[논문]제주 행원 풍력발전단지의 출력 안정화를 위한 에너지저장시스템 용량산정에 관한 연구

강명석; 진경민; 김일환; 오성보; 이정민

doi:10.7836/kses.2012.32.1.025

제주 행원 풍력발전단지의 출력 안정화를 위한 에너지저장시스템 용량산정에 관한 연구
A Study on the Determining ESS Capacity for Stabilizing Power Output of Haeng-won Wind Farm in Jeju 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.1, 2012년, pp.25 - 31

강명석 (제주대학교 풍력특성화 협동과정) , 진경민 (제주대학교 풍력특성화 협동과정) , 김일환 (제주대학교 전기공학과) , 오성보 (제주대학교 전기공학과) , 이정민 ((주)효성 중공업연구소 PV PCS TFT)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the characteristics of power generation output at Haeng-won wind farm and how to determine the optimized ESS capacity for power stabilizing. Depend on the fluctuation rate of wind power output variation, wind farm capacity and site, power stabilization will be impacted. Therefore, we need to determine proper ESS capacity. Using the actual data of Haeng-won wind farm from 2009. 3 to 2010.2., capacity of ESS was determined by moving average value. To verify the proposed algorithm, simulations are carried out with PSCAD/EMTDC program. As a result, optimal ESS capacity of Haeng-won wind farm in Jeju is estimated about 1.63 MWh.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 리튬이온 배터리를 사용하여 제주 행원 풍력단지의 특성에 맞는 최적 용량을 산정하고, 에너지저장시스템에 산정된 용량을 적용하여 출력 평활화에 미치는 영향을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC소프트웨어를 기반으로 시뮬레이션 하고 그 효과를 분석하였다.
본 논문에서는 제주 행원 풍력단지의 출력 특성에 맞는 에너지저장시스템의 최적 용량산정에 대한 방법을 제안하였다.1년간의 실제 출력데이터를 바탕으로 제주 행원 풍력단지의 출력특성을 파악하고 이동평균을 사용하여 출력변동이 가장 심한 이동평균 기준시간을 찾아내어 3.

제안 방법

본 논문에서는 제주 행원 풍력단지의 출력 특성에 맞는 에너지저장시스템의 최적 용량산정에 대한 방법을 제안하였다.1년간의 실제 출력데이터를 바탕으로 제주 행원 풍력단지의 출력특성을 파악하고 이동평균을 사용하여 출력변동이 가장 심한 이동평균 기준시간을 찾아내어 3.2절에서 제시한 용량산정을 통하여 1.63MWh의 용량을 산정하였고,3.3절을 통하여 1.4MW의 전력변환기 용량을 결정하였다. 이는 풍력단지 출력의 16.
그림 6과 같이 가변 전압 소스와 직렬 연결된 저항으로 구성하여 모델링 하였으며,모델링에 필요한 파라미터 값은 A사의 사용전압 4.2V∼2.8V,정격용량 50Ah,공칭 전압 3.6V인 리튬이온 배터리의 실제 방전 곡선을 이용하여 도출하였다.
전력변환기의 용량을 산정하는데 있어서 배터리 출력 요구치를 100% 만족시키기 위해서는 빈도수가 적은 용량까지 고려하여야 하므로 전력변환기의 용량이 늘어나게 된다. 따라서 경제적인 측면과 효율성을 고려하여 배터리 출력 요구치 빈도수가 약 96%되는 지점을 전력변환기 용량으로 결정 하였다.
본 논문에서 결정된 배터리 용량이 최적임을 보이기 위하여 각각의 이동평균시간을 10분, 20분, 30분으로 하여 이에 대한 배터리 용량을 3.2절의 식 (2)를 사용하여 산정하고 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 12는 각각의 이동평균 시간에 따른 배터리 출력 요구치에 대한 빈도 그래프이다.
하지만 경제적인 측면이나 실현가능성을 생각한다면 최소의 배터리 용량으로 최대의 출력 평활화를 얻어내는 것이 가장 좋다. 본 논문에서는 최적의 배터리 용량을 산정하기 위하여 이동평균값을 사용하였다. 이동평균에 사용된 평가시간은 풍력단지 출력을 어느 정도 평활화 시킬 것인가에 대한 기준 시간을 결정하는 중요한 요소가 된다.
계절별 출력변동률에서 볼 수 있듯이 사계절 가운데 겨울철이 가장 큰 변동률을 가지고 있다. 이 겨울철 데이터를 사용하여 출력 변동폭이 가장 심한 특정일을 찾아내기 위하여 이동평균을 사용하였다.
그리고 평활화를 하는데 있어 가장 난처한 상태는, 그림 11에서 나타내듯이 풍력단지 출력이 0인 상태에서 정격 출력으로 스텝 변화할 때라고 생각할 수 있다.이러한 출력변동에 대해 합성 출력 목표치를 출력변동이 포화되는 시점인 20분을 사용하여 배터리 용량을 산정하였다.
그림 1∼4는 2009년 3월 1일∼2010년 2월 28일 1년간 2초 간격으로 측정한 제주 행원 풍력단지의 유효전력 데이터를 활용하여 나타낸 출력변동 빈도분포 그래프이다. 출력특성은 각각 1분,10분,30분에 대해 계절별로 나누어 분석하였다.

대상 데이터

6%이다. 결정된 배터리 용량은 3.1절에서 모델링된 리튬 이온 배터리를 사용하여 총 9070개의 cell로 직렬 구성하였다.
5MW를 나타내는 것을 확인할 수 있다.따라서 본 논문에서는 시뮬레이션 대상일로 2009년 12월 15을 선정하였다. 하루의 데이터를 사용한 이유는 PSCAD/EMTDC 소프트웨어 특성상 취급할 수 있는 데이터 수와 시뮬레이션 시간을 고려해서이다.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 배터리 모델은 Shepherd model⁷⁾을 참조하였고 전압 동특성은 식 (1)과 같다. 그림 6과 같이 가변 전압 소스와 직렬 연결된 저항으로 구성하여 모델링 하였으며,모델링에 필요한 파라미터 값은 A사의 사용전압 4.

성능/효과

각각의 배터리용량을 적용하여 시뮬레이션을 실시한 결과 그림 15∼17에서처럼 출력변동률이 대부분 ±0.5MW에서 포화되는 것을 확인할 수 있고 각각의 출력변동 빈도수가 증가하여 출력변동이 개선되었음을 알 수 있다.
4MW의 전력변환기 용량을 결정하였다. 이는 풍력단지 출력의 16.6%로 상대적으로 작은 용량이며 시뮬레이션 결과 출력변동률이 눈에 띄게 개선됨을 확인할 수 있었다.
8MW 증가하여 10분, 20분, 30분 변동률이 20% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있고 2절의 그림 5에서처럼 최대출력 변동폭이 포함되어 출력 평활화에 만족하고 있다. 하지만 30분 이동평균 용량은 20분 이동평균 용량보다 약 0.8MW가 증가하였으나 10분, 20분 변동률이 10%미만으로 증가하여 용량 증가 대비 출력변동 개선에 미치는 영향이 적었으며 이미 20분 이동평균에서 최대출력 변동폭이 포함되었기 때문에 필요 이상의 배터리 용량이 산정됨을 알 수 있다.그림 18은 본 논문에 사용된 2009년 12월 15일 실제 출력 그래프 이고, 그림 19는 본 논문에서 산정된 용량을 가진 ESS에 의해 보상되어진 출력을 나타낸다.

후속연구

2) 2012년부터 신·재생에너지 공급의무화 제도인 RPS(Renewable portfolio standards)제도가 도입됨에 따라 신·재생에너지 비율이 높아질 것으로 예측되고 제 5차 전력수급기본 계획에 따라 제주 지역에 2016년까지 풍력이 143.2MW가 추가적으로 설치될 예정이다.
⁶⁾그러나 이러한 연구에서는 에너지저장시스템의 용량 산정에 관한 내용이 부족한 실정이다. 풍력단지에 적용되는 에너지저장시스템의 용량이 증가할수록 중앙 급전 발전원과 같이 일정한 출력을 내보낼 수 있지만 경제적인 이유로 인해 실제 시스템에 적용하기가 힘들어 최적 용량산정에 대한 연구가 필요하다.
향후 본 논문에서 제시한 에너지저장시스템의 용량산정을 사용하여 현재 운영되고 있는 풍력단지의 출력특성을 고려하여 풍력단지별 출력특성에 맞는 에너지저장시스템의 용량을 산정하는데 기여하리라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주지역의 발전설비 공급능력은 2011년 기준으로 얼마나 되는가?	9%를 차지하고 있다. 현재 제주지역의 발전설비 공급능력은 2011년 기준으로 780MW이며 그 중 풍력이 차지하는 비중은 11.6%이다.
	풍력발전은 출력변동이 심하고, 예측이 어렵기 때문에 여러 문제가 발생하여 이를 위한 연구가 이루어지고 있지만 이것 또한 부족한 실정으로 새로운 연구를 필요로 하는데 그것은 무엇인가?	6)그러나 이러한 연구에서는 에너지저장시스템의 용량 산정에 관한 내용이 부족한 실정이다. 풍력단지에 적용되는 에너지저장시스템의 용량이 증가할수록 중앙 급전 발전원과 같이 일정한 출력을 내보낼 수 있지만 경제적인 이유로 인해 실제 시스템에 적용하기가 힘들어 최적 용량산정에 대한 연구가 필요하다.
	RPS(Renewable portfoliostandards)제도가 도입됨에 따라 예상되는 전망은 어떻게 되는가?	6%이다.2) 2012년부터 신·재생에너지 공급의무화 제도인 RPS(Renewable portfoliostandards)제도가 도입됨에 따라 신·재생에너지 비율이 높아질 것으로 예측되고 제 5차 전력수급기본 계획에 따라 제주 지역에 2016년까지 풍력이 143.2MW가 추가적으로 설치될 예정이다.3)4)

참고문헌 (7)

한국풍력산업협회 홈페이지 자료
KPX 전력거래소, 제주지역 운영예비력 산정기준 연구(최종보고서), 2011.4.
신에너지 및 재생에너지 개발.이용.보급촉진법 시행령[시행 2010.9.17.][대통령령 제22382호,2010.9.17.,일부개정]
KPX 전력거래소, 제5차 전력수급기본계획
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
김종율, 박준호, 에너지저장장치 및 STATCOM을 이용한 풍력발전시스템의 출력 제어 기법, 대한전기학회논문집, 제59권 10호, 2010.10, pp.1718-172
Shepherd, C. M. "Design of Primary and Secondary Cells- Part2. An equation describing batterydischarge" Journal of Electro chemical Society, Volume112, Jul. 1965, pp 657-664.

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