KR20140067746A - 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치 - Google Patents

신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 배터리 충전 또는 방전 제어 신호에 따른 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하고, 결정된 운전 모드를 에너지 관리 시스템으로 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 배터리의 충방전 제어 신호에 따라 배터리를 충전 또는 방전시키고, 이에 따라 전력 접점단(DC-link)에서 배터리, 신 재생에너지, 계통 각각의 전력 관계가 '0'이 되도록 제어함으로써, 에너지 저장 장치의 운전 모드를 자동적으로 결정할 수 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장 장치의 운전 모드를 배터리의 충방전 제어신호만을 수신하여 자동적으로 결정함으로써, 각 링크의 입출력 방향 제어를 위한 릴레이 스위치(Relay Switch) 등을 제거할 수 있고, 이를 통해 입출력 방향의 전환을 고속 동작시킬 수 있는 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치 {Method for transferring mode of new renewable energy grid-connected energy storage device and apparatus thereof}
본 발명은 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 배터리 충전 또는 방전 제어 신호에 따른 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하고, 결정된 운전 모드를 에너지 관리 시스템으로 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
신 재생에너지란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 의미하며, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원이다. 이러한 신 재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
이러한 신 재생에너지와 계통에 의한 전력을 기초하여 배터리에 충전 또는 방전하는 방법에는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 배터리를 그대로 병렬로 연결한 모델과 두 번째는 충, 방전기를 배터리에 추가 한 모델이 있다.
첫 번째로 배터리를 그대로 연결한 경우 전력 접점단(DC-link)의 전압을 제어하여 전위차를 변경함으로서, 배터리를 충전 또는 방전하게 된다. 그러나 이 경우 배터리는 항상 연결되어 있기 때문에 배터리를 필요 이상으로 많이 사용하여 노후가 빨라지는 단점이 있으며, 인버터 운전에 따른 저주파 리플이 배터리에 영향을 미치게 된다. 또한, 배터리의 충, 방전을 하지 않게 하기 위해 정전위로 만들어도 센싱오차 및 외부영향에 의해 계속하여 흔들리게 되는 문제점이 존재한다. 또한, 리튬이온 배터리 충전 방식으로 많이 쓰이는 정전류-정전압(CC-CV 제어) 방법을 사용하기 힘든 단점이 있다.
두 번째로 충, 방전기를 추가한 모델에서도 외부에서 전체의 지령을 전달하는 경우 속응성이 문제가 되며 내부에서 처리하는 프로세서의 경우 연산을 내부 프로세서에서 처리 함으로서 유저가 원하는 상황에 동작할 때 정확성이 떨어지는 단점이 존재 한다.
이러한 에너지 저장장치의 효율을 개선하기 위하여 국내등록특허 제10-1034271호 "전력 계통의 운전 예비력 공급시스템 및 그 제어방법"에서는 에너지 저장장치를 상시 운전하지 않고, 연계용량이 제한되는 주요 원인인 계통고장에 의한 신 재생에너지 전원 탈락 시에만 과도적으로 에너지를 공급함으로써, 잦은 충, 방전을 피하고, 상대적으로 에너지저장시스템의 용량을 줄이면서, 신 재생에너지전원의 도입용량을 증대 시키는 기술을 나타내었다.
그러나 상기 선행기술에 의하더라도 외부에서 전체의 지령을 전달하는 경우 속응성이 문제가 되며 내부에서 처리하는 프로세서의 경우 연산을 내부 프로세서에서 처리 함으로서 유저가 원하는 상황에 동작할 때 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1034271호 (등록일: 2011.05.03)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 도출된 것으로서, 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호에 따른 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정할 수 있는 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 배터리의 충방전 제어 신호에 따라 배터리를 충전 또는 방전시키고, 이에 따라 전력 접점단(DC-link)에서 배터리, 신 재생에너지, 계통 각각의 전력 관계가 '0'이 되도록 제어함으로써, 에너지 저장 장치의 운전 모드를 자동적으로 결정할 수 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장 장치의 운전 모드를 배터리의 충방전 제어신호만을 수신하여 자동적으로 결정함으로써, 각 링크의 입출력 방향 제어를 위한 릴레이 스위치(Relay Switch) 등을 제거할 수 있고, 이를 통해 입출력 방향의 전환을 고속 동작시킬 수 있는 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장장치의 모드 전환 장치는 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하는 수신부, 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 제어부, 충전 또는 방전이 제어된 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하는 운전 모드 결정부 및 결정된 에너지 저장 장치의 운전 모드를 에너지 관리 시스템으로 전송하는 전송부를 포함한다.
이때, 운전 모드 결정부는 배터리, 신 재생에너지 및 계통 간에 공통적으로 연결되는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력 관계에 기초하여 운전 모드를 결정한다.
또한, 전력 접점단(DC-link)에서의 전력이 '0'이 되도록 전력 접점단의 전력을 제어하고, 전력 접점단의 전력 제어를 통해 운전 모드를 결정한다.
제어부는 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 충전 또는 방전 제어신호의 배터리 전류 지령치에 기초하여 배터리의 충전 또는 방전을 제어한다.
또한, 에너지 관리 시스템으로부터 충전 제어신호가 수신되는 경우 배터리의 미리 결정된 SOC(state of charge)를 기준으로 정전류 충전 방식과 정전압 충전 방식을 순차적으로 선택하여 상기 배터리의 충전을 제어한다.
본 발명은 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호에 따른 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정함으로써, 각 링크의 입출력 방향 제어를 위한 릴레이 스위치 등을 제거할 수 있고, 이를 통해 입출력 방향의 전환을 고속 동작시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 전력 접전단 (DC-link)에서 전력 제어를 수행함으로써, 충방전기에서 추가적으로 들어오는 전력을 순시적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법 에 대한 동작흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 운전 모드의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치 제어기의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전에 대한 동작흐름도를 나타낸 것이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
계통 연계형 에너지 저장장치는 신 재생에너지의 발전과 계통을 이용하여 계통 에너지를 공급하는 것뿐만 아니라 배전망의 고도화를 추구하는 것을 목적으로 한다. 계통 연계형 에너지 저장장치는 망의 고도화를 위해 첨두 부하 삭감 (Peak Cut Shaving)과 부하 평준화(Load Leveling)라는 두 가지의 큰 역할을 수행한다.
1) 첨두 부하 삭감은 사용자가 전기 부하를 많이 사용 할 때 그 일부를 미리 저장해 두었던 에너지를 사용하여 첨두 부하를 줄이는 것으로, 일 예로 여름철 냉방 수요 증가에 따라 전력공급이 부족해 지는 현상이 발생하는데 배전망의 부담을 줄이기 위해 전기 수요가 많을 때 발전을 한다.
2) 부하 평준화는 첨두 부하 삭감 이외에도 전기를 많이 사용하지 않는 시간에 충전하여 전기를 많이 사용하는 시간에 방전함으로써, 부하사용 곡선을 평평하게 만드는 것이다. 이를 위해 미리 저장된 부하 사용 패턴으로 충전과 방전 스케줄링을 한다면 배전망 입장에서는 갑자기 변동하는 부하를 위해 화력발전, 양수 발전을 사용하지 않고 기저 발전소를 이용하여 발전량을 조절 할 수 있다.
본 발명에서는 이런 계통 연계형 에너지 저장 장치의 운전 모드를 빠르게 결정하는 것으로, 에너지 관리 시스템(EMS)으로부터 수신된 충전 또는 방전 제어 신호에 따른 배터리, 신 재생에너지, 및 계통 각각의 전력 관계를 전력 접점단에서 제어함으로써, 각 링크의 입출력 방향 제어를 위한 릴레이 스위치 등을 제거하고, 이를 통해 입출력 방향의 전환을 고속 동작시키고자 하는 것이다.
여기서, 운전 모드는 신 재생에너지, 배터리 및 계통 간의 에너지 입출력 관계에 따라 발생되는 에너지 흐름을 의미하는 것으로, 신 재생에너지의 에너지 생성 여부, 배터리의 충방전 여부, 계통과 에너지 저장 장치 간의 에너지 입출력 관계에 따라 8가지의 운전 모드가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 방법에 대한 동작흐름도를 나타낸 것으로, 신 재생에너지 계통연계형 시스템을 구성하는 PCS (Power Conversion System)에서 이루어지는 동작 흐름도이다.
신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 운전 모드 전환 방법은 우선, 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신한다(S110).
여기서, 에너지 관리 시스템은 전력 계통을 관리할 수 있는 시스템에서의 에너지 관리 시스템 뿐만 아니라 사용자의 개인 PC, 터치패널 또는 스마트폰과 같이 사용자의 명령이 전달될 수 있는 장치 및 개념을 모두 포함 할 수 있다.
이후, 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 배터리의 충전 또는 방전을 제어한다(S120). 이때, 단계 S120은 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 배터리 충전 또는 방전 제어신호의 배터리 전류 지령치에 기초하여 배터리의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
또한, 에너지 관리 시스템으로부터 배터리 충전 제어신호가 수신되는 경우 배터리의 미리 결정된 SOC(state of charge)를 기준으로 정전류 충전 방식과 정전압 충전 방식을 순차적으로 선택하여 배터리의 충전을 제어 할 수 있다. 예를 들어 SOC(state of charge)의 기준이 80%로 설정된 경우, 배터리의 SOC(state of charge)가 80%이하일 때는 정전류 충전 방식을 이용하여 배터리를 충전하고 SOC(state of charge)가 80%를 초과하고 100%미만일 경우, 정전압 충전 방식을 이용하여 배터리를 충전한다.
이후, 충전 또는 방전이 제어된 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정한다(S130). 이때, 신 재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 포함하고, 계통은 발전소, 변전소, 송전선을 포함할 수 있다.
이때, 단계 S130은 배터리, 신 재생에너지 및 계통 간에 공통적으로 연결되는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력 관계에 기초하여 운전 모드를 결정할 수 있다. 더 나아가, 단계 S130은 전력 접점단(DC-link)에서의 전력이 '0'이 되도록 전력 접점단의 전력을 제어하고, 전력 접점단의 전력 제어를 통해 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정할 수 있다.
이후, 결정된 에너지 저장 장치의 운전 모드를 에너지 관리 시스템으로 전송한다(S140). 이때, 에너지 관리 시스템(EMS)은 단계 S140에 의해 수신된 에너지 저장 장치의 운전 모드를 미리 결정된 방식 예를 들어, 디스플레이, 음향, 진동 등으로 사용자에게 알릴 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장장치의 모드 전환 장치의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
신 재생에너지 계통연계형 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치(200)는 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하는 수신부(210), 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 제어부(220), 충전 또는 방전이 제어된 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하는 운전 모드 결정부(230), 및 결정된 에너지 저장 장치의 운전 모드를 에너지 관리 시스템으로 전송하는 전송부(240)를 포함한다.
수신부(210)는 배터리의 충전 또는 방전에 대한 전류 지령치를 포함하는 충전 또는 방전 제어 신호를 수신한다. 여기서, 수신부(210)는 배터리의 충전, 방전, 정지 동작에 대한 전류 지령치를 충전 또는 방전 제어 신호를 통해 수신할 수 있다.
제어부(220)는 수신부(210)로 수신되는 전류 지령치에 기초하여 배터리의 충전, 방전 또는 정지 동작을 제어한다.
이런, 제어부(220)는 에너지 관리 시스템으로부터 충전 제어신호가 수신되는 경우 배터리의 미리 결정된 SOC(state of charge)를 기준으로 정전류 충전 방식과 정전압 충전 방식을 순차적으로 선택하여 상기 배터리의 충전을 제어한다. 예를 들어 SOC(state of charge)의 기준이 80%로 설정된 경우, 제어부(220)는 배터리의 SOC(state of charge)가 80%이하인 경우에는 정전류 충전 방식을 이용하여 배터리를 충전하고 SOC(state of charge)가 80%를 초과하고 100%미만일 경우에는, 정전압 충전 방식을 이용하여 배터리를 충전한다.
운전 모드 결정부(230)는 배터리, 신 재생에너지 및 계통 간에 공통적으로 연결되는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력 관계에 기초하여 운전 모드를 결정한다.
이때, 운전 모드 결정부(230)는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력이 '0'이 되도록 전력 접점단의 전력을 제어하고, 전력 접점단의 전력 제어를 통해 운전 모드를 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 운전 모드의 개념적인 구성을 나타낸 것으로, 태양광을 이용하여 신 재생에너지를 생성하는 시스템에 대한 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
태양광 발전 시스템에서 에너지 저장 장치의 운전 모드는 8가지 모드로 나타낼 수 있다.
이때, 크게 에너지 관리 시스템으로부터 배터리 방전 제어 신호를 수신하였을 경우, 배터리 충전 제어 신호를 수신하였을 경우, 배터리 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하지 않았을 경우를 포함하여 3가지 경우로 나타낼 수 있고, 배터리 방전 제어 신호를 수신하였을 경우에는 태양이 있는 낮과 태양이 없는 밤의 경우 두 가지로 나눌 수 있다.
에너지 저장 장치(330)는 배터리 방전 제어 신호를 수신하였을 때 낮인 경우 배터리(320)의 방전을 제어하고, 방전이 제어된 배터리(320), 신 재생에너지(310)와 계통(340) 간의 전력 관계가 '0'이 되도록 전력 접점단을 제어함으로써, 신 재생에너지(310)의 전력을 계통(340)으로 전달한다.
따라서, 에너지 저장 장치(330)는 방전 제어 신호에 따라 신 재생 에너지가 계통(340)으로 전달되는 제2 모드로 자동 결정된다.
반면, 에너지 저장 장치(330)는 배터리 방전 제어 신호를 수신하였을 때 밤인 경우, 배터리(320)의 방전을 제어하고, 방전이 제어된 배터리, 신 재생에너지와 계통의 전력 관계가 '0'이 되도록 전력 접점단을 제어하면 배터리의 전력만이 계통으로 전달되기 때문에 에너지 저장 장치는 운전 모드를 제6 모드로 결정하게 된다.
마찬가지로, 에너지 저장 장치(330)는 배터리 충전 제어 신호를 수신하였을 때 낮인 경우, 배터리(320)의 충전을 제어하고, 충전이 제어된 배터리(320), 신 재생에너지(310)와 계통(340)의 전력 관계가 '0'이 되도록 전력 접점단을 제어하는데, 전력 접점단의 전력 제어에 따라 신 재생에너지(310)의 전력이 배터리(320)와 계통(340)으로 전달되면 제3 모드로 자동 결정되고, 신 재생에너지(310)의 전력만으로 배터리(320)가 충전되면 제4 모드로 자동 결정되며, 신 재생에너지(310)의 전력과 계통(340)의 전력에 의해 배터리(320)가 충전되면 제5 모드로 결정된다.
이와 같은 방식으로, 에너지 저장 장치(330)는 배터리의 충방전 제어 신호와 주변 환경 예를 들어, 낮 또는 밤 그리고 전력 접점단에서의 전력 제어에 의하여 제1 모드, 제7 모드, 제8 모드 또한 자동 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치 제어기의 개념적인 구성을 나타낸 것이다.
에너지 저장 장치 제어기는 배터리(440)의 충전 또는 방전 제어 신호를 전달하는 에너지 관리 시스템(410)과, 배터리(440), 배터리(440)의 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(430), 운전 모드 전환 장치(200), 운전 모드 전환 장치(200)를 제어하기 위한 운전 모드 전환 장치 컨트롤러(420), 신 재생에너지(450), 계통(460)으로 나타낼 수 있다.
이때, 에너지 관리 시스템(410)은 전력 계통을 관리할 수 있는 시스템에서의 에너지 관리 시스템 뿐만 아니라 사용자의 개인 PC, 터치패널 또는 스마트폰과 같이 사용자의 명령이 전달 되는 장치 및 개념을 모두 포함 할 수 있다.
또한, 배터리(440)의 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(430)은 배터리(440)의 상태를 운전 모드 전환 장치(200)로 단?향으로 보낼 수 있다.
운전 모드 전환 장치(200)는 신 재생에너지(450)로부터 들어오는 DC전압을 일정 DC 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(470)와, 계통(460)으로부터 들어오는 AC 전압을 DC로 전환하고 DC 전압을 AC 전압으로 전환하여 계통(460)로 전달하는 인버터(480) 및 배터리(440)의 충전 또는 방전을 제어하는 충방전기(490)을 포함 한다.
운전 모드 전환 장치 컨트롤러(420)는 에너지 관리 시스템(410)으로부터 배터리(440)의 충전 또는 방전 제어 신호가 수신되지 않을 경우, 전력 접점단의 전력 제어를 통해 도3에 나타낸 제1 모드와 제8 모드의 계통연계형 운전 모드 전환 장치(200)의 기능을 수행할 수 있다.
에너지 관리 시스템(410)으로부터 배터리(440) 전류 지령치의 명령이 들어올 경우에는 배터리(440) 방전모드인 제2 모드, 제6 모드 두 가지와 배터리(440) 충전 모드 제3 모드, 제4 모드, 제5 모드, 제7 모드 네 가지를 전력 접점단의 전력 제어를 통해 운전 모드 전환을 수행하고, 수행된 운전 모드를 에너지 저장 장치의 운전 모드로 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치의 구조를 나타낸 것이다.
운전 모드 전환 장치(200)의 구조는 신 재생에너지(450)인 태양광입력은 Vsol이며 DC-DC 컨버터(470) 중 부스트 컨버터의 구조를 갖는다. 예를 들어, 3kW 급 태양광 모듈의 경우 태양광 전력을 최대 전력점 추종 운전을 위해 전압범위를 200V ~ 400V 로 잡는다. 전력 접점단(DC-link)의 전압이 항상 380V를 유지 하기 위해서 승압 형 컨버터를 사용할 수 있다.
계통연계형 인버터(480)의 경우 현재 단상으로 되어있지만 단상으로 한정하지 않고 삼상 역시 동일하게 운전한다. 이런 계통연계형 인버터(480)는 전력 접점단(DC-link)의 전력을 계통과 연계하여 발전하며 때에 따라서 계통의 전력을 사용하여 배터리(440)를 충전하기 때문에 양방향 운전을 하게 된다. 전력 접점단(DC-link)에는 배터리(440) 전압과 링크 단의 전압이 차이가 나므로 전압의 승압 또는 강압을 제어하여 제어의 용이성을 높이기 위하여 양방향 DC-DC 컨버터를 병렬로 연결할 수 있다.
세가지 구조의 운전 모드 전환 장치가 순시적으로 제어되며 배터리(440) 전류 지령치에 따라 능동적으로 동작 할 수 있기 위해서는 전력 접점단에서의 전력 관계를 이용한 제어가 필요하고, 이에 대해 아래 수학식들을 이용하여 설명한다.
인버터(480)의 출력 각각의 노드 방정식과 메쉬(mesh) 방정식은 수학식 1,2,3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1을 통해 알 수 있듯이, 계통전압(Vs)은 출력저항(Rs)과 출력전류(is)의 곱과 출력 필터 인덕터(Ls)와 출력전류(is) 미분치의 곱 그리고 출력 커패시터 양단전압(vscon)의 합으로 나타낼 수 있으며, 출력커패시터로 가는 전류는 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 커패시터 이전 전류(icon)와 이후 전류(is)의 차이만큼 들어가는데 그것은 커패시터와 출력 전압의 미분치의 곱으로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, Ccon은 Vscon의 전압이 걸리는 커패시터를 나타낸다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, 인버터의 출력전압은 필터에 걸리는 전압과 인버터 스위칭 전압(Vcon)의 합을 의미한다.
전력 접점단(DC-link)의 전류 방정식은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
수학식 4에서 알 수 있듯이, 전력 접점단(DC link)으로 들어가는 커패시터 전류는 커패시터와 전력 접점단(DC link) 전압의 미분치의 곱이며 인버터(480)쪽에서 들어오는 전류에서 태양광 전류와 충방전기 전류를 뺀 나머지 값으로 나타낼 수 있다.
이에 따라 인버터의 순시적인 전력 방정식은 수학식 5와 같이 링크단의 입출력 전력으로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
이때, 신 재생에너지(450) 전력은 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
이때, 배터리(440) 운전 전력은 수학식 7로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00007
여기서, Vsw1과 Vsw2는 스위치 양단 전압을 나타낸다.
[수학식 8]
Figure pat00008
전력에 대한 미분 방정식으로 커패시터 전류를 표현할 수 있으며 이를 전력 접점단(DC-link)에 적용하면 양방향 인버터 전력에서 전력 접점단으로 유입되는 신 재생에너지 전력과 충방전기 전력의 차이가 되며 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00009
수학식 9에서 신 재생에너지(450) 전력과 배터리운전 전력이 모두 양방향 인버터 전력 접점단(DC-link)으로 전달됨을 의미하며 이때, 신 재생에너지(450) 전력은 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00010
이때, 배터리(440) 전력은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00011
이때, 배터리(440)의 충전이 과도한 상태에서 정상상태로 진행하는 속도가 제어기의 속도에 의하여 충분히 빠르게 진행됨을 가정하면 배터리(440)와 신 재생에너지(450) 전력의 과도함은 사라질 수 있다. 이는 두 전력 모두 DC-DC 컨버터의 전력이므로 인덕터의 전류 변화와 커패시터의 전압 변화가 없어야 함을 알 수 있으며, 이에 따라 전력 접점단(DC-link)의 전압은 수학식 13로 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00012
여기서, Vdcon_initial은 링크전압의 초기값을 나타낸다.
수학식 12을 통해 알 수 있듯이, 신 재생에너지(450)와 배터리(440)의 전력을 계통(460)으로 순시적으로 0이 되도록 제어한다면 직류전압을 일정하게 제어 할 수 있음을 의미 한다. 이를 위해, 제어속도를 500μs로 하여 과도항을 제거하고 정상상태에서 전력방정식을 '0'으로 만드는 제어를 수행한다.
이에 따라, 운전 모드 전환 장치(200)는 신 재생에너지(450)의 전력을 계통(460)으로 전달하는 제어를 능동적으로 처리하며 에너지 관리 시스템(410)에서 전달하는 전류 지령치 IBAT1에 따라 충전, 방전, 충전 및 방전 제어 신호가 없는 동작을 수행 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전에 대한 동작흐름도를 나타낸 것이다.
에너지 관리 시스템(410)으로부터 배터리의 충전 제어 신호를 수신하면 배터리(440)의 상태를 모니터링하고 보호 기능을 확인 한다(S610, S620).
이때, 보호 기능은 배터리(440)의 수명을 관리 하기 위한 기능으로 완전 방전 또는 과충전이 되는 상황을 보호하는 기능을 나타낸다.
이후, 배터리(440)의 SOC(state of charge)를 확인하고 SOC(state of charge)의 용량이 0%이상 80%이하일 경우 배터리(440)를 충전 제어 신호에 포함된 전류 지령치의 정전류 충전 모드로 충전한다(S630, S640).
이 때, 기준이 되는 80%의 SOC는 일 실시예일 뿐 기준 SOC는 바뀔 수 있다.
이후, 정전류 충전 모드를 통해 배터리(440)의 SOC가 80%를 초과하면, 급격한 과충전을 방지하기 위하여 배터리(440)를 배터리 팩전압의 정전압 충전 모드로 충전하고, 배터리(440)의 SOC(state of charge)가 100%일 경우, 배터리(440)의 충전을 완료하며 배터리(440)의 과충전을 방지하기 위한 보호 기능을 설정 할 수 있다(S650 내지 S670).
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 모드 전환 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), CD-ROM, 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. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200: 운전 모드 전환 장치
210: 수신부
220: 제어부
230: 운전 모드 결정부
240: 전송부

Claims (11)

  1. 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하는 단계;
    상기 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 단계;
    상기 충전 또는 방전이 제어된 상기 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 상기 에너지 저장 장치의 운전 모드를 상기 에너지 관리 시스템으로 전송하는 단계;
    를 포함하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전 모드를 결정하는 단계는
    상기 배터리, 상기 신 재생에너지 및 상기 계통 간에 공통적으로 연결되는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력 관계에 기초하여 상기 운전 모드를 결정하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 운전 모드를 결정하는 단계는
    상기 전력 접점단(DC-link)에서의 전력이 '0'이 되도록 상기 전력 접점단의 전력을 제어하고, 상기 전력 접점단의 전력 제어를 통해 상기 운전 모드를 결정하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 상기 충전 또는 방전 제어신호의 배터리 전류 지령치에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 충전 제어신호가 수신되는 경우 상기 배터리의 미리 결정된 SOC(state of charge)를 기준으로 정전류 충전 방식과 정전압 충전 방식을 순차적으로 선택하여 상기 배터리의 충전을 제어하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 방법.
  6. 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하는 단계;
    상기 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 단계;
    상기 충전 또는 방전이 제어된 상기 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 상기 에너지 저장 장치의 운전 모드를 상기 에너지 관리 시스템으로 전송하는 단계;
    를 포함하는 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
  7. 에너지 관리 시스템으로부터 배터리의 충전 또는 방전 제어 신호를 수신하는 수신부;
    상기 배터리의 충전 또는 방전 제어신호에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 제어부;
    상기 충전 또는 방전이 제어된 상기 배터리, 신 재생에너지 및 계통 각각의 전력 관계에 기초하여 에너지 저장 장치의 운전 모드를 결정하는 운전 모드 결정부; 및
    상기 결정된 상기 에너지 저장 장치의 운전 모드를 상기 에너지 관리 시스템으로 전송하는 전송부;
    를 포함하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 운전 모드 결정부는
    상기 배터리, 상기 신 재생에너지 및 상기 계통 간에 공통적으로 연결되는 전력 접점단(DC-link)에서의 전력 관계에 기초하여 상기 운전 모드를 결정하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운전 모드를 결정부는
    상기 전력 접점단(DC-link)에서의 전력이 '0'이 되도록 상기 전력 접점단의 전력을 제어하고, 상기 전력 접점단의 전력 제어를 통해 상기 운전 모드를 결정하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신된 상기 충전 또는 방전 제어신호의 배터리 전류 지령치에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전을 제어하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 충전 제어신호가 수신되는 경우 상기 배터리의 미리 결정된 SOC(state of charge)를 기준으로 정전류 충전 방식과 정전압 충전 방식을 순차적으로 선택하여 상기 배터리의 충전을 제어하는 에너지 저장 장치의 운전 모드 전환 장치.
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