WO2019156350A1 - Ess의 과부하 운전 방법 및 장치 - Google Patents

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WO2019156350A1
WO2019156350A1 PCT/KR2018/016761 KR2018016761W WO2019156350A1 WO 2019156350 A1 WO2019156350 A1 WO 2019156350A1 KR 2018016761 W KR2018016761 W KR 2018016761W WO 2019156350 A1 WO2019156350 A1 WO 2019156350A1
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WO
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power
ess
overload
line
absorption target
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/016761
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김영욱
박종형
Original Assignee
효성중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating an ESS, and more particularly, to an apparatus and a method for performing an overload operation when a power absorption larger than the remaining chargeable capacity is required.
  • ESS Electronicgy Storage System
  • Renewable energy sources which are being actively developed, into high quality power.
  • it is necessary to link wind power generation and solar power generation systems with high output variability to the grid.
  • the principle of energy storage is to receive electrical energy from the power system, store it as ionization, kinetic energy, physical compression and chemical energy, convert it into electrical energy when needed, and supply it to the power system.
  • Medium and large energy storage devices can be classified into various types.
  • Lithium ion battery is a representative secondary battery, there is a separator and an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode to store and discharge energy as lithium ions move.
  • it is still economically disadvantageous, its output characteristics and efficiency are good, and its range of application has recently been widened.
  • a plurality of unit BESSs having a battery pack composed of lithium ion batteries are provided for a single target site. In this way, the disadvantages of economics and the lifespan of lithium ion battery life are compensated for.
  • a regenerative braking method that is, a method of recovering kinetic energy of an electric vehicle to electric energy again when an accelerated electric vehicle decelerates for stopping to save energy.
  • the regenerative braking method not only reduces the power consumption of the entire system, but also has the advantage of preventing noise problems caused by mechanical braking and wear of the brake shoes.
  • the power generated by the regenerative braking method may be stored in an ESS installed in a railroad car or an ESS installed in a railroad substation for use when needed.
  • An object of the present invention is to provide an overload operation method and apparatus for an ESS that performs overload operation when power absorption larger than the remaining chargeable capacity is required.
  • An overload operation method of an ESS includes the steps of: determining a power absorption target for the ESS by monitoring a line wire through which power is input and output; Monitoring a battery of the ESS to calculate a charging limit of the ESS; Generating an overload operation PWM signal according to a degree of exceeding the power absorption target when the power absorption target exceeds the charging limit; And bypassing and consuming power input from the line to the PCS of the ESS according to the overload driving PWM signal.
  • the excess amount of the power absorption target is calculated as a difference between the power absorption target and the charging limit of the ESS, and the duty ratio of the overload driving PWM signal is set to the charge limit of the ESS. Can be adjusted based on the ratio of excess of the power absorption target to.
  • the regenerative braking power generation capacity of the vehicle or the rated input of the ESS as the power absorption target. You can decide.
  • the detecting of the regenerative braking of the vehicle may be confirmed from an increase in slope of the line line voltage or power or an increase range of the line line voltage or power.
  • detecting that the regenerative braking of the vehicle is generated may be confirmed by receiving the regenerative braking power generation from the vehicle or by receiving the regenerative braking power generation from the control facility monitoring the vehicle in real time.
  • an apparatus for overload operation of an ESS including: an information acquisition unit acquiring electrical characteristics of a line through which power is input and output and battery state information of the ESS; A PWM generator configured to generate an overload driving PWM signal according to the excess degree of the power absorption target when the power absorption target derived from the electrical characteristics of the line exceeds the charging limit derived from the battery state information; And an overload circuit that bypasses and consumes power input from the line to the PCS of the ESS according to the overload operation PWM signal.
  • the overload circuit is a resistor located between the + input terminal and the-input terminal of the PCS of the ESS to consume the overload power, and a switch for passing the power through the resistor, the IGBT to the overload operation PWM signal is input to the gate It may include.
  • the demand power prediction unit for predicting the power demand in the line section; And a controller for controlling the normal charge / discharge operation of the ESS.
  • SOC limitations allow the ESS system to achieve its rated power absorption target continuously even when the battery is under charge limit.
  • ESS system can achieve power absorption target through distribution of discharge resistance and ESS system even if power absorption target value larger than design capacity occurs on railroad line with high volatility such as railroad vehicles coming in and going out aperiodically. There is an advantage to increase the reliability of the ESS.
  • the ESS system can be operated even in the overload region, thereby increasing the operation rate after the ESS system is installed.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a railway track system to which an energy storage device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an ESS overload driving device and an ESS according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an embodiment of the overload circuit of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an embodiment of an overload driving method of an ESS performed by the ESS driving apparatus of FIG. 2.
  • first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a component When a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be understood that the component may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. .
  • the PCS input terminal consumes only the difference between the target charge value and the charge limit value of the current ESS system.
  • the auxiliary discharge resistance circuit can be used to absorb the amount of power targeted by the ESS system.
  • the PWM signal is calculated and controlled so that only the difference between the charge limit of the current ESS system and the amount of power to be absorbed is dissipated from the discharge resistance.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a railway track system to which an energy storage device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • a railway track system to which an energy storage device according to an exemplary embodiment of the present invention is applied includes a railroad electric vehicle by providing power receiving power provided from the track substation 20 to a wire electrically connected to the railway electric vehicle. To be powered and operated.
  • the illustrated energy storage device 400 may receive power from the wire of the track and store the power, or supply the stored power to the wire of the track.
  • a plurality of substations 20 may be provided in a train railway section (including a high-speed railway), and each substation 20 divides a division (that is, a charge track section) in charge of power supply. Since the number of railroad trains and the operating time are different for each division in charge of each substation 20 and there is a difference in demand power, it is preferable that one energy storage device 400 is provided for each substation 20.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an ESS overload driving apparatus and an ESS according to an embodiment of the present invention.
  • the ESS overload driving device is disposed separately from the ESS.
  • the ESS overload driving device of the present invention may be disposed inside the ESS.
  • the illustrated ESS overload driving device includes: an information acquisition unit 210 for acquiring electrical characteristics of a line through which power is input and output and battery 460 (charge) state information of the ESS 400; If the power absorption target (for ESS) derived from the electrical characteristics of the line exceeds the charging limit derived from the battery state information, the PWM generator 240 generates an overload operation PWM signal according to the excess of the power absorption target. ); And an overload circuit 260 that bypasses and consumes power input from the line to the PCS 420 of the ESS 400 according to the overload driving PWM signal.
  • the information acquisition unit 210 directly detects an electrical characteristic (voltage / current, etc.) of the line end, or obtains an electrical characteristic of the line end from the monitoring information of the electrical characteristic of the input / output terminal of the PCS 420 of the ESS 400. Predictable.
  • the information acquisition unit 210 receives the state information of the battery 460 from the BMS 480 of the ESS 400, directly detects electrical characteristics (voltage / current, etc.) of the line end, or the ESS 400
  • the charging state of the battery 460 may be predicted from the monitoring information of the electrical characteristics of the PCS 420 input / output terminals of the PCS 420.
  • the state of charge information includes a state of charge (SOC) and a maximum charge capacity, and may further include a state of health (SOH).
  • SOC state of charge
  • SOH state of health
  • the information acquisition unit 210 calculates electrical characteristics (voltage, current, etc.) detected at points on a power supply line to a grid or a load, and thus information on power demand of a load connected to the grid, that is, power consumption. Information about the state can be calculated.
  • Information obtained by the information acquisition unit 210 may be stored in a separate storage unit (not shown), and may be used for relatively long-term monitoring or pattern derivation.
  • the SOC and the maximum charging capacity of the ESS 400 measured at a predetermined cycle (monitoring time interval) may be stored in the storage unit.
  • the PWM generation unit 240 generates an overload operation PWM signal required to perform the ESS overload operation method according to the spirit of the present invention.
  • the overload operation PWM signal is for controlling a switch of the overload circuit installed at the input terminal of the PCS 420 of the ESS.
  • the overload circuit 260 may include a resistor positioned between the + input terminal and the ⁇ input terminal of the PCS of the ESS to consume an overload power and a switch for passing power through the resistor.
  • the ESS driving apparatus 100 including the illustrated overload driving apparatus 200 may include: a demand power predicting unit 110 for predicting demand power in a charge line section; And a controller 150 for controlling the normal charge / discharge operation of the ESS.
  • the demand power prediction unit 110 uses the power consumption pattern of the railway substation and the train operation diagram in the track line section in which the railway substation should supply power, and calculates the demand power of the power substation section of the railway substation during the day. Predict.
  • the power demand prediction unit 110 may create a database storing the power consumption pattern of the railway substation for each hour in order to predict the demand power, and the demand power prediction unit 110 may be in charge of the railway substation line (power supply section). You can create a database that stores diagrams of railway operations in.
  • the demand power prediction unit 110 by using the database storing the hourly power consumption pattern of the railway substation and the database storing the train operation diagram, matching the power consumption by time of the day and train (electric train) operation information of the power consumption -Correlation of train operation can be derived and power consumption can be estimated for each hour of the day.
  • the demand power prediction unit 11 may be installed with a program that implements an information processing algorithm that can match the power consumption by time of day and railway train operation information and predict the power consumption according to the result.
  • the controller 150 determines a time period during which charging is performed and a time period during which discharge is performed according to demand power for each time of a predetermined period (for example, one day), and in the energy storage device 400 in a mode determined for the corresponding time period.
  • the energy storage device 400 may be driven to perform the charging and discharging operation of the battery 460.
  • the controller 150 may compare the actual demand power obtained from the electrical characteristic measurement value of the charge line section with the preset reference power to discharge the ESS 400 when exceeding the reference power, and to charge the ESS 400 when it is less than the reference power. Can be. To this end, the controller 150 may receive necessary information from the information acquisition unit 210 and / or the BMS 480 of the ESS.
  • FIG. 3 illustrates one embodiment of an overload circuit 260.
  • the illustrated overload circuit is a structure having a path for consuming overload power by using an IGBT as a switch connected in series with a resistor for the + line and the-line of the line wire.
  • the overload driving PWM signal is input to the gate of the IGBT, and the input power in the line line flows to the resistor in the turn-on period of the overload driving PWM signal. Since the power flowing to the resistor is consumed by heat generation, since the overload power is consumed without being input at the PCS input terminal, the battery of the ESS is not burdened. In addition, as compared to the conventional technology of charging and discharging some battery blocks immediately, unnecessary charge and discharge times are reduced, which helps to extend the life of the battery.
  • the ESS (more specifically, at the PCS input terminal) directly absorbs the overload power immediately, thus contributing to the electrical stabilization of the line. It is possible to prevent the power generation structure due to regenerative braking, which does not operate, resulting in a decrease in braking force.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of an overload operation method of an ESS performed by the ESS driving apparatus of FIG. 2.
  • the overload operation method of the illustrated ESS may include: determining a power absorption target for the ESS by monitoring a line wire through which power is input and output (S10); Monitoring a battery of the ESS to calculate a charging limit of the ESS (S20); Generating an overload driving PWM signal according to the degree of excess of the power absorption target when the power absorption target exceeds the charging limit (S30); And bypassing and consuming power inputted from the line to the PCS of the ESS according to the overload driving PWM signal (S60).
  • the power absorption target may be determined according to various algorithms.
  • the power absorption target may be defined by the power absorption amount and power absorption time per unit time, or may be defined only by the power absorption amount per unit time.
  • the amount of power absorption per unit time may be the power value W itself, and in the latter case, the power absorption time may be regarded as the same fixed time. More specifically, "power absorption amount per unit time * power absorption time" may be a power absorption target.
  • the current power of the line is obtained from the measured voltage and current of the line, and the power absorption target may be calculated with respect to the power obtained by subtracting the normal power (recommended power) of the line from the obtained current power.
  • the rated input (power, current, etc.) of the ESS can be set as the power absorption target.
  • the rated input of the ESS may be set as a power absorption target.
  • the step of calculating the charging limit of the ESS may be performed by receiving information on the charging limit from the BMS of the ESS, and the "maximum power storage capacity * (100%-) of the ESS battery. Current SOC) "may be used to calculate the charge limit of the ESS.
  • the excess amount of the power absorption target may be calculated as a numerical value representing the degree of excess of the power absorption target, that is, the difference between the charge limit of the power absorption target and the ESS. Can be calculated.
  • the difference between the power absorption target and the charging limit of the ESS may be a power amount (Wh), and as the amount of power (Wh), an excess amount of the power absorption target with respect to the charging limit of the ESS may be calculated.
  • the duty-ratio of the overload operation PWM signal is a ratio of the turn-on time of the IGBT serving as the overload circuit switch of FIG. 3, and the higher the turn-on duty ratio, the higher the turn-on duty ratio does not transfer the power input from the line to the ESS battery. It means to consume by exotherm.
  • the duty ratio of the overload driving PWM signal may be adjusted based on the excess amount of the power absorption target, or may be adjusted based on the ratio of the excess amount of the power absorption target to the charging limit of the ESS.
  • the excess amount of the power absorption target and the charging limit of the ESS may be calculated by the amount of power, or may be calculated by the power (that is, the amount of power per unit time).
  • the turn-on duty ratio may be adjusted to 10% for the excess amount of 0.1 kWh of the power absorption target, and in this case, when the excess amount of 1 kWh of the power absorption target is exceeded, all power input from the line generates heat of resistance. Consumed.
  • the duty ratio is adjusted by the ratio of P2 and P3 among P1, P2, and P3 shown in FIG. P3 is an excess of the power absorption target, and P2 is a charge limit of the ESS.
  • P3 is an excess of the power absorption target
  • P2 is a charge limit of the ESS.
  • the turn-on duty of the PWM input to the gate of the IGBT is P3: P2. (% Is P3 / (P2 + P3)% of the entire PWM period. )
  • the ESS facility according to the spirit of the present invention is also advantageously installed at the site where the power facility (particularly, the substation device) is installed. In this case, the section of the entire railway track where the ESS facility is responsible for power charging and discharging. It is clearly distinguished.
  • the added power generated by the regenerative braking of trains has a considerable impact that cannot be ignored in terms of power stability, and the charging capacity of the ESS installed on the track rather than the speed of expansion of regenerative braking capable trains.
  • the additional power by regenerative braking may act as an overload which is difficult to absorb to the already installed ESS.
  • additional power due to regenerative braking is required even when a train capable of producing regenerative braking power is not equipped with a separate energy storage device or a sufficient energy storage cannot be performed due to aging of the energy storage device. Acts as an overload that is difficult to absorb. If the overload is not absorbed sufficiently, the line line voltage in the section becomes high, and when the line line voltage is over a certain level, other vehicles running the section line will switch to regenerative braking cutoff and air braking, resulting in reduced braking force. do.
  • the overload driving device of the ESS of the present invention according to the implementation for improving the above-described problem, the additional power by the regenerative braking in the train located in the section responsible for power charging / discharging (that is, moving the section) It can be confirmed that it occurs, and thus can perform the overload operation method of the ESS according to the spirit of the present invention.
  • the step of determining the power absorption target (S10) if the regenerative braking power generation is confirmed in the train located in the line of the charge line of the track regenerative braking power generation (regenerative energy generated from a single electric vehicle)
  • the amount may be performed by setting 40% to 45% of the power consumption as the power absorption target.
  • it may be performed in a manner of identifying trains or types of trains that are in charge of the track line, and obtaining regenerative braking power generation information for the identified trains from the regenerative braking power generation information for each train, and setting this as the power absorption target.
  • the number of trains that can pass at the same time is limited, and the number of trains that can pass at the same time is limited to a certain distance along the entire operating route, and the power (or voltage / current) level of the line depends on the number of trains. Stays constant.
  • the power (or voltage / current) level of the track increases stepwise by the power per unit time consumed by the departing train, and when the train on the corresponding track section enters, As the train enters, the power (or voltage / current) level of the line decreases step by step as the power per unit time consumed.
  • the stepped increase / decrease power state returns to the normal level by the action of the system or the ESS after a considerable time.
  • the voltage / power of the track line increases rapidly for a short time, and the voltage / power increase phenomenon due to the entry / exit of the above-described train section of the train This can be distinguished by the increasing slope and the increasing limit.
  • the slope of the increase in the voltage / power of the track line by the generation of regenerative braking is greater than the slope of the increase in the line voltage / power of the train in / out of the train, and the line of the line / voltage in line by the train in / out of the train.
  • the method of confirming the generation of regenerative braking power generation may be directly informed of the regenerative braking power generation from a train passing through the corresponding track line, or may be notified of the regenerative braking power generation from a control facility that monitors the train in real time.
  • the regenerative energy generated during rapid braking of a railway vehicle is stored in a battery using an ESS system, and an ESS that maintains a constant line voltage by supplying instantaneous energy necessary for rapid acceleration.
  • a driving device for performing the overload operation method of the ESS of the present invention can be installed.
  • the ESS system allows the ESS system to absorb more power than expected when a train vehicle performing regenerative braking enters more than the number of designs and needs to absorb more power than the capacity of the ESS system, or in some accident situations (eg overvoltage situations).
  • the SOC of the battery is not 100%, the power is input from the ESS PCS stage even when the ESS battery cannot charge as necessary to maintain the line voltage because the charge is limited because it is over a certain level (about 80%).
  • the overload power of the line can be absorbed by the ESS system.
  • charging limits can be applied by subtracting the current SOC from the SOC that has been charged.
  • calculating the charging limit of FIG. 4 (S20) may determine the charging limit of the ESS according to the "maximum power storage capacity * (charge limit SOC (eg 80%)-current SOC)" of the ESS battery. Can be calculated
  • overload driving method of the ESS can be applied to a train vehicle performing regenerative braking and storing in the internal ESS.
  • the power input from the ESS PCS stage is required even when the SOC of the ESS battery inside the train needs to absorb a considerable amount of power that is regenerated (generated) by sudden braking of the train when the SOC of the train is above a certain level (approximately 80%) that the charging limit is applied.
  • the ESS system can absorb the overload power of the line in a way that consumes heat, and prevents the braking force from being deteriorated due to insufficient power generation during sudden braking.
  • the advantage of maintaining the initial braking force during the regenerative braking rapid braking of the present invention is not only when the ESS for storing the power generated by the regenerative braking is installed inside the train, but also at one point on the track outside the train such as a substation of the train track. Of course, even if installed.
  • the present invention relates to a method of operating an ESS, which can be used in the field of ESS.

Abstract

본 발명의 ESS의 과부하 운전 방법은, 전력이 입출력되는 선로 가선을 모니터링하여 ESS에 대한 전력 흡수 목표를 정하는 단계; 상기 ESS의 배터리를 모니터링하여 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계; 상기 충전 한도 보다 상기 전력 흡수 목표가 초과한 경우, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계; 및 상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로 가선에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계에서는, 상기 전력 흡수 목표와 상기 ESS의 충전 한도의 차이로서 전력 흡수 목표의 초과량을 산출하고, 상기 과부하 운전 PWM 신호의 듀티비를 상기 ESS의 충전 한도에 대한 상기 전력 흡수 목표의 초과량의 비율을 기준으로 조정할 수 있다.

Description

ESS의 과부하 운전 방법 및 장치
본 발명은 ESS의 운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 남은 충전 가능 용량 보다 큰 전력 흡수가 필요한 경우, 과부하 운전을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
ESS(Energy Storage System)는 최근 활발하게 개발되고 있는 신재생 에너지원을 고품질 전력으로 전환 후 전력망에 연계하는데 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. 특히 출력 변동성이 큰 풍력 발전과 태양광 발전 시스템을 계통에 연계할 때 필요한 장치이다.
에너지 저장의 원리는 전력 계통으로부터 전기 에너지를 받아 이온화, 운동 에너지화, 물리적 압축 및 화학적 에너지로 저장하였다가 필요한 시기에 전기 에너지로 변환하여 전력 계통에 공급하는 것이다. 중대형 에너지 저장 장치는 다양한 종류로 분류될 수 있다. 리튬 이온 전지는 대표적인 이차 전지로서 양극과 음극 사이에 분리막과 전해질이 있어 리튬 이온이 이동하면서 에너지를 저장하고 방전한다. 아직은 경제성에 단점이 있으나, 출력 특성과 효율이 양호하여 최근 적용 범위가 넓어지고 있으며, 특히, 리튬 이온 전지들로 구성된 배터리 팩을 구비한 단위 BESS들을 하나의 목적 사이트에 대하여 다수 개 구비하여 전체 ESS를 구성하는 방식으로 경제성의 단점 및 리튬 이온 전지 수명의 단점을 보완하고 있다.
최근 전동차의 제동방식으로는 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속을 하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다. 이러한 회생제동방식은 전체 시스템의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 채용범위가 점차 확대되고 있다.
회생제동방식으로 생성된 전력은 필요할 때 사용할 수 있도록, 철도 차량에 설치된 ESS에 저장되거나, 철도 선로 변전소 등에 설치된 ESS에 저장될 수 있다.
그런데, 상기 회생제동방식으로 생성된 전력을 저장하는 ESS의 배터리가 충분히 완충되어, 회생제동방식으로 생성된 전력을 상기 배터리가 흡수하지 못하는 경우, 철도 선로에 전기적으로 충격으로 작용하거나, 열차의 제동력을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
상당 수의 ESS는 배터리의 과충전 방지를 위해, 과충전되는 배터리를 일부 단락시켜 충전 전력을 소모시키는 회로를 구비하고 있으나, 이는 배터리나 BMS에서 수행되어 상기 철도 선로에 가해지는 전기적 충격을 즉각적으로 흡수할 수 없으며, 열차의 제동력 감소에 대하여 의미있는 개선이 되지 못하였다.
본 발명은 남은 충전 가능 용량 보다 큰 전력 흡수가 필요한 경우, 과부하 운전을 수행하는 ESS의 과부하 운전 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 ESS의 과부하 운전 방법은, 전력이 입출력되는 선로 가선을 모니터링하여 ESS에 대한 전력 흡수 목표를 정하는 단계; 상기 ESS의 배터리를 모니터링하여 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계; 상기 충전 한도 보다 상기 전력 흡수 목표가 초과한 경우, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계; 및 상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로 가선에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계에서는, 상기 전력 흡수 목표와 상기 ESS의 충전 한도의 차이로서 전력 흡수 목표의 초과량을 산출하고, 상기 과부하 운전 PWM 신호의 듀티비를 상기 ESS의 충전 한도에 대한 상기 전력 흡수 목표의 초과량의 비율을 기준으로 조정할 수 있다.
여기서, 상기 전력 흡수 목표를 정하는 단계에서는, 선로를 운행하는 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하거나 회생 제동 발전장치로부터 통보받으면, 상기 차량의 회생 제동 발전 용량 또는 상기 ESS의 정격 입력을 전력 흡수 목표로 정할 수 있다.
여기서, 상기 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하는 것은, 상기 선로 가선 전압이나 전력의 증가 기울기 또는 상기 선로 가선 전압이나 전력의 증가 범위로부터 확인할 수 있다.
여기서, 상기 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하는 것은, 상기 차량으로부터 회생 제동 발전을 통보받거나, 상기 차량을 실시간으로 모니터링하는 관제 설비로부터 회생 제동 발전을 통보받아 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 ESS의 과부하 운전 장치는, 전력이 입출력되는 선로의 전기적 특성 및 ESS의 배터리 상태 정보를 획득하는 정보 획득부; 상기 선로의 전기적 특성으로부터 도출된 전력 흡수 목표가 상기 배터리 상태 정보로부터 도출된 충전 한도를 초과하면, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성부; 및 상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 과부하 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 과부하 회로는, 상기 ESS의 PCS의 + 입력단과 - 입력단 사이에 위치하여 과부하 전력을 소모시키는 저항과, 상기 저항에 전력을 통과시키는 스위치로서, 상기 과부하 운전 PWM 신호가 게이트로 입력되는 IGBT를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 선로 구간에서의 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부; 및 상기 ESS의 평상시 충방전 운전을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 ESS 과부하 운전 방법/장치를 실시하면, 배터리에 남은 충전 가능 용량 보다 큰 전력을 원활하게 흡수할 수 있고, 효율적인 과부하 운전이 가능한 이점이 있다.
예컨대, SOC 제한으로 인해 배터리에 대해 충전제한치가 걸릴 때에도 연속적으로 ESS 시스템이 정격 전력 흡수 목표를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 ESS 과부하 운전 방법/장치를 실시하면, 당초 설계용량보다 큰 철도차량이 운전될 때도, ESS 시스템의 증설없이 방전회로만 대용량으로 교체하여 운영 가능한 이점이 있다.
예컨대, 철도차량이 비주기적으로 들어오고 나가는 등 변동성이 큰 철도 가선에 설계 용량보다 큰 전력 흡수 목표치가 발생하여도 ESS 시스템이 방전저항과 ESS 시스템의 전력량 분배를 통하여 전력 흡수 목표를 달성할 수 있어 ESS의 신뢰도를 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 ESS 과부하 운전 방법/장치를 실시하면, 과부하 영역에서도 ESS 시스템이 동작 가능하므로 ESS시스템 설치 후의 가동율을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치가 적용되는 철도 선로 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 과부하 운전 장치 및 ESS를 함께 도시한 블록도.
도 3은 도 2의 과부하 회로의 일실시예를 도시한 회로도.
도 4는 도 2의 ESS 운전 장치가 수행하는 ESS의 과부하 운전 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에서는 ESS시스템의 과부하 운전이 필요할 때, 현재 ESS 시스템의 목표충전치와 충전 제한치의 차이만큼만 PCS 입력단에서 소모시키고자 한다.
예컨대, 과전압 등의 이상전압 발생 시 흡수해야 하는 전력량이 설치된 ESS시스템 용량보다 클 때도 보조적인 방전저항회로를 이용하여 ESS시스템이 목표로 한 전력량을 흡수할 수 있으며, 또한 무조건적으로 정해진 양의 에너지를 열로 소모하는 것이 아니라, 현재 ESS시스템의 충전제한치와 흡수해야 하는 전력량의 차이만큼 만을 방전저항에서 열로 소모할 수 있도록 PWM 신호를 계산하여 제어함으로써 효율적인 과부하 운전이 가능한 ESS 시스템을 구현하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치가 적용되는 철도 선로 시스템을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치가 적용되는 철도 선로 시스템은, 선로 변전소(20)에서 제공되는 수전전력을 철도 전동차와 전기적으로 연결된 가선에 제공함으로써 철도 전동차가 전력을 제공받아 운행되도록 한다. 도시한 에너지 저장 장치(400)는 선로의 가선으로부터 전력을 제공받아 저장하거나, 저장된 전력을 선로의 가선으로 공급할 수 있다.
전철화 철도 구간(고속철도 포함)에는 복수의 변전소(20)가 마련될 수 있으며, 각 변전소(20) 마다 구획(즉, 담당 선로 구간)을 나누어 전력 공급을 담당하고 있다. 각 변전소(20)에서 담당하는 구획마다 운행되는 철도 전동차 수와 운행 시간이 상이하여 수요전력에 차이가 있으므로, 각 변전소(20) 마다 각각 하나의 에너지 저장 장치(400)가 마련되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 과부하 운전 장치 및 ESS를 함께 도시한 블록도이다. 도면에서는 상기 ESS 과부하 운전 장치가 ESS와 별도로 배치되었으나, 다른 구현에서는 본 발명의 ESS 과부하 운전 장치가 ESS의 내부에 배치될 수 있다.
도시한 ESS 과부하 운전 장치는, 전력이 입출력되는 선로의 전기적 특성 및 ESS(400)의 배터리(460)(충전) 상태 정보를 획득하는 정보 획득부(210); 상기 배터리 상태 정보로부터 도출된 충전 한도 보다 상기 선로의 전기적 특성으로부터 도출된 (ESS에 대한) 전력 흡수 목표가 초과하면, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성부(240); 및 상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로에서 상기 ESS(400)의 PCS(420)로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 과부하 회로(260)를 포함한다.
상기 정보 획득부(210)는 선로단의 전기적 특성(전압/전류 등)을 직접 검출하거나, 상기 ESS(400)의 PCS(420) 입/출력단의 전기적 특성의 모니터링 정보로부터 선로단의 전기적 특성을 예측할수 있다.
상기 정보 획득부(210)는 상기 ESS(400)의 BMS(480)로부터 배터리(460)의 상태 정보를 전송받거나, 선로단의 전기적 특성(전압/전류 등)을 직접 검출하거나, 상기 ESS(400)의 PCS(420) 입/출력단의 전기적 특성의 모니터링 정보로부터 배터리(460)의 충전 상태를 예측할수 있다.
여기서, 상기 충전 상태 정보는 SOC(State of Charge) 및 최대 충전 용량을 포함하며, SOH(State of Health) 등을 더 포함할 수 있다.
상기 정보 획득부(210)는, 계통이나 부하로의 전력 공급 라인 상의 지점들에서 검출된 전기적 특성(전압, 전류 등)을 연산하여, 계통에 연결된 부하의 전력 수요에 대한 정보, 즉, 전력 소비 상태에 대한 정보를 산출할 수 있다.
상기 정보획득부(210)에서 획득한 정보들은 별도의 저장부(미도시)에 저장되어, 비교적 장기간의 모니터링이나 패턴 도출에 이용될 수 있다. 예컨대, 상기 저장부에 소정의 주기(모니터링 시간 간격)로 측정된 ESS(400)의 SOC 및 최대 충전 용량이 저장될 수 있다.
상기 PWM 생성부(240)는 본 발명의 사상에 따른 ESS 과부하 운전 방법을 수행하는데 필요한 과부하 운전 PWM 신호를 생성한다. 상기 과부하 운전 PWM 신호는 ESS의 PCS(420) 입력단에 설치된 상기 과부하 회로의 스위치를 제어하기 위한 것이다.
상기 과부하 회로(260)는 ESS의 PCS의 + 입력단과 - 입력단 사이에 위치하여 과부하 전력을 소모시키는 저항 및 상기 저항에 전력을 통과시키는 스위치를 구비할 수 있다.
구현에 따라, 도시한 과부하 운전 장치(200)를 포함하는 ESS 운전 장치(100)는, 담당 선로 구간에서의 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부(110); 및 상기 ESS의 평상시 충방전 운전을 제어하기 위한 제어부(150)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 수요전력 예측부(110)는 철도 변전소의 전력 소비 패턴 및 이 철도 변전소가 전력공급을 하여야 하는 담당 선로 구간 내의 열차 운행 다이어그램을 이용하여, 철도 변전소의 전력 공급 구간의 하루 중 시간별 수요전력을 예측한다.
수요전력 예측부(110)는 수요전력의 예측을 위하여 철도 변전소의 시간별 전력 소비 패턴을 저장한 데이터베이스를 작성할 수 있으며, 또한 수요전력 예측부(110)는 철도 변전소의 담당 선로 구간(전력 공급 구간)에서의 철도 운행 다이어그램을 저장한 데이터베이스를 작성할 수 있다.
한편, 수요전력 예측부(110)는 철도 변전소의 시간별 전력 소비 패턴을 저장한 데이터베이스 및 열차 운행 다이어그램을 저장한 데이터베이스를 이용하여, 하루 중 시간별 소비전력과 열차(전동차) 운행 정보를 매칭시켜 소비전력-전동차 운행의 상관관계를 도출할 수 있으며, 하루 중 시간별 소비전력을 예측할 수 있다. 이를 위해, 수요전력 예측부(11)에는 하루 중 시간별 소비전력과 철도 전동차 운행 정보를 상호 매칭시키고 그 결과에 따라 소비전력을 예측할 수 있는 정보처리 알고리즘을 구현한 프로그램이 설치될 수 있다.
상기 제어부(150)는 소정 기간(예: 하루) 중 시간별 수요전력에 따라 기간 중 충전이 이루어지는 시간구간과 방전이 이루어지는 시간구간을 결정하고, 해당 시간구간에 정해진 모드로 에너지 저장 장치(400) 내 배터리(460)의 충방전 동작이 이루어질 수 있도록 에너지 저장 장치(400)를 운전할 수 있다.
또는, 상기 제어부(150)는 담당 선로 구간의 전기적 특성 측정값으로부터 얻어진 실제 수요전력과 사전 설정된 기준전력을 비교하여 기준전력 보다 초과하면 ESS(400)를 방전하고 미달하면 ESS(400)를 충전할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(150)는 상기 정보 획득부(210) 및/또는 ESS의 BMS(480)로부터 필요한 정보를 전달받을 수 있다.
도 3은 과부하 회로(260)의 일실시예를 도시한다.
도시한 과부하 회로는, 선로 가선의 + 라인과 - 라인에 대하여, 저항 및 이와 직렬로 연결된 스위치로서 IGBT를 이용하여, 과부하 전력을 소모시키는 경로를 구비하는 구조이다.
상기 과부하 운전 PWM 신호는 상기 IGBT의 게이트로 입력되어, 상기 과부하 운전 PWM 신호의 턴온 구간에서는 상기 저항으로 선로 가선에서의 입력 전력이 흐르게 된다. 상기 저항으로 흐르는 전력은 발열로 소모되는 바, PCS 입력단에서 과부하 전력이 입력되지 않고 소모되므로, ESS의 배터리에 무리를 주지 않게 된다. 또한, 충전하였다가 바로 일부 배터리 블록을 방전시키는 종래 기술에 비하여, 불필요한 충방전 회수를 절감하므로, 배터리의 수명 연장에도 도움이 된다.
한편, 과부하 전력이 발생하여 이를 처리하여야 하는 선로 가선 입장에서는, ESS(보다 구체적으로는 PCS 입력단에서)가 과부하 전력을 항상 바로 바로 흡수하는 동작을 수행하므로, 선로 가선의 전기적 안정화에 기여할 뿐만 아니라, 회생제동에 의한 발전 구조가 가동하지 않아 제동력 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 도 2의 ESS 운전 장치가 수행하는 ESS의 과부하 운전 방법의 일 실시예를 도시한다.
도시한 ESS의 과부하 운전 방법은, 전력이 입출력되는 선로 가선을 모니터링하여 ESS에 대한 전력 흡수 목표를 정하는 단계(S10); 상기 ESS의 배터리를 모니터링하여 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계(S20); 상기 충전 한도 보다 상기 전력 흡수 목표가 초과한 경우(S30), 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계(S40); 및 상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로 가선에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
상기 전력 흡수 목표를 정하는 단계(S10)에서는, 다양한 알고리즘에 따라 전력 흡수 목표를 확정할 수 있다.
예컨대, 상기 전력 흡수 목표는, 단위 시간당 전력 흡수량 및 전력 흡수 시간으로 규정되거나, 단위 시간당 전력 흡수량만으로 규정될 수 있다. 상기 단위 시간당 전력 흡수량은 전력값(W) 자체가 될 수 있으며, 후자의 경우, 전력 흡수 시간은 동일한 일정 시간으로 확정된 것으로 볼 수 있다. 보다 구체적으로, "단위 시간당 전력 흡수량 * 전력 흡수 시간" 이 전력 흡수 목표가 될 수 있다.
즉, 상기 선로의 전압 및 전류 측정값으로부터 선로의 현재 전력을 획득하고, 상기 획득된 현재 전력에서 선로의 정상 전력(권장 전력)을 뺀 전력에 대하여, 상기 전력 흡수 목표로 산출할 수 있다.
가장 단순하게는, 상기 선로에 대하여 측정된 전압, 전류, 전력 중 어느 한 값이 소정의 과부하 기준값을 넘으면, ESS의 정격 입력(전력, 전류 등)을 전력 흡수 목표로 정할 수 있다. 예컨대, 철도 차량 내에 설치된 ESS에 적용한 구현의 경우, 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하거나 회생 제동 발전장치 등으로부터 통보받으면, 상기 ESS의 정격 입력(전력, 전류 등)을 전력 흡수 목표로 정할 수 있다.
다음, 상기 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계(S20)에서는, 다양한 알고리즘에 따라 충전 한도를 확정할 수 있다.
예컨대, 상기 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계(S20)는, 상기 ESS의 BMS로부터 충전 한도에 대한 정보를 입력받는 방식으로 수행될 수 있으며, 상기 ESS 배터리의 "최대 전력저장 용량 * (100% - 현재 SOC)" 에 따라 상기 ESS의 충전 한도를 산정할 수 있다.
상기 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계(S40)에서는, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도를 나타내는 수치로서 전력 흡수 목표의 초과량을 산출할 수 있으며, 즉 상기 전력 흡수 목표와 상기 ESS의 충전 한도의 차이를 산출할 수 있다.
예컨대, 상기 전력 흡수 목표 및 상기 ESS의 충전 한도의 차이는 모두 전력량(Wh)이 될 수 있으며, 전력량(Wh)으로서 상기 ESS의 충전 한도에 대한 상기 전력 흡수 목표의 초과량을 산출할 수 있다.
상기 과부하 운전 PWM 신호의 듀티비(duty-ratio)는 도 3의 과부하 회로 스위치 역할을 하는 IGBT의 턴온 시간의 비율이 되며, 턴온 듀티비가 높을수록 선로에서 입력되는 전력을 ESS 배터리로 전달하지 않고 저항에서 발열로 소모시킴을 의미한다.
즉, 턴온 듀티비가 100%인 경우에는 선로에서 입력되는 모든 전력이 저항의 발열로 소모되고, 턴온 듀티비가 0%인 경우에는 선로에서 입력되는 모든 전력이 ESS 배터리로 저장되며, 턴온 듀티비가 40%인 경우에는 선로에서 입력되는 전력의 60%가 ESS 배터리로 저장되고 나머지는 저항의 발열로 소모된다.
상기 과부하 운전 PWM 신호의 듀티비는 상기 전력 흡수 목표의 초과량을 기준으로 조정하거나, 또는, 상기 ESS의 충전 한도에 대한 상기 전력 흡수 목표의 초과량의 비율을 기준으로 조정할 수 있다. 여기서, 상기 전력 흡수 목표의 초과량 및 상기 ESS의 충전 한도는 전력량으로 계산할 수도 있고, 전력(즉, 단위 시간당 전력량)으로 계산할 수도 있다.
예컨대, 전자의 경우 상기 전력 흡수 목표의 초과량 0.1kWh에 대하여 턴온 듀티비 10%로 조정할 수 있고, 이 경우, 상기 전력 흡수 목표의 초과량 1kWh가 초과하면 선로에서 입력되는 모든 전력이 저항의 발열로 소모된다.
후자의 경우는 도 3에 도시한 P1, P2, P3 중 P2와 P3의 비율로 듀티비를 조정하는 것이다. P3는 상기 전력 흡수 목표의 초과량이며, P2는 상기 ESS의 충전 한도이다. 도시한 바와 같이 P3: P2 비율로 전력을 분기하기 위해서는, 상기 IGBT의 게이트에 입력되는 PWM의 턴온 듀티는 P3:P2가 된다.(%로는 전체 PWM 주기의 P3/(P2+P3)%가 된다)
일반적으로 철도 선로 상에 배치되는 변전 장치 등 전력 설비의 경우, 전체 철도 선로 상에서 일부 구간을 담당하도록 설치되어 있어, 각 전력 설비가 담당하는 전체 철도 선로상 구간(담당 선로 구간)은 명확히 구분되어 있다. 본 발명의 사상에 따른 ESS 설비도 상기 전력 설비(특히, 변전 장치)가 설치된 사이트에 함께 설치하는 것이 유리하며, 이 경우, 상기 ESS 설비가 전력 충/방전을 담당하게 되는 전체 철도 선로상 구간도 명확히 구분된다.
철도 선로 가선의 운영 환경에서, 열차의 회생 제동에 의해 생성된 부가 전력은 전력 안정성 측면에서 무시할 수 없는 상당한 충격을 가져오는데, 회생 제동이 가능한 열차의 증설 속도 보다 선로 상에 설치되는 ESS의 충전 용량의 증가 속도가 현저히 낮은 경우, 기 설치된 ESS에 대하여 회생 제동에 의한 부가 전력이 흡수하기 곤란한 과부하로 작용할 수 있다.
또한, 비용상의 문제로 회생 제동 전력 생산이 가능한 열차에 별도의 에너지 저장 장치를 장착하지 않거나, 기 장착된 에너지 저장 장치의 노화로 충분한 에너지 저장을 수행하는 못하는 경우 등에서도, 회생 제동에 의한 부가 전력은 흡수하기 곤란한 과부하로 작용한다. 과부하가 충분히 흡수되지 않으면, 해당 구간의 선로 가선 전압이 높아지며, 선로 가선 전압이 일정 수준 이상이 되면, 해당 구간 선로를 운행하는 다른 차량에서도 회생제동차단 및 공기제동으로 전환하여, 제동력 저하를 가져오게 된다.
상술한 문제점을 개선하기 위한 구현에 따른, 본 발명의 ESS의 과부하 운전 장치는, 전력 충/방전을 담당하는 구간에 위치한(즉, 해당 구간을 이동하고 있는) 열차에서 회생 제동에 의한 부가 전력이 발생함을 확인하고, 이에 따라 본 발명의 사상에 따른 ESS의 과부하 운전 방법을 수행할 수 있다.
상술한 환경에 구현된 경우, 상기 전력 흡수 목표를 정하는 단계(S10)는, 선로의 담당 선로 구간에 위치한 열차에서 회생 제동 발전 발생을 확인하면 상기 열차의 회생 제동 발전량(단일 전동차에서 발생되는 회생에너지량은 소비전력의 40% ~ 45%에 해당)을 상기 전력 흡수 목표로 정하는 방식으로 수행될 수 있다.
추가적으로, 담당 선로 구간을 운행 중인 열차나 그 종류를 식별하고, 식별된 것에 대한 회생 제동 발전량을 미리 저장된 열차 별 회생 제동 발전량 정보로부터 획득하고, 이를 상기 전력 흡수 목표로 정하는 방식으로 수행될 수 있다.
전체 운영 경로상 일정한 거리로 제한된 담당 선로 구간은, 동시에 지나갈 수 있는 열차의 대수는 한정되어 있으며, 동시에 지나가는 전력 소모 부하로서 열차의 대수에 따라 선로의 전력(또는 전압/전류) 레벨은 소정 값으로 일정하게 유지된다.
한편, 해당 담당 선로 구간을 한 열차가 벗어나면, 벗어난 열차가 소모하고 있던 단위 시간당 전력 만큼 선로의 전력(또는 전압/전류) 레벨이 계단적으로 증가하며, 해당 담당 선로 구간을 한 열차가 들어서면, 들어서는 열차가 소모하는 단위 시간당 전력 만큼 선로의 전력(또는 전압/전류) 레벨이 계단적으로 감소한다. 상기 계단적으로 증가/감소된 전력 상태는 상당 시간이 경과하면 계통 또는 ESS의 작용에 의해 평상 수준으로 복귀한다.
그런데, 지나가는 열차 중 하나 이상에서 회생 제동에 의한 발전이 발생하면, 상기 선로 가선의 전압/전력은 짧은 시간 동안 급격히 증가하는데, 상술한 열차의 담당 선로 구간의 진/출입에 의한 전압/전력 증가 현상에 대비해 증가되는 기울기 및 증가되는 한도에 의해 구분될 수 있다.
즉, 일반적으로 회생 제동에 의한 발전에 의한 선로 가선의 전압/전력의 증가 기울기는 열차의 진/출입에 의한 선로 전압/전력의 증가 기울기 보다 크며, 열차의 진/출입에 의한 선로 가선 전압/전력의 증가 범위도 회생 제동에 의한 발전에 의한 선로 전압/전력의 증가 범위와 명확한 차이가 존재할 수 있다.
다른 구현의 회생 제동 발전 발생을 확인 방법에서는, 해당 담당 선로 구간을 지나가는 열차로부터 직접 회생 제동 발전을 통보받거나, 상기 열차를 실시간적으로 모니터링하는 관제 설비로부터 회생 제동 발전을 통보받을 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 사상에 따른 ESS의 과부하 운전 방법 및 장치는 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 각 실시 형태에 따라 다양한 개선된 효과들을 달성할 수 있다.
예컨대, 철도차량 시험설비의 가선전압을 일정하게 유지하기 위하여 철도차량 급제동시 발생한 회생에너지를 ESS 시스템으로 배터리에 저장하고, 급가속할 때 필요한 순간적인 에너지를 공급하여 가선전압을 일정하게 유지해주는 ESS 시스템에 대하여, 본 발명의 ESS의 과부하 운전 방법을 수행하는 운전 장치를 설치할 수 있다.
이를 통해, 회생 제동을 수행하는 기차 차량이 설계 수보다 많이 들어와서 ESS 시스템 용량보다 큰 전력을 흡수해야 할 경우, 혹은 어떤 사고 상황(예:과전압 상황)에서 예상보다 많은 전력을 ESS 시스템이 흡수해야 할 경우, 혹은 배터리의 SOC가 100%가 아니더라도 일정수준 이상(약 80%)이어서 충전제한이 걸려 ESS 배터리가 가선 전압 유지를 위하여 필요한 만큼 충전을 수행하지 못하는 경우에도, ESS PCS단에서 입력되는 전력을 열로 소모시키는 방식으로, 선로의 과부하 전력을 ESS 시스템이 흡수할 수 있다.
만약, 정책상 ESS에 부여된 충전제한을 엄격히 준수하여야 하는 경우에도, 충전 제한이 걸린 SOC에서 현재 SOC를 빼는 방식으로 충전 한도를 적용할 수 있다. 다시 말해, 도 4의 충전 한도를 산출하는 단계(S20)는, 상기 ESS 배터리의 "최대 전력저장 용량 * (충전제한 SOC(예: 80%) - 현재 SOC)" 에 따라 상기 ESS의 충전 한도를 산정할 수 있다.
또한, 회생 제동을 수행하여 내부 ESS에 저장하는 기차 차량에 대하여 본 발명의 사상에 따른 ESS의 과부하 운전 방법을 적용할 수 있다.
예컨대, 기차 내부 ESS 배터리의 SOC가 충전제한이 걸리는 일정수준 이상(약 80%)인 상태에서 기차의 급제동에 의해 회생(발전)되는 상당히 큰 전력을 흡수해야하는 경우에도, ESS PCS단에서 입력되는 전력을 열로 소모시키는 방식으로 선로의 과부하 전력을 ESS 시스템이 흡수할 수 있어, 급제동시 발전 부족으로 인한 제동력 저하를 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 회생 제동 급제동시 초기 제동력을 유지하는 이점은, 회생 제동으로 생성된 전력을 저장하는 ESS가 기차 내부에 설치되는 경우 뿐만 아니라, 기차 선로의 변전소 등 기차 외부의 선로 상 일 지점에 설치된 경우에도 마찬가지임은 물론이다.
이상에서 설명한 본 발명의 ESS 과부하 운전 방법/장치를 실시하면, 배터리에 남은 충전 가능 용량 보다 큰 전력을 원활하게 흡수할 수 있고, SOC 제한으로 인해 배터리에 대해 충전제한치가 걸릴 때에도 연속적으로 ESS 시스템이 정격 전력 흡수 목표를 달성할 수 있다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
* 부호의 설명
210 : 정보 획득부
240 : PWM 생성부
260 : 과부하 회로
본 발명은 ESS의 운전 방법에 관한 것으로서, ESS 분야에 이용가능 하다.

Claims (8)

  1. 전력이 입출력되는 선로 가선을 모니터링하여 ESS에 대한 전력 흡수 목표를 정하는 단계;
    상기 ESS의 배터리를 모니터링하여 ESS의 충전 한도를 산출하는 단계;
    상기 충전 한도 보다 상기 전력 흡수 목표가 초과한 경우, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로 가선에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 단계
    를 포함하는 ESS의 과부하 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 단계에서는,
    상기 전력 흡수 목표와 상기 ESS의 충전 한도의 차이로서 전력 흡수 목표의 초과량을 산출하고,
    상기 과부하 운전 PWM 신호의 듀티비를 상기 ESS의 충전 한도에 대한 상기 전력 흡수 목표의 초과량의 비율을 기준으로 조정하는 것을 특징으로 하는 ESS의 과부하 운전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 흡수 목표를 정하는 단계에서는,
    상기 선로를 운행하는 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하거나 회생 제동 발전장치로부터 통보받으면, 상기 차량의 회생 제동 발전 용량 또는 상기 ESS의 정격 입력을 상기 전력 흡수 목표로 정하는 것을 특징으로 하는 ESS의 과부하 운전 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하는 것은,
    상기 선로 가선 전압이나 전력의 증가 기울기, 또는 상기 선로 가선 전압이나 전력의 증가 범위로부터 확인하는 것을 특징으로 하는 ESS의 과부하 운전 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 차량의 회생 제동이 발생됨을 감지하는 것은,
    상기 차량으로부터 회생 제동 발전을 통보받거나, 상기 차량을 실시간으로 모니터링하는 관제 설비로부터 회생 제동 발전을 통보받아 확인하는 것을 특징으로 하는 ESS의 과부하 운전 방법.
  6. 전력이 입출력되는 선로의 전기적 특성 및 ESS의 배터리 상태 정보를 획득하는 정보 획득부;
    상기 선로의 전기적 특성으로부터 도출된 전력 흡수 목표가 상기 배터리 상태 정보로부터 도출된 충전 한도를 초과하면, 상기 전력 흡수 목표의 초과 정도에 따라 과부하 운전 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성부; 및
    상기 과부하 운전 PWM 신호에 따라 상기 선로에서 상기 ESS의 PCS로 입력되는 전력을 우회시켜 소모하는 과부하 회로
    를 포함하는 ESS의 과부하 운전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과부하 회로는,
    상기 ESS의 PCS의 + 입력단과 - 입력단 사이에 위치하여 과부하 전력을 소모시키는 저항과,
    상기 저항에 전력을 통과시키는 스위치로서, 상기 과부하 운전 PWM 신호가 게이트로 입력되는 IGBT
    를 포함하는 ESS의 과부하 운전 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 선로에서의 수요전력을 예측하는 수요전력 예측부; 및
    상기 ESS의 평상시 충방전 운전을 제어하기 위한 제어부
    를 더 포함하는 ESS의 과부하 운전 장치.
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