KR101798701B1 - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 실시예의 에너지 저장 시스템은, 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터부; 상기 인버터부의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 시스템 제어부; 및 상기 시스템 제어부와 상기 인버터부 사이에 배치되고, 상기 제어신호를 증폭 후 레벨 변환하기 위한 인버터 제어신호 전달부;를 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 에너지 저장 시스템에 의해서, 전기선으로 인버터부의 제어신호를 전달할 수 있으며, 광 신호를 이용하지 않기 때문에, 시스템 제어부와 인버터부 사이의 신호 전달을 위한 구성의 유지보수가 매우 용이해지는 장점이 있다.

Description

에너지 저장 시스템{Energy storage system}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 대한 것으로서, 대용량 전력을 저장하는 시스템에서 인버터를 안정적으로 제어할 수 있도록 하는 에너지 저장 시스템에 대한 것이다.
배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)은 태양광, 풍력, 연료 전지 등의 신재생 에너지에서 발생되는 전력이나 계통의 전력을 배터리에 저장하거나, 계통의 전력 부족시에 공급해주는 장치로서, 피크 부하의 경감과, 부하 평준화와, 비상용 예비 전원 등의 계통 안정화와 전력 품질 향상을 위하여 사용된다.
이러한 에너지 저장 시스템은 배터리, 전력 변환장치(PCS), 계통으로 구성되며, EMS(Energy Management System)와, HMI(Human Machine Interface), 및 전력 모니터링 장치가 포함될 수 있다.
인버터 시스템은 계통으로부터 제공되는 전력을 이용하여 배터리를 충전시키거나 배터리에 충전된 전력을 방전시켜 계통으로 공급하기 위하여, 마이크로 컨트롤러를 사용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 사용하며, 이때, 게이트 드라이브 회로의 PWM 신호는 주로 광 신호를 이용한다.
기존의 대용량의 에너지 저장 시스템에서는, PWM 신호가 인버터로 전달되는 도중에, 외부의 노이즈에 노출되기 쉬운 문제점이 있다. 그리고, 기존에는 대용량 에너지 저장 시스템에서의 인버터는 광 게이트 드라이브를 사용하는데, 고가의 광 커넥터와 광 케이블의 사용으로 그 비용이 상당히 높고, 유지보수 또한 불편하다는 문제가 있다.
본 발명은 상대적으로 저비용에 해당하는 전기 신호선을 이용하면서도 인버터의 안정적인 동작 제어가 이루어지도록 하는 에너지 저장 시스템을 제안하고자 한다.
본 실시예의 에너지 저장 시스템은, 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터부; 상기 인버터부의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 시스템 제어부; 및 상기 시스템 제어부와 상기 인버터부 사이에 배치되고, 상기 제어신호를 증폭 후 레벨 변환하기 위한 인버터 제어신호 전달부;를 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 에너지 저장 시스템에 의해서, 전기선으로 인버터부의 제어신호를 전달할 수 있으며, 광 신호를 이용하지 않기 때문에, 시스템 제어부와 인버터부 사이의 신호 전달을 위한 구성의 유지보수가 매우 용이해지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 실시예의 인버터 제어신호 전달부의 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3과 도 5는 본 실시예의 제 1 드라이버에 의하여 제어신호의 증폭 및 신호가 분리되는 과정을 보여주는 도면이다.
도 4와 도 6은 본 실시예의 제 2 드라이버에 의하여 제어신호의 신호 병합 및 레벨 변환을 수행하는 과정을 보여주는 도면이다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
본 발명과 관련되는 이동 단말기의 설명에 사용되는 접미수 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 실시예의 에너지 저장 시스템은, 에너지가 저장되는 배터리 에너지 저장 시스템(113)과, 상기 배터리 에너지 저장 시스템(113)의 충전과 방전을 제어하기 위한 충전 제어부(111)와, DC-AC 변환을 수행하는 인버터부(103)와, 교류 신호의 고주파 성분을 제거하기 위한 교류 필터(105)와, 상기 인버터부(103)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 전달하는 시스템 제어부(115)를 포함한다.
특히, 상기 시스템 제어부(115)와 상기 인버터부(103) 사이에 구성되어, 상기 시스템 제어부(115)로부터 출력되는 제어 신호가 노이즈의 영향을 덜 받도록 구성된 인버터 제어신호 전달부(120)를 포함한다.
또한, 상기 교류 필터(105)와 연결되는 교류/교류 컨버터(107)를 더 포함할 수 있다. 상기 교류/교류 컨버터(107)는 교류 전력을 계통(109)에 공급할 수 있도록 노이즈가 필터링된 교류 전력의 전압의 크기를 컨버팅하여 전력을 계통(109)에 공급하는 역할을 수행한다.
상세히, 상기 교류 필터(105)는 교류 전력을 계통(109)에 공급할 수 있도록 노이즈가 필터링된 교류 전력의 전압의 크기를 컨버팅하여 전력을 계통(109)에 공급하는 역할을 하고, 상기 계통(109)은 많은 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하가 일체로 되어 전력의 발생 및 이용이 이루어지는 시스템이라 할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 태양광, 풍력 또는 연료 전지 등의 신재생 에너지에서 발전된 전력이나 계통의 전력을 공급받아 충전하고, 계통(109)의 전력 수급상황에 따라 충전된 전기 에너지를 방전한다.
구체적으로, 계통(109)이 경부하인 경우에, 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 신재생 에너지 등에서 발전된 전력을 공급받아 충전한다. 그리고, 계통(109)이 과부하인 경우에는, 배터리 에너지 저장 시스템(113)은 충전된 전력을 방전하여 계통(109)으로 전력을 공급한다. 계통의 전력 수급 상황은 시간대별로 큰 차이를 가지므로, 전체의 에너지 저장 시스템(100)은 배터리 에너지 저장 시스템(113)을 사용하여 계통(109)의 전력 수급 상황에 따라 전력 공급의 양을 조절할 수 있다. 이를 통해, 에너지 저장 시스템(100)은 계통(109)에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.
상기 충전 제어부(111)는 상기 배터리 에너지 저장 시스템(113)의 충전 및 방전을 제어하는 역할을 수행하며, 상기 충전 제어부(111)는 입력 과전류, 과전압 또는 부족전압시에 배터리 에너지 저장 시스템(113)의 DC 소스를 차단하는 스위칭 역할을 하는 DCCB(DC Circuit Breaker)로 구성될 수도 있다.
상기 인버터부(103)는 직류 전력을 교류 전력으로 인버팅하는 역할을 수행하며, 신재생 에너지 등에서 발전된 직류 전력 또는 배터리 에너지 저장 시스템(113)이 방전한 직류 전력을 충전 제어부(111)를 통하여 공급받고, 이를 교류 전력으로 인버팅한다.
그리고, 상기 시스템 제어부(115)는 상기 충전 제어부(111), 인버터부(103), 교류 필터(105) 및 교류/교류 컨버터(107)을 동작을 제어하며, 특히, 상기 인버터부(103)를 제어하기 위한 PWM 신호를 출력한다.
또한, 상기 시스템 제어부(115)로부터 출력되는 제어신호는 상기 인버터부(103)의 게이트로 전달되는 과정에 상기 인버터 제어신호 전달부(120)에 의한 노이즈 내성의 과정이 수행된다.
도 2는 본 실시예의 인버터 제어신호 전달부의 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
상세히, 상기 인버터 제어신호 전달부(120)는 상기 시스템 제어부(115)와 상기 인버터부(103) 사이에 배치되고, 상기 시스템 제어부(115)로부터 출력되는 제어신호에 대한 증폭 및 신호분리의 역할을 하는 제 1 드라이버(121)와, 상기 분리된 제어신호를 병합하고 레벨을 변환하는 제 2 드라이버(122)를 포함한다.
그리고, 상기 제 1 드라이버(121)는 상기 시스템 제어부(115) 측에 가깝게 설치되고, 상기 제 2 드라이버(122)는 상기 인버터부(103)의 게이트 측에 가깝게 설치된다. 이러한 구조를 통하여, 상기 제 1 드라이버(121)에 의하여 증폭 및 분리된 제어신호에 노이즈가 발생하더라도, 그 노이즈의 영향이 감소될 수 있으며, 제 2 드라이버(122)는 신호의 병합 및 레벨 변환을 통하여 인버터부의 게이트로 원래의 제어신호에 대응되는 신호가 전달될 수 있다.
한편, 상기 제 1 드라이버(121)와 제 2 드라이버(122)는 전기적으로 절연할 필요가 있으며, 절연 IC 소자를 사용하여 상기 제 1 드라이버와 제 2 드라이버 사이를 절연시킨다. 이때, 절연에 사용되는 소자는 포토-커플러(photo-coupler)가 될 수 있다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 상기 인버터 제어신호 전달부를 구성하는 제 1 드라이버(121)와 제 2 드라이버(122)의 동작에 대해서 더 자세히 설명하여 본다.
도 3과 도 5는 본 실시예의 제 1 드라이버에 의하여 제어신호의 증폭 및 신호가 분리되는 과정을 보여주는 도면이고, 도 4와 도 6은 본 실시예의 제 2 드라이버에 의하여 제어신호의 신호 병합 및 레벨 변환을 수행하는 과정을 보여주는 도면이다.
시스템 제어부(115)로부터 출력되는 3상 PWM 신호가 U+, U-, V+, V-, W+ 및 W-와 같이 구성되는 경우에, 그 예로 U+신호가 도 3과 도 4에 도시되어 있고, U+ 및 U- 신호가 도 5와 도 6에 도시되어 있다.
간단히, 제어신호를 구성하는 U+ 신호에 대해서 살펴보면, 시스템 제어부(115)로부터 출력된 제어신호는 인버터부(103)의 게이트로 전달되기 이전에, 상기 인버터 제어신호 전달부(120)의 제 1 드라이버(121)에 의하여 신호 증폭이 수행된다. 즉, 제어신호의 전달과정 중에 노이즈 영향을 줄이기 위하여 제어신호의 크기를 증폭하는 제 1 과정이 수행된다. 그리고, 상기 제 1 드라이버(121)는 증폭된 제어신호에 대해서 시간을 기준으로 분리하고, 분리된 제어신호를 시간의 순서에 따라 제 2 드라이버(122)로 전달하는 제 2 과정이 수행된다.
제어신호로서, U+와 U-의 경우에도 마찬가지이며, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 드라이버(121)는 U+ 신호 및 U- 신호 모두에 대해서 증폭하는 과정과, 증폭된 신호에 대하여 시간상으로 구분되는 신호의 분리과정이 수행된다.
이와 같이 제어신호의 증폭 및 신호 분리가 제 1 드라이버에 의하여 수행된 다음에는, 경로를 따라 제 2 드라이버(122)로 수신되고, 상기 제 2 드라이버(122)는 분리된 제어신호에 대하여 병합하는 제 3 과정이 수행된다. 즉, 도 4와 도 6에 도시된 바와 같이, 분리되는 제어신호들을 시간을 기준으로 병합한다.
그 다음, 상기 제 2 드라이버(122)는 병합된 제어신호에 대해서 레벨을 변환하는 제 4 과정을 수행하며, 이 레벨 변환 과정은 제 1 드라이버(121)에서 신호가 증폭된 배수의 역수만큼 신호 레벨의 감소가 이루어지도록 한다. 제 1 드라이버(121)에 의한 신호 증폭의 배율과, 제 2 드라이버(122)에 의한 레벨 변환의 배율이 상호간에 역수의 관계가 될 수 있으며, 이를 통해, 인버터부(103)의 게이트로 전달하기 위한 제어신호가 시스템 제어부(115)로부터 출력된 제어신호에 대응될 수 있다.
그리고, 시스템 제어부(115)와 인버터부(103)가 실제로 원거리로 설치되는 경우에도, 제어신호의 증폭 및 분리 이후에, 신호의 병합과 레벨 변환이 이루어지므로, 제 1 드라이버(121)와 제 2 드라이버(122) 사이에 노이즈가 혼합되더라도, 인버터부(103)로 전달되는 제어신호에는 그 노이즈의 영향이 감소할 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어부로부터 5V의 제어신호가 곧바로 인버터부로 전달되는 과정에 1V의 노이즈가 혼합되는 경우와, 5V의 제어신호가 10V로 증폭 및 분리된 다음 다시 레벨 변환되는 때에는 1V의 노이즈의 영향이 감소하기 때문이다.
이러한 구성을 통하여, 전기선으로 인버터부의 제어신호를 전달할 수 있으며, 광 신호를 이용하지 않기 때문에, 시스템 제어부와 인버터부 사이의 신호 전달을 위한 구성의 유지보수가 매우 용이해지는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터부;
    상기 인버터부의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 시스템 제어부; 및
    상기 시스템 제어부와 상기 인버터부 사이에 배치되고, 상기 제어신호를 증폭 후 레벨 변환하기 위한 인버터 제어신호 전달부;를 포함하고,
    상기 인버터 제어신호 전달부는
    상기 제어신호를 증폭시킨 다음, 증폭된 제어신호를 분리하는 제1 드라이버 및
    상기 제1 드라이버에 의해 분리된 제어신호를 레벨 변환하기 위한 제2 드라이버를 포함하고,
    상기 제 2 드라이버는, 상기의 분리된 제어신호를 병합한 다음, 상기 제1 드라이버에서 상기 제어신호가 증폭된 배수의 역수 만큼 상기 제어신호의 레벨을 감소시키는
    에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 드라이버는, 상기 증폭된 제어신호를 시간을 기준으로 분리하는 에너지 저장 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 드라이버는 상기 시스템 제어부 측에 마련되는 에너지 저장 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 드라이버는 상기 인버터부측에 마련되는 에너지 저장 시스템.
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