플라이휠 에너지 저장장치를 이용한 전력계통의 안정도 향상

이정필(Lee, Jeong-Phil),한상철(Han, Snag-Chul),한영희(Han, Young-Hee) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

플라이 휠 에너지 저장장치(Flywheel Energy Storage System: FESS)는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하였다가 필요시 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 재사용 가능한 에너지 저장장치 이다. 최근 전력 변환 기술의 발전으로 인하여 플라이휠 에너지 저장 장치의 에너지 입출력 속도가 빨라지고 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 되었다. 본 논문에서는 이러한 플라이휠 에너지 저장 장치의 전력 입출력 특성을 이용하여 전력 시스템에서 발생하는 저주파 진동(Low frequency oscillation)을 억제하는 방안을 제시 하여 안정도를 향상 시키고자 하였다. 전력 시스템은 발전조건, 전송조건, 부하조건에 따라 동작 조건이 지속적으로 변하고 있다. 이러한 동작 환경 변화는 전력 시스템에 대한 수학적인 표현과 실제 전력계통간의 차이가 발생하기 때문에 정확한 제어 목적을 달성하기가 힘들다. 따라서 본 논문에서는 제어기 설계 단계에서 전력 계통의 불확실성을 고려할 수 있는 H_{infty} 제어 기법을 이용하여 플라이휠 에너지 저장장치를 위한 강인 제어기를 설계 하였다. 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 강인 제어기의 유용성을 입증하기 위하여 1기 무한대 모선에 적용한 결과를 비선형 시뮬레이션을 통하여 다양한 외란이 발생한 경우에 외란 억제 성능과 강인성에 대하여 고찰 하였으며, 제안한 방식이 기존의 전력계통 안정화 장치(Power system stabilizer: PSS) 보다 효율적이며 전력계통의 안정도 향상에 크게 기여함을 보이고자 하였다.

하이브리드 자동차를 위한 플라이 휠 에너지 저장 기술

안형준(Ahn, Hyeong-Joon),박인황(Park, In-Hwang),한동철(Han, Dong-Chul) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

최근 환경 및 에너지 문제가 자동차 산업의 중요한 이슈로 인식되면서 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 기술과 연료 전지 자동차(Fuel Cell Vehicle)등이 주목받고 있다. 특히 하이브리드 자동차는 요구되는 동력과 생성되는 동력의 차이 때문에 순시 동력 저장 장치 (peak power buffer)가 필요한데, 반복적인 충/방전 싸이클에서 용량의 감소 없이 높은 단위 질량당의 동력과 에너지를 가지며 부피, 효율, 수명 면에서도 우수한 플라이 휠 에너지 저장장치가 이러한 동력 저장 장치로 적합하다. 본 논문은 하이브리드 자동차를 위한 플라이 휠 에너지 저장 장치의 현 상태 (state of art)를 기술한다. 첫번째로, 플라이 휠 에너지 저장장치의 기원과 배경을 설명한다. 두 번째로 하이브리드 자동차를 위한 플라이 휠 에너지 저장 장치의 세부 사항을 요약하고, 플라이 휠 에너지 저장을 이용한 하이브리드 자동차의 예와 플라이 휠 에너지 저장장치의 설계 쟁점과 자동차에 적용시키기 위한 최근 기술적 진보를 논의한다. 마지막으로, 플라이 휠 에너지 저장장치의 파급 효과와 다른 적용 예를 소개한다.

XML 기반의 에너지 저장용 프로파일 어댑터 분석 및 설계

우용제 ( Yongje Woo ),박재홍 ( Jaehong Park ),강민구 ( Mingoo Kang ),권기원 ( Kiwon Kwon ) 한국인터넷정보학회 2015 인터넷정보학회논문지 Vol.16 No.5

에너지 저장장치(Energy Storage System)은 전력 수요가 적을 때 전력을 저장해 두었다가 수요가 발생하거나 비상시 저장된 전력을 사용함으로 전기 에너지를 저장하여 필요할 때 사용 가능함으로써 에너지 이용 효율 향상, 전력공급 시스템 안정화 및 신재생 에너지 활용도 향상 효과를 가지는 시스템이다. 최근 세계적으로 에너지의 효율적인 소비에 대한 관심이 증대되면서 전력의 안정적인 공급을 원하는 수요자와 전력 수요 평준화를 원하는 공급자의 요구를 충족시켜줄 수 있는 에너지 저장장치의 필요성이 증대되고 있다. 현재 에너지 저장장치를 구성하는 Power Conditioning System(PCS), Battery Management System(BMS), 배터리 셀은 제조사별로 상이한 규격을 가진다. 이로 인해 각 핵심 부품 간 인터페이스가 규격화되어 있지 않아, 에너지 저장장치의 구성 및 운영에 난점으로 작용하고 있다. 본 논문에서는 제조사별로 상이한 특징을 가지는 부품들의 설정과 효율적 운영에 필요한 정보를 수용하여 에너지 저장장치를 구성할 수 있는 XML 기반의 에너지 시스템 전용 프로파일 시스템의 설계와 분석방안을 제안한다. 제조사별 PCS, BMS, 배터리 셀과 그 외의 주변 기기들의 설정 정보 및 운영 정보를 분석하여 프로파일 규격을 정의하고, 에너지 저장장치에 적용할 수 있는 프로파일 어댑터 소프트웨어를 설계 및 구현한다. 프로파일 어댑터를 통해 생성된 프로파일은 설정 프로파일과 운영 프로파일로 구성되며, 추후 확장성을 고려하여 표준 XML의 규격을 따른다. 구현된 프로파일 시스템의 검증은 에너지 저장장치 시스템에 적용되어 기본적인 충·방전 동작을 통해 정상 동작 결과를 제안한다. The Energy Storage System stores electricity for later use. This system can store electricity from legacy electric power systems or renewable energy systems into a battery device when demand is low. When there is high electricity demand, it uses the electricity previously stored and enables efficient energy usage and stable operation of the electric power system. It increases the energy usage efficiency, stabilizes the power supply system, and increases the utilization of renewable energy. The recent increase in the global interest for efficient energy consumption has increased the need for an energy storage system that can satisfy both the consumers` demand for stable power supply and the suppliers` demand for power demand normalization. In general, an energy storage system consists of a Power Conditioning System, a Battery Management System, a battery cell and peripheral devices. The specifications of the subsystems that form the energy storage system are manufacturer dependent. Since the core component interfaces are not standardized, there are difficulties in forming and operating the energy storage system. In this paper, the design of the profile structure for energy storage system and realization of private profiling system for energy storage system is presented. The profiling system accommodates diverse component settings that are manufacturer dependent and information needed for effective operation. The settings and operation information of various PCSs, BMSs, battery cells, and other peripheral device are analyzed to define profile specification and structure. A profile adapter software that can be applied to energy storage system is designed and implemented. The profiles for energy storage system generated by the profile authoring tool consist of a settings profile and operation profile. Setting profile consists of configuration information for energy device what composes energy saving system. To be more specific, setting profile has three parts of category as information for electric control module, sub system, and interface for communication between electric devices. Operation profile includes information in relation to the method in which controls Energy Storage system. The profiles are based on standard XML specification to accommodate future extensions. The profile system has been verified by applying it to an energy storage system and testing charge and discharge operations.

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.

에너지저장장치를 이용한 풍력발전의 출력 평준화 제어 기법 연구

이진호(Lee, Jinho),이문환(Lee, Moonhwan) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

기후변화 대응을 위해 세계적으로 신 재생에너지의 분담율(penetration rate)은 갈수록 증가하고 있고, 정부에서는 2015년까지 신 재생에너지의 개발에 총 40조원을 투자한다는 적극적인 계획을 세우고 있다. 하지만 신 재생에너지 중 전력 생산에 가장 큰 비중을 차지하는 풍력발전은 비급전성과 간헐성 등의 제약으로 인해 안정적인 전력을 공급하기 힘들뿐만 아니라 전력계통의 신뢰성을 악화시킬 수도 있는 리스크를 잠재하고 있는 에너지원이다. 이에 풍력발전 등 신 재생에너지원의 출력을 안정화시키기 위한 Smart Renewable 프로젝트가 현재 제주도에서 실증 단계에 있다. 이 논문에서는 한국전력 컨소시엄의 Smart Renewable 프로젝트 대상인 660kW급 풍력터빈과 200kWh급 리튬-이온 배터리 에너지저장장치를 이용하여, 풍력터빈의 출력을 평활화시키는 평활화 제어(Smoothing Control)와 일정시간동안 균일한 출력을 낼 수 있게 하는 정출력 제어(Constant Power Control)의 두 가지 기법을 시뮬레이션 하였다. t 시점의 에너지저장장치 잔존용량을 피드백 받아 t+1 시점의 풍력터빈과 에너지저장장치 합성출력의 목표치를 설정하는 잔존용량 피드백 방법을 이용하여 에너지저장장치의 운전모드, 초기 용량, 평활화 시정수(time constant) 등의 조건 변화가 평활화 제어와 정출력 제어에 미치는 영향을 각각 확인하고, 주어진 기기 조건 하에서 최적의 시정수 값과 운전모드를 도출하였다.

순수요 불확실성 하에서 에너지 저장장치 효용 최대화를 위한 대안 모색: 10차 전력수급기본계획을 기반으로

모정윤,전우영 재단법인 에너지경제연구원 2023 에너지경제연구 Vol.22 No.1

The traditional concern in the power market has been how to reduce peak demand to improve long-term supply efficiency. Along with the expansion of renewable generation, a new concern in the power market is how to respond cost-effectively to the uncertainty of renewable generation. Energy storage is a resource that can provide effective solutions to both these problems through shifting load and providing reserve. This study analyzed the effective use of energy storage when dynamic pricing and critical peak pricing under different supply curves in the Korean power system in 2030 are considered together with the stochastic renewable generation. The main results of this study are as follows. First, under Korea’s elastic supply curve, energy storage have a greater incentive to provide reserve, and if the critical peak pricing is applied, load shifting becomes an attractive option. Second, when storages are used to lower the mean net load, then it does not represent true peak reduction effect because it disregards the worst renewable generation scenario. Third, the peak reduction effect of the storage should be evaluated on the basis of maximum net load, and in order to effectively achieve reduction of maximum net load, storage capacity should be effectively allocated between shifting load and providing reserve is required. When an incentive system, in which storage capacities are optimally allocated to increase the efficiency of electricity supply, offered in the market, costs to achieve carbon net zero can be effectively reduced. 전력시장의 전통적인 고민은 장기적인 공급 효율성 개선을 위해 피크수요를 어떻게 경감시키느냐는 것이었다. 재생발전 보급확대와 함께 전력시장의 새로운 고민은 재생발전의 불확실성에 어떻게 비용 효율적으로 대응하냐는 것이다. 에너지저장장치는 부하이전과 예비력 제공을 통해 이 두 가지 문제에 모두 효과적인 해결을 제시할 수 있는 자원이다. 본 연구는 2030년 한국의 전력공급 환경에서 차등적 공급곡선 하에서의 동적요금제와 피크요금제가 재생발전의 확률적 특성과 함께 고려되었을 때 효과적인 분산형 에너지저장장치 활용방안에 대해서 분석하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 첫째, 한국의 탄력적 공급곡선 하에서 에너지저장장치는 예비력 제공 기능으로 활용될 유인이 더욱 크며, 피크요금제가 적용될 경우 부하이전 기능으로 유도가 가능하다. 둘째, 일일전 시장 관점에서 평균적인 재생발전이 반영된 순수요의 피크를 낮추는 저장장치 운영전략은 예외적이지만 발생가능한 극단적 재생발전 상황을 간과하기 때문에 피크감축효과를 과대계상한다. 셋째, 저장장치의 피크감축효과는 최대 순수요 기반으로 평가받아야 하며 최대 순수요 경감을 효과적으로 달성하기 위해서는 부하이전과 예비력 제공간에 균형 잡힌 활용이 필요하다. 저장장치 자원이 전력공급 효율성을 높이는 방향으로 최적 배분되는 유인체계가 시장에서 작동할 때 탄소중립 비용을 효과적으로 줄여나갈 수 있을 것이다.

파력발전 연계형 마이크로그리드를 위한 에너지저장장치 운용 알고리즘 검증에 관한 연구

노찬,임창혁,김경환,홍기용,신승호 한국해양환경·에너지학회 2020 한국해양환경·에너지학회지 Vol.23 No.2

Since wave energy converter is highly volatile due to the nature of input energy, difficulties may arise in directly connecting to the system. In particular, in an unstable system such as an island region, the instability of the system may be increased by directly linking renewable energy with high volatility. Accordingly, in order to apply wave power to island systems, an energy storage system capable of reducing output variability is required. In this paper, we verify the operation algorithm of the energy storage system in connection with wave energy converter linked microgrid for application to the island region. First of all, in order to verify the operation algorithm of the energy storage system connected to the wave power generation for the island area, we conducted system modeling for the island area, power load modeling, energy storage device modeling, and modeling of the wave power generation device and simulated using Matlab/Simulink. Proceeded. In addition, the characteristics of microgrid linked to wave energy converter were analyzed through various operational algorithms for optimal operation of the distribution network in connection with wave power generation, suitability for accidents, failure simulation, and wave power generation. The operating algorithm of the energy storage device for the wave power-linked microgrid was constructed based on StateFlow of Matlab, and OPAL-RT was applied for real-time simulation. 파력발전은 입력에너지 특성상 변동성이 크기 때문에 직접적으로 계통에 연계하는 것에 대해서 어려움이 발생할 수 있다. 특히 도서지역과 같이 불안정한 계통에서는 변동성이 큰 재생에너지를 직접적으로 연계하면 계통의 불안정성이 더욱 커질 수 있다. 이에 따라 도서지역 계통에 파력발전을 적용하기 위해서는 출력 변동성을 저감시킬 수 있는 에너지저장장치가 필요하다. 본 논문에서는 도서지역에 적용하기 위한 파력발전을 연계한 마이크로그리드의 에너지저장장치의 운용 알고리즘에 대해서 검증한다. 우선적으로 도서지역에 대한 파력발전 연계형 에너지저장장치의 운용 알고리즘을 검증하기 위해서 도서지역 계통 모델링, 전력 부하 모델링, 에너지저장장치 모델링, 파력발전장치 모델링을 진행하였고, Matlab/Simulink를 이용해서 시뮬레이션을 진행하였다. 또한 파력발전 연계의 적합성, 사고 및 고장 모의, 파력발전을 연계한 배전망 최적 운용을 위한 다양한 운용알고리즘을 수행을 통해 파력발전을 연계한 마이크로그리드의 특성을 분석하였다. 파력발전 연계형 마이크로그리드를 위한 에너지저장장치의 운용 알고리즘은 Matlab의 StateFlow기반으로 구성하였고, 실시간 시뮬레이션을 위해서 OPAL-RT를 적용하였다.

초전도 에너지 저장 기술에 대한 고찰

고윤석,Ko, Yun-Seok 한국전자통신학회 2015 한국전자통신학회 논문지 Vol.10 No.6

최근, 전력산업에서는 지구 온난화에 대비하여 에너지 이용 효율 극대화하기 위한 방안으로 초전도 에너지 저장 장치에 큰 관심을 가지고 있다. 초전도 에너지 저장장치는 비 첨두시에 대량의 전기에너지를 손실 없이 자계 또는 운동 에너지의 형태로 저장하였다가 첨두시에 이를 다시 전기에너지로 변환하여 사용함으로서 피크부하의 균등화 및 순간정전 보상을 실현, 전기 에너지 이용 효율의 극대화를 기할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 초전도 에너지 저장기술에 대한 개념, 연구개발 현황 및 그 적용 사례 등을 조사, 분석하여, 전력계통 적용 기반기술을 확립하고자 한다. Recently, the power industry has a great interest in the superconducting energy storage device as a way to maximize energy efficiency to cope with global warming. A superconducting energy storage device can archive maximization of electric energy use efficiency by storing in the form of a magnetic field energy or a kinetic energy without loss a large amount of electrical energy at the non-peak load and then converting it again into electric energy at the peak load. Therefore, in this study, such as the concept of the superconducting energy storage technologies, the present state of its research and development and its applications are surveyed and analyzed to establish methodology applying the superconducting energy storage technologies to power system.

초전도 에너지 저장 기초기술에 대한 연구

고윤석 한국전자통신학회 2015 한국전자통신학회 논문지 Vol.10 No.6

Recently, the power industry has a great interest in the superconducting energy storage device as a way to maximize energy efficiency to cope with global warming. A superconducting energy storage device can archive maximization of electric energy use efficiency by storing in the form of a magnetic field energy or a kinetic energy without loss a large amount of electrical energy at the non-peak load and then converting it again into electric energy at the peak load. Therefore, in this study, such as the concept of the superconducting energy storage technologies, the present state of its research and development and its Applications are surveyed and analyzed to establish methodology applying the superconducting energy storage technologies to power system. 최근, 전력산업에서는 지구 온난화에 대비하여 에너지 이용 효율 극대화하기 위한 방안으로 초전도 에너지 저장 장치에 큰 관심을 가지고 있다. 초전도 에너지 저장장치는 비 첨두시에 대량의 전기에너지를 손실 없이 자계 또는 운동 에너지의 형태로 저장하였다가 첨두시에 이를 다시 전기에너지로 변환하여 사용함으로서 피크부하의 균등화 및 순간정전 보상을 실현, 전기 에너지 이용 효율의 극대화를 기할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 초전도 에너지 저장기술에 대한 개념, 연구개발 현황 및 그 적용 사례 등을 조사, 분석함으로서 초전도 에너지 저장기술의 전력계통 적용을 위한 기반기술을 확립하고자 한다.

강체모델 기반 시스템 안정성을 고려한 자기부상 플라이휠 에너지 저장장치의 최적 설계

김정완(Jungwan Kim),유승열(Seong-yeol Yoo),배용채(Yongchae Bae),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.3

친환경기술과 신재생 에너지 자원에 대한 세계적인 관심이 증가하면서, 플라이휠 에너지 저장 장치는 화학전지나 연료전지와 같은 기존의 에너지 저장 시스템의 대안 중 하나로 부상하고 있다. 플라이휠 에너지 저장장치의 에너지 저장 용량은 극질량 관성모멘트와 회전속도의 제곱에 비례하기 때문에, 가능한 높은 회전속도와 높은 극질량 관성모멘트를 갖도록 설계하는 것이 중요하다. 하지만, 시스템의 운전안정성 확보가 최적설계의 구속조건으로 작용할 수 있다. 본 논문에서는 에너지 저장 용량을 최대화하고 운전안정성 및 외란에 대한 강인성을 확보하는 플라이휠 시스템의 최적설계를 제안한다. 그리고, 기존의 PD 제어에 비교하여 교차궤환제어법이 자이로스코프효과를 줄이고, 에너지 저장밀도를 높이는데 필수적임을 확인하였다. Owing to the increasing worldwide interest in green technology and renewable energy sources, flywheel energy storage systems (FESSs) are gaining importance as a viable alternative to traditional battery systems. Since the energy storage capacity of an FESS is proportional to the principal mass-moment of inertia and the square of the running speed, a design that maximizes the principal inertia while operatingrunning at the highest possible speed is important. However, the requirements for the stability of the system may impose a constraint on the optimal design. In this paper, an optimal design of an FESS that not only maximizes the energy capacity but also satisfies the requirements for system stability and reduces the sensitivity to external disturbances is proposed. Cross feedback control in combination with a conventional proportional-derivative (PD) controller is essential to reduce the effect of gyroscopic coupling and to increase the stored energy and the specific energy density.