KR101337576B1

KR101337576B1 - Ｓｏｃ 관리를 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101337576B1
Application number: KR1020120063731A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 이성수; 이태식
Original assignee: 이엔테크놀로지 주식회사
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-06
Anticipated expiration: 2032-06-14

Abstract

본 발명은 SOC 관리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, PCS(Power condition system)가 배터리의 SOC(state of charge)를 관리하는 방법에 있어서, 배터리의 현재 SOC를 검출하는 단계, 상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계, 상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

ＳＯＣ 관리를 위한 방법 및 시스템{Method and System for state of charge management}

본 발명은 SOC(state of charge) 관리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전 시스템에서 발전한 전력을 스무딩 제어(smoothing control)하여 배터리의 충전량(SOC)이 기 설정된 목표 SOC를 유지하도록 제어하는 SOC 관리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

환경 파괴, 자원고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 태양광 발전 등 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 특히 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않아 그 활용 방안에 대한 연구가 활발히 진행중이다.

신재생 에너지는 자연 상태의 무공해 에너지원이며, 대기오염, 방사능 누출의 문제가 없어 환경 친화적인 장점을 지닌다.

그러나, 풍력 발전이나 태양광 발전 등의 신재생 에너지 전원은 본질적으로 그 발전의 근본이 자연환경에 의존적이므로 발전량이 간헐적인 특성을 가진다. 이러한 간헐성은 발전 출력의 급격한 변동을 가져오며 그 결과로서 전력 품질이 떨어지는 결과를 초래한다.

또한, 발전 시스템의 불균일한 발전량은 상용 전원의 불안정을 일으키는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리를 이용한 스무딩 제어(smoothing control)를 하고 있다. 그러나 스무딩 제어를 지속할 경우 배터리 특성으로 인해 배터리 SOC가 감소하는 문제가 발생하고, SOC 감소는 배터리를 이용한 에너지 쉬프트(신재생 에너지원을 이용한 전력 거래) 동작이 불가능한 상황을 초래하는 문제가 있다.

또한, 효과적인 신재생 에너지원을 이용한 전력 거래를 하기 위해서는 스무딩 제어시 배터리 SOC에 대한 관리가 필요하다.환경 파괴, 자원고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 태양광 발전 등 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 특히 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않아 그 활용 방안에 대한 연구가 활발히 진행중이다.

그러나, 풍력 발전이나 태양광 발전 등의 신재생 에너지 전원은 본질적으로 자연환경에 의존하므로 발전량이 간헐적인 특성을 가진다. 이러한 간헐성은 발전 출력의 급격한 변동을 가져오고, 그 결과로서 전력 품질이 떨어지는 결과를 초래한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리를 이용한 스무딩 제어(smoothing control)를 하고 있다. 그러나 스무딩 제어를 지속할 경우 배터리 특성으로 인해 배터리 SOC가 감소하는 문제가 발생하고, SOC 감소는 배터리를 이용한 에너지 쉬프트(신재생 에너지원을 이용한 전력 거래) 동작을 불가능하게 하는 상황을 초래하는 문제가 있다. 그러므로, 신재생 에너지원을 이용한 전력 거래를 위해서는 스무딩 제어 시 배터리 SOC에 대한 관리가 필요하다.

공개특허공보 제 10-2011-0132122호 : 전력 저장 시스템 및 그 제어방법(2011.12.07)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 발전 시스템에서 발전한 전력을 스무딩 제어(smoothing control)할 경우 배터리 SOC를 관리하여, 신재생 에너지원을 이용한 전력 거래를 효과적으로 할 수 있도록 하는 SOC 관리를 위한 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 배터리의 SOC가 기 설정된 목표 SOC를 유지하도록 할 수 있는 SOC 관리를 위한 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발전 시스템의 간헐적인 출력으로 인하여 발생하는 전력품질 악화 문제를 개선할 수 있는 SOC 관리를 위한 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, PCS(Power condition system)가 배터리의 SOC(state of charge)를 관리하는 방법에 있어서, 배터리의 현재 SOC를 검출하는 단계, 상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계, 상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 SOC 관리를 위한 방법이 제공된다.

상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계는, 상기 현재 SOC가 상기 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하는 단계, 상기 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한 경우, 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하고, 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하지 않은 경우 현재 SOC의 목표 SOC 초과 여부에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하는 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구할 수 있다.

[수학식]

Smoothing rate = (SOC_ref + (abs(목표 SOC- 현재 SOC)/100)

또한, 상기 현재 SOC가 목표 SOC 미만인 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구할 수 있다.

[수학식]

Smoothing rate = (SOC_ref -(abs(목표 SOC - 현재 SOC)/100)

상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 발전 시스템으로부터의 전력에서 노이즈 제거를 통해 스무딩 레벨이 조절된 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하는 단계, 상기 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 적용 및 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 구하는 단계, 상기 발전 시스템으로부터의 전력을 상기 인버터 출력 지령값을 비교하는 단계, 상기 비교결과, 인버터 출력 지령값이 발전 시스템에서 발전한 전력을 초과하는 경우, 상기 인버터 출력 지령값과 발전 시스템에서 발전한 전력의 차이에 해당하는 전력을 배터리에서 방전시키고, 상기 인버터 출력 지령값이 발전 시스템이 발전한 전력 미만인 경우, 상기 발전 시스템에서 발전한 전력과 인버터 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력을 상기 배터리에 충전시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 PCS에 있어서, 상기 발전 시스템에서 출력되는 전력을 직류 링크 전력으로 변환하는 전력 변환부, 상기 배터리의 현재 SOC와 기 설정된 목표 SOC의 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하고, 상기 전력 변환부에서 출력되는 전력의 스무딩 레벨을 조절하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하며, 그 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성한 후, 상기 인버터 출력 지령값을 근거로 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하여 상기 배터리의 SOC가 상기 목표 SOC가 되도록 상기 배터리를 충전 또는 방전시키는 제어부, 상기 인버터 출력 지령값에 해당하는 전력을 상기 계통의 교류 전력으로 변환하는 제2 방전 모드와 상기 계통의 교류 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제2 충전 모드를 포함하는 양방향 인버터, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 배터리의 출력 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제1 방전 모드와 상기 직류 링크 전력을 상기 배터리의 충전 전력으로 변환하는 제1 충전 모드를 포함하는 양방향 컨버터를 포함하는 SOC 관리를 위한 PCS가 제공된다.

상기 제어부는 현재 SOC가 상기 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하고, 상기 판단결과 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한 경우, 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하고, 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하지 않은 경우 현재 SOC의 목표 SOC 초과 여부에 따라 스무딩 레이트를 조절할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 전력 변환부에서 출력되는 전력을 상기 인버터 출력 지령값과 비교하고, 상기 비교결과, 상기 전력이 인버터 출력 지령값을 초과한 경우 상기 전력과 인버터 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력이 상기 배터리에 충전되도록 상기 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하고, 상기 전력이 인버터 출력 지령값 미만인 경우 상기 배터리에서 인버터 출력 지령값과 상기 전력의 차이에 해당하는 전력을 방전시키도록 상기 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 발전 시스템에서 발전한 전력을 스무딩 제어(smoothing control)할 경우 배터리 SOC를 관리하여, 신재생 에너지원을 이용한 전력 거래를 효과적으로 할 수 있다.

또한, 배터리의 SOC가 기 설정된 목표 SOC를 유지하도록 할 수 있다.

또한, 발전 시스템의 간헐적인 출력으로 인하여 발생하는 전력품질 악화 문제를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬연결 일 경우 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 PCS가 배터리의 SOC를 관리하는 방법을 나타낸 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 스무딩 제어를 설명하기 위한 화면 예시도.

본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, SOC(state of charge) 관리를 위한 전력 관리 시스템은 발전 시스템(200), 배터리/BMS(300), 계통(400)과 연계하여 부하(500)에 전력을 공급하는 전력변환장치(이하 PCS(Power condition system)라 칭함)(100)를 포함한다.

발전 시스템(200)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(200)은 생산한 전력을 PCS(100)에 공급한다. 발전 시스템(200)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등을 이용하는 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하다. 발전 시스템(200)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전 모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.

계통(400)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(400)은 정상 상태인 경우, PCS(100) 또는 부하(500)로 전력을 공급하고, PCS(100)로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(400)이 비정상 상태인 경우, 계통(400)으로부터 PCS(100) 또는 부하(500)로의 전력 공급은 중단되고, PCS(100)로부터 계통(400)으로의 전력 공급 또한 중단된다.

부하(500)는 발전 시스템(200)으로부터 생산된 전력, 배터리(300)에 저장된 전력, 또는 계통(400)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.

PCS(100)는 발전 시스템(200)에서 발전한 전력을 배터리(300)에 저장하거나 계통(400) 또는 부하(500)로 보낼 수 있다. 또한 PCS(100)는 배터리(300)에 저장된 전력을 계통(400) 또는 부하(500)로 전달하거나, 계통(400)에서 공급된 전력을 배터리(300)에 저장할 수도 있다.

또한, PCS(100)는 스무딩 제어(smoothing control)를 수행하여 배터리(300)의 충전량(SOC)이 기 설정된 목표 SOC를 유지하도록 제어한다.

상기와 같은 역할을 수행하는 PCS(100)는 전력 변환부(110), 제어부(160), 양방향 인버터(130), 양방향 컨버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(170)를 포함한다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)에서 생산한 전력을 제1 노드(N1)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다. 즉, 전력 변환부(110)가 동작함으로 인하여 발전 시스템(200)에서 생산된 전력이 배터리(300), 계통(400), 부하(500) 등에 공급될 수 있다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)의 종류에 따라서 컨버터 또는 정류회로로 구성될 수 있다. 즉, 발전 시스템(200)이 직류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(110)는 직류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다.

반대로 발전 시스템(200)이 교류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다.

또한, 전력 변환부(110)는 일사량, 온도, 풍속 등의 변화에 따라서 발전 시스템(200)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking, 이하 'MPPT'라 한다) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 동작을 중지하여 컨버터 등에서 소비되는 전력을 최소화시킬 수도 있다.

제어부(160)는 배터리(300)의 현재 SOC와 기 설정된 목표 SOC의 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하고, 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력의 스무딩 레벨을 조절하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하며, 그 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성한 후, 생성한 인버터 출력 지령값을 근거로 양방향 컨버터(140) 및 양방향 인버터(130)를 제어하여 배터리(300)의 SOC가 목표 SOC가 되도록 배터리(300)를 충전 또는 방전시킨다.

즉, 제어부(160)는 전력 변환부(110)로부터의 전력을 필터링하여 변동성을 줄인 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성한다. 이때, 제어부(160)는 LPF(Low Pass Filter)를 이용하여 전력 변환부(110)로부터의 전력을 필터링한다. 여기서, LPF(Low Pass Filter)는 전력 변환부(110)로부터의 전력에 대한 스무딩 레벨을 정하기 위한 필터로 동작할 수 있다. 따라서, 제어부(160)은 전력 변환부(110)로부터의 전력에서 노이즈를 제거하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성한다. 스무딩 전력은 프로그램상에 존재하는 기준 값으로, 실제적인 전력은 양방향 인버터(130)에서 지령받은 값을 이용하여 생성된다.

또한, 제어부(160)는 스무딩 전력(Psmoothing)에 스무딩 레이트를 적용 및 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성하고, 그 인버터 출력 지령값(Pinv)을 양방향 인버터(130)로 전송한다. 스무딩 레이트는 배터리(300)의 SOC를 보상하기 위한 값으로서, 출력 에너지 레벨의 상승과 하강을 통한 배터리 충전과 방전을 임의로 조절하기 위한 값일 수 있다. 또한, 스무딩 레이트는 배터리 충방전 효율에 따른 값으로서, 배터리 상태에 따라 변동될 수 있다.

또한, 제어부(160)는 배터리(300)의 현재 SOC(SOC_curr)를 검출하고, 현재 SOC(SOC_curr)가 기 설정된 목표 SOC(SOC_target)를 유지하도록 스무딩 제어를 수행한다. 이를 위해, 제어부(160)은 배터리(300)의 현재 SOC(SOC_curr)를 기 설정된 목표 SOC(SOC_target)와 비교하고, 그 비교 결과를 근거로 스무딩 레이트를 조절한다. 목표 SOC는 배터리 상태에 따라 변동될 수 있는 값으로서, 예를 들면 80%일 수 있다.

제어부(160)가 배터리(300)의 SOC를 관리하는 방법에 대해 좀더 상세히 설명하면, 제어부(160)는 배터리(300)의 현재 SOC가 기 설정된 목표 SOC와 동일한지를 판단한다. 상기 판단결과 배터리(300)의 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하면, 제어부(160)는 스무딩 레이트를 기 설정된 기준 값(SOC_ref)으로 설정한다. 여기서, 스무딩 레이트의 기준 값(SOC_ref)은 예를 들면, 0.9일 수 있다. 배터리(300)는 충전 효율이 방전효율보다 낮기 때문에, 스무딩 레이트가 '1'인 경우, 시간이 지남에 따라 SOC는 무조건 방전된다. 그러므로, 스무딩 레이트의 기준 값을 0.9로 설정할 수 있다.

만약, 배터리(300)의 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하지 않으면, 제어부(160)는 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하는지의 여부를 판단한다. 상기 판단결과 배터리 충전량이 목표 SOC를 초과하면, 제어부(160)는 수학식 1을 이용하여 스무딩 레이트를 구한다.

만약, 배터리 현재 SOC가 목표 SOC 미만이면, 제어부(160)는 수학식 2를 이용하여 스무딩 레이트를 구한다.

상기와 같이 배터리(300)의 현재 SOC에 따라 스무딩 레이트가 구해지면, 제어부(160)는 수학식 3과 같이 스무딩 전력(Psmoothing)에 상기 구해진 스무딩 레이트(Smoothing rate)를 곱하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 구하고, 구해진 인버터 출력 지령값을 양방향 인버터(130)로 전송한다.

또한, 제어부(160)는 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력을 인버터 출력 지령값과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 양방향 컨버터(140) 및 양방향 인버터(130)을 제어한다.

먼저, 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력이 인버터 출력 지령값을 초과하는 경우, 제어부(160)는 상기 전력과 인버터 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력이 배터리(300)에 충전되도록 양방향 컨버터(140) 및 양방향 인버터(130)를 제어한다. 이때, 양방향 컨버터(140)는 충전 모드로 동작하고, 양방향 인버터(130)는 인버터 출력 지령값에 해당하는 전력을 부하(500) 또는 계통(400)에 공급한다.

이 경우, 인버터 출력 지령값은 발전 시스템(200)에서 발전한 전력보다 낮은 값이므로, 제어부(160)는 인버터 출력 지령값을 제외한 나머지 전력이 배터리(300)에 충전되도록 양방향 컨버터(140)를 제어한다. 그러면, 배터리(300)의 SOC는 목표 SOC가 될 수 있다.

다음으로, 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력이 인버터 출력 지령값 미만인 경우, 제어부(160)는 배터리(300)에서 인버터 출력 지령값과 상기 전력의 차이에 해당하는 전력을 방전시키도록 양방향 컨버터(140) 및 양방향 인버터(130)를 제어한다. 이때, 양방향 컨버터(140)는 방전 모드로 동작하고, 양방향 인버터(130)는 인버터 출력 지령값에 해당하는 전력을 부하(500) 또는 계통(400)에 공급한다.

이 경우, 인버터 출력 지령값은 발전 시스템(200)에서 발전한 전력보다 높은 값이므로, 제어부(160)는 인버터 출력 지령값을 맞추기 위해 배터리(300)를 방전시킨다. 그러면, 배터리(300)의 SOC는 목표 SOC가 될 수 있다.

또한, 제어부(160)는 PCS(100)의 전체적인 동작을 제어하고, 시스템의 동작 모드 예를 들면 발전된 전력을 계통(400)에 공급할 것인지, 부하(500)에 공급할 것인지, 배터리(300)에 저장할 것인지, 계통(400)으로부터의 전력을 배터리(300)에 저장할 것인지의 여부 등을 결정한다.

또한, 제어부(160)는 전력 변환부(110), 양방향 인버터(130), 양방향 컨버터(140), 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160) 각각의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 전송한다. 여기서, 제어 신호는 각각의 컨버터 또는 인버터의 입력 전압에 따른 듀티 비 최적 제어를 통해 컨버터 또는 인버터의 전력 변환에 따른 손실을 최소화한다. 이를 위해 제어부(160)는 전력 변환부(110), 양방향 인버터(130), 양방향 컨버터(140)의 각각의 입력단에서 전압, 전류, 온도를 감지한 신호를 제공받아, 이러한 감지신호들을 기초로 제어 신호를 전송한다.

여기에서는 제어부(160)를 PCS(100)내에 구비되도록 설명하였으나, PCS(100)와는 별개의 장치로 구성할 수도 있다.

양방향 인버터(130)는 스무딩 제어 회로부(120)와 제1 스위치(150) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 양방향 인버터(130)는 방전 모드에서 발전 시스템(210) 또는 배터리(260)로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(280)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다.

또한, 양방향 인버터(130)는 충전 모드에서 계통(400)의 전력을 배터리(300)에 저장하기 위하여, 계통(400)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압으로 변환하여 출력한다. 양방향 인버터(130)는 계통(400)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 양방향 인버터(130)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(400)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL(Phase Locked Loop)) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 양방향 인버터(130)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.

양방향 인버터(130)는 발전 시스템(200)에서 생산된 전력이나 배터리(300)에 저장된 전력을 부하(500)나 계통(400)으로 공급할 필요가 없는 경우, 또는 배터리(300)를 충전할 때에 계통(400)의 전력을 필요로 하지 않는 경우 등에는 전력 소비를 최소화하기 위하여 양방향 인버터(130)의 동작을 중지시킬 수도 있다.

양방향 컨버터(140)는 방전 모드에서 배터리(300)에 저장된 전력을 양방향 인버터(130)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 반면에, 양방향 컨버터(140)는 충전 모드에서 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전 전력을 배터리(300)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 예를 들어 발전 시스템(200)에서 생산된 전력 또는 계통(400)으로부터 양방향 인버터(130)를 통하여 공급된 전력이다. 양방향 컨버터(140)는 배터리(300)의 충전 또는 방전이 필요없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.

제1 스위치(150) 및 제2 스위치(170)는 양방향 인버터(130)와 제2 노드(N2) 사이에 직렬로 연결되며, 제어부(160)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(200)과 계통(400) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1스위치(150)와 제2 스위치(170)는 발전 시스템(200), 계통(400), 및 배터리(300)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(500)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(200), 계통(400)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론 발전 시스템(200) 및 계통(400)으로부터의 전력만으로는 부하(500)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(300)에 저장된 전력이 공급될 수도 있다.

반면에, 계통(400)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(170)를 off 상태로 하고 제1 스위치(150)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(200) 또는 배터리(300)로부터의 전력을 부하(500)에 공급할 수 있으며, 부하(500)로 공급되는 전력이 계통(400) 측으로 흘러들어가 계통(400)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.

BMS는 배터리(300)에 연결되며, 배터리(300)보호 동작 및 배터리(300)의 상태를 제어부(160)에 전달한다.

BMS는 배터리(300)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS는 배터리(300)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 관련 정보를 제어부(160)에 전송할 수 있다. 본 실시 예에서는 BMS가 배터리(300)와 일체로 된 배터리 팩으로 구성하였으나, BMS와 배터리(300)가 분리된 구성으로 할 수도 있다.

배터리(300)는 발전 시스템(200)에서 생산된 전력 또는 계통(400)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(500) 또는 계통(400)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리(300)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(300)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(300)는 SOC 제어 장치(100)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 그 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부하(500)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리(300)를 구비할 수 있으며, 부하(500)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리(300)만을 구비할 수도 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, SOC(state of charge) 관리를 위한 전력 관리 시스템은 발전 시스템(200), 배터리/BMS(300), 계통(400)과 연계하여 부하(500)에 전력을 공급하는 전력변환장치(이하 PCS(Power condition system)라 칭함)(100)를 포함한다.

전력 관리 시스템을 도 1에 도시된 전력 관리 시스템과 비교하면, 제어부(160), 배터리/BMS(300)와 연결된 양방향 컨버터(140)가 계통 앞단에 위치하여 시스템을 안정화시키고, SOC관리를 할 수 있다.

PCS(100)가 독립 운전 시스템이 아닐 경우, 제어부(160)는 PCS(100)와 계통 사이에 바로 설치 가능하다. 만약, PCS(100)가 독립 운전이 가능한 경우, 제어부(160)는 PCS(100)내에 설치 가능하다.

그리고, 양방향 컨버터(140)와 배터리(300)는 용량에 따라 복수 설치가 가능하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬연결 일 경우 SOC 관리를 위한 전력 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, SOC(state of charge) 관리를 위한 전력 관리 시스템은 복수 개의 발전 시스템(200), 복수 개의 배터리(300), 계통(400)과 연계하여 부하(500)에 전력을 공급하는 전력변환장치(이하 PCS(Power condition system)라 칭함)(100)를 포함한다.

발전 시스템(200)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다. 발전 시스템(200)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.

PCS(100)는 각 발전 시스템(200)에서 발전한 전력을 배터리(300)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(400)으로 보낼 수 있다. 또한 PCS(100)는 배터리(300)에 저장된 전력을 계통(400)으로 전달하거나, 계통(400)에서 공급된 전력을 배터리(300)에 저장할 수 있다.

또한, PCS(100)는 스무딩 제어를 수행하여 배터리(300)의 충전량이 목표 충전량을 유지하도록 제어한다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(200)에서 생산한 전력을 스무딩 제어 회로부(120) 또는 양방향 컨버터(140)로 전달하는 역할을 하는 것으로서, 발전 시스템(200)의 개수에 상응하는 개수가 존재한다. 전력 변환부(110)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.

제어부(160)는 각 전력 변환부(110)로부터의 전력을 합하고, 그 합쳐진 전력에 LPF를 이용하여 변동성을 줄인 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성한다. 그런 다음 제어부(160)는 생성된 스무딩 전력에 스무딩 레이트를 적용하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성한 후, 그 인버터 출력 지령값을 양방향 인버터(130)로 전송한다.

복수 개의 배터리(300)가 병렬로 연결되어 있으므로, 제어부(160)는 각 배터리(300)과 통신하여 각 배터리(300)의 충전량을 확인하고, 상기 확인된 각 배터리(300)의 현재 충전량을 합한다. 그런 다음 제어부(160)는 합해진 현재 SOC(SOC_curr)를 기 설정된 목표 SOC(SOC_target)와 비교하고, 그 비교 결과를 근거로 스무딩 레이트를 조절한다.

제어부(160)가 스무딩 레이트를 조절하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.

배터리는 복수 개의 배터리를 병렬로 연결하여 축전 및 출력시킨다.

복수 개의 배터리(300)가 병렬로 연결되어 있고, 양방향 컨버터(140)는 배터리(300)와 연결되므로, 양방향 컨버터(140)는 배터리(300)의 수와 동일한 개수가 존재한다. 상기 양방향 컨버터(140)와 배터리(300)에 대한 상세한 설명은 도 1을 참조하기로 한다.

여기에서는 제1 스위치(150), 제2 스위치(170), 부하(500)를 생략하였으나, 그 구성이 있음은 자명하다.

상기와 같이 발전 시스템과 배터리를 병렬로 확장하여, SOC를 유지할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 PCS가 배터리의 SOC를 관리하는 방법을 나타낸 흐름도, 도 5는 본 발명에 따른 스무딩 제어를 설명하기 위한 화면 예시도이다.

도 4를 참조하면, PCS는 배터리의 현재 SOC를 검출하고(S402), 검출된 배터리 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단한다(S404).

단계 S404의 판단결과 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하면, PCS는 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정한다(S406).

그런 다음 PCS는 스무딩 전력(Psmoothing)에 스무딩 레이트(Smoothing rate)를 곱하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 구한다(S408).

PCS는 인버터 출력 지령값을 양방향 인버터에 제공하여 계통 또는 부하에 전력을 공급하고, 스무딩 레이트에 따라 배터리의 충방전을 제어하여 배터리의 SOC가 기 설정된 목표 SOC를 유지하도록 제어한다. 이때, PCS는 기 설정된 기준값만 적용된 인버터 출력지령을 통해 배터리 충방전 동작을 수행하면서 스무딩된 출력값을 출력한다.

만약, 단계 S404의 판단결과 배터리 현재 SOC가 목표 SOC와 동일하지 않으면, PCS는 배터리의 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하는지의 여부를 판단한다(S410).

단계 S410의 판단결과 배터리의 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하면, PCS는 수학식 1을 이용하여 스무딩 레이트를 구한다(S412). 그런 다음 PCS는 단계 S408을 수행한다. 이 경우, PCS는 배터리의 SOC가 목표 SOC가 되도록, 기 설정된 기준값에 스무딩 레이트를 적용한 인버터 출력 지령값을 통해 출력 레벨을 입력 대비 높힌 값을 내보내게 된다. 결국 출력 레벨을 맞추기 위해 배터리는 방전되고 SOC는 떨어지게 된다. 즉, 인버터 출력 지령값은 발전 시스템에서 발전한 전력보다 더 높은 값이므로, PCS는 발전 시스템에서 발전한 전력보다 더 높은 전력을 출력하기 위해, 배터리를 방전시키는 것이다.

만약, 단계 S410의 판단결과 배터리 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하지 않고 목표 SOC미만이면, PCS는 수학식 2를 이용하여 스무딩 레이트를 구한다(S414). 그런 다음 PCS는 단계 S408을 수행한다. 이 경우, PCS는 배터리의 SOC가 목표 SOC가 되도록, 기 설정된 기준값에 스무팅 레이트를 적용한 인버터 출력 지령값을 통해 출력 레벨을 입력 대비 낮춘 값을 내보내게 된다. 결국 출력 레벨을 맞추기 위해 배터리는 충전되고 SOC는 올라가게 된다. 즉, 인버터 출력 지령값은 발전 시스템에서 발전한 전력보다 더 낮은 값이므로, PCS는 발전 시스템에서 발전한 전력보다 더 낮은 전력을 출력하기 위해, 배터리를 충전시키는 것이다.

스무딩 레이트에 따라 배터리의 충반전을 제어하지 않은 경우, 도 5의 (a)와 같이 배터리 SOC는 목표 SOC을 유지하지 않게 된다.

즉, 배터리의 SOC를 관리하지 않은 경우에 대해 도 5의 (a)를 참조하면, 입력이 일정한 경우, 출력이 일정 비율로 나온다. 이 경우 배터리 충전 효율이 방전 효율보다 낮기 때문에 SOC는 낮아진다.

그러나, PCS가 배터리의 현재 충전량이 목표 충전량이 되도록 관리하면 도 5의 (b)와 같은 그래프가 생성된다.

배터리의 SOC를 관리하는 경우에 대해 도 5의 (b)를 참조하면, 입력이 일정한 경우, 현재 SOC와 목표 SOC를 비교하여 출력레벨이 변한다.

즉, 현재 SOC가 목표 SOC보다 낮은 경우에는 입력 전력을 배터리 충전에 이용하므로 출력 레벨이 낮게 나오고, 현재 SOC가 목표 SOC에 도달한 경우에는 배터리의 충방전 동작을 하지 않으므로 출력이 일정 비율로 나오며, 현재 SOC가 목표 SOC보다 높아지는 경우에는 입력 전력을 배터리 방전에 이용하므로 출력 레벨이 높게 나오게 된다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : PCS 200 : 발전 시스템
300 : 배터리/BMS 400 : 계통
500 : 부하

Claims

PCS(Power condition system)가 배터리의 SOC(state of charge)를 관리하는 방법에 있어서,
배터리의 현재 SOC를 검출하는 단계;
상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계; 및
상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계;
를 포함하고,
상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계는,
상기 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하는 단계; 및
상기 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한 경우 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하고, 동일하지 않은 경우 현재 SOC의 목표 SOC 초과 여부에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계;
를 포함하며,
상기 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하는 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 방법.
[수학식]
Smoothing rate = (SOC_ref + (abs(목표 SOC- 현재 SOC)/100)
여기서, 상기 SOC_ref는 기 설정된 스무딩 레이터의 기준 값임
PCS(Power condition system)가 배터리의 SOC(state of charge)를 관리하는 방법에 있어서,
배터리의 현재 SOC를 검출하는 단계;
상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계; 및
상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계;
를 포함하고,
상기 검출된 현재 SOC를 기 설정된 목표 SOC와 비교하고, 그 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계는,
상기 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하는 단계; 및
상기 현재 SOC가 목표 SOC와 동일한 경우 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하고, 동일하지 않은 경우 현재 SOC의 목표 SOC 초과 여부에 따라 스무딩 레이트를 조절하는 단계;
를 포함하며,
상기 현재 SOC가 목표 SOC 미만인 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 방법.
[수학식]
Smoothing rate = (SOC_ref -(abs(목표 SOC - 현재 SOC)/100)
여기서, 상기 SOC_ref는 기 설정된 스무딩 레이터의 기준 값임
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제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조절된 스무딩 레이트를 근거로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는,
발전 시스템에서 발전한 전력의 스무딩 레벨을 조절하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하는 단계;
상기 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 적용 및 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 구하는 단계;
상기 인버터 출력 지령값을 상기 발전 시스템에서 발전한 전력과 비교하는 단계; 및
상기 비교결과, 인버터 출력 지령값이 발전 시스템에서 발전한 전력을 초과하는 경우, 상기 인버터 출력 지령값과 발전 시스템에서 발전한 전력의 차이에 해당하는 전력을 배터리에서 방전시키고, 상기 인버터 출력 지령값이 발전 시스템이 발전한 전력 미만인 경우, 상기 발전 시스템에서 발전한 전력과 인버터 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력을 상기 배터리에 충전시키는 단계를 포함하는 SOC 관리를 위한 방법.
제5항에 있어서,
상기 배터리의 충전 또는 방전에 의해 상기 배터리는 상기 목표 SOC를 유지하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 방법.
발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 PCS에 있어서,
상기 발전 시스템에서 출력되는 전력을 직류 링크 전력으로 변환하는 전력 변환부;
상기 배터리의 현재 SOC와 기 설정된 목표 SOC의 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하고, 상기 전력 변환부에서 출력되는 전력의 스무딩 레벨을 조절하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하며, 그 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성한 후, 상기 인버터 출력 지령값을 근거로 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하여 상기 배터리의 SOC가 상기 목표 SOC가 되도록 상기 배터리를 충전 또는 방전시키는 제어부;
상기 인버터 출력 지령값에 해당하는 전력을 상기 계통의 교류 전력으로 변환하는 제2 방전 모드와 상기 계통의 교류 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제2 충전 모드를 포함하는 양방향 인버터; 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 배터리의 출력 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제1 방전 모드와 상기 직류 링크 전력을 상기 배터리의 충전 전력으로 변환하는 제1 충전 모드를 포함하는 양방향 컨버터;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 배터리의 현재 SOC가 상기 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하여, 동일한 경우 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하며, 상기 현재 SOC가 목표 SOC를 초과하는 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 PCS.
[수학식]
Smoothing rate = (SOC_ref + (abs(목표 SOC- 현재 SOC)/100)
여기서, 상기 SOC_ref는 기 설정된 스무딩 레이터의 기준 값임
발전 시스템, 배터리 및 계통을 연계하여 부하에 전력을 공급하는 PCS에 있어서,
상기 발전 시스템에서 출력되는 전력을 직류 링크 전력으로 변환하는 전력 변환부;
상기 배터리의 현재 SOC와 기 설정된 목표 SOC의 비교 결과에 따라 스무딩 레이트를 조절하고, 상기 전력 변환부에서 출력되는 전력의 스무딩 레벨을 조절하여 스무딩 전력(Psmoothing)을 생성하며, 그 스무딩 전력에 상기 스무딩 레이트를 연산하여 인버터 출력 지령값(Pinv)을 생성한 후, 상기 인버터 출력 지령값을 근거로 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하여 상기 배터리의 SOC가 상기 목표 SOC가 되도록 상기 배터리를 충전 또는 방전시키는 제어부;
상기 인버터 출력 지령값에 해당하는 전력을 상기 계통의 교류 전력으로 변환하는 제2 방전 모드와 상기 계통의 교류 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제2 충전 모드를 포함하는 양방향 인버터; 및
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 배터리의 출력 전력을 상기 직류 링크 전력으로 변환하는 제1 방전 모드와 상기 직류 링크 전력을 상기 배터리의 충전 전력으로 변환하는 제1 충전 모드를 포함하는 양방향 컨버터;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 배터리의 현재 SOC가 상기 목표 SOC와 동일한지의 여부를 판단하여, 동일한 경우 스무딩 레이트를 기 설정된 기준값으로 설정하고, 상기 현재 SOC가 목표 SOC 미만인 경우, 하기의 수학식을 이용하여 스무딩 레이트를 구하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 PCS.
[수학식]
Smoothing rate = (SOC_ref -(abs(목표 SOC - 현재 SOC)/100)
여기서, 상기 SOC_ref는 기 설정된 스무딩 레이터의 기준 값임
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제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전력 변환부에서 출력되는 전력을 상기 인버터 출력 지령값과 비교하고, 상기 비교결과 상기 전력이 인버터 출력 지령값을 초과하는 경우, 상기 전력과 인버터 출력 지령값의 차이에 해당하는 전력이 상기 배터리에 충전되도록 상기 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하며, 상기 전력이 인버터 출력 지령값 미만인 경우, 상기 배터리에서 인버터 출력 지령값과 상기 전력의 차이에 해당하는 전력을 방전시키도록 상기 양방향 컨버터 및 양방향 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리를 위한 PCS.