[논문]풍력발전단지 출력보상용 하이브리드 에너지저장장치의 용량산정

김승현; 진경민; 오성보; 김일환

doi:10.7836/kses.2013.33.4.023

풍력발전단지 출력보상용 하이브리드 에너지저장장치의 용량산정
Determination of the Hybrid Energy Storage Capacity for Wind Farm Output Compensation 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.4, 2013년, pp.23 - 30

김승현 (제주대학교 전기공학과) , 진경민 (포스코ICT 스마트그리드 사업단) , 오성보 (제주대학교 전기공학과) , 김일환 (제주대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the determination method of the hybrid energy storage capacity for compensating the output of wind power when disconnecting from the grid. In the wind power output compensation, a lot of charging and discharging time with lithium-ion battery will be deteriorated the life time. And also, this fluctuation will cause some problems of the power quality and power system stability. To solve these kind of problems, many researchers in the world have been studied with BESS(Battery Energy Storage System) in the wind farm. But, BESS has the limitation of its output during very short term period, this means that it is difficult to compensate the very short term output of wind farm. Using the EDLC (Electric Double Layer Capacitor), it is possible to solve the problem. Installing the battery system in the wind farm, it will be possible to decrease the total capacity of BESS consisting of HESS (Hybrid Energy Storage System). This paper shows simulation results when not only BESS is connected to wind farm but also to HESS. To verify the proposed system, results of computer simulation using PSCAD/EMTDC program with actual output data of wind farms of Jeju Island will be presented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 풍력출력의 단주기 변동에 대해서는 슈퍼캐패시터, 그 이외의 주기에 대해서는 리튬이온 배터리가 동작하도록 하는 혼합 시스템, 즉 하이브리드 에너지저장시스템을 제안하고자 한다. 제안한 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 전력계통 및 전력전자 해석 프로그램에 많이 이용되는 PSCAD/EMTDC프로그램으로, 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 통하여 제안한 시스템의 타당성을 입증하고자 한다.
본 논문에서는 풍력발전단지의 갑작스런 계통으로부터의 탈락으로 인해 전력품질 및 계통의 안정성 감소를 줄이기 위해 에너지 저장장치 도입 시 기존의 리튬이온 같은 배터리만을 사용하는 것보다 아주 빠른 응동 출력을 구현 할 수 있는 슈퍼캐패시터와의 혼합하여 적용할 때 각각의 배터리 용량 산정하는 방법에 대해서 기술하였다.

제안 방법

3) 리튬이온 배터리모델링에 필요한 각종 상수들은 국내 A 사의 제품 중, 정격전압 3.6V, 용량 50Ah를 갖는 배터리를 기준으로 하였다.
를 어떤 값으로 결정하는가에 따라 모든 값이 결정되어 지게 된다. 본 논문에서는 그림 11과 같이 0.1MW 단위로 P_EDLC를 변경하면서 슈퍼캐패시터 용량 증가량 △C_EDLC대비 BESS 출력요구 감소량 △P_BESS비교하고 슈퍼캐패시터 용량을 증가시킴에 따른 BESS 용량 감소율이 완화되는 시점을 기준으로 P_EDLC =3.5MW로 결정하였다.
위 식에 의해 BESS 용량과 EDLC 용량은 각각 3.5MWh, 10.2kWh, BESS 출력 및 EDLC 출력은 각각 17.5MW, 3.5MW로 결정하였다.
따라서 본 논문에서는 풍력출력의 단주기 변동에 대해서는 슈퍼캐패시터, 그 이외의 주기에 대해서는 리튬이온 배터리가 동작하도록 하는 혼합 시스템, 즉 하이브리드 에너지저장시스템을 제안하고자 한다. 제안한 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 전력계통 및 전력전자 해석 프로그램에 많이 이용되는 PSCAD/EMTDC프로그램으로, 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 통하여 제안한 시스템의 타당성을 입증하고자 한다.
그림 1은 풍력발전단지와 HESS가 연계된 전체적인 시뮬레이션 구성이다. 풍력발전단지는 이상적인 전류원으로 모델링 하였고, BESS 및 EDLC는 수학적으로 모델링하여 PSCAD/EMTDC 프로그램에서 구현하였다.

이론/모형

본 논문에서는 Shepherd model을 참조하여 그림 2와 같이 단순한 가변 전압 소스와 저항으로 구성하여 모델링하였고, 식 (1)과 같이 가변 전압을 제어하였다.³⁾리튬이온 배터리모델링에 필요한 각종 상수들은 국내 A 사의 제품 중, 정격전압 3.

성능/효과

일반적으로 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 잦은 충·방전이 일어날 경우 수명이 짧아지고 순간적으로 큰 전류가 흐를 때 손상이 가해진다는 단점이 있다.²⁾ 반면 슈퍼캐패시터는 순간적으로 많은 에너지를 저장 후 높은 전류를 순간적으로 공급함으로써 리튬이온 배터리가 수용하지 못하는 출력 특성 영역 즉 단주기의 출력변동을 보상할 수 있는 고출력 특성을 가지고 있어 리튬이온 배터리로만 구성 할 때보다 배터리의 수명을 향상시키는 방안이 될 수가 있다.
따라서 풍력발전단지의 변동성 출력완화를 위한 에너지저장장치 도입 시 리튬이온 배터리만으로 구성하는 것보다 순간 응동 출력이 크고 빠른 슈퍼캐패시터를 혼재하여 적용하는 것이 배터리 용량을 줄이는데 유리 할 것으로 사료된다.
또한 하이브리드 에너지저장시스템을 사용하는 경우 전체 에너지 저장장치의 활용도가 높아지는 경향을 사용되는 잔존용량(SOC)을 통하여 확인할 수 있으며, 또한 출력파워의 최대치가 줄어들게 되어 하이브리드 에너지저장시스템을 사용하는 경우 에너지변환장치의 최대 출력용량 역시 3.5MW가 감소함을 알 수 있다.
2MWh로 계산되었다. 또한 하이브리드 에너지저장시스템의 배터리용량은 3.5MWh이며 배터리만을 사용하여 에너지저장시스템을 구성하는 경우와 비교하여 0.7MWh의 용량이 감소하였다. 이를 보상하기 위해 사용되는 슈퍼캐패시터의 용량은 불과 11.
제안된 에너지저장장치의 용량 산정방법을 가지고 21MW의 한경풍력발전단지 적용하여 컴퓨터 해석을 수행한 결과, 표 1에 나타난 것과 같이 BESS와 HESS로 구성하였을 때를 비교해보면 BESS의 경우 배터리 용량은 4.2MWh가 필요하게 되고, HESS의 경우 배터리 및 EDLC용량은 각각 3.5MWh, 11.2kWh가 필요하게 된다. 경제적인 측면으로 보면 리튬이온 배터리의 경우 1MWh당 2013년 기준 판매가격이 약 15억원 정도이고 총 약 63억원이 필요하게되고, 반면 전자와 같은 출력 특성을 가지도록 슈퍼캐패시터로 HESS를 구성하였을 때 배터리는 약 52.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전 출력을 보상하기 위해 무엇을 선정하여야 하는가?	이에 대한 해결 방안중 하나로 풍력발전단지에 에너지 저장장치를 연계하여 운영하는 방법들이 연구되어 오고 있다.1) 이 경우 풍력발전 출력을 보상하기 위해 에너지 저장장치 선정 시 출력 변동 주기 특성을 고려하여 에너지 저장장치를 선정하여야 한다.일반적으로 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 잦은 충·방전이 일어날 경우 수명이 짧아지고 순간적으로 큰 전류가 흐를 때 손상이 가해진다는 단점이 있다.
	풍력발전은 무엇에 따라 불규칙하게 변동하는가?	풍력발전의 에너지원인 바람은 기상 조건에 따라 불규칙하게 변동한다.이러한 변동은 풍력발전기의 출력 변동을 야기 시켜 계통의 전력 품질을 악화 시킬 가능성이 있고 또한 풍력발전단지가 계통으로부터 탈락 될 경우 계통의 안정성에 영향을 미치게 된다.
	풍력발전기의 에너지원인 바람의 불규칙한 변동의 해결방안 중 하나로 연구되어 오고 있는 것은?	이러한 변동은 풍력발전기의 출력 변동을 야기 시켜 계통의 전력 품질을 악화 시킬 가능성이 있고 또한 풍력발전단지가 계통으로부터 탈락 될 경우 계통의 안정성에 영향을 미치게 된다.이에 대한 해결 방안중 하나로 풍력발전단지에 에너지 저장장치를 연계하여 운영하는 방법들이 연구되어 오고 있다.1) 이 경우 풍력발전 출력을 보상하기 위해 에너지 저장장치 선정 시 출력 변동 주기 특성을 고려하여 에너지 저장장치를 선정하여야 한다.

참고문헌 (5)

Shimizukawa, J., Iba, K., Hida, Y., Yokoyama, R, Mitigation of intermittency of wind power generation using battery energy storage system, Universities Power Engineering Conference(UPEC), 2010.
Lee, Yuang-Shung, Ming-Wang Cheng, Intelligent control battery equalization forseries connected lithium-ionbattery strings, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 5, Oct. 2005.

상세보기
Olivier Tremblay, Louis-A. Dessaint, Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications, World Electric Vehicle Journal Vol. 3-ISSN 2032-6653 - 2009 AVERE, 2009.
Jin-Geun Shon, Soon-Nam Chu, Won-Sik Lee, & Chae-Dong Na, Analysis of EDLC characteristics for dynamic voltage restorer system, Power Electronics Annual Conference, pp. 424-427, 2006.
Method of stability power supply and study on how to increase limited capacity of wind turbines, Jeju Special Self-governing Province, Feb. 2012.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증