KR101840748B1 - Power converter for hybrid BESS with supercapacitor as auxiliary charging unit - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hybrid BESS power converting system employing a supercapacitor as an auxiliary charging part and, more specifically, relates to a hybrid BESS power converting system capable of simultaneously using batteries of different kinds to properly store power in a small and isolated region such as an island. A short-period ESS comprises: a DC/DC converter converting energy, delivered from a new renewable energy generating device, into a voltage corresponding to a power storage device; a lithium battery part storing the power delivered from the DC/DC converter; a PCS supplying energy to a load by converting the power from the lithium battery part into a voltage corresponding to the load; and a control part. Moreover, since the supercapacitor part is additionally installed in the short-period ESS as an auxiliary storage part, the number of times of charging and discharging a lithium battery is limited, and thus, the system is capable of considerably reducing costs for maintenance by increasing the durable period.

Description

보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템{Power converter for hybrid BESS with supercapacitor as auxiliary charging unit}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a hybrid BESS power conversion system having a supercapacitor,

본 발명은 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 관한 것으로써 좀 더 상세하게는 섬과 같은 고립된 좁은 지역에서 전력을 합리적으로 저장하기 위하여 이종 배터리를 동시에 사용하되, 단주기 ESS는 신재생에너지 발전장치로부터 전해지는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부, 상기 리튬전지 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS 및 제어부로 구성하되, 상기 단주기 ESS에 보조 저장 장치로 슈퍼 캐패시터부를 추가 구성하여, 리튬전지 배터리의 충방전 횟수를 제한하도록 하여 내구연한을 높여 유지비용을 획기적으로 줄일 수 있는 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid BESS power conversion system to which a super capacitor is applied as an auxiliary charging unit, and more particularly to a hybrid BESS power conversion system in which a heterogeneous battery is simultaneously used to rationally store power in an isolated narrow region such as an island, A DC / DC converter for converting energy delivered from the renewable energy generation device into a voltage corresponding to the power storage device, a lithium battery part for storing power transferred from the DC / DC converter, And a supercapacitor unit as an auxiliary storage unit is additionally provided in the short period ESS to limit the number of charging and discharging of the lithium battery battery to increase the durability of the battery As the auxiliary charger which can reduce the maintenance cost dramatically, And more particularly to a hybrid hybrid BESS power conversion system.

ESS(Energy Storage System: 에너지 저장 시스템)란 남는 전력과 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기전력계통(Grid)에 저장해 두는 기술을 말한다.ESS (Energy Storage System) refers to a technology that stores electricity and energy in the electric power grid (Grid) to supply the remaining power and energy when and where it is needed.

좀 더 상세히 설명하면 ESS라 함은 발전소에서 생산한 전력을 가정이나 공장 등에 바로 전달하지 않고 대형 2차전지에 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기와 장소에 전송하여 에너지 효율을 높이는 시스템으로서, ESS는 전력 수요가 적을 때 잉여에너지를 저장해 과부하 또는 비상시에 전력을 공급함으로써 전력 품질 및 에너지 사용 효율을 제고하거나 신재생에너지(태양광, 풍력, 조력 등) 보급 및 원자력 등의 발전비중이 증가하면서 불안정한 전력공급 및 단전 등을 효율적으로 예측, 제어하기 위한 저장시스템으로 스마트그리드의 핵심 기술이다.More specifically, the ESS is a system for storing power generated by a power plant in a large secondary battery without directly transmitting it to a home or factory, When electricity demand is low, it stores surplus energy and supplies power in case of overload or emergency, thereby improving power quality and efficiency of energy use, increasing supply of renewable energy (solar, wind, tidal power) It is the core technology of Smart Grid as a storage system for efficiently predicting and controlling supply and disconnection.

ESS(Energy Storage System)는 배터리 이외에도 생산 전력을 변환하고 관리하기 위한 PCS(전력변환시스템), BMS(배터리관리시스템), EMS(에너지관리시스템)으로 구성되는데, PCS(Power Conversion System)라 함은 전력변환장치로서 교류와 직류간의 변환, 전압/전류/주파수를 변환하는 장치를 말하며, BMS(Battery Management System)는 배터리가 안전하게 충전하고 방전할 수 있도록 제어하는 장치를 말하며, EMS(Energy Management System)는 전력의 생산/변환/소비 등을 제어하고 모니터링 하는 장치를 말한다.ESS (Energy Storage System) is composed of PCS (Power Conversion System), BMS (Battery Management System) and EMS (Energy Management System) for conversion and management of production power besides battery. PCS (Power Conversion System) The BMS (Battery Management System) is a device that controls the charging and discharging of the battery safely. The EMS (Energy Management System) Is a device that controls and monitors the production / conversion / consumption of power.

ESS가 활용될 수 있는 부문은 크게 가정용 전력저장 시스템, 산업용상업용 중형 전력저장 시스템, 발전소 및 변전소에 설치되는 초대용량의 전력저장 시스템 등으로 구분되는데, 이를 장주기형과 단주기형으로 나누어 설명하면 다음과 같다. The ESS can be divided into household power storage system, industrial commercial medium power storage system, and high capacity power storage system installed in power plant and substation. It can be divided into long-term type and short-term type. same.

단주기 저장장치는 비교적 작은 규모(수 kWh)의 가정용 저장장치, 급속한 전력의 주파수나 전압 변동을 조정해 줄 수 있는 메가와트(MW)급 장치이고, 장주기 저장장치는 심야전력을 저장했다가 피크 부하 시 사용할 수 있도록 해주는 장치를 말한다.    Short-term storage is a relatively small scale (several kWh) household storage, a megawatt (MW) class device that can adjust the frequency or voltage fluctuations of rapid power, long storage stores the late night power, It is a device that makes it possible to use it under load.

단주기 저장장치는 전력의 부하 평준화 즉 첨두 부하 분산(Peak Shaving)을 통해 발전소 건설비, 송선선 설치비 등의 설비투자를 절감해주는 효과를 가진다. 이에 비해 장주기 저장장치는 부하 평준화(Load Leveling) 즉 경부하시 야간 유휴전력을 저장하고 과부하시 주간에 사용함으로써 전력운영의 최적화를 가능하게 한다. The short-term storage device has the effect of reducing the facility investment such as the construction cost of the power plant and the installation cost of the transmission line through peak load sharing (Peak Sharing). On the other hand, the long-term storage device stores the load leveling, that is, the idle power at night, and optimizes the power operation by using it during the week during overload.

또한 에너지 저장없이 신재생 에너지 발전량 비율이 점차 늘어 갈수록 전체 전력망이 불안정해지는 요소도 증가하게 되는데 이러한 전력망의 불안정을 안정화 시켜주는 요소로 이러한 전력 저장장치에 대한 수요가 급격하게 늘어갈 것이라는 것은 명백하다. 따라서 이러한 장주기, 단주기형 저장장치에 대한 연구와 개발이 절실히 요구된다고 하겠다. In addition, as the ratio of renewable energy generation increases without energy storage, it becomes clear that the demand for such a power storage device will increase sharply as a factor stabilizing the instability of the power network. Therefore, it is urgently required to study and develop such long - term and short - term storage devices.

ESS를 구성하는 요소 중 배터리는 에너지를 저장하는 기능을 담당하고 있으며 여기에 사용되는 배터리는 충방전이 가능한 2차 전지이다.Among the components of the ESS, the battery is responsible for storing energy. The battery used here is a rechargeable secondary battery.

단주기용 ESS에 있어서 전력저장용 이차전지 중 리튬이온 전지는 사이클 수명이 3,000회 이상이며 정지 후 즉시 기동시간이 가능하여 신재생에너지의 전력안정화용 단주기 ESS에 적합한데 가격이 높다는 단점이 있다.Among the secondary batteries for power storage, lithium ion batteries have a cycle life of more than 3,000 cycles and can be started immediately after stopping, which is suitable for short period ESS for power stabilization of new and renewable energy.

리튬 이온 전지의 충전과 노화와의 관계에 있어서 충전전압과 관련해서는 충전전압이 높을 수록 용량 충전률이 높으나 수명이 짧아지는 문제점이 있고, 또한 충전전류가 높을 수록 방전사이클이 짧아져 노화가 더 빨리 진행되는 문제점이 있다. Regarding the charging voltage in relation to the charging and aging of the lithium ion battery, there is a problem in that the higher the charging voltage is, the higher the capacity charging rate is, but the life is short. Also, the higher the charging current is, There is a problem going on.

특히 신재생에너지 전력저장장치로 사용되는 ESS는 충전이 일정하게 발생하는 것이 아니고 매우 짧은 순간에도 급격하게 발전 전력량이 변화되는데, 이를 리튬 전지 배터리의 대응 전압으로 변환시키는 DC/DC컨버터에서 리튬전지 배터리부로 전달될 때 전압 내지 전류의 변화를 그대로 반영하게 되어, 리튬전지 배터리부의 내구성 문제가 발생하게 되는 문제가 있어 왔다.Especially, ESS which is used as a renewable energy power storage device is not constantly generated. Even in a very short time, the generated power is rapidly changed. In a DC / DC converter that converts the generated power into a corresponding voltage of a lithium battery, The change in voltage or current is reflected as it is, and thus the problem of durability of the lithium battery part is caused.

도 2를 참조하면 기존의 단주기 ESS에 대해 나타낸 것으로서 보조적인 전력저장장치가 구성되지 않음을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, the conventional short-period ESS is shown and it can be seen that an auxiliary power storage device is not configured.

리튬전지 배터리가 종전보다는 저렴해졌지만 그래도 납축전지에 비해 고가임은 부인할 수 없는 사실임을 고려할 때 리튬전지 배터리의 수명 유지 내지 연장을 위한 조치가 필요하다 할 것이다.Considering that the lithium battery battery is cheaper than before, but it is still undeniable that it is higher than lead battery, measures are needed to maintain or extend the lifetime of the lithium battery battery.

본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 스마트 BESS의 이종 배터리는 저가격화와 장수명화를 고려하여 충방전 횟수가 빈번한 단주기용 ESS에는 즉시 기동이 가능한 소용량의 리튬이온 전지와 충방전 횟수가 빈번하지 않은 장주기 ESS에는 가격이 저렴한 대용량 납축전지로 구성하는 하이브리드형 전력 저장장치로 구성하되, 단주기용 ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록하고, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시키도록 하는데 목적이 있다. In consideration of the above circumstances, the present invention has been proposed in view of the above circumstances. In consideration of cost reduction and longevity improvement, a smart battery BSS has a small-capacity lithium ion battery capable of instantly starting a single-cell ESS having frequent charge / discharge cycles, The ESS is composed of a hybrid power storage device composed of a low-cost large-capacity lead acid battery. The lithium battery battery used for the single-phase ESS is stored in an auxiliary storage device for the unstable power of the renewable energy. And a lithium battery battery is charged for a constant and stable power, thereby maintaining the life of the lithium battery.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템은, In order to achieve the above object, a hybrid BESS power conversion system to which a supercapacitor is applied as an auxiliary charging unit of the present invention,

리튬전지와 납축전지를 사용하는 이종의 배터리를 조합하는 BESS(Battery Energy Storage System) 전력변환시스템에 있어서,In a battery energy storage system (BESS) power conversion system that combines lithium batteries and different types of batteries using lead acid batteries,

상기 BESS 전력변환시스템은 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)와 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)로 구성되며,The BESS power conversion system is composed of a short-cycle ESS (Energy Storage System) (SPEP) and a long-term ESS (Energy Storage System) (LPEP)

상기 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)는 신재생에너지의 출력안정화를 위해 전력 저장 장치로 리튬이온 전지를 사용하고, 상기 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)은 부하평준화를 위해 전력 저장 장치로 납축전지를 사용한다.The short-term ESS (Energy Storage System) (SPEP) uses a lithium ion battery as a power storage device for stabilizing the output of renewable energy. The long-term ESS (Energy Storage System) Use lead acid batteries as devices.

상기 단주기 ESS(SPEP)는 신재생에너지 발전장치로부터 전해지는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(100), 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부(BP), 상기 리튬전지 배터리부(BP)로부터 부하(LOAD)에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System) 및 제어부(300)로 구성된다.The short-period ESS (SPEP) includes a DC / DC converter 100 for converting the energy delivered from the renewable energy generator to a voltage corresponding to the power storage device, a power storage unit for storing the power delivered from the DC / And a controller 300 for converting a voltage from the lithium battery part BP to a voltage corresponding to the load LOAD and supplying energy to the load.

상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자와 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드2(D2)와 스위칭소자3(T3)가 직렬로 연결되며,The diode 2 (D2) and the switching element 3 (T3) are connected in series between the positive terminal of the DC / DC converter 100 and the positive terminal of the lithium battery part BP so as to be conductive in the direction of the positive terminal of the lithium battery part BP. Lt; / RTI >

상기 단주기 ESS(SPEP)는 보조 저장 장치로 슈퍼 캐패시터부(SCP)를 추가 구성하되, 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자로 도통되도록 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)가 순서대로 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1), 인덕터(L)가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1) 및 인덕터(L) 사이의 접점으로부터 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치되며, 상기 인덕터(L)와 스위칭소자4(T4) 및 스위칭 소자5(T5) 사이의 접점과 인덕터(L)사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서(C)가 설치되는 것을 특징으로 한다.The short-circuited ESS (SPEP) further includes a supercapacitor unit (SCP) as an auxiliary storage unit, and the switching unit 4 (T4) and the switching unit 5 T5 are sequentially connected in parallel to the supercapacitor section SCP and the switching elements T4 and T5 all use a FET element having a reflux diode and the DC / A diode 1 (D1), a switching element 1 (T1), and an inductor L are serially connected in series between the positive terminal of the switching element 4 (T4) and the switching element 5 (T5) The switching device 2 is disposed such that current is conducted from the contact between the inductor L 1 and the inductor L to the lithium battery cell BP and the inductor L and the switching device 4 T 4, From the contact point between the element 5 (T5) and the inductor (L) It characterized in that the capacitor (C) installed.

상기 제어부(300)는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 리튬이온 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼 캐패시터부(SCP)를 보조적으로 우선 충전하고 난 뒤에 리튬이온 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼 캐패시터부(SCP)의 전압이 리튬이온 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼 캐패시터부(SCP)로부터 리튬이온 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1 내지 T3)에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5(T4 및 T5)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.The controller 300 detects the voltage of the supercapiturer unit SCP, the voltage of the lithium ion battery unit BP and the output current of the DC / DC converter 100, and outputs the output of the DC / DC converter 100 When the current is detected, the supercapacitor unit SCP is supplementarily charged first and then the lithium ion battery unit BP is charged. The output current of the DC / DC converter 100 is not detected, (T1 to T3) to be charged from the supercapacitor unit SCP to the lithium ion battery unit BP when the voltage of the battery cell SCP is higher than the voltage of the lithium ion battery unit BP, And transmits a PWM gating signal to the switching elements 4 and 5 (T4 and T5).

상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)는 사용자가 설정하는 전압에 대응하고 유지하기 위해 제너다이오드(미도시)를 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.The supercapacitor unit SCP is connected in parallel with the supercapacitor unit SCP in order to correspond to and maintain a voltage set by a user.

본 발명은 단주기용 ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록 하는 한편, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시키도록 하여 배터리의 교체 시기를 늦추게 하여 BESS의 유지비를 저감할 수 있도록 한다.The present invention allows a lithium battery used in a single-cell ESS to store unstable power of new and renewable energy in another auxiliary storage device, while allowing a lithium battery to charge the battery for a constant and stable power, So that the replacement time of the battery is delayed, so that the maintenance cost of the BESS can be reduced.

슈퍼 캐패시터에 저장된 에너지는 잉여전력으로 활용될 수 있다. Energy stored in the supercapacitor can be utilized as surplus power.

보조적 전력저장장치로 슈퍼 캐패시터를 활용할 수 있도록 하여, 교체시 충방전 횟수에 따라 배터리의 내구연한이 결정되는 여타 배터리를 교체하여 활용할 수 있도록 한다. 이는 이미 기설치된 배터리에 대해 이를 교체할 경우 효과가 있다. The super capacitor can be utilized as an auxiliary power storage device, and other batteries whose lifetime is determined according to the number of times of charging and discharging can be replaced and utilized. This is effective if you replace the battery already installed.

도 1은 단주기 ESS에 슈퍼 캐패시터가 적용된 것을 개략적으로 표현한 컨셉도면이다.
도 2는 기존 단주기 ESS를 개략적인 스테이지로 표현한 블록도이다.
도 3은 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 단주기 ESS를 개략적인 스테이지와 스키메틱으로 결합하여 표현한 도면이다.
1 is a conceptual diagram schematically showing that a supercapacitor is applied to a short cycle ESS.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an existing short-period ESS in a schematic stage.
3 is a schematic representation of a short-period ESS to which a supercapacitor is applied as an auxiliary charging unit, schematically and schematically.

먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.In the following description, the term " hybrid BESS power " in which the super capacitor is applied as the auxiliary charging unit according to the present invention is defined as the term defined below in consideration of the functions of the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user, Quot; conversion system ", which is incorporated herein by reference in its entirety.

도 1은 1단주기 ESS에 슈퍼 캐패시터가 적용된 것을 개략적으로 표현한 컨셉도면이고, 도 2는 기존 단주기 ESS를 개략적인 스테이지로 표현한 도면이며, 도 3은 보조충전부로써 슈퍼커패시터가 적용된 단주기 ESS를 개략적인 스테이지와 스키메틱으로 결합하여 표현한 도면이다.FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating a super-capacitor applied to a single-stage periodic ESS, FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional single-period ESS in a rough stage, and FIG. And is schematically represented by a combination of a schematic stage and a schematic.

도 3을 참조하면 리튬전지와 납축전지를 사용하는 이종의 배터리를 조합하는 BESS(Battery Energy Storage System) 전력변환시스템에 있어서,Referring to FIG. 3, in a battery energy storage system (BESS) power conversion system for combining lithium batteries and different types of batteries using lead acid batteries,

상기 BESS 전력변환시스템은 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)와 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)로 구성된다.The BESS power conversion system is composed of a short-cycle ESS (Energy Storage System) (SPEP) and a long-term ESS (Energy Storage System) (LPEP).

상기 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)는 신재생에너지의 출력안정화를 위해 전력 저장 장치로 리튬이온 전지를 사용하고, 상기 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)은 부하평준화를 위해 전력 저장 장치로 납축전지를 사용한다.The short-term ESS (Energy Storage System) (SPEP) uses a lithium ion battery as a power storage device for stabilizing the output of renewable energy. The long-term ESS (Energy Storage System) Use lead acid batteries as devices.

상기 단주기 ESS(SPEP)는 신재생에너지 발전장치로부터 전해지는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(100), 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부(BP), 상기 리튬전지 배터리부(BP)로부터 부하(LOAD)에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System) 및 제어부(300)로 구성된다.The short-period ESS (SPEP) includes a DC / DC converter 100 for converting the energy delivered from the renewable energy generator to a voltage corresponding to the power storage device, a power storage unit for storing the power delivered from the DC / And a controller 300 for converting a voltage from the lithium battery part BP to a voltage corresponding to the load LOAD and supplying energy to the load.

상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자와 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부(BP) 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2(D2)와 스위칭소자 3(T3)이 직렬로 연결된다.The diode 2 (D2) and the switching element 3 (T3) are connected in series between the positive terminal of the DC / DC converter 100 and the positive terminal of the lithium battery part BP so as to be conductive in the direction of the positive terminal of the lithium battery part BP. Lt; / RTI >

상기 단주기 ESS(SPEP)는 보조 저장 장치로 슈퍼 캐패시터부(SCP)를 추가 구성하되, 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자로 도통되도록 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)가 순서대로 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자4(T4) 및 스위칭 소자 5(T5) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1), 인덕터(L)가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1) 및 인덕터(L) 사이의 접점으로부터 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치되며, 상기 인덕터(L)와 스위칭소자4(T4) 및 스위칭 소자5(T5) 사이의 접점과 인덕터(L)사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서(C)가 설치되는 것을 특징으로 한다.The short-circuited ESS (SPEP) further includes a supercapacitor unit (SCP) as an auxiliary storage unit, and the switching unit 4 (T4) and the switching unit 5 T5 are sequentially connected in parallel to the supercapacitor section SCP and the switching elements T4 and T5 all use a FET element having a reflux diode and the DC / A diode 1 (D1), a switching element 1 (T1), and an inductor L are serially connected in series between the positive terminal of the switching element 4 (T4) and the switching element 5 (T5) The switching device 2 is disposed such that current is conducted from the contact between the inductor L 1 and the inductor L to the lithium battery cell BP and the inductor L and the switching device 4 T 4, From the contact point between the element 5 (T5) and the inductor (L) It characterized in that the capacitor (C) installed.

상기 인덕터(L)과 콘덴서(C)는 전력전달소자로서 기능하는데, 특히 인덕터가 전력전달함에 중요한 역할을 함에 따라 코일은 릿츠와이어를 사용하고, 코어는 페라이트코어를 사용함이 적당하다. The inductor (L) and the capacitor (C) function as a power transmission element. Particularly, since the inductor plays an important role in transferring electric power, it is suitable to use a Ritz wire as a coil and a ferrite core as a core.

상기 스위칭 소자 1 내지 3은 환류 다이오드 혹은 프리휠링 다이오드가 내재되지 않은 소자이어야 한다.The switching elements 1 to 3 should be elements without a reflux diode or a free wheeling diode.

상기 슈퍼커패시터부는 평균전압, 정격전압을 고려하여 요구하는 전압레벨에 적합하도록 슈퍼커패시터를 직렬로 연결한다음 이를 충전용량을 고려하여 병렬로 상호 접속하여 구성되도록 한다.The supercapacitor unit is formed by serially connecting supercapacitors in accordance with a required voltage level in consideration of an average voltage and a rated voltage, and connecting the supercapacitors in parallel in consideration of a charging capacity.

상기 제어부(300)는 슈퍼 캐피시터부(SCP)의 전압, 리튬이온 배터리부(BP)의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터(100)로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼 캐패시터부(SCP)를 보조적으로 우선 충전하고 난 뒤에 리튬이온 배터리부(BP)를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터(100)의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼 캐패시터부(SCP)의 전압이 리튬이온 배터리부(BP)의 전압보다 높은 경우, 슈퍼 캐패시터부(SCP)로부터 리튬이온 배터리부(BP)로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3(T1 내지 T3)에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5(T4 및 T5)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.The controller 300 detects the voltage of the supercapiturer unit SCP, the voltage of the lithium ion battery unit BP and the output current of the DC / DC converter 100, and outputs the output of the DC / DC converter 100 When the current is detected, the supercapacitor unit SCP is supplementarily charged first and then the lithium ion battery unit BP is charged. The output current of the DC / DC converter 100 is not detected, (T1 to T3) to be charged from the supercapacitor unit SCP to the lithium ion battery unit BP when the voltage of the battery cell SCP is higher than the voltage of the lithium ion battery unit BP, And transmits a PWM gating signal to the switching elements 4 and 5 (T4 and T5).

PWM 게이팅 신호는 비례적분제어(PI)를 활용한 폐루프 제어에 의한 것으로 듀티비가 제어에 의해 가변되는 신호이다. The PWM gating signal is based on closed-loop control using proportional integral control (PI) and is a signal whose duty ratio is varied by control.

상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)는 사용자가 설정하는 전압에 대응하고 유지하기 위해 제너다이오드(미도시)를 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.The supercapacitor unit SCP is connected in parallel with the supercapacitor unit SCP in order to correspond to and maintain a voltage set by a user.

이는 다수의 슈퍼캐패시터부의 과충전 현상을 방지하여 소손을 방지하기 위한 용도로 제너다이오드를 활용한다.This utilizes a zener diode for preventing overcharging of many super capacitor parts to prevent burn-out.

신재생에너지원으로부터 발전된 전력이 DC/DC 컨버터로부터 전력 저장 장치로 충전될 경우 대부분은 처음부터 안정한 전압이나 전류로 들어오는 것이 아니라 DC/DC 컨버터의 제어 방식에 따라 일정한 전압 전류로 들오오기까지는 짧으나마 시간이 걸리기 마련이다.When the electric power generated from the renewable energy source is charged from the DC / DC converter to the electric power storage device, most of the electric current does not come from the stable voltage or current from the beginning, but it is short until the constant voltage current comes out according to the control method of the DC / It will take time.

이때 슈퍼캐패시터부는 보조적 전력충전장치로서 기능하여 충전단계 초입에 들어오는 전류에 의해 충전하므로써, 리튬이온 전지가 충전되는 횟수를 줄여, 항시 일정한 충전 전압 내지 충전 전류에 도달할 경우에만 충전토록 하고, 또한 슈퍼캐패시터부에 의해 충전된 전력을 신재생에너지원으로부터 충전이 되지 않는 시간에 방전하여 리튬이온전지에 충전토록 하는 것에 본 발명의 목적이 있다. At this time, the supercapacitor unit functions as an auxiliary power charging device, and charges the lithium ion battery by the current supplied at the beginning of the charging step, thereby reducing the number of times the lithium ion battery is charged so as to be charged only when the constant charging voltage or charging current is constantly reached. It is an object of the present invention to discharge the electric power charged by the capacitor unit from a new and renewable energy source at a time not to be charged and charge the lithium ion battery.

손실되는 전력이 없을 뿐만 아니라 리튬이온전지의 충방전 횟수를 줄여 리튬이온전지의 수명을 유지 내지 연장하는 효력이 발생하게 되는 것이다.There is no power to be lost, and the number of charging and discharging of the lithium ion battery is reduced, so that the lifetime of the lithium ion battery is maintained or extended.

본 단주기 ESS의 제어 모드는 일반적인 리튬 전지 충전 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐패시터 방전 모드, 부하 전력 전달 모드로 구분될 수 있다. 하기에서 설명한다.The control mode of the short cycle ESS can be classified into a general lithium battery charging mode, a super capacitor partial charge mode, a super capacitor discharge mode, and a load power transfer mode. Will be described below.

먼저 리튬 전지 충전 모드는 스위칭 소자 3이 온 되면서 시작한다. First, the lithium battery charging mode starts when the switching element 3 is turned on.

슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1이 온 되고, 스위칭 소자 5의 게이트에 PWM 게이팅 신호가 입력되면서 작동한다. In the super capacitor sub-charge mode, the switching element 1 is turned on and the PWM gating signal is inputted to the gate of the switching element 5, thereby operating.

슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2가 온되고, 스위칭 소자 4의 게이트에 PWM 게이팅 신호가 입력되면서 작동한다.In the supercapacitor sub-discharge mode, the switching element 2 is turned on and the PWM gating signal is inputted to the gate of the switching element 4.

부하 전력 전달 모드는 리튬 전지 배터리부로부터 PCS를 거쳐 부하에 전력을 전달하는 모드이다.The load power transfer mode is a mode for transferring power from the lithium battery part to the load via the PCS.

이때 PCS는 인버터 혹은 컨버터가 될 수 있다. 스마트그리드에 전력을 전달할 때에는 DC로 전달될 것이며, 일반적인 한전계통(Grid)에 전력을 전달할 때에는 AC로 전달되어야 할 것이다.At this time, the PCS can be an inverter or a converter. When power is transmitted to the smart grid, it will be transmitted to the DC. When power is transmitted to the general grid system (Grid), it will be transmitted to the AC.

상기 본 발명에 따르면 단주기용 ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록 하는 한편, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시키도록 하여 배터리의 교체 시기를 늦추게 하여 BESS의 유지비를 저감할 수 있도록 한다.According to the present invention, the unstable power of the renewable energy used in the single-cell ESS can be stored in another supplementary storage device, and the lithium battery can be charged for a constant and stable power, So that the replacement time of the battery is delayed, so that the maintenance cost of the BESS can be reduced.

상기 슈퍼 캐패시터부에 저장된 에너지는 잉여전력으로 활용될 수 있다. The energy stored in the supercapacitor may be utilized as surplus power.

보조적 전력저장장치로 슈퍼 캐패시터를 활용할 수 있도록 하여, 교체시 충방전 횟수에 따라 배터리의 내구연한이 결정되는 여타 배터리를 교체하여 활용할 수 있도록 한다. 이는 이미 기설치된 배터리에 대해 이를 교체할 경우 효과가 있다.The super capacitor can be utilized as an auxiliary power storage device, and other batteries whose lifetime is determined according to the number of times of charging and discharging can be replaced and utilized. This is effective if you replace the battery already installed.

SBS : 스마트 BESS LPEP : 장주기 ESS
SPEP : 단주기 ESS
WG : 풍력 발전기 SG : 태양광 발전기
WGR : 풍력 발전기용 정류기
100 : DC/DC 컨버터 BP : 리튬전지 배터리부
LOAD : 부하
D1, D2 : 다이오드 1, 다이오드 2 SCP : 슈퍼 캐패시터부
T1 - T5 : 스위칭 소자 1 - 스위칭 소자 5
L : 인덕터 C : 콘덴서
300 : 제어부
SBS: Smart BESS LPEP: Long Period ESS
SPEP: Short-cycle ESS
WG: Wind turbine SG: Solar generator
WGR: Rectifier for wind power generator
100: DC / DC converter BP: Lithium battery Battery part
LOAD: Load
D1, D2: Diode 1, Diode 2 SCP: Super capacitor section
T1 - T5: Switching element 1 - Switching element 5
L: Inductor C: Capacitor
300:

Claims (3)

리튬전지와 납축전지를 사용하는 이종의 배터리를 조합하는 BESS(Battery Energy Storage System) 전력변환시스템에 있어서,
상기 BESS 전력변환시스템은 단주기 ESS(Energy Storage System)와 장주기 ESS(Energy Storage System)로 구성되며,
상기 단주기 ESS(Energy Storage System)는 신재생에너지의 출력안정화를 위해 전력 저장 장치로 리튬이온 전지를 사용하고, 상기 장주기 ESS(Energy Storage System)은 부하평준화를 위해 전력 저장 장치로 납축전지를 사용하며,
상기 단주기 ESS는 신재생에너지 발전장치로부터 전해지는 에너지를 전력 저장 장치에 대응되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터로부터 전달되는 전력을 저장하는 리튬전지 배터리부; 상기 리튬전지 배터리부로부터 부하에 대응하는 전압으로 변환하여 부하에 에너지를 공급하는 PCS(Power Condiotioning System); 제어부; 및 슈퍼캐패시터가 직병렬로 연결된 슈퍼캐패시터부;로 구성되되,
상기 DC/DC 컨버터의 양극단자와 리튬전지 배터리부 양극단자 사이에 리튬전지 배터리부 양극단자 방향으로 도통되도록 다이오드 2와 스위칭소자 3이 직렬로 연결되며, 슈퍼캐패시터부의 양극단자로부터 음극단자 방향으로 도통되도록 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5가 순서대로 슈퍼캐패시터부와 병렬 연결되되, 상기 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며, 상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 스위칭 소자 4 및 스위칭 소자 5 사이의 접점 사이에 다이오드 1, 스위칭 소자 1, 인덕터가 직렬로 차례로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1 및 인덕터 사이의 접점으로부터 상기 리튬전지 배터리부로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2가 배치되며, 상기 인덕터와 스위칭소자 4 및 스위칭 소자 5 사이의 접점과 인덕터사이의 접점으로부터 접지전위 사이에 콘덴서가 설치되는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템.
In a battery energy storage system (BESS) power conversion system that combines lithium batteries and different types of batteries using lead acid batteries,
The BESS power conversion system is composed of a short-cycle ESS (Energy Storage System) and a long-period ESS (Energy Storage System)
The short-term ESS (Energy Storage System) uses a lithium ion battery as a power storage device for stabilizing the output of renewable energy, and the long-term ESS (Energy Storage System) uses a lead storage battery as a power storage device for load leveling In addition,
The short-circuited ESS includes a DC / DC converter for converting energy delivered from the renewable energy generator into a voltage corresponding to the power storage device; A lithium battery unit for storing power transmitted from the DC / DC converter; A PCS (Power Condotation System) for converting the voltage from the lithium battery part to a voltage corresponding to the load and supplying energy to the load; A control unit; And a supercapacitor portion connected in series and in parallel with the supercapacitor,
The diode 2 and the switching device 3 are connected in series between the positive terminal of the DC / DC converter and the positive terminal of the lithium battery cell to be in the direction of the positive terminal of the lithium battery, and the positive terminal of the DC / The switching element 4 and the switching element 5 are connected in parallel to the supercapacitor part in order, and the switching element 4 and the switching element 5 all use an FET element having a reflux diode, A diode 1, a switching element 1 and an inductor are connected in series between the contacts between the element 4 and the switching element 5, and the switching element 2 is arranged so that current flows from the contact between the switching element 1 and the inductor to the lithium battery And the inductor, the contact between the switching element 4 and the switching element 5, As from the contact between the ground potential secondary charging unit, characterized in that the capacitor is installed has been applied BESS hybrid power conversion system super capacitor.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 슈퍼 캐피시터부의 전압, 리튬이온 배터리부의 전압 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 검출하되, 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력 전류가 검출될 경우 슈퍼캐패시터를 보조적으로 우선 충전한 후에 리튬이온 배터리부를 충전하고, 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류가 검출되지 않고, 슈퍼캐패시터부의 전압이 리튬이온 배터리부의 전압보다 높은 경우, 슈퍼캐패시터부로부터 리튬이온 배터리부로 충전하도록 스위칭 소자 1 내지 3에 대해서는 온/오프 게이팅 신호를 송출하고, 스위칭 소자 4 및 5에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템.
The method according to claim 1,
The control unit detects the voltage of the supercapiturer unit, the voltage of the lithium ion battery unit and the output current of the DC / DC converter. When the output current is detected from the DC / DC converter, the control unit firstly supercharges the supercapacitor, When the output current of the DC / DC converter is not detected and the voltage of the supercapacitor portion is higher than the voltage of the lithium ion battery portion, the switching elements 1 to 3 are turned on / off so as to be charged from the supercapacitor portion to the lithium ion battery portion. And outputs a PWM gating signal to the switching elements 4 and 5. The hybrid BESS power conversion system to which the super capacitor is applied as an auxiliary charging unit.
청구항 1에 있어서,
슈퍼캐패시터부에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the Zener diode is connected in parallel with the supercapacitor unit in order to maintain the supercapacitor unit in correspondence with the voltage set and designed by the user. The super capacitor is applied as a sub-charger unit.
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