[논문]도시철도 변전소에 설치한 첨두부하 절감용 ESS의 경제성 분석

박종영; 신승권; 김형철; 정호성

doi:10.5370/kiee.2014.63.12.1752

[국내논문] 도시철도 변전소에 설치한 첨두부하 절감용 ESS의 경제성 분석
Economic Assessment of ESS for Peak Load Shaving in the Substation of Urban Railway 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.12, 2014년, pp.1752 - 1758

박종영 (Korea Railroad Research Institute) , 신승권 (Korea Railroad Research Institute) , 김형철 (Korea Railroad Research Institute) , 정호성 (Korea Railroad Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper evaluates economic benefits of ESS (Energy Storage System) for peak load shaving in the substation of urban railway. For this purpose, the method to determine capacities of ESS and PCS (Power Conditioning System) for peak load shaving is proposed. Then the economic benefits of those devices are evaluated using net present value method. The proposed methods are applied to actual measurements of loads in the substation of urban railway. The results show that electric power costs can be reduced and the economic benefits of ESS for peak load shaving mainly depends on the price of battery.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이 논문에서는 도시철도변전소에서 첨두부하 절감을 위해 ESS 및 PCS를 설치할 때 그 경제성을 평가하는 방법을 제안하였다. 그리고 실제 도시철도변전소에서 측정한 데이터에 기반하여 ESS를 설치했을 때의 경제성을 분석하였다.
본 논문에서는 도시철도변전소의 첨두부하량을 줄이기 위해 부하 패턴에 따라 ESS의 저장용량과 PCS의 출력용량을 산정하는 방법을 제안하였다. 그리고 순현재가치법을 이용하여 첨두부하 절감용 ESS의 경제성을 평가하는 방법을 제안하였다.

가설 설정

그림 1은 도시철도 변전소의 시간당 측정된 일일부하곡선의 예이다. 평탄화 기준부하 P_base 를 기준으로 하여 그 값을 초과하는 부하에 대해서는 ESS의 방전을 통하여 보상하는 것으로 가정하였다. 실제 부하곡선은 순시로 변화하기 때문에 실부하곡선과 시간당 부하곡선과 다르지만, 어느 부하곡선으로 계산하든 보상을 해주어야 하는 부하량은 같음을 유추할 수 있다.
1절에서 결정된 용량의 ESS와 PCS가 설치되었을 때 절감되는 전기요금을 계산함으로써 편익을 계산할 수 있다[11]. 전기요금은 도시철도변전소에 현재의 한전 전기요금체계 중 산업용전력(을) 요금제 고압A 중 선택II가 적용되었다고 가정하였고, 요금제의 상세사항은 표 3과 같다.
배터리와 PCS의 설치 및 운용 비용을 조사하기 위해 관련 업체에 문의, 조사하였고, 그 데이터를 기반으로 도시철도변전소에서 첨두부하 저감용으로 사용되는 배터리 및 PCS의 가격과 수명을 표 4와 같이 가정하였다. 조사 결과에 따라 추가로 드는 운용비용에 대해서는 없거나 고려할 만큼 크지 않으며, 수명에 따른 기기 교체비용만 고려하면 된다고 가정하였다.
배터리와 PCS의 설치 및 운용 비용을 조사하기 위해 관련 업체에 문의, 조사하였고, 그 데이터를 기반으로 도시철도변전소에서 첨두부하 저감용으로 사용되는 배터리 및 PCS의 가격과 수명을 표 4와 같이 가정하였다. 조사 결과에 따라 추가로 드는 운용비용에 대해서는 없거나 고려할 만큼 크지 않으며, 수명에 따른 기기 교체비용만 고려하면 된다고 가정하였다.
이와 같은 가정하에, 수식 (4)를 이용하여 첨두부하 절감에 따른 편익과 기기 설치에 따른 비용에 대한 NPV를 정리하면 다음 표 5와 같다. 이 때 이자율 r은 3.5%로 가정하였다. 표 5에서 초기투자비용은 배터리와 PCS를 동시에 설치하면서 발생하는 비용이고, 중간 투자비용은 배터리의 수명이 다하여서 교체할 때 발생하는 비용을 나타낸다.

제안 방법

이 논문에서는 도시철도변전소에서 첨두부하 절감을 위해 ESS 및 PCS를 설치할 때 그 경제성을 평가하는 방법을 제안하였다. 그리고 실제 도시철도변전소에서 측정한 데이터에 기반하여 ESS를 설치했을 때의 경제성을 분석하였다.
전력계통의 여러 분야에 대해서 첨두부하의 절감을 위한 방법으로써 ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치)가 많이 제안되고 있으며[8-10], 그 경제성에 대하여 연구되고 있다[8-9]. 이 논문에서는 [10]에서 제안한 ESS의 용량을 결정하는 방법을 도시철도변전소에 적용하여 ESS 및 PCS의 설치용량을 결정하였다. 그리고 순현재가치법을 이용하여 첨두부하 절감량에 따른 경제성을 분석하였다.
이 논문에서는 [10]에서 제안한 ESS의 용량을 결정하는 방법을 도시철도변전소에 적용하여 ESS 및 PCS의 설치용량을 결정하였다. 그리고 순현재가치법을 이용하여 첨두부하 절감량에 따른 경제성을 분석하였다.
유용한 결과를 얻어 내기 위하여 실제 도시철도 변전소 중의 한 곳에서 측정된 2013년도 실측데이터를 이용해 제안한 방법을 검증하였다. 그를 위하여 부하절감량에 대하여 필요한 배터리 및 PCS의 용량을 계산한 다음, 부하절감량에 따른 ESS의 경제성을 분석하였다.
첨두부하 절감을 위한 ESS의 용량을 산정하기 위해 변전소의 일일 시간당 부하곡선을 이용하였다. 그림 1은 도시철도 변전소의 시간당 측정된 일일부하곡선의 예이다.
그림 4는 ESS 저장용량 및 PCS의 출력용량을 결정하는 과정을 나타낸 흐름도이다. 먼저 월별 시간당 부하곡선 데이터를 이용하여 ESS 의 저장용량을 계산하고, 15분당 첨두 부하 데이터를 이용하여 PCS 의 용량을 계산한다.
앞 장에서 분석한 변전소의 연중 부하곡선의 첨두부하량을 절감하기 위하여 2장에서 제시한 ESS 및 PCS 용량 산정 방법을 적용하였다. 첨두부하가 문제가 되는 것은 주말 이 아닌 평일이므로, 그림 5의 월별 평일 부하곡선에 대하여 수식 (1)을 적용하여 ESS의 저장용량을 계산하였다.
첨두부하가 문제가 되는 것은 주말 이 아닌 평일이므로, 그림 5의 월별 평일 부하곡선에 대하여 수식 (1)을 적용하여 ESS의 저장용량을 계산하였다. 여기에서 월별 일일부하곡선이 다르기 때문에, 동일한 값의 평탄화 기준부하에 대하여 12달의 일일부하곡선에 수식 (1)을 적용하여 그 중 최대의 값을 선택하였다. 월별 시간당 일일부하곡선의 최대값을 기준으로 부하저감량에 따라 필요한 ESS의 저장용량은 그림 7과 같다.
이와 같이 ESS의 저장용량[kWh]이 결정된 후 첨두부하저감을 위해 필요한 PCS용량을 산정하였다. 목표 부하저감량이 결정되면 수식 (3)을 이용하여 PCS의 용량[kW]을 계산하게 된다.
표 2에서 부하저감량이 50kW일 때를 살펴보면 다음과 같다. ESS 용량을 결정함에 있어, 시간당 평균부하의 최대값은 1181.6kW 이고 이에 대하여 50kW를 낮추어 평탄화기 준부하가 1131.6kW 이하가 되도록 ESS 용량을 정하였다. 그리고 PCS 용량은 2.
본 논문에서는 도시철도변전소의 첨두부하량을 줄이기 위해 부하 패턴에 따라 ESS의 저장용량과 PCS의 출력용량을 산정하는 방법을 제안하였다. 그리고 순현재가치법을 이용하여 첨두부하 절감용 ESS의 경제성을 평가하는 방법을 제안하였다. 이를 이용하여 실제 도시철도변전소에서 측정한 부하 데이터에 기반하여 첨두부하를 줄이기 위하여 설치해야 하는 ESS와 PCS의 용량을 계산하였다.
그리고 순현재가치법을 이용하여 첨두부하 절감용 ESS의 경제성을 평가하는 방법을 제안하였다. 이를 이용하여 실제 도시철도변전소에서 측정한 부하 데이터에 기반하여 첨두부하를 줄이기 위하여 설치해야 하는 ESS와 PCS의 용량을 계산하였다. 그리고 첨두부하 절감에 따른 편익을 통하여 ESS의 경제성을 평가하였다.
이를 이용하여 실제 도시철도변전소에서 측정한 부하 데이터에 기반하여 첨두부하를 줄이기 위하여 설치해야 하는 ESS와 PCS의 용량을 계산하였다. 그리고 첨두부하 절감에 따른 편익을 통하여 ESS의 경제성을 평가하였다.

대상 데이터

유용한 결과를 얻어 내기 위하여 실제 도시철도 변전소 중의 한 곳에서 측정된 2013년도 실측데이터를 이용해 제안한 방법을 검증하였다. 그를 위하여 부하절감량에 대하여 필요한 배터리 및 PCS의 용량을 계산한 다음, 부하절감량에 따른 ESS의 경제성을 분석하였다.
첨두부하 절감용 ESS의 경제성 분석을 위해서는 우선 도시철도변전소의 부하에 대한 분석이 필요하다. 이를 위하여 A지역 도시철도공사 B 변전소의 2013년 실측데이터를 분석하였고, 시간당 평균부하의 데이터와 15분 단위 첨두부하 데이터를 대상으로 분석하였다[10]. 그림 5와 그림 6은 각각 평일과 휴일 일부하의 시간당 부하 곡선인데, 평일에 대해서는 월별로 평균을 내었으며 휴일에 대해서는 계절별로 평균을 내었다.

이론/모형

이 중 ESS 저장용량은 하루 (또는 특정 기간) 동안의 부하 패턴에 따라 결정할 수 있고, PCS 출력용량은 첨두부하 절감을 위해 최대출력이 필요한 시간대의 부하에 따라 결정한다. ESS와 PCS의 용량을 산정하는 방법으로써 [10]에서 제시한 방법을 사용하였다.
본 논문에서는 철도 운영기관의 입장에서 도시철도변전소에 설치한 첨두부하 저감용 ESS의 경제성을 평가하기 위한 방법으로 순현재가치법을 사용하였다. 순현재가치(순현가, Net Present Value, NPV)는 어떤 사업의 가치를 나타내는 척도 중 하나로서, 투자의 결과 발생하는 현금유입(cash inflow)의 현가에서 현금유출(cash out flow)의 현가를 차감한 것을 의미한다.
경제성을 분석함에 있어 프로젝트 기간은 16년으로 산정하고 3장에서 소개한 순현가법을 적용하였다. 표 4의 가정에 의하여 투자 비용은 초기 비용과 사업 기간 중간에 배터리를 교체하는 비용으로 산정하였다.
이렇게 주어진 조건에서 ESS와 PCS의 최적 용량 및 그를 통한 경제적 편익을 순현재가치법을 통하여 계산할 수 있었다. 그런데 계산 과정에서 살펴보았듯이 같은 전기요금체계 내에서도 배터리나 PCS 가격에 따라 ESS의 경제성이 달라짐을 알 수 있다.

성능/효과

표 1은 서로 다른 부하저감량에 대하여 필요한 ESS의 저장용량이 최대값인 달을 표시한 표이다. 표에서 보다시피 150kW 이하의 용량에서는 3월달에 가장 큰 용량의 ESS가 필요하였고, 부하저감량이 200kW 일 때에는 4월달의 일일 부하곡선에 의하여 그 용량이 결정되었다. 그리고 250과 300kW에 대해서는 8월달의 일일부하곡선에 따라 ESS의 저장용량이 결정되었다.
업체에 조사한 기기 가격에 기반하여 계산한 결과 첨두부하를 100kW 절감했을 때 NPV가 가장 높게 나와 경제성이 높은 것으로 결과가 나왔다. 그리고 첨두부하 절감용 ESS의 경제성은 배터리 가격에 영향을 많이 받음을 알 수 있었다.
업체에 조사한 기기 가격에 기반하여 계산한 결과 첨두부하를 100kW 절감했을 때 NPV가 가장 높게 나와 경제성이 높은 것으로 결과가 나왔다. 그리고 첨두부하 절감용 ESS의 경제성은 배터리 가격에 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 추후 이렇게 설치한 ESS를 효율적으로 제어하는 방법에 대한 연구가 더하여진다면, 실제 ESS의 설치 및 운용에 가이드가 될 수 있을 것이다.

후속연구

그리고 첨두부하 절감용 ESS의 경제성은 배터리 가격에 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 추후 이렇게 설치한 ESS를 효율적으로 제어하는 방법에 대한 연구가 더하여진다면, 실제 ESS의 설치 및 운용에 가이드가 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	첨두부하값은 무엇인가?	첨두부하 저감을 위해 필요한 PCS 용량을 산정하기 위해서는 실제 첨두부하가 측정되는 기준을 고려하여야 한다. 현재 한전에서 전력요금을 산정할 때 사용되는 첨두부하값은 15분마다 측정되는 부하값들 중 가장 큰 값이다. 따라서 15분 부하곡선을 그렸을 때 최대값이 첨두부하가 됨을 알수 있다.
	ESS는 어떤 문제를 해결하기 위해 주로 제안되고 있는가?	전력계통의 여러 분야에 대해서 첨두부하의 절감을 위한 방법으로써 ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치)가 많이 제안되고 있으며[8-10], 그 경제성에 대하여 연구되고 있다[8-9]. 이 논문에서는 [10]에서 제안한 ESS의 용량을 결정하는 방법을 도시철도변전소에 적용하여 ESS 및 PCS의 설치용량을 결정하였다.
	에너지의 효율적인 소비를 위한 기법에 접근 가능한 관점에는 무엇이 있는가?	에너지의 효율적인 소비를 위한 기법은 여러 가지 측면에서 접근할 수 있다. 전력소비 자체를 줄일 수 있는 설비나 소재를 이용하는 관점에서부터[4-6] 변전소나 설비를 설치에 대한 장기적인 계획까지 고려하는 관점까지[7], 다루는 시간대 및 범위에 따라 다양한 관점에서의 접근이 가능하다.

참고문헌 (11)

Hosung Jung, Hyungchul Kim, Seoungkwon Shin, Kiyong Yoon, Jae-moon Kim, and Yang-su Kim, "Installation of power monitoring system for load pattern analysis on DC urban transit system," ISGC&E 2013, July 2013.
Seungkwon Shin, Hosung Jung, Hyungchul Kim, and Jinho Kim, "Study on HVDC application in AC power grid for Korean railway," ISGC&E 2013, July 2013.
Hansang Lee, Seungmin Jung, Hosung Jung, Hyungchul Kim, and Gilsoo Jang, "Power management for electric railway system to reduce the railway operating cost," 2012 KIEE fall conf., pp. 411-413, 2012.
Chang-mu Lee, Han-min Lee, and Gil-dong Kim, "Application effect and optimal location of energy storage system in AC electric railway," 2010 KIEE Fall Conf., Oct. 2010.
H. Lee, J. Song, H. Lee, C. Lee, G. Jang, and G. Kim, "Capacity optimization of the supercapacitor energy stroages on DC railway system using a railway powerflow algorithm," IJICIC,Vol. 7, no. 5, pp. 2739-2753, May 2011.
Hosung Jung, Hyungchul Kim, Seongkwon Shin, Jinho Kim, Kiyong Yoon, and Yonghyeun Cho, "A power losses analysis of AC railway power feeding network using adaptiveVoltage control," Trans. of KIEE,Vol. 62, no. 11, pp. 1621-1627, 2013.
Joo-uk Kim, Hosung Jung, and Hyungchul Kim, "A study on constructing rail energy management system applied SE process," ISGC&E 2013, July 2013.
Sung-min Cho, Hee-sang Shin, and Jae-chul Kim, "Modeling of battery energy storage system at substation for load leveling and its economic evaluation," Trans. of KIEE, Vol. 61, no. 7, pp. 950-956, 2012.

원문보기 상세보기
Sung-hwan Park, Jin-young Choi, Tae-ho Lee, Dong-jun Won, Seung-il Moon, Yeong-jun Seo, Kyeong-seob Moon, and Yong-wan Kim, "Economic assessment of short-term battery energy storage system applying to Korean power system," 2013 KIEE Summer Conf., July, 2013.
Jong-young Park, Hosung Jung, Hyungchul Kim, and Seung-kwon Shin, "Capacity Determination of ESS for Peak Load Shaving Based on the Actual Measurement of Loads in the Substation of Urban Railway," Trans. of KIEE, Vol. 63, no. 6, pp. 860-865, 2014.

원문보기 상세보기
Jong-young Park, Hosung Jung, Hyungchul Kim, and Seung-kwon Shin, "Analysis of Electricity Cost with Peak Load Shaving by ESS in the Substation of Urban Railway," 2014 KIEE Summer Conf., July. 2014.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

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].

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