KR102238153B1 - 전력 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

전력 관리 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 관리 시스템은, 리튬 이온 배터리를 포함하는 배터리 저장 시스템, 상기 배터리 저장 시스템의 에너지 입력 또는 출력을 제어하는 충전 제어부 및 상기 배터리 저장 시스템에 관한 정보 및 충전 제어부에 관한 정보에 기초하여 평균화 스케줄 제어를 수행하는 시스템 제어부를 포함하며, 상기 평균화 스케줄 제어는, 각 모듈의 운전상태를 확인하는 단계, 전력 관리 시스템 내 일정 수행 판단 단계, 분배 관리 단계 및 분배 관리 결정에 따른 지령 출력 단계를 포함한다.

Description

전력 관리 시스템{Power Management System}
본 발명은 전력 관리 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 부하 평균화(load-leveling) 동작을 수행하는 전력 관리 시스템에 관한 것이다.
전력 관리 시스템은 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 전력 관리 시스템이란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신재생 에너지인 풍력 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 전력 관리 시스템의 중요성이 대두되고 있다. 만약 전력 관리 시스템이 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있으며, 가정용 전력 저장 시스템으로까지 확장되고 있다.
이러한 전력 관리 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
전력 관리 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
본 발명은 부하평균화 동작을 수행하는 전력 관리 시스템 및 동작 알고리즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 단순하게 특정 시간에 특정의 출력을 정하는 것을 넘어, 특정 시간에 유동적인 출력을 확보함으로 에너지 저장 시스템의 배터리의 자원을 최대한 안정적으로 하는 것이 목적이다. 이를 실행하기 위하여 출력과 부하관계에서의 드룹 제어와 가중 이동 평균을 적용하여 출력값을 산정하여 불필요한 출력을 차단하는 전력 관리 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 관리 시스템은, 리튬 이온 배터리를 포함하는 배터리 저장 시스템, 상기 배터리 저장 시스템의 에너지 입력 또는 출력을 제어하는 충전 제어부 및 상기 배터리 저장 시스템에 관한 정보 및 충전 제어부에 관한 정보에 기초하여 평균화 스케줄 제어를 수행하는 시스템 제어부를 포함하며, 상기 평균화 스케줄 제어는, 각 모듈의 운전상태를 확인하는 단계, 전력 관리 시스템 내 일정 수행 판단 단계, 분배 관리 단계 및 분배 관리 결정에 따른 지령 출력 단계를 포함한다.
본 발명의 전력 관리 시스템은 부하평균화 동작을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 전력 관리 시스템은 부하평균화 동작을 통해 효율적으로 SOC 레벨을 유지할 수 있다.
도 1은 전력 관리 시스템의 전제적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 시스템의 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 전력 관리 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 나타내는 개념도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리 충/방전을 제어하기 위한 드룹 커브(Droop curve)를 나타낸 도면이다.
도 6은 부하평균화 스케줄 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 충전제어부의 운전 상태에 따른 분류를 나타낸다.
도 8은 분배 관리를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 전력 관리 시스템의 전제적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 전력 관리 시스템(100)은 파워 플랜트(2), 공장(3), 가정(4) 및 또 다른 파워 플랜트 또는 소비자(5)와 함께 하나의 플랫폼을 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 파워 플랜트(2)에서 생산된 에너지는 전력 관리 시스템(100)에 저장될 수 있다. 또한, 전력 관리 시스템(100)이 저장한 에너지는 다시 공장(3)이나, 가정(4)으로 전송될 수 있으며, 다른 파워 플랜트 또는 소비자에 판매될 수도 있다.
구체적으로 파워 플랜트(2)에서 생산된 전기에너지는 환경이나 시간에 따라 그 변동 폭이 크다. 예를 들면, 태양광 발전의 경우, 기상 상황 또는 일출시간에 따라 생산량이 달라질 수 있다. 이렇게 변동폭이 큰 경우, 생산된 전기 에너지를 공장(3) 또는 가정(4)에서 안정적으로 사용하기 어려울 수 있다. 따라서, 파워 플랜트에서 생산된 전기 에너지를 전력 관리 시스템에 일단 저장하고, 저장한 전기 에너지를 안정적으로 출력하여 공장(3) 또는 가정(4)에서 이용할 수 있다. 또한, 사용하고 남은 전기 에너지를 다른 소비자(5)에게 판매할 수 도 있다. 또한, 전력 관리 시스템(100)에 저장된 전기 에너지 이상을 공장(3) 또는 가정(4)에서 소비하는 경우, 또 다른 파워 플랜트(5)로부터 전기 에너지를 구입할 수도 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 전력 관리 시스템의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101), 직류/교류 컨버터(103), 교류 필터(105), 교류/교류 컨버터(107), 계통(109), 충전 제어부(111), 배터리 전력 관리 시스템(113), 시스템 제어부(115), 부하(117) 및 직류/직류 컨버터(121)를 포함한다.
발전 장치(101)는 전기 에너지를 생산한다. 발전 장치가 태양광 발전 장치인 경우, 발전 장치(101)는 태양 전지 어레이일 수 있다. 태양 전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 결합한 것이다. 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생키는 장치이다. 따라서 태양전지 어레이는 태양 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환한다. 또한 발전 시스템이 풍력 발전 시스템인 경우, 발전 장치(101)는 풍력 에너지를 전기 에너지를 변환하는 팬일 수 있다. 다만, 앞서 기재한 바와 같이 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101) 없이 배터리 전력 관리 시스템(113)만을 통하여 전력을 공급할 수 있다. 이 경우 전력 관리 시스템(100)은 발전 장치(101)를 포함하지 않을 수 있다.
직류/교류 컨버터(103)는 직류 전력을 교류 전력으로 컨버팅한다. 발전 장치(101)가 공급한 직류 전력 또는 배터리 전력 관리 시스템(113)이 방전한 직류 전력을 충전 제어부(111)를 통하여 공급받아 교류 전력으로 직컨버팅한다.
교류 필터(105)는 교류 전력으로 컨버팅된 전력의 노이즈를 필터링한다. 구체적인 실시예에 따라서서 교류 필터(105)는 생략될 수 있다.
교류/교류 컨버터(107)는 교류 전력을 계통(109) 또는 부하(117)에 공급할 수 있도록 노이즈가 필터링된 교류 전력의 전압의 크기를 컨버팅하여 전력을 계통(109) 또는 독립된 부하에 공급한다. 구체적인 실시예에 따라서 교류/교류 컨버터(107)는 생략될 수 있다.
계통(109)이란 많은 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하가 일체로 되어 전력의 발생 및 이용이 이루어지는 시스템이다.
부하(117)는 발전 시스템으로부터 전기 에너지를 공급받아 전력을 소모한다.배터리 전력 관리 시스템(113)은 발전 장치(101)로부터 전기에너지를 공급받아 충전하고 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 따라 충전된 전기 에너지를 방전한다. 구체적으로 계통(109) 또는 부하(117)가 경부하인 경우, 배터리 전력 관리 시스템(113)은 발전 장치(101)로부터 유휴 전력을 공급 받아 충전한다. 계통(109) 또는 부하(117)가 과부하인 경우, 배터리 전력 관리 시스템(113)은 충전된 전력을 방전하여 계통(109) 또는 부하(117)에 전력을 공급한다. 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급 상황은 시간대별로 큰 차이를 가질 수 있다. 따라서 전력 관리 시스템(100)이 발전 장치(101)가 공급하는 전력을 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 대한 고려 없이 일률적으로 공급하는 것은 비효율적이다. 그러므로 전력 관리 시스템(100)은 배터리 전력 관리 시스템(113)을 사용하여 계통(109) 또는 부하(117)의 전력 수급상황에 따라 전력 공급의 양을 조절 한다. 이를 통해 전력 관리 시스템(100)은 계통(109) 또는 부하(117)에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
직류/직류 컨버터(121)는 배터리 전력 관리 시스템(113)이 공급하거나 공급받는 직류 전력의 크기를 컨버팅한다. 구체적인 실시예에 따라서는 직류/직류 컨버터(121)는 생략될 수 있다.
시스템 제어부(115)는 직류/교류 컨버터(103) 및 교류/교류 컨버터(107)의 동작을 제어한다. 또한 시스템 제어부(115)는 배터리 전력 관리 시스템(113)의 충전과 방전을 제어하는 충전 제어부(111)를 포함할 수 있다. 충전 제어부(111)는 배터리 전력 관리 시스템(113)의 충전 및 방전을 제어한다. 계통(109) 또는 부하(117)가 과부하인 경우, 충전 제어부(111)는 배터리 전력 관리 시스템(113)으로부터 전력을 공급받아 계통(109) 또는 부하(117)에 전력을 전달한다. 계통(109) 또는 부하(117)가 경부하인 경우, 충전 제어부(111)는 외부의 전력 공급원 또는 발전 장치(101)로부터 전력을 공급 받아 배터리 전력 관리 시스템(113)에 전달한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 전력 관리 시스템의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 전력 관리 시스템(200)은 발전 장치(101), 직류/교류 컨버터(103), 교류 필터(105), 교류/교류 컨버터(107), 계통(109), 충전 제어부(111), 배터리 전력 관리 시스템(113), 시스템 제어부(115), 직류/직류 컨버터(119), 부하(117) 및 직류/직류 컨버터(121)를 포함한다.
도 2의 본발명의 일 실시예와 모두 동일하나 직류/직류 컨버터(119)를 더 포함한다. 직류/직류 컨버터(119)는 발전 장치(101)가 발전하는 직류 전력의 전압을 컨버팅한다. 소용량 전력 관리 시스템(200)은 발전 장치(101)가 생산하는 전력의 전압이 작다. 따라서 발전 장치(101)가 공급하는 전력을 직류/교류 컨버터에 입력하기 위해서는 승압이 필요하다. 직류/직류 컨버터(119)는 전압을 발전 장치(101)가 생산하는 전력의 전압을 직류/교류 컨버터(103)에 입력할 수 있는 전압의 크기로 컨버팅한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 시장 구조를 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 전력 시장 구조는 발전 자회사, 독립 발전 사업자, PPA 사업자, 구역 전기 사업자, 한국 전력 거래소, 한국전력공사, 소비자, 대규모 소비자 및 특정 구역 소비자를 포함한다. 상술한 국내 발전 회사는 2014년 현재, 한국전력공사에서 분리된 6개의 발전 자회사와 독립 발전 사업자인 288개사가 있다.
발전 자회사, 독립 발전 자회사, PPA 사업자 및 구역 전기 사업자는 발전 회사를 의미할 수 있고, 각각이 소유한 발전 기기에서 발전 가능한 전력량에 따른 공급 가능 용량을 한국 전력 거래소에 입찰하고, 입찰에 따른 수익을 획득할 수 있다.
발전 자회사 및 독립 발전 사업자 각각은 소유한 발전기별 공급 가능 발전량을 매일 한국전력 거래소에 입찰하고, 한국 전력 거래소는 전력 시장에 대한 운영을 담당한다.
한국전력공사는 전력 시장에서 결정된 가격으로 전력을 구매하고, 구매한 전력을 소비자에게 공급한다. 이에 따라, 한국전력공사는 송전, 배전 및 판매를 담당한다.
PPA 사업자는 전력 수급 계약(PPA: Power Purchase Agreement) 사업자를 의미할 수 있고, PPA 사업자는 상술한 전력 시장에 전력 가능 용량을 입찰한다. 그리고 PPA 사업자는 전력 거래 대금은 전력 시장에서 결정되는 금액이 아닌 한국전력공사와의 수급 계약에 따른 가격을 적용하게 정산한다. 그리고 이에 따른 정산 규칙이 전력 시장 정산 규칙 정보에 포함될 수 있다.
구역전기사업자는 일정 규모의 발전 설비를 통해 전력을 생산하고, 허가된 특정 구역 내에서 생산된 전력을 직접 판매하는 사업자이다. 또한, 구역전기사업자는 부족한 전력을 한국전력공사나 전력시장에서 직접 구매하거나, 잉여 전력을 한국전력공사나 전력시장에 판매할 수 있다.
한편, 계약전력 3만kW이상의 대용량 고객은 한국전력공사를 통하지 않고, 전력 시장에서 필요한 전력을 직접 구매할 수 있다.
하나의 전력 관리 시스템(100)는 배터리 에너지 저장 시스템(113)을 포함할수 있다. 그리고 에너지 저장 시스템(113)은 복수의 배터리(미도시) 및 각 배터리를 제어하는 충전 제어부(111)를 포함할 수 있다. 그리고 전력 관리 시스템(100)에 포함된 복수의 배터리마다 SOC(State Of Charge) 레벨이 다를 수 있다. 다시 말해서, 복수의 배터리별로 현재 남아있는 전기 에너지량이 다를 수 있다.
그러나, 전력 관리 시스템(100)은 안정적인 전기 에너지의 공급을 위한 시스템으로서, 상기와 같이 복수의 배터리별로 SOC레벨이 다른 경우 안정적인 전기 에너지의 공급이 어려울 수 있다. 구체적으로 복수의 배터리에서 균등하게 전기 에너지가 출력되어야 전체 전력 관리 시스템(100)에서 출력되는 전기 에너지가 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 복수의 배터리에 균등하게 전기 에너지를 충전하여야, 이후 재 방전시에 균등한 전기 에너지의 출력이 유도될 수 있다. 만약 전기 에너지가 배터리에 균등하게 충/방전 되지 않는 경우, 특정 배터리에 과부하가 발생하여 전체 전력 관리 시스템의 수명을 단축시킬 수 있다.
따라서, 서로 다른 복수의 배터리들의 충/방전을 효율적으로 운영하기 위해서는 일정한 기준이 필요하며 이를 이하 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리 충/방전을 제어하기 위한 드룹 커브(Droop curve)를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 배터리의 충/방전을 제어하기 위한 기준점으로 60Hz가 설정될 수 있다. 따라서, 복수의 배터리는 시스템의 안정성을 위해 주파수를 60Hz로 유지해야 할 필요가 있다.
구체적인 실시 예에서 충전 제어부(111)는 배터리의 주파수가 기준 주파수인 60Hz 이하로 떨어지는 경우에는 배터리를 충전할 수 있다. 또한, 충전 제어부(111)는 배터리의 주파수가 기준 주파수인 60Hz이상이 되는 경우에는 배터리를 방전할 수 있다.
이 때 충전 제어부(111)의 제어에 따라 충/방전되는 양은 드룹 커브에 따라 정해질 수 있다. 따라서, 드룹 커브에 따라 배터리가 기준 주파수를 회복하기 위해 필요한 충전량 또는 방전량이 달라질 수 있다. 또한, 드룹 커브는 배터리의 주파수 값 또는 SOC 레벨에 따라서 다를 수 있다.
신재생 에너지의 보급과 계통에 연결된 소형발전원이 증가하면서, 계통 안정화에 대한 필요성이 대두되었고, 동시에 전기값에 대한 관심으로 에너지 저장 시스템의 보급이 증가하고 있다. 에너지 저장 시스템의 대표적인 기능으로 피크 전력을 낮추는 것이 있을 수 있다.
이러한 방법을 가능케하는 방법으로 부하 평균화, 피크컷이 있을 수 있다. 기본적으로 부하평균화는 특정 부하증가시에 이에 맞추어 에너지 저장 시스템으로 하여금 전력을 방출하는 것이다. 피크컷은 최대 출력 값이 예상되는 경우 그에 맞추어 전력을 송출하는 것이다. 문제는 이러한 기능이 중복으로 이루어질 경우 충분한 SOC를 유지해야 하며, 출력 대비하여 시간 출력 이상의 배터리 용량을 가져야 하는 것이다. 또한 배터리 가격이 에너지 저장 시스템에서 큰 비중을 차지하기 때문에, 전체 단가를 낮추기 위해 배터리 가격이 전체 시스템에서 차지하는 비중을 최대한 작게 해야 하는 필요성이 있다.
도 6은 부하평균화 스케줄 제어를 나타내는 흐름도이다.
전력 관리 시스템(power management system)에서 부하평균화 기능은 일종의 소규모 자동발전제어(AGC, Automatic Generation Control) 기능과 유사하며, 그 구조는 크게 입력, 판단, 출력의 세가지 구조로 표현될 수 있다.
전력 관리 시스템의 시스템 제어부는 충전 제어부의 운전상태를 확인한다(S10). 구체적으로 시스템 제어부는 충전 제어부의 운전상태를 확인한다. 또한, 시스템 제어부는 리튬 이온 배터리 운전 상태를 확인한다. 또한, 시스템 제어부는 차단기를 확인한다.
더하여 시스템 제어부는 전력 관리 시스템 알고리즘 운선 실행 여부를 판단할 수 있다. 또한, 시스템 제어부는 부하평균화 운전 알고리즘 운전선택 여부를 확인할 수 있다. 또한, 시스템 제어부는 제어가능한 충전 제어부 및 배터리 저장 시스템이 각각 1 기 이상인지를 확인할 수 있다.
시스템 제어부는 시스템의 일정 수행을 판단한다(S20). 구체적으로 시스템 제어부는 시스템의 시간을 확인한다. 시스템 제어부는 일정 시간을 확인한다. 시스템 제어부는 출력을 비교한다. 더하여, 시스템 제어부는 제어부 내부 시간이 정상적으로 동작하는지 여부를 확인한다.
시스템 제어부는 전력 분배를 관리한다(S30). 구체적으로 시스템 제어부는 운전 중 & 운전 가능 에너지 저장 시스템을 판단한다. 그리고 시스템 제어부는 판단된 에너지 저장 시스템의 분배참여 가능 여부를 판단한다. 시스템 제어부는 시스템 운전 조건을 확인하고, 최종적으로 전력 분배를 관리한다.
여기에서 시스템 제어부는 단순히 특정 시간에 특정 출력을 결정하는 것을 넘어 특정 시간에 유동적인 출력을 확보하기 위해, 에너지 저장 시스템의 배터리 자원을 최대한 안정적으로 운용한다. 구체적으로 이를 실현하기 위해 시스템 제어부는 상술한 바와 같이 출력과 부하 관계에서 Droop 제어와 부하 평균화 스케줄 제어를 통해 분배되는 전력의 출력 값을 산정하고, 불필요한 출력을 차단할 수 있다. 결과적으로 시스템 제어부는 효율적으로 배터리의 SOC 레벨을 유지할 수 있다.
시스템 제어부는 전력 분배 관리 단계에서 판단에 기초하여 전력을 출력한다(S40). 구체적으로 시스템 제어부는 에너지 저장 시스템 단위 기준의 전력 출력 지령을 최종적으로 결정하고, 지령을 충전 시스템에 전달하고, 전달 여부를 확인한다.
이하에서 상술한 각 단계를 좀더 상세하게 설명한다.
먼저 운전 상태 확인 단계를 설명한다.
안정적인 에너지 저장 시스템의 운전을 위해 전력 관리 시스템은 HMI와 제어부를 별도로 동작하고 있다. 예를 들어 사용자가 지령이 없는 경우 또는 제어지령 전달이 불가능한 경우에도, 시스템 제어부는 상황을 인지하고 안정적으로 종료 지령을 수행할 수 있다.
운전 상태 확인 단계에서 충전 제어부(PCS) 상태 확인 단계를 설명한다.
충전 제어부의 상태는 크게 수치데이터와 상태데이터로 구분될 수 있다. 이때, 운전상태/통신상태/고장상태에 대한 데이터는 수치데이터에 대해 경험 값에 따른 기준으로 판별되어 시스템 제어부로 전달된다.
도 7은 충전제어부의 운전 상태에 따른 분류를 나타낸다.
운전상태는 크게 정지와 운전의 두가지로 나뉠 수 있다. 그리고 다시 각각 고장에 따른 정지, 사용자 지령에 의한 정지, 그리고 사용자 지령에 따른 운전과 대기상태로 나뉠 수 있다.
또한, 운전 모드에 따라 분류가 가능하다. 일 실시 예에서 운전 모드는 CP(constant power), CV(constant voltage) 또는 CC(constant current) 중 어느 하나일 수 있다. 운전 모드간 변환은 복구모드가 있을 경우 사용된다. 복구모드는 급격한 방전 충전이 잦을 경우에 사용될 수 있다. 기본적으로 부하평준화 운전은 CP 제어를 기본으로 한다.
운전 상태 확인 단계에서 충전 제어부(PCS) 통신상태 확인 단계를 설명한다.
통신 선로 및 시스템의 일시적 통신 중단 후 재 접속이 빠르게 일어나는 경우, 시스템 제어부는 이를 고장/이벤트로 기록하지 않는다. 단 1분 이상의 통신 중단이 일어나는 경우 시스템 제어부는 고장으로 판단하고 사용자에게 경고 알람을 출력한다.
통신고장에 대한 경계시간은 사용자 설정에 따를 수 있다. 통신이 중단되는 경우에는 기본적으로 충전 제어부에서 자동적으로 운전을 정지하여야 하나, 현장상황에 따라 지속적으로 운전을 수행하는 경우도 있을 수 있다.
통신 상태 경고가 있을 때에는, 운영자 판단에 따라 강제적으로 충전 제어부를 종료하여야 할 필요가 있다. 통신 복구가 일어날 경우 충전 제어부는 사용자 지령에 따라 다시 정상 상태로 복귀한다. 다시 복귀되어도 통신 알람 값은 사라지지 않으며 로그에서 확인 가능하다.
운전 상태 확인 단계에서 Lib 상태 확인 단계를 설명한다.
Lib는 리튬 이온 배터리의 약어이다. 전력 관리 시스템의 배터리를 관장하는 배터리 관리 시스템와 충전 제어부간에 통신이 이루어진다. 배터리 관리 시스템은 경험값 또는 기 설정된 값에 따라 배터리의 SOC를 계산하며, 각 배터리 뱅크 또는 Rack 기준으로 평균화를 수행한다.
또한, 충전 제어부는 전압 및 전류를 기준으로 운전정상여부를 사용자에게 전달한다. 배터리 관리 시스템의 상태 및 SOC에 따라 부하평균화 참여 여부가 결정되며, 이때 판단의 근거가 되는 SOC의 상한 값과 하한 값은 사용자가 설정한 값 또는 기 설정된 값일 수 있다.
이때, 배터리의 운전상태는 연결여부 및 SOC로 확인이 가능하다.
리튬 배터리의 통신선로에서 일시적 통신 중단 후 재 접속이 빠르게 일어나는 경우에 시스템 제어부는 이를 고장/이벤트로 기록하지 않는다. 단 1 분 이상의 통신 중단이 발생하는 경우 시스템 제어부는 고장으로 판단하고, 사용자에게 경고 알람을 출력한다. 통신 고장에 대한 경계시간은 사용자 설정 또는 경험적으로 결정된 설정 값에 따를 수 있다.
고장이 발생하는 경우 해당 리튬 배터리는 부하평균화 알고리즘에세 배제되며, 결과적으로 출력 분배에 영향을 준다.
운전 상태 확인 단계에서 에너지 저장 시스템/전력 관리 시스템 상태 확인 단계를 설명한다.
에너지 저장 시스템/전력 관리 시스템의 상태 확인은 부하평균화 알고리즘상에서 최종 판단의 기준이 되며, 이는 충전 제어부의 상태와 리튬 배터리의 상태 그리고 제어부, HMI의 상태가 모두 정상인 것을 전제로 한다.
에너지 저장 시스템의 운전 상태는 정상과 비정상의 두 가지 상태로 구분된다. 통신 상태 확인에서 각각의 모듈(충전 제어부, 리튬 배터리, 제어부, HMI) 통신이 정상인 경우에만 에너지 저장 시스템/전력 관리 시스템은 부하평균화 알고리즘에 참여 가능하다. 또한, 모든 고장상태가 정상인 경우에만 부하평준화 알고리즘에 참여 가능하다.
이하에서는 일정 수행 판단 단계를 설명한다.
일정 수행 판단 단계에서 시스템 시간 확인을 설명한다.
시스템 시간은 전력 관리 시스템의 HMI의 시간을 기준으로 하며, 별도의 프로세스에 의해 시스템 제어부와 시간 동기화가 유지될 수 있다. HMI의 시간 동기화는 별도의 IP를 통하여 시간 서버와 통신을 통해 유지될 수 있다.
일정 수행 판단 단계에서 부하평균화 기능 동작가능여부 확인을 설명한다.
시스템 제어부는 부하평준화 기능 동작 가능여부를 개별 모듈의 상태 및 사용자 설정에 따라 판단한다.
일정 수행 판단 단계에서 사용자 일정 정상 여부 확인을 설명한다.
충전제어부와 배터리 관리 시스템간 1:1 시스템 구성의 에너지 저장 시스템에서 일반적으로 충전 제어부는 오차범위 이내로 목표 값 대비 오차를 갖는다. 그러나 N:1 구성 또는 N:N 구성에서는 오차범위 이내의 값을 획득하는 것이 어렵다. 이러한 상황을 개선하기 위해 시스템 제어부는 자체적인 오차보정 알고리즘을 갖고 있다. 오차보정 알고리즘은 충전 제어부, 배터리 관리 시스템의 통신 프로토콜 및 운영에 따라 설정이 달라질 수 있다.
일정 수행 판단 단계에서 사용자 일정에 따른 운전 지령 값 도출을 설명한다.
사용자 일정에 따른 지령은 현 시점과 예약 스케줄 시점 각각의 목표량을 비교하여 결정된다. 이러한 방식으로 각 셋 값들을 비교하여 시스템 제어부는 현 시점에 필요한 목표량을 산출할 수 있다.
이하에서, 분배 관리 단계를 설명한다.
도 8은 분배 관리를 나타내는 블록도이다.
분배 관리에 있어서, 충전제어부와 배터리 관리 시스템간 N:1, 혹은 N:N 구성은 하나의 지령을 N개로 분산하여 전달하여야 한다. 단순히 하나의 지령을 N 으로 나누는 것이 아닌데, 그 이유는 각 시스템의 SOC, SOH를 비롯한 각 배터리의 화학적 특성, 용량, 출력용량 등 다양한 값이 통일되지 않기 때문이다. 따라서, 시스템 제어부는 결정 비를 획득하여 기기 별 지령 값을 산출한다.
에너지 저장 시스템 분배 값을 결정하는 조건은 모듈 상태 또는 에너지 저장 시스템 용량일 수 있다. 또한, 사용자 요구에 따라 에너지 저장 시스템 분배 값이 결정될 수도 있다.
시스템 제어부는 사용자 제한 조건을 만족하지 못하는 경우 해당 배터리 저장 시스템을 우선 배제한다. 즉, 시스템 제어부는 사용자 제한 조건을 만족하지 못하는 배터리 저장 시스템을 실행불가능으로 판단하여 처리하며, 이 경우 조건을 만족하는 에너지 저장 시스템만을 참여시켜 목표 값을 분배한다.
이하에서 출력 단계를 설명한다.
출력 단계에서 출력되는 지령은 초기화지령, 운전 중 지령, 비정상 운전 지령의 세가지가 있을 수 있다.
시스템 제어부는 초기화 지령에 따라 부하평준화를 최초 수행하는 경우 기존 출력 목표(사용자 지령에 의한 목표값)를 0으로 변경하여 초기 상태를 유지한다.
시스템 제어부는 부하평균화를 운전 중에 종료하는 경우 기존 출력 목표(부하평균화 목표치)를 0으로 변경하여 초기 상태를 유지한다.
시스템 제어부는 부하평균화 운전 중 일부 모듈에서 고장이 발생하는 경우 이를 즉시 제외한 상태의 값을 반영하고 가용 가능한 자원을 활용하여 사용자 목표를 최대한 유지한다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (7)

  1. 전기 에너지를 저장하는 배터리를 포함하는 배터리 저장 시스템;
    상기 배터리 저장 시스템의 에너지 입력 또는 출력을 제어하는 충전 제어부; 및
    상기 배터리 저장 시스템에 관한 정보 및 충전 제어부에 관한 정보에 기초하여 평균화 스케줄 제어 및 Droop 제어를 수행하는 시스템 제어부를 포함하며,
    상기 평균화 스케줄 제어는, 각 모듈의 운전상태를 확인하는 단계, 전력 관리 시스템 내 일정 수행 판단 단계, 분배 관리 단계 및 분배 관리 결정에 따른 지령 출력 단계를 포함하고,
    상기 모듈은
    상기 배터리 저장 시스템, 상기 충전 제어부 및 상기 시스템 제어부를 포함하고,
    상기 시스템 제어부는
    상기 배터리 저장 시스템에 대한 연결 여부를 고려하여 상기 배터리 저장 시스템의 고장을 판단하고, 경계 시간 이내에 연결이 재개된 배터리 저장 시스템은 고장으로 판단하지 않고, 상기 고장으로 판단된 배터리 저장 시스템을 상기 평균화 스케줄 제어의 대상에서 제외하는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 모듈의 운전상태를 확인하는 단계는,
    상기 충전제어부의 운전상태를 확인하는 단계, 상기 배터리 저장 시스템의 운전 상태를 확인하는 단계 또는 차단기 운전상태를 확인하는 단계 중 적어도 어느 하나인
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 각 모듈의 운전상태를 확인하는 단계는,
    제어가능한 충전 제어부 및 배터리 저장 시스템이 각각 1기 이상인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    전력 관리 시스템 내 일정 수행 판단 단계는,
    전력 관리 시스템에 포함된 모듈간 시간 동기화를 유지하는 단계를 포함하는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분배 관리 단계는,
    상기 충전 제어부에 전달되는 출력 값에 대한 지령을 결정하는 단계를 포함하는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 충전 제어부에 전달되는 출력 값에 대한 지령은 상기 배터리 저장 시스템에 포함되는 배터리의 화학적 특성, 용량, 또는 출력 용량 중 적어도 하나에 의해 결정되는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배 관리 결정에 따른 지령 출력 단계는 초기화 단계를 포함하는
    배터리 전력 관리 시스템을 포함하는 전력 관리 시스템.
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