KR101698267B1 - 에너지 저장 시스템의 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 부하 또는 계통으로 전력을 공급하는 발전 시스템과, 상기 발전 시스템과 연계하여 상기 부하 또는 계통으로 전력을 공급하거나 충전하는 배터리를 제어하는 방법으로서, 상기 발전 시스템으로부터 제공되는 전력을 직류 전압으로 변환하는 단계, 상기의 변환된 직류 전압을 상기 계통으로 공급하기 위한 교류 전압으로 변환하는 단계, 상기 교류 전압의 주파수를 확인하는 단계 및 상기 교류 전압의 주파수를 기설정된 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 상기 발전 시스템 또는 배터리에서 출력되는 전력량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 실시예는 계통 또는 부하로 전송되는 전력의 주파수를 실시간으로 파악하여, 상황에 맞는 동작 모드로 빠르게 전환함으로써 안정적으로 전력이 공급되도록 한다.
Description
본 발명은 전력 계통에서의 보조 서비스를 제공하는 것으로서, 계통에 전달되는 교류 전력의 주파수에 따라 에너지 저장 시스템의 동작 모드를 변경하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy storage system)은 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 에너지 저장 시스템이란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신재생 에너지인 풍력 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 에너지 저장 시스템의 중요성이 대두되고 있다. 만약 에너지 저장 시스템이 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있으며, 가정용 전력 저장 시스템으로까지 확장되고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
본 발명의 일 실시 예는 에너지 저장 시스템의 동작 모드를 빠르게 제어할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 부하 또는 계통으로 전력을 공급하는 발전 시스템과, 상기 발전 시스템과 연계하여 상기 부하 또는 계통으로 전력을 공급하거나 충전하는 배터리를 제어하는 방법으로서, 상기 발전 시스템으로부터 제공되는 전력을 직류 전압으로 변환하는 단계; 상기의 변환된 직류 전압을 상기 계통으로 공급하기 위한 교류 전압으로 변환하는 단계; 상기 교류 전압의 주파수를 확인하는 단계; 및 상기 교류 전압의 주파수를 기설정된 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 상기 발전 시스템 및/또는 배터리에서 출력되는 전력량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예는 상기 교류 전압의 주파수와 상기 기준값을 비교한 결과에 따라, 상기 발전 시스템 및/또는 배터리로부터 상기 부하로 전달되는 전력량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
실시예는 상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값과 동일한 경우에는, 상기 발전 시스템 및/또는 배터리로부터 상기 부하로 전달되고 있는 전력량을 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한 실시예는 상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값 보다 작은 경우에는, 상기 발전 시스템 또는 배터리로부터 출력되는 전력량을 증가시키며, 상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값 보다 큰 경우에는, 상기 발전 시스템 또는 배터리로부터 상기 부하로 전달되는 전력량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 계통 또는 부하로 전송되는 전력의 주파수를 실시간으로 파악하여, 상황에 맞는 동작 모드로 빠르게 전환함으로써 안정적으로 전력을 공급하며, 전력 손실을 절감할 수 있다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 에너지 저장 시스템(10)은 발전 시스템(20), 계통(30)과 연계하여 부하(40)에 전력을 공급할 수 있다.
발전 시스템(20)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(20)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(10)에 공급한다. 발전 시스템(20)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등의 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 용이하여, 각 가정에 분산된 에너지 저장 시스템(10)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(20)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(30)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(30)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(10) 또는 부하(40)로 전력을 공급하고, 에너지 저장 시스템(10)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(30)이 비정상 상태인 경우, 계통(30)으로부터 에너지 저장 시스템(10) 또는 부하(40)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(10)으로부터 계통(30)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(40)는 발전 시스템(20)으로부터 생산된 전력, 배터리에 저장된 전력, 또는 계통(30)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템(10)은 전력 변환부(100), 양방향 인버터(110), 주파수 판별부(120), 배터리(170), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(180), 양방향 컨버터(160), 제1 스위치(130), 제2 스위치(140), 및 통합 제어부(150)를 포함한다. 도 2에서 점선은 통합 제어부와 각 구성요소 간의 통신에 의한 제어 라인이며, 실선은 각 구성 요소간의 전력이 송수신되는 전력 라인을 의미한다.
전력 변환부(100)는 발전 시스템(20)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 전력 변환부(100)는 발전 시스템(20)에서 생산한 전력을 제1 노드(N1)로 전달한다. 이때, 전력 변환부(100)는 출력 전압이 직류 링크 전압(Vlink)이 되도록 발전 시스템(20)으로부터의 전력을 변환한다. 전력 변환부(100)는 발전 시스템(20)의 종류에 따라서 컨버터 또는 정류회로로 구성될 수 있다. 발전 시스템(20)이 직류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(100)는 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 반대로 발전 시스템(20)이 교류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(100)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다.
양방향 인버터(110)는 전력 변환기의 일종으로서, 양방향 인버터(110)는 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)을 계통(30)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 양방향 인버터(110)는 계통(30)의 전력을 배터리(170)에 저장하기 위하여, 계통(30)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 출력한다. 양방향 인버터(110)는 계통(30)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고주파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 양방향 인버터(110)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(30)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프PLL(Phase Locked Loop) 회로를 포함할 수 있다.
배터리(170)는 발전 시스템(20)에서 생산된 전력 또는 계통(30)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(40) 또는 계통(30)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리(170)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(170)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nickel-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(170)는 에너지 저장 시스템(10)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 그 개수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(40)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리(170)를 구비할 수 있으며, 부하(40)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리(170)만을 구비할 수 있다.
BMS(180)는 배터리(170)에 연결되며, 통합 제어부(150)의 제어에 따라 배터리(170)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(180)는 배터리(170)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, BMS(180)는 배터리(170)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 관련 정보를 통합 제어부(150)에 전송할 수 있다.
양방향 컨버터(160)는 배터리(170)로부터 출력된 전력의 전압을 양방향 인버터(110)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압(Vlink)으로 DC-DC 변환한다. 또한 양방향 컨버터(160)는 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전전력을 배터리(170)에서 요구하는 전압 레벨로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 발전 시스템(20)에서 생산된 전력 또는 계통(30)으로부터 양방향 인버터(110)를 통하여 공급되는 전력을 말한다.
제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)는 양방향 인버터(110)와 계통(30) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어부(150)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(20)과 계통(30) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(130)와 제2 스위치(140)는 발전 시스템(20), 계통(30), 및 배터리(170)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다.
만약, 부하(40)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(20), 계통(30)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 발전 시스템(20) 및 계통(30)으로부터의 전력만으로는 부하(40)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(170)에 저장된 전력이 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(30)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(140)를 off 상태로 하고 제1 스위치(130)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터의 전력을 부하(40)에 공급할 수 있으며, 부하(40)로 공급되는 전력이 계통(30) 측으로 흘러들어 가도록 할 수 있다.
주파수 판별부(120)는 양방향 인버터(110)와 제1 스위치(120) 사이에 직렬로 연결되어 위치하며, 발전 시스템(20) 또는 배터리(170)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)이 교류전압을 변환될 시, 교류 전압의 주파수 성분을 분석한다.
통합 제어부(150)는 발전 시스템(20), 계통(30), 배터리(170), 및 부하(40)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(100), 양방향 인버터(110), BMS(180), 양방향 컨버터(160), 제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)를 제어한다.
에너지 저장 시스템(10)의 통합 제어부(150)가 부하(40)의 소비전력인 부하량을 측정하여, 측정된 전압 및 전류에 따라 동작모드를 결정할 수 있다. 그러나, 부하량의 측정은 빠른 시간 내에 수행될 수 없고 에너지 저장 시스템이 부하량의 변동에 즉각적으로 대처할 수 없다. 실시예에서는 통합제어부(150)가 주파수 판별부(120)에서 측정된 교류 전력의 주파수에 따라서 에너지 저장 시스템(10)의 동작 모드를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 부하(40)에는 계통(30)으로부터의 전력이 공급된다. 또한, 부하(40)의 소비전력이 큰 경우, 에너지 저장 시스템(10)은 발전 시스템(20) 및 배터리(40)의 전력을 부하(40)에 공급한다. 발전 시스템(20) 및 배터리(170)로부터의 전력의 출력 전압을 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 양방향 인버터(110)에 인가한다(S10).
이어서, 직류 링크 전압(Vlink)의 전압값을 갖는 직류 전력은 부하(40)에 공급하기 위하여 교류 전력으로 변환된다. 이때, 직류 링크 전압(Vlink)은 계통(30)의 교류 전압으로 변환된다(S20). 양방향 인버터(110)에 의하여 변환된 교류 전압은 계통(30)이나 부하(40)에 공급된다(S30).
이어서, 부하에 공급되는 변환된 교류전압의 주파수를 판별하는 과정을 수행한다(S40, S50). 실시예는 상기 교류 전압의 주파수를 기설정된 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 상기 발전 시스템 또는 배터리에서 출력되는 전력량을 제어하는 단계를 수행할 수 있다.
예를 들어 기준값을 60㎐으로 설정한 경우, 판별된 교류 전압의 주파수가 60㎐을 나타내면, 통합 제어부(150)는 부하 또는 계통으로 흘러들어가는 전력이 정상인 것으로 판단하고, 정상 동작 모드를 수행한다(S60). 정상 동작 모드는 부하(40)에 전력이 안정적으로 공급되고 있는 상태이며, 통합 제어부(150)는 정상 동작 모드에서 현재의 상태가 유지되도록 각 요소를 제어한다.
예를 들어, 계통(30)에 정전이 발생한 경우, 제1 스위치(130)는 on 상태이며, 제2 스위치(140)는 off 상태이다. 그리고 발전 시스템(20) 및 배터리(170)의 전력만으로 부하(40)에 전력을 공급한다. 이러한 경우에는 통합 제어부(150)는 정상 동작 모드로서 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)의 동작이 동일조건으로 유지되도록 제어한다.
판별된 교류 전압의 주파수가 기준값인 60㎐보다 작게 측정된 경우(S70)에는 과부하 동작 모드를 수행한다(S80). 과부하 동작 모드는 부하(40)에 공급되는 전력이 부족한 상태에 적용될 수 있다. 따라서, 통합 제어부(150)는 부하(40)에 공급되는 전력이 증가되도록 에너지 저장 시스템(10)을 제어하며, 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 증가시키도록 한다.
판별된 교류 전압의 주파수가 기준값인 60㎐보다 크게 측정된 경우에는 저부하 동작 모드를 수행한다(S90). 저부하 동작 모드는 부하(40)에 과잉 전력이 공급되는 상태에 적용될 수 있다. 따라서, 통합 제어부(150)는 부하(40)에 공급되는 전력이 감소되도록 전력 저장 시스템(10)을 제어할 수 있다. 즉, 전력 변환부(100) 및 양방향 컨버터(160)가 각각 발전 시스템(20)과 배터리(170)로부터 출력하는 전력량을 감소시키도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 에너지 저장 시스템(10)에서는 양방향 인버터(110)에서 전달되는 교류 전력의 주파수를 판별하여 전력 저장 시스템(10)의 동작 모드를 결정하므로, 통합 제어부가 각 구성 요소를 제어하여 부하의 변화량에 대해 더 신속하게 대처할 수 있다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
Claims (6)
- 부하 또는 계통으로 전력을 공급하는 발전 시스템과, 상기 발전 시스템과 연계하여 상기 부하 또는 상기 계통으로 전력을 공급하거나 충전하는 배터리를 제어하는 방법으로서,
전력 변환부가 상기 발전 시스템으로부터 제공되는 전력을 직류 전압으로 변환하는 단계;
상기의 변환된 직류 전압과, 배터리의 출력을 변환하는 양방향 컨버터로부터 출력된 직류 전압을 양방향 인버터가 상기 계통 및/또는 상기 부하로 공급하기 위해 교류 전압으로 변환하는 단계;
상기 양방향 인버터와 상기 계통 사이에 배치된 제2 스위치의 온오프 여부를 판단하는 단계:
상기 교류 전압의 주파수를 확인하는 단계; 및
상기 교류 전압의 주파수를 기설정된 기준값과 비교하고, 그 결과에 따라 상기 발전 시스템 및/또는 배터리에서 출력되는 전력량을 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 전력량을 제어하는 단계는,
상기 교류 전압의 주파수와 기 설정된 주파수를 비교하여, 상기 전력변환부를 통해 상기 발전시스템으로부터 출력되는 전력량을 제어하고, 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 배터리로부터 출력되는 전력량을 제어하여 상기 계통 및/또는 상기 부하로 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
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- 제 1 항에 있어서,
상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값과 동일한 경우에는, 상기 발전 시스템 또는 배터리로부터 상기 부하로 전달되고 있는 전력량을 유지하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값 보다 작은 경우에는, 상기 양방향 컨버터가 상기 배터리로부터 출력되는 전력량을 증가시키고, 상기 전력변환부가 상기 발전 시스템으로부터 출력되는 전력량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 교류 전압의 주파수가 상기 기준값 보다 큰 경우에는, 상기 양방향 컨버터가 상기 배터리로부터 출력되는 전력량을 감소시키고, 상기 전력변환부가 상기 발전시스템으로부터 출력되는 전력량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법. - 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준값은 60㎐인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
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