[논문]직교류 합성 충전 패턴을 이용한 풍력 연계용 ESS의 배터리 충전 효율 향상

이종학; 송승호

doi:10.6113/tkpe.2017.22.4.330

[국내논문] 직교류 합성 충전 패턴을 이용한 풍력 연계용 ESS의 배터리 충전 효율 향상
Improvement of Battery Charging Efficiency of ESS for Wind Power Application Using DC-AC Hybrid Charging Pattern 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.4, 2017년, pp.330 - 335

이종학 (Control System Research Department, POSCO ICT) , 송승호 (Dept. of Electrical Engineering, Kwangwoon University)

Abstract ▼ AI-Helper

Increased fossil fuel consumption causes global warming, environmental pollution, and abnormal climate change. Wind-generated power installation is proposed to solve this problem. Recently, the wind power plant construction case encourages the installation of the energy storage system (ESS) to improve the intermittency of wind power. The maximized ESS operation profits connected to wind power are not generated in the simplest operation pattern of charging at night and discharging at day. The battery charging efficiency improvement should be considered to get more profits. Thus, there is a possibility of increasing ESS operation profits by analyzing the battery AC and DC charging/discharging efficiency and the yearly average sealed maintenance free (SMP) in hours. In this paper, the battery impedance characteristic, AC and DC charging/discharging efficiency, and the yearly average SMP are analyzed. The operation scenario to improve the ESS battery charging efficiency connected to wind power is proposed and verified via simulation.

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문제 정의

현재 우리나라에서는 풍력발전소에 대용량 ESS에 대한 설치가 활발히 진행되고 있지만 ESS 연계 시 배터리 효율 및 SMP를 고려한 충방전 전략에 대한 연구가 부족한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 풍력 연계용 ESS의 수익 향상을 위한 효율적인 배터리 충방전 전략에 대해 기술한다.
풍력 연계용 ESS의 이익을 취하기 위해서는 배터리 효율이 높아야 한다. 본 논문에서는 SMP 및 배터리 충방전 효율을 고려한 풍력 연계용 ESS의 효율적인 운영에 대해 기술하였으며 시뮬레이션을 통해 제안한 시나리오를 검증하였다. 그 결과 1C로 충전하는 것 보다 2.
본 장은 배터리의 효율을 고려한 풍력 연계용 ESS충방전 시나리오에 대해 기술한다. 앞서 설명한 배터리 효율을 증가시키기 위한 충방전법을 고려한 PCS(Power Conversion System)의 설계의 조건은 다음과 같이 한다.

제안 방법

배터리의 효율을 높이기 위한 충방전 시나리오는 다음과 같다. 최대 충전 전류는 AC 전류 0.33C 1Hz, DC 전류 0.33C를 더한 0.66에 해당하는 전류이며 충전 전류는 풍력 출력 전력에 비례하여 충전하고 방전은 풍력 출력 전력과 상관없이 0.33C DC 전류로 하루 중 최대 부하 시간에 맞춰 3시간 동안 방전한다. 풍력 출력 전력이 만족할 경우 하루 평균 최저요금 시간인 2시부터 3시간동안 완충전을 실시한다.
본 논문에서 제안한 배터리 효율 및 SMP를 고려한 풍력 연계용 ESS 시나리오를 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 위한 기본 사양은 다음과 같으며 제주도에 설치된 3MW급 풍력 출력 데이터를 사용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 배터리 효율 및 SMP를 고려한 풍력 연계용 ESS 시나리오를 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 위한 기본 사양은 다음과 같으며 제주도에 설치된 3MW급 풍력 출력 데이터를 사용하였다.

성능/효과

그림 1은 KEPCO에서 제공한 15년 7월부터 16년 6월 까지의 월별 시간대 최고 SMP 대비 평균 SMP 비율을 나타낸 것이다. 시간대별 SMP 비율을 살펴보면 하루 중 2시부터 7시까지는 평균적으로 SMP가 낮으며 평균적으로 10시부터 22시까지의 SMP가 높음을 알 수 있다.
그림 1은 KEPCO에서 제공한 15년 7월부터 16년 6월 까지의 월별 시간대 최고 SMP 대비 평균 SMP 비율을 나타낸 것이다. 시간대별 SMP 비율을 살펴보면 하루 중 2시부터 7시까지는 평균적으로 SMP가 낮으며 평균적으로 10시부터 22시까지의 SMP가 높음을 알 수 있다.
그림 6에서 알 수 있듯이 주파수에 따라 임피던스의 크기는 변화한다. 고주파 영역 1kHz에서 500Hz까지는 크기가 감소하는 추세를 보이며, 500Hz에서 저주파 영역 0.01Hz로 갈수록 임피던스 크기가 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다. SOC의 변화에 따라 임피던스가 동일하지는 않지만 전체적으로 변화되어 가는 경향은 유사하다.
표의 결과를 살펴보면 임피던스 측정결과 임피던스의 크기가 작았던 약 1kHz 리플 전류로 충전할 경우 가장 높은 충전 효율을 나타내었다. 효율 결과로는 직류 전류로 충전하는 것이 1kHz로 충전한 경우보다 2% 낮고 1Hz로 충전한 경우보다 1.4% 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서 정전류로 충전하는 CC(Constant Current)-CV(Constant Voltage) 충전법보다는 임피던스가 낮은 영역의 AC 리플 전류로 충전하는 것이 배터리 충전에 효과적이다.
4% 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서 정전류로 충전하는 CC(Constant Current)-CV(Constant Voltage) 충전법보다는 임피던스가 낮은 영역의 AC 리플 전류로 충전하는 것이 배터리 충전에 효과적이다.
27%이다. 따라서 본 논문에서 제안한 방법의 경우 기존 방법보다 0.33C의 낮은 DC+AC로 충방전 한 경우 하루 2.84%의 효율을 증가시킬 수 있다. 이 하루 평균 효율 이익을 토대로 SMP로만 계산할 경우 1년 평균 SMP 최고 33.
본 논문에서는 SMP 및 배터리 충방전 효율을 고려한 풍력 연계용 ESS의 효율적인 운영에 대해 기술하였으며 시뮬레이션을 통해 제안한 시나리오를 검증하였다. 그 결과 1C로 충전하는 것 보다 2.84%의 효율이 상승함을 알 수 있었다. 이 효율 향상 수치는 모든 배터리에 만족할 수는 없지만 배터리의 특성상 비슷한 추세를 보이며 풍력 연계용 ESS의 이익을 취할 수 있는 것은 분명하다.
. 표의 결과를 살펴보면 임피던스 측정결과 임피던스의 크기가 작았던 약 1kHz 리플 전류로 충전할 경우 가장 높은 충전 효율을 나타내었다. 효율 결과로는 직류 전류로 충전하는 것이 1kHz로 충전한 경우보다 2% 낮고 1Hz로 충전한 경우보다 1.

후속연구

이 효율 향상 수치는 모든 배터리에 만족할 수는 없지만 배터리의 특성상 비슷한 추세를 보이며 풍력 연계용 ESS의 이익을 취할 수 있는 것은 분명하다. 본 논문의 배터리 효율 향상 방법을 이용하면 풍력 연계용 ESS의 이익을 창출할 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신재생에너지 연계용 에너지 저장장치의 특징은 무엇인가?	이러한 문제를 해결하는 방안으로 ESS(Energy Storage System)를 풍력발전기와 연계하여 운영하는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 신재생에너지 연계용 에너지 저장장치는 고 성능, 고 안전성, 친환경, 초경량 등의 필요성이 증대되고 있으며 이를 만족하는 리튬 이온 배터리가 많이 사용하고 있다. 풍력발전 연계 ESS 시스템으로 인해 풍속과 날씨 등 외부환경에 따라 출력이 일정치 않은 전력의 품질향상과 전력저장을 통해 전력운용 효율이 향상될 수 있다.
	RPS 제도란 무엇인가?	풍력발전 연계 ESS 시스템으로 인해 풍속과 날씨 등 외부환경에 따라 출력이 일정치 않은 전력의 품질향상과 전력저장을 통해 전력운용 효율이 향상될 수 있다. RPS 제도(신재생에너지 공급의무화 제도)란 일정규모 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하고 공급토록 의무화한 제도이다. 각 발전사업자에게 신재생 에너지원으로부터 공급한 전력량만큼의 REC(신재생에너지 발전인증서, Renewable Energy Certificate)를 주어 의무수준 초과분만큼의 REC를 의무수준 달성에 미달한 사업자에게 판매할 수 있도록 하는 신재생에너지 보급제도이다.
	풍력발전의 한계점은 무엇인가?	신재생에너지에서도 바람이 갖고 있는 에너지를 전기에너지로 변환하는 풍력발전은 발전단가가 저렴하고 소요면적이 작아 전 세계적으로 많이 보급 되고 있다. 하지만 바람은 풍력터빈이 설치된 위치의 기상상태와 지형에 따라 매 순간 불규칙적으로 변동하여 계통연계 시 계통 전압 및 주파수 변동에 영향을 주고,전력 Peak시간 때에 전력출력에 대한 기대효과를 보기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 ESS(Energy Storage System)를 풍력발전기와 연계하여 운영하는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (9)

Ministry of Trade, Industry and Energy, "The management & operation guidelines for renewable energy portfolio standard," 2015.
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T. L. Kulova, V. A. T. skii, and A. M. Skundin, "The impedance of lithium-ion batteries," Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 45, No. 1, pp. 38-44, Feb. 2008.
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상세보기
L. R. Chen, S. L. Wu, D. T. Shieh, and T. R. Chen, "Sinusoidal-ripple-current charging strategy and optimal charging frequency study for li-ion batteries," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 1, pp. 88-97, Jan. 2013.

상세보기
A. Abdollahi, X. Han, G. V. Avvari, N. Raghunathan, B. Balasingam, K. R. Pattipati, and Y. Bar-Shalom, "Optimal battery charging, Part I: Minimizing time-to-charge, energy loss, and tempeature rise for OCV-resistance battery model," Journal of Power Sources, Vol. 303, pp. 388-398, Jan. 2016.

상세보기
J. H. Lee, S. H. Kim, T. H. Kim, S. H. Kim, and B. K. Kwon, "The impedance modeling of the lithium battery for BESS," Power Electronics Annual Conference, pp. 109-110, 2011.

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