KR20230016265A

KR20230016265A - 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR20230016265A
Application number: KR1020210097480A
Authority: KR
Inventors: 김종철
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-02-02
Also published as: CN116097538A; JP2023543224A; WO2023008867A1; EP4195449A4; EP4195449A1; US20230268754A1; AU2022319463A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 복수의 배터리 및 상기 복수의 배터리 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 단계; 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하는 단계; 및 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 제어 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템에서의 제어 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. 이러한 에너지 저장 시스템은 DC-coupled 에너지 저장 시스템으로 변화 중이다.

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)을 포함할 수 있으며, DC-coupled 에너지 저장 시스템의 경우에는 DC/DC 컨버터를 필요로 한다.

한편, 각 배터리에 대해 별개의 DC/DC 컨버터를 사용하는 ESS 시스템에서는 통상적으로 중앙 컨트롤러를 통해 매순간 배터리의 출력 값을 계산하고 해당 값을 각 배터리에 지령으로 전달하는 방식이 사용된다. 그런데, 이 경우 어떤 식으로 시스템 전압을 유지할지에 대해서는 적절한 해결책이 제시되지 않고 있다.

한국 공개특허 10-2016-0094228호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 배터리 섹션 제어 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 복수의 배터리 랙 및 상기 복수의 배터리 랙 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 단계; 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하는 단계; 및 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, DC 링크는 상기 복수의 컨버터와 그리드 사이에서 AC/DC 변환을 수행하는 전력변환시스템((Power Conversion System; PCS) 및 상기 복수의 컨버터 사이의 링크이다.

상기 제1 전력 변환 장치로 하여금 CV 모드 제어를 수행하도록 하는 단계는, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계는, 상기 제1 배터리 랙의 충전 상태(SOC) 에 기초하여, 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어를 중단시키고 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제2 전력 변환 장치가 DC 링크 제어를 수행하도록 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계는, 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC-링크 제어가 수행되기 전에, 일시적으로 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어 및 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어가 동시에 수행되는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 전력 변환 장치 대신 DC 링크 제어를 수행할 상기 제2 전력 변환 장치는, 상기 복수의 전력변환 장치들 중 상기 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치들 중 해당 전력 변환 장치가 담당하는 배터리의 충전 상태 측면에서 중간 위치의 값을 갖는 전력 변환 장치로 선택될 수 있다.

상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하는 단계는, 상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 기 설정된 충전상태 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하였는지 확인하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 각 배터리 랙과 연동하여 DC/DC 변환을 수행하는 복수의 컨버터; 상기 컨버터 및 그리드 간의 전력 변환을 수행하는 전력 변환 시스템; 및 상기 복수의 컨버터 및 상기 전력 변환 시스템과 연동하는 배터리 섹션 컨트롤러로서, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하고, 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하여, 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는, 배터리 섹션 컨트롤러를 포함할 수 있다.

상기 배터리 섹션 컨트롤러는, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어할 수 있다.

상기 배터리 섹션 컨트롤러는, 상기 제1 배터리 랙의 충전 상태(SOC) 에 기초하여, 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어를 중단시키고 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제2 전력 변환 장치가 DC 링크 제어를 수행하도록 변경할 수 있다.

상기 배터리 섹션 컨트롤러는 또한, 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC-링크 제어가 수행되기 전에, 일시적으로 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어 및 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어가 동시에 수행되도록 제어할 수 있다.

상기 배터리 섹션 컨트롤러는, 상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 기 설정된 충전상태 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하였는지 확인하고 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경할지 여부를 결정할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 섹션 제어 장치는 복수의 배터리 및 상기 복수의 배터리 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 상기 복수의 전력 변환 장치와 연동하는 배터리 섹션 제어 장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 프로세서; 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 명령; 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하도록 하는 명령; 및 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 명령은, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 DC/DC 컨버터를 사용하는 에너지 저장 시스템에서 DC 링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.

또한, CV 제어를 수행하는 DC/DC컨버터 외의 나머지 DC/DC 컨버터는 CP 제어 또는 CC 제어를 수행하므로 BSC 에서 각 배터리의 상태를 고려하여 능동적으로 출력 레퍼런스를 계산할 수 있다.

PCS또한, 소프트웨어 변경 등의 부가 절차 없이, 기존 방식대로 CP제어를 수행할 수 있게 되어 그리드 연계 제어를 원활하게 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 제어 방법의 동작 순서도이다.

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.

본 발명은DC/DC 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 어떤 방식으로 시스템 전압을 유지할지에 대한 솔루션, 즉 에너지 저장 시스템의 제어 방식을 제안한다.

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. BSC(200)는 또한 모니터링한 배터리 단의 상태 정보를 기반으로 각 DC/DC컨버터의 출력을 계산하여 DC/DC 컨버터로 전달한다.

본 발명에서 배터리 섹션 컨트롤러는 복수의 배터리 및 상기 복수의 배터리 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 상기 복수의 전력 변환 장치와 연동하는 배터리 섹션 제어 장치로서, 적어도 하나의 프로세서; 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 적어도 하나의 명령은, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 명령; 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하도록 하는 명령; 및 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 전력 변환 장치로 하여금 CV 모드 제어를 수행하도록 하는 명령은, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함할 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. 즉, 전력변환 시스템은 배터리의 출력, 즉 DC 전력을 AC로 변환하여 그리드로 전송하거나(방전시), 반대로 그리드로부터의 AC 전력을 DC로 변환하여 배터리로 전달하는 역할을 수행한다(충전시).

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 결정하고 제어하는 최상위 제어기이다.

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 PCS와 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터의 예로는 풀-브릿지 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있다. DC/DC 컨버터는 제어부, 입력 스위칭 셋, 1차측 코일, 2차측 코일, 출력 스위칭 셋, 커패시터 등을 포함할 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 시스템에서는 일반적으로 시스템 내 중앙 제어기에서 매순간 배터리의 출력 값을 계산하고, 계산된 값을 각 배터리에 지령으로 전달한다(상위 레벨 제어). 그런데, 에너지 시스템의 시스템 전압이 유지되어야, 즉 하위 레벨 제어가 선행되어야 상위 레벨의 제어가 가능하다.

도 1을 참조하면, DC/DC 컨버터와 PCS 사이의 영역인 DC 링크부는 DC 전압을 가지며, DC 링크부의 전압을 통상적으로 시스템 전압이라고 부를 수 있다. 에너지 저장 시스템 전체의 안정을 위해 이 시스템 전압은 일정한 수준의 전압으로 유지될 필요가 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법의 일 예를 나타낸다.

DC 링크부의 전압, 즉 시스템 전압을 일정한 상태로 유지하기 위해 다양한 형태의 제어가 수행될 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터와 PCS는 전력변화 장치의 일종으로, CV(Constant Voltage; 고정 전압) 제어, CP(Constant Power; 고정 전력) 제어, CC(Constant Current; 고정 전류) 제어, 드룹(Droop) 제어 등을 수행할 수 있다. 여기서, 드룹 제어는 DC 링크단의 전압 대비 컨버터의 출력 전력의 관계를 나타내는 드룹 커브를 이용한 제어를 의미할 수 있다.

통상적으로, PCS는 CV(Constant Voltage) 제어, CP(Constant Power) 제어를 수행한다. 예를 들어, PCS가 CP 제어를 수행한다고 가정하면, PMS는 PCS의 출력 레퍼런스(PCS가 출력해야 할 전력 값)를 계산하여 PCS에게 지령으로 전달한다. 이 경우, 이를 수신한 PCS가 CP 제어에 따라 충방전을 수행하면, DC 링크단의 전압이 PCS의 충방전에 의해 흔들리게 된다. 이 경우, 시스템의 안정적 제어를 위해 전력변환장치가 DC 링크부의 전압을 일정한 수준으로 유지하는 CV 제어를 수행할 필요가 있다.

그런데, 도 2에 도시된 바와 같이 각 배터리 팩에 대해 개별 DC/DC 컨버터가 배치되어 사용되는 경우 DC 링크부와 연동하는 복수의 DC/DC 컨버터들이 존재한다. 이들 중 2 개 이상의 DC/DC 컨버터들이 예를 들어, DC 링크 전압 제어를 지속적으로 수행하는 경우 전압 센싱 오차 등에 의해 순환 전류가 발생할 수 있다. 즉, 실제로 2개 이상의 전력변환장치가 완벽히 동일할 수 없기 때문에, 동일한 전압을 다른 값으로 센싱하는 문제가 발생할 수 있고, 그에 따라 순환전류 또는 제어의 발산이 발생할 수 있다.

따라서, 도 2에 도시된 예에서와 같이, 본 발명의 실시예에서는 1개의 DC/DC 컨버터가 CV 제어를 수행하도록 한다. 도 2의 각 단계(step 1, step 2, step 3)에서 CV 제어를 수행하는 전력변환 장치는 DC/DC 컨버터 1이고, 나머지 DC/DC 컨버터들은 모두 CP 제어를 수행한다.

한편, DC/DC 컨버터의 CV 제어는 해당 배터리의 SOC가 적정 영역에 존재하는 경우 큰 문제 없이 수행 가능하다. 하지만, 해당 배터리의 SOC 가 특정 상한치 또는 하한치에 도달하는 경우 배터리 자체의 출력 제한 특성에 의해 DC/DC 컨버터의 출력 또한 제한되고, 그에 따라 정상적인 CV 제어 수행이 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 CV 제어 중이던 DC/DC 컨버터의 배터리가 상한 SOC 영역 또는 하한 SOC 영역에 도달하는 경우 다른 배터리와 연동하는 DC/DC 컨버터로 하여금 CV 제어를 수행하도록 한다.

이처럼 CV 제어의 주체가 예를 들어, DC/DC 컨버터 1에서 DC/DC 컨버터 2로 변경되는 경우 단계 2에서는 일시적으로 두 컨버터에 의해 CV 제어가 수행되도록 함으로써, DC 링크 전압에 대한 제어가 항시 유지되도록 한다. 단계 2를 지나 단계 3이 되면 제어권이 DC/DC 컨버터 2로 완전히 넘겨지며, DC/DC 컨버터 2만이 CV 제어를 수행하고, DC/DC 컨버터 1은 CP 모드 제어를 수행하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 제어 방법의 동작 순서도이다.

도 3에 도시된 제어 방법은 어떠한 방식으로 DC/DC 컨버터의 제어가 CV 제어에서 CP 모드 또는 CC모드 제어로 변경되는지, 또는 그 반대로 변경되는지에 대해 설명한다. 도 3에 도시된 제어 방법은 배터리 섹션 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터 제어 모드의 결정 주체는 BSC이다.

DC/DC 컨버터가 CP 모드 또는 CC모드 제어를 수행하는 경우 BSC에서 배터리의 SOC 등을 고려해 DC/DC 컨버터의 출력 레퍼런스를 계산하여 DC/DC 컨버터로 전달하고, DC/DC 컨버터는 이를 기반으로 출력을 결정한다. 즉, 본 발명에 따르면 배터리의 상태에 따라 출력을 스스로 결정하는 능동적인 제어가 가능하다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 제어 방법은 복수의 DC/DC 컨버터 중 하나의 DC/DC 컨버터로 하여금 DC 링크단에 대한 CV 제어를 수행하도록 한다. 따라서, 예를 들어 n개의 DC/DC 컨버터가 시스템 내에 배치되어 있고, 제1 컨버터가 CV 제어를 수행한다면, 나머지 DC/DC 컨버터는 모두 CP 모드 제어 또는 CC 모드 제어를 수행하게 된다(S310).

이 상태에서 CV 모드 제어를 수행하는 제1 DC/DC 컨버터에 대한 SOC 측정이 주기적으로 수행될 수 있다(S320). 측정된 제1 DC/DC 컨버터의 SOC가 적정한 범위 내인 경우(S330의 아니오)에는 제1 컨버터에 의한 CV 모드 제어가 계속 수행된다.

하지만, 제1 DC/DC 컨버터의 SOC가 적정한 범위를 벗어난 경우, 즉, 제1 DC/DC 컨버터의 SOC가 기 설정된 SOC 범위의 상한값(SOC_high)보다 크거나 하한값(SOC_low)보다 적은 경우(S330의 아니오)에는 CV 제어의 주체를 변경할 필요가 있다. 구체적으로, BSC는 전체 n개의 컨버터 중 CV 모드 제어를 수행하던 제1 컨버터를 제외한 CP/CC 제어 중인 (n-1) 개의 컨버터와 연동하는 배터리의 SOC를 측정한다(S340). BSC는 측정된 SOC 에 따라 (n-1) 개의 컨버터 중 CV 모드 제어를 수행할 제2 컨버터를 선정한다(S350).

여기서, CV 모드 제어를 수행할 신규 컨버터를 선정하기 위한 절차는 아래와 같은 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 수행될 수 있다.

수학식 1에서 x는 해당 배터리의 SOC이고, SOC_high 는 기 설정된 SOC 범위의 상한값이고 SOC_low는 기 설정된 SOC 범위의 하한값이다. 통상적인 SOC를 갖는 배터리의 경우 x는 SOC_low 이상 SOC_high 이하의 값이 될 것이다. (즉, 0 < SOC_low < x < SOC_high < 100)

수학식 1을 통해 각 배터리의 SOC 편차(Diff), 즉 해당 배터리의 현재 SOC 대비 상한값 또는 하한값의 차이 중 큰 값을 계산할 수 있다. 또한, 수학식 2를 통해 CV 제어를 수행할 신규 DC/DC 컨버터(Next_CV_converter)를 선정할 수 있다. 수학식 2에 따르면, 가장 작은 편차의 SOC를 갖는 컨버터, 즉 기 설정된 SOC 범위 내 중간 위치의 값을 갖는 컨버터가 차기 CV 제어를 수행하기에 적합한 컨버터로 선정될 수 있다. 이처럼 기 설정된 SOC 범위 내에서 중간 위치의 값을 갖는 컨버터가 CV 제어를 수행하는 경우 최대한 오랫동안 CV 제어를 유지할 수 있고, 그에 따라 빈번한 제어 모드 변환을 방지할 수 있다는 장점을 가진다.

수학식 1 및 수학식 2를 이용한 컨버터 선정 절차는 시스템 운용 중 CV 제어를 수행할 주체를 변경할 때뿐 아니라 시스템의 초기 동작시 최초 CV 모드 제어를 수행할 DC/DC 컨버터를 선정할 때에도 활용될 수 있다. 즉, S310 단계에서 제1 컨버터를 선정할 때에도 수학식 1 및 수학식 2가 사용될 수 있으며, 이 경우 SOC 측정 대상은 시스템 내 모든 DC/DC 컨버터가 될 수 있다.

한편, CV 제어를 수행할 제2 컨버터가 선정되면 일시적으로 제1 컨버터 및 제2 컨버터가 동시에 CV 제어를 수행한다(S360). 이는 앞서 언급한 바와 같이 DC 링크단의 전압을 안정적으로 유지하기 위함이다.

이후 일정 시간이 경과하면, 제2 컨버터만 CV 제어를 수행하고, 제1 컨버터를 포함한 나머지 컨버터는 모두 CP 제어를 수행하게 된다(S370).

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 다수의 DC/DC 컨버터를 사용하는 에너지 저장 시스템에서 DC 링크 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.

뿐만 아니라, CV 제어를 수행하는 DC/DC컨버터 외의 나머지 DC/DC 컨버터는 CP 제어 또는 CC 제어를 수행하므로 BSC 에서 각 배터리의 상태를 고려하여 능동적으로 출력 레퍼런스를 계산할 수 있다.

한편, 통상적으로 DC/DC 컨버터를 포함하지 않은 ESS 내 PCS는 CP 또는 CC 제어 방식으로 구동되는 것이 일반적이다. DC/DC 컨버터가 적용된 배터리 시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 제어 방식을 적용하는 경우 ESS 내 PCS는 기존 시스템에 사용되던 방식과 동일하게 동작할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 배터리 시스템에 DC/DC 컨버터가 사용된다고 해서 PCS의 소프트웨어 등을 변경할 필요가 없이 그대로 사용할 수 있다는 장점을 가진다.

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 200: BSC
300: PMS 400: PCS
500: DC/DC 컨버터 600: 전력망(Grid)

Claims

각 배터리 랙과 연동하여 DC/DC 변환을 수행하는 복수의 컨버터;
상기 컨버터 및 그리드 간의 전력 변환을 수행하는 전력 변환 시스템; 및
상기 복수의 컨버터 및 상기 전력 변환 시스템과 연동하는 배터리 섹션 컨트롤러로서, 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하고, 상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하여, 상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는, 배터리 섹션 컨트롤러를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 섹션 컨트롤러는,
상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 섹션 컨트롤러는,
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태(SOC) 에 기초하여, 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어를 중단시키고 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제2 전력 변환 장치가 DC 링크 제어를 수행하도록 변경하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 배터리 섹션 컨트롤러는,
상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC-링크 제어가 수행되기 전에,
일시적으로 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어 및 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어가 동시에 수행되도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 전력 변환 장치 대신 DC 링크 제어를 수행할 상기 제2 전력 변환 장치는,
상기 복수의 전력변환 장치들 중 상기 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치들 중 해당 전력 변환 장치가 담당하는 배터리 랙의 충전 상태 측면에서 중간 위치의 값을 갖는 전력 변환 장치로 선택되는, 에너지 저장 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리 섹션 컨트롤러는,
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 기 설정된 충전상태 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하였는지 확인하고 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경할지 여부를 결정하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 DC 링크는 상기 복수의 컨버터와 그리드 사이에서 AC/DC 변환을 수행하는 전력변환시스템((Power Conversion System; PCS) 및 상기 복수의 컨버터 사이의 링크인, 에너지 저장 시스템.
복수의 배터리 랙 및 상기 복수의 배터리 랙 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법으로서,
상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 단계;
상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하는 단계; 및
상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 전력 변환 장치로 하여금 CV 모드 제어를 수행하도록 하는 단계는,
상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계는,
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태(SOC) 에 기초하여, 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어를 중단시키고 상기 복수의 전력 변환 장치 중 제2 전력 변환 장치가 DC 링크 제어를 수행하도록 변경하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하는 단계는,
상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC-링크 제어가 수행되기 전에,
일시적으로 상기 제1 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어 및 상기 제2 전력 변환 장치에 의한 DC 링크 제어가 동시에 수행되는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 전력 변환 장치 대신 DC 링크 제어를 수행할 상기 제2 전력 변환 장치는,
상기 복수의 전력변환 장치들 중 상기 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치들 중 해당 전력 변환 장치가 담당하는 배터리의 충전 상태 측면에서 중간 위치의 값을 갖는 전력 변환 장치로 선택되는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하는 단계는,
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 기 설정된 충전상태 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하였는지 확인하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 DC 링크는 상기 복수의 컨버터와 그리드 사이에서 AC/DC 변환을 수행하는 전력변환시스템((Power Conversion System; PCS) 및 상기 복수의 컨버터 사이의 링크인, 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
복수의 배터리 랙 및 상기 복수의 배터리 랙 각각에 연결된 복수의 전력 변환 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 상기 복수의 전력 변환 장치와 연동하는 배터리 섹션 제어 장치로서,
적어도 하나의 프로세서;
상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하고,
상기 적어도 하나의 명령은,
상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치로 하여금 DC 링크의 전압을 일정 수준으로 유지하는 CV(Constant Voltage) 모드 제어를 수행하도록 제어하는 명령;
상기 제1 전력 변환 장치가 연결된 제1 배터리 랙의 상태를 체크하도록 하는 명령; 및
상기 제1 배터리 랙의 상태에 따라 상기 DC 링크에 대한 CV 모드 제어를 수행할 주체를 변경하도록 하는 명령을 포함하는, 배터리 섹션 제어 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 적어도 하나의 명령은,
상기 복수의 전력 변환 장치 중 제1 전력 변환 장치를 제외한 나머지 전력 변환 장치는 CP(Constant Power) 모드 또는 CC(Constant Current) 모드 제어를 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 더 포함하는, 배터리 섹션 제어 장치.