KR101097261B1 - 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

전력 저장 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

발전 시스템 및 계통과 연계된 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에 있어서 상기 계통의 준정상 상황에서 상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전함으로써, 이어서 이상 상황이 재발생 하더라도 부하에 안정적으로 전력을 공급하는 특징이 있다.
Figure R1020090126117
전력 저장 시스템

Description

전력 저장 시스템 및 그 제어 방법 {Energy storage system and controlling method thereof}
본 발명은 발전 시스템 및 계통과 연계된 전력 저장 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
종래의 계통이 연계된 전력 저장 시스템은 발전 시스템을 계통과 연결하여 사용한다. 즉, 발전 시스템으로부터 충분한 전력이 발생하면 부하에 전력을 공급하고, 또한 일부 전력을 계통으로 송전할 수도 있으며, 경우에 따라서는 배터리를 충전할 수도 있다. 발전 시스템으로부터 충분하지 않은 전력이 발생하면 부족한 전력을 계통으로부터 공급받거나 경우에 따라서는 배터리로부터 전력을 공급받을 수 도 있다. 이와 같이 종래의 전력 저장 시스템은 계통의 이상 상황시 배터리를 포함한 전력 저장 시스템의 각 구성 부분의 동작이 멈추고, 계통이 이상 상황에서 복구된 후 일정 시간이 지나 전력 저장 시스템의 각 구성 부분이 모두 정상화된 이후에만 배터리에 전력이 충전이 된다. 따라서, 연속적으로 계통에 이상 상황이 발생한 경우 배터리에 저장된 전력이 부족하여 부하에 전력을 공급할 수 없는 문제가 발생한다.
본 발명은 발전 시스템 및 계통과 연계된 전력 저장 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 이어서 이상 상황이 재발생 하더라도 부하에 안정적으로 전력을 공급하기 위함을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 신 에너지 또는 재생 에너지로부터 전기 에너지를 발전하는 발전 시스템; 전력을 전달하는 계통; 상기 계통, 상기 발전 시스템 또는 전력 저장 장치로부터 전력을 전달받아 소비하는 부하; 및 전력 저장 장치를 포함하며, 상기 전력 저장 장치는 상기 발전 시스템과 제1 노드 사이에 연결되어, 발전 시스템에서 발전되는 전력을 제1 노드의 DC 전압으로 변환하는 제1 전력 변환부; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 DC 전압을 DC-AC 변환하여 제2 노드로 출력하며, 상기 제2 노드의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 양방향 인버터; 배터리와 상기 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 DC 전압을 DC-DC 컨버전하여 배터리로 출력하고, 상기 배터리에서 출력된 DC 전압을 DC-DC 컨버전하여 제1 노드로 출력하는 양방향 컨버터; 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부; 상기 발전 시스템 및 상기 계통으로부터 공급된 전력으로 배터리를 충전하고, 상기 배터리를 방전하여 상기 부하 및 상기 계통으로 전력을 공급하도록 상기 전력 변환부, 상기 양방향 컨버터, 상기 양방향 인버터, 상기 배터리 관리부를 제어하는 통합 제어기 를 포함하며, 상기 통합 제어기는 상기 계통의 준정상 상황에서 상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 공급받거나 발전시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 하는, 전력 저장 시스템을 제공한다.
여기서 상기 양방향 인버터와 제2 노드 사이에 연결된 제1스위치; 및 상기 제2 노드와 상기 계통 사이에 연결된 제2 스위치; 를 더 포함하며, 상기 통합 제어기는 상기 계통의 정상 상황에서 상기 제1스위치 및 제2 스위치를 턴 온 시키고, 상기 계통의 이상 상황에서 상기 제1 스위치는 턴 온시키고, 상기 제2 스위치는 턴 오프 시키고, 상기 계통의 준정상 상황에서 상기 제1 스위치는 턴 오프 시키고, 상기 제2 스위치는 턴 온 시킨다.
여기서 상기 준정상 상황은 상기 계통의 이상 상황에서 상기 계통이 복구된 후, 상기 정상 상황으로 되기 전의 상황이다.
여기서 상기 배터리와 상기 계통 사이에 연결되어, 상기 준정상 상황에서 상기 계통으로부터의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 상기 배터리로 출력하는 제2 전력 변환부; 를 더 포함한다.
여기서 상기 통합 제어기는 상기 준정상 상황에서 상기 배터리 관리부를 제어하여 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하고, 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 상기 배터리 관리부 및 상기 제2 전력 변환부를 제어한다.
여기서 상기 통합 제어기는 상기 준정상 상황에서 상기 배터리 관리부를 제 어하여 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하고, 상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 상기 제1 전력 변환부, 상기 양방향 컨버터 및 상기 배터리 관리부를 제어한다.
여기서 상기 발전 시스템은 태양열, 태양광과 같은 태양 에너지, 풍력, 지열, 수력, 해양력 또는 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
여기서 상기 발전 시스템이 태양 발전 시스템이고, 상기 제1 전력 변환부는 MPPT 알고리즘을 이용하여 상기 태양 발전 시스템으로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록 발전 전압 레벨을 조절한다.
여기서 상기 제1 노드와 상기 양방향 인버터 사이에 연결되며, 상기 제1 노드의 전압을 안정화하는 DC 전압 안정화부; 를 더 포함한다.
여기서 상기 계통의 정상 상황에서 상기 통합 제어기는 상기 제1 전력 변환부, 상기 양방향 인버터, 상기 양방향 컨버터 및 상기 배터리 관리부를 제어하여, 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하 또는 상기 계통으로 공급하며, 상기 배터리를 충전하고, 상기 계통으로부터의 전력을 상기 배터리에 저장하며, 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하 또는 상기 계통으로 공급한다.
여기서 상기 계통의 이상 상황에서 상기 통합 제어기는 제1 전력 변환부, 양방향 인버터, 양방향 컨버터 및 배터리 관리부 및 제1스위치, 제2스위치를 제어하여, 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하로 공급하고 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하며, 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 배터리에 저장한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 발전 시스템, 계통, 부하 및 전력 저장 장치를 포함하며, 상기 전력 저장장치는 배터리 셀, 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부, 및 상기 부하 및 상기 계통을 연결하는 제1스위치 및 제2 스위치 및 상기 배터리 관리부, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는 통합 제어기를 포함하는, 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 계통의 이상 상황을 모니터링하는 단계; 상기 계통의 이상 상황이 발생한 경우, 상기 통합 제어기가 상기 제1 스위치 및 상기 제2스위치를 제어하여 상기 계통과의 연계를 차단하는 단계; 및 상기 계통의 이상 상황이 복구되어 준정상 상황이 된 경우, 상기 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계; 를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법을 제공한다.
여기서 상기 이상 상황이 발생하는 경우, 상기 배터리에 충전된 전력을 상기 부하로 공급하거나 발전시스템에서 발전한 전력을 공급하는 단계; 를 더 포함한다.
여기서 상기 준정상 상황에서 상기 통합 제어기가 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제어하여 상기 부하와의 연계를 차단하는 단계; 및 상기 복구된 계통이 상기 부하에 전력을 공급하는 단계; 를 더 포함한다.
여기서 상기 준정상 상황에서, 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하는 단계; 및 상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계; 를 포함한다.
여기서 상기 준정상 상황에서, 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하는 단 계; 및 상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계; 를 더 포함한다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법을 통하여, 이어서 이상 상황이 재발생 하더라도 부하에 안정적으로 전력을 공급하는 장점이 있다.
본 발명은 다양한 변환을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것 으로, 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.
이하, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 전력 저장 시스템(1000)의 일 실시 예를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 전력 저장 시스템(1000)은 발전 시스템(100), 부하(200), 계통(300) 외에, 제1 전력 변환부(410), DC 전압 안정화부(420), 양방향 인버터(430), 양방향 컨버터(440), 배터리 관리부(450), 배터리(460), 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제2 전력 변환부(470) 및 통합 제어기(480)를 구비하는 전력 저장 장치(400)를 포함한다.
도 1에서 각 구성 요소들 간의 전력 흐름은 실선으로 제어 신호는 점선으로 표시한다.
발전 시스템(100)은 신 에너지 또는 재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발전한다. 발전 시스템(100)은 태양열, 태양광과 같은 태양 에너지, 풍력, 지열, 수력, 해양력 또는 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
부하(200)는 발전 시스템(100), 계통(300) 또는 전력 저장 장치(400)의 배터리(460)로부터 전력을 전달받아 소비한다. 예를 들어 부하(200)는 전력을 공급받아 소비하는 집, 건물, 공장 등의 시설일 수 있다.
계통(300)은 발전소, 변전소 및 송전선을 포함하는 전기적인 연계(grid)이다. 본 발명에서는 계통(300)의 정상 상황, 이상 상황, 준정상 상황을 구별한다. 계통(300)의 정상 상황이란, 계통(300)에 문제가 발생하지 않아 계통(300)이 전력 전달 기능을 수행할 수 있는 정상적인 상황이다. 계통(300)의 이상 상황이란 계통(300)에 지락, 단락 사고, 정전이 발생하거나, 배전선의 수리 등의 상황으로 계통(300)의 정상적인 동작이 불가능한 경우이다. 계통(300)의 이상 상황에서 전력 저장 장치와 계통의 연계가 차단되어야만, 작업자의 감전과 같은 사고를 방지할 수 있다. 계통(300)의 준정상 상황이란, 상기 계통(300)의 이상 상황에서 상기 계통(300)이 복구된 후, 상기 정상 상황으로 되기 전의 상황이며, 보통 수 초(sec) 내지 수 분(min) 동안 지속된다. 예를 들어, 준정상 상황은 5분에서 10분 동안 지속될 수 있다. 본 발명에 의하면 계통(300)의 준정상 상황에서, 복구된 계통(300)으로부터의 직접 전력을 전달받아 배터리(460)를 충전할 수 있다.
제1 전력 변환부(410)는 상기 발전 시스템(100)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 제1 전력 변환부(410)는 발전 시스템(100)에서 생산된 전력(electric power)을 변환하여 제1 노드(N1)로 전달한다. 제1 전력 변환부(410)의 동작은 발전 시스템(100)에서 발전하는 전압의 종류에 따라 변화한다. 예를 들어 발전 시스템(100)이 AC 전압을 발전하는 경우 제1 전력 변환부(410)는 상기 AC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 또한 발전 시스템(100)에서 DC 전압을 발전하는 경우 제1 전력 변환부(410)는 상기 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다.
양방향 인버터(430)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된다. 양방향 인버터(430)는 발전 시스템(100)으로부터 제1 전력 변환부(410)를 거쳐 출력되는 DC 전압 또는 배터리(460)로부터 양방향 컨버터(440)를 거쳐 출력되는 DC 전압을 부하(200) 또는 계통(300)에 공급하기 위한 AC 전압으로 변환한다. 또한 계통(300)에서 출력되는 AC 전압을 배터리(460)에 저장하기 위하여 DC 전압으로 정류한다. 예를 들어 양방향 인버터(430)는 풀 브리지 인버터와 고주파제거를 위한 필터로 구성될 수 있다. 그 외에도 다양한 형태의 양방향 인버터(430)가 적용될 수 있다.
양방향 컨버터(440)는 배터리(460)와 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 양방향 컨버터(440)는 상기 제1 전력 변환부(410) 또는 양방향 인버터(430)에서 출력된 DC 전압을 배터리(460)로 전달하기 위한 전압으로 DC-DC 컨버전한다. 또한 배터리(460)부터 출력되는 DC 전압을 제1 노드(N1)의 전압으로 DC-DC 컨버전한다. . 예를 들어 제1 노드(N1)의 전압 레벨인 380V이고, 배터리(460)를 충전하기 위하여 요구되는 전압레벨이 100V인 경우에, 380V의 DC 전압을 100V의 DC 전압으로 감압하여 배터리(460)를 충전하고, 100V의 DC 전압을 380V의 DC 전압으로 승압하여 부 하(200) 또는 계통(300)으로 공급한다.
DC 전압 안정화부(420)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(430) 사이에 연결된다. DC 전압 안정화부(420)는 제1노드(N1)의 전압 레벨을 DC 링크 전압 레벨로 안정화 하는 역할을 한다. 제1노드(N1)의 전압 레벨은 발전 시스템(100)에서 생산되는 전력의 급격한 변화 또는 계통(300)에서 발생하는 순시 전압 강하로 인하여 불안정해 질 수 있다. 그러나 제1노드(N1)의 전압은 양방향 인버터(430) 및 양방향 컨버터(440)의 안정적인 동작을 위하여 일정하게 유지되어야 하므로, DC 전압 안정화부(420)가 필요하다. DC 전압 안정화부(420)는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer capacitor), 대전류용 적층 칩 커패시터(multi layer ceramic capacitor) 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)로 구현될 수 있다.
제1 스위치(S1)는 양방향 인버터(430)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된다. 제2 스위치(S2)는 제2 노드(N2)와 계통(300) 사이에 연결된다. 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 통합 제어기(480)의 제어에 따라 턴 온 또는 턴 오프된다. 예를 들어, 상기 계통(300)의 정상 상황에서 통합 제어기(480)는 상기 제1스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 턴 온 시켜 부하(200)와 계통(300)을 전력 저장 장치(400)와 연계시킨다. 또한 상기 계통(300)의 이상 상황에서 통합 제어기(480)는 상기 제1 스위치(S1)를 턴 온시키고, 상기 제2 스위치(S2)를 턴 오프 시켜, 전력 저장 장치(400)와 부하(200)는 연계시키나, 계통(300)과는 차단한다. 본 발명에 의하면, 계통(300)의 준정상 상황에서 통합 제어기(480)는 상기 제1 스위치(S1)를 턴 오프 시키고, 제2 스위치(S2)는 턴 온 시켜 전력 저장 장치(400)와 부하(200)의 연결을 차단한다 . 그러나 제2 스위치(S2)를 턴 온함으로써, 복구된 계통(300)과 부하(200)는 연계되므로 부하(200)는 계통(300)으로부터 직접 전력을 공급 받을 수 있다. 무엇보다 본 발명에 의하면 계통(300)과 배터리 관리부(450) 및 배터리(460)를 가 연계되는 경로를 통하여, 복구된 계통(300)으로부터의 전력을 배터리(460)에 저장한다.
배터리(460)는 발전 시스템(100) 또는 계통(300)으로부터 전력을 공급받아 충전되며, 부하(200) 또는 계통(300)으로 전력을 공급한다. 배터리(460)는 복수개의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있다. 상기 배터리 셀은 충방전이 가능한 2차 전지인, 니켈 카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납축전지, 니켈-수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 니켈 아연 전지(nickel zinc battery)등 일 수 있다. 배터리(460)의 충전 및 방전 동작은 배터리 관리부(450)로부터 제어된다.
배터리 관리부(450)(BMS; battery management system)는 배터리(460)와 양방향 컨버터(440) 사이에 연결된다. 배터리 관리부(450)는 통합 제어기(480)의 제어하에 배터리 셀의 충방전 동작을 제어한다. 배터리 관리부(450)는 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 센싱하여 SOC(state of charge), SOH (state of health )를 계산하여 충방전 제어를 수행한다. 배터리 관리부(450)는 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 검출하여 과충전, 과방전, 과전압, 과전류, 과열을 판단하고, 충방전 금지, 강제 방전, 냉각 등을 수행하는 보호 회로를 포함할 수 있다.
제2 전력 변환부(470)는 상기 배터리(460)와 상기 계통(300) 사이에 연결된다. 제2 전력 변환부(470)는 계통(300)의 준정상 상황에서 상기 계통(300)으로부터의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 상기 배터리(460)로 출력한다. 본 발명에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이 제2 전력 변환부(470)는 전력 저장 장치(400)에 포함되어 통합 제어기(480)의 제어 하에 동작 될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 제2 전력 변환부(470)는 전력 저장 장치(400)에 포함되지 않고, 통합 제어기(480)의 제어를 받지 않는 별개의 요소일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전력 변환부(470)는 전력 저장 장치(400)와 별개로, 계통(300)과 배터리(460) 사이에 연결되어 준정상 상황에서 상기 계통(300)으로부터의 전압을 변환하여 배터리(460)로 전달할 수 있다. 또한 상기 제2 전력 변환부(470)는 배터리 관리부(450)와 일체로 구현될 수도 있으며, 그 외에도 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
통합 제어기(480)는 전력 저장 장치(400)의 전반적인 동작을 제어한다. 통합 제어기(480)는 제1 전력 변환부(410), 양방향 인버터(430), 양방향 컨버터(440) 및 제2 젼력 변환부(470)로부터 센싱된 전압, 전류, 온도 센싱 신호를 입력 받아, 알고리즘을 통하여 변환 효율을 제어한다. 또한 통합 제어기(480)는 계통(300)의 전압, 전류, 온도, AC 위상 등을 추출하여 계통(300)이 정상 상황, 이상 상황, 준정상 상황인지 모니터링한다. 또한 계통(300)의 상황에 따라 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 제어한다. 또한 통합 제어기(480)는 배터리 관리부(450)를 통하여 배터리(460) 상태를 감시한다. 본 발명에 의하면 통합 제어기(480)는 준정상 상황에 서 배터리 관리부(450)를 제어하여 배터리(460)의 잔여 전력량을 확인할 수 있다. 통합 제어기(480)는 상기 계통(300)의 상황 및 배터리(460)의 잔여 전력량에 따라, 발전 시스템(100), 배터리(460), 부하(200) 또는 계통(300)으로의 전력 경로가 다르게 발생하므로, 통합 제어기(480)는 각 전력 경로에 포함된 구성 모듈을 제어한다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 3a 내지 도 3 c 를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 전력 저장 시스템(1000)의 다른 실시 예를 나타낸 블록도이다.
도 2를 통해 제시되는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 전력 저장 시스템(1001)은 도 1에 제시된 전력 저장 시스템(1000)에 비해 발전 시스템(100), 제1 전력 변환부(410) 및 제2 전력 변환부(470)만 상이한 것에 그 특징이 있다. 따라서 도 1의 전력 저장 시스템(1000)의 구성 요소와 대응되는 구성 요소는 도 1의 전력 저장 시스템(1000)에서 설명한 바와 동일 또는 유사한 기능을 수행하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 발전 시스템은 태양 발전 시스템(101) 이다. 이 경우, 태양광을 받아 직류 전력를 생산하는 태양 전지 모듈을 직, 병렬로 연결한 태양 전지 어레이(array)를 포함할 수 있다.
발전 시스템이 태양 발전 시스템(101) 인 경우, 제1 전력 변환부는 MPPT(maximum power point tracker) 컨버터(411) 일 수 있다. MPPT 컨버터(411)는 효율적인 DC-DC 변환을 수행하기 위하여, 상기 태양 발전 시스템(101)로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록 발전 전압 레벨을 조절한다.
제2 전력 변환부 정류기(rectifier)(471) 이며, 계통으로부터의 교류 전압을 배터리에 저장하기 위한 직류 전압으로 변환하는 반파 정류기, 단파 정류기, 브릿짓 정류기 등으로 구현될 수 있다.
도 3a 내지 도 3 c는 본 발명의 전력 저장 시스템(1000)의 전력 흐름을 도시한 설명도이다. 도 3a 내지 도 3 에서는 도 1의 전력 저장 시스템(1000)을 간략히 도시하였다.
도 3a는 계통(300)의 정상 상황에서 전력 저장 시스템(1000)의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
계통(300)의 정상 상황에서, 통합 제어기(480)는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 턴 온한다. 통합 제어기(480)는 제1 전력 변환부(410), 양방향 인버터(430), 양방향 컨버터(440) 및 배터리 관리부(450)를 제어하여, 발전 시스템(100)에서 발전된 전력을 부하(200)로 공급하며, 필요에 따라 계통(300)으로 매전한다. 또한 이상 상황에 대비하여 배터리(460)를 충전한다. 통합제어기(480)는 양방향 인버터(430), 양방향 컨버터(440) 및 배터리 관리부(450)를 제어하여, 계통(300)으로부터의 전력을 배터리(460)에 저장할 수도 있다. 필요에 따라 통합 제어기(480)는 배터리 관리부(450), 양방향 컨버터(440), 및 양방향 인버터(430)를 제어하여 배터리(460)에 저장된 전력을 부하(200)로 공급하거나, 계통(300)으로 매전할 수 있다. 또한 제2 스위치(S2)가 턴 온 되어 있으므로, 계통(300)은 직접 부하(200)로 전력을 공급할 수 있다.
도 3b는 계통(300)의 이상 상황에서 전력 저장 시스템(1000)의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
통합 제어기(480)는 계통(300)을 모니터링하며, 계통(300)의 이상 상황에서 제1 스위치(S1)를 턴 온 하고, 제2 스위치(S2)를 턴 오프 한다. 이로써 전력 저장 장치(400)와 계통(300)과의 연계가 차단된다. 발전 시스템(100)에서 전력 발전이 가능한 경우, 통합 제어기(480)는 제1 전력 변환부(410), 양방향 인버터(430)를 제어하여 발전 시스템(100)에서 발전된 전력을 부하(200)로 공급한다. 또한 발전 시스템(100)에서 전력을 발전할 수 없는 경우 또는 발전 시스템(100)에서 발전한 전력의 양이 충분하지 않은 경우, 통합 제어기(480)는 배터리 관리부(450), 양방향 컨버터(440) 및 양방향 인버터(430)를 제어하여 배터리(460)에 저장된 전력을 부하(200)로 공급한다. 발전 시스템(100)에서 발전한 전력의 양이 부하(200)에 공급하고도 남을 정도로 충분한 경우, 통합 제어기(480)는 제1전력 변환부(410), 양방향 컨버터(440) 및 배터리 관리부(450)를 제어하여 발전 시스템(100)에서 발전된 전력을 배터리(460)에 저장할 수 있다. 이상 상황에서는 제2 스위치(S2)가 턴 오프되어 있으므로, 계통(300)이 직접 부하(200)로 전력을 공급할 수는 없다.
도 3c는 계통(300)의 준정상 상황에서 전력 저장 시스템(1000)의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
통합 제어기(480)는 계통(300)을 모니터링 하여 계통(300)이 복구되어 준정상 상황인지 감지한다. 계통(300)의 준정상 상황이란, 계통(300)이 복구되고 정상 상황으로 되기 전 약 5~10분 정도에 해당하는 상황이다. 준정상 상황에서는 작업자의 안전을 위하여 계통(300)이 복구되었으나, 계통(300)을 전력 저장 장치(400)와 바로 연계하지 않는다. 통합 제어기(480)는 준정상 상황에서 제1 스위치(S1)를 턴 오프시키고, 제2 스위치(S2)를 턴 온 시킨다. 준정상 상황에서는 제2 스위치(S2)가 턴 온되므로 복구된 계통(300)은 부하(200)에 직접 전력을 공급한다. 준정상 상황에서 통합 제어기(480)는 배터리(460)에 저장된 전력이 충분한지 판단한다. 왜냐하면, 이상 상황에서 이미 배터리(460)의 전력을 소모하였으므로 배터리(460)에 저장된 전력이 부족할 수 있기 때문이다. 무엇보다, 이상 상황이 이어서 재발생할 경우를 대비하여 배터리(460)에 충분한 전력을 확보해야 한다. 따라서, 만약 배터리(460)에 저장된 전력이 충분하지 않은 경우, 통합 제어기(480)는 제2 전력 변환부(470)를 제어하여 복구된 계통(300)으로부터의 전력을 배터리(460)에 저장한다. 이로부터 계통(300)에 다시 이상 상황이 발생하더라도 배터리(460)에 전력이 저장되어 있어 부하(200)에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 특징이 있다. 또한, 발전 시스템(100)에서 전력을 발전할 수 있는 경우, 통합 제어기(480)는 제1전력 변환부(410), 양방향 컨버터(440) 및 배터리 관리부(450)를 제어하여 발전 시스템(100)에서 발전된 전력을 배터리(460)에 저장할 수도 있다.
도 4 는 도 1에 의한 전력 저장 시스템(1000)의 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
통합 제어기(480)는 계통(300)을 모니터링한다. 예를 들어, 통합 제어기(480)는 계통(300)의 전압, 전류, 온도, AC 위상 등을 추출하여 계통(300)이 정상 상황, 이상 상황, 준정상 상황인지 모니터링한다. (S401)
계통이 정상 상황인 경우,(S402) 통합 제어기(480)는 제1 스위치(S1)를 턴 온하고, 제2 스위치(S2)를 턴 온하여 발전 시스템(100)에서 발전한 전력 또는 계통(300)에서 공급되는 전력이 배터리(460)에 저장된다. (S403)
계통(300)에 이상 상황이 발생한 경우(S404), 통합 제어기(480)는 제1 스위치(S1)를 턴 온하고, 제2 스위치(S2)를 턴 오프하여 계통(300)과 연계를 차단한다. (S405)
계통(300)의 이상 상황에서 배터리(460)에 저장된 전력이 부하(200)에 공급된다. (S406) 이로써 전력 저장 장치는 무정전 전원 장치(UPS; Uninterruptible power system)의 기능을 한다. 만약, 발전 시스템(100)에서 전력 발전이 가능한 경우, 발전 시스템(100)에서 발전한 전력을 부하(200)에 공급할 수도 있다. 하지만 발전 시스템(100)에서 전력을 발전할 수 없는 경우 또는 발전 시스템(100)에서 발전한 전력의 양이 충분하지 않은 경우 배터리(460)에 저장된 전력만 부하(200)에 공급된다.
계통(300)이 복구되고, 준정상 상황 동안 (S407), 통합 제어기(480)는 제1스위치(S1)를 턴 오프하고, 제2 스위치(S2)를 턴 온한다.
제2 스위치(S2)가 턴 온되어 계통(300)과 부하(200)가 연계됨으로써, 준 정상 상황 동안 복구된 계통(300)은 부하(200)에 전력을 공급할 수 있다. (S408)
그러나 상기 준정상 상황 동안, 이상 상황에서 배터리(460)에 저장된 전력을 대부분 소비한 상태이므로, 이어서 이상 상황이 다시 발생했을 때, 부하(200)에 전원을 안정적으로 공급할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에 의하면 준정상 상태에서 복구된 계통(300)으로부터 직접 전력을 공급받아 배터리(460)를 충전 하는 특징이 있다.
준정상 상황 동안, 통합 제어기(480)는 배터리(460)의 잔여 전력량을 확인한다. (S409)
배터리(460)의 잔여 전력량이 충분하지 않은 경우(S410), 계통(300)으로부터 직접 전력을 공급받아 배터리(460)를 충전한다.(S411) 또한 발전 시스템(100)에서 전력 발전이 가능한 경우(S412)에는 발전 시스템으(100)로부터도 전력을 공급받아 배터리(460)를 충전할 수 있다. (S413)
배터리(460)의 잔여 전력량이 충분한 경우(S411), 정상 상황이 되었을 때, 발전 시스템(100) 또는 계통(300)에서 공급되는 전력을 배터리(460)에 저장할 수 있다. (S402, S403)
여기서 배터리(460)의 잔여 전력량이 충분하지 않은 경우란, 배터리(460)의 잔여 전력량이 기준 레벨에 미달한 경우를 의미할 수 있다. 또한, 배터리(460)가 충전 하한치에 도달한 상태 또는 일정 시간동안 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 없는 상태를 의미할 수 있다. 또한 배터리(460)의 잔여 전력량이 충분한 경우란, 배터리(460)의 잔여 전력량이 기준 레벨을 초과하는 상태를 의미할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 배터리(460)가 일정 시간동안 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 상태를 의미할 수 있다.
본 발명에 의하면, 준정상 상황에서, 배터리(460)의 잔여 전력량을 확인하고 복구된 계통(300)으로부터 직접 전력을 공급받아 배터리(460)를 충전함으로써, 연속적으로 계통에 이상 상황이 발생하더라도 안정적으로 부하(200)에 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 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.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명에 의한 전력 저장 시스템의 일 실시 예를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 전력 저장 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 블록도이다.
도 3a는 계통의 정상 상황에서 전력 저장 시스템의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
도 3b는 계통의 이상 상황에서 전력 저장 시스템의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
도 3c는 계통의 준정상 상황에서 전력 저장 시스템의 전력 흐름을 도시한 설명도 이다.
도 4 는 도 1에 의한 전력 저장 시스템의 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
1000 : 전력 저장 시스템
100 : 발전 시스템
200 : 부하
300 : 계통
460 : 배터리
480 : 통합제어기

Claims (16)

  1. 신 에너지 또는 재생 에너지로부터 전기 에너지를 발전하는 발전 시스템, 계통, 및 전력을 소비하는 부하와 연결되는 전력 저장 시스템으로서,
    상기 전력 저장 시스템은,
    상기 발전 시스템과 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 발전 시스템에서 발전되는 전력을 제1 노드의 DC 전압으로 변환하는 제1 전력 변환부;
    상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 DC 전압을 DC-AC 변환하여 제2 노드로 출력하며, 상기 제2 노드의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 인버터;
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리와 상기 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 DC 전압을 DC-DC 컨버전하여 배터리로 출력하고, 상기 배터리에서 출력된 DC 전압을 DC-DC 컨버전하여 제1 노드로 출력하는 컨버터;
    상기 배터리의 충방전을 제어하는 배터리 관리부; 및
    상기 발전 시스템 및 상기 계통으로부터 공급된 전력으로 배터리를 충전하고, 상기 배터리를 방전하여 상기 부하 및 상기 계통으로 전력을 공급하도록 상기 전력 변환부, 상기 컨버터, 상기 인버터, 상기 배터리 관리부를 제어하는 통합 제어기를 포함하며,
    상기 통합 제어기는, 상기 계통이 이상 상황으로부터 복구된 후 정상 상황으로 되기 전인, 준정상 상황에서 상기 배터리의 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 하는, 전력 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서
    상기 인버터와 제2 노드 사이에 연결된 제1스위치; 및
    상기 제2 노드와 상기 계통 사이에 연결된 제2 스위치;
    를 더 포함하며,
    상기 통합 제어기는 상기 계통의 정상 상황에서 상기 제1스위치 및 제2 스위치를 턴 온 시키고, 상기 계통의 이상 상황에서 상기 제1 스위치는 턴 온시키고, 상기 제2 스위치는 턴 오프 시키고, 상기 계통의 준정상 상황에서 상기 제1 스위치는 턴 오프 시키고, 상기 제2 스위치는 턴 온 시키는, 전력 저장 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 계통 사이에 연결되어, 상기 준정상 상황에서 상기 계통으로부터의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 상기 배터리로 출력하는 제2 전력 변환부;
    를 더 포함하는, 전력 저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서
    상기 통합 제어기는
    상기 준정상 상황에서 상기 배터리 관리부를 제어하여 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하고,
    상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 상기 배터리 관리부 및 상기 제2 전력 변환부를 제어하는 전력 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 통합 제어기는
    상기 준정상 상황에서 상기 배터리 관리부를 제어하여 상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하고,
    상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하도록 상기 제1 전력 변환부, 상기 컨버터 및 상기 배터리 관리부를 제어하는, 전력 저장 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발전 시스템은
    태양열, 태양광과 같은 태양 에너지, 풍력, 지열, 수력, 해양력 또는 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 전력 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발전 시스템이 태양 발전 시스템이고,
    상기 제1전력 변환부는 MPPT 알고리즘을 이용하여 상기 태양 발전 시스템으로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록 발전 전압 레벨을 조절하는, 전력 저장 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 인버터 사이에 연결되며, 상기 제1 노드의 전압을 안정화하는 DC 전압 안정화부;
    를 더 포함하는 전력 저장 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 계통의 정상 상황에서
    상기 통합 제어기는
    상기 제1 전력 변환부, 상기 인버터, 상기 컨버터 및 상기 배터리 관리부를 제어하여,
    상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하 또는 상기 계통으로 공급하며, 상기 배터리를 충전하고, 상기 계통으로부터의 전력을 상기 배터리에 저장하며, 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하 또는 상기 계통으로 공급하는 전력 저장 시스템.
  11. 제1항에 있어서
    상기 계통의 이상 상황에서
    상기 통합 제어기는
    상기 제1 전력 변환부, 상기 인버터, 상기 컨버터, 및 상기배터리 관리부를 제어하여,
    상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 부하로 공급하고 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하며, 상기 발전 시스템에서 발전된 전력을 상기 배터리에 저장하는 전력 저장 시스템.
  12. 발전 시스템 및 계통과 연계되어 부하에 전력을 공급하며, 전력을 저장하는 배터리를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 계통의 이상 상황을 모니터링하는 단계;
    상기 계통의 이상 상황이 발생한 경우, 상기 계통과의 연계를 차단하는 단계;
    상기 계통의 이상 상황이 복구되어 정상 상황이 되기 전인 준정상 상황이 된 경우, 상기 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계;
    를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이상 상황이 발생하는 경우,
    상기 배터리에 충전된 전력을 상기 부하로 공급하거나 상기 발전 시스템에서 발전한 전력을 상기 부하로 공급하는 단계;
    를 더 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서
    상기 준정상 상황에서
    상기 부하와의 연계를 차단하는 단계; 및
    상기 복구된 계통으로부터의 전력을 상기 부하에 공급하는 단계;
    를 더 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서
    상기 준정상 상황에서,
    상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하는 단계; 및
    상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 계통으로부터 직접 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계;
    를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 준정상 상황에서,
    상기 배터리의 잔여 전력량을 확인하는 단계; 및
    상기 배터리의 상기 잔여 전력량이 부족한 경우, 상기 발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 단계;
    를 더 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
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