KR20180078368A - 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법에 대해 개시한다. 본 발명의 에너지 저장 시스템은 전기 에너지를 충/방전하는 에너지 저장장치, 에너지 저장장치의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 모듈, 및 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 컨트롤 모듈을 포함하는바, 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 전기 에너지 저장 및 안정화 기능을 복합적으로 수행할 수 있도록 함으로써, 에너지 저장 시스템의 운용 효율을 높여 그 신뢰성과 경제적인 효과를 향상시킬 수 있다.

Description

복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM FOR PERFORMING MULTI FUNCTIONS AND DESIGN METHOD OF THE SAME}
본 발명은 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 전기 에너지 저장 및 안정화 기능을 복합적으로 수행할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법에 관한 것이다.
에너지 시장의 수급 균형을 유지하기 위한 서비스 체계로 계통운영 보조 서비스(Ancillary Service)가 운용되는데, 계통운영 보조 서비스 이행 시 그 실적에 따라 보조서비스 정산금을 지급하는 형태로 운영되고 있다.
일반적으로, 계통운영 보조서비스는 전력시장 운영규칙에 따라 주파수 조정 서비스, 예비력 서비스, 무효 전력 서비스 및 자체 기동 서비스의 4가지로 구분되어 있다. 이 중에서 주파수 조정 서비스로는 자동 발전 제어(Automatic Generation Control) 방식이 주로 활용되고 있다.
자동 발전 제어방식은 전력계통의 주파수에 응동하여 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)의 출력이 원격으로 제어되는 형태를 말한다. 이러한 자동 발전 제어 기능을 원활히 수행하면서 경제적인 계통 운영 목적을 달성하기 위해서는 전력 계통에 연결된 에너지 저장 시스템의 응동 특성을 확보해야 한다.
한편, 근래에는 태양열, 수력, 풍력 등의 신재생 전기 에너지 발전기술이 보편화 되어, 신재생 전기 에너지를 보다 효율적으로 저장하고 에너지 지원 서비스를 보다 효과적으로 운용하기 위한 에너지 저장 시스템이 대두되고 있다. 신재생 전기 에너지는 그 생산 시간대가 한정되어 있기 때문에, 한정된 에너지 자원을 보다 효율적으로 분배해서 공급해야 경제적인 운영 목적을 이룰 수 있다.
하지만, 계통운영 보조서비스에 활용되는 에너지 저장 장치와 신재생 에너지 발전 서비스에 활용되는 에너지 저장 장치가 구조적으로는 서로 동일함에도 불구하고 서로 혼용해서 활용할 수 없는 문제가 있다. 즉, 종래에는 서비스 허가 문제 등에 의해서도 계통운영 보조서비스와 신재생 에너지 발전 서비스를 복합적으로 제공할 수 없었기 때문에 에너지 저장 장치를 혼용해서 사용할 수가 없었다.
또한, 계통운영 보조서비스와 신재생 에너지 발전 서비스에 복합적으로 활용할 수 있는 에너지 저장장치의 설계 프로세스도 이전까진 갖춰진 적이 없기 때문에, 다수의 에너지 저장 장치가 있더라도 그 기능을 혼용하여 사용할 수는 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 전기 에너지 저장 및 안정화 기능을 복합적으로 수행할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 각각의 에너지 저장장치들이 주파수 제어 응동 프로그램과 신재생 에너지 안정화 공급 프로그램 등과 같은 복합적인 프로그램을 동시에 수행할 수 있도록 설계 프로세스를 지원함으로써 그 활용 가치와 이용 효율을 높일 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템은 전기 에너지를 충/방전하는 에너지 저장장치, 에너지 저장장치의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 모듈, 및 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 컨트롤 모듈을 포함한다. 여기서, 계통 주파수 응동 용량은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이며, 발전 에너지 저장 용량은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이고, 버퍼 용량은 충전된 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 안정성을 갖추기 위해 설정한 전기 에너지 저장 용량임을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법은 에너지 저장장치의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 단계, 및 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 단계를 포함한다.
상기와 같이 다양한 기술 특징을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 및 그 설계 방법은 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 전기 에너지 저장 및 안정화 기능을 복합적으로 수행할 수 있도록 함으로써, 에너지 저장 시스템의 운용 효율을 높여 그 신뢰성과 경제적인 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 에너지 시스템의 에너지 저장장치가 주파수 제어 응동 프로그램과 신재생 에너지 안정화 공급 프로그램 등과 같은 복합적인 프로그램을 동시에 수행할 수 있도록 설계 프로세스를 지원함으로써, 에너지 저장장치들의 안정성과 활용 가치, 및 그 이용 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 용량 설정 모듈을 구성을 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 에너지 저장장치의 배터리 용량 설정방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 주파수 응동 용량 설정부의 주파수 응동 용량 설정 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 에너지 축적 용량 설정부의 에너지 축적 용량 설정방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시된 버퍼 용량 설정부의 버퍼 용량 설정 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 주파수 제어에 응동하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 신재생 에너지를 안정화 기능을 수행하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 에너지 안정화 출력 기능을 복학적으로 수행하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
전력 계통의 주파수 조정 서비스 제공을 위해 주로 활용되는 자동 발전 제어(Automatic Generation Control) 방식 중에서 텍사스 주 ERCOT(Electric Reliability Council of Texas)에서 시행 중인 FRRS(Fast Responding Regulation Service)는 기존의 보조서비스를 담당하는 에너지원들에 비해 빠른 응동 속도(예를 들어, 1초 내 최대 출력)로 인해 주파수 변동에 대한 영향을 최소화시킬 수 있어, 최근 더욱 각광받고 있다. 이에, 본 발명에서 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 방식으로는 FRRS 주파수 신호에 응동하는 예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 1에 도시된 에너지 저장 시스템은 적어도 하나의 배터리(BAT1 내지 BATn)를 구비하여 전기 에너지를 충/방전하는 에너지 저장장치(100), 에너지 저장장치(100)의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 모듈(200), 및 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 컨트롤 모듈(300)을 포함한다.
에너지 저장장치(100)는 컨트롤 모듈(300)의 제어에 따라 자동 발전제어 전력계통과 신재생 에너지 발전 전력계통 등을 통해 전기 에너지를 충/방전 한다. 이를 위해, 에너지 저장장치(100)는 적어도 하나의 배터리(BAT1 내지 BATn), 각 배터리(BAT1 내지 BATn)의 충/방전을 스위칭하는 스위칭 모듈, 충/방전 전압레벨을 가변시키는 변압기 등을 구비하여 구성되기도 한다.
적어도 하나의 배터리(BAT1 내지 BATn)는 리튬이온, 인산철, 폴리머 등 중소 용량 배터리와 아연과 바나듐 계열의 대용량 배터리 등의 조합으로 구성될 수 있다. 이러한 적어도 하나의 배터리(BAT1 내지 BATn)는 컨트롤 모듈(100)에 병렬로 연결 구성될 수 있다. 이러한 각각의 발전소나 발전기 등에서 생산되는 전기 에너지는 충전하되 자동 발전제어 전력계통과 신재생 에너지 발전 전력계통으로는 방전시킬 수 있도록 구성되기도 한다.
용량 설정 모듈(200)은 에너지 저장장치(100)의 전기 에너지 충/방전 용량, 즉, 적어도 하나의 배터리(BAT1 내지 BATn) 총 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 및 버퍼 용량으로 각각 분할 구분한다.
용량 설정 모듈(200)에서 분할 설정하는 계통 주파수 응동 용량은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이다. 그리고, 발전 에너지 저장 용량은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이다. 아울러, 버퍼 용량은 전기 에너지가 방전되고 있는 상태에서 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 안정성을 갖추기 위해 설정한 전기 에너지 저장 용량이다. 용량 설정 모듈(200)의 용량 분할 설정 방식에 대해서는 이후에 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
컨트롤 모듈(300)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 대응 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어한다.
구체적으로, 컨트롤 모듈(300)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 따라 계통 주파수 응동 용량의 범위 내에서 전기 에너지 충/방전을 제어한다. 그리고 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라서는 미리 설정된 발전 에너지 저장 용량의 범위 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하게 된다. 특히, 컨트롤 모듈(300)은 실시간으로 전기 에너지가 충/방전되도록 하면서도 전체적인 방전량이 미리 설정된 버퍼 용량의 이하로 내려가지 않도록 제어한다. 아울러, 전체적인 충전량이 미리 설정된 버퍼 용량의 이상으로 올라가지 않도록 제어하기도 한다.
도 2는 도 1에 도시된 용량 설정 모듈을 구성을 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다. 그리고 도 3은 도 1에 도시된 에너지 저장장치의 배터리 용량 설정방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저 용량 설정 모듈(200)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 계통 주파수 응동 용량을 분할 설정하는 주파수 응동 용량 설정부(210), 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정하는 에너지 축적 용량 설정부(220), 및 전기 에너지 방전시 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 하는 버퍼 용량을 설정하는 버퍼 용량 설정부(230)를 포함한다.
주파수 응동 용량 설정부(210)는 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동했던 과거 적어도 1개월 내지 12개월분의 데이터를 분석함으로써, 과거 데이터에 따른 충전 상태 변화 정도나 충/방전 전력량 정보를 판단한다. 그리고 판단된 충전 상태 변화 정도나 충/방전 전력량에 따라 최대 충전 용량과 최소 충전용량을 미리 예측하여 설정한다.
주파수 응동 용량 설정부(210)는 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동했던 자신의 과거 데이터 외에도, 타 기관이나 업체의 공개된 과거 데이터를 참조할 수도 있다. 즉, 주파수 응동 용량 설정부(210)는 활용 예정인 에너지 저장 장치(100)의 소정 용량과 유사한 용량을 가지고 주파수 신호에 응동했던 타 기관이나 업체의 과거 데이터를 참조할 수 있다. 그리고 타 기관이나 업체의 과거 데이터에 따라 충전 상태 변화 정도나 충/방전 전력량 정보를 판단함으로써, 최대 충전 용량과 최소 충전용량을 미리 예측 설정할 수 있다.
에너지 축적 용량 설정부(220)는 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정한다.
신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지는 태양열이나 풍력 및 수력 등의 신재생 에너지의 특성에 따라 특정 시간대에만 발전기를 돌려 에너지 저장 장치(100)를 충전시킬 수 있다. 이에, 신재생 에너지 발전 시 충전된 용량을 실시간으로 바로 사용하여 소진하지 않고 에너지 저장 장치(100)에 축전시켜두었다가, 신재생 에너지 발전이 이루어지지 않거나 적은 시간대에 방전시켜 사용할 수 있도록 하면, 신재생 에너지 안정화로 경제적인 효과를 높일 수 있게 된다. 이에, 에너지 축적 용량 설정부(220)는 신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지를 충전시켰다가, 발전 전력계통의 제어신호에 따라 전력 사용량이 많은 시간대(또는, 신재생 에너지 발전량이 적은 시간대)에 방전시킬 수 있도록 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정하게 된다.
버퍼 용량 설정부(230)는 전기 에너지 방전 시 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 떨어지게 되면, 에너지 저장 장치(100)의 사용에 큰 문제가 생기거나 에너지 저장 장치(100)의 수명이 급격히 감소하기 때문에, 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 하는 버퍼 용량을 설정하게 된다. 이때, 버퍼 용량 설정부(230)는 전체 에너지 저장 장치(100)의 출력 허용 오차 범위에 따라 에너지 저장 장치(100) 용량의 5% 용량을 기준 버퍼 용량으로 설정할 수 있다. 예를 들면, FRRS 출력 허용 오차 범위는 약 50% 내지 110%로 제약을 두고 있기 때문에, 버퍼 용량인 출력량 허용 범위 또한 약 5% 내지 10%로 설정할 수 있다. 이와 달리, FRRS 외에 다양한 자동 발전 제어 방식별 출력 허용 오차 범위에 따라 기준 버퍼 용량은 다양하게 변경 설정될 수 있다.
버퍼 용량 설정부(230)는 기준 버퍼 용량이 설정된 이후에, 전기 에너지의 실시간 충/방전 특성에 따라 기준 버퍼 용량에 1.0 내지 2.0 중 어느 한 가중치가 곱해진 값의 용량으로 가변되도록 실시간 버퍼 용량을 설정할 수 있다.
이하. 첨부된 도면을 참조하여 용량 설정 모듈(200)의 주파수 응동 용량 설정부(210), 에너지 축적 용량 설정부(220), 및 버퍼 용량 설정부(230) 각각의 용량 설정 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 도 2에 도시된 주파수 응동 용량 설정부의 주파수 응동 용량 설정 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 주파수 응동 용량 설정부(210)는 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 최대 및 최소 충전 용량을 미리 예측 설정하기 위해, 전력계통의 주파수 신호에 응동했던 과거 적어도 1개월 내지 12개월분의 데이터를 분석한다.
전술한 바와 같이, 주파수 응동 용량 설정부(210)는 활용 예정인 에너지 저장 장치(100)의 용량과 유사한 용량을 가지고 있는 타기관이나 업체가 주파수 신호에 응동했던 과거의 데이터를 가져와 참조할 수도 있다. 타기관이나 업체가 주파수 신호에 응동했던 과거의 데이터는 공개된 상태이므로 참조 가능하다.
이렇게, 주파수 응동 용량 설정부(210)는 타 기관이나 업체 등의 적어도 1개월분(예를들어, 1개월 내지 12개월분)의 데이터 분석함으로써, 분석 기간 중의 충전 상태 변화 정도(FRRS용 SOC)나 충/방전 전력량에 따라 최대 충전 용량(max)과 최소 충전용량(min)을 미리 예측하여 설정할 수 있다.
이후, 주파수 응동 용량 설정부(210)는 도 3과 같이, 최소 충전용량과 최대 충전 용량을 모두 포함하는 범위나 용량으로 에너지 저장장치(100)에 계통 주파수 응동 용량 설정영역을 설정하게 된다.
도 5는 도 2에 도시된 에너지 축적 용량 설정부의 에너지 축적 용량 설정방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지 발전시에는 충전된 용량을 실시간으로 바로 사용하여 소진하지 않고, 미리 설정된 시간대별로 충전해둘 수 있다. 이렇게 에너지 저장 장치(100)에 전기 에너지를 충전시켜두었다가 신재생 에너지 발전량(예를 들어, 태양광 발전)이 없는 밤이나 저녁 시간대(t)에 방전할 수 있도록 함으로써, 신재생 에너지 안정화 수행결과로 경제적인 효과를 더욱 높일 수 있게 된다.
본 발명에서는 에너지 저장 장치(100)에 전기 에너지를 충전시켜서 에너지 평활화를 수행하는 응용프로그램과 FRRS를 동시 수행하도록 하는바, 신재생 에너지 발전의 평활화 즉, 충/방전량 제어를 통해 전력 계통 인입 시 충격을 최소화 시키고 안정적인 공급이 이루어지도록 한다. 이를 위해, 에너지 축적 용량 설정부(220)는 신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지를 충전시켰다가, 발전 전력계통의 제어신호에 따라 신재생 에너지 발전량이 없는 밤이나 저녁 시간대에 방전시킬 수 있도록 하는 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정하게 된다. 이때, 에너지 축적 용량 설정부(220)는 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 발전 에너지 저장 용량을 도 3과 같이 분할 설정하게 된다.
도 6은 도 2에 도시된 버퍼 용량 설정부의 버퍼 용량 설정 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
버퍼 용량 설정부(230)는 전기 에너지 방전시 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 떨어지게 되면, 에너지 저장 장치(100)의 사용에 큰 문제가 생기거나 에너지 저장 장치(100)의 수명이 급격히 감소하기 때문에, 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 하는 버퍼 용량을 설정하게 된다.
이때, 버퍼 용량 설정부(230)는 전체 에너지 저장 장치(100) 용량의 5% 용량을 기준 버퍼 용량으로 설정한 후, 전기 에너지의 실시간 충/방전 로드 특성(예를 들어, 부하 로드의 변동량 특성)에 따라 가중치를 적용하게 된다.
가중치 설정시에는 도 6과 같이, 과거의 월별 부하 로드에 대한 데이터를 참조하여, 하기 수학식 1과 같이 위시 포인트를 설정한 후, 수학식 2와 같이 위시 포인트를 이용해 버퍼 용량을 설정할 수 있다.
[수학식 1]
위시 포인트 = (해당 월의 LF - LFmin) / (LFmax - LFmin)
[수학식 2]
버퍼 용량 = 기준 버퍼 용량 × (위시 포인트 + 1.0)
여기서, LF(Load Fluctuation (%))는 로드 변동량이고, LFmax는 최대 로드 변동량이며, LFmin는 최소 로드 변동량이다.
이에, 가중치는 1.0 내지 2.0 중 어느 한 값으로 실시간 설정되는바, 기준 버퍼 용량에 1.0 내지 2.0 중 어느 한 가중치가 곱해진 값의 용량으로 로드 특성에 따라 실시간 가변된다.
도 7은 주파수 제어에 응동하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 컨트롤 모듈(300)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호(예를 들어, FRRS 주파수 신호, p.u)에 따라 에너지 저장장치(100)의 충/방전을 실시간으로 제어한다. 이때는 주파수 응동 용량 설정부(210)에서 미리 설정된 계통 주파수 대응 용량 내에서 계통 주파수 신호에 따른 충/방전을 제어하게 된다. 한편, 컨트롤 모듈(300)은 실시간으로 전기 에너지가 계통 주파수 대응 용량 내에서 충/방전되도록 하면서도, 방전량이 버퍼 용량의 이하로는 내려가지 않도록 제어한다.
이렇게 컨트롤 모듈(300)은 도 7과 같이, 충/방전을 제어시 주파수 신호 레벨이 올라갈수록 그에 맞춰 에너지 저장장치(100)의 전기 에너지를 전력 계통으로 방전시키고, 주파수 신호 레벨이 내려갈 때는 에너지 저장장치(100)에 전기 에너지를 충전한다. 전기 에너지 방전시 에너지 저장장치(100) 저장 상태(FRRS용 SOC)는 낮아지고 충전 시에는 상승한다.
도 8은 신재생 에너지를 안정화 기능을 수행하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8과 같이, 컨트롤 모듈(300)은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 에너지 저장장치(100)의 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 제어할 수도 있다.
구체적으로, 컨트롤 모듈(300)은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 미리 설정된 발전 에너지 저장 용량의 범위 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하게 된다. 마찬가지로, 이때도 컨트롤 모듈(300)은 실시간으로 전기 에너지가 충/방전되도록 하되, 전체적인 방전량이 미리 설정된 버퍼 용량의 이하로 내려가지 않도록 제어함과 아울러, 충전량 또한 미리 설정된 버퍼 용량 이상으로 올라가지 않도록 제어한다.
도 8과 같이, 발전 에너지 저장 용량 범위에는 신재생 에너지의 특성, 예를 들어 태양광 발전 특성에 따라 낮시간 등의 특정 시간대에만 에너지 저장 장치(100)를 충전시킬 수 있다. 이에, 컨트롤 모듈(300)은 에너지 저장 용량을 이용해 태양광 에너지 발전 시 충전된 용량을 축전시켜두었다가 태양광 에너지 발전량이 없는 밤이나 저녁 시간대에 방전시킨다.
도 9는 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 에너지 안정화 출력 기능을 복학적으로 수행하는 배터리 충/방전 상태 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 컨트롤 모듈(300)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호를 동시에 받아서, 계통 주파수 대응 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 동시에 실시간으로 제어할 수도 있다.
이때, 컨트롤 모듈(300)은 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 따라 계통 주파수 응동 용량의 범위 내에서 전기 에너지 충/방전을 제어하면서도, 동시에 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라서는 미리 설정된 발전 에너지 저장 용량의 범위 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하게 된다.
이에 따라, 자동 발전 제어 방식의 주파수 제어에 응동하는 기능과 신재생 전기 에너지 저장 및 안정화 기능을 복합적으로 수행하게 되고, 그로 인한 에너지 저장 시스템의 운용 효율을 높여 그 신뢰성과 경제적인 효과를 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 에너지 시스템의 에너지 저장장치(100)가 주파수 제어 응동 프로그램과 신재생 에너지 안정화 공급 프로그램 등과 같은 복합적인 프로그램을 동시에 수행할 수 있도록 설계 프로세스를 지원함으로써, 에너지 저장장치들의 안정성과 활용 가치, 및 그 이용 효율을 높일 수 있게 된다.
상기에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시 예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시 예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
BAT1 내지 BATn: 제1 내지 제n 배터리
100: 에너지 저장장치
200: 용량 설정모듈
210: 주파수 응동 용량 설정부
220: 에너지 축적 용량 설정부
230: 버퍼 용량 설정부
300: 컨트롤 모듈

Claims (14)

  1. 전기 에너지를 충/방전하는 에너지 저장장치;
    상기 에너지 저장장치의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 모듈; 및
    자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 컨트롤 모듈;
    을 포함하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량 설정 모듈에서 분할 설정하는 계통 주파수 응동 용량은 상기 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이며,
    상기 발전 에너지 저장 용량은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이고,
    상기 버퍼 용량은 충전된 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 안정성을 갖추기 위해 설정한 전기 에너지 저장 용량인 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량 설정 모듈은
    상기 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 계통 주파수 응동 용량을 분할 설정하는 주파수 응동 용량 설정부;
    상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정하는 에너지 축적 용량 설정부; 및
    전기 에너지 방전 시에는 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 버퍼 용량을 설정함과 아울러, 전기 에너지 충전 시에는 충전되는 용량이 최고 기준 용량 이상으로 올라가지 않도록 버퍼 용량을 설정하는 버퍼 용량 설정부;
    를 포함하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주파수 응동 용량 설정부는
    전력계통의 주파수 신호에 응동했던 과거 적어도 1개월분의 데이터를 분석함으로써, 분석 기간 중의 충전 상태 변화 정도나 충/방전 전력량에 따라 최대 충전 용량과 최소 충전용량을 미리 예측하고,
    상기 최소 충전용량과 최대 충전 용량을 모두 포함하는 범위나 용량으로 상기 에너지 저장장치에 계통 주파수 응동 용량 설정영역을 설정하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 에너지 축적 용량 설정부는
    상기 에너지 저장장치에 상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정함으로써,
    상기 에너지 저장장치의 발전 에너지 저장 용량으로 상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지를 충전시켰다가 상기 신재생 에너지 발전량이 적거나 없는 시간대에 방전시킬 수 있도록 지원하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 버퍼 용량 설정부는
    전체 에너지 저장 장치의 출력 허용 오차 범위에 따라 상기 에너지 저장 장치별 기준 버퍼 용량을 설정한 후, 전기 에너지의 부하 로드 변동량 특성에 따라 실시간으로 가중치를 설정 및 적용함으로써, 상기 버퍼 용량을 설정하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 버퍼 용량 설정부는
    과거의 월별 부하 로드의 변동량 데이터를 참조하여, 하기 수학식 1과 같이 위시 포인트를 설정한 후, 수학식 2와 같이 위시 포인트를 이용해 가중치를 설정 및 적용함으로써 버퍼 용량을 설정하며,
    [수학식 1]
    위시 포인트 = (해당 월의 LF - LFmin) / (LFmax - LFmin)
    [수학식 2]
    버퍼 용량 = 기준 버퍼 용량 × (위시 포인트 + 1.0)
    여기서, LF(Load Fluctuation (%))는 로드 변동량이고, LFmax는 최대 로드 변동량이며, LFmin는 최소 로드 변동량인 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  8. 에너지 저장장치의 전기 에너지 충/방전 용량을 계통 주파수 응동 용량, 발전 에너지 저장 용량, 버퍼 용량으로 분할 구분하는 용량 설정 단계; 및
    자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호 및 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 따라 계통 주파수 응동 용량 및 발전 에너지 저장 용량 내에서 충/방전을 실시간으로 각각 제어하는 단계;
    을 포함하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 계통 주파수 응동 용량은 상기 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이며,
    상기 발전 에너지 저장 용량은 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량이고,
    상기 버퍼 용량은 충전된 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 안정성을 갖추기 위해 설정한 전기 에너지 저장 용량인 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 용량 설정 단계는
    상기 자동 발전제어 전력계통의 주파수 신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 계통 주파수 응동 용량을 분할 설정하는 단계;
    상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 전기 에너지 저장 용량인 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정하는 단계; 및
    전기 에너지 방전 시에는 남아있는 용량이 최저 기준 용량 이하로 내려가지 않도록 버퍼 용량을 설정함과 아울러, 전기 에너지 충전 시에는 충전되는 용량이 최고 기준 용량 이상으로 올라가지 않도록 버퍼 용량을 설정하는 버퍼 용량을 설정하는 단계;
    를 포함하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 주파수 응동 용량 설정 단계는
    전력계통의 주파수 신호에 응동했던 과거 적어도 1개월분의 데이터를 분석함으로써, 분석 기간 중의 충전 상태 변화 정도나 충/방전 전력량에 따라 최대 충전 용량과 최소 충전용량을 미리 예측하는 단계; 및
    상기 최소 충전용량과 최대 충전 용량을 모두 포함하는 범위나 용량으로 상기 에너지 저장장치에 계통 주파수 응동 용량 설정영역을 설정하는 단계;
    를 포함하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 에너지 축적 용량 설정 단계는
    상기 에너지 저장장치에 상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 제어신호에 응동하기 위한 발전 에너지 저장 용량을 분할 설정함으로써,
    상기 에너지 저장장치의 발전 에너지 저장 용량으로 상기 신재생 에너지 발전 전력계통의 전기 에너지를 충전시켰다가 상기 신재생 에너지 발전량이 적거나 없는 시간대에 방전시킬 수 있도록 지원하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 버퍼 용량 설정 단계는
    전체 에너지 저장 장치의 출력 허용 오차 범위에 따라 상기 에너지 저장 장치별 기준 버퍼 용량을 설정하는 단계; 및
    상기 전기 에너지의 부하 로드 변동량 특성에 따라 실시간으로 가중치를 설정 및 적용함으로써 상기 버퍼 용량을 설정하는 단계;
    를 포함하는 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 버퍼 용량 설정 단계는
    과거의 월별 부하 로드의 변동량 데이터를 참조하여, 하기 수학식 1과 같이 위시 포인트를 설정한 후, 수학식 2와 같이 위시 포인트를 이용해 가중치를 설정 및 적용함으로써 버퍼 용량을 설정하며,
    [수학식 1]
    위시 포인트 = (해당 월의 LF - LFmin) / (LFmax - LFmin)
    [수학식 2]
    버퍼 용량 = 기준 버퍼 용량 × (위시 포인트 + 1.0)
    여기서, LF(Load Fluctuation (%))는 로드 변동량이고, LFmax는 최대 로드 변동량이며, LFmin는 최소 로드 변동량인 복합 기능을 수행하는 에너지 저장 시스템 설계 방법.
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