변동부하 공급을 위한 하이브리드 ESS의 연축전지와 리튬이온전지의 최적구성방안에 관한 연구 A Study on Optimal Configuration Method of Hybrid ESS using Lead-acid and Lithium-ion Batteries for Supply of Variation Loads원문보기
현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전을 효율적으로 운용하기 위하여 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 ESS의 최적 운용평가를 할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적구성비를 산출하였다. 이에 따라 본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 최적구성 알고리즘에 대한 유용성을 확인하였다.
현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전을 효율적으로 운용하기 위하여 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 ESS의 최적 운용평가를 할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적구성비를 산출하였다. 이에 따라 본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 최적구성 알고리즘에 대한 유용성을 확인하였다.
The large scaled lead-acid battery is widely used for efficient operation of the photovoltaic system in many islands. However, lithium-ion battery is now being introduced to mitigate the fluctuation of wind power and to replace lead-acid battery. Therefore, hybrid ESS (Energy Storage system) that co...
The large scaled lead-acid battery is widely used for efficient operation of the photovoltaic system in many islands. However, lithium-ion battery is now being introduced to mitigate the fluctuation of wind power and to replace lead-acid battery. Therefore, hybrid ESS (Energy Storage system) that combines lithium-ion battery with lead-acid battery is being required because lithium-ion battery is costly in present stage. Under this circumstance, this paper presents the optimal algorithm to create composition rate of hybrid ESS by considering fixed and variable costs in order to maximize advantage of each battery. With minimization of total cost including fixed and variable costs, the optimal composition rate can be calculated based on the various scenarios such as load variation, life cycle and cost trend. From simulation results, it is confirmed that the proposed algorithms are an effective tool to produce a optimal composition rate.
The large scaled lead-acid battery is widely used for efficient operation of the photovoltaic system in many islands. However, lithium-ion battery is now being introduced to mitigate the fluctuation of wind power and to replace lead-acid battery. Therefore, hybrid ESS (Energy Storage system) that combines lithium-ion battery with lead-acid battery is being required because lithium-ion battery is costly in present stage. Under this circumstance, this paper presents the optimal algorithm to create composition rate of hybrid ESS by considering fixed and variable costs in order to maximize advantage of each battery. With minimization of total cost including fixed and variable costs, the optimal composition rate can be calculated based on the various scenarios such as load variation, life cycle and cost trend. From simulation results, it is confirmed that the proposed algorithms are an effective tool to produce a optimal composition rate.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 각 전지의 도입비용 (Fixed cost)과 운용비용 (Variable cost)에 따른 최적 구성비를 산출하는 하이브리드 ESS의 운용 알고리즘을 제안한다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시나리오 (각 전지에 대한 수명 및 단가의 변동)에서 시뮬레이션을 수행한 결과, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적 구성비와 하이브리드 운용에 대한 방안을 제시하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 최적구성방안에 대한 유용성을 확인하였다.
즉 하이브리드 ESS는 용도에 따른 각 전지의 장점을 최대한 활용하여 적은 비용으로 큰 효과를 기대할 수 있는 장치이다 [5][6]. 따라서, 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 ESS의 최적 운용평가를 할 수 있는 알고리즘을 제시한다.
여기서, 환산수명은 C-rate가 높을 경우 연축전지 수명은 급격히 저하되지만, 상대적으로 리튬이온전지의 수명은 완만하게 저하되는 특성을 반영한 것이다. 즉, 고율방전특성을 가진 리튬이온전지를 급변성 부하에 우선적으로 도입하고, 저율방전특성을 가진 연축전지는 비급변성부하에 우선적으로 도입하는 경제적인 운용방안을 적용하기 위하여, 본 논문에서는 환산수명을 고려한 비용특성을 운용비용에 반영한다. 또한, 각 항의 k1과 k2계수는 고정비용과 운용비용에 대한 가중치를 나타낸다.
가설 설정
3. Concept of optimal composition rate.
5% 감소하는 것으로 상정한다. 또한, 리튬이온전지의 연간 수명상승률과 단가 감소율은 각각 10%로 가정한다. 특히 2020년의 리튬이온전지의 수명에 대해서는 기술개발의 포화상태를 고려하여 2019년과 동일한 수명을 적용한다.
본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 운용 알고리즘에 따른 최적 구성비를 산정하기 위해서는, 부하용량, 부하 변동특성, 전지용량, 전지 운용조건, 전지수명 및 전지단가에 대한 가정이 필요하다. 전체 부하용량과 전지용량은 각각 600 kWh로 가정하며, 부하 변동특성 및 전지 운용조건은 Table 2와 같다. 여기서, 부하 변동특성은 급변성, 중간 급변성, 비급변성의 3가지 형태로 구성되며, 전지는 연축전지와 리튬이온전지를 대상으로 하여부하 변동특성에 따라 서로 다른 C-rate를 적용한다.
제안 방법
(1) 부하 변동특성에 따른 각 전지의 최적 구성비를 산정하기 위하여, 각 전지의 도입비용과 운용비용의 합을 최소로 하는 하이브리드 ESS의 운용 알고리즘을 제안하였다.
여기서, 연축전지는 고정비용이 저렴한 반면, 교체 및 유지보수로 인한 운용비용이 증가하며, 리튬이온전지는 고정비용이 고가인 반면, 운용비용이 저렴한 편이다. 따라서 본 논문에서는 각 전지의 고정비용과 운용비용 특성에 따른 감도를 비교하기 위하여 상기의 가중치를 적용한다. 한편, 식 (2)는 목적함수식 (1)의 제약조건으로, 각 전지의 정격용량 합과 부하의 변동특성에 따라 도입되는 전지용량의 합이 동일하다는 조건을 나타낸 것이다.
본 논문에서는 각 전지의 수명특성 및 비용특성을 분석하고, 부하 특성변동에 따른 하이브리드 ESS 최적 운용알고리즘을 제시하였고, 또한 다양한 시나리오별로 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
먼저 식 (1)의 첫 번째 항은 각 전지의 설치 혹은 교체 시 필요한 고정비용을 의미하며, i 전지의 도입용량 (xi)과 단가 (ai) 그리고 수명에 따른 교체횟수 (wi)를 곱하여 산정한다. 즉, C-rate가 높을 경우 연축전지 수명은 급격히 저하되지만 리튬이온전지의 수명은 완만하게 저하되므로, 본 논문에서는 상대적으로 장수명인 리튬이온전지를 기준으로 교체빈도계수를 산정하여 고정비용에 반영한다. 두 번째 항은 부하변동에 따른 각 전지 구성의 수명 특성을 반영한 운용비용을 나타내며, i 전지의 단가와 j 부하변동에 대한 도입용량 (yij) 및 교체횟수 (wij)를 곱한 값에 운용 C-rate에 대한 전지의 환산수명 (cij)을 나누어 산정한다.
)이 먼저 결정되어야 하는데, 여기에서는 가장 경제적인 메커니즘(Economic mechanism)을 도입한다. 즉, 고율방전특성을 가진 리튬이온전지를 급변성 부하에 우선적으로 도입하고, 저율방전특성을 가진 연축전지는 비 급변성부하에 우선적으로 도입하도록 한다.
성능/효과
(2) 부하 변동특성에 따라 각 전지의 구성비를 적정하게 조합하면 최소의 비용을 산정할 수 있음을 알 수 있었다.
(3) 저율방전특성을 가진 연축전지가 급변성 부하에 사용되는 경우, 수명감소에 의하여 전체비용이 급격히 증가함을 알 수 있었고, 우수한 고율방전특성을 가진 리튬이온전지를 급변성 부하에 사용하면 전체비용을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서, 연축전지 혹은 리튬이온전지만을 단독으로 도입하는 것보다 하이브리드 형태로 도입되는 것이 경제적임을 알 수 있었다.
(4) 급변성 부하의 비율이 증가할수록 전체적인 운용비용은 상승하지만, 연축전지에 비하여 리튬이온전지의 구성비가 증가할수록 전체비용이 감소함을 알 수 있었다.
8(a)와 (b)는 연도별 도입비용 시나리오 (Table 3)에 근거하여 운용비의 가중치를 각각 1000, 3000의 값을 상정한 경우의 하이브리드 ESS의 최적 구성비를 구한 것이다. 가중치 1000을 적용한 경우, 연축전지에 비하여 리튬이온전지 구성비율이 2015년-2017년에 각각 33.3%, 33.3% 66.7%로 증가하고, 전지의 수명증가와 단가하락에 의하여 2018년부터는 리튬이온전지만을 도입하는 것이 가장 경제적임을 알 수 있었다. 한편, 운용비의 가중치가 3000인 경우에는 리튬이온전지의 구성비율이 2015년에 33.
(3) 저율방전특성을 가진 연축전지가 급변성 부하에 사용되는 경우, 수명감소에 의하여 전체비용이 급격히 증가함을 알 수 있었고, 우수한 고율방전특성을 가진 리튬이온전지를 급변성 부하에 사용하면 전체비용을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서, 연축전지 혹은 리튬이온전지만을 단독으로 도입하는 것보다 하이브리드 형태로 도입되는 것이 경제적임을 알 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 각 전지의 도입비용 (Fixed cost)과 운용비용 (Variable cost)에 따른 최적 구성비를 산출하는 하이브리드 ESS의 운용 알고리즘을 제안한다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시나리오 (각 전지에 대한 수명 및 단가의 변동)에서 시뮬레이션을 수행한 결과, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적 구성비와 하이브리드 운용에 대한 방안을 제시하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 최적구성방안에 대한 유용성을 확인하였다.
3%이고 2016년부터는 리튬이온전지만을 도입하는 것이 가장 경제적임을 확인하였다. 운용비용의 중요도를 증가시킬수록 리튬이온전지가 유리함을 확인하였다.
여기서, 실선은 리튬이온전지가 급변성, 중간 급변성, 비급변성 부하를 가장 경제적인 메커니즘으로 담당하는 경우를 나타낸 것이고, 점선은 상기와 같은 절차이지만 가장비 경제적인 메커니즘으로 연축전지가 담당하는 경우를 나타낸 것이다. 이 그림과 같이 저율방전특성을 가진 연축전지가 급변성 부하에 사용되는 경우, 수명감소에 의하여 전체비용이 급격히 증가함을 알 수 있고, 우수한 고율방전특성을 가진 리튬이온전지를 급변성 부하에 사용하면 전체비용을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
실선은 급성, 중간급변성, 비급변성 부하 비율이 200:200:200인 경우이고, 점선은 400:100:100인 경우의 전체비용을 구한 것이다. 이 그림에서와 같이 급변성 부하의 비율이 증가하면 전체적인 운용비용은 상승하지만, 연축전지에 비하여 리튬이온전지의 구성비가 33.3%에서 66.6%으로 증가하는 경우 전체비용이 최소가 됨을 알 수 있다.
후속연구
본 논문에서 제안한 하이브리드 ESS의 운용 알고리즘에 따른 최적 구성비를 산정하기 위해서는, 부하용량, 부하 변동특성, 전지용량, 전지 운용조건, 전지수명 및 전지단가에 대한 가정이 필요하다. 전체 부하용량과 전지용량은 각각 600 kWh로 가정하며, 부하 변동특성 및 전지 운용조건은 Table 2와 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대용량 연축전지의 단점은?
이러한 신재생에너지의 효율적인 운용과 유지관리를 위하여, 이차전지를 이용하는 기술들이 제안되고 있다. 이에 따라 대부분의 도서지역에서는 태양광발전의 출력제어용으로 도입비용이 저렴한 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있으나, 유지보수, 수명 등에 많은 약점을 가지고 있다 [2]. 또한, 풍력발전의 도입 및 연축전지 교체로 인하여 성능이 탁월한 리튬이온전지의 도입이 필요하지만 비용 측면에서 문제점을 가지고 있어, 기존의 연축전지와 조합된 하이브리드 전기 저장장치 (Hybrid Energy Storage system, 이하 Hybrid ESS) 의 기술개발이 요구되고 있다 [3].
리튬이온전지의 도입이 증가하고 있는 이유는?
현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전을 효율적으로 운용하기 위하여 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 ESS의 최적 운용평가를 할 수 있는 알고리즘을 제시하였다.
연축전지 및 리튬이온전지의 가격 추이는 어떻게 되는가?
1과 같으며, 2015년의 연축전지 kWh당 단가는 약 10만원으로 비용 측면에서 장점을 가지고 있고 리튬이온전지의 kWh당 단가는 약 70만원으로 아직까진 비용 측면에서 약점을 가지고 있다 [6]. 연축전지는 1900년대 초반부터 오랜 기간 사용하여 최근에는 단가변동이 거의 없는 추세이며, 리튬이온전지는 차세대 전지로써 꾸준하게 성능향상과 시장규모가 늘어나고 있어 매년 단가가 급격히 하락하고 있음을 알 수 있다.
참고문헌 (12)
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Sooyoung Park and Daeseok Rho, "A Study on the Optimal Design of Hybrid Battery Management System for Lead-acid and Li-ion Battery", Journal of KAIS, Vol 15, No 1, pp. 48-50, May, 2014.
Daeseok Rho, "A Study on Load leveling effect of the distribution system using the Battery Energy Storage Systems", Fall Conference for Society A of KIEE (Korean Institute of Electrical Engineers), pp. 111-113, Oct, 2012.
Jukwang Lee and Daeseok Rho, "A Study on the Current Status of Standardization in Electrical Energy Storage System", Journal of KAIS, Vol 14, No 2, pp. 557-559, May, 2013.
Jaebum Park and Daeseok Rho, "A Study on the BMS Design of Lithium-ion Battery for Energy Storage System", Journal of KAIS, Vol 14, No 2, pp. 157-159, May, 2013.
IEEE 308-1991, "IEEE Standard Criteria for Class 1E Power Systems for Nuclear Power Generating Stations".
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IEEE 535-1986, "IEEE Standard for Qualification of Class 1E Lead Storage Batteries for Nuclear Power Generating Stations.
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