[논문]제로에너지건물 구축을 위한 PV + ESS 액티브 시스템의 최적운영개발에 관한 연구

우성민; 문진철; 안종욱; 김용하

doi:10.7836/kses.2019.39.5.053

제로에너지건물 구축을 위한 PV + ESS 액티브 시스템의 최적운영개발에 관한 연구
The Study of Optimal Operation Development of PV + ESS Active System for Zero Energy Building 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.5, 2019년, pp.53 - 63

우성민 (충북테크노파크 차세대에너지센터) , 문진철 (충북테크노파크 차세대에너지센터) , 안종욱 (가천대학교 에너지IT학과) , 김용하 (인천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper in order to efficiently operate zero energy buildings developed a methodology for optimal operation of PV + ESS active systems. This program consists of three steps. First step is PV optimal operation and second step is PV + ESS optimal operation. Third step is the analysis of the results by PV + ESS optimal operation. The optimal operation of PV + ESS was calculated by using Dynamic Programming (DP). Therefore, the optimal capacity and operating plan of PV + ESS in this study are calculated for electric load at building. This paper conducted case study to verify the validity of the developed algorithm. Also, the sensitivity analysis analyzed the effect of each variable on the optimal operation.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Flow chart for PV optimal operation
그림 Fig. 2 Load variation curve by PV operating combination
그림 Fig. 3 Flow chart for PV + ESS optimal operation
그림 Fig. 4 ESS operation by charge and discharge considering state and stage
그림 Fig. 5 The optimal path search
그림 Fig. 6 Analysis of Results by PV + ESS Optimal Operation
그림 Fig. 7 Power load variation curve of case study
표 Table 1 PV input data
표 Table 2 ESS input data (1)
그림 Fig. 8 The result analysis of demand by season
그림 Fig. 9 Saving rate of electric cost of PV + ESS optimal operation by season
표 Table 3 ESS input data (2)
그림 Fig. 10 Rate of change for electric cost and payback period by sensitivity analysis
그림 Fig. 11 Correlation of payback period and PV + ESS capacity

AI 본문요약
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문제 정의

PV+ESS의 운용에 영향을 미치는 Parameter에 대한 감도해석(Sensitivity Analysis)을 수행하여 향후 PV + ESS운용에 대한 유효한 정책적인 대책을 수립하기 위한 기초적인 정보를 제공하도록 하였다.
PV의 최적운전의 목적함수는 전기요금 최소화로 PV에서 생산된 전력 중 얼마를 수용가가 자가소비하고 어느 정도를 역송하는 것이 전기요금 최소가 되는지 Fig. 1과 같이 계산하였다.
본 연구를 통해서 PV와 ESS의 설치용량 산정을 전력단가 측면에서 사례분석을 기반으로 최적운전 알고리즘을 제시하였다. 이때, ESS용량 대비 PV 용량은 2:1 ~ 3:1에서 경제성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에는 PV + ESS의 운용에 영향을 미치는 Parameter에 대한 감도해석(Sensitivity Analysis)을 수행하여 향후 PV + ESS운용에 대한 유효한 정책적인 대책을 수립하기 위한 기초적인 정보를 제공하도록 하였다.
본 연구에서는 제로에너지건물에 액티브시스템의 효율적 운영을 위하여 PV+ESS의 최적운전 알고리즘을 개발하였다. 이때, 최적화기법으로는 DP를 적용하였으며, 본 연구에서 개발한 PV 와 ESS의 융복합 운용시 PV 와 ESS를 최적으로 운용하고자 1단계 PV 최적화, 2단계 PV + ESS 최적화, 3단계 최적운용으로 구분하여 결과를 정량적으로 분석하였다.
본 연구의 타당성을 입증하기 위해서 사례연구를 구성하여 운영결과를 도출하였다. PV 단독운전에 비하여 PV+ESS 융복합 운전의 전기요금이 절감되는 장점이 있으나, 경제성이 떨지는 것을 알 수 있다.
이에 본 연구에서는 국내환경을 반영하여 PV + ESS의를 최적으로 운용할 수 있도록 동적상태를 고려한 프로그램을 개발 하였다. 이를 통해서 적정 설비용량 및 운용방안을 검토하였으며, 민감도 분석을 통해 각 변수에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

3. 사례연구 본 연구에서는 Fig. 7과 같이 A수용가의 계절별인 봄(4월), 여름(7월), 가을(10월), 겨울(1월)의 대표부하 대하여 주간 168시간 단위로 결과를 분석하였다. 월의 주간대표부하는 해당월 4주의 각 요일마다의 시간대별 부하의 평균부하[kW]를 구하여 사용하였다.
따라서 Fig . 5와 같이 최종적으로 계산된 수익경로 중 수익최대화인 경로를 Backward로 탐색하여 가장 경제적인 경로를 도출하였다.
1단계에서는 ESS 최적운전 결정을 위한 DP 초기조건을 설정하였다. STATE의 개수는 ESS용량[kWh]/ ESS충전 RATE[kWh/hr]로 산정하고, ESS 충전 RATE[kWh/hr]을 DP의 격자점 간격으로 하였다.
감도해석의 대상은 ① 전기요금의 변화, ② PV 설치단가의 변화, ③ REC 가격의 변화, ④ ESS 설치단가를 변화시켜 전기요금 절감율과 투자회수기간에 미치는 요인을 분석하였다. 모든 금액의 변화는 현재의 금액을 기준으로 ±5[%] 씩 조절하여 Fig.
따라서 4단계에서는 3단계에서 계산된 금액에서 2단계에서 계산된 역송비용[천원]을 제외하여 총 소요되는 전기요금[천원]을 각 조합별로 계산하고, 각 시간대별 전기요금[천원]을 순서대로 나열하고 전기요금이 최소가 되는 시점을 도출하였다.
본 연구에서 개발한 PV 와 ESS의 융복합 운용시 최적으로 운용하기 위해 동적계획법(DP ; Dynamic Programming)을 이용하여 1단계 PV 최적화, 2단계 PV + ESS 최적화, 3단계 최적운용에 의한 결과의 분석으로 구성하였다.
7과 같이 A수용가의 계절별인 봄(4월), 여름(7월), 가을(10월), 겨울(1월)의 대표부하 대하여 주간 168시간 단위로 결과를 분석하였다. 월의 주간대표부하는 해당월 4주의 각 요일마다의 시간대별 부하의 평균부하[kW]를 구하여 사용하였다.
3단계에서는 각 시간대 t=1의 전력사용량(1,S)로부터 시간대 t=2의 상태인(2,S)로 천이하는데 변동하는 전력부하로부터 ESS의 충방전 상태를 도출하였다. 이때, ESS 운용이 불가능한 State에 비용을 BIG값을 주어 Feasible region을 제거하여 계산효율을 향상시켰다. Fig.
본 연구에서는 제로에너지건물에 액티브시스템의 효율적 운영을 위하여 PV+ESS의 최적운전 알고리즘을 개발하였다. 이때, 최적화기법으로는 DP를 적용하였으며, 본 연구에서 개발한 PV 와 ESS의 융복합 운용시 PV 와 ESS를 최적으로 운용하고자 1단계 PV 최적화, 2단계 PV + ESS 최적화, 3단계 최적운용으로 구분하여 결과를 정량적으로 분석하였다.
이에 본 연구에서는 국내환경을 반영하여 PV + ESS의를 최적으로 운용할 수 있도록 동적상태를 고려한 프로그램을 개발 하였다. 이를 통해서 적정 설비용량 및 운용방안을 검토하였으며, 민감도 분석을 통해 각 변수에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에는 PV + ESS의 운용에 필요한 Data로서의 입력 데이터를 Tables 1, 2, 3과 같이 구성하였다.

이론/모형

우선, PV최적 구성을 위해 동적계획법(이하 DP)의 Stage는 시간[h]으로 하였으며, State는 전기용량[kW]으로 구성하였다.

성능/효과

사례연구의 결과 투자회수기간이 약 5년 정도로 결정되는 PV 용량과 ESS의 용량은 계절별로 다소 상이하게 도출되었다. 이는 부하패턴에 따라서 PV 및 ESS 용량에 따른 운전효과가 달라지기 때문이다.
본 연구를 통해서 PV와 ESS의 설치용량 산정을 전력단가 측면에서 사례분석을 기반으로 최적운전 알고리즘을 제시하였다. 이때, ESS용량 대비 PV 용량은 2:1 ~ 3:1에서 경제성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
이를 종합해 보면 본 연구의의 경우 PV 용량은 310 kW 이하 정도 ESS 용량은 600 kWh 이상 정도를 설치하면 투자회수기간이 약 5년 정도로 산출되었다. 즉, ESS의 용량은 600 kWh 이하 PV 용량은 300 kW 이상으로 설치하여야 투자회수기간을 5년 이하로 하여 경제성을 확보할 수 있게 된다.
9와 같이 PV 운용시에 비하여 PV+ESS 운용시 전기요금 절감율이 큰 것으로 도출되었다. 즉, PV만 단독으로 운용하는 것에 비하여 PV와 ESS를 융복합하여 운용하면 전기요금은 1월 4.18[%], 4월 4.26%, 7월 3.47[%]에서 12월 4.58[%]로 절감율이 도출되는 것으로 분석되었다. 부하크기의 측면에서 부하가 큰 순은 여름, 겨울이 봄, 가을보다 크며, 부하의 양호한 정도(부하율)로는 봄, 가을이 여름, 겨울보다 양호하다.

후속연구

그러므로 향후 ESS 시장의활성화를 위해서는 단기적으로는 ESS 운용에 대한 인센티브를 강화함으로써 장기적으로 시장 활성화 및 경제성을 향상시켜 최종적으로 수요에 반응할 수 있는 기반을 조성하도록 하여야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HOMER와 같은 소프트웨어의한계는 무엇인가?	PV + ESS 최적운영의 경우는 기존에 설치된 실사례를 위주로 분석한 경우와 HOMER와 같은 기존 소프트웨어으로부터, 최적운영에 대한 분석을 하고 있으나, 전자의 경우는 운영에 대한 신뢰성은 높으나, 분석의 한계점이 있고, 후자의 경우는 설비조합에 의한 시뮬레이션을 정적으로 분석한다는 점에서 제한적인 부분이 많다6-9). 또한, 해외에서 만든 프로그램이기 때문에 국내환경에 반영시 데이터를 일부 가공해야 하는 단점이 있다.
	PV+ESS 융복합 운전의 장단점은 무엇인가?	본 연구의 타당성을 입증하기 위해서 사례연구를 구성하여 운영결과를 도출하였다. PV 단독운전에 비하여 PV+ESS 융복합 운전의 전기요금이 절감되는 장점이 있으나, 경제성이 떨지는 것을 알 수 있다. 따라서, ESS 운용의 목적은 전기요금의 절감뿐만 아니라 국가적으로 효율적인 에너지 사용을 위함에 있다.
	ZEB 조기활성화를 위해 실시하고 있는 정책은 무엇인가?	이를 통하여 ZEB 산업시장을 육성하고, ZEB 조기활성화를 위하여 다양한 정부정책이 제안되고 있다. 현재 ZEB에 신재생에너지 시설을 설치하면 설치비의 최대 50%의 보조금을 제공하고, 용적률에 대한 인센티브를 지원하고 있다. 또한, 기존 건물의 에너지 최적화 기술과 더불어 활성화를 위한 평가기준 개발, 관련 정책 개발에 투자되고 있으며 요소기술별 기술개발과 그린 리모델링 사업이 추진 중이다2).

참고문헌 (10)

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Allen, J. W., Power Generation, Operation, and Control, John Wiley & Sone, Inc, 1996.

저자의 다른 논문 :

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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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