KR102152344B1 - 과금 전력 최소화를 위한 pv 요구 발전량을 산출하는 전력 제어 시스템 - Google Patents

과금 전력 최소화를 위한 pv 요구 발전량을 산출하는 전력 제어 시스템 Download PDF

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KR102152344B1 KR1020190148805A KR20190148805A KR102152344B1 KR 102152344 B1 KR102152344 B1 KR 102152344B1 KR 1020190148805 A KR1020190148805 A KR 1020190148805A KR 20190148805 A KR20190148805 A KR 20190148805A KR 102152344 B1 KR102152344 B1 KR 102152344B1
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최성곤
박용희
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전력 제어 시스템에 관한 것으로서, 태양광을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 PV(Photovoltaics), 전력을 공급하는 전력 공급자, 상기 PV 및 상기 전력 공급자로부터 공급된 전력을 저장하고, 시프트 가능 기기, 시프트 불가능 기기, EV(Electric Vehicle)를 포함하는 전력 수요자에게 전력을 공급하기 위한 ESS(Energy Storage System), 각 EV의 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 ESS 제어 시스템으로 송신하고, 상기 ESS 제어 시스템으로부터 수신한 제어 정보에 따라 각 EV의 충방전을 제어하기 위한 EV 제어 시스템 및 상기 PV, 상기 ESS, 상기 전력 공급자, 상기 시프트 가능 기기, 상기 시프트 불가능 기기, 상기 EV 제어 시스템으로부터 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 이용하여 상기 전력 공급자로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 상기 PV에 요구하는 발전량인 요구 발전량을 산출하고, 수집된 전력 정보와 산출된 요구 발전량을 기반으로 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하여 각각 송신하는 ESS 제어 시스템을 포함한다.

Description

과금 전력 최소화를 위한 PV 요구 발전량을 산출하는 전력 제어 시스템 {Electric power controlling system for estimating required power of PV for minimizing fee power}
본 발명은 ESS(Energy Storage System)를 구비하는 전력 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과금 전력 최소화를 위한 PV 요구 발전량을 산출하는 전력 제어 시스템에 관한 것이다.
전력의 공급과 수요의 불균형은 정전 및 전력 낭비와 같은 문제를 유발한다. ESS(Energy Storage System)는 수요 전력이 공급 전력을 초과하였을 때, 저장된 전력을 공급하여서 추가적인 전력원으로 사용할 수 있다. 수요 전력이 공급 전력보다 낮은 경우 ESS는 남은 전력을 저장하여 전력의 낭비 또한 방지할 수 있다.
수요 전력이 급격히 증가하는 피크 로드(peak load)에 대한 문제는 오랫동안 다루어지고 있는데, 피크 로드의 발생 시 공급 전력만으로 대응하기 어려운 경우가 발생하여 정전과 같은 문제를 유발한다.
최근 로드 시프트(load shift)가 피크 로드를 대응하기 위한 방법으로 관심받고 있다. 로드 시프트는 전력 공급의 우선순위가 낮은 기기를 시프트 가능 기기로 분류한 뒤, 피크 로드가 발생하면 시프트 가능 기기의 전력 공급을 최소화하고, 로드가 안정되면 시프트된 전력과 함께 시프트 가능 기기에 전력을 공급하는 방식이다. 이와 관련하여, 기기에 대한 전력 공급에 있어서 전력 또는 시간으로 시프트가 가능할 수 있는 기기를 시프트 가능 기기(Shiftable appliance)로 분류하고, 불가능한 기기를 시프트 불가능 기기(Non-Shiftable appliance)로 분류하며, 시프트 가능 기기에 대한 로드를 제어하여 정전과 같은 최악의 상황을 방지할 수 있다.
또한 V2G(Vehicle to Grid)도 피크 로드 대응 방법으로 많은 연구가 진행되고 있다. V2G에서는 피크 로드 발생 시, EV(Electric Vehicle)에 저장된 전력을 방전하여 추가적인 전력원으로 사용할 수 있다.
ESS는 전원 유지를 위한 최소한의 SoC(State of Charge)를 보유하여야 한다. 또한, ESS의 SoC는 배터리의 수명과도 관련이 있다. 따라서 ESS의 SoC가 관리되지 않는다면 ESS는 전원을 유지하는데 어려움이 생길 수 있고, 배터리의 수명이 짧아지는 문제가 생길 수 있다.
종래 시프트 가능 기기를 제어하여 피크 로드를 대응하는 방법은 기본적으로 사용자에게 공급되는 전력을 감소시키는 것으로서, 전력 공급에 여유가 있는 시간대에서 시프트 된 전력을 다시 공급하지만, 피크 로드가 발생한 시간대에서는 사용자에게 공급되는 전력이 감소하게 된다는 문제점이 있다.
종래 V2G는 사용자의 EV(Electric Vehicle)에 저장된 전력을 공급하여 피크 로드를 대응하는데, 이 방식은 피크 로드를 대응하는 것을 우선함으로써, 사용자가 보유한 전력을 가져오게 되어 결과적으로 전력 서비스의 품질을 감소시킨다는 문제점이 있다.
최근 신재생 발전에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 신재생 발전기의 일종인 PV(Photovoltaics)에 대한 수요가 증가하고 있다. 일단 PV를 설치하기 위한 초기 설치 비용을 투자하면, 이후 PV가 생산하는 전력을 과금 없이 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, PV는 전력의 수요가 많은 시간대에 전력 발전량이 증가하기 때문에 피크 로드 대응으로도 사용할 수 있다.
또한, PV를 설치할 때, 생산되는 전력량을 고려해야 한다. PV가 발전하는 전력량이 많을수록 전력 공급자로부터 공급되는 전력이 줄어들어, 과금 전력을 최소화 할 수 있다. 하지만 PV 발전량을 높게 측정할수록 투자비용 또한 증가하게 되므로, PV 설치시에 적절한 요구 발전량을 추산해야할 필요성이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0026622호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, PV의 적절한 발전량을 산출하여 전력 공급자로부터 공급받는 과금 전력을 최소화하는 전력 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 즉, 본 발명에서 PV의 발전량은 ESS가 선호하는 SoC를 유지하기 위해 PV가 전력을 어느 정도 생산해야 하는지를 기준으로 정해지는데, 사용자는 해당하는 기준으로 PV 설치 시 발전량의 크기를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명은 전력 수요의 변화 등으로 인해 PV의 발전량으로 ESS의 선호 SoC를 유지하지 못 할 경우, EV 충방전 전환, 시프트 가능 기기의 제어, 전력 공급자에게 전력 요청의 기능을 수행할 수 있는 전력 제어 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 제어 시스템은 태양광을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 PV(Photovoltaics), 전력을 공급하는 전력 공급자, 상기 PV 및 상기 전력 공급자로부터 공급된 전력을 저장하고, 시프트 가능 기기, 시프트 불가능 기기, EV(Electric Vehicle)를 포함하는 전력 수요자에게 전력을 공급하기 위한 ESS(Energy Storage System), 각 EV의 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 ESS 제어 시스템으로 송신하고, 상기 ESS 제어 시스템으로부터 수신한 제어 정보에 따라 각 EV의 충방전을 제어하기 위한 EV 제어 시스템 및 상기 PV, 상기 ESS, 상기 전력 공급자, 상기 시프트 가능 기기, 상기 시프트 불가능 기기, 상기 EV 제어 시스템으로부터 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 이용하여 상기 전력 공급자로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 상기 PV에 요구하는 발전량인 요구 발전량을 산출하고, 수집된 전력 정보와 산출된 요구 발전량을 기반으로 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하여 각각 송신하는 ESS 제어 시스템을 포함한다.
상기 ESS 제어 시스템은, 상기 PV의 발전량만으로 상기 ESS의 최적 SoC(State of Charge)를 유지하도록 하고, 상기 PV의 발전량만으로 상기 ESS의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, 각 EV의 충방전을 제어하여 상기 ESS에 전력이 공급되도록 상기 EV 제어 시스템에 제어 정보를 송신하고, 상기 PV의 발전량 및 각 EV의 충방전 제어로 상기 ESS의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 상기 시프트 가능 기기의 로드를 제어하고, 상기 PV의 발전량, 각 EV의 충방전 제어 및 상기 시프트 가능 기기의 로드 제어로 상기 ESS의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 최종적으로 상기 전력 공급자로부터 전력을 공급받아 상기 ESS의 SoC를 유지하도록 할 수 있다.
상기 ESS 제어 시스템은, 상기 PV의 발전량 정보, 상기 ESS의 SoC 정보, 상기 전력 공급자가 공급하는 전력량 정보, 상기 시프트 가능 기기의 로드 정보, 상기 시프트 불가능 기기의 로드 정보, 상기 EV의 로드 정보를 포함하는 전력 정보를 수신하기 위한 전력 정보 수신부, 상기 전력 정보 수신부에서 수신된 전력 정보를 이용하여 상기 ESS의 SoC를 유지하기 위하여 상기 PV에게 요구되는 발전량인 요구 발전량을 산출하기 위한 요구 발전량 산출부, 상기 전력 정보 수신부에서 수신된 전력 정보와 상기 요구 발전량 산출부에서 산출된 요구 발전량을 통해 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하기 위한 제어 정보 산출부 및 산출된 제어 정보를 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자에게 각각 송신하기 위한 제어 정보 송신부를 포함하여 이루어질 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00001
는 단위 시간 t에서 ESS가 전력 공급자로부터 공급받는 전력이고,
Figure 112019118844213-pat00002
는 ESS가 PV에게 요구하는 발전량인 요구 발전량이라고 할 때,상기 전력 공급자로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 상기 PV에게 요구하는 발전량인 요구 발전량을 추산하는 것을,
Figure 112019118844213-pat00003
(수학식 1)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00004
는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00005
는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 시작하는 시간이고,
Figure 112019118844213-pat00006
는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 종료하는 시간이고,
Figure 112019118844213-pat00007
는 관측 시간 동안 PV만 사용하였을 때 ESS의 SoC를 유지하지 못한 횟수라고 할 때, 관측 시간 동안 상기 ESS가 상기 PV에 요구하는 발전량의 평균
Figure 112019118844213-pat00008
을,
Figure 112019118844213-pat00009
(수학식 2)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00010
는 ESS의 SoC이고,
Figure 112019118844213-pat00011
는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC라고 할 때, 단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량
Figure 112019118844213-pat00012
을
Figure 112019118844213-pat00013
(수학식 3)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00014
는 단위 시간 t-1에서 ESS의 SoC이고,
Figure 112019118844213-pat00015
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 로드이고,
Figure 112019118844213-pat00016
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 불가능 기기의 로드이고,
Figure 112019118844213-pat00017
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV의 로드라고 할 때, 단위 시간 t에서 ESS의 SoC
Figure 112019118844213-pat00018
를,
Figure 112019118844213-pat00019
(수학식 4)
로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00020
는 단위 시간 t에서의 PV의 발전량에서 PV 요구 발전량을 충족하지 못하는 발전량이라고 할 때,
Figure 112019118844213-pat00021
(수학식 5)로 나타낼 수 있고, 여기서,
Figure 112019118844213-pat00022
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 PV의 발전량이라고 할 때,
Figure 112019118844213-pat00023
(수학식 6)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00024
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV가 공급하는 전력 방전량이라고 할 때, 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV가 충·방전이 전환되는 기준과 전력 방전량을,
Figure 112019118844213-pat00025
(수학식 7)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00026
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 전력을 시프트 했을 때의 전력이고,
Figure 112019118844213-pat00027
는 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합이라고 할 때, 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기가 제어되는 기준과 제어된 전력량을,
Figure 112019118844213-pat00028
(수학식 8)로 나타낼 수 있고, 여기서, 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합
Figure 112019118844213-pat00029
을,
Figure 112019118844213-pat00030
(수학식 9)로 나타낼 수 있다.
Figure 112019118844213-pat00031
는 단위 시간 t에서 PV의 발전, EV의 방전, 시프트 가능 기기의 제어를 고려하여 ESS의 SoC를 유지하기 위한 전력량이라고 할 때, 단위 시간 t에서 전력 공급자에게 전력을 공급받아야 하는 기준과 공급 전력량
Figure 112019118844213-pat00032
을,
Figure 112019118844213-pat00033
(수학식 10)로 나타낼 수 있다.
단위 시간 t에서 PV의 발전, EV의 방전, 시프트 가능 기기의 제어를 고려하여 ESS의 SoC를 유지하기 위한 전력량
Figure 112019118844213-pat00034
을
Figure 112019118844213-pat00035
(수학식 11)로 나타낼 수 있다.
본 발명에 의하면 PV의 설치를 위해 적절한 발전량을 산출하여 전력 공급자로부터 받는 과금 전력을 최소화 할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 초기 PV 설치를 통해 요금이 발생하는 전력 공급자로부터의 전기 사용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 PV의 발전량 산출 기준이 ESS의 선호 SoC를 유지 할 수 있는지에 따라 결정되므로, ESS의 배터리 수명과 전원 유지 측면에서 우수하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, PV의 발전만으로 ESS의 SoC를 유지하지 못 할 경우, EV의 충방전 전환, 시프트 가능 기기의 제어, 전력 공급자에게 전력 요청과 같은 기능을 수행할 수 있으므로, ESS 선호 SoC 유지 측면에서 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템의 전체적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(Energy Storage System) 제어 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템의 전체적인 구성도이다. 즉, 도 1은 ESS(Energy Storage System)로부터의 PV(Photovoltaics) 요구 전력을 산출할 수 있는 전력 제어 시스템의 구성도이다. 도 1은 아파트 단지 내에 시프트 가능 기기(140)와 시프트 불가능 기기(150)가 구비되고, EV 주차장 내에 EV 제어 시스템(160)과 EV(170)가 구비된 것을 예시한 실시예이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전력 제어 시스템은 PV(Photovoltaics)(100), ESS(Energy Storage System)(110), 전력 공급자(120), ESS 제어 시스템(130), EV 제어 시스템(140)을 포함한다.
PV(100)는 태양광을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 역할을 한다.
ESS(110)는 PV(100) 및 전력 공급자(120)로부터 공급된 전력을 저장하고, 시프트 가능 기기(140), 시프트 불가능 기기(150), EV(Electric Vehicle)(170)를 포함하는 전력 수요자에게 전력을 공급하는 역할을 한다.
전력 공급자(120)는 전력 계통망(Power Grid) 등을 통해 전력을 공급한다.
EV 제어 시스템(160)은 각 EV(170)의 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 ESS 제어 시스템(130)으로 송신하고, ESS 제어 시스템(1300으로부터 수신한 제어 정보에 따라 각 EV(170)의 충방전을 제어한다.
ESS 제어 시스템(130)은 PV(100), ESS(110), 전력 공급자(120), 시프트 가능 기기(140), 시프트 불가능 기기(150), EV 제어 시스템(160)으로부터 전력 정보를 수집한다. 그리고, 수집된 전력 정보를 이용하여 전력 공급자(120)로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 PV(100)에 요구하는 발전량인 요구 발전량을 산출한다. 그리고, 수집된 전력 정보와 산출된 요구 발전량을 기반으로 PV(100), EV 제어 시스템(160), 시프트 가능 기기(140) 및 전력 공급자(120)의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하여 각각 송신한다.
도 1에서 전력 제어 시스템(10)은 산출된 PV 요구 전력을 통해 전력 공급자로부터 받는 전력을 최소화하여 과금 전력을 감소시킨다. 또한, 산출된 PV 요구 전력을 기준으로 PV 발전 시스템을 우선으로 동작하도록 하여, EV 충방전 전환 및 시프트 가능 기기의 제어를 최소화 할 수 있다.
도 1에서 ESS(110)는 PV(100)와 전력 공급자(120)로부터 전력을 공급받고, 시프트 가능 기기(140), 시프트 불가능 기기(150)와 EV(170)에 전력을 공급한다.
피크 로드 발생 시, ESS(110)은 EV(170)로부터 전력을 공급 받을 수 있고, 시프트 가능 기기(140)에 공급하는 전력을 감소시킬 수 있다.
EV 제어 시스템(160)은 EV(170)의 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 ESS 제어 시스템(130)으로 송신한다. 그리고, ESS 제어 시스템(130)은 EV(170)에 대한 충방전 제어 정보를 EV 제어 시스템(160)으로 송신한다.
ESS 제어 시스템(130)은 PV(100), ESS(110), 전력 공급자(120), 시프트 가능 기기(140), 시프트 불가능 기기(150), EV 제어 시스템(160)에 대한 전력 정보를 수집한다. 그리고, 수집된 전력 정보를 통해 전력 공급자(120)로부터 받는 전력을 최소화 할 수 있는 PV(100)의 요구 발전량을 산출한다. 그리고, 수집된 정보와 PV(100)의 요구 발전량을 통해 시스템 동작의 우선순위를 결정할 수 있다.
본 발명의 전력 제어 시스템(10)에서 각 시스템의 동작 순서는 다음과 같다.
일반적으로 전력 제어 시스템(10)은 PV(100)의 발전량만으로 ESS(110)의 최적 SoC(State of Charge)를 유지한다.
그러나, PV(100)의 발전만으로 ESS(110)의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, EV(170)의 충방전을 전환한다.
그리고, PV(100)의 발전과 EV(170)의 충방전으로 ESS(110)의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, 시프트 가능 기기(140)의 로드(load)를 제어한다.
그리고, PV(100)의 발전, EV(170)의 충방전 전환, 시프트 가능 기기(140)의 로드 제어로 ESS(110)의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, 최종적으로 전력 공급자(120)에게 전력을 공급받는다. 이렇게 산출된 제어 정보는 각 시스템으로 송신한다.
즉, 본 발명에서 ESS 제어 시스템(130)은 먼저 PV(100)의 발전량만으로 ESS(110)의 최적 SoC를 유지하도록 한다.
그리고, PV(100)의 발전량만으로 ESS(110)의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, 각 EV(170)의 충방전을 제어하여 ESS(110)에 전력이 공급되도록 EV 제어 시스템(160)에 제어 정보를 송신한다.
그리고, PV(100)의 발전량 및 각 EV(170)의 충방전 제어로 ESS(110)의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 시프트 가능 기기(140)의 로드를 제어한다.
그리고, PV(100)의 발전량, 각 EV(170)의 충방전 제어 및 시프트 가능 기기(140)의 로드 제어로 ESS(110)의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 최종적으로 전력 공급자(120)로부터 전력을 공급받아 ESS(110)의 SoC를 유지하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS(Energy Storage System) 제어 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다. 즉, 도 2는 전력 정보를 수집하여 요구 발전량을 산출하고, 전력 정보 및 요구 발전량을 통해 제어 정보를 산출한 다음, 제어 정보를 송신하는 ESS 제어 시스템(130)의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, ESS 제어 시스템(130)은 전력 정보 수신부(131), 요구 발전량 산출부(132), 제어 정보 산출부(133), 제어 정보 송신부(134)를 포함한다.
전력 정보 수신부(131)는 PV(100)의 발전량 정보, ESS(110)의 SoC 정보, 전력 공급자(120)가 공급하는 전력량 정보, 시프트 가능 기기(140)의 로드 정보, 시프트 불가능 기기(150)의 로드 정보, EV(170)의 로드 정보를 포함하는 전력 정보를 수신한다.
요구 발전량 산출부(132)는 전력 정보 수신부(131)에서 수신된 전력 정보를 이용하여 ESS(130)의 SoC를 유지하기 위하여 PV(100)에게 요구되는 발전량인 요구 발전량을 산출한다.
제어 정보 산출부(133)은 전력 정보 수신부(131)에서 수신된 전력 정보와 요구 발전량 산출부(132)에서 산출된 요구 발전량을 통해 PV(100), EV 제어 시스템(160), 시프트 가능 기기(140), 전력 공급자(120)의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출한다.
제어 정보 송신부(134)는 산출된 제어 정보를 PV(100), EV 제어 시스템(160), 시프트 가능 기기(140) 및 전력 공급자(120)에게 각각 송신한다. 이렇게 제어 정보를 각 장치와 시스템에 송신함으로써, EV(170)의 충방전 전환, 시프트 가능 기기(140)의 제어, 전력 공급자(120)에 대한 전력 요청을 포함하는 기능을 수행하도록 할 수 있다.
본 발명에서 PV(100) 요구 발전량 추산, EV(170), 시프트 가능 기기(140), 전력 공급자(120)에 대한 제어 정보 및 세부사항을 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
먼저 수식을 구성하는 각 파라미터에 대해 설명하면 다음과 같다.
Figure 112019118844213-pat00036
는 단위 시간 t에서 ESS가 전력 공급자로부터 공급받는 전력이고,
Figure 112019118844213-pat00037
는 ESS가 PV에게 요구하는 발전량인 요구 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00038
는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00039
는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 시작하는 시간이고,
Figure 112019118844213-pat00040
는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 종료하는 시간이고,
Figure 112019118844213-pat00041
는 관측 시간 동안 PV만 사용하였을 때 ESS의 SoC를 유지하지 못한 횟수이고,
Figure 112019118844213-pat00042
는 관측 시간 동안 상기 ESS가 상기 PV에 요구하는 발전량의 평균이다.
그리고,
Figure 112019118844213-pat00043
는 ESS의 SoC이고,
Figure 112019118844213-pat00044
는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC이고,
Figure 112019118844213-pat00045
은 단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00046
는 단위 시간 t-1에서 ESS의 SoC이고,
Figure 112019118844213-pat00047
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 로드이고,
Figure 112019118844213-pat00048
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 불가능 기기의 로드이고,
Figure 112019118844213-pat00049
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV의 로드이고,
Figure 112019118844213-pat00050
는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC이다.
그리고,
Figure 112019118844213-pat00051
는 단위 시간 t에서의 PV의 발전량에서 PV 요구 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00052
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 PV의 발전량이고,
Figure 112019118844213-pat00053
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV가 공급하는 전력 방전량이고,
Figure 112019118844213-pat00054
는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 전력을 시프트 했을 때의 전력이고,
Figure 112019118844213-pat00055
는 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합이고,
Figure 112019118844213-pat00056
는 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합이다.
그리고,
Figure 112019118844213-pat00057
는 단위 시간 t에서 PV의 발전, EV의 방전, 시프트 가능 기기의 제어를 고려하여 ESS의 SoC를 유지하기 위한 전력량이고,
Figure 112019118844213-pat00058
는 단위 시간 t에서 전력 공급자에게 전력을 공급받아야 하는 기준과 공급 전력량이다.
본 발명에서 전력 공급자(120)로부터 공급받는 과금 전력을 최소화하기 위한 PV의 요구 발전량을 산출하는 방법을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure 112019118844213-pat00059
여기서,
Figure 112019118844213-pat00060
는 단위 시간 t에서 ESS(110)가 전력 공급자(120)로부터 공급받는 전력의 양이고,
Figure 112019118844213-pat00061
는 ESS(110)가 선호 SoC를 유지하기 위해 PV(100)로부터 받아야 하는 전력량이다.
수학식 1의 목적함수는 단위 시간 t에서 ESS(110)가 전력 공급자(120)로부터 받는 전력을 최소화하기 위해 ESS(110)가 PV(100)로 요구하는 전력량을 추산하는 것을 목적으로 한다.
[수학식 2]
Figure 112019118844213-pat00062
여기서,
Figure 112019118844213-pat00063
는 단위 시간 t에서 ESS(110)가 선호 SoC를 유지하기 위해 PV(100)로부터 받아야 하는 전력량이다.
PV 요구 발전량(
Figure 112019118844213-pat00064
)은 PV 요구 발전량의 평균을 구하기 위한 시작점(
Figure 112019118844213-pat00065
)에서 종료점(
Figure 112019118844213-pat00066
)까지의 합(
Figure 112019118844213-pat00067
)과 단위 시간 t에서 PV 요구 발전량이 값을 가진 횟수(
Figure 112019118844213-pat00068
)를 통해 결정된다.
PV 요구 발전량을 구하기 위해 과거의 단위 시간 t에서의 PV 전력 요구량이 필요하다.
본 발명에서 단위 시간 t에서 PV 전력 요구량은 매시간 변화하기 때문에 시작점과 종료점을 지정하여 평균값을 도출한다.
[수학식 3]
Figure 112019118844213-pat00069
수학식 3에서 단위 시간 t에서 PV 요구 발전량(
Figure 112019118844213-pat00070
)은 ESS가 유지되길 원하는 SoC(
Figure 112019118844213-pat00071
)와 단위 시간 t에서 ESS SoC(
Figure 112019118844213-pat00072
)로 결정된다.
단위 시간 t에서 ESS의 SoC가 ESS가 유지되길 원하는 SoC보다 낮은 경우, ESS의 선호 SoC를 유지하기 위해 부족한 만큼의 전력량이 필요하다. 부족한 전력량은 PV(100)가 발전해야 할 전력의 양이다.
[수학식 4]
Figure 112019118844213-pat00073
수학식 4에서, 단위 시간 t에서 ESS SoC(
Figure 112019118844213-pat00074
)는 단위 시간 t-1에서 ESS SoC(
Figure 112019118844213-pat00075
), 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기 로드(
Figure 112019118844213-pat00076
) 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 불가능 기기 로드(
Figure 112019118844213-pat00077
), 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV 로드(
Figure 112019118844213-pat00078
)를 통해 결정된다.
본 발명에서 PV 발전량은 EV의 충방전 전환, 시프트 가능 기기의 제어, 전력 공급자의 전력 공급을 제외하고 산출되기 때문에, 수학식 4는 상기 단위 시간 t-1에서 ESS SoC와 시프트 가능 기기, 시프트 불가능 기기, EV의 로드로 산출된다.
[수학식 5]
Figure 112019118844213-pat00079
수학식 5에서, 단위 시간 t에서 PV 미달 발전량(
Figure 112019118844213-pat00080
)은 단위 시간 t에서 PV의 발전량(
Figure 112019118844213-pat00081
)과 단위 시간 t에서 ESS가 PV에게 요구하는 발전량(
Figure 112019118844213-pat00082
)으로 결정된다.
단위 시간 t에서 PV가 발전한 전력량과 단위 시간 t에서 ESS(110)가 PV(100)로부터 요구하는 발전량을 비교하여 PV 미달 발전량을 결정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112019118844213-pat00083
수학식 6에서 단위 시간 t에서 PV의 발전량(
Figure 112019118844213-pat00084
)은 단위 시간 t에서 각 n에 대한 PV의 발전량(
Figure 112019118844213-pat00085
)으로 정해진다.
[수학식 7]
Figure 112019118844213-pat00086
수학식 7에서 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV 로드(
Figure 112019118844213-pat00087
)의 충방전 전환은 단위 시간 t에서 PV의 미달 발전량(
Figure 112019118844213-pat00088
)으로 결정된다.
수학식 7에서 조건식은 단위 시간 t에서 PV의 발전량이 ESS가 요구하는 전력량을 충족하지 못하면 EV의 충방전을 전환하는 것을 판단하는 식이다.
수학식 7에서 단위 시간 t에서 EV의 로드(
Figure 112019118844213-pat00089
)는 조건식에 따라 충전과 방전이 결정되고 충전일 경우 로드 값(
Figure 112019118844213-pat00090
)을 그대로 가지고, 방전일 경우
Figure 112019118844213-pat00091
의 값을 가진다.
[수학식 8]
Figure 112019118844213-pat00092
수학식 8에서 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기 로드(
Figure 112019118844213-pat00093
)의 제어는 단위 시간 t에서 PV의 미달 발전량(
Figure 112019118844213-pat00094
)과 단위 시간 t에서 EV의 방전량의 합(
Figure 112019118844213-pat00095
)으로 결정된다.
수학식 8에서 조건식은 PV의 발전과 EV의 충방전 전환으로도 ESS의 선호 SoC를 유지하지 못하는 경우를 판단하는 식이다.
수학식 8에서 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 로드(
Figure 112019118844213-pat00096
)는 조건식에 따라 전력 공급이 제어되고, 로드 제어를 하지 않는 경우 로드 값(
Figure 112019118844213-pat00097
)을 그대로 가지고, 로드 제어를 할 경우, 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기가 전력 공급이 시프트 되었을 때의 로드(
Figure 112019118844213-pat00098
) 값을 가진다.
[수학식 9]
Figure 112019118844213-pat00099
수학식 9에서 단위 시간 t에서 EV가 방전하는 전력량(
Figure 112019118844213-pat00100
)은 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV의 방전량(
Figure 112019118844213-pat00101
)으로 결정된다.
[수학식 10]
Figure 112019118844213-pat00102
수학식 10에서 단위 시간 t에서 ESS가 전력 공급자에게 공급받아야 하는 전력(
Figure 112019118844213-pat00103
)은 단위 시간 t에서 PV, EV, 시프트 가능 기기를 제어하여도 부족한 전력(
Figure 112019118844213-pat00104
)을 통해 결정된다.
수학식 10에서 조건식은 PV, EV, 시프트 가능 기기를 제어하여도 ESS 선호 SoC를 만족하지 못한 전력량이 존재하는지 판단하는 식이다.
본 발명에서 PV, EV, 시프트 가능 기기를 제어하여도 ESS의 선호 SoC를 유지하지 못한다면, 최종적으로 전력 공급자(120)에게
Figure 112019118844213-pat00105
만큼의 전력을 공급받는다.
[수학식 11]
Figure 112019118844213-pat00106
수학식 11에서 단위 시간 t에서 PV, EV, 시프트 가능 기기를 제어하여도 부족한 전력(
Figure 112019118844213-pat00107
)은 단위 시간 t에서 PV의 미달 발전량(
Figure 112019118844213-pat00108
), 단위 시간 t에서 EV의 방전량(
Figure 112019118844213-pat00109
), 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기 로드(
Figure 112019118844213-pat00110
), 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 최소 로드(
Figure 112019118844213-pat00111
)로 결정된다.
단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 제어로 시프트된 전력은 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 로드(
Figure 112019118844213-pat00112
)와 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 전력 공급이 시프트된 시프트 가능 기기의 로드(
Figure 112019118844213-pat00113
)로 결정된다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10 전력 제어 시스템 100 PV
110 ESS 120 전력 공급자
140 시프트 가능 기기 150 시프트 불가능 기기
160 EV 제어 시스템 170 EV
131 전력 정보 수신부 132 요구 발전량 산출부
133 제어 정보 산출부 134 제어 정보 송신부

Claims (12)

  1. 태양광을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 PV(Photovoltaics);
    전력을 공급하는 전력 공급자;
    상기 PV 및 상기 전력 공급자로부터 공급된 전력을 저장하고, 시프트 가능 기기, 시프트 불가능 기기, EV(Electric Vehicle)를 포함하는 전력 수요자에게 전력을 공급하기 위한 ESS(Energy Storage System);
    각 EV의 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 ESS 제어 시스템으로 송신하고, 상기 ESS 제어 시스템으로부터 수신한 제어 정보에 따라 각 EV의 충방전을 제어하기 위한 EV 제어 시스템; 및
    상기 PV, 상기 ESS, 상기 전력 공급자, 상기 시프트 가능 기기, 상기 시프트 불가능 기기, 상기 EV 제어 시스템으로부터 전력 정보를 수집하고, 수집된 전력 정보를 이용하여 상기 전력 공급자로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 상기 PV에 요구하는 발전량인 요구 발전량을 산출하고, 수집된 전력 정보와 산출된 요구 발전량을 기반으로 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하여 각각 송신하는 ESS 제어 시스템을 포함하며,
    상기 ESS 제어 시스템은,
    상기 PV의 발전량만으로 상기 ESS의 최적 SoC(State of Charge)를 유지하도록 하고,
    상기 PV의 발전량만으로 상기 ESS의 최적 SoC를 유지하지 못 할 경우, 각 EV의 충방전을 제어하여 상기 ESS에 전력이 공급되도록 상기 EV 제어 시스템에 제어 정보를 송신하고,
    상기 PV의 발전량 및 각 EV의 충방전 제어로 상기 ESS의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 상기 시프트 가능 기기의 로드를 제어하고,
    상기 PV의 발전량, 각 EV의 충방전 제어 및 상기 시프트 가능 기기의 로드 제어로 상기 ESS의 SoC를 유지하지 못 할 경우, 최종적으로 상기 전력 공급자로부터 전력을 공급받아 상기 ESS의 SoC를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 ESS 제어 시스템은,
    상기 PV의 발전량 정보, 상기 ESS의 SoC 정보, 상기 전력 공급자가 공급하는 전력량 정보, 상기 시프트 가능 기기의 로드 정보, 상기 시프트 불가능 기기의 로드 정보, 상기 EV의 로드 정보를 포함하는 전력 정보를 수신하기 위한 전력 정보 수신부;
    상기 전력 정보 수신부에서 수신된 전력 정보를 이용하여 상기 ESS의 SoC를 유지하기 위하여 상기 PV에게 요구되는 발전량인 요구 발전량을 산출하기 위한 요구 발전량 산출부;
    상기 전력 정보 수신부에서 수신된 전력 정보와 상기 요구 발전량 산출부에서 산출된 요구 발전량을 통해 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자의 동작을 제어하는 제어 정보를 산출하기 위한 제어 정보 산출부; 및
    산출된 제어 정보를 상기 PV, 상기 EV 제어 시스템, 상기 시프트 가능 기기 및 상기 전력 공급자에게 각각 송신하기 위한 제어 정보 송신부
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00114
    는 단위 시간 t에서 ESS가 전력 공급자로부터 공급받는 전력이고,
    Figure 112019118844213-pat00115
    는 ESS가 PV에게 요구하는 발전량인 요구 발전량이라고 할 때,
    상기 전력 공급자로부터 공급받는 전력을 최소화하기 위해 상기 PV에게 요구하는 발전량인 요구 발전량을 추산하는 것을,
    Figure 112019118844213-pat00116
    (수학식 1)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00117
    는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량이고,
    Figure 112019118844213-pat00118
    는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 시작하는 시간이고,
    Figure 112019118844213-pat00119
    는 PV 요구 발전량을 측정하기 위한 관측을 종료하는 시간이고,
    Figure 112019118844213-pat00120
    는 관측 시간 동안 PV만 사용하였을 때 ESS의 SoC를 유지하지 못한 횟수라고 할 때,
    관측 시간 동안 상기 ESS가 상기 PV에 요구하는 발전량의 평균
    Figure 112019118844213-pat00121
    을,
    Figure 112019118844213-pat00122
    (수학식 2)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00123
    는 ESS의 SoC이고,
    Figure 112019118844213-pat00124
    는 단위 시간 t에서 ESS의 SoC라고 할 때,
    단위 시간 t에서 ESS의 SoC를 유지하기 위해 PV에 요구하는 발전량
    Figure 112019118844213-pat00125
    을
    Figure 112019118844213-pat00126
    (수학식 3)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00127
    는 단위 시간 t-1에서 ESS의 SoC이고,
    Figure 112019118844213-pat00128
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 로드이고,
    Figure 112019118844213-pat00129
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 불가능 기기의 로드이고,
    Figure 112019118844213-pat00130
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV의 로드라고 할 때,
    단위 시간 t에서 ESS의 SoC
    Figure 112019118844213-pat00131
    를,
    Figure 112019118844213-pat00132
    (수학식 4)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00133
    는 단위 시간 t에서의 PV의 발전량에서 PV 요구 발전량을 충족하지 못하는 발전량이라고 할 때,
    Figure 112019118844213-pat00134
    (수학식 5)
    로 나타낼 수 있고,
    여기서,
    Figure 112019118844213-pat00135
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 PV의 발전량이라고 할 때,
    Figure 112019118844213-pat00136
    (수학식 6)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00137
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV가 공급하는 전력 방전량이라고 할 때,
    단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 EV가 충·방전이 전환되는 기준과 전력 방전량을,
    Figure 112019118844213-pat00138
    (수학식 7)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00139
    는 단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기의 전력을 시프트 했을 때의 전력이고,
    Figure 112019118844213-pat00140
    는 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합이라고 할 때,
    단위 시간 t에서 사용자 n에 대한 시프트 가능 기기가 제어되는 기준과 제어된 전력량을,
    Figure 112019118844213-pat00141
    (수학식 8)
    로 나타낼 수 있고,
    여기서, 단위 시간 t에서 모든 EV가 방전하는 전력의 합
    Figure 112019118844213-pat00142
    을,
    Figure 112019118844213-pat00143
    (수학식 9)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    Figure 112019118844213-pat00144
    는 단위 시간 t에서 PV의 발전, EV의 방전, 시프트 가능 기기의 제어를 고려하여 ESS의 SoC를 유지하기 위한 전력량이라고 할 때,
    단위 시간 t에서 전력 공급자에게 전력을 공급받아야 하는 기준과 공급 전력량
    Figure 112019118844213-pat00145
    을,
    Figure 112019118844213-pat00146
    (수학식 10)
    로 나타낼 수 있는 전력 제어 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    단위 시간 t에서 PV의 발전, EV의 방전, 시프트 가능 기기의 제어를 고려하여 ESS의 SoC를 유지하기 위한 전력량
    Figure 112019118844213-pat00147
    을
    Figure 112019118844213-pat00148
    (수학식 11)
    로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
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