KR101379342B1 - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 시스템이 개시된다. 에너지 저장 시스템은 계통에 연계된 각 상에 n개씩 연결되는 배터리 충전용 파워셀; 및 상기 배터리 충전용 파워셀 각각으로부터 출력되는 직류 전원에 상응하는 에너지를 저장하는 배터리 컨테이너를 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템{Energy storage system}

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

산업 발달과 더불어 전력 수요가 증대되고, 주/야간의 부하 격차 및 계절간, 요일간의 전력 사용량의 격차가 점차 증가하여 부하율의 하락이 날로 심화되고 있다.

최근 전술한 이유로 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위해 다양한 부하 관리 기술들이 다양하게 개발되고 있는데, 이러한 부하 관리 기술들 중에서 대표적인 것이 배터리 에너지 저장 시스템(BESS, Battery Energy Storage System)이라 할 수 있다.

배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고 등의 경우 저장된 전력을 방전하여 부하에 전력을 공급한다. 이를 통해 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있다.

특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 대용량 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은 계통연계 변압기(110), 전력 변환 시스템(PCS, Power Converter System)(120) 및 복수의 전지 랙(130)을 포함하여 구성된다.

계통연계 변압기(110)는 계통(Grid)과 배터리 에너지 저장 시스템을 연결시켜주는 변압기로서, 저압(예를 들어, 440V)인 배터리 에너지 저장 시스템의 전압을 고압인 계통 전압(예를 들어 3.3kV, 6.6kV 등)에 맞게 승압하거나 그 역의 동작을 수행한다.

전력 변환 시스템(120)은 배터리 에너지 저장 시스템에 포함된 하나 이상의 전지 랙(130)에 계통의 잉여 에너지를 충전시키거나 하나 이상의 전지 랙(130)에 저장된 에너지를 계통에 제공하는 역할을 수행한다.

전력 변환 시스템(120)은 전지 랙(130)으로 에너지를 보내거나 전지 랙(130)으로부터 에너지를 받기 위한 양방향 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)와 전지 랙(130)과 계통이 상호 연계되도록 하기 위한 직류-교류 컨버터(DC-AC Converter)를 포함할 수 있다.

전지 랙(130)은 전력 변환 시스템(120)을 통해 계통의 잉여 에너지를 제공받아 저장하고, 저장된 에너지를 전력 변환 시스템(120)을 통해 계통으로 제공할 수 있다.

그러나 종래기술에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은 고전압의 계통에 연계하기 위해 컨버터 셀을 증가시킴에 있어, 컨버터 셀에 연계된 전지 랙들이 각각 독립적인 전위를 가져야 하므로, 셀 수가 증가할수록 독립적인 배터리 블록이 추가적으로 필요하게 되는 문제점이 있다.

비특허문헌1 : Laxman Maharjan, Shigenori Inoue, Hirofumi Akagi, and Jun Asakura, "A Transformerless Battery Energy Storage System Based on a Multilevel Cascade PWM Converter", IEEE, 2008

본 발명은 고전압의 계통에 연계하기 위해 컨버터 셀을 증가할지라도 동일한 전위를 가지는 단일 전위의 배터리 에너지 저장 시스템을 구축할 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 배터리 컨테이너의 설계 및 제작시 비용을 감소시킬 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 저장 시스템(ESS)에 있어서, 계통(Grid)에 연계된 각 상(Phase)에 n(n은 임의의 자연수)개씩 연결되는 배터리 충전용 파워셀; 및 상기 배터리 충전용 파워셀 각각으로부터 출력되는 직류 전원에 상응하는 에너지를 저장하는 배터리 컨테이너를 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공된다.

각 상에 연결되는 n개의 배터리 충전용 파워셀은 캐스케이드(cascade) 연결될 수 있다.

상기 배터리 충전용 파워셀 각각은, 계통으로부터 입력되는 교류 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 처리하여 직류 전원으로 변환하거나 그 역의 처리를 수행하는 직류-교류 PWM 컨버터; 및 상기 직류-교류 PWM 컨버터로부터 출력되는 직류 전원을 상기 배터리 컨테이너로 제공하거나, 상기 배터리 컨테이너로부터 제공되는 직류 전원을 상기 계통으로 제공하기 위해, 상기 배터리 컨테이너 또는 상기 계통에 대해 지정된 전압을 가지는 직류 전원으로 변압처리하는 양방향 직류-직류 PWM 컨버터를 포함할 수 있다.

상기 배터리 충전용 파워셀에서 출력되는 직류 전원이 모두 하나의 배터리 컨테이너에 공급되도록 하기 위해, 상기 배터리 충전용 파워셀 각각은 하나의 배터리 컨테이너에 연결될 수 있다.

상기 배터리 충전용 파워셀 중 둘 이상은 상기 배터리 컨테이너의 구비된 입력 단자를 공유하여 직류 전원을 공급할 수 있다.

상기 배터리 충전용 파워셀에서 출력되는 직류 전원이 개별적으로 미리 지정된 m(m은 상기 상(phase) 수와 n의 곱셈 연산값보다 작은 임의의 자연수)개의 배터리 컨테이너 중 어느 하나로 공급되도록 하기 위해, 각각의 배터리 충전용 파워셀의 출력 단자는 상기 m개 중 어느 하나의 배터리 컨테이너의 입력 단자에 각각 미리 연결될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고전압의 계통에 연계하기 위해 컨버터 셀을 증가할지라도 동일한 전위를 가지는 단일 전위의 배터리 에너지 저장 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.

또한 배터리 컨테이너의 설계 및 제작시 비용을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래기술에 따른 대용량 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 종래기술에 따른 H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)의 구조를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)의 구조를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 종래기술에 따른 H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)의 구조를 나타낸 도면이다.

에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)이란 전력과 에너지를 필요한 시점에서 필요한 장소에 공급하기 위해서 전력계통에 전기를 저장하는 기술로, 전력의 품질과 효율을 높이기 위한 것이다. 에너지 저장 시스템은 기존의 2차 전지와 같이 하나의 제품으로 완결되지 않고, 일반적으로 배터리 시스템, 전력 변환 시스템(PCS, Power Converter System) 및 전력 컨트롤 시스템이 통합되어 구현된다.

일반적인 대용량 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)는 앞서 낮은 배터리 시스템의 전압을 계통(Grid)에 연계하기 위해 승압용 변압기인 계통연계 변압기(110, 도 1 참조)를 포함하여 구성된다.

이러한 시스템을 개선하여 계통연계 변압기(110)를 구비하지 않더라도 고전압 계통에 연계할 수 있는 무변압기 계통연계형 H-브릿지 기반의 에너지 저장 시스템의 구조가 도 2에 도시되어 있다.

도 2에 도시된 무변압기 계통연계형 H-브릿지 기반의 에너지 저장 시스템은 30개의 배터리 유닛(210)을 이용하는 6.6kV 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 각 상(Phase)에 10개의 단상 H-브릿지 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터 셀이 캐스캐이드(cascade) 연결 구조로 연결되어 있다.

도 2에 도시된 무변압기 계통연계형 H-브릿지 기반의 에너지 저장 시스템에 대해서는 선행논문 "A Transformerless Battery Energy Storage System Based on a Multilevel Cascade PWM Converter(Laxman Maharjan, Shigenori Inoue, Hirofumi Akagi, and Jun Asakura)", IEEE, 2008에 상세히 설명되어 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

도 2에 도시된 무변압기 계통연계형 H-브릿지 기반의 에너지 저장 시스템은 컨버터 셀 수를 적절히 증가시키고 각 컨버터 셀들을 직렬 연결함으로써 계통연계 변압기(110, 도 1 참조) 없이 고전압의 계통에 연계시킬 수 있다.

그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 컨버터 셀이 독립적으로 배터리 유닛(210)에 연결되어야 하며, 이때 각각의 배터리 유닛(210)은 독립적인 전위를 가져야 한다. 이는, 각각의 컨버터 셀이 계통전압을 셀 수로 나누어 운전을 하고, 각각의 컨버터 셀마다 독립적인 전원을 가져야만 이를 직렬로 연결하여 고전압의 계통에 연결한 컨버터 운전이 가능하기 때문이다.

따라서, 종래기술에 따른 무변압기 계통연계형 H-브릿지 기반의 에너지 저장 시스템은 각 컨버터 셀에 연결된 배터리 유닛(210)이 독립적인 전위를 가져야 하고, 따라서 컨버터 셀 수가 증가할수록 독립적인 전위를 가지는 배터리 유닛(210)이 증가되어야 하는 문제점이 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 본 실시예에 따른 H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)은 앞서 설명한 도 2에 도시된 시스템 구조를 개선한 것이다.

즉, 종래기술에 따른 에너지 저장 시스템의 단점인 컨버터 셀 수의 증가에 비례하여 독립적 전위를 가지는 배터리 유닛(210, 도 2 참조)을 구비하여야 하는 문제점을 해결하여, 수 MWH급 에너지 저장 장치가 단일 전위를 가지도록 구현할 수 있다. 이를 통해, 에너지 저장 장치인 배터리 컨테이너의 설계 및 제작시 비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 3a를 참조하면, H-브릿지(bridge) 기반의 무변압기 에너지 저장 시스템(ESS)은 계통(Grid)에 연계된 각 상(Phase)에 n(여기서, n은 임의의 자연수)개의 배터리 충전용 파워셀(310a, 310b, 310c, 이하 310으로 통칭함)이 캐스캐이드(cascade) 연결 구조로 연결된다.

또한, 각 배터리 충전용 파워셀(310)의 출력은 도 3b에 예시된 하나의 배터리 컨테이너(320)으로 입력되어 배터리 컨테이너에 포함된 배터리 유닛들에 에너지가 저장되도록 한다.

각 배터리 충전용 파워셀(310)의 출력은 개별적으로 배터리 컨테이너(320)로 입력될 수도 있고(즉, 각 배터리 충전용 파워셀(310)과 배터리 컨테이너(320)가 개별 연결되는 병렬 연결 구조), 도 1에 도시된 바와 유사하게 둘 이상의 배터리 충전용 파워셀(310)의 출력이 각각 하나로 연결된 후 배터리 컨테이너(320)로 개별 입력(즉, 직병렬 연결 구조)될 수도 있다.

또한 배터리 컨테이너(320)가 복수로 구비되는 경우, 각 배터리 컨테이너(320)별로 저장을 위한 에너지를 입력 받을 배터리 충전용 파워셀(310)이 미리 설정될 수도 있을 것이다.

도 3c에는 각각의 배터리 충전용 파워셀(310)의 구성이 도시되어 있다.

도 3c를 참조하면, 배터리 충전용 파워셀(310)은 직류-교류 PWM 컨버터(AC-DC PWM(Pulse Width Modulation) Converter)(350) 및 양방향 직류-직류 PWM 컨버터(Bidirectional DC-DC PWM Converter)(360)를 포함하여 구성될 수 있다.

직류-교류 PWM 컨버터(350)는 계통으로부터 입력되는 교류 전원을 펄스의 듀티비를 조정하여 파워 출력을 조정하는 등의 PWM 처리하여 직류 전원으로 변환한다.

직류-교류 PWM 컨버터(350)는 계통의 에너지를 배터리 컨테이너(320)로 제공하거나 배터리 컨테이너(320)로부터 제공되는 에너지를 계통으로 제공하기 위해 예를 들어 4상한(four quadrant) 운전이 가능하도록 구현될 수 있다.

양방향 직류-직류 PWM 컨버터(360)는 직류-교류 PWM 컨버터(350)로부터 출력되는 직류 전원을 배터리 컨테이너(320)로 제공하거나, 그 역의 처리를 수행하기 위해 직류 전원의 전압을 적절히 변압 처리한다.

상기에서는 본 발명의 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.

110 : 계통연계 변압기 120 : 전력 변환 시스템
130 : 전지 랙 210 : 배터리 유닛
310 : 배터리 충전용 파워셀 320 : 배터리 컨테이너
350 : 직류-교류 PWM 컨버터 360 : 양방향 직류-직류 PWM 컨버터

Claims (6)

1. 에너지 저장 시스템(ESS)에 있어서,
   계통(Grid)에 연계된 각 상(Phase)에 n(n은 임의의 자연수)개씩 연결되는 k(k는 상기 n과 상기 계통에 연계된 상의 수를 곱셈 연산한 값)개의 배터리 충전용 파워셀; 및
   상기 배터리 충전용 파워셀 각각으로부터 출력되는 직류 전원에 상응하는 에너지를 저장하기 위해 상기 배터리 충전용 파워셀과 k:1의 연결 관계를 가지는 배터리 컨테이너를 포함하는 에너지 저장 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   각 상에 연결되는 n개의 배터리 충전용 파워셀은 캐스케이드(cascade) 연결되는 에너지 저장 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 충전용 파워셀 각각은,
   계통으로부터 입력되는 교류 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 처리하여 직류 전원으로 변환하거나 그 역의 처리를 수행하는 직류-교류 PWM 컨버터; 및
   상기 직류-교류 PWM 컨버터로부터 출력되는 직류 전원을 상기 배터리 컨테이너로 제공하거나, 상기 배터리 컨테이너로부터 제공되는 직류 전원을 상기 계통으로 제공하기 위해, 상기 배터리 컨테이너 또는 상기 계통에 대해 지정된 전압을 가지는 직류 전원으로 변압처리하는 양방향 직류-직류 PWM 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 충전용 파워셀 중 둘 이상은 상기 배터리 컨테이너의 구비된 입력 단자를 공유하여 직류 전원을 공급하는 에너지 저장 시스템.
6. 삭제

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