WO2020013614A1 - Ess 충방전 운전 방법 - Google Patents

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WO2020013614A1
WO2020013614A1 PCT/KR2019/008511 KR2019008511W WO2020013614A1 WO 2020013614 A1 WO2020013614 A1 WO 2020013614A1 KR 2019008511 W KR2019008511 W KR 2019008511W WO 2020013614 A1 WO2020013614 A1 WO 2020013614A1
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ess
line voltage
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박상희
이서우
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효성중공업 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a charging / discharging operation method of an ESS having high energy saving efficiency when used in a railroad vehicle, and more particularly, it is easy to update a set value which is a reference when operating a system, and is used uniformly in various situations or various places. It relates to an ESS charging and discharging operation method having an operation criterion of the ESS.
  • ESS Electronicgy Storage System
  • Renewable energy sources which are being actively developed, into high quality power.
  • it is necessary to link wind power generation and solar power generation systems with high output variability to the grid.
  • the principle of energy storage is to receive electrical energy from the power system, store it as ionization, kinetic energy, physical compression and chemical energy, convert it into electrical energy when needed, and supply it to the power system.
  • Medium and large energy storage devices can be classified into various types.
  • Lithium ion battery is a representative secondary battery, there is a separator and an electrolyte between the positive electrode and the negative electrode to store and discharge energy as lithium ions move. Although it is still expensive, it has a wide range of applications due to its excellent output characteristics and efficiency.
  • a unit BESS Battery Energy Storage System
  • Compensating the disadvantages of economics and the life of lithium ion battery life by providing a plurality of constituting the entire ESS.
  • ESS for railway vehicle regenerative braking has attracted attention as a new application of ESS
  • ESS for railway vehicle regenerative braking saves energy consumed and consumed when railway vehicle starts and stops in ESS to improve energy efficiency and improve railway trunks.
  • stabilizing voltage there is an effect that can delay the aging of peripheral equipment.
  • the regenerative braking ESS can be installed directly on railroad cars or on railroad substations for use when needed.
  • the present invention is to provide a ESS charging and discharging operation method with high energy saving efficiency when used in a rail vehicle.
  • An object of the present invention is to provide an ESS charging / discharging operation method having an operation standard of an ESS that is easy to update a set value which is a reference when operating a system and can be used uniformly in various situations or various places.
  • An ESS charging and discharging operation method includes: checking whether an SOC of an ESS is in an operable range, and performing an SOC management operation if the SOC of the ESS is not in an operable range; When the SOC of the ESS is in an operable range, performing a line voltage control operation based on a range of the line voltage and the rate of change of the line voltage; And after charging or discharging the ESS according to the line voltage control operation for a unit time, if the output current of the ESS does not exceed the current reference value, stopping the line voltage control operation and switching to an operation standby state.
  • the method may further include setting at least one of the wire voltage, the wire voltage variation rate, the output current of the ESS, and the SOC reference value of the ESS.
  • An ESS charge and discharge operation method the step of obtaining a line voltage value; Discharging an ESS when the line voltage value does not exceed a first voltage reference value, and charging the ESS when the line voltage exceeds a second voltage reference value; Obtaining a rate of change of the line voltage when the line voltage value is located between the first voltage reference value and a second voltage reference value; Discharging the ESS when the rate of change of the line voltage does not exceed a first rate of change reference value and the line voltage value does not exceed a center reference value; Stopping the ESS when the rate of change of the line voltage does not exceed a first rate of change reference value and the line voltage value exceeds a center reference value; Charging an ESS when the rate of change of the line voltage exceeds a second rate of change reference value and the line voltage value exceeds a center reference value; Stopping the ESS if the rate of change of the line voltage exceeds a first rate of change reference value and the line voltage value does not exceed a center reference value; And
  • the method may further include updating.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a railway system in which an ESS charge and discharge driving method according to an embodiment of the present invention may be performed.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an ESS driving apparatus capable of performing an ESS charging and discharging driving method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of operating an ESS charge / discharge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart specifically illustrating a line voltage control operation of the charging and discharging driving method of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining operation reference values of charge and discharge operation according to the spirit of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a component When a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be understood that the component may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. .
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a railway system to which an energy storage device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • a railroad electric vehicle provides electric power by providing power receiving power provided at a railway substation or a station to a cable line electrically connected to the railroad electric vehicle.
  • the illustrated energy storage device ESS may receive and store power from the line of the line or supply the stored power to the line of the line.
  • a plurality of substations can be provided in the train railway section (including the high-speed railway), and each substation is divided into sections (that is, a track section in charge) to supply power. Since the number of railroad trains and the operating time are different for each division in charge of each substation, and there is a difference in demand power, one energy storage device (ESS) may be provided for each substation or station.
  • ESS energy storage device
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an ESS driving apparatus 100 and an ESS 400 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the ESS driving apparatus 100 is disposed separately from the ESS 400, but in another embodiment, the ESS driving apparatus 100 of the present invention may be disposed inside the ESS 400.
  • the illustrated ESS driving apparatus 100 includes: an information acquiring unit 210 for acquiring electrical characteristics of a wire (line) through which power is input and output, PCS output information of the ESS 400, and battery 460 (charge) state information; Control unit 150 for performing the ESS charge and discharge operation according to the spirit of the present invention; A storage unit 260 storing all or a part of the information obtained in the information obtaining unit 210 and information on the ESS charging / discharging operation; It may include a demand power prediction unit 110 for predicting the power demand of the train.
  • the PCS 420 is connected to the wire, and the PCS 420 may include a converter for suitably converting the power of the battery 460 to the outside.
  • the information acquisition unit 210 directly detects the electrical characteristics (voltage / current, etc.) of the wire (line end) or the electrical characteristics of the PCS 420 input / output terminal (or converter input / output terminal) of the ESS 400. From the monitoring information, it is possible to predict the electrical characteristics of the line ends.
  • the information acquisition unit 210 receives the state information of the battery 460 from the BMS 480 of the ESS 400, directly detects electrical characteristics (voltage / current, etc.) of the line end, or the ESS 400
  • the charging state of the battery 460 may be predicted from the monitoring information of the electrical characteristics of the input / output terminal (or the converter input / output terminal) of the PCS 420.
  • the state of charge information includes a state of charge (SOC) and a maximum charge capacity, and may further include a state of health (SOH).
  • SOC state of charge
  • SOH state of health
  • the information acquisition unit 210 calculates electrical characteristics (voltage, current, etc.) detected at points on a power supply line to a line system or a load, and thus information on power demand of a load connected to the line system, that is, Information about the power consumption state can be calculated.
  • Information obtained by the information acquisition unit 210 may be stored in a separate storage unit (not shown), and may be used for relatively long-term monitoring or pattern derivation.
  • the SOC and the maximum charging capacity of the ESS 400 measured at a predetermined cycle (monitoring time interval) may be stored in the storage unit.
  • the power demand predicting unit 110 uses a power consumption pattern of a railway vehicle equipped with an ESS and / or a train operation diagram in a track section in which the corresponding railway vehicle should supply power. You can forecast the demand power over time of the day.
  • the power demand prediction unit 110 may create a database storing the power consumption pattern of the railway substation for each hour in order to predict the demand power, and the demand power prediction unit 110 may be in charge of the railway substation line (power supply section). You can create a database that stores diagrams of railway operations in.
  • the demand power prediction unit 110 by using the database storing the hourly power consumption pattern of the railway vehicle and the database storing the train operation diagram, by matching the power consumption by time of day and train (electric car) operation information consumption power -Correlation of train operation can be derived and power consumption can be estimated for each hour of the day.
  • the demand power prediction unit 110 may be installed with a program that implements an information processing algorithm that can match the power consumption by time of day and railway train operation information and predict the power consumption according to the result.
  • the storage unit 260 may store the database of the above-described train operation, and the ESS charging and discharging operation according to the spirit of the present invention and history data on the result (that is, monitoring the result of the ESS operation for a predetermined period of time) Data) can be stored.
  • the controller 150 determines a time interval during which charging is performed and a time interval during which discharge is performed according to demand power for each time period of a predetermined period (for example, one day), and operates in the energy storage device 400 in a mode determined for the corresponding time interval.
  • the energy storage device 400 may be driven to perform the charging and discharging operation of the battery 460.
  • the controller 150 may compare the actual demand power obtained from the electrical characteristic measurement value of the charge line section with the preset reference power to discharge the ESS 400 when exceeding the reference power, and to charge the ESS 400 when it is less than the reference power. Can be. To this end, the controller 150 may receive necessary information from the information acquisition unit 210 and / or the BMS 480 of the ESS.
  • the controller 150 performs an ESS charge and discharge operation according to the spirit of the present invention.
  • FIG 3 shows an ESS charge and discharge operation according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated ESS charging / discharging operation method may include checking whether the SOC of the ESS is in a possible range (S120), and performing SOC management operation if the SOC of the ESS is not in an operational range (S150); When the SOC of the ESS is in an operable range, performing a line voltage control operation based on a range of the line voltage and the rate of change of the line voltage (S200); And after charging or discharging the ESS according to the line voltage control operation for a unit time, if the output current of the ESS (converter) does not exceed the current reference value (S300), switching to the line voltage control operation stop and operation standby state ( S400).
  • the method may further include setting a line voltage, a line voltage variation rate, an ESS output current, an ESS SOC reference value, and the like (S110).
  • the reference value setting step S110 is shown to be performed initially in the flowchart, the ESS charge / discharge operation (more specifically, the line voltage control operation) of the present invention accumulated for a long time and the line voltage (and its reference values) from the result. , Update the line voltage fluctuation rate (and its reference values), the ESS output current, the ESS SOC reference value, etc., and update the updated line voltage (and its reference values), the line voltage fluctuation rate (and its reference values), the ESS output current, the ESS It may be performed in the form of setting the SOC reference value.
  • Checking whether the SOC of the ESS is located in an operational range (S120) may be performed by various well-known algorithms in the BMS of FIG. 2.
  • the amount of charge of the battery can be calculated as the SOC calculated from the voltage value and the current value of the ESS output terminal.
  • the SOC may reflect the SOH indicating the life of the battery.
  • the regenerative braking section or the acceleration section is terminated, and thus the line voltage control operation of the ESS can be stopped.
  • the line voltage control operation is stopped and maintained in an operation standby state so that the next operation can be performed according to the line voltage and the rate of change.
  • the SOC management operation S150 refers to an operation of adjusting the charging level of the ESS to a level capable of performing an appropriate ESS charging / discharging operation according to the regenerative braking and acceleration operation of the train. For example, if the battery SOC is too high, the regenerative energy generated by the regenerative braking of the railroad vehicle cannot be stored in the ESS, so the power stored in the battery is consumed through the bypass resistors or transferred to the wire. For example, if the battery SOC is too low to support the energy required for acceleration in the acceleration section and the battery can be completely discharged, the power is supplied from the wire or substation and stored in the battery.
  • the line voltage control operation (that is, S200 of FIG. 3) is performed based on the range of the line voltage and the line voltage variation rate according to the spirit of the present invention.
  • the ESS charging and discharging operation method includes: obtaining a line voltage value (S210); Initiating a discharge of the ESS (S292) when the wire voltage value does not exceed a first voltage reference value (S220), and initiating charging of the ESS when the wire voltage exceeds a second voltage reference value (S294); If the line voltage value is located between the first voltage reference value and the second voltage reference value (S220, S230), obtaining a variation rate of the line voltage (S240); Starting the discharge of the ESS when the rate of change of the line voltage does not exceed a first rate of change reference value (S250) and the line voltage does not exceed a center reference value (S290); Maintaining the ESS standby state when the rate of change of the line voltage does not exceed a first rate of change reference value (S250) and the line voltage value exceeds a center reference value (S400); Initiating charging of the ESS when the rate of change of the line voltage exceeds a second rate
  • the method may further include updating the first rate of change reference value and the second rate of change reference value from the ESS charging / discharging operation result obtained during the unit monitoring period.
  • the first voltage reference value, the second voltage reference value and the center reference value may be updated according to the wiring situation of the installation site.
  • the interval between the first rate of change reference value and the second rate of change reference value and / or the interval between the first voltage reference value and the second voltage reference value can be adjusted (updated) to widen.
  • the method of updating the first voltage reference value and the second voltage reference value with respect to the home appliance voltage value applies one of various update methods according to the prior art. can do.
  • the rate of change of the line voltage is an ESS charge and discharge control parameter proposed by the present invention
  • the update of the first rate of change and the second rate of change reference value for the rate of change of the line voltage can be used the following method.
  • the short-term ESS charging / discharging operation according to the change rate criteria occurs more than a predetermined number of times within the reference time, the first fluctuation rate value is lowered and the second fluctuation rate value is increased.
  • FIG. 5 illustrates a range reference of the ESS control operation when performing the line voltage control operation (S200 of FIG. 2) based on the range of the line voltage and the rate of change of the line voltage according to the spirit of the present invention.
  • the range reference of the line voltage for performing the line voltage control operation is smaller than the first voltage reference value V_Ref-V_LG or larger than the second voltage reference value V_Ref + V_HG. More specifically, discharge is considered when the line voltage is smaller than the first voltage reference value V_Ref-V_LG, and charging is considered when the line voltage is greater than the second voltage reference value V_Ref + V_HG.
  • the range reference of the line voltage change rate for performing the line voltage control operation is smaller than the first change rate reference value dV / dt_Lref or larger than the second change rate reference value dV / dt_Href. More specifically, discharge is considered when the rate of change of the line voltage is less than the first rate of change reference value dV / dt_Lref, and charging is considered when the rate of change of the line voltage is greater than the second rate of change dV / dt_Href.
  • the range criterion of the line voltage is applied more preferentially than the range criterion of the line voltage fluctuation rate.
  • the condition of stopping the line voltage control operation of the ESS in the condition of stopping the line voltage control operation of the ESS, when the rate of change of the line voltage does not exceed the first rate of change reference dV / dt_Lref and the line voltage value exceeds the center reference value V_Ref. It can be seen that includes.
  • the condition of stopping the ESS line voltage control operation includes a case where the rate of change of the line voltage exceeds the second rate of change reference value dV / dt_Href and the line voltage value does not exceed the center reference value V_Ref. .
  • the center reference value V_Ref does not mean that it is exactly an intermediate value between the first voltage reference value V_Ref-V_LG and the second voltage reference value V_Ref + V_HG, but determines the regenerative braking operation and the acceleration operation of the train. It means the reference voltage value of the wire which is determined to be neutral rather than both the regenerative braking operation and the acceleration operation.
  • the charge / discharge operation is first determined based on the line voltage value, but the rate of change of the line voltage does not exceed the first rate of change reference value dV / dt_Lref.
  • the voltage reduction degree it is determined in advance as an acceleration period, and the discharge operation is performed on the live wire even if the wire voltage is smaller than the center reference value V_Ref even if it exceeds the first reference voltage value V_Ref-V_LG.
  • the present invention relates to a charging / discharging operation method of an ESS having high energy saving efficiency when used in a railway vehicle, and can be used in the field of ESS.

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Abstract

본 발명에 따른 ESS 충방전 운전 방법은, ESS 배터리의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하는지 확인하여, ESS 배터리의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하지 않으면, SOC 관리 운전을 수행하는 단계; ESS 배터리의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하면, 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전을 수행하는 단계; 및 단위 시간 동안 가선 전압 제어 운전에 따라 상기 ESS를 충전하거나 방전한 후, ESS의 출력전류가 전류 기준값을 넘지 못하면, SOC 관리 운전을 수행하는 단계; 가선전압 제어운전을 정지하고 운전 대기상태로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가선 전압, 상기 가선 전압 변동률, 상기 ESS의 출력전류, 상기 ESS의 SOC 기준값 중 적어도 하나 이상을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

ESS 충방전 운전 방법
본 발명은 철도 차량에서 사용될 때 에너지 절감 효율이 높은 ESS의 충방전 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시스템 운전시 기준이 되는 설정값의 업데이트가 용이하고, 다양한 상황이나 다양한 장소에서 통일적으로 사용될 수 있는 ESS의 운전 기준을 구비한 ESS 충방전 운전 방법에 관한 것이다.
ESS(Energy Storage System)는 최근 활발하게 개발되고 있는 신재생 에너지원을 고품질 전력으로 전환 후 전력망에 연계하는데 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. 특히 출력 변동성이 큰 풍력 발전과 태양광 발전 시스템을 계통에 연계할 때 필요한 장치이다.
에너지 저장의 원리는 전력 계통으로부터 전기 에너지를 받아 이온화, 운동 에너지화, 물리적 압축 및 화학적 에너지로 저장하였다가 필요한 시기에 전기 에너지로 변환하여 전력 계통에 공급하는 것이다. 중대형 에너지 저장 장치는 다양한 종류로 분류될 수 있다. 리튬 이온 전지는 대표적인 이차 전지로서 양극과 음극 사이에 분리막과 전해질이 있어 리튬 이온이 이동하면서 에너지를 저장하고 방전한다. 아직은 가격이 비싼 단점이 있으나, 출력 특성과 효율이 양호하여 최근 적용 범위가 넓어지고 있으며, 특히, 리튬 이온 전지들로 구성된 배터리 팩을 구비한 단위 BESS(Battery Energy Storage System)들을 하나의 목적 사이트에 대하여 다수 개 구비하여 전체 ESS를 구성하는 방식으로 경제성의 단점 및 리튬 이온 전지 수명의 단점을 보완하고 있다.
최근 ESS의 새로운 Application으로 철도 차량 회생제동용 ESS가 주목받고 있으며, 철도 차량 회생제동용 ESS는 철도 차량이 출발하고 정지하면서 발생되고 소모되는 에너지를 ESS에 저장했다가 사용함으로써 에너지 효율을 높이고 철도 간선 전압의 안정화와 더불어 주변설비의 노후화를 지연시킬 수 있는 효과가 있다.
회생제동용 ESS는 필요할 때 사용할 수 있도록, 철도 차량에 직접 설치하거나, 철도 선로 변전소 등에 설치될 수 있다.
그러나, 선로나 철도 차량에 설치된 ESS의 경우, 실제 전력을 어떻게 저장하고 어떻게 사용할지에 따라서 매우 다른 에너지 절감 효과를 나타내므로, 설치 위치에 적합한 효율적인 제어 방법이 필요하다.
또한, 상술한 ESS 제어 방법의 경우, 시스템 운전시 기준이 되는 설정값의 업데이트가 용이하고, 다양한 상황이나 다양한 장소에서 통일적으로 사용될 수 있는 ESS의 운전 기준이 필요하다.
본 발명은 철도 차량에서 사용될 때 에너지 절감 효율이 높은 ESS 충방전 운전 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 시스템 운전시 기준이 되는 설정값의 업데이트가 용이하고, 다양한 상황이나 다양한 장소에서 통일적으로 사용될 수 있는 ESS의 운전 기준을 구비한 ESS 충방전 운전 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 ESS 충방전 운전 방법은, ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하는지 확인하여, ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하지 않으면, SOC 관리 운전을 수행하는 단계; ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하면, 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전을 수행하는 단계; 및 단위 시간 동안 가선 전압 제어 운전에 따라 상기 ESS를 충전하거나 방전한 후, ESS의 출력전류가 전류 기준값을 넘지 못하면, 가선전압 제어운전을 정지하고 운전 대기상태로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가선 전압, 상기 가선 전압 변동률, 상기 ESS의 출력전류, 상기 ESS의 SOC 기준값 중 적어도 하나 이상을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 ESS 충방전 운전 방법은, 가선 전압값을 획득하는 단계; 상기 가선 전압값이 제1 전압 기준값을 넘지 않으면 ESS를 방전하고, 상기 가선 전압이 제2 전압 기준값을 넘으면 ESS를 충전하는 단계; 상기 가선 전압값이 상기 제1 전압 기준값과 제2 전압 기준값 사이에 위치하면, 상기 가선 전압의 변동률을 획득하는 단계; 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면 ESS를 방전하는 단계; 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면, ESS를 정지하는 단계; 상기 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면 ESS를 충전하는 단계; 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면, ESS를 정지하는 단계; 및 상기 가선 전압의 변동률이 상기 제1 변동률 기준값과 제2 변동률 기준값 사이에 위치하면, ESS를 정지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 단위 모니터링 기간 동안 획득된 ESS 충방전 운전 결과로부터, 상기 제1 변동률 기준값, 상기 제2 변동률 기준값, 상기 제1 기준 전압값, 상기 제2기준 전압값, 및 상기 중심 기준값의 전부 또는 일부를 업데이트 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 ESS 충방전 운전 방법을 실시하면, 철도 차량이나 선로 변전소 등 회생제동용 ESS에 의한 에너지 절감 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 ESS 충방전 운전 방법을 실시하면, 시스템 운전시 기준이 되는 설정값의 업데이트가 용이하고, 다양한 상황이나 다양한 장소에서 통일적으로 사용될 수 있는 ESS의 운전 기준을 제시할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 ESS 충방전 운전 방법을 실시하면, 충방전 운전시 에너지 이용율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 운전 방법이 수행될 수 있는 철도 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 운전 방법을 수행할 수 있는 ESS 운전 장치를 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 운전 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 도 3의 충방전 운전 방법 중 가선 전압 제어 운전을 구체적으로 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 충방전 운전의 운전 기준값들을 설명하기 위한 개념도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 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 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치가 적용되는 철도 시스템을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장 장치가 적용되는 철도 시스템은, 선로 변전소나 역에서 제공되는 수전전력을 철도 전동차와 전기적으로 연결된 가선에 제공함으로써 철도 전동차가 전력을 제공받아 운행되도록 한다. 도시한 에너지 저장 장치(ESS)는 선로의 가선으로부터 전력을 제공받아 저장하거나, 저장된 전력을 선로의 가선으로 공급할 수 있다.
전철화 철도 구간(고속철도 포함)에는 복수의 변전소가 마련될 수 있으며, 각 변전소 마다 구획(즉, 담당 선로 구간)을 나누어 전력 공급을 담당하고 있다. 각 변전소에서 담당하는 구획마다 운행되는 철도 전동차 수와 운행 시간이 상이하여 수요전력에 차이가 있으므로, 각 변전소나 역 마다 각각 하나의 에너지 저장 장치(ESS)가 마련될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 운전 장치(100) 및 ESS(400)를 함께 도시한 블록도이다. 도면에서는 상기 ESS 운전 장치(100)가 ESS(400)와 별도로 배치되었으나, 다른 구현에서는 본 발명의 ESS 운전 장치(100)가 ESS(400)의 내부에 배치될 수 있다.
도시한 ESS 운전 장치(100)는, 전력이 입출력되는 가선(선로)의 전기적 특성 및 ESS(400)의 PCS 출력 정보, 배터리(460)(충전) 상태 정보를 획득하는 정보 획득부(210); 본 발명의 사상에 따른 ESS 충방전 운전을 수행하는 제어부(150); 상기 정보 획득부(210)에 획득된 정보의 전부 또는 일부와 상기 ESS 충방전 운전에 대한 정보가 저장되는 저장부(260); 열차의 수요 전력을 예측하는 수요 전력 예측부(110)를 포함할 수 있다.
도시한 ESS는 PCS(420)가 가선에 연결되어 있는데, PCS(420)는 배터리(460)의 전력을 외부로 적합하게 변환하기 위한 컨버터를 구비할 수 있다.
상기 정보 획득부(210)는 가선(선로단)의 전기적 특성(전압/전류 등)을 직접 검출하거나, 상기 ESS(400)의 PCS(420) 입/출력단(또는 컨버터 입출력단)의 전기적 특성의 모니터링 정보로부터 선로단의 전기적 특성을 예측할수 있다.
상기 정보 획득부(210)는 상기 ESS(400)의 BMS(480)로부터 배터리(460)의 상태 정보를 전송받거나, 선로단의 전기적 특성(전압/전류 등)을 직접 검출하거나, 상기 ESS(400)의 PCS(420) 입/출력단(또는 컨버터 입출력단)의 전기적 특성의 모니터링 정보로부터 배터리(460)의 충전 상태를 예측할수 있다.
여기서, 상기 충전 상태 정보는 SOC(State of Charge) 및 최대 충전 용량을 포함하며, SOH(State of Health) 등을 더 포함할 수 있다.
상기 정보 획득부(210)는, 선로 계통이나 부하로의 전력 공급 라인 상의 지점들에서 검출된 전기적 특성(전압, 전류 등)을 연산하여, 선로 계통에 연결된 부하의 전력 수요에 대한 정보, 즉, 전력 소비 상태에 대한 정보를 산출할 수 있다.
상기 정보획득부(210)에서 획득한 정보들은 별도의 저장부(미도시)에 저장되어, 비교적 장기간의 모니터링이나 패턴 도출에 이용될 수 있다. 예컨대, 상기 저장부에 소정의 주기(모니터링 시간 간격)로 측정된 ESS(400)의 SOC 및 최대 충전 용량이 저장될 수 있다.
상기 수요전력 예측부(110)는 ESS가 장착된 철도 차량의 전력 소비 패턴 및/또는 이 해당 철도 차량이 전력공급을 하여야 하는 담당 선로 구간 내의 열차 운행 다이어그램을 이용하여, 철도 변전소의 전력 공급 구간의 하루 중 시간별 수요전력을 예측할 수 있다.
수요전력 예측부(110)는 수요전력의 예측을 위하여 철도 변전소의 시간별 전력 소비 패턴을 저장한 데이터베이스를 작성할 수 있으며, 또한 수요전력 예측부(110)는 철도 변전소의 담당 선로 구간(전력 공급 구간)에서의 철도 운행 다이어그램을 저장한 데이터베이스를 작성할 수 있다.
한편, 수요전력 예측부(110)는 철도 차량의 시간별 전력 소비 패턴을 저장한 데이터베이스 및 열차 운행 다이어그램을 저장한 데이터베이스를 이용하여, 하루 중 시간별 소비전력과 열차(전동차) 운행 정보를 매칭시켜 소비전력-전동차 운행의 상관관계를 도출할 수 있으며, 하루 중 시간별 소비전력을 예측할 수 있다. 이를 위해, 수요전력 예측부(110)에는 하루 중 시간별 소비전력과 철도 전동차 운행 정보를 상호 매칭시키고 그 결과에 따라 소비전력을 예측할 수 있는 정보처리 알고리즘을 구현한 프로그램이 설치될 수 있다.
상기 저장부(260)에는 상술한 열차 운행에 대한 데이터베이스가 저장될 수도 있으며, 본 발명의 사상에 따른 ESS 충방전 운전 및 그 결과에 대한 이력 데이터(즉, 소정 기간 동안의 ESS 운전 결과에 대한 모니터링 데이터)가 저장될 수 있다.
상기 제어부(150)는 소정 기간(예: 하루) 중 시간별 수요전력에 따라 기간 중 충전이 이루어지는 시간 구간과 방전이 이루어지는 시간 구간을 결정하고, 해당 시간구간에 정해진 모드로 에너지 저장 장치(400) 내 배터리(460)의 충방전 동작이 이루어질 수 있도록 에너지 저장 장치(400)를 운전할 수 있다.
또는, 상기 제어부(150)는 담당 선로 구간의 전기적 특성 측정값으로부터 얻어진 실제 수요전력과 사전 설정된 기준전력을 비교하여 기준전력 보다 초과하면 ESS(400)를 방전하고 미달하면 ESS(400)를 충전할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(150)는 상기 정보 획득부(210) 및/또는 ESS의 BMS(480)로부터 필요한 정보를 전달받을 수 있다.
상기 제어부(150)는 본 발명의 사상에 따른 ESS 충방전 운전을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 운전을 도시한다.
도시한 ESS 충방전 운전 방법은, ESS의 SOC가 가능 범위에 위치하는지 확인하여(S120), ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하지 않으면, SOC 관리 운전을 수행하는 단계(S150); ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하면, 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전을 수행하는 단계(S200); 및 단위 시간 동안 가선 전압 제어 운전에 따라 상기 ESS를 충전하거나 방전한 후, ESS(컨버터)의 출력 전류가 전류 기준값을 넘지 못하면(S300), 가선전압 제어운전 정지 및 운전 대기상태로 전환하는 단계(S400)를 포함한다.
구현에 따라, 가선전압, 가선전압변동률, ESS 출력전류, ESS SOC 기준값 등을 설정하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다.
상기 기준값 설정 단계(S110)는 흐름도에서는 최초에 수행되는 것으로 도시하였지만, 장기간 누적된 본 발명의 ESS 충방전 운전(보다 구체적으로 가선 전압 제어 운전) 및 그 결과로부터 상기 가선전압(및 그 기준값들), 가선전압변동률(및 그 기준값들), ESS 출력전류, ESS SOC 기준값, 등을 업데이트 하고, 업데이트된 가선전압(및 그 기준값들), 가선전압변동률(및 그 기준값들), ESS 출력전류, ESS SOC 기준값 등을 설정하는 형태로 수행될 수 있다.
상기 ESS의 SOC 가 운전 가능 범위에 위치하는지 확인하는 것(S120)은, 도 2의 BMS에서 다양한 공지 기술의 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, ESS 출력단의 전압값 및 전류값으로부터 계산된 SOC 로서 배터리의 충전량을 산정할 수 있다. 구현에 따라 상기 SOC 와 함께 배터리의 수명을 나타내는 SOH를 반영할 수 있다.
도시한 흐름도에서는 ESS의 출력 전류(보다 구체적으로는 ESS 컨버터의 출력 전류)가 전류 기준값을 넘지 못하면, 회생제동구간 또는 가속구간이 종료된 것으로 보아 ESS의 가선 전압 제어 운전을 정지할 수 있다. 예컨대, 가선전압 제어 운전을 정지하고 가선 전압 및 변동률에 따라 다음 운전을 할 수 있도록 운전 대기상태로 유지한다.
상기 SOC 관리 운전(S150)은, ESS의 충전 수준을 열차의 회생제동 및 가속 동작에 따라 적합한 ESS 충방전 운전을 수행할 수 있는 수준으로 맞추는 운전을 말한다. 예컨대, 배터리 SOC가 너무 높으면 철도차량의 회생제동에서 발생된 회생에너지를 ESS에 저장할 수 없으므로 배터리에 저장된 전력을 우회 저항들을 통해 소모시키거나, 가선으로 전달한다. 예컨대, 배터리 SOC가 너무 낮으면 가속 구간에서 가속에 필요한 에너지를 보조해 줄 수 없으며 배터리가 완전 방전이 이루어질 수 있으므로, 가선이나 변전시설로부터 전력을 공급받아 배터리에 저장한다.
도시한 ESS 충방전 운전 방법에서, 본 발명의 사상에 따른 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전(즉, 도 3의 S200)을 수행하는 것을 도 4에 도시하였다.
도시한 ESS의 철도 가선 전압 제어 운전으로서, ESS 충방전 운전 방법은, 가선 전압값을 획득하는 단계(S210); 상기 가선 전압값이 제1 전압 기준값을 넘지 않으면(S220) ESS의 방전을 개시(S292)하고, 상기 가선 전압이 제2 전압 기준값을 넘으면 ESS의 충전을 개시(S294)하는 단계; 상기 가선 전압값이 상기 제1 전압 기준값과 제2 전압 기준값 사이에 위치하면(S220, S230), 상기 가선 전압의 변동률을 획득하는 단계(S240); 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고(S250), 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면(S290), ESS의 방전을 개시하는 단계(S292); 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고(S250), 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면, ESS 대기상태를 유지하는 단계(S400); 상기 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값을 넘고(S260), 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면(S280), ESS의 충전을 개시하는 단계(S294); 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘고(S260), 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면, ESS 대기상태를 유지하는 단계(S400); 및 상기 가선 전압의 변동률이 상기 제1 변동률 기준값과 제2 변동률 기준값 사이에 위치하면, ESS 대기상태를 유지하는 단계(S400);를 포함할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시하지는 않았지만, 구현에 따라, 단위 모니터링 기간 동안 획득된 ESS 충방전 운전 결과로부터, 상기 제1 변동률 기준값 및 제2 변동률 기준값을 업데이트 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 제1 전압 기준값, 제2 전압 기준값 및 중심 기준값도 설치 사이트의 가선 상황에 따라 업데이트될 수 있다.
예컨대, 상기 획득된 ESS 충방전 운전 결과에서 너무 빈번하게 충방전 동작이 스위칭된다고 판단되면, 상기 제1 변동률 기준값과 제2 변동률 기준값의 간격 및/또는 상기 제1 전압 기준값과 제2 전압 기준값의 간격을 넓히도록 기준값들을 조정(업데이트)할 수 있다.
가선 전압값을 기준으로 충전 또는 방전하는 것은 일반적으로 널리 사용되므로, 가전 전압값에 대한 상기 제1 전압 기준값 및 제2 전압 기준값에 대한 업데이트 방법은, 종래 기술에 따른 다양한 업데이트 방법들 중 하나를 적용할 수 있다.
반면, 상기 가선 전압의 변동률은 본 발명이 제안하는 ESS 충방전 제어 파라미터로서, 상기 가선 전압의 변동률에 대한 상기 제1 변동률 기준값 및 제2 변동률 기준값에 대한 업데이트는 다음 제시하는 방안을 이용할 수 있다.
예컨대, 기준 시간내에 변동률 기준에 따른 초단기 ESS 충방전 운전이 일정횟수 이상 발생할 경우, 제1변동률값을 낮추고, 제2변동률값을 높인다.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전(도 2의 S200)을 수행할 때의 ESS 제어 운전의 범위 기준을 도시한 것이다.
도면에서 가선 전압 제어 운전을 수행하게 되는 가선 전압의 범위 기준은, 제1 전압 기준값(V_Ref - V_LG) 보다 작거나, 제2 전압 기준값(V_Ref + V_HG) 보다 큰 것이다. 보다 구체적으로, 가선 전압이 제1 전압 기준값(V_Ref - V_LG) 보다 작으면 방전이 고려되고, 가선 전압이 제2 전압 기준값(V_Ref + V_HG) 보다 크면 충전이 고려된다.
도면에서 가선 전압 제어 운전을 수행하게 되는 가선 전압 변동률의 범위 기준은, 제1 변동률 기준값(dV/dt_Lref) 보다 작거나, 제2 변동률 기준값(dV/dt_Href) 보다 큰 것이다. 보다 구체적으로, 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값(dV/dt_Lref) 보다 작으면 방전이 고려되고, 가선 전압의 변동률이 제2 변동률(dV/dt_Href) 기준값 보다 크면 충전이 고려된다. 그러나, 도면에서, 가선 전압 변동률의 범위 기준 보다 가선 전압의 범위 기준이 더 우선적으로 적용됨을 알 수 있다.
그런데, 도면에서, ESS의 가선 전압 제어 운전을 정지하는 조건에, 상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준(dV/dt_Lref)값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값(V_Ref)을 넘은 경우가 포함됨을 알 수 있다. 마찬가지로, ESS의 가선 전압 제어 운전을 정지하는 조건에, 상기 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값(dV/dt_Href)을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값(V_Ref)을 넘지 않은 경우가 포함되어 있다.
여기서, 중심 기준값(V_Ref)은, 정확히 제1 전압 기준값(V_Ref - V_LG)과 제2 전압 기준값(V_Ref + V_HG)의 중간값이라는 것을 의미하는 것이 아니라, 열차의 회생 제동 동작 및 가속 동작을 판단하는데 있어, 회생 제동 동작 및 가속 동작 모두 아닌 중립이라고 판단하는 가선의 기준 전압값을 의미한다.
상술한 상황을 가선 전압 제어 운전을 수행하는 관점에서 살펴보면, 우선적으로는 가선 전압값을 기준으로 충전/방전 운전을 결정하되, 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값(dV/dt_Lref)을 넘지 않을 정도로 전압 감소 정도가 큰 경우는, 가속 구간으로 미리 판단하여, 가선 전압이 중심 기준값(V_Ref) 보다 작기만 하면 비록 제1 기준 전압값(V_Ref - V_LG)을 넘더라도 가선에 대한 방전 운전을 수행한다.
마찬가지로, 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값(dV/dt_Href)을 넘을 정도로 전압 증가 정도가 큰 경우는, 회생 제동 실시로 미리 판단하여, 가선 전압이 중심 기준값(V_Ref) 보다 크기만 하면 비록 제2 기준 전압값(V_Ref + V_HG)을 넘지 않더라도 가선에 대한 충전 운전을 수행한다.
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.
* 부호의 설명
100 : ESS 운전 장치
110 : 수요 전력 예측부
150 : 제어부
210 : 정보 획득부
260 : 저장부
400 : ESS
본 발명은 철도 차량에서 사용될 때 에너지 절감 효율이 높은 ESS의 충방전 운전 방법에 관한 것으로서 ESS 분야에 이용가능하다.

Claims (5)

  1. ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하는지 확인하여, ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하지 않으면, SOC 관리 운전을 수행하는 단계;
    ESS의 SOC가 운전 가능 범위에 위치하면, 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 가선 전압 제어 운전을 수행하는 단계; 및
    단위 시간 동안 가선 전압 제어 운전에 따라 상기 ESS를 충전하거나 방전한 후, ESS의 출력전류가 전류 기준값을 넘지 못하면, 가선전압 제어운전을 정지하고 운전 대기상태로 전환하는 단계
    를 포함하는 ESS 충방전 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가선 전압, 상기 가선 전압 변동률, 상기 ESS의 출력전류, 상기 ESS의 SOC 기준값 중 적어도 하나 이상을 설정하는 단계
    를 더 포함하는 ESS 충방전 운전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가선 전압 및 가선 전압 변동률의 범위 기준으로 상기 가선 전압 제어 운전을 수행하는 단계는,
    가선 전압값을 획득하는 단계;
    상기 가선 전압값이 제1 전압 기준값을 넘지 않으면 ESS의 방전을 개시하고, 상기 가선 전압이 제2 전압 기준값을 넘으면 ESS의 충전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압값이 상기 제1 전압 기준값과 제2 전압 기준값 사이에 위치하면, 상기 가선 전압의 변동률을 획득하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면 ESS의 방전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면 ESS 대기상태를 유지하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면 ESS의 충전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면, ESS 대기상태를 유지하는 단계; 및
    상기 가선 전압의 변동률이 상기 제1 변동률 기준값과 제2 변동률 기준값 사이에 위치하면, ESS 대기상태를 유지하는 단계
    를 포함하는 ESS 충방전 운전 방법.
  4. 가선 전압값을 획득하는 단계;
    상기 가선 전압값이 제1 전압 기준값을 넘지 않으면 ESS의 방전을 개시하고, 상기 가선 전압이 제2 전압 기준값을 넘으면 ESS의 충전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압값이 상기 제1 전압 기준값과 제2 전압 기준값 사이에 위치하면, 상기 가선 전압의 변동률을 획득하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면 ESS의 방전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘지 않고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면, ESS 대기상태를 유지하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제2 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘으면 ESS의 충전을 개시하는 단계;
    상기 가선 전압의 변동률이 제1 변동률 기준값을 넘고, 상기 가선 전압값이 중심 기준값을 넘지 않으면, ESS 대기상태를 유지하는 단계; 및
    상기 가선 전압의 변동률이 상기 제1 변동률 기준값과 제2 변동률 기준값 사이에 위치하면, ESS 대기상태를 유지하는 단계
    를 포함하는 ESS 충방전 운전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    단위 모니터링 기간 동안 획득된 ESS 충방전 운전 결과로부터, 상기 제1 변동률 기준값, 상기 제2 변동률 기준값, 상기 제1 기준 전압값, 상기 제2기준 전압값, 및 상기 중심 기준값의 전부 또는 일부를 업데이트 하는 단계;
    를 더 포함하는 ESS 충방전 운전 방법.
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