SuperCapacitor-ESS 하이브리드 태양광발전을 통한 계통관성 부여방안 연구 = Investigation of Grid Stability Enhancement Using a Hybrid Supercapacitor-ESS System in Solar Power Generation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes and analyzes the performance of a Supercapacitor-ESS (SC-ESS) hybrid system to address the issue of frequency stability in power systems caused by the variability of solar power generation, which has gained significant importance in the 21st century. Among renewable energy sources, solar power is one of the fastest-growing, and the international community plans to increase the share of renewable energy to over 20% by 2030 to combat climate change. However, the intermittency of solar power generation decreases frequency stability in power systems, a problem exacerbated by the decreasing ratio of synchronous generators and the increasing adoption of inverter-based renewable energy.
Sufficient inertia is required to maintain the stability of power systems. Synchronous generators inherently provide inertia to stabilize grid frequency, but renewable energy sources such as solar power do not offer inertia, making them vulnerable to frequency fluctuations. Consequently, the need for fast frequency response (FFR) technologies, which can prevent frequency drops and respond promptly to grid disturbances, has grown. FFR plays a critical role in maintaining grid stability by detecting and addressing frequency deviations in real time.
In this study, Matlab Simulink and PSSE (Power System Simulator for Engineering) were used to analyze the impact of SC-ESS integrated solar power systems on grid inertia. Through various scenarios, the frequency response during faults was compared and analyzed, and the feasibility of applying the SC-ESS system to real power systems was explored. The results demonstrated that the SC-ESS hybrid solar power system provides superior frequency response performance compared to conventional solar power systems. Furthermore, the study suggested that the system enables the stable integration of higher proportions of renewable energy into the grid.
The main findings of the study are as follows. The application of ESS improved frequency recovery and stability to some extent but showed limitations when applied alone. The application of SC maximized frequency recovery through its fast charging and discharging capabilities but caused unstable frequency fluctuations. The hybrid system combining ESS and SC achieved frequency stability through the high capacity and slower transient response of ESS while significantly enhancing frequency recovery with the low capacity and fast transient response of SC.
This study demonstrates that the SC-ESS system is an effective solution for mitigating power system instability caused by the variability of renewable energy and presents its potential as a stabilization measure in the context of expanding renewable energy adoption.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 21세기 들어 재생에너지의 중요성이 급격히 증가함에 따라, 태양광 발전 시스템의 변동성으로 인해 발생하는 전력계통의 주파수 안정성 문제를 해결하기 위해 Supercapacitor-ESS(SC-ESS) 하이브리드 시스템을 제안하고 그 성능을 분석하였다. 태양광 발전은 재생에너지 중에서도 가장 빠르게 성장하는 에너지원 중 하나이며, 국제사회는 기후변화 대응을 위해 2030년까지 재생에너지 비중을 20% 이상으로 확대할 계획을 가지고 있다. 그러나 태양광 발전의 간헐성으로 인해 전력계통의 주파수 안정성이 감소하는 문제가 발생하고 있으며, 이는 동기발전기의 비율 감소와 인버터 기반 신재생에너지의 확대에 따라 더욱 심화되고 있다.
전력계통의 안정성을 유지하기 위해서는 충분한 관성(inertia)이 필요하다. 동기발전기는 고유의 관성을 통해 계통 주파수를 일정하게 유지하지만, 태양광 발전과 같은 재생에너지원은 관성을 제공하지 못해 주파수 변동에 취약하다. 이에 따라, 전력계통의 주파수 하락을 방지하고 긴급 왜란에 신속하게 대응하는 빠른 주파수 응답(FFR) 기술의 필요성이 커지고 있다. FFR 기술은 전력계통의 주파수 변동을 신속하게 감지하고 즉각적으로 대응함으로써 계통 안정성을 유지하는 중요한 역할을 한다.
본 연구에서는 Matlab Simulink와 PSSE(Power System Simulator for Engineering)를 활용하여 SC-ESS 연계형 태양광 발전 시스템이 계통의 관성에 미치는 영향을 분석하였다. 다양한 시나리오를 통해 고장 발생 시 주파수 응답을 비교 분석하고, SC-ESS 시스템의 실제 전력계통 적용 가능성을 모색하였다. 연구 결과, SC-ESS 하이브리드 태양광발전 시스템이 기존 태양광 발전 시스템에 비해 뛰어난 주파수 응답 성능을 제공함을 확인하였다. 또한, 이를 통해 더 많은 비율의 재생에너지를 전력계통에 안정적으로 통합할 수 있는 가능성도 제시하였다.
주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, ESS의 적용은 주파수 회복력과 안정성을 다소 향상시킬 수 있었으나, 단독 적용으로는 한계가 있었다. 둘째, SC의 적용은 빠른 충방전 속도를 통해 주파수 회복력을 극대화할 수 있었지만, 불안정한 주파수 변동을 초래하였다. 셋째, ESS와 SC를 적절한 비율로 혼용한 하이브리드 시스템에서는 ESS의 대용량성과 느린 과도응답 특성을 통해 주파수 안정성을 확보하고, SC의 저용량성 및 빠른 과도응답 특성으로 주파수 회복력을 크게 향상시킬 수 있었다.
본 연구는 SC-ESS 시스템이 재생에너지의 변동성으로 인한 전력계통의 불안정성을 효과적으로 해결할 수 있는 방안임을 입증하였으며, 향후 재생에너지 확대에 따른 전력계통 안정화 대책으로서의 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes and analyzes the performance of a Supercapacitor-ESS (SC-ESS) hybrid system to address the issue of frequency stability in power systems caused by the variability of solar power generation, which has gained significant importance in the 21st century. Among renewable energy sources, solar power is one of the fastest-growing, and the international community plans to increase the share of renewable energy to over 20% by 2030 to combat climate change. However, the intermittency of solar power generation decreases frequency stability in power systems, a problem exacerbated by the decreasing ratio of synchronous generators and the increasing adoption of inverter-based renewable energy.
Sufficient inertia is required to maintain the stability of power systems. Synchronous generators inherently provide inertia to stabilize grid frequency, but renewable energy sources such as solar power do not offer inertia, making them vulnerable to frequency fluctuations. Consequently, the need for fast frequency response (FFR) technologies, which can prevent frequency drops and respond promptly to grid disturbances, has grown. FFR plays a critical role in maintaining grid stability by detecting and addressing frequency deviations in real time.
In this study, Matlab Simulink and PSSE (Power System Simulator for Engineering) were used to analyze the impact of SC-ESS integrated solar power systems on grid inertia. Through various scenarios, the frequency response during faults was compared and analyzed, and the feasibility of applying the SC-ESS system to real power systems was explored. The results demonstrated that the SC-ESS hybrid solar power system provides superior frequency response performance compared to conventional solar power systems. Furthermore, the study suggested that the system enables the stable integration of higher proportions of renewable energy into the grid.
The main findings of the study are as follows. The application of ESS improved frequency recovery and stability to some extent but showed limitations when applied alone. The application of SC maximized frequency recovery through its fast charging and discharging capabilities but caused unstable frequency fluctuations. The hybrid system combining ESS and SC achieved frequency stability through the high capacity and slower transient response of ESS while significantly enhancing frequency recovery with the low capacity and fast transient response of SC.
This study demonstrates that the SC-ESS system is an effective solution for mitigating power system instability caused by the variability of renewable energy and presents its potential as a stabilization measure in the context of expanding renewable energy adoption.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제 2 절 문제정의 및 연구내용 5
• 제 3 절 연구목적 5
• 제 4 절 연구방법 7
• 제 5 절 연구보고서 구성 9
• 제 2 장 태양광발전 시스템 10
• 제 1 절 태양광발전 시스템 개요 10
• 1. 일반 태양광발전 시스템 10
• 2. ESS 연계형 태양광발전 시스템 11
• 3. ESS+SC 연계형 태양광발전 시스템 12
• 제 2 절 ESS+SC 하이브리드 태양광발전 시스템의 우수성 14
• 1. 일반 태양광발전 시스템의 한계 14
• 2. ESS 연계형 태양광발전 시스템의 장점과 한계 15
• 3. SC+ESS 하이브리드 태양광발전 시스템의 미래가능성 15
• 제 3 장 ESS+SC 하이브리드 태양광발전 시스템의 효율성 검증 17
• 제 1 절 PSSE를 통한 주파수 응답분석 : Sample Case 17
• 1. Sample Case 계통도 및 모의실험 시나리오 설명 17
• 2. ESS, SC 비교 모의실험 및 분석(Sample Case) 20
• 제 2 절 PSSE를 통한 주파수 응답분석 : 실제 전력계통 37
• 1. 실제 계통도 및 모의실험 시나리오 설명 37
• 2. ESS, SC 비교 모의실험 및 분석(한국전력 실계통DB) 45
• 제 4 장 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 67