학교 부하패턴 기반의 PV 경제운전을 위한 ESS 적정 용량 산정 및 운영방안 연구 :A Study on Operation Planning and the Proper Capacity Estimation of ESS for PV Economic Operation based on School Load Patterns

황민수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황민수 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 김재철

발행연도: 2017

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이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

초 · 중 · 고등학교 PV 잉여전력 활용을 위한 ESS 적정용량 산정방안 연구

황민수 , 이명열 , 김한진 외 1명 한국조명·전기설비학회 학술대회논문집 2017.05 학술대회자료

학교 부하패턴 기반의 PV 경제운전을 위한 ESS 적정 용량 산정 및 운영방안 연구

황민수 전기공학과(일원) 2017.01 학위논문

2016

초 · 중 · 고등학교 전력 부하패턴 분석 및 태양광발전 잉여전력량 활용방안 연구

황민수 , 이명열 , 김한진 외 2명 조명·전기설비학회논문지 2016.12 학술저널

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제21차 UN기후변화협약 당사국 총회가 지난 2015년 말 프랑스 파리에서 개최되었고 파리 협약이 채택되었다. 이는 신 기후체제가 출범하였음을 의미하며, 전 세계 모든 나라가 온실가스 감축을 위해 노력하고 있다. 우리나라는 2030년까지 2030년 온실가스 배출전망치인 BAU 대비 37[%]의 온실가스를 감축해야 하며 목표 달성을 위해 ‘2030 신산업 확산전략’을 수립 발표하는 등 온실가스 감축을 위한 다양하고 강력한 정책들을 추진 중에 있다.
PV 등 신재생에너지는 온실가스 감축 대안으로 제시되면서 보급이 큰 폭으로 증가하고 있다. 특히 신축?증축 또는 개축하는 연면적 1,000[㎡]이상의 초?중?고등학교의 경우 ‘신에너지 및 재생에너지 개발?이용?보급 촉진법’에 의한 신재생에너지 설치의무화 대상이 되었다. 해당학교는 연간 사용이 예측되는 총 에너지 사용량 중 연도별로 부과된 비율만큼 PV 등 신재생에너지 생산량으로 공급해야 한다.
또한 ‘공공기관 에너지이용합리화 추진에 관한 규정’에 따라 계약전력이 1,000[kW] 이상인 경우 계약전력의 5[%]이상 ESS를 2017년 1월 1일부터 의무적으로 설치해야 한다.
이러한 정부 정책으로 인해 초?중?고등학교의 경우 2008년 9월 10일부터 신재생에너지 설치 의무 대상 기관이 되었고 이후 PV 설치가 빠르게 증가하였다. 이에 따라 PV가 설치된 일부 학교의 경우 일정 시간대에서는 부하량 보다 발전량이 많아지게 되어 잉여전력이 발생하고 있다.
그동안 열악한 교육재정 등을 감안하여 정부, 국회 등에서 교육용 전기요금 인하와 함께 잉여전력의 미활용 문제를 지속적으로 지적하였으나 제도적 보완이나 잉여전력의 경제적 운영방안에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 특히 2016년 일부 언론에서는 찜통교실, 냉장고 교실 등 교육환경의 문제점을 보도하기도 하였다. ESS 설치의무화 조치에서도 ESS 용량을 PCS 정격 용량만으로 규정함에 따라 ESS의 구체적 활용방안이나, 잉여전력을 경제적으로 활용할 수 있는 대안이 부족한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 수도권에 소재한 초?중?고등학교 15개 학교의 학교별 35,040개 전력 부하 데이터 및 10개 PV발전소의 발전소별 35,040개 발전량 데이터를 수집 분석하였고, 잉여전력의 합리적 활용방안을 연구 수행하였다. 특히 ESS의 적정 용량선정 시 의무비율을 만족하면서 월별 최대수요전력 절감이 가능하도록 월별 에너지용량 최댓값을 반영하여 선정하였다. 경제적 운영 방안을 위해 잉여전력을 활용하여 ESS 충·방전, EHP 냉·난방 개선 및 상계 또는 프로슈머가 가능한 운전 알고리즘을 제안하였다.
학교 부하특성에 따른 방학, 학기 중, 주중, 주말 특성과 계절별 특성 및 교육용 전기요금의 기본요금 적용기준인 매월 최대수요전력 절감 방안을 구현하였고 B/C, NPV, IRR 등 경제성 평가를 수행하여 타당성을 검증하였다.
본 논문이 COP21 이후 온실가스 감축을 위해 노력하고 있는 국제사회와 정부 정책 및 신재생에너지 보급 활성화에 기여함은 물론 교육재정 개선과 교육용 할인제도 신설 등 정책적 보완에도 불구하고 찜통 교실 논란이 지속되고 있는 미래 세대에 대한 작은 배려가 되기를 바래본다.

The 21st UN Conference on Climate Change was held in Paris at the end of 2015, and agreement was adopted. This means that new climate system has been launched, and the whole world are trying to reduce greenhouse gas emissions.
According to BAU, Korea should reduce 37 percent of greenhouse gases by 2030. Announced ‘2030 new industry strategy of expanding’, a variety of policies aimed at reducing greenhouse gas emissions for the attainment of goal.
New sources of renewable energy, such as the PV, are increasing as they are proposed to reduce greenhouse gas emissions. Especially elementary, middle and high school of gross area over 1,000[㎡], such as new, extend or reconstruction building, shall supply new renewable energy following ‘new renewable energy law for develop, use, dissemination, promotion’. The amount of new renewable energy is decided assessed ratio among annual estimated using energy. According to ‘The regulation of public institution energy using and resonable propel’, if the contract power is over 1,000[kW], shall install ESS more than 5[%] of the contract power since 2017.
Due to the government’s policy on elementary, middle and high schools, the duty installation establishment of renewable energy equipment was established on Sep. 10, 2008, and increased the PV installation rapidly. So, some schools in the PV installed occurred surplus power, a certain time more generated power than load power. The Government and the National Assembly pointed out not applicate surplus power with lower electricity charge, but a study on the economic management plan of surplus power or institution supplementation is insufficient. In particular, some media in 2016 reported that classroom problems were extremely hot and cold. Cause the ESS capacity was regulated only PCS’s rated capacity in the ESS duty installation regulation, lack alternative method for economical using surplus power or detailed usage method about ESS.
In this thesis, analysis 35,040 load consumption data about 15 schools in the metropolitan area and 35,040 generated power data about 10 PV power plant, research resonable usage of surplus power load data. In particular, the selective capacity of ESS was chosen maximum value of the energy capacity as far as possible monthly peak cut and duty rate, proposed ESS charging&discharging, EHP improvement, net metering and available prosumer operation algorithm from using surplus power for economical management method. Following schools characteristic load such as vacation, term-time, weekday, weekend and season, implement saving method of monthly peak for reduced basic charge of education electrical charge and the economic evaluation such as B/C, NPV, IRR was conducted to validate feasibility based on the electric charges.
Hope that this thesis will contribute to global society, government policy and renewable energy activation after COP21, also contribute to next generation in bad environment classroom despite policy supplementation.

#태양광 #에너지저장장치 #학교 부하패턴 #잉여전력 #경제운전 알고리즘 #ESS 용량산정

국문초록 ⅹ
영문초록 xiii
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구동향 5
1.3 논문구성 7
제 2 장 COP21 이후 초·중·고등학교 신재생에너지 정책 변화 9
2.1 초·중·고등학교 현황 9
2.1.1 초·중·고등학교 개황 9
2.1.2 초·중·고등학교 에너지 사용 현황 분석 11
2.2 국내·외 신재생에너지 보급정책 12
2.2.1 국외 정책 13
2.2.2 국내 정책 16
2.2.3 초·중·고등학교의 신재생에너지 및 ESS 설치의무화 17
2.3 태양광발전 19
2.3.1 태양광발전 보급정책 19
2.3.2 태양광발전 보급 통계분석 22
2.3.3 태양광발전 예측을 위한 해석모델 23
2.4 경제적 운영을 위한 ESS 적용 기술 25
2.4.1 ESS 개요 및 보급정책 25
2.4.2 ESS 시장동향 및 분류 25
제 3 장 초·중·고등학교 부하패턴 및 잉여전력량 분석 30
3.1 교육용 전기요금 체계 30
3.1.1 교육용 전기요금 이슈 33
3.1.2 교육용 전기요금 문제점 분석 37
3.2 의무비율별 신재생 전원의 용량산정 37
3.3 초·중·고등학교 부하패턴 42
3.3.1 15개 초·중·고등학교의 부하패턴 42
3.3.2 PV 설치 학교와 미설치 학교의 부하패턴 53
3.3.3 학교부하의 RRMSE 분석 54
3.4 PV 발전패턴 57
3.4.1 10개 PV 발전소 발전량 57
3.4.2 PV 발전량 정규화 58
3.5 잉여전력량 산정 시뮬레이션 60
제 4 장 ESS 적정 용량산정 및 운영 알고리즘 제안 68
4.1 ESS 적정 용량산정 68
4.1.1 초·중·고등학교 ESS 용량산정을 위한 고려사항 70
4.1.2 학교 부하패턴 기반의 ESS 적정 용량산정 73
4.2 ESS 운영 알고리즘 76
4.3 알고리즘 검증 및 결과 분석 87
4.3.1 ESS 운영 알고리즘 검증 87
4.3.2 결과 분석 90
제 5 장 PV 및 ESS 의무 이행에 따른 경제성 분석 93
5.1 경제성 분석 기법 93
5.2 초·중·고등학교 PV 및 ESS 의무 이행에 따른 경제성 분석 95
5.3 정부지원 및 REC 적용 등 민감도 분석 99
제 6 장 결 론 104
참고문헌 107

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