[그리드-신뢰도]‘그리드 친화적’ EV 공급 장비 표준과 전력 시스템 신뢰성: NERC

Grid_Friendly_EV_Charging_Recommendations.pdf

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이 문서의 목적은 전기 공유사와 전기차(EV)/전기차 공급 장비(EVSE) 제조 업계 간의 협력 필요성을 강조하고, 대규모 전력 시스템(BPS) 신뢰성, 탄력성 및 보안을 보장하는 전략을 개발하는 데 도움이 되는 것입니다. 이 문서는 상대적으로 조사되지 않은 영역, 즉 BPS에서 발생하는 드문 그리드 이상 동작 중 EV 충전 동작에 초점을 맞춥니다. 이러한 이벤트는 몇 초 이상 지속되지 않지만, 확인되지 않으면 그리드 신뢰성에 치명적인 영향을 미칠 수 있습니다(즉, 연쇄적인 정전 및 광범위한 전력 중단). 이 문서는 잠재적인 그리드 신뢰성 문제를 예측하고 적시에 해결하기 위한 전기 공유사와 EV/EVSE 제조업체 간의 조기 참여 및 정보 교환의 필요성을 강조합니다. 이를 위해 이 문서는 전기 공유사가 EV 충전 부하가 상당히 증가할 것으로 예상되는 상황에 대비하여 연구 중인 BPS 관련 신뢰성 문제를 설명합니다. 이 문서는 또한 이러한 드문, 단기간 이벤트 동안 EV 충전기 및 EVSE 동작을 변경하는 것을 포함한 초기 관찰을 기반으로 한 이러한 우려를 완화하기 위한 현재 권고 사항을 설명합니다. 이 문서는 이 두 커뮤니티 간의 지속적인 정보 공유 필요성을 충족시키기 위한 솔루션을 개관합니다. 이는 이러한 권고 사항을 업계 표준 및 관행으로 발전시키기 위한 미래 연구의 필요성을 포함합니다. 이러한 조정은 교통 분야의 전기화가 증가함에 따라 사회 비용을 최소화하면서 미터의 양쪽에서 해결해야 할 문제를 상호 이해하는 데 기여할 것입니다.

 

전기 자동차(EV) 채택은 이후 몇십 년 동안 급격하게 증가할 것으로 예상됩니다(그림 1 참조). 이에 따라 미국 에너지 정보국은 교통 부문에서 전기 소비가 2021년 120억 kWh에서 2050년 1,450억 kWh 이상으로 12배 이상 증가할 것으로 예측하고 있습니다. 또한, 북미 전역의 전기화 형태를 고려하면, Wood Mackenzie은 2022년 총 전력 소비를 기준으로 예상 증가량(예: 지붕 태양광)을 제외한 교통 및 건물 전기화로 인한 2050년 전기 소비가 전체 전력 소비 대비 66% 증가할 것으로 예측합니다.

교통 부문은 전기차(EV)에 안전하고 신뢰성 높은, 경제적이며 안전한 전기 공급에 점점 더 의존해야 할 것입니다. EV의 성장을 지원하기 위해 필요한 수요의 급격한 증가는 전기 시스템을 다양한 방식으로 도전하게 될 것입니다. 인버터를 통해 그리드에 연결된 부하로 이루어진 EV 충전의 급격한 수요 증가는 전례없는 상황이며, 전기 시스템 운영자와 기획자들은 인버터 기반 발전자원의 급격한 증가, 극한 기상 영향 및 증가하는 보안 위협을 통합하는 데 집중하고 있습니다.

 

EV 충전은 그리드 운영 시간표의 전 범위에 걸쳐 전기 시스템에 영향을 미칩니다(그림2 참조).

 

작업 그룹은 전기 시스템에 미치는 이러한 영향이 EV의 그리드 침투율이 높아짐에 따라 더욱 강화될 것으로 예상합니다. 이러한 영향을 관리하여 채택 속도를 극대화해야 합니다. 예시는 다음과 같습니다.

• EV 충전 부하 상호 연결 요청을 처리하는 분배 공급자에 대한 수요는 이러한 공급자가 관리할 수 있는 것 보다 더 빠르게 증가할 수 있으며, 새로운 상호 연결에 대한 지연을 초래할 수 있습니다.
• 분배 시스템 호스팅 용량 및 부하 효과의 큰 증가는 분배 시스템에서 운영 문제를 유발할 수 있으며, EV 충전 수요를 수용하기 위해 비용이 많이 드는 급한 업그레이드가 필요할 수 있습니다.
• 미관리 EV 충전 행동, 시간대별 요금, 분산형 재생 에너지 자원 (DER)으로 인한 수요 프로필의 대규모 변경은 자원 충분성 결함을 야기할 수 있으며, 계획된 롤링 블랙아웃과 같은 단기적이고 긴급한 배급이 필요할 수 있습니다.
• 현재 수요 예측에서 예상보다 더 빠른 부하 증가는 용량 및 에너지 자원 계획에 예기치 못한 부정적인 결과를 가져올 수 있습니다.
• BPS 균형 관리자(BA)와 전송 운영자(TOP)가 운영 계획 및 장기 계획 연구에서 예상한 것보다 더욱 빠르게 성장할 수 있는 유연한 램핑 자원과 예비 자원이 필요할 수 있습니다.
• 분배 및 전송 시스템 수요 패턴의 변동성과 불확실성이 높아질수록 예상치 못한 운영적 도전과 긴급한 수요 배급(롤링 블랙아웃)이 필요할 수 있습니다.
• 분배 시스템 및 전송 시스템 보호 시스템 운영에 대한 부정적인 영향은 계획되지 않은 전력 중단을 초래할 수 있습니다.
• EV 충전 부하의 전자력 행동으로 인한 그리드 동적, 제어 및 시스템 안정성의 영향은 광범위한 캐스케이드 블랙아웃의 새로운 위험을 만들 수 있습니다.

이 문서는 BPS 신뢰성과 관련된 동적 시스템에 중점을 둡니다. 관련 시간 범위는 밀리초(1/1000초)에서 초까지 다양합니다. 이 시간 범위에서 자동 및 자율(독립적) 제어 및 보호는 전원 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 사전 조정된 방식으로 빠르게 작동해야 합니다. 대규모 그리드 장애 동안 BPS가 안정적이고 신뢰적으로 유지될 수 있도록 전력 장비가 취해야 하는 자동 조치를 연구하고 사전 계획하는 데 동적 안정성 시뮬레이션 도구를 의존해야 합니다. 모든 가능한 시나리오를 고려하기 위해 수백 개 또는 수천 개의 "만약" 시뮬레이션이 필요합니다.

 

제안

권장사항: EV 충전기와 EVSE는 정상 작동 중에 일정한 전류 제어를 사용하는 상태 제어 전략을 채택해야 합니다. 상수 전력 레벨 제어보다는 상수 전류 제어를 사용하세요.

 

권장사항: EV 충전기 및 EVSE는 기본 주파수에서 0.985 이상의 역률 (선행 또는 후행)로 작동해야 합니다. 전원 인가 전압이 명목 전압의 80%에서 110%까지 유지되도록 역률을 유지해야 합니다.

 

권장사항: 전기차 충전기와 EVSE는 프로그램 가능한 전류 소비 감소 특성(programmable current consumption droop characteristic), 프로그래밍 가능한 범위 및 기본값 5%를 갖추어야 합니다.

권장사항: EV 충전기와 EVSE는 UFLS 수준에 도달하기 전에 심각한 주파수 이상으로 인한 전류 소비를 신속하게 감소시키는 능력으로 프로그램되어야합니다.

 

Grid Disturbances: 각 EV 충전기와 EVSE는 측정된 단자 조건에 자율적으로 응답하고 전력망 신뢰성을 지원하도록 프로그래밍되어야합니다. 이 시간 동안 그리드 친화적인 성능 특성은 장치 간 또는 그리드 운영자와의 고급 통신을 요구하지 않아야합니다. 대신, 컨버터 보호 및 제어는 자동으로 EV 충전 동작 및 작동을 수정하기 위해 응답해야합니다. EV 충전기와 EVSE가 어떻게 응답해야하는지에 대한 자세한 내용은 향후 모델링 및 검증 노력에서 처리해야하는 중요한 영역입니다.

 

라이드 스루 작동 중에는 EV 충전기 및 EVSE가 적절한 충전 성능 특성으로 측정된 단자 조건에 동적으로 응답하는 것이 중요합니다. 이는 전력 전자를 통한 빠른 측정과 충분히 빠른 응답 시간을 필요로 하며, 장비 무결성을 보장하면서 전류 소비를 관리하기 위해서입니다. 예를 들어, EV 충전기 및 EVSE는 그리드 신뢰성을 지원하는 방식으로 전류 소비를 동적으로 제어해야 하며, 전류의 중단(또는 감소) 및 재개(또는 증가)를 지원해야 합니다. 그림 4는 그리드 친화적인 응답과 그리드 친하지 않은 응답을 비교한 예시를 보여줍니다.

추천: 전압 변화에 대한 응답 시간은 20밀리초(대략 한 사이클) 이하이어야 합니다.

 

EV 충전 및 EVSE 기술에서의 예상되는 지속적인 빠른 변화는 전기 자동차 및 충전소 제조업체 산업과 전기 유틸리티 간 지속적인 양방향 커뮤니케이션과 표준화된 정보 공유의 필요성을 강조합니다. 전기 공급 산업은 EV 및 EVSE 산업과의 파트너들에게 신뢰성 관련 우려 및 해결해야 할 단계를 알리기 위해 정보를 전달해야 합니다. 또한 EV 및 EVSE 산업은 그들의 상업적인 우려와 그것이 그리드에 의존하는 EV 및 EVSE 기술의 미래 발전에 어떤 영향을 미칠지 전달해야 합니다. 목표는 교류를 통해 전기 운송 체계의 성장에 따른 최소 비용으로 그리드 신뢰성을 보장하기 위해 미터의 양쪽에서 해결해야 할 문제에 대한 상호 이해를 촉진하는 것입니다. 이것은 미래의 그리드가 나타날 때 중요한 고려사항입니다. BPS 신뢰성과 내구성은 사회가 요구하는 EV 및 EVSE 요구 사항을 지원하기 위해 중요하며, EV 충전기는 이 중요한 결과에 큰 역할을 할 수 있습니다.

 

이 문서는 EV 충전의 특정 측면, 즉 그리드 이상에 대한 동적 반응에 초점을 맞추고 있습니다. EV 충전이 그리드 신뢰성에 미칠 다른 여러 가지 영향이 있습니다. 관련 문제를 해결하기 위한 교차 부문 협력은 앞으로도 중요할 것입니다. 특히, 그리드 운영 조건 및 EV 충전기 데이터 교환과 관련된 데이터 감지 및 교환은 EV 충전의 그리드 효율성과 신뢰성을 지원하고 향상시키는 역할을 진전시키기 위해 분명히 필요합니다. 그리드 친화적 충전 행동과 패턴 (예 : 관리 충전 또는 분산 에너지 자원 집합기 참여)은 상호 연결된 전력 시스템에 대한 유연성 서비스 제공에 중요한 이점을 제공할 수 있습니다. 사이버 보안 고려 사항 및 산업 및 소비자 지침은 물론 소비자 그리드 친화적 충전 행동에 대한 교육 자료 개발도 중요합니다. 이러한 협력 분야가 적절하고 적절한 교차 부문 이해 관계자 참여 수준을 유치할 수 있는 포럼에서 계속될 필요가 있습니다.