KR102084676B1

KR102084676B1 - Ess 운영 시스템 및 그 운영방법

Info

Publication number: KR102084676B1
Application number: KR1020190101488A
Authority: KR
Inventors: 최정내
Original assignee: 주식회사 케이디티
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-03-04

Abstract

본 발명은 배터리의 전압을 기준으로 하여 충방전을 제어하여 운영함으로써 다수의 렉이 병렬로 연결되는 경우 동일한 전압을 갖도록 하여 전압의 불균형을 미연에 방지할 수 있도록 한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법에 관한 것으로서, 신재생 에너지 또는 한전 계통에서 공급된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 방전하는 ESS와, 상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위해 PCS, BMS, 계측기들과 통신을 수행하여 데이터를 수집하고 제어하는 PMS를 포함하고, 상기 PMS는 상기 PCS, BMS, 계측기와 통신을 수행하고 내부 각 블록의 장치들과 통신프로토콜에 맞춰서 통신을 수행하여 데이터들을 수집하고, PCS를 제어하기 위한 명령을 전달하는 통신부와, 상기 PMS에서 사용되는 데이터를 저장하고 장비와 실제 통신으로 통해서 수집된 계측정보와 내부적으로 운용을 위해 사용되는 설정정보를 저장하는 데이터 저장부와, 현재 시점에서 상기 ESS를 충전, 방전 또는 대기 할지를 판단하는 충방전 모드 판단부와, 상기 충방전 모드 판단부의 결과에 따라 상기 ESS의 충전이나 방전모드에서 충방전 전력을 제어하는 충방전 제어부와, 상기 데이터 저장부에 저장된 계측정보 및 설정정보를 디스플레이하거나 조작하는 디스플레이 및 조작부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

ESS 운영 시스템 및 그 운영방법{ESS management system and method for managementing the same}

본 발명은 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법에 관한 것으로, 특히 배터리를 보다 안정적이고 효율적으로 사용할 수 있도록 한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 ESS 운영 시스템은 전력을 배터리에 충전하여 필요할 때 방전하는 시스템으로써 목적에 따라 다양한 운영 방법이 있다. 건물의 에너지 절감용으로는 전기요금이 저렴한 경부하 시간대에 충전하여 전기요금이 비싼 최대 부하 시간대에 방전으로 하거나, 최대수요전력을 제어하기 위한 용도로 사용한다.

또한, 태양광 연계용의 ESS 운영 시스템은 주간시간에 태양광발전소에서 발전된 전력을 충전했다가 저녁시간에 방전하는 용도로 운영하며, 한전계통에서는 주파수조정용(FR)으로 주파수가 낮을 때는 충전하고 높을 때 방전해주는 등 사용목적에 따라 충방전하는 방법에 많은 차이가 있다.

그러나 ESS 운영 시스템을 활용할 때 배터리의 충전상태 또는 충전비율인 SOC를 보면서 제어해야 한다. 배터리의 정격용량이 있다면 배터리는 SOC가 0%인 완전방전(완방) 또는 SOC가 100%인 완전충전(완충)이 되도록 운영을 할 경우 배터리의 수명이 줄어들거나 과충전되는 경우 화재의 위험이 있기 때문에 SOC가 0~100% 범위로 운전하지 않고 특정범위에서 운전하게 된다.

한편, DOD(Depth of Discharge, 방전심도)는 배터리가 완전충전되어 있는 상태에서 몇 %를 방전했는지를 의미하는 양으로써 SOC와 반대되는 개념이지만, 운전폭으로 사용하기도 한다. 예를 들어 DOD 90%로 운전한다는 것은 배터리 전체용량의 90% 폭에서 사용한다는 의미이며 SOC의 사용범위와는 다른 의미이다.

즉, 배터리의 SOC를 0~90%, 5~95%, 10~100%의 범위에서 사용한다고 했을 때 DOD는 모두 같은 값이 된다. 일반적으로 배터리 제조사에서는 배터리를 안전하게 운전할 수 있도록 SOC의 운용범위에 대한 가이드를 제시하며 이 가이드에 맞춰서 ESS 운영 시스템을 운영해야 한다.

예를 들어 SOC 5~95%로 운용을 한다면 ESS를 운용하는 시스템인 PMS에서는 충전하는 경우에 계속 충전하다가 95%가 되면 시스템을 정지하여 더 이상 충전이 되지 않도록 제어하고, 방전하는 경우에는 SOC가 5%가 되면 더 이상 방전이 되지 않도록 제어한다.

한편, ESS 운영 시스템을 구축하는 배터리는 최소단위인 셀을 직렬로 연결하여 모듈을 구성하고, 상기 모듈을 직렬로 연결하여 트레이를 구성하며, 상기 트레이를 직결로 연결하여 하나의 렉을 구성한다. 상기 셀의 전압은 일반적으로 약 3V 정도이고 이를 직렬로 연결한 렉은 수백V가 된다. 제조사마다 렉의 용량이 다르기 때문에 ESS 운영 시스템을 구성할 때는 구축하고자 하는 용량에 맞춰 렉을 병렬로 연결하여 구성하게 된다.

도 1은 일반적인 ESS 운영 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 렉의 용량이 50kWh라고 하면 ESS 운영 시스템을 300kWh 구축하고자 할 경우에 50kWh 렉 6개를 병렬로 연결하여 구성한다. 이때 PCS는 양방향으로 충방전해주는 전력변환 장치로 배터리의 용량보다 적게 사용한다.

도 1과 같이, PCS 용량을 100kW를 사용하면 최대로 충전하거나 방전할 수 있는 전력이 100kW가 된다. 따라서 배터리를 0%에서 100%까지 충전하는데 3시간이 걸린다.

상기 배터리는 렉단위의 병렬연결이 되어서 충전을 하거나 방전을 할 때 렉들에 분할되어 충방전된다. 그러나 렉별로 특성이 조금씩 다르기 때문에 렉별로 충방전되는 전류의 양이 조금이 다르고 SOC도 서로 불균형해지는 문제점이 있다.

예를 들어, 도 1에서 PCS에서 60kW로 충전을 한다면 6개의 렉인 균등하게 10kW씩 충전되는 것이 아니라, 특정 렉은 10kW 이상 충전되고 어떤 것은 10kW 미만으로 충전되는 현상이 발생한다.

한편, SOC는 충전되는 전력량, 온도 특성을 반영해서 계산이 되는데 계속적으로 충전이나 방전을 하게 되면, SOC의 값을 정확하게 계산하는 것이 어렵고 시간이 지날수록 오차가 누적된다. 리듐이온배터리보다 리듐인산철의 경우 SOC을 계산하는 것이 더 어려운 것으로 알려졌으며, SOC 값을 전압이 상한 또는 하한값이 도달했을 때 강제적으로 100%나 0%로 조정되도록 하기도 한다.

상기 배터리를 충방전할 때 렉별로 성능이 달라서 충방전 전류가 달라지고 SOC가 불균형해 진다. BMS는 렉 단위의 데이터를 평균, 최대, 최소 등의 값을 계산하여 대표값으로 사용되는데 SOC는 렉들의 평균값을 일반적으로 사용하게 된다. PMS에서는 배터리의 SOC를 기준으로 5~95%로 운영을 할 때 렉별의 평균값을 기준으로 운영하게 된다.

실질적으로 배터리를 충전할 때 95%에서 정지를 하는 경우에 어떤 렉은 95%를 초과되는 경우도 있고 어떤 렉은 95%가 못되는 경우도 있다. 즉 어떤 렉은 과충전되고 어떤 렉은 충전을 더 할 수 있음에도 못하게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 상태가 계속 반복될수록 SOC의 불균형은 더욱 커지게 되며 배터리를 효율적으로 사용하지 못하는 상황이 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 배터리의 전압을 기준으로 하여 충방전을 제어하여 운영함으로써 다수의 렉이 병렬로 연결되는 경우 동일한 전압을 갖도록 하여 전압의 불균형을 미연에 방지할 수 있도록 한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 배터리를 충전이나 방전할 때 전압 범위를 한 단계 추가하여 정상적으로 운전하다가 1단계가 되면 최대출력을 감소하고 2단계가 되면 정지함으로써 배터리를 더욱더 안전하고 효율적으로 사용할 수 있도록 한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 ESS 운영 시스템은 신재생 에너지 또는 한전 계통에서 공급된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 방전하는 ESS와, 상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위해 PCS, BMS, 계측기들과 통신을 수행하여 데이터를 수집하고 제어하는 PMS를 포함하고, 상기 PMS는 상기 PCS, BMS, 계측기와 통신을 수행하고 내부 각 블록의 장치들과 통신프로토콜에 맞춰서 통신을 수행하여 데이터들을 수집하고, PCS를 제어하기 위한 명령을 전달하는 통신부와, 상기 PMS에서 사용되는 데이터를 저장하고 장비와 실제 통신으로 통해서 수집된 계측정보와 내부적으로 운용을 위해 사용되는 설정정보를 저장하는 데이터 저장부와, 현재 시점에서 상기 ESS를 충전, 방전 또는 대기 할지를 판단하는 충방전 모드 판단부와, 상기 충방전 모드 판단부의 결과에 따라 상기 ESS의 충전이나 방전모드에서 충방전 전력을 제어하는 충방전 제어부와, 상기 데이터 저장부에 저장된 계측정보 및 설정정보를 디스플레이하거나 조작하는 디스플레이 및 조작부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 ESS 운영 시스템의 운영방법은 신재생 에너지 또는 한전 계통에서 공급된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 방전하는 ESS 운영 시스템의 운영방법에 있어서, 현재시간대에 운전 모드 정보 그리고 PCS, BMS의 상태정보를 읽어와 판단하고 전력 계측기, BMS, PCS와 통신상태가 정상인지를 판단하는 단계; 상기 전력 계측기, BMS, PCS 3개 중 하나라도 통신이 안되면 시스템을 대기모드로 전환하는 단계; 상기 PCS와 BMS가 정상상태인지 판단하는 단계; 상기 PCS와 BMS에서 시스템 보호를 위해 과전압, 과전류, 과열, 고주파, 저주파와 같은 보호상태를 체크하고 Fault 정보를 제공하는 단계; 상기 ESS에 설정된 스케줄이나 설정 상황에 따라 방전시간, 충전시간, 대기모드 인지를 판단하는 단계; 상기 충전시간대에서 배터리 전압이 충전 감소전압 미만인지 또는 충전 정지전압 미만인지에 따라 계속 충전할지와 정지하여 대기모드로 갈지를 판단하고 최대 충전 전력값을 변경하는 단계; 상기 방전시간대에서 상기 배터리 전압이 방전 감소전압 이상인지 또는 방전 정지전압 이상인지에 따라 계속 방전할지와 정지하여 대기모드로 갈지를 판단하고 최대 방전 전력값을 변경하는 단계; 상기 충전감소전압, 방전감소전압, 방전정지전압의 기준 전압지점에서 히스테리시스 기능을 부여하여 충전 또는 방전의 재동작에 제약을 부여하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 배터리의 전압을 기준으로 하여 충방전을 제어하여 운영함으로써 다수의 렉이 병렬로 연결되는 경우 동일한 전압을 갖도록 하여 전압의 불균형을 미연에 방지할 수 있다.

둘째, 배터리를 충전이나 방전할 때 전압 범위를 한 단계 추가하여 정상적으로 운전하다가 1단계가 되면 최대출력을 감소하고 2단계가 되면 정지함으로써 배터리를 더욱더 안전하고 효율적으로 사용할 수 있다.

도 1은 일반적인 ESS 운영 시스템을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법을 적용하기 위한 PMS의 내부를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 충전 모드 판단부에서 ESS를 충전, 방전 또는 대기 할지를 판단하는 순서를 나타낸 동작 알고리즘
도 4는 충전시의 제어 블록 다이어그램
도 5는 방전시의 제어 블록 다이어그램
도 6 및 도 7은 충전 및 방전시 전압기준과 히스테리시스에 따른 동작 모드의 변경을 예시로 나타낸 그래프

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 발명에 의한 ESS 운영 시스템 및 그 운영방법을 적용하기 위한 PMS의 내부를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, PMS(100)는 PCS, BMS, 계측기들과 통신을 수행하여 데이터를 수집하고 제어하는 기기로서, 통신부(110), 데이터 저장부(120), 충방전 모드 판단부(130), 충방전 제어부(140) 및 디스플레이 및 조작부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 계측기는 계통으로 송전 또는 수전되는 전력을 계측하여 이 수전 또는 송전되는 전력을 일정하게 유지하도록 PCS의 충전 또는 방전을 제어한다. 이 시스템은 태양광 발전 시스템과 연계하여 태양광 발전량을 충전해서 전력에 방전할 수도 있으며, 건물에서는 새벽 시간에 충전해서 최대부하시간대에 방전하는 용도로 사용될 수 있다.

일반적으로 태양광연계용으로 사용할 경우에는 계통으로 송전되는 전력을 일정하게 제어하고, 건물에서 수요 전력관리용을 할 경우에는 계통에서 수전되는 전력을 일정하게 유지하도록 제어한다.

상기 통신부(110)는 PCS, BMS, 전력계측기와 통신을 수행하고 내부 각 블록의 장치들과 통신프로토콜에 맞춰서 통신을 수행하여 데이터들을 수집하고, PCS를 제어하기 위한 명령을 전달하는 역할을 한다.

일반적으로 BMS는 TCP 통신을 하고 PCS와 전력계측기는 RS485 통신을 하기 때문에 물리적으로 TCP나 RS485 통신을 할 수 있는 포트(Port)를 포함하고 있다. 통신하는 데이터의 항목은 전압, 전류, 전력, 온도, SOC 그리고 상태나 고장 정보 등이 있으며 이렇게 수집된 데이터는 데이터 저장부에 저장하게 된다.

상기 데이터 저장부(120)는 PMS에서 사용되는 데이터를 저장하는 공간으로써 장비와 실제 통신으로 통해서 수집된 계측정보를 저장하는 계측정보 저장부(121)와 내부적으로 운용을 위해 사용되는 설정정보를 저장하는 설정정보 저장부(122)로 구분된다.

한편, PMS에서는 내부 데이터를 태그방식으로 관리하며 데이터 하나하나를 태그에 저장하고 태그명을 통하여 데이터를 접근할 수 있다. 계측데이터나 설정데이터는 공유메모리영역에 할당되어 있어서 충방전 모드 판단부(130), 충방전 제어부(140), 디스플레이 및 조작부(150) 등에서 데이터를 읽어가거나 값을 변경할 수 있다.

상기 충전 모드 판단부(130)는 현재 시점에서 ESS를 충전, 방전 또는 대기 할지를 판단하는 기능을 하는데 도 3의 알고리즘으로 동작한다.

먼저, 현재시간대에 운전 모드 정보 그리고 PCS, BMS의 상태정보를 읽어와 판단하고 전력 계측기, BMS, PCS와 통신상태가 정상인지를 판단한다(S110). 이때 상기 전력 계측기, BMS, PCS 3개 중 하나라도 통신이 안되면 시스템을 대기모드로 간다(S120).

이어서, PCS와 BMS가 정상상태인지 판단한다(S130). 이때 상기 PCS와 BMS에서는 시스템 보호를 위해 과전압, 과전류, 과열, 고주파, 저주파 등 다양한 보호상태를 체크하고 Fault 정보를 제공한다. 만약 Fault가 발생한다면 시스템을 대기모드로 가서 정지한다(S120).

이어서, 설정된 스케줄이나 설정 상황에 따라 방전시간, 충전시간, 대기모드 인지를 판단한다(S140). 그리고 충전시간대에서는 배터리 전압(V)이 충전 감소전압 미만인지(S150) 또는 충전 정지전압 미만인지(S160)에 따라 계속 충전할지와 정지하여 대기모드(S120)로 갈지를 판단하고 또한 최대 충전 전력값을 변경을 한다.

상기 배터리 전압(V)이 보통 충전 감소전압 미만에서는 최대충전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대충전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정할 수 있다.

또한, 방전시간대에서는 배터리 전압(V)이 방전 감소전압 이상인지(S170) 또는 방전 정지전압 이상인지(S180)에 따라 계속 방전할지와 정지하여 대기모드(S120)로 갈지를 판단하고 또한 최대 방전 전력값을 변경을 한다.

상기 배터리 전압(V)이 보통 방전 감소전압 이상에서는 최대방전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대방전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정할 수 있다.

한편, 배터리는 충전할 때 충전 전력을 일정하게 하면 전압이 점진적으로 증가하지만 충전전력을 줄이면 전압이 어느 정도 낮아진다. 정지를 할 경우에는 전압이 어느 정도 낮아져서 그 상태를 유지하게 된다. 이는 배터리에 충전을 많이 할 때는 에너지 밀도가 낮아져서 전압이 올라가다가 정지하거나 충전량을 줄이면 에너지 밀도가 높아지면서 전압이 낮아지는 특성을 갖고 있다.

상기 배터리는 방전할 때 그 반대의 특성을 갖고 있다. 이러한 특성으로 인하여 감소기준전압이나 정지전압에 의하여 배터리의 동작모드가 변할 경우 전압도 다른 방향으로 변하게 된다. 예를 들면 충전할 때 충전정지전압이 되어서 충전을 중단하게 되면 배터리의 전압은 다시 낮아져서 충전정지전압 이하가 되어서 다시 충전모드가 되어 충전을 하게 된다. 그러다 조금 충전하면 다시 정지전압을 초과하여 멈추게 된다. 이렇게 짧은 시간동안 동작모드가 반복적으로 변경되어 시스템에 많은 스트레스를 주게되고 수명이 저하되는 원인이 될 수 있다.

따라서 충전감소전압, 방전감소전압, 방전정지전압 등 기준 전압지점에서 이러한 동작이 반복되는 현장이 발생할 수 있기 때문에 히스테리시스 기능을 부여하여 재동작에 제약을 줄 수 있다. 예를 들어 정지전압이 800V라면 히스테리시스를 10V의 여유를 주어서 처음에 800V에 되면 정지했다가 다지 동작하기 위해서는 800V에서 10V 더 낮은 790V가 되면 다시 충전모드로 되어 충전하도록 함으로써 기준전압 금방에서 동작모드가 반복적으로 변경되는 것을 방지할 수 있다. 충전시와 방전시 4개의 기준전압에 대하여 각각의 히스테리시스 전압을 정의하여 적용할 수 있다.

상기 충방전 제어부(140)는 충전이나 방전모드에서 충방전 전력을 제어하는 기능을 한다. 충전시의 제어 블록 다이어그램은 도 4와 같다. 일반적으로 SOC기반의 방법과 제어알고리즘은 유사하지만 제어부의 출력값인 cout값에 리미트(limit)를 하는 구성을 차별적으로 적용된다.

즉, 상기 충방전 제어부(140)는 ESS(141)의 충방전을 위해 배터리 전압을 체크하는 배터리 전압 체크부(142)와, 상기 ESS(141)의 충전전력 값(y_e)과 계통 송전 전력 값(y_g)을 전달받아 제어하는 제어부(143)와, 상기 제어부(143)의 출력 값(cnt)과 상기 배터리 전압 체크부(142)의 배터리 전압(Bat V)을 전달받아 충전 값을 제한하기 위해 리미트하여 상기 ESS(141)에 충전 지령값(cout)을 출력하는 리미트부(144)와, 상기 ESS(141)의 충전시 송전기준전력값(y_cf)과 계통 송전 전력값(y_g)을 전달받아 연산하여 오차값(err)을 상기 제어부(143)로 출력하는 제 1 연산부(145)와, 상기 ESS(141)의 충전 전력값(y_e)과 태양광 발전전력값(y_s) 및 부하전력값(y_l)을 전달받아 연산하여 계통 송전 전력값(y_g)을 출력하는 제 2 연산부(146)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 충방전 제어부(140)에서 ESS(141)는 충전 전력값(cout)을 지령으로 입력받으면 수 ms안에 상기 지령값만큼 충전하는 것으로 간주하고, 계통 송전 전력 값(y_g)은 다음의 수학식 1로 계산된다. 태양광 발전전력값(y_s)이나 부하전력값(y_l)은 외란으로 간주할 수 있으며, 외란이 변동되는 경우에 계통 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 제어해야 한다.

한편, 외란이 변동되는 경우에 계통 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 제어를 위한 오차는 다음의 수학식 2처럼 정의된다.

상기 제어부(143)는 변형된 PI 제어기를 사용하는데, PCS의 출력 값을 제어 값으로 직접 사용한다. 기본적인 PID 제어기의 이전 제어 값에 에러가 더해지지만, 본 발명에서는 출력 값에 에러 값이 더해지는 구조이다.

여기서, k는 비례상수로 제어변동 값을 오차로 특정 비율만큼을 반영하게 되는데 k 값이 큰 경우에는 목표 값에 빨리 도달하지만, 오실레이션이 많이 발생하게 되고, k 값이 작은 경우는 변동폭이 적기 때문에 서서히 목표 값에 도달하는 특성을 갖고 있기 때문에 적절한 k 값으로 설정하여 사용하는데 본 발명에서 k의 기본값으로 0.5을 사용한다.

그리고 마지막으로 배터리의 전압(V)에 따라 제어부(143)의 제어 값에 상한 값 체크를 실시하여 제어 값을 조정한다. 도 3의 충방전 모드 및 최대출력 판단부에서 결정된 최대 값과 제어부(143)의 출력 값(cnt)을 비교하여 둘 중 최소 값을 ESS의 최종 충전 값으로 사용한다.

따라서 상기 ESS(141)의 충전 값은 다음의 수학식 3으로 구현된다.

상기 ESS(141)의 방전시에도 거의 유사한 방법으로 적용할 수 있다. 방전 시의 제어 다이어그램은 도 5에 나타내었다. 충전할 때와 거의 유사하지만 오차의 계산이 반대이다. 이는 PCS의 제어 및 상태 값이 충전할 때나 방전할 때 모두 (+) 값으로 제공되므로 제어시에도 부호를 고려해야 한다.

즉, 상기 충방전 제어부(140)는 ESS(141)의 충방전을 위해 배터리 전압을 체크하는 배터리 전압 체크부(142)와, 상기 ESS(141)의 방전전력 값(y_e)과 계통 송전 전력 값(y_g)을 전달받아 제어하는 제어부(143)와, 상기 제어부(143)의 출력 값(cnt)과 상기 배터리 전압 체크부(142)의 배터리 전압(Bat V)을 전달받아 방전 값을 제한하기 위해 리미트하여 상기 ESS(141)에 방전 지령값(cout)을 출력하는 리미트부(144)와, 상기 ESS(141)의 방전시 송전기준전력값(y_df)과 계통 송전 전력값(y_g)을 전달받아 연산하여 오차값(err)을 상기 제어부(143)로 출력하는 제 1 연산부(145)와, 상기 ESS(141)의 방전전력값(y_e)과 태양광 발전전력값(y_s) 및 부하전력값(y_l)을 전달받아 연산하여 계통 송전 전력값(y_g)을 출력하는 제 2 연산부(146)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 충방전 제어부(140)에서 ESS(141)는 방전 전력값(cout)을 지령으로 입력받으면 수 ms안에 상기 지령값만큼 방전하는 것으로 간주한다. 계통 송전 전력 값(y_g)은 다음의 수학식 4로 계산된다. 태양광 발전전력값(y_s)이나 부하전력값(y_l)은 외란으로 간주할 수 있으며, 외란이 변동되는 경우에 계통 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 제어해야 한다.

방전시에 계통 출력값은 태양광 발전전력값 + ESS의 방전전력값 - 부하전력값으로 표현된다.

한편, 외란이 변동되는 경우에 계통 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 제어를 위한 오차는 다음의 수학식 5처럼 정의된다.

상기 제어부(143)의 출력 값(cnt)은 충전시와 동일하게 계산된다. 즉 수학식 6과 같다.

그리고 마지막으로 최종 제어값도 방전최대 전력값과 제어값의 최소값으로 다음의 수학식 7처럼 계산된다.

상기 디스플레이 및 조작부(150)는 상기 데이터 저장부(120)에 저장된 정보를 화면에 디스플레이하거나 조작하는 역할을 한다.

한편, 도 6 및 도 7은 충전 및 방전시 전압기준과 히스테리시스에 따른 동작 모드의 변경을 예시로 나타낸 그래프이다.

이와 같이 본 발명에서 배터리는 충전할수록 전압이 올라가고 방전할수록 전압이 내려가게 된다. PCS나 BMS에서는 충전이나 방전할 때 전압을 기준으로 하여 과충전 또는 과방전을 판단하기 때문에 PMS에서는 SOC정보를 사용하지 않고 배터리의 전압을 기준으로 하여 운영하는 방법은 제안한다. 또한 전압의 경우 모든 렉이 병렬로 연결되는 경우 전압이 같기 때문에 전압의 불균형이 발생할 일은 전혀 없다.

또한, ESS의 충전이나 방전할 때 전압을 범위를 1 단계 추가하여 정상적으로 운전하다가 1단계가 되면 최대출력을 감소하고 2단계가 되면 정지함으로써 배터리를 더욱더 안전하고 효율적으로 사용할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : PMS 110 : 통신부
120 : 데이터 저장부 130 : 충방전 모드 판단부
140 : 충방전 제어부 150 : 디스플레이 및 조작부

Claims

신재생 에너지 또는 한전 계통에서 공급된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 방전하는 ESS와,
상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위해 PCS, BMS, 계측기들과 통신을 수행하여 데이터를 수집하고 제어하는 PMS를 포함하고, 상기 PMS는
상기 PCS, BMS, 계측기와 통신을 수행하고 내부 각 블록의 장치들과 통신프로토콜에 맞춰서 통신을 수행하여 데이터들을 수집하고, PCS를 제어하기 위한 명령을 전달하는 통신부와,
상기 PMS에서 사용되는 데이터를 저장하고 장비와 실제 통신으로 통해서 수집된 계측정보와 내부적으로 운용을 위해 사용되는 설정정보를 저장하는 데이터 저장부와,
현재 시점에서 상기 ESS를 충전, 방전 또는 대기 할지를 판단하는 충방전 모드 판단부와,
상기 충방전 모드 판단부의 결과에 따라 상기 ESS의 충전이나 방전모드에서 충방전 전력을 제어하는 충방전 제어부와,
상기 데이터 저장부에 저장된 계측정보 및 설정정보를 디스플레이하거나 조작하는 디스플레이 및 조작부를 포함하여 구성되고,
상기 충방전 제어부는 상기 ESS의 충방전을 위해 배터리 전압을 체크하는 배터리 전압 체크부와, 상기 ESS의 충방전 전력 값과 계통 송전 전력 값을 전달받아 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 출력 값과 상기 배터리 전압 체크부의 배터리 전압을 전달받아 충방전 값을 제한하기 위해 리미트하여 상기 ESS에 충방전 지령값을 출력하는 리미트부와, 상기 ESS의 충방전시 송전기준전력값과 계통 송전 전력값을 전달받아 연산하여 오차값을 상기 제어부로 출력하는 제 1 연산부와, 상기 ESS의 충방전 전력값과 태양광 발전전력값 및 부하전력값을 전달받아 연산하여 계통 송전 전력값을 출력하는 제 2 연산부를 포함하여 구성되며,
상기 충방전 제어부는 상기 배터리 전압이 충전 감소전압 미만에서는 최대충전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대충전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정하고, 상기 배터리 전압이 방전 감소전압 이상에서는 최대방전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대방전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 ESS 운영 시스템.
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제 1 항에 있어서, 상기 데이터 저장부는 상기 통신부를 통해 전압, 전류, 전력, 온도, SOC 그리고 상태나 고장 정보를 전달받아 저장하는 것을 특징으로 하는 ESS 운영 시스템.
신재생 에너지 또는 한전 계통에서 공급된 전력을 공급받아 충전하고 특정 시간대에 저장된 전력을 방전하는 ESS 운영 시스템의 운영방법에 있어서,
현재시간대에 운전 모드 정보 그리고 PCS, BMS의 상태정보를 읽어와 판단하고 전력 계측기, BMS, PCS와 통신상태가 정상인지를 판단하는 단계;
상기 전력 계측기, BMS, PCS 3개 중 하나라도 통신이 안되면 시스템을 대기모드로 전환하는 단계;
상기 PCS와 BMS가 정상상태인지 판단하는 단계;
상기 PCS와 BMS에서 시스템 보호를 위해 과전압, 과전류, 과열, 고주파, 저주파와 같은 보호상태를 체크하고 Fault 정보를 제공하는 단계;
상기 ESS에 설정된 스케줄이나 설정 상황에 따라 방전시간, 충전시간, 대기모드 인지를 판단하는 단계;
상기 충전시간대에서 배터리 전압이 충전 감소전압 미만인지 또는 충전 정지전압 미만인지에 따라 계속 충전할지와 정지하여 대기모드로 갈지를 판단하고 최대 충전 전력값을 변경하는 단계;.
상기 방전시간대에서 상기 배터리 전압이 방전 감소전압 이상인지 또는 방전 정지전압 이상인지에 따라 계속 방전할지와 정지하여 대기모드로 갈지를 판단하고 최대 방전 전력값을 변경하는 단계;
상기 충전감소전압, 방전감소전압, 방전정지전압의 기준 전압지점에서 히스테리시스 기능을 부여하여 충전 또는 방전의 재동작에 제약을 부여하는 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 ESS의 충방전을 위해 배터리 전압을 체크하여 상기 배터리 전압이 충전 감소전압 미만에서는 최대충전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대충전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정하고, 상기 배터리 전압이 방전 감소전압 이상에서는 최대방전전력을 90~100%로 설정하고, 감소전압과 정지전압 사이에서는 최대방전전압을 정격의 15~30% 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는 ESS 운영 시스템의 운영방법.
제 4 항에 있어서, 상기 Fault가 발생한다면 시스템을 대기모드로 전환하여 정지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 운영 시스템의 운영방법.
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