KR20160079956A

KR20160079956A - 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법

Info

Publication number: KR20160079956A
Application number: KR1020140190336A
Authority: KR
Inventors: 최인선
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR101660513B1

Abstract

본 발명은 풍력, 태양열을 포함하는 신재생 에너지를 저장하기 위한 시스템이며, 단주기 ESS(Energy Storage System)와 장주기 ESS(Energy Storage System)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법에 있어서, 상기 장주기 ESS의 현재 충전 상태인 현재 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면, 상기 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하는 단계, 상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면, 미리 정해진 방전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 방전하도록 제어하는 단계 및 상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면, 미리 정해진 충전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 충전하도록 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 신재생 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지의 출력 변동률을 억제하고 안정적인 출력을 제공함으로써, 계통의 급격한 변화를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법 {Method for controlling output of long period or short period in energy storage system}

본 발명은 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력, 태양열 등의 신재생 에너지의 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 태양광 발전 등 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 특히 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않아, 그 활용 방안에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

일반적으로 신재생 에너지 시스템은, 에너지 부족과 환경 오염 등의 문제를 해결하고자 새로운 에너지원을 연구, 개발하는 시스템으로 기존 화석 에너지를 변환시켜 이용하거나, 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지, 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원을 그 특성으로 한다. 이러한 신재생 에너지 시스템에는 풍력 발전 시스템, 태양광 발전 시스템 등이 있다.

종래 신재생 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)에서는 안정적인 출력을 위하여 리튬이온 배터리와 같이 출력 특성이 빠른 단주기 배터리를 사용하는데, 단주기 배터리가 고가여서 설치 및 유지 비용이 많이 발생하는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 2013-172495

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 신재생 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지의 출력을 안정화하기 위한 단주기 배터리의 용량을 최소화하고 상대적으로 저렴한 장주기 배터리를 구비하여 경제성을 확보하고, 신재생 에너지를 안정적으로 출력할 수 있는 장단주기 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 풍력, 태양열을 포함하는 신재생 에너지를 저장하기 위한 시스템이며, 단주기 ESS(Energy Storage System)와 장주기 ESS(Energy Storage System)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법에 있어서, 상기 장주기 ESS의 현재 충전 상태인 현재 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면, 상기 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하는 단계, 상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면, 미리 정해진 방전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 방전하도록 제어하는 단계 및 상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면, 미리 정해진 충전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 충전하도록 제어하는 단계를 포함한다.

상기 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하는 단계는, 상기 단주기 ESS의 충전 상태인 현재 SOC가 미리 정해진 단주기 ESS의 기준 SOC 이상이면, 상기 장주기 ESS가 충전하도록 제어하는 단계 및 상기 단주기 ESS의 현재 SOC가 상기 단주기 ESS의 기준 SOC 이하이면, 상기 장주기 ESS가 방전하도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 에너지 저장 시스템은 목표 SOC에 따라 상기 장주기 ESS의 충전 또는 방전 출력을 제어하되, 상기 목표 SOC-현재 SOC가 양수값이면 목표 SOC까지 정해진 값만큼 충전하고, 음수값이면 목표 SOC까지 정해진 값으로 방전하고, 0이면 대기하도록 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하며, 상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면, 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)+(단주기 ESS의 현재 SOC)-(단주기 ESS의 기준 SOC)로 나타낼 수 있다.

상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면, 현재 시간이 미리 정해진 방전 시간인지 여부를 확인하여, 현재 시간이 방전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)이고, 현재 시간이 방전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)로 나타낼 수 있다.

상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면, 현재 시간이 미리 정해진 충전 시간인지 여부를 확인하여, 현재 시간이 충전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)이고, 현재 시간이 충전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)로 나타낼 수 있다.

상기 단주기 ESS는 다양한 신재생 에너지 출력 안정화 알고리즘으로 출력이 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 상한 SOC는 90%이고, 상기 하한 SOC는 10%로 설정할 수 있으며, 상한 SOC와 하한 SOC의 설정은 배터리의 특성에 따라 좌우된다.

본 발명에 의하면 신재생 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지의 출력 변동률을 억제하고 안정적인 출력을 제공함으로써, 계통의 급격한 변화를 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 출력 안정화를 위해 설치되는 단주기 배터리의 용량을 최소화하고, 비교적 가격이 저렴한 장주기 배터리를 설치함으로써, 경제성 있는 설비 용량 산정을 통해 사업 타당성 검토가 용이하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 비교적 가격이 저렴한 장주기 에너지 저장 시스템 활용을 통해 가격 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단주기 ESS의 신재생 에너지 출력 안정화 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장주기 ESS의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 풍력, 태양열을 포함하는 신재생 에너지를 저장하기 위한 시스템이며, 단주기 ESS(Energy Storage System)와 장주기 ESS(Energy Storage System)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법에 대한 것이다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법은, 장주기 ESS의 현재 충전 상태인 현재 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면(S401), 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 장주기 ESS의 출력을 제어한다.

구체적으로, 단주기 ESS의 충전 상태인 현재 SOC가 미리 정해진 단주기 ESS의 기준 SOC 이상이면(S403), 장주기 ESS가 충전하도록 제어한다(S407). 단주기 ESS의 현재 SOC가 단주기 ESS의 기준 SOC 이하이면(S403), 장주기 ESS가 방전하도록 제어한다(S409).

다음, 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면(S405), 미리 정해진 방전 시간에 따라 장주기 ESS가 방전하도록 제어한다(S411).

그리고, 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면(S405), 미리 정해진 충전 시간에 따라 장주기 ESS가 충전하도록 제어한다(S413).

본 발명의 일 실시예에서 상한 SOC를 90%로 설정하고, 하한 SOC는 10%로 설정할 수 있으며, 상한 SOC와 하한 SOC의 설정은 배터리의 특성에 따라 좌우된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면(S501), 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)+(단주기 ESS의 현재 SOC)-(단주기 ESS의 기준 SOC)로 지령을 설정한다(S509).

장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면(S503), 현재 시간이 미리 정해진 방전 시간인지 여부를 확인하여(S505), 현재 시간이 방전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)으로 설정하고(S515), 현재 시간이 방전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)로 지령을 설정한다(S511).

장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면(S503), 현재 시간이 미리 정해진 충전 시간인지 여부를 확인하여(S507), 현재 시간이 충전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)으로 설정하고(S517), 현재 시간이 충전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)로 지령을 설정한다(S513).

그리고, 설정된 목표 SOC까지 장주기 ESS의 충전 또는 방전 출력을 제어한다(S519). 여기서, 목표 SOC-현재 SOC가 양수값이면 해당하는 값만큼 충전하고, 음수값이면 해당하는 값만큼 방전하고, 0이면 대기하도록 제어한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 에너지 저장 시스템은 EMS(Energy Management System)(110), 단주기 ESS의 PCS(Power Control System)(120), 단주기 ESS의 배터리(130), 장주기 ESS의 PCS(140), 장주기 ESS의 PCS(150)를 포함한다.

EMS(110)는 풍력, 태양열 등의 신재생 에너지의 출력을 전반적으로 관리한다.

PCS(120)는 EMS(110)의 명령에 따라 배터리(130)의 충방전 동작을 제어한다.

PCS(140)는 EMS(110)의 명령에 따라 배터리(150)의 충방전 동작을 제어한다.

본 발명의 일 실시예에서 배터리(130, 150)는 설치 비용을 최소화하기 위하여 리튬 이온-납축 하이브리드 배터리로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 단주기 ESS는 스무딩(Smoothing) 알고리즘, 램프(Ramp) 알고리즘 등과 같은 신재생에너지 출력 안정화 알고리즘으로 제어될 수 있으며, 장주기 ESS는 REC Maximizing 알고리즘 등으로 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 단주기 ESS의 배터리(130)는 리튬-이온 배터리로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 장주기 ESS의 배터리(150)는 납축 전지로 구현될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단주기 ESS의 신재생 에너지 출력 안정화 제어를 설명하기 위한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 평상시에 PCS(120)는 신재생 에너지의 출력을 감시하고 있다. 신재생 에너지의 출력 변동이 심하면, EMS(110)는 PCS(120)에 신재생 에너지 출력 안정화 명령을 전달한다. 신재생 에너지 출력 안정화 명령을 받은 PCS(120)는 신재생 에너지 출력 안정화 운전을 수행하고, 배터리(130)의 충전 또는 방전을 제어한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장주기 ESS의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 단주기 ESS의 SOC를 감시하는 중에, 단주기 ESS의 SOC가 기준 SOC 이상이 되면, 장주기 ESS를 충전한다. 그리고, 단주기 ESS의 SOC가 기준 SOC 이하가 되면, 장주기 ESS를 방전하도록 제어한다.

그리고, 장주기 ESS의 SOC가 상한 SOC 이상이 되면, 정해진 시간에 방전이 되도록 하고, 장주기 ESS의 SOC가 하한 SOC 이하가 되면, 정해진 시간에 충전이 되도록 제어한다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 EMS 120 PCS(단주기 ESS)
130 배터리(단주기 ESS) 140 PCS(장주기 ESS)
150 배터리(장주기 ESS)

Claims

풍력, 태양열을 포함하는 신재생 에너지를 저장하기 위한 시스템이며, 단주기 ESS(Energy Storage System)와 장주기 ESS(Energy Storage System)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법에 있어서,
상기 장주기 ESS의 현재 충전 상태인 현재 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면, 상기 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하는 단계;
상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면, 미리 정해진 방전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 방전하도록 제어하는 단계; 및
상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면, 미리 정해진 충전 시간에 따라 상기 장주기 ESS가 충전하도록 제어하는 단계를 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단주기 ESS의 현재 SOC 상태에 따라 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하는 단계는,
상기 단주기 ESS의 충전 상태인 현재 SOC가 미리 정해진 단주기 ESS의 기준 SOC 이상이면, 상기 장주기 ESS가 충전하도록 제어하는 단계; 및
상기 단주기 ESS의 현재 SOC가 상기 단주기 ESS의 기준 SOC 이하이면, 상기 장주기 ESS가 방전하도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템은 목표 SOC에 따라 상기 장주기 ESS의 충전 또는 방전 출력을 제어하되, (상기 목표 SOC-현재 SOC)가 양수값이면 목표 SOC까지 정해진 값으로 충전하고, 음수값이면 목표 SOC까지 정해진 값으로 방전하고, 0이면 대기하도록 상기 장주기 ESS의 출력을 제어하며,
상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC와 하한 SOC 이내이면, 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)+(단주기 ESS의 현재 SOC)-(단주기 ESS의 기준 SOC)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 상한 SOC 이상이면, 현재 시간이 미리 정해진 방전 시간인지 여부를 확인하여, 현재 시간이 방전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)이고, 현재 시간이 방전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 장주기 ESS의 현재 SOC가 하한 SOC 이하이면, 현재 시간이 미리 정해진 충전 시간인지 여부를 확인하여, 현재 시간이 충전 시간이 아니면 목표 SOC=(장주기 ESS의 현재 SOC)이고, 현재 시간이 충전 시간이면 목표 SOC=(장주기 ESS의 기준 SOC)인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단주기 ESS는 신재생 에너지 출력 안정화 알고리즘으로 출력이 제어되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 상한 SOC와 하한 SOC는 상기 에너지 저장 시스템의 배터리 특성에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템에서의 장단주기 출력 제어 방법.