[논문]신재생 에너지가 도입된 전력저장장치의 첨두부하절감 효과를 고려한 최적 구성 알고리즘

이나은; 김욱원; 김진오

doi:10.5370/kiee.2014.63.9.1199

신재생 에너지가 도입된 전력저장장치의 첨두부하절감 효과를 고려한 최적 구성 알고리즘
Optimal Configuration Algorithm for ESS with Renewable Energy Resources Considering Peak-shaving Effects 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.9, 2014년, pp.1199 - 1205

이나은 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University) , 김욱원 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University) , 김진오 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

A power system configuration has been increasingly advanced with a number of generating units. In particular, renewable energy resources are widely introduced due to the environmental issues. When applying the renewable energy sources with the ESS (Energy Storage System), the ESS is the role of a potential generating resource in the power system while mitigating the output volatility of renewable energy resources. Thus, for applications of the ESS, the surrounding environment of it should be considered, which means that capacity and energy of the ESS can be affected. Moreover, operation strategy of the ESS should be proposed according to the installation purpose as well as the surrounding environment. In the paper, operation strategy of the ESS is proposed considering load demand and the output of renewable energy resources on a hourly basis. Then, the cost of electrical energy is minimized based on the economic model that consists of capital cost, operation cost, fuel cost, and grid cost for a year. It is sure that peak-shaving effects can be achieved while satisfying the minimum cost of electrical energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 계통에 신재생 에너지와 ESS를 도입하기 위한 최적 구성 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘에서는 시간대별 부하 수요와 신재생 에너지의 매순간 불확실한 출력 특성을 반영한 ESS의 시간대별 SOC(State Of Charge)가 산정된다.
본 논문에서는 계통에서 kWh당 생산하는데 드는 비용을 최소화하는 신재생 에너지와 ESS의 최적 구성이 이루어진다. 목적함수는 식 (13)과 같이 나타낸다.
신재생 에너지원의 예측이 불가능하고 불안정한 출력 공급과 같은 문제점을 보완하기 위해 ESS을 도입한다. 본 논문에서는 부하 추종을 기반으로 한 신재생 에너지원의 간헐적 특성을 고려하여 도입된 ESS의 최적 구성을 제안하였다. 제안한 최적 구성 알고리즘을 기반으로 구성된 계통에서는 짧은 시간 내에 ESS의 기동이 가능하기 때문에 신재생 에너지의 출력량을 효율적으로 공급할 수 있도록 향상시키고, 불안정할 수 있는 전력 공급을 보완하였다.
예를 들면, 태양광 발전의 경우에는 출력이 일사량에 많은 영향을 받기 때문에 낮에 생산된 전기를 밤에 사용하기 위해서 에너지 저장장치의 용량이 클수록 좋기 때문에 용량을 크게 구성할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 신재생 에너지에 ESS를 도입하기 위해서 시간대별로 부하와 신재생 에너지의 출력을 고려한 SOC가 산정된다. 이 때의 SOC에 의해 해당 시간의 충.
본 논문에서는 신재생 에너지와 ESS를 고려한 적정 계통을 구성하기 위한 최적 구성 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 신재생 에너지의 출력량을 산정하기 위해 기상청 국가기후자료센터에서 제공되는 기상 데이터를 참고하였으며, 이는 그림 2와 같다.
목적함수에서는 자본비용, 운용 및 유지비용, 연료비용, 그리고 계통 대체 비용에 이르기까지의 총 비용을 단위 발전량으로 나눈 전기 에너지의 비용(COE; Cost Of Electricity) 개념을 적용한다. 이러한 목적함수의 최적화를 수행하고, 발전단가의 최소화를 만족하는 신재생 에너지와 ESS의 구성을 이루도록 한다. 모든 비용은 연간 비용을 기준으로 한다.

제안 방법

방전의 수행을 통해 높은 부하 수요에 대응할 수 있었다. 또한, 계통을 구성하는 각 발전 설비의 경제성을 평가하기 위해 최소 전기 에너지 가격을 결정하였고, 이는 경제적이고 효율적으로 운영 가능한 풍력 및 태양광 발전, ESS을 구성할 수 있었다. 향후 ESS의 도입은 설치 목적과 주변 설비에 따라 구성함으로써 다양한 이익을 산출할 수 있기 때문에 다목적을 고려한 연구가 이루어질 수 있다.
본 모의 실험에서는 신재생 에너지의 출력과 부하를 고려한 ESS의 충.방전이 수행되었고, 이를 바탕으로 최적 구성이 이루어졌다. ESS의 반복적인 충.
신재생 에너지원의 예측이 불가능하고 불안정한 출력 공급과 같은 문제점을 보완하기 위해 ESS을 도입한다. 본 논문에서는 부하 추종을 기반으로 한 신재생 에너지원의 간헐적 특성을 고려하여 도입된 ESS의 최적 구성을 제안하였다.
방전 모드를 결정짓는다. 이를 바탕으로 각각의 발전 설비의 경제성을 평가하고, 최종적으로 최소 전기 에너지 비용을 갖도록 적정 계통이 구성된다. 경제성을 평가하기 위해 시스템을 구성하고 있는 발전 설비의 총 비용이 목적함수로 많이 사용되고, 이는 각 발전 설비의 자본비용, 운용비용, 연료비용, 그리고 계통비용으로 구성할 수 있다.
본 논문에서는 계통에 신재생 에너지와 ESS를 도입하기 위한 최적 구성 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘에서는 시간대별 부하 수요와 신재생 에너지의 매순간 불확실한 출력 특성을 반영한 ESS의 시간대별 SOC(State Of Charge)가 산정된다. 이 때 산정된 SOC는 해당 시간의 충.
본 논문에서는 부하 추종을 기반으로 한 신재생 에너지원의 간헐적 특성을 고려하여 도입된 ESS의 최적 구성을 제안하였다. 제안한 최적 구성 알고리즘을 기반으로 구성된 계통에서는 짧은 시간 내에 ESS의 기동이 가능하기 때문에 신재생 에너지의 출력량을 효율적으로 공급할 수 있도록 향상시키고, 불안정할 수 있는 전력 공급을 보완하였다. 첨두부하절감 효과를 고려한 ESS의 충.
그림 3(b)를 살펴보면, 태양광 에너지는 일반적으로 오후 시간대에서는 비교적 높은 출력을 나타내고 있지만 4550[hr] 또는 4560[hr]과 같이 갑작스러운 기상 변화로 인해 일사량이 부족하게 되면 태양광 에너지의 출력량이 낮아져 ESS의 방전이 필요하게 되었다. 첨두부하절감 효과를 고려함으로써 ESS는 방전 가능한 SOC 수준을 유지하고 있었기 때문에 이전 구성과 달리 ESS로부터 각각 약 1000[kWh], 2000[kWh]를 방전 가능케 하였다.
최종적으로 제안한 알고리즘에서 부하 수요의 첨두부하 시간대를 고려함으로써 ESS의 전력 공급량의 효율성을 제고시켰다. 그림 4와 그림 5에서는 첨두부하절감 효과를 반영하기 전과 후의 SOC 및 충.

대상 데이터

본 논문에서는 신재생 에너지와 ESS를 고려한 적정 계통을 구성하기 위한 최적 구성 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 신재생 에너지의 출력량을 산정하기 위해 기상청 국가기후자료센터에서 제공되는 기상 데이터를 참고하였으며, 이는 그림 2와 같다. 또한, 각 발전 설비의 모델링에 필요한 변수 및 경제성을 평가하기 위한 프로젝트 기간, 이자율 등과 같은 변수들은 표 1과 같이 정의한다[6]-[7],[10].

성능/효과

그림 3(b)를 살펴보면, 4450~4560[hr]구간의 오후 시간대에서는 일반적으로 태양광 에너지의 출력이 높기 때문에 신재생 에너지의 출력이 부하 수요에 충분히 공급할 수 있었다. 또한, 여분의 신재생 에너지가 발생함에 따라 ESS의 충전 가능한 전력만큼 충전을 수행하고, 4495[hr]와 4574[hr]구간에서는 여분의 신재생 에너지가 많이 발생한 경우에는 SOC는 최대 충전 가능한 용량인 SOCmax만큼 충전이 이루어졌다.
경제성을 평가하기 위해 시스템을 구성하고 있는 발전 설비의 총 비용이 목적함수로 많이 사용되고, 이는 각 발전 설비의 자본비용, 운용비용, 연료비용, 그리고 계통비용으로 구성할 수 있다. 따라서 제안한 알고리즘을 바탕으로 신재생 에너지와 ESS가 도입된 계통의 경제성 모델을 만족하면서 즉, 전기 에너지 비용의 최소화를 이루면서 신재생 에너지원과 ESS의 최적 용량을 산정할 수 있다.
첨두부하 시간대를 고려하지 않고 이루어진 구성과 비교 해보았을 때, 증감율에 따르면 ESS의 연간 횟수와 일일 평균 충.방전량, 그리고 일일 평균 디젤 발전기 소비량은 약 0.3%, 전기 에너지 가격에서도 약 0.8% 증가하였다. 첨두부하절감 효과를 갖는 ESS의 운용 방안을 통해 충.
첨두부하절감 효과를 갖는 ESS의 운용 방안을 통해 충.방전량과 디젤 발전기의 소비량, 그리고 전기 에너지의 가격 등은 이전과 유사하였으나, 중간부하와 최대부하 시간대에 ESS의 방전량은 총 96517.44kW에서 573808.87kW으로 상당히 증가하였다. 피크 부하시간대 높아진 방전량에 따른 비용 효율적인 ESS 전력 공급이 이루어진 것을 볼 수 있다.

후속연구

여기서, 디젤 발전기는 ESS의 백업전원이다. 본 논문에서는 태양광 및 풍력 발전 설비는 부하 추종(Load-following)을 기반으로 부하에 공급되고, 이후에 여분의 신재생 에너지가 발생한다면 ESS에 충전되어 필요시에 이용 가능하다. 하지만 신재생 에너지가 부하를 충당하지 못하고 부족한 경우에는 ESS를 통해 부족한 전력량을 보충할 수 있다.
또한, 계통을 구성하는 각 발전 설비의 경제성을 평가하기 위해 최소 전기 에너지 가격을 결정하였고, 이는 경제적이고 효율적으로 운영 가능한 풍력 및 태양광 발전, ESS을 구성할 수 있었다. 향후 ESS의 도입은 설치 목적과 주변 설비에 따라 구성함으로써 다양한 이익을 산출할 수 있기 때문에 다목적을 고려한 연구가 이루어질 수 있다. 또한, ESS는 충.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SOC(State Of Charge) 산정을 통하여 평가되는 항목은?	이를 바탕으로 각각의 발전 설비의 경제성을 평가하고, 최종적으로 최소 전기 에너지 비용을 갖도록 적정 계통이 구성된다. 경제성을 평가하기 위해 시스템을 구성하고 있는 발전 설비의 총 비용이 목적함수로 많이 사용되고, 이는 각 발전 설비의 자본비용, 운용비용, 연료비용, 그리고 계통비용으로 구성할 수 있다. 따라서 제안한 알고리즘을 바탕으로 신재생 에너지와 ESS가 도입된 계통의 경제성 모델을 만족하면서 즉, 전기 에너지 비용의 최소화를 이루면서 신재생 에너지원과 ESS의 최적 용량을 산정할 수 있다.
	신재생 에너지의 발전량에 전력 저장장치(ESS)를 연계하는 이유는 무엇인가?	최근 발전설비의 종류는 다양해지고 있고, 그 중에서도 화석연료로 인한 지구 온난화와 환경오염 문제로 인해 신재생 에너지원의 도입이 점차 증가하고 있다. 하지만 신재생 에너지의 발전량은 자연 환경에 영향을 받기 때문에 전력 공급량을 예측하고 운영 계획을 수립하는데 어려움이 있다. 이를 보완하기 위해 전력 저장장치(ESS)를 연계함으로써 신재생 에너지원의 불규칙적인 발전을 보완하고 계통의 부하 평준화(Load-levelling) 또는 첨두부하절감(Peak-shaving)와 같은 효과를 얻을 수 있다[1]-[3].
	ESS 도입의 이점은 무엇인가?	이를 보완하기 위해 전력 저장장치(ESS)를 연계함으로써 신재생 에너지원의 불규칙적인 발전을 보완하고 계통의 부하 평준화(Load-levelling) 또는 첨두부하절감(Peak-shaving)와 같은 효과를 얻을 수 있다[1]-[3]. ESS의 도입은 반복적인 충.방전 기능을 통해 잠재적인 발전원으로써 수행이 가능하며, 이는 전력 시스템의 중.장기적 운영 계획 수립에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 기존 화력, 수력, 신재생 에너지 등과 같은 발전 설비에 도입되는 ESS는 각각의 발전설비의 서로 다른 특성을 고려하여 적용되고, 이것은 ESS의 출력과 용량 구성에도 영향을 준다.

참고문헌 (10)

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Hyeong-jun Park, Chan-su Jeong, "Economic Analysis of High-Efficiency Production Facilities using Capital Recovery Factor", KIIEE, Vol.21 No.7 p.117-123 1229-4691, 2007.

원문보기 상세보기
Ricardo de Castro, Claudio Pinto, Rui Esteves Araujot, Pedro Melo, and Diamantino Freitas, "Optimal Sizing and Energy Management of Hybrid Storage Systems", IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), p.321-326, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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