KR101920695B1 - 동시 충방전 및 on-off 그리드 전환 사용이 가능한 에너지 저장 장치(ess) - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전기, 풍력 발전기, 소수력 발전기, 조력 발전기, 지열 발전기 등의 신재생 에너지 발전기는 물론이고 비상 발전기를 포함한 다양한 종류의 발전기에서 생산한 전력이 교류이든 직류이든 구분없이 컨버터를 통해 충전할 수 있음은 물론이고, PCS(Power Conversion System)는 방전을 위해서만 사용되게 구성하여, 충전 및 방전을 동시에 수행할 수 있으며, 전력계통도 컨버터를 통해 충전할 수 있어서, ON-Grid 및 OFF-Grid로 운용할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS:Energy Storage System)에 관한 것으로서, PCS는 방전을 위해 사용하고, PCS의 충전 기능은 분리하여 컨버터를 구성하며, 컨버터는 직류 전력과 교류 전력을 구분없이 입력받아 직류 전력으로 변환하여 충전하게 한다.

Description

동시 충방전 및 ON-OFF 그리드 전환 사용이 가능한 에너지 저장 장치(ESS){ESS for charging and discharging at the same time, and using ON-Grid and OFF-Grid}

본 발명은 태양광 발전기, 풍력 발전기, 소수력 발전기, 조력 발전기, 지열 발전기 등의 신재생 에너지 발전기는 물론이고 비상 발전기를 포함한 다양한 종류의 발전기에서 생산한 전력이 교류이든 직류이든 구분없이 컨버터를 통해 충전할 수 있음은 물론이고, PCS(Power Conversion System)는 방전을 위해서만 사용되게 구성하여, 충전 및 방전을 동시에 수행할 수 있으며, 전력계통도 컨버터를 통해 충전할 수 있어서, ON-Grid 및 OFF-Grid로 운용할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS:Energy Storage System)에 관한 것이다.

도 1(a)에 간략한 블록 구성도로 도시한 바와 같이 전력계통(Grid, 1)에 연계하여 운영하는 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)는 BMS(Battery Management System, 11a)에 의해 관리되는 배터리 시스템(11), 전력계통(1)의 여유 전력을 AC/DC 변환하여 배터리 시스템(1)에 충전하고 전력계통(1)에 피크 전력이 발생할 시에 배터리 시스템(11)의 전력을 DC/AC 변환하여 전력계통(1)에 공급하게 한 PCS(12), 충전 전력과 방전 전력을 적산하기 위한 전력계(14), 및 전력계통(1)의 전력 상황과 배터리 시스템(11)의 충전량에 따라 PCS(12)를 충전 동작시키거나 아니면 방전 동작시키도록 동작 제어하는 EMS(15)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성한 에너지 저장 장치(ESS)는 전력계통(1)의 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 및 비상 전원 등의 기능을 수행할 수 있다.

최근에는 태양광, 태양열, 풍력, 소수력, 조력, 지열 등의 신재생 에너지 등을 이용하여 전력을 생산하는 발전기와 연계한 에너지 저장 장치(ESS)가 대두되고 있다.

도 1(b)에 예시한 바와 같이, 태양광 발전기(3 : 3a)에서 생산한 직류 전력을 충전할 수 있게 한 에너지 저장 장치(ESS)의 블록 구성도를 참조하면, 태양광 발전기(3 : 3a)에서 생산한 직류 전력을 충전을 위해 변환하는 DC/DC 컨버터(13)를 더욱 포함한다.

그렇지만, 상기 도 1(b)에 도시한 바와 같이 DC/DC 컨버터(13)의 출력 전력을 배터리 시스템(11)뿐만 아니라 PCS(12)에도 직접 공급하여 전력계통(1) 또는 전력 수용가(2)에 공급할 수 있게 하고, 배터리 시스템(11)은 충방전 경로가 단일 경로로 되어 있어서, 충전할 때는 방전하지 못하고, 방전할 때는 충전하지 못한다. 즉, 배터리 시스템(11)은 충전을 위한 벅 컨버터 기능과 방전을 위한 부스터 컨버터 기능을 구비한 양방향 컨버터의 기능 전환에 의해서 충전 및 방전하게 구성되며, 이에, 충전 및 방전을 동시에 수행할 수 없다.

또한, 발전기(3)가 교류 발전기인 경우 DC/DC 컨버터(13)를 AC/DC 컨버터로 교체하여야 하는 어려움이 있고, DC/DC 컨버터(13)와 AC/DC 컨버터를 모두 갖추더라도 다양한 종류의 발전기를 구애받음 없이 연결 사용하기에도 한계가 있다.

또한, 발전기(3)의 전력을 충전하는 중에도 전력계통(1)의 전력을 충전할 수 있게 하는 것이 전력계통(1)의 여유 전력을 활용하는 데 유리하지만, PCS(12)가 방전 및 충전 기능을 겸비하게 하고 있어서 제약이 따른다.

또한, 설치 지역의 전력계통 유무에 따라 전력계통 연계형과 전력계통 비연계형으로 구분하여 제작하여야 하는 어려움도 있다.

KR 10-1794837 B1 2017.11.01. KR 10-1097260 B1 2011.12.15.

따라서, 본 발명은 충전과 방전을 동시에 수행할 수 있고, 전력계통 연계형 및 전력계통 비연계형으로 전환 사용이 용이한 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)를 제공하는 데 목적을 둔다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동시 충방전 및 ON-OFF 그리드 전환 사용이 가능한 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)에 있어서, 충전 회로부와 방전 회로부가 분리되어 있는 배터리 시스템(110), 외부 입력 전력을 충전 레벨의 직류 전력으로 변환하여 배터리 시스템(110)에 충전하는 컨버터(130), 배터리 시스템(110)의 직류 전력을 방전시키기 위해 교류 전력으로 변환하여 외부 공급하는 PCS(120), 및 컨버터(130)에 의한 충전 동작과 PCS(120)에 의한 방전 동작을 충전 전력에 따라 제어하는 EMS(150)를 포함하여, 충전 동작과 방전 동작을 동시에 수행할 수 있으며, 상기 컨버터(130)는 직류 전력은 그대로 통과시키면서 교류 전력은 정류시키는 정류 회로를 포함한 입력단 정류부(132)로 외부 입력 전력을 처리한 후 DC/DC 변환하게 구성되어서, 외부 입력 전력이 직류이든 교류이든 충전할 수 있게 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)는 복수 개를 병렬연결하여 합산 전력을 상기 배터리 시스템(110)에 충전되게 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)는 전력계통(1)에 연결하여 전력계통(1)의 교류 전력을 충전할 수 있게 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)는 발전기(3) 및 전력계통(1) 중에 어느 하나를 절환 스위치(160)에 의해 선택 연결하게 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 병렬 연결된 복수 개의 상기 컨버터(130)는 각각 출력단 측에 역전압 방지부(134)를 구비한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 역전압 방지부(134)는 전파정류용 다이오드 브리지로 구성된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)의 입력단 정류부(132)는 다이오드 브리지 및 평활회로를 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 입력단 정류부(132)를 구비하지 아니하는 AC/DC 컨버터 또는 DC/DC 컨버터를 더욱 포함하며, 상기 컨버터(130)와 병렬연결하여 합산 전력을 상기 배터리 시스템(110)에 충전되게 할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 충전 기능과 방전 기능을 분담하는 구성요소에 의해서, 외부 입력 전력을 충전함과 동시에 충전 전력을 방전하여 외부로 공급할 수 있으므로, 최적의 효율을 위한 충방전 상황에 맞춰 제약 없이 운영할 수 있고, 외부 입력 전력이 교류이든 직류이든 컨버터의 변경 없이 그대로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 전력계통 연계형 및 비연계형이 모두 가능하고, 전환 사용하기에도 편리하여 설치 지역별 상황에 구애받지 아니하고 범용적으로 사용할 수 있으며, 충전량을 충분히 확보하며 운영할 수 있다.

도 1은 전력계통(Grid, 1)에 연계하여 사용하는 종래 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)의 블록 구성도(a)와, 발전기(3)의 생산 전력을 충전할 수 있게 한 종래 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)의 블록 구성도(b).
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)의 블록 구성도로서, 전력계통 비연계형(OFF-Grid)으로 설치 운용한 상태를 도시한 도면.
도 3은 컨버터(130)의 전기회로적 구성도.
도 4는 예시적으로 2개 컨버터(130)의 병렬연결 상태를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)를 전력계통 연계형(ON-Grid)으로 설치 운용한 상태를 도시한 도면.
도 6은 전력계통 연계형(ON-Grid) 장치 및 전력계통 비연계형(OFF-Grid) 장치로 사용할 수 있게 하기 위해 절환스위치(160)를 구비한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)의 블록 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System, 100)의 블록 구성도이다.

상기 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(100)를 전력계통 비연계형(OFF-Grid)으로 설치 운용한 사용 상태도로 도시되어 있으며, 예시적으로 직류 전력을 생산하는 태양광 발전기(3a), 교류 전력을 생산하는 풍력 발전기(3b) 및 교류 전력을 생산하는 비상 발전기(3c)를 포함한 3대의 발전기(3:3a,3b,3c)로부터 각각 전력을 입력받을 수 있게 하고, 전력 수용가(2)에게 전력 공급할 수 있도록 설치 운용하는 사용 상태도로 도시되어 있다.

상기 도 2에 도시한 발전기(3)의 종류는 예시에 불과하며, 예를 들어, 소수력, 태양열, 지열, 조력 등의 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전기를 포함할 수 있고, 연료 전지, 수소 에너지, 바오이매스, 폐기물 등을 이용하여 전력 생산하는 발전기도 포함할 수 있다.

상기 도 2에 도시한 블록 구성도를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System, 100)는 배터리 시스템(110), PCS(Power Conversion System, 120), 복수 개의 컨버터(130), 전력계(140) 및 EMS(Energy Management System, 150)를 포함하여 구성된다.

복수 개의 상기 컨버터(130)는 각각 외부의 발전기(3)를 한대씩 연결할 수 있게 되어 있으며, 연결된 발전기(3)로부터 입력받는 외부 입력 전력을 배터리 시스템(110)의 충전 레벨(즉, 충전 직류 전력의 전압 또는 전류 레벨)의 직류 전력으로 변환한다.

그리고, 복수 개의 상기 컨버터(130)는 직류 전력의 출력단이 상호 전기적으로 이어지도록 병렬 연결되게 한 후 배터리 시스템(110)에 연결되게 하여서, 각자 출력한 직류 전력이 합산되어 배터리 시스템(110)에 충전되게 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 복수 개의 상기 컨버터(130)는 각각 외부 입력 전력이 직류 전력이든 아니면 교류 전력이든 상관없이 충전 레벨의 직류 전력으로 변환하게 구성된다.

즉, 복수 개로 구비한 상기 컨버터(130)는 각각 연결한 발전기(3)가 직류 전력을 생산하는 태양광 발전기(3a)이든 아니면 교류 전력을 생산하는 풍력 발전기(3b) 또는 비상 발전기(3c)라 하더라도, 충전 레벨의 직류 전력으로 변환하게 구성된다.

이를 위한 상기 컨버터(130)의 구성에 대해서는 하기에서 도 3을 참조하며 상세하게 설명한다.

또한, 하기에서 도 5를 참조하며 설명하겠지만, 상기 컨버터(130)는 교류 전력을 입력받을 수 있으므로, 발전기(3)가 아니면 전력계통(1)을 연결하여, 전력계통(1)의 교류 전력을 입력받아 충전할 수도 있다.

상기 배터리 시스템(110)은 복수 개로 구비한 상기 컨버터(130)로부터 전달받는 충전 레벨의 직류 전력을 충전하고, 충전한 직류 전력을 방전할 수 있게 구성된다.

그리고, 상기 배터리 시스템(110)은 BMS(Battery Management System, 111)를 포함하여 구성된다.

상기 BMS(111)는 내부 배터리의 온도, 전류, 전압, 충전량 등을 측정하여, 충방전 상태를 모니터링하고, 충전 및 방전을 최적화하며, 과충전 보호, 과방전 보호, 과전류 보호, 과전압 보호, 과열 보호, 셀 밸런싱 등의 기능을 수행한다.

상기 PCS(Power Conversion System, 120)는 배터리 시스템(110)에서 충전한 직류 전력을 방전할 시에 방전되는 직류 전력을 교류 전력(즉, 전력 수용가에서 사용할 수 있는 교류 전력)으로 변환하여 전력 수용가(2)에게 공급한다.

상기 전력계(140)는 전력 수용가(2)에게 공급하는 교류 전력의 전력량을 검출하기 위한 구성요소이다.

상기 EMS(Energy Management System, 150)는 컨버터(130)에 의한 충전 동작과 PCS(120)에 의한 방전 동작을 상기 배터리 시스템(110)에 충전된 전력에 따라 제어하고, 전력계(140)에서 검출한 전력을 적산한다.

또한, 상기 EMS(150)을 인터넷에 연결하여 상기 EMS(150)의 제어동작을 원격 관리하고, 모니터링할 수 있게 하여도 좋다.

제어 방식에 대해 예를 들어 설명하면, BMS(111)에서 측정한 충전량을 확인할 수 있고, 발전기(3)와 통신선으로 연결하여 발전기(3)의 동작 상태 또는 생산 전력을 확인하거나, 아니면 상기 컨버터(130)에 입력되는 전력을 확인하여서, 충전할 수 있는 상황인지를 판단할 수 있으므로, 상황 판단의 결과에 따라 컨버터(130)를 제어하여 충전하게 한다. 물론, 복수 개의 컨버터(130) 중에 충전할 수 있는 컨버터(130)만 가동시키게 할 수도 있다.

방전의 경우에 대해서는, 도 2에 도시한 실시 예에서 전력 사용량이 정확하게 예측하기 어려운 전력 수용가(2)에 전력 공급하게 하였으므로, 상기 PCS(120)를 항시 가동하여 전력 공급할 수 있게 하여야 할 것이지만, 배터리 시스템(110)의 과방전을 방지하기 위해서 충전 전력에 따라 상기 PCS(120)에 의한 방전 동작을 멈추게 할 수도 있다.

상기에서 설명한 배터리 시스템(110), BMS(111), PCS(120), 전력계(140), EMS(150) 및 EMS(150)에 의한 제어 동작은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 다양한 기술을 적용할 수 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.

다만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)를 통해서만 외부로부터 전력을 공급받게 되어 있으며, 이에, 상기 PCS(120)는 외부 전력을 공급받아 충전하는 기능이 필요하지 아니한다.

즉, 종래 PCS는 전력계통(1)에 연계하기 위해서 전력계통(1)으로부터 전력을 공급받아 충전하는 기능 및 전력계통(1)에 충전 전력을 공급하는 기능을 모두 갖추어야 했으나, 본 발명에 따르면, 상기 컨버터(130)가 교류 전력의 입력을 허용하므로, 상기 PCS(120)는 전력계통(1)에 연계하게 하더라도 충전 기능을 수행하지는 않거나, 또는 충전 기능을 갖추지 아니하게 구성된다. 다시 말해서, 종래 PCS의 충전 기능 및 방전 기능을 분리하여, 방전 기능만 남기고, 충전 기능은 상기 컨버터(130)에서 수행되게 한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 배터리 시스템(110)은 충전과 동시에 방전할 수 있게 하기 위해서, 충전 경로와 방전 경로를 분리하도록 충전 회로부와 방전 회로부를 분리하여 개별적으로 제어할 수 있게 한다. 이러한 충전 회로부와 방전 회로부의 분리는 충방전이 가능한 배터리 기술을 적용할 수 있다. 이에, 입력 전력을 충전하는 중에도 전력 수용가(2)에게도 분배하여 공급하는 동작도 가능하고, 충전 차단과 방전 차단을 개별적으로 수행할 수 있다.

즉, 종래 에너지 저장 장치(ESS)에서 배터리 시스템은 도 1(b)에 도시한 바와 같이 단일경로를 통해 충방전하게 함에 따라 충전 회로부와 방전 회로부를 동시 가동 사용할 수 없었으나, 본 발명의 실시 예에 따르면, 충전 회로부와 방전 회로부를 개별적으로 제어하여, 충전과 방전을 동시에 수행할 수 있다.

이하, 상기 컨버터(130)에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 상기 컨버터(130)의 상세 구성도이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 컨버터(130)는 입력단(131)을 통해 입력되는 외부 입력 전력을 입력단 정류부(132) 및 DC/DC 변환부(133)로 순차 처리한 후 역전압 방지부(134)가 설치된 출력단(135)을 통해 직류 전력으로 출력하며, 컨트롤러(136)에 의해 동작 제어하게 구성된다.

상기 입력단(131)은 발전기(1)에 연결되는 것으로 하였으므로, 외부 발전기(1)에서 생산한 전력을 입력받는다.

이때, 입력 전력은 발전기(1)의 종류에 따라 단상 교류 전력일 수도 있고, 삼상 교류 전력일 수도 있고, 아니면, 직류 전력일 수도 있으므로, 본 발명의 실시 예에서 상기 입력단(131)은 3단자로 구성하여서, 단상 교류 전력, 삼상 교류 전력 및 직류 전력을 모두 입력받을 수 있게 하였다. 물론, 단상 교류 전력이거나 아니면 직류 전력일 경우에 2개 단자만 사용하게 된다.

상기 입력단 정류부(132)는 직류 전력은 그대로 통과시키면서 교류 전력은 정류시키는 정류 회로(132a)와, 리플을 억제하는 평활회로(132b)를 포함하여 구성된다.

여기서, 정류 회로(132a)는 3상 교류 전력을 전파 정류(Full-Wave Rectification)하기 위해서, 6개의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5, D6)를 연결한 3상 다이오드 브리지(Diode Bridge)로 구성하였다.

전파 정류용 다이오드 브리지는 2개의 다이오드를 순방향으로 직렬 연결하되 2개 다이오드 사이에 상 전압을 인가하게 한 상 연결회로(D1-D2, D3-D4, D5-D6)를 각 상별로 마련하여 출력단에 병렬연결한 것으로서, 교류 입력은 정류하여 출력하고, 직류 입력은 그대로 출력할 수 있다.

그리고, 직류 전력을 입력받는 경우, 3개의 상 연결회로(D1-D2, D3-D4, D5-D6) 중에 2개 상 연결회로 사이에 직류 전력이 인가되는 데, 이때, 극성에 무관하게 올바른 직류 전력을 출력되게 하므로, 발전기(3)를 입력단(131)에 연결할 시에 오결선의 우려가 없게 된다.

물론, 단상 교류 전력을 입력받는 경우, 3개의 상 연결회로(D1-D2, D3-D4, D5-D6) 중에 2개만 사용하여 정류 전력을 출력한다.

상기 평활회로(132b)는 정류 회로(132a)에 의해 정류된 전력의 리플(ripple)을 억제하는 회로이며, 본 발명의 실시 예에서는 정류 회로(132a)의 출력 측에 병렬로 연결한 콘덴서(C1)로 구성하였다.

한편, 정류 회로(132a)의 입력측에서 상 전압을 검출하는 센서(132c)를 구비하여, 검출한 상 전압을 컨트롤러(136)에 전달한다.

상기 DC/DC 변환부(133)는 상기 입력단 정류부(132)의 출력 전력을 상기 배배터리 시스템(110)에 충전하기에 적합한 직류로 변환하는 구성요소로서, 본 발명의 실시 예에 따르면 절연형 컨버터 회로로 구성하였다.

절연형 컨버터 회로로 구성한 상기 DC/DC 변환부(133)는 공지의 기술을 적용하여 구성할 수 있는 회로이므로, 도면에 도시한 바와 같이 스위칭 회로(133a), 트랜스포머(133b) 및 정류 회로(134)로 구성되는 것으로 한 실시 예를 참조하여 간략하게 설명한다.

상기 스위칭 회로(133a)는 4개의 IGBT(IGBT1, IGBT2, IGBT3, IGBT4)를 연결한 H-브리지로 구성하였으며, 4개의 IGBT를 고속 스위칭 동작시킴으로써 상기 입력단 정류부(132)에서 출력되는 전력을 단속하여 교번적인 전력을 트랜스포머(133b)의 1차측 코일에 흐르게 한다.

상기 트랜스포머(133b)는 교번적인 전력을 1차측 코일과 2차측 코일 사이의 권선비에 따라 변압한 전력을 2차측 코일로 출력되게 한다.

그리고, 상기 정류 회로(134)는 상기 트랜스포머(133b)의 2차측 코일을 통해 출력된 전력을 AC/DC 변환하여 직류 전력으로 출력되게 하며, 이를 위해서, 4개의 다이오드(D7, D8, D9, D10)를 연결한 전파 정류형 다이오드 브리지로 정류한 후 평활 회로(L1, C2)로 리플을 억제한 직류 전력을 출력하게 한다.

그리고, 상기 스위칭 회로(133a)에 입력되는 전력(즉, 입력단 정류부를 통해 공급되는 전력)의 전압 또는 전류를 검출하고, 정류 회로(133c)에서 출력되는 전력의 전압 또는 전류를 검출하는 센서(133d, 133e)를 구비한다. 이 센서(133d, 133e)의 검출값은 하기의 컨트롤러(136)에 전달하여 스위칭 회로(133a)를 제어하는 데 이용된다.

상기 역전압 방지부(134)는 DC/DC 변환부(133)와 출력단(135) 사이에 설치되며, DC/DC 변환부(133)에 의한 직류 전력이 출력단(135)을 통해 출력되게 허용하면서, 출력단(135)의 역전압에 대해 컨버터(130)의 내부 회로를 보호하는 역전압 보호 기능을 수행한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 역전압 방지부(134)는 4개의 다이오드(D11, D12, D13, D14)를 연결한 전파 정류용 다이오드 브리지로 구성하였다.

예시적으로 2개 컨버터(130)의 출력측을 상호 연결하여 도시한 도 4를 참조하면, 후술하는 바와 같이 각각의 컨버터(130)에서 충전에 적합한 전력을 출력하도록 컨트롤러(136)로 제어하게 하더라도 컨버터(130) 사이에 출력 전력의 불평형이 발생할 수 있고, 결국, 어느 하나의 컨버터에 의해서 다른 하나의 컨버터에 역전압이 걸릴 수 있다. 그렇지만, 각 컨버터(130)에 상기 역전압 방지부(134)를 구비함으로썩 역전압으로부터 보호할 수 있게 된다. 물론, 역전류를 차단한다.

상기 컨트롤러(136)는 입력단 정류부(132)의 센서(132c) 검출값으로부터 외부 입력 전력을 검출하여 발전기(3)로부터 입력되는 전력을 모니링함으로써, 직류 입력 전력인지 교류 입력 전력인지 식별함은 물론이고, 충전하기에 적합한 전력이 입력되는지도 알 수 있고, 결상 여부도 확인할 수 있으며, 이러한 모니터링 결과를 EMS(150)에 전달한다. 물론, 발전기에 연결하여 발전기의 상태로부터 모니터링 결과를 얻어도 좋다.

그리고, 상기 컨트롤러(136)는 DC/DC 변환부(133)의 센서(133d, 133e) 검출값에 따라 스위칭 회로(133e)를 제어하여서, 배터리 시스템(110)에 충전하기에 적합한 적정 출력 전력을 입력 전력에 적응하며 얻게 한다.

이와 같이 DC/DC 변환부(133)를 제어하는 동작은 상기 EMS(150)의 지령에 따라 수행한다.

물론, 직류 전력의 출력을 멈추게 하라는 지령을 상기 EMS(150)으로부터 하달받으면, 스위칭 회로(133e)의 4개 IGBT를 모두 오프(FF)시켜 지령을 이행할 수도 있으나, 입력단(131)에 온오프 스위치를 별도 설치하여 지령을 이행할 수 있게 하여도 좋다.

그런데, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨버터(130)는 다양한 종류의 발전기(3)는 물론이고 후술하는 바와 같이 전력계통(1)에도 연결할 수도 있으므로, 처리할 수 있는 입력 전력의 전압 레벨 또는 전류 레벨에 대해 허용 범위를 넓게 한다. 이를 고려하여, 상기 컨버터(130)의 각 구성요소를 최대 입력 전력에 맞춰 설계 및 구성하는 것이 좋고, 상기 컨트롤러(150)에 설치하여 실행시킬 제어 프로그램은 폭넓은 레벨의 직류 전압/전류 및 교류 전압/전류로 입력받는 전력을 DC/DC 변환부(133)로 처리하게 하게 프로그램화하여야 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기에서 설명한 컨버터(130)를 복수 개 구비하므로, 상기 EMS(150)는 배터리 시스템(110), PCS(120) 및 복수 개의 컨버터(130)와 연결되어, 각각 제어할 시에, 각 컨버터(130)의 모니터링 결과를 전달받아, 개별 제어한다.

예를 들어, 상기 EMS(150)는 각 컨버터(130)에서 검출한 출력 전력을 상호 비교하여 불평형이 발생하지 않도록 각 컨버터(130)의 동작을 제어하고, 각 발전기(3)의 발전 전력을 검출하여 컨버터의 효율을 최대화할 수 있도록 최대 출력점을 추정하게 하여 운용 효율을 극대화하며, 각 컨버터(130)로부터 입력되는 전력의 차이 또는 합산값에 따라 동작시킬 컨버터(130)의 우선순위를 정하여 운용할 수도 있다. 또한, 전력계(140)로 검출하는 전력 수용가(2)의 전력 수요 및 배터리 시스템(110)에 충전되어 있는 전력량에 따라 비상 발전기(3c)의 가동 여부를 결정하는 제어 방식도 가능하다.

이외에, 복수 개의 컨버터(130)를 운용하여 제어하는 방식은 종래 기술의 다양한 제어 방식을 추가 적용하여도 좋다.

상기와 같이 구성한 본 발명의 실시 예에 따르면, 외부 입력 전력을 컨버터(130)에 의해 충전되게 하고, 전력을 외부 공급하기 위한 PCS(120)는 방전 전용으로 운용되므로, 충전과 동시에 방전시킬 수 있다.

이에 따라, 전력 수용가(2)의 전력 수요가 적은 경부하인 경우, 방전시켜 전력 수용가(2)에 전력을 공급하는 중에도 발전기(3)의 여유 전력만큼 충전량이 늘어나게 되고, 생산 전력이 불규칙한 태양광 발전기(3a), 풍력 발전기(3b) 또는 신재생 에너지 발전기로부터 전력을 공급받더라도 생산한 전력을 충전하여 충전량을 항시 충분히 확보할 수 있으며, 전력 수용가(2)가 전력 수요가 많은 과부하인 경우에, 발전기의 생산 전력이 낮더라도 충분히 확보하여 둔 충전량을 방전시켜 안정적으로 전력 공급할 수 있다.

즉, 충전과 동시에 방전할 수 있게 함으로써, 배터리 시스템(110)의 충전량을 항시 충분히 확보하며, 안정적으로 전력 공급할 수 있고, 발전기의 전력 생산 능력이 상대적으로 낮더라도 보다 안정적인 전력 공급이 가능하므로, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 전력계통(1)으로부터 전력을 공급받을 수 없는 도서 지역 등에 설치하여 운영하기에 더욱 적합하다.

또한, 통상적으로 교류 전력을 생산하는 비상 발전기(3c)도 구조 변경 없이 복수개의 컨버터(130) 중에 어느 하나의 컨버터(130)에 연결하여 비상 전력을 공급받을 수 있으므로, 더욱 효율적으로 운영할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 도 2에 도시한 바와 같이 복수 개의 컨버터(130)를 동일하게 구성하지만, 연결한 발전기(3)의 생산 전력이 교류이냐 아니면 직류이냐에 따라 각각 DC/DC 컨버터 기능을 하거나 아니면 AC/DC 컨버터 기능을 하게 되므로, 설치 지역에서 운용할 수 있는 최적의 발전기가 어떤 종류이든 구조 변경 없이 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(ESS:Energy Storage System, 100)를 전력계통 연계형(ON-Grid)으로 설치 운용한 상태를 도시한 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(100)는 PCS(120)를 전력계통(1)에 연결하고, 복수 개의 컨버터(130) 중에 어느 하나를 전력계통(1)에 연결하여서, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 및 비상 전원 등의 기능을 수행하면서, 전력 판매도 가능한 전력계통 연계형 에너지 저장 장치로 운용될 수 있다.

즉, 전력계통(1)에 연결한 컨버터(130)를 통해 전력계통(1)의 여유 전력을 충전할 시에, 발전기(3)로부터 전력 공급받는 나머지 컨버터(130)와 동일하게 전력 공급받아서, 각 컨버터(130)를 통해 입력되는 전력의 합산 전력량에 기여하게 하는 방식으로 배터리 시스템(110)에 충전되게 한다.

그리고, EMS(150)는 전력계통(1)에 연결한 컨버터(130) 및 PCS(120) 중에 컨버터(130)만 가동시켜 전력계통(1)의 전력을 배터리 시스템(110)에 충전하는 충전 동작과 PCS(120)만 가동시켜 배터리 시스템(110)의 전력을 전력계통(1)에 공급하는 방전 동작을 수행하게 할 수 있다.

이에, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치(100)는 전력계통 비연계형에서 구조 변경 없이 그대로 전력계통 연계형으로 전환하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전기(3)의 생산 전력을 배터리 시스템(110)에 충전하는 동안에도 배터리 시스템(110)의 전력을 전력계통(1)에 공급할 수 있으므로, 피크 전력의 관리를 위한 전력을 충분히 공급할 수 있고, 배터리 시스템(110)의 과방전도 방지하며, 전력계통(1)의 전력을 충전하는 동안에도 발전기(3)의 전력을 충전할 수 있어서, 전력 생산이 간헐적인 발전기(3)를 연결하더라도 발전기(3)의 생산 전력을 전량 충전하여 이용할 수 있다.

도 6은 절환스위치(160)를 구비한 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 6에 도시한 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수 개의 컨버터(130) 중에 어느 하나는 내부적으로 PCS(120)의 출력 측에 선택적으로 연결하는 절환 스위치(160)를 구비한다.

즉, 상기 절환 스위치(160)는 외부 발전기 및 전력계통(1) 중에 어느 하나를 컨버터(130)에 선택적으로 연결할 수 있게 한다.

이에, 상기 절환 스위치(160)를 연결한 컨버터(130)는 외부 발전기를 연결하여 사용할 수도 있고, 전력계통(1)에 연결하여 사용할 수 있으므로, 도 5에 도시한 실시 예에 비해 사용하기 편리하다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 복수 개로 구비되는 컨버터(130)가 모두 입력단 정류부(132)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 입력단 정류부(132)를 구비하지 아니하여 직류 전력만 입력받게 하는 AC/DC 컨버터 또는 교류 전력만을 입력받게 하는 DC/DC 컨버터를 구비할 수도 있다. 즉, 복수 개의 컨버터(130) 중에 적어도 1개 이상을 입력단 정류부(132)를 구비한 컨버터(130)로 구성하며, 바람직하게는 모든 컨버터를 입력단 정류부(132)를 구비한 것으로 구성하여서, 연결할 발전기(3)의 생산 전력에 무관하게 연결 사용하게 하는 것이 좋다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 전력계통(Grid)
2 : 전력 수용가
3 : 발전기
3a : 태양광 발전기 3b : 풍력 발전기
3c : 비상 발전기
10 : 종래 에너지 저장 장치(ESS:Energy Storage System)
11 : 배터리 시스템 11a : BMS(Battery Management System)
12 : PCS(Power Conversion System)
13 : 컨버터
14 : 전력계
15 : EMS(Energy Management System)
100 : 에너지 저장 장치(ESS:Energy Storage System)
110 : 배터리 시스템 111 : BMS(Battery Management System)
120 : PCS(Power Conversion System)
130 : 컨버터
131 : 입력단 132 : 입력단 정류부 133 : DC/DC 변환부
133a : 스위칭 회로 133b : 트랜스포머 133c : 정류 회로
134 : 역전압 방지부 135 : 출력단 136 : 컨트롤러
140 : 전력계
150 : EMS(Energy Management System)
160 : 절환스위치

Claims (8)

1. 충전 회로부와 방전 회로부가 분리되어 있는 배터리 시스템(110);
   각각 1대씩 연결한 발전기(3)의 출력 전력을 입력받도록 병렬연결되고, 각각 발전기(3)의 전력을 충전 레벨의 직류 전력으로 변환한 후 전파정류용 다이오드 브리지로 구성된 역전압 방지부(134)를 통해 출력하여, 합산전력을 배터리 시스템(110)에 충전하는 복수의 컨버터(130);
   배터리 시스템(110)의 직류 전력을 방전시키기 위해 교류 전력으로 변환하여 전력계통(1)에 공급하는 PCS(120); 및
   컨버터(130)에 의한 충전 동작과 PCS(120)에 의한 방전 동작을 충전 전력에 따라 제어하는 EMS(150);
   를 포함하여, 충전 동작과 방전 동작을 동시에 수행할 수 있으며,
   상기 복수의 컨버터(130)는 각각
   직류 전력은 그대로 통과시키면서 교류 전력은 정류시키는 3상 다이오드 브리지 및 3상 다이오드 브리지의 출력측에 병렬 연결한 콘덴서로 구성된 입력단 정류부(132)로 입력 전력을 처리한 후 DC/DC 변환하게 구성되어, 입력 전력이 직류이든 단상 또는 삼상 교류이든 입력 전력에 적응하여 배터리 시스템(110)에 충전하기에 적합한 충전 레벨의 직류 전력으로 충전하게 하되,
   상기 복수의 컨버터(130) 중에 어느 하나는
   상기 PCS(120)의 출력 측에 선택적으로 연결하는 절환 스위치(160)에 의해서 발전기(3) 및 전력계통(1) 중에 어느 하나를 연결할 수 있게 하며,
   상기 EMS(150)는
   상기 절환 스위치(160)에 의해 전력계통(1)을 컨버터(130)에 연결한 상태에서, 전력계통(1)에 연결한 컨버터(130) 및 PCS(120) 중에 컨버터(130)만 가동시켜 전력계통(1)의 전력을 배터리 시스템(110)에 충전하는 충전 동작과 PCS(120)만 가동시켜 배터리 시스템(110)의 전력을 전력계통(1)에 공급하는 방전 동작을 수행하게 제어하는
   에너지 저장 장치.
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