KR20160118640A - 에너지 저장 시스템의 제어 방법 - Google Patents

에너지 저장 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어방법으로서, 전력 변환부에서 상기 발전 시스템에서 출력되는 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 단계, 양방향 컨버터로 상기 직류 링크 전압과 상기 계통의 교류 전압을 상호 변환하는 단계, 상기 교류 전압의 주파수를 판별하는 단계 및 상기 주파수의 변동에 따라 복수개로 병렬 연결된 배터리 중 하나의 배터리를 양방향 컨버터에 연결시키는 단계를 포함할 수 있다. 실시예는 상기 교류 전압의 주파수 변동에 따라 용량과 반응속도가 다른 어느 하나의 배터리가 에너지 저장 시스템에 연결되므로 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템의 제어 방법{Method of controlling Energy Storage System}
본 발명은 전력 계통에서의 보조 서비스를 제공하는 것으로서, 부하 또는 계통에 전달되는 전력의 주파수 변동에 따라 적합한 배터리로 대응이 가능한 에너지 저장 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy storage system)은 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 에너지 저장 시스템이란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신재생 에너지인 풍력 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 에너지 저장 시스템의 중요성이 대두되고 있다. 만약 에너지 저장 시스템이 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있으며, 가정용 전력 저장 시스템으로까지 확장되고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
본 발명의 일 실시 예는 에너지 저장 시스템의 동작 모드를 빠르게 제어할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어방법으로서, 전력 변환부에서 상기 발전 시스템에서 출력되는 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 단계; 양방향 컨버터로 상기 직류 링크 전압과 상기 계통의 교류 전압을 상호 변환하는 단계; 상기 교류 전압의 주파수를 판별하는 단계; 및 상기 주파수의 변동에 따라 복수개로 병렬 연결된 배터리 중 하나의 배터리를 양방향 컨버터에 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 배터리는 서로 다른 용량을 갖거나, 서로 다른 반응 속도를 갖는 복수개의 배터리로 이루어진 것을 특징으로 한다.
실시예는 상기 교류 전압의 주파수가 사용자가 설정한 소정의 값보다 크도록 변동되면, 현재 연결되어 있는 배터리의 연결을 해제하고 더 작은 용량을 가진 배터리를 상기 양방향 컨버터에 연결하도록 제어하며, 상기 교류 전압의 주파수가 사용자가 설정한 소정의 값보다 작아지도록 변동되면, 현재 연결되어 있는 배터리의 연결을 해제하고 더 큰 용량을 가진 배터리를 상기 양방향 컨버터에 연결하도록 제어할 수 있다.
실시예는 상기 교류 전압의 주파수에 따라 상기 전력 변환부와 상기 컨버터가 상기 발전 시스템 또는 상기 배터리로부터 출력하는 전력량을 증가 또는 감소시키도록 제어하여 계통 또는 부하에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 계통 또는 부하로 전송되는 전력의 주파수를 실시간으로 파악하여, 이에 대응되는 배터리를 에너지 저장 시스템에 연결함으로써 전력을 안정적으로 공급 및 사용할 수 있다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 에너지 저장 시스템(10)은 발전 시스템(20), 계통(30)과 연계하여 부하(40)에 전력을 공급할 수 있다.
발전 시스템(20)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(20)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(10)에 공급한다. 발전 시스템(20)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등의 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 에너지 저장 시스템(10)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(20)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(30)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(30)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(10) 또는 부하(40)로 전력을 공급하고, 에너지 저장 시스템(10)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(30)이 비정상 상태인 경우, 계통(30)으로부터 에너지 저장 시스템(10) 또는 부하(40)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(10)으로부터 계통(30)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(40)는 발전 시스템(20)으로부터 생산된 전력, 배터리에 저장된 전력, 또는 계통(30)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템(10)은 전력 변환부(100), 양방향 인버터(110), 주파수 판별부(120), 배터리(170), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(180), 양방향 컨버터(160), 제1 스위치(130), 제2 스위치(140), 및 통합 제어부(150)를 포함한다. 도 2에서 점선은 통합 제어부와 각 구성요소간의 통신에 의한 제어 라인이며, 실선은 전력 라인을 의미한다.
전력 변환부(100)는 발전 시스템(20)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 전력 변환부(100)는 발전 시스템(20)에서 생산한 전력을 제1 노드(N1)로 전달한다. 이때, 전력 변환부(10)는 출력 전압이 직류 링크 전압(Vlink)이 되도록 발전 시스템(20)으로부터의 전력을 변환한다. 전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터 또는 정류회로로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(10)는 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 반대로 발전 시스템(2)이 교류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(100)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다.
양방향 인버터(110)는 전력 변환기의 일종으로서, 양방향 인버터(110)는 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)을 계통(30)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(110)는 계통(30)의 전력을 배터리(170)에 저장하기 위하여, 계통(30)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 출력한다. 양방향 인버터(110)는 계통(30)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고주파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 양방향 인버터(110)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(30)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프PLL(Phase Locked Loop) 회로를 포함할 수 있다.
배터리(170)는 발전 시스템(20)에서 생산된 전력 또는 계통(30)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(40) 또는 계통(30)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리(170)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(170)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(170)는 에너지 저장 시스템(10)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 그 개수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(40)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리(170)를 구비할 수 있으며, 부하(40)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리(170)만을 구비할 수 있다.
BMS(180)는 배터리(170)에 연결되며, 통합 제어기(150)의 제어에 따라 배터리(170)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(180)는 배터리(170)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(180)는 배터리(170)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 관련 정보를 통합 제어기(150)에 전송할 수 있다.
양방향 컨버터(160)는 배터리(170)로부터 출력된 전력의 전압을 양방향 인버터(110)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압(Vlink)으로 DC-DC 변환한다. 또한 양방향 컨버터(160)는 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전전력을 배터리(170)에서 요구하는 전압 레벨로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 발전 시스템(20)에서 생산된 전력 또는 계통(30)으로부터 양방향 인버터(110)를 통하여 공급되는 전력을 말한다.
제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)는 양방향 인버터(110)와 계통(30) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(150)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(20)과 계통(30) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(130)와 제2 스위치(140)는 발전 시스템(20), 계통(30), 및 배터리(170)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다.
만약, 부하(40)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(20), 계통(30)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 발전 시스템(20) 및 계통(30)으로부터의 전력만으로는 부하(40)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(170)에 저장된 전력이 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(30)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(140)를 off 상태로 하고 제1 스위치(130)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터의 전력을 부하(40)에 공급할 수 있으며, 부하(40)로 공급되는 전력이 계통(30) 측으로 흘러들어 가도록 할 수 있다.
주파수 판별부(120)는 양방향 인버터(110)와 제1 스위치(120) 사이에 직렬로 연결되어 위치하며, 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)이 교류전압으로 변환될 시, 교류 전압의 주파수 성분을 분석한다.
통합 제어기(150)는 발전 시스템(20), 계통(30), 배터리(170), 및 부하(40)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(100), 양방향 인버터(110), BMS(180), 양방향 컨버터(160), 제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)를 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서는 에너지 저장 시스템(10)에서 전송되는 전력의 주파수에 따라 이에 대응되는 복수개의 배터리가 마련될 수 있다. 복수개의 배터리는 병렬로 에너지 저장 시스템(10)의 양방향 컨버터(160) 일단에 연결되고, BMS(180)와 통합 제어부(150)에 의해 어느 하나가 선택되어 에너지 저장 시스템(10)에 연결될 수 있다.
상기 배터리는 용량이 서로 다른 복수개의 배터리일 수 있다. 배터리의 용량에 따라서, 주파수에 따른 배터리의 반응 속도가 달라지므로 반응 속도가 다른 복수개의 배터리가 배치되는 것으로도 이해될 수 있다. 설명을 위해 도면에서는 두개의 배터리(170a, 170b)가 도시되어 있다. 제1 배터리(170a)는 C1의 용량을 가지며, 제2 배터리(170b)는 C2의 용량을 가지고, C1은 C2보다 크도록 설정된다고 가정한다.
주파수 판별부(120)에서는 계통 또는 부하로 전송되는 전력의 주파수를 판별하여 주파수 변동 상황을 통합 제어부(150)로 전송한다. 만약, 에너지 저장 시스템(10)에서 전송되는 전력의 주파수가 점차 크게 변동되는 경우에는, 현재 연결되어 있는 제1 배터리(170a)보다 적은 용량의 제2 배터리(170b)를 선택하여 에너지 저장 시스템에 연결하여 부하 또는 계통으로 전송되는 전력량을 제어할 수 있다. 구체적으로는 에너지 저장 시스템을 저부하 운전 모드로 운전하여 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 감소시키도록 할 수 있다.
또한, 에너지 저장 시스템(10)에서 전송되는 전력의 주파수가 점차 감소되도록 변동되는 경우에는 현재 연결되어 있는 제2 배터리(170b)보다 큰 용량의 제1 배터리(170a)를 선택하여 에너지 저장 시스템(10)에 연결하여 부하 또는 계통으로 전송되는 전력량을 제어할 수 있다. 구체적으로는 에너지 저장 시스템을 과부하 운전 모드로 운전하여 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 증가시키도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2와 도 4를 참조하면, 부하(40)에는 계통(30)으로부터의 전력이 공급된다. 또한, 부하(40)의 소비전력이 큰 경우, 에너지 저장 시스템(10)은 발전 시스템(20) 및 배터리(40)의 전력을 부하(40)에 공급한다. 발전 시스템(2) 및 배터리(170)로부터의 전력의 출력 전압을 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 양방향 인버터(110)에 인가한다.
이어서, 직류 링크 전압(Vlink)의 전압값을 갖는 직류 전력은 부하(40)에 공급하기 위하여 교류 전력으로 변환된다. 이때, 직류 링크 전압(Vlink)은 계통(30)의 교류 전압으로 변환된다. 계통이나 부하에 공급되는 양방향 인버터(110)에 의해 변환된 교류 전압의 주파수를 판별한다(S10).
그리고, 판별된 주파수의 변동 추이에 따라 병렬로 연결된 복수개의 배터리 중에서 하나를 선택하여 에너지 저장 시스템(10)의 컨버터(160)에 연결한다(S20). 이어서, 연결된 배터리의 용량에 따라서 계통 또는 부하에 전력을 공급한다(S30).
판별된 교류 전압의 주파수의 변동이 없는 경우, 현재 에너지 저장 시스템(10)에 연결된 배터리를 유지하며 통합 제어부(150)는 부하 또는 계통으로 흘러들어가는 전력이 통합 제어부(150)는 현재의 상태가 유지되도록 각 요소를 제어한다.
예를 들어, 계통(30)에 정전이 발생한 경우, 제1 스위치(130)는 on 상태이며, 제2 스위치(140)는 off 상태이다. 그리고 발전 시스템(20) 및 배터리(170)의 전력만으로 부하(40)에 전력을 공급한다. 이러한 경우에는 통합 제어부(150)는 정상 동작 모드로서 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)의 동작이 동일조건으로 유지되도록 제어한다.
판별된 교류 전압의 주파수가 점차 작아지도록 변동되는 경우에는 현재 연결되어 있는 배터리와의 연결을 해제하고 용량이 더 큰 배터리를 에너지 저장 시스템(10)에 연결하고, 통합 제어부(150)가 부하(40)에 공급되는 전력이 증가되도록 에너지 저장 시스템(10)을 제어한다. 즉, 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 증가시키도록 한다.
판별된 교류 전압의 주파수가 점차 커지도록 변동되는 경우에는 현재 연결되어 있는 배터리와의 연결을 해제하고 용량이 더 작은 배터리를 에너지 저장 시스템(10)에 연결하고, 통합 제어부(150)가 부하(40)에 공급되는 전력이 감소되도록 에너지 저장 시스템(10)을 제어한다. 즉, 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 감소시키도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 에너지 저장 시스템(10)에서는 양방향 인버터(110)에서 전달되는 교류 전력의 주파수를 판별하고, 주파수의 변동 추이에 따라 용량 및 반응속도가 다른 복수개의 병렬 연결된 배터리 중에서 하나의 배터리를 에너지 저장 시스템에 연결하여 전력을 안정적으로 전송할 수 있다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어방법에 있어서,
    전력 변환부에서 상기 발전 시스템에서 출력되는 전압을 직류 링크 전압으로 변환하는 단계;
    양방향 컨버터로 상기 직류 링크 전압과 상기 계통의 교류 전압을 상호 변환하는 단계;
    상기 교류 전압의 주파수를 판별하는 단계; 및
    상기 주파수의 변동에 따라 복수개로 병렬 연결된 배터리 중 하나의 배터리를 양방향 컨버터에 연결시키는 단계
    를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리는 서로 다른 용량을 갖거나, 서로 다른 반응 속도를 갖는 복수개의 배터리로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 전압의 주파수가 사용자가 설정한 소정의 값보다 크도록 변동되면, 현재 연결되어 있는 배터리의 연결을 해제하고 더 작은 용량을 가진 배터리를 상기 양방향 컨버터에 연결하도록 제어하는 에너지 저장 시스템의 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 전압의 주파수가 사용자가 설정한 소정의 값보다 작아지도록 변동되면, 현재 연결되어 있는 배터리의 연결을 해제하고 더 큰 용량을 가진 배터리를 상기 양방향 컨버터에 연결하도록 제어하는 에너지 저장 시스템의 제어방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 전압의 주파수에 따라 상기 전력 변환부와 상기 컨버터가 상기 발전 시스템 또는 상기 배터리로부터 출력하는 전력량을 증가 또는 감소시키도록 제어하는 에너지 저장 시스템의 제어방법.
KR1020150047048A 2015-04-02 2015-04-02 에너지 저장 시스템의 제어 방법 KR101729832B1 (ko)

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