KR101974249B1 - 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents

에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 전력변환부들의 총 공급 전력량(PL)이 비정상 범위에 포함되는 상황에서 에너지 저장 시스템이 독립 운전 모드로 절환될 경우, 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 정격 전력 범위에 포함되도록 슬레이브 전력변환부들의 공급 전력량을 조절한다. 이에 따라서 전력변환부들의 총 공급 전력량이 비정상 범위에 포함되는 경우에도 마스터 전력변환부의 정상적인 동작 및 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 보장된다.

Description

에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF THE SAME}
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
최근 전력 수요의 급증에 따라 전력 인프라의 확충이 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 전력 수요의 증가는 전기를 사용하는 가정용 생활기기 및 상가, 공장용 전력부하의 증가에 따른 것이다. 특정 계절, 특정 시간대에 사용되는 전력 부하가 급격하게 증가하면서 상시 대기 전력의 부족분을 초래하고 정전과 같은 사고가 발생하게 된다. 이러한 문제를 방지를 위해 전력 인프라를 확충하고 사용을 제한하는 등 다양한 시도가 이루어지고 있다.
전력 수요의 증가에 따른 문제를 해결하기 위한 방안으로 태양광, 풍력, 태양열, 파력, 지열발전, 메탄가스를 이용한 화력발전과 같은 대체에너지 또는 천연의 청정에너지와 같은 신재생 에너지의 개발과 함께 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)이 주목받고 있다. 에너지 저장 시스템은 발전 출력의 제어가 불가능한 풍력이나 태양광과 같은 신재생 에너지를 기존 전력망에 부담 없이 연결하고 전력 소비 패턴에 따라 에너지를 충전 또는 방전하는 역할을 한다.
특히, 2차 전지와 같은 배터리를 이용하는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System, BESS)은 계통의 전압 및 주파수 안정화를 위해 사용될 뿐만 아니라, 풍력이나 태양광과 같이 발전량이 일정하지 않은 신재생 에너지 발전 시스템과 연계하여 잉여 에너지를 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생시 배터리에 저장된 에너지를 방전하여 부하에 에너지를 공급하며, 계통 복구시 과도 상태를 감쇄시키는 역할을 수행한다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 시스템(102)은 배터리(104) 및 전력관리장치(Power Conditioning System, PCS, 106)를 포함한다. 전력관리장치(106)는 배터리(104)에 저장되어 있는 에너지를 이용하여 부하(110)에 전력을 공급하거나, 계통(108)으로부터 공급되는 전력을 이용하여 배터리(104)를 충전한다.
전력관리장치(106)는 배터리(104)로부터 제공되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(110)에 공급하고, 계통(108)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(104)로 공급하는 하나 이상의 전력변환부(Power Conversion Unit, PCU, 106a~106n)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 전력변환부(106a~106n)를 서로 병렬로 연결함으로써 대용량의 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있다.
도 1에 도시된 에너지 저장 시스템(102)은 2가지 모드, 즉 계통 연계 운전 모드 및 독립 운전 모드로 동작할 수 있다. 먼저 계통(108)이 정상적으로 동작하고 계통(108)과의 연결망에 문제가 없는 경우, 에너지 저장 시스템(102)은 계통 연계 운전 모드로 동작한다. 에너지 저장 시스템(102)이 계통 연계 운전 모드로 동작할 때, 스위치(112)는 닫힌 상태로 유지되며 에너지 저장 시스템(102)은 계통(108)과 함께 부하(110)에 전력을 공급하거나 계통(108)으로터 공급되는 전력을 저장한다.
그러나 계통(108) 또는 계통(108)과의 연결망에 이상이 발생하면 에너지 저장 시스템(102)은 독립 운전 모드 또는 자립 운전 모드로 동작한다. 에너지 저장 시스템(102)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 스위치(112)는 열린 상태로 유지되며 에너지 저장 시스템(102)은 계통(108)의 도움없이 단독으로 부하(110)에 전력을 공급한다.
이하에서는 전력관리장치(106)에 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)가 포함된 실시예를 통해 종래 기술에 따른 에너지 저장 시스템(102)의 운전 제어 방법에 대하여 설명한다.
에너지 저장 시스템(102)이 계통 연계 운전 모드로 동작할 때, 각각의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)는 아래와 같은 관계식에 따라서 전력을 변환하도록 제어될 수 있다.
Figure 112016089667759-pat00001
[수학식 1]에서, PEn은 n번째 전력변환부에 의해 배터리(104)로부터 방전되는 전력량 또는 배터리(104)로 충전되는 전력량, 즉 공급 전력량을 의미한다. 예를 들어 PE1은 1번째 전력변환부(106a)에 의해 방전 또는 충전되는 공급 전력량을 의미한다. 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해 배터리(104)가 방전되어 부하(110) 또는 계통(108) 방향으로 전력이 공급될 경우 공급 전력량은 양수로 표시된다. 반대로 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해 배터리(104)가 충전될 경우, 공급 전력량은 음수로 표시된다.
또한 [수학식 1]에서 PT는 전력관리장치(106)에 포함된 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해 방전 또는 충전되는 전력량의 합, 즉 총 공급 전력량을 의미한다.
[수학식 1]에서 보여지는 바와 같이, 일반적으로 에너지 저장 시스템(102)이 계통 연계 운전 모드로 동작할 때 각각의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)는 전력관리장치(106)의 총 공급 전력량을 전력변환부의 개수로 나눈 만큼의 전력량을 균등하게 분담하도록 제어된다.
한편, 전술한 바와 같이 계통(108) 또는 계통(108)과의 연결망에 이상이 발생하면 에너지 저장 시스템(102)은 독립 운전 모드로 동작한다. 이 때 에너지 저장 시스템(102)이 독립 운전 모드로 동작하기 위해서는 부하(110)의 요구 전력량(PL)이 전력관리장치(106)의 총 공급 전력량(PT)보다 작아야 한다.
계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드의 절환 시 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e) 중 어느 하나의 전력변환부(예컨대, 106a)는 마스터 전력변환부로서 전압 제어를 수행하고, 나머지 전력변환부(예컨대, 106b~106e) 슬레이브 전력변환부로서 전류 제어를 수행한다. 이 때 슬레이브 전력변환부(106b~106e)에 의해 공급되는 전력량(PE2~PE5)은 다음과 같이 유지된다.
Figure 112016089667759-pat00002
또한 모든 전력변환부(106a~106e)에 의해 공급되는 전력은 다음과 같이 부하(110)의 요구 전력량(PL)과 같도록 제어된다.
Figure 112016089667759-pat00003
[수학식 3]에 따르면 독립 운전 모드에서 마스터 전력변환부(106a)의 공급 전력량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016089667759-pat00004
한편, 각각의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)는 충전 또는 방전을 통해 공급할 수 있는 최소 전력량 및 최대 전력량을 갖는데, 이를 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 정격 전력량이라고 하고, 정격 전력량에 따라서 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해 공급 가능한 전력량의 범위를 정격 전력 범위라고 한다. 예를 들어 각각의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 정격 전력량이 ±5000W라고 가정할 때, 마스터 전력변환부(106a)의 정격 전력 범위는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016089667759-pat00005
[수학식 5]와 같은 정격 전력 범위를 초과하게 되면 마스터 전력변환부(106a)의 정상적인 동작이 보장되지 않으며, 이에 따라서 부하(110)에 대한 전력 공급 또한 정상적으로 이루어질 수 없다. 나머지 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)의 정격 전력량이 ±5000W인 경우 나머지 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)의 정격 전력 범위 또한 [수학식 5]와 동일하게 표현될 수 있다.
한편, 부하의 요구 전력량(PL)을 5000W라고 가정하면, 정상적인 독립 운전이 보장되기 위한 총 공급 전력량(PT)의 범위는 다음과 같다.
Figure 112016089667759-pat00006
이하에서는 [수학식 6]과 같은 총 공급 전력량(PT)의 범위를 '총 공급 전력량(PT)의 정상 범위'로 지칭한다.
도 2는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W일 때 총 공급 전력량(PT)의 변화에 따라서 계통 연계 운전이 수행되는 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타내며, 도 3은 도 2에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
이하에서 계통 연계 운전 또는 독립 운전이 정상적으로 수행된다는 것은 앞서 설명된 [수학식 5]의 조건이 만족됨을 의미한다. 또한 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5)이 양수인 경우 전력변환부를 통해 배터리로부터 계통 또는 부하로 전력이 공급됨을 의미하고, 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5)이 음수인 경우 전력변환부를 통해 계통으로부터 배터리로 전력이 공급됨을 의미한다. 또한 계통의 공급 전력량(PG)이 양수인 경우 전력변환부를 통해 배터리로부터 계통으로 전력이 공급됨을 의미하고, 계통의 공급 전력량(PG)이 음수인 경우 전력변환부를 통해 계통으로부터 부하 또는 배터리로 전력이 공급됨을 의미한다.
도 2에는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W인 상황에서 계통 연계 운전 모드 수행 시, 총 공급 전력량(PT)이 각각 12500W, 10000W, 8000W, 4000W, 0W로 변경될 때 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5) 및 계통(108)의 공급 전력량(PG)이 도시되어 있다.
예를 들어 도 2의 CASE 1을 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 12500W일 경우, [수학식 1]에 따라서 PE1~PE5는 각각 2500W로 결정된다. 결국 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 12500W의 전력이 방전되는데, 이 중 5000W는 부하(110)에 공급되고 나머지 7500W는 계통(108)에 공급되므로 PG는 7500W가 된다.
또 다른 예로 도 2의 CASE 4를 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 4000W일 경우, [수학식 1]에 따라서 PE1~PE5는 각각 800W로 결정된다. 결국 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 4000W의 전력이 방전되어 부하(110)에 공급되므로 부하(110)에는 1000W의 전력이 추가로 공급되어야 한다. 따라서 계통(108)으로부터 1000W의 전력이 부하(110)로 공급된다. (PG=-1000W)
도 2를 참조하면 PE1~PE5는 모두 [수학식 5]의 조건을 만족하므로 정상적인 계통 연계 운전이 수행된다. 이와 같은 상황에서 계통(108) 또는 연결망에 이상이 발생하면 스위치(112)가 열림으로써 에너지 저장 시스템(102)은 독립 운전 모드로 절환된다.
도 3에는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W인 상황에서 독립 운전 모드 수행 시, 총 공급 전력량(PT)이 각각 12500W, 10000W, 8000W, 4000W, 0W로 변경될 때 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5) 및 계통(108)의 공급 전력량(PG)이 도시되어 있다.
예를 들어 도 3의 CASE 1을 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 12500W일 경우, [수학식 2]에 따라서 PE2~PE5는 각각 2500W로 결정된다. 이 때 계통(108)의 공급 전력량(PG)은 0W이다. 결국 4개의 슬레이브 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 10000W의 전력이 방전되는데, 이 중 5000W는 부하(110)에 공급되므로 5000W의 전력이 남게 된다. 이에 따라 마스터 전력변환부(106a)는 남은 5000W의 전력으로 배터리를 충전시킨다. (PE1=-5000W)
또 다른 예로 도 3의 CASE 4를 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 4000W일 경우, [수학식 2]에 따라서 PE2~PE5는 각각 800W로 결정된다. 이 때 계통(108)의 공급 전력량(PG)은 0W이다. 결국 4개의 슬레이브 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 3200W의 전력이 방전되므로 부하(110)에는 1600W의 전력이 추가로 공급되어야 한다. 따라서 마스터 전력변환부(106a)에 의해 1600W의 전력이 부하(110)에 공급된다. (PE1=1600W)
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 총 공급 전력량(PT)이 [수학식 6]을 만족할 경우 계통 연계 운전에서 독립 운전으로 절환되더라도 에너지 저장 시스템(102)을 통해 부하(110)에 대한 정상적인 전력 공급이 가능하다.
그러나 실제 에너지 저장 시스템(102)의 운영 시에는 각각 ±5000W의 정격 전력을 갖는 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 대한 충전 또는 방전 지령에 따라서 총 공급 전력량(PT)이 아래와 같은 범위 내에서 변경될 수 있다.
Figure 112016089667759-pat00007
결국 [수학식 7]에 나타난 총 공급 전력량(PT)의 전체 범위 중 [수학식 6]에 나타난 정상적인 독립 운전이 보장되기 위한 총 공급 전력량(PT)의 범위를 제외하면 다음과 같이 비정상적인 독립 운전이 수행되는 총 공급 전력량(PT)의 범위가 존재하게 된다.
Figure 112016089667759-pat00008
이하에서는 [수학식 8]과 같은 총 공급 전력량(PT)의 범위를 '총 공급 전력량(PT)의 비정상 범위'로 지칭한다.
도 4는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W일 때 총 공급 전력량(PT)의 변화에 따라서 계통 연계 운전이 수행되는 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타내며, 도 5는 도 4에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 4에는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W인 상황에서 계통 연계 운전 모드 수행 시, 총 공급 전력량(PT)이 각각 -25000W, -5000W, -2500W, 15000W, 17500W, 25000W로 변경될 때 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5) 및 계통(108)의 공급 전력량(PG)이 도시되어 있다.
예를 들어 도 4의 CASE 1을 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 -25000W일 경우, [수학식 1]에 따라서 PE1~PE5는 각각 -5000W로 결정된다. 결국 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 -25000W의 전력이 배터리에 충전되므로, 계통(108)으로부터 배터리(104) 및 부하(110)로 각각 25000W 및 5000W의 전력이 공급되어야 한다. 따라서 계통의 공급 전력량(PG)은 -30000W가 된다.
또 다른 예로 도 4의 CASE 4를 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 15000W일 경우, [수학식 1]에 따라서 PE1~PE5는 각각 3000W로 결정된다. 결국 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 15000W의 전력이 방전되므로, 부하(110)에 공급되는 5000W의 전력을 제외한 10000W의 잉여 전력은 계통(110)에 의해 흡수된다. (PG=10000W)
도 4와 같이 계통 연계 운전이 수행되는 상황에서 계통(108) 또는 연결망에 이상이 발생하면 스위치(112)가 열림으로써 에너지 저장 시스템(102)은 독립 운전 모드로 절환된다.
도 5에는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W인 상황에서 독립 운전 모드 수행 시, 총 공급 전력량(PT)이 각각 -25000W, -5000W, -2500W, 15000W, 17500W, 25000W로 변경될 때 전력변환부의 공급 전력량(PE1~PE5) 및 계통(108)의 공급 전력량(PG)이 도시되어 있다.
예를 들어 도 5의 CASE 1을 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 -25000W일 경우, [수학식 2]에 따라서 PE2~PE5는 각각 -5000W로 결정된다. 이 때 계통(108)의 공급 전력량(PG)은 0W이다. 결국 4개의 슬레이브 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 20000W의 전력이 배터리로 충전되어야 하므로, 마스터 전력변환부(106a)는 부하(110)에 5000W의 전력을 공급하고 4개의 슬레이브 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)에 20000W의 전력을 공급해야 한다. (PE1=25000W)
그러나 25000W는 [수학식 5]에 나타난 마스터 전력변환부(106a)의 정격 전력 범위를 초과하는 수치이다. 따라서 CASE 1과 같은 상황에서 마스터 전력변환부(106a)는 정상적으로 동작하지 못하게 되며, 이에 따라서 부하(110)에 대한 전력 공급 또한 정상적으로 이루어질 수 없다.
또 다른 예로 도 5의 CASE 4를 참조하면, 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 5개의 전력변환부(106a, 106b, 106c, 106d, 106e)의 총 공급 전력량(PT)이 15000W일 경우, [수학식 2]에 따라서 PE2~PE5는 각각 3000W로 결정된다. 이 때 계통(108)의 공급 전력량(PG)은 0W이다. 결국 4개의 슬레이브 전력변환부(106b, 106c, 106d, 106e)에 의해서 12000W의 전력이 방전되므로 부하(110)에 공급되는 5000W의 전력을 제외한 나머지 7000W의 전력은 마스터 전력변환부(106a)에 의해 흡수되어야 한다. (PE1=-7000W)
그러나 -7000W는 [수학식 5]에 나타난 마스터 전력변환부(106a)의 정격 전력 범위를 초과하는 수치이다. 따라서 CASE 4와 같은 상황에서 마스터 전력변환부(106a)는 정상적으로 동작하지 못하게 되며, 이에 따라서 부하(110)에 대한 전력 공급 또한 정상적으로 이루어질 수 없다.
마찬가지로, 도 5에 도시된 CASE 2, 3, 5, 6과 같은 상황에서도 마스터 전력변환부(106a)의 공급 전력량(PE1)은 모두 [수학식 5]에 나타난 마스터 전력변환부(106a)의 정격 전력 범위를 초과하게 된다.
결국 에너지 저장 시스템(102)의 실제 운영 과정에서 총 공급 전력량(PT)이 [수학식 8]에 나타난 바와 같은 비정상 운전을 초래하는 범위에 포함되면, 도 4 및 도 5를 통해 설명된 바와 같이 에너지 저장 시스템(102)이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 과정에서 마스터 전력변환부(106a)의 정상적인 동작을 보장할 수 없다. 이에 따라서 부하(110)에 대한 정상적이고 안정적인 전력 공급이 불가능하게 된다는 문제가 있다.
본 발명은 에너지 저장 시스템의 운영 과정에서 전력변환부들의 총 공급 전력량이 비정상 범위에 포함되는 경우, 에너지 저장 시스템의 정상적인 독립 운전 수행을 가능하게 함으로써 부하에 대한 정상적이고 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 에너지 저장 시스템의 운영 과정에서 전력변환부들의 총 공급 전력량(PL)이 [수학식 6]과 같은 정상 범위에 포함되는 경우, 에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되더라도 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 가능한다. 그러나 전력변환부들의 총 공급 전력량(PL)이 [수학식 8]과 같은 비정상 범위에 포함되는 경우, 에너지 저장 시스템이 독립 운전 모드로 절환되면 일부 전력변환부, 예컨대 전압 제어를 수행하는 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 정격 전력 범위를 초과하는 현상이 발생한다. 따라서 마스터 전력변환부가 비정상적으로 동작하게 되고, 부하에 대한 정상적인 전력 공급이 불가능해진다.
본 발명에서는 이와 같이 전력변환부들의 총 공급 전력량(PL)이 비정상 범위에 포함되는 상황에서 에너지 저장 시스템이 독립 운전 모드로 절환될 경우, 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 정격 전력 범위에 포함되도록 슬레이브 전력변환부들의 공급 전력량을 조절한다.
이와 같은 슬레이브 전력변환부들의 공급 전력량 조절을 위하여 본 발명에서는 부하의 요구 전력량 및 전력변환부들의 총 공급 전력량을 기초로 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 예측한다. 본 발명에서는 이와 같이 예측된 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 기준 전력량과 비교하고, 이 비교 결과에 기초하여 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절한다.
결국 본 발명에서는 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 기준 전력량, 예컨대 정격 전력량을 초과하는 것으로 예측될 경우 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절함으로써 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 정격 전력량을 초과하지 않도록 제어한다. 이에 따라서 전력변환부들의 총 공급 전력량(PL)이 [수학식 8]과 같은 비정상 범위에 포함되는 경우에도 마스터 전력변환부의 정상적인 동작 및 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 보장된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법은, 부하의 요구 전력량을 획득하는 단계, 마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부의 총 공급 전력량을 획득하는 단계, 상기 총 공급 전력량 및 상기 요구 전력량에 기초하여 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하는 단계, 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 기준 전력량과 비교하는 단계 및 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량 및 상기 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 배터리에 저장된 전력을 변환하여 부하에 공급하는 마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부 및 상기 마스터 전력변환부 및 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 마스터 전력변환부 및 상기 슬레이브 전력변환부 총 공급 전력량 및 부하의 요구 전력량에 기초하여 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하고, 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량 및 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법에 따르면, 에너지 저장 시스템의 운영 과정에서 전력변환부들의 총 공급 전력량이 비정상 범위에 포함되는 경우, 에너지 저장 시스템의 정상적인 독립 운전 수행을 가능하게 함으로써 부하에 대한 정상적이고 안정적인 전력 공급이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W일 때 총 공급 전력량(PT)의 변화에 따라서 계통 연계 운전이 수행되는 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 3은 도 2에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 4는 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W일 때 총 공급 전력량(PT)의 변화에 따라서 계통 연계 운전이 수행되는 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 5는 도 4에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 전력변환부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브 전력변환부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법의 흐름도이다.
도 10은 도 9에 도시된 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 중 단계 910의 일 실시예에 대한 세부 흐름도이다.
도 11은 도 9에 도시된 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 중 단계 910의 다른 실시예에 대한 세부 흐름도이다.
도 12는 도 4에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 본 발명에 따른 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
도 13은 도 5에 도시된 CASE 5의 조건에 따른 독립 운전 절환 이전 및 이후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 및 전력관리장치에 의해 부하에 공급되는 전압의 파형을 각각 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 독립 운전 절환 이전 및 이후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 및 전력관리장치에 의해 부하에 공급되는 전압의 파형을 각각 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(602)은 배터리(604) 및 전력관리장치(PCS, 606)를 포함한다. 또한 전력관리장치(606)는 하나 이상의 전력변환부(PCU, 606a~606n) 및 제어부(608)를 포함한다.
전력관리장치(606)는 배터리(604)에 저장되어 있는 에너지를 이용하여 부하(612)에 전력을 공급하거나, 계통(610)으로부터 공급되는 전력을 이용하여 배터리(604)를 충전한다.
전력관리장치(606)는 배터리(604)로부터 제공되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(612)에 공급하고, 계통(610)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(604)로 공급하는 하나 이상의 전력변환부(606a~606n)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 전력변환부(606a~606n)를 서로 병렬로 연결함으로써 대용량의 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있다.
도 6에 도시된 에너지 저장 시스템(602)은 2가지 모드, 즉 계통 연계 운전 모드 및 독립 운전 모드로 동작할 수 있다. 먼저 계통(610)이 정상적으로 동작하고 계통(610)과의 연결망에 문제가 없는 경우, 에너지 저장 시스템(602)은 계통 연계 운전 모드로 동작한다. 에너지 저장 시스템(602)이 계통 연계 운전 모드로 동작할 때, 스위치(614)는 닫힌 상태로 유지되며 에너지 저장 시스템(602)은 계통(610)과 함께 부하(612)에 전력을 공급하거나 계통(610)으로터 공급되는 전력을 저장한다.
그러나 계통(610) 또는 계통(610)과의 연결망에 이상이 발생하면 에너지 저장 시스템(602)은 독립 운전 모드 또는 자립 운전 모드로 동작한다. 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 스위치(614)는 열린 상태로 유지되며 에너지 저장 시스템(602)은 계통(610)의 도움없이 단독으로 부하(612)에 전력을 공급한다.
제어부(608)는 에너지 저장 시스템(602)에 포함된 전력변환부(606a~606n)의 총 공급 전력량을 기초로 각각의 전력변환부(606a~606n)의 목표 공급 전력량을 결정한다. 예컨대 에너지 저장 시스템(602)이 계통 연계 운전 모드로 동작할 때, 제어부(608)는 [수학식 1]과 같이 각각의 전력변환부(606a~606n)가 부담해야 할 목표 공급 전력량을 산출하고, 산출된 각각의 목표 공급 전력량을 각각의 전력변환부(606a~606n)에 전달할 수 있다. 실시예에 따라서 제어부(608)는 각각의 전력변환부(606a~606n)의 실제 공급 전력량이 결정된 목표 공급 전력량을 추종하도록 각각의 전력변환부(606a~606n)의 공급 전력량을 조절할 수 있다.
특히 본 발명의 일 실시예에서 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 제어부(608)는 마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부 총 공급 전력량 및 부하(612)의 요구 전력량에 기초하여 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출할 수 있다. 제어부(608)는 산출된 마스터 전력변환부의 공급 전력량 및 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절할 수 있다. 이 때 기준 전력량은 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위 내로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(608)는 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 기준 전력량을 초과하면 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절할 수 있다. 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절에 따라 변경된 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하고, 산출된 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 기준 전력량에 도달하는지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 기준 전력량에 도달하면, 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절을 중단하고, 그렇지 않으면 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 다시 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제어부(608)는 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 기준 전력량을 초과하면 마스터 전력변환부의 목표 공급 전력량을 설정할 수 있다. 제어부(608)는 설정된 목표 공급 전력량에 기초하여 목표 총 전력량을 산출하고, 목표 총 전력량에 기초하여 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량을 산출할 수 있다. 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량이 산출된 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량에 도달하도록 제어할 수 있다.
참고로 도 6에는 제어부(608)가 전력변환부(606a~606n)와는 별개의 모듈로서 도시되어 있다. 그러나 실시예에 따라서 제어부(608)는 전력변환부(606a~606n) 중 어느 하나의 전력변환부, 예컨대 마스터 전력변환부의 일부 모듈로서 구현될 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 전력변환부(606a~606n) 중 어느 하나의 전력변환부(예컨대, 606a)는 마스터 전력변환부로서 전압 제어를 수행하고, 나머지 전력변환부(예컨대, 606b~606n) 슬레이브 전력변환부로서 전류 제어를 수행할 수 있다. 이하에서는 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 전력변환부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 마스터 전력변환부는 부하(612)가 요구하는 전력량에 관계없이 일정한 주파수와 크기를 갖는 전압이 부하(612)로 출력되도록 전압 제어를 수행한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터 전력변환부는 전압 제어기(702) 및 제1 전력변환모듈(704)을 포함한다.
전압 제어기(702)는 부하(612)에 일정한 주파수 및 크기를 갖는 전압이 공급될 수 있도록 제1 전력변환모듈(704)에서 출력되는 출력전압을 제어한다. 이를 위해 전압 제어기(702)에 포함되는 전압 지령치 산출부(706)는 먼저 제어부(608)로부터 목표 공급 전력량(PE1*, QE1*)을 수신할 수 있다. 여기서 PE1*은 유효 전력을, QE1*은 무효 전력을 각각 의미한다.
전압 지령치 산출부(706)는 수신된 목표 공급 전력량(PE1*, QE1*)을 참조하여 전압 지령치(Vref)를 산출한다. 전압 지령치 산출부(706)로부터 전압 지령치(Vref)를 수신하는 PI 제어기(708)는 제1 전력변환모듈(704)로부터 출력되는 출력전압(Vf)을 수신하고, 출력전압(Tf)이 전압 지령치(Vref)를 추종하도록 하는 게이팅 기준전압(Vgref)을 산출한다.
PI 제어기(708)에 의해 출력된 게이팅 기준전압(Vgref)은 PWM 제어부(710)로 인가된다. PWM 제어부(710)는 게이팅 기준전압(Vgref)을 PWM 신호로 변조하여 제1 전력변환모듈(704)의 인버터(712)로 공급한다.
제1 전력변환모듈(704)은 배터리(604)로부터 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환하여 부하(612)로 공급하거나, 계통(610)으로부터 공급되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 배터리(604)로 공급한다. 이를 위해, 제1 전력변환모듈(704)은 도 7에 도시된 바와 같이 인버터(712) 및 필터(714)를 포함할 수 있다.
인버터(712)는 배터리(604)로부터 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 특히, 본 발명에 따른 인버터(712)는 전압 제어기(702)로부터 입력되는 게이팅 기준전압(Vgref)에 따라 동작함으로써 일정한 전압을 출력한다.
필터(714)는 인버터(712)로부터 출력되는 교류전압의 고조파를 감소시킨다. 도 7에서는 LCL 필터(714)가 도시되어 있으나 실시예에 따라서 다른 종류의 필터가 사용될 수도 있다.
또한 도 7에는 도시되지 않았으나 제1 전력변환모듈(704)은 이상 발생 시 이상 전류가 제1 전력변환모듈(704)로 유입되는 것을 차단하기 위한 차단기, 배터리(604)로부터 인버터(712)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(712)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하기 위한 콘덴서, 배터리(604)를 전력관리장치(606)에 연결할 때 콘덴서가 충전되어 있지 않은 경우 돌입 전류 발생을 방지하기 위한 초기 충전 모듈을 더 포함할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브 전력변환부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때, 슬레이브 전력변환부는 부하(612)가 요구하는 전력량에 따른 전류가 부하(612)로 출력되도록 전류 제어를 수행한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬레이브 전력변환부는 전류 제어기(802) 및 제2 전력변환모듈(804)을 포함한다.
전류 제어기(802)는 슬레이브 전력변환부가 분담하는 공급 전력량에 따른 전류가 부하(612)에 공급될 수 있도록 제2 전력변환모듈(804)에서 출력되는 출력전류를 제어한다. 이를 위해 전류 제어기(802)에 포함되는 전류 지령치 산출부(806)는 먼저 제어부(608)로부터 목표 공급 전력량(예컨대, PE2*, QE2*)을 수신할 수 있다. 여기서 PE2*은 유효 전력을, QE2*은 무효 전력을 각각 의미한다. 또한 도 8에 예시된 PE2*, QE2*는 각각 전력변환부(602b)에 대한 공급 전력량을 의미한다.
전류 지령치 산출부(806)는 수신된 목표 공급 전력량(PE1*, QE1*)을 참조하여 전류 지령치(Iref)를 산출한다. 전류 지령치 산출부(806)로부터 전류 지령치(Iref)를 수신하는 PI 제어기(808)는 제2 전력변환모듈(804)로부터 출력되는 출력전류(If)를 수신하고, 출력전류(If)가 전류 지령치(Iref)를 추종하도록 하는 게이팅 기준전압(Vgref)을 산출한다.
PI 제어기(808)에 의해 출력된 게이팅 기준전압(Vgref)은 PWM 제어부(810)로 인가된다. PWM 제어부(810)는 게이팅 기준전압(Vgref)을 PWM 신호로 변조하여 제2 전력변환모듈(804)의 인버터(812)로 공급한다.
한편, 제2 전력변환모듈(804)의 구성 및 기능은 앞서 도 7을 통해 설명된 제1 전력변환모듈(704)의 구성 및 기능과 동일하므로 여기서는 자세한 설명이 생략된다.
이하에서는 전력관리장치(606)에 5개의 전력변환부(606a, 606b, 606c, 606d, 606e)가 포함된 실시예를 통해 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(602)의 운전 제어 방법에 대하여 설명한다. 이하의 실시예에서 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때 전력변환부(606a, 606b, 606c, 606d, 606e)는 각각 마스터 전력변환부(606a) 및 슬레이브 전력변환부(606b, 606c, 606d, 606e)로 동작한다고 가정한다.
참고로 전력변환부(606a~606n)의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다. 또한 이하에서 설명되는 본 발명의 에너지 저장 시스템 및 운전 제어 방법은 전력변환부(606a~606n)의 개수가 달라지더라도 동일하게 적용될 수 있음에 유의해야 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법의 흐름도이다.
에너지 저장 시스템(602)이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되면, 제어부(608)는 부하(612)의 요구 전력량(PL)을 획득한다(902). 부하(612)의 요구 전력량(PL)은 계통 연계 운전 모드 시에 에너지 저장 시스템(602)에 미리 저장될 수 있다. 실시예에 따라서 제어부(608)는 계통(610) 또는 부하(612)로부터 부하(612)의 요구 전력량(PL)을 수신하거나 부하(612)의 요구 전력량(PL)을 직접 측정 또는 산출할 수도 있다. 도 5의 CASE 5를 예로 들면, 제어부(608)는 부하(612)의 요구 전력량(PL)을 5000W으로 인식할 수 있다.
다음으로, 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a) 및 슬레이브 전력변환부(606b, 606c, 606d, 606e)의 총 공급 전력량(PT)을 획득한다(904). 총 공급 전력량(PT)은 계통 연계 운전 모드 시에 에너지 저장 시스템(602)에 미리 저장될 수 있다. 실시예에 따라서 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a) 및 슬레이브 전력변환부(606b, 606c, 606d, 606e)로부터 각각의 현재 공급 전력량을 수신하여 총 공급 전력량(PT)을 산출할 수도 있다. 도 5의 CASE 5를 예로 들면, 제어부(608)는 총 공급 전력량(PT)을 17500W으로 인식할 수 있다.
다음으로, 제어부(608)는 획득된 총 공급 전력량(PT) 및 부하(612)의 요구 전력량(PL)에 기초하여 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 산출한다(906). 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(608)는 앞서 설명된 [수학식 4]를 이용하여 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 산출할 수 있다. 도 5의 CASE 5를 예로 들면, 제어부(608)는 [수학식 4]에 따라서 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 -9000W로 산출할 수 있다.
다음으로, 제어부(608)는 단계(906)에서 산출된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 기준 전력량과 비교한다(908). 본 발명의 일 실시예에서 기준 전력량은 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력량을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력량이 ±5000W라면, 기준 전력량은 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력 범위인 -5000W에서 5000W 사이의 값으로 결정될 수 있다. 예를 들어 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력량이 ±5000W일 때 기준 전력량은 각각 -4000W 및 4000W로 설정될 수 있다. 실시예에 따라서 기준 전력량은 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력 범위와 동일하게 설정될 수도 있다.
다음으로, 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1) 및 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절한다(910). 비교 결과 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량을 초과한 경우 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절하며, 이에 따라서 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)도 변경된다. 제어부(608)는 변경된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량을 벗어나지 않을 때까지 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절함으로써 마스터 전력변환부(606a)가 정상적으로 동작하도록 제어한다.
도 10은 도 9에 도시된 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 중 단계 910의 일 실시예에 대한 세부 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 단계(908)의 비교 결과 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량(예컨대, 5000W)를 초과하지 않았으면(1002), 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5) 조절 없이 단계가 종료된다.
그러나 단계(908)의 비교 결과 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량(예컨대, -5000W)를 초과한 경우(1002), 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절한다(1004). 예를 들어 도 5의 CASE 5와 같이 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 -9000W로서 기준 전력량인 -5000W를 초과한 경우, 제어부(608)는 미리 설정된 크기(예컨대, 100W 또는 20W)만큼 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)이 조절되면, 앞서 도 9의 단계(906)에 따라 산출되는 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)도 달라진다. 따라서 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5) 조절에 따라 변경된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 다시 산출한다(1006).
제어부(608)는 단계(1006)를 통해 산출된 변경된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량에 도달했는지 여부를 판단한다(1008). 판단(1008) 결과 변경된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량에 도달한 경우 더 이상 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절할 필요가 없으므로 단계는 종료된다.
그러나 변경된 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량에 도달하지 않았다면 제어부(608)는 단계(1004)~단계(1008)을 반복적으로 수행한다.
도 11은 도 9에 도시된 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법 중 단계 910의 다른 실시예에 대한 세부 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 단계(908)의 비교 결과 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량(예컨대, 5000W)를 초과하지 않았으면(1102), 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5) 조절 없이 단계가 종료된다.
그러나 단계(908)의 비교 결과 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량(예컨대, -5000W)를 초과한 경우(1102), 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a)의 목표 공급 전력량(PE1*)을 설정한다(1104). 예를 들어 도 5의 CASE 5와 같이 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 -9000W로서 기준 전력량인 -5000W를 초과한 경우, 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a)의 목표 공급 전력량(PE1*)을 정격 전력량인 -5000W로 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 목표 공급 전력량(PE1*)은 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력 범위 내로 설정될 수 있다. 또한 목표 공급 전력량(PE1*)은 기준 전력량과 동일하게 설정될 수도 있다.
다음으로, 제어부(608)는 설정된 목표 공급 전력량(PE1*)에 기초하여 목표 총 공급 전력량(PT*)을 산출한다(1106). 본 발명의 일 실시예에서 제어부(608)는 앞서 설명된 [수학식 4]에 나타난 관계를 이용하여 새로운 공급 전력량(PE1*)에 대응되는 새로운 총 공급 전력량(PT*)을 산출할 수 있다. 예를 들어 부하의 요구 전력량(PL)이 5000W이고 목표 공급 전력량(PE1*)이 -5000W로 설정되었다면 [수학식 4]에 따라서 목표 총 공급 전력량(PT*)은 12500W로 산출될 수 있다.
다음으로, 제어부(608)는 산출된 목표 총 공급 전력량(PT*)에 기초하여 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)을 산출한다(1108). 본 발명의 일 실시예에서 제어부(608)는 앞서 설명된 [수학식 2]에 따라서 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)을 산출할 수 있다. 예를 들어 목표 총 공급 전력량(PT*)이 12500W일 경우, [수학식 2]에 따라서 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)은 2500W로 산출될 수 있다.
다음으로, 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 실제 공급 전력량(PE2~PE5)이 앞서 산출된 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)에 도달하도록 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)을 조절한다(1110). 예를 들어 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 현재 공급 전력량과 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)을 비교하여 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)이 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)을 추종하도록 비례 적분(PI) 제어를 수행할 수 있다.
결국 도 11에 도시된 실시예에 따라서 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)이 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*)에 도달할 경우, 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)은 목표 공급 전력량(PE1*)으로 변경되므로 마스터 전력변환부(606a)의 정상적인 동작이 가능해진다.
도 12는 도 4에 따른 계통 연계 운전 수행 도중 계통의 이상 발생으로 인해 본 발명에 따른 독립 운전으로 절환될 경우 각 전력변환부의 공급 전력량을 나타낸다.
만약 도 4와 같은 6가지의 상황(CASE 1~6)에 따라서 에너지 저장 시스템(602)이 운영된다고 가정할 때, 앞서 도 9 내지 도 11을 통해 설명된 본 발명의 운전 제어 방법이 적용되면 6가지의 상황(CASE 1~6) 모두에 대하여 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5)은 도 12와 같이 1000W로 조절될 수 있다. 이와 같은 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5) 조절에 따라서 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1) 또한 1000W로 변경된다.
이와 같은 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)은 앞서 설명된 마스터 전력변환부(606a)의 정격 전력 범위([수학식 5] 참조)에 포함된다. 따라서 독립 운전 모드로 절환된 마스터 전력변환부(606a)는 부하에 안정적인 출력 전압을 공급하게 되고, 이에 따라서 슬레이브 전력변환부(606b~606e)도 부하에 안정적인 출력 전류를 공급할 수 있다.
결국 본 발명에 따르면 [수학식 8]과 같이 총 공급 전력량(PT)이 비정상 범위에 포함되더라도 슬레이브 전력변환부(606b~606e)의 공급 전력량(PE2~PE5) 조절을 통해 마스터 전력변환부(606a)를 정격 전력 범위 내에서 동작하도록 제어할 수 있다. 따라서 총 공급 전력량(PT)의 정상 범위 포함 여부와는 관계없이 독립 운전 모드에서 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 가능해진다.
도 13은 도 5에 도시된 CASE 5의 조건에 따른 독립 운전 절환 이전 및 이후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 및 전력관리장치에 의해 부하에 공급되는 전압의 파형을 각각 나타내는 그래프이다.
도 13에는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법이 적용되지 않은 상태에서 도 5에 도시된 CASE 5의 에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 전후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량(1302) 및 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1304)의 파형이 각각 도시되어 있다.
또한 도 13에는 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 보장될 수 있는 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1304)의 상한 범위(1306) 및 하한 범위(1308)가 도시되어 있다. 다시 말해서 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1304)이 상한 범위(1306) 및 하한 범위(1308)에 의해 형성되는 영역 내에 포함되는 것은 부하에 대한 전력 공급이 안정적으로 이루어지는 것을 의미한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따르면 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 전후로 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량(1302)에는 변화가 없다. 이는 종래의 에너지 저장 시스템에서 독립 운전 모드로 절환 시 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량에 대한 조절이 수행되지 않음을 의미한다.
한편, 앞서 도 5에 도시된 CASE 5를 통해 설명된 바와 같이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 이후 마스터 전력변환부의 공급 전력량은 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위를 벗어나게 된다. 이는 마스터 전력변환부의 비정상적인 동작을 초래하는데, 도 13에 따르면 마스터 전력변환부의 비정상적인 동작에 따라서 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1304)이 상한 범위(1306)를 벗어나게 된다.
결국 종래 기술에 따르면 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 이후로 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1304)이 상한 범위(1306)를 벗어나게 되어 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 불가능해진다.
도 14는 본 발명에 따른 독립 운전 절환 이전 및 이후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 및 전력관리장치에 의해 부하에 공급되는 전압의 파형을 각각 나타내는 그래프이다.
도 14에는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법이 적용된 상태에서 도 5에 도시된 CASE 5의 에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 전후의 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량(1402) 및 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1404)의 파형이 각각 도시되어 있다. 또한 도 14에는 에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환되는 시점(T1) 전후의 마스터 전력변환부의 공급 전력량(1410)이 도시되어 있다.
또한 도 14에는 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 보장될 수 있는 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1404)의 상한 범위(1406) 및 하한 범위(1408)가 도시되어 있다. 다시 말해서 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1404)이 상한 범위(1406) 및 하한 범위(1408)에 의해 형성되는 영역 내에 포함되는 것은 부하에 대한 전력 공급이 안정적으로 이루어지는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이 본 발명에서는 시점(T1)에서 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량에 대한 조절이 이루어진다. 이에 따라 도 14에서는 시점(T1)을 전후로 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량(1402)의 크기가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절에 따라서 마스터 전력변환부의 공급 전력량도 변경된다. 이에 따라 도 14에서는 시점(T1)을 전후로 마스터 전력변환부의 공급 전력량(1410)의 크기도 달라지는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 15에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(602)의 구성은 앞서 도 6의 실시예를 통해 설명된 에너지 저장 시스템(602)의 구성과 유사하다. 다만 도 15에 도시된 전력관리장치(606)는 도 6의 전력관리장치(606)와 상이한 구성을 갖는다. 참고로 도 15에는 전력관리장치(606)가 5개의 전력변환부(606a~606e)만을 포함하는 실시예가 도시되어 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때 전력변환부(606a~606e) 중 어느 하나의 전력변환부는 마스터 전력변환부로, 다른 전력변환부는 슬레이브 전력변환부로 동작한다. 예를 들어 도 15의 실시예에서 에너지 저장 시스템(602)이 독립 운전 모드로 동작할 때 전력변환부(606a)는 마스터 전력변환부로 동작하고, 다른 전력변환부들(606b~606e)은 슬레이브 전력변환부로 동작한다.
도 15의 실시예에서, 제어부(608)는 마스터 전력변환부(606a)에 포함된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제어부(608)는 도 6에 도시된 바와 같이 전력변환부(606a~606n)와는 별개의 모듈로서 존재할 수도 있고, 도 15에 도시된 바와 같이 임의의 전력변환부에 포함되는 모듈로서 존재할 수도 있다.
마스터 전력변환부(606a)에 포함되는 제어부(608)는 앞서 설명된 바와 같이 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)이 기준 전력량을 초과할 경우 마스터 전력변환부(606a)의 공급 전력량(PE1)을 조절하기 위하여 슬레이브 전력변환부들(606b~606e)의 공급 전력량을 조절할 수 있다. 이를 위해서 제어부(608)는 슬레이브 전력변환부들(606b~606e)의 공급 전력량을 감소 또는 증가시키는 제어를 수행할 수도 있고, 슬레이브 전력변환부들(606b~606e)의 공급 전력량이 산출된 목표 공급 전력량(PE2*~PE5*, QE2*~QE5*)을 추종하도록 슬레이브 전력변환부들(606b~606e)의 공급 전력량을 조절하는 제어를 수행할 수도 있다.
본 발명에 따르면 이와 같은 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 및 마스터 전력변환부의 공급 전력량 변경에 따라서 시점(T1) 이후에도 마스터 전력변환부의 정상적인 동작이 보장된다. 즉 도 14에 도시된 바와 같이, 시점(T1) 이후 마스터 전력변환부에 의해 부하에 공급되는 전압(1404)은 상한 범위(1406) 및 하한 범위(1408)에 의해 형성되는 영역 내에 포함된다. 결국 본 발명에 따르면 시점(T1) 이후에도 부하에 대한 안정적인 전력 공급이 가능하다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환될 때, 부하의 요구 전력량을 획득하는 단계;
    마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부의 총 공급 전력량을 획득하는 단계;
    상기 총 공급 전력량 및 상기 요구 전력량에 기초하여 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하는 단계;
    상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 기준 전력량과 비교하는 단계; 및
    상기 총 공급 전력량이 비정상 범위에 포함되더라도 상기 마스터 전력변환부가 상기 독립 운전 모드에서 정상적으로 동작하도록 하기 위하여, 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량 및 상기 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하여 상기 마스터 전력 변환부의 공급 전력량을 상기 기준 전력량 이내로 조절하는 단계를 포함하는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전력량은
    상기 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위 내로 설정되는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 단계는
    상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량을 초과하면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 단계;
    상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절에 따라 변경된 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량에 도달하면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절을 중단하고, 그렇지 않으면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 다시 조절하는 단계를 포함하는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 단계는
    상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량을 초과하면 상기 마스터 전력변환부의 목표 공급 전력량을 설정하는 단계;
    상기 목표 공급 전력량에 기초하여 목표 총 공급 전력량을 산출하는 단계;
    상기 목표 총 공급 전력량에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량을 산출하는 단계; 및
    상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량이 상기 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량에 도달하도록 제어하는 단계를 포함하는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마스터 전력변환부의 목표 공급 전력량은
    상기 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위 내로 설정되는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 전력변환부는 전압 제어 모드로 동작하고,
    상기 슬레이브 전력변환부는 전류 제어 모드로 동작하는
    에너지 저장 시스템의 운전 제어 방법.
  7. 배터리에 저장된 전력을 변환하여 부하에 공급하는 마스터 전력변환부 및 슬레이브 전력변환부; 및
    상기 마스터 전력변환부 및 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    에너지 저장 시스템이 계통 연계 운전 모드에서 독립 운전 모드로 절환될 때, 상기 마스터 전력변환부 및 상기 슬레이브 전력변환부 총 공급 전력량 및 부하의 요구 전력량에 기초하여 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하고, 상기 총 공급 전력량이 비정상 범위에 포함되더라도 상기 마스터 전력변환부가 상기 독립 운전 모드에서 정상적으로 동작하도록 하기 위하여, 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량 및 기준 전력량의 비교 결과에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하여 상기 마스터 전력 변환부의 공급 전력량을 상기 기준 전력량 이내로 조절하는
    에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 전력량은
    상기 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위 내로 설정되는
    에너지 저장 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량을 초과하면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 조절하고, 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절에 따라 변경된 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량을 산출하며, 산출된 상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량에 도달하면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량 조절을 중단하고, 그렇지 않으면 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량을 다시 조절하는
    에너지 저장 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 마스터 전력변환부의 공급 전력량이 상기 기준 전력량을 초과하면 상기 마스터 전력변환부의 목표 공급 전력량을 설정하고, 상기 목표 공급 전력량에 기초하여 목표 총 전력량을 산출하고, 상기 목표 총 전력량에 기초하여 상기 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량을 산출하며, 상기 슬레이브 전력변환부의 공급 전력량이 상기 슬레이브 전력변환부의 목표 공급 전력량에 도달하도록 제어하는
    에너지 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마스터 전력변환부의 목표 공급 전력량은
    상기 마스터 전력변환부의 정격 전력 범위 내로 설정되는
    에너지 저장 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 마스터 전력변환부는 전압 제어 모드로 동작하고,
    상기 슬레이브 전력변환부는 전류 제어 모드로 동작하는
    에너지 저장 시스템.
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