KR102270913B1 - Apparatus and method for controlling energy storage system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력저장시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 전기에너지를 저장하는 저장부와 전력계통과 연계되는 변환부를 포함하는 전력저장시스템의 제어 장치에 있어서, 전지의 상태 감시와 충/방전을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System), 및 적어도 하나 이상의 저장그룹을 포함하는 저장부, 전력계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하거나 또는 전지의 DC 전력을 AC 전력으로 변환해 주는 것으로서, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하여 구성되는 전력변환기(PCS), 및 PCS 제어기를 포함하는 변환부; 및 전력계통에서 요구하는 출력 특성에 따라, 상기 저장부의 각 저장그룹과 상기 전력변환기의 스위칭 소자에 기 설정된 순서에 따라 순차로 제어신호를 출력하여 상기 저장부를 순시 충/방전 시키는 제어부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling a power storage system, and in a control apparatus for a power storage system including a storage unit for storing electric energy and a conversion unit connected to a power system, monitoring and charging/discharging the state of a battery A storage unit including a master BMS (Battery Management System) for controlling, and at least one or more storage groups, converting AC power of a power system into DC power or converting DC power of a battery into AC power, at least one or more a power converter (PCS) configured including a switching element, and a converter including a PCS controller; and a control unit for instantaneously charging/discharging the storage unit by sequentially outputting control signals according to a preset order to each storage group of the storage unit and a switching element of the power converter according to output characteristics required by the power system.

Figure R1020140130717
Figure R1020140130717

Description

전력저장시스템의 제어 장치와 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ENERGY STORAGE SYSTEM}Apparatus and method for controlling power storage system {APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ENERGY STORAGE SYSTEM}

본 발명은 전력저장시스템의 제어 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력저장시스템에 사용되는 2차전지를 순시 충/방전 특성을 이용하여 충/방전함으로써 전력저장시스템의 동작특성을 개선함과 동시에 2차전지의 수명 연장 효과를 얻을 수 있도록 하는 전력저장시스템의 제어 장치와 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for controlling a power storage system, and more particularly, by charging/discharging a secondary battery used in the power storage system using instantaneous charge/discharge characteristics to improve the operating characteristics of the power storage system, At the same time, it relates to a control device and method for a power storage system that can obtain the effect of extending the life of a secondary battery.

일반적으로 양수발전 또는 플라이휠과 같이 기계적 특성을 갖는 전력저장장치와 비교하여 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 에너지를 저장하는 2차전지(즉, 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지) 계열 전력저장장치의 가장 큰 단점은 충/방전 횟수가 제한되어 기대수명이 짧다는 것과 순간 출력이 비교적 낮다는 것이다. In general, compared to power storage devices with mechanical properties such as pumped-water power generation or flywheels, it is the most popular type of secondary battery (that is, a battery that is charged and used semi-permanently) by converting electrical energy into chemical energy to store energy. The major disadvantages are that the life expectancy is short due to the limited number of charge/discharge and the instantaneous output is relatively low.

먼저 상기 2차전지의 수명이 감소하는 주원인은 여러 번 충/방전을 반복하는 과정에서 양극소자와 음극소자의 특성이 변화하거나, 전해액의 상변화로 인해 전해액 내에서 양이온의 이동에 장애가 발생하기 때문이다. 이러한 양극과 음극 소자의 노화와 전해액의 상변화는 충/방전 전류의 크기와 지속시간, 정상범위를 벗어난 고전압, 고온/저온의 동작환경과 충/방전 심도(DoD, Depth of Discharge), 충/방전 간격과 횟수의 영향을 받는다. First, the main cause of the decrease in the lifespan of the secondary battery is that the characteristics of the positive and negative electrodes change in the process of repeating charging/discharging several times, or the movement of cations in the electrolyte is impaired due to the phase change of the electrolyte. to be. The aging of the anode and cathode elements and the phase change of the electrolyte are the size and duration of the charge/discharge current, the high voltage out of the normal range, the high/low temperature operating environment, and the charge/discharge depth (DoD, Depth of Discharge), It is affected by the discharge interval and frequency.

따라서 상기 2차전지의 특성 변화를 방지하고 수명을 연장하기 위해서는 상기 언급한 조건들(예 : 저전압, 정상온도, 낮은 DoD, 저출력전류)이 정해진 동작 범위에서 최대한 벗어나지 않도록 동작조건을 갖추고 운전이 이루어져야 한다. Therefore, in order to prevent a change in the characteristics of the secondary battery and extend the lifespan, the operation must be carried out with the operating conditions so that the above-mentioned conditions (eg, low voltage, normal temperature, low DoD, low output current) do not deviate from the set operating range as much as possible. do.

이러한 동작조건을 상시 유지하여 수명을 연장하기 위한 방안에 대하여 연구개발이 진행되고 있다.Research and development are in progress for a method to extend the lifespan by maintaining these operating conditions at all times.

다음 상기 2차전지의 순간 출력이 낮은 이유는 상술한 수명과 밀접한 관련이 있다. 즉, 화학반응을 통해 에너지변환이 이루어지는 2차전지의 급속한 충/방전을 위해서는 화학반응이 순간적으로 급속하게 이루어져야 한다. 이 과정에서 양극/음극 소자의 노화와 전해액의 변화가 쉽게 발생하게 된다. 따라서 되도록 급속한 충/방전에 의한 고출력을 장시간 유지하지 않는 것이 수명 단축을 줄일 수 있으며 이러한 이유로 대부분의 2차전지들은 정출력 모드운전으로 전류 세기를 제한하고 있다.Next, the reason why the instantaneous output of the secondary battery is low is closely related to the above-described lifespan. That is, in order to rapidly charge/discharge a secondary battery in which energy is converted through a chemical reaction, the chemical reaction must be instantaneously rapid. In this process, the aging of the anode/cathode element and the change of the electrolyte are easily generated. Therefore, not maintaining high output by rapid charging/discharging for a long time can reduce the life span, and for this reason, most secondary batteries limit the current strength in constant output mode operation.

상기와 같은 이유로 비교적 단기간 고출력을 유지하며 하루 수십 회 이상 충/방전이 필요한 전력저장시스템의 경우 출력유지와 에너지저장을 위해 많은 양의 전지가 소요되어 2차전지의 비용이 높아지고, 높은 출력의 잦은 충/방전으로 수명이 단축되어 실제 적용 시 경제성을 갖추기 어려운 실정이다.For the above reasons, in the case of a power storage system that maintains high output for a relatively short period of time and requires charging/discharging more than tens of times a day, a large amount of batteries are required to maintain output and store energy, which increases the cost of secondary batteries and increases the frequency of high output The lifespan is shortened due to charging/discharging, making it difficult to achieve economic feasibility in actual application.

상술한 바와 같이 2차전지의 수명은 전지를 사용하는 환경조건, 동작조건 그리고 충/방전 횟수에 큰 영향을 받는다. 일반적으로 2차전지는 자기 정격용량의 에너지를 정격 충/방전 전류비율보다 크게 사용할수록 수명이 급속히 감소하며 운전온도도 상승한다. 여기서 상기 정격 충/방전 조건은 보통 정전류 충/방전(Constant Current Charging/Discharging)을 의미한다.As described above, the lifespan of the secondary battery is greatly affected by the environmental conditions, operating conditions, and the number of times of charge/discharge in which the battery is used. In general, as the energy of the self-rated capacity is used larger than the rated charge/discharge current ratio, the lifespan of the secondary battery rapidly decreases and the operating temperature rises. Here, the rated charge/discharge condition usually means constant current charging/discharging.

한편 종래의 전력저장시스템은 통상적으로 2차전지, 전지관리장치(Battery management system, BMS), 전력변환장치로 구성되어 있으며, 또한 그에 사용되는 2차전지의 정전류 특성에 맞추어 구성되어 있으며, 충/방전 시 모든 전지를 한꺼번에 이용하여 미리 정해진 전류 또는 출력으로 충/방전을 수행하는 방식으로 운전되고 있다. 상기와 같이 종래의 전력저장장치는 그에 사용되는 2차전지의 정격용량의 에너지를 정격 충/방전 전류비율 또는 그보다 작게 사용하는 정전류 충/방전(Constant Current Charging/Discharging) 방식으로 운전되고 있기 때문에 2차전지의 수명단축 문제로 인해 정해진 정전류보다 큰 출력으로 운전이 곤란하고, 특히 큰 출력과 비규칙적으로 잦은 충/방전을 수행하는 경우에 2차전지의 수명이 급격히 단축되는 문제점이 있다.On the other hand, the conventional power storage system is usually composed of a secondary battery, a battery management system (BMS), and a power conversion device, and is also configured according to the constant current characteristics of the secondary battery used therein, When discharging, all batteries are used at once and are operated in a manner of charging/discharging with a predetermined current or output. As described above, the conventional power storage device is operated in a constant current charging/discharging method that uses the energy of the rated capacity of the secondary battery used therein at the rated charge/discharge current ratio or smaller than that. Due to the problem of shortening the lifespan of the secondary battery, it is difficult to operate with an output greater than a predetermined constant current.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1097259호(2011.12.15.등록, 전력 저장을 위한 장치 및 제어 방법)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent No. 10-1097259 (registered on December 15, 2011, apparatus and control method for power storage).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 전력저장시스템에 사용되는 2차전지를 순시 충/방전 특성을 이용하여 충/방전함으로써 전력저장시스템의 동작특성을 개선함과 동시에 2차전지의 수명 연장 효과를 얻을 수 있도록 하는 전력저장시스템의 제어 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was created to solve the above problems, and by charging/discharging the secondary battery used in the power storage system using instantaneous charge/discharge characteristics, the operation characteristics of the power storage system are improved and the secondary battery An object of the present invention is to provide a control device and method for a power storage system that can achieve the effect of extending the life of the power storage system.

본 발명의 일 측면에 따른 전력저장시스템의 제어 장치는, 전기에너지를 저장하는 저장부와 전력계통과 연계되는 변환부를 포함하는 전력저장시스템의 제어 장치에 있어서, 전지의 상태 감시와 충/방전을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System), 및 적어도 하나 이상의 저장그룹을 포함하는 저장부; 전력계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하거나 또는 전지의 DC 전력을 AC 전력으로 변환해 주는 것으로서, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하여 구성되는 전력변환기(PCS), 및 PCS 제어기를 포함하는 변환부; 및 전력계통에서 요구하는 출력 특성에 따라, 상기 저장부의 각 저장그룹과 상기 전력변환기의 스위칭 소자에 기 설정된 순서에 따라 순차로 제어신호를 출력하여 상기 저장부를 순시 충/방전 시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A control device for a power storage system according to an aspect of the present invention is a control device for a power storage system including a storage unit for storing electrical energy and a conversion unit connected to a power system, and performs battery state monitoring and charging/discharging. a storage unit including a master battery management system (BMS) for controlling, and at least one storage group; A power converter that converts AC power of a power system into DC power or converts DC power of a battery into AC power, a power converter (PCS) including at least one switching element, and a converter including a PCS controller; and a control unit for instantaneously charging/discharging the storage unit by sequentially outputting control signals according to a preset order to each storage group of the storage unit and a switching element of the power converter according to output characteristics required by the power system. characterized in that

본 발명에 있어서, 상기 저장부의 저장그룹은, 상기 전력변환기를 구성하는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자 개수의 배수로 구성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the storage group of the storage unit is characterized in that it is configured as a multiple of the number of at least one or more switching elements constituting the power converter.

본 발명에 있어서, 상기 각 스위칭 소자는, 상기 저장부의 각 저장그룹에 각기 1:1로 대응되게 구성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, each of the switching elements is characterized in that it is configured to correspond to each storage group of the storage unit 1:1.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 대응되는 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 통전 시기에 맞춰 상기 저장그룹의 충/방전이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the control unit is characterized in that it controls the charging/discharging of the storage group according to the energization timing of each switching element of the power converter corresponding to each storage group of the storage unit 1:1. .

본 발명에 있어서, 상기 저장그룹은, 적어도 하나 이상의 전지 셀(Cell)을 구비한 저장 모듈; 및 상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 저장 모듈의 상태 감시와 충/방전을 각기 제어하는 적어도 하나 이상의 슬레이브 BMS;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the storage group, the storage module having at least one or more battery cells (Cell); and at least one or more slave BMSs respectively controlling the state monitoring and charging/discharging of the storage module according to the control of the master BMS.

본 발명의 다른 측면에 따른 전력저장시스템의 제어 방법은, 전기에너지를 저장하는 저장부와 전력계통과 연계되는 변환부를 포함하는 전력저장시스템의 제어 방법에 있어서, 제어부가 운영자에 의해 미리 설정된 운전전략, 동작조건, 및 저장부의 저장 상태 중 적어도 하나에 근거하여 전력저장시스템의 출력범위를 산정하는 단계; 상기 제어부가 전력계통의 상태와 전력시장정보에 근거하여 전력저장시스템의 출력량을 결정하는 단계; 상기 제어부가 상기 전력저장시스템의 출력량에 의하여 상기 저장부의 각 저장그룹과 상기 변환부의 각 스위칭 소자들의 동작 순서를 선택하는 단계; 상기 제어부가 상기 저장부의 BMS(Battery Management System)와 상기 변환부의 PCS 제어기에 동시에 제어신호를 전달하는 단계; 상기 제어신호를 입력받은 상기 변환부의 전력변환기가 기 설정된 순서에 따라 각각의 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 아울러 상기 제어신호를 입력받은 상기 저장부의 BMS가 상기 각 스위칭 소자에 대응된 저장그룹을 온/오프 제어하는 단계; 및 상기 변환부가 상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 짝을 이룬 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 온/오프를 통해 변환된 출력을 전력계통에 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for controlling a power storage system according to another aspect of the present invention, the control method of the power storage system including a storage unit for storing electric energy and a conversion unit connected to the power system, the control unit is a preset operation strategy by an operator calculating an output range of the power storage system based on at least one of , an operating condition, and a storage state of the storage unit; determining, by the control unit, an output amount of the power storage system based on the state of the power system and power market information; selecting, by the control unit, an operation order of each storage group of the storage unit and each switching element of the conversion unit according to the output amount of the power storage system; transmitting, by the control unit, a control signal to the BMS (Battery Management System) of the storage unit and the PCS controller of the converting unit at the same time; The power converter of the conversion unit receiving the control signal converts DC power into AC power by on/off control of each switching element according to a preset sequence, and the BMS of the storage unit receiving the control signal receives the control signal controlling on/off of a storage group corresponding to the switching element; and outputting, by the converter, an output converted through on/off of each switching element of the power converter paired 1:1 with each storage group of the storage to the power system.

본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계에서, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 전력변환기가 상기 스위칭 소자를 순차로 온/오프 제어하되, 각 스위칭 소자의 온/오프 구간이 기 설정된 일정 시간만큼 중첩 구간이 발생하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step of converting DC power into AC power by on/off control of the switching element, the power converter sequentially controls on/off the switching element according to the control of the controller, but each switching element It is characterized in that the control is performed so that the on/off period of the overlapping period occurs for a predetermined period of time.

본 발명에 있어서, 상기 저장부의 저장그룹은, 상기 전력변환기를 구성하는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자 개수의 배수로 구성하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the storage group of the storage unit is characterized in that it is configured as a multiple of the number of at least one or more switching elements constituting the power converter.

본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 대응되는 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 온/오프 시기에 맞춰 상기 저장그룹의 충/방전이 이루어지도록 제어하며, 상기 각 저장그룹이 기 설정된 일정시간 동안 휴식기를 갖도록 하기 위하여 상기 각 저장그룹에 1:1로 대응되는 스위칭 소자의 오프 시간을 기 설정된 일정시간 유지시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step of converting DC power to AC power by controlling on/off of the switching element, the controller includes: each of the switching elements of the power converter corresponding to 1:1 with each storage group of the storage unit. In order to control the charging/discharging of the storage group according to the on/off timing, and to allow each storage group to have a rest period for a predetermined period of time, the OFF time of the switching element corresponding to each storage group is 1:1. It is characterized in that it is maintained for a predetermined period of time.

본 발명에 있어서, 상기 저장부의 저장 상태는 전력량 및 운전조건 정보 중 적어도 하나, 상기 전력저장시스템의 출력범위는 최대출력 및 출력시간 정보 중 적어도 하나, 상기 전력계통의 상태는 주파수, 변동성, 및 출력 제어 신호 정보 중 적어도 하나, 상기 전력시장정보는 가격 및 변동성 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the storage state of the storage unit is at least one of the amount of power and operation condition information, the output range of the power storage system is at least one of the maximum output and output time information, and the state of the power system is frequency, variability, and output At least one of the control signal information, the power market information is characterized in that it includes at least one of price and volatility information.

본 발명은 전력저장시스템에 사용되는 2차전지를 순시 충/방전 특성을 이용하여 충/방전함으로써 전력저장시스템의 동작특성을 개선함과 동시에 전지의 수명 연장 효과를 얻을 수 있도록 한다.The present invention improves the operating characteristics of the power storage system and increases the lifespan of the battery by charging/discharging the secondary battery used in the power storage system using the instantaneous charge/discharge characteristic.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력저장시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 저장부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순시 충/방전 특성을 이용한 전력저장시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 상기 도 4에 있어서, S104 단계와 S105 단계의 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법으로 동작하는 전력저장시스템의 전력변환기(PCS)와 각 저장그룹에서 출력되는 전압을 그래프로 표시한 예시도.
도 7은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 스위칭 소자에 인가되는 이상적인 DC 전원을 설명하기 위한 예시도.
도 8은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 스위칭 소자에서 발생하는 DC 전원의 공백구간을 보인 예시도.
도 9는 상기 도 8에 있어서, 출력공백이 발생하지 않도록 저장부의 DC 전원 출력을 중첩시키는 동작을 설명하기 위한 예시도.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 전력저장시스템의 연속 출력을 유지하며 저장그룹의 순시 출력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 전력저장시스템의 연속 출력을 유지하며 저장그룹의 순시 출력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도.
1 is an exemplary diagram showing a schematic configuration of a control device of a power storage system according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary view showing a more detailed configuration of a storage unit in FIG. 1 .
3 is an exemplary view showing a more detailed configuration of the conversion unit in FIG. 1 .
4 is a flowchart illustrating a control method of a power storage system using instantaneous charge/discharge characteristics according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary diagram for explaining in more detail the operations of steps S104 and S105 in FIG. 4 .
6 is an exemplary diagram showing a power converter (PCS) of a power storage system operated by a control method according to an embodiment of the present invention and voltages output from each storage group in a graph;
7 is an exemplary view for explaining an ideal DC power applied to the switching element of the conversion unit in FIG. 1 .
8 is an exemplary view showing a blank section of DC power generated in the switching element of the converter in FIG. 1 .
FIG. 9 is an exemplary view for explaining an operation of overlapping DC power output of a storage unit so that an output blank does not occur in FIG. 8;
10 is an exemplary diagram for explaining a method of controlling an instantaneous output of a storage group while maintaining a continuous output of the power storage system according to another embodiment of the present invention.
11 is an exemplary diagram for explaining a method of controlling an instantaneous output of a storage group while maintaining a continuous output of a power storage system according to another embodiment of the present invention;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력저장시스템의 제어 장치와 방법의 일 실시예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of an apparatus and method for controlling a power storage system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

상기 배경이 되는 기술에서 설명한 2차전지의 정전류 충/방전(Constant Current Charging/Discharging) 방식과 달리 아주 짧은 시간에 순시 충/방전(Pulsed Current Charging/Discharging)을 간헐적으로 실시할 경우 자기 정격전류의 최대 10배에 해당하는 전류를 통전하면서도 수명 특성은 오히려 더욱 좋아지는 특성이 알려져 있다. 그 이유는 간헐적인 펄스 형태로 충/방전을 수행할 경우 재차 충/방전이 이루어지는 시간까지 상당기간 휴식기를 확보할 수 있으므로 양/음극 소자와 전해액이 회복할 수 있는 시간을 가질 수 있기 때문이다. 참고로 펄스 충/방전 시 순시 출력의 유지시간은 보통 수~수십 ms에 해당하는 매우 짧은 시간이다.Unlike the constant current charging/discharging method of the secondary battery described in the background technology, when instantaneous charging/discharging is performed intermittently in a very short time, the self-rated current It is known that the lifespan characteristics are rather improved while passing a current corresponding to a maximum of 10 times. The reason is that when charging/discharging is performed in the form of intermittent pulses, a rest period can be secured for a considerable period of time until charging/discharging is performed again, so that the positive/negative electrode device and the electrolyte can have time to recover. For reference, the holding time of instantaneous output during pulse charge/discharge is very short, usually several to tens of ms.

본 발명은 상기와 같은 2차전지의 순시 충/방전 특성(Pulsed Current Charging/Discharging)을 이용하여 전력저장시스템(Electric Energy Storage System, ESS)(또는 전력저장장치)의 동작특성을 개선함과 동시에 사용되는 2차전지의 수명 연장 효과도 얻을 수 있도록 한다.The present invention improves the operating characteristics of an Electric Energy Storage System (ESS) (or power storage device) by using the pulsed current charging/discharging characteristics of the secondary battery as described above, and at the same time It is also possible to obtain the effect of extending the life of the secondary battery used.

(제1 실시예)(Example 1)

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력저장시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.1 is an exemplary diagram showing a schematic configuration of an apparatus for controlling a power storage system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전력저장시스템(ESS)(또는 전력저장장치)은, 에너지를 저장하는 저장부(200)와 전력계통과 연계되는 변환부(300)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the power storage system (ESS) (or power storage device) according to the present embodiment includes a storage unit 200 for storing energy and a conversion unit 300 connected to the power system. .

상기 저장부(200)는 실제로 전기에너지를 저장하는 전지 등의 저장설비(또는 저장수단)(예 : 저장그룹1 ~ 저장그룹N)와 상기 저장설비의 상태 감시와 충/방전을 제어하기 위한 BMS(Battery Management System)를 포함한다. 상기 BMS는 마스터 BMS(M-BMS)와 다수의 슬레이브 BMS(S-BMS)를 포함한다(도 2 참조).The storage unit 200 is a storage facility (or storage means) such as a battery that actually stores electrical energy (eg, storage group 1 to storage group N) and a BMS for monitoring the state of the storage facility and controlling charging/discharging. (Battery Management System). The BMS includes a master BMS (M-BMS) and a plurality of slave BMSs (S-BMS) (see FIG. 2 ).

상기 변환부(300)는 변압기, 차단기(미도시) 등의 일반적인 전력용설비, 전력계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하거나 또는 전지의 DC 전력을 AC 전력으로 변환해 주는 전력변환기(PCS : Power Conditioning System), 그리고 PMS(Power Management System) 또는 EMS(Energy Management System)로 명명되는 PCS 제어기(320)(도 3 참조)를 포함한다.The converter 300 is a power converter (PCS: Power) that converts AC power of a general power facility such as a transformer, a circuit breaker (not shown), and a power system into DC power or converts DC power of a battery into AC power. Conditioning System), and a PCS controller 320 (see FIG. 3 ) called a Power Management System (PMS) or an Energy Management System (EMS).

본 실시예에서는 특징적으로 상기 순시 충/방전 제어를 위하여 전력변환기(PCS)를 구성하는 스위칭 소자(SW1 ~ SWN)의 개수의 배수로 상기 저장부(200)를 단위 모듈 그룹(저장그룹)으로 구성함으로써, 상기 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자(SW1 ~ SWN)의 통전 시기에 맞춰 상기 단위 모듈 그룹(저장그룹)(예 : 전지 Cell, 전지 모듈)의 충/방전이 이루어지도록 제어한다.In this embodiment, characteristically, by configuring the storage unit 200 as a unit module group (storage group) in multiples of the number of switching elements (SW1 to SWN) constituting the power converter (PCS) for the instantaneous charge/discharge control , control so that charging/discharging of the unit module group (storage group) (eg, battery cell, battery module) is performed according to the energization timing of the switching elements SW1 to SWN of the power converter (PCS).

상기 제어부(100)는 계통(전력망)에서 요구하는 출력 특성에 따라 상기 저장부(200)와 상기 변환부(300)에 제어지령(또는 제어신호)을 순차적으로 출력한다. The control unit 100 sequentially outputs a control command (or a control signal) to the storage unit 200 and the conversion unit 300 according to the output characteristics required by the system (power grid).

상기 저장부(200)의 저장그룹(그룹1 ~ 그룹N)과 상기 변환부(300)의 스위치(또는 스위칭 소자)는 각각 1:1로 대응되며, 상기 제어부(100)에서 출력되는 제어지령(제어신호)에 따라, 도 4의 흐름도와 같이 동작하여 최종적으로 도 6과 같은 파형의 출력을 갖는다.The storage group (group 1 to group N) of the storage unit 200 and the switch (or switching element) of the conversion unit 300 each correspond to 1:1, and the control command output from the control unit 100 ( control signal), it operates as in the flowchart of FIG. 4 and finally has the output of the waveform as shown in FIG.

도 2는 상기 도 1에 있어서, 저장부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도이다.2 is an exemplary view showing a more detailed configuration of the storage unit in FIG. 1 .

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 저장부(200)는 마스터 BMS(M-BMS, 201), 및 적어도 하나 이상의 저장그룹(210 ~ 260)을 포함하고, 상기 저장그룹(210 ~ 260)은 각기 슬레이브 BMS(S-BMS, 211, 221, 231, 241, 251, 261), 및 적어도 하나 이상의 셀(Cell)을 구비한 저장 모듈(212, 222, 232, 242, 252, 262)(단위 셀 집합)을 포함한다.As shown in FIG. 2 , the storage unit 200 includes a master BMS (M-BMS, 201) and at least one storage group 210 to 260, and the storage groups 210 to 260 are each Slave BMS (S-BMS, 211, 221, 231, 241, 251, 261), and storage modules (212, 222, 232, 242, 252, 262) having at least one cell (Cell) (unit cell set) ) is included.

이때 상기 저장그룹(210 ~ 260)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 전력변환기(PCS, 310)의 개별 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)와 각기 1:1로 대응된다.At this time, the storage groups 210 to 260 correspond to the individual switching elements SW1 to SW6 of the power converter PCS 310 in a 1:1 ratio, respectively, as shown in FIG. 3 .

도 3은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도이다.3 is an exemplary view showing a more detailed configuration of the conversion unit in FIG. 1 .

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 변환부(300)는 전력변환기(310)와 PCS 제어기(320)를 포함한다.As shown in FIG. 3 , the converter 300 includes a power converter 310 and a PCS controller 320 .

상기 전력변환기(PCS, 310)는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)를 포함하고, 상기 각 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)는, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 각 저장그룹(210 ~ 260)에 각기 1:1로 대응된다.The power converter (PCS, 310) includes at least one switching device (SW1 ~ SW6), each of the switching devices (SW1 ~ SW6), as shown in FIG. 2, each storage group (210 ~ 260) ) is 1:1, respectively.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 순시 충/방전 특성을 이용한 전력저장시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 4 is a flowchart illustrating a control method of a power storage system using instantaneous charge/discharge characteristics according to an embodiment of the present invention.

다만 본 실시예에서는 전력변환기(PCS)에서 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 과정과 제어흐름은 일반적인 전력변환기의 제어과정과 같고, 또한 본 발명의 요지를 벗어나므로 그에 대한 설명은 생략한다. 그리고 이하 본 실시예에서는 상기 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자 개수의 배수로 기 구성된 저장그룹의 출력제어를 상기 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자의 동작을 제어하여 순시 출력하는 방법에 대해서 설명한다.However, in this embodiment, the process and control flow of converting DC power into AC power in the power converter (PCS) are the same as the control process of a general power converter, and since it is out of the scope of the present invention, a description thereof will be omitted. Hereinafter, in the present embodiment, a method for controlling the operation of the switching elements of the power converter (PCS) to instantaneously output the output control of the storage group configured as a multiple of the number of switching elements of the power converter (PCS).

도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(100)(또는 내부 감시부)는 전력저장시스템의 계통 상태를 감시한다. 즉, 운영자에 의해 미리 설정된 운전전략과 동작조건, 및 저장부(200)(또는 저장수단)의 저장 상태(예 : 전력량, 운전조건)를 비교하여 전력저장시스템의 출력범위(예 : 최대출력, 출력시간)를 산정한다(S101). As shown in FIG. 4 , the control unit 100 (or internal monitoring unit) monitors the system state of the power storage system. That is, by comparing the operation strategy and operating conditions preset by the operator, and the storage state (eg, amount of power, operating conditions) of the storage unit 200 (or storage means), the output range of the power storage system (eg, maximum output, output time) is calculated (S101).

상기 제어부(100)는 전력망(전력계통)의 상태(예 : 주파수, 변동성, 출력 제어 신호 등)와 전력시장정보(예 : 가격, 변동성)를 입력받아 최종적으로 전력저장시스템의 출력량을 결정한다(S102). The control unit 100 receives the state (eg, frequency, volatility, output control signal, etc.) of the power grid (power system) and power market information (eg, price, volatility) and finally determines the output amount of the power storage system ( S102).

상기 제어부(100)는 상기 결정된 전력저장시스템의 출력량에 의하여 상기 저장부(200)의 각 저장그룹과 상기 변환부(300)의 각 스위칭 소자들의 동작 순서를 선택한다(S103). The control unit 100 selects an operation sequence of each storage group of the storage unit 200 and each switching element of the conversion unit 300 according to the determined output amount of the power storage system (S103).

상기 제어부(100)는 상기 저장부(200)의 BMS(201, 211, 221, 231, 241, 251, 261)와 상기 변환부(300)의 PCS 제어기(320)에 동시에 제어신호를 전달한다(S104).The control unit 100 simultaneously transmits a control signal to the BMS 201 , 211 , 221 , 231 , 241 , 251 , 261 of the storage unit 200 and the PCS controller 320 of the conversion unit 300 ( S104).

상기 제어신호를 입력받은 상기 변환부(300)의 전력변환기(PCS, 310)는 기 설정된 순서에 따라 각각의 스위칭 소자를 on/off 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 이와 동시에 상기 제어신호를 입력받은 상기 저장부(200)의 BMS(201, 211, 221, 231, 241, 251, 261)는 각 스위칭 소자와 그에 대응된 각각의 저장그룹에 on/off 제어신호를 전달한다. The power converter (PCS, 310) of the converter 300 receiving the control signal converts DC power into AC power by turning on/off control of each switching element according to a preset order. At the same time, the BMSs 201 , 211 , 221 , 231 , 241 , 251 , 261 of the storage unit 200 receiving the control signal input an on/off control signal to each switching element and each storage group corresponding thereto. transmit

이와 같이 제어신호를 입력받은 전력변환기(PCS, 310)의 각 스위칭 소자와 서로 짝을 이룬 각 저장그룹이 동시에 on/off 동작을 수행하도록 제어한다(S105). In this way, each switching element of the power converter (PCS, 310) receiving the control signal and each storage group paired with each other are controlled to simultaneously perform an on/off operation (S105).

상기 변환부(300)는 상기 저장부(200)의 각 저장그룹과 짝을 이룬 상기 전력변환기(PCS, 310)의 각 스위칭 소자의 온/오프를 통해 변환된 출력을 변압기(도 1 참조)를 통하여 전력계통(전력망)에 출력한다(S106).The conversion unit 300 converts the output converted through on/off of each switching element of the power converter (PCS, 310) paired with each storage group of the storage unit 200 to a transformer (see FIG. 1). output to the power system (power grid) through (S106).

이후 상기 제어부(100)는 상기 저장부(200)와 상기 변환부(300)의 상태(예 : 저장용량 변화 및 출력)를 모니터링하여 다시 S101 단계로 피드백하며(S107), 상기 일련의 동작과정(S101 ~ S106)을 반복한다.Thereafter, the control unit 100 monitors the state (eg, storage capacity change and output) of the storage unit 200 and the conversion unit 300 and feeds it back to step S101 (S107), and the series of operation steps ( S101 to S106) are repeated.

도 5는 상기 도 4에 있어서, S104 단계와 S105 단계의 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 5 is an exemplary diagram for explaining the operations of steps S104 and S105 in more detail in FIG. 4 .

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 저장부(200)의 각 저장그룹(그룹1 ~ 그룹6)과 상기 전력변환기(PCS, 310)의 각 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)가 1:1로 대응하여 동작하는 과정이 일 예로서 도시되어 있다. As shown in FIG. 5 , each storage group (group 1 to group 6) of the storage unit 200 and each switching element SW1 to SW6 of the power converter (PCS, 310) correspond to 1:1. The operation process is shown as an example.

즉, 상기 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 각 저장그룹(그룹1 ~ 그룹6)과 각 스위칭 소자(SW1 ~ SW6)가 1:1로 대응되어 온/오프 동작한다.That is, as described with reference to FIGS. 2 and 3 , each of the storage groups (group 1 to group 6) and each switching element SW1 to SW6 correspond to each other in a 1:1 correspondence to operate on/off.

예컨대 제1 스위칭 소자(SW1)가 온될 때 제1 저장그룹(그룹1)도 온되며, 제1 스위칭 소자(SW1)가 오프될 때 제1 저장그룹(그룹1)도 오프되는 것이다. 나머지 스위칭 소자와 저장그룹들도 각기 1:1로 대응되어 온/오프 동작이 수행된다.For example, when the first switching element SW1 is turned on, the first storage group (group 1) is also turned on, and when the first switching element SW1 is turned off, the first storage group (group 1) is also turned off. The remaining switching elements and the storage groups also correspond to each other in a one-to-one correspondence so that an on/off operation is performed.

이때 상기 변환부(300)에 인가되는 DC 전원의 출력이 각 스위칭 소자와 1:1로 대응되어 동작하는 과정에서 도 7에 도시된 바와 같이 출력 공백이 없는 DC전원의 인가가 이상적이지만, 실제 스위칭 과정에서 도 8에 도시된 바와 같은 출력의 공백기가 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 도 9에 도시된 바와 같이 각 스위칭 소자에 인가되는 DC 전원을 중첩하여 상기 변환부(300)에 인가되는 DC 전원에 공백이 발생하지 않도록 제어한다.At this time, in the process where the output of the DC power applied to the conversion unit 300 corresponds to each switching element in a 1:1 operation, as shown in FIG. 7 , the application of DC power without an output gap is ideal, but the actual switching In the process, an output blank as shown in FIG. 8 may occur. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 9 , DC power applied to each switching element is overlapped to control so that a void does not occur in the DC power applied to the converter 300 .

도 7은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 스위칭 소자에 인가되는 이상적인 DC 전원을 설명하기 위한 예시도이고, 도 8은 상기 도 1에 있어서, 변환부의 스위칭 소자에서 발생하는 DC 전원의 공백구간을 보인 예시도이고, 도 9는 상기 도 8에 있어서, 출력공백이 발생하지 않도록 저장부의 DC 전원 출력을 중첩시키는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.7 is an exemplary view for explaining an ideal DC power applied to the switching element of the converter in FIG. 1, and FIG. 8 is a blank section of the DC power generated in the switching element of the converter in FIG. 1 It is an exemplary view, and FIG. 9 is an exemplary view for explaining the operation of overlapping the DC power output of the storage unit so that an output blank does not occur in FIG. 8 .

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법으로 동작하는 전력저장시스템의 전력변환기(PCS)와 각 저장그룹에서 출력되는 전압을 그래프로 표시한 예시도이다.Meanwhile, FIG. 6 is an exemplary diagram showing a power converter (PCS) of a power storage system operated by a control method according to an embodiment of the present invention and voltages output from each storage group as a graph.

도 6을 참조하면, 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자의 동작에 의해 DC 입력이 AC 전력 변환을 위한 파형으로 변환되는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the DC input is converted into a waveform for AC power conversion by the operation of the switching element of the power converter (PCS).

도 6에 도시된 바와 같이, 각 스위칭 소자의 온/오프 동작에 따라 그에 대응하는 각 저장그룹이 온/오프되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6 , it can be confirmed that each storage group corresponding thereto is turned on/off according to the on/off operation of each switching element.

예컨대 제1 스위칭 소자(SW1)의 on과 함께 제1 저장그룹(그룹1)이 on 되고, 다시 상기 제1 스위칭 소자(SW1)가 off 됨과 동시에 상기 제1 저장그룹(그룹1)도 off 되는 것을 알 수 있다. 그리고 상기 제1 스위칭 소자(SW1)가 on 되기 전까지 제1 저장그룹(그룹1)은 휴식기를 갖게 되며, 상기 휴식기 동안 양극/음극 소자와 전해액의 특성이 회복되어 2차전지와 같은 전력저장수단의 수명 단축을 예방할 수 있다. For example, the first storage group (group 1) is turned on when the first switching element SW1 is turned on, and the first storage group (group 1) is also turned off when the first switching element SW1 is turned off. Able to know. And until the first switching element SW1 is turned on, the first storage group (group 1) has a rest period, and during the rest period, the characteristics of the anode/cathode element and the electrolyte are restored, so that the power storage means such as a secondary battery Lifespan shortening can be prevented.

이러한 휴식기는 전력저장시스템의 저장그룹 개수를 스위칭 소자 개수의 배수로 확보함으로써 더욱 길게 가져갈 수 있다. 가령 1배수로 저장그룹을 구성하여 10ms의 휴식기가 확보 되었다면 2배수의 경우 20ms, 3배수의 30ms의 휴식기 확보가 가능하다. 특히 전력변환기(PCS)를 구성하는 스위칭 소자가 다단계로 구성된 Multi-level PCS를 적용하고, 전력저장수단(예 : 2차전지)의 저장그룹을 전력저장수단의 특성에 따라 세분화 하면 각 전력저장수단의 휴식기를 조절할 수 있다. This rest period can be taken longer by securing the number of storage groups of the power storage system as a multiple of the number of switching elements. For example, if a 10ms rest period is secured by composing a storage group in multiples, it is possible to secure a rest period of 20ms in the case of 2x and 30ms in the case of 3x. In particular, if a multi-level PCS composed of multi-level switching elements constituting a power converter (PCS) is applied, and the storage group of the power storage means (eg, secondary battery) is subdivided according to the characteristics of the power storage means, each power storage means can control the rest period.

또한 상기 저장그룹의 출력 크기는 전력계통에서 요구하는 MVA(Mega Volt Ampere) 크기 따라 PMS가 BMS에 보낸 제어지령(제어신호)을 통해 순시 출력 전류를 조정하여 결정한다. In addition, the output size of the storage group is determined by adjusting the instantaneous output current through the control command (control signal) sent from the PMS to the BMS according to the MVA (Mega Volt Ampere) size required by the power system.

참고로 이러한 순시 출력전류는, 일반적인 리튬이온 2차전지의 경우, 연속 정출력 운전 시에 비해 일반적으로 10배까지 안전하게 인가할 수 있는 것으로 알려져 있다.For reference, it is known that the instantaneous output current can be safely applied up to 10 times compared to the case of a general lithium ion secondary battery during continuous constant output operation.

또한 본 발명에 따른 다른 실시예로서, ESS를 구성하고 있는 저장부의 저장수단인 전지 Cell, 커패시터, 자기코일 또는 전지모듈 그룹의 출력순서를 조합하고 조정함으로써 출력을 올리고 저장수단의 수명을 연장하는 구성도 가능하다. In addition, as another embodiment according to the present invention, the configuration of increasing the output and extending the life of the storage means by combining and adjusting the output order of the battery cells, capacitors, magnetic coils, or battery module groups that are the storage means of the storage unit constituting the ESS is also possible

상술한 제1 실시예는 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자마다 하나의 저장그룹이 1:1로 배정되어 충/방전하는 구성이나, 하나의 스위칭 소자에 2개 이상의 저장수단 그룹을 배정하여 충/방전을 할 경우, 한 개의 저장그룹을 배정하는 것 보다 순시 출력을 2배 이상 올릴 수 있으며, 각 저장그룹의 저장용량과 상태 그리고 특성에 따라 저장그룹을 순차적으로 또는 미리 프로그램 하여 배정하여 운전하는 것도 가능하다.In the first embodiment described above, one storage group is assigned 1:1 for each switching element of the power converter (PCS) to charge/discharge, but two or more storage means groups are assigned to one switching element to charge/discharge. In case of discharging, the instantaneous output can be increased more than twice as compared to allocating one storage group. Depending on the storage capacity, status and characteristics of each storage group, it is also possible to operate the storage groups sequentially or by pre-programming and assigning them. It is possible.

이때 상기 저장그룹의 순시 출력 특성 개선과 휴식기의 조절을 위한 방법을 다음과 같이 변형하여 적용하는 것도 가능하다.In this case, the method for improving the instantaneous output characteristics of the storage group and adjusting the rest period may be modified and applied as follows.

(제2 실시예)(Second embodiment)

도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 전력저장시스템의 연속 출력을 유지하며 저장그룹의 순시 출력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.10 is an exemplary diagram for explaining a method of controlling an instantaneous output of a storage group while maintaining a continuous output of a power storage system according to another embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 바와 같이, 기 구분된 모듈단위의 저장그룹별로 펄스형 출력에 적합한 전용 전력변환기(PCS)를 구성하여 전체 전력저장시스템이 필요로 하는 출력을 확보할 수 있다(도 10 참조).As shown in FIG. 10, it is possible to secure the output required by the entire power storage system by configuring a dedicated power converter (PCS) suitable for pulse-type output for each storage group of the divided module unit (see FIG. 10). .

이와 같은 방식에서는 PCS의 스위칭 소자의 개수의 배수로 저장그룹을 구현할 필요는 없다. 다수로 구현된 저장그룹별로 펄스 충/방전에 적합한 전력변환기(PCS)를 구성하고 개별 출력을 합성하는 방식으로 시스템을 구성한 후, 상기 전력변환기(PCS)를 순차적으로 운전할 경우 저장그룹의 개수만큼 각 저장그룹에 휴식기를 부여할 수 있다. In this way, it is not necessary to implement the storage group as a multiple of the number of switching elements in the PCS. After configuring the system in such a way that a power converter (PCS) suitable for pulse charging/discharging is configured for each storage group implemented in multiple numbers and synthesizing individual outputs, when the power converters (PCS) are sequentially operated, each You can grant a break to the storage group.

또한 각 저장그룹별로 순시 출력 펄스를 출력하며 휴식기를 가지므로 상시 충/방전에 사용되는 PCS 보다 적은 용량의 스위칭 소자를 사용 할 수 있는 장점이 있다. 각 저장그룹별로 출력된 전력은 변압기에서 중첩되어 연속적인 ESS 출력이 이루어진다. Also, since it outputs an instantaneous output pulse for each storage group and has a rest period, it has the advantage of using a switching device with a smaller capacity than the PCS used for regular charging/discharging. The power output for each storage group is superimposed on the transformer to produce continuous ESS output.

(제3 실시예)(Example 3)

도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 전력저장시스템의 연속 출력을 유지하며 저장그룹의 순시 출력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.11 is an exemplary diagram for explaining a method of controlling an instantaneous output of a storage group while maintaining a continuous output of the power storage system according to another embodiment of the present invention.

도 11에 도시된 바와 같이, 기 구분된 모듈단위의 저장그룹을 순차적으로 선택하거나 또는 저장그룹의 상태에 따라 임의로 선택하여 전력변환기(PCS)로 연결할 수 있다.As shown in FIG. 11 , it is possible to sequentially select a storage group of grouped module units or arbitrarily select it according to the state of the storage group and connect it to the power converter (PCS).

이와 같은 방식에서는 전력변환기(PCS)와 저장그룹 사이에 별도의 스위칭 회로를 구성하여 각 저장그룹의 출력을 제어한다.In this way, a separate switching circuit is configured between the power converter (PCS) and the storage group to control the output of each storage group.

이때 상기 스위칭 회로를 순서에 따라 선택하거나 또는 각 저장그룹의 상태를 고려하여 제어기(PCS 제어기)가 스위칭 소자를 임의로 선택하여 각 저장그룹을 선택하여 전력변환기(PCS)로 펄스 출력을 인가한다. 각 저장그룹의 출력은 스위칭 회로를 통해 PCS에 입력되며 최종적으로 연속적인 ESS 출력을 수행한다. At this time, the switching circuits are selected in order or in consideration of the state of each storage group, the controller (PCS controller) arbitrarily selects a switching element, selects each storage group, and applies a pulse output to the power converter (PCS). The output of each storage group is input to the PCS through the switching circuit and finally performs continuous ESS output.

여기서 상기 스위칭 회로는 순간적인 전류의 인가와 차단이 가능한 사이리스터, GTO, IGBT, IGCT 등의 전력전자 소자 또는 기계적인 스위치 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.Here, the switching circuit may be implemented as a power electronic device such as a thyristor, GTO, IGBT, IGCT, or a mechanical switch or a combination thereof capable of applying and blocking instantaneous current.

상기와 같이 본 실시예에 따른 전력시스템 제어 장치와 방법은, 전력저장시스템(ESS)(또는 전력저장장치)을 구성하고 있는 전지모듈 또는 셀(Cell), 및 전력변환기(PCS : Power Conditioning System)를 구성하고 있는 스위칭 소자의 개수를 정수배로 구성하고, 상기 전력변환기(PCS)의 스위칭 소자의 스위칭 순서에 맞추어 선택된 전지 셀(Cell) 또는 전지 모듈로부터 펄스 형태로 충/방전 입/출력 신호를 인가한다. 이때 순시 출력 전류의 크기는 시스템(ESS 시스템)에서 원하는 MVA(Mega Volt Ampere : 전원측 공급용량) 크기에 따라 조정한다. 그리고 여러 개로 구성된 전지 셀(Cell) 또는 전지 모듈을 순차적으로 선택하거나 또는 전지의 특성에 따라 프로그램 하여 선택하고, 연속적으로 각 셀(Cell) 또는 모듈로부터 펄스 형태로 전류를 전력변환기(PCS)에 공급한다.As described above, the power system control apparatus and method according to the present embodiment include a battery module or cell constituting a power storage system (ESS) (or a power storage device), and a power converter (PCS: Power Conditioning System) The number of switching elements constituting the PCS is configured as an integer multiple, and charging/discharging input/output signals are applied in the form of pulses from the selected battery cells or battery modules according to the switching order of the switching elements of the power converter (PCS). do. At this time, the size of the instantaneous output current is adjusted according to the MVA (Mega Volt Ampere: power supply capacity) size desired by the system (ESS system). In addition, several battery cells or battery modules are sequentially selected or programmed according to the characteristics of the battery, and the current is continuously supplied from each cell or module in the form of a pulse to the power converter (PCS). do.

상기와 같은 방식으로 각 저장그룹(전지 셀(Cell) 또는 전지 모듈 단위 그룹)의 순시 출력 사이에 충분한 휴식기를 제공하여 원하는 출력을 얻으면서 동시에 전지의 수명을 연장 할 수 있다. 또한 순시 출력으로 정격 전류의 10배 이상도 가능하므로 전력변환기(PCS)와 스위칭 소자의 배수로 구성한 셀(Cell) 또는 모듈 그룹의 조합을 통하여 전지의 수명 단축에 대한 우려 없이 10C-rate 이상의 출력 특성을 갖는 전력저장시스템을 제작할 수 있다.In the same manner as described above, a sufficient rest period is provided between the instantaneous outputs of each storage group (battery cell or battery module unit group), thereby obtaining a desired output and simultaneously extending the battery life. In addition, as instantaneous output can be 10 times or more of the rated current, output characteristics of 10C-rate or higher can be achieved without worrying about shortening the life of the battery through the combination of a cell or module group composed of multiples of a power converter (PCS) and a switching element. A power storage system with

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, but this is merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom by those of ordinary skill in the art. will understand the point. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.

100 : 제어부
200 : 저장부
210 ~ 260 : 저장그룹
212, 222, 232, 242, 252, 262 : 저장 모듈
300 : 변환부
310 : PCS
320 : PCS 제어기
B-BMS : 마스터 BMS
S-BMS, 211, 221, 231, 241, 251, 261 : 슬레이브 BMS
SW1 ~ SW6 : 스위칭 소자
100: control unit
200: storage
210 ~ 260 : save group
212, 222, 232, 242, 252, 262: storage module
300: conversion unit
310: PCS
320: PCS controller
B-BMS: Master BMS
S-BMS, 211, 221, 231, 241, 251, 261: Slave BMS
SW1 ~ SW6 : Switching element

Claims (10)

전기에너지를 저장하는 저장부와 전력계통과 연계되는 변환부를 포함하는 전력저장시스템의 제어 장치에 있어서,
전지의 상태 감시와 충/방전을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System), 및 적어도 하나 이상의 저장그룹을 포함하는 저장부;
전력계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하거나 또는 전지의 DC 전력을 AC 전력으로 변환해 주는 것으로서, 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하여 구성되는 전력변환기(PCS), 및 PCS 제어기를 포함하는 변환부; 및
전력계통에서 요구하는 출력 특성에 따라, 상기 저장부의 각 저장그룹과 상기 전력변환기의 스위칭 소자에 기 설정된 순서에 따라 순차로 제어신호를 출력하여 상기 저장부를 순시 충/방전 시키는 제어부;를 포함하되,
상기 변환부는, 상기 저장부의 저장그룹별로 전력변환기(PCS)가 구성되고,
상기 저장부는, 상기 저장그룹의 개별 출력을 합성하도록 구성되며,
상기 제어부는, 상기 저장그룹별로 구성되는 전력변환기(PCS)를 기 설정된 순서에 따라 순차적으로 운전시켜 각 저장그룹에 휴식기를 부여하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 장치.
In the control apparatus of the power storage system comprising a storage unit for storing electrical energy and a conversion unit connected to the power system,
A storage unit including a master BMS (Battery Management System) for controlling the state monitoring and charging/discharging of the battery, and at least one storage group;
A power converter that converts AC power of a power system into DC power or converts DC power of a battery into AC power, a power converter (PCS) including at least one switching element, and a converter including a PCS controller; and
A control unit for instantaneously charging/discharging the storage unit by sequentially outputting control signals according to a preset order to each storage group of the storage unit and the switching element of the power converter according to the output characteristics required by the power system;
The conversion unit comprises a power converter (PCS) for each storage group of the storage unit,
The storage unit is configured to synthesize the individual outputs of the storage group,
The control unit, the control device of the power storage system, characterized in that by sequentially operating the power converters (PCS) configured for each storage group according to a preset order to give a rest period to each storage group.
제 1항에 있어서, 상기 저장부의 저장그룹은,
상기 전력변환기를 구성하는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자 개수의 배수로 구성하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 장치.
According to claim 1, wherein the storage group of the storage unit,
The control device of the power storage system, characterized in that configured as a multiple of the number of at least one or more switching elements constituting the power converter.
제 1항에 있어서, 상기 각 스위칭 소자는,
상기 저장부의 각 저장그룹에 각기 1:1로 대응되게 구성하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 장치.
According to claim 1, wherein each switching element,
The control device of the power storage system, characterized in that the storage unit is configured to correspond to each storage group in a 1:1 correspondence.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 대응되는 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 통전 시기에 맞춰 상기 저장그룹의 충/방전이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 장치.
According to claim 1, wherein the control unit,
The control device of the power storage system, characterized in that the control so that the charging/discharging of the storage group is performed according to the energization timing of each switching element of the power converter corresponding to each storage group of the storage unit 1:1.
제 1항에 있어서, 상기 저장그룹은,
적어도 하나 이상의 전지 셀(Cell)을 구비한 저장 모듈; 및
상기 마스터 BMS의 제어에 따라 상기 저장 모듈의 상태 감시와 충/방전을 각기 제어하는 적어도 하나 이상의 슬레이브 BMS;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 장치.
The method of claim 1, wherein the storage group comprises:
a storage module having at least one battery cell (Cell); and
and at least one slave BMS controlling the state monitoring and charging/discharging of the storage module according to the control of the master BMS.
전기에너지를 저장하는 저장부와 전력계통과 연계되는 변환부를 포함하는 전력저장시스템의 제어 방법에 있어서,
제어부가 운영자에 의해 미리 설정된 운전전략, 동작조건, 및 저장부의 저장 상태 중 적어도 하나에 근거하여 전력저장시스템의 출력범위를 산정하는 단계;
상기 제어부가 전력계통의 상태와 전력시장정보에 근거하여 전력저장시스템의 출력량을 결정하는 단계;
상기 제어부가 상기 전력저장시스템의 출력량에 의하여 상기 저장부의 각 저장그룹과 상기 변환부의 각 스위칭 소자들의 동작 순서를 선택하는 단계;
상기 제어부가 상기 저장부의 BMS(Battery Management System)와 상기 변환부의 PCS 제어기에 동시에 제어신호를 전달하는 단계;
상기 제어신호를 입력받은 상기 변환부의 전력변환기가 기 설정된 순서에 따라 각각의 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 아울러 상기 제어신호를 입력받은 상기 저장부의 BMS가 상기 각 스위칭 소자에 대응된 저장그룹을 온/오프 제어하는 단계; 및
상기 변환부가 상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 짝을 이룬 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 온/오프를 통해 변환된 출력을 전력계통에 출력하는 단계;를 포함하되,
상기 변환부는, 상기 저장부의 저장그룹별로 전력변환기(PCS)가 구성되고,
상기 저장부는, 상기 저장그룹의 개별 출력을 합성하도록 구성되며,
상기 제어부는, 상기 저장그룹별로 구성되는 전력변환기(PCS)를 기 설정된 순서에 따라 순차적으로 운전시켜 각 저장그룹에 휴식기를 부여하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 방법.
In the control method of the power storage system comprising a storage unit for storing electrical energy and a conversion unit connected to the power system,
calculating, by the control unit, an output range of the power storage system based on at least one of an operation strategy preset by an operator, an operating condition, and a storage state of the storage unit;
determining, by the control unit, an output amount of the power storage system based on the state of the power system and power market information;
selecting, by the control unit, an operation order of each storage group of the storage unit and each switching element of the conversion unit according to the output amount of the power storage system;
transmitting, by the control unit, a control signal to the BMS (Battery Management System) of the storage unit and the PCS controller of the converting unit at the same time;
The power converter of the conversion unit receiving the control signal converts DC power into AC power by on/off control of each switching element according to a preset sequence, and the BMS of the storage unit receiving the control signal receives the control signal controlling on/off of a storage group corresponding to the switching element; and
The conversion unit outputs the converted output to the power system through on/off of each switching element of the power converter paired with each storage group of the storage unit 1:1.
The conversion unit comprises a power converter (PCS) for each storage group of the storage unit,
The storage unit is configured to synthesize the individual outputs of the storage group,
The control method of the power storage system, characterized in that by sequentially operating the power converters (PCS) configured for each storage group according to a preset order to give a rest period to each storage group.
제 6항에 있어서, 상기 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계에서,
상기 제어부의 제어에 따라 상기 전력변환기가 상기 스위칭 소자를 순차로 온/오프 제어하되, 각 스위칭 소자의 온/오프 구간이 기 설정된 일정 시간만큼 중첩 구간이 발생하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 방법.
The method of claim 6, wherein in the step of converting DC power into AC power by controlling the switching element on/off,
Power storage system, characterized in that the power converter sequentially controls on/off of the switching elements according to the control of the control unit, and controls so that the on/off periods of each switching element overlap by a preset period of time control method.
제 6항에 있어서, 상기 저장부의 저장그룹은,
상기 전력변환기를 구성하는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자 개수의 배수로 구성하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 방법.
The method of claim 6, wherein the storage group of the storage unit,
The control method of the power storage system, characterized in that configured as a multiple of the number of at least one or more switching elements constituting the power converter.
제 6항에 있어서, 상기 스위칭 소자를 온/오프 제어하여 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 단계에서,
상기 제어부는, 상기 저장부의 각 저장그룹과 1:1로 대응되는 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 온/오프 시기에 맞춰 상기 저장그룹의 충/방전이 이루어지도록 제어하며, 상기 각 저장그룹이 기 설정된 일정시간 동안 휴식기를 갖도록 하기 위하여 상기 각 저장그룹에 1:1로 대응되는 스위칭 소자의 오프 시간을 기 설정된 일정시간 유지시키는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 방법.
The method of claim 6, wherein in the step of converting DC power into AC power by controlling the switching element on/off,
The control unit controls the charging/discharging of the storage group to be performed according to the on/off timing of each switching element of the power converter corresponding to each storage group of the storage unit 1:1, and each storage group A method of controlling a power storage system, characterized in that the OFF time of the switching element corresponding to each storage group is maintained for a predetermined period of time in order to have a rest period for a predetermined period of time.
제 6항에 있어서,
상기 저장부의 저장 상태는 전력량 및 운전조건 정보 중 적어도 하나, 상기 전력저장시스템의 출력범위는 최대출력 및 출력시간 정보 중 적어도 하나, 상기 전력계통의 상태는 주파수, 변동성, 및 출력 제어 신호 정보 중 적어도 하나, 상기 전력시장정보는 가격 및 변동성 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력저장시스템의 제어 방법.
7. The method of claim 6,
The storage state of the storage unit is at least one of power amount and operation condition information, the output range of the power storage system is at least one of maximum output and output time information, and the state of the power system is at least one of frequency, variability, and output control signal information. One, the power market information control method of the power storage system, characterized in that it includes at least one of price and volatility information.
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