재생에너지와 연계된 배터리 에너지저장시스템(BESS) 설계 및 충방전 운영효율 특성에 관한 연구

우경일,장용해,최요순 국제차세대융합기술학회 2020 차세대융합기술학회논문지 Vol.4 No.1

세계 각국의 경제발전과 생활수준의 향상으로 인해 전력수요는 매년 증가하고 있으며 지구환경 문제 및 유가불안정 문제에 대비하기 위해 신재생에너지의 중요성이 날로 부각되고 있다. 또한 시간대별로 변화하는 전력 에너지 수요에 대응하기 위해, 신재생에너지를 이용하여 생산된 전력을 배터리 등의 에너지저장시스템에 저장하였 다가 수요피크 시간대에 저장된 에너지를 방전하는 기술이 보편적으로 활용되고 있다. 신재생에너지와 연계된 에 너지저장시스템을 경제적이고 효율성 있게 구성하기 위해서는 신재생에너지를 통해 생산가능한 발전량과 에너지저 장시스템의 이용효율에 대한 정확한 예측이 필요하다. 본 논문에서는 태양광발전으로부터 생산된 전기에너지를 활 용하여 배터리에너지저장시스템을 통해 전력그리드로 송전하는 시스템의 최적 설비용량 산정과 배터리 충방전시의 효율분석에 대하여 연구하였다. As the need for clean and environment-friendly renewable energy increases, it does matter how to meet the electric power demands in electric power system. As for this subject, it should be considered to employ and utilize BESS to make the most use of photovoltaic energy, which has very changeable power capacity during the day. This paper shows how to design BESS and apply it to the current photovoltaic power plants.

에너지저장시스템에서 발전량 예측을 통한 능동적 배터리 충전 관리 방안

김정준(Jung-Jun Kim),채범석(Beom-Seok Chae),이영관(Young-Kwan Lee),조기환(Ki-Hwan Cho) 한국스마트미디어학회 2020 스마트미디어저널 Vol.9 No.1

신재생 에너지를 활용이 높아지면서 에너지저장시스템의 활용과 효율성에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 태양광 에너지저장시스템을 구성하는 서브시스템에서 이상 징후 발생에 능동적으로 대처할 수 있는 운영이 요구된다. 본 논문은 태양광 발전량 데이터를 표본으로 하여 예측 발전량을 추정하여 에너지 관리하는 방안을 제안한다. 실시간으로 예측된 배터리 충전 전력과 배터리 랙 총 충전 전력을 비교하여 충전 전력을 조절하는 모형을 적용한다. 그 결과로 배터리의 발열 억제 및 충방전율을 유지시켜 에너지저장시스템의 에너지 저장을 안정적으로 높일 수 있다. Along with increasing the renewable energy utilization, many researches have paid attention on the utilization and efficiency of energy storage systems. Especially, it is required an operational model in order to actively respond with each system’s failure of sub-systems in the solar energy storage system. This paper proposes an energy management scheme by estimating the newly generated power based on the solar power generation samples. With comparing the estimated battery charging power in real time and the total charging power of the battery rack, a charge model is applied to adjust the charging power, As a result, the stability of energy storage system would be improved by suppressing the battery heat while maintaining battery C-Rate.

고효율 하역장비의 기술동향

박경택(Kyoung Taik Park),김경한(Kyunghan Kim),김두형(Doo Hyung Kim),조규백(Gyu Baek Cho),김한메(Han Me Kim) 한국항해항만학회 2010 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.춘계

본 논문은 RTGC 시스템의 에너지 절감을 위한 에너지 저장 시스템에 대해 다룬다. 에너지 저장 시스템으로는 베터리, 슈퍼캐패시터 그리고 플라이휠의 장점과 단점이 조사되었다. 이들 에너지 저장 시스템들 중 플라이휠 에너지 저장시스템은 현재 해결되어야 할 기술 및 가격적인 측면에도 불구하고 향후 기술의 발전을 전제를 뒀을 때 매우 촉망받는 에너지 저장시스템임이 조사되었다. 또한, 컨테이너 이송에 사용되는 RTGC에서 베터리와 플라이휠 에너지 저장 시스템이 각각 사용된 경우에 대해 에너지 절감에 대한 결과가 정량적으로 조사되었다. This paper deals with energy storage system for saving the energy of RTGC(rubber tired gantry crane). Advantage and disadvantage of battery, super-capacitor, and flywheel as an energy storage system were surveyed. Even if a flywheel energy storage system includes some problems such as manufacturing technique and high price, it is surveyed with a promising energy storage system. In addition, RTGCs using battery or flywheel as the energy storage system were quantitatively presented through a survey of literatures. It was found that the both RTGC with those systems can reduced the waste of energy.

ESS 최적화 및 안정적인 운영을 위한 배터리 잔량 산출 및 고장 예측 알고리즘

주종율(Jong-Yul Joo),이영재(Young-Jae Lee),박경욱(Kyoung-Wook Park),오재철(Jae-Chul Oh) 한국전자통신학회 2020 한국전자통신학회 논문지 Vol.15 No.1

신재생에너지를 활용한 발전원의 경우, 날씨 등의 영향을 많이 받아 전력 생산량이 원활하지 않을 수 있다. 태양광 및 풍력 발전의 효율성을 높이기 위해 에너지 저장 장치(ESS·Energy Storage System)를 활용한다. ESS는 배터리 보호 시스템과 운영관리, 제어체제가 미흡하거나, 설치상의 부주의 등의 원인으로 인해 화재가 속출하고 있으며, 매우 큰 인명 피해와 경제적 손실로 이어지고 있어 ESS의 안정성 및 배터리 보호 시스템 운영관리 기술이 필수적으로 요구되고 있다. 본 논문에서는 ESS 최적화 및 안정적인 운영을 위한 배터리 잔량 산출 알고리즘과 고장 예측 알고리즘을 제시한다. 제시한 알고리즘은 배터리의 충전 및 방전 수행 시 실시간으로 전류량을 누적하여 정확한 배터리 잔량을 산출하며, 배터리 셀 간의 전압불균형 현상을 이용하여 배터리의 고장 유무를 산출한다. 제시된 알고리즘들은 ESS를 최적의 상태로 운영하는데 필요한 정확한 배터리 잔량과 고장 예측이 가능하다. 따라서 ESS의 배터리의 정확한 상태 정보를 측정하고 신뢰성 있게 모니터링 하여 대형 사고를 미연에 방지할 수 있다. In the case of power generation using renewable energy, power production may not be smooth due to the influence of the weather. The energy storage system (ESS) is used to increase the efficiency of solar and wind power generation. ESS has been continuously fired due to a lack of battery protection systems, operation management, and control system, or careless installation, leading to very big casualties and economic losses. ESS stability and battery protection system operation management technology is indispensable. In this paper, we present a battery level calculation algorithm and a failure prediction algorithm for ESS optimization and stable operation. The proposed algorithm calculates the correct battery level by accumulating the current amount in real-time when the battery is charged and discharged, and calculates the battery failure by using the voltage imbalance between battery cells. The proposed algorithms can predict the exact battery level and failure required to operate the ESS optimally. Therefore, accurate status information on ESS battery can be measured and reliably monitored to prevent large accidents.

에너지 저장 시스템의 전력계통 적용사례분석

고윤석 한국전자통신학회 2016 한국전자통신학회 논문지 Vol.11 No.1

Because a progressive tax of home electricity rates is charged and a continuous rise of industrial electricity rates is expected in order to solve the global warming, the high oil prices and the serious power shortage problem, the efforts to apply the energy storage systems which can significantly improve the energy usage efficiency to the smart grid are trying newly. In this study, characteristics of the secondary battery which can be used as energy storage devices, the structure and operation principle of a lithium-ion battery, and the concept of energy storage systems are research and analyzed. In addition, in this paper, the base technologies which are required to apply to the energy storage system to electric power system are established by studying about installation location and application methodology of energy storage system to electric power system. 지구 온난화, 고유가 그리고 심각한 전력난 문제를 해소하기 위해, 가정용 전기요금 누진제 적용과 함께 산업용 전기요금의 지속적인 상승이 이루어지고 있어 에너지 이용 효율을 크게 개선할 수 있는 에너지 저장 시스템을 스마트 그리드에 적용하기 위한 노력들이 새롭게 시도되고 있다. 본 연구에서는 에너지 저장 장치로 활용될 수 있는 리튬이온 전지의 구성 및 동작원리, 에너지 저장 시스템의 전력계통 적용 분야, 배터리 에너지 컨버터 기술, 그리고 적용사례를 연구함으로서 에너지 저장 시스템을 전력계통에 적용하는 데 필요한 기반 기술을 확립한다.

체코 열병합발전소 주파수조정용 배터리에너지저장장치 경제성 분석

김유탁,차동민,정수안,손상학 한국에너지학회 2020 에너지공학 Vol.29 No.2

신 기후변화협약에 따라 전 세계적으로 온실가스를 저감하는 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 발전·송배전 분야에서 에너지효율향상에 대한 연구가 진행되고 있다[1,2]. 에너지저장장치를 이용해 잉여전기를 저장하고전기를 공급하는 운영방식에 대한 경제성 분석, 지역단위 열 병합 발전소에서 주파수조정예비력으로 에너지저장장치를 활용하는 것이 가장 수익이 높은 운영방안으로 보고되었다[3-7]. 이에 본연구에서는 체코의 열병합발전소를 대상으로 에너지저장장치 설치를 위한 경제성 분석을 실시하였다. 배터리에너지저장장치의 경제성 평가에있어 가장 중요한 요소는 수명으로 일반적으로 1일 1회 충·방전을 기준으로 보증수명은 10∼15년으로 알려져있다. 시뮬레이션을 위해 배터리와 PCS의 비율은 1:1, 1:2로 설계하였다. 일반적으로 Primary 주파수조절용의경우 1:4로 설계를 하지만, 열병합발전소의 특성을 고려하여 최대 1:2의 비율로 설정하였으며, 각각의 비율에 맞게 용량을 1MW∼10MW, 2MWh∼20MWh로 시뮬레이션을 실시하여 연간 사이클 횟수를 기준으로 수명을 평가하였다. 체코의 열병합 발전소에 배터리에너지저장장치를 설치하는 사업은 현지 인프라와 전력시장을 고려할 경우 투자 회수 기간은 3MW/3MWh가 5MW/5MWh보다 유리하다. 보조금 없이 예상 구매 가격을 고려한 간단한 투자회수기간에서 약 3년, 약 5년으로 산정되었으며, 구입비용이 전체 평생 동안 비용의 중요한 부분이기 때문에 구매가격을 50 % 낮추면 약 절반 정도의 회수 기간이 단축 될 수 있지만, 3MWh와 5MWh의 규모에 경제를 통해수익성 확보는 불가능하다. 전력시장의 가격이 50% 하락하면 투자 회수기간은 P1 모드에서는 3년, P2 및 P3 모드에서는 2년 더 길어진다. 배터리에너지저장시스템과 발전기의 결합으로 인한 절감액의 변화에 대한 민감도 분석은 전제 범위 내에서 회수 기간에 큰 영향을 미치지 않으며, 보조금 15%를 받는 기준에서 3MW 시스템의 총 비용은 66,923,000 CZK 이며, 편익은 모드에 따라 244,210,000 ∼ 294,795,000 CZK이며, 비용회수기간은 3∼4년이다. 동일한 기준에서5MW 시스템의 경우 총 비용은 101,320,000 CZK이며, 편익은 모드에 따라 253,010 ∼ 281,411,000 CZK로나타나며, 비용회수기간은 5∼6년이다. 체코에서 배터리에너지저장시스템은 MWh당 1년에서 1.2년의 투자회수기간이 발생하는 것을 알 수 있다.

냉매 사이클을 이용한 배터리 냉각/승온 시스템 연구

윤태경(Taekyung Yoon),이용찬(Yongchan Lee),박태민(Taemin Park),이순종(Soonjong Lee),이원석(Wonsuk Lee),김연호(Yeonho Kim),김재연(Jaeyeon Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 자동차 시장은 환경문제, 에너지 자원 문제 등에 의해 점차 친환경 차량으로 넘어가는 추세에 있으며, 그에 따라 전기자동차(Electric Vehicle)가 미래의 운송수단으로 각광받고 있다. 전기자동차는 충전 또는 방전이 가능한 다수의 2차 전지(Cell)가 하나의 팩(Pack)으로 구성된 배터리를 주 동력원으로 사용하며 이러한 배터리는 크기와 용량에 따라 전기자동차 뿐만 아니라 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)용 배터리 컨테이너에도 적용된다. 이러한 배터리는 충전 또는 방전 시 전력의 크기가 매우 크며, 배터리의 발열량 또한 크다. 배터리의 성능과 수명은 배터리 온도에 영향을 받기 때문에 배터리 성능, 수명향상을 위한 배터리열관리 방안은 에너지 효율 측면에서 매우 중요한 문제이다. 이와 관련하여 당 사는 냉매사이클 내부에서 순환하는 냉매의 상 변화 시에 발생하는 열 에너지를 이용하여 배터리를 효율적으로 승온 또는 냉각 시키도록 하는 시스템을 고안하였고, 해당 시스템을 모듈화 하여 배터리 승온과 냉각 각각의 모드에 따른 성능을 해석을 통해 분석하였다. 배터리열관리 시스템은 압축기(Compressor)와 판형 열 교환기(Plate Heat Exchanger), 사방밸브(4Way Valve), 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EXV), 기액분리기(Accumulator)로 구성되며, 사방밸브의 모드에 따라 판형 열 교환기는 응축기와 증발기의 역할을 번갈아가며 수행하게 된다. 팽창밸브의 개도량과 종류를 변경하여 조건 별 성능해석을 진행하였으며, 이중관(Internal Heat Exchanger, IHX) 유무에 따른 해석결과와 비교분석 하였다. 본 연구는 배터리 용량에 관계없이 공용으로 사용 가능한 배터리열관리 시스템의 모델을 제시하며, 점차 발전하는 배터리 분야에서 열관리에 대한 방안을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

RPS 제도 하에서의 태양광발전 연계형 배터리시스템 수익분석 방법에 관한 연구

김창수(Chang-Soo Kim),유태현(Tae-Hyun Yoo),이창호(Chang-Ho Rhee) 한국에너지학회 2017 에너지공학 Vol.26 No.4

최근 에너지 저장 시스템 산업 동향

염의종(Ui-Jong Youm) 산업기술교육훈련학회 2019 산업기술연구논문지 (JITR) Vol.24 No.3

This study analyzes the introduction of the energy storage system (ESS) and its industrial trends. Recently, the ESS market in Korea has grown to be a promising industry that is second only to the semiconductor industry. However, there has been an increase in the number of ESS fire accidents, and many specialized agencies have attempted to determine the cause of the fire. In this study, the basic structure of the energy storage device is investigated to analyze the causes of energy storage device fire. Furthermore, the related regulations and standards are presented, in addition to the issues that need to be revised from a basic point of view to reduce energy storage device fires.

슈퍼커패시터를 적용한 에너지 저장시스템 설계에 관한 연구

김일송(IL-Song Kim) 인문사회과학기술융합학회 2018 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.8 No.11

본 논문에서는 슈퍼커패시터를 적용한 에너지 저장장치에 대해서 연구하였다. 납축전지등을 사용하였던 기존방식과는 다르게 슈퍼커패시터를 사용하여 고출력을 달성할 수 있으며, 이러한 특징으로 인하여 연구된 저장장치는 비상전원용 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 전력품질 개선이나 짧은 순간에 큰 출력을 요구하는 고속 기동용 모터등의 전원시스템으로도 사용이 가능한 장점이 있다. 에너지변환 시스템은 양방향 인버터와 컨버터로 구성되어 고속, 고출력의 충전, 방전을 수행할 수 있는 장점도 있다. 양방향 인버터를 이용한 two loop 제어기 설계 방법이 제시되었고, 실험과 제작을 통해 설계 방법의 정합성을 입증하였다. 설계 순서는 먼저 상태공간 평균화 기법과 Decoupling 기법을 이용하여 선형화된 전달함수를 계산하였다. 다음 20% 오버슈트와 안정시간을 만족시키는 전류 제어기 설계를 한 후에 오버슈트 없는 전압과 10배 이상 느린 안정시간을 가지는 전압제어기를 설계한 후 단위계단응답 커브를 통해 원하는 설계특성이 나오는 지를 확인하는 과정으로 이루어진다. 설계된 제어기들은 계통과 단위 역률을 이루며 제어되기 때문에 전력품질 향상을 이룰 수 있으며, 빠른 응답특성과 정상상태 오차를 0으로 만들 수 있는 우수한 제어특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. In this paper, the research on the energy storage system adapting super-capacitor has been performed. The most advanced features compared to the conventional lead-acid battery systems is that it can obtain high power capability due to the super capacitor power characteristics. The suggested system can attain high power in short times and achieve high power quality improvements. The application areas are power quality improvement system, motor start power which requires high power during transient times. The energy conversion system consists of bi-directional converter and inverter and advantages of high speed, high power charging and discharging performances. The design steps for the two loop controller of the bi-directional inverter are suggested and verified by the experiment and manufacturing. The two loop controller design starts from linearized transfer function which is calculated from the state averaging model including state decoupling method. The current controller requirements are 20% overshoot and settling time and voltage controller are no overshoot and settling time which is 10 times longer than current controller. The design is verified from the step input response. The designed controllers have unity power factor characteristics and thus can improve the power quality of the grid. It also has fast response time and zero steady state error.