2.1 주파수 조정용 슈퍼커패시터 기반 에너지저장시스템

일반적으로 슈퍼커패시터는 그림 1과 같이 LIB 대비 에너지밀도가 낮으나 높은 출력 밀도, 매우 빠른 충전 및 방전 속도, 장수명, 높은 안정성의 특징을 가진다. 특히, 슈퍼커패시터의 빠른 충/방전 특성은 주파수 변동에 대하여 높은 출력으로 응동할 수 있는 특징을 가진다. 다음의 표는 일반적인 조속기 및 배터리 ESS와의 속도조정율 기준을 비교한 것이다^[5]. 속도조정율이 낮을수록 동일한 주파수 편차에 대하여 높은 출력 응답을 보일 수 있다.

그림 1. 슈퍼커패시터와 배터리 간의 특성 비교

Fig. 1. Comparison between Supercapacitor and Battery

최근, 슈퍼커패시터의 에너지밀도 향상을 위한 기술개발을 통해 전력 계통에서의 유연(예비력) 자원으로 활용될 수 있는 수준까지 이르렀다. 한전에서는 다음의 그림 2와 같이 `22년 5월 고창 전력시험센터에 1MW급 슈퍼커패시터 실증시스템을 구축하고, 주파수 조정을 위한 운영전략 개발과 함께 실증연구를 수행하고 있다.

그림 2. 1MW 주파수조정용 슈퍼커패시터 시스템

Fig. 2. 1MW Supercapacitor System for F/R

2.2.1 주파수-지속시간 곡선 분석

전력 계통 신뢰도 분석 시 활용되는 부하지속곡선(Load Duration Curve) 개념을 적용하여, 계통 주파수를 크기에 따라 내림차순으로 정렬하면 다음의 그림 4와 같은 주파수 지속 곡선(Frequency Duration Curve)을 얻을 수 있다.

그림 4. 2023년 10월 15일 주파수 지속시간 곡선

Fig. 4. Frequency-Duration Curve : 2023.10.15.

여기서, $N$은 계측된 계통주파수의 구간의 개수, $dt_{i}$는 i 번째 주파수 구간의 지속시간을 의미한다.

2023년 10월 15일의 계통주파수를 대상으로 표 2에 나타낸 F/R용 슈퍼커패시터 ESS의 운전 파라미터를 적용하여 산정한 일일 F/R 요구량은 다음의 표 3과 같다.

2.2.2 슈퍼커패시터 F/R 기본 운영전략 모의검증

계통 주파수에 대하여, 표 1의 1MW 슈퍼커패시터 ESS의 주파수 조정 운전을 모의한 결과를 다음의 표 4에 나타내었다. 주파수 지속시간 곡선 분석을 통해 산정한 일일 주파수 조정 요구량 대비 실제 응동량은 각각 85.2%, 89.6% 수준으로 낮은 에너지 용량에 비해 높은 주파수 조정 응동량을 가질 수 있음을 보였다.

하지만, 모두 만족시키지 못한 이유는, 일일 주파수 조정 요구량은 슈퍼커패시터 ESS의 에너지 용량 및 SOC를 고려하지 않고 산정되는데 실제 운전 시에는 그림 5와 같이 연속적인 주파수 이벤트에 대하여 슈퍼커패시터의 SOC가 포화(또는 소진)됨에 따라 더 이상의 주파수 조정 운전을 할 수 없는 경우가 발생하기 때문이다.

그림 5. 1MW 슈퍼커패시터 ESS 주파수 조정 출력그래프

Fig. 5. Graph result of F/R Simulation for 1MW Supercap.

2.3 슈퍼커패시터-LIB 협조운전 기본 전략 개발

앞서, 모의 결과에서 본 바와 같이, 에너지 용량이 제한된 슈퍼커패시터 시스템이 주파수 조정 요구량을 충족시키기 위해서는, 에너지 용량 자체를 증가시키거나 상시 회복 운전을 통해 SOC를 유지하거나, 속도조정율을 높여 주파수 조정 시 낮은 출력으로 참여하여 SOC 포화(소진) 빈도를 낮추는 방법 등이 있다. 하지만, 본 논문에서는 이러한 단점을 높은 에너지 용량을 가지는 리튬이온배터리 ESS와의 협조운전을 통해 해결하는 개선 방안을 제안한다.

2.3.1 슈퍼커패시터-LIB 협조운전 기본전략

슈퍼커패시터와 LIB 협조운전 기본 전략을 다음의 그림 6과 같이 순서도로 나타내었다.

그림 6. 슈퍼캡-LiB 협조운전 기본 전략 순서도

Fig. 6. Basic Strategy Flowchart for Cooperative Operation

협조 운전 기본 전략을 적용하기 위하여 다음의 두 가지 세부 조건을 고려하였다. 먼저, 슈퍼커패시터와 LIB 간에는 운전 중이던 충/방전 출력이 서로 전달되게 되는데, 그림 7과 같이 슈퍼커패시터의 출력을 서서히 줄이고 LIB 출력은 서서히 증가시켜 LIB의 급격한 출력 변화를 완화하고자 하였다. 두 번째로는 슈퍼커패시터와 LIB간에 출력 전환 시 주파수 편차에 대하여 요구되는 출력의 크기가 동일하도록 하여야 한다.

그림 7. 협조운전 시 슈퍼캡 ↔ 배터리 출력 전환 전략

Fig. 7. Supercap ↔ Battery Output Conversion Strategy

2.3.2 슈퍼커패시터-LIB 협조운전 기본전략 모의검증

슈퍼커패시터와 LIB 간의 협조운전 시스템은 표 2와 표 5로 구성되는데, 표 2에서 슈퍼커패시터의 속도조정률을 0.28%에서 0.07%로 조정하였다.

표 6은 협조운전 기본 전략을 모의한 결과를 나타낸 것이다. 슈퍼커패시터와 LIB의 협조운전 시의 주파수 조정 응동량이 4MW LIB 단독운전 시와 동일함을 확인하였으며, 이는 두 경우 동일한 주파수 조정 기여도를 가진다고 볼 수 있다. 이때, LIB의 F/R 충/방전 응동량이 (충전: 1.56 → 0.84MWh, 방전 : 1.51 → 0.82MWh) 각각 0.72MWh, 0.69MWh 만큼 감소하며, 이만큼을 슈퍼커패시터에서 담당했음을 알 수 있다.

LIB 단독운전 시와 슈퍼캡-LIB 협조운전 시의 출력 그래프를 나타낸 그림 8과 그림 9를 보면, 협조운전 시의 LIB의 운전 빈도 횟수가 크게 감소하였음을 확인할 수 있다. 이는 싸이클 수명에 제약을 가지는 LIB의 사용 빈도를 줄임으로써 사용 연한을 증가시키는 효과를 가져올 것으로 예상할 수 있다^[7].

그림 8. 4MW 배터리 ESS 단독운전 F/R 모의 결과

Fig. 8. F/R Simulation Results of 4MW Battery ESS

그림 9. 슈퍼커패시터+배터리 협조운전 F/R 모의 결과

Fig. 9. F/R Simulation Results of Cooperative Operation of Supercap. and Battery