KR20210024879A - 발전 연계형 ＥＳＳ의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 ＳｏＣ 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력계통 주파수가 변동하면 ESS(Energy Storage System)가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법에 관한 것으로, 전기회로(Electrical Network)를 통하여 발전기의 출력 변동 또는 부하 변동에 따라 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지하고 자동 발전 제어 및 속도 제어(Speed Changer)를 하는 발전 제어부;상기 발전 제어부 및 발전기에 연계되어 전력계통 주파수가 변동하면 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 SoC를 관리하는 ESS;밸브(Valves) 제어, 터빈(Turbine) 제어를 통하여 전력계통의 주파수가 정격 주파수를 유지하도록 발전력을 조정하거나 부하 증감의 보조 조정을 통하여 발전을 하는 발전기를 갖는 발전부;를 포함하는 것이다.

Description

발전 연계형 ＥＳＳ의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 ＳｏＣ 관리 장치 및 방법{ＳｏＣ Management System and Method using Frequency Control and Adaptive Control at ＥＳＳ Interfacing Generation Plant}
본 발명은 전력 계통 제어에 관한 것으로, 구체적으로 전력계통 주파수가 변동하면 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
전력계통이라 함은 전기 수요에 대응하여 발전소, 변전소 및 부하를 송전선으로 연결하여 전력의 발생부터 소비까지 이루어지는 하나의 시스템을 말한다.
이러한 전력계통은 전력의 발생과 소비가 동시에 일어나기 때문에 수요와 공급의 평형을 이루어져야 한다. 이에, 전력계통은 수요와 공급의 평형에 대한 지속적인 감시가 요구된다.
매년 전력 수급의 불균형 문제가 심화되어가는 가운데 이를 해결하기 위한 방법으로, 최근 들어 ESS가 각광을 받고 있다.
ESS(Energy Storage System)는 분산전원 또는 신재생 에너지에서 발생되는 다양한 전압/전류를 제어하며, 필요에 따라 전력 계통에 연결하거나 유휴 에너지를 저장 및 사용하게 하는 에너지 저장 시스템이다. 늘어나는 전력 수요 대비 발전소 투자에 드는 막대한 비용과 건설 소요시간을 고려해볼 때 ESS는 전력 수요 평준화, 전력 계통 안정 운영, 능동적 관리의 장점을 지니고 있다.
또한, ESS는 스마트그리드, 태양광이나 풍력 발전 등의 신재생 에너지가 각광을 받으면서, 스마트그리드와 신재생 에너지의 사용 효율을 높이기 효율적인 방안에 필수적이다.
ESS는 전력 품질, 유지보수, 타임 시프트(Time Shift), 에너지 보존 등의 이점이 있으며, 이에 따라 발전소 설비 투자 절감, 신재생 에너지의 전력 품질 향상, 정전시 피해 최소화 등의 효과가 있다.
일반적인 에너지 저장 시스템(ESS)은 저장장치(Battery), PCS(Ppwer Conditioning Syaetm), EMS(Energt Management System), BMS(Battery Management System)을 포함한다.
발전원 등의 발전 영역에서는 신재생 에너지, 소규모 분산 발전의 등장으로 기존 대형 발전 영역과 세분된 영역이 나타나고 있고, 송전/배전 영역에서는 최대 피크 수요 및 발전량 변동 대응을 위한 여유 용량 확보 차원에서 예비력, 전력망 부하 분산, 주파수 조정 영역이 부각되고 있다.
소비(End User) 단에서도 피크 수요 대응을 위한 에너지 저장, 신재생 에너지 발전 저장, 정전시 출력 대응 등 용도별로 다양한 세분 시장에서의 니즈가 존재하며, 이와 관련된 ESS 프로젝트가 급증하고 있다.
ESS에서 주파수 조정(Frequency Regulation)은 순간적 수요 변동 등에 따른 전력 주파수 변동을 막기 위해 운전 중인 발전기의 출력 주파수를 조정해 공급 능력을 향상시키는 것이다.
이러한 신재생 에너지와 연계한 ESS는 주파수 조정의 문제와 전력 피크치 조정과 관련한 연구가 수반될 필요가 있다.
종래 기술에서는 단일 ESS, 단일 발전소와 같이 각자 운전을 하였으며, ESS의 경우 발전소 연계 없이 송전망이나 배전망에 ESS를 연결시켰다.
이와 같이 종래 기술에서는 발전기의 출력 변동 또는 부하 변동에 따라 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지한 경우에 전력계통의 주파수가 정격 주파수를 유지하도록 발전력을 조정하는 주파수 주조정 기능을 수행하거나, 주파수 주조정 기능과 연동하여 연계 발전소의 발전력 조정이나 부하 증감 등의 보조 조정 기능을 수행한다.
따라서, 발전소의 출력 변동 또는 부하 변동이 발견된 시점부터 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지하여 주파수 조정을 수행하는 시점까지 지연 시간이 발생하고, 지연 시간 동안 전력 계통 주파수가 저하 또는 상승될 수 있다.
공급자측에서는 지연 시간 동안 전력 계통의 주파수가 저하될 경우에 발전소 보조기기의 출력 저하, 제어계통의 불안정 등이 발생될 수 있는 문제점이 있고, 지연 시간 동안 전력계통의 주파수가 상승할 경우에 주파수 저하의 경우보다 연속 운전이 가능한 한도폭이 적어지는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 ESS(Energy Storage System)를 발전기에 연계하여, 발전기의 운전 조건을 고려하여 ESS가 주파수 보정을 하는 기술이 제안되고 있다.
도 1은 종래 기술의 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어 상태도이다.
발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어는 기준 주파수인 60Hz를 유지하기 위해서 ESS를 사용하여 주파수 조정(Frequency Regulation)을 하는 것이다.
즉, 계통의 부하에 따라 계통의 주파수는 변화하게 되고, 부하의 증가로 계통 주파수가 59.97Hz이하로 낮아지게 될 때에는 ESS를 방전하여 계통에 전력을 공급하고, 부하의 감소로 주파수가 60.03Hz이상으로 상승할 때에는 ESS에 전력을 충전하여 주파수를 유지하는 운전을 한다.
주파수가 운영 범위 이내에서 ESS의 SoC가 일정범위를 벗어나 있을 경우 SoC를 운영 범위 내로 유지하는 운전을 한다. SoC 회복 운전을 위한 ESS의 출력은 SoC 상태에 따라 정격 출력의 10%또는 15%를 방전한다.
주파수 변화량에 대해 ESS의 출력을 결정하는 드룹 계수를 이용하여 ESS가 전력계통 주파수 보정을 위하여 드룹 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이다.
SoC가 80% 이상에서는 에너지저장장치가 방전 제어를 하고, 50% 이하에서는 SoC 잔량에 따른 충전만이 가능하도록 제어된다.
그러나 이와 같은 발전 연계형 ESS를 이용하는 전력 계통 제어 기술은 갑작스럽게 전력 값이 변동되는 경우에 전력망에 가해지는 충격이 커 전력계통의 주파수 안정화에 한계가 있다.
따라서, 전력계통의 주파수 안정화를 위한 새로운 제어 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0004587호 대한민국 공개특허 제10-2016-0028885호 대한민국 공개특허 제10-2016-0082271호
본 발명은 종래 기술의 전력 계통 제어 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력계통 주파수가 변동하면 ESS(Energy Storage System)가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 발전기에 연계되어 전력계통 주파수보정을 위하여 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전력계통 주파수가 변동하면 ESS가 Droop기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여 ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 효율적으로 이루어지도록 한 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 적응제어 방식으로 드룹 기울기를 서서히 변경하여 줄이는 방식으로 충방전을 갑자기 안하는 것이 아닌 서서히 줄이므로 SoC관리에 도움이 되며, 차후에 충전 혹은 방전을 해야 할 때에도 도움이 될 수 있도록 한 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 ESS의 전력값의 변화가 급격하게 변경되지 않으므로 발전기+ESS조합에서 ESS의 전력공급이 줄어들고 발전기의 전력 공급이 늘어날 때 발전기가 자연스럽게 들어갈 수 있어 전력망에 가해지는 충격을 줄일 수 있도록 한 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치는 전기회로(Electrical Network)를 통하여 발전기의 출력 변동 또는 부하 변동에 따라 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지하고 자동 발전 제어 및 속도 제어(Speed Changer)를 하는 발전 제어부;상기 발전 제어부 및 발전기에 연계되어 전력계통 주파수가 변동하면 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 SoC를 관리하는 ESS;밸브(Valves) 제어, 터빈(Turbine) 제어를 통하여 전력계통의 주파수가 정격 주파수를 유지하도록 발전력을 조정하거나 부하 증감의 보조 조정을 통하여 발전을 하는 발전기를 갖는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 ESS와 발전부는 주파수 추종 제어 및 적응 제어 과정에서 서로 통신을 하여 협조제어를 하여 발전기와 ESS가 주파수 제어 역할을 분담하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 ESS는 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하여 SoC 관리를 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 ESS는 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여, ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 ESS는 주파수 추종 제어 및 적응제어를 위하여, 해당 구간의 SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교부와,제 1 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교부와,제 1 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교부와,제 2 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교부와,제 2 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나,제 2 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나,제 3 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나,제 2 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
Figure pat00001
의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 3 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법은 SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여, 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교 단계;제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교 단계;제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교 단계;제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교 단계;제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교 단계;를 포함하고, 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SOC 관리를 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나,제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나,제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나, 제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
Figure pat00002
의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SOC 관리를 하기 위하여, 전력을 SOC로 변경하여 ΔSOC를 출력하는 SOC 변경 단계와,주파수 피드백을 위하여 ΔSOC값을 변경(KR)하는 SOC값 변환 단계와,변동 주파수(Δf) 및 변환 SOC값(KR)을 입력으로 드룹(Droop) 기울기(R) 변경 제어(KD)를 하여 PSOC를 출력하는 PSOC 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 PSOC 및 ΔSOC는,
Figure pat00003
및,
Figure pat00004
으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
그리고 드룹(Droop) 기울기 변경 제어(KD)는,
Figure pat00005
인 경우에서,
Figure pat00006
이면
Figure pat00007
이고,
Figure pat00008
이면,
Figure pat00009
으로 정의되고,
Figure pat00010
인 경우에서
Figure pat00011
이면
Figure pat00012
이고,
Figure pat00013
이면
Figure pat00014
으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전력계통 주파수가 변동하면 ESS(Energy Storage System)가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 효율적으로 SoC를 관리할 수 있다.
둘째, 발전기에 연계되어 전력계통 주파수보정을 위하여 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하는 것에 의해 효율적인 SoC 관리가 가능하다.
셋째, ESS가 Droop 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여 ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 효율적으로 이루어지도록 한다.
넷째, 적응제어 방식으로 드룹 기울기를 서서히 변경하여 줄이는 방식으로 충방전을 갑자기 안 하는 것이 아닌 서서히 줄이므로 SoC 관리에 도움이 되며, 차후에 충전 혹은 방전을 해야 할 때에도 도움이 될 수 있도록 한다.
다섯째, ESS의 전력값의 변화가 급격하게 변경되지 않으므로 발전기+ESS조합에서 ESS의 전력공급이 줄어들고 발전기의 전력 공급이 늘어날 때 발전기가 자연스럽게 들어갈 수 있어 전력망에 가해지는 충격을 줄일 수 있도록 한다.
도 1은 종래 기술의 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어 상태도
도 2는 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치의 상세 구성도
도 4는 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어 상태도
도 5는 본 발명에 따른 드룹 기울기 변경 방법을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어부의 구성도
도 7은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법은 전력계통 주파수가 변동하면 ESS(Energy Storage System)가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 효율적으로 SoC를 관리할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 발전기에 연계되어 전력계통 주파수보정을 위하여 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하여 SoC 관리를 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 ESS가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여 ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 효율적으로 이루어지도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치는 도 2에서와 같이, 전기회로(Electrical Network)(100)를 통하여 발전기의 출력 변동 또는 부하 변동에 따라 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지하고 자동 발전 제어 및 속도 제어(Speed Changer)를 하는 발전 제어부(200)와, 상기 발전 제어부(200) 및 발전기에 연계되어 전력계통 주파수가 변동하면 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 SoC를 관리하는 ESS(300)와, 밸브(Valves) 제어, 터빈(Turbine) 제어를 통하여 전력계통의 주파수가 정격 주파수를 유지하도록 발전력을 조정하거나 부하 증감 등의 보조 조정을 통하여 발전을 하는 발전기를 갖는 발전부(400)와, PSS(Power System Stabilization), Exciter, Voltage Sensing을 통하여 전력 계통 안정화를 수행하는 전력 계통 안정화부(500)를 포함한다.
여기서, ESS(300)와 발전부(400)는 주파수 추종 제어 및 적응 제어 과정에서 서로 통신을 하여 협조제어를 하여 발전기와 ESS가 주파수 제어 역할을 분담하는 것으로, 발전기의 운전 조건을 고려하여 ESS가 주파수 보정을 하고 주파수 변동이 생긴 후 SoC를 조정하여 ESS의 빠른 응답특성을 활용해서 신속하게 주파수 제어를 하는 것이다.
그리고 ESS(300)는 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하여 SoC 관리를 하는 것이다.
또한, ESS(300)는 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여 ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 효율적으로 이루어지도록 한다.
본 발명에 따른 발전 연계형 ESS는 주파수 추종 제어 및 적응제어를 위하여 다음과 같은 구성을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치의 상세 구성도이다.
본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치는 해당 구간의 SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교부(31)와, 제 1 계통 주파수 비교부(31)에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교부(32)와, 제 1 계통 주파수 비교부(31)에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교부(33)와, 제 2 계통 주파수 비교부(32)에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교부(34)와, 제 2 계통 주파수 비교부(32)에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교부(35)와, 제 1 SOC 비교부(33)에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나, 제 2 SOC 비교부(34)에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나, 제 3 SOC 비교부(35)에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어부(36)와, 제 1 SOC 비교부(33)에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나 제 2 SOC 비교부(34)에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
Figure pat00015
의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어부(37)와, 제 3 SOC 비교부(35)에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경부(38)를 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어 상태도이다.
도 4에서 (가) 영역 및 (나) 영역은 제 1 SOC 비교부(33)에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나, 제 2 SOC 비교부(34)에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나, 제 3 SOC 비교부(35)에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어 구간이다.
그리고 도 4에서 (다)영역은 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않는 경우에
Figure pat00016
의 크기로 충전을 하는 영역이고, (라) 영역은 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
Figure pat00017
의 크기로 방전을 제어하는 영역이다.
도 5는 본 발명에 따른 드룹 기울기 변경 방법을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 드룹 기울기 변경은 Δf와 SOC의 변화에 따라
Figure pat00018
으로 이루어진다.
도 6은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 SoC 관리 제어부의 구성도이다.
적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하기 위하여 전력을 SOC로 변경하여 ΔSOC를 출력하는 SOC 변경부(61)와, SOC를 주파수 피드백을 위하여 값을 변경하는 SOC값 변환부(62)와, 변동 주파수(Δf) 및 SOC값 변환부(62)의 변환 SOC값(KR)을 입력으로 드룹(Droop) 기울기(R) 변경 제어(KD)를 하여 PSOC를 출력하는 PSOC 출력부(63)를 포함한다.
여기서, PSOC 및 ΔSOC는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00019
Figure pat00020
도 6에서의 동작 특성을 정리하면 표 1에서와 같다.
Figure pat00021
드룹(Droop) 기울기 변경 제어(KD)는 다음과 같이 이루어질 수 있다.
Figure pat00022
인 경우에서,
Figure pat00023
이면
Figure pat00024
이고,
Figure pat00025
이면,
Figure pat00026
으로 정의된다.
Figure pat00027
인 경우에서
Figure pat00028
이면
Figure pat00029
이고,
Figure pat00030
이면
Figure pat00031
으로 정의된다.
이와 같은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 해당 구간의 SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여(S701), 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교 단계를 수행한다.(S702)
이어, 제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교 단계를 수행한다.(S703)
그리고 제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교 단계를 수행한다.(S704)
이어, 제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교 단계를 수행한다.(S705)
그리고 제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교 단계를 수행한다.(S706)
만약, 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나, 제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나, 제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어 단계를 수행한다.(S707)
그리고 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나 제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
Figure pat00032
의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어 단계를 수행한다.(S708)
그리고 제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경 단계를 수행한다.(S709)
이와 같은 과정을 반복하여 정해진 구간의 충방전을 완료하고(S710), 다음 사이클까지 대기한다.(S710)
이상에서 설명한 본 발명에 따른 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치 및 방법은 전력계통 주파수가 변동하면 ESS(Energy Storage System)가 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하는 것이다.
특히, 본 발명은 발전기에 연계되어 전력계통 주파수보정을 위하여 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리에 관한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 전기회로(Electrical Network)
200. 발전 제어부
300. ESS
400. 발전부
500. 전력 계통 안정화부

Claims (15)

  1. 전기회로(Electrical Network)를 통하여 발전기의 출력 변동 또는 부하 변동에 따라 전력 계통의 주파수가 변동됨을 감지하고 자동 발전 제어 및 속도 제어(Speed Changer)를 하는 발전 제어부;
    상기 발전 제어부 및 발전기에 연계되어 전력계통 주파수가 변동하면 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄여 SoC를 관리하는 ESS;
    밸브(Valves) 제어, 터빈(Turbine) 제어를 통하여 전력계통의 주파수가 정격 주파수를 유지하도록 발전력을 조정하거나 부하 증감의 보조 조정을 통하여 발전을 하는 발전기를 갖는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 ESS와 발전부는 주파수 추종 제어 및 적응 제어 과정에서 서로 통신을 하여 협조제어를 하여 발전기와 ESS가 주파수 제어 역할을 분담하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 ESS는 드룹(Droop) 제어를 하며 충전 혹은 방전을 한 후 ESS의 전력값을 줄일 때에 충방전 값을 0으로 변경하는 것이 아닌 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 서서히 변경하여 SoC 관리를 하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 ESS는 드룹(Droop) 기울기에 따라 주파수 제어를 하다가 기울기를 변경하며 ESS의 충방전 값을 줄이고 SoC를 관리하여,
    ESS가 충방전 값을 줄이며 동시에 발전기가 전력을 공급하는 전환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 ESS는 주파수 추종 제어 및 적응제어를 위하여,
    해당 구간의 SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교부와,
    제 1 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교부와,
    제 1 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교부와,
    제 2 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교부와,
    제 2 계통 주파수 비교부에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나,
    제 2 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나,
    제 3 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나,
    제 2 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
    Figure pat00033
    의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 SOC 비교부에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 장치.
  9. SOC 및 전력 계통의 주파수(f)를 측정을 하여, 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 1 계통 주파수 비교 단계;
    제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘지 않으면 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)과 측정 주파수(f)를 비교하는 제 2 계통 주파수 비교 단계;
    제 1 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 상한선(fH)을 넘으면 현재 SOC 값과 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 비교하는 제 1 SOC 비교 단계;
    제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL)을 넘지 않으면 현재 SOC 값과 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 비교하는 제 2 SOC 비교 단계;
    제 2 계통 주파수 비교 단계에서 측정 주파수(f)가 주파수 제어 불감대 영역 하한선(fL) 보다 작지 않으면 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하는지를 판단하는 제 3 SOC 비교 단계;를 포함하고, 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SOC 관리를 하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)보다 크거나,
    제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2) 보다 작거나,
    제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하지 않으면 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SoC 관리를 하는 적응 드룹 제어 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 과충전 방지 모드 구분선(SOCH2)을 넘지 않거나,
    제 2 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 과방전 방지 모드 구분선(SOCL2)을 넘으면
    Figure pat00034
    의 크기로 충방전을 제어하는 ESS 충방전 제어 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 3 SOC 비교 단계에서 현재 SOC 값이 SOC 제어 불감대 영역 하한선(SOCL1)과 SOC 제어 불감대 영역 상한선(SOCH1) 사이에 위치하면 ESS 충방전값을 0(PESS=0)으로 변경하는 ESS 충방전값 변경 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 적응제어 방식으로 드룹(Droop) 기울기를 변경하여 SOC 관리를 하기 위하여,
    전력을 SOC로 변경하여 ΔSOC를 출력하는 SOC 변경 단계와,
    주파수 피드백을 위하여 ΔSOC값을 변경(KR)하는 SOC값 변환 단계와,
    변동 주파수(Δf) 및 변환 SOC값(KR)을 입력으로 드룹(Droop) 기울기(R) 변경 제어(KD)를 하여 PSOC를 출력하는 PSOC 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, PSOC 및 ΔSOC는,
    Figure pat00035
    및,
    Figure pat00036
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 드룹(Droop) 기울기 변경 제어(KD)는,
    Figure pat00037
    인 경우에서,
    Figure pat00038
    이면
    Figure pat00039
    이고,
    Figure pat00040
    이면,
    Figure pat00041
    으로 정의되고,
    Figure pat00042
    인 경우에서
    Figure pat00043
    이면
    Figure pat00044
    이고,
    Figure pat00045
    이면
    Figure pat00046
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 발전 연계형 ESS의 주파수 추종 제어 및 적응제어를 이용하는 SoC 관리 방법.
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