KR20160060851A - 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템 및 그 운영 방법 - Google Patents

다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템 및 그 운영 방법 Download PDF

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Abstract

에너지 저장 장치에 저장되어 있는 에너지량에 따라 출력할 유효전력 및 무효전력을 조절할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템은, 배터리에 에너지를 충전하거나, 배터리에 저장되어 있는 에너지를 방전하는 복수개의 에너지 저장 장치; 및 상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 상기 각 에너지 저장장치에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 무효전력 지령치를 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 전력 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템 및 그 운영 방법{Power Controlling System Having Plurality of Energy Storage System and Method for Operating The Same}
본 발명은 전력 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 전지에 저장하거나 계통의 부족 전력을 전지에서 공급해주는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이다.
에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지원에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하시 저장되어 있던 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다. 이러한 에너지 저장 시스템의 일 예가 대한민국 공개특허 제10-2012-0038490호에 제시된 바 있다.
최근, 다수개의 에너지 저장 시스템을 병렬로 연결하여 구성한 대규모 에너지 저장 시스템을 통해 계통안정화를 위한 유효전력을 제어하는 방법이 제안된 바 있다.
하지만, 종래의 대규모 에너지 저장 시스템의 경우, 유효전력을 제어함에 있어서 개별 에너지 저장 시스템에 저장되어 있는 에너지량의 차이를 고려하지 않았기 때문에, 각 에너지 저장 시스템에서 출력되는 유효전력이 제한될 뿐만 아니라 별도로 무효전력을 제어 할 수 없어 계통 안정화의 극대화가 제한된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에너지 저장 장치에 저장되어 있는 에너지량에 따라 에너지 저장 장치의 유효전력 및 무효전력을 조절할 수 있는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템 및 그 운영 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템은, 배터리에 에너지를 충전하거나, 배터리에 저장되어 있는 에너지를 방전하는 복수개의 에너지 저장 장치; 및 상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 상기 각 에너지 저장장치에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 무효전력 지령치를 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 전력 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영 방법은, 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 전체 무효전력 지령치를 수신하는 단계; 상기 전체 유효전력 지령치 및 각 에너지 저장장치에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 전체 무효전력 지령치를 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 단계; 및 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 이용하여 산출되는 에너지 저장장치의 출력이 정격용량을 초과하는 경우, 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치에 따라 상기 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템에서, 개별 에너지 저장 장치에 저장된 에너지량에 기초하여 각 에너지 저장 장치의 유효전력 및 무효전력을 산출하기 때문에 각 에너지 저장 장치의 유효전력 및 무효전력의 출력이 제한되지 않아 계통 안정화에 필요한 유효전력 및 무효전력을 항시 제공할 수 있어 시스템의 신뢰성이 향상된다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 에너지 저장 용량이 서로 다른 에너지 저장 장치를 연결하여 전력 제어 시스템을 구현할 수 있어, 시스템의 확장성을 극대화시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 별도의 무효전력 보상장치의 추가 설치가 요구되지 않아 전력 제어 시스템의 설치 비용을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 관리 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치가 각 에너지 저장장치의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 산출하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 에너지 저장 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영 방법을 보여주는 플로우차트이다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 해당 구성을 설명하기로 한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템(이하, '전력 제어 시스템'이라 함, 100)은, 전력계통(110)에 연결되어, 에너지 저장장치의 유효전력 및 무효전력을 조절함으로써 전력계통(110)의 안정화를 수행한다.
전력계통(110)의 안정화(Stability)는 위상각 안정도(Angle Stability) 및 전압 안정도(Voltage Stability)로 구분할 수 있다. 위상각 안정도는 전력계통(110)의 외란(상정사고, 부하의 급증, 또는 발전기의 탈락 등)시 전력계통(110)의 동기 위상각을 유지하는 정도를 의미한다. 전압 안정도는 전력계통(110)의 외란 시 전력계통(110)이 적정 전압을 유지하는 정도를 의미한다. 평상시 전력계통(110)은 항시 위상각 안정도와 전압 안정도가 안정한 범위에서 운전된다. 그러나 특정한 상황에서(상정사고의 발생이나, 부하 또는 발전기의 탈락 등) 전력계통(110)의 운전점이 안정한 영역을 벗어나게 되면 대규모 정전과 같은 상황이 발생하게 된다.
위상각 안정도는 발전기의 인출선로가 탈락된 경우나 발전기가 회전하는 운동에너지가 전기에너지로 모두 변환되어 전력계통에 공급되지 못할 때 발생한다. 즉, 외란이 발생한 후 과도기간 동안 발전기가 가속하여 축적되는 에너지를 고장제거 후에 전력계통에서 흡수할 수 있는 경우 전력계통의 위상각 안정도가 유지될 수 있다.
전압 안정도는 무효전력의 부족에서 발생한다. 발전기에서 생산된 전력은 변압기 및 송전선로의 임피던스로 인해 수요지까지 전송되면서 무효전력의 손실이 발생한다. 무효전력의 손실은 외란의 발생으로 전력계통의 임피던스가 증가하면 더욱 증가하며, 이러한 무효전력의 손실로 인해 전압이 하락하여 안정한 영역을 벗어나게 되면 대규모 정전이 발생하게 된다. 즉, 외란으로 인한 무효전력의 손실을 충분히 보상하면 전압 안정도를 유지할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전력 제어 시스템(100)은 에너지 저장 장치의 유효전력뿐만 아나라 무효전력을 제어함으로써 전력 계통(110)의 안정화를 수행한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 전력 제어 시스템(100)은 에너지 관리 장치(Energy Management System: EMS, 120), 전력 관리 장치(Power Management System: PMS, 130), 및 복수개의 에너지 저장 장치(Energy Storage System: ESS, 140)를 포함한다.
먼저, 에너지 관리 장치(120)는 전력계통(110)의 운영상태를 감시하여 전력계통(110)에서 필요로 하는 유효전력을 계산하고, 계산된 유효전력을 복수개의 에너지 저장장치(140)가 출력해야 하는 전체 유효전력 지령치로 결정한다. 또한, 에너지 관리 장치(120)는 전력계통(110)의 안정화를 위해 요구되는 무효전력을 계산하고, 계산된 무효전력을 복수개의 에너지 저장장치(140)가 출력해야 하는 전체 무효전력 지령치로 결정한다. 에너지 관리 장치(120)는 결정된 전체 유효전력 지령치 및 전체 무효전력 지령치를 전력 관리 장치(130)로 전달한다.
전력 관리 장치(130)는, 에너지 관리 장치(120)로부터 전체 유효전력 지령치 및 전체 무효전력 지령치가 수신되면, 전체 유효전력 지령치 및 각 에너지 저장장치(140)에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별 유효전력 지령치를 산출한다.
또한, 전력 관리 장치(130)는 전체 무효전력 지령치를 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 지령치를 산출한다.
이하에서, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 전력 관리 장치(130)의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치(130)의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(130)는 제1 통신부(210), 제2 통신부(220), 제1 가중치 산출부(230), 유효전력 지령치 산출부(240), 무효전력 지령치 산출부(250), 및 보정부(260)를 포함한다.
제1 통신부(210)는 에너지 관리 장치(120)로부터 전체 무효전력 지령치 및 전체 유효전력 지령치를 수신한다. 또한, 제1 통신부(210)는 복수개의 에너지 저장 장치(130)의 상태정보를 에너지 관리 장치(120)로 전달한다.
일 실시예에 있어서, 복수개의 에너지 저장장치(140)의 상태정보는 각 에너지 저장장치(140)의 에너지량, 각 에너지 저장장치(140)의 동작상태, 각 에너지 저장장치(140)에 충전되고 있는 에너지량, 또는 각 에너지 저장장치(140)에서 방전되고 있는 에너지량 등을 포함한다.
제2 통신부(220)는 복수개의 에너지 저장장치(140)로부터 각 에너지 저장장치(140)의 상태정보를 수신하고, 각 에너지 저장장치(140)로 각 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 전달한다.
제1 가중치 산출부(230)는 에너지 저장장치(140)의 에너지량에 따라 에너지 저장장치들의 유효전력 지령치를 조절하기 위한 유효전력 분담 가중치를 산출한다.
본 발명에서 제1 가중치 산출부(230)를 통해 유효전력 분담 가중치를 산출하는 것은, 에너지 저장장치(140)의 에너지량에 따라 상이하게 산출된 유효전력 분담 가중치를 각 에너지 저장장치(140)에 적용하지 않게 되면, 전체 유효전력 지령치에 해당하는 유효전력을 각 에너지 저장장치(140)가 균등 부담하게 되고 이러한 경우 에너지량이 작은 에너지 저장장치(140)의 출력이 제한될 수 밖에 없다는 문제점이 있기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 제1 가중치 산출부(230)는 아래의 수학식 1을 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별로 유효전력 분담 가중치를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서
Figure pat00002
은 n번째 에너지 저장장치(140)의 유효전력 분담 가중치를 나타내고,
Figure pat00003
은 n번째 에너지 저장장치(140)의 에너지 저장량을 나타내고, n은 에너지 저장장치(140)의 개수를 나타낸다.
유효전력 지령치 산출부(240)는 제1 가중치 산출부(230)에 의해 산출된 유효전력 분담 가중치, 전체 유효전력 지령치, 및 에너지 저장장치(140)의 개수를 이용하여 에너지 저장장치(140) 별 유효전력 지령치를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 유효전력 지령치 산출부(240)는 아래의 수학식 2를 이용하여 에너지 저장장치(140) 별 유효전력 지령치를 산출한다.
Figure pat00004
수학식 2에서
Figure pat00005
는 n번째 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치를 나타내고,
Figure pat00006
은 n번째 에너지 저장장치(140)의 유효전력 분담 가중치를 나타내며,
Figure pat00007
은 전체 유효전력 지령치를 나타내고, n은 에너지 저장장치(140)의 개수를 나타낸다.
무효전력 지령치 산출부(250)는 전체 무효전력 지령치를 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 지령치를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 무효전력 지령치 산출부(250)는 아래의 수학식 3을 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 지령치를 산출한다.
Figure pat00008
수학식 3에서
Figure pat00009
는 에너지 저장장치(140)의 무효전력 지령치를 나타내고,
Figure pat00010
은 전체 무효전력 지령치를 나타내며, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타낸다. 즉, 무효전력 지령치 산출부(250)는 전체 무효전력 지령치에 해당하는 무효전력을 각 에너지 저장장치(140)가 균등 부담할 수 있도록 각 에너지 저장장치(140)의 무효전력 지령치를 산출한다.
보정부(250)는 출력이 정격용량을 초과하게 되는 에너지 저장장치(140)가 존재하는지 여부를 판단하고, 존재하는 경우 각 에너지 저장장치(140)의 무효전력 지령치를 보정한다.
이를 위해, 보정부(250)는 도 2에 도시된 바와 같이, 판단부(252), 제2 가중치 산출부(254), 및 연산부(256)를 포함한다.
먼저, 판단부(252)는 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 이용하여 각 에너지 저장장치(140)의 출력을 산출하고, 출력이 정격용량을 초과하게 되는 에너지 저장장치(140)가 존재하는지 여부를 판단한다. 일 실시예에 있어서, 판단부(252)는 아래의 수학식 4를 이용하여 각 에너지 저장장치(140)의 출력을 산출한다.
Figure pat00011
수학식 4에서,
Figure pat00012
은 n번째 에너지 저장장치(140)의 출력을 나타내고,
Figure pat00013
는 n번째 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치를 나타내며,
Figure pat00014
는 n번째 에너지 저장장치(140)의 무효전력 지령치를 나타낸다.
제2 가중치 산출부(254)는 출력이 정격용량을 초과하는 에너지 저장장치(140)가 존재하는 경우, 각 에너지 저장장치(140)의 무효전력 지령치를 보정하기 위해 에너지 저장장치(140) 별 유효전력 지령치에 따라 각 에너지 저장장치(140)들의 무효전력 지령치를 조절하기 위한 무효전력 분담 가중치를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 제2 가중치 산출부(254)는 아래의 수학식 5를 이용하여 각 에너지 저장장치(140) 별로 무효전력 분담 가중치를 산출한다.
Figure pat00015
수학식 5에서
Figure pat00016
는 n번째 에너지 저장장치(140)의 무효전력 분담 가중치를 나타내고,
Figure pat00017
는 n번째 에너지 저장장치(140)에서 출력 가능한 무효전력을 나타낸다.
n번째 에너지 저장장치(140)에서 출력 가능한 무효전력은 아래의 수학식 6을 이용하여 산출된다.
Figure pat00018
수학식 6에서,
Figure pat00019
는 n번째 에너지 저장장치의 정격용량을 나타내고,
Figure pat00020
은 n번째 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치를 나타낸다.
연산부(256)는 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 지령치에 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 분담 가중치를 승산함으로써 각 에너지 저장장치(140) 별 무효전력 지령치를 보정한다. 이를 수학식으로 표현하면 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00021
수학식 7에서,
Figure pat00022
는 보정된 무효전력 지령치를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명은 각 에너지 저장장치(140)의 에너지량에 기초하여 각 에너지 저장장치(140)가 분담해야 하는 유효전력의 지령치을 상이하게 결정하고, 각 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치를 기초로 각 에너지 저장장치(140)가 분담해야 하는 무효전력의 지령치를 상이하게 결정함으로써 에너지 저장장치(140)의 유효전력의 출력 및 무효전력의 출력이 제한되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이하에서는 상술한 바와 같은 전력 관리 장치(130)가 각 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 산출하는 방법을 도 3을 참조하여 예를 들어 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치(130)가 각 에너지 저장장치(140)의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 산출하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3의 예에서는 전력 제어 시스템(100)이 4개의 에너지 저장장치(ESS, 140a~140d)를 포함하는 것으로 가정하고, 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 정격용량은 4MVA이고, 전력계통(110)에서 요구되는 전체 유효전력 지령치는 12MW이고 전체 무효전력 지령치는 4MVar이며, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 에너지량을 80%이고 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 에너지량은 40%인 것으로 가정한다.
전력 관리 장치(130)는, 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 에너지량이 상이하기 때문에 수학식 1을 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d) 별로 유효전력 분담 가중치를 산출한다. 수학식 1에 따라, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 유효전력 분담 가중치는 4/3로 산출되고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 유효전력 분담 가중치는 2/3으로 산출된다.
이후, 전력 관리 장치(130)는 수학식 2를 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d) 별로 유효전력 지령치를 산출한다. 수학식 2에 따라, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 유효전력 지령치는 4MW로 산출되고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 유효전력 지령치는 2MW으로 산출된다.
한편, 전력 관리 장치(130)는 수학식 3을 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 무효전력 지령치를 산출한다. 수학식 3에 따라, 제1 내지 제4 에너지 저장장치(140a~140d)의 무효전력 지령치는 1MVar로 산출된다.
이후, 전력 관리 장치(130)는 수학식 4를 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 출력을 산출하고, 산출된 출력이 정격용량을 초과하는 에너지 저장장치가 존재하는지 여부를 판단한다. 수학식 4에 따라 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 출력은 4.1MVA로 산출되고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 출력은 2.2MVA로 산출된다.
제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 출력이 정격용량을 초과하기 때문에 전력 관리 장치(130)는 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 무효전력 지령치를 조절하기 위해, 수학식 5 및 수학식 6을 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 무효전력 분담 가중치를 산출한다. 수학식 5 및 6에 따라, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 무효전력 분담 가중치는 0으로 산출되고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 무효전력 분담 가중치는 2로 산출된다.
이후, 전력 관리 장치(130)는 수학식 7을 이용하여 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 보정된 무효전력 지령치를 산출한다. 수학식 7에 따라, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 보정된 무효전력 지령치는 0MVar로 산출되고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 보정된 무효전력 지령치는 2MVar로 산출된다.
각 에너지 저장장치(140a~140d)의 유효전력 지령치 및 보정된 무효전력 지령치를 수학식 4에 대입하여 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 출력을 계산하면, 제1 및 제2 에너지 저장장치(140a, 140b)의 출력은 4MVA이고, 제3 및 제4 에너지 저장장치(140c, 140d)의 출력은 2.8MVA이므로, 출력이 정격용량을 초과하는 에너지 저장장치가 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 각 에너지 저장장치(140a~140d)의 유효전력의 출력 및 무효전력의 출력 또한 제한되지 않아 전력 제어 시스템(100)의 운전영역이 제한되지 않게 되고 이로 인해 전력 품질 및 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 에너지 저장 장치(140)는 전력 관리 장치(130)로부터 전달되는 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치에 따라 충방전 동작을 수행하여 에너지를 저장하거나 에너지를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 이러한 에너지 저장장치(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 조절 장치(Battery Conditioning System: BCS, 410), 전력조절장치(Power Conditioning System: PCS, 420), 및 제어기(ESS Controller, 430)를 포함한다.
도 4에 도시된 에너지 저장 장치(140)에는 하나의 배터리 조절장치(410)가 포함되는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 에너지 저장 장치(140)에 복수개의 배터리 조절장치(410)가 포함될 수도 있을 것이다.
먼저, 배터리 조절장치(410)는, 하나 이상의 배터리 랙(Rack, 미도시)들로 구성되어 외부에서 제공되는 에너지를 저장하거나 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 하나 이상의 배터리 랙에 저장되어 있는 에너지를 외부로 제공한다.
이때, 배터리 랙은, 복수개의 배터리 랙이 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 랙 그룹(412)의 형태로 배터리 조절장치(410)에 포함되거나, 복수개의 배터리 랙 그룹(412)이 서로 연결된 형태로 배터리 조절장치(410)에 포함될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 배터리 랙을 배터리 랙 그룹과 동일한 의미로 사용하기로 한다.
다음으로, 전력조절장치(420)는, 배터리 조절장치(410)와 계통을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력조절장치(420)는 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치에 따라 배터리 조절장치(410)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙 그룹(412)에 에너지를 저장하거나 하나 이상의 배터리 랙 그룹(412)에 저장된 에너지를 외부로 제공하는 역할을 수행한다.
이러한 전력 조절 장치(420)는 스위치 기어(SWGR, 422), 변압기(424), 및 전력 변환부(426)를 포함한다.
스위치기어(422)는 전력계통(110)에 대한 전력의 차단과 전력계통(110)으로부터 공급되는 전력의 투입을 담당한다.
변압기(424)는 승압 또는 감압을 담당한다.
전력 변환부(Power Conversion Unit: PCU, 426)는 배터리 랙 그룹(412)에 연결되어 계통의 교류전압을 직류전압으로 변환하거나, 배터리 랙 그룹(412)의 직류전압을 교류전압으로 변환한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 조절장치(410)는 복수개의 배터리 랙 그룹(412)을 포함하고, 전력조절장치(420)는 각 배터리 랙 그룹(412)에 대응되는 복수개의 전력 변환부(422)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 각 배터리 랙그룹(412)에 연결된 전력 변환부(422)는 전력조절장치(420)가 유효전력 지령치 또는 무효전력 지령치에 따라 각 배터리 랙 그룹(412)을 충전 또는 방전시키게 된다.
제어기(430)는 에너지 저장장치(140)의 에너지량, 에너지 저장장치(140)의 동작상태, 에너지 저장장치(140)에 충전되고 있는 에너지량, 또는 에너지 저장장치(140)에서 방전되고 있는 에너지량 등을 포함하는 에너지 저장장치(140)의 상태정보를 전력 관리 장치(130)로 전달한다.
또한, 제어기(430)는 전력 관리 장치(130)로부터 전달되는 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치에 따라 배터리 조절장치(410)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙그룹(412)의 충방전이 수행되도록 전력조절장치(420)의 동작을 제어한다.
일 실시예에 있어서, 제어기(430)는 배터리 조절장치(210)에 포함된 각 배터리 랙 그룹(412)간의 에너지량이 상이한 경우, 각 배터리 랙 그룹(412) 별로 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 재산출할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 전력 제어 시스템의 운영방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템의 운영방법을 보여주는 플로우차트이다. 도 5에 도시된 운영방법은 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 전력 제어 시스템에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 제어 시스템은 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 전체 무효전력 지령치를 산출한다(S500).
다음으로, 전력 제어 시스템은 각 에너지 저장장치의 에너지량에 따라 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 조절하기 위한 유효전력 분담 가중치를 산출한다(S510).
일 실시예에 있어서, 전력 제어 시스템은 상술한 수학식 1을 이용하여 각 에너지 저장장치 별 유효전력 분담 가중치를 산출할 수 있다.
다음으로, 전력 제어 시스템은 전체 유효전력 지령치 및 각 에너지 저장장치 별 유효전력 분담 가중치를 이용하여 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출한다(S520).
일 실시예에 있어서, 전력 제어 시스템은 상술한 수학식 2를 이용하여 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출할 수 있다.
다음으로, 전력 제어 시스템은 전체 무효전력 지령치를 이용하여 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출한다(S530).
일 실시예에 있어서, 전력 제어 시스템은 상술한 수학식 3에 따라 전체 무효 전력 지령치를 에너지 저장장치의 개수로 제산함으로써 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출할 수 있다.
상술한 실시예에 있어서는 유효전력 분담 가중치 및 유효전력 지령치를 산출한 이후에 무효전력 지령치를 산출하는 것으로 설명하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 유효전력 분담 가중치, 유효전력 지령치, 및 무효전력 지령치를 동시에 산출하거나 무효전력 지령치를 가장 먼저 산출할 수도 있을 것이다.
다음으로, 전력 제어 시스템은, 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 이용하여 에너지 저장장치의 출력을 산출하고(S540), 산출된 출력이 정격용량을 초과하는 에너지 저장장치가 존재하는지 여부를 판단한다(S550). 일 실시예에 있어서, 전력 제어 시스템은 상술한 수학식 4를 이용하여 각 에너지 저장장치의 출력을 산출할 수 있다.
판단결과, 출력이 정격용량을 초과하는 에너지 저장장치가 존재하는 경우 전력 제어 시스템은 각 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 보정하기 위해 각 에너지 저장장치의 유효전력 지령치를 이용하여 각 에너지 저장장치 별 무효전력 분담 가중치를 산출한다(S560).
일 실시예에 있어서, 전력 제어 시스템은 상술한 수학식 5 및 6을 이용하여 각 에너지 저장장치 별 무효전력 분담 가중치를 산출할 수 있다. 무효전력 분담 가중치를 산출하는 방법은 수학식 5 및 6에 대한 부분에서 기재하였으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이후, 전력 제어 시스템은 S530에서 산출된 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치에 S560에서 산출된 무효전력 분담 가중치를 승산함으로써 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 보정한다(S570).
이후, 전력 제어 시스템은 각 에너지 저장장치의 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치(또는 보정된 무효전력 지령치)에 따라 에너지 저장장치를 충방전 시킨다(S580).
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.
100: 전력 제어 시스템 110: 전력계통
120: 에너지 관리 장치 130: 전력 관리 장치
140: 에너지 저장 장치 210: 제1 통신부
220: 제2 통신부 230: 제1 가중치 산출부
240: 유효전력 지령치 산출부 250: 무효전력 지령치 산출부
252: 판단부 254: 제2 가중치 산출부
256: 연산부

Claims (14)

  1. 배터리에 에너지를 충전하거나, 배터리에 저장되어 있는 에너지를 방전하는 복수개의 에너지 저장 장치; 및
    상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 상기 각 에너지 저장장치에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 무효전력 지령치를 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 전력 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 장치는,
    상기 에너지 저장장치의 에너지량에 따라 에너지 저장장치들의 유효전력 지령치를 조절하기 위한 유효전력 분담 가중치를 산출하는 제1 가중치 산출부; 및
    상기 유효전력 분담 가중치, 상기 전체 유효전력 지령치, 및 상기 에너지 저장장치의 개수를 이용하여 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하는 유효전력 지령치 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가중치 산출부는,
    수학식
    Figure pat00023
    를 이용하여 상기 유효전력 분담 가중치를 산출하고, 상기 수학식에서
    Figure pat00024
    은 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 분담 가중치를 나타내고,
    Figure pat00025
    은 n번째 에너지 저장장치의 에너지 저장량을 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유효전력 지령치 산출부는,
    수학식
    Figure pat00026
    를 이용하여 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 수학식에서
    Figure pat00027
    는 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 지령치를 나타내고,
    Figure pat00028
    은 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 분담 가중치를 나타내며,
    Figure pat00029
    은 전체 유효전력 지령치를 나타내고, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    수학식
    Figure pat00030
    를 이용하여 상기 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 무효전력 지령치 산출부를 포함하고,
    상기 수학식에서
    Figure pat00031
    는 상기 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 나타내고,
    Figure pat00032
    은 전체 무효전력 지령치를 나타내며, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 이용하여 산출되는 에너지 저장장치의 출력이 정격용량을 초과하는 경우, 에너지 저장장치의 유효전력 지령치에 따라 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 보정하는 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보정부는,
    상기 에너지 저장장치의 유효전력 지령치에 따라 각 에너지 저장장치들의 무효전력 지령치를 조절하기 위한 무효전력 분담 가중치를 산출하는 제2 가중치 산출부; 및
    상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치에 상기 무효전력 분담 가중치를 승산하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 보정하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 가중치 산출부는,
    수학식
    Figure pat00033
    를 이용하여 상기 무효전력 분담 가중치를 산출하고, 상기 수학식에서
    Figure pat00034
    는 n번째 에너지 저장장치의 무효전력 분담 가중치를 나타내고,
    Figure pat00035
    는 n번째 에너지 저장장치에서 출력 가능한 무효전력을 나타내며, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내고,
    n번째 에너지 저장장치에서 출력 가능한 무효전력은 수학식
    Figure pat00036
    를 이용하여 산출되며, 상기 수학식에서
    Figure pat00037
    는 n번째 에너지 저장장치의 정격용량을 나타내고,
    Figure pat00038
    은 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 지령치를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    계통의 운영상태를 감시하여 계통에서 요구되는 전력에 따라 상기 전체 유효전력 지령치를 산출하고, 계통의 안정화를 위해 요구되는 무효전력에 따라 상기 전체 무효전력 지령치를 산출하여 상기 전력 관리 장치로 전달하는 에너지 관리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템.
  10. 복수개의 에너지 저장장치에 대한 전체 유효전력 지령치 및 전체 무효전력 지령치를 수신하는 단계;
    상기 전체 유효전력 지령치 및 각 에너지 저장장치에 저장되어 있는 에너지량을 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하고, 상기 전체 무효전력 지령치를 이용하여 상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 단계; 및
    상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치 및 무효전력 지령치를 이용하여 산출되는 에너지 저장장치의 출력이 정격용량을 초과하는 경우, 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치에 따라 상기 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00039
    를 이용하여 상기 에너지 저장장치들의 유효전력 지령치를 조절하기 위한 유효전력 분담 가중치를 산출하는 단계; 및
    수학식
    Figure pat00040
    를 이용하여 상기 에너지 저장장치 별 유효전력 지령치를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 수학식에서,
    Figure pat00041
    은 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 분담 가중치를 나타내고,
    Figure pat00042
    은 n번째 에너지 저장장치의 에너지 저장량을 나타내며,
    Figure pat00043
    는 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 지령치를 나타내고,
    Figure pat00044
    은 전체 유효전력 지령치를 나타내고, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00045
    를 이용하여 상기 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 수학식에서
    Figure pat00046
    는 상기 에너지 저장장치의 무효전력 지령치를 나타내고,
    Figure pat00047
    은 전체 무효전력 지령치를 나타내며, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는,
    수학식
    Figure pat00048
    를 이용하여 각 에너지 저장장치들의 무효전력 지령치를 조절하기 위한 무효전력 분담 가중치를 산출하는 단계; 및
    상기 각 에너지 저장장치 별 무효전력 지령치에 상기 무효전력 분담 가중치를 승산하여 에너지 저장장치의 보정된 무효전력 지령치를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 수학식에서
    Figure pat00049
    는 n번째 에너지 저장장치의 무효전력 분담 가중치를 나타내고,
    Figure pat00050
    는 n번째 에너지 저장장치에서 출력 가능한 무효전력을 나타내며, n은 에너지 저장장치의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영방법.
  14. 제13항에 있어서,
    n번째 에너지 저장장치에서 출력 가능한 무효전력은 수학식
    Figure pat00051
    를 이용하여 산출되며, 상기 수학식에서
    Figure pat00052
    는 n번째 에너지 저장장치의 정격용량을 나타내고,
    Figure pat00053
    은 n번째 에너지 저장장치의 유효전력 지령치를 나타내는 것을 특징으로 하는 다수의 에너지 저장 장치로 구성된 전력 제어 시스템의 운영방법.
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