WO2016105104A1

WO2016105104A1 - 에너지저장장치의 soc 관리 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: WO2016105104A1
Application number: PCT/KR2015/014130
Authority: WO
Inventors: 안건호; 최인선; 원동준; 최진영; 이상지
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-06-30
Also published as: EP3261049A1; EP3261049B1; KR20160076377A; EP3261049A4; US10234510B2; US20180003772A1; KR101674433B1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하여 구성되는 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 관리 시스템에 관한 것으로서, 상기 에너지저장장치의 잔존용량(SOC) 관리 시스템은 에너지저장장치 각각의 출력을 결정하는 드룹계수와 기준주파수 및 부동대를 근거로 이루어지는 P-f(유효전력-주파수) 드룹 제어를 수행하여 상기 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법

본 발명은 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 출력 응답이 빠른 에너지저장장치를 통해 각 장치들의 잔존용량(State Of Charge; 이하 'SOC')을 고려하여 주파수 제어 운전을 함으로써, 계통운영자에게 신뢰성을 주고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 부하량 변동에 따른 주파수 변동을 최소화하여 고품질의 전력을 제공하기 위해서는, 복수의 에너지저장장치에 있어서 각 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge)에 따라 사용 순서를 정해 상기 각각의 에너지저장장치가 필요로 하는 충전 및 방전을 수행하여 일정한 주파수를 유지할 수 있다.

이에, 종래기술에 따른 에너지저장장치의 경우, 계통부로 공급되는 주파수가 미리 결정된 값보다 하강하면 방전되고, 미리 결정된 값보다 상승하면 충전되도록 동작한다. 그리고 별도의 예비전력부가 다수 에너지저장장치들의 잔존용량을 비교하여 상기 에너지저장장치들의 사용 우선순위를 결정하고, 상기 에너지저장장치들의 시장 참여 개수를 결정하는 방식으로 이루어져 있다.

즉, 종래기술에 따르면, 에너지저장장치의 잔존용량에 따라서 다수 에너지저장장치의 사용 우선순위를 결정함으로써, 상기 다수 에너지저장장치들의 시장 참여 개수와 탈락 여부를 결정하고, 계통부로 공급되는 주파수 하강시에 에너지가 방전되고, 상기 계통부로 공급되는 주파수 상승시에는 에너지가 충전되도록 구현된다.

그러나, 종래기술에 따르면, 에너지저장장치의 잔존용량이 다른 기준을 초과할 경우에 계통에서 탈락할 수 있게 된다.

이러한 시스템의 경우, 시장 참여에서 탈락된 에너지저장장치가 주파수 제어신호에 반응하지 못해 사용자가 받는 인센티브가 감소하게 되며, 주파수 제어 불참에 따른 불이익을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 에너지저장장치의 잔존용량을 안정적으로 운영할 수 있는 시스템이 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지저장장치가 주파수응답 보조서비스를 수행함으로써, 기존에 증감발 운전하던 발전기가 정출력을 통해 계통에 총 발전량을 늘릴 수 있는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 에너지저장장치를 유효전력-주파수(P-f) 드룹제어를 통한 조속기개방제어(Governor Free Control; GFC) 및 에너지저장장치의 잔존용량을 고려한 SOC 관리 알고리즘을 통해, 에너지저장장치가 탈락 없이 주파수제어에 항상 참여할 수 있도록 구현하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 관리 시스템은, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하여 구성되는 것으로서, 에너지저장장치 각각의 출력을 결정하는 드룹계수와 기준주파수 및 부동대를 근거로 이루어지는 P-f(유효전력-주파수) 드룹 제어를 수행하여 상기 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 방법은, 적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하여 구성되는 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 관리 시스템에 적용되는 것으로서, 에너지저장장치 각각의 출력을 결정하는 드룹계수와 기준주파수 및 부동대를 근거로 이루어지는 P-f(유효전력-주파수) 드룹 제어를 수행하여 상기 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법은, 에너지저장장치가 주파수응답 보조서비스를 수행함으로써, 기존에 증감발 운전하던 발전기가 정출력을 통해 계통에 총 발전량을 늘릴 수 있다는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법은, P-f 드룹제어를 통해 SOC 상태에 따라 에너지를 유연하게 관리하여 많은 에너지 시장에 참여함으로써, 효율성이 높고 이윤을 극대화시킬 수 있는 에너지 관리 시스템을 제공할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 P-f 드룹 제어를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치 잔존용량(SOC)에 따른 기준주파수의 이동을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준주파수가

만큼 이동한 P-f 드룹 제어를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 다양한 양상들이 아래에서 설명된다. 여기에서 제시되는 발명들은 폭넓은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에서 제시되는 임의의 특정한 구조, 기능 또는 이들 모두는 단지 예시적이라는 것을 이해하도록 한다. 여기에서 제시되는 발명들에 기반하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기에서 제시되는 하나의 양상이 임의의 다른 양상들과 독립적으로 구현될 수 있으며, 둘 이상의 이러한 양상들이 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 여기에서 설명되는 임의의 수의 양상들을 이용하여 장치가 구현될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 여기에서 설명되는 하나 이상의 양상들에 더하여 또는 이들 양상들이 아닌 다른 구조, 기능 또는 구조 및 기능을 이용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템은 P-f(유효전력-주파수) 드룹제어를 수행하여 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것으로서, 도 1은 P-f 드룹 제어의 경우, 주파수에 따른 출력을 결정하는 드룹계수(

), 신호에 반응하지 않는 부동대(Dead Band;

,

} )와 기준주파수(

)를 나타내는 그래프이다.

도 1에 도시된 바를 참조하면, 유효전력의 출력량과 주파수의 변화량은 아래의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.

수학식 1은 부동대 초과 주파수에서의 출력을 나타내는 것이고,

수학식 2는 부동대 미만 주파수에서의 출력을 나타내는 것이다.

일반적으로, P-f 드룹 제어의 출력은 계통의 현재 주파수

와 드룹계수

에 의해서 결정될 수 있다.

즉, 에너지저장장치는 계통의 현재 주파수

를 신호로 받아 상기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 결정된 출력량만큼 충전과 방전을 반복함으로써 주파수를 제어할 수 있다. 이때, 에너지저장장치의 SOC는 현재의 SOC와 출력을 낸 후의 SOC의 합으로 나타내며, 아래와 같은 수학식 3 및 수학식 4에 의해 결정된다.

아래의 수학식에서

는 저장 가능한 총 에너지량(Wh)을 나타낸다.

수학식 3은 충전시의 SOC 출력을 나타내며,

수학식 4는 방전시의 SOC 출력을 나타낸다.

상기 수학식 3 및 수학식 4에서, SOC는 t시간에서의 출력량

와 충전/방전 효율

에 의해 결정될 수 있다.

이때, 상기한 수학식들을 이용해 결정된 SOC가 100을 초과하거나 0 미만이 된다면, 에너지저장장치는 정상적인 작동이 불가능하다. 또한, 여기서 사용자가 SOC 범위를 임의로 설정한 경우라면, 상기 설정된 범위의 하한값 미만이 되거나 상한값을 초과하는 경우에도 상기 에너지저장장치는 정상적인 작동이 불가능하다.

이에, 에너지저장장치의 SOC에 따라, 기준주파수를 조절하여 부동대의 위치를 변화시킴으로써, 충전과 방전의 비율을 조절하는 알고리즘을 적용할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지저장장치는 잔존용량(SOC)을 근거로 기준주파수를

만큼 이동시킬 수 있다.

즉, 에너지저장장치의 현재 SOC가 기설정된 SOC의 하한

와 상한

의 범위 내에 존재할 경우, 사용자는 상기 에너지저장장치가 초기 설정된 기준주파수

에 따라 출력을 내도록 설정할 수 있다. 이때, 출력중인 에너지저장장치의 SOC가 상한 기준

을 넘어가게 되면, 기준주파수

가 상승하게 되고,

만큼 이동하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준주파수가

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 P-f 드룹 제어에 의해 기준주파수

가

만큼 이동하게 된다. 상기 기준주파수

는 60Hz이고, 상기 부동대는 기준주파수에 의해 변동될 수 있다. 즉, 상기 부동대는 기준주파수의 변동에 상응하게 변경될 수 있으며, 부동대의 변경에 따라 부동대가 충전쪽에 위치할 경우는 에너지저장장치가 충전신호에 더 많은 반응을 하게 되고, 부동대가 방전쪽에 위치할 경우는 에너지저장장치가 방전신호에 더 많은 반응을 하게 되는 것이다.

상기와 같이, 본 발명에 따르면, 기준주파수

의 변화에 따른 부동대의 이동에 의해 에너지저장장치는 SOC에 따라서 충전과 방전의 비율을 변화시켜 안정적인 SOC를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 제어 방법은 에너지저장장치 시스템의 각 에너지저장장치 SOC에 따라서 기준주파수를 이동시켜 에너지저장장치의 충방전 범위를 능동적으로 조절함으로써 에너지저장장치의 SOC를 안정적으로 유지할 수 있다.

우선, 상기 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템이, 상기 에너지저장장치 시스템을 이루고 있는 에너지저장장치 각각의 현재 SOC를 계산하는 현재 SOC 계산 단계[S411] 및 상기 계산된 SOC가 미리 설정된 범위(

) 내에 포함되는지 여부를 판단하는 SOC 위치 판단 단계[S412]를 수행할 수 있다. 이때, 상기 현재 SOC 계산 단계[S411]에서는 상기 에너지저장장치 시스템을 이루고 있는 각각의 에너지저장장치의 SOC를 계산할 수 있다. 이때, 상기 계산된 SOC는

라 명명하고,

는 0 ~ 100[%]로 나타낼 수 있다.

그리고, 상기 SOC 위치 판단 단계[S412]의 판단결과, 상기 SOC가 설정 범위 내에 존재할 경우, 기준주파수를 변경하는 기준주파수 변경 단계[S413]를 수행할 수 있다. 즉, 상기 기준주파수 변경 단계[S413]는 현재 SOC에 따라서 기준주파수를 유지, 증가 또는 감소시키는 단계이다. 다시 말해서,

가

이상이면 기준주파수를 증가시키고,

이하이면 감소시킬 수 있으며,

가 상한

와 하한

사이에 위치하면 기준주파수는 변화 없이 초기 기준주파수

을 사용할 수 있다.

그런 다음, 상기 기준주파수 변경 단계[S413]에서 변경된 기준주파수를 사용하여 상기 에너지저장장치의 출력량을 결정하여 출력하는 조속기개방제어(Governer Free Control; 이하, 'GFC') 출력 단계[S414] 및 상기 GFC 출력 단계[S414]에서 결정된 에너지저장장치의 출력량을 출력 후, 상기 출력된 출력량을 근거로 상기 에너지저장장치의 SOC를 재산출하는 출력 후 SOC 계산 단계[S415]를 더 수행할 수 있다. 즉, 상기 GFC 출력 단계는 기준주파수

변경단계[S413]에서 설정된 기준주파수를 사용하여 출력량을 계산할 수 있고, 각각의 에너지저장장치는 계산된 출력량만큼 출력[S414]하고 난 후, 출력 후 SOC 계산 단계[S415]로 이어질 수 있다. 이때,

가 상한

와 하한

사이에 위치하는 에너지저장장치는 모두 출력 후 SOC 위치판단단계[S412]로 이어질 수 있다.

그리고 상기 출력 후 SOC 계산단계[S415]는 GFC 출력 후의 에너지저장장치의 SOC를 계산하고, 출력 후 SOC의 위치판단 단계[S416]로 이어질 수 있으며, 이때 계산된 SOC는

이라 명명할 수 있다.

한편, 현재 SOC 계산 단계[S411]에서 계산된 현재 SOC가 미리 설정된 범위(

) 안에 있는지 여부를 판단하여 상기 SOC 위치 판단 단계[S412]의 판단결과, 상기 SOC가 설정 범위 내에 존재하지 않을 경우, 현재 SOC가 출력 후 SOC 보다 큰지 여부를 판단[S416]할 수 있다.

상기 판단결과, 상기 현재 SOC가 출력 후 SOC보다 작은것으로 판단(

)될 경우[S416]는, 기준주파수를 증가[S417]시켜 GFC를 출력[S418]한 후, P-f 드룹 제어 알고리즘을 적용한 후 SOC값(

)을 다시 계산[S419]할 수 있다. 그런 다음, 이전 단계에서 계산된

와

의 위치를 다시 판단[S420]하여,

가

이상이었던 에너지저장장치의

가 여전히

이상이면, 기준주파수

변경 단계[S417]로 돌아가 기준주파수를 다시 증가시킨다.

반면, 상기 판단결과, 상기 현재 SOC가 출력 후 SOC보다 큰 것으로 판단(

)될 경우[S416]는, 기준주파수를 감소[S421]시켜 GFC를 출력[S422]한다. 그리고 P-f 드룹 제어 알고리즘을 적용한 후 SOC값(

)을 다시 계산[S423]하고, 이전 단계에서 계산된

와

의 위치를 다시 판단[S424]하여,

가

이상이었던 에너지저장장치의

가 여전히

이상이면, 기준주파수

변경 단계[S421]로 돌아가 기준주파수를 다시 증가시킨다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법은, 에너지저장장치가 주파수 응답 보조서비스인 조속기개방제어를 수행하게 되어, 계통의 총 발전량을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법은, 기준주파수가 SOC에 따라 이동하므로, 에너지저장장치의 SOC 증가 또는 감소를 완만하게 조절하여 SOC를 안정적으로 유지할 수 있으며, 에너지저장장치가 완전 충전 또는 완전 방전되는 것을 사전에 방지하여 응답성의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

본 발명은 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 에너지저장장치 분야에서 이용가능하다.

Claims

적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하여 구성되는 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 관리 시스템에 있어서,

상기 에너지저장장치의 잔존용량(SOC) 관리 시스템은

에너지저장장치 각각의 출력을 결정하는 드룹계수와 기준주파수 및 부동대를 근거로 이루어지는 P-f(유효전력-주파수) 드룹 제어를 수행하여 상기 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 P-f 드룹 제어는

상기 에너지저장장치 각각의 잔존용량에 따라 기준주파수를 결정하는 기준주파수-잔존용량(SOC) 제어를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템은,

상기 에너지저장장치 시스템을 이루고 있는 에너지저장장치 각각의 SOC를 계산하는 현재 SOC 계산 단계;

상기 현재 SOC 계산 단계에서 계산된 SOC가 미리 설정된 범위 안에 있는지 여부를 판단하는 SOC 위치 판단 단계;

상기 SOC 위치 판단 단계에서 상기 SOC가 설정 범위 내에 존재하는지 여부를 판단하여 판단결과를 근거로 기준주파수를 변경하는 기준주파수 변경 단계;

상기 기준주파수 변경 단계에서 변경된 기준주파수를 사용하여 상기 에너지저장장치의 출력량을 결정하여 출력하는 조속기개방제어(Governer Free Control; 이하, 'GFC') 출력 단계;

상기 GFC 출력 단계에서 결정된 에너지저장장치의 출력량을 출력 후, 상기 출력된 출력량을 근거로 상기 에너지저장장치의 SOC를 재산출하는 출력 후 SOC 계산 단계; 및

상기 출력 후 SOC 계산 단계에서 재산출된 SOC와 현재 SOC 계산 단계에서 계산된 SOC를 비교하여 상기 기준주파수 변경 단계로 이동할지 혹은 현재 SOC 계산 단계로 이동할지 여부를 판단하는 출력 후 SOC의 위치 판단 단계;

를 포함하여 상기 P-f 드룹 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 드룹계수는 3%, 상기 부동대는 0.04%로 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 SOC 범위는 40%~60%로 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템.
적어도 하나의 에너지저장장치를 포함하여 구성되는 에너지저장장치의 잔존용량(State Of Charge; SOC) 관리 시스템의 SOC 관리 방법에 있어서,

상기 에너지저장장치의 SOC 관리 시스템은

에너지저장장치 각각의 출력을 결정하는 드룹계수와 기준주파수 및 부동대를 근거로 이루어지는 P-f(유효전력-주파수) 드룹 제어를 수행하여 상기 에너지저장장치의 SOC를 관리하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 P-f 드룹 제어는

상기 에너지저장장치 각각의 잔존용량에 따라 기준주파수를 결정하는 기준주파수-잔존용량(SOC) 제어를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 상기 P-f 드룹 제어는

상기 에너지저장장치 시스템을 이루고 있는 에너지저장장치 각각의 SOC를 계산하는 현재 SOC 계산 단계;

상기 현재 SOC 계산 단계에서 계산된 SOC가 미리 설정된 범위 안에 있는지 여부를 판단하는 SOC 위치 판단 단계;

상기 SOC 위치 판단 단계에서 상기 SOC가 설정 범위 내에 존재하는지 여부를 판단하여 판단결과를 근거로 기준주파수를 변경하는 기준주파수 변경 단계;

상기 기준주파수 변경 단계에서 변경된 기준주파수를 사용하여 상기 에너지저장장치의 출력량을 결정하여 출력하는 조속기개방제어(Governer Free Control; 이하, 'GFC') 출력 단계;

상기 GFC 출력 단계에서 결정된 에너지저장장치의 출력량을 출력 후, 상기 출력된 출력량을 근거로 상기 에너지저장장치의 SOC를 재산출하는 출력 후 SOC 계산 단계; 및

상기 출력 후 SOC 계산 단계에서 재산출된 SOC와 현재 SOC 계산 단계에서 계산된 SOC를 비교하여 상기 기준주파수 변경 단계로 이동할지 혹은 현재 SOC 계산 단계로 이동할지 여부를 판단하는 출력 후 SOC의 위치 판단 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 드룹계수는 3%, 상기 부동대는 0.04%로 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 SOC 범위는 40%~60%로 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 SOC 관리 방법.