EV Charging Coordication to secure Power Grid Stability
ABSTRACT : Electromobility is one approach to foster a CO2-optimized transportation and mobility sector. At the same time, increasing adoption of electric vehicles (EV) bares challenges for the whole electricity system, and mainly for the power girds. Coordinated charging of electric vehicles cna help alleviating the pressure that an increasing e-mobility sector will exert on the power girds. Simultaneously, e-bomility holds ready some interesting opportunities, only one of them being a CO2-reduced transport and mobility sector. The ELECTRICFIC solution approach for coordinated charging is presented in this paper. We suggest a combinastion of three different software components : 1) An advanced driver assitance system (ADAS) that helps EV drivers to plan their charging and navigate their trips; 2) A smart charger, which adjusts the charging capacity of each carging station (CS), considering the power gird's needs and 3) A charging scheduler, which optimizes the charging of EV fleets, also taking battery-friendly charging into account.
Keywords - coordinated charging, ADAS, charging behavior, routing algorithms
1. INTRODUCTION
Electro mobility는 환경오염문제, 소음문제와 같이 현대 사회의 문제점에 대한 해결책이 될 수 있으며, 재생에너지를 배터리 충전에 활용할 수 있는 친환경적인 장점을 가지고 있다. 전기자동차가 가진 잠재적인 장점의 기대에 부응하기 위해서는, E-mobility의 매력 요소들을 늘려 수요를 증가시켜야 한다.
현재 전기자동차는 가격이 비싸고, 소위 말하는 “range anxiety” (주행거리 불안. 전기 자동차를 운전하면서 배터리가 다될까 봐 걱정하느라 발생한 정신적 피로 및 불안)이라는 문제점이 있다. 이러한 문제점이 해결되면 EV의 사용자들이 늘어나겠지만, 이는 “uncoordinated charging”으로 인해 전력 계통에서 최대 수요와 전압 변동과 같은 전력품질이라는 문제점을 직면하게 될 것이다.
2. THE ELECTRIC APPROACH
본 논문은 이에 대한 해결책으로 세 가지의 소프트웨어 요소의 조합을 통한 ELECTRIFIC 접근법을 제안한다. ELECTRIFIC는 기술적, 소프트웨어적인 솔루션을 제공할 뿐만 아니라, 그 외에 훨씬 많은 요소들로 이루어져있다. 본 논문에서는 전기자동차의 환경에서 다양한 요소들에게 제공하는 기술적인 요소만을 다루었다.
ELECTRIFIC 접근법은 E-mobility로 부터의 에너지 소비과 전력 수요를 예측하고, 계통에서의 전력 품질의 영향을 모니터링하며, 전기자동차를 충전할 때 지역 재생에너지원의 사용을 최대로 하는 것을 목표로 하고 있다. ELECTRIFIC의 기술적인 요소는 크게 3가지로 구성되어 있다. 첫 번째는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)로 전기자동차 운전자가 차의 충전을 계획하고 이동경로를 안내하는 시스템이다. 다음은 SMART CHARGER로 전력 계통의 필요성을 고려하여 각각의 충전소의 충전 용량을 조정하며, 마지막으로 CHARGING SCHEDULER는 배터리 친화적인 충전을 고려하고, EV fleets의 충전을 최적화한다.
3. ADVANCED DRIVER ASSITANCE SYSTEM
Coordinated charging의 가장 어려운 점은 운전자의 충전 의사결정을 전력 계통의 요구 조건에 맞게 변화시키는 것이고, 이를 통해 혼잡을 피하고 재생에너지원의 사용을 최대화하는 것이다. ADAS는 전기자동차 운전자들의 계통에서의 영향, 배터리의 상태 그리고 지역적으로 사용가능한 재생에너지원의 활용을 최적화하는데 사용할 수 있다. 어플리케이션의 사용자의 관점에서 이는 시간과 비용을 절약하는 데 도움을 줄 수 있고, 친환경적으로 될 수 있고, ADAS는 최적화된 경로와 충전 옵션을 운전자에게 제안할 수 있다.
4. SMART CHARGER
현재 전기자동차의 충전 체계는 충전의 목적 만을 가지고 있다. 그러나 ELECTRIFIC에서는 지능이 충전 체계에 더해지면서 전기자동차의 단순 충전 뿐만 아니라, 가용한 전력 용량, 재생에너지의 가용률, 그리고 전력 품질과 계통의 상태까지 고려할 수 있다. Smart charging을 실행하기 위해서는 서로 다른 이해관계자간의 협력이 필요하므로, DSO(Distribution System Operator)와 CSP(Charging Service Provider)가 긴밀하게 의사소통해야할 필요가 있다.
5. CHARGING SCHEDULER
Electro mobility는 전기자동차의 개인 사용자 뿐만 아니라 상업적인 용도(commercial fleets)로도 이용되기 때문에 서로 다른 최적화 기준에 따라 충전 체계를 최적화 할 charging scheduler를 개발해야한다. 이러한 다양한 목적으로 인해 기술적인 솔루션에서 서로 다른 입력 요소들이 필요하다.
6. EVALUATION AND OUTLOOK
ELECTRIFIC 솔루션은 사용자, 충전소와 fleet service 공급자 그리고 계통 운영자까지의 관심사항을 고려해야하고 대규모의 coordinated charging의 문제까지 다루어야한다. 또한 e-mobility 환경에서의 다양한 요소를 위한 여러 기술적인 요소들이 교류되어야 하고 전기자동차의 충전을 위한 조직화를 관리하기 위해 서로 협력해야 한다.
자동차 배출가스에 대한 국제적인 환경규제 강화, 석유 자원의 고갈 가능성 증대, 고유가 지속등으로 세계 자동차시장의 패러다임이 내연기관 자동차에서 전기자동차로 이행되고 있다. 소비자들은 유가 상승에 대한 부담으로 고효율 자동차에 대한 선호를 증대하고 있고, 최근 우리나라에서도 연비가 높은 경차와 하이브리드 자동차의 판매가 두드러지게 증가하는 추세이다. 선진국들은 순수 전기자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차 보급정책을 강력히 추진하고 있으며, 전기자동차는 국제 경제 환경과 자동차 산업의 판도를 뒤흔들 수 있는 핵심 기술로 인식되고 있다.
전기자동차는 효과적인 글로벌 온실가스, 미세먼지의 김축수단이자, 지속가능한 환경을 위한 필수적인 대안에 더불어 전력계통의 측면에서 볼 때 배터리, DR(Demand Response) 자원으로도 활용될 수 있는 큰 이점을 가지고 있다. 그러나, 본 눈문에서 시사하였듯 전기자동차 보급이 확대될수록 조직화되지 않은 충전 체계는 전력 계통 측면에서 최대 부하 그리고 전압변동률과 같은 전력 품질에서 문제점을 야기하게 된다.
우리나라는 2011년 338대에 머물러 있던 전기자동차의 수가 2018년 기준 31,696대로 가파르게 늘어나고 있으며, 전기차 지원정책이 지속되고 배터리 기술개발이 빠르게 진행되는 낙관적인 시나리오 하에서 2035년 전기자동차의 총 등록대수는 약 7백만 대로 예상되어, 해당 연도 승용차 총 등록대수의 33.3%를 점유할 전망이라고 한다.
현재 재생에너지3020정책으로 2030년까지 재생에너지의 발전 비율을 20%로 늘린다는 정책으로 변동성 전원의 비율을 확대하는 가운데, 간헐성과 변동성의 특성을 지닌 재생에너지의 비율이 높아짐과 동시에 최대 전력수요를 증가시키는 전기차의 보급이 확대된다면 전력수급의 안정성에 위협을 가할 수 있고, 이는 반드시 해결되어야 할 중요한 이슈이다.
ELECTRIFIC의 세 가지 소프트웨어 중 중요하게 다루어져야 할 부분은 실질적으로 전력계통에 영향을 줄 수 있는Smart Charger와 Charging Scheduler라고 생각한다. 앞서 언급했듯, 계통의 관점에서 전기차는 배터리의 측면으로 고려될 수 있으며, 이는 계통에 직접 연계되지않는 behind-the-meter의 공급을 충당할 수 있는 대책이 될 수 있다.
이러한 상황에서 본 눈문이 제시한 ELECTRIFIC 솔루션이 재생에너지뿐만 아니라 전기자동차 보급의 확대에도 집중하는 우리나라의 환경과 미래 전력 시스템에 어떻게 적용될 수 있을지 살펴보았다.
아직 전기자동차와 충전소의 보급이 낮은 우리나라의 경우에는 이러한 잠재적인 문제점을 해결할 수 있는 방안을 적용하기 좋은 조건이라고 생각한다. 재생에너지3020정책으로 재생에너지의 비율이 높아져가는 상황에 더해 최대수요의 증가를 야기할 수 있는 전기자동차의 보급률이 높아진다면 전력계통의 불안정성은 커져갈 가능성이 있다. 이에 인프라가 잘 갖춰지기 전에 5G, IoT, Big Data, A.I.와 같은 우리나라의 기술력을 잘 살려 기술을 적용한 ADAS구현, Smart Charger, Charging Scheduler를 구현한다면 보다 안정적인 운영 및 실시간 데이터 교환을 통해 계통의 안정화에 도움이 될 수 있을 것이다.
계통측면과는 외람된 이야기지만 IoT를 활용한 예측 분석 솔루션을 이용하면 모든 전기 자동차 배터리의 성능 및 안정성을 더 높일 수 있다. 현재는 일본 및 미국에서 주행 상태의 EV로부터 거의 실시간으로 배터리 데이터를 수집하고 분석하는 사례가 있고, 분석을 통해 도로 상태, 충전 패턴, 주행 거리 등의 작동 요인 중에서 배터리 수명에 가장 큰 영향을 미치는 것을 찾아낼 수 있다. 추가 분석을 통해 자동차 제조사가 어떤 배터리를 교체해야 하는지 예측하고 이를 차량 소유자에게 미리 알릴 수도 있다. 또한, 국내에는 도입되지 않았지만 해외에는 이미 도입되어 예비력 자원으로 쓰이고 있는 Fast DR의 자원으로도 IoT와 전기자동차를 조합하여 사용할 수 있을 것이다.
앞서 제시한 ELECTRIFIC 솔루션의 핵심은 EV, CS, 재생에너지원, 전력 계통의 실시간 데이터 교환 및 커뮤니케이션이다. 짧은 시간 단위로 바뀔 수 있는 충전이 필요한 차량의 수, 에너지 수요, 재생에너지원의 발전량과 같은 변수에 대처하기 위해 실시간으로 데이터를 주고 받으며 그에 맞는 경제적이고 최적화된 솔루션을 제공해야 한다.
단순 이동수단에서 나아가 이동 가능한 배터리로의 활용, 전력 계통의 안정화, 재생에너지의 공급과 수요의 균형을 맞추는 데 도움을 줄 수 있는 자원으로 활용하기 위해 ELECTRIFIC 접근법을 활용한 인프라 구축이 우리나라의 현재 상황 그리고 다가올 미래 전력시스템에도 큰 도움이 될 것이다.
