KR101677832B1 - 에너지 저장 시스템의 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 배터리의 배터리 상태를 모니터링하고, 배터리의 충방전 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)과, 배터리의 제어 목표값을 결정하고, 에너지 저장 시스템이 포함된 전력 시장의 전력 시장 정산 규칙 정보를 획득하고, 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출하고, 산출된 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 및 모니터링된 배터리 상태를 기초로 배터리의 충방전 동작을 제어하는 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Condition System)을 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템의 제어 장치 및 그 제어 방법{CONTROL DEVICE FOR ENEREGY STORAGE SYSTEM AND OPREATING METHOD THEREOF}
본 발명은 에너지 저장 장치의 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 에너지 저장 장치의 동작 제어에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System)은 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장한 후, 전력이 필요한 시기에 선택적, 효율적으로 사용하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.
에너지 저장 시스템은 시간대 및 계절별 변동이 큰 전기부하를 평준화시켜 전반적인 부하율을 향상시킬 경우, 발전 단가를 낮출 수 있으며 전력설비 증설에 필요한 투자비와 운전비 등을 절감할 수 있어서 전기요금을 인하하고 에너지를 절약할 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
한편, 에너지 저장 시스템은 전력 시장에서의 전력 가격 입찰 등과 연계하여, 전력 가격이 비싼 시간대에 저장된 에너지를 사용하고 전력 가격이 저렴한 시간대에 에너지를 저장하는 스케쥴링 동작을 하기도 한다. 이는 전력 가격이 전력 발전량 및 전력 사용량에 따라 변동하는 점을 이용하여 전력 사용에 대한 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 이에 대해서는 국내공개특허공보 10-2013-0011184에 에너지 저장 시스템의 배터리 충전 및 방전에 대해 기술되어 있다.
이러한 전력 가격을 이용한 에너지 저장 시스템의 스케쥴링 동작은 단순히 시간대별 전력 가격을 이용하여 목표 제어값을 유지하도록 동작할 뿐이어서, 전력 시장의 정산 규칙에 따른 목표 제어값에 대한 데드밴드를 이용하지 못하고 있다. 그래서 에너지 저장 시스템은 목표 제어값을 유지하기 위해 동작을 반복하게 되고, 반복되는 동작으로 인해 효율적으로 동작하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 에너지 저장 시스템은 전력 시장의 정산 규칙에 따른 오차 범위를 이용하지 못해서 불필요하게 배터리 제어 동작을 반복하는 한계가 있다.
따라서, 제어 목표값에 대한 허용 범위인 데드밴드 범위 내에서 에너지 저장 시스템을 동작시킬 수 있는 제어 장치 및 제어 방법이 필요하다.
본 발명은 에너지 저장 시스템의 목표 제어값에 대한 데드밴드 범위 내에서 동작할 수 있는 에너지 저장 시스템의 제어 장치 및 그 동작 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 에너지 저장 시스템에 포함된 배터리의 제어 목표값을 결정하는 단계; 상기 에너지 저장 시스템이 포함된 전력 시장의 전력 시장 정산 규칙 정보를 획득하는 단계; 상기 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 상기 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출하는 단계; 상기 배터리의 배터리 상태 정보를 획득하는 단계; 및 상기 산출된 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 및 상기 획득된 배터리 상태 정보를 기초로 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 배터리 상태 정보는 상기 배터리의 SOC(State Of Charge) 레벨 정보를 포함한다.
또한, 상기 데드밴드 값은 상기 결정된 제어 목표값과 동일한 차이값를 갖는 복수의 데드밴드 값인 제1 데드밴드값 및 제2 데드밴드 값을 포함한다.
또한, 상기 데드밴드 값은 상기 결정된 제어 목표값과 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값인 제3 데드밴드값 및 제4 데드밴드 값을 포함한다.
또한, 제어 목표값 및 데드밴드 값은 상기 에너지 저장 시스템에 대한 주파수 제어에 대응하는 주파수값을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 장치는 배터리의 배터리 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System); 및 상기 배터리의 제어 목표값을 결정하고, 상기 에너지 저장 시스템이 포함된 전력 시장의 전력 시장 정산 규칙 정보를 획득하고, 상기 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 상기 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출하고, 상기 산출된 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 및 상기 모니터링된 배터리 상태를 기초로 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Condition System)을 포함한다.
또한, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State Of Charge) 중 하나 이상을 모니터링한다.
또한, 상기 모니터링된 배터리 상태는 상기 배터리의 SOC(State Of Charge) 레벨 정보를 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 산출된 데드밴드 값 이내로 상기 배터리의 SOC 레벨을 유지하도록 제어한다.
또한, 상기 전력 관리 시스템은 상기 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 상기 산출된 제어 목표값과 동일한 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값인 제1 데드밴드 값과 제2 데드밴드 값을 산출한다.
또한, 상기 전력 관리 시스템은 상기 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 상기 산출된 제어 목표값과 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값인 제3 데드밴드 값과 제4 데드밴드 값을 산출한다.
또한, 상기 전력 관리 시스템은 상기 산출된 데드밴드 값을 상기 에너지 저장 시스템에 대한 주파수 제어에 대응하는 주파수값으로 산출한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 본 발명의 에너지 저장 시스템은 배터리가 결정된 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 이내에서 배터리의 SOC 레벨을 유지하도록 할 수 있어서, 불필요한 배터리 제어 동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 배터리 제어 목표값에 대한 데드 밴드값을 산출할 수 있어서, 에너지 저장 시스템의 운용에 따른 이익을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 데드밴드 값을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(10)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(10)은 전력 관리 시스템(PCS: Power Condition System, 100, 이하 "PCS"라 한다.), 발전 시스템(200), 배터리(300), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System, 310, 이하 "BMS"라 한다.), 계통(400), 부하(500)를 포함할 수 있다.
PCS(100)는 에너지 저장 시스템(10)의 제어 장치일 수 있다.
PCS(100)는 발전 시스템(200)에서 발전된 전력을 배터리(300)에 저장하거나 계통(400), 부하(500)로 전달할 수 있다. 또한 PCS(100)는 배터리(300)에 저장된 전력을 계통(400) 또는 부하(500)로 전달할 수 있다. PCS(100)는 계통(400)에서 공급된 전력을 배터리(300)에 저장할 수도 있다.
또한, PCS(100)는 배터리(300)에 충전 상태(State Of Charge, 이하 "SOC 레벨"이라 한다.)를 기초로 배터리(300)를 충전하거나 방전하도록 제어할 수 있다.
또한, PCS(100)는 전력 시장의 전력 가격, 발전 시스템(200)의 발전 계획, 발전량 및 계통(400)의 전력 수요 등을 기초로 에너지 저장 시스템의 동작에 대한 스케쥴을 생성할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
발전 시스템(200)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산한다.
예를 들어 발전 시스템(200)는 화석 연료, 원자력 연료, 재생 에너지 중 하나 이상을 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
일 실시 예로, 발전 시스템(200)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등과 같은 신재생 에너지를 이용한 신재생 발전 시스템일 수 있다.
계통(400)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(400)은 정상 상태일 때, PCS(100), 부하(500) 중 하나 이상에 전력을 공급할 수 있고, PCS(100)로부터 전력을 공급받을 수도 있다. 계통(400)은 비정상 상태일 때, PCS(100), 부하(500) 중 하나 이상에 전력을 공급할 수 없을 수 있고, PCS(100)로부터 전력을 공급받을 수 없을 수도 있다.
부하(500)는 발전 시스템(200), 배터리(300), 계통(400) 중 하나 이상으로부터 전력을 공급받고, 공급된 전력을 소비한다.
예를 들면 부하(500)는 가정, 대형 건물, 공장 등을 포함할 수 있다.
이하, 상술한 에너지 저장 시스템(10)을 제어하는 PCS(100)에 대해 상세히 설명한다.
PCS(100)는 전력 변환부(110), 통합 제어부(160), 제1 컨버터(130), 제2 컨버터(140), 제1 스위치(150), 및 제2 스위치(170)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)과 제 1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있다. 전력 변환부(100)는 발전 시스템(200)에서 생산된 전력을 제1 노드(N1)로 전달할 수 있고, 하며, 제1 노드(N1)으로 출력되는 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환할 수 있다. 그러므로 전력 변환부(110)가 동작하여, 발전 시스템(200)에서 생산된 전력이 배터리(300), 계통(400), 부하(500) 중 하나 이상에 공급될 수 있다.
전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)의 종류에 따라서 컨버터, 정류 회로 중 하나 이상를 포함할 수 있다. 예를 들어 전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)이 직류 전력을 생산하는 경우, 직류 전력을 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 다른 예로, 전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)이 교류 전력을 생산하는 경우, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
또한, 전력 변환부(110)는 일사량, 온도, 풍속 등의 변화에 따라 발전 시스템(200)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking, 'MPPT') 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.
한편, 전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)에서 생산되는 전력이 없는 경우, 소비 전력을 최소화할 수 있다.
통합 제어부(160)는 배터리(300)의 충방전 제어를 수행하는 BMS(310)와 연결되어, 배터리(300)의 충전 상태(SOC)에 대한 충전 상태 정보를 획득할 수 있다. 그리고 통합 제어부(160)는 배터리(300)에 저장된 에너지를 계통(400), 부하(500) 중 하나 이상에 전달하도록 제어할 수 있다. 또한, 통합 제어부(160)는 발전 시스템(200)에서 발생된 전력을 배터리(300)에 충전하도록 제어할 수 있다.
통합 제어부(160)는 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력을 출력 지령값과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 제2 컨버터(140), 제1 컨버터(130) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 여기서 출력 지령값은 전력 관리 시스템(100)에서 계통(400), 부하(500) 중 하나 이상에 출력하는 출력 전력에 대한 지령값을 의미할 수 있다.예를 들어, 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력이 출력 지령값을 초과하는 경우, 통합 제어부(160)는 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력과 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력이 배터리(300)에 충전되도록 제2 컨버터(140), 제1 컨버터(130) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 이에 따라, 제2 컨버터(140)는 충전 모드로 동작하고, 제1 컨버터(130)는 출력 지령값에 해당하는 전력을 부하(500), 계통(400) 중 하나 이상에 공급할 수 있다.
한편, 출력 지령값은 발전 시스템(200)에서 발전한 전력보다 낮은 값이므로, 통합 제어부(160)는 출력 지령값을 제외한 나머지 전력이 배터리(300)에 충전되도록 제2 컨버터(140)를 제어할 수 있다. 이에 따라 배터리(300)는 제2 컨버터(140)를 통해 전력을 공급받을 수 있다. 그래서 배터리(300)는 충전될 수 있고, 배터리(300)의 SOC 레벨은 배터리(300)에 대한 제어 목표값에 대응될 수 있다.
다른 예로, 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력이 출력 지령값 미만인 경우, 통합 제어부(160)는 배터리(300)가 출력 지령값과 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력의 차이에 해당하는 전력을 방전하도록 제2 컨버터(140), 제1 컨버터(130) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 이에 따라, 제2 컨버터(140)는 방전 모드로 동작하고, 제1 컨버터(130)는 출력 지령값에 해당하는 전력을 부하(500), 계통(400) 중 하나 이상에 공급한다. 이 때, 출력 지령값은 발전 시스템(200)에서 발전한 전력보다 높은 값이므로, 통합 제어부(160)는 배터리(300)가 방전되도록 제어할 수 있다. 이에 따라 배터리(300)는 제2 컨버터(140)를 통해 전력을 공급할 수 있다. 그래서 배터리(300)는 방전될 수 있고, 배터리(300)의 SOC 레벨은 배터리(300)에 대한 제어 목표값에 대응될 수 있다.
또한, 통합 제어부(160)는 PCS(100)의 전체적인 동작을 제어하고, 전력 저장 시스템(10)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 통합 제어부(160)는 발전된 전력을 계통(400)에 공급하는 제1 동작 모드, 발전된 전력을 부하(500)에 공급하는 제2 동작 모드, 발전된 전력을 배터리(300)에 저장하는 제3 동작 모드, 계통(400)에서 전달된 전력을 배터리(300)에 저장하는 제4 동작 모드 등에 대한 동작을 결정할 수 있다.
통합 제어부(160)는 전력 변환부(110), 제1 컨버터(130), 제2 컨버터(140), 제 1 스위치(150) 및 제 2 스위치(160) 각각의 스위치 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 전송할 수 있다. 제어 신호는 각각의 컨버터 또는 인버터의 입력 전압에 따른 듀티비 최적 제어를 통해 컨버터 또는 인버터의 전력 변환에 따른 손실을 최소화할 수 있는 신호를 의미할 수 있다. 통합 제어부(160)는 전력 변환부(110), 제1 컨버터(130), 제2 컨버터(140)의 각각의 입력단, 출력단 중 하나 이상에서 전압, 전류, 온도를 감지한 신호를 수신하고, 수신된 감지 신호를 기초로 제어 신호를 전송할 수 있다.
상술한 통합 제어부(160)는 PCS(100)에 포함될 수 있고, 포함되지 않고 별개의 구성으로 구비될 수도 있다.
제1 컨버터(130)는 전압의 크기를 변환할 수 있고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수도 있다.
제1 컨버터(130)는 컨버터, 인버터 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 제1 컨버터(130)는 전력 변환부(110)와 제 1 스위치(150) 사이에 위치할 수 있다. 제1 컨버터(130)는 전력 변환기를 포함할 수 있다.
이에 따라 제1 컨버터(130)는 방전 모드에서 발전 시스템(200) 또는 배터리(300)로부터 출력된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통(400)으로 출력할 수 있다.
또한, 제1 컨버터(130)는 충전 모드에서 계통(400)의 전력을 배터리(300)에 저장할 수 있도록 계통(400)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압으로 변환하여 배터리(300)로 출력할 수 있다.
제1 컨버터(130)는 계통(400)으로 출력하는 교류 전압에 포함된 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다.
구체적으로 제1 컨버터(130)는 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 제1 컨버터(130)가 출력하는 교류 전압의 위상과 계통(400)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프 회로를 포함할 수 있다.
또한, 제1 컨버터(130)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
제1 컨버터(130)는 발전 시스템(200)에서 생산된 전력, 배터리(300)에 저장된 전력 중 하나 이상을 부하(500), 계통(400) 중 하나 이상에 공급하지 않아도 되는 경우에 전력 소비를 최소할 수 있다. 또한 제1 컨버터(130)는 배터리(300)를 충전할 때에 계통(400)의 전력을 필요로 하지 않는 경우, 전력 소비를 최소화할 수 있다.
제2 컨버터(140)는 전압의 크기를 변환할 수 있고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수도 있다.
제2 컨버터(140)는 컨버터, 인버터 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 제2 컨버터(140)는 방전 모드에서 배터리(300)에 저장된 전력을 제1 컨버터(130)에 대응하는 전압 레벨로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들면 제2 컨버터(140)는 배터리(300)에 저장된 전력을 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력할 수 있다.
제2 컨버터(140)는 충전 모드에서 제 1 노드(N1)를 통하여 유입되는 충전 전력을 배터리(300)에 대응하는 전압 레벨로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들어 제2 컨버터(140)는 유입되는 충전 전력을 충전 전압으로 DC-DC 변환하여 출력할 수 있다. 여기서 충전 전력은 발전 시스템(200)에서 생산된 전력 또는 계통(400)으로부터 제1 컨버터(130)를 통하여 공급된 전력일 수 있다.
제1 스위치(150) 및 제2 스위치(170) 각각은 제1 컨버터(130)와 제 2 노드(N2) 사이에 직렬로 각각 연결될 수 있다. 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(170)각각은 통합 제어부(160)로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호를 기초로 스위칭 동작할 수 있다. 이에 따라 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(170) 각각은 온/오프 동작을 수행하여 발전 시스템(200)과 계통(400) 사이의 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(170) 각각은 발전 시스템(200), 배터리(300), 계통(400) 중 하나 이상의 상태를 기초로 스위칭 동작할 수 있다.
일 실시 예로, 부하(500)에서 필요한 전력량이 부하(500)에 전달되는 전력량보다 큰 경우, 제 1 및 제 2 스위치(150,170)는 온 상태로 스위칭 동작하여 발전 시스템(200), 계통(400) 각각에서 부하(500)에 전력을 전달되도록 할 수 있다. 또한, 발전 시스템(200) 및 계통(400)에서 부하(500)에 전달되는 전력이 부하(500)에서 필요한 전력에 미치지 못하면, 제1 스위치(150), 제2 스위치(170) 중 하나 이상은 배터리(300)에 저장된 전력이 부하(500)에 공급되도록 스위칭 동작할 수 있다.
다른 실시 예로, 계통(400)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(170)는 오프 상태로 스위칭 동작하고, 제1 스위치(150)는 온 상태로 스위칭 동작할 수 있다. 이에 따라 발전 시스템(200), 배터리(300) 중 하나 이상이 부하(500)에 전력을 공급할 수 있다. 그리고 계통(400)에 전력을 차단할 수 있어서, 계통(400)에서의 작업 시 발생할 수 있는 사고를 방지할 수 있다
한편, BMS(310)는 배터리(300)에 연결되어, 배터리(300)의 충전 또는 방전 동작을 제어할 수 있다. 또한, BMS(310)은 배터리(300)의 충전 상태인 SOC 레벨을 포함한 배터리의 상태를 모니터링할 수 있다. 그리고 BMS(310)은 배터리(300)의 상태에 대한 배터리 상태 정보를 통합 제어부(160)에 전달할 수 있다. 예를 들면, BMS(310)는 배터리(300)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 중 하나 이상을 모니터링하고, 모니터링된 배터리의 상태 정보를 통합 제어부(160)에 전송할 수 있다.
BMS(310)는 배터리(300)를 보호하기 위한 보호 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면 BMS(310)은 배터리(300)에 대한 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱 기능 중 하나 이상을 수행할 수 있다.
또한, BMS(310)는 배터리(300)의 SOC 레벨을 조절할 수 있다. 구체적으로 BMS(310)는 통합 제어부(160)로부터 제어 신호를 수신하여, 수신된 제어 신호를 기초로 배터리(300)의 SOC 레벨을 조절할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
배터리(300)는 발전 시스템(200)에서 생산된 전력, 계통(400)의 전력 중 하나 이상을 전달받아 저장할 수 있다. 배터리(300)는 저장된 전력을 계통(400), 부하(500) 중 하나 이상에 공급할 수 있다. 배터리(300)의 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 전력 시장 구조는 발전 자회사, 독립 발전 사업자, PPA 사업자, 구역 전기 사업자, 한국 전력 거래소, 한국전력공사, 소비자, 대규모 소비자 및 특정 구역 소비자를 포함한다. 상술한 국내 발전 회사는 2014년 현재, 한국전력공사에서 분리된 6개의 발전 자회사와 독립 발전 사업자인 288개사가 있다.
발전 자회사, 독립 발전 자회사, PPA 사업자 및 구역 전기 사업자는 발전 회사를 의미할 수 있고, 각각이 소유한 발전 기기에서 발전 가능한 전력량에 따른 공급 가능 용량을 한국 전력 거래소에 입찰하고, 입찰에 따른 수익을 획득할 수 있다.
발전 자회사 및 독립 발전 사업자 각각은 소유한 발전기별 공급 가능 발전량을 매일 한국전력 거래소에 입찰하고, 한국 전력 거래소는 전력 시장에 대한 운영을 담당한다.
한국전력공사는 전력 시장에서 결정된 가격으로 전력을 구매하고, 구매한 전력을 소비자에게 공급한다. 이에 따라, 한국전력공사는 송전, 배전 및 판매를 담당한다.
PPA 사업자는 전력 수급 계약(PPA: Power Purchase Agreement) 사업자를 의미할 수 있고, PPA 사업자는 상술한 전력 시장에 전력 가능 용량을 입찰한다. 그리고 PPA 사업자는 전력 거래 대금은 전력 시장에서 결정되는 금액이 아닌 한국전력공사와의 수급 계약에 따른 가격을 적용하게 정산한다. 그리고 이에 따른 정산 규칙이 전력 시장 정산 규칙 정보에 포함될 수 있다.
구역전기사업자는 일정 규모의 발전 설비를 통해 전력을 생산하고, 허가된 특정 구역 내에서 생산된 전력을 직접 판매하는 사업자이다. 또한, 구역전기사업자는 부족한 전력을 한국전력공사나 전력시장에서 직접 구매하거나, 잉여 전력을 한국전력공사나 전력시장에 판매할 수 있다.
한편, 계약전력 3만kW이상의 대용량 고객은 한국전력공사를 통하지 않고, 전력 시장에서 필요한 전력을 직접 구매할 수 있다.
이하, 상술한 구성 및 내용을 기초로 본 발명의 에너지 저장 시스템의 제어 장치의 제어 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 통합 제어부(160)는 배터리(300)에 대한 제어 목표값을 결정한다(S101).
통합 제어부(160)는 시간대별 전력 가격, 발전 시스템(200), 계통(400), 부하(500)의 생산 전력량 및 소모 전력량을 기초로 배터리(300)의 충방전에 대한 제어 목표값을 결정할 수 있다. 통합 제어부(160)는 배터리(300)의 충방전 동작에 대해 결정된 제어 목표값을 시간대별 스케쥴링 형태로 생성할 수도 있다.
통합 제어부(160)가 배터리(300)에 대한 제어 목표값을 결정하는 내용은 공지된 내용이므로 자세한 설명은 생략한다.
통합 제어부(160)는 전력 시장 정산 규칙 정보를 획득한다(S103).
통합 제어부(160)는 연계된 서버(미도시)로부터 전력 시장 정산 규칙 정보를 포함하는 전력 시장 데이터를 획득할 수 있다. 여기서 전력 시장 데이터는 시간대별 전력 가격, 전력 시장에 입찰된 전력량 또는 낙찰된 전력량, 전력 시장 정산 규칙 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 전력 시장 정산 규칙에는 전력량 정산금, 용량 정산금, 부가 정산금이 포함될 수 있다. 예를 들어 전력 시장 정산 규칙 정보는 주파수추종(G/F) 방식에 대한 정산 규칙 정보를 포함할 수 있다.
한편, 전력 시장 정산 규칙에 대해서는 비특허 문헌 "정산규칙 해설서"(전력거래소 발간, 2009년 6월 발행)에 공지되어 있다.
통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출한다(S105).
통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 단계 S101에서 결정된 배터리(300)에 대한 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 에너지 저장 시스템(10)의 운용에 따른 이익이 극대화되는 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출할 수 있다.
일 실시 예로, 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보에서 허용 오차 범위에 대한 정보를 획득하고, 획득된 허용 오차 범위에 대한 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 예를 들어 통합 제어부(160)는 획득된 허용 오차 범위가 4%인 경우, 결정된 제어 목표값 X에 대한 데드밴드 값으로 0.96X, 1.04X를 산출할 수 있다.
한편, 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보, 결정된 제어 목표값 중 하나 이상에 따라 제어 목표값에 대하여 비대칭인 데드밴드 값을 산출할 수도 있다. 구체적으로 통합 제어부(160)는 제어 목표값에 대해 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 예를 들어 통합 제어부(160)는 획득된 허용 오차 범위에 따른 데드밴드 범위가 0.08이면, 결정된 제어 목표값 X에 대한 데드밴드 값으로 0.94X, 1.02X를 산출할 수 있다.
여기서 제어 목표값에 대한 데드밴드 값은 제어 목표값에 대한 허용 오차 범위를 의미할 수 있다. 이에 따라 통합 제어부(160) 또는 BMS(310)는 배터리(300)의 충방전 동작을 제어할 때 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 이내에서 배터리(300)의 동작을 제어할 수 있다. 그래서 통합 제어부(160) 또는 BMS(310)는 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 이내이면, 제어 목표값에 해당하는 것으로 판단할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 통합 제어부(160)의 데드밴드 값 산출에 대해 설명한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 데드밴드 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시 예로 도 4를 참조하면, 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 범위를 산출할 수 있다. 그리고 통합 제어부(160)는 산출된 데드밴드 범위를 기초로 제어 목표값에 대해 동일한 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 이에 따라 통합 제어부(160)는 제어 목표값에 대해 ??D1인 제1 데드밴드 값과 제어 목표값에 대해 +D1인 제2 데드밴드 값을 산출할 수 있다.
다른 실시 예로 도 5를 참조하면, 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 범위를 산출할 수 있다. 그리고 통합 제어부(160)는 산출된 데드밴드 범위를 기초로 제어 목표값에 대해 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 이에 따라 통합 제어부(160)는 제어 목표값에 대해 ??D2인 제3 데드밴드 값과 제어 목표값에 대해 +D3인 제4 데드밴드 값을 산출할 수 있다.
또 다른 실시 예로 도 6을 참조하면, 통합 제어부(160)는 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 제어 목표값에 대한 데드밴드 범위를 산출할 수 있다. 그리고 통합 제어부(160)는 산출된 데드밴드 범위를 기초로 제어 목표값에 대해 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값을 산출할 수 있다. 이에 따라 통합 제어부(160)는 제어 목표값에 대해 ??D4인 제5 데드밴드 값과 제어 목표값에 대해 +D5인 제6 데드밴드 값을 산출할 수 있다.
한편, 상술한 제어 목표값, 데드밴드 범위, 데드밴드 값은 주파수 제어를 위한 주파수일 수 있다. 또한 데드밴드 값은 단일값 또는 테이블에 따른 테이블 값일 수도 있다. 여기서 데드밴드 값에 대한 테이블 값은 벡터(Vector), 매트릭스(Matrix), 텐서(Tensor) 중 하나 이상의 형태일 수도 있다.
상술한 통합 제어부(160)는 데드밴드 범위 산출 및 데드밴드 값 산출에 대한 내용은 설명을 위한 예시로, 사용자 또는 설계자의 선택에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다시 도 3을 참조한다.
통합 제어부(160)는 배터리(300)의 상태에 대한 배터리 상태 정보를 획득한다(S107).
통합 제어부(160)는 BMS(310)로부터 배터리의 SOC 레벨 정보를 포함하는 배터리 상태 정보를 획득할 수 있다. 상술한 바와 같이 BMS(310)는 배터리(300)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 중 하나 이상을 모니터링할 수 있고, 모니터링 된 배터리의 상태 정보를 통합 제어부(160)에 전달할 수 있다.
통합 제어부(160)는 산출된 데드밴드 값 및 획득된 배터리 상태 정보를 기초로 배터리(300)의 충방전 동작을 제어한다(S109).
통합 제어부(160)는 획득된 배터리 상태 정보에 포함된 SOC 레벨 정보를 기초로 배터리(300)의 SOC 레벨이 산출된 데드밴드 값 이내에 포함되도록 배터리(300)의 충전 동작 또는 방전 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 통합 제어부(160)는 획득된 배터리(300)의 SOC 레벨 정보 및 산출된 데드밴드 값을 기초로 배터리(300)의 SOC 레벨이 산출된 데드밴드 값 이내에 포함되도록 BMS(310)의 배터리 제어 동작을 제어할 수 있다. 여기서 통합 제어부(160) 또는 BMS(310)는 주파수 제어를 통해 배터리(300)의 동작을 제어할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 에너지 저장 시스템(10)은 배터리(300)가 결정된 제어 목표값에 대한 데드밴드 값 이내에서 배터리의 SOC 레벨을 유지하도록 할 수 있어서, 불필요한 배터리 제어 동작을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명은 획득된 전력 시장 정산 규칙 정보를 기초로 배터리 제어 목표값에 대한 데드 밴드값을 산출할 수 있어서, 에너지 저장 시스템의 운용에 따른 이익을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전술한 방법은, 프로그램이 기록된 매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 매체의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (6)

  1. 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
    상기 배터리의 배터리 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System); 및
    상기 배터리의 제어 목표값을 결정하고, 상기 에너지 저장 시스템이 포함된 전력 시장의 전력 시장 정산 규칙 정보를 획득하고, 상기 전력 시장 정산 규칙 정보에서 획득한 허용 오차 범위에 대한 정보에 따라 상기 제어 목표값에 대한 데드밴드 값을 산출하고, 상기 데드밴드 값 및 상기 배터리 상태를 기초로 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Condition System)을 포함하고,
    상기 전력 관리 시스템은,
    상기 제어 목표값에 상기 허용 오차 범위를 적용한 상기 데드밴드 값에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 주파수 제어를 위한 주파수로 산출하는
    에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은
    상기 배터리의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State Of Charge) 중 하나 이상을 모니터링하는
    에너지 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 상태는 상기 배터리의 SOC(State Of Charge) 레벨 정보를 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은
    상기 데드밴드 값 이내로 상기 배터리의 SOC 레벨을 유지하도록 제어하는
    에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 시스템은
    상기 허용 오차 범위에 대한 정보에 따라 상기 제어 목표값과 동일한 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값인 제1 데드밴드 값과 제2 데드밴드 값을 산출하는
    에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 시스템은
    상기 허용 오차 범위에 대한 정보에 따라 상기 제어 목표값과 서로 다른 차이값을 갖는 복수의 데드밴드 값인 제3 데드밴드 값과 제4 데드밴드 값을 산출하는
    에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
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