최근 전기 사용량이 증가하면서 전력수요와 공급능력의 불균형으로 인하여 전력예비율은 점차 감소되고 있으며, 전력 공급의 신뢰성도 떨어지고 있다. 이러한 배경 하에 전기저장장치(Battery Energy Storage System)는 수요관리의 유력한 수단 가운데 하나로써 중요성이 점차 부각되고 있다. 하지만, 이차전지를 이용한 전기저장장치는 아직 고가이므로 전력계통에 도입하여 운용하기 위해서는 경제성 평가가 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축사근사법을 이용하여, BESS의 도입 전 연간 운용비용과 BESS의 도입 후 연간 운용비용을 비교하여 최적의 BESS 도입용량과 도입비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가용 BESS의 경제성평가에서는 피크세이빙 및 부하평준화 기능을 통하여 수용가의 기본전기요금과 사용량전기요금을 감소시켜 최대한의 메리트를 추구하는 경제성평가 알고리즘을 제시하였다. 제안한 알고리즘을 이용하여, 모델 전력계통과 수용가(교육기관)를 대상으로 BESS의 경제성을 분석하여, 본 논문에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
최근 전기 사용량이 증가하면서 전력수요와 공급능력의 불균형으로 인하여 전력예비율은 점차 감소되고 있으며, 전력 공급의 신뢰성도 떨어지고 있다. 이러한 배경 하에 전기저장장치(Battery Energy Storage System)는 수요관리의 유력한 수단 가운데 하나로써 중요성이 점차 부각되고 있다. 하지만, 이차전지를 이용한 전기저장장치는 아직 고가이므로 전력계통에 도입하여 운용하기 위해서는 경제성 평가가 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축사근사법을 이용하여, BESS의 도입 전 연간 운용비용과 BESS의 도입 후 연간 운용비용을 비교하여 최적의 BESS 도입용량과 도입비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가용 BESS의 경제성평가에서는 피크세이빙 및 부하평준화 기능을 통하여 수용가의 기본전기요금과 사용량전기요금을 감소시켜 최대한의 메리트를 추구하는 경제성평가 알고리즘을 제시하였다. 제안한 알고리즘을 이용하여, 모델 전력계통과 수용가(교육기관)를 대상으로 BESS의 경제성을 분석하여, 본 논문에서 제시한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
Recently, with the increase in electrical consumption and the unbalanced power demand and supply, the power reserve rate is becoming smaller and the reliability of the power supply is deteriorating. Under this circumstance, a Battery Energy Storage System (BESS) is considered to be an essential coun...
Recently, with the increase in electrical consumption and the unbalanced power demand and supply, the power reserve rate is becoming smaller and the reliability of the power supply is deteriorating. Under this circumstance, a Battery Energy Storage System (BESS) is considered to be an essential countermeasure for demand side management. On the other hand, an economic evaluation is a critical issue for the introduction of a power system because the cost of BESS is quite high. Therefore, this paper presents economic evaluation method for utility use by considering the best mix method and successive approximation method, and an economic evaluation method for customer use by considering the peak shaving function based on the real time price. From a case study on a model power system and educational customer, it was confirmed that the proposed method is a practical tool for the economic analysis of BESS.
Recently, with the increase in electrical consumption and the unbalanced power demand and supply, the power reserve rate is becoming smaller and the reliability of the power supply is deteriorating. Under this circumstance, a Battery Energy Storage System (BESS) is considered to be an essential countermeasure for demand side management. On the other hand, an economic evaluation is a critical issue for the introduction of a power system because the cost of BESS is quite high. Therefore, this paper presents economic evaluation method for utility use by considering the best mix method and successive approximation method, and an economic evaluation method for customer use by considering the peak shaving function based on the real time price. From a case study on a model power system and educational customer, it was confirmed that the proposed method is a practical tool for the economic analysis of BESS.
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문제 정의
하지만 현재 BESS의 사용목적에 따라 경제성 및 도입효과, 계통에 미치는 영향에 대한 구체적인 분석이 없어 효과적인 도입운용이 어려운 실정이다[3]. 따라서 본 논문에서는 BESS가 계통에 도입될 경우, 이에 대한 운용효과를 분석하기 위하여, 전력회사측면과 수용가측면에서 BESS의 도입에 따른 경제성 평가를 수행하였다. 먼저 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축차근사법을 도입하여, BESS 도입 전의 연간 운용비용과 BESS 도입 후의 연간 운용비용을 구하여 최적의 BESS 도입용량과 도입 비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 2차전지를 이용한 전기저장장치가 전력회사와 수용가 측에 도입되는 경우를 상정하여, 전력회사측면에서는 부하를 효율적으로 평준화시켜 발전 비용을 감소시키고, 수용가측면에서는 피크 세이빙을 통해 기본전기요금과 사용량 전기요금을 감소시키는 경제성 평가 알고리즘을 제안하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
수용가 측면에서 BESS의 도입목적은 피크세이빙이나 부하평준화 기능에 의하여 자체 부하의 수요관리를 함으로서, 시간대별 차등 요금제(Time of Use)에 의한 전기요금을 삭감시키는 것이다. 즉, 수용가는 전기요금이 저렴한 심야시간대에 BESS에 전기를 충전하고, 전기요금이 비싼 피크시간대에 방전하여, 사용량 전기요금과 기본전기요금을 줄이는 것이 최대 목적이다. 따라서 BESS의 운용에 의한 수용가의 연간 메리트를 정식화하면, 식 (6)과 같이 정의할 수 있다.
가설 설정
BESS의 부하평준화에 의한 효과를 분석하기 위하여, Fig. 4와 같은 모델 전력계통을 상정하였다. 여기서 계통 전체의 피크전력은 10,000MW이고, 4개의 전원모선과 4개의 부하모선으로 구성되며, 모선별 연간 부하곡선의 특성은 Fig.
또한, BESS의 전체 시스템 효율은 전력변환 장지(Power Conditi -oning System: PCS)의 충·방전효율과 리튬이온전지자체의 저장효율을 고려하여, 90%로 가정하였다.
식 (1)의 목적함수를 최소화하는 조건에서 BESS의 경제적인 도입량과 고정비를 구하기 위하여, 본 논문에서는 상기의 두 개의 파라미터를 축차적으로 고정시켜 최적 값을 구하는 축차근사법(Successive approximation method)을 제안하였다. 먼저 BESS가 도입되기 전의 전력계통 전체의 연간 운용비용 F0를 계산하여 초기치로 가정하고, 주어진 고정비(K)에 대하여, BESS 도입량 (∆Xs)을 일정하게 변화시키면서 연간 운용비용 Fn을 계산한다. 이 과정에서, Fn(일정량의 BESS 도입에 의한 연간 총비용)이 F0(BESS가 도입되기 전의 연간 총비용)보다 작은 경우에는 BESS 도입에 의하여 경제성이 있음을 의미하기 때문에 BESS의 도입량을 순차적으로 증가시켜 나간다.
단, BESS의 운용은 최대한의 메리트를 확보하기 위하여, 전기요금이 가장 저렴한 경부하시간대에 충전하여, 전기요금이 가장 비싼 피크부하시간대에 방전하도록 하며, 만약 BESS의 도입용량이 피크부하시간대를 초과하는 경우에는 중간부하시간대에도 방전하도록 한다[6,7]. 여기서, BESS의 kW도입용량은 수용관리용을 기준하여, 부하곡 선상에서 연평균부하의 10%정도를 적정도입용량으로 가정하였고[3], kWh도입용량에 따른 연간이익금을 분석하기 위하여, kWh용량은 2시간용, 4시간용, 8시간용으로 가정하였다. 또한, BESS의 전체 시스템 효율은 전력변환 장지(Power Conditi -oning System: PCS)의 충·방전효율과 리튬이온전지자체의 저장효율을 고려하여, 90%로 가정하였다.
H대학교에 BESS(200kW)가 도입되어 운용되는 경우, 전력회사측면에서도 메리트가 발생하는데 이를 구하면 Table 3과 같다. 여기에서는 BESS의 충전 시에는 연료비가 저렴한 유연탄 발전기를 사용하고, 방전 시에는 연료비가 비싼 유류 발전기를 사용하는 것으로 가정하였다. 왜냐하면 가장 운용비가 저렴한 원자력발전소와 운용비가 고가인 LNG발전기를 사용하면 운용 메리트가 더욱 크게 되지만, 현재 원자력과 LNG발전기들은 기저부하와 첨두부하 공급용으로 풀 정격으로 사용되고 있어서, 여유가 없는 상황을 고려한 것이다.
제안 방법
(1) 본 논문에서는 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축차근사법을 도입하여, BESS 도입 전의 연간 운용비용과 BESS 도입 후의 연간 운용비용을 비교하여, 최적의 BESS 도입용량과 도입비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가측면에서는 BESS의 도입에 의하여 자체 부하의 수요관리를 통하여, 시간대별 차등 요금제(Time of Use)에 의한 전기요금 메리트의 평가 알고리즘을 제시하였다.
여기서 첨도는 BESS의 도입용량에 의하여 삭감된 피크부하(3,046kW)의 값보다 큰 부하시간대를 의미한다. Table 2는 도입용량(2시간, 4시간, 8시간)에 따른 연간 이익금을 분석한 결과로써, 2시간용 BESS를 설치할 경우에는, 4시간의 첨도를 가진 모든 부하시간대를 삭감할 수 없으므로 기본요금을 효과적으로 줄일 수 없기 때문에 kWh당 연간 이익 여기서는, H대학교를 대상으로 연 평균부하의 10%정도인 200kW급(2시간, 4시간, 8시간)의 BESS가 도입되어 운용되는 경우에, 연간 kWh당 메리트를 분석하였다. Fig.
먼저 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축차근사법을 도입하여, BESS 도입 전의 연간 운용비용과 BESS 도입 후의 연간 운용비용을 구하여 최적의 BESS 도입용량과 도입 비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가측면에서는 BESS의 도입에 의하여 자체 부하의 수요관리를 통하여 시간대별 차등 요금제(Time of Use)에 의한 전기요금 메리트 평가 알고리즘을 제시하였다.
(1) 본 논문에서는 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축차근사법을 도입하여, BESS 도입 전의 연간 운용비용과 BESS 도입 후의 연간 운용비용을 비교하여, 최적의 BESS 도입용량과 도입비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가측면에서는 BESS의 도입에 의하여 자체 부하의 수요관리를 통하여, 시간대별 차등 요금제(Time of Use)에 의한 전기요금 메리트의 평가 알고리즘을 제시하였다.
따라서 본 논문에서는 BESS가 계통에 도입될 경우, 이에 대한 운용효과를 분석하기 위하여, 전력회사측면과 수용가측면에서 BESS의 도입에 따른 경제성 평가를 수행하였다. 먼저 전력회사용 BESS의 경제성평가를 위하여 BESS를 고려한 전원베스트믹스와 축차근사법을 도입하여, BESS 도입 전의 연간 운용비용과 BESS 도입 후의 연간 운용비용을 구하여 최적의 BESS 도입용량과 도입 비용을 산정하는 알고리즘을 제안하였다. 또한, 수용가측면에서는 BESS의 도입에 의하여 자체 부하의 수요관리를 통하여 시간대별 차등 요금제(Time of Use)에 의한 전기요금 메리트 평가 알고리즘을 제시하였다.
수용가에 대한 BESS의 도입효과를 분석하기 위하여, H대학교에 대하여 경제성평가를 실시하였다. 단, BESS의 운용은 최대한의 메리트를 확보하기 위하여, 전기요금이 가장 저렴한 경부하시간대에 충전하여, 전기요금이 가장 비싼 피크부하시간대에 방전하도록 하며, 만약 BESS의 도입용량이 피크부하시간대를 초과하는 경우에는 중간부하시간대에도 방전하도록 한다[6,7].
식 (1)의 목적함수를 최소화하는 조건에서 BESS의 경제적인 도입량과 고정비를 구하기 위하여, 본 논문에서는 상기의 두 개의 파라미터를 축차적으로 고정시켜 최적 값을 구하는 축차근사법(Successive approximation method)을 제안하였다. 먼저 BESS가 도입되기 전의 전력계통 전체의 연간 운용비용 F0를 계산하여 초기치로 가정하고, 주어진 고정비(K)에 대하여, BESS 도입량 (∆Xs)을 일정하게 변화시키면서 연간 운용비용 Fn을 계산한다.
여기서는, H대학교를 대상으로 연 평균부하의 10%정도인 200kW급(2시간, 4시간, 8시간)의 BESS가 도입되어 운용되는 경우에, 연간 kWh당 메리트를 분석하였다. Fig.
여기에서는 Fig. 2의 알고리즘을 이용하여 일정량의 고정비(∆K=10천원)와 도입용량(∆Xs=20MW)을 증가시키면서 경제성이 있는 BESS의 고정비와 도입용량을 산정하였다. Fig.
하지만 F0 < Fn의 조건이 되면 BESS의 도입에 의한 경제성이 없어지므로, 주어진 고정비에 대한 BESS의 도입량 계산을 종료하고 다음 단계로 진행한다. 이번에는 고정비를 일정량 증가시켜(∆K) 상기의 과정을 반복하여, BESS의 운용에 따른 경제적인 BESS의 고정비와 도입용량을 산정하도록 한다.
성능/효과
(2) 전력회사측면에서 기대되는 메리트는 kWh당 약 120만원이 산정되는데, 현재의 BESS 보급사업 비용(kWh당 150만원)을 기준으로 평가하면 경제성이 떨어지지만, 향후 리튬이온전지의 가격이 하락한다고 보면 충분히 경쟁력이 있음을 확인하였다.
(3) 수용가측면에서 BESS를 운용하여 기대되는 메리트는 kWh당 연간 약 36,000원이고 동시에, 전력회사측면에서 기대되는 메리트는 kWh당 연간 약 35,900원이 산정되었다. 따라서, 리튬이온전지의 수명을 고려하면 kWh당 약 144만원 정도의 메리트가 발생하여, 약간의 지원제도만 마련되면 어느정도 경제성이 있음을 확인하였다.
(3) 수용가측면에서 BESS를 운용하여 기대되는 메리트는 kWh당 연간 약 36,000원이고 동시에, 전력회사측면에서 기대되는 메리트는 kWh당 연간 약 35,900원이 산정되었다. 따라서, 리튬이온전지의 수명을 고려하면 kWh당 약 144만원 정도의 메리트가 발생하여, 약간의 지원제도만 마련되면 어느정도 경제성이 있음을 확인하였다.
5%, 80%)을 파라메타로 하여 시뮬레이션을 수행한 결과로서, 효율이 떨어질수록 이익분기점이 줄어들어 경제성이 낮아짐을 알 수 있다. 또한 Fig. 8은 BESS의 효율이 89.5%일 때, BESS의 kWh용량(2시간, 4시간, 6시간, 8시간)을 파라메타로 하여 경제성을 분석한 결과로, BESS의 kWh용량이 작을수록 이익 분기점이 증가하여 경제성에 유리함을 알 수 있다.
즉, 이 비용을 초과하면 BESS는 경제성이 없게 되므로 도입용량은 0이 되는 것이다. 또한, Fig. 6에서 BESS의 도입용량 한계치는 2,800MW로, 이는 계통 피크부하의 28% 정도로 그 이상의 BESS가 도입되면 고정비에 관계없이 충, 방전 자원이 없기 때문에 부하곡선의 평준화에 의한 이익이 제한됨을 알 수 있다. 한편, Fig.
6에서 BESS의 도입용량 한계치는 2,800MW로, 이는 계통 피크부하의 28% 정도로 그 이상의 BESS가 도입되면 고정비에 관계없이 충, 방전 자원이 없기 때문에 부하곡선의 평준화에 의한 이익이 제한됨을 알 수 있다. 한편, Fig. 7은 BESS의 효율(87.5%, 85%, 82.5%, 80%)을 파라메타로 하여 시뮬레이션을 수행한 결과로서, 효율이 떨어질수록 이익분기점이 줄어들어 경제성이 낮아짐을 알 수 있다. 또한 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전국적으로 순환 정전이 발생한 날은 언제인가?
최근 전기 사용량이 증가하면서 전력수요와 공급능력의 불균형으로 인하여 전력예비율은 점차 감소되고 있으며, 전력 공급의 신뢰성도 떨어지고 있다. 또한, 2011년 9월 15일 4시간 동안 전국적으로 순환 정전이 발생하여, 600억원이 넘는 피해액이 발생하였다. 이러한 배경 하에 이차전지를 이용한 전기저장장치(Battery Energy Storage System : BESS)는 수요관리의 유력한 수단 가운데 하나로써 중요성이 점차 부각되고 있다[1].
전력 공급의 신뢰성이 떨어지고 있는 이유는?
최근 전기 사용량이 증가하면서 전력수요와 공급능력의 불균형으로 인하여 전력예비율은 점차 감소되고 있으며, 전력 공급의 신뢰성도 떨어지고 있다. 또한, 2011년 9월 15일 4시간 동안 전국적으로 순환 정전이 발생하여, 600억원이 넘는 피해액이 발생하였다.
전력 공급의 신뢰성성을 높일 수 있는 방법은?
또한, 2011년 9월 15일 4시간 동안 전국적으로 순환 정전이 발생하여, 600억원이 넘는 피해액이 발생하였다. 이러한 배경 하에 이차전지를 이용한 전기저장장치(Battery Energy Storage System : BESS)는 수요관리의 유력한 수단 가운데 하나로써 중요성이 점차 부각되고 있다[1]. 또한, 전기저장장치(Battery Energy Storage System)는 가정용(소규모)에서 교육용(중규모) 및 산업용, 대규모 전력회 사용까지 수 kW에서 수 MW의 규모로 경부하시 전력을 저장하고 중부하시 방전하여, 전력회사 측면에서는 계통의 전력 공급능력을 일정하게 유지 할 수 있으며, 수용가 측면에서는 시간대별 요금제 도입시 전기요금의 절약이 가능하다[2]. 하지만 현재 BESS의 사용목적에 따라 경제성 및 도입효과, 계통에 미치는 영향에 대한 구체적인 분석이 없어 효과적인 도입운용이 어려운 실정이다[3].
참고문헌 (9)
IEC, "Electrical Energy Storage", IEC MSB(Market Strategy Board), 2010.10
KSGA, " Report of technical trend for ESS in Smartgrid", 2012. 09, Available From: http;//www.ksmartgrid.org/sub3/pds_list.asp ,(accessed april., 10, 2014)
IEC, "Grid integration of large-capacity Renewable Energy sources and use of large-capacity Electrical Energy Storage," IEC, 2012, Available From: http://www.iec.ch/whitepaper/gridintegration/?ref, (accessed april., 10, 2014)
EPRI, "Integrating Smart Distributed Energy Resources with Distribution Management Systems", An EPRI Overview on Managing Distributed Energy Resources, Product No. 1024360, 2012.09, Available From: http://www.epri.com/Our-Work/Pages/Renewables.aspx, (accessed april., 10, 2014)
EPRI, "Integrating Smart Distributed Energy Resources with Distribution Management Systems," EPRI, September 2012, Available From: http://www.iec.ch/whitepaper/gridintegration/?ref, (accessed april., 10, 2014)
D. Rho, H. Kim and K. Jung "Determination of the Installation Site and Optimal Capacity of the Battery Energy Storage System for Load Leveling", 95 IEEE PES Summer Meeting, Paper # 95 SM 611-4 EC, 1995.08 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/60.486591
D. Rho, H. Kim and K. Jung "Determination of the Installation Site and Optimal Capacity of the Battery Energy Storage System for Load Leveling", 95 IEEE PES Summer Meeting, Paper # 95 SM 611-4 EC, 1995.08 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/60.486591
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