KR101084215B1 - 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 정전 발생시에도 발전 시스템의 정상적인 운용과 정전 발생에 따른 UPS 기능을 안정적으로 수행할 수 있다.
에너지, 정전, 상용 계통, UPS
Description
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 신재생 발전 시스템을 포함한 계통 연계형 에너지 저장 시스템과 이의 제어 방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 태양광 발전 등 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 특히 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않아, 그 활용 방안에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
최근에는, 기존의 전력 계통에 정보기술을 접목하여, 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 정보를 교환함으로써, 에너지 효율을 최적화하는 시스템으로서, 스마트 그리드(Smart grid) 시스템이 대두되고 있다.
또한, 태양광 발전과 무정전 전원 공급장치(Uninterruptible Power Supply, 이하 'UPS'라 한다)를 연계한 형태의 태양광 발전 시스템도 선보이고 있다.
본 발명의 일 실시 예는 계통에서 이상 상황, 예를 들면 정전 발생시, UPS 기능을 수행할 때 배터리뿐만 아니라 신재생 발전 시스템과도 연계하여 전체 시스템을 안정적으로 운용할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 발전 시스템으로부터 발전된 전력을 변환하여 제1 노드에 출력하는 MPPT 컨버터, 상기 제1 노드와, 상용 계통 및 부하가 접속된 제2 노드 사이에 접속되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 제1 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 제2 노드로 출력하고, 상기 상용 계통으로부터의 AC 전력을 제1 DC 전력으로 변환하여 상기 제1 노드로 출력하는 인버터, 제2 DC 전력을 저장하는 배터리, 상기 배터리와 상기 제1 노드 사이에 접속되어, 상기 배터리로부터 출력되는 상기 제2 DC 전력을 상기 제1 DC 전력으로 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 인버터로 출력하고, 상기 인버터로부터 상기 제1 노드를 통해 출력된 상기 제1 DC 전력을 상기 제2 DC 전력으로 변환하여 컨버터 및 상기 상용 계통의 정전 신호를 감지하고, 상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 배터리에 저장된 제2 DC 전력을 상기 부하에 전달하기 위한 제어 동작을 수행하는 통합 제어기를 포함하고, 상기 통합 제어기는 상기 제1 노드를 정전압 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 제어기는 상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 컨버터를 온시켜 상기 제1 노드를 정전압 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 제어기는 상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 인버터 및 상기 MPPT 컨버터를 오프시키고, 상기 컨버터를 온시키고 나서, 상기 인버터를 온시키는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템은 상기 인버터와 상기 부하 사이에 접속된 제1 스위치 및 상기 제2 노드와 상기 상용 계통 사이에 접속된 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 제어기는 상기 정전 신호를 수신한 경우, 상기 제2 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 제어기는 상기 인버터를 온시키고 나서, 상기 MPPT 컨버터를 온시키는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 제어기는 상기 MPPT 컨버터를 온시키고 나서, 상기 컨버터를 오프시키는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템은 상기 통합 제어기의 제어에 따라 상기 배터리에 저장된 제2 DC 전력의 충방전을 관리하는 배터리 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템은 상기 제1 노드의 DC 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 유지하는 DC 링크부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발전 시스템은 태양광 발전 시스템인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발전 시스템, 부하, 상용 계통과 각각 접속되고, 상기 발전 시스템에서 발전한 전력을 변환하여 제1 노드에 출력하는 MPPT 컨버터, 상기 발전 시스템에서 발전한 전력 또는 상기 상용 계통에서 공급된 전력을 저장하는 배터리, 상기 제1 노드의 전력을 변환하여 상기 부하 또는 상용 계통으로 출력하고, 상기 상용 계통으로부터 공급된 전력을 변환하여 상기 제1 노드에 출력하는 인버터, 상기 제1 노드의 전력을 변환하여 상기 배터리에 저장하고, 상기 배터리에 저장된 전력을 변환하여 상기 제1 노드에 출력하는 컨버터 및 통합 제어기를 포함하는 에너지 저장 시스템에서, 상기 상용 계통의 정전 발생시 상기 부하에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 상용 계통의 정전 신호를 수신하는 단계, 상기 MPPT 컨버터 및 상기 인버터를 오프시키는 단계, 상기 컨버터를 온시켜 상기 제1 노드의 전압을 정전압 제어하는 단계 및 상기 인버터를 온시켜 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하에 공급하는 단계를 포함한다.
상기 컨버터는 상기 배터리에 저장된 전력의 제1 DC 전압을 제2 DC 전압으로 변환하여 상기 제1 노드의 전압을 정전압 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 제1 노드의 전압이 안정화된 경우, 상기 MPPT 컨버터를 온시켜 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 컨버터를 오프시켜 상기 배터리에 저장된 전력의 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 정전 신호를 수신한 경우, 상기 상용 계통과 접속된 스위치를 오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발전 시스템은 태양광 발전 시스템인 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 제1 노드의 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 안정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 시스템의 제어 방법은 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 컨버터에 입력하도록 상기 배터리의 방전을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 정전 발생시에도 발전 시스템의 정상적인 운용과 정전 발생에 따른 UPS 기능을 안정적으로 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 관한 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 첨부된 도면들을 통하여 사실상 동일한 기능을 하는 부재에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 블록 도이다.
도 1을 참조하면, 전력 관리 시스템(110)은 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 이하 'MPPT' 라 한다) 컨버터(111), 양방향 인버터(112), 양방향 컨버터(113), 통합 제어기(114), BMS(Battery Management System, 이하 'BMS'라 한다)(115), 제1 스위치(116), 제2 스위치(117) 및 DC 링크부(118)를 포함하여 이루어진다. 전력 관리 시스템(110)은 배터리(120), 태양 전지(131)를 포함하는 태양광 발전 시스템(Photovoltaic, 이하 'PV'라 한다)(130), 상용 계통(140) 및 부하(150)에 접속된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 전력 관리 시스템(110)과 배터리(120)를 포함하여 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)을 구성하였지만, 사용된 용어에 한정되지 않고, 전력 관리 시스템(110)과 배터리(120)가 일체형으로 구성된 전력 관리 시스템 또는 계통 연계형 에너지 저장 시스템일 수도 있다.
신재생 발전 시스템(130)은 전기 에너지를 발전하여 전력 관리 시스템(110)으로 출력한다. 신재생 발전 시스템(130)으로 태양 전지(131)가 도시되었지만, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템일 수도 있으며, 그 밖에 태양열, 지열 등과 같은 신 재생 에너지(renewable energy)를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템을 모두 포함한다. 특히, 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)에 적용하기에 적합하다.
상용 계통(140)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비하고, 상용 계통(140)은 정상 상태일 때, 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)의 온/오프에 따라 저장 장치(120) 또는 부하(150)로 전력을 공급하고, 신재생 발전 시스템(130)이나 배터리(120)로부터 공급된 전력을 입력받는다. 상용 계통(140)이 이상 상태, 예를 들면 정전, 전기 공사 등으로 인한 비정상 상태인 경우, 상용 계통(140)으로부터 배터리(120) 또는 부하(150)로의 전력 공급은 중단되고, 발전 시스템(130)이나 배터리(120)로부터 상용 계통(140)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(150)는 신재생 발전 시스템(130)으로부터 발전된 전력, 배터리(120)에 저장된 전력, 또는 상용 계통(140)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
MPPT 컨버터(111)는 태양 전지(131)로부터 출력된 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환하고, 태양 전지(131)의 출력은 일사량 및 온도에 따른 기후 변화와 부하 조건에 따라 특성이 변하기 때문에 태양 전지(131)로부터 최대로 전력을 생산하도록 제어한다. 즉, MPPT 컨버터(111)는 태양 전지(131)의 출력 DC 전압을 승압시켜 DC 전압을 출력하는 부스트 DC-DC 컨버터 기능과 MPPT 제어 기능을 함께 수행한다. 예를 들면, MPPT 출력 DC 전압 범위는 300 내지 600V일 수 있다. 또한, 일사량, 온도 등의 변화에 따라 태양 전지(131)의 최대 전력 출력 전압을 추종하는 MPPT 제어를 수행한다. 예를 들면, P&O(Perturbation and Observation) 제어, IncCond(Incremental Conductance), 전력 대 전압 제어 등을 사용할 수 있다. P&O 제어는 태양 전지의 전력과 전압을 측정하여 지령 전압을 증가 또는 감소시키는 것이고, IncCond 제어는 태양 전지의 출력 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 제어하는 것이고, 전력 대 전압 제어는 전력 대 전압의 기울기를 이용하여 제어하는 것이다. 상기 설명한 MPPT 제어 외에 다른 MPPT 제어 기법을 적용할 수 있음은 물론이다.
DC 링크부(118)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(112) 사이에 병렬로 접속된다. DC 링크부(118)는 MPPT 컨버터(111)로부터 출력된 DC 전압을 DC 링크 전압, 예를 들면 DC 380V 전압으로 유지시켜 양방향 인버터(112)나 양방향 컨버터(113)에 공급한다. 여기서, DC 링크부(118)는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC)를 사용할 수 있다. 제1 노드(N1)는 태양 전지(131)의 DC 출력 전압 변동 또는 상용 계통(140)의 순시 전압 강하, 부 하(150)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 따라서, DC 링크부(118)는 양방향 컨버터(113) 및 양방향 인버터(112)의 정상 동작을 위하여 안정화된 DC 링크 전압을 제공한다. 도 1에 도시된 실시 예에서는 DC 링크부(118)가 별도로 구비된 실시 예를 도시하였지만, 양방향 컨버터(113), 양방향 인버터(112), 또는 MPPT 컨버터(111) 내에 포함되어 구현될 수도 있다.
양방향 인버터(112)는 제1 노드(N1)와 상용 계통(140) 사이에 접속된다. 양방향 인버터(112)는 MPPT 컨버터(111)의 출력 DC 전압, 양방향 컨버터(113)의 출력 DC 전압을 상용 계통(140) 또는 부하(150)의 AC 전압으로 변환하고, 상용 계통(140)으로부터 공급된 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 즉, 양방향 인버터(112)는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 인버터 기능과 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 정류 기능을 함께 수행한다.
양방향 인버터(112)는 상용 계통(140)으로부터 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)를 통해 입력되는 AC 전압을 배터리(120)에 저장하기 위한 DC 전압으로 정류하여 출력하고, 태양광 발전 시스템(130) 또는 배터리(120)로부터 출력된 DC 전압을 상용 계통(140)의 AC 전압으로 변환하여 출력한다. 이때 상용 계통(140)으로 출력되는 AC 전압은 상용 계통(140)의 전력 품질 기준, 예를 들면 역률 0.9 이상, THD 5% 이내에 부합해야 하며, 이를 위해 양방향 인버터(112)는 출력 AC 전압의 위상을 상용 계통(140)의 위상과 동기화시켜 무효 전력 발생을 억제하고, AC 전압 레벨을 조절해야 한다. 또한, 양방향 인버터(112)는 상용 계통(140)으로 출력되는 AC 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 인버터(112)는 발전 시스템(130) 또는 배터리(120)의 직류 전력을 상용 계통(140) 또는 부하(150)에 공급하기 위한 교류 전력으로 변환하는 인버터 기능과 상용 계통(140)에서 공급되는 교류 전력을 배터리(120)에 공급하기 위한 직류 전력으로 변환하는 정류 기능을 함께 수행한다.
양방향 컨버터(113)는 제1 노드(N1)와 배터리(120) 사이에 접속되며, 제1 노드의 DC 전압을 배터리(120)에 저장하기 위한 DC 전압으로 변환한다. 또한, 배터리(120)에 저장된 DC 전압을 제1 노드(N1)에 전달하기 위한 DC 전압 레벨로 변환한다. 예를 들면, 양방향 컨버터(113)는 태양광 발전 시스템(130)에서 발전된 직류 전력을 배터리(120)에 충전하는 경우 또는 상용 계통(140)에서 공급된 교류 전력을 배터리(120)에 충전하는 경우, 즉 배터리 충전 모드일 때, 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨 또는 DC 링크부(118)에서 유지되는 DC 링크 전압 레벨, 예를 들면 DC 380V의 전압을 배터리 저장 전압, 예를 들면 DC 100V로 감압하는 컨버터로 동작한다. 또한, 양방향 컨버터(113)는 배터리(120)에 충전된 전력을 상용 계통(140)에 공급하거나 또는 부하(150)에 공급하는 경우, 즉 배터리 방전 모드일 때, 배터리 저장 전압, 예를 들면 DC 100V 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨 또는 DC 링크 전압 레벨, 예를 들면 DC 380V 전압으로 승압하는 컨버터로 동작한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 컨버터(113)는 태양광 발전 시스템(130)에서 발전된 직류 전력 또는 상용 계통(140)에서 공급된 교류 전력을 변환한 직류 전력을 배터리(120)에 저장하기 위한 직류 전력으로 변환하고, 배터리(120)에 저장된 직류 전력을 상용 계통(140) 또는 부하(150)에 공급하기 위해서, 양방향 인버터(112)에 입력하는 직류 전력으로 변환한다.
배터리(120)는 태양광 발전 시스템(130) 또는 상용 계통(140)으로부터 공급된 전력을 저장한다. 배터리(120)는 복수의 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되어 용량 및 출력을 증가시킬 수 있도록 구성될 수 있으며, 배터리(120)의 충전 또는 방전 동작은 BMS(115)나 통합 제어기(114)에 의해 제어된다. 배터리(120)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리(120)를 구성하는 배터리 셀의 개수는 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 결정될 수 있다.
BMS(115)는 배터리 (120)에 연결되고, 통합 제어기(114)의 제어에 따라 배터리(120)의 충 방전 동작을 제어한다. 배터리(120)로부터 양방향 컨버터(113)로의 방전 전력 및 양방향 컨버터(113)로부터 배터리(120)로의 충전 전력은 BMS(115)를 통해서 전달된다. 또한, BMS(115)는 배터리(120)를 보호하기 위하여, 과 충전 보호 기능, 과 방전 보호 기능, 과 전류 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(115)는 배터리(120)의 전압, 전류, 온도를 검출하여 SOC(State of Charge, 이하 'SOC'라 한다) 및 SOH(State of Health, 이하 'SOC'라 한다)를 계산하고, 이에 따른 잔여 전력량, 수명 등을 모니터링 할 수 있다.
BMS(115)는 배터리(120)의 전압, 전류, 온도를 검출하는 센싱 기능과, 이에 따른 과 충전, 과 방전, 과 전류, 셀 밸런싱 여부, SOC, SOH를 판단하는 마이크로 컴퓨터, 마이크로 컴퓨터의 제어 신호에 따라 충 방전 금지, 퓨즈 용단, 냉각 등의 기능을 수행하는 보호 회로를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, BMS(115)는 전력 관리 시스템(110)에 포함되고, 배터리(120)와 분리하여 구성하였지만, BMS(115)와 배터리(120)가 일체로 구성된 배터리 팩으로 구성할 수 있음은 물론이다. 또한, BMS(115)는 통합 제어기(114)의 제어에 따라 배터리(120)의 충전 또는 방전 동작을 제어하고, 배터리(120)의 상태 정보, 예를 들면 SOC를 통해 산출된 충전 전력량에 관한 정보를 통합 제어기(114)에 전송한다.
제1 스위치(116)는 양방향 인버터(112)와 제2 노드(N2) 사이에 접속된다. 제2 스위치(117)는 제2 노드(N2)와 상용 계통(140) 사이에 접속된다. 제1 스위치(116)와 제2 스위치(117)는 통합 제어기(114)의 제어에 따라 온 또는 오프되는 개폐기를 사용할 수 있다. 태양광 발전 시스템(130) 또는 배터리(120)의 전력을 상용 계통(140) 또는 부하(150)로의 공급 또는 차단, 상용 계통(140)으로부터의 부하(150) 또는 배터리(120)로의 전력 공급 또는 차단하는 기능을 한다. 예를 들면, 태양광 발전 시스템(130)에서 발전한 전력 또는 배터리(120)에 저장된 전력을 상용 계통(140)에 공급하는 경우, 통합 제어기(114)는 제1 및 제2 스위치(116 및 117)를 턴 온시키고, 부하(150)에만 공급하는 경우에는 제1 스위치(116)를 턴 온시키고, 제2 스위치(117)를 턴 오프시킨다. 또한, 상용 계통(140)의 전력을 부하(150)에만 공급하는 경우에는 제1 스위치(116)를 턴 오프시키고, 제2 스위치(117)를 턴 온시킨다.
제2 스위치(117)는 통합 제어기(114)의 제어에 따라 상용 계통(140)에 이상 상황이 발생한 경우, 예를 들면 정전, 배전선 수리가 필요한 경우, 상용 계통(140)으로의 전력 공급을 차단하고, 에너지 저장 시스템의 단독 운전을 구현한다. 이때, 통합 제어기(114)는 전력 관리 시스템(210)을 상용 계통(140)과 분리시켜, 상용 계통(140)에서 선로 유지 또는 보수자의 감전과 같은 근거리 접근 사고가 발생하는 것을 방지하고, 상용 계통(140)이 비정상 상태에서 동작하여 전기 설비에 악영향을 주는 것을 방지한다. 또한, 상용 계통(140)이 비정상 상태일 때의 단독 운전 상황, 즉 태양광 발전 시스템(130)에서 발전된 전력 또는 배터리(120)의 저장된 전력으로 부하(150)에 전력을 공급하다가, 상용 계통(140)이 복구된 상황이 되면, 상용 계통(140)의 전압과 단독 운전 상태의 배터리(120)의 출력 전압 사이에 위상 오차가 발생하여, 전력 관리 시스템(210)에 손상이 발생할 수 있는데 통합 제어기(114)는 이러한 문제점을 방지하기 위하여 단독 운전 방지 제어를 수행한다.
통합 제어기(114)는 전력 관리 시스템(110) 또는 에너지 저장 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 통합 제어기(114)는 상용 계통(140)의 정전 신호를 감지하고, 정전 신호를 수신한 경우 배터리(120)에 저장된 DC 전력을 부하(150)에 전달하기 위한 제어 동작을 수행한다. 일반적인 태양광 발전 인버터 시스템은 정전 발생시 시스템 전원을 셧 다운(Shot down)해야만 하므 로 정전시 PV 발전을 이용하지 못하였다. 즉, 종래의 태양광 발전 인버터 시스템은 전류모드로만 동작하기 때문에 정전시, 출력 전압의 상승을 막을 수 없어서 전체 시스템의 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 즉 MPPT 컨버터를 사용하는 태양광 발전 시스템에서는 MPPT 컨버터가 최대전력 추종 알고리즘을 이용하여 이전값을 기억하여 전류량을 조금씩 증가 또는 감소시킴으로써 서서히 최대 전력 포인트의 전류값으로 이동하는 방식을 갖기 때문에, 정전시 발생하는 순간적인 출력 전압 상승에 대응하지 못하였다.
본 발명의 일 실시 예에서, 정전 발생시 MPPT 컨버터(111) 및 양방향 인버터(112)를 오프시키고, 양방향 컨버터(113)를 이용하여 배터리(120)에 저장된 전력을 부하(150)에 공급하는 제어를 수행한다. 따라서, 통합 제어기(114)는 상용 계통(140)으로부터 정전 신호를 수신한 경우, 양방향 컨버터(113)를 온시켜 제1 노드(N1)를 정전압 제어한다. 그리고, 제1 노드(N1)의 전압을 안정적으로 제어한 후에 양방향 따라서, 정전 발생시에도 에너지 저장 시스템(100)의 UPS 기능을 안정적으로 수행할 수 있다. 또한, 통합 제어기(114)는 정전 신호를 수신한 경우 양방향 인버터(112)와 MPPT 컨버터(111)를 오프시키고, 양방향 컨버터(113)를 온시키고 나서, 양방향 인버터(112)를 온시킴으로써, 제1 노드(N1)를 정전압 제어하고 나서, 배터리(120)에 저장된 전력을 부하(150)에 공급한다. 따라서, 출력단 전압 상승을 막아 부하 손상을 막을 수 있으며, 부하보호를 위한 전체 시스템 오프도 피할 수 있다.
또한, 통합 제어기(114)는 우선적으로 양방향 컨버터(113)를 온시켜 제1 노 드(N1)의 전압을 일정하도록 제어하고 나서, 다시 MPPT 컨버터(111)를 온시켜 배터리(120)에 저장된 전력뿐만 아니라, 태양광 발전 시스템(130)에서 발전된 전력도 함께 부하(150)에 공급할 수 있다. 그리고, 태양광 발전량이 충분한 경우에는 양방향 컨버터(113)를 오프시키고, PV 발전 전력만으로 UPS 기능을 수행할 수도 있다.
또한, 통합 제어기(114)는 상용 계통(140)으로부터 정전 신호를 수신한 경우, 제2 스위치(117)를 오프시켜 계통과 접속을 차단한다. 그리고, 에너지 저장 시스템(100)의 배터리(120)에 저장된 전력을 부하(150)에 공급하는 UPS 기능을 수행하고나서, 계통이 복전되는 것을 확인하고 나서, 제2 스위치(117)를 온시켜 정상적인 계통 연계 에너지 저장 시스템(100)의 동작을 수행하도록 한다.
도 2는 도 1에 도시된 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 전력 및 제어 신호의 흐름 도이다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 내부 구성 요소들 간의 전력 흐름과 통합 제어기(114)의 제어 흐름이 도시되어 있다. 여기서, 도면번호는 동일한 부재에 대해 도면번호 200을 부여하여 설명한다. 도 2에 도시된 것처럼, MPPT 컨버터(211)에서 변환된 DC 레벨의 전압이 양방향 인버터(212)와 양방향 컨버터(213)에 공급되며, 공급된 DC 레벨의 전압이 양방향 인버터(212)에서 AC 전압으로 변환되어 상용 계통(240)에 공급되거나, 양방향 컨버터(213)에서 배터리(220)에 저장할 DC 전압으로 변환되어 BMS(215)를 통해 배터리(220)에 충전된다. 배터리(220)에 충전된 DC 전압은 양방향 컨버터(213)에서 양방향 인버터(212)에 입력 DC 전압 레벨로 변환되고, 다시 양방향 인버터(212)에서 상용 계통의 기준에 맞는 AC 전압으로 변환되어 상용 계통(240)에 공급된다.
통합 제어기(214)는 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 전체적인 동작을 제어하고, 시스템의 운전 모드, 예를 들면 발전된 전력을 계통에 공급할 것인지, 부하에 공급할 것인지, 배터리에 저장할 것인지, 계통으로부터 공급된 전력을 배터리에 저장할 것인지 여부 등을 결정한다.
통합 제어기(214)는 MPPT 컨버터(211), 양방향 인버터(212), 양방향 컨버터(213) 각각의 스위칭 동작을 제어하는 제어 신호를 전송한다. 여기서, 제어 신호는 각각의 컨버터 또는 인버터의 입력 전압에 따른 듀티 비 최적 제어를 통해 컨버터 또는 인버터의 전력 변환에 따른 손실을 최소화한다. 이를 위해, 통합 제어기(214)는 MPPT 컨버터(211), 양방향 인버터(212), 양방향 컨버터(213)의 각각의 입력단에서 전압, 전류, 온도를 감지한 신호를 제공받아, 이러한 감지 신호들을 기초로, 컨버터 제어 신호와 인버터 제어 신호를 전송한다.
통합 제어기(214)는 상용 계통(240)으로부터 계통 상황에 따른 정보, 계통의 전압, 전류, 온도 등을 포함하는 계통 정보를 제공받는다. 통합 제어기(214)는 이러한 계통 정보에 따라 상용 계통(240)의 이상 상황 발생 여부, 복전 여부 등을 판단하고, 상용 계통(240)으로의 전력 공급을 차단 제어, 복전 후 계통 연계 시 양방향 인버터(212)의 출력과 상용 계통(240)의 공급 전력의 매칭 제어를 통해 단독 운전 방지 제어를 수행한다.
통합 제어기(214)는 BMS(215)와 통신을 통해, 배터리 상태 신호, 즉 배터리의 충 방전 상태 신호를 전송받아, 이를 기초로 전체 시스템의 운전 모드를 판단한다. 또한, 운전 모드에 따라 배터리의 충 방전 제어 신호를 BMS(215)에 전송하고, BMS(215)는 이에 따라 배터리(220)의 충 방전을 제어한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 통합 제어기(214)는 상용 계통(240)으로부터 정전 신호를 수신한 경우, MMPT 컨버터(211)와 양방향 인버터(212)를 오프시키는 제어 신호로서 MPPT 컨버터(211)와 양방향 인버터(212)를 제어한다. 그리고, 양방향 컨버터(213)를 온시키고, BMS(215)를 통해 배터리(220)에 저장된 전력을 방전시키는 제어를 수행하여 정전 발생시 부하(250)의 전력 변동에 따른 제1 노드(N1)의 전압 상승을 배터리(220)에 저장된 전력의 DC 전압으로 정전압 제어하여 안정화시킨다. 그리고, 양방향 인버터(212)를 온시켜 안정적으로 부하(250)에 전력을 공급한다. 또한, 태양광 발전 전력량이 충분한 경우에는 다시 MPPT 컨버터(211)를 온시켜 발전 전력을 부하(250)에 공급할 수도 있다.
도 3은 도 1에 도시된 통합 제어기(114)의 개략적인 블록도이다.
도 3을 참조하면, 통합 제어기(114)는 마이크로 컴퓨터(300), 모니터링부(310), BMS 제어부(320) 및 제어 신호 생성부(330)를 포함한다.
도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 마이크로 컴퓨터(300)는 통합 제어기(114)의 전반적인 동작을 제어한다. 모니터링부(310)는 상용 계통(140)의 상태를 감지하여 정전 신호를 입수한다. 모니터링부(310)는 계통의 상태뿐만 아니라, MPPT 컨버터(111), 양방향 인버터(112) 및 양방향 컨버터(113)의 전압, 전류, 온도 등을 감지하고, BMS(115)를 통해 배터리(120)의 상태, 예를 들면 전압, 전류, 충방전 상태, 수명 등을 모니터링한다.
BMS 제어부(320)는 BMS(115)와 통신하여 배터리(120)의 충방전 동작을 제어 한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 정전 발생시, 배터리(120)에 저장된 전력을 방전시키는 제어를 수행한다.
제어 신호 생성부(330)는 마이크로 컴퓨터(300)의 제어에 따라 MPPT 컨버터(111), 양방향 인버터(112) 및 양방향 컨버터(113)의 온 오프 동작을 제어하는 제어 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 단계 400에서, 상용 계통을 모니터링한다. 단계 402에서, 이상 상황이 발생한다. 여기서, 이상 상황은 상용 계통의 정전을 포함하며, 기타 보수 공사 등에 의해 상용 계통의 전력 공급이 중단된 경우를 포함한다. 단계 404에서, 계통 연계 스위치를 오프시킨다. 단계 406에서, MPPT 컨버터를 오프시킨다. 단계 408에서, 양방향 인버터를 오프시킨다. 우선적으로 MPPT 컨버터와 양방향 인버터를 오프시켜 MPPT 컨버터의 출력단 또는 양방향 인버터의 입력단의 전압 상승과 부하의 손상을 차단한다. 단계 410에서, 양방향 컨버터를 온시켜 정전압 제어를 수행한다. 양방향 컨버터를 온시켜 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 양방향 인버터의 입력단의 전압 상승을 억제하는 정전압 제어를 수행한다. 그리고 단계 412 및 414에서, 양방향 인버터를 온시켜 배터리에 저장된 전력을 안정적으로 부하에 공급한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 방법과의 차이점은 PV 발전도 함께 활용한다는 점이다. 단계 510에서, 양방향 컨버터를 온시켜 배터리에 저장된 전력을 활용하여 양방향 인버터의 입력단의 전압을 안정화시키는 정전압 제어를 수행한 후, MPPT 컨버터를 서서히 온시켜 태양광 발전 전력도 함께 이용하는 UPS 기능을 수행한다.
또한, 선택적으로, 태양광 발전 전력만으로 UPS 기능을 수행하기 충분한 때에는 양방향 컨버터를 오프시켜 배터리에 저장된 전력의 공급을 차단하고, 태양광 발전 전력만을 부하에 공급할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 블록 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 계통 연계형 에너지 저장 시스템(100)의 전력 및 제어 신호의 흐름 도이다.
도 3은 도 1에 도시된 통합 제어기(114)의 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 에너지 저장 시스템 110: 전력 관리 시스템
120: 배터리 130: 신재생 발전 시스템
140: 상용 계통 150: 부하
111: MPPT 컨버터 112: 양방향 인버터
113: 양방향 컨버터 114: 통합 제어기
116: 제1 스위치 117: 제2 스위치
118: DC 링크부 115: BMS
300: 마이크로 컴퓨터 310: 모니터링부
320: BMS 제어부 330: 제어 신호 생성부
Claims (18)
- 발전 시스템으로부터 발전된 전력을 변환하여 제1 노드에 출력하는 MPPT 컨버터;상기 제1 노드와, 상용 계통 및 부하가 접속된 제2 노드 사이에 접속되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 제1 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 상기 제2 노드로 출력하고, 상기 상용 계통으로부터의 AC 전력을 상기 제1 DC 전력으로 변환하여 상기 제1 노드로 출력하는 인버터;제2 DC 전력을 저장하는 배터리;상기 배터리와 상기 제1 노드 사이에 접속되어, 상기 배터리로부터 출력되는 상기 제2 DC 전력을 상기 제1 DC 전력으로 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 인버터로 출력하고, 상기 인버터로부터 상기 제1 노드를 통해 출력된 상기 제1 DC 전력을 상기 제2 DC 전력으로 변환하는 컨버터; 및상기 상용 계통의 정전 신호를 감지하고, 상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 배터리에 저장된 제2 DC 전력을 상기 부하에 전달하기 위한 제어 동작을 수행하는 통합 제어기를 포함하고,상기 통합 제어기는,상기 제1 노드를 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 통합 제어기는,상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 컨버터를 온시켜 상기 제1 노드를 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 통합 제어기는,상기 정전 신호를 수신한 경우 상기 인버터 및 MPPT 컨버터를 오프시키고, 상기 컨버터를 온시키고 나서, 상기 인버터를 온시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 인버터와 상기 부하 사이에 접속된 제1 스위치; 및상기 제2 노드와 상기 상용 계통 사이에 접속된 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 통합 제어기는,상기 정전 신호를 수신한 경우, 상기 제2 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 통합 제어기는,상기 인버터를 온시키고 나서, 상기 MPPT 컨버터를 온시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 통합 제어기는,상기 MPPT 컨버터를 온시키고 나서, 상기 컨버터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 통합 제어기의 제어에 따라 상기 배터리에 저장된 제2 DC 전력의 충방전을 관리하는 배터리 관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 노드의 DC 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 유지하는 DC 링크부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 발전 시스템은,태양광 발전 시스템인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
- 발전 시스템, 부하, 상용 계통과 각각 접속되고,상기 발전 시스템에서 발전한 전력을 변환하여 제1 노드에 출력하는 MPPT 컨버터, 상기 발전 시스템에서 발전한 전력 또는 상기 상용 계통에서 공급된 전력을 저장하는 배터리, 상기 제1 노드의 전력을 변환하여 상기 부하 또는 상용 계통으로 출력하고, 상기 상용 계통으로부터 공급된 전력을 변환하여 상기 제1 노드에 출력하는 인버터, 상기 제1 노드의 전력을 변환하여 상기 배터리에 저장하고, 상기 배터리에 저장된 전력을 변환하여 상기 제1 노드에 출력하는 컨버터 및 통합 제어기를 포함하는 에너지 저장 시스템에서, 상기 상용 계통의 정전 발생시 상기 부하에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 시스템의 제어 방법으로서,상기 상용 계통의 정전 신호를 수신하는 단계;상기 MPPT 컨버터 및 상기 인버터를 오프시키는 단계;상기 컨버터를 온시켜 상기 제1 노드의 전압을 정전압 제어하는 단계; 및상기 인버터를 온시켜 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하에 공급하는 단계를 포함하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 컨버터는,상기 배터리에 저장된 전력의 제1 DC 전압을 제2 DC 전압으로 변환하여 상기 제1 노드의 전압을 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제1 노드의 전압이 안정화된 경우, 상기 MPPT 컨버터를 온시켜 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 컨버터를 오프시켜 상기 배터리에 저장된 전력의 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 정전 신호를 수신한 경우, 상기 상용 계통과 접속된 스위치를 오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 발전 시스템은,태양광 발전 시스템인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제1 노드의 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 안정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 배터리에 저장된 전력을 상기 컨버터에 입력하도록 상기 배터리의 방전을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
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