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KR-20260060675-A - ENERGY STORAGE SYSTEM OPERATION METHOD FOR UNINTERRUPTED OPERATION OF DC DISTRIBUTION NETWORK PLANT AND DC DISTRIBUTION NETWORK SYSTEM

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Abstract

일 실시예는, N(N은 3 이상의 자연수)개의 DC라인들로 분기되는 DC버스라인; 각 DC라인에 하나씩 배정되어 전력을 공급하는 N개의 ESS(Energy Storage System)들; 및 상기 DC라인들 중 일 DC라인이 고장일 때, 상기 일 DC라인 이외의 DC라인들에 배정된 ESS들이 순차적으로 상기 일 DC라인으로 전력을 공급하도록 제어하는 EMS(Energy Management System)를 포함하는, 직류배전망 시스템을 제공한다.

Inventors

  • 오석화
  • 성윤동
  • 김혜진
  • 박재영
  • 김상훈
  • 송유진
  • 오세승

Assignees

  • 한국에너지기술연구원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (15)

  1. N(N은 3 이상의 자연수)개의 DC라인들로 분기되는 DC버스라인; 각 DC라인에 하나씩 배정되어 전력을 공급하는 N개의 ESS(Energy Storage System)들; 및 상기 DC라인들 중 일 DC라인이 고장일 때, 상기 일 DC라인 이외의 DC라인들에 배정된 ESS들이 순차적으로 상기 일 DC라인으로 전력을 공급하도록 제어하는 EMS(Energy Management System) 를 포함하는, 직류배전망 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 각 DC라인에는 상기 N개의 ESS들과 연결을 제어할 수 있는 N개의 스위치들이 배치되는, 직류배전망 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 일 DC라인에 배정된 일 ESS는 상기 일 DC라인이 고장난 시점 이후에, 미리 지정된 하한SOC(state-of-charge)가 될 때까지 지속적으로 방전하는, 직류배전망 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 일 DC라인이 고장난 시점 이후에, 다른 일 DC라인에 배정된 다른 일 ESS는 상기 다른 일 DC라인과의 연결을 해제하고 상기 일 DC라인과 연결되며, 상기 하한SOC가 될 때까지 방전하는, 직류배전망 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다른 일 ESS는 상기 일 ESS가 상기 하한SOC에 도달한 이후 방전을 시작하는, 직류배전망 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 다른 일 ESS는 상기 하한SOC에 도달할 때, 상기 일 DC라인으로의 연결을 해제하고 원래의 상기 다른 일 DC라인에 재연결되는, 직류배전망 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다른 일 ESS가 상기 하한SOC에 도달할 때, 또 다른 일 DC라인에 배정된 또 다른 일 ESS는 상기 또 다른 일 DC라인과의 연결을 해제하고 상기 일 DC라인과 연결되며, 상기 하한SOC가 될 때까지 방전하는, 직류배전망 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다른 일 ESS가 상기 일 DC라인에 연결되어 방전될 때, 상기 또 다른 일 ESS는 상기 또 다른 일 DC라인에서 충전되는, 직류배전망 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 다른 일 ESS는 상기 다른 일 DC라인에 재연결된 후 충전되는, 직류배전망 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 N개의 ESS들은, 사고가 없을 때에 충방전동작하는 정상운전, 고장난 DC라인에 연결되어 방전하는 긴급방전운전, 고장난 DC라인에 연결되기 전에 배정된 DC라인에서 충전되는 긴급충전운전 및 원래 배정된 DC라인으로 돌아와서 충전되는 복구운전 중 하나로 동작하는, 직류배전망 시스템.
  11. 제10항에 있어서 상기 긴급충전운전에서의 상한SOC가 상기 정상운전 혹은 상기 복구운전에서의 상한SOC보다 높은, 직류배전망 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 N개의 ESS들은, 일 DC/DC컨버터를 통해 각 DC라인에 연결되고, 부하들은 다른 일 DC/DC컨버터를 통해 각 DC라인에 연결되는, 직류배전망 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 DC버스라인의 전압이 상기 부하들에서 사용되는 전압보다 높은, 직류배전망 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 DC버스라인에는 계통에서의 전력을 공급하는 AC/DC컨버터가 더 연결되는, 직류배전망 시스템.
  15. DC버스라인에서 분기되는 N(N은 3 이상의 자연수)개의 DC라인들 각각에 하나씩 배정되어 전력을 공급하는 N개의 ESS(Energy Storage System)들을 운영하는 방법에 있어서, 상기 DC라인들 중 일 DC라인이 고장일 때, 상기 일 DC라인에 배정된 일 ESS가 상기 일 DC라인이 고장난 시점 이후에, 미리 지정된 하한SOC(state-of-charge)가 될 때까지 지속적으로 방전하는 단계; 및 상기 일 DC라인이 고장난 시점 이후에, 다른 일 DC라인에 배정된 다른 일 ESS는 상기 다른 일 DC라인과의 연결을 해제하고 상기 일 DC라인과 연결되며, 상기 하한SOC가 될 때까지 방전하는 단계 를 포함하는, 방법.

Description

직류배전망 공장의 무정전 운영을 위한 에너지저장시스템 운영 방법 및 직류배전망 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM OPERATION METHOD FOR UNINTERRUPTED OPERATION OF DC DISTRIBUTION NETWORK PLANT AND DC DISTRIBUTION NETWORK SYSTEM} 본 실시예는 직류배전망 공장의 무정전 운영을 위한 에너지저장시스템 운영 기술에 관한 것이다. 공장에서 발생하는 정전은 생산 활동에 큰 영향을 미치며, 생산 장비의 중단으로 인한 손실과 제품의 품질 저하 등의 문제를 초래한다. 정전 시에는 생산 라인이 멈추면서 가동 중이던 재료와 제품이 폐기되거나 손상될 가능성이 있으며, 이는 공장 운영의 경제적 손해를 증가시킨다. 이러한 손실은 단순히 일시적인 생산 중단에 그치지 않고, 정전 이후 생산 라인을 정상적으로 재가동하는 데에도 추가적인 시간과 자원이 소모되며, 생산 효율성의 저하로 이어진다. 또한 정전 후 재가동 과정에서 장비의 예기치 않은 고장이나 재설정 필요성도 발생할 수 있어, 정전은 공장의 운영 효율성을 심각하게 저하시킬 수 있다. 특히 배터리 제조 공장과 같은 연속 공정이 필요한 산업에서는 정전으로 인한 손실이 더욱 심각하다. 배터리 제조 공장은 다양한 공정으로 구성되어 있으며, 그중에서도 화성 공정은 전기 사용량이 가장 크고, 생산의 핵심 단계 중 하나이다. 화성 공정은 전극을 화학적으로 활성화하여 배터리의 성능을 결정하는 중요한 과정으로, 이 공정에서는 전력 공급의 지속성이 필수적이다. 정전이 발생할 경우 화성 공정이 중단되면서 반응이 제대로 이루어지지 않거나, 이미 진행된 반응이 손상될 위험이 있다. 이는 전체 생산 시스템의 균형을 무너뜨리며, 공정을 재개하고 품질을 확보하는 데 상당한 시간과 비용이 소요된다. 이러한 이유로 배터리 제조 공장에서는 정전으로 인한 피해를 최소화하기 위해 무정전 운영 기술의 필요성이 특히 강조되고 있다. 무정전 운영을 위한 기술에는 주 전력 공급원 이외에 예비 전력을 제공하는 시스템의 도입이 포함된다. 이를 위해 무정전 전원 공급 장치(UPS : Uninterruptible Power Supply)나 발전기, 또는 에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System) 등이 활용될 수 있다. 이러한 장비들은 정전 발생 시 즉각적으로 전력을 공급하여 생산 공정의 연속성을 유지하도록 설계되어 있다. 예를 들어 UPS는 짧은 시간 내에 전력을 공급하여 정전과 동시에 발생할 수 있는 공정의 중단을 방지하며, 발전기나 ESS는 보다 장기적인 전력 공급을 통해 생산 활동이 원활하게 지속될 수 있도록 지원한다. 이러한 예비 전력 시스템의 구축은 정전 시 발생할 수 있는 생산 중단을 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 또한 전력 공급의 안정성을 높이기 위해 이중화 전원 공급망을 구축하는 것도 고려된다. 이중화 전원 공급망은 주 전력 공급원이 문제가 생길 경우에도 예비 공급원을 통해 전력을 지속적으로 공급함으로써 공장의 연속적인 운영을 보장한다. 전력 모니터링 시스템을 통해 전력 공급 상태를 실시간으로 감시하고, 정전의 징후를 사전에 감지하여 대비하는 기술도 적용되고 있다. 이러한 모니터링 시스템은 정전이 발생하기 전에 잠재적인 문제를 파악하고, 즉각적인 대응을 가능하게 하여 정전으로 인한 피해를 최소화하는 데 기여한다. 한편, 공장 내에서는 직류 부하가 많다. 예를 들어, 화성 공정에서의 부하들은 대부분 직류 부하이다. 이러한 실정에서 대부분의 공장은 교류 배전망으로 구성되어 있어, 교류를 직류로 변환하는 과정에서 많은 전력 손실을 입고 있다. 화성 공정에서는 정밀한 전력 제어와 안정적인 직류 전원이 필요하기 때문에, 교류를 직류로 변환하는 과정에서 발생하는 손실은 공정의 효율성을 저하시킨다. 이로 인해 전력 사용량이 증가하고, 생산 비용이 상승하는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 직류 배전망으로의 전환이 필요성이 제기되고 있다. 직류 배전망을 도입하면 교류를 직류로 변환하는 과정에서 발생하는 손실을 줄일 수 있으며, 공정에 필요한 직류 전력을 보다 효율적으로 공급할 수 있다. 이는 특히 전력 사용량이 많은 화성 공정과 같은 부하에 유리하며, 에너지 효율성을 높이고 운영 비용을 절감하는 데 기여할 수 있다. 또한 직류 배전망은 재생 에너지나 에너지 저장 시스템과의 통합이 용이하여, 공장의 에너지 관리 측면에서도 이점을 제공한다. 이러한 이유로 직류 배전망의 도입은 공장의 무정전 운영뿐만 아니라 전체적인 에너지 효율성을 개선하는 중요한 방안으로 고려되고 있다. 도 1은 일 실시예에 따른 직류배전망 시스템의 구성도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 직류배전망 시스템에서 각 DC라인에 배치되는 스위치들을 나타내는 도면이다. 도 3은 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 제1단계가 수행되는 것을 나타내는 도면이다. 도 4는 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 제2단계가 수행되는 것을 나타내는 도면이다. 도 5는 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 제3단계가 수행되는 것을 나타내는 도면이다. 도 6은 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 제4단계가 수행되는 것을 나타내는 도면이다. 도 7은 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인이 복구된 상황에서 수행되는 단계를 나타내는 도면이다. 도 8은 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 각 ESS의 SOC 상태를 나타내는 제1예시 도면이다. 도 9는 일 실시예에 따른 운영 방법의 시나리오에서 제2DC라인에 고장이 발생한 상황에서 각 ESS의 SOC 상태를 나타내는 제2예시 도면이다. 도 10은 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다. 이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 도 1은 일 실시예에 따른 직류배전망 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 직류배전망 시스템(100)은 DC버스라인(110), 복수의 DC라인들(122a ~ 122n), 복수의 ESS들(126a ~ 126n) 및, 복수의 부하들(128a ~ 128n), EMS(130, Energy Management System) 등을 포함할 수 있다. 직류배전망 시스템(100)에서 DC버스라인(110)은 직류 전력을 공급하는 주요 코어라인 역할을 수행할 수 있다. DC버스라인(110)은 직류배전망의 핵심적인 전력 전달 경로로서, 여러 부하들에게 안정적이고 효율적인 전력을 공급하기 위해 설계될 수 있다. 이러한 DC버스라인(110)에는 고전압이 형성될 수 있는데, 예를 들어 550V에서 650V 수준의 전압이 형성될 수 있다. 이러한 고전압은 다양한 부하들에 효율적으로 전력을 공급하는 데 중요한 역할을 한다. 고전압의 사용은 전력 손실을 최소화하면서 더 많은 전력을 전달할 수 있도록 해주며, 이는 특히 장거리 배전에서 유리하다. DC버스라인(110)은 전력의 분배와 전달 과정에서 손실을 줄이기 위해 대개 100m 이상의 긴 케이블로 구성될 수 있으며, 이 케이블은 전력 손실을 줄이기 위해 낮은 저항을 갖는 도체로 제작될 수 있다. 이러한 케이블은 구리나 알루미늄과 같은 재료로 만들어지며, 특히 구리는 높은 전도율을 가지고 있어 전력 전달 효율을 극대화할 수 있다. 또한, DC버스라인(110)은 AC/DC컨버터를 통해 계통으로부터 전력을 공급받을 수 있다. AC/DC컨버터는 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 변환하는 장치로, 계통으로부터 공급되는 3상 교류 전력을 고효율의 직류 전력으로 변환하여 DC버스라인(110)에 공급할 수 있다. 이러한 AC/DC컨버터는 전력 변환 과정에서의 손실을 최소화하기 위해 최신의 전력전자 기술이 적용될 수 있으며, 예를 들어 고효율의 SiC(실리콘 카바이드) 전력 반도체를 사용할 수 있다. 이를 통해 변환 효율을 높이고, 시스템의 전체적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 실시예에 따라 DC버스라인(110)은 DC/DC컨버터를 통해 재생에너지원으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템과 같은 재생에너지원에서 생성된 전력은 직접적으로 DC버스라인(110)에 연결되거나, DC/DC컨버터를 거쳐 적절한 전압으로 변환되어 DC버스라인(110)에 공급될 수 있다. DC/DC컨버터는 입력 전압을 원하는 출력 전압으로 변환하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 전력 품질을 개선하고 시스템의 안정성을 확보할 수 있다. 태양광 발전 외에도 풍력 발전, 연료전지 등 다양한 재생에너지원이 DC버스라인(110)에 연결될 수 있으며, 이는 직류배전망의 유연성을 높이고 친환경 에너지를 효율적으로 활용할 수 있도록 해준다. 또한, DC버스라인(110)은 대용량 ESS(Energy Storage System)로부터 전력을 공급받을 수 있다. ESS는 전력을 저장하고 필요할 때 공급하는 시스템으로, 전력 수요가 낮을 때 저장된 에너지를 활용함으로써 전력 공급의 안정성을 높일 수 있다.