KR101750150B1 - 전력 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예의 전력 관리 시스템은 발전 시스템 및 배터리에 연결되고, 부하로 전력을 공급하는 시스템으로서, 상기 배터리의 충전 상태인 SOC 정보를 읽어들이는 BMS와, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 수행되도록 하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부 제어하여 상기 배터리의 방전과 충전을 제어하고, 상기 배터리의 충전 및 방전에 대한 시기와, 충전시 전력값과 방전시 전력값을 미리 스케쥴링하는 통합 제어부를 포함하고, 상기 통합 제어부는, 상기 BMS를 통해 획득되는 측정 SOC가 상기 스케쥴링된 목표 SOC와 상이하다고 판단하는 경우에, 상기 배터리의 충전시의 전력값 또는 방전시의 전력값을 보정하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 관리 시스템{System for managing power}
본 발명은 전력 관리 시스템에 대한 것으로서, 배터리 충전 상태에 따라 배터리 출력을 조절할 수 있는 전력 관리 시스템에 대한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등의 문제가 제기되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
그리고, 태양광 발전 등의 신재생 에너지의 활용에 대한 관심이 증대하고, 태양광, 풍력, 조력 등의 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하기 때문에, 발전 과정에 공해를 유발하지 않아 그 활용 방안에 대해서 연구가 활발히 진행중이다.
그러나, 풍력 발전이나 태양광 발전 등의 신재생 에너지 전원은 본질적으로 그 발전의 근본이 자연 환경에 의존하기 때문에, 발전량이 간헐적인 특성을 갖는다. 이러한 간헐성은 발전 출력의 급격한 변동을 가져오며, 그 결과 전력 품질이 떨어지는 결과를 초래할 수 있다.
그리고, 발전 시스템의 불균일한 발전량은 상용 전원의 불안정을 일으키는 문제가 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위하여 배터리를 이용한 제어가 이루어지고 있으나, 배터리 특성으로 인하여 배터리의 SOC(State Of Charge)가 감소하게 되고, SOC 감소는 배터리를 이용한 에너지 쉬프트(신재생 에너지원을 이용한 전력 거래) 동작을 어렵게 만들 수 있다.
또한, 배터리 사용은 작성된 스케쥴에 따라 동작되는데, 다양한 복합적인 원인들에 의하여 스케쥴에 따른 배터리의 SOC가 실제와 상이한 경우가 발생하게 되며, 이것은 배터리의 정확한 운용에 영향을 미치게 된다.
본 발명은 배터리의 충전 상태(SOC)에 기초하여 배터리의 출력을 조절할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 배터리의 방전/충전에 의한 스케쥴 상의 운용이 가능해지도록 하는 시스템을 제안하고자 한다.
특히, 본 발명은 과거의 데이터에 기초하여 현재의 배터리 충전 상태에 따라 배터리 출력을 조절할지 여부와, 조절하는 경우에 조절된 출력양을 전기 요금이 더 적게 나올 수 있도록 가이드할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.
제안되는 전력 관리 시스템은 발전 장치 또는 배터리에 연결되고, 부하로 전력을 공급하는 시스템으로서, 상기 배터리의 충전 상태인 SOC 정보를 읽어들이는 배터리 에너지 저장 시스템 및 상기 배터리 에너지 저장 시스템의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 제어부를 포함하고, 상기 충전 제어부는, 상기 배터리 에너지 저장 시스템을 통하여 획득되는 측정 SOC가 상기 스케쥴링된 목표 SOC와 상이하다고 판단하는 경우에, 상기 배터리의 충전시의 전력값 또는 방전시의 전력값을 보정하는 것을 특징으로 한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 배터리 관리에 의해서, 스케쥴에 따라 배터리의 충전 또는 방전이 수행되는 경우에, 배터리의 실제 SOC값이 설정값과 다른 경우에, 배터리 충전을 위한 충전 전력값과, 배터리의 방전을 위한 방전 출력값의 크기를 제어함으로써, 스케쥴의 시간에 대응되도록 배터리를 운용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 실시예의 전력 관리 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 시간에 따른 SOC 관리 스케쥴과, 실제의 SOC가 차이가 발생하는 경우의 예를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 3에 도시된 SOC 관리 스케쥴에 따른 배터리 방전과 충전 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부되는 도면과 함께, 자세히 설명하여 본다.
도 1은 본 실시예의 전력 관리 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101), 직류/교류 컨버터(103), 교류 필터(105), 교류/교류 컨버터(107), 계통(109), 충전 제어부(111), 배터리 에너지 저장 시스템(113), 시스템 제어부(115), 부하(117) 및 직류/직류 컨버터(121)를 포함한다.
발전 장치(101)는 전기 에너지를 생산한다. 발전 장치가 태양광 발전 장치인 경우, 발전 장치(101)는 태양 전지 어레이일 수 있다. 태양 전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 결합한 것이다. 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생키는 장치이다. 따라서 태양전지 어레이는 태양 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환한다. 또한 발전 시스템이 풍력 발전 시스템인 경우, 발전 장치(101)는 풍력 에너지를 전기 에너지를 변환하는 팬일 수 있다. 다만, 앞서 기재한 바와 같이 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101) 없이 배터리 에너지 저장 시스템(113)만을 통하여 전력을 공급할 수 있다. 이 경우 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101)를 포함하지 않을 수 있다.
직류/교류 컨버터(103)는 직류 전력을 교류 전력으로 컨버팅한다. 발전 장치(101)가 공급한 직류 전력 또는 배터리 에너지 저장 시스템(113)이 방전한 직류 전력을 공급받아 교류 전력으로 컨버팅한다.
교류 필터(105)는 교류 전력으로 컨버팅된 전력의 노이즈를 필터링한다. 구체적인 실시예에 따라서 교류 필터(105)는 생략될 수 있다.
교류/교류 컨버터(107)는 교류 전력을 계통(109) 또는 부하(117)에 공급할 수 있도록 노이즈가 필터링된 교류 전력의 전압의 크기를 컨버팅하여 전력을 계통(109) 또는 독립된 부하에 공급한다. 구체적인 실시예에 따라서 교류/교류 컨버터(107)는 생략될 수 있다.
계통(109)이란 많은 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하가 일체로 되어 전력의 발생 및 이용이 이루어지는 시스템이다.
부하(117)는 발전 시스템으로부터 전기 에너지를 공급받아 전력을 소모한다.배터리 에너지 저장 시스템(113)은 발전 장치(101)로부터 전기에너지를 공급받아 충전하고 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 따라 충전된 전기 에너지를 방전한다.
구체적으로, 계통(109) 또는 부하(117)가 경부하인 경우, 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 발전 장치(101)로부터 유휴 전력을 공급 받아 충전한다. 계통(109) 또는 부하(117)가 과부하인 경우, 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 충전된 전력을 방전하여 계통(109) 또는 부하(117)에 전력을 공급한다. 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급 상황은 시간대별로 큰 차이를 가질 수 있다.
따라서 전력 관리 시스템(100)이 발전 장치(101)가 공급하는 전력을 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 대한 고려 없이 일률적으로 공급하는 것은 비효율적이다. 그러므로 전력 관리 시스템(100)은 배터리 에너지 저장 시스템(113)을 사용하여 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 따라 전력 관리의 양을 조절 한다. 이를 통해 전력 관리 시스템(100)은 계통(109) 또는 부하(117)에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
직류/직류 컨버터(121)는 배터리 에너지 저장 시스템(113)이 공급하거나 공급받는 직류 전력의 크기를 컨버팅한다. 구체적인 실시예에 따라서는 직류/직류 컨버터(121)는 생략될 수 있다.
시스템 제어부(115)는 직류/교류 컨버터(103) 및 교류/교류 컨버터(107)의 동작을 제어한다. 또한 시스템 제어부(115)는 배터리 에너지 저장 시스템(113)의 충전과 방전을 제어하는 충전 제어부(111)를 포함할 수 있다.
충전 제어부(111)는 배터리 에너지 저장 시스템(113)의 충전 및 방전을 제어한다. 그리고, 상기 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 배터리의 충전 상태를 독출할 수 있으며, 이와 같이 독출된 충전 상태의 정보는 상기 충전 제어부(111)로 전달될 수 있다. 그리고, 계통(109) 또는 부하(117)가 과부하인 경우, 충전 제어부(111)는 배터리 에너지 저장 시스템(113)이 전력을 공급하여 계통(109) 또는 부하(117)에 전력을 전달하게 제어한다. 계통(109) 또는 부하(117)가 경부하인 경우, 충전 제어부(111)는 외부의 전력 관리원 또는 발전 장치(101)가 전력을 공급하여 배터리 에너지 저장 시스템(113)에 전달하게 제어한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 전력 관리 시스템에서는, 전력 시장에서 제출하여야 하는 전력 관리 스케쥴을 보다 정확히 작성할 수 있다. 예를 들면, 배터리가 현재의 SOC 레벨을 기준으로 현재의 온도에서 얼마만큼의 전력을 공급(출력)할 때에 SOC 변화량이 어떻게 변화하는지에 대한 테이블들에 기초한 스케쥴이 작성될 수 있다.
간단히, 도 2를 참조하여, 전력 시장 구조를 개략적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전력 시장 구조는 크게 발전 자회사, 독립 발전 사업자, PPA 사업자, 구역 전기 사업자, 한국 전력 거래소, 한국전력공사, 소비자, 대규모 소비자 및 특정 구역 소비자로 구분된다.
발전 자회사, 독립 발전 자회사, PPA 사업자 및 구역 전기 사업자는 발전 회사를 의미하며, 자신이 소유한 발전 기기에서 발전 가능한 전력 량에 따른 공급 가능 용량을 한국 전력 거래소에 입찰하고, 그에 따른 수익을 창출하는 집단이다.
현재, 국내의 발전 회사는 한국전력공사에서 분리한 6개의 발전 자회사와, 독립 발전 사업자인 288개사가 있다.
발전 자회사 및 독립 발전 사업자는 소유한 발전기별 공급 가능 발전량을 매일 한국전력 거래소에 입찰하게 된다. 한국 전력 거래소는 중립적 입장에서 전력 시장 및 계통 운영을 담당한다.
한국전력공사는 전력 시장에서 결정된 가격으로 전력을 구매하며, 상기 구매한 전력을 소비자에게 공급한다. 즉, 한국전력공사는 송전, 배전 및 판매를 담당한다.
PPA 사업자는 전력 수급 계약(PPA: Power Purchase Agreement) 사업자를 의미하며, 전력 시장에 전력 가능 용량을 입찰하나, 이에 대한 전력 거래 대금은 전력 시장에서 결정되는 금액이 아닌 한국전력공사와의 수급 계약에 따른 가격을 적용하게 정산하게 된다.
구역전기사업자는 일정 규모의 발전 설비를 가지며, 상기 발전 설비를 가지고 전기를 생산하여, 허가된 특정 구역 내에서 전력을 직접 판매하는 사업자이다. 또한, 구역전기사업자는 부족 또는 잉여전력을 한국전력공사나 전력시장에서 직접 구매하거나, 판매하기도 한다.
여기에서, 계약전력 3만kW이상 대용량 고객은 한국전력공사를 통하지 않고, 전력 시장에서 해당 전력을 직접 구매할 수 있다.
도 3은 시간에 따른 SOC 관리 스케쥴과, 실제의 SOC가 차이가 발생하는 경우의 예를 보여주는 그래프이고, 도 4는 도 3에 도시된 SOC 관리 스케쥴에 따른 배터리 방전과 충전 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, 전력 관리 시스템은, 부하(117)로 배터리의 전력을 공급하기 위하여, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)를 스케쥴링하고, 그에 따라 상기 배터리를 방전하고, 전기 요금이 싼 시간대에 상기 배터리를 충전하여 둔다.
예를 들어, 도 3에 도시된 도면부호 301,302 및 303의 경우와 같이, 배터리에 대한 충전, 방전 또는 대기 상태가 미리 스케쥴된다.
그러나, 배터리의 충전 또는 방전에 대한 관리가 스케쥴링 되고, 그에 따라 운용되더라도, 실제의 배터리의 충전 상태(SOC)는 예상과 어긋나는 경우가 발생한다.
먼저, 스케쥴링된 배터리 관리를 배터리 충전 구간, 배터리 SOC 유지 구간, 배터리 방전 구간을 구분하고, 이들 구간들이 순차적으로 진행되는 경우를 예로 들어 본다.
예를 들면, 시간상 A구간에서는 배터리를 충전시키고, 배터리의 SOC가 제 1 기울기(301)로 선형적으로 증가시키고, B구간에서는, 배터리의 SOC가 유지되도록 하고, C구간에서는 배터리의 방전이 이루어져 배터리의 SOC가 제 2 기울기(303)로 선형적으로 감소시키는 스케쥴이 작성된다.
이러한 스케쥴대로 부하(117)측으로 배터리의 전력을 공급하거나, 발전소(200) 또는 재생에너지원으로부터 전력을 전달받아 배터리를 충전하는 등의 과정이 수행된다.
이러한 스케쥴대로 배터리 관리가 수행되도록 하기 위하여, 상기 충전 제어부(115)는 상기 배터리 에너지 저장 시스템(113)을 제어하여 상기 배터리의 충전을 위한 충전 전력값을 조절하거나, 배터리의 방전 출력값을 조절한다.
상기 A구간에서는, 상기 충전 제어부(115)는 SOC값을 증가시키기 위하여 배터리가 충전되도록 제어하며, 도 4에 도시된 바와 같이, E 전력값으로 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 양방향 컨버터(140)를 제어한다.
그리고, B구간에서는, 상기 충전 제어부(115)는 배터리의 SOC 값이 유지되도록 배터리 충전 또는 방전의 동작이 수행되지 않도록 한다. 즉, B구간에서는, 배터리로 전달되는 충전 전력값 또는 방전 출력값이 0이 된다.
그리고, C구간에서는, 상기 충전 제어부(115)는 배터리를 방전시켜 SOC값을 낮추기 위하여, 상기 양방향 인버터(130)를 제어하여 배터리를 방전시킨다. 그리고, 선형적으로 배터리의 SOC가 감소되도록 스케쥴된 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리의 출력 전력값 E가 유지되도록 한다.
그러나, 이와 같은 배터리 관리를 수행하더라도, 목표로 한 SOC값에 도달하지 않거나, SOC의 증가 또는 감소가 목표된 기울기를 따라 수행되지 않는 경우가 있다. 배터리의 SOC가 목표된 값으로 정확히 제어되지 않는 경우에는, 결국 스케쥴대로 배터리의 관리 및 운용이 이루어지지 않는 것이며, 이러한 경우를 대비하기 위하여, 상기 충전 제어부(115)는 스케쥴된 SOC값과 실제의 SOC 값을 비교하여, 그에 따라 배터리의 충전 전력값과, 배터리의 방전 출력값을 제어한다.
상세히, 도 3에서 배터리를 충전시켜 SOC값을 선형적으로 증가시키는 A구간에서, 충전 제어부(115)가 BMS(310)를 통하여 확인한 결과, SOC가 목표 SOC값인 301 직선을 따라 증가하지 않고, 그보다 작은 값인 401 직선을 따라 증가하는 경우이다.
이때, 상기 충전 제어부(115)는 상기 배터리를 충전시켜 목표 SOC인 301 직선에 대응되도록 배터리 충전 전력값을 증가시킨다. 물론, 목표 SOC 보다 확인된 SOC가 더 높은 경우에는, 배터리 충전을 위한 전력값을 감소시킬 수 있다.
상기 충전 제어부(115)는 목표 SOC값으로 배터리의 SOC값을 증가시키기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, A 구간에서 시간이 경과함에 따라 점차 그 충전 전력값을 증가시킨다. 상기 충전 제어부(115)는 A 구간에서 목표 SOC에 도달하도록 배터리 충전 전력값을 증가시키는 경우에, 스케쥴된 충전 전력값인 E kW 보다 더 큰 전력으로 배터리를 충전시킬 수 있다.
그리고, 상기 충전 제어부(115)는 조절된 충전 전력값과, 조절 기울기를 결정할 때에, 과거 데이터를 참조한다. 배터리를 더 높은 전력값으로 충전하는 경우에, 소요되는 전기 요금을 고려하며, 과거 데이터(예를 들면, 작년 동일한 날짜와 시간대의 SOC값)를 참조하여, 상기 배터리의 충전 전력값을 증감시키는 값을 결정할 수 있다.
또한, 도 3과 도 4에서는, 배터리의 충전 여부, 배터리의 방전 여부 및 배터리의 충전과 방전을 수행하지 않는 구간 모두에 대해서, 동일하게 수정된 배터리 관리가 적용되는 것으로 도시되어 있지만, A구간과 B구간의 경계점에서, 배터리 SOC값이 목표값에 도달하지 않은 경우에는, B구간 초기에 배터리의 충전이 더 지속되도록 할 수 있다.
한편, 배터리를 방전시켜, 부하로 전달하는 C구간에서, 배터리가 목표된 SOC 기울기(303)를 따라 감소하지 않는 경우, 예를 들면, 스케쥴된 방전 속도인 제 2 기울기(303)를 따라 SOC가 감소되도록 하는 경우에, 배터리의 SOC가 기설정된 목표값 보다 더 낮아진다고 판단하는 경우에, 상기 충전 제어부(115)는 상기 배터리의 방전에 의한 방전 출력값을 의도적으로 더 작아지도록 제어한다.
즉, 도 3에서 수정된 방전 속도(403)를 따라 배터리의 방전이 이루어지도록, 설정된 방전 출력값인 E kW 보다 더 작은 출력으로 배터리의 방전이 이루어지도록 함으로써, C 구간의 완료시점에는 목표 SOC값이 되도록 제어한다.
앞서 기술한 바와 같이, 수정된 배터리 방전 속도(413)는 과거 데이터를 참조하거나, 현재의 SOC 레벨에 따라 선형적으로 감소하도록 하거나, 비선형적으로 감소하도록 제어할 수 있다.
전술한 바와 같은 실시예의 배터리 관리에 의해서, 스케쥴에 따라 배터리의 충전 또는 방전이 수행되는 경우에, 배터리의 실제 SOC값이 설정값과 다른 경우에, 배터리 충전을 위한 충전 전력값과, 배터리의 방전을 위한 방전 출력값의 크기를 제어함으로써, 스케쥴의 시간에 대응되도록 배터리를 운용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 발전 장치 또는 배터리에 연결되고, 부하로 전력을 공급하는 시스템으로서,
    상기 배터리의 제1 목표 SOC가 제1 기울기로 선형적으로 증가되도록 일정한 전력 레벨을 갖는 제1 전력값으로 충전되는 충전 시간 구간, 상기 배터리의 제2 목표 SOC로 유지되는 유지 시간 구간 및 상기 배터리의 제3 목표 SOC가 제2 기울기로 선형적으로 감소되도록 일정한 전력 레벨을 갖는 제2 전력값으로 방전되는 방전 시간 구간을 포함하는 스케쥴링 정보를 포함하고, 상기 배터리의 실제 SOC를 측정하는 배터리 에너지 저장 시스템; 및
    상기 배터리 에너지 저장 시스템의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 제어부를 포함하고,
    상기 충전 제어부는,
    상기 충전 시간 구간에서 상기 측정된 실제 SOC가 상기 제1 목표 SOC의 상기 제1 기울기를 따라 증가되지 않는 경우, 상기 실제 SOC가 상기 제1 목표 SOC의 상기 제1 기울기에 부합하도록 상기 배터리의 충전 전력값을 조절하고,
    상기 방전 시간 구간에서 상기 측정된 실제 SOC와 상기 제3 목표 SOC의 상기 제2 기울기를 따라 감소되지 않는 경우, 상기 실제 SOC가 상기 제3 목표 SOC의 상기 제2 기울기에 부합하도록 상기 배터리의 방전 전력값을 조절하고,
    상기 충전 제어부는,
    상기 충전 시간 구간에서 상기 측정된 실제 SOC가 상기 제1 목표 SOC의 상기 제1 기울기를 따라 증가되지 않는 경우, 상기 측정된 실제 SOC가 상기 제1 목표 SOC의 상기 제1 기울기와 일치되도록 상기 배터리의 충전 전력값을 상기 제1 전력값과 상이하게 선형적으로 증가시키며,
    상기 방전 시간 구간에서 상기 측정된 실제 SOC와 상기 제3 목표 SOC의 상기 제2 기울기를 따라 감소되지 않는 경우, 상기 측정된 실제 SOC가 상기 제3 목표 SOC의 상기 제2 기울기와 일치되도록 상기 배터리의 방전 전력값을 상기 제2 전력값과 상이하게 선형적으로 감소시키고,
    상기 충전 제어부는,
    상기 스케쥴링 정보에서 상기 충전 시간 구간이 종료되는 시점에 상기 실제 SOC가 상기 목표 SOC에 도달하지 못하는 경우, 상기 배터리의 충전이 더 지속되도록 제어하고,
    상기 스케쥴링 정보는 상기 배터리의 충전 스케쥴링 정보 및 방전 스케쥴링 정보를 포함하고,
    상기 충전 스케쥴링 정보 또는 상기 방전 스케쥴링 정보는 온도에 따라 달라지는 전력 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  9. 제1항에 있어서,
    상기 발전 장치는 태양광 발전 장치, 풍력 발전 시스템, 발전소 및 재생 에너지원 중 하나인 전력 관리 시스템.
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