[논문]에너지 저장장치 내장형 하이브리드 전력변환장치를 이용한 계통안정화연구

이성수; 김형준; 한기준; 조병국; 서광덕

에너지 저장장치 내장형 하이브리드 전력변환장치를 이용한 계통안정화연구
A Study on the Hybrid PCS using Energy Storage System for Grid Stabilization. 원문보기

이성수 (이엔테크놀로지(주)) , 김형준 (이엔테크놀로지(주)) , 한기준 (이엔테크놀로지(주)) , 조병국 ((주)소노텍) , 서광덕 (이엔테크놀로지(주))

본 연구에서는 실증기능 구현을 위해 75KW로 설계된 리튬-폴리머배터리(Lithium Polymer Battery 이하 배터리)와 ESS(Energy Storage System) 내장형 Hybrid-PCS(이하 PCS)을 이용하여 불균일한 풍력 발전원에 대한 Smoothing 제어 및 정출력 제어 대한 연구를 진행 하였다. 잦은 전류 변동으로 인해 발생되는 출력 변동의 안정화를 위해 인버터 전류제어, 벅/부스트 전압제어 기법을 사용하였다. 최적의 Smoothing 제어를 위한 필터 계수 값을 찾기 위한 시험을 진행 하였으며 Energy shift을 위한 정출력 시험도 진행 하였다. 또한 각 제어 모드에서 ESS 중요 파라미터인 SOC(State Of Charge 이하 SOC)변화를 배터리 특성과 관련하여 분석해 보았다.

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문제 정의

화석연료의 고갈 및 원자력 발전의 위험성으로 인해 신재생에너지원을 이용한 전력생산이 각광받고 있지만 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지원은 불균일한 발전량으로 인해 상용전원과 같은 수용가 요구에 부응한 안정적인 전력공급이 어려운 것이 현실이다. 이에 본 연구에서는 ESS 내장형 PCS^[1]을 이용하여 계통안정화를 위한 풍력 발전원의 Smoothing 제어^[2] 및 정출력 제어에 관한 연구를 진행하였다.

제안 방법

제주도 행원리 SR(Smart Renewable) 실증단지 소풍력 PCS의 실증 시험인 Smoothing제어와 정출력제어 시험을 진행하여 ESS 내장형 Hybrid PCS의 기능을 검증하였다. 시험결과 실증목표에 만족하는 결과를 얻었다.

대상 데이터

PCS의 구성은 풍력 발전원을 제어할 수 있는 100kW급 벅 컨버터, 계통연계기능을 지원하는 33kW급 단상 계통연계 인버터가 3개로 구성되어 3상을 지원한다. 배터리와는 75kW급 양방향 벅/부스트컨버터로 구성되어 양방향 전력을 제어한다. 각각의 PCS는 계통연계인버터의 DC link를 공유하며 각각의 PCS의 기능을 담당하게 되어 독립적으로 운전이 가능하다.
본 시스템에서 사용된 발전원은 풍력 100kW 영구자석형 동기방식의 발전원이다. 배터리는 총14개 셀이 직렬로 연결되어한 개의 모듈이 되고, 14개의 모듈을 직렬 연결하여 한 개의 Rack이 되게 구성하였다.

성능/효과

위의 정출력 시험결과 PCS 출력이 지령치에 대해서 오차가 존재하긴 하지만 변동율은 1%내에서 추종하는 결과를 보였다. ESS가 SOC을 발전원 입력, 정출력 지령치, 정출력제어 시간에 따라 정상적으로 추종하는 것을 볼 수 있었다.
PCS출력은 31kW로 전 구간에서 변동 없이 출력되었다. SOC는 발전원 입력이 지령치 보다 높은 충전 구간이 존재하긴 하지만 전체적으로 방전 구간이 많아 75%에서 72%로 감소하는 결과를 나타내었다. 그림 10의 정출력 50kW(약 20분) 시험결과, PCS출력이 51kW로 전 구간에서 변동 없이 출력되었으며 SOC는 충전구간이 거의 존재하지 않아 73%에서 60%로 감소하였다.
PCS출력이 이전 결과들에 비해 안정되게 Smoothing 되는 결과를 볼 수 있었다. SOC변화는 세 가지 조건 모두 동일하게 약 3% 감소하는 결과를 보였다. 이는 배터리의 충전 효율 및 Smoothing 원리와 관련이 있다.
SOC는 발전원 입력이 지령치 보다 높은 충전 구간이 존재하긴 하지만 전체적으로 방전 구간이 많아 75%에서 72%로 감소하는 결과를 나타내었다. 그림 10의 정출력 50kW(약 20분) 시험결과, PCS출력이 51kW로 전 구간에서 변동 없이 출력되었으며 SOC는 충전구간이 거의 존재하지 않아 73%에서 60%로 감소하였다. 그림 11의 정출력 70kW(약 40분) 시험결과, 발전원 출력이 72kW에서 71kW로 변화는 구간이 존재하였고, SOC는 79%에서 35%로 감소하였다.
그림 11의 정출력 70kW(약 40분) 시험결과, 발전원 출력이 72kW에서 71kW로 변화는 구간이 존재하였고, SOC는 79%에서 35%로 감소하였다. 위의 정출력 시험결과 PCS 출력이 지령치에 대해서 오차가 존재하긴 하지만 변동율은 1%내에서 추종하는 결과를 보였다. ESS가 SOC을 발전원 입력, 정출력 지령치, 정출력제어 시간에 따라 정상적으로 추종하는 것을 볼 수 있었다.
그림 6, 그림 7, 그림 8은 Smoothing제어 시험 출력 파형을 나타내고 있다. 필터 계수가 0.1[Hz]일 경우, 단주기(30분 이하)에서는 출력파형이 Smoothing되고 있는 것처럼 보였으나, 그림 6의 장주기(30분 이상) 시험 결과 발전원에 대해 PCS 출력 Smoothing이 미흡함을 확인할 수 있었다. 그림 7은 필터계수를 0.

후속연구

추후 실증기간 동안 효과적인 SOC관리를 위해 Smoothing 장주기 제어시에는 실증운용 시나리오에 맞춘 출력 값 변환 알고리즘을 추가하고 정출력 제어시에는 풍력 발전에 대한 예측 DATA을 바탕으로 정출력 가능시간을 설정하고 이외 시간에는 배터리를 충전하는 알고리즘을 추가하여 최적의 SOC관리가 가능하도록 하는 연구을 진행할 계획이다. 추가적으로 신재생에너지원의 종류와 용량 및 구현되는 기능에 맞는 ESS용량 선정에 관한 연구도 진행할 계획이다.
시험결과 실증목표에 만족하는 결과를 얻었다. 추후 실증기간 동안 효과적인 SOC관리를 위해 Smoothing 장주기 제어시에는 실증운용 시나리오에 맞춘 출력 값 변환 알고리즘을 추가하고 정출력 제어시에는 풍력 발전에 대한 예측 DATA을 바탕으로 정출력 가능시간을 설정하고 이외 시간에는 배터리를 충전하는 알고리즘을 추가하여 최적의 SOC관리가 가능하도록 하는 연구을 진행할 계획이다. 추가적으로 신재생에너지원의 종류와 용량 및 구현되는 기능에 맞는 ESS용량 선정에 관한 연구도 진행할 계획이다.

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