KR101915244B1 - 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 bess 전력변환시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법에 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 구성하고, 보조 저장 장치와, 리튬전지 배터리부, DC/DC 컨버터 사이에 공진회로를 적용하여 전력변환효율을 최대화할 수 있고, 리튬전지 배터리의 충방전 횟수를 제한하도록 하여 내구연한을 높여 유지비용을 획기적으로 줄일 수 있는 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법{Power converter for hybrid BESS with supercapacitor as auxiliary charging unit and Resonance Circuit and that Control Method}
본 발명은 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법에 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 구성하고, 보조 저장 장치와, 리튬전지 배터리부, DC/DC 컨버터 사이에 공진회로를 적용하여 전력변환효율을 최대화할 수 있고, 리튬전지 배터리의 충방전 횟수를 제한하도록 하여 내구연한을 높여 유지비용을 획기적으로 줄일 수 있는 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
ESS(Energy Storage System: 에너지 저장 시스템)란 남는 전력과 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기전력계통(Grid)에 저장해 두는 기술을 말한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ESS를 구성하는 요소 중 배터리는 에너지를 저장하는 기능을 담당하고 있으며 여기에 사용되는 배터리는 충방전이 가능한 2차 전지이다.
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.
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.
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.
도 2를 참조하면 기존의 단주기 ESS에 대해 나타낸 것으로서 보조적인 전력저장장치가 구성되지 않음을 알 수 있다.
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.
따라서 보조 충전부 객체와 그 전력변환장치 및 그 제어방법에 대한 연구가 절실하다고 할 것이다.
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.
또한 보조적인 저장장치에 저장하도록 하되, 이에 대한 전력변환장치를 쌍방향으로 하여, 보조적인 저장장치에 저장된 전력을 리튬전지 배터리에 저장하도록 함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템은,
리튬전지와 납축전지를 사용하는 이종의 배터리를 조합하는 BESS(Battery Energy Storage System) 전력변환시스템에 있어서,
상기 BESS 전력변환시스템은 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)와 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)로 구성되며,
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.
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.
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.
상기 슈퍼캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 소스(Source)부 사이에 코일 2(L2) 및 콘덴서 2(C2)가 병렬로 연결된다.
상기 콘덴서 2(C2)의 단자 사이에 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1(DT1)과 2(DT2)의 접점과 공진스위칭 소자 3(DT3)과 4(DT4)의 접점 사이에 코일1(L1)과 콘덴서1(C1)이 순서대로 연결된다.
상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1)이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1)과 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3)의 접점 사이에 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2(T2)가 배치된다.
상기 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
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, 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.
상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)는 사용자가 설정하는 전압에 대응하고 유지하기 위해 제너다이오드(미도시)를 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 하이브리드 BESS 전력변환시스템의 제어방법은 상기 제어방법은 배터리 충전 모드, 부하 전력 공급 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐피시터부 방전 모드로 구성된다.
상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3(T3)이 온 되면서 작동된다.
상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1(T1)이 온 되고, 공진스위칭 소자 3(DT3) 및 4(DT4)가 제어부(300)로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3(DT3)과 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압에 도달하면 종료된다.
상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2(T2)가 온 되고, 공진스위칭 소자 1(DT1) 및 2(DT2)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1(DT1)과 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1)이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부(BP)가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료된다.
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.
슈퍼 캐패시터에 저장된 에너지는 잉여전력으로 활용될 수 있다.
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.
또한 슈퍼 캐패시터에 저장되도록 하고, 저장된 전력이 배터리에 다시 저장되도록 하여 전력소비를 최소화하는 효과가 있고, 전력변환시에 공진회로를 활용하도록 하여, 변환효율의 극대화를 꾀할 수 있다.
도 1은 단주기 ESS에 슈퍼 캐패시터가 적용된 것을 개략적으로 표현한 컨셉도면이다.
도 2는 기존 단주기 ESS를 개략적인 스테이지로 표현한 블록도이다.
도 3은 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 단주기 ESS를 개략적인 스테이지와 스키메틱으로 결합하여 표현한 도면이다.
도 4는 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서 배터리 충전 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 5는 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서 부하 전력 공급 모드를 개략적으로 표현한 개념도이다.
도 6은 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서, 슈퍼캐패시터부 충전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이되, 공진회로의 전류흐름을 따로 표시하였다.
도 7은 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서, 슈퍼캐패시터부 방전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이되, 공진회로의 전류흐름을 따로 표시하였다.
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.
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 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템 및 그 제어방법"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 단주기 ESS에 슈퍼 캐패시터가 적용된 것을 개략적으로 표현한 컨셉도면이며, 도 2는 기존 단주기 ESS를 개략적인 스테이지로 표현한 블록도이고, 도 3은 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 단주기 ESS를 개략적인 스테이지와 스키메틱으로 결합하여 표현한 도면이며, 도 4는 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서 배터리 충전 모드를 개략적으로 표현한 개념도이고, 도 5는 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서 부하 전력 공급 모드를 개략적으로 표현한 개념도이며, 도 6은 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서, 슈퍼캐패시터부 충전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이되, 공진회로의 전류흐름을 따로 표시하였고, 도 7은 본원발명인 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템에 있어서, 슈퍼캐패시터부 방전 모드를 스위칭 온오프에 따라 개략적으로 표현한 개념도이되, 공진회로의 전류흐름을 따로 표시한 것이다.
도 3을 참조하면 리튬전지와 납축전지를 사용하는 이종의 배터리를 조합하는 BESS(Battery Energy Storage System) 전력변환시스템에 있어서,
상기 BESS 전력변환시스템은 단주기 ESS(Energy Storage System)(SPEP)와 장주기 ESS(Energy Storage System)(LPEP)로 구성된다.
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.
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.
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.
상기 슈퍼캐패시터부(SCP)의 양극단자로부터 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2)가 순서대로 슈퍼캐패시터부(SCP)와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)의 소스(Source)부 사이에 코일 2(L2) 및 콘덴서 2(C2)가 병렬로 연결된다.
상기 콘덴서 2(C2)의 단자 사이에 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1(DT1)과 2(DT2)의 접점과 공진스위칭 소자 3(DT3)과 4(DT4)의 접점 사이에 코일1(L1)과 콘덴서1(C1)이 순서대로 연결된다.
상기 DC/DC 컨버터(100)의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3) 사이의 접점 사이에 다이오드 1(D1), 스위칭 소자 1(T1)이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1(T1)과 상기 공진스위칭 소자 2(DT2) 및 공진스위칭 소자 3(DT3)의 접점과 상기 리튬전지 배터리부(BP)로 전류가 도통되도록 스위칭 소자 2가 배치된다.
상기 벅부스트스위칭 소자 1(BT1) 및 벅부스트스위칭 소자 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
상기 공진스위칭 소자 1 내지 4와 코일 1과 콘덴서 1에 의한 공진회로는 효율적으로 쉽게 전압을 2배로 올리는 더블러 역할을 한다. 이때 변환효율은 99%이상을 달성할 수 있다. 코일과 콘덴서는 전력을 이론적으로는 소비하지 않기 때문이다. 다만 코일과 콘덴서에 기생하는 저항 성분과 스위칭 소자의 스위칭 손실이 조금이나마 있을 수 있는데, 특히 코일에서 열이 안나도록 조심할 필요가 있다.
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, 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1) 및 2(BT2), 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4(DT1 내지 DT4)에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출한다.
상기 코일 1, 2와 콘덴서는 전력전달소자로서 기능하는데, 특히 코일이 전력전달함에 중요한 역할을 함에 따라 코일은 릿츠와이어를 사용하고, 코어는 페라이트코어를 사용함이 적당하다.
상기 스위칭 소자 1 내지 3은 환류 다이오드 혹은 프리휠링 다이오드가 내재되지 않은 소자이어야 한다.
상기 슈퍼커패시터부는 평균전압, 정격전압을 고려하여 요구하는 전압레벨에 적합하도록 슈퍼커패시터를 직렬로 연결한다음 이를 충전용량을 고려하여 병렬로 상호 접속하여 구성되도록 한다.
PWM 게이팅 신호는 비례적분제어(PI)를 활용한 폐루프 제어에 의한 것으로 듀티비가 제어에 의해 가변되는 신호이다.
상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)는 사용자가 설정하는 전압에 대응하고 유지하기 위해 제너다이오드(미도시)를 상기 슈퍼 캐패시터부(SCP)와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
이는 다수의 슈퍼캐패시터부의 과충전 현상을 방지하여 소손을 방지하기 위한 용도로 제너다이오드를 활용한다.
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.
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.
손실되는 전력이 없을 뿐만 아니라 리튬이온전지의 충방전 횟수를 줄여 리튬이온전지의 수명을 유지 내지 연장하는 효력이 발생하게 되는 것이다.
상기 하이브리드 BESS 전력변환시스템의 제어방법은 상기 제어방법은 배터리 충전 모드, 부하 전력 공급 모드, 슈퍼캐패시터부 충전 모드, 슈퍼캐피시터부 방전 모드로 구성된다.
도 4를 참조하면 상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3(T3)이 온 되면서 작동된다.
도 6을 참조하면 상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1(T1)이 온 되고, 공진스위칭 소자 3(DT3) 및 4(DT4)가 제어부(300)로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3(DT3)과 벅부스트 스위칭 소자 2(BT2)가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압에 도달하면 종료된다.
도 6을 참조하면 L1과 C1으로 구성된 공진회로에서 전류의 흐름을 간략하게 알 수 있도록 하였는데, 이 때 전류흐름을 나타낸 하나의 정현파의 주기는 공진 스위칭소자의 스위칭 주기와 일치하여야 한다.
위와 아래에서 L1의 전류방향이 바뀌는 것은 L1과 C1사이에 공진이 일어나기 때문이다.
또한 공진스위칭 소자 3 및 4는 서로 교대로 온오프되되, 그 듀티비는 0.5이어야 한다.
공진회로에서는 공진주파수에 따라 L1 및 C1의 소자값, L1의 부피, L1에서 발생하는 손실, 스위칭 손실 등이 결정되므로, 어느 것이 우선사항인지에 따라, 즉 효율 우선인지, 실제회로부의 작은 부피 우선인지등에 따라 공진주파수, L1 및 C1의 소자값이 결정될 것이다.
도 7을 참조하면 상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2(T2)가 온 되고, 공진스위칭 소자 1(DT1) 및 2(DT2)가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1(DT1)과 벅부스트 스위칭 소자 1(BT1)이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부(BP)가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부(SCP)의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료된다.
도 7을 참조하면 L1과 C1으로 구성된 공진회로에서 전류의 흐름을 간략하게 알 수 있도록 하였는데, 이 때 전류흐름을 나타낸 하나의 정현파의 주기는 공진 스위칭소자의 스위칭 주기와 일치하여야 한다.
위와 아래에서 코일인 L1의 전류방향이 바뀌는 것으로 표현한 것은 L1과 C1사이에 공진이 일어나기 때문이다.
또한 공진스위칭 소자 1 및 2는 서로 교대로 온오프되되, 그 듀티비는 0.5이어야 한다.
부하 전력 전달 모드는 리튬 전지 배터리부로부터 PCS를 거쳐 부하에 전력을 전달하는 모드이다.
도 6 및 7을 참조하면 기본적으로 전력의 전달은 L1, L2에 전류형태로 전력을 저장했다가, 스위칭에 따라 전력을 슈퍼캐패시터부 혹은 리튬배터리부에 전달하도록 구성되도록 한 것이다.
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.
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.
슈퍼 캐패시터에 저장된 에너지는 잉여전력으로 활용될 수 있다.
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.
또한 슈퍼 캐패시터에 저장되도록 하고, 저장된 전력이 배터리에 다시 저장되도록 하여 전력소비를 최소화하는 효과가 있고, 전력변환시에 공진회로를 활용하도록 하여, 변환효율의 극대화를 꾀할 수 있다.
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 - T3 : 스위칭 소자 1 - 스위칭 소자 3
DT1 - DT4 : 공진스위칭 소자 1 내지 4
BT1, BT2 : 벅부스트 스위칭 소자 1, 2
L1, L2 : 코일 1, 코일 2 C1, C2 : 콘덴서 1, 콘덴서 2
300 : 제어부

Claims (3)

  1. 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 음극단자로 도통이 되는 방향으로 벅부스트 스위칭 소자 1 및 벅부스트 스위칭 소자 2가 순서대로 슈퍼캐패시터부와 병렬 연결되되, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 벅부스트 스위칭 소자 2의 접점과 상기 벅부스트 스위칭 소자 2의 소스(Source)부 사이에 코일 2 및 콘덴서 2가 병렬로 연결되며, 상기 콘덴서 2의 단자 사이에 공진스위칭 소자 1 내지 4가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진스위칭 소자 1과 2의 접점과 공진스위칭 소자 3과 4의 접점 사이에 코일1과 콘덴서1이 순서대로 연결되며,
    상기 DC/DC 컨버터의 양극단자로부터 상기 공진스위칭 소자 2 및 공진스위칭 소자 3 사이의 접점 사이에 다이오드 1, 스위칭 소자 1이 직렬로 차례대로 연결되며, 상기 스위칭 소자 1과 상기 공진스위칭 소자 2 및 공진스위칭 소자 3의 접점 사이에 상기 리튬전지 배터리부로 전류가 도통되는 방향으로 스위칭 소자 2가 배치되며,
    상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 벅부스트 스위칭 소자 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며,
    상기 제어부는 슈퍼캐패시터부의 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, 상기 벅부스트 스위칭 소자 1 및 2, 상기 공진스위칭 소자 1 내지 4에 대해서는 PWM 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    슈퍼캐패시터부에 사용자가 설정 및 설계한 전압에 대응하며 유지하기 위해, 제너다이오드를 슈퍼캐패시터부와 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템.
  3. 청구항 1에 따른 하이브리드 BESS 전력변환시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 제어방법은 배터리 충전 모드; 부하 전력 공급 모드; 슈퍼캐패시터부 충전 모드; 및 슈퍼캐패시터부 방전 모드;로 구성되되,
    상기 배터리 충전 모드는 스위칭 소자 3이 온 되면서 작동되고,
    상기 슈퍼캐패시터부 충전 모드는 스위칭 소자 1이 온 되고, 공진스위칭 소자 3 및 4가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 3과 벅부스트 스위칭 소자 2가 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 슈퍼캐패시터부의 정격전압에 도달하면 종료되며,
    상기 슈퍼캐패시터부 방전 모드는 스위칭 소자 2가 온 되고, 공진스위칭 소자 1 및 2가 제어부로부터 송출되는 PWM 신호에 의해 교대로 온오프 스위칭되되, 공진스위칭 소자 1과 벅부스트 스위칭 소자 1이 동기화되어 스위칭되면서 시작되고, 리튬전지 배터리부가 충전 완료되거나 슈퍼캐패시터부의 정격전압의 1/5 미만이 되는 경우 종료되는 것을 특징으로 하는 보조충전부로써 슈퍼캐패시터가 적용된 하이브리드 BESS 전력변환시스템의 제어방법.
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WO2022160305A1 (zh) * 2021-01-29 2022-08-04 华为数字能源技术有限公司 一种转换电路、电压转换装置及电动汽车

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