KR101809913B1 - 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모듈러 방식으로 구성된 ESS에서 배터리의 충전 상태와 전력 변환기의 고장 상태에 따른 수리 및 교체를 장치의 셧다운 없이 활선 상태에서 수행할 수 있도록 하는, ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템은, 전원을 충전하고, 충전된 전원을 공급하는, 복수의 배터리; 상기 복수의 배터리에 각각 연결되고, 상기 배터리로부터 공급되는 전원의 전압 또는 상기 배터리에 충전되는 전원의 전압을 특정 전압으로 변환하는 복수의 컨버터; 상기 복수의 컨버터에 각각 연결되고, 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 구비하여, 소정의 제어 신호에 따라 상기 상위 스위치(HS)와 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 또는 오프(0)시키는, 복수의 핫스왑(Hot Swap) 스위치; 및 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태를 확인하여, 정상으로 동작하는 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 제어 신호를 전송하고, 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 전송하는 제어기를 포함하고, 상기 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 상기 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하도록 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함하며, 상기 제어기는 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하며, 상기 제어기는 상기 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 상기 부스트 모드 시에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 상기 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키며, 상기 벅 모드 시에 상기 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상기 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법{energy storage system type modular converter controlling system, and controlling method thereof}
본 발명은 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법 에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 모듈러 방식으로 구성된 에너지 저장 장치(Energy Storage System, 이하 ESS)에서 배터리의 충전 상태와 전력 변환기의 고장 상태에 따른 수리 및 교체를 장치의 셧다운(shut down) 없이 활선 상태에서 수행할 수 있도록 하는, ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, ESS는 배터리와 전력변환기의 단일 모듈로 구성하는 경우가 대부분이었다. 최근 시스템의 경우에 리던던시(redundancy) 확보를 위해 모듈러형 ESS로 구성하는 경우가 나타나고 있다.
이러한 모듈러형 ESS의 전력변환기는 병렬구조로 채택하여 부하의 공유(sharing)가 가능하나 리던던시(redundancy) 측면에 약점이 있으며 특히 활선상태에서는 고장 모듈에 대한 교체가 불가능하다.
기존에 시스템의 리던던시 측면에서 병렬 구조의 모듈러 ESS는, 도 1a에 도시된 바와 같이 메인 모듈이 전압 제어를 통해 전원을 확보하고, 나머지 모듈이 전류 제어를 통해 병렬로 연결된다. 도 1a는 일반적인 병렬 구조의 모듈러 ESS 컨버터 토폴로지를 나타낸 도면이다. 만약 메인 모듈에 해당하는 배터리 및 전력 변환기가 고장이 난 경우, 시스템은 셧 다운이 될 수 있다.
따라서 이러한 셧다운을 방지하기 위해 전류제어 모드와 전압제어 모드를 교번하여 제어할 수 있으나 시스템의 안정성 측면에서 취약하다는 단점이 있다.
또한 각 모듈 간의 순간적인 마스터/슬레이브 설정(master/slave setting)에 대한 문제점이 나타나고, 이러한 경우 활선 상태에서 고장난 모듈의 교체가 불가능할 수 있다. 따라서 ESS 전체 시스템을 셧다운 할 수 밖에 없으며, 이는 시스템 이용률을 저감시키는 불가피한 요소가 될 수 있다.
특히 기존의 각 모듈러 컨버터의 토폴로지는 도 1b에 도시된 바와 같이 단일 전력반도체를 이용한 벅 부스트(buck-boost) 토폴로지를 사용하고 있어 전력반도체 소자 등의 고장 시에 해당 모듈 전체가 정지할 수 밖에 없다. 도 1b는 일반적인 단일 모듈 DC-DC 컨버터 토폴로지 및 그것의 스위칭 동작 상태를 나타낸 도면이다. 도 1b에서, (a)는 단일 모듈 DC-DC 컨버터 토폴로지를 나타내고, (b)는 벅(buck) 모드 동작 상태를 나타내며, (c)는 부스트(boost) 모드 동작 상태를 나타낸다. 따라서, 벅 모드 및 부스트 모드도 다중 위상(multi phase) 인터리브 토폴로지에 비해 고장 빈도가 높아서 시스템의 셧다운의 횟수가 증가하는 문제점이 있다.
그리고, 단일 전력 반도체를 이용한 경우에는 높은 정격의 반도체 소자 선정과 큰 사이즈의 수동소자(리액터 등)를 이용하는 문제점이 나타나고 있으며 이는 결국 전체 시스템의 전력밀도를 낮추게 하는 요인이 되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0060725호(공개일 : 2016년05월30일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 모듈러 방식으로 구성된 ESS에서 배터리의 충전 상태와 전력 변환기의 고장 상태에 따른 수리 및 교체를 장치의 셧다운 없이 활선 상태에서 수행할 수 있도록 하는, ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 있다
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템은, 전원을 충전하고, 충전된 전원을 공급하는, 복수의 배터리; 상기 복수의 배터리에 각각 연결되고, 상기 배터리로부터 공급되는 전원의 전압 또는 상기 배터리에 충전되는 전원의 전압을 특정 전압으로 변환하는 복수의 컨버터; 상기 복수의 컨버터에 각각 연결되고, 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 구비하여, 소정의 제어 신호에 따라 상기 상위 스위치(HS)와 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 또는 오프(0)시키는, 복수의 핫스왑(Hot Swap) 스위치; 및 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태를 확인하여, 정상으로 동작하는 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 제어 신호를 전송하고, 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 전송하는 제어기를 포함하고, 상기 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 상기 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하도록 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함하며, 상기 제어기는 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하며, 상기 제어기는 상기 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 상기 부스트 모드 시에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 상기 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키며, 상기 벅 모드 시에 상기 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상기 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 하나가 고장인 경우에, 고장나지 않은 3 개의 팩 스위치를 통해 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 2 개가 고장인 경우에, 고장나지 않은 2 개의 팩 스위치를 통해 180도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태를 데이터로 저장하고, 또한, 상기 고장상태에서의 전압을 데이터로 저장하며, 상기 복수의 컨버터와 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하기 위한 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift) 값을 데이터로 저장하는 데이터베이스(DB); 및 상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 각각 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 이용하여 일정 기간의 전력량을 산출하고, 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수와, 각 컨버터마다 상기 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하여 일정 기간의 고장율로 산출하며, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율을 해당 배터리의 아이디(ID)에 매칭시켜 학습 데이터로 상기 데이터베이스(DB)에 저장할 수 있다.
그리고, 상기 제어기는, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율 간의 관계를 추정하여 고장 모델을 생성하고, 생성된 고장 모델에 근거해 새로운 배터리와, 상기 새로운 배터리에 연결되는 새로운 컨버터 및 상기 새로운 컨버터에 연결되는 핫스왑 스위치가 추가될 때마다 상기 새로운 컨버터의 전력량을 산출해 상기 고장 모델에 대입하여 상기 새로운 컨버터에 대한 일정 기간의 고장율을 예측 산출할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 ESS의 모듈러 컨버터 제어 방법은, 복수의 배터리와, 상기 복수의 배터리에 각각 연결된 복수의 컨버터, 상기 복수의 컨버터에 각각 연결된 복수의 핫스왑 스위치 및 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하는 제어기를 포함하는 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법으로서, (a) 상기 복수의 컨버터가 정상적인 동작 상태이면, 상기 복수의 핫스왑 스위치가 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 단계; (b) 상기 제어기가 상기 복수의 컨버터를 모니터링하는 단계; (c) 상기 제어기가 상기 복수의 컨버터에서 고장 난 컨버터로부터 고장 상태를 검출하는 단계; (d) 상기 제어기가 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 상기 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 전송하는 단계; 및 (e) 상기 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치가 상위 스위치를 오프(0) 시키고 하위 스위치를 온(1) 시켜 핫 스왑(hot swap) 스위칭 동작을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계는, 상기 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 상기 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하기 위한 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함하며, 상기 제어기는 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하며, 상기 제어기는 상기 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 상기 부스트 모드 시에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 상기 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키며, 상기 벅 모드 시에 상기 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상기 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 하나가 고장인 경우에, 고장나지 않은 3 개의 팩 스위치를 통해 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 2 개가 고장인 경우에, 고장나지 않은 2 개의 팩 스위치를 통해 180도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 고장 난 컨버터에 대한 고장 상태를 데이터베이스(DB)에 데이터로 저장하고, 또한, 상기 고장상태에서의 전압을 데이터로 저장하며, 상기 복수의 컨버터와 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하기 위한 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift) 값을 데이터로 저장할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 이용하여 일정 기간의 전력량을 산출하고, 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수와, 각 컨버터마다 상기 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하여 일정 기간의 고장율로 산출하며, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율을 해당 배터리의 아이디(ID)에 매칭시켜 학습 데이터로 상기 데이터베이스(DB)에 저장할 수 있다.
그리고, 상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율 간의 관계를 추정하여 고장 모델을 생성하고, 생성된 고장 모델에 근거해 새로운 배터리와, 상기 새로운 배터리에 연결되는 새로운 컨버터 및 상기 새로운 컨버터에 연결되는 핫스왑 스위치가 추가될 때마다 상기 새로운 컨버터의 전력량을 산출해 상기 고장 모델에 대입하여 상기 새로운 컨버터에 대한 일정 기간의 고장율을 예측 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 양상들, 장점들 및 특징들은 다음의 섹션들: 도면의 간단한 설명, 상세한 설명 및 청구범위를 포함하는 전체 출원 명세서에 기재된 내용에 기초하여 보다 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 에너지 저장 장치(ESS)의 활선 상태에서 배터리 및 전력변환기의 교체가 가능한 핫 스왑(hot swap)용 모듈러 컨버터를 구성할 수 있으며, 핫 스왑용 모듈러 컨버터의 제어 기술을 제공할 수 있다.
또한, 개별 모듈 내의 컨버터 토폴로지는 n 개의 암으로 구성된 다중 위상 방식의 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지를 제공할 수 있다.
또한, n 개의 암으로 구성된 컨버터 내부 토폴로지는 각 암과 암사이의 위상차에 의한 인터리브 스위칭을 통해 n 배의 스위칭 주파수로서 충?E방전 시 전류 리플을 최소화 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해 ESS의 이차전지의 수명을 연장할 수 있고 이에 따라 그 이용률을 높일 수 있다.
또한, ESS의 컴팩트화 추세에 대처할 수 있도록 인덕터 전류를 감소하여 사이즈를 줄일 수 있으며, 특히 전력반도체 소자의 전기적인 정격 사양을 감소함으로써 부품 수급이나 시스템 구성에 있어 많은 장점을 보유한다.
또한, 모듈라 내의 컨버터의 주요 고장 원인 부품인 전력반도체의 고장 시에도 해당 고장 부품만 교체가 가능하도록 토폴로지를 구성하여 모듈 내 고장에서도 무정전 시스템을 유지할 수 있다.
또한, 모듈라 ESS 전체 시스템 구성에 있어서도 각 모듈 간의 토폴로지는 직렬구조의 캐스케이드 방식을 이용함으로써 배터리와 컨버터를 포함한 모듈의 고장 시에도 바이패스(bypass) 스위치를 동작하여 활선 상태에서 고장 모듈을 제거할 뿐만 아니라 교체가 가능하다.
또한, ESS의 활선 상태(운전 중)에서도 배터리 및 전력변환기의 교체가 가능한 핫 스왑(hot swap) 기능을 수행함으로써, 시스템 이용률 측면에서 높은 이점을 갖는다.
또한, REC 가중치(5.0) 정책으로 신재생과 연계된 ESS 시스템이 활성화 되고 있는 시점에서 전력 판매가가 높은 시간 대 ESS의 모듈이 고장이 날 경우 사용자의 경제적 손실이 매우 커짐에 따라 모듈 고장 시에도 시스템을 운전할 수 있고 교체할 수 있게 됨으로써, 경제적 손실을 저감할 수 있다.
또한, 배터리 및 전력변환기의 고장이 발생하더라도 활선상태에서 안전하고 빠르게 교체를 수행할 수 있다.
그리고, 수명 및 충?E방전 특성에 따라 다른 배터리도 동시에 연결하여 사용할 수 있으며, SOH 및 SOC 등에 따라 배터리별 교체 및 제어가 가능하여 전체 시스템 구성의 유연성을 확보할 수 있다.
도 1a는 일반적인 병렬 구조의 모듈라 ESS 컨버터 토폴로지를 나타낸 도면이다.
도 1b는 일반적인 단밀 모듈 DC-DC 컨버터 토폴로지 및 그것의 스위칭 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 위상 제어를 위한 스위치 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터에서 팩 스위치가 각각 4 개로 구성된 경우에 정상 동작과 하나의 레그가 고장일 때 위상 제어를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫스왑 스위칭 동작으로 고장 난 컨버터를 바이패스하는 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, 레그, 컨버터의 고장 시 처리 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 방식에서 서브모듈(SM)이 하프 브릿지(Half Bridge) 형태를 갖는 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 방식에서 서브모듈(SM)이 풀 브릿지(Full Bridge) 형태를 갖는 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 방식에서 서브모듈(SM)이 클램프 더블(Clamp Double) 형태를 갖는 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)은, 복수의 배터리(110)와, 복수의 컨버터(120), 복수의 핫스왑(Hot Swap) 스위칭부(130) 및 상위 제어기(140)를 포함한다.
복수의 배터리(110)는 전원을 충전하고, 충전된 전원을 방전하여 장치에 전원을 공급한다.
복수의 컨버터(120)는 복수의 배터리(110)에 각각 대응되도록 복수의 배터리(110)에 각각 연결되어 있다.
하나의 컨버터(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 정션 박스(Junction Box)(122)를 통해 배터리(110)의 플러스(+) 단자와 마이너스(-) 단자에 각각 연결될 수 있다. 이때, 정션 박스(122)에는 도 3에 도시된 바와 같이 컨버터(120)의 위상 제어 스위칭을 위한 4 개의 팩(pack) 스위치(124)가 연결되어 있다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터의 위상 제어를 위한 스위치 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에서, 정션 박스(122)는 저전압(V low) 영역의 배터리에 연결되고, 고전압(V high) 영역의 직류 링크(DC Link)에 연결될 수 있다.
하나의 컨버터(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이 4 개의 팩(Pack) 스위치(124)를 포함하고, 4 개의 팩 스위치(124)는 각각 스위치 모듈(126)을 포함하며, 각 스위치 모듈(126)은 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하기 위한 상위 스위치(High Switch: HS)와 하위 스위치(Low Switch: LS)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 이때, 하나의 팩 스위치(124)는 레그(LEG) 역할을 한다.
상위 제어기(140)는 도 3에 도시된 4 개의 팩 스위치(124)에서, 각각의 스위치 모듈(126)에 대해, 부스트 모드 시에 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 하위 스위치(LS)에 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하여 동작시키며, 벅 모드 시에 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시킬 수 있다.
4 개의 팩 스위치(124)의 고장에 대한 모든 경우(단락/개방)를 Open Fault로 한정하기 위해 퓨즈를 연결하였으며 Open Fault 형태로 구성함으로써 핫 스왑 형태로 고장 난 팩 스위치에 대한 교체가 가능하다.
하나의 컨버터(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리부(110)로부터 전원이 공급되는 라인에 대한 단락고장(短絡故障)에 대비해서 고장 전류를 제한하는 리액터(reactor)(128)를 포함할 수 있으며, 리액터(128)는 전자기(電磁氣) 에너지의 축적에 의해 교류전류 또는 전류의 급격한 변화에 대해서 큰 유도성인 리액턴스를 발생시킬 수 있다.
또한, 리액터(128)는, 일측이 스위치 모듈(126) 즉 IGBT 모듈에 연결되고, 다른 측이 전력 퓨즈(Fuse)를 통해 배터리부(110)에 연결되어 있는 정션 박스(122)에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 팩 스위치(124)에서, 스위치 모듈(126)은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)를 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터로서, 게이트-이미터 간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온(ON) 또는 오프(OFF) 동작하며, 대전력의 저속 스위칭이 가능한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT) 모듈로 구현할 수 있다.
스위치 모듈(126)을 구현하는 IGBT 모듈에는 펀치스루(Punch Through)형 IGBT, 넌 펀치스루(Non Punch Through)형 IGBT, 역저지(逆沮止)형 IGBT 등이 있다.
펀치스루(Punch Through)형 IGBT는 오프시에 공핍층(空乏層, depletion layer)이 콜렉터측에 접촉하고 있는 것이며, 에피텍셜 웨이퍼를 사용해 콜렉터측으로부터 캐리어를 고농도로 주입하여 라이프타임 컨트롤을 실시하는 구성을 갖는다. 특징은 에피텍셜 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 비싸고, 라이프타임 컨트롤 때문에, 고온에서 스위칭 손실이 증가한다. 또한, 고온으로 On 전압이 저하(전기저항이 저하)하여, 병렬 사용시에 특정 소자에 전류가 집중되어 파손 원인이 되기도 하고, 최근에는 웨이퍼의 두께를 얇게 하여 콜렉터측의 주입을 억제하는 것을 통해 상기의 결점을 극복한 것이 가능하다.
넌 펀치스루(Non Punch Through)형 IGBT는 웨이퍼 가공기술의 진보에 의해 1990년대 중순부터 제조되고 있는 것이다. Off 시에 공지층이 콜렉터측에 접촉하지 않는 것으로, 플로팅 존(Floating Zone)웨이퍼를 사용하여 콜렉터측의 캐리어 주입 농도를 낮춰 효율을 높이고 있다. 특징은 플로팅 존 웨이퍼를 사용하기 때문에 가격이 저렴하고, 결정(結晶)결함이 적어 신뢰성이 높고, 고온에서 On 전압이 상승(전기저항이 상승)하여, 전류 분포가 균일하게 되므로 병렬 사용에 유리하다. 또한, 2000년대부터, 트렌치 게이트 구조나 콜렉터측에 필드스톱층을 형성하여, 보다 On 전압이 낮고 스위칭 손실도 적은 것도 제조되고 있다.
역저지(逆沮止)형 IGBT는 결정 결함 밀도가 높은 다이싱 측면에서의 캐리어 발생을 억제하는 것을 통해 역내압(逆耐壓) 특성을 갖게 한 것이다. 쌍방향 스위칭을 구성할 경우, 역내압을 갖게 하기 위한 다이오드가 불필요해진다. 소자 수의 저감에 의해 저비용화와 소형화?경량화가 가능해진다. 또한, On 전압의 반감을 기대할 수 있다.
복수의 핫스왑 스위치(130)는 복수의 컨버터(120)에 각각 연결되고, 상위 스위치(High Switch: HS)와 하위 스위치(Low Switch: LS)를 구비하며, 상위 제어기(140)로부터의 소정의 제어 신호에 따라 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 온(1) 또는 오프(0)시킨다.
즉, 복수의 핫스왑 스위치(130)는 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)에 대해, 상위 스위치가 온(ON)일 때 하위 스위치가 오프(OFF) 상태이고, 상위 스위치가 오프(OFF)일 때 하위 스위치가 온(ON) 상태로 동작할 수 있다.
상위 제어기(140)는 복수의 컨버터(120)에 대한 고장 상태를 확인하여, 정상으로 동작하는 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 제어 신호를 전송하고, 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 전송할 수 있다.
한편, 제어기(140)는 복수의 컨버터(120)에서 하나의 컨버터에 대해 4 개의 팩 스위치(124)를 통해 위상 제어를 실행할 수 있다.
여기서, 복수의 컨버터부(120)는 각각 다중 위상(multi phase) 직류 변환(DC/DC) 컨버터이고, 상위 제어기(140)는 배터리부(110)의 SOC, SOH, 온도 등을 포함하는 배터리 상태 정보를 모니터링하고, 컨버터부(120)로부터 레그(LEG)의 고장 정보 및 상태 정보를 전달받으면, 그에 대응되는 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift)가 포함된 명령 값(Command Value)을 컨버터부(120)로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 컨버터(120)의 위상 제어를 위한 팩 스위치(124)가 도 3에 도시된 바와 같이 4 개로 구성된 경우, 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루며, 상위 제어기(140)는 컨버터(120)의 위상 제어에 대해 도 4에 도시된 바와 같이 정상적일 때 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하고, 4 개 중 하나의 레그(LEG)가 고장인 경우에 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터에서 팩 스위치가 각각 4 개로 구성된 경우에 정상 동작과 하나의 레그가 고장일 때 위상 제어를 나타낸 도면이다. 도 4에서, 하나의 컨버터(120)에서 팩 스위치(124), 즉 레그(LEG)가 4 개이므로, 상위 제어기(140)는 정상적인 동작 상태일 때, 360도를 4 개로 나눈 90도 간격으로 인터리브 위상 제어 동작을 수행한다. 그러나, 하나의 레그(LEG)가 고장이 난 경우에, 3 개의 레그(LEG)가 정상적으로 동작하므로, 상위 제어기(140)는 360도를 3 개로 나눈 120도 간격으로 인터리브 위상 제어 동작을 수행하는 것이다.
즉, 레그 역할의 팩 스위치(124)가 각각 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, n 개의 암(Arm)으로 구성된 토폴로지는 정상 동작 시에 다음 수학식1에 따라 산출되는 위상(phase) 값으로 각 암과 암 사이의 위상차를 유지할 수 있다.
Figure 112017113379804-pat00001
또한, 레그가 각각 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, n 개의 암(Arm)으로 구성된 토폴로지는 하나 이상의 레그(LEG)가 고장인 경우에 다음 수학식2에 따라 산출되는 위상(phase) 값으로 각 암과 암 사이의 위상차를 유지할 수 있다.
Figure 112017113379804-pat00002
상위 제어기(140)는, 컨버터(120)에 대한 용량[cap(pack)] 값에 대해, 핫 스왑(hot swap)을 고려해 다음 수학식3으로 산출할 수 있다.
Figure 112017113379804-pat00003
본 발명의 실시예에서, 레그가 각각 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, 상위 제어기(140)는, 인버터 구동을 위한 직류 링크(DC Link) 전압의 확보를 위해, 각 레그별 전압 지령값을 각 팩 스위치(124)에 전송하되, 각 팩 스위치(124)가 정상 동작인 경우에 다음 수학식 4에 따른 전압 지령값을 전송하도록 제어할 수 있다.
Figure 112017113379804-pat00004
본 발명의 실시예에서, 레그가 각각 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, 상위 제어기(140)는, 인버터 구동을 위한 직류 링크(DC Link) 전압의 확보를 위해, 각 레그별 전압 지령값을 각 팩 스위치(124)에 전송하되, 하나 이상의 팩 스위치(124)가 고장인 경우에 다음 수학식5에 따른 전압 지령값을 고장인 팩 스위치(124)에 전송하도록 제어할 수 있다.
Figure 112017113379804-pat00005
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)은, 하나 이상의 컨버터(120)가 외부로부터 각각 전원을 인가받는다(S510).
이때, 하나의 컨버터(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이 정션 박스(122)를 통해 저전압(V low)의 배터리(battery)와, 고전압(V high)의 직류 링크(DC Link)에 각각 연결될 수 있다.
이어, 상위 제어기(140)는 하나 이상의 배터리(110) 및 컨버터(122)를 모니터링한다(S520).
즉, 상위 제어기(140)는 하나 이상의 배터리(110)와, 그에 대응되어 있는 하나 이상의 컨버터(120)로부터 고장 정보가 수신되는지를 모니터링하게 되는 것이다.
이때, 상위 제어기(140)는, 각 컨버터(120)에 대한 용량[cap(pack)] 값에 대해, 핫 스왑(hot swap)을 고려해 수학식3에 따라 컨버터 용량(Capacity of Converter)을 패키지 모듈수(number of pack)로 나눈 값과, 고장 난 패키지 모듈수(number of overdrive pack)를 패키지 모듈수(number of pack)로 나눈값을 이용하여 산출할 수 있다.
이어, 상위 제어기(140)는 컨버터부(120)로부터 레그(LEG)의 고장 정보 및 상태 정보를 전달받는다(S530).
이때, 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하기 위한 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함한 구성을 갖는다.
복수의 컨버터(120)가 모두 정상적으로 동작할 때, 상위 제어기(140)는 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하게 된다.
상위 제어기(140)는 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 부스트 모드 시에 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키게 된다. 상위 제어기(140)는 벅 모드 시에 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시킬 수 있다.
이어, 상위 제어기(140)는 복수의 컨버터에서 하나가 고장난 것으로 검출한 경우에, 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위칭부(130)에 대해, 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 하위 스위치(LS)를 온(1) 시켜 해당 핫스왑 스위칭부가 핫 스왑(hot swap) 스위칭 동작을 수행하도록 제어한다(S540).
즉, 상위 제어기(140)는 고장 난 컨버터부에 연결된 핫스왑 스위칭부(130)에 대해, 도 6에 도시된 바와 같이 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고, 하위 스위치(LS)를 온(1) 시켜, 배터리부(110) 또는 외부로부터 인가된 전원이 하위 스위치(LS)를 통해 흐르도록 함으로써 해당 고장 난 컨버터(120)를 바이패스(Bypass) 하도록 하는 것이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫스왑 스위칭 동작으로 고장 난 컨버터를 바이패스하는 예를 나타낸 도면이다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 컨버터의 레그가 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, n 개의 암(Arm)으로 구성된 토폴로지는 하나의 컨버터(120)에서 하나 이상의 레그(LEG)가 고장인 경우에 수학식2에 따라 360도를, n 개에서 고장 난 레그(LEG) 수를 뺀 값(n - number of fault LEG)으로 나누어 산출되는 위상(phase) 값으로 각 암과 암 사이의 위상차를 유지할 수 있다.
이어, 상위 제어기(140)는 고장 난 컨버터부를 제외하고 나머지 컨버터에 대해 레그 상태에 따라 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift)가 포함된 명령 값(Command Value)을 전송한다(S550).
즉, 하나의 컨버터(120)에서 레그가 4 개로 구성된 경우, 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루며, 상위 제어기(140)는 4 개의 팩 스위치(124)를 통해 도 4에 도시된 바와 같이 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하고, 하나의 레그(LEG)가 고장인 경우에 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
따라서, 하나의 컨버터(120)는, 레그가 n 개로 구성된 경우, 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, n 개의 암(Arm)으로 구성된 토폴로지는 정상 동작 시에 수학식1에 따라 360도를 n 개로 나누어 산출되는 위상(phase) 값으로 각 암과 암 사이의 위상차를 유지할 수 있다.
그리고, 본 발명은 4 개의 팩 스위치 고장에 대한 모든 경우(단락/개방)를 Open Fault로 한정하기 위해 퓨즈를 연결하였으며 Open Fault 형태로 구성함으로써 핫 스왑 형태로 팩에 대한 교체가 가능하다.
또한, 하나의 컨버터(120)에서 레그가 n 개로 구성된 경우, 상위 제어기(140)는, 인버터 구동을 위한 직류 링크(DC Link) 전압의 확보를 위해, 각 레그별 전압 지령값을 각 팩 스위치(124)에 전송하되, 하나 이상의 팩 스위치가 고장인 경우에 수학식 5에 따라 직류 링크(DC Link) 전압 지령값(Command of DC Link Voltage)을, 일반 모듈에서 고장난 모듈을 뺀 모듈수(number of (Normal Module-Fault Module))로 나눈 값으로 산출된 전압 지령값을 고장인 팩 스위치(124)에 전송하도록 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, 레그, 컨버터의 고장 시 처리 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)에서, 상위 제어기(140)는 하나 이상의 배터리부(110)에 대해 전압(V), 전류(I), SOC, SOH 등을 감지하고, 각 컨버터(120)의 팩 스위치에 대한 고장 검사(Check of fault)를 실행한다(S702).
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)은, 컨버터(120)가 n 개로 구성된 경우, 컨버터(120)는 직류 구조의 케스케이드(cascade)형 모듈라 컨버터 토폴로지를 이루고, n 개의 암(Arm)으로 구성된다. 이러한 모듈라 멀티레벨 컨버터 토폴로지는 다른 구조의 컨버터 스테이션에 비해 고조파가 적으므로 고조파 필터가 필요 없으며, 스위칭 저감 기법으로 인해 스위칭 손실을 적게 할 수 있으며, DC에 직접 연결된 커패시터를 가지고 있지 않고 서브 모듈 구조에 개별 커패시터를 가지고 있으므로 DC 단락 및 커패시터 고장시 대응이 용이하며, 수백 레벨 이상을 구현하여 고압화가 가능하며, 다단 계단 형태로 정현파를 구성하므로 일반 변압기에 사용할 수 있다는 장점들이 있다.
모듈라 멀티레벨 컨버터 토폴로지 구조는 서브 모듈의 형태에 따라 크게 3가지로 분류된다. 도 8은 서브 모듈(SM)이 하프 브릿지(Half Bridge) 형태를 갖는 구조이고, 도 9는 서브모듈(SM)이 풀 브릿지(Full Bridge) 형태를 갖는 구조이며, 도 10은 서브모듈(SM)이 클램프 더블(Clamp Double) 형태를 갖는 구조를 각각 나타낸다.
DC 측에 지락사고가 발생할 경우 모든 스위치가 All OFF가 되며 서브 모듈의 아래측 스위치(S12)에 역병렬로 연결된 다이오드(D12)에 큰 단락전류가 흐르기 때문에, 도 8에서 싸이리스터(T1)는 다이오드를 보호하기 위해 아래측 스위치와 병렬로 연결되는 형태를 가진다. 즉 DC 단락시 싸이리스터를 턴-온 시켜 대부분의 단락전류가 싸이리스터를 통해 흐르게 하여 스위치를 보호하게 되는 구조를 갖는다.
이어, 배터리부(110)가 고장(fault=1)나거나(S704-Yes), 컨버터(120)가 고장(Fault=1) 난 것으로 감지되면(S708-Yes), 상위 제어기(140)는 바이패스(Bypass) 모드를 실행한다(S712).
예컨대, 상위 제어기(140)는 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위칭부(130)에 대해, 도 6에 도시된 바와 같이 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고, 하위 스위치(LS)를 온(1) 시켜, 배터리부(110) 또는 외부로부터 인가된 전원이 하위 스위치(LS)를 통해 흐르도록 함으로써 해당 고장 난 컨버터(120)를 바이패스(Bypass) 하도록 하는 것이다.
이어, 상위 제어기(140)는 수학식 5에 따라 전압 지령값(Change of command voltage)을 변경한다(S714).
즉, 상위 제어기(140)는, 인버터 구동을 위한 직류 링크(DC Link) 전압의 확보를 위해, 각 컨버터별 전압 지령값을 각 컨버터에 전송하되, 하나 이상의 컨버터가 고장인 경우에 수학식 5에 따라 직류 링크(DC Link) 전압 지령값(Command of DC Link Voltage)을, 일반 모듈에서 고장 난 모듈을 뺀 모듈수(number of (Normal Module-Fault Module))로 나눈 값으로 산출된 전압 지령값을 고장인 컨버터에 전송하도록 제어하는 것이다.
이어, 상위 제어기(140)는 모듈 오버드라이빙(Module Overdriving)을 수행한다(S716).
즉, 상위 제어기(140)는 고장 난 컨버터에 대해, 바이패스 동작을 실행함에 따라, 나머지 컨버터(120)들에 대해, 도 4에 도시된 바와 같이 변경된 위상 쉬프트(Phase Shift) 값과, 전압값 및 전류값으로 모듈 오버드라이빙을 수행하게 되는 것이다.
이어, 본 발명의 실시예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)은, 고장 난 컨버터를 바이패스하고, 나머지 컨버터(120)들을 정상적으로 제어할 때, 나머지 컨버터(120)들에 대해, 도 4에 도시된 바와 같이 변경된 전압값, 전류값으로 제어하는 동안(S718), 활선 상태에서 고장 난 컨버터를 교체(Replace)하거나 수리(Repair)하게 된다.
한편, 하나의 컨버터(120)에서, 하나의 팩 스위치(124)가 고장이 난 경우(S706-Yes), 상위 제어기(140)는 해당 고장 난 팩 스위치를 감안하여, 수학식2에 따라 360도를, n 개에서 고장 난 레그(LEG) 수를 뺀 값(n - number of fault LEG)으로 나누어 산출되는 위상(phase) 값으로 위상을 변경하여(Change of phase shift)(S720), 변경된 위상 값으로 위상 제어를 수행한다.
예를 들면, 하나의 컨버터에서 4 개의 팩 스위치 중 하나가 고장인 경우에, 상위 제어기(140)는 고장나지 않은 3 개의 팩 스위치를 통해 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
또한, 상위 제어기(140)는, 하나의 컨버터에서 4 개의 팩 스위치 중 2 개가 고장인 경우에, 고장나지 않은 2 개의 팩 스위치를 통해 180도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행할 수 있다.
따라서, 상위 제어기(140)는 해당 고장 난 팩 스위치를 제외시키고, 나머지 팩 스위치에 대해 오버 드라이빙(Pack Overdriving)을 수행하며(S722), 고장 난 비율이 50% 이상인 경우(S724-Yes) 전술한 바와 같이 해당 컨버터는 고장 난 것으로 인식하고 해당 컨버터에 대해 바이패스 모드를 수행하게 된다(S712).
본 발명의 실시예에서는 배터리 및 전력변환기의 교체가 활선상태에서 가능한 핫 스왑(hot swap)용 모듈라 ESS 컨버터 토폴로지 구성 및 그 제어 방법을 제공함으로써 종래의 DC-DC 컨버터 토폴로지에 대한 시스템 정격 사양 및 사이즈 등에 대한 문제점 보완과 각 모듈라 교체 시 시스템 안정성과 무정전을 위한 새로운 토폴로지를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 ESS 시스템은 낮은 전압의 배터리 측 전압을 높은 전압의 인버터 DC link 전압으로 승압하는 방전 동작과, 이와 반대로 강압하는 충전 동작으로 구분된다. 이와 같은 충?E방전은 토폴로지 내 전력반도체의 스위칭을 통해 수행할 수 있으며, 전력반도체의 전기적인 정격 사양은 배터리의 전압 및 전류 사양에 기인한다. ESS 시스템의 대용량화 및 대출력화를 위해 전력반도체 소자의 정격도 높아지고 있으나, 시스템의 크기나 안정화 및 부품 수급 등에 있어서는 미비한 실정이므로, 이러한 문제점을 해결하고 대용량/대출력 시스템에 대응할 수 있는 새로운 토폴로지를 구성할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 전력반도체 소자의 정격을 줄일 수 있고 이에 따라 인덕터의 전류도 감소시켜 전체 사이즈를 줄일 수 있으며 충전 시 전류 리플을 감소시킬 수 있는 multi phase 방식의 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지의 구성 기술을 제안한다. multi phase 방식은 n 개의 암(Arm)으로 구성되어 종래의 컨버터에서 1개 암에 걸리는 전력반도체 소자의 전기적 정격 사양을 1/n로 줄일 수 있고 이러한 구성으로 인덕터 또한 전체 체적을 줄일 수 있으며 컨버터 구성 및 시스템 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 이차전지의 충·방전시 충·방전 전류 리플은 시스템 수명 및 이용률에 민감하며 전류 리플의 최소화를 위해 컨버터의 스위칭 주파수를 높여야 하지만 스위칭 주파수를 높일 경우 효율이 감소하여 그 한계가 있으나, 본 발명에서는 multi phase 인터리브 방식으로 종래의 컨버터 스위칭 주파수에 비해 n배의 주파수로 스위칭 할 수 있으며 이를 통해 전류 리플 감소와 배터리의 안정적 운전을 도모할 수 있다.
특히, multi phase 인터리브 방식의 토폴로지를 구성할 경우 한 개의 암(LEG)이 고장이 난 경우에도 나머지 암에서 부하를 분담하여 시스템이 정지하지 않고 정상 운전이 가능하며, 제안한 구성을 통해 운전 중에도 고장 부품의 교체가 가능하여 모듈라 내의 hot swap 기능을 수행할 수 있다.
또한, 모듈라 방식으로 ESS를 구성함에 있어 기존의 병렬 구조가 아닌 직렬 구조의 cascade 토폴로지를 제안하여 각 모듈라에 해당하는 배터리 및 전력변환기의 고장 시에도 모듈의 bypass switch를 이용하여 시스템의 안정성을 도모할 수 있다.
직렬 구조의 cascade 토폴로지는 master/slave 방식이 아니므로 통신의 절체 및 고장 모듈의 위치에 무관하게 동작하며 DC link 전압 확보를 위해 n개 모듈은 모두 전압 제어를 수행한다. 모듈의 고장 시에 bypass switch가 동작함으로써 고장 모듈에는 전류가 흐르지 않아 활선 상태에서도 해당 모듈을 교체할 수 있고, 전체 시스템에 대한 hot swap 기능을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템(100)에서 컨버터가 n 개로 구성되고, 제어기(140)가 각 컨버터의 고장 상태를 모니터링하는 중에 하나의 컨버터가 고장난 경우에, 제어기(140)는 고장 난 컨버터에 대한 고장 상태를 데이터베이스(DB)에 데이터로 저장할 수 있다.
또한, 제어기(140)는 이 때의 전압을 데이터로 저장하며, 복수의 컨버터와 복수의 핫스왑 스위치를 제어하기 위한 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift) 값을 데이터로 저장할 수 있다.
이때, 제어기(140)는, 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 이용하여 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)의 전력량을 산출하고, 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)에 발생한 횟수와, 각 컨버터마다 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)에 발생한 횟수를 계수하여 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)의 고장율로 산출할 수 있다.
또한, 제어기(140)는 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)의 전력량과 일정 기간(예, 6개월 또는 1년)의 고장율을 해당 배터리의 아이디(ID)에 매칭시켜 학습 데이터로 데이터베이스(DB)에 저장할 수 있다.
또한, 제어기(140)는 일정 기간의 전력량과 일정 기간의 고장율 간의 관계를 추정하여 고장 모델을 생성하고, 생성된 고장 모델에 근거해 새로운 배터리와, 새로운 배터리에 연결되는 새로운 컨버터 및 새로운 컨버터에 연결되는 핫스왑 스위치가 추가될 때마다 새로운 컨버터의 전력량을 산출해 고장 모델에 대입하여 새로운 컨버터에 대한 일정 기간의 고장율을 예측 산출할 수 있다.
여기서, 일정 기간의 고장율은, 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하고 이를 이용해 산출한 컨버터 고장율과, 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하고 이를 이용해 산출한 위상제어 고장율을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 모듈러 방식으로 구성된 ESS에서 배터리의 충전 상태와 전력 변환기의 고장 상태에 따른 수리 및 교체를 장치의 셧다운 없이 활선 상태에서 수행할 수 있도록 하는, ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : ESS용 모듈러 컨버터 제어 시스템
110 : 배터리
120 : 컨버터
122 : 정션 박스
124 : 팩 스위치
126 : 스위치 모듈
128 : 리액터
130 : 핫스왑 스위칭부
140 : 제어기
HS : 상위 스위치
LS : 하위 스위치

Claims (14)

  1. 전원을 충전하고, 충전된 전원을 공급하는, 복수의 배터리;
    상기 복수의 배터리에 각각 연결되고, 상기 배터리로부터 공급되는 전원의 전압 또는 상기 배터리에 충전되는 전원의 전압을 특정 전압으로 변환하는, 복수의 컨버터;
    상기 복수의 컨버터에 각각 연결되고, 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 구비하여, 소정의 제어 신호에 따라 상기 상위 스위치(HS)와 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 또는 오프(0)시키는, 복수의 핫스왑(Hot Swap) 스위치; 및
    상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태를 확인하여, 정상으로 동작하는 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 제어 신호를 전송하고, 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 상기 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 전송하는 제어기;
    를 포함하고,
    상기 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 상기 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하도록 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하며,
    상기 제어기는 상기 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 상기 부스트 모드 시에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 상기 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키며, 상기 벅 모드 시에 상기 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상기 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 하나가 고장인 경우에, 고장나지 않은 3 개의 팩 스위치를 통해 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 2 개가 고장인 경우에, 고장나지 않은 2 개의 팩 스위치를 통해 180도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태를 데이터로 저장하고, 또한, 상기 고장상태에서의 전압을 데이터로 저장하며, 상기 복수의 컨버터와 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하기 위한 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift) 값을 데이터로 저장하는 데이터베이스(DB); 및
    상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 각각 검출하는 검출부;
    를 더 포함하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 이용하여 일정 기간의 전력량을 산출하고, 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수와, 각 컨버터마다 상기 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하여 일정 기간의 고장율로 산출하며, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율을 해당 배터리의 아이디(ID)에 매칭시켜 학습 데이터로 상기 데이터베이스(DB)에 저장하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율 간의 관계를 추정하여 고장 모델을 생성하고, 생성된 고장 모델에 근거해 새로운 배터리와, 상기 새로운 배터리에 연결되는 새로운 컨버터 및 상기 새로운 컨버터에 연결되는 핫스왑 스위치가 추가될 때마다 상기 새로운 컨버터의 전력량을 산출해 상기 고장 모델에 대입하여 상기 새로운 컨버터에 대한 일정 기간의 고장율을 예측 산출하는, 에너지 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템.
  8. 복수의 배터리와, 상기 복수의 배터리에 각각 연결된 복수의 컨버터, 상기 복수의 컨버터에 각각 연결된 복수의 핫스왑 스위치 및 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하는 제어기를 포함하는 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법으로서,
    (a) 상기 복수의 컨버터가 정상적인 동작 상태이면, 상기 복수의 핫스왑 스위치가 상위 스위치(HS)를 온(1) 시키고 하위 스위치(LS)를 오프(0) 시키는 단계;
    (b) 상기 제어기가 상기 복수의 컨버터를 모니터링하는 단계;
    (c) 상기 제어기가 상기 복수의 컨버터에서 고장 난 컨버터로부터 고장 상태를 검출하는 단계;
    (d) 상기 제어기가 상위 스위치(HS)를 오프(0) 시키고 하위 스위치(LS)를 온(1) 시키는 제어 신호를 상기 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치에 전송하는 단계; 및
    (e) 상기 고장 난 컨버터에 연결된 핫스왑 스위치가 상위 스위치를 오프(0) 시키고 하위 스위치를 온(1) 시켜 핫 스왑(hot swap) 스위칭 동작을 수행하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (a) 단계는,
    상기 복수의 컨버터에서 각각의 컨버터는 4 개의 팩(Pack) 스위치를 포함하고, 상기 4 개의 팩 스위치는 각각 부스트 모드 및 벅 모드로 동작하기 위한 상위 스위치(HS)와 하위 스위치(LS)를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 각 팩 스위치의 인터리브 위상 제어를 실행하며,
    상기 제어기는 상기 4 개의 팩 스위치에서 각각의 팩 스위치에 대해, 상기 부스트 모드 시에 상기 상위 스위치(HS)를 오프(OFF)시키고 상기 하위 스위치(LS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키며, 상기 벅 모드 시에 상기 하위 스위치(LS)를 오프(OFF)시키고 상기 상위 스위치(HS)에 PWM 신호를 인가하여 동작시키는,
    에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에서 하나의 컨버터에 대해 상기 4 개의 팩 스위치를 통해 90도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는,
    에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 하나가 고장인 경우에, 고장나지 않은 3 개의 팩 스위치를 통해 120도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는, 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 제어기는, 상기 하나의 컨버터에서 상기 4 개의 팩 스위치 중 2 개가 고장인 경우에, 고장나지 않은 2 개의 팩 스위치를 통해 180도 간격으로 인터리브 위상 제어를 실행하는, 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 고장 난 컨버터에 대한 고장 상태를 데이터베이스(DB)에 데이터로 저장하고, 또한, 상기 고장상태에서의 전압을 데이터로 저장하며, 상기 복수의 컨버터와 상기 복수의 핫스왑 스위치를 제어하기 위한 제어전압, 제어전류 및 위상 시프트(Shift) 값을 데이터로 저장하는, 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 복수의 컨버터에 대해 각 컨버터마다 전압과 전류를 이용하여 일정 기간의 전력량을 산출하고, 상기 복수의 컨버터에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수와, 각 컨버터마다 상기 4 개의 팩 스위치에 대한 고장 상태가 상기 일정 기간에 발생한 횟수를 계수하여 일정 기간의 고장율로 산출하며, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율을 해당 배터리의 아이디(ID)에 매칭시켜 학습 데이터로 상기 데이터베이스(DB)에 저장하는, 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 제어기는, 상기 일정 기간의 전력량과 상기 일정 기간의 고장율 간의 관계를 추정하여 고장 모델을 생성하고, 생성된 고장 모델에 근거해 새로운 배터리와, 상기 새로운 배터리에 연결되는 새로운 컨버터 및 상기 새로운 컨버터에 연결되는 핫스왑 스위치가 추가될 때마다 상기 새로운 컨버터의 전력량을 산출해 상기 고장 모델에 대입하여 상기 새로운 컨버터에 대한 일정 기간의 고장율을 예측 산출하는, 에너지 저장 장치의 모듈러 컨버터 제어 방법.

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200064390A (ko) 2018-11-29 2020-06-08 주식회사 엠알티 Ess연계 태양광발전소 전력관리 시스템
CN113848507A (zh) * 2021-09-10 2021-12-28 南方电网调峰调频发电有限公司 级联h桥电池储能系统接地故障检测方法、系统及终端
CN113848506A (zh) * 2021-09-09 2021-12-28 南方电网调峰调频发电有限公司 级联电池储能系统交直流侧接地故障检测定位方法及系统
KR20240020974A (ko) 2022-08-09 2024-02-16 현대자동차주식회사 차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템
KR20240020975A (ko) 2022-08-09 2024-02-16 현대자동차주식회사 Obc를 이용하여 보조 배터리 전력을 변환하는 컨버터 및 전력 변환 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016208832A (ja) 2015-04-21 2016-12-08 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． バッテリ制御装置、バッテリモジュール、バッテリパック、及びバッテリ制御方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016208832A (ja) 2015-04-21 2016-12-08 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． バッテリ制御装置、バッテリモジュール、バッテリパック、及びバッテリ制御方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Chen et al. "A New Interleaved Double-Input Three-Level Boost Converter". Journal of Power Eelectronics. 2016.
N. Mukherjee et al. "Adaptive Control of Hybrid Battery Energy Storage Systems under Capacity Fade". 16th European Conference on Power Electronics and Applications. 2014.

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200064390A (ko) 2018-11-29 2020-06-08 주식회사 엠알티 Ess연계 태양광발전소 전력관리 시스템
CN113848506A (zh) * 2021-09-09 2021-12-28 南方电网调峰调频发电有限公司 级联电池储能系统交直流侧接地故障检测定位方法及系统
CN113848507A (zh) * 2021-09-10 2021-12-28 南方电网调峰调频发电有限公司 级联h桥电池储能系统接地故障检测方法、系统及终端
KR20240020974A (ko) 2022-08-09 2024-02-16 현대자동차주식회사 차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템
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