ESS와 비상발전기 협조에 의한 수도사업장 비상발전시스템에 관한 연구 A study on the emergency power generation system of waterworks by the cooperation of ess and emergency generator원문보기
최근에 화석 에너지의 유한성과 환경오염 그리고 원자력 발전의 위험성에 대한 인식이 커지면서 국내에서도 에너지 정책 방향을 탈핵화를 포함하는 경제성 향상과 안정적 공급을 위한 방향으로 변화하고 있다. 이러한 정책 방향에 따라 노후화된 원전 운영을 중단하고 신규 원전 건설 백지화를 진행하고 있다. 하지만 원전 발전원 감소로 인한 전력 수급 문제는 신재생 에너지 및 유휴 자원 활성화를 이용한 ...
최근에 화석 에너지의 유한성과 환경오염 그리고 원자력 발전의 위험성에 대한 인식이 커지면서 국내에서도 에너지 정책 방향을 탈핵화를 포함하는 경제성 향상과 안정적 공급을 위한 방향으로 변화하고 있다. 이러한 정책 방향에 따라 노후화된 원전 운영을 중단하고 신규 원전 건설 백지화를 진행하고 있다. 하지만 원전 발전원 감소로 인한 전력 수급 문제는 신재생 에너지 및 유휴 자원 활성화를 이용한 분산전원으로 극복할 수 있다. 분산전원을 이용한 스마트 그리드에서 수요관리, 전력 품질, 전력 신뢰성 향상이 중요한 요소들이며 이와 관련된 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 비상발전기와 단주기 ESS로 구성된 무정전 시스템을 제안하여 수요가 측에 안정적인 전력 공급과 전력 신뢰성 향상할 수 있는 통합 운전 알고리즘에 대하여 제안하였다. ESS를 활용한 무정전 시스템에 관한 연구는 이전에도 진행되었다. 하지만 장시간 back-up 시간을 확보하기 위해서는 대용량의 배터리 시스템이 필요하다. 이는 전체 시스템 비용이 크게 상승하여 그 기능적인 부분에서는 문제가 없지만 구축비용 부문에서 단가의 경제성이 맞지 않아 상용화 단계까지는 진행되지 못했다. 최근에는 정전 발생 시 비상 전원 공급용으로 한시적으로 사용되던 비상 발전기를 활용한 다양한 연구가 이루어 지고 있다. 공공 기관 및 영리 기관에서 비상발전기를 이용한 수요자원 용도로 DR 사업에 참여도 증가하고 있다. 비상 발전기를 수요자원으로 이용하기 위해서는 전원 절환 절체 개폐기가 필요한데 초기에는 ATS(Automatic Transfer Switch)를 많이 사용하였다. ATS는 절체 시 대략 100[ms] 이내 정전이 발생하는 단점이 있다. 이를 보완한 무정전 전원 절환 절체 개폐기인 CTTS(Closed Transition Transfer Switch)로 교체하여 DR 사업에 참여하고 있다. CTTS의 경우에도 비상 발전기의 AVR 및 Governor를 직접 제어하여 계통 연계형으로 동작하는 G-CTTS(Grid tied CTTS)가 있으며 이를 활용하여 전력변환장치와의 병렬 운전도 가능하다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 G-CTTS와 비상발전기 그리고 단주기 ESS로 구성되어 있다. 제안하는 무정전 시스템의 정격 전력 용량은 360kW이며 각 구성 기기의 경우 인버터는 500kW, G-CTTS 및 비상발전기는 360kW이다. 단주기 ESS용 배터리는 Carbon 배터리 500kWh를 사용하였으며 전체 시스템의 Power Management를 위해 PC 기반의 PMS 운용 프로그램을 사용하였다. 본 논문은 비상 발전기와 단주기 ESS로 구성된 무정전 시스템에 관한 운용 및 요소 기술에 대하여 제안한다. 본 논문에서 제안하는 요소는 크게 5가지로 정리한다. 첫째, 비상 발전기와 UPS로 구성된 대용량 무정전 시스템 구성을 제안하였다. 2종 전압원으로 구성된 시스템에서 전력제어는 주로 인버터에서 담당하지만 본 시스템에서는 전력제어권을 G-CTTS를 이용한 비상 발전기에서 수행한다. 2종 병렬 운전 시 전력 제어권을 G-CTTS가 수행하게 되면 인버터의 요구 기능은 낮아져 상용 UPS 적용만으로 대용량 무정전 시스템 구현이 가능하다. 둘째, 비상 발전기의 병렬운전 신뢰성 및 속응성 향상을 위해서는 이종 전압원의 위상을 정밀하게 검출하여 주파수 제어를 해야 한다. 이를 위해서 가상 d-q 좌표 방식을 이용하여 동기화 하고자 하는 전압원에 대한 위상을 고속으로 동기화 하는 고정도 PLL 방식을 제안한다. 셋째, 무 정전 동작을 위해서는 인버터의 고속 응답 및 출력이 중요하다. 인버터의 출력 속응성의 경우 용량에 따라서 정격 출력까지 소요되는 시간이 늘어난다. 따라서, 정전을 검출하는 시간을 최대한 줄여야지 안정적으로 동작할 수 있다. 계통 임피던스가 큰 site의 경우 부하에 고조파 성분이 많이 포함될 경우 전압 THD가 커지게 된다. 정전 검출을 위한 전압 조건을 민감하게 적용할 경우 정전이 아닌 경우에도 정전으로 인식할 수 있다. 따라서 고속으로 정확하게 정전을 검출할 수 있는 Perid Time Shit에 의한 고속 정전 감지 알고리즘을 제안한다. 넷째, 단주기용 ESS가 추가 설치됨에 따라 수용가측에 전력을 공급할 수 있는 용량이 늘어나게 된다. 모터 기동 시 돌입 전류와 같은 비선형 부하에 의한 순간 부하 전력 증가시 전력 협조를 통해서 계통 전압의 신뢰성을 높힐 수 있다. 무정전 기능을 갖춘 PCS의 경우 빠른 출력 속응성을 가지고 있고 이를 이용하여 Peak성 부하에 대한 2종 전력의 전력 협조하는 알고리즘을 제안 한다. 다섯째, PCS의 신뢰성 확보를 위해 125kW Power Stack을 4 병렬로 구성하여 1개 Power Stack이 고장 나더라도 3개 Power Stack 모듈로 병렬 운전이 가능한 PCS 구조를 제안 한다. 본 논문에서는 비상발전기와 단주기 ESS를 이용하여 장주기 무정전 시스템을 제안하고 이를 운영하기 위한 요소 기술을 검토하여 제안하였다. 500[kW]급 G-CTTS 및 전력변환장치를 설계 제작하였다. 제안한 연구에 대해서 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.
최근에 화석 에너지의 유한성과 환경오염 그리고 원자력 발전의 위험성에 대한 인식이 커지면서 국내에서도 에너지 정책 방향을 탈핵화를 포함하는 경제성 향상과 안정적 공급을 위한 방향으로 변화하고 있다. 이러한 정책 방향에 따라 노후화된 원전 운영을 중단하고 신규 원전 건설 백지화를 진행하고 있다. 하지만 원전 발전원 감소로 인한 전력 수급 문제는 신재생 에너지 및 유휴 자원 활성화를 이용한 분산전원으로 극복할 수 있다. 분산전원을 이용한 스마트 그리드에서 수요관리, 전력 품질, 전력 신뢰성 향상이 중요한 요소들이며 이와 관련된 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 비상발전기와 단주기 ESS로 구성된 무정전 시스템을 제안하여 수요가 측에 안정적인 전력 공급과 전력 신뢰성 향상할 수 있는 통합 운전 알고리즘에 대하여 제안하였다. ESS를 활용한 무정전 시스템에 관한 연구는 이전에도 진행되었다. 하지만 장시간 back-up 시간을 확보하기 위해서는 대용량의 배터리 시스템이 필요하다. 이는 전체 시스템 비용이 크게 상승하여 그 기능적인 부분에서는 문제가 없지만 구축비용 부문에서 단가의 경제성이 맞지 않아 상용화 단계까지는 진행되지 못했다. 최근에는 정전 발생 시 비상 전원 공급용으로 한시적으로 사용되던 비상 발전기를 활용한 다양한 연구가 이루어 지고 있다. 공공 기관 및 영리 기관에서 비상발전기를 이용한 수요자원 용도로 DR 사업에 참여도 증가하고 있다. 비상 발전기를 수요자원으로 이용하기 위해서는 전원 절환 절체 개폐기가 필요한데 초기에는 ATS(Automatic Transfer Switch)를 많이 사용하였다. ATS는 절체 시 대략 100[ms] 이내 정전이 발생하는 단점이 있다. 이를 보완한 무정전 전원 절환 절체 개폐기인 CTTS(Closed Transition Transfer Switch)로 교체하여 DR 사업에 참여하고 있다. CTTS의 경우에도 비상 발전기의 AVR 및 Governor를 직접 제어하여 계통 연계형으로 동작하는 G-CTTS(Grid tied CTTS)가 있으며 이를 활용하여 전력변환장치와의 병렬 운전도 가능하다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 G-CTTS와 비상발전기 그리고 단주기 ESS로 구성되어 있다. 제안하는 무정전 시스템의 정격 전력 용량은 360kW이며 각 구성 기기의 경우 인버터는 500kW, G-CTTS 및 비상발전기는 360kW이다. 단주기 ESS용 배터리는 Carbon 배터리 500kWh를 사용하였으며 전체 시스템의 Power Management를 위해 PC 기반의 PMS 운용 프로그램을 사용하였다. 본 논문은 비상 발전기와 단주기 ESS로 구성된 무정전 시스템에 관한 운용 및 요소 기술에 대하여 제안한다. 본 논문에서 제안하는 요소는 크게 5가지로 정리한다. 첫째, 비상 발전기와 UPS로 구성된 대용량 무정전 시스템 구성을 제안하였다. 2종 전압원으로 구성된 시스템에서 전력제어는 주로 인버터에서 담당하지만 본 시스템에서는 전력제어권을 G-CTTS를 이용한 비상 발전기에서 수행한다. 2종 병렬 운전 시 전력 제어권을 G-CTTS가 수행하게 되면 인버터의 요구 기능은 낮아져 상용 UPS 적용만으로 대용량 무정전 시스템 구현이 가능하다. 둘째, 비상 발전기의 병렬운전 신뢰성 및 속응성 향상을 위해서는 이종 전압원의 위상을 정밀하게 검출하여 주파수 제어를 해야 한다. 이를 위해서 가상 d-q 좌표 방식을 이용하여 동기화 하고자 하는 전압원에 대한 위상을 고속으로 동기화 하는 고정도 PLL 방식을 제안한다. 셋째, 무 정전 동작을 위해서는 인버터의 고속 응답 및 출력이 중요하다. 인버터의 출력 속응성의 경우 용량에 따라서 정격 출력까지 소요되는 시간이 늘어난다. 따라서, 정전을 검출하는 시간을 최대한 줄여야지 안정적으로 동작할 수 있다. 계통 임피던스가 큰 site의 경우 부하에 고조파 성분이 많이 포함될 경우 전압 THD가 커지게 된다. 정전 검출을 위한 전압 조건을 민감하게 적용할 경우 정전이 아닌 경우에도 정전으로 인식할 수 있다. 따라서 고속으로 정확하게 정전을 검출할 수 있는 Perid Time Shit에 의한 고속 정전 감지 알고리즘을 제안한다. 넷째, 단주기용 ESS가 추가 설치됨에 따라 수용가측에 전력을 공급할 수 있는 용량이 늘어나게 된다. 모터 기동 시 돌입 전류와 같은 비선형 부하에 의한 순간 부하 전력 증가시 전력 협조를 통해서 계통 전압의 신뢰성을 높힐 수 있다. 무정전 기능을 갖춘 PCS의 경우 빠른 출력 속응성을 가지고 있고 이를 이용하여 Peak성 부하에 대한 2종 전력의 전력 협조하는 알고리즘을 제안 한다. 다섯째, PCS의 신뢰성 확보를 위해 125kW Power Stack을 4 병렬로 구성하여 1개 Power Stack이 고장 나더라도 3개 Power Stack 모듈로 병렬 운전이 가능한 PCS 구조를 제안 한다. 본 논문에서는 비상발전기와 단주기 ESS를 이용하여 장주기 무정전 시스템을 제안하고 이를 운영하기 위한 요소 기술을 검토하여 제안하였다. 500[kW]급 G-CTTS 및 전력변환장치를 설계 제작하였다. 제안한 연구에 대해서 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.
Recently, as awareness of the finiteness of fossil energy, environmental pollution, and the dangers of nuclear power generation has grown, the direction of energy policy in domestic is changing to improve economic efficiency including denuclearization and a stable supply. In accordance with this pol...
Recently, as awareness of the finiteness of fossil energy, environmental pollution, and the dangers of nuclear power generation has grown, the direction of energy policy in domestic is changing to improve economic efficiency including denuclearization and a stable supply. In accordance with this policy direction, the operation of aging nuclear power plants is suspended and the construction of new nuclear power plants is being canceled. However, the power supply and demand problem due to the decrease in nuclear power generation sources can be overcome with distributed power using renewable energy and active idle resources. In the smart grid using distributed power, demand management, power quality, and power reliability improvement are important factors, and related research is ongoing. In this paper, we proposed an uninterruptible system consisting of an emergency generator and a short-cycle ESS, and proposed an integrated operation algorithm that can provide stable power to the consumer and improve power reliability. Research on uninterruptible systems using ESS has been conducted before. However, in order to secure a long back-up time, a large-capacity battery system is required. This greatly increases the overall system cost, so there is no problem in the functional part, but in the field of construction cost, the economical efficiency of the unit price was not suitable, so the commercialization stage was not progressed. Recently, various studies using emergency generators, which were temporarily used for emergency power supply in case of power failure, have been conducted. Public institutions and for-profit institutions are also increasingly participating in DR projects for demand resources using emergency generators. In order to use the emergency generator as a demand resource, a power changeover switch is required, but in the beginning, ATS (Automatic Transfer Switch) was widely used. ATS has a disadvantage that power failure occurs within about 100[ms] when switching over. It is participating in the DR project by replacing it with a CTTS (Closed Transition Transfer Switch), which is a complementary uninterruptible power changeover switch. In the case of CTTS, there is a grid tied CTTS (G-CTTS) that directly controls the AVR and governor of an emergency generator to operate in a grid-tied type, and by using this, parallel operation with a power converter is possible. The system proposed in this paper is composed of G-CTTS, emergency generator and short-cycle ESS. The rated power capacity of the proposed uninterruptible system is 360kW, and for each component, the inverter is 500kW, the G-CTTS and the emergency generator are 360kW. For short-cycle ESS batteries, 500kWh of carbon batteries were used, and a PC-based PMS operation program was used for power management of the entire system. This paper proposes the operation and element technology for the uninterruptible system consisting of an emergency generator and short-cycle ESS. The factors proposed in this paper are largely summarized into five categories. First, a large-capacity uninterruptible system configuration consisting of an emergency generator and a UPS was proposed. In a system composed of two voltage sources, power control is mainly handled by the inverter, but in this system, power control is performed by the emergency generator using G-CTTS. When G-CTTS performs power control during two types of parallel operation, the required function of the inverter is lowered, and a large-capacity uninterruptible system can be implemented only by applying a commercial UPS. Second, in order to improve the reliability and quick response of the emergency generator in parallel operation, it is necessary to precisely detect the phases of different voltage sources and control the frequency. To this end, we propose a high-precision PLL method that synchronizes the phase of the voltage source to be synchronized at high speed using a virtual d-q coordinate method. Third, high-speed response and output of the inverter are important for non-power failure operation. In the case of the output quick response of the inverter, the time required to the rated output increases depending on the capacity. Therefore, it is possible to operate stably only when the time for detecting a power failure is reduced as much as possible. In the case of a site with a large system impedance, the voltage THD increases when the load contains many harmonics. If the voltage condition for power failure detection is sensitively applied, it can be recognized as a power failure even if it is not a power failure. Therefore, we propose a high-speed blackout detection algorithm using Perid Time Shit that can accurately detect blackout at high speed. Fourth, as the short-cycle ESS is additionally installed, the capacity to supply power to the customer side increases. When the instantaneous load power increases due to nonlinear loads such as inrush current when starting the motor, the reliability of the system voltage can be enhanced through power cooperation. In case of PCS with uninterruptible function, it has fast output speed, and by using this, we propose an algorithm to cooperate power of two types of power for peak load. Fifth, to secure the reliability of PCS, we propose a PCS structure that allows parallel operation with three power stack modules even if one power stack fails by configuring a 125kW power stack in 4 parallel. In this paper, we proposed a long-cycle uninterruptible system using an emergency generator and a short-cycle ESS, analyzed and proposed the necessary technology to operate it, and developed and manufactured a 500[kW] class G-CTTS and inverter. The proposed study was validated through simulations and experiments.
Recently, as awareness of the finiteness of fossil energy, environmental pollution, and the dangers of nuclear power generation has grown, the direction of energy policy in domestic is changing to improve economic efficiency including denuclearization and a stable supply. In accordance with this policy direction, the operation of aging nuclear power plants is suspended and the construction of new nuclear power plants is being canceled. However, the power supply and demand problem due to the decrease in nuclear power generation sources can be overcome with distributed power using renewable energy and active idle resources. In the smart grid using distributed power, demand management, power quality, and power reliability improvement are important factors, and related research is ongoing. In this paper, we proposed an uninterruptible system consisting of an emergency generator and a short-cycle ESS, and proposed an integrated operation algorithm that can provide stable power to the consumer and improve power reliability. Research on uninterruptible systems using ESS has been conducted before. However, in order to secure a long back-up time, a large-capacity battery system is required. This greatly increases the overall system cost, so there is no problem in the functional part, but in the field of construction cost, the economical efficiency of the unit price was not suitable, so the commercialization stage was not progressed. Recently, various studies using emergency generators, which were temporarily used for emergency power supply in case of power failure, have been conducted. Public institutions and for-profit institutions are also increasingly participating in DR projects for demand resources using emergency generators. In order to use the emergency generator as a demand resource, a power changeover switch is required, but in the beginning, ATS (Automatic Transfer Switch) was widely used. ATS has a disadvantage that power failure occurs within about 100[ms] when switching over. It is participating in the DR project by replacing it with a CTTS (Closed Transition Transfer Switch), which is a complementary uninterruptible power changeover switch. In the case of CTTS, there is a grid tied CTTS (G-CTTS) that directly controls the AVR and governor of an emergency generator to operate in a grid-tied type, and by using this, parallel operation with a power converter is possible. The system proposed in this paper is composed of G-CTTS, emergency generator and short-cycle ESS. The rated power capacity of the proposed uninterruptible system is 360kW, and for each component, the inverter is 500kW, the G-CTTS and the emergency generator are 360kW. For short-cycle ESS batteries, 500kWh of carbon batteries were used, and a PC-based PMS operation program was used for power management of the entire system. This paper proposes the operation and element technology for the uninterruptible system consisting of an emergency generator and short-cycle ESS. The factors proposed in this paper are largely summarized into five categories. First, a large-capacity uninterruptible system configuration consisting of an emergency generator and a UPS was proposed. In a system composed of two voltage sources, power control is mainly handled by the inverter, but in this system, power control is performed by the emergency generator using G-CTTS. When G-CTTS performs power control during two types of parallel operation, the required function of the inverter is lowered, and a large-capacity uninterruptible system can be implemented only by applying a commercial UPS. Second, in order to improve the reliability and quick response of the emergency generator in parallel operation, it is necessary to precisely detect the phases of different voltage sources and control the frequency. To this end, we propose a high-precision PLL method that synchronizes the phase of the voltage source to be synchronized at high speed using a virtual d-q coordinate method. Third, high-speed response and output of the inverter are important for non-power failure operation. In the case of the output quick response of the inverter, the time required to the rated output increases depending on the capacity. Therefore, it is possible to operate stably only when the time for detecting a power failure is reduced as much as possible. In the case of a site with a large system impedance, the voltage THD increases when the load contains many harmonics. If the voltage condition for power failure detection is sensitively applied, it can be recognized as a power failure even if it is not a power failure. Therefore, we propose a high-speed blackout detection algorithm using Perid Time Shit that can accurately detect blackout at high speed. Fourth, as the short-cycle ESS is additionally installed, the capacity to supply power to the customer side increases. When the instantaneous load power increases due to nonlinear loads such as inrush current when starting the motor, the reliability of the system voltage can be enhanced through power cooperation. In case of PCS with uninterruptible function, it has fast output speed, and by using this, we propose an algorithm to cooperate power of two types of power for peak load. Fifth, to secure the reliability of PCS, we propose a PCS structure that allows parallel operation with three power stack modules even if one power stack fails by configuring a 125kW power stack in 4 parallel. In this paper, we proposed a long-cycle uninterruptible system using an emergency generator and a short-cycle ESS, analyzed and proposed the necessary technology to operate it, and developed and manufactured a 500[kW] class G-CTTS and inverter. The proposed study was validated through simulations and experiments.
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