KR101872809B1 - 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템 및 방법 - Google Patents

선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템 및 방법에 관한 것으로서, 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 부하와, 복수의 발전기에 연결되어 상기 부하에 주 전력을 공급하도록 상기 발전기의 동작을 제어하는 PMS와, 소정의 배터리팩에 연결되어 상기 부하에 보조 전력을 공급하도록 상기 배터리팩 내의 배터리의 충·방전을 제어하는 BMS와, 상기 PMS와 상기 BMS를 연계하여 동작하는 BPMS를 포함하는 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템에 있어서, 상기 BPMS는, 상기 BMS 및 상기 PMS로부터 각각 상기 배터리 또는 상기 발전기의 상태값을 송수신하는 통신부와, 외부의 사용자로부터 상기 배터리, 상기 발전기 또는 중부하 요청 여부에 대한 설정정보를 입력받는 설정정보 입력부와, 수신한 상태값과 입력된 설정정보를 매핑하여 저장하는 저장부와, 상기 상태값 및 상기 설정정보에 기초하여 기설정된 대기 모드, 충전 모드, 방전 모드 및 중부하 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택하는 제어모드 선택부와, 선택된 모드에 따라 기설정된 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 배터리가 대부분 충전된 상태를 유지하도록 하여 사용 시간이 짧은 중부하나 특정한 피크 부하에서 배터리를 통해 전력을 공급함으로써 발전기의 용량 및 운전 대수를 줄일 수 있다.

Description

선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템 및 방법{BATTERY-CONNECTED HIGH EFFICIENCY POWER MANAGEMENT SYSTEM FOR SHIP AND OFFSHORE PLANT}
본 발명은 선박 및 해양플랜트에서 필요한 요구전력 및 발전전력을 최적으로 관리하여 에너지를 절감할 수 있는 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템에 관한 것이다.
선박 및 해양플랜트에 설치되는 바우스러스터(bow thruster) 및 화물이송을 위한 카고 펌프(cargo pump) 등은 탑재 장비 중에서 전력 소비가 특히 큰 장비로 짧은 사용시간 동안 많은 전력을 소모하게 된다. 이러한 장비가 사용되는 전력시스템에서 발전기의 용량은 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 선정된다.
만약 단기간의 높은 부하만을 고려하여 발전기의 용량 산정을 하는 경우, 운항시간 중 가장 많은 시간을 차지하는 항해 시에 발전기 저부하 운전을 초래하게 되는데, 이러한 발전기 저부하 운전은 저온부식 등으로 인해 발전기 수명에 나쁜 영향을 미칠 뿐 아니라 발전기의 전력생산 효율을 감소시키게 된다.
게다가, 종래의 전력시스템의 경우, 발전기의 충·방전량이 발전기의 50%로 일정하게 고정되므로, 충·방전 동작에 따라 고부하 운전을 유지하기가 불리하다는 문제점이 있다.
KR 10-1290290 B1 KR 10-2016-0041062 A
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전기의 병렬운전을 고려하여 충·방전되며 발전기 부하를 일정 기준치 내의 상태로 동작시킬 수 있는 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템은, 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 부하와, 복수의 발전기에 연결되어 상기 부하에 주 전력을 공급하도록 상기 발전기의 동작을 제어하는 PMS와, 소정의 배터리팩에 연결되어 상기 부하에 보조 전력을 공급하도록 상기 배터리팩 내의 배터리의 충방전을 제어하는 BMS와, 상기 PMS와 상기 BMS를 연계하여 동작하는 BPMS를 포함하는 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템에 있어서, 상기 BPMS는, 상기 BMS 및 상기 PMS로부터 각각 상기 배터리 또는 상기 발전기의 상태값을 송수신하는 통신부와, 외부의 사용자로부터 상기 배터리, 상기 발전기 또는 중부하 요청 여부에 대한 설정정보를 입력받는 설정정보 입력부와, 수신한 상태값과 입력된 설정정보를 매핑하여 저장하는 저장부와, 상기 상태값 및 상기 설정정보에 기초하여 기설정된 대기 모드, 충전 모드, 방전 모드 및 중부하 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택하는 제어모드 선택부와, 선택된 모드에 따라 기설정된 알고리즘을 실행하는 알고리즘 실행부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법은, 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 부하와, 복수의 발전기에 연결되어 상기 부하에 주 전력을 공급하도록 상기 발전기의 동작을 제어하는 PMS와, 소정의 배터리팩에 연결되어 상기 부하에 보조 전력을 공급하도록 상기 배터리팩 내의 배터리의 충방전을 제어하는 BMS와, 상기 PMS와 상기 BMS를 연계하여 동작하는 BPMS를 포함하는 전력관리시스템을 이용한 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법에 있어서, 상기 BPMS가 상기 배터리의 사용 여부 및 충방전 여부에 기초하여 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태, 방전 상태 및 충전 상태 중 어느 하나로 판단하는 단계와, 상기 BMS 및 상기 PMS가 상기 배터리의 잔존용량과 상기 부하의 크기를 각각 측정하여 상기 BPMS로 송신하는 단계와, 상기 BPMS가 상기 동작 상태와 상기 배터리의 잔존용량 및 상기 부하 크기에 따라 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 변경하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리가 대부분 충전된 상태를 유지하도록 하여 사용 시간이 짧은 중부하나 특정한 피크 부하에서 배터리를 통해 전력을 공급함으로써 설계 시 발전기의 용량을 줄이거나 운항 중 발전기의 필요 운전 대수를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 충·방전을 통해 발전기를 좋은 효율을 가지는 일정 부하로 유지하고, 배터리 활용을 높이는 시스템으로 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템의 개략적인 구성도이고,
도 2는 도 1의 BMS의 세부 구성을 나타낸 블록도이고,
도 3은 도 1의 BPMS의 세부 구성을 나타낸 블록도이고,
도 4는 도 1의 BMS 및 PMS 사이를 연계하는 BPMS에서 송수신되는 데이터의 종류를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 1의 동작 상태에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법을 개략적으로 나타낸 개략도이고,
도 6은 도 5에 따라 방전 상태일 때 대기 상태로 변경하도록 제어하는 방법을 상세히 나타낸 순서도이고,
도 7은 도 5에 따라 충전 상태일 때 대기 상태로 변경하도록 제어하는 방법을 상세히 나타낸 순서도이고,
도 8은 도 1의 동작 상태가 대기 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고,
도 9는 도 1의 동작 상태가 충전 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고,
도 10은 도 1의 동작 상태가 방전 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고,
도 11은 도 1의 동작 상태가 중부하 제어 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고,
도 12는 도 1의 전력관리시스템의 동작 상태 및 변경 사항에 관한 UI를 별도의 디스플레이장치 또는 사용자 단말기의 화면에 표시한 상태를 나타낸 도면이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 BMS(Battery Management System)의 세부 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 1의 BPMS(Battery-connected Power Management System)의 세부 구성을 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 1의 BMS 및 PMS(Power Management System) 사이를 연계하는 BPMS에서 송수신되는 데이터의 종류를 나타낸 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템에 대해 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템은 크게 부하(10), PMS(60), BMS(50) 및 BPMS(70)를 포함하여 구성된다.
부하(10)는 적어도 하나 이상으로 마련되어 선박에 연결되며, 예컨대, 단시간에 전력소모가 큰 바우스러스터(bow thruster)를 포함할 수 있다.
PMS(60)는 복수의 발전기(20)에 연결되어 부하(10)에 주 전력을 공급하도록 발전기(20)의 동작을 제어한다.
여기서, PMS(60)는 일종의 전력 관리 시스템으로서, 발전기(20) 및 부하(10) 제어를 위한 소정의 네트워크를 구성하며 과부하나 비상사태 발생 시 우선순위에 따라 중요도가 낮은 부하를 차단할 수 있다.
BMS(50)는 소정의 배터리팩(30)에 연결되어 부하(10)에 보조 전력을 공급하도록 배터리팩(30) 내 배터리의 충·방전을 제어한다.
여기서, BMS(50)는 일종의 배터리 관리 시스템으로서, 배터리의 현재 상태 측정과 배터리의 충·방전 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, BMS(50)는 배터리를 방전하고자 하는 경우엔, 배터리팩(30) 내의 소정의 배터리 전력을 DC/DC컨버터를 통해 일정 전압으로 변경하고 그리드 인버터(grid inverter)를 통해 AC전력으로 변경한 후, 전력 스위치를 거쳐 메인 전력 버스에 이를 공급함으로써 배터리 방전 동작을 수행한다.
또한, BMS(50)는 배터리를 충전하고자 하는 경우엔, 메인 전력 버스에 전력 스위치를 통해 들어온 전력이 배터리 충전부(32)를 거쳐 배터리로 충전되도록 함으로써 배터리 충전 동작을 수행한다.
또한, BMS(50)는 내부에 배터리팩(30)의 현재 온도 및 전압을 측정하는 온도 센서 및 전압 센서를 포함하며 이를 이용해 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 산출한 후 BPMS(70)로 송신한다.
또한, BMS(50)는 전술한 DC/DC컨버터의 작동 및 변경 전압이나 그리드 인버터의 작동이나 전력 스위치의 작동을 제어하는 BMS제어기를 포함할 수 있다.
이때, BMS(50)의 동작 전원은 추가로 설치한 배터리 전원용 배터리로부터 공급받도록 하여, 발전기(20)나 배터리(30) 없이도 테스트 가능한 상태로 마련될 수 있다.
BPMS(70)는 PMS(60)와 BMS(50)를 연계하여 동작하는 시스템으로서, 배터리의 에너지 저장특성을 활용하여 선내 전체 발전효율을 높일 수 있도록 하기 위한 것이다.
여기서, BPMS(70)는 도 3에 도시된 바와 같이 크게 통신부(710), 설정정보 입력부(720), 저장부(730), 제어모드 선택부(740) 및 알고리즘 실행부(750)를 포함할 수 있다.
통신부(710)는 RS-485 Modbus(RTU) 프로토콜을 통해 BMS(50) 및 PMS(60)와 각각 양방향 데이터 통신을 수행하되, BMS(50)로부터 배터리(30)의 상태값을 수신하고 PMS(60)로부터 발전기(20)의 상태값을 수신할 수 있다.
예컨대, BPMS(70)는 마스터(master)로 작용하고 BMS(50) 및 PMS(60)는 슬레이브(slave)로 작용하여 마스터 요청 시에 슬레이브에서 데이터를 송부하고, 마스터의 신호 값이 바뀌면 슬레이브로 바뀐 값이 전송되는 마스터 슬레이브 동작(master-slave operation)을 수행할 수 있다.
설정정보 입력부(720)는 외부의 사용자로부터 배터리(30), 발전기(20) 또는 중부하 요청 여부에 대한 설정정보를 입력받는다.
저장부(730)는 통신부(710)에서 수신한 상태값과 설정정보 입력부(720)를 통해 입력된 설정정보를 매핑하여 저장한다.
제어모드 선택부(740)는 상기 상태값 및 상기 설정정보에 기초하여 기설정된 대기 모드, 충전 모드, 방전 모드 및 중부하 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택한다.
알고리즘 실행부(750)는 제어모드 선택부(740)에 의해 선택된 모드에 따라 기설정된 알고리즘을 실행한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BPMS(70)는, 알고리즘 실행부(750)의 계산 수행 시 문제 발생 여부를 확인하여 그러한 경우 알람을 발생시키면서 관련 데이터값을 수정하는 알람 검출부(760)와, 사용자가 변경된 데이터를 알 수 있도록 HMI(Human Machine Interface)로 출력하는 모니터링 출력부(770)와, 동작 전원을 공급하는 SMPS(Switched Mode Power Supply)를 더 포함할 수도 있다.
이때, BMS(50) 및 PMS(60) 사이를 연계하는 BPMS(70)를 통해 송수신되는 데이터의 종류는 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4를 참조하면, PMS(60)에서 BPMS(70)로 입력되는 데이터는, PMS 상태(PMS state), 발전기 전력(No.n G/E power), 발전기 전압(No.n G/E voltage), 발전기 전류(No.n G/E current), 메인 전력의 역률(Power factor), 병렬운전 설정값(Parallel setting), 병렬운전해제 설정값(Step out setting), PMS 알람(PMS alarm), 중부하 요청(No.n HL request), 중부하 동작 상태(No.n HL ON state) 및 중부하 알람(No.n HL alarm)을 포함한다.
또한, BMS(50)에서 BPMS(70)로 입력되는 데이터는, BMS 상태(BMS state), 충전 전력(Charger power), 방전 전력(Discharge power), 배터리 온도(Battery Temp), 배터리 SOC(Battery SOC), 배터리 SOH(Battery SOH) 및 BMS 알람(BMS alarm)을 포함한다.
한편, BPMS(70)에서 알고리즘 수행에 따른 계산을 완료한 경우, BPMS(70)에서 PMS(60)로 출력되는 데이터는, 발전기 동작(No.n G/E start), 발전기 정지(No.n G/E stop), ACB 동작(No.n ACB(Air Circuit Breaker) ON), ACB 정지(No.n ACB OFF), 발전기 부하 분담 명령(G/E load sharing Comd), 중부하 동작(No.n HL ON) 및 중부하 요청 해제(No.n HL request OFF)를 포함한다.
또한, BPMS(70)에서 BMS(60)로 출력되는 데이터는, 배터리 충전 명령(Battery charge Comd), 배터리 방전 명령(Battery discharge Comd), 배터리 대기 명령(Battery standby Comd), 충전 전력 명령(Charge power Comd) 및 방전 전력 명령(Discharge power Comd)를 포함한다.
도 5는 도 1의 동작 상태에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법을 개략적으로 나타낸 개략도이고, 도 6은 도 5에 따라 방전 상태일 때 대기 상태로 변경하도록 제어하는 방법을 상세히 나타낸 순서도이고, 도 7은 도 5에 따라 충전 상태일 때 대기 상태로 변경하도록 제어하는 방법을 상세히 나타낸 순서도이고, 도 8은 도 1의 동작 상태가 대기 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 9는 도 1의 동작 상태가 충전 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 10은 도 1의 동작 상태가 방전 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이고, 도 11은 도 1의 동작 상태가 중부하 제어 상태일 때의 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법은, 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 부하(10)와, 복수의 발전기(20)에 연결되어 부하(10)에 주 전력을 공급하도록 발전기(20)의 동작을 제어하는 PMS(60)와, 소정의 배터리팩(30)에 연결되어 부하(10)에 보조 전력을 공급하도록 배터리팩(30) 내의 배터리의 충방전을 제어하는 BMS(50)와, PMS(60)와 BMS(50)를 연계하여 동작하는 BPMS(70)를 포함하는 전력관리시스템(1)을 이용하여 구현될 수 있다.
이때, 전력관리시스템(1)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 특징을 가질 수 있으며, 내용상 중복되므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, BPMS(70)가 배터리의 사용 여부 및 충·방전 여부에 기초하여 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 대기 상태, 방전 상태 및 충전 상태 중 어느 하나로 판단한다(S100).
상기 S100단계에서, 대기 상태는 배터리(30)를 사용하지 않는 상태이고, 방전 상태는 그리드 인버터를 통하여 배터리(30)를 방전시키는 상태이며, 충전 상태는 배터리 충전부(32)를 이용하여 배터리(30)를 충전하는 상태일 수 있다.
다음으로, BMS(50)가 배터리의 잔존용량(SOC)과 부하의 크기(LR)를 각각 측정하여 BPMS(70)로 송신한다(S200).
상기 S200단계에서, BMS(50)는 내부에 배터리팩(30)의 현재 온도 및 전압을 측정하는 온도 센서 및 전압 센서를 포함하며 이를 이용해 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 산출한 후 BPMS(70)로 송신할 수 있다.
이때, 부하의 크기(LR)는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016117238812-pat00001
여기서, PG는 발전 전력, nG는 작동 중인 발전기 대수, PGmax는 발전기 1대의 최대 전력을 나타낸다.
다음으로, BPMS(70)가 S100단계에 판단된 동작 상태와 S200단계에 측정된 배터리의 잔존용량(SOC) 및 부하의 크기(LR)에 대한 값을 수신한 후 이에 따라 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 변경하도록 제어한다(S300).
상기 S300단계에서, BPMS(70)는 중부하 투입, 발전기 운전대수(병렬운전) 및 배터리 충·방전 등을 통합 제어하되, 발전기 부하가 낮은 상태에서는 발전기의 SFC 특성에 따라 효율이 높은 구간(약 85%)에서 운전할 수 있도록 배터리를 충전하고, 발전기 부하가 높아 병렬운전이 필요할 때 배터리를 방전함으로써, 전력을 메인 전력 버스에 공급하여 발전기 병렬운전으로 인한 저부하 가동시간을 최소화하도록 동작한다.
구체적으로, 상기 S300단계에서, 상기 동작 상태가 대기 상태(Standby)일 때, 배터리 잔존용량(SOC)이 기설정된 최소 임계값(40%) 미만이거나 혹은 배터리 잔존용량(SOC)이 기설정된 기준 용량값(85%) 미만이고 부하 크기(LR)가 기설정된 최소 충전 부하량(LCmin)보다 작은 경우, 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 충전 상태(Charge)로 변경할 수 있다.
이와 관련하여, 상기 대기 상태에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 부하의 크기(LR)가 기설정된 기준 부하값(85%)보다 큰 90%를 넘으면 발전기의 병렬 운전을 수행하고, 부하의 크기(LR)가 90%를 넘지 않는 경우엔 중부하 동작 여부를 확인하여, 중부하가 동작하지 않으면서 부하의 크기(LR)가 45% 미만이면 발전기의 병렬운전을 해제하는 동작을 수행한다.
또한, 상기 충전 상태에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리의 잔존용량(SOC)이 최소 임계값(40%) 미만이고 부하의 크기(LR)가 최소 충전 부하량(LCmin)보다 크면 발전기의 병렬 운전을 수행하고, 배터리의 잔존용량(SOC)은 최소 임계값(40%) 이상이고 부하의 크기(LR)가 최소 충전 부하량(LCmin) 이하인 경우엔 스위치부(40)를 온 하여 N번째 충전기의 배터리의 충전을 수행한 후(여기서, N은 자연수), 부하의 크기(LR)가 최소 충전 부하량(LCmin)보다 크고 83%보다도 크면 스위치부(40)를 오프하여 N번째 충전기의 배터리의 충전을 중단시키고(여기서, N은 자연수), 부하의 크기(LR)가 최소 충전 부하량(LCmin)보다 크고 83% 이하인 경우엔 중부하 동작 여부를 확인하여, 중부하가 동작하지 않으면서 부하 크기(LR)가 45% 미만이면 발전기의 병렬 운전을 해제하는 동작을 수행한다.
이때, 최소 충전 부하량(LCmin)은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016117238812-pat00002
여기서, Pcmax 는 충전기 1대의 최대 전력, nG는 작동 중인 발전기 대수, PGmax는 발전기 1대의 최대 전력을 나타낸다.
한편, 상기 S300단계에서, 상기 동작 상태가 충전 상태(Charge)일 때, 배터리 잔존용량(SOC)이 기설정된 최대 임계값(90%)을 초과하거나 혹은 부하 크기(LR)가 기설정된 기준 부하값(85%)을 초과하는 경우, 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 대기 상태(Standby)로 변경할 수 있다.
이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 동작 중인 충전기의 스위치부(40)를 순차적으로 오프하여 배터리(30)의 충전을 중지하도록 한다.
이는 배터리(30)의 잔존용량(SOC)이 최대 임계값(90%)을 넘으면 과충전될 수 있고, 부하량이 기준 부하값(85%)을 넘으면 발전기(20)가 과다하게 동작할 수 있으므로, 배터리(30)의 사용을 중지하고 대기 상태로 둠으로써 이를 방지하기 위한 것이다.
한편, 상기 S300단계에서, 상기 동작 상태가 대기 상태일 때, 배터리 잔존용량(SOC)이 기설정된 중간 임계값(50%)을 초과하고 부하 크기(LR)가 기준 부하값(85%)을 초과하는 경우, 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 방전 상태로 변경할 수 있다.
이와 관련하여, 상기 방전 상태에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, N번째 방전기(여기서, N은 자연수)의 스위치부(40)를 온 하여 배터리의 방전을 수행한 후, 부하 크기(LR)가 기설정된 기준 부하값(85%) 미만이면서 최소 방전 부하량(LDcmin) 미만이면 N번째 방전기의 스위치부(40)를 오프시키고, 부하(10)의 크기(LR)가 최소 방전 부하량(LDcmin) 이상이면서 90%보다 큰 경우엔 발전기(20)의 병렬운전을 수행한다.
이때, 최소 방전 부하량(LDcmin)은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016117238812-pat00003
여기서, PDcmax는 방전기 1대의 최대 전력, nG는 작동 중인 발전기 대수, PGmax는 발전기 1대의 최대 전력을 나타낸다.
또한, 상기 대기 상태는 도 8을 참조하여 전술한 바와 같으므로 생략할 수 있다.
한편, 상기 S300단계에서, 상기 동작 상태가 방전 상태(Discharge)일 때, 배터리 잔존용량(SOC)이 최소 임계값(40%) 미만이거나 혹은 부하 크기(LR)가 최소 방전 부하량(LDcmin) 미만인 경우, 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 대기 상태(Standby)로 변경할 수 있다.
이 경우, 도 6을 참조하면, 만일 부하(10)의 크기(LR)가 90%보다 작으면, 동작 중인 방전기의 스위치부(40)를 오프한 후, 부하(10)의 크기(LR)가 90%보다 커지면, 발전기(20)의 병렬 운전을 수행하고 상태를 변경한다.
한편, 상기 S300단계는, 상기 동작 상태가 충전 상태, 대기 상태 및 방전 상태 중 어느 하나일 때 PMS(60)로부터 중부하 요청을 수신하는 경우, 전력관리시스템(1)의 동작 상태를 중부하 제어 상태로 변경하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이러한 중부하 동작 중에는 중부하 사용에 따른 급격한 부하 변동을 대비하여 발전기의 병렬운전을 해제하지 않고, 병렬 운전 해제 부하율의 경우 동작하는 발전기의 대수에 따라 다르게 설정한다.
이 경우, 도 11을 참조하면, 먼저, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)과 기준 부하값(85%)을 비교하여, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 85%를 넘지 않으면 일정 시간 지연시킨 후 중부하를 투입한다. 만일 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 85% 이상일 때, 배터리가 방전 상태이고 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 85%를 넘지 않으면 N번째 방전기를 온 하고(여기서, N은 자연수), 모든 방전기가 켜진 상태에서 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 85%를 넘을 경우엔 발전기의 병렬운전을 수행한다.
또한, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 기준 부하값(85%)보다 크고 배터리가 방전상태가 아닌 경우, 배터리가 충전 상태인지를 확인하여, 배터리가 충전상태이면 충전 전력을 최소로 하고 대기상태로 변화시킨 후 다시 중부하 예상 부하율(HLER)이 85%를 넘는지를 확인한다.
또한, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 기준 부하값(85%)보다 크고 배터리가 충방전상태가 아닌 경우, 배터리가 대기상태에서 배터리 잔존용량(SOC)이 중간 임계값(50%)보다 큰지를 확인하여, 50%보다 크면 중부하 방전 예상 부하율(HLER)이 기준 부하값(85%)보다 큰지 확인하고, 85%를 넘지 않으면 배터리를 방전상태로 만든 후 다시 중부하 예상 필요 부하율(HLER)을 확인한다.
이때, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)은 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016117238812-pat00004
여기서, PHL은 요청된 중부하의 예상 전력, PG는 발전 전력, nG는 작동 중인 발전기 대수, PGmax는 발전기 1대의 최대전력을 나타낸다.
또한, 중부하 예상 필요 부하율(HLER)이 기준 부하값(85%)보다 크고 배터리가 충·방전 상태가 아닌 경우, 배터리가 대기상태에서 배터리 잔존용량(SOC)이 중간 임계값(50%)보다 큰지를 확인하여, 50%보다 크면 중부하 방전 예상 부하율(HLDC)과 기준 부하값(85%)을 비교하여, 중부하 방전 예상 부하율(HLDC)이 85%보다 작으면 대기 상태에서 방전 상태로 변경하도록 제어하고, 배터리 잔존용량(SOC)이 50%보다 작거나 중부하 방전 예상 부하율(HLDC)이 85% 이상일 때, 작동 중인 발전기 대수(nG)가 설치된 발전기의 총 대수(nGmax)보다 적으면 대기 상태에 있는 발전기의 병렬 운전을 수행하고 일정 시간 지연시킨 후 중부하를 투입하고, 작동 중인 발전기 대수가 최대인 경우(nG = nGmax)엔 중부하를 투입하지 않도록 제어한다.
이때, 중부하 방전 예상 부하율(HLDC)은 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016117238812-pat00005
여기서, nDcmax는 설치되어 있는 방전기 개수, PDcmax는 방전기 1대의 최대 전력, nG는 작동 중인 발전기 대수,PGmax는 발전기 1대의 최대 전력을 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법은, 상기 S300단계 이후에 본 발명에 따른 전력관리시스템의 동작 상태 및 변경 사항을 유무선으로 연결된 별도의 디스플레이장치 또는 사용자 단말기의 화면에 표시하는 단계(S400)를 더 포함할 수도 있다.
도 12는 도 1의 전력관리시스템의 동작 상태 및 변경 사항에 관한 UI를 별도의 디스플레이장치 또는 사용자 단말기의 화면에 표시한 상태를 나타낸 도면이다.
여기서, 상기 UI는, 상기 전력관리시스템의 현재 동작 상태를 나타내는 방전 상태(Discharge), 대기 상태(Standby), 충전 상태(Charge) 및 중부하 제어 상태(Heavy Load) 각각에 대응하는 위치에 있는 램프와, 상기 전력관리시스템의 동작 상태의 변경 사항을 나타내는 화살표 형상의 램프(741,742,743,744,745,746)를 포함하여 구성된다.
예컨대, 도 5 및 도 12를 참조하여 설명하면, S400단계에서는, 상기 전력관리시스템의 동작 상태가 대기 상태일 때, 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 최소 임계값 미만이거나 혹은 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 기준 용량값 미만이고 상기 부하의 크기가 기설정된 최소 충전 부하량보다 작은 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 충전 상태로 변경한 후, 상기 UI에서 대기 상태(Standby)와 충전 상태(Charge) 사이에서 충전 상태(Charge)로 향하는 화살표 형상의 램프(741)에 불이 켜지도록 제어한다.
또한, 상기 전력관리시스템의 동작 상태가 충전 상태일 때, 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 최대 임계값을 초과하거나 혹은 상기 부하의 크기가 기설정된 기준 부하값을 초과하는 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태로 변경한 후, 상기 UI에서 충전 상태(Charge)와 대기 상태(Standby) 사이에서 대기 상태(Standby)로 향하는 화살표 형상의 램프(742)에 불이 켜지도록 제어한다.
또한, 상기 전력관리시스템의 동작 상태가 대기 상태일 때, 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 중간 임계값을 초과하고 상기 부하의 크기가 상기 기준 부하값을 초과하는 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 방전 상태로 변경한 후, 상기 UI에서 대기 상태(Standby)와 방전 상태(Discharge) 사이에서 방전 상태(Discharge)로 향하는 화살표 형상의 램프(744)에 불이 켜지도록 제어한다.
또한, 상기 전력관리시스템의 동작 상태가 방전 상태일 때, 상기 배터리의 잔존용량이 최소 임계값 미만이거나 혹은 상기 부하의 크기가 최소 방전 부하량 미만인 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태로 변경한 후, 상기 UI에서 방전 상태(Discharge)와 대기 상태(Standby) 사이에서 대기 상태(Standby)로 향하는 화살표 형상의 램프(743)에 불이 켜지도록 제어한다.
또한, 상기 전력관리시스템의 동작 상태가 방전 상태, 대기 상태 및 충전 상태 중 어느 하나일 때, 상기 PMS로부터 중부하 요청을 수신하는 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 중부하 제어 상태로 변경한 후, 상기 UI에서 중부하 제어 상태(Heavy Load)로 향하는 화살표 형상의 램프(745)에 불이 켜지도록 제어한다.
이 경우, 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리시스템의 동작 상태 및 변경 사항을 사용자가 직관적으로 신속하게 파악할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 발전기의 이상 사태 시 비상 전원으로 사용되는 배터리가 대부분 충전된 상태를 유지하도록 하여 사용 시간이 짧은 중부하나 특정한 피크 부하에서 배터리를 통해 전력을 공급함으로써 발전기의 용량 및 운전 대수를 줄일 수 있고, 배터리의 충·방전을 통해 발전기를 좋은 효율을 가지는 일정 부하로 유지하여 배터리 활용을 높이는 시스템으로 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
1: 전력관리시스템 10: 부하
20: 발전기 30: 배터리팩
32: 배터리 충전부 40: 스위치부
50: BMS 60: PMS
70: BPMS 710: 통신부
720: 설정정보 입력부 730: 저장부
740: 제어모드 선택부 750: 알고리즘 실행부
760: 알람 검출부 770: 모니터링 출력부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 선박에 연결된 적어도 하나 이상의 부하와,
    복수의 발전기에 연결되어 상기 부하에 주 전력을 공급하도록 상기 발전기의 동작을 제어하는 PMS(전력관리 시스템)와,
    소정의 배터리팩에 연결되어 상기 부하에 보조 전력을 공급하도록 상기 배터리팩 내의 배터리의 충방전을 제어하는 BMS(배터리관리 시스템)와,
    상기 PMS와 상기 BMS를 연계하여 동작하는 BPMS(배터리연계 전력관리 시스템)를 포함하는 전력관리시스템을 이용한 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법에 있어서,
    상기 BPMS가 상기 배터리의 사용 여부 및 충·방전 여부에 기초하여 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태, 방전 상태 및 충전 상태 중 어느 하나로 판단하는 단계;
    상기 BMS 및 상기 PMS가 상기 배터리의 잔존용량과 상기 부하의 크기를 각각 측정하여 상기 BPMS로 송신하는 단계; 및
    상기 BPMS가 상기 동작 상태와 상기 배터리의 잔존용량 및 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 변경하되,
    상기 동작 상태가 대기 상태일 때는, 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 최소 임계값(40%) 미만이거나, 혹은 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 기준 용량값(85%) 미만이고 상기 부하의 크기가 기설정된 최소 충전 부하량보다 작은 경우에는 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 충전 상태로 변경하되, 상기 부하의 크기가 기준초과 부하값(90%)을 넘으면 발전기의 병렬운전을 수행하고, 상기 부하의 크기가 상기 기준초과 부하값(90%)을 넘지 않는 경우엔 중부하 동작 여부를 확인하여, 중부하가 동작하지 않으면서 상기 부하의 크기가 상기 기준초과 부하값의 절반(45%) 미만이면 발전기의 병렬운전을 해제하는 동작을 수행하며,
    상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 중간 임계값(50%)을 초과하고 상기 부하의 크기가 기설정된 기준 부하값(85%)을 초과하는 경우에는 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 방전기의 스위치부를 온하여 방전을 수행하는 방전 상태로 변경하되, 상기 부하의 크기가 상기 기설정된 기준 부하값(85%) 미만이면서 최소 방전 부하량 미만 이면 방전기의 스위치를 오프시키고, 상기 부하의 크기가 최소 방전 부하량 이상이면서 상기 기준초과 부하값(90%)보다 큰 경우에는 발전기의 병렬운전을 수행하는 방법,
    상기 동작 상태가 충전 상태일 때는, 상기 배터리의 잔존용량이 기설정된 최대 임계값(90%)을 초과하거나 혹은 상기 부하의 크기가 기설정된 기준 부하값(85%)을 초과하는 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태로 변경하되, 동작 중인 충전기의 스위치부를 순차적으로 오프하여 배터리의 충전을 중지하는 방법,
    상기 동작 상태가 방전 상태일 때는, 상기 배터리의 잔존용량이 상기 기설정된 최소 임계값(40%) 미만이거나 혹은 상기 부하의 크기가 최소 방전 부하량 미만인 경우, 상기 전력관리시스템의 동작 상태를 대기 상태로 변경하되, 상기 부하의 크기가 상기 기준초과 부하값(90%)보다 작으면, 동작 중인 방전기의 스위치부를 오프한후, 상기 부하의 크기가 상기 기준초과 부하값(90%)보다 커지면 발전기의 병렬운전을 수행하는 방법으로 제어하는 단계; 및
    상기 PMS로부터 중부하 요청을 수신하는 경우, 상기 전력관리 시스템의 동작 상태를 중부하 제어 상태로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양플랜트의 배터리 연계형 고효율 전력관리방법.
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