KR20220170626A - 드룹 제어를 이용한 전력 분배 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 장치는, 배터리와 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터; 및 각 배터리의 상태에 따라 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브를 설정하는 중앙 제어기를 포함하며, 상기 컨버터는 상기 중앙 제어기에 의해 설정된 드룹 커브 관련 정보를 수신하여 저장하고, 충방전 동작의 개시에 따른 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하며, 상기 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 전력 분배 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 드룹 커브를 이용해 DC-DC 컨버터의 출력을 제어하는 전력 분배 장치 및 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 사용 목적에 따라 에너지 저장 시스템은 출력과 용량이 달라진다. 대용량 에너지 저장 시스템을 구성하기 위하여, 복수의 배터리시스템들이 서로 연결될 수 있다.
에너지 저장 시스템은 다수의 배터리로 구성된 배터리 섹션(Battery Section), 배터리 관리를 위한 BMS(Battery Management System), 전력변환시스템((Power Conversion System; PCS), 에너지 관리시스템(Enery Management System; EMS), DC-DC 컨버터 등을 포함할 수 있다. 한편, 복수의 배터리에 대해 복수의 DC-DC 컨버터를 사용하는 ESS 시스템에서는 각 배터리의 상태를 고려하여 DC-DC 컨버터에 대한 출력 제어가 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 드룹 커브를 이용해 출력을 제어하는DC-DC 컨버터 및 상기 드룹 커브를 설정하여 제공하는 중앙 제어기를 포함하는 전력 분배 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 전력 분배 장치에 의해 수행되는 전력 분배 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 기 설정 및 저장된 드룹 커브를 이용해 출력을 제어하는DC-DC 컨버터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치는, 배터리와 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터; 및 각 배터리의 상태에 따라 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브를 설정하는 중앙 제어기를 포함하며, 상기 컨버터는, 상기 중앙 제어기에 의해 설정된 드룹 커브 관련 정보를 수신하여 저장하고, 충방전 동작의 개시에 따른 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하며, 상기 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어할 수 있다.
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타낼 수 있다.
상기 컨버터는, 상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값을 도출하여 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정할 수 있다.
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함할 수 있다.
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지될 수 있다.
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 방법은 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터에 의해 수행될 수 있으며, 복수의 배터리 상태를 관리하는 중앙 제어기로부터 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 수신하여 저장하는 단계; 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하는 단계; 및 상기 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하여 상기 복수의 배터리에 대한 방전 또는 충전을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타낼 수 있다.
상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값이 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정될 수 있다.
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함할 수 있다.
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지될 수 있다.
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리에 대한 상기 충전 또는 방전을 수행하는 단계는, 상기 DC 링크 전압 값을 이용해 드룹 커브로부터 출력 레퍼런스 산출하는 단계; 상기 출력 레퍼런스에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는 단계; 및 DC 링크 전압이 균형에 이른 경우 상기 충전 또는 방전을 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 컨버터는, 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하며, 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 PCS와 상기 컨버터 사이의 DC 링크단의 전압 변화를 감지하고, 상기 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타낼 수 있다.
상기 컨버터는, 상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값을 도출하여 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정할 수 있다.
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함할 수 있다.
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지될 수 있다.
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 범용 PCS(및 인터버)를 사용하면서도, DC-DC 컨버터가 기 저장된 드룹 커브를 이용해 출력 레퍼런스 값을 신속하게 산출함으로써, ESS 시스템의 안정적인 운영이 가능하다.
또한, 개별 배터리의 상태에 따라 배터리를 효율적으로 운용할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 슬로프 제어 개념을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 데드 밴드 개념을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브를 보다 자세하게 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 DC-DC 컨버터에 적용되는 복수의 드룹 커브를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 DC-DC 컨버터에 서로 다른 드룹 커브가 적용되는 경우의 각 배터리에 대한 충전 흐름을 개념적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리와 그리드 간 충전 및 방전 흐름을 나타낸 개념도이다.
도 6는 본 발명에 따른 충전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 방전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 충방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 드룹 커브 기울기 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 방법의 동작 순서를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 슬로프 제어 개념을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 데드 밴드 개념을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브를 보다 자세하게 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 DC-DC 컨버터에 적용되는 복수의 드룹 커브를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 DC-DC 컨버터에 서로 다른 드룹 커브가 적용되는 경우의 각 배터리에 대한 충전 흐름을 개념적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리와 그리드 간 충전 및 방전 흐름을 나타낸 개념도이다.
도 6는 본 발명에 따른 충전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 방전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 충방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 드룹 커브 기울기 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 방법의 동작 순서를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
에너지 저장 시스템에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리는, 통상적으로 다수의 배터리 모듈(Battery Module)이 배터리 랙(Rack)을 구성하고, 다수 개의 배터리 랙이 배터리 뱅크(Battery Bank)를 구성하는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 배터리가 사용되는 장치 또는 시스템에 따라 배터리 랙은 배터리 팩(pack)으로 지칭될 수도 있다. 도 1에 도시된 배터리 #1, 배터리 #2, ... , 배터리 #N은 배터리 팩 또는 배터리 랙의 형태일 수 있다.
이때, 각 배터리에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)(100)이 설치될 수 있다. BMS(100)는 자신이 관장하는 각 배터리 팩(또는 랙)의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
다수의 배터리 및 주변 회로, 장치 등을 포함하여 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)(200)가 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어할 수 있다.
또한, 배터리 섹션마다 설치된 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)(400)은 외부로터 공급되는 전력과 배터리 섹션에서 외부로 공급하는 전력을 제어하여 배터리의 충방전을 제어하며, DC/AC 인버터를 포함할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(500)의 출력이 PCS(400)로 연결될 수 있고, PCS(400)는 그리드(600)와 연결될 수 있다. PCS(400)는 통상적으로 고정전력(Constant Power) 모드로 동작한다. PCS와 연결된 전력 관리 시스템(Power Management System; PMS)(300)은 BMS 또는 BSC의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 PCS의 출력을 제어할 수 있다.
도 1의 에너지 저장 시스템에서, 배터리 #1은 DC-DC 컨버터 #1과 연결되고, 배터리 #2는 DC-DC 컨버터 #2와 연결되며, 배터리 #N은 DC-DC #N과 연결된다. 각 배터리에 대응하는 DC-DC 컨버터의 출력은 DC 링크를 통해 PCS(400)와 연결된다.
DC-DC 컨버터는 양방향 컨버터일 수 있으며, 배터리로부터 부하 방향으로 변환이 수행될 때 DC-DC 컨버터의 입력은 배터리(배터리 유닛, 배터리 랙 또는 배터리 팩)와 연결되고 DC-DC 컨버터의 출력은 부하와 연결될 수 있다. DC-DC 컨버터의 예로는 풀-브릿지 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있다.
한편, BMS(100), BSC(200), PMS(300), PCS(400) 간에는 CAN(Controller Area Network) 또는 이더넷을 이용한 통신(도 1에서 점선으로 표시됨)이 이루어질 수 있다.
이러한 ESS 시스템에서 DC-DC 컨버터의 출력 제어가 매번 시스템 내 중앙 제어기, 예를 들어, BSC 에 의해 이루어지는 경우 BSC에 의한 계산 시점부터 DC-DC 컨버터가 실제 출력을 수행하는 시점까지의 시간 지연으로 인한 문제로 인해 DC 링크단의 전압 흔들림이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 PCS를 고정 전압 영역에서 운전시키는 방법, DC 링크부에 대용량 커패시터 또는 배터리를 추가하여 시스템의 안전 운전을 보장하는 방법이 있다. PCS를 고정 전압 영역에서 운전시키는 방법은 일반적인 범용 PCS가 고정 파워 모드로 동작한다는 점에서 PCS 펌웨어 수정이 필요하다는 단점이 있다. 또한, DC 링크부에 대용량 커패시터 또는 배터리를 추가하는 방법은 추가적인 비용 상승이 야기된다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안되며, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 영역의 전체 제어를 관장하는 BSC(200)는 시스템 동작 전, 각 배터리의 상태를 고려하여 각 DC-DC 컨버터의 드룹 커브를 설정하여 각 DC-DC 컨버터로 제공할 수 있다.
여기서, 각 배터리의 상태는 각 배터리의 SOC(Status Of Charge), SOH(Status Of Health), 전압, 온도 등의 정보를 포함할 수 있다. BSC(200)는 각 배터리의 한계 전력(P_battery_limit), 실제 전력(P_battery_real) 등의 정보를 PMS(300)로 제공할 수 있다. 전체 ESS 시스템에 대한 제어를 주관하는 PMS(300)는 실제 시스템 운전시 PCS(400)에 충전 또는 방전 명령(P_pcs_reference를 통해)을 내린다.
이때, 충전 또는 방전 명령을 수신한 PCS(400)의 동작에 의해 DC-DC 컨버터(500)의 출력부와 PCS(400)의 입력부가 만나는 DC 링크 전압이 흔들릴 수 있다. 이때, 각 DC-DC 컨버터는 흔들리는 DC 링크 전압 값을 센싱하고, 자신에 맞게 미리 설정된 드룹 커브를 참조하여 DC-DC 출력 레퍼런스를 계산한다. DC-DC 컨버터는 계산된 출력 레퍼런스를 사용해 해당 레퍼런스를 실시간으로 추종하도록 출력 제어를 수행한다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 저장하는 메모리; 및 PCS와 컨버터 사이의 DC 링크단의 전압 변화를 감지하고, 감지된 DC링크 전압 값 및 드룹 커브에 따라 컨버터의 출력을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터는 또한, 입력 스위칭 셋, 1차측 코일, 2차측 코일, 출력 스위칭 셋, 커패시터 등을 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 컨버터(500) 및 BSC(200)는 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 장치를 구성할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 장치는, 배터리와 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터; 및 각 배터리의 상태에 따라 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브를 설정하는 중앙 제어기를 포함할 수 있다. 여기서, 중앙 제어기는 BSC일 수 있다.
컨버터는, 상기 중앙 제어기에 의해 설정된 드룹 커브 관련 정보를 수신하여 저장하고, 충방전 동작의 개시에 따른 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하며, 상기 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어할 수 있다.
이처럼 본 발명은 에너지 저장 시스템의 동작 중에 중앙 제어기를 통해 배터리의 출력 레퍼런스를 수신하는 것이 아니라, 실제 동작 전에 미리 설정된 드룹 커브에 따라 DC-DC 컨버터가 자체적으로 출력 레퍼런스 값을 신속하게 계산하고 출력 제어에 적용한다는 점에서 안정적인 시스템 운영이 가능하다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 슬로프 제어 개념을 나타낸 그래프이다.
도 2a의 그래프에서 가로 축은 DC 링크의 전압(Vdc)이고 세로 축은 각 배터리의 출력 전력(Pbat_n)을 나타낸다. BSC는 각 배터리의 상태를 고려하여 배터리의 출력을 도 2a에 도시된 바와 같은 슬로프 제어를 통해 설정할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브에서의 데드 밴드 개념을 나타낸 그래프이다.
도 2b의 그래프에서도 가로 축은 DC 링크의 전압(Vdc)이고 세로 축은 각 배터리의 출력 전력(Pbat_n)을 나타낸다. 본 발명에서는 드룹 커브 슬로프 제어뿐 아니라 커브 포인트 제어를 수행한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 DC-DC 컨버터 간 DC 링크 전압 센싱 에러에 의해 발생할 수 있는 빈번한 충방전 방지를 위해, 드룹 커브 내에 충전 또는 방전 어느 것도 수행하지 않는 데드 밴드를 두고 DC-DC 컨버터 출력을 제어할 수 있다. 데드 밴드는 도 2b에 도시된 바와 같이 시스템 내 상황에 따라 그 범위가 조정될 수있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 DC-DC 컨버터의 출력 제어에 사용되는 드룹 커브를 보다 자세하게 나타낸 그래프이다.
도 3의 그래프에서 가로 축은 DC 링크의 전압(V_DC link)이고 세로 축은 각 배터리에 대응하는 DC-DC 컨버터의 출력 전력(P_DCDC)을 나타낸다.
BSC는 각 배터리의 상태를 고려하여 드룹 커브의 슬로프 제어를 통해 각 배터리에 대응하는 DC-DC 컨버터의 출력 전력을 제어할 수 있다. 또한, BSC는 충전 한계 전력(Max Charge Power) 및 방전 한계 전력(Max Discharge Power)을 설정하여 충방전의 동작 범위를 설정할 수 있다.
도 3에 도시된 드룹 커브에서는 충방전이 수행되지 않는 데드 밴드를 규정하는 상한선(Dead Band Upper Limit) 및 하한선(Dead Band Lower Limit)을 확인할 수 있으며, 최대치까지의 충전이 수행되어 충전이 멈춘 시점에서의 DC 링크 전압(Max charge voltage) 및 방전이 멈춘 시점에서의 최소 DC 링크 전압(Min discharge voltage)를 확인할 수 있다.
이처럼 본 발명에서 드룹 커브 제어는 DC 링크단의 전압을 일정하게 유지하기 위한 것으로, 데드-밴드는 대기 상태에서 노이즈 및 센싱 오차에 의한 빈번한 충/방전을 방지하기 위한 것이다. 데드 밴드는 예를 들어, 대기 상태에서 DC 링크의 전압 범위인 850~900V 범위로 설정될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 배터리에 적용되는 복수의 드룹 커브를 나타낸 그래프이다.
도 4a의 그래프에서 가로 축은 DC 링크의 전압(Vdc)이고 세로 축은 배터리1, 배터리 2, 배터리 3의 출력 전력을 나타낸다. 도 4a의 그래프에서는 각 배터리에 대한 드룹 커브의 슬로프가 각기 다르게 설정되어 있음을 확인할 수 있으며, 이는 각 배터리 상태, 예를 들어, SOC에 따라 배터리 팩/랙 간 출력을 다르게 설정할 수 있음을 의미한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 복수의 DC-DC 컨버터에 서로 다른 드룹 커브가 적용되는 경우의 각 배터리에 대한 충전 흐름을 개념적으로 나타낸 그래프이다. 즉, 동일한 용량을 가지지만 초기 SOC 값이 다른 배터리 간에 드룹 커브를 이용한 전력 분배 방식에 대한 예를 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 4b에서 SOC가 40%로 가장 낮은 배터리 랙 #1에 대해 가장 기울기가 큰 드룹 커브 슬로프가 설정되고, 그에 따라 DC-DC 컨버터 #1에서 가장 큰 전력을 출력한다.
복수의 DC-DC 컨버터와 연결된 PCS가 CP 모드에서 충전 동작 개시를 명령하면, DC 링크 전압이 순간적으로 상승하게 되고 각 DC-DC 컨버터는 상승된 DC 링크 전압 및 그에 따른 드룹 커브를 참조하여 각 배터리에 대한 충전량을 결정할 수 있다. 배터리 및 각 DC-DC 컨버터는 Pdc = Pdc_1 + Pdc_2 + Pdc_3의 균형을 이루는 Vdc 전압에서 균형을 유지하도록 충전을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리와 그리드 간 충전 및 방전 흐름을 나타낸 개념도이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면 각 배터리별 DC-DC 컨버터에 내재된 드룹 커브를 이용한 충전 제어에 따라, 그리드(600)로부터 PCS(400), DC-DC 컨버터(500)를 거쳐 배터리(110)에 이르기까지 충전 프로세스가 수행될 수 있다.
또한, 각 배터리별 DC-DC 컨버터에 내재된 드룹 커브를 이용한 방전 제어에 따라, 배터리(110)로부터 DC-DC 컨버터(500), PCS(400)를 거쳐 그리드(600)에 이르기까지 방전 프로세스가 수행될 수 있다.
도 6는 본 발명에 따른 충전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
본 발명이 적용되는 에너지 저장 시스템에서 충전 프로세스가 수행될 때, 우선 PMS(300)가 PCS(400)에 충전 명령을 전달한다. 충전 명령을 수신한 PCS(400)가 동작을 개시하여(도 6의 PCS 충전 개시 시점에) DC 링크 단으로 전력을 투입하면 DC 링크의 전압이 상승하기 시작한다.
상승하는 DC 링크의 전압을 감지한 DC-DC 컨버터는 자신의 드룹 커브를 참조하여 DC 링크 전압값에 대응하는 전력을 배터리로 출력함으로써 배터리를 충전시킨다. PCS 전력 값과 복수의 DC-DC 컨버터의 출력의 합이 일치하는 DC 링크 전압에서 균형이 이루어지게 되고, 배터리에 대한 충전 동작은 중지된다.
도 7은 본 발명에 따른 방전 프로세스에서의 DC 링크 전압, PCS 및 DC-DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 나타낸 그래프이다.
본 발명이 적용되는 에너지 저장 시스템에서 방전 프로세스가 수행될 때에는, PMS(300)로부터의 방전 명령을 수신한 PCS(400)가 동작을 개시하여(도 7의 PCS 방전 개시 시점에) 그리드로 전력을 유출하면서 DC 링크의 전압이 하강하기 시작한다.
하강하는 DC 링크의 전압을 감지한 DC-DC 컨버터는 자신에게 설정된 드룹 커브를 참조하여 DC 링크 전압값에 대응하는 전력을 PCS로 출력함으로써 배터리를 방전시킨다. PCS 전력 값과 복수의 DC-DC 컨버터의 출력의 합이 일치하는 DC 링크 전압에서 균형이 이루어지게 되고, 배터리로부터의 방전 동작은 중지된다.
도 8은 본 발명에 따른 충전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 레퍼런스 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8 및 도 9에서 각 그래프는 각 DC-DC 컨버터의 드룹 커브를 나타낸다. 도 8및 도 9에서 DC 링크 전압값이 일정해지는 구간에서의 전력 레퍼런스는 충전 한계 전력(Max Charge Power) 및 방전 한계 전력(Max Discharge Power)을 나타낸다.
아래 수학식 1에서 각 드룹 커브에 대한 함수를 나타낸다.
수학식 1에서 P_dcdc_ref 는 각 DC-DC 컨버터에서의 출력 레퍼런스를, f_N(x)는 DC-DC 컨버터 N의 드룹 커브 함수를 나타낸다. 또한, x는 DC 링크 전압 Vdc를 나타내며, 충전시 Vdc_charge가 되고, 방전시에는 Vdc_discharge가 된다.
즉, 수학식 1은 DC-DC 컨버터가 드룹 커브 함수에 의해 정의되는 값에 따라 출력 제어를 수행함을 나타낸다.
아래 수학식 2는 충전시 PCS의 출력 전력 값에 대응하는 각 드룹 커브 함수의 출력의 합을 나타낸 것으로, 도 8에 도시된 Vdc_charge 전압 값에서 균형을 이루게 된다.
또한, 아래 수학식 3은 방전시 PCS의 출력 전력 값에 대응하는 각 함수의 출력을 나타낸 것으로, Vdc_discharge 전압 값에서 균형을 이루게 된다.
수학식 2 및 수학식 3에서 P_pcs_ref는 PCS의 출력 레퍼런스를 나타내고, Vdc_charge는 충전시 DC 링크의 균형 전압을 나타내며, Vdc_discharge는 방전시 DC 링크의 균형 전압을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 충방전 프로세스에서 복수의 DC-DC 컨버터의 드룹 커브 기울기 계산 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10의 그래프에서는 복수의 DC-DC 컨버터의 드룹 커브 기울기를 나타내고 있으며, 각 커브의 기울기는 서로 다른 것으로 도시되어 있다.
본 발명에서, 각 DC-DC 컨버터에 대한 드룹 커브 기울기는 배터리의 용량(Cap_N) 및 SOC 값, 추가적으로 SOH에 기반하여 결정될 수 있다. 따라서, 각 배터리별 드룹 커브에 따른 충전 기울기 비율 α_1: α_2: ...:α_N은 아래 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
수학식 4를 통해 각 배터리의 충전 기울기는 추가 에너지를 저장할 수 있는 배터리의 빈 공간 영역(1-SOC_N) 및 각 배터리 용량(Cap_N)에 비례함을 알 수 있다.
또한, 배터리별 드룹 커브에 따른 방전 기울기 비율 β_1: β_2: ...: β_N은 아래 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
여기서, Cap_N은 배터리 N의 용량[Wh]이이고, SOC_N은 배터리 N의 SOC를 나타낸다.
각 배터리의 방전 기울기는 배터리에 저장된 에너지를 얼마만큼 추출할 것인지와 관련이 있으므로, 각 배터리의 SOC및 배터리 용량(Cap_N)에 비례함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력 분배 방법의 동작 순서를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 방법은, 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 컨버터는 복수의 배터리 상태를 관리하는 중앙 제어기로부터 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 수신하여 저장한다(S1110). 여기서, 중앙 제어기는 예를 들어, BSC일 수 있다.
이후 컨버터가 PCS와 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하면(S1120의 예), 감지된 DC링크 전압 값을 이용해 저장된 드룹 커브 정보로부터 출력 레퍼런스를 산출한다(S1130). 컨버터는 산출된 출력 레퍼런스에 따라 출력을 제어한다(S1140).
컨버터는 DC 링크 전압이 균형에 이르렀는지 판단하고(S1150), 균형에 이른 경우(S1150의 예) 충전 또는 방전 절차를 종료한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: BMS
110: 배터리
200: BSC 300: PMS
400: PCS 500: DC-DC 컨버터
600: 전력망(Grid)
200: BSC 300: PMS
400: PCS 500: DC-DC 컨버터
600: 전력망(Grid)
Claims (20)
- 배터리와 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터; 및
각 배터리의 상태에 따라 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브를 설정하는 중앙 제어기를 포함하고,
상기 컨버터는, 상기 중앙 제어기에 의해 설정된 드룹 커브 관련 정보를 수신하여 저장하고, 충방전 동작의 개시에 따른 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하며, 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는, 전력 분배 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타내는, 전력 분배 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 컨버터는,
상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값을 도출하여 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정하는, 전력 분배 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함하는, 전력 분배 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지되는, 전력 분배 장치. - 청구항 1에 있어서,
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함하는, 전력 분배 장치. - 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터에 의해 수행되는 전력 분배 방법으로서,
복수의 배터리 상태를 관리하는 중앙 제어기로부터 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 수신하여 저장하는 단계;
상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하는 단계; 및
감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하여 상기 복수의 배터리에 대한 방전 또는 충전을 수행하는 단계를 포함하는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타내는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값이 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정되는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함하는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지되는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함하는, 전력 분배 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 복수의 배터리에 대한 상기 충전 또는 방전을 수행하는 단계는,
상기 DC 링크 전압 값을 이용해 드룹 커브로부터 출력 레퍼런스 산출하는 단계;
상기 출력 레퍼런스에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는 단계; 및
DC 링크 전압이 균형에 이른 경우 상기 충전 또는 방전을 종료하는 단계를 포함하는, 전력 분배 방법. - 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터로서,
상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브 정보를 저장하는 메모리; 및
상기 PCS와 상기 컨버터 사이의 DC 링크단의 전압 변화를 감지하고, 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는 프로세서를 포함하는, 컨버터. - 청구항 14에 있어서,
상기 드룹 커브는 상기 DC 링크단의 전압 대비 상기 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타내는, 컨버터. - 청구항 14에 있어서,
상기 드룹 커브에서 상기 DC링크 전압 값에 매칭되는 출력 전력 값을 도출하여 상기 컨버터의 출력 레퍼런스로 설정하는, 컨버터. - 청구항 14에 있어서,
상기 드룹 커브는 일정 범위의 DC 링크 전압에 대해 충전 또는 방전이 수행되지 않는 구간인 데드 밴드를 포함하는, 컨버터. - 청구항 14에 있어서,
상기 PCS와 연결된 복수의 컨버터의 출력의 합이 상기 PCS의 전력값과 일치하는 DC 링크 전압에서 충전 또는 방전이 완료되어 균형이 유지되는, 컨버터. - 청구항 14에 있어서,
각 배터리에 대한 드룹 커브의 기울기는 해당 배터리의 상태에 따라 설정되고, 상기 드룹 커브는 충전 한계 전력 및 방전 한계 전력에 대한 정보를 포함하는, 컨버터. - 복수의 배터리 랙;
각 배터리 랙과 연동하여 DC-DC 변환을 수행하는 복수의 컨버터;
상기 복수의 컨버터 및 그리드와 연결되는 전력변환시스템((Power Conversion System; PCS); 및
각 배터리의 상태에 따라 상기 컨버터의 출력 제어와 관련된 드룹 커브를 설정하는 배터리 섹션 컨트롤러(BSC)를 포함하고,
상기 컨버터는, 상기BSC에 의해 설정된 드룹 커브 관련 정보를 수신하여 저장하고, 충방전 동작의 개시에 따른 상기 PCS와 상기 컨버터 사이 DC 링크단의 전압 변화를 감지하며, 감지된 DC링크 전압 값 및 상기 드룹 커브에 따라 상기 컨버터의 출력을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
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