KR20230056968A - 배터리 랙 및 태양광 모듈을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템 운영 방법 - Google Patents

배터리 랙 및 태양광 모듈을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템 운영 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 태양광 모듈 및 전력계통(Grid)과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템으로서, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치; 상기 태양광 모듈 및 상기 직류변환 장치와 연동하는 직류 연결부; 상기 직류 연결부의 출력을 입력으로 수신하여 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치; 및 상기 복수의 배터리 랙, 상기 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하고, 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교한 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는, 제어 장치를 포함할 수 있다.

Description

배터리 랙 및 태양광 모듈을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템 운영 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING BATTERY RACKS AND PHOTOVOLATIC MODULES AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템 운영 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 랙 및 태양광 모듈을 포함하는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템 운영 방법, 그리고 에너지 저장시스템의 동작 제어 장치에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 사용 목적에 따라 에너지 저장 시스템은 출력과 용량이 달라질 수 있으며. 대용량 에너지 저장 시스템을 구성하기 위하여 복수의 배터리시스템들이 서로 연결될 수 있다.
관련하여, 기존에 많이 사용되던 교류 연계형 태양광발전과 배터리 시스템을 대신해 초기 설치비 감출 및 효율 증대를 위해 직류연계형(DC-Coupled) 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
한편, 기존의 태양광발전 시스템에서는 통상적으로 태양광 모듈로부터 직류 출력을 수신해 전력계통으로 발전하는 단방향 전력변환장치가 사용되지만, 배터리 시스템에서는 충방전이 가능하여 양방향 전력변환 장치가 사용된다. 따라서, 태양광 모듈과 배터리 시스템이 직류로 연결되는 직류연계형 시스템에서, 태양광 모듈은 단방향의 발전만 가능하고 배터리는 양방향의 충방전이 가능하기 때문에 동작시 충돌이 발생할 수 있다. 또한, 태양광 모듈과 배터리의 운전범위 조건 및 운전가능 시간대가 다르기 때문에 이러한 형태의 에너지저장 시스템에서 발전 효율을 최대화할 수 있는 운영 방안이 필요하다 할 것이다.
한국 등록특허 1871858호 한국 공개특허 2019-0092056호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 태양광 모듈 및 전력계통과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 이러한 에너지 저장 시스템을 운용하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 에너지 저장 시스템의 동작을 제어하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 태양광 모듈 및 전력계통(Grid)과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템으로서, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치; 상기 태양광 모듈 및 상기 직류변환 장치와 연동하는 직류 연결부; 상기 직류 연결부의 출력을 입력으로 수신하여 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치; 및 상기 복수의 배터리 랙, 상기 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하고, 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교한 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는, 제어 장치를 포함할 수 있다.
상기 제어 장치는, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 제어 장치는 또한, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우 상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 시작하도록 제어하고, 상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 제어 장치는, 방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치는 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하고, 상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어할 수 있다.
상기 제어 장치는, 충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치는 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하고, 상기 직류변환장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 운영 방법은 태양광 모듈 및 전력계통과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템의 운영 방법으로서, 상기 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 직류변환 장치 및 상기 태양광 모듈부터의 직류 입력을 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하는 단계; 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는,
상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우, 상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및 상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는, 방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및 상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는, 충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및 상기 직류변환장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치는, 태양광 모듈 및 전력계통(Grid; 계통)와 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치로서, 적어도 하나의 프로세서, 상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리 및 에너지저장 시스템 내 다른 구성요소들과 통신을 수행하기 위한 송수신 장치를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 명령은, 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 직류변환 장치 및 상기 태양광 모듈부터의 직류 입력을 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하도록 하는 명령; 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교하도록 하는 명령; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은 또한, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우, 상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 시작하도록 제어하도록 하는 명령; 및 상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및 상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환 장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및 상기 직류변환 장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 배터리 랙 및 태양광 모듈을 포함하는 직류연계형 에너지저장 시스템에 따르면 설치비를 줄이고 발전 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 직류연계형 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 시스템 운영 방법의 동작 순서를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 시스템 운영 방법을 그래프로 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템의 동작 제어 장치의 블록 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
SOC(State of Charge; 충전율)은 배터리의 현재 충전된 상태를 비율[%]로 표현한 것이고, SOH(State of Health; 배터리 수명 상태)은 배터리의 현재 퇴화 상태를 비율[%]로 표현한 것이다.
배터리 랙(Rack)은 배터리 제조사에서 설정한 팩 단위를 직/병렬 연결하여 BMS를 통해 모니터링과 제어가 가능한 최소 단일 구조의 시스템을 의미하며, 여러 개의 배터리 모듈과 1개의 BPU 또는 보호장치를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 뱅크(Bank)는 여러 랙을 병렬 연결하여 구성되는 큰 규모의 배터리 랙 시스템의 집합 군을 의미할 수 있다. 배터리 뱅크 단위의 BMS를 통해 배터리 랙 단위의 랙 BMS(RBMS)에 대한 모니터링과 제어를 수행할 수 있다.
BSC(Battery System Controller)는 Bank 단위 배터리 시스템을 포함한 배터리 시스템에 대한 최상단 제어를 수행하는 장치로, 여러 개의 Bank Level 구조의 배터리 시스템에서 제어장치로 사용되기도 한다.
출력 한계(Power Limit)는 배터리 제조사가 배터리 상태에 따라 사전에 설정한 출력 한계를 나타내다. 랙 출력 한계(Rack Power limit)는 Rack 단위 (Rack Level)에서 설정된 출력 한계([kW] 단위)를 의미하며, 배터리의 SOC, 온도를 바탕으로 설정될 수 있다.
출력 한계는 충전인지 방전인지에 따라 충전 출력 한계와 방전 출력 한계로 구분될 수 있다. 또한, 배터리 시스템 구조에 따라 Rack 단위의 랙 출력 한계(Rack Power limit)와 Bank 단위의 뱅크 출력 한계(Bank Power limit)를 정의할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 직류연계형 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 1의 에너지 저장 시스템에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리(100)는, 통상적으로 다수의 배터리 모듈(Battery Module)이 배터리 랙(Rack)을 구성하고, 다수 개의 배터리 랙이 배터리 뱅크(Battery Bank)를 구성하는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 배터리가 사용되는 장치 또는 시스템에 따라 배터리 랙은 배터리 팩(pack)으로 지칭될 수도 있다. 도 1에 도시된 배터리는 복수의 배터리(배터리 #1, 배터리 #2, ? , 배터리 #N)가 직병렬 형태로 연결된 충방전이 가능한 양방향 배터리 팩 또는 배터리 랙의 형태일 수 있다.
이때, 각 배터리에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)(미도시)이 설치될 수 있다. BMS는 자신이 관장하는 각 배터리 랙(또는 팩)의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
직류연계 에너지 저장 시스템은 각 배터리 시스템에서 개별적으로 DC 전압/전류를 제어하여 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치(DC/DC컨버터)(500)를 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터는 양방향 컨버터일 수 있으며, DC-DC 컨버터의 예로는 풀-브릿지 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있다.
배터리 시스템에 DC/DC컨버터가 배치되므로 태양광 시스템과의 연동에 사용되던 DC/AC컨버터가 더이상 필요 없어져 효율이 증대된다. 또한, 각 배터리 시스템에 DC/DC 컨버터를 적용하여 기존의 배터리 시스템의 보호 제어를 수행할 뿐만 아니라, 각 배터리 랙 간 SOC, SOH, 용량의 차이가 발생하여도 개별 배터리 시스템의 특성을 고려한 배터리 전력량 제어가 가능해진다.
다수의 배터리 및 주변 회로, 장치 등을 포함하여 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)(미도시)가 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어할 수 있다.
배터리 섹션 컨트롤러는 각 배터리의 상태를 제어 장치(300)로 보고할 수 있다. 여기서, 각 배터리의 상태는 각 배터리의 SOC(Status Of Charge), SOH(Status Of Health), 전압, 온도 등의 정보를 포함할 수 있다. BSC는 각 배터리의 한계 전력, 실제 전력 등의 정보를 제어 장치(300)로 제공할 수 있다. 전체 ESS 시스템에 대한 제어를 주관하는 제어 장치(300)는 실제 시스템 운전시 주전력변환 장치(400)에 충전 또는 방전 명령을 전달할 수 있다.
또한, 배터리 섹션마다 설치된 주전력변환 장치(400)는 외부로터 공급되는 전력과 배터리 섹션에서 외부로 공급하는 전력을 제어하며, DC/AC 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 직류변환 장치(500)의 출력은 주전력변환 장치(400)로 연결될 수 있고, 주전력변환 장치(400)는 전력계통(600)과 연결될 수 있다.
주전력변환 장치와 연결된 제어장치(300)는 BMS 또는 BSC의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 주전력변환 장치의 출력을 제어할 수 있다. 여기서, 제어장치(300)는 전력관리 시스템(Power Management System; PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS; Energy Management System)일 수 있다.
한편, 태양광 모듈(700)은 직병렬로 연결된 발전이 가능한 단방향의 복수의 태양광 모듈을 포함할 수 있다. 태양광 모듈(700)의 출력단은 직류 연결부(200)를 통해 직류변환 장치(500) 및 주전력변환 장치(400)와 연결되어 직류연계 에너지저장 시스템을 구성할 수 있다. 직류 연결부(200)는 태양광 모듈(700), 주전력변환 장치(400), 직류변환 장치(500)를 연결하는 장치로, 태양광 모듈로 역전류가 흐르는 것을 방지하는 역전류방지 장치를 포함할 수 있다.
제어 장치(300)는 배터리 랙(100), 태양광 모듈(700), 주전력변환 장치(400), 직류변환 장치(500)의 상태를 수신하고, 시스템 내 구성요소들의 연결 상태를 결정하며, 운전범위 조건 및 운전시간대에 따라 주전력변환 장치의 출력, 직류변환 장치의 출력을 결정하는 출력지시부를 포함할 수 있다.
한편, 제어부(300), 주전력변환 장치(400) 간에는 CAN(Controller Area Network) 또는 이더넷을 이용한 통신(도 1에서 점선으로 표시됨)이 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 시스템 운영 방법의 동작 순서를 도시한다.
본 발명에 따른 에너지 시스템 운영 방법은 에너지 시스템 내에 위치하는 제어 장치에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치는 전력관리 시스템(Power Management System; PMS) 또는 에너지 관리 시스템(EMS; Energy Management System)일 수 있으나, 본 발명의 범위가 이들 개체에 한정되는 것은 아니다.
제어 장치는, 복수의 태양광 모듈, 복수의 배터리 랙, 직류변환 장치 및 주전력변환 장치의 상태를 수신한다(S210).
수신한 상태 정보 중 태양광 모듈의 직류전압 값(VPV)이 주전력변환 장치의 기동 직류전압 값(Vinv_start) 이상인지 판단하고(S220), 태양광 모듈의 직류전압(VPV)이 주전력변환 장치의 기동 직류전압(Vinv_start) 미만인 경우(S220의 아니오), 태양광 모듈의 직류전압을 직류변환 장치의 기동 직류전압 및 주전력변환 장치의 기동 직류전압과 비교한다(S230).
태양광 모듈의 직류전압이 직류변환 장치의 기동 직류전압(VDCDC_start) 이상이고, 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우(S230의 예), 주전력변환 장치는 정지시키고, 직류변환 장치에 대해 충전을 수행한다(S232). 태양광 모듈의 출력하는 직류전압이 직류변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우는 ESS전체 시스템을 정지시킨다(S231).
단계 220으로 돌아가 태양광 모듈의 직류전압(VPV)이 주전력변환 장치의 기동 직류전압(Vinv_start) 이상인 경우(S220의 예), 주전력변환 장치가 발전을 개시한다(S251, S252, S253). 제어 장치는 주전력변환 장치가 발전 중인 상태에서 직류변환장치의 동작을 결정한다. 구체적으로, 제어 장치는 배터리 랙의 SOC값을 배터리 랙의 충전상태 상한값(SOCLim_up) 및 배터리 랙의 충전상태 하한값(SOCLim_dn)과 비교한다((S220). 여기서, SOC(State of Charge; 충전율)는 배터리 랙의 현재 충전 상태를 비율[%]로 표현한 것이다.
배터리 랙의 SOC값이 상한 값과 하한 값 사이인 경우에는 운전 시간이 방전 시간대에 속하는 경우 직류변환장치를 방전하고(S252), 그렇지 않은 경우, 즉 운전시간이 충전 시간대에 속하는 경우에는 직류변환장치를 충전한다(S251). 배터리 랙의 SOC가 상한 값과 하한 값 사이가 아닌 경우(S240의 아니오) 직류변환 장치는 동작을 정지한다(S253). 직류변환 장치는 동작이 정지된 경우에도 주전력변환장치는 발전 중이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 시스템 운영 방법을 그래프로 나타낸 개념도이다.
도 3의 가로축은 시스템의 운영/운전 시간(t), 세로 축은 전력(p)을 나타낸다. 도 3의 2 개의 곡선 중 하나는 태양광 모듈의 최대전력점추종(MPPT) 제어에 따른 출력 전력을, 다른 하나는 주전력변환 장치의 발전 전력을 나타낸다.
도 3의 그래프에서 시간 축의 가장 좌측부터 살펴보면, 우선 영역 E는 주전력변환 장치 및 직류변환 장치가 모두 동작하지 않는 영역이다.
영역 A는 태양광 모듈의 직류전압(VPV)이 주전력변환 장치의 기동 직류전압(Vinv_start)보다 낮은 경우이다. 이 경우 주전력변환 장치는 정지 상태이고, 직류변환 장치가 충전 제어를 통해 배터리 랙을 충전한다. 이때, 직류변환 장치의 충전량은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 PDCDC는 직류변환 장치의 충전량을, PPV_MPPT는 태양광모듈의 최대 전력점추종 제어에 따른 출력전력을 나타낸다.
여기서, 최대전력점추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어는 외부 상황에 따라 적절하게 부하를 조절함으로써 최대 전력을 얻을 수 있도록 하는 제어의 형태이다. 최대전력이 전달되는 지점을 최대전력점이라 하고, 외부의 조건인 일사량, 온도 등에 따라 최대전력점이 변경될 수 있다.
이후, 태양광 모듈의 직류전압이 주전력변환 장치의 기동 직류전압(Vinv_start )보다 커지는 영역 B에서는 주전력변환 장치가 발전을 시작하고, 직류변환 장치는 충전시간대 동안 일정값으로 충전한다. 이때, 주전력변환 장치의 발전량은 아래 수학식 2과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, Pinv는 주전력변환 장치의 발전량을, PPV_MPPT는 태양광모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력 전력값을, PDCDC는 직류변환 장치의 충전량을 나타낸다.
이후, 시간이 경과하여 배터리의 방전 시간대 (영역 C) 동안 배터리 랙의 충전 상태가 상한값과 하한값 사이에 위치하는 경우, 주전력변환 장치는 태양광 모듈의 최대출력점으로 발전하고, 직류변환 장치는 추가로 방전하여 주전력변환 장치의 최대 출력값을 유지하도록 한다. 이때, 주전력변환 장치의 발전량은 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있고, 직류변환 장치의 방전량은 아래 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
수학식 3, 4에서 Pinv는 주전력변환 장치의 발전량을, PPV_MPPT는 태양광모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값을, PDCDC는 직류변환 장치의 방전량을, Pinv_max는 주전력변환 장치의 최대 출력값을 나타낸다.
영역 D 구간은 주전력변환 장치의 출력과 태양광 모듈의 출력이 동일한 구간으로 직류변환 장치는 동작을 정지한다. 이후 순차적으로 이어지는 영역 C, 영역 B, 영역 A, 영역 E 구간에서는 앞서 설명한 동일 영역에서의 동작과 동일한 동작이 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템의 동작 제어 장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템의 동작 제어 장치는 태양광 모듈 및 전력계통(Grid; 계통)와 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치로서, 적어도 하나의 프로세서(310), 상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리(320) 및 에너지저장 시스템 내 다른 구성요소들과 통신을 수행하기 위한 송수신 장치(330)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 명령은, 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 직류변환 장치 및 상기 태양광 모듈부터의 직류 입력을 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하도록 하는 명령; 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교하도록 하는 명령; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은 또한, 상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우, 상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 시작하도록 제어하도록 하는 명령; 및 상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및 상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은, 충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환장치의 출력값에 기초하여 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및 상기 직류변환장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는 명령을 포함할 수 있다.
에너지저장 시스템의 동작 제어 장치(300)는 또한, 입력 인터페이스 장치(340), 출력 인터페이스 장치(350), 저장 장치(360) 등을 더 포함할 수 있다. 전력관리 제어 장치(300)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(370)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(310)는 메모리(320) 및 저장 장치(360) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 여기서, 프로세서는 중앙처리장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(또는 저장 장치)는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 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: 배터리 랙 200: 직류 연결부
300: 제어 장치 400: 주전력변환 장치
500: 직류변환 장치 600: 전력 계통(Grid)
700: 태양광 모듈

Claims (15)

  1. 태양광 모듈 및 전력계통(Grid)과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템으로서,
    상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치;
    상기 태양광 모듈 및 상기 직류변환 장치와 연동하는 직류 연결부;
    상기 직류 연결부의 출력을 입력으로 수신하여 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치; 및
    상기 복수의 배터리 랙, 상기 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하고, 상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교한 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는, 제어 장치를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우, 상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 시작하도록 제어하고 상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치는 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하고, 상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우, 상기 주전력변환 장치는 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환 장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하고, 상기 직류변환 장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 태양광 모듈 및 전력계통과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템의 운영 방법으로서,
    상기 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 직류변환 장치 및 상기 태양광 모듈부터의 직류 입력을 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하는 단계;
    상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템 운영 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템 운영 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우,
    상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및
    상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템 운영 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는,
    방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우,
    상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및
    상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템 운영 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 단계는,
    충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우,
    상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하도록 제어하는 단계; 및
    상기 직류변환장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템 운영 방법.
  11. 태양광 모듈 및 전력계통과 연동하고, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서;
    상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙의 충방전을 제어하는 직류변환 장치, 상기 태양광 모듈, 및 상기 직류변환 장치 및 상기 태양광 모듈부터의 직류 입력을 교류로 변환 출력하는 주전력변환 장치의 상태를 모니터링하도록 하는 명령;
    상기 태양광 모듈의 직류 전압과 상기 주전력변환 장치의 직류 전압을 비교하도록 하는 명령; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 기동 직류전압 미만인 경우, 상기 직류변환 장치로 하여금 상기 배터리 랙에 대한 충전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은,
    상기 태양광 모듈의 직류 전압이 상기 주전력변환 장치의 직류 전압 이상인 경우,
    상기 주전력변환 장치로 하여금 발전을 시작하도록 제어하도록 하는 명령; 및
    상기 직류변환 장치로 하여금 운영 시간대에 따른 충방전을 수행하도록 제어하도록 하는 명령을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은,
    방전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우,
    상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어를 통해 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및
    상기 직류변환 장치는 방전하여 상기 주전력변환 장치의 출력을 최대출력값으로 유지하도록 제어하는 명령을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 비교 결과에 따라 상기 주전력변환 장치 및 상기 직류변환 장치의 동작을 제어하는 명령은,
    충전 시간대 동안 상기 배터리 랙의 충전 상태가 일정 범위 내인 경우,
    상기 주전력변환 장치가 태양광 모듈의 최대전력점추종 제어에 따른 출력값 및 상기 직류변환 장치의 충전량에 기초하여 발전을 수행하도록 제어하는 명령; 및
    상기 직류변환 장치는 일정 값으로 충전을 수행하도록 제어하는 명령을 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 제어 장치.
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