2017년부터 1,000KW 이상의 전력을 사용하는 건축물은 제한용량 5% 이상 ESS 설치가 의무화되며 건축물에 쓰이는 ESS가 주목받는 가운데 지난해 12월 2일, 한국화학융합시험연구원이 ESS 온실가스 저감 국제 워크숍을 개최했다. 여기서는 발표 중 국제통신공업 이동주 박사의 비상전원을 공급하는 하이브리드 ESS 기술 소개 발표 내용을 정리했다.
▲ 이동주 박사
ESS의 한계점인 경제성을 극복하기 위해 국제통신공업은 하이브리드 ESS를 개발했다. 하이브리드 ESS는 수요관리용으로 쓰이는 시스템에 들어가는 투자비 회수 기간을 줄여 경제성을 높인다. 기존의 ESS는 신재생에너지만 결합되어 있지만 이번에 정부 지원으로 개발된 하이브리드 ESS는 기존 ESS의 수요관리 기능과 무정전장치 UPS가 갖고 있는 무정전 전원 기능을 결합한 전원장치이다.
비상 전원 공급 기능을 갖춘 하이브리드 ESS 개발 프로젝트는 2014년 6월부터 국제통신이 주관기관으로 진행한 과제로서 2년동안 250KW 하이브리드 ESS를 개발했다. 3차년도인 2016년부터는 실증사이트를 구축하기 위해 준비하고 있다. 이밖에 프로젝트 파트너로서는 pmgrow, KTR, 서울과학기술대학이 참여하고 있다.
프로젝트의 목적은 수요관리를 하면서 동시에 비상전원을 공급하는 하이브리드 에너지시스템제품 개발의 상용화다. 또 UPS 기능과 ESS의 수요관리 기능을 동시에 갖춰 최적으로 운전할 수 있게끔 운전 기술을 개발하고, 운전기술로 인해 비상용발전기를 대체하면 어떤 효과가 있는지 분석하는 작업이 있다.
UPS 기능과 ESS 기능이 결합기됐기 때문에 이 전원장치를 어떻게 검증할 것인지에 대한 시험 절차와 표준화해야 한다.
하이브리드 ESS의 하이브리드 전력변환장치에 대한 제어 알고리즘은 서울과학기술대학교와 국제통신이 개발했고, 에너지를 관리하는 시스템에 대한 운영 알고리즘은 pmgrow에서 개발해 PMS와 EMS 시스템에 구현했다.
아울러 한국화학융합시험연구원(KTR)은 시험기관으로서 프로토타입의 하이브리드 ESS에 대한 시험절차를 담당해 스마트그리드협회나 ICT 관련 기관에 시험절차 표준을 제안하고 있다. 마지막으로 이 프로젝트의 수요처인 LG CNS는 개발된 시스템을 실증할 수 있는 사이트를 제공하고, 사이트에서 실제 운전을 통한 제품의 경제성과 신뢰성에 대한 검증을 하고 있다.
기존의 ESS는 크게 에너지를 저장하는 에너지스토리지모드와 에너지를 개통에 주입하는 에너지 인젝션 모드 두개로 나눠져 구성돼 있다. 에너지스토리지모드에서는 전력변환장치(PCS)가 배터리를 충전하는 전원장치로서 동작하고 또 배터리의 전압 컨트롤과 전류 제한 기능을 수행하며 PCS의 입력의 역류를 제한한다. 에너지 인젝션 모드에서는 배터리에 저장된 에너지를 전류로 바꿔 전류제어를 하면서 개통의 주입하는 전류의 양을 조절해 구조전력과 유효전력을 제어한다.
ESS 시스템과 UPS 시스템를 포함해 비상전원 공급장치로 사용하는 하이브리드 ESS는 PMS, 배터리, BMS 등의 구성으로 기존의 ESS 구성과 동일하다. 또 하이브리드 ESS에서 핵심적인 하이브리드 PCS의 구성도 기존의 UPS 시스템과 내부 전력변환 구조가 동일하다.
UPS시스템은 출력 부하가 L1측에는 정전이 되면 큰 영향을 미치는 전산부하를 연결하고 비상등 조명과 같이 평상시에 전압이나 주파수 변동에 크게 영향 받지 않는 부하는 L2에 연결한다. 또 전압이 꺼져도 크게 문제되는 않는 정전은 L3에 연결한다. 이러한 시스템 구성으로 실제 운전시 운전 모드로서 L1, L2, L3에 전원을 공급한다.
더블 컨버전 방식으로 전원을 공급하는 L1과 패씨브스탠바이 방식으로 전원 공급을 받는 L2는 두개 종류의 부하에 연결할 수 있다. 이러한 부하 구조는 프로젝트를 시작할 당시 수요처인 LG CNS가 LG 플립스 공장에 이 시스템을 설치하기 위한 연구 중 알게 됐다. 실제 부하를 공급하는 데에 있어 전압기나 주파수 변동에 크게 영향을 미치는 부하와 그렇지 않은 것을 구분하는 방법이다.
비상전원을 갖는 ESS는 전체를 무정전으로 부하하지 않고 특성에 맞춰 차별을 두어 경제적으로 부하를 보호하는 시스템을 갖췄다. 전압 변동에 민감한 것은 L1에서 보호하고, 크게 영향을 받지 않지만 무정전으로 보호해야하는 설비는 L2에 연결한다.
이 시스템에 대한 모드는 크게 4가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 1번모드는 입력이 정상인 경우, 정상적으로 배터리를 충전하고 L1, L2, L3에 부하를 공급하는 경우다. 모드2는 입력은 정상인데 배터리를 임의로 방전시키는 모드로, 이 시스템에서는 배터리를 방전시키는 양이 L2에 공급되는 양보다 크면 잉여에너지는 AC/DC컨버터를 통해 개통으로 흘러나가도록 하는 구조로 돼 있다. 또 모드1, 모드2, 모드3에서 운전하는 중에 임의의 시간에 정전이 발생할 수 있다. 갑작스런 정전이 발생한 경우에는 AC/DC 컨버터부가 인버터와 같은 동작으로 모드 3이하 상태로 운전하다가 DC/AC 컨버터부로 운전 전환을 해 인버터 두개가 양쪽 L1, L2에 무정전 전원을 공급한다.
평상시에 ESS 기능을 수행하는 동안 갑자기 정전될 수 있기 때문에 항상 배터리에 비상용을 대비해야 한다. 실제로 사용되는 부하 양을 확인하고 부하패턴을 예측해 배터리 일정량을 남겨놔야 백업할 최소한의 정전을 보호할 수 있다. 또 PMS에서 관리를 잘 해야만 시스템이 정상적으로 경제성있게 운전할 수 있다. 모드1은 정상적으로 전원을 공급하는 상태, 모드2는 L1 부하보다 배터리의 방전양이 작은 경우에는 파워가 대부분 이동한다. 모드3에서는 L1에서 사용되는 부하량보다 배터리에서 방전하는 부하가 크면 파워가 개통으로 흘러가 L2, L3 양에 따라서 필요한 쪽으로 자연스럽게 흘러가는 구조를 갖고 있다. 이러한 모드 세 개 중에 정전이 발생하면 L1과 L2 부하측에 무정전으로 끊김없이 정전에 대해 부하를 보호할 수 있다.
이 시스템에 대한 기본적인 알고리즘을 구현하기 전에 기본적인 시뮬레이션을 통해 확인한다. 이를 국제통신 공장에 하이브리드 PCS를 통해 구현했다. 250KW의 시스템을 두대를 제작해 한 대는 실증으로, 나머지 한 대는 내부적으로 운전을 하기 위해서 제작됐다. 그리고 EMS, PMS, BMS가 내장돼 있는 19인치 랙이 위치하고 있으며 500kWH 리튬이온배터리시스템이 있다. ACDC컨버터에 운전모드를 전환하는 모습으로는 간접덜기 등 다양한 방법이 있다. 과도 상태가 없게끔 거의 전원파에 가깝게 주입을 할 수 있는 방법도 있지만 과도없이 모드를 전환할 시 단독운전 검출의 어려움이 있다.
따라서 사업화할 장비는 현재 약간의 과도는 있지만 단독 운전 검출이나 이런 알고리즘이 잘 돌아갈 수 있는 시스템 문제를 구현했다. 과거에는 ESS나 UPS는 따로 설치하였지만, 하이브리드 ESS시스템을 설치하면 UPS시스템과 ESS시스템이 결합된 제품을 설치하면 각각 설치하는 것에 비해상대적으로 경제성이 낫다. 또 설치 공간도 유리하고 기존의 ESS시스템의 투자비 회수하는 기간이 REC가 부여되기 전에는 평균 12년 이상을 예상했었는데 이를 줄일 수 있다.
김연주 기자(eltred@hellot.mediaon.co.kr)
