KR20180024668A - 온사이트형 ess 관리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 충전 유니트; 상기 충전 유니트 중 자신이 맡은 제1 충전 유니트를 제어하는 제1 제어 유니트; 상기 제1 제어 유니트의 비상 관리를 위하여 마련되는 제2 제어 유니트; 를 포함하고, 상기 제2 제어 유니트는 상기 제1 제어 유니트의 고장을 감지하면, 상기 제1 제어 유니트의 제어권을 넘겨받아 상기 제1 충전 유니트를 제어하는 온사이트형 ESS 관리장치가 기재된다.

Description

온사이트형 ESS 관리장치{ON-SITE TYPE ESS MANAGEMENT APPARATUS}

본 발명은 부하에 제공되는 전력을 관리하는 온사이트형 ESS 관리장치에 관한 것이다.

ESS는 배터리, PCS, PMS(EMS) 로 구성된다. PMS는 설치된 배터리의 BMS 정보와 PCS 상태 정보를 연계하여 수용가가 충전을 원할 때 배터리가 충전하도록 하고, PCS가 전력을 변환할 수 있도록 명령을 내려 제어하고, 모니터링, 운영할 수 있도록 알고리즘과 UI 를 제공하게 된다. 에너지 저장 상태를 관리하기 위하여 PMS는 다양한 기능을 수행하며, 저장 용량별, 운전 기기별 옵션 등에 따라 차이가 있다.

본 발명은 고비용의 단일 PMS-ESS 시스템에서 저비용으로 구현 가능하고, 이원화된 장애 극복이 가능한 PMS 시스템을 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 온사이트형 ESS 관리장치는 외부 전력으로 충전되는 전원 유니트를 포함하고, 상기 전원 유니트는 충전된 충전 전력이 설정값을 만족할 때까지 부하에 상기 충전 전력을 제공할 수 있다.

본 발명의 전원 장치는 외부 전력과 부하의 사이에 마련되는 전원 유니트를 포함함으로써, 외부 전력의 사용을 절감해야 하는 기간에 충전 전력을 부하에 제공할 수 있다.

또한, 전원 유니트는 충전 전력이 만족할 때까지 부하에 충전 전력을 제공함으로써 전원 유니트에 마련된 배터리를 신뢰성 있게 보호할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 온사이트형 ESS 관리장치의 동작 화면을 도시한 사진이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

IT 기기에 사용되는 소형 리튬 2차전지는 많은 기술이 개발되어 있으며, 리튬 2차 전지를 적용한 ESS 장치가 본 발명에 사용될 수 있다. 리튬 2차 전지를 사용한 에너지 저장장치는 발전소, 변전소 등 전력공급 안정화를 위한 중대형 저장 수요에 대응하여 대용량화되는 방향으로 개발되고 있다.

본 발명의 PMS 시스템은 다수의 운영모드(Emergency, Admin Control, Scheduling, Demand Response, Peak-Shaving 등)로 ESS를 제어하고 운영할 수 있으며, 이를 위해 빠른 프로세싱 처리가 가능한 고 사양의 컴퓨팅 시스템 구조를 갖추고 있다. 또한, 스토리지(storage)가 포함되어, ESS 운영현황을 모니터링 및 저장하여 ESS 운전을 통한 에너지 효율화 패턴을 분석할 수 있다.

대용량의 고비용, 고효율의 ESS 시스템을 구성하려면 초기 장비구입비부터 설치비용이 기하급수적으로 증가할 수 있다. 또한 단일 ESS 시스템으로 전체 수용가의 에너지 효율화에 운영될 경우, ESS를 제어하는 PMS 시스템에 문제가 발생되면 장애를 극복하는데 한계가 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 중대형 용량의 ESS(배터리-PCS-PMS 구조)를 낮은 비용의 보급형 ESS(배터리-PCS 구조)로서 설치 사이트에 배치하고, 각 ESS를 관리하는 PMS 시스템은 임베디드 급의 낮은 컴퓨팅 파워로도 동작할 수 있는 micro PMS 시스템으로 구성된다.

중앙 PMS 서버에는 에너지 데이타를 저장할 수 있는 스토리지가 포함된 고사양의 컴퓨터가 설치되고, 각 micro PMS 에서 보내오는 실시간 ESS 운전데이타를 받아 모니터링 할 수 있다.

중앙 PMS 서버는 사이트의 전력정보를 미터기등과 연계하여 실시간 분석한다. 이를 통해 최적화 된 운전스케줄 정책을 생성하며(최소 15분 단위), 제어 정책을 하위 micro PMS에 배포한다. 정책배포는 중앙 PMS 서버에서 설정한 복제개수에 따라 인접 micro PMS에 배포되며, 이를 받은 각 하위 PMS 는 주위 micro PMS 에 정책을 전파한다.

각 micro PMS 는 인접한 micro PMS와 이중화 하여 동작하며, PMS 시스템에 장애가 발생하는 경우 인접한 standby PMS에서 장애 PMS가 관리하는ESS를 정상적으로 동작할 수 있다.

이를 통해 저비용, Fault Tolerance 한 분산된(Distributed) ESS 제어를 위한 PMS 시스템이 구현될 수 있다.

중앙 PMS 서버는 운영사이트의 전력소비 현황을 주기적으로 모니터링하며, 관리자에 의한 운전모드 설정에 따라 각 micro PMS 를 제어할 수 있다.

정책의 배포는 중앙 PMS 서버가 정책 배포개수(policy replication)를 설정하여, 인접한 micro PMS에 배포 개수만큼 배포한다. 또한 이를 받은 micro PMS 는 인근의 PMS 에 이를 전파(Propagation) 한다.

micro PMS의 ESS 운영(operation)은 최소 15분 단위의 운전스케줄을 중앙 PMS 시스템에서 배포된 정책으로 각 ESS를 제어한다.

각 micro PMS 는 초기 부팅시 현지 시간정보를 중앙 PMS 시스템의 시간과 동기화 한다. 이를 Synchronized ESS Control로 정의할 수 있다.

각 micro PMS 는 분당 운영데이타를 중앙 PMS 에 운전현황을 리포팅한다. 중앙 PMS 는 이를 Storage에 저장하고 에너지 분석을 위해 가공한다.

하나의 micro PMS는 자신이 맡은 ESS를 주(primary) 제어/운영하며, 인접한 PMS를 standby로 비상대기 한다. 이는 특정 ESS의 PMS 에 문제나 장애가 발생한 경우, standby 된 PMS가 제어 주도권을 넘겨받아 제어/운영할 수 있게 한다.

Standby된 PMS는 주(primary) PMS에 주기적으로 Heart-Bit을 보내 동작 이상유무를 확인한다. 각 micro PMS 중 하나 이상의 ESS를 전력 예비율 유지를 위한 준비(emergency prepared) ESS로 구성할 수 있다. 이를 통해 절전과 같은 상황에서 긴급하게 전력을 공급할 수 있는 예비 전력원으로 사용할 수 있다. 이를 islanding 운영으로 정의할 수 있다. 또한, 사이트의 ESS들의 SoC(State of Charge)가 불균형이 발생한 경우, Balancing을 위한 예비 전력원으로 사용할 수 있다.

예를 들어 어느 한 국가에서 소모되는 외부 전력을 살펴보면 항상 고른 것이 아니라 특정 시간에서 피크값을 갖는다. 해당 피크값은 시간상으로 가장 무더운 시간이거나 가장 추운 시간에 많이 나타난다. 해당 시간에 냉방 시설이나 난방 시설의 가동이 증가하기 때문이다.

피크값보다 높은 전력이 생산된다면 별다른 문제는 없을 수 있다. 그러나, 일시점에 생산된 전력은 해당 시점에서 소모되지 않으면 버려지는 것이 일반적이다. 이는 막대한 자원을 낭비하는 것으로 결코 바람직하지 못하다. 자원의 낭비를 고려하여 피크값을 커버하지 못하는 전력이 생산된다면 정전 사태 등 각종 사고가 발생할 것은 자명하다.

위 문제를 해결하는 이상적인 방안은 적절한 생산 전력을 설정하고, 이에 맞춰 피크값을 낮추는 것이다. 피크값을 낮추기 위해 위험 소모 전력을 설정하고 소모 전력이 일정값 이상이면 정부에서 전력 사용을 자제할 것을 국민에게 요구 또는 강제할 수 있다.

전원 유니트에는 외부 전력으로 충전되는 배터리가 마련될 수 있다. 배터리는 재충전시 전체 충전 용량이 줄어드는 배터리 효과를 갖는다. 배터리 효과를 배제시키기 위해 전원 유니트는 충전된 충전 전력이 설정값을 만족할 때까지 부하에 충전 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 100의 전력이 충전된 상태에서 부하로 전력을 공급하고 50이 남은 경우를 가정한다. 이 상태에서 다시 재충전이 이루어지면 메모리 효과로 인해 배터리의 전체 충전 용량은 50으로 줄어들 수 있다. 이러한 메모리 효과를 제거하는 효과적인 방법은 배터리를 완전 방전시킨 후 재충전을 실시하는 것이다. 그러나, 전원 유니트의 충전 전력이 0이 될 때까지 부하에 전력을 제공할 경우 충전 전력 0의 부근에서 제공되는 불안정한 전력으로 인해 부하가 훼손될 수 있다. 따라서, 메모리 효과를 적절하게 방지하는 동시에 부하의 훼손을 방지하기 위해 설정값은 0을 초과하는 것이 좋다. 설정값은 부하로 안정적인 전력을 제공할 수 있는 최소 전력값으로 배터리의 효율 및 특성에 따라 변동될 수 있다. 또는 사용자의 선택에 따라 결정될 수 있다.

전원 유니트에는 배터리에 충전된 충전 전력을 감시하는 감시부, 감시부의 감시 결과가 설정값을 만족하면 충전 전력의 제공을 차단하는 차단부가 마련될 수 있다.

또한, 메모리 효과를 신뢰성 있게 제공하기 위해 전원 유니트는 부하로 충전 전력의 제공이 개시되면 설정값을 만족할 때까지 지속적으로 충전 전력을 제공하는 것이 좋다. 이에 따르면 배터리에 충전된 충전 전력은 지속적으로 감소되며 이러한 상태는 감시부에 의해 모니터링될 수 있다. 그리고, 모니터링 결과 지속적으로 감소되는 충전 전력이 설정값을 만족하면 차단부는 충전 전력의 제공을 차단할 수 있다.

그리고, 차단부는 충전 전력이 제공된 상태에서도 부하가 정상적으로 동작할 수 있도록 외부 전력을 부하에 연결시킬 수 있다.

제어 유니트는 전원 유니트와 별도로 마련될 수 있으며, 전원 유니트의 제어를 위해 전원 유니트와 통신할 수 있다.

제어 유니트는 벽 등에 설치되는 제어반이거나 리모콘, 이동 통신 단말기를 포함할 수 있다.

식별자가 IP 어드레스인 경우 통신부는 근거리 무선 통신망 또는 인터넷 통신망을 통하여 전원 유니트와 통신할 수 있다.

제어 유니트는 복수 모드를 마련하고, 선택된 특정 모드로 전원 유니트를 제어할 수 있다.

일예로, 제어부는 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중 하나로 전원 유니트를 제어할 수 있다.

제1 모드는 부하로 배터리의 충전 전력을 공급하는 모드일 수 있다. 이때, 상용 전원의 외부 전력은 부하 및 배터리로 공급되지 않을 수 있다.

제2 모드는 부하로 외부 전력을 공급하는 모드일 수 있다. 이때, 외부 전력은 배터리로 공급되지 않을 수 있다.

제3 모드는 상기 부하 및 상기 전원 유니트로 상기 외부 전력을 공급하는 모드일 수 있다.

그리고, 제어 유니트는는 제2 모드가 개시되면 충전 전력이 설정값을 만족할 때까지 제2 모드를 지속시킬 수 있다.

전원 유니트의 충전 전력은 제어 유니트에 의해 설정된 시간 구간 동안 부하로 제공되는 상태를 유지하고, 모자란 전력만 외부 전력으로 보충하는 것이 바람직하다.

일예로, 전원 유니트는 부하의 소모 전력이 충전 전력보다 크면, 충전 전력과 함께 외부 전력을 부하로 제공할 수 있다. 이때, 전원 유니트에는 부하로 함께 제공되는 충전 전력과 외부 전력이 충전되지 않도록 하고 부하의 소모 전력을 만족시키는 매칭부가 마련될 수 있다.

매칭부는 부하로 함께 제공되는 충전 전력과 외부 전력이 소모 전력을 만족하도록 충전 전력과 외부 전력을 매칭시킬 수 있다. 매칭부에 의하면 부하의 소모 전력이 충전 전력보다 큰 구간에서 부하로 제공되는 외부 전력의 양은 부하의 소모 전력에서 충전 전력을 감한 값일 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 충전 유니트;
   상기 충전 유니트 중 자신이 맡은 제1 충전 유니트를 제어하는 제1 제어 유니트;
   상기 제1 제어 유니트의 비상 관리를 위하여 마련되는 제2 제어 유니트; 를 포함하고,
   상기 제2 제어 유니트는 상기 제1 제어 유니트의 고장을 감지하면, 상기 제1 제어 유니트의 제어권을 넘겨받아 상기 제1 충전 유니트를 제어하는 온사이트형 ESS 관리장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 제어 유니트는 상기 제1 제어 유니트에 주기적으로 허트 비트(Heart-Bit)를 보내 동작 이상 유무를 확인하는 온사이트형 ESS 관리장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 제어 유니트는,
   상기 충전 유니트들의 전력량이 불균형할 경우 상기 제1 제어 유니트와 함께 상기 충전 유니트의 충전량을 조절하는 온사이트형 ESS 관리장치.

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