Building Smart Microgrid Test-Bed를 이용한 전력사용량 패턴 최적화방안 연구 A Study on the Optimization of Power Consumption Pattern using Building Smart Microgrid Test-Bed원문보기
The microgrid system is the combination of photovoltaic(PV) array, load, and battery energy storage system. The control strategies were defined as multi-modes of operation, including rest operation without use of battery, power charging, and power discharging, which enables grid connected mode or is...
The microgrid system is the combination of photovoltaic(PV) array, load, and battery energy storage system. The control strategies were defined as multi-modes of operation, including rest operation without use of battery, power charging, and power discharging, which enables grid connected mode or islanded mode. Photovoltaic power is a problem of the uniformity of power quality because the power generated from solar light is very sensitive to variation of insolation and duration of sunshine. As a solution to the above problem, energy storage system(ESS) is considered generally. There fore, in this study, we did basic research activities about optimization method of the amount of energy used, using a smart microgrid test-bed constructed in building. First, we analyzed the daily, monthly and period energy pattern amount of power energy used, and analyzed PV power generation level which is built on the roof. Utilizing building energy pattern analysis data, we was studied an efficient method of employing the ESS about building power consumption pattern and PV generation.
The microgrid system is the combination of photovoltaic(PV) array, load, and battery energy storage system. The control strategies were defined as multi-modes of operation, including rest operation without use of battery, power charging, and power discharging, which enables grid connected mode or islanded mode. Photovoltaic power is a problem of the uniformity of power quality because the power generated from solar light is very sensitive to variation of insolation and duration of sunshine. As a solution to the above problem, energy storage system(ESS) is considered generally. There fore, in this study, we did basic research activities about optimization method of the amount of energy used, using a smart microgrid test-bed constructed in building. First, we analyzed the daily, monthly and period energy pattern amount of power energy used, and analyzed PV power generation level which is built on the roof. Utilizing building energy pattern analysis data, we was studied an efficient method of employing the ESS about building power consumption pattern and PV generation.
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문제 정의
다음으로 대상 일자별로 태양광발전의 발전량에 대한 패턴을 분석하였다. 마지막으로 건물 전력사용량 패턴과 태양광발전 패턴에 따른 건물 전기에너지 패턴 평준화 및 최적화를 위하여, ESS 활용방안에 대한 기초적인 연구를 하였다.
본 연구에서는 건물 단위 스마트 마이크로그리드 TEST BED를 이용하여, 구역 내 제3 연구동 건물 전력사용량 패턴을 분석하고, 건물 전력 평준화 및 최적화 방안에 대한 기초연구를 하였다. 먼저 기본적인 특성을 조사하기 위하여, 대상 일자별로 사용한 건물 전등전열 전력사용량을 모니터링하고 패턴을 분석하였다.
본 연구에서는 건물 스마트 마이크로그리드 TEST BED를 이용하여 대상 일자별로 건물 전력사용량과 태양광발전을 모니터링하고 패턴을 분석하였으며, 건물 전력사용량 패턴 평준화 및 최적화를 위해, ESS활용방안에 대한 기초연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
시스템 구성은 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)로 태양광발전의 일사량 변화에 따른 정보를 수집하고 분석하였다. SCADA시스템과 MCCB Panel의 디지털미터간에는 ModbusTCP Gateway를 사용하여 이더넷통신으로 구성하였다. MCCB Panel에는 태양광발전 3[㎾], 태양광발전 15[㎾], 모의 태양광발전이 각각 연계되어 있다.
그림 2는 제3연구동 건물 전체 전등전열 사용량 등을 모니터링 할 수 있도록 실시간 전력사용량 UI를 구현하였으며, Lab단위 Test Bed 내에서는 태양광발전 3대, 부하설비 2대가 원격 및 자동제어가 가능하도록 하였다. Test Bed 배전반 인입전압, 전류, 전력량 등을 모니터링 할 수 있도록 하였으며, 건물 전등전열 인입선로에 디지털미터를 설치하고 일부층 (1-4층)을 TestBed 인입선으로 구성하여 실험하였다.
그림 5에서 나타난 바와 같이, 2014년 4월 15일자의 날씨는 구름조금이였으며, 건물옥상 태양광발전의 패턴은 대략적으로 V자 형태로 나타났다. 건물 옥상 태양광발전은 분전반과 직결하여 일사량에 따른 발전전력을 실시간 피크전력 및 전력 사용량에 대응되도록 하였다.
그리고 ESS는 건물 전력사용량에 대한 패턴을 분석하고, 또 일사량에 따른 건물옥상 태양광발전의 패턴을 분석한 후, 심야시간대에 에너지를 저장하였다가 전력사용량이 많은 시간대에 방전하여 피크전력 및 전력사용량에 대응하도록 하였다. 건물 전력사용량에 대한 패턴분석을 기준으로 ESS는 전력사용량이 많은 시간대인 오전 3시간과 오후4시간 총 7시간동안 매시간 15kW를 방전하여 총 105kWh를 건물 전력설비에 공급하도록 하였다. 그리고 ESS 충전시간은 00:00-03:00 매시간 10kW, 03:00-07:00매시간 12.
그림 7의 건물옥상 태양광발전과 ESS를 연계하여 활용하면 전력 평준화는 물론이고 전력 사용량 최적화가 가능한 것으로 나타났다. 건물옥상 태양광 발전은 실시간 발전전력을 건물 피크전력과 전력사용량에 대응하도록 하였다.
그리고 ESS는 건물 전력사용량에 대한 패턴을 분석하고, 또 일사량에 따른 건물옥상 태양광발전의 패턴을 분석한 후, 심야시간대에 에너지를 저장하였다가 전력사용량이 많은 시간대에 방전하여 피크전력 및 전력사용량에 대응하도록 하였다. 건물 전력사용량에 대한 패턴분석을 기준으로 ESS는 전력사용량이 많은 시간대인 오전 3시간과 오후4시간 총 7시간동안 매시간 15kW를 방전하여 총 105kWh를 건물 전력설비에 공급하도록 하였다.
먼저 기본적인 특성을 조사하기 위하여, 대상 일자별로 사용한 건물 전등전열 전력사용량을 모니터링하고 패턴을 분석하였다. 다음으로 대상 일자별로 태양광발전의 발전량에 대한 패턴을 분석하였다. 마지막으로 건물 전력사용량 패턴과 태양광발전 패턴에 따른 건물 전기에너지 패턴 평준화 및 최적화를 위하여, ESS 활용방안에 대한 기초적인 연구를 하였다.
태양광발전은 건물옥상 태양광패널 55EA로 구내선로 연계형 인버터를 사용하여 3상 4선식, 380/220[V], 15[㎾]를 건물 스마트 마이크로그리드 TestBed와 연계하였다. 또한, 건물옥상 태양광패널 11EA로 구내선로 연계형 인버터를 사용하여 1상 2선식 220[V], 3[㎾]을 건물 스마트 마이크로그리드 TestBed에 연계하였다. 그림 1은 스마트 마이크로그리드 TEST BED 시스템 구성을 나타내었다.
본 연구에서는 건물 단위 스마트 마이크로그리드 TEST BED를 이용하여, 구역 내 제3 연구동 건물 전력사용량 패턴을 분석하고, 건물 전력 평준화 및 최적화 방안에 대한 기초연구를 하였다. 먼저 기본적인 특성을 조사하기 위하여, 대상 일자별로 사용한 건물 전등전열 전력사용량을 모니터링하고 패턴을 분석하였다. 다음으로 대상 일자별로 태양광발전의 발전량에 대한 패턴을 분석하였다.
그림 1은 스마트 마이크로그리드 TEST BED 시스템 구성을 나타내었다. 시스템 구성은 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)로 태양광발전의 일사량 변화에 따른 정보를 수집하고 분석하였다. SCADA시스템과 MCCB Panel의 디지털미터간에는 ModbusTCP Gateway를 사용하여 이더넷통신으로 구성하였다.
성능/효과
(1)대표적인 일자별 건물 전력사용량 패턴을 분석한 결과, 일반적으로 여름철은 오전 시간대에 비해 오후 시간대에서 피크전력이 발생하였으며, 겨울철은 오후 시간대에 비해 오전 시간대에 건물 피크전력이 발생하였다.
(2)대표적인 일자별 건물옥상 태양광발전 패턴을 분석한 결과, 일사량에 따라 불규칙한 발전특성을 보였고, 여름철은 발전 시간대 폭이 넓었으며, 봄철은 여름철에 비해 발전 시간대 폭이 줄어들었다. 이에 사용패턴 평준화 및 피크전력억제를 위해 에너지저장 장치와 연계하여 운용할 필요가 있다.
(3)건물내 전력사용량 패턴 평준화 및 최적화 방안을 위해, 건물옥상 태양광발전은 일사량에 따른 실시간 발전전력을 전력사용량에 대응하고, ESS는 태양광발전과 연계하여 전력사용량이 줄어들고 전기료가 싼 시간대에 전력을 저장하고, 전력사용량이 많은 시간이나 피크전력에 방전함으로써 건물 전력사용량 평준화 및 최적화가 가능한 것으로 나타났다.
건물 전력사용량 패턴을 분석한 결과, 건물 수요관리를 위해 피크전력 억제 및 대응방안으로 피크전력 시간대에 ESS를 활용하는 것이 건물 전력사용량 평준화를 위해 필요한 것으로 나타났으며, ESS를 활용하여 심야시간에 싼 전기료로 에너지를 충전하였다가 전기료가 비싼 피크전력 시간대에 방전하는 것이 필요하다고 사료된다.
건물옥상 태양광발전은 날씨에 따라 불규칙한 특성이 있으므로, 건물 전력 사용패턴 평준화 및 피크전력억제를 위해 에너지 저장 장치와 연계하여 운용할 필요가 있는 것으로 나타났다.
건물 전력사용량에 대한 패턴분석을 기준으로 ESS는 전력사용량이 많은 시간대인 오전 3시간과 오후4시간 총 7시간동안 매시간 15kW를 방전하여 총 105kWh를 건물 전력설비에 공급하도록 하였다. 그리고 ESS 충전시간은 00:00-03:00 매시간 10kW, 03:00-07:00매시간 12.5kW, 07:00-08:001시간동안 10kW,08:00-08:40,23:40-24:00 1시간 동안 10kW,22:40-23:40 1시간 동안 5kW로 총 충전용량은 105kWh가 되도록 하여, 전력 사용량이 줄어들고 전기료가 싼 심야시간대에 저장하고, 전력사용량이 많은 시간이나 피크 전력에 방전하면 부하평준화가 가능한 것으로 나타났다. 따라서 고압 수전설비의 경우, 피크 전력 15kW 억제에 따른 연중 기본요금 절감은 물론이고 경부하 시간대에 저장한 에너지를 피크시간대에 방전함으로써 이에 따른 전기사용에 따른 차익실현이 가능하다.
그림 6에서 나타난 바와 같이, 실선(-)의 전력패턴은 건물 전력사용량 패턴이고, 점 선(··)의 전력패턴은 건물옥상 태양광발전이 건물 전력 사용량에 대응하여 발전전력을 제외한 순수 한전 전력사용량을 나타내었다. 그림 6에서 나타난 바와 같이 건물옥상 태양광 발전은 오전 피크전력에 대응은 가능하였으나, 오후의 경우에는 일몰시간과 날씨의 영향으로 인하여 피크전력이 발생하여도 태양광발전은 피크전력 억제를 할 수 없는 것으로 나타났다. 그러므로 전력 평준화 및 최적화를 위해 적정 용량의 ESS활용이 필요한 것으로 나타났다.
따라서 건물 전력사용량 패턴 평준화 방안으로 건물옥상 태양광발전은 인버터를 통해 실시간 구배설비에 발전전력을 공급하고, 이와 연계하여 에너지저장장치 15kW/ 105kWh를 사용하여 주간 시간대에 7시간 방전하고, 잉여 시간대에 10시간 충전하여 운용함으로써 최적화가 가능한 것으로 나타났으며, 피크전력 억제에 따른 연중 기본요금 절감은 물론이고 전력사용 시간대 변경에 따른 전기료 차익실현이 가능하며, 실시간 요금이 적용되면 추가로 차익실현이 가능한 것으로 나타났다.
대략 오후에 비해 조금 더 높은 것으로 나타났다. 이들 제3연구동 건물 전력사용량 패턴을 보면 오전(대략 9h-12h)과 오후(2h-6h)를 제외한 시간대 전력사용량은 급격히 줄어드는 것으로 분석되었으며, 업무시간에 전력사용량이 집중적으로 많이 발생하였고, 퇴근시간에는 전력사용량이 급격히 줄어드는 것으로 나타났다. 또한, 대략적으로 여름철은 건물 전력 사용량 패턴에서 나타난 바와 같이 오전보다 오후에 피크전력이 발생하였으며, 겨울철은 오후에 비해 오전에 피크전력이 발생하였다.
후속연구
[4] 이러한 간헐적인 출력특성을 가진 태양광발전을 구축한 건물에 발전전력을 최적화하기 위해 태양광발전과 ESS를 병렬 활용하는 방안이 필요하다. 또한, 분산발전원 및 ESS와 ICT 활용을 통해, 기후변화 대응과 제로에너지 빌딩 구현 및 잉여 에너지 판매를 위해서도 스마트 마이크로그리드의 기술개발 및 운영방안에 대한 연구가 필요하다.[3][5]
따라서 고압 수전설비의 경우, 피크 전력 15kW 억제에 따른 연중 기본요금 절감은 물론이고 경부하 시간대에 저장한 에너지를 피크시간대에 방전함으로써 이에 따른 전기사용에 따른 차익실현이 가능하다. 향후 실시간 요금이 적용되면 전기료 추가 차익실현이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
개별 마이크로그리드는 어떻게 구성되어있는가?
이들 최대전력 억제를 위한 방안으로 마이크로그리드 구역내 에너지저장장치를 활용하여 전력패턴을 평준화시켜 전력수요와 공급의 차이를 완화시키려는 방안에 대한 연구가 수행되고 있다.[1]개별 마이크로그리드 군으로 이루어진 스마트그리드는 기존 전력망에 IT기술을 접목시켜 실시간 전력정보를 모니터링하고 전력흐름을 제어는 연구가 활발하게 진행되고 있으며,개별 마이크로그리드는 에너지저장장치(ESS)와 신재생에너지(RE)원 으로 구성되어 있다.개별 마이크로그리드내 ESS는 전력수요와 공급에 따라 충방전 동작을 통해 과잉 공급된 전력은 충전하고, 피크 시간대에 방전하여 전력패턴 평준화에 활용 되고 있다.
개별 마이크로그리드 내 ESS는 어떻게 활용 되고 있는가?
[1]개별 마이크로그리드 군으로 이루어진 스마트그리드는 기존 전력망에 IT기술을 접목시켜 실시간 전력정보를 모니터링하고 전력흐름을 제어는 연구가 활발하게 진행되고 있으며,개별 마이크로그리드는 에너지저장장치(ESS)와 신재생에너지(RE)원 으로 구성되어 있다.개별 마이크로그리드내 ESS는 전력수요와 공급에 따라 충방전 동작을 통해 과잉 공급된 전력은 충전하고, 피크 시간대에 방전하여 전력패턴 평준화에 활용 되고 있다.그리고 심야시간의 저렴한 요금 시간대에 충전하고,피크시간대인 비싼 요금시간대에 방전하여 전력거래를 통한 차익을 실현하고 있다.
ESS활용방안에 대한 기초연구를 수행하여 나온 결과 중 대표적인 일자별 건물 전력사용량 패턴을 분석한 결과에 관해 설명하시오
(1)대표적인 일자별 건물 전력사용량 패턴을 분석한 결과, 일반적으로 여름철은 오전 시간대에 비해 오후 시간대에서 피크전력이 발생하였으며, 겨울철은 오후 시간대에 비해 오전 시간대에 건물 피크전력이 발생하였다.
참고문헌 (6)
Keunhye Choi, Hyojoon Bae, Sangwoo Lee, Taejoon Park, Yongsoon Eun and A Smartgrid, Comprehensive Control Scheme for Power Efficiency, UKC, pp. 7-11, 2013
HakJu Lee, Wookyu Chae, Wonwook Jung and Juyong Kim, The Economic Evaluation based Design Program for the Off-Grid Microgrid, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 23, No.12, pp. 106-114, 2009
Wookwon Kim, Sunghun Lee, Hyeongcheol CHhoi, Jongseok Yi and Jino Kim, A Study on Optimal Operation of Energy Storage System in Microgrids, KIEE Summer Conference, pp. 20-22, 2011
Jungsik Choi, Jaesub Ko, Donghwa Chung, Development of Improved P&O Algorithm of PV System Considering Insolation variation, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 24, No. 4, pp.166-176, 2010
Wonpyo Hong, The Intelligent Zero Energy Buildings, The Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, pp. 279-281, 2011
Kyebyung Lee, Kwangmyoung Son, A Conceptual Model for Effective Utilization of Building Distributed Hybrid Energy System, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 27, No.5, pp.46-53, 2013
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