KR102013413B1

KR102013413B1 - Ess의 hils 개발 시스템 및 이를 이용한 ess의 운전 방법

Info

Publication number: KR102013413B1
Application number: KR1020170155593A
Authority: KR
Inventors: 박성진; 전지환
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-08-23
Also published as: KR20190058013A

Abstract

본 발명의 실시예는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 ESS의 HILS를 개발하여 실증 데이터 시뮬레이션을 통한 설계 용량의 검증 및 개발이 가능한 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 출력하고, 획득된 전원, 전류 및 SOC를 입력받아 미리 정해진 시뮬레이션 동작을 수행하는 시뮬레이션부; 상기 시뮬레이션부로부터 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하고, 상기 시뮬레이션부에 획득된 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하는 실시간 운영부; 상기 실시간 운영부로부터 제어 명령을 받고 모니터링 신호를 제공하는 전원 공급부; 상기 실시간 운영부로부터 제어 명령을 받고 모니터링 신호를 제공하는 전기 부하; 및 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 충전되고 상기 전기 부하에 전원을 방전하는 배터리 모듈을 포함하는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 개시한다.

Description

ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법{HILS development system of ESS and operation method of ESS using the same}

본 발명의 실시예는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법에 관한 것이다.

일반적으로 학교, 병원, 빌딩 등에는 비상 발전기와 UPS(Uninterruptible Power Supply)가 구비되어 비상 발전을 담당하고 있다. 여기서, 비상 발전기는 정전 시 전압계의 전기신호를 받아 가동하며, ATS(Automatic Transfer Switch)의 개폐를 통하여 비상전원을 공급하는 장치이다. 또한, UPS는 무정전 전원 공급장치로서 예비전원인 비상 발전기가 가동하기 전까지 전력 공백을 최소화하기 위해 설치된다.

그런데 이러한 종래의 비상 발전기는 관리가 미비한 문제가 있다. 즉, 정전을 가정한 '부하 테스트'가 아닌 육안 점검 시행으로 정전 시 실제 정상 작동 여부를 보장 어려운 문제가 있다.

여기서, 부하 테스트는 전력 공급이 끊긴 상황을 가정해 비상 발전기에 비상 부하를 걸어서 성능을 점검하고 전력 계통의 오류를 탐지하는 테스트이다. 따라서 부하 테스트시 비용과 시간이 증가하는 문제가 있고, 또한 건물의 실제 정전 상황 발생이 어려운 문제가 있다.

한편, 국내외적으로 화석 연료 사용으로 인한 이산화탄소의 규제가 심화됨에 따라서 에너지 절약 중요성이 커지고 있고, 이에 따라 ESS(Energy Storage System)에 대한 관심이 높아지고 있으며, 국가에서도 입법을 통해 ESS 시스템을 독려하고 있는 상황이다. 여기서, ESS란 배터리 등의 에너지 저장 장치를 사용하여 필요한 전력을 전력 계통에 공급하고 또한 유휴 에너지를 저장하는 시스템을 의미한다. 이러한 시스템은, 예를 들면, 에너지 소비량이 적은 새벽에 '그리드(Grid) + 신재생 에너지'로부터 'ESS'로 에너지가 저장되고, 평상시 운전(전력 Peak 제어) 상황에서 '그리드 + 신재생 에너지 + ESS'로부터 '부하'로 에너지가 전달되며, 정전 시 운전 상황에서 '신재생 에너지 + ESS'로부터 '비상 부하'로 에너지가 전달된다. 참고로, 그리드는 한국전력으로부터 오는 전력을 의미하며, 이는 하절기나 동절기 또는 시간에 따라 가격이 상이하다.

또한, 현재 정부는 공공 건물을 우선으로 신재생 설치를 의무화하고 있는데, 일례로, 2020년부터 계약 전력의 5% 이상 ESS 설치를 의무화하고 있으며, 이에 따라 공공 건물에서 '제로 에너지 빌딩화' 실현을 추진하고 있다.

그러나 비상 전원으로서 ESS의 설치시 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 기존 제품(비상발전기 + UPS) 대비 초기 투자비 증가한다. 즉, ESS 사용시, 정부의 환경 규제 대응 가능하고, 전력 피크 제어를 통해 전기 요금 할인이 가능하며, 기존 제품의 정전 시, 작동 불가 문제를 해결 가능하나, 건물에 맞는 용량 설계가 필요하다.

둘째, ESS 용량 설계 방법이 부정확하다. 즉, 시뮬레이션시, 정확한 배터리 모델 필요하고, 또한 실제 건물의 부하 실험시, 많은 시간과 비용 소요된다.

이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 ESS의 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 HILS 검증 방법을 제공하는데 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 ESS의 HILS를 개발하여 실증 데이터 시뮬레이션을 통한 설계 용량의 검증 및 개발이 가능한 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공하는데 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 구성 부품의 검증을 위해 시뮬레이션을 구성하되, 대상 컴포넌트를 실제 하드웨어로 대체함으로써, 실시간으로 시뮬레이션을 통해 ESS 사업에 사용할 배터리의 구현 검증 및 개발이 가능하고, 비상 시, 시나리오를 구성하고 배터리 HILS를 통해 배터리의 충전량 (State Of Charge)과 비상 시나리오 대응 전략의 개발이 가능하며, 소단위 스케일의 배터리 HILS를 구성함에 따라 개발 시간 및 비용 절감이 가능하고, 시뮬레이션의 부정확성을 개선할 수 있어 대단위 실험의 복잡성 및 안정성을 확보할 수 있는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템은 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 출력하고, 획득된 전원, 전류 및 SOC를 입력받아 미리 정해진 시뮬레이션 동작을 수행하는 시뮬레이션부; 상기 시뮬레이션부로부터 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하고, 상기 시뮬레이션부에 획득된 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하는 실시간 운영부; 상기 실시간 운영부로부터 제어 명령을 받고 모니터링 신호를 제공하는 전원 공급부; 상기 실시간 운영부로부터 제어 명령을 받고 모니터링 신호를 제공하는 전기 부하; 및 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 충전되고 상기 전기 부하에 전원을 방전하는 배터리 모듈을 포함할 수 있다.

상기 시뮬레이션부는 동작 모드를 선택하는 동작 모드 선택부; 시뮬레이션에 필요한 주변 데이터를 입력받는 주변 데이터 입력부; 시뮬레이션에 필요한 배터리 데이터를 입력받는 배터리 데이터 입력부; 상기 동작 모드 선택부, 상기 주변 데이터 입력부 및 상기 배터리 데이터 입력부로부터 데이터를 입력받아 미리 정해진 배터리 제어 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 배터리 모듈에 상기 배터리 제어 신호를 출력하는 배터리 출력부를 포함할 수 있다.

상기 동작 모드 선택부는 계통 연계 모드 또는 비상 모드 중 하나를 선택하도록 할 수 있다.

상기 주변 데이터 입력부는 시간, 신재생 에너지부를 통한 발전량 및 비상 부하량 중 적어도 하나를 입력하도록 할 수 있다.

상기 배터리 데이터 입력부는 전압, 전류 및 초기 SOC 중 적어도 하나를 입력하도록 할 수 있다.

상기 배터리 출력부는 상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 측정하는 하기 위한 출력 신호, 계통 및 신재생 에너지의 충전 전류 크기를 상기 전원 공급부에 입력하기 위한 출력 신호, 상기 부하의 방전 전류의 크기를 상기 부하에 입력하기 위한 출력 신호 및 배터리 SOC를 측정하기 위한 출력 신호 중 적어도 하나를 출력하도록 할 수 있다.,

상기 시뮬레이션부와 상기 실시간 운영부 사이에는 상호간 데이터를 주고받을 수 있도록 데이터 버스 인터페이스부가 더 연결될 수 있다.

상기 실시간 운영부에는 상기 전원 제어, 전원 모니터링, 부하 제어 및 부하 모니터링 상태를 확인할 수 있도록 하는 호스트 컴퓨터가 연결될 수 있다.

한편, 상술한 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 계통 연계 모드의 ESS의 운전 방법은 경부하 시간대이고 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계; 최고 부하 시간대이고 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 크면 상기 ESS를 방전하는 단계; 및 상기 최고 부하 시간대가 아니고 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상술한 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 비상 운전 모드의 ESS의 운전 방법은 계통 고장 상태이고 배터리 SOC가 0%보다 크며 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 크면 상기 ESS를 방전하는 단계; 및 계통 고장 상태이고 배터리 SOC가 0%보다 크며 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 작으며 상기 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공한다. 즉, 본 발명의 실시예는 ESS의 HILS를 개발하여 실증 데이터 시뮬레이션을 통한 설계 용량의 검증 및 개발이 가능한 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 실시예는 구성 부품의 검증을 위해 시뮬레이션을 구성하되, 대상 컴포넌트를 실제 하드웨어로 대체함으로써, 실시간으로 시뮬레이션을 통해 ESS 사업에 사용할 배터리의 구현 검증 및 개발이 가능하고, 비상시, 시나리오를 구성하고 배터리 HILS를 통해 배터리의 충전량 (State Of Charge)과 비상 시나리오 대응 전략의 개발이 가능하며, 소단위 스케일의 배터리 HILS를 구성함에 따라 개발 시간 및 비용 절감이 가능하고, 시뮬레이션의 부정확성을 개선할 수 있어 대단위 실험의 복잡성 및 안정성을 확보할 수 있는 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 제공한다.

일례로, 본 발명의 실시예는 전력 계통이 비싼 피크 시간대를 포함하는 낮 시간에 태양광 발전 에너지를 계통 전력에 비해 우선적으로 부하에 공급하도록 하여, 낮 시간 동안의 계통 전력 사용량을 감소시킴으로써, ESS 활용으로 피크 전력 저감을 통한 전력 요금 감소가 가능한 ESS HILS 시스템을 통한 로직 개발 및 최적화가 가능하다.

다른 예로, 본 발명의 실시예는 소형 ESS HILS를 이용한 비상 시 제어 전략 개발 및 ESS 시스템의 설계 최적화가 가능하다. 즉, 다양한 시나리오의 비상 상황 대응 로직 구현이 가능하고, 실증 데이터와 ESS, 신재생, 전력 부하 시스템 모델을 이용하여 시스템 효율을 최대화하고 안정성 보장할 수 있는 운영 알고리즘 최적화가 가능하며, 시뮬레이션을 통한 ESS 신재생 용량 분석 및 최적화가 가능하여 결국 ESS HILS 시스템을 통한 ESS 설계 최적화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템중 시뮬레이션부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(계통 연계 모드)를 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(비상 운전 모드)를 도시한 순서도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 ESS와 신재생 에너지의 계통 연계 구성, 운영 시나리오를 적용할 장소의 계절별, 시간대별 부하 분류 및 전력 요금을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(계통 연계 모드, 봄, 여름, 가을 기간)를 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(비상 운전 모드)를 도시한 순서도이다.
도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 계통 연계 시나리오에 대한 결과를 도시한 그래프이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 계통 연계 시나리오에 대한 결과를 도시한 그래프이다.
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 비상 운전 시나리오에 대한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 ESS 시스템에 대한 충방전량 및 모니터링 화면의 실증예이다.
도 12는 ESS 시스템에 대한 SOC 상태를 도시한 실증예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 이하의 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.

일례로, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러)는 중앙처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 대용량 저장 장치, 휘발성 메모리 장치, 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치, 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 이루어진 통상의 상용 컴퓨터에서 운영될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)은 시뮬레이션부(110), 실시간 운영부(120), 전원 공급부(130), 전기 부하(140)와, 배터리 모듈(150)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)은 데이터 버스 인터페이스부(160) 및/또는 호스트 컴퓨터(170)를 더 포함할 수 있다.

시뮬레이션부(110)는 전원 공급부(130) 및/또는 전기 부하(140)를 시뮬레이션하기 위해 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 출력하고, 획득된 전원, 전류 및 SOC를 입력받아, 미리 정해진 시뮬레이션 동작을 수행하는 역할을 한다. 이러한 시뮬레이션부(110)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, Matlab-Simulink일 수 있다.

실시간 운영부(120)는 시뮬레이션부(110)로부터 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 전원 공급부(130)에 제공하고, 또한 전기 부하(140)로부터 시뮬레이션부(110)에 획득된 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공한다. 즉, 실시간 운영부(120)는 전원 공급부(130)의 제어를 위한 제어 신호(전원, 전류 및 SOC 제어 신호)를 출력하고 또한 전원 공급부(130)의 전원 모니터링 신호를 입력받는다. 더욱이, 실시간 운영부(120)는 전기 부하(140)의 제어를 위한 제어 신호(전원, 전류 및 SOC 제어 신호)를 출력하고 또한 전기 부하(140)의 전원 모니터링 신호를 입력받는다.

전원 공급부(130)는 실시간 운영부(120)로부터 제어 명령을 받고 전원 모니터링 신호를 제공하며, 특히 배터리 모듈(150)에 전원을 공급하여 배터리 모듈(150)이 충전되도록 한다. 이러한 전원 공급부(130)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 태양 전지나 풍력 발전기와 같은 신재생 에너지 역할을 한다.

전기 부하(140)는 실시간 운영부(120)로부터 제어 명령을 받고 부하 모니터링 신호를 제공하며, 특히 배터리 모듈(150)로부터 전원을 공급받아 배터리 모듈(150)이 방전되도록 한다. 이러한 전기 부하(140)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 학교, 병원 또는 건물에서 전기를 소비하는 부하(140) 역할을 한다.

배터리 모듈(150)은 전원 공급부(130)로부터 전원을 공급받아 충전하거나, 전기 부하(140)에 전원을 제공하여 방전될 수 있는 실제의 배터리일 수 있다. 일례로, 한정하는 것은 아니지만, 이러한 배터리 모듈(150)은 수십 내지 수백 볼트의 전압과 수십 내지 수백 킬로와트의 재충전 가능한 배터리일 수 있다.

한편, 상술한 데이터 버스 인터페이스부(160)는 시뮬레이션부(110)와 실시간 운영부(120) 사이에 연결되어 상호간 데이터를 주고받을 수 있도록 한다. 일례로, 데이터 버스 인터페이스부(160)는 DLL(Dynamic-Link Library)을 생성하여 실시간 운영부(120)에 제공할 수 있고, 또한 실시간 운영부(120)로부터 데이터를 제공받아 시뮬레이션부(110)가 이를 인식할 수 있는 형태로 변환하는 역할을 한다.

더불어, 상술한 호스트 컴퓨터(170)는 실시간 운영부(120)에 연결되어, 전원 제어, 전원 모니터링, 부하 제어 및 부하 모니터링 상태 등을 확인할 수 있도록 하는 역할을 한다. 더불어, 한정하는 것은 아니지만, 시뮬레이션부(110) 및 데이터 버스 인터페이스부(160) 등은 호스트 컴퓨터(170)에 설치되어 구동될 수도 있다. 물론, 이러한 호스트 컴퓨터(170)는 통상의 개인용 컴퓨터 또는 서버용 컴퓨터일 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)은 구성 부품(예를 들면, 전원 공급부, 전기 부하, 배터리 모듈 등)의 검증을 위해 시뮬레이션을 구성하되, 대상 컴포넌트를 실제 하드웨어로 대체함으로써, 실시간으로 시뮬레이션을 통해 ESS 사업에 사용할 배터리의 구현 검증 및 개발이 가능하고, 비상 시, 시나리오를 구성하고 배터리 HILS를 통해 배터리의 충전량(State Of Charge)과 비상 시나리오 대응 전략의 개발이 가능하며, 소 단위 스케일의 배터리 HILS를 구성함에 따라 개발 시간 및 비용 절감이 가능하고, 시뮬레이션의 부정확성을 개선할 수 있어 대 단위 실험의 복잡성 및 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)중 시뮬레이션부(110)의 구성을 도시한 블럭도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 시뮬레이션부(110)는 동작 모드 선택부(111), 주변 데이터 입력부(112), 배터리 데이터 입력부(113), 제어부(114) 및 배터리 출력부(115)를 포함할 수 있다.

동작 모드 선택부(111)는 시뮬레이션부(110)의 동작 모드를 선택할 수 있도록 한다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 동작 모드 선택부(111)는 계통 연계 모드 및/또는 비상 모드 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 한다.

주변 데이터 입력부(112)는 시뮬레이션에 필요한 다양한 주변 데이터를 입력할 수 있도록 한다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 주변 데이터 입력부(112)는 경과 시간, 신재생 에너지(태양전지, 풍력 발전기 등)를 통한 발전량 및/또는 비상 부하량 중 적어도 어느 하나를 입력할 수 있도록 한다.

배터리 데이터 입력부(113)는 시뮬레이션에 필요한 배터리 데이터를 입력할 수 있도록 한다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 배터리 데이터 입력부(113)는 전압, 전류 및/또는 초기 SOC 중 적어도 하나를 입력할 수 있도록 한다.

제어부(114)는 동작 모드 선택부(111), 주변 데이터 입력부(112) 및 배터리 데이터 입력부(113)로부터 다양한 데이터를 입력받아 미리 정해진 알고리즘에 따라 배터리 제어 신호를 생성하는 역할을 한다.

배터리 출력부(115)는 배터리 모듈(150)에 배터리 제어 신호를 출력하도록 한다. 일례로, 한정하는 것은 아니지만, 배터리 출력부(115)는 배터리 모듈(150)에 충방전 전류를 측정하는 하기 위한 출력 신호, 계통 및 신재생 에너지의 충전 전류 크기를 전원 공급부(130)에 입력하기 위한 출력 신호, 전기 부하(140)의 방전 전류의 크기를 전기 부하(140)에 입력하기 위한 출력 신호 및/또는 배터리 SOC를 측정하기 위한 출력 신호 중 적어도 어느 하나를 출력하도록 한다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)은 전력 계통이 비싼 피크 시간대를 포함하는 낮 시간에 태양광 발전 에너지를 계통 전력에 비해 우선적으로 전기 부하(140)에 공급하도록 하여, 낮 시간 동안의 계통 전력 사용량을 감소시킴으로써, ESS 활용으로 피크 전력 저감을 통한 전력 요금 감소가 가능한 로직 개발 및 최적화가 가능하도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)은 소형 ESS HILS를 이용한 비상 시 제어 전략 개발 및 ESS 시스템(100)의 설계 최적화가 가능하도록 한다. 즉, 다양한 시나리오의 비상 상황 대응 로직 구현이 가능하고, 실증 데이터와 ESS, 신재생, 전력 부하 시스템 모델을 이용하여 시스템 효율을 최대화하고 안정성 보장할 수 있는 운영 알고리즘 최적화가 가능하며, 시뮬레이션을 통한 ESS 신재생 용량 분석 및 최적화가 가능하여 결국 ESS 설계 최적화가 가능하도록 한다.

이하에서는 상술한 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통해 획득한 ESS 운전 시나리오(계통 연계 모드 및 비상 운전 모드)에 대해 설명하기로 한다. 이러한 ESS 운전 시나리오는 부하 시간대, SOC 기준값, 비상 발전량, 신재생 에너지 발전량 등에 따라 다양하게 변경되므로, 이하에 설명되는 ESS 운전 시나리오는 본 발명의 이해를 위하 것뿐이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(계통 연계 모드)를 도시한 순서도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 계통 연계 모드 시 ESS의 운전 방법은 대략적으로 경부하 시간대인지 판단하는 단계(S1), 배터리 SOC가 대략 100%보다 작은지 판단하는 단계(S2), ESS를 충전하는 단계(S3), 그리고, 최고 부하 시간대인지 판단하는 단계(S5,S6), 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 큰지 판단하는 단계(S7), ESS를 방전하는 단계(S8), 또한, 최고 부하 시간 사이 시간대인지 판단하는 단계(S13), 배터리 SOC가 100%보다 작은지 판단하는 단계(S14), ESS를 충전하는 단계(S15)를 포함할 수 있다.

여기서, 배터리 SOC가 대략 100%보다 작은지 판단하는 단계(S2)에서, 배터리 SOC가 100%라면 배터리 모듈이 만충전 상태이므로 ESS의 충전을 정지하는 단계(S4)를 수행한다.

또한, 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 큰지 판단하는 단계(S7)에서, 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 크지 않다면 배터리 모듈의 만방전이 가까운 상태이므로 ESS의 방전을 정지하는 단계(S8)를 수행한다.

또한, 최고 부하 시간대인지 판단하는 단계(S6)에서, 최고 부하 시간대(1)가 아닌 상태(최고 부하 시간대(2))에서 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 크다면(S10), 배터리 모듈의 용량에 여유가 있는 상태이므로 ESS를 방전하는 단계(S11)를 수행하고, 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 크지 않다면, 배터리 모듈의 만방전이 가까운 상태이므로 ESS의 방전을 정지하는 단계(S12)를 수행한다.

더불어, 최고 부하 시간 사이 시간대인지 판단하는 단계(S13)에서, 최고 부하 시간 사이 시간대가 아니라면 ESS의 방전을 정지하는 단계(S16)를 수행하고, 배터리 SOC가 100%보다 작은지 판단하는 단계(S14)에서 배터리 SOC가 100%라면 배터리가 만충전 상태이므로 충전을 정지하는 단계(S17)를 수행한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(비상 운전 모드)를 도시한 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 비상 운전 모드 시 ESS의 운전 방법은 계통 고장 상태인지 판단하는 단계(S21), 배터리 SOC가 0%보다 큰지 판단하는 단계(S22), 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 큰지 판단하는 단계(S23), ESS를 방전하는 단계(S24)를 포함한다.

여기서, 계통 고장 상태인지 판단하는 단계(S21)에서, 계통 고장이 아니라면 ESS를 방전하는 단계(S25)를 포함한다. 또한, 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 큰지 판단하는 단계(S23)에서, 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 크지 않다면 배터리 SOC가 100%보다 작은지 판단하는 단계(S26)와, ESS를 충전하는 단계(S27)를 수행한다. 또한, 배터리 SOC가 100%보다 작은지 판단하는 단계(S26)에서 배터리 SOC가 100%라면 배터리가 만충전 상태이므로 ESS의 충전을 정지하는 단계(S28)를 수행한다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 ESS와 신재생 에너지의 계통 연계 구성, 운영 시나리오를 적용할 장소의 계절별, 시간대별 부하 분류 및 전력 요금을 도시한 도면이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 태양광 발전원(예를 들면, PV)이 ESS(예를 들면, Battery)와 병렬로 계통(Grid) 및 부하(Load)에 연결될 수 있다. 이때, EMS(Energy Management System)는 태양광의 PCS(Power Conditioning System)와 ESS의 PCS에 직접 운전 지령을 내릴 수 있고, 또한 차단기로서 ACV(Air Circuit Breaker)가 사용될 수 있다.

또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 계절은 여름철, 봄가을철, 겨울철로 구분될 수 있고, 부하는 경부하, 중간 부하, 최대 부하로 구분될 수 있으며, 이들 사이에 일정한 시간대가 존재하게 된다.

더불어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 교육형 전력 요금표의 경우, 기본 요금과 함께, 여름철, 봄가울철, 겨울철 및 경부하, 중간 부하 및 최대 부하 사이에 소정 전력 요금이 산정될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(계통 연계 모드, 봄, 여름, 가을 기간)를 도시한 순서도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템(100)을 통하여 얻은 ESS의 운전 시나리오(비상 운전 모드)를 도시한 순서도이다. 도 6 및 도 7은 기본적으로 도 3 및 4와 유사하다.

다만, 도 6에 도시되 바와 같이, 단계(S2,S14)에서 배터리 SOC가 대략 90%로 설정되고, 단계(S6)에서 최고 부하 시간(1)의 경우 10시 내지 12시로, 최고 부하 시간(2)의 경우 13시 내지 17시로 설정되며, 단계(S7,S10)에서 배터리 SOC가 대략 60%로 설정되고, 단계(S13)에서 최고 부하 시간 사이 시간대가 12시 내지 13시로 설정되었다.

더불어, 단계 S3, S4, S8, S9, S11, S12, S12, S15, S17 및 S16이 state1, state2, state3, state4, state5, state6, state7, state8 및 state9로 정의될 수 있다.

이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 단계(S26)에서 배터리 SOC가 90%로 설정되고, 또한 단계 S24, S27, S28 및 S25가 state-1, state-2, state-3 및 state-4로 정의될 수 있다.

여기서, 배터리 용량은 총 500kWh(가용 SoC: 0%~90%), 신재생 에너지(PV)의 발전량(옥상 설치)은 최대 50kW, 최대 비상 부하 전력은 147kW, 비상 부하 운전 지속 시간은 2시간, 최대 비상 부하 전력량은 147kW*2시=294kW인 ESS 시스템이 이용되었다.

도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 계통 연계 시나리오에 대한 결과(계통 연계 모드: 봄, 여름, 가을 기간)를 도시한 그래프이다. 여기서, 도 8a는 시간별 state를, 도 8b는 시간별 배터리 전류를, 도 8c는 시간별 배터리 전압을, 도 8d는 시간별 배터리 SOC를 나타낸다.

도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같이, 시간별 state, 배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리 SOC를 확인한 결과, 운영 시나리오대로 작동되고 있음을 확인할 수 있었다.

도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 계통 연계 시나리오에 대한 결과(계통 연계 모드: 대략 0초 내지 10800초 구간)를 도시한 그래프이다. 도 9a는 시간별 state를, 도 9b는 시간별 배터리 전류를, 도 9c는 시간별 배터리 전압을, 도 9d는 시간별 배터리 SOC를 나타낸다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 0:00시 내지 09:00시에 해당하는 0 내지 10800초 구간은 경부하에 해당함을 알 수 있다. 또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 배터리는 102.6A로 충전을 진행하는 state1의 상태가 대략 400초까지 유지됨을 볼 수 있다. 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이, 배터리 SOC가 90%가 되어 충전을 멈추는 state2의 상태가 10800초까지 유지됨을 볼 수 있고, 또한 중간 부하 중 동작을 멈추는 state9 상태로 전환하는 것은 10800초 이후임을 볼 수 있다.

도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 비상 운전 시나리오에 대한 결과(비상 운전 모드: 대략 10800초 내지 22800초 구간)를 도시한 그래프이다. 도 10a는 시간별 state를, 도 10b는 시간별 배터리 전류를, 도 10c는 시간별 배터리 전압을, 도 10d는 시간별 배터리 SOC를 나타낸다.

도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 15:00시 내지 19:00시에 해당하는 18000초 내지 22800초 구간은 계통 고장으로 비상 운전이 수행됨을 알 수 있고, 또한, 22800초 이후 계통이 정상으로 돌아와 계통 연계 운전이 수행됨을 알 수 있다.

여기서, 10800초 내지 18700초 동안 신재생 에너지 발전량이 비상 부하량보다 많음으로써, 남는 발전량으로 충전하는 state-2의 상태가 유지됨을 볼 수 있다. 또한, 18700초 내지 22800초 동안 신재생 에너지 발전량이 비상 부하량보다 작음으로써, 필요한 비상 부하량만큼 방전하는 state-1의 상태가 유지됨을 볼 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 ESS 시스템에 대한 충방전량 및 모니터링 화면의 실증예이다.

본 발명의 실증예에서 운영되는 시나리오는 위 실험과 같았으며, 일례로 2017년 5월 15일자 모니터링 결과 계통 연계 모드로 운전 중이었으며, 경부하 시간인 23:00~09:00과 중간 부하 시간 중 최대 부하 시간 사이에 있는 12:00~13:00에는 충전이 수행되었고, 최대 부하 시간인 10:00~12:00 및 13:00~17:00에는 방전이 수행되었다. 다만, 운영 시나리오와의 차이는 배터리 SCC의 상한값을 90%가 아닌 100%로 운영하였다는 것이다.

도 12는 ESS 시스템에 대한 SOC 상태를 도시한 실증예이다.

실증 결과 배터리의 충방전은 부하와 SOC의 상태에 따라 시나리오대로 동작함을 볼 수 있었고, ESS에 적용 시(계통 연계 모드) 1달 기준 요금 절감액을 보면 경부하 충전 ESS 용량의 30%(150kWh), 중간 부하 충전 30%(150kWh), 최대 부하 방전 ESS 용량의 58.5%(292.5kWh)로 계산되어 전력 요금은 대략 759,172원이었고, 신재생 에너지 발전량을 포함시킨다면 절감액은 더욱 클 것으로 예상된다.

더욱이, 비상 운전 또한 2시간 이상 운전으로 비상 발전 시 배터리의 이상 유무 확인 가능하였으며, 이에 따라 배터리 SOC의 정확한 측정으로 ESS 설치 시 용량을 최적화할 수 있었다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 ESS의 HILS 개발 시스템 및 이를 이용한 ESS의 운전 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100; ESS의 HILS 개발 시스템
110; 시뮬레이션부 111; 동작 모드 선택부
112; 주변 데이터 입력부 113; 배터리 데이터 입력부
114; 제어부 115; 배터리 출력부
120; 실시간 운영부 130; 전원 공급부
140; 전기 부하 150; 배터리 모듈
160; 데이터 버스 인터페이스부 170; 호스트 컴퓨터

Claims

요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 출력하고, 획득된 전원, 전류 및 SOC 정보를 입력받아 미리 정해진 시뮬레이션 동작을 수행하는 시뮬레이션부;
상기 시뮬레이션부로부터 요구되는 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하고, 상기 시뮬레이션부에 획득된 전원, 전류 및 SOC 정보를 제공하는 실시간 운영부;
상기 실시간 운영부로부터 전원, 전류 및 SOC 정보를 포함하는 제어 명령을 받고, 상기 실시간 운영부로 전원 모니터링 신호를 제공하는 전원 공급부;
상기 실시간 운영부로부터 전원, 전류 및 SOC 정보를 포함하는 제어 명령을 받고, 상기 실시간 운영부로 부하 모니터링 신호를 제공하는 전기 부하; 및
상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 충전되고 상기 전기 부하에 전원을 방전하는 배터리 모듈을 포함함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시뮬레이션부는
동작 모드를 선택하는 동작 모드 선택부;
시뮬레이션에 필요한 주변 데이터를 입력받는 주변 데이터 입력부;
시뮬레이션에 필요한 배터리 데이터를 입력받는 배터리 데이터 입력부;
상기 동작 모드 선택부, 상기 주변 데이터 입력부 및 상기 배터리 데이터 입력부로부터 데이터를 입력받아 미리 정해진 배터리 제어 신호를 생성하는 제어부; 및
상기 배터리 모듈에 상기 배터리 제어 신호를 출력하는 배터리 출력부를 포함함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 동작 모드 선택부는 계통 연계 모드 또는 비상 모드 중 하나를 선택하도록 함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 주변 데이터 입력부는 시간, 신재생 에너지부를 통한 발전량 및 비상 부하량 중 적어도 하나를 입력하도록 함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 배터리 데이터 입력부는 전압, 전류 및 초기 SOC 중 적어도 하나를 입력하도록 함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 배터리 출력부는
상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 측정하는 하기 위한 출력 신호, 계통 및 신재생 에너지의 충전 전류 크기를 상기 전원 공급부에 입력하기 위한 출력 신호, 상기 부하의 방전 전류의 크기를 상기 부하에 입력하기 위한 출력 신호 및 배터리 SOC를 측정하기 위한 출력 신호 중 적어도 하나를 출력함을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시뮬레이션부와 상기 실시간 운영부 사이에는 상호간 데이터를 주고받을 수 있도록 데이터 버스 인터페이스부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 실시간 운영부에는 상기 전원 제어, 전원 모니터링, 부하 제어 및 부하 모니터링 상태를 확인할 수 있도록 하는 호스트 컴퓨터가 연결된 것을 특징으로 하는 ESS의 HILS 개발 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 계통 연계 모드의 ESS의 운전 방법에 있어서,
경부하 시간대이고 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계;
최고 부하 시간대이고 배터리 SOC가 미리 설정된 비상시 대비용 SOC 기준값보다 크면 상기 ESS를 방전하는 단계; 및
상기 최고 부하 시간대가 아니고 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 ESS의 운전 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 ESS의 HILS 개발 시스템을 통하여 얻은 비상 운전 모드의 ESS의 운전 방법에 있어서,
계통 고장 상태이고 배터리 SOC가 0%보다 크며 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 크면 상기 ESS를 방전하는 단계; 및
계통 고장 상태이고 배터리 SOC가 0%보다 크며 비상 발전량이 신재생 에너지 발전량보다 작으며 상기 배터리 SOC가 100%보다 작으면 상기 ESS를 충전하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 ESS의 운전 방법.