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달형 안
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1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of lectrical ngineers Vol. 64, No. 1, pp. 1~7, 제주도계통에서의풍력발전기및 SS 를고려한신뢰도평가 Reliability valuation with Wind Turbine Generators and an nergy Storage System for the Jeju Island Power System 오웅진 * 이연찬 * 임진택 * 최재석 윤용범 ** 장병훈 ** 조성민 ** (Ungjin Oh Yeonchan ee Jintaek im Jaeseok Choi Yongbeum Yoon Byunghoon Chang Sungmin Cho) Abstract - This paper proposes probabilistic reliability evaluation model of power system considering Wind Turbine Generator(WTG) integrated with nergy Storage System(SS). Monte carlo sample state duration simulation method is used for the evaluation. Because the power output from WTG units usually fluctuates randomly, the power cannot be counted on to continuously satisfy the system load. Although the power output at any time is not controllable, the power output can be utilized by SS. The SS may make to smooth the fluctuation of the WTG power output. The detail process of power system reliability evaluation considering SS cooperated WTG is presented using case study of Jeju island power system in the paper. Key Words : Wind turbine generator(wtg), nergy storage system(ss), Power system reliability evaluation 1. 서론최근발생한 9.15순환정전으로인하여그와관련된정부부처및전문관련학회등에서이를분석하고그에따른정전대비책을강구하는등의신뢰도강화방안을마련하고있다. 또한이를통하여더큰정전으로부터파생될수있는사회적파국을방지할수있다는의미에서참으로고무적이라고하겠다. 또한, 현대사회에서전력은국가경제발전과국민의삶의질을향상시키는데반드시요구되는필수요소다. 어떤이유에서든전력공급이부족하게되면경제발전에심각한지장을초래하게될뿐만아니라삶의질을현저하게악화시키게되며막대한사회적비용을유발하게된다. 따라서전력은수요변화에즉각적이고차질없이공급되어져야하는이유이다. 이를방지하기위하여근래에에너지저장장치 (SS: nergy Storage System) 의계통투입으로공급신뢰도영향분석기술이그어느때보다중요한이슈가되고있다. 특히출력변동성이큰풍력발전기가증가함에따라그변동성을감소하기위해서 SS의계통투입이요구되고있다. 또한이의공급신뢰도측면에서의효과에대한기술개발을요청받고있다. 특히, SS 연계를통한수요충족의불안함을해소하기위한신뢰도분석모델은전세계적으로가장관심있는연구분야임에도불구하고신뢰도평가모델은매우희소성을지닌다. 따라서, 본연구는풍력발전의급속한변동으로인한수요충족의불안함을해소하고풍력발전단지에 SS를설치함으로써기존의전력계통에 SS를연계할경우에전력계통의신뢰도분석프로그램을구축하고자한다. 이를통하여신재생에너지원과결합된 SS의효용성을분석하고이를검증함으로써실계통병입및운용시스템에적용가능한수준의확률론적인신뢰도정보시스템을개발함에그궁극적인연구목표를두었다. 이번에는기초연구로써몬테카를로시뮬레이션을이용하여풍력발전기와 SS를고려한신뢰도평가모델을제안하고제주도계통을대상으로한사례연구를통하여제안하는평가모델의유용성을살펴보았다 [1]. 2. SS 운전모형 2.1 풍력발전단지에설치된 SS의충 / 방전운전모형 Corresponding Author : Dept. of lectrical and lectronic ngineering, Gyeongsang National Univerity, Korea -mail : jschoi@gnu.ac.kr * Dept. of lectrical and lectronic ngineering, Gyeonsang National Univerity, Korea ** KPCO, Korea Received : September 19, 2014; Accepted : December 03, 2014 그림 1 본논문에서설정한제주도의기존발전기들과풍력발전단지및 SS 연계모형 Fig. 1 CG s and WTG in Jeju inked with SS Copyright c The Korean Institute of lectrical ngineers 1 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial icense ( licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 본논문에서는그림 1과같이제주도에서의기존발전기 (CG :Conventional Generator) 들과제주도의행원, 성산, 한림에서풍력발전단지의등가풍력발전기 (WTG: Wind Turbine Generator) 및 SS 연계모형에대하여공급적정도측면에서의신뢰도평가를실시하는것으로하였다. 이들의운전조건으로임의의시간대에서부하대비등가풍력발전기 ( 이하풍력발전기라고한다.) 의최대허용출력비율을 X% 라하고다음처럼시나리오를정하였다. 이는부하가시간대별로변화하여도그허용비율은변하지않는것을의미한다. 여기서 SG wi 는풍력발전기의부하대비최대허용출력, SG ci 는기존발전기의출력의무량, TG wi 는풍력발전기의발전용량 이며, TG ci 는기존발전기의발전용량 이다 [5, 6]. S i : #i 시간대 SS에저장된에너지 [MWh] U i : #i 시간대 SS의에너지변화량 (SS 에너지제어량 ) [MWh] S M : SS의최대용량 [MWh] S m : SS의최소용량 [MWh] 그림 2는 SS의충 / 방전상태천이를예를들어도식화한것이다. 한편, 충전시 SS의에너지상태변화는일반적으로그림 3 의 3과같은충전특성을가지며, 방전시는 2와같은방전특성에따른다고알려져있으나본논문에서는편이상 SS 충 / 방전모두 1과같은선형적인특성에따른다고하였다. 1 SG wi =TG wi -X%* i : X%* i ( 부하가변하면풍력발전기의최대허용출력도변함.) 이때, SG wi 가양수 (+) 이면, TG wi 이 X%* 를 i 초과하고동시에 SS가방전모드에있지않으면이초과분을충전할수있다. 2 SG ci =TG ci -(1-X%)* i : (1-X%)* i SG ci 가음수 (-) 이면, 기존발전기의출력이출력의무량보다작으면 SS로부터방전하여전력의부족분을공급받는것으로한다. 따라서, SG wi 가양수 (+) 일때 WTG는 X%* 을 i 절대로초과하여부하에공급을할수없는것으로가정하며특히이때, SG ci 가음수 (-) 이면 SS가방전을해야하므로 WTG의초과출력분이존재하여도그초과분을 SS에충전할수없는것으로한다 [6]. 2.2 SS 에너지상태방정식 (nergy State quation) 전술한 SS 운전조건에서 SS의에너지상태방정식을정식화하면식 (1) 과같다. 더불어 SS는식 (2) 와같은최대및최소에너지제약을만족해야하는것으로설정하였다. 그림 3 SS의충 / 방전특성곡선 Fig. 3 SS Charge/Discharge Characteristics Curves 2.3 SS 제어량 (U i) 산정 전술한 SS 운전조건을사용하면에너지제어량은다음식 (3) 과같이계산된다. SG wi t i SG wi 0 and SG ci 0 C SG ci t i SG wi 0 and SG ci < 0 D U i= (3) 0 SG wi < 0 and (SG wi+sg ci) 0 - (SG wi +SG ci)t i SG wi < 0 and (SG wi+sg ci) < 0 D 여기서 C는충전모드 (Charging mode) 를나타내며 D는방전모드 (Discharging mode) 를의미한다. 한편, 실제 U i 는다음의제약조건에따라조정되어야한다. 1) 충방전에너지제어량최대치제약 그림 2 SS의충 / 방전시에너지상태그래프 Fig. 2 SS Charge/Discharge State(SOC) Transition Feature -U max U i U max (4) U max = [(S M -S m)/tm SS] T (1) (2) TM SS : SS의전충전 ( 방전 ) 소요시간 2

Trans. KI. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 2) SS 최대용량제약에따른충방전최대허용에너지제약 S m S i+u i : S m-s i U i (5.1) S i+u i S M : U i S M-S i (5.2) 3.

3 Trans. KI. Vol. 64, No. 1, JAN, ) SS 최대용량제약에따른충방전최대허용에너지제약 S m S i+u i : S m-s i U i (5.1) S i+u i S M : U i S M-S i (5.2) 3. 신뢰도평가 본논문에서는풍력발전기와일반발전기의불확실성을시뮬레이션에반영하기위하여확률론적으로미래의값을예측하는수치적접근방법인 Monte Carlo 모의방법을이용하였다. 또한풍속의불확실성을고려하기위하여 Monte Carlo 모의방법인난수를적용함으로써, 불확실성을고려한풍력발전기출력의샘플상태를만들고이를각상태에대하여공급지장시간기대치 (O; oss of load xpectation) 와공급지장에너지기대치 (NS; xpected nergy Not Served) 를구한후에이를합산하여평균함으로써신뢰도지수를산정하였으며, NS로부터정의되는 IR (nergy Index of Reliability) 은그값이클수록신뢰도가높음을의미한다. 이를정식화하면식 (6), 식 (7) 및식 (8) 과같다. O i= t i (6) NS i= (TG ei+u i) (7) IR= (8) 또한이러한신뢰도평가를하기위한순서도를나타내면다음그림 4와같다. 4. 사례연구 4.1 제주도계통본논문에서는그림 5, 그림 6와같은제주도계통에서제시한풍력발전단지와에너지저장장치 (SS) 를포함하는연계모델을대상으로하였다 [4]. 그림 5 제주도의전력계통도 Fig. 5 Power System of Jeju Island Ω D : 방전모드의집합 NSS : 총샘플수 ( 상태수 ) U i : 방전에너지량 (Discharging Control nergy) [MWh] TG ei D : 부하의공급부족을없애기위한꼭필요한방전에너지 ( 절대치로표시함 ) [MWh] : 총부하에너지 (Demand nergy) [pu] 입력 그림 6 제주도에서의풍력발전기의위치 Fig. 6 A map of Jeju Island 일반발전기 (State Duration Sampling Approach) 1 Ti = ln U λ i T i = #i번째의일반발전기의상태? i = 고장율, U i = 난수 풍력발전기시뮬레이션 (Weibull Distribution Function) S = S + U i i 1 i S i : SOC, #i 번째 SS 에저장된에너지량 [MWh] U i : #i 번째 SS 의에너지제어량 (Control nergy) [MWh] SS 시뮬레이션 신뢰도평가 (O, NS) 종료 그림 4 신뢰도평가순서도 Fig. 4 Flow Chart for Reliability valuation i 표 1 제주도전력계통의발전기특성데이터 Table 1 The Generators Data of Jeju Island Power System Name Type Capacity Num. α [Gcal/ MWh] β [Gcal/ MWh] γ Fuel cost [Gcal/hr] [$/Gcal] 1 HWN WTG SSN WTG HM WTG FOR 4 HVDC DC 75/150* / 0.028* 5 NMJ3 T/P JJU1 T/P JJU2 T/P HM1 G/T HM1 S/T JJU3 D/P NMJ1 D/P Total 제주도계통에서의풍력발전기및 SS 를고려한신뢰도평가 3

전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 4.1.2 제주도계통의 SS용량변화에따른신뢰도평가본논문에서는제주도계통의 SS용량변화에따른신뢰도를산정해보았다. 다음표 1은 CG와 WTG의발전기특성데이터를나타내고있으며, 표 2는제주도의풍력발전단지 ( 성산, 한림, 행원 ) 의특성을나타내고있다. 또한표 3은풍력발전기의특성곡선을나타내는데이터이다.

4 전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 제주도계통의 SS용량변화에따른신뢰도평가본논문에서는제주도계통의 SS용량변화에따른신뢰도를산정해보았다. 다음표 1은 CG와 WTG의발전기특성데이터를나타내고있으며, 표 2는제주도의풍력발전단지 ( 성산, 한림, 행원 ) 의특성을나타내고있다. 또한표 3은풍력발전기의특성곡선을나타내는데이터이다. 표 4 SS 사양 Table 4 SS Specification 최대용량 (S M) [MWh] 최소용량 (S m) [MWh] 전충 / 방전소요시간 [hours] SS 의최소용량 표 2 풍력발전단지 ( 행원, 성산, 한림 ) 의특성 Table 2 Data of HWN, SSN and HM wind farms Wind Data Wind farm HWN-WF SSN-WF HM-WF Peak speed 45 m/s 40 m/s 35 m/s Mean wind peed 8.5 m/s 7.6 m/s 6.4 m/s Standard deviation 7 m/s 6 m/s 5 m/s WTG Data Cut-in speed(v ci) 5 m/s 5 m/s 5 m/s Rated speed(v R) 16 m/s 15 m/s 14 m/s Cut-out speed(v co) 25 m/s 25 m/s 25 m/s 그림 8 제주도계통의각상태별부하및기존발전기의확률론적인출력 (TG ci) 의한예 Fig. 8 An example of load for each state and CG's probabilistic output(tg ci) in Jeju system 표 3 풍력발전기 ( 행원, 성산, 한림 ) 의특성 Table 3 Data of HWN, SSN and HM wind farms 그림 9 및그림 10은각각 SS의에너지상태및충 / 방전에너지제어량을참고로보인것이다. HWN-WF SSN-WF HM-WF A B[m/sec] C[m/sec] 그림 7은 2012년제주도의전력계통의부하변동곡선 (pattern) 을나타내고있다. 1 JJU PS HVC 0.9 oad 그림 9 SS의에너지상태 (S i)[mwh] Fig. 9 SS energy state(s i)[mwh] Time [hours] 그림 년제주도의전력계통의부하변동곡선 Fig. 7 The load variation curve (pattern) of Jeju Island power system in 2012 다음으로제주도계통에서의 SS용량변화에따른신뢰도평가를위한 SS 사양은다음표 4와같다 [2, 3]. 그림 8은제주도계통의각상태별부하및기존발전기의확률론적인출력을참고로보인것이다. 그림 10 SS의충 / 방전에너지제어량 (U i)[mwh] Fig. 10 SS charge/discharge control (U i)[mwh] 4

5 Trans. KI. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 다음으로 SS의용량변동에따라서 O와 NS의변화를살펴보면그림 11과같다. SS의용량이증가함에따라 O의지수가꾸준히감소하였으며 NS 또한 O의값과거의동일하게감소함을알수있었다. 그리고 SS의용량이 60 70MW 에서부터는포화가되고있음을알수있다. 또한 O가감소하면 NS의값도같이감소하는것을알수있다. N S [MWh/day] NS O [Hours/day] O 표 6 에너지저장장치설치여부에따른 계통의 O, NS의변화 (S M=50MWh) Table 6 Variation in System O and NS with/without SS (S M=50MWh) O [Hours/year] NS [MWh/year] IR Frequency of Outage Without WTG & SS With WTG only With WTG+SS Case Case Case Case SS의용량 그림 11 SS용량증가에따른신뢰도지수의변화 Fig. 11 Variation of Reliability Indices with Increasing of SS Capacities 제주도계통의풍력단지별용량변화에따른신뢰도평가 [Hours/day] 40 O Case 2 다음으로본논문에서는풍력단지별용량변동에따라서 O, NS 및 IR의신뢰도지수의변화를살펴보았다. 따라서풍력단지별각 Case 용량은다음표 5와같다. 표 5 풍력단지별각 Case 용량 Table 5 Capacities for ach Case with Regards to ach Wind Farm HWN SSN HM Case SS 사양은위의표 4와동일하게설정하였다. 따라서이러한제주도계통의풍력단지별용량변화에따른 O, NS의변화를나타내면다음표 6과같다. 그림 12, 13은제주도계통의풍력단지별각 Case 용량과 SS의설치여하에따른 O와 NS의변화를나타낸것이다. 그림 12, 13에서볼수있듯이 과 Case 2를비교하면, 풍력단지의용량이증가함에따라신뢰도가증가한다. 또한 SS 가없을경우에는 2배정도증가하지만, 반면 SS를설치하였을경우에는 2.6배정도신뢰도가증가하는것을알수있다. 이는 SS가설치됨에따라신뢰도가증가함을의미한다. 5 0 without WTG&SS With WTG only With WTG+SS 그림 12 풍력단지별각 Case용량변화에따른 O 지수변화 Fig. 12 Changes in the O Index Value according to Varying Capacities for ach Case with Regards to ach Wind Farm [MWh/day] Case N S without WTG&SS With WTG only With WTG+SS 그림 13 풍력단지별각 Case용량변화에따른 NS 지수변화 Fig. 13 Changes in the NS Index Value according to Varying Capacities for ach Case with Regards to ach Wind Farm 제주도계통에서의풍력발전기및 SS 를고려한신뢰도평가 5

전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 5. 결론본논문에서는풍력발전기 (WTG) 와에너지저장장치 (SS) 를포함한제주도전력계통의공급적정도신뢰도평가를위한기본모형및알고리즘의한예를제시하였다. 대규모풍력발전기는큰전력변화와함께전력공급의안정적인공급에큰위험을초래할수있다. 하지만이러한위험은에너지저장장치를설치함으로써감소시킬수있다.

따라서본연구에서제안하는모형을이용하면에너지저장장치에대한경제성평가및신뢰도분석이가능하며더불어감도해석등을통하여 SS의적정용량도출과활용방안이마련될것으로사료된다. 나아가풍력발전단별 SS가각각설치된상황에서의전력계통운용시스템에적용가능한수준의신뢰도정보시스템의구축이이루어질것이다.

[4] Kyeonghee Cho, Jeongje Park, Taegon Oh, Jaeseok Choi, Probabilistic Reliability valuation of Composite Power Systems Including Wind Turbine Generators, KI, University of Incheon, 2010.

6 전기학회논문지 64 권 1 호 2015 년 1 월 5. 결론본논문에서는풍력발전기 (WTG) 와에너지저장장치 (SS) 를포함한제주도전력계통의공급적정도신뢰도평가를위한기본모형및알고리즘의한예를제시하였다. 대규모풍력발전기는큰전력변화와함께전력공급의안정적인공급에큰위험을초래할수있다. 하지만이러한위험은에너지저장장치를설치함으로써감소시킬수있다. 본연구에서는풍력발전기의출력과에너지저장장치의최대및최소에너지제약및시간당충 / 방전출력제한을고려한충 / 방전출력그리고부하등을모두시계열모델을기반으로한모형으로세우고이를몬테카를로모의방법을이용하여공급적정도측면에서의신뢰도평가를실시하는방법을제안하였다. 여기서, 전력공급의안정성문제를고려하기위하여풍력발전기출력의공급제한을고려하였다. 따라서본연구에서제안하는모형을이용하면에너지저장장치에대한경제성평가및신뢰도분석이가능하며더불어감도해석등을통하여 SS의적정용량도출과활용방안이마련될것으로사료된다. 나아가풍력발전단별 SS가각각설치된상황에서의전력계통운용시스템에적용가능한수준의신뢰도정보시스템의구축이이루어질것이다. 본논문에서제안하는방법은차후실계통에 SS를병입하였을경우에풍력발전기와에너지저장장치를포함하는신뢰도평가를위한기초자료에크게기여할것으로기대된다. GRID, vol. 4, no. 1, pp , [4] Kyeonghee Cho, Jeongje Park, Taegon Oh, Jaeseok Choi, Probabilistic Reliability valuation of Composite Power Systems Including Wind Turbine Generators, KI, University of Incheon, [5] Ungjin Oh, Yinchan ee, Jintaek im, Jaeseok Choi, Yongbeum Yoon, Byunghoon Chang, Sungmin Cho, Reliability valuation of Power System considering Wind Turbine Generator and nergy Storage System, KI, Jeju Grand Hotel in Jeju, [6] Roy Billinton, Wenyuan i, Reliability Assessment of lectric Power Systems Using Monte Carlo Methods, Plenum Press, 저자소개 감사의글 This work was supported by the Korean National Research Foundation(NRF) (No,#2012R1A2A2A ) and Korea lectric Power Co.(KPCO) 오웅진 (Ungjin Oh) 1985년 7월 6일생. 2013년경상대전기공학과졸업. 2014년 현재경상대석사과정. -mail : vkdlskf@nate.com References [1] P.Hu, R.Karki, Roy Billinton, Reliability valuation of Generating Systems Containing Wind Power and nergy Storage, Journal of IT Generation, Transmission & Distribution, vol. 3, no. 8, pp , [2] Kyeonghee Cho, Jeongje Park, and Jaeseok Choi, Probabilistic Reliability Based Grid xpansion Planning of Power System Including Wind Turbine Generators, Journal of lectrical ngineering & Technology, vol. 7, no. 5, pp , [3]Jaeseok Choi, Jintaek im and Kwang Y. ee, DSM Considered Probabilistic Reliability valuation and an Information System for Power Systems Including Wind Turbine Generators, I TRANSACTIONS ON SMART 이연찬 (Yeonchan ee) 1984년 11월 25일생. 2011년경상대전기공학과졸업. 2012년 현재경상대석사과정. -mail : hun22ya@gnu.ac.kr 임진택 (Jintaek im) 1985년 8월 1일생. 2011년경상대전기공학과졸업. 2013년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 2013년 동대학원전기공학과박사과정. Fax : mail : jtlim@gnu.ac.kr 6

Trans. KI. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 최재석 (Jaeseok Choi) 1958년 4월 29일생.

Fax : 055-772-1719 -mail : jschoi@gnu.ac.kr 윤용범 (Yongbeum Yoon) 1958년 9월 28일생.

1986년서울대대학원전기공학과졸업 ( 석사 ), 1995년동대학원전졸업 ( 박사 ), 현재한전전력연구원 SS 연구사업단단장 -mail :

1992년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1999년동대학원전기공학과졸업 ( 박사 ).

7 Trans. KI. Vol. 64, No. 1, JAN, 2015 최재석 (Jaeseok Choi) 1958년 4월 29일생. 1981년고려대전기공학과졸업. 1990년동대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1991년 현재경상대교수. Fax : mail : jschoi@gnu.ac.kr 윤용범 (Yongbeum Yoon) 1958년 9월 28일생. 1984년부산대전기공학과졸업. 1986년서울대대학원전기공학과졸업 ( 석사 ), 1995년동대학원전졸업 ( 박사 ), 현재한전전력연구원 SS 연구사업단단장 -mail : yunybon@kepco.co.kr 장병훈 (Byunghoon Chang) 1964년 3월 21일생. 1989년고려대학교전기공학과졸업. 1992년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1999년동대학원전기공학과졸업 ( 박사 ). 현재한전전력연구원 SS연구사업단책임연구원 Tel : mail : jang7@kepco.co.kr 조성민 (Sungmin Cho) 1980년 10월 03일생. 2003년숭실대학교전기공학과졸업. 2008년동대학원전기공학과석사졸업. 2012년동대학원전기공학과박사졸업. 현재한전전력연구원 SS연구사업단선임연구원 T : mail : chosmin@kepco.co.kr 제주도계통에서의풍력발전기및 SS 를고려한신뢰도평가 7

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<30312DC1A4BAB8C5EBBDC5C7E0C1A4B9D7C1A4C3A52DC1A4BFB5C3B62E687770> Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지(J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 19, No. 2 : 258~264 Feb. 2015 ID3 알고리즘 기반의 귀납적 추론을 활용한 모바일 OS의 성공과 실패에 대한