[논문]풍력발전의 출력 변동 저감을 위한 ESS 최소용량 산정기법

김재홍; 강명석; 김일환

doi:10.7836/kses.2011.31.5.119

풍력발전의 출력 변동 저감을 위한 ESS 최소용량 산정기법
Method of Minimizing ESS Capacity for Mitigating the Fluctuation of Wind Power Generation System 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.5, 2011년, pp.119 - 125

김재홍 (제주대학교 전기공학과) , 강명석 (제주대학교 풍력 특성화 협동과정) , 김일환 (제주대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have studied about minimizing the Energy Storage System (ESS) capacity for mitigating the fluctuation of Wind Turbine Generation System (WTGS) by using Electric Double Layer Capacitor (EDLC) and Battery Energy Storage System (BESS). In this case, they have some different characteristics: The EDLC has the ability of generating the output power at high frequency. Thus, it is able to reduce the fluctuation of WTGS in spite of high cost. The BESS, by using Li-Ion battery, takes the advantage of high energy density, however it is limited to use at low frequency response. To verify the effectiveness of the proposed method, simulations are carried out with the actual data of 2MW WTGS in case of worst fluctuation of WTGS is happened. By comparing simulation results, this method shows the excellent performance. Therefore, it is very useful for understanding and minimizing the ESS capacity for mitigating the fluctuation of WTGS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제점을 극복하기 위해 다양한 연구가 이루어졌으며 대다수의 연구가 에너지 저장시스템 ESS를 풍력발전기와 복합연계 운영하는 방법에 집중되어 있다. ESS의 구성 역시 다양한 에너지 저장 매체를 이용하는 방법이 연구되고 있으나 본 논문에서는 BESS과 EDLC를 복합 채용한 ESS를 다루고 있으며 이를 이용하여 shortterm powersmoothing을 목적으로 하고 있다.
앞에서 결정된 fc_EDLC, fc_BESS, PM_EDLC, PM_BESS를 적용하여 제어기를 구성하였다.동특성을 적용한 시뮬레이션 모델을 작성하는 주요 목적은 단순모델에 의해 계산되어지는 이론적인 P_{grid_ideal} 값과 이 절에서 제안하는 BESS와 EDLC에 동특성을 포함하여 연산된 P_grid값을 비교함으로써 BESS와 EDLC의 용량과 제어기의 차단 주파수가 적절한지를 확인하기 위해서이다. 즉, 앞에서 결정한 BESS와 EDLC의 동작전압 영역을 항상 유지해야 하고 각각 정격이상에 충·방전을 제한 시켜뒀다.

가설 설정

이 Case는 약 15m/s의 순간 풍속 변동으로 인해 최대 1MW의 출력변동 및 비상 정지되고 있는 데이터 이다. 그림2 c)는 그림2 b)에서 풍력발전기 정지 데이터를 삭제하여 만든 데이터이며 이 데이터를 풍력발전기의 최대 출력 변동 상황으로 가정하여 용량산정 및 시뮬레이션에 활용하였다.

제안 방법

그림 3에서 보듯이 Error_ESS가 EDLC와 BESS의 용량이 커짐에 따라 감소되는 것을 볼 수 있는데 각각의 ESS가 일정용량 이후부터는 Error_ESS의 감소폭이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 경제성을 고려하여 Error_ESS의 변동폭이 좁아지기 시작하며 그 값이 0에 가까운 지점인 PM_EDLC = 250kW, PM_BESS = 450kW를 최적점으로 결정하였다.
은 식(5)에 의해 결정되게 된다. 본 논문에서의 용량산정은 식(6)으로 표현되는 Error_ESS 값이 0에 수렴하도록 PM_EDLC와 PM_BESS에 값을 변경하여 최적용량을 산정하였다.
1절에서 모델링한 ESS를 풍력발전 시스템에 연계하고 계통으로의 전력 전송을 하기 위한 시뮬레이션 모델로 전력변환기의 손실은 고려하지 않았다. 앞에서 결정된 fc_EDLC, fc_BESS, PM_EDLC, PM_BESS를 적용하여 제어기를 구성하였다.동특성을 적용한 시뮬레이션 모델을 작성하는 주요 목적은 단순모델에 의해 계산되어지는 이론적인 P_{grid_ideal} 값과 이 절에서 제안하는 BESS와 EDLC에 동특성을 포함하여 연산된 P_grid값을 비교함으로써 BESS와 EDLC의 용량과 제어기의 차단 주파수가 적절한지를 확인하기 위해서이다.
이는 2MW 출력의 풍력발전기에 비해 상대적으로 작은 용량이며 ESS의 전압 및 직·병렬 구성을 구체적으로 제시하였다.

대상 데이터

BESS의 경우 근래 급속한 발전을 이루고 있는 리튬이온 배터리를 채용하였다. 그림4를 참조하여 C-rate(Currentrate)에 따라 사용할 수 있는 배터리의 용량을 결정하였는데 여기서 배터리는 10 C-rate 이하에서 사용 되어야하고 그 이상의 C-rate 상태에서는 배터리의 효율이 급격히 떨어지게 된다.

데이터처리

2.3절의 결과를 만족 할 수 있는 적절한 값을 선정하기 위하여 NESS사의 5000F EDLC를 이용하여 계산하였다. 표1의 EDLC 항목을 참조하여 순간 최대 출력 250kW를 만족할 수 있는 Pack전압은 98.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 배터리 모델은 Shepherd model⁵⁾을 참조하여 가변 전압 소스와 직렬 연결된 저항으로 구성하여 모델링 하였으며, 모델링에 필요한 각종 상수들은 그림 4의 배터리의 실제 방전 곡선을 이용하여 도출하였다.⁶⁾ 방전 전류 및 SOC에 따른 전압의 동특성은 식 (7)을 이용하여 표현 하였다.

성능/효과

ESS에 관한 대다수의 논문들은 확률 이론적 접근으로 결국 풍력발전기 용량에 근접한 ESS의 채용을 추천하고 있지만 이는 경제적인 이유로 실현성이 낮은 문제점이 있다. 또한 10분미만의 출력안정화를 목적으로 ESS를 채용한 논문의 경우 본 논문의 전개방식과 유사하나 BESS와 EDLC의 용량에 따른 동특성을 고려하고 C-rate을 고려하여 최소용량으로 경제적 ESS구성이 가능함을 보여주고 있으며, 동특성 모델을 적용한 시뮬레이션을 통해 실제 시스템 구현의 가능성 및 문제점을 점검할 수 있는 툴을 제안하고 있다는 것이 본 논문의 주요 특이성 이다.
제안한 각각의 ESS는 동특성 모델링을 하였고 3.3절의 시뮬레이션을 통하여 제안한 제어기와 다소 작은 용량의 ESS로 눈에 띄는 출력 보상 효과를 기대할 수 있음을 입증하였다.
풍력발전기의 단시간 출력변동을 완화하기 위해 현 시점에서 실현 가능하고 경제적이며 효율적인 ESS 용량 설계 방법을 제안함에 있어, 2.1절과 2.2절을 통하여 BESS= 450kW와 ELDC= 250kW의 최대 출력을 산출해 냈으며 2.3절을 통하여 각각의 저장매체의 C-rate을 고려한 용량을 계산한 결과 BESS=57.96kWh, EDLC=370Wh가 되었다. 이는 2MW 출력의 풍력발전기에 비해 상대적으로 작은 용량이며 ESS의 전압 및 직·병렬 구성을 구체적으로 제시하였다.

후속연구

ESS의 용량산정 및 제어기법에 관련한 많은 연구들이 전 세계적으로 이루어 졌으나 본 논문은 2.3절, 2.4절, 2.5절에서 배터리의 실제적 특성을 고려하여 독특한 방법으로 ESS의 구성 및 용량을 구체적으로 제시 하였으며 동적모델링과 동작조건을 고려한 시뮬레이션을 통해 향후 풍력발전에 적용할 수 있는 ESS를 설계 및 검토하는데 기여하리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전의 2009년 전세계 설치 용량은?	미래의 신재생 에너지원으로서 고려되는 풍력발전은 급속한 발전을 이루고 있으며, 2009년의 통계로서 전 세계의 풍력발전 설치 용량은 약 150GW에 달하며 매해 가파른 추세로 상승하고 있다.1) 그러나 풍력에너지는 정확한 출력 예측이 불가능 하며 출력의 변동률이 높은 특성 때문에 계통연계 시 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다.
	풍력에너지의 단점은 무엇인가?	미래의 신재생 에너지원으로서 고려되는 풍력발전은 급속한 발전을 이루고 있으며, 2009년의 통계로서 전 세계의 풍력발전 설치 용량은 약 150GW에 달하며 매해 가파른 추세로 상승하고 있다.1) 그러나 풍력에너지는 정확한 출력 예측이 불가능 하며 출력의 변동률이 높은 특성 때문에 계통연계 시 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다. 대표적인 예로 급격한 출력변동은 계통 전압 및 주파수의 변동을 초래하고 에너지 출력을 예측 또는 조정 할 수 없음은 풍력에너지가 생산해 낼 수 있는 에너지만큼의 예비력을 상시 대기해야 한다는 불편함을 야기한다.
	예비력을 상시 대기해야 한다는 불편함을 보완할 수 있는 방안으로 연구되는 것은 무엇인가?	이러한 문제점을 극복하기 위해 다양한 연구가 이루어졌으며 대다수의 연구가 에너지 저장시스템 ESS를 풍력발전기와 복합연계 운영하는 방법에 집중되어 있다. ESS의 구성 역시 다양한 에너지 저장 매체를 이용하는 방법이 연구되고 있으나 본 논문에서는 BESS과 EDLC를 복합 채용한 ESS를 다루고 있으며 이를 이용하여 shortterm powersmoothing을 목적으로 하고 있다.

참고문헌 (6)

Bolik, S. M.. "Grid requirements challenges for wind turbines." Fourth International Workshop on Large Scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for Offshore Wind Farms. Oct. 2003.
H. Holttinen and R. Hirvonen. "Power System Requirements for Wind Power." (Wind Power in Power Systems, T. Ackermann, Ed. John Wiley & Sons, 2005, pp.143-167.)
Jia Hongxin.. "Design of Hybrid Energy Storage Control System for Wind Farms Based on Flow Battery and Electric Double-Layer Capacitor" Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2010 Asia-Pacific. pp.1-6.
김영호 "초고용량 커패시터 모듈 기술" 초고용량 커패서터 기술 및 표준화 동향 세미나, 2006.
C. M. Shepherd, "Design of Primary and Secondary Cells - Part 2. An equation describing battery discharge" Journal of Electrochemical Society, Volume 112, Jul. 1965 Page(s): 657-664

상세보기
Tremblay, O., Dessaint, L.-A. Dekkiche, A.-I. "A Generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles" Vehicle Power and Propulsion Conference, 2007. IEEE, Page(s): 284-289

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