KR101116430B1 - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생 에너지부와 배터리가 병렬로 연결되는 양방향 컨버터를 구비함으로써, 회로 구현을 위한 소자의 수를 감소시키고 PCB의 크기를 줄일 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
일예로, 신재생 에너지 전력을 공급하는 신재생 에너지부; 배터리 전력을 공급하는 배터리; 상기 신재생 에너지부와 배터리가 병렬로 연결되는 적어도 하나의 양방향 컨버터; 및 상기 양방향 컨버터에 연결되며, 전력 계통 전압을 공급하는 전력 계통을 포함하며, 상기 양방향 컨버터는 상기 신재생 에너지 전력, 배터리 전력 및 계통 전력 중 어느 하나의 전압을 승압하거나 강압하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템이 개시된다.

Description

에너지 저장 시스템 {Energy Storage System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
최근 태양 전지와 전력 계통이 서로 연계되어 부하(load)에 전력을 공급하고, 부하에 공급하고 남은 잉여 전력을 이차 전지에 저장하는 에너지 저장 시스템이 개발되고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 태양 전지, 전력 계통, 이차 전지 및 부하 사이에서 전력을 원활하게 공급하기 위해 DC(Direct current) 전력을 DC 전력으로 컨버팅하는 다수의 컨버터와, DC 전력을 AC(Alternating current) 전력으로 또는 AC 전력을 DC 전력으로 인버팅하는 인버터를 구비하고 있다.
이와 같이 에너지 저장 시스템은 다수의 컨버터 및 인버터를 구비하고 있기 때문에, 회로 구현을 위한 소자의 수를 증가시키며 인쇄 회로 기판(Printed Circuit board; PCB)의 크기를 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 신재생 에너지부와 배터리가 병렬로 연결되는 양방향 컨버터를 구비함으로써, 회로 구현을 위한 소자의 수를 감소시키고 PCB의 크기를 줄일 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지 전력을 공급하는 신재생 에너지부; 배터리 전력을 공급하는 배터리; 상기 신재생 에너지부와 배터리가 병렬로 연결되는 적어도 하나의 양방향 컨버터; 및 상기 양방향 컨버터에 연결되며, 전력 계통 전압을 공급하는 전력 계통을 포함하며, 상기 양방향 컨버터는 상기 신재생 에너지 전력, 배터리 전력 및 계통 전력 중 어느 하나의 전압을 승압하거나 강압하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 상기 신재생 에너지부와 양방향 컨버터 사이에 연결되는 제 1 선택 스위치와, 상기 배터리와 양방향 컨버터 사이에 연결되는 제 2 선택 스위치를 갖는 선택 스위치부; 상기 양방향 컨버터와 상기 전력 계통 사이에 연결되며, 부하 전력을 소비하는 부하; 및 상기 양방향 컨버터와 선택 스위치부의 동작을 제어하는 통합 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 통합 제어기는 상기 신재생 에너지 전력을 감지하면, 상기 제 1 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 양방향 컨버터가 상기 신재생 에너지 전력을 승압하여 상기 부하에 공급되게 할 수 있다.
상기 통합 제어기는 상기 신재생 에너지 전력이 상기 부하 전력보다 큰 것으로 판단하면, 상기 부하에 공급하고 남은 신재생 에너지 전력의 나머지 전력을 상기 전력 계통에 공급되게 할 수 있다.
상기 통합 제어기는 상기 신재생 에너지 전력이 상기 부하 전력보다 작은 것으로 판단하면, 상기 신재생 에너지 전력과 상기 계통 전력을 상기 부하에 공급되게 할 수 있다.
상기 통합 제어기는 상기 신재생 에너지 전력을 감지하지 못하면, 상기 제 2 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 양방향 컨버터가 상기 계통 전력을 강압하여 상기 배터리에 공급되게 할 수 있다.
상기 통합 제어기는 상기 전력 계통의 정전을 감지하면, 상기 제 1 선택 스위치와 제 2 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 양방향 컨버터가 상기 신재생 에너지 전력과 배터리 전력을 승압하여 상기 부하에 공급되게 할 수 있다. 이때, 상기 통합 제어기는 상기 신재생 에너지 전력이 상기 부하 전력보다 큰 것으로 판단하면, 상기 양방향 컨버터가 상기 부하에 공급하고 남은 신재생 에너지 전력의 남은 전력을 강압하여 상기 배터리에 공급되게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 상기 양방향 컨버터와 부하 사이에 연결되는 DC(Direct Current) 링크; 상기 DC 링크와 부하 사이에 연결되는 양방향 인버터; 및 상기 부하와 전력 계통 사이에 연결되는 계통 연계기를 포함하며, 상기 통합 제어기는 상기 양방향 인버터와 계통 연계기의 동작을 제어할 수 있다.
상기 양방향 컨버터는 상기 신재생 에너지부의 제 1 단자와 상기 배터리의 제 1 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 DC 링크의 제 1 단자와 연결되는 제 2 단자를 포함하는 코일; 상기 신재생 에너지부의 제 2 단자와 상기 배터리의 제 2 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 코일의 제 2 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 1 스위치; 및 상기 코일의 제 2 단자와 상기 제 1 스위치의 제 2 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 DC 링크의 제 1 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위치는 상기 제 1 스위치의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 상기 제 1 스위치의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 포함하는 기생 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 스위치는 상기 제 2 스위치의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 상기 제 2 스위치의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 포함하는 기생 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 선택 스위치는 상기 신재생 에너지부의 제 1 단자와 상기 코일의 제 1 단자 사이에 연결되며,상기 제 2 선택 스위치는 상기 배터리의 제 1 단자와 상기 코일의 제 1 단자 사이에 연결될 수 있다.
상기 통합 제어기는 일사량 또는 온도의 변화에 따라 상기 신재생 에너지부의 최대 전력점을 추종하는 알고리즘을 내장하는 최대 전력점 추종 제어부를 포함할 수 있다.
상기 신재생 에너지부는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 및 지열 중 선택된 어느 하나로 발전을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지부와 배터리가 병렬로 연결되는 양방향 컨버터를 구비함으로써, 회로 구현을 위한 소자의 수를 감소시키고 PCB의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 제조 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 신재생 에너지부, 배터리, 양방향 컨버터, 선택 스위치부 및 DC 링크의 상세 회로도이다.
도 3은 도 1의 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지 전력을 부하로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 1의 에너지 저장 시스템에서 계통 전력을 배터리로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 1의 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지 전력과 배터리 전력 을 부하로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 6은 태양 전지의 전압에 따른 전력을 측정한 그래프이다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 신재생 에너지부, 배터리, 양방향 컨버터, 선택 스위치부 및 DC 링크의 상세 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 전원 공급부부(110), 배터리(120), BMS(Battery Management System)(125), 공통 컨버터(130), 선택 스위치부(135), DC(Direct Current) 링크(140), 인버터(150), 부하(160), 전력 계통(170), 계통 연계기(175) 및 통합 제어기(180)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(110)는 태양 전지, 풍력 발전소, 조력 발전소 또는 지열 발전소로 구성될 수 있다. 상기 전원 공급부(110)는 태양열, 태양광, 풍력, 조력 또는 지열처럼 자연 상태에서 만들어진 에너지를 전기 에너지로 생성하여 신재생 에너지 전력을 공급한다. 여기서, 상기 신재생 에너지 전력은 DC 전력일 수 있다. 상기와 같이 전원 공급부(110)는 자연 상태에서 만들어진 에너지를 전기 에너지로 생성하여 신재생 에너지 전력을 공급하는 역할을 하므로, 본 발명의 실시예에서는, 발명의 이해를 돕기 위해 전원 공급부(110)를 신재생 에너지부로 명명하여 설명하도록 하며, 상기 신재생 에너지부(110)가 태양 전지로 구성되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 도 2에서 상기 신재생 에너지부(110)는 제 1 단자(+)와 제 2 단자(-)를 포함한다.
상기 배터리(120)는 배터리 전력을 공급한다. 상기 배터리(120)는 충방전이 가능한 이차 전지일 수 있으며, 대용량 전력을 구현하도록 다수의 소용량 전지 셀로 구성되거나 하나의 대용량 전지 셀로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 배터리 전력은 DC 전력일 수 있다.
상기 BMS(125)는 배터리(120)의 양단자, 즉 제 1 단자(+) 및 제 2 단자(-)에 연결되며, 배터리(120)의 상태를 유지 및 관리한다. 구체적으로, 상기 BMS(125)는 배터리(120)의 안전성 확보를 위해 배터리(120)의 전압, 전류, 온도를 모니터링하고, 배터리(120)의 최적 상태를 위해 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 배터리 셀 밸런싱, 및 냉각 상태를 체크하여 배터리(120)의 충ㆍ방전을 제어할 수 있다.
상기 공통 컨버터(130)는 신재생 에너지부(110)와 배터리(120)가 병렬로 연결되며, 또한 DC 링크(140)와 연결된다. 이러한 공통 컨버터(130)는 통합 제어기(180)에 의해 추종된 신재생 에너지부(110)의 최대 전력점에서 추출되는 신재생 에너지 전력을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 DC 링크(140)에 공급할 수 있다. 또한, 상기 공통 컨버터(130)는 배터리(120)의 배터리 전력을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 DC 링크(140)에 공급할 수 있다. 또한, 상기 공통 컨버터(130)는 DC 링크(140)에 저장된 전력, 예를 들어 컨버팅된 신재생 에너지 전력 또는 인버팅된 계통 전력을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 배터리(120)로 공급할 수 있다. 이를 위해, 상기 공통 컨버터(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 코일(131), 제 1 스위치(132) 및 제 2 스위치(133)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기와 같이 공통 컨버터(130)는 양방향성을 갖기 때문에 설명의 편의를 위해 양방향 컨버터로 명명하여 설명하도록 한다. 이와 더불어, 후술하는 인버터(150)도 양방향성을 갖기 때문에 설명의 편의를 위해 양방향성 인버터로 명명하여 설명하기로 한다.
상기 코일(131)은 신재생 에너지부(110)의 제 1 단자(+)와 배터리(120)의 제 1 단자(+)에 연결되는 제 1 단자와, DC 링크(140)의 제 1 단자와 연결되는 제 2 단자를 포함한다.
상기 제 1 스위치(132)는 신재생 에너지부(110)의 제 2 단자(-)와 배터리(120)의 제 2 단자(-)에 연결되는 제 1 단자와, 코일(131)의 제 2 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함한다. 또한, 상기 제 1 스위치(132)는 제 1 스위치(132)의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 제 1 스위치(132)의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 갖는 기생 다이오드(132a)를 포함할 수 있다. 도 2에서 상기 제 1 스위치(132)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 스위치로 도시되었으나, 스위칭 기능을 하는 스위칭 소자라면 모두 가능하다. 여기서, 제 1 스위치(132)의 제 1 단자는 소스 단자이고, 제 2 단자는 드레인 단자일 수 있다.
상기 제 2 스위치(133)는 코일(131)의 제 2 단자와 제 1 스위치(132)의 제 2 단자에 연결되는 제 1 단자와, DC 링크(140)의 제 1 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함한다. 또한, 상기 제 2 스위치(133)는 제 2 스위치(133)의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 제 2 스위치(133)의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 갖는 기생 다이오드(133a)를 포함할 수 있다. 도 2에서 상기 제 2 스위치(133)는 MOSFET 스위치로 도시되었으나, 스위칭 기능을 하는 스위칭 소자라면 모두 가능하다. 여기서, 제 2 스위치(133)의 제 1 단자는 소스 단자이고, 제 2 단자는 드레인 단자일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 양방향 컨버터(130)는 입력되는 전력의 전압을 승압하는 승압 컨버터 또는 강압할 수 있는 벅 컨버터로서 작용할 수 있다.
상기 선택 스위치부(135)는 신재생 에너지부(110), 배터리(120) 및 양방향 컨버터(130) 사이에 연결된다. 이러한 선택 스위치부(135)는 신재생 에너지 전력 및 배터리 전력 중 적어도 어느 하나를 양방향 컨버터(130)로 공급되게 한다. 또한, 상기 선택 스위치부(135)는 DC 링크(140)에 저장된 전력이 양방향 컨버터(130)를 통해 배터리(120)로 공급되도록 한다. 이를 위해, 상기 선택 스위치부(135)는 제 1 선택 스위치(137) 및 제 2 선택 스위치(139)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제 1 선택 스위치(137)는 신재생 에너지부(110)와 양방향 컨버터(130) 사이, 구체적으로 신재생 에너지부(110)의 제 1 단자(+)와 코일(131)의 제 1 단자 사이에 연결된다. 도 2에서 상기 제 1 선택 스위치(137)는 릴레이 스위치로 도시되었으나, 스위칭 기능을 하는 스위치 소자라면 모두 가능하다. 이러한 제 1 선택 스위치(137)는 온(ON) 되는 경우 신재생 에너지부(110)의 신재생 에너지 전력이 양방향 컨버터(130)로 공급되게 할 수 있다.
상기 제 2 선택 스위치(139)는 배터리(120)와 양방향 컨버터(130) 사이, 구체적으로 배터리(120)의 제 1 단자(+)와 코일(131)의 제 1 단자 사이에 연결된다. 도 2에서 상기 제 2 선택 스위치(139)는 릴레이 스위치로 도시되었으나, 스위칭 기능을 하는 스위치 소자라면 모두 가능하다. 이러한 제 2 선택 스위치(139)는 온(ON) 되는 경우 DC 링크(140)에 저장된 전력이 양방향 컨버터(130)를 통해 배터리(120)로 공급되게 할 수 있다. 또한, 상기 제 2 선택 스위치(139)는 온(ON) 되는 경우 배터리(120)의 배터리 전력을 양방향 컨버터(130)로 공급되게 할 수 있다.
상기 DC 링크(140)는 양방향 컨버터(130)와 양방향 인버터(150) 사이에 연결된다. 이러한 DC 링크(140)는 양방향 컨버터(130)로부터 공급되는 신재생 에너지 전력 또는 배터리(120)로부터 공급되는 배터리 전력을 저장한다. 또한, 상기 DC 링크(140)는 양방향 인버터(150)로부터 공급되는 계통 전력을 저장한다. 상기 DC 링크(140)는 커패시터로 구현될 수 있다. 여기서, 상기 DC 링크(140)에 저장된 전력은 DC 전력일 수 있다.
상기 양방향 인버터(150)는 DC 링크(140)와 연결되며, DC 링크(140)에 저장된 DC 전력을 AC(Alternating current) 전력으로 인버팅한다. 또한, 양방향 인버터(150)는 전력 계통(170)과 연결되며, 전력 계통(170)으로부터 공급되는 계통 전력을 DC 전력으로 인버팅한다.
상기 부하(160)는 양방향 인버터(150)와 전력 계통(170) 사이에 연결된다. 이러한 부하(160)는 DC 링크(140)에 저장된 DC 전력이 양방향 인버터(150)를 통해 인버팅된 AC 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 상기 부하(160)는 전력 계통(170)으로부터 AC 전력을 공급받을 수 있다. 상기 부하(160)는 AC 전력을 사용하는 가정 또는 산업 시설일 수 있다.
상기 전력 계통(170)은 발전소, 변전소 및 송전선을 포함하는 넓은 지역에 걸쳐 있는 전기적인 연계로서, 계통 전력을 공급한다. 여기서, 상기 계통 전력은 AC 전력일 수 있다. 상기 전력 계통(170)은 양방향 인버터(150)와 부하(160)에 연결되며, DC 링크(140)에 저장된 DC 전력이 양방향 인버터(150)를 통해 인버팅된 AC 전력을 공급받거나, 계통 전력을 부하(160)에 공급할 수 있다.
상기 계통 연계기(175)는 양방향 인버터(150), 부하(160) 및 전력 계통(170) 사이에 연결되며, 전력 계통(170)의 연결 및 분리를 제어한다. 예를 들어, 상기 계통 연계기(175)는 전력 계통(170)에 정전과 같은 문제가 생기면 전력 계통(170)을 양방향 인버터(150) 및 부하(160)로부터 분리시켜, 작업자가 안정적인 환경에서 전력 계통(170)의 고장을 해결하도록 한다. 그리고, 상기 계통 연계기(175)는 전력 계통(170)의 문제가 해결되면 전력 계통(170)을 양방향 인버터(150) 및 부하(160)에 다시 연결한다.
상기 통합 제어기(180)는 BMS(125), 양방향 컨버터(130), 선택 스위치부(135), 양방향 인버터(150) 및 계통 연계기(175)를 통합적으로 감시하여 동작을 제어한다. 이에 따라, 상기 통합 제어기(180)는 신재생 에너지 전력, 배터리 전력 및 계통 전력의 공급을 제어하도록 한다. 한편, 상기 통합 제어기(180)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라 신재생 에너지부(110)의 최대 전력점을 추종하는 알고리즘을 내장하는 최대 전력점 추종 제어부(미도시)를 포함한다.
다음은 상기와 같은 구성을 가지는 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지 전력, 계통 전력 및 배터리 전력의 공급 동작에 대해 살펴보기로 한다.
이하에서, 신재생 에너지부(110)로부터 생성되는 전력을 신재생 에너지 전력(PS)이라 하고, 배터리(120)에서 생성되는 전력을 배터리 전력(PB)이라 하고, 전력 계통(170)에서 생성되는 전력을 계통 전력(PG)이라 하고, 부하(160)에서 필요로 하는(즉, 소모하는) 전력을 부하 전력(PL)이라 하기로 한다.
도 3은 도 1의 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지 전력을 부하로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 상기 통합 제어기(180)는 신재생 에너지 전력(PS)을 감지한다. 여기서, 신재생 에너지 전력(PS)의 감지는 태양열 또는 태양광이 존재하는 주간에 가능하며, 태양광이 존재하지 않는 야간에는 가능하지 않다. 그리고, 상기 통합 제어기(180)는 감지된 신재생 에너지 전력(PS)이 부하 전력(PL)보다 큰 것으로 판단하는 경우, 제 1 선택 스위치(137)를 온(ON)시키고 제 2 선택 스위치(139)를 오프(OFF)시킨다. 그럼, 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 DC 링크(140)에 공급하고, 양방향 인버터(150)는 DC 링크(140)로부터 신재생 에너지 전력(PS)을 AC 전력으로 인버팅하여 부하(160)로 공급한다. 이때, 상기 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)의 전압을 승압시키는 승압 동작을 할 수 있다. 여기서, 신재생 에너지 전력이(PS)이 부하(160)에 공급되고 남으면, 상기 통합 제어기(180)는 신재생 에너지 전력(PS)의 나머지 전력을 전력 계통(170)에 공급한다. 한편, 상기 통합 제어기(180)는 제 1 선택 스위치(137)를 온(ON)시켜 신재생 에너지 전력(PS)을 감지할 수 있으며, 계통 연계기(175)를 통해 부하 전력(PL)을 확인할 수 있다.
또한, 상기 통합 제어기(180)는 감지된 신재생 에너지 전력(PS)이 부하 전력(PL)보다 작은 것으로 판단하는 경우에도, 제 1 선택 스위치(137)를 온(ON)시키고 제 2 선택 스위치(139)를 오프(OFF)시킨다. 그럼, 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 DC 링크(140)에 공급하고, 양방향 인버터(150)는 DC 링크(140)로부터 신재생 에너지 전력(PS)을 AC 전력으로 인버팅하여 부하(160)로 공급한다. 여기서도, 상기 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)의 전압을 승압시키는 승압 동작을 할 수 있다. 다만, 이때 부하(160)로 공급되는 신재생 에너지 전력(PS)은 부하 전력(PL)을 충족시키기 어렵다. 이에 따라, 부하 전력(PL)의 일부분은 전력 계통(170)으로부터 공급되는 계통 전력(PG)으로 충당될 수 있다.
도 4는 도 1의 에너지 저장 시스템에서 계통 전력을 배터리로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 상기 통합 제어기(180)는 신재생 에너지 전력(PS)을 감지하지 못하는 경우(예를 들어 태양열 또는 태양광이 없는 야간인 경우) 제 1 선택 스위치(137)를 오프(OFF)시키고 제 2 선택 스위치(139)를 온(ON)시킨다. 그럼, 양방향 컨버터(130)는 DC 링크(140)에 저장된 계통 전력(PG)을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 배터리(120)로 공급한다. 이때, 상기 양방향 컨버터(130)는 계통 전력(PG)의 전압을 강압시키는 강압 동작을 할 수 있다.
도 5는 도 1의 에너지 저장 시스템에서 신재생 에너지 전력과 배터리 전력 을 부하로 공급하기 위한 선택 스위치부의 동작을 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 상기 통합 제어기(180)는 계통 연계기(175)에 의해 전력 계통(170)의 정전을 감지하는 경우, 제 1 선택 스위치(137)를 온(ON)시키고 제 2 선택 스위치(139)를 온(ON)시킨다. 그럼, 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)과 배터리 전력(PB)을 원하는 레벨의 DC 전력으로 컨버팅하여 DC 링크(140)에 공급하고, 양방향 인버터(150)는 DC 링크(140)에 공급된 전력을 AC 전력으로 인버팅하여 부하(160)로 공급한다. 이때, 상기 양방향 컨버터(130)는 신재생 에너지 전력(PS)의 전압과 배터리 전력(PB)의 전압을 승압시키는 승압 동작을 할 수 있다. 여기서, 신재생 에너지 전력(PS)이 부하 전력(PL) 보다 크면 신재생 에너지 전력(PS)만 부하(160)에 공급된다. 그리고, 부하(160)에 공급되고 DC 링크(140)에 남은 신재생 에너지 전력(PS)의 나머지 전력은 양방향 컨버터(130)에 의해 컨버팅 되어 배터리(120)에 공급된다. 이때, 제 1 선택 스위치(137)는 오프(OFF)되고 제 2 선택 스위치(139)만 온(ON)되며, 양방향 컨버터(130)는 강압 동작을 할 수 있다.
다음은 전력 계통(170)의 정전이 발생하는 경우 부하(160)로 공급되는 신재생 에너지부(110)의 신재생 에너지 전력(PS)과 배터리(120)의 배터리 전력(PB)의 공급량에 대해 살펴보기로 한다. 여기서, 신재생 에너지 전력(PS)은 태양 전지로부터 생성되는 전력이며, 배터리(120)의 전압은 200V이고, 부하 전력(PL)은 400W이다.
도 6은 태양 전지의 전압에 따른 전력을 측정한 그래프이다. 그래프에서 가로축은 태양 전지의 전압을 나타내며, 세로축은 태양 전지의 출력 전력을 나타낸다. 그리고, SR1 내지 SR5는 일사량에 따른 태양 전지 출력의 최대 전력점을 나타낸다.
SR1은 전력 계통(170)의 정전 발생 이전에 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압이 170V이고 출력 전력이 약 109W임을 보여준다. 이는 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압이 배터리(120)의 전압보다 작은 경우이다. 이 경우 전력 계통(170)의 정전이 발생하면, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 선택 스위치(137)와 제 2 선택 스위치(139)가 온(ON) 되어 신재생 에너지부(110)와 배터리(120)가 접속된다. 그럼, 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압은 배터리(120)의 전압인 200V로 증가하며, 이때 태양 전지의 출력 전력은 88W로 감소한다. 이에 따라, 태양 전지로부터 부하(160)에 공급되는 신재생 에너지 전력(PS)은 88W가 되며, 배터리(120)로부터 부하(160)로 공급되는 배터리 전력(PB)은 312W(400W-88W)가 된다.
SR5는 전력 계통(170)의 정전 발생 이전에 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압이 215V이고 출력 전력이 약 697W임을 보여준다. 이는 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압이 배터리(120)의 전압보다 큰 경우이다. 이 경우 전력 계통(170)의 정전이 발생하면, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 선택 스위치(137)와 제 2 선택 스위치(139)가 온(ON) 되어 신재생 에너지부(110)와 배터리(120)가 접속된다. 그럼, 태양 전지의 최대 전력점에서의 전압은 배터리(120)의 전압인 200V로 감소하며, 이때 태양 전지의 출력 전력은 687W로 감소한다. 이에 따라, 태양 전지로부터 부하(160)에 공급되는 신재생 에너지 전력(PS)은 400W가 되며, 신재생 에너지 전력(PS)의 나머지 전력인 287W(687W-400W)가 배터리(120)로 공급된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 신재생 에너지부(110)와 배터리(120)가 병렬로 연결되는 양방향 컨버터(130)를 구비함으로써, 기존에 신재생 에너지부와 배터리 각각에 연결되는 각각의 양방향 컨버터가 구비되는 경우보다, 회로 구현을 위한 소자의 수를 감소시키고 PCB의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 제조 비용을 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 에너지 저장 시스템 110: 신재생 에너지부
120: 배터리 125: BMS(Battery Management System)
130: 양방향 컨버터 135: 선택 스위치부
140: DC 링크 150: 양방향 인버터
160: 부하 170: 전력 계통
175: 계통 연계기 180: 통합 제어기

Claims (15)

  1. 전력을 생성하여 공급하는 전원 공급부;
    배터리 전력을 공급하는 배터리; 및
    상기 전원 공급부 및 상기 배터리와 각각 병렬로 연결되는 공통 컨버터를 포함하며,
    상기 공통 컨버터는, 상기 전원 공급부를 통해 공급되는 공급 전력 및 상기 배터리로부터 공급되는 배터리 전력 중 하나의 전력을 승압하여 부하에 공급하고, 전력 계통을 통해 공급되는 계통 전력을 강압하여 상기 배터리에 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 상기 공통 컨버터 사이에 연결되는 제 1 선택 스위치와, 상기 배터리와 상기 공통 컨버터 사이에 연결되는 제 2 선택 스위치를 갖는 선택 스위치부; 및
    상기 공통 컨버터와 상기 선택 스위치부의 동작을 제어하는 통합 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 공급 전력을 감지하면, 상기 제 1 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 공통 컨버터가 상기 공급 전력을 승압하여 상기 부하에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 공급 전력이 상기 부하에서 소비하는 전력보다 큰 것으로 판단하면, 상기 공급 전력 중 상기 부하에 공급하고 남은 나머지 전력을 상기 전력 계통에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 공급 전력이 상기 부하에서 소비하는 전력보다 작은 것으로 판단하면, 상기 공급 전력과 상기 계통 전력을 상기 부하에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 전원 공급부를 통해 공급되는 전력을 감지하지 못하면, 상기 제 2 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 공통 컨버터가 상기 계통 전력을 강압하여 상기 배터리에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 전력 계통의 정전을 감지하면, 상기 제 1 선택 스위치와 제 2 선택 스위치를 온(ON) 시키며 상기 공통 컨버터가 상기 공급 전력과 상기 배터리 전력을 승압하여 상기 부하에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 상기 공급 전력이 상기 부하에서 소비하는 전력보다 큰 것으로 판단하면, 상기 공통 컨버터가 상기 공급 전력 중 상기 부하에 공급하고 남은 나머지 전력을 강압하여 상기 배터리에 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 공통 컨버터와 상기 부하 사이에 연결되는 DC(Direct Current) 링크;
    상기 DC 링크와 상기 부하 사이에 연결되는 인버터; 및
    상기 부하와 상기 전력 계통 사이에 연결되는 계통 연계기를 포함하며,
    상기 통합 제어기는 상기 인버터와 계통 연계기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공통 컨버터는
    상기 전원 공급부의 제 1 단자와 상기 배터리의 제 1 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 DC 링크의 제 1 단자와 연결되는 제 2 단자를 포함하는 코일;
    상기 전원 공급부의 제 2 단자와 상기 배터리의 제 2 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 코일의 제 2 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 1 스위치; 및
    상기 코일의 제 2 단자와 상기 제 1 스위치의 제 2 단자에 연결되는 제 1 단자와, 상기 DC 링크의 제 1 단자에 연결되는 제 2 단자를 포함하는 제 2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는
    상기 제 1 스위치의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 상기 제 1 스위치의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 포함하는 기생 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치는
    상기 제 2 스위치의 제 1 단자에 연결되는 애노드와, 상기 제 2 스위치의 제 2 단자에 연결되는 캐소드를 포함하는 기생 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 선택 스위치는 상기 전원 공급부의 제 1 단자와 상기 코일의 제 1 단자 사이에 연결되며,
    상기 제 2 선택 스위치는 상기 배터리의 제 1 단자와 상기 코일의 제 1 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 통합 제어기는 일사량 또는 온도의 변화에 따라 상기 전원 공급부의 최대 전력점을 추종하는 알고리즘을 내장하는 최대 전력점 추종 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 및 지열 중 선택된 어느 하나로 발전을 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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