KR20200069122A - 에너지저장시스템(ess)의 전력 운영 시스템 및 방법 - Google Patents

에너지저장시스템(ess)의 전력 운영 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하 및 에너지저장시스템(ESS)의 입출력과 연결되어 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어하는 통합 스위치를 구성하고, 이를 에너지저장시스템(ESS)의 전력 상태에 따라 전력 공급의 흐름을 통합적으로 제어하여 에너지저장시스템(ESS)의 전력이 효율적으로 운영되도록 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

Description

에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템 및 방법{Power operating system and method of energy storage system (ESS)}
본 발명은 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 상태에 따라 각 사용 영역의 입출력을 통합적으로 제어해주는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템 및 방법에 관한 것이다.
에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)은 생산된 전기를 배터리와 같은 저장장치에 저장하였다가 전력이 필요할 때 공급하여 전력 사용의 효율성을 향상시키는 장치이다. 이러한 에너지저장시스템(ESS)은 태양광, 풍력 등과 같은 신재생 에너지를 통해 발전된 전기나 발전소로부터 송전 받은 전기를 배터리에 저장해놓았다가 전력소모량이 적은 밤 시간에는 전력을 저장해 두었다가 전력소모량이 상대적으로 많은 낮 시간에 저장해놓은 전력을 사용할 수 있도록 한다.
이와 같이 에너지저장시스템(ESS)의 전력 사용을 효과적으로 배분하기 위하여, 현재 대형 전력망에서는 전력 흐름을 제어하는 다수의 스위치들을 구성하고, 이들 스위치들을 시간대 설정을 통해 제어하여 심야시간에는 에너지저장시스템(ESS)을 충전하고, 사용량 증가 시간대에는 에너지저장시스템(ESS)에 저장된 에너지를 공급(사용)하는 방식으로 이루어져 있다.
그러나, 가정집이나 소규모 시설의 경우, 대형 전력망에 비해 전력의 사용량 및 공급량이 적기 때문에 상술한 방식을 적용하기에는 효율적이지 않는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) KR10-1738554 B1
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 상태에 따라 각 사용 영역으로의 전력 흐름을 통합적으로 제어해주는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템과 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 계통 전력망과 신재생 에너지 발전모듈 또는 전기자동차로부터 전력을 공급 받아 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 부하에 공급하거나 계통에 송전하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템은, 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈 또는 전기자동차로부터 전력을 공급 받아 저장하는 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈의 출력 또는 상기 신재생 에너지 발전모듈의 출력을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하거나 계통으로 송전하는 전력변환장치(PCS)를 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS); 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하 및 에너지저장시스템(ESS)의 입출력과 연결되어, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 전력 상태에 따라 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어하는 스마트 스위칭 모듈; 을 포함하여 구성된다.
한편, 상기 스마트 스위칭 모듈은, 상기 계통 전력망 또는 신재생 에너지 발전 모듈에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 전류량 측정부; 상기 에너지저장시스템의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하, 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 상호 연결하여 전력 공급의 흐름을 제어하는 스위칭부; 상기 전류량 측정부 및 전압 측정부에서 측정되는 데이터를 바탕으로 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 충/방전시키는 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스위칭부는, 상기 계통 전력망의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하거나 상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 계통 전력망의 입력으로 연결하는 제1 스위치; 상기 신재생 에너지 발전모듈의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하는 제2 스위치; 상기 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 제어하는 제3 스위치; 상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 전기자동차의 입력으로 연결하거나 상기 전기자동차의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하는 제4 스위치; 상기 계통 전력망 또는 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 부하의 입력으로 연결하는 제5 스위치; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제어부는, 상기 전류량 측정부에서 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량과 기 설정된 기준 충전 전류량을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 충전 차단 여부를 판단하는 충전 차단 판단부; 상기 전압 측정부에서 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 충전 진행 여부를 판단하는 충전 진행 판단부; 상기 충전 차단부 및 충전 진행 판단부의 각 판단 결과에 따라 상기 스위칭부의 각각의 스위치를 제어하는 스위치 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 충전 차단 판단부는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단하여 충전 차단 신호를 출력하는 것을 특징으로 하며, 이에 상기 스위치 제어부는, 상기 충전 차단 판단부로부터 충전 차단 신호가 출력되면, 상기 에너지저장시스템(ESS)으로의 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하 여 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 계통 전력망으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 전기자동차의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하고, 상기 제1, 4, 5 스위치의 경로를 통해 출력되는 전력을 분배 제어하여 공급하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 충전 진행 판단부는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 진행해야 하는 것으로 판단하여 충전 진행 신호를 출력하는 것을 특징으로 하며, 이에 상기 스위치 제어부는, 상기 충전 진행 판단부로부터 충전 진행 신호가 출력되면, 상기 에너지저장시스템(ESS0)의 충전을 위해 에너지저장시스템(ESS)으로의 출력을 입력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하고, 상기 계통 전력망의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하며, 전기자동차의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하고, 계통 전력망의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스위치 제어부는, 상기 스위칭부의 제1 내지 5 스위치의 스위칭을 제어하여 상기 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하 및 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 상호 연결하여 전력 공급의 흐름을 통합적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 운영하는 방법은, 계통 전력망 또는 신재생 에너지 발전모듈에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 충전 전류량 측정단계; 상기 충전 전류량 측정단계에서 측정되는 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량에 따라 그 충전 중지여부를 판단하는 충전 중지여부 판단단계; 상기 충전 중지여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 각 스위치를 제어하여 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고 그에 저장된 전력을 계통 전력망, 전기자동차 및 부하로 분배하여 공급하는 전력 분배 공급단계; 상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압을 측정하는 전압 측정단계; 상기 전압 측정단계를 통해 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압에 따라 그 충전 진행여부를 판단하는 충전 진행여부 판단단계; 상기 충전 진행여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 필요한 것으로 판단됨에 따라, 상기 각 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하는 충전 진행단계; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 충전 중지여부 판단단계는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)이 충전을 중지해야 하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하며, 이에 상기 전력 분배 공급단계는, 상기 충전 중지여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 스위치 제어부에서 에너지저장시스템(ESS)으로의 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 계통 전력망의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 전기자동차의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)에 저장된 전력을 계통 전력망, 전기자동차 및 부하로 분배하여 공급해주는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 충전 진행여부 판단단계는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 진행되어야 하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하며, 상기 충전 진행단계는, 상기 충전 진행여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 진행되어야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 스위치 제어부에서 에너지저장시스템(ESS)으로의 출력을 입력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하고, 계통 전력망의 출력을 에너지저장시스템(ESS)과 부하의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 전기자동차의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 계통 전력망의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 상기 에너지저장시스템(ESS)이 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈 및 전기자동차로부터 전력을 공급받을 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각 사용영역 간의 입출력을 상호 연결하는 하나의 통합 스위치를 구성하고, 이를 에너지저장시스템(ESS)에 저장된 전력 상태에 따라 각각의 입출력 연결을 제어하여 전력 공급의 흐름을 제어해줌으로써 에너지저장시스템(ESS)의 전력이 효율적으로 운영될 수 있다.
또한, 상기를 통해 에너지저장시스템(ESS)의 충전량을 만충 상태가 아닌 일정 범위 내로 유지되도록 하여 배터리의 수명을 연장시킬 수 있음에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 사용 기간을 최대화하는 효과가 발휘될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 각 스위치를 통해 전력 공급의 흐름을 제어하는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
1. 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템
도 1은 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 상기 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템에 대하여 설명하도록 한다.
1.1. 에너지저장시스템(ESS, 100)
가. 배터리 모듈(110)
계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전 모듈(220) 또는 전기자동차(230)로부터 전력을 공급 받아 저장하는 구성으로, 상기 배터리 모듈은 예를 들어 다수의 배터리 셀들이 직렬 및 병렬 연결이 조합된 구성으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 계통 전력망(210)은 한전 또는 전력 공급자 측과 연계된 망을 의미한다.
또한, 상기 신재생 에너지 발전 모듈(220)은 태양광, 풍력, 지열, 해양, 바이오 에너지 등을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 모듈을 의미한다.
나. 전력변환장치(PCS, 120)
상기 계통 전력망(210)으로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리 모듈(110)에 저장되도록 하거나 배터리 모듈(110)의 출력 또는 신재생 에너지 발전 모듈(220)의 출력을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하거나 계통으로 송전하는 구성이다.
다. 배터리관리시스템(BMS, 130)
배터리관리시스템(BMS)은, 상기 배터리 모듈(110)의 충/방전을 관리하는 구성이다.
1.2. 스마트 스위칭 모듈(300)
스마트 스위칭 모듈은, 도 1 및 2에 보이는 바와 같이 상기 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240), 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력과 연결되어, 상기 에너지시스템(ESS, 100)의 전력 상태에 따라 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어하는 구성일 수 있다. 상기 스위칭 분배 모듈은 하기와 같은 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 전류량 측정부(310)
전류량 측정부는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 구성일 수 있다. 구체적으로, 상기 전류량 측정부는 전력변환장치(PCS, 120)의 직류 전류망에 구성되어 상기 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220)에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정할 수 있다. 상기 전류량 측정부를 통해 측정되는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량은 후술하는 스위치 제어부(326) 에서 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100) 간의 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어하는 기준이 될 수 있다.
나. 제어부(320)
도 3을 참조하면, 제어부는 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력 상태와 기 설정된 조건들을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100) 간의 상호 입출력의 연결을 제어하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력이 효율적으로 사용되도록 운영해주는 구성일 수 있다. 상기 제어부는 하기와 같은 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
1) 충전 차단 판단부(322)
충전 차단 판단부는, 상기 전류량 측정부(310)에서 측정된 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량과 기 설정된 기준 충전 전류량을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 차단 여부를 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 전류량 측정부(310)에서 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면 에너지저장시스템(ESS, 100)이 만충되지 않도록 하기 위해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 종료해야 하는 것으로 판단하고 충전 차단신호를 출력할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 충전 중인 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 차단 여부를 충전 전류량을 기준으로 판단할 수 있다. 그 이유를 설명하면, 일반적으로 에너지저장시스템(ESS, 100)이 충전될 때 일정한 충전전류에 의해 충전되는 정전류(CC) 방식으로 충전되다가, 특정 전압에 도달하게 되면 일정한 충전전압으로 충전되는 정전압(CV) 방식으로 변경되어 충전된다. 여기서 정전류(CC) 방식에 해당하는 정전류(CC) 구간에서는 충전전류가 일정하게 유지되다가, 정전압(CV) 방식으로 변경되면 정전압(CV) 구간에서는 충전전압이 특정 전압에 도달한 상태로 일정하게 유지되고 충전전류는 감소된다. 그런데, 전압을 기준으로 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 차단 여부를 판단하면 환경에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)이 특정 전압에 도달한 시점과 그 충전량이 동일하지 않을 수 있기 때문에 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량을 일정 범위 내로 제어하는 거의 정확성이 저하되는 문제점이 발생한다. 하지만, 하지만, 충전 전류량이 감소되는 시점을 기준으로 하면 실제 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량과 동일하게 제어할 수 있기 때문에 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 만충된 상태가 아닌 일정 범위 내로 유지될 수 있도록 정확한 판단이 가능할 수 있다.
따라서, 본 발명은 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량을 기준으로 충전 차단 여부를 판단함으로써, 향상된 정확성으로 에너지저장시스템(ESS, 100)을 만충전하지 않고 그 충전량이 기 설정한 일정 범위 내로 유지될 수 있도록 할 수 있다.
2) 충전 진행 판단부(324)
충전 진행 판단부는, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전압 상태를 기준으로 그 충전 진행 여부를 판단하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 제어하는 구성일 수 있다.
상기 충전 진행 판단부는, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부(3242)에서 측정되는 출력 전압을 기 설정된 기준 전압과 비교하여 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 필요한지를 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 필요한 것으로 판단하여 배터리 모듈(110)을 충전시키기 위한 충전 진행 신호를 출력할 수 있다.
3) 스위치 제어부(326)
스위치 제어부는, 상기 충전 차단 판단부(322) 및 충전 진행 판단부(324)의 각 판단 결과에 따라 후술하는 스위칭부(330)를 제어하여 계통 전력망(210), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100) 간의 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어해주는 구성일 수 있다.
우선, 상기 충전 차단 판단부(322)로부터 충전 차단 신호가 출력되면, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전 모듈(220)로부터 전력을 공급 받아 충전 중인 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 종료하고, 그 여분의 전력을 계통(210), 전기자동차(230) 및 부하(240)로 분배해주기 위해 후술하는 스위칭부(330)의 스위칭 동작을 제어해줄 수 있다. 구체적으로, 에너지저장시스템(ESS, 100)으로의 전력 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치(330c)의 스위칭을 제어하고, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)나 부하(240)로 공급하거나 또는 계통(210)으로 송전하여 분배하기 위하여 제1 스위치(330a), 제4 스위치(330d) 및 제5 스위치(330e)의 스위칭을 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위치(330a)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 계통(210)의 입력으로 연결하고, 제4 스위치(330d)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하며, 제5 스위치(330e)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 부하(240)의 입력으로 연결하는 스위칭 동작을 하여, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력이 계통(210), 전기자동차(230) 및 부하(240)로 분배되어 각각 공급되도록 할 수 있다.
반면, 상기 충전 진행 판단부(324)로부터 충전 진행 신호가 출력되면, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전 모듈(220)로부터 공급되는 전력에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 진행하고, 계통 전력망(210)의 전력이 에너지 공급이 필요한 부하(240)로 공급되도록 스위칭부(330)의 스위칭 동작을 제어해줄 수 있다. 구체적으로, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220)으로부터의 출력이 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결되도록 제3 스위치(330c)의 스위칭을 제어할 수 있다. 또한, 전력이 부족한 에너지저장시스템(ESS) 대신 계통 전력망(210)의 전력이 전기자동차(230)나 부하(240)로 공급되도록 하기 위하여, 계통 전력망(210)의 출력이 전기자동차(230) 및 부하(240)의 입력으로 연결되도록 제1 스위치(330a), 제4 스위치(330d) 및 제5 스위치(330e)의 스위칭을 각각 제어할 수 있다.
한편, 스위치 제어부(326)는, 신재생 에너지 발전모듈(220)로부터 공급되는 전력의 흐름을 제어하는 제2 스위치(330b)의 스위칭을 제어하는 것은, 예를 들어 발전 중일 때는 온(On), 비발전 중일 때는 오프(Off)되도록 제어할 수 있다.
반면, 상기 충전 진행 판단부(324)로부터 충전 진행 신호가 출력되면, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전 모듈(220)로부터 공급되는 전력에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 진행하고, 계통 전력망(210)의 전력이 에너지 공급이 필요한 부하(240)로 공급되도록 스위칭부(330)의 스위칭 동작을 제어해줄 수 있다. 구체적으로, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220)으로부터의 출력이 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결되도록 제3 스위치(330c)의 스위칭을 제어할 수 있다. 또한, 전력이 부족한 에너지저장시스템(ESS) 대신 계통 전력망(210)의 전력이 전기자동차(230)나 부하(240)로 공급되도록 하기 위하여, 계통 전력망(210)의 출력이 전기자동차(230) 및 부하(240)의 입력으로 연결되도록 제1 스위치(330a) 및 제5 스위치(330e)의 스위칭을 각각 제어할 수 있다. 배터리의 특성상 에너지저장시스템(ESS)은 만방전(0%)~만충전(100%) 상태로 운영되는 것보다 일정 범위 내로 예를 들어 약 20%~80% 정도의 충전량 상태로 운영되는 것이 그 사용 수명을 연장하는 것에 적합할 수 있다. 따라서, 상기와 같이 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량을 기준으로 하여 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100) 간의 상호 입출력을 제어하는 스위치(330a~330e)들을 통합적으로 제어하여 에너지저장시스템(ESS, 100)을 만충하지 않고 에너지 공급이 필요한 사용 영역으로 분배하여 사용함으로써, 그 충전량을 일정 범위 내로 유지될 수 있도록 하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 사용 효율성을 증가시킬 뿐만 아니라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 사용 수명을 최대화하는 효과가 발휘될 수 있다.
여기서, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 중지 및 진행 여부를 판단하는 기 설정된 기준 충전 전류량과 전압에 해당하는 범위는, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전량이 만방전(0%)~만충전(100%)보다 작은 범위를 갖도록 설정되며, 이는 예를 들어 약 20% ~ 80% 정도의 범위로 설정될 수 있다. 따라서, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 항상 예를 들어 20% ~ 80% 정도의 상태를 유지하도록 운영되기 때문에, 배터리 모듈(110)의 사용 수명을 연장하는 효과가 발휘되고, 이에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 사용 기간을 최대화할 수 있다.
4) 전력 분배부(328)
상기 제어부는, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 계통 전력망(210), 전기자동차(230) 및 부하(240)로 분배하여 공급하기 위한 구성으로서 전력 분배부를 포함할 수 있다. 이는 각 스위치가 연결된 허브로서 기능할 수 있으며, 전력 분배기, 전력 스플리터 등의 통상의 전력 분배 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 이와 같은 전력 분배부를 통하여 제어부는 각 스위치로 출력되는 전력을 분배 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제어부에서 필요에 따라 각 스위치로의 전력 분배 비율을 설정할 수 있으며, 상기 전력 분배부는 설정된 전력 분배 비율에 따라 각 스위치로 출력되는 전력을 분배할 수 있다.
다. 스위칭부(330)
스위칭부는, 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 상호 연결하는 구성으로서, 상술한 스위칭 제어부(326)의 제어에 의해 스위칭 동작하여 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 상호 연결하여 전력 흐름을 제어할 수 있다.
상기 스위칭부는, 상기 스위치 제어부(326)의 제어에 의해 계통 전력망(210)의 출력을 에너지저장시스템(ESSM 100)의 입력으로 연결하거나 또는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 계통 전력망(210)의 입력으로 연결하거나 또는 계통 전력망(210)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하는 제1 스위치(330a), 신재생 에너지 발전 모듈(220)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하는 제2 스위치(330b), 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 제어하는 제3 스위치(330c), 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하거나 또는 전기자동차(230)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하는 제4 스위치(330d), 계통 전력망(210)의 출력 또는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 부하(240)의 입력으로 연결하는 제5 스위치(330e)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 상기 스위칭부(330)는, 각 스위치(330a~330e)의 스위칭 동작을 통해 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100) 간의 상호 입출력의 연결을 제어하는 하나의 통합 스위치로서, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량을 기준으로 상기 스위치 제어부(326)에 의해 통합적으로 제어되어 상호 간의 전력 흐름을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 충분한 것으로 판단되어 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 종료하고 여분의 전력을 분배해주기 위한 충전 차단 신호가 출력됨에 따라, 상기 스위치 제어부(326)에 의해 제3 스위치(330c)는 에너지저장시스템(ESS, 100)로의 입력을 출력으로 전환하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 종료하고, 제1 스위치(330a)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 계통(210) 전력망의 입력으로 연결하며, 제4 스위치(330d)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하고, 제5 스위치(330e)는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 부하(240)의 입력으로 연결하는 스위칭 동작을 하여, 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 각각 분배해줄 수 있다. 따라서, 에너지저장시스템(ESS, 100)가 만충되지 않도록 하면서 그 내에 저장된 전력을 최대한 분배하여 사용할 수 있도록 함으로써 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력 사용의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 그 충전량을 배터리 모듈(110)의 수명 연장에 적합한 일정 범위 내로 유지시키는 것이 가능하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 사용 기간을 최대화하는 효과가 발휘될 수 있다.
한편, 상기와 같이 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 최대한 분배하여 사용함에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 필요한 것으로 판단된 충전 진행 신호가 출력되면, 상기 스위치 제어부(326)의 제어에 의해 제3 스위치(330c)는 에너지저장시스템(ESS, 100)으로의 출력을 입력으로 전환하고, 제1 스위치(330a)는 계통 전력망(210)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하고, 제4 스위치(330d)는 전기자동차(230)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하여 에너지저장시스템(ESS, 100)에 전력이 저장될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 제5 스위치(330e)는 계통 전력망(210)의 출력을 부하(240)의 입력으로 연결하여 에너지 공급이 필요한 부하(240)로 전력이 안정적으로 공급될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치(330c)와 제4 스위치(330d)는, 계통 전력망(210)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하도록 제어되어 전력이 부족한 에너지저장시스템(ESS, 100) 대신 계통 전력망(210)의 전력이 전기자동차(230)로 공급되도록 할 수도 있다.
<에너지저장시스템(ESS)과 전기자동차 간의 전력 흐름 제어에 대한 실시 예>
실시 예 1은, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230) 자체에 특정한 값을 설정하고, 상기 스위치 제어부(326)가 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어함에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100)이 전기자동차(230)에 전력을 공급해줄 수도 있고, 전기자동차(230)로부터 전력을 공급 받을 수도 있다.
예를 들면, 일반적으로 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230) 자체에는 각각 배터리관리시스템(BMS)이 구성되는데, 각 배터리관리시스템(BMS)에 사전에 정보(기준 충전량)를 설정하면, 에너지저장시스템(ESS, 100) 또는 전기자동차(230)의 배터리관리시스템(BMS)은 해당 충전량이 기준 충전량을 초과하는 상태이면 기준 충전량이 될 때까지 자체 방전 스위치를 온(On) 시켜두거나 또는 해당 충전량이 기준 충전량 미만인 상태이면 기준 충전량이 될 때까지 자체 충전 스위치를 온(On) 시켜두고, 상기 스위치 제어부(326)에서는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하거나 또는 전기자동차(230)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어하여, 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 전기자동차(230)로 공급할 수도 있고, 반대로 전기자동차(230)에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)이 충전될 수도 있다.
실시 예 2는, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)로부터 각 해당 충전량 정보를 수집하여 양쪽 간의 충/방전을 제어해줄 수 있다. 이를 위해 실시 예 2에서는, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)와의 각각 통신 연결을 위한 통신부(328) 및 상기 통신부(328)를 통해 수집된 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)의 충/방전 여부를 판단하기 위한 충/방전 판단부(329)가 추가로 구비될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 충/방전 판단부(329)에서 통신부(328)를 통해 에너지저장시스템(ESS, 100)와 전기자동차(230)의 각 해당 배터리관리시스템(BMS)으로부터 해당 충전량 정보를 수집하고, 수집된 각 충전량을 미리 설정된 기준 충전량과 비교하여 충전이 필요한지 방전이 필요한지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 기준 충전량을 초과한 상태이고, 전기자동차(230)의 충전량은 기준 충전량 미만인 상태라면, 에너지저장시스템(ESS, 100)은 방전이 필요하고, 전기자동차(230)는 충전이 필요한 것으로 판단하여 상기 통신부(328)를 통해 각 배터리관리시스템(BMS)으로 해당 판단 결과를 제공해줌으로써 에너지저장시스템(ESS, 100)은 자체 충전 스위치는 오프(Off)/방전 스위치를 온(On) 시켜두고, 전기자동차(230)는 자체 충전 스위치를 온(On)/방전 스위치는 오프(Off) 시켜놓을 수 있게 된다. 이러한 상태에서 상기 스위치 제어부(326)에서는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어해줌으로써 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 전기자동차(230)로 공급해줄 수 있는 것이다. 반대의 경우도 상술한 바와 동일한 방식으로 이루어져, 전기자동차(230)의 여분 충전량이 충전이 필요한 에너지저장시스템(ESS, 100)으로 공급될 수도 있다.
이와 같이 제4 스위치(330d)의 스위칭을 통해 전기자동차(230)가 에너지저장시스템(ESS, 100)의 부하로만 사용되는 것이 아니라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 공급원으로도 활용될 수 있다.
한편, 상기 통신부(328)는, 유선 또는 무선 통신 방식을 이용하여 통신 연결을 수행할 수 있다.
2. 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법
도 4는 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 상기 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 운영하는 방법을 설명하도록 한다.
2.1. 충전 전류량 측정단계(S100)
충전 전류량 측정단계는, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220) 또는 전기자동차(230)로부터 공급되는 전력에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량을 측정하는 단계이다. 이는 상술한 전류량 측정부(310)에 의해 수행될 수 있다.
2.2. 충전 중지여부 판단단계(S200)
충전 중지여부 판단단계는, 상기 충전 전류량 측정단계(S100)에서 측정되는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 충전 중지여부를 판단하는 단계이다. 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 중지여부를 판단하는 것은, 상기 충전 전류량 측정단계(S100)에서 측정되는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량과 기 설정된 기준 충전 전류량을 비교하여 그 비교 결과에 따라 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 기 설정된 기준 충전 전류량은, 에너지저장시스템(ESS, 100)가 만충되지 않도록 하는 시점에 해당하는 값으로 설정될 수 있다. 이와 같은 충전 중지여부 판단단계는, 상술한 충전 차단 판단부(322)에 의해 수행되며, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단되면 이를 위한 충전 차단신호를 출력할 수 있다.
2.3. 전력 분배 단계(S300)
전력 분배 단계는, 상기 충전 중지여부 판단단계(S200)에서 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단됨에 따라, 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 상호 연결하는 각 스위치(330a~330e)의 스위칭 제어를 통해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 중지하고 여분의 전력을 분배 공급해주는 단계이다. 이는 하기와 같은 세부 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
우선, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220) 또는 전기자동차(230)에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 중지하기 위해, 에너지저장시스템(ESS, 100)으로의 전력 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치(330c)의 스위칭을 제어할 수 있다. 그리고 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 계통(210), 전기자동차(230), 부하(240)로 분배해주기 위하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 계통 전력망(210)의 입력으로 연결하도록 제1 스위치(330a)의 스위칭 동작을 제어하고, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어하며, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 부하(240)로 연결하도록 제5 스위치(330e)의 스위칭을 각각 제어해주어 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력이 계통 전력망(210), 전기자동차(230) 그리고 부하(240) 측으로 각각 분배되어 공급되도록 할 수 있다.
이와 같이 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 계통 전력망(210), 전기자동차(230) 및 부하(240)로 분배하여 공급하는 것은, 상술한 상기 제어부(320)의 전력 분배부(328)에 의해 수행될 수 있다. 상기 제어부(320)에서 필요에 따라 각 스위치로의 전력 분배 비율을 설정할 수 있으며, 이에 상기 전력 분배부(328)는 설정된 전력 분배 비율에 따라 각 스위치로 출력되는 전력을 분배 해줄 수 있다. 이와 같이 제1 스위치(330a), 제3 스위치(330c), 제4 스위치(330d) 및 제5 스위치(330e)의 스위칭을 각각 제어하여 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력이 배분되어 공급될 수 있도록 함으로서, 에너지저장시스템(ESS, 100)를 단순히 에너지 저장 후 필요 시에만 사용하는 것이 아니라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 기 설정된 일정 범위 내를 만족하는 상태라면 우선적으로 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력부터 배분하여 효율적으로 사용될 수 있도록 할 수 있다. 이를 통해 에너지저장시스템(ESS, 100)을 만충하지 않고 그 충전량을 일정 범위 내로 운영될 수 있어 사용 수명을 최대화할 수 있다.
상기 전력 분배단계는, 상술한 충전 중지여부 판단단계(S200)를 통해 충전 차단 판단부(322)로부터 출력된 충전 차단 신호를 입력 받은 스위치 제어부(326)에 의해 수행될 수 있다.
2.4. 충전 진행여부 판단단계(S400)
충전 진행여부 판단단계는, 상기 전력 분배 공급단계(S300)를 통해 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력이 소비됨에 따라, 상기 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전압 상태를 기준으로 그 충전 진행 여부를 판단하는 단계이다. 상기 충전 진행여부 판단단계는, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력 전압을 측정하는 전압 측정단계(S410)를 포함하여 구성되어, 상기 전력 분배단계(S300)를 통해 다른 사용 영역(210, 230, 240)으로 전력을 배분하는 동안 에너지저장시스템(ESS, 100)에서 출력되는 전압을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정단계(S410)를 통해 측정되는 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 이는 상술한 충전 진행 판단부(324)에 의해 수행되며, 충전이 필요한 것으로 판단 시 충전 진행 신호를 출력할 수 있다.
2.5. 충전 진행단계(S500)
상기 충전 진행여부 판단단계(S400)에서 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 필요한 것으로 판단됨에 따라, 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 상호 연결하는 각 스위치(330a~330e)의 스위칭 제어를 통해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전을 진행하면서도 에너지 공급이 필요한 부하로의 전력 공급이 안정적으로 이루어지도록 하는 단계이다.
이는 상기 충전 진행여부 판단단계(S400)를 통해 충전 진행 판단부(324)로부터 출력된 충전 진행 신호를 입력 받은 스위치 제어부(326)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 계통 전력망(210)과 신재생 에너지 발전모듈(220) 또는 전기자동차(230)에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)이 충전될 수 있도록 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력 출력을 입력으로 전환하도록 제3 스위치(330c)의 스위칭을 제어할 수 있다. 그리고 계통 전력망(210)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100) 또는 전기자동차(230)의 입력으로 연결하도록 제1 스위치(330a)의 스위칭을 제어하고, 전기자동차(230)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치(330d)의 스위칭을 제어할 수 있다. 또한, 계통 전력망(210)의 출력을 부하(240)의 입력으로 연결하도록 제5 스위치(330e)의 스위칭을 제어할 수 있다. 따라서, 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220) 또는 전기자동차(230)에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전이 진행되도록 하면서, 에너지 공급이 필요한 전기자동차(230)나 부하(240)에는 계통 전력망(210)의 전력이 공급되도록 하여 안정적인 전력 공급이 이루어질 수 있다.
이와 같이, 계통 전력망(210), 신재생 에너지 발전모듈(220), 전기자동차(230), 부하(240) 및 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입출력을 상호 연결하는 하나의 통합 스위치를 구성하고, 이들을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력 상태에 따라 각각의 스위칭 동작을 통합적으로 제어하여 상호 간의 입출력 연결을 제어해줌으로써 에너지저장시스템(ESS, 100)을 만충하지 않고 그 충전량을 일정 범위 내로 유지시킬 수 있다. 또한, 에너지저장시스템(ESS, 100)을 단순히 에너지 저장 후 필요 시에만 사용하는 것이 아니라 통합적인 제어를 통해 그에 저장된 전력을 우선적으로 배분하여 사용함으로써 에너지저장시스템(ESS, 100)의 운영 효율성을 향상시킬 수 있다.
<에너지저장시스템(ESS)과 전기자동차 간의 전력 흐름 제어에 대한 실시 예>
실시 예 1은, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230) 자체에 특정한 값을 설정하고, 이들 간의 전력 흐름을 제어하는 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어하여 에너지저장시스템(ESS, 100)이 전기자동차(230)의 전력 공급원으로 작용할 수도 있고, 반대로 전기자동차(230)가 에너지저장시스템(ESS, 100)의 전력 공급원으로도 작용할 수 있다. 예를 들어, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230) 구성되는 각 배터리관리시스템(BMS)에 사전에 정보(기준 충전량)를 설정하고, 이에 따라 에너지저장시스템(ESS, 100) 또는 전기자동차(230)의 배터리관리시스템(BMS)은 해당 충전량이 기준 충전량을 초과하는 상태이면 기준 충전량이 될 때까지 자체 방전 스위치를 온(On) 시켜두거나 또는 해당 충전량이 기준 충전량 미만인 상태이면 기준 충전량이 될 때까지 자체 충전 스위치를 온(On) 시키게 된다. 따라서, 상기 스위치 제어부(326)에서는 상술한 바와 같이 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어하여 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하거나 또는 전기자동차(230)의 출력을 에너지저장시스템(ESS, 100)의 입력으로 연결하여 에너지저장시스템(ESS, 100)에 저장된 전력을 전기자동차(230)로 공급할 수도 있고, 반대로 전기자동차(230)에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)이 충전될 수도 있는 것이다.
실시 예 2는, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)로부터 각 해당 충전량 정보를 수집하여 양쪽 간의 충/방전을 제어해주는 방식일 수 있다. 구체적으로, 통신 연결단계(A), 데이터 수집단계(B), 충/방전 판단단계(C), 자체 제어단계(D), 스위칭 제어단계(E)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 통신 연결단계(A)는, 상술한 통신부(328)에 의해 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230) 각각에 구성되어 있는 배터리관리시스템(BMS)과 통신을 연결하는 단계이다. 이는 유/무선 방식을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 데이터 수집단계(B)는, 상기 통신 연결단계(A)를 통해 통신 연결된 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)의 각 배터리관리시스템(BMS)으로부터 해당 충전량을 수집하는 단계로서, 이를 통해 수집된 양쪽 충전량을 기준 충전량과 각각 비교하여 충전이 필요한지 방전이 필요한지를 판단하는 충/방전 판단단계(C)가 수행될 수 있다.
예를 들어, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 충전량이 기준 충전량을 초과한 상태이고, 전기자동차(230)의 충전량은 기준 충전량 미만인 상태라면, 에너지저장시스템(ESS, 100)은 방전이 필요하고, 전기자동차(230)는 충전이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 이에, 판단된 결과를 각 해당 배터리관리시스템(BMS)으로 제공해주면, 에너지저장시스템(ESS, 100)의 배터리관리시스템(BMS)은 방전을 위해 자체 충전 스위치는 오프(Off)/방전 스위치를 온(On) 시키고, 전기자동차(230)의 배터리관리시스템(BMS)은 충전을 위해 자체 충전 스위치를 온(On)/방전 스위치를 오프(Off) 시키는 자체 제어단계(D)가 수행될 수 있다.
이에, 상술한 스위치 제어부(326)에서는 제4 스위치(330d)의 스위칭 동작을 제어해주어 에너지저장시스템(ESS, 100)의 출력을 전기자동차(230)의 입력으로 연결하여 전기자동차(230)가 충전될 수 있도록 할 수 있다. 반대의 경우도 상술한 바와 동일한 방식으로 이루어져, 전기자동차(230)의 여분 충전량이 충전이 필요한 에너지저장시스템(ESS, 100)으로 공급될 수도 있다.
이와 같은 방식을 통해, 에너지저장시스템(ESS, 100)과 전기자동차(230)의 입출력의 상호 연결을 제어하는 제4 스위치(330d)의 스위칭을 통하여, 전기자동차(230)가 에너지저장시스템(ESS, 100)의 부하로만 사용되는 것이 아니라 에너지저장시스템(ESS, 100)의 공급원으로도 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 에너지저장시스템(ESS)
110: 배터리 모듈
120: 전력변환장치(PCS)
130: 배터리관리시스템(BMS)
210: 계통 전력망
220: 신재생 에너지 발전모듈
230: 전기자동차
240: 부하
300: 스마트 스위칭 모듈
310: 전류량 측정부
320: 제어부
322: 충전 차단 판단부
324: 충전 진행 판단부
326: 스위치 제어부
328: 전력 분배부
330: 스위칭부
330a~330e: 제1 내지 5 스위치

Claims (10)

  1. 계통 전력망과 신재생 에너지 발전모듈 또는 전기자동차로부터 전력을 공급 받아 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 부하에 공급하거나 계통에 송전하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템으로서,
    계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈 또는 전기자동차로부터 전력을 공급 받아 저장하는 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈의 출력 또는 상기 신재생 에너지 발전모듈의 출력을 교류전원으로 변환하여 부하에 공급하거나 계통으로 송전하는 전력변환장치(PCS)를 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS);
    계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하 및 에너지저장시스템(ESS)의 입출력과 연결되어, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 전력 상태에 따라 상호 입출력의 분배 및 연결을 제어하는 스마트 스위칭 모듈;
    을 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스마트 스위칭 모듈은,
    상기 계통 전력망 또는 신재생 에너지 발전 모듈에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 전류량 측정부;
    상기 에너지저장시스템의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하, 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 상호 연결하여 전력 공급의 흐름을 제어하는 스위칭부;
    상기 전류량 측정부 및 전압 측정부에서 측정되는 데이터를 바탕으로 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 충/방전시키는 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스마트 스위칭 모듈은,
    상기 계통 전력망 또는 신재생 에너지 발전 모듈에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 전류량 측정부;
    상기 에너지저장시스템의 출력 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하, 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 상호 연결하여 전력 공급의 흐름을 제어하는 스위칭부;
    상기 전류량 측정부 및 전압 측정부에서 측정되는 데이터를 바탕으로 상기 스위칭부를 제어하여, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 충/방전시키는 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류량 측정부에서 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량과 기 설정된 기준 충전 전류량을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 충전 차단 여부를 판단하는 충전 차단 판단부;
    상기 전압 측정부에서 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 에너지저장시스템(ESS)의 충전 진행 여부를 판단하는 충전 진행 판단부;
    상기 충전 차단부 및 충전 진행 판단부의 각 판단 결과에 따라 상기 스위칭부의 각각의 스위치를 제어하는 스위치 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 차단 판단부는,
    상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단하여 충전 차단 신호를 출력하는 것을 특징으로 하며,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 충전 차단 판단부로부터 충전 차단 신호가 출력되면, 상기 에너지저장시스템(ESS)으로의 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하 여 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 계통 전력망으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 전기자동차의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하고, 상기 제1, 4, 5 스위치의 경로를 통해 출력되는 전력을 분배 제어하여 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 충전 진행 판단부는,
    상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 진행해야 하는 것으로 판단하여 충전 진행 신호를 출력하는 것을 특징으로 하며,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 충전 진행 판단부로부터 충전 진행 신호가 출력되면, 상기 에너지저장시스템(ESS0)의 충전을 위해 에너지저장시스템(ESS)으로의 출력을 입력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하고, 상기 계통 전력망의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하며, 전기자동차의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하고, 계통 전력망의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 스위칭부의 제1 내지 5 스위치의 스위칭을 제어하여,
    상기 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈, 전기자동차, 부하 및 에너지저장시스템(ESS)의 입출력을 상호 연결하여 전력 공급의 흐름을 통합적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 통해 에너지저장시스템(ESS)의 전력을 운영하는 방법에 있어서,
    계통 전력망 또는 신재생 에너지 발전모듈에 의해 충전 중인 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량을 측정하는 충전 전류량 측정단계;
    상기 충전 전류량 측정단계에서 측정되는 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량에 따라 그 충전 중지여부를 판단하는 충전 중지여부 판단단계;
    상기 충전 중지여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 각 스위치를 제어하여 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고 그에 저장된 전력을 계통 전력망, 전기자동차 및 부하로 분배하여 공급하는 전력 분배 공급단계;
    상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압을 측정하는 전압 측정단계;
    상기 전압 측정단계를 통해 측정된 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압에 따라 그 충전 진행여부를 판단하는 충전 진행여부 판단단계;
    상기 충전 진행여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 필요한 것으로 판단됨에 따라, 상기 각 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하는 충전 진행단계;
    를 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 중지여부 판단단계는,
    상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전 전류량이 기 설정된 기준 충전 전류량 미만이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)이 충전을 중지해야 하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 전력 분배 공급단계는,
    상기 충전 중지여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지해야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 스위치 제어부에서 에너지저장시스템(ESS)으로의 입력을 출력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)의 충전을 중지하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 계통 전력망의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 전기자동차의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 에너지저장시스템(ESS)의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)에 저장된 전력을 계통 전력망, 전기자동차 및 부하로 분배하여 공급해주는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 충전 진행여부 판단단계는,
    상기 에너지저장시스템(ESS)의 출력 전압이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 진행되어야 하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 충전 진행단계는,
    상기 충전 진행여부 판단단계에서 에너지저장시스템(ESS)의 충전이 진행되어야 하는 것으로 판단됨에 따라, 상기 스위치 제어부에서 에너지저장시스템(ESS)으로의 출력을 입력으로 전환하도록 제3 스위치를 제어하여 에너지저장시스템(ESS)이 충전되도록 하고, 계통 전력망의 출력을 에너지저장시스템(ESS)과 부하의 입력으로 연결하도록 제1 스위치를 제어하고, 전기자동차의 출력을 에너지저장시스템(ESS)의 입력으로 연결하도록 제4 스위치를 제어하며, 계통 전력망의 출력을 부하의 입력으로 연결하도록 제5 스위치를 제어하여 상기 에너지저장시스템(ESS)이 계통 전력망, 신재생 에너지 발전모듈 및 전기자동차로부터 전력을 공급받을 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템(ESS)의 전력 운영 방법.
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