KR20240038623A

KR20240038623A - Dc-dc 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20240038623A
Application number: KR1020230122905A
Authority: KR
Inventors: 박미소
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2023-09-15
Publication date: 2024-03-25

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치 및 방법은, PCS의 출력 전력을 모니터링하여 DC 링크부의 전압 변화를 감지하고, PCS의 출력 전력과 배터리의 정격 전력의 비교하여 배터리의 출력 전력을 제어함으로써, DC 링크부의 전압 흔들림을 방지하여 에너지 저장 시스템의 안정화를 제공할 수 있다.

Description

DC-DC 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING DC-DC CONVERTOR}

본 발명은 DC-DC 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, DC 링크부의 전압 안정화를 위해, DC-DC 컨버터를 이용하여 배터리의 출력을 제어하는 전력 제어 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 일반 가정에서도 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 일반적으로, 가정용에너지 저장 시스템은, 사용 목적에 따라 출력과 용량이 달라진다.

예를 들어, 가정용 에너지 저장 시스템은 태양광 발전 시스템(Photo Voltaic; PV)에 적용되며, 다수의 배터리로 구성된 배터리 섹션(Battery Section), 배터리 관리를 위한 BMS(Battery Management System), 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS), 에너지 관리 시스템(Enery Management System; EMS), DC-DC 컨버터 등을 포함할 수 있다.

한편, 가정용 에너지 저장 시스템은, 부하에 정격 이상의 소비전력이 발생하면, 부하의 안정화를 위해, PCS가 방전될 수 있다. 이에 따라, DC 링크부의 전압이 일시적으로 흔들리면서, 리플(ripple)이 발생될 수 있다.

일반적으로, 가정용 에너지 저장 시스템은, DC 링크부에 리플이 발생될 경우, 그리드 방향으로 리플 전류를 흘림으로써, DC 링크부를 안정화 시킨다.

그러나, 그리드(Grid)의 사용이 제한되는 정전 상황이 발생될 경우, 가정용 에너지 저장 시스템은 그리드 방향으로 리플 전류를 흘릴 수 없어, 부하로 전달하는 전력 효율이 감소되는 단점이 있다.

또한, 정전 상황에서, 사용자가 부하를 사용할 경우, DC 링크부에서는 일시적으로 적정 범위를 초과하는 높은 피크 전압이 발생될 수 있다. 이에 따라, 종래의 가정용 에너지 저장 시스템 내 PCS 및 다수의 배터리들이, 과전압에 의한 고장을 방지하기 위해 사용을 중단(Shutdown)하는 단점이 발생하였다.

한국 공개특허 10-2019-0111690호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 DC-DC 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, DC-DC 컨버터를 제어하는 전력 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, DC-DC 컨버터를 제어하는 전력 제어 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터와 연결되어, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 전력 제어 장치는 메모리 및 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 수행하는 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은, 상기 PCS의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하도록 하는 명령, 및 상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력을 바탕으로, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 명령을 포함하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령은 상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.

또한, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령은 상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 기정의된 정격 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.

이때, 상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령은, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하도록 하는 명령, 및 상기 차이가 기정의된 임계 전력량 이상일 경우 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 명령을 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령은, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하도록 하는 명령, 및 상기 차이가 기정의된 임계 전력량 미만일 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어하는 명령을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 명령은, 상기 배터리의 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 명령은, 상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 명령을 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따라 배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터와 연결되어, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 전력 제어 방법은 상기 PCS의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하는 단계 및 상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력을 바탕으로, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계는 상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계는 상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 기정의된 정격 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계는, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하는 단계 및 상기 차이가 기정의된 임계 전력량 이상일 경우, 상기 배터리를 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계는, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하는 단계 및, 상기 차이가 기정의된 임계 전력량 미만으로 차이날 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 단계는, 상기 배터리의 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 단계는, 상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 배터리 랙, 상기 배터리 랙과 연동하여 DC-DC 변환을 수행하는 복수의 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 부하와 연결되는 전력변환시스템(Power Conversion System, PCS) 및 상기 DC-DC 컨버터와 연결되어 상기 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 전력 제어 장치를 포함하고, 상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 PCS의 출력 전력의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하고, 상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력을 바탕으로 상기 배터리의 출력 전력을 제어한다.

여기서, 상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어할 수 있다.

또한, 상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 기정의된 정격 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력할 수 있다.

이때, 상기 컨버터는, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 때, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 정격 전력의 차이가 기정의된 임계 전력량 이상이면, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력하도록 제어할 수 있다.

한편, 상기 컨버터는, 상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 때, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 정격 전력의 차이가 기정의된 임계 전력량 미만이면, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어할 수 있다.

여기서, 상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리가 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 정전 상황에서의 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법 중 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 도 6에 따른 시간에 따른 DC 링크부에서의 시간에 따른 전압 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법 중 배터리의 출력 전력을 단계적으로 제어하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 도 8에 따른 시간에 따른 배터리의 출력 전력 제어 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 11은 도 10에 따른 DC 링크부에서의 시간에 따른 전압 변화 그래프이다.

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.

도 1을 참조하면, 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. 예를 들어, 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 제어할 수 있다.

한편, 다수의 배터리 및 주변 회로, 장치 등을 포함하여 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)가 설치될 수 있다. 이에 따라, BSC(200)는 배터리 섹션 내 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어할 수 있다. 또한, BSC(200)는, 또한 모니터링한 배터리 단의 상태 정보를 기반으로 각 DC-DC컨버터의 출력을 계산하여 DC-DC 컨버터로 전달한다.

또한, 배터리 섹션마다 설치된 전력변환시스템(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) 및 부하(700)와 연결될 수 있다. PCS(400)는 통상적으로 고정전력(Constant Power) 모드로 동작한다. PCS(400)와 연결된 전력 관리 시스템(Power Management System; PMS)(300)는 BMS(100) 또는 BSC(200)의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 PCS(400)의 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 링크부를 통해 PCS(400)와 연결된다.

DC-DC 컨버터(500)는 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 에너지 저장 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.

한편, DC-DC 컨버터와 PCS 사이의 영역인 DC 링크부(DC Link)는 DC 전압을 가지며, DC 링크부의 전압을 통상적으로 시스템 전압이라고 부를 수 있다.

DC 링크부의 전압은, 에너지 저장 시스템 전체의 안정을 위해 일정한 수준의 전압으로 유지될 필요가 있다.

도 2는 정전 상황에서의 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는, 앞서 설명한 바와 같이, DC 링크부(DC Link)의 전압, 즉, 시스템 전압을 일정한 상태로 유지하기 위해 DC-DC 컨버터(500)를 제어할 수 있다.

일반적으로, 부하(700)에 소비 전력이 발생하면, PCS(400)는, 도 1에서의 PMS(300)에 의해 계산된 출력 레퍼런스(PCS가 출력해야 할 전력 값)의 크기 만큼 전력을 출력할 수 있다. 이때, DC 링크부에서는 DC전압이 일시적으로 흔들려, 리플 전압이 발생할 수 있다. 이에 따라, PCS(400)는 DC 링크부의 리플 전압의 크기가 적정 범위 이내로 발생되도록 출력 전력의 크기를 제어한다.

또한, 부하(700)로부터 정격 이상의 소비 전력이 발생될 경우에도, DC 링크부에의 전압이 흔들릴 수 있다. 이에 따라, PCS(400)는 그리드(600)로부터 추가 전력을 공급받거나 또는, 그리드(600) 방향으로 전력을 출력하여, DC 링크부 내 리플 전압이 적정 범위를 유지하도록 제어한다.

그러나, 정전 상황이 발생될 경우에는 그리드(600)의 사용이 제한되므로, PCS(400)는 그리드(600)로부터 전력을 공급받을 수 없으며, 리플 전압을 그리드(600) 방향으로 흘려 보낼 수도 없다. 따라서, 리플 전압으로 인해, 에너지 저장 시스템의 전력 효율이 저하될 수 있다.

또한, 정전 상황에서, 사용자에 의해 부하가 예고 없이 동작될 경우, DC 링크부에는 일시적으로 적정 범위를 초과하는 높은 피크 전압이 발생될 수 있다. 이에 따라, PCS(400) 및 배터리(500)는, 각각 보호 회로를 통해, 피크 전압에 의한 고장을 방지하기 위하여, 동작을 중단(Shutdown)할 수 있다.

이에, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)를 이용하여, PCS(400)의 출력 제어와는 별개로, 배터리(110)의 출력을 제어함으로써, 그리드의 사용이 중단되는 정전 상황 발생 시, 배터리(110)의 출력 전력을 피크 전력으로 출력시킴으로써, 사용자에 의해 예고 없이 부하가 동작될 경우에도 PCS(400)의 제어 부담이 축소될 수 있다.

또한, 상기 전력 제어 장치는 DC 링크부에서의 과도한 리플 전압에 따른 시스템 중단을 방지함으로써, 에너지 저장 시스템의 효율을 높일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치의 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는, 도 1의 BCS(200) 내 구성으로 제공되거나, 또는 별도의 독립적인 구성으로 제공될 수 있다.

실시예에 따르면, 전력 제어 장치는, PCS(400)의 출력 전력을 모니터링하여, 부하(700)의 동작에 따른 DC 링크부의 전압 변화를 감지할 수 있다.

또한, 전력 제어 장치는 DC-DC 컨버터(500)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는, DC 링크부의 전압 변화에 따라 배터리(110)의 출력 전력이 제어되도록 DC-DC 컨버터(500)를 제어할 수 있다.

한편, 전력 제어 장치는 메모리(M) 및 프로세서(P)를 포함할 수 있다.

실시예에 따르면, 메모리(M)는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(M)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

메모리(M)는, 프로세서(P)에 의해 실행되는 적어도 하나의 명령을 포함할 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 명령은, 상기 PCS의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하도록 하는 명령, 및 상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력을 바탕으로, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 명령을 포함하는 단계를 포함한다.

이하에서는, 상기 전력 제어 장치의 프로세서(P) 동작에 따른, 전력 제어 방법에 대해 자세히 설명하겠다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법의 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는, DC링크부의 전압 변화를 감지할 수 있다(S1000). 여기서, DC 링크부는, 상기 PCS(400)의 입력단과 상기 DC-DC 컨버터(500)의 출력단 사이의 DC전압이 이동되는 영역일 수 있다.

정전 상황에서의 DC 링크부의 전압 변화는, 배터리(110)의 출력 전력 및 부하(700)의 동작 시점에 따라 발생될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 배터리(110)의 출력 전력이 감소되기 전에, 사용자가 부하(700)를 일시적으로 동작시켰을 경우, DC 링크부에서는 전압 변화가 발생될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 배터리(110)의 출력 전력이 감소된 후에, 사용자가 부하(700)를 일시적으로 동작시켰을 경우, DC 링크부에서는 전압 변화가 발생될 수 있다.

이에 따라, 상기 전력 제어 장치는, 부하(700)의 동작 상태 및 배터리(110)의 출력 전력 변화를 계속적으로 모니터링 함으로써, DC링크부의 전압 변화를 감지할 수 있다.

이때, 부하(700)의 동작 상태는 사용자의 행위에 의해 제어되므로, 사전에 예측되기 어렵다. 한편, PCS(400)는 부하(700)의 소비 전력의 크기만큼 출력 전력을 제공한다. 따라서, 전력 제어 장치는, PCS(400)의 출력 전력 변화를 모니터링하여, 부하(700)의 동작 상태 변화를 감지할 수 있다.

DC 링크부의 전압 변화가 발생될 경우, 전력 제어 장치는, PCS(400)의 출력 전력 및 상기 배터리(110)의 출력 전력의 크기를 비교할 수 있다. 다시 말해, 전력 제어 장치는 부하(700)의 소비 전력 및 배터리(110)의 출력 전력의 크기를 비교할 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)를 이용하여, 상기 비교 결과에 따라 배터리(110)의 출력 전력의 크기 및 속도를 제어할 수 있다(S5000). 예를 들어, DC-DC 컨버터(500)는 양방향 컨버터일 수 있다.

전력 제어 장치가 DC-DC 컨버터(500)를 통해 배터리(110)의 출력 전력의 크기 및 속도를 제어하는 방법은 하기에서 보다 자세히 설명하겠다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법 중 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는, PCS(400)의 출력 전력과 배터리(110)의 출력 전력의 크기를 비교할 수 있다(S5100).

일 실시예에 따르면, 상기 PCS(400)의 출력 전력 값이 배터리(110)의 출력 전력 값 이하일 경우, 사용자의 제어에 의해 부하(700)의 소비 전력이 감소됨을 확인할 수 있다. 따라서, 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)의 전류량을 제어(S5200)하여, 상기 배터리(110)의 출력 전력을 기정의된 기준 속도 대비 높은 속도로 신속히 감소시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다. 또한, 도 7은 도 6에 따른 DC 링크부에서의 시간에 따른 전압 변화 그래프이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 부하(700)의 소비 전력이 감소되면, 부하(700)의 소비 전력 대비 상기 배터리(110)의 출력 전력이 커지므로, DC 링크부의 전압에 변화가 발생할 수 있다(도 7의 A 구간).

따라서, 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)를 이용하여, 배터리(110)의 전류량을 빠른 속도로 제어함으로써, 배터리(110)의 출력 전력을 신속하게 감소시킬 수 있다(도 7의 B 구간). 이에 따라, DC 링크부의 전압을 안정화 시킬 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 다른 실시예에 따라, 상기 PCS(400)의 출력 전력 값이 배터리(110)의 출력 전력 값을 초과할 경우, 전력 제어 장치는 부하(700)의 예기치 않은 동작을 대비하기 위해, DC-DC 컨버터(500)를 동작시켜, 상기 배터리(110)가 피크 전력(Peak Power)으로 출력되도록 제어할 수 있다(S5300).

일반적으로, 부하(700)는 전원 동작 시, 일시적으로 피크 전력을 소비하다가, 다시 기정의된 정격 전력을 소비할 수 있다. 그러나, 부하(700)의 동작 시점은 예측될 수 없다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치는 배터리(110)의 출력 전력이 PCS(400)의 출력 전력 대비 낮아질 경우, 우선, 배터리(110)가 기설정된 시간 동안 피크 전력으로 동작되도록 제어할 수 있다. 여기서, 배터리(110)의 피크 전력(Peak Power)은, 부하(700)의 전원 인가 시, 초기에 일시적으로 발생되는 정격 전력 이상으로의 출력을 지원해주기 위해, 배터리(110)로부터 제공되는 전력일 수 있다. 예를 들어, 피크 전력은 11kW일 수 있다.그러나, 부하(700)는 사용자의 제어에 의해 동작됨으로써, 전력 제어 장치는 부하의 동작 시점을 예측할 수 없다. 또한, 배터리(110)는 충전 용량이 제한적이므로, 기설정된 기간 동안에만 한정적으로 피크 전력을 최대로 제공할 수 있다.

일 실시예에 따라 상기 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간이 기설정된 제1 기간(P1) 미만(S5400)일 경우, S5100 단계로 돌아가, 상기 PCS(400) 출력 전력과 배터리(110)의 정격 전력을 비교함으로써, DC 링크부의 전압 변화를 계속적으로 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 제1 기간(P1)은 9.6sec일 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따라 상기 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간이 기설정된 제1 기간(P1) 이상(S5400)일 경우, 전력 제어 장치는, 현 시점에서의 상기 PCS(400)의 출력 전력 및 배터리(110)의 출력 전력 간의 차이를, 기설정된 임계 전력량과 비교할 수 있다(S5500).

이때, 상기 PCS(400)의 출력 전력 및 배터리(110)의 출력 전력의 차이가 기설정된 임계 값 미만(S5500)일 경우, 상기 전력 제어 장치는, PCS(400)에 의해 부하(700)의 안정적인 전력 공급이 가능할 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는 DC-DC 컨버터(500)를 통해, 상기 배터리(110)의 출력 전력을 정격 전력으로 감소시킬 수 있다(S5600).

한편, 상기 PCS(400)의 출력 전력 및 배터리(110)의 출력 전력의 차이가 기설정된 임계 값 이상(S5500)일 경우, 상기 전력 제어 장치는, PCS(400)의 출력 전력 만으로는 부하(700)의 안정적인 전력 공급이 어려울 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는, PCS(400)의 제어 부담을 감소시키기 위해, DC-DC 컨버터(500)에 의해, 상기 배터리(110)의 출력 전력 속도를 단계적으로 감소시킬 수 있다(S5700). 다시 말해, 상기 전력 제어 장치는, 상기 배터리(110)의 출력 속도를 기정의된 기준 속도 대비 낮은 속도로 감속할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 방법 중 배터리의 출력 전력을 단계적으로 제어하는 단계를 설명하기 위한 순서도이다. 또한, 도 9는 도 8에 따른 시간에 따른 배터리의 출력 전력 제어 그래프이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, PCS(400)의 출력 전력과 배터리(110)의 출력 전력의 차이가 기설정된 임계 값 이상일 경우(S5500), 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)를 통해, 배터리(110)의 출력 전력을 기정의된 임계 전력량만큼 감소시킨 후 출력시킬 수 있다(S5710). 여기서, 기정의된 임계 전력량은 100W일 수 있다.

이후, 전력 제어 장치는 DC-DC 컨버터(500)를 제어하여, 기설정된 설정 기간만큼 배터리(110)의 출력 전력을 유지시킬 수 있다(S5730). 예를 들어, DC-DC 컨버터(500)는, 10ms 동안, 임계 전력량만큼 감소된 출력 전력 상태를 유지할 수 있다.

다시 말해, 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)에 의해, 기설정된 주기마다 기정의된 임계 전력량만큼 배터리의 출력 전력을 단계적으로 감소(Step Logic)시킬 수 있다.

이후, 전력 제어 장치는 피크 전력 출력 기간을 제2 기간(P₂)과 비교할 수 있다(S5750). 여기서, 제2 기간(P₂)은 배터리의 출력 전력이 정격 전력 이상으로 출력될 수 있는 임계 기간일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기간(P₂)은 10sec일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간이 상기 제2 기간(P₂)일 경우, 전력 제어 장치는, DC-DC 컨버터(500)에 의해, 배터리(110)의 출력 전력을 정격 전력(Max Continous)으로 전환시킬 수 있다(S5770). 예를 들어, 배터리(110)의 정격 전력은 7kW일 수 있다.

여기서, 정격 전력은, 정격 전력의 출력 범위(도 7의 (A) 참조) 내 어느 하나의 값으로 사전 설정될 수 있다. 다시 말해, 정격 전력의 출력 범위는, DC 링크부의 전압 안정화를 위한 PCS(400)의 출력 전력 제어 범위 내에 속할 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는 DC-DC 컨버터(500)를 통해, 제2 기간(P₂)에 도달할 때까지 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜, 배터리(110)의 출력 전력을 제어할 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따르면, 상기 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간이 상기 제2 기간(P₂)과 동일하면, 전력 제어 장치는, 다시 S5100 단계로 돌아가 PCS(400)의 출력 전력과 배터리의 출력 전력을 비교함으로써, DC 링크부의 전압 변화를 계속적으로 모니터링 할 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 제어 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다. 또한, 도 11은 도 10에 따른 DC 링크부에서의 시간에 따른 전압 변화 그래프이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 앞서 도 5의 S5300 단계에서와 같이, PCS(400)의 출력 전력 값 대비 배터리(110)의 출력 전력 값이 작을 경우, 전력 제어 장치는 사용자의 의해 예기치 않게 발생되는 부하(700)의 동작을 대비하기 위해, DC-DC 컨버터(500)를 제어하여 배터리(110)를 피크 전력으로 동작시킬 수 있다. 따라서, 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간 이내에 사용자에 의해 부하(700)가 동작될 경우, 배터리(110)는, 부하(700)의 일시적인 피크 전력 소비에도, 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.

한편, 전력 제어 장치는, 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간 이후에 부하(700)가 동작되는 것을 대비하여, 피크 전력으로의 출력을 단계적으로 감소시킴으로써, 출력 속도를 기정의된 기준 속도 대비 낮은 속도로 감속할 수 있다. 이에 따라, 전력 제어 장치는, 배터리(110)의 피크 전력 출력 기간 이후, 제2 기간(P₂) 내에 부하(700)가 동작될 경우, 배터리(110)의 출력 전력이 정격 전압 이상으로 출력됨으로써, DC 링크부의 전압 흔들림(도 11의 A, B구간)이 최소화 될 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 장치 및 방법을 설명하였다.

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: 그리드(Grid)
700: 부하 M: 메모리
P: 프로세서

Claims

배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터와 연결되어, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 전력 제어 장치로서,
메모리; 및
상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 수행하는 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 명령은,
상기 PCS의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하도록 하는 명령, 및
상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력 변화를 바탕으로, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 명령을 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령은
상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령을 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배터리의 출력 전력을 제어하도록 하는 명령은
상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 출력 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령을 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령은,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하도록 하는 명령, 및
상기 차이가 기정의된 임계 전력량 이상일 경우 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 명령을 더 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 명령은,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하도록 하는 명령, 및
상기 차이가 기정의된 임계 전력량 미만일 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어하는 명령을 더 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 명령은,
상기 배터리의 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어하는 명령을 포함하는, 전력 제어 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 명령은,
상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 명령을 더 포함하는, 전력 제어 장치.
배터리 및 전력변환시스템(Power Conversion System; PCS) 사이에서 DC-DC 변환을 수행하는 컨버터와 연결되어 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 전력 제어 장치의 전력 제어 방법으로서,
상기 PCS의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하는 단계; 및
상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력의 변화를 바탕으로, 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계;를 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계는,
상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계를 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 배터리의 출력 전력을 제어하는 단계는,
상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 기정의된 정격 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계를 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계는,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하는 단계; 및,
상기 차이가 기정의된 임계 전력량 이상일 경우, 상기 배터리를 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 단계;를 더 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 피크 전력 값으로 출력되도록 제어하는 단계는,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 경우, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 출력 전력의 차이를 비교하는 단계; 및,
상기 차이가 기정의된 임계 전력량 미만으로 차이날 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 단계적으로 제어하는 단계는,
상기 배터리의 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어하는 단계를 포함하는, 전력 제어 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 단계적으로 출력되도록 제어하는 단계는,
상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 전력 제어 방법.
배터리 랙;
상기 배터리 랙과 연동하여 DC-DC 변환을 수행하는 복수의 컨버터;
상기 DC-DC 컨버터 및 부하와 연결되는 전력변환시스템(Power Conversion System, PCS); 및
상기 DC-DC 컨버터와 연결되어 상기 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는 전력 제어 장치;를 포함하고,
상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해,
상기 PCS의 출력 전력의 입력단과 상기 컨버터의 출력단 사이의 DC링크부의 전압을 감지하고, 상기 DC링크부의 전압 변화에 따른 상기 PCS의 출력 전력 변화를 바탕으로 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해,
상기 배터리의 전류를 제어하여 상기 배터리의 출력 전력을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해,
상기 PCS의 출력 전력이 상기 배터리의 기정의된 정격 전력 값을 초과하면, 상기 배터리가 기정의된 피크 전력 값으로 출력하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 컨버터는,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 때, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 정격 전력의 차이가 기정의된 임계 전력량 이상이면, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 컨버터는,
상기 배터리의 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제1 기간 이상일 때, 상기 PCS의 출력 전력과 상기 배터리의 정격 전력의 차이가 기정의된 임계 전력량 미만이면, 상기 전력 제어 장치에 의해, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 단계적으로 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 19에 있어서,
상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해,
상기 배터리가 피크 전력을 기준으로, 기설정된 제2 기간 동안 상기 임계 전력량을 단계적으로 감소시켜 출력되도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
청구항 20에 있어서,
상기 컨버터는, 상기 전력 제어 장치에 의해,
상기 피크 전력 출력 기간이 기정의된 제2 기간을 초과할 경우, 상기 배터리가 정격 전력으로 출력되도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.