KR20200125094A - 하이브리드 충방전 시스템 - Google Patents

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구회진
김유탁
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한국전지연구조합
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Abstract

본 발명은 하이브리드 충방전 시스템에 관한 것으로, 전력 계통의 주파수 제어 운용에 있어서, 고출력 또는 고에너지의 선택적 운용이 가능하고, 경제성을 향상시키고, 수명을 극대화할 수 있는 하이브리드 충방전 시스템에 관한 것이다.

Description

하이브리드 충방전 시스템{Hybrid charge/discharge system}
본 발명은 하이브리드 충방전 시스템에 관한 것으로, 전력 계통의 주파수 제어 운용에 있어서, 고출력 또는 고에너지의 선택적 운용이 가능하고, 경제성을 향상시키고, 수명을 극대화할 수 있는 하이브리드 충방전 시스템에 관한 것이다.
전력 계통에는 송배전용 발전부(발전기 및 변전소를 포함) 및 복수 개의 부하가 전기적으로 연결되어 있다.
한편, 전력 계통에 의해 송/배전되는 전력의 주파수 안정화 등의 전력 품질을 유지시키는 기능이 요구되고 있으며, 송배전되는 전력은 수요가 공급을 초과했을 때, 주파수가 저하되고, 반대로, 공급이 수요를 초과했을 때, 주파수가 상승한다. 이때, 주파수가 저하되었을 때, 발전 출력을 증가시키고, 주파수가 상승했을 때, 발전출력을 감소시킴으로써, 전력 계통의 주파수를 안정적으로 운용하게 된다.
전력계통에는, 주파수 운용 제어를 위하여, 전력계통으로부터 충전이 가능하고, 전력계통으로 방전이 가능한 충방전 시스템이 사용되고 있다.
상기 충방전 시스템은 전력계통의 주파수가 저하되었을 때, 전력계통으로 방전을 수행하고, 전력 계통의 주파수가 상승했을 때, 전력계통으로부터 충전을 수행하도록 마련된다.
종래 충방전 시스템은 복수 개의 배터리를 사용하는 경우, 배터리의 SOC값만을 고려하여 주파수 제어 운용을 수행하는 경우가 많았다.
그러나 최근 충방전 시스템에서, SOC값 뿐만 아니라, 경제성 및 수명을 함께 고려한 설계가 요구되고 있다.
본 발명은 전력 계통의 주파수 제어 운용에 있어서, 고출력 또는 고에너지의 선택적 운용이 가능한 하이브리드 충방전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 경제성을 향상시키고, 수명을 극대화할 수 있는 하이브리드 충방전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate)를 갖는 제1 배터리부, 전력 계통에 제1 배터리부와 병렬 연결되고, 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate) 보다 낮은 제2 충방전율을 갖는 제2 배터리부, 및 전력 계통의 주파수 변동을 감지하고, 주파수 변동을 억제하기 위하여, 주파수 변동 정도에 따라 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련된 제어부를 포함하는, 하이브리드 충방전 시스템이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명이 적어도 일 실시예와 관련된 하이브리드 충방전 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
출력이 상이한 이종의 배터리 시스템을 전력 계통에 병렬 연결한 시스템으로, 주파수 조절 시스템에서 필요로 하는 제1 운용모드(Primary frequency control (Governor Free, 15분))에서는 출력 성능이 우수한 고출력 배터리 혹은 커패시터에서 주파수 제어 운용에 대응하고, 제2 운용모드(Secondary Frequency Control(Automatic Generation Control, 30분))에서는 에너지성능이 우수한 배터리에서 대응할 수 있다.
또한, 전력계통을 통해 주파수 변화가 발생하는 경우, 초기 검출을 통해 제1 운용모드에 따라 고출력의 제1 배터리부(Primary)에서 최대 15분간 대응하고, 이후 제2 배터리부(Secondary)에서 추가적으로 대응하는 방식으로 주파수조절용 배터리의 효과적인 운영 모드를 설계하여, 충반전 시스템의 가격을 절감하고 수명을 연장할 수 있다. 특히, 통상 4년 내외로 운영하는 주파수 조절용 충방전 시스템의 배터리의 수명을 최대 10년까지 연장할 수 있고, 주파수 조절용 배터리 시스템에 요구되는 특성을 통해 고출력(Primary), 고에너지(Secondary)로 구분하여 시스템 구성과 운영의 효율성을 높일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명이 일 실시예와 관련된 하이브리드 충방전 시스템을 나타내는 개략도들이다.
도 3은 배터리의 종류에 따른 에너지 밀도(specific energy), C-rate, 사이클 수명(cycle life)을 나타내는 표이다.
도 4는 배터리 종류에 따른 에너지-출력을 나타내는 그래프이다.
도 5는 배터리 종류에 따른 출력 밀도-에너지 밀도를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 충방전 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명이 일 실시예와 관련된 하이브리드 충방전 시스템(이하, '충방전 시스템'이라고 약칭함)을 나타내는 개략도들이고, 도 3은 배터리의 종류에 따른 에너지 밀도(specific energy), C-rate, 사이클 수명(cycle life)을 나타내는 표이다.
또한, 도 4는 배터리 종류에 따른 에너지-출력을 나타내는 그래프이고, 도 5는 배터리 종류에 따른 출력 밀도-에너지 밀도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 충방전 시스템(100, 200)은, 전력 계통(101, 201)과 전기적으로 연결된다. 전력 계통(101)에는, 하나 이상의 발전부(150, 250)를 포함한다. 상기 발전부(150, 250)는 후술할 신재생 에너지원(풍력, 태양광 등)을 이용하는 신재생 발전부(140, 240)를 제외한 나머지 발전부(예를 들어, 화력 발전 등)를 포함할 수 있다. 상기 발전부(150, 250)는 발전소 및 변전소를 포함하며, 전력 계통에 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 상기 전력 계통(101, 201)에는 발전부에서 생산된 전력을 수요하는 하나 이상의 부하가 연결될 수 있다.
충방전 시스템(100, 200)은 제1 배터리부(110, 210), 제2 배터리부(210, 220) 및 제어부(102, 202)를 포함한다.
상기 제어부(102, 202)는 충방전 시스템(100, 200)만을 제어하게 마련될 수도 있고, 충방전 시스템(100, 200) 및 전력 계통(101, 201)을 함께 제어하게 마련될 수도 있다. 또한, 상기 제어부(102, 202)는 전력 계통의 공급과 수요를 감지할 수 있고, 전력 계통의 주파수 변동을 감지할 수 있으며, 각 배터리부의 SOC값을 감지하도록 마련될 수 있다.
충방전 시스템(100, 200)은 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate)를 갖는 제1 배터리부(110, 120)를 포함한다. 제1 배터리부(110, 120)는 하나 이상의 배터리 및 쌍방향의 AC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 충방전 시스템(100, 200)은 전력 계통에 제1 배터리부(110, 120)와 병렬 연결된 제2 배터리부(120, 220)을 포함한다. 상기 제2 배터리부(120, 220)는 전력 계통으로부터 충전될 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련된다. 또한, 제2 배터리부(120, 220)는 제1 충방전율(C-rate) 보다 낮은 제2 충방전율을 갖는다. 또한, 제2 배터리부(120, 220)는 하나 이상의 배터리 및 쌍방향의 AC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
즉, 충방전 시스템(100, 200)은 출력이 상이한 이종의 배터리부를 포함할 수 있다.
또한, 충방전 시스템(100, 200)은 전력 계통(101, 201)의 주파수 변동을 감지하고, 주파수 변동을 억제하기 위하여, 주파수 변동 정도에 따라 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련된 제어부(102, 202)를 포함한다.
즉, 제어부(102, 202)는 전력계통(101, 201)의 주파수가 기준 주파수(예를 들어, 60Hz)보다 낮아지면, 제1 배터리부(110, 210) 또는 제2 배터리부(120, 220)를 이용하여 전력계통으로 방전을 수행하도록 마련되고, 반대로, 제어부(102, 202)는 전력계통(101, 201)의 주파수가 기준 주파수보다 높아지면 전력계통의 주파수가 상승했을 때, 제1 배터리부 또는 제2 배터리부를 이용하여 전력계통(101, 201)으로부터 충전을 수행하도록 마련된다.
본 문서에서, 이와 같이, 전력계통에 주파수 변동이 발생할 때, 주파수 변동을 억제하는 목적으로 하나 이상의 배터리부의 충/방전을 제어하는 것을 주파수 제어 운용(또는 주파수 제어 모드)라 지칭할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예와 관련된 충방전 시스템(100)은 제1 배터리부(110)와 제2 배터리부(120)를 선택적으로 전력계통(101)에 전기적으로 연결시키기 위한 스위치부(130)를 추가로 포함할 수 있다. 즉, 제어부(101)는 스위치부(130)를 제어함으로써, 제1 배터리부(110)를 이용하여, 주파수 제어 운용을 수행할 때, 제1 배터리부(110)만을 전력계통(101)에 접속시키고, 이와는 다르게, 제2 배터리부(120)를 이용하여, 주파수 제어 운용을 수행할 때, 제2 배터리부(120)만을 전력계통(101)에 접속시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예와 관련된 충방전 시스템(200)은 제1 및 제2 배터리부(210, 220)와 전기적으로 연결된 PCS부(230)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 실시예는 스위치부 및 PCS부의 추가 여부에서만 차이를 갖고, 전력계통의 주파수 변동 시 충방전 제어는 동일하므로, 이하 함께 설명하도록 한다.
이때, 제1 충방전율은 제2 충방전율의 2배 내지 9배일 수 있다. 예를 들어, 제1 충방전율과 제2 충방전율의 비율은 2 ~ 9 : 1 (2:1 내지 9:1) 일 수 있다.
또한, 제어부(102, 202)는, 전력계통의 주파수 변동 폭이 소정 값 이상인 경우, 주파수 제어 운용을 위하여 제1 배터리부(110, 210)를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 주파수 변동 폭이 기준 주파수의 5%(소정 값)이상일 경우, 즉, 기준 주파수가 60Hz을 일 때, 63 Hz 이상, 또는 57HZ 이하일 때, 고출력의 제1 배터리부(110, 210)를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 상기 제1 배터리부(110, 210)는 주파수 제어 모드에서 단독으로 15분간 대응할 수 있도록 마련된다.
또한, 제어부(101, 202)는, 주파수 변동 폭이 소정 값 미만인 경우, 주파수 제어 운용을 위하여 제2 배터리부(120, 220)를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 예를 들어, 주파수 변동 폭이 기준 주파수의 5%미만일 경우, 즉, 기준 주파수가 60Hz을 일 때, 57Hz 초과에서 63 Hz 미만의 범위에서 변동이 감지될 때, 에너지 성능이 우수한 제2 배터리부(120, 220)를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 배터리부(110, 210) 및 제2 배터리부(120, 220)는 에너지 밀도(specific energy) 및 충방전 사이클 수명(cycle life) 중 적어도 하나가 상이할 수 있다.
또한, 제1 배터리부(110, 210)는 제2 배터리부(120, 220) 보다 에너지 밀도(specific energy)가 낮고, 제2 배터리부(120, 220) 보다 충방전 사이클 수명(cycle life)이 길 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리부(110, 210)는 전기이중층 커패시터(ELDC), 또는 리튬-티타늄 산화물(LTO)을 포함하는 리튬 이차 배터리를 포함할 수 있고, 제2 배터리부(120, 220)는, 리튬 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 산화물을 포함하는 리튬 이차 배터리, 리튬 니켈-망간-코발트(NMC) 산활물을 포함하는 리튬 이차 배터리, 또는 레독스흐름전지(Redox flow battery)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 배터리부(110, 210) 및 제2 배터리부(120, 220)의 조합으로는, 예를 들어 6가지의 조합이 가능할 수 있고, 구체적으로, ELDC 및 리튬이차배터리(NCA)의 조합, ELDC 및 리튬이차배터리(NMC)의 조합, ELDC 및 레독스흐름전지의 조합, 리튬이차배터리(LTO) 및 리튬이차배터리(NCA)의 조합, 리튬이차배터리(LTO) 및 리튬이차배터리(NMC)의 조합, 또는, 리튬이차배터리(LTO) 및 레독스흐름전지의 조합이 가능하다.
또한, 제어부(102, 202)는, 제1 배터리부(110, 210) 및 제2 배터리부(120, 2200의 SOC(State of Charge) 값을 각각 측정하도록 마련될 수 있다. 또한, 제어부(102, 202)는, 전력 계통(101, 201)의 주파수 변동 정도 및 각각의 배터리부(110, 210, 120, 220)의 SOC값에 따라 주파수 제어 운용을 위해 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련될 수 있다.
또한, 충방전 시스템(100, 200)은 전력계통과 연결된 태양광 발전부 및 풍력 발전부를 추가로 포함할 수 있다. 태양광 발전부 및 풍력 발전부는 전술한 신재생 발전부(140, 240)를 구성한다. 또한, 풍력 발전부는 태양광 발전부보다 주파수 변동 폭이 상대적으로 더 크다.
이때, 제어부(101, 201)는, 풍력 발전부에 의한 주파수 변동 시, 주파수 제어 운용을 위하여 제1 배터리부(110, 120)를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
반대로, 제어부(102, 202)는, 태양광 발전부에 의한 주파수 변동 시, 주파수 제어 운용을 위하여 제2 배터리부를 통해 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100, 200: 하이브리드 충방전 시스템
101, 201: 전력 계통
102, 202: 제어부
110, 210: 제1 배터리부
120, 220: 제2 배터리부
130: 스위치부
230: PCS(Power conversion system) 부

Claims (10)

  1. 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate)를 갖는 제1 배터리부;
    전력 계통에 제1 배터리부와 병렬 연결되고, 전력 계통으로부터 충전할 수 있고, 전력 계통 및 전력 계통과 연결된 부하로 각각 방전할 수 있도록 마련되며, 제1 충방전율(C-rate) 보다 낮은 제2 충방전율을 갖는 제2 배터리부; 및
    전력 계통의 주파수 변동을 감지하고, 주파수 변동을 억제하기 위하여, 주파수 변동 정도에 따라 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련된 제어부를 포함하는, 하이브리드 충방전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 충방전율은 제2 충방전율의 2배 내지 9배인, 하이브리드 충방전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제어부는, 주파수 변동 폭이 소정 값 이상인 경우, 주파수 제어 운용을 위하여 제1 배터리부를 통해 충전 또는 방전을 수행하는, 하이브리드 충방전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제어부는, 주파수 변동 폭이 소정 값 미만인 경우, 주파수 제어 운용을 위하여 제2 배터리부를 통해 충전 또는 방전을 수행하는, 하이브리드 충방전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 배터리부 및 제2 배터리부는 에너지 밀도(specific energy) 및 충방전 사이클 수명(cycle life) 중 적어도 하나가 상이한, 하이브리드 충방전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 배터리부는 제2 배터리부 보다 에너지 밀도가 낮고, 제2 배터리부 보다 충방전 사이클 수명이 긴, 하이브리드 충방전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제1 배터리부는 전기이중층 커패시터(ELDC), 또는 리튬-티타늄 산화물(LTO)을 포함하는 리튬 이차 배터리를 포함하는, 하이브리드 충방전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제2 배터리부는, 리튬 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 산화물을 포함하는 리튬 이차 배터리, 리튬 니켈-망간-코발트(NMC) 산활물을 포함하는 리튬 이차 배터리, 또는 레독스흐름전지(Redox flow battery)를 포함하는 하이브리드 충방전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제어부는, 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 SOC(State of Charge) 값을 각각 측정하도록 마련되고,
    제어부는, 전력 계통의 주파수 변동 정도 및 각각의 배터리부의 SOC값에 따라 주파수 제어 운용을 위해 제1 배터리부 및 제2 배터리부의 충전 및 방전을 각각 제어하도록 마련된, 하이브리드 충방전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전력계통과 연결된 태양광 발전부 및 풍력 발전부를 추가로 포함하고,
    제어부는, 풍력 발전부에 의한 주파수 변동 시, 주파수 제어 운용을 위하여 제1 배터리부를 통해 충전 또는 방전을 수행하고,
    제어부는, 태양광발전부에 의한 주파수 변동 시, 주파수 제어 운용을 위하여 제2 배터리부를 통해 충전 또는 방전을 수행하는, 하이브리드 충방전 시스템.
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