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에너지 저장시스템(ESS)의 잠재력 - 에너지의 불균형과 효율성을 개선하여 일정한 배터리 전원 유지

 유틸리티 업계는 전력 피크타임의 수요와 예측 불가능한 에너지의 불안정성을 개선하기 위해 에너지 저장시스템(ESS)으로 관심을 돌리고 있습니다. 이번 포스팅에서는 에너지 시장에서 많은 기대를 받고 있는 에너지 저장시스템(ESS)의 잠재력이 어디에서 오는 것인지 알아보겠습니다.

 

Parker Energy Market solution provider, PCS, ESS

 에너지 저장 시스템은 풍력에너지와 같은 대체 에너지 자원들이 전력망에 연결됨에 따라서 유례없는 속도로 그 수요가 계속 증가하고 있습니다. 

 캘리포니아에서는 2020년 까지 1.3 기가 와트의 전력을 수용할 수 있는 저장장치를 설치할 계획이고, 이와 유사한 추세는 전세계적으로 나타나고 있습니다. 캐나다의 온타리오 주 정부의 장기 에너지 계획 (‘Long Term Energy Plan, LTEP)은 5천만 와트의 저장 공간을 필요로 합니다. 비록 이것이 캐나다의 에너지 정책 초점 면에서 보면 비교적 많지 않아 보여도, 에너지 저장산업은 ‘이산화탄소 감소’와 ‘스마트 그리드’ 사업의 성공에 핵심적인 역할을 하는 산업으로 기대되고 있습니다.  

 캐나다 국가자원위원회(National Resource Council Canada, NRC)에 따르면, 비록 캐나다의 전력망이 세계 최고중의 하나일 지라도, 향후 20년동안 중대한 시설 보수 유지와 업그레이드가 필요 할 것이고, 이는 잠재적으로 에너지 비용을 높이게 될 것입니다. NCR의 그리드 보안 및 현대화 계획에서는 신재생 에너지의 불균일한 출력특성을 안정화 시키고 첨두 부하 저감 및 부하 분산을 가능하게 하여, 송배전망의 보수비용 투자시점을 지연시키는데 도움을 줄 수 있는 에너지 저장기술을 검토하고 있습니다.

 

 압축공기, 재생수력, 중력과 플라이 휠 같은 다양한 에너지 저장 매체들이 사용되는 중에 배터리 기반 시스템들은 적절한 구성과 그에 따른 이동성과 외형치수와 같은 기술적 진보성 덕분에 빠른 속도로 시장점유율을 얻고 있습니다.  또한 진보된 배터리 설계와 구조는 안전성과 더불어 수명 및 효율성의 개선을 이끌었습니다.

 

 

ESS가 제공하는 다양한 장점 : 

 에너지 저장 기술은 배터리의 구성과 시스템 환경설정에 따라 전력망의 품질에 다양한 이점을 제공할 수 있습니다. 어떤 구성은 전력망의 주파수 안정도와 전력 품질을 유지하기 위한 (밀리세컨으로 측정되는) 빠른 단기 대응 방전에 유용합니다. 또 다른 구성은 마이크로 그리드의 비상전원이나 첨두 부하 저감, 전력 부하 균형 조정을 위한 위해 보다 장시간의 방전능력을 제공합니다. 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System-BESS)은 최대 부하와 노후된 인프라, 예측 불가능한 발전장치 등의 여러 가지 문제에 직면해 있는 전력공급사업자에게 다음과 같은 혜택을 줄 수 있습니다.

 

Parker Energy Storage System PCS

 

  • 주파수 조정(Frequency regulation) : 유틸리티는 좁은 주파수 허용 범위 내에서 반드시 일정한 방전량을 유지해야 하기 때문에, 주파수조정은 전력변환시스템(Power Conversion System, PCS)과 BESS 분야에서는 흔한 응용 범위입니다. 수요가 높아지면 주파수가 낮아지는데, 이는 특히 용량이 적은 시스템일 경우에 더 크게 나타납니다. BESS는 서브사이클 응답 시간을 갖는 전력변환시스템을 통해 고-에너지 방전을 통해 첨두 부하에 대한 보상이 가능합니다.
  • 변동율 제어/용량 고정(Ramp rate control/capacity firming) 이것은 특히 풍력이나 태양광과 같은 재생 에너지 자원 분야에서 더욱 중요합니다. 이러한 응용분야에 있어서 저장 시스템은 풍량 감소, 혹은 태양광 발전에서 구름에 의해 일어나는 발전량의 차이를 보완할 수 있습니다.
  • 전력보상(VAR support). 무효전력은 송배전망의 효율성을 감소시키지만, 적절히 고안된 BESS는 조절 가능한 범위의 유효 또는 무효전력의 공급을 통해 이를 보상할 수 있습니다. 이것은 송배전망의 각 장치를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 해줍니다.
  • 대체예비운전(Replacing spinning reserve) 전력예비용량은 전력 부족상태가 일어날 수 있는 발전기의 결함이나 예측하지 못한 전송손실 등의 경우, 전력 공급을 유지하는데 도움을 줍니다. 발전기 용량 상태를 지속적으로 온라인 모니터링을 함으로써 전력 부족 사태를 미리 방지할 수 있습니다. 또한 BESS는 운행 중인 총 예비전력을 대체하며 효율성을 개선합니다.
  • Parker Energy Market solution provider, HMI Screen View블랙스타트(Black start) 이것은 발전소에 정전, 전력망 연결 손실, 혹은 발전 용량의 손실이 일어날 때 자가 회복을 가능하게 한다. BESS는 재가동을 위해서 필요한 발전소 전력의 균형을 제공할 수 있습니다.
  • 부하 분산/시간 이동(Arbitrage/time shifting). 전력을 더 높은 가격에 판매하기 위하여 저비용 전력을 저장하는 기능을 지칭합니다. 일반적으로 이 기능은 전력의 수요가 낮은 시간에 전력을 저장하게 됩니다.
  • 송배전망 보수 연기(T&D upgrade deferral). 송배전 기반시설의 업그레이드 시점을 연기할 수 있는 것은 전력 사용이 고르지는 않지만 그 양이 상당히 증가하고 있는 시설에 매력적입니다. 일반적으로, 전력수요의 첨두 부하는 주파수 및 그 횟수가 점점 더 증가하는 특징을 보이는데, 결과적으로 송배전 기반시설은 소비자와 발전소 사이의 약한 연결점이 되었습니다.  유틸리티 규모의 BESS는 부하에 가까운 위치에 설치되어 수요에 대응 할 수 있어 값비싼 업그레이드 시점을 지연시키는 데 이용될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

BESS 기초 : 

배터리 에너지 저장 시스템은 두 개의 주요한 부분으로 구성됩니다 – 전력을 저장하는 배터리 부분과 전력망에 배터리들을 접속시키는 전력변환시스템(PCS)이 그것입니다. 배터리는 널리 사용되는 리튬이온을 포함하여 이용 가능한 화학물질들로 구성되는데 각각의 배터리 전지들은 가장 높은 효율성과 필요 전력 용량을 위한 전력을 얻기 위해서 병렬 구조로 연결됩니다. 배터리를 통합 관리하는 것은 배터리 상태, 충전율, 그 외 다른 변수들을 모니터링 하는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)입니다. BMS는 일반적으로 배터리 관련 이상이 발생했을 때 PCS나 EMS(Energy Management System)에 알려 적절한 조치를 취하는 역할을 합니다.

양방향 전력변환시스템은 BESS 에 중요한 부분입니다. 이는 직류(DC)를 전력망에서 사용되는 교류(AC)로 전환하면서, 그리고 교류를 전력망 주파수와 일치시킴으로써 배터리를 충전하거나 방전시키는 역할을 하기 때문입니다.

전력변환시스템의 핵심은 직류(DC)를 교류(AC)로 변환시키는 계통연계형 인버터입니다. 이것은 고속(milliseconds)으로 양방향으로 전체 전력을 전달할 수 있는 대전력 게이트 절연형 양극성 트랜지스터(IGBTs)를 사용합니다. 직류(DC)를 교류(AC)로 변환함에 있어서 펄스-폭-변조(pulse-width-modulated, PWM) 스위칭 기술은 교류 전력망의 주파수 동기화 및 제로 크로싱을 맞추는 기능을 포함합니다. 전력변환시스템은 전력망의 관점에서 안정된 동기발전기로 보여야 하기 때문에, 총 고조파 왜곡에 관한 IEEE519 가이드라인에 따라 순수한 사인파 전력을 전달하기 위해 통합필터가 사용됩니다. 시스템은 IEEE 1547 지침에 따라 정전 발생시에 자동화된 종료 및 계통 분리 절차를 제공할 수 있고, 또한 독립운전 모드에서는 마이크로그리드를 위한 비상 전력을 제공할 수 있습니다.

전력변환시스템의 다른 구성요소들은 동작 조건들을 감시하고, 전력 품질을 탐지하고, 온도 혹은 전력 오버로드 보호 장치들을 감시하는 기능을 포함합니다.

 

BESS 설계 :

 Parker Energy Grid tie battery PCS풍력발전소의 위치가 험준한 지형이거나 멀리 떨어져 있는 경우, BESS의 물리적 디자인이 고려되어야 합니다. 일반적으로 그런 지역에서는 날씨의 영향을 받지 않는 실내공간이 드물기 때문에, 다이렉트 아웃도어형 설계가 중요하기 때문입니다. 알맞은 온도 관리를 위해서는 변압기, 배터리, 그리고 보조 장비들을 보호하기 위한 설계가 중요한데, 계통연계형 인버터에 있어서 냉각 시스템에 대한 설계는 전통적으로 공기 혹은 액체 물-글리콜(부동액) 냉각에 의존해왔습니다. 공기 냉각은 열 교환 효율성은 낮지만 에너지 소비는 많은 반면, 냉각된 물-글리콜(부동액) 냉각은 시스템을 통해서 끌어올려지는 상당한 양의 액체를 필요로 합니다. 따라서 이 경우, 상당한 공간과 전력이 소모되며 부식 및 기타 유지보수 문제들이 발생하게 됩니다.

이러한 단점을 극복하기 위해서 폐쇄형 증발 냉각 시스템이 사용될 수 있습니다. 이 냉각 시스템에서, R134a 와 같은 냉매는 전력변환시스템 내부의 중요하지만 온도에 취약한 구성 요소들을 낮은 압력으로 순환하게 됩니다. 이 구성 요소들은 IGBTs, 인덕터, 그리고 다른 부품들을 포함하는데 구성 요소 들로부터의 열이 냉매로 옮겨갈 때, 부분적으로 증기가 발생하며 증기는 응축기로 보내 집니다. 그 후에 증기는 액체 형태로 응축되고 그 구성 요소들을 통해서 끌어올려진 저장소로 다시 돌아가게 됩니다.

2단계 시스템에서는 기화열방식의 장점에 의해,이 냉각 방법이 물-글리콜 시스템보다 더 적은 유량을 필요로 하는 효율적인 방법으로 증명되었습니다.

 

Parker Energy Grid Tie module

스마트 기능 :

 많은 시스템들은 단순히 배터리를 충/방전하는 것에 더해, 유효전력과 무효전력양측을 모두 지원하는 중요한 부가 기능을 추가로 제공하고 있습니다. 이것은 BESS가 종합적으로 전력망을 지원하고 문제상황을 견딜 수 있도록 도와줍니다. 또한, 전력변환시스템의 펌웨어와 프로그램 가능한 기능은 운영의 자율성과 제어의 효율성을 보장해줍니다.  만일 전력변환시스템이 유효 및 무효전력 관리를 위한 알고리즘을 포함한다면 유틸리티의 외부 현장 관리의 책임을 감소시킬 수 있을 것입니다. 따라서, 장애 발생시에 전력망의 장애에 대한 인버터의 허용범위와 조치 과정을 고려해야 합니다. 잘 설계된 전력변환시스템은 견고한 저전압장애보상(Low voltage ride-through, LVRT), 고전압장애보상(High voltage ride-through, HVRT), 그리고 주파수장애보상(Frequency ride-through, FRT) 기능을 포함해야 하고 이러한 사건이 발생하는 동안 광범위한 운전조건에서 무효전력 지원을 제공해야 합니다.

 

파카코리아 그리드타이 인버터 및 PCS 제품 정보는 웹사이트에서 확인 가능합니다.

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