[논문]독립형 신재생발전 시스템의 효율적인 운영을 위한 배터리 용량산정에 관한 연구

신희상; 허재선; 윤상윤

doi:10.5370/kieep.2018.67.1.015

독립형 신재생발전 시스템의 효율적인 운영을 위한 배터리 용량산정에 관한 연구
A Study on Sizing of Battery for Effective Operation of Stand-alone Renewable Generation System 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.1, 2018년, pp.15 - 20

신희상 (Korean Intellectual Property Office) , 허재선 (Hyosung Power & Industrial systems Research Center) , 윤상윤 (Department of Electrical Engineering Chonnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the method of ESS energy capacity calculation for stand-alone renewable energy generation system consisting of photovoltaic energy. There is almost no power from photovoltaic system during sunless days. So this source is very weak in terms of the power supply reliability. To improve problem of power supply, battery is mainly used Energy Storage System(ESS). The number of sunless days and Depth of Discharge(DOD) is important factor to determine energy capacity of battery. However, a many study for economical design is required due to the high cost of ESS. In this paper, we propose the new method of ESS energy capacity calculation by applying different DOD for operation with and without sun. We determine the Battery capacity using higher DOD of operation during sunless day than the DOD of the normal operation. And we carried out an economic analysis of the calculation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 독립형 태양광-ESS 발전시스템의 안정적인 운영을 위한 ESS의 용량을 산정하기 위한 논문이다. 태양광설비는 부조일에 민감한 전력생산 패턴을 갖고 있으며 발전시스템 구성시 중요하게 고려되어야 한다.
본 논문에서는 정상운전 시와 부조일 운전 시 다른 방전심도를 적용하여 용량산정하는 방안을 제안한다. 정상운전시에 비해 높은 방전심도를 통해 부조일 운전시의 필요한 ESS의 용량을 산정하고 산정된 ESS의 경제성을 검토하였다.
따라서 정상일과 부조일의 용량산정을 동일한 방전심도를 적용하는 것은 비효율적이다. 본 논문에서는 정상일에 대한 방전심도와 부조일에 대한 방전심도를 분리하여 용량을 산정하고자 한다. 식(3)은 본 논문에서 제안하는 ESS 용량 산정식이다.
본 논문에서는 주전원이 태양광으로 구성된 독립형 발전시스템에서 안정적인 전력공급을 위한 ESS의 용량을 결정하는 방안을 제시한다. 앞서 언급했듯이 태양광 발전시스템의 구성에서 부조일은 ESS의 용량을 설계하는 단계에서 매우 중요한 부분을 차지한다.
참고문헌 [7]에서는 5년간 시스템 운영비용을 부조일수에 따른 결과를 비교하여 검토하였다. 본 논문에서는 참고문헌 [7]의 시스템 운영비용 산출 방식을 활용하여 4일의 부조일수에 대한 시스템 운영비용 및 ESS의 수명을 산출하여 경제성을 검토하였다. 참고문헌 [7]을 바탕으로 다음과 같이 시스템의 운영을 가정하였다.
앞선 용량 산정식의 불합리적 조건을 보완하고 경제적인 ESS의 용량을 산출하기 위해 본 논문에서는 정상운전과 부조일 운전에 대해 다른 방전심도를 적용하여 ESS의 용량을 산정하고자 한다. 부조일의 운전과 정상운전의 빈도는 표 1에서 보는 것과 같이 약 2배 이상 차이가 난다.
결국 독립형 태양광-ESS 발전시스템의 구성은 부조일과 ESS의 방전심도를 고려한 설계가 필요하다. 이러한 이유로 본 논문에서는 기존의 연구에서의 불합리적인 부분을 개선하고 경제적인 ESS 설계를 위한 ESS의 용량 산정식을 제안하였다. 기존의 방전심도를 정상운전과 부조일 운전을 동일하게 적용한 기존의 연구로부터 연중 부조일 운전의 빈도가 낮은 점에 착안하여 부조일 운전의 방전심도를 정상운전보다 크게 설정하는 방식을 채택하였다.

가설 설정

여기서 LCF(d)는 방전심도에 따른 수명(cycle)을 나타낸다. 년간 부조일수와 고려한 부조일수는 각각 77일과 4일로 가정하여 산출하였다. ESS의 수명은 ALD의 역수이다.

제안 방법

(1) 정상운전시, 낮에 ESS를 충전하고 태양전지의 발전이 없을 때 방전하여 하루 1회 충,방전을 시행.
그리고 둘째 항은 1일 누적부하량과 방전심도, 충·방전 효율을 고려하여 산출하였다.
그리고 참고문헌 [7]의 운전비용 산정식을 활용하여 5년 운영에 대한 비용을 검토하였다. 분석결과 시스템 총비용은 제안한 방안이 기존의 방안에 비해 약 8.
기존의 ESS 용량 산정식과 본 논문에서 제안하는 ESS용량 산정식을 비교하기 위해 동일한 조건의 사례계통을 참고문헌 [7]을 활용하여 구성하고 사례계통의 발전시스템 운영방안을 정리한다. 표 2는 독립가구에서 사용할 수 있는 일반적인 전기기구들에 대해 월 소비전력량을 나타낸 것이다[7].
이러한 이유로 본 논문에서는 기존의 연구에서의 불합리적인 부분을 개선하고 경제적인 ESS 설계를 위한 ESS의 용량 산정식을 제안하였다. 기존의 방전심도를 정상운전과 부조일 운전을 동일하게 적용한 기존의 연구로부터 연중 부조일 운전의 빈도가 낮은 점에 착안하여 부조일 운전의 방전심도를 정상운전보다 크게 설정하는 방식을 채택하였다. 그 결과 ESS의 용량은 기존방안에 비해 약 4% 감소된 220[Ah]로 산출되었다.
그리고 참고문헌[8]은 태양광의 출력과 실부하의 패턴을 활용하였다. 잉여전력과 부족전력의 비교를 통해 정상운전 시에 필요한 배터리의 용량을 산정하고 1일 평균 누적부하량을 활용하여 부조일시 필요한 배터리의 용량을 산출하였다. 부조일시에도 정상운전과 동일한 방전심도(DOD : Depth of Discharge)를 고려하여 용량이 산정되었다.
본 논문에서는 정상운전 시와 부조일 운전 시 다른 방전심도를 적용하여 용량산정하는 방안을 제안한다. 정상운전시에 비해 높은 방전심도를 통해 부조일 운전시의 필요한 ESS의 용량을 산정하고 산정된 ESS의 경제성을 검토하였다. 논문의 구성은 2장에서는 독립형 태양광-ESS 발전시스템의 구성을 설명하고 부조일과 배터리의 방전심도가 시스템 설계에 미치는 영향을 정리하였다.

이론/모형

그리고 ESS의 수명산출을 위해 참고문헌 [11]의 ALD 계산식을 활용하여 식 (4)와 같이 적용하였다. 여기서 LCF(d)는 방전심도에 따른 수명(cycle)을 나타낸다.

성능/효과

(2) 부조일 운전시, 부조일인 4일 동안에 비상용 발전기를 사용하지 않고 ESS는 부조일방전심도(de)까지 방전가능하고 de에 도달하면 ESS의 방전을 정지하고 비상용발전기를 통해 전력을 공급한다.
4.1절의 결과에서 제안한 식의 결과는 기존의 용량 산정식의 결과보다 적은 용량을 도출했다. 하지만 2.
기존의 방전심도를 정상운전과 부조일 운전을 동일하게 적용한 기존의 연구로부터 연중 부조일 운전의 빈도가 낮은 점에 착안하여 부조일 운전의 방전심도를 정상운전보다 크게 설정하는 방식을 채택하였다. 그 결과 ESS의 용량은 기존방안에 비해 약 4% 감소된 220[Ah]로 산출되었다.
그리고 참고문헌 [7]의 운전비용 산정식을 활용하여 5년 운영에 대한 비용을 검토하였다. 분석결과 시스템 총비용은 제안한 방안이 기존의 방안에 비해 약 8.4%의 절감 효과를 보였다. 반면에 수명은 약 6% 단축되는 것으로 도출되었다.
ESS의 수명은 ALD의 역수이다. 시스템 총비용은 제안한 방안이 기존의 방안에 비해 약 8.4%의 절감 효과를 보였다. 반면에 수명은 약 6% 단축되는 것으로 도출되었다.

후속연구

ESS의 특성과 가격에 따라 본 논문과 다른 결과를 도출할 수도 있다. 또한 설계방향에 따라 ESS의 수명을 더 중요하게 고려해야 할 경우도 존재할 것이다. 하지만 정상운전과 다른 방전심도를 고려하여 설계하고 부조일에 대한 운영 전략을 수립하는 것은 충분히 활용할 가치가 있다고 사료된다.
하지만 정상운전과 다른 방전심도를 고려하여 설계하고 부조일에 대한 운영 전략을 수립하는 것은 충분히 활용할 가치가 있다고 사료된다. 향후 연구에서는 ESS의 특성과 가격의 변동, 운전방전심도를 고려한 최적 설계에 대한 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비상용 소형발전기는 무엇인가?	그리고 신재생전원의 출력이 공급해야 부하의 크기보다 적을 경우 ESS에 충전된 전력을 부하에 공급하여 전력수급의 평형을 유지한다. 비상용 소형발전기는 부조일 및 무풍일과 같은 전력생산이 없고 ESS에 충전된 전력이 모두 방전되었을 경우와 같은 유사시에 부족한 전력을 공급하기 위한 비상용 설비이다.
	태양광과 풍력에너지가 갖는 한계점은 무엇인가?	국내에서도 정부주도하에 가파도를 시작으로 가사도, 울릉도와 같은 도서지역에 에너지 자립섬 프로젝트가 진행 중이다. 하지만 태양광과 풍력에너지는 주변 기후조건의 영향을 많이 받기 때문에 출력의 간헐성과 예측의 어려움이 단점으로 지적되고 있다[1-3]. 특히 태양광에너지의 경우 부조일이 발생하게 되면 전력생산이 거의 없기 때문에 전력공급의 신뢰도 측면에서 매우 취약하다고 할 수 있겠다[4, 5].
	수용가에 전력공급을 위한 태양광 설비의 용량을 결정하기 위해 선행되어야 하는것은?	독립형 태양광-ESS 발전시스템을 구성함에 있어서 가장 선행되어야 할 것은 수용가의 계절별, 시간별 사용전력의 패턴 분석뿐만 아니라, 태양전지의 용량 산정을 위한 일사량, 온도를 조사하고 분석하는 것이다[8]. 이를 통해 수용가에 전력공급을 위한 태양광 설비의 용량을 결정하게 된다.

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