KR101331183B1 - 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치에 관한 것으로서, 정류기와 인버터를 통해서 부하에 에너지를 공급함과 동시에 배터리 충전기를 통해 배터리를 충전하되, 정전이 발생하는 경우, 자동으로 배터리 모드로 절체되어 배터리 방전기의 제어에 따라 배터리에 저장된 에너지를 부하로 공급하고, 첨두부하가 발생하거나 전력이 부족한 경우, 배터리 모드로 동작하여 ESS 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 평상시에는 정상 모드로 동작하여 안정적인 전원을 부하에 공급하면서 첨두부하시나 전력 부족시에는 ESS 기능을 수행함으로써, UPS의 기본 목적인 안정적인 전원을 공급함과 동시에 추가적으로 전력 관리를 제공하고, 신재생 에너지원과 같이 동작하는 경우, 신재생 에너지가 갖는 불규칙한 전원을 일정하게 변환하여 유지함으로써, 안정적인 전원 공급을 제공하는 효과가 있다.

Description

에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치{Uninterruptible Power System FOR HAVING Energy Storage System FUNCTION}

본 발명은 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 평상시에는 무정전전원장치(Uninterruptible Power System; UPS) 기능을 수행하다 첨두부하시 또는 전력 부족시 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System) 기능을 제공하는 기술에 관한 것이다.

2011년 후쿠시마 원전 사고 및 2011년 9월 15일 정전 사태이후 전력량 부족에 따른 순환 정전에 대한 위험성이 증가하면서 경부하시(야간)에 유휴 전력을 저장하였다가 첨두부하시(주간)나 전력 부족시에 사용함으로써, 부하 평준화(Load Leveling)를 통한 첨두부하를 분산 할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)에 대한 필요성이 높아지고 있다.

대한민국 공개특허 제2013-0020638호(전력 저장 시스템의 제어장치, 전력 저장 장치 및 그 구동 방법)에는 복수의 셀의 측정 전압 및 측정 전류를 동기화하는 전력 저장 시스템에 대한 기술이 개시된바 있고, 산업계에서 에너지 저장 장치와 관련하여 다양한 연구가 진행되고 있다.

상용전원의 정전 및 전압 변동에 민감한 산업용 첨단 장비, 의료기기, 컴퓨터, 금융, 사무용기기 등 고도의 디지털 정보 처리기기의 사용이 증가하면서 무정전전원장치(Uninterruptible Power System; UPS)의 사용이 증가하고 있다. UPS는 입력전압과 출력전압의 종속성에 의해서 크게 Passive-Standby, Line-Interactive, Double-Conversion 방식으로 구분된다.

종래의 이중 변환(Double-Conversion) UPS는 정류기, 배터리 충전기, 배터리 방전기, 배터리, 인버터, 바이패스 스위치로 구성되고, 정류기는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 하며 다이오드 정류기, SCR 정류기, PFC, PWM 컨버터 등으로 구성할 수 있다.

이때, 다이오드 정류기는 가장 간단하게 구성 가능한 방법으로 AC 전압을 DC 전압으로 변환할 수 있지만, 직류단 전압과 입력 전류를 제어할 수 없어 입력 역률이 낮은 단점이 있다.

또한, SCR 정류기는 다이오드 정류기와는 다르게 직류단 전압을 제어 할 수는 있지만 입력 전류는 제어가 불가능한바, 역시 입력 역률이 낮다.

그리고, PFC와 PWM 컨버터는 직류단 전압과 입력 전류를 제어할 수 있는 장점이 있으나, 제어가 기존 방식에 비해서 복잡한 단점이 있다.

배터리 충전기는 평상시에 배터리를 충전하는 기능을 하며, 용량 및 목적에 따라서 플라이백 컨버터, 포워드 컨버터, 푸쉬풀 컨버터, 하프-브릿지 컨버터, 풀-브릿지 컨버터, 벅 컨버터, 부스트 컨버터 등의 DC/DC 컨버터로 구성할 수 있다.

도 1(A)와 같이 베터리 충전기 입력이 직류인 경우 배터리 충전기는 DC/DC 컨버터로 구성되고, 입력단이 그림 1 (B)와 같이 교류인 경우 배터리 충전기는 정류기와 DC/DC 컨버터로 구성된다.

이때, 배터리 방전기는 정전시에 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 직류단 전압을 일정하게 유지하는 기능을 한다. 배터리 방전기는 용량 및 목적에 따라서 배터리 충전기와 마찬가지로 DC/DC 컨버터로 구성할 수 있다.

또한, 인버터는 직류단 전압을 교류 전압으로 변환하는 기능을 하며, 도 3과 같이 2-레벨 인버터, 3-레벨 인버터 등으로 구성할 수 있다. 도 3 (A)의 2-레벨 인버터는 가장 일반적인 방법으로 도 4 (A)와 같이 인버터의 폴 전압이

,

두 가지로 나오는 방식이다.

이 방식은 제어가 간단한 장점이 있지만 스위칭 소자의 드레인-소스 전압이

이므로

이상의 내압을 가진 소자를 사용해야 하므로 효율이 낮은 단점이 있다.

또한, 3-레벨 인버터는 도 4 (B)와 같이 인버터의 폴 전압이 인버터의 출력 전압에 따라서 양의 전압이 나오는 구간에서는

와 0이 교대로 나오고, 음의 전압이 나오는 구간에서는

와 0이 교대로 나오는 방식이다.

이러한, 3-레벨 인버터는 도 3 (B)의 NPC(Neutral Point Clamp) 3-레벨 방식과 도 3(C)의 TNPC(T Type Neutral Point Clamp) 3-레벨 방식이 대표적이며, 이러한 3-레벨 방식의 경우 스위칭 소자의 드레인-소스 전압이

로 2-레벨 방식에 비해서 절반이다.

한편, 반도체 소자의 경우, 전류의 용량이 같다면 소자의 내압이 낮을수록 성능이 좋으므로 NPC 3-레벨 방식이 2레벨 방식에 비해서 효율이 높은 장점이 있다. TNPC 3-레벨 방식은 2-레벨 방식과 NPC 3-레벨 방식을 혼합한 방식으로 2-레벨 방식에 비해서는 스위칭 손실을 줄일 수 있고, NPC 3-레벨 방식에 비해서는 도통 손실을 줄일 수 있어서 효율을 상승 시킬 수 있다.

종래의 바이패스 스위치는 릴레이, SCR 등으로 구성 가능하다. 릴레이로 구성한 경우 회로 구성과 제어가 간단하지만 기계적 접점에 의해서 동작하므로 순단이 발생하는 단점이 있고 SCR로 구성한 경우에는 회로와 제어가 복잡하지만 무순으로 동작할 수 있는 장점이 있다.

종래의 이중 변환 UPS는 정상 모드, 배터리 모드, 바이패스 모드로 동작하며, 입력전원이 정상시에는 정상 모드로 동작하여 정류기와 인버터를 통해서 부하에 에너지를 공급하면서 배터리 충전기를 통해서 배터리를 충전한다.

정전시나 입력전원 이상시에는 배터리 모드로 동작하여 미리 저장된 배터리의 에너지를 배터리 방전기와 인버터를 통해서 부하에 공급하게 된다. 만약 인버터가 고장나거나 과부하가 발생되면 바이패스 모드로 동작하여 바이패스 스위치를 통해서 상용전원을 직접 공급한다.

종래의 ESS는 배터리 충전기가 있는 방식과 배터리 충전기가 없는 방식으로 구분 할 수 있다. 배터리 충전기가 있는 방식은 배터리 충전기, 배터리, 인버터로 구성되며 배터리 충전 모드와 방전 모드로 동작한다. 평상시에는 배터리 충전 모드로 동작하여 배터리 충전기를 통해서 배터리를 충전하다가 배터리 방전 모드에서는 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 에너지를 공급한다. 이때 인버터는 평상시에 동작하지 않고 있으므로 순단이 발생하게 된다.

배터리 충전기가 없는 방식은 배터리와 인버터로 구성되고, 인버터는 양방향으로 동작이 가능하며 충전 모드와 방전 모드로 동작한다. ESS는 평상시에는 배터리 충전 모드로 동작하여 양방향 인버터를 통해서 배터리를 충전하다가 배터리 방전 모드에서는 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 에너지를 공급한다. 평상시에 인버터가 배터리를 충전하는 충전기 역할을 하고 있으므로 UPS의 기능인 정전시나 입력 전원 불량시에 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 없는 문제점이 있다. 또한 충전모드와 방전모드가 바뀌는 절체 시간이 수십 msec에서 수초 까지 존재하는 순단 구간이 발생하기 때문에 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 없는 단점이 있다.

그리고, 종래의 UPS는 정전시나 입력 전원 불량시에 부하에 안정적인 전원을 공급하는 것을 목적으로 하므로 첨두부하시나 전력부족 시에 전력 관리 기능이 없다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 평상시에는 정상모드로 동작하면서 배터리에 에너지를 저장하다가 정전시에는 자동으로 배터리로 모드로 동작함으로써, 부하에 안정적인 전원을 공급하고, ESS 기능이 필요한 첨부부하시나 전력 부족시에는 배터리 모드로 동작함으로써, 효율적인 전력관리를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 목적은, 부하 평준화 역할 뿐만 아니라 풍력이나 태양광같은 신재생 에너지의 불규칙한 전력을 일정한 전력으로 변환함으로써, 전력부하 관리를 용이하게 하는데 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치는, 정류기와 인버터를 통해서 부하에 에너지를 공급함과 동시에 배터리 충전기를 통해 배터리를 충전하되, 정전이 발생하는 경우, 자동으로 배터리 모드로 절체되어 배터리 방전기의 제어에 따라 배터리에 저장된 에너지를 부하로 공급하고, 첨두부하가 발생하거나 전력이 부족한 경우, 배터리 모드로 동작하여 ESS 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 평상시에는 정상 모드로 동작하여 안정적인 전원을 부하에 공급하면서 첨두부하시나 전력 부족시에는 ESS 기능을 수행함으로써, UPS의 기본 목적인 안정적인 전원을 공급함과 동시에 추가적으로 전력 관리를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 ESS 기능으로, 고품질 전력공급을 가능하게 하는 전력품질 개선 기능, 유휴전력이나 저가의 전력을 저장하였다가 집중 수요 시간대에 활용하는 부하평준화 기능, 및 최대 부하를 저감시키는 간헐적 최대부하 저감 기능을 제공하는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 신재생 에너지원과 같이 동작하는 경우, 신재생 에너지가 갖는 불규칙한 전원을 일정하게 변환하여 유지하는 단주기 안정화 기능, 신재생에너지의 출력을 일정하게 유지하여 계통을 안정화 시키는 시간 지연 기능, 및 전력 계통을 안정화 시키는 주파수 조정기능 등의 역할을 하여 안정적인 전원 공급을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 배터리 방전기를 구성한 이중변환 UPS를 도시한 구성도.
도 2는 방전기가 구비된 이중변환 UPS 동작모드를 도시한 도면.
도 3은 2-레벨 인버터, NPC 3-레벨 인버터 및 TNPC 3-레벨 인버터를 도시한 도면.
도 4는 2-레벨 인버터 및 3-레벨 인버터의 폴 전압을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치의 배터리 방전기가 없는 이중변환 UPS를 도시한 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치의 방전기가 없는 이중변환 UPS의 동작 모드를 도시한 도면.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치(A)는, 배터리 방전기 유/무에 따라서 2가지로 구성할 수 있다.

배터리 방전기를 구성하는 경우, 종래의 UPS와 같이 도 1과 같이 구성되고, 배터리 방전기를 구성하지 않는 경우, 도 5와 같이 정류기와 배터리 방전기가 하나로 된 형태로 구성된다.

이하에서는 그 구체적인 언급을 생략하겠으나, 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치(A)는, 단상 및 3상을 포함하며, 상용전원 및 신재생 에너지원은 직류 또는 교류 형태의 풍력, 태양광, 태양열, 연료전지, 수소에너지, 바이오 에너지, 폐기물 에너지, 지열, 수력 및 해양 에너지 중에 어느 하나의 에너지원을 입력으로 하는 것으로 이해함이 바람직하다.

1. 배터리 방전기를 구성하는 경우

도 2에 도시된 바와 같이 정상 모드, 배터리 모드, 바이패스 모드로 동작한다. 평상시에는 도 2(A)와 같이 정상 모드로 동작하며, 정류기(100)와 인버터(200)를 통해서 부하에 에너지를 공급함과 동시에 배터리 충전기(300)를 통해 배터리(B)를 충전한다.

또한, 정전시에는 도 2(B)와 같이 자동으로 배터리 모드로 절체되어 배터리 방전기(400)의 제어에 따라 배터리(B)에 저장된 에너지를 부하로 공급한다.

또한, 첨두부하시나 전력 부족시에는 지령에 의해서 배터리 모드로 동작하여 ESS 기능을 수행하며, 이때, 배터리(B)에서 사용하는 에너지는 설정에 의해서 결정되는데, 설정하는 방법은 전체 UPS 용량을 기준으로 ESS 기능을 수행할 용량을 설정하는 방법과 ESS 기능을 수행할 용량을 직접 설정하는 방법이 있다.

먼저, UPS 용량을 기준으로 설정하는 방법은, 다음과 같이 100%로 설정하게 되면 입력을 차단하고 배터리의 에너지만을 이용하여 부하에 에너지를 공급하고 50%로 설정하게 되면 정격 용량의 50%만 배터리의 에너지를 이용해서 부하에 에너지를 공급하고 나머지 50%는 부하에 따라서 부족분을 입력 전원을 이용해서 공급한다. 이때, 입력 전원을 이용해서 에너지를 공급하는 경우, PFC(Power Factor Corrector)의 고유의 기능인 입력 전류를 제어하여 역률을 단위 역률로 제어한다.

또한, ESS 기능을 수행할 용량을 직접 설정하는 방식은, 50kW로 설정을 하는 경우, 부하가 50kW를 초과하면 50kW를 배터리에서 공급하고, 부족분은 입력전원에서 공급하며, 부하가 50kW 미만이면 배터리에서만 해당하는 용량을 공급하는 방식이다.

그리고, 바이패스 모드는 도 2(C)에 도시된 바와 같이, 인버터(200) 고장시 또는 과부시에 동작하며 상용전원을 바로 부하에 공급하도록 구동한다.

그리고, 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치(A)가 부하에 공급하는 에너지는, 직류, 교류상용전원, 신재생 에너지의 직류 또는 교류 중에 어느 하나를 포함한다.

2. 배터리 방전기를 구성하지 않는 경우

도 6에 도시된 바와 같이, 정상 모드, 배터리 모드, 바이패스 모드로 동작한다. 입력전원이 정상인 경우, 도 6(A)에 도시된 바와 같이 정상 모드로 동작하며, 정류기(100)와 인버터(200)를 통해서 부하에 에너지를 공급함과 동시에 배터리 충전기(300)의 제어에 따라 배터리(B)를 충전한다.

또한, 입력전압이 불규칙하거나 정전이 발생하는 경우, 도 6(B)에 도시된 바와 같이 자동으로 배터리 모드로 절체되어 배터리(B)에 저장된 에너지를 정류기(100) 및 인버터(200)를 통해 부하로 공급한다.

또한, 첨두부하시나 전력 부족시에는 지령에 의해서 ESS 기능을 수행하며, 이때 배터리(B)의 에너지 사용량을 설정할 수 없고, 입력 전원을 차단하고 배터리(B)에 저장된 에너지만을 이용하여 부하에 에너지를 공급한다.

그리고, 바이패스 모드는 도 6(C)에 도시된 바와 같이, 인버터(200) 고장시나 과부하시에 동작하며 상용전원을 바로 부하에 공급한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 ESS 기능은 지령에 의해서 동작을 하는데 이런 지령은 주기적인 방법과 비 주기적인 방법으로 구현 가능하다.

주기적인 방법은 시간, 요일, 월 등으로 선택해서 설정하되, 시간별로 설정하는 경우, 매일 정해진 시간에 ESS 기능을 수행하고, 요일과 시간을 같이 설정하는 경우, 특정 요일, 특정 시간에 ESS 기능을 동작한다.

또한, 이렇게 주기적인 동작을 하면서도 비주기적인 상황에서 ESS 기능이 필요한 경우, 관리서버로부터의 지령에 의해서 ESS 기능을 수행한다.

한편, 배터리 용량은 ESS 기능을 수행하는 시간과 정전시에 동작 가능한 정전 보상 시간을 합산하여 설계된다.

예컨대, ESS 기능을 2시간동안 수행하고, 정전 보상시간이 30분인 경우, 배터리 용량은 배터리 모드로 2시간 30분 동안 동작가능 하도록 설계하여야 한다.

만약, 정전 보상 시간을 계산하지 않고 ESS 기능으로만 동작 가능하게 배터리를 설계하는 경우, 시스템이 UPS가 주목적이므로 배터리의 잔존 용량을 계산해서 ESS 기능이 동작 가능 여부를 판단하게 된다.

이때, 배터리는 그 잔존 용량의 설정이 가능하며, 만약 잔존 용량을 30%로 설정한 이후, 설정된 잔존 용량이 전체 용량의 30% 미만으로 검출되는 경우, ESS 기능을 수행하지 않고 정전을 대비하여 정상 모드로 절체 되도록 구동한다.

그리고, 본 발명에 따른 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치(A)는, 신재생 에너지원을 입력받아 동작하는 경우, 신재생 에너지가 갖는 불규칙한 전원을 일정하게 변환하여 유지하는 전력 평활화 기능, 신재생에너지의 출력을 일정하게 유지할 수 있는 시간 지연 기능, 그리고 전력 계통을 안정화 시키는 주파수 조정기능 등의 역할을 하여 안정적인 전원 공급 기능을 제공한다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

A: 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치
100: 정류기 200: 인버터
300: 배터리 충전기 400: 배터리 방전기
B: 배터리

Claims (9)

1. 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치에 있어서,
   정류기와 인버터를 통해서 부하에 직류, 교류상용전원, 신재생 에너지의 직류 또는 교류 중에 어느 하나의 에너지를 공급함과 동시에 배터리 충전기를 통해 배터리를 충전하되,
   정전이 발생하는 경우, 자동으로 배터리 모드로 절체되어 배터리 방전기의 제어에 따라 배터리에 저장된 에너지를 부하로 공급하고,
   첨두부하가 발생하거나 전력이 부족한 경우, 배터리 모드로 동작하여 ESS 기능을 수행하며,
   상기 배터리로부터 공급되는 에너지는,
   에너지 사용량을 100%로 설정하는 경우, 입력을 차단하고 상기 배터리의 에너지만을 이용하여 부하에 에너지를 공급하고, 에너지 사용량을 50%로 설정하는 경우, 정격 용량의 50%만을 상기 배터리의 에너지를 이용해서 부하에 에너지를 공급하고 나머지 50%는 부하에 따라서 부족분을 입력 전원으로부터 공급하도록 구성하고,
   상기 ESS 기능은,
   입력 전원을 이용해서 에너지를 공급하는 경우, PFC(Power Factor Corrector)의 고유 기능인 입력 전류를 제어하여 역률을 단위 역률로 제어하고,
   ESS 용량을 직접 설정하는 경우, 부하가 50kW를 초과하면 50kW를 상기 배터리에서 공급하고, 부족분은 입력전원에서 공급하며, 부하가 50kW 미만이면 상기 배터리에서만 부하와 대응하는 용량의 전원을 공급하도록 구동하고,
   상기 인버터의 고장시 또는 과부하시, 바이패스 모드로 절체되어 상용전원을 직접 부하로 공급하도록 구동하며,
   입력전압이 불규칙하거나 정전이 발생하는 경우, 자동으로 배터리 모드로 절체되어 상기 배터리에 저장된 에너지를 정류기 및 인버터를 통해 부하로 공급하고,
   첨두부하가 발생하거나 전력이 부족한 경우, ESS 기능을 수행하되, 입력 전원을 차단하고 배터리에 저장된 에너지만을 이용하여 부하에 에너지를 공급하며,
   상기 배터리는, 그 잔존 용량의 설정이 가능하며, 기 설정된 잔존 용량이 전체 용량의 30% 미만인 경우, ESS 기능을 수행하지 않고 정전을 대비하여 정상 모드로 절체 되도록 구동하는 것을 특징으로 하는 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 ESS 기능은,
   시간, 요일 또는 월별로 선택하여 설정되되,
   시간별로 설정하는 경우, 매일 정해진 시간에 ESS 기능을 수행하고,
   요일과 시간을 같이 설정하는 경우, 특정 요일, 특정 시간에 ESS 기능을 동작하는 것을 특징으로 하는 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 배터리의 용량은,
   ESS 기능을 수행하는 시간과 정전시에 동작 가능한 정전 보상 시간을 합산하여 설계되는 것을 특징으로 하는 에너지저장 기능을 갖는 무정전전원장치.
9. 삭제

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