KR20120088064A - 배터리 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 배터리 관리 장치와 하나 이상의 전력 관리 장치를 통합 제어하는 시스템 제어기를 포함하는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 하나 이상의 배터리를 포함하는 하나 이상의 배터리 관리 장치; 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리를 충전시키거나 상기 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 상기 계통에 공급하는 하나 이상의 전력 관리 장치; 및 상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 대한 정보를 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치로 전달하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 에너지 저장 시스템{Battery Energy Storage System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간의 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지원에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템에는 계통에 전력을 공급하거나, 계통으로부터 공급되는 전력을 이용하여 충전되는 복수개의 배터리와 상기 배터리의 전력을 관리하는 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)를 포함한다.
일반적인 배터리 에너지 저장 시스템의 경우, 전력 관리 장치에 포함된 제어부가 전력 관리 장치에 포함된 다른 하위 구성요소들의 제어 기능과 복수개의 배터리들의 제어 기능도 함께 수행할 뿐만 아니라, 배터리 에너지 저장 시스템의 상위 구성요소와의 인터페이스 기능까지 모두 담당하였으므로, 이를 위한 연산 처리 용량의 제약으로 인해 배터리 에너지 저장 시스템의 확장성이 제한된다는 문제점이 있었다.
또한, 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템의 경우, 계통의 유효 전력만을 보상하는 기능을 가지고 있어 그 이용에 있어서, 한계성을 가진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나 이상의 배터리 관리 장치와 하나 이상의 전력 관리 장치를 통합 제어하는 시스템 제어기를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 각 배터리 관리 장치의 동작을 제어할 수 있는 별도의 제어기가 구비된 배터리 관리 장치를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 통합 시스템 제어기를 통해 통합 관리될 수 있는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 하나 이상의 배터리를 포함하는 하나 이상의 배터리 관리 장치; 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리를 충전시키거나 상기 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 상기 계통에 공급하는 하나 이상의 전력 관리 장치; 및 상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 대한 정보를 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치로 전달하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 관리 장치를 포함하고, 상기 배터리 관리 장치는, 상기 하나 이상의 배터리들이 패킹되어 있는 하나 이상의 배터리 랙; 상기 하나 이상의 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 생성하는 배터리 모니터링부; 및 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드에 대한 정보를 수신하고, 수신된 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드에 따라 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드를 확인하며, 상기 배터리 모니터링부로부터 수신된 상기 배터리 상태 정보를 전송하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 관리 장치; 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리를 충전시키거나 상기 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 상기 계통에 공급하는 전력 관리 장치; 상기 배터리 관리 장치 및 상기 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 시스템 제어기; 및 하나 이상의 시스템 제어기와 정보를 송수신하여 각 배터리 에너지 저장 시스템에 포함된 상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 각 배터리 에너지 저장 시스템에 포함된 상기 배터리 관리 장치 및 상기 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하는 통합 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리 에너지 저장 시스템이 배터리 관리 장치와 전력 관리 장치를 통합 제어하는 별도의 시스템 제어기를 포함하고, 각 배터리 관리 장치는 각 전기 관리 장치에 포함된 하나 이상의 배터리를 제어하기 위한 별도의 제어부를 포함하기 때문에, 기존의 전력 관리 장치에 포함된 제어부의 기능 제약을 완화시킬 수 있고, 이로 인해 배터리 에너지 저장 시스템의 확장성을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 별도의 마스터 시스템 제어기를 통해 복수개의 배터리 에너지 저장 장치를 통합 제어할 수 있기 때문에 시스템의 확장성을 극대화할 수 있다는 효과가 있다.
이외에도, 본 발명은 별도의 외부 장치 없이 시스템 제어기를 통해 계통의 유효전력뿐만 아니라 무효전력도 보상할 수 있기 때문에, 시스템 사용 효율을 극대화할 수 있음은 물론, 배터리 에너지 저장 시스템의 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 관리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 4는 도 2에 도시된 전력 관리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치와 전력 관리 장치의 전기적 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 도 2에 도시된 시스템 제어기의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 7은 계통의 유효전력 보상과 무효전력 보상을 위한 시퀀스를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 확장을 보여주는 도면.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 확장을 보여주는 도면.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS, 이하 'BESS'라 함)이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, BESS(100)는 글로벌 모니터링 시스템(Global Monitoring System: GMS, 이하, 'GMS'라 함, 110) 및 에너지 관리 시스템(Energy Management System: EMS, 이하, 'EMS'라 함, 120)과 연결된다. 이때, GMS(110)는 인터넷을 통해 BESS(100) 및 EMS(120)와 연결될 수 있다.
먼저, GMS(110)는 EMS(110)를 통해 복수개의 BESS(100)들과 연결되는 것으로서, 글로벌 통합 관리, 복수개의 BESS(100)들로부터 전송되는 각종 데이터의 수집, 복수개의 BESS(100)들의 운영 현황 표시, 복수개의 BESS(100)들로부터 전송되는 각종 데이터 분석(예컨대, 배터리의 수명 예측 또는 점검), 복수개의 BESS(100)의 운영 최적화 관리, 및 투자/설비 효율을 관리하는 기능을 수행한다.
EMS(120)는 복수개의 BESS(100)들과 연결되어 복수개의 BESS(100)의 운전 스케쥴 제어를 수행하거나, 복수개의 BESS(100)들로부터 전송되는 각종 데이터들을 GMS(110)로 리포팅하거나, 복수개의 BESS(100)들의 전력을 통합 관리하거나, 계통(미도시)의 수요나 발전량을 예측하는 기능을 수행한다.
이외에도, EMS(120)는 전력 거래 이력 관리 또는 최적 발전 계획 수립 등의 기능을 수행한다.
BESS(100)는 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 계통으로부터 제공 받아 BESS(100)에 포함된 하나 이상의 배터리에 충전하였다가 피크부하 또는 계통 사고 시 하나 이상의 배터리에 충전되어 있던 전력을 계통으로 방전하여 계통에 전력을 공급하는 기능을 수행한다.
이하에서는, 이러한 BESS(100)에 대해 도 2 내지 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BESS의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, BESS(100)는 하나 이상의 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System, 200), 하나 이상의 전력 관리 장치(Power Conditioning System, 210), 및 시스템 제어기(BESS Controller. 220)를 포함한다.
먼저, 배터리 관리 장치(200)는 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 전력관리 장치(210)로부터 공급받아 내부에 포함된 하나 이상의 배터리들을 충전하거나, 하나 이상의 배터리들에 충전되어 있는 전력을 방전하여 전력 관리 장치(210)를 통해 계통으로 공급한다.
이러한 배터리 관리 장치(200)의 구성을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 장치(200)는 제1 제어부(310), 배터리 모니터링부(320), 초기 충전부(330), 배터리 랙(340), 공조 관리부(350), 및 소방 관리부(360)를 포함한다.
먼저, 제1 제어부(310)는 시스템 제어기(220)로부터 배터리 관리 장치(200)의 동작 모드에 대한 정보를 수신하고, 수신된 동작 모드에 대한 정보에 따라 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드를 확인한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 관리 장치(200)의 동작 모드는 하나 이상의 배터리에 포함된 전력을 방전하는 방전모드와 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 하나 이상의 배터리를 충전시키는 충전모드를 포함한다.
제1 제어부(310)는 이러한 동작 모드에 대한 정보를 시스템 제어기(220)로부터 수신함으로써 현재 배터리 관리 장치(200)가 어떠한 동작 모드로 운용되고 있는지를 확인한다.
또한, 제1 제어부(310)는 배터리 모니터링부(320)로부터 수신되는 배터리 상태 정보를 시스템 제어기(220)로 전송한다.
한편, 제1 제어부(310)는, 돌입 전류 방지를 위해 상기 초기 충전부(330)를 제어하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 제1 제어부(310)는 배터리 관리 장치(200)가 정상 상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안 상기 초기 충전부(330)가 동작되도록 하기 위해, 초기 충전부(330)에 포함된 스위치를 온 시킨다. 또한, 제1 제어부(310)는 배터리 관리 장치(200)가 정상 상태에 도달한 이후에는 상기 초기 충전부(330)가 동작하지 않도록 초기 충전부(330)에 포함된 스위치를 오프시킨다.
이외에도, 제1 제어부(310)는 공조 관리부(350) 및 소방 관리부(360)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다.
구체적으로, 배터리 관리 장치(310)의 내부 온도가 제1 임계치 이상인 경우에는 공조 관리부(350)가 쿨링 기능을 수행하도록 제어하고, 배터리 관리 장치(310)의 내부 온도가 제2 임계치 이하인 경우에는 공조 관리부(350)가 히팅 기능을 수행하도록 제어한다.
또한, 제1 제어부(310)는 배터리 관리 장치(310)에 화재가 발생된 것으로 감지되면 소방 관리부(360)를 동작시켜 발생된 화재가 소화되도록 한다.
다음으로, 배터리 모니터링부(320)는, 배터리 랙(340)에 포함된 하나 이상의 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 생성하고, 생성된 배터리 상태 정보를 제1 제어부(310)로 제공한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 상태 정보는 각 배터리에 충전되어 있는 전력량, 상기 각 배터리의 전류값, 상기 각 배터리의 SOC(State of Charge) 정보, 상기 각 배터리의 SOH(State of Health) 정보, 및 상기 각 배터리의 온도 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 배터리 모니터링부(320)는, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 개수의 배터리 랙(340)의 상태를 모니터링하는 Rack BMS(324) 및 제2 개수의 Rack BMS(324)로부터 제공되는 데이터를 수집하여 제1 제어부(310)로 전송하는 Sys BMS(322)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, Rack BMS(324)는 4개의 배터리 랙(340)의 상태를 모니터링할 수 있고, Sys BMS(322)는 4개의 Rack BMS(324)로부터 전송되는 데이터를 취합할 수 있으므로, 하나의 Sys BMS(322)는 16개의 배터리 랙(340)의 상태를 모니터링할 수 있게 된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 배터리 모니터링부(320)는, Rack BMS(324)의 하위 개념으로 제1 개수 보다 작은 개수의 배터리 랙(340)의 상태를 모니터링하는 Unit BMS(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, Rack BMS(324)는 Unit BMS로부터 전송되는 데이터를 취합하여 Sys BMS(322)로 전달할 수 있다. 일 실시예에 있어서, Unit BMS는 2개의 배터리 랙(340)의 상태를 모니터링할 수 있다.
다음으로, 초기 충전부(330)는 각 배터리 랙(340)에 연결되어 각 배터리 랙(340)에 포함된 하나 이상의 배터리에서 발생되는 돌입전류를 방지하는 역할을 수행한다.
이러한 돌입 전류는, 배터리 랙을 교체하거나 재기동하는 경우에 기존에 장착되어 있던 배터리 랙과 새로운 배터리랙의 전압 불균형으로 인해 발생되는 것으로서, 돌입 전류로 인해 소자가 파괴되거나 화재가 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 초기 충전부(330)를 이용하여 각 배터리 랙(340)에서 발생되는 돌입 전류를 최소화한다.
일 실시예에 있어서, 초기 충전부(330)는 각 배터리 랙(340)을 초기 충전시킴으로써 돌입 전류 발생을 방지하기 위해, 각 배터리 랙에 연결되는 저항(미도시) 및 상기 저항이 전력 관리 장치(210)와 연결되도록 하는 스위치(미도시)를 포함한다.
이러한 초기 충전부(330)는, 배터리 관리 장치(200)가 정상상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안에는 제1 제어부(310)의 제어하에 스위치가 온되기 때문에 각 배터리가 프리 차징(Pre??Charging)되어 각 배터리 랙 간의 전압 불균형이 해소되어 돌입 전류가 최소화된다.
다음으로, 하나 이상의 배터리 랙(Rack, 340)은 하나 이상의 배터리들이 패킹(Packing)되어 있는 것으로서, 내부에 포함된 하나 이상의 배터리들의 충전시 계통으로부터 전력을 공급받고, 하나 이상의 배터리들의 방전시 계통으로 전력을 제공하게 된다.
다음으로, 공조 관리부(350)는 제1 제어부(310)의 제어에 따라 동작하여 배터리 관리 장치(200)를 쿨링 또는 히팅 시키거나, 배터리 관리 장치(200) 내부의 습도를 조절하는 역할을 수행한다.
또한, 소방 관리부(360)는 제1 제어부(310)의 제어에 따라 동작하여 배터리 관리 장치(200) 내부에 화재가 발생하는 경우 발생된 화재를 소화하는 역할을 수행한다.
상술한 실시예에 있어서는 공조 관리부(350) 및 소방 관리부(360)가 배터리 관리 장치(200)에 필수적으로 포함되는 것을 설명하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 공조 관리부(350) 및 소방 관리부(360)는 배터리 관리 장치(200)와는 물리적으로 분리된 외부 장치로 구현할 수도 있기 때문에 배터리 관리 장치(200)에 포함되지 않을 수도 있을 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 하나 이상의 전력 관리 장치(210)는 시스템 제어기(220)로부터 전달되는 동작 모드에 대한 정보에 따라, 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리를 충전시키거나, 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 계통에 공급하는 역할을 수행한다.
이러한 전력 관리 장치(210)는 도 2에 도시된 바와 같이, 복수개의 배터리 관리 장치(200)와 연결될 수 있다. 이와 같이, 하나의 전력 관리 장치(210)에 복수개의 배터리 관리 장치(200)가 연결되면, 계통에 장시간에 걸쳐 전력을 공급할 수 있게 된다.
이하, 도 4를 참조하여 이러한 전력 관리 장치의 구성에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치(210)는 제2 제어부(410), 하나 이상의 전력 변환부(420), 스위치 기어(430), 및 변압기(440)를 포함한다.
먼저, 제2 제어부(410)는, 시스템 제어기(220)로부터 전력 관리 장치(210)의 동작 모드에 대한 정보를 수신하여 하나 이상의 전력 변환부(420)로 전달한다.
일 실시예에 있어서, 전력 관리 장치(210)의 동작 모드는 컨버팅 모드와 인버팅 모드를 포함할 수 있다. 여기서, 컨버팅 모드는 계통으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리 관리 장치(200)로 제공하는 모드, 즉 충전 모드에 해당한다. 또한, 인버팅 모드는 배터리 관리 장치(200)로부터 제공되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통에 제공하는 모드, 즉 방전 모드에 해당한다.
또한, 제2 제어부(410)는 시스템 제어기(220)로부터 동작 모드에 대한 정보 수신시, 유효전력 보상 명령 및 무효전력 보상 명령 중 적어도 하나를 수신하여 이를 전력 변환부(420)로 제공한다.
한편, 제2 제어부(410)는, 상기 하나 이상의 전력 변환부(420)로부터 전달되는 데이터를 취합하여 상기 에너지 관리 시스템(120)으로 전송한다. 일 실시예에 있어서, 하나 이상의 전력 변환부(420)로부터 제공되는 데이터에는 각 전력 변환부(420)들의 출력 전력량(유효전력 및 무효 전력), 출력 주파수, 온/오프 동작 상태, 역률, 효율, 출력 전압, 및 출력 전류에 대한 데이터가 포함될 수 있다.
이외에도, 제2 제어부(410)는 전력 관리 장치(210) 또는 계통에 오류가 발생하는지 여부를 모니터링하여, 오류가 발생된 것으로 판단되면 스위치 기어(430)를 오프시켜 전력 관리 장치(210)와 계통의 연결을 차단시키거나, 변압기(440)를 제어하여 교류전압이 승압 또는 감압되도록 한다.
다음으로, 하나 이상의 전력 변환부(Power Conversion Unit, 420)는 제2 제어부(410)로부터 전송되는 동작 모드에 대한 정보에 따라 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 변환 모듈 제어부(422) 및 전력 변환 모듈(424)을 포함한다.
먼저, 전력 변환 모듈 제어부(422)는 제2 제어부(410)로부터 수신되는 전력 관리 장치(210)의 동작 모드에 대한 정보에 따라 전력 변환 모듈(424)이 컨버팅 모드 또는 인버팅 모드로 동작하도록 전력 변환 모듈(424)에 포함된 복수개의 스위칭 소자를 온오프시킨다.
또한, 전력 변환 모듈 제어부(422)는 제2 제어부(410)로부터 유효전력 보상명령이 수신되면, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 방전을 통해 제공되는 전력을 이용하여 계통의 유효전력을 보상하고, 제2 제어부(410)로부터 무효전력 보상명령이 수신되면, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 방전을 통해 출력되는 전력의 주파수 및 위상을 변경시켜 계통의 무효전력을 보상한다.
이외에도, 전력 변환 모듈 제어부(422)는 전력 변환 모듈(424)의 출력 전력량(유효전력 및 무효 전력), 출력 주파수, 온/오프 동작 상태, 역률, 효율, 출력 전압, 및 출력 전류에 대한 데이터를 제2 제어부(410)로 전송한다.
다음으로, 전력 변환 모듈(424)은, 전력 변환 모듈 제어부(422)의 제어에 따른 복수개의 스위칭 소자의 온오프에 따라, 계통으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하거나 배터리 관리 장치(200)로부터 제공되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력한다.
다음으로, 스위치 기어(430)는
계통과 상기 전력 관리 장치(210)를 연결시킨다. 이러한 스위치 기어(430)는 제2 제어부(410)에 의해 온오프 되는 것으로서, 구체적으로, 전력 변환 장치(210) 또는 상기 계통에 오류가 발생되면 제2 제어부(410)에 오프되어 전력 변환 장치(210)와 계통의 연결을 차단시키게 된다.
다음으로, 변압기(440)는 계통으로부터 전력 변환부(420)로 입력되는 교류 전압을 상기 전력 변환부(420)에서 운용 가능한 교류 전압으로 감압하거나, 전력 변환부(420)로부터 출력되는 교류 전압을 계통에서 운용 가능한 교류 전압으로 승압하는 역할을 수행한다.
상술한 도 3 및 도 4에 도시된 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치의 전기적 구성의 일예가 도 5에 도시되어 있다.
다시 도 2를 참조하면, 시스템 제어기(220)는 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치(200) 및 전력 관리 장치(210)의 동작 모드를 결정한다.
또한, 시스템 제어기(220)는 결정된 동작 모드에 대한 정보를 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치(200) 및 전력 관리 장치(210)로 전달하는 기능을 수행한다.
이러한 시스템 제어기(220)를 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 제어기(220)의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 시스템 제어기(220)는 충방전 결정부(610), 유효전력 보상명령 생성부(620), 무효전력 보상명령 생성부(630)를 포함한다.
먼저, 충방전 결정부(610)는, 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)로부터 전송되는 배터리 상태 정보 및 계통에서 요구되는 전력량을 이용하여 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 충방전 여부를 결정한다.
또한, 충방전 결정부(610)는 결정된 충방전 여부에 따라 배터리 관리 장치(200)와 전력 관리 장치(210)의 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 대한 정보를 하나 이상의 배터리 관리 장치(200) 및 하나 이상의 전력 관리 장치(210)로 전달한다.
이때, 배터리 관리 장치(200)의 동작 모드는 충전모드 및 방전모드를 포함하고, 전력 관리 장치(210)의 동작 모드는 충전모드에 해당하는 컨버팅모드와 방전모드에 해당하는 인버팅모드를 포함한다.
또한, 충방전 결정부(610)는 하나 이상의 배터리의 방전을 결정하게 되면, 방전여부를 후술할 유효전력 보상명령 생성부(620) 및 무효전력 보상 명령 생성부로 전달한다.
이외에도, 충방전 결정부(610)는 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)로부터 전송되는 출력 전력량에 대한 정보를 수신하고, 각 배터리 관리 장치(200)의 출력 전력량을 합산하여 EMS(120)로 전달하거나, 각 배터리 관리 장치(200)의 출력 전력량을 EMS(120)로 전달한다.
또한, 충방전 결정부(610)는 하나 이상의 전력 관리 장치(210)로부터 전송되는 출력 전력량에 대한 정보를 수신하고, 각 전력 관리 장치(210)의 출력 전력량을 합산하여 EMS(120)로 전달하거나, 각 전력 관리 장치(210)의 출력 전력량을 EMS(120)로 전달한다.
다음으로, 유효전력 보상명령 생성부(620)는, 상기 충방전 결정부(610)에 의해 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 방전이 결정되면, 하나 이상의 배터리로부터 방전되는 전력으로 계통의 유효전력 보상을 위한 명령을 생성한다. 이후, 유효전력 보상명령 생성부(620)는 생성된 유효전력 보상 명령을 전력 관리 장치(210)로 전송함으로써, 전력 관리 장치(210)가 도 7a에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리에 충전된 전력을 방전하도록 함으로써 계통의 유효 전력을 보상할 수 있도록 한다.
이때, 도 7a 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들이 방전되는 구간에서 방전되는 전력을 이용하여 계통의 유효전력을 보상하게 되면 각 배터리들의 SOC는 감소하게 된다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 무효전력 보상명령 생성부(630)는 충방전 결정부(610)에 의해 하나 이상의 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 방전이 결정되면, 하나 이상의 배터리로부터 방전되는 전력으로 계통의 무효 전력 보상을 위한 명령을 생성한다. 이후, 무효전력 보상명령 생성부(630)는, 생성된 무효전력 보상 명령을 전력 관리 장치(210)로 전송함으로써, 전력 관리 장치(210)가 도 7b에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리로부터 방전되는 전력의 주파수 및 위상을 변경함으로써 계통의 무효 전력을 보상할 수 있도록 한다.
이때, 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 장치(200)에 포함된 하나 이상의 배터리들이 방전되는 구간에서 방전되는 전력을 이용하여 계통의 무효전력을 보상하더라도 각 배터리들의 SOC는 변동되지 않는다는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 시스템 제어기(220)에 복수개의 전력 관리 장치(210)가 연결될 수 있어, 계통에 최대 출력을 제공할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 시스템 제어기(220)에 복수개의 전력 관리 장치(210)가 연결되고, 각 전력 관리 장치(210)에 복수개의 배터리 관리 장치(200)가 연결될 수도 있어, 계통에 장시간 동안 최대 출력을 제공할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 BESS의 확장을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 하나의 EMS(120)에 복수개의 BESS(100a~100n)가 연결되고, 제1 BESS(100a)에 포함된 시스템 제어기(220a)가 마스터로 동작함으로써, 제2 내지 제n BESS(100b~100n)에 포함된 시스템 제어기(220b~220n)들로부터 수신되는 데이터를 취합하여 EMS(120)로 전송하거나, EMS(120)로부터 전송되는 데이터를 각 시스템 제어기(220b~220n)으로 전송하는 역할을 수행하게 된다.
또한, 제n BESS(100b~100n)에 포함된 시스템 제어기(220b~220n)들은 슬레이브로 동작함으로써 제1 BESS(100a)에 포함된 시스템 제어기(220a)를 통해 EMS(120)로 데이터를 전송하고, EMS(120)로부터 전송되는 데이터를 제1 BESS(100a)에 포함된 시스템 제어기(220a)를 통해 수신하게 된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 BESS의 확장을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따르는 경우, BESS(100)는 통합 시스템 제어기(130)를 추가로 포함함으로써, 이러한 통합 시스템 제어기(130)가 복수개의 BESS(100a~100n)들로부터 전송되는 데이터를 취합하여 EMS(120)로 전송하고, EMS(120)로부터 전송되는 데이터를 각각의 BESS(100a~100n)로 전송하게 된다.
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: 배터리 에너지 저장 시스템 110: 글로벌 모니터링 시스템
120: 에너지 관리 시스템 130: 통합 시스템 제어기
200: 배터리 관리 장치 210: 전력 관리 장치
220: 시스템 제어기 310: 제1 제어부
320: 배터리 모니터링부 330: 초기 충전부
340: 배터리 랙 350: 공조 관리부
360: 소방 관리부 410: 제1 제어부
420: 전력 변환부 430: 스위치 기어
440: 변압기

Claims (18)

  1. 하나 이상의 배터리를 포함하는 하나 이상의 배터리 관리 장치;
    계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리를 충전시키거나 상기 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 상기 계통에 공급하는 하나 이상의 전력 관리 장치; 및
    상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하며, 결정된 동작 모드에 대한 정보를 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치 및 전력 관리 장치로 전달하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치는,
    상기 하나 이상의 배터리들이 패킹되어 있는 하나 이상의 배터리 랙;
    상기 하나 이상의 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 생성하는 배터리 모니터링부; 및
    상기 시스템 제어기로부터 전달되는 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드에 대한 정보에 따라 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드를 확인하고, 상기 배터리 모니터링부로부터 수신된 상기 배터리 상태 정보를 상기 시스템 제어기로 전송하는 제1 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 관리 장치는,
    상기 전력 관리 장치의 동작 모드가 컨버팅 모드인 경우 상기 계통으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 상기 전력 관리 장치의 동작 모드가 인버팅 모드인 경우 상기 배터리 관리 장치로부터 제공되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 하나 이상의 전력 변환부; 및
    상기 시스템 제어기로부터 상기 전력 변환부의 동작 모드에 대한 정보를 수신하여 상기 하나 이상의 전력 변환부로 전달하고, 상기 하나 이상의 전력 변환부로부터 전달되는 데이터를 취합하여 상기 구성요소 관리 시스템으로 전송하는 제2 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 전력 변환부는,
    복수개의 스위칭 소자의 온오프에 따라 상기 계통으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나 상기 배터리관리 장치로부터 제공되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 전력 변환 모듈; 및
    상기 제2 제어부로부터 수신되는 상기 전력 변환부의 동작 모드에 대한 정보에 따라 상기 전력 변환부가 컨버팅 모드 또는 인버팅 모드로 동작하도록 상기 복수개의 스위칭 소자를 온오프시키는 전력 변환 모듈 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 변환 모듈 제어부는, 상기 시스템 제어기로부터 무효전력 보상명령이 수신되면, 상기 배터리 관리 장치로부터 방전되는 전력의 주파수 및 위상을 변경시켜 상기 계통의 무효 전력을 보상하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전력 관리 장치는,
    상기 계통과 상기 전력 관리 장치의 연결을 위한 스위치 기어를 더 포함하고,
    상기 제2 제어부는, 상기 전력 변환 장치 또는 상기 계통에 오류가 발생되면 상기 스위치 기어를 오프시켜 상기 전력 변환 장치와 상기 계통의 연결을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전력 관리 장치는,
    상기 계통으로부터 상기 전력 변환부로 입력되는 교류 전압을 상기 전력 변환부에서 운용 가능한 교류 전압으로 감압하고, 상기 전력 변환부로부터 출력되는 교류 전압을 상기 계통에서 운용 가능한 교류 전압으로 승압하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는, 상기 전력 관리 장치가 복수개인 경우 상기 각 전력 관리 장치부터 상기 각 전력 관리 장치의 출력 전력량에 대한 정보를 수신하고, 각 전력 관리 장치의 출력 전력량 또는 상기 각 전력 관리 장치의 출력 전력량의 합에 대한 정보를 에너지 관리 시스템(Energy Management System: EMS)으로 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는, 상기 배터리 관리 장치가 복수개인 경우 상기 각 배터리 관리 장치로부터 상기 각 배터리 관리 장치의 출력 전력량에 대한 정보를 수신하고, 상기 각 배터리 관리 장치의 출력량 또는 각 배터리 관리 장치의 출력 전력량의 합에 대한 정보를 에너지 관리 시스템으로 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시스템 제어기는,
    상기 하나 이상의 배터리 관리 장치로부터 전송되는 배터리 상태 정보 및 상기 계통에서 요구되는 전력량을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부 및 충방전 여부에 따른 배터리 관리 장치와 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하고, 상기 동작 모드에 대한 정보를 상기 하나 이상의 배터리 관리 장치 및 하나 이상의 전력 관리 장치로 전달하는 충방전 결정부; 및
    상기 충방전 결정부에 의해 상기 하나 이상의 배터리의 방전이 결정되면, 상기 하나 이상의 배터리로부터 방전되는 전력으로 상기 계통의 무효 전력 보상을 위한 명령을 생성하여 상기 전력 관리 장치로 전송하는 무효전력 보상 명령 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 시스템 제어기는,
    상기 충방전 결정부에 의해 상기 하나 이상의 배터리의 방전이 결정되면, 상기 하나 이상의 배터리로부터 방전되는 전력으로 상기 계통의 유효전력 보상을 위한 명령을 생성하여 상기 전력 관리 장치로 전송하는 유효전력 보상 명령 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  12. 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 관리 장치를 포함하고,
    상기 배터리 관리 장치는,
    상기 하나 이상의 배터리들이 패킹되어 있는 하나 이상의 배터리 랙;
    상기 하나 이상의 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 생성하는 배터리 모니터링부; 및
    상기 배터리 관리 장치의 동작 모드에 대한 정보를 수신하고, 수신된 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드에 따라 상기 배터리 관리 장치의 동작 모드를 확인하며, 상기 배터리 모니터링부로부터 수신된 상기 배터리 상태 정보를 전송하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 관리 장치는, 상기 하나 이상의 배터리에서 발생되는 돌입전류를 방지하기 위한 초기 충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 초기 충전부는,
    상기 배터리 랙에 연결되는 저항; 및
    상기 저항이 전력 관리 장치와 연결되도록 하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 관리 장치가 정상 상태가 되기 이전 시간 동안 상기 초기 충전부가 동작하도록 상기 초기 충전부에 포함된 스위치를 온시키고, 상기 배터리 관리 장치가 정상 상태에 도달하면 상기 초기 충전부가 동작하지 않도록 상기 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 상태 정보는, 상기 각 배터리에 충전되어 있는 전력량, 상기 각 배터리의 전류값, 상기 각 배터리의 SOC(State of Charge) 정보, 상기 각 배터리의 SOH(State of Health) 정보, 및 상기 각 배터리의 온도 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 배터리 관리 장치는,
    상기 배터리 관리 장치 내부의 온도 또는 습도를 조절하는 공조 관리부; 및
    상기 배터리 관리 장치의 화재 발생시 화재를 소화시키는 소방 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  18. 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 관리 장치;
    계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 상기 하나 이상의 배터리를 충전시키거나 상기 하나 이상의 배터리에 충전되어 있는 전력을 방전시켜 상기 계통에 공급하는 전력 관리 장치;
    상기 배터리 관리 장치 및 상기 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 시스템 제어기; 및
    하나 이상의 시스템 제어기와 정보를 송수신하여 각 배터리 에너지 저장 시스템에 포함된 상기 하나 이상의 배터리의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 각 배터리 에너지 저장 시스템에 포함된 상기 배터리 관리 장치 및 상기 전력 관리 장치의 동작 모드를 결정하는 통합 시스템 제어기를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템.
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