DC${\mu}$-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 배터리의 동작 변환 시, 망 전압의 fluctuation이 발생하게 되며, 과다한 fluctuation은 충/방전 시스템의 손상 및 고장을 일으킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 DC ${\mu}$-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 fluctuation 완화용 커패시터의 적용 및 설계 포인트에 대하여 연구하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 3개의 충전 배터리 set와 5개의 방전 배터리 set의 조건으로 운영되는 DC ${\mu}$-Grid 기반 충/방전 시스템에서 600V/35mF의 초기 값을 갖는 fluctuation 완화용 커패시터를 적용하였을 때 충/방전에 의한 fluctuation을 약 66.3% 감소시킬 수 있었으며, 추가적으로 초기 망 전압 안정화 시 발생하는 fluctuation 또한 약 73% 감소시킬 수 있었다.
DC ${\mu}$-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 배터리의 동작 변환 시, 망 전압의 fluctuation이 발생하게 되며, 과다한 fluctuation은 충/방전 시스템의 손상 및 고장을 일으킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 DC ${\mu}$-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 fluctuation 완화용 커패시터의 적용 및 설계 포인트에 대하여 연구하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 3개의 충전 배터리 set와 5개의 방전 배터리 set의 조건으로 운영되는 DC ${\mu}$-Grid 기반 충/방전 시스템에서 600V/35mF의 초기 값을 갖는 fluctuation 완화용 커패시터를 적용하였을 때 충/방전에 의한 fluctuation을 약 66.3% 감소시킬 수 있었으며, 추가적으로 초기 망 전압 안정화 시 발생하는 fluctuation 또한 약 73% 감소시킬 수 있었다.
When the operation of battery is converted at charging and discharging system based on a DC micro grid, the voltage is fluctuated. And excessive voltage fluctuation could cause damage or failure of charging and discharging equipment. Therefore, in this paper, we studied the operating schedule of the...
When the operation of battery is converted at charging and discharging system based on a DC micro grid, the voltage is fluctuated. And excessive voltage fluctuation could cause damage or failure of charging and discharging equipment. Therefore, in this paper, we studied the operating schedule of the charging and discharging system based on the DC micro grid and a design point of the capacitor which was able to reduce the voltage fluctuation. A result of computer simulation showed that when a fluctuation-reducing capacitor which had an initial value of 600V/35mF was applied at the charging and discharging system based on a DC micro grid which was operated with three charging battery sets and five discharging battery sets, voltage fluctuation by charging and discharging operation was reduced by about 63.3%. Furthermore, voltage fluctuation which occurred when initial network voltage was stabilized was reduced by about 73%.
When the operation of battery is converted at charging and discharging system based on a DC micro grid, the voltage is fluctuated. And excessive voltage fluctuation could cause damage or failure of charging and discharging equipment. Therefore, in this paper, we studied the operating schedule of the charging and discharging system based on the DC micro grid and a design point of the capacitor which was able to reduce the voltage fluctuation. A result of computer simulation showed that when a fluctuation-reducing capacitor which had an initial value of 600V/35mF was applied at the charging and discharging system based on a DC micro grid which was operated with three charging battery sets and five discharging battery sets, voltage fluctuation by charging and discharging operation was reduced by about 63.3%. Furthermore, voltage fluctuation which occurred when initial network voltage was stabilized was reduced by about 73%.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 배터리 동작 변환 시, DC μ-Grid 망에서의 전압 fluctuation을 완화시키기 위한 연구를 진행한다.
본 논문에서는 DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 발생하는 fluctuation을 완화시키기 위하여 검토되어야 하는 기술에 대하여 소개하였다.
배터리 set가 충전 및 방전 동작을 수행할 때 전압과 DC μ-Grid 망의 순간적인 전압 차이에 의해 전류가 유입될 때, 커패시터를 적용해서 보다 큰 용량을 제공하여 전압의 fluctuation 폭을 감소시키게 된다. 커패시터의 용량에 따른 fluctuation 감소 효과를 확인해보기 위한 실험을 진행해 보도록 한다.
제안 방법
DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템을 통해 1개 배터리 set에 대하여 시뮬레이션을 진행하여 방전되는 에너지가 회생되는 지점인 DC μ-Grid 망의 전압을 확인해보도록 한다.
그림 7은 초기값 600V/5mF의 커패시터 적용에 따른 DC μ-Grid의 전압 fluctuation을 나타낸다. DC-Grid 망의 정상상태일 경우의 전압이 600V이기 때문에 fluctuation 완화용 커패시터의 초기전압을 600V로 설계하였다.
8초로 설계한 후, DC μ-Grid 망에서의 전압을 관측한다. 다음으로, 8개의 모든 배터리 set가 동시에 충/방전 동작을 수행할 경우를 고려하여 starting time을 모두 0.2초로 설계한 후, 시뮬레이션을 진행한다. 마지막으로 DC μ-Grid 망에서의 전압 fluctuation을 최소화하기 위하여 커패시터를 적용하여 시뮬레이션을 진행하고 커패시터의 용량에 따른 전압 fluctuation 감소 효과를 확인한다.
두 번째 실험에서는 표 1의 조건에서 모든 배터리 set가 같은 시점에서 충/방전 동작을 수행하도록 starting time을 0.2초로 설계하였다.
시뮬레이션은 초기 30%의 SoC(: State of Charge)를 갖는 배터리 set로 진행하였다. 또한 0.4초가 되는 순간에서 배터리가 충전동작을 수행하도록 설계하였다.
또한 충전과 방전 동작을 시작하는 starting time에 대해서 충전하는 배터리 set 3개중 1개는 0.2초, 나머지 2개는 0.4초로 설계하고 방전하는 배터리 set 5개에 대하여 한 개는 0.6초, 나머지 4개는 0.8초로 설계한 후, DC μ-Grid 망에서의 전압을 관측한다.
마지막으로 DC μ-Grid 망에서의 전압 fluctuation을 최소화하기 위하여 커패시터를 적용하여 시뮬레이션을 진행하고 커패시터의 용량에 따른 전압 fluctuation 감소 효과를 확인한다.
충/방전 시스템에서 에너지의 효율적 운영을 위해서는 충전과 방전을 함께 동작시켜야하기 때문에 충전하는 배터리 set 3개와 방전하는 배터리 set 5개를 이용하여 총 8개의 배터리 set로 시뮬레이션을 진행한다. 이때, 배터리의 SoC는 실제 충/방전 환경에서 모두 다를 경우를 고려하여 각각의 배터리 set가 상이하도록 설계하였다. 또한 충전과 방전 동작을 시작하는 starting time에 대해서 충전하는 배터리 set 3개중 1개는 0.
DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템을 통해 1개 배터리 set에 대하여 시뮬레이션을 진행하여 방전되는 에너지가 회생되는 지점인 DC μ-Grid 망의 전압을 확인해보도록 한다. 시뮬레이션은 초기 30%의 SoC(: State of Charge)를 갖는 배터리 set로 진행하였다. 또한 0.
시스템의 충/방전 동작 시, 발생하는 전압 fluctuation 문제를 해결하기 위하여 fluctuation 완화용 커패시터의 적용을 검토하였다.
시뮬레이션 결과로부터 더 많은 배터리 set가 동시에 충/방전 동작을 수행할 때, 전압 fluctuation이 크게 나타났으며 초기 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 fluctuation을 초과하기도 하였다. 이 문제를 최소화하기 위해 fluctuation 완화용 커패시터의 적용을 검토하였다. 커패시터의 초기값을 600V/35mF으로 설계할 경우 fluctuation을 감소시키기 위한 최적의 설계 포인트가 되며 이 조건에서 충/방전에 의한 fluctuation은 66.
충/방전 시스템에서 에너지의 효율적 운영을 위해서는 충전과 방전을 함께 동작시켜야하기 때문에 충전하는 배터리 set 3개와 방전하는 배터리 set 5개를 이용하여 총 8개의 배터리 set로 시뮬레이션을 진행한다. 이때, 배터리의 SoC는 실제 충/방전 환경에서 모두 다를 경우를 고려하여 각각의 배터리 set가 상이하도록 설계하였다. 또한 충전과 방전 동작을 시작하는 starting time에 대해서 충전하는 배터리 set 3개중 1개는 0.
첫 번째 실험에서 3개의 배터리 set는 충전 동작을 수행하고 나머지 5개의 배터리 set는 방전 동작을 수행하면서 SoC는 각각의 배터리 set가 모두 상이하도록 설계하였다. 충전과 방전 동작을 시작하는 starting time에 대해서 충전하는 배터리 set 3개중 1개는 0.
초기 전압 600V를 가지는 커패시터를 0mF부터 55mF까지 용량을 점차 크게 설계하면서 DC μ-Grid 망에서의 전압 fluctuation을 확인해보는 시뮬레이션을 진행하였다.
충/방전 시스템에서 에너지의 효율적 운영을 위해서는 충전과 방전을 함께 동작시켜야하기 때문에 충전하는 배터리 set 3개와 방전하는 배터리 set 5개를 이용하여 총 8개의 배터리 set로 시뮬레이션을 진행한다. 이때, 배터리의 SoC는 실제 충/방전 환경에서 모두 다를 경우를 고려하여 각각의 배터리 set가 상이하도록 설계하였다.
성능/효과
7%의 감소 효과가 계산되었다. 더하여 초기 망 전압을 안정화시키기 위한 전압의 fluctuation 또한 32.43V가 계산되어 커패시터가 없을 경우와 비교여 약 20.42%의 감소 효과가 계산되었다. 배터리 set가 충전 및 방전 동작을 수행할 때 전압과 DC μ-Grid 망의 순간적인 전압 차이에 의해 전류가 유입될 때, 커패시터를 적용해서 보다 큰 용량을 제공하여 전압의 fluctuation 폭을 감소시키게 된다.
하지만 40mF 이상에서는 초기 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 전압 fluctuation이 급격히 커지고 55mF 이상에서는 충/방전 동작 시 발생하는 전압 fluctuation이 급격히 커지게 된다. 따라서 커패시터의 용량을 35mF으로 설계할 경우 두 fluctuation을 감소시키기 위한 적정 설계 포인트가 되며 이 조건에서 초기 망 전압의 안정화에 의한 전압 fluctuation은 73%의 감소효과를 확인할 수 있었고 충/방전에 의한 fluctuation은 66.3%의 fluctuation 감소 효과를 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 발생하는 fluctuation을 완화시키기 위하여 검토되어야 하는 기술에 대하여 소개하였다. 시뮬레이션 결과로부터 더 많은 배터리 set가 동시에 충/방전 동작을 수행할 때, 전압 fluctuation이 크게 나타났으며 초기 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 fluctuation을 초과하기도 하였다. 이 문제를 최소화하기 위해 fluctuation 완화용 커패시터의 적용을 검토하였다.
시뮬레이션 결과로부터, 충/방전 동작에 의한 전압 fluctuation은 29.6V가 계산되어 fluctuation 완화용 커패시터가 없을 경우와 비교하여 약 28.7%의 감소 효과가 계산되었다. 더하여 초기 망 전압을 안정화시키기 위한 전압의 fluctuation 또한 32.
네모 모양으로 표시된 그래프는 초기 망 전압의 안정화 시, 발생하는 fluctuation이며 동그라미 모양으로 표시된 그래프는 충/방전 동작 시, 발생하는 fluctuation을 의미한다. 시뮬레이션 결과로부터, 커패시터의 용량이 커질수록 fluctuation이 감소함을 확인할 수 있다. 하지만 40mF 이상에서는 초기 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 전압 fluctuation이 급격히 커지고 55mF 이상에서는 충/방전 동작 시 발생하는 전압 fluctuation이 급격히 커지게 된다.
실험 결과로부터, 초기 시스템이 가동될 때, 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 fluctuation과 배터리 set가 충/방전 동작하는 starting time에서 fluctuation이 관측되었다. 초기 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 fluctuation은 충/방전 시스템에서 이미 고려되어 margin을 고려하여 설계된다.
이 문제를 최소화하기 위해 fluctuation 완화용 커패시터의 적용을 검토하였다. 커패시터의 초기값을 600V/35mF으로 설계할 경우 fluctuation을 감소시키기 위한 최적의 설계 포인트가 되며 이 조건에서 충/방전에 의한 fluctuation은 66.3%의 감소효과를 확인하였으며 추가적으로 초기 망 전압의 안정화에 의한 전압 fluctuation은 73%의 감소효과를 확인할 수 있었다.
후속연구
본 연구결과는 DC μ-Grid를 이용하여 LI-ion 배터리의 충/방전 시스템을 운영할 경우, 전력계통의 전압 fluctuation 완화에 대한 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
formation 과정에서 방전 동작을 수행할 때 어떤 문제가 발생하는가?
formation 과정은 여러 개의 배터리를 set 단위로 수행한다. 이 과정에서 방전 동작을 수행할 때, 방전기의 부하저항에 의해 열로 인해서 에너지 손실이 발생한다. 이 문제를 최소화 하기 위하여 방전되는 에너지를 전력망으로 회수시키는 DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템의 적용이 연구 되어왔다[4-5].
Li-ion 배터리는 생산 직후 어떠한 문제점이 있는가?
Li-ion 배터리는 단계적인 절차에 의해 제조되며, 생산 직후 각각의 배터리들은 일정하지 않은 전압을 가진다. 따라서 이 배터리들을 동일한 전압으로 일치 시키기 위하여 반복적인 충/방전 동작을 수행하는 formation 과정이 필요하다[1-3].
DC μ-Grid의 장점은 무엇인가?
DC μ-Grid는 동기화, 안정도, 무효전력소모에 대한 문제가 없으며 각 전원에서 생성되는 전력을 연계함에 있어 2단계 전력변환이 필요 없어 시스템의 손실과 비용이 낮은 장점을 갖는다. 또한 최근 사용이 급증하고 있는 디지털 부하는 원래 직류전원을 필요로 하여 DC μ-Grid에 대한 관심이 집중되고 있다[8-9].
참고문헌 (9)
C. Rirkl, D. Frost, A. Mizeray, R. Richardson, and D. Howey, "Modular converter system for low-cost off-grid energy storage using second life Li-ion batteries," IEEE Global Humanitarian Technology Conf. 2014, San Jose, USA, Nov. 2014.
S. Kim, K. Lee, S. Yeo, S. Hong, and Y. Park, "Implementation of Successive Approximate Register typed A/D Converter for a Monitored Battery Voltage Conversion," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 2, Apr. 2011, pp. 256-261.
S. You, J. Jung, K. Cheong, and J. Go, "Numerical Simulation of Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles," The Trans. of the Korean Society of Mechanical Engineers-B, vol. 35, no. 6, June 2011, pp. 649-656.
J. Lee, W. Kim, J. Kim, and B. Han, "Development of Hardware Simulator for Operation Analysis of DC Microgrid," The Trans. of Korean Institute of Power Electronics, vol. 16, no. 6, Dec. 2011, pp. 577-586.
Y. Jung, "A Study on Generalized Output Capacitor Ripple Current Equation of Interleaved Boost Converter," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 6, 2012, pp. 1429-1435.
H. Vaidyanathan, W. Helly, and G. Rao, "Heat dissipation in a lithium ion cell," J. of Power Sources, vol. 93, issue 1-2, Feb. 2001, pp. 112-122.
J. Nam, J. Choi, S. Kim, H. Hwang, and J. Kim, "A Study on SOC Algorithm and Design of Battery ECU for Hybrid Electric Vehicle," Trans. of the Korea Institute of Power Electronics, vol. 9, no. 4, 2004, pp. 319-325.
S. Yeo, J. Kim, K. Lee, C. Han, T. Ryu, K. Kim, and S. Kim, "A Study on Energy Efficiency of Battery Charge/Discharge System based on DC ${\mu}$ -Grid," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 12, 2015, pp. 1337-1343.
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