KR20140033811A - 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력계통의 고장 발생으로 인한 정전이나 전력공급에 문제가 발생한 경우에, 소형화 및 간단한 구성의 비상제어 회로를 통해 전력저장 장치가 비상제어를 수행하여 안정적인 정상 운전이 가능하도록 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 배터리부, 상기 배터리부의 충전 및 방전을 수행하는 전력변환 시스템, 외부의 직류 전원을 공급받아 동작하여, 상기 배터리부에 관련된 전반적인 동작을 관리 제어하는 배터리 관리 시스템, 전력 계통의 고장 발생시에 고장정보와, 모선 전압, 전류, 주파수의 시간 변화율을 수집하는 에너지 관리 시스템, 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치의 상태에 따라 상기 배터리 관리 시스템에 상기 배터리부로부터의 직류 전원 공급 준비를 수행하고, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되면 배터리부의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 정상 공급되도록 제어하는 운영 시스템 및, 상기 운영 시스템의 제어에 따라 상기 배터리부로부터의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 공급되도록 제어 스위칭을 수행하는 제어 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Emergency Controlling Energy Storage System}
본 발명은 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 구성하고 있는 셀(Cell) 또는 모듈(Module)의 스위칭제어를 통해 정전 시에도 전력 저장 장치를 운영할 수 있도록 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기는 우리가 사용하는 에너지의 형태 중 그 편리함 덕분에 가장 광범위하게 사용되고 있으나, 생산과 동시에 소비가 이루어져야 하고 저장이 어려운 특성을 가지고 있다.
또한, 인구 증가 및 도시화의 추세에 따라 시시각각으로 변화하는 전기수요에 대응하기 위해서 생산단가가 높은 발전소를 가동하기 때문에 에너지 사용의 효율성이 떨어지고 있으며, 계절별 전력수요의 편차가 점차 커지고 있어 대규모 예비전력을 필요로 하고 있다.
이에 대해 대용량 전력저장 시스템을 구축하여 잉여전력을 저장해 두었다가, 전력 수요가 높은 시기에 전력저장장치의 전원을 활용하여 원활하고 안정적인 전력공급을 하는 시스템이 해결책으로 부상되고 있다.
이러한 전력저장 시스템 중 배터리를 이용한 대용량 전력저장 시스템은 배터리 관리 시스템과, 전력변환 시스템, 전력운영 시스템으로 구성된다.
전력변환 시스템은 대용량의 인버터 및 컨버터를 이용하여 배터리의 직류전원(DC) 시스템과 전력계통의 교류전원(AC) 시스템을 연계하여 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 장치이다.
전력운영 시스템은 전력계통의 에너지관리 시스템으로부터 전력계통의 정보를 수신하고, 전력변환 시스템 및 배터리 관리 시스템으로부터 장치와 배터리의 여러 정보를 수신하여, 부하 평준화(Load Leveling), 첨두부하 절감(Peak Shaving) 및 신재생 에너지의 간헐적 출력특성을 보상하기 위한 배터리의 충방전 전략을 수립하여, 충방전 제어와 관련된 정보를 전송한다.
한편, 배터리 관리 시스템은 배터리를 제어하는 주요 회로부이기 때문에 안정적인 DC 전원을 공급받지 못하게 되면 정상적으로 동작을 할 수 없게 되는데, 전력저장시스템이 설치된 변전소 또는 인근 변전소의 전력계통 고장으로 인한 정전 및 그에 상응하는 전력공급에 문제가 발생하게 되면, 배터리 관리 시스템으로의 직류 전원공급이 불가능해지기 때문에 배터리 및 전력저장시스템을 동작시킬 수가 없게 된다.
이러한 전력계통의 고장 및 외부 전원에 문제가 발생하여 전력저장 시스템의 동작이 멈추는 것을 방지하기 위해서, 무정전 전원공급 장치(UPS; Uninterruptible Power Supply) 또는 DC-DC 컨버터를 사용하여 배터리 관리 시스템에 안정적인 직류 전원공급이 이루어지도록 하는 방식이 사용되고 있다.
이러한 UPS를 적용한 전력저장 시스템은 전력계통의 고장 발생 및 배터리 관리 시스템의 직류 전원공급에 문제가 발생하게 되면, UPS가 동작을 하여 배터리 관리 시스템에 DC 전원을 공급하고 전력저장시스템이 비상동작(예컨대, Black Start-Up 기능)을 하게 된다.
또한, DC-DC 컨버터를 적용한 전력저장 시스템의 경우에는 전력계통의 고장 발생 및 배터리 관리 시스템의 전원공급에 문제가 발생하게 되면, DC-DC 컨버터가 배터리(LIB; Lithium-Ion Battery)와 연결이 되어 배터리 관리 시스템에 DC 전원을 공급하여 전력저장 시스템이 비상동작(예컨대, Black Start-Up 기능)을 하게 된다.
관련 기술로는 국내등록특허 제10-1097261호(이엠티디씨를 이용한 교류 전기철도 급전계통 및 그 해석 방법)(2011.12.15)가 있다.
그러나, 이러한 종래에 따른 전력저장 장치의 비상제어 시스템은 별도의 UPS 설비 및 DC-DC 컨버터를 설치해야 하기 때문에, 전력저장 시스템의 구축에 상당한 비용적 부담이 증대될 수 밖에 없으며, 별도의 UPS 설비 또는 DC-DC 컨버터를 설치하기 위한 넓은 설비 면적이 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 전력계통의 고장 발생으로 인한 정전이나 전력공급에 문제가 발생한 경우에, 소형화 및 간단한 구성의 비상제어 회로를 통해 전력저장 장치가 비상제어를 수행하여 안정적인 정상 운전이 가능하도록 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치는, 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 어레이(Array)를 다수개로 연결 구성되어 있는 배터리부, 상기 배터리부의 직류전원 측과 전력계통의 교류전원 측을 연계하여 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 전력변환 시스템(Power Conditioning System), 외부의 직류 전원을 공급받아 동작하여, 전력변환 시스템과의 통신수행에 의해 상기 배터리부에 관련된 전반적인 동작을 관리 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 전력 계통의 고장 발생시에 고장정보와, 인근 지역 모선에서 발생된 전압, 전류, 주파수의 시간 변화율을 수집하는 에너지 관리 시스템(Energy Management System), 상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치의 상태에 따라 상기 배터리 관리 시스템에 상기 배터리부로부터의 직류 전원 공급 준비를 수행하고, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되면 상기 배터리부의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 정상 공급되도록 제어하는 운영 시스템(Power Management System) 및, 상기 운영 시스템의 제어에 따라 상기 배터리부로부터의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 공급되도록 제어 스위칭을 수행하는 제어 스위칭부(Control Switching Part)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 운영 시스템은 상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 시간 변화율이 허용된 기준치보다 크거나, 상기 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치가 기준값보다 크면, 상기 제어 스위칭부에 의해 상기 배터리 관리 시스템에 상기 배터리부로부터의 직류 전원 공급 준비가 수행되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 스위칭부는 스위칭 단자가 상기 배터리부를 구성하는 다수개의 배터리 셀 단위마다 배열되어 있는 다수개의 단자 탭에 외부 직류 전원의 전압치에 따라 선별적으로 스위칭 동작하는 멀티 스위치부와, 상기 멀티 스위치부 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제1센싱 전압을 발생하는 제1전압 센서부, 상기 배터리 관리 시스템 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제2센싱 전압을 발생하는 제2전압 센서부, 상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압을 입력받아 전압을 비교하여, 비교 결과치가 허용된 오차 범위 내에 해당되는 지에 따라 비상제어 스위치를 스위칭하기 위한 스위칭 신호를 발생하는 전압 비교기 및, 상기 전압 비교기로부터의 스위칭 신호에 의해 스위칭 동작하여, 상기 배터리부로부터의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 공급되도록 하는 비상제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 멀티 스위치부의 스위칭 동작에 따라 발생되는 서지 전압을 제거하는 서지 흡수 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전압 비교기는 상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압의 비교 전압차가 허용된 오차 범위 내에 해당되면, 상기 비상제어 스위치의 스위칭을 위한 동작준비를 완료하고, 상기 전압 비교기의 동작준비 완료 상태에서, 상기 운영 시스템은 상기 에너지 관리 시스템으로부터 고장정보를 수신하게 되면, 상기 전압 비교기에 의해 상기 비상제어 스위치가 스위칭 동작하여 닫히도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전압 비교기는 상기 제1센싱 전압과 상기 제2센싱 전압의 비교 전압차가 허용된 오차 범위를 초과하면, 상기 멀티 스위치부의 스위칭 단자가 배터리부 측의 단자 탭 위치를 조정하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법은, 운영 시스템이 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 인근 지역 모선에서 발생된 전압, 전류, 주파수의 시간 변화율과, 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치가 허용 기준치보다 큰지를 판단하는 제1단계, 상기 시간 변화율과, 상기 외부 직류 전원의 입력 전압치가 허용 기준치보다 크면, 상기 운영 시스템이 배터리부로부터의 직류 전원을 제어 스위칭부를 통해 상기 배터리 관리 시스템에 공급하기 위한 동작 준비를 완료하는 제2단계 및, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되면, 상기 운영 시스템이 상기 제어 스위칭부가 스위칭 동작되도록 제어하여, 스위칭이 닫힌 상태의 상기 제어 스위칭부를 통해 상기 배터리부의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 정상 공급되도록 제어하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계는, 상기 모선의 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과, 외부 직류 전원 입력 전압치에 의해 분류된 다이나믹 응답 모드(Dynamic Response Mode)에 따라,
Figure pat00001
와 같이 계산된 정보에 의해 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계는, 상기 제어 스위칭부의 멀티 스위치부가 그 스위칭 단자를 상기 배터리부를 구성하는 다수개의 배터리 셀 단위마다 배열되어 있는 다수개의 단자 탭(Tap)에 대해 외부 직류 전원의 전압치에 따라 선별적으로 스위칭 동작하는 단계와, 제1전압 센서부가 상기 멀티 스위치부 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제1센싱 전압을 발생하는 단계, 제2전압 센서부가 상기 배터리 관리 시스템 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제2센싱 전압을 발생하는 단계, 전압 비교기가 상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압을 비교하여, 비교 전압차가 허용된 오차 범위 내에 해당되면, 비상제어 스위치의 스위칭을 위한 동작준비를 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계는, 상기 전압 비교기의 동작준비 완료 상태에서, 상기 운영 시스템이 상기 에너지 관리 시스템으로부터 고장정보를 수신하게 되면, 상기 전압 비교기에 의해 상기 비상제어 스위치가 스위칭 동작하여 닫히도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 배터리의 최소 단위 구조인 셀(Cell) 또는 단위 모듈(Module) 사이에 멀티 스위치부를 장착하여 정전과 같은 비상시에도 배터리 관리 시스템이 정상 동작할 수 있게 유지함으로써, 전력저장 시스템이 정전이나 그에 상응하는 전력계통의 비상상황이 발생하더라도, 비상동작(예컨대, Black Start-Up 기능)을 수행하여 배터리 관리 시스템에 정상적인 전원 공급이 가능하고, 소형화되고 간단한 구성을 갖는 비상제어 회로 구성에 따라 비상제어 시스템의 구축 비용을 절감하는 것이 가능하며, 그 설비 면적을 대폭 감축할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비상 제어 장치가 적용된 에너지 저장 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비상 제어 장치가 적용된 에너지 저장 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비상 제어 장치가 적용된 에너지 저장 시스템은, 배터리(LIB; Lithium-Ion Battery)부(100)와, 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)(200), 운영 시스템(PMS; Power Management System)(300), 에너지관리 시스템(EMS; Energy Management System)(400), 전력변환 시스템(PCS; Power Conditioning System)(500), 3상 AC 변압기(550), 제어 스위칭부(CSW; Control SWitching Part)(600)를 포함한다.
상기 배터리부(100)는 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 어레이(Array)를 다수개로 연결하여 구성한 것으로서, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 관리 제어 하에서 상기 전력변환 시스템(500)으로부터 직류 전원을 공급받아 충전한다.
상기 배터리 관리 시스템(200)은 상기 배터리 모듈(100)의 각 단위 셀이 최대 성능을 발휘하면서, 안전하게 사용될 수 있도록 제어하는 하드웨어(Hardware) 회로 및 펌웨어(Firmware)를 포함하는 것으로서, 셀 용량, 수명 예측, 셀 보호, 상기 전력변환 시스템(500)과의 통신수행 등과 같은 배터리부(100)에 관련된 전반적인 동작을 관리 제어한다.
한편, 상기 배터리 관리 시스템(200)을 동작시키기 위해서는 DC 전원이 필요하며, 정상적인 전력계통 운영 시에는 예컨대 DC 24V의 외부 전원을 이용하게 된다. 상기 배터리 관리 시스템(200)은 상기 배터리부(100)를 제어하는 주요 회로부이기 때문에 안정적인 DC 전원을 공급받지 못하게 되면 해당 배터리부(100)가 정상적으로 동작을 할 수 없게 된다.
또한, 전력저장 시스템이 설치된 변전소 또는 인근 변전소의 전력계통 고장으로 인한 정전 및 그에 상응하는 전력공급이 문제가 발생하게 되면, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 전원공급이 불가능해지기 때문에 배터리부(100) 및 전력저장 시스템을 동작시킬 수 없게 된다.
이를 방지하기 위해, 상기 제어 스위칭부(600)가 적용되어 전력저장 시스템의 배터리 모듈(100)에 대한 충전 동작이 멈추는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
상기 운영 시스템(300)은 전력계통의 에너지관리 시스템(400)으로부터 전력계통의 정보를 수신하고, 상기 전력변환 시스템(500) 및 배터리 관리 시스템(200)으로부터 장치와 배터리의 여러 정보를 수신하여, 부하 평준화(Load Leveling), 첨두부하 절감(Peak Shaving) 및 신재생 에너지의 간헐적 출력특성을 보상하기 위한 배터리의 충방전 전략을 수립하고, 상기 전력변환 시스템(500) 및 배터리관리 시스템(200)으로 충방전 제어와 관련된 정보를 전송하고, 충/방전을 제어한다.
상기 에너지관리 시스템(400)은 전력 계통으로부터 발전 데이터 및 모선 데이터 등과 같이 전력 계통 운영과 관련된 다양한 정보를 수집하게 되며, 전력 계통의 다양한 고장 발생시에 고장정보를 수집하게 된다.
상기 에너지관리 시스템(400)에서 수집되는 고장정보 중에서, 1선 지락 고장의 경우에는 1단자(a상) 지락시 Va = 0 이고, Ib = Ic = 0으로서, 하기한 바와 같은 고장 전류 및 고장 전압의 계산식에 따라 계산을 수행한다.
Figure pat00002
또한, 2선 지락 고장의 경우에는, 2단자(b, c상) 지락시 Ia = 0이고, Vb = Vc = 0으로서, 하기한 바와 같은 고장 전류 및 고장 전압의 계산식에 따라 계산을 수행한다.
Figure pat00003
또, 선간 단락 고장의 경우에는, 2단자(b, c상) 단락시 Ia = 0이고, Ib + Ic = 0, Vb = Vc 이므로, 하기한 바와 같은 고장 전류 및 고장 전압의 계산식에 따라 계산을 수행한다.
Figure pat00004
그리고, 3상 단락 고장의 경우에는, Va = Vb = Vc = 0이고, Ia + Ib + Ic = 0 이므로, 하기한 바와 같은 고장 전류 및 고장 전압의 계산식에 따라 계산을 수행한다.
Figure pat00005
상기 에너지관리 시스템(400)은 상기한 바와 같은 다양한 고장정보를 수집함에 의해, 발전기나 변압기, 계전기, 차단기 등과 같은 전력설비를 제어하여 고장이 확대되는 것을 방지한다.
한편, 상기 운영 시스템(300)은 전력계통의 전반적인 정보뿐만 아니라, 상기 에너지관리 시스템(400)에서 수집된 고장정보를 수신하게 된다.
상기 전력변환 시스템(500)은 대용량의 인버터 및 컨버터를 이용하여 배터리의 직류전원(DC) 시스템과 전력계통의 교류전원(AC) 시스템을 연계하여 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 장치이다.
여기서, 상기 배터리 관리 시스템(200)은 상기 제어 스위칭부(600)가 동작하도록 하기 위해, 상기 운영 시스템(300)으로부터 고장 정보를 제공받아야 하는 것과 더불어, 비상제어 모드로서 추가적인 정보를 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 추가적으로 제공받아야 한다.
전력계통에 고장이 발생하게 되면, 고장전류 및 고장전압이 발생하게 되고 이러한 정보를 상기 에너지 관리 시스템(400)이 수신하여 고장 부근의 계전기 및 차단기 등을 동작시키게 된다.
이때, 상기 운영 시스템(300)에서는 전력계통의 고장전류 및 고장전압 정보를 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 수신할 뿐만 아니라, 전력저장 시스템이 설치된 인근 지역의 여러 모선에서 발생된 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부 전원에 대한 입력 전압치를 별도로 항상 수신한다.
이는 상기 운영 시스템(300)에서 인근 지역의 모선에서 발생된 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부 전원 입력 전압치를 항상 수신함으로써, 고장정보를 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 수신받기 전에 상기 제어 스위칭부(600)가 동작할 준비를 하도록 하기 위함이다.
상기 운영 시스템(300)은 주요 모선의 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부전원 입력 전압치에 따라 분류된 다이나믹 응답 모드(Dynamic Response Mode)와, 스태디 응답 모드(Steady Response Mode)와 같은 각 모드 별로 상기 제어 스위칭부(600)가 동작하는 상태를 하기와 같이 나타낸다.
상기 다이나믹 응답 모드 하에서는 하기한 수식에 따라 계산된 정보에 의해 상기 제어 스위칭부(600)의 멀티 스위치부(610)가 동작하여 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부전원 입력 전압치와 동일한 레벨의 탭(Tap)을 선별함에 의해, 스위칭 단자가 닫힘 상태가 되도록 한다.
Figure pat00006
또한, 상기 스태디 응답 모드 하에서는 하기한 수식에 따라 계산된 정보에 의해 상기 제어 스위칭부(600)의 멀티 스위치부(610)가 스위칭 동작을 수행하지 않고 스위칭 단자가 개방되어 있도록 한다.
Figure pat00007
단, 상기 "ζ"는 전력계통에서 허용하는 기준치로서, 전력계통의 특성에 따라 변동 가능한 수치이며, 상기 "ζ"의 값이 작을수록 상기 제어 스위칭부(600)의멀티 스위치부(610)가 민감하게 동작하게 된다.
상기 운영 시스템(300)은 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 상기 "ζ"의 값을 항상 수신하게 되며, 시간 변화율의 값이 허용된 "ζ"값보다 작을 시에는 상기 멀티 스위치부(610)가 동작하지 않으며, 허용된 값보다 클 경우에는 해당 멀티 스위치부(610)가 동작하도록 하게 된다.
그리고, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부전원 입력 전압값을 모니터링하여, 기준값(예컨대, 24V, VRE)과 측정값(VDC)의 차이가 설정치(α)를 벗어날 경우에는 상기 제어 스위칭부(600)의 멀티 스위치부(610)가 동작을 하도록 하게 된다. 따라서, 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 고장정보를 수신하기 전에, 상기 제어 스위칭부(600)을 동작할 준비를 하게 되는 것이다.
상기 제어 스위칭부(600)는 전력계통의 고장 및 상기 배터리 관리 시스템(200)에 직류 전원을 공급하는 외부 전원에 문제가 발생하여 전력저장 시스템의 배터리 모듈(100)에 대한 충전 동작이 멈추는 것을 방지하기 위해 적용된 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 멀티 스위치(Multi-Switch)부(610)와, 서지 흡수 회로(620), 제1 및 제2전압 센서부(630, 640), 전압 비교기(650), 비상제어 스위치(660)를 포함한다.
상기 멀티 스위치부(610)는 그 스위칭 단자(612)가 상기 배터리부(100)를 구성하는 다수개의 배터리 셀 단위마다 배열되어 있는 다수개의 단자 탭(Tap)(614)에 Dc 외부전원 전압치에 따라 선별적으로 스위칭 동작하게 된다.
상기 서지 흡수 회로(620)는 상기 멀티 스위치부(610)의 스위칭 동작에 따라 발생될 수 있는 서지 전압을 제거하기 위한 것으로서, 저항(R) 및 커패시터(C)의 병렬 회로 구성으로 이루어진다.
상기 제1전압 센서부(630)는 상기 서치 흡수 회로(620) 및 멀티 스위치부(61) 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제1센싱 전압을 발생하게 된다.
상기 제2전압 센서부(640)는 상기 배터리 관리 시스템(200) 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제2센싱 전압을 발생하게 된다.
상기 전압 비교기(650)는 상기 제1전압 센서부(630)로부터의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부(640)로부터의 제2센싱 전압을 입력받아 전압을 비교하여, 비교 결과치가 허용된 오차 범위 내에 해당되는 지에 따라 상기 비상제어 스위치(660)를 스위칭하기 위한 스위칭 신호를 발생한다.
여기서, 상기 전압 비교기(650)로부터의 비교 결과에 따라 센싱된 두 전압의 차이가 허용된 오차 범위 내에 포함되지 않으면, 해당 전압 비교기(650)가 동작하지 않게 되고, 그에 따라, 상기 멀티 스위치부(610)의 스위칭 단자(612)가 배터리부(100) 측의 단자 탭(614) 위치를 조정하게 된다.
반면에, 상기 전압 비교기(650)로부터의 비교 결과에 따라 센싱된 두 전압의 차이가 허용된 오차 범위 내에 포함되면, 해당 전압 비교기(650)는 동작준비를 완료하게 된다.
상기 전압 비교기(650)의 동작준비가 완료된 후, 상기 운영 시스템(300)에서 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 고장정보를 수신하게 되면, 상기 전압 비교기(650)는 동작을 하여 스위칭 전압 신호를 발생하게 되고, 상기 비상제어 스위치(660)를 스위칭 온시켜서 닫히도록 하게 된다.
상기 비상제어 스위치(660)가 스위칭 온되어 닫히게 되면, 상기 배터리 관리 시스템(200)에 DC 입력전원이 인가될 수 있게 되고, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 입력전원 정상 공급에 따라, 전력계통에 고장이 발생되거나, DC 외부전원의 공급에 문제가 발생하게 되어도 전력저장 시스템은 정상적으로 동작하게 된다.
한편, 상기 멀티 스위치부(610)는 상기 배터리부(100)의 각 단위별 배터리 셀이 병렬로 연결되어 있는 인접한 배터리 트레이(Tray)에 단자 탭(614)이 전부 장착이 되어 스위칭 단자(612)가 동시에 스위칭 동작을 진행 할 수도 있으며, 단자 탭(614)이 하나의 배터리 트레이에만 장착이 되도록 하는 경우에는 해당 단자 탭(614)이 장착되지 않은 다른 배터리 트레이는 상기 배터리 관리 시스템(200)의 제어를 통해 해당 멀티 스위치부(610)의 단자 탭(614)이 장착된 배터리 트레이의 출력전압과 같아지도록 할 수도 있다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법에 대한 동작을 도 3의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
먼저, 상기 운영 시스템(300)은 에너지 관리 시스템(400)으로부터 인근 지역의 모선에서 발생된 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부 전원 입력 전압치를 수신하게 되는데(S10), 상기 모선 데이터의 시간 변화율이 전력계통에서 허용하는 기준치인 "ζ"보다 크거나, 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부 전원 입력 전압치가 허용치인 "α"보다 큰지의 여부를 판단한다(S11).
상기 판단 결과, 상기 운영 시스템(300)은 상기 모선 데이터의 시간 변화율이 전력계통에서 허용하는 기준치인 "ζ"보다 크거나, 상기 상기 배터리 관리 시스템(200)의 DC 외부 전원 입력 전압치가 허용치인 "α"보다 크다고 판단하게 되면, 제어 스위칭부(600)의 멀티 스위치부(610)를 동작시켜서 그 스위칭 단자(612)가 상기 배터리부(100)의 각 단위별 배터리 셀의 트레이마다 모두 장착된 단자 탭(614)에 접속되어 스위칭이 이루어지도록 한다(S12).
상기 멀티 스위치부(610)의 스위칭에 따라, 해당 제어 스위칭부(600)의 제1전압 센서부(630)가 서지 흡수 회로(620)를 통해 서지 전압이 제거되어 인가되는 전압을 센싱하여 제1센싱 전압을 발생하고, 제2전압 센서부(640)가 상기 배터리 관리 시스템(200)에 인가되는 전압을 센싱하여 제2센싱 전압을 발생한다(S13).
그에 따라, 상기 제어 스위칭부(600)의 전압 비교기(650)는 상기 제1전압 센서부(630)로부터의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부(640)로부터의 제2센싱 전압을 입력받아, 전압을 비교하는 동작을 수행한다(S14).
그 상태에서, 상기 전압 비교기(650)는 상기 제1센싱 전압과 상기 제2센싱 전압의 전압차가 허용된 오차 범위 이내인지를 비교하게 되는데(S15), 상기 허용된 오차 범위 이내를 초과하게 되면 상기 멀티 스위치부(610)의 스위칭 단자(612)가 상기 배터리부(100)의 단자 탭(614)에 대한 위치를 조정하여 스위칭하게 된다(S16).
하지만, 상기 전압 비교기(650)에서 상기 제1센싱 전압과 상기 제2센싱 전압의 전압차가 허용된 오차 범위 이내인 것으로 비교하게 되면, 해당 전압 비교기(650)가 상기 비상제어 스위치(660)를 스위칭하기 위한 동작 준비를 완료한다(S17).
그 상태에서, 상기 운영 시스템(300)에서는 상기 에너지 관리 시스템(400)으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되는지를 판단하게 되는데(S18), 상기 고장 정보가 수신된다고 판단하면, 상기 전압 비교기(650)가 스위칭 전압 신호를 발생하여 상기 비상제어 스위치(660)를 스위칭 온시킴에 따라(S19), 상기 배터리 관리 시스템(200)에서 상기 비상제어 스위치(660)를 통해서 상기 배터리부(100)로부터의 DC 입력 전원을 인가받아 정상적으로 동작하게 되고(S20), 상기 배터리 관리 시스템(200)이 정상적으로 동작하게 됨에 따라 전력저장 시스템이 전력 계통의 고장이 발생하더라도 정상적인 동작을 수행할 수 있게 된다(S21).
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100:배터리 모듈 200:배터리 관리 시스템
300:운영 시스템 400:에너지관리 시스템
500:전력변환 시스템 550:3상 AC 변압기
600:제어 스위칭부 610:멀티 스위치부
620:서지 흡수 회로 630, 640:전압 센서부
650:전압 비교기 660:비상제어 스위치

Claims (10)

  1. 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 어레이(Array)를 다수개로 연결 구성되어 있는 배터리부;
    상기 배터리부의 직류전원 측과 전력계통의 교류전원 측을 연계하여 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 전력변환 시스템(Power Conditioning System);
    외부의 직류 전원을 공급받아 동작하여, 전력변환 시스템과의 통신수행에 의해 상기 배터리부에 관련된 전반적인 동작을 관리 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System);
    전력 계통의 고장 발생시에 고장정보와, 인근 지역 모선에서 발생된 전압, 전류, 주파수의 시간 변화율을 수집하는 에너지 관리 시스템(Energy Management System);
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 시간 변화율과, 상기 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치의 상태에 따라 상기 배터리 관리 시스템에 상기 배터리부로부터의 직류 전원 공급 준비를 수행하고, 상기 에너지 관리 시스템으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되면 상기 배터리부의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 정상 공급되도록 제어하는 운영 시스템(Power Management System); 및
    상기 운영 시스템의 제어에 따라 상기 배터리부로부터의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 공급되도록 제어 스위칭을 수행하는 제어 스위칭부(Control Switching Part)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운영 시스템은 상기 에너지 관리 시스템으로부터 수신되는 시간 변화율이 허용된 기준치보다 크거나, 상기 배터리 관리 시스템에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치가 기준값보다 크면, 상기 제어 스위칭부에 의해 상기 배터리 관리 시스템에 상기 배터리부로부터의 직류 전원 공급 준비가 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 스위칭부는 스위칭 단자가 상기 배터리부를 구성하는 다수개의 배터리 셀 단위마다 배열되어 있는 다수개의 단자 탭(Tap)에 외부 직류 전원의 전압치에 따라 선별적으로 스위칭 동작하는 멀티 스위치부와,
    상기 멀티 스위치부 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제1센싱 전압을 발생하는 제1전압 센서부,
    상기 배터리 관리 시스템 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제2센싱 전압을 발생하는 제2전압 센서부,
    상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압을 입력받아 전압을 비교하여, 비교 결과치가 허용된 오차 범위 내에 해당되는 지에 따라 비상제어 스위치를 스위칭하기 위한 스위칭 신호를 발생하는 전압 비교기 및,
    상기 전압 비교기로부터의 스위칭 신호에 의해 스위칭 동작하여, 상기 배터리부로부터의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 공급되도록 하는 비상제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 멀티 스위치부의 스위칭 동작에 따라 발생되는 서지 전압을 제거하는 서지 흡수 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 비교기는 상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압의 비교 전압차가 허용된 오차 범위 내에 해당되면, 상기 비상제어 스위치의 스위칭을 위한 동작준비를 완료하고,
    상기 전압 비교기의 동작준비 완료 상태에서, 상기 운영 시스템은 상기 에너지 관리 시스템으로부터 고장정보를 수신하게 되면, 상기 전압 비교기에 의해 상기 비상제어 스위치가 스위칭 동작하여 닫히도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 비교기는 상기 제1센싱 전압과 상기 제2센싱 전압의 비교 전압차가 허용된 오차 범위를 초과하면, 상기 멀티 스위치부의 스위칭 단자가 배터리부 측의 단자 탭 위치를 조정하도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 장치.
  7. 운영 시스템(Power Management System)이 에너지 관리 시스템(Energy Management System)으로부터 수신되는 인근 지역 모선에서 발생된 전압, 전류, 주파수의 시간 변화율과, 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 공급되는 외부 직류 전원의 입력 전압치가 허용 기준치보다 큰지를 판단하는 제1단계;
    상기 시간 변화율과, 상기 외부 직류 전원의 입력 전압치가 허용 기준치보다 크면, 상기 운영 시스템이 배터리부로부터의 직류 전원을 제어 스위칭부를 통해 상기 배터리 관리 시스템에 공급하기 위한 동작 준비를 완료하는 제2단계; 및
    상기 에너지 관리 시스템으로부터 전력 계통의 고장 정보가 수신되면, 상기 운영 시스템이 상기 제어 스위칭부가 스위칭 동작되도록 제어하여, 스위칭이 닫힌 상태의 상기 제어 스위칭부를 통해 상기 배터리부의 직류 전원이 상기 배터리 관리 시스템에 정상 공급되도록 제어하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1단계는, 상기 모선의 전압, 전류 및 주파수의 시간 변화율과, 외부 직류 전원 입력 전압치에 의해 분류된 다이나믹 응답 모드(Dynamic Response Mode)에 따라,
    Figure pat00008

    (단, 상기 "ζ"는 전력계통에서 허용하는 기준치이고, 상기 "VRE"는 외부 직류 전원 입력 전압의 기준값이며, 상기 "VDc"는 측정값이고, 상기 "α"는 전압의 설정치에 해당됨)
    와 같이 계산된 정보에 의해 판단하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 제어 스위칭부의 멀티 스위치부가 그 스위칭 단자를 상기 배터리부를 구성하는 다수개의 배터리 셀 단위마다 배열되어 있는 다수개의 단자 탭(Tap)에 대해 외부 직류 전원의 전압치에 따라 선별적으로 스위칭 동작하는 단계와,
    제1전압 센서부가 상기 멀티 스위치부 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제1센싱 전압을 발생하는 단계,
    제2전압 센서부가 상기 배터리 관리 시스템 측에 인가되는 전압을 센싱하여, 그에 따른 제2센싱 전압을 발생하는 단계,
    전압 비교기가 상기 제1전압 센서부의 제1센싱 전압과 상기 제2전압 센서부의 제2센싱 전압을 비교하여, 비교 전압차가 허용된 오차 범위 내에 해당되면, 비상제어 스위치의 스위칭을 위한 동작준비를 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제3단계는, 상기 전압 비교기의 동작준비 완료 상태에서, 상기 운영 시스템이 상기 에너지 관리 시스템으로부터 고장정보를 수신하게 되면, 상기 전압 비교기에 의해 상기 비상제어 스위치가 스위칭 동작하여 닫히도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 비상 제어 방법.
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