WO2023146176A1 - Pv-ess 직접 연계형 에너지관리 시스템 및 태양광발전 시스템 연동 장치 - Google Patents

Pv-ess 직접 연계형 에너지관리 시스템 및 태양광발전 시스템 연동 장치 Download PDF

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정인호
김종철
문병호
조현길
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Definitions

  • the present invention relates to a PV interlocking device, an energy management system including the same, and a control method of the energy management system, and more specifically, an interlocking device separating a photovoltaic system from a battery system according to external conditions and an energy management system including the same. It relates to a management system and a control method of an energy management system.
  • An energy storage system is a system that links renewable energy, a battery storing power, and an existing power system. Recently, as the spread of smart grid and renewable energy has been expanded and the efficiency and stability of power systems have been emphasized, the demand for energy storage systems is increasing for power supply and demand control and power quality improvement. . Depending on the purpose of use, the energy storage system can vary in output and capacity. A plurality of battery systems may be connected to each other to form a large-capacity energy storage system.
  • the energy storage system generates and stores power in the form of direct current (DC) voltage.
  • DC direct current
  • PV photovoltaic
  • AC alternative current
  • an AC coupling system a type that interlocks with the power grid has been commonly used.
  • DC-coupling systems in which a photovoltaic power generation system and ESS are coupled in DC distribution systems will increase.
  • the DC-coupling system in which the PV system and ESS are connected to the DC bus in common, system errors due to conflict between MPPT control of sunlight and ESS voltage control, and partial discharge due to PV connection during power supply from ESS to power grid during the night time Difficulties such as reduced power efficiency and increased system risk due to accident inflow follow. Therefore, a separate method for directly connecting the PV system and the ESS to the DC bus is required.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide a PV interlocking device.
  • Another object of the present invention for solving the above problems is to provide an energy management system including a PV interlocking device.
  • Another object of the present invention for solving the above problems is to provide a control method of an energy management system.
  • PV interlocking device for achieving the above object is a device that links a DC bus connected to a DC power line of an energy storage system (ESS) and an inverter (PCS) and a photovoltaic (PV) system.
  • the disconnector may operate by receiving a control command based on the external condition from a power management control device.
  • the PV interlocking device includes a current monitoring unit for measuring the amount of power generated by the photovoltaic system; and a ground fault detector for detecting a ground fault in the photovoltaic system.
  • the ESS connection terminal may be connected to a BDCP (Battery DC Panel) in the energy storage system.
  • BDCP Battery DC Panel
  • the external conditions may include one or more of time conditions and weather conditions related to whether solar power generation is possible.
  • the external conditions may include whether the operating time zone of the photovoltaic system is daytime or nighttime.
  • the disconnector disconnects the photovoltaic system from the DC bus at night time.
  • An energy management system for achieving the other object is interlocked with an energy storage system (ESS) and a photovoltaic (PV) system associated therewith, and the photovoltaic power generation based on external conditions.
  • PV photovoltaic
  • control device to ensure that the system is capable of generating electricity
  • a PV interlocking device that disconnects a DC bus connected to a DC power line of an energy storage system and an inverter (PCS) from the photovoltaic system according to a control command of the power management control device.
  • the PV linkage device may include an inverter connection terminal connecting the photovoltaic system and the inverter; an ESS connection terminal connecting the photovoltaic system and the ESS; and a disconnector for disconnecting the photovoltaic system from the DC bus according to a control command of the power management control device based on external conditions.
  • the PV interlocking device includes a current monitoring unit for measuring the amount of power generated by the photovoltaic system; and a ground fault detector for detecting a ground fault in the photovoltaic system.
  • the ESS connection terminal may be connected to a BDCP (Battery DC Panel) in the energy storage system.
  • BDCP Battery DC Panel
  • the external conditions may include one or more of time conditions and weather conditions related to whether solar power generation is possible.
  • the external conditions may include whether the operating time zone of the photovoltaic system is daytime or nighttime.
  • the disconnector disconnects the photovoltaic system from the DC bus at night time.
  • the photovoltaic system and the DC bus are connected so that the energy management system operates in the first operation mode.
  • the photovoltaic system and the DC bus are disconnected, The energy management system may operate in the second operating mode.
  • the inverter supplies power according to maximum power point tracking (MPPT) control, and the ESS may perform a charging operation in a constant power (CP) mode.
  • MPPT maximum power point tracking
  • CP constant power
  • the ESS may perform discharging in a constant voltage (CV) mode, and the PV inverter may operate to supply power in a constant power (CP) mode.
  • CV constant voltage
  • CP constant power
  • a control method of an energy management system includes determining whether the photovoltaic (PV) system can generate power based on external conditions; And according to the confirmation result, the DC bus and the photovoltaic power generation using a PV linkage device disposed between the DC bus connected to the DC power line of the energy storage system (ESS) and the inverter (PCS) and the photovoltaic power generation system. (PV) connecting or disconnecting the system.
  • PV photovoltaic
  • the step of connecting or disconnecting the DC bus and the photovoltaic (PV) system includes connecting the PV system and the DC bus and operating the energy management system in a first operating mode when solar power generation is possible. can do.
  • the step of connecting or disconnecting the DC bus and the photovoltaic (PV) system may include disconnecting the PV system and the DC bus and operating the energy management system in a second operation mode when photovoltaic generation is impossible.
  • PV photovoltaic
  • the inverter supplies power according to maximum power point tracking (MPPT) control, and the ESS may perform a charging operation in a constant power (CP) mode.
  • MPPT maximum power point tracking
  • CP constant power
  • the ESS may perform discharging in a constant voltage (CV) mode, and the PV inverter may operate to supply power in a constant power (CP) mode.
  • CV constant voltage
  • CP constant power
  • power generation efficiency can be improved and installation costs can be reduced through the construction of a solar-ESS direct-coupled DC power distribution system.
  • the PV interlocking device monitors the ground fault of the PV system during photovoltaic power generation and separates the PV system from the ESS during non-generation to prevent inflow of fault current and reduction in power efficiency.
  • FIG. 1 is a block diagram of an AC-coupling photovoltaic-ESS linkage system.
  • FIG. 2 is a block diagram according to an example of a DC-coupling photovoltaic-ESS linkage system to which the present invention can be applied.
  • Figure 3 is a connection relationship diagram between each system in the DC-coupling photovoltaic-ESS linkage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a table showing a method of operating a photovoltaic power generation-linked DC-coupling energy storage system according to external conditions according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an operation flowchart of a method for operating an energy storage system according to an embodiment of the present invention.
  • PV System 710 PV Recombiner
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • SOC State of Charge
  • SOH State of Health
  • a battery rack refers to a system with a minimum single structure that can be monitored and controlled through a BMS by connecting pack units set by the battery manufacturer in series/parallel. can be configured.
  • a battery bank may refer to a group of large-scale battery rack systems configured by connecting several racks in parallel. Monitoring and control of the rack BMS (RBMS) of the battery rack unit can be performed through the BMS of the battery bank unit.
  • RBMS rack BMS
  • BSC Battery System Controller
  • the power limit indicates the power limit set in advance by the battery manufacturer according to the battery condition.
  • Rack Power limit means the power limit (unit of [kW]) set in the Rack unit (Rack Level), and can be set based on the SOC and temperature of the battery.
  • the output limit can be divided into a charge output limit and a discharge output limit according to whether it is charging or discharging.
  • a Rack Power limit in Rack units
  • a Bank Power limit in Bank units.
  • FIG. 1 is a block diagram of an AC-coupling photovoltaic-ESS linkage system.
  • the AC-coupling photovoltaic-ESS linkage system is coupled to an AC bus through a photovoltaic (PV) inverter and an ESS inverter, respectively, in which a PV system and a battery (or ESS) system are coupled to the power system (grid).
  • PV photovoltaic
  • ESS battery
  • ) is a form associated with
  • the PV inverter receives commands from the PMS (Power Management System) to form a voltage that can maximize PV power generation efficiency and generate power, and also supplies energy stored in the battery to the power grid as needed during the night time.
  • PMS Power Management System
  • FIG. 2 is a block diagram according to an example of a DC-coupling photovoltaic-ESS linkage system to which the present invention can be applied.
  • a DC/DC converter 500 capable of individually controlling DC voltage/current is required for each battery system 100 . Since the DC/DC converter is placed in the battery system, the DC/AC converter used in conjunction with the photovoltaic system is no longer needed, increasing efficiency. In addition, a DC/DC converter is applied to each battery system to perform protection control of the existing battery system, and even if there is a difference in SOC, SOH, and capacity between each battery rack, the battery wattage considering the characteristics of the individual battery system control becomes possible.
  • FIG. 2 shows an example of a DC coupled system in which an output terminal of a photovoltaic (PV) 700 is connected to an output terminal of a DC/DC converter 500 and an input terminal of a PCS 400 .
  • PV photovoltaic
  • a battery that serves to store power in an energy storage system is generally a form in which a plurality of battery modules constitute a battery rack and a plurality of battery racks constitute a battery bank.
  • the battery rack may be referred to as a battery pack according to a device or system in which batteries are used.
  • Battery #1, battery #2, ..., battery #N shown in FIG. 2 may be in the form of a battery pack or a battery rack.
  • a battery management system may be installed in each battery 100 .
  • the BMS may monitor the current, voltage, and temperature of each battery rack (or pack) it manages, calculate SOC (Status Of Charge) based on the monitoring result, and control charging and discharging.
  • SOC Status Of Charge
  • the BMS may be a rack BMS (RBMS).
  • a battery section controller (BSC) 200 is installed in each battery section composed of a plurality of batteries and peripheral circuits, devices, etc. to monitor and control control objects such as voltage, current, temperature, circuit breaker, etc. can
  • the power conversion / conditioning system (PCS) 400 installed in each battery section controls the power supplied from the outside and the power supplied to the outside from the battery section, and may include a DC / AC inverter. there is.
  • the PCS 400 may be understood to be synonymous with components referred to as inverters or PV inverters elsewhere in this specification.
  • an output of the DC/DC converter 500 may be connected to the PCS 400, and the PCS 400 may be connected to the grid 600.
  • the PCS 400 normally operates in a constant power mode.
  • a power management system (PMS)/energy management system (EMS) 300 connected to the PCS may control the output of the PCS based on the monitoring and control results of the BMS or BSC.
  • battery #1 is connected to DC/DC converter #1
  • battery #2 is connected to DC/DC converter #2
  • battery #N is connected to DC/DC #N.
  • the output of the DC/DC converter corresponding to each battery is connected to the PCS 400 through a DC link.
  • the DC/DC converter may be a bi-directional converter, and when conversion is performed from the battery to the load direction, the input of the DC/DC converter is connected with the battery (battery unit, battery rack or battery pack) and the output of the DC/DC converter is connected to the load.
  • the DC/DC converter various types of converters such as a full-bridge converter, a half-bridge converter, and a flyback converter may be used.
  • communication using CAN (Controller Area Network) or Ethernet may be performed between the BMS, the BSC 200, the PMS 300, and the PCS 400.
  • the BSC 200 in charge of overall control of the battery area may report the state of each battery to the PMS 300 .
  • the state of each battery may include information such as status of charge (SOC), status of health (SOH), voltage, and temperature of each battery.
  • the BSC 200 may provide information such as limit power (P_battery_limit) and actual power (P_battery_real) of each battery to the PMS 300 .
  • the PMS (300) in charge of controlling the entire ESS system issues a charging or discharging command (via P_pcs_reference) to the PCS (400) during actual system operation.
  • the BSC 200 determines the output reference for each DC/DC converter considering the state of each battery.
  • an output reference of an individual DC/DC converter may be set in different ways according to a droop mode or a constant power (CP) mode.
  • the BSC may set a droop curve for each DC/DC converter in consideration of the state of each battery before system operation and provide the droop curve to the corresponding converter. Meanwhile, when the DC/DC converter operates in CP mode, a power reference of each DC/DC converter may be determined during system operation and provided to the corresponding converter.
  • the PMS delivers charge/discharge commands to the PCS and BSC.
  • the PMS can monitor the conditions of the photovoltaic system (PV), grid, and battery in real time, and determine the operation mode and output reference of components in the system based on the operation command received from the upper system, EMS.
  • PV photovoltaic system
  • This DC coupling system has the effect of storing surplus power in the ESS when the PV power generation exceeds the capacity of the solar inverter. This is called energy recapture and has the effect of maximizing the amount of solar power generation through this.
  • Figure 3 is a connection relationship diagram between each system in the DC-coupling photovoltaic-ESS linkage system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a system configuration centering on hardware components necessary to actually implement the linkage between the photovoltaic power generation system 700 and the energy storage system 100 when linking with the power system 600 through DC coupling shows
  • the photovoltaic system 700 includes a PV array 701 in which PV strings are connected in parallel, a distribution board for connecting a plurality of positive terminals of the PV strings in the PV array to one, and connecting a plurality of negative terminals to one. It includes a PV combiner 702 of the form. The switch connecting the positive end and the switch connecting the negative end in the PV combiner 702 are always connected except for operational needs such as failure or inspection.
  • Each PV string connects a plurality of PV panels in series to form a DC bus voltage of 1000V to 1500V.
  • the photovoltaic power generation system 700 generally forms a maximum voltage of 1000V to 1500Vdc, and in the case of a large-capacity power generation system, it is possible to reduce installation costs such as cable price reduction by increasing the output voltage to form a low current capacity compared to the same power.
  • the energy storage system 100 can be configured using various energy sources as an energy storage device, but in this embodiment, a secondary battery (battery) will be described as an energy source.
  • a voltage of 1000V to 1500Vdc may be formed by configuring a battery rack by connecting a plurality of battery packs in series as described above with reference to FIG. 2 .
  • the solar inverter adjusts the voltage of the DC bus by performing MPPT control according to the power generation status of PV.
  • the PV generation system is directly connected to the battery, it is difficult to adjust the DC bus voltage. Therefore, in the DC coupling system, an ESS, that is, a separate DC/DC converter in the battery system is required.
  • Maximum Power Point Tracking (MPPT) control is a form of control that allows maximum power to be obtained by appropriately adjusting a load according to external circumstances.
  • the point at which maximum power is delivered is referred to as a maximum power operating point, and the maximum power operating point may be changed according to external conditions such as solar radiation and temperature.
  • FIGS. 2 and 3 a system in which a separate DC / DC converter is applied to each battery rack is exemplified, but a system in which a central DC / DC converter commonly connected to a plurality of battery racks is applied is also present.
  • the rack unit DC/DC converter has the advantage of allowing individual control according to the state of each battery rack, although the system can be complicated, and the central DC/DC converter has the advantage of simple system configuration and low parts requirements.
  • the PV re-combiner 710 serves as a switchboard for physically connecting the photovoltaic power generation system and the energy storage system.
  • the PV recombiner 710 may include a remote disconnector, a PV inverter connection terminal, and an ESS connection terminal.
  • the PV recombiner may be understood as the same component as the PV interlocking device mentioned elsewhere in this specification.
  • the PV re-combiner can separate the photovoltaic power generation system from the DC bus by using a remote disconnector during night time, for example, to prevent a decrease in power generation efficiency. Even when the photovoltaic system is not generating power, voltage is applied to the DC bus connected to the ESS. This causes a decrease in power generation efficiency as it is the same as continuous discharge occurring in the battery system. Therefore, according to the present invention, the PV system is separated from the DC bus at night when the photovoltaic system does not generate power, thereby increasing ESS power generation efficiency.
  • the remote disconnector may be implemented using a motorized disconnector using a motor.
  • the PV recombiner 710 may further include a fuse, a ground fault detection interrupter (GFDI) for preventing a ground fault, a current monitor for checking the amount of PV power generation, and an IO port.
  • GFDI ground fault detection interrupter
  • GFDI is a device connected between the power line and the ground, and cuts off the current when the current flowing from the power line to the ground exceeds a reference value.
  • IMD Insulation Mointoring Device
  • RCM Residential Current Monitoring
  • IMD is a device that measures and monitors the insulation resistance value between the positive terminal and the ground, and between the negative terminal and the ground.
  • the RCM is a device that detects leakage current by monitoring whether the sum of currents flowing through each of the positive power line and the negative power line is zero.
  • PV re-combiner Another role of the PV re-combiner is to prevent the inflow of fault current. Since the photovoltaic power generation system and ESS are connected without a separate device, fault current may flow in the event of a ground fault. Therefore, in the present invention, it is possible to prevent the inflow of fault current and achieve optimization of ground fault monitoring by monitoring the ground fault of the PV during power generation and separating the PV from other systems during non-power generation through the PV recombiner.
  • the subject controlling their operation in conjunction with the PV recombiner (710), PV inverter (400), and ESS (100) is a power management control device or energy management system (PMS / EMS) ( 300) may be.
  • PMS / EMS power management control device or energy management system
  • the entire energy management system may operate in the first operation mode.
  • the PV inverter supplies power according to the MPPT algorithm. Since it is a period in which photovoltaic power generation is performed, the ESS 100 may be in a charged state. At this time, the ESS may operate in a constant power (CP) mode.
  • the GFDI included in the PV recombiner 710 constantly monitors the ground fault of the PV system.
  • the entire energy management system when the connection between the PV system and the DC bus is disconnected through the PV re-combiner 710 under the control of the power management control device, the entire energy management system enters the second operation mode. It can work.
  • the ESS 100 discharges in a constant voltage (CV) mode, and the PV inverter supplies power in a constant power (CP) mode.
  • the GFDI also monitors the PV system for ground faults at this time.
  • the IMD disposed on the DC bus is activated to monitor insulation of the DC bus (ESS and PV inverter) at night.
  • the DC/DC converter 500 may be connected to the PV recombineer 710 through a Battery DC Panel (BDCP) 170.
  • BDCP Battery DC Panel
  • EMS is expressed as one entity that manages the entire system in conjunction with PMS, but the energy management system described in this specification is linked with an energy storage system (ESS) and a photovoltaic (PV) system linked thereto, , a power management control device (PMS) that checks whether the photovoltaic (PV) system can generate power based on external conditions;
  • PMS power management control device
  • FIG. 3 It can also be understood as a concept of a system for managing energy including all components shown in .
  • FIG. 4 is a table showing a method of operating a photovoltaic power generation-linked DC-coupling energy storage system according to external conditions according to an embodiment of the present invention.
  • the operation method is described by distinguishing temporal conditions, that is, day and night, as external conditions.
  • external conditions may include not only temporal conditions, but also weather conditions. That is, the operation method according to the night of the present embodiment can be applied even in conditions in which sunlight cannot be expected for a long time, such as, for example, during the rainy season.
  • the PV recombiner 710 maintains a connection state between the PV system and the DC bus to be ON.
  • the PV inverter supplies power according to MPPT control. Since it is a period in which photovoltaic power generation is performed, the ESS 100 may be charging. At this time, the ESS may operate in a constant power (CP) mode.
  • the GFDI included in the PV recombiner 710 constantly monitors the ground fault of the PV system.
  • the PV recombineer 710 disconnects the PV system from the DC bus.
  • the ESS 100 discharges in CV (Constant Voltage) mode, and the PV inverter supplies power in Constant Power (CP) mode.
  • the GFDI also monitors the PV system for ground faults at this time.
  • the system according to the present invention may further include an Insulation Mointoring Device (IMD), which is disposed on the DC bus to monitor insulation of the DC bus (ESS and PV inverter) at night time.
  • IMD Insulation Mointoring Device
  • the IMD may operate off during the daytime.
  • FIG. 5 is an operation flowchart of a method for controlling an energy management system according to an embodiment of the present invention.
  • the control method of the energy management system according to the present invention may be performed by a control device that interworks with an energy storage system (ESS) and a photovoltaic (PV) system associated therewith.
  • the control device checks whether the photovoltaic (PV) system can generate power based on external conditions (S510).
  • the external conditions may include one or more of time conditions and weather conditions related to whether solar power generation is possible.
  • the PV recombineer 710 maintains the connection state between the PV system and the DC bus to be ON. Conversely, during the night when photovoltaic generation is impossible, the PV system and the DC bus are disconnected by the PV recombineer.
  • the entire energy management system may operate in the first operation mode (S521).
  • the PV inverter supplies power according to the MPPT algorithm. Since it is a period in which photovoltaic power generation is performed, the ESS 100 may be in a charged state. At this time, the ESS may operate in a constant power (CP) mode.
  • the GFDI included in the PV recombiner 710 constantly monitors the ground fault of the PV system.
  • the entire energy management system may operate in the second operation mode (S531).
  • the ESS 100 discharges in a constant voltage (CV) mode, and the PV inverter supplies power in a constant power (CP) mode.
  • the GFDI also monitors the PV system for ground faults at this time.
  • the IMD disposed on the DC bus is activated to monitor insulation of the DC bus (ESS and PV inverter) at night.
  • the ground fault of the PV system is monitored during photovoltaic power generation through the PV recombiner, and the PV system is separated from the ESS during non-power generation to optimize fault current flow and ground fault monitoring.
  • a computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored.
  • computer-readable recording media may be distributed to computer systems connected through a network to store and execute computer-readable programs or codes in a distributed manner.
  • a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step.
  • aspects described in the context of a method may also be represented by a corresponding block or item or a corresponding feature of a device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 PV 연동 장치는 에너지저장 시스템(ESS) 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 태양광발전(PV) 시스템을 연계하는 장치로서, 상기 태양광발전 시스템과 상기 인버터를 연결하는 인버터 연결 단자; 상기 태양광발전 시스템과 상기 ESS를 연결하는 ESS 연결 단자; 및 외부 조건에 기초한 제어 명령에 따라 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스와의 연결을 해제하는 단로기(Disconnector)를 포함할 수 있다.

Description

PV-ESS 직접 연계형 에너지관리 시스템 및 태양광발전 시스템 연동 장치
본 출원은 2022년 1월 26일 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2022-0011267호 및 2023년 1월 11일 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2023-003808호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 PV 연동 장치 및 이를 포함하는 에너지관리 시스템, 그리고 에너지관리 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외부 조건에 따라 태양광발전 시스템을 배터리 시스템과 분리시키는 연동 장치 및 이를 포함하는 에너지관리 시스템, 그리고 에너지관리 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 전력 계통을 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.
에너지저장 시스템은 DC(Direct Current) 전압의 형태로 발전 및 저장이 이루어지는데, 이러한 에너지저장 시스템이 PV(Photovoltaic; 태양광 발전) 시스템과 연계하는 경우 인버터를 통해 AC(Alternative Current) 시스템에서 연계되는 AC 커플링 시스템으로 전력망과 연동하는 형태가 통상적으로 사용되어 왔다.
최근 태양광발전 효율의 극대화 및 인버터 개수의 최소화를 통한 설치 비용 감소 등의 목적으로 DC 배전 시스템에서 태양광 발전시스템과 ESS가 커플링되는 시스템(DC-커플링 시스템)이 증가할 것으로 예상된다. PV 시스템과 ESS가 DC 버스에 공통으로 연계되는 DC- 커플링 시스템에서는 태양광의 MPPT 제어와 ESS 전압 제어 충돌로 인한 시스템 오류, 밤시간대 ESS에서 전력망으로의 전력공급 중 PV 연계로 인한 일부 방전에 따른 전력 효율 감소, 사고 유입으로 인한 시스템 위험성 증가 등의 어려움이 따른다. 따라서, PV 시스템과 ESS 가 DC 버스에 직접 연결되기 위한 별도의 방안이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 PV 연동장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, PV 연동장치를 포함하는 에너지관리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 에너지관리 시스템의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 PV 연동 장치는 에너지저장 시스템(ESS) 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 태양광발전(PV) 시스템을 연계하는 장치로서, 상기 태양광발전 시스템과 상기 인버터를 연결하는 인버터 연결 단자; 상기 태양광발전 시스템과 상기 ESS를 연결하는 ESS 연결 단자; 및 외부 조건에 기초한 제어 명령에 따라 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는 단로기(Disconnector)를 포함할 수 있다.
상기 단로기는 전력관리 제어 장치로부터 상기 외부 조건에 기초한 제어 명령을 수신하여 동작할 수 있다.
상기 PV 연동 장치는, 상기 태양광발전 시스템의 발전량을 측정하는 전류 모니터링부; 및 상기 태양광발전 시스템의 지락을 검출하는 지락 검출기;를 더 포함할 수 있다.
상기 ESS 연결단자는 상기 에너지저장 시스템 내 BDCP(Battery DC Panel)와 연결될 수 있다.
상기 외부 조건은, 태양광 발전의 가능 여부와 관련된 시간 조건 및 날씨 조건 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 외부 조건은 태양광발전 시스템의 동작 시간대가 낮 시간대인지 밤 시간대인지 여부를 포함할 수 있다.
상기 단로기는 밤 시간대에 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스와의 연결을 해제한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지관리 시스템은, 에너지저장 시스템(ESS) 및 이와 연계된 태양광발전(PV) 시스템과 연동하고, 외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전(PV) 시스템이 발전 가능한지 확인하는 제어 장치; 및 상기 전력관리 제어 장치의 제어 명령에 따라 에너지저장 시스템 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템의 연결을 해제하는 PV 연동 장치를 포함할 수 있다.
상기 PV 연동 장치는, 상기 태양광발전 시스템과 상기 인버터를 연결하는 인버터 연결 단자; 상기 태양광발전 시스템과 상기 ESS를 연결하는 ESS 연결 단자; 및 외부 조건에 기초한 상기 전력관리 제어 장치의 제어 명령에 따라 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는 단로기(Disconnector)를 포함할 수 있다.
상기 PV 연동 장치는, 상기 태양광발전 시스템의 발전량을 측정하는 전류 모니터링부; 및 상기 태양광발전 시스템의 지락을 검출하는 지락 검출기;를 더 포함할 수 있다.
상기 ESS 연결단자는 상기 에너지저장 시스템 내 BDCP(Battery DC Panel)와 연결될 수 있다.
상기 외부 조건은, 태양광 발전의 가능 여부와 관련된 시간 조건 및 날씨 조건 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 외부 조건은 태양광발전 시스템의 동작 시간대가 낮 시간대인지 밤 시간대인지 여부를 포함할 수 있다.
상기 단로기는 밤 시간대에 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스와의 연결을 해제한다.
태양광 발전이 가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스가 연결되어 상기 에너지관리 시스템은 제1 운영 모드로 동작하고, 태양광 발전이 불가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스의 연결이 해제되어 상기 에너지관리 시스템은 제2 운영 모드로 동작할 수 있다.
제1 운영 모드에서, 인버터는 최대전력점 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어에 따라 전력을 공급하며, 상기 ESS는 CP(Constant Power) 모드로 충전 동작을 수행할 수 있다.
한편, 제2 운영 모드에서, 상기 ESS가 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, 상기 PV 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급하도록 동작할 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지관리 시스템의 제어 방법은, 외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전(PV) 시스템이 발전 가능한지 확인하는 단계; 및 상기 확인 결과에 따라, 상기 에너지저장 시스템(ESS) 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템 사이에 배치된 PV 연동장치를 이용해 상기 DC 버스와 상기 태양광발전(PV) 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 DC 버스와 상기 태양광발전(PV) 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계는, 태양광 발전이 가능한 경우 PV 시스템과 DC 버스를 연결하고 상기 에너지관리 시스템을 제1 운영 모드로 동작하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 DC 버스와 상기 태양광발전(PV) 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계는, 태양광 발전이 불가능한 경우 PV 시스템과 DC 버스의 연결을 해제하고 상기 에너지관리 시스템을 제2 운영 모드로 동작하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 운영 모드에서, 인버터는 최대전력점 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어에 따라 전력을 공급하며, 상기 ESS는 CP(Constant Power) 모드로 충전 동작을 수행할 수 있다.
한편, 제2 운영 모드에서, 상기 ESS가 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, 상기 PV 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급하도록 동작할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광-ESS 직접 연계형 DC 배전 시스템 구축을 통해 발전효율을 향상시키고 설치 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, PV 연동 장치를 통해 태양광 발전 중에는 PV시스템의 지락을 감시하고 미발전 중에는 PV 시스템을 ESS로부터 분리하여 사고전류 유입 및 전력 효율 감소를 방지할 수 있다.
그에 따라, 태양광발전 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지관리 시스템 운영의 최적화를 기대할 수 있다.
도 1은 AC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 DC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템의 일 예에 따른 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템에서 각 시스템 간 연결관계도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 외부 조건에 따라 태양광발전 연계형 DC 커플링 에너지저장 시스템을 운영하는 방법을 나타낸 테이블이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템 운영 방법의 동작 순서도이다.
100: 에너지저장 시스템(ESS) 400: PCS/인버터
500: DC/DC 컨버터 600: 전력망(Grid)
700: PV 시스템 710: PV 리컴바이너
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 AC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, AC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템은, PV 시스템 및 배터리(또는 ESS) 시스템이 각각 태양광(PV) 인버터 및 ESS 인버터를 통해 AC 버스에 커플링되어 전력계통(그리드)과 연동하는 형태이다.
PV 인버터는 PMS(Power Management System)의 지령을 받아 PV 발전 효율을 극대화할 수 있는 전압을 형성하여 발전하기도 하고, 밤시간대에는 필요에 따라 배터리에 저장된 에너지를 전력망으로 공급하는 역할을 한다.
그런데, 최근 이러한 AC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템에 대비되는 형태의 DC-커플링 시스템이, 태양광발전 효율의 극대화 및 인버터 개수의 최소화를 통한 설치 비용 감소 등의 장점으로 인해 그 수요가 증가하고 있다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 DC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템의 일 예에 따른 블록 구성도이다.
DC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템에서는 각 배터리 시스템(100)에 개별적으로 DC 전압/전류를 제어할 수 있는 DC/DC 컨버터(500)가 요구된다. 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.
도 2는 PV(Photovoltaic; 태양광 발전 시스템)(700)의 출력단이 DC/DC 컨버터(500)의 출력단 및 PCS(400)의 입력단과 연결된 형태의 DC coupled 시스템의 예를 나타낸다.
에너지 저장 시스템에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리는, 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 2에 도시된 배터리 #1, 배터리 #2, ... , 배터리 #N은 배터리 팩 또는 배터리 랙의 형태일 수 있다.
이때, 각 배터리(100)에는 배터리 관리 장치(Battery Management System; BMS)가 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. 도 2의 시스템에서 각 배터리가 배터리 랙인 경우 BMS는 랙 BMS(RBMS)일 수 있다.
다수의 배터리 및 주변 회로, 장치 등을 포함하여 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 제어 장치(Battery Section Controller; BSC)(200)가 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어할 수 있다.
또한, 배터리 섹션마다 설치된 전력 변환/조절 장치(Power Conversion/Conditioning System; PCS)(400)은 외부로터 공급되는 전력과 배터리 섹션에서 외부로 공급하는 전력을 제어하며, DC/AC 인버터를 포함할 수 있다. PCS(400)는 본 명세서의 다른 부분에서 인버터 또는 PV 인버터로 지칭되는 구성요소와 동일한 것으로 이해될 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(500)의 출력은 PCS(400)로 연결될 수 있고, PCS(400)는 그리드(600)와 연결될 수 있다. PCS(400)는 통상적으로 고정전력(Constant Power) 모드로 동작한다. PCS와 연결된 전력관리 장치(Power Management System; PMS)/EMS(Energy Management System)(300)은 BMS 또는 BSC의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 PCS의 출력을 제어할 수 있다.
도 2의 에너지 저장 시스템에서, 배터리 #1은 DC/DC 컨버터 #1과 연결되고, 배터리 #2는 DC/DC 컨버터 #2와 연결되며, 배터리 #N은 DC/DC #N과 연결된다. 각 배터리에 대응하는 DC/DC 컨버터의 출력은 DC 링크를 통해 PCS(400)와 연결된다.
DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터일 수 있으며, 배터리로부터 부하 방향으로 변환이 수행될 때 DC/DC 컨버터의 입력은 배터리(배터리 유닛, 배터리 랙 또는 배터리 팩)와 연결되고 DC/DC 컨버터의 출력은 부하와 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터의 예로는 풀-브릿지 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있다.
한편, BMS, BSC(200), PMS(300), PCS(400) 간에는 CAN(Controller Area Network) 또는 이더넷을 이용한 통신(도 2에서 점선으로 표시됨)이 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 영역의 전체 제어를 관장하는 BSC(200)는 각 배터리의 상태를 PMS(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. BSC(200)는 각 배터리의 한계 전력(P_battery_limit), 실제 전력(P_battery_real) 등의 정보를 PMS(300)로 제공할 수 있다. 전체 ESS 시스템에 대한 제어를 주관하는 PMS(300)는 실제 시스템 운전시 PCS(400)에 충전 또는 방전 명령(P_pcs_reference를 통해)을 내린다.
여기서, BSC(200)는 각 배터리의 상태를 고려하여 개별 DC/DC 컨버터를 위한 출력 레퍼런스를 결정한다. 본 발명에 따른 실시예에서 개별 DC/DC 컨버터의 출력 레퍼런스는 드룹(droop) 모드 또는 CP(Constant Power) 모드에 따라 다른 방식으로 설정될 수 있다.
DC/DC 컨버터의 출력이 드룹 모드에 따라 제어되는 경우, BSC는 시스템 동작 전 각 배터리의 상태를 고려하여 개별 DC/DC 컨버터에 대한 드룹 커브를 설정하여 해당 컨버터로 제공할 수 있다. 한편, DC/DC 컨버터가 CP 모드로 동작하는 경우에는 시스템 동작 중에서 각 DC/DC 컨버터의 파워 레퍼런스를 결정하여 해당 컨버터로 제공할 수 있다.
에너지저장 시스템의 실제 운전시에는 PMS가 충방전 지령을 PCS 및 BSC로 전달한다. 이때, PMS는 실시간으로 태양광발전 시스템(PV), 그리드 및 배터리의 상태를 모니터링하고, 상위시스템인 EMS로부터 수신한 동작명령을 기반으로 시스템 내 구성요소들의 동작 모드 및 출력 레퍼런스를 결정할 수 있다.
이러한 DC 커플링 시스템은 PV 발전량이 태양광 인버터의 용량을 초과할 경우 잉여 전력을 ESS에 저장할 수 있는 효과가 있다. 이를 에너지 재포획(recapture)이라 하며 이를 통해 태양광 발전량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC-커플링 태양광-ESS 연계 시스템에서 각 시스템 간 연결관계도이다.
도 3은 태양광발전 시스템(700)과 에너지저장 시스템(100)이 DC 커플링을 통해 전력계통(600)과 연계하는 경우, 이들 간의 연계를 실제로 구현하기 위해 필요한 하드웨어 구성요소를 중심으로 시스템 구성을 도시한다.
도 3을 참조하면, 태양광발전 시스템(700)은 PV 스트링이 병렬로 연결된 PV 어레이(701), PV 어레이 내 PV 스트링들의 복수의 양극 단자를 하나로 연결하고, 복수의 음극 단자를 하나로 연결하는 분전반 형태의 PV 컴바이너(702)를 포함한다. PV 컴바이너(702) 내 양극 단을 연결하는 스위치 및 음극 단을 연결하는 스위치는 고장, 점검 등 운용상 필요한 경우를 제외하고는 항상 연결 상태를 유지한다.
각 PV 스트링은 복수의 PV 패널을 직렬 연결하여 DC 버스 전압인 1000V 내지 1500V의 전압을 형성한다. 태양광발전 시스템(700)은 일반적으로 최대 전압을 1000V ~1500Vdc로 형성하며, 대용량 발전 시스템의 경우 출력전압을 높여 동일 전력 대비 낮은 전류용량을 형성함으로써 케이블 가격 절감 등 설치 비용을 줄일 수 있다.
에너지저장 시스템(100)은 에너지 저장 장치로서 다양한 에너지원을 이용해 구성 가능하나 본 실시예에서는 에너지원으로서 이차전지(배터리)를 들어 설명한다. 배터리 시스템의 경우 앞서 도 2를 통해 설명한 바와 같이 다수의 배터리 팩들을 직렬로 연결하여 배터리 랙을 구성함으로써 1000V ~1500Vdc 전압을 형성할 수 있다.
이러한 DC 배전 시스템에서는 태양광 인버터가 PV의 발전상태에 따라 MPPT 제어를 진행하여 DC 버스의 전압을 조정한다. 이 경우PV 발전 시스템을 배터리와 직접 연결하게 되면 DC 버스 전압을 조정하기 어렵다. 따라서, DC 커플링 시스템에서는 ESS 즉, 배터리 시스템 내 별도의 DC/DC컨버터가 필요하다.
여기서, 최대전력점 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어는 외부 상황에 따라 적절하게 부하를 조절함으로써 최대 전력을 얻을 수 있도록 하는 제어의 형태이다. 최대전력이 전달되는 지점을 최대전력 동작점이라 하고, 외부의 조건인 일사량, 온도 등에 따라 최대전력 동작점이 변경될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서는 배터리 랙마다 별도의 DC/DC 컨버터가 적용된 형태의 시스템을 예로 들었으나, 복수의 배터리 랙에 공통으로 연결된 중앙(central) DC/DC 컨버터가 적용된 형태의 시스템 또한 본 발명이 적용될 수 있다. 랙 단위 DC/DC 컨버터는 시스템이 복잡해질 수 있으나 각 배터리 랙의 상태에 따라 개별 제어가 가능하다는 장점이 있고, 중앙 DC/DC 컨버터는 시스템 구성이 간단하고 부품이 적게 소요된다는 장점이 있다.
PV 리컴바이너(Re-combiner)(710)는 태양광발전 시스템과 에너지 저장 시스템을 물리적으로 연계하기 위한 배전반 역할을 수행한다. PV 리컴바이너(710)는 원격 단로기(Disconnector), PV인버터 연결 단자, ESS 연결단자를 포함할 수 있다. PV 리컴바이너는 본 명세서 내 다른 부분에서 언급된 PV 연동 장치와 동일한 구성요소로 이해될 수 있다.
PV 리컴바이너(Re-combiner)는 발전효율 감소를 방지하기 위해 예를 들어, 밤 시간대에는 원격 단로기(Disconnector)를 이용해 태양광발전 시스템을 DC 버스로부터 분리할 수 있다. 태양광발전 시스템이 미발전시에도 ESS와 연결된 DC 버스에 전압이 인가되는데, 태양광발전 시스템의 미발전시 태양광발전 시스템에 전압이 인가될 경우 발전 방향과 반대 방향의 역전류가 발생하게 된다. 이는 배터리 시스템에 지속적인 방전이 발생되는 것과 같으므로 발전효율의 감소를 유발한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 태양광발전 시스템이 발전을 수행하지 않는 밤 시간대에는 PV 시스템을 DC 버스로부터 분리하여 ESS 발전 효율을 높인다.
이때, 원격 단로기는 모터를 이용하는 단로기(motorized disconnector)를 사용해 구현될 수 있다.
PV 리컴바이너(710)는 또한, 퓨즈, 지락사고 방지를 위한 GFDI(Ground Fault Detection Interrupter), PV 발전량을 확인하기 위한 전류측정장치(Current Monitor), IO 포트 등을 추가로 포함할 수 있다.
GFDI는 전력 라인과 접지 사이에 연결되는 장치로 전력 라인에서 접지로 흐르는 전류가 기준 값 이상인 경우 전류를 차단하는 장치이다. 여기서, 지락 사고를 검출하기 위한 장치로는 GFDI 외에 IMD(Insulation Mointoring Device), RCM(Residential Current Monitoring) 등이 사용될 수도 있다. IMD는 양극 단자와 접지 사이, 음극 단자와 접지 사이의 절연저항 값을 측정 및 감시하는 장치이다. RCM은 양의 전력 라인 및 음의 전력 라인 각각에 흐르는 전류의 합이 0인지 모니터링하여 누설 전류가 발생하는지 검출하는 장치이다.
PV 리컴바이너(Re-combiner)의 또 다른 역할은 사고전류의 유입 방지이다. 태양광발전 시스템과 ESS가 별도의 장치 없이 연계된 형태이므로, 지락사고 발생시 사고전류가 유입될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 PV 리컴바이너를 통해 발전 중에는 PV의 지락을 감시하고 미발전 중에는 PV를 다른 시스템과 분리하여 사고 전류 유입을 방지하고 지락감시의 최적화를 달성할 수 있다.
이때, PV 리컴바이너(Re-combiner)(710), PV 인버터(400), ESS(100)와 연동하여 이들의 동작을 제어하는 주체는 전력관리 제어 장치 또는 에너지관리 시스템(PMS/EMS)(300)일 수 있다.
실시예에 따르면, 전력관리 제어 장치의 제어에 따라 PV 리컴바이너(Re-combiner)(710)를 통해 PV 시스템과 DC 버스가 연결된 경우, 전체 에너지관리 시스템은 제1 운영모드로 동작할 수 있다. 제1 운영 모드에서, PV 인버터는 MPPT 알고리즘에 따라 전력을 공급한다. 태양광 발전이 수행되는 구간이므로, ESS(100)는 충전 상태일 수 있다. 이때 ESS는 CP(Constant Power) 모드로 동작할 수 있다. PV 리컴바이너(710) 내에 포함된 GFDI는 상시로 PV 시스템의 지락을 감시한다.
실시예에 따르면 또한, 전력관리 제어 장치의 제어에 따라 PV 리컴바이너(Re-combiner)(710)를 통해 PV 시스템과 DC 버스의 연결이 해제된 경우, 전체 에너지관리 시스템은 제2 운영모드로 동작할 수 있다. 제2 운영 모드에서는, ESS(100)가 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, PV 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급한다. GFDI는 이때에도 역시 PV 시스템의 지락을 감시한다. 한편, DC 버스 상에 배치되는 IMD가 활성화되어 야간 시간 대에 DC 버스(ESS 및 PV인버터)의 절연을 감시할 수 있다.
한편, DC/DC 컨버터(500)는 BDCP(Battery DC Panel)(170)를 통해 PV 리컴바이너(710)와 연결될 수 있다.
도 3에서 PMS와 연동하여 전체 시스템을 관장하는 하나의 개체로 EMS가 표현되어 있으나, 본 명세서에 기재된 에너지관리 시스템은 에너지저장 시스템(ESS) 및 이와 연계된 태양광발전(PV) 시스템과 연동하고, 외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전(PV) 시스템이 발전 가능한지 확인하는 전력관리 제어 장치(PMS); 및 상기 전력관리 제어 장치의 제어 명령에 따라 에너지저장 시스템 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템의 연결을 해제하는 PV 연동 장치를 포함하는 개념, 더 나아가 도 3에 도시된 모든 구성요소들을 포함하여 에너지를 관리하기 위한 시스템의 개념으로도 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 외부 조건에 따라 태양광발전 연계형 DC 커플링 에너지저장 시스템을 운영하는 방법을 나타낸 테이블이다.
도 4의 실시예에서는 외부 조건으로 시간적 조건, 즉 낮과 밤을 구분하여 운영 방법을 설명하고 있다. 하지만, 외부 조건은 시간적 조건뿐 아니라, 날씨 조건 등을 포함할 수 있다. 즉, 예를 들어, 장마 기간과 같이 장시간 태양광을 기대할 수 없는 조건일 때에도 본 실시예의 밤에 준하는 운용 방법이 적용될 수 있다.
우선, 발전에 필요한 충분한 태양광을 기대할 수 있는 낮 시간대에는 PV 리컴바이너(710)는 PV 시스템과 DC 버스와의 연결 상태를 ON으로 유지한다. PV 인버터는MPPT 제어에 따라 전력을 공급한다. 태양광 발전이 수행되는 구간이므로, ESS(100)는 충전중일 수 있다. 이때 ESS는 CP(Constant Power) 모드로 동작할 수 있다. PV 리컴바이너(710) 내에 포함된 GFDI는 상시로 PV 시스템의 지락을 감시한다.
반면, 태양광 발전이 수행될 수 없는 밤 시간대에는 PV 리컴바이너(710)에 의해 PV 시스템과 DC 버스와의 연결 상태가 해제된다. ESS(100)는 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, PV 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급한다. GFDI는 이때에도 역시 PV 시스템의 지락을 감시한다.
한편, 본 발명에 따른 시스템은 IMD(Insulation Mointoring Device)를 추가로 포함할 수 있는데, IMD는 DC 버스 상에 배치되어 야간 시간 대에 DC 버스(ESS 및 PV인버터)의 절연을 감시할 수 있다. IMD는 낮 시간대에서는 오프로 동작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 에너지관리 시스템을 제어하는 방법의 동작 순서도이다.
본 발명에 따른 에너지관리 시스템의 제어 방법은, 에너지저장 시스템(ESS) 및 이와 연계된 태양광발전(PV) 시스템과 연동하는 제어 장치에 의해 수행될 수 있다. 제어 장치는, 외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전(PV) 시스템이 발전 가능한지 확인한다(S510).
여기서, 외부 조건은 태양광 발전의 가능 여부와 관련된 시간 조건 및 날씨 조건 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
확인 결과에 따라, 에너지저장 시스템(ESS) 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 태양광발전 시스템 사이에 배치된 PV 연동장치(recombiner)를 이용해 DC 버스와 상기 태양광발전(PV) 시스템의 연결을 유지하거나(S520) 또는 연결 해제한다(S530).
즉, 예를 들어, 발전에 필요한 충분한 태양광을 기대할 수 있는 낮 시간대라면 PV 리컴바이너(710)는 PV 시스템과 DC 버스와의 연결 상태를 ON으로 유지한다. 반대로, 태양광발전이 불가능한 밤 시간대에는 PV 리컴바이너에 의해 PV 시스템과 DC 버스의 연결 상태가 해제된다.
PV 시스템과 DC 버스가 연결된 경우 전체 에너지관리 시스템은 제1 운영모드로 동작할 수 있다(S521). 제1 운영 모드에서, PV 인버터는 MPPT 알고리즘에 따라 전력을 공급한다. 태양광 발전이 수행되는 구간이므로, ESS(100)는 충전 상태일 수 있다. 이때 ESS는 CP(Constant Power) 모드로 동작할 수 있다. PV 리컴바이너(710) 내에 포함된 GFDI는 상시로 PV 시스템의 지락을 감시한다.
한편, PV 시스템과 DC 버스의 연결이 해제된 경우 전체 에너지관리 시스템은 제2 운영모드로 동작할 수 있다(S531). 제2 운영 모드에서는, ESS(100)가 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, PV 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급한다. GFDI는 이때에도 역시 PV 시스템의 지락을 감시한다. 한편, DC 버스 상에 배치되는 IMD가 활성화되어 야간 시간 대에 DC 버스(ESS 및 PV인버터)의 절연을 감시할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, PV 리컴바이너를 통해 태양광 발전 중에 PV시스템의 지락을 감시하고 미발전 중에는 PV 시스템을 ESS로부터 분리하여 사고전류 유입 및 지락감시의 최적화를 이루어낼 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.

Claims (22)

  1. 에너지저장 시스템(ESS) 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 태양광발전(PV) 시스템을 연계하는 장치로서,
    상기 태양광발전 시스템과 상기 인버터를 연결하는 인버터 연결 단자;
    상기 태양광발전 시스템과 상기 ESS를 연결하는 ESS 연결 단자; 및
    외부 조건에 기초한 제어 명령에 따라 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는 단로기(Disconnector)를 포함하는, PV 연동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단로기는 전력관리 제어 장치로부터 상기 외부 조건에 기초한 제어 명령을 수신하여 동작하는, PV 연동 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양광발전 시스템의 발전량을 측정하는 전류 모니터링부; 및
    상기 태양광발전 시스템의 지락을 검출하는 지락 검출기;를 더 포함하는, PV 연동 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 ESS 연결단자는 상기 에너지저장 시스템 내 BDCP(Battery DC Panel)와 연결되는, PV 연동 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 조건은,
    태양광 발전의 가능 여부와 관련된 시간 조건 및 날씨 조건 중 하나 이상을 포함하는, PV 연동 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외부 조건은 태양광발전 시스템의 동작 시간대가 낮 시간대인지 밤 시간대인지 여부를 포함하는, PV 연동 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 단로기는 밤 시간대에 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는, PV 연동 장치.
  8. 에너지저장 시스템(ESS) 및 이와 연계된 태양광발전(PV) 시스템과 연동하고, 외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전(PV) 시스템이 발전 가능한지 확인하는 전력관리 제어 장치; 및
    상기 전력관리 제어 장치의 제어 명령에 따라 에너지저장 시스템 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템의 연결을 해제하는 PV 연동 장치를 포함하는, 에너지관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 PV 연동 장치는,
    상기 태양광발전 시스템과 상기 인버터를 연결하는 인버터 연결 단자;
    상기 태양광발전 시스템과 상기 ESS를 연결하는 ESS 연결 단자; 및
    외부 조건에 기초한 상기 전력관리 제어 장치의 제어 명령에 따라 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는 단로기(Disconnector)를 포함하는, 에너지관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 PV 연동 장치는,
    상기 태양광발전 시스템의 발전량을 측정하는 전류 모니터링부; 및
    상기 태양광발전 시스템의 지락을 검출하는 지락 검출기;를 더 포함하는,
    에너지관리 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 ESS 연결단자는 상기 에너지저장 시스템 내 BDCP(Battery DC Panel)와 연결되는, 에너지관리 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 외부 조건은,
    태양광 발전의 가능 여부와 관련된 시간 조건 및 날씨 조건 중 하나 이상을 포함하는, 에너지관리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 외부 조건은 태양광발전 시스템의 동작 시간대가 낮 시간대인지 밤 시간대인지 여부를 포함하는, 에너지관리 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 단로기는 밤 시간대에 상기 태양광발전 시스템과 상기 DC 버스의 연결을 해제하는, 에너지관리 시스템.
  15. 청구항 8에 있어서, 태양광 발전이 가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스가 연결되어 상기 에너지관리 시스템은 제1 운영 모드로 동작하고, 태양광 발전이 불가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스의 연결이 해제되어 상기 에너지관리 시스템은 제2 운영 모드로 동작하는, 에너지관리 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    제1 운영 모드에서,
    상기 인버터는 최대전력점 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어에 따라 전력을 공급하며, 상기 에너지저장 시스템은 CP(Constant Power) 모드로 충전 동작을 수행하는, 에너지관리 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    제2 운영 모드에서,
    상기 에너지저장 시스템은 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, 상기 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급하는, 에너지관리 시스템.
  18. 에너지저장 시스템(ESS) 및 이와 연계된 태양광발전(PV) 시스템을 포함하는 에너지관리 시스템의 제어 방법으로서,
    외부 조건에 기초하여 상기 태양광발전 시스템이 발전 가능한지 확인하는 단계; 및
    상기 확인 결과에 따라, 상기 에너지저장 시스템 및 인버터(PCS)의 DC 전력라인과 연결된 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템 사이에 배치된 PV 연동장치를 이용해 상기 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계를 포함하는, 에너지관리 시스템의 제어 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계는,
    태양광 발전이 가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스를 연결하고 상기 에너지관리 시스템을 제1 운영 모드로 동작하는 단계를 포함하는, 에너지관리 시스템의 제어 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 DC 버스와 상기 태양광발전 시스템을 연결 또는 연결해제하는 단계는,
    태양광 발전이 불가능한 경우 상기 태양광발전 시스템과 DC 버스의 연결을 해제하고 상기 에너지관리 시스템을 제2 운영 모드로 동작하는 단계를 포함하는, 에너지관리 시스템의 제어 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    제1 운영 모드에서,
    상기 인버터는 최대전력점 추종(MPPT; Maximum Power Point Tracking) 제어에 따라 전력을 공급하며, 상기 에너지저장 시스템은 CP(Constant Power) 모드로 충전 동작을 수행하는, 에너지관리 시스템의 제어 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    제2 운영 모드에서,
    상기 에너지저장 시스템은 CV(Constant Voltage) 모드로 방전을 수행하고, 상기 인버터는 정출력(CP; Constant Power) 모드로 전력을 공급하는, 에너지관리 시스템의 제어 방법.
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