KR20230097772A - 에너지 저장 시스템의 제어장치 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 시스템의 제어장치가 개시된다. 본 발명의 제어장치는, 전력을 생산하는 발전부; 상기 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고, 저장된 전력을 부하로 방전하며, 복수의 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템(ESS); 상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 ESS의 현재 충전상태가 이전 시간의 배터리 충전량에 충전전력과 충전효율의 곱을 더한 것에서, 방전전력과 방전효율의 곱을 뺀 것이 되도록 결정하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 시스템의 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ENERGY STORAGE SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 에너지 저장 시스템의 제어장치 및 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 전력 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)은 전력의 수요가 감소할 때의 초과 전력을 저장하고, 수요가 증가하여 전력이 부족할 때 저장된 전력을 공급하는 저장장치로서, 배터리의 충전상태(State of Charge, SOC)를 계측하여 설정한 충전과 방전상태를 백분율로 수치화하고, 이를 참조하여 고정된 충방전 스케쥴을 설정하여 운전을 수행한다.

위와 같은 운전 정책에 따라, ESS는 비상전원으로써의 역할이 아닌, 능동적으로 충전과 방전을 실행하는 전력거래나 전력계통 보조서비스(ancillary service)로는 적합하지 않다.

따라서, ESS 배터리를 충전하는 전원과 전력부하의 실시간 상태 데이터를 기반으로 유연하게 충전과 방전을 수행하면서 한정된 자원을 효율적으로 운영할 수 있는 최적화 기술이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 실시간 상태 데이터를 기반으로 유연하게 충전과 방전을 수행하면서 한정된 자원을 효율적으로 운영하는, 에너지 저장 시스템의 제어장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 ESS 제어장치는, 전력을 생산하는 발전부; 상기 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고, 저장된 전력을 부하로 방전하며, 복수의 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템(ESS); 상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 ESS의 현재 충전상태가 이전 시간의 배터리 충전량에 충전전력과 충전효율의 곱을 더한 것에서, 방전전력과 방전효율의 곱을 뺀 것이 되도록 결정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 다음 수식에 의해 상기 ESS의 현재 충전상태를 결정할 수 있다.

여기서,

는 시간 t의 지속시간이고,

는 상기 ESS의 충전/방전 효율을 나타내고,

는 ESS(20)의 충전 초기상태를 나타낼 수 있다.

은 상기 ESS의 최소/최대 충전전력[kW]이고,

은 상기 ESS의 최소/최대 방전전력[kW]을 의미할 수 있다. 또한,

은 상기 ESS의 최소/최대 충전상태[kW]이고,

은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전상태[kWh]이고,

은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전전력[kW]이고,

은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 방전전력[kW]을 의미할 수 있다. 또한,

은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전/방전 바이너리 변수를 의미할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 최소/최대의 충전상태 이내 범위에서 충전과 방전효율을 높이도록 충전시기와 방전시기를 제어가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 에너지 저장 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1의 에너지 저장 시스템을 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 1의 PMS의 상세 구성도이다.
도 4는 제어부의 모델링에 의해 최적화된 충전 및 방전을 나타내기 위한 일예시도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예의 에너지 저장 시스템의 제어장치를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 에너지 저장 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 도 1의 에너지 저장 시스템을 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 에너지 저장 시스템은, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부(10)와, 태양광 발전부(10)로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고, 저장된 전력을 부하(40)로 방전하는 에너지 저장장치(ESS)(20), ESS(20)의 충방전 모드 제어 및 충방전략을 제어하는 PMS(power management system)(30)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 신재생 에너지 생산장치로서 태양광 발전부(10)를 예를 들어 설명하고 있지만 이는 예시적인 것으로서, 풍력, 지력 등 다양한 신재생 에너지 발전부가 사용될 수 있을 것이다.

태양광 발전부(10)는, 태양광을 DC 전력으로 변환하는 복수의 태양광 발전모듈(11)과, 각 태양광 발전모듈(11)로부터 출력되는 DC 전력을 결합하는 접속반(12)과, 태양광 발전모듈(11)로부터 생산된 DC 전력을 접속반(12)을 통해 전달받아 AC 전력으로 변환하는 인버터(13)와, 인버터(13)에 의해 변환된 AC 전력을 고압으로 변환하는 변압기(14)와, 보호계전기(15)를 포함할 수 있다.

또한, ESS(20)는 복수의 배터리(21)로 이루어지고, 복수의 배터리(21)에 DC 전력을 AX 전력으로, 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 방전 또는 충전하기 위한 PCS(pwer converting system(23) 및 복수의 배터리(21)를 관리하는 BMS(battery management system)(22)를 포함할 수 있다.

태양광 발전모듈(11)은 직렬 또는 병렬로 연결된 상태에서 접속반(12)을 통해 병렬로 결합하여 인버터(13)로 DC 전력을 출력할 수 있다. 이때, 태양광 발전모듈(11)은 다수의 태양전지로 이루어진 상태에서 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 직류 전력을 생성할 수 있다.

여기서, 태양전지는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 태양 전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양광을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양전지는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 이 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용할 수 있다.

이 태양전지의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 05V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 복수의 단위 태양광 어레이FMF 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용할 수 있다.

한편, 태양광 발전모듈(11)은 온도와 날씨뿐만아니라 설치된 지역의 위치, 계절, 기후의 변화에 따라 실제 발전량과 기준 발전량간에 차이가 발생한다. 즉, 태양광 발전모듈(11)의 실제 발전량 패턴이 매일매일 다르기 때문에 본 발명은 PMS(30)를 통해 발전정보를 분석하여, 그 출력을 예측할 수 있다.

태양전지의 후단에는 태양전지에서 출력되는 동일한 극성의 전압을 하나의 접속점으로 취합하는 접속반(12)이 구비된다.

인버터(13)는 태양광 발전모듈(11)에서 생성되어 공급되는 전기 에너지인 직류 에너지를 교류 에너지로 전환하여 공급하는 역할을 하며 DC/AC 인버터를 포함한다. DC/AC 인버터는 SCR, Transistor, IGBT, GTO(Gate to Turn Off SCR) 등 다양한 반도체 스위칭 소자를 이용하여 고주파 스위칭 방식으로 설정된 교류 전원으로 변환시켜 출력할 수 있다.

한편, 태양광은 일사량에 따라 발전전력이 변하며, 날씨에 따라 전력의 변동성이 커서 계통의 불안정을 야기시키는 원인이 된다. 이로 인하여 ESS(20)에 충전되는 충전전력이 불안정하다.

최근에 ESS를 적용하여 낮시간대에 태양광 발전전력량만큼 ESS(20)의 배터리 (21)에 충전하여 저녁시간에 방전하여 전력계통의 안정성을 향상시키고 있다.

여기서, 태양광 발전부(10)와 ESS(20)는 설치 용량에 따라 다양한 설계가 가능하다.

인버터(13)는 자체적으로 MPPT 기능과 DC를 AC로 변환하는 기능이 있어 외부의 지령없이 동작을하기 때문에 병렬로 계속 증설이 가능하다. 그러나 ESS(20)는 외부의 PMS(30)에서 태양광 발전전력과 시간에 따라 제어를 담당하게 되며, 다수의 ESS로 구성될 경우 PMS(30)는 모든 ESS를 제어할 수 있어야 한다.

본 발명에서 배터리(21)는 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩(pack)으로 구성될 수 있으며, 배터리 모듈은 예를 들어, 축전지 또는 리튬 이온전지 팩일 수 있다. 축전지는 납 축전지, 알칼리 축전지, MF 축전지 등일 수 있다. 또한, 리튬 이온전지는 2차 전지의 일종으로서 에너지 밀도가 높아 에너지 저장 효율이 높고, 사용하지 않을 때는 자연방전이 일어나는 정도가 작으며 메모리 효과가 없을 수 있다. 또한, 리튬 이온전지는 내장된 전극의 유연성이 커서 곡면에 장착하거나 여유 공간의 활용이 가능하도록 형상을 다양하게 할 수 있다.

BMS(22)는 각각 서로 다른 특성을 가질 수 있는 배터리 셀들을 조절하는 역할을 하며, 배터리 셀들의 보호 제어 기능, 배터리 셀들의 수명 예측 제어 기능, 또는 배터리 충전 및 방전 제어 기능 등을 수행하고, 배터리 셀들이 최대의 성능을 나타내면서 안전하게 사용될 수 있도록 배터리 셀들을 제어할 수 있다.

도 3은 도 1의 PMS(30)의 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 PMS(30)는, 제어부(31), 출력 예측부(32), ESS 배터리 SOC 계측부(33), 전력 부하량 예측부(34), 히스토리를 저장하기 위한 저장부(37)를 포함할 수 있다.

출력예측부(32)는 태양광 발전부(10)의 출력을 예측하기 위한 것으로서, 소정 주기(예를 들어 15분) 단위로 기상데이터(36)를 수집하고 이로부터 태양광 발전부(10)의 출력을 예측하여 이를 제어부(31)에 제공할 수 있다.

전력 부하량 예측부(34)는 부하(40)에서 소비하는 부하량을 예측하여 제어부(31)에 제공할 수 있다.

ESS 배터리 SOC 계측부(33)는 배터리(21)의 충전상태를 측정하여 이를 제어부(31)에 제공할 수 있다.

제어부(31)는 ESS(20)의 운영 최적화를 위한 모델을 아래의 수학식 1 내지 수학식 7과 같이 정의할 수 있다. 수학식 1을 참조로 하면, ESS(20)의 현재 전력상태(kWh)는 단위시간(1-t)의 배터리(21) 충전량(kWh)에 충전전력(kW)과 충전효율(%)의 곱을 더한 것에서, 방전전력(kWh)과 방전효율(%)의 곱을 뺀 것이다. 수학식 2 내지 수학식 7은 수학식 1의 제약식이다.

여기서,

는 시간 t의 지속시간이고,

는 ESS(20)의 충전/방전 효율을 나타내고,

는 ESS(20)의 충전 초기상태를 나타낸다.

은 ESS(20)의 최소/최대 충전전력[kW]이고,

은 ESS(20)의 최소/최대 방전전력[kW]이다. 또한,

은 ESS(20)의 최소/최대 충전상태[kW]이고,

은 시간 t에서의 ESS(20)의 배터리(21)의 충전상태[kWh]이고,

은 시간 t에서의 ESS(20)의 배터리(21)의 충전전력[kW]이고,

은 시간 t에서의 ESS(20)의 배터리(21)의 방전전력[kW]이다. 또한,

은 시간 t에서의 ESS(20)의 배터리(21)의 충전/방전 바이너리 변수이다.

이와 같이 제어부(31)에 의해 결정된 최적 스케줄은 ESS(20)에 제공되어, 배터리(21)의 최소/최대의 충전상태 이내의 범위에서 충전과 방전효율을 높이기 위해 충전시기와 방전시기가 결정될 수 있다. 이러한 충전시기와 방전시기의 결정을 위해 제어부(30)와 ESS(20)의 사이에 배터리 관리 시스템(BMS)이 더 포함될 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전력거래 또는 경제성을 위한 운영에서 실시간 거래가격에 따라 최소비용과 최대이윤을 남길 수 있는 선행방정식에 위에서 정의한 ESS 모델을 적용하여 문제를 해결할 수 있다.

도 4는 제어부(31)의 모델링에 의해 최적화된 충전 및 방전을 나타내기 위한 일예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의하면, 충전과 방전 효율을 높이기 위해 충전시기와 방전시기가 결정되며, 실시간 거래가격에 따라 최소비용과 최대이윤을 남길 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 태양광 발전부 20: ESS
30: PMS 40: 부하

Claims (2)

1. 전력을 생산하는 발전부;
   상기 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 충전하고, 저장된 전력을 부하로 방전하며, 복수의 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템(ESS);
   상기 ESS의 충전 및 방전을 제어하기 위한 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 ESS의 현재 충전상태가 이전 시간의 배터리 충전량에 충전전력과 충전효율의 곱을 더한 것에서, 방전전력과 방전효율의 곱을 뺀 것이 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 ESS 제어장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 다음 수식에 의해 상기 ESS의 현재 충전상태를 결정하는 ESS 제어장치.
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   (여기서,

   

   는 시간 t의 지속시간이고,

   

   는 상기 ESS의 충전/방전 효율을 나타내고,

   

   는 ESS(20)의 충전 초기상태를 나타냄.

   

   은 상기 ESS의 최소/최대 충전전력[kW]이고,

   

   은 상기 ESS의 최소/최대 방전전력[kW]을 의미함. 또한,

   

   은 상기 ESS의 최소/최대 충전상태[kW]이고,

   

   은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전상태[kWh]이고,

   

   은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전전력[kW]이고,

   

   은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 방전전력[kW]을 의미함. 또한,

   

   은 시간 t에서의 상기 ESS의 상기 배터리의 충전/방전 바이너리 변수를 의미함)
   
   
   
   
   

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