KR102111489B1 - 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치에 관한 것으로, 이는 에너지 저장 장치의 두개 전력선에 연결되어, 직류 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 두 개의 전력선 중 하나에 연결되어, 직류 전류를 측정하는 플럭스게이트형 전류 센서; 및 상기 직류 전압과 상기 직류 전류를 기반으로 상기 두 개의 전력선를 통해 충방전되는 직류 전력량을 산출하는 전력량 산출부를 포함하는 태양광 전력 모니터링 장치를 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치{Power monitoring apparatus for energy storage system}
본 발명은 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치에 관한 것으로, 에너지 저장 장치에 의해 충방전되는 직류 전력량을 계측할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치에 관한 것이다.
신재생에너지와 스마트그리드가 회자되면서 덩달아 관심을 받고 있는 것이 있다. 바로 에너지저장시스템, ESS(Energy Storage System)다. 신재생 에너지는 스마트 그리드에서 중요하게 쓰이는데, ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있기 때문이다.
ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다. ESS는 전기를 생산하는 발전 영역, 생성된 전기를 이송하는 송배전 영역, 그리고 전달된 전기를 실제 사용하는 수용가(소비자) 영역에 모두 적용된다.
보통 필요 발전량은 냉난방 수요가 급증하는 최고 수요 시점을 기준으로 설정돼 있는데, ESS는 피크 수요 시점의 전력 부하를 조절해 발전 설비에 대한 과잉 투자를 막아준다. 그리고 ESS는 돌발적인 정전 시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 해준다.
또한 ESS는 태양광, 풍력, 조력, 파력 등 신재생 에너지 또는 소규모 발전소에서 생산된 전기가 수시로 전력망에 공급되거나 전기자동차 충전소 등에서 높은 출력으로 갑자기 전기가 소비될 때 유용하다. ESS는 전기의 불규칙한 수요와 공급을 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정해 전력망의 신뢰도를 향상시키기 때문이다. 이런 맥락에서 최근 ESS는 신재생에너지를 활용한 스마트 그리드에서의 핵심 설비로 주목받고 있는 것이다.
이와 같이, ESS는 자체 생산 전력을 일시 저장한 후, 댁내에 필요 전력을 공급할 수 있도록 하며, 전력망에 잉여 전력분을 판매하는 등의 기능을 제공하므로, ESS에 충방전되는 전력량을 계측할 수 있도록 하는 기술이 필요해지게 되었다.
국내등록특허 제10-1299444호(등록일자 : 2013.08.11.)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 에너지 저장 장치에 의해 충방전되는 직류 전력량을 계측할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 에너지 저장 장치의 두개 전력선에 연결되어, 직류 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 두 개의 전력선 중 하나에 연결되어, 직류 전류를 측정하는 플럭스게이트형 전류 센서; 및 상기 직류 전압과 상기 직류 전류를 기반으로 상기 두 개의 전력선를 통해 충방전되는 직류 전력량을 산출하는 전력량 산출부를 포함하는 태양광 전력 모니터링 장치를 포함할 수 있다.
상기 플럭스게이트형 전류 센서는 센싱 코일과 보조 코일이 구비하며, 상기 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어; 상기 보조 코일에 펄스 신호를 인가하는 펄스 신호 발생기; 상기 보조 코일을 통해 흐르는 보조 전류를 검출 및 분석하여, 보조 전류 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부; 상기 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 상기 센싱 코일에 인가되는 센싱 전류를 조정하는 센싱 전류 조정부; 및 상기 보조 전류 평균값이 "0"이면, 상기 센싱 전류를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
다르게는 상기 플럭스게이트형 전류 센서는 센싱 코일, 제1 및 제2 보조 코일이 구비하며, 상기 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어; 상기 제1 보조 코일에 양 펄스 신호를 인가하는 양 펄스 신호 발생기; 상기 제2 보조 코일에 음 펄스 신호를 인가하는 음 펄스 신호 발생기; 상기 제1 및 제2 보조 코일을 통해 흐르는 보조 전류를 검출 및 분석하여, 보조 전류 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부; 상기 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 상기 센싱 코일에 인가되는 센싱 전류를 조정하는 센싱 전류 조정부; 상기 보조 전류 평균값이 "0"이면, 상기 센싱 전류를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부; 및 상기 양 펄스 신호 발생기와 상기 음 펄스 신호 발생기를 기 설정 시간 간격을 반복적으로 구동시키는 타이밍 조정부를 포함할 수 있다.
상기 타이밍 조정부는 캘리브레이션 동작이 요청되면, 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 기 설정 패턴으로 순차 조정하면서, 보조 전류 평균값이 "0"이 되는 시점의 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 검출 및 저장하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 에너지 저장 장치에 의해 충방전되는 직류 전력량을 계측할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치를 제공한다.
또한 직류 전류 측정을 위한 펄스 신호의 노이즈 발생을 최소화하여 페라이트 코어의 영전위 변화를 사전 방지하도록 함으로써, 보다 신뢰성 있는 계측 동작이 수행될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 양 펄스 신호 발생기와 음 펄스 신호 발생기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치용 전력 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 전력 모니터링 장치(100)는 에너지 저장 장치(10)과 부하(20) 사이의 전력선들에 접속하여, 직류 전압을 센싱하는 전압 센서(110), 에너지 저장 장치(10)과 부하(20) 사이의 전력선들 중 하나에 접속하여, 직류 전류를 센싱하는 플럭스게이트형 전류 센서(120), 전압 센서(110)와 플럭스게이트형 전류 센서(120)를 통해 측정된 직류 전압과 직류 전류를 기반으로 에너지 저장 장치(10)에 의해 충방전되는 직류 전력량을 산출하는 전력량 산출부(30), 에너지 저장 장치에 연결된 두 개의 전력선을 통해 흐르는 전압을 통해 이용하여 계량기 구동 전원을 생성 및 공급하는 전원 공급부(40) 등을 포함할 수 있다.
즉, 본 발명은 교류 전류만을 측정할 수 있었던 CT(변류기) 대신에 직류 전류를 측정할 수 있는 플럭스게이트형 전류 센서(120)를 구비함으로써, 에너지 저장 장치(10)과 부하(20) 사이의 전력선들에 접속하여 직류 전압과 직류 전류를 직접적으로 센싱할 수 있도록 하고, 이를 기반으로 에너지 저장 장치를 통해 송수신되는 직류 전략량을 계측할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 플럭스게이트형 전류 센서는 센싱 코일(NS)과 보조 코일(NA)이 구비하며, 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어(210), 보조 코일(NA)에 펄스 신호를 인가하는 펄스 신호 발생기(220), 보조 코일(NA)을 통해 흐르는 보조 전류를 검출 및 수집한 후, 이의 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부(230), 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 센싱 코일(NS)에 인가되는 센싱 전류(IS)를 조정하는 센싱 전류 조정부(240), 보조 전류 평균값이 "0"이면, 현재의 센싱 전류(IS)를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부(250) 등을 포함할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
만약, 페라이트 코어(210)를 관통하는 전력선을 통해 측정 전류가 흐르지 않는 상태에서(IP = 0), 보조 코일(NA)의 일단에 펄스 신호를 인가한 후, 보조 코일(NA)의 타단에 연결된 저항(RA)을 통해 보조 전류(IA)를 측정하면, 도 3의 (a)와 같은 신호 파형이 측정된다. 즉, 평균값이 "0"이 보조 전류(IA)가 측정된다.
반면, 페라이트 코어(210)를 관통하는 전력선을 통해 측정 전류가 흐르는 상태에서(IP != 0), 보조 코일(NA)의 일단에 펄스 신호를 인가한 후, 보조 코일(NA)의 타단에 연결된 저항(RA)을 통해 보조 전류(IA)를 측정하면, 도 3의 (b)와 같이 평균값이 "0"이 아닌 보조 전류(IA)가 측정된다. 이는 전력선을 통해 흐르는 측정 전류(IP)에 의해 페라이트 코어(210)가 자화되고, 측정 전류(IP)에 비례하는 자속이 형성되기 때문이다.
이에 측정 전류(IP)에 반대되는 자속을 형성하기 위한 센싱 전류를 센싱 코일(NS)에 인가하면, 측정 전류(IP)에 의해 생성된 자속(ΦP)과 센싱 전류(IS)에 의해 생성된 자속(ΦS)이 서로 상쇄되어, 보조 전류(IA)의 평균값이 다시 "0"으로 내려오게 된다.
따라서 본 발명의 플럭스게이트형 전류 센서는 보조 전류(IA)의 평균값이 "0"이 되도록 센싱 전류(IS)를 조정하고, 보조 전류(IA)의 평균값이 "0"이 될 때의 센싱 전류(IS)를 통해 측정 전류(IP)를 획득 및 출력하도록 한다.
이때, 보조 전류(IA)의 평균값이 "0"이 되도록 하는 센싱 전류(IS)는 측정 전류(IP)에 비례하여 증가하며, 수학식 1에 따라 산출 가능하다.
[수학식 1]
측정 전류(IP) = 센싱 전류(IS) ㅧ 센싱 코일(NS)의 권선 수
그러나 도 2의 구조를 가지는 플럭스게이트형 전류 센서의 경우, 보조 코일(NA)에 흐르는 펄스 신호의 전류 노이즈가 측정 전류(IP)에 추가되는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는 보조 코일을 하나 더 추가하고, 보조 코일(NA1, NA2) 각각에 서로 반대되는 펄스 신호를 인가함으로써, 측정 전류(IP)에 추가되는 노이즈의 방향이 반대로 되어 제거되도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4을 참고하면, 본 발명의 플럭스게이트형 전류 센서는 센싱 코일(NS)과 2개의 보조 코일(NA)이 구비하며, 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어(210), 보조 코일1(NA1)에 양 펄스 신호를 인가하는 양 펄스 신호 발생기(221), 보조 코일2(NA2)에 음 펄스 신호를 인가하는 음 펄스 신호 발생기(222), 보조 코일(NA) 및 보조 코일2(NA2)을 통해 흐르는 보조 전류(IA)를 검출 및 수집한 후, 이의 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부(230), 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 센싱 코일(NS)에 인가되는 센싱 전류(IS)를 조정하는 센싱 전류 조정부(240), 보조 전류 평균값이 "0"이면, 현재의 센싱 전류(IS)를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부(250), 양 펄스 신호 발생기(221)와 음 펄스 신호 발생기(222)를 기 설정 시간 간격을 반복적으로 구동시키는 타이밍 조정부(270) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 양 펄스 신호 발생기(221)와 음 펄스 신호 발생기(222)는 도 5와 같이 구성될 수 있다.
도 5를 참고하면 본 발명의 양 펄스 신호 발생기(221)와 음 펄스 신호 발생기(222)는 구동 전압(VDD)과 접지 사이에 직렬 연결되며, 도 6에서와 같이 소정 시간 간격을 두고 양 펄스 신호와 음 펄스 신호를 발생하고, 이들을 보조 코일(NA) 및 보조 코일2(NA2) 각각에 인가하도록 한다.
이때, 양 펄스 신호 발생기(221)는 구동 전압(VDD)과 음 펄스 신호 발생기(222) 사이에 위치하여, 타이밍 조정부(270)로부터 출력되는 제1 제어 신호(ctrl)에 따라 양 펄스 신호를 생성하여 보조 코일1(NA1)에 인가하는 제1 트랜지스터(Q1)로 구현될 수 있으며, 음 펄스 신호 발생기(222)는 양 펄스 신호 발생기(221)와 접지 사이에 위치하여 타이밍 조정부(270)로부터 출력되는 제2 제어 신호(ctr2)에 따라 음 펄스 신호를 생성하여 보조 코일2(NA2)에 인가하는 제2 트랜지스터(Q2)로 구현될 수 있다.
이와 같이 구성되는 양 펄스 신호 발생기(221)와 음 펄스 신호 발생기(222)는 보조 코일1(NA1)와 보조 코일2(NA2) 각각에 서로 반대되는 극성의 펄스 신호를 서로 반대되는 펄스 신호를 인가하게 되고, 그 결과 측정 전류(IP)에 추가되는 노이즈의 방향 또한 서로 반대로 되어 제거되게 된다.
한편, 전력선을 통해 측정 전류(IP)가 계속적으로 인가되는 경우, 측정 전류(IP)에 의해 페라이트 코어 자체가 비정상적으로 자화될 수 있다. 그러면, 페라이트 코어의 영전위가 가변되어 측정 전류(IP)의 미인가시에도 보조 전류 평균값이 "0"이 되지 못하는 상태가 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 타이밍 조정부(270)는 페라이트 코어 자화량에 따라 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 조정함으로써, 보조 코일1(NA1)와 보조 코일2(NA2)에 의해 발생되는 자속이 페라이트 코어 자화에 따른 자속을 상쇄시켜 줄 수 있게 된다.
이를 위해, 본 발명의 타이밍 조정부(270)는 캘리브레이션 기능을 추가 구비하도록 한다. 그리고 사용자 등에 의해 캘리브레이션 기능이 요청되면, 측정 전류(IP) 미인가 상태에서, 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 기 설정 패턴으로 순차 조정하면서, 도 7에서와 같이 보조 전류 평균값이 "0"이 되는 시점의 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 검출 및 저장하도록 한다.
그리고 캘리브레이션이 완료된 후 측정 전류(IP) 측정이 다시 요청되면, 타이밍 조정부(270)는 양 펄스 신호 발생기(221)와 음 펄스 신호 발생기(222)를 동작 제어하여, 기 저장된 듀티폭과 위상을 가지는 양 펄스 신호와 음 펄스 신호가 소정 시간 간격을 두고 반복적으로 발생하도록 한다.
그러면, 페라이트 코어의 영전위는 양 펄스 신호와 음 펄스 신호에 의해 조정되고, 플럭스게이트형 전류 센서는 페라이트 코어(210)의 영전위가 유지된 상태에서 측정 전류(IP)의 전류값을 센싱할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 에너지 저장 장치의 두개 전력선에 연결되어, 직류 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 두 개의 전력선 중 하나에 연결되어, 직류 전류를 측정하는 플럭스게이트형 전류 센서; 및
    상기 직류 전압과 상기 직류 전류를 기반으로 상기 두 개의 전력선를 통해 충방전되는 직류 전력량을 산출하는 전력량 산출부를 포함하며,
    상기 플럭스게이트형 전류 센서는
    센싱 코일, 제1 및 제2 보조 코일이 구비하며, 상기 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어;
    상기 제1 보조 코일에 양 펄스 신호를 인가하는 양 펄스 신호 발생기;
    상기 제2 보조 코일에 음 펄스 신호를 인가하는 음 펄스 신호 발생기;
    상기 제1 및 제2 보조 코일을 통해 흐르는 보조 전류를 검출 및 분석하여, 보조 전류 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부;
    상기 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 상기 센싱 코일에 인가되는 센싱 전류를 조정하는 센싱 전류 조정부;
    상기 보조 전류 평균값이 "0"이면, 상기 센싱 전류를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부; 및
    상기 양 펄스 신호 발생기와 상기 음 펄스 신호 발생기를 기 설정 시간 간격을 반복적으로 구동시키는 타이밍 조정부를 포함하는 태양광 전력 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플럭스게이트형 전류 센서는
    센싱 코일과 보조 코일이 구비하며, 하나의 전력선이 관통하는 페라이트 코어;
    상기 보조 코일에 펄스 신호를 인가하는 펄스 신호 발생기;
    상기 보조 코일을 통해 흐르는 보조 전류를 검출 및 분석하여, 보조 전류 평균값을 산출하는 보조 전류 평균값 산출부;
    상기 보조 전류 평균값이 "0"이 아니면, 보조 전류 평균값에 따라 상기 센싱 코일에 인가되는 센싱 전류를 조정하는 센싱 전류 조정부; 및
    상기 보조 전류 평균값이 "0"이면, 상기 센싱 전류를 아날로그-디지털 변환하여 센싱값을 획득 및 출력하는 출력부를 포함하는 태양광 전력 모니터링 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 타이밍 조정부는
    캘리브레이션 동작이 요청되면, 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 기 설정 패턴으로 순차 조정하면서, 보조 전류 평균값이 "0"이 되는 시점의 양 펄스 신호와 음 펄스 신호의 듀티폭과 위상을 검출 및 저장하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 전력 모니터링 장치.
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