KR101957721B1 - 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템 및 그 운용방법 - Google Patents

소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템 및 그 운용방법 Download PDF

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유경상
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장문석
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Abstract

본 발명에서는 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다. 본 발명은 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에서, 분산전원과, 제1 컨버터와, 직류 버스와, 제2 컨버터와, ESS 배터리와, 제3 컨버터와, 휴대용 배터리 충전기와, 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터와, 제1 전기자동차 충전기와, 교류 전력계통과 연결되는 교류 버스와, 제1 스위치와, 제2 전기자동차 충전기와, 직류 버스의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 전기자동차 충전기로 공급할 수 있는 제2 인버터와, 제1 컨버터, 제2 컨버터, 제3 컨버터, 제1 인버터, 제2 인버터 및 제1 스위치를 제어하는 전력관리 시스템을 포함한다. 본 발명에 의하면 모듈러 타입의 에너지 저장장치를 사용하여 전기차 등 전력공급이 필요한 곳에 최적화된 전력을 공급할 수 있다.

Description

소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템 및 그 운용방법{DISTRIBUTED POWER BASED HYBRID ELECTRIC CHARGING SYSTEM COMBINED WITH SMALL CAPACITY ELECTRIC ENERGY STORAGE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 발전장치를 주요 발전원으로 사용하고, 전기에너지 저장장치를 발전 보조장치로 활용하는 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 모듈러 타입의 에너지 저장장치를 사용하여 전기차 등 전력공급이 필요한 곳에 최적화된 전력을 공급할 수 있다.
화석연료의 고갈, 그리고 배기가스로 인한 지구온난화 및 미세먼지 등 환경오염 문제가 점점 심각해지고 있다. 이에 대한 해결책으로 태양광 등 신재생 에너지 확충 및 전기자동차(Electric Vehicle; EV)의 보급이 추진되고 있다.
전기자동차는 화석연료를 연소시키는 것이 아니므로 배기가스가 발생하지 않아 미세먼지 등 환경오염 문제를 일으키지 않는다. 따라서 종래 내연기관 자동차의 대안으로 정부주도로 보급이 적극적으로 진행중에 있으며, 향후 지속적인 성장이 예상되고 있다. 다만, 아직 충전소 부족, 긴 충전시간, 짧은 주행 거리(배터리 용량) 등의 문제로 보급이 충분히 이루어지지 않고 있다.
한편, 최근 국내에서는 지진등과 같은 자연재해 등이 빈번하게 발생됨에 따라 전력의 공급이 중단되는 상황이 우려되고 있다. 뿐만 아니라, 최근 심각해지는 미세먼지를 저감하기 위해 석탄화력발전 중단등의 전력수급 정책 변화에 따라 전력피크시간에 전력부족 우려도 발생하고 있다.
따라서 에너지고갈과 환경오염으로 인한 피해를 막기 위하여 태양광과 풍력과 같은 신재생에너지, 마이크로터빈, 열 병합 등 분산전원을 이용한 마이크로그리드의 도입이 확산되고 있는 실정이다.
에너지 고갈과 미세먼지 등 환경오염으로 인한 피해를 막기 위하여 환경친화적인 교통수단인 전기차 보급과 함께, 전기차 충전소에 대해서도 에너지 자급 또는 절감이 가능한 친환경적인 충전소의 보급이 필요하다. 친환경적인 충전소는 주요 발전원으로 신재생 에너지를 사용하고 발전 보조장치로 전기에너지 저장장치(energy storage system; ESS)를 이용한 마이크로그리드 시스템을 채용하여 에너지 자립을 도모한다.
특히, 개발도상국 등 전력 공급이 부족한 국가에서는 이러한 소규모의 신재생 에너지 확대보급을 통한 전기차 확산을 위해 설치와 관리가 용이한 신재생 에너지기반 하이브리드 전기충전 시스템의 보급이 중요하다.
등록특허공보 제10-1539572호 “외부 전력 계통 연계형 태양광, ESS 및 전기차 충전 융복합 증강현실 시스템”에서는 외부 전력계통과 연계되고 ESS를 구비하는 태양광 발전 시스템에서 통합 전기차 관리제어장치를 통하여 실시간으로 모니터링이 가능한 태양광을 이용한 전기차 충전 시스템을 개시하고 있다.
등록특허공보 제10-1637038호 “확장형 태양광 모듈 고정체”에서는 태양광 모듈을 설치 가능한 고정체에 접이식과 슬라이드식으로 다수 개의 태양광 모듈을 확장할 수 있게 하는 확장형 태양광 모듈 고정체에 대하여 개시하고 있다.
등록특허공보 제10-1770564호 “컨테이너에 설치 가능한 렌탈형 ESS 태양광 시스템”에서는 컨테이너에 탈부착 가능하며, 태양광 패널을 용이하게 설치할 수 있는 렌탈형 ESS 태양광 시스템에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 컨테이너에 분산전원을 포함하고 마이크로 그리드 시스템을 채용하여, 전기자동차 충전을 독립적으로 할 수 있는 올인원(All-in-One) 시스템의 개발이 필요한 상태이다.
등록특허공보 제10-1539572호 “외부 전력 계통 연계형 태양광, ESS 및 전기차 충전 융복합 증강현실 시스템” 등록특허공보 제10-1637038호 “확장형 태양광 모듈 고정체” 등록특허공보 제10-1770564호 “컨테이너에 설치 가능한 렌탈형 ESS 태양광 시스템”
본 발명의 목적은, 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 태양광 에너지 등 신재생 에너지를 주요 발전원으로 하고, 전기에너지 저장장치를 발전 보조장치로 하는 친환경 전기 충전시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 컨테이너를 활용한 모듈화 시스템을 적용하여 이동 및 확장이 용이한 친환경 전기 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에 있어서, 전기에너지를 생산하는 분산전원과, 상기 분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환하여 출력하는 제1 컨버터와, 상기 제1 컨버터의 출력부에 연결되어 버스 전압을 가지는 직류가 흐르는 전송선로인 직류 버스와, 상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 제2 컨버터와, 상기 제2 컨버터의 출력부에 연결되어 ESS 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 충전할 수 있는 ESS 배터리와, 상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력하는 제3 컨버터와, 상기 제3 컨버터의 출력부에 연결되어 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 휴대용 배터리를 충전할 수 있는 휴대용 배터리 충전기와, 상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터와, 상기 제1 인버터의 출력부에 연결되어 교류 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 전기자동차를 충전하는 제1 전기자동차 충전기와, 교류 전력계통과 연결되는 교류 버스와, 상기 교류 버스의 전력을 차단할 수 있는 제1 스위치와, 상기 제1 스위치를 통해서 교류 버스와 연결되는 제2 전기자동차 충전기와, 상기 직류 버스의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 제2 전기자동차 충전기로 공급할 수 있는 제2 인버터와, 상기 제1 컨버터, 제2 컨버터, 제3 컨버터, 제1 인버터, 제2 인버터 및 제1 스위치를 제어하는 전력관리 시스템을 포함하는 것을 일 측면으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 컨버터는 상기 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지되지 않는 경우에는, 상기 ESS 배터리를 방전시켜서 ESS 배터리의 전력을 상기 직류 버스로 전달할 수 있도록 양방향 출력이 가능하다.
바람직하게는, 상기 제2 인버터는 상기 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지 되지 않는 경우에는, 상기 교류 버스의 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 상기 직류 버스로 전달할 수 있도록 양방향 출력이 가능하다.
바람직하게는, 상기 분산전원, 제1 컨버터, 제2 컨버터, ESS 배터리, 제1 인버터, 제2 인버터, 제1 전기자동차 충전기 및 제2 전기자동차 충전기를 내부에 설치할 수 있는 컨테이너를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 직류 버스는, 제2 컨버터가 결합할 수 있는 복수개의 소켓을 포함하여, 상기 제2 컨버터와 ESS 배터리를 모듈형으로 상기 직류 버스에 탈착 또는 부착할 수 있다.
바람직하게는, 상기 ESS 배터리로부터 방전되어 교류 버스로 전달되는 전류(Ita)를 수학식 2를 이용하여 제어한다.
[수학식 2]
Figure 112018073214932-pat00001
(여기에서, 전류(Ita)가 +인 경우 ESS 배터리로부터 방전하고, 전류(Ita)가 -인 경우 ESS 배터리에 충전하며, Pevl(t)는 전기충전 인프라 측의 부하량이고, Prenew(t)는 분산전원의 발전량이고, Vcus(t)는 교류 버스의 전압이고, Vunder는 교류 버스의 허용 하한전압이고, Vupper는 교류 버스의 허용 상한전압이다.)
바람직하게는, 상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우에 사용하기 위한 비상발전기와, 상기 비상발전기를 상기 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터와 연결할 수 있는 제2 스위치를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우에 사용하기 위한 비상발전기와, 상기 제2 전기자동차 충전기와 연결된 교류 버스를 차단하는 동시에 상기 비상발전기에서 출력된 교류 전력을 연결할 수 있는 동기 절체 스위치(STS)를 더 포함한다.
바람직하게는, 비상시에 외부로 전력을 공급하기 위하여, 상기 제1 전기자동차 충전기 또는 제2 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되는 긴급 전원 공급장치를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 전력계통과 제1 스위치 사이에 지능형 전력계량 인프라(AMI)를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 전력계통과 제1 스위치 사이에 무효전력 보상장치를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 무효전력 보상장치는 보상하는 무효전력(Qt)을 수학식 4를 이용하여 제어한다.
[수학식 4]
Figure 112018073214932-pat00002
(여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
또한, 본 발명은 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법에 있어서, 분산전원에서 전기에너지를 생산하는 단계와, 분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환하는 단계와, 상기 버스 전압을 가지는 직류를 전송선로인 직류 버스로 출력하는 단계와, 상기 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환하여 출력하는 단계와, 상기 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 ESS 배터리에 충전하는 단계와, 상기 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력하는 단계와, 상기 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 휴대용 배터리 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와, 상기 직류 버스의 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 단계와, 상기 변환되어 출력된 교류 전압으로 제1 전기자동차 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와, 교류 전력계통으로부터 전달되는 전력을 제1 스위치를 통해 교류 버스로 전달하는 단계와, 상기 교류 버스의 전력을 이용하여 제2 전기자동차 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와, 상기 교류 버스의 전력을 직류 버스 전압으로 변환하여 상기 직류 버스로 공급하는 단계를 포함하는 것을 다른 측면으로 한다.
바람직하게는, 총 발전량(Prenew)을 계산하는 단계와, 총 부하량(Pevl)을 계산하는 단계와, 총 발전량이 큰 경우 ESS 배터리에 충전하는 전류를 계산하는 단계와, 총 발전량이 적은 경우 ESS 배터리에서 방전하는 전류를 계산하는 단계와, 계산된 전류에 의해 ESS 배터리를 충전 또는 방전하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 ESS 배터리로부터 방전되어 교류 버스로 전달되는 전류(Ita)를 수학식 2를 이용하여 제어한다.
[수학식 2]
Figure 112018073214932-pat00003
(여기에서, 전류(Ita)가 +인 경우 ESS 배터리로부터 방전하고, 전류(Ita)가 -인 경우 ESS 배터리에 충전하며, Pevl(t)는 전기충전 인프라 측의 부하량이고, Prenew(t)는 분산전원의 발전량이고, Vcus(t)는 교류 버스의 전압이고, Vunder는 교류 버스의 허용 하한전압이고, Vupper는 교류 버스의 허용 상한전압이다.)
바람직하게는, 상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 경우, 비상발전기를 가동시키는 단계와, 제2 스위치를 연결하여 비상발전기를 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터와 연결하는 단계와, 비상발전기에서 생성된 전력을 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터로 전력을 공급하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 경우, 비상발전기를 가동시키는 단계와, 동기 절체 스위치(STS)를 동작시켜, 제2 전기자동차 충전기와 연결된 교류 버스를 차단하는 동시에 상기 비상발전기에서 출력되는 교류 전력을 연결하는 단계와, 비상발전기에서 생성된 전력을 제2 전기자동차 충전기로 전력을 공급하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 비상시에 제1 전기자동차 충전기 또는 제2 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되는 긴급 전원 공급장치를 통해서 외부로 전력을 공급하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 전력계통에 전원 공급할 때, 전기충전 인프라측의 무효전력(Qevl)과 분산전원의 유효전력에 의하여 변화된 무효전력(Qrenew)을 계산하여 전체 무효전력(Qt)과 역률을 구하는 단계와, 전체 역률이 지상(lagging)인 경우 역률을 보상하기 위해 용량성(capacitive) 리액턴스를 계산하는 단계와, 전체 역률이 진상(leading)인 경우 역률을 보상하기 위해 유도성(inductive) 리액턴스를 계산하는 단계와, 계산된 리액턴스에 맞는 무효전력 보상장치를 투입하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전체 무효전력(Qt)을 수학식 4를 이용하여 계산한다.
[수학식 4]
Figure 112018073214932-pat00004
(여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
본 발명에 따른 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템은, 태양광 발전 등 분산전원을 포함하여 외부로부터 전력공급을 받을 수 없는 경우에도 전기자동차의 충전이 가능하다.
본 발명에 따른 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템은, 태양광 에너지 등 신재생 에너지를 주요 발전원으로 하고, 전기에너지 저장장치를 발전 보조장치로 하므로 에너지 자급이 가능한 친환경 전기 충전시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템은, 컨테이너를 활용한 일체형 패키지를 활용하여 최소한의 공간을 차지하므로, 전력 수요에 따라 전력이 필요한 장소에 손쉽게 이동이 가능하다.
본 발명에 따른 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템은, 모듈화 시스템을 적용하여 전력 수요에 따른 확장이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 제어관계를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 분산전원에서 공급하는 전력의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 교류 전력계통에서 공급하는 전력의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에서 ESS 배터리의 충전과 방전 운용방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에서 무효전력 보상장치의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 컨테이너에 구현한 모습을 나타내는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 회로도 및 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 휴대용 배터리 충전기를 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기차 충전 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
본 실시예는 분산전원(151), 제1 컨버터(153), 소켓(155, 157, 159), 직류 버스(181), 제2 컨버터(161, 165), ESS 배터리(163, 167), 제3 컨버터(171, 175), 휴대용 배터리 충전기(173), 모바일 기기 충전기(177), 제1 인버터(183), 제1 전기자동차 충전기(195), 제2 인버터(141), 교류 전력계통(121), 무효전력 보상장치(125), 교류 버스(127), 제1 스위치(131), 제2 전기자동차 충전기(191)를 포함한다. 제1 인버터(183), 제2 인버터(141), 제1 스위치(131) 등은 하이브리드 전력변환장치(power conversion system; PCS)(130) 내에 설치될 수 있다.
분산전원(151)은 전기에너지를 생산한다. 특히 신재생 에너지원을 활용하는 태양광 발전 전원, 풍력 발전 전원, 조력 발전 전원 등을 사용할 수 있다. 태양광 발전 전원인 경우 직류 전력을 발생하고, 풍력 발전 전원인 경우 교류 전력을 발생한다.
제1 컨버터(153)는 분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환하여 출력한다. 직류 버스(181)는 제1 컨버터의 출력부에 연결되어 버스 전압을 가지는 직류가 흐르는 전송선로로 구성된다. 직류 버스에는 제2 컨버터, 제3 컨버터, 제1 인버터, 제2 인버터 등이 추가로 연결될 수 있다.
제2 컨버터(161, 165)는 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환하여 출력한다. 제2 컨버터의 출력부는 ESS 배터리(16, 1673)가 연결되어 있고, ESS 배터리는 제2 컨버터에서 출력된 ESS 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 충전할 수 있다.
제2 컨버터(161)는 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지되지 않는 경우에는, ESS 배터리(163)를 방전시켜서 ESS 배터리의 전력을 직류 버스로 전달할 수 있다. 즉 제2 컨버터(161, 165)는 양방향으로 출력이 가능하다. 따라서 분산전원이 설치된 위치에 따라 또는 발전 가능한 시간에 따라 발생하는 발전량의 편차를 ESS 배터리를 이용하여 대응할 수 있다.
직류 버스에는 제2 컨버터가 결합할 수 있는 복수개의 소켓(155, 157)을 포함한다. 제2 컨버터(161, 165)와 ESS 배터리(163, 167)를 모듈형으로 구성한 경우, 간단히 제2 컨버터와 ESS 배터리를 직류 버스에 탈착 또는 부착할 수 있다. 즉, 직류 버스의 소켓에 제2 컨버터를 접속하는 간단한 과정에 의해서 용량 증설이 가능하다. 예를 들어, 모듈형으로 구성된 제2 컨버터(161)와 ESS 배터리(163)가 직류 버스에 연결된 상태에서, 직류 버스에 모듈형으로 구성된 제2 컨버터(165)와 ESS 배터리(167)를 소켓(157)에 접속시켜 손쉽게 증설이 가능하다. 따라서 전기에너지 저장장치로 대용량 배터리를 사용할 필요 없이, 소용량 전기에너지 저장장치인 모듈형 ESS 배터리를 이용하다가, 용량 증설이 필요한 경우에만 ESS 배터리 모듈을 추가하여 사용할 수 있으므로 경제적이다.
제3 컨버터(171, 175)는 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압 또는 모바일 기기 충전 전압으로 변환하여 출력한다. 제3 컨버터의 출력부에는 휴대용 배터리 충전기(173) 또는 모바일 기기 충전기(177)가 연결되어 있고, 각각 휴대용 배터리 충전 전압으로 휴대용 배터리를 충전하거나 모바일 기기 충전 전압으로 모바일 기기를 충전할 수 있다. 모바일 기기와 휴대용 배터리의 충전 전압이 동일한 경우, 제3 컨버터 1개에 복수의 충전기를 연결하여 충전하는 것도 가능하다.
제1 인버터(183)는 직류 버스에 연결되어 직류 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 제1 인버터의 출력부에 연결되어 있는 제1 전기자동차 충전기(195)는 제1 인버터에서 변환된 교류 전기에너지를 이용하여 전기자동차를 충전할 수 있다.
한편, 교류 전력계통(121)에서 공급되는 교류 전력은 교류 전력계통과 연결되어 있는 교류 버스(127)를 통해 하이브리드 PCS(130)로 전달된다. 교류 버스에는 교류 전력계통과 스위치 사이에 무효전력 보상장치(125)를 설치할 수 있다.
교류 버스는 제1 스위치(131)에 연결된다. 제1 스위치는 제2 전기자동차 충전기(191)와 연결된다. 즉, 제1 스위치(131)가 닫혀 있는 경우, 교류 전력계통으로부터 교류 버스로 전달된 교류 전력은 제1 스위치를 통해서 제2 전기자동차 충전기로 전달되어 전기자동차를 충전할 수 있다.
제1 스위치(131)가 열려 있는 경우, 교류 버스의 교류 전력이 차단되므로, 교류 전력 계통으로부터의 전력 공급이 중단된다. 이 때, 제2 인버터(141)는 직류 버스(181)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제2 전기자동차 충전기(191)로 공급할 수 있다.
제1 전기자동차 충전기와 제2 전기자동차 충전기는 충전 용량을 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1 전기자동차 충전기는 5 내지 20 kW의 용량으로 설정하여 완속 충전에 사용하고, 제2 전기자동차 충전기는 30 내지 60 kW의 용량으로 설정하여 급속 충전에 사용할 수 있다.
한편, 제2 인버터(141)는 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지 되지 않는 경우에는, 교류 버스의 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 상기 직류 버스로 전달할 수 있다. 즉 제2 인버터(141)는 양방향으로 출력이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 제어관계를 나타내는 구성도이다.
본 실시예는 전력관리 시스템(247)과 제어장치(245) 및 입출력장치(243)를 더 포함한다. 제어장치(245) 및 입출력장치(243)는 하이브리드 PCS(130) 내에 설치될 수 있다.
전력관리 시스템(247)은 제1 컨버터(153), 제2 컨버터(161, 165), 제3 컨버터(171, 175), 제1 인버터(183), 제2 인버터(141), 제1 스위치(131) 및 제어장치(245)를 제어할 수 있다. 하이브리드 PCS 내에 제어장치(245)가 설치된 경우, 전력관리 시스템(247)은 제어장치를 제어하고, 제어장치(245)가 제1 인버터, 제2 인버터, 제1 스위치 및 입출력장치(243)를 제어할 수 있다.
ESS 배터리(163)의 충전 또는 방전 여부는 전기 자동차 충전기 등의 전기 충전 인프라측의 부하량(Pevl)과 신재생에너지 등 분산전원의 발전량(Prenew)을 비교하여 부하량이 발전량보다 크게 되면 방전 깊이(depth of discharge; DOD)까지 방전하고, 부하량이 발전량보다 작게 되면 충전을 수행한다. 부하량이 발전량과 같게 되는 경우에는 충전 또는 방전 동작을 중지한다. ESS 배터리의 방전 결정신호(σ)는 수학식 1로 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018073214932-pat00005
(여기에서, 방전 결정신호(σ)가 +인 경우 ESS 배터리로부터 방전하고, 방전 결정신호(σ)가 -인 경우 ESS 배터리에 충전한다.)
전력관리 시스템(247)은 전기 자동차 충전기 등의 전기 충전 인프라측의 부하량(Pevl)과 신재생에너지 등 분산전원의 발전량(Prenew) 사이에 차이가 있어도, 수용가 인입구 측의 전압에 해당하는 교류 버스(127)의 전압이 허용 하한전압(Vunder)과 허용 상한전압(Vupper) 사이에 있는 경우, ESS 배터리의 충전 또는 방전 동작을 중지할 수 있다. 총 부하량이 총 발전량 보다 큰 경우, 교류 버스 전압이 허용 하한전압(Vunder)보다 낮아질 수 있으며 이 경우 ESS 배터리(161)를 방전하여 교류 버스로 전기에너지를 공급할 수 있다. 총 부하량이 총 발전량 보다 작은 경우, 교류 버스 전압이 허용 상한전압(Vupper)보다 높아질 수 있으며 이 경우 ESS 배터리(163)로 충전할 수 있다.
ESS 배터리로부터 방전되어 교류 버스로 전달되는 전류(Ita)를 인입구 측의 전압인 교류 버스의 전압(Vcus)을 사용하여 수학식 2로 구할 수 있다. 전력관리 시스템(247)은 방전되는 전류(Ita) 값을 이용하여 ESS 배터리의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018073214932-pat00006
(여기에서, 전류(Ita)가 +인 경우 ESS 배터리로부터 방전하고, 전류(Ita)가 -인 경우 ESS 배터리에 충전하며, Pevl(t)는 전기충전 인프라 측의 부하량이고, Prenew(t)는 분산전원의 발전량이고, Vcus(t)는 교류 버스의 전압이고, Vunder는 교류 버스의 허용 하한전압이고, Vupper는 교류 버스의 허용 상한전압이다.)
전력관리 시스템(247)은 무효전력 보상장치(125)를 제어할 수 있다. 무효전력 보상장치(125)로는 정지형 무효전력 보상장치(static var compensator; SVR)를 사용할 수 있다.
재생에너지 자원(renewable energy source; RES)을 이용한 분산전원은 유효전력만 발생시키지만, 이 유효전력이 교류 전력계통 측으로 전달되는 경우 기존의 무효분과 유효분의 방향성이 바뀌게 되어 역률이 달라질 수 있다. 즉, 전기자동차 충전기 등의 전기충전 인프라와 분산전원에 의하여 선로측의 역률이 변화하므로 전압강하 및 상승이 빈번하게 이루어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 무효전력 보상장치를 설치하여, 선로측 리액턴스 성분에 의한 전압변동을 조정할 수 있다. 따라서, 교류 전력계통에 비해 저압측인 수용가 또는 전기충전 인프라 인입점에 해당하는 교류 버스(127)에 무효전력 보상장치를 도입하여 순시적으로 변화하는 역률 크기에 따라 기준치 역률로 운용하도록 제어하는 것이 바람직하다.
전기충전 인프라 인입점에서 역률(power factor; PF)이 진상(leading)이면 유도성 부하인 인덕터(L)를 연계시키고, 역률(PF)이 지상(lagging)이면 용량성 부하인 커패시터(C)를 연계시킨다. 즉, 무효전력 보상장치의 동작결정 신호(λ)는 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112018073214932-pat00007
무효전력 보상장치(325)는 보상하는 무효전력(Qt)을 수학식 4를 이용하여 제어할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018073214932-pat00008
(여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
본 실시예는 분산전원(351), 제1 컨버터(353), 소켓(355, 357, 359), 직류 버스(381), 제2 컨버터(361, 365), ESS 배터리(363, 367), 제3 컨버터(371, 375), 휴대용 배터리 충전기(373), 모바일 기기 충전기(377), 제1 인버터(383), 제1 전기자동차 충전기(395), 제1 긴급 전원 공급장치(397), 제2 인버터(341), 교류 전력계통(321), 제1 지능형 전력계량 인프라(323), 무효전력 보상장치(325), 교류 버스(327), 제1 스위치(331), 제3 전기자동차 충전기(391), 제2 긴급 전원 공급장치(393), 비상발전기(311), 제2 지능형 전력계량 인프라(313), 제2 스위치(335)를 포함한다. 제1 인버터(383), 제2 인버터(341), 제1 스위치(331), 제2 스위치(335) 등은 하이브리드 PCS(330) 내에 설치될 수 있다. 도 1과 동일한 명칭을 가진 장치는 도 1과 동일하거나 유사한 장치이므로 설명을 생략한다.
비상발전기(311)는 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우에 사용하기 위하여 설치된다. 비상발전기는 제2 전기자동차 충전기와 연결할 수 있도록 설치된다. 비상발전기와 제2 전기자동차 사이에는 제2 스위치(335)를 설치한다. 제2 스위치가 닫히는 경우, 비상발전기의 전력은 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터에 전달될 수 있다.
비상발전기의 동작 방법은, 우선 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 것을 확인하고, 비상발전기(311)를 가동시킨다. 그리고 제2 스위치를 연결하여 비상발전기를 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터와 연결한다. 제2 스위치가 연결된 경우, 비상발전기에서 생성된 전력은 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터로 공급된다. 이 때, 제1 스위치(331)는 개방하는 것이 비상발전기로부터의 일정한 전력 공급을 위해 바람직하다.
제1 긴급 전원 공급장치(397)는 비상시에 외부로 전력을 공급하기 위하여, 제1 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되어 설치된다. 비상시에는 제1 긴급 전원 공급장치를 통해서 외부로 전력을 공급할 수 있다.
제2 긴급 전원 공급장치(393)는 비상시에 외부로 전력을 공급하기 위하여, 제2 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되어 설치된다. 비상시에는 제2 긴급 전원 공급장치를 통해서 외부로 전력을 공급할 수 있다.
교류 전력계통(321)과 제1 스위치(331) 사이에 지능형 전력계량 인프라(advanced metering infrastructure; AMI)(323)를 더 포함하여 교류 전력계통으로부터 입력되는 전력과, 교류 전력계통으로 출력되는 전력을 확인할 수 있다. 비상발전기(311)와 제2 스위치(335) 사이에 지능형 전력계량 인프라(advanced metering infrastructure; AMI)(323)를 더 포함하여 비상발전기에서 공급되는 전력을 확인 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 구성도이다.
본 실시예는 하이브리드 PCS(430) 내의 제2 스위치 대신에 동기 절체 스위치(static transfer switch; STS)(433)을 포함한다. 동기 절체 스위치가 작동하면, 제2 전기자동차 충전기(391)와 연결된 교류 버스(327)를 차단하는 동시에 비상발전기(311)에서 출력된 교류 전력을 연결할 수 있다.
분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 경우, 비상발전기(311)를 가동시킨다. 비상발전기가 가동하여 전력을 생산하면, 동기 절체 스위치(STS)를 동작시켜, 제2 전기자동차 충전기와 연결된 교류 버스를 차단하는 동시에 상기 비상발전기에서 출력되는 교류 전력을 연결한다. 비상발전기와 연결된 경우, 비상발전기에서 생성된 전력을 이용하여 제2 전기자동차 충전기로 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예에는 소켓(359)에 연결된 제3 컨버터(471)에 휴대용 배터리 충전기(473)와 모바일 기기 충전기(477)가 함께 연결될 수 있음을 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 분산전원에서 공급하는 전력의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 분산전원(151)에서 전기에너지가 생산된다(S510). 그리고 분산전원에 연결된 제1 컨버터(153)는 분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환한다. 제1 컨버터에 의해 변환된 버스 전압을 가지는 직류는 제1 컨버터의 출력에 연결된 전송선로인 직류 버스(181)로 전달된다(S515).
직류 버스에 연결된 제2 컨버터(161)는 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환하여 출력한다. ESS 배터리 충전 전압으로 변환된 직류 버스의 전기에너지를 이용하여 제2 컨버터의 출력부에 연결된 ESS 배터리(163)를 충전한다(S520). ESS 배터리가 충전된 상태에서 부하 전력이 분산전원의 발전량보다 많은 경우, ESS 배터리는 방전하여 직류 버스에 전기에너지를 공급할 수 있다.
직류 버스에 연결된 제3 컨버터(171)는 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력한다. 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환된 직류 버스의 전기에너지를 이용하여 제3 컨버터의 출력부에 연결된 휴대용 배터리 충전기(173)에 충전 전압을 공급한다(S530). 제3 컨버터는 모바일 기기 충전기(177)에도 충전 전압을 공급할 수 있다.
직류 버스에 연결된 제1 인버터(183)는 직류 버스의 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력한다(S540). 출력된 교류 전압으로 제1 인버터의 출력부에 연결된 제1 전기자동차 충전기(195)에 충전 전압을 공급한다(S550). 비상시에는 제1 인버터 출력부와 병렬로 설치된 제1 긴급 전원 공급장치(397)에 전력을 공급할 수 있다(S555).
직류 버스로 전달된 전력은 제2 인버터(141)를 통해서(S560) 교류 버스(127)로 공급될 수 있다(S565). 교류 버스로 전달된 전력은 제2 전기자동차 충전기(S570), 제2 긴급 전원 공급장치(S580), 교류 전력계통(S590)으로 전달될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 교류 전력계통에서 공급하는 전력의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
교류 전력계통(121)으로부터 전달되는 전력을(S610) 제1 스위치(131)를 통해 교류 버스(127)로 전달한다(S615). 교류 버스의 전력을 이용하여 제2 전기자동차 충전기(191)에 충전 전압을 공급하고(S620), 제2 긴급 전원 공급장치로 긴급 전원을 공급할 수 있다(S630).
교류 버스의 전력을 제2 인버터(141)를 통해서(S640) 직류 버스 전압으로 변환하여 직류 버스로 공급할 수 있다(S645). 직류 버스의 전압은 ESS 배터리(163)를 충전하거나(S650), 휴대용 배터리 충전기에 전력을 공급하거나(S660), 제1 인버터(183)에 공급된다(S670). 제1 인버터는 출력부에 연결된 제1 전기자동차 충전기(S680)와 제1 긴급 전원 공급장치(S690)로 전력을 공급한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에서 ESS 배터리의 충전과 방전 운용방법을 나타내는 순서도이다.
분산전원에서 생산된 전기에너지는(S710) 직류 버스 전압으로 변환된다(S720). 직류 버스 전압은 ESS 배터리의 충전 또는 방전에 사용된다.
전력관리 시스템(247)은 ESS 배터리에서 방전하는 전류를 계산하기 위해서, 우선 총 발전량(Prenew)과(S730), 총 부하량(Pevl)을(S740) 계산한다. 총 발전량과 총 부하량을 비교하여, 총 발전량이 총 부하량보다 큰 경우(S750) ESS 배터리에 충전하는 전류를 계산한다(S770). 총 발전량이 총 부하량보다 작은 경우(S760) ESS 배터리에서 방전하는 전류를 계산한다(S780). 만약 총발전량과 총 부하량이 같은 경우, 다시 총 발전량 계산 단계로 돌아가서 반복한다. 계산된 전류에 의해 ESS 배터리를 충전 또는 방전하고(S790), 일정 시간 경과후 다시 총 발전량 계산 단계로 돌아가서 반복한다.
총 발전량이 총 부하량보다 작은 경우, 교류 버스에 연결된 부하에 의한 전력 소모에 의하여 교류 버스의 전압(Vcus)은 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder)보다 낮아진다. 이 때 ESS 배터리에서 방전된 전류가 교류 버스로 전달될 수 있다. ESS 배터리로부터 방전되어 교류 버스로 전달되는 전류(Ita)는 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018073214932-pat00009
(여기에서, 전류(Ita)가 +인 경우 ESS 배터리로부터 방전하고, 전류(Ita)가 -인 경우 ESS 배터리에 충전하며, Pevl(t)는 전기충전 인프라 측의 부하량이고, Prenew(t)는 분산전원의 발전량이고, Vcus(t)는 교류 버스의 전압이고, Vunder는 교류 버스의 허용 하한전압이고, Vupper는 교류 버스의 허용 상한전압이다.)
총 발전량이 총 부하량보다 큰 경우, 교류 버스의 전압(Vcus)은 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper)보다 높아진다. 이 때 전력관리 시스템(247)은 교류 버스에서 ESS 배터리의 충전을 위해 전류(-Ita)가 전달되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에서 무효전력 보상장치의 운용방법을 나타내는 순서도이다.
분산전원의 유효전력에 의하여 변화된 무효전력(Qrenew)을 계산하고(S830), 전기충전 인프라측의 무효전력(Qevl)을 계산하여(S840), 전체 무효전력(Qt)과 역률을 구한다. 전체 역률이 지상(lagging)인 경우 역률을 보상하기 위해 용량성(capacitive) 리액턴스를 계산한다(S870). 전체 역률이 진상(leading)인 경우 역률을 보상하기 위해 유도성(inductive) 리액턴스를 계산한다(S880). 계산된 리액턴스에 맞는 무효전력 보상장치를 투입한다(S890).
역률을 보상하기 위해 구하는 전체 무효전력(Qt)은 수학식 4를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018073214932-pat00010
(여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 컨테이너에 구현한 모습을 나타내는 개념도이다.
도 9의 (a)는 분산전원으로 사용되는 태양광 모듈을 컨테이너의 상부에 설치한 모습을 나타내는 개념도이고, 도 9의 (b)는 분산전원으로 사용되는 태양광 모듈을 컨테이너의 뒤쪽에 설치한 모습을 나타내는 개념도이다.
컨테이너(900)는 분산전원(151), 제1 컨버터(153), 제2 컨버터(161), ESS 배터리(163), 제1 인버터(183), 제2 인버터(141), 제1 전기자동차 충전기(195) 및 제2 전기자동차 충전기(191)를 내부에 설치할 수 있다. 특히 제2 컨버터와 ESS 배터리는 모듈형으로 구성하여 필요한 경우에 추가하도록 구성한다.
분산전원으로 태양광 발전을 이용하는 경우, 컨테이너(900)로부터 태양광 모듈을 꺼내서 설치하는 방법은 다음과 같다. 우선, 컨테이너를 현장으로 운송한다. 그리고 태양광 모듈을 컨테이너의 레일을 이용하여 꺼내고 전개한다. 꺼낸 태양광 모듈을 적당한 위치에 설치한다. 그 후, 태양광 모듈을 태양광이 최대한 입사하도록 적당한 각도로 기울여 설치를 완성한다.
운송 및 설치를 쉽게 하기 위하여 태양광 패널은 저철분을 이용한 강화유리를 사용하고 유리 두께를 1.5t 내지 2.5t 로 하는 것이 바람직하다. 너무 얇은 경우 태양광 패널을 보호할 수 없고, 너무 두꺼우면 무거워서 설치가 불편하다. 태양광 모듈을 고정하는 프레임도 25t 내지 35t 로 하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템을 나타내는 회로도 및 개념도이다.
도 10의 (a)는 분산전원(151), 제1 컨버터(153), 제2 컨버터(161), ESS 배터리(163), 제1 인버터(183), 제1 전기자동차 충전기(195)를 구현하는 방법을 나타내는 회로도이다.
도 10의 (b)는 제2 컨버터(161, 165) 및 ESS 배터리(163, 167)를 모듈형으로 구성하여 장착하는 예를 보여주는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 휴대용 배터리 충전기를 나타내는 구성도이다.
휴대용 배터리 충전기(173)는 휴대용 배터리(174)를 충전할 수 있다. 전력망 인프라가 미비한 도서지역 및 지진 등의 피해로 인하여 간이형 전력공급이 필요한 장소 등에 최소한의 전기사용의 혜택을 받기 위해서는, 패키지 형태의 휴대용 배터리(174)를 충전할 수 있는 휴대용 배터리 충전기(173) 및 올인원(All-in-One)형태의 충전 스테이션(900)이 필요하다. 휴대용 배터리는 응급시 각 가정에서 필요한 정도의 용량인 1 내지 3 kW 의 용량을 가진 것이 바람직하다. 너무 작은 것은 응급시 배터리로 사용하기에 부족하고, 너무 큰 것은 휴대용으로 적합하지 않다.
이상의 본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생 에너지를 전력으로 전기차를 충전할 수 있고, 지진 등 자연재해가 발생하여 전력의 공급이 중단되는 비상 상황에 대처할 수 있으며, 전력 인프라가 부족한 곳에 소규모로 전력 서비스가 가능하다. 또한 모듈형 ESS 배터리를 적용하여 용량의 확장이 용이하고, 레일을 사용한 태양광 패널을 사용하여 컨테이너로 이동이 용이하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
127 : 교류 버스
130 : 하이브리드 PCS
131 : 제1 스위치
141 : 제2 인버터
151 : 분산전원
153 : 제1 컨버터
155, 157 : 소켓
161, 165 : 제2 컨버터
163, 167 : ESS 배터리
171 : 제3 컨버터
173 : 휴대용 배터리 충전기
181 : 직류 버스
183 : 제1 인버터
191 : 제2 전기자동차 충전기
195 : 제1 전기자동차 충전기
247 : 전력관리 시스템
311 : 비상발전기
323 : 지능형 전력계량 인프라
325 : 무효전력 보상장치
335 : 제2 스위치
393 : 긴급 전원 공급장치
433 : 동기 절체 스위치

Claims (18)

  1. 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템에 있어서,
    전기에너지를 생산하는 분산전원과,
    상기 분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환하여 출력하는 제1 컨버터와,
    상기 제1 컨버터의 출력부에 연결되어 버스 전압을 가지는 직류가 흐르는 전송선로인 직류 버스와,
    상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 제2 컨버터와,
    상기 제2 컨버터의 출력부에 연결되어 ESS 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 충전할 수 있는 ESS 배터리와,
    상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력하는 제3 컨버터와,
    상기 제3 컨버터의 출력부에 연결되어 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 휴대용 배터리를 충전할 수 있는 휴대용 배터리 충전기와,
    상기 직류 버스에 연결되어 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터와,
    상기 제1 인버터의 출력부에 연결되어 교류 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 전기자동차를 충전하는 제1 전기자동차 충전기와,
    교류 전력계통과 연결되는 교류 버스와,
    상기 교류 버스의 전력을 차단할 수 있는 제1 스위치와,
    상기 제1 스위치를 통해서 교류 버스와 연결되는 제2 전기자동차 충전기와,
    상기 직류 버스의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 제2 전기자동차 충전기로 공급할 수 있는 제2 인버터와,
    상기 제1 컨버터, 제2 컨버터, 제3 컨버터, 제1 인버터, 제2 인버터 및 제1 스위치를 제어하는 전력관리 시스템을 포함하고,
    상기 제2 컨버터는 상기 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지되지 않는 경우에는, 상기 ESS 배터리를 방전시켜서 ESS 배터리의 전력을 상기 직류 버스로 전달할 수 있도록 양방향으로 출력이 가능하고,
    상기 제2 인버터는 상기 분산전원이 동작하지 않아서 버스 전압이 유지 되지 않는 경우에는, 상기 교류 버스의 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 상기 직류 버스로 전달할 수 있도록 양방향 출력이 가능하고,
    상기 전력관리 시스템은,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder)과 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper) 사이에 있는 경우, 상기 ESS 배터리의 충전 또는 방전 동작을 중지하고,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder)보다 낮은 경우, 전기충전 인프라 측의 부하량(Pevl)의 총합과 분산전원의 발전량(Prenew) 총합을 이용하여 구한 수학식 2의 전류(Ita)를 상기 ESS 배터리로부터 교류 버스로 전달하고,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper)보다 높은 경우, 전기충전 인프라 측의 부하량(Pevl)의 총합과 분산전원의 발전량(Prenew) 총합을 이용하여 구한 수학식 2의 전류(Ita)를 상기 ESS 배터리로 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112018125411209-pat00026
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분산전원, 제1 컨버터, 제2 컨버터, ESS 배터리, 제1 인버터, 제2 인버터, 제1 전기자동차 충전기 및 제2 전기자동차 충전기를 내부에 설치할 수 있는 컨테이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 직류 버스는, 제2 컨버터가 결합할 수 있는 복수개의 소켓을 포함하여,
    상기 제2 컨버터와 ESS 배터리를 모듈형으로 상기 직류 버스에 탈착 또는 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우에 사용하기 위한 비상발전기와,
    상기 비상발전기를 상기 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터와 연결할 수 있는 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 전력을 공급받을 수 없는 경우에 사용하기 위한 비상발전기와,
    상기 제2 전기자동차 충전기와 연결된 교류 버스를 차단하는 동시에 상기 비상발전기에서 출력된 교류 전력을 연결할 수 있는 동기 절체 스위치(STS)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    비상시에 외부로 전력을 공급하기 위하여, 상기 제1 전기자동차 충전기 또는 제2 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되는 긴급 전원 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전력계통과 제1 스위치 사이에 지능형 전력계량 인프라(AMI)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전력계통과 제1 스위치 사이에 무효전력 보상장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제9항에 있어서,
    상기 무효전력 보상장치는 전체 무효전력(Qt)을 수학식 4를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템.
    [수학식 4]
    Figure 112018073214932-pat00012

    (여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
  11. 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법에 있어서,
    분산전원에서 전기에너지를 생산하는 단계와,
    분산전원으로부터 생산된 전기에너지를 입력받아 버스 전압을 가지는 직류로 변환하는 단계와,
    상기 버스 전압을 가지는 직류를 전송선로인 직류 버스로 출력하는 단계와,
    상기 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환하여 출력하는 단계와,
    상기 ESS 배터리의 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 ESS 배터리에 충전하는 단계와,
    상기 직류 버스의 버스 전압을 입력받아 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환하여 출력하는 단계와,
    상기 휴대용 배터리 충전 전압으로 변환된 전기에너지를 이용하여 휴대용 배터리 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와,
    상기 직류 버스의 버스 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 단계와,
    상기 변환되어 출력된 교류 전압으로 제1 전기자동차 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와,
    교류 전력계통으로부터 전달되는 전력을 제1 스위치를 통해 교류 버스로 전달하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전력을 이용하여 제2 전기자동차 충전기에 충전 전압을 공급하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전력을 직류 버스 전압으로 변환하여 상기 직류 버스로 공급하는 단계와,
    전기충전 인프라 측의 부하량(Pevl)의 총합과 분산전원의 발전량(Prenew) 총합을 측정하는 단계와,
    교류 버스의 전압(Vcus(t))을 측정하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))을 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder) 및 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper)과 비교하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder)보다 낮은 경우, 상기 ESS 배터리로부터 수학식 2의 전류(Ita)를 교류 버스로 전달하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper)보다 높은 경우, 상기 ESS 배터리로 수학식 2의 전류(Ita)를 충전하는 단계와,
    상기 교류 버스의 전압(Vcus(t))이 교류 버스의 허용 하한전압(Vunder)과 교류 버스의 허용 상한전압(Vupper) 사이에 있는 경우, 상기 ESS 배터리의 충전 또는 방전 동작을 중지하는 단계를 포함하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
    [수학식 2]
    Figure 112018125411209-pat00027
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 경우, 비상발전기를 가동시키는 단계와,
    제2 스위치를 연결하여 비상발전기를 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터와 연결하는 단계와,
    비상발전기에서 생성된 전력을 제2 전기자동차 충전기 및 제2 인버터로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 분산전원 및 교류 전력계통으로부터 공급받는 전력이 부족해지는 경우, 비상발전기를 가동시키는 단계와,
    동기 절체 스위치(STS)를 동작시켜, 제2 전기자동차 충전기와 연결된 교류 버스를 차단하는 동시에 상기 비상발전기에서 출력되는 교류 전력을 연결하는 단계와,
    비상발전기에서 생성된 전력을 제2 전기자동차 충전기로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    비상시에 제1 전기자동차 충전기 또는 제2 전기자동차 충전기에 병렬로 연결되는 긴급 전원 공급장치를 통해서 외부로 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 교류 전력계통에 전원 공급할 때, 전기충전 인프라측의 무효전력(Qevl)과 분산전원의 유효전력에 의하여 변화된 무효전력(Qrenew)을 계산하여 전체 무효전력(Qt)과 역률을 구하는 단계와,
    전체 역률이 지상(lagging)인 경우 역률을 보상하기 위해 용량성(capacitive) 리액턴스를 계산하는 단계와,
    전체 역률이 진상(leading)인 경우 역률을 보상하기 위해 유도성(inductive) 리액턴스를 계산하는 단계와,
    계산된 리액턴스에 맞는 무효전력 보상장치를 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 전체 무효전력(Qt)을 수학식 4를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 전기 충전 시스템의 운용방법.
    [수학식 4]
    Figure 112018073214932-pat00014

    (여기에서, Qevl(t)는 전기충전 인프라 측의 무효전력으로 저압간선의 구간 인입측에 대하여 합한 값이고, Qrenew(t)는 분산전원의 유효전력에 의하여 선로측에서 방향성이 변화된 무효전력으로 저압간선의 주상변압기 2차측을 합한 값이고, ω는 무효전력의 목표치 조정용 가중치이다.)
KR1020180086136A 2018-07-24 2018-07-24 소용량 전기에너지 저장장치가 결합된 분산전원기반 하이브리드형 전기 충전 시스템 및 그 운용방법 KR101957721B1 (ko)

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