KR102196639B1 - Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof - Google Patents

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Abstract

리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템은, 신재생에너지발전설비에서 생성된 교류와 계통의 상용전원(AC)을 정류기로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와; 상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하고, 상기 DSP제어기는 상기 계통에 연결되어 부하측 정보를 감지하는 센서로부터 정보를 입력받아 상기 Bi-dPCS의 상기 정류기의 상태를 모니터링하여 이상 전압 발생시 상기 Bi-dPCS를 통해 상기 슈퍼커패시터를 충전시킨다.The energy storage system using a lithium-ion battery and a supercapacitor charges and converts DC power by rectifying AC generated from a renewable energy generation facility and commercial power (AC) of the system with a rectifier to a power storage device (PSS). , Receives a command from the DSP controller, converts the charging power of the PSS into AC power and discharges it to the load, and regulates the charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS. A two-way power conversion device (Bi-dPCS, 200); A battery management device (BMS, 300) serving as a protection for maintaining a balance of each PSS cell through communication control with the Bi-dPCS and stopping charging when an input voltage falls below a predetermined value; A number of lithium-ion batteries 410 and supercapacitors 420 that charge DC power of the commercial power rectified with the new and renewable energy generation facility by the Bi-dPCS and BMS are connected in series and in parallel to correspond to the system load. A power storage device (PSS, 400) having one pack; It includes a DSP controller 600 for controlling the Bi-dPCS that regulates charging/discharging and bi-directional power conversion of the PSS by sensing the system load, and the DSP controller is a sensor connected to the system to detect load-side information. The supercapacitor is charged through the Bi-dPCS when an abnormal voltage is generated by monitoring the state of the rectifier of the Bi-dPCS by receiving information from.

Description

리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법{Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof}TECHNICAL FIELD The energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일반 부하(통상부하)와 급속부하(기동부하)에 적응적으로 대응 가능하도록 한 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage system, and more particularly, an energy storage system using a lithium-ion battery and a supercapacitor capable of adaptively responding to a general load (normal load) and a rapid load (starting load), and output thereof It relates to the stabilization method.

리튬 배터리 기반의 에너지 저장 시스템은 높은 에너지 밀도 및 에너지 효율을 가지며, 신재생 에너지 연계, 주파수 조정, PV 연계 등 에너지저장장치로 적용이 확대되고 있다.Lithium battery-based energy storage systems have high energy density and energy efficiency, and are being applied to energy storage devices such as new and renewable energy linkage, frequency control, and PV linkage.

배터리 기반의 에너지 저장 시스템은 안전성, 수명 및 부하변동에 느린 응답성을 가지며, 부하변동에 느린 응답성을 보완하기 위해 슈퍼커패시터와 함께 사용하는 HESS(hybrid Energy storage system)으로 구현될 수 있다. 여기서, 슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하며, 높은 충방전 효율을 가지고, 반영구적인 사이클 수명 특성을 가진다.The battery-based energy storage system has safety, life, and slow response to load fluctuations, and can be implemented as a hybrid energy storage system (HESS) used with a supercapacitor to compensate for slow response to load fluctuations. Here, the supercapacitor is capable of rapid charging and discharging, has high charging and discharging efficiency, and has semi-permanent cycle life characteristics.

한국등록특허 제1,863,138호(2018.05.25.등록) "리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치"Korean Patent No. 1,863,138 (registered on May 25, 2018) "Power-controlled energy storage device using lithium-ion battery and super capacitor"

에너지 저장 시스템은, 양방향 DC-DC 컨버터와 슈퍼커패시터, 리튬이온 배터리로 구성되고, 리튬이온 배터리 기반의 전력제어시 부하의 변동이 발생하면 DC-커패시터(예를 들어, 정류기)에 이상전압을 야기하며, 이러한 현상은 DC-커패시터에 무리를 줄 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템의 전력품질 및 신뢰성을 떨어뜨린다. The energy storage system consists of a bi-directional DC-DC converter, a supercapacitor, and a lithium-ion battery, and when a load fluctuation occurs during power control based on a lithium-ion battery, an abnormal voltage is caused to the DC-capacitor (for example, a rectifier). And, such a phenomenon not only puts a strain on the DC-capacitor, but also degrades the power quality and reliability of the energy storage system.

해결하고자 하는 기술적 과제는, 부하의 변동으로 인해 발생하는 이상전압을 슈퍼커패시터의 벅동작을 통하여 에너지를 저장하여 DC-커패시터의 출력을 안정화 시킬 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved is to provide an energy storage system capable of stabilizing the output of a DC-capacitor and a method for stabilizing the output thereof by storing energy through the buck operation of a supercapacitor for an abnormal voltage caused by a change in a load. .

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[0007] 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템은, 신재생에너지발전설비에서 생성된 교류와 계통의 상용전원(AC)을 정류기로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와; 상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함한다. 여기서, 상기 DSP제어기는 상기 계통에 연결되어 부하측 정보를 감지하는 센서로부터 정보를 입력받아 상기 Bi-dPCS의 상기 정류기의 상태를 모니터링하여 이상 전압 발생시 상기 Bi-dPCS를 통해 상기 슈퍼커패시터를 충전시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 Bi-dPCS는. 상기 DC-커패시터 및 상기 리튬이온배터리 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리의 충ㆍ방전을 단속하는 배터리 컨버터(210); 및 상기 DC-커패시터 및 상기 슈퍼커패시터 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터의 충ㆍ방전을 단속하는 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 DSP제어기는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 벅 동작시킬 수 있다.
In order to achieve one object of the present invention, the energy storage system according to embodiments of the present invention, DC power rectified by a rectifier AC and commercial power (AC) of the system generated in the renewable energy generation facility A battery management system (BMS) that charges and converts power to a power storage device (PSS), but converts the charging power of the PSS into AC power and discharges it to a load by receiving a command from the DSP controller, and monitors and protects the PSS. A two-way power conversion device (Bi-dPCS, 200) that regulates charging and discharging of the PSS through communication control of the PSS; A battery management device (BMS, 300) serving as a protection for maintaining a balance of each PSS cell through communication control with the Bi-dPCS and stopping charging when an input voltage falls below a predetermined value; A number of lithium-ion batteries 410 and supercapacitors 420 that charge DC power of the commercial power rectified with the new and renewable energy generation facility by the Bi-dPCS and BMS are connected in series and in parallel to correspond to the system load. A power storage device (PSS) 400 having one pack; It includes a DSP controller 600 for controlling the Bi-dPCS for controlling the charging/discharging and bidirectional power conversion of the PSS by sensing the system load. Here, the DSP controller receives information from a sensor connected to the system and senses load-side information, monitors the state of the rectifier of the Bi-dPCS, and charges the supercapacitor through the Bi-dPCS when an abnormal voltage occurs. have.
According to one embodiment, the Bi-dPCS is. A battery converter 210 connected between the DC-capacitor and the lithium-ion battery to regulate charge/discharge of the lithium-ion battery; And a supercapacitor converter 220 connected between the DC-capacitor and the supercapacitor to regulate charging and discharging of the supercapacitor. Here, the DSP controller may calculate a power error between the reference power Pref and the actual power Pload, and buck the supercapacitor converter 220 in response to the power error.

일 실시예에 의하면, 상기 DSP제어기는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하며, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.According to an embodiment, the DSP controller is configured to charge the supercapacitor with a voltage in response to the power error when an overpower having the actual power Pload greater than the reference power Pref is detected. The converter 220 is controlled, and when the actual power Pload is less than the reference power Pref, the battery converter 210 is controlled to maintain the actual power Pload by compensating for the power error. I can.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법은, 신재생에너지발전설비에서 생성된 교류와 계통의 상용전원(AC)을 정류기로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 수행될 수 있다. 상기 출력 안정화 방법은, 상기 계통에 연결되어 부하측 정보를 감지하는 센서로부터 정보를 입력받는 상기 DSP제어기를 통해 상기 Bi-dPCS의 상기 정류기의 상태를 모니터링하는 단계; 상기 DSP제어기를 통해 상기 정류기에서의 실제 전력(Pload)을 기준 전력(Pref)과 비교하는 단계; 및 상기 정류기에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 대해 상기 Bi-dPCS를 벅 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.In order to achieve one object of the present invention, a method for stabilizing the output of an energy storage system according to embodiments of the present invention includes DC generated by a renewable energy generation facility and a commercial power supply (AC) of the system rectified by a rectifier. A battery management system (BMS) that charges and converts power to a power storage device (PSS), but converts the charging power of the PSS into AC power and discharges it to a load by receiving a command from a DSP controller, and monitors and protects the PSS. A two-way power conversion device (Bi-dPCS, 200) that regulates charging and discharging of the PSS through communication control with the device; A lithium ion battery 410 and a plurality of supercapacitors 420 that charge DC power of the commercial power rectified with the new and renewable energy generation facility by the Bi-dPCS are connected in series and parallel to respond to the system load. A power storage device (PSS) 400 having a pack; It can be performed in an energy storage system including a DSP controller 600 for controlling the Bi-dPCS that regulates the charging/discharging and bidirectional power conversion of the PSS by sensing the system load. The output stabilization method includes: monitoring a state of the rectifier of the Bi-dPCS through the DSP controller that is connected to the system and receives information from a sensor that senses load-side information; Comparing the actual power (Pload) in the rectifier with the reference power (Pref) through the DSP controller; And in response to a power error between the actual power Pload and the reference power Pref, when overpower is detected in which the actual power Pload in the rectifier is greater than the reference power Pref. Bucking the Bi-dPCS.

본 발명에 따른 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법은, DC-커패시터의 상태를 실시간 모니터링하여 이상전압 발생시 슈퍼커패시터 에너지 저장장치의 벅동작을 통한 에너지를 저장을 통해 DC-커패시터의 출력을 안정화시킬 수 있다. 따라서, 에너지 저장 시스템의 신뢰성 및 전력 품질의 향상될 수 있다.The energy storage system and its output stabilization method according to the present invention can stabilize the output of the DC-capacitor by monitoring the state of the DC-capacitor in real time and storing energy through the buck operation of the supercapacitor energy storage device when an abnormal voltage occurs. have. Therefore, the reliability and power quality of the energy storage system can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 시스템에 포함된 에너지 저장 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 리튬이온배터리의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 슈퍼커패시터의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법을 나타내는 순서도이다.
1 is a block diagram illustrating a power system according to embodiments of the present invention.
2 is a circuit diagram showing an energy storage system included in the power system of FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram illustrating a process of controlling an operation of a lithium ion battery included in the energy storage system of FIG. 2.
4 is a diagram illustrating a process of controlling an operation of a supercapacitor included in the energy storage system of FIG. 2.
5 is a flowchart illustrating a method of stabilizing output of an energy storage system according to embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 따라서 앞서 설명한 참조 부호는 다른 도면에서도 사용할 수 있다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description have been omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification. Therefore, the reference numerals described above may also be used in other drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a power system according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 전력시스템(또는, 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템)은, 크게 신재생에너지발전설비(100), 양방향전력변환장치(Bi-d PCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200), 배터리관리장치(BMS, BatteryManagement System, 300), 전력저장장치(PSS, Power Storage System, 400), 계통측 전력변환장치(500) 및 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the power system (or, an energy storage system using a lithium-ion battery and a supercapacitor) is largely a renewable energy generation facility 100, a bidirectional power conversion device (Bi-d PCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200), battery management device (BMS, Battery Management System, 300), power storage device (PSS, Power Storage System, 400), grid-side power conversion device 500 and DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600). I can.

상기 신재생에너지발전설비(100)는, 태양광과 바람의 에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하는 수단으로서, 상기 태양광발전설비에서 생산되는 전력은 직류(DC)이므로 배터리와 같은 저장장치로 그대로 충전이 가능하지만, 풍력발전설비에서 생산되는 전기는 직류기보다는 대부분의 교류기이므로 저장장치로 충전하기 위해서는 직류(DC)로 변환시켜야 한다. 그리고 상기 저장장치로 저장된 직류는 직류부하를 제외한 나머지 부하로 공급하기 위해서는 교류(AC)로 변환하는 과정을 거쳐야 한다. 그리고 태양광발전에 반해 풍력발전의 경우 풍속에 따라 급격한 출력변동이 일어나기 때문에 고성능 슈퍼커패시터를 활용한 저장장치로 충전하게 된다.The renewable energy generation facility 100 is a means for generating electric energy using energy of sunlight and wind, and the power produced by the photovoltaic power generation facility is direct current (DC), so it is used as a storage device such as a battery. Although charging is possible, electricity produced by wind power generation facilities is mostly alternating current rather than direct current, so it must be converted to direct current (DC) to charge it with a storage device. In addition, in order to supply the DC stored in the storage device to the other loads excluding the DC load, it must be converted into AC (AC). In contrast to solar power generation, wind power generation is charged with a storage device using a high-performance supercapacitor because the output changes rapidly according to wind speed.

상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200)는, 상기 전력저장장치(400)에 저장된 전기 에너지를 상용전력으로 만들기 위하여 전력 변환 효율을 저하시키지 않도록 상기 전력저장장치의 출력(DC전력)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 AC로 변환 또는 계통의 전력(AC)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 DC로 정류하는 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 계통의 상용전원(AC)을 정류기(또는, DC-커패시터)로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS, 400)로 충전하고 직류와 교류간의 전력을 변환시킨다. 이때 DSP제어기(600)의 명령을 받아 상기 PSS(400)의 충전전력을 AC전력으로 직접 변환시켜 부하로 방전시킨다. The bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200), in order to convert the electric energy stored in the power storage device 400 into commercial power, the output of the power storage device ( DC power) is directly converted from the Bi-dPCS to AC or the power of the system (AC) is directly rectified from the Bi-dPCS to DC, and the renewable energy generation facility 100 and the commercial power supply of the system (AC ) Is rectified with a rectifier (or DC-capacitor) and charged with a power storage device (PSS, 400), and the power between DC and AC is converted. At this time, receiving a command from the DSP controller 600 directly converts the charging power of the PSS 400 into AC power and discharges it to the load.

또한, 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 PSS(400)를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS, 300)과의 통신제어를 수행하여 상기 BMS에서 제공되는 충전상태(SOC) 및 전압 정보를 이용하여 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전을 단속하게 된다.In addition, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) performs communication control with the battery management system (BMS, 300) that monitors and protects the PSS (400) to provide a state of charge (SOC) provided by the BMS. And the charging and discharging of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS are regulated using the voltage information.

실시예들에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 계통(예를 들어, 상용전원)에서 공급되는 AC전력을 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)로 충전하기 위해 직접 DC전력으로 변환하기 위한 정류기(또는, DC-커패시터)를 포함할 수 있다.In embodiments, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the AC power supplied from the system (for example, commercial power), the lithium ion battery 410 of the PSS (400) and a supercapacitor ( It may include a rectifier (or DC-capacitor) for directly converting into DC power for charging with 420).

상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에서 방전되는 DC전력을 부하로 공급하기 위해 직접 AC전력으로 변환하기 위한 3-레벨 인버터(3-Level Inverter)가 구비되어 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 내장될 수 있다.The bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) is for directly converting into AC power to supply DC power discharged from the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS 400 to a load. A three-level inverter (3-Level Inverter) is provided and can be built into the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200).

참고로, 상기 양방향전력변환장치(BidPCS, 200)는, 태양광발전 또는 풍력발전 등의 신재생에너지발전설비(100)로부터 생산된 전력은 직류형태로 띠고 있다. 이 전력을 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)나 슈퍼커패시터(420)에 저장할 때는 직류로 저장을 해야 하는데, 문제는 직류형태의 전력을 그 상태로 계통부하에 공급하는 것은 불가능하다. 따라서, 직류(DC)형태의 전력을 교류(AC) 전력으로 변환시키기 위해서는 전력변환장치(PCS)가 필요하다. 또한, 계통전력(상용전력)을 전력저장장치(PSS, 400)로 저장할 경우에는 직류형태의 전력으로 변환시키는 전력변환장치(PCS)나 정류기가 요구된다.For reference, in the bidirectional power conversion device (BidPCS, 200), the power produced from the renewable energy generation facility 100 such as solar power generation or wind power generation is in the form of direct current. When this power is stored in the lithium ion battery 410 or the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400), it must be stored in direct current, but the problem is that supplying direct current type power to the system load in that state impossible. Therefore, in order to convert direct current (DC) type power into alternating current (AC) power, a power converter (PCS) is required. In addition, when the system power (commercial power) is stored in a power storage device (PSS, 400), a power conversion device (PCS) or a rectifier that converts power to DC power is required.

이와 같이 신재생에너지발전설비(100)와 계통(상용전원)이 연계할 경우, 직류(DC)를 교류(AC)로, 교류(AC)를 직류(DC)로 상호 변환이 가능한 전력변환장치(PCS)가 요구되는데, 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200)를 독창적으로 구현하였다.In this way, when the renewable energy generation facility 100 and the system (commercial power supply) are connected, a power conversion device capable of converting direct current (DC) into alternating current (AC) and alternating current (AC) into direct current (DC) ( PCS) is required, and a bidirectional power conversion device (Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200) was originally implemented.

한편, 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전에 따른 수명을 연장하기 위해서는, 전력저장장치(PSS, 400)의 충전상태(SOC, State of Charge)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. 또한, 충전상태(SOC)가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬 이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 열화가 빠르게 진행되는데, 적절한 SOC의 범위는 반복 실험을 통해 알 수 있다. 또한, 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 셀을 과방전 시켜주면 구성부품이 열화되어 회복 불능상태가 된다. 그리고 충전 전압도 한계치를 넘어 충전하게 되면 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화되고 만다. 이러한 문제점을 극복시켜 주는 것이 후술되는 배터리관리장치(BMS, 300)가 분담하게 된다.Meanwhile, in order to extend the life of the lithium ion battery 410 and supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400) due to charging and discharging, the state of charge (SOC, State) of the power storage device (PSS, 400) of Charge) is important to keep constant. In addition, if the state of charge (SOC) continues to be too low or high, the deterioration of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400) is faster than when the SOC is maintained at an intermediate level. It proceeds, and the appropriate SOC range can be known through repeated experiments. In addition, if the cells of the lithium-ion battery 410 and the supercapacitor 420 are over-discharged, the component parts are deteriorated and the cells become unrecoverable. In addition, when the charging voltage is also charged beyond the threshold, the cells of the lithium-ion battery 410 and the supercapacitor 420 are overheated to change into an irreversible structure. To overcome this problem, the battery management device (BMS, 300), which will be described later, is shared.

일 실시예에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)의 상위 제어기인 전력관리시스템(PMS, Power Management System)이나 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 중에서 어느 하나가 선택된 전류지령에 의해 양방향전력변환제어가 가능하도록 구성할 수 있다.In one embodiment, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) is a power management system (PMS, Power Management System) or an energy management system (EMS), which is an upper controller of the DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600). , Energy Management System) can be configured to enable bidirectional power conversion control by a selected current command.

일 실시예에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 전류제어를 수행하여 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)에 직류 전력을 충전하며, 상위 제어기의 전류지령을 입력받아 정전력으로 충전하는 정전력 제어, 즉 직류 전력을 일정하게 보존하는 전력변환장치의 제어 방식으로 지원이 가능하도록 구성할 수 있다.In one embodiment, the bidirectional power conversion device (Bi-dPCS, 200) charges DC power in the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device 400 by performing current control, It can be configured to be supported by a constant power control that receives a current command from a host controller and charges it with constant power, that is, a control method of a power conversion device that constantly preserves DC power.

상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는, 전력저장장치(400)와 함께 설치되어 같은 단자 (P+ 및 P-)로 충전 및 방전이 이루어지며, 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 수단으로, 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태를 감시하고, 이를 보호하기 위한 보호회로를 내장하여 상기 전력저장장치를 보호하며, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신을 통해 상기 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태 및 동작 정보를 PC모니터로 전달하게 된다.The battery management device (BMS, Battery Management System, 300) is installed together with the power storage device 400 to charge and discharge through the same terminals (P+ and P-), and through communication control with the Bi-dPCS. As a means for maintaining the balance of each PSS cell and stopping charging when the input voltage falls below a certain value, the lithium ion battery 410 of the power storage device (PSS, 400) and The power storage device is protected by monitoring the state of each cell of the supercapacitor 420 and a protection circuit to protect it, and the power storage device through communication with the Bi-dPCS 200 ( The state and operation information of each cell of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of 400) is transmitted to the PC monitor.

또한, 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 효율적인 운영을 위해 계측적인 구조로 구성되며, 전체 전력저장장치를 감시ㆍ보호하는 시스템 BMS와 저장장치 모듈 및 개별 저장장치 셀(Cell)을 감시ㆍ보호하는 모듈 BMS 등으로 구성할 수 있다.In addition, the battery management device (BMS, 300) is composed of a measurement structure for efficient operation, and a system BMS that monitors and protects the entire power storage device, a storage device module, and an individual storage device cell. It can be composed of a module to protect BMS, etc.

또한, 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신(프로토콜 오픈)을 수행하여 각 셀의 최소, 평균, 최대 전압과 온도, 에너지 저장 시스템의 전체 전압, 동작 상태에 대한 정보 및 충전상태(SOC), 잔존수명(SOH, State of Health)을 취합 및 연산하여 인터페이스를 통한 외부 장치(혹은 PC)로 전달하도록 구성된다.In addition, the battery management device (BMS, 300) communicates (protocol open) with the Bi-dPCS 200 to determine the minimum, average, and maximum voltage and temperature of each cell, the total voltage of the energy storage system, and the operation state. It is configured to collect and calculate information about the state of charge (SOC), and the remaining life (SOH, State of Health), and transmit it to an external device (or PC) through the interface.

즉, 상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 열에 의한 각 셀(Cell)을 균등하게 냉각시켜 동일한 성능 구현이 가능하도록 열관리를 제어하며, 두 번째로 각 셀(Cell)의 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하여주는 충전상태(SOC) 제어로 나눌 수 있다. 이러한 두 가지 제어모드는, 리튬이온배터리(Li-ion Battery)의 단일 셀의 정격 전압은 3.6V, 충전 전압은 4.2V이므로, 리튬이온배터리를 직렬로 접속하여 수백볼트가 넘는 전압을 발생시켜 준다. 여러 개의 셀을 직렬로 접속하는 경우 그 중에서 어느 한 개의 셀이라도 고장이 나거나 열화 되면 배터리 팩 전체가 영향을 받는다. 따라서 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 EV(Electric Vehicle)에 적용되는 BMS는 개개의 셀에 대한 과충전, 과방전, 과열을 막고 이들의 수명을 최적화시켜주는 기능을 갖도록 모든 셀 은 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스(Cell Balance)가 요구되기 때문이다. 또한, BMS는 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링 하여 최적의 상태로 유지 관리하여 주며, 시스템의 안정화를 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 하여 준다. 배터리의 충ㆍ방전 시 과충전 및 과방전을 보호하고, 셀(Cell)간의 전압을 균일하게 하여줌으로써, 에너지 효율 및 배터리의 수명을 연장하여준다. 그리고 데이터의 보전 및 시스템을 진단하여 경보관련 이력상태의 저장 및 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 진단이 가능하다. 이러한 BMS의 기능은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 모두 적용되도록 구성된다.That is, the battery management system (BMS, Battery Management System, 300) can be largely divided into two. First, heat management is controlled so that each cell is cooled evenly by heat to realize the same performance, and secondly, the state of charge that determines the state of each cell and operates at the optimum efficiency point ( It can be divided into SOC) control. In these two control modes, the rated voltage of a single cell of a Li-ion battery is 3.6V and the charging voltage is 4.2V, so lithium-ion batteries are connected in series to generate voltages exceeding several hundred volts. . When several cells are connected in series, if any one of them fails or deteriorates, the entire battery pack is affected. Therefore, BMS applied to HEV (Hybrid Electric Vehicle) or EV (Electric Vehicle) prevents overcharging, overdischarging, and overheating of individual cells and optimizes their lifespan so that all cells are always in an equal state of charge. This is because a cell balance that maintains is required. In addition, BMS monitors the voltage, current and temperature of the system and maintains it in an optimal state, and provides alarms and precautionary safety precautions for system stabilization. It protects overcharge and overdischarge during charging and discharging of a battery, and extends energy efficiency and battery life by making the voltage between cells uniform. In addition, by preserving data and diagnosing the system, it is possible to save and diagnose alarm-related history status through diagnosis system or monitoring PC. This BMS function is configured to be applied to both the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 according to an embodiment of the present invention.

상기 계통측전력변환장치(500)는, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)에 충전된 DC전력을 부하로 공급하기 위해 AC전력으로 변환하기 위한 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)에서 공급되는 DC전력을 부하에 공급하기 위하여 AC전력으로 변환한다. The grid-side power conversion device 500 uses the DC power charged in the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the renewable energy generation facility 100 and the power storage device (PSS, 400) as a load. As a means for converting into AC power to supply, DC power supplied from the renewable energy generation facility 100 is converted into AC power to supply the load to the load.

또한, 계통측전력변환장치(500)는, 3상3-레벨 인버터(3-Level Inverter)를 적용하고 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 적용할 수 있다.In addition, the grid-side power conversion device 500 may apply a three-phase 3-level inverter and a PWM (Pulse Width Modulation) control method.

상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)는, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)의 동작 및 전력변환을 제어하기 위한 수단으로, 상기 DSP제어기(600)는 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 부하측 정보를 감지하는 센서(IoT)의 정보를 입력받아 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 충ㆍ방전 및 직류와 교류 상호간의 양방향 전력을 변환시키도록 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어하게 된다.The DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600) is a means for controlling the operation and power conversion of the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the DSP controller 600 is the system-side power conversion device A two-way power conversion device that receives information from a sensor (IoT) that detects load-side information connected to the 500 and regulates charging and discharging of the power storage device (PSS, 400) and converting bidirectional power between DC and AC. (Bi-dPCS, 200) is controlled.

상기 DSP제어기(600)는, 먼저 접속반(110)으로 인입되는 신재생에너지발전설비(100)의 직류전원과 계통(상용전원)과 정류기(또는, DC-커패시터)를 통한 직류전원에 대한 신호를 입력받아 상기 접속반(110)과 연결된 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 충전을 하도록 제어명령을 하달한다. 이때 상기 DSP제어기(600)의 명령을 하달 받은 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는 접속반(110)과 연결된 직류전원과 정류기를 통과한 직류전원을 상기 전력저장장치의 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터 각각으로 스위칭 연결시켜 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터에서 충전을 하도록 한다.The DSP controller 600 is a signal for DC power through a DC power supply and a grid (commercial power supply) and a rectifier (or DC-capacitor) of the renewable energy generation facility 100, which is first introduced into the connection panel 110. The bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) connected to the connection panel 110 to charge the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400) by receiving Gives a control command. At this time, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) receiving the command from the DSP controller 600 transfers the DC power connected to the connection panel 110 and the DC power passing through the rectifier to the lithium ion battery of the power storage device. Switch and connect to each of the supercapacitors to charge the lithium-ion battery and supercapacitor.

또한, 상기 DSP제어기(600)는, 계통부하에 AC전력을 공급하는 계통측전력변환장치(500)와 연결된 전등부하와 같은 통상의 일반부하를 감지하는 센서(Iot)의 신호를 전송 받아 상기 전력 저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 충전된 충전전력을 부하로 공급하도록 제어명령을 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하달한다. 이때 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 센서(Iot)의 신호가 일반부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)에 충전된 DC전력을 상기 Bi-dPCS(200)를 통해 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어한다.In addition, the DSP controller 600 receives a signal from a sensor (Iot) that detects a normal general load such as a light load connected to the grid-side power conversion device 500 that supplies AC power to the grid load and receives the power. A control command is given to the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) to supply the charged power charged in the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the storage device (PSS, 400) to the load. At this time, when the signal of the sensor Iot connected to the system-side power conversion device 500 is a general load, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) causes the lithium ion battery of the power storage device (PSS, 400). The DC power charged in 410 is directly converted to AC power through the Bi-dPCS 200 and supplied to a load or the system side power conversion device 500 is controlled to be supplied.

그리고 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 센서(Iot)의 신호가 급속부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 슈퍼커패시터(420)에 충전된 DC전력을 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어하게 된다.And when the signal of the sensor Iot connected to the system-side power conversion device 500 is a rapid load, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) causes the supercapacitor of the power storage device (PSS, 400) ( The DC power charged in the 420 is directly converted into AC power and supplied to a load or controlled to be supplied to the system-side power conversion device 500.

실시예들에서, 상기 DSP제어기(600)는 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하여 부하 변동에 의한 이상 전압 발생시 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 통해 상기 슈퍼커패시터(420)를 충전시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)(또는, 지령 전력, 목표 전력)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 DSP제어기(600)는 실제 전력(Pload) 및 기준 전력(Pref) 간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터(420)에 전압을 충전하도록 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어할 수 있다. 이를 통해, DC-커패시터의 전압 크기가 일정한 레벨로 유지될 수 있다.In embodiments, the DSP controller 600 monitors the state of the DC-capacitor of the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), and when an abnormal voltage occurs due to a load change, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS) , 200) may be used to charge the supercapacitor 420. For example, when overpower is detected in which the actual power (Pload) of the DC-capacitor is greater than the reference power (Pref) (or, the command power, the target power), the DSP controller 600 performs the actual power (Pload). In response to a power error between) and the reference power Pref, the bidirectional power conversion device (Bi-dPCS, 200) may be controlled to charge a voltage in the supercapacitor 420. Through this, the voltage level of the DC-capacitor can be maintained at a constant level.

도 2는 도 1의 전력 시스템에 포함된 에너지 저장 시스템을 나타내는 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an energy storage system included in the power system of FIG. 1.

도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템은 DSP제어기(600), 전력저장장치(400)(즉, 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)), 및 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the energy storage system includes a DSP controller 600, a power storage device 400 (that is, a lithium ion battery 410 and a supercapacitor 420), and a bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200). ) Can be included.

양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는 배터리 컨버터(410)(또는, 제1 컨버터) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220)(또는, 제2 컨버터)를 포함할 수 있다. 배터리 컨버터(210)는 DC-커패시터(C) 및 상기 리튬이온배터리(410) 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리(410)의 충ㆍ방전을 단속할 수 있다. 유사하게, 슈퍼커패시터 컨버터(220)는 상기 DC-커패시터(C) 및 상기 슈퍼커패시터(420) 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전을 단속할 수 있다. 배터리 컨버터(410) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이, 하프 브릿지(half-bridge) 컨버터로 구현될 수 있다.The bi-directional power conversion device (Bi-dPCS) 200 may include a battery converter 410 (or a first converter) and a supercapacitor converter 220 (or a second converter). The battery converter 210 may be connected between the DC-capacitor C and the lithium ion battery 410 to regulate charging and discharging of the lithium ion battery 410. Similarly, the supercapacitor converter 220 may be connected between the DC-capacitor (C) and the supercapacitor 420 to regulate charging/discharging of the supercapacitor 420. Each of the battery converter 410 and the supercapacitor converter 220 may be implemented as a half-bridge converter, as shown in FIG. 2.

DSP제어기(600)는 복수의 센서들을 통해 감지된 전류/전압 정보들에 기초하여 리튬이온배터리(410)에 대한 전력 지령(Pdc_ref)(또는, 지령 전력, 기준 전력, 목표 전력)과, 슈퍼커패시터(420)에 대한 전류 지령(Isc_ref)(또는, 충전 지령)을 생성할 수 있다. 여기서, 전류/전압 정보들은 배터리 전압(Vdc), 배터리 출력 전류(Idc), DC-커패시터(C)의 전압(Vdc)(즉, 부하측 전압), 슈퍼커패시터 전압(Vsc) 및 슈퍼커패시터 출력 전류(Isc)를 포함할 수 있다.The DSP controller 600 includes a power command (Pdc_ref) (or command power, reference power, target power) for the lithium-ion battery 410 based on current/voltage information sensed through a plurality of sensors, and a supercapacitor. A current command (Isc_ref) (or a charging command) for 420 may be generated. Here, the current/voltage information includes the battery voltage (Vdc), the battery output current (Idc), the voltage of the DC-capacitor (C) (Vdc) (i.e., the load-side voltage), the supercapacitor voltage (Vsc), and the supercapacitor output current ( Isc) may be included.

실시예들에서, 상기 DSP제어기(600)는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 벅 동작시킬 수 있다.In embodiments, the DSP controller 600 may calculate a power error between the reference power Pref and the actual power Pload, and operate the supercapacitor converter 220 buck in response to the power error.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.For example, the DSP controller 600, when the actual power (Pload) is greater than the reference power (Pref) is detected, the super capacitor to charge a voltage in response to the power error. The capacitor converter 220 can be controlled. In addition, the DSP controller 600, when the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), compensates for the power error to maintain the actual power (Pload) to be constant. Can be controlled.

도 3은 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 리튬이온배터리의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 4는 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 슈퍼커패시터의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating a process of controlling an operation of a lithium ion battery included in the energy storage system of FIG. 2. 4 is a diagram illustrating a process of controlling an operation of a supercapacitor included in the energy storage system of FIG. 2.

먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 DSP제어기(600)는, 부하측의 전력 정보(Pload) 및 전력 지령(Pdc_ref)(또는, 기준 전력)을 비교하여 전력 오차를 산출하고, 전력 오차만큼 PI(비례적분) 제어기를 통해 리튬이온배터리(410)의 출력을 보상 또는 제어할 수 있다.First, referring to FIGS. 2 and 3, the DSP controller 600 calculates a power error by comparing the power information (Pload) of the load side and the power command (Pdc_ref) (or reference power), and calculates a power error as much as the power error. The output of the lithium ion battery 410 may be compensated or controlled through a (proportional integral) controller.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)(또는, 배터리 제어기(610))는, 리튬이온배터리(410)의 전압(Vdc) 및 전류(Idc)에 기초하여 공급 전력(Pdc)(또는, 부하측의 전력 정보(Pload))을 산출하고, 전력 지령(Pdc_ref) 및 공급 전력(Pdc)을 차연산하여 전력 오차를 산출하며, PI 제어기(PI)를 통해 전력 오차에 대응하는 전류 지령(Idc_ref)을 생성하고, 전류 지령(Idc_ref)과 전류 정보(Idc)를 차연산하고 PI 제어기를 통해 전력 오차를 보상하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어신호는 펄스폭변조(PWM)를 통해 배터리 컨버터(410)에 제공되고, 제어신호에 응답한 배터리 컨버터(410)의 동작에 따라, DC-커패시터 단에서의 전력이 일정하게 유지될 수 있다.For example, the DSP controller 600 (or the battery controller 610) is based on the voltage (Vdc) and current (Idc) of the lithium-ion battery 410, the supply power (Pdc) (or, the load side Power information (Pload)) is calculated, the power command (Pdc_ref) and the supplied power (Pdc) are differentially calculated to calculate the power error, and the current command (Idc_ref) corresponding to the power error is generated through the PI controller (PI). In addition, the current command (Idc_ref) and the current information (Idc) may be differentially calculated, and a control signal for compensating the power error may be generated through the PI controller. The control signal is provided to the battery converter 410 through pulse width modulation (PWM), and according to the operation of the battery converter 410 in response to the control signal, power at the DC-capacitor terminal may be kept constant.

도 4을 참조하면, 상기 DSP제어기(600)는, 지령 전력(Pdc_ref)(또는, 기준 전력, 전력 지령) 및 실제 전력(Pload)을 비교하여 전력 오차를 산출하고, 전력 오차만큼 전류 제어기를 통해 슈퍼커패시터(420)에 전압을 충전할 수 있다.4, the DSP controller 600 calculates a power error by comparing the command power (Pdc_ref) (or, the reference power, the power command) and the actual power (Pload), and calculates a power error as much as the power error through the current controller. A voltage may be charged in the supercapacitor 420.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)(또는, 슈퍼커패시터 제어기(620))는, 지령 전력(Pdc_ref)(또는, 기준 전력, 전력 지령)으로부터 실제 전력(Pload)을 차연산하여 전력 오차를 산출하고, PI 제어기(PI)를 통해 전력 오차에 대응하는 전류 지령(Idc_ref)을 생성하며, 전류 지령(Idc_ref)과 출력 전류(Isc)를 차연산하고 PI 제어기를 통해 전력 오차를 보상하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어신호는 펄스폭변조(PWM)를 통해 슈퍼커패시터 컨버터(220)에 제공되고, 제어신호에 응답한 슈퍼커패시터 컨버터(220)의 동작(예를 들어, 도 2에 도시된, 슈퍼커패시터 컨버터(220)의 제1 스위치(S1)에 대한 스위칭 동작)에 따라, DC-커패시터 단에서의 전압이 일정 레벨로 유지될 수 있다.For example, the DSP controller 600 (or supercapacitor controller 620) calculates a power error by calculating the actual power (Pload) from the command power (Pdc_ref) (or reference power, power command). It generates a current command (Idc_ref) corresponding to the power error through the PI controller (PI), calculates the difference between the current command (Idc_ref) and the output current (Isc), and compensates the power error through the PI controller. Can be created. The control signal is provided to the supercapacitor converter 220 through pulse width modulation (PWM), and the operation of the supercapacitor converter 220 in response to the control signal (for example, the supercapacitor converter 220 shown in FIG. ) Of the first switch S1), the voltage at the DC-capacitor terminal may be maintained at a predetermined level.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.For example, the DSP controller 600, when the actual power (Pload) is greater than the reference power (Pref) is detected, the super capacitor to charge a voltage in response to the power error. The capacitor converter 220 can be controlled. In addition, the DSP controller 600, when the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), compensates for the power error to maintain the actual power (Pload) to be constant. Can be controlled.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템은, 실제 전력(Pload)(또는, DC-커패시터의 상태)를 실시간으로 모니터링하여, 부하의 변동으로 인해 발생하는 이상전압에 대해 슈퍼커패시터(420)의 벅동작을 통해 DC-커패시터의 출력을 안정화시킬 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어함으로써, DC-커패시터의 전압을 일정 레벨로 유지시킬 수 있다.As described with reference to FIGS. 3 and 4, the energy storage system according to embodiments of the present invention monitors actual power (Pload) (or the state of the DC-capacitor) in real time, and The output of the DC-capacitor may be stabilized through the buck operation of the supercapacitor 420 for the generated abnormal voltage. In particular, the energy storage system, the supercapacitor converter 220 to charge a voltage in the supercapacitor in response to the power error when an overpower having the actual power Pload greater than the reference power Pref is detected. By controlling the DC-capacitor, the voltage of the DC-capacitor can be maintained at a certain level.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법을 나타내는 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of stabilizing output of an energy storage system according to embodiments of the present invention.

도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 도 5의 방법은 도 1의 전력 시스템(또는, 도 2의 에너지 저장 시스템)에서 수행될 수 있다.1, 2 and 5, the method of FIG. 5 may be performed in the power system of FIG. 1 (or the energy storage system of FIG. 2 ).

도 5의 방법은 DSP제어기(600)를 통해 Bi-dPCS(200)의 DC-커패시터의 상태를 모니터링할 수 있다(S510). 예를 들어, 도 5의 방법은, 별도의 센서를 통해 수신된 전류/전압 정보를 통해 DC-커패시터의 전압 변동을 모니터링하며, 부하 변동에 기인한 이상 전압의 발생을 확인할 수 있다.The method of FIG. 5 may monitor the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS 200 through the DSP controller 600 (S510). For example, the method of FIG. 5 monitors the voltage fluctuation of the DC-capacitor through current/voltage information received through a separate sensor, and it is possible to check the occurrence of an abnormal voltage caused by the load fluctuation.

도 5의 방법은, 상기 DSP제어기(600)를 통해 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)과 비교할 수 있다(S520). 예를 들어, 도 5의 방법은, 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰지 여부를 판단할 수 있다.In the method of FIG. 5, the actual power Pload of the DC-capacitor may be compared with the reference power Pref through the DSP controller 600 (S520). For example, the method of FIG. 5 may determine whether the actual power Pload is greater than the reference power Pref.

상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 도 5의 방법은, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터(420)에 대해 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)(또는, 슈퍼커패시터 컨버터(220))를 벅 동작시킬 수 있다(S530).When an overpower in which the actual power Pload in the DC-capacitor is greater than the reference power Pref is detected, the method of FIG. 5 corresponds to a power error between the actual power Pload and the reference power Pref. Thus, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS) 200 (or the supercapacitor converter 220) may be bucked with respect to the supercapacitor 420 (S530).

이와 달리, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 도 5의 방법은, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다(S540).In contrast, when the actual power Pload is less than the reference power Pref, the method of FIG. 5 controls the battery converter 210 to maintain the actual power Pload by compensating for the power error. It can be done (S540).

배터리 컨버터(210) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하는 과정에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 반복하지 않기로 한다.Since the process of controlling the battery converter 210 and the supercapacitor converter 220 is substantially the same as that described with reference to FIGS. 2 to 4, duplicate descriptions will not be repeated.

도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법은, 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하고, 또한, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다. 따라서, DC-커패시터의 전압을 일정 레벨로 유지될 수 있다.As described with reference to FIG. 5, in the method for stabilizing the output of the energy storage system according to embodiments of the present invention, when an overpower having an actual power Pload greater than the reference power Pref is detected, the power error In response to the control of the supercapacitor converter 220 to charge a voltage to the supercapacitor, and, when the actual power Pload is less than the reference power Pref, the power error is compensated for the actual power ( The battery converter 210 may be controlled so that Pload) is kept constant. Therefore, the voltage of the DC-capacitor can be maintained at a certain level.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The drawings referenced so far and the detailed description of the invention described are merely illustrative of the present invention, which are used only for the purpose of describing the present invention, but are used to limit the meaning or the scope of the invention described in the claims. It is not. Therefore, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 신재생에너지발전설비
110: 접속반
200: 양방향전력변환장치(Bi-dPCS)
210: 배터리 컨버터
220: 슈퍼커패시터 컨버터
300: 배터리관리장치(BMS)
400: 전력저장장치(PSS)
410: 리튬이온배터리
420: 슈퍼커패시터
500: 계통측전력변환장치
600: DSP제어기
100: Renewable energy generation facility
110: access panel
200: Bi-directional power conversion device (Bi-dPCS)
210: battery converter
220: supercapacitor converter
300: battery management device (BMS)
400: power storage device (PSS)
410: lithium-ion battery
420: supercapacitor
500: grid-side power conversion device
600: DSP controller

Claims (4)

신재생에너지발전설비에서 생성된 교류와 계통의 상용전원(AC)을 정류기로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와;
상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와;
상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와;
계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하고,
상기 DSP제어기는 상기 계통에 연결되어 부하측 정보를 감지하는 센서로부터 정보를 입력받아 상기 Bi-dPCS의 상기 정류기의 상태를 모니터링하여 이상 전압 발생시 상기 Bi-dPCS를 통해 상기 슈퍼커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
The AC generated in the renewable energy generation facility and the DC power obtained by rectifying the commercial power (AC) of the system with a rectifier are charged and converted into a power storage device (PSS), but the charging power of the PSS is converted by receiving a command from the DSP controller A two-way power conversion device (Bi-dPCS, 200) that regulates charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that converts into AC power and discharges it as a load, and monitors and protects the PSS. ;
A battery management device (BMS, 300) serving as a protection for maintaining a balance of each PSS cell through communication control with the Bi-dPCS and stopping charging when an input voltage falls below a predetermined value;
A number of lithium-ion batteries 410 and supercapacitors 420 that charge DC power of the commercial power rectified with the new and renewable energy generation facility by the Bi-dPCS and BMS are connected in series and in parallel to correspond to the system load. A power storage device (PSS) 400 having one pack;
Including a DSP controller 600 for controlling the Bi-dPCS for controlling the charging/discharging and bidirectional power conversion of the PSS by sensing the system load,
The DSP controller is connected to the system and receives information from a sensor that senses load-side information, monitors the state of the rectifier of the Bi-dPCS, and charges the supercapacitor through the Bi-dPCS when an abnormal voltage occurs. Energy storage system.
제1 항에 있어서, 상기 Bi-dPCS는.
상기 정류기 및 상기 리튬이온배터리 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리의 충ㆍ방전을 단속하는 배터리 컨버터(210); 및
상기 정류기 및 상기 슈퍼커패시터 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터의 충ㆍ방전을 단속하는 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 포함하고,
상기 DSP제어기는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
The method of claim 1, wherein the Bi-dPCS is.
A battery converter 210 connected between the rectifier and the lithium ion battery to regulate charging and discharging of the lithium ion battery; And
A supercapacitor converter 220 connected between the rectifier and the supercapacitor to regulate charging and discharging of the supercapacitor,
The DSP controller calculates a power error between the reference power Pref and the actual power Pload, and when overpower having the actual power Pload greater than the reference power Pref is detected, And controlling the supercapacitor converter 220 to charge the supercapacitor with a voltage.
제2 항에 있어서, 상기 DSP제어기는,
상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
The method of claim 2, wherein the DSP controller,
When the actual power Pload is less than the reference power Pref, the battery converter 210 is controlled to maintain the actual power Pload by compensating for the power error.
신재생에너지발전설비에서 생성된 교류와 계통의 상용전원(AC)을 정류기로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서,
상기 계통에 연결되어 부하측 정보를 감지하는 센서로부터 정보를 입력받는 상기 DSP제어기를 통해 상기 Bi-dPCS의 상기 정류기의 상태를 모니터링하는 단계;
상기 DSP제어기를 통해 상기 정류기에서의 실제 전력(Pload)을 기준 전력(Pref)과 비교하는 단계; 및
상기 정류기에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 대해 상기 Bi-dPCS를 벅 동작시키는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법.
The AC generated in the renewable energy generation facility and the DC power obtained by rectifying the commercial power (AC) of the system with a rectifier are charged and converted into a power storage device (PSS), but the charging power of the PSS is converted by receiving a command from the DSP controller A two-way power conversion device (Bi-dPCS, 200) that regulates charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that converts into AC power and discharges it as a load, and monitors and protects the PSS. ; A lithium ion battery 410 and a plurality of supercapacitors 420 that charge DC power of the commercial power rectified with the new and renewable energy generation facility by the Bi-dPCS are connected in series and parallel to respond to the system load. A power storage device (PSS) 400 having a pack; In an energy storage system including a DSP controller 600 for controlling the Bi-dPCS that regulates the charging/discharging and bidirectional power conversion of the PSS by detecting the system load,
Monitoring a state of the rectifier of the Bi-dPCS through the DSP controller that is connected to the system and receives information from a sensor that senses load-side information;
Comparing the actual power (Pload) in the rectifier with the reference power (Pref) through the DSP controller; And
When an overpower in which the actual power Pload in the rectifier is greater than the reference power Pref is detected, the Bi for the supercapacitor in response to a power error between the actual power Pload and the reference power Pref A method of stabilizing the output of an energy storage system, comprising buck operating -dPCS.
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