주파수조정용 에너지 저장장치 최적용량산정 모형 개발에 관한 연구 :Development of an Optimal Capacity Estimation Model for Frequency Regulation Energy Storage System

이태준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이태준 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 김발호

발행연도: 2020

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

주파수조정용 에너지 저장장치 최적용량산정 모형 개발에 관한 연구

이태준 , 김발호 에너지공학 2022.06 학술저널

2020

주파수조정용 에너지 저장장치 최적용량산정 모형 개발에 관한 연구

이태준 전자전기공 2020.01 학위논문

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현재의 전력계통은 전기저장장치(Energy Storage System, ESS) 없이도 효율적으로 운영되고 있지만, 비용 효과적인 전기에너지의 저장은 계통을 보다 효율적이고 안정적으로 운영할 수 있도록 한다. ESS는 생산된 에너지를 저장했다가 필요한 시기에 방전할 수 있는 시스템 또는 장치로 효율적인 전력공급 수단으로 활용될 수 있다. 본 논문에서는 ESS의 다양한 활용 분야 중 주파수조정 및 계통운영 보조서비스 제공을 통한 발전비용 절감 효과가 경제성을 확보하는지에 관하여 주제를 선정하였다.

전 세계적으로 지구온난화에 의한 환경위기가 심각하게 대두되고 있는 가운데 우리나라는 지구온난화 문제를 해결하기 위한 온실가스감축 방안으로 우리나라는 온실가스?에너지목표관리제, 배출권거래제, 재생에너지 3020 이행계획 외 각종 지원제도가 시행되고 있으며, 이러한 정책 시행은 향후 전력수급계획 수립 시 추가적인 제약요소로 작용할 것이다. 특히, 미래년도의 전원구성 내에서 기저발전원의 비중이 감소하는 특징을 보여주며, 이 때 ESS의 주파수조정에 의한 발전비용 절감은 매우 효과적일 것으로 예상된다.
이에, 본 논문은 발전설비건설계획 수립 단계에서 계획기간 중 주파수조정용 ESS를 건설 및 운용할 시의 ESS 경제성을 분석하고, ESS가 경제성을 확보할 경우 최적 건설용량 및 투입시기를 도출하는 모형을 제안하였다.
제안 모형은 외부의 발전설비계획 모형을 활용하여 운전비를 산출하고, ESS 용량별 건설비용(투자비용), 유지보수비용, G/F 정산금을 산출한 후 동적계획법을 활용하여, ESS 최적용량 산출 및 건설계획을 도출한다.

사례연구 수행 결과 입력자료로 활용한 전원구성에 따라 주파수조정용 ESS의 경제성이 다르게 도출되었으며, 전원구성 내의 기저발전원 비중이 주파수조정용 ESS의 경제성에 영향을 미치는 결과를 도출하였다. 특히, 8차수급기본계획 반영 시나리오의 경우 주파수조정용 ESS의 발전비용 절감 효과가 가장 효과적인 시기는 2026년으로 도출되었으며, 이 시기는 원자력발전이 급격히 감소하는 시기이다.
하지만 현재의 ESS 가격 경쟁력으로는 투자비를 회수하지 못하여 경제성을 확보하지 못하기에 향후 ESS 가격 변화에 따라 본 논문에서 제안한 모형을 발전설비건설계획 단계에서 기초자료로 활용할 수 있다.

Current power systems operate efficiently without the need for an Energy Storage System (ESS), but the storage of cost-effective electrical energy enables the system to operate more efficiently and reliably. ESS can be used as an efficient means of supplying power to systems or devices that store the energy produced and then discharge it when needed. In this paper, the topic was selected on whether the effect of reducing power generation costs through frequency regulation and provision of system operation ancillary services among the various areas of use of ESS.

With the environmental crisis caused by global warming looming seriously around the world, Korea is implementing various support systems, including the greenhouse gas and energy target management system, emission trading system, and the 30-20 implementation plan for renewable energy, as part of its efforts to reduce global warming, and implementation of these policies will serve as additional constraints in future power supply plans. In particular, it shows that the share of the underlying power sources within the future year is decreasing the proportion of the underlying power sources within the future year.
In response, this paper analyzed the economic efficiency of ESS when constructing and operating ESS for frequency regulation during the planning period, and proposed a model to derive optimal construction capacity and timing of input when ESS secures economic feasibility.
The proposed model uses the external power generation expansion planning model to calculate the operation cost, and the ESS construction cost, maintenance cost, and G/F settlement amount by ESS capacity, and uses the dynamic planning method to derive the ESS optimal capacity calculation and construction plan.

The economic feasibility of ESS for frequency regulation was derived differently depending on the power composition used as input data in the case study, and the proportion of underlying power sources in the power configuration resulted in the impact on the economics of ESS for frequency regulation. In particular, in the case of the scenario reflecting the basic plan for eighth supply, the most effective time for ESS for frequency regulation was 2026, when nuclear power was rapidly reduced.
The proposed model can be used as a preliminary tool for analyzing the economic efficiency of ESS in the power generation expansion plan.

제 1 장 서 론 1
1.1. 연구 배경 및 목적 1
제 2 장 에너지저장장치 3
2.1. 에너지저장장치 개요 3
2.2. 에너지저장장치 종류 및 특성 5
2.2.1. 에너지저장장치 분류 5
2.2.2. 에너지저장장치 종류 8
2.3. 에너지저장장치 활용 분야 10
2.3.1. 부하 평준화 11
2.3.2. 공급능력 확대 11
2.3.3. 계통운영 지원 12
2.3.4. 송·배전망 운영지원 13
2.3.5. 전력품질 및 신뢰도 개선 13
2.3.6. 신재생전원의 출력 안정화 14
제 3 장 국내 환경정책 현황 15
3.1. 온실가스?에너지목표관리제 15
3.2. 배출권거래제 17
3.3. 재생에너지 3020 정책 18
제 4 장 주파수조정용 ESS의 최적용량 산정 모형 20
4.1. 모형 개요 20
4.2. 국내 전력계통 보조서비스 현황 23
4.2.1. 주파수의 개념과 국내 특징 23
4.2.2. 조속기(Governor)에 의한 일차응답 24
4.2.3. 자동발전제어(AGC)에 의한 이차응답 30
4.3. 수학적 정식화 36
4.4. 개발모형 연산절차 39
4.4.1. 자료 입력 40
4.4.2. 주파수조정용 예비력 설정 41
4.4.3. 운전비 산출 42
4.4.4. ESS 최적용량 및 건설계획 도출 42
4.4.5. 결과 출력 42
제 5 장 사례연구 44
5.1. 주파수조정용 ESS의 최적용량 산정 사례연구 44
5.1.1. 사례연구 시나리오 선정 44
5.1.2. 입력 자료 46
5.1.3. 사례연구 결과 50
제 6 장 결 론 68
참고문헌 71
ABSTRACT 73

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