KR101494853B1 - 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법 - Google Patents

에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법 Download PDF

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KR101494853B1 KR20140143550A KR20140143550A KR101494853B1 KR 101494853 B1 KR101494853 B1 KR 101494853B1 KR 20140143550 A KR20140143550 A KR 20140143550A KR 20140143550 A KR20140143550 A KR 20140143550A KR 101494853 B1 KR101494853 B1 KR 101494853B1
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Abstract

본 발명은 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 관한 것으로, 복수의 에너지저장장치로부터 수신되는 배터리 상태정보를 이용하여 상기 복수의 에너지저장장치 중 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값 이하인 방전 ESS가 발생하였는지를 파악하고, 상기 방전 ESS 발생하면 배터리 잔존용량이 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 하나를 전력배급 ESS로 설정하며, 상기 전력배급 ESS의 출력 전력라인과 상기 방전 ESS의 입력 전력라인을 연결시켜 상기 전력배급 ESS 에서 상기 방전 ESS로 전원이 공급되게 한 후 상기 방전 ESS의 배터리 잔존용량이 보충임계값에 도달하거나 상기 전력배급 ESS의 배터리 잔존용량이 공급임계값에 도달하는 경우에 상기 전력배급 ESS와 상기 방전 ESS간 전력라인의 연결을 해지한다.

Description

에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법{ ENERGY STORAGY SYSTEM TYPE BUILDING CONTROL METHOD}
본 발명은 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System)형 빌딩 자동제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전력시스템은 실제로 사용하는 전기보다 10% 정도 많이 생산되도록 설계되어 있으며, 생산된 전기를 일방적으로 소비자에게 공급하는 구조로 되어 있다. 이러한 전력시스템으로 인해, 소비자는 전기를 쓰는 시간대의 전기 사용량이나 요금 등에 대한 정보가 전혀 없는 상태에서 전기를 사용하고 있으며, 과잉 생산으로 인해 버려지는 전기가 많아 에너지 효율이 떨어지고 지구 온난화의 주범이 CO2의 배출이 늘어나는 문제가 있다.
이러한 에너지 확보의 위기와 지구 온난화라는 문제를 해결할 수 있는 에너지 절약형 전력망이 스마트 그리드(smart grid)이다. 스마트 그리드는 에너지 효율 향상 등으로 인해 에너지 방비를 절감하고 신재생 에너지에 바탕을 둔 분산전원 활성화를 통해 에너지 해외 의존도 감소 및 기존의 발전설비에 들어가는 화석 연료 사용 절감을 통한 온실 가스 감소 효과를 불러온다.
이러한 스마트 그리드의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지저장장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 에너지저장장치(ESS)은 각 가정이나 상가, 학교, 회사 등에서 경부하시 상용전원으로부터의 전력이나 자체 설치된 태양광 등의 발전 시스템에서 제공되는 전력을 리튬이온, 니켈, 납축전지 등과 같은 배터리에 저장했다가 부하측 소비전력이 많은 시기에 공급함으로써 전력 비용절감 및 효율적인 에너지 사용을 주목적으로 하는 시스템이다.
이러한 에너지저장장치는 사용되는 장소나 환경에 따라 배터리의 충전 전원이 부족하거나 남게 되는 상황이 발생된다. 즉, 전원을 공급하는 부하측의 전력 사용량이 많아지게 되면 에너지저장장치에서 제공 가능한 전원이 모두 소비되어 남은 시간동안 상용전원을 부하에 제공해야 하고, 부하측의 전력 사용량이 적으면 충전한 전원 중 일부만 사용하게 된다.
이와 같이 장소나 환경에 따라 에너지저장장치의 충전 전원이 부족하거나 남게 되는 에너지 비효율성이 발생하고 있다.
한국등록특허 제1116483호(출원인: 삼성에스디아이, 등록일: 2012.02.07) 한국등록특허 제1094002호(출원인: 삼성에스디아이, 등록일: 2011.12.07)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 각각 독립적으로 구동하는 복수의 에너지저장장치들 간에 전원 보충용 에너지 이동을 가능하게 하여 복수의 에너지저장장치 중 불충분한 전력 상태를 나타내는 에너지저장장치가 없도록 하는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법을 제공한다. 이 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법은 복수의 에너지저장장치로부터 수신되는 배터리 상태정보를 이용하여 상기 복수의 에너지저장시스템 중 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값 이하인 방전 ESS가 발생하였는지를 파악하는 제1 단계, 상기 방전 ESS 발생하면 배터리 잔존용량이 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 하나를 전력배급 ESS로 설정하는 제2 단계, 상기 전력배급 ESS의 출력 전력라인과 상기 방전 ESS의 입력 전력라인을 연결시켜 상기 전력배급 ESS 에서 상기 방전 ESS로 전원이 공급되게 하는 제3 단계, 그리고 상기 방전 ESS의 배터리 잔존용량이 보충임계값에 도달하거나 상기 전력배급 ESS의 배터리 잔존용량이 공급임계값에 도달하는 경우에 상기 전력배급 ESS와 상기 방전 ESS간 전력라인의 연결을 해지하는 제4 단계를 포함한다.
상기 제2 단계는 배터리 잔존용량이 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 배터리 잔존용량이 가장 큰 에너지저장장치를 상기 전력배급 ESS로 설정한다.
본 발명에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법은 상기 제1 단계 이전에, 상기 제1 단계 내지 제4 단계가 수행되는 시간 범위인 전력밸런싱 시간을 설정하는 제5 단계를 더 포함한다.
상기 제1 단계는 상기 방전 ESS가 발생하면 상기 전력밸런싱 시간 중 잔여 전력밸런싱 시간을 파악하고 상기 잔여 전력밸런싱 시간에 비례하여 상기 보충임계값을 낮추거나, 상기 제2 단계는 상기 전력배급 ESS를 설정하면 상기 전력밸런싱 시간 중 잔여 전력밸런싱 시간을 파악하고 상기 잔여 전력밸런싱 시간에 비례하여 상기 공급임계값을 높인다.
상기 제3 단계는 상기 전력배급 ESS가 배터리의 전원을 상기 방전 ESS에 공급되게 하고, 상기 방전 ESS가 상기 전력배급 ESS에서 공급한 전원으로 배터리를 충전하거나, 상기 전력배급 ESS가 배터리의 전원을 상기 방전 ESS에 공급되게 하고, 상기 방전 ESS가 상기 전력배급 ESS에서 공급한 전원을 부하에 공급하게 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 빌딩이나 아파트, 주택 등의 각 층마다 설치되거나 서로 다른 건물에 설치되어 서로 독립적으로 운용되는 복수의 에너지저장장치들 간에 전력 보충을 가능하도록 하여 배터리 전원으로 전력 공급을 할 수 없는 에너지저장장치가 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한 건물마다 또는 층마다 에너지 사용 정도가 다름으로 인해 에너지저장장치마다 공급 에너지가 부족하거나 또는 공급 에너지가 남는 등의 에너지 사용의 비효율을 해소하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치간 전력 밸런싱 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력운용장치와 전력절환 제어장치의 구성을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 내부 절환부의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력밸런싱동작 시작과정을 보인 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력절환 제어장치에서 이루어지는 전력 밸런싱 동작을 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제1 전력 배급 경로를 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제2 전력 배급 경로를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제3 전력 배급 경로를 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력밸런싱동작 해지과정의 일 예를 보인 순서도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력밸런싱동작 해지과정의 다른 예를 보인 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법을 설명한다.
우선 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법이 적용되는 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치간 전력 밸런싱 시스템의 네트워크 구성도로서, 에너지저장장치가 5개인 경우를 일 예로 하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치는 복수의 에너지저장장치(100), 전력절환 제어장치(200) 그리고, 전력운용장치(300)를 포함한다. 경우에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치간 전력 밸런싱 시스템은 관제서버(400)를 구비하여 원격지에서 각 에너지저장장치의 상태를 모니터링할 수 있게 한다.
복수의 에너지저장장치(100) 각각은 AC 그리드 즉, 전력계통으로부터 상용전원을 제공받아 충전하거나, 전력계통과 더불어 태양광 발전설비 또는 기타 발전설비로부터 제공되는 전원(energy)를 충전하며, 필요시 충전된 전원 즉, 에너지를 방전하여 부하에 제공하는 통상의 에너지저장장치의 기능을 수행한다.
이러한 에너지저장장치(100) 각각은 스탠드어론(standalone) 즉, 독립적으로 구동하도록 설치된다. 예컨대, 하나의 건물에서 각각의 에너지저장장치(100)은 각 층별로 설치되어 각 층의 전기설비를 부하로 하여 전원을 공급하거나, 각 건물마다 한대씩 설치되어 각 건물의 전기설비를 부하로 하여 전원을 공급한다.
에너지저장장치(100)은 자체적으로 배터리를 상태를 감시하고, 배터리 상태 정보를 전력운용장치(300)에 제공한다. 여기서 배터리 상태 정보는 에너지저장장치의 고유식별정보를 포함하고 또한 배터리 충전시간, 배터리 방전시간, 배터리의 전위(이하 ‘배터리 잔존용량’이라 함) 등을 포함한다.
전력절환 제어장치(200)는 각 에너지저장장치(100)의 전력라인(power line)이 스위치 단자에 연결되어 있으며, 전력운용장치(300)의 제어에 따라 스위치 단자에 대한 스위치 절환 동작을 수행하여 복수의 에너지저장장치(100) 중 선택적으로 2개에 대하여 전력 라인이 연결되게 한다. 이때 전력절환 제어장치(200)에 의해 전력 라인이 연결된 2개의 에너지저장장치 중 하나는 전력이 방출되고, 다른 하나는 방출된 전력을 공급받는다.
전력운용장치(300)는 각 에너지저장장치(100)으로부터 배터리 상태정보를 수신하고, 각 에너지저장장치(100)의 전력 상태를 파악(즉, 모니터링)한다. 이러한 모니터링을 통해 전력운용장치(3000는 복수의 에너지저장장치(100) 중 설정된 배터리 방전임계값 이하의 배터리 잔존용량을 나타내는 에너지저장장치(이하 ‘방전 ESS’라 함)가 발생되는지를 감시하고, 방전 ESS가 발생되면 설정된 전력배급 임계값 이상인 하나의 전력배급 ESS를 설정한 후 전력절환 제어장치(200)를 제어하여 전력배급 ESS에서 방전 ESS로 전력이 보충되게 한다. 여기서 방전 임계값은 전력배급 임계값보다 낮다.
이때 전력배급 ESS는 복수의 에너지저장장치(100) 중 배터리 잔존용량이 가장 높은 에너지저장장치가 좋다. 물론 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 임의의 하나로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치간 전력 밸런싱 시스템은 관제센터(400)를 가지지 않도록 구성이 가능하나, 관제센터(400)를 구축하는 경우에 전력운용장치(300)가 각 에너지저장장치(100)으로부터 수신되는 배터리 상태정보와 모니터링 결과를 관제센터(400)에 제공하도록 한다. 이에 따라 관제센터(400)는 각 에너지저장장치(100)의 배터리 상태정보와 더불어 전력밸런싱 제어 동작 등을 관리자가 원격지에서 모니터링 할 수 있게 한다. 물론 각 에너지저장장치(100)으로부터 보다 다양한 정보가 제공되는 경우이면, 관제센터(400)는 각 에너지저장장치(100)에 대하여 보다 다양한 정보를 모니터링할 수 있게 된다.
이하에서는 도 2를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치의 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 에너지저장장치(100)은 AC/DC 컨버터(110), DC/DC 컨버터(120), BMS(Battery Management System)(130), 제어부(140), 통신부(150), DC/AC 인버터(160), 배터리(170), 그리고 내부 절환부(180)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(110)는 전력 계통(AC grid)으로부터 수신되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력한다. DC/DC 컨버터(120)는 충전모드에서 AC/DC 컨버터(110)에서 변환된 직류 전원을 배터리(160)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 충전 전압으로 DC-DC 변환하여 BMS(120)로 제공하고, 방전모드에서 배터리(160)에 저장된 전원을 DC/AC 인버터(160)에서 요구하는 전압 레벨로 DC-DC 변환하여 DC/AC 인버터(160)에 제공한다.
BMS(Battery Management System)(130)는 배터리(160)에 연결되며, 제어부(140)의 제어에 따라 배터리(10)의 충전 또는 방전 동작을 제어한다. 그리고 BMS(130)는 배터리(160)을 보호하기 위하여 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해 BMS(130)는 충방전 제어부(131), 전위 측정부(132)와 상태 측정부(133)를 포함한다.
충방전 제어부(131)은 배터리(160)에 대한 충전 및 방전 동작을 제어하고, 전위 측정부(132)는 배터리(160)의 전위 즉, 잔존 용량을 측정한다. 상태 측정부(133)는 배터리(160)의 전압, 전류, 온도, 충전 상태 등을 감시한다. BMS(130)는 이렇게 감시 및 측정한 결과를 배터리 상태정보로 하여 전력운용장치(300)에 제공한다.
제어부(140)는 각 구성의 전반적인 동작을 제어하여 에너지저장장치(100)의 배터리(170)로 전원이 충전되게 하거나 배터리(170)에 충전된 전원이 부하에 제공되게 한다. 또한 제어부(140)는 통신부(150)를 통해 전력운용장치(300)와 연결되어 에너지저장장치(1000의 배터리 상태정보를 제공하거나, 전력운용장치(300)로부터 수신된 제어신호에 따라 내부 절환부(180)를 제어하여 배터리(170)의 전원을 외부의 전력절환 제어장치(200)로 제공하거나, 전력절환 제어장치(200)로부터 공급되는 전원이 배터리(170) 또는 부하에 공급되게 한다.
여기서 제어부(140)는 전력절환 제어장치(200)의 전원을 배터리(170)에 공급되도록 하는 경우에 BMS(130)를 제어하여 배터리 충전모드로 동작하게 한다.
통신부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 전력운용장치(300)와 유선 또는 무선으로 데이터를 송수신할 수 있게 하며, DC/AC 인버터(160)는 DC/DC 컨버터(140)로부터 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 부하에 제공한다. 배터리(160)는 전력계통이나 외부발전시스템에서 제공하는 에너지를 BMS(130)의 제어를 통해 제공받아 충전하고 필요시 BMS(130)의 제어에 따라 방전하여 부하에 전원이 공급되게 한다.
한편, DC/AC 인버터(160)에서 출력하는 전원은 전력절환 제어장치(200)를 통해 다른 에너지저장장치와 연결되는 경우에 전력절환 제어장치(200)에 공급되어 다른 에너지저장장치의 충전 전원으로 이용된다.
내부 절환부(180)는 제어부(140)의 제어에 따라 스위치 절환 동작(스위치온/오프 동작)을 수행한다. 내부 절환부(180)는 스위치 절환 동작으로, DC/DC 컨버터(120)으로부터 제공되는 DC 전원을 DC/AC 인버터(160) 또는 전력절환 제어장치(200)로 출력하거나, 전력절환 제어장치(200)로부터 공급되는 전원을 배터리(170) 또는 부하측으로 공급한다.
이때 내부 절환부(180)는 DC/DC 컨버터(120)로부터 공급되는 배터리의 전원을 부하측으로만 공급되게 하거나, 부하측과 전력절환 제어장치(200) 모두에게 공급되도록 하거나 전력절환 제어장치(200)에게만 공급되게 한다. 또한 내부 절환부(180)는 전력절환 제어장치(200)로부터 전원이 공급되는 경우에 공급되는 전원을 배터리(170)측으로 공급하여 배터리(170)가 충전되게 하거나, 부하측으로 공급되게 한다. 이때 부하측 공급은 배터리(170)의 전원과 함께 공급되거나 배터리(170)의 전원 공급을 차단한 후 단독으로 공급되게 한다.
도 4를 참조로 내부 절환부(180)를 보다 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 내부 절환부의 블록 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 내부 절환부(180)는 DC/DC 컨버터(120)와 DC/AC 컨버터(160) 간에 연결된 전력 라인에 연결된 제3 스위치(SW3)와 제4 스위치(SW4), 제3 스위치(SW3)에 연결되고 ESS(100)의 출력 전력라인(PL1)을 통해 전력절환 제어장치(200)에 연결된 DC/AC 인버터(181), 그리고 제4 스위치(SW3)에 연결되고 ESS(100)의 입력 전력라인(PL2)을 통해 전력절환 제어장치(200)에 연결된 AC/DC 컨버터(182)를 포함한다.
제3 스위치(SW3)는 해당 ESS가 전력배급 ESS인 경우에 제어부(140)의 제어에 따라 스위치 온되어 DC/DC 컨버터(120)에서 출력하는 DC 전원을 AC 전원으로 변환시켜 전력절환 제어장치(200)에 제공한다. 이때 부하측으로 AC 전원이 공급되거나 그렇지 않을 수 있다.
그리고 제4 스위치(SW4)는 해당 ESS가 방전 ESS인 경우에 제어부(140)의 제어에 따라 스위치 온되어 AC/DC 컨버터(182)에서 제공하는 전력절환 제어장치(200)의 전원을 DC/DC 컨버터(120)를 통해 배터리(170)에 제공한다. 이때 부하측으로 AC 전원이 공급되지 않는 상태이며 BMS(130)에 의해 배터리 충전 모드로 동작하고 있다. 한편, 제4 스위치(SW4)가 온되어 전력절환 제어장치(200)로부터 전원이 공급되는 경우에, 공급 전원을 배터리(170)에 공급하지 않고 바로 부하로 공급되도록 할 수 있으며, 이때 배터리(170)의 전원과 함께 부하로 제공되게 하거나 배터리(170)의 전원 공급을 차단한 후 단독으로 부하에 제공되게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력운용장치와 전력절환 제어장치의 구성을 보인 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전력운용장치(300)는 정보 수집부(310), 정보 관리부(320), 정보 제공부(330), 배터리전위 파악부(340), 전력밸런싱 제어부(350), 그리고 저장부(360)를 포함한다.
정보 수집부(310)는 각 에너지저장장치(100)에서 전송하는 배터리 상태정보를 수신하고, 수신한 배터리 상태정보를 정보 관리부(320)에 제공한다. 정보 관리부(320)는 정보 수집부(310)로부터 수신되는 각 에너지저장장치(100)의 배터리 상태정보를 정보 제공부(330)를 통해 관제센터(400)에 제공하고, 배터리 상태정보에서 배터리 잔존용량을 추출하여 에너지저장장치(100)의 고유식별정보와 함께 배터리전위 파악부(340)에 제공한다.
배터리전위 파악부(340)는 정보 관리부(320)에서 제공하는 에너지저장장치(100)의 고유식별정보와 배터리 잔존용량에 따라 에너지저장장치(100)별 배터리 잔존용량을 파악하고 이를 전력밸런싱 제어부(350)에 제공한다.
전력밸런싱 제어부(350)는 배터리전위 파악부(340)와 연동하여 배터리전위 파악부(340)로부터 수신되는 각 에너지저장장치(100)의 배터리 잔존용량을 설정된 배터리 방전임계값과 비교하여 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값보다 작은 방전 ESS(100)이 있는지를 파악한다. 또한 전력밸런싱 제어부(350)는 방전 ESS가 존재하면 각 에너지저장장치(100) 중 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 하나를 전력배급 ESS로 파악(설정)한다.
전력밸런싱 제어부(350)는 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값보다 낮은 방전 ESS이 존재하면 전력배급이 가능한 에너지저장장치 중 하나 또는 가장 배터리 잔존용량이 설정된 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치를 전력배급을 할 하나의 에너지저장장치(이하 “전력배급 ESS”이라 함)으로 선택한다.
그런 다음 전력밸런싱 제어부(350)는 전력절환 제어장치(200)로 스위치온 제어신호를 출력하고 전력배급 ESS로 방전 제어신호를 출력하며 방전 ESS로 충전 제어신호를 출력하여 전력배급 ESS의 배터리 전원으로 방전 ESS의 배터리를 충전시키는 전력 밸런싱 동작이 이루어지게 한다.
여기서 스위치온 제어신호에는 전력배급 ESS의 고유식별정보와 방전 ESS의 고유식별정보가 포함된다. 그리고 방전 제어신호에는 전력절환 제어장치(200)로 전원을 공급할 것을 알리는 정보가 포함되고, 충전 제어신호에는 전력절환 제어장치(200)으로부터 전원이 공급됨을 알리는 정보가 포함된다.
그리고 전력밸런싱 제어부(350)는 하나의 에너지저장장치에서 다른 하나의 에너지저장장치로 전력을 제공하는 중에 전력배급중인 에너지저장장치의 배터리 잔존용량이 전력배급에 따라 낮아져 배터리 공급임계값에 도달하거나, 전력보충중인 에너지저장장치의 배터리 잔존용량이 전력 보충에 따라 높아져 배터리 보충임계값에 도달하면 전력절환 제어장치(200)로 스위치오프 제어신호를 출력하고 전력배급 ESS와 방전 ESS로 제어신호를 출력하여 전력 밸런싱 동작이 중지(해지)되게 한다.
저장부(360)는 배터리 방전임계값이 저장되고, 또한 에너지저장장치별 배터리 공급임계값 또는 배터리 보충임계값이 저장된다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전력절환 제어장치(200)는 수신부(210), 스위칭 제어부(220), 그리고 스위치부(230)를 포함한다.
수신부(210)는 전력운용장치(300)와 유선 또는 무선으로 연결되어 전력운용장치(300)로부터 스위치온 제어신호 또는 스위치오프 제어신호를 수신한다. 스위칭 제어부(220)는 수신부(210)로부터 수신되는 스위치온 제어신호 또는 스위치오프 제어신호에 따라 스위치부(230)의 스위치를 절환시킨다.
스위치부(230)는 각 에너지저장장치(100)의 출력 전력라인(PL1)과 입력전력라인(PL2)이 스위치 단자에 연결되어 있으며, 스위칭 제어부(220)의 제어에 따라 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)가 동작하여 5개의 에너지저장장치(100) 중 2개의 에너지저장장치의 전력라인을 연결시킨다. 이때 연결되는 전력라인 중 하나는 출력 전력라인(PL1)이고 다른 하나는 입력 전력라인(PL2)이다.
이하에서는 도 5 내지 도 11을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법을 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시 예는 5개의 ESS간 전력 밸런싱을 수행하는 경우를 예로 하며, 5개의 ESS를 제1 내지 제5 ESS(100a 내지 100e)로 구분하였다.
(전력 밸런싱 동작 시작 과정)
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력밸런싱동작 시작과정을 보인 순서도로서, 배터리 방전임계값이 30%이거나 또는 30% 이하인 경우를 예로 하였다.
관리자에 의해 또는 외부장치 등에 의해 전력운용장치(300)에 전력밸런싱 시간정보가 등록된다(S501). 전력밸런싱 시간정보는 전력운용장치(300)가 전력밸런싱 동작을 수행하는 시간이다. 전력밸런싱 시간은 에너지저장장치가 부하측으로 전원을 공급하는 시간에 동기하여 결정되는 것이 좋다. 예컨대 에너지저장장치가 부하측에 전원을 공급하는 시간이 오전 11시부터 오후 6시까지라면 전력밸런싱 시간은 오전 10시부터 오후 6시인 것이 양호하다.
각 에너지저장장치(100a 내지 100e)은 자신의 배터리 잔존용량을 측정하고(S502), 측정한 배터리 잔존용량을 전력운용장치(300)에 제공한다(S503).
전력운용장치(300)는 전력밸런싱 시간에 배터리 잔존용량을 수신하면 각 에너지저장장치(100a 내지 100e)의 배터리 상태정보 중 배터리 잔존용량을 파악하여 현재 각 에너지저장장치(100)의 전력 상태를 모니터링한다(S504).
각 에너지저장장치(100a-100e)의 전력 상태는 각 층 또는 각 건물마다 소비되는 전력량의 차이에 의해 크게 좌우되어 배터리 잔존용량의 차이를 나타낸다.
그러므로 배터리 잔존용량이 낮다는 것은 그만큼 다른 에너지저장장치에 비해 배터리 전력을 많이 소비하였다는 것을 의미하고 또한, 이후 시간에도 다른 에너지저장장치에 비해 배터리 전력의 소비가 높을 것으로 예상되며 추후 배터리에서의 전원공급이 중단되어 값비싼 상용전원을 이용해야 될 가능성이 높다는 것을 의미한다. 반대로 배터리 잔존용량이 높다는 것은 그만큼 다른 에너지저장장치에 비해 배터리 전력의 소비가 적었다는 것을 의미하고 또한, 이후 시간에도 다른 에너지저장장치에 비해 배터리 전력의 소비가 낮을 것이며 사용하지 않고 남게 되는 배터리의 전원이 많을 것이라는 것을 의미한다.
전력운용장치(300)는 이러한 각 에너지저장장치(100a-100e) 간의 배터리 전원 사용의 불균형을 해소하여 각 에너지저장장치(100a-100e)의 전원을 고르게 사용되게 하기 위하여, 각 에너지저장장치(100a-100e)의 배터리 잔존용량을 수신할 때마다 설정된 배터리 방전임계값과 비교하여 배터리의 충전이 요구되는 에너지저장장치가 존재하는지를 파악한다.
전력운용장치(300)는 각 에너지저장장치(100a-100e)의 배터리 잔존용량을 모니터링하는 중에 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 5개의 에너지저장장치(100a-100e) 중 제1 ESS(100a)의 배터리 잔존용량이 30%, 제2 ESS(100b)의 배터리 잔존용량이 65%, 제3 ESS(100c)의 배터리 잔존용량이 70%, 제4 ESS(100d)의 배터리 잔존용량이 70%, 그리고 제5 ESS(100e)의 배터리 잔존용량이 90%로 파악되면 제1 ESS(100a)의 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값인 30%에 도달함에 따라 제1 ESS(100a)를 방전 ESS라 판단한다(S505).
그리고 전력운용장치(300)는 제2 내지 제5 ESS(100b-100e) 중 가장 높은 배터리 잔존용량을 가지는 제5 ESS(100e)를 전력배급 ESS로 판단한다. 다른 예로서, 전력운용장치(300)는 배터리 잔존용량이 70%(전력배급 임계값) 이상인 제3 내지 제5 ESS(100c-100e)를 전력배급이 가능한 ESS로 판단하고(S506), 이 중 하나를 전력배급 ESS로 선택할 수 있다(S507).
물론 5개의 에너지저장장치(100a 내지 100e) 모두가 전력배급 임계값 미만으로 전력배급 ESS가 존재하지 않으면 전력밸런싱 동작을 수행하지 않는다.
전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)를 방전 ESS로 판단하고 제5 ESS(100e)를 전력배급 ESS로 판단하면 스위치온 제어신호를 생성한 후(S508), 전력절환 제어장치(200)로 스위치온 제어신호를 출력하고(S509), 제1 ESS(100a)에 충전 제어신호를 출력하며(S510), 제5 ESS(100e)에 방전 제어신호를 출력한다(S511).
이에 따라 전력절환 제어장치(200)는 전력운용장치(300)로부터 스위치온 제어신호를 수신하면 스위치온 제어신호를 판독하여 제5 ESS(100e)에서 제1 ESS(100a)로 전력이 배급되도록 하는 제어신호임을 파악하며(S512), 그에 따라 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 ESS(100a)의 입력 전력라인(PL2)와 제5 ESS(100e)의 출력 전력라인(PL1)을 연결하는 절환 동작을 수행한다(S513).
그리고 제1 ESS(100a)에서는 통신부(150)를 통해 제어부(140)가 충전 제어신호를 수신하고, 제어부(140)는 충전 제어신호에 따라 내부 절환부(180)를 제어하여 전력절환 제어장치(200)에서 공급되는 전원을 수급할 수 있는 상태로 전환하여 전원을 공급받는다(S514).
또한 제5 ESS(100e)에서도 통신부(150)를 통해 제어부(140)가 방전 제어신호를 수신하고, 제어부(140)는 방전 제어신호에 따라 내부 절환부(180)를 제어하여 전력절환 제어장치(200)로 배터리(170)의 전원을 배급할 수 있는 상태로 전환하여 배터리 전원을 전력절환 제어장치(200)를 통해 제1 ESS(100a)에 공급한다(S515).
이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조로 하여 충전 제어신호와 방전 제어신호에 따른 방전 ESS(제1 ESS)와 전력배급 ESS(제5 ESS)의 동작을 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제1 전력 배급 경로를 보인 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제5 ESS(100e)에서는 제어부(140)가 전력운용장치로부터 수신된 방전 제어신호에 따라 내부 절환부(180)에게 제3 스위치(SW3)의 턴 온을 지시하는 제어신호를 출력한다. 제어 신호를 수신한 내부 절환부(180)는 제3 스위치(SW3)를 턴 온시켜 배터리(170)와 출력 전력라인(PL1) 간에 전원 출력 경로를 형성시킨다. 이에 따라 제5 ESS(100e)의 배터리(170) 출력 전원은 배터리(170), DC/DC 컨버터(120), 내부 절환부(180), 그리고 출력 전력라인(PL1)의 순서로 하는 제1 전원 출력 경로와, 배터리(170), DC/DC 컨버터(120), 내부 절환부(180), DC/AC 인버터(160), 그리고 부하의 순서로 하는 제2 전원 출력 경로가 형성된다. 물론 DC/AC 인버터(160)와 부하 간에 형성된 스위치(미도시) 또는 DC/AC 인버터(160)와 내부 절환부(180) 간에 형성된 스위치를 턴 오프시켜 배터리(170)의 출력 전원이 전력절환 제어장치(200)로만 공급되도록 할 수 있다.
제1 ESS(100a)의 제어부(140)는 충전 제어신호를 수신하고, 내부 절환부(180)에게 제4 스위치(SW4)의 턴 온을 지시하는 제어신호를 출력하며, 내부 절환부(180)는 제어신호에 따라 제4 스위치(SW3)를 턴 온시켜 전력절환 제어장치(200)로부터 공급되는 전원이 제1 ESS(100a) 내부로 공급되게 한다. 그리고 제1 ESS(100a)의 제어부(140)의 제어에 따라 BMS(130)는 배터리 충전모드로 동작하여 전력절환 제어장치(200)로부터 공급된 전원이 배터리(170)에 공급되어 배터리(170)를 충전시키게 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제2 전력 배급 경로를 보인 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 전력 배급 경로는 전력분배 ESS(100e)에서의 전력 배급 경로가 제1 전력 배급 경로와 동일하나, 방전 ESS(100a)에서의 전력 배급 경로가 다르다.
구체적으로, 제1 ESS(100a)의 제어부(140)는 충전 제어신호를 수신하고, 내부 절환부(180)에게 제4 스위치(SW4)의 턴 온을 지시하는 제어신호를 출력하며, 내부 절환부(180)는 제어신호에 따라 제4 스위치(SW3)를 턴 온시켜 전력절환 제어장치(200)로부터 공급되는 전원이 제1 ESS(100a) 내부로 공급되게 한다.
그리고 제1 ESS(100a)의 제어부(140)는 배터리(170)의 전원이 출력되지 않도록 제어한 후, 내부 절환부(180), DC/AC 인버터(160), 그리고 부하 간의 전력 패스를 오픈하여 전력절환 제어장치(200)로부터 공급된 전원이 DC/AC 인버터(160)를 거쳐 부하에 공급되게 한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에 의해 이루어지는 제3 전력 배급 경로를 보인 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 전력 배급 경로는 전력분배 ESS(100e)에서의 전력 배급 경로가 제1 전력 배급 경로와 동일하나, 방전 ESS(100a)에서의 전력 배급 경로가 다르다.
구체적으로, 제1 ESS(100a)의 제어부(140)는 충전 제어신호를 수신하고, 내부 절환부(180)에게 제4 스위치(SW4)의 턴 온을 지시하는 제어신호를 출력하며, 내부 절환부(180)는 제어신호에 따라 제4 스위치(SW3)를 턴 온시켜 전력절환 제어장치(200)로부터 공급되는 전원이 제1 ESS(100a) 내부로 공급되게 한다.
그리고 제1 ESS(100a)의 제어부(140)는 현재의 배터리 방전모드를 유지시킨 상태에서, 전력절환 제어장치(200)로부터 공급된 전원이 DC/AC 인버터(160)를 거쳐 부하에 공급되게 한다. 결국 부하는 제1 ESS(100a)에서 공급하는 배터리 전원과 전력절환 제어장치(200)에서 공급하는 전원을 공급받게 된다.
(전력 밸런싱 동작 해지 과정)
이하에서는 도 10을 참조로 하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 밸런싱 동작의 해지 과정을 설명한다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법 에서 전력밸런싱 동작 해지과정의 일 예를 보인 순서도이다.
전력밸런싱동작이 시작되면, 제5 ESS(100e)에서 제1 ESS(100a)로 전원이 공급되어, 제5 ESS(100e)에서는 배터리 잔존용량이 점점 줄어들고, 제1 ESS(100a)에서는 배터리 잔존용량이 점점 증가한다.
이런 상태에서 방전 ESS인 제1 ESS(100a)와 전력배급 ESS인 제5 ESS(100e)는 배터리 잔종용량을 측정하여(S1001, S1002), 전력운용장치(300)에 제공한다(S1003, S1004).
전력운용장치(300)는 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)로부터 수신되는 배터리 잔존용량에 따라 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)의 배터리 잔존용량을 파악한다. 전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)의 잔존용량을 파악하면(S1005), 설정된 보충임계값과 비교하여 잔존용량이 보충임계값에 도달하였는지를 판단한다(S1006).
전력운용장치(300)는 상기 판단에서 배터리 잔존용량이 보충임계값에 도달하지 않았으면, 제5 ESS(100e)의 잔존용량을 파악하고(S1007), 설정된 공급임계값과 비교하여 잔존용량이 공급임계값에 도달하였는지를 판단한다(S1008).
전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)의 배터리 잔존용량이 보충임계값에 도달하거나, 제5 ESS(100e)의 배터리 잔존용량이 공급임계값에 도달하면 스위치오프 제어신호를 생성하여(S1009), 전력절환 제어장치(200)로 출력한다(S1011).
전력절환 제어장치(200)는 스위치오프 제어신호에 따라 도 6의 (b)와 같이 스위치 오프 동작을 수행하여 제1 및 제5 ESS(100a, 100e) 간의 전력라인 연결을 해지한다(S1012). 그리고 전력운용장치(300)는 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)로 해지 제어신호를 출력하여 해당 ESS에서의 전력밸런싱 동작을 해지시킨다(S1013, S1014).
전술한 설명에서는 보충임계값과 공급임계값을 사용하여 2개 중 하나를 만족하는 경우에 스위치오프 제어신호를 출력하는 것을 설명하였지만, 다른 예로서 보충임계값만을 사용하거나 공급임계값만을 사용하여 배터리 잔존용량이 해당 임계값에 도달하는 경우에 스위치오프 제어신호를 출력하도록 할 수 있다.
이하에서는 도 11을 참조로 하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 밸런싱 동작의 해지 과정을 설명한다. 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법에서 전력밸런싱동작 해지상황의 다른 예를 보인 순서도이다.
전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)를 방전 ESS(100a)으로 파악하고 제5 ESS(100e)를 전력배급 ESS로 파악하면(S1101), 전력 밸런싱 동작 수행하고, 설정된 전력밸런싱 시간과 현재시간을 비교하여 남아있는 전력밸런싱 시간 즉, 잔여 전력밸런싱 시간을 파악한다(S1102).
잔여 전력밸런싱 시간을 파악하는 것은 방전 ESS(100a)에 제공한 전원 공급량을 조절하기 위한 것이다. 예컨대, 잔여 전력밸런싱 시간이 많으면 방전 ESS에서 사용할 에너지량이 많으므로 전원 공급량이 많아야 하겠지만, 잔여 전력밸런싱 시간이 적으면 방전 ESS에서 사용할 에너지량이 적으므로 전원 공급량이 적어도 된다.
전력운용장치(300)는 방전 ESS에 공급할 에너지량을 조절하기 위하여, 설정된 공급임계값을 높이거나 보충임계값을 낮추는 임계값 조절을 수행한다(S1103). 공급임계값은 잔여 전력밸런싱 시간의 크기에 비례하여 높아지도록 조절되고, 보충임계값은 잔여 전력밸런싱 시간의 크기에 비례하여 작아지도록 조절된다. 조절되는 정도는 잔여 전력밸런싱 시간의 크기에 따라 정량화되어 있다.
여기서 전력운용장치(300)가 아닌 전력배급 ESS에서 공급임계값을 높이거나, 방전 ESS에서 보충임계값을 낮추도록 할 수 있다.
공급임계값과 보충임계값을 잔여 전력밸런싱 시간에 따라 조절한 상태에서, 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)는 배터리 잔종용량을 측정하여(S1001, S1002), 전력운용장치(300)에 제공한다(S1104, S1105).
전력운용장치(300)는 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)로부터 수신되는 배터리 잔존용량에 따라 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)의 배터리 잔존용량을 파악한다. 전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)의 잔존용량을 파악하면(S1106), 조절된 보충임계값과 비교하여 잔존용량이 조절된 보충임계값에 도달하였는지를 판단한다(S1107).
전력운용장치(300)는 상기 판단에서 배터리 잔존용량이 조절된 보충임계값에 도달하지 않았으면, 제5 ESS(100e)의 잔존용량을 파악하고(S1008), 조절된 공급임계값과 비교하여 잔존용량이 공급임계값에 도달하였는지를 판단한다(S1109).
전력운용장치(300)는 제1 ESS(100a)의 배터리 잔존용량이 조절된 보충임계값에 도달하거나, 제5 ESS(100e)의 배터리 잔존용량이 조절된 공급임계값에 도달하면 스위치오프 제어신호를 생성하여(S1110), 전력절환 제어장치(200)로 출력한다(S1111).
전력절환 제어장치(200)는 스위치오프 제어신호에 따라 도 6의 (b)와 같이 스위치 오프 동작을 수행하여 제1 및 제5 ESS(100a, 100e) 간의 전력라인 연결을 해지한다(S1112). 그리고 전력운용장치(300)는 제1 및 제5 ESS(100a, 100e)로 해지 제어신호를 출력하여 해당 ESS에서의 전력밸런싱 동작을 해지시킨다(S1113, S1114).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 에너지저장장치(ESS) 200 : 전력절환 제어장치
300 : 전력운용장치 400 : 관제센터
110 : AC/DC 컨버터 120 : DC/DC 컨버터
130 : BMS 140 : 제어부
150 : 통신부 160 : DC/AC 인버터
170 : 배터리 180 : 내부 절환부
210 : 수신부 220 : 스위칭 제어부
230 : 스위치부 310 : 정보 수집부
320 : 정보 관리부 330 : 정보 제공부
340 : 배터리전위 파악부 350 : 전력밸런싱 제어부
360 : 저장부

Claims (7)

  1. 복수의 에너지저장장치로부터 수신되는 배터리 상태정보를 이용하여 상기 복수의 에너지저장장치 중 배터리 잔존용량이 배터리 방전임계값 이하인 방전 ESS가 발생하였는지를 파악하는 제1 단계,
    상기 방전 ESS가 발생하면 배터리 잔존용량이 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 하나를 전력배급 ESS로 설정하는 제2 단계,
    상기 전력배급 ESS의 출력 전력라인과 상기 방전 ESS의 입력 전력라인을 연결시켜 상기 전력배급 ESS 에서 상기 방전 ESS로 전원이 공급되게 하는 제3 단계,
    상기 방전 ESS의 배터리 잔존용량이 보충임계값에 도달하거나 상기 전력배급 ESS의 배터리 잔존용량이 공급임계값에 도달하는 경우에 상기 전력배급 ESS와 상기 방전 ESS간 전력라인의 연결을 해지하는 제4 단계, 그리고
    상기 제1 단계 이전에, 상기 제1 단계 내지 제4 단계가 수행되는 시간 범위인 전력밸런싱 시간을 설정하는 제5 단계를 포함하는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 단계는 배터리 잔존용량이 전력배급 임계값 이상인 에너지저장장치 중 배터리 잔존용량이 가장 큰 에너지저장장치를 상기 전력배급 ESS로 설정하는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 제1 단계는 상기 방전 ESS가 발생하면 상기 전력밸런싱 시간 중 잔여 전력밸런싱 시간을 파악하고 상기 잔여 전력밸런싱 시간에 비례하여 상기 보충임계값을 낮추는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 단계는 상기 전력배급 ESS를 설정하면 상기 전력밸런싱 시간 중 잔여 전력밸런싱 시간을 파악하고 상기 잔여 전력밸런싱 시간에 비례하여 상기 공급임계값을 높이는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 제3 단계는 상기 전력배급 ESS가 배터리의 전원을 상기 방전 ESS에 공급되게 하고, 상기 방전 ESS가 상기 전력배급 ESS에서 공급한 전원으로 배터리를 충전하게 하는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 제3 단계는 상기 전력배급 ESS가 배터리의 전원을 상기 방전 ESS에 공급되게 하고, 상기 방전 ESS가 상기 전력배급 ESS에서 공급한 전원을 부하에 공급하게 하는 에너지저장장치형 빌딩 자동제어 방법.
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