KR101871236B1

KR101871236B1 - 태양광 연계형 멀티 ess의 충방전 밸런싱 제어장치

Info

Publication number: KR101871236B1
Application number: KR1020180022743A
Authority: KR
Inventors: 권영복; 최정내
Original assignee: 주식회사 케이디티; 권영복
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2018-07-31

Abstract

본 발명은 다수의 ESS의 충전상태를 파악하여 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전력을 높여 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 동일해지도록 운영하도록 한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치에 관한 것으로서, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통으로 방전하는 다수의 ESS와, 상기 각 ESS의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS를 포함하여 구성되고, 상기 PMS는 상기 태양광 발전부의 태양광 발전전력과 상기 각 ESS의 ESS 충전전력 간의 차를 계산하여 계통 송전전력을 산출하는 계통 송전전력 산출부와, 상기 계통 송전전력 산출부를 통해 산출된 계통 송전전력과 외부의 계통 송전 기준전력간의 차를 계산하여 오차전력을 산출하는 오차전력 산출부와, 상기 오차전력 산출부를 통해 산출된 오차전력과 상기 각 ESS의 충전량을 전달받아 상기 오차전력과 각 ESS의 충전량에 따라 분배 제어신호를 출력하는 분배기와, 상기 분배기의 분배 제어신호를 받아 동작하고 PI 제어를 통해 상기 각 ESS의 충전목표전력에 대한 제어신호를 출력하는 다수의 PI 제어부와, 상기 각 ESS의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량을 계산하여 상기 각 ESS의 충전 제어신호를 출력하는 다수의 충전량 체크부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치{Charging and discharging balance control apparatus of solar connected type mult ESS}

본 발명은 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치에 관한 것으로, 특히 다수의 ESS의 충전상태를 파악하여 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전력을 높여 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 동일해지도록 운영하도록 한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 ESS(Energy storage system)는 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.

구체적으로 ESS란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.

최근 급속히 성장하고 있는 신재생 에너지인 태양광 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 ESS의 중요성이 대두되고 있다. 만약 ESS가 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있다.

이러한 ESS는 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.

최근 정부가 ESS 활성화를 위해 풍력에 이어서 태양광에 ESS 연계할 경우 신재생에너지공급인증서(REC) 가중치로 5.0를 주기로 했다.

산업통상자원부는 ESS 연계한 풍력설비에 상대적으로 높은 REC 가중치를 부여하던 정책을 태양광에도 적용하기로 하고, ESS를 설치하여 전기를 공급한 태양광 설비에 REC 가중치 5.0을 주기로 RPS 제조 관리/운영 지침을 개정하였다.

그러나 이와 같은 신재생에너지공급인증서(REC)의 가중치 5.0은 태양광 보급을 위해 신재생 에너지로 발전하고 에너지 저장장치를 통해 10시~16시 충전하고 6시 이후 방전하는 방식이다. 배터리의 용량 효율에 대한 고려가 안되어 있기 때문에 기존의 배터리 충전 시나리오에서는 에너지 손실에 대한 고려없이 전력값을 할당한다. 결국 충전 초반에 배터리에 무리하게 많은 전력을 할당하는 경우가 발생하며 이후에는 충전에 참여하지 못하고 모두 가중치 없이 판매가 이루어지고 있다.

또한, 종래에는 PV/ESS 설치 시 최대용량을 맞춰서 설계하게 되면 필요이상으로 용량을 선정하여 비용이 초과되기 때문에 PV/ESS 사업자는 연평균 발전량을 예상하며 가장 빈번한 발전량을 기준으로 ESS 용량을 선정하게 된다. 그렇기 때문에 발전량이 평균보다 높은 날에 종래 기술은 발전하는 대로 ESS에 충전하고, ESS에 충전이 완료된 이후에는 PV를 통해 생산된 전력이 가중치 없는 가격으로 판매한다. 이렇게 되면 용량효율을 고려하지 못하고 에너지를 운영하였기 때문에 저장된 에너지도 적을 뿐만 아니라 배터리의 수명에 악영향을 주게 된다.

도 1은 일반적인 ESS에서 충방전 횟수에 따른 배터리의 용량 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리에서 큰 전력으로 충/방전될 시 화학반응에 참여하는 효율이 100%가 아니기 때문에 충전은 조금 덜 되고, 방전은 조금 더 많이 되는 현상이 발생한다. 충방전 전력이 배터리의 용량에 비해 크면 배터리 내부에서 발생하는 화학반응의 속도가 상대적으로 느리기 때문에 더 많은 화학 물질이 반응에 참여하게 된다.

이로 인하여 전기에너지가 온전히 이루어지기 전에 반응이 종료되므로, 배터리 용량의 효율이 감소하는 효과를 가져오게 된다. 이런 현상은 전력의 양이 배터리의 용량에 비해 클수록 이 정도가 심해지며 배터리의 가용용량뿐만 아니라 수명에도 악영향을 끼친다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 다수의 ESS의 충전상태를 파악하여 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전력을 높여 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 동일해지도록 운영하도록 한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치는 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통으로 방전하는 다수의 ESS와, 상기 각 ESS의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS를 포함하여 구성되고, 상기 태양광 발전부는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전모듈과, 상기 각 태양광 발전모듈을 결합하는 접속반과, 상기 태양광 발전모듈로부터 생산된 DC 전력을 상기 접속반을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 태양광 인버터와, 상기 태양광 인버터로부터 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기 및 보호 계전기를 포함하고, 상기 각 ESS는 다수의 배터리로 이루어지고 상기 배터리에 DC 전력을 AC 전력 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전과 충전하기 위한 PCS와, 상기 각 배터리를 관리하는 BMS로 구성되고, 상기 PMS는 상기 태양광 발전부의 태양광 발전전력과 상기 각 ESS의 ESS 충전전력 간의 차를 계산하여 계통 송전전력을 산출하는 계통 송전전력 산출부와, 상기 계통 송전전력 산출부를 통해 산출된 계통 송전전력과 외부의 계통 송전 기준전력간의 차를 계산하여 잉여전력을 산출하는 오차전력 산출부와, 상기 오차전력 산출부를 통해 산출된 잉여전력과 상기 각 ESS의 충전량에 따라 분배 제어신호를 출력하는 분배기와, 상기 분배기의 분배 제어신호를 받아 동작하고 PI 제어를 통해 상기 각 ESS의 충전목표전력에 대한 제어신호를 출력하는 다수의 PI 제어부와, 상기 각 ESS의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량을 계산하여 상기 각 ESS의 충전 제어신호를 출력하는 다수의 충전량 체크부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 태양광 연계형 ESS 사업자에게 벌어질 수 있는 손실들을 최소화하여 효율적인 관리로 REC 5.0의 이득을 극대화시킬 수 있다.

즉, 태양광 발전모듈의 실제 발전량 패턴이 매일매일 다르기 때문에 본 발명은 PMS를 통해 발전정보를 분석하여 ESS의 충전전력과 태양광 발전부의 발전전력간의 잉여전력을 산출하여 ESS의 충전목표전력을 충전함으로써 배터리의 수명을 향상시킴과 함께 전력 판매에 따른 수익을 효과적으로 창출할 수 있다.

둘째, ESS를 구성하는 배터리의 충전량을 체크하여 배터리를 충전을 관리함으로써 배터리의 수명과 안정성을 고려하여 충전을 진행할 수가 있어서 배터리의 수명 증가와 에너지 절감 효과를 가져올 수 있다.

셋째, ESS를 적용하여 낮시간대에 태양광 발전전력량만큼 ESS의 배터리에 충전하여 저녁시간에 방전하여 전력계통의 안정성을 향상시키고 있다.

넷째, 다수의 ESS의 충전상태를 파악하여 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전력을 높여 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 동일해지도록 운영함으로써 ESS를 더욱 견고하게 운영할 수 있다.

도 1은 일반적인 ESS에서 충방전 횟수에 따른 배터리의 용량 관계를 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치를 개략적으로 나타낸 개념도
도 3은 도 2의 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치를 보다 구체적으로 나타낸 구성도
도 4는 도 2의 ESS와 PCS의 제어 관계를 나타낸 구성도
도 5는 도 2의 PCS에 대한 충방전 모드 변경을 설명하기 위한 순서도
도 6은 레귤레이터 방식으로 계통 송전전력(yg)을 계통송전 기준전력(yref)으로 일정하게 유지하도록 하는 제어방식을 나타낸 구성도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 배터리 충방전 밸런싱 제어장치를 나타낸 구성도
도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 배터리 충방전 밸런싱 제어장치의 모니터링 화면

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치를 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 2의 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치를 보다 구체적으로 나타낸 구성도이며, 도 4는 도 2의 ESS와 PCS의 제어 관계를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부(100)와, 상기 태양광 발전부(100)로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통(400)으로 방전하는 ESS(Energy storage system)(200)와, 상기 ESS(200)의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS(Power Management System)(300)를 포함하여 구성되고, 상기 태양광 발전부(100)는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전모듈(110)과, 상기 각 태양광 발전모듈(110)을 결합하는 접속반(120)과, 상기 태양광 발전모듈(110)로부터 생산된 DC 전력을 상기 접속반(120)을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 태양광 인버터(130)와, 상기 태양광 인버터(130)로부터 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기(140) 및 보호 계전기(150)를 포함하고, 상기 ESS(200)는 다수의 배터리(210)로 이루어지고 상기 배터리(210)에 DC 전력을 AC 전력 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전과 충전하기 위한 PCS(220)와, 상기 각 배터리(210)를 관리하는 BMS(Battery management system)(220)로 구성되고, 상기 PMS(300)는 상기 태양광 발전부(100)의 태양광 발전전력(y_s)과 상기 ESS(200)의 ESS 충전전력(y_e) 간의 오차전력(err)을 산출하는 오차전력 산출부(310)와, 상기 오차전력 산출부(310)를 통해 산출된 오차전력을 전달받아 PI 제어를 통해 상기 ESS(200)의 충전목표전력에 제어신호(C_out)를 출력하는 PI 제어부(320)와, 상기 ESS(200)의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량(soc)을 계산하여 상기 ESS(200)의 충전 제어신호(Run/Stop)를 출력하는 충전량 체크부(330)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 태양광 발전모듈(110)은 직렬 또는 병렬로 연결된 상태에서 상기 접속반(120)을 통해 병렬로 결합하여 상기 태양광 인버터(130)로 DC 전력을 출력하게 된다.

여기서, 상기 태양광 발전모듈(110)은 다수의 태양전지로 이루어진 상태에서 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 직류 전력을 생성한다.

상기 태양 전지는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양 전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양 전지는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다.

상기 태양 전지의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양 전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양광 어레이들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양 전지가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.

한편, 상기 태양광 발전모듈(110)은 온도와 날씨뿐만아니라 설치된 지역의 위치, 계절, 기후의 변화에 따라 실제 발전량과 기준 발전량간에 차이가 발생한다. 즉, 상기 태양광 발전모듈(110)의 실제 발전량 패턴이 매일매일 다르기 때문에 본 발명은 PMS(300)를 통해 발전정보를 분석하여 상기 ESS(140)의 충전전력과 태양광 발전부(100)의 발전전력간의 오차전력을 산출하여 ESS(200)의 충전목표전력을 충전하여 배터리의 수명을 향상시킴과 함께 전력 판매에 따른 수익을 효과적으로 창출할 수 있도록 한다.

상기 태양 전지의 후단에는 태양 전지에서 출력되는 동일한 극성의 전압을 하나의 접속점으로 취합하는 접속반(120)이 구비된다.

상기 태양광 인버터(130)는 다른 말로는 컨버터(converter), PCS로도 불리며, 상기 태양광 발전모듈(110)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.

한편, 상기 태양광은 일사량에 따라 발전전력이 변하며, 날씨에 따라 전력의 변동성이 커서 계통의 불안정을 야기시키는 원인이 된다. 이로 인하여 상기 ESS(200)에 충전되는 충전전력이 불안정하다.

최근에 ESS(Energy Storage System)를 적용하여 낮시간대에 태양광 발전전력량만큼 상기 ESS(200)의 배터리(210)에 충전하여 저녁시간에 방전하여 전력계통의 안정성을 향상시키고 있다.

여기서, 상기 태양광 발전부(100)와 ESS(200)는 설치 용량에 따라 다양한 설계가 가능하다.

상기 태양광 인버터(130)는 자체적으로 MPPT 기능과 DC를 AC로 변환하는 기능이 있어 외부의 지령없이 동작을 하기 때문에 병렬로 계속 증설이 가능하다.

그러나 상기 ESS(200)는 외부의 PMS(300)에서 태양광 발전전력과 시간에 따라 제어를 담당하게 되며, 다수의 ESS로 구성될 경우 PMS(300)는 모든 ESS를 제어할 수 있어야 한다.

본 발명에서 상기 배터리(210)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.

상기 BMS(220)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.

상기 한전계통(400)은 전력 계량기(도시되지 않음)를 포함하는데, 상기 ESS(200)에서 한전계통(400)으로 방전되는 전력의 용량을 계측하는 역할을 하며, 상기 전력 계량기는 전력 요금 계산기(tariff meter)(도시되지 않음)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.

이하에서는 ESS의 충방전 모드에 대한 제어 방법을 설명한다.

상기 ESS(200)를 제어하는 PMS(300)는 BMS(220), PCS(230) 그리고 전력계측기들과 통신을 통해 태양광 발전전력, 계통송전전력, PCS 충전 또는 방전전력, 배터리 SOC 데이터를 수집하여 PCS(230)를 충전, 방전 또는 대기모드로 변경하고, 충전 또는 방전모드에서 충전전력이나 방전전력을 제어하는 기능을 한다.

본 발명은 10시~14 사이에서는 태양광으로부터 발전한 전력을 최대한 배터리(210)에 충전을 하고 20시 이후에는 방전을 하도록 동작하면 된다. 일반적으로 방전은 20시부터 시작하도록 한다. 상기 PMS(300)는 시간을 체크하여 PCS(230)를 충전모드로 동작할지 방전모드로 동작할지를 제어함으로써 PCS(230)가 해당모드로 변경되도록 명령을 줌으로써 간단하게 구현할 수 있다.

한편, 상기 PCS(300)의 충방전 모드 변경을 위한 프로세스의 알고리즘은 도 5처럼 구현한다. 즉, 도 5는 도 2의 PCS에 대한 충방전 모드 변경을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5에서와 같이, PMS(300)는 시간대에 따라 PCS(230)의 충전과 방전모드를 결정하고 변경해야 할 뿐만아니라 각 모드에서 충전전력이나 방전 전력을 실시간으로 제어해야 한다. 태양광 연계형 ESS(200)의 경우 방전모드에서는 방전전력을 일정하게 출력을 하며 배터리의 충전량(SOC)이 설정값 이하로 되면 정지되도록 제어한다. 이때 방전전력은 PCS 용량의 80%정도를 설정하는 것이 효과적이다.

즉, 상기 PMS(300)은 현재 시간이 10 ~ 14시간일 경우에는 ESS의 배터리를 충전하고, 20시 이후인 경우에는 상기 ESS(200)에 저장된 전력을 방전한다.

한편, 방전모드에서는 정전력량으로 출력을 하기 때문에 별도의 제어기가 필요없다. 그렇지만 충전모드에서는 태양광 발전전력만큼 배터리에 충전하도록 태양광 발전전력을 추종하는 제어기가 요구된다. 태양광 발전전력보다 큰 전력을 충전할 경우 계통의 전력이 배터리에 충전이 되면 이는 한전으로부터 패널티를 받게 된다. 태양광 방전전력보다 적게 충전하는 경우 남은 전력이 계통으로 흘러가게 되어 이 전력에 대하여 가중치를 부여 받지 못하기 때문에 태양광 발전 전력을 가능한 많이 배터리에 충전해야 한다.

또한, 충전 시간대에 충전전력을 제어하기 위한 방법은 두 가지를 고려할 수 있다. 즉, 도 4에와 같이, 태양광 발전 추종제어 방식으로 태양광 발전전력만큼을 배터리에 충전하도록 제어하는 방식이다. 도 4에서 ESS(200)는 PCS(230)와 배터리(BMS)(210, 220)로 구성된 시스템으로서 충전전력(Pchg)과 Run/Stop을 통신으로 지령받는 입력부와 현재 충전전력(y_e)과 배터리의 SOC를 출력하는 블록으로 간주할 수 있다.

상기 ESS(200)를 운영할 때 배터리(210)는 완전방전(SOC=0)이나 완전충전(SOC=100)이 되면 배터리(210)의 수명이 짧아지기 때문에 배터리 SOC의 상한값과 하한값을 설정하여 설정된 범위내에서 충방전을 하도록 운영한다.

따라서 본 발명에서는 배터리 SOC의 하한값(SOC_L)은 5%, 상한값(SOC_H)은 95%로 설정하여 사용한다. 상기 충전량 체크부(320)는 배터리(210)의 충전량(SOC)를 체크해서 SOC 상한값(SOC_H) 이상이 될 경우 PCS(230)를 제어하여 ESS(200)의 충전을 Stop시키는 기능을 한다. 또한, 방전모드에서는 SOC가 SOC_L 이하가 되는 경우 PCS(230)를 제어하여 ESS(200)의 방전을 Stop시키는 기능을 한다.

상기 PI 제어부(310)는 속도형 디지털 제어기로써 제어기의 입력인 오차전력(err)은 다음의 수학식 1처럼 정의한다.

상기 PI 제어부(310)는 오차전력(err)에 대하여 태양광 발전전력(y_s)과 ESS 충전전력(y_e)간의 차를 계산하여 ESS(200)에 대한 충전목표전력(Pchg)을 제어한다. 상기 PI 제어부(310)의 출력인 ESS의 충전전력 설정값(Cout)은 다음의 수학식 2처럼 정의한다. 여기서, Kp와 Ki는 비례상수와 적분상수로써 PCS와 배터리의 동작특성에 따라 현장에서 설정하여 사용할 수 있다.

여기서, k는 현재시점을 나타내고, k-1은 이전시점을 나타낸다.

한편, 본 발명에 의한 PD 제어부(310)는 태양광 발전전력(y_s)과 ESS 충전전력(y_e)값을 이용하여 충전최대전력을 제어할 수 있는 방식으로써 한전계통의 인입점에 대한 전력값을 알지 못해도 제어를 할 수 있다는 장점이 있다. 이는 별도의 전력계측기를 설치하지 않아도 되기 때문에 구축비용이 절감될 수 있다.

그러나 태양광 발전전력을 통신으로 받아서 ESS 충전량을 제어하기 때문에 제어와 응답의 시간차가 크며, 태양광 발전전력이 갑자기 적어지는 경우 제어속도로 인하여 순간적으로 한전계통의 전력이 충전되는 경우가 발생할 수 있다.

또한, 실제 현장에서 다양한 설비들이 연결되어 있으며, 전력을 소모하는 소내부하들이 많이 존재하게 되는데 소내부하에 대한 정보가 없기 때문에 계통의 상태를 알 수 없어 계통의 전력이 배터리로 충전될 수 있는 상황을 방지할 수 없는 단점이 있다.

도 6은 레귤레이터 방식으로 계통 송전전력(yg)을 계통송전 기준전력(yref)으로 일정하게 유지하도록 하는 제어방식이다. 도 4의 태양광 발전 추종방식(PI 제어)과 제어 방식은 유사하나 PI 제어부의 잉여전력(err)을 산출하는 방식이 차이가 있다.

즉, 상기 PI 제어부(320)의 입력인 잉여전력(err_i)은 다음의 수학식 3처럼 정의한다.

여기서, 상기 계통송전전력(y_g)은 계통 인입지점의 계측기로부터 계측된 데이터이며, 계통송전 기준전력(y_ref)은 계통 출력값으로써 10kW정도로 설정하여 사용한다. 이 제어구조에서 태양광 발전전력(y_s)은 외란으로 간주되며 발전전력이 변하더라도 PI 제어부(320)에서는 계통 출력이 일정하게 되도록 견인성 있는 제어를 할 수 있다.

한편, 상기 계통송전전력(y_g)은 태양광 발전부(100)의 태양광 발전전력(y_g)과 ESS(200)의 ESS 충전전력(y_e)간의 차와 동일한 값을 나타낸다.

따라서 상기 계통 송전전력(y_g)을 제 1 오차전력 산출부(310a)로 산출하고, 상기 계통 송전전력(y_g)과 계통 송전 기준전력(y_ref) 간의 차를 제 2 오차전력 산출부(310b)를 검출하여 상기 PI 제어부(320)로 잉여 전력(err_i)을 입력한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 배터리 충방전 밸런싱 제어장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 배터리 충방전 밸런싱 제어장치는 도 7에 도시된 바와 같이, 도 2 내지 도 4의 실시예와 비교하여 다수의 ESS를 구성하고 상기 각 ESS를 제어하는 PMS의 구성을 제외하면 동일한 구성을 갖으므로 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 다른 부분에 대해서만 다른 부호를 붙여 설명한다.

즉, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부(100)와, 상기 태양광 발전부(100)로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통으로 방전하는 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)와, 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS(2000)를 포함하여 구성되고, 상기 태양광 발전부(100)는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전모듈(110)과, 상기 각 태양광 발전모듈을 결합하는 접속반(120)과, 상기 태양광 발전모듈(110)로부터 생산된 DC 전력을 상기 접속반(120)을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 태양광 인버터(130)와, 상기 태양광 인버터(130)로부터 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기(140) 및 보호 계전기(150)를 포함하고, 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)는 다수의 배터리(210)로 이루어지고 상기 배터리(210)에 DC 전력을 AC 전력 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전과 충전하기 위한 PCS(220)와, 상기 각 배터리(210)를 관리하는 BMS(230)로 구성되고, 상기 PMS(2000)는 상기 태양광 발전부(100)의 태양광 발전전력(y_s)과 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 ESS 충전전력(y_e) 간의 차를 계산하여 계통 송전전력(y_g)을 산출하는 계통 송전전력 산출부(2100)와, 상기 계통 송전전력 산출부(2100)를 통해 산출된 계통 송전전력(y_g)과 외부의 계통 송전 기준전력(y_ref)간의 차를 계산하여 잉여전력(err_i)을 산출하는 오차전력 산출부(2200)와, 상기 오차전력 산출부(2200)를 통해 산출된 잉여전력(err_i)과 상기 각 ESS의 충전량(SOC1, SOC2, SOCn)을 전달받아 상기 잉여전력(err)과 각 ESS의 충전량(SOC)에 따라 분배 제어신호(err1, err2, errn)를 출력하는 분배기(2300)와, 상기 분배기(2300)의 분배 제어신호(err1, err2, errn)를 받아 동작하고 PI 제어를 통해 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 충전목표전력에 대한 제어신호(Cout)를 출력하는 다수의 PI 제어부(2400)와, 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량(SOC)을 계산하여 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 충전 제어신호(Run/Stop)를 출력하는 다수의 충전량 체크부(2500)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치에서 각 ESS(1100, 1200, 1300)는 배터리(210), PCS(220) 및 BMS(230)로 구성된 시스템으로서 PCS(220) 또는 배터리(210)의 용량에 따라 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)를 설치한다. 예를 들어 PCS 1MW, 배터리 4MWh인 경우 PCS 250kW, 배터리 1MWh 4세트로 구성한다. 이때 하나의 PMS(2000)에서 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)를 총괄적으로 제어를 해야하는데 방전모드에서의 방전전력은 별도로 제어할 필요가 없지만 충전시에는 태양광 발전 전력을 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)에 적절하게 분배하여 충전을 해야한다.

본 발명의 다른 실시예에서는 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)의 병렬제어를 위한 제어구조이다. 이 구조는 단일 ESS의 구조를 확장한 형태로서 n개의 ESS를 병렬 제어할 수 있으며, 잉여전력(err_i)을 각각의 PI 제어부(2400)에 분배해주는 분배기(2300)를 포함한다.

이때 상기 분배기(2300)는 상기 각 ESS(1100, 1200, 1300)의 충전상태(SOC)를 전달받아 충전상태가 작은 것부터 충전이 되도록 제어함으로써 각 ESS의 충전 밸런스를 동일하게 가져갈 수 있다.

상기 다수의 ESS(1100, 1200, 1300)가 있는 경우에 각 ESS(1100, 1200, 1300)는 배터리 성능에 따라 장기간 운전시에 충전 성능의 차이로 인하여 충전상태(SOC)가 서로 달라질 수 있고 특정 ESS의 배터리가 더 빨리 충전 또는 방전될 수 있으며 시간이 흐를수록 충방전 횟수가 더 많게 될 수 있다.

따라서 각 ESS(1100, 1200, 1300)들의 충전상태(SOC)가 균일하도록 제어해야 하며 특정 ESS의 충전상태(SOC)가 다른 ESS보다 높거나 낮을 경우에는 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 균등하도록 충전량을 조정할 필요가 있다.

또한, 여러 대의 ESS(1100, 1200, 1300)로 구축되어 있는 경우에 모든 ESS가 동시에 동작되거나 정지되지 않을 수 있다. 특정 ESS를 운전자가 임의로 정지시킬 수도 있으며 어떤 건은 충전상태(SOC)가 상한값(SOC_H)을 초과하여 자동으로 정지될 수 있다.

그렇기 때문에 실질적으로 동작 가능한 ESS의 수량을 실시간으로 파악해야 하고 동작 가능한 ESS에 대하여서 충전전력 제어를 해야한다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 ESS를 3대를 도시하여 설명하고 있지만, 설치용량에 따라 충전가능한 ESS를 n개를 설치할 수도 있다.

상기 분배기(2400)는 시스템 전체 잉여전력(err_i)과 각 ESS의 충전률 soc1, soc2, ..., socn을 입력받아서 잉여전력(err_i)값을 적절하게 분배해 주는 기능을 한다. 간단하게 전체 잉여전력(err_i)을 n으로 나눔으로써 분배를 할 수 있으나 이 방법은 전술한 바와 같이 ESS들의 배터리를 불균등하게 충방전할 수 있기 때문에 본 발명에서 개별 ESS의 배터리 충전 가능용량을 계산하고 가중치를 적용하여 분배하는 방식이다.

예를 들면, i번째 ESS의 충전 가능한 전력량 Ri는 다음의 수학식 4처럼 배터리 용량과 충전상태(SOC) 값들을 이용하여 계산한다. 여기에서 Ci는 i번째 ESS의 배터리 용량이며, SOCHi는 배터리 SOC 상한값, SOCi는 현재 충전률을 의미한다.

또한, 멀티 ESS 시스템 전체의 충전 가능한 용량 R_T는 각 ESS의 충전 가능 전력량의 합으로써 다음의 수학식 5로 계산할 수 있다.

각 ESS의 충전 가능한 전력량을 전체 충전 가능 용량으로 나누어 정규화시킴으로써 가중치를 계산할 수 있다. i번째 ESS에 대한 가중치 Wi는 다음의 수학식 6처럼 구한다.

최종적으로 i번째 PI 제어부의 입력인 잉여전력(err_i)은 다음의 수학식 7처럼 전체 잉여전력(err_i)과 가중치(Wi)를 곱하여 계산한다.

결론적으로 다수의 ESS 중 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전 가능한 전력량이 커지며 가중치가 커져 PI 제어부(2300)의 입력인 잉여전력(err_i)이 커지게 되며 가중치가 커져 PI 제어부(2300)의 입력인 잉여전력(err)이 커지게 된다. 이로 인하여 상기 PI 제어부(2300)의 출력이 커지게 되어 충전전력이 다른 것보다 크게 된다. 이렇게 충전상태(SOC)가 낮을수록 충전력을 높여 다른 ESS와 충전상태(SOC)가 동일해지도록 운영함으로써 ESS를 더욱 견고하게 운영할 수 있게 된다.

도 8 내지 도 10은 본 발명에 의한 태양광 연계형 멀티 ESS의 배터리 충방전 밸런싱 제어장치의 모니터링 화면이다. 즉, 도 8은 전체 운전 현황을 나타내고, 도 9는 제어 및 조작화면으로 자동 운전 모드를 화면을 나타내며, 도 10은 수동 조작 화면을 각각 나타내고 있다.

도 8 내지 도 10에서와 같이, 최대 4대의 ESS를 병렬제어할 수 있도록 구현되었다. 각각의 ESS는 수동과 자동모드로 설정하고, PMS는 자동으로 설정된 ESS만을 대상으로 병렬제어를 하게 된다.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 태양광 발전부 200 : ESS
300 : PMS 400 : 한전계통

Claims

태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부와,
상기 태양광 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통으로 방전하는 다수의 ESS와,
상기 각 ESS의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS를 포함하여 구성되고,
상기 태양광 발전부는 태양광을 DC 전력으로 변환하는 다수의 태양광 발전모듈과, 상기 각 태양광 발전모듈을 결합하는 접속반과, 상기 태양광 발전모듈로부터 생산된 DC 전력을 상기 접속반을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 태양광 인버터와, 상기 태양광 인버터로부터 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기 및 보호 계전기를 포함하고,
상기 각 ESS는 다수의 배터리로 이루어지고 상기 배터리에 DC 전력을 AC 전력 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전과 충전하기 위한 PCS와, 상기 각 배터리를 관리하는 BMS로 구성되고,
상기 PMS는 상기 태양광 발전부의 태양광 발전전력과 상기 각 ESS의 ESS 충전전력 간의 차를 계산하여 계통 송전전력을 산출하는 계통 송전전력 산출부와, 상기 계통 송전전력 산출부를 통해 산출된 계통 송전전력과 외부의 계통 송전 기준전력간의 차를 계산하여 잉여전력을 산출하는 오차전력 산출부와, 상기 오차전력 산출부를 통해 산출된 잉여전력과 상기 각 ESS의 충전량에 따라 분배 제어신호를 출력하는 분배기와, 상기 분배기의 분배 제어신호를 받아 동작하고 PI 제어를 통해 상기 각 ESS의 충전목표전력에 대한 제어신호를 출력하는 다수의 PI 제어부와, 상기 각 ESS의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량을 계산하여 상기 각 ESS의 충전 제어신호를 출력하는 다수의 충전량 체크부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 태양광 인버터는 MPPT 기능과 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 기능을 구비하여 외부의 제어없이 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 PMS는 상기 BMS, PCS 그리고 전력계측기들과 통신을 통해 태양광 발전전력, 계통송전전력, PCS 충전 또는 방전전력, 배터리 SOC 데이터를 수집하여 PCS를 충전, 방전 또는 대기모드로 변경하고, 충전 또는 방전모드에서 충전전력이나 방전전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 PMS는 시간을 체크하여 상기 PCS를 충전모드로 동작할지 방전모드로 동작할지를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 ESS의 충전 가능한 전력량(Ri)은 다음의 수학식 4처럼 배터리 용량과 충전상태(SOC) 값들을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
[수학식 4]

(여기서, Ci는 i번째 ESS의 배터리 용량이며, SOCHi는 배터리 SOC 상한값, SOCi는 현재 충전률을 의미한다.)
제 5 항에 있어서, 상기 다수의 ESS의 충전 가능한 용량(R_T)은 각 ESS의 충전 가능 전력량의 합으로써 다음의 수학식 5로 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
[수학식 5]

(여기서, n은 ESS의 갯수이며, i는 i번째의 ESS이다)
제 5 항에 있어서, 상기 각 ESS의 충전 가능한 전력량을 전체 충전 가능 용량으로 나누어 정규화하여 가중치(Wi)를 다음의 수학식 6으로 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
[수학식 6]
제 1 항에 있어서, 상기 PI 제어부의 i번째 입력인 잉여전력(err_i)은 다음의 수학식 7처럼 전체 잉여전력(err)과 가중치(Wi)를 곱하여 계산하는 것을 특징으로 하는 태양광 연계형 멀티 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치.
[수학식 7]