전력저장장치*

신개념에너지

스마트 그리드
마이크로 그리드
전기자동차 전원공급설비
V2G
전력저장장치
ESS의 제어기술
이차전지를 이용한 전기저장장치의 시설
ESS의 안전강화
리튬이온 축전지
ESS 안전의 문제점과 대책
SMES(초전도 에너지 저장장치)
초고용량 커패시터
이차전지
압축공기 에너지 저장장치(CAES)
분산형 전원
분산형 전원 배전계통 연계기술

목차(전력저장장치)

전력저장장치

❗전력저장장치

• 점차 낮아지는 부하율 및 발전설비의 저부하 운전에 따른 효율 악화문제와 더불어 대용랭발전설비의 확대에 따른 예비율 확보 문제를 양수발전소가 담당하였다
• 그러나 양수발전은 입지조건은 입지조건의 까다로움과 수용가와의 거리문제 및 효율이 비교적 낮아 확대설비가 어려운 실정으로 초전도 전력에너지 장치의 개발 필요성이 늘어나게 되었다
• 전력저장장치는 발전 공급량과 수요량의 격차를 효과적으로 조절하기 위한 설비이다
• 특히 신재생분산전원의 경우 출력변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하므로 과잉 공급시 저장하였다가 수요가 늘어날 때 공급할 수 있는 시스템인 전력저장장치의 중요성이 대두되고 있다.

1️⃣전력저장장치 필요성 구비조건

1)전력장치의 필요성

• 전력품질 보상
• 출력변동 표준화
• 설비 이용률 향상
• 예비력 확충 및 발전원가 절감

2)구비조건

• 경제성, 신뢰성, 안정성
• 저장 밀도와 저장 용량이 커야 한다
• 장시간 저장이 가능
• 높은 변환효율

2️⃣구성

• 잉여전력이나 야간의 저부하 시 생산된 전력을 저장하여 전력수요peak 또는 필요시 저장된 전력을 사용하여 에너지를 효율적으로 사용

3️⃣분류(종류)

1)에너지 저장 형태에 따른 분류

• 열에너지 : 축열(빙축열, 심야온수 등)
• 전기화학 : 이차전지, 슈퍼 커패시터, 수소 저장
• 전자기 에너지 : 초전도 코일
• 역학적 에너지 : 양수발전, 압축공기 저장, 플라이 휠 저장

2)종류

종류	장점	단점	비고
납축전지	저렴하다 모듈화 가능	저 에너지 밀도 짧은 수명 납사용규제 가능성	기숭안정성,가장 보편적
니켈수소전지	고출력 밀도	저에너지밀도 짧은 수명	HEV적용
리튬전지	고에너지 밀토 고전압	고가 저출력 밀도 보호회로 필요	대용량, 긴 수명화 추진중
레독스 플로전지	대형화 가능 용량증설 유리 상온작동 초기비용낮음	저에너지 밀도	용량제한 없음 (15[MW]보급완료)
나트륨-유황 전지	고출력 밀도 고효율	고온 작동형 (300[]이상) 고가 부가장치 필요	운전단가 높음, 대용량 모듈화
초고용량 커패시터	고출력 밀도 반영구적 수명	저에너지 밀도 고가	단시간용 적합
양수발전	긴 수명 대용량	초기 비용 고가 부가장치 제한지역 운전지연시간	운전단가 낮음
초전도 코일	고출력 특성	초전도 냉각 시스템	대출력 가능
플라이휠 저장	안전성 높음	고비용
압축공기저장	대형화 유리	입지조건 저효율	대용량 장수명
수소저장	대용량 긴수명 효율우수	저내조 및 연료전시 시스템 필요	수소저장 탱크

4️⃣전력저장 장치의 적용

• 이차전지
  전자제품, 전기자동차, 전원 변동부하 보상, 신재생 및 계통 연계형 전력저장

• 슈퍼캐패시터
  중대형 UPS, 분산전원시스템, 하이브리드 전원, 고품질 전원공급용

• 초전도 코일
  반도체 제조회사, 전력회사 및 군용, 공공업계 및 은행, 통신 데이터 센터

• 플라이 휠 저장
  UPS용, 계통 연계 에너지 저장

• 압축공기 에너지 저장
  100[MW]이상 발전소용, 부하관리용

• 양수발전
  원전의 잉여 전기 저장 및 공급 부하관리용

• 수소저장
  계통연계 에너지 저장, 부하관리용

5️⃣결론

• 신재생 에너지의 보급과 함께 스마트 그리드의 핵심으로 전력품질, 그리고 에너지 사용의 효율화를 극대화시킬 수 있는 전력장치이다
• 저장장치 고효율화, 고역률 변환장치 개발이 이루어져 보급되어야 하고 실용화가 앞당겨져야 한다

신개념에너지

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ESS 안전의 문제점과 대책
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초고용량 커패시터
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분산형 전원
분산형 전원 배전계통 연계기술

목차(전력저장장치)

전력저장장치

💯기출문제

●F16전력공급설비에서 에너지 저장설비의 필요성과 설비조건 및 종류, 저장원리 설명

○F25.에너지저장장치용 전력변환장치 분류

에너지저장장치(ESS)는 생산된 전력을 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 하는 시스템입니다. 이러한 ESS 시스템에서 전력을 변환하는 역할을 담당하는 장치를 **전력변환장치(PCS, Power Conversion System)**라고 합니다. PCS는 ESS의 핵심 구성 요소 중 하나로, 배터리와 전력망 사이에서 에너지를 효율적으로 변환시켜 주는 역할을 합니다.

PCS의 역할

• 교류(AC)와 직류(DC) 간의 변환: 전력망은 주로 교류 전력을 사용하지만, 배터리는 직류 전력으로 충전됩니다. PCS는 이러한 교류와 직류 간의 변환을 담당합니다.
• 전압 및 주파수 조절: PCS는 배터리의 전압과 주파수를 조절하여 안정적인 전력을 공급하거나 흡수합니다.
• 계통 연계: PCS는 ESS를 전력망에 안전하게 연결하고, 계통 안정화에 기여합니다.

PCS의 분류 기준

PCS는 다양한 기준으로 분류될 수 있습니다.

1. 변환 방식에 따른 분류

• AC/DC 컨버터: 교류를 직류로 변환하는 장치로, 배터리 충전 시 사용됩니다.
• DC/AC 컨버터: 직류를 교류로 변환하는 장치로, 배터리 방전 시 사용됩니다.
• AC/DC/AC 컨버터: 교류를 직류로 변환한 후 다시 교류로 변환하는 장치로, 전압 레벨 변환이나 주파수 변환 등 다양한 기능을 수행합니다.

2. 토폴로지에 따른 분류

• 벅 컨버터: 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 얻는 데 사용됩니다.
• 부스트 컨버터: 입력 전압보다 높은 출력 전압을 얻는 데 사용됩니다.
• 벅-부스트 컨버터: 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 얻는 데 사용됩니다.
• Cuk 컨버터: 부극성 출력을 얻거나, 높은 전압 이득을 얻는 데 사용됩니다.

3. 제어 방식에 따른 분류

• PWM 제어: 펄스폭 변조 방식으로, 스위칭 소자의 온-오프 시간을 조절하여 출력 전압을 제어합니다.
• 평균 전류 제어: 출력 전류의 평균값을 제어하여 출력 전력을 조절합니다.

PCS의 주요 기능

• 충전/방전 기능: 배터리를 충전하고 방전하는 기능을 수행합니다.
• 전력 품질 개선: 고조파, 플리커 등 전력 품질 문제를 해결하고, 전력망 안정화에 기여합니다.
• 계통 연계 기능: ESS를 전력망에 안전하게 연결하고, 계통 보호 기능을 수행합니다.
• 에너지 관리 기능: ESS의 에너지를 효율적으로 관리하고, 최적의 운전 조건을 유지합니다.

PCS의 선택 시 고려 사항

• 용량: ESS 시스템의 용량에 맞는 적절한 용량의 PCS를 선택해야 합니다.
• 효율: PCS의 효율은 ESS 시스템 전체의 효율에 영향을 미치므로, 고효율 PCS를 선택하는 것이 중요합니다.
• 신뢰성: 장기간 안정적인 운전이 가능하도록 높은 신뢰성을 갖춘 PCS를 선택해야 합니다.
• 가격: 초기 투자 비용과 운영 비용을 고려하여 경제적인 PCS를 선택해야 합니다.

결론

PCS는 ESS 시스템의 핵심 구성 요소로, 에너지 저장 및 활용 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다. 다양한 종류의 PCS가 존재하며, 각각의 특징과 장단점을 고려하여 적절한 PCS를 선택해야 합니다.

●F30.에너지 저장장치의 출력과 용량구분, 전력계통의 활용분야

에너지 저장장치(ESS)는 전력 계통의 안정성을 높이고 신재생에너지의 효율적인 활용을 위해 필수적인 기술입니다. ESS의 출력과 용량은 다양한 용도에 따라 다르게 설계되며, 이에 따라 전력 계통에서 활용되는 분야도 달라집니다.

1. 출력과 용량 구분

• 출력(Power): ESS가 단위 시간 동안 공급하거나 흡수할 수 있는 전력의 양을 의미합니다. 출력이 클수록 짧은 시간에 많은 양의 전력을 공급하거나 흡수할 수 있습니다.
• 용량(Capacity): ESS가 저장할 수 있는 에너지의 총량을 의미합니다. 용량이 클수록 더 많은 양의 에너지를 저장할 수 있습니다.

2. 전력계통에서의 활용 분야

ESS의 출력과 용량에 따라 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.

• 피크 절단: 전력 수요가 급증하는 피크 시간대에 ESS에 저장된 전력을 방출하여 피크를 완화하고, 전력 시스템의 부담을 줄입니다. (높은 출력, 적절한 용량)
• 谷(계곡) 충전: 전력 수요가 적은 시간대에 저렴한 전력으로 ESS를 충전하고, 피크 시간대에 방출하여 경제성을 높입니다. (적절한 출력, 충분한 용량)
• 주파수 조정: 전력 시스템의 주파수 변동을 감지하고, ESS를 이용하여 주파수를 안정화시킵니다. (높은 출력, 적절한 용량)
• 전압 조정: 전력 시스템의 전압 변동을 감지하고, ESS를 이용하여 전압을 안정화시킵니다. (적절한 출력, 적절한 용량)
• 신재생에너지 연계: 태양광, 풍력 등 변동성이 큰 신재생에너지의 출력 변동을 완화하고, 계통 안정성을 확보합니다. (적절한 출력, 충분한 용량)
• 비상 전원: 정전 시 비상 전원으로 사용하여 중요 시설의 운영을 지속합니다. (적절한 출력, 적절한 용량)
• 마이크로그리드: 독립된 전력망에서 에너지 자립을 실현하기 위해 사용됩니다. (다양한 출력과 용량 조합)

3. 출력과 용량에 따른 활용 예시

활용 분야	출력	용량	주요 기능
피크 절단	높음	적절	피크 시 전력 공급
谷 충전	적절	충분	저렴한 시간대 충전, 피크 시 방출
주파수 조정	높음	적절	주파수 안정화
전압 조정	적절	적절	전압 안정화
신재생에너지 연계	적절	충분	출력 변동 완화
비상 전원	적절	적절	정전 시 전력 공급
마이크로그리드	다양	다양	에너지 자립

결론

ESS의 출력과 용량은 다양한 전력계통의 요구사항을 충족시키기 위해 적절하게 설계되어야 합니다. 높은 출력은 빠른 응답 속도와 큰 전력을 공급하는 데 유리하며, 큰 용량은 많은 에너지를 저장하고 장시간 사용하는 데 유리합니다. 따라서 ESS를 도입할 때는 시스템의 특성과 요구되는 기능을 고려하여 최적의 출력과 용량을 선택해야 합니다.

○F32하이브리드 분산형 전원의 정의와 ESS충방전방식에 대하여 설명하시오.

하이브리드 분산형 전원이란?

하이브리드 분산형 전원은 두 가지 이상의 다른 종류의 발전원을 결합하여 하나의 시스템으로 운영하는 것을 의미합니다. 즉, 태양광, 풍력, 연료전지 등 다양한 발전원을 조합하여 전력을 생산하는 시스템입니다.

왜 하이브리드 방식을 사용할까요?

• 안정적인 전력 공급: 단일 발전원의 출력 변동성을 상호 보완하여 안정적인 전력 공급이 가능합니다.
• 효율성 증대: 각 발전원의 장점을 극대화하고 단점을 보완하여 시스템 전체의 효율을 높일 수 있습니다.
• 유연성 확보: 다양한 발전원을 조합하여 변화하는 전력 수요에 유연하게 대응할 수 있습니다.

ESS 충방전 방식

ESS(에너지저장장치)는 하이브리드 분산형 전원 시스템에서 중요한 역할을 합니다. ESS는 발전된 전력을 저장하고, 필요할 때 방출하여 시스템의 안정성을 높이고 효율을 향상시킵니다.

ESS 충방전 방식의 종류

• 피크 절단: 전력 수요가 높은 피크 시간대에 ESS에 저장된 전력을 방출하여 피크를 완화하고, 전력 시스템의 부담을 줄입니다.
• 밸리 충전: 전력 수요가 낮은 시간대에 저렴한 전력으로 ESS를 충전하고, 피크 시간대에 방출하여 경제성을 높입니다.
• 주파수 조정: 전력 시스템의 주파수 변동을 감지하고, ESS를 이용하여 주파수를 안정화시킵니다.
• 전압 조정: 전력 시스템의 전압 변동을 감지하고, ESS를 이용하여 전압을 안정화시킵니다.
• 신재생에너지 연계: 태양광, 풍력 등 변동성이 큰 신재생에너지의 출력 변동을 완화하고, 계통 안정성을 확보합니다.

ESS 충방전 제어

• 전력 수요: 실시간 전력 수요를 분석하여 적절한 시점에 충방전을 수행합니다.
• 발전량: 발전원의 출력 변동에 따라 ESS의 충방전을 조절합니다.
• 배터리 상태: 배터리의 상태를 모니터링하여 수명을 연장하고 안전성을 확보합니다.
• 계통 상태: 전력 계통의 상태를 감시하고, 계통 안정화를 위해 ESS를 운영합니다.

하이브리드 분산형 전원과 ESS의 시너지 효과

• 높은 신뢰성: 다양한 발전원과 ESS를 결합하여 시스템의 안정성을 높입니다.
• 높은 효율성: 각 발전원의 장점을 극대화하고, ESS를 활용하여 에너지 손실을 최소화합니다.
• 유연성: 변화하는 전력 수요에 유연하게 대응하고, 다양한 운영 모드를 지원합니다.
• 친환경성: 신재생에너지 비중을 높여 온실가스 배출을 줄이고, 환경 보호에 기여합니다.

●34축전지 에너지저장장치를 전기 계통에 도입하고자 할 때, ESS를 가장 효율적으로 활용하기 위한 3가지 용도를 설명하고, 각각의 경제성을 B/C측면에서 비교하여 설명하시오

축전지 ESS(에너지저장장치)는 전력 계통의 효율성을 높이고 안정성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다. ESS를 효율적으로 활용하기 위해서는 다양한 용도를 고려해야 합니다. 본론에서는 ESS를 전기 계통에 도입할 때 가장 효율적인 3가지 용도와 각각의 경제성을 B/C(Benefit-Cost) 측면에서 비교하여 설명하겠습니다.

1. 피크 절단 및 골짜기 충전

• 용도: 전력 수요가 급증하는 피크 시간대에 ESS에 저장된 전력을 방출하여 피크를 완화하고, 전력 수요가 적은 골짜기 시간대에 저렴한 전력으로 ESS를 충전하는 방식입니다.
• 경제성:
  • B(편익): 피크 시간대의 높은 전력 요금을 피하고, 골짜기 시간대의 저렴한 전력을 활용하여 전력 구매 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 전력 시스템의 안정성을 향상시켜 블랙아웃 등의 위험을 줄이는 효과가 있습니다.
  • C(비용): ESS 설치 및 운영 비용, 유지보수 비용 등이 발생합니다.
  • B/C: 피크 시간대와 골짜기 시간대의 전력 요금 차이가 클수록, ESS의 용량이 클수록 B/C 비율이 높아집니다. 즉, 전력 요금 변동성이 큰 지역이나 대규모 시설에서 경제성이 높습니다.

2. 신재생에너지 연계

• 용도: 태양광, 풍력 등 변동성이 큰 신재생에너지의 출력 변동을 완화하고, 계통 안정성을 확보하는 방식입니다.
• 경제성:
  • B(편익): 신재생에너지 발전량 예측의 불확실성을 줄이고, 계통 안정성을 확보하여 신재생에너지 보급을 촉진할 수 있습니다. 또한, REC(Renewable Energy Certificate) 거래를 통해 추가적인 수익을 창출할 수 있습니다.
  • C(비용): ESS 설치 및 운영 비용, 신재생에너지 발전 시스템과의 연동 비용 등이 발생합니다.
  • B/C: 신재생에너지 발전량의 변동성이 클수록, REC 가격이 높을수록 B/C 비율이 높아집니다. 즉, 신재생에너지 발전 비중이 높은 지역에서 경제성이 높습니다.

3. 주파수 조정

• 용도: 전력 계통의 주파수 변동을 감지하고, ESS를 이용하여 주파수를 안정화시키는 방식입니다.
• 경제성:
  • B(편익): 전력 시스템의 안정성을 확보하고, 블랙아웃 등의 위험을 줄여 사회적 비용을 감소시킬 수 있습니다.
  • C(비용): ESS 설치 및 운영 비용, 계통 연동 비용 등이 발생합니다.
  • B/C: 전력 계통의 주파수 변동이 심한 지역이나 대규모 전력 시스템에서 경제성이 높습니다.

결론

ESS의 경제성은 다양한 요인에 따라 달라지지만, 일반적으로 다음과 같은 경우 B/C 비율이 높아져 경제성이 확보될 수 있습니다.

• 전력 요금 변동성이 큰 지역
• 신재생에너지 발전 비중이 높은 지역
• 전력 계통의 안정성이 중요한 지역
• 대규모 시설

ESS 도입 시에는 각 용도별 경제성을 면밀히 분석하고, 시스템의 규모, 지역 특성, 정부 지원 정책 등을 종합적으로 고려하여 최적의 투자 계획을 수립해야 합니다.

신개념에너지

스마트 그리드
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