KR101417572B1 - 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 일실시예의 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템에 따르면, 계통에 이상이 발생하는 경우 계통과 연계하지 않고 자립 운전 모드로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 계통에 이상이 발생한 경우 빠른 이상 여부의 검출이 가능하여 자립 운전 모드로 빠른 이행이 가능하다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템은, 제 1 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 제 4 변환기; 및 상기 계통과 상기 제 4 변환기의 교류 전압을 출력하는 제 1 노드 사이에 배치된 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 제 1 스위치부;를 포함한다.

Description

무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM WITH FUNCTION OF UNINTERRUPTIBLE POWER EQUIPMENT}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무정전 전원 장치 기능을 구비하고 있어, 상용 교류 전원인 계통에 이상이 발생한 경우에도 연결된 전용 부하에 전력을 계속적으로 공급 가능한 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
신재생 에너지원과 계통을 연계한 에너지 저장 장치는, 주로 계통에서 발생하는 부하의 피크 시프트(peak shift)를 하도록 함으로써, 계통의 평준화를 구현하는 것을 목적으로 한다. 즉, 계통에서 피크 전력이 발생 시 축전지에 저장된 에너지와 신재생 에너지원에서 발생하는 에너지를 계통으로 방전하게 되는 것이다. 이 때 신재생 에너지원에서 발생하는 에너지는 축전지를 버퍼로 하여 계통으로 공급하는 것도 가능하다.
그러나, 정전 및 최근 기상 이변 등으로 인해 계통에 이상이 발생하는 경우 즉, 비상 전원으로 축전지와 신재생 에너지원을 이용해서 부하에 전력을 공급하는 자립 운전모드의 운전 기능에 대한 필요성이 많이 대두되고 있다. 또한, 기존의 계통 연계형 인버터의 경우 전류원으로 운전되므로, 비상 전원으로 구동하는 경우에 필요로 하는 전압원이 되어야 하는 조건을 만족하지 못해 계통에 비상 상황이 발생하는 경우 에너지원이 있음에도 활용하지 못하거나 제한적으로 사용할 수밖에 없는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2011-0068639호(2011.06.22.) 등록특허공보 제10-1116483호(2012.02.27.)
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 계통에 이상이 발생하는 경우 계통과 연계하지 않고 자립 운전 모드로 동작할 수 있는 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 계통에 이상이 발생한 경우 빠른 이상 여부의 검출이 가능하여 자립 운전 모드로 빠른 이행이 가능한 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템은, 제 1 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 제 4 변환기; 상기 제 4 변환기의 교류 전압을 출력하는 제 1 노드와 상기 계통과의 사이에 배치된 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 제 1 스위치부; 및 상기 제 1 노드와 상기 에너지 저장 시스템의 전용 부하와 연결되는 출력 노드 사이에 교류 전압을 교류 전압으로 변환하는 제 1 변환기;를 포함한다.
구체적으로, 상기 제 1 스위치부는, 제 1 스위칭 소자를 포함하되, 본 발명의 에너지 저장 시스템은, 상기 제 1 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는, 상기 계통의 전압을 검출하여 상기 계통의 이상 여부를 판단하는 계통 이상 판단 유닛; 및 상기 계통 이상 판단 유닛으로부터, 상기 계통의 이상이 감지된 경우 상기 제 1 스위칭 소자를 오프시키는 계통 차단 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 계통 이상 판단 유닛은, 상기 계통의 전압을 90도 위상을 지연하는 위상 시프터; 상기 위상 시프터의 출력 전압을 제곱하여 출력하는 제 1 멀티플라이어; 상기 계통의 전압을 제곱하여 출력하는 제 2 멀티플라이어; 및 상기 제 1 멀티플라이어의 출력 신호와 상기 제 2 멀티플라이어의 출력 신호를 가산하는 가산기;를 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 제 1 스위칭 소자는, 상기 계통으로부터의 출력을 상기 제 1 노드로 전달하기 위한 제 1-1 스위치; 및 상기 제 4 변환기의 출력을 상기 계통으로 전달하기 위한 제 1-2 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명의 에너지 저장 시스템은, 상기 계통에 이상이 감지된 경우, 상기 제 1 스위칭 소자를 오프하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 에너지 저장 시스템은, 상기 제 1 변환기와 병렬로 연결된 바이패스 스위치;를 더 포함하되, 상기 계통에 이상이 감지된 경우, 상기 바이패스 스위치를 온하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예의 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템에 따르면, 계통에 이상이 발생하는 경우 계통과 연계하지 않고 자립 운전 모드로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 계통에 이상이 발생한 경우 빠른 이상 여부의 검출이 가능하여 자립 운전 모드로 빠른 이행이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제어기의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 계통 이상 판단 유닛의 구성도.
도 4는 계통의 불안정한 전원 및 제 1 변환기에 의한 전용 부하에 공급되는 안정된 전원의 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 이상 신호 발생시의 관련 소자 동작 파형도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명에서는 계통이 정상적일 경우 기본적인 에너지 저장 시스템으로서의 역할을 충실하게 담당하면서도, 계통의 정전 등의 비상 상황, 즉 이상이 발생한 경우, 무정전 전원 장치로 활용이 가능하여 에너지 저장 시스템에 연결된 전용 부하로 비상 전원을 공급하고자 한다. 이러한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)은 다음과 같은 사양을 만족할 수 있다.
(1) 계통이 정상적인 계통 연계 운전시 전류원으로, 계통이 비정상적인 경우 자립 운전시 전압원으로 운전한다.
(2) 계통에 이상이 발생하는 경우 이를 감지하여 계통과의 연결을 차단하여, 계통 연계 운전의 규정에 따른 단독 운전 방지를 수행하고, 축전지와 신재생 에너지원을 기본으로 10ms 이내로 절체하여 부하에 전력을 공급한다.
(3) 전용 부하에 AC to AC 방식의 정전압 소스를 추가하여 계통 전압의 변동에 대하여 부하로 공급하는 출력 전압의 안정도를 +/-3% 이내로 유지한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)의 구성도를 나타낸다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)은, 제 1 변환기(10), 제 4 변환기(20), 제 1 스위치부(30), 바이패스 스위치(40), 제 2 변환기(50), 제 3 변환기(60) 및 제어기(70)를 포함한다. 다만, 제어기(70)는 도 1에는 도시되지 않았다.
하기에 본 발명의 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)의 각 구성 요소에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 제 1 변환기(10)는 제 4 변환기(20)의 교류 전압을 출력하는 제 1 노드(Node1)와 전용 부하와 연결된 출력 노드 사이에 배치되며, 교류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 한다.
여기서 전용 부하란, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)에 직접 연결되어 전력이 공급되는 장비 및 장치 등의 부하를 말한다. 또한, 도 1에 표시된 일반 부하는 계통에 연결되어 전력을 공급받는 장비 및 장치 등의 부하를 말한다.
다음으로 제 4 변환기(20)는, 제 1 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는, 양방향 컨버터이다.
본 발명의 제 1 스위치부(30)는, 계통과 제 4 변환기(20)의 교류 전압을 출력하는 제 1 노드(Node1) 사이에 배치된 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하여, 제 1 노드(Node1)와 계통 사이의 연결을 온/오프하는 역할을 한다. 제 1 스위치부(30)는, 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자(31) 및 제 2 스위칭 소자(32)를 포함한다 제 1 스위칭 소자(31)는 SCR과 같은 반도체 스위칭 소자에 의해 구현 가능하고, 제 2 스위칭 소자(32)는 기계적 스위치에 의해 구현 가능하다.
제 1 스위칭 소자(31)는, 계통으로부터의 출력을 제 1 노드(Node1)로 전달하기 위한 제 1-1 스위치(S11) 및 제 4 변환기(20)의 출력을 계통으로 전달하기 위한 제 1-2 스위치(S12)를 포함한다. 또한, 제 1-1 스위치(S11) 및 제 1-2 스위치(S12)는, 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제어기(70)의 구성도를 나타낸다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제어기(70)는, 제 1 변환기(10), 제 4 변환기(20), 제 1 스위치부(30), 바이패스 스위치(40), 제 2 변환기(50) 및 제 3 변환기(60)의 동작을 제어하는 역할을 각각 담당하는, 제 1 변환기 제어부(71), 제 4 변환기 제어부(72), 제 1 스위치부 제어부(73), 바이패스 스위치 제어부(74), 제 2 변환기 제어부(75) 및 제 3 변환기 제어부(76)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제 1 스위치부 제어부(73)는, 계통 이상 판단 유닛(731) 및 계통 차단 유닛(732)을 포함한다. 계통 이상 판단 유닛(731)은, 계통의 전압을 검출하여 계통의 이상 여부를 판단하는 역할을 하며, 계통 차단 유닛(732)은 계통 이상 판단 유닛(731)으로부터 계통의 이상이 감지된 경우 제 1 스위칭 소자(31)를 오프시켜 계통과 제 1 노드(Node1)의 연결을 차단하는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 계통 이상 판단 유닛(731)의 구성도를 나타낸다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 계통 이상 판단 유닛(731)은, 계통의 전압을 90도 위상을 지연하는 위상 시프터(PS), 위상 시프터(PS)의 출력 전압을 제곱하여 출력하는 제 1 멀티플라이어(MPL1), 계통의 전압을 제곱하여 출력하는 제 2 멀티플라이어(MPL2) 및 제 1 멀티플라이어(MPL1)의 출력 신호와 제 2 멀티플라이어(MPL2)의 출력 신호를 가산하는 가산기(Sum)를 포함한다. 이러한, 계통 신호의 처리에 의해, 본 발명의 계통 이상 판단 유닛(731)은 더욱 빠르게 계통의 이상 여부를 감지하고 판단할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 변환기(50)는, 신재생 에너지원으로부터의 제 2 직류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하는 역할을 한다. 또한, 제 3 변환기(60)는, 축전지로부터의의 제 3 직류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하거나, 제 1 직류 전압을 제 3 직류 전압으로 변환하는 양방향 변환기이다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은, 제 1 변환기(10)와 병렬로 연결된 바이패스 스위치(40)를 포함하되, 계통에 이상이 감지된 경우, 제어기(70)는 바이패스 스위치(40)를 온하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)의 동작을 정리하면 다음과 같다.
먼저, 계통이 정상적인 경우에는 기본적으로 제 4 변환기(20)로서 운전을 실시한다. 예를 들면, 태양 전지 또는 풍력 등과 같이 신재생 에너지원으로부터 발생한 에너지는 제 2 변환기(50)에 의해 변환되어 DC LINK단에 연결되며, 축전지의 에너지도 DC/DC 컨버터인 제 3 변환기(60)에 의해 변환되어 DC LINK단에 접속된다. 이렇게 변환된 에너지는 제 4 변환기(20)를 통해 계통과 동기를 맞추어 계통 전원과 동기된 교류 전력으로 변환되어 설정된 운전 모드에 따라 계통 연계 운전을 실시한다. 이때 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)은 전류원으로서 전력을 계통으로 공급하는 역할을 담당하게 되는데, 계통에 있는 반도체 스위치인 제 1 스위칭 소자(31)와 기계적 스위치인 제 2 스위칭 소자(32)는 온 상태를 유지한다. 이때는 기본적으로 계통이 전압원으로서 연계된 일반 부하와 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)의 전용 부하에 필요한 전력을 공급하게 된다. 구체적으로, 전용 부하인 경우에는 보다 안정된 전압을 공급하기 위하여 본 발명의 에너지 저장 시스템(100) 내부의 정전압 인버터인 제 1 변환기(10)를 거쳐 전용 부하의 전력을 공급함으로써 계통 입력 전압의 +/-20%의 안정도에 대하여 정격 전압 대비 +/-2%의 안정된 전압을 부하로 공급하게 된다. 이때 사용되는 제 1 변환기(10)는 AC to AC 방식의 정전압 인버터를 말한다.
도 4는 상술한 바와 같은, 계통의 불안정한 전원 및 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제 1 변환기(10)에 의한 전용 부하에 공급되는 안정된 전원의 예시도이다. 즉, 계통의 전원이 불안정하더라도, 제 1 변환기(10)에 의해 안정된 전원을 부하에 공급 가능하다.
또한, 계통이 정전과 같은 비상 상황이 일어나면 전용 부하에 전력 공급이 끊어지는 것을 막기 위해 10ms 이내로 전력을 공급해야 하므로, 도 3과 같이 계통 전압을 빠르게 검출하고, 검출된 상태를 전달하여 제 1 스위칭 소자(31)를 빠르게 오프하는 것에 의해, 전용 부하에 전력이 끊어지지 않도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 이상 신호 발생시의 관련 소자 동작 파형이다. 즉, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 계통 이상 판단 유닛(731)에 의한 계통의 이상(예를 들면, 정전)이 감지되면, 제 1 스위칭 소자(31)가 턴오프 동작하고, 그에 따라 전용 부하에의 전력 공급은 계통과 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)에 의해 이루어지던 것이, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)에 의한 전원 공급만이 이루어지게 된다.
국제적인 기준에 따라 일반적인 전기, 전자 제품인 경우에는 20ms 이내의 'Hold Up Time'이라는 규정이 있어 정전이 일어나더라도 기기 내부에 있는 전해 콘덴서에 의해 20ms 정도는 유지하도록 되어 있다. 이렇게 전용 부하에 전력을 공급하고 나서 국내의 계통연계 인버터와 관련한 규정인“소출력 태양광 발전용 파워조절기의 시험방법” KSC8540 과 “신재생에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급촉진법 시행규칙 제7조 설비심사기준”NR PV 501, NR PV 502 의 단독운전방지 규정에 따라 정전 검출 후에 0.5초 이내로 기계적인 방법에 의해 계통을 끊어야 함으로 기계적 마그네틱 스위치인 제 2 스위칭 소자(32)가 오프되어 계통을 완전히 차단하게 된다. 이때, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)은 전압원으로써 부하에 전력을 공급하게 된다. 또한, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)은 신재생 에너지 및 축전지로부터의 에너지를 손실 없이 사용하기 위하여 바이패스 스위치(40)를 사용하여 운전할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예의 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템(100)에 따르면, 계통에 이상이 발생하는 경우 계통과 연계하지 않고 자립 운전 모드로 동작할 수 있고, 계통에 이상이 발생한 경우 빠른 이상 여부의 검출이 가능하여 자립 운전 모드로 빠른 이행이 가능함을 알 수 있다.
100 : 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템
10 : 제 1 변환기 20 : 제 4 변환기
30 : 제 1 스위치부 40 : 바이패스 스위치
50 : 제 2 변환기 60 : 제 3 변환기
70 : 제어기
31 : 제 1 스위칭 소자 32 : 제 2 스위칭 소자
S11 : 제 1-1 스위치 S12 : 제 1-2 스위치
71 : 제 1 변환기 제어부 72 : 제 4 변환기 제어부
73 : 제 1 스위치부 제어부 74 : 바이패스 스위치 제어부
75 : 제 2 변환기 제어부 76 : 제 3 변환기 제어부
731 : 계통 이상 판단 유닛 732 : 계통 차단 유닛
PS : 위상 시프터 MPL1 : 제 1 멀티플라이어
MPL2 : 제 2 멀티플라이어 Sum : 가산기
Node1 : 제 1 노드

Claims (8)

  1. 에너지 저장 시스템에 있어서,
    제 1 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하거나, 교류 전압을 제 1 직류 전압으로 변환하여 출력하는 제 4 변환기;
    축전지로부터 출력된 제 3 직류 전압을 입력받아 제 1 직류 전압으로 변환하여 상기 제 4 변환기로 출력하거나, 상기 제 4 변환기로부터 출력된 제 1 직류 전압을 입력받아 제 3 직류 전압으로 변환하여 상기 축전지로 출력하는 제 3 변환기;
    상기 제 4 변환기의 교류 전압을 출력하는 제 1 노드와 계통 사이의 연결을 온(ON) 또는 오프(OFF)하는 제 1 스위치부;
    상기 제 1 노드에 걸리는 교류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 에너지 저장 시스템의 전용 부하와 연결된 출력 노드로 출력하는 제 1 변환기; 및
    상기 제 1 변환기와 병렬로 연결된 바이패스 스위치;를 포함하되,
    상기 계통에 이상이 감지된 경우, 상기 바이패스 스위치를 온(ON)하는 것에 의해 상기 제 1 노드와 상기 에너지 저장 시스템의 전용 부하와 연결된 출력 노드를 직접 연결하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치부는, 제 1 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 에너지 저장 시스템은,
    상기 제 1 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어기;를 더 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 계통의 전압을 검출하여 상기 계통의 이상 여부를 판단하는 계통 이상 판단 유닛; 및
    상기 계통 이상 판단 유닛으로부터, 상기 계통의 이상이 감지된 경우 상기 제 1 스위칭 소자를 오프(OFF)시키는 계통 차단 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 계통 이상 판단 유닛은,
    상기 계통의 전압을 90도 위상을 지연하는 위상 시프터;
    상기 위상 시프터의 출력 전압을 제곱하여 출력하는 제 1 멀티플라이어;
    상기 계통의 전압을 제곱하여 출력하는 제 2 멀티플라이어; 및
    상기 제 1 멀티플라이어의 출력 신호와 상기 제 2 멀티플라이어의 출력 신호를 가산하는 가산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자는,
    상기 계통으로부터의 출력을 상기 제 1 노드로 전달하기 위한 제 1-1 스위치; 및
    상기 제 4 변환기의 출력을 상기 계통으로 전달하기 위한 제 1-2 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치 기능을 구비한 에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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KR101633754B1 (ko) * 2016-01-11 2016-06-28 에디슨솔라이텍(주) 무정전 기능을 갖는 부하 평준화용 전력 저장 시스템
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