KR20140087932A - 배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

비상시 풍력 발전 제어장치에 전력을 공급할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 상시에 풍력 발전기로부터 공급되는 전력의 일부를 배터리에 충전하거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 전력계통으로 방전하다가, 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 배터리에 저장된 전력을 방전하여 상기 풍력 발전기를 제어하는 풍력 발전 제어장치에 비상전원으로 공급하는 배터리 에너지 저장 장치; 및 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 전력계통과의 연결을 차단하여 상기 배터리로부터 방전되는 전력이 상기 전력계통으로 역류되는 것을 방지하는 역류 방지부를 포함한다.

Description

배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법 {BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM AND CONTROLLING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 배터리 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에너지 저장장치를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지가 고갈됨에 따라 대체 에너지원에 대한 필요성이 대두되고 있다. 대체 에너지원 중 풍력에 의하여 에너지를 생산하는 풍력발전은 설비투자 비용을 반영한 발전단가가 매우 저렴하여 화력발전을 대체할 수 있는 가장 경쟁력 있는 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 풍력발전은 에너지원인 바람이 기상 조건에 따라 속도와 방향이 매 순간마다 불규칙하게 변동되기 때문에 전력이 불균일하게 출력될 수 있고, 이로 인해 수요자에게 공급되는 전력 품질이 저하될 수 있다.
최근에는 풍속에 따라 블레이드의 피치 각도를 제어하여 풍력 발전량을 제어하는 풍력 발전기를 제공하고 있다. 구체적으로, 풍력 발전기는 풍속이 일정값을 초과하면, 로터의 회전 속도 및 출력 전력이 정격을 유지 또는 넘지 못하도록 블레이드의 피치 각도를 능동적으로 제어한다.
이러한 풍력 발전기는 풍력 발전 제어장치에 의하여 블레이드의 피치 각도가 제어된다. 이때, 상기 풍력 발전 제어장치는 계통으로부터 전력을 공급받게 되는데, 계통에 이상이 발생하여 전력 공급이 차단되면, 풍력 발전기에 대한 제어가 순간적으로 멈추게 된다.
이에 따라, 풍력 발전기는 풍속 변화에 따라 블레이드의 피치 각도를 적절히 조절하지 못하게 되고, 전력이 불규칙적으로 출력되어 전력 품질이 떨어지게 된다. 특히, 풍속이 일정값을 초과하는 경우에는 바람에너지를 풍력 발전기가 그대로 흡수해야 하기 때문에 내부 부품들이 과열되거나 파손될 수 있으며, 더 나아가 붕괴 사고가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비상시 풍력 발전 제어장치에 전력을 공급할 수 있는 배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 계통이 이상 상태이면 계통과 독립적인 전력 라인을 이용하여 풍력 발전 제어장치에 전력을 공급할 수 있는 배터리 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 상시에 풍력 발전기로부터 공급되는 전력의 일부를 배터리에 충전시키거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 전력계통으로 방전시키고, 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 풍력 발전기를 제어하는 풍력 발전 제어장치로 방전시키는 배터리 에너지 저장 장치; 상기 배터리 에너지 저장 장치에 대한 동작 모드로 충전 모드, 대기 모드 및 방전 모드 중 어느 하나를 결정하고, 상기 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 전력계통과의 연결을 차단하여 상기 배터리로부터 방전되는 전력이 상기 전력계통으로 역류되는 것을 방지하는 역류 방지부를 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 제어 방법은, 전력계통과 연결된 제1 전력라인을 통해 전력을 하나 이상의 배터리에 충전시키거나, 상기 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 방전하여 상기 전력계통에 공급하는 단계; 상기 전력계통에 대한 이상 상태 여부를 판단하는 단계; 및 상기 전력계통이 이상 상태로 판단되면, 상기 제1 전력라인과 독립되고 풍력 발전 제어장치와 연결된 제2 전력라인을 통해 상기 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 상기 풍력 발전 제어장치에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기를 제어하는 풍력 발전 제어장치는 전력계통에 이상이 발생하여 전력 공급이 중단되더라도 배터리 에너지 저장 장치로부터 전력을 공급받을 수 있기 때문에 풍력 발전기에 대한 지속적인 제어를 보장할 수 있고, 이에 따라 풍력 발전기에 의하여 생산된 전력에 대한 품질 신뢰도가 향상될 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 에너지 저장 장치에 의한 전력 공급으로 풍력 발전기의 유지보수 비용을 최소화시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전력계통에 이상이 발생하면, 배터리 에너지 저장 장치를 전력계통과 독립된 전력라인을 통해 풍력 발전 제어장치와 연결함으로써, 배터리 에너지 저장 장치의 전력이 전력계통으로 누수되는 것을 방지하고, 이에 따라, 배터리 에너지 저장 장치의 전력 효율을 증대시킬 수 있는 또 다른 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 에너지 저장 장치를 설명하는 구성도이다.
도 3은 도 2의 제어부를 설명하는 구성도이다.
도 4는 상시에 제1 및 제2 스위칭 장치의 연결 상태를 설명하는 도면이다.
도 5는 전력계통 이상 발생시 제1 및 제2 스위칭 장치의 연결 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 풍력 발전기(110), 풍력 발전 제어장치(120), 및 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)을 포함한다. 상기 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(130), 제어부(150) 및 역류 방지부(160)를 포함한다.
풍력 발전기(110)는 풍력 터빈을 이용하여 풍력을 전력으로 변환한다. 풍력 터빈은 복수의 블레이드들, 변속장치 및 발전기로 구성될 수 있다. 복수의 블레이드들은 풍력에 의해 회전될 수 있다. 이때 회전력은 변속장치에 전달되어 발전기를 구동시킬 수 있다. 상기 발전기는 모터의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다.
적어도 하나의 풍력 발전기(110)는 생산된 전력을 제1 전력라인(170)을 통하여 전력계통(190)에 공급한다. 여기에서, 상기 전력계통(190)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함할 수 있고, 전력거래소와 같은 전력을 구매하는 구성도 포함할 수 있다.
풍력 발전 제어장치(120)는 풍속에 따라 블레이드의 피치 각도 및 발전기의 반력 토크를 제어함으로써 풍력 발전기(110)가 고품질, 고효율의 전력을 생산하고 기계적인 하중을 최소화되도록 한다.
구체적으로, 풍력 발전 제어장치(120)는 풍속에 따라 제어 영역을 구분하여 풍력 발전기(110)에 대한 제어를 수행한다. 예컨대, 상기 제어 영역은 정격 풍속 이하인 저풍속 영역, 및 고풍속 영역으로 구분될 수 있다.
저풍속 영역에서 풍력 발전 제어장치(120)는 블레이드의 피치각을 최적값으로 고정하고, 최대의 전력을 생산할 수 있도록 발전기의 반력 토크를 제어할 수 있다.
반면, 고풍속 영역에서 풍력 발전 제어장치(120)는 발전기의 반력 토크를 최적값으로 고정하고, 로터의 회전 속도 및 발전기의 출력 전력이 정격을 유지 또는 넘지 못하도록 블레이드 피치각을 제어할 수 있다. 특히, 고풍속 영역에서의 제어는 로터, 회전축, 타워에 작용하는 공력 또는 구조적 부하를 최소화 하는 것도 중요한 목적이 될 수 있다.
이러한 풍력 발전 제어장치(120)는 전력계통(190)의 이상 여부에 따라 전력계통(190) 및 배터리 에너지 저장 장치(130) 중 어느 하나로부터 작동을 위한 전력을 공급받는다.
구체적으로, 풍력 발전 제어장치(120)는 평상시에 제1 전력라인(170)을 통해 전력계통(190)으로부터 전력을 공급받는다. 한편, 전력계통(190)에 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 이상이 발생하면, 풍력 발전 제어장치(120)는 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170)과 단락되고, 제2 전력라인(180)을 통해 배터리 에너지 저장 장치(130)로부터 전력을 공급받는다.
배터리 에너지 저장 장치(130)는 전력계통(190)의 이상 상태여부에 따라 제1 전력라인(170) 및 제2 전력라인(180) 중 어느 하나와 연결된다.
구체적으로, 배터리 에너지 저장장치(120)는 평상시에는 제1 전력라인(170)을 통해 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력의 일부를 하나 이상의 배터리에 충전하거나, 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 전력계통(190)으로 방전한다.
한편, 전력계통(190)에 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 이상이 발생하면, 배터리 에너지 저장 장치(120)는 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170)과 단락되고, 제2 전력라인(180)을 통해 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 풍력 발전 제어장치(120)에 공급한다.
이하에서는 이러한 배터리 에너지 저장장치(130)의 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1의 배터리 에너지 저장 장치를 설명하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 에너지 저장장치(130)는 배터리 관리부(Battery Conditioning System: BCS, 210), 및 전력 관리부(Power Conditioning System: PCS, 220)를 포함한다.
먼저, 배터리 관리부(210)는 제어부(150)에 제어에 의하여 충전 모드시 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력을 하나 이상의 배터리 랙(216)에 충전하거나, 방전 모드시 하나 이상의 배터리 랙(216)에 저장되어 있는 전력을 전력계통(190)에 공급한다.
이러한 배터리 관리부(210)는 하나 이상의 배터리 랙(216)을 포함한다. 배터리 랙(216)은 하나 이상의 배터리가 패킹(Packing)되어 있는 것으로서, 내부에 포함된 하나 이상의 배터리의 충전시 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력을 공급받고, 하나 이상의 배터리의 방전시 전력계통(190)으로 전력을 제공한다.
도 2에 도시하고 있지 않지만, 배터리 관리부(210)는 배터리 모니터링부(미도시) 및 초기 충전부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
배터리 모니터링부(미도시)는 배터리 랙(216)에 포함된 하나 이상의 배터리의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 생성하여 제어부(150)에 전송한다.
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(Sate Of Health) 정보, 및 상기 각 배터리의 정격용량 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
초기 충전부(미도시)는 각 배터리 랙(216)에 연결되어 각 배터리 랙(216)에 포함된 하나 이상의 배터리에서 발생되는 돌입 전류를 방지하는 역할을 수행한다.
이러한 돌입 전류는 배터리 랙을 교체하거나 재가동하는 경우에 기존에 장착되어 있던 배터리 랙과 새로운 배터리 랙의 전압 불균형으로 인해 발생되는 것으로서, 돌입 전류로 인해 소자가 파괴되거나 화재가 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 초기 충전부(미도시)를 이용하여 각 배터리 랙(216)에서 발생되는 돌입 전류를 최소화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 초기 충전부(미도시)는 각 배터리 랙(216)을 초기 충전시킴으로써 돌입 전류 발생을 방지하기 위해, 각 배터리 랙(216)에 연결되는 저항 및 상기 저항이 전력 관리부(220)와 연결되도록 하는 스위치(212)를 포함할 수 있다.
다음, 전력 관리부(220)는 배터리 관리부(210)와 전력계통(190) 또는 풍력 발전 제어장치(120)를 연결하는 역할을 수행한다. 이러한 전력 관리부(220)는 스위치 기어(222), 변압기(224), 및 전력 변환부(226)을 포함한다.
전력 변환부(226)는 제1 전력라인(170) 또는 제2 전력라인(180)을 통해 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리 관리부(210)에 출력하거나, 배터리 관리부(210)로부터 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 전력라인(170) 또는 제2 전력라인(180)으로 출력한다.
스위치 기어(222)는 제1 전력라인(170) 또는 제2 전력라인(180)과 전력 관리부(220)를 연결시킨다. 이러한 스위치 기어(222)는 제1 제어부(230)에 의해 온오프 될 수 있으며, 구체적으로, 전력 변환부(226)에 오류, 예컨대, 과전류가 발생되면 제1 제어부(230)에 의해 오프되어 전력 관리부(210)와 외부의 연결을 차단시키게 된다.
변압기(224)는 제1 전력라인(170) 또는 제2 전력라인(180)을 통해 전력 변환부(226)로 입력되는 교류전압을 전력 변환부(226)에서 운용 가능한 교류 전압으로 감압하거나, 전력 변환부(226)로부터 출력되는 교류 전압을 승압하는 역할을 수행한다.
다시 도 1을 참조하면, 제어부(150)는 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 동작 모드 및 제어 모드를 결정하고, 결정된 모드에 따라 배터리 에너지 저장 장치(140)를 제어한다.
이하에서는 도 3을 참조하여 제어부(150)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 제어부를 설명하는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 제어부(150)는 검출부(310), 동작모드 결정부(320) 및 제어모드 결정부(330)를 포함한다.
먼저, 검출부(310)는 전력계통(190)의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 검출하여 전력계통(190)의 이상 여부를 판단한다. 이러한, 검출부(310)는 변류기(Current Transformer), 계기용 변압기(Potential Transformer) 등으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 검출부(310)는 전력계통(190)으로부터 검출된 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나가 미리 설정된 기준을 벗어나면 전력계통(190)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
도 3에서는 제어부(150)에서 독립적으로 전력계통(190)의 이상여부를 판단하는 것으로 설명하고 있지만, 다른 일 실시예에 있어서, 제어부(150)는 전력계통(190)과 연결되어 외부에 설치된 이상 감지부(195)로부터 전력계통(190)에 대한 이상상태정보를 제공받을 수도 있다.
다음, 동작모드 결정부(320)는 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 동작 모드로 충전 모드, 대기 모드, 및 방전 모드 중 어느 하나를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 배터리 에너지 저장 장치(140)의 동작을 제어한다.
구체적으로, 동작모드 결정부(320)는 충전 모드가 결정되면 배터리 에너지 저장 장치(140)가 전력을 배터리 랙(216)에 충전하도록 충전 동작을 제어하고, 방전 모드가 결정되면 배터리 에너지 저장 장치(140)가 배터리 랙(216)으로부터 전력을 방전하도록 방전 동작을 제어한다. 그리고, 동작모드 결정부(320)는 대기 모드가 결정되면 배터리 에너지 저장 장치(140)의 동작을 멈추고 대기시킨다.
한편, 동작모드 결정부(320)는 검출부(310)로부터 전력계통(190)의 이상이 감지되면, 설정된 모드에 따라 모드 변경을 수행한다.
구체적으로, 동작모드 결정부(320)는 검출부(310)에 의하여 전력계통(190) 이상이 감지되면, 현재 설정된 모드를 확인한다. 동작모드 결정부(320)는 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 동작 모드가 충전 모드이면, 동작 모드를 방전 모드로 변경하고, 배터리 에너지 저장 장치(140)의 동작을 충전에서 방전으로 전환시킨다.
또한, 동작모드 결정부(320)는 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 동작 모드가 방전 모드이면, 동작 모드를 방전 모드로 변경하고, 배터리 에너지 저장 장치(140)를 기동시킨 후 방전 동작을 제어한다.
다음, 제어모드 결정부(330)는 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 제어 모드로 전류 제어 모드 및 전압 제어 모드 중 어느 하나를 결정하고, 결정된 제어 모드에 따라 배터리 에너지 저장 장치(140)에 입력 또는 출력되는 전류 또는 전압을 제어한다.
구체적으로, 제어모드 결정부(330)는 상시에 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 제어 모드로 전류 제어 모드를 결정하고, 전류 제어 모드에 따라 배터리 에너지 저장 장치(140)에 입력 또는 출력되는 전력의 전류를 제1 일정값으로 제어한다.
한편, 제어모드 결정부(330)는 검출부(310)에 의하여 전력계통(190)의 이상이 감지되면, 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 제어 모드를 전류 제어 모드에서 전압 제어 모드로 변경하고, 전압 제어 모드에 따라 배터리 에너지 저장 장치(140)에 입력 또는 출력되는 전력의 전압을 제2 일정값으로 제어한다.
다시 도 1을 참조하면, 역류 방지부(160)는 제어부(150) 또는 이상 감지부(195)에 의하여 전력계통(190)의 이상이 감지되면, 배터리 에너지 저장 장치(140)및 전력계통(190) 간에 연결을 차단하여 배터리 에너지 저장 장치(140)로부터 방전되는 전력이 전력계통(190)으로 역류되는 것을 방지한다.
이를 위하여, 역류 방지부(160)는 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170), 및 제1 전력라인(170)과 독립된 제2 전력라인(180) 중 어느 하나를 배터리 에너지 저장 장치(140) 및 풍력 발전 제어장치(120)에 연결한다.
역류 방지부(160)는 상시에 제1 전력라인(170)과 배터리 에너지 저장 장치(140)를 연결함으로써, 배터리 에너지 저장 장치(140)가 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력의 일부를 충전하거나, 배터리 에너지 저장 장치(140)에 저장된 전력을 전력계통(190)으로 공급할 수 있도록 한다.
또한, 역류 방지부(160)는 상시에 제1 전력라인(170)과 풍력 발전 제어장치(120)를 연결함으로써, 풍력 발전 제어장치(120)가 전력계통(190)으로부터 전력을 공급받을 수 있도록 한다.
한편, 역류 방지부(160)는 전력계통(190) 이상 발생시에 제2 전력라인(180)과 배터리 에너지 저장 장치(140)를 연결함으로써, 배터리 에너지 저장 장치(140)로부터 방전된 전력이 전력계통(190)으로 역류되는 것을 방지한다. 이와 동시에, 역류 방지부(160)는 전력계통(190) 이상 발생시에 제2 전력라인(180)과 풍력 발전 제어장치(120)를 연결함으로써, 배터리 에너지 저장 장치(140)로부터 방전된 전력을 비상전력으로서 풍력 발전 제어장치(120)에 공급한다.
이러한 역류 방지부(230)는 제1 스위칭 장치(162) 및 제2 스위칭 장치(164)로 구현될 수 있다. 제1 및 제2 스위칭 장치(162, 164)는 ATS(Automatic Load Switch)로 구현될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 제1 스위칭 장치(162)는 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170), 및 제1 전력라인(170)과 독립된 제2 전력라인(180) 중 어느 하나를 배터리 에너지 저장 장치(140)에 연결한다.
제2 스위칭 장치(164)는 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170), 및 제1 전력라인(170)과 독립된 제2 전력라인(180) 중 어느 하나를 풍력 발전 제어장치(120)에 연결한다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 상시 또는 전력계통 이상 발생시에 제1 및 제2 스위칭 장치(162, 164)의 연결 상태를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 상시에 제1 및 제2 스위칭 장치의 연결 상태를 설명하는 도면이다.
제1 스위칭 장치(162)는 상시에, 도 4에 도시된 바와 같이, 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170)과 연결된다. 이에 따라, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 제1 전력라인(170)을 따라 풍력 발전기(110) 및 전력계통(190)과 연결될 수 있다.
이때, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 제어부(150)의 제어에 의하여 충전 모드, 방전 모드 및 대기 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있다.
구체적으로, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 충전 모드시 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력의 일부를 제1 전력라인(242)을 따라 배터리 랙(216)에 충전시킬 수 있다.
또한, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 방전 모드시 배터리 랙(216)에 저장된 전력을 방전시켜 제1 전력라인(242)을 따라 전력계통(130)에 공급할 수 있다.
제2 스위칭 장치(164)는 상시에, 도 4에 도시된 바와 같이, 전력계통(190)과 연결된 제1 전력라인(170)과 연결된다. 이에 따라, 풍력 발전 제어장치(120)는 제1 전력라인(170)을 따라 전력계통(190)과 연결되어, 전력계통(190)으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
도 5는 전력계통 이상 발생시 제1 및 제2 스위칭 장치의 연결 상태를 설명하는 도면이다.
상시에 도 4와 같이 연결되어 있던 제1 및 제2 스위칭 장치(162, 164)는 전력계통 이상 발생시 제1 전력라인(170)과 단락되고, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 전력라인(180)에 연결된다.
이에 따라, 배터리 에너지 저장 장치(140) 및 풍력 발전 제어장치(120)는 전력계통(190)과의 연결이 차단된다. 그리고, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 제2 전력라인(180)을 통해 풍력 발전 제어장치(120)와 연결된다.
이때, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 제어부(150)의 제어에 의하여 방전 모드로 동작할 수 있다. 배터리 에너지 저장 장치(140)는 배터리 랙(216)에 저장된 전력을 방전하여 풍력 발전 제어장치(120)에 비상전력으로서 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 전력라인(180)는 비상 발전 장치(미도시), 예컨대, 디젤 발전기와 연결될 수 있다. 비상 발전 장치(미도시)는 전력계통 이상 발생시 배터리 에너지 저장 장치(140)와 동기 조절을 수행하고 풍력 발전 제어장치(120)에 전력을 공급할 수 있다.
이러한 비상 발전 장치(미도시)는 동기조절장치를 포함할 수 있고, 동기조절장치를 이용하여 배터리 에너지 저장장치(140)와 병렬 운전을 수행할 수 있다.
배터리 에너지 저장 장치(140)와 병렬 운전 모드로 작동하던 비상 발전 장치(미도시)는 배터리 에너지 저장장치(140)에 저장된 전력이 고갈되면, 독립 운전 모드로 변경되어, 풍력 발전 제어장치(120)에 대하여 독립적으로 전력을 공급할 수 있다.
구체적으로, 배터리 에너지 저장장치(140)는 하나 이상의 배터리 랙(216)에 저장되어 있던 전력이 소진되면 비상 발전 장치(미도시)에 독립 운전을 요청할 수 있다. 비상 발전 장치(미도시)는 독립 운전 요청이 수신되면 독립 운전 모드로 변경하고, 배터리 에너지 저장장치(140)에서 제공되던 전력을 보상하여 출력을 결정할 수 있다.
예컨대, 배터리 에너지 저장장치(140)에서 풍력 발전 제어장치(120)의 20%에 해당하는 전력을 공급하고, 비상 발전 장치(미도시)에서 풍력 발전 제어장치(120)의 80%에 해당하는 전력을 공급한다고 가정한다. 비상 발전 장치(미도시)는 병렬 운전 모드에서 풍력 발전 제어장치(120)의 80%에 해당하는 전력을 공급하다가, 독립 운전 모드로 설정이 변환되면 풍력 발전 제어장치(120)의 100%에 해당하는 전력을 공급하도록 출력을 조정할 수 있다.
이러한 실시예는 이상 상태에도 풍력 발전 제어장치(120)에 대하여 안정적으로 전력을 공급함과 동시에, 비상 발전 장치(미도시)의 전력을 함께 풍력 발전 제어장치(120)에 제공하므로 배터리 에너지 저장장치(140)의 전력 소모 및 비상 발전 장치(미도시)의 기축 에너지 소모를 효과적으로 제어할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 이상 감지부(195)는 전력계통(130)과 연결되어 전력계통(190)의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 검출하여 전력계통(190)의 이상 여부를 판단한다.
일 실시예에 있어서, 이상 감지부(195)는 전력계통(190)으로부터 검출된 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나가 미리 설정된 기준을 벗어나면 전력계통(190)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 이상 감지부(195)는 전력계통(130)의 이상이 감지되면 전력계통(130)에 대한 이상상태 정보를 생성하여 역류 방지부(160) 및 제어부(150)에 송신한다.
이러한 이상 감지부(195)는 전력계통(190)의 이상이 감지되면 전력계통(190)과 외부와의 연결을 차단할 수 있고, 빠른 절체 동작을 위하여 스태틱 스위치(Static Switch)로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
도6을 참조하면, 먼저, 배터리 에너지 저장 시스템은 풍력 발전 제어장치(120) 및 배터리 에너지 저장 장치(130)를 제1 전력라인(170)에 연결한다(S601).
구체적으로, 배터리 에너지 저장 시스템은 제1 스위칭 장치(162)를 제1 전력라인(170)에 연결함으로써 배터리 에너지 저장 장치(140)과 제1 전력라인(170)을 연결한다.
또한, 배터리 에너지 저장 시스템은 제2 스위칭 장치(164)를 제1 전력라인(170)에 연결함으로써 풍력 발전 제어장치(120)와 제1 전력라인(170)을 연결한다.
다음, 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(140)에 대한 동작 모드를 전류 제어 모드로 설정하고, 제1 전력라인(170)을 통해 배터리 에너지 저장 장치(130)에 전력을 충전시키거나, 배터리 에너지 저장 장치(130)에 저장된 전력을 방전시킨다(S602 및 S603).
구체적으로, 배터리 에너지 저장 시스템은 제1 전력라인(170)을 통해 공급된 전력을 배터리 에너지 저장 장치(140)에 충전시키거나, 배터리 에너지 저장 장치(140)에 저장된 전력을 제1 전력라인(170)을 통해 전력계통(190)으로 방전시킨다.
한편, 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력은 제1 전력라인(170)을 통해 전력계통(190)으로 출력되는데, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)에 대한 출력 전력을 안정화시키기 위하여 배터리 에너지 저장 장치(140)의 충방전 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 배터리 에너지 저장 시스템은 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 발전 전력을 기초로 전력계통(190)의 출력 전력에 대한 전력 지령값을 산출하고, 산출된 전력 지령값에 따라 배터리 에너지 저장 장치(130)의 충방전 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력 지령값과 발전 전력을 비교한다. 전력 지령값이 발전 전력 보다 크면, 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(140)에 저장된 전력을 제1 전력라인(170)을 통해 전력계통(190)에 방전시킬 수 있다. 이때, 방전량은 전력 지령값과 발전 전력의 차이값에 상응할 수 있다.
반면, 전력 지령값이 발전 전력 보다 작으면, 배터리 에너지 저장 시스템은 풍력 발전기(110)에 의하여 생산된 전력의 일부를 제1 전력라인(170)을 통해 배터리 에너지 저장 장치(140)에 충전시킬 수 있다. 이때, 충전량은 전력 지령값과 발전 전력의 차이값에 상응할 수 있다.
다음, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)이 이상 상태인지 판단한다(S604). 이때, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 검출하고, 검출된 값을 이용하여 전력계통(190)의 이상여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나가 미리 설정된 기준을 초과하면 이상 상태로 판단할 수 있다.
만약 전력계통(190)이 이상 상태이면, 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(140) 및 풍력 발전 제어장치(120)를 제2 전력라인(180)에 연결하고, 전력계통(190)과 단선을 수행한다(S604 및 S605).
배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)이 이상 상태이면, 제1 스위칭 장치(162) 및 제2 스위칭 장치(164) 모두에 대하여 절체 동작을 수행한다.
구체적으로, 제1 스위칭 장치(162)는 배터리 에너지 저장 장치(140)를 제1 전력라인(170)에서 제2 전력라인(180)으로 절체한다. 그리고, 제2 스위칭 장치(164)는 풍력 발전 제어장치(120)를 제1 전력라인(170)에서 제2 전력라인(180)으로 절체한다.
이에 따라, 배터리 에너지 저장 장치(140)는 제2 전력라인(180)을 통해 풍력 발전 제어장치(120)과 연결되고, 전력계통(190)과는 단락된다.
그리고, 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(130)에 대한 동작 모드를 전류 제어 모드에서 전압 제어 모드로 변경 설정하고, 제2 전력라인(180)을 통해 배터리 에너지 저장 장치(140)에 저장된 전력을 풍력 발전 제어장치(120)에 공급한다(S606 및 S607).
다음, 배터리 에너지 저장 시스템은 전력계통(190)이 정상 상태가 되면 풍력 발전 제어장치(120) 및 배터리 에너지 저장 장치(140)를 제1 전력라인(170)에 재연결한다(S608 및 S601).
도 5에 도시하고 있지 않지만, 일 실시예에 있어서, 배터리 에너지 저장 시스템은 비상 발전 장치를 더 포함할 수 있다. 배터리 에너지 저장 시스템은 비상 발전 장치를 제2 전력라인(180)에 대하여 배터리 에너지 저장 장치(140)와 병렬로 연결하고, 전력계통(190)에 이상이 감지되면, 배터리 에너지 저장 장치(140)와 함께 전력을 풍력 발전 제어장치(120)에 공급할 수 있다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템은 배터리 에너지 저장 장치(140)에 저장된 전력이 소진되더라도 비상 발전 장치를 통해 전력이 풍력 발전 제어장치(120)에 지속적으로 공급될 수 있도록 할 수 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.

Claims (14)

  1. 상시에 풍력 발전기로부터 공급되는 전력의 일부를 배터리에 충전하거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 전력계통으로 방전하다가, 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 배터리에 저장된 전력을 방전하여 상기 풍력 발전기를 제어하는 풍력 발전 제어장치에 비상전원으로 공급하는 배터리 에너지 저장 장치; 및
    상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 전력계통과의 연결을 차단하여 상기 배터리로부터 방전되는 전력이 상기 전력계통으로 역류되는 것을 방지하는 역류 방지부를 포함하는 배터리 에너지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 에너지 저장 장치에 대한 동작 모드로 충전 모드, 대기 모드 및 방전 모드 중 어느 하나를 결정하고, 상기 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 에너지 저장 장치의 충방전을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 동작 모드를 확인하여 충전 모드이면, 상기 동작 모드를 방전 모드로 변경하여 상기 배터리 에너지 저장 장치가 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 풍력 발전 제어장치에 비상전원으로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 동작 모드를 확인하여 대기 모드이면, 상기 배터리 에너지 저장 장치를 기동한 후 상기 동작 모드를 방전 모드로 변경하여 상기 배터리 에너지 저장 장치가 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 풍력 발전 제어장치에 비상전원으로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리 에너지 저장 장치에 대한 제어 모드로 전류 제어 모드 및 전압 제어 모드 중 하나를 결정하고, 상기 결정된 제어 모드에 따라 상기 배터리 에너지 저장 장치에 입력 또는 출력되는 전력의 전류 또는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상시에 전류 제어 모드에 따라 상기 상기 배터리 에너지 저장 장치에 입력 또는 출력되는 전력의 전류를 제어하고, 상기 전력계통에 이상이 감지되면, 제어 모드를 전압 제어 모드로 변경하여 상기 배터리 에너지 저장 장치에 입력 또는 출력되는 전력의 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  7. 제1항 에 있어서, 상기 역류 방지부는,
    상기 전력계통과 연결된 제1 전력라인 및 상기 제1 전력라인과 독립된 제2 전력라인 중 어느 하나를 상기 배터리 에너지 저장 장치에 연결하는 제1 스위칭 장치; 및
    상기 제1 전력라인 및 상기 제2 전력라인 중 어느 하나를 상기 풍력 발전 제어장치에 연결하는 제2 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력계통에 이상이 감지되면, 상기 제1 및 제2 스위칭 장치는 상기 제1전력라인에서 상기 제2 전력라인으로 동시에 절체되는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전력라인에 연결되어 상기 전력계통에 이상이 감지되면 기동하여 상기 풍력 발전 제어장치에 전력을 공급하는 비상 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전력계통의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전력계통에 대한 이상 상태를 판단하는 이상 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  11. 전력계통과 연결된 제1 전력라인을 통해 전력을 하나 이상의 배터리에 충전하거나, 상기 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 방전하는 단계;
    상기 전력계통에 대한 이상 상태 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 전력계통이 이상 상태로 판단되면, 상기 제1 전력라인과 독립되고 풍력 발전 제어장치와 연결된 제2 전력라인을 통해 상기 하나 이상의 배터리에 저장된 전력을 상기 풍력 발전 제어장치에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 판단하는 단계는
    상기 전력계통의 전압, 전류, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 검출하고, 상기 검출된 값이 미리 설정된 기준값을 초과하면, 이상 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 풍력 발전 제어장치에 공급하는 단계는
    상기 전력계통이 이상 상태로 판단되면, 상기 하나 이상의 배터리를 상기 제1 전력라인에서 상기 제2 전력라인으로 절체하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전력라인을 통해 상기 전력계통으로부터 제공되는 전력을 상기 풍력 발전 제어장치에 공급하는 단계; 및
    상기 전력계통이 이상 상태로 판단되면, 상기 풍력 발전 제어장치를 상기 제1 전력라인에서 상기 제2 전력라인으로 절체하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
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