KR101418103B1 - 다변화 신재생 전력 이용과 전력의 적정 저장 및 공급 기법이 적용된 효율적 에너지 관리 및 저장 시스템 - Google Patents

다변화 신재생 전력 이용과 전력의 적정 저장 및 공급 기법이 적용된 효율적 에너지 관리 및 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 에너지의 자체 소비 및 계통 독립형 에너지 저장 시스템(ESS 시스템)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 에너지를 이용해 전기 에너지를 생성하는 태양광 발전 모듈, 상기 태양광 발전 모듈에서 생성되는 전기 에너지를 교류 에너지로 변환하여 공급하는 인버터, 상기 인버터에서 공급되는 에너지와 전력계통에서 공급되는 에너지 및 부하 전력을 계측하는 전력계량기, 전력계량기에서 전달되는 전력 정보에 응답하여 배터리 관리 장치의 동작을 제어하는 ESS 컨트롤러, 상기 ESS 컨트롤러의 제어의 의해 배터리를 충방전하는 배터리 관리 장치(BMS) 및 상기 배터리 관리 장치(BMS)에서 공급되는 에너지를 저장하는 배터리를 포함하여 구성되는 ESS 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 ESS 시스템은 신재생 에너지인 태양광 발전 에너지를 이용하여 태양광 발전에 의해 생성된 전기 에너지를 배터리에 저장했다가 태양광 발전이 불가능한 시간대에 공급함으로써 수용가의 자체 소비를 유도하여 계통 전력의 사용을 절감하고, 상기 ESS 시스템을 전력 계통과 독립적으로 운용함으로써 계통 전력의 차단시에도 태양광 발전 및 이로 인한 ESS 시스템 운용이 가능한 장점이 있다.

Description

다변화 신재생 전력 이용과 전력의 적정 저장 및 공급 기법이 적용된 효율적 에너지 관리 및 저장 시스템{Efficient energy management and storage system applied with appropriate storage and supply method of electric power and use of diversified new regeneration energy}
본 발명은 태양광 발전 에너지를 이용한 다변화 신재생 전력 이용과 전력의 적정 저장 및 공급 기법이 적용된 효율적 에너지 관리 및 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신재생 에너지인 태양광 발전 에너지를 이용하여 태양광 발전에 의해 생성된 전기 에너지를 저장했다가 태양광 발전이 불가능한 시간대에 공급함으로써 수용가의 자체 소비를 유도하여 계통 전력의 사용을 절감하고, 상기 ESS 시스템을 계통과 독립적으로 운용함으로써 계통 전력의 차단시에도 태양광 발전 및 이로 인한 ESS 시스템 운용이 가능하도록 하는 신개념의 에너지 저장 및 관리 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS 시스템)이란 전기 에너지를 저장하여 필요할 때 사용함으로써 에너지 이용 효율을 향상시키고 전력 공급 시스템의 안정화를 유도하기 위한 장치이다.
최근 국내외적으로 화석 연료 사용으로 인한 이산화탄소의 규제 및 일본 원자력 발전소 사고로 인한 원자력 에너지에 대한 우려 등으로 인해 화력 에너지 및 원자력 에너지에 대한 의존도를 낮출 필요성이 크게 대두되고 있다. 이와 더불어 하절기나 동절기에 전력 소모가 집중되는 기간 동안에는 대규모 정전 사태, 소위 블랙 아웃(black out)이 발생하는 것을 방지하기 위해 전력 당국, 전력 공급 회사 및 전 국민이 전기 사용을 절약하기 위한 국민적 노력을 경주하고 있는 상황이다.
그러나, 이와 같은 전력 수급 불안의 문제는 기업이나 국민의 절전 노력에만 의존할 수는 없는 상황이고, 전기 절약으로 인해 기업 활동이나 국민의 생활에 막대한 지장을 주고 있는 만큼 국가 시스템 차원에서 해결해야 할 과제이다.
이를 위하여 최근에 ESS 시스템에 대한 관심이 고조되고 있으며, 국가에서도 입법을 통해 ESS 시스템을 독려하고 있는 상황이다. 즉, 산업통상자원부 고시 제2013-71호에서는 공공기관 에너지 이용 합리화 추진에 관한 규정을 고시하여 공공기관은 전력 피크 저감을 위해 계약 전력 1,000kW 이상의 건축물에 100kW 전력 저장 장치(ESS) 장치를 설치할 것을 요구하고 있으며, 이는 향후 그 범위와 대상을 넓혀갈 것으로 예상된다.
이러한 상황에서 다양한 ESS 시스템들이 제안되고 있는데, 기존의 ESS 시스템은 주로 전력 요금이 싸고 전력이 남아 도는 밤 시간 동안 전기를 저장했다가 전력 소요량이 증가하고 전력 요금이 비싼 낮 시간대에 저장된 전기를 사용하는 방법과, 태양광 등의 신재생 에너지를 이용하여 태양광이 많은 낮 시간대에 전력을 생산하고 이를 계통 전력과 혼합하여 사용하는 방법 등이 주로 제안되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록 특허 제10-1319257호는 무정전 전원 공급 시스템을 이용하여 전력 요금이 저렴한 심야 시간 동안에는 배터리 역할을 하고 전력 요금이 비싼 낮 시간 동안에는 충전된 전력을 방전토록 함으로써 비상 전원으로서의 한정된 기능 뿐만 아니라 배터리 역할도 겸하도록 하는 다기능 무정전 전원 공급 시스템에 관한 기술을 제안한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1324483호는 열병합 발전시스템과 에너지 저장 장치를 이용하여 수용가에 전력을 안정적이면서 경제적으로 공급하기 위한 수용가용 복합 발전시스템과 그 운전 방법을 제안한다. 이 기술은 화석 연료 발전 시스템에 비해 효율이 높은 소규모 열병합 발전 시스템과 탄소 배출이 없는 에너지 저장 장치를 활용하여 상시적으로 실시간 또는 시간대에 따라 변동하는 전기 요금을 고려하고, 전력 회사의 수요 관리 조정 기간에는 부하 감축 사업 참여에 따른 수익금을 고려하여 수용가에 안정적인 전력을 경제적으로 공급할 수 있는 실시간 운전 방법에 관한 기술이다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1080036호는 전력 요금과 연계하여 실시간으로 신재생 에너지 전력 생산, 사용 및 판매를 제어할 수 있는 수요 전력 연동 발전 관리 시스템에 관하여 제안한다. 이 기술은 실시간 전력 요금에 대한 정보를 수집하고, 실시간 전력 요금에 대한 정보와 미리 설정된 임계 요금을 비교하여 요금 비교 결과를 산출하여 요금 비교 결과를 이용하여 생산된 전기의 판매 여부를 결정하는 기술에 관한 것이다.
한편, 최근에는 전력 요금이 싼 시간대에 남는 전기를 저장했다가 전력 요금이 비싼 시간대에 방전하여 사용하는 방식과 신재생 에너지를 이용하는 방식을 혼용하는 기술이 제안된 바 있다. 즉, 대한민국 공개특허 제10-2014-0009776호는 전력 계량기(스마트 미터)의 실시간 전력 가격 정보를 이용하는 에너지 저장 시스템에 관한 기술을 제안한다. 이 기술에서는 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리 장치(BMS); 상기 배터리 관리 장치에 직류 에너지를 공급하거나 상기 배터리에 저장된 직류 에너지를 상기 배터리 관리 장치를 통해 제공받는 양방향 컨버터; 및 스마트 미터로부터 전달되는 실시간 전력 가격 정보에 응답하여 상기 배터리 관리 장치의 동작 및 상기 양방향 컨버터의 동작을 제어하는 ESS(Energy storage system) 컨트롤러를 포함하며, 상기 ESS 컨트롤러는 상기 실시간 전력 가격 정보가 기준 전력 가격 정보보다 높을 때 상기 배터리 관리 장치 및 상기 양방향 컨버터를 제어하여 상기 배터리에 저장된 직류 에너지를 교류 에너지로 변환하여 부하에 제공하도록 제어하고 상기 실시간 전력 가격 정보가 상기 기준 전력 가격 정보보다 낮거나 같을 때 상기 배터리 관리 장치 및 상기 양방향 컨버터를 제어하여 전력 계통의 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하여 상기 배터리에 저장하도록 제어하는 것을 포함하는 ESS 시스템에 관한 기술을 제안한다. 그러나, 이 기술은 태양광 등 신재생 에너지를 보조적으로 이용하는 것에 관해 언급은 하고 있으나 기본적으로 실시간 전력 가격 정보가 기준 전력 가격 정보보다 높을 때 배터리에 저장된 에너지를 부하에 공급하는 방식, 즉 전력 가격 정보에 기초한 ESS 시스템 방식이고, 태양광 발전 에너지만을 배터리에 따로 저장했다가 수용가에서 자체 소비하기 위한 방식과는 거리가 멀며, 또한 컨버터가 직접 전력 계통에 연결되어 있어 전력 계통의 전압이 불안정하거나 셧-다운(shut-down)과 같은 전력 차단 상황이 발생하면 전체 ESS 시스템이 불능화된다는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 상황을 고려하여 개발된 것으로서, 태양광 발전을 통해 얻어지는 에너지를 전력 피크 시간대를 포함하는 부하 전력 증가 시간 구간대에 계통 전력보다 우선적으로 공급되도록 함에 의해 피크 시간대의 계통 전력의 사용을 최소화하고, 부하 전력이 증가하지 않는 시간 구간대에는 태양광 발전에 의해 생성된 전기 에너지를 배터리에 저장해 두었다가 태양광 발전이 불가능한 무광기에 해당하는 시간 구간대에 상기 배터리에 저장된 에너지를 부하로 공급하여 수용가에서의 자체 소비가 가능하게 함으로써 ESS 시스템의 활용성을 극대화할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전력 계통의 전압이 불안정하거나 셧-다운(shut-down)과 같은 긴급 상황이 발생하더라도 계통과 독립적으로 동작하여 지속적 운용이 가능한 ESS 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은
태양광 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양광 발전 모듈;
상기 태양광 발전 모듈에서 생성되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하여 공급하는 인버터;
상기 인버터에서 공급되는 교류 에너지 용량과 전력계통으로부터 공급되는 계통 전력의 용량 및 부하에서 실시간 소비되는 부하 전력을 계측하는 전력 계량기;
상기 전력 계량기에서 전달되는 전력 정보에 응답하여 배터리 관리 장치(Battery management system: BMS)의 동작을 제어하는 ESS(Energy storage system) 컨트롤러;
상기 ESS 컨트롤러의 제어에 의해 배터리를 충방전하며, 상기 인버터에서 공급되는 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하는 AC/DC 인버터 및 상기 배터리에서 공급되는 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하는 DC/AC 인버터를 포함하는 배터리 관리 장치(BMS); 및
상기 배터리 관리 장치에서 공급되는 직류 에너지를 저장하는 배터리;
를 포함하여 구성되며,
상기 ESS 컨트롤러는 부하 전력과 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지를 비교하여 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 크거나 같을 경우에는 계통 전력의 부하 공급을 차단하고, 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우에는 부족분에 대해 계통 전력이 부하에 공급되도록 제어하며,
상기 BMS는 상기 태양광 발전 모듈에서 전기 에너지를 공급하지 않을 경우 또는 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우 ESS 컨트롤러의 제어에 의해 상기 배터리에 충전되어 있는 에너지를 방전하여 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는
태양광 발전 에너지의 자체 소비 및 계통 독립형 ESS 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 태양광 발전 에너지의 자체 소비 및 계통 독립형 ESS 시스템의 특징 및 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 우선, 전력 요금이 비싼 피크 시간대를 포함하는 낮 시간에는 태양광 발전 에너지를 계통 전력에 비해 우선적으로 부하에 공급되도록 함으로써 낮 시간 동안의 계통 전력 사용량을 줄일 수 있다.
2. 또한, 부하 전력 소모량이 적은 오전 시간 동안에 생성되는 태양광 발전 에너지 중 부하에 공급되고 남는 부분은 배터리에 저장하고, 이를 태양광 발전 에너지 공급이 없는 시간대 또는 태양광 발전 에너지보다 부하 소요 전력이 많은 시간대에 우선적으로 부하에 공급함으로써 수용가에서의 자체 소비를 유도하여 저녁 시간이나 밤 시간 등 무광기 동안의 계통 전력 사용을 줄일 수 있는 효과도 있다. 또한, 태양광 입력 전원 중 사용후 잉여 전력이 있을 경우 전력 계통으로 역 공급 및 판매도 가능하다.
3. 또한, 전력 계통의 전압이 불안정하거나 셧-다운(shut-down)과 같은 긴급 상황이 발생하더라도 배터리에 저장된 에너지를 부하에 직접 공급하는 것이 가능하고, 상기 배터리에 저장된 에너지를 인버터에 역으로 공급하여 인버터를 가동시킬 수 있으므로 계통의 이상시에도 ESS 시스템을 안정적으로 운용할 수 있다.
4. 또한, BMS를 무정전 전원 공급 장치(UPS)에 의하여 계통 전력에 연결할 경우 상기 무정전 전원 공급 장치에 의해 상기 BMS가 하나의 중요 장치로 기능하여 정전시에도 지연 시간(delay time) 없이 ESS 시스템을 운용할 수 있다.
5. 또한, 본 발명에 따른 ESS 시스템은 충전과 방전을 매일 반복하는 시스템으로서 최대 변환 효율 95% 이상이 확보 가능하고, 충전과 방전시 손실되는 에너지를 최소화하여 높은 변환 효율의 확보가 가능하다.
6. 또한, 본 발명에 따른 ESS 시스템에 사용되는 인버터(PCS)는 예를 들어 무부하시 소모 전력이 26 W 이하로 조절되고, 대기시 소모 전력이 4W 이하로 조절됨으로써 자체의 소모 전력이 낮게 구성되어 손실 에너지를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에서의 태양광 발전 에너지를 이용한 ESS 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 작동 형태를 시간 구간대별로 나타낸 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템에 있어 부하 전력과 시간 구간대에 따른 동작 모드를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 시스템의 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 제어 방법을 나타내는 플로우 차트(flow chart)이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다"는 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 종래 기술에서의 태양광 발전 에너지를 이용한 ESS 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서의 태양광 발전 에너지를 이용한 ESS 시스템은 태양광 발전 모듈(10), 인버터(11), 전력 계량기(12), 및 상기 전력 계량기에서 전달되는 정보에 의해 ESS 시스템의 동작을 제어하는 제어기(13)를 포함하여 구성된다. 이 때 상기 인버터(11)는 태양광 발전 모듈(10)에서 공급되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 변환하여 상기 제어기(13)의 제어에 의해 각 부하(17-1, 17-2, 17-3)로 전력을 공급한다.
이러한 종래의 태양광 발전 에너지를 이용한 ESS 시스템은 기본적으로 태양광이 비추는 낮 시간 동안에 상기 태양광 발전 모듈에서 생성되는 에너지를 부하에 공급하여 계통 전력의 사용을 줄이기 위한 시스템이므로, 부하 전력이 적거나 태양광에 의해 생성되는 에너지가 충분하여 부하에 공급하고 남는 에너지가 있을 때는 이를 배터리에 저장하여 자체 소비(self-consumption)하는 것이 아니라 전력계통(전력 그리드)(16)을 통해 외부로 반출 또는 판매하게 되는 시스템이다.
이와 같은 종래의 태양광 발전 에너지를 이용한 ESS 시스템은 태양광을 이용해서 계통 전력의 사용을 줄인다는 점에서 에너지 절감 효과는 있으나, 낮 시간 동안에만 직접 부하에 사용된다는 효과만 있고, 이를 배터리에 저장하여 밤시간이나 무광기 동안에 수용가에서 자체적으로 사용할 수는 없다는 한계가 있다.
본 발명은 이러한 태양광 발전 에너지를 이용하는 종래의 ESS 시스템의 한계 및 문제점을 해결하여 ESS 시스템의 활용성을 극대화하기 위하여 개발된 기술이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ESS 시스템은
태양광 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양광 발전 모듈(20);
상기 태양광 발전 모듈(20)에서 생성되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하여 공급하는 인버터(21);
상기 인버터(21)에서 공급되는 교류 에너지 용량과 전력계통으로부터 공급되는 계통 전력의 용량 및 부하에서 실시간 소비되는 부하 전력을 계측하는 전력 계량기(22);
상기 전력 계량기(22)에서 전달되는 전력 정보에 응답하여 배터리 관리 장치(Battery management system: BMS)(28)의 동작을 제어하는 ESS(Energy storage system) 컨트롤러(23);
상기 ESS 컨트롤러(23)의 제어에 의해 배터리(29)를 충방전하며, 상기 인버터(21)에서 공급되는 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하는 AC/DC 인버터(미도시) 및 상기 배터리에서 공급되는 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하는 DC/AC 인버터(미도시)를 포함하는 배터리 관리 장치(BMS)(28); 및
상기 배터리 관리 장치(28)(에서 공급되는 직류 에너지를 저장하는 배터리(29);
를 포함하여 구성된다. 이 때, 상기 ESS 컨트롤러(23)는 부하 전력과 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지를 비교하여 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 크거나 같을 경우에는 계통 전력의 부하 공급을 차단하고, 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우에는 부족분에 대해 계통 전력이 부하에 공급되도록 제어하며,
상기 BMS(28)는 상기 태양광 발전 모듈(20)에서 전기 에너지를 공급하지 않을 경우 또는 상기 태양광 발전 모듈(20)에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우 ESS 컨트롤러(23)의 제어에 의해 상기 배터리(29)에 충전되어 있는 에너지를 방전하여 부하(27-1, 27-2, 27-3)로 공급한다.
또한, 본 발명에 따른 ESS 시스템은 상기 태양광 발전 모듈(20)에서 생성되는 전기 에너지를 수용가에서 자체 소비하는 것을 우선적으로 하며, 전력 계통(26)과 독립형으로 운용되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 이러한 본 발명에 따른 ESS 시스템에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 ESS 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전 모듈(20)은 광전 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 무공해, 무소음, 무한 공급 에너지라는 특성을 가지고 있다. 상기 태양광 발전 모듈(20)은 간격을 두고 연결된 여러 개의 단위 셀(cell)과 상기 단위 셀들의 양측에 위치하는 투광판 및 절연체를 포함하여 구성된다. 이 때 전기에너지는 태양광 발전 모듈의 투광판을 통과한 빛이 단위 셀에 공급됨으로써 생성된다.
또한, 본 발명에 따른 ESS 시스템에 있어서, 상기 인버터(inverter)(21)는 다른 말로는 컨버터(converter), PCS로도 불리며, 상기 태양광 발전 모듈(20)에서 생성되어 공급되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하여 공급하는 역할을 하며 DC/AC 인버터를 포함한다. 상기 DC/AC 인버터는 SCR, Transistor, IGBT, GTO(Gate to Turn Off SCR) 등 다양한 반도체 스위칭 소자를 이용하여 고주파 스위칭 방식으로 설정된 교류 전원으로 변환시켜 출력한다.
본 발명에서 상기 인버터(PCS)는 무부하시 소모 전력이 26 W 이하로 조절되고, 대기시 소모 전력이 4 W 이하로 조절되는 등 자체 소모 전력이 매우 낮은 특징을 갖는다.
또한, 본 발명에서 상기 전력 계량기(22)는 상기 인버터(21)에서 공급되는 교류 에너지 용량과 전력계통으로부터 공급되는 계통 전력의 용량 및 부하에서 실시간 소비되는 부하 전력을 계측하는 역할을 하며, 상기 전력 계량기(22)는 전력 요금 계산기(tariff meter)(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 전력 요금 계산기는 요금률이 시간에 따라서 다를 때 시계 기구에 의해 계량 장치를 전환하여 각 시간 내의 전력량을 따로따로 계량하는 계기이다. 상기 전력 계량기(22)는 전력 거래소의 서버 또는 전력 회사의 서버로부터 통신망(유선 또는 무선)을 통해 실시간 전력 가격 정보를 수신하여 다른 정보와 함께 ESS 컨트롤러(23)로 전송한다. 또한, 사용되는 에너지를 실시간 체크하여 관련 데이터를 저장하며, 저장된 데이터를 사용자, 전력 거래소, 전력 회사 등의 에너지 공급 업자에게 제공할 수 있다.
본 발명에서 상기 전력 계통(26)은 발전소, 변전소 또는 송전선 등을 포함한다.
본 발명에서 상기 ESS 컨트롤러(23)는 상기 전력 계량기(22)로부터 예를 들어 인터넷망과 같은 무선 통신망을 통해 전달되는 실시간 전력 정보에 응답하여 배터리 관리 장치(BMS)의 동작을 제어한다. 즉, 본 발명에서 상기 ESS 컨트롤러(23)는 부하(27-1, 27-2, 27-3) 전력과 상기 태양광 발전 모듈(20)에서 공급되는 전기 에너지를 비교하여 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 크거나 같을 경우에는 계통 전력의 부하 공급을 차단하고, 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우에는 부족분에 대해 계통 전력이 부하에 공급되도록 제어한다.
본 발명에서, 상기 ESS 컨트롤러(23)는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC: Programmable Logic Controller), 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit) 또는 마이크로제어장치(MCU: Micro Control Unit)를 포함할 수 있고, 수치 연산, 신호 증폭, 노이즈 필터링 등을 위한 유닛들을 더 포함하거나 외부에 별개로 마련된 유닛들과 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 디지털 또는 아날로그 입출력 모듈을 통하여 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 위하여 프로그램 가능한 메모리를 사용하고 여러 종류의 기계나 프로세서를 제어하는 디지털 동작의 전자 장치이다.
본 발명에서, 상기 ESS 컨트롤러(23)는 상기 태양광 발전 모듈에서 전기 에너지를 공급하지 않을 경우 또는 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우 상기 배터리(29)에 충전되어 있는 에너지를 방전하여 부하로 공급하도록 BMS를 제어한다.
단, 상기 ESS 컨트롤러(23)는 배터리(29)의 충전 용량이 필수 용량 이상일 경우에는 배터리(29)를 방전시키도록 BMS를 제어하는 것이 바람직하다. 이는 정전시와 같은 비상 시에 인버터(21) 등으로 일정량의 전원을 공급하기 위해 배터리의 충전 용량이 최소한 일정량 유지되어야 하기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 ESS 시스템에서는 전체 시스템을 전반적으로 관리하기 위한 서버(24), 디스플레이(25) 및 데이터베이스(미도시)를 포함하여 구성된다.
상기 서버(24)는 전력 관리 정보를 저장 및 관리하고 중계시스템을 통해 수용가 및 전력회사에 안전 관리에 관한 각종 정보를 제공하며 요구에 대응하는 서비시를 처리하는 소프트웨어와 정보 처리 장치의 결합체이다.
상기 서버(24)는 인터넷 서비스를 위한 웹 서버 및 데이터베이스를 포함할 수 있으며, 디스플레이(25) 장치 및 사용자 인터페이스를 포함하는 구성요소로서 다양한 구조와 형태를 가질 수 있다. 상기 데이터베이스에는 각종 전력 관리 정보, 예를 들어, 상기 부하 전력 및 누적 전력의 시간대별 추이가 기록될 수 있다.
상기 장치들 외에 관련 프로그램이 탑재되고 정보의 생성, 저장 및 처리가 가능한 기타 컴퓨터 장치를 통해서도 상기 기능이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 중계시스템(미도시)는 인터넷망, 이동통신망 등을 포함하는 것으로, 상기 ESS 컨트롤러(23)와 서버(24) 사이에 위치하는 접속 가능한 망을 나타낸다.
본 발명에서 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)는 상기 ESS 컨트롤러(23)의 제어에 의해 크게 2가지 역할을 한다.
우선, 상기 인버터(21)에서 공급되는 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하여 배터리(29)에 저장(충전)하는 역할과, 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력에 미치지 못할 경우 배터리(29)에 저장된 에너지를 방전하여 부하로 공급하는 역할을 한다.
따라서, 상기 배터리 관리 장치(BMS)는 인버터에서 공급되는 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하는 AC/DC 인버터(미도시) 및 상기 배터리에서 공급되는 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하는 DC/AC 인버터(미도시)의 양방향 인버터를 포함한다.
본 발명에서 상기 배터리(29)는 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩(pack)으로 구성될 수 있으며, 상기 배터리 모듈은 예를 들어, 축전지 또는 리튬 이온 전지 팩일 수 있다. 상기 축전지는 납 축전지, 알칼리 축전지, MF 축전지 등일 수 있다. 또한, 상기 리튬 이온 전지는 2차 전지의 일종으로서 에너지 밀도가 높아 에너지 저장 효율이 높고, 사용하지 않을 때는 자연 방전이 일어나는 정도가 작으며 메모리 효과가 없을 수 있다. 또한, 리튬 이온 전지는 내장된 전극의 유연성이 커서 곡면에 장착하거나 여유 공간의 활용이 가능하도록 형상을 다양하게 할 수 있다.
본 발명에서 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)는 각각 서로 다른 특성을 가질 수 있는 배터리 셀들을 조절하는 역할을 하며, 배터리 셀들의 보호 제어 기능, 배터리 셀들의 수명 예측 제어 기능, 또는 배터리 충전 및 방전 제어 기능 등을 수행하고, 배터리 셀들이 최대의 성능을 나타내면서 안전하게 사용될 수 있도록 배터리 셀들을 제어한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 작동 형태를 시간 구간대별로 나타낸 예이다.
먼저, 도 3a는 주로 부하 전력이 증가하지 않는 오전 시간 동안(제1 시간 구간대: t0~t1)의 ESS 시스템의 작동 형태를 나타낸다. 예를 들어, 오전 시간대에는 태양광 발전 모듈(20)에서 전기 에너지 생성을 시작하여 인버터(21)를 통해 피드인(feed-in) 용량에 해당하는 전력, 예를 들어 4kW를 시스템으로 공급한다. 상기 4kW의 전력은 부하에서 소모되지 않기 때문에 전력 계통으로 역 공급되는데, 이 때 배터리 관리 장치(BMS)(28)가 중간에 관하여 상기 4kW 전력 용량의 전력 계통으로의 유출을 차단하고 배터리(29)에 전량 저장한다. 이에 의해, 상기 전력 계량기(22)에서 유입 또는 유출 전력은 계측되지 않는다.
도 3b는 부하 소모 전력이 증가하는 낮 시간 동안(피크 시간대를 포함함) (제2 시간 구간대: t1~t2)의 ESS 시스템의 작동 형태를 나타낸다. 이 시간 동안에 배터리(29)는 충전이 완료되고, 인버터(21)는 상기 4kW의 전력을 시스템에 공급하는데, 이 때 상기 4kW 중에 일부, 예를 들어 2kW는 부하(27-1)에 공급하고, 나머지 2kW는 전력 계통에 역 공급한다. 이 때는 배터리(29)의 충전이 완료된 상태이므로 상기 배터리 관리 장치(28)가 관여하지 않고 상기 2kW의 전력은 그대로 전력계통으로 유출되는데, 상기 나머지 부하(27-2, 27-3)의 가동을 위해 계통 전력이 공급되어야 하므로 이 때, 상기 전력 계통으로 역 공급되는 전력과 계통 전력이 서로 상계되는 효과가 발생한다. 즉, 상기 전력 계통으로 역 공급되는 전력과 상기 부하로 공급되는 계통 전력의 용량이 동일할 경우 상기 전력 계량기(22)에서 유입 또는 유출 전력은 계측되지 않는다.
도 3c는 부하 소요 전력이 증가하지만 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 없거나 상기 부하 소요 전력에 미치지 않는 시간대(제3 시간 구간대: t2~t3), 즉 저녁시간 내지 밤시간 동안의 ESS 시스템의 작동 형태를 나타낸다. 이 때는 ESS 컨트롤러(23)의 제어에 의해 상기 배터리 관리 장치(BMS)가 작동하여 상기 배터리(29)에 저장된 에너지를 방전하여 각 부하에 공급한다. 예를 들어, 상기 배터리 관리 장치(BMS)에서 4kW의 전력을 부하(27-1)에 공급하면, 상기 부하는 그 중 2kW만을 소모하고, 나머지 2kW는 전력 계통으로 역 공급하여 유출되는데, 나머지 부하(27-2, 27-3)의 가동을 위해 계통 전력이 공급되어야 하므로 이 때, 상기 전력 계통으로 역 공급되는 전력과 계통 전력이 서로 상계되는 효과가 발생한다. 즉, 상기 전력 계통으로 역 공급되는 전력과 상기 부하로 공급되는 계통 전력의 용량이 동일할 경우 상기 전력 계량기(22)에서 유입 또는 유출 전력은 계측되지 않는다.
도 3a 내지 도 3c에서는 태양광 발전 모듈에서 공급되는 에너지 및 부하에서 소모되는 에너지를 구체적인 전력 용량 수치를 들어 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시에 불과하므로 다양한 변형이 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템에 있어 부하 전력과 시간 구간대에 따른 동작 모드를 설명하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 부하 전력이 증가하지 않는 제1 시간 구간대(t0~t1)에서는 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)가 충전 모드(CM)로 제어되고, 부하 전력이 증가하는 제2 시간 구간대(t1~t2)에서는 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)가 플로팅 모드(FM)로 제어되며, 부하 전력이 증가하지만 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 없거나 상기 부하 전력에 미치지 못하는 제3 시간 구간대(t2~t3)에서는 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)가 방전 모드(DM)로 제어된다.
본 발명에서 상기 배터리 관리 장치(BMS)(28)는 ESS 컨트롤러(23)의 제어에 의해 배터리(29)에 저장된 에너지를 부하(27-1, 27-2, 27-3)에 공급함으로써 태양광 발전 모듈에서 생성되는 에너지를 수용가에서 자체 소비하는데 주로 사용되도록 시스템을 제어할 수 있으며, 자체 소비 후에 남는 전력은 전력 계통(26)으로 역 공급 및 판매할 수 있고, 부족할 경우에는 상기 전력 계통(26)으로부터 부족한 전력만 공급받으면 되므로 계통 전력의 사용을 최소화하여 에너지 소비 절약을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 배터리(29)에 저장된 에너지는 부하 뿐만 아니라 인버터(21)에도 공급되도록 제어하여 전력 차단과 같은 전력 계통의 이상 시에도 본 발명에 따른 ESS 시스템의 작동이 가능하도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써 본 발명에 따른 ESS 시스템은 전력 계통(26)과 독립적으로 운용이 가능하게 된다.
다만, 예기치 않은 전력 차단의 경우, 상기 배터리 관리 장치(28)는 상기 배터리(29)에 저장된 에너지를 인버터(21)에 공급하는데 약 5초 간의 지연 시간(delay time)이 발생하여, 부하 전원이 상기 시간 동안에는 차단되는 결과를 가져온다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 방지하기 위해 본 발명에 따른 상기 배터리 관리 장치(28)에 무정전 전원 공급 장치(UPS)를 연결함으로써 지연 시간 발생이 전혀 없는 ESS 시스템을 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 시스템의 구성을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 시스템에서 상기 배터리 관리 장치(BMS)에는 무정전 전원공급 장치(UPS)가 상기 계통 전력에 바이패스로 연결된다. 이와 같은 연결에 의해 상기 배터리 관리 장치(BMS)가 중요 장치로 기능하여 무정전 전원공급 장치(UPS)에 의해 정전시에도 전원의 끊김없이 작동되고, ESS 컨트롤러의 제어의 의해 전원 차단이 발생할 경우 즉각적으로 작동되어 배터리(29)에 저장된 에너지를 인버터(21)에 역 공급함으로써 태양광 발전 모듈(20)에서 발생되는 에너지를 시스템에 공급할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 시스템의 제어 방법을 나타내는 플로우 차트(flow chart)이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 모듈(20)에서 생성되는 피드인(feed-in) 용량의 전기 에너지는 인버터(21)에서 교류 에너지로 전환되고, 상기 교류 에너지는 부하(27-1, 27-2, 27-3)에서 부하 전력이 소모되지 않으면 전력 계통으로 상기 에너지를 공급하는데, 이 때 배터리 관리 장치(BMS)(28)가 중간에 관여하여 상기 에너지가 전력 계통으로 유출되는 것을 차단하고 배터리(29)에 충전하며, 상기 부하 전력이 소모되기 시작하면, 부하 전력이 태양광 에너지 공급 용량보다 같거나 많으면 태양광 에너지만을 부하에 공급하고 나머지 용량은 전력 계통으로 역 공급하며, 부하 전력이 태양광 에너지 공급 용량보다 많으면 부족분에 대한 것만 전력 계통으로부터 공급받는다.
또한, 상기 배터리(29)에 충전된 전력은 저녁 시간이나 밤 시간과 같은 무광기 동안에 상기 배터리 관리 장치(28)에 의해 방전되어 부하에 공급된다. 이 때도 부하 전력이 상기 배터리에서 공급되는 전력 용량보다 적을 때는 상기 배터리 공급 전력 만으로 충분히 자체 소비가 가능하고, 상기 부하 전력이 상기 배터리에서 공급되는 전력 보다 많을 때만 부족분에 대한 것에 대해 전력 계통으로부터 공급받는다.
이와 같이, 본 발명에 따른 ESS 시스템은 태양광 발전을 통해 얻어지는 에너지를 부하 전력이 증가되지 않는 시간대에 배터리에 저장해 두었다가 부하 전력 증가 시간 구간대 및 태양광 발전이 불가능한 무광기에 해당하는 시간대에 상기 배터리에 저장된 에너지를 부하로 우선적으로 공급함으로써, 수용가에서의 자체 소비가 가능하게 하여 에너지 손실을 최소화할 수 있고 ESS 시스템의 활용성을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 전력 계통의 전압이 불안정하거나 셧-다운(shut-down)과 같은 긴급 상황이 발생하더라도 계통과 독립적으로 동작하여 ESS 시스템의 지속적 운용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 ESS 시스템은 충전과 방전을 반복하는 시스템으로서 충전과 방전시 손실되는 에너지를 최소화하여 최대 변환 효율 95% 이상의 확보가 가능하며, 인버터(PCS) 자체의 소모 전력이 매우 낮아 시스템 운용에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있는 장점이 있고, 태양광에 의해 발생하는 전력 중 ESS 운용 후에 남는 잉여 전력은 전력 계통으로 역 공급하는 것이 가능하다.
또한, 동작 운용 범위는 -25℃ ~ 60℃의 광범위한 온도 범위에서의 사용이 가능하고, IEC 62103에 따른 보호 등급: I class가 가능하며, IEC 60721에 따른 환경 등급: 2K6가 가능하고, IEC 60529에 따른 보호 등급: IP54가 가능하다.
또한, 온도, 습도, 분진, 안전성 등에 대한 보호 등급을 갖추어 ESS 시스템의 안정적 운용이 가능하다.
기타, 다양한 시스템과의 연동이 가능한데, 예를 들어 AMI(원격검침시스템), Demand Control, BEMS와의 연동이 가능하며, Web 기반의 시스템을 구축하여 사용자 접근이 용이하고 업데이트 등 원격관리가 가능하며, 스케쥴링의 제어가 가능하고, TOU/CPP Table 적용, 피크 컷(Peak Cut)을 통한 요금 관리가 가능하며, 연도별/월별/일별/시간별 누적 데이터 관리가 가능하고, 패턴분석 및 활용이 가능하며, Demand Response 연동, GIS(지리정보시스템) 기능 구현 등이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 태양광 발전 모듈 11: 인버터
12: 전력계량기 13: 제어기
14: 서버 15: 디스플레이
16: 전력계통 17-1, 17-2, 17-3: 부하
20: 태양광 발전 모듈 21: 인버터
22: 전력계량기 23: ESS 컨트롤러
24: 서버 25: 디스플레이
26: 전력계통 27-1, 27-2, 27-3: 부하
28: 배터리 관리 장치(BMS) 29: 배터리
30: 무정전 전원 공급 장치(UPS)

Claims (3)

  1. 태양광 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양광 발전 모듈;
    상기 태양광 발전 모듈에서 생성되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하여 공급하는 인버터;
    상기 인버터에서 공급되는 교류 에너지 용량과 전력계통으로부터 공급되는 계통 전력의 용량 및 부하에서 실시간 소비되는 부하 전력을 계측하는 전력 계량기;
    상기 전력 계량기에서 전달되는 전력 정보에 응답하여 배터리 관리 장치(Battery management system: BMS)의 동작을 제어하는 ESS(Energy storage system) 컨트롤러;
    상기 ESS 컨트롤러의 제어에 의해 배터리를 충방전하며, 상기 인버터에서 공급되는 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하는 AC/DC 인버터 및 상기 배터리에서 공급되는 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하는 DC/AC 인버터를 포함하는 배터리 관리 장치(BMS);
    상기 배터리 관리 장치에서 공급되는 직류 에너지를 저장하는 배터리; 및
    를 포함하여 구성되며,
    상기 배터리 관리 장치(BMS)에는 무정전 전원공급 장치가 상기 계통 전력에 바이패스로 연결되어 있고,
    상기 ESS 컨트롤러는 부하 전력과 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지를 비교하여 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 크거나 같을 경우에는 계통 전력의 부하 공급을 차단하고, 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우에는 부족분에 대해 계통 전력이 부하에 공급되도록 제어하며,
    상기 배터리 관리 장치(BMS)는 상기 태양광 발전 모듈에서 전기 에너지를 공급하지 않을 경우 또는 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 상기 부하 전력보다 작을 경우 ESS 컨트롤러의 제어에 의해 상기 배터리에 충전되어 있는 에너지를 방전하여 부하로 공급하고,
    상기 배터리에 저장된 에너지는 상기 인버터에도 역공급되도록 제어되어 전력 계통 이상에 의한 전력 차단시에도 태양광 발전 에너지 공급을 통한 ESS 시스템의 작동이 가능하도록 하며,
    상기 배터리 관리 장치(BMS)는 전력 차단시에 중요 장치로 기능하여 상기 무정전 전원공급 장치에 의해 전원의 끊김업이 작동되고 이에 따라 지연 시간 발생이 전혀 없이 ESS 시스템이 작동하도록 제어되는
    것을 특징으로 하는 태양광 발전 에너지의 자체 소비 및 계통 독립형 ESS 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리 장치(BMS)는 ESS 컨트롤러의 제어에 의해 상기 부하 소요 전력이 증가하지 않는 제1 시간 구간(t0~t1)에는 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지를 전량 배터리에 저장하고;
    상기 부하 소요 전력이 증가하는 제2 시간 구간(t1~t2)에서는 상기 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지를 부하에 공급하며;
    상기 부하 소요 전력이 증가하지만 태양광 발전 모듈에서 공급되는 전기 에너지가 없거나 상기 부하 소요 전력에 미치지 못하는 제3 시간 구간(t2~t3)에서는 상기 배터리에 저장된 에너지를 방전시켜 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 에너지의 자체 소비 및 계통 독립형 ESS 시스템.
  3. 삭제
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