KR20130104771A - 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법을 개시한다.
본 발명의 에너지 저장 시스템은, 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하며, 상기 발전 시스템의 발전 전력과 상기 배터리의 전력을 상기 계통으로 출력하는 양방향 인버터와, 상기 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량 허용 범위에서 이루어지도록, 상기 인버터의 출력 전력을 날씨를 기초로 산출된 상기 발전 시스템의 예측 발전 전력으로 제어하는 통합제어기를 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법{Energy storage system and control method thereof}
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
근래 국내외 환경변화에 따라 신재생 에너지의 중요성이 새롭게 재인식되고 있다. 특히 신재생 에너지 중 태양 에너지를 이용하여 전력을 발전시키는 태양광 발전 시스템은 공해가 없고, 설치 및 유지보수가 용이하다는 장점 등으로 인해 최근 각광을 받고 있다. 태양광 발전 시스템은 태양 전지가 발전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 이것을 계통에 연계하여 부하에 전력을 공급하는 시스템이다. 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비 전력보다 작은 경우 태양 전지의 전력은 부하에서 모두 소비되고, 계통에서는 그 부족분을 공급하게 된다. 그리고 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비 전력보다 큰 경우 태양 전지의 발전 전력 중 부하에서 소비되고 남은 잉여 전력이 계통에 역조류 전력으로 공급된다.
한편, 전력 저장 시스템은 계통으로부터 야간에 발생한 잉여 전력을 에너지 저장 장치에 저장하고, 주간에 이것을 이용하는 시스템이다. 이러한 전력 저장 시스템은 주간의 발전 전력의 피크를 억제하고, 야간 전력을 활용하는 시스템이다. 전력 저장 시스템은 에너지 저장 장치로서 배터리를 사용함으로써 공간을 줄여 일반 수용가 내에 설치할 수 있고, 정전시 배터리로부터 전력 공급이 가능한 장점을 갖는다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이란 태양광으로 대표되는 신재생 에너지 발전 시스템과 전력 저장 시스템을 융화시킨 개념이다. 배터리를 통해 신재생 에너지 및 계통의 잉여 전력을 저장하고 있다가 부하에 공급할 수 있으며, 정전 등의 경우에도 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 장점을 갖는다.
에너지 저장 시스템은 발전된 에너지를 다양한 레벨의 교류 전원 또는 직류 전원으로 변환하기 위해 다수의 컨버터 및 인버터를 갖는다. 즉, 태양 전지로부터 발전된 전원은 직류이므로, 이를 교류의 전력 계통에 공급하기 위해서는, 직류-교류 인버터가 필요하다. 인버터는 태양전지로부터의 발전 전력과 배터리로부터의 전력을 계통에 안정적으로 공급하여야 하므로, 인버터의 출력 제어가 중요하다.
본 발명은 발전 시스템에서 발전한 전력 및 배터리 전력을 부하 및/또는 계통에 안정적으로 공급할 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하며, 상기 발전 시스템의 발전 전력과 상기 배터리의 전력을 상기 계통으로 출력하는 양방향 인버터; 및 상기 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량 허용 범위에서 이루어지도록, 상기 인버터의 출력 전력을 날씨를 기초로 산출된 상기 발전 시스템의 예측 발전 전력으로 제어하는 통합제어기;를 포함할 수 있다.
상기 통합제어기는, 일기 예보에서 수집된 하나 이상의 날씨 파라미터를 기초로 날씨를 예측하는 날씨 예측부; 실제 날씨와 상기 발전 시스템의 실제 발전 전력 간의 관계를 저장한 발전량데이터베이스; 및 상기 날씨 예측 결과를 상기 발전량데이터베이스의 실제 날씨와 비교하여, 상기 실제 발전 전력으로부터 예측 발전 전력을 산출하는 발전량 예측부;를 포함할 수 있다.
상기 날씨 예측부는, 날씨 파라미터와 상기 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 게인을 산출하고, 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱의 합을 상기 날씨 예측 결과로서 산출할 수 있다.
상기 실제 날씨는 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱을 합한 값으로 수치화될 수 있다.
상기 날씨 파라미터는 일사량, 운량, 기온을 포함할 수 있다.
상기 시스템은, 상기 배터리의 최대 잔존 용량과 최소 잔존 용량 차의 절반을 기준으로 상기 최대 잔존 용량과 상기 최소 잔존 용량 사이에서 상기 배터리가 충방전 되도록 제어하는 배터리 관리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은, 상기 발전 시스템에서 출력되는 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 전력 변환부; 상기 배터리의 출력 전압과 상기 직류 링크 전압 간의 상호 변환이 가능한 양방향 컨버터; 및 상기 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부;를 더 포함하고, 상기 양방향 인버터는, 상기 직류 링크 전압을 상기 계통의 교류 전압으로 변환하고, 상기 계통의 교류 전압을 상기 직류 링크 전압으로 변환할 수 있다.
상기 발전 시스템은 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 어레이를 포함하는 태양광 발전 시스템일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법은, 날씨를 기초로 상기 발전 시스템의 예측 발전 전력을 산출하는 단계; 및 상기 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량 허용 범위에서 이루어지도록, 상기 예측 발전 전력을 상기 발전 시스템의 발전 전력과 상기 배터리의 전력을 상기 계통으로 출력하는 인버터의 출력으로 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 예측 발전 전력 산출 단계는, 일기 예보에서 수집된 하나 이상의 날씨 파라미터를 기초로 날씨를 예측하는 단계; 및 상기 날씨 예측 결과를, 실제 날씨와 상기 발전 시스템의 실제 발전 전력 간의 관계를 저장한 발전량데이터베이스의 상기 실제 날씨와 비교하여, 상기 실제 발전 전력으로부터 예측 발전 전력을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 날씨 예측 단계는, 날씨 파라미터와 상기 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 게인을 산출하는 단계; 및 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱의 합을 상기 날씨 예측 결과로서 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 배터리를 포함하는 저장 장치와 전력 계통 또는 부하 사이의 양방향으로 전력 변환이 가능하고, 발전 시스템에서 발전한 전력을 부하, 계통 또는 저장 장치로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 인버터의 출력 전력을 일정하게 제어함으로써, 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량(State of Charge) 안전 영역에서 이루어지도록 하여, 수요에 따른 공급이 가능하여 전력 거래를 가능하게 하고, 시스템의 안정화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 계통 연계형 에너지 저장 시스템의 구체적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 인버터의 출력 전력과 배터리 잔존 용량(SOC)의 안전 영역과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 인버터의 출력을 제어하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)은 전력 관리 시스템(110)과 저장 장치(120)를 포함하며, 발전 시스템(130) 및 계통(140)을 연계하여 부하(150)에 전력을 공급한다.
전력 관리 시스템(110)은 발전 시스템(130)으로부터 발전한 전력을 입력받아, 이를 계통(140)에 전달하거나, 저장 장치(120)에 저장하거나, 부하(150)에 공급한다. 여기서, 발전 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있다.
전력 관리 시스템(110)은 발전 시스템(130)으로부터 발전한 전력을 저장 장치(120)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(140)으로 공급할 수 있다. 또한 전력 관리 시스템(110)은 저장 장치(120)에 저장된 전력을 계통(140)으로 전달하거나, 계통(140)에서 공급된 전력을 저장 장치(120)에 저장할 수 있다.
전력 관리 시스템(110)은 발전한 전력을 저장 장치(120)에 저장하기 위한 전력 변환, 계통(140) 또는 부하(150)에 공급하기 위한 전력 변환, 계통(140)의 전력을 저장 장치(120)에 저장하기 위한 전력 변환 기능을 수행하고, 저장 장치(120)에 저장된 전력을 계통(140) 또는 부하(150)에 공급하기 위한 전력 변환 기능을 함께 수행할 수 있다. 또한, 전력 관리 시스템(110)은 저장 장치(120), 계통(140), 부하(150)의 상태를 감시하여 발전 시스템(130)으로부터 발전된 전력 또는 계통(140)으로부터 공급된 전력을 분배할 수 있다. 또한, 전력 관리 시스템(110)은 이상 상황, 예를 들면 전력 계통(140)의 정전 발생 시에는 UPS(Uninterruptible Power Supply, 이하 'UPS' 라 한다) 동작을 수행하여 부하(150)에 전력을 공급할 수 있고, 전력 계통(140)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(130)이 발전한 전력이나 저장 장치(120)에 저장되어 있는 전력을 부하(150)로 공급할 수 있다.
저장 장치(120)는 전력 관리 시스템(110)으로부터 공급된 전력을 저장하는 대용량 저장 장치이다. 여기서, 공급 전력은 발전 시스템(130)으로부터 발전된 전력을 변환한 전력이거나, 계통(140)으로부터 공급된 상용 전력을 변환한 전력이다. 저장 장치(120)에 저장된 전력은 전력 관리 시스템(110)의 제어에 따라 계통(140)에 공급할 수 있고, 부하(150)에 공급할 수도 있다.
발전 시스템(130)은 에너지원을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 시스템이다. 발전 시스템(130)은 전기 에너지를 발전하여 전력 저장 시스템(100)으로 출력한다. 발전 시스템(130)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템일 수 있으며, 그 밖에 태양열, 지열 등과 같은 신재생 에너지(renewable energy)를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템을 모두 포함한다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)에 적용하기에 적합하다.
계통(140)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(240)은 정상 상태인 경우, 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(150)로 전력을 공급하고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(140)이 비정상 상태인 경우, 계통(140)으로부터 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(150)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 계통(140)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(150)는 저장 장치(120) 또는 계통(140)으로부터 출력된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 구체적인 블록도이다.
도 2를 참조하면, 계통 연계형 에너지 저장 시스템(이하 '에너지 저장 시스템'이라 한다)(200)은 전력 변환부(211), 양방향 인버터(212), 양방향 컨버터(213), 통합 제어기(214), 배터리 관리부(Battery Management System: 이하 'BMS'라 한다)(215), 및 DC 링크부(216)를 포함한다. 전력 저장 시스템(200)은 발전 시스템(230), 계통(240) 및 부하(250)에 연결된다.
전력 변환부(211)는 발전 시스템(230)과 제1 노드(N1) 사이에 연결되며, 발전 시스템(130)에서 발전한 전력을 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 여기서, 발전 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있으며, 이에 따라 전력 변환부(211)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 변환 기능을 수행하거나, 직류 전력을 다른 크기의 직류 전력으로 변환하는 컨버터 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 전력 변환부(211)는 발전 시스템(231)으로부터 출력된 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 전력 변환부(211)의 동작은 발전 시스템(230)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 발전 시스템(230)이 AC 전압을 출력하는 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등인 경우, 전력 변환부(211)는 발전 시스템(230)의 AC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 정류한다. 발전 시스템(230)이 DC 전압을 출력하는 태양 전지 등인 경우, 전력 변환부(211)는 발전 시스템(230)의 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 예를 들어, 발전 시스템(230)이 태양 전지인 경우, 전력 변환부(211)는 태양 전지로부터 출력된 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환하고, 일사량, 온도 등의 변화에 따라 최대 전력 출력 전압을 추종하는 MPPT(Maximum power point tracking) 알고리즘을 이용하는, MPPT 컨버터일 수 있다. MPPT 컨버터는 태양 전지의 출력 DC 전압을 승압시켜 DC 전압을 출력하는 부스트 DC-DC 컨버터 기능과 MPPT 제어 기능을 함께 수행한다.
DC 링크부(216)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(212) 사이에 연결되어 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 유지시킨다. 제1 노드(N1)는 발전 시스템(230) 또는 계통(240)의 순시 전압 강하, 부하(250)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 컨버터(213) 및 양방향 인버터(212)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(216)는 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨 안정화를 위해 구비될 수 있으며, 예를 들면, 커패시터 등으로 구현될 수 있다. 상기 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 DC 링크부(216)가 별도로 구비된 예를 도시하였지만, DC 링크부(216)가 양방향 컨버터(213), 양방향 인버터(212), 또는 전력 변환부(211) 내에서 구현되는 실시예 또한 가능하다.
양방향 인버터(212)는 제1 노드(N1)와 계통(240) 사이에 연결되는 전력변환기이다. 양방향 인버터(212)는 전력 변환부(211)로부터 출력된 직류 전력을 전력 계통(240)의 교류 전력으로 변환하거나, 양방향 컨버터(213)로부터 출력된 직류 전력을 전력 계통(240)의 교류 전력으로 변환하는 인버터 기능을 수행한다. 또한, 전력 계통(240)으로부터 공급된 상용 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달하는 정류 기능을 수행한다. 또한, 양방향 인버터(212)는 통합 제어기(214)의 제어에 따라 변환 효율을 제어한다.
예를 들어, 양방향 인버터(212)는 계통(240)으로부터 입력되는 AC 전압을 배터리(220)에 저장하기 위한 DC 전압으로 정류하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(212)는 발전 시스템(230) 또는 배터리(220)로부터 출력된 DC 전압을 계통(240)의 AC 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(212)는 계통(30)으로 출력되는 AC 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
양방향 컨버터(213)는 제1 노드(N1)와 배터리(220) 사이에 연결되는 전력변환기이다. 양방향 컨버터(213)는 제1 노드(N1)를 통해 공급된 직류 전력을 다른 크기의 직류 전력으로 변환하여 배터리(220)에 전달한다. 또한, 배터리(220)에 저장된 직류 전력을 다른 크기의 직류 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 또한, 제3 전력 변환부(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 변환 효율을 제어한다.
예를 들어, 양방향 컨버터(213)는 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압을 배터리(220)에 저장하기 위한 DC 전압으로 변환하고, 배터리(220)에 저장된 DC 전압을 제1 노드(N1)에 전달하기 위한 DC 링크 전압 레벨로 변환한다. 예를 들면, 양방향 컨버터(213)는 발전 시스템(230)에서 발전된 직류전력을 배터리(220)에 충전하는 경우 또는 계통(240)에서 공급된 교류 전력을 배터리(220)에 충전하는 경우, 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨을 배터리 저장 전압으로 감압하는 벅 컨버터로 동작한다. 또한, 양방향 컨버터(213)는 배터리(220)에 충전된 전력을 계통(240) 또는 부하(250)에 공급하는 경우, 배터리 저장 전압을 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 승압하는 부스트 컨버터로 동작한다.
배터리(220)는 발전 시스템(230) 또는 계통(240)으로부터 공급된 전력을 저장한다. 배터리(220)는 저장 전력을 방전하며, 하나 이상의 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되어 용량 및 출력을 증가시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 배터리(220)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(220)의 개수는 전력 관리 시스템(110)에 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 결정될 수 있다.
BMS(215)는 배터리(220)에 연결되고, 통합 제어기(214)의 제어에 따라 배터리(220)의 충방전 동작을 제어한다. 배터리(220)로부터 양방향 컨버터(213)로의 방전 전류 및 양방향 컨버터(213)로부터 배터리(220)로의 충전 전류는 BMS(120)를 통해서 전달된다. 또한, BMS(215)는 배터리(220)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(215)는 배터리(220)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명 등을 모니터링하고, 관련 정보를 통합 제어기(214)에 전송할 수 있다. 본 실시예에서는 BMS(215)가 배터리(220)와 분리되어 구비되어 있지만, BMS(215)와 배터리(220)가 일체로 배터리 팩으로 구성될 수 있음은 물론이다.
통합 제어기(214)는 발전 시스템(230) 및 계통(240)의 상태를 모니터링하여, BMS(215), 양방향 컨버터(213), 양방향 인버터(212) 및 전력변환부(211)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(214)는 배터리(220)의 배터리 잔존 용량(State of Charge)이 안전 영역에서 운용 되도록 양방향 인버터(212)의 출력 전력을 제어한다. 발전시스템(230)과 배터리(220)의 연결 방식에 의해 양방향 인버터(212)는 발전시스템(230)의 불안정한 에너지원을 배터리(220)를 통해 안정되게 출력한다. 이때 양방향 인버터(212)의 출력 전력을 제어함으로써 안정된 배터리(220) 운영을 제어할 수 있다. 통합 제어기(214)는 양방향 인버터(212)의 출력 전력을 일정하게 제어하여, SOC의 안전 영역에서 배터리(220)의 충방전이 이루어지도록 한다.
이하에서는 발전 시스템(230)이 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 어레이를 포함하는 태양 발전 시스템인 경우를 예로서 설명하겠으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고 다른 발전 시스템에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 인버터의 출력 전력과 배터리 잔존 용량(SOC)의 안전 영역과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 2를 함께 참조하면, 양방향 인버터(212)의 출력 전력(Pinv)(이하, '인버터 출력 전력'이라 함)은 전력변환부(211)를 통해 출력되는 발전 시스템(230)의 발전 전력(Pmppt)과 양방향 컨버터(213)를 통해 출력되는 배터리(220)의 배터리 전력(Pbat)의 합이다. 배터리 전력(Pbat)은 방전시 (+) 값, 충전시 (-) 값으로 나타낸다.
Pinv = Pmppt + Pbat .....(1)
일일 총발전량으로 보면, 식 (1)에서, 인버터 출력 전력(Pinv)을 발전 전력(Pmppt)과 같게 설정한다면, 배터리 출력 전력(Pbat)은 0이 된다. 따라서, 발전 전력(Pmppt)을 미리 예측하고, 인버터 출력 전력(Pinv)을 예측 발전 전력(Pmppt')으로 일정하게 제어함으로써 배터리의 SOC를 안전 영역에서 운용할 수 있다. 이를 도식화한 것이 도 3이다.
도 3은 인버터 출력 전력(Pinv)과 배터리의 SOC 변화 추이를 나타내고 있다. PV(photovoltaic) 발전 곡선은 태양광의 일일 발전 특성 곡선을 나타낸다. a는 예측한 발전 전력(Pmppt')이다.
인버터 출력 전력(Pinv)을 a로 설정하면, SOC 변화 추이는 A-1과 같이 초기 SOC를 기준으로 정현파의 모양으로 충방전이 이루어 지게 된다. 초기 SOC는 SOC 허용 범위의 1/2, 즉 하기 식 (2)와 같다.
초기 SOC = (최대 SOC(Max SOC) - 최소 SOC(Min SOC)) / 2 .....(2)
그러나, 인버터 출력 전력(Pinv)을 b 또는 c로 설정하면, SOC 변화 추이는 B-1 또는 C-1과 같이 Max SOC 또는 Min SOC를 벗어난다. SOC가 Max SOC 또는 Min SOC에 가까워 지면, SOC의 정확도가 나빠진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 통합 제어기(214)는 날씨 예측부(310), 발전량 예측부(330), 및 발전량 데이터베이스(350)를 포함할 수 있다.
날씨 예측부(310)는 하나 이상의 날씨 파라미터를 정의하고, 각 날씨 파라미터의 발전 전력과의 상관관계를 기초로 각 날씨 파라미터의 게인(Gain)을 산출한다. 날씨 예측부(310)는 하나 이상의 날씨 파라미터를 정규화하고, 정규화된 날씨 파라미터에 해당 게인을 곱하여 합함으로써 날씨 예측 결과를 산출한다. 날씨 파라미터는 일사량, 운량, 기온 등을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 날씨 파라미터를 사용할 수 있다. 날씨 파라미터는 지역별 일기 예보를 기초로 획득할 수 있다.
날씨 예측 결과 = Ax + By + Cz + …… .....(3)
이때, "A, B, C"가 날씨 파라미터이고, "x, y, z"는 각각의 날씨 파라미터에 대한 게인이 될 수 있다.
날씨 예측부(310)는 정해진 기준에 따라, 일일 단위 또는 하루를 일정 시간 단위로 나누고 각 시간 단위마다 날씨 예측 결과를 수치화하여 산출할 수 있다.
발전량 예측부(330)는 날씨 예측 결과에 매칭하는 발전량 데이터베이스(350)의 실제 날씨에 대응하는 실제 발전 전력을 기초로 예측 발전 전력을 산출한다. 발전량 예측부(330)는 매칭하는 실제 날씨가 없는 경우, 평균 보간법을 통해 예측 발전 전력을 산출할 수 있다. 발전량 예측부(330)는 정해진 기준에 따라, 일일 단위 또는 하루를 일정 시간 단위로 나누고 각 시간 단위마다 예측 발전 전력을 산출할 수 있다.
발전량 데이터베이스(350)는 실제 날씨와 발전 시스템의 실제 발전 전력 관계를 날짜별 및/또는 기간별로 저장하고 있다. 여기서 실제 날씨는 날씨 예측부(310)의 날씨 예측 연산과 동일한 연산에 의해 해당 날짜 및/또는 해당 기간의 날씨를 수치화한 값이다. 실제 일사량, 운량, 기온 등의 각 날씨 파라미터와 정해진 게인의 곱의 합으로 수치화된 실제 날씨와 실제 발전 전력의 관계를 룩업 테이블로 기록하거나 또는 그래프로 작성하여 데이터베이스를 구축한다.
하기 표 1은 발전량 데이터베이스(350)에 저장된 날짜 - 실제 날씨 - 실제 발전 전력 관계를 기록한 예를 도시하고 있다. 표 1을 참조하면, 날씨 예측 결과가 5.8로 산출된 경우, 예측 발전 전력은 11.6 kWh 로 산출될 수 있다.
날짜 실제 날씨 실제 발전 전력 (kWh)
0516 9.75 19.5
0517 9.6 19.2
0518 7.715 15.43
0520 2.255 4.51
0524 8.155 16.31
0525 5.065 10.13
0526 1.935 3.87
0527 3.96 7.92
0530 7.165 14.33
0531 3.645 7.29
0602 2.79 5.58
0603 9.575 19.15
0607 7.935 15.87
0608 8.65 17.3
0609 5.305 10.61
0610 3.695 7.39
0614 6.6 13.2
0616 9.025 18.05
0620 8.55 17.1
0621 7.825 15.65
0622 3.45 6.9
0623 0.865 1.73
0627 1.45 2.9
0629 1.925 3.85
0701 4.66 9.32
0705 8.175 16.35
0708 1.34 2.68
0715 3.16 6.32
0718 8.6 17.2
0720 9.02 18.04
0722 2.445 4.89
통합 제어기(214)는 양방향 인버터(212)의 인버터 출력 전력(Pinv)을 예측 발전 전력으로 제어한다. 양방향 인버터(212)의 인버터 출력 전력(Pinv)이 일정한 값으로 제어됨으로써, 배터리(220)의 충방전, 즉 배터리 잔존 용량(State of Charge)이 도 3에 도시된 바와 같이 SOC 허용 범위 내의 안전 영역에서 제어될 수 있다. 통합 제어기(214)는 예를 들어, 하루, 오전/오후, 8시간 단위, 등등 날씨 예측 및 발전 전력 예측의 산출 시간 단위를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하며, 양방향 인버터의 출력을 제어한다. 여기서 발전 시스템은 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 어레이를 포함하는 태양광 발전 시스템을 예로서 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 태양광 에너지가 날씨에 따라 출력 특성이 크게 변하므로, 배터리를 통해 안정적으로 계통 및/또는 부하로 전력을 출력할 수 있다. 이때 발전 시스템의 발전 전력과 배터리의 전력을 계통으로 출력하는 인버터의 출력 제어는 실시간 전력 거래의 핵심이 되며, 인버터의 출력 제어를 어떻게 수행하느냐는 배터리를 어떻게 운영하는가의 문제가 된다. 본 발명의 실시예는 인버터의 출력을 날씨를 기초로 산출된 발전 시스템의 예측 발전 전력으로 제어함으로써 배터리의 SOC가 안전 영역에서 운영되도록 한다.
도 5를 참조하면, 에너지 저장 시스템은 지역별 일기 예보에서 날씨 정보를 수집하여 날씨를 예측한다(S510). 에너지 저장 시스템은 정해진 시간 단위로 하나 이상의 날씨 파라미터를 정규화하고, 정규화된 날씨 파라미터에 게인을 곱하여 합하는 가중합을 계산하고, 이렇게 수치화된 값을 날씨 예측 결과로서 산출한다. 게인은 날씨 파라미터와 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 산출된다.
에너지 저장 시스템은 날씨 예측 결과를 발전량 데이터베이스의 실제 날씨와 비교하여 매칭하는 날씨를 찾고, 매칭하는 실제 날씨에 대응하는 실제 발전 전력으로부터 예측 발전 전력을 산출한다(S530). 발전량 데이터베이스는 실제 날씨와 발전 시스템의 실제 발전 전력 간의 관계를 기록한 룩업 테이블 또는 그래프 등을 미리 획득하여 저장하고 있다. 실제 날씨는 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱을 합한 값으로 수치화된 값으로 표현된다. 게인은 날씨 파라미터와 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 산출된다. 날씨 예측시 이용되는 날씨 파라미터와 게인은 발전량 데이터베이스의 실제 날씨 표현에 이용되는 날씨 파라미터와 게인과 동일하다. 발전량 데이터베이스는 날짜별, 시간별로 구축될 수 있다. 에너지 저장 시스템은 발전량 데이터베이스의 데이터에 보간법을 이용하여 예측 발전 전력을 산출할 수 있다.
에너지 저장 시스템은 인버터 출력 전력을 예측 발전 전력으로 제어한다(S550). 예측 발전 전력을 인버터 출력으로 설정함으로써 인버터 출력을 일정하게 제어함으로써, 배터리의 충방전이 SOC 허용 범위 내의 안전 영역에서 이루어진다. 이에 따라 에너지 저장 시스템의 계통 및/또는 부하로의 출력 또한 안정적으로 이루어질 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100,200: 계통 연계형 에너지 저장 시스템
110: 전력 관리 시스템
120: 저장 장치
130,230: 발전 시스템
140,240: 전력 계통
150,250: 부하
211: 전력 변환부
212: 양방향 인버터
213: 양방향 컨버터
214: 통합 제어기
215: BMS
216: DC 링크부

Claims (15)

  1. 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
    상기 발전 시스템의 발전 전력과 상기 배터리의 전력을 상기 계통으로 출력하는 양방향 인버터; 및
    상기 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량 허용 범위에서 이루어지도록, 상기 인버터의 출력 전력을 날씨를 기초로 산출된 상기 발전 시스템의 예측 발전 전력으로 제어하는 통합제어기;를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통합제어기는,
    일기 예보에서 수집된 하나 이상의 날씨 파라미터를 기초로 날씨를 예측하는 날씨 예측부;
    실제 날씨와 상기 발전 시스템의 실제 발전 전력 간의 관계를 저장한 발전량데이터베이스; 및
    상기 날씨 예측 결과를 상기 발전량데이터베이스의 실제 날씨와 비교하여, 상기 실제 발전 전력으로부터 예측 발전 전력을 산출하는 발전량 예측부;를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 날씨 예측부는,
    날씨 파라미터와 상기 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 게인을 산출하고, 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱의 합을 상기 날씨 예측 결과로서 산출하는, 에너지 저장 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실제 날씨는 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱을 합한 값으로 수치화된, 에너지 저장 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 날씨 파라미터는 일사량, 운량, 기온을 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 최대 잔존 용량과 최소 잔존 용량 차의 절반을 기준으로 상기 최대 잔존 용량과 상기 최소 잔존 용량 사이에서 상기 배터리가 충방전 되도록 제어하는 배터리 관리부;를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발전 시스템에서 출력되는 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 전력 변환부;
    상기 배터리의 출력 전압과 상기 직류 링크 전압 간의 상호 변환이 가능한 양방향 컨버터; 및
    상기 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부;를 더 포함하고,
    상기 양방향 인버터는, 상기 직류 링크 전압을 상기 계통의 교류 전압으로 변환하고, 상기 계통의 교류 전압을 상기 직류 링크 전압으로 변환하는, 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발전 시스템은 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 어레이를 포함하는 태양광 발전 시스템인, 에너지 저장 시스템.
  9. 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 있어서,
    날씨를 기초로 상기 발전 시스템의 예측 발전 전력을 산출하는 단계; 및
    상기 배터리의 충방전이 배터리 잔존 용량 허용 범위에서 이루어지도록, 상기 예측 발전 전력을 상기 발전 시스템의 발전 전력과 상기 배터리의 전력을 상기 계통으로 출력하는 인버터의 출력으로 제어하는 단계;를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 예측 발전 전력 산출 단계는,
    일기 예보에서 수집된 하나 이상의 날씨 파라미터를 기초로 날씨를 예측하는 단계; 및
    상기 날씨 예측 결과를, 실제 날씨와 상기 발전 시스템의 실제 발전 전력 간의 관계를 저장한 발전량데이터베이스의 상기 실제 날씨와 비교하여, 상기 실제 발전 전력으로부터 예측 발전 전력을 산출하는 단계;를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 날씨 예측 단계는,
    날씨 파라미터와 상기 발전 시스템의 발전 전력 간의 상관관계를 기초로 게인을 산출하는 단계; 및
    하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱의 합을 상기 날씨 예측 결과로서 산출하는 단계;를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 실제 날씨는 하나 이상의 날씨 파라미터와 게인의 곱을 합한 값으로 수치화된, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 날씨 파라미터는 일사량, 운량, 기온을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 배터리는, 상기 배터리의 최대 잔존 용량과 최소 잔존 용량 차의 절반을 기준으로 상기 최대 잔존 용량과 상기 최소 잔존 용량 사이에서 충방전 되도록 제어되는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 발전 시스템은 태양광 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 어레이를 포함하는 태양광 발전 시스템인, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
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