KR20220163668A - 계통안정화를 수행하는 자율 제어 충전기 및 충방전 제어 방법 - Google Patents

계통안정화를 수행하는 자율 제어 충전기 및 충방전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 계통안정화를 수행하는 자율 충방전 제어 방법은, 전기자동차 충전기에서 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전 제어 방법에 있어서, 자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계; 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계; 계통 상태 정보로부터 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계; 및 상기 충방전제어 스케쥴에 따라 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

계통안정화를 수행하는 자율 제어 충전기 및 충방전 제어 방법{AUTONOMOUS CONTROL CHARGER AND CHARGING/DISCHARGING CONTROL METHOD FOR SYSTEM STABILIZATION}
본 발명은 전기자동차의 배터리를 전력 계통의 안정화 용도로 이용할 수 있는 자율 제어 충전기 및 충방전제어 방법에 관한 것이다.
현재 우리나라에 보급된 전기자동차는 약 13만대(’20년 말 기준, 누적) 이며, 정부는 2025년까지 전기자동차를 113만대, 2030년까지 300만대의 전기자동차를 보급할 계획이며 충전 인프라도 50만기 이상 확충 예정이다.
50만기의 전기자동차가 동시에 충전을 하면 약 3.5 GW 의 막대한 전력이 필요하다.(7 kW/대 x 50만기 = 3.5 GW) 만약, 특정 시간에 모든 충전기가 충전을 시작된다면, 400MW LNG 화력발전소 9개를 동시에 출력을 올리는 수준의 막대한 전력이 필요하여 전력 수급에 영향을 줄 수 있다.
상술한 전기자동차 배터리에 대한 패러다임을 자원으로 전환하면, 충전기에 연결되어 충전중인 전기이동수단의 충전 또는 방전 전력을 전력시스템의 필요에 따라 제어하면 전기이동수단과 충전 인프라를 유용한 전력자원(계통 안정화 자원)으로 활용할 수 있다.
전기자동차 배터리 충전 과정을 다소 능동적으로 제어하는 선행기술의 경우에도, 단순히 충전 속도 별로 충전 가능한 충전량 및 충전 소요 시간을 산출하여 보여주고 단순히 충전속도를 선택하거나, 예약 설정 정보 및 전력 요금 정보를 이용하여 미리 설정되는 최소 비용 충전 방식으로 충전기를 동작시키거나 전력요금 정보에 따라서 충전 프로파일을 결정할 뿐이었다.
이러한 기존의 스마트 충전기술은 중앙에서 개별충전기의 조건과 전력망의 DR 신호에 따라서 스케쥴을 생성하여 제어를 하므로 충전기의 숫자에 비례하여 계산량과 통신량이 비례하여 증가되므로 EV 숫자가 늘어날수록 속도가 느려지고. 제어 횟수에 비례하여 통신 비용도 급격히 증가하므로 실용성이 떨어질 뿐만 아니라, 계통 운영의 관점에서는 계통 전력의 안정화에 기여할 수 없었다.
대한민국 등록공보 10-1845241호
본 발명은 계통 전력의 안정화에 기여할 수 있는 전기자동차 배터리에 대한 충방전 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 계통안정화를 수행하는 자율 충방전 제어 방법은, 전기자동차 충전기에서 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전 제어 방법에 있어서,
자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계; 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계; 계통 상태 정보로부터 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계; 및 상기 충방전제어 스케쥴에 따라 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통 안정화 충방전 제어가 필요하지 않은 경우, 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계는, 상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계; 및 상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계는, 상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하는 단계; 및 상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계는, 연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단하는 단계; 및 계통안정화 제어가 필요하면, 계통안정화 제어에 따른 상기 전기자동차에 대한 충전 또는 방전을 수행하도록 상기 충방전제어 스케쥴을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계는, 충전 및 방전에 대한 전력 가격 정보에 따라, 경제적으로 사용자에게 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간을 결정하는 단계; 및 결정된 상기 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간에 따라 상기 충방전제어 스케쥴을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계는, 시각별 충방전을 개량하면서, 상기 전기자동차 배터리에 대한 충전을 제어하는 단계; 충방전 목표 시간 또는 목표 SoC에 도달 여부를 확인하는 단계; 및 충방전 목표 시간 또는 목표 SoC에 도달되면, 충전을 수행한 것에 대한 정보를 기록하고 상위 서버로 송부하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행함에 있어서, 일반적인 계통이 안정화되었다고 가정하는 주파수 또는 전압 대역인 Dead band에 대하여, 현재 계통의 주파수 또는 전압이 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우에도, 소정의 하위 기준값보다 작아지면 방전을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 계통안정화를 수행하는 자율 제어 충전기는, 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전을 수행하는 자율 제어 충전기로서,
연결된 전력 계통의 상태를 계측하는 계측부; 접속된 전기자동차의 배터리를 이용하여 계통 안정화 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부; 및 상위 서버로부터 계통 안정화 충방전 제어에 대한 설정 정보를 입력받고, 계통 안정화 충방전 수행 결과를 전송하는 통신부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 제어부는, 연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 제어부는, 상기 전력 계통의 상태가 계통안정화가 필요하다고 판단되면, 상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행하고, 그렇지 않으면 상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 위한 충방전을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 계통 안정화 충방전 제어에 대한 설정 정보는, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 제어부는, 상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 설정하고, 상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건을 설정할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 제어부는, 상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하고, 상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 제어부는, 상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행함에 있어서, 일반적인 계통이 안정화되었다고 가정하는 주파수 또는 전압 대역인 Dead band에 대하여, 현재 계통의 주파수 또는 전압이 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우에도, 소정의 하위 기준값보다 작아지면 방전을 수행할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 전기자동차 배터리에 대한 충방전 제어 방법을 실시하면, 계통 전력의 안정화, 특히, 전력 주파주 안정에 기여할 수 있는 이점이 있다.
보다 구체적으로, 전기자동차를 위한 충전기 스스로 입력전압을 측정하여 설정된 조건에 따라서 충전 전력을 제어하므로 충전부하에 연결된 배전선로의 전압 문제를 해소할 수 있다.
보다 구체적으로, 충전기에서 계측한 주파수 정보를 바탕으로 충방전전력을 바로 제어하므로 제어를 위한 별도의 운영 시스템이 없어도 되며, 제어 실적을 기록하여 전송하므로 실적정산을 할 수 있으며 전력시스템의 주파수 안정화에 기여 할 수 있다. 이러한 방식으로 전국의 충전기가 주파수 변화에 대해서 자율적으로 동작하므로 전력시스템의 안정성 향상에 실질적으로 기여할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 전기자동차 배터리에 대한 충방전 제어 방법은, 전기자동차 사용자가 지정한 시간까지 충전을 완료할 수 있으므로 주차되어 있는 전기자동차와 충전기를 유효한 자원으로 활용하면서도 충전전력 판매 구조는 유지할 수 있는 이점이 있다.
도 1 내지 도 3은 전기자동차의 충전 방식을 나타낸 그래프들.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 자율 충방전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 5는 전원의 전압과 주파수에 대한 충전 및 방전 제어 일례를 도시한 관계도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 자율 제어 충전기의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 사상에 따른 자율 제어 충전기의 다른 실시예들을 도시한 블록도
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 된다. 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 1 내지 도 3은 전기자동차의 충전 방식을 나타낸 그래프들이다.
도 2 또는 도 3과 같이 V1G 충전 제어 또는 V2G 충방전 제어 기술을 적용하면 전력계통의 전압을 유지하고 주파수를 안정화하는데 기여할 수 있다.
V1G 기술은 EV용 배터리로 에너지의 공급(충전)만 가능하나, 공급하는 전력의 크기를 조절하여 전력계통 전체 부하의 크기를 제어할 수 있고, V2G 기술은 충전과 방전이 모두 가능하여 EV용 배터리에서 에너지를 공급 또는 흡수하여 전력계통의 전압 및 주파수 제어에 기여할 수 있다.
하지만, 현재 전기자동차의 배터리 충전은 충전기의 규격 전력으로 또는 EV에서 요구하는 크기로 지속적으로 일정 전력을 공급하고 배터리가 완전히 충전되면 중 지하는 방식으로 작동한다. 다시말해, 현재에는 도 1에 도시한 방식으로만 전기자동차 배터리 충전이 수행된다.
도 1에 도시한 방식으로 운용되는 현재 충전기는 EV 또는 UAV가 충전기에 연결되는 즉시 정격 전력 또는 EV가 요청하는 전력으로 충전이 시작되고 배터리가 완전히 충전되면 충전이 종료되는 방식, 또는 사용자가 지정한 시간에 정격 전력으로 충전을 하는 방식으로 사용되어 현 상태의 충전기는 연결된 전원이나 전력계통의 상태에 따라 충전중에 충전 전력을 능동적으로 제어가 불가능하다.
게다가, 기존의 스마트 충전기술은 사용자의 설정과 DR 신호에 따라서 중앙에서 스케쥴을 생성하여 충전기로 보내서 제어를 하므로 충전기의 숫자에 비례하여 계산량과 통신량이 증가하여 속도가 느려진다.
본 발명에서는 전력망의 상태나 현지의 배전망의 운영 여건에 따라서 충전기가 자율적으로 전기자동차 배터리에 대한 충전 전력을 제어하는 방안, 예컨대, 충전을 위한 계통 전력의 주파수나 전압에 따른 제어 방법을 제시한다.
본 발명의 사상에 따른 충전기는 충전기가 연결된 AC 전원의 주파수와 전압 변화를 지속적으로 계측하면서, 사용자 또는 전력회사 또는 충전기 운영자가 미리 설정한 조건에 따라서 충전기 스스로 충전 전력의 크기를 자율적으로 제어하여, 사용자의 충전요구 조건을 만족시키며 충전을 수행한다. 이후, 충전정보를 기록하고 충전중 또는 종료되면 결과를 운영자 또는 전력회사로 전송한다.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 자율 충방전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 자율 충방전 제어 방법은, 자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계(S100); 전기자동차가 접속(Plug-In)되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계(S200); 계통 상태 정보로부터 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 결정하여 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계(S300); 상기 충방전제어 스케쥴에 따라 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 상기 S400 단계는 후술하는 경제충전을 수행하기 위함이다.
상기 자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계(S100)는, 상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계; 및 상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전기에 대한 조건을 설정하는 단계에서는, 주로 계통안정화를 위한 계통 전력의 조건들로서, 예컨대, 계통이 안정화된 것으로 간주하는 전압 및/또는 주파수에 대한 dead band, 무효전력 제어가 필요한 기준 무효전력 비율값 등을 설정할 수 있다.
상기 배터리에 대한 조건을 설정하는 단계에서는, 계통안정화 충방전에 이용될 수 있는 배터리의 SoH 및/또는 SoC의 범위를 설정하거나, 단위 기간당(예: 1달, 1년 등) 계통안정화 충방전에 투입될 수 있는 총 시간이나 총 충방전량을 설정할 수 있다. 또는, 계통안정화가 필요한 전력 계통의 상태 정도를 소정의 등급으로 구분하고, 상기 배터리가 투입되는 등급을 지정할 수도 있다. 이 경우, 전력 계통의 상태 정도의 등급 구분 및 배터리 투입 등급 지정을 계통안정화 제어전략으로 볼 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계(S200)는, 전기자동차가 충전기에 접속(Plug-In)됨을 확인하는 단계(S220); 상기 전기자동차에 대한 권한 등을 확인하여 충전을 결정하는 단계(S240); 및 상기 전기자동차 배터리에 대한 충전 스케쥴 및 충방전제어 스케쥴을 생성하는 단계(S260)를 포함할 수 있다.
상기 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계(S200)는, 상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하는 단계; 및 상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 충전 스케쥴은 전기차 사용자가 자신의 업무/생활에 대한 계획/예정에 따라 미리 작성(입력)된 전기자동차의 운행 계획으로부터 생성될 수 있다. 예컨대, 상기 충전 스케쥴은 상기 S220 단계 또는 S240 단계의 수행 시점으로부터, 상기 운행 계획에 따른 예상 출차 시점까지, 상기 배터리에 대한 조건에 기재된 내용(예: SoC)을 만족시키는 충전을 수행할 것으로 생성될 수 있다.
상기 충방전제어 스케쥴은, 상기 충전 스케쥴을 만족시키는 한도내에서, 상기 전기자동차 배터리를 이용하여 계통안정화 제어를 위한 충전 및/또는 방전 계획을 포함할 수 있다. 이를 위해, 연결된 계통의 주파수 변동 정보 및 전압 정보, 무효 전력 정보 등을 실시간 입력받을 수 있다.
상기 충방전제어 스케쥴을 생성하는데 있어서, 계통의 미래 시점의 부하/분산발전의 정도(양)에 대한 반영은, 상기 충방전제어 스케쥴이 규정하는 전체 시간 구간의 전부 또는 일부에 대하여 해당 계통의 부하/분산발전의 예상치를 적용하거나, 시분할된 단위 시간 구역마다 이전 구간에서의 부하/분산발전의 정도를 반영하여 수행할 수 있다.
구현에 따라서는, 전기차 사용자가 배터리에 저장된 전력을 상업적으로 판매할 수도 있으며, 상기 충전 스케쥴은 판매용 방전에 대해서도 기재할 수 있으나, 일반적이지 않으므로 충전 스케쥴이라 칭하였다.
상기 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계(S300)는, 연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단하는 단계(S340); 및 계통안정화 제어가 필요하면, 계통안정화 제어에 따른 상기 전기자동차에 대한 충전 또는 방전 수행하도록 상기 충방전제어 스케쥴을 적용하는 단계(S460)를 포함할 수 있다.
상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계(S400)는, 도시한 바와 같이, 전력안정화 충방전 제어가 필요하지 않은 경우에 수행될 수 있으며, 충전 및 방전에 대한 전력 가격 정보에 따라, 경제적으로 사용자에게 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간을 결정하는 단계(440); 및 결정된 상기 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간에 따라 상기 충방전제어 스케쥴을 변경하는 단계(460)를 포함할 수 있다.
상기 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계(S500)는, 시각별 충방전을 개량하면서(S520), 상기 전기자동차 배터리에 대한 충전을 제어하는 단계(S540); 충방전 목표 시간 및/또는 목표 SoC에 도달 여부를 확인하는 단계(S560); 및 충방전 목표 시간 및/또는 목표 SoC에 도달되면, 충전을 수행한 것에 대한 정보를 기록하고 상위 서버로 송부하는 단계(S80)를 포함할 수 있다.
상기 충방전 제어 스케쥴에 따라, 상기 S540 단계에서 충방전을 수행함에 있어서, 본 발명의 사상에 따라 전력 계통의 전력 상태에 대한 안정화 서비스로서, V1G 서비스나 V2G 서비스를 수행할 수 있다. 또한, 전력 계통의 주파수를 안정화시키기 위한 주파수 제어 안정화 및/또는 전압을 안정화시키는 전압 제어 안정화를 수행할 수 있다.
예컨대, 주파수 제어를 위해 V1G 기술이 적용될 경우, 충전기가 사용하는 전원에서 계측된 주파수가 규정주파수 범위를 벗어나 59.9Hz 미만으로 떨어지면 설정에 따라서 충전을 중단하거나 충전 전력을 주파수에 비례하여 또는 단계적으로 50%등으로 감소하고 주파수가 60.1Hz를 초과하면 충전을 시작하거나 주파수에 비례하여 충전 전력을 높여서 충전하여 전체 전력망의 수급 안정에 기여할 수 있다.
또는, 주파수 제어를 위해 V2G 기술이 적용될 경우, 충전기가 사용하는 전원에서 계측된 주파수가 규정주파수 범위를 벗어나 59.9Hz 미만으로 떨어지면 설정에 따라서 충전전류의 크기를 감소하고 필요시 방전하는 방향으로 제어하고, 주파수가 60.1Hz를 초과하면 충전전류의 크기를 증가하는 방향으로 제어하여 전체 전력망의 수급 안정에 기여할 수 있다.
또한, 방전하는 중간에 발생하는 급격한 주파수 증가시에는 충전으로 바로 전환되어 전력계통으로부터 전력을 흡수할 수도 있다. 즉, 주파수의 증감 변동에 따라 충전과 방전의 즉시 변경 할 수 있다.
또는, 전압 제어의 경우, 연결된 전원에서 계측된 전압이 규정전압 범위 또는 설정전압 범위를 벗어나 210V 미만으로 떨어지면 충전을 중단하거나 충전전력을 비례하여 또는 50% 등으로 감소하거나 방전을 시작하여 전압유지에 기여하고, 230V 를 초과하면 충전을 시작하거나 충전전력을 높인다. 또는 전압에 비례하여 충전전력을 가변하여 배전 선로의 전압안정성 확보에 기여 할 수 있다. 여기서, 충방전 전력은 유효전력과 관련된 내용이다.
무효전력 제어 혹은 역률제어가 가능한 충전기의 경우, 전원에서 계측된 전압이 규정전압 범위를 벗어나는 경우, 계통 전압을 규정 전압 내로 유지하기 위하여 무효전력을 공급 또는 흡수하는 방향으로 동작하여 계통 전압 안정화에 기여할 수 있다.
그런데, 전기자동차의 배터리는 일반 ESS의 배터리와는 달리 전기자동차의 필요한 운행을 지원하는 것이 주 목적이며, 계통안정화는 부수적인 목적이다. 따라서, 전기자동차 배터리를 이용한 계통안정화 제어는 일반 ESS 등의 경우와 동일하게 적용하면, 전기차 운행에 악영향을 줄 수 있다. 이하, 전기자동차의 배터리에 적합한 계통안정화를 위한 충방전 제어의 전반적인 동작 원리에 대하여 설명한다.
도 5는 전원의 전압과 주파수에 대한 충전 및 방전 제어 일례를 도시한 관계도이다.
도시한 Dead band은 일반적인 계통이 안정화되었다고 가정하는 주파수/전압 대역이다. ESS 배터리의 경우 높은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우 충전을 수행하고, 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우 방전을 수행한다.
본 발명이 제안하는 전기자동차 배터리를 이용한 계통안정화 제어의 경우, ESS 배터리의 경우 높은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우 충전을 수행하는 것은 ESS의 경우와 유사하다.
반면, 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우에도, 소정의 하위 기준값(R)보다 크면 작은 양으로 계획(스케쥴)에 따른 충전을 유지하며, 상기 하위 기준값(R)보다 작아지면 방전을 수행한다. 마찬가지로 Dead band에서도 계획(스케쥴)에 따른 충전을 유지할 수 있다. 즉, 상기 하위 기준값(R)은 상기 Dead band의 하위 경계값 보다 낮은 값으로 설정될 수 있다.
다음, 본 발명의 사상에 따른 ‘자율 제어형 충전기’에 대하여 살펴보겠다.
본 발명의 사상에 따른 ‘자율 제어형 충전기’는 충전기가 연결된 AC 전원에서 주파수와 전압 변화를 지속적으로 계측하면서, 사용자와 전력회사 또는 충전기 운영자가 미리 설정한 충전제어 규칙이나 알고리즘에 따라서 충전기 스스로 전기차나 전기이동체에 공급하는 충전 또는 방전 전력의 크기를 자율적으로 제어하고 기록한다.
충전기는 충전 전력의 크기 변화를 연속하여 기록하고, 자율 제어가 없을 경우인 정격 충전 전력에 대비하여 제어된 충전전력량과 제어시간을 산정하여 충전이 종료되면 충전기 운영자 또는 전력회사에 보내서 충전 요금 또는 방전보상금을 정산한다.
충전기는 충전기 사용자(전기차 충전고객)가 설정한 우선순위에 따라서 정격충전, 경제 충전 또는 자동제어형 자율 충방전을 한다.
- 정격충전 : 규격전력으로 연속 충전
- 경제충전 : 충전요금에 최소화 되도록 충전제어
- 제어충전 : 정격충전 또는 경제충전으로 시작하고, 충전기운영자 또는 DSO 로부터 제어명령을 받아서 충전제어를 하며 충전
- 자율충전 : 경제충전으로 충전을 시작하고, 전압과 주파수를 입력으로 미리 설정된 조건에 따라서 자동적으로 충방전 제어를 하며 충전
자동제어형 충전이 선택된 경우 충전기는 전력회사 또는 충전기 운영자가 설정한 제어 조건이나 DR 요금에 따라서 충전기가 연결된 전력선으로부터 취득한 주파수 정보와 전압 정보에 따라 충전전력 또는 방전전력의 크기를 제어하여 충전을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 자율 제어 충전기의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전을 수행하는 자율 제어 충전기(200)는, 연결된 전력 계통의 상태를 계측하는 계측부(210); 접속된 전기자동차의 배터리를 이용하여 계통 안정화 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부(240); 및 상위 서버로부터 계통 안정화 충방전 제어에 대한 설정 정보를 입력받고, 계통 안정화 충방전 수행 결과를 전송하는 통신부(260)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 통신부(260)는, 경제적 최적화를 위한 충방전 제어를 위해 상위 서버로부터 전력 가격 정보를 입력받을 수 있다.
구현에 따라, 상기 통신부(260)는 항상 온라인 상태로 유지되지 않고, 미리 규정된 통신 시간에 상기 설정 정보나 전력 가격 정보를 전송받아, 자율 제어 충전기(200)의 내부 저장부에 기록할 수 있다.
상기 충방전 제어부(240)는, 본 발명의 사상에 따른 자율 충방전 제어 방법을 수행할 수 있다.
예컨대, 상기 충방전 제어부(240)는, 연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단하고, 상기 전력 계통의 상태가 계통안정화가 필요하다고 판단되면, 상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행하고, 그렇지 않으면 상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 위한 충방전을 수행할 수 있다.
예컨대, 상기 충방전 제어부(240)는, 상기 통신부(260)로부터 전달받은 상위 서버로부터의 설정 정보에 따라, 상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건 설정 및/또는 상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건 설정의 작업을 수행할 수 있다.
구현에 따라, 상기 충방전 제어부(240)는, 상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하고, 상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성하여, 작성된 충방전제어 스케쥴에 따라 상기 전기자동차 배터리에 대한 충방전을 수행할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 계측부(210)는 연결된 전원으로부터 전원주파수와 전압을 연속하여 계측할 수 있다.
상기 충방전 제어부(240)는, 상기 계측부(210)에서 계측된 전압 및 주파수로부터 미리 설정된 값과 비교하여 충전 또는 방전 전력을 제어할 수 있다.
구현에 따라, 도시한 자율 제어 충전기(200)는, 사용자 설정을 입력받고 충전 진행 상태를 표시하는 사용자 인터페이스부(280, 290)를 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 전기자동차로 CP/PWM제어, CAN, PLC통신 등의 방법으로 충전 또는 방전 제어 신호를 생성하는 충전차량 제어부(120)를 더 포함할 수 있다.
또한, DC 충전인 경우 전력변환부(미도시)를 더 포함하며, 시간에 따라서 충전 전력을 기록하는 전력계량부(140)를 더 포함할 수 있다.
다음, 도시한 충전기와 전기자동차, 상위 서버와의 연결 구성 및 기능 흐름에 대하여 구체적으로 기술한다.
충방전 방식은 SAE J1772, IEC61851, ISO15118 표준의 방식 또는 임의의 DC 또는 AC 충방전 방식을 적용할 수 있다.
운영자시스템(600)은 일정한 주기마다 충전기로 충전제어 또는 방전제어를 실행하는 주파수 범위와 전압범위 등의 설정값을 전송하고, 충전기(200)는 충전 및 방전전력량과 충방전시 제어된 전력, 전력량, 시간 등을 기록하고 운영자시스템(600)으로 전송한다.
운영자는 충전기(200)에서 받은 충전 및 제어 데이터를 기반으로 사용요금과 인센티브를 산정한다.
운영자시스템(600)은 배전망운영자(DSO)나 전력계통운영자(ISO)와 같은 전력망운영시스템(700)으로부터 충방전 제어를 위한 주파수와 전압 설정값에 대한 정보를 받아서 개별 충전기를 위한 자율 제어 정보를 생성한다.
운영자시스템(600)은 충전기로부터 얻은 시간별 충전량 및 충전제어량에 대한 정보를 갖고 충전제어보상금과 충전요금 또는 방전보상금을 산정하여 계량정보 및 과금 시스템(800)으로 전송한다.
경우에 따라서 충전기(200)는 배전망운영자(DSO)나 전력계통운영자(ISO)(700)로부터 직접 제어정보를 받을 수 있다.
도 6의 구성을 가진 충전기(200)가 도 4의 흐름도에 따른 자율 충방전 제어 방법을 수행하는 과정을 구체적으로 예시하면 다음과 같다.
충전기(200)는 주기적으로 전력회사 또는 충전기운영자로부터 충전 및 방전 제어를 위한 전압 범위와 전압에 대한 제어값 및 주파수 범위와 주파수에대한 제어값을 받아서 자동제어 조건들을 설정한다(S100). 이때, 충전기(200)는 접속된 전기자동차 사용자의 선택에 따라서 자율충전, 제어형 충전, 경제충전 및 정격 충전방식으로 설정될 수 있다.
충전을 위해 상기 사용자는 도 4의 전기자동차 접속 단계(S220)에서 kWh 또는 주행거리 또는 배터리충전량(State of Charge, 이하 SoC)을 충전값으로 입력하고 출차시간 또는 충전종료 시각을 입력할 수 있다.
충전기(200)는 전원의 전압과 주파수를 연속적으로 계측하다 전압 또는 주파수가 설정된 범위에 도달하면(S340), 제어 설정에 따라서 충전전력 또는 방전전력의 크기를 다단계로 또는 비례제어하여 줄이거나 올릴 수 있다(S360, S540).
충전기(200)는 충전 또는 방전한 전력량을 시간별로 적산하여 출차시간 또는 충전종료 시각까지(S560) 충전을 완료할 수 있도록 충전 또는 방전제어를 지속하거나 중단한다. 만약, 방전을 할 수 있는 전기이동수단의 경우 전원 전압과 주파수를 계측하다 설정범위로 도달하면 제어 설정에 따라서 방전하도록 제어할 수도 있다.
상술한 충방전 과정들은 AC 및 DC 충전 및 V2G 충방전기에 적용될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 사상에 따른 자율 제어 충전기의 다른 실시예들을 도시한 블록도이다.
도 7의 자율 제어 충전기는 홈 EMS 서버나 빌딩 EMS 서버에서 계통안정화 충방전 제어를 위한 설정을 수행하는 구현에 따른 것이다.
도 7의 자율 제어 충전기(200)는, 충전인프라 충전인프라 운영시스템, 배전망운영자(Distribution System Operator, DSO) 또는 전력계통운영자(Independent System Operator, ISO)로부터 충전 및 방전 제어를 위한 전압 범위와 제어전략 및 충전-방전이 제어되는 주파수 범위를 입력받지 않고 사용자 또는 건물이나 주택의 xEMS가 설정한 전압과 주파수범위 설정에 따라 충전기의 전력 용량범위에서 무효전력과 유효전력을 제어하여 단독으로 자율 동작할 수 있다.
또는, 마이크로그리드 또는 단독계통인 경우 주파수와 전압 설정 범위를 단독계통의 EMS로부터 입력받거나 사용자의 초기설정값을 입력으로 하여 충전기의 용량범위에서 단독으로 자율 동작할 수 있다.
도 8의 자율 제어 충전기는 충전인프라 운영시스템에서 사용자의 스마트폰과 연계하여 계통안정화 충방전 제어를 수행하는 구현에 따른 것이다.
도 9의 자율 제어 충전기는 홈 EMS 서버나 빌딩 EMS 서버에서 사용자의 스마트폰과 연계하여 계통안정화 충방전 제어를 수행하는 구현에 따른 것이다.
도 8 또는 도 9의 충전기(201)는 사용자 조작부 표시장치를 본체에 갖지 아니하고 스마트폰의 앱으로서 조작하고 표시하는 방식의 충전기를 구성한 것이다.
예컨대, 사용자의 충전 목표값의 입력없이 전기이동체로부터 출차시간, 충전종료시간, 충전량, 방전가능량 등 충전 요구사항에 대한 설정값을 자동으로 전달 받아서 완전 자율로 동작하는 충전기(201)를 구성할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200 : 자율 제어 충전기
210 : 계측부
240 : 충방전 제어부
260 : 통신부
280, 290 : 사용자 인터페이스부
120 : 충전차량 제어부
140 : 전력계량부
600 : 운영자시스템
700 : 계통운영시스템
800 : 계량정보 및 과금 시스템
900 : 마이크로그리드, xEMS
1000 : 사용자 조작 / 표시 장치

Claims (15)

  1. 전기자동차 충전기에서 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전 제어 방법에 있어서,
    자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계;
    전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계;
    계통 상태 정보로부터 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계; 및
    상기 충방전제어 스케쥴에 따라 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계통 안정화 충방전 제어가 필요하지 않은 경우, 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계
    를 더 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자율 충방전을 위한 설정을 수행하는 단계는,
    상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계; 및
    상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건을 설정하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기자동차가 접속되면 해당 전기자동차에 대한 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계는,
    상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하는 단계; 및
    상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 계통 안정화 충방전 제어 수행 여부를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계는,
    연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단하는 단계; 및
    계통안정화 제어가 필요하면, 계통안정화 제어에 따른 상기 전기자동차에 대한 충전 또는 방전 수행하도록 상기 충방전제어 스케쥴을 변경하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 상기 충방전제어 스케쥴에 반영하는 단계는,
    충전 및 방전에 대한 전력 가격 정보에 따라, 경제적으로 사용자에게 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간을 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 유리한 충전 또는 방전을 위한 시간 구간에 따라 상기 충방전제어 스케쥴을 변경하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충방전을 수행하고, 수행 결과를 기록하는 단계는,
    시각별 충방전을 개량하면서, 상기 전기자동차 배터리에 대한 충전을 제어하는 단계;
    충방전 목표 시간 또는 목표 SoC에 도달 여부를 확인하는 단계; 및
    충방전 목표 시간 또는 목표 SoC에 도달되면, 충전을 수행한 것에 대한 정보를 기록하고 상위 서버로 송부하는 단계
    를 포함하는 자율 충방전 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행함에 있어서,
    일반적인 계통이 안정화되었다고 가정하는 주파수 또는 전압 대역인 Dead band에 대하여, 현재 계통의 주파수 또는 전압이 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우에도, 소정의 하위 기준값보다 작아지면 방전을 수행하는 자율 충방전 제어 방법.
  9. 전기자동차 배터리에 대하여 계통 안정화를 위해 수행하는 자율 충방전을 수행하는 자율 제어 충전기로서,
    연결된 전력 계통의 상태를 계측하는 계측부;
    접속된 전기자동차의 배터리를 이용하여 계통 안정화 충방전 제어를 수행하는 충방전 제어부; 및
    상위 서버로부터 계통 안정화 충방전 제어에 대한 설정 정보를 입력받고, 계통 안정화 충방전 수행 결과를 전송하는 통신부
    를 포함하는 자율 제어 충전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    연결된 계통의 주파수, 전압, 무효전력 중 적어도 하나 이상으로부터 계통안정화 제어가 필요한지 판단하는 자율 제어 충전기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 전력 계통의 상태가 계통안정화가 필요하다고 판단되면, 상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행하고, 그렇지 않으면 상기 전력 가격 정보에 따른 경제적 최적화를 위한 충방전을 수행하는 자율 제어 충전기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 계통 안정화 충방전 제어에 대한 설정 정보는,
    주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 포함하는 자율 제어 충전기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 충전기가 계통 안정화 충방전을 수행할 조건으로서, 주파수, 전압, 무효전력 중 하나 이상의 조건을 설정하고, 상기 전기자동차의 배터리를 계통 안정화 충방전에 투입할 조건으로서, SoC, SoH, 허여 시간 중 하나 이상의 조건을 설정하는 자율 제어 충전기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 전기자동차의 운행 정보에 따라 충전 스케쥴을 작성하고,
    상기 충전 스케쥴에 연결된 계통의 예상 부하를 적용하여 충방전제어 스케쥴을 작성하는 자율 제어 충전기.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 계통 안정화 충방전 제어를 수행함에 있어서,
    일반적인 계통이 안정화되었다고 가정하는 주파수 또는 전압 대역인 Dead band에 대하여, 현재 계통의 주파수 또는 전압이 낮은쪽으로 Dead band를 벗어난 경우에도, 소정의 하위 기준값보다 작아지면 방전을 수행하는 자율 제어 충전기.






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