KR102536670B1 - 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 ｖ２ｘｅｓｓ 연계 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템은, 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하고, 상기 전기차 및 상기 ESS의 전력역송 명령에 따라 방전하기 위한 충/방전 관리 시스템; 및 PMS/CSMS의 감지결과에 따라 '건물단위 수요반응' 또는 DMS/CIOS의 감지결과를 이용하여 상기 PMS/CSMS를 통해 '계통단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하기 위한 V2X 관리 시스템;을 포함한다.
Description
본 발명은 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하고, 우선순위에 따라, 건물단위 수요반응, 계통단위 수요반응 및 전력거래시장의 수요반응의 순서대로 응동함에 따라 전기차 및 ESS의 전력을 역송함으로써, 건물단위 또는 마이크로그리드 단위의 V2X 서비스를 제공하기 위한, 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
V2G(Vehicle to Grid) 또는 V2H(Vehicle to Home) 서비스는, 전기차 확산 지연, 개별 전기차 전력량 한계(소규모), 전력거래시장 진입요건 미충족 등으로 인해 실제 서비스로 제공되기까지 다양한 이해주체 간 협의와 노력이 필요한 실정이다.
V2G 서비스는 전력계통의 피크절감 및 요금절약을 목적으로 현행 수요반응시장을 통한 DR(Demand Response) 참여 거래의 실용화를 모색중이지만, 여러가지 한계들이 존재한다.
먼저, V2G 서비스는 수요반응시장에서 단일 자원으로 자원등록 기준, 감축/응동 테스트 등 여러 사전 요건을 충족하기 어려운 한계가 있다.
다음으로, V2G에 의한 방전량은 평소 고객기준부하(Customer Baseline Load, CBL) 대비 감축량을 실제 피크부하 절감량으로 인정하므로, 실적으로 인정받기 어렵다.
또한, V2G 서비스는 적은 배터리 용량, 고객 주차 및 출차시간, 평소 충방전 패턴 등 고객의 전기차 운행 특성으로 인해 V2G 자원화 및 거래 활성화에 제약이 존재한다.
특히, 시장연계형 DR 서비스를 제공하기 위해서는, 일정규모 이상의 전기차 자원이 특정 시간에 여러 충전기에 연결되어 있어야 하며, 대규모 전기차가 동시에 가용될 수 있어야 전체 전력계통 피크부하 절감 효과를 기대할 수 있는 제약이 존재한다.
더욱이, 현재 국내 전력계통은 예비력을 충분히 확보하고 있으므로, 전체 전력계통단위 피크 발생가능성은 낮으나, 특정 배전선로 및 건물단위에서의 국부적 피크발생 가능성이 높아질 수 있다.
그러므로, 현재까지 수요반응시장에 참여하기 위한 V2G 서비스의 사업모델은 기존 수요관리사업자의 자원에 V2G 자원을 포함시키는 간접적 방식의 DR 시장 참여로 볼 수 있다.
한편, 전기차를 이용한 V2G 자원은 전력계통 보조(예비력), 주파수 및 전압조정, 신재생에너지 출력변동 조율 등 전력계통 안정화의 목적으로 활용도가 검토되고 있으나, 독립된 시장 자원으로 거래하려는 경우에 여전히 한계가 존재한다. 즉, 발전기를 대상으로 한 여러 전력거래에서 전기차는 자원규모(20MW), 시장운영규칙(CBL 안정성), 응답속도 등의 측면에서 독립된 시장 자원으로 거래하려는 경우에 제약이 있다.
따라서, V2G 서비스 사업자는 V2G 자원구성 제약, 고객불편 초래, 경제성확보 미흡 등의 여러 문제점들에 대처하기 위해, 가시적 성과를 보일 수 있는 틈새시장들에 대해 관심을 가지는 것이 필요하다. 즉, V2G 자원은 전체 전력거래시장 대상이 아닌 개별 고객들의 주택/건물 등의 피크전력 절감 서비스 제공에 유효한 거래 자원으로 활용할 수 있다.
이를 위해, V2G 서비스는 1차적으로 운행을 마치고 주차중인 전기차의 배터리 여유전력을 이용하므로, 현행 수요자원시장의 까다로운 등록요건 및 응동요건에서 벗어나 보다 자유로운 거래가 가능한 시스템의 구성 및 서비스 방법의 개발이 필요하다.
또한, V2G 서비스는 다수의 전기차가 전국적으로 산재하는 특성을 고려하여 특정구역 단위로 활용되는 건물단위 피크절감뿐만 아니라, 전체 계통 단위로도 군집되어 활용될 수 있는 계통단위 피크절감 및 예비력 제공 방법이 제안될 필요가 있다.
이에 따라, V2G 서비스 또는 V2H 서비스는 V2X(Vehicle to Everything)-ESS 연계 시스템으로 구성하여 다수 사이트에 분산된 적은 수의 전기차를 효율적으로 활용하고, 제한된 용량의 전력량을 상황별로 수요처에 공급하여 경제적 효과를 최대한 배가시킬 수 있는 서비스가 제안될 필요가 있다.
그런데, V2X-ESS 연계 시스템을 구성하기 위해, 특정일 전기차 충전량을 정확히 파악하여 부하공급관리를 진행해야 하므로, 다수의 충전기들을 동시에 관리하여 적절히 제어할 수 있는 충방전 알고리즘 개발이 필요한 실정이다.
특히, V2X-ESS 연계 시스템은 평소 신재생에너지 발전량 및 전기차 운전데이터에 기초한 전력공급량 및 충전요구량 예측 알고리즘뿐만 아니라, 불특정 건물피크 및 계통피크로 인한 V2X 지시에 따른 실제 운전량과의 불가피한 오차에 대한 보정 알고리즘, V2X 응동 이후 최대한 경제적으로 당일 고객이 설정한 충전목표를 달성할 수 있는 경제적 충방전 알고리즘이 제안될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하고, 우선순위에 따라, 건물단위 수요반응, 계통단위 수요반응 및 전력거래시장의 수요반응의 순서대로 응동함에 따라 전기차 및 ESS의 전력을 역송함으로써, 건물단위 또는 마이크로그리드 단위의 V2X 서비스를 제공하기 위한, 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템은, 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하고, 상기 전기차 및 상기 ESS의 전력역송 명령에 따라 방전하기 위한 충/방전 관리 시스템; 및 PMS/CSMS(Power Management System/Charging Station Management System)의 감지결과에 따라 '건물단위 수요반응' 또는 DMS/CIOS(Distribution Management System/Charging Infra Operating System)의 감지결과를 이용하여 상기 PMS/CSMS를 통해 '계통단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하기 위한 V2X 관리 시스템;을 포함할 수 있다.
상기 V2X 관리 시스템은, 계통의 주파수 및 전압 변동이 발생하면, 상기 전기차 및 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 계통의 주파수/전압 조정 예비력으로 이용하여 상기 계통의 주파수 추종 과정을 수행할 수 있다.
상기 V2X 관리 시스템은, 상기 계통의 주파수 추종 과정을 응동 요건, 지속시간, 보상액 등에 따라 과도 대응 모드 또는 정상 대응 모드로 구분하여 수행할 수 있다.
상기 V2X 관리 시스템은, DRMS로부터 전력거래시장의 수요반응 참여 요청에 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행할 수 있다.
상기 V2X 관리 시스템은, 상기 우선순위에 따라, 건물단위 수요반응, 계통단위 수요반응 및 전력거래시장의 수요반응의 순서대로 응동할 수 있다.
상기 충/방전 관리 시스템은, 상기 신재생에너지원의 발전전력을 충전기를 통해 상기 전기차에 직접 충전하거나, 상기 ESS에 저장한 후 상기 충전기를 통해 상기 전기차에 충전할 수 있다.
상기 충/방전 관리 시스템은, 상기 신재생에너지원의 발전전력을 우선 충전하되, 부족분에 대해 상기 ESS에 저장된 전력, 계통으로부터 공급되는 전력을 순서대로 상기 전기차에 대한 충전을 실시하며, 상기 전기차에 대한 충전 완료 이후에, 잉여전력을 상기 PMS/CSMS로 송전할 수 있다.
상기 PMS/CSMS는, 건물의 평균 사용량 및 피크사용량을 예측하고 모니터링하여 건물의 건물피크를 감지할 수 있다.
상기 DMS/CIOS는, 계통의 계통피크 발생여부와 주파수/전압 변동 여부를 감지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 방법은, 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하는 단계; PMS/CSMS의 감지결과에 따라 '건물단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하는 단계; 및 상기 건물단위 수요반응 응동을 진행한 이후에, DMS/CIOS의 감지결과를 이용하여 상기 PMS/CSMS를 통해 '계통단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하는 단계;를 포함할 수 있다.
일실시예에 의하면, 상기 충전 단계 이후에, 계통의 주파수 및 전압 변동이 발생하면, 상기 전기차 및 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 계통의 주파수/전압 조정 예비력으로 이용하여 상기 계통의 주파수 추종 과정을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 계통의 주파수 추종 과정을 수행하는 단계는, 상기 계통의 주파수 추종 과정을 DMS/CIOS에 연동하는 PMS/CSMS를 통해 입수된 계통 부하 정보를 기준으로 주파수 변동이 발생한 경우에서 주파수 변동폭이 크고 속응제어가 필요한 경우는 과도 대응 모드로 구분하고, 주파수 변동폭이 작은 경우는 정상 대응 모드로 구분하여 수행할 수 있다.
일실시예에 의하면, 상기 계통단위 수요반응 응동을 진행한 이후에, DRMS로부터 전력거래시장의 수요반응 참여 요청에 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 충전 단계는, 상기 신재생에너지원의 발전전력을 충전기를 통해 상기 전기차에 직접 충전하거나, 상기 ESS에 저장한 후 상기 충전기를 통해 상기 전기차에 충전할 수 있다.
상기 충전 단계는, 상기 신재생에너지원의 발전전력을 우선 충전하되, 부족분에 대해 상기 ESS에 저장된 전력, 계통으로부터 공급되는 전력을 순서대로 상기 전기차에 대한 충전을 실시하며, 상기 전기차에 대한 충전 완료 이후에, 잉여전력을 상기 PMS/CSMS로 송전할 수 있다.
본 발명은 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하고, 우선순위에 따라, 건물단위 수요반응, 계통단위 수요반응 및 전력거래시장의 수요반응의 순서대로 응동함에 따라 전기차 및 ESS의 전력을 역송함으로써, 건물단위 또는 마이크로그리드 단위의 V2X 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 전기차 및 충전인프라 보급 확산에 중요한 요소로 부상하고 있는 V2X 기술을 이용하여 평상 시 건물에너지관리 효율 향상과 비상 시 전력망 피크절감을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 비상시, 준비상시 및 평상시를 구분하여 V2X-ESS 서비스를 효과적으로 구성하여 이용할 수 있으므로, 수요상황(위급/정상), 전력요금(주/야간), 발전원천 환경(태양, 바람 등), 수요지역(고/저수요, 전국/지역) 등에 따라 탄력적, 효율적으로 전력을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 우선 피크초과 부담으로 인해 높게 설정된 계약전력 수준을 인하하고, 낮춰진 계약전력을 간헐적으로 초과하는 부분을 V2X-ESS 시스템을 이용하여 우선 건물피크를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 1차적으로 건물피크절감 및 에너지관리 효율향상에 활용하고, 2차적으로 배전망 단위 또는 전력시장 단위 계통피크 절감 및 계통안정화 예비력(주파수/전압 조정예비력, 대기/대체예비력 등)으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명은 신재생에너지원으로부터 발전된 전력을 전기차에 우선 충전하게 되므로, 친환경 전력생산 및 소비를 달성하여 탄소배출 저감효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 자연환경에 따라 출력변동이 심한 신재생에너지원을 전기차에 연계하므로, 전력계통 안정성 확보(출력변동 저감), 송변전설비 추가건설 및 이용 회피 등 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 방법을 설명하는 도면,
도 3은 전기차 충전목표량 달성 과정을 설명하는 도면,
도 4는 충/방전 교차 진행 과정을 설명하는 도면,
도 5는 건물 및 계통피크가 반영된 충전기준량 산정 과정을 설명하는 도면,
도 6은 전기차 및 충전기간 충/방전 협상 과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 방법을 설명하는 도면,
도 3은 전기차 충전목표량 달성 과정을 설명하는 도면,
도 4는 충/방전 교차 진행 과정을 설명하는 도면,
도 5는 건물 및 계통피크가 반영된 충전기준량 산정 과정을 설명하는 도면,
도 6은 전기차 및 충전기간 충/방전 협상 과정을 설명하는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 시스템(이하 'V2X-ESS 연계 시스템'이라 함, 100)은, 충/방전 관리 시스템(110), V2X 관리 시스템(120), V2X 정보 시스템(130)을 포함하고, 이들 시스템은 상호 연계한다.
V2X-ESS 연계 시스템(100)은 평상시 신재생에너지원(40)의 발전전력이 전기차(10) 및 ESS(30)에 우선 충전하며, 건물비상 또는 계통비상 등의 상황이 발생되면 사전에 정의된 우선순위에 따라 전기차(10)로 충전전력을 제어하거나, 전기차(10)에서 건물로 전력을 방전하여 건물비상 또는 계통비상을 제어한다. 이때, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 신재생에너지원(40)의 발전량, ESS(30)의 가용량, 전기차(10)의 충전요구량 등을 파악한다.
먼저, V2X-ESS 연계 시스템(100)의 주변 장치들에 대해 설명하기로 한다.
충전기(20)는 여러 지역에 설치된 전기차 충전 인프라로서, 충전 방식에 따라 완속 충전기인 AC 충전기 또는 급속 충전기인 DC 충전기로 구분되고, 설치 방식에 따라 소켓형 충전기 또는 스탠드형 충전기일 수 있다. 여기서는 설명의 편의상 충전 방식 또는 설치 방식을 구별하지 않고 통칭하여 설명하기로 한다.
또한, 충전기(20)는 통신 제어기를 통해 전기차(10)의 통신제어기에 연결하여 통신을 수행한다. DC형 충전방식을 적용한 충전기(20)는 AC-DC 변환기를 구비한다. 여기서, 전기차(10)는 배터리, BMS(Battery Management System), 통신제어기를 구비하는데, AC형 충전방식을 적용한 전기차(10)는 양방향 OBC(On Board Charger)를 구비한다. 이에 대한 자세한 설명은 이 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있는 것으로 생략하기로 한다.
ESS(30)는 AC와 DC 상호간의 전력 변환을 위한 PCS(Power Conversion System)(31), 전력 저장을 위한 배터리(32), BMS(Battery Management System)(도면에 미도시), EMS(Energy Management System)(도면에 미도시)를 포함한다.
신재생에너지원(40)은 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 재생에너지원(태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등)을 포함한다. 이러한 신재생에너지원(40)은 발전 상황(조도, 바람, 파도 등)에 따라 생산되는 발전전력이 가변하며, 발전효율 및 경제성도 낮고, 전력계통의 출력변동을 초래할 수 있다.
이에 따라, 신재생에너지원(40)에 의해 생산된 발전전력은 ESS(30)를 통해 충전기(20)로 인가됨에 따라, 전력계통의 안정화를 위해 전기차(10)에 우선적으로 공급된다.
*충/방전 관리 시스템(110)은 신재생에너지원(40)에 의해 생산된 발전전력을 전기차(10)에 충전하는 과정을 관리 및 제어한다.
즉, ESS(30)의 PCS(31a)는 여러 지역에 분산되어 있는 신재생에너지원(40)에 의해 생산된 발전전력을 배터리(32)에 저장하고, 배터리(32)에 저장된 신재생에너지원(40)의 발전전력을 충전기(20)로 공급한다. 이때, PCS(31a)는 신재생에너지원(40)의 발전전력을 배터리(32)에 저장하지 않고, 직접 충전기(20)로 공급할 수도 있다.
그러면, 충전기(20)는 전력계통으로부터 공급되는 전력보다 신재생에너지원(40)의 발전전력으로 전기차(10)를 충전한다.
이때, 전기차(10)의 충전 요구량이 신재생에너지원(40)에 의해 생산된 발전량 보다 큰 경우에는, 신재생에너지원(40)에 의해 생산된 발전량 전부를 전기차(10)를 충전하는데 사용한 후, ESS(30)의 배터리(32)에 기 저장된 전력으로 부족분을 보충하게 된다.
그런데, 충전기(20)는 전기차(10)의 충전을 진행함에 있어서, ESS(30)의 배터리(32)로부터 공급되는 전력량이 부족하면, 계통으로부터 공급되는 전력을 이용하여 전기차(10)를 충전한다.
반면에, ESS(30)는 충전기(20)가 전기차(10)의 충전을 완료한 이후 배터리(112b)에 잉여전력이 존재하면, 잉여전력을 후술할 PMS/CSMS(50)로 송전한다.
V2X 관리 시스템(120)은 건물비상이 발생하면 건물단위 수요반응(DR)을 응동하고, 계통비상이 발생하면 계통단위 수요반응(DR)을 응동한다. 이때, V2X 관리 시스템(120)은 건물단위 수요반응 응동을 계통단위 수요반응 응동보다 우선적으로 진행한다. 여기서, 건물비상은 예를 들어, 건물피크, 당일 최대부하, 순간정전 등이고, 계통비상은 예를 들어, 계통피크, 주파수 및 전압변동, 기타 예비상황 등이다.
이후 설명에서는 건물비상이 건물피크인 경우, 계통비상이 계통피크와 주파수 변동인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
먼저, 건물단위 수요반응 응동에 대해 설명한다.
V2X 관리 시스템(120)은 PMS/CSMS(50)에 의해 감지된 건물피크 예측결과에 따라 PMS/CSMS(50)로부터 피크절감 지시를 받는다.
여기서, PMS/CSMS(50)는 전력관리시스템(Power Management System, PMS)/충전소관리시스템(Charging Station Management System, CSMS)로서, 충전기 설치 건물(즉, 충전소)의 전력 부하를 관리하는 시스템이다.
또한, PMS/CSMS(50)는 평상시 즉, 건물단위/계통단위(배전망)/전력거래시장 단위 수요반응(DR) 응동이 없고, 주파수/전압 조정 예비력 제공이 없을 경우에, ESS(30)에 잉여전력이 존재하면 이를 수전받는다. 그리고, PMS/CSMS(50)는 야간 시간대에 ESS(30)에 전력을 저장한다.
그런데, PMS/CSMS(50)는 해당 건물의 평균 전력사용량 및 피크사용량을 예측하고, 모니터링하여 건물의 건물피크를 감지한다. 이때, PMS/CSMS(50)는 해당 건물에서 피크사용량 초과가 예측될 경우에, V2X 관리 시스템(120)으로 건물피크를 공지하고 건물피크 절감을 지시한다.
이에 따라, V2X 관리 시스템(120)은 충/방전 관리 시스템(110)을 통해 건물피크를 절감하기 위한 건물단위 수요반응(DR)을 진행한다. 즉, 충/방전 관리 시스템(110)은 해당 건물 즉, PMS/CSMS(50)로 전력 역송을 진행하기 위해, 전기차(10)의 전력역송에 관한 명령을 충전기(20)로 전송하고, ESS(30)에 구비된 배터리(32)의 전력역송에 관한 명령을 PCS(31)로 전송한다(V2X 시행).
그리고, PMS/CSMS(50)는 V2X 관리 시스템(120)에 의한 건물단위 수요반응(DR)의 응동에도 불구하고, 건물피크를 절감하기 위한 전력량이 부족하면 계통으로부터 추가 수전된다.
다음, V2X 지시에 따른 계통단위(배전망 단위) 수요반응 응동에 대해 설명한다.
V2X 관리 시스템(120)은 DMS/CIOS(70)에 연동하는 PMS/CSMS(50)를 통해 계통피크 발생하는지와 주파수 변동이 있는지를 확인한다. 이때, PMS/CSMS(50)는 DMS/CIOS(70)로부터 계통 부하정보를 입수한다.
여기서, DMS/CIOS(70)는 배전 관리 시스템(Distribution Management System)/충전인프라 운영 서버(Charging Infra Operating System)로서, 전력계통의 계통피크 발생여부 및 주파수/전압 변동 여부를 감지한다. 여기서, DMS/CIOS(70)는 지역 배전선로 부하 추정과 지역내 충전부하를 제어하는 운영서버로서 기능을 담당한다.
이에 따라, V2X 관리 시스템(120)은 계통피크가 발생하면, 충/방전 관리 시스템(110)을 통해 계통피크를 절감하기 위한 계통단위(배전망 단위) 수요반응(DR)을 진행한다. 즉, 충/방전 관리 시스템(110)은 전력계통에 대한 수요반응(DR)을 진행하기 위해, 전기차(10)의 전력역송에 관한 명령을 충전기(20)로 전송하고, ESS(30)에 구비된 배터리(32)의 전력역송에 관한 명령을 PCS(31)로 전송한다(V2X 시행).
그리고, V2X 관리 시스템(120)은 주파수 변동이 발생하면, 충/방전 관리 시스템(110)을 통해 계통의 주파수 추종 과정(주파수/전압 조정 예비력 제공)을 실시한다. 즉, 충/방전 관리 시스템(110)은 전력계통에 대한 주파수 추종 과정을 진행하기 위해, 전기차(10)와 ESS(30)를 주파수/전압 조정 예비력으로 활용한다.
이 경우, 충/방전 관리 시스템(110)은 주파수 추종 과정을 실시할 때, 응동요건, 지속시간, 보상액 등에 따라 과도 대응 모드 또는 정상 대응 모드로 구분하여 대응할 수 있다. 여기서, 과도 대응 모드는 주파수 변동폭이 크고 속응 제어가 필요한 경우에 해당되고, 정상 대응 모드는 주파수 변동폭이 작고 빈도가 높은 경우에 해당된다.
다음, 전력거래시장의 수요반응 응동에 대해 설명한다. 이는 전국 계통단위의 수요반응 응동에 해당한다.
V2X 관리 시스템(120)은 건물단위 수요반응과 계통단위(배전망 단위) 수요반응에 응동한 이후에, DRMS(60)를 통해 전력거래시장(수요반응시장)(80)에 응동한다.
여기서, DRMS(60)는 수요 관리 시스템(Demand Response Management System)으로서, 전력수요 피크 등의 이유로 인해 수급위기 발생시 전기요금의 조정이나 부하감축 지시에 의한 전력절감 등을 통해 수급의 균형을 유지하기 위해 전력거래시장(80)에서의 활동을 관리하는 시스템이다.
DRMS(60)는 전력거래시장(80)으로부터 수요반응 참여를 요청받으면, V2X 관리 시스템(120)으로 당일 비상시 1시간 전에 전력거래시장(80)으로 수요반응 참여를 지시하거나, 평상시 하루전에 수요반응 가능량을 발전자원과 가격경쟁 입찰을 통해 수요반응 참여를 지시한다.
부가적으로, V2X 관리 시스템(120)은 계통운영자로부터의 피크절감 DR 또는 요금절약 DR 등에 의해 V2X 지시를 받을 수 있다.
전술한 바와 같이, V2X 관리 시스템(120)은 PMS/CSMS(50)와 연동하여 건물단위 수요반응에 우선 응동한 후, PMS/CSMS(50)를 통해 DMS/CIOS(70)에 의한 계통단위 수요반응에 응동한다. 그런 다음, V2X 관리 시스템(120)은 DRMS(60)와 연동하여 전력거래시장의 수요반응에 최종 응동한다.
이때, V2X 관리 시스템(120)은 PMS/CSMS(50)와 DRMS(60)로부터 수요반응 요청이 없는 경우, ESS(30)의 잉여전력을 주파수/전압 조정 예비력으로 활용하게 한다.
그리고, V2X 관리 시스템(120)은 수요반응 응동과 예비력 제공이 없을 때, ESS(30)의 최종 잉여전력을 PMS/CSMS(50)로 송전하게 한다.
V2X 정보 시스템(130)은 충/방전 관리 시스템(110)과 V2X 관리 시스템(120)에 의해 관리되는 V2G-ESS 연계 시행정보를 생성하여 고객 단말기(도면에 미도시)로 전송한다.
부가적으로, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 전기차(10), 충전기(20), ESS(30), 건물 등을 연계하여 구성하는 복합 시스템을 상정하고 있으나, 태양광 등 신재생에너지원(40), 평상시/비상시 상황, 건물 및 계통 등 전기차 고객이 속한 서로 다른 상황에 따라 탄력적으로 구성할 수 있다.
또한, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 신재생에너지원(40)으로부터의 직접 전기차(10)의 충전도 가능하지만, 전기요금 시간대 및 충/방전 요구상황에 따라 충전기(20)와 ESS(30)로부터의 충전도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 방법을 설명하는 도면이다.
V2X-ESS 연계 시스템(100)은 ESS(30)를 통해 신재생에너지원(40)의 발전전력을 수전하여 전기차(10)를 충전한다. 이때, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 신재생에너지원(40)의 발전량이 부족하면, ESS(30)에 기 저장된 전력을 활용한다. 그럼에도 불구하고, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 전기차(10)의 충전량이 최종적으로 부족하면 전력계통으로부터 필요 전력을 수전한다.
그리고, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 전기차(10)의 충전량이 최종적으로 잉여전력이 존재하면 ESS(30)에 저장 후 PMS/CSMS(50)로 제공한다.
한편, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 PMS/CSMS(50)에 의해 감지된 예측결과에 따라 건물피크 또는 계통피크(배전망)에 대한 신호를 접수한다(S101).
그러면, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 건물피크를 절감하기 위한 건물단위 수요반응을 응동하거나, 계통피크를 절감하기 위한 계통단위 수요반응을 응동한다(S102). 즉, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 전기차(10) 또는 ESS(30)로부터 건물단위 수요반응 응동을 위해 PMS/CSMS(50)로 전력역송을 수행하거나, 계통단위 수요반응 응동을 위해 계통으로 전력역송을 수행한다.
아울러, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 주파수 변동이 발생한 경우라면, 계통의 주파수 추종 과정(주파수/전압 조정 예비력 제공)을 실시한다(S103). 이때, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 주파수 과도 변동인지를 확인하여 정상대응 모드 또는 과도대응 모드로 동작한다.
이후, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 건물단위 수요반응 또는 계통단위(배전망 단위) 수요반응에 응동한 이후에, 전국 계통단위의 전력거래시장 수요반응에 응동할 수 있다(S104).
전술한 바와 같이, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 충/방전 우선순위를 다음과 같이 결정한다.
먼저, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 신재생에너지원(40)의 발전전력을 전기차(10)에 충전하고, ESS(30)에 저장한다.
이후, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 부하상태를 모니터링하는 PMS/CSMS(50)의 예측결과에 따라 건물피크 또는 계통피크가 예상되는 경우(이 경우는 '비상시'로 정의될 수 있음)에, 1차적으로 전기차(10)에 대한 충전제어 또는 방전을 시행하여 V2X를 시행하고, 2차적으로 ESS(30)에 저장된 전력을 이용하여 추가 V2X를 시행한다.
그런 다음, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 건물 또는 계통으로부터 V2X 지시가 없으나, 계통의 주파수 및 전압에 변동이 발생하는 경우(이 경우는 '준비상시'로 정의될 수 있음)에, 정상 대응 모드 또는 과도 대응 모드를 판단하여 주파수/전압 조정 예비력으로 V2X를 시행한다.
이후, V2X-ESS 연계 시스템(100)은 건물 및 계통으로부터의 어떠한 V2X 지시가 없는 경우(이 경우는 '평상시'로 정의될 수 있음)에, 시스템 운영필요량을 제외한 잉여량을 PMS/CSMS(50)로 공급하여 건물에너지관리에 활용한다.
아울러, PMS/CSMS(50)는 충/방전 우선순위를 다음과 같이 결정한다.
전기차(10) 또는 ESS(30)는 경부하 시간대의 저렴한 전력을 충전 또는 저장한다.
PMS/CSMS(50)는 평상시 전기차(10)의 충전 후 잉여전력을 V2X-ESS 연계 시스템(100)으로부터 수전한다.
이후, PMS/CSMS(50)는 최대부하 시간대에서 1차적으로 전기차(10) 또는 ESS(30)에 저장된 전력을 이용하고, 부족한 전력을 전력계통으로부터 수전한다.
또한, PMS/CSMS(50)는 비상시에 V2X-ESS 연계 시스템(100)으로부터 전력을 수전하되, 전력요금을 비교하여 보다 저렴할 경우 전력계통으로부터의 수전도 허용한다.
도 3은 전기차 충전목표량 달성 과정을 설명하는 도면이고, 도 4는 충/방전 교차 진행 과정을 설명하는 도면이다.
충/방전 관리 시스템(110)은 다수의 충전소의 충전기(20)에 대해 모니터링하면서, 매일 신재생E 발전량, 전기차(10)의 충전소요량, 건물피크 발생량을 예측하고, 사전 정의된 계절별/시간대별 전력요금 테이블과 고객의 당일 충전목표량을 활용하여 전기차(10)의 경제 충전 모드에 대한 충/방전 스케쥴을 생성한다.
그런데, 충/방전 관리 시스템(110)은 최초 생성된 전기차(10)의 충/방전 스케줄에 건물단위 수요반응 및 계통단위 수요반응 예측에 대해, 응동 1시간전에 반영하여 당일 전기차(10)의 충방전 목표량을 달성할 수 있는 충/방전 스케줄에 대한 스케줄링을 다시 수행한다.
이때, 충/방전 관리 시스템(110)은 당일 전기차(10)의 충/방전량을 예측한다. 이를 위해, 충/방전 관리 시스템(110)은 고객에 의한 당일 충전목표량 설정, 방전하한값 자동 설정, 완속 충/방전을 위한 충전기울기 산정, 충/방전 변환시각 설정 등을 수행한다.
도 3을 참조하면, 충/방전 관리 시스템(110)은 최초 10분 충전을 통해 전기차(10)의 충전용량(State Of Charge: SOC)을 확인하여 충/방전 기울기를 도출한다.
즉, 충/방전 관리 시스템(110)은 당일 오전 08:45부터 08:55까지 약 10분 동안 전기차(10)와 충전기(20) 간 커넥터 연결을 통한 최초 충전을 통해 당일 전기차(10)의 배터리 상태(SOC)를 파악하고, 고객이 설정한 충전목표값을 달성하기 위한 최적 충전기울기를 도출한다.
이때, 충/방전 관리 시스템(110)은 고객에 의해 경제 충전 모드가 선택되면, 사전에 확정된 요일별 전기요금 테이블에 따라 가장 저렴한 요금시간대에 전기차(10)에 대한 충전을 진행한다.
충/방전 관리 시스템(110)은 09:00~10:55, 12:05~13:00, 16:05~17:13 요금시간대에 전기차(10)에 대한 충전을 진행한다. 충/방전 관리 시스템(110)은 건물단위 수요반응과 계통단위 수요반응에 대한 예측에 따라 응동 1시간전에 전기차(10)의 방전을 지시한다.
도 4를 참조하면, 충/방전 관리 시스템(110)은 최소 30% 방전 하한값을 유지하면서, 충전 과정과 방전 과정을 복합 또는 교차진행하여 고객이 설정한 목표 충전량 100%에 도달한다. 이때, 충/방전 관리 시스템(110)은 목표 충전량에 도달한 후, 추가 30분 여유시간을 확보할 수 있다.
도 5는 건물 및 계통피크가 반영된 충전기준량 산정 과정을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, V2X 관리 시스템(120)은 전기차(10) 및 충전기(20)에 대한 충/방전 스케줄을 통합하여 PMS/CSMS(50)의 부하곡선을 도출한다. 여기서, 전기차(10) 및 충전기(20)는 다수 개이고, 충전기(20)는 소켓형, 스탠드형을 포괄한다.
이때, V2X 관리 시스템(120)은 당일 오전에 각 충전기(20)의 충전기울기 및 충전목표 달성 스케줄을 계산하여 전체 전기차(10)의 충/방전 수요량을 산정한다.
V2X 관리 시스템(120)은 당일 신재생에너지원(40)의 공급량(예측량)과 전기차(10)의 충/방전 수요량을 비교하고, 필요한 경우 ESS(30)를 추가 활용하여 충/방전 스케줄을 실시한다.
이때, V2X 관리 시스템(120)은 전력 공급량, 충/방전 수요량, 잉여 전력량을 산정하고, 오차에 대한 실시간 모니터링 및 보정작업을 수행하는 일련의 스케줄링을 다시 시행한다.
그리고, V2X 관리 시스템(120)은 특정 시점에서 신재생에너지원(40)의 공급량이 충전 수요량을 충족시키기 어려운 경우에, ESS(30)와 계통을 통해 예비 급전을 시행하여 충전 수요량 미달분을 만족시킨다.
도 6은 전기차 및 충전기간 충/방전 협상 과정을 설명하는 도면이다.
충/방전 관리 시스템(110)은 전기차(10)와 충전기(20)간 협상을 시작한 후(1), 충전 수요량 만큼의 전력량을 충전한다(2).
이후, 충/방전 관리 시스템(110)은 V2B 또는 V2G 지시가 발생한 경우, 충전에서 충전제어 또는 방전으로 모드를 전환한다(3).
*충/방전 관리 시스템(110)은 V2B 또는 V2G 응동 이후에, 전기차(10)와 충전기(20)간 재협상을 진행한다(4-1, 4-2). 이때, 충/방전 관리 시스템(110)은 재협상을 진행한 후(4-1, 4-2), 대기모드로 전환한 후(5) 다시 충전을 진행한다(6). 이후, 충/방전 관리 시스템(110)은 대기모드로 되돌아와(7) 전기차(10)와 충전기(20) 간 재협상을 진행한다(8-1, 8-2).
그런 다음, 충/방전 관리 시스템(110)은 재협상을 진행한 후(8-1, 8-2), 바로 방전을 시행한 후(9), 종료모드로 연결한다(10).
이와 달리, 충/방전 관리 시스템(110)은 재협상을 진행한 후(8-1, 8-2), 충전 후(2) 대기모드(7)에서 종료모드로 연결한다(11).
일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
110 : 충/방전 관리 시스템 120 : V2X 관리 시스템
130 : V2X 정보 시스템 10 : 전기차
20 : 충전기 30 : ESS
31 : PCS 32 : 배터리
40 : 신재생에너지원 50 : PMS/CSMS
60 : DRMS 70 : DMS/CIOS
80 : 전력거래시장
130 : V2X 정보 시스템 10 : 전기차
20 : 충전기 30 : ESS
31 : PCS 32 : 배터리
40 : 신재생에너지원 50 : PMS/CSMS
60 : DRMS 70 : DMS/CIOS
80 : 전력거래시장
Claims (1)
- 신재생에너지원의 발전전력을 이용하여 전기차 및 ESS를 충전하는 단계;
PMS/CSMS(Power Management System/Charging Station Management System)의 감지결과에 따라 '건물단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하는 단계; 및
상기 건물단위 수요반응 응동을 진행한 이후에, DMS/CIOS(Distribution Management System/Charging Infra Operating System)의 감지결과를 이용하여 상기 PMS/CSMS를 통해 '계통단위 수요반응'을 응동함에 따라 상기 전기차 및 상기 ESS에 의한 전력역송을 진행하는 단계;를 포함하고,
상기 충전 단계 이후에, 계통의 주파수 및 전압 변동이 발생하면, 상기 전기차 및 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 계통의 주파수/전압 조정 예비력으로 이용하여 상기 계통의 주파수 추종 과정을 수행하는 단계;를 더 포함하고,
상기 계통의 주파수 추종 과정을 수행하는 단계는,
상기 계통의 주파수 추종 과정을 DMS/CIOS에 연동하는 PMS/CSMS를 통해 입수된 계통 부하 정보를 기준으로 주파수 변동이 발생한 경우에서 주파수 변동폭이 크고 속응제어가 필요한 경우는 과도 대응 모드로 구분하고, 주파수 변동폭이 작은 경우는 정상 대응 모드로 구분하여 수행하고,
상기 충전 단계는,
상기 신재생에너지원의 발전전력을 우선 충전하되, 부족분에 대해 상기 ESS에 저장된 전력, 계통으로부터 공급되는 전력을 순서대로 상기 전기차에 대한 충전을 실시하는,
건물 및 계통의 충방전 우선순위를 고려하는 V2X-ESS 연계 방법.
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