KR101980687B1 - 에너지 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 에너지 관리 시스템은 총 전력 지령을 출력하는 상위 제어부를 포함한다. 배터리를 포함하고, 상기 총 전력 지령에 기초하여 배터리로부터 계통으로 전력을 출력시키거나 계통으로부터 전력을 배터리로 충전하는 복수의 ESS를 포함한다. 각 배터리의 충전율 및 상기 총 전력 지령에 기초하여 복수의 ESS 중에서 설정 대상 ESS을 식별하고, 식별된 설정 대상 ESS에 포함되는 각 배터리의 충전율에 기초하여 설정 대상 ESS 사이의 전력 출력 순서 또는 전력 충전 순서를 결정하고, 결정된 순서, 총 전력 지령 및 각 배터리 충전율에 기초하여 각 설정 대상 ESS에 대한 ESS 전력 지령을 생성하고, 생성된 ESS 전력 지령을 각 설정 대상 ESS로 출력하는 제어 장치를 포함한다.

Description

에너지 관리 시스템{Energy Management System}
본 발명은 에너지 관리 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에너지 관리 시스템 내의 각 에너지 저장 시스템의 상태를 반영할 수 있는 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대하고 주간과 야간의 부하 격차 및 계절간, 휴일간의 전력 사용량의 격차가 점차 증가하여 부하율의 하락이 날로 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위해 다양한 부하 관리 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 전지 전력 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
전지 전력 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급한다.
이를 통해 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 전지 전력 저장 시스템이 이용될 수 있다.
배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)은 계통 안정화를 위한 Load leveling, Peak Shaving, Frequency Regulation, 비상 발전기 등의 용도로 사용이 가능하다.
Load Leveling, Peak Shaving, Frequency Regulation은 계통 연계형(grid connected)으로 동작하는 것을 의미하고, 비상 발전기는 주 계통(main grid)이 존재하지 않는 micro-grid나 정전(black out) 시 비상 전원(emergency source)으로 사용되는 것을 뜻한다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템은 전기, 화학 반응을 갖는 배터리(battery)와 인버터(Inverter), 변압기(Transformer)로 구성이 되는데, 대용량(high power) 시스템을 구성하는 경우에는 다수 대의 배터리 에너지 저장 시스템이 병렬(parallel)로 연결되는 경우가 발생한다.
이때, 배터리 에너지 저장 시스템을 제어하는 제어 장치는 상위 제어부로부터의 출력 지령을 각 배터리 에너지 저장 시스템의 개수로 나누어 동일한 값의 에너지 저장 시스템 출력 지령을 각 에너지 저장 시스템으로 전송한다.
이때, 제어 장치는 각 에너지 저장 시스템 내의 배터리의 충전율(SOC, State of Charge)에 기초하여 각 출력 지령을 생성할 수 있다.
각 배터리의 충전율은 허용 가능한 범위 이내에 존재해야 하며, 허용 가능한 범위를 벗어나는 충전율을 가지는 배터리가 존재할 경우, 제어 장치는 해당 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템의 출력 지령에 따른 전력 출력 동작을 정지시킬 수 있다.
이때, 복수의 에너지 저장 시스템 내의 배터리 중 하나의 배터리가 동작 정지되면, 해당 배터리가 포함된 에너지 저장 시스템을 제외한 나머지 에너지 저장 시스템으로부터 출력되는 총 전력의 합은 제어 장치로부터 전송된 각 출력 지령의 합 보다 작게 되는 문제가 있다.
이는, 제어 장치가 각 출력 지령을 생성함에 있어서, 개별 배터리의 SOC를 고려하지 않고, 개별 배터리의 SOC의 합의 평균값을 기초로 하여 출력 지령을 생성하기 때문이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 배터리에 저장된 충전율을 고려하여 각 배터리에 저장된 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 에너지 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 관리 시스템은 총 전력 지령을 출력하는 상위 제어부; 배터리를 포함하고, 상기 총 전력 지령에 기초하여 상기 배터리로부터 계통으로 전력을 출력시키거나 상기 계통으로부터 전력을 상기 배터리로 충전하는 복수의 ESS; 및 상기 각 배터리의 충전율 및 상기 총 전력 지령에 기초하여 상기 복수의 ESS 중에서 설정 대상 ESS을 식별하고, 상기 식별된 설정 대상 ESS에 포함되는 각 배터리의 충전율에 기초하여 상기 설정 대상 ESS 사이의 전력 출력 순서 또는 전력 충전 순서를 결정하고, 상기 결정된 순서, 상기 총 전력 지령 및 상기 각 배터리 충전율에 기초하여 상기 각 설정 대상 ESS에 대한 ESS 전력 지령을 생성하고, 상기 생성된 ESS 전력 지령을 상기 각 설정 대상 ESS로 출력하는 제어 장치를 포함한다.
상기 제어 장치는 상기 총 전력 지령을 판단하고 상기 판단 결과에 대응하여 기 설정된 최대 충전율 이하와 기 설정된 최소 충전율 이상의 충전율을 가지는 배터리가 포함된 ESS를 설정 대상 ESS로 식별할 수 있다.
상기 판단 결과 상기 총 전력 지령이 양의 값인 경우, 상기 제어 장치는 상기 최대 충전율 이하의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 출력 순서를 결정할 수 있다.
상기 판단 결과 상기 총 전력 지령이 음의 값인 경우, 상기 제어 장치는 상기 최소 충전율 이상의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 입력 순서를 결정할 수 있다.
상기 설정 대상 ESS의 할당 전력 크기가, 상기 설정 대상 ESS의 허용 전력 크기 미만이면, 상기 ESS 전력 지령은 상기 할당 전력 크기를 포함할 수 있다.
상기 할당 전력 크기가, 상기 허용 전력 크기 이상이면, 상기 ESS 전력 지령은 상기 허용 전력 크기를 포함할 수 있다.
상기 할당 전력 크기는 복수개 인자에 의해 결정될 수 있고, 상기 복수개 인자는 상기 설정 대상 ESS에 포함되는 배터리의 충전율과, 상기 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값과, 상기 총 전력 지령과, 상기 설정 대상 ESS의 개수를 포함할 수 있다.
상기 할당 전력 크기는 식 1에 의해 결정될 수 있다.
[식 1]
할당 전력크기 = SOC/SOCav)X(P/N)
여기서, 상기 SOC는 상기 설정 대상 ESS에 포함된 배터리의 충전율이고,상기 SOCav는 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값이며, 상기 P는 상기 총 전력 지령이며, 상기 설정 대상 ESS의 개수이다.
상기 제어 장치는 상기 설정 대상 ESS의 출력부에 대한 상태 정보를 획득하고, 상기 출력부 상태 정보에 기초하여 상기 설정 대상 ESS의 허용 전력을 결정할 수 있다.
상기 허용 전력은 상기 ESS별로 기설정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 각 배터리 에너지 저장 시스템에 포함되는 배터리의 SOC를 파악하여 운전 조건에 적합한 전력의 출력 지령을 생성하여, 각 배터리가 포함된 에너지 저장 시스템의 전력 출력을 효율적으로 수행하는 데에 그 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 ESS, 제어 장치, 상위 제어부, 계통 변압기 및 계통이 도시된 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 제어 장치가 나타난 블록도,
도 3는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 각 ESS(에너지 저장 시스템) 시스템이 계통으로 전력을 공급하는 경우에 출력 전력을 각 ESS에 할당하는 방법을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시 예에 따른 각 ESS(에너지 저장 시스템) 시스템이 계통으로부터 전력을 흡수하는 경우에 입력 전력을 각 ESS에 할당하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀 두고자 한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
즉, 이하의 설명에 있어서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 ESS, 제어 장치, 상위 제어부, 계통 변압기 및 계통이 도시된 블록 구성도 이다.
상위 제어부(100)는 총 전력 지령(P)을 출력할 수 있다. 상위 제어부(100)는 총 전력 지령(P)을 생성하여 제어 장치(200)로 전송할 수 있다.
도 1에는 3개의 ESS가 도시되어 있으나, ESS의 개수는 N개일 수 도 있으며, 이에 한정할 필요는 없다. 복수개의 ESS는 배터리를 포함하고, 총 전력 지령에 기초하여 배터리로부터 계통(500)으로 전력을 출력시키거나 계통(500)으로부터 전력을 배터리로 충전할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 ESS(310, 320, 330)의 상위 제어기로서 동작할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 ESS(310, 320, 330)의 외부에 위치할 수 도 있고, 각 ESS(310, 320, 330) 내부에 위치될 수도 있다.
제어 장치(200)가 각 ESS의 외부에 위치하는 경우, 각 ESS(310, 320, 330) 내부에는 각 ESS(310, 320, 330)를 운전하기 위한 제어기(미도시)가 별도로 설치될 수 있다.
제어 장치(200)가 ESS(310, 320, 330) 내부에 위치하는 경우, 하나의 모듈화된 ESS의 제어기(미도시)가 마스터(Master) 제어기로 동작하고, 나머지 ESS의 제어기는 슬래이브(Slave) 제어기로 동작하는 Master-Slave 형태의 구조를 가질 수 있다.
제어 장치(200)는 각각의 모듈화된 ESS(310, 320, 330)의 상태를 파악(monitoring)하고, 각각의 모듈화된 ESS(310, 320, 330)의 충전(또는 입력) 전력 또는 방전(또는 출력) 전력(output power)(P1, P2, P3)을 생성할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하였으므로, 이하 생략한다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령(P)을 상위 제어부(100)로부터 수신하고, 수신된 총 전력 지령(P)에 기초하여 각 ESS(에너지 저장 시스템)(310, 320, 330)로 전송될 ESS 전력 지령(P1, P2, P3)을 생성하여 각 ESS(310, 320, 330)로 전송할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 배터리의 충전율 및 총 전력 지령에 기초하여 상기 복수의 ESS 중에서 설정 대상 ESS을 식별할 수 있고, 식별된 설정 대상 ESS에 포함되는 각 배터리의 충전율에 기초하여 설정 대상 ESS 사이의 전력 출력 순서 또는 전력 충전 순서를 결정할 수 있으며, 결정된 순서, 총 전력 지령 및 각 배터리 충전율에 기초하여 각 설정 대상 ESS에 대한 ESS 전력 지령을 생성할 수 있고, 생성된 ESS 전력 지령을 각 설정 대상 ESS로 출력할 수 있으며, 이에 대한 상세 동작은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같다.
제어 장치(200)는 설정 대상 ESS의 식별할 때, 총 전력 지령을 판단하고 판단 결과에 대응하여 기 설정된 최대 충전율 이하와 기 설정된 최소 충전율 이상의 충전율을 가지는 배터리가 포함된 ESS를 설정 대상 ESS로 식별할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령이 양의 값인 경우와 총 전력 지령이 음의 값인 경우 상이하게 복수개의 ESS를 상이하게 제어할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령이 양의 값인 경우 복수개의 ESS의 전력을 위부로 출력(방전)할 수 있고, 총 전력 지령이 음의 값인 경우 복수개의 ESS로 전력을 입력(충전)할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령이 양의 값인 경우의 전력 출력 순서와, 총 전력 지령이 음의 값인 경우의 전력 입력 순서를 상이하게 제어할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령의 판단결과, 총 전력 지령이 양의 값인 경우, 최대 충전율 이하의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 출력 순서를 결정할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령의 판단결과, 총 전력 지령이 음의 값인 경우, 최소 충전율 이상의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 입력 순서를 결정할 수 있다.
제어 장치(200)는 설정 대상 ESS별로, 할당 전력 크기를 할당할 수 있다.여기서, 할당 전력 크기는 ESS에서 출력되기 위해 할당된 전력 크기이거나 ESS로 입력되는 것으로 할당된 전력 크기일 수 있다.
할당 전력 크기는 복수개 인자에 의해 결정될 수 있다. 복수개 인자는 설정 대상 ESS에 포함되는 배터리의 충전율과, 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값과, 총 전력 지령과, 설정 대상 ESS의 개수를 포함할 수 있다.
할당 전력 크기는 식 1에 의해 결정될 수 있다.
[식 1]
할당 전력크기 = SOC/SOCav)X(P/N)
여기서, SOC는 설정 대상 ESS에 포함된 배터리의 충전율이고, SOCav는 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값이며, P는 상기 총 전력 지령이며, N은 설정 대상 ESS의 개수이다.
한편, 복수개의 ESS는 각 ESS별로 허용 전력 크기(Pmax)가 상이할 수 있다. 여기서, 허용 전력 크기(Pmax)는 각 ESS별로 허용 가능한 전력 크기일 수 있다.
허용 전력 크기(Pmax)는 ESS의 출력부에 대한 상태 정보로부터 결정되는 것이 가능하고, 이 경우, 제어 장치(200)는 설정 대상 ESS의 출력부에 대한 상태 정보를 획득하고, 출력부 상태 정보에 기초하여 설정 대상 ESS의 허용 전력을 결정할 수 있다.
한편, 허용 전력 크기(Pmax)는 각 ESS별로 기설정되는 것도 가능함은 물론이다.
설정 대상 ESS의 할당 전력 크기가, 설정 대상 ESS의 허용 전력 크기 미만이면, ESS 전력 지령은 할당 전력 크기를 포함할 수 있고, 제어 장치(200)는 할당 전력 크기를 포함하는 ESS 전력 지령을 설정 대상 ESS로 출력할 수 있다.
반면에, 할당 전력 크기가, 허용 전력 크기(Pmax) 이상이면, ESS 전력 지령은 허용 전력 크기를 포함할 수 있고, 제어 장치(200)는 허용 전력 크기를 포함하는 ESS 전력 지령을 설정 대상 ESS로 출력할 수 있다.
제어 장치(200)는 총 전력 지령(P)을 상기에서 설명한 바와 같은 기 설정된 방법을 통해 각 ESS 전력 지령(P1, P2, P3)을 생성하는 전력 지령 분배기(201)를 포함할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 BMS(312, 322, 332)로부터 각 배터리(311, 321, 331)의 SOC 정보 및 각 ESS(310, 320, 330)으로부터 각 ESS(310, 320, 330)에 대한 변경 가능한 ESS 허용 전력 크기(Pmax1, Pmax2, Pmax3)을 획득하는 통신부(미도시)를 포함할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 ESS(310, 320, 330) 내에 포함된 각 배터리(311, 321, 331)의 SOC가 기 설정된 허용치 범위 내에 포함되는지 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 출력 지령을 할당할 ESS의 개수(N)를 결정하는 ESS 식별부(미도시)를 포함할 수 있다.
제어 장치(200)는 각 ESS(310, 320, 330)에 대한 변경 가능한 ESS 허용 전력 크기(Pmax1, Pmax2, Pmax3) 값을 설정하는 최대 전력 설정부(미도시)를 포함할 수 있다.
제어 장치(200)는 최대 전력 설정부에 의해 설정된 각 ESS 허용 전력 크기(Pmax1, Pmax2, Pmax3)에 기초하여 각 ESS(310, 320, 330)에 의해 충전 또는 방전되어야 할 미리 계산된 지령(출력 지령 또는 입력 지령)을 변경할 수 있다.
제1 ESS(310), 제2 ESS(320) 및 제3 ESS(330)은 모듈화(modular)된 배터리 에너지 저장 시스템을 나타내며, 각 배터리 에너지 저장 시스템(ESS) 독립적으로 운전이 가능하다.
각 ESS(310, 320, 330) 내의 배터리(311, 321, 331)는 각 배터리 에너지 저장 시스템의 전기적 배터리 또는 화학적 배터리를 나타낸다.
각 BMS(312, 322, 332)는 각 BMS(312, 322, 332)와 연결된 배터리(311, 321, 331)의 충전율(SOC) 상태(state)를 파악하여 인버터부(313, 323, 333) 또는 제어 장치(200)로 배터리의 충전율 상태를 전송할 수 있다.
각 인버터부(313, 323, 333)는 각 ESS의 출력/입력 전력(P1, P2, P3)을 합성하는 전력변환 장치(power converter)를 나타낸다. 각 인버터부는 다양하게 구성이 가능하며, 이에 대한 상세한 설명은 추후 도 4를 참조하여 후술한다.
각 ESS 변압기(314, 324, 334)는 각 ESS 내의 인버터부(313, 323, 333)와 계통 변압기(400)를 연결하는 변압기로, 변압기는 각각의 모듈화된 ESS 내에 독립적으로 위치할 수 도 있고, 외부에 설치되어 다 권선 변압기(multi-winding transformer)의 형태로 통합하여 설치될 수도 있다.
계통 변압기(400)는 계통(500)과 ESS(310, 320, 330)를 연계하는 변압기(transformer)로, 경우에 따라서 생략 가능하다.
계통(500)은 각 ESS(310, 320, 330)으로부터 출력되는 ESS 출력/입력 전력(P1, P2, P3)을 수신할 수 있다.
계통(500)이 각 ESS(310, 320, 330)과 연결된 경우에는 각 ESS(310, 320, 330)는 계통 연계형으로 동작하고, 계통이 연결되지 않은 경우에는 독립형의 전압 원(voltage source)으로 동작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 제어 장치가 나타난 블록도 이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템은 배터리(311), 인버터부(313) 및 ESS 변압기(314)를 포함할 수 있다.
배터리(311)는 인버터부(313)로부터 교류 전류(또는 교류 전압)를 전송하거나 수신할 수 있다.
인버터부(313)는 커패시터(302), 하나 이상의 인버터(303a 내지 303f), 출력 필터(304), 제1, 제2 전압 측정 장치(306, 307) 및 제1, 제2, 제3 전류 측정 장치(305a, 305b, 305c)를 포함할 수 있다.
커패시터(302)는 배터리(311)로부터 출력되는 교류 전류 또는 배터리(311)로 입력되는 교류 전류를 여과(filtering)할 수 있으며, 이로써 교류 전류에 대한 완충 작용(예를 들면, 과도 전류의 입력 또는 출력 차단)을 수행할 수 있다.
제1 전압 측정 장치(306)는 배터리(311)로부터 출력되거나 입력되는 교류 전압을 측정하여 제어 장치(200)로 측정된 교류 전압에 대한 정보를 전송할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인버터부는 도 2의 313과 같이 303a, 303b, 303c, 303d, 303e, 303f의 인버터로 구성되는 2-레벨 인버터로 구성이 가능하며, 두 개 이상의 다수의 2-레벨 인버터가 병렬로 연결되는 구성도 가능하다.
또한, 인버터부는 도 2의 2-레벨 인버터 뿐만 아니라 3-레벨 이상의 멀티레벨(multi-level) 인버터로도 구현이 가능하며, 복수의 멀티레벨 인버터가 병렬로 연결되는 구성도 가능하다.
멀티레벨 인버터가 병렬 구조로 연결되는 경우, 각 인버터부는 도 2의 배터리(311)를 공유할 수 있다.
하나 이상의 인버터(303a 내지 303f)는 배터리(311)로부터 출력되거나 배터리(311)로 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력 필터(304)로 출력할 수 있다.
출력 필터(304)는 인버터(313)로부터 출력되는 직류 전력을 여과(filtering)할 수 있으며, 출력 필터(304)는 인덕터와 커패시터 또는 인덕터, 커패시터 및 인덕터가 연결된 구조가 될 수 있다.
제2 전압 측정 장치(307)는 ESS 변압기(314)의 출력 전압을 측정하고, 측정된 출력 필터(304)의 출력 전압에 대한 정보를 제어 장치(200)로 전송할 수 있다.
제1 내지 제3 전류 측정 장치(305a 내지 305c)는 출력 필터(304)로부터 출력되는 전류 또는 출력 필터(304)로 입력되는 전류를 측정하는 장치가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 각 ESS(에너지 저장 시스템) 출력 전력을 각 ESS에 할당하는 방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면, 제어 장치(200)는 상위 제어부(100)로부터 모든 ESS로부터 출력되어야 할 총 출력 지령 전력(P)에 대한 정보를 기 설정된 주기(예를 들면, 2초) 마다 획득할 수 있다.(S100).
제어 장치(200)는 획득된 총 출력 지령 전력(P)이 양의 값인지 음의 값인지 판단할 수 있다.
총 출력 지령 전력(P)이 양의 값(P > 0)인 경우는 복수의 ESS가 계통(500)으로 전력을 출력(방전)하는 운전 모드가 되는 경우이다.
총 출력 지령 전력(P)이 음의 값(P < 0)인 경우는 복수의 ESS가 계통(500)으로부터 전력을 입력(충전)받는 운전 모드가 되는 경우이며, 이에 대한 설명은 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
다시 도 3을 참조하면, 상위 제어부(100)로부터 획득된 총 출력 지령 전력(P)이 양의 값인 것으로 판단된 경우(즉, 운전 모드가 방전 모드로 결정된 경우), 제어 장치(200)는 각 ESS 내에 포함된 각 배터리의 충전율 정보인 SOC(State of Charge) 정보를 각 배터리와 연결된 BMS를 통해 획득할 수 있다.(S201)
각 배터리에 대한 SOC가 획득되면, 제어 장치는 각 배터리의 SOC가 배터리의 기 설정된 허용 가능한 SOC 최소값인 Smin보다 작은지와 기 설정된 허용 가능한 SOC 최대값인 Smax보다 큰 지의 여부를 판단하고, SOC가 Smin보다 큰 배터리가 포함된 ESS 중에서 ESS 출력 전력 지령이 설정되어야 할 설정 대상 ESS를 식별할 수 있다.(S202)
각 배터리는 제조사 또는 사용자에 의해 미리 설정된 허용 가능한 SOC 최대값과 최소 값이 설정될 수 있으며, 제어 장치는 각 배터리의 SOC를 감시하고, 특정 배터리의 SOC가 Smax보다 커지거나 Smin보다 작은 경우 해당 배터리의 동작(예를 들면, 충전 또는 방전 동작)을 정지시킬 수 있고, 해당 배터리로 전송되는 ESS 출력 전력 지령의 생성 및 전송을 정지할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제어 장치(200)는 식별된 설정 대상 ESS의 개수(N)를 획득할 수 있다.(S203)
즉, 제어 장치(200)는 시스템 내의 모든 ESS에 포함된 배터리 중에서 SOC가 Smin 보다 큰 배터리가 포함된 ESS의 개수(N)을 획득할 수 있다.
설정 대상 ESS의 개수가 식별되면, 제어 장치(200)는 식별된 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값인 SOCav를 계산할 수 있다.(S204)
여기서, SOCav는 설정 대상 ESS 내의 배터리의 SOC의 총 합(SOC-1 + SOC-2 + ... + SOC-N)을 설정 대상 ESS의 개수(N)으로 나눈 값(SOC의 총합/N)이 될 수 있다.
SOCav가 계산되면, 제어 장치(200)는 설정 대상 ESS 중에서 각 ESS에 포함된 배터리의 SOC가 가장 큰 ESS인 제1 ESS를 식별할 수 있다.(S205)
제어 장치(200)는 ESS 내의 배터리 중에서도 SOC가 가장 큰 배터리로부터 출력 전력 지령을 생성하여 전력 출력(또는 전력 충전)의 효율성을 높일 수 있다.
제1 ESS가 식별되면, 제어 장치(200)는 제1 ESS 내의 배터리인 제1 배터리의 SOC에 1/SOCav 와 총 출력 지령 전력인 P를 ESS의 개수인 N으로 나눈 값인 P/N을 곱한 값의 크기(SOC/SOCav * P/N의 절대값)이 제1 ESS의 미리 설정된 허용 가능한 전력 크기인 Pmax1(Pmax1의 절대값) 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
여기서, 제1 ESS 내의 배터리인 제1 배터리의 SOC에 1/SOCav 와 총 출력 지령 전력인 P를 ESS의 개수인 N으로 나눈 값인 P/N을 곱한 값의 크기(SOC/SOCav * P/N의 절대값)는 제1 ESS의 할당 전력 크기일 수 있다.
Pmax1의 크기 이상인 것으로 판단되면, 제어 장치(200)는 제1 ESS의 출력 전력 지령 P1을 Pmax1으로 할당/결정할 수 있다.(S207)
Pmax1의 크기 미만인 것으로 판단되면, 제어 장치는 제1 ESS의 출력 전력 지령 P1을 SOC/SOCav * P/N의 값으로 할당/결정할 수 있다.(S206)
P1이 할당되면, 제어 장치(200)는 모든 설정 대상 ESS에 출력 전력이 할당되었는지 판단할 수 있다.
제어 장치(200)는 배터리의 SOC의 크기에 따라, 제2 ESS, 제3 ESS를 순차적으로 식별할 수 있고, 그 각각의 출력 전력 지령 P2,P3를 상기 제1ESS의 출력 전력 지령 P1과 같이, 할당/결정할 수 있다.
판단 결과 설정 대상 ESS 중에서 출력 전력이 할당되지 않은 ESS가 존재하는 경우, 제어 장치는 총 전력에서 이미 각 ESS에 할당된 전력을 감산(P-P1)하고(S208), 설정 대상 ESS 중에서 전력이 이미 할당된 ESS(제1 ESS)를 설정 대상 ESS에서 제외하며(N-1)(S209), 다시 설정 대상 ESS의 개수(N-1)에 대한 정보를 획득한다(S203).
모든 설정 대상 ESS에 출력 전력 지령이 할당될 때까지 S203 내지 S207까지의 동작을 반복하여 수행할 수 있다.
한편, 판단 결과 모든 설정 대상 ESS에 출력 전력 지령이 할당된 것으로 판단된 경우, 제어 장치는 각 제1 ESS 부터 제N ESS에 각각 할당된 출력 전력 지령인 P1 내지 PN에 기초하여 제1 ESS 내지 제N ESS로 전력 출력 명령(또는 전력 출력 지령)을 생성하고, 생성된 전력 출력 명령을 각 ESS로 전송한다(S210).
또한, 제어 장치는 SOC가 가장 큰 배터리가 포함된 제1 ESS 부터 SOC가 가장 작은 배터리가 포함된 제N ESS까지 순서대로 전력 지령을 설정할 수 있다.
생성된 전력 출력 지령이 각 ESS로 전송되면, 각 ESS는 전송된 ESS 전력 출력 지령에 따라 계통에 저장된 전력을 방전(또는 출력)시킬 수 있다.
각 ESS로부터 전력이 방전되는 동안, 제어 장치는 S100의 단계로 돌아가 기 설정된 주기 마다 총 지령 전력(P)을 획득하고, S301 내지 S310의 동작을 반복하여 수행한다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시 예에 따른 각 ESS 입력 전력을 각 ESS에 할당하는 방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 1 및 도 4를 참조하여 설명하면, 상위 제어부(100)로부터 획득된 총 지령 전력(P)이 음의 값인 것으로 판단된 경우(즉, 운전 모드가 충전 모드로 결정된 경우), 제어 장치(200)는 각 ESS 내에 포함된 각 배터리의 충전율 정보인 SOC(State of Charge) 정보를 각 배터리와 연결된 BMS를 통해 획득할 수 있다.(S301)
각 배터리에 대한 SOC가 획득되면, 제어 장치는 각 배터리의 SOC가 배터리의 기 설정된 허용 가능한 SOC 최대 값인 Smax보다 작고, 최소값인 Smin보다 큰지의 여부를 판단하고, SOC가 Smax보다 작은 배터리가 포함된 ESS 중에서 ESS 입력 전력 지령이 설정되어야 할 설정 대상 ESS를 식별할 수 있다.(S302)
제어 장치(200)는 각 배터리의 SOC를 감시하고, 특정 배터리의 SOC가 Smax보다 커지거나 Smin보다 작아지는 경우 해당 배터리의 동작(예를 들면, 충전 또는 방전 동작)을 정지시킬 수 있고, 해당 배터리로 전송되는 ESS 입력 전력 지령의 생성 및 전송을 정지할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제어 장치(200)는 식별된 설정 대상 ESS의 개수(N)를 획득할 수 있다.(S303)
즉, 제어 장치(200)는 시스템 내의 모든 ESS에 포함된 배터리 중에서 SOC가 Smin 보다 크면서 Smax 보다 작은 배터리가 포함된 ESS의 개수(N)을 획득할 수 있다.
설정 대상 ESS의 개수가 식별되면, 제어 장치(200)는 식별된 설정 대상 ESS 내에 포함된 모든 배터리의 SOC에 대한 평균 값인 SOCav를 계산할 수 있다.(S304)
SOCav가 계산되면, 제어 장치(200)는 설정 대상 ESS 중에서 각 ESS에 포함된 배터리의 SOC가 가장 작은 ESS인 제1 ESS를 식별할 수 있다.(S305)
제어 장치(200)는 ESS 내의 배터리 중에서도 SOC가 가장 작은 배터리로 충전 전력 지령을 생성하여 전력 충전의 효율성을 높일 수 있다.
SOC가 가장 작은 제1 배터리가 포함된 제1 ESS가 식별되면, 제어 장치(200)는 제1 배터리의 SOC에 1/SOCav 와 P/N을 곱한 값의 크기(SOC/SOCav * P/N의 절대값)이 제1 ESS의 미리 설정된 허용 가능한 전력 크기인 Pmax1(Pmax1의 절대값) 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
Pmax1의 크기 이상인 것으로 판단되면, 제어 장치는 제1 ESS의 입력 전력 지령 P1을 -Pmax1으로 할당/결정한다(S307).
입력 전력 지령이 -Pmax1이라는 것은 충전 전력 지령이 Pmax1이 된다는 것을 의미할 수 있다.
Pmax1의 크기 미만인 것으로 판단되면, 제어 장치(200)는 제1 ESS의 입력전력 지령 P1을 -SOC/SOCav * P/N의 값으로 할당/결정할 수 있다.(S306).
P1이 할당되면, 제어 장치(200)는 모든 설정 대상 ESS에 입력 전력이 할당되었는지 판단할 수 있다.
제어 장치(200)는 배터리의 SOC의 크기에 따라, 제2 ESS, 제3 ESS를 순차적으로 식별할 수 있고, 그 각각의 입력 전력 지령 P2,P3를 제1ESS의 입력 전력 지령 P1과 같이, 할당/결정할 수 있다.
판단 결과 설정 대상 ESS 중에서 충전(또는 입력) 전력이 할당되지 않은 ESS가 존재하는 경우, 제어 장치(200)는 총 전력에서 이미 각 ESS에 할당된 전력을 감산(P-P1)하고(S308), 설정 대상 ESS 중에서 전력이 이미 할당된 ESS(제1 ESS)를 설정 대상 ESS에서 제외하며(N-1)(S309), 다시 설정 대상 ESS의 개수(N-1)에 대한 정보를 획득한다(S303).
모든 설정 대상 ESS에 입력 전력 지령이 할당될 때까지 S303 내지 S309까지의 동작을 반복하여 수행할 수 있다.
한편, 판단 결과 모든 설정 대상 ESS에 입력 전력 지령이 할당된 것으로 판단된 경우, 제어 장치(200)는 각 제1 ESS부터 제N ESS에 각각 할당된 입력 전력 지령인 P1 내지 PN에 기초하여 제1 ESS 내지 제N ESS로 전력 충전 지령을 생성하고, 생성된 전력 충전 지령을 각 ESS로 전송한다(S310).
생성된 전력 충전 지령이 각 ESS로 전송되면, 각 ESS는 전송된 ESS 전력 충전 지령에 따라 계통(500)으로부터 전력을 수신(또는 충전)할 수 있다.
각 ESS로 전력이 충전되는 동안, 제어 장치는 S100의 단계로 돌아가 기 설정된 주기 마다 총 지령 전력(P)을 획득하고, S301 내지 S310의 동작을 반복하여 수행한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 상위 제어부 200: 제어 장치
310,320,330: ESS

Claims (10)

  1. 총 전력 지령을 출력하는 상위 제어부;
    배터리를 포함하고, 상기 총 전력 지령에 기초하여 상기 배터리로부터 계통으로 전력을 출력시키거나 상기 계통으로부터 전력을 상기 배터리로 충전하는 복수의 ESS; 및
    상기 각 배터리의 충전율을 수집하고, 상기 충전율이 충전율 조건을 충족하는지 여부에 따라 상기 복수의 ESS 중에서 설정 대상 ESS을 식별하고, 상기 총 전력 지령 및 상기 각 배터리 충전율에 기초하여 상기 각 설정 대상 ESS에 대한 ESS 전력 지령을 생성하고, 상기 생성된 ESS 전력 지령을 상기 각 설정 대상 ESS로 출력하는 제어 장치
    를 포함하고,
    상기 충전율 조건은
    상기 충전율이 상기 총 전력 지령에 기초하여 설정된 최대 충전율 이하이면서, 상기 총 전력 지령에 기초하여 설정된 최소 충전율 이상인지 여부이며,
    상기 제어 장치는
    상기 충전율이 높은 순서대로 순차적으로 상기 각 설정 대상 ESS에 상응하는 ESS 전력 지령을 생성하며,
    제1 ESS에 상응하는 제1 ESS 전력 지령을 생성하는 경우, 상기 제1 ESS에 대하여 후순위인 제2 ESS에 포함된 배터리의 제2 충전율과 상기 제1 충전율의 합에 대한 상기 제1 ESS에 포함된 배터리의 제1 충전율의 비율, 잔여 전력 지령 및 전력 조건에 기초하여 상기 제1 ESS 전력 지령을 생성하고,
    상기 잔여 전력 지령은
    상기 총 전력 지령에서 상기 제1 ESS에 대하여 선순위인 제3 ESS에 상응하는 제3 ESS 전력 지령을 뺀 값이고,
    상기 전력 조건은
    전력 지령이 한계 값을 초과하는지 판단하여 상기 전력 지령이 상기 한계 값을 초과하는 경우에 상기 전력 지령을 상기 한계 값으로 제한하는 조건인 에너지 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 판단 결과 상기 총 전력 지령이 양의 값인 경우, 상기 제어 장치는 상기 최대 충전율 이하의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 출력 순서를 결정하는 에너지 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 판단 결과 상기 총 전력 지령이 음의 값인 경우, 상기 제어 장치는 상기 최소 충전율 이상의 충전율을 가지는 배터리 중에서 충전율이 가장 낮은 배터리가 포함된 ESS부터 충전율이 가장 높은 배터리가 포함된 ESS까지 충전율 크기 순서대로 전력 입력 순서를 결정하는 에너지 관리 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 설정 대상 ESS의 출력부에 대한 상태 정보를 획득하고, 상기 출력부 상태 정보에 기초하여 상기 설정 대상 ESS의 상기 한계 값을 결정하는 에너지 관리 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 한계 값은 상기 ESS별로 기설정된 에너지 관리 시스템.
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