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KR101818168B1 - 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR101818168B1
KR101818168B1 KR1020150190488A KR20150190488A KR101818168B1 KR 101818168 B1 KR101818168 B1 KR 101818168B1 KR 1020150190488 A KR1020150190488 A KR 1020150190488A KR 20150190488 A KR20150190488 A KR 20150190488A KR 101818168 B1 KR101818168 B1 KR 101818168B1
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energy
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Abstract

본 발명의 배터리 관리 장치는, 전력 관리 장치를 경유하여, 계통에서 제공되는 잉여 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리에 대한 충방전을 제어하는 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 다수 개의 배터리 모듈을 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 스위치 블록; 상기 전력 관리 장치로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리를 충전시키는 충전 회로; 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로; 및 상기 스위치 블록, 충전 회로 및 평활화 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하되,
상기 제어 회로는, 상기 배터리의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분할 수 있다.

Description

배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템{BATTERY MANAGEMENT DEVICE AND BATTERY ENERGY STORING SYSTEM}
본 발명은 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 특히, 신재생 에너지가 연결된 계통에서 사용될 수 있는 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 전지에 저장하거나 계통의 부족 전력을 전지에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리 패킹(Packing) 기술의 한계로 인해, 일반적으로 하나 이상의 배터리들로 구성되는 배터리 랙(Battery Rack)들을 서로 병렬로 연결하여 구성하게 된다.
한편, 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력은, 전력 수요가 높은 피크 시간대 뿐만 아니라, 신재생 에너지 발전이 일정하지 않아 전력 수요가 낮은 시간대에도 평활화 작업이 필요하게 만든다.
따라서, 신재생 에너지원을 이용한 발전 시스템의 경우, 피크 시간대를 대비한 에너지 저장을 위한 배터리 모듈 뿐만 아니라, 피크가 아닌 시간대에서도 평활화 작업을 위한 배터리 모듈이 필요하게 된다.
일반적으로 신재생 에너지 발전시스템에 적용된 ESS(Energy Storage System)의 경우, 신재생 에너지 발전시스템의 합성출력 이동평균의 최대 변화율을 ESS를 이용해 허용 변동범위에 맞춰 제한할 수 있다. 즉, 신재생 에너지 발전시스템의 출력에 대해서만 이동평균의 최대 변화율을 에너지 저장 시스템을 이용해 허용 변동범위에 맞춰 제한하고 있다.
추가로 에너지 저장시스템이 신재생 에너지 발전시스템의 출력을 저장하여 필요한 시간에 방전하는 전력 수요관리를 할 경우 추가로 에너지 저장 시스템의 설치가 필요하며, 기존 신재생 에너지 발전 시스템의 출력과 추가로 설치된 에너지 저장 시스템의 출력이 합성된 합성 출력에 대하여 기존 출력 안정화를 위한 에너지 저장 시스템의 용량이 증가하여 설치비용이 상승한다.
대한민국 공개특허 10-2015-0062050호
본 발명은 신재생 에너지 발전시스템에 적용되는 ESS에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 저렴한 비용으로 에너지 저장의 용도 및 평활화 용도를 만족시킬 수 있는 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 전력 관리 장치를 경유하여, 계통에서 제공되는 잉여 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리에 대한 충방전을 제어하는 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 다수 개의 배터리 모듈을 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 스위치 블록; 상기 전력 관리 장치로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리를 충전시키는 충전 회로; 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로; 및 상기 스위치 블록, 충전 회로 및 평활화 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하되,
상기 제어 회로는, 상기 배터리의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 전력 수요의 피크 시간대에는 상기 에너지 저장용 배터리에 저장된 에너지를 평활화용 배터리에 추가하여 평활화 운전을 진행하고, 피크 외 시간대에는 우선적으로 상기 잉여 전력을 상기 에너지 저장용 배터리에 저장하다가, 상기 에너지 저장용 배터리가 풀 충전되면, 상기 평활화용 배터리에 저장할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 상기 배터리가 구비한 다수 개의 배터리 모듈들 중 일부 모듈들을 상기 에너지 저장용 배터리로 설정하고, 다른 일부 모듈들을 상기 평활화용 배터리로 설정할 수 있다.
여기서, 상기 스위치 블록은 멀티플렉서 방식으로 스위칭할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 피크 시간대가 개시되면, 에너지 저장용으로 설정된 배터리 모듈들을 평활화용으로 설정하되, 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들보다 평활화 작업에서의 충방전 우선 순위를 높게 설정하고, 피크 시간대가 종료되면, 상기 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들 중 충전된 모듈들을 우선적으로 에너지 저장용으로 설정할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 어느 특정 피크 시간대 이전의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들과, 상기 특정 피크시간대 이후의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들은 서로 중복되지 않도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 상기 배터리 모듈들에 대한 식별 신호와, 상기 충전 회로 및 상기 평활화 회로가 인식하는 배터리 영역 식별 신호의 매핑 관계를 기록하는 매핑 데이터 저장부; 및 상기 저장된 매핑 데이터에 따라 상기 스위칭 블록들에 구비된 각 스위치들에 대한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 회로는, 외부에서 입력되는 충전량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리 중 일부를 에너지 저장용 배터리로 설정하고, 외부에서 입력되는 전력 변동량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리 중 일부를 평활화용 배터리로 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 계통에서 제공되는 잉여 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리; 상기 배터리와 계통 간의 전력을 변환하는 전력 관리 장치; 상기 다수 개의 배터리 모듈을 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 스위치 블록; 상기 전력 관리 장치로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리를 충전시키는 충전 회로; 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로; 및 상기 스위치 블록, 충전 회로 및 평활화 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하되,
상기 제어 회로는, 상기 배터리의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기; 상기 발전기에서 생성된 전기 에너지를 저장하고, 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리; 상기 배터리와 계통 간의 전력을 변환하는 전력 관리 장치; 상기 발전기로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리를 충전시키는 충전 회로; 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로; 상기 복수 개의 배터리 모듈을 상기 충전 회로 또는 상기 평활화 회로에 연결시키는 스위치 블록; 및 상기 스위치 블록, 충전 회로 및 평활화 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하되,
상기 제어 회로는, 상기 배터리의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분할 수 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템을 실시하면, 저렴한 비용으로 에너지 저장의 용도 및 평활화 용도를 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템은, 신재생 에너지의 출력을 필요한 시간에 충/방전하면서 동시에 출력 변동률을 억제함으로써 부하의 피크를 저감하며 계통의 급격한 주파수 변화를 사전에 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지 발전시스템에 적용되는 ESS에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템은, ESS 시스템 설비의 용량 최적화를 통해 설치 비용 절감과 운영의 효율화를 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템이 적용될 수 있는 신재생 에너지 저장 시스템의 구성을 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 블록도.
도 3a 내지 3c는 피크 시간대에서 본 발명의 사상에 따른 배터리 운용 상태를 설명하기 위한 도식 및 그래프.
도 4a 내지 4c는 피크 외 시간대에서 본 발명의 사상에 따른 배터리 운용 상태를 설명하기 위한 도식.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전에서의 신재생 에너지 출력안정화 제어 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한 블록도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 배터리 관리 장치 및 배터리 에너지 저장 시스템이 적용될 수 있는 신재생 에너지 저장 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 신재생 에너지 저장 시스템은 EMS(Energy Management System)(110), PCS(Power Control System)(120), BMS(200), 배터리(130)를 포함한다. EMS(110)는 풍력, 태양열 등의 신재생 에너지의 출력을 전반적으로 관리한다. PCS(120)는 계통으로부터 상기 배터리(130)의 충전 및 상기 배터리(130)로부터 계통으로의 방전을 위해 상호간 전력을 변환한다.
BMS(200)는 EMS(110)의 명령에 따라 배터리(130)의 세부 충방전을 제어 및 관리하며, 배터리(130)와 상기 PCS(120)간의 스위칭 역할을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(BMS)를 도시한다.
도시한 배터리 관리 장치(200)는, 전력 관리 장치(Power Control System: PCS)(120)를 경유하여, 계통에서 제공되는 잉여 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들(131 ~ 13n)로 이루어진 배터리(130)에 대한 충방전을 제어한다. 구현에 따라 배터리(130)는 다수 개의 배터리 랙들과 각 배터리 랙은 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 구조를 가질 수 있지만, 설명의 편의를 위해 다수 개의 배터리 모듈들(131 ~ 13n)로 이루어진 것으로 단순화하여 설명하겠다.
상기 배터리 관리 장치(200)는, 상기 배터리(130)에 구비된 복수 개의 배터리 모듈(131 ~ 13n)을 상기 전력 관리 장치(120)에 연결시키는 스위치 블록(210); 상기 전력 관리 장치(120)로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리(130)를 충전시키는 충전 회로(230); 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리(130)를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로(240); 및 상기 스위치 블록(210), 충전 회로(230) 및 평활화 회로(240)를 동작을 제어하는 제어 회로(260)를 포함한다. 여기서, 상기 제어 회로(260)는, 본 발명의 사상에 따라, 상기 배터리(130)의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분한다.
가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분한다는 것은, 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리가 하드웨어적으로 구별되지 않고, 소프트웨어적으로만 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리가 구분됨을 의미하며, 더욱 개선된 구현의 경우, 운용 중에 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리의 구분 영역이 변경될 수 있다.
상기 제어 회로(260)는, 상기 스위치 블록(210), 상기 충전 회로(230), 상기 평활화 회로(240)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.
상기 제어 회로(260)는 본 발명의 사상을 달성하기 위해, 상기 배터리(130)가 구비한 다수 개의 배터리 모듈들(131 ~ 13n) 중 일부 모듈들을 상기 에너지 저장용 배터리로 설정하고, 다른 일부 모듈들을 상기 평활화용 배터리로 설정할 수 있다.
상기 제어 회로(260)는, 전력 수요의 피크(Peak) 시간대에는 상기 에너지 저장용 배터리에 저장된 에너지를 평활화용 배터리에 추가하여 평활화 운전을 진행하고, 피크 외 시간대에는 우선적으로 상기 잉여 전력을 상기 에너지 저장용 배터리에 저장하다가, 상기 에너지 저장용 배터리가 풀 충전되면, 상기 평활화용 배터리에 저장할 수 있다.
상기 충전 회로(230)는, 계통의 잉여 전력이나 신재생 에너지에 의한 발전기의 발전 전력이 상기 전력 관리 장치(120)를 경유하여 입력되면, 소정의 충전 스케쥴에 따라 상기 배터리(130)의 에너지 저장용 배터리에 저장한다. 상기 충전 스케쥴은 도 1의 EMS(110)로부터 전송받을 수 있다.
상기 평활화 회로(240)는, 계통 전력이나 신재생 에너지에 의한 발전기의 발전 전력을 안정시키기 위한 목적으로, 상기 전력 관리 장치(120)로 상기 배터리(130)의 평활화 영역에 충전된 전력을 공급하거나, 상기 전력 관리 장치(120)로부터 인가되는 리플 전력을 상기 배터리(130)의 평활화 영역에 저장한다.
구현에 따라, 상기 스위치 블록은, 상기 배터리 모듈들(131 ~ 13n)의 전력 출력 라인과 상기 PCS의 연결을 스위칭하거나, 상기 배터리 모듈들(131 ~ 13n)의 전력 출력 라인과 상기 평활화 회로(240) 및/또는 충전 회로(230)의 연결을 스위칭할 수 있다.
구현에 따라, 상기 배터리에 포함된 배터리 블록들의 하드웨어적 위치와, 상기 전력 관리 장치(120)(또는 상기 평활화 회로(240) 및 충전 회로(230))가 인지하는 배터리 모듈들(131 ~ 13n)의 식별 신호와의 관계가 고정되거나, 유동적일 수 있다. 양자의 관계가 고정된 경우, 상기 스위치 블록은, 각 배터리 모듈들(131 ~ 13n)의 전력 출력 라인과, 다른 구성 요소의 입력 라인의 연결에 대한 on/off만을 수행한다.
양자의 관계가 유동적인 경우, 상기 스위치 블록(210)은, 각 배터리 모듈들(131 ~ 13n)의 전력 출력 라인을, 다른 구성 요소들의 입력 라인들 중 하나와 선택적으로 연결하는 동작을 수행한다. 이를 위해, 상기 스위치 블록(210)은 멀티플렉서 방식으로 스위칭하는 구조를 가질 수 있다.
후자의 경우, 상기 배터리 모듈들(131 ~ 13n)은 전력 관리 장치(120)(또는 상기 평활화 회로(240) 및 충전 회로(230))에 대하여 매핑된 식별 신호로 구별될 수 있다. 이를 위해, 상기 제어 회로(260)는, 상기 배터리 모듈들(131 ~ 13n)에 대한 식별 신호와, 상기 충전 회로(230) 및 상기 평활화 회로(240)가 인식하는 배터리 영역 식별 신호의 매핑 관계를 기록하는 매핑 데이터 저장부(262); 및 상기 저장된 매핑 데이터에 따라 상기 스위치 블록(210)에 구비된 각 스위치들에 대한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭부(264)를 구비할 수 있다.
예컨대, 상술한 매핑 구조에서 상기 제어 회로(260)는, 피크 시간대가 개시되면, 에너지 저장용으로 설정된 배터리 모듈들(131 ~ 13n)을 평활화용으로 설정하되, 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들보다 평활화 작업에서의 충방전 우선 순위를 높게 설정하고, 피크 시간대가 종료되면, 상기 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들 중 충전된 모듈들을 우선적으로 에너지 저장용으로 설정할 수 있다. 그런데, 피크 시간대에서는 전력 관련 예비 자원이 충분하지 않은 것이 일반적이므로, 상기 제어 회로(260)는 피크 시간대가 개시되면 상기 배터리에 포함된 가용하는 모든 배터리 모듈들(131 ~ 13n)을 평활화용으로 설정할 수 있다.
구현에 따라, 어느 특정 피크 시간대 이전의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들과, 상기 특정 피크시간대 이후의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들은 서로 중복되지 않도록 제어할 수 있다. 이는 어느 한 배터리 모듈만이 집중적으로 충/방전되어 배터리 내에서 일부 모듈에만 배터리 열화가 집중되는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 제어 회로(260)가 상기 에너지 저장용 배터리 영역 및 상기 충전 회로(230)를 이용하여, 신재생 에너지 발전 전력을 저장하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
현재 시간이 신재생 에너지를 충전하는 시간이면 배터리의 용량을 가상으로 신재생 에너지를 저장하는 배터리와 신재생 에너지를 평활화하는 배터리로 구분한다. 현재 신재생 에너지를 저장하는 배터리의 용량이 설계용량보다 작으면 신재생 에너지는 신재생 에너지를 저장하는 배터리로 충전하며 설계용량보다 크면 신재생 에너지는 신재생 에너지를 평활화하는 배터리에 충방전한다.
현재 시간이 신재생 에너지를 방전하는 시간이면 충전 시간 동안 가상으로 나눈 신재생 에너지를 저장하는 배터리와 신재생 에너지를 평활화하는 배터리를 합한 실제 배터리 배터리의 용량으로 적용한다.
상기 제어 회로(260)가 상기 평활화용 배터리 영역 및 상기 평활화 회로(240)를 이용하여, 신재생 에너지 발전 전력을 평활화하는 과정에서 수행되는 기능들을 설명하면 다음과 같다.
현재 합성출력과 이동평균의 최대 변화율을 더한 출력의 잔여 용량을 계산하여 현재 용량이 크면 합성출력을 최대 변화율만큼 높인다. 또한, 현재 합성출력의 잔여 용량을 계산하여 현재용량이 크면 합성출력을 그래로 유지한다.
현재 합성출력에서 이동평균의 최대 변화율을 줄인 출력의 잔여 용량을 계산하여 용량이 크면 합성출력을 최대 변화율만큼 낮춘다. 그리고, 전력 관리 장치(120)는 신재생 에너지에서 합성 출력을 제외한 출력과 신재생 에너지를 저장하는 배터리에 충전하는 출력을 합하여 출력을 낸다.
도 2는 배터리 관리 장치(200) 뿐만 아니라 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한다. 이 관점에서 도시한 배터리 에너지 저장 시스템은, 계통에서 제공되는 잉여 전력을 저장하고, 저장되어 있는 전력을 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리(130); 상기 배터리(130)와 계통간의 전력을 변환하는 전력 관리 장치(120)(Power Control System: PCS); 및 본 발명의 사상에 따른 배터리 관리 장치(200)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 장치(200)는, 상기 다수 개의 배터리 모듈(131 ~ 13n)을 상기 전력 관리 장치(120)에 연결시키는 스위치 블록(210); 상기 전력 관리 장치(120)로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리(130)를 충전시키는 충전 회로(230); 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리(130)를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로(240); 및 상기 스위치 블록(210), 충전 회로(230) 및 평활화 회로(240)의 동작을 제어하는 제어 회로(260)를 포함하되,
상기 제어 회로(260)는, 상기 배터리(130)의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분하는 것을 특징으로 한다.
도시한 배터리 에너지 저장 시스템이 연결되는 계통은, 신재생 에너지에 의한 발전 전력과 부하의 소비 전력이 함께 존재하는 계통이거나, 부하의 소비 전력만이 존재하는 계통일 수 있다. 그런데, 본 발명의 사상에 따른 가상 평활화 배터리 영역 설정 기능은, 신재생 에너지에 의한 발전 전력과 부하의 소비 전력이 함께 존재하는 계통에서 보다 유용하다. 도면에서는 풍력 발전을 위한 풍차(1)와 발전기(2)로 이루어진 풍력 발전 시스템과 부하가 포함된 계통에 연결되었다.
구현에 따라, 상기 배터리 에너지 저장 시스템은 외부의 EMS 장치로부터 환경 정보나 제어 지시를 입력받고, 운전 상태 정보를 출력할 수 있다. 신재생 에너지에 의한 발전 전력과 부하의 소비 전력이 함께 존재하는 계통에 연결되고, 외부의 EMS와 접속되는 경우, 도 1에 도시한 구조와 동일해 짐을 알 수 있다.
이 경우, 상기 제어 회로(260)는, 외부 EMS에서 입력되는 충전량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리(130) 중 일부를 에너지 저장용 배터리로 설정하고, 외부 EMS에서 입력되는 전력 변동량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리(130) 중 일부를 평활화용 배터리로 설정할 수 있다.
예컨대, 상기 전력 관리 장치(PCS)(120)는 IGBT로 이루어진 인버터 및 컨버터를 구비할 수 있다.
구현에 따라, 상기 전력 관리 장치(PCS)(120)는 평활화를 위한 평활화 PCS 블록; 및 에너지 저장을 위한 REC PCS 블록을 구분하여 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 평활화 PCS 블록은 평활화 회로(240)에 연결되며, 상기 REC PCS 블록은 충전 회로(230)에 연결될 수 있다.
도 3a 내지 3c는 피크 시간대에서 본 발명의 사상에 따른 배터리 운용 상태를 설명하기 위한 것이다. 도시한 바와 같이, 피크 시간대에는 에너지 저장(REC)용 배터리 영역에 저장된 에너지를 평활화용 배터리 영역에 추가하여 평활화 운전을 진행하며, 풍력(신재생 에너지) 출력과 에너지 저장 장치(ESS) 출력을 합한 합성출력은, 신재생 평활화를 진행하며, REC용 영역에 저장된 출력이 같이 출력된다.
보다 구체적으로, 도 3a는 피크외 시간대 동안 REC용 배터리 영역에 충전이 이루어져(socREC), 에너지가 저장되어 있으며, 평활화용 배터리 영역에는 풍력 출력에 맞추어 에너지를 충방전하여(socRamp), 풍력 출력을 평활화시키고 있는, 피크 직전의 충전 상황을 도시한다.
도 3b에서는 피크 시간대가 개시되어, REC용 배터리 용량과 평활화용 배터리 용량을 합산하여 신재생 발전의 평활화를 진행함으로, 배터리에 저장된 에너지가 많아져서 합성출력은 자동적으로 증가하며, 증가된 합성 출력은 그 전 피크외 시간대에서 REC용 배터리 영역에 충전된 전력(socREC)이다.
도 3c의 그래프에서는 socRamp 용량만으로 운영되는 평활화 합성출력과 현재 배터리의 총충전량인 socTotal 용량으로 운영되는 평활화 합성출력의 차이가 socREC의 용량으로 충방전하는 출력임을 보여주고 있다.
도 4a 내지 4c는 피크 외 시간대에서 본 발명의 사상에 따른 배터리 운용 상태를 설명하기 위한 것이다. 도시한 바와 같이, 피크가 아닌 시간대에서는 우선적으로 신재생 에너지의 출력을 REC용 배터리에 저장하며 REC용 배터리가 완전(Full) 충전되면, 비로소 평활화용 배터리에 전력을 충전한다.
보다 구체적으로, 도 4a는 피크 외 시간대 직전 피크 시간대 동안 REC용 배터리는 풀(Full) 방전하여 충전량(SOC)이 최소값(0)이며, 평활화용 배터리는 신재생 에너지(풍력) 출력에 맞추어 에너지를 충방전하고 있는 상황을 도시한다.
도 4b에서는 피크 외 시간대가 개시되어, REC용 배터리는 신재생 에너지의 출력으로 충전하며, 평활화용 배터리는 제어출력(신재생 에너지-PCS출력)에 맞추어 충방전을 실시하고 있는 상황을 도시한다.
도 4c는 피크 외 시간 동안 REC용 배터리는 풀(Full) 충전된 상태에서, 평활화용 배터리가 풍력 출력에 맞추어 에너지를 충방전하고 있는 것을 도시한다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 사상에 따른 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지 출력 저장 및 신재생 에너지와 에너지 저장 시스템의 합성 출력에 대한 출력 안정화를 위하여 제어 운전을 실행하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전에서의 신재생 에너지 출력안정화 제어 방법의 흐름도이다. 도 5에서 각각의 기호의 의미에 대해 설명하면 다음과 같다.
socTotal : 현재 배터리의 총충전량(State of Charge)
socRamp : 신재생 에너지 발전에 따른 전력의 평활화를 위해 전기 에너지를 저장한 배터리의 충전된 용량
socREC : 피크 시간대에서 방전을 위해 에너지를 저장한 배터리의 충전된 용량
socRECMax : 피크 시간대에서 방전을 위해 설계된 배터리의 최대 충전 용량
TargetPower : 신재생 에너지와 ESS 출력을 합한 합성 출력
RECPCSPower : REC를 위해 충방전하는 PCS의 출력
RampPCSPower : 신재생 에너지 평활화를 위해 충방전하는 PCS의 출력
PCSPower : PCS의 총 출력(RECPCSPower + RampPCSPower)
RampStep :이동 평균의 최대 변화율을 허용 변동 범위
soc_RefUp : 현재 TargetPower에서 RampStep을 더한 잔여 충전 용량
soc_Ref : 현재 TargetPower에서 잔여 충전 용량
soc_RefDn : 현재 TargetPower에서 RampStep을 뺀 잔여 충전 용량
RenewablePower :신재생 에너지의 현재 출력
RECPCSCap : REC용 PCS의 설계 용량
초기 단계(S301)에서는 신재생 에너지와 ESS 출력을 합한 합성 출력이 0이고, 마찬가지로 에너지 저장을 위해 충방전하는 PCS의 출력도 0이다.
현재 시각이 피크 시간대 여부를 확인하여(S305), 피크 외 시간대이면, 현재 배터리의 총충전량(socTotal)은 신재생 에너지 평활화를 위한 평활화용 배터리의 충전량(socREC)이 된다(S330). 이는 이전 피크 시간대에서 배터리의 모든 영역을 평활화용 배터리로 설정한 것에서 기인한 것이다.
다음, 방전을 위한 에너지 저장용으로 설정된 배터리의 충전량(socREC)을 그 최대 충전량(socRECMax)과 비교하여(S331), 그 최대 충전량(socRECMax)보다 작으면, 신재생 에너지의 현재 출력(RenewablePower)을 에너지 저장용(REC) PCS의 설계 용량(RECPCSCap)과 비교한다(S335). 상기 현재 출력이 설계 용량(RECPCSCap) 보다 작으면, 에너지 저장용으로 충전하는 PCS의 출력(RECPCSPower)을 신재생 에너지의 현재 출력(RenewablePower)으로 설정하고, 외부로 제공되는 신재생 에너지의 현재 출력을 0으로 설정한다(S337). 반면, 상기 현재 출력이 설계 용량(RECPCSCap) 보다 크면, 에너지 저장용으로 충전하는 PCS의 출력을 설계 용량으로 설정하고, 설계 용량(RECPCSCap)을 초과하여 남은 전력을 외부로 제공되는 신재생 에너지의 현재 출력으로 설정한다(S338).
상기 S305 단계에서 현재 시각이 피크 시간대이면, 현재 배터리의 총충전량(socTotal)은 신재생 에너지 평활화를 위한 평활화용 배터리의 충전량(socRamp) 및 에너지 저장용 배터리의 충전량(socREC)의 합이 된다(S340). 다음, 현재 합성 출력(TargetPower)에서 RampStep을 더한 잔여 충전 용량(soc_RefUp : 평활화를 위한 상한 충전 용량)을 설정한다(S350).
현재 배터리의 총충전량(socTotal)이 평활화를 위한 상한 충전 용량(soc_RefUp)보다 작으면(S351), 현재 합성 출력(TargetPower)에서 평활화를 위한 잔여 충전 용량(soc_Ref)을 설정하고(S355), 다시, 현재 배터리의 총충전량(socTotal)이 평활화를 위한 잔여 충전 용량(soc_Ref)보다 작으면(S361), 현재 합성 출력(TargetPower)에서 RampStep을 뺀 잔여 충전 용량(soc_RefDn : 평활화를 위한 하한 충전 용량)을 설정한다(S3365).
다시, 현재 배터리의 총충전량(socTotal)이 평활화를 위한 하한 충전 용량(soc_RefDn)보다 작으면(S371), 신재생 에너지 평활화를 위해 충방전하는 PCS의 출력(RampPCSPower)을 신재생 에너지의 현재 출력(RenewablePower)에서 TargetPower를 뺀 값으로 설정한다(S382).
한편, 상기 S351 단계, S361 단계, S371 단계에서 각각의 조건을 만족하면, TargetPower를 TargetPower + RampStep, TargetPower, TargetPower - RampStep으로 설정한다(S352, S362, S372).
다음, PCS의 총출력(PCSPower)을 신재생 에너지 평활화를 위해 충방전하는 PCS의 출력(RampPCSPower)과 에너지 저장용으로 충전하는 PCS의 출력(RECPCSPower)의 합으로 설정한다(S384).
다음, 에너지 저장용 충전 용량(socREC)을 위한 배터리 영역에 RECPCSPower만큼 충방전하고, 평활화용 충전 용량(socRamp)을 위한 배터리 영역에 RampPCSPower만큼 충방전한다(S386).
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 도시한다.
도시한 배터리 에너지 저장 시스템은, 풍차(1) 등으로부터 자연 에너지를 인가받아 전기 에너지로 변환하는 발전기(2); 상기 발전기(2)에서 생성된 전기 에너지를 저장하고, 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들(131 ~ 13n)로 이루어진 배터리(130); 상기 배터리(130)와 계통간의 전력을 변환하는 전력 관리 장치(Power Control System)(120); 상기 발전기(2)로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리(130)를 충전시키는 충전 회로(430); 상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리(130)를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로(440); 및 상기 복수 개의 배터리 모듈(131 ~ 13n)을 상기 충전 회로(430) 또는 상기 평활화 회로(440)에 연결시키는 스위치 블록(410); 상기 스위치 블록(410), 충전 회로(430) 및 평활화 회로(440)를 동작을 제어하는 제어 회로(460)를 포함하되,
상기 제어 회로(460)는, 상기 배터리(130)의 용량을 가상으로 REC용 배터리와 평활화용 배터리로 구분하는 것을 특징으로 한다.
구현에 따라, 상기 충전 회로(430)와 상기 발전기(2) 사이에 전력 변환을 위한 발전기 전력 변환 장치(180)를 더 포함할 수 있다. 상기 발전기 전력 변환 장치(180)는 상기 발전기(2)에서 출력되는 교류 전력을 직류로 변환하여 상기 충전 회로(430)로 전달하는 인버터를 구비할 수 있다.
도시한 실시예는 상기 충전 회로(430)에 연결되는 발전기 전력 변환 장치(180)와, 부하가 존재하는 계통에 연결되는 전력 관리 장치(120)가 명확히 구분되는 환경에서 사용됨에, 도 2의 경우와 차별성이 존재한다. 즉, 계통에는 부하만이 존재하며 신재생 에너지 발전측과 구분되어 있으며, 신재생 에너지를 이용한 발전 전력은 1차적으로 배터리(130)에 저장된 후, 계통으로 공급되는 구조를 가진다.
이러한 환경의 경우, 종래 기술에 따르면, 서로 명확히 구분된 계통과 신재생 에너지 발전측은 서로 배터리를 별도로 구비한다. 본 발명에서는, 배터리 관리 장치의 제어 회로(640)가, 하나의 단일 배터리(130)의 용량을 가상으로 REC용 배터리와 평활화용 배터리로 구분함으로써 배터리 비용을 절감할 수 있고, 계통의 피크 시간대에도 안정적으로 평활화를 수행할 수 있다. 이를 위해, 이를 위해, 상기 제어 회로(460)는, 상기 배터리 모듈들(131 ~ 13n)에 대한 식별 신호와, 상기 충전 회로(430) 및 상기 평활화 회로(440)가 인식하는 배터리 영역 식별 신호의 매핑 관계를 기록하는 매핑 데이터 저장부(462); 및 상기 저장된 매핑 데이터에 따라 상기 스위치 블록(410)에 구비된 각 스위치들에 대한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭부(464)를 구비할 수 있다.
상술한 계통과 신재생 에너지 발전측의 분리 구조 외에는 상기 도 2의 경우와 유사한 바, 중복되는 구성 요소의 상세 설명은 생략하겠다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
120 : 전력 관리 장치
130 : 배터리
131 ~ 13n : 배터리 모듈
200 : 배터리 관리 장치
210 : 스위치 블록
230 : 충전 회로
240 : 평활화 회로
260 : 제어 회로

Claims (10)

  1. 신재생 에너지 발전 전력을 생성하는 발전기;
    상기 발전기에서 생성된 전기 에너지를 저장하고, 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급하는 다수 개의 배터리 모듈들로 이루어진 배터리;
    상기 배터리와 상기 계통 간의 전력을 변환하는 전력 관리 장치;
    상기 발전기로부터 입력되는 전력으로 상기 배터리를 충전시키는 충전 회로;
    상기 계통의 실시간적인 전력의 부족/과잉 상태에 따라 상기 배터리를 방전시키거나 충전시키는 평활화 회로;
    상기 복수 개의 배터리 모듈을 상기 충전 회로 또는 상기 평활화 회로에 연결시키는 스위치 블록; 및
    상기 스위치 블록, 충전 회로 및 평활화 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하되,
    상기 제어 회로는, 상기 배터리의 용량을 가상으로 에너지 저장용 배터리와 평활화용 배터리로 구분하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 배터리가 구비한 다수 개의 배터리 모듈들 중 일부 모듈들을 상기 에너지 저장용 배터리로 설정하고, 다른 일부 모듈들을 상기 평활화용 배터리로 설정하고,
    상기 제어 회로는,
    특정 피크 시간대 이전의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들과, 특정 피크시간대 이후의 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되는 배터리 모듈들은 서로 중복되지 않도록 제어하고,
    상기 제어회로는,
    현재 상기 에너지 저장용 배터리의 용량이 설계용량보다 작으면 상기 신재생 에너지는 상기 에너지 저장용 배터리로 충전하고, 설계용량보다 크면 상기 신재생 에너지는 상기 평활화용 배터리에 충방전하며,
    현재 시간이 상기 배터리에 충전된 에너지를 방전하는 시간이면 충전 시간 동안 가상으로 나눈 상기 에너지 저장용 배터리와 상기 평활화용 배터리를 합한 실제 배터리의 용량으로 적용하고,
    상기 제어회로는,
    상기 신재생 에너지 발전 전력의 평활화를 위해, 신재생 에너지와 배터리의 출력을 합한 합성출력과 상기 합성 출력의 이동평균의 최대 변화율 변동 범위를 더한 출력에 대해 상기 배터리의 잔여 충전 용량을 계산하여 상기 잔여 충전 용량 대비 상기 배터리의 총 충전량이 크면 상기 합성출력을 상기 최대 변화율 변동 범위만큼 높이고,
    상기 합성출력에 대해 상기 배터리의 잔여 충전 용량을 계산하여 상기 잔여 충전 용량 대비 상기 배터리의 총 충전량이 크면 상기 합성출력을 그대로 유지하며,
    상기 합성출력과 상기 합성 출력의 이동평균의 최대 변화율 변동 범위를 뺀 출력에 대해 상기 배터리의 잔여 충전 용량을 계산하여 상기 잔여 충전 용량 대비 상기 배터리의 총 충전량이 크면 상기 합성출력을 상기 최대 변화율 변동 범위만큼 낮추고, 상기 전력 관리 장치는 상기 신재생 에너지에서 상기 합성출력을 제외한 출력과 상기 에너지 저장용 배터리에 충전하는 출력을 합하여 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    전력 수요의 피크 시간대에는 상기 에너지 저장용 배터리에 저장된 에너지를 평활화용 배터리에 추가하여 평활화 운전을 진행하고,
    피크 외 시간대에는 우선적으로 잉여 전력을 상기 에너지 저장용 배터리에 저장하다가, 상기 에너지 저장용 배터리가 풀 충전되면, 상기 평활화용 배터리에 저장하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 블록은 멀티플렉서 방식으로 스위칭하는
    배터리 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    피크 시간대가 개시되면, 에너지 저장용으로 설정된 배터리 모듈들을 평활화용으로 설정하되, 피크 외 시간대에서 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들보다 평활화 작업에서의 충방전 우선 순위를 높게 설정하고,
    피크 시간대가 종료되면, 상기 평활화용으로 설정되었던 배터리 모듈들 중 충전된 모듈들을 우선적으로 에너지 저장용으로 설정하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    상기 배터리 모듈들에 대한 식별 신호와, 상기 충전 회로 및 상기 평활화 회로가 인식하는 배터리 영역 식별 신호의 매핑 관계를 기록하는 매핑 데이터 저장부; 및
    상기 저장된 매핑 데이터에 따라 상기 스위치 블록들에 구비된 각 스위치들에 대한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭부
    를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는,
    외부에서 입력되는 충전량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리 중 일부를 에너지 저장용 배터리로 설정하고,
    외부에서 입력되는 전력 변동량에 대한 정보에 따라, 상기 배터리 중 일부를 평활화용 배터리로 설정하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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