KR101595802B1 - 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템 - Google Patents

인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬로 연결된 다수의 인버터들을 노이즈의 영향에 의한 신호 왜곡없이 균등하게 제어 운전이 가능하도록 한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템에 관한 것으로서, 기준 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생회로와 상기 PWM 발생회로로부터 발생된 기준 PWM 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 1 O/E 변환기로 이루어진 인버터 제어부와, 상기 인버터 제어부로부터 출력되는 PWM 신호와 옵티컬 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 2 O/E 변환기를 내장하고 병렬로 연결된 다수의 인버터 모듈들로 이루어져 계통전압을 출력하는 다수개의 PCS 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템{Mass Energy Storage System for driving equal control among inverters}
본 발명은 대용량 에너지 저장시스템에 관한 것으로, 특히 병렬로 연결된 다수의 인버터 모듈들을 균등하게 제어 운전할 수 있도록 한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 산업고도화가 진행되어 에너지 수요가 지속적으로 증가하고 화석연료의 지속적인 사용으로 이산화탄소 배출량이 증대됨에 따라 심각한 기후 변화를 경험하고 있어 이 문제를 해결하기 위한 공학적인 해결방안 모색이 필요하다.
최근 정부 주도의 녹색성장 비전에 따라 분산전원의 보급 및 확대정책이 적극 추진되고 있으며, 유가 급등에 따른 대기업과 중소기업 벤처 캐피탈의 투자가 이루어져 관련 시장이 급속하게 확대되고 있는 상황이다.
하지만 신재생 에너지는 입지환경 및 자연조건에 큰 영향을 받으므로 출력변동이 심하여 연속적인 공급이 불가능하고 에너지 생산시점과 수요시점의 시간차가 발생하고, 장기적인 관점으로 현재 전력계통이 신재생 에너지 변동성을 흡수하는데 한계가 있기 때문에 신재생 에너지의 변동성을 관할 수 있는 대안이 필요하다.
전력저장시스템(electric energy storage system)은 짧은 시간에 신재생 에너지의 간헐적인 특성에 대응할 수 있는 좋은 방법으로 에너지 저장시스템(energy storage system)이 중요하게 대두된다.
특히, 에너지 저장 시스템은 발전량이 많을 때는 전기를 충전하고 소비량이 많을 때는 전기를 방전함으로써 수요와 공급의 차이를 효율적으로 줄일 수 있다. 생산된 전력 에너지를 저장하여 필요할 때 사용함으로써 에너지 이용 효율을 향상하고 신재생 에너지 활용도 제고 및 전력공급 시스템을 안정화하는 장치로서, 전력저장 기술은 미래의 에너지 시장을 선도할 중요 기술로 인식되고 있다.
대용량 에너지 저장장치를 이용할 경우, 1일 전력부하 격차 해소를 통해 부하율 향상, 피크억제 및 전력부하 평준화를 도모하고 분산전원 및 신재생 에너지의 출력안정과 전력품질 향상을 지원할 뿐만 아니라 전력 수용가 비상 전원 공급 및 고품질 전력공급을 지원할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 적용범위를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
일반적인 에너지 저장 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 전력계통에서 생산된 에너지를 저장하여 필요한 시점에 저장된 에너지를 사용하기 위해 적용되고 있으며, 송배전망에 설치 가능한 에너지 저장 시스템은 MW급 이상 대규모의 에너지 저장장치에 해당한다. 이처럼 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지, 산업시설, 상업시설, 주거지역, 전력시스템 등과 같이 다양한 분야에서 적용할 수 있는 장치이다.
도 2는 종래 기술에 의한 대용량 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2의 인버터 모듈의 동작 파형도 및 구성도이다.
종래 기술에 의한 대용량 에너지 저장 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(BATT)의 DC측과 계통전압(gird) 사이에 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 다수의 인버터 모듈(10)들이 병렬로 연결되어 구성된다.
상기 각 인버터 모듈(10)의 출력단과 계통전압 사이에는 상기 인버터 모듈(10)의 출력 전류를 제한하여 고조파가 전원측으로 출력하는 것을 억제하는 리액터(11) 및 전원측에서 유입되는 노이즈나 인버터에서 발생하는 노이즈를 필터링하는 필터(12)가 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 대용량 에너지 저장 시스템의 동작은 도 3에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈(10)을 구성하는 스위치 소자(Q11,Q12,Q21,Q22)간의 스위칭 타이밍 신호(PWM11, PWM12, PWM21, PWM22)가 다를 경우, 특히 인버터 모듈(10)마다 별도의 제어회로를 갖는 경우에는 임의의 인버터 모듈(10)이 "+"측 스위칭 소자(Q11)가 On이 되어 있을 때, 다른 인버터 모듈(10)의 "-"측 스위칭 소자(Q22)가 On이 되면 인버터 모듈(10) 간에 스위칭에 의한 고주파 순환전류가 발생하게 되며, 스위칭소자 및 리액터, 필터 등의 특성편차 또는 온도변화에 따른 특성의 변화 등에 의하여 인버터 모듈(10)간에 전류의 불균형이 발생되며, 이로 인하여 인버터 모듈간에 저주파 순환전류가 흐르게 된다.
따라서 배터리의 DC 측과 계통전압측 사이에 다수의 인버터 모듈(10)들이 모두 병렬로 연결이 되어야하기 때문에 각 인버터 모듈(10)의 구동방법 또는 인버터 모듈(10)들간의 특성 차이에 의하여 상호간에 간섭이 발생되고, 또한 전류의 불균형이 발생되게 된다.
이로 인하여 대용량 에너지 저장 시스템의 성능이 저하되고 또한 인버터 모듈의 스위칭소자를 파손시키는 원인이 될 수 있다. 인버터 모듈들의 특성 차이는 스위칭 소자의 특성 및 스위칭 타이밍, 리액터 및 필터 등의 특성 차이, 온도변화에 따른 소자들의 특성 변화 등에 의하여 발생이 될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 병렬로 연결된 다수의 인버터들을 노이즈의 영향에 의한 신호 왜곡없이 균등하게 제어 운전이 가능하도록 한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템은 기준 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생회로와 상기 PWM 발생회로로부터 발생된 기준 PWM 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 1 O/E 변환기로 이루어진 인버터 제어부와, 상기 인버터 제어부로부터 출력되는 PWM 신호와 옵티컬 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 2 O/E 변환기를 내장하고 병렬로 연결된 다수의 인버터 모듈들로 이루어져 계통전압을 출력하는 다수개의 PCS 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 PWM 발생회로는 외부에서 인가되는 인버터 기준 출력전류와 상기 각 PCS 인버터에서 출력되는 출력전류 및 전압을 공급받아 오차를 보정하여 기준 PWM 신호를 발생한다.
또한, 상기 인버터 모듈은 계통의 위상과 주파수를 계산하여 계통과 동기를 맞추어 출력하는 PWM 보정회로, 직류전력을 공급받아 교류전력으로 전환하기 위해 스위칭 소자로 이루어진 인버터, 상기 인버터의 출력 전류를 제한하여 고조파가 전원측으로 출력하는 것을 억제하는 리액터 및 전원측에서 유입되는 노이즈나 인버터에서 발생하는 노이즈를 필터링하는 필터가 직렬로 연결되어 구성되고, 각 상의 계통전압 및 계통에 흐르는 전체 전류와 각 인버터별로 계통전류를 계측하는 전류편차 검출부와 상기 전류편차 검출부의 검출 정보에 따라 전체 전류에 대한 편차를 연산하여 상기 PWM 보정회로에 공급하는 PWM 연산부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 PWM 보정회로는 인버터, 리액터, 필터의 특성 차이 또는 온도 변화와 같은 특성의 변화에 따른 인버터 모듈간의 전류 불균형 및 저주파 순환전류를 보정한다.
또한, 상기 PWM 보정회로는 각 상의 전체 계통전류와 인버터 모듈의 계통전류를 측정하여 전체 계통전류에 대한 편차를 연산한 후, 상기 인버터 제어부로부터 공급되는 각 상의 PWM 신호에 대하여 편차에 해당하는 펄스 폭 및 위상을 보정한 보정 PWM 신호를 생성하여 인버터로 공급한다.
본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 인버터 구동부와 인버터들간의 PWM신호를 옵티컬(optical) 신호로 전환하여 전송함으로서 각 인버터간 노이즈 등의 영향에 의한 신호 왜곡을 제거함으로써 병렬로 연결된 다수의 인버터들을 균등하게 제어 운전할 수 있다.
도 1은 일반적인 에너지 저장 시스템의 적용범위를 개략적으로 설명하기 위한 개념도
도 2는 종래 기술에 의한 대용량 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도
도 3은 도 2의 인버터 모듈의 동작 파형도 및 구성도
도 4는 본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 5는 도 4의 인버터 모듈을 개략적으로 나타낸 구성도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 4는 본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 5는 도 4의 인버터 모듈을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
먼저, 에너지 저장 시스템이란 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, 인버터시스템 및 전력 컨트롤 시스템이 통합되어 구현된다.
본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 기준 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생회로(110)와 상기 PWM 발생회로(110)로부터 발생된 기준 PWM 신호를 공급받아 옵티컬(optical) 신호로 변환하여 출력하는 제 1 O/E 변환기(Optical-Electrical Converter)(120)로 이루어진 인버터 제어부(100)와, 상기 인버터 제어부(100)로부터 출력되는 PWM 신호(PWMa,b,c)와 옵티컬 신호(optical)를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 2 O/E 변환기(210)를 내장하고 병렬로 연결된 다수의 인버터 모듈(220)들로 이루어져 계통전압(grid)으로 출력하는 다수개의 PCS 인버터(200)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 PWM 발생회로(110)는 외부에서 인가되는 인버터 기준 출력전류(REF)와 상기 각 PCS 인버터(200)에서 출력되는 출력전류(Ia, Ib, Ic) 및 전압(Va, Vb, Vc)을 공급받아 오차를 보정하여 기준 PWM 신호를 발생한다.
상기 인버터 모듈(220)은 계통의 위상과 주파수를 계산하여 계통과 동기를 맞추어 출력하는 PWM 보정회로(221), 직류전력을 공급받아 교류전력으로 전환하기 위해 스위칭 소자로 이루어진 인버터(222), 상기 인버터(222)의 출력 전류를 제한하여 고조파가 전원측으로 출력하는 것을 억제하는 리액터(223) 및 전원측에서 유입되는 노이즈나 인버터(222)에서 발생하는 노이즈를 필터링하는 필터(도시되지 않음)가 직렬로 연결되어 구성되고, 각 상의 계통전압(Va, Vb, Vc) 및 계통에 흐르는 전체 전류(Ia, Ib, Ic)와 각 인버터별로 계통전류를 계측하는 전류편차 검출부(224)와 상기 전류편차 검출부(224)의 검출 정보에 따라 전체 전류에 대한 편차를 연산하여 상기 PWM 보정회로(221)에 공급하는 PWM 연산부(225)를 포함하여 구성된다.
상기 PWM 보정회로(221)는 인버터(222), 리액터(223), 필터 등의 특성 차이 또는 온도 변화와 같은 특성의 변화에 따른 인버터 모듈(220)간의 전류 불균형 및 저주파 순환전류를 보정하는 회로이다.
즉, 상기 PWM 보정회로(221)는 각 상의 전체 계통전류(Ia, Ib, Ic)와 인버터 모듈의 계통전류(Ia1, Ib1, Ic1n)를 측정하여 전체 계통전류에 대한 편차를 연산한 후, 상기 인버터 제어부(100)로부터 공급되는 각 상의 PWM 신호(PWMa, PWMb, PWMc)에 대하여 편차에 해당하는 펄스(Pulse) 폭 및 위상(Phase)을 보정한 보정 PWM 신호(PWMa1, PWMb1, PWMc1)를 생성하여 인버터(222)로 공급한다.
따라서 상기 PCS 인버터(200)를 구성하기 위해 병렬로 연결된 다수개의 인버터 모듈(220)에서 스위칭에 의한 고주파 순환전류는, 임의의 인버터 모듈(220)이 "+"측 스위칭 소자가 On이 되어 있을 때, 다른 인버터 모듈(220)이 "-"측 스위칭 소자가 On이 되면 인버터 모듈 간에 전류가 흐르게 되어 발생되게 되므로 상기 인버터 제어부(100)에서 PWM 신호(PWMa, PWMb, PWMc)를 발생하여 각 인버터 모듈(2220)에 공급하므로 각 인버터 모듈(220)의 스위칭 소자들이 동일한 타이밍에 스위칭이 되기 때문에 스위칭 타이밍에 의한 고주파 순환전류를 억제할 수 있다.
상기 인버터(222)는 각각 복수 개의 반도체 스위칭 소자, 예를 들면 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 IGBT)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템은 병렬로 연결된 다수개의 인버터 모듈(220)로 각각 구성된 다수의 PCS 인버터(200)를 다시 병렬로 연결하여 구성하고, 1개의 인버터 제어부(100)에서 PWM 신호(PWMa, PWMb, PWMc)를 각 PCS 인버터(200)로 전송하면 각 PCS 인버터(200)는 다시 PWM 보정기능을 갖는 각 인버터 모듈(220)로 전송하여 인버터 모듈(220)의 스위칭 소자를 구동한다.
상기 인버터 제어부(100)와 PCS 인버터(200)에는 각각 O/E 변환부(Optical-Electrical Converter)(120, 210)를 내장하여 인버터 제어부(100)와 각 PCS 인버터(200) 간의 PWM 신호를 옵티컬 신호로 전송함으로서 노이즈 등의 영향에 의한 신호의 왜곡이 없도록 한다.
따라서 본 발명에 의한 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템은 작은 용량의 다수의 인버터 모듈들을 병렬로 연결하여 대용량 에너지 저장시스템을 구성하여도 인버터 모듈들을 모두 균등하게 제어하여 운전할 수 있다.
한편, 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
100 : 인버터 제어부 110 : PWM 발생회로
120 : 제 1 O/E 변환기 200 : PCS 인버터
210 : 제 2 O/E 변환기 220 : 인버터 모듈
221 : PWM 보정회로 222 : 인버터
223 : 리액터 224 : 전류편차 검출부
225 : PWM 연산부

Claims (5)

  1. 기준 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생회로와 상기 PWM 발생회로로부터 발생된 기준 PWM 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 1 O/E 변환기로 이루어진 인버터 제어부와,
    상기 인버터 제어부로부터 출력되는 PWM 신호와 옵티컬 신호를 공급받아 옵티컬 신호로 변환하여 출력하는 제 2 O/E 변환기를 내장하고 병렬로 연결된 다수의 인버터 모듈들로 이루어져 계통전압을 출력하는 다수개의 PCS 인버터를 포함하여 구성되고,
    상기 인버터 모듈은 계통의 위상과 주파수를 계산하여 계통과 동기를 맞추어 출력하는 PWM 보정회로, 직류전력을 공급받아 교류전력으로 전환하기 위해 스위칭 소자로 이루어진 인버터, 상기 인버터의 출력 전류를 제한하여 고조파가 전원측으로 출력하는 것을 억제하는 리액터 및 전원측에서 유입되는 노이즈나 인버터에서 발생하는 노이즈를 필터링하는 필터가 직렬로 연결되어 구성되고, 각 상의 계통전압 및 계통에 흐르는 전체 전류와 각 인버터별로 계통전류를 계측하는 전류편차 검출부와 상기 전류편차 검출부의 검출 정보에 따라 전체 전류에 대한 편차를 연산하여 상기 PWM 보정회로에 공급하는 PWM 연산부를 포함하여 구성되며,
    상기 PWM 보정회로는 인버터, 리액터, 필터의 특성 차이 또는 온도 변화와 같은 특성의 변화에 따른 인버터 모듈간의 전류 불균형 및 저주파 순환전류를 보정하고,
    상기 PWM 보정회로는 각 상의 전체 계통전류와 인버터 모듈의 계통전류를 측정하여 전체 계통전류에 대한 편차를 연산한 후, 상기 인버터 제어부로부터 공급되는 각 상의 PWM 신호에 대하여 편차에 해당하는 펄스 폭 및 위상을 보정한 보정 PWM 신호를 생성하여 인버터로 공급하는 것을 특징으로 하는 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PWM 발생회로는 외부에서 인가되는 인버터 기준 출력전류와 상기 각 PCS 인버터에서 출력되는 출력전류 및 전압을 공급받아 오차를 보정하여 기준 PWM 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 인버터간 균등 제어 운전이 가능한 대용량 에너지 저장시스템.
  3. 삭제
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