KR101167795B1 - 전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법 - Google Patents

전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법 Download PDF

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Abstract

전지 전력 저장 시스템에서 발생 가능한 돌입 전류를 최소화할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 하나 이상의 전지 랙(Rack)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터로 입력되는 직류 전압 또는 상기 인버터로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 콘덴서; 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상인 경우 구동되고, 상기 하나 이상의 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전시키는 제1 충전부; 및 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 상기 제1 기준치보다 작은 경우 구동되고, 상기 계통의 교류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전 시키는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법{Power Conditioning System, Battery Energy Storage System, and Method for Charging Condenser of Power Conditioning System}
본 발명은 전력 저장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전지 전력 저장 장치에 관한 것이다.
산업 발달과 더불어 전력의 수요가 증대하고 주간과 야간의 부하 격차 및 계절간, 휴일간의 전력 사용량의 격차가 점차 증가하여 부하율의 하락이 날로 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위해 다양한 부하 관리 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 전지 전력 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이다.
전지 전력 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고 시 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급한다. 이를 통해 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 전지 전력 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 전지 전력 저장 시스템의 경우, 전지 전력 저장 시스템을 구성하는 전지를 충전시키거나, 전지의 전력을 계통에 제공하기 위한 전력 변환 장치를 포함하는데, 이러한 전력 변환 장치의 평활 콘덴서의 전압이 충전되지 않은 상태에서 전력 변환 장치에 전지가 연결되면, 돌입 전류가 흘러 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지 전력 저장 시스템에서 발생 가능한 돌입 전류를 최소화할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 전지 전력 저장 시스템을 구성하는 전력 변환 장치의 평활 콘덴서를 효율적으로 충전시킬 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법을 제공하는 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 전력 변환 장치의 평활 콘덴서를 충전시키기 위한 장치를 최소한의 회로 소자를 이용하여 구현할 수 있는 전력 변환 장치, 이를 포함하는 전지 전력 저장 시스템, 및 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법을 제공하는 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 하나 이상의 전지 랙(Rack)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터; 상기 인버터로 입력되는 직류 전압 또는 상기 인버터로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 콘덴서; 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상인 경우 구동되고, 상기 하나 이상의 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전시키는 제1 충전부; 및 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 상기 제1 기준치보다 작은 경우 구동되고, 상기 계통의 교류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전 시키는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전지 전력 저장 시스템은, 하나 이상의 전지 랙으로 구성되어 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 계통에 공급하는 전지 관리 장치; 상기 하나 이상의 전지 랙에 상기 잉여 에너지를 충전시키거나 상기 하나 이상의 전지 랙에 저장된 에너지를 상기 계통에 제공하고, 상기 전지 관리 장치로부터 공급되는 직류 전압 또는 상기 계통으로부터 공급되는 교류 전압 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 평활 콘덴서를 충전시키는 전력 변환 장치; 및 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준값 이상이면 상기 평활 콘덴서가 상기 직류 전압으로 충전되도록 상기 전력 변환 장치를 제어하고, 제1 기준값보다 작으면 상기 평활 콘덴서가 상기 교류 전압으로 충전되도록 상기 전력 변환 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법은, 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량을 판단하는 단계; 상기 잔여 에너지량에 따라 인버터로 인가되는 직류 전압 또는 상기 인버터로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 평활 콘덴서의 충전 타입을 결정하는 단계; 및 충전 타입을 제1 타입으로 결정하면 상기 하나 이상의 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하고, 충전 타입을 제2 타입으로 결정하면 계통으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법은, 전지 랙과 전력 변환 장치의 연결 시, 제어 신호에 따라 상기 전력 변환 장치의 콘덴서 초기 충전 방식을 선택하는 단계; 및 상기 초기 충전 방식으로 상기 전력 변환 장치의 콘덴서를 충전하는 단계를 포함하고, 상기 초기 충전 방식은 교류 방식과 직류 방식 중 어느 하나의 방식이고, 상기 제어신호는 전지의 에너지량에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전지 전력 저장 시스템에서 발생 가능한 돌입 전류를 최소화함으로써 소자 파괴 및 화재 발생 위험을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전지 전력 저장 시스템을 구성하는 전력 변환 장치의 평활 콘덴서를 전지의 잔여 에너지량에 따라 직류 전류 또는 교류 전류 중 어느 하나를 이용하여 선택적으로 충전시킬 수 있으므로, 평활 콘덴서를 보다 효율적으로 충전시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전력 변환 장치의 평활 콘덴서를 충전시키기 위한 장치를 최소한의 회로 소자를 이용하여 구현할 수 있기 때문에 전지 전력 저장 시스템의 제조 단가 절감은 물론, 회로 설계의 자유도를 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전력 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법을 보여주는 플로우차트.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 전력 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 1에 도시된 전지 전력 저장 시스템(이하, 'BESS' 라 함, 100)은 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크부하 또는 계통 사고 시 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급하는 기능을 수행하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전지 관리 장치(130), 전력 변환 장치(140), 및 제어부(150)를 포함한다.
전지 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 130)는, 하나 이상의 전지 랙으로 구성되어 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지를 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 하나 이상의 전지 랙에 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급한다. 이러한 전지 관리 장치(130)은 하나 이상의 전지 랙으로 구성된다. 이 때, 하나 이상의 전지 랙들은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전지 관리 장치(130)의 전기적 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 관리 장치(130)는 서로 병렬로 연결된 하나 이상의 전지 랙(210a~210n)들로 구성된다.
또한, 하나 이상의 전지 랙(210a~210n)은 각각 복수개의 전지(212a~212n), 각 전지 랙(210a~210n)을 전력 변환 장치(140)에 연결시키기 위한 연결 스위치(214a~214n)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 병렬로 연결된 하나 이상의 랙(310a~310n)은, 각각 복수개의 전지(312a~312n), 각 전지 랙(310a~310n)을 전력 변환 장치(140)에 연결시키기 위한 연결 스위치(314a~314n), 및 프리 차지부(316a~316n)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 프리 차지부(316a~316n)는 각 전지 랙(310a~310n)들을 전력 변환 장치(140)에 연결하는 경우, 각 전지 랙(310a~310n)간의 전압 차이로 인해 발생될 수 있는 돌입전류를 최소화하기 위한 것이다.
구체적으로, 각 전지 랙(310a~310n)을 전력 변환 장치(140)에 연결하는 경우에 있어서, 전지 전력 저장 시스템(125)이 정상 상태에 도달할 때까지 연결 스위치(314a~314n)를 오프 시킨 후 각 전지 랙(310a~310n)에 연결되어 있는 프리 차지부(316a~316n)를 이용하여 각 전지 랙(310a~310n)을 초기 충전한다.
이후, 전지 전력 저장 시스템(125)이 정상 상태에 도달하면 프리 차지부(316a~316n)에 포함되어 있는 스위치(318a~318n)를 오프 시키고 연결 스위치(314a~314n)를 온 시켜 전지 랙(310a~310n)이 전력 변환 장치(140)에 연결되도록 함으로써, 각 전지 랙(310a~310n)간의 전압 차이를 최소화할 수 있어 돌입전류 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.
이러한 제2 실시예에 따르는 경우, 각 전지 랙(310a~310n)중 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)가 가장 낮은 전지 랙을 전력 변환 장치(140)에 먼저 연결시킨다.
이하의 설명에서는 설명의 편의를 위해 도 3에 도시된 구성을 갖는 전지 관리 장치(130)가 전력 변환 장치(140)에 연결되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 전력 변환 장치(Power Conditioning System: PCS, 140)는, 전지 관리 장치(130)와 계통(미도시)을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력 변환 장치(140)는 전지 관리 장치(130)에 포함된 하나 이상의 전지 랙(310a~310n)에 계통의 잉여 에너지를 충전시키거나 하나 이상의 전지 랙(310a~310n)에 저장된 에너지를 계통에 제공하는 역할을 수행한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)는, 전지 관리 장치(130)로부터 공급되는 직류 전압 또는 계통으로부터 공급되는 교류 전압 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 전력 변환 장치(140)에 포함된 평활 콘덴서를 충전시키고, 전압을 출력하여 계통에 연계하는 역할을 수행한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 전력 변환 장치(140)의 전기적 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)는, 변압기(400), 필터(410), 인버터(420), 평활 콘덴서(430), 제1 충전부(440), 및 제2 충전부(450)를 포함한다.
먼저, 변압기(400)는 계통(402)의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 필터(410)로 공급하거나, 필터(410)로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하여 계통으로 제공하는 역할을 수행한다.
일 실시예에 있어서, 전력 변환 장치(140)는 사고 발생시 사고 전류가 계통(402)으로 유입되거나, 전력 변환 장치(140) 내로 유입되는 것을 차단하기 위한 제1 차단기(405)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 필터(410)는 변압기(400)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 인버터(420)로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다.
도 4에서는, 이러한 필터(410)가 LCL타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 구성도 가능할 것이다.
인버터(420)는 필터(410)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 전지 관리 장치(130)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
평활 콘덴서(430)는 전지 관리 장치(130)로부터 인버터(420)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(420)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 수행한다. 이러한 평활 콘덴서(430)의 전압이 미리 충전되어 있어야, 전지 관리 장치(130)를 전력 변환 장치(140)에 연결할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 만약, 전지 관리 장치(130)를 전력 변환 장치(140)에 연결할 때 평활 콘덴서(430)가 충전되어 있지 않으면 돌입 전류가 발생하게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.
본 발명은, 이러한 평활 콘덴서(430)를 초기 충전 하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 제1 충전부(440) 및 제2 충전부(450)를 포함한다.
먼저, 제1 충전부(440)는 전지 관리 장치(130)로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 평활 콘덴서(430)를 충전시키는 역할을 수행한다. 이러한 제1 충전부(440)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 다이오드(442), 제1 저항(444), 및 제1 스위치(446)를 포함한다.
제1 다이오드(442)는, 전지 관리 장치(130)에 포함되어 있는 하나 이상의 전지 랙(310a~310n)들 중 제1 충전부(442)에 연결된 전지 랙으로부터 유입되는 직류 전류를 평활 콘덴서(430) 쪽으로 통과시키는 역할을 수행한다.
제1 저항(444)는, 제1 다이오드(442)로부터 출력되어 평활 콘덴서(430)로 유입되는 직류 전류의 양을 제한하는 역할을 수행한다.
제1 스위치(446)는, 평활 콘덴서(430)의 충전을 위해 제어부(150)에 의해 온되어 제1 저항(444)을 통과한 직류 전류가 평활 콘덴서(430)로 유입되게 하거나, 제어부(150)에 의해 오프되어 제1 저항(444)을 통과한 직류 전류가 평활 콘덴서(430)로 유입되지 못하게 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 충전부(440)는 도 4에 도시된 바와 같이 제품 유지 및 보수 시 사용자에 대한 안전을 확보하기 위한 별도의 스위치(448)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 제2 충전부(450)는 계통(402)으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 평활 콘덴서(430)를 충전 시키는 역할을 수행한다. 이러한 제2 충전부(450)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 다이오드(452), 제2 저항(454), 및 제2 스위치(456)를 포함한다.
제2 다이오드(452)는, 계통(402)으로부터 유입되는 교류 전류를 평활 콘덴서(430) 쪽으로 통과시키는 역할을 수행한다.
제2 저항(454)은, 제2 다이오드(452)로부터 출력되어 평활 콘덴서(430)로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 역할을 수행한다.
제2 스위치(456)는, 평활 콘덴서(430)의 충전을 위해 제어부(150)에 의해 온되어 제2 저항(454)을 통과한 교류 전류가 평활 콘덴서(430)로 유입되게 하거나, 제어부(150)에 의해 오프되어 제2 저항(454)을 통과한 교류 전류가 평활 콘덴서(430)로 유입되지 못하게 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 충전부(450)는 도 4에 도시된 바와 같이 제품 유지 및 보수 시 사용자에 대한 안전을 확보하기 위한 별도의 제2 차단기(458)를 더 포함할 수 있다.
이외에도, 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전지 관리 장치(130)를 전력 변환 장치(140)에 연결시키기 위한 연결 스위치(이하 "제3 스위치"라고 함, 460) 및 제3 차단기(415)를 더 포함할 수 있다.
이러한 제3 스위치(460)는 제1 충전부(440) 또는 제2 충전부(450)에 의해 평활 콘덴서(430)가 충전중인 경우에는 오프되고, 제1 충전부(440) 또는 제2 충전부(450)에 의해 평활 콘덴서(430)의 충전이 완료된 이후에, 제어부(150)에 의해 온되어 전지 관리 장치(130)가 전력 변환 장치(140)에 연결될 수 있도록 한다.
제2 차단기(415)는 변압기(400) 또는 필터(410)로 과전류가 유입되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
상술한 제1 실시예에 있어서는 제1 충전부(440) 및 제2 충전부(450)에 평활 콘덴서(430)로 유입되는 전류 양을 제한하기 위한 저항이 각각 포함되는 것으로 설명하였다. 하지만 제2 실시예에 있어서는 제1 충전부(440) 및 제2 충전부(450)가하나의 저항을 이용하여 평활 콘덴서(430)로 유입되는 전류 양을 제한할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 이러한 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전기적 구성에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)는 제1 충전부(540) 및 제2 충전부(550)의 구성이 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)와 상이하고, 나머지 구성은 동일하기 때문에 이하에서는 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)의 차이점에 대해서 구체적으로 설명한다.
먼저, 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치(140)는 제1 충전부(540)로부터 평활 콘덴서(530)로 유입되는 직류 전류 또는 제2 충전부(550)로부터 평활 콘덴서(530)로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 제3 저항(570)을 포함한다.
즉, 제1 실시예에 있어서는, 제1 충전부(440)가 제1 다이오드(442)로부터 출력되는 직류 전류의 양을 제한하기 위한 제1 저항(444)을 포함하고, 제2 충전부(450)가 제2 다이오드(452)로부터 출력되는 교류 전류의 양을 제한하기 위한 제2 저항(454)을 각각 포함하였지만, 제2 실시예에 있어서는 이러한 제1 저항(444) 및 제2 저항(454)에 의해 수행되던 기능이 제3 저항(570) 하나에 의해 모두 수행된다. 이로 인해, 제조 단가는 물론 회로 설계의 용이성을 증대시킬 수 있게 된다.
한편, 제1 충전부(540)는 전지 관리 장치(130)에 포함되어 있는 하나 이상의 전지 랙(310a~310n)들 중 제1 충전부(542)에 연결된 전지 랙으부터 유입되는 직류 전류를 평활 콘덴서(530) 쪽으로 통과시키는 제1 다이오드(542)와, 제어부(150)의 제어에 의해 제1 다이오드(542)로부터 출력되는 직류 전류가 평활 콘덴서(530)로 유입되게 하거나 차단되게 하는 제1 스위치(546)를 포함한다.
제2 충전부(550)는 계통(502)으로부터 유입되는 교류 전류를 평활 콘덴서(530) 쪽으로 통과시키는 제2 다이오드(552)와, 제어부(150)의 제어에 의해 제2 다이오드(552)로부터 출력되는 교류 전류가 평활 콘덴서(530)로 유입되게 하거나 차단되게 하는 제2 스위치(556)를 포함한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 전력 관리 장치(140)의 구성요소를 도 5에 도시된 도번을 이용하여 설명하기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 제어부(150)는 전지 관리 장치(130)에 포함된 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량에 따라 제1 충전부(540) 또는 제2 충전부(550) 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 평활 콘덴서(530)가 충전되도록 제1 충전부(540) 및 제2 충전부(550)를 제어한다.
구체적으로, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량을 확인하여, 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상이면 제1 충전부(540)를 이용하여 평활 콘덴서(530)를 충전하는 것으로 결정하여, 제1 스위치(546)를 온시키고 제2 스위치(556)를 오프시킨다.
즉, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상이면 전지 관리 장치(130)로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 평활 콘덴서(530)를 충전하는 것으로 결정한다.
이러한 경우, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 제2 기준치보다 이상인지 여부를 추가로 확인하여 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)들 중 어느 전지 랙을 이용하여 평활 콘덴서(530)를 충전할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상이고 제2 기준치보다 작은 경우, 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)들 중 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)가 가장 작은 전지 랙이 제1 충전부(540)에 연결되도록 하는 제어 정보를 전지 관리 장치(130)로 전달한다.
또한, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 제2 기준치 이상인 경우 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)들 중 개방 회로 전압이 가장 큰 전지 랙이 제1 충전부(540)에 연결되도록 하는 제어 정보를 전지 관리 장치(130)로 전달한다.
이후, 제어부(150)는 평활 콘덴서(530)의 충전이 완료되면, 제1 스위치(546)는 오프 되고 제3 스위치(570)는 온 되도록 하여 전지 관리 장치(130)가 전력 변환 장치(140)에 연결되도록 하고, 인버터(520) 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 계통(502)의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해지도록 인버터(520) 출력 전압과 계통(520)의 교류 전압을 동기화 시키는 역할을 수행한다.
한편, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 상기 제1 기준치보다 작으면 제2 충전부(550)를 이용하여 평활 콘덴서(530)를 충전하는 것으로 결정하여, 제2 스위치(556)를 온시키고 제1 스위치(546)를 오프시킨다.
즉, 제어부(150)는 하나 이상의 전지 랙(330a~330n)의 잔여 에너지량이 제1 기준치보다 작으면 계통(502)으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 평활 콘덴서(530)를 충전하는 것으로 결정한다.
이후, 제어부(150)는 평활 콘덴서(530)의 충전이 완료되면, 인버터(520) 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 계통(502)의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해지도록 인버터(520) 출력 전압과 계통(520)의 교류 전압을 동기화 시킨 후, 제2 스위치(556)는 오프되고 제3 스위치(570)는 온되도록 하여 전지 관리 장치(130)가 전력 변환 장치(140)에 연결되도록 한다.
이때, 제어부(150)는 각 전지 랙(330a~330n)에 포함된 프리 차지부(316a~316n)를 이용하여 가장 낮은 개방 회로 전압을 갖는 전지 랙이 전력 변환 장치(140)에 연결되도록 할 수 있다.
이외에도 제어부(150)는 전지 에너지의 통합 제어, 전지 운전 상태 감시, 전지 특성 분석, 설비 및 DB 관리, 이력(Alarm/Event)관리, 운영자 관리, 통신/보안 등의 기능을 추가로 수행한다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도시된 바와 같이, 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량을 판단한다(S600). 판단결과, 상기 잔여 에너지량이 제2 기준값 이상이면 하나 이상의 전지 랙들 중 가장 높은 개방 회로 전압을 갖는 전지 랙을 제1 충전부에 연결시키고(S610), 제1 충전부에 연결된 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전류를 이용하여 평활 콘덴서를 충전시킨다(S620).
한편, S600의 판단결과, 잔여 에너지량이 제1 기준값 이상이고 제2 기준값 보다 작으면, 하나 이상의 전지 랙들 중 가장 낮은 개방 회로 전압을 갖는 전지 랙을 제1 충전부에 연결시키고(S630), 제1 충전부에 연결된 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전류를 이용하여 평활 콘덴서를 충전시킨다(S620).
이후, 평활 콘덴서의 충전이 완료되면 전지 관리 장치를 평활 콘덴서에 연결하고 제1 충전부와 전지 랙의 연결을 해제한 후(S640), 인버터의 출력 전압과 계통의 교류 전압을 동기화시킨다(S650). 일 실시예에 있어서, 인버터의 출력 전압과 계통의 교류 전압의 동기화란 인버터의 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 계통의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해 지도록 하는 것을 의미한다.
마지막으로, 전력 변환 장치를 계통에 연결시킨다(S660).
한편, S600의 판단결과, 잔여 에너지량이 제1 기준값 보다 작으면, 제2 충전부를 계통에 연결시키고(S665), 제2 충전부에 연결된 계통으로부터 인가되는 교류 전류를 이용하여 평활 콘덴서를 충전시킨다(S670).
이후, 평활 콘덴서의 충전이 완료되면 인버터의 출력 전압과 계통의 교류 전압을 동기화시킨다(S680). 일 실시예에 있어서, 인버터의 출력 전압과 계통의 교류 전압의 동기화란 인버터의 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 계통의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해 지도록 하는 것을 의미한다.
다음으로, 전력 변환 장치를 계통에 연결시킨 후(S690), 전지 관리 장치를 평활 콘덴서에 연결하고 제2 충전부와 계통의 연결을 해제한다(S700). 일 실시예에 있어서, 전지 관리 장치를 평활 콘덴서에 연결함에 있어서 전지 관리 장치에 포함된 전지 랙들 중 가장 낮은 개방 회로 전압을 갖는 전지 랙부터 먼저 연결시킬 수 있다.
상술한 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: BESS 130: 전지 관리 장치
140: 전력 변환 장치 150: 제어부
400, 500: 변압기 410: 510: 필터
420, 520: 인버터 430, 530: 평활 콘덴서
440, 540: 제1 충전부 450, 550: 제2 충전부

Claims (20)

  1. 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 하나 이상의 전지 랙(Rack)으로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터로 입력되는 직류 전압 또는 상기 인버터로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 콘덴서;
    상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상인 경우 구동되고, 상기 하나 이상의 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전시키는 제1 충전부;
    상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 상기 제1 기준치보다 작은 경우 구동되고, 상기 계통의 교류 전압을 이용하여 상기 콘덴서를 충전 시키는 제2 충전부; 및
    상기 콘덴서의 충전이 완료 되면, 상기 하나 이상의 전지 랙을 상기 콘덴서에 연결시키기 위한 연결 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제2 기준치 이상이면 상기 하나 이상의 전지 랙 중 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)이 가장 큰 전지 랙이 상기 제1 충전부에 연결되고, 상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준치 이상이고 제2 기준치 보다 작은 경우 상기 하나 이상의 전지 랙 중 OCV가 가장 작은 전지 랙이 상기 제1 충전부에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 하나 이상의 전지 랙 중 상기 제1 충전부에 연결되는 전지 랙으로부터 유입되는 직류 전류를 상기 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드로부터 출력되어 상기 콘덴서로 유입되는 직류 전류의 양을 제한하는 제1 저항; 및
    상기 콘덴서의 충전을 위해 상기 제1 저항을 통과한 직류 전류가 상기 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 계통의 교류 전류를 상기 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제2 다이오드;
    상기 제2 다이오드로부터 출력되어 상기 콘덴서로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 제2 저항; 및
    상기 콘덴서의 충전을 위해 상기 제2 저항을 통과한 교류 전류가 상기 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 충전부로부터 상기 콘덴서로 유입되는 직류 전류 또는 상기 제2 충전부로부터 상기 콘덴서로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 제3 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 하나 이상의 전지 랙 중 상기 제1 충전부에 연결되는 전지 랙으로부터 유입되는 직류 전류를 상기 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제1 다이오드; 및
    상기 콘덴서를 충전시키기 위해 상기 제1 다이오드를 통과한 직류 전류가 상기 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 계통의 교류 전류를 상기 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제2 다이오드; 및
    상기 콘덴서를 충전시키기 위해 상기 제2 다이오드를 통과한 교류 전류가 상기 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 계통으로부터 상기 인버터로 입력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 상기 인버터로부터 상기 계통으로 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 필터; 및
    상기 계통의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 상기 필터로 공급하거나, 상기 필터로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하는 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 하나 이상의 전지 랙으로 구성되어 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 계통에 공급하는 전지 관리 장치;
    상기 하나 이상의 전지 랙에 상기 잉여 에너지를 충전시키거나 상기 하나 이상의 전지 랙에 저장된 에너지를 상기 계통에 제공하고, 상기 전지 관리 장치로부터 공급되는 직류 전압 또는 상기 계통으로부터 공급되는 교류 전압 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 평활 콘덴서를 충전시키는 전력 변환 장치; 및
    상기 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량이 제1 기준값 이상이면 상기 평활 콘덴서가 상기 직류 전압으로 충전되도록 상기 전력 변환 장치를 제어하고, 제1 기준값보다 작으면 상기 평활 콘덴서가 상기 교류 전압으로 충전되도록 상기 전력 변환 장치를 제어하며, 상기 평활 콘덴서의 충전이 완료되면 상기 하나 이상의 전지 랙을 상기 평활 콘덴서에 연결되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전력 변환 장치는,
    상기 전지 관리 장치로부터 유입되는 직류 전류를 상기 평활 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드로부터 출력되어 상기 평활 콘덴서로 유입되는 직류 전류의 양을 제한하는 제1 저항과, 상기 제어부에 의해 온오프 되어 상기 제1 저항을 통과한 직류 전류가 상기 평활 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제1 스위치를 포함하는 제1 충전부; 및
    상기 계통의 교류 전류를 상기 평활 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제2 다이오드와, 상기 제2 다이오드로부터 출력되어 상기 평활 콘덴서로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 제2 저항과, 상기 제어부에 의해 온오프 되어 상기 계통의 교류 전류가 상기 평활 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제2 스위치를 포함하는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전력 변환 장치는,
    상기 전지 관리 장치로부터 유입되는 직류 전류를 상기 평활 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제1 다이오드와, 상기 제어부에 의해 온오프 되어 상기 제1 다이오드를 통과한 직류 전류가 상기 평활 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제1 스위치를 포함하는 제1 충전부;
    상기 계통의 교류 전류를 상기 콘덴서 쪽으로 통과시키는 제2 다이오드와, 상기 제어부에 의해 온오프 되어 상기 제2 다이오드를 통과한 교류 전류가 상기 평활 콘덴서로 유입되거나 차단되도록 하는 제2 스위치를 포함하는 제2 충전부; 및
    상기 제1 충전부로부터 상기 평활 콘덴서로 유입되는 직류 전류 또는 상기 제2 충전부로부터 상기 평활 콘덴서로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 제3 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 평활 콘덴서의 충전이 완료되면 인버터 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 상기 계통의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해지도록 상기 인버터의 출력 전압을 제어하고, 동일해지면 상기 전력 변환 장치가 상기 계통에 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 전지 전력 저장 시스템.
  14. 하나 이상의 전지 랙의 잔여 에너지량을 판단하는 단계;
    상기 잔여 에너지량에 따라 인버터로 인가되는 직류 전압 또는 상기 인버터로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 평활 콘덴서의 충전 타입을 결정하는 단계;
    충전 타입을 제1 타입으로 결정하면 상기 하나 이상의 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하고, 충전 타입을 제2 타입으로 결정하면 계통으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하는 단계; 및
    상기 평활 콘덴서의 충전이 완료되면, 전력 변환 장치를 상기 계통에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 충전 타입을 결정하는 단계에서,
    상기 잔여 에너지량이 제1 기준값 이상이면 상기 충전 타입을 제1 타입으로 결정하고, 상기 잔여 에너지량이 상기 제1 기준값보다 작으면 상기 충전 타입을 제2 타입으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 충전하는 단계에서,
    상기 잔여 에너지량이 제2 기준값 이상이면 상기 하나 이상의 전지랙 중 OCV가 가장 큰 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하고, 상기 잔여 에너지량이 상기 제1 기준값 이상이고 상기 제2 기준값보다 작으면 상기 하나 이상의 전지 랙 중 OCV가 가장 작은 전지 랙으로부터 공급되는 직류 전압을 이용하여 상기 평활 콘덴서를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 연결하는 단계에서,
    상기 평활 콘덴서의 충전이 완료 되면, 상기 인버터 출력 전압의 주파수, 위상, 및 크기가 상기 계통의 교류 전압의 주파수, 위상, 및 크기와 동일해지도록 상기 인버터 출력 전압과 상기 계통의 교류 전압을 동기화시키는 단계; 및
    상기 인버터 출력 전압과 상기 계통의 교류 전압이 동기화되면 상기 전력 변환 장치를 상기 계통에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 평활 콘덴서를 상기 제1 타입으로 충전하는 경우 상기 동기화 시키는 단계 이전에, 상기 계통에 에너지를 제공하거나 상기 하나 이상의 전지 랙을 충전시키기 위해 상기 하나 이상의 전지 랙을 상기 평활 콘덴서에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 평활 콘덴서를 상기 제2 타입으로 충전하는 경우, 상기 전지 전력 저장시스템을 상기 계통에 연결시키는 단계 이후에, 상기 계통에 에너지를 제공하거나 상기 하나 이상의 전지 랙을 충전시키기 위해 상기 하나 이상의 전지 랙을 상기 평활 콘덴서에 연결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
  20. 전지 랙과 전력 변환 장치의 연결 시, 제어 신호에 따라 상기 전력 변환 장치의 콘덴서 초기 충전 방식을 선택하는 단계; 및
    상기 초기 충전 방식으로 상기 전력 변환 장치의 콘덴서를 충전하는 단계를 포함하고,
    상기 초기 충전 방식은 교류 방식과 직류 방식 중 어느 하나의 방식이고, 상기 제어신호는 전지의 에너지량에 따라 결정되며, 상기 콘덴서의 충전이 완료되면 상기 전지 랙과 상기 콘덴서를 연결하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 콘덴서 충전 방법.
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