KR101833321B1 - 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법 - Google Patents

폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법은, 통신망으로 연결된 특정 구역 내의 폐쇄회로망을 검색하는 단계(S10); 상기 폐쇄회로망 내의 복수의 ESS 중의 하나를 마스터 ESS(100)로 선정하는 단계(S11); 상기 선정된 마스터 ESS(100)가 기존에 선정되었던 마스터 ESS(100)인지 여부를 판단하는 단계(S12); 판단결과 기존의 마스터 ESS(100)라면 자동제어값을 설정하는 단계(S13); 상기 마스터 ESS(100)를 상기 자동제어값에 따라 동작시키는 단계(S14); 상기 마스터 ESS(100)가 폐쇄회로망 내의 슬레이브ESS(101-N)를 순차적으로 검색하는 단계(S15); 상기 마스터 ESS(100)가 검색된 슬레이브ESS(101-N)에 순차적으로 자동제어값을 설정하는 단계(S16); 및, 상기 마스터 ESS(100)가 모든 슬레이브ESS(101-N)의 자동제어값이 설정되었음을 확인하고, 이에 따라 마스터 ESS(100)와 모든 슬레이브ESS(101-N)가 상기 자동제어값에 따라 동작하는 단계(S17);를 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여, 폐쇄회로망으로 연결되어 있는 복수의 ESS에서 임의의 하나의 ESS를 예상 수명에 따라 고장 확률이 가장 적은 ESS를 마스터로 설정하고, 설정된 마스터 ESS(100) 외의 슬레이브ESS(101-N)를 통신망으로 연결된 폐쇄회로망을 통해 자동으로 제어할 수 있는 유리한 효과가 있다.

Description

폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법{AUTOMATIC CONTROL METHOD OF PLURAL ENERGY STORAGE SYSTEMS IN CLOSED NETWORK}
본 발명은 에너지저장시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)을 자동 제어하는 방법에 관한 것으로, 특히 마스터 ESS와 슬레이브 ESS를 정하여 마스터 ESS를 통해 슬레이브 ESS를 제어하는 방법에 관한 것이다.
화석연료의 사용은 다량의 CO2 를 배출하여 온난화를 야기한다. 이러한 온난화는 심각한 기후변화를 낳으면서 화석에너지 사용에 대한 제약이 점점 심화되고 있는 실정이다. 이에 따라 주요 선진국들은 국가적 차원에서 규제와 지원을 강화하고 있으며, 재생가능 에너지, 에너지저장시스템, 가상발전소 등 새로운 시장과 산업이 창출되고 있으며, 여기서 특히 에너지저장시스템(Energy Storage System 이하 ESS)이 중요한 자리를 차지하고 있다.
즉 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장시스템에 대한 관심이 증가하고 있는데, 에너지저장시스템은 각 회사, 학교, 가정, 공장 등에서 가격이 싼 심야에 상용전원으로부터 전력이나 자체 설치된 신재생에너지(태양광, 풍력 등) 발전을 통해서 제공되는 2차 전지(리튬-이온, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지 등)와 같은 배터리에 저장하였다가 부하측 소비전력이 많은 시기에 공급함으로써 전력 비용 절감 및 효율적인 에너지 사용을 주목적으로 하는 시스템이다.
ESS는 전력을 저장해서 필요할 때 공급함으로써 전력이용효율을 높여주는 시스템이다. 즉 전기요금이 저렴할 때 전력을 저장한 후 전기요금이 비싼 피크 시간대에 사용할 수 있도록 하여 수요관리에 혁신을 가져다준다. ESS 사용으로 태양광, 풍력 등 신재생출력이 안정되고 에너지 활용 효용성도 높일 수 있다.
ESS는 배터리와 전력관리시스템(Battery Management System, 이하 BMS), PCS, 에너지 관리 시스템(Energy Management System, 이하 EMS) 등 다양한 구성들을 목적에 따라 하나의 시스템으로 연동하여 통합적인 관리와 통제, 제어를 하는 종합적인 시스템이다.
도 4는 일반적인 ESS의 구성요소를 나타낸 개념도이다.
즉 배터리는 PCS(30)를 거쳐 전기를 저장하였다가 필요할 때 전기를 방전하고, BMS는 배터리의 충전상태 등을 외부 인터페이스를 통해 알려주고 과충전 등의 보호기능을 수행한다. PCS는 전력계통(10)에서 전력을 입력받아 배터리에 저장하거나 부하(20)로 방출하기 위해 교류나 직류로 변환한다. EMS(40)는 배터리의 상태 모니터링과 PCS(30)의 상태 모니터링 및 제어를 하며, 컨트롤 센터 등에서 ESS를 모니터링하고 제어하기 위한 운영시스템(management system)이다.
그런데 이러한 에너지저장시스템은 사용되는 장소나 환경에 따라 배터리의 충전 전원이 부족하거나 남게 되는 상황이 발생한다. 즉, 전원을 공급하는 부하측의 전력 사용량이 많아지게 되면 ESS에서 제공 가능한 전원이 소비되어 남은 시간 동안 상용전원을 부하에 제공해야 하고, 부하 측의 전력 사용량이 적으면 충전한 전원 중 일부만 사용하게 된다. 이와 같이 지속적으로 에너지 충전과 방전을 반복하다 보면 PCS나 배터리시스템(Battery System, 이하 BS)(50)의 고장이나 오작동으로 인하여 에너지 공급에 문제가 발생할 수 있다.
한편 국내공개특허공보 제10-2016-0041260의 "배터리 관리모듈의 통신 ID 할당 방법 및 시스템"에서는 다수의 배터리관리모듈 중 펄스신호를 수신하지 않은 배터리관리모듈이 마스터가 되고 펄스신호를 수신한 배터리관리모듈을 슬레이브로 설정하는데, 펄스 폭에 따라 슬레이브의 통신 ID를 할당하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기 국내공개특허공보 제10-2016-0041260는 상위 슬레이브가 하위 슬레이브에 펄스 신호를 출력함으로써 슬레이브를 지정하는 방식으로서, 상위 슬레이브에 이상이 있거나 오동작하는 경우 펄스를 출력할 수 없으므로 하위 슬레이브 지정이 불가능하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 나아가 ESS가 수명이 다해서 마스터가 되기에 부적절한 경우에도 펄스 신호를 수신하지 않는다는 이유만으로 마스터가 되어 향후 수명이 다해 고장이 나거나 기능을 상실하는 경우 슬레이브를 전혀 통합관리될 수 없다는 문제점이 있다.
국내공개특허공보 제10-2016-0041260의 "배터리 관리모듈의 통신 ID 할당 방법 및 시스템"
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 통신망으로 연결되어 있는 복수의 에너지저장시스템에서 예상수명이 가장 긴 에너지저장시스템을 마스터 ESS로 선정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 목적은 통신망으로 연결된 폐쇄회로망에서 마스터 ESS를 통해 슬레이브 ESS를 자동으로 제어할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 목적은 기존의 마스터 ESS가 있음에도 새롭게 마스터 ESS를 지정하는 경우 슬레이브 ESS를 재지정하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는, 통신망으로 연결된 특정 구역 내의 폐쇄회로망을 검색하는 단계(S10); 상기 폐쇄회로망 내의 복수의 ESS 중의 하나를 마스터ESS로 선정하는 단계(S11); 상기 선정된 마스터ESS가 기존에 선정되었던 마스터ESS인지 여부를 판단하는 단계(S12); 판단결과 기존의 마스터ESS라면 자동제어값을 설정하는 단계(S13); 상기 마스터ESS를 상기 자동제어값에 따라 동작시키는 단계(S14); 상기 마스터ESS가 폐쇄회로망 내의 슬레이브ESS를 순차적으로 검색하는 단계(S15); 상기 마스터ESS가 검색된 슬레이브ESS에 순차적으로 자동제어값을 설정하는 단계(S16); 및, 상기 마스터ESS가 모든 슬레이브ESS의 자동제어값이 설정되었음을 확인하고, 이에 따라 마스터ESS와 모든 슬레이브ESS가 상기 자동제어값에 따라 동작하는 단계(S17);를 진행하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법이 제공된다.
여기서 상기 단계 S11에서, 상기 마스터ESS로 선정하는 기준은 예상 수명 척도 M이 가장 큰 ESS인지 여부로 선정하되, 상기 M은,
Figure 112016109941465-pat00001
이고, 여기서 D는 자연 방전상태에서 시간에 따른 방전량, Z는 배터리의 임피던스로서 ｜Z｜는 임피던스의 절대값, N은 평균충전률, T는 온도인 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 자동제어값은 SOC(state of charge)량인 것이 바람직하다.
또한 상기 단계 S15는, 상기 M값이 큰 순서대로 슬레이브ESS를 검색하는 것이 좋다.
한편 본 발명은 상기 단계 S12의 판단결과 기존의 마스터ESS가 아닌 경우, 새로운 마스터ESS로 선정하는 단계(S18); 및, 상기 기존의 마스터ESS를 가장 예상 수명이 긴 슬레이브ESS로 전환하는 단계(S19)를 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법에 의하여, 폐쇄회로망으로 연결되어 있는 복수의 ESS에서 임의의 하나의 ESS를 예상 수명에 따라 고장 확률이 가장 적은 마스터ESS로 설정하고, 설정된 마스터ESS 외의 슬레이브ESS를 통신망으로 연결된 폐쇄회로망을 통해 자동으로 제어할 수 있는 유리한 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면 복수의 ESS가 동일한 제어값으로 균일하게 제어될 수 있고, 임의의 ESS가 고장으로 인하여 교체되어도 자동제어를 통해 쉽게 설치 및 관리할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템을 운용하는 에너지관리시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법이 구현되는 하나의 폐쇄 회로망을 나타내는 개념도이다.
도 4는 일반적인 ESS의 구성요소를 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1는 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템을 운용하는 에너지관리시스템(200)의 구성도이다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명을 설명한다.
먼저, 검색부(201)가 폐쇄회로망을 검색하는 단계(S10)를 진행한다.
여기서 폐쇄회로망이란 ESS 외부와 인터페이스할 수 있는 물리적 통신모듈을 통하거나 이더넷 통신 규약에 기반한 인터넷망 등으로 연결되어 있음을 의미한다. 하나의 ESS는 통신부(206)를 통해 외부와 데이터를 송수신할 수 있다.
나아가 폐쇄회로망은 통신가능한 특정 구역 내의 다수의 ESS를 의미할 수 있다. 즉 선정하고자 하는 특정 구역을 미리 결정하고 그 구역 내에서 마스터 ESS(100)와 그 하위의 슬레이브ESS(101-N)를 선정하여 하나의 폐쇄회로망으로 삼을 수 있다. 통신가능 여부는 정보수집부(202)가 다수의 ESS의 통신상태를 점검하고 각종 데이터를 수집함으로써 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법이 구현되는 하나의 폐쇄 회로망을 나타내는 개념도이다.
하나의 마스터 ESS(100)가 있고 그 하위의 슬레이브 ESS(101-1 내지 101-N)가 서로 통신 연결되어 하나의 폐쇄회로망을 이룸으로써, 하나의 마스터ESS(100)에 의해 하위의 슬레이브ESS(101-1 내지 101-N)를 일원적으로 통합관리할 수 있다.
다음으로, 연산부(203)가 마스터 ESS(100)를 선정하는 단계를 진행한다(S11). 본 발명에서는 복수의 ESS 중에서 하나를 마스터 ESS(100)로 선정하는데, 이때 선정 기준은 예상 수명 척도인 M값으로 하는 것이 바람직하다.
상기 M은 다음과 같은 [수학식 1]로 산출한다.
Figure 112016109941465-pat00002
여기서 D는 자연 방전상태에서 단위 시간당 방전량이다. 예를 들어 한 시간 동안 3%가 방전되었다면 -3[%/hour]가 될 것이다. 즉 음의 값을 가지므로 D에는 음수가 곱해져 전체적으로 양수가 된다.
한편 Z는 배터리의 임피던스이고 ｜Z｜는 임피던스의 절대값, 즉 임피던스의 크기[Ω 또는 1/S]이다. 배터리가 오래될수록 임피던스가 커지는 것이 일반적이다.
한편 N은 평균충전률이다. 예를 들어, 20%, 60%, 10%로 3번 충전하면 평균 30%가 평균충전률[%/회]이 된다.
한편 T는 온도[℃]이다. 즉 온도가 높을수록 배터리 수명이 짧아진다.
상기 [수학식 1]에 따라 예상 수명의 척도 M은 단위가 [회·S/hour·℃]이 되고, 그 값이 클수록 예상 수명이 길다. 따라서 연산부(203)는 M값이 가장 큰 ESS를 상기 [수학식 1]에 따라 연산한 후, 본 발명에서 마스터 ESS(100)를 선정하도록 함이 바람직하다. 이로써 마스터 ESS(100)가 수명이 다해 고장이 나거나 오동작하는 확률을 최소한으로 줄일 수 있다.
다음으로, ESS 제어부(204)가 선정된 마스터 ESS(100)가 기존에 선정되었던 마스터 ESS(100)인지 여부를 판단하는 단계(S12)를 진행한다.
판단결과 기존의 마스터 ESS(100)라면 ESS 제어부(204)가 입력부(205)를 통해 자동제어값을 설정받는 단계(S13)를 진행한다. 여기서 자동제어값은 SOC(state of charge)량이 될 수 있고, 이러한 값들의 입력은 입력부(205)인 휴먼머신인터페이스(HMI)에 의해 수행될 수 있다. 다만 상기 자동제어값은 SOC에 한하지 않고 충방전 제한(PL, Power Limit) 등도 포함될 수 있다.
상기 자동제어값은 향후 하나 이상의 슬레이브ESS(101-N)와 함께 공통으로 제어되어야 하는 값들을 의미한다. 예를 들어, 배터리의 SOC가 30% 미만이면 충전을 해야하고, 90%이면 충전중지를 해야하는 동일한 공통 제어값을 말한다.
따라서 복수의 ESS가 마스터 ESS(100)를 기준으로 동일한 제어값으로 균일하게 제어될 수 있고, 임의의 ESS가 고장으로 인하여 교체되어도 자동제어를 통해 쉽게 설치 및 관리할 수 있는 유리한 효과가 있다.
다음으로, ESS 제어부(204)가 마스터 ESS(100)를 상기 자동제어값에 따라 동작시키는 단계(S14)를 진행한다.
다음으로, 검색부(201)가 폐쇄회로망 내의 슬레이브ESS(101-N)를 예상 수명 척도에 따라 순차적으로 검색하는 단계(S15)를 진행한다. 예상 수명 척도 M은 연산부(203)가 [수학식 1]에 따라 연산한다.
따라서 슬레이브ESS(101-N)도 예상 수명이 가장 길 것으로 예상되는 ESS부터 차례대로 슬레이브로 검색된다. 또한 검색된 슬레이브ESS(101-N)는 가장 건강한(healthy) ESS부터 자동제어값에 의해 설정되도록 함이 바람직하다.
따라서 무작위로 슬레이브ESS(101-N)를 결정하는 경우에는 자칫 중간의 슬레이브ESS(101-4 등)가 고장나거나 오류가 나서 자동제어값의 설정이 불가능해짐에 따라 순차적인 자동제어값 설정이 단속되는 경우가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 슬레이브ESS(101-N)를 예상 수명에 따라 결정함으로써 단속을 미연에 방지할 수 있다.
특히 종래 기술인 국내공개특허공보 제10-2016-0041260호가 중간의 슬레이브ESS가 수명이 다해서 펄스 신호를 출력할 수 없는 상황이 발생할 수 있는데 반해, 본 발명은 펄스 신호를 사용하지 않고 예상 수명을 기준으로 마스터 및 슬레이브를 결정함으로써 가장 안정적인 마스터 ESS(100)를 선정하고 복수의 ESS를 일원적으로 통합관리할 수 있는 것이다.
다음으로, ESS 제어부(204)가 검색된 슬레이브ESS(101-N)에 순차적으로 자동제어값을 설정하는 단계(S16)를 진행한다.
다음으로, ESS 제어부(204)가 모든 슬레이브ESS(101-N)의 자동제어값이 설정되었음을 확인하고, 이에 따라 마스터 ESS(100)와 모든 슬레이브ESS(101-N)가 상기 자동제어값에 따라 동작하는 단계(S17)를 진행한다. 즉 각 슬레이브ESS(101-N)는 자동제어값이 설정되면 마스터 ESS(100)에게 설정완료 신호를 보내는 것이 바람직하다.
한편, 상기 단계 S12에서 판단 결과, 기존의 마스터 ESS(100)가 아니면 새로운 마스터 ESS(100)로 선정하는 단계(S18)를 진행한다. 그리고 기존의 마스터 ESS(100)를 가장 예상 수명이 긴 슬레이브ESS(101-N)로 전환하는 단계(S19)를 진행한다. 즉 기존의 마스터 ESS(100)는 예상 수명이 가장 길었던 ESS이므로 다른 슬레이브ESS(101-N)보다 우선 순위에 놓는 것이 바람직하다. 그 후 단계 S13을 진행한다.
이로써 본 발명의 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법에 의하여 폐쇄회로망으로 연결되어 있는 복수의 ESS에서 임의의 하나의 ESS를 예상 수명에 따라 고장 확률이 가장 적은 ESS를 마스터로 설정하고, 설정된 마스터 ESS(100) 외의 슬레이브ESS(101-N)를 통신망으로 연결된 폐쇄회로망을 통해 자동으로 제어할 수 있는 유리한 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10: 전력계통 20: 부하
30: PCS 40: EMS
50: BS 100: 마스터 ESS
101-N: 슬레이브 ESS

Claims (5)

  1. 검색부(201)가 통신망으로 연결된 특정 구역 내의 폐쇄회로망을 검색하는 단계(S10)와;
    연산부(203)가 상기 폐쇄회로망 내의 복수의 ESS 중의 하나를 마스터 ESS(100)로 선정하는 단계(S11)와;
    ESS 제어부(204)가 상기 선정된 마스터 ESS(100)가 기존에 선정되었던 마스터 ESS(100)인지 여부를 판단하는 단계(S12)와;
    판단결과 기존의 마스터 ESS(100)라면 ESS 제어부(204)가 입력부(205)를 통해 자동제어값을 설정받는 단계(S13)와;
    ESS 제어부(204)가 상기 마스터 ESS(100)를 상기 자동제어값에 따라 동작시키는 단계(S14)와;
    상기 검색부(201)가 폐쇄회로망 내의 슬레이브ESS(101-N)를 순차적으로 검색하는 단계(S15)와;
    상기 ESS 제어부(204)가 검색된 슬레이브ESS(101-N)에 순차적으로 자동제어값을 설정하는 단계(S16); 및
    상기 ESS 제어부(204)가 모든 슬레이브ESS(101-N)의 자동제어값이 설정되었음을 확인하고, 이에 따라 마스터 ESS(100)와 모든 슬레이브 ESS(101-N)가 상기 자동제어값에 따라 동작하는 단계(S17);를 포함하고,
    상기 단계 S11에서 상기 마스터 ESS(100)로 선정하는 방법은 아래 산식에 의해 산정되는 예상 수명 척도 값(M)이 가장 큰 ESS인지 여부로 선정하되,
    상기 단계 S12의 판단결과 기존의 마스터 ESS(100)가 아닌 경우, ESS 제어부(204)가 새로운 마스터 ESS(100)로 선정하는 단계(S18)와, 상기 ESS 제어부(204)가 상기 기존의 마스터 ESS(100)를 예상 수명 척도 M값이 가장 긴 슬레이브ESS(101-N)로 전환하는 단계(S19);를 진행하고,
    상기 단계(S13)의 자동제어값은 모든 슬레이브ESS(101-N)를 공통으로 제어하기 위한 충,방전 제한 값을 포함하는 SOC(state of charge)량이며, 상기 단계 S15는 상기 M값의 예상값이 큰 순서대로 슬레이브ESS(101-N)를 검색하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 회로망에서 복수의 에너지저장시스템 자동 제어방법.
    - 아 래 -
    Figure 112017053172774-pat00008
    ,
    여기서 M은 예상 수명 척도 값이고, D는 자연 방전상태에서 단위 시간당 방전량[%/hour]이며, ｜Z｜는 배터리 임피던스의 절대값[Ω]이고, N은 회당 평균충전률[%/회]이며, T는 온도[℃]임
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007228666A (ja) 2006-02-21 2007-09-06 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 無停電電源システム
JP2014230332A (ja) * 2013-05-20 2014-12-08 ニチコン株式会社 充電装置
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KR101649813B1 (ko) 2015-02-11 2016-08-19 엘에스산전 주식회사 충전 제어 장치

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