KR102217306B1 - 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102217306B1
KR102217306B1 KR1020200105228A KR20200105228A KR102217306B1 KR 102217306 B1 KR102217306 B1 KR 102217306B1 KR 1020200105228 A KR1020200105228 A KR 1020200105228A KR 20200105228 A KR20200105228 A KR 20200105228A KR 102217306 B1 KR102217306 B1 KR 102217306B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
ess
switch
battery
battery module
Prior art date
Application number
KR1020200105228A
Other languages
English (en)
Inventor
양희원
정광일
문용희
정동길
Original Assignee
주식회사 이엘티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 이엘티 filed Critical 주식회사 이엘티
Priority to KR1020200105228A priority Critical patent/KR102217306B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102217306B1 publication Critical patent/KR102217306B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H01M10/465—Accumulators structurally combined with charging apparatus with solar battery as charging system
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048—Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H02S40/32—Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S320/00—Electricity: battery or capacitor charging or discharging
    • Y10S320/18—Indicator or display
    • Y10S320/21—State of charge of battery

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 하이브리드 확장형 ESS 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한전 전력망으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 전력을 전달하는 확장형 ESS에 있어서, 상기 확장형 ESS는 태양광 발전기; 한전 전력망으로부터 공급받거나 상기 태양광 발전기로부터 발전된 전력을 배터리 모듈부에 저장하거나 방전하여 분산형 부하에 전력을 전달하는 ESS; 울트라캐패시터가 직병렬로 연결되어 상기 태양광 발전기에 의해 전력발생시에 우선적으로 충전되되, 충전완료될 경우 충전될 전력을 상기 ESS에 전달하는 울트라캐패시터팩;상기 태양광 발전기로부터 발전된 DC 전력을 상기 울트라캐패시터팩에 대응되는 전압 및 전류로 변환하거나 상기 울트라캐패시터팩으로부터 방전되는 전력을 상기 ESS에 대응되는 전압 및 전류로 변환하는 양방향 전력변환기; 상기 한전 전력망으로부터 전달되는 DC 전력을 상기 ESS에 전달하거나 분산형 부하에 전력을 공급하되, 상기 ESS에 저장된 전력 또는 상기 태양광 발전기에 의해 발전되는 잉여 전력을 공급받아 한전 전력망으로 연계 송출하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 한전전력망 사이에 양방향으로 전달되는 전력량을 계량하는 DC 전력계; 상기 한전 전력망과 DC 전력계 사이에 설치되어 한전 전력망으로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 정류하거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 ESS로부터 전달되는 DC 전력을 상용 AC 전력으로 변환하는 인터링크 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터 또는 ESS 또는 상기 태양광 발전부으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 대응하는 AC 전력으로 변환하여 전달하는 인버터; 및 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS와 울트라캐패시터팩 충전 모드; 울트라캐패시터팩 방전 모드; 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드; 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드; ESS에 의한 부하 전력 전달 모드; 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드; 태양광 발전 계통 연계 모드; 및 ESS 계통 연계 모드로 구성된 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

하이브리드 확장형 ESS 및 그 제어방법{Hybrid Extended ESS And Its Control Method}
본 발명은 하이브리드 확장형 ESS 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한전 전력망으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 전력을 전달하는 확장형 ESS에 있어서, 상기 확장형 ESS는 태양광 발전기; 한전 전력망으로부터 공급받거나 상기 태양광 발전기로부터 발전된 전력을 배터리 모듈부에 저장하거나 방전하여 분산형 부하에 전력을 전달하는 ESS; 울트라캐패시터가 직병렬로 연결되어 상기 태양광 발전기에 의해 전력발생시에 우선적으로 충전되되, 충전완료될 경우 충전될 전력을 상기 ESS에 전달하는 울트라캐패시터팩;상기 태양광 발전기로부터 발전된 DC 전력을 상기 울트라캐패시터팩에 대응되는 전압 및 전류로 변환하거나 상기 울트라캐패시터팩으로부터 방전되는 전력을 상기 ESS에 대응되는 전압 및 전류로 변환하는 양방향 전력변환기; 상기 한전 전력망으로부터 전달되는 DC 전력을 상기 ESS에 전달하거나 분산형 부하에 전력을 공급하되, 상기 ESS에 저장된 전력 또는 상기 태양광 발전기에 의해 발전되는 잉여 전력을 공급받아 한전 전력망으로 연계 송출하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 한전전력망 사이에 양방향으로 전달되는 전력량을 계량하는 DC 전력계; 상기 한전 전력망과 DC 전력계 사이에 설치되어 한전 전력망으로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 정류하거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 ESS로부터 전달되는 DC 전력을 상용 AC 전력으로 변환하는 인터링크 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터 또는 ESS 또는 상기 태양광 발전부으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 대응하는 AC 전력으로 변환하여 전달하는 인버터; 및 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS와 울트라캐패시터팩 충전 모드; 울트라캐패시터팩 방전 모드; 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드; 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드; ESS에 의한 부하 전력 전달 모드; 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드; 태양광 발전 계통 연계 모드; 및 ESS 계통 연계 모드로 구성된 그 제어방법에 관한 것이다.
에너지저장시스템(ESS : Energy Storage System)은 생산과 소비가 동시에 이루어져야 하는 전기에너지의 특성을 개선하기 위해 생산된 전력 에너지를 저장하여 필요할 때 사용하는 기술이다.
ESS(Energy Storage System)는 배터리 이외에도 생산 전력을 변환하고 관리하기 위한 PCS(전력변환시스템), BMS(배터리관리시스템), EMS(에너지관리시스템)으로 구성되는데, PCS(Power Conversion System)라 함은 전력변환장치로서 교류와 직류간의 변환, 전압/전류/주파수를 변환하는 장치를 말하며, BMS(Battery Management System)는 배터리가 안전하게 충전하고 방전할 수 있도록 제어하는 장치를 말하며, EMS(Energy Management System)는 전력의 생산/변환/소비 등을 제어하고 모니터링 하는 장치를 말한다.
에너지저장시스템은 경부하 시 유휴전력을 저장하고 과부하 시 전력을 사용함으로써, 부하 평준화(Load Leveling)를 통한 전력계통 운영의 최적화를 도모하고 전력예비력을 확보할 수 있으며, 출력변동이 심한 신재생에너지의 단점을 보완하여 전력계통의 효율적인 운영 및 안정적인 고품질 전력 공급 가능케 한다.
태양광발전 설비에 ESS를 연계할 경우 발전 수익은 태양광 단독 발전에 비해 2~2.5배 수준으로 추정되며, 전력 사용이 많은 제조업 등이 피크 전력 사용량을 낮추는 목적으로 1MWh(설치비 5억원) 용량의 ESS를 설치할 경우, 연간 1억원 가량의 전기요금 절감이 기대된다.
하지만 현재 ESS 기술발전은 상용화정도, 원천·부품소재 기술 수준, 실증 경험 측면에서 선진국보다 열세, 또한 일부기술은 상용화단계에 도달하였으나 그 외는 초기 기술개발 단계 수준이라고 볼 수 있다.
또한 배터리의 Redundancy 확보가 가능한 구조의 PCS 제품 개발로 ESS운영의 안정성과 신뢰성 확보가 절실한 형편이다.
더구나 국내 산업용 ESS의 전기요금 할인제도가 22년 일몰됨에 따라서 기능의 복합화를 통한 경제성 확보가 절실한 실정에 있다.
향후 DC 저압배전시스템에 있어서, DC/DC 컨버터의 역할이 매우 큰것은 당연하지만, 아직 DC 저압 시스템의 전체적인 구성과 신재생에너지, UPS, 배터리 전력 저장 시스템과 연관된 ESS, EMS 등의 분야와의 연계성도 고려해야 하는 문제가 있는바, 이에 대한 종합적인 고려로서, DC/DC 컨버터를 설계할 필요가 있다.
도 9는 기존의 일반적인 ESS시스템의 배터리 모듈 및 보호소자 구성도를 나타내고 있는데, ESS에서 배터리 모듈 직렬 개수에 의해 정격전압이 결정됨으로 고압화를 위해서는 많은 수의 직렬회로에 의해 하나의 전압원으로 사용하게 된다.
이러한 경우 배터리 전류 차단을 위한 스위치 소자는 ESS의 최대전압보다 높은 내압을 갖는 스위칭 소자가 필요하며, ESS 정격 전압이 높을 경우 스위칭 소자의 내압한계로 인하여 스위칭 소자 내압보다 높은 전압을 구현하기는 어려운 실정이다.
ESS를 구성하는 요소 중 배터리는 에너지를 저장하는 기능을 담당하고 있으며 여기에 사용되는 배터리는 충방전이 가능한 2차 전지인데, 2차전지 중 리튬이온 전지는 사이클 수명이 3,000회 이상이며 정지 후 즉시 기동시간이 가능하여 신재생에너지의 전력안정화용 ESS에 적합한데 가격이 높다는 단점이 있다.
리튬 이온 전지의 충전과 노화와의 관계에 있어서 충전전압과 관련해서는 충전전압이 높을 수록 용량 충전률이 높으나 수명이 짧아지는 문제점이 있고, 또한 충전전류가 높을 수록 방전사이클이 짧아져 노화가 더 빨리 진행되는 문제점이 있다.
특히 신재생에너지 전력저장장치로 사용되는 ESS는 충전이 일정하게 발생하는 것이 아니고 매우 짧은 순간에도 급격하게 발전 전력량이 변화되는데, 이를 리튬 전지 배터리의 대응 전압으로 변환시키는 DC/DC컨버터에서 리튬전지 배터리부로 전달될 때 전압 내지 전류의 변화를 그대로 반영하게 되어, 리튬전지 배터리부의 내구성 문제가 발생하게 되는 상황이 빈번하다.
리튬전지 배터리가 종전보다는 저렴해졌지만 그래도 납축전지에 비해 고가임은 부인할 수 없는 사실임을 고려할 때 리튬전지 배터리의 수명 유지 내지 연장을 위한 조치가 필요하다 할 것이다.
이와 관련된 선행기술인 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치(한국등록특허공보 제10-1871237호)는 전력 생산자의 수익 창출과 더불어 배터리의 수명을 한층 더 향상시키도록 한 태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치에 관한 것으로서, 태양광으로부터 전력을 생산하는 태양광 발전부와, 상기 태양광 발전부로부터 생산된 전력을 공급받아 저장하고 특정 시간대에 저장된 전력을 한전계통으로 판매하는 ESS와, 상기 ESS의 충방전 모드 제어 및 충방전량을 제어하는 PMS를 포함하여 구성되고, 상기 PMS는 상기 태양광 발전부의 태양광 발전전력과 상기 ESS의 ESS 충전전력간의 오차전력을 산출하는 오차전력 산출부와, 상기 오차전력 산출부를 통해 산출된 오차전력을 전달받아 PI 제어를 통해 상기 ESS의 충전목표전력에 제어신호를 출력하는 PI 제어기와, 상기 ESS의 충전상태를 전달받아 현재의 충전량을 계산하여 상기 ESS의 충전 제어신호를 출력하는 충전량 체크부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는데, 전반적으로 태양광 연계형 ESS에 관한 기술로서 진보한 것으로 평가할 수 있으나, 구체적으로 ESS를 이루는 구성요소로서 배터리에 대한 SOC 추정알고리즘이나, 유지보수에 관한 기술, 전체 시스템내에서의 전력변환장치와 이와 관련된 제어기법에 대한 기술에 대해서는 연계가 필요한 실정이다.
나아가, ESS 시스템에서 배터리 모듈 직렬 개수에 의해 정격전압이 결정됨으로 고압화를 위한 많은 수의 직렬회로 구성이 필수적인데, 이는 BMS 측면에서 어려움이 많으며 모듈 고장시 전체 시스템이 가동 중지되는 문제를 안고 있다.
즉 높은 공칭전압을 갖는 ESS에서 배터리 모듈의 직렬연결은 필수적인데, 이러한 직렬로 연결된 동일한 용량의 배터리 용량은 처음에는 동일하지만, 시간이 지나면서 개별적인 셀의 화합물 미소 변동, 충전량 차, 방전율 및 방전 사이클 차, 배터리의 위치에 따른 온도의 영향 등에 따라 각기 다른 성능으로 자연스럽게 저하되는데, 특히 시간이 지남에 따라 배터리 모듈의 충방전시 배터리 용량이 줄어든 약한 배터리 모듈이 존재하게 되며 이 모듈이 실질적으로 배터리의 동작시간을 제한하고 수명에 지배적 영향을 끼치게 된다.
즉 충전시 용량이 적은 모듈이 용량이 큰 모듈보다 먼저 완전충전전압에 도달하므로, 용량이 큰 모듈은 100[%] 충전하지 못하게 되며, 특히 용량이 큰 모듈을 완전 충전을 하기 위해 충전을 지속하는 경우 용량이 적은 모듈은 과충전으로 인하여 폭발 위험이 생길 수 있다.
이러한 위험성을 방지하기 위해 BMS는 각 모듈의 과충전 보호 기능에 의해 용량이 큰 모듈이 아직 충전되지 못한 상태라도 용량이 적은 모듈이 완전충전전압에 도달하면 충전을 종료하게 됨에 따라 배터리 모듈간 밸랜싱이 깨어지게 되며, 이러한 차는 모듈 밸랜서 혹은 전압레벨 밸런스 장치에 의해 보상되어야 하는 문제가 발생하게 되는 것이다.
본 발명의 목적은 분산형 부하에 대응하기 위한 하이브리드 확장형 ESS 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 ESS에 있어서, 직렬연결된 배터리 모듈의 개수를 가변하여 입출력 단자의 변동없이 다양한 입출력 전압의 구성이 가능하도록 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 ESS에 있어서 충전시는 SOC가 낮은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하고, 방전시는 SOC가 높은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하여 충방전시 자연스럽게 밸런싱 기능을 수행토록 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 충방전시 자연스럽게 저장되는 무효전력을 SOC가 낮은 배터리에 저장되도록 하여 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞추는 것 외에 상기 배터리의 내부저항에 의한 발열에 의해 배터리 내부 온도를 제어함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 노후화되거나 고장난 모듈을 작동중에도 교체할 수 있는 핫스왑 기능을 갖도록 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 복합 전력 거래의 EMS, IoT 서비스 플랫폼 기반이 적용되고, ESS, BMS등이 연관되는 배터리 시스템을 고려하여 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 고효율 저가결선 방식을 도입하되, 상기 시스템에서의 하나의 구성요소로서의 양방향 DC/DC 컨버터를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 센싱 전압 데이터만으로 SOC를 추정하는 방식에 있어서, 급작스런 대전류 방전의 경우 전압이 급강하 하는데 이때 SOC가 매우 낮게 표시되고 방전이 종료되면 다시 SOC가 올라가버리는 현상을 최소화할 수 있는 SOC 추정알고리즘을 제공함에 있다.
또한 일면에 있어서 센싱 전압 데이터에 있어서 전압의 변화율값을 고려함에 따라 기존의 센싱전압으로 SOC를 추정하는 시스템에 비해 저가이면서 정확하게 SOC를 추정할 수 있는 시스템을 제공함에 본 발명의 또다른 목적이 있다.
또한 일면에 있어서, ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록하고, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시키도록 하는데 목적이 있다.
본 발명인 하이브리드 확장형 ESS(EESS)는 한전 전력망으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 전력을 전달하는 확장형 ESS(EESS)에 관한 것이다.
상기 하이브리드 확장형 ESS(EESS)는 태양광 발전기(PVG); 한전 전력망(GRID)으로부터 공급받거나 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 발전된 전력을 배터리 모듈부에 저장하거나 방전하여 분산형 부하(DL)에 전력을 전달하는 ESS(Energy Storage System:이하 'ESS' 라 한다); 울트라캐패시터가 직병렬로 연결되어 상기 태양광 발전기(PVG)에 의해 전력발생시에 우선적으로 충전되되, 충전완료될 경우 충전될 전력을 상기 ESS에 전달하는 울트라캐패시터팩(UCP); 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 발전된 DC 전력을 상기 울트라캐패시터팩(UCP)에 대응되는 전압 및 전류로 변환하거나 상기 울트라캐패시터팩(UCP)으로부터 방전되는 전력을 상기 ESS에 대응되는 전압 및 전류로 변환하는 양방향 전력변환기(PCS); 상기 한전 전력망(GRID)으로부터 전달되는 DC 전력을 상기 ESS에 전달하거나 분산형 부하에 전력을 공급하되, 상기 ESS에 저장된 전력 또는 상기 태양광 발전기(PVG)에 의해 발전되는 잉여 전력을 공급받아 한전 전력망(GRID)으로 연계 송출하는 양방향 DC/DC 컨버터(DDC); 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 한전전력망 사이에 양방향으로 전달되는 전력량을 계량하는 DC 전력계(DCM); 상기 한전 전력망(GRID)과 DC 전력계(DCM) 사이에 설치되어 한전 전력망(GRID)으로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 정류하거나, 상기 태양광 발전기(PVG) 또는 상기 ESS로부터 전달되는 DC 전력을 상용 AC 전력으로 변환하는 인터링크 컨버터(ILC); 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 또는 ESS 또는 상기 태양광 발전부으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 대응하는 AC 전력으로 변환하여 전달하는 인버터(INV); 및 제어부(CP);로 구성된다.
상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 양방향 전력변환기(PCS) 사이에 상기 양방향 전력변환기(PCS) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 1(D1) 및 스위치 1(T1)이 직렬로 연결된다.
상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 ESS 사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 2(D2) 및 스위치 2(T2)가 직렬로 연결된다.
상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 사이에 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 3(D3) 및 스위치 3(T3)이 직렬로 연결된다.
상기 스위치 1(T1)과 양방향 전력변환기(PCS) 사이의 접점과 상기 ESS사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 스위치 4(T4)가 설치된다.
상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 인버터(INV) 사이에 상기 인버터(INV) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 4(D4) 및 스위치 5(T5)가 직렬로 연결된다.
상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 ESS 사이에 전력이 양방향으로 도통될 수 있도록 양방향 스위치(BT)가 설치된다.
상기 제어부(CP)는 울트라캐패시터부의 전압, 상기 ESS에 포함되는 배터리 모듈부(BMS)의 전압 및 상기 태양광 발전기(PVG)의 출력 전류를 검출하되, 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 출력 전류가 검출될 경우 울트라 캐패시터팩(UCP)을 보조적으로 우선 충전한 후에 상기 ESS로 전력을 충전하고, 상기 태양광 발전기(PVG)의 출력 전류가 검출되지 않고, 울트라캐패시터부의 전압이 직렬로 연결된 배터리 모듈부(BMS)의 전체 전압보다 높은 경우, 울트라캐패시터팩(UCP)을 방전하여 상기 ESS에 포함된 배터리를 충전하도록 스위치 1, 2, 4(T1,2,4)에 대해서 온/오프 게이팅 신호를 송출한다.
상기 제어부(CP)는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 ESS 사이의 전력 전달 방향을 제어하기 위해 상기 양방향 스위치(BT)의 온/오프 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
상기 양방향 전력변환기(PCS)는 직병렬로 연결된 울트라캐패시터팩(UCP)의 양극으로부터 음극으로 도통되도록 벅부스트스위치 1(BBT1) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)가 순서대로 울트라캐패시터팩(UCP)과 병렬연결되되, 상기 벅부스트스위치 1(BBT1) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)의 접점과 상기 벅부스트스위치 2(BBT2)의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2(L2) 및 캐패시터 2(C2)가 병렬로 연결되며, 상기 캐패시터 2(C2)의 단자 사이에 공진부 스위치 1 내지 4(RBT1 내지 4)가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진부스위치 1(RBT1)과 2(RBT2)의 접점과 공진부스위치 3(RBT3)과 4(RBT4)의 접점 사이에 인덕터 1(L1)과 캐패시터 1(C2)이 순서대로 연결되며, 상기 스위치 1(T1)과 스위치 4(T4)의 접점과 상기 공진부스위치 2(RBT2) 및 공진부스위치 3(RBT3) 사이의 접점 사이가 연결된다.
상기 제어부(CP)는 울트라캐패시터팩(UCP)의 충전의 경우 공진부스위치 3(RBT3) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)와 공진부스위치 4(RBT4)를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하며, 방전의 경우 공진부스위치 1(RBT1) 및 벅부스트스위치 1(BBT1)과 공진부스위치 2(RBT2)를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하여 제어한다.
상기 벅부스트스위치 1 및 2(BBT1 및 2)와 상기 공진부스위치 1 내지 4(RBT1 내지 4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자(부호 미부여)를 사용한다.
상기 스위치 1 내지 5(T1 내지 T5)는 환류다이오드가 없는 단방향 FET 소자 (부호 미부여)또는 마그네틱 스위치(부호 미부여)를 사용한다.
상기 양방향 스위치(BT)는 양방향 IGBT 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 ESS는 전력이 충전되거나 방전되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈부(BMS); 정격전류나 정격전압범위내에서 송수전할 수 있도록 각종 스위치나 차단기로 구성되어 전력이 양방향으로 오고가는 수배전반(DB); 수배전반(DB)으로부터 전달되는 전력을 상기 배터리 모듈부(BMS)에 대응하는 DC 전압으로 변환하거나, 상기 배터리 모듈부(BMS)가 방전하는 전력을 부하에 전달하는 경우 대응하는 DC 전압으로 변환하는 충방전 전력변환기(BPCS); 상기 충방전 전력변환기(BPCS)나 상기 배터리 모듈 시리즈가 송출하는 전력에 포함될 수 있는 각종 고조파를 제거하여 전달하는 전력필터부(CDF); 및 상기 배터리 모듈부(BMS)에 있어서 충방전, 상기 충방전 전력변환기를 제어하는 배터리제어부(BCP);로 구성된다.
상기 배터리 모듈부(BMS)는 복수개의 배터리 모듈(100)이 직렬로 연결되어 구성된다.
상기 배터리 모듈(100)은 배터리(Bat)와 그 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리(Bat)의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)로 구성된다.
상기 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용한다.
상기 배터리 모듈부는 하단의 배터리 모듈(100)의 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)의 접점이 상단의 배터리 모듈(100)의 하단 스위치(BT2)와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치된다.
상기 전력필터부는 최상단 배터리 모듈의 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)의 접점과 최하단 배터리 모듈의 배터리 모듈의 음극과 하단스위치(BT2)의 접점 사이에 인덕터(부호 미부여)와 캐패시터(부호 미부여)가 순서대로 연결되어 구성된다.
상기 배터리 제어부(BCP)는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부(미도시 및 부호 미부여), 센서부(미도시 및 부호 미부여), 상기 센서부에 의해 각 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 모듈 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU(미도시 및 부호 미부여) 및 상기 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)에 도통신호를 주는 스위칭 신호부(미도시 및 부호 미부여)를 포함하여 구성된다.
사용자에 의해 방전전압이 세팅되면, 방전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈(100)을 우선적으로 사용하며, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 상단스위치(BT1)를 도통시켜 방전한다.
사용자에 의해 충전전압이 세팅되면, 충전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈(100)을 우선적으로 사용하며, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 모듈(100)의 하단스위치(BT2)를 도통시켜 충전한다.
충·방전이 종료된 후 상기 전력필터부(CDF)의 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해, 충전할 배터리를 포함하지 않는 나머지 배터리 모듈의 하단스위치를 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 도통시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리(Bat)가 단독으로 착탈 가능하거나, 상기 배터리(Bat)와 상단스위치(BT1)가 하나의 모듈을 구성하여 착탈 가능하다.
상기 배터리 제어부(BCP)는 세팅된 충방전 전압값, 각 배터리 모듈(100)의 SOC 데이터 및 충방전 상태를 표시하는 디스플레이부(미도시 및 부호 미부여)를 포함한다.
상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되며, 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활캐패시터(부호 미부여)가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터(부호 미부여)가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
청구항 1에 따른 하이브리드 확장형 ESS(EESS)의 제어방법은 상기 제어방법은 울트라캐패시터팩 충전 모드; 울트라캐패시터팩 방전 모드; 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드; 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드; ESS에 의한 부하 전력 전달 모드; 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드; 태양광 발전 계통 연계 모드; 및 ESS 계통 연계 모드로 구성된다.
상기 울트라캐패시터팩 충전 모드는 스위치 1(T1)이 온 되면서 작동되고, 상기 울트라캐패시터팩 방전 모드는 스위치 4(T4)가 온 되면서 작동된다.
상기 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드는 스위치 2(T2)가 온 되면서 작동되고, 상기 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)로부터 상기 ESS 방향으로 양방향 스위치(BT)가 온되면서 작동된다.
상기 ESS에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 ESS에 저장된 전력을 인버터(INV)를 통해 전달되며 작동되고, 상기 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 인터링크 컨버터(ILC)와 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)를 거치되, 스위치 5(T5)가 온되면서 작동된다.
상기 태양광 발전 계통 연계 모드는 상기 스위치 3(T3)이 온되면서 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)로부터 인터링크 컨버터(ILC)를 거쳐 한전 전력망(GRID)으로 계통연계되며, 상기 ESS 계통 연계 모드는 상기 ESS로부터 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 방향으로 양방향 스위치(BT)가 온되면서 상기 ESS에 저장된 전력이 한전 전력망(GRID)으로 계통연계된다.
본 발명은 ESS(에너지 저장 시스템)로서 직렬연결된 배터리 모듈의 개수를 가변하여 입출력 단자의 변동없이 다양한 입출력 전압의 구성이 가능함 외에도 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 충전시는 SOC가 낮은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하고, 방전시는 SOC가 높은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하여 충방전시 자연스럽게 밸런싱 기능을 수행할 수 있어, 부가적인 밸런싱 회로 또는 장치를 추가할 필요가 없어 경제성을 확보한다.
둘째, 본 발명은 충방전시 자연스럽게 저장되는 무효전력을 SOC가 낮은 배터리에 저장되도록 하여 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞추는 것 외에 상기 배터리의 내부저항에 의한 발열에 의해 배터리 내부 온도를 제어할 수 있다.
세째 본 발명은 노후화되거나 고장난 배터리 모듈을 작동중에도 교체할 수 있는 편의성을 제공한다.
넷째, 본 발명은 배터리 군을 개별로 분리하는 구조로 설계함에 따라 배터리의 개방전압 계측에 의해 SOC 추정이 용이하게 할 수 있으며, 이로 인하여 직렬로 연결된 배터리 군의 SOC 밸런싱 제어가 가능하게 하는 스위칭 알고리즘 구현이 가능하다.
다섯째, 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 양방향 전력 이동 및 통신 및 제어가 용이한 DC/DC 컨버터를 제공한다.
여섯째, 본 발명은 배터리의 센싱 전압 데이터만으로 SOC를 추정하는 방식에 있어서, 급작스런 대전류 방전의 경우 전압이 급강하 함에 따라 실제보다 SOC가 매우 낮게 표시되고, 반대로 방전이 종료되면 SOC 값이 올라가버리는 현상을 최소화하여 SOC를 비교적 정확하게 추정할 수 있게 한다.
일곱번째, 본 발명은 또한 센싱 전압 데이터에 있어서 전압의 변화율값을 고려함에 따라 기존의 센싱전압으로 SOC를 추정하는 시스템에 비해 저가이면서 정확하게 SOC를 추정할 수 있도록 한다.
여덟번째, 본 발명은 센싱 전압 데이터에 있어서 전압의 변화율값을 고려함에 따라 기존의 센싱전압으로 SOC를 추정하는 시스템에 비해 저가이면서 정확하게 SOC를 추정할 수 있다.
아홉번째, ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록하고, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시켜 유지보수비를 저감케 한다.
도 1은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS의 DC 및 AC 전력 전달 개념도이다.
도 3은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일구성인 ESS의 개념도이다.
도 5는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS에 포함된 일구성으로서의 ESS에서 배터리 모듈부와 전력필터부를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 배터리 모듈부에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 방전시와 충전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리 모듈부의 충방전 과정에서 전력필터부의 캐패시터에 저장된 무효전력이 어떻게 배터리 모듈에 대해 단주기 밸런싱을 하고 배터리 내부온도 제어를 하는지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명인 배터리 모듈부의 충방전 과정에서 개별적인 배터리 모듈 혹은 배터리를 어떻게 핫스왑이 가능한지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 기존의 일반적인 ESS시스템의 배터리 모듈 및 보호소자 구성을 개략적인 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS에 포함된 일구성으로서의 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)의 스키메틱을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 울트라캐패시터팩과 공진회로가 적용된 양방향 전력변환기를 개략적인 스키메틱으로 표현한 도면이다.
도 12 및 13은 울트라 캐패시터팩이 충전되는 것을 전력 내지 전류 흐름으로 표현한 도면이다.
도 14 및 15는 울트라 캐패시터팩이 방전되어 ESS에 충전되는 것을 전력 내지 전류 흐름으로 표현한 도면이다.
도 16은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 울트라캐패시터 충전모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 17은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 울트라캐패시터 방전모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 18은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 19는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 한전전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 20은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 ESS에 의한 부하 전력 전달 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 21은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 한전전력망에 의한 부하 전력 전달 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 22는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 태양광 발전에 의한 계통 연계 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 23은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 ESS에 의한 계통 연계 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "하이브리드 확장형 ESS 및 그 제어방법을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
부호의 설명에서 1001.......N 표시는 구성요소인 동일한 배터리 모듈이 복수개(N개) 존재함을 의미하는 것이고, 1002 와 같이 표기하였다면 N개의 배터리 모듈중에서 특정한(즉 2번째) 배터리 모듈을 나타내는 것이고, 만약 단순히 부호를 100으로 표기하였다면 이는 여러개의 배터리 모듈 중에서 특정한 배터리 모듈을 나타내는 것이 아니라 여러개의 배터리 모듈 중에서 어느 하나의 배터리 모듈을 나타내는 것으로서, 이는 타구성요소인 배터리, 상단 스위치, 하단 스위치의 부효 표기에서도 마찬가지로 적용된다.
도 1은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS에 대한 개념도이며, 도 2는 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS의 DC 및 AC 전력 전달 개념도이고, 도 3은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어 개념도이며, 도 4는 본 발명의 일구성인 ESS의 개념도이고, 도 5는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS에 포함된 일구성으로서의 ESS에서 배터리 모듈부와 전력필터부를 보다 구체적으로 나타낸 도면이며, 도 6은 배터리 모듈부에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 방전시와 충전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이고, 도 7은 배터리 모듈부의 충방전 과정에서 전력필터부의 캐패시터에 저장된 무효전력이 어떻게 배터리 모듈에 대해 단주기 밸런싱을 하고 배터리 내부온도 제어를 하는지를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명인 배터리 모듈부의 충방전 과정에서 개별적인 배터리 모듈 혹은 배터리를 어떻게 핫스왑이 가능한지를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 기존의 일반적인 ESS시스템의 배터리 모듈 및 보호소자 구성을 개략적인 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS에 포함된 일구성으로서의 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)의 스키메틱을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 11은 울트라캐패시터팩과 공진회로가 적용된 양방향 전력변환기를 개략적인 스키메틱으로 표현한 도면이며, 도 12 및 13은 울트라 캐패시터팩이 충전되는 것을 전력 내지 전류 흐름으로 표현한 도면이고, 도 14 및 15는 울트라 캐패시터팩이 방전되어 ESS에 충전되는 것을 전력 내지 전류 흐름으로 표현한 도면이며, 도 16은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 울트라캐패시터 충전모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이고, 도 17은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 울트라캐패시터 방전모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이며, 도 18은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이고, 도 19는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 한전전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이며, 도 20은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 ESS에 의한 부하 전력 전달 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이고, 도 21은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 한전전력망에 의한 부하 전력 전달 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이며, 도 22는 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 태양광 발전에 의한 계통 연계 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이고, 도 23은 본발명인 하이브리드 확장형 ESS의 제어모드 중 ESS에 의한 계통 연계 모드와 그 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명인 하이브리드 확장형 ESS(EESS)는 한전 전력망으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 전력을 전달하는 확장형 ESS(EESS)에 관한 것이다.
도 1을 참조하면 상기 하이브리드 확장형 ESS(EESS)는 태양광 발전기(PVG); 한전 전력망(GRID)으로부터 공급받거나 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 발전된 전력을 배터리 모듈부에 저장하거나 방전하여 분산형 부하(DL)에 전력을 전달하는 ESS(Energy Storage System:이하 'ESS' 라 한다); 울트라캐패시터가 직병렬로 연결되어 상기 태양광 발전기(PVG)에 의해 전력발생시에 우선적으로 충전되되, 충전완료될 경우 충전될 전력을 상기 ESS에 전달하는 울트라캐패시터팩(UCP); 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 발전된 DC 전력을 상기 울트라캐패시터팩(UCP)에 대응되는 전압 및 전류로 변환하거나 상기 울트라캐패시터팩(UCP)으로부터 방전되는 전력을 상기 ESS에 대응되는 전압 및 전류로 변환하는 양방향 전력변환기(PCS); 상기 한전 전력망(GRID)으로부터 전달되는 DC 전력을 상기 ESS에 전달하거나 분산형 부하에 전력을 공급하되, 상기 ESS에 저장된 전력 또는 상기 태양광 발전기(PVG)에 의해 발전되는 잉여 전력을 공급받아 한전 전력망(GRID)으로 연계 송출하는 양방향 DC/DC 컨버터(DDC); 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 한전전력망 사이에 양방향으로 전달되는 전력량을 계량하는 DC 전력계(DCM); 상기 한전 전력망(GRID)과 DC 전력계(DCM) 사이에 설치되어 한전 전력망(GRID)으로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 정류하거나, 상기 태양광 발전기(PVG) 또는 상기 ESS로부터 전달되는 DC 전력을 상용 AC 전력으로 변환하는 인터링크 컨버터(ILC); 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 또는 ESS 또는 상기 태양광 발전부으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 대응하는 AC 전력으로 변환하여 전달하는 인버터(INV); 및 제어부(CP);로 구성된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 양방향 전력변환기(PCS) 사이에 상기 양방향 전력변환기(PCS) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 1(D1) 및 스위치 1(T1)이 직렬로 연결된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 ESS 사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 2(D2) 및 스위치 2(T2)가 직렬로 연결된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 태양광 발전기(PVG)와 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 사이에 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 3(D3) 및 스위치 3(T3)이 직렬로 연결된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 스위치 1(T1)과 양방향 전력변환기(PCS) 사이의 접점과 상기 ESS사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 스위치 4(T4)가 설치된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 인버터(INV) 사이에 상기 인버터(INV) 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 4(D4) 및 스위치 5(T5)가 직렬로 연결된다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 ESS 사이에 전력이 양방향으로 도통될 수 있도록 양방향 스위치(BT)가 설치된다.
도 1 및 3을 참조하면 상기 제어부(CP)는 울트라캐패시터부의 전압, 상기 ESS에 포함되는 배터리 모듈부(BMS)의 전압 및 상기 태양광 발전기(PVG)의 출력 전류를 검출하되, 상기 태양광 발전기(PVG)로부터 출력 전류가 검출될 경우 울트라 캐패시터팩(UCP)을 보조적으로 우선 충전한 후에 상기 ESS로 전력을 충전하고, 상기 태양광 발전기(PVG)의 출력 전류가 검출되지 않고, 울트라캐패시터부의 전압이 직렬로 연결된 배터리 모듈부(BMS)의 전체 전압보다 높은 경우, 울트라캐패시터팩(UCP)을 방전하여 상기 ESS에 포함된 배터리를 충전하도록 스위치 1, 2, 4(T1,2,4)에 대해서 온/오프 게이팅 신호를 송출한다.
도 3을 참조하면 기 제어부(CP)는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)와 상기 ESS 사이의 전력 전달 방향을 제어하기 위해 상기 양방향 스위치(BT)의 온/오프 게이팅 신호를 송출하는 것을 특징으로 한다.
도 11을 참조하면 상기 양방향 전력변환기(PCS)는 직병렬로 연결된 울트라캐패시터팩(UCP)의 양극으로부터 음극으로 도통되도록 벅부스트스위치 1(BBT1) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)가 순서대로 울트라캐패시터팩(UCP)과 병렬연결되되, 상기 벅부스트스위치 1(BBT1) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)의 접점과 상기 벅부스트스위치 2(BBT2)의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2(L2) 및 캐패시터 2(C2)가 병렬로 연결되며, 상기 캐패시터 2(C2)의 단자 사이에 공진부 스위치 1 내지 4(RBT1 내지 4)가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진부스위치 1(RBT1)과 2(RBT2)의 접점과 공진부스위치 3(RBT3)과 4(RBT4)의 접점 사이에 인덕터 1(L1)과 캐패시터 1(C2)이 순서대로 연결되며, 상기 스위치 1(T1)과 스위치 4(T4)의 접점과 상기 공진부스위치 2(RBT2) 및 공진부스위치 3(RBT3) 사이의 접점 사이가 연결된다.
도 12 내지 15를 참조하면 상기 제어부(CP)는 울트라캐패시터팩(UCP)의 충전의 경우 공진부스위치 3(RBT3) 및 벅부스트스위치 2(BBT2)와 공진부스위치 4(RBT4)를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하며, 방전의 경우 공진부스위치 1(RBT1) 및 벅부스트스위치 1(BBT1)과 공진부스위치 2(RBT2)를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하여 제어한다.
도 11을 참조하면 상기 벅부스트스위치 1 및 2(BBT1 및 2)와 상기 공진부스위치 1 내지 4(RBT1 내지 4)는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자(부호 미부여)를 사용한다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 스위치 1 내지 5(T1 내지 T5)는 환류다이오드가 없는 단방향 FET 소자 (부호 미부여)또는 마그네틱 스위치(부호 미부여)를 사용한다.
도 1 및 2를 참조하면 상기 양방향 스위치(BT)는 양방향 IGBT 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면 상기 ESS는 전력이 충전되거나 방전되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈부(BMS); 정격전류나 정격전압범위내에서 송수전할 수 있도록 각종 스위치나 차단기로 구성되어 전력이 양방향으로 오고가는 수배전반(DB); 수배전반(DB)으로부터 전달되는 전력을 상기 배터리 모듈부(BMS)에 대응하는 DC 전압으로 변환하거나, 상기 배터리 모듈부(BMS)가 방전하는 전력을 부하에 전달하는 경우 대응하는 DC 전압으로 변환하는 충방전 전력변환기(BPCS); 상기 충방전 전력변환기(BPCS)나 상기 배터리 모듈 시리즈가 송출하는 전력에 포함될 수 있는 각종 고조파를 제거하여 전달하는 전력필터부(CDF); 및 상기 배터리 모듈부(BMS)에 있어서 충방전, 상기 충방전 전력변환기를 제어하는 배터리제어부(BCP);로 구성된다.
도 5를 참조하면 상기 배터리 모듈부(BMS)는 복수개의 배터리 모듈(100)이 직렬로 연결되어 구성된다.
도 5 및 6을 참조하면 상기 배터리 모듈(100)은 배터리(Bat)와 그 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리(Bat)의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)로 구성된다.
도 5 및 6을 참조하면 상기 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용한다.
도 5를 참조하면 상기 배터리 모듈부는 하단의 배터리 모듈(100)의 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)의 접점이 상단의 배터리 모듈(100)의 하단 스위치(BT2)와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치된다.
도 5를 참조하면 상기 전력필터부는 최상단 배터리 모듈의 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)의 접점과 최하단 배터리 모듈의 배터리 모듈의 음극과 하단스위치(BT2)의 접점 사이에 인덕터(부호 미부여)와 캐패시터(부호 미부여)가 순서대로 연결되어 구성된다.
도 4 및 5를 참조하면 상기 배터리 제어부(BCP)는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부(미도시 및 부호 미부여), 센서부(미도시 및 부호 미부여), 상기 센서부에 의해 각 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 모듈 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU(미도시 및 부호 미부여) 및 상기 상단 스위치(BT1)와 하단 스위치(BT2)에 도통신호를 주는 스위칭 신호부(미도시 및 부호 미부여)를 포함하여 구성된다.
도 6을 참조하면 사용자에 의해 방전전압이 세팅되면, 방전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈(100)을 우선적으로 사용하며, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 상단스위치(BT1)를 도통시켜 방전한다.
도 6을 참조하면 사용자에 의해 충전전압이 세팅되면, 충전에 사용되는 배터리 모듈(100)의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈(100)을 우선적으로 사용하며, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 모듈(100)의 하단스위치(BT2)를 도통시켜 충전한다.
도 7을 참조하면 충·방전이 종료된 후 상기 전력필터부(CDF)의 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해, 충전할 배터리를 포함하지 않는 나머지 배터리 모듈의 하단스위치를 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 도통시키는 것을 특징으로 한다.
도 8을 참조하면 상기 배터리(Bat)가 단독으로 착탈 가능하거나, 상기 배터리(Bat)와 상단스위치(BT1)가 하나의 모듈을 구성하여 착탈 가능하다.
도 4 및 5를 참조하면 상기 배터리 제어부(BCP)는 세팅된 충방전 전압값, 각 배터리 모듈(100)의 SOC 데이터 및 충방전 상태를 표시하는 디스플레이부(미도시 및 부호 미부여)를 포함한다.
도 10을 참조하면 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)는 양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되며, 어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활캐패시터(부호 미부여)가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터(부호 미부여)가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 16 내지 23을 참조하면 청구항 1에 따른 하이브리드 확장형 ESS(EESS)의 제어방법은 상기 제어방법은 울트라캐패시터팩 충전 모드; 울트라캐패시터팩 방전 모드; 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드; 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드; ESS에 의한 부하 전력 전달 모드; 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드; 태양광 발전 계통 연계 모드; 및 ESS 계통 연계 모드로 구성된다.
도 16 및 17을 참조하면 상기 울트라캐패시터팩 충전 모드는 스위치 1(T1)이 온 되면서 작동되고, 상기 울트라캐패시터팩 방전 모드는 스위치 4(T4)가 온 되면서 작동된다.
도 18 및 19를 참조하면 상기 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드는 스위치 2(T2)가 온 되면서 작동되고, 상기 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)로부터 상기 ESS 방향으로 양방향 스위치(BT)가 온되면서 작동된다.
도 20 및 21을 참조하면 상기 ESS에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 ESS에 저장된 전력을 인버터(INV)를 통해 전달되며 작동되고, 상기 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 인터링크 컨버터(ILC)와 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)를 거치되, 스위치 5(T5)가 온되면서 작동된다.
도 22 및 23을 참조하면 상기 태양광 발전 계통 연계 모드는 상기 스위치 3(T3)이 온되면서 상기 양방향 DC/DC 컨버터(DDC)로부터 인터링크 컨버터(ILC)를 거쳐 한전 전력망(GRID)으로 계통연계되며, 상기 ESS 계통 연계 모드는 상기 ESS로부터 양방향 DC/DC 컨버터(DDC) 방향으로 양방향 스위치(BT)가 온되면서 상기 ESS에 저장된 전력이 한전 전력망(GRID)으로 계통연계된다.
상기 SOC 추정 알고리즘은
시작단계;
각 배터리의 전압을 센싱하는 전압 센싱단계;
상기 전압 센싱 단계에서 센싱된 전압 데이터중에서 가장 적은 전압을 기초로 하여 기준전압 테이블표에서 대응하는 SOC 값을 표시하는 1차 SOC값 표시단계;
상기 센싱된 전압의 변화량값이 상기 배터리의 특성에 따라 사용자가 산정하는 임계특성값을 초과하는지를 판별하는 전압변화량값의 임계특성값 초과 판별단계;
상기 전압 변화량값의 임계특성값 초과 판별단계에서 전압변화량값이 임계특성값을 초과하면 각 초과하는 값에 따라 구간별로 구분되는 보정된 기준전압 테이블표에서 대응하는 SOC 값을 표시하는 2차 SOC값 표시단계; 및
상기 센싱된 전압의 변화량값이 상기 배터리의 특성에 따라 사용자가 산정하는 임계특성값 이하이면 상기 1차 SOC 표시단계로 리턴하는 전압변화량값의 임계특성값 이하 판별단계; 로 구성된다.
상기 기준전압 테이블표라 함은 예를 들어 사용되는 특정의 리튬전지 특성을 고려하여 셀전지의 기준전압과 이에 대응하는 SOC 값을 하기의 표 1과 같이 테이블로 만든 것을 말한다.
SOC(%) 종지
전압		 5미만 10 20 30 40 50 60 70 80 90
 95
이상		 만충
전압
전압(V) 2.5 3.2 3.281 3.326 3.356 3.371 3.385 3.387 3.408 3.415 3.438 3.5 3.65
상기 보정된 기준전압 테이블표라 함은 충전시 혹은 방전시에 전압변화량값의 크기를 고려하여 각각의 기준전압와 이에 대응되는 SOC값에 대해 보상값을 적용하여 작성된 것으로서, 즉 특정의 배터리(예를 들면 리튬전지)에 대한 충방전 특성을 고려하여 센싱되는 전압의 변화량 크기에 따라 구간별로 보정된 기준전압 테이블표로 작성되는 것을 말한다. 만약 센싱되는 전압 변화량 값의 구간을
1) -0.02≤전압변화량≤0.02
2) 0.02<전압변화량≤0.05
3) 0.05<전압변화량≤0.1
4) 0.1<전압변화량≤0.15
5) 0.15<전압변화량≤0.2
6) 0.2<전압변화량≤0.25
7) 0.25<전압변화량≤0.3
과 같이 나눈다고 할때, -0.02≤전압변화량≤0.02 조건에 대한 것은 상기 [표 1] 과 같은 기준전압 테이블표가 적용되는 것이고, 상기의 조건 중 0.1<전압변화량≤0.15(방전의 경우는 조건이 -0.15<전압변화량≤0.1 과 같이 변형되고, 나머지 조건도 마찬가지로 변형되어 적용됨) 에 대한 것은 충방전에 따라 하기의 [표 2](충전의 경우)와 [표 3](방전의 경우)과 같이 보상값이 적용된 테이블표가 작성되어 알고리즘에 적용되는 것이다.
상기 구간별로 구분한 조건에서 임계특성값은 0.02(실제로 리튬이온 배터리 및 리튬폴리머 배터리에서 가장 적당한 수치로 판단하고 있음)가 되며, 이 값은 사용하는 리튬전지의 특성에 따라 변형될 수 있는 값이다.
(충전의 경우)
SOC(%) 종지
전압		 10 20 30 40 50 60 70 80 90
 95
이상		 만충
전압
전압(V) 2.5 3.31 3.35 3.36 3.372 3.387 3.389 3.41 3.42 3.44 3.485 3.65
(방전의 경우)
SOC(%) 종지
전압		 5미만 10 20 30 40 50 60 70 80 90
 만충
전압
전압(V) 2.5 3.0 3.17 3.2 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.285 3.65
상기의 조건중에서 1) 조건이 기준전압테이블표에 관한 것이고, 이때, 0.02값이 전압변화량값의 임계특성값이 되는데, 0.02 본 수치는 예시이며, 사용되는 특정한 리튬전지에 따라 그 값이 변화될 수 있음은 물론이다. 상기의 전압 변화량 값의 구간으로 적용되면 총 13개의 기준전압테이블이 필요하게 된다.
이러한 구간이 조밀하게 되면 보다 더 정확한 SOC값이 출력되나, 과도한 기준전압테이블표가 필요하게 되므로, 제어부에 포함되어 연산을 하는 MCU에 부하를 줄수 있다는 단점이 있고, 구간이 크게 되면, MCU에 부하가 줄어드는 장점이 있으나, 충방전시 그만큼 SOC값이 부정확해질 수 있는 단점이 있는바, 배터리의 특성과 제작되는 시스템에서의 MCU의 가격과 사양을 고려하여 구간을 산정함이 바람직할 것이다.
4개의 배터리 모듈이 직렬로 연결된 12V 1개의 배터리 모듈부가 구성된다고 가정하고, 상기의 표1 내지 표3과 같이 기준전압테이블표가 적용된다고 가정하여 설명한다.
총 13개의 기준전압테이블과 보정된 기준전압테이블이 필요하나, 편의상 상기의 표 1 내지 3만으로 설명을 하도록 한다.
이 때 4개의 배터리 최초 전압이 각각 3.2, 3.3, 3.3, 3.3라고 하면, 배터리군의 SOC레벨은 상기 기준전압테이블표 [표1]에 따라 5% 미만으로 표시된다.
이 상태에서 충전을 함에 따라 상기 배터리의 전압이 순시적으로 각각 3.35, 3.35, 3.37, 3.35가 되었다고 하면, 기준전압 테이블표 [표1]에 따르면 배터리 모듈 시리즈의 SOC레벨은 30%가 되나, 처음 셀의 전압이 +0.15이므로 이에 따른 보정된 기준전압테이블표 [표2]에 따르면 SOC는 20%가 표시되는 것이다.
충전이 종료됨에 따라 다시 배터리의 전압이 3.33, 3.33, 3.35, 3.33이 되었다고 하면, 모든 셀의 전압변화량값은 0.02이므로 이때는 기준전압테이블표에 따라 SOC값은 20에서 30값 사이가 된다.
만약 이 상태에서 방전이 되면서 배터리 전압이 3.20, 3.20, 3.22, 3.20이 되었다고 하면, 기준전압 테이블표 [표1]에 따르면 SOC는 5% 미만으로 표시가 되나, 보정된 기준전압 테이블표 [표3]에 따르면 SOC는 20%로 표시가 되는 것인데, 이 경우는 갑자기 대전류 방전이 되는 경우로서, 기준전압 테이블표 [표1]에 따르면 급격하게 SOC가 저하되는 것으로 보이게 되나, 본 발명의 알고리즘이 적용되어 보정된 기준전압 테이블표 [표3]에 따르게 되면 SOC값은 20에서 30사이의 값이 20%로 완만하게 변화하여 보다 정확하게 SOC값이 측정되는 것이다.
배터리 모듈이 12개로 구성되어 있고, 각각의 전압이 아래의 표 4와 같이 구성되어 있고, 사용자가 출력전압을 12V로 하여 방전하고자 가정한다.
배터리모듈 현재 센싱되는 오픈 전압 비고
1001 3.56
1002 3.54
1003 3.51
1004 3.48
1005 3.57 SOC 가장 큰 것으로 추정
1006 3.55
1007 3.54
1008 3.53
1009 3.51
10010 3.45 SOC 가장 작은 것으로 추정
10011 3.54
10012 3.56
이 때 배터리 개수와 특정의 배터리 모듈을 선정하는 알고리즘은 오픈 전압이 가장 큰 배터리부터 순서대로 4개를 선정하게 되는데, 즉 1005, 1001, 10012, 1006 를 선정하게 된다. 이 경우 방전에 사용되는 배터리 모듈의 상단스위치(BT1)를 도통시켜 방전하게 되는바, 이때 상단스위치를 도통시키는 스위칭 신호가 단순히 On 신호일때에는 14.24 V로 방전하게 되고, Bat6 를 포함하는 배터리 모듈외에 다른 배터리 모듈에는 On 신호를 주고, Bat6 를 포함하는 배터리 모듈에는 듀티비 가변에 따른 PWM 신호를 줄 경우 정확하게 12V로 방전하게 할 수 있는 것이다.
이러한 장점은 어떠한 충방전원이 있다 하더라도 전체 배터리 모듈의 개수에 따른 전압내에 있는 한, 자유롭게 배터리 모듈의 개수를 선택하여 충전 또는 방전할 수 있게 되는데, 특히 충전의 경우 태양광이나 풍력등의 전력원으로부터 충전할 수 있게 되고, 더불어 MCU에 MPPT 알고리즘이 임베딩되어 있다면 태양광으로부터 최대전력을 추종하여 충전할 수 있는 효과가 있다.
더불어 본 토폴로지에 정류회로를 추가하여 AC 상용전원으로 충전할 수 있음은 물론이다.
상기 임계특성값은 리튬폴리머전지를 배터리 혹은 배터리셀로 사용하는 경우 0.02임이 바람직하다.
본 발명은 ESS(에너지 저장 시스템)로서 직렬연결된 배터리 모듈의 개수를 가변하여 입출력 단자의 변동없이 다양한 입출력 전압의 구성이 가능함 외에도 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 충전시는 SOC가 낮은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하고, 방전시는 SOC가 높은 배터리 모듈을 우선 선택하여 직렬연결되도록 하여 충방전시 자연스럽게 밸런싱 기능을 수행할 수 있어, 부가적인 밸런싱 회로 또는 장치를 추가할 필요가 없어 경제성을 확보한다.
둘째, 본 발명은 충방전시 자연스럽게 저장되는 무효전력을 SOC가 낮은 배터리에 저장되도록 하여 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞추는 것 외에 상기 배터리의 내부저항에 의한 발열에 의해 배터리 내부 온도를 제어할 수 있다.
세째 본 발명은 노후화되거나 고장난 배터리 모듈을 작동중에도 교체할 수 있는 편의성을 제공한다.
넷째, 본 발명은 배터리 군을 개별로 분리하는 구조로 설계함에 따라 배터리의 개방전압 계측에 의해 SOC 추정이 용이하게 할 수 있으며, 이로 인하여 직렬로 연결된 배터리 군의 SOC 밸런싱 제어가 가능하게 하는 스위칭 알고리즘 구현이 가능하다.
다섯째, 다수의 수용가간 분산된 ESS를 통합적으로 운영하기 위한 저전압 배전시스템에 있어서, 양방향 전력 이동 및 통신 및 제어가 용이한 DC/DC 컨버터를 제공한다.
여섯째, 본 발명은 배터리의 센싱 전압 데이터만으로 SOC를 추정하는 방식에 있어서, 급작스런 대전류 방전의 경우 전압이 급강하 함에 따라 실제보다 SOC가 매우 낮게 표시되고, 반대로 방전이 종료되면 SOC 값이 올라가버리는 현상을 최소화하여 SOC를 비교적 정확하게 추정할 수 있게 한다.
일곱번째, 본 발명은 또한 센싱 전압 데이터에 있어서 전압의 변화율값을 고려함에 따라 기존의 센싱전압으로 SOC를 추정하는 시스템에 비해 저가이면서 정확하게 SOC를 추정할 수 있도록 한다.
여덟번째, 본 발명은 센싱 전압 데이터에 있어서 전압의 변화율값을 고려함에 따라 기존의 센싱전압으로 SOC를 추정하는 시스템에 비해 저가이면서 정확하게 SOC를 추정할 수 있다.
아홉번째, ESS에 사용되는 리튬전지 배터리를 신재생에너지의 불안정한 전력에 대해서는 다른 보조적인 저장장치에 저장하도록하고, 일정하면서 안정한 전력에 대해서는 리튬전지 배터리가 이를 충전하도록 하여 리튬전지의 수명을 유지시켜 유지보수비를 저감케 한다.
GRID : 한전 전력망 EESS : 확장형 ESS
DL : 분산형 부하 PVG : 태양광 발전기
PCS : 양방향 전력변환기 UCP : 울트라 캐패시터팩
INV : 인버터 ILC : 인터링크 컨버터
DCM : DC 전력계 DDC : 양방향 DC/DC 컨버터
D1,2,3,4 : 다이오드1,2,3,4 T1,2,3,4,5 : 스위치1,2,3,4,5
BT : 양방향 스위치 CP : 제어부
DB : 수배전부 BPCS : 충방전 전력변환기
CDF : 전력필터부 BMS : 배터리 모듈부
Bat1.....N : 배터리 1001......N : 배터리 모듈
BT11......N : 상단 스위치 BT21......N : 하단 스위치
S1,2,3,4 : 스위치1,2,3,4
RBT1,2,3,4 : 공진부 스위치1,2,3,4 L1,2 : 인덕터1,2
C1,2 : 캐패시터1,2 BBT1,2 : 벅부스트스위치1,2

Claims (11)

  1. 한전 전력망으로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 전력을 전달하는 확장형 ESS에 있어서,
    상기 확장형 ESS는
    태양광 발전기; 한전 전력망으로부터 공급받거나 상기 태양광 발전기로부터 발전된 전력을 배터리 모듈부에 저장하거나 방전하여 분산형 부하에 전력을 전달하는 ESS; 울트라캐패시터가 직병렬로 연결되어 상기 태양광 발전기에 의해 전력발생시에 우선적으로 충전되되, 충전완료될 경우 충전될 전력을 상기 ESS에 전달하는 울트라캐패시터팩;상기 태양광 발전기로부터 발전된 DC 전력을 상기 울트라캐패시터팩에 대응되는 전압 및 전류로 변환하거나 상기 울트라캐패시터팩으로부터 방전되는 전력을 상기 ESS에 대응되는 전압 및 전류로 변환하는 양방향 전력변환기; 상기 한전 전력망으로부터 전달되는 DC 전력을 상기 ESS에 전달하거나 분산형 부하에 전력을 공급하되, 상기 ESS에 저장된 전력 또는 상기 태양광 발전기에 의해 발전되는 잉여 전력을 공급받아 한전 전력망으로 연계 송출하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 한전전력망 사이에 양방향으로 전달되는 전력량을 계량하는 DC 전력계; 상기 한전 전력망과 DC 전력계 사이에 설치되어 한전 전력망으로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 정류하거나, 상기 태양광 발전기 또는 상기 ESS로부터 전달되는 DC 전력을 상용 AC 전력으로 변환하는 인터링크 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터 또는 ESS 또는 상기 태양광 발전기로부터 전력을 공급받아 분산형 부하에 대응하는 AC 전력으로 변환하여 전달하는 인버터; 및 제어부;로 구성되되,
    상기 태양광 발전기와 상기 양방향 전력변환기 사이에 상기 양방향 전력변환기 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 1 및 스위치 1이 직렬로 연결되며,
    상기 태양광 발전기와 상기 ESS 사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 2 및 스위치 2가 직렬로 연결되며,
    상기 태양광 발전기와 상기 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 상기 양방향 DC/DC 컨버터 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 3 및 스위치 3이 직렬로 연결되며,
    상기 스위치 1과 양방향 전력변환기 사이의 접점과 상기 ESS 사이에 상기 ESS 방향으로 전력이 전달되도록 스위치 4가 설치되며,
    상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 인버터 사이에 상기 인버터 방향으로 전력이 전달되도록 다이오드 4 및 스위치 5가 직렬로 연결되며,
    상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 ESS 사이에 전력이 양방향으로 도통될 수 있도록 양방향 스위치가 설치되며,
    상기 제어부는 울트라캐패시터부의 전압, 상기 ESS에 포함되는 배터리 모듈부의 전압 및 상기 태양광 발전기의 출력 전류를 검출하되, 상기 태양광 발전기로부터 출력 전류가 검출될 경우 울트라 캐패시터팩을 보조적으로 우선 충전한 후에 상기 ESS로 전력을 충전하고, 상기 태양광 발전기의 출력 전류가 검출되지 않고, 울트라캐패시터부의 전압이 직렬로 연결된 배터리 모듈부의 전체 전압보다 높은 경우, 울트라캐패시터팩을 방전하여 상기 ESS에 포함된 배터리를 충전하도록 스위치 1, 2, 4에 대해서 온/오프 게이팅 신호를 송출하며,
    상기 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 ESS 사이의 전력 전달 방향을 제어하기 위해 상기 양방향 스위치의 온/오프 게이팅 신호를 송출하며,
    상기 양방향 전력변환기는 직병렬로 연결된 울트라캐패시터팩의 양극으로부터 음극으로 도통되도록 벅부스트스위치 1 및 벅부스트스위치 2가 순서대로 울트라캐패시터팩과 병렬연결되되, 상기 벅부스트스위치 1 및 벅부스트스위치 2의 접점과 상기 벅부스트스위치 2의 소스(Source)부 사이에 인덕터 2 및 캐패시터 2가 병렬로 연결되며, 상기 캐패시터 2의 단자 사이에 공진부 스위치 1 내지 4가 순서대로 병렬로 연결되며, 상기 공진부 스위치 1과 2의 접점과 공진부스위치 3과 4의 접점 사이에 인덕터 1과 캐패시터 1이 순서대로 연결되며, 상기 스위치 1과 스위치 4의 접점과 상기 공진부스위치 2 및 공진부스위치 3 사이의 접점이 연결되되,
    상기 제어부는 울트라캐패시터팩의 충전의 경우 공진부스위치 3 및 벅부스트스위치 2와 공진부스위치 4를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하며, 방전의 경우 공진부스위치 1 및 벅부스트스위치 1과 공진부스위치 2를 교대로 온/오프하는 게이팅 신호를 송출하여 제어하며,
    상기 ESS는 전력이 충전되거나 방전되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈부; 정격전류나 정격전압범위내에서 송수전할 수 있도록 각종 스위치나 차단기로 구성되어 전력이 양방향으로 오고가는 수배전반; 수배전반으로부터 전달되는 전력을 상기 배터리 모듈부에 대응하는 DC 전압으로 변환하거나, 상기 배터리 모듈부가 방전하는 전력을 부하에 전달하는 경우 대응하는 DC 전압으로 변환하는 충방전 전력변환기; 상기 충방전 전력변환기나 상기 배터리 모듈 시리즈가 송출하는 전력에 포함될 수 있는 각종 고조파를 제거하여 전달하는 전력필터부; 및 상기 배터리 모듈 시리즈에 있어서 충방전, 상기 충방전 전력변환기를 제어하는 배터리제어부;로 구성되며,
    상기 배터리 모듈 시리즈는 복수개의 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 구성되되,
    상기 배터리 모듈은 배터리와 그 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치와 하단 스위치로 구성되며,
    상기 상단 스위치와 하단 스위치는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용하며,
    상기 배터리 모듈 시리즈는 하단의 배터리 모듈의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점이 상단의 배터리 모듈의 하단 스위치와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치되며,
    상기 전력필터부는 최상단 배터리 모듈의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점과 최하단 배터리 모듈의 배터리 모듈의 음극과 하단스위치의 접점 사이에 인덕터와 캐패시터가 순서대로 연결되어 구성되며,
    상기 배터리 제어부는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부, 센서부, 상기 센서부에 의해 각 배터리의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 모듈 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU 및 상기 상단 스위치와 하단 스위치에 도통신호를 주는 스위칭 신호부를 포함하여 구성되며,
    사용자에 의해 방전전압이 세팅되면,
    방전에 사용되는 배터리 모듈의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈을 우선적으로 사용하며,
    상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 모듈의 상단스위치를 도통시켜 방전하며,
    사용자에 의해 충전전압이 세팅되면,
    충전에 사용되는 배터리 모듈의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 포함하는 배터리 모듈을 우선적으로 사용하며,
    상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 모듈의 하단스위치를 도통시켜 충전하는 것을 포함하여 구성되며,
    충·방전이 종료된 후 상기 전력필터부의 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리를 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해,
    충전할 배터리를 포함하지 않는 나머지 배터리 모듈의 하단스위치를 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 도통시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 벅부스트스위치 1 및 2와 상기 공진부스위치 1 내지 4는 모두 환류 다이오드를 갖춘 FET 소자를 사용하며,
    상기 스위치 1 내지 5는 환류다이오드가 없는 단방향 FET 소자 또는 마그네틱 스위치를 사용하며,
    상기 양방향 스위치는 양방향 IGBT 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리가 단독으로 착탈 가능하거나,
    상기 배터리와 상단스위치가 하나의 모듈을 구성하여 착탈 가능하며,
    상기 제어부는 세팅된 충방전 전압값, 각 배터리 모듈의 SOC 데이터 및 충방전 상태를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 DC/DC 컨버터는
    양방향으로 전력이 전달되는 대칭형 스키메틱 회로로 구성되되,
    어느 한쪽은 그라운드 방향으로 도통되는 스위치 2개가 직렬로 연결되어 있고, 이 스위치 2개가 연결된 회로에 평활콘덴서가 병렬로 연결되어 있는 회로를 구성하되, 상기 스위치 2개의 중간 접점 사이에 인덕터가 연결되고, 스위치 2개의 연결에서 그라운드 접점이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS.
  11. 청구항 1에 따른 하이브리드 확장형 ESS의 제어방법에 있어서,
    상기 제어방법은 울트라캐패시터팩 충전 모드; 울트라캐패시터팩 방전 모드; 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드; 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드; ESS에 의한 부하 전력 전달 모드; 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드; 태양광 발전 계통 연계 모드; 및 ESS 계통 연계 모드로 구성되되,
    상기 울트라캐패시터팩 충전 모드는 스위치 1이 온 되면서 작동되고
    상기 울트라캐패시터팩 방전 모드는 스위치 4가 온 되면서 작동되며,
    상기 태양광 발전기에 의한 배터리모듈 충전 모드는 스위치 2가 온 되면서 작동되고,
    상기 한전 전력망에 의한 배터리모듈 충전 모드는 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 상기 ESS 방향으로 양방향 스위치가 온되면서 작동되며,
    상기 ESS에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 ESS에 저장된 전력을 인버터를 통해 전달되며 작동되고,
    상기 한전 전력망에 의한 부하 전력 전달 모드는 상기 인터링크 컨버터와 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 거치되, 스위치 5가 온되면서 작동되며,
    상기 태양광 발전 계통 연계 모드는 스위치 3이 온되면서 상기 양방향 DC/DC 컨버터로부터 인터링크 컨버터를 거쳐 한전 전력망으로 계통연계되며,
    상기 ESS 계통 연계 모드는 상기 ESS로부터 양방향 DC/DC 컨버터 방향으로 양방향 스위치가 온되면서 상기 ESS에 저장된 전력이 한전 전력망으로 계통연계되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 확장형 ESS의 제어방법.
KR1020200105228A 2020-08-21 2020-08-21 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법 KR102217306B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200105228A KR102217306B1 (ko) 2020-08-21 2020-08-21 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200105228A KR102217306B1 (ko) 2020-08-21 2020-08-21 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102217306B1 true KR102217306B1 (ko) 2021-02-19

Family

ID=74687350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200105228A KR102217306B1 (ko) 2020-08-21 2020-08-21 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102217306B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230009064A (ko) 2021-07-08 2023-01-17 한국교통대학교산학협력단 저전압 스트레스를 갖는 승압형 양방향 컨버터

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101915244B1 (ko) * 2017-05-02 2018-12-28 주식회사 이엘티 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 bess 전력변환시스템 및 그 제어방법
KR101934702B1 (ko) * 2018-09-12 2019-01-03 주식회사 지엔이피에스 에너지 뱅크 시스템
KR20200082293A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 주식회사 키스톤에너지 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101915244B1 (ko) * 2017-05-02 2018-12-28 주식회사 이엘티 보조충전부로써 슈퍼커패시터와 공진회로가 적용된 하이브리드 bess 전력변환시스템 및 그 제어방법
KR101934702B1 (ko) * 2018-09-12 2019-01-03 주식회사 지엔이피에스 에너지 뱅크 시스템
KR20200082293A (ko) * 2018-12-28 2020-07-08 주식회사 키스톤에너지 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230009064A (ko) 2021-07-08 2023-01-17 한국교통대학교산학협력단 저전압 스트레스를 갖는 승압형 양방향 컨버터

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8552590B2 (en) Energy management system and grid-connected energy storage system including the energy management system
US9293923B2 (en) Energy storage system and controlling method of the same
KR101146670B1 (ko) 에너지 관리 시스템 및 이의 제어 방법
KR101181822B1 (ko) 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치
KR101097260B1 (ko) 계통 연계형 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템 제어 방법
KR101084215B1 (ko) 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법
KR101174891B1 (ko) 전력 저장 시스템 및 그 제어방법
KR101084216B1 (ko) 에너지 저장 시스템 및 이의 제어 방법
KR101147202B1 (ko) 전력 저장 장치
CN103733465B (zh) 充电装置
US9263776B2 (en) Battery system and energy storage system including the same
US20130088900A1 (en) Energy storage system and controlling method of the same
KR102194327B1 (ko) 분산형 부하에 대응하기 위한 확장형 ess
KR20130138611A (ko) 에너지 저장 시스템
JP2011109901A5 (ko)
KR101256077B1 (ko) 전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법
KR20180014957A (ko) 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템
US9086461B2 (en) Circuit for measuring voltage of battery and power storage system using the same
KR102217306B1 (ko) 하이브리드 확장형 ess 및 그 제어방법
JP6076381B2 (ja) 電力供給システム
US11233403B2 (en) Grid interconnection system
US20140085935A1 (en) Power conversion device

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant