WO2023158100A1 - 수요 반응 자원의 최적 운영을 위한 에너지 저장 시스템 및 이의 운영 방법 - Google Patents

수요 반응 자원의 최적 운영을 위한 에너지 저장 시스템 및 이의 운영 방법 Download PDF

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김대수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • VPP virtual power plant
  • Virtual power plants can be classified into supply type, demand type, and convergence type according to the resource collection type.
  • the demand-type virtual power plant provides a service of stabilizing the power system by reducing power when a power peak occurs using the collected demand response resources.
  • Small facilities such as houses, buildings, and factories participate in virtual power plants as demand response resources.
  • compensation may be provided in a manner such as payment of a settlement amount corresponding to the amount of power reduction.
  • an energy storage system provided in a small-scale facility controls charging and discharging of a battery according to sunlight conditions and load conditions.
  • ESS energy storage system
  • Such a conventional energy storage system is difficult to properly respond to the demand response request of the virtual power plant, and thus, problems may appear in terms of operation when linked with the virtual power plant.
  • conventional energy storage systems operate with the goal of maximizing internal power generation or minimizing external power consumption, but are not optimized in terms of power purchase cost.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide an energy storage system for optimal management of demand response resources.
  • Another object of the present invention to solve the above problems is to provide a method for operating such an energy storage system.
  • Another object of the present invention to solve the above problems is to provide an energy management device for controlling the operation of the energy storage system.
  • An energy storage system for achieving the above object may be configured in a demand response resource associated with a Virtual Power Plant (VPP) system.
  • the energy storage system includes a power generation device that generates power; a battery to store power; an energy management device that monitors a power production state and a power consumption state, and establishes an operating schedule for the battery; and a power conversion device controlling charging/discharging operations of the battery according to the established operating schedule.
  • VPP Virtual Power Plant
  • the energy management device collects basic information, including information about power production and power consumption and system power cost information, and establishes an operating schedule for controlling charging and discharging operations of the battery using the collected basic information, ,
  • a demand response (DR) signal is received in the process of controlling charging and discharging of a battery according to the operating schedule, the operating schedule may be adjusted in response to the DR signal.
  • DR demand response
  • the energy management device may derive a battery charge/discharge amount for each unit time that minimizes the purchase cost of system power and reflect it in the operation schedule.
  • the energy management device may derive an operating schedule including a charge/discharge amount of a battery per unit time by using an objective function defined as a purchase cost of system power.
  • the objective function is a first condition related to the balance of power supply and power consumption, a second condition related to the state of charge (SOC) according to the charging and discharging efficiency of the battery, a third condition related to the limit charge amount of the battery, and a power conversion device.
  • a constraint condition including at least one of a fourth condition related to limit output and a fifth condition related to binarization of a charged state and a discharged state may be defined.
  • the energy management device collects basic information including battery-related parameters, system power cost information, and information about power production and power consumption for a first predefined period, and uses the collected basic information , Power production prediction information and power consumption prediction information for a predefined second period as a period after the first period may be generated, and an operating schedule for the second period may be generated based on the generated prediction information. .
  • the energy management device When the demand response (DR) signal is received, the energy management device performs charging and discharging operations of a battery to satisfy the DR duration and the DR power amount included in the demand response (DR) signal, regardless of the established operation schedule. It is possible to implement the demand response by controlling, and re-establish the operating schedule for the remaining period after the fulfillment of the demand response.
  • the energy management device collects actual measurement information on power generation and power consumption states in the battery control process according to the operating schedule, information on the power generation state and power consumption state included in the basic information, and An error of the collected actual measurement information may be derived, and the operating schedule may be adjusted using the derived error.
  • An energy management device for achieving the other object may be configured in a demand response resource associated with a Virtual Power Plant (VPP) system.
  • the energy management device may include at least one processor; A memory for storing at least one command executed by the at least one processor may be included.
  • the at least one command may include a command for collecting basic information including information on a power production state and a power consumption state and system power cost information; a command for establishing an operating schedule for controlling charge/discharge operations of the battery using the collected basic information; a command for controlling charge/discharge operations of the battery according to an established operating schedule; and a command for adjusting the operation schedule in response to the demand response (DR) signal when a demand response (DR) signal is received during the charge/discharge control process of the battery.
  • DR demand response
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for deriving a charge/discharge amount of the battery for each unit time that minimizes a purchase cost of system power and reflecting the result in the operating schedule.
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for deriving an operating schedule including a charge/discharge amount of the battery per unit time by using an objective function defined as a purchase cost of system power.
  • the objective function is a first condition related to the balance of power supply and power consumption, a second condition related to the state of charge (SOC) according to the charging and discharging efficiency of the battery, a third condition related to the limit charge amount of the battery, and a power conversion device.
  • a constraint condition including at least one of a fourth condition related to limit output and a fifth condition related to binarization of a charged state and a discharged state may be defined.
  • the command to collect the basic information may include a command to collect basic information including battery-related parameters, system power cost information, and information about power production and power consumption for a first predefined period.
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for generating power generation prediction information and power consumption prediction information for a predefined second period after the first period by using the collected basic information; and a command for generating an operating schedule for the second period based on the generated prediction information.
  • the demand response is performed by controlling the charge/discharge operation of the battery to satisfy the DR duration and DR power amount included in the demand response (DR) signal. orders to fulfill; and a command for re-establishing an operating schedule for a period remaining after the demand response fulfillment.
  • An operating method for achieving the above another object is an operating method of an energy storage system configured in a demand response resource associated with a virtual power plant (VPP) system.
  • VPP virtual power plant
  • Collecting basic information including information on power generation status and power consumption status and system power cost information; Establishing an operating schedule for controlling charging and discharging operations of the battery using the collected basic information; controlling charging and discharging operations of the battery according to an established operating schedule; and adjusting the operation schedule in response to the demand response (DR) signal when a demand response (DR) signal is received during the charge/discharge control process of the battery.
  • VPP virtual power plant
  • Establishing the operating schedule may include deriving a charge/discharge amount of the battery for each unit time that minimizes a purchase cost of system power and reflecting it to the operating schedule.
  • Establishing the operating schedule may include deriving an operating schedule including a charge/discharge amount of the battery per unit time by using an objective function defined as a purchase cost of system power.
  • the objective function is a first condition related to the balance of power supply and power consumption, a second condition related to the state of charge (SOC) according to the charging and discharging efficiency of the battery, a third condition related to the limit charge amount of the battery, and a power conversion device.
  • a constraint condition including at least one of a fourth condition related to limit output and a fifth condition related to binarization of a charged state and a discharged state may be defined.
  • the collecting of the basic information may include collecting basic information including battery-related parameters, system power cost information, and information about power production and power consumption for a first predefined period.
  • the establishing of the operating schedule may include generating power generation prediction information and power consumption prediction information for a second period predefined as a period after the first period by using the collected basic information; and generating an operating schedule for the second period based on the generated prediction information.
  • Adjusting the operating schedule may include, when the demand response (DR) signal is received, regardless of the established operating schedule, the DR duration and DR power amount included in the DR signal are satisfied. implementing a demand response by controlling a charge/discharge operation; and re-establishing an operating schedule for a remaining period after the fulfillment of demand response.
  • DR demand response
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an energy storage system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an implementation example of an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an operational flowchart illustrating a method of operating an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an operational flowchart illustrating a method for establishing an operating schedule according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an operational flowchart illustrating a method of adjusting an operating schedule for responding to demand response according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an operational flowchart illustrating a method for adjusting an operating schedule for real-time response to an error according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of an energy management device according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • Nominal Capacity means the set capacity [Ah] of the battery set by the battery manufacturer during development.
  • SOC State of Charge
  • SOH State of Health
  • a battery rack refers to a system with a minimum single structure that can be monitored and controlled through a BMS by connecting pack units set by the battery manufacturer in series/parallel. can be configured.
  • a battery bank may refer to a group of large-scale battery rack systems configured by connecting several racks in parallel. Monitoring and control of the rack BMS (RBMS) of the battery rack unit can be performed through the BMS of the battery bank unit.
  • RBMS rack BMS
  • BSC Battery System Controller
  • the power limit indicates the power limit set in advance by the battery manufacturer according to the battery condition.
  • Rack Power limit means the power limit (unit of [kW]) set in the Rack unit (Rack Level), and can be set based on the SOC and temperature of the battery.
  • the output limit can be divided into a charge output limit and a discharge output limit according to whether it is charging or discharging.
  • a Rack Power limit in Rack units
  • a Bank Power limit in Bank units.
  • a virtual power plant system means a set of hardware and software for the operation of a virtual power plant (VPP). It may be implemented by being included in one physical device, or implemented by being distributed among a plurality of physical devices.
  • VPP virtual power plant
  • a demand response resource refers to a facility that controls power resources in association with a virtual power plant (VPP) system in response to a demand response request from a virtual power plant (VPP) or a VPP provider system.
  • VPP virtual power plant
  • Demand response resources may correspond to various facilities such as houses, buildings, and factories, but the scope of the present invention is not limited to these entities.
  • DR Demand Response
  • the demand response request refers to a request for control of power resources or a request for change in power usage for demand response resources.
  • the demand response request may include at least one of a demand response period and a demand response power amount (eg, reduced power amount).
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an energy storage system according to the present invention.
  • the energy storage system 100 may be configured inside a demand response resource including a load 200 .
  • the energy storage system 100 may receive power from the power system 300 and supply the supplied system power or internally stored power to the load 200 .
  • the energy storage system 100 is connected to the VPP-linked device 400 through a network and is configured to transmit and receive data to and from each other.
  • the energy storage system 100 may receive a demand response (DR) signal, which is a signal related to a demand response request, from the VPP-linked device 400 .
  • DR demand response
  • the VPP-linked device 400 may be included in a VPP system or included in a VPP provider system.
  • the VPP connection device 400 may be managed by an intermediary operator that collects VPP service participants and demand response resources and provides the VPP service.
  • the VPP-linked device 400 may generate a demand response (DR) signal when a power peak occurs in the power system and transmit it to the energy storage system 100 configured in the demand response resource.
  • DR demand response
  • the energy storage system 100 may monitor the state of internal power resources and operate the internal power resources according to a pre-established operation schedule.
  • a demand response (DR) signal is received from the VPP-linked device 400 during the operation of power resources, an operating schedule may be adjusted in response to the demand response signal. Meanwhile, a detailed description of the establishment and adjustment of the operating schedule will be described later.
  • FIG. 2 is a block diagram of an energy storage system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • an energy storage system 100 includes a generator 110 generating power; a battery 120 to store power; an energy management device 140 that monitors a power production state and a power consumption state and establishes an operating schedule for the battery 120; and a power conversion device 130 controlling charging and discharging operations of the battery 120 according to an established operating schedule.
  • the power generation device 110 is a device configured in a demand response resource to generate power, and may include at least one of a power generation device using sunlight, solar heat, wind power, and geothermal heat.
  • a power generation device using sunlight, solar heat, wind power, and geothermal heat since the type of power generation device 110 is not an essential component of the present invention, the scope of the present invention is not limited to these entities.
  • the battery 120 which serves to store power, is typically in the form of a plurality of battery modules constituting a battery rack and a plurality of battery racks constituting a battery bank.
  • the battery rack may be referred to as a battery pack according to a device or system in which batteries are used.
  • a battery management system (BMS) may be installed in each battery.
  • the BMS may monitor the current, voltage, and temperature of each battery rack (or pack) it manages, calculate SOC (Status Of Charge) based on the monitoring result, and control charging and discharging.
  • SOC Status Of Charge
  • the power converter 130 may control power output from the generator 110 , charging/discharging power of the battery 120 , and power supplied to the load 200 .
  • the power conversion device 130 may control the charging/discharging operation of the battery 120 according to the operating schedule established by the energy management device 140 .
  • the power converter 130 may include an AC/DC inverter that converts the DC output of the generator 110 and the battery 120 into an AC output and supplies it to the load 200 .
  • the energy management device 140 may collect state information about the power generation device 110, the battery 120, the power conversion device 130, the load 200, and the power system 300 to monitor each component.
  • the state information may include at least one of system power supply, power generation, power consumption, an operating state of the battery 120, and a charging state of the battery 120.
  • the energy management device 140 may be connected to a sensor capable of sensing specific state information or a specific power resource management device (eg, BMS) to collect state information on power resources.
  • a specific power resource management device eg, BMS
  • the energy management device 140 establishes an operating schedule for controlling charging/discharging operations of the battery 120 .
  • the operating schedule may include information about the charge/discharge amount of the battery 120 per unit time.
  • the energy management device 140 may adjust a pre-established operating schedule in response to the event.
  • a specific event may include reception of a demand response (DR) signal or occurrence of an error between basic information of an operating schedule and actual measurement information.
  • DR demand response
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an implementation example of an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • the energy storage system 100 ′ may be configured in a house functioning as a demand response resource.
  • the power generation device may correspond to a photovoltaic (PV) system 110', and the power conversion device may be implemented by being included in the inverter 130'.
  • the energy management device may be implemented by being included in a Home Energy Management System (HEMS) 140', which is a top-level control system in a house.
  • the VPP-linked device may be implemented by being included in the VPP Provider system 400' managed by a mediation service provider providing VPP service.
  • the energy storage system 100' may be implemented as a DC coupled energy storage system in which a photovoltaic power generation system 110' and a battery 120' are connected to a DC line.
  • the DC-Coupled energy storage system includes a DC/DC converter in each battery rack that can control the DC voltage/current individually. Accordingly, the DC/AC converter used for interworking with the photovoltaic power generation system 110' is no longer needed, and efficiency is increased. In addition, even if there is a difference in SOC, SOH, and capacity between each battery rack, it is possible to control the battery power amount considering the characteristics of individual batteries.
  • PV modules with different power levels can be integrated into one system, and it is advantageous in terms of stability of the photovoltaic power generation system 110'.
  • the energy storage system 100' shown in FIG. 3 is an example for clear description of the present invention, and is not intended to limit the scope of the present invention. 3, it can be configured in various demand response resources such as buildings and factories, and some components can be added or substituted, or the connection relationship between components can be changed as needed.
  • FIG. 4 is an operational flowchart illustrating a method of operating an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • An operating method of the energy storage system 100 may be performed by the power conversion device 130 and the energy management device 140 included in the energy storage system 100 .
  • the energy management device 140 collects basic information for establishing an operating schedule (S410).
  • the basic information may include information about a power production state and a power consumption state and system power cost information.
  • the energy management device 140 establishes an operating schedule for controlling charging/discharging operations of the battery using the collected basic information (S420).
  • the operation schedule may include a charge/discharge amount of the battery 120 per unit time that minimizes the purchase cost of system power.
  • unit time may be defined in various ways as needed, and may be defined in units of 1 hour, 10 minutes, or 10 seconds, for example.
  • the operation schedule may include information about an operation period, and for example, an operation start time may be defined as 0:00 on a specific day, and an operation end time may be defined as 24:00 on the corresponding day.
  • the energy management device 140 may derive an operating schedule that minimizes purchase costs of system power by using an optimization technique using an objective function.
  • the power conversion device 130 controls the charging/discharging operation of the battery 120 according to the operating schedule established by the energy management device 140 (S430).
  • the energy management device 140 checks whether a demand response (DR) signal is received in the process of controlling the charging and discharging of the battery 120 (S440).
  • DR demand response
  • the energy management device 140 checks whether the operation end point defined in the operation schedule has elapsed (S450). When the operation end time has not elapsed, the power conversion device 130 controls the charging and discharging operation of the battery 120 according to the operation schedule (S430). When the operation end point elapses, the power conversion device 130 ends the control operation according to the corresponding operation schedule.
  • the energy management device 140 adjusts an operating schedule in response to the demand response (DR) signal (S460).
  • the energy management device 140 may generate control information (eg, a discharge amount and a discharge time of the battery) of the battery 120 to satisfy a DR condition included in the demand response (DR) signal.
  • control information eg, a discharge amount and a discharge time of the battery
  • the energy management device 140 may adjust an operating schedule for a period remaining after the implementation of the demand response.
  • the power conversion device 130 may control the charging and discharging operation of the battery 120 according to the adjusted operation schedule (S430).
  • FIG. 5 is an operational flowchart illustrating a method for establishing an operating schedule according to an embodiment of the present invention.
  • steps S410 to S420 of FIG. 4 will be described in detail with reference to FIG. 5 .
  • the energy management device 140 collects basic information (S510).
  • the collected basic information may include battery-related parameters, system power cost information, and information about power production and power consumption for a first predefined period.
  • Battery-related parameters may include capacity, upper limit value of SOC, lower limit value of SOC, and lower limit value of SOC setting (a value determined by consultation with the VPP Provider, which may mean the SOC that should be left at a minimum when implementing demand response).
  • the system power cost information may include a system power supply amount per unit time and a system power cost per unit time.
  • the information on the power production state and the power consumption state may include the power generation amount of the generator 110 per unit time and the power consumption amount of the load 200 per unit time.
  • the first period may be defined in various ranges in consideration of the prediction accuracy of the prediction information, for example, from 1 year before a specific day (n day) to 1 day before the corresponding day (n day) (n-1 day). up to can be defined.
  • the energy management device 140 generates prediction information for a predefined second period as a period after the first period by using the collected basic information (S520).
  • the prediction information may include power generation prediction information and power consumption prediction information.
  • the power generation prediction information may include the predicted generation amount of the power generation device 110 per unit time
  • the power generation prediction information may include the predicted consumption amount of the load 200 per unit time.
  • the second period is defined as an operating period of the operating schedule, and may be defined, for example, from 0:00 to 24:00 on a specific day (n days).
  • the energy management device 140 derives pattern information including a power production pattern and a power consumption pattern based on information on the power production state and power consumption state included in the basic information, and predicts power generation using the derived pattern information.
  • Information and power consumption prediction information can be generated. For example, by calculating an average value of power generation and power consumption per unit time for a period of one year, predicted power generation per unit time and consumption per unit time for a specific day may be derived.
  • the energy management device 140 generates an operating schedule for the second period based on the generated prediction information (S530).
  • the energy management device 140 may derive an operating schedule using an objective function defined based on MILP (Mixed-integer Linear Programming).
  • MILP Mated-integer Linear Programming
  • the energy management device 140 may derive an operating schedule including the charge/discharge amount of the battery 120 per unit time by using an objective function defined by the purchase cost of system power.
  • the objective function may be defined as in Equation 1 below.
  • Equation 1 is an objective function for deriving the amount of charge or discharge of the battery 120 per unit time capable of minimizing the purchase cost of system power.
  • the objective function according to Equation 1 is a first condition related to the balance of power supply and power consumption, a second condition related to the state of charge (SOC) according to the charging and discharging efficiency of the battery, and a third condition related to the limit charge amount of the battery.
  • a constraint condition may be defined including at least one of the condition, a fourth condition related to the limit output of the power conversion device, and a fifth condition related to binarization of the charged state and the discharged state.
  • SOC(t) is the SOC of the battery, is the capacity of the battery, is the charging efficiency of the power converter, is the discharge efficiency of the power conversion device
  • the first condition can be implemented as Equation 2, which is the decision variable and It functions so that is determined according to the balance between supply and demand of electricity.
  • the second condition may be implemented as Equation 3, and functions such that the SOC in the next unit time is determined based on the battery capacity and charge/discharge efficiency.
  • the third condition may be implemented as Equation 4, and functions to determine the SOC within the set upper and lower limit ranges.
  • the energy management device 140 satisfies the objective function and constraints and It is possible to derive and create an operating schedule including it.
  • the objective function and constraints related to the establishment of the operating schedule may have various modifications, and the rights of the present invention are not limited to the above-described equations.
  • FIG. 6 is an operational flowchart illustrating a method for adjusting an operating schedule for responding to demand response (DR) according to an embodiment of the present invention.
  • DR demand response
  • the energy management device 140 receives a demand response (DR) signal from the VPP-linked device 400 (S610).
  • the demand response (DR) signal may include a DR condition consisting of at least one of a DR duration and a DR power amount.
  • the DR duration time may represent power reduction operation time according to power peak
  • the DR power amount may represent system power consumption to be reduced.
  • the energy management device 140 After the demand response implementation (S620), the energy management device 140 re-establishes an operating schedule for the remaining operating period of the operating schedule (S630).
  • the energy management device 140 may regenerate the operating schedule using the modified objective function according to Equation 8 below.
  • the objective function according to Equation 8 may be set with constraints according to Equations 2 to 7 above.
  • the energy management device 140 may transmit the re-established operating schedule to the power conversion device 130 so that the charging/discharging operation of the battery 120 is controlled according to the adjusted operating schedule.
  • FIG. 7 is an operational flowchart illustrating a method for adjusting an operating schedule for real-time response to an error according to an embodiment of the present invention.
  • the energy management device 140 derives an error between the information on the power production state and the power consumption state included in the basic information and the collected actual measurement information (S720).
  • the energy management device 140 may derive an error by calculating the difference between the predicted amount of power generation and predicted power consumption per unit time applied to derive the operating schedule and the actual amount of power generation and actual power consumption per unit time, as shown in Equation 9 below. there is.
  • the energy management device 140 adjusts the previously established operating schedule using the derived error (S730).
  • the energy management device 140 derives an actual system power value according to Equation 10 below, and reflects the derived actual system power value to the objective function according to Equation 1 and the constraint conditions according to Equations 2 to 7 to schedule the operation. can be regenerated.
  • the energy management device 140 regenerates an operating schedule for the remaining operating period after the adjustment point, or derives the charge/discharge amount of the battery 120 limited to a specific unit time in which an error occurs, and operates for the corresponding unit time. Only the schedule can be modified.
  • FIG. 8 is a block diagram of an energy management device according to an embodiment of the present invention.
  • An energy management device 140 is a control device of an energy storage system 100 configured in a demand response resource, and includes at least one processor 141 and at least one command executed through the processor.
  • a memory 142 for storage and a transceiver 143 for communicating with other components in the energy storage system 100 may be included.
  • the energy management device 140 may be a Power Management System (PMS) or an Energy Management System (EMS), but the scope of the present invention is not limited to these entities. no.
  • PMS Power Management System
  • EMS Energy Management System
  • the at least one command executed by the at least one processor may include a command to collect basic information including information about a power production state and a power consumption state and system power cost information; a command for establishing an operating schedule for controlling charge/discharge operations of the battery using the collected basic information; a command for controlling charge/discharge operations of the battery according to an established operating schedule; and a command for adjusting the operation schedule in response to the demand response (DR) signal when a demand response (DR) signal is received during the charge/discharge control process of the battery.
  • DR demand response
  • DR demand response
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for deriving a charge/discharge amount of the battery for each unit time that minimizes a purchase cost of system power and reflecting the result in the operating schedule.
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for deriving an operating schedule including a charge/discharge amount of the battery per unit time by using an objective function defined as a purchase cost of system power.
  • the objective function is a first condition related to the balance of power supply and power consumption, a second condition related to the state of charge (SOC) according to the charging and discharging efficiency of the battery, a third condition related to the limit charge amount of the battery, and a power conversion device.
  • a constraint condition including at least one of a fourth condition related to limit output and a fifth condition related to binarization of a charged state and a discharged state may be defined.
  • the command to collect the basic information may include a command to collect basic information including battery-related parameters, system power cost information, and information about power production and power consumption for a first predefined period.
  • the command for establishing the operating schedule may include a command for generating power generation prediction information and power consumption prediction information for a predefined second period after the first period by using the collected basic information; and a command for generating an operating schedule for the second period based on the generated prediction information.
  • the demand response is performed by controlling the charge/discharge operation of the battery to satisfy the DR duration and DR power amount included in the demand response (DR) signal. orders to fulfill; and a command for re-establishing an operating schedule for a period remaining after the demand response fulfillment.
  • the energy management device 140 may further include an input interface device 144 , an output interface device 145 , a storage device 146 , and the like. Each component included in the energy management device 140 may be connected by a bus 147 to communicate with each other.
  • the processor 141 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed.
  • the memory (or storage device) may be composed of at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium.
  • the memory may include at least one of read only memory (ROM) and random access memory (RAM).
  • a computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored.
  • computer-readable recording media may be distributed to computer systems connected through a network to store and execute computer-readable programs or codes in a distributed manner.
  • a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step.
  • aspects described in the context of a method may also be represented by a corresponding block or item or a corresponding feature of a device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 가상 발전소 시스템과 연계된 수요 반응 자원에 구성될 수 있다. 여기서, 상기 에너지 저장 시스템은, 전력을 생산하는 발전 장치; 전력을 저장하는 배터리; 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태를 모니터링하고, 상기 배터리에 관한 운영 스케줄을 수립하는 에너지 관리 장치; 및 상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 전력 변환 장치;를 포함할 수 있다.

Description

수요 반응 자원의 최적 운영을 위한 에너지 저장 시스템 및 이의 운영 방법
본 출원은 2022년 2월 21일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0022085호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 이의 운영 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수요 반응 자원의 최적 운영을 위한 에너지 저장 시스템 및 이의 운영 방법, 그리고 에너지 저장 시스템의 에너지 관리 장치에 관한 것이다.
분산 자원(DER; Distributed Energy Resources)은 배전망에 연계되어 전력을 제공하거나 전력 피크 발생시 지원 가능한 전력 자원 등을 의미한다. 분산형 전원, 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System), 수요 자원을 분산 자원의 예로 들 수 있다.
분산형 전원과 소규모 ESS의 보급이 확산되는 추세이나, 주택, 빌딩 등 다양한 시설에 산재되어 있어 통합 운영 측면에서 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, ICT 기술을 이용해 다양한 분산 자원을 하나의 발전소처럼 통합 운영하는 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant)가 제안되었다. 가상 발전소는 개별적으로만 관리가 가능했던 분산 자원을 통합 운영할 수 있으며, 분산 자원별 합산 예측을 통해 발전 예측 정확성을 향상시킬 수 있어, 전력 계통의 안정성을 향상시킬 수 있다.
가상 발전소는 자원 모집 형태에 따라, 공급형, 수요형 및 융합형으로 분류될 수 있다. 이 중 수요형 가상 발전소는 모집된 수요 반응 자원을 활용해 전력 피크 발생시 전력 감축을 수행하여 전력 계통을 안정화하는 서비스를 제공한다. 주로 주택, 빌딩, 공장 등의 소규모 시설이 수요 반응 자원으로서 가상 발전소에 참여한다. 수요 반응 자원이 가상 발전소 또는 중개 사업자(VPP Provider) 시스템의 요청에 따라 사용 전력을 감축하는 경우, 전력 감축량에 상응하는 정산금을 지급받는 등의 방식으로 보상을 제공받을 수 있다.
일반적으로, 소규모 시설에 구비되는 에너지 저장 시스템(ESS)은 태양광 조건 및 부하 조건에 따라 배터리의 충방전을 제어한다. 이러한 종래의 에너지 저장 시스템은 가상 발전소의 수요 반응 요청에 대한 적절한 대응이 어려우며, 이에 가상 발전소와의 연동시 운영 측면에서 문제점이 나타날 수 있다. 또한, 종래의 에너지 저장 시스템은 내부 발전량의 최대화 또는 외부 전력 사용량의 최소화를 목표로 동작하나, 전력 구매 비용 측면에서는 최적화되어 있지 않다.
따라서, 수요 반응 요청에 대한 최적 대응을 통해 수요 반응에 따른 수익을 극대화할 수 있으며, 동시에 계통 전력 사용에 따른 전력 구매 비용을 최소화할 수 있는, 수요 반응 자원의 최적 운영 기술이 필요하다 할 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수요 반응 자원의 최적 운영을 위한 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 이러한 에너지 저장 시스템을 운영하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 이러한 에너지 저장 시스템의 동작을 제어하는 에너지 관리 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성될 수 있다. 여기서, 상기 에너지 저장 시스템은, 전력을 생산하는 발전 장치; 전력을 저장하는 배터리; 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태를 모니터링하고, 상기 배터리에 관한 운영 스케줄을 수립하는 에너지 관리 장치; 및 상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 전력 변환 장치;를 포함할 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하고, 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하며, 상기 운영 스케줄에 따른 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정할 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영할 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출할 수 있다.
상기 목적 함수는, 전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의될 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하고, 수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하고, 생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성할 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR 전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하고, 수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립할 수 있다.
상기 에너지 관리 장치는, 상기 운영 스케줄에 따른 배터리의 제어 과정에서 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하고, 상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하고, 도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 장치는, 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성될 수 있다. 여기서, 상기 에너지 관리 장치는, 적어도 하나의 프로세서; 상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 명령은, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하는 명령; 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하는 명령; 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령; 및 상기 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 목적 함수는, 전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의될 수 있다.
상기 기초 정보를 수집하는 명령은, 배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하는 명령을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하는 명령; 및 생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하는 명령; 및 수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령 이후, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하는 명령; 상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하는 명령; 및 도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 운영 방법은, 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성되는 에너지 저장 시스템의 운영 방법으로서, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하는 단계; 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하는 단계; 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 단계; 및 상기 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는, 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는, 계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적 함수는, 전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의될 수 있다.
상기 기초 정보를 수집하는 단계는, 배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는, 수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하는 단계; 및 생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 조정하는 단계는, 상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하는 단계; 및 수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 단계 이후, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하는 단계; 상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하는 단계; 및 도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 수요 반응 요청에 대한 최적 대응을 통해 수요 반응에 따른 수익을 극대화할 수 있으며, 동시에 계통 전력 사용에 따른 전력 구매 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구현 예를 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운영 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 운영 스케줄 수립 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수요 반응 대응을 위한 운영 스케줄 조정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 오차 대응을 위한 운영 스케줄 조정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 장치의 블록 구성도이다.
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.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
정격 용량(Nominal Capacity; Nominal Capa.)는 배터리 제조사에서 개발 시 설정한 배터리의 설정 용량[Ah]을 의미한다.
SOC(State of Charge; 충전율)은 배터리의 현재 충전된 상태를 비율[%]로 표현한 것이고, SOH(State of Health; 배터리 수명 상태)은 배터리의 현재 퇴화 상태를 비율[%]로 표현한 것이다.
배터리 랙(Rack)은 배터리 제조사에서 설정한 팩 단위를 직/병렬 연결하여 BMS를 통해 모니터링과 제어가 가능한 최소 단일 구조의 시스템을 의미하며, 여러 개의 배터리 모듈과 1개의 BPU 또는 보호장치를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 뱅크(Bank)는 여러 랙을 병렬 연결하여 구성되는 큰 규모의 배터리 랙 시스템의 집합 군을 의미할 수 있다. 배터리 뱅크 단위의 BMS를 통해 배터리 랙 단위의 랙 BMS(RBMS)에 대한 모니터링과 제어를 수행할 수 있다.
BSC(Battery System Controller)는 Bank 단위 배터리 시스템을 포함한 배터리 시스템에 대한 최상단 제어를 수행하는 장치로, 여러 개의 Bank Level 구조의 배터리 시스템에서 제어장치로 사용되기도 한다.
출력 한계(Power Limit)는 배터리 제조사가 배터리 상태에 따라 사전에 설정한 출력 한계를 나타내다. 랙 출력 한계(Rack Power limit)는 Rack 단위 (Rack Level)에서 설정된 출력 한계([kW] 단위)를 의미하며, 배터리의 SOC, 온도를 바탕으로 설정될 수 있다.
출력 한계는 충전인지 방전인지에 따라 충전 출력 한계와 방전 출력 한계로 구분될 수 있다. 또한, 배터리 시스템 구조에 따라 Rack 단위의 랙 출력 한계(Rack Power limit)와 Bank 단위의 뱅크 출력 한계(Bank Power limit)를 정의할 수 있다.
가상 발전소 시스템은 가상 발전소(VPP)의 동작을 위한 하드웨어와 소프트웨어의 집합체를 의미한다. 하나의 물리적 장치에 포함되어 구현되거나, 복수의 물리적 장치로 분산되어 구현될 수 있다.
수요 반응 자원(demand response resource)은 가상 발전소(VPP) 시스템과 연계되어, 가상 발전소(VPP) 또는 중개 사업자(VPP Provider) 시스템의 수요 반응 요청에 대응하여 전력 자원을 제어하는 시설을 의미한다. 수요 반응 자원은 주택, 빌딩, 공장 등 다양한 시설에 해당할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이들 개체에 한정되는 것은 아니다.
수요 반응(DR; Demand Response)은 수요 반응 요청에 부합하도록 전력 자원을 제어하여 계통 전력 사용량을 변화시키는 것을 의미한다.
수요 반응 요청은 수요 반응 자원에 대한 전력 자원의 제어 요청 또는 전력 사용량의 변화 요청을 의미한다. 여기서, 수요 반응 요청은 수요 반응 기간 및 수요 반응 전력량(예를 들어, 감축 전력량) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 부하(200)를 포함하는 수요 반응 자원의 내부에 구성될 수 있다. 여기서, 에너지 저장 시스템(100)은 전력 계통(300)으로부터 전력을 공급받고, 공급받은 계통 전력 또는 내부에 저장된 전력을 부하(200)에 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템(100)은 VPP 연계 장치(400)와 네트워크를 통해 연결되어 상호 데이터를 송수신하도록 구성된다. 에너지 저장 시스템(100)은 VPP 연계 장치(400)로부터 수요 반응 요청에 관한 신호인 수요 반응(DR) 신호를 수신할 수 있다.
VPP 연계 장치(400)는 VPP 시스템에 포함되거나, 또는 중개 사업자(VPP Provider) 시스템에 포함되어 구성될 수 있다. VPP 연계 장치(400)는, VPP 서비스의 참여자 및 수요 반응 자원을 모집하고 VPP 서비스를 제공하는 중개 사업자에 의해 관리될 수 있다. VPP 연계 장치(400)는 전력 계통에 전력 피크 발생시 수요 반응(DR) 신호를 생성하여 수요 반응 자원에 구성되는 에너지 저장 시스템(100)에 전송할 수 있다.
에너지 저장 시스템(100)은 내부 전력 자원의 상태를 모니터링하고, 사전 수립된 운영 스케줄에 따라 내부 전력 자원을 운영할 수 있다. 전력 자원의 운영 과정에서 VPP 연계 장치(400)로부터 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 수요 반응 신호에 대응하여 운영 스케줄을 조정할 수 있다. 한편, 운영 스케줄의 수립 및 조정에 관한 구체적인 설명은 후술한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은, 전력을 생산하는 발전 장치(110); 전력을 저장하는 배터리(120); 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태를 모니터링하고, 배터리(120)에 관한 운영 스케줄을 수립하는 에너지 관리 장치(140); 및 수립된 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어하는 전력 변환 장치(130);를 포함할 수 있다.
발전 장치(110)는 수요 반응 자원에 구성되어 전력을 생산하는 장치로, 태양광, 태양열, 풍력 및 지열을 이용한 발전 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 발전 장치(110)의 종류는 본 발명의 본질적 구성요소가 아니므로 본 발명의 범위가 이들 개체에 한정되는 것은 아니다.
전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리(120)는, 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. 각 배터리에는 배터리 관리부(Battery Management System; BMS)가 설치될 수 있다. BMS는 자신이 관장하는 각 배터리 랙(또는 팩)의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
전력 변환 장치(130)는 발전 장치(110)에서 출력되는 전력, 배터리(120)의 충방전 전력, 부하(200)로 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 여기서, 전력 변환 장치(130)는 에너지 관리 장치(140)에 의해 수립된 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어할 수 있다. 전력 변환 장치(130)는 발전 장치(110) 및 배터리(120)의 DC 출력을 AC 출력으로 변환하여 부하(200)로 공급하는 AC/DC 인버터를 포함할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 발전 장치(110), 배터리(120), 전력 변환 장치(130), 부하(200), 전력 계통(300)에 대한 상태 정보를 수집하여 각 구성들을 모니터링할 수 있다. 여기서, 상태 정보는 계통 전력 공급량, 전력 생산량, 전력 소비량, 배터리(120)의 동작 상태 및 배터리(120)의 충전 상태 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 에너지 관리 장치(140)는 전력 자원에 대한 상태 정보를 수집하기 위하여 특정 상태 정보를 센싱할 수 있는 센서 또는 특정 전력 자원의 관리 장치(예를 들어, BMS)와 연결될 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 배터리(120)의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립한다. 여기서, 운영 스케줄은 배터리(120)의 단위 시간별 충방전량에 대한 정보를 포함할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 운영 스케줄에 따른 배터리(120)의 충방전 제어 과정에서 특정 이벤트가 발생되는 경우, 해당 이벤트에 대응하여 기 수립된 운영 스케줄을 조정할 수 있다. 예를 들어, 특정 이벤트는 수요 반응(DR) 신호의 수신, 또는 운영 스케줄의 기초 정보와 실측 정보의 오차 발생을 포함할 수 있다. 한편, 수요 반응 신호 및 오차에 대응한 운영 스케줄의 조정에 관한 구체적인 설명은 후술한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구현 예를 도시한 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100')은 도 3에 도시된 바와 같이, 수요 반응 자원으로 기능하는 주택에 구성될 수 있다. 여기서, 발전 장치는 태양광 발전 시스템(PV; Photovoltaic, 110')에 해당할 수 있으며, 전력 변환 장치는 인버터(130')에 포함되어 구현될 수 있다. 에너지 관리 장치는 주택 내 최상위 제어 시스템인 HEMS(Home Energy Management System, 140')에 포함되어 구현될 수 있다. VPP 연계 장치는 VPP 서비스를 제공하는 중개 사업자에 의해 관리되는 VPP Provider 시스템(400')에 포함되어 구현될 수 있다.
에너지 저장 시스템(100')은 도 3에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 시스템(110')과 배터리(120')가 DC 라인에 연계되는 DC Coupled 에너지 저장 시스템으로 구현될 수 있다. DC-Coupled 에너지 저장 시스템은 각 배터리 랙에 개별적으로 DC 전압/전류를 제어할 수 있는 DC/DC 컨버터가 포함된다. 이에, 태양광 발전 시스템(110')과의 연동에 사용되는 DC/AC컨버터가 더이상 필요 없어져 효율이 증대된다. 또한, 각 배터리 랙 간 SOC, SOH, 용량의 차이가 발생하여도 개별 배터리의 특성을 고려한 배터리 전력량 제어가 가능해진다. 또한, 출력대가 상이한 PV 모듈도 하나의 시스템으로 통합할 수 있으며, 태양광 발전 시스템(110')의 안정성 측면에서도 유리하다.
한편, 도 3에 도시된 에너지 저장 시스템(100')은 본 발명의 명확한 설명을 위한 예시로, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 도 3에 도시된 바와 다르게 빌딩, 공장 등 다양한 수요 반응 자원에 구성될 수 있으며, 필요에 따라 일부 구성이 추가 또는 치환되거나, 구성 간의 연결 관계가 변경될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운영 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)의 운영 방법은 에너지 저장 시스템(100)에 구성되는 전력 변환 장치(130)와 에너지 관리 장치(140)에 의해 수행될 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는, 운영 스케줄 수립을 위한 기초 정보를 수집한다(S410). 여기서, 기초 정보는 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는, 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립한다(S420). 여기서, 운영 스케줄은 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리(120)의 충방전량을 포함할 수 있다. 운영 스케줄에서 단위 시간은 필요에 따라 다양하게 정의될 수 있으며, 예를 들어 1시간, 10분, 또는 10초 단위로 정의될 수 있다. 운영 스케줄은 운영 기간에 대한 정보가 포함될 수 있으며, 예를 들어 운영 시작 시점은 특정 일의 0시로, 운영 종료 시점은 해당 일의 24시로 정의될 수 있다. 에너지 관리 장치(140)는, 목적함수를 이용한 최적화 기법을 이용하여 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 운영 스케줄을 도출할 수 있다.
전력 변환 장치(130)는 에너지 관리 장치(140)에 의해 수립된 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어한다(S430).
에너지 관리 장치(140)는 배터리(120)의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR) 신호의 수신 여부를 체크한다(S440).
수요 반응(DR) 신호가 수신되지 않으면, 에너지 관리 장치(140)는 운영 스케줄에 정의된 운영 종료 시점의 경과 여부를 체크한다(S450). 운영 종료 시점이 경과되지 않은 경우, 전력 변환 장치(130)는 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어한다(S430). 운영 종료 시점이 경과되면, 전력 변환 장치(130)는 해당 운영 스케줄에 따른 제어 동작을 종료한다.
수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 에너지 관리 장치(140)는 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 운영 스케줄을 조정한다(S460). 여기서, 에너지 관리 장치(140)는 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR 조건을 만족하도록 하는 배터리(120)의 제어 정보(예를 들어, 배터리의 방전량 및 방전 시간)를 생성할 수 있다. 도출된 제어 정보에 따라 수요 반응의 이행이 완료되면, 에너지 관리 장치(140)는 수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 조정할 수 있다. 이 때, 운영 스케줄에 정의된 운영 종료 시점이 경과되지 않은 경우(S450), 전력 변환 장치(130)는 조정된 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작을 제어할 수 있다(S430).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 운영 스케줄 수립 방법을 나타내는 동작 흐름도이다. 이하에서는, 도 5를 참조하여 도 4의 S410 내지 S420 단계의 구체적인 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
에너지 관리 장치(140)는 기초 정보를 수집한다(S510). 여기서, 수집되는 기초 정보는 배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함할 수 있다.
배터리 관련 파라미터는, 용량, SOC의 상한값, SOC의 하한값 및 SOC의 설정 하한값(VPP Provider와의 협의에 의해 결정되는 값으로, 수요 반응 이행시 최소로 남겨두어야 할 SOC를 의미할 수 있음)을 포함할 수 있다.
계통 전력 비용 정보는, 단위 시간별 계통 전력 공급량 및 단위 시간별 계통 전력 비용을 포함할 수 있다.
전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보는, 단위 시간별 발전 장치(110)의 발전량 및 단위 시간별 부하(200)의 전력 소비량을 포함할 수 있다.
제1 기간은 예측 정보의 예측 정확도를 고려하여 다양한 범위로 정의될 수 있으며, 예를 들어 특정 일(n일)의 1년 이전부터 해당 일(n일)의 1일 전(n-1일)까지로 정의될 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 수집된 기초 정보를 이용하여 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 예측 정보를 생성한다(S520).
예측 정보는 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 포함할 수 있다. 여기서, 전력 생산 예측 정보는 단위 시간별 발전 장치(110)의 예측 발전량을 포함하고, 전력 생산 예측 정보는 단위 시간별 부하(200)의 예측 소비량을 포함할 수 있다.
제2 기간은 운영 스케줄의 운영 기간으로 정의되며, 예를 들어 특정 일(n일)의 0시부터 24시까지로 정의될 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 기초로 전력 생산 패턴 및 전력 소비 패턴을 포함한 패턴 정보를 도출하고, 도출된 패턴 정보를 이용하여 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 1년 기간 동안의 단위 시간 별 발전량 및 전력 소비량에 대한 평균값을 계산하여, 특정 일에 대한 단위 시간별 예측 발전량 및 단위 시간별 소비량을 도출할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는, 생성된 예측 정보를 기초로 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성한다(S530). 여기서, 에너지 관리 장치(140)는 MILP(Mixed-integer Linear Programming)에 기초하여 정의된 목적 함수를 이용해 운영 스케줄을 도출할 수 있다. 이하에서는, 이러한 운영 스케줄 생성 방법에 관한 구체적인 구현 예에 대해 상세하게 설명한다.
에너지 관리 장치(140)는 계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여 단위 시간별 배터리(120)의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출할 수 있다. 여기서, 목적 함수는 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000001
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000002
는 계통 전력 스케줄이고,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000003
는 계통 전력 비용임)
수학식 1은 계통 전력 구매 비용을 최소화할 수 있는 단위 시간별 배터리(120)의 충전량 또는 방전량을 도출하기 위한 목적함수이다. 여기서, 수학식 1에 따른 목적 함수는, 전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000004
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000005
는 배터리의 충전 전력량,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000006
는 배터리의 방전 전력량,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000007
는 예측 발전량,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000008
는 예측 전력 소비량임)
[수학식 3]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000009
(여기서, SOC(t)는 배터리의 SOC,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000010
는 배터리의 용량,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000011
는 전력 변환 장치의 충전 효율,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000012
는 전력 변환 장치의 방전 효율임)
[수학식 4]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000013
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000014
는 SOC의 설정 하한값,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000015
는 SOC의 상한값임)
[수학식 5]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000016
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000017
는 0 또는 1의 값을 갖는 충전 상태값(battery state for charging),
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000018
는 전력 변환 장치의 최대 출력임)
[수학식 6]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000019
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000020
는 0 또는 1의 값을 갖는 방전 상태값(battery state for discharging)임)
[수학식 7]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000021
제1조건은 수학식 2로 구현될 수 있으며, 결정 변수인
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000022
및
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000023
가 전력의 공급과 수요의 균형에 맞게 결정되도록 기능한다.
제2조건은 수학식 3으로 구현될 수 있으며, 다음 단위 시간에서의 SOC가 배터리 용량 및 충방전 효율에 기초하여 결정되도록 기능한다.
제3조건은 수학식 4로 구현될 수 있으며, SOC가 설정된 상한 및 하한 범위 내에서 결정되도록 기능한다.
제 4조건 및 제5조건은 수학식 5 내지 7로 구현될 수 있으며, 결정 변수인
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000024
및
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000025
가 전력 변환 장치(130)의 출력 용량을 초과하지 못하도록 하며, 동시에 충전 전력량과 방전 전력량이 동시에 결정될 수 없도록 기능한다.
에너지 관리 장치(140)는 상기 목적 함수 및 제한 조건을 만족하는
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000026
및
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000027
를 도출하고 이를 포함하는 운영 스케줄을 생성할 수 있다. 운영 스케줄 수립에 관한 목적 함수 및 제약 조건은 다양한 변형 예를 가질 수 있으며, 본 발명의 권리는 앞서 기술한 수학식에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수요 반응(DR) 대응을 위한 운영 스케줄 조정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다. 이하에서는, 도6을 참조하여 도 4의 S460 단계의 구체적인 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
에너지 관리 장치(140)는 VPP 연계 장치(400)로부터 수요 반응(DR) 신호를 수신한다(S610). 수요 반응(DR) 신호는 DR지속 시간 및 DR전력량 중 적어도 하나로 구성된 DR 조건을 포함할 수 있다. 여기서, DR 지속 시간은 전력 피크에 따른 전력 감축 운영 시간을 나타내고, DR 전력량은 감축해야하는 계통 전력 사용량을 나타낼 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR조건을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행한다(S620). 에너지 관리 장치(140)는 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR 조건을 만족하도록 하는 배터리(120)의 제어 정보를 도출할 수 있고, 도출된 제어 정보에 따라 배터리(120)가 DR지속 시간 동안 DR전력량만큼 배터리를 방전하도록 할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 수요 반응 이행(S620) 이후 운영 스케줄의 남은 운영 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립한다(S630). 에너지 관리 장치(140)는 아래 수학식 8에 따른 수정된 목적 함수를 이용하여 운영 스케줄을 재생성할 수 있다. 여기서, 수학식 8에 따른 목적 함수는 상기 수학식 2 내지 7에 따른 제약 조건이 설정될 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000028
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000029
는 수요 반응의 이행 완료 시간임)
에너지 관리 장치(140)는 재수립된 운영 스케줄을 전력 변환 장치(130)에 전달하여 조정된 운영 스케줄에 따라 배터리(120)의 충방전 동작이 제어되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 오차 대응을 위한 운영 스케줄 조정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.
이하에서는, 도7을 참조하여 DR 신호의 수신(S440) 여부와 무관하게 도 4의 S430 단계 이후 수행될 수 있는 운영 스케줄의 실시간 조정 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
에너지 관리 장치(140)는, 운영 스케줄에 따른 배터리(120)의 충방전 제어 과정에서 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집한다(S710). 여기서, 수집되는 실측 정보는, 단위 시간별 실제 발전량 및 실제 전력 소비량을 포함할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는, 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 수집된 실측 정보의 오차를 도출한다(S720). 여기서, 에너지 관리 장치(140)는 아래 수학식 9와 같이, 운영 스케줄을 도출하는데 적용된 단위 시간별 예측 발전량 및 예측 전력 소비량과, 단위 시간별 실제 발전량 및 실제 전력 소비량의 차이를 계산하여 오차를 도출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000030
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000031
는 예측치와 실측치의 오차임)
에너지 관리 장치(140)는, 도출된 오차를 이용해 기 수립된 운영 스케줄을 조정한다(S730). 에너지 관리 장치(140)는 아래 수학식 10에 따라 실제 계통 전력 값을 도출하고, 도출된 실제 계통 전력 값을 수학식 1에 따른 목적 함수와 수학식 2 내지 7에 따른 제약 조건에 반영하여 운영 스케줄을 재생성할 수 있다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000032
(여기서,
Figure PCTKR2023000316-appb-img-000033
는 실제 계통 전력량임)
에너지 관리 장치(140)는, 조정 시점 이후 남은 운영 기간에 대한 운영 스케줄을 재생성하거나, 또는 오차가 발생된 특정 단위 시간에 한정하여 배터리(120)의 충방전량을 도출하고, 해당 단위 시간에 대한 운영 스케줄만 수정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 장치의 블록 구성도이다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 운영 방법을 수행하는 에너지 관리 장치(140)의 주요 구성에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 장치(140)는 수요 반응 자원에 구성되는 에너지 저장 시스템(100)의 제어 장치로서, 적어도 하나의 프로세서(141), 상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리(142) 및 에너지 저장 시스템(100) 내 다른 구성요소들과 통신을 수행하기 위한 송수신 장치(143)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 장치(140)는 전력관리 시스템(Power Management System; PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS; Energy Management System)일 수 있으나, 본 발명의 범위가 이들 개체에 한정되는 것은 아니다.
상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 상기 적어도 하나의 명령은, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하는 명령; 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하는 명령; 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령; 및 상기 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 목적 함수는, 전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의될 수 있다.
상기 기초 정보를 수집하는 명령은, 배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하는 명령을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은, 수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하는 명령; 및 생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하는 명령; 및 수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는 명령;을 포함할 수 있다.
상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령 이후, 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하는 명령; 상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하는 명령; 및 도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함할 수 있다.
에너지 관리 장치(140)는 또한, 입력 인터페이스 장치(144), 출력 인터페이스 장치(145), 저장 장치(146) 등을 더 포함할 수 있다. 에너지 관리 장치(140)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(147)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
여기서, 프로세서(141)는 중앙처리장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(또는 저장 장치)는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를들어, 메모리는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
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.
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.

Claims (21)

  1. 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성되는 에너지 저장 시스템으로서,
    전력을 생산하는 발전 장치;
    전력을 저장하는 배터리;
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태를 모니터링하고, 상기 배터리에 관한 운영 스케줄을 수립하는 에너지 관리 장치; 및
    상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 전력 변환 장치;를 포함하고,
    상기 에너지 관리 장치는,
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하고, 수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하며, 상기 운영 스케줄에 따른 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 관리 장치는,
    계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는, 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 관리 장치는,
    계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는, 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 목적 함수는,
    전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의되는, 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 관리 장치는,
    배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하고,
    수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하고,
    생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 관리 장치는,
    상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하고,
    수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는, 에너지 저장 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 관리 장치는,
    상기 운영 스케줄에 따른 배터리의 제어 과정에서 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하고,
    상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하고,
    도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는, 에너지 저장 시스템의 에너지 저장 시스템.
  8. 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성되는 에너지 관리 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서;
    상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하는 명령;
    수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하는 명령;
    수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령; 및
    상기 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은,
    계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는 명령을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은,
    계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는 명령을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 목적 함수는,
    전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의되는, 에너지 관리 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 기초 정보를 수집하는 명령은,
    배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하는 명령을 포함하고,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 명령은,
    수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하는 명령; 및
    생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는 명령;을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 조정하는 명령은,
    상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하는 명령; 및
    수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는 명령;을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 명령 이후,
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하는 명령;
    상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하는 명령; 및
    도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는 명령;을 포함하는, 에너지 관리 장치.
  15. 가상 발전소(VPP; Virtual Power Plant) 시스템과 연계된 수요 반응 자원(demand response resource)에 구성되는 에너지 저장 시스템의 운영 방법으로서,
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와 계통 전력 비용 정보를 포함한 기초 정보를 수집하는 단계;
    수집된 기초 정보를 이용하여 배터리의 충방전 동작을 제어하기 위한 운영 스케줄을 수립하는 단계;
    수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 단계; 및
    상기 배터리의 충방전 제어 과정에서 수요 반응(DR; Demand Response) 신호가 수신되면, 상기 수요 반응(DR) 신호에 대응하여 상기 운영 스케줄을 조정하는 단계;를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는,
    계통 전력의 구매 비용을 최소로 하는 단위 시간별 배터리의 충방전량을 도출하여 상기 운영 스케줄에 반영하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는,
    계통 전력의 구매 비용으로 정의되는 목적 함수를 이용하여, 단위 시간별 배터리의 충방전량을 포함한 운영 스케줄을 도출하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 목적 함수는,
    전력 공급 및 전력 소비의 균형에 관한 제1조건, 배터리의 충방전 효율에 따른 충전 상태(SOC)에 관한 제2조건, 배터리의 한계 충전량에 관한 제3조건, 전력 변환 장치의 한계 출력에 관한 제4조건, 및 충전 상태 및 방전 상태의 이진화에 관한 제5조건 중 적어도 하나를 포함하는 제약 조건이 정의되는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 기초 정보를 수집하는 단계는,
    배터리 관련 파라미터, 계통 전력 비용 정보, 및 사전 정의된 제1 기간에 대한 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보를 포함하는 기초 정보를 수집하는 단계를 포함하고,
    상기 운영 스케줄을 수립하는 단계는,
    수집된 기초 정보를 이용하여, 상기 제1 기간 이후의 기간으로 사전 정의된 제2 기간에 대한 전력 생산 예측 정보 및 전력 소비 예측 정보를 생성하는 단계; 및
    생성된 예측 정보를 기초로 상기 제2 기간에 대한 운영 스케줄을 생성하는 단계;를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 운영 스케줄을 조정하는 단계는,
    상기 수요 반응(DR) 신호가 수신되면, 상기 수립된 운영 스케줄과 무관하게, 상기 수요 반응(DR) 신호에 포함된 DR지속 시간 및 DR전력량을 만족하도록 배터리의 충방전 동작을 제어하여 수요 반응을 이행하는 단계; 및
    수요 반응 이행 이후 남은 기간에 대한 운영 스케줄을 재수립하는 단계;를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 수립된 운영 스케줄에 따라 상기 배터리의 충방전 동작을 제어하는 단계 이후,
    전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 실측 정보를 수집하는 단계;
    상기 기초 정보에 포함된 전력 생산 상태 및 전력 소비 상태에 관한 정보와, 상기 수집된 실측 정보의 오차를 도출하는 단계; 및
    도출된 오차를 이용해 상기 운영 스케줄을 조정하는 단계;를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 운영 방법.
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