[논문]태양광모듈과 리튬이온전지를 이용한 가동보용 친환경 전원공급장치의 설계 및 구현

강민관; 최성식; 남양현; 이후동; 박지현; 노대석

doi:10.5370/kiee.2018.67.2.186

태양광모듈과 리튬이온전지를 이용한 가동보용 친환경 전원공급장치의 설계 및 구현
Design and Implementation of Eco-friendly Power Supply System for Moveable-weir Using PV Module and Li-ion Battery 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.2, 2018년, pp.186 - 193

강민관 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education) , 최성식 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education) , 남양현 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education) , 이후동 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education) , 박지현 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education) , 노대석 (Dept. of Electrical and Engineering, Korea University of Technology and Education)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, it is difficult to operate moveable-weir due to the expensive cost of the facility management and manpower consumption. Also, when it is installed in a remote area, there is a problem that the cost of connection for power system increases as well as the operating cost. Therefore, this paper proposes an optimal design algorithm to replace an existing power system with an Eco-friendly power supply system for movable-weir using PCS, PV module and lithium-ion battery. Also, this paper proposes a modeling method of environment-friendly power supply system for a movable-weir based on the PSCAD/EMTDC S/W and implements 5[kW] prototype environment-friendly power supply system. As a result of the performance test using the S/W modeling and the prototype system, it is confirmed that the proposed system has stable characteristics in the independent operation mode and the interconnection mode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 가동보는 대부분 전력계통과 연계하여 사용하고 있으므로 오지에 설치되는 경우에는 전력계통 연계비용에 대한 부담이 증가하고, 운용비용도 상승하는 문제점이 발생되고있다. 따라서 본 논문에서는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 가동보(공압식)에 공급되는 기존의 전원을 태양광모듈과 리튬이온전지를 이용한 친환경 전원공급장치로 대체하기 위하여, 이장치의 최적 설계알고리즘과 리튬이온전지의 SOC(State of Charge) 평가 알고리즘을 제시하였다. 또한, 전력계통의 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 전원공급장치의 모델링을 수행하였고, 이를 바탕으로 5[kW]급 친환경 전원공급장치를 구현하였다.
한편, 가동보의 전원 공급방식은 대부분 전력계통에만 의존하여, 전력계통 접속비용과 운용비용이 증가하고, 전력계통에 사고가 발생할 경우 전원이 공급되지 않아, 제 역할을 수행하지 못해 큰 사회적 비용을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 공압식 가동보를 바탕으로 태양광모듈 및 리튬이온전지를 이용한 가동보용 친환경 전원공급장치를 제안하였다.
가동보는 대부분 전력계통과 연계하여 사용하고 있으므로 오지에 설치되는 경우에는 전력계통 연계비용에 대한 부담이 증가하고, 운용비용도 상승하는 문제점이 발생되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 가동보(공압식)에 공급되는 기존의 전원을 태양광모듈과 리튬이온전지를 이용한 친환경 전원공급장치를 제안하였으며, 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

가동보의 부하급변에 따른 전원장치용 PCS의 과도전압과 응답 특성을 확인하기 위하여, 부하를 정격(100%)에서 0%로 변동시키며 PCS의 출력특성을 분석하였다. 그림 7은 부하급변에 따른 PCS의 출력 전압과 전류를 나타낸 것으로서, 부하의 크기가 정격(100%)에서 0%로 변동하는 경우, PCS의 전압이 317[V]에서322[V]로 약 4.
또한, 이 방법은 내부 저항에 의하여 발생하는 전력손실을 고려하지 못하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전류의 변동분에 대한 오차를 줄이고, 전력손실에 대한 부분을 고려하기 위하여, 기존의 전류 누적이 아닌 전력량을 누적시키는 KWh-Counting법을 제안한다. 구체적으로, 일반적인 전지 등가모델에 대한 내부저항들을 하나의 등가저항으로 치환하고, 전지의 충·방전 모드전환에 따른 전압변동과 출력상태(C-rate)의 관계로부터 등가저항을 추정한다.
따라서 본 논문에서는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 가동보(공압식)에 공급되는 기존의 전원을 태양광모듈과 리튬이온전지를 이용한 친환경 전원공급장치로 대체하기 위하여, 이장치의 최적 설계알고리즘과 리튬이온전지의 SOC(State of Charge) 평가 알고리즘을 제시하였다. 또한, 전력계통의 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 전원공급장치의 모델링을 수행하였고, 이를 바탕으로 5[kW]급 친환경 전원공급장치를 구현하였다. 상기의 S/W모델링과 H/W장치를 이용하여 성능시험을 수행한 결과, 독립운전모드와 계통연계운전모드에서 안정적으로 운용되고 있음을 확인하였다.
상기에서 제안한 리튬이온전지의 SOC평가 알고리즘을 바탕으로 독립운전 모드에서 SOC특성 시험을 수행하였다. 여기서, 그림9(a)는 리튬이온전지의 초기상태를 나타낸 것으로서, 랙전압은229[V]이고, SOC는 67%를 기준값으로 한다.
전원공급장치의 독립운전모드로의 절체특성을 확인하기 위하여, 그림 5와 같이 PSCAD/EMTDC S/W를 이용하여 모드절체시PCS의 출력특성을 분석하였다. 여기서, 그림 5(a)는 가동보가 계통연계모드에서 운용되고 있는 동안 사고가 발생하는 경우, 전원 공급장치의 PCS가 가동보에 전원을 공급하기 위하여 독립운전모드로 절체하는 경우의 전압 및 전류파형을 나타낸 것으로서, 5ms 이내에 정격 출력으로 운용되고 있음을 알 수 있었다.

대상 데이터

가동보용 친환경 전원공급장치는 계통연계운전모드와 독립운전모드에서의 절체를 포함하여 DC에서 AC전력을 전압원으로 공급하는 전력변환장치(PCS)와 에너지원을 제공하는 태양광모듈, 그리고 이 에너지를 저장하는 리튬이온전지로 구성된다.
리튬이온전지는 표 3과 같이 리튬이온 배터리(18650셀)와 BMS(Battery Management System)로 구성하였다. 여기서, 리튬이온전지는 2.

이론/모형

기존의 Ah-Counting과 본 논문에서 제안한 KWhCounting법에 의한 전지의 충전상태 오차율을 비교하기 위하여, 200W 저항을 이용하여 실제 방전된 전력량을 기준값으로 산정하였다. 여기서, 200W 저항을 이용하여 리튬이온전지를 방전시킬 경우, 그림 8과 같이 전류 적산법(오차율 3%)에 비하여 제안한 방법(오차율 1%)의 오차율이 2% 정도 개선되어, 본 논문에서 제안한 SOC 평가알고리즘의 정확성을 확인하였다.

성능/효과

(1) 제안한 전원공급장치가 가동보에 전원을 공급하기 위하여독립운전모드로 절체하는 경우, 5ms 이내에 정격 출력으로 운용되고 있음을 확인하였고, 또한, 독립운전모드에서 계통연계모드로절체하는 경우에도 11ms 이내에 정상상태로 운용되고 있음을 확인하였다.
(2) 가동보의 부하급변에 따른 과도전압과 응답특성은 정격(100%)에서 0%로 변동시 전압이 317[V]에서 322[V]로 약 4.7%가 증가되어, 규정 변동범위 5%를 만족하고 있음을 확인하였다. 또한, 과도전압에 대한 응답속도는 16.
(3) 제안한 리튬이온전지의 SOC평가 알고리즘에 의하면 초기조건으로 랙전압은 229[V]이고, SOC는 67%를 기준값으로 하여, 독립운전모드로 764[W]급 모터부하로 1시간 동안 운전한 결과, 랙전압은 225[V]이고, SOC는 42%로 감소하였다. 따라서, SOC의 감소분인 25%를 환산하면 약 750[W]로 SOC평가 알고리즘의 유효성을 확인하였다.
(3) 제안한 리튬이온전지의 SOC평가 알고리즘에 의하면 초기조건으로 랙전압은 229[V]이고, SOC는 67%를 기준값으로 하여, 독립운전모드로 764[W]급 모터부하로 1시간 동안 운전한 결과, 랙전압은 225[V]이고, SOC는 42%로 감소하였다. 따라서, SOC의 감소분인 25%를 환산하면 약 750[W]로 SOC평가 알고리즘의 유효성을 확인하였다.
7%가 증가되어, 규정 변동범위 5%를 만족하고 있음을 확인하였다. 또한, 과도전압에 대한 응답속도는 16.6 ms로 규정치인 50 ms 미만을 만족하여, 급격한 부하 변동에도 전원공급장치용 PCS가 정상적으로 운용됨을 확인하였다.
7%가 증가되어, 규정과도전압 변동범위 5%를 만족하고 있음을 확인하였다. 또한, 이때의 과도전압에 대한 응답속도는 16.6ms로 규정치인 50ms 미만을 만족하여, 급격한 부하 변동에도 전원공급장치용 PCS가 정상적으로 운용됨을 확인하였다.
또한, 전력계통의 상용해석프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 전원공급장치의 모델링을 수행하였고, 이를 바탕으로 5[kW]급 친환경 전원공급장치를 구현하였다. 상기의 S/W모델링과 H/W장치를 이용하여 성능시험을 수행한 결과, 독립운전모드와 계통연계운전모드에서 안정적으로 운용되고 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가동보의 어떤 특성으로 가동보 및 주변기기의 소비전력을 고려하여 전원 공급장치의 용량을 산정하여야 하는가?	가동보는 연중 하절기에 빈번하게 가동하는 특성을 가지고 있다. 따라서 가동보 및 주변기기의 소비전력을 고려하여 태양광모듈, 리튬이온전지 그리고 PCS를 포함한 전원공급장치의 용량을 산정하여야 한다.
	가동보는 무엇인가?	가동보는 각종 용수의 취수와 하천의 수위조절, 조수의 역류를 방지하기 위해 설치되는 대표적인 구조물로서, 현재 가장 많이 사용되고 있는 유압식 가동보는 유압의 힘을 발휘하여 최적의 구동력을 갖고 있다. 하지만, 유압식 가동보는 잦은 고장으로 인하여 많은 유지관리 비용이 발생하고, 유압 오일의 누수로 인하여 수질오염이 발생할 수 있다.
	유압식 가동보의 단점은 무엇인가?	가동보는 각종 용수의 취수와 하천의 수위조절, 조수의 역류를 방지하기 위해 설치되는 대표적인 구조물로서, 현재 가장 많이 사용되고 있는 유압식 가동보는 유압의 힘을 발휘하여 최적의 구동력을 갖고 있다. 하지만, 유압식 가동보는 잦은 고장으로 인하여 많은 유지관리 비용이 발생하고, 유압 오일의 누수로 인하여 수질오염이 발생할 수 있다. 한편, 가동보의 전원 공급방식은 대부분 전력계통에만 의존하여, 전력계통 접속비용과 운용비용이 증가하고, 전력계통에 사고가 발생할 경우 전원이 공급되지 않아, 제 역할을 수행하지 못해 큰 사회적 비용을 야기시킬 수 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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