KR20120036490A

KR20120036490A - 전지 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20120036490A
Application number: KR1020100098208A
Authority: KR
Inventors: 김수홍; 김윤현; 권병기
Original assignee: 주식회사 포스코아이씨티
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-18
Also published as: KR101516027B1

Abstract

전지 전력 저장 시스템의 전지 연결시 발생되는 돌입 전류를 최소화할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법은, (a) 상기 전지 전력 저장 시스템에 포함된 전지들의 전압을 모니터링하는 단계; (b) 상기 전지들 중 상기 전압이 가장 낮은 제1 전지를 시스템에 연결하는 단계; (c) 상기 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전하는 단계; 및 (d) 상기 제1 전지의 전압과 시스템에 연결되지 않은 제2 전지의 전압이 동일해지면 상기 제2 전지를 상기 시스템에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전지 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법{Battery Energy Storage System and Method for Controlling That System}

본 발명은 전력 저장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전지 전력 저장 장치의 제어에 관한 것이다.

산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대하고 주간과 야간의 부하 격차 및 계절간, 휴일간의 전력 사용량의 격차가 점차 증가하여 부하율의 하락이 날로 심화되고 있다.

최근에 이러한 이유로 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위해 다양한 부하 관리 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 전지 전력 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.

전지 전력 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급한다. 이를 통해 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.

특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 전지 전력 저장 시스템이 이용될 수 있다.

그러나, 이러한 전지 전력 저장 시스템은 복수개의 전지를 병렬로 연결하여 구성되기 때문에, 각 전지들의 전압 차이로 인해 각 전지들을 연결시 돌입 전류가 흘러 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지 전력 저장 시스템의 전지 연결시 발생되는 돌입 전류를 최소화할 수 있는 전지 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법은, (a) 상기 전지 전력 저장 시스템에 포함된 전지들의 전압을 모니터링하는 단계; (b) 상기 전지들 중 상기 전압이 가장 낮은 제1 전지를 시스템에 연결하는 단계; (c) 상기 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전하는 단계; 및 (d) 상기 제1 전지의 전압과 시스템에 연결되지 않은 제2 전지의 전압이 동일해지면 상기 제2 전지를 상기 시스템에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법은, (a) 상기 전지 전력 저장 시스템을 구성하는 각 전지에 배치된 프리-차지 회로를 이용하여 상기 각 전지들을 시스템에 연결하는 단계; 및 (b) 상기 시스템이 정상상태에 도달하면, 상기 프리-차지 회로의 연결을 차단하고 상기 각 전지를 상기 시스템에 직접 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법은, (a) 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선되어 있는 제1 전지와 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선되어 있지 않은 제2 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 단계; (b) 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해질 때까지 상기 전지 전력 저장 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전 또는 방전시키는 단계; 및 (c) 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해지면 상기 제2 전지를 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템은, 복수개의 전지; 상기 각 전지에 직렬로 연결된 저항; 상기 직렬로 연결된 각 저항 및 전지들을 병렬로 연결하기 위한 제1 스위치; 및 상기 각 전지들을 병렬로 연결하기 위한 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전지 전력 저장 시스템의 전지 연결시 전지들의 전압 불균형을 제어할 수 있어, 전지들의 전압 불균형으로 인해 발생되는 돌입 전류를 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 전지 교체시 교체 시간을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전력 저장 시스템이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 전지 전력 저장 시스템의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 PCS 및 BCS의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 4는 전지의 충방전 특성을 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전력 저장 시스템의 전기적 구성을 보여주는 도면.

이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전력 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, BESS(100)는 GMS(Global Management System, 110) 및 EMS(Energy Management System, 120)과 연결된다. 이때, BESS(100)는 GMS(110)와 인터넷을 통해 연결될 수 있다.

여기서, GMS(110)는 복수개의 BESS(100)들과 연결되는 것으로서, 글로벌 통합 관리, BESS(100)의 데이터 수집, BESS(100)의 운영 현황 표시, BESS(100)의 자료 분석(예컨대, 전지의 수명 예측 또는 점검), BESS(100)의 운영 최적화, 및 투자/설비 효율을 관리하는 기능을 수행한다.

EMS(120)는 전력 통합 관리, 수요/발전량 예측, 전력 거래 이력 관리, BESS(100)의 운전 스케쥴 제어, 리포팅, 최적 발전 계획 수립 등의 기능을 수행한다.

BESS(100)는 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크부하 또는 계통 사고시 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, BESS 제어기(101), PCS(102), PCU(103), BCS(104), Sys BMS(105), Rack BMS(106), HAVC(107), 및 RSW(108) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

BESS 제어기(101)는 전지 에너지의 통합 제어, 전지 운전 상태 감시, 전지 특성 분석, 설비 및 DB 관리, 이력(Alarm/Event)관리, 운영자 관리, 통신/보안 등의 기능을 수행한다.

PCS(Power Conditioning System, 102)는 계통 연계 관리, 전기 품질 제어, 단독 운전 감시 및 제어, 전력 기기 제어(차단기) 등의 기능을 수행한다.

PCU(103)는 전력 변환 제어, 계통 전력 제어, 전지 충/방전 전력 제어, 및 감시/보호 기능 등을 수행한다.

BCS(Battery Conditioning System, 104)는 Sys BMS(105)의 데이터 통합 관리(데이터 수집, 분류, 처리) 및 BESS 제어기(101)와의 연계 기능을 수행한다.

Sys BMS(105)는 Rack BMS(106)의 데이터 통합 관리(데이터 수집, 분류, 처리) 및 BCS(104)와의 연계 기능을 수행한다.

Rack BMS(106)는 Unit BMS(미도시)의 데이터 통합 관리(데이터 수집, 분류, 처리) 및 Sys BMS(105)와의 연계 기능을 수행한다.

HAVC(107)는 전지의 온도, 습도를 관리하는 기능을 수행한다.

RSW(108)는 전지의 초기 충전 회로로 기능하는 제어용과 전지 관리를 위한 유지 보수용으로 구성된다.

상술한 PCS(102) 및 BCS(104)의 전기적인 구성은 도 3에 도시된 바와 같다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, BESS(100)의 경우, 전지의 패킹(Packing) 기술 한계로 인해 일반적으로 복수개의 전지 랙(Rack, 이하, 설명의 편의를 위해 전지 랙과 전지를 혼용하여 사용하기로 함)들을 병렬로 연결한다. 이러한 BESS(100)에서 전지를 교체하는 경우, 경제적인 이유로 인해 전량 교체가 아니라 블록 단위별로 교체하는 것이 바람직하다. 그러나, 단위 블록 별로 전지를 교체하는 경우 전지들의 전압 불균형이 존재하게 되고, 이러한 전압 불균형으로 인해 돌입 전류가 발생하게 된다.

구체적으로 전지 랙을 초기 연결하는 경우, 전지의 전압 편차 및 커넥션(Connection)에 의해 전지 랙 간에 전압 편차가 발생할 수 있으며, 전지 랙 연결시에 돌입 전류가 흘러 소자가 파괴되거나 화재가 발생하는 등의 악영향을 줄 수 있다.

또한, 최대 전압 편차 발생 시에 흐를 수 있는 돌입 전류에 대해 전지 및 커넥션에 문제가 발생할 수 있다.

전지 랙을 교체하거나 재기동하는 경우에도 전지 랙을 교체한 후 기존에 장착되어 있던 전지 랙과 새로운 전지랙의 전압 불균형이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 병렬로 결선될 전지 랙을 하나씩 충전하여 전압이 동일한 경우 전지 랙을 결선하는 방법을 고려해 볼 수 있으나, 이러한 방법은 전지 연결 또는 전지 교체에 상당히 많은 시간이 소요되고, 특히 대단지형 BESS(100)의 경우 시스템 정지시간이 길어질 수 있어 많은 경제적 손실이 발생할 수 있다.

또한, 리튬 이온 전지의 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 충방전 상태의 동적 전압(Dynamic Voltage)과 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)이 다르므로 전지들을 병렬 연결하는 경우 반드시 돌입 전류가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 BESS(100)를 구성하는 전지들을 병렬로 연결함에 있어서 전지들의 전압 불균형을 제어하여 돌입 전류를 최소화하는 방법을 제안한다.

먼저, 전지 랙을 초기 연결하는 경우 BESS(100)를 제어하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

1. 제1 실시예

본 발명의 제1 실시예에 따른 BESS(100)의 제어 방법은, 디지털 BESS(100)를 제어한다. 구체적으로, N개의 전지 랙을 병렬로 연결하는 경우 돌입 전류의 발생을 방지하기 위해 각 랙 제어기가 전지의 전압을 모니터링한 후에 전압이 낮은 랙부터 순차적으로 시스템에 연결되도록 한다.

이러한 경우, 우선순위에 따라 랙 전압은 동적 전압(DV)과 개방 회로 전압(OCV) 상태가 되므로 시스템 설계시 SOC(State of Charge) 또는 충방전:OCV 전압 편차를 측정하여 제어시 반영되도록 하여야 한다.

예컨대, SOC 70%-3.8V인 제1 전지와 SOC 55%-3.2V인 제2 전지를 병렬 연결하는 경우, 전압 불균형에 따라 돌입 전류가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 제2 전지를 시스템에 먼저 연결한 후 에너지를 충전시킨다. 이때, 제어기는 제1 전지의 SOC와 전압을 모니터링한다. 모니터링 결과 제1 전지의 전압과 제2 전지의 전압이 동일해 진 경우, 사전에 데이터화한 충방전:OCV 전압 편차를 고려하여 제1 전지를 시스템에 연결한다.

2. 제2 실시예

본 발명의 제2 실시예에 따른 BESS(100)의 제어 방법은, 아날로그 적으로 BESS(100)를 제어한다.

구체적으로, N개의 전지 랙을 병렬 연결시 돌입 전류 발생을 방지하기 위해 각 랙 제어기에서 전지의 전압을 모니터링한 후 시스템에 동시에 모든 전지 랙을 연결시킨다. 이러한 경우, 랙 앞단에 설치된 프리-차지 회로를 우선 연결하여 돌입 전류를 최소화하게 된다. 여기서, 프리-차지 회로는 스위치와 저항으로 구성된다.

이때, 프리-차지 회로는 BESS(100)를 구성하는 회로가 정상상태에 도달할때까지의 시간 동안만 연결될 수 있다.

이러한 제2 실시예에 따르는 경우, BESS(100)는 도 5에 도시된 바와 같은 구성을 가지게 된다.

상술한 실시예에 있어서는 BESS(100)를 디지털 방식 및 아날로그 방식 중 어느 하나의 방식으로 제어하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서는 이 2가지 방식을 모두 적용하여 BESS(100)를 제어할 수도 있을 것이다.

예컨대, 전지 랙들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 전지 랙들은 디지털 방식을 이용하여 제어하고, 전지 랙들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 전지 랙은 아날로그 방식으로 제어할 수 있다.

즉, 전지 랙들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 전지 랙들은 동시에 시스템에 연결하되, 프리-차지 회로를 우선 연결하여 돌입 전류를 최소화하고, 전지 랙들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 전지 랙들은 전압이 작은 랙부터 순차적으로 시스템에 연결되도록 하되, SOC(State of Charge) 또는 충방전:OCV 전압 편차를 측정하여 제어시 반영되도록 하는 것이다.

다음으로, 전지 랙을 교체하는 경우 전지 전력 제어 시스템의 제어 방법에 대해 설명한다.

먼저, 교체 전지의 전압이 결선되어 있는 전지의 전압 보다 큰 경우, 전지 전력 저장 시스템의 최적 운전을 고려하여 교체 전지의 OCV를 측정한다. 이후, 결선된 전지들의 전압이 교체 전지의 전압과 동일한 SOC 및 전압 범위 내에 들어올 때까지 시스템을 운전하여 전지에 에너지를 충전하면서 전압을 모니터링한다. 이후, 모니터링된 전압이 교체 전지의 전압과 동일해질 경우 시스템 운전을 중지하고 교체 전지를 결선하여 전체 전지 전력 저장 시스템을 운전한다.

한편, 교체 전지의 전압이 결선되어 있는 전지의 전압 보다 작은 경우, 전지 전력 저장 시스템의 최적 운전을 고려하여 교체 전지의 OCV를 측정한다. 이후, 결선된 전지들의 전압이 교체 전지의 전압과 동일한 SOC 및 전압 범위 내에 들어올 때까지 시스템을 운전하여 전지에 에너지를 방전하면서 전압을 모니터링한다. 이후, 모니터링된 전압이 교체 전징의 전압과 동일해질 경우 시스템 운전을 중지하고 교체 전지를 결선하여 전체 전지 전력 저장 시스템을 운전한다.

상술한 BESS의 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: BESS 101: BESS 제어기
102: PCS 103: PCU
104: BCS 105: Sys BMS
106: Rack BMS 107: HAVC
108: RSW 110: GMS
120: EMS

Claims

전지 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 전지 전력 저장 시스템에 포함된 전지들의 전압을 모니터링하는 단계;
(b) 상기 전지들 중 상기 전압이 가장 낮은 제1 전지를 시스템에 연결하는 단계;
(c) 상기 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전하는 단계; 및
(d) 상기 제1 전지의 전압과 시스템에 연결되지 않은 제2 전지의 전압이 동일해지면 상기 제2 전지를 상기 시스템에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
상기 전지들의 전압은 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)인 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
상기 제1 전지의 전압과 상기 제2 전지의 전압의 동일 여부는, 상기 제1 전지 및 제2 전지의 충방전 전압과 개방 회로 전압의 편차를 반영하여 판단하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
상기 제1 전지 및 제2 전지의 충방전 상태(State of Cell)를 함께 이용하여 상기 제1 전지의 전압과 상기 제2 전지의 전압의 동일 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
전지 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 전지 전력 저장 시스템을 구성하는 각 전지에 배치된 프리-차지 회로를 이용하여 상기 각 전지들을 시스템에 연결하는 단계; 및
(b) 상기 시스템이 정상상태에 도달하면, 상기 프리-차지 회로의 연결을 차단하고 상기 각 전지를 상기 시스템에 직접 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
전지 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서,
(a) 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선되어 있는 제1 전지와 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선되어 있지 않은 제2 전지의 개방 회로 전압을 측정하는 단계;
(b) 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해질 때까지 상기 전지 전력 저장 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전 또는 방전시키는 단계; 및
(c) 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해지면 상기 제2 전지를 상기 전지 전력 저장 시스템 내에 결선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
상기 제2 전지의 전압이 상기 제1 전지의 전압보다 크면, 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해질 때까지 상기 전지 전력 저장 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 충전시키고,
상기 제2 전지의 전압이 상기 제1 전지의 전압보다 작으면, 상기 제1 전지의 전압이 상기 제2 전지의 전압과 미리 정해진 오차 범위 내에서 동일해질 때까지 상기 전지 전력 저장 시스템을 운전하여 상기 제1 전지를 방전시키는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템의 제어 방법.
복수개의 전지;
상기 각 전지에 직렬로 연결된 저항;
상기 직렬로 연결된 각 저항 및 전지들을 병렬로 연결하기 위한 제1 스위치; 및
상기 각 전지들을 병렬로 연결하기 위한 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 스위치는 상기 전지 전력 저장 시스템이 정상상태에 도달할 때까지 상기 직렬로 연결된 각 저항 및 전지들을 병렬로 연결시키는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 스위치는 상기 전지 전력 저장 시스템이 정상상태에 도달하여 상기제1 스위치가 개방되면 상기 전지들을 병렬로 연결시키는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.