KR20160028885A - 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법 - Google Patents

Abstract

상용 전력을 공급 받아 이를 부하로 공급하는 수변전 설비 및 차단기 등으로 이루어진 상용전력공급설비(100). 태양광 발전 또는 풍력 발전 설비와 같은 자체발전설비(200), 자체발전 설비로부터 발전된 전력을 저장하거나 상용전력 공급 설비로부터 전력을 공급받아 저장하거나 부하(500)로 전력을 공급하는 축전지 모듈(700) 등으로 구성된 전력저장설비(600), 그리고 상기한 상용전력공급설비(100) 또는 자체발전설비(200) 또는 전력저장설비(600)으로부터 전력을 공급받는 부하(500), 상기한 상용전력공급설비(100), 자체발전설비(200), 전력저장설비(600), 부하(500)를 제어하는 통합제어부(300), 통합제어부(300)의 제어 신호에 의하여 배터리모듈(700)을 직렬로 연결 하거나 어느 하나를 선택하거나, 병렬로 연결하는 스위치들로 구성된 직병렬 선택스위치(400)로 이루어진 전력 관리 시스템에서 수행되는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법이다

Description

발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법 {Methode Of Management For ESS Synchronized by Energy Producing Generation }

본 발명은 태양광 발전, 풍력 발전등(이하 자체 발전 설비 라 한다)과 같이 발전량이 균일하지 아니한 발전 설비에서, 발전된 전력을 효율적으로 관리하기 위한 에너지 저장장치의 운영 방법에 관한 것이다.

상기한 자체 발전설비는 자연환경 요인 등으로 발전이 균일하지 아니하므로 발전돤 전력을 저장하는 배터리, 콘덴서등과 같은 전력 저장 장치와 연계하여 운영되며 자체 발전 설비의 평균 발전 용량에 적합하게 설계되어 있는 것이 일반적이다.

하나 실제 운영 상태를 보면 자연환경의 영향을 받는 자체 발전의 특성으로 인하여 전기 저장장치의 충전 가능 용량의 수십 분의 1정도 범위에서 충전되는 경우가 발생하고 있다.

이러한 경우 충전기의 효율뿐만 아니라 저장장치의 충전 효율도 저하되게 되어 전력손실을 야기하는 문제점 있다.

또한 배터리와 같은 축전지는 충방전 횟수에 따라 단자 전압의 불균일이 발생하고 이로 인하여 과방전되는 배터리 셀이 발생하게 되어 저장장치의 전체의 수명을 단축시키는 현상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 수시로 변동되는 자체 발전설비들의 저장장치로 활용되는 2차전지인 축전지가 최적 조건에서 충전되도록 축전지를 선택 운전함으로서, 충전효율은 최대화하고 전력 손실을 최소화하며, 어느 하나의 축전지 모듈만이 사용되어 단자 전압 불균일하게 되는 것을 방지하기 위하여 충방전 횟수를 고려한 축전지를 선택하여 운전할 수 있도록 함으로서, 축전지로 구성된 저장장치의 수명향상과 운영효율을 향상시킬 수 있는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법에 관한 것이다.

최근 스마트 그리드의 핵심이라고 할 수 있는 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)은 에너지를 저장하기 위한 시스템으로 다양한 장치들이 개발되고 있으며, 그 대표적인 것이 전력 수요가 적은 밤 시간에 충전기를 통하여 배터리에 저장하고, 전력 수요가 많은 시간에 방전을 하는 것이다. 이를 통상적으로 계통 연계형 에너지 저장 시스템이라고 한다.

또한 친환경 에너지원인 태양광, 풍력, 지열 등을 이용한 발전 등(이하에서는 이를 통칭하여 자체 발전 설비라 한다)을 저장장치에 저장하여 활용하거나 필요시 상용적으로 공급되는 전력과 병행 사용하는 다양한 형태의 에너지 활용 방안이, 한국특허등록 제10-1024225호(건물 에너지 관리 시스템과 연계된 신재생에너지 통합 관리 시스템), 한국등록특허 제10-1229643호 (멀티스마트 게이트웨이를 위한 하이브리드 형 전원 공급 장치), 한국등록특허 제10-0991317호 (커패시터를 이용한 축전 장치와 그 제어 방법) 등에 제시되고 있다

상기와 같은 통상적으로 활용되는 신재생 에너지를 활용한 전력 관리 시스템은 그 특성상 자연환경 등에 영향으로 발전량의 예측이 어렵고, 이로 인하여 충방전 계획수립 등의 전력관리의 어려움이 발생하고, 에너지의 비효율적 이용으로 설비 운용비용을 증가시키는 문제를 야기하고 있다.

특히 발전량이 미미 함에도 이를 전체 배터리 시스템에 분산 공급함으로써 충전 효율을 저하시키고, 특정한 모듈을 집중적으로 사용함으로서 발생할 수 있는 단자전압 불 균일을 방지하기 위하여, 배터리 뱅크를 구성하는 다수의 모듈을 최적효율 범위 또는 충방전 횟수를 고려한 후 충전 가능한 모듈을 선택하여 충전하는 순환 운전 또는 병렬운전을 선택하는 전력저장장치의 운영방법은 선행 문헌들에 제시되지 아니하였다.

대한민국 등록특허공보 제10-1024225호(2011.03.16.등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1229643호(2013.01.29. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0991317호(2010.10.26 등록)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 다수의 배터리(축전지)를 연결하여 하나의 배터리모듈로 하고, 다수의 모듈을 직, 병렬로 연결하여 저장장치로 하는 전력 관리 시스템에서, 자체 발전량에 따라 배터리 모듈을 순환 운전하거나, 병렬 운전하며, 배터리 모듈의 방전 이력과 배터리모듈의 충전 효율 특성을 반영하여 충전대상 배터리 모듈을 선택하여 운전 하는 것을 특징으로 하는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법은

상용전력을 공급 받아 이를 부하로 공급하는 수변전 설비 및 차단기 등으로 이루어진 상용전력공급설비(100). 태양광 발전 또는 풍력 발전 설비와 같은 자체발전설비(200), 자체발전설비(200)로부터 발전된 전력 또는 상용전력 공급 설비로부터 전력을 공급받아 저장하거나 부하(500)로 전력을 공급하는 다수의 축전지 모듈(700) 로 구성된 전력저장설비(600), 그리고 상기한 상용전력공급설비(100) 또는 자체발전설비(200) 또는 전력저장설비(600)으로부터 전력을 공급받는 부하(500), 상기한 상용전력공급설비(100), 자체발전설비(200), 전력저장설비(600), 부하(500)를 제어하는 통합제어부(300), 통합제어부(300)의 제어신호에 의하여 배터리모듈(700)을 직렬로 연결, 어느 하나를 선택 또는 병렬로 연결하는 스위치들로 구성된 직병렬 선택스위치(400)로 이루어진 전력 관리 시스템에서 수행되는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법이다.

특히 통합 제어부(300)는 제어하는 변수를 통신망 또는 입력 장치로부터 입력받아 저장하는 저장부(310), 저장되거나 입력된 제어변수를 연산하여 연산결과를 출력하는 연산부(320), 상기한 부하(500) 또는 직병렬선택스위치(400)을 위시한 각 설비와 유무선 통신을 통하여 제어 신호와 각 설비와 부하에서 감지된 신호를 통신하고, 아울러 유무선 통신망을 통하여 외부와 통신하는 통신부(330)로 구성 되어 있다. 도시하지 아니하나 사용자가 필요한 데이터를 입력하기 위한 입력장치, 제어 결과 및 제어 상태 등을 표시하는 표시장치 및 출력 장치가 통합제어부에 연결되어 있다.

특히 통합제어부(300)에는 상용전력을 부하로 공급하거나, 상용전력을 정류하여 전력저장 설비에 충전하고, 자체발전설비의 생산전력을 제어하여 전력저장설비에 충전하며, 충전된 전력을 부하에 공급하거나 상용전력 공급라인으로 역송전을 제어하는 기능이 포함되어 있으며, 이러한 기능과 기술은 상기한 선행 기술조사 문헌뿐 만이 아니라 한국등록특허 제10-1322617호등에 공지된 기능임으로 그 구체적인 설명을 생략한다.

또한 통합제어부(300)의 제어 신호에 의하여 배터리 모듈(700)의 입출력 단자를 연결하는 직병렬선택 스위치(400)의 동작 역시 한국등록특허 제10-0991317호 등에 개시된 커패시터 직병렬 접속 기술을 활용하는 것이어서 구체적 설명을 생략한다.

본 발명에서 구체적으로 설명하지 아니하나 통합제어부(300)의 동작을 위한 전력 공급부는 본 분야에서 공지되거나 관용화된 것이어서 설명을 생략하였고 도시하지 아니하였다.

본 발명에서 상용전원공급설비를 구성하는 차단기 변압기 등의 수배전반, 전압. 전류. 전력계 등의 계측 설비 및 센싱 장비는 본 분야의 공지된 수배전반 설비를 활용하는 것이어서 구체적 설명을 생략한다.

또한 콘덴서, 축전지등 전력을 충전하고 충전된 전력을 방전하는 전력저장 설비 및 이들을 관리하는 BMS(Battery Management System)등은 본 분야의 공지된 저장장치 기술을 활용하는 것이어서 구체적인 설명을 생략 한다.

또한 자체발전설비는 풍력, 태양광, 엔진 발전기 등이 활용되며, 이들 발전 원리 및 구조역시 본 분야에서 공지된 기술을 활용하는 것이어서 구체적 설명을 생략한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 전력 관리시스템에서의 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법은

자체 발전량 예측 단계,

각 배터리 모듈별 충전 가능용량 판단 단계,

최대효율 용량 범위 충전 가능용량 모듈 추출 단계,

배터리 모듈 충방전 횟수 검출단계,

충전가능 용량별 가중치 부여단계,

최대효율 충전 가능범위 가중치 부여 단계,

충전 횟수 기준 가중치부여 단계,

배터리 모듈별 충전 순위 연산 단계,

전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교 단계,

발전 용량 매칭 충전 용량 합산과 배터리 선택 단계,

가중치 합산 값 순서에 의한 순환충전 단계,

배터리로 분담시켜 충전하는 병렬충전 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법 및 장치이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법에 의하면 발전량에 따라 최적 효율로 충전하고 전력손실을 최소화하여 충전할 수 있고, 축전지 모듈 간의 사용 이력에 따른 불균일을 해소하여 전력 저장장치의 수명향상에 기여할 수 있고, 절감하는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명이 적용되는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법이 적용되는 전력 관리 시스템 블록도.
도 2는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법 수행 흐름도.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저, 자체 발전설비 (200)가 전력선과 통신유무선 통신선로를 통하여 통합제어부(300), 부하(500), 전력저장설비(700), 직병렬선택스위치(700) 및 전력 계통과 전기적으로 연결되어 있다.

본 발명에서 자체 발전 설비(200)는 자연 환경에 의하여 영향을 받는 태양광이나 풍력 발전기이며, 태양광의 세기, 풍속등 자연환경에 따른 예측발전량은 년단위, 월단위 등으로 발전량을 계량하여 데이터베이스에 저장하여 둘 수 있고, 필요시 이를 추출하여 통합제어부(300)의 요구에 의하여 제공할 수 있도록 통합제어부(300)에 연결된 반도체 저장장치(이하 메모리)에 저장한다.

이하에서는 도2를 참조하여 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법의 세부 수행 과정을 상세히 설명한다.

통합제어부(300)는 자체 발전된 전력을 충전하기 위하여 자체 발전 설비(200)로부터 입력되는 발전정보에 의하여 발전 가능량을 예측하는 자체 발전량 예측 단계(s100)를 수행 한다.

자체 발전 예측은 자체 발전 설비의 제원과 기상환경 등의 데이터를 활용하는 것이며 이러한 발전량예측 방법은 대한민국 공개 특허공보 2014-0018497호등에 나타난 발전량 예측 공지 기술을 활용하는 것임으로 구체적 설명을 생략한다.

이어서 통합 제어부(300)는 전력저장장치(600)를 구성하는 각각의 배터리모듈(700)을 관리하는 배터리관리 장치(BMS)와 통신하여 각 배터리 모듈의 잔류 용량을 판단하여 각 배터리별의 충전 가능 용량을 산출하는 각 배터리 모듈별 충전 가능 용량 판단 단계(s200)를 수행한다.

여기서 충전 가능 용량은 각 배터리 모듈의 설비용량에서 배터리 모듈에 충전되어진 용량(잔유용량)을 제외한 용량이다.

또한 통합제어부(300)는 각 배터리의 충전 가능용량이 각 배터리 모듈의 특성 곡선에서 최대 효율 범위 이내에 포함된 용량인지를 파악하는 최대효율 용량 범위 충전 가능용량 모듈 추출 단계(s300)를 수행한다.

여기서 각 배터리 모듈의 충전 용량 별 특성 곡선은 사전에 메모리에 저장된 데이터이며, 이는 배터리 제조사, 종류 등에 따라 차이가 있으며, 본 발명에서는 배터리 설비 용량의 20% 이상 80% 범위에서 충전 최대 효율을 갖는다고 가정한다.

다음은 각 배터리모듈의 충방전 횟수를 검출하는 각 배터리 모듈 충방전 횟수 검출단계(s400)를 수행한다.

이어서 통합제어부(300)는 상기한 s200 단계 내지 s400에서 추출된 충전 가능 용량을 근거하여 충전 가능용량이 큰 순서로 1,2,3,4 ...N 까지 가중치를 부여하는 충전가능 용량별 가중치 부여단계(s500)를 수행하고,

또한 최대효율 용량 범위 충전 가능용량 모듈 추출 단계에서 해당 모듈의 충전 가능 용량이 최대 효율 범위이면 "0" 최대 효율 범위에 포함되지 아니하면 "1"을 부여하는 최대효율 충전 가능범위 가중치 부여단계(s600)를 수행하고

배터리 모듈 충,방전 횟수 검출단계에서 추출된 각 배터리별 충 방전 횟수(충전 또는 방전횟수를 메모리에 저장한 것을 활용하는 것이고, 충전횟수 또는 방전 횟수 중 어느 하나를 택하거나 두 가지를 합산하여 반으로 나눈 값을 취할 수 있으며 이는 임의로 선택 가능 하다. 본 발명에서는 충전 횟수를 기준하여 설명한다)가 적은 순서로 1,2,3,4....N 까지의 가중치를 부여하는 충전 횟수 기준 가중치부여 단계(s700)를 수행한다.

상기한 s500 내지s700의 각 단계에서 추출된 값과 s200 단계 내지 s400에서 추출된 각각의 용량 등을 예시하는 표(이는 설명의 편의를 위하여 임의로 작성 한 예시임)와 같이 부여된 가중치를 합산하여 추가하는 배터리 모듈별 충전 순위 연산 단계(s800)를 수행한다.

다음은 상기 배터리 모듈별 충전 순위 연산단계 또는 각 배터리 모듈별 충전 가능용량 판단 단계에서 합산된 전기 저장장치(600)의 전체 충전 가능용량과 자체 발전량 예측단계의 발전량을 비교하는 전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교단계(s 900)을 수행한다.

상기의 전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교 단계에서 자체 발전량 이상의 충전 가능용량을 구비한 배터리 충전 모듈이 모두인 경우에는 먼저 가중치 합산 값이 가장 적은 배터리 모듈을 선택하여 충전을 개시하고, 가장 먼저 선택된 배터리 모듈이 완전 충전된 이후에 그 다음 가중치 합산 점수가 낮은 배터리 모듈을 선택하여 충전될 수 있도록 통합 제어부(300)는 제어 신호를 직 병열 선택 스위치부(400)로 출력하여, 가중치순서 대로 운전하는 가중치 합산 값 순서에 의한 순환충전 단계(s1000)을 수행한다.

상기 만약 전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교 단계(s 900)에서 발전량이 하나 이상의 배터리 모듈의 충전 가능용량을 합하여야 할 정도의 발전량 이라고 판단되면, 발전량에 상기한 가중치 합한 점수의 낮은 점수순서 대로 배터리 충전 가능용량을 합산하는 발전 용량 매칭 충전 용량 합산과 배터리 선택단계(s1100)를 수행하고,

통합 제어부(300)는 상기 S1100 단계에서 선택된 배터리 모듈을 선택하는 신호를 선택 스위치부(400)로 출력하여 선택된 배터리 모듈들이 병렬로 연결하여 도시하지 아니한 충전기를 통하여 배터리로 분담시켜 충전하는 병렬충전단계(s1200)을 수행한다.

본 발명에서 병렬 충전은 한국등록특허 공보 10-0303927호등에서 공지된 병렬 충 방전 기술을 활용할 수 있는 것이어서 그 구체적 설명을 생략 한다.

본 발명의 통합 제어부(300) 상기한 순환충전 단계(s1000) 및 배터리모듈별로 분담시켜 충전하는 병렬충전 단계(s1200) 수행 후 대기 상태로 대기하거나 자체 발전량 예측단계(s100)를 다시 시작하여 발전되는 자체 발전 전력을 전력 저장장치에 저장하는 과정을 수행한다. 본 발명에서 각 단계는 가능한 한 순차적이 바람직하나 이는 선택적이며 필요에 따라 그 순서는 변경 될 수 있다.

본 발명에 따른 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법은 자체 발전기를 보유하고 자체 발전 설비에서 발전된 전력을 전기저장장치에 저장하거나, 방전 또는 역 송전하는 전력 관리 시스템에서, 전력 저장장치의 설비를 효과적으로 운영할 수 있도록 하는 것으로, 보다 경제적으로 에너지를 활용하고 효율적인 시설물 전력관리에 활용할 수 있다.

100 : 상용전력공급설비
200 : 자체 발전 설비
300 : 통합제어부
400 : 직병렬선택스위치
500 : 부하
600 : 전력 저장장치
700 : 배터리 모듈

Claims (3)

1. 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법으로서,
   자체 발전량 예측단계;
   각 배터리 모듈별 충전 가능 용량 판단단계;
   최대효율 용량 범위 충전 가능용량 모듈 추출단계;
   배터리 모듈 충방전 횟수 검출단계;
   충전가능 용량별 가중치 부여단계;
   최대효율 충전 가능범위 가중치 부여단계;
   충전 횟수 기준 가중치 부여단계;
   배터리 모듈별 충전 순위 연산단계;
   전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교단계;
   가중치 합산 값 순서에 의한 순환충전 단계와 배터리모듈별로 분담시켜 충전하는 병렬충전 단계 중 어느 한 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교단계에서,
   자체 발전량 이상의 충전 가능용량을 구비한 배터리 충전 모듈이 모두 인 경우에는 가중치 합산 값 순서에 의한 순환충전 단계를 수행하고,
   발전량이 하나이상의 배터리 모듈의 충전 가능용량을 합하여야 할 정도의 발전량인 경우에는 발전 용량 매칭 충전 용량 합산과 배터리 선택단계와,
   배터리모듈별로 분담시켜 충전하는 병렬충전 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 방법.
   
3. 상용 전력을 공급받아 이를 부하로 공급하는 수변전 설비 및 차단기 등으로 이루어진 상용전력공급설비, 자체발전설비, 자체발전 설비로부터 발전된 전력을 저장하거나 상용전력 공급 설비로부터 전력을 공급받아 저장하거나 부하로 전력을 공급하는 축전지 모듈 등으로 구성된 전력저장설비,
   상용전력공급설비 또는 자체발전설비 또는 전력저장설비로부터 전력을 공급받는 부하,
   상용전력공급설비(100), 자체발전설비(200), 전력저장설비(600), 부하(500)를 제어하는 통합제어부(300),
   통합제어부(300)의 제어 신호에 의하여 배터리모듈(700)을 직렬로 연결하거나 어느 하나를 선택하거나, 병렬로 연결하는 스위치들로 구성된 직병렬 선택스위치(400)로 이루어진 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 시스템에 있어서,
   통합제어부(300)는 자체 발전량 예측단계;
   각 배터리 모듈별 충전 가능용량 판단단계;
   최대효율 용량 범위 충전 가능용량 모듈 추출 단계;
   배터리 모듈 충방전 횟수 검출단계;
   충전가능 용량별 가중치 부여단계;
   최대효율 충전 가능범위 가중치 부여단계;
   충전 횟수 기준 가중치부여단계;
   배터리 모듈별 충전 순위 연산단계;
   전체 충전 가능용량과 자체 발전량 비교단계;
   가중치 합산 값 순서에 의한 순환충전 단계와 배터리로 분담시켜 충전하는 병렬충전 단계 중 어느 한 단계를 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 발전량에 추종되는 전기 저장장치의 운용 시스템.

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