공유 배터리 뱅크 기반 다중 인버터 구성 방식을 활용한 대규모 독립계통의 주파수 안정화 연구

Frequency Stabilization in Large-Scale Stand-Alone Power Systems Using a Hybrid Multi-Inverter Scheme with Shared Battery Banks

재생에너지 확대와 대규모 수소·암모니아 생산 부하 증가로 인해, 독립계통에서 전압 및 주파수 안정성을 확보하는 것은 중요한 기술적 과제로 대두되고 있다. 본 연구는 60 MVA 태양광 발전단지와 130 MW급 수소 기반 플랜트 계통 에서, 그리드포밍 인버터(GFMI)와 그리드팔로잉 인버터(GFLI)가 단일 배터리 뱅크를 공유하는 하이브리드 에너지저 장시스템(ESS) 구조를 제안한다. 제안된 구성은 배터리 뱅크의 공동 활용을 통해 경제성을 향상시키는 동시에, GFMI 의 정전압·정주파수(CVCF) 기반 전압·주파수 지지 기능을 통해 독립운전 환경에서도 안정적인 계통 운영을 가능하게 한다. 또한 EMTP/RV 기반 전자기적 과도해석 모델을 구축하여 부하 변동, 일사량 변동, 3상 단락사고 등 다양한 외란 조건에서의 동특성을 평가하였다. 해석 결과, GFMI의 가상관성 및 드룹 제어가 외란 시에도 주파수 편차를60±0.2 Hz 이내로 유지하여, 우수한 안정화 성능을 제공함을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 구성 및 해석 방법은 대규모 수소 연계 stand-alone 전력계통의 실증 구축 및 향후 상용화를 위한 실질적 설계 지침을 제공한다.

Maintaining voltage and frequency stability in stand-alone power systems has become a critical challenge with the increasing adoption of renewable energy and new electrical loads required by large-scale hydrogen and ammonia production facilities. In this study, an architecture for a hybrid energy storage system (ESS) is proposed that integrates grid-forming (GFMI) andgrid-following inverters (GFLI) with a shared battery bank in a 60 MVA photovoltaic plant with a 130 MW hydrogen-based industrial load. The proposed system enhances economic feasibility by jointly utilizing the battery bank and enables stable operation through constant voltage constant frequency (CVCF)-based support provided by the GFMI. A model was developed based on the restructured version of the Electromagnetic Transients Program (EMTP-RV) to evaluate the dynamic behavior of the system under variations in load, fluctuations in solar irradiance, and three-phase fault conditions. The results demonstrate that the virtual inertia and droop control of the GFMI maintained frequency deviation within 60±0.2 Hz during disturbances. Thus, the proposed configuration can serve as a practical design guideline for demonstrations of large-scale hydrogen-integrated power systems and future commercialization.