KR20160023865A - 전기화학 에너지 축전기들에 전기 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

전기화학 에너지 축전기들에 전기 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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콜론 카르슈텐 라인케
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Abstract

전기 에너지를 전기화학 에너지 축전기들에 저장하고, 전기 에너지 분배 네트워크와 전기화학 에너지 축전기들을 접속하는 전력 전자 시스템을 통해 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하는 방법에서, 전기화학 에너지 축전기들(2.1 - 2.N)의 특정 데이터 및 피쳐들 및 전력 전자 시스템(4.1 - 4.N; 31.M; 31.N, 32.N)의 위상이 전기 에너지 분배 네트워크(11)를 위한 특정 데이터 및 피쳐들로 전환된다. 대응하는 장치는, 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들(2.1 - 2.N), DC 배터리들(2.1 - 2.N)을 제어 및 모니터링하는 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N), 전력 전자 모듈(4.1 - 4.N, 31.N, 32.N), 전력 전자 모듈 제어 수단(40.1 - 40.N) 및 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N)에 대한 통신 인터페이스들(15)을 갖는 AC 배터리 관리부(5.1 - 5.N)를 갖는 적어도 하나의 베이스 모듈 또는 AC 배터리들(1.1 - 1.N)을 포함한다.

Description

전기화학 에너지 축전기들에 전기 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치{ METHOD AND DEVICE FOR STORING ELECTRICAL ENERGY IN ELECTROCHEMICAL ENERGY ACCUMULATORS}
본 발명은 청구항 1 및 4의 일반적인 부분에 따른 전기화학 에너지 축전기(electrochemical energy accumulator)에 전기 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
지속가능한 에너지 공급을 보장하기 위하여, 재생 에너지의 양은 증가하는 풍력 및 태양광 전력 플랜트(power plant)의 양에 기인하여 높아진다. 현재 일정한 그리드 전압 및 그리드 주파수를 제공하기 위한 에너지 분배 네트워크들의 제어는, 또한 풍력 및 태양광으로부터 제공된 에너지가 에너지 분배 네트워크들에 접속된 소비자들의 공급에 충분할 때 에너지 분배 네트워크들과 접속된 채로 남아 있는, 회전하는 전기 발전기들을 갖는 종래 전력 플랜트들에 의해 달성되므로, 풍력 및 태양광 전력 플랜트들이 출력 감소되어야 하여, 에너지 공급에서 재생 에너지들에 의해 기여될 몫이 제한된다. 이러한 제한을 제거하기 위하여, 그리드 제어의 태스크(task)들을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 이에 의해 종래 전력 플랜트들의 셧다운을 허용할 수 있고, 풍력 및 태양광으로부터 제공된 에너지가 에너지 분배 네트워크에 접속된 소비자들의 공급에 충분하지 않을 때, 에너지 분배 네트워크로 충분한 양의 에너지를 공급하는, 에너지 저장 및 전기 에너지 분배 네트워크들에서의 그리드 제어를 위한 시스템이 요구된다.
에너지 저장을 위해, 전기화학 에너지 저장 시스템들이 전기공학적인 양태들하에서 C-레이트(C-rate), 즉 전력과 에너지의 비에 의해 실질적으로 상이한 전기 전력의 빠른 이용가능성 때문에 바람직하게는 그러한 시스템에서 사용된다. 이들 차이들은 주로, 납산(lead-acid) 축전기, 나트륨계 고온 배터리, 리튬 이온 축전기, 리독스 흐름 배터리 등과 같은 다양한 전극 조합들을 갖는 상이한 축전기 기술들로부터 비롯된다. 하지만, 전기화학 에너지 축전기들의 개개의 제조자들의 설계 및 제조 방법에서의 차이에 기인하여, 유사한 셀 화학으로도 상당한 차이가 얻어진다. 게다가, 전기화학 에너지 저장 시스템들은, 에이징 거동(aging behavior), 사이클 안정성, 사이클 깊이, 자신의 소비, 자기 방전, 및 다른 양태들과 같은 2차적 피쳐(feature)들에서 상이하다.
다른 본질적인 전기공학적 양태는 전기화학 에너지 저장 시스템들의 충전 및 방전 상태간의 전압의 변동뿐만 아니라 DC-전압-측 출력 전압이다. 전력, 전압 및 전압 변동과 같은 전기공학적 피쳐들은 DC/DC-컨버터 및 DC/AC-컨버터들과 같은 전력 전자 컴포넌트의 접속을 위한 다수의 위상적(topological) 가능성들을 요구하고 제공한다.
전체 시스템의 전기공학적 요건들을 최적으로 만족시키기 위하여, 상이한 C-레이트들을 갖는 다양한 전기화학 에너지 저장 시스템들의 조합이 요망된다. 하지만, 이것은 또한, 전력 전자 컴포넌트들의 위상(topology)들의 다수의 변이형(variant)들을 초래한다.
예를 들어, DE 100 18 943 A1로부터, 광기전 발전기를 갖는 광기전 오프-그리드 시스템이 알려져 있으며, 이 시스템은 한편으로는 매칭 변압기 및 양방향 위치 제어기를 통해 배터리와 접속되고 다른 한편으로는 독립형 인버터를 통해 출력 측에 AC 전압을 제공한다. 여기서 에너지 관리는 제어 및 조절 수단을 통해 달성된다.
EP 1 986 306 A1로부터 에너지 공급 시스템이 알려져 있으며, 여기서 광기전 시스템들에 의해 생산된 에너지는 수개의 저장 배터리 유닛들에 저장되고, 이의 하류(downstream)에 인버터가 제공되어 에너지 공급 시스템을 AC 전압 에너지 분배 네트워크에 연결한다. 제어 유닛에 의해, 에너지 분배 네트워크로의 개개의 저장 배터리 유닛들의 접속이 제어된다.
US 2011/029 16 06 A1로부터, 관리 시스템을 갖는 에너지 저장 시스템이 알려져 있고, 이 시스템은 2개의 DC/DC-컨버터들, 인버터, 제어 유닛 및 배터리 관리 시스템을 포함한다.
AT 509 888 A4로부터, 각각 스위칭 이력(switching hysteresis)을 갖는 DC/DC 컨버터와 접속되는 수개의 배터리 유닛들(셀 스택들)로 이루어지는 전기 에너지 축전기들을 제어하는 방법이 알려져 있다. 효율을 최적화하기 위하여, 개개의 전기 에너지 축전기들은 선택적으로 온 및 오프 스위칭되며, 여기서 상이한 스위칭 이력들은 DC/DC-컨버터들의 스위칭 이력들이 상이한 스위칭 포인트들로 파라미터화되는 점에서 달성된다. 게다가, 중앙 제어 유닛에 의해 개개의 에너지 축전기 또는 전체 시스템의 SOC(State of Charge) 및 SOH(State of Health)에 의존하는 전기 에너지 축전기들의 충전 및 방전 곡선들의 동적인 적응화가 제공된다.
많은 전기 에너지 축전기들로 구성되는 전반적인 시스템에서 그리고 특히, 또한 공간적으로 원격 전기 에너지 축전기들을 더 포함하는 것에 의한 시스템의 확장의 경우에, 중앙 제어 유닛이 전기 에너지 축전기들의 각각의 특정 특성들을 알아야 하고 이를 에너지 축전기 및 전반적인 시스템의 충전 상태의 제어에서 고려해야 한다는 문제가 발생하며, 이는 중앙 제어 유닛의 프로그래밍에서의 상당한 지출 및 전반적인 시스템의 고장에 대한 현저한 민감성으로 이어진다.
참고문헌 Atcitty, S. [외]: Summary of State-of-the-Art Power Conversion Systems for Energy Storage Applications(SANDIA REPORT SAND98-2019, September 1998)로부터, 제어 유닛과 양방향적으로 접속되고 한편으로는 에너지 저장 유닛에 그리고 다른 한편으로는 에너지 공급 네트워크 또는 AC 전압 부하에 접속되는, 인버터들 및 DC/DC 컨버터들이 직렬 또는 병렬로 접속된 복수의 전력 전자 컨버터 시스템들의 컴필레이션(compilation)이 알려져 있다.
하지만, 복수의 개개의 컨버터 시스템들의 전반적인 시스템을 구성할 때 또는 추가적인 컨버터 시스템들을 포함시킴으로써 그러한 전반적인 시스템을 확장시킬 때, 전반적인 시스템의 특정 충전 상태 및 개개의 에너지 축전기들의 용량을 유지시키기 위하여, 개개의 컨버터 시스템들의 제어 유닛들은 컨버터 시스템들의 특정 특성들을 알아야 하고 이를 에너지 저장 시스템 및 전반적인 시스템의 충전 상태의 제어에서 고려해야 하는 중앙 제어 유닛과 접속되야 한다는 문제가 또한 발생되고, 이는 프로그래밍 경비 및 전반적인 시스템의 고장에 대한 민감성을 증가시키고 에너지 축전기들의 유용 수명의 제한에 이르게 된다.
본 발명의 기초를 이루는 목적은 위에 언급된 바처럼 전기화학 에너지 축전기에 전기 에너지를 저장하고 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하기 위한 방법 및 장치로서, 균일한 통신 인터페이스들로 상이한 전기화학 에너지 축전기들의 이용을 보장하고, 하이브리드 전력 플랜트에서 전력 전자 컴포넌트들의 위상 및 전기화학 에너지 축전기들의 각각의 채용된 기술에 상관 없이 전력 전자 컴포넌트들 및 전기화학 에너지 축전기들의 상이한 위상들의 이용을 제공하는, 그러한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 피쳐들을 갖는 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 해결책은 전기 에너지를 전기화학 에너지 축전기들에 저장하고 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하기 위한 방법으로서, 균일한 통신 인터페이스들로 상이한 전기화학 에너지 축전기들의 이용을 보장하고, 상이하게 구성되지만 전기 에너지 공급 네트워크의 공통 연결 포인트(point of common coupling)에서 그리고 통신 인터페이스들에서 동일하게 거동하는 저장 유닛들 또는 모듈들로 하이브리드 전력 플랜트가 구성되어 상위(superordinate) 배터리 전력 플랜트 관리 시스템을 형성할 수 있도록, 위상- 및 축전기- 특정 특성들의 추상화(abstraction)에 의해 전기화학 에너지 축전기들의 각각의 채용된 기술에 상관없이 전력 전자 컴포넌트들 및 전기화학 에너지 축전기들의 상이한 위상들의 이용을 제공하는, 그러한 방법을 제공한다.
전기화학 에너지 축전기들의 특정 데이터 및 피쳐들 및 전력 전자 시스템의 위상을 전기 에너지 공급 네트워크를 위한 특정 데이터 및 피쳐들로 전환(transferring)함으로써,
- 병렬로 동작되고 탈중심적으로(decentrally) 제어되는 인버터들에 의해 원하는 전기 거동을 실현하기 위하여 제어 문제들이 전환되고,
- 하이브리드 전력 플랜트들, 즉 나트륨-황 배터리, 리튬-이온 배터리, 바나듐 레독스 흐름에 기초한 축전기들 또는 연료 셀들과 같은 상이한 배터리 기술들의 배터리들이 구비된 전력 플랜트들의 알맞은 동작 개념들이 제공되고
- 균일 또는 추상적인 통신 인터페이스들이 생성되며, 이들은 특수한 기술적 설계 변이형들에 상관 없는 배터리들 및 배터리 전력 플랜트들의 서술(depiction) 및 동작(operation)을 허용한다.
바람직하게는, 전기화학 에너지 축전기의 특정 데이터 및 피쳐들 및 전력 전자 시스템의 위상이 추상적인 AC 배터리에서 결합되고 전기 에너지 분배 네트워크의 데이터 및 피쳐들로 전환되고, 여기서 AC 배터리는 AC 배터리 관리의 수단에 의해 제어, 모니터링 및 조절된다.
AC 배터리는, 충전 및 방전 전류, 용량, 충전 상태 등과 같은 각각의 사용된 배터리 기술에 대한 특유의 양들을, 그 배터리 기술을 특성화하는 양들의 변환에 의해 현재 이용가능하고 최대 제공가능한 전력 그리고 현재 흡수가능하고 방출가능한 에너지와 같은 전기 에너지 분배 네트워크에 대한 관련 양들에서, 서술한다.
DC 배터리와 대조적으로 AC 배터리로 지정된 베이스 모듈의 제공으로 제어의 측면에서 균일한 인터페이스가 전체 시스템에 제공되며, 이는 상이한 기술에 의한 전기화학 에너지 축전기들 및 전력 전자 컴포넌트들의 상이한 위상들의 이용을 위한 전제조건을 만든다.
AC 배터리 관리의 추상화 기능 또는 배터리 특정 기능으로의 분할은 배터리 전력 플랜트 관리와 함께 추상적인 배터리 모델들에 기초한 최적화된 동작을 창출한다. 균일한 에너지 관련 거동을 갖는 AC 배터리들은, 상이한 배터리 기술들로, 예를 들어 기술 특정 적응화 없이 하이브리드 전력 플랜트로서 그의 태스크를 이행할 수 있는 전력 플랜트 관리의 설계를 제공한다.
인버터, 컨버터, 및 DC/DC 컨버터들과 같은 전력 전자 시스템들의 동일한 또는 상이한 위상을 포함하는 AC 배터리들, 그리고 동일한 또는 상이한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 연료 셀들을 포함하고 공통 연결 포인트들에서 그리고 상위 배터리 전력 플랜트 관리 시스템과의 통신 인터페이스들에 관하여 동일한 거동을 보이는 DC 배터리들의 정의는, 다수의 AC 배터리들로 구성되는 전반적인 시스템의 간단한 제어, 각각의 개별 AC 배터리의 충전 상태(SOC) 및 건강 상태(state of health; SOH)의 정의된 제어 및 검출에 기인한 전반적인 시스템의 고장에 대한 민감성의 최소화, 그리고 동일한 AC 배터리들을 포함함으로써 그것들이 서로 원격으로 배치될 때에도 전반적인 시스템의 용이한 확장, 그리고 개별 AC 배터리들의 임의적인 교환을, 공통 연결 포인트(들)에서의 일어나는 변화 없이, 제공한다.
전기화학 에너지 축전기에 전기 에너지를 저장하고, 전기화학 에너지 축전기와 전기 에너지 분배 네트워크를 연결하는 전력 전자 시스템을 통해 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하기 위한 장치는
- 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성을 갖는 직류 배터리들(DC 배터리들)을 갖는 전기화학 에너지 저장 모듈,
- 상기 DC 배터리들을 제어하고 모니터링하는 배터리 관리 시스템,
- 전력 전자 모듈,
- 전력 전자 모듈 제어 수단, 및
- 상기 배터리 관리 시스템에 대한 통신 인터페이스(15)들을 갖는 AC 배터리 관리부
을 포함하는 적어도 하나의 베이스 모듈(AC 배터리들)을 특징으로 한다.
배터리 전형적 동작 한계 및 현상들의 일반적인 모델(generic model)을 통해, 에너지 분배 네트워크의 기능적 엘리먼트인 AC 배터리는 이렇게 하여 에너지 응용을 위한 DC 소스의 균일한 서술, 특히
- 동작 체제(operating regime)에 대한 용량 의존성의 서술,
- 교정 사이클들의 고려하여 충전 상태 결정의 불선명도(unsharpness)의 감안,
- AC 전압 거동, 특히 전력 전자 컴포넌트들의 제어의 균일한 파라미터화, 및
- 배터리 양들의 알맞은 변환들에 의하여 현재 이용가능하고 최대 제공가능한 전력 그리고 현재 흡수가능하고 방출가능한 에너지와 같은 에너지 공급 시스템에 대해 관련되는 양들에서, 전류, 암페어-시간, 충전 상태(SOC)와 같은 양들 사이의 배터리 기술에 대한 관련 및 특정 관계들의 서술을 실현한다.
AC 배터리는 적어도 하나의 DC/AC-컨버터 그리고 또한 DC 전압 측에서 그에 접속된 전력 전자 컴포넌트들 및 배터리 유닛들로 이루어지고 개념적으로 전기 에너지를 전기 에너지 분배 네트워크 및 전력 전자 컴포넌트들, DC 배터리들 및 설계 변이형에 따라 변압기의 배터리 기술 특정 조합으로 받아들이고, 저장하고 및 방출하기 위해 전체 시스템을 위한 관리 시스템간의 디커플링 평면의 역할을 하고 전기 에너지 기술의 관점에서 DC 배터리에 대한 등가물을 형성한다.
원칙적으로, AC 배터리는
- 연관된 배터리 관리 시스템을 갖는 DC 배터리,
- 인버터 제어기를 갖는 인버터,
- AC 배터리 관리 시스템, 및
- 중간 전압 배터리로서의 설계의 경우에 추가적으로 중간 전압 측에 전력 스위치를 갖는 중간 전압 변압기, 또는 중간 전압 인버터의 사용에서는 단지 추가적으로 중간 전압 측의 전력 스위치로 이루어진다 .
AC 배터리의 전술된 컴포넌트들은, 설계의 측면에서 보다 복잡한 부분적인 컴포넌트들을 위한 플레이스홀더(placeholder)를 나타내어, 각각의 배터리 기술에 따라, 인버터 및 DC 배터리에 대한 상이한 위상들이 예를 들어, 충전 상태에 의존하는 DC 배터리들의 전압 스윙(swing) 또는 인버터들의 출력 전압을 위해 필요한 중간 회로 전압과 같은 상이한 한계 조건(marginal condition)들로부터 비롯된다.
상이한 한계 조건들로부터 예를 들어, 하기의 변이형들이 발생된다:
제 1 변이형에서, AC 배터리들은, 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들과 그리고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈과 연관된 배터리 관리 시스템과 병렬로 접속된 수개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, 배터리 관리 시스템은 전기화학 에너지 저장 모듈을 제어 및 모니터링한다.
제 2 변이형에서, AC 배터리들은, 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들과 그리고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈과 연관된 배터리 관리 시스템과 그룹을 지어 병렬로 접속된 수개의 전기화학 에너지 저장 모듈을 포함하고, 배터리 관리 시스템은 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈을 제어 및 모니터링하고, 여기서 그룹을 지어 병렬로 접속된 전기화학 에너지 저장 모듈들은 각각의 그룹과 연관된 DC/DC 컨버터를 통해 인버터와 접속된다.
다르게는, AC 배터리들은, 상이한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들과 그리고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈과 연관된 배터리 관리 시스템과 병렬로 접속된 수개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, 배터리 관리 시스템은 전기화학 에너지 저장 모듈을 제어 및 모니터링한다.
이 실시형태에서, 상이한 타입들의 DC 배터리들이 AC 배터리에서 그룹을 지어 결합될 수 있고, 각각의 DC 배터리 그룹들의 데이터가 AC 배터리 관리부에 입력되거나 또는 배터리 관리 시스템들에 의해 AC 배터리 관리부로부터 취출되어, AC 배터리 관리부는 상이한 DC 배터리 그룹들을 대응하여 제어 및 모니터링할 수 있다.
전력 전자 모듈들은, DC 측에서 전기화학 에너지 저장 모듈들에 접속되고 AC 측에서 전력 버스 바에 접속되는 인버터, 또는 중간 전압 인버터로서 직접 또는 중간 전압 변압기 및 중간 전압 전력 스위치를 통하여 공통 연결 포인트에 접속되는 인버터, 또는 전기화학 에너지 저장 모듈들에 접속된 적어도 하나의 DC/DC 컨버터 및 DC 측에서 DC/DC 컨버터(들)에 접속되고 AC 측에서 전력 버스 바에 직접 또는 중간 전압 변압기 및 중간 전압 전력 스위치를 통해 접속되는 인버터로 이루어질 수 있다.
특정 DC 전압을 제공하기 위하여, 전기화학 에너지 저장 모듈들은 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 수개의 직렬 접속된 DC 배터리들을 포함할 수 있다.
AC 배터리들은 전력 전자 컴포넌트들의 상이한 위상들과 함께 저 전압 및 중간 전압 배터리들 양자 모두로서 사용될 수 있다.
인버터가 중간 전압 인버터로 설계되지 않으면, 중간 전압 배터리들로서 형성된 AC 배터리들은 중간 전압 전력 스위치를 통해 전력 버스 바 또는 공통 연결 포인트와 접속된 전력 전자 모듈의 출력부와 접속된 중간 전압 변압기를 포함한다. AC 배터리들은, 각각 하나의 인버터와 접속되는, 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들을 갖는 2개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, AC 배터리들은 3권선 변압기의 1차 권선에 접속되고 2차 측에서 전력 버스 바 또는 공통 연결 포인트와 접속된다.
이 실시형태에서, AC 배터리는 저 전압 배터리로서 형성되고 여기서 DC 배터리들이 인버터에 직접 또는 DC/DC-컨버터를 통해 접속되고, AC 배터리는 변압기 및 전력 스위치를 통해 공통 연결 포인트 또는 전력 버스 바에 접속된다.
다르게는, AC 배터리는 중간 전압 배터리로서 형성될 수 있고, 여기서 DC 배터리들이 인버터에 직접 또는 DC/DC-컨버터를 통해 접속되지만, AC 배터리는 가능하게 실현되는 중간 전압 변압기 및 중간 전압 전력 스위치를 포함하여, 그것이 공통 연결 포인트 또는 전력 버스 바에 직접 접속될 수 있다.
하나의 공통 연결 포인트와 수개의 AC 배터리들로 이루어지는 시스템은, 배터리 전력 플랜트로서 지칭되고 이의 제어는, 배터리 전력 플랜트의 신뢰성있고 지속가능한 기능을 보장하기 위하여 상이한 AC 배터리들에 대한 응용들 및 태스크들의 분배가 최적화되야 한다는 점에서, 확실한 그리드 측 시스템 서비스들이 보장되도록 설계되야 한다.
그리드 형성(grid-forming) 배터리 전력 플랜트에서의 사용에 있어서, 오프 그리드(off-grid) 동작시, AC 배터리는 예를 들어 피쳐들
- 동작 스태틱(operating static)("드룹(droop)")에 따라 AC 배터리가 거동하는 유효 전력(active power)에 의존하는 주파수 제어, 및
- 무효 전력에(reactive power) 의존하는 전압 제어의 실현을 이행한다.
그리드 추종(grid-following) 배터리 전력 플랜트 또는 제어 전력 플랜트에서 AC 배터리의 사용시, AC 배터리는 예를 들어
- 주파수 의존 유효 전력 기여, 및
- 전압 의존 무효 전력 기여를 제공한다.
각각의 응용에 대해, AC 배터리는
- 신뢰성 있는 충전 상태 측정 또는 (부분적) 배터리들의 스타트업 또는 셧다운을 위한 직류 배터리 모듈들 또는 이들의 부분들의 교정과 같은 기술적 이용가능성 한계 및 규칙적으로 필요한 유지 작업 양자 모두에 관한 필요한 유지 요건들뿐만 아니라 인버터 및 DC 배터리들을 위한 작동 한계들의 고려,
- 인버터 배터리 위상 및 배터리 기술의 특수 형태에 상관 없이 상위 배터리 전력 플랜트 관리 시스템에 대한 균일한 인터페이스의 제공, 및
- 예를 들어, 직류 배터리 모듈들의 충전 상태 교정과 같은 당면 유지 동작들을 위한 이용가능성 제한 또는 전력 및 에너지 수요의 추정치들의 제공을 이행한다.
그리드 형성 배터리 전력 플랜트(오프 그리드 동작)에서의 사용에서 처럼, 병렬로 동작되는 AC 배터리들은 병렬 전압 소스들로서 작동하고 이들은 공통 연결 포인트에서 생성된 부하를 그들간에 분할하고, 각각의 개별 AC 배터리의 부하 컴포넌트는, 인터페이스를 통한 유효 및 무효 전력을 위한 동작 스태틱들의 파라미터화를 통해 배터리 전력 플랜트 관리 시스템에 의해 획득된다. 다른 것들 중에서, 이것은 또한, 예를 들어, 충전 상태 측정의 교정을 수행하기 위하여 개별 AC 배터리의 비대칭 동작을 제공한다.
그리드 형성 전력 플랜트로서 형성된 배터리 전력 플랜트는 전력 버스바 전압 및 전력 버스 바 주파수를 제어하고 과전류 보호 메카니즘들을 트리거링(triggering)하기 위한 단락 전류를 제공한다.
그리드 추종 배터리 전력 플랜트(예를 들어, 제어 전력 플랜트)로서 동작시, 병렬로 동작되는 AC 배터리들은, 예를 들어, 요구되는 제어 스태틱에 따라 그리드 주파수에 의존하는 공통 연결 포인트에서 요구되는 전력을 함께 제공하는 병렬 전력 소스들로서 작동된다. 각각의 개별 AC 배터리의 부하 컴포넌트는 균일한 인터페이스를 통해 배터리 전력 플랜트 관리 시스템에 의해 파라미터화될 수 있다. 다른 것들 중에서, 이것은 또한, 예를 들어, 충전 상태 측정의 교정을 수행하기 위하여 개별 AC 배터리의 비대칭 동작을 제공한다.
유효 전력의 제공외에도, 병렬 AC 배터리들은 또한, 공통 연결 포인트에서 전압 유지(전력 버스 바에서 전압 제어와 관련하여 무효 전력의 제공)에 사용될 수 있다.
통신 인터페이스들을 통해, AC 배터리 관리 시스템은 바람직하게는, 중간 전압 전력 스위치들 및 공통 연결 포인트를 에너지 분배 네트워크와 접속시키는 전력 스위치를 작동시키는 배터리 전력 플랜트 관리 시스템과 접속된다.
그리드 시스템 서비스들의 제공에 대한 대안으로서 또는 그리드 형성 전력 플랜트로서, 배터리 전력 플랜트는 재생 에너지 소스들과 함께 하이브리드 전력 플랜트에서 동작될 수 있고 예를 들어 부하 추종(load-following) 동작에서 공통 피드 인(feed-in) 포인트에서의 피드 인 제한들의 유지를 보장하고, 그리드 주파수, 부하 시퀀스 등에 의존하는 에너지 분배 네트워크의 공통 연결 포인트에서 특정 전력을 제어할 수 있다.
도면에 예시된 여러 예시적인 실시형태들을 참조하여, 본 발명의 기초를 이루는 사상이 상세하게 설명될 것이다. 도면에서:
도 1은 상이한 일정한 방전 전류들에 대해 충전 상태에 의존하는 리튬 이온 배터리들의 셀 전압의 개략적 표현을 도시하고;
도 2는 충전 상태에 의존하는 리튬 이온 배터리들의 DC 전력의 개략적 표현을 도시하고;
도 3은 일정-전류 일정-전압 충전 사이클에서 만 충전된 리튬 이온 셀의 충전 전압 및 충전 전류의 과정의 개략적 표현을 도시하고;
도 4는 충전 전력의 가능한 단순화된 추정치 및 리튬 이온 셀의 충전 전력의 과정의 개략적 표현을 도시하고; 그리고
도 5 내지 도 8은 전력 전자 모듈들의 상이한 위상들을 갖는 배터리 전력 플랜트에 결합된 AC 배터리들 및 부분적으로 상이한 배터리 기술들을 갖는 DC 배터리들에 대한 예들을 도시하고, 그리고
도 9 는, 데이터 및 제어 신호들의 교환을 위해 배터리 전력 플랜트 관리 시스템과 접속되고 부분적으로 상이한 배터리 기술들을 갖는 DC 배터리들 및 전력 전자 모듈들의 상이한 위상들을 포함하는, 서로 공간적으로 분리되게 배열될 수 있는 수개의 AC 배터리들로 이루어지는 배터리 전력 플랜트의 개략적 표현을 도시한다.
전기화학 에너지 축전기 또는 배터리들은 구성에 있어서 DC 시스템들이며, 이들은 배터리 기술에 따라 전기 인터페이스에서 상이한 특성 전기 거동을 보여준다.
전력 대 에너지의 비가 매우 높은(c-레이트가 1 이상인) 리튬 이온 배터리들은 특히 단기 축전기들로서 그리고 제어 전력의 제공에 의한 큰 단기 변동의 보상을 위해 유용하다.
다른 한편, 나트륨 황 배터리들은 c-레이트가 1/6 인 매우 높은 저장 용량을 갖는다. 그러므로, 이들 고온 배터리들은 특히 풍력 및 태양광 에너지의 일간 변동의 보상에 적합하다.
바나듐 레독스 흐름에 기초한 축전기들은 자기 방전을 거의 갖지 않아서, 계절 축전기들로서 탁월하게 적합하다. 바나듐 레독스 흐름 배터리들의 에너지 소스는 낡거나 또는 마모되지 않기 때문에, 유지 노력이 거의 없는 거의 무한의 내구성을 갖고 요건에 따라, 전력 및 에너지가 분리될 수 있으며 유연하게 조정(scale)될 수 있다.
도 1 내지 도 4에서 AC 배터리에 의해 관찰될 통상적인 동작 한계들 및 상이한 배터리 기술들에 의한 배터리들의 특성에 대한 예들이 리튬 이온 배터리들의 특성들에 관하여 도시되어 있다.
도 1은 상이한 일정한 방전 전류들에 대한 충전(용량)상태에 대한 셀 전압(V)의 의존성을 도시하고, 도 2는 상이한 일정한 방전 전류들에 의한 충전 상태에 의존하는 대응하는 DC 전력을 도시한다.
다른 것들 중에서 리튬 이온 배터리들의 정성적으로 표현된 특성 곡선들 양자 모두는, 충전 상태에 의존하는 통상적인 셀 전압외에도, 방전 전류에 의존하는 상이한 용량을 보여준다. 또한, 셀 에이징(cell aging) 및 그러므로 또한 남아 있는 셀 용량은 예를 들어 충전 및 방전 전류의 이력, 우세한 충전 상태 및 온도 조건들과 같은 상이한 영향 인자들에 의존한다.
보다 큰 DC 배터리들은 모듈들에 대한 개별 셀들의 그리고 배터리들에 대한 수개의 모듈들의 적합한 상호접속으로 이루어지지만, 일반적으로 에너지 응용들을 위한 준비가 되어 있지 않는데, 왜냐하면
- 충전 방법들은 통상적으로 전력-기반이 아니라, 전류- 및 전압-기반, 즉 이상적인 충전 사이클들에서 배터리는 충전 상태에 의존하는 외부에 대한 가변 전력 요견들을 갖거나,
- 배터리들과 접속된 배터리 관리 시스템들이, 이를테면 동작 체제에 의존하는 것이 아니라 공칭 동작에 관하여, 남은 용량 또는 저장된 에너지 양과 같은 배터리 정보를 제공하기 때문이다.
배터리 전력 플랜트의 기능적 엘리먼트로서 AC 배터리는 따라서 배터리-통상 동작 한계들 및 현상들의 일반 모델을 통해 에너지 응용을 위한 DC 전압 소스의 균일한 서술을 실현하는 태스크를 이행하고 다른 것들 중에서
- 동작 체제에 대한 용량 의존, 즉 전력에 의존하는 에너지의 서술,
- 교정 사이클들을 감안하는 것에 의한 충전 상태 결정의 불선명도의 고려,
- 전력 전자 컴포넌트들의 대응하는 제어에 의한 AC 전압 거동의 균일한 파라미터화를 포함한다.
에너지 측면에서 균일한 AC 배터리의 요건들 뿐만 아니라 DC 배터리 또는 전기화학 에너지 축전기의 배터리-통상 특성들의 인캡슐레이션(encapsulation)은, 기술 특정 적응화 없이 상이한 배터리 기술들로, 예를 들어 하이브리드 전력 플랜트로서의 기능을 이행할 수 있는 전력 플랜트 관리부의 설계를 제공한다.
배터리 시스템들의 충전 상태를 결정할 때, 배터리 시스템들의 충전 상태 측정들은 일반적으로, 전류 셀 거동을 위한 모델들을 감안하는 것에 의한 에너지 밸런스의 형성에 기초한다는 것이 가정된다. 모든 모델들은, 동작 기간이 증가함에 따라 충전 상태 측정은 다소 두드러진 드리프트(pronounced drift)를 받게 되어, 배터리 시스템의 충전 상태 측정은, 시간에 따라 크게 증가하는 불확정성을 수반하게 된다. 그러므로, 모든 배터리 시스템들은, 충전 상태의 결정을 교정하기 위하여, 정의된 충전 상태, 예를 들어, 만충전에 정기적으로 접근해야 하고, 여기서 교정을 수행하기 위하여 배터리 시스템은 고정된 동작 체제를 채용한다.
일 예로서, 도 3 및 도 4는 일정-전류 일정-전압 충전 사이클에서 만충전된 리튬 이온 셀의 충전 곡선을 예시한다.
도 3은 충전 동작 동안 충전 전압 V 및 충전 전류 I 의 시간적 과정을 도시하고, 여기서 실제 충전 상태에 의존하여 충전 상태의 교정은 예를 들어, 3.2 V 의 인가된 셀 전압 Ut0 에서 시작한다. 약 4.2 V 의 일정한 셀 전압 UK 을 설정할 때까지, 리튬 이온 셀은 일정한 충전 전류를 필요로 한다. 도 4에 도시되어 있고 이 목적을 위해 필요한 일정 충전 전압 V 및 일정 충전 전류 I 에서의 실제 충전 전력 Pt(t)는 셀 전압에 비례하여 증가한다. 최종 충전 전류를 설정할 때까지 일정한 전압에 의한 충전으로의 후속 천이에서, 도 4에 따라 충전 전력은 크게 감소하고 후속하여 충전 전류에 비례하여 계속 감소한다.
공통 연결 포인트 상의 충전 상태의 교정의 영향을 보장하기 위하여 AC 배터리 관리 시스템에 대한 상위의 배터리 전력 플랜트 관리를 가능하게 하기 위하여, AC 배터리는, 교정에 대한 희망을 나타내는 것에 의해, 교정 스케쥴의, 즉 경시적인 충전 전력의 과정의 추정치를 제공한다. 이것은 도 4에 곡선 Pg(t)으로 도시되어 있다. 이것은 단지, AC 배터리의 크게 변화하는 동작 체제 및 충전 상태 교정들간의 거리가 더 커짐에 따라, 증가하는 불확정성을 수반하는 추정치일 수 있다는 것에 유의해야 한다.
그로부터 벗어나는 특성들은 나트륨 황 배터리들 및 바나듐 레독스 흐름에 기초한 축전기들에 적용가능하다. 축전기에 대한 정확한 요건들은 응용의 경우에 따라 그리고 부분적으로 또한, 많은 특성들, 그러나 특히, 리튬 이온 및 나트륨 황 배터리들 양자 모두에 있어서 셀들의 기초 구조에 의해 지정되는 전력 및 에너지의 비에 관한 프로젝트 특정 방식에 따라 변화하므로, 필요하다면, 상이한 기술들이 상이한 기술들의 이점들이 이용될 수 있도록 하이브리드 배터리에서 결합된다.
도 5 내지 도 7은 전력 전자 모듈들의, 즉 인버터들 또는 컨버터들 또는 DC/DC-컨버터들의 상이한 위상들, 및 상이한 배터리 기술들을 갖는 배터리 전력 플랜트에 결합되는 AC 배터리들을 위한 다양한 예들을 도시하고, 여기서 전기 접속선들은 연속선들로 도시되어 있고 통신 접속들은 파선들로 도시되어 있다.
도 5는, 공통 연결 포인트(10)에서 병렬로 접속되고 각각 변압기(7.1 내지 7.M), 전력 스위치(8.1 내지 8.M), 및 PCC 전력 스위치(9)를 통해 에너지 분배 네트워크(11)의 공통 연결 포인트(10)와 접속되는 저 전압 배터리들로서 형성된 M 개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.M)을 갖는 배터리 전력 플랜트(BKW)의 제 1 예시적인 실시형태의 블록 회로도를 도시한다. 각각의 AC 배터리(1.1 내지 1.M)는, 병렬로 접속된 DC 배터리들(2.1 내지 2.M)의 복수의 그룹들을 포함하고, 이들 중 각각의 그룹은 복수의 직렬 접속된 DC 배터리들을 포함할 수 있다. DC 배터리 그룹들(2.1 내지 2.M)의 각각은, 각각의 AC 배터리(1.1 내지 1.M)에 대해 AC 배터리 관리부(5.1 내지 5.M)와 접속된 배터리 관리 시스템(20.1 내지 20.M)을 포함한다.
배터리 관리 시스템(20.1 내지 20.M)은 DC 배터리들을 모니터링하고 AC 배터리 관리부에 대한 통신 인터페이스를 제공한다.
제 1 AC 배터리(1.1)는, 병렬로 접속된 DC 배터리 그룹들(2.1)과 접속된 DC/DC-컨버터(3.1)를 포함하고, DC/DC-컨버터(3.1)는 제 1 변압기(7.1)가 접속되는 인버터(4.1)와 접속된다.
또한 AC 배터리들은 제 1 AC 배터리(1.1)와 같은 전력 전자 위상을 갖거나 또는 M번째 AC 배터리(1.M)에 대응하여 구성되고, 여기서 병렬로 접속된 DC 배터리들(2.M)은, 변압기(7.M)에 접속된 인버터(4.M)와 직접 접속된다. 예를 들어, 개개의 AC 배터리들(1.1 또는 1.M)의 상이한 위상은 개개의 DC 배터리 그룹들(2.1 또는 2.M)의 상이한 수의 직렬 접속된 DC 배터리들 및/또는 상이한 배터리 기술에 기초한다.
통신선(16)을 통하여 AC 배터리들(1.1 내지 1.M)의 AC 배터리 관리부(5.1 또는 5.M)는 전력 전자 제어기(40.1 또는 40.M)와 접속되고, 전력 전자 제어기(40.1 또는 40.M)는 제 1 AC 배터리(1.1)에 관하여 통신선(17)을 통하여 인버터(4.1)와 접속되고 통신선(18)을 통하여 DC/DC-컨버터(3.1)와 접속되거나 또는 M번째 AC 배터리(1.1)에 관하여 통신선(17)을 통하여 인버터(4.M)와 접속된다. 게다가, AC 배터리 관리부(5.1 또는 5.M)는 통신선(15)을 통해 DC 배터리들(2.1 내지 2.M)의 배터리 관리 시스템들(20.1 또는 20.M)과 접속된다.
모든 배터리들(1.1 내지 1.M)와 연관된 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는 통신선(12)들을 통해 AC 배터리들(1.1 내지 1.M)의 AC 배터리 관리부(5.1 내지 5.M)와 접속되고, 개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.M)과 연관된 전력 스위치들(8.1 내지 8.M)과 통신선(13)을 통해, 그리고 통신선(14)을 통해 PCC 전력 스위치(9)와 접속된다.
AC 배터리 관리부(5.1 - 5.N)는 AC 배터리들(1.1 - 1.N)의 부분적인 컴포넌트들의 사용을 최적화하고, 따라서 예를 들면 진행중인 동작에서 부분적인 컴포넌트들의 유지를 제공하는 반면에, 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는 AC 측에서 AC 배터리들(1.1 - 1.N)의 협동을 제어하고, AC 배터리들(1.1 - 1.N)을 교정하고 배터리 전력 플랜트에 대한 요건들을 개개의 AC 배터리들(1.1 - 1.N)로 분배하여 균질한 배터리 시스템이 외부에 보여질 수 있다. 아래에서 자세히 설명될 바처럼, 상이한 전력 전자 위상을 갖는 AC 배터리들(1.1 - 1.N) 및 상이한 타입의 또는 상이한 배터리 기술을 갖는 DC 배터리들 양자 모두가 결합될 수 있고 그들의 공통적인 사용이 최적화될 수 있다.
도 6은, PCC 전력 스위치(9)에 병렬로 접속되고 도 5에 따른 제 1 예시적인 실시형태와 동일한 구성으로 중간 전압 전력 스위치(8.1 - 8.M) 및, 필요에 따라 파선으로 도시된 중간 전압 변압기(7.1 내지 7.M)를 포함하는, 중간 전압 배터리들로서 형성된 AC 배터리들(1.1 - 1.M)을 갖는 배터리 전력 플랜트(BKW)의 제 2 예시적인 실시형태의 블록 회로도를 도시한다.
도 7에 개략 블록 회로도에서 도시된 배터리 전력 플랜트(BKW)의 제 3 실시형태에서, 병렬로 접속된 DC 배터리들(21.1 내지 21.M)은, 도 5에 따른 실시형태에서와 같이 인버터(4.1 또는 4.M)와 접속되는 2개의 DC/DC-컨버터들(31.1, 32.1 또는 31.M, 32.M) 중의 하나에 각각 그룹을 지어 접속된다.
이 실시형태에서, 개개의 또는 모든 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은, 각각 동일한 또는 상이한 배터리 기술을 갖는 DC 배터리들(21.1 - 21.M)을 포함할 수 있다. 예를 들어, AC 배터리(1.1)는, 동일한 배터리 기술을 갖는 DC 배터리들(21.1)을 포함할 수 있는 반면에, AC 배터리(1.N)는 그룹을 지어 병렬로 접속된 DC 배터리들(211.M, 212.N)을 포함하고, 이의 그룹들(211.M 및 212.N)은 각각 동일한 배터리 기술 또는 동일한 배터리 타입을 갖지만, 이들은 그룹마다 상이하게 형성된다.
AC 배터리(1.N)의 이 구성에서, 대응하는 데이터가 AC 배터리 관리부(5.M)에 입력된 후에 또는 그룹을 지어 제공된 배터리 관리 시스템(22.M)이 대응하는 식별 데이터를 AC 배터리 관리부(5.M)로 출력한 후에, AC 배터리 관리부(5.M)는 그룹들(211.M, 212.N)의 제어 및 모니터링을 수행한다.
제 4 실시형태는 블록 회로도로서 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 배터리 전력 플랜트(BKW)의 이 실시형태에서, AC 배터리(1.1)는, 인버터(4.1)에 접속되는 병렬로 접속된 DC 배터리들(2.1)을 포함하는 반면, M번째 AC 배터리(1.M)는, 인버터(4.M)와 접속된 DC/DC-컨버터(31.M)에 접속된 수개의 DC 배터리들의 직렬 접속으로 형성된 DC 배터리 랙(battery rack; 2.M)들 또는 병렬로 접속된 DC 배터리들(2.M)을 포함한다.
도 7에 따른 실시형태에 따른 실시형태와 유사하게, N번째 AC 배터리(5.N)는 배터리 관리 시스템(20.N)을 갖는 DC 배터리들(2.N)을 갖고, DC 배터리들(2.N)은 병렬로 접속되고 그룹을 지어 결합되며, 각각은 DC/DC-컨버터(31.N, 32.N)를 통해 인버터(4.N)와 접속된다. 도 7을 참조하여 위에서 설명된 바처럼, N번째 AC 배터리(1.N)는, 그룹을 지어 결합되며 하나 또는 다른 DC/DC 컨버터(31.M, 32.M)에 접속되는 동일한 또는 상이한 배터리 기술을 갖는 DC 배터리들(2.N)의 동일한 또는 상이한 배터리 기술들을 결합할 수 있다.
도 7 및 도 8에 따른 실시형태들은 물론, DC/DC-컨버터(31.N, 32.N)에 각각 접속되는 동일한 또는 상이한 배터리 기술과 병렬로 접속된 DC 배터리들(2.N)의 2개의 그룹들에 한정되는 것이 아니라, 각각 DC/DC-컨버터에 접속되는 동일한 또는 상이한 배터리 기술을 갖는 수개의 그룹들을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 8 에 도시된 모든 예시적인 실시형태들에서, 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는, 전력, 에너지 또는 그리드 서비스에 관하여 에너지 분배 네트워크(11)의 부분 상에서 이행될 요건들에 의존하는 개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)에 대한 동작 포인트 사양(operating point specification)을 최적화하기 위하여, 예를 들어 충전 상태의 불확정성에 관한 것와 같은 일반적인 AC 배터리들(1.1 내지 1.M 또는 1.N)에 의해 제공되는 정보를 결합하는, 배터리 전력 플랜트를 위한 중앙 제어 레벨을 형성한다.
전체 거동의 파라미터화의 형태는 배터리 전력 플랜트의 응용의 각각의 경우에 의존한다. 오프-그리드 동작에서 계획 기간에 대해 예상되는 전력 밴드에 관한 스케쥴들이, 얻어진 동작 포인트들 주변 원하는 제어 거동과 함께 에너지 관리 시스템의 부분 상에서 통신되고 따라서 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는 스케쥴들로 인해 최적화할 수 있게 되는 반면에, 제어 전력 플랜트 응용에서 시스템 서비스들을 위한 배터리 전력 플랜트의 사용에서의 요건들이 "그리드 코드(grid code)" 및 현재 그리드 주파수로부터 비롯된다.
개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)에 의해 내부 요건들을 감안함으로써 예상 전력 밴드 및 전력 스태틱의 사양과 같은 공통 연결 포인트(10)에서 외부 요건들의 이행을 보장하기 위하여 배터리 전력 플랜트 관리부(6)의 상위 동작 태스크들을 위한 예는, 도 8에 따른 AC 배터리(1.N)의 충전 상태(SOC)의 교정이고, 여기서 배터리 전력 플랜트는, 배터리 전력 플랜트가 공통 연결 포인트(10)에서 동작 포인트들 주위 배터리 전력 플랜트의 제어 거동의 특성화로서 상위의 에너지 관리 시스템으로부터 공통 연결 포인트(10)에서 원하는 동작 스태틱들 외에도 배터리 전력 플랜트에 의해 커버될 전력 밴드를 수신한다.
공통 연결 포인트(10)에서의 사양(A)에 기인하여, 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는, 공통 연결 포인트(10)에서의 사양(A)을 충족시키기 위하여 남아있는 배터리들(1.1 내지 1.M)에 대해 적응된 동작 포인트들을 결정하거나, 또는 가능하게는 스케쥴의 지속시간 동안 배터리 전력 플랜트의 충전 상태의 여전히 상승하는 불확정성의 평가에 의해 충전 상태 교정을 무시해야 한다. 공통 연결 포인트(10)에서 사양(A)은, 교정의 지속시간 동안 추정된 전력 스케쥴의 형태에서 AC 배터리(1.N)의 동작을 위한 제약들을 나타내는 AC 배터리(1.N)에 대한 충전 상태 교정(SOC)의 계획과 같은 AC 배터리(1.N)의 내부 요건들 및 배터리 전력 플랜트 관리부(6)에 의해 계산된 가능한 동작 포인트들과 대응 관계에 있어야 한다.
배터리 전력 플랜트 관리부(6)를 위한 추가 요건들은,
- 일반 AC 배터리 모델을 통한 상이한 배터리 기술들의 취급,
- 공통 연결 포인트(10)에서 변하지 않는 정확성을 달성하기 위한 중앙 측정 양들의 분배, 및
- 스케쥴들 또는 도출된 기준 변수들에 기초한 AC 배터리 동작 포인트들의 최적화에 있다.
배터리 전력 플랜트(BKW)는 반드시 하나의 장소에 설치될 필요가 있는 것이 아니라, 또한, 서로 공간적으로 떨어지게 배열된 다수의 AC 배터리들 또는 유닛들로 구성될 수 있다. 이에 대한 예가 도 9에 도시되어 있다.
도 8에 개략적으로 도시된 배터리 전력 플랜트의 수정에서, 도 9는, 공간적으로 연관된 공통 연결 포인트들(10.1 내지 10.N)과 함께, 서로 멀리 떨어져 있을 수 있지만, 전부 배터리 전력 플랜트(BKW)를 제공할 수 있는, 각각 하나의 중간 전압 전력 스위치(8.1 내지 8.N) 및 각각 하나의 중간 전압 변압기(7.1 내지 7.N)를 통해 에너지 공급 네트워크(11)의 공통 연결 포인트들(10.1, 10.M 및 10.N)에 접속된 수개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)을 도시한다.
도 8에 따른 배터리 전력 플랜트(BKW)의 구성에 유사하게, AC 배터리들(1.1 내지 1.N)의 AC 배터리 관리부(5.1 내지 5.N)는 통신선들을 통해 배터리 전력 플랜트 관리부(6)와 접속되고, 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는, AC 배터리들(1.1 내지 1.N)을 에너지 공급 네트워크(11)와 접속시키거나 또는 상기 AC 배터리들을 상기 에너지 공급 네트워크로부터 분리시키는 중간 전압 전력 스위치들(8.1 내지 8.N)을 작동시킨다. 배터리 전력 플랜트 관리부(6)는 개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)로 구성되는 배터리 전력 플랜트(BKW)를 위한 중심 제어 레벨을 나타내고, 예를 들어 개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N) 또는 그들의 DC 배터리들(2.1 내지 2.N)의 충전 상태의 불확정에 관하여 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)에 의해 제공되는 정보를 결합하고, 에너지 전달 및 통신 인터페이스들에서 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)의 지속적인 구성은 배터리 전력 플랜트 관리부(6)의 제어 레벨의 간단한 구성 또는 프로그래밍을 보장할 뿐만 아니라, 그리드 주파수를 일정하게 유지하는 것과 같은 성능, 에너지 또는 그리드 서비스에 관한 에너지 공급 네트워크(11)의 부분 상에서 이행될 요건들에 의존하는 개개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)에 대한 동작 포인트 사양을 최적화한다.
1.1 - 1.N AC 배터리
2.1 - 2.N DC 배터리
3.1 DC/DC-컨버터
4.1 - 4.N 인버터
5.1 - 5.N AC 배터리 관리부
6 배터리 전력 플랜트 관리부
7.1 - 7.N 변압기
8.1 - 8.N 전력 스위치
9 PCC 전력 스위치
10 공통 연결 포인트, PCC
11 에너지 분배 네트워크
12 - 17 통신선
20.1 - 20.N 배터리 관리 시스템
21.1 - 21.M 병렬 접속된 DC 배터리
31.1 - 32.M DC/DC-컨버터
40.1 - 40.N 전력 전자 제어기
211.M, 212.M 상이한 배터리 기술의 DC 배터리
A 사양
BKW 배터리 전력 플랜트
I 충전 전류
Pg 추정 충전 전력
Pt 실제 충전 전력
SOC 충전 상태 교정
V 충전 전압

Claims (21)

  1. 전기화학 에너지 축전기(electrochemical energy accumulator)들에 전기 에너지를 저장하고, 상기 전기화학 에너지 축전기들을 전기 에너지 분배 네트워크와 연결하는 전력 전자 시스템을 통해 상기 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하는 방법에 있어서,
    상기 전력 전자 시스템(3.1; 4.1 - 4.N; 31.1 - 31.M; 31.N, 32.N)의 위상 및 상기 전기화학 에너지 축전기들(2.1 - 2.N; 21.1 - 21.M; 211.M, 212.M)의 특정 데이터 및 피쳐들이 상기 전기 에너지 분배 네트워크(11)를 위한 특정 데이터 및 피쳐들로 전환되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 전자 시스템(3.1; 4.1 - 4.N; 31.1 - 31.M; 31.N, 32.N)의 위상 및 상기 전기화학 에너지 축전기들(2.1 - 2.N; 21.1 - 21.M; 211.M, 212.M)의 특정 데이터 및 피쳐들이 추상 AC 배터리(1.1 - 1.N)에서 결합되고, 상기 전기 에너지 분배 네트워크(11)의 데이터 및 피쳐들로 전환되고, 상기 AC 배터리(1.1 - 1.N)는 AC 배터리 관리부(5.1 -5.N)에 의해 제어되고, 모니터링되고, 조절되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 AC 배터리(1.1 - 1.N)는, 충전 및 방전 전류, 용량, 충전 상태 등과 같은 각각의 사용된 배터리 기술에 대한 특유의 양들을, 상기 배터리 기술을 특성화하는 양들의 변환에 의해 현재 이용가능하고 최대 제공가능한 전력 그리고 현재 흡수가능하고 방출가능한 에너지와 같은 상기 전기 에너지 분배 네트워크(11)에 대한 관련 양들에서, 서술하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    수개의 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)이 통신 인터페이스(12)들을 통해 배터리 전력 플랜트 관리 시스템(battery power plant management system)(6)과 접속되고, 각각 하나의 전력 스위치(8.1 내지 8.N) 및 공통 PCC 전력 스위치(9)를 통해 상기 에너지 공급 네트워크(11)의 공통 연결 포인트(10)와 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    수개의 공간적으로 분리된 AC 배터리들(1.1 내지 1.N)이 상기 전기 에너지 공급 네트워크(11)의 공통 연결 포인트(10)에 접속되고 통신선(12)들을 통해 공통 배터리 전력 플랜트 관리 시스템(6)과 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환 방법.
  6. 전기화학 에너지 축전기들에 전기 에너지를 저장하고, 상기 전기화학 에너지 축전기들을 전기 에너지 분배 네트워크와 연결하는 전력 전자 시스템을 통해 상기 전기 에너지 분배 네트워크와 전기 에너지를 교환하기 위한 장치에 있어서,
    적어도 하나의 베이스 모듈(AC 배터리들(1.1 - 1.N))이,
    - 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성을 갖는 직류 배터리들(DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M))을 갖는 전기화학 에너지 저장 모듈,
    - 상기 DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M)을 제어 및 모니터링하는 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N),
    - 전력 전자 모듈(3.1, 4.1 - 4.N, 31.1 - 32.M),
    - 전력 전자 모듈 제어 수단(40.1 - 40.N), 및
    - 상기 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N)에 대한 통신 인터페이스들(15)을 갖는 AC 배터리 관리부(5.1 - 5.N)
    를 포함하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은, 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M)과 그리고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈과 연관된 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N)과 병렬로 접속된 수개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 전기화학 에너지 저장 모듈을 제어 및 모니터링하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 전자 모듈들(3.1, 4.1 - 4.N, 31.1 - 32.M)은, DC 측에서 상기 전기화학 에너지 저장 모듈들에 접속되고 AC 측에서 직접 또는 중간 전압 변압기(7.1 - 7.N)를 통해 공통 연결 포인트(10) 또는 전력 버스 바에 접속되는 인버터(4.1 - 4.N)로 이루어지는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 전자 모듈들(3.1, 4.1 - 4.N, 31.1 - 32.M)은, 상기 전기화학 에너지 저장 모듈들에 접속된 적어도 하나의 DC/DC-컨버터(3.1, 31.1 - 32.M), 및 DC 측에서 상기 DC/DC-컨버터(들)(3.1, 31.1 - 32.M)에 접속되고 AC 측에서 직접 또는 중간 전압 변압기(7.1 - 7.N)를 통해 공통 연결 포인트(10) 또는 전력 버스 바에 접속되는 인버터(4.1 - 4.N)로 이루어지는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은, 동일한 또는 상이한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M)과 그리고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈을 제어 및 모니터링하고 각각의 전기화학 에너지 저장 모듈과 연관되는 배터리 관리 시스템(20.1 - 20.N)과 그룹을 지어 병렬로 접속된 수개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, 그룹을 지어 병렬로 접속된 상기 전기화학 에너지 저장 모듈들은 각각의 그룹과 연관된 DC/DC-컨버터(3.1, 31.1 - 32.M)를 통해 인버터(4.1 - 4.N)와 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기화학 에너지 저장 모듈들은 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성을 갖는 수개의 직렬 접속된 DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M)을 포함하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은 중간 전압 배터리들로서 형성되고, 상기 전력 전자 모듈(4.1 - 4.N) 및 중간 전압 전력 스위치(8.1 - 8.N)를 통해 공통 연결 포인트(10) 또는 전력 버스 바와 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 전자 모듈(4.1 - 4.N)의 출력부는 중간 전압 변압기(7.1 - 7.N)를 통해 상기 중간 전압 전력 스위치(8.1 - 8.N)와 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은, 각각 인버터(4.1 - 4.N)와 접속되고 동일한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 DC 배터리들(2.1 - 2.N, 21.1 - 21.M)을 구비한 2개의 전기화학 에너지 저장 모듈들을 포함하고, 상기 인버터들(4.1 - 4.N)은 2차 측에서 상기 전력 버스 바 또는 공통 연결 포인트(10)와 접속되는 3권선 변압기의 1차 권선에 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  15. 제 6 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은, 직접 또는 중간 전압 전력 스위치(8.1 - 8.N)를 통해 또는 중간 전압 전력 스위치(8.1 - 8.N) 및 중간 전압 변압기(7.1 - 7.N)를 통해 하나의 공통 연결 포인트(10)에 접속되는 배터리 전력 플랜트(BKW)를 형성하며, 동일한 또는 상이한 화학적 및/또는 물리적 특성들을 갖는 전기화학 에너지 저장 모듈들(2.1 - 2.N)을 포함하는, 적어도 2개의 AC 배터리들(1.1 - 1.N)을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  16. 제 6 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 전력 플랜트(BKW)를 형성하는 적어도 2개의 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은 상기 전력 전자 모듈들(3.1, 4.1 - 4.N, 31.1 - 32.M)을 위한 상이한 위상들을 갖는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)은
    - 전기화학 에너지 저장 모듈들(2.1)과 접속된 인버터(4.1), 및/또는
    - 병렬로 접속된 전기화학 에너지 저장 모듈들(2.N)과 접속된 DC/DC-컨버터(31.N) 및 상기 DC/DC-컨버터(31.N)와 접속된 인버터(4.N), 및/또는
    - 인버터(4.N)에 각각 접속된 하나의 DC/DC-컨버터(31.N, 32.N)와 그룹을 지어 병렬로 접속된 전기화학 에너지 저장 모듈들(2.N)
    를 포함하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  18. 제 6 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    그리드 형성 전력 플랜트(grid-forming power plant)로서 수개의 AC 배터리들(1.1 - 1.N)로 이루어지는 상기 배터리 전력 플랜트(BKW)는, 상기 에너지 분배 네트워크(11)의 전압 및 주파수를 제어하고 과전류 보호 메카니즘들을 트리거하기 위한 단락 전류들을 제공하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 배터리 전력 플랜트(BKW)는 전력 소스 및 전력 드레인으로서 동작하고 상기 AC 배터리들(1.1 - 1.N)에 의해 상기 에너지 분배 네트워크(11)로 방출된 상기 전력은 상기 에너지 분배 네트워크(11)의 그리드 주파수에 의존하여 제어되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  20. 제 6 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    통신 인터페이스들(12)을 통해, 상기 AC 배터리 관리부(5.1 - 5.N)는, 상기 에너지 분배 네트워크(11)와 상기 공통 연결 포인트(10)를 접속시키는 PCC 전력 스위치(9) 및 상기 중간 전압 전력 스위치들(8.1 - 8.N)을 작동시키는 배터리 전력 플랜트 관리 시스템(6)과 접속되는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
  21. 제 6 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 전력 플랜트(BKW)는 재생 에너지 소스들과 함께 하이브리드 전력 플랜트로서 동작되고 그리드 주파수에 의존하여 상기 에너지 분배 네트워크(11)의 공통 연결 포인트(10)에서 특정 전력을 제어하는 것인, 전기 에너지 저장 및 교환을 위한 장치.
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