KR101809784B1

KR101809784B1 - 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법 및 그를 위한 배터리 에너지 저장 장치

Info

Publication number: KR101809784B1
Application number: KR1020140009704A
Authority: KR
Inventors: 최은식; 이윤재
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2018-01-18
Also published as: JP5952436B2; JP2015142507A; KR20150089273A; US20150214754A1; US9634510B2

Abstract

계통의 전압 및 주파수를 측정하는 단계; 배터리의 SOC(State of Charge)값을 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리의 SOC값으로부터 SOC 오프셋값 및 SOC 피드백 게인값을 산출하는 단계; 및 상기 계통의 전압에 기반한 전압 드룹 제어와, 상기 계통의 주파수와 상기 SOC 오프셋값과 상기 SOC 피드백 게인값에 기반한 주파수 드룹 제어를 수행하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법이 제공된다.

Description

배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법 및 그를 위한 배터리 에너지 저장 장치{method for controlling charging and discharging of battery energy storage system and the same}

본 발명은 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 장기간으로 운전을 해야 하는 에너지 저장 장치를 보다 효율적이고 안정적으로 운영하기 위하여 SOC(State of Charge) 오프셋값과 SOC 피드백 게인값을 이용한 드룹 제어를 수행하여 장기간 운전으로 인하여 발생할 수 있는 과충전 혹은 과방전을 방지하기 위한 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법 및 그를 위한 배터리 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

배터리 에너지 저장 장치(battery energy storage system: BESS)는 계통에서 생성된 전력을 배터리에 저장하거나, 배터리에 저장된 전력을 계통 또는 부하에 공급하는 기능을 수행한다.

도 1은 일반적인 배터리 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리 에너지 저장 장치(1)는 계통(Grid)(1)과 부하(2)에 연결되어 계통(Grid)(2)으로부터 공급되는 전력을 저장하거나, 반대로 계통(Grid)(2)이나 부하(3)에 전력을 공급할 수 있다.

한편, 배터리 에너지 저장 장치(1)는 제어 모드에 따라 상위 제어기인 EMS(Energy Management System)로부터 목표 전력(Target Power)값을 받으면 그 값을 계통(Grid)(2)에 공급하거나 또는 배터리에 충전을 하며, 계통(2)에 급격한 부하나 사고 등으로 계통의 주파수나 전압이 변동할 경우 드룹(Droop) 제어를 이용하여 유효전력 혹은 무효 전력을 계통(2)에 공급한다.

드룹 제어는 계통의 주파수 변동 및 전압의 변동에 대해서 에너지 저장장치가 배터리에 저장된 유효전력 혹은 무효전력을 기울기를 두어 제어하는 방법이다.

도 2는 종래의 에너지 저장 장치에서 드룹 제어를 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 에너지 저장 장치에서는 기준 주파수(f0)와 계통의 주파수(f)간의 차이를 구하여 그 차이값에 주파수의 드룹 계수를 나누어 기준 드룹 전력(Pdroop_ref)을 구한다. 이후, 기준 드룹 전력(Pdroop_ref)은 에너지 관리 시스템의 목표 전력인 PDG₀ 과 합하여 에너지 저장 장치의 출력값으로 사용된다.

마찬가지로, 종래의 에너지 저장 장치에서는 기준 전압(V0)과 계통의 전압(V)의 차이를 구하고, 그 차이값을 전압의 드룹 계수로 나누어 기준 드룹 전력(Qdroop_ref)구한다. 이후, 기준 드룹 전력(Qdroop_ref)은 에너지 관리 시스템의 목표 전력인 QDG₀ 과 합하여 에너지 저장 장치의 출력값으로 사용한다.

따라서, 이때의 출력값은 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 출력 곡선을 가지게 된다.

도 3은 종래의 배터리 에너지 저장 장치에서 주파수 드룹 제어의 출력 곡선과 전압 드룹 제어의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 부하가 증가하면 주파수가 감소하기 때문에 에너지 장치(10)는 출력을 증가시키기 위해 충전을 수행하며, 반대로 부하가 감소하면 주파수가 증가하기 때문에 에너지 장치(10)는 출력을 감소시키기 위해 방전을 수행한다.

기본적으로 제어에 사용되는 드룹 계수는 아래의 수식 1을 이용하여 Rf, Rv를 도출해 낼 수 있다.

[수식 1]

그러나, 종래의 드룹 제어기는 배터리의 SOC(State Of Charging) 를 고려하지 않고 충전 혹은 방전을 하기 때문에 장기간으로 제어를 할 경우에는 과충전 혹은 과방전이 되어 시스템을 정지해야 하기 때문에 위급한 상황에서는 에너지 저장장치(10)의 기동이 불가능할 수가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 장기간으로 운전을 해야 하는 에너지 저장 장치를 보다 효율적이고 안정적으로 운영하기 위하여 SOC 오프셋값과 SOC 피드백 게인값을 이용한 드룹 제어를 수행하여 장기간 운전으로 인하여 발생할 수 있는 과충전 혹은 과방전을 방지하기 위한 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법및 그를 위한 배터리 에너지 저장 장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 의하면, 계통의 전압 및 주파수를 측정하는 단계; 배터리의 SOC(State of Charge)값을 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리의 SOC값으로부터 SOC 오프셋값 및 SOC 피드백 게인값을 산출하는 단계; 상기 계통의 전압에 기반한 전압 드룹 제어와, 상기 계통의 주파수와 상기 SOC 오프셋값과 상기 SOC 피드백 게인값에 기반한 주파수 드룹 제어를 수행하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법이 제공된다.

상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 상기 SOC 오프셋값에 기반하여 전체 시간중에서 충전 구간과 방전 구간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 SOC 오프셋값은 하기의 수식에 의해 산출될 수 있다.

(SOCref는 기준 SOC값이며, SOCfeed는 배터리에서 측정된 SOC값이며, Pmax는 계통의 최대 전력임).

상기 SOCref는 SOC의 중간값인 50%이고, 상기 SOC 오프셋값은 SOC가 50%일 때는 SOC 오프셋값은 0이 되며, SOC가 0%와 50%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 양의 값을 가진 상태에서 0% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커지고, SOC값이 50%와 100%의 사이에 있을 때는 음의 가진 상태에서 100% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커지도록 구성될 수 있다.

상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 상기 SOC 피드백 게인값에 기반하여 충전 양 및 방전 양을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 SOC 피드백 게인값은 하기의 수식에 의해 산출될 수 있다.

(SOCfeed는 배터리의 SOC 값)

상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 SOC 오프셋값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계; 상기 주파수 드룹 계산 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 제1 연산 결과에 상기 제2 연산 결과를 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및 상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계; 상기 주파수 드룹 계산 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 제1 연산 결과를 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 제2 연산 결과에 상기 SOC 오프셋값을 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및 상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계; 상기 주파수 드룹 계산 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 SOC 오프셋값과 상기 제1 연산 결과를 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계; 상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 제2 연산 결과를 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및 상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 배터리; 상기 배터리에 대한 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어를 위해 필요한 데이터를 저장하는 데이터 저장부; 상기 배터리의 SOC값을 측정하는 SOC 측정부; 계통의 전압과 주파수를 측정하는 계통 전압 및 주파수 측정부; 상기 데이터 저장부의 데이터와, 상기 SOC값을 기반으로 산출된 배터리의 SOC값의 오프셋과 SOC 피드백 게인값을 이용하여, 상기 계통의 전압과 주파수에 상응한 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어를 수행하여 상기 배터리의 충방전시 과충전 또는 과방전을 방지하면서 배터리의 충방전을 수행하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전 제어부; 및 상기 충방전 제어부의 충방전 제어 신호에 따라 상기 배터리에 대한 충전 또는 방전을 수행하는 충방전부를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치가 제공된다.

상기 데이터 저장부는 전압 드룹 제어 계수, 주파수 드룹 제어 계수, 배터리의 기준 SOC 값, 계통의 기준 전압값, 계통의 기준 주파수값, 계통의 목표 전력값을 저장하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 배터리의 SOC값을 이용하여, 계통 목표 전력값의 설정에 SOC 오프셋 값을 반영하여 SOC값이 안정적인 영역으로 수렴하게 하고, SOC의 피드백 게인값을 반영하여 과충전 또는 과방전이 방지될 수 있게 하여 장기간 배터리 에너지 저장 장치를 운영하여도 과충전 혹은 과방전이 일어나지 않게 하여 오랜 시간 동안에 운전을 가능하게 할 수가 있다.

도 1은 일반적인 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 에너지 저장 장치에서 드룹 제어를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 종래의 배터리 에너지 저장 장치에서 주파수 드룹 제어의 출력 곡선과 전압 드룹 제어의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치에서 드룹 제어에 사용되는 SOC 오프셋값의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치에서 드룹 제어에 사용되는 SOC 피드백 게인의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치에서 오프셋 계수를 이용한 출력 파형을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 드룹 제어에서 피드백 게인 값의 변화에 대한 유효 전력 출력 파형 변화를 보여주는 도면이
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀 두고자 한다.

즉, 이하의 설명에 있어서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 배터리 에너지 저장 장치(10)는 배터리(11), 배터리(11)의 SOC값을 측정하는 SOC 측정부(12), 계통 전압 및 주파수 측정부(13), 데이터 저장부(14), 배터리(11)의 SOC값의 오프셋과 SOC 피드백 게인값을 이용하여 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어에 의해 배터리의 충방전을 위한 제어를 수행하는 충방전 제어부(15), 충방전부(16)를 포함할 수 있다.

배터리(11)는 배터리 에너지 저장 장치(10)에 의해 충전되거나 방전된다.

SOC 측정부(12)는 배터리(11)의 SOC값을 측정하여 충방전 제어부(15)에 제공한다.

계통 전압 및 주파수 측정부(13)는 계통의 전압과 주파수를 측정하여 충방전 제어부(15)에 제공한다.

데이터 저장부(14)는 배터리 에너지 저장 장치(10)에서 드룹 제어를 이용한 배터리 충방전을 위해 필요한 전압 드룹 제어 계수(Rv), 주파수 드룹 제어 계수(Rf), 배터리의 기준 SOC 값, 계통의 기준 전압값(Vref), 계통의 기준 주파수값(fref), 계통의 목표 전력값(PDG₀ , QDG₀)을 저장하고 있다.

충방전 제어부(15)는 배터리(11)의 SOC값의 오프셋과 SOC 피드백 게인값을 이용한 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어를 수행하여 배터리의 충방전시 과충전 또는 과방전을 방지하면서 배터리(11)의 충방전을 수행하기 위한 제어신호를 충방전부(16)에 출력한다.

충방전부(16)는 충방전 제어부(15)의 충방전 제어 신호에 따라 배터리(11)에 대한 충전 또는 방전을 수행한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어부(15)는 제1 연산기(101), SOC 오프셋 연산기(102), 제2 연산기(103), 제3 연산기(104), 주파수 드룹 계수 연산기(105), 피드백 게인 연산기(106), 제4 연산기(107), 제5 연산기(108), 제1 PI 컨트롤러(109), 제6 연산기(110), 전압 드룹 계수 연산기(111), 제7 연산기(112), 제8 연산기(113), 제2 PI 컨트롤러(114), 제1 변환부(115), 제2 변환부(116), PWM 제어기(117)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 연산기(101)에 의해 배터리의 기준 SOC 값(SOCref)과 배터리로부터 측정된 배터리의 SOC값(soc)간에 SOC 차이값을 구한다. SOC 오프셋 연산기(102)에 의해 제1 연산기(101)로부터 출력된 SOC 차이값으로부터 SOC 오프셋값을 산출하여 출력한다.

제2 연산기(103)에 의해 계통 목표 전력값(P_DG)에 SOC 오프셋 연산기(102)의 SOC 오프셋값을 합하여 출력한다.

제3 연산기(104)에 의해 계통의 기준 주파수(f0)와 계통으로부터 측정된 계통의 주파수(f)간에 주파수 차이값을 구한다. 주파수 드룹 계수 연산기(105)에 의해 제3 연산기(104)로부터 출력된 주파수 차이값을 주파수 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다. 피드백 게인 연산기(106)에 의해 주파수 드룹 계산 연산기(105)의 출력값으로부터 피드백 게인값을 산출하여 출력한다.

제4 연산기(107)에 의해 제2 연산기(103)의 출력값에 피드백 게인 연산기(106)의 피드백 게인값을 합하여 기준 전력값(Pref)을 출력한다.

제5 연산기(108)에 의해 기준 전력값(Pref)과 계통의 전력값(P)의 차이값을 구하여 제1 PI 컨트롤러(109)에 출력한다.

제1 PI 컨트롤러(109)에 의해 제4 연산기(107)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제1 PI 컨트롤러(109)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제6 연산기(110)에 의해 기준 전압(Vref)와 계통의 전압(V)간에 전압 차이값을 구한다. 전압 드룹 계수 연산기(111)에 의해 제6 연산기(110)로부터 출력된 전압 차이값을 전압 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다.

제7 연산기(112)에 의해 계통 목표 전력값(Q_DG)에 전압 드룹 계수 연산기(111)의 출력값을 합하여 기준 전력값(Qref)을 출력한다.

제8 연산기(113)에 의해 기준 전력값(Qref)과 계통의 전력값(Q)의 차이값을 구하여 제2 PI 컨트롤러(114)에 출력한다.

제2 PI 컨트롤러(114)에 의해 제8 연산기(113)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제2 PI 컨트롤러(114)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제1 변환부(115) 및 제2 변환부(116)에 의해 제1 PI 컨트롤러(109) 및 제2 PI 컨트롤러(114)의 출력 신호는 DC 신호에서 AC 신호로 변환되어 출력된다.

이때, 제1 변환부(115)에서는 d-q 축에서 α-β축으로의 변환이 수행되고, 제2 변환부(116)에서 제1 변환부(115)의 출력을 α-β축에서 a,b,c 축으로 축변환이 수행되어 3상의 AC 신호인 정현파가 출력된다.

PWM 제어기(117)에 의해 제2 변환부(116)의 출력으로부터 계통의 전력을 제어하기 위한 PWM 신호가 생성되어 출력된다.

SOC 오프셋값은 아래의 수식 2에 의해 계산될 수 있다.

[수식2]

여기에서, SOCref는 기준 SOC값이며, SOCfeed는 배터리에서 측정된 SOC값을 나타낸다. Pmax는 계통의 최대 전력을 의미한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 장치에서 드룹 제어에 사용되는 SOC 오프셋값의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 수식 2에 의한 SOC 오프셋값의 출력 곡선을 확인할 수 있다. SOCref는 사용자가 임의로 설정이 가능하며, 여기에서는 SOC의 중간값인 50%으로 설정하였다. 이에 따라, SOC가 50%일 때는 SOC 오프셋값은 0이 되며, SOC가 0%와 50%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 양의 값을 가진 상태에서 0% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커진다.

한편, SOC값이 50%와 100%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 음의 가진 상태에서 100% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커진다.

한편, SOC 피드백 게인값은 아래의 수식 3에 의해 계산될 수 있다.

[수식 3]

여기에서, SOCfeed는 배터리의 SOC 값을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치에서 드룹 제어에 사용되는 SOC 피드백 게인의 출력 곡선을 보여주는 도면이다.

SOCref는 사용자가 임의로 설정이 가능하며, 여기에서는 SOC의 중간값인 50%으로 설정하였다. 이에 따라, SOC가 50%일 때는 SOC 피드백 게인값은 1이 되며, SOC가 0%와 50%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 0과 1의 사이값을 가지면서 0% 쪽으로 근접할수록 절대값이 작아진다.

한편, SOC값이 50%와 100%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 0과 1의 사이값을 가지면서 100% 쪽으로 근접할수록 절대값이 작아진다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 드룹 제어에서 SOC 오프셋 값의 변화에 대한 유효 전력 출력 파형 변화를 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어는 계통에서의 주파수 변동에 의해 배터리에 대한 충전을 수행하는 구간과, 배터리에 대한 방전을 수행하는 구간으로 구분된다.

즉, 계통의 주파수가 늘어나면 배터리 에너지 저장 장치는 배터리에 대한 충전을 수행하고, 이에 따라 배터리의 SOC가 높아진다. 한편, 계통의 주파수가 감소하면 배터리 에너지 저장 장치(1)는 배터리에 대한 방전을 수행하고 이에 따라 배터리의 SOC는 낮아진다.

한편, 배터리의 SOC는 50%를 기준으로 하여, 현재 배터리의 SOC가 50%보다 높으면 수식 2에 의해 SOC 오프셋값은 음의 값을 가지게 된다.

한편, 현재 배터리의 SOC가 50%보다 낮으면 수식 2에 의해 SOC 오프셋값은 양의 값을 가지게 된다.

즉, 수식 2에서 SOC 오프셋 값은 음의 값을 가질 수 도 있고, 양의 값을 가질 수 도 있다.

도 8의 그래프에서 SOC 오프셋 값이 양의 값을 가지는 경우에는 전력 출력 곡선이 수직축상에서 상향 이동하게 된다. 반대로, SOC 오프셋 값이 음의 값을 가지는 경우에는 전력 출력 곡선이 수직축상에서 하향 이동하게 된다.

따라서, 도 8의 그래프에서 제1 유효 전력 출력 파형(11)은 유효 전력이 양인 구간에서는 충전이 수행되는 충전 구간(11a)을 갖고, 유효 전력이 음인 구간에서는 방전이 수행되는 방전 구간(11b) 를 갖는다.

한편, 제2 유효 전력 출력 파형(12)은 제1 유효 전력 출력 파형(11)에 비하여 SOC 오프셋 값 만큼 수직축상에서 하향 이동되어 있다.

이에 따라, 제2 유효 전력 출력 파형(11)은 유효 전력이 양인 구간에서는 충전이 수행되는 충전 구간(12b)을 갖고, 유효 전력이 음인 구간에서는 방전이 수행되는 방전 구간(12a, 12c) 를 갖는다.

결과적으로, 제1 유효 전력 출력 파형(11)과 제2 유효 전력 출력 파형(12)을 서로 비교하면, 제1 유효 전력 출력 파형(11)에 비하여 제2 유효 전력 출력 파형(12)이 충전 구간이 더 짧아진 반면에 방전 구간이 더 길어진 것을 볼 수 있다.

즉, SOC 오프셋 값이 음의 값을 가지게 되면 조절전 상태에서 충전 구간은 짧아지고, 방전 구간이 더 길어진다. 반대로, SOC 오프셋 값이 양의 값을 가지게 되면 충전 구간은 더 길어지고 방전 구간은 더 짧아진다.

충전 구간과 방전 구간이 짧아지거나 길어지는 것은 SOC 오프셋의 크기 변화량에 따라 달아질 수 있다.

그리고, SOC 오프셋 값이 양의 값을 가진다는 것은 수식 2에서 보면 배터리의 SOC가 50%보다 작은 경우를 의미한다. 즉, 배터리의 SOC가 50%보다 작게 되면 충전 시간을 더 늘리고 방전 시간을 상대적으로 더 줄이도록 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어가 수행된다.

한편, SOC 오프셋 값이 음의 값을 가진다는 것은 수식 2에서 보면 배터리의 SOC가 50%보다 큰 경우를 의미한다. 즉, 배터리의 SOC가 50%보다 크게 되면 방전 시간을 더 늘리고 충전 시간을 상대적으로 더 줄이도록 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어가 수행된다.

결과적으로, 배터리에 대한 충전이 수행되면 SOC가 높아지게 되고, SOC가 50%보다 높아지면 수식 2에서 SOC 오프셋 값이 음의 값을 가짐에 따라 배터리에 대한 상대적으로 방전 시간을 늘리도록 충방전 제어가 수행된다.

배터리에 대한 방전 시간이 상대적으로 늘어나면 SOC가 낮아지게 되고, SOC가 50%보다 낮아지게 되면 수식 2에서 SOC 오프셋 값이 양의 값을 가짐에 따라 배터리에 대하여 상대적으로 충전 시간을 늘리도록 충방전 제어가 수행된다.

배터리에 대한 충전 시간이 상대적으로 늘어나면 SOC가 높아지게 된다. 이런 과정을 반복함으로써 배터리의 SOC 값은 50% 근처에서 유지될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 드룹 제어에서 피드백 게인 값의 변화에 대한 유효 전력 출력 파형 변화를 보여주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 제1 유효 전력 출력 파형(21)은 제1 피드백 게인 값(21a)을 가지고, 제2 유효 전력 출력 파형(22)은 제2 피드백 게인 값(22a)을 가진다.

이에 따라, 제1 유효 전력 출력 파형(21)에 비하여 제2 유효 전력 출력 파형(22)은 제1 피드백 게인 값(21a)과 제2 피드백 게인 값(22a)의 차이값(Fgain) 만큼 낮은 피드백 게인 값을 가진다.

제1 유효 전력 출력 파형(21)과 제2 유효 전력 출력 파형(22)를 비교하면, 제2 유효 전력 출력 파형(22)이 제1 유효 전력 출력 파형(21)에 비하여 충전양도 줄어들고, 방전양도 줄어 들은 것을 확인할 수 있다.

즉, SOC가 50%일 때는 피드백 게인 값은 1로서 가장 높고, SOC가 50%에서 0% 쪽으로 근접하거나, 50%에서 100% 쪽으로 근접할수록 절대값은 더 작아지면서 0으로 가까워진다.

반대로, SOC가 0%에 가까워진다는 것은 과방전이 일어날 수 있다는 것을 의미하며, SOC가 100%에 가까워진다는 것은 과충전이 일어날 수 있다는 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 과방전이나 과충전이 일어날 상황에 가까울수록 충전양이나 방전양을 줄이도록 배터리의 충방전 제어를 수행하고 있다.

반대로, SOC가 0%와 50% 사이에서 50%에 가까울수록, 그리고 SOC가 50%와 100% 사이에서 50%에 가까울수록 충전양이나 방전양을 늘릴 수 있도록 배터리의 충방전 제어를 수행하고 있다.

정리하면, SOC가 50%을 기점으로 하여 멀어질수록 피드백 게인 값이 0에 가깝께 감소하게 되어 충전 또는 방전의 양을 감소시켜서 SOC가 과충전 또는 과방전이 되면 주파수 드룹 제어 출력값이 0으로 수렴하게 되어 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 배터리 에너지 저장 장치에서는 배터리의 SOC값을 이용하여, 계통 목표 전력값의 설정에 SOC 오프셋 값을 반영하여 SOC값이 안정적인 영역으로 수렴하게 하고, SOC의 피드백 게인값을 반영하여 과충전 또는 과방전이 방지될 수 있게 하여 장기간 배터리 에너지 저장 장치를 운영하여도 과충전 혹은 과방전이 일어나지 않게 하여 오랜 시간 동안에 운전을 가능하게 할 수가 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 제1 연산기(201)에 의해 계통의 기준 주파수(f0)와 계통으로부터 측정된 계통의 주파수(f)간에 주파수 차이값을 구한다. 주파수 드룹 계수 연산기(202)에 의해 제1 연산기(201)로부터 출력된 주파수 차이값을 주파수 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다. 피드백 게인 연산기(203)에 의해 주파수 드룹 계산 연산기(202)의 출력값으로부터 피드백 게인값을 산출하여 출력한다.

제2 연산기(204)에 의해 계통 목표 전력값(P_DG)에 피드백 게인 연산기(106)의 피드백 게인값을 합하여 출력한다.

제3 연산기(205)에 의해 배터리의 기준 SOC 값(SOCref)과 배터리로부터 측정된 배터리의 SOC값(soc)간에 SOC 차이값을 구한다. SOC 오프셋 연산기(206)에 의해 제3 연산기(205)로부터 출력된 SOC 차이값으로부터 SOC 오프셋값을 산출하여 출력한다.

제4 연산기(207)에 의해 제2 연산기(204)의 출력값에 SOC 오프셋 연산기(102)의 SOC 오프셋값을 합하여 기준 전력값(Pref)으로 출력한다.

제5 연산기(208)에 의해 기준 전력값(Pref)과 계통의 전력값(P)의 차이값을 구하여 제1 PI 컨트롤러(209)에 출력한다.

제1 PI 컨트롤러(209)에 의해 제4 연산기(207)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제1 PI 컨트롤러(209)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제6 연산기(210)에 의해 기준 전압(Vref)와 계통의 전압(V)간에 전압 차이값을 구한다. 전압 드룹 계수 연산기(211)에 의해 제6 연산기(210)로부터 출력된 전압 차이값을 전압 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다.

제7 연산기(212)에 의해 계통 목표 전력값(Q_DG)에 전압 드룹 계수 연산기(211)의 출력값을 합하여 기준 전력값(Qref)을 출력한다.

제8 연산기(213)에 의해 기준 전력값(Qref)과 계통의 전력값(Q)의 차이값을 구하여 제2 PI 컨트롤러(214)에 출력한다.

제2 PI 컨트롤러(214)에 의해 제8 연산기(213)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제2 PI 컨트롤러(214)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제1 변환부(215) 및 제2 변환부(216)에 의해 제1 PI 컨트롤러(209) 및 제2 PI 컨트롤러(214)의 출력 신호는 DC 신호에서 AC 신호로 변환되어 출력된다.

이때, 제1 변환부(215)에서는 d-q 축에서 α-β축으로의 변환이 수행되고, 제2 변환부(216)에서 제1 변환부(215)의 출력을 α-β축에서 a,b,c 축으로 축변환이 수행되어 3상의 AC 신호인 정현파가 출력된다.

PWM 제어기(217)에 의해 제2 변환부(216)의 출력으로부터 계통의 전력을 제어하기 위한 PWM 신호가 생성되어 출력된다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 제1 연산기(301)에 의해 배터리의 기준 SOC 값(SOCref)과 배터리로부터 측정된 배터리의 SOC값(soc)간에 SOC 차이값을 구한다. SOC 오프셋 연산기(302)에 의해 제1 연산기(301)로부터 출력된 SOC 차이값으로부터 SOC 오프셋값을 산출하여 출력한다.

제2 연산기(303)에 의해 계통의 기준 주파수(f0)와 계통으로부터 측정된 계통의 주파수(f)간에 주파수 차이값을 구한다. 주파수 드룹 계수 연산기(304)에 의해 제2 연산기(303)로부터 출력된 주파수 차이값을 주파수 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다. 피드백 게인 연산기(305)에 의해 주파수 드룹 계산 연산기(304)의 출력값으로부터 피드백 게인값을 산출하여 출력한다.

제3 연산기(306)에 의해 SOC 오프셋 연산기(302)의 SOC 오프셋값에 피드백 게인 연산기(106)의 피드백 게인값을 합하여 출력한다.

제4 연산기(307)에 의해 계통 목표 전력값(P_DG)에 제3 연산기(306)의 출력값을 합하여 기준 전력값(Pref)을 출력한다.

제5 연산기(308)에 의해 기준 전력값(Pref)과 계통의 전력값(P)의 차이값을 구하여 제1 PI 컨트롤러(309)에 출력한다.

제1 PI 컨트롤러(309)에 의해 제5 연산기(308)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제1 PI 컨트롤러(309)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제6 연산기(310)에 의해 기준 전압(Vref)와 계통의 전압(V)간에 전압 차이값을 구한다. 전압 드룹 계수 연산기(311)에 의해 제6 연산기(310)로부터 출력된 전압 차이값을 전압 드룹 계수로 나눗셈 연산을 한 후 출력한다.

제7 연산기(312)에 의해 계통 목표 전력값(Q_DG)에 전압 드룹 계수 연산기(111)의 출력값을 합하여 기준 전력값(Qref)을 출력한다.

제8 연산기(313)에 의해 기준 전력값(Qref)과 계통의 전력값(Q)의 차이값을 구하여 제2 PI 컨트롤러(314)에 출력한다.

제2 PI 컨트롤러(314)에 의해 제8 연산기(313)의 출력에 대하여 비례 적분 제어가 이루어져 출력된다. 이때, 제2 PI 컨트롤러(314)의 출력은 DC 성분을 가지게 된다.

제1 변환부(315) 및 제2 변환부(316)에 의해 제1 PI 컨트롤러(309) 및 제2 PI 컨트롤러(314)의 출력 신호는 DC 신호에서 AC 신호로 변환되어 출력된다.

이때, 제1 변환부(315)에서는 d-q 축에서 α-β축으로의 변환이 수행되고, 제2 변환부(316)에서 제1 변환부(315)의 출력을 α-β축에서 a,b,c 축으로 축변환이 수행되어 3상의 AC 신호인 정현파가 출력된다.

PWM 제어기(317)에 의해 제2 변환부(316)의 출력으로부터 계통의 전력을 제어하기 위한 PWM 신호가 생성되어 출력된다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

계통의 전압 및 주파수를 측정하는 단계;
배터리의 SOC(State of Charge)값을 측정하는 단계;
상기 측정된 배터리의 SOC값 및 설정된 상기 배터리의 기준 SOC값을 기반으로 SOC 오프셋값 및 SOC 피드백 게인값을 산출하는 단계; 및
상기 계통의 전압에 기반한 전압 드룹 제어와, 상기 계통의 주파수와 상기 SOC 오프셋값과 상기 SOC 피드백 게인값에 기반한 주파수 드룹 제어를 수행하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는
상기 SOC 오프셋값에 기반하여 전체 시간중에서 충전 구간과 방전 구간을 조절하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 SOC 오프셋값은 하기의 수식에 의해 산출되는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.

(SOCref는 기준 SOC값이며, SOCfeed는 배터리에서 측정된 SOC값이며, Pmax는 계통의 최대 전력임)
제3 항에 있어서,
상기 SOCref는 SOC의 중간값인 50%이고,
상기 SOC 오프셋값은 SOC가 50%일 때는 SOC 오프셋값은 0이 되며, SOC가 0%와 50%의 사이에 있을 때는 SOC 오프셋 값은 양의 값을 가진 상태에서 0% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커지고, SOC값이 50%와 100%의 사이에 있을 때는 음의 가진 상태에서 100% 쪽으로 근접할수록 절대값이 커지도록 구성된 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
제1 항에 있어서, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는
상기 SOC 피드백 게인값에 기반하여 충전 양 및 방전 양을 조절하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
제5 항에 있어서, 상기 SOC 피드백 게인값은 하기의 수식에 의해 산출되는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.

(SOCfeed는 배터리의 SOC 값)
제1 항에 있어서, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는,
상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 SOC 오프셋값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계;
상기 주파수 드룹 계수 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 제1 연산 결과에 상기 제2 연산 결과를 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및
상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
제1 항에 있어서, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는,
상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계;
상기 주파수 드룹 계수 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 제1 연산 결과를 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 제2 연산 결과에 상기 SOC 오프셋값을 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및
상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
제1 항에 있어서, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는,
상기 계통의 기준 주파수와 상기 계통의 측정 주파수의 주파수 차이값에 주파수 드룹 계수를 연산하는 단계;
상기 주파수 드룹 계수 연산 결과에 상기 SOC 피드백 게인값을 연산하여 제1 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 SOC 오프셋값과 상기 제1 연산 결과를 연산하여 제2 연산 결과를 출력하는 단계;
상기 계통에 설정된 계통 목표 전력값에 상기 제2 연산 결과를 연산하여 기준 전력값을 출력하는 단계; 및
상기 기준 전력값과 계통의 전력값의 차이값을 구하여 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함하는 배터리 에너지 저장 장치의 충방전 제어 방법.
배터리;
상기 배터리에 대한 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어를 위해 필요한 데이터를 저장하는 데이터 저장부;
상기 배터리의 SOC값을 측정하는 SOC 측정부;
계통의 전압과 주파수를 측정하는 계통 전압 및 주파수 측정부;
상기 데이터 저장부의 데이터 중 상기 배터리의 기준 SOC값 및 상기 SOC값을 기반으로 산출된 상기 배터리의 SOC 오프셋값과 SOC 피드백 게인값을 이용하여, 상기 계통의 전압과 주파수에 상응한 전압 드룹 제어 및 주파수 드룹 제어를 수행하여 상기 배터리의 충방전시 과충전 또는 과방전을 방지하면서 배터리의 충방전을 수행하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전 제어부; 및
상기 충방전 제어부의 충방전 제어 신호에 따라 상기 배터리에 대한 충전 또는 방전을 수행하는 충방전부를 포함하고,
상기 충방전 제어부는,
상기 SOC 오프셋값에 기반하여 전체 시간중에서 충전 구간과 방전 구간을 조절하는 배터리 에너지 저장 장치.
제10 항에 있어서,
상기 데이터 저장부는 전압 드룹 제어 계수, 주파수 드룹 제어 계수, 상기 기준 SOC 값, 계통의 기준 전압값, 계통의 기준 주파수값, 계통의 목표 전력값을 저장하도록 구성된 배터리 에너지 저장 장치.