[논문]풍력발전기의 출력 안정화를 위한 에너지 저장장치 용량 산정 사례연구

강민혁; 채상헌; 안진홍; 김일환

doi:10.7836/kses.2017.37.6.059

풍력발전기의 출력 안정화를 위한 에너지 저장장치 용량 산정 사례연구
Analysis on Required Capacity of Energy Storage System to Mitigate Wind Power Fluctuation 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.37 no.6, 2017년, pp.59 - 68

강민혁 (제주대학교 전기공학과) , 채상헌 (제주대학교 전기공학과) , 안진홍 (제주대학교 전기공학과) , 김일환 (제주대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In accordance with the policy of local government, the large scale of wind farms have been installed in Jeju power system. However, The intermittent characteristics of wind power output may cause grid voltage and frequency variation, especially in weak power system. One of the solution to solve this problem is installation of Energy storage system (ESS). In this case, the ESS will regulate the active power generated from wind farm to mitigate fluctuation. Actually, the local government of Jeju island constructed ESS connected to Hangwon wind turbine in 2016. From this point, this paper analyzes requirement capacity of ESS to mitigate wind power fluctuation based on measured data from Hangwon wind turbine and ESS. The simulation results will be carried out by Matlab program.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

풍력발전 출력 안정화를 위한 ESS 연계 시 ESS의 용량 산정은 출력 안정화 효과 뿐만 아니라 경제성에 영향을 미치기 때문에 중요한 요소로 작용할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 출력 안정화에 초점을 맞추어 풍력발전 출력 안정화에 필요한 ESS 용량을 산정하였다. 분석에 사용된 데이터는 실제 행원 연안 풍력에 연계된 ESS와 풍력 발전기의 1초 주기 측정데이터를 사용하였으며, 잔존용량(SOC, State of Charge)은 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)에서 계산된 값을 이용하였다.
본 논문에서는 “풍력발전기 출력안정용 에너지저장장치 시범구축사업”의 실증 결과를 기반으로 풍력발전기 출력 안정화에 필요한 ESS 용량을 산정하였다.

제안 방법

3장의 컴퓨터 해석 모델을 기반으로 ESS의 필요 용량을 분석하기 위해 기존 컴퓨터 해석 모델과는 달리 PCS 용량에 제한을 두지 않고 컴퓨터 해석하여 ESS 최대 출력의 절대값을 계산하여 출력 안정화 제어에 필요한 PCS 용량을 확인하였다. 배터리 용량의 경우 계산을 용이하게 하기 위해 기존 500 kWh의 배터리 대신 1,000 kWh 배터리로 대체하였으며, 이때 초기 SOC와 SOC 목표값을 0.
행원 연안 풍력의 경우 분당 변동률을 10%로 제어하기 위해 풍력 출력 유효전력의 변화량을 초당 ±5 kW로 제한하였다. SOC의 목표값은 90%로 설정하여 90%보다 작으면 ESS로 충전되는 출력을 2배 크게 하였으며, 90%보다 클 경우 ESS가 방전하는 출력을 2배로 하여 풍력발전기의 출력안정화에 기여함과 동시에 설정된 SOC를 추종하도록 하였다.
배터리 용량의 경우 계산을 용이하게 하기 위해 기존 500 kWh의 배터리 대신 1,000 kWh 배터리로 대체하였으며, 이때 초기 SOC와 SOC 목표값을 0.5로 설정하여 해석 후 SOC의 최대값과 최소값의 범위를 계산하여 용량을 산정하였다.
1은 실증 데이터의 계측 지점을 나타낸다. 풍력발전 출력의 경우 풍력발전기의 변압기 2차 측에서 측정 하였으며, ESS 출력 역시 변압기 2차 측에서 측정하였다. 합성 출력의 경우 ESS와 풍력발전기가 공유하는 계통 접속점에서 계측하였다.
풍력발전 출력의 경우 풍력발전기의 변압기 2차 측에서 측정 하였으며, ESS 출력 역시 변압기 2차 측에서 측정하였다. 합성 출력의 경우 ESS와 풍력발전기가 공유하는 계통 접속점에서 계측하였다. 분당 변동률 계산의 경우 1분간 최대값과 최소값을 이용하여 식(1)과 같이 계산하였으며, 모든 측정 시점에서 적용될 수 있도록 1초 단위로 이동하여 계산하였다^4,5,6,7).

대상 데이터

본 논문에서는 실증 데이터 중 풍력발전 출력의 분포가 상승, 하강 그리고 정격 출력 등 다양한 분포를 하고 있는 2017년 1월 8일을 기준으로 분석하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 출력 안정화에 초점을 맞추어 풍력발전 출력 안정화에 필요한 ESS 용량을 산정하였다. 분석에 사용된 데이터는 실제 행원 연안 풍력에 연계된 ESS와 풍력 발전기의 1초 주기 측정데이터를 사용하였으며, 잔존용량(SOC, State of Charge)은 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)에서 계산된 값을 이용하였다.

데이터처리

2017년 1월 8일 기준 풍력발전 출력 안정화에 필요한 ESS의 용량을 산정하기 위해 실제 데이터와 2.1절에서 언급한 조건으로 Matlab 프로그램을 이용하여 컴퓨터 해석하였다. Fig.
정확한 용량 산정을 위해서 실제 출력 기반의 컴퓨터 해석 모델을 Matlab 프로그램을 이용하여 작성하였으며, 실제 데이터와 컴퓨터 해석 결과의 비교를 통해 분석 결과의 신뢰성을 검증하였다.

성능/효과

실측데이터를 기반으로 컴퓨터 해석을 수행하였으며, 이를 통해 계산된 2018년 1월 8일 기준 풍력발전기의 출력 안정화에 필요한 ESS의 PCS용량은 1,769 kW, 배터리 용량은 226 kWh가 각각 필요할 것으로 사료된다. 본 논문의 용량 산정 결과, 단일 풍력발전기의 출력 안정화를 위해서는 풍력발전기 용량의 50%이상의 PCS 용량이 필요할 것으로 판단된다. 배터리의 경우 충전과 방전을 반복하므로 큰 용량이 요구되진 않으나, 리튬이온 배터리의 정격 방전률을 고려할 때 PCS 용량에 비례하여 용량이 증가할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 “풍력발전기 출력안정용 에너지저장장치 시범구축사업”의 실증 결과를 기반으로 풍력발전기 출력 안정화에 필요한 ESS 용량을 산정하였다. 실측데이터를 기반으로 컴퓨터 해석을 수행하였으며, 이를 통해 계산된 2018년 1월 8일 기준 풍력발전기의 출력 안정화에 필요한 ESS의 PCS용량은 1,769 kW, 배터리 용량은 226 kWh가 각각 필요할 것으로 사료된다. 본 논문의 용량 산정 결과, 단일 풍력발전기의 출력 안정화를 위해서는 풍력발전기 용량의 50%이상의 PCS 용량이 필요할 것으로 판단된다.
13은 컴퓨터 해석 결과의 분당 변동률을 나타낸다. 이때 ESS가 용량에 제한 없이 제어를 수행하였으므로 모든 분당 변동률이 10%이내로 개선된 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지의 보급이 활발해진 이유는 무엇인가?	화석 연료의 사용이 야기한 문제를 해결하기 위해 풍력, 태양광 발전과 같은 신재생에너지의 보급이 활발해지고 있다. 이와 더불어 제주특별자치도는 ‘Carbon Free Island Jeju by 2030’정책을 2012년 발표하여 신재생에너지 보급에 박차를 가하고 있으며, 2030년까지 해상과 육상을 포함하여 총 2.
	신재생에너지의 보급을 위해서 제주도에서 추진하는 것은 무엇인가?	화석 연료의 사용이 야기한 문제를 해결하기 위해 풍력, 태양광 발전과 같은 신재생에너지의 보급이 활발해지고 있다. 이와 더불어 제주특별자치도는 ‘Carbon Free Island Jeju by 2030’정책을 2012년 발표하여 신재생에너지 보급에 박차를 가하고 있으며, 2030년까지 해상과 육상을 포함하여 총 2.35 GW의 풍력발전단지 구축을 목표하고 있다1).
	풍력발전기 출력 안정화에 필요한 ESS 용량은 얼마인가?	본 논문에서는 “풍력발전기 출력안정용 에너지저장장치 시범구축사업”의 실증 결과를 기반으로 풍력발전기 출력 안정화에 필요한 ESS 용량을 산정하였다. 실측데이터를 기반으로 컴퓨터 해석을 수행하였으며, 이를 통해 계산된 2018년 1월 8일 기준 풍력발전기의 출력 안정화에 필요한 ESS의 PCS용량은 1,769 kW, 배터리 용량은 226 kWh가 각각 필요할 것으로 사료된다. 본 논문의 용량 산정 결과, 단일 풍력발전기의 출력 안정화를 위해서는 풍력발전기 용량의 50%이상의 PCS 용량이 필요할 것으로 판단된다. 배터리의 경우 충전과 방전을 반복하므로 큰 용량이 요구되진 않으나, 리튬이온 배터리의 정격 방전률을 고려할 때 PCS 용량에 비례하여 용량이 증가할 것으로 사료된다.

참고문헌 (12)

Jeju Special Self-Governing Province, Carbon Free Island Jeju by 2030, 2012.
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G. Koshimizu, T. Numata, K. Yoshimoto, H. Hasuike and T. Shibata, Subaru Project: Analysis of Field test results for Stabilization of 30.6MW Wind Farm with Energy storage, Electrical Energy Storage Applications and Technologies 2007 Conf. Energy Storage Association, USA, 2007.
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Olivier Tremblay, Louis-A Dessaint, Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications, World Electric Vehicle Journal, Vol.3, pp. 289-298, 2009.

상세보기
Duehee Lee, Joonhyun Kim, Ross Baldick, Stochastic Optimal Control of the Storage System to Limit Ramp Rates of Wind Power Output, IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 4, No. 4, pp. 2256-2265, 2013.

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Ali Esmaili, Adel Nasiri, Power smoothing and power ramp control for wind energy using energy storage, 2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2011.
X. Li, Fuzzy Adaptive Kalman Filter for Wind Power Output Smoothing with Battery Energy Storage System, IET Renewable Power Generation, Vol. 6, Iss. 5, pp. 340-347, 2012.

상세보기
POSCO ICT, New Renewable Generator Output Control Device and Method, Patent specification, 10-1514886, 2015.

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