이상적인 BESS 설계 통해 아웃도어에서의 변수 최소화

태양광을 비롯한 대체 에너지원들이 전력망에 연결되는 모습을 보이면서 ESS 수요가 전에 없는 속도로 급증하고 있다. 실제로 캘리포니아는 오는 2020년까지 1.3GW의 전력을 수용할 수 있는 ESS 설치계획을 밝혔다. 이와 같은 추세는 전 세계에 걸쳐 나타나고 있다는 점에서 관련 전문가들의 기대를 모으고 있다.
캐나다의 온타리오주 정부의 장기 에너지 계획(LTEP : Long Term Energy Plan)은 5,000만W의 저장 공간을 필요로 한다. 비록 이것이 캐나다의 에너지 정책 초점면에서 보면 비교적 규모가 크다고 할 수는 없지만, ‘이산화탄소 감소’와 ‘스마트 그리드’ 사업의 성공에 핵심적인 역할을 수행한다는 점에서 ESS 산업은 큰 기대를 받고 있다.

	▲ ESS는 태양광발전의 약점을 극복할 수 있는 키워드 테크놀로지로 부상하고 있다.

캐나다국가자원위원회(NRC : National Resource Council Canada)에 따르면, 캐나다의 전력망은 향후 20년 동안 중대한 시설 보수 유지와 업그레이드가 필요하게 될 것이며, 이는 잠재적인 에너지 비용을 높이게 될 것으로 보인다.
NCR의 그리드 보안 및 현대화 계획은 신재생에너지의 불균일한 출력 특성을 안정화하고, 첨두부하 저감 및 부하 분산의 가능성을 높여 송배전망의 보수비용 시점을 지연시키는 에너지저장기술을 검토하고 있다.

압축공기·재생수력·중력·플라이휠 등 최근 각광을 받고 있는 수많은 에너지 저장 매체들 사이에서도 배터리 기반의 시스템이 최적화된 구성 및 사이즈, 이동의 용이함, 그리고 기술력의 진화를 바탕으로 빠르게 시장을 점유하고 있다. 또한, 이전보다 한층 안정적으로 발전한 배터리 설계와 구조는 안전성과 더불어 수명 및 효율성의 성장을 이끌었다. 에너지저장기술은 배터리 구성과 시스템 환경설정에 따라 전력망의 품질에 다양한 이점을 제공할 수 있다.

	▲ 파카하니핀의 HMI 스크린 뷰

실제로 구성에 따라 전력망 주파수의 안정과 전력의 품질을 유지하기 위한 빠른 단기 대응 방전에 유용하게 활용할 수 있다. 뿐만 아니라, 몇몇 구성은 마이크로 그리드의 비상전원 및 첨두부하 저감, 전력부하 균형 조정을 위한 장시간의 방전능력을 제공할 수 있다.
특히, 배터리 에너지저장시스템(BESS : Battery Energy Storage System)은 최대 부하와 노후화된 인프라, 그리고 예측 불가능한 발전장치 등 다양한 문제에 직면해 있는 전력 공급사업자에게 다음과 같은 혜택을 줄 수 있다.

⚫ 주파수 조정(Frequency Regulation)
유틸리티는 좁은 주파수 허용 범위 내에서 반드시 일정한 방전량을 유지해야 한다. 때문에 주파수 조정은 전력 변환 시스템(PCS : Power Conversion System)과 BESS 분야에서 흔한 응용 범위이다. 수요가 높아지면 주파수가 낮아지는데 이는 용량이 적은 시스템일 경우에 더 크게 나타난다. BESS는 서브 사이클 응답 시간을 갖는 전력변환시스템을 통해 고에너지를 방전해 첨두부하를 보상한다.

⚫ 변동율 제어/용량 고정(Ramp Rate Control/Capacity Firming)
변동율 제어 및 용량 고정은 구름에 의해 일어나는 발전량이 변하는 태양광발전의 단점을 보완하는 등 신재생에너지 부문에서 그 중요성이 부각되고 있다.

⚫ 전력 보상(VAR Support)
무효전력은 송배전망의 효율성을 감소시키지만, 적절히 고안한 BESS는 조절 가능한 범위의 유효 또는 무효전력의 공급을 통해 이를 보상할 수 있다. 이를 통해 송배전망의 장치를 더욱 효율적으로 사용할 수 있다.

⚫ 대체 예비 운전(Replacing Spinning Reserve)
전력 예비 용량은 전력 부족상태가 일어날 수 있는 발전기의 결함이나 예측하지 못한 전송 손실 등에서 전력 공급을 유지할 수 있게 만든다. 발전기 용량 현황의 지속적인 온라인 모니터링을 통해 전력 부족을 예방하며, BESS를 통한 예비전력 대체로 효율성을 개선할 수 있다.

⚫ 블랙 스타트(Black Start)
블랙 스타트는 발전소에 정전 및 전력망 연결 손실, 혹은 발전량을 손실할 때 자가 회복을 할 수 있게 한다. BESS는 재가동을 위해 필요한 발전소 전력의 균형을 제공할 수 있다.

⚫ 부하 분산/시간 이동(Arbitrage/Time Shifting)
전력을 더 높은 가격에 판매하기 위한 저비용 전력 저장 기능이다. 일반적으로 전력의 수요가 낮은 시간에 전력을 저장한다.

⚫ 배전망 보수 연기(T&D Upgrade Deferral)
일반적으로 전력수요의 첨두부하는 주파수 및 그 횟수가 점점 더 증가하는 특징을 보인다. 결과적으로 송배전 기반시설은 소비자와 발전소의 연결을 약하게 만들 수 있다. 부하에 가까운 위치에 설치할 수 있는 유틸리티급 BESS는 수요에 대한 대응이 가능해 비용부담이 큰 업그레이드 시점을 지연할 수 있다.

	▲ 파카하니핀의 아웃도어형 배터리 컨테이너

에너지저장시스템의 다크호스, BESS란 무엇인가?
배터리 에너지저장시스템은 크게 두 가지로 나뉜다. 전력을 저장하는 배터리와 전력망에 배터리를 접속하는 PCS이다. 이 중 배터리는 현재 가장 많이 사용하는 리튬이온을 포함해 활용 가능한 화학물질로 구성된다. 각 배터리 전지들은 최고의 효율성과 필요 전력 용량을 위한 전력을 얻기 위해 병렬 구조로 연결된다. 배터리 상태, 충전율 등 기타 변수들을 모니터링 하는 것을 배터리 관리 시스템(BMS : Battery Management System)이라 부른다. BMS는 일반적으로 배터리의 이상이 발생했을 때 PCS나 EMS 에 알려 적절한 조치를 취할 수 있도록 한다.

이러한 양방향 전력변환시스템은 BESS에서 상당히 중요한 위치를 가진다. 직류를 전력망에서 사용하는 교류로 전환하고 교류를 전력망 주파수와 일치시켜 배터리를 충전하거나 방전하기 때문이다. 전력 변환 시스템의 핵심은 직류를 교류로 변환시키는 계통 연계형 인버터라 할 수 있다. 계통 연계형 인버터는 고속으로 혹은 양방향으로 전체 전력을 전달하는 대전력 게이트 절연형 양극성 트랜지스터(IGBTs)를 사용한다.

펄스-폭-변조(PWM : Pulse-Width-Modulated) 스위칭 기술은 직류의 교류 변환 과정에서 교류 전력망의 주파수 동기화와 제로 크로싱을 맞추는 기능을 포함한다. 전력 변환 시스템은 안정적인 동기발전기로 보여야 하기 때문에 총 고조파 왜곡에 관한 IEEE519 가이드라인에 따라 순수한 사인파 전력을 전달할 수 있는 통합 필터를 사용한다. 이 시스템은 IEEE 1547 지침에 따라 정전 발생 시 자동 종료 및 계통 분리 절차를 제공할 수 있다. 독립운전 모드를 통해 마이크로 그리드를 겨냥한 비상전력까지 제공한다. 전력변환시스템의 다른 구성 요소들은 동작조건의 감시와 함께 전력 품질을 탐지하고, 온도 혹은 전력 오버로드 보호 장치들을 감시하는 기능을 수행한다.

	▲ 파카하니핀의 아웃도어형 PCS

공간과 전력에 따른 이상적인 BESS 설계
만일, 태양광발전소가 험준한 지형이거나 원거리에 설치돼 있다면, BESS의 물리적 디자인이 고려돼야 할 것이다. 이러한 지역은 날씨의 영향이 적은 실내 공간이 부족하기 때문에 다이렉트 아웃도어형 설계가 필요하다.
이상적인 온도 관리를 위해선 변압기와 배터리, 그리고 보조 장비들을 보호할 수 있는 설계가 중요하다.

오래 전부터 계통연계형 인버터의 냉각 시스템 설계는 공기 혹은 물-글리콜(부동액)과 같은 액체 냉각에 의존해 왔다. 공기 냉각은 열 교환 효율성은 낮지만 에너지 소비는 많은 반면, 물-글리콜 냉각은 상당한 양의 액체 원료를 필요로 한다. 결과적으로 상당한 공간과 전력의 소모와 부식을 비롯해 기타 유지보수 문제들을 야기한다. 이를 극복하려면 폐쇄형 증발 냉각 시스템이 필요하다.

이 냉각 시스템에서 R134a와 같은 냉매는 전력 변환 시스템 내부에서 온도에 취약하지만 반드시 필요한 구성 요소들을 저압력으로 순환한다. 이러한 구성 요소들은 IGBTs, 인덕터 등을 비롯한 부품들이다. 이러한 구성 요소의 열이 냉매로 옮겨갈 때 발생하는 증기는 응축기로 보낸다. 이후, 증기는 액체 형태로 응축되고 저장소로 회귀한다.
이러한 ‘기화열’ 방식을 적극 활용한 냉각 방법은 물-글리콜 시스템보다 유량을 더 적게 사용하며 매우 효율적인 방법이라는 것을 증명했다.

	▲ 유지보수가 용이한 파카하니핀의 모듈

변수에 신속하게 대응하는 스마트 기능
현재 많은 시스템이 단순한 배터리 충/방전을 넘어 유효전력과 무효전력을 모두 지원하는 부가 기능을 추가로 제공하고 있다. 이는 BESS의 종합적인 전력망 지원과 문제 상황의 대응을 가능하게 한다. 또한, 전력변환시스템의 펌웨어와 프로그램 가능한 기능은 운영의 자율성과 제어의 효율성을 보장한다. 만약, 전력변환시스템이 유효 및 무효전력 관리를 위한 알고리즘을 포함한다면, 유틸리티의 외부 현장 관리의 책임을 감소할 수 있을 것이다. 따라서 전력망 장애를 대처할 수 있는 인버터의 허용범위와 조치과정을 고려해야 할 것이다.

이상적으로 설계한 전력변환시스템은 견고한 저전압장애보상(LVRT : Low Voltage Ride-Through), 고전압장애보상(HVRT : High Voltage Ride-Through), 그리고 주파수장애보상(FRT : Frequency Ride-Through) 기능을 포함하며, 이상 현상이 발생하는 동안 광범위한 운전조건에서 무효전력 지원을 제공해야 한다.

리자 크누트손(Liza Knutsson), 파카에너지 그리드 타이 사업부 마케팅 담당자