시간 단위로 일정하게 유지시킨다. 그에 따른 ESS 충·방전 지령치는 식(1)과 같다. 한편, 경부하시간은 10시간으로 다른 부하 시간대 보다 길다. 이로 인해 1시간 동안 ESS 총 용량의 30%에 해당하는 양을 빠르게 충전시켜 State 2가 되도록 하였다.

비상운전 시나리오 순서도는 그림. 4와 같다. 비상부하량이 태양광 발전량보다 클 경우 ESS에서 방전을 통해 나머지 비상부하량을 충당하고, 비상부하량이 태양광 발전량보다 작을 경우 태양광 발전량 중 부하에 전달하고 남은 잉여 태양광 발전량을 ESS에 충전시키도록 한다. 다만, SoC가 0% 이하 일 때 방전이 되는 상황과 SoC가 90% 이상 일 때 충전하는 상황일 땐 배터리 보호를 위해 동작을 정지시키도록 했다. 그에 해당하는 상태를 앞과 동일하게 시나리오에서는 state를 통해 정해주었으며 계통 연계 운전시의 state와 겹치지 않도록 음의 값으로 설정했다.

그림. 5는 HILS 실험에 사용할 데이터로 시나리오가 운영될 본 대학의 비상 부하량과 4월 10일자 태양광 발전량의 실측데이터이다. 데이터의 태양광 발전량은 오전 7시경 발전을 시작하여 일조량이 가장 큰 13시경에 약 44.3kW로 최대 발전량을 보이고 19시이후 발전을 멈추었다. 비상부하량은 본교 미술 강의동에 설치된 승강기, 환기 시설, 조명 시설, 비상 배수 시설 등의 전력량이다. 비상부하량의 경우 05시에 조명 시설과 환기 시설이 가동되어 일시적으로 상승하고 학생들의 이동이 많은 09시부터 12시 사이에 147kW의 최대 부하량을 보였다. 본교의 강의동이 저녁수업과 학생들의 야간 과제 수행 활동이 많은 미대강의동이라는 특성상 17시부터 23시까지 부하량이 증가하는 패턴을 보인다. 실험에 사용될 이 데이터는 비상부하보다 태양광 발전이 큰 경우, 작은 경우 두 가지 모두 포함하는 데이터로 예측 불가한 비상부하량과 태양광 발전량의 변화에 모두 대처가 가능한지 확인할 수 있는 적합한 부하 형태로 생각된다.

3.1 HILS의 구성

Hardware In the Loop Simulation System 즉 HILS 시스템은 구성품의 실험을 위해 대상 컴포넌트를 하드웨어로 사용하여 시뮬레이션을 수행한다. 본 연구에서는 ESS의 계통연계 운전과 비상 운전 시나리오를 MATLAB/Simulink 모델을 이용하여 구현하고 실험에 사용된 5kWh급 배터리(SP44-29E-114)는 그림. 6과 같이 학교에 설치된 500kWh급 배터리(SPS744-29E-684)에서 한 개의 Tray에 해당하는 배터리를 HILS 실험의 하드웨어로 사용하였다.

실험 장치 구성은 그림. 7과 같다. 배터리 충전과 방전을 수행하는 Programmable DC Power Supply(이하 P.S), Programmable DC Electric Load(이하 E.L), ESS 시나리오를 수행하는 Target PC(NI PXIe-1078)와 검증 대상 하드웨어인 배터리(5kWh) 로 구성된다. 태양광 발전 및 그리드 전력의 모사는 P.S를 사용하고 건물의 일반부하 및 비상부하의 모사는 E.L를 사용한다. ESS의 운영 시나리오 시뮬레이션 프로그램은 Target PC를 통해 진행되며 시뮬레이션에 따라 충전 혹은 방전 지령치를 P.S 혹은 E.L로 전송하고 그에 따른 배터리의 결과 값을 받아서 실험을 진행한다. 실험의 결과 값은 Host PC 실시간으로 모니터링 된다. 통신은 모두 실 시간으로 빠른 통신을 하기 위해 Analog통신을 사용하였으며, AO와 AI는 아날로그 입력과 출력을 의미한다.

3.2 HILS에 적용한 ESS 운영시나리오 모델

그림. 8은 ESS 운영알고리즘에 대한 MATLAB/Simulink 모델이다. 블록 ①는 운영 시나리오 함수 블록이다. 블록 ②를 통해 계통 연계 운전 모드와 비상 운전 모드를 정해주게 되고, 블록 ③을 통해 그림. 5에 해당하는 시간, 태양광 발전량, 비상부하량을 전달받는다. 실제 배터리의 전압, 전류, 초기 SoC 값은 HILS를 통해 블록 ④로 입력되며, 블록 ⑤는 하드웨어로 들어갈 출력으로 위에서부터 순서대로 전체 전류를 측정하기 위한 출력, 배터리의 충전을 수행시키기 위한 P.S에 인가될 출력, 배터리의 방전을 수행시키기 위한 E.L에 인가될 출력, 배터리의 실제 SoC를 측정하기 위한 출력에 해당한다. Matlab/Simulink에서 구성된 출력전압, 전류 출력치를 Target PC에서 사양에 맞는 아날로그 신호로 변환하기 위해 그림. 9와 같이 P.S는 스펙에 해당하는 60V/250A(10V 제어)를 이용하여 식(2)와 같이 하였다. E.L 또한 스펙 60V/1000A(10V 제어)를 이용하여 식(3)과 같이 변환 후 다운로드 가능한 DLL파일로 컴파일한다.

이 아날로그 신호들이 P.S 혹은 E.L 장비를 지령하여 배터리의 충·방전시킨다. 또한 실시간으로 배터리의 전압과 SoC를 읽어 Target PC로 전달해 시뮬레이션으로 피드백 되는 시스템을 구성하였다. 그림. 10은 앞에서 설명한 HILS의 사진이다. 배터리 충·방전지령은 식(4)와 같다. 이는 표 4의 배터리 사양을 이용해 1C-rate인 114Ah를 배터리의 정격 충·방전량으로 설정한 경우이며, 식(1)에 따른 ESS 충·방전 요구량과 ESS용량을 이용하여 구했다.

한편, SoC의 검출 방법은 coulomb counting method, open circuit voltage method, Kalman Filter estimation 등 여러 가지로 제안되고 있다^(12-14). 본 논문에서는 배터리의 충·방전 상황을 실시간을 제어해야하는 시간적인 제약 등을 고려하여 식(5)로 표시된 coulomb counting methods를 이용하여 SoC를 계산하였다. 여기서, C_N은 배터리 정격 용량이며, 실험에 사용된 정격 용량 114Ah를 대입하면 식(6)와 같다. SoC₀는 배터리 SoC의 초기치이다.

실험은 시나리오 상 시간인 24시간을 기준으로 1/3로 축소한 8시간으로 스케일링했으며 식(7)과 같이 28,800초가 24시간에 해당한다. 그에 따라 전류지령치는 식(4)에 3배를 취한 식(8)을 사용하였다.

3.3 HILS 실험 결과

그림. 11, 그림. 12는 여름(6~8월) 기준 계통 연계 시나리오 실험 결과이다. 그림. 11은 HILS를 통해 실시간으로 측정한 배터리의 전압, 배터리에 유입된 전류, state, SoC의 파형이다. 그림. 12는 Host PC에서 측정되는 값들을 엑셀 데이터로 저장 후 MATLAB을 이용하여 그래프로 나타낸 것이다. 그림. 12을 통해 배터리 전압, 배터리 전류, state, SoC 등이 운영 시나리오와 일치하는 값임을 확인할 수 있다.

그림. 13은 시나리오에서 정해준 state가 변함에 따라 변하는 배터리 전류, 배터리 전압, SoC를 보여주기 위해 전체 시간 중 0:00~09:00시에 해당하는 0~10,800초 구간을 확대한 그림이다. 이 시간은 경부하에 해당하기 때문에 배터리는 식(8)에 따라 102.6A 충전을 진행하는 state 1의 상태를 400초까지 진행한 후 SoC 90%가 되어 state 2가 되었고 충전을 멈추는 state 2의 상태를 10,800초까지 유지하게 되며, 10,800초 이후는 중간부하 중 동작을 멈추는 state 9의 상태로 전환하게 된다(그림. 13(a)). 그에 따른 배터리 전류, 전압과 SoC는 그림. 13(b)~그림. 13(d)에서 보여주고 있으며 그림. 13(c)를 통해 배터리는 운전전압 내에서 운전 중임을 확인할 수 있다.

그림. 14는 비상 운전 시나리오 실험 결과이다. 평상 시에는 계통연계운전을 하다가 15시부터 19시까지 4시간에 해당하는 18,000초에서 22,800초 동안은 비상운전을 하고 22,800초에 계통이 정상으로 돌아와 계통연계운전을 하도록 하였다. 비상 운전 시나리오 실험 시 계통 고장 상태 이외 부분은 계통 연계 시나리오 실험과 동일하므로 그림. 15에서 비상 운전시인 18,000초~22,800초 부분만 확대해서 나타냈다. 18,000초 때 state 5에서 state –2로 변함은 계통 연계 모드에서 비상 운전 모드로 바뀌었음을 나타내고 이 때 state –2가 나타나는 것은 PV 발전량이 비상 부하량보다 많아 배터리는 비상 부하에 전달하고 남은 발전량으로 충전을 진행하고 있음을 나타낸다. 18,700초에 state –1로 전환되어 있는데 이는 PV 발전량이 비상 부하량보다 적은 경우로 필요로 하는 비상 부하량 만큼 방전하고 있음을 뜻한다.

22,800초 때 state –1에서 state 9로 변함은 비상 운전 모드에서 계통 연계 모드로 바뀌었음을 나타낸다. 현재 본교에서 운영되는 시나리오는 본 논문에서와 같은 시나리오로 계통 연계 모드로 운전 중이며 모니터링 결과는 아래 그림과 같다. 그림. 16는 UI 화면이다. SoC 및 PCS의 충·방전 동작 상태 등을 모니터링 하고 있다. HILS 실험에서와 차이는 SoC의 상한값을 90%가 아닌 100%로 운영되고 있으며 나머지 동작은 동일하게 경부하시간 23:00~09:00과 중간부하 시간 중 최대부하 시간 사이에 있는 12:00~13:00에는 충전을 진행하며 최대부하시간 10:00~12:00, 13:00~17:00에는 방전을 수행하고 있음을 그림. 17에서 볼 수 있다. 그림. 17에서 붉은색 막대는 시간당 방전전력량, 파란색 막대는 시간당 충전전력량을 나타낸다.

그림. 18은 ESS 배터리의 SoC의 그래프이다. HILS 실험결과와 동일함을 볼 수 있다. 실험에 적용한 시나리오인 여름(6월~8월)을 기준으로 실험결과를 ESS에 적용 시 예상 되는 요금 절감액은 1달(30일) 기준으로 표 1, 표 2를 통해 계산하면 아래와 같다. 아래 값에 태양광 발전량을 포함시킨 경우 절감액은 더 커진다. 또한 2시간 이상의 비상 운전이 가능함을 확인함에 따라 디젤 비상 발전기를 대체할 방안으로 ESS가 가능함을 확인하였다.

경부하 충전량 : ESS 용량의 31.4%(155.7 kWh)

중간부하 충전량: ESS 용량의 30%(150 kWh)

최대부하 방전량: ESS 용량의 58.9%(294.7 kWh)

요금 절감액 : 761,715원/월(30일)