[논문]PV-BESS 시스템의 적정 PCS, 배터리용량 산정에 따른 최적 운영에 관한 연구

최윤석; 나승유

doi:10.5370/kiee.2018.67.9.1174

PV-BESS 시스템의 적정 PCS, 배터리용량 산정에 따른 최적 운영에 관한 연구
A Study on the Optimal Operation According to Appropriate PCS and Battery Capacity Estimation of PV-BESS System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.9, 2018년, pp.1174 - 1180

최윤석 (Korea Electric Power Research Institute) , 나승유 (Dept. of Electronics and Computer Engineering, Chonnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In December 2017, the government announced plans to increase the current proportion of renewable energy from 7% to 20% by 2030 through a plan called the Renewable Energy 3020 Implementation Plan. Therefore, the demand for installation of photovoltaic(PV), wind turbine(WT) and battery energy storage system(BESS) is expected to increase. In particular, the system combined with energy storage system(ESS) is expected to take up a large portion since PV and WT can receive high renewable energy certificates(REC) weights when combined with ESS. In this study, we calculate the optimal capacity of the power conditioning system(PCS) and the BESS by comparing the economical efficiency and maximize the efficiency of the PV-BESS system in which the PV and the BESS are connected. By analyzing the system marginal price(SMP) and REC, it maximize profits through application of REC weight 5.0 and optimal charge-discharge scheduling according to the SMP changes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 PCS와 배터리의 적정 용량 산정과 함께 최적 운영 스케쥴링으로 PV-BESS 시스템의 효율을 높인다. 기존의 순차 충전 및 방전 방식에서의 효율을 올리고자 계통한계가격(System Marginal Price, 이하 SMP)를 분석하고 REC 가중치 5.

가설 설정

본 연구에서의 경제성 분석은 PV설치가 되어 있는 태양광 발전소에 BESS를 추가로 설치할 경우로 제한한다. PV 및 BESS의 설치 단가가 상황에 따라 편차가 크기 때문에 최소한의 변수만을 고려하여 경제성을 분석하고 BESS의 설치단가는 PCS 설치단가 40만원/kW, 배터리 설치단가 60만원/kWh 으로 가정한다[7].

제안 방법

ESS 충·방전 시간에 영향이 없도록 PCS용량을 배터리용량과 동일하게 하여 시뮬레이션을 한 후 적정 PCS용량 산정을 위하여 용량을 변경하였다.
REC 가중치 5.0을 부여받기 위한 BESS 충전 및 방전 시간을 기준으로 10시 이전의 A구간, 10와 16시 사이의 B 구간(BESS충전구간), 16시 이후의 C 구간(BESS 방전구간) 시간대로 구분하여 각각의 시간대에 맞는 최대 수익을 위한 SMP 연동 최적 충·방전 스케쥴링 방법을 제안한다.
본 연구는 PCS와 배터리의 적정 용량 산정과 함께 최적 운영 스케쥴링으로 PV-BESS 시스템의 효율을 높인다. 기존의 순차 충전 및 방전 방식에서의 효율을 올리고자 계통한계가격(System Marginal Price, 이하 SMP)를 분석하고 REC 가중치 5.0을 받기 위한 각 구간별 운영방식을 달리하는 방법으로 최고의 수익을 낼 수 있는 운영 스케쥴링 방법을 제안하여 시뮬레이션하고 최적 PCS 및 배터리 용량을 산정한다.
B 구간에서 SMP 판매와 REC 판매를 통해 수익이 발생하지만, REC 판매단가와 판매용량의 변동이 없으므로 일반 운영과 최적 운영 간 REC로 인한 수익 차이는 발생하지 않고, C구간에서의 수익은 SMP 판매, BESS 판매, REC 판매를 통해 발생하고 SMP와 REC의 판매단가와 판매량의 변동이 없으므로 두 운영 간 REC로 인한 수익 차이는 발생하지 않는다. 따라서 운영 방식에 따른 수익 비교는 B 구간에서는 SMP 판매 가격을 비교하였고, C구간에 서는 BESS 판매 가격을 비교하였다.
본 연구는 PV와 BESS가 연계된 PV-BESS 시스템에서 SMP와 REC를 분석하여 REC 가중치 5.0 적용과 SMP 가격 변동에 따른 최적의 BESS 충·방전 스케쥴링을 통해 수익을 최대로 끌어올리 고, PCS와 배터리의 용량별 경제성 비교를 통하여 적정 용량을 산정하여 PV-BESS 시스템의 효율을 극대화 한다.
일사량 예측은 여러 가지 방법으로 연구가 되어 있고[5],[6] 구글의 알파고와 같은 인공지능(AI)을 적용한다면 일사량 예측의 정확도가 상당한 수준에 이를 것으로 전망된다. 본 연구에서는 일사량예측에 관한 내용은 다루지 않으며, B구간에 대한 시뮬레이션은 일사량 예측을 전제로 한다.

성능/효과

6MW부터 수익 감소율이 점점 커진다. 0.7MW가 PCS 적정 용량이라고 판단되며 이 때 B 구간 및 C구간에서 발생하는 수익의 증가율은 각각 0.85%와 1.77%이다.
2017년도의 광주지역 일사량, SMP 및 REC를 반영하여 시뮬레이션 한 결과 B 구간과 C 구간에서 각각 수익이 증가하였다. PV 1MW의 태양광 발전소에 SMP가격 연동 최적 운영 스케쥴링 방법을 적용하여 경제성 평가한 결과 PCS 적정 용량은 700kW, 배터리 적정 용량은 3MWh으로 판단된다.
본 연구에서 사용된 PV-BESS 시스템은 부하와 연계하지 않고 독립된 시스템으로 부하가 없고 불필요한 환경변수를 완전히 배제함으로써 PV-BESS 연계 발전소에 적용하기 용이할 뿐만 아니라 향후 최적 운영 스케쥴링을 적용하여 테스트가 가능하여 직관적인 검증을 할 수 있다.
본 연구에서 제시하는 방법은 기존 설치된 PV 시스템에 BESS를 추가로 설치하거나 PV-BESS 시스템 전체를 신규로 설치하는 경우에 적용할 수 있으며, 기존 설치된 PV-BESS시스템에도 운영 소프트웨어에 최적 운영 스케쥴링만을 반영하여 수익을 올릴 수가 있다. 일반 운영에서 최적 운영으로 변경하는 것만의 수익 증가율은 낮으나, PV패널의 발전 효율은 20% 안팎으로 매우 낮은 편이고 1%를 올리기 위한 연구에는 긴 시간과 많은 노력을 필요로 하므로, 그에 비하면 운영 소프트웨어 수정만으로 수익을 올릴 수 있으므로 효율이 높다고 할 수 있다.

후속연구

0을 받기 위해서는 정해진 시간대 10시부터 16시 사이에 ESS를 충전하고 그 외 시간에 ESS 판매를 하여야 한다. PV-BESS 시스템에 대한 REC 가중치 5.0은 2019년도까지 연장되었고 향후에도 신재생에너지 발전 비중 달성을 위해 유지 또는 상향될 가능성이 높다고 할 수 있다.
본 연구에서의 경제성 분석은 PV설치가 되어 있는 태양광 발전소에 BESS를 추가로 설치할 경우로 제한한다. PV 및 BESS의 설치 단가가 상황에 따라 편차가 크기 때문에 최소한의 변수만을 고려하여 경제성을 분석하고 BESS의 설치단가는 PCS 설치단가 40만원/kW, 배터리 설치단가 60만원/kWh 으로 가정한다[7].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PV 발전시스템의 특징은 무엇인가?	태양 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 PV 발전시스템은 특성상 날씨 및 기상 상태에 따라 전력 생산량이 크게 영향을 받으며, 특히 흐린 날이나 우천 시에는 발전량이 0에 가깝다. 따라서 안정적이고 효율적인 시스템 운영을 위해 전력 생산량에 대한 예측이 필요하다.
	PV-BESS 시스템 경제성 평가의 중요한 요소는 무엇인가?	PV와 BESS는 효율이 높아지고 단가는 낮아지고 있지만 PV 와 BESS가 결합된 PV-BESS 시스템에서 BESS의 경쟁력은 낮은 편이며 높은 초기 비용으로 인해 경제성 확보에 어려움이 크다. 그러므로 BESS를 구성하고 있는 PCS (Power Conditioning System, 이하 PCS)와 배터리의 적정 용량은 PV-BESS 시스템에 대한 경제성 평가의 중요한 요소이다.
	태양광발전시스템의 에너지 생산량은 어떠한 요소들에 의해 영향을 받는가?	태양광발전시스템의 에너지 생산량은 태양광 패널 표면에 입사한 태양에너지(일사량)에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 대기권 내에서 일사량에 영향을 주는 요소들은 시간에 따른 고도와 방위각 등 태양의 위치와 강수여부, 운량 등과 같은 기상상태 등이다. 그림 6 2017년도 광주지역 시간대별 평균 일사량 Fig.

참고문헌 (12)

'Ministray of Trade, Industry & Energy', 'Korea Energy Agency', "2017 Energy Demand Management and New Regeneration Policy Presentation", 2017
'Ministray of Trade, Industry & Energy', "Extension of installation of energy storage device (ESS) in solar power plant", 2016
'Korea Energy Agency', 'INI R&C', "A Study on the Present State of Policies for Promoting ESS Expansion in Major Countries", 2017
'Korea Power Exchange', http://www.kpx.or.kr
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상세보기
Dok-Ki Jo, Young-Heack Kang, "A Study on the Solar Radiation Estimation of 16 Areas in Korea Using Cloud Cover", Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol .30, No. 4, pp. 15-21, 2010
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Seul-Ki Kim, Jong-Yul Kim, Kyeong-Hee Cho, Gil-Sung Byun, "Sizing and Economic Analysis of Battery Energy Storage System for Peak Shaving of High-Speed Railway Substations", KIEE Journal, Vol. 63, No. 1, pp. 27-34, 2014.
Eun Kyoung Gong, Jin-Man Sohn, "An Analysis of Optimal Operation Strategy of ESS to Minimize Electricity Charge Using Octave", KAIS Journal, Vol. 19, No. 4, pp. 85-92, 2018.
Wonjun Lee, Jaesung Jung, "Development of the Optimal Energy Storage System Charging/Discharging Scheduling Algorithm using Load and PV Generation Forecasting", KIEE Summer Conference, 2017.

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