사업계획서 개발기술의필요성 지구온난화와환경오염등의화석연료의사용으로증대되는문제로인해세계적으로이에대한대책을마련하고자신재생에너지에대한관심과연구가활발히진행되고있다. 석탄, 석유, 천연가스등과같은화석연료의사용을줄이기위한신재생에너지분야에많은연구가이루어지고있다. 이에대표적인사례로국내에서는제주도의스마트그리드실증단지를운영중에있다. 지난 2011년 9월국내에서갑작스러운무더위로인한전기부하의급격한증가에예비전력부족에대한신속한대응이이루어지지못해대규모지역적정전이발생하였다. 또한일본에서는 2011년대지진으로인해발생한쓰나미와이로인한후쿠시마원자력발전소사고로인해빈번히발생하던지진으로인한전기공급의피해와는비교조자되지않는엄청난피해가발생하였다. 이러한피해는현재까지도일본에큰영향을미치고있으며, 이런문제들을해결하기위해스마트그리드나마이크로그리드또는분산전원과같이기존의발전소에만전력을의존하는형태에서벗어나개별로전력을발전및저장하는형태의 ESS(energy storage system) 에대한관심과필요성이증가되고있다. 이러한 ESS의경우종래의분산전원의가장일반적인형태인태양광또는풍력, 연료전지등을사용하는시스템에배터리를연결하여계통과연계하는형태이다. 이는신재생에너지에서발전되는전력을배터리의상태에따라서충전이필요한경우충전을하고, 남은전력을계통으로발전을하는방식으로운용된다. 또한, 종래의계통연계형분산전원의경우계통과의연계가이루어지고있을경우에 ESS의경우에는배터리의전력을사용하여계통의사고가발생하여도독립운전이가능하여순간정전및단시간정전에대하여백업을가능하게할수있으므로중요한부하들을보호해줄수있다. 그림 1은에너지저장장치인배터리가없을경우의신재생에너지의발전량과부하사용량을나타낸다. 신재생에너지원의출력과부하사용량이순시적으로일치하지않는것을확인할수있다. 이러한불일치는에너지저장장치인배터리를사용함으로써보완이가능해지며, 전력공급의안정성을상승시킬수있다. 그림 2는에너지저장장치인이차
전지 NaS 배터리와신재생에너지원인풍력발전을연계하였을경우의순시적전력흐름을나타낸다. 그림에서와같이불규칙적인신재생에너지의발전량은배터리와의연계를통해일정하고안정된전력공급이가능해지며앞서언급한순시적인부하증가에도대처가가능해진다. 그림 1. PV 발전그리고부하사용량그래프. 그림 2. 풍력발전기와 ESS 를통한출력전력평준화.
현재전력계통은고품질의전력공급, 선로상태감시, 외부공격에대한복구력증강, 전력사용량자동파악, 피크전력수요예측의다각화등과같이다방면에서계통의진보화를꾀하고있다. 현재전력계통의이슈인 스마트그리드 의개념으로써, 전력시스템과 IT 기술이융합된전력망의진화된형태이다. 스마트그리드는전력망의신뢰성, 효율성, 안전성을꾀하는한편, 전력생산ᆞ소비정보를양방향ᆞ실시간으로유통함으로써에너지효율을최적화하며, 기존의전력시스템은물론전기자동차, 신재생에너지와함께생산참여소비자인프로슈머의등장으로미래의에너지생산및유통이다양화될것으로예상되는차세대전력네트워크이다. 그림 3. BESS 시스템개략도 그러나현재전력전자시스템의경우대부분이계통의상태에무관하여독립적으로발전을하는분산전원의형태이기때문에계통의상태에따라서실시간으로반응하기어렵다는단점이있다. 스마트그리드에서의전력요금은전력수요에따라실시간으로변동을한다. 따라서효과를극대화하기위해서는분산전원을포함한전력전자시스템이요금변동에능동적으로대처가요구되며, 이에전력전자시스템이웹기반형태의디지털기기를이용하여사용자가실시간으로전력의발전량및소비량을확인및부하사용의조절이요구된다.
기술의융 복합필요성및기술내용 본과제에서는 PV-BESS시스템에 IT기술이융합한인터넷기반의 PV-BESS 시스템을제안하며, 그림 4에제안된시스템의개념도를나타내었다. IT기술과전력전자기술이융 복합된제안시스템은기존의시스템과대비하여아래와같은장점을가진다. 기존의 PV-BESS시스템은태양광의발전량과배터리의충전상태를기반으로하여시스템의현재상태를결정하며, 부하의통계적내용을토대로배터리의충전및발전상태를나눈다. 그러나부하의통계적자료는과거의경험에의존한데이터일뿐현재의상태를나타내기에는한계가있다. 그리하여, 본과제에서는인터넷을기반으로현재의부하사용량, 태양광의발전량, 배터리충전상태등의시스템의전체적인상태를모니터링한다. 또한웹을이용하며용량이큰주요부하에대하여부하의 On/Off 상태를모니터링하며용량이큰부하가켜질경우배터리에서에너지를공급하여부하의사용으로인해야기되는 Peak 전력을줄인다. 그리고또한공장과같이차등적요금제가적용되는경우는계통전력단가에따라서사용자가발전및충전의상태를변경하여전력을통한경제적활동을수행하게된다. 또한이러한경우, 부하의스케줄링으로부하의사용및관리가효율적으로가능해진다. 따라서지금과같은수동적사용자가아닌능동적전력사용자를지향하는인터페이스가구축되어야하며이러한인터페이스는편이성과접근성을갖추어야한다. 따라서 PV-BESS의전력정보를일반사용자가사용가능한정보로가공하여제공함으로서사용자의합리적이고계획적인전력사용이가능하게한다. 그림 4. IT 융합형 PV-BESS 개념도
본과제에서제안한시스템의기술의융복합구조는아래와같다. 이차전지 + 태양광 + 전력변환시스템 + 웹어플리케이션 + 무선인터넷 본제안과제 IT 융합형스마트 PV-BESS시스템개발및효율적운용방안연구 에서는활용도가낮은기존의 PV시스템의단점을보완한형태인 PV-BESS시스템을개발하고자한다. 과제에서는 PV-BESS시스템의고효율전력변환장치및제어기법개발과배터리연계를통한첨두부하삭감효과, 계통전력사용을최소화하는기능을개발한다. 또한일상생활에서손쉬운접근이가능한인터넷망을통하여외부에서전력수수량을실시간으로모니터링하며동작모드지령이가능한 PV-BESS시스템을제안한다. 외기술개발현황, 문제점및향후전망을객관적 구체적으로서술 국내기술현황 ESS(Energy Storage System) 는태양광, 풍력등의신재생에너지를통해발전된전력을배터리등의에너지저장장치에저장하였다가급작스런전력사용으로인해한전등의전력회사에서필요한시기에공급하여전력효율을높이는시스템이다. 또한현재정부에서주도적으로 ESS의기술개발및산업화정책을추진하고있으며, 세계시장에서주도권을잡기위해 ESS 분야의 R&D 투자확대와더불어원천기술확보에집중하고있다. ESS 시스템의경우국내에서는정부주도의중대형 ESS 기술개발및산업화정책을추진하고있다. 이는에너지저장 R&D 투자를확대하여원천기술확보및글로벌시장을선도하기위함이며, 2020년까지 6.4조원규모의기술개발및설비투자추진및 ESS 설치의무화방안을검토중이다. 또한최근 2000년 0월 는 사에 20[MW] 급 ESS를공급계약을맺었으며, 2000년 0월 은 사에 10[kWh] 급가정용 ESS 공급계약을발표하였다. 일부대기업에서는 NaS, RFB 등에관한연구가진행중이지만아직초기단계이며실증이활발한선진국에비해핵심소재및원천기술등기술수준이미흡하다. 국내의실증현황을보면 4[MWh]/ 8[MWh] 급리튬이차전지시스템및운용기술을개발하여실증을준비중이며, Smart Renewable 운영시스템을구축및실증개발중이다. 향후전력소비량증가및신재생에너지확대에따라중장기적으로 2020년에는 1680MW 용량의에너지저장장치시스템의수요가늘어날것으로예상되어진다. 국내시장활성화를위한제도적기반으로 RPS(Renewable portfolio standard) 와 EERS(Energy efficiency resource standard) 를통하여 ESS 설치의무화를그림 5와같이추진할예정이다.
국외기술현황 그림 5. ESS RPS 와 SPS 비교 국외의경우미국에서는 EPRI, Sandia Lab 중심의 NEW electricity project가전력품질안정화, 효율적전력사용을위한에너지저장중요성에의해진행되고있고전력회사 ASE는 1MW급 A/S용 Storage System을운영중이며, 그외남미인도등에도진출할예정이다. 프랑스전지업체 Saft 社주도로태양광 LIB Storage 개발을 2008년부터시작하였으며 2012년에사업화를목표로하고있다. 일본은 250kW 이상의 BESS를설치할경우 30% 의보조금을지원하고있다. 또한 NEDO 주축으로 Test Bed Project가각자치현과연합으로신전력체계및서비스기술개발실증을진행하고있으며 2030년까지전력공급망부문 94GW의전지가필요할것으로예상된다. Mitsubishi는 LIB(105AH) 를표준으로가정용 / 업무용 ESS 시스템을개발하였다. 이미일본에서는자연재해가잦은자연재해의폐해를최소화하기위하여독립운전기능을갖는시스템이보급되고있었으며, 계통연계기능과독립운전기능을선택하여사용할수있는신재생에너지발전장치에대한연구가매우활발히진행되고있는실정이다. 향후세계 ESS 시장규모는 142억달러에서 2020년에는약 540억달러, 2030년에는 1300억달러로, 시장규모가수직상승할전망이다. 또한 ESS의가격과리튬이차전지의가격하락은 2015년이후이시장의급속한성장을이끌것으로보인다. 참고로 50[MW] 이하는 LiB, NaS, RFB 등의전지방식이, 50[MW] 이상은 CAES 등의대형발전방식이대세를이룰전망이다. 기존 ESS 시스템문제점 기존 ESS 시스템은사용자임의로동작모드의변경이불가능하며이미정해진통계 자료에따른부하곡선과태양광발전및배터리의충전상태등에따라서모드가변경 된다. 하지만이러한방법은사용자의실부하사용패턴과일치하지않아에너지사용
의효율성을저하시킨다. 이러한문제점을해결하기위하여사용자가외부에서도시스 템모니터링과원격제어가가능하도록스마트기기를이용하여사용자의위치에관계 없이시스템의발전과전력소비를선택할수있는 PV-BESS 시스템을제안하였다. ESS 시스템향후전망 본제안과제 IT 융합형스마트 PV-BESS시스템개발및효율적운용방안연구 에서는정전시백업, 첨두부하삭감효과, 전력품질보상, 신재생에너지의고품질전력변환및전기사용의부분적독립화를통해계통전원사용의최소화, 전력효율향상을위한다양한기능, 그리고이러한기능들을인터넷, 스마트폰과같은스마트기기를이용하여직접접속하고상태모니터링및관리기능을가지는 PV-BESS 시스템을제안한다. 제안하는시스템에서의개별적기능들은이미높은수준으로써많은연구가진행되고있지만각컨버터와그외기능들을통합하는제어기법및전력품질보상기능, 그리고이기기들의스마트기기와의연동에관한연구는많이부족한실정이다. 이기능을가지는시스템은데이터센터, 빌딩, 병원과같은안정된전원공급과동시에에너지효율향상, 전기요금절감효과그리고스마트기기를이용하여전력상황과전력요금을고려한최적의운전패턴을결정할수있으며, 나아가향후낙도와전력공급이원활치않은후진국에서도전력사용의자립화를위한방안으로사용이가능하다. 또한, 전기부하가점차늘어가는현재반드시필요하며통합하여야하는기술이라할수있다. 그림 6. ESS 시장전망
1 2 3 4 본과제에서제안된 IT 융합형스마트 PV-BESS시스템개발및효율적운용방안연구 는이슈가되고있는스마트그리드기술과 BESS 시스템이융합되어효율적인에너지사용방안과최적화된시스템의개발이라할수있다. 이러한기술개발을위해준비된현황을살펴보면아래와같다. 계통연계형신재생에너지발전시스템개발기술 - 등록된특허기반의 3상인버터제어기법태양광발전전력의고품질화및고효율화를위해서는인버터출력단과기타상황에대처하여계통단의전력을단위역률및정현파로제어해야한다. 본과제에서사용할제어기법은등록된특허 3상펄스폭변조인버터의단일제어루프전압제어기의제어방법 을따른다. 특허는기존의 2중제어루프방식에서벗어나출력전압을피드백하여기준신호와의오차를크기및위상을고려하여보상하는단일제어루프방식으로구성되어있다. 이러한단일제어루프는기존의 2중제어루프에비하여빠른속응성과낮은정상상태오차를가지는장점을가진다. 과제에서는특허에사용된제어방식을이용하여태양광에서발전된전력과배터리에저장된전력을계통으로발전및충전또는독립운전의형태로부하에공급한다. 이러한제어기법에서는앞서언급한 2중제어루프이외에히스테리시스제어기법, 적응히스테리시스기법, 예측제어기법, 데드비트제어기법등이존재하여기법에따라시스템의성능및특성에차이가있다. - 단독운전검출기법단독운전이라함은 계통의사고나정전이발생하여계통과연계되지아니하고단독으로발전하는상태 를말한다. 이러한단독운전상태는고장을수리하는점검원의안전및기타유발가능한사고의원인이되므로규정에의해단독운전발생시인버터
는 500[ms] 이내로감지하여인버터를정지시키는기능이탑재되어야한다. 이러한단독운전검출기법은크게능동적인방식과수동적인방식으로나뉘게되며, 수동적인방식의경우발전전력과부하소비전력이정확히일치하는경우단독운전을검출하기가용이하지않다. 따라서최근에는무효전력을주입하거나주파수를변동시키는등의능동적인방식을위주로단독운전을검출하는기술이주를이루고있으며, 주관기관인 에서는이와관련된계통연계형인버터에대하여연구한바가있으며, 공동개발기관인 에서는이전에수행한과제에서규정내단독운전검출하는기법을개발한바있다. - 온라인무정전전원장치 (On-line UPS) 제어기술계통의사고, 정전및계통전기품질의불량으로인하여계통과의분리가불가피할경우, 부하단의전력공급을끊김없이하기위해서는계통분리시부하단에서발생되는오버슈트없이매끄러운독립운전모드전환기법이요구된다. 또한계통연계시비선형부하에의해서발생하는고조파및무효전력을보상하는기술이필요하다. - 배터리맥동저감기술전력변환장치는스위칭소자를사용하여전력을변환하기때문에스위칭에따른맥동성분이발생하며, 스위칭주파수와인덕터에의해맥동의크기가결정된다. 이러한맥동은배터리에악영향을주어수명을감소시키기때문에맥동저감기술이요구된다. 이러한맥동은 DC/DC 컨버터에인터리빙기법을통하여최소화가가능하나, 동작점과인터리빙하는컨버터의수에따라지배적이므로먼저주요동작점설계후인터리빙하는컨버터의수를결정하는것이효과적이다. - 첨두부하삭감기능을위한배터리충방전전력제어기법이차전지의 CV/CC/CP 충방전제어를위한개발된절연미비절연타입의양방향충방전시스템과첨두부하삭감기능을위한시스템이다. 태양광발전에따른상황과계통의상황을고려하여양방향 DC/DC 컨버터에의해충방전을통해이차전지의에너지를계통으로공급하는기능과에너지를이차전지로저장하는기능을가진다. 주관기관인 에서는이와관련되어납축전지를이용하여피크부하절감을위한인버터에대한연구를수행한경험이있다. - ESS 시스템제어및모니터링기술전체시스템의상위제어기로 window기반의 LCD패널을이용하여시스템의현재상태모니터링및고장발생시고장원인을디스플레이한다. 또한 MMI 기능으로시스템의알고리즘에서벗어나외부의입력에따라현재의동작모드의변경과데이터로깅기능을가진다. 이는 Labview 및 visual C 기반으로프로그래밍되어다른기타시스템에도응용이가능하다.
이차전지의종류및리튬폴리머전지의선행연구 이차전지의종류로는리튬계열전지와납축전지, NaS 전지, 초고용량커패시터, RFB(Redox flow battery) 등이있다. 이중현재가격경쟁력과성능두가지를모두 만족하는전지는리튬계열의전지이다. 그림 7. 에너지저장장치의종류와용량에따른상대비용 납축전지의경우가격은낮지만낮은효율과짧은수명의문제점을가지고있으며, RFB는에너지밀도가낮고, 외부전원이없으면펌프를구동하지못하여배터리사용이불가능하다. 이러한배터리의특성을기반으로본과제에서는현재국내외시장에서가장많이사용되어지고있고사용에있어서쉽게접근할수있는리튬계열배터리를사용하고자한다. 리튬계열전지는여전히가격이높다는단점을가지고있지만다른여러배터리에비하여많은연구와소재개발로인하여안정성과배터리밀도가 ESS사용에있어서가장적합할것으로보인다.
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본과제 IT 융합형스마트 PV-BESS시스템개발및효율적운용방안연구 는 PV-BESS 시스템개발과인터넷을통한모니터링및동작구현 이라는최종목표를가진다. 과제수행시아래와같은주요기술과세부적기술을얻을수있다. PV-BESS 시스템고효율고성능하드웨어개발 - PV용고효율단방향컨버터하드웨어개발 - BESS 고효율양방향컨버터및삼상인버터하드웨어개발 - PV-BESS 시스템제어용고성능 DSP 보드개발 PV-BESS 시스템제어기법개발 - PV용속응 MPPT 기술개발 - Battery용급속및완속충방전기술개발 - 신속한단독운전검출기법개발 PV-BESS 시스템관리를위한웹기반어플리케이션개발 - PV-BESS 시스템및스마트기기인터페이스개발 - 순시전력수급량및전력요금원격모니터링기능 - PV-BESS 시스템동작모드및원격제어 PV-BESS 시스템의효율적운용알고리즘개발 - 부하평준화 (Load Leveling) 기법및알고리즘연구 - 계절 / 시간별전기요금절감운용기법연구 - 계통연계및독립운전기술개발과매끄러운모드절환기법개발
PV-BESS 시스템고성능고효율하드웨어개발
그림 9. 제안된 PV-BESS 시스템구성도 PV-BESS 시스템은 PV용 DC/DC컨버터, 배터리용양방향 DC/DC컨버터와삼상 DC/AC 인버터로그림 9와같이구성된다. 제안하는시스템은태양광의전력이배터리에충전되거나계통으로발전이가능하며, 배터리에충전된전력은피크부하시계통으로발전될수있다. 또한경부하시계통의전력이배터리에저장될수있는전력흐름을가진다. 따라서전체시스템의효율향상을위해서는개별전력변환장치는각각에고효율특성이요구된다. 고효율전력변환장치의개발을위해서는스위칭소자및수동소자들의최적설계및설정, 고효율토폴로지연구를통한적용과시스템레벨의최적화가반드시필요하다. 아래와같은일련의하드웨어제작설계과정을통하여최적화가요구된다. 1. 하드웨어구성방식 - DC/DC 컨버터와인버터의경우기존의토폴로지이외에 Dual type DC/DC 컨버터, H5인버터등이존재한다. 이러한토폴로지는기존의방식과비교하여높은효율을가지나시스템을구성하는부품의증가를야기한다. - 제안된과제에서는기존의학계및산업계에서개발되어지던단상양방향컨버터, 계통인터페이스용인버터에풀브릿지기반 IGBT 인버터를적용한 BESS와차별성을두기위하여 PV-BESS에특화된토폴로지개발을위해부분적영전압스위칭이가능한다상양방향컨버터를적용할예정이며, 2상부터 4상구조를검토하여최적의구조를선정할예정이다. 또한, 다상컨버터의커플드인덕터구조에관하여상세히연구하여성능과경제성을동시에추구할예정이다. 그리고계통연계형인버터의경우기존과제의전통정인 IGBT 풀브릿지인버터를적용하였으나제안된과제에서는 IGBT와 MOSFET의하이브리드적용과가변주파수기법을적용하여제안된시스템의효율향상하고자한다. 또한, 에서이전에수행했던 SG를위한에너지저장장치용 U-PCS 개발 은
PV용단방향부스트컨버터, 배터리충방전양방향컨버터그리고계통인터페이스를위하여풀브릿지인버터를적용하다. 제안된 IT 융합형스마트 PV-BESS 시스템개발및효율적운용방안연구 는 3KW 시스템에서 20kW 시스템으로용량을대폭증대시켜상용화모델을키워서제안하였다. 3kW 시스템은단순한기능구현과성능확인에그목표를두고개발을진행하였으나, 20kW 시스템은 3kW에서는크게중요하게취급하지않았던방열, 게이트회로, 스위치조합등을다각적으로검토하여최적의설계를달성해야만기능구현과성능확인이가능하다. 특히 20kW급의큰전력으로부터발생되는큰전력맥동을적절히차단하기위한수동소자들의설계와조합이매우중요하다. - 시스템보호를위하여온도보상및보호알고리즘이추가될예정이다. 저주파전력리플의경우 3kW에비하여 20kW에서더큰악영향을미치므로이의감소를위한저주파전력리플보상알고리즘을추가하고자한다. 제안된시스템에서는고효율을유지하며, 열이잘방출되도록방열판의최적설계가필요할것이다. 또한앞서언급한기존의일반적인전력회로구조로는효율향상에한계가있으므로, 그범위를넓히기위하여다양한회로구조를검토하고자한다. 반복제어기의구현, 가변주파수기법의구현, 하프스위칭모듈레이션기법들을추가하여본과제 IT 융합형스마트 PV-BESS 시스템개발및효율적운용방안연구 의개발을완성하고자한다. 2. 인덕티브소자의구성및설계 - 인덕티브소자의코어의손실을최소화하기위하여 DC/DC 컨버터부의인터리빙방식을채용하거나고효율의코어재질을사용하여인덕티브소자의효율을극대화하는방법을사용한다. 3. 수명연장 - 전력전자회로의부품중수명이가장짧은것은커패시터이다. 이커패시터로인해전력전자회로에서는고장이발생한다. DC/DC 컨버터와 DC/AC 인버터를연결해주는 DC-Link의경우커패시터로구성되며, DC/AC의교류측으로인해 DC-Link 커패시터의경우 120[Hz] 의리플이발생한다. 이러한리플은 DC- Link 커패시터의수명을악화시키므로 120Hz 리플을최소화하는방안이요구된다. 4. 소자선정에따른시스템효율의극대화 - 시스템의효율을극대화하기위해서는소자의선정이우선시된다. IGBT에비해 MOSFET의경우스위칭동작이빨라스위칭시발생되는손실이저감되며스위치가켜졌을경우의저항 Rds가낮아효율개선에유리한다. 또한스위치를병렬화시킴으로써도통시발생하는손실을병렬화된스위치수의제곱에비례하여손실
을저감시킬수있다. - PV-BESS 시스템제어용고성능 DSP 보드개발 시스템의원활한제어를위해서는고성능디지털신호처리기 (DSP) 가필요하다. 따라서본연구에서는알고리즘수행에있어서부동소수점연산이가능한 Texas Instruments 社의 TMS320F28335를주제어기로선정하였다. 이 DSP는최대 150 [MHz] 로동작하며내부메모리만으로도본과제의 PV-BESS 시스템제어를위한충분한연산능력을가지고있다. 직렬회로에는고정밀센서의사용으로센싱의정확도를센싱의정확도를높이며, 출력되는아날로그신호는디지털보드로연결되며신호를디지털화할필요성이있기때문에 ADC를사용하게된다. TMS320F28335의내부 ADC는 12bit의분해능을가지며총 16채널로구성할수있다. 코어전압은 150Mhz로구현하기위해 1.9V를공급한다. TCK, TDI, TMS, TDO, TRST, EMU0, EMU1핀은 JTAG를연결하는핀이며, 88개의 GPIO핀을가지고있다. 또한 12비트 ADC로전압, 전류의아날로그값을디지털로변환하고, SCI, SPI, 기능으로각주변장치와의통신을하고있으며, 12채널의 PWM으로전력변환기의스위칭을담당하게된다. 그외 SPI, SCI 그리고 CAN 등을통하여 DAC, LCD 모니터, BMS 그리고웹인터페이스회로등다양한주변기기와통신이가능하도록구성할예정이다. 그림 10. TMS320F28335 구성도
PV-BESS 시스템제어기법개발 - PV용전압전류제어기법개발제안된시스템에서계통연계형인버터의경우는개선된형태의반복제어기를적용할예정이다. 이제어기는홀수고조파와짝수고조파를나누어반복되는형태의홀수고조파를적극적으로제거하여기존의 PI 제어기에비하여 THD를크게향상시킬수있는방법이다. 이에추가하여 IGBT 및 MOSFET 하이브리드구조의장점을극대화하기위하여하프스위칭모듈레이션기법을적용하며, 가변스위칭주파수기법을적용하여효율을향상하고자한다. 또한, PV-BESS용컨버터는전압 / 전류제어의실시간모드전환이매우중요하다. 이를위하여전압 / 전류단일루프제어기를적용하고시스템의동작조건에따라제어입력을선택하는방식을취하여응답성과신뢰성을높이고자한다. 특히기존의제어기가전압제어의내측루프로전류제어기를가지고있는것과는다르게제안하는 PV-BESS 시스템에서는제어기출력의포화정보로부터전압 / 전류제어기가선택적으로적용가능하게개발하고자한다. - PV 용속응 MPPT 기술개발 태양광또는풍력등과같은신재생에너지원의출력전력은실시간으로변화하는데, 이를위하여최대전력점추적 (Maximum Power Point Tracking) 알고리즘이필요하다. 이 MPPT 알고리즘은최대전력생산과매우밀접한관계가있기때문에외부환경변화를빠르게반영하여시스템의동작점을이동시키는것이매우중요하다. 이러한 MPPT에는 P&O(Perturbation and Observation) 방식이많이쓰이는데이는전압혹은전류의변동을발생시킨후출력전력을관측하는출력전력이증가하는방향으로전압혹은전류의지령치를생성시켜신재생에너지원을최대전력점에서기동하도록하는섭동후관측기법이다. 아래의그림 11과 12는 P&O의개념도와 MPPT 구현블록선도를나타내는그림이다. 그림 11. P&O 개념도
그림 12. MPPT 구현블록선도 - BESS 급속및완속충방전기술개발 CC(Constant Current) mode 정전류충전알고리즘은그림 13과같이일정한전류를배터리에공급하는충전방식으로배터리가만충전이될때까지일정한전류로충전하는것이다. 정전류충전은충전시간이짧아지는장점을가지고있지만만충전이되는시점에서정확하게충전이종료되지않으면과충전으로인해배터리의파손위험과배터리수명단축의문제가발생할수있다. CCCV(Constant Current Constant Voltage) mode 정전류정전압충전은그림 14 의프로파일을이용하여초기충전시에는충전시간을단축시 그림 13. 정전류 (CC) 충전알고리즘. 그림 14. CCCV 충전알고리즘. 키기위해서정전류로충전하여일정전압이되면정전압충전으로제어하는방식으로써정전
류충전방식에비해안전한충전이가능하며, 정전압충전방식에비해충전시간이단축되어 급속충전기대부분이 CCCV 충전을적용하고있다. 정전압충전으로전환후에는공급전압과 배터리내부임피던스에의해전류로충전한다. DC-bias Pulse mode 일반적인펄스방식은충전시각충전사이클에높은전류와낮은전류를교번하여인가한다. 이러한펄스방식은배터리내부의화학반응으로내부전해질을중성화하여배터리수명을늘리고자하는방식이다. 본과제에서는비교실험에사용된 DC-bias pulse 충전모드는기존의휴지기간을갖는펄스충전방식과는다르게일정전류값을기준으로설정한시간값으로충전전류를달리하여충전하는 DC-bias pulse 충전방식을사용하였다. - 신속한단독운전검출기법개발 PV 및 BESS 시스템은기본적으로계통연계형운전모드로동작하기때문에운전중에계통의사고가발생하면고장수리원의안전사고및계통의재투입시위상불일치로인한부하측이단락된경우보다더큰돌입전류가흐를수있다. 또한 3kW의가정용대상의시스템의경우위상차이로인한돌입전류나피해규모가비교적작지만본과제에서제안하는 20kW의사용화시스템의경우약간의위상차로인하여돌입되는전류의양이약 100A에달하기때문에정밀한위상추종알고리즘이필요하다. 그러므로계통연계형 PV 시스템은계통고장후 0.5초이내에계통의고장을검출해야하며, 시스템의운전을정지하도록규정되고있다. 따라서단독운전검출기능은계통연계용인버터와범용인버터를구분하는중요한기준이되며, 계통과의보호협조측면에서가장중요한기능이라할수있다. 그림 15. PCS 시스템의적용시단독운전감지기능.
61 60.5 60 59.5 43ms Islanding start 0.1s P=0[%], Q=0[%] q=2.5 0.07 0.052 0.0349 0.017 0 0.017 0.0349 0.052 0.07 59 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Time[sec] time[sec] 그림 16. PCS 시스템의적용시단독운전감지기능. PV 및 BESS 시스템관리를위한웹기반어플리케이션개발 - PV 및 BESS 시스템및스마트기기인터페이스개발 기존의계통은스마트그리드가아닌일반적인계통이기때문에어떠한정보도전달하지않는다. 그래서기존의신재생에너지시스템은시스템에서출력되는전력을계통의상황을고려하지않고발전및소비를한다. 또한시스템의각부출력데이터를확인하기위한방법으로 RS232나 RS485와같은유선통신방법을사용하여사용자가시스템의근거리에서직접확인해야하는유선모니터링시스템을사용한다. 그러나이러한방법의경우전력을실시간으로사고팔수있는스마트그리드에서는적합하지않다. 스마트그리드는전력망의신뢰성, 효율성, 안전성을꾀하는한편, 전력생산과소비정보를통하여양방향및실시간으로전력의유통정보를공유함으로써에너지효율을최적화를하는것이주목적이기때문에기존의전력전자시스템들은이에따라서실시간으로원거리에서도제어가가능해야한다.
그림 17. 원격모니터링시스템인터페이스구성도 본연구에서는그림 17의구성도와같이데이터서버를설치하고현재많이사용하는스마트기기를사용하여실시간으로서버에접속을하여실시간발전량, 전력소비량, 누적소비량등의다양한정보를모니터링할수있다. 또한사용자가미리지정한설정에맞추어배터리충전량등을능동적으로제어할수있도록해주는인터페이스장치를개발할예정이다. - 순시전력수급량및전력요금원격모니터링기능 기존배전망또는 PCS시스템에서전력을계획적으로소비하는것은거의불가능하다. 계통을통하여신재생에너지가발전을하거나부하가소비하는전력의순시적인전력사용량을사용자가알기위해서는 PCS에서직접확인하거나또는전기계량기를통하여누적사용량등을확인하여야한다. 또한이에따른전기요금을확인하기위해서는전기계약용량과누진율등복잡한과정을통하여계산되기때문에실질적인전기요금은부과되기전에는확인하는것이불가능하다. 하지만계통도이전과는다르게신재생에너지가보급되고개개인이발전사업자가됨에따라계획적인전기소비와발전을위해서위와같은정보를더욱효율적으로관리하는것이필요하다. 본연구에서개발하는어플리케이션은데이터서버를통하여실시간으로사용자의집에서사용하거나발전하는전력을모니터링하고누적사용량등의정보를사용자에게적합한정보로가공한다. 또한사용자에게전력요금, 일일전력요금과같은다양한정보를제공하고외부에서이를확인하여효율적이고계획적인전력소비를할수있도록한다.
- PV-BESS 시스템동작모드및원격제어 그림 18 PV-BESS 시스템전체동작모드 본과제에서제안된 PV-BESS 시스템은총 4개의동작모드로운전된다. mode 1은배터리가만충전인상태로 PV에서발전된에너지를계통으로공급하며, mode 2는배터리의에너지만으로계통에발전이이루어지는단계이다. 이단계는피크시간대에한전에전력이부족할때이루어진다. mode 3은 PV의에너지가배터리충전하는단계이며, mode 4는계통의에너지가배터리만을충전하는단계이다. 각각의동작은실제운용할경우전체시스템이연속적으로제어되며동작한다. 기존 PCS 시스템은사용자임의로동작모드의변경이불가능하며이미정해진통계자료에따른부하곡선과태양광발전및배터리의충전상태등에따라서모드가변경된다. 하지만이러한방법은사용자의실부하사용패턴과일치하지않아에너지사용의효율성을저하시킨다. 본시스템에서는핸드폰이나스마트기기를사용하여시스템의동작모드를원격지에서변경이가능하게하여최대동작모드, 정상동작모드그리고절약동작모드로변경이가능하게하였다. 동작모드에따라서배터리의충전상태가 90[%], 60[%], 40[%] 로설정되며, 최대모드에서는배터리가총용량의 90[%] 까지충전을수행하여가정에서사용하는부하들의대부분의전력을계통을통하여공급받는다. 하지만절약모드에서는배터리총용량의 40[%] 로설정되면배터리에충전된전력과계통전력을같이사용하여계통에서공급받는전력량을줄일수있다. 전기단가에맞는모드를사용자가선정하여전기사용의효율성을증대시킬수있다. 또한중요부하를원격지에서제어함으로서에너지절약및편리성을얻을수있다.
PV-BESS 시스템의효율적운용알고리즘개발 - 부하평준화 (Load Leveling) 기법및알고리즘연구 부하평준화기법은배터리를이용한에너지저장장치가경부하시유휴전력을저장하고, 과부하시그전력을사용하여첨두부하의분산을통하여발전소건설비, 송전선의설치비, 전력설비등의투자비를절감할수있는기법이다. 그리고또한저장된에너지를사용함으로써여름, 겨울철의피크전력과대규모정전사고에효과적인대응이가능하다. 아래의그림 19에서는심야의유휴전력을에너지저장장치에충전하였다가주간시간에방전하는내용을보여주며방출된전력으로인하여피크전력이절감되어발전소및변전소의투자비를줄일수있다. 이러한에너지저장시스템이신재생에너지에이용될경우, 신재생에너지의불규칙적인에너지를고품질의전력으로변환하는등신재생에너지보급확산과동시에, 실시간전력거래가이루어지는스마트그리드구현을위해서는반드시필요한기술이며, 에너지저장장치없는신재생에너지가전체발전량의 10[%] 를상회할경우신재생에너지의불규칙적특성으로인하여전체전력망의불안정으로전력품질에심각한피해가우려된다. 이로인해보다효율적인에너지저장및방전을위해서는유휴전력을저장하는시간, 용량및방전시간, 용량에대한연구가필요하다. 그림 19. Load Leveling 기법 그림 20. 신재생에너지의전력품질향상 - 계절 / 시간별전기요금절감운용기법연구 현재전기요금은주택용, 일반용, 산업용, 교육용, 농업용등으로구분되며, 이러한전기요금중일반용, 산업용전기요금의경우계절과시간대별의차등적요금이적용되고있다. 이차등적전기요금은계약용량 300[kW] 미만의경우여름철에서크게 2배이상, 300[kW] 이상의계약용량에서는 3배이상까지도차이가발생하는것을그림 21에의해알수있다. 제안된시스템의에너지저장장치인배터리를이용하여, 전기요금이가장비싼최대부하시간에배터리를방전시켜계통전력의사용량을줄이며또한요금이저렴한시간대인경부하시에배터리를충전시키는것을기반으로한전기요
금절감운용기법에대한연구가필요하다. 그림 21. PCS 시스템의최대전력절감효과 - 계통연계및독립운전기술개발과매끄러운모드절환기법개발 제안된시스템은계통의사고나정전이발생할경우계통과연계되는계통연계 / 독립운전절환스위치를이용하여시스템이정전상태에놓이지않도록하는기능을가진다. 이러한기능을위해서는전원상태를감시하여계통사고의발생시빠른절환이요구된다. 계통연계운전모드와독립운전모드는다른제어기법으로동작되게되고이를위해계통의전압, 전류, 주파수등의정보가실시간데이터를처리가능한 DSP(Digital Signal Processor) 의사용이필수적으로요구되며, DSP 내에서는계통의상태를정확하게파악할수있는알고리즘이필요하다. 예를들어계통연계모드로동작할때계통의사고가발생하면독립운전기능으로동작한다. 이에따라연계운전을하는경우에는시스템으로부터계통으로발전할때전류와전압의역률과전류의 THD를기준에맞게제어해야하며, 이에따른전류제어기술과계통의위상을추종기술을개발해야한다. 그리고독립운전의경우기본적으로부하의특성에관계없이동작주파수와전압의크기를정확하게제어되도록해야하기때문에강인한출력전압제어기술을개발해야한다. 또한계통연계모드에서독립운전모드로의변환시독립운전모드에서계통연계모드로의변환시각제어기법이신속하게제어되어매끄러운모드절환이이루어지어야한다.
PV-BESS 시스템개발과인터넷을통한모니터링및동작구현
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LCR Meter GWinstec, H/W 개발 Power Supply Tek. 2ch H/W 개발 DSP 에뮬레이터 TDS510U SB-C2K S/W 개발
주요핵심기술및차별화전략 제안된시스템은기존의 ESS시스템과태양광시스템이하드웨어적으로결합되고웹기반의어플리케이션으로전체시스템의모니터링과제어가가능한형태이다. 또한, 기존의 ESS시스템과태양광시스템대비아래와같은장점및차별화된기능이보유가가능하다. 기존 ESS 시스템에신재생에너지원을적용한 PV-BESS 시스템기술 - 신재생에너지의발전전력의안정화및고품질화 - 배터리연계함으로써기존신재생에너지시스템의낮은활용도개선 - 기존태양광시스템의태양에너지공급의단일화된기능에서계통의안정화기능과독립적인전원공급기능등을추가함으로써성능개선 첨두부하삭감기능을이용한 PV-BESS 시스템연계기술 - 신재생에너지의발전만으로는불가능한부하전력의조절기능 (Load Leveling) 가능으로첨두부하의직접적인대응가능 - 첨두부하의직접적인삭감기능으로전력설비최소화 - 배터리로독립운전가능으로정전이나계통의사고시 UPS와같은역할가능 PV-BESS 시스템의상태모니터링및스마트기기를활용한효율적인운용 - 웹기반의어플리케이션으로시스템의상태및주요변수모니터링가능 - 현장이아닌원격스마트기기를통하여, 시스템의점검및고장진단 - 해외수출시원격스마트기기를통하여, 해외에맞는전기적사양으로간편히수정가능 태양광 DC/DC 컨버터의경우와배터리용양방향 DC/DC 컨버터의경우에, 그림 22 의
(a) 와같이현재세계의최고기술수준은각각 94[%] 이고, 제안된시스템의달성목표는각각 95[%] 이다. 이는현재세계의최고기술인각각 94% 인것을 1% 씩상승한경우이다. 이러한 1% 의상승은예를들어그림 5의 (b) 와같이태양광에서발전된전력이모두배터리로충전될경우 (0.95 0.95 = 0.9025) 90.25% 의시스템효율을가진다. 그러나기존의효율을고려할경우 (0.94 0.94 = 0.8836) 88.36% 의시스템효율을가져각기 1% 의효율상승이약 2% 의시스템효율상승을가져온다. 이는또한계통에서배터리를충전하여최대부하시이를계통으로방전할경우도마찬가지로약 2% 의효율향상을가져올수있다. 이러한 2% 의효율향상은태양광모듈의용량을 2% 증대시킨것과같은효과이며, 시스템의발열감소로방열판의사이즈축소를꾀할수도있다. 그림 22 기존시스템과제안된시스템의비교 그림 22. 기술이전및상품화전략예상도.
제품양산계획 - 도면화작업및제조사양과원활한자재구매시스템구축 - 검사절차에있어서확실한품질확보를위한시스템구축 - 판매된제품에문제발생시사후관리규정을통해신속한대처를위한시스템구축 - 실장설계 : 컨버터부의효율성및냉각능력을고려한설계 - 부품선정 : 최대의성능및가격경쟁력을얻기위한최소수량의부품부품의선정 - 생산공정을고려한개발 : 쉽게도면에의한조립이가능하도록모듈화하여시스템개발 - A/S를고려한개발 : 소손이비교적적은변압기부를분리하고전력변환부의분리및교체가용이하도록설계 판로확보및마케팅계획 - 판로확보를위해서기존의수요업체와접촉하여신제품의특성시험을요청하여공동시험을통해판로를개척한다. - 기존의 ESS 시스템생산업체의문제점으로국내영세기업으로기술과품질이불안정하며소형시스템의경우경쟁이치열하여채산성하락및품질저하로인해소비자불만이크고외국산을선호하는상태이므로본신제품의출시는탁월한성능과품질로우위를비교할수있어기존시장에쉽게진입할수있다. - 해외시장의경우직접수출및바이어를통하여고객의요구에부합하는제품을공급하도록인터넷이나전시회등을통해홍보하고기술을보유한 CEO가직접국외시장의현지를방문하여개척하거나전시회참관및개최를통해해외바이어와연결을시도한다. - 국내시장의산발적시장의경우군소경쟁업체가존재하지만신기술의장점을홍보하고신제품의우수성을입증하여국내딜러및유통망을구성하거나기존의거래영업망을활용한다. - 판로확보를위해신제품의특성을요청하여판로개척 - 재품의성능과품질에우위를점할수있어기존시장에쉽게진입가능예상 - 전시회와인터넷망을통해홍보하고 CEO가직접국내외시장을방문하여개척 - 전시회참관및해외바이어와연결시도 - 제품의성능을입증하기위해제품의신기술에대한장점홍보 - 국내딜러및유통망구성하여기존거래영업망활용 - 기존의 ESS 제조업체와제휴및공조추진 - 국내 () 스마트그리드참여업체와의 MOU 체결 (OEM 생산 ) 을통한초기매출확
보 : 및 - 우수한중소기업의기술성만으로는한전및대기업에대한영업이현실적으로어려우므로 스마트그리드참여업체를통한안정된공급선확보 (OEM) 및 1차밴드를통한우회영업계획 - 국내관수 () 시장에대한입지및실적구축을통한대기업및수출영업확대 ( 단위 : 백만원 ) 156 100 100 0 0 500 200 0 0 0 100 70 50 0 0 50 100 150 0 0 500 350 20 100 0 1,306 820 320 100 0
개발완료후예상설비및생산장비내역. <LCR Meter 2 = 10000> < 전자부하기10kW = 30000> <Power Supply 5 = 1500> <DSP 에뮬레이터 5 = 3000> <Oscillo Scope LeCroy 200MHz = 15000> <Oscillo Scope LeCroy, 1GHz = 25000> <Power Analyzer = 30000> <DSP 3X 에뮬레이터 2 = 1000> <Function generator 2 = 20000> < 항온항습기 2 = 20000> ( 단위 : 백만원 )