유휴전력을 이용한 충방전시스템 및 충방전방법 {System and method for charging and discharging using idle power}

본 발명은 유휴전력을 이용한 충방전시스템 및 충전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력계통의 말단에 구비된 상태에서 발전장치를 통해 공급되는 공급전력과 부하에서 소비되는 소비전력을 비교하여 충전부로의 충전이 이루어지도록 하거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 하며, 수시로 변동되는 공급전력과 소비전력을 감지하여 충전 또는 전력공급이 이루어질 수 있도록 하는 유휴전력을 이용한 충방전시스템 및 충전방법에 관한 것이다.

전력저장시스템(ESS, Energy Storage System)은 발전장치를 전력계통과 연결 사용하면서, 발전장치로부터 전력이 충분하게 발생하는 경우 부하에 전력을 공급하게 되고, 일부 전력을 전력계통 또는 부하로 송전하게 되며, 배터리를 충전하기도 한다.

국내공개특허공보 제10-2014-67654호 (공개일자: 2014. 06. 05.) 는 전력 관리 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 신재생 에너지 발전 시스템 및 배터리의 종류 및 특성 정보를 고려하여 전력 부하에서 획득한 소비전력 수요 정보에 대응하도록 상기 신재생 에너지 발전 시스템 및 상기 배터리의 운용 계획을 수립하는 것을 특징으로 하고 있다.

그러나, 상기 기술은 구비된 장치 특성 정보 획득부가 에너지 저장 장치의 배터리 관리 시스템으로부터 배터리의 종류 및 특성 정보와 함께 배터리의 잔여 용량 정보를 추가 획득하고는 있으나, 이와 연동하여 지속적으로 발전장치로부터 공급되는 전력과 전력계통 또는 부하에서 소비되는 전력을 모니터링하여 충전 또는 전력공급을 즉시 수행하지는 못하는 한계가 있다.

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 전력계통의 말단에 구비된 상태에서 발전장치를 통해 공급되는 공급전력과 부하에서 소비되는 소비전력을 비교하여 충전부로의 충전 또는 부하로의 전력공급이 이루어지도록 하되, 수시로 변동되는 공급전력과 소비전력의 변동을 감지하여 충전 또는 전력공급이 이루어질 수 있도록 하는 유휴전력을 이용한 충방전시스템 및 충전방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유휴전력을 이용한 충방전시스템은, 석유 또는 석탄을 포함하는 화석연료 또는 태양, 풍력, 조력을 포함하는 신재생에너지로부터 전력을 생산하는 발전장치; 상기 발전장치로부터 생산된 전력을 전송하거나 소비하는 전력계통; 상기 전력계통의 말단에 위치하며 발전장치로부터 공급되는 전력을 소비하는 부하; 및 상기 발전장치 또는 전력계통과 부하의 사이에서 상기 발전장치로부터 공급되는 공급전력량이 상기 부하에서 소비되는 부하전력량보다 많을 경우 해당 유휴전력을 충전하거나, 상기 부하에서 소비되는 부하전력량이 상기 발전장치로부터 공급되는 공급전력량보다 많을 경우 충전된 전력을 부하로 공급하는 충전장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 충전장치는, 상기 발전장치로부터의 공급전력과 상기 부하에서의 소비전력을 비교하여 전력의 충전 또는 공급을 제어하는 충전제어부 및 상기 충전제어부의 제어에 따라 전력을 충전하거나 충전된 전력을 부하로 공급하는 복수의 충전부로 이루어지며, 상기 충전제어부는 상기 발전장치로부터 공급되는 AC 공급전력을 충전에 필요한 DC 전력으로 변환하거나 부하로의 전력 공급시 충전부에 저장되어 있는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 양방향변환부; 상기 발전장치로부터 공급되는 공급전력량과 상기 부하에서 소비되는 소비전력량을 측정함과 함께, 복수로 구비되는 각 충전부의 충전용량 및 잔류충전용량을 측정하는 측정부; 상기 발전장치로부터의 공급전력을 충전하거나 부하로의 전력공급을 실행하는 충방전실행부; 상기 측정부에 의해 측정된 공급전력량과 소비전력량으로부터 충전부로의 충전이 이루어지도록 하거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 판단함과 함께, 상기 측정부에 의해 측정되는 각 충전부의 충전용량 및 잔류충전용량으로부터 충전시의 충전우선순위 또는 전력공급시 공급우선순위를 판단하는 판단부; 및 상기 양방향변환부, 측정부, 충방전실행부 및 판단부를 제어하여 상기 발전장치로부터의 공급전력으로부터 전력을 충전하거나 부하로의 전력을 공급하도록 하는 제어부로 이루어지며, 상기 제어부는 상기 판단부의 판단에 따라 충전용량이 큰 충전부에 우선 충전이 이루어지도록 하되, 충전용량이 동일한 충전부가 2 이상 존재하는 경우 잔류충전용량이 많은 충전부에 우선 충전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 유휴전력을 이용한 충방전방법은, 발전장치를 통해 발전된 전력이 전력계통을 통해 부하로 공급되는 단계(S100); 상기 S100 단계를 통해 공급되는 공급전력량과 소비되는 부하전력량이 비교되는 단계(S200); 상기 S200 단계를 통해 공급되는 공급전력량이 소비되는 부하전력량보다 많은 것으로 판단되는 경우, 유휴전력의 충전이 시작되는 단계(S300); 상기 S300 단계를 통해 충전이 시작되는 경우, 복수의 각 충전부의 충전용량 및 각 충전부의 잔류충전용량 측정이 이루어지는 단계(S400); 및 상기 S400 단계를 통해 측정된 충전용량과 잔류충전용량을 토대로 충전이 이루어지는 단계(S500)를 포함하며, 상기 S500 단계의 수행과정에서 공급전력 또는 부하전력의 변동여부가 감지되는 단계(S600); 및 상기 S600 단계에서 공급전력 또는 부하전력의 변동이 감지되는 경우, 공급전력 및 부하전력을 측정하는 단계(S700)를 더 포함하되, 상기 S700 단계를 통해 측정된 공급전력량과 부하전력량이 비교된 상태에서 부하로의 전력공급 또는 충전부로의 유휴전력 충전이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 발전장치를 통해 공급되는 공급전력과 부하에서 소비되는 소비전력을 비교하여 충전부로의 충전 또는 부하로의 전력공급이 이루어지도록 함과 함께, 수시로 변동되는 공급전력과 소비전력을 감지하여 충전부로의 충전이나 부하로의 전력공급이 이루어질 수 있어, 전력량의 변화에 대응이 용이한 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 본 발명의 충전장치가 배전선로 구간의 말단부인 부하에 근접하여 설치되는 경우, 부하로부터 소비되지 않고 소멸될 수 있는 전력의 충전을 통해 전력활용이 가능한 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 복수로 구비되는 충전부 중 충전이 완료된 충전부를 분리하여 별도의 전원공급용으로 사용이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유휴전력을 이용한 충방전시스템을 나타내는 블록도면.
도 2는 도 1에 구비된 충전제어부의 주요 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 유휴전력을 이용한 충방전방법을 나타내는 흐름도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유휴전력을 이용한 충방전시스템을 나타내는 블록도면이고, 도 2는 도 1에 구비된 충전제어부의 주요 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명은 석유 또는 석탄을 포함하는 화석연료와 함께, 태양, 풍력 또는 조력을 포함하는 신재생에너지로부터 전력을 생산하는 발전소를 나타내는 발전장치(100), 상기 발전장치로부터 생산된 전력을 부하로 전송하거나 자체 소비하는 전력계통(200) 및 공장, 가정 또는 건물과 같이 최종적으로 전력을 소비하는 부하(300)로 이루어지는 전력 생산, 전송 및 소비 설비에 있어서, 상기 부하(300)에 인접한 말단, 즉 상기 발전장치 또는 전력계통과 말단인 부하와의 사이에서, 발전장치에서 생산된 후 전력계통을 통해 공급되는 공급전력과 최종 소비 설비인 부하에서 소비되는 소비전력을 비교하여, 공급전력량이 소비전력량보다 많을 경우 충전이 이루어지도록 하되, 소비전력략이 공급전력량보다 많을 경우 부하로 충전된 전력이 공급될 수 있도록 하는 충전장치(400)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 충전장치(400)는 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량이 상기 부하(300)에서 소비되는 부하전력량보다 많을 경우 해당 유휴전력을 충전하거나, 상기 부하에서 소비되는 부하전력량이 상기 발전장치로부터 공급되는 공급전력량보다 많을 경우 충전된 전력을 부하로 공급하도록 하고 있다.

이를 위해 상기 충전장치(400)는, 상기 발전장치(100)로부터의 공급전력과 상기 부하(300)에서의 소비전력을 비교하여 전력의 충전 또는 공급을 제어하는 충전제어부(410)와, 상기 충전제어부(410)의 제어에 따라 전력을 충전하거나 충전된 전력을 부하로 공급하는 복수의 충전부(420)로 이루어진다. 도 1을 참조하면 상기 충전제어부(410)에 의해 충전되거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 제어되는 충전부(420)가 복수의 개별 충전부(420a ~ 420n)들로 이루어짐을 알 수 있다.

상기 충전부(420)를 이루는 개별 충전부(420a ~ 420n)들은 각각 충전용량이 상이할 수 있다. 이를 통해 충전제어부는 각 개별 충전부의 충전용량을 측정하여 유휴전력의 충전 또는 방전(전력계통 또는 부하로의 전력공급)시 개별 충전부의 충전용량과 충전에 따른 잔류충전용량의 많고 적음에 따라 충전 또는 방전이 우선적으로 이루어질 수 있는 충전부를 선택하여 충전 또는 방전이 이루어질 수 있도록 한다.

또한 상기 개별 충전부들은 상기 충전제어부(410)로부터 각각 분리가 가능하도록 함으로써, 전술한 바와 같이 전력계통 또는 부하로의 전력공급이 가능하도록 함과 함께, 별도로 분리된 후 예를 들면 전기자동차를 위한 충전에 개별 활용되는 등으로 판매가 이루어질 수도 있다.

도 2는 도 1에 구비된 충전제어부(410)의 주요 구성을 나타내는 도면으로서, 상기 충전제어부(410)는 제어부(411), 양방향변환부(412), 측정부(413), 충방전실행부(414) 및 판단부(415)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 양방향변환부(412)는 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 AC 공급전력을 충전에 필요한 DC 전력으로 변환하거나, 부하(300)로의 전력 공급시 충전부에 저장되어 있는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 한다. 상기 양방향변환부로는, 예를 들면 풀브릿지 인버터와 고조파 제거를 위한 필터를 포함하여 이루어질 수 있고, AC → DC 또는 DC → AC로 변환되도록 다양한 형태의 인버터가 사용될 수 있다.

상기 측정부(413)는 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량과 상기 부하(300)에서 소비되는 소비전력량을 측정함과 함께, 복수로 구비되는 각 개별 충전부의 충전용량과 전력이 저장되고 남아 있는 잔류충전용량을 측정하게 되고, 상기 충방전실행부(414)는 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 전력을 충전하거나 전력계통(200) 또는 부하(300)로의 전력공급을 수행하게 되며, 상기 판단부(415)는 상기 측정부(413)에 의해 측정된 공급전력량과 소비전력량으로부터 충전부로의 충전이 이루어지도록 하거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 판단함과 함께, 상기 측정부(413)에 의해 측정되는 각 개별 충전부의 충전용량 및 잔류충전용량으로부터 충전시의 충전우선순위 또는 전력공급시 공급우선순위를 판단하게 된다.

또한 상기 제어부(411)는 상기 양방향변환부(412), 측정부(413), 충방전실행부(414) 및 판단부(415)를 제어하여 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 전력으로부터 유휴전력을 충전하거나 충전되었던 유휴전력이 부하(300)로 공급될 수 있도록 한다.

본 발명에 의하면, 상기 제어부(411)는 발전장치로부터 전력의 공급이 이루어지는 상태에서, 상기 측정부(413)를 제어하여 상기 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량과 상기 부하(300)에서 소비되는 소비전력량을 측정하도록 함과 함께, 복수로 구비되는 각 개별 충전부의 충전용량이 측정되도록 할 수 있고, 또한 전력이 해당 충전부에 어느 정도 충전되어 있으며, 남아 있는 잔류충전용량이 얼마인지도 측정이 이루어지도록 할 수 있다. 상기에서는 전력의 공급이 이루어지는 상태에서 측정부에 의한 측정이 이루어지도록 하고 있으나, 상기 측정부에 의한 개별 충전부의 충전용량 및/또는 잔류충전용량 측정은 전력의 공급 개시 전 미리 별도로 이루어질 수도 있다.

상기 측정부(413)에 의해 공급전력량과 소비전력량이 측정되도록 함과 함께, 개별 충전부의 충전용량 및/또는 잔류충전용량이 측정되는 경우, 상기 제어부(411)는 판단부(415)를 제어하여 측정된 공급전력량과 소비전력량으로부터 충전부로의 충전이 이루어지도록 하거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 판단함과 함께, 충전시의 충전우선순위 또는 전력공급시의 공급우선순위를 판단하도록 한다.

예를 들면, 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량이 부하(300)에서 소비되는 소비전력량보다 많은 상태에서 이루어지는 유휴전력의 충전과정에서, 개별 충전부의 충전용량이 상이한 경우 판단부(415)의 판단을 바탕으로 제어부(411)는 충전용량이 큰 충전부에 우선 충전이 이루어지도록 충방전실행부를 제어할 수 있다. 이때, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상 존재하는 경우, 이 중 상기 판단부의 판단을 바탕으로 제어부는 잔류충전용량이 가장 많이 남아 있는 충전부가 우선 충전될 수 있도록 충방전실행부를 제어할 수 있다. 또한 부하(300)에서 소비되는 소비전력량이 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량보다 많은 상태에서 충전부로부터 전력계통 또는 부하로 유휴전력이 공급되는 과정에서도 동일한 판단 및 제어를 통해 충전용량이 큰 개별 충전부로부터 전력공급이 우선 이루어지도록 할 수 있고, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상 존재하는 경우에는 잔류충전용량이 가장 적게 남아 있는 개별 충전부로부터 전력공급이 우선적으로 이루어지도록 할 수 있다. 그러나, 상기 과정은 일 실시 예를 나타내는 것으로서, 다른 실시 예로서 충전용량이 가장 적은 충전부가 우선 충전되도록 하거나 충전용량이 가장 적은 충전부로부터 전력공급이 우선 이루어지도록 하는 것도 가능하며, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상일 경우 잔류충전용량이 가장 적은 충전부가 우선 충전되거나, 또는 잔류충전용량이 가장 적은 충전부로부터 전력공급이 우선적으로 이루어지도록 하는 것도 가능하다.

본 발명에 의하면, 충전부(420)를 이루는 개별 충전부의 충전용량 및 수량은 각 부하가 위치하는 지역마다 상이할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 이전 일정 기간동안의 공급전력량과 소비전력량의 패턴을 분석하여 유휴전력이 많이 발생되거나 공급전력과 소비전력의 변동 폭이 비교적 큰 지역인 것으로 판단되는 경우, 충전부의 충전용량을 크게 하거나 개별 충전부의 수량을 많게 할 수 있으며, 유휴전력이 적게 발생되거나 공급전력과 소비전력의 변동 폭이 작아 비교적 전력변동이 안정된 지역인 것으로 판단되는 경우, 충전부의 충전용량 및 수량을 적게 할 수 있다.

이하에서는 도 1 및 도 2의 구성을 통해 이루어지는 전력의 충전 또는 공급방법을 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명에 따른 유휴전력을 이용한 충방전방법을 나타내는 흐름도면이다.

먼저, 본 발명은 발전장치(100)를 통해 발전되는 전력이 전력계통(200) 또는 부하(300)로 공급되는 과정(S100)에서, 상기 S100 단계를 통해 상기 부하(300)로 공급되는 공급전력량과 상기 부하(300)에서 소비되는 부하전력량이 비교되게 된다(S200). 공급전력량과 부하전력량의 비교는 충전장치(400)의 충전제어부(410)를 통해 이루어지게 되며, 구체적으로는 전술한 바와 같이 제어부(411)의 제어에 따라 측정부(413)에 의해 공급전력량과 부하전력량이 측정되게 되고, 판단부(415)에 의해 충전부(420)로의 충전이 이루어지거나, 상기 충전부(420)로부터 부하(300)로 충전된 전력이 공급되게 된다.

상기 S200 단계를 통해, 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량이 부하에서 소비되는 부하전력량보다 많지 않은 경우(적거나 같은 경우) 충전부로의 충전은 이루어지지 않은 채 계속해서 발전장치로부터 부하로 전력공급이 이루어지게 되나, 발전장치(100)로부터 공급되는 공급전력량이 부하에서 소비되는 부하전력량보다 많은 것으로 판단되는 경우 유휴전력의 충전이 시작되게 되며(S300), 이 때 상기 S300 단계를 통해 충전이 시작되는 경우 측정부(413)를 통해 복수의 각 개별 충전부(420a ~ 420n)의 충전용량 및 잔류충전용량이 측정되게 된다(S400). 그러나, 전술한 바와 같이, 상기 S400 단계는 충전 또는 방전이 시작되기 전 미리 별도로 이루어질 수도 있다.

본 발명에 의하면, 상기 S400 단계 이후 상기 S400 단계를 통해 측정된 각 개별 충전부의 충전용량과 잔류충전용량을 토대로 충전이 이루어지게 된다(S500). 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예로서 개별 충전부의 충전용량이 상이한 경우 판단부(415)의 판단을 바탕으로 제어부(411)는 충전용량이 큰 충전부에 우선 충전이 이루어지도록 충방전실행부를 제어할 수 있다.

이때, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상 존재하는 경우, 이 중 상기 판단부(415)의 판단을 바탕으로 제어부(411)는 잔류충전용량이 가장 많이 남아 있는 개별 충전부가 우선 충전될 수 있도록 충방전실행부를 제어할 수 있다. 그러나, 상기 과정은 일 실시 예를 나타내는 것으로서, 다른 실시 예로서 충전용량이 가장 적은 충전부가 우선 충전되도록 하는 것도 가능하며, 이 때 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상일 경우 잔류충전용량이 가장 적은 충전부가 우선 충전되도록 하는 것도 가능하다.

본 발명에 의하면, 상기 S500 단계의 수행과정에서 공급전력 또는 부하전력의 변동여부가 감지되게 되는데(S600), 상기 S600 단계를 통해 변동이 감지되지 않는 경우 충전부로의 충전이 계속 이루어지게 되며, 상기 S600 단계를 통해 변동이 감지되는 경우 공급전력과 부하전력의 측정이 이루어지게 된다(S700). 상기 공급전력 또는 부하전력의 변동여부 감지 및 측정은 충전제어부(410)에 구비된 제어부(411)의 제어에 따라 측정부(413)에 의해 이루어지게 되며, 변동에 따른 판단부(415)의 판단에 따라 공급전력량이 부하전력량보다 많은 경우(S200 단계의 Y분기), 상기 S300 ~ S500 단계를 통해 충전부로의 충전이 계속해서 이루어지게 되며, 공급전력량이 부하전력량보다 많지 않은 경우(적거나 같은 경우) 발전장치(100)로부터 부하로 전력이 공급됨과 함께 충전부로부터 부하(300)로의 전력공급이 이루어지게 된다(S200 단계의 N분기).

이 때 일 실시 예에 따르면, 충전부(420)로부터 부하(300)로 유휴전력이 공급되는 과정에서 충전용량이 큰 개별 충전부로부터 전력공급이 우선 이루어지도록 할 수 있고, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상 존재하는 경우에는 잔류충전용량이 가장 적게 남아 있는 개별 충전부로부터 전력공급이 우선적으로 이루어지도록 할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 상기 과정은 일 실시 예를 나타내는 것으로서, 다른 실시 예로서 충전용량이 가장 적은 충전부로부터 전력공급이 우선 이루어지도록 하는 것도 가능하며, 충전용량이 동일한 개별 충전부가 2 이상일 경우 잔류충전용량이 가장 적은 충전부로부터 전력공급이 우선적으로 이루어지도록 하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 발전장치를 통해 공급되는 공급전력과 부하에서 소비되는 소비전력을 비교하여 충전부로의 충전이 이루어지도록 하거나 부하로의 전력공급이 이루어지도록 함과 함께, 수시로 변동되는 공급전력과 소비전력을 감지하여 충전부로의 충전이나 부하로의 전력공급이 이루어질 수 있어, 전력량의 변화에 대응이 용이한 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

100: 발전장치 200: 전력계통
300: 부하
400: 충전장치
410: 충전제어부 411: 제어부
412: 양방향변환부 413: 측정부
414: 충방전실행부 415: 판단부
420: 충전부