[논문]수용가 대응용 태양광 ESS 피크컷(Peak-cut) 시뮬레이션 모델

박성현; 이기현; 정명석; 채우리; 이주연

doi:10.14400/jdc.2019.17.7.131

수용가 대응용 태양광 ESS 피크컷(Peak-cut) 시뮬레이션 모델
Solar ESS Peak-cut Simulation Model for Customer 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.17 no.7, 2019년, pp.131 - 138

박성현 (아주대학교 산업공학과) , 이기현 (아주대학교 산업공학과) , 정명석 (아주대학교 산업공학과) , 채우리 (아주대학교 산업공학과) , 이주연 (아주대학교 산업공학과)

초록
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전 세계 전력 생산 에너지의 비율은 석탄이 40%, 천연가스 20%, 수력 16%, 원자력 15%, 석유 6%로 모두가 환경오염을 유발하는 에너지다. 또한 화석연료는 지구상에 자원의 편중이 심하기 때문에 가격과 공급면에서 심각한 문제를 야기한다. 이러한 문제로 화석 연료를 대체하게 될 차세대 친환경 에너지로써 태양광 에너지가 각광 받고 있다. 이에 본 연구에서는 국내 공단에 Test-Bed를 선정하여 수용가의 대응용 태양광 ESS 시스템 적용함에 있어 Peak-cut 운영을 위한 Charge Operation Plan과 Discharge Operation Plan 운영방안을 최대수요전력 감소 시뮬레이션을 통해 검증하고자 한다. 이를 위해 전력사용량이 가장 많은 11월부터 2월의 전력사용량을 선정하여 Charge/Discharge Logic을 적용했다. 본 논문에서 제시한 충전/방전 로직에 따른 시뮬레이션 결과, ESS Peak-cut 서비스 이후의 최대수요전력이 감소하였으며 Peak-target 전력의 50%로 감소함에 따라 계약전력 또한 감소함을 알 수 있다. 이를 통해 계약전력 감소는 해당 수용가의 기본 전력 값을 감소시켜, 경제적 우월성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 전기품질 향상 및 전력공급시스템의 안정화에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The world's electricity production ratio is 40% for coal, 20% for natural gas, 16% for hydroelectric power, 15% for nuclear power and 6% for petroleum. Fossil fuels also cause serious problems in terms of price and supply because of the high concentration of resources on the earth. Solar energy is attracting attention as a next-generation eco-friendly energy that will replace fossil fuels with these problems. In this study, we test the charge-operation plan and the discharge operation plan for peak-cut operation by applying the maximum power demand reduction simulation. To do this, we selected the electricity usage from November to February, which has the largest amount of power usage, and applied charge / discharge logic. Simulation results show that the contract power decreases as the peak demand power after the ESS Peak-cut service is reduced to 50% of the peak-target power. As a result, the contract power reduction can reduce the basic power value of the customer and not only the economic superiority can be expected, but also contribute to the improvement of the electric quality and stabilization of the power supply system.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Monthly power consumption
표 Table 1. Current month Maximum demand
그림 Fig. 2. Daily Power Consumption
그림 Fig. 3. Consumed energy per hour
그림 Fig. 4. Charge operation plan
그림 Fig. 5. Discharge operation plan
표 Table 2. Charge logic
표 Table 3. Discharge logic
그림 Fig. 6. February simulation results
표 Table 4. February simulation results

AI 본문요약
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문제 정의

본 방법론에서는 최대수요전력량을 활용하여 충전/방전 운전방안과 PV+ESS 피크컷 서비스를 통해 피크컷 서비스를 적용하기 전과 후 얼마만큼의 전기사용량의 절감효과가 있는지 비교하여 파악해보고자 한다.
이를 위해 태양광 전력저장 ESS 서비스를 위한 전력 저장장치의 경제성 있는 계약전력 감소 제시와, 신재생 등 녹색에너지 설치 확산, 전력 수요 급증 등 전기에너지를 둘러싼 전력수급의 장기적 안정성 확보 대책을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 기존의 연구의 결과물들을 바탕으로 TestBed의 실제 데이터들을 사용하여 수용가가 전력 사용에 있어 목표전력을 초과하지 않도록 태양광 발전을 통해 전기를 공급하여 Peak-cut제도를 운영하는 시뮬레이션을 수행해보고자 한다[14,15].

제안 방법

Peak-target의 설정 값을 달성하기 위해선 최대전력 사용량이 2017년 기준 113kW를 넘어가지 않고 이에 시간당 최대 113kW이상 사용될 것으로 확인될 때 충·방전 운전방안에 따라 배터리에 저장된 전력을 수용가로 공급하여 Peak-cut 운영을 했다.
본 연구에서는 1개 공장에서의 실제 전력 사용량 데이터를 수집하고 충전/방전 로직을 적용하여 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 모델인 Charge Operation과 Discharge Operation을 통해 Peak-target을 달성할 수 있다는 결과와 계약전력 또한 감소하는 결과를 확인할 수 있었다.
5와 같다. 부하별 상태와 SOC 상태를 체크하며 EMS 운전을 진행 한다. 수요전력이 Peak-target보다 높을 경우 ESS에서 방전을 해주며, 그렇지 않은 경우 대기명령을 내린다.
최대전력사용량을 감소시키는 것을 목표로 Peak-cut을 운영하는 시뮬레이션을 하기 위하여 가장 열악한 조건인 전력사용량이 가장 많은 11월,12월, 1월, 2월과 일사량이 낮아 PV 발전량이 낮은 12월, 1월, 2월로 시뮬레이션을 운영하였다. 시뮬레이션은 Peak-cut을 운영하기 위하여 충전/방전의 로직으로 두 가지의 운영으로 구성하였다.
실제 태양광발전 및 ESS 시스템을 통하여 수용가를 대상으로 Peak-cut 서비스를 활용한 PV+ESS 발전 사업을 하는데 있어, Peak-cut 서비스를 통한 경제성효과(ESS 서비스 전후 비교) 비교분석을 실시하여 가장 알맞은 Peak-cut운영 모델을 제시한다.
Kim, Kwon, Choi, Paik and Kim[11]은 비상전원 기능을 하는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제어하기 위한 PCS의 제어 기술을 연구하였다. 이 연구에서 급속 모드 전환 알고리즘을 제안하고 양방향 DC-DC컨버터 기능을 제안하였다.
Park, Kim, Le Dinh Vuong,, Park and Yu[10]은 무효전력, 불평형 전류 보상 기능을 갖는 태양광 전력변환장치의 설계에 대해 연구하였다. 전력변환장치에 무효 전력, 불평형 전류를 보상하는 알고리즘을 적용하였고 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다.
최대전력사용량을 감소시키는 것을 목표로 Peak-cut을 운영하는 시뮬레이션을 하기 위하여 가장 열악한 조건인 전력사용량이 가장 많은 11월,12월, 1월, 2월과 일사량이 낮아 PV 발전량이 낮은 12월, 1월, 2월로 시뮬레이션을 운영하였다. 시뮬레이션은 Peak-cut을 운영하기 위하여 충전/방전의 로직으로 두 가지의 운영으로 구성하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 태양광(PV) 모듈 배치용량을 299.2kW(40Wp x 880장)으로 하고 배터리는 1MW 고정형 전지로서, 방전률 0.25 - 0.5급, 시스템 입출력 효율 95%이상, 컨테이너 수용형, 환경유지 전력손실 2%이내, 보증수명 10년(성능저하률 10%이내)의 전지를 적용했다.
본 연구에서는 국내 TestBed로 선정된 김해시의 공업 단지의 실제 공장에서의 전력사용량 2017년 1월부터 12월까지의 전력 데이터를 활용하여 연구를 진행하였다. TestBed로 선정된 공장의 경우 계약전력 280kW, 산업용(을) 고압A, 선택II, 공급방식으로는 특고압 3P4W 22.
0kV-y이다. 연구에 사용할 전력 데이터는 한국 전력 공사에서 운영하는 전력포털 서비스인 I-smart에서 수집하였으며 일사량 데이터는 기상자료개방포털에서 수집하였다.

성능/효과

Table. 1.은 Fig. 1의 2017년 중 월별 가장 높은 수요전력의 일시를 나타낸 표이며, 대부분 오전 9시가 최대수요전력이 가장 높으며, 이는 기계를 예열하기 위해 오전 9시가 가장 높은 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 1개 공장에서의 실제 전력 사용량 데이터를 수집하고 충전/방전 로직을 적용하여 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 시뮬레이션 모델인 Charge Operation과 Discharge Operation을 통해 Peak-target을 달성할 수 있다는 결과와 계약전력 또한 감소하는 결과를 확인할 수 있었다. 피크 시간 전기 사용량이 점점 늘어나며 예비 전력이 부족해지고 있는 시점에, 수용가에 ESS Peak-cut 서비스를 통한 계약전력 감소는 해당 수용가의 기본 전력 값을 감소시켜, 경제적 우월성을 기대할 수 있을 뿐만 아니라 전기품질 향상 및 전력공급시스템의안정화에도 기여할 수 있다.
이를 통해 113kW 이상의 전력사용에 경우 태양광을 통해 저장된 전력으로 ‘Peak-cut’ 운영이 가능하다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 수용가의 최대수요전력인 226.52kw에서 50%의 Peak-target으로 설정한 113kw로 감소시켰으며 본 논문의 목적인 계약전력 또한 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
Table 4에서 ESS Peak-cut 서비스 전의 값과 ESS Peak-cut 서비스 후의 값을 비교해보면, ESS Peak-cut 서비스 전 113kW 이상인 최대수요전력들이 서비스 후 113kW로 최대수요전력이 감소한 것을 알 수 있으며, 서비스 전 최대수요전력이 113kW가 넘지 않는 값들은, 그대로인 것을 확인할 수 있다. 또한 Peak-cut 서비스를 위하여 ESS에서 수용가로 최대한 방전한 날은 15일로써 서비스 전 최대수요전력인 224.72kW의 값을 Peakcut 서비스 후 113kW로 절감시키기 위하여, ESS에서 800.25kW를 방전했음을 알 수 있다.
수용가 별 전력사용량을 분석해보면 겨울에 많은 전력 소비가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 공정의 제품 생산량과는 별개로 난방 유틸리티 사용 및 기계 장비에 예열 작업이 전력사용량과 높은 상관관계를 나타내고 있음을 확인하였다. 일사량을 분석해보면 겨울이 가장 낮은데, 이는 하루 중 낮의 길이가 가장 짧으며, 일반적으로 날씨가 흐리고 눈이 올 경우, 태양광 패널을 눈이 덮기 때문에 발전량이 낮아진 것을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 단수수용가의 특성상 비교할 수 있는 데이터의 양이 상대적으로 부족하였으며, ESS를 통해 공급되는 전력외의 축적되는 태양광 전기량에 대한 분석이 필요하다. 따라서 추후 연구에서는 복수수용가로 다수의 공장에서 소모되는 전력 데이터와 공급량을 제외한 축적 태양광 전기량에 대한 데이터를 추가 분석할 예정이며, 이를 통해 다양한 수용가들의 부하 특성을 고려한 배터리 용량과 태양전지 용량에 대한 정보 분석과 SMP와 REC를 통한 경제성 분석도 가능할 것으로 기대한다.
본 연구에서는 단수수용가의 특성상 비교할 수 있는 데이터의 양이 상대적으로 부족하였으며, ESS를 통해 공급되는 전력외의 축적되는 태양광 전기량에 대한 분석이 필요하다. 따라서 추후 연구에서는 복수수용가로 다수의 공장에서 소모되는 전력 데이터와 공급량을 제외한 축적 태양광 전기량에 대한 데이터를 추가 분석할 예정이며, 이를 통해 다양한 수용가들의 부하 특성을 고려한 배터리 용량과 태양전지 용량에 대한 정보 분석과 SMP와 REC를 통한 경제성 분석도 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESS의 장점은?	ESS는 잉여 에너지를 저장하여 사용자가 필요로 할 때나 전력소모가 많을 때 사용할 수 있어, 전력소모를 통해 발생하는 비용을 줄여준다. 신재생에너지인 풍력발전이나 태양광만으로는 기후나 지역, 날씨 등에 영향을 받아 전력공급이 일정하지 못하거나 부족할 수 있으므로 ESS와 함께 활용한다면 일정한 전력 공급을 유지할 수 있다.
	매크로 그리드로 통칭되는 기존의 전력공급방식은 무엇으로 사용되는가?	매크로 그리드로 통칭되는 기존의 전력공급방식은 등가 상으로 볼 때. 발전원과 부하가 전력망의 선로를 중심으로 서로 양단에 배치되어 있어 선로는 전력을 전송하는 통로로 쓰이고 있다. 그러나 장거리 전력 전송으로 부하 말단에서 사용하는 재래식 전송망 즉 대전력망은 손실과 품질저하, 고장의 광범위한 파급으로 인한 대규모 정전 등 많은 부작용에 시달려 오고 있다.
	매크로 그리드가 장거리 전력 전송 시 가지는 단점은?	발전원과 부하가 전력망의 선로를 중심으로 서로 양단에 배치되어 있어 선로는 전력을 전송하는 통로로 쓰이고 있다. 그러나 장거리 전력 전송으로 부하 말단에서 사용하는 재래식 전송망 즉 대전력망은 손실과 품질저하, 고장의 광범위한 파급으로 인한 대규모 정전 등 많은 부작용에 시달려 오고 있다. 이렇게, 기존 전력망에서의 공급전력 품질문제는 소규모의 전력품질 데이터만으로 판단하는 매우 한정된 조건 속에 갇혀 있다[1].

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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