보고서 정보
주관연구기관 |
(주)케이디파워 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2014-10 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201400029023 |
과제고유번호 |
1415132408 |
사업명 |
에너지자원융합원천기술개발 |
DB 구축일자 |
2014-11-29
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키워드 |
DC배전.DC누전.전기안전.차단장치.직류용 디지털 전력량계.양방향 정류기.에너지저장장치.신재생에너지.태양광 시스템.온라인 감시.BIPV.
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초록
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핵심기술
- 36kW Roof-Top 태양광 발전시스템을 멀티 인버터 방식의 TCS를 적용하여 최적 제어가 가능하도록 구축
- DC배전의 타당성과 에너지 통합관리 시스템을 통한 에너지 절감효과를 구현을 위해 직류용 수배전반 구축
- 직류배전 구현 시 필수 구성요소인 직류부하 중 대표적인 사무기기인 PC와 TV를 직류에서 구동 가능한 형태로 구현함.
- 배전 시스템 구성 시 시스템 구성요소의 구동을 모니터링하고 에너지 성능을 극대화하기 위한 에너지 모니터링 기술
- DC 디지털 전력량계는 단독계기로 DC전압
핵심기술
- 36kW Roof-Top 태양광 발전시스템을 멀티 인버터 방식의 TCS를 적용하여 최적 제어가 가능하도록 구축
- DC배전의 타당성과 에너지 통합관리 시스템을 통한 에너지 절감효과를 구현을 위해 직류용 수배전반 구축
- 직류배전 구현 시 필수 구성요소인 직류부하 중 대표적인 사무기기인 PC와 TV를 직류에서 구동 가능한 형태로 구현함.
- 배전 시스템 구성 시 시스템 구성요소의 구동을 모니터링하고 에너지 성능을 극대화하기 위한 에너지 모니터링 기술
- DC 디지털 전력량계는 단독계기로 DC전압 380V, DC전류 150A까지 계측 및 통신기능을 갖춘 디지털 전력량계
- 최신의 고성능 Lithium Polymer Battery를 적용한 Energy Storage System(ESS)
- 개발한 제어 알고리즘을 이용하여 불평형, 순환전류, 오버슈트의 문제들을 해결하여 직류출력의 안정성 확보
- DC/DC 양방향 충방전기는 평시 DC 380V DC-Bus 로부터 DC 210-320V 의 50kWh 급 축전지를 충전 유지/관리, 전원사고 시30msec 이내에 정상전압을 회복하여 전등 및 PC 등 주요 DC 부하를 보호
- DC EV 급속충전기는 입력 DC 370-420V를 받아 최대 142A 로 전기자동차를 충전하는 전원장치
- 고용량(50kA) 직류 차단 아크 소호 기술과 직류보호알고리즘을 적용한 디지털보호계전기, 다빈도형 메카니즘 개발
- 고효율 전력변환기술, PLC 통신 기술
- 열원설비 지능형 성능진단 시뮬레이터 및 운전 최적화 기술, 스트레서 기반 열원설비 유지보수 최적화 기술
- 빌딩용 DC배전에 최적화된 고효율 전력변환장치
- 실증시스템의 부하예측과 태양광시스템 예측방법을 개발하고 에너지최적화 알고리즘을 개발하여 직류실증시스템의 에너지비용을 최대로 절감하기 위한 운영프로그램을 제작
최종목표
- DC배전을 이용한 10%이상 에너지 절감(AC 대비)
- 분산전원 통합 연계형 통합관제 수배전반 실증
- 직류 배전 및 PMS 하드웨어 통합 시스템 구축
- 지능형 에너지 종합원격관리, 관제 시스템 알고리즘 개발
- Roof-Top 태양광설치, 직류용 LED 설치
- 테스트 베드를 통한 AC와 DC 전력효율 비교
- 신재생에너지원을 통한 DC전력 효율증대 알고리즘 개발
- DC 디지털 전력량계 프로토타입 개발 및 DC 디지털 전력량계 분전반 설치/시범 운영
- 40kWh급 에너지저장장치(ESS) 시제품 개발 및 최적화 실증
- 빌딩내로 수전되는 교류전압을 DC배전시스템에 적합하도록 전력 변환하는 고효율 전력변환장치 개발 및 최적 제어알고리즘 개발
- DC/DC 양방향 충방전기 시제품 개발 및 실증사이트 설치 / 시험 운용
- DC EV 급속충전기 시제품 개발
- K-MEG 직류차단기 개발 및 실증
- 배전반 설치 실증 평가 시행
- 열원 설비 최적 유지관리 시스템을 개발화를 통해 운전 효율을 향상시키고자 함
- DC배전 시스템용 양방향 AC/DC 모듈 전력변환장치
- ESS용 양방향 DC/DC 전력변환장치 시험평가 및 효율 개선
- 직류구내배전 계통에서의 접지 구현
- PMS 최적 운영 알고리즘 개발
- 에너지 최적화 알고리즘 개발
개발내용 및 결과
1) 36kW Roof-Top 태양광 발전 TCS(Team Control System) 적용 시스템 구축
- 효율 실증을 위한 신재생에너지원으로 36kW급 고정형 Roof-top 태양광 발전 시스템에 멀티 인버터 방식의 TCS를 적용하여 최적 제어가 가능한 시스템을 구축함
2) 직류용 수배전반 구축
- DC배전의 타당성과 에너지 통합관리 시스템을 통한 에너지 절감효과를 구현을 위해 직류용 수배전반 구축함
3) DC배전 직류사무기기(PC, TV) 개발 및 직류용 LED 설치
- 빌딩 내에서 많이 사용되는 다수의 전기기기(TV, PC 등)들은 교류를 직류로 변환하고 다시 교류로 변환함으로써 이중의 변환 손실을 발생시키기 때문에 DC배전시스템은 전기기기들마다 사용되는 작은 어댑터들을 한 덩어리로 재배치함으로써 효율의 향상을 기대할 수 있음
4) 38kW급 태양광용 DC/DC 컨버터 설치
- 36kW Roop-Top PV에서 한전 계통을 통하지 않은 직류 전원 공급 시스템을 구축함. DC-BUS에 380V를 바로 출력하여 건물 내 원활한 전력 공급이 가능하고 전압 레벨 추적 제어를 통해 다전원 공급 시스템이 가능하게 하여 건물 내 DC배전 효율 상승에 기여
5) K-MEG 로컬 통합관제센터
- K-MEG 관제센터는 교류 및 직류배전 하이브리드 시스템의 시스템 운용 및 유지 보수에 있어서 계통과의 연계, 신재생 에너지의 발전, 분기별 부하의 소비 등의 배전 시스템과 관련된 전력 에너지 정보를 모니터링 하는 기술
- 3년간의 K-MEG 사업추진을 통해 교류 및 직류 하이브리드 시스템의 통합형 관제센터를 구축하여, 실증사이트의 실시간 전력 정보 모니터링을 가능하게 할 뿐만 아니라 문제 발생 시 신속한 대처 및 원활한 유지보수가 가능토록 함
6) DC전압 380V, DC전류 150A까지 계측 및 통신기능을 갖춘 디지털 전력량계
- DC 전압(V), DC 전류(A), DC 사용전력량(KWh) 및 최대수요전력 등을 계측할 수 있고, 정밀도는 1.0급(380DC, 150A 기준). 기타 부가기능(통신)으로 물리적으로 RS-485통신 인터페이스 기능을 갖추고 있고, DLMS 국제 규격 통신 프로토콜 및 Modbus Protocol을 탑재함
7) 40kWh급 ESS(Energy Storage System)용 Lithium Polymer Battery Pack
- 안정화된 최신의 고정밀/고신뢰성 리튬폴리머 배터리를 사용한 13Cell Module 개발 및 차량 전장용 BMS 개발 기술을 ESS적용
- 40kWh급 ESS 시제품 개발 및 실증 단지 설치
- 실증 단지 연동 테스트를 통한 출력, 용량, 수명, 효율 및 BMS 성능 검증
- 실증 결과 Feed Back 및 문제점 보완을 통한 실증 단지 옥상 환경에 최적화 진행
- 충전잔량(SOC) 및 수명예측(SOH) 알고리즘 업그레이드
8) 양방향 AC/DC 전력변환 장치의 제어 알고리즘 기술 개발
9) DC/DC 양방향 충방전기
- DC/DC 양방향 충방전기는 평시 DC 380V DC-Bus 로부터 DC 210-320V 의 50kWh 급 축전지를 충전 유지하고, 정전 등 전원고장 시 축전지로부터 DC 부하에 즉시 전력을 공급함
10) DC EV 급속충전기
- DC EV 급속충전기는 입력 DC 370-420V를 받아 최대 142A 로 전기자동차를 충전하는 전원장치 개발
11) K-MEG 수배전반용 직류차단기
- 직류 부하공급 시 발생되는 사고를 판단하여 신속하게 차단하여 부하보호와 상위 전원단의 사고 확대를 방지하기 위한 중요기기 개발
12) 직류 누전 차단기
- 과부하, 단락 등의 전기사고로부터 전기설비를 보호하고, 누전에 의한 인명사고, 화재 사고를 방지하기 위한 장치 실증
13) DC배전용 LED 조명 시스템
- DC배전용 고효율 LED 컨버터를 개발하고, 직류 레벨 디밍(DC Level DIM)에 의한 조명제어시스템을 구축하기 위해 개발된 분기 차단기, 벽스위치에 적용 가능한 통신 기능을 가지는 DC배전용 LED 조명 시스템 구축
14) 열원설비 최적 유지관리 시스템
- 열원설비의 운전 최적화를 위하여 다양한 운전 조건에서 보일러의 효율이 최적이 되는 운전 조건을 제시할 수 있는 열원설비 지능형성능진단 시뮬레이터를 개발
15) 직류 배전용 고효율 전력변환 시스템
- AC전력을 DC로 변환하는 100kW급 AC/DC부와, 40kW급의 DC전력으로 배터리 충방전을 하는 DC/DC부로 나뉘어 있음.
16) PMS 최적운영 프로그램
- 직류실증시스템의 부하 정보, Roof-Top PV 및 BIPV 데이터 정보,기상데이터 (기온, 일사량, 날씨 등) 정보를 입력받아 데이터베이스에 저장하고, 부하예측, PV출력 예측 및 ESS 최적 스케줄링의 연산을 수행하여 최적 운용 방안 제시
17) 서울대학교 실증 결과 에너지 절감 확인
- IPMVP Option B를 적용하여, 평균 11%의 에너지 절감 확인
- 본 분석은 각각의 3개월(2013년 6~8월 과 2014년 6~8월)에 거쳐 교류 전력과 직류 전력에서 사용된 전열과 전등을 기준으로 분석
기술개발 배경
- 최근 전 세계적인 유가 급등 등으로 대두되고 있는 에너지 및 자원 위기로 인한 신재생에너지의 보급, CO2와 같은 온실가스 배출 규제를 위한 기후변화협약 등의 전 지구적인 노력이 이루어지고 있으며 미국에서는 대정전 이후 노후화된 전력설비를 교체하고, 자동화 등 전력계통을 효율적으로 운영하고자 하는 노력이 이루어지고 있음
- 직류 배전에 대한 관심이 급증하며, 많은 기관들이 연구를 수행하고 있으나, 실생활 적용 가능한 직류 시장이 아직 열리지 않아 부하 업체들의 참여는 상대적으로 저조한 것이 현실이다. 이에 따라 본과제를 통해 부하들을 직류로 구현함으로써 직류배전의 가능성을 검증하는데 도움이 되도록 하고자 하였다.
- 교류배전 관련한 기술은 현재 많이 나와 있으나 직류 배전의 전력정보를 통합하여 관리하는 기술은 향후 직류배전의 보급시 필요성이 필수적인 기술임에 불구하고 많이 부족한 실정임을 감안하여 과제를 통해 관련 기술을 개발 하였음
- DC배전망 내 분산전원 및 마이크로그리드의 DC 전원 공급에 대한 DC 사용전력량의 정확한 계측 및 통신기능을 통한 계량 데이터 수집이 필요하고, 데이터 분석을 통한 전력품질 개선 및 에너지 효율 향상 목적으로 기술 개발 추진
- 안정화된 고신뢰성 셀모듈 및 차량 전장급 BMS 개발 및 생산라인 노하우를 ESS에 적용 고정밀/고신뢰성 Battery Pack 및 BMS 개발로 안정된 매니지먼트를 통한 품질 및 기술력 확보 필요
- 송전 효율 증가 및 전력 품질 향상
- DC 배전 및 분산전원 연계 등 마이크로그리드 사업이 확대됨에 따라 그 필수기술요소로서 DC/DC Converter 개발 필요
- 현재 사용되는 전력소비 트랜드 및 현황을 보면 특히, 최종고객 측면에서 보면 직류 기반 제품이나 설비들이 꾸준히 증가하고 있으며 일반 가정의 TV, 컴퓨터 등 전자회로 기반 전력제품들이 교류를 정류한 저압 직류를 기반으로 동작하고 있음.
- 또한 공장 모터부하들도 교류기반의 유도형 기기에서 직류기반의 동기기나 직류기로 교체되고 있는 추세임.
- 앞으로 주 급전시스템 및 화두가 되고 있는 분산전원, 신재생에너지원들도 대부분 직류를 생산해내므로 교류기반의 배전시스템에 접목되는 것보다 직류기반 배전 시스템이 확립되어 보급된다면 그 효용성 및 편리성은 크게 증가할 것임. 또한 DC배전 시스템은 에너지 저장장치를 바로 접목할 수 있기 때문에 효율성이 가장 뛰어난 시스템으로 향후 스마트 그리드 보급 시 직류 배전방식이 자리 잡을 것으로 예상됨.
- 이에 DC배전의 위상이 높아지고 있는 만큼 직류 보호에 대한 중요성이 커지고 있음. 현재 직류 사례를 보면 원자력 발전소에서 DC125V/250V를 사용하고 있고 전철의 전동차 급전용으로 DC750V/1500V 직류급전이 시행되고 있으며 제철소, 제련소 등에서 직류부하를 사용하고 있으며 통신설비나 IDC(Internet Data Center)에서 400V/48V급 및 전기자동차에서 400V 직류화 등이 이뤄지고 있음.
- DC배전의 플랫폼을 보면 대체적으로 산업단지 등 대용량 부하를 필요로 하는 곳은 DC1500V급이 적용되고 5000kW 이하 빌딩 및 에너지 자립단지 등에서는 DC400V급 직류급전 전력공급을 채택하고 있는 바 DC400V급의 직류차단기의 개발 도입이 절실히 필요로 함.
- LED조명과 같은 직류 부하(전자부하, 인버터 등) 구동장치 효율증대, 사이즈감소, 수명증대
- 열원설비의 운전 및 유지 보수 최적화 기술 개발을 통해 설비의 운전 효율을 향상시키고, 유지보수 비용을 절감하며, 설비의 갑작스런 고장으로 인한 설비 운전 중단, 생산성 감소, 고장 파급으로 인한 2차 피해와 사용자 불편을 최소화하고자 함
- 기존에 설비 제작사의 권고 사항이나 운전자의 경험에 의존했던 운전 방법 및 유지보수 시기가 정확한 진단 결과를 바탕으로 결정됨에 따라, 설비가 항상 최적의 조건으로 운전되고, 최적의 상태가 유지될 수 있도록 적기에 필요한 정비를 수행함으로써 설비의 수명도 연장할 수 있음
- 또한 개발된 기술의 우수성을 바탕으로 개발 제품 및 기술의 해외진출을 통해 경제적인 이익을 창출하고, 전 세계적인 에너지부족 문제 해결에도 이바지할 수 있음
- DC전력을 이용하는 DC부하의 증가로 인하여, 기존 DC부하에 요구되던 AC/DC, DC/DC 2단계의 전력변환장치를 DC/DC 전력변환장치 1단계로 축소하도록 함으로서 DC배전을 이용하는 빌딩단위의 전력변환 효율을 높일 수 있음
- 직류접지와 관련해서는 저압 옥내직류 전기설비에 간략히 언급되어 있으며, 구체적인 기준은 부족한 실정임
- 교류시스템에서 직류시스템으로의 효율향상과 ESS최적 스케줄링으로 인한 비용절감 효과를 통하여 에너지효율 최대화를 이루고자 함
핵심개발 기술의 의의
- 세계적으로 에너지 문제 및 신재생에너지 보급 확대로 인한 기존 전력망을 효과적으로 제어하고 전력시스템의 안정성을 향상하기 위한 기술 DC배전망이 대두되고 있는 만큼 K-MEG을 통한 DC배전의 기술 성과는 향후 전력계통의 효율적인 운영을 위한 국내 기술력 향상에 초석이 될 것임
- 최근 제6차 산업기술혁신 5개년계획에 DC배전이 포함된 만큼 향후 DC배전망 보급을 위한 기술 표준화에 기여할 것임
- KMEG 과제 1차년도부터 직류 부하에 대한 연구를 수행하였으며, 이러한 연구를 바탕으로 직류 PC와 TV를 실증 하였다. PC, TV와 같은 사무용 전기기기는 내부적으로 직류를 이미 사용하고 있어 개발난이도가 아주 높지는 않지만, 직류로 구현 시 전류의 인러쉬, 입력단의 on/off 스위치, 콘센트 등의 안전대책이 중요한 요소이므로 주의를 기울일 필요가 있다.
- 실생활 건물에 직류배전을 적용하여 직류배전 시스템의 실 효용성을 판단하는데 필수요소인 전력정보를 K-MEG 테스트베드 관제센터를 통해 효과적으로 수집하고 분석가능토록 하였음
- 대용량급(150A) DC 전력량계 단독계기 국내최초 개발
- 고정밀/고신뢰성 Battery Pack 및 BMS 적용으로 ESS에 대한 안정된 매니지먼트를 통한 품질 및 기술력 확보로 친환경 에너지 시장 경쟁력 우위 선점
- 직류차단기 신규 개발 : DC400V, 800A, 50kA
- 차단부, 소호부, 메커니즘, 조작부(OCR) 신규 개발
- 경쟁사 대비 고차단용량 50kA 검증으로 고신뢰성 확보
- 경쟁사 대비 제품의 소형화(2극)
- 디지털 보호계전기에 사용되는 DSP, CPU등 전자부품을 제외한 모든 부분은 국산 제작함. 국산화율 97%.
- 직류차단기의 경우 해외 일부 회사에서 생산되고 있으나 직류 400V급 배전용 차단기는 전무하며 차단부, 소호부, 메커니즘의 차이가 있고 순수 국산 기술임.
- 직류 배전에 대한 기술이 활발히 이뤄지고 있고 직류배전의 핵심은 직류 발전원과 직류 부하이다. 직류 발전의 경우 태양광, 풍력등을 이용하게 되고 발생되는 전원은 400VDC 이하급이 주로 이루고 가정의 공급되는 직류전압의 표준 전압도 400VDC 이하로 진행되고 있어 수요가 증가할 것으로 보여 수출도 가능할 것으로 예상함.
- 직류배전용 핵심부품을 국산화하고, 실 환경 내 실증 단지 구축으로 장기 신뢰성 확보
- 국내 실증단지를 바탕으로 유사한 규모의 해외 실증단지 구축 가능
- 열원설비 성능의 물리적 모델과 통계적 모델의 접목을 통해 다양한 조건에 대해 능동적으로 최적 운전조건을 도출
- 스트레서 기반 성능예측 기술을 적용한 유지보수 최적화 기술을 개발함으로써, 성능 파라미터를 감시할 때보다 더 빠르고 정확한 예측이 가능하고, 또한 칼만 필터를 이용하여 예측의 불확실성을 최소화
- 국내 최초 DC배전용 전력변환장치 모델을 개발하였고, 향후 DC배전으로의 전환이 이루어질 경우 국내/국외의 수요가 점차적으로 증가될 것으로 보임
- DC 접지 규정 제정에 기여
- AC와 DC 환경에서 도체 부식에 관한 기본 비교 데이터 획득
- 국내기술로 신규 개발된 직류시스템 구축과 에너지수요관리 전문프로그램 제작은 하나의 플랫폼으로 해외기술수출이 가능할 것으로 기대됨
적용 분야
- DC배전망 운용 기술에 대한 국내 기술 확보를 통해 향후 국내 DC 배전 시장에 적용 가능
- 직류 부하는 사무공간 뿐만 아니라 가정용으로도 많이 쓰이고 있을 뿐더러, 최근 들어 널리 관심을 받고 있는 데이터 센터 부하와도 특성상 일치도가 높아서 적용 분야는 아주 넓다고 할 수 있다.
- 도출된 관제센터는 대상 건물인 교육용 건물뿐만 아니라 일반 건물 및 상용건물 및 신재생에너지 발전단지까지 널리 사용 가능
- DC 디지털 전력량계 프로토타입 개발 및 DC 디지털 전력량계 분전반 설치/시범 운영
- DC배전분야, 마이크로그리드 및 스마트그리드(전기자동차 충전소, 분산전원 설치지역)분야
- ESS를 적용한 빌딩 등 건축물 및 친환경/신재생 에너지 시장 분야
- IDC(인터넷 데이터 센터), 마이크로 그리드, 빌딩용 배전시스템,
- 고압 직류 배전(HVDC) 등
- DC 배전분야
- 마이크로그리드 및 스마트그리드 분야
- IDC(Internet Data Center)
- 발전소, 플랜트
- 빌딩, 소용량의 제련소, 자동차 충전시스템, 태양광 발전시스템, 풍력발전시스템, ESS 시스템, 교류-직류변환장치
- 태양광 발전시스템 (집중형, 분산형), 조명시스템
- ESS와 태양광 발전시스템을 가지는 직류 홈, 직류 빌딩, 직류 선박 등 분산형 마이크로그리드시스템
- 개발된 기술 및 제품은 산업 시설, 사무용 건물, 대학교, 아파트 등의 증기 공급용 열원설비의 운전 최적화 및 유지보수 최적화에 적용
- DC배전을 적용한 빌딩에 AC전력을 DC전력으로 변환하여 공급할 때 적용
- 직류계통의 접지 안전성 평가분야
- 신재생에너지 또는 ESS를 설치한 빌딩, 공장 등의 대규모 수용가
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