KR101753667B1 - 마이크로그리드 제어를 위한 배터리에 기반한 플라이휠 에너지 저장 시스템 - Google Patents

마이크로그리드 제어를 위한 배터리에 기반한 플라이휠 에너지 저장 시스템 Download PDF

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유형준
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로그리드 제어를 위한 배터리에 기반한 플라이휠 에너지 저장 시스템은 발전기측 컨버터와 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터에 DC/DC 컨버터와 배터리를 연결하여 상기 커패시터의 전압을 충방전 제어함으로써 마이크로그리드에 안정적으로 전력을 전달할 수 있다.

Description

마이크로그리드 제어를 위한 배터리에 기반한 플라이휠 에너지 저장 시스템{A Flywheel Energy Storage System Based on Battery for Microgrid Control}
본 발명은 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 특히 발전기측 컨버터와 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터에 DC/DC 컨버터와 배터리를 연결하여 상기 커패시터의 전압을 충방전 제어함으로써 마이크로그리드에 안정적으로 전력을 전달할 수 있는 마이크로그리드 제어를 위한 배터리에 기반한 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
마이크로 그리드는 주요 전원으로 태양광이나 풍력 등 재생 에너지원을 사용하기 때문에 친환경 전력 시스템이다.
이러한 친환경 전력 시스템은 태양광이나 바람을 이용하기 때문에 환경 문제를 완화할 수 있는 신재생 에너지원이다.
그러나 신재생 에너지원의 단점은 바람과 태양광 발전의 확률적 특성에 기인한 전력 변동이다. 전력 변동은 전력 품질 요건을 충족하기 위하여 보상 행위가 이루어져야 한다.
그러나 풍력과 태양광 발전의 확률적 특성은 마이크로그리드의 효율적인 운영을 위한 상당히 어려운 과제이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 발전기측 컨버터와 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터에 DC/DC 컨버터와 배터리를 연결하여 상기 커패시터의 전압을 충방전 제어함으로써 풍력의 변동 보상 제어 및 마이크로그리드의 주파수를 제어하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템은,
회전 운동에 의해 전력을 발생시키는 플라이휠 조립체;
상기 플라이휠 조립체에 연결되어 회전축을 갖는 회전자와 회전자 권선, 고정자 및 고정자 권선로 이루어진 권선형 회전자 유도기기;
상기 회전자 권선에 연결되고 상기 플라이휠 조립체에서 발생하는 풍력의 변동을 완화시키기 위해서 고정자 전력을 제어하는 발전기측 컨버터(Machine Side Converter);
소규모 전원과 에너지저장장치로 포함한 마이크로그리드와 연결되어 계통에 필요한 전력을 제어하고 계통이 분리된 경우 전력의 주파수를 제어하는 계통기측 컨버터(Grid Side Converter);
상기 발전기측 컨버터와 상기 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터; 및
상기 커패시터에 연결되어 상기 커패시터의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터와 배터리를 포함한 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 발전기측 컨버터와 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터에 DC/DC 컨버터와 배터리를 연결하여 발전기측 컨버터와 계통기측 컨버터의 별도의 제어가 가능하여 마이크로그리드에 안정적으로 전력을 전달할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 콘트롤을 위한 이중여자 유도기와 배터리를 구비한 플라이휠 에너지 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 제어 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MSC와 GSC의 제어기 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템을 실제의 마이크로그리드에 구성한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 플라이휠 에너지 저장 시스템의 전력을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 주파수를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 전압을 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력과 본 발명의 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 종래의 백투백 컨버터의 DC 링크 전압과 본 발명의 백투백 컨버터의 DC 링크 전압을 비교한 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력과 GSC 전력을 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
마이크로그리드는 풍력, 태양광 등 소규모 전원들과 전기자동차, 에너지저장장치가 연계되어 지능적으로 운영되는 시스템이다.
신재생 에너지 및 분산 전원을 전력 계통에 연계하기 위하여 마이크로그리드라는 개념이 등장하고 마이크로그리드는 평상 시 전력 계통에 연결되어 운전되다가 비상 상황이 발생하면 연결을 끊고 단독으로 운전하는 피더 단위의 독립 계통을 의미한다. 마이크로그리드는 분산 진원을 지역 단위의 발전 네트워크로 통합하고 지역 내 수용가에게 전원을 공급하는 지능형 전력망이다.
또한, 마이크로그리드는 전력계통과 연계하여 운전하는 계통연계운전모드 (grid-connected mode)와 계통과 분리되어 운전하는 독립운전모드로 운전 가능하다.
독립운전모드는 마이크로그리드 내의 분산 전원에 의해 전력이 계속 공급되기 때문에 연계된 상위 계통에 고장이 발생하여도 항상 전력을 공급받을 수 있다.
마이크로그리드가 계통연계운전을 할 경우 전력 계통으로부터 전력수수가 가능하여 수요량과 공급량의 불균형 문제를 해소할 수 있다. 반면에 전력계통과 분리되어 독립운전을 할 경우 간헐적 출력특성을 갖는 분산전원으로 인하여 순시적으로 수요량과 공급량의 불균형 문제가 발생하게 되며, 일정수준 이상의 전력품질요건을 충족하기 위하여 보상행위가 이루어져야한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 콘트롤을 위한 이중여자 유도기와 배터리를 구비한 플라이휠 에너지 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 제어 시스템 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MSC와 GSC의 제어기 구성을 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)는 종래 기술에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)이며, 도 1의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)을 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 콘트롤을 위한 이중여자 유도기와 배터리를 구비한 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)은 플라이휠 조립체(101), 권선형 회전자 유도기기(102), 발전기측 컨버터(Machine Side Converter, 이하 'MSC'라 칭함)(110), 계통기측 컨버터(Grid Side Converter, 이하 'GSC'라 칭함)(120)를 포함한 DC 링크 백투백 컨버터 장치 및 상기 백투백 컨버터 장치에 연결된 DC/DC 컨버터(142)와 배터리(144)를 포함한 배터리 모듈(140)을 포함한다.
플라이휠 조립체(101)는 회전 에너지를 운동 에너지로 저장하고 회전자 축 상에 배치된다. 권선형 회전자 유도기기(102)는 회전축을 갖는 회전자, 회전자 권선들, 고정자 및 고정자 권선들을 포함한다.
MSC(110)는 권선형 회전자 유도기기(102)의 회전자 권선에 연결되어 있으며, GSC(120)는 △-Y 변환기(145)를 통해 마이크로그리드에 연결되어 있다.
MSC(110)는 플라이휠 조립체(101)에서 발생되는 유효전력과 무효전력을 제어하며, GSC(120)는 마이크로그리드의 전력 시스템의 유효전력과 무효전력을 제어한다.
DC/DC 컨버터(142)는 MSC(110)와 GSC(120) 사이에 결합된 커패시터(130)에 연결되어 커패시터(130)의 DC 전압을 배터리(144)를 이용하여 제어할 수 있다.
MSC(110)는 계통과 연계되거나 계통에 연계되지 않을 때 플라이휠 조립체(101)에서 발생되는 출력량의 변동을 완화시키는 기능을 하며, 이를 위하여 고정자 전력을 제어한다.
GSC(120)는 마이크로그리드의 전력 시스템과 계통이 끊어졌을 때 일정한 주파수를 제어하도록 하는 기능을 한다.
MSC(110)는 계통운전모드와 독립운전모드에서 풍력의 변동을 완화시키기 위해서 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력(Stator Power)을 제어한다. 여기서, 독립운전모드는 GSC(120)가 계통에 끊어졌을 때를 의미하고, 계통운전모드는 GSC(120)가 계통에 연결되었을 때를 의미한다.
도 2는 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 제어 시스템을 나타낸 것이다.
제어 시스템은 크게 MSC 전류 제어기(150)와 MSC 외부 제어기(200)를 포함한 MSC(110)와 GSC 전류 제어기(160)와 GSC 외부 제어기(300)를 포함한 GSC(120)로 나누어진다.
도 3의 (a)를 참조하여 MSC 외부 제어기(200)의 구성을 상세하게 설명한다.
MSC 외부 제어기(200)는 플라이휠 조립체(101)에 의해 생성된 전력을 평활화하기 위해 로우 패스 필터(201)를 거친다. MSC 외부 제어기(200)는 로우 패스 필터(201)를 통과한 전력과 플라이휠 조립체(101)에 의해 생성된 전력을 제1 비교기(202)에서 입력받아 차감하여 평활화 전력 레퍼런스(Psmoothing_ref)를 산출한다.
로우 패스 필터(201)는 전력을 지연시키는 역할을 수행하고, 평활화 전력 레퍼런스는 플라이휠 조립체(101)에 의해 생성된 전력의 변동을 완화시키는 기능을 한다.
MSC 외부 제어기(200)는 제1 비교기(202)로부터 산출된 평활화 전력 레퍼런스와 현재 측정된 전력을 제2 비교기(203)에서 입력받아 차감하여 전력 오차값을 산출하며 산출한 전력 오차값을 비례 적분(Proportional Intergral, PI) 제어기(204)를 통과시켜 상기 전력 오차값을 근거한 유효전력(idrref)를 산출한다. 여기서, PI 제어기(204)는 입력되는 전력 오차값을 0으로 만들어 평활화 전력 레퍼런스를 출력값으로 산출하는 기능을 한다. 예를 들면, 풍력에 의해 생성된 전력이 5 내지 10인 경우, 로우 패스 필터(201)를 거치게 되면 5 내지 7이 되고, 제1 비교기(202)를 거치면 평활화 전력 레퍼런스가 -3이 된다. 제2 비교기(203)는 평활화 전력 레퍼런스(-3)와 현재 측정된 전력(10)을 입력받아 차감하면 전력 오차값으로 7이 산출된다.
PI 제어기(204)에서는 7을 에러값으로 생각하여 0으로 만들고 이로 인하여 평활화 전력 레퍼런스(-3)가 그대로 출력값인 유효전력(idrref)으로 산출된다. 즉, PI 제어기(204)는 출력값으로 평활화 전력 레퍼런스를 추종하도록 하는 기능을 한다.
MSC 외부 제어기(200)는 플라이휠 조립체(101)에서 발생된 고정자 전력(Stator Power)이 5 내지 10이라 가정하면 유효전력(-3)의 전력 레퍼런스를 MSC 전류 제어기(150)로 전송한다.
MSC 외부 제어기(200)는 플라이휠 조립체(101)에 의해 생성된 전력에서 현재 측정된 전압과(Vrms)과 전압 레퍼런스(Vref)를 제3 비교기(142a)에서 입력받아 차감하여 전압 오차값을 산출하고, 산출된 전압 오차값을 PI 제어기(142b)에 입력하여 상기 전압 레퍼런스를 근거한 무효전력(iqrref)을 산출한다.
MSC 외부 제어기(200)는 유효전력(idrref)과 무효전력(iqrref)을 MSC 전류 제어기(150)로 전송한다. MSC 전류 제어기(150)는 유효전력(idrref)과 무효전력(iqrref)을 입력받고 이에 대응하는 유효전력 제어신호(md)와 무효전력 제어신호(mq)를 생성하여 PWM(Pulse with Modulation)(152)에 전송한다.
여기서, MSC 전류 제어기(150)는 전류 제어 방법이 이미 공지되어 있는 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
PWM(152)은 MSC(110)의 각 스위칭 소자에 온 신호와 오프 신호를 만들어 MSC(110)를 제어한다. MSC(110)는 MSC 외부 제어기(200)로부터 출력한 유효전력(idrref)과 무효전력(iqrref)을 구현하도록 유효전력(-3)의 전력 레퍼런스를 이용하여 고정자 전력(5 내지 10)을 5 내지 7로 완화하도록 제어한다.
MSC 외부 제어기(200)는 독립운전모드에서 마이크로그리드 스위치를 동작하도록 AC 그리드 전압을 제어하는 것이 중요하다.
따라서, MSC 외부 제어기(200)의 역할은 회전자 전류(iqr)를 제어하여 AC 그리드 전압을 제어할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하여 GSC 외부 제어기(300)의 구성을 상세하게 설명한다.
GSC 외부 제어기(300)는 계통이 연계된 계통운전모드의 경우, 전력을 제어하게 되고, 계통이 연계되지 않은 독립운전모드의 경우, 전력의 주파수를 제어하게 된다.
GSC 외부 제어기(300)는 기준 주파수(fref, 예를 들면 60Hz)와 현재 측정된 전력의 주파수를 제1 비교기(301)에서 입력받아 차감하면 주파수 오차값이 산출되고, 산출된 주파수 오차값을 Droop 이득기(303)를 통과시켜 유효전력(P = fK)을 산출한다. 여기서, K는 이득 상수를 나타낸다.
제2 비교기(304)는 MSC 외부 제어기(200)에서 산출된 평활화 전력 레퍼런스(Psmoothing_ref)와 Droop 이득기(303)에서 산출된 유효전력을 제2 비교기(304)에서 입력받아 차감하여 제1 전력 레퍼런스(Pref)를 산출한다.
독립 운전 스위치(305)는 스위칭 동작에 따라 계통이 연계되지 않은 독립운전모드 또는 계통이 연계된 계통운전모드로 기능한다.
제3 비교기(306)는 독립 운전 스위치(305)에 의해 독립운전모드(305a)로 동작하는 경우, 제2 비교기(304)에서 산출된 제1 전력 레퍼런스(Pref)와 현재 측정한 전력(P)을 입력받아 차감하여 제1 전력 오차값을 산출한다. 산출된 제1 전력 오차값은 PI 제어기(307)를 통과시켜 상기 제1 전력 레퍼런스를 근거한 유효전력(idref)를 산출한다. 여기서, PI 제어기(307)는 출력값으로 제1 전력 레퍼런스를 추종하도록 하는 기능을 한다.
제3 비교기(306)는 독립 운전 스위치(305)에 의해 계통운전모드(305b)로 동작하는 경우, 기설정된 임의의 제2 전력 레퍼런스(Pref)와 현재 측정한 전력(P)을 입력받아 차감하여 제2 전력 오차값을 산출한다. 산출된 제2 전력 오차값은 PI 제어기를 통과시켜 유효전력(idref)를 산출한다. 여기서, PI 제어기(307)는 출력값으로 제2 전력 레퍼런스를 추종하도록 하는 기능을 한다.
GSC 외부 제어기(300)는 현재 측정된 무효전력과(Q)과 무효전력 레퍼런스(Qref)를 제4 비교기(308)에서 입력받아 차감하여 무효전력 오차값을 산출하고, 산출된 무효전력 오차값을 PI 제어기(309)에 입력하여 상기 무효전력 레퍼런스를 근거한 무효전력(iqref)을 산출한다.
GSC 외부 제어기(300)는 유효전력(idref)과 무효전력(iqref)을 GSC 전류 제어기(160)로 전송한다. GSC 전류 제어기(160)는 유효전력(idref)과 무효전력(iqref)을 입력받고 이에 대응하는 유효전력 제어신호(md)와 무효전력 제어신호(mq)를 생성하여 PWM(Pulse with Modulation)(162)에 전송한다.
여기서, GSC 전류 제어기(160)는 전류 제어 방법이 이미 공지되어 있는 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
PWM(162)은 GSC(120)의 각 스위칭 소자에 온 신호와 오프 신호를 만들어 GSC(120)를 제어한다. GSC(120)는 GSC 외부 제어기(300)로부터 출력한 유효전력(idref)과 무효전력(iqref)을 구현하고, 계통이 연계된 계통운전모드의 경우, 마이크로그리드의 전력을 제어하며, 계통이 연계되지 않은 독립운전모드의 경우, 전력의 주파수를 제어한다.
전술한 MSC 외부 제어기(200)의 평활화 전력 레퍼런스를 산출하거나 GSC 외부 제어기(300)의 계통 연계시 전력 제어나 계통 분리시 주파수 제어를 원활하게 하기 위해서 DC/DC 컨버터(142)와 배터리(144)를 포함한 배터리 모듈(140)을 MSC(110)와 GSC(120) 간에 연결된 커패시터(130)에 전기적으로 연결한다.
DC/DC 컨버터(142)는 커패시터(130)에 연결되어 커패시터(130)의 전압을 일정하게 유지하는 기능을 한다.
도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, DC/DC 컨버터(142)는 커패시터(130)에서 측정한 현재 전압과 기설정된 커패시터(130)의 직류 전압 레퍼런스를 제1 비교기(142a)에서 입력받아 차감하여 전압 오류값을 산출하고, 산출한 전압 오류값을 PI 제어기(142b)를 통과시켜 전류 레퍼런스를 산출하는 배터리 사이드 컨버터 제어기를 더 포함한다.
DC/DC 컨버터(142)는 산출된 전류 레퍼런스가 '+'인 경우, MSC(110) 또는 GSC(120)에서 전력을 출력하게 되면 커패시터(130)의 에너지를 가져가 커패시터(130)의 전압이 내려가고 커패시터(130)의 충전 상태가 되는 것을 의미한다.
다시 말해, 커패시터(130)의 전압 레퍼런스가 100인 경우, 커패시터(130)의 전압이 80이면 DC/DC 컨버터(142)는 배터리(144)의 전력을 가져와 커패시터(130)의 전압을 100으로 충전하도록 제어한다.
DC/DC 컨버터(142)는 산출된 전류 레퍼런스가 '-'인 경우, GSC(120)가 계통에서 전력을 가져오게 되면 커패시터(130)의 에너지를 유입되어 커패시터(130)의 전압이 올라가고 커패시터(130)의 방전 상태가 되는 것을 의미한다.
다시 말해, 커패시터(130)의 전압 레퍼런스가 100인 경우, 커패시터(130)의 전압이 120이면 DC/DC 컨버터(142)는 커패시터(130)의 전압을 100으로 방전하도록 배터리에서 에너지를 흡수한다.
DC/DC 컨버터(142)는 커패시터(130)의 전압을 배터리에 의해 충방전 제어하여 MSC(110) 또는 GSC(120)에서 필요한 전압 제어, 전력 제어를 수행할 수 있다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)은 플라이휠 조립체(101)에서 나오는 전력을 제어할 수 없으며 플라이휠 조립체(101)에서 회전하는 속도에 따라 그대로 출력이 나오게 된다.
따라서, 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)은 MSC(12)와 GSC(14)를 각각 원하는 제어가 이루어지지 않고, 플라이휠 조립체에서 나오는 전력을 그대로 출력하게 되며 MSC(12)와 GSC(14)의 성능이 제대로 나오지 않게 된다.
전술한 MSC 외부 제어기(200)와 GSC 외부 제어기(300)의 내부 구성은 배터리 모듈(140)로 인하여 구성할 수 있게 되며, 배터리 모듈(140)이 존재하지 않게 되면 이러한 MSC 외부 제어기(200)와 GSC 외부 제어기(300)의 회로 구성을 못하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템을 실제의 마이크로그리드에 구성한 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력과 플라이휠 에너지 저장 시스템의 전력을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 주파수를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로그리드 시스템의 전압을 나타낸 도면이다.
도 4는 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)을 실제의 마이크로그리드에 구성한 실시예를 나타낸 것이다.
풍력 발전기(146)의 출력 전력은 플라이휠 조립체(101)의 풍속에 따라 변한다. 실제 풍속 데이터는 평균 속도를 9m/s로 하였으며 평균 풍속에 대응하는 풍력 발전기(146)의 출력 전력은 50kW로 하였다.
플라이휠 에너지 저장 시스템(100)은 2520 내지 4680의 속도 범위를 가지며 풍력 발전기(146)의 주변에 설치된다.
△-Y 변환기(145)는 GSC(120)로부터 발생하는 고조파를 제거하기 위해서 GSC(120)에 연결된다.
플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 600V 배터리(144)는 DC 링크 전압 2200V를 조절하기 위해서 양방향 변환기를 통해 커패시터(130)에 접속되어 있다. 주 전력 공급원은 정격 700 kVA을 가진 디젤 발전기(147)로 구성한다. 추가 전력은 풍력 발전기(146)와 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)으로부터 공급된다.
도 5에 도시된 바와 같이, MSC(110)는 계통이 연계된 계통운전모드에서 풍력의 변동을 보상하기 위해서 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 실제 전력을 제어한다.
풍력 발전기(146)와 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 전체 전력은 풍력의 변동을 보상하여 마이크로그리드에 안정적으로 전력을 전달할 수 있다.
도 6은 마이크로그리드 시스템의 주파수를 나타낸 것으로, 도 6의 (a)는 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)을 구비한 마이크로그리드의 주파수를 나타내며, 도 6의 (b)는 본 발명의 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)을 구비한 마이크로그리드의 주파수를 나타낸 것이다.
도 7은 마이크로그리드 시스템의 전압을 나타낸 것으로, 도 7의 (a)는 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)을 구비한 마이크로그리드의 전압을 나타내며, 도 7의 (b)는 본 발명의 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)을 구비한 마이크로그리드의 전압을 나타낸 것이다. 이와 같이 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)은 마이크로그리드의 주파수 및 전압의 급격한 변화를 발생시킨다. 이로 인하여 전력 공급 및 전력 수요 불균형을 야기할 수 있다.
도 8은 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력과 본 발명의 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력을 비교한 예를 나타낸 도면이고, 도 9는 종래의 백투백 컨버터의 DC 링크 전압과 본 발명의 백투백 컨버터의 DC 링크 전압을 비교한 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 시스템의 고정자 전력과 GSC 전력을 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, DC 링크 전압은 배터리 모듈(140)에 의해 독립적으로 제어되므로 시스템(100)의 급격한 전력 변화에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 본 발명의 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)은 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템(10)보다 DC 링크 전압의 리플이 높지만 여전히 바람직한 범위에 포함된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)은 고정자 전력과 GSC 전력을 나타낸 것이다. MSC(110)는 계통운전모드와 독립운전모드 둘 다 풍력을 보상하기 위해 고정자 전력을 제어한다.
고정자 전력의 변동은 플라이휠 에너지 저장 시스템(100)의 충전 및 방전을 나타낸다. GSC(120)는 계통운전모드와 독립운전모드에서 배터리(144)에 저장된 GSC 전력을 제어한다. GSC(120)는 풍력을 평활한 후, 전력 불균형이 발생하면 GSC 전력에 의해 보상한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 플라이휠 에너지 저장 시스템
101: 플라이휠 조립체
102: 권선형 회전자 유도기기
110: 발전기측 컨버터, MSC
120: 계통기측 컨버터, GSC
130: 커패시터
140: 배터리 모듈
142: DC/DC 컨버터
144: 배터리

Claims (6)

  1. 회전 운동에 의해 전력을 발생시키는 플라이휠 조립체;
    상기 플라이휠 조립체에 연결되어 회전축을 갖는 회전자와 회전자 권선, 고정자 및 고정자 권선로 이루어진 권선형 회전자 유도기기;
    상기 회전자 권선에 연결되고 상기 플라이휠 조립체에서 발생하는 풍력의 변동을 완화시키기 위해서 고정자 전력을 제어하는 발전기측 컨버터(Machine Side Converter);
    소규모 전원과 에너지저장장치로 포함한 마이크로그리드와 연결되어 계통에 필요한 전력을 제어하고 계통이 분리된 경우 전력의 주파수를 제어하는 계통기측 컨버터(Grid Side Converter);
    상기 발전기측 컨버터와 상기 계통기측 컨버터 사이에 결합된 커패시터; 및
    상기 커패시터에 연결되어 상기 커패시터의 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터와 배터리를 포함한 배터리 모듈을 포함하고,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 커패시터에서 측정한 현재 전압과 기설정된 커패시터의 직류 전압 레퍼런스를 비교기에서 입력받아 차감하여 전압 오류값을 산출하고, 상기 산출한 전압 오류값을 비례 적분 제어기를 통과시켜 전류 레퍼런스를 산출하는 배터리 사이드 컨버터 제어기를 더 포함하며,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 산출된 전류 레퍼런스가 '+'인 경우, 상기 발전기측 컨버터 또는 상기 계통기측 컨버터에서 전력을 출력하게 되면 상기 커패시터의 에너지를 가져가 상기 커패시터의 전압이 내려가고 상기 커패시터의 충전 상태가 되고,
    상기 DC/DC 컨버터는 기설정된 전압 레퍼런스가 상기 커패시터의 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 전력을 가져와 상기 커패시터의 전압을 상기 전압 레퍼런스로 충전하도록 제어하고,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 산출된 전류 레퍼런스가 '-'인 경우, 상기 계통기측 컨버터가 계통에서 전력을 가져오게 되면 상기 커패시터의 에너지를 유입되어 상기 커패시터의 전압이 올라가고 상기 커패시터의 방전 상태가 되고,
    상기 DC/DC 컨버터는 상기 기설정된 전압 레퍼런스가 상기 커패시터의 전압보다 작은 경우, 상기 커패시터의 전압을 상기 전압 레퍼런스 값이 되도록 방전하여 상기 배터리에서 에너지를 흡수하고, 상기 커패시터의 전압을 상기 배터리에 의해 충방전 제어하여 상기 발전기측 컨버터 또는 상기 계통기측 컨버터에서 필요한 전압 제어와 전력 제어를 수행하도록 제어하며, 이로 인하여 마이크로그리드의 전력품질관리를 위한 주파수 및 전압 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터는,
    상기 플라이휠 조립체에 의해 생성된 전력을 로우 패스 필터를 통과한 전력과 상기 생성된 전력을 입력받는 제1 비교기에서 입력받아 차감하여 평활화 전력 레퍼런스(Psmoothing_ref)를 산출하고, 상기 산출된 평활화 전력 레퍼런스와 상기 플라이휠 조립체에 의해 생성된 현재 측정된 전력을 제2 비교기에서 입력받아 차감하여 전력 오차값을 산출하고 상기 산출한 전력 오차값을 제1 비례 적분 제어기를 통과시켜 상기 전력 오차값에 근거한 유효전력(idrref)를 산출하는 발전기측 컨버터 외부 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발전기측 컨버터 외부 제어기는 상기 플라이휠 조립체에 의해 생성된 전력에서 현재 측정된 전압과(Vrms)과 전압 레퍼런스(Vref)를 제3 비교기에서 입력받아 차감하여 전압 오차값을 산출하고, 상기 산출된 전압 오차값을 제2 비례 적분 제어기에 입력하여 상기 전압 오차값을 근거한 무효전력(iqrref)을 산출하고,
    상기 유효전력과 상기 무효전력을 입력받고, 이에 대응하는 유효전력 제어신호와 무효전력 제어신호를 생성하여 PWM(Pulse with Modulation)을 거쳐 상기 발전기측 컨버터에 구성된 각 스위칭 소자에 온 신호와 오프 신호를 형성하여 상기 고정자 전력을 제어하는 발전기측 컨버터 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계통기측 컨버터는,
    기준 주파수(fref)와 상기 플라이휠 조립체에 의해 생성된 현재 측정된 전력의 주파수를 제1 비교기에서 입력받아 차감하여 주파수 오차값이 산출되고, 상기 산출된 주파수 오차값을 드룹(Droop) 이득기를 통과시켜 상기 주파수 오차값에 근거한 유효전력을 산출하고, 상기 발전기측 컨버터로부터 산출된 평활화 전력 레퍼런스와, 상기 산출한 유효전력을 제2 비교기에서 입력받아 차감하여 제1 전력 레퍼런스(Pref)를 산출하고, 상기 제1 전력 레퍼런스와 상기 현재 측정한 전력(P)를 제3 비교기에서 입력받아 차감하여 제1 전력 오차값을 산출하고, 상기 산출한 제1 전력 오차값을 비례 적분 제어기를 통과시켜 제1 유효전력을 산출하는 계통기측 컨버터 외부 제어기를 더 포함하며, 상기 계통기측 컨버터 외부 제어기는 계통과 분리되어 주파수 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계통기측 컨버터 외부 제어기는 계통과 연계된 경우, 기설정된 임의의 제2 전력 레퍼런스(Pref)와 상기 현재 측정한 전력(P)을 제3 비교기에서 입력받아 차감하여 제2 전력 오차값을 산출하고, 상기 산출된 제2 전력 오차값은 비례 적분 제어기를 통과시켜 제2 유효전력(idref)를 산출하고, 상기 계통기측 컨버터 외부 제어기는 상기 플라이휠 조립체에 의해 생성된 현재 측정된 무효전력과(Q)과 무효전력 레퍼런스(Qref)를 제4 비교기에서 입력받아 차감하여 무효전력 오차값을 산출하고, 상기 산출된 무효전력 오차값을 비례 적분 제어기에 입력하여 무효전력(iqref)을 산출하며,
    상기 제1 유효전력(idref), 상기 제2 유효전력(idref)과 상기 무효전력(iqref)을 입력받고, 이에 대응하는 유효전력 제어신호와 무효전력 제어신호를 생성하여 PWM(Pulse with Modulation)을 거쳐 상기 계통기측 컨버터에 구성된 각 스위칭 소자에 온 신호와 오프 신호를 형성하여 상기 마이크로그리드의 전력을 제어하는 계통기측 컨버터 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 시스템.
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