KR20160057905A - 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 전력 변환부의 출력을 제어하기 위해, 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC) 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값, 충방전이 가능한 배터리의 수, 산출된 SOC 보정값 및 출력 보정값을 이용하여 전력 변환부마다 출력값을 산출함으로써, 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC에 대응하여 전력 변환부의 출력을 제어하는 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling of energy storage system using output control}
본 발명은 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 전력 변환부의 출력을 제어하기 위해, 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC) 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값, 충방전이 가능한 배터리의 수, 산출된 SOC 보정값 및 출력 보정값을 이용하여 전력 변환부마다 출력값을 산출함으로써, 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC에 대응하여 전력 변환부의 출력을 제어하는 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 대규모 전력망을 구동하는 발전소 또는 전력 소모량이 큰 빌딩 등에 설치되는 에너지 저장 시스템은 다수의 배터리로 구성된 배터리 섹션(Battery Section)으로 구성된다. 이러한 배터리는 일반적으로 배터리 모듈(Battery Module)이 다수로 구성된 배터리 랙(Battery Rack)이 다시 다수로 구성된 배터리 뱅크(Battery Bank)일 수 있으며, 결과적으로 수많은 배터리가 모여 공조 건물 또는 컨테이너 등과 같은 특수 공간에 설치될 수 있다. 이때, 배터리에 구성된 배터리 모듈, 배터리 랙 및 배터리 뱅크 각각에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 설치되고 다수의 배터리로 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)가 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어한다.
한편, 배터리 섹션 마다 설치된 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)은 외부로터 공급되는 전력과 배터리 섹션에서 외부로 공급하는 전력을 제어하여 배터리의 충방전을 제어하며, PCS와 연결된 에너지 관리 시스템(Enery Management System; EMS)은 상술된 BMS 또는 BSC의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 PCS의 출력을 제어한다.
PCS를 통해 각각의 개별 이차전지시스템에 분배하는 장치 및 방법은 필수적이다. 그런데, 종래의 ESS에서는 충방전 가능한 배터리의 수 또는 배터리 또는 배터리 섹션의 SOC 간에 편차를 반영하여 배터리 세션 별 SOC가 균등하도록 PCS의 출력을 제어할 수 없으며 이에 따라, 특정 배터리 섹션이 과도하게 충방전하여 배터리 수명에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자는 상술된 문제점을 해결하기 위하여, 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템에서 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 전력 변환부의 출력을 제어하기 위해, 배터리 섹션의 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값, 충방전이 가능한 배터리의 수, 산출된 SOC 보정값 및 출력 보정값을 이용하여 전력 변환부마다 출력값을 산출함으로써, 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC에 대응하여 전력 변환부의 출력을 제어하는 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제10- 2011-0084751호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션 간에 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 전력 변환부의 출력 보정값을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값, 충방전이 가능한 배터리의 수, 산출된 SOC 보정값 및 출력 보정값을 이용하여 전력 변환부마다 출력값을 산출함으로써, 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC에 대응하여 전력 변환부의 출력을 제어할 수 있는 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치는 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 상기 배터리 섹션마다 구비되어 충방전을 제어하는 전력 변환부; 상기 배터리 섹션마다 구비되어 상기 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC)을 산출하고, 해당 배터리 섹션에 구성된 하나 이상의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리를 파악하는 배터리 섹션 제어부; 및 상기 배터리 섹션의 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, 상기 ESS에 요구되는 ESS 출력값, 상기 충방전이 가능한 배터리의 수, 상기 SOC 보정값 및 상기 출력 보정값을 이용하여 상기 전력 변환부마다 출력값을 산출하며, 상기 산출된 출력값에 대응하여 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 에너지 관리부;를 포함하여 구성된다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치는 상기 배터리 마다 구비되어 상기 배터리의 SOC를 산출하는 배터리 관리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 섹션 제어부는, 상기 배터리 관리부를 통해 산출된 상기 배터리의 SOC를 이용하여 배터리 섹션의 SOC를 산출할 수 있다.
출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
상기 에너지 관리부는, 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC 간에 차이를 근거하여 상기 SOC 보정값을 산출할 수 있다.
상기 에너지 관리부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 보정값을 산출할 수 있다.
<수학식>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00001
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00002
여기서, CSOC = SOC 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
상기 에너지 관리부는, 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 배터리 섹션의 SOC 중 최소 또는 최대 SOC 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값을 산출할 수 있다.
상기 에너지 관리부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 최대 보정값을 산출할 수 있다.
<수학식>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00003
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00004
여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
상기 에너지 관리부는, 상기 SOC 최대 보정값의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값 중 최소값을 상기 출력 보정값으로 산출할 수 있다.
상기 에너지 관리부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 출력 보정값을 산출할 수 있다.
<수학식 >
Figure pat00005
여기서, CPCS = 출력 보정값
CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
k = 기 설정된 비교값
상기 에너지 관리부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 전력 변환부마다 상기 출력값을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure pat00006
여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
CSOC = SOC 보정값
CPCS = 출력 보정값
본 발명의 일 실시예에 따른, 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 전력 변환부가 상기 배터리 섹션마다 구비되어 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 단계; 배터리 섹션 제어부가 상기 배터리 섹션마다 구비되어 상기 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC)을 산출하고, 해당 배터리 섹션에 구성된 하나 이상의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리를 파악하는 단계; 및 에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, 상기 ESS에 요구되는 ESS 출력값, 상기 충방전이 가능한 배터리의 수, 상기 SOC 보정값 및 상기 출력 보정값을 이용하여 상기 전력 변환부마다 출력값을 산출하며, 상기 산출된 출력값에 대응하여 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 배터리 관리부가 상기 배터리 마다 구비되어 상기 배터리의 SOC를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 배터리 섹션 제어부가 상기 배터리 관리부를 통해 산출된 상기 배터리의 SOC를 이용하여 배터리 섹션의 SOC를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC 간에 차이를 근거하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00007
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00008
여기서, CSOC = SOC 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 배터리 섹션의 SOC 중 최소 또는 최대 SOC 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 최대 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00009
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00010
여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 상기 SOC 최대 보정값의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값 중 최소값을 상기 출력 보정값으로 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 출력 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식 >
Figure pat00011
여기서, CPCS = 출력 보정값
CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
k = 기 설정된 비교값
상기 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 전력 변환부마다 상기 출력값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
Figure pat00012
여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
CSOC = SOC 보정값
CPCS = 출력 보정값
본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치 및 방법은 충방전 가능한 배터리의 수와 배터리 또는 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션의 SOC를 반영하여 전력 변환부마다 출력값을 산출하고, 산출된 출력값을 바탕으로 전력 변환부의 출력을 개별적으로 제어함으로써, 배터리 세션 별 SOC가 균등하도록 제어하여 일부 배터리 섹션의 과도한 충방전을 방지하고, 배터리의 수명을 연장시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치가 에너지 저장 시스템에 적용된 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법의 수행 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치(100)는 전력 변환부(110), 배터리 관리부(120), 배터리 섹션 제어부(130) 및 에너지 관리부(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
하나 이상의 배터리(20)로 구성되는 배터리 섹션(30)을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 전력 변환부(110)는 배터리 섹션(30)마다 구비되어 배터리 섹션(30)에 전력의 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 변환부(110)는 외부로부터 공급된 전력을 변환하여 배터리 섹션(30)으로 공급함으로써 배터리(20)에 전력을 충전할 수 있고, 배터리(20)가 방전되어 배터리 섹션(30)으로부터 전달된 전력을 변환하여 외부로 공급할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 변환부(110)는 ESS의 배터리 섹션(30)마다 구비되는 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)에 포함될 수 있다.
배터리 관리부(120)는 하나 이상의 배터리(20)마다 구비되어 배터리(20)의 전압, 전류, 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과를 근거하여 배터리(20)의 잔존 용량(State of Charge; SOC)을 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 배터리 관리부(120)는 배터리(20)의 전압, 전류, 온도 및 SOC를 근거하여 이상 유무를 판단하고, 이상이 발생한 배터리(20)의 충방전을 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 관리부(120)는 ESS의 배터리(20)마다 구비되는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)에 포함될 수 있다.
배터리 섹션 제어부(130)는 ESS에 포함된 하나 이상의 배터리 섹션(30)마다 구비되고, 배터리 관리부(120)를 통해 충방전이 차단된 배터리(20)를 파악하여 배터리 섹션(30)에 구성된 배터리(20) 중 충방전이 가능한 배터리(20)의 수를 산출하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 배터리 섹션 제어부(130)는 배터리 섹션(30)의 배터리(20) 중 충방전이 가능한 배터리(20)의 SOC를 배터리 관리부(120)로부터 수신하여 배터리 섹션(30)의 SOC로 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 섹션 제어부(130)는 ESS의 배터리 섹션(30)마다 구비되는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)에 포함될 수 있다.
에너지 관리부(140)는 각 배터리 섹션 제어부(130)를 통해 산출된 하나 이상의 배터리 섹션(30)의 SOC 간에 편차에 근거하여 SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값(CPCS)을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값(PESS), 충방전이 가능한 배터리의 수, SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값을 이용하여 전력 변환부(110)마다의 출력값(PPCS)을 개별로 산출하며, 산출된 출력값(PPCS)에 대응하여 해당 전력 변환부(110)의 출력을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 에너지 관리부(140)는 모든 배터리 섹션 제어부(130)로부터 배터리 섹션(30)의 SOC를 수신하여 ESS에 포함된 배터리 섹션(30)의 SOC 평균(SOCESS)을 산출하고, 산출된 배터리 섹션(30)의 SOC 평균(SOCESS)과 에너지 관리부(140)의 제어를 받는 해당 전력 변환부(110)와 연결된 배터리 섹션(30)의 SOC(SOCBS) 간에 차이를 근거하여 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있다.
이때, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)의 충방전 상태에 따라 하기의 수학식 1을 이용하여 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00013
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00014
여기서, CSOC = SOC 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
이를 통해, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)가 충전되는 경우, SOC가 높은 배터리 섹션(30)으로 전달되는 전력이 감소하도록 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있고, 반대로, SOC가 낮은 배터리 섹션(30)으로 전달되는 전력은 증가하도록 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있다.
이와 유사하게, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)가 방전되는 경우, SOC가 높은 배터리 섹션(30)으로부터 외부로 전달되는 전력이 증가하도록 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있고, 반대로, SOC가 낮은 배터리 섹션(30)으로부터 외부로 전달되는 전력은 감소하도록 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있다.
다음으로, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)가 충전되는 경우, ESS에 포함된 배터리 섹션(30)의 SOC 평균(SOCESS) 및 ESS에 포함된 배터리 섹션(30)의 SOC 중 최소 SOC(SOCBS , MAX) 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값(CSOC , MAX)을 산출할 수 있다. 또한, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)가 방전되는 경우, ESS에 포함된 배터리 섹션(30)의 SOC 평균(SOCESS) 및 ESS에 포함된 배터리 섹션(30)의 SOC 중 최대 SOC(SOCBS , MAX) 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출할 수 있다.
이때, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)의 충방전 상태에 따라 하기의 수학식 2를 이용하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출할 수 있다.
<수학식 2>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00015
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00016
여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
이를 통해, 에너지 관리부(140)는 ESS에 포함된 배터리 섹션(30) 중 최고 SOC 또는 최대 SOC를 반영하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출할 수 있다.
다음으로, 에너지 관리부(140)는 산출된 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값을 비교하고, 최소값을 출력 보정값(CPCS)으로 산출할 수 있다. 이때, 에너지 관리부(140)는 하기의 수학식 3을 이용하여 출력 보정값(CPCS)을 산출할 수 있다.
<수학식 3>
Figure pat00017
여기서, CPCS = 출력 보정값
CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
k = 기 설정된 비교값
최종적으로, 에너지 관리부(140)는 에너지 관리부(140)에 제어받는 해당 전력 변환부(110)와 연결된 배터리 섹션(30)의 배터리(20) 중 충방전이 가능한 배터리의 수(NBS)와 ESS에 포함된 배터리(20) 중 충방전이 가능한 배터리의 수(NESS)의 비율, 그리고 ESS 전체에 요구되는 출력(PESS), SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값(CPCS)을 곱하여 해당 전력 변환부(110)의 출력값(PPCS)을 산출할 수 있다.
이때, 에너지 관리부(140)는 하기의 수학식 4를 이용하여 출력값(PPCS)을 산출할 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00018
여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
CSOC = SOC 보정값
CPCS = 출력 보정값
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치(100)는 정상적으로 작동하여 충방전이 가능한 배터리의 수와 배터리 섹션(30)의 SOC에 대응하여 해당 전력 변환부(110)의 출력을 제어함으로써, 배터리 세션(30)의 SOC를 균등하도록 제어하고, 일부 배터리 섹션(30)의 과도한 충방전을 방지하여 배터리(20)의 수명을 연장시키는 효과를 가질 수 있다.
한편, 배터리 관리부(120), 배터리 섹션 제어부(130) 및 에너지 관리부(140)는 중앙 처리 장치(Central Procesing Unit; CPU), 메모리, 통신 주변 장치 등을 실장한 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB)의 형태의 하드웨어로 구성될 수 있다. 또한, 배터리 관리부(120), 배터리 섹션 제어부(130) 및 에너지 관리부(140)은 상호 통신 버스를 통해 연결되어 캔(CAN, Controler Area) 통신을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치가 에너지 저장 시스템에 적용된 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2와 같이, 하나 이상의 배터리 모듈(22')로 구성되는 배터리 랙(21')이 하나 이상 연결되어 배터리 뱅크(20')를 구성하고, 하나 이상의 배터리 뱅크(20')가 배터리 섹션(30')으로 구성된 ESS에 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치(100')가 적용된 경우, 상술된 배터리 관리부(도 1의 120)는 배터리 뱅크 관리 시스템(Bank Batery Management System; BBMS)(120'), 랙 배터리 관리 시스템(Rack Batery Management System; RBMS)(121') 및 모듈 배터리 관리 시스템(Module Batery Management System; MBMS)(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, BBMS(120'), RBMS(121') 및 MBMS 각각은 배터리 뱅크(20'), 배터리 랙(21') 및 배터리 모듈(22')로부터 전류, 전압 및 온도를 모니터링 하고, 모니터링 결과를 근거하여 SOC를 산출하고 충방전을 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
상술된 배터리 섹션 제어부(도 1의 130)와 동일하게, BSC(130') 또한 ESS에 포함된 하나 이상의 배터리 섹션(30')마다 구비되고, BBMS(120')를 통해 충방전이 차단된 배터리 뱅크(120')를 파악하여 배터리 섹션(30')에 구성된 배터리 뱅크(120') 중 충방전이 가능한 배터리 뱅크의 수를 산출하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, BSC(130')는 배터리 섹션(30')의 배터리 뱅크(120') 중 충방전이 가능한 배터리 뱅크의 SOC를 BBMS(120')로부터 수신하여 배터리 섹션(30')의 SOC로 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
EMS(140')는 상술된 에너지 관리부(도 1의 140)와 동일하게, 각 BSC(130')를 통해 산출된 하나 이상의 배터리 섹션(30')의 SOC 간에 편차에 근거하여 상술된 수학식 1 내지 3을 통해 SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값(CPCS)을 산출하고, ESS에 요구되는 ESS 출력값(PESS), 충방전이 가능한 배터리 뱅크의 수, SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값을 이용하여 상술된 수학식 4를 통해 PCS(110)마다의 PCS 출력값(PPCS)을 개별로 산출하며, 산출된 출력값(PPCS)에 대응하여 해당 PCS(110)의 출력을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법의 수행 순서를 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 ESS에서 배터리 관리부는 하나 이상의 배터리마다 구비되어 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과를 근거하여 배터리의 SOC를 산출하게 된다(S301).
다음으로, 배터리 섹션 제어부는 ESS에 포함된 하나 이상의 배터리 섹션마다 구비되어 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 SOC를 배터리 관리부로부터 수신하여 배터리 섹션의 SOC로 산출하게 된다(S302). 또한, 배터리 섹션 제어부는 배터리 관리부를 통해 충방전이 차단된 배터리를 파악하여 배터리 섹션에 구성된 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수를 산출하게 된다.
이어서, 에너지 관리부는 모든 배터리 섹션 제어부로부터 배터리 섹션의 SOC를 수신하여 ESS에 포함된 배터리 섹션의 SOC 평균(SOCESS)을 산출하고, 산출된 배터리 섹션의 SOC 평균과 에너지 관리부의 제어를 받는 해당 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC(SOCBS) 간에 차이를 근거하여 SOC 보정값(CSOC)을 산출하게 된다(S303).
이때, 에너지 관리부는 배터리 및 배터리 섹션의 충방전 상태에 따라 하기의 수학식 1을 이용하여 SOC 보정값(CSOC)을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00019
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00020
여기서, CSOC = SOC 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
다음으로, 에너지 관리부는 배터리 및 배터리 섹션이 충전되는 경우, ESS에 포함된 배터리 섹션의 SOC 평균(SOCESS) 및 ESS에 포함된 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC(SOCBS , MAX) 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출하게 되고, 반대로, 배터리 및 배터리 섹션이 방전되는 경우(S305), ESS에 포함된 배터리 섹션의 SOC 평균(SOCESS) 및 ESS에 포함된 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC(SOCBS , MAX) 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출하게 된다(S305).
이때, 에너지 관리부(140)는 배터리(20) 및 배터리 섹션(30)의 충방전 상태에 따라 하기의 수학식 2를 이용하여 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)을 산출할 수 있다.
<수학식 2>
배터리가 충전되는 경우,
Figure pat00021
배터리가 방전되는 경우,
Figure pat00022
여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
다음으로, 에너지 관리부는 산출된 SOC 최대 보정값(CSOC,MAX)의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값을 비교하고, 최소값을 출력 보정값(CPCS)으로 산출하게 된다(S306).
이때, 에너지 관리부는 하기의 수학식 3을 이용하여 출력 보정값(CPCS)을 산출할 수 있다.
<수학식 3>
Figure pat00023
여기서, CPCS = 출력 보정값
CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
k = 기 설정된 비교값
최종적으로, 에너지 관리부는 에너지 관리부에 제어받는 해당 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수(NBS)와 ESS에 포함된 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수(NESS)의 비율, 그리고 ESS 전체에 요구되는 출력(PESS), SOC 보정값(CSOC) 및 출력 보정값(CPCS)을 곱하여 해당 전력 변환부의 전력 변환부출력값(P전력 변환부)을 산출하게 된다(S307).
이때, 에너지 관리부는 하기의 수학식 4를 이용하여 전력 변환부출력값(P전력 변환부)을 산출할 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00024
여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
CSOC = SOC 보정값
CPCS = 출력 보정값
이후, 에너지 관리부는 산출된 출력값(PPCS)에 대응하여 해당 전력 변환부의 출력을 제어하게 된다(S308).
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법은 정상적으로 작동하여 충방전이 가능한 배터리의 수와 배터리 섹션의 SOC에 대응하여 해당 전력 변환부의 출력을 제어함으로써, 배터리 세션의 SOC를 균등하도록 제어하고, 일부 배터리 섹션의 과도한 충방전을 방지하여 배터리의 수명을 연장시키는 효과를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 일 실시예에 따른 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치를 이용한 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 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 것 들이거나 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 모든 형태의 하드웨어 장치가 포함될 수 있다.　프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 　이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명의 원리들의 교시들은 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어는 프로그램 저장부 상에서 실재로 구현되는 응용 프로그램으로서 구현될 수 있다. 응용 프로그램은 임의의 적절한 아키텍쳐를 포함하는 머신에 업로드되고 머신에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 머신은 하나 이상의 중앙 처리 장치들(CPU), 컴퓨터 프로세서, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입/출력(I/O) 인터페이스들과 같은 하드웨어를 갖는 컴퓨터 플랫폼 상에 구현될 수 있다. 또한, 컴퓨터 플랫폼은 운영 체제 및 마이크로 명령 코드를 포함할 수 있다. 여기서 설명된 다양한 프로세스들 및 기능들은 마이크로 명령 코드의 일부 또는 응용 프로그램의 일부, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있고, 이들은 CPU를 포함하는 다양한 처리 장치에 의해 실행될 수 있다. 추가로, 추가 데이터 저장부 및 프린터와 같은 다양한 다른 주변 장치들이 컴퓨터 플랫폼에 접속될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치
110 : 전력변환부
120 : 배터리 관리부
130 : 배터리 섹션 제어부
140 : 에너지 관리부

Claims (20)

  1. 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 상기 배터리 섹션마다 구비되어 충방전을 제어하는 전력 변환부;
    상기 배터리 섹션마다 구비되어 상기 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC)을 산출하고, 해당 배터리 섹션에 구성된 하나 이상의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리를 파악하는 배터리 섹션 제어부; 및
    상기 배터리 섹션의 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, 상기 ESS에 요구되는 ESS 출력값, 상기 충방전이 가능한 배터리의 수, 상기 SOC 보정값 및 상기 출력 보정값을 이용하여 상기 전력 변환부마다 출력값을 산출하며, 상기 산출된 출력값에 대응하여 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 에너지 관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 마다 구비되어 상기 배터리의 SOC를 산출하는 배터리 관리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 섹션 제어부는,
    상기 배터리 관리부를 통해 산출된 상기 배터리의 SOC를 이용하여 배터리 섹션의 SOC를 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC 간에 차이를 근거하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
    <수학식>
    배터리가 충전되는 경우,
    Figure pat00025

    배터리가 방전되는 경우,
    Figure pat00026

    여기서, CSOC = SOC 보정값
    SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
    SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 배터리 섹션의 SOC 중 최소 또는 최대 SOC 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 최대 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
    <수학식>
    배터리가 충전되는 경우,
    Figure pat00027

    배터리가 방전되는 경우,
    Figure pat00028

    여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
    SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
    SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    상기 SOC 최대 보정값의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값 중 최소값을 상기 출력 보정값으로 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 출력 보정값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
    <수학식 >
    Figure pat00029

    여기서, CPCS = 출력 보정값
    CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
    k = 기 설정된 비교값
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 전력 변환부마다 상기 출력값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 장치.
    <수학식>
    Figure pat00030

    여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
    PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
    NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
    NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
    CSOC = SOC 보정값
    CPCS = 출력 보정값
  11. 하나 이상의 배터리로 구성되는 배터리 섹션을 하나 이상 포함하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에서 전력 변환부가 상기 배터리 섹션마다 구비되어 배터리 섹션의 충방전을 제어하는 단계;
    배터리 섹션 제어부가 상기 배터리 섹션마다 구비되어 상기 배터리 섹션의 잔존 용량(State of Charge; SOC)을 산출하고, 해당 배터리 섹션에 구성된 하나 이상의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리를 파악하는 단계; 및
    에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 편차에 근거하여 SOC 보정값 및 출력 보정값을 산출하고, 상기 ESS에 요구되는 ESS 출력값, 상기 충방전이 가능한 배터리의 수, 상기 SOC 보정값 및 상기 출력 보정값을 이용하여 상기 전력 변환부마다 출력값을 산출하며, 상기 산출된 출력값에 대응하여 상기 전력 변환부의 출력을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    배터리 관리부가 상기 배터리 마다 구비되어 상기 배터리의 SOC를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 섹션 제어부가 상기 배터리 관리부를 통해 산출된 상기 배터리의 SOC를 이용하여 배터리 섹션의 SOC를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC 간에 차이를 근거하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 보정값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
    <수학식>
    배터리가 충전되는 경우,
    Figure pat00031

    배터리가 방전되는 경우,
    Figure pat00032

    여기서, CSOC = SOC 보정값
    SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
    SOCBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 SOC
  16. 제15항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 상기 배터리 섹션의 SOC 평균 및 상기 배터리 섹션의 SOC 중 최소 또는 최대 SOC 간에 차이를 근거하여 SOC 최대 보정값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 SOC 최대 보정값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
    <수학식>
    배터리가 충전되는 경우,
    Figure pat00033

    배터리가 방전되는 경우,
    Figure pat00034

    여기서, CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
    SOCESS = 배터리 섹션의 SOC 평균
    SOCBS , MAX = 배터리가 충전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최소 SOC, 배터리가 방전되는 경우 배터리 섹션의 SOC 중 최대 SOC
  18. 제17항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 상기 SOC 최대 보정값의 절대값에 역수와 기 설정된 비교값 중 최소값을 상기 출력 보정값으로 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 출력 보정값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
    <수학식 >
    Figure pat00035

    여기서, CPCS = 출력 보정값
    CSOC , MAX = SOC 최대 보정값
    k = 기 설정된 비교값
  20. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 관리부가 하기 수학식을 이용하여 상기 전력 변환부마다 상기 출력값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    출력 제어를 통한 에너지 저장 시스템 제어 방법.
    <수학식>
    Figure pat00036

    여기서, PPCS = 전력 변환부의 출력값
    PESS = ESS에 요구되는 ESS 출력값
    NESS = 충방전이 가능한 배터리의 수
    NBS = 전력 변환부와 연결된 배터리 섹션의 배터리 중 충방전이 가능한 배터리의 수
    CSOC = SOC 보정값
    CPCS = 출력 보정값
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