KR102030872B1 - 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법 - Google Patents

에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 병렬 연결된 배터리 랙(Battery Rack) 각각에 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)이 개별로 구비된 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)의 요구 사양에 대응하여 ESS의 사양을 설계하기 위해, 배터리 랙의 개수에 따라 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS의 출력을 설정하고, 설정된 PCS 출력에 따른 배터리 랙의 방전율, 가용 용량 및 방전 시간을 차례로 산출하며, PCS의 출력 및 방전 시간이 ESS의 요구 사양을 만족하는지 여부를 판단 후 ESS의 사양을 결정하는 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법{Apparatus and method for designing of specification of energy storage system}
본 발명은 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 병렬 연결된 배터리 랙(Battery Rack) 각각에 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)이 개별로 구비된 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)의 요구 사양에 대응하여 ESS의 사양을 설계하기 위해, 배터리 랙의 개수에 따라 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS의 출력을 설정하고, 설정된 PCS 출력에 따른 배터리 랙의 방전율, 가용 용량 및 방전 시간을 차례로 산출하며, PCS의 출력 및 방전 시간이 ESS의 요구 사양을 만족하는지 여부를 판단 후 ESS의 사양을 결정하는 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 대규모 전력망을 구동하는 발전소 또는 전력 소모량이 큰 빌딩 등에 설치되는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 다수의 배터리로 구성된다. 보다 구체적으로, ESS의 배터리는 일반적으로 배터리 모듈(Battery Module)이 다수로 구성된 배터리 랙(Battery Rack)이 다시 다수로 구성될 수 있으며, 결과적으로 수많은 배터리가 모여 공조 건물 또는 컨테이너 등과 같은 특수 공간에 설치될 수 있다. 이때, 다수의 배터리 랙에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어한다.
한편, 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)은 ESS에 설치되어 외부로터 공급되는 전력과 배터리 랙에서 외부로 공급하는 전력을 제어함으로써 배터리의 충방전을 제어하고, PCS와 연결된 에너지 관리 시스템(Enery Management System; EMS)은 상술된 BMS의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 PCS의 출력을 제어한다.
도 1 도 2는 종래 ESS의 배터리 랙 및 PCS 간에 연결을 도시한 도면이다.
이때, 도 1 및 도 2를 참조하면, 병렬로 연결된 배터리 랙(2)이 하나의 PCS(3)와 연결되는 ESS(1) 또는 병렬로 연결된 배터리 랙(5) 마다 PSC(6)가 개별로 연결되는 ESS(4)가 있으며, ESS의 배터리 랙 및 PCS 간 연결 구성에 대응하여 ESS의 사양 설계 방법을 다르게 수행해야 한다.
보다 구체적으로, 병렬로 연결된 배터리 랙(2)이 하나의 PCS(3)와 연결되는 구성을 갖는 ESS(1)의 사양 설계 방법의 경우 PCS(3)의 출력을 ESS(1)의 요구 출력으로 고정하여 설정하고, 배터리 랙(2)의 용량 및 개수를 변경하여 ESS(1)의 사양을 설계한다.
하지만, 병렬로 연결된 배터리 랙(5) 마다 PSC(6)가 개별로 연결되는 구성을 갖는 ESS(4)의 경우, 배터리 랙(5) 마다 연결된 PCS(6)의 출력을 ESS(4)의 요구 출력으로 고정할 수 없고, 배터리 랙(5) 마다의 용량이 고정되어 ESS(4)의 요구 사양에 따른 초기 용량을 산출할 수 없는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자는 상술된 문제점을 해결하기 위하여, 병렬 연결된 배터리 랙 각각에 전력 변환 시스템이 개별로 구비된 ESS의 요구 사양에 대응하여 ESS의 사양을 설계하기 위해, 배터리 랙의 개수에 따라 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS의 출력을 설정하고, 설정된 PCS 출력에 따른 배터리 랙의 방전율, 가용 용량 및 방전 시간을 차례로 산출하며, PCS의 출력 및 방전 시간이 ESS의 요구 사양을 만족하는지 여부를 판단 후 ESS의 사양을 결정하는 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제10-2011-0084751호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 배터리 랙의 개수에 따라 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS의 출력을 설정하고, 설정된 PCS 출력에 따른 배터리 랙의 방전율, 가용 용량 및 방전 시간을 차례로 산출하며, PCS의 출력 및 방전 시간이 ESS의 요구 사양을 만족하는지 여부를 판단 후 ESS의 사양을 결정함으로써, 병렬 연결된 배터리 랙 각각에 전력 변환 시스템이 개별로 구비된 ESS의 요구 사양에 대응하여 ESS의 사양을 설계할 수 있는 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
병렬 연결된 배터리 랙(Battery Rack) 각각에 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)이 개별로 구비된 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)의 사양 설계 장치에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른, 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치는 상기 배터리 랙의 개수를 설정하는 개수 설정부; 상기 배터리 랙의 개수에 따라 상기 PCS의 출력이 상기 ESS의 요구 출력을 만족하도록 상기 PCS의 출력을 설정하는 출력 설정부; 상기 PCS의 출력에 따른 배터리 랙의 방전율을 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 가용 용량 산출부; 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 방전 시간 산출부; 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 여부를 판단하는 판단부; 및 상기 판단부의 결과에 대응하여, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 사양 결정부;를 포함하여 구성된다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치는 상기 ESS의 요구 사양을 설정하는 요구 사양 설정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 ESS의 요구 사양은 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함할 수 있다.
상기 출력 설정부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 PCS의 출력을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00001
여기서, Pp = PCS의 출력
Ep = ESS의 요구 출력
Pn = PCS의 개수 = Bn = 배터리 랙의 개수
상기 가용 용량 산출부는, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 용량 간에 비율을 상기 배터리 랙의 방전율로 산출하고, 상기 배터리 랙의 방전율에 맵핑(Mapping)된 용량 보정 상수를 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출할 수 있다.
상기 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함할 수 있다.
상기 가용 용량 산출부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전율 및 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00002
여기서, C = 배터리 랙의 방전율
Pp = PCS의 출력
Bc = 배터리 랙의 용량
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Rac = 가용 용량 비율
Flife = 수명 계수
Floss = 손실 계수
상기 방전 시간 산출부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00003
여기서, Bt = 배터리 랙의 방전 시간
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Pp = PCS의 출력
상기 판단부는, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 판단할 수 있다.
상기 개수 설정부는, 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율을 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정할 수 있다.
상기 사양 결정부는, 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인 경우, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정할 수 있다.
병렬 연결된 배터리 랙 각각에 PCS가 개별로 구비된 ESS의 사양 설계 방법에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은, 개수 설정부가 상기 배터리 랙의 개수를 설정하는 단계; 출력 설정부가 상기 배터리 랙의 개수에 따라 상기 PCS의 출력이 상기 ESS의 요구 출력을 만족하도록 상기 PCS의 출력을 설정하는 단계; 가용 용량 산출부가 상기 PCS의 출력에 따른 배터리 랙의 방전율을 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계; 방전 시간 산출부가 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 단계; 판단부가 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 판단하는 단계; 및 사양 결정부가 상기 판단부의 결과에 대응하여, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 요구 사양 설정부가 상기 ESS의 요구 사양을 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 ESS의 요구 사양은 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 출력 설정부가 하기 수학식을 이용하여 상기 PCS의 출력을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00004
여기서, Pp = PCS의 출력
Ep = ESS의 요구 출력
Pn = PCS의 개수 = Bn = 배터리 랙의 개수
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 가용 용량 산출부가 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 용량 간에 비율을 상기 배터리 랙의 방전율로 산출하고, 상기 배터리 랙의 방전율에 맵핑된 용량 보정 상수를 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 가용 용량 산출부가 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전율 및 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00005
여기서, C = 배터리 랙의 방전율
Pp = PCS의 출력
Bc = 배터리 랙의 용량
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Rac = 가용 용량 비율
Flife = 수명 계수
Floss = 손실 계수
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 방전 시간 산출부가 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
<수학식>
Figure 112015111917426-pat00006
여기서, Bt = 배터리 랙의 방전 시간
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Pp = PCS의 출력
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 판단부가 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 개수 설정부가 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율을 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 상기 사양 설계부가 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인 경우, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 설계하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치 및 방법은 설정된 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)의 출력에 따른 상기 배터리 랙의 방전율을 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출함으로써, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)의 요구 출력을 정확하게 만족하도록 PCS의 출력을 설정할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인 경우, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정함으로써, ESS에 구비된 배터리 랙의 수명 및 안전성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1 도 2는 종래 에너지 저장 시스템의 배터리 랙 및 전력 변환 시스템 간에 연결을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법의 수행 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)는 요구 사양 설정부(110), 개수 설정부(120), 출력 설정부(130), 가용 용량 산출부(140), 방전 시간 산출부(150), 판단부(160) 및 사양 결정부(170) 를 포함하여 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)는 병렬 연결된 배터리 랙(Battery Rack) 각각에 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)이 개별로 구비되는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)을 설계하는데 있어서, ESS의 요구 사양을 만족하면서도 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율 이하가 되도록 배터리 랙의 개수 및 PCS의 출력을 설계할 수 있다.
이를 위하여, 요구 사양 설정부(110)는 ESS에 요구되는 요구 사양을 설정하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, ESS의 요구 사양은 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, ESS의 요구 출력은 ESS로부터 출력되는 전력의 크기일 수 있으며, 전력 공급 시간은 상술된 ESS의 요구 출력의 전력을 연속하여 공급할 수 있는 시간일 수 있다. 예를 들어, ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간이 각각 1MW 및 1시간인 경우, ESS의 요구 사양은 출력 1MW의 전력을 1시간 동안 외부 전원 공급없이 외부로 공급할 수 있는 전력 공급 사양일 수 있다.
또한, 요구 사양 설정부(110)는 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 이용하여 ESS의 요구 용량을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 요구 사양 설정부(110)는 하기의 수학식 1을 이용하여 ESS의 요구 용량을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112015111917426-pat00007
여기서, Ec = ESS의 요구 용량
Ep = ESS의 요구 출력
Et = ESS의 전력 공급 시간
개수 설정부(120)는 ESS의 요구 사양을 만족하도록 ESS에 포함되는 배터리 랙의 개수를 설정하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 배터리 랙은 복수의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함할 수 있으며, 배터리 랙 마다 PCS가 연결되어 배터리 랙 간에 병렬로 연결될 수 있다.
즉, ESS에 포함된 배터리 랙 및 PCS의 개수 비율은 1:1일 수 있다.
또한, ESS에 포함된 배터리 랙 및 PCS는 각각 성능이 동일할 수 있다.
개수 설정부(120)는 ESS의 사양을 설계하는 최초 시점에 ESS의 요구 출력 및 PCS의 최대 출력을 이용하여 배터리 랙의 개수를 최초로 설정할 수 있다.
여기서, PCS의 최대 출력은 PCS의 성능에 따라 PCS에서 외부로 공급할 수 있는 최대 크기의 전력일 수 있다.
보다 구체적으로, 개수 설정부(120)는 하기의 수학식 2를 이용하여 ESS의 사양을 설계하는 최초 시점에 설정되는 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112015111917426-pat00008
여기서, Bn = 배터리 랙의 개수
Ep = ESS의 요구 출력
Pp'= PCS의 최대 출력
예를 들어, 개수 설정부(120)는 ESS의 요구 출력 및 PCS의 최대 출력이 각각 1MW 및 100kW인 경우, 배터리 랙의 개수를 10개로 산출하여 설정할 수 있다.
개수 설정부(120)는 ESS의 사양을 설계하는 최초 시점에 배터리 랙의 개수를 최초로 설정한 이후 후술되는 판단부(160)의 판단 결과에 대응하여 ESS에 포함되는 배터리 랙의 개수를 가감하여 변경하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적인 개수 설정부(120)의 설명은 후술하여 설명하도록 한다.
출력 설정부(130)는 개수 설정부(120)로부터 설정된 배터리 랙의 개수에 따라 PCS의 출력이 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS의 출력을 설정하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)는 배터리 랙 및 PCS의 개수 비율이 1:1로 구성된 ESS의 사양을 설계하므로, 개수 설정부(120)으로부터 배터리 랙의 개수가 설정되는 경우, 설정된 배터리 랙의 개수와 동일한 개수의 PCS가 ESS에 포함될 수 있다.
이에 따라, 출력 설정부(130)는 개수 설정부(120)로부터 설정된 배터리 랙의 개수와 동일한 개수의 PCS로부터 출력되는 전력의 크기가 ESS의 요구 출력을 만족하도록 PCS 각각의 출력을 산출할 수 있다.
보다 구체적으로, 출력 설정부(130)는 하기 수학식 3을 이용하여 PCS의 출력을 산출할 수 있다.
<수학식 3>
Figure 112015111917426-pat00009
여기서, Pp = PCS의 출력
Ep = ESS의 요구 출력
Pn = PCS의 개수 = Bn = 배터리 랙의 개수
예를 들어, ESS의 요구 출력 및 개수 설정부(120)로부터 설정된 배터리 랙의 개수가 각각 1MW 및 10개인 경우, 출력 설정부(130)는 PCS의 출력을 100kW로 산출하여 설정할 수 있다.
가용 용량 산출부(140)는 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력에 따른 배터리 랙의 방전율을 이용하여 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 가용 용량 산출부(140)는 PCS의 출력 및 배터리 랙의 용량 간에 비율을 배터리 랙의 방전율로 산출하고, 배터리 랙의 방전율에 맵핑(Mapping)된 용량 보정 상수를 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출할 수 있다.
여기서, 배터리 랙의 용량은 배터리 랙의 제조사로부터 제공받은 배터리 랙의 작동 전압에 따른 용량일 수 있다.
또한, 용량 보정 상수는 배터리 랙의 방전율에 따라 변경되는 배터리 랙의 용량을 보정하기 위한 상수로써, 배터리 랙의 충방전 실험을 통해 기 설정된 상수일 수 있다. 또한, 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함할 수 있다.
가용 용량 산출부(140)는 하기 수학식 4를 이용하여 배터리 랙의 방전율 및 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출할 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112015111917426-pat00010
여기서, C = 배터리 랙의 방전율
Pp = PCS의 출력
Bc = 배터리 랙의 용량
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Rac = 가용 용량 비율
Flife = 수명 계수
Floss = 손실 계수
한편, 용량 보정 상수는 하기의 표 1과 같이 테이블 형식으로 방전율 별로 맵핑될 수 있다.
방전율(C) 가용 용량 비율(Rac) 수명 계수(Flife) 손실 계수(Floss)
1.08 0.945 0.873 0.997
0.98 0.95 0.881 0.997
0.90 0.957 0.887 0.997
0.83 0.957 0.892 0.997
예를 들어, 가용 용량 산출부(140)는 PCS의 출력이 100kW로 설정되고 배터리 랙의 용량이 92kWH인 경우, 배터리 랙의 방전율을 1.08로 산출하고, 배터리 랙의 방전율 1.08에 맵핑된 가용 용량 비율 0.945, 수명 계수 0.873 및 손실 계수 0.997을 배터리 랙의 용량에 곱하여 배터리 랙의 가용 용량을 75.7kWh로 산출할 수 있다.
방전 시간 산출부(150)는 상술된 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력으로 배터리 랙을 방전시키는 경우, 배터리 랙이 완방되는 시간을 배터리 랙의 방전 시간으로 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 방전 시간 산출부(150)는 하기의 수학식 5를 이용하여 배터리 랙의 방전 시간을 산출할 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112015111917426-pat00011
여기서, Bt = 배터리 랙의 방전 시간
Bac = 배터리 랙의 가용 용량
Pp = PCS의 출력
예를 들어, 방전 시간 산출부(150)는 PCS의 출력이 100kW로 설정되고, 가용 용량 산출부(140)로부터 산출된 배터리 랙의 가용 용량이 75.7kWh인 경우, 배터리 랙의 방전 시간을 0.757h로 산출할 수 있다.
판단부(160)는 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력 및 방전 시간 산출부(150)로부터 산출된 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 판단부(160)는 가용 용량 산출부(140)로부터 산출된 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율 이하인지 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 사양 결정부(170)는 판단부(160)의 결과에 대응하여, 개수 설정부(120)로부터 설정된 배터리 랙의 개수 및 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력을 ESS의 사양으로 결정하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 사양 결정부(170)는 판단부(160)의 판단 결과, 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력 및 방전 시간 산출부(150)로부터 산출된 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 가용 용량 산출부(140)로부터 산출된 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율 이하인 경우, 개수 설정부(120)로부터 설정된 배터리 랙의 개수 및 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력을 ESS의 사양으로 결정할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치(100)는 ESS를 설계하는데 있어서, ESS에 요구되는 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하도록 ESS에 포함되는 배터리 랙의 개수 및 PCS의 출력을 빠르고 정확하게 설계할 수 있다.
한편, 판단부(160)의 판단 결과, 출력 설정부(130)로부터 설정된 PCS의 출력 및 방전 시간 산출부(150)로부터 산출된 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 가용 용량 산출부(140)로부터 산출된 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율을 초과하는 경우, 개수 설정부(120)는 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정할 수 있다.
이후, 출력 설정부(130), 가용 용량 산출부(140) 및 방전 시간 산출부(150)는 개수 설정부(120)로부터 재설정된 배터리 랙의 개수를 반영하여 상술된 PCS의 출력, 배터리 랙의 가용 용량, 방전율 및 방전 시간을 재산출할 수 있다.
이어서, 판단부(160)는 재산출 및 재설정된 값들이 ESS의 요구 사양을 만족하는지 여부 및 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 다시 판단할 수 있다.
이를 통해, 판단부(160)에서 모든 조건이 만족될 때까지 개수 설정부(120)가 배터리 랙의 개수를 가감하여 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법의 수행 순서를 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 병렬 연결된 배터리 랙 각각에 PCS가 개별로 구비되는 ESS를 설계하는데 있어서, 요구 사양 설정부가 ESS에 요구되는 요구 사양을 설정하게 된다(S401).
여기서, ESS의 요구 사양은 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, ESS의 요구 출력은 ESS로부터 출력되는 전력의 크기일 수 있으며, 전력 공급 시간은 상술된 ESS의 요구 출력의 전력을 연속하여 공급할 수 있는 시간일 수 있다.
ESS의 사양을 설계하는 최초 시점에 개수 설정부가 ESS의 요구 사양 중 ESS의 출력을 만족하도록 PCS의 최대 출력을 이용하여 배터리 랙의 개수를 최초로 설정하게 된다(S402).
여기서, PCS의 최대 출력은 PCS의 성능에 따라 PCS에서 외부로 공급할 수 있는 최대 크기의 전력일 수 있다.
이후, 출력 설정부가 PCS의 출력을 최대 출력으로 설정하게 되고, 가용 용량 산출부가 설정된 PCS의 출력 및 배터리 랙의 용량 간에 비율을 배터리 랙의 방전율로 산출하게 된다(S403).
여기서, 배터리 랙의 용량은 배터리 랙의 제조사로부터 제공받은 배터리 랙의 작동 전압에 따른 용량일 수 있다.
이어서, 가용 용량 산출부가 배터리 랙의 방전율에 맵핑된 용량 보정 상수를 이용하여 배터리 랙의 가용 용량을 산출하게 된다(S404).
또한, 용량 보정 상수는 배터리 랙의 방전율에 따라 변경되는 배터리 랙의 용량을 보정하기 위한 상수일 수 있으며, 배터리 랙의 충방전 실험을 통해 기 설정된 상수일 수 있다. 또한, 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함할 수 있다.
방전 시간 산출부가 설정된 PCS의 출력으로 배터리 랙을 방전시키는 경우, 배터리 랙이 완방되는 시간을 배터리 랙의 방전 시간으로 산출 산출하게 된다(S405).
이후, 판단부가 설정된 PCS의 출력 및 배터리 랙의 방전 시간의 각각 ESS의 요구 사양인 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 여부와 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 판단하게 되고(S406), 판단부의 판단 결과, 설정된 PCS의 출력 및 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율 이하인 경우, 사양 결정부가 개수 설정부로부터 설정된 배터리 랙의 개수 및 출력 설정부로부터 설정된 PCS의 출력을 ESS의 사양으로 결정하게 된다(S407).
반대로, 판단부의 판단 결과, PCS의 출력 및 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 배터리 랙의 방전율이 배터리 랙의 허용 방전율을 초과하는 경우, 개수 설정부가 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정하게 된다(S408).
일 실시예에서, 개수 설정부가 최초 설정된 배터리 랙의 개수에서 "1"을 가산하여 배터리 랙의 개수를 재설정할 수 있다.
한편, 일 실시예에서 상술된 개수 설정부가 최초 설정된 배터리 랙의 개수에서 "1"을 가산하여 배터리 랙의 개수를 재설정하는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 개수 설정부가 PCS의 출력 및 배터리 랙의 방전 시간이 각각 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 모두 만족하기 위한 배터리 랙의 개수를 산출하여 ESS에 설계되는 배터리 랙의 개수를 재설정할 수 있다.
즉, 다른 실시예에서, 개수 설정부는 배터리 랙의 개수를 "1"을 초과하여 재설정할 수 있다.
이어서, 출력 설정부가 재설정된 배터리 랙의 개수에 대응하여 PCS의 출력을 재설정하게 되고(S409), S403 단계로 돌아가, 재설정 및 재산출된 수치들을 이용하여 S403 단계부터 재수행하게 된다.
한편, 본 발명에 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치를 이용한 에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것 들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 모든 형태의 하드웨어 장치가 포함될 수 있다.　프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 　이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명의 원리들의 교시들은 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어는 프로그램 저장부 상에서 실재로 구현되는 응용 프로그램으로서 구현될 수 있다. 응용 프로그램은 임의의 적절한 아키텍쳐를 포함하는 머신에 업로드되고 머신에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 머신은 하나 이상의 중앙 처리 장치들(CPU), 컴퓨터 프로세서, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 입/출력(I/O) 인터페이스들과 같은 하드웨어를 갖는 컴퓨터 플랫폼 상에 구현될 수 있다. 또한, 컴퓨터 플랫폼은 운영 체제 및 마이크로 명령 코드를 포함할 수 있다. 여기서 설명된 다양한 프로세스들 및 기능들은 마이크로 명령 코드의 일부 또는 응용 프로그램의 일부, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있고, 이들은 CPU를 포함하는 다양한 처리 장치에 의해 실행될 수 있다. 추가로, 추가 데이터 저장부 및 프린터와 같은 다양한 다른 주변 장치들이 컴퓨터 플랫폼에 접속될 수 있다.
상기에서는 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.
100 : 에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치
110 : 요구 사양 설정부
120 : 개수 설정부
130 : 출력 설정부
140 : 가용 용량 산출부
150 : 방전 시간 산출부
160 : 판단부
170 : 사양 결정부

Claims (22)

  1. 병렬 연결된 배터리 랙(Battery Rack) 각각에 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)이 개별로 구비된 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)의 사양 설계 장치에 있어서,
    상기 배터리 랙의 개수를 설정하는 개수 설정부;
    상기 배터리 랙의 개수에 따라 상기 PCS의 출력이 상기 ESS의 요구 출력을 만족하도록 상기 PCS의 출력을 설정하는 출력 설정부;
    상기 PCS의 출력에 따른 상기 배터리 랙의 방전율을 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 가용 용량 산출부;
    상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 방전 시간 산출부;
    상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 여부를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부의 결과에 대응하여, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 사양 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ESS의 요구 사양을 설정하는 요구 사양 설정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ESS의 요구 사양은 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력 설정부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 PCS의 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00012

    여기서, Pp = PCS의 출력
    Ep = ESS의 요구 출력
    Pn = PCS의 개수 = Bn = 배터리 랙의 개수
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가용 용량 산출부는,
    상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 용량 간에 비율을 상기 배터리 랙의 방전율로 산출하고, 상기 배터리 랙의 방전율에 맵핑(Mapping)된 용량 보정 상수를 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가용 용량 산출부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전율 및 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00013

    여기서, C = 배터리 랙의 방전율
    Pp = PCS의 출력
    Bc = 배터리 랙의 용량
    Bac = 배터리 랙의 가용 용량
    Rac = 가용 용량 비율
    Flife = 수명 계수
    Floss = 손실 계수
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방전 시간 산출부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00014

    여기서, Bt = 배터리 랙의 방전 시간
    Bac = 배터리 랙의 가용 용량
    Pp = PCS의 출력
  9. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 개수 설정부는,
    상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율을 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 사양 결정부는,
    상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인 경우, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 장치.
  12. 병렬 연결된 배터리 랙 각각에 PCS가 개별로 구비된 ESS의 사양 설계 방법에 있어서,
    개수 설정부가 상기 배터리 랙의 개수를 설정하는 단계;
    출력 설정부가 상기 배터리 랙의 개수에 따라 상기 PCS의 출력이 상기 ESS의 요구 출력을 만족하도록 상기 PCS의 출력을 설정하는 단계;
    가용 용량 산출부가 상기 PCS의 출력에 따른 상기 배터리 랙의 방전율을 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계;
    방전 시간 산출부가 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 단계;
    판단부가 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하는지 판단하는 단계; 및
    사양 결정부가 상기 판단부의 결과에 대응하여, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    요구 사양 설정부가 상기 ESS의 요구 사양을 설정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 ESS의 요구 사양은 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 출력 설정부가 하기 수학식을 이용하여 상기 PCS의 출력을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00015

    여기서, Pp = PCS의 출력
    Ep = ESS의 요구 출력
    Pn = PCS의 개수 = Bn = 배터리 랙의 개수
  16. 제12항에 있어서,
    상기 가용 용량 산출부가 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 용량 간에 비율을 상기 배터리 랙의 방전율로 산출하고, 상기 배터리 랙의 방전율에 맵핑된 용량 보정 상수를 이용하여 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 용량 보정 상수는 가용 용량 비율, 수명 계수 및 손실 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가용 용량 산출부가 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전율 및 상기 배터리 랙의 가용 용량을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00016

    여기서, C = 배터리 랙의 방전율
    Pp = PCS의 출력
    Bc = 배터리 랙의 용량
    Bac = 배터리 랙의 가용 용량
    Rac = 가용 용량 비율
    Flife = 수명 계수
    Floss = 손실 계수
  19. 제12항에 있어서,
    상기 방전 시간 산출부가 하기 수학식을 이용하여 상기 배터리 랙의 방전 시간을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
    <수학식>
    Figure 112015111917426-pat00017

    여기서, Bt = 배터리 랙의 방전 시간
    Bac = 배터리 랙의 가용 용량
    Pp = PCS의 출력
  20. 제12항에 있어서,
    상기 판단부가 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인지 여부를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 개수 설정부가 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간 중 어느 하나를 만족하지 않거나, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율을 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 개수를 가감하여 재설정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 사양 결정부가 상기 판단부의 판단 결과, 상기 PCS의 출력 및 상기 배터리 랙의 방전 시간이 각각 상기 ESS의 요구 출력 및 전력 공급 시간을 만족하고, 상기 배터리 랙의 방전율이 허용 방전율 이하인 경우, 상기 배터리 랙의 개수 및 상기 PCS의 출력을 상기 ESS의 사양으로 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    에너지 저장 시스템의 사양 설계 방법.
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