KR20180090673A - 하이브리드 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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KR20180090673A KR1020170015814A KR20170015814A KR20180090673A KR 20180090673 A KR20180090673 A KR 20180090673A KR 1020170015814 A KR1020170015814 A KR 1020170015814A KR 20170015814 A KR20170015814 A KR 20170015814A KR 20180090673 A KR20180090673 A KR 20180090673A
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Abstract

하이브리드 에너지 저장 시스템이 제공된다. 이 시스템은 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전력을 충전하고, 충전된 직류 전력을 방전하며, 서로 종류가 다른 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈, 상용 전원을 공급하는 그리드와 교류 링크로 연결되고, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 직류 링크로 연결되며, 상기 직류 링크에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 그리드로 출력하고, 상기 교류 링크에서 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 전력 조절 시스템(Power Conditioning System, PCS), 그리고 상기 전력 조절 시스템(PCS)과 연결되어, 상기 그리드의 전력 공급량에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Management System, PMS), 그리고 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 연결되고, 상기 전력 관리 시스템(PMS)으로부터 수신된 제어 지령에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 마스터 배터리 관리 시스템(Sub Battery Management System, BMS)을 포함한다.

Description

하이브리드 에너지 저장 시스템{HYBRID ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 장치(Energy Storage System, 이하, 'ESS'라 통칭함)는 전기 에너지를 충전한 후 필요시 방전하는 장치로서, 충방전을 통해 전력 피크를 평활화하고, 불연속적인 출력 특성을 갖는 풍력 및 태양광의 출력 특성을 안정화하며, 전력 계통의 주파수를 조정한다.
종래에 이종의 배터리를 하이브리드로 구성하는 ESS 구조는 도 1과 같다. 도 1은 종래에 이종 배터리를 하이브리드로 구성하는 ESS를 도시한다.
도 1을 참조하면, ESS(10)는 AC(Alternating Current)-링크(Link)(20)를 통해 신재생 에너지 모듈(30) 및 상용 전원을 공급하는 그리드(Grid)(40)와 연결된다.
여기서, ESS(10)는 에너지 관리 시스템(Energy Management System, 이하, 'EMS'라 통칭함)(50)과 연결된 전력 관리 시스템(Power Management System, 이하, 'PMS'라 통칭함)(11), 리튬(Li) 배터리(12), 서브 배터리 관리 시스템(Sub Battery Management System, 이하, 'BMS'라 통칭함)(13), 전력 조절 시스템(Power Conditioning System, 이하, 'PCS'라 통칭함)(14), 흐름 배터리(Flow Battery)(15), 서브 BMS(16) 및 PCS(17)를 포함한다.
또한, 신재생 에너지 모듈(30)은 신재생 에너지부(31) 및 PCS(32)를 포함한다.
PMS(11)는 리튬 배터리(12)의 PCS(14) 및 흐름 배터리(15)의 PCS(17)와 통신 링크로 연결되어 배터리 제어 신호를 출력한다.
각각의 PCS(14, 17, 32)는 AC-링크(20)로 서로 연결되고, 그리드(40)와 연결된다.
이와 같이, 이종의 배터리(12, 15)를 하이브리드로 구성하는 종래의 ESS(10)는 배터리(12, 15) 별로 각각의 PCS(14, 17)가 AC-링크(20)단에서 물리적으로 연결되는 개별 ESS 구조이다.
그런데, 불규칙한 출력을 가지는 신재생 에너지 모듈(30)을 연결하여 사용할 경우, 또는 독립형 마이크로 그리드 환경에서 이종 배터리(12, 15)간 충방전이 필요한 경우, AC-링크(20) 방식의 개별 ESS 구조는 배터리간 충방전 수행시 효율 저하가 발생한다.
흐름 배터리(15)는 특성상 초기 15분 정도 배터리 기동 준비, 즉, 스택 내 분리막을 전해액으로 적시는 시간이 필요하므로, 배터리 기동 준비를 위하여 펌프를 구동하는 전원이 필요하다. 보통 흐름 배터리(15)의 펌프를 구동하는 전원은 전력 계통 전원(외부 전원)을 사용한다. 리튬 배터리(12)도 제어기 구동을 위해서 계통 외부 전원을 사용한다. 그런데, 정전 등 계통 전원을 사용할 수 없는 경우, 흐름 배터리(15) 구동이 안되는 문제가 발생한다.
또한, 비상 발전기 대체용 또는 한전 계통 연결이 없는 도서 지역의 독립형 마이크로 그리드 환경에서는 독립 운전이 필요하다. 독립 운전을 위해서는 별도의 보조 전원이 필요하다. 즉, 도 1과 같은 하이브리드 ESS에서도 별도의 보조 전원이 필요하다.
흐름 배터리(15)는 일정 출력으로 장시간 운전하는 것이 효율 및 수명에 좋다. 소비되는 부하 또는 연결된 신재생 에너지 전력이 불규칙한 경우 또는 독립형 마이크로 그리드 환경에서 부하가 변동이 잦은 경우, 출력 평준화를 위해서는 짧은 주기로 배터리에 충방전이 이루어져야 하는데, 이에 대응하여 흐름 배터리(15)를 운전할 경우, 배터리 효율 저하 및 수명 단축이 발생한다. 이러한 문제는 리튬 배터리(12)의 경우도 동일하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이종 배터리를 DC(Direct Current)-링크를 통하여 병렬 연결하는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 하이브리드 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전력을 충전하고, 충전된 직류 전력을 방전하며, 서로 종류가 다른 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈, 상용 전원을 공급하는 그리드와 교류 링크로 연결되고, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 직류 링크로 연결되며, 상기 직류 링크에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 그리드로 출력하고, 상기 교류 링크에서 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 전력 조절 시스템(Power Conditioning System, PCS), 그리고 상기 전력 조절 시스템(PCS)과 연결되어, 상기 그리드의 전력 공급량에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Management System, PMS), 그리고 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 연결되고, 상기 전력 관리 시스템(PMS)으로부터 수신된 제어 지령에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 마스터 배터리 관리 시스템(Sub Battery Management System, BMS)을 포함한다.
상기 전력 조절 시스템(PCS)은,
상기 그리드와 연결된 상태에서 상기 직류 링크를 정전압(Constant Voltage, CV)으로 제어할 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈은, 리튬 배터리를 포함하고,
상기 제2 배터리 모듈은, 흐름 배터리를 포함하며,
상기 전력 관리 시스템(PMS)은,
상기 직류 링크의 전압이 정해진 임계치 이하로 저하되면, 상기 리튬 배터리를 먼저 방전시켜 상기 직류 링크의 전압을 정전압으로 유지한 후, 상기 흐름 배터리의 기동이 준비되면, 상기 흐름 배터리를 방전시킬 수 있다.
상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 SOC(State Of Charge)를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 충전 또는 방전 여부와, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 충전량 또는 방전량을 조절할 수 있다.
상기 제2 배터리 모듈은,
흐름 배터리, 상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 흐름 배터리로 출력하거나 또는 상기 흐름 배터리가 방전하는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC(Direct)-DC 컨버터, 그리고 상기 DC-DC 컨버터가 정해진 레벨로 변환한 직류 전력을 상기 흐름 배터리에 충전하거나 또는 상기 흐름 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 DC-DC 컨버터로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
상기 서브 배터리 관리 시스템(BMS)의 충전 또는 방전을 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력값을 제어할 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈은,
리튬 배터리, 상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 리튬 배터리로 출력하거나 또는 상기 리튬 배터리가 방전하는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC-DC 컨버터, 그리고 상기 DC-DC 컨버터가 정해진 레벨로 변환한 직류 전력을 상기 리튬 배터리에 충전하거나 또는 상기 리튬 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 DC-DC 컨버터로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
상기 서브 배터리 관리 시스템(BMS)의 충전 또는 방전을 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력값을 제어할 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈의 DC-DC 컨버터 또는 상기 제2 배터리 모듈의 DC-DC 컨버터는,
정전 또는 상기 그리드와 단전된 독립운전 모드에서 상기 직류 링크를 정전압(Constant Voltage, CV)으로 제어할 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈은,
리튬 배터리, 그리고 상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 상기 리튬 배터리에 충전하거나 또는 상기 리튬 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 직류 링크로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
상기 흐름 배터리의 방전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)에 의해 상기 직류 링크로부터 상기 교류 링크로 출력되는 방전량보다 많으면, 상기 흐름 배터리의 방전량과 상기 출력되는 방전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 충전시키고, 상기 흐름 배터리의 방전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)에 의해 상기 직류 링크로부터 상기 교류 링크로 출력되는 방전량보다 적으면, 상기 흐름 배터리의 방전량과 상기 출력되는 방전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 방전시키며,
상기 흐름 배터리의 충전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)로부터 상기 직류 링크로 출력되는 충전량보다 많으면, 상기 흐름 배터리의 충전량과 상기 출력되는 충전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 방전시키고, 상기 흐름 배터리의 충전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)로부터 상기 직류 링크로 출력되는 충전량보다 적으면, 상기 흐름 배터리의 충전량과 상기 출력되는 충전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 충전시킬 수 있다.
또한, 상기 신재생 에너지를 공급하는 신재생 에너지부, 그리고 상기 신재생 에너지부 및 상기 직류 링크에 연결되어, 상기 신재생 에너지를 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC-DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이종 배터리를 DC-링크로 병렬 연결하는 하이브리드 ESS를 구성하여, 이종 배터리간 충방전시 효율을 향상시키고, 외부 전원 공급이 없는 상황에서 흐름 배터리 펌프 구동 등의 자립 기동 및 독립 운전 수행이 가능하다. 따라서, 비상전원 및 비상발전기 대체 시장 진출이 가능하다.
또한, 신재생 연계 또는 독립형 마이크로 그리드의 부하 변동 환경에서 장주기 일정한 충방전은 흐름 배터리로 수행하고, 단주기 변동 심한 충방전은 리튬 배터리로 수행하여 전체 시스템의 배터리 효율 저하 및 수명 단축을 감소시킬 수 있다.
또한, 이종 배터리를 하나의 ESS에 구성하여 외부 부하 및 신재생 출력 패턴에 맞는 배터리를 유연하게 구성 가능하여 ESS의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래에 이종 배터리를 하이브리드로 구성하는 ESS를 도시한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 ESS를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 ESS를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 ESS를 도시한다.
도 2를 참조하면, 하이브리드 ESS(100)는 PMS(101), PCS(103), 마스터(Master) BMS(105), 제1 배터리 모듈(107) 및 제2 배터리 모듈(109)을 포함한다.
제1 배터리 모듈(107)은 리튬 배터리(111), 서브 BMS(113) 및 DC(Direct Current)-DC 컨버터(115)를 포함한다. 이러한 구성요소들(111, 113, 115)은 전기적으로 연결되어 있다.
제2 배터리 모듈(109)은 흐름 배터리(117), 서브 BMS(119) 및 DC-DC 컨버터(121)를 포함한다. 이러한 구성요소들(117, 119, 121)은 전기적으로 연결되어 있다.
여기서, 제1 배터리 모듈(107)과 제2 배터리 모듈(109)은 서로 다른 종류의 배터리를 사용하는 이종 배터리 모듈들이다. 한 실시예에 따르면, 리튬 배터리(111)는 리튬-이온(Ion) 배터리일 수 있고, 흐름 배터리(117)는 레독스(Redox) 흐름 배터리일 수 있다.
PMS(101)는 PCS(103) 및 EMS(200)와 연결되고, 마스터 BMS(105)와 통신 링크로 연결된다.
PMS(101)는 PCS(103) 및 마스터 BMS(105)로부터 배터리 정보를 수신하고, EMS(200)로부터 전력 계통 정보를 수집하여, 배터리 모듈들(107, 109)의 충방전 전략을 수립한다. PMS(101)는 PCS(103) 및 마스터 BMS(105)에게 충방전 제어 지령을 전송하여 충방전을 제어한다.
신재생 에너지(풍력, 태양광)의 불규칙한 출력을 안정시켜서 전력을 공급하기 위해서, 하이브리드 ESS(100)내 대용량의 흐름 배터리(117)는 기저 용량으로 장시간 충방전이 수행되고, 소용량의 리튬 배터리(111)는 불규칙한 전력 잉여분이나 부족분을 채우는 역할로 짧은 주기로 충방전을 수행한다.
또한, 불규칙한 부하에 대응하여 방전을 하는 경우도 흐름 배터리(117)는 고정된 일정 출력으로 방전하고, 리튬 배터리(111)는 흐름 배터리(117)의 방전 전력 잉여분이나 부족분을 채우는 역할로 짧은 주기로 충방전 수행한다. 이러한 운전 방법으로 이종 배터리의 효율 저하 및 수명 단축을 예방할 수 있다.
PCS(103)는 AC-링크(300)를 통해 신재생 에너지 모듈(400) 및 그리드(500)와 연결된다. 이러한 연결 구조는 ESS(100)와 신재생 에너지를 AC-링크로 연결하는 방식을 나타낸다.
여기서, 신재생 에너지 모듈(400)은 PCS(401) 및 신재생 에너지부(403)를 포함한다. PCS(401)는 신재생 에너지부(403) 및 AC-링크(300)와 연결되며, 신재생 에너지부(403)에서 출력되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 AC-링크(300)로 출력한다. 신재생 에너지부(403)는 태양열, 태양광, 풍력, 조력 또는 지열처럼 자연 상태에서 만들어진 에너지를 전기 에너지로 생성하여 신재생 에너지 전력을 공급한다. 여기서, 신재생 에너지 전력은 DC 전력일 수 있으며, 예를들면, 태양 전지일 수 있다.
PCS(103)는 DC-링크(600)를 통해 제1 배터리 모듈(107)의 DC-DC 컨버터(115), 제2 배터리 모듈(109)의 DC-DC 컨버터(121) 및 신재생 에너지 모듈(700)의 DC-DC 컨버터(701)와 연결된다.
이때, DC-DC 컨버터(115), DC-DC 컨버터(121), DC-DC 컨버터(701)는 DC-링크(600) 단에서 병렬로 연결된다. 이러한 연결 구조는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 ESS(100)와 신재생 에너지 모듈(700)을 직접 DC-링크(600)로 연결하는 구조를 나타내며, 이렇게 연결하면, 효율 향상을 도모할 수 있다.
여기서, 신재생 에너지 모듈(700)은 DC-DC 컨버터(701) 및 신재생 에너지부(703)를 포함한다.
DC-DC 컨버터(701)는 신재생 에너지부(703) 및 DC-링크(600)와 연결되며, 신재생 에너지부(703)에서 출력되는 DC 전력을 DC-링크(600)로 출력한다.
신재생 에너지부(703)는 태양열, 태양광, 풍력, 조력 또는 지열처럼 자연 상태에서 만들어진 에너지를 전기 에너지로 생성하여 신재생 에너지 전력을 공급한다. 여기서, 신재생 에너지 전력은 DC 전력일 수 있다.
PCS(103)는 배터리 모듈들(107, 109)의 직류 전원(DC) 시스템과 전력 계통의 교류 전원(AC) 시스템을 연계하여 배터리의 충전 및 방전을 수행한다. PCS(103)는 전력 계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하거나 또는 배터리 모듈들(107, 109)의 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다.
PCS(103)는 개별 배터리를 제어하는 방식이 아닌 DC-링크(600)단 전압만 제어한다. 이때, 그리드(500)와 연결된 상태에서 PCS(103)는 DC-링크(600)를 정전압(CV)으로 유지시킨다.그리고 그리드(500)와 단전된 상태 또는 정전 상태에서는 DC-DC 컨버터(115 또는 121)가 DC-링크(600)를 정전압(CV)으로 유지시킨다.
마스터 BMS(105)는 배터리 모듈들(107, 109)의 상태 감시와 충방전을 제어한다. 마스터 BMS(105)는 PMS(101)로부터 수신된 충방전 제어 지령에 따라 각각의 서브 BMS(113, 119)로 충방전 제어 지령을 출력한다. 마스터 BMS(105)는 신재생 에너지 전력이 계통 및 부하에 공급되는데, 전력 공급량이 초과되면, 배터리를 충전하고, 전력 공급량이 부족하면, 배터리를 방전하도록 제어한다.
마스터 BMS(105)는 서브 BMS(113, 119)와 통신한다. 마스터 BMS(105)는 통신 링크를 통해 각 DC-DC 컨버터(115, 121)를 제어하는 제어 신호를 각 DC-DC 컨버터(115, 121)로 출력한다.
마스터 BMS(105)는 서브 BMS(113, 119) 각각이 산출한 SOC(State Of Charge)를 취합하고, 즉, 서브 BMS(113, 119)가 개별 SOC를 산출하고, 마스터 BMS(105)는 서브 BMS(113, 119)로부터 개별 SOC 정보를 획득하여, 리튬 배터리(111)의 충방전 전력과 흐름 배터리(117)의 충방전 전력을 조절하여 SOC를 제어한다.
예를 들어, 스케쥴에 의해 흐름 배터리(117)가 방전시 리튬 배터리(111)의 SOC가 정해진 기준보다 낮으면, 마스터 BMS(105)는 흐름 배터리(117)의 방전량을 늘리고, 리튬 배터리(111)를 충전한다. 반면, 흐름 배터리(117)가 방전시 리튬 배터리(111)의 SOC가 정해진 기준보다 높으면, 마스터 BMS(105)는 흐름 배터리(117)의 방전량을 줄이고 리튬 배터리(111)를 방전하여 리튬 배터리(111)의 SOC를 관리 조건 내에서 움직이도록 제어한다.
또한, 리튬 배터리(111)가 방전시 흐름 배터리(117)의 SOC가 정해진 기준보다 적으면, 마스터 BMS(105)는 리튬 배터리(111)의 방전량을 늘리고, 흐름 배터리(117)를 충전한다. 반면, 리튬 배터리(111)가 방전시 흐름 배터리(117)의 SOC가 정해진 기준보다 높으면, 마스터 BMS(105)는 리튬 배터리(111)의 방전량을 줄이고 흐름 배터리(117)를 방전하여 흐름 배터리(117)의 SOC를 관리 조건 내에서 움직이도록 제어한다.
마스터 BMS(105)는 배터리 모듈들(107, 109)의 상태 정보를 기초로 배터리 모듈들(107, 109) 각각에 대응하는 DC-DC 컨버터(115, 121)의 출력값을 정의한다.
DC-DC 컨버터(115, 121)는 각각의 배터리(111, 117)와 전기적으로 연결되어 각 배터리(111, 117)의 출력 전류, 출력 전압, 출력 전력을 제어할 수 있다.
각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)는 충전 모드일 경우, DC-링크(600)를 통해 PCS(103)가 변환한 외부 전력을 정해진 레벨로 변환하여 각 배터리(111, 117)로 출력한다. 그리고 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)는 방전 모드일 경우, 각 배터리(115, 121)의 전력을 정해진 레벨로 변환하여 DC-링크(600)를 통해 PCS(103)로 출력한다. 그러면, PCS(103)가 각 배터리 전력을 교류로 변환하여 AC-링크(300)를 통해 전력 계통, 즉, 그리드(500)로 출력한다.
이종 배터리 충방전 제어는 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)가 수행한다. DC-DC 컨버터(115, 121)를 관리하는 마스터 BMS(105)는 이종 배터리를 통합 운영하고, PMS(101)와 1:1로 통신하여 충방전 지령을 수신한다. 즉, DC-링크 전압이 PCS(103)에 의해 유지되는 상태에서 DC-DC 컨버터(115, 121)를 통해 CC(정전류) 또는 CP(정전력) 제어로 DC-링크(600)단으로 이종 배터리별로 충방전을 수행한다. PCS(103)는 DC-링크 전압을 유지하는 동작을 하면서 AC 링크으로 충방전을 수행한다.
하이브리드 ESS(100)에서 정전 및 전력계통과 연결이 안된 상태의 독립 운전시 제어 방식은 PCS(103) 대신 1대의 DC-DC 컨버터(115 또는 121)가 DC-링크 전압을 제어, 즉, CV(정전압) 제어한다. 이때, 하나의 DC-DC 컨버터(115 또는 121)가 DC-링크 전압을 제어한다.
PCS(103)는 부하에서 요구하는 전력을 DC-링크(600)에서 획득하고, DC-링크 전압이 저하되면 리튬 배터리(111)가 방전하면서 원래의 전압을 유지하도록 제어한다. 초기 기동 15분 후 흐름 배터리(117)가 DC-DC 컨버터(121)의 CC 또는 CP 제어로 DC-링크(600)단에 전력을 공급한다.
이때, 흐름 배터리(117)의 방전량이 PCS(103)를 통해서 출력되는 전력보다 크면 잉여분은 리튬 배터리(111)에 충전된다. 반면, 흐름 배터리(117)의 방전량이 PCS(103)를 통해서 출력되는 전력보다 작으면 부족분 만큼 리튬 배터리(111)가 방전을 한다. 즉, 리튬 배터리(111)는 초기 15분 부하에 전력 공급 및 흐름 배터리(117) 방전후에는 전력 잉여 및 부족분에 대한 댐퍼(damper) 역할을 수행한다.
예를들면, 흐름 배터리(117)가 정격 출력에서 4시간 사용하는 시스템으로 구성되어 있으면, 흐름 배터리(117)는 일간 스케쥴 또는 EMS(200)에 의해 일정 주기로 충전과 방전을 수행한다. 이때, 신재생 에너지 발전량 및 독립형 마이크로그리드 환경의 부하량, ESS(100)내 흐름 배터리 충전량 또는 흐름 배터리 방전량과의 차이가 발생할 수 있는데, 이를 리튬 배터리(111)가 보충하는 역할을 한다. 즉, 차이가 발생한 부족한 전력만큼 리튬 배터리(111)가 방전하고, 반대로 남는 전력만큼 리튬 배터리(111)가 충전을 수행한다.
또한, 하이브리드 ESS(100)의 독립 운전 시작시 흐름 배터리(117)와 연결된 BOP(1000)와 하이브리드 ESS(100)를 구성하는 모든 제어기(101, 103, 105, 113, 115, 119, 121)를 위해서 별도의 보조 전원 대신 리튬 배터리(111)의 충전된 전력을 사용 할 수 있다.
여기서, 리튬 배터리(111)는 별도의 배선을 통하여 BOP(balance of plant)(미도시) 및 제어기(미도시)와 연결된다. BOP(미도시) 및 제어기(미도시)는 리튬 배터리(111)에 충전된 전력을 사용한다. 따라서, 외부 전원 공급없이 리튬 배터리(111)에 충전된 전력으로 제어기(미도시)를 구동하여 ESS 자립 기동을 한다. 그리고 흐름 배터리(117)의 BOP를 구동하여 흐름 배터리 출력을 발현하여 독립 운전을 수행한다.
즉, 마스터 BMS(105)는 초기 15분 동안은 리튬 배터리(111)를 방전하도록 제어하고, 15분 이후 흐름 배터리(117)를 방전하도록 제어하여 하이브리드 ESS(100)가 독립운전을 수행하도록 한다.
전술한 하이브리드 ESS의 동작에 대해 모드 별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 계통 연결된 상태에서는 PMS(101)가 마스터 BMS(105)에 충전 지령을 전달한다. 마스터 BMS(105)는 개별 서브 BMS(113, 119)에 충전 모드로 동작하라는 충전 지령을 출력하여 리튬 배터리(111) 및 흐름 배터리(117)가 DC-링크(600) 및 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)를 통하여 계통 전력을 충전하도록 제어한다.
마스터 BMS(105)는 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)에 충전 지령을 전달한다.그러면, 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)는 DC-링크(600)로부터 공급되는 계통 전력을 충전 지령에 따른 배터리 DC 레벨로 변환하여 각각의 배터리(111, 117)로 출력한다.
또한, 방전 모드로 수행하는 경우, PMS(101)가 마스터 BMS(105)에 방전 지령을 전달한다. 마스터 BMS(105)는 개별 BMS(113, 119)에 방전 모드로 동작하라는 방전 지령을 출력하여 리튬 배터리(111) 및 흐름 배터리(117)가 DC-링크(600) 및 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)를 통하여 배터리 전력을 방전하도록 제어한다.
마스터 BMS(105)는 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)에 방전 지령을 전달한다.그러면, 각각의 DC-DC 컨버터(115, 121)는 방전 지령에 따라 배터리 전력을 변환하여 DC-링크(600)로 출력한다.
또한, 마스터 BMS(105)는 리튬 배터리(111)를 충전 모드로 제어할 경우, 흐름 배터리(117)는 방전 모드로 제어하고, 리튬 배터리(111)를 방전 모드로 제어할 경우, 흐름 배터리(117)는 충전 모드로 제어할 수 있다.
한편, 전력 계통이 단전된 상태에는 DC-DC 컨버터(115)가 DC-링크 전압을 제어한다. 따라서, DC-DC 컨버터(115)는 DC-링크 전압이 낮으면 리튬 배터리(111)의 전력을 방전하여 DC-링크(600)로 출력하고, DC-링크 전압이 높으면 DC-링크(600)가 출력하는 전력을 리튬 배터리(111)에 충전한다. 미리 정의된 순서에 의해 마스터 BMS(105)가 리튬 배터리(111)의 구동 이후, 15분 뒤에 흐름 배터리(117)에 방전 지령을 DC-DC 컨버터(121)에 전달하여 방전을 수행한다.
또한, 고장 모드는 개별 제어기(101, 103, 105, 113, 115, 119, 121)별로 정해진 폴트가 발생하면 구동 정지 신호를 다른 제어기(101, 103, 105, 113, 115, 119, 121)로 전달하여 모든 시스템이 구동을 중지하도록 한다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 ESS를 도시한다.
도 3은 도 2와 유사한 구성 및 동작을 수행하므로, 다른 구성 및 동작에 대해서만 설명한다. 도 3의 실시예에 따른 하이브리드 ESS는 리튬 배터리(111)를 포함하는 제1 배터리 모듈(107')에 DC-DC 컨버터(115)가 없다는 점이 다르다.
DC-링크(600)단 전압이 리튬 배터리(111)의 전압과 동일하기에 리튬 배터리(111)의 SOC(현재 충전량)에 따라 마스터 BMS(105)는 충방전 제어를 수행한다.
DC-링크(600)단에 리튬 배터리(111)가 연결된 상태에서 DC-DC 컨버터(121)와 PCS(103)가 각각 CP, CC를 제어하면서 충방전을 수행한다.
이때, 리튬 배터리(111)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해서 PCS(103)와 DC-DC 컨버터(121)는 서로간에 통신을 하면서 충방전 지령을 공유하고 자신의 충방전을 조절한다. DC-DC 컨버터(121)가 없기에 구성이 단순하다는 장점이 있다.
마스터 BMS(105)는 PCS(103)와 DC-DC 컨버터(121)의 충방전량의 차이만큼 리튬 배터리(111)를 충방전 제어하고 그에 따라 리튬 배터리(111)의 SOC가 변화한다. 마스터 BMS(105)는 리튬 배터리(111)의 SOC를 모니터링하면서 하이브리드 ESS(100)의 전체 이종 배터리의 충방전을 제어한다.
즉, 마스터 BMS(105)는 DC-DC 컨버터(121)의 방전량이 PCS(103)에 의해 DC-링크(600)으로부터 AC-링크(300)로 출력되는 방전량보다 많으면, DC-DC 컨버터(121)의 방전량과 PCS(103)의 방전량의 차이만큼 리튬 배터리(111)를 충전시킨다. 그리고 DC-DC 컨버터(121)의 방전량이 PCS(103)에 의해 DC-링크(600)으로부터 AC-링크(300)로 출력되는 방전량보다 적으면, DC-DC 컨버터(121)의 방전량과 PCS(103)의 방전량의 차이만큼 리튬 배터리(111)를 방전시킨다.
또한, 마스터 BMS(105)는 DC-DC 컨버터(121)의 충전량이 PCS(103)로부터 DC-링크(600)로 출력되는 충전량보다 많으면, DC-DC 컨버터(121)의 충전량과 PCS(103)의 충전량의 차이만큼 리튬 배터리(111)를 방전시킨다. 그리고, DC-DC 컨버터(121)의 충전량이 PCS(103)로부터 DC-링크(600)로 출력되는 충전량보다 적으면, DC-DC 컨버터(121)의 충전량과 PCS(103)의 전력량의 차이만큼 리튬 배터리(111)를 충전시킨다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전력을 충전하고, 충전된 직류 전력을 방전하며, 서로 종류가 다른 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈,
    상용 전원을 공급하는 그리드와 교류 링크로 연결되고, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 직류 링크로 연결되며, 상기 직류 링크에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 그리드로 출력하고, 상기 교류 링크에서 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 전력 조절 시스템(Power Conditioning System, PCS), 그리고
    상기 전력 조절 시스템(PCS)과 연결되어, 상기 그리드의 전력 공급량에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 전력 관리 시스템(Power Management System, PMS), 그리고
    상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 연결되고, 상기 전력 관리 시스템(PMS)으로부터 수신된 제어 지령에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈의 충전 또는 방전을 제어하는 마스터 배터리 관리 시스템(Sub Battery Management System, BMS)
    을 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 전력 조절 시스템(PCS)은,
    상기 그리드와 연결된 상태에서 상기 직류 링크를 정전압(Constant Voltage, CV)으로 제어하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 배터리 모듈은, 리튬 배터리를 포함하고,
    상기 제2 배터리 모듈은, 흐름 배터리를 포함하며,
    상기 전력 관리 시스템(PMS)은,
    상기 직류 링크의 전압이 정해진 임계치 이하로 저하되면, 상기 리튬 배터리를 먼저 방전시켜 상기 직류 링크의 전압을 정전압으로 유지한 후, 상기 흐름 배터리의 기동이 준비되면, 상기 흐름 배터리를 방전시키는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
    상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 SOC(State Of Charge)를 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 충전 또는 방전 여부와, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각의 충전량 또는 방전량을 조절하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 배터리 모듈은,
    흐름 배터리,
    상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 흐름 배터리로 출력하거나 또는 상기 흐름 배터리가 방전하는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC(Direct)-DC 컨버터, 그리고
    상기 DC-DC 컨버터가 정해진 레벨로 변환한 직류 전력을 상기 흐름 배터리에 충전하거나 또는 상기 흐름 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 DC-DC 컨버터로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
    상기 서브 배터리 관리 시스템(BMS)의 충전 또는 방전을 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력값을 제어하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 배터리 모듈은,
    리튬 배터리,
    상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 리튬 배터리로 출력하거나 또는 상기 리튬 배터리가 방전하는 직류 전력을 정해진 레벨로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC-DC 컨버터, 그리고
    상기 DC-DC 컨버터가 정해진 레벨로 변환한 직류 전력을 상기 리튬 배터리에 충전하거나 또는 상기 리튬 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 DC-DC 컨버터로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
    상기 서브 배터리 관리 시스템(BMS)의 충전 또는 방전을 제어하고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력값을 제어하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 배터리 모듈의 DC-DC 컨버터 또는 상기 제2 배터리 모듈의 DC-DC 컨버터는,
    정전 또는 상기 그리드와 단전된 독립운전 모드에서 상기 직류 링크를 정전압(Constant Voltage, CV)으로 제어하는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  8. 제5항에서,
    상기 제1 배터리 모듈은,
    리튬 배터리, 그리고
    상기 직류 링크로부터 공급되는 직류 전력을 상기 리튬 배터리에 충전하거나 또는 상기 리튬 배터리에 저장된 직류 전력을 상기 직류 링크로 방전하는 서브 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 시스템(BMS)은,
    상기 흐름 배터리의 방전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)에 의해 상기 직류 링크로부터 상기 교류 링크로 출력되는 방전량보다 많으면, 상기 흐름 배터리의 방전량과 상기 출력되는 방전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 충전시키고, 상기 흐름 배터리의 방전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)에 의해 상기 직류 링크로부터 상기 교류 링크로 출력되는 방전량보다 적으면, 상기 흐름 배터리의 방전량과 상기 출력되는 방전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 방전시키며,
    상기 흐름 배터리의 충전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)로부터 상기 직류 링크로 출력되는 충전량보다 많으면, 상기 흐름 배터리의 충전량과 상기 출력되는 충전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 방전시키고, 상기 흐름 배터리의 충전량이 상기 전력 조절 시스템(PCS)로부터 상기 직류 링크로 출력되는 충전량보다 적으면, 상기 흐름 배터리의 충전량과 상기 출력되는 충전량의 차이만큼 상기 리튬 배터리를 충전시키는, 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  9. 제5항에서,
    상기 신재생 에너지를 공급하는 신재생 에너지부, 그리고
    상기 신재생 에너지부 및 상기 직류 링크에 연결되어, 상기 신재생 에너지를 직류 전력으로 변환하여 상기 직류 링크로 출력하는 DC-DC 컨버터
    를 더 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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