KR102238735B1 - 정전 및 복전시 비상 발전기와 연계된 에너지 저장장치 시스템 - Google Patents

Abstract

정전 및 복전시 비상 발전기와 연계된 에너지 저장장치 시스템이 개시된다. 본 명세서의 일 실시에에 따른 무정전 전원 공급 시스템은, 계통 정전 발생시, 무정전 절체장치에 포함된 적어도 하나의 스위칭 시스템을 제어함으로써, ESS 시스템과 비상 발전기에서 부하로 공급하는 부담 비율을 제어한다. 이를 통해 완전 무정전 시스템을 구현할 수 있다.

Description

정전 및 복전시 비상 발전기와 연계된 에너지 저장장치 시스템{Energy Storage System Associated With Standby Generator During Power Failure and Power Recovery}

본 명세서는 계통의 정전 및 복전 시 비상발전기와 연계된 에너지 저장시스템을 이용한 무정전 전원 공급 시스템에 관한 것이다.

무정전 전원 장치(UPS, Uninterrupted Power Supply)는 일반적으로 정전 등 비상시에 배터리나 별도의 보조 전원에서 생성된 전력을 부하로 제공하는 장치이다. 정전시 무정전 전원 장치가 동작하도록 하여 수초 내지 수 시간 동나 보조 전원이 전력을 공급하므로 부하의 전기 설비들을 보호하고 안전하게 종료할 수 있다.

일반적으로 무정전 전원 장치는 컴퓨터 보호 장비, 데이터 센터, 통신 장비 뿐 아니라 규모가 큰 산업 전기 시설에 적용이될 수 있다. 특히, 정전으로 단수사고 발생의 위험성 및 복전 과정 중 2차 사고 발생의 위험성이 상존하고 있다. 예를 들어 수처리 공정 설비(혼화, 응집, 염소 등) 재가동 중 일부 공정 설비 미가동 또는 오가동으로 인한 수질 사고의 위험성이 존재할 수 있다. 또한, 정전으로 인해 송수 펌프가 일시적으로 정지하여 관로 수충격으로 인한 관리 및 배수지 수질사고(탁도 상승)의 위험성이 존재할 수 있다.

이에 따라, 불시의 순간 정정에도 중단 없는 비상전원 공급 시스템이 필요한 실정이다.

비상전원 공급을 위해 활용되는 시스템으로서, 비상 발전 시스템(CTTS)와 ESS 시스템이 활용될 수 있다. 다만, CTTS 시스템은 계획 정정시에만 무정전 절체가 가능하며 불시 정정시에는 여전히 정전이 발생할 위험성이 존재한다. 또한, ESS 시스템의 경우 장비 구축에 고가의 비용이 소요되며, 장시간 비상전원 공급이 어려운 단점이 있다.

본 명세서는 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 명세서는 ESS 시스템과 비상 발전 시스템을 연계하여 완전 무정전 시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 명세서는 계통 정전시, ESS 시스템과 비상 발전 시스템에서 부하에 공급되는 부하 분담 비율을 순차적으로 제어함으로써, 무순단 전력 공급이 가능한 무정전 전원 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 명세서는 계통 스위치 및 비상 발전기 스위치와 독립적으로 운용되는 독립 운전 스위칭 시스템을 적용함으로써, ESS 시스템과 비상 발전 시스템의 부하 분담 비율을 효율적으로 제어할 수 있는 무정전 전원 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 명세서는 ESS 시스템의 단주기 특성을 독립 운전 스위칭 시스템을 통해 보완함으로써, 비상 발전기 전원을 효율적으로 부하에 제공할 수 있는 무정전 전원 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서의 일 양상에 따른 무정전 전원 공급 시스템은, 계통에서 전원을 공급받아 부하에 공급하고, 계통 정전이 발생한 경우, 상기 부하에 공급하기 위한 비상 전원을 생산하는 발전기; 상기 계통 정전이 발생한 경우, 미리 정해진 시간 동안 무정전으로 상기 부하에 전원을 공급하는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System); 상기 계통, 부하 및 비상 발전기 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통 및 비상 발전기로부터 상기 부하에 상기 전원을 공급하거나 차단하는 무정전 절체 장치; 및 상기 계통 정전이 발생한 경우, 상기 무정전 절체 장치를 제어하여 상기 에너지 저장장치와 상기 발전기가 각각 상기 부하에 공급하는 전원 공급 비율을 제어하는 부하 분담 제어 장치;를 포함한다.

상기 무정전 절체 장치는, 상기 계통, 비상발전기 및 부하 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통 또는 비상발전기 중 적어도 하나로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 제3 스위치(S3)를 포함하는 독립 운전 스위칭 시스템; 상기 계통과 상기 제3 스위치(S3) 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통으로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 제1 스위치(S1); 및 상기 비상 발전기와 상기 부하 사이에 전기적으로 연결되어 상기 비상 발전기로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 제2 스위치(S2);를 포함한다.

여기서 제1 스위치는 계통 스위치이고, 제2 스위치는 비상 발전기 스위치 이고, 제3 스위치는 독립 운전 스위치일 수 있다.

상기 에너지 저장장치는, 배터리; 및 상기 계통 또는 비상 발전기로부터 전력을 입력받아 상기 배터리에 저장하거나, 계통 방출을 위해 전기적 특성을 변환하는 PCS;를 더 포함하고, 계통 정전이 발생한 경우, 상기 PCS가 전압제어 모드에서 동작되도록 제어하고, 상기 비상 발전기와 함께 상기 부하로 공급하는 전원 비율을 미리 정해진 기준에 따라 분담되도록 제어될 수 있다.

상기 무정전 전원 공급 시스템은, 상기 계통 정전이 발생한 경우, 상기 계통에서 출력되는 전압 특성 및 상기 비상발전기에서 출력되는 전압 특성이 동일하게 유지되도록 제어하는 동기 제어기;를 더 포함하고, 상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)는 온(on) 상태이며, 상기 제2 스위치(S2)는 오프(off) 상태에서 상기 계통으로부터의 전원을 상기 부하로 공급하는 계통 정상 모드에서, 상기 계통 정전이 발생한 경우, 상기 제1 스위치(S1)를 오프시키고, 상기 동기 제어기를 제어하여 상기 비상 발전기에서 공급되는 전압 및 주파수를 일정하게 유지하도록 전압 확립 모드에서 동작하도록 제어할 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 전압 확립 모드에 진입함에 따라 상기 제2 스위치(S2)를 온(on) 시키고, 제3 스위치(S3)를 오프(off) 시킬 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 제3 스위치(S3)가 오프된 상태에서 상기 에너지 저장장치의 전원이 상기 부하로 공급되도록 제어할 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 전압 확립 모드에서 상기 계통 전압 및 전압주파수와 상기 비상 발전기의 전압 및 전압 주파수가 같아지도록 동기화시키고, 상기 동기화가 완료되면 상기 제3 스위치(S3)를 온(on) 시킬 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 제3 스위치(S3)가 온(on) 됨에 따라, 상기 에너지 저장장치 상기 부하로 공급하는 제1 부담 비율을 순차적으로 줄이고, 상기 비상 발전기가 상기 부하로 공급하는 제2 부담 비율을 순차적으로 증가시킬 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 제2 부담 비율이 100%에 도달한 경우, 상기 에너지 저장장치의 PCS를 전류제어 모드에서 동작하도록 제어할 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 무정전 전원 공급 시스템이 계통 복전 모드에 진입한 것을 감지하면 상기 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 오프(off) 시키고, 상기 제2 스위치(S2)의 오프가 감지됨에 따라 상기 에너지 저장장치의 PCS를 전압제어모드에서 동작하도록 제어하고, 상기 에너지 저장 장치만이 상기 부하로 전원이 공급되도록 할 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 제1 스위치(S1)를 온(on) 하여 상기 PCS의 상기 전압제어모드를 계통 연계모드에서 동작하도록 제어할 수 있다.

여기서, 계통 연계 모드는 제1 스위치(S1) 만 온되며, 제3 스위치(S3)는 오프로 유지되는 상태로 정의될 수 있다.

따라서, 계통 연계 모드에서는 여전히 부하에 공급되는 전원은 100% ESS에서 부담하는 상태일 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 계통 연계모드에서 미리 정해진 시간이 경과된 후, 제3 스위치를 온(on) 시키고, 상기 에너지 저장장치에서 상기 부하로 공급하는 부담 비율을 줄이고, 상기 계통에서 상기 부하로 공급하는 부담비율을 증가시킬 수 있다.

상기 부하 분담 제어 장치는, 상기 계통 복전이 이루어짐에 따라 상기 에너지 저장장치의 부담비율이 0%가 되는 경우, 상기 PCS를 전류제어 모드에서 동작하도록 제어할 수 있다.

한편, 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템은, 계통 정전이 발생한 경우, 무정전 전원 공급 시스템 또는 부하에서의 화재 발생을 감지하기 위한 감지 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 화재 감지 장치는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있으며, 상기 센서를 통해 화재 발생을 감시하는 경우, 알람을 발생하는 알람 장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 화재 감지 장치는, 화재를 자동으로 진압하기 위한 화재 진압 장치를 더 구비할 수 있다.

본 명세서에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 명세서는 ESS 시스템과 비상 발전 시스템을 연계하여 완전 무정전 시스템을 구현할 수 있다.

또한, 본 명세서는 계통 정전시, ESS 시스템과 비상 발전 시스템에서 부하에 공급되는 부하 분담 비율을 순차적으로 제어함으로써, 무순단 전력 공급이 가능하다.

또한, 본 명세서는 계통 스위치 및 비상 발전기 스위치와 독립적으로 운용되는 독립 운전 스위칭 시스템을 적용함으로써, ESS 시스템과 비상 발전 시스템의 부하 분담 비율을 효율적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 명세서는 ESS 시스템의 단주기 특성을 독립 운전 스위칭 시스템을 통해 보완함으로써, 비상 발전기 전원을 효율적으로 부하에 제공할 수 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 운영 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 명세서 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 운영 과정에서 계통의 상태에 따른 무정전 자동 절체 장치, 에너지 저장장치, 비상발전기의 상태를 설명하기 위한 테이블이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정상인 상태에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전이 발생한 경우 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 에너지 저장장치와 비상발전기가 연계되는 과정에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 에너지 저장장치와 비상 발전기의 부하 분담 과정을 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 부하 분담 과정에서 비상 발전기를 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태 후 계통이 복전되는 과정에서 부하 분담 과정을 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 복전 직후 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 복정 과정 후 계통 정상인 상태에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템은 무정전 자동절체 장치(100), 에너지 저장장치(200), 비상 발전기(300), 동기 제어기(400) 및 부하 분담 제어 장치(500)를 포함한다.

도 1은 상기 무정전 전원 공급 시스템의 운용 과정의 설명을 위해 계통(10) 및 부하(20)을 포함하고 있다.

계통(10)은 한전 전원과 같은 상용 전원을 공급받아 부하(20)에 전원을 공급한다.

부하(20)는 일 실시예에 따라 펌프 설비, 수처리 설비, 각종 제어 설비 등을 포함할 수 있다.

무정전 자동절체 장치(100)는 적어도 하나의 스위칭 시스템을 구비할 수 있다. 상기 적어도 하나의 스위칭 시스템은, 계통 스위칭 시스템(S1), 비상 발전기 스위칭 시스템(S2), 독립 운전 스위칭 시스템(S3)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 계통 스위칭 시스템(S1)을 제1 스위치(S1), 비상 발전기 스위칭 시스템(S2)을 제2 스위치(S2), 독립 운전 스위칭 시스템(S3)을 제3 스위치(S3)로 정의하기로 한다.

제1 스위치(S1)는 계통(10)과 부하(20) 사이에서 전기적으로 연결되어, 계통(10)으로부터 공급되는 전원을 부하(20)로 공급하거나 차단할 수 있다.

제2 스위치(S2)는 비상발전기(300)와 부하(20) 사이에서 전기적으로 연결되어 비상발전기(300)로부터 공급되는 전원을 부하(20)로 공급하거나 차단할 수 있다.

제3 스위치(S3)는 상기 계통(10), 비상 발전기(300) 및 부하(20) 사이에 전기적으로 연결되어 계통(10) 또는 비상 발전기(300) 중 적어도 하나로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하(20)로 공급하거나 차단할 수 있다.

에너지 저장장치(ESS, 200)는 배터리와 PCS를 포함할 수 있다.

PCS(Power Conversion System)은 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템) 내에서 전력을 입력받아 배터리에 저장하거나, 계통 방출을 위해 전기적 특성(주파수, 전압, AC/DC)을 변환해주는 시스템이다. ESS에 저장되는 전기는 직류이고, 사용하는 전기는 교류이다. 전기를 저장할 때는 교류에서 직류로 변환하여 저장하고, 방출할 때는 직류에서 교류로 변환하여 방출한다. 즉, 전력 변환 장치 PCS는 위와 같이 ESS 시스템 내에서 전기를 저장하고, 저장된 전기를 방출하는 과정에서 전력을 변환시켜주는 시스템이다. 한편 ESS 시스템 내에서 PCS의 기능은 전술한 전력 변환 기능 외에 ESS 시스템 내의 감지 및 제어 기능, 독립운전기능, 계통연계 보호기능을 포함할 수 있다. 여기서 계통 연계 보호기능은, 정진시 계통을 보호할 수 있는 기능을 의미한다.

한편, 상기 PCS는 부하 분담 제어 장치(500)에 의해 제어될 수 있다. 부하 분담 제어 장치(500)는 에너지 저장 장치(200)가 부하에 전원을 공급하는 과정에서는 전압 제어 모드로 동작하도록 제어하고, 부하로의 전원 공급 비율이 0%인 경우 전류 제어 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.

동기 제어기(400)는 계통 정전 발생시, 계통에서 출력되는 전압 특성 및 비상 발전기에서 출력되는 전압 특성이 같아지도록 제어할 수 있다. 상기 전압 특성은 전압 주파수 및 전압 크기를 의미할 수 있다.

부하 분담 제어장치(500)는 계통 정전 발생 시, 에너지 저장장치(200)와 비상 발전기(300) 각각이 부하에 공급하는 부하 분담을 제어한다.

일 실시예에 따라, 계통 정전 발생 시점부터 계통 복전이 완료되는 시점까지 에너지 저장장치(200)와 비상 발전기(300)에서 부담하는 비율이 조절될 수 있다. 설명의 편의를 위해 에너지 저장장치(200)가 부담하는 부하 분담 비율을 제1 부담 비율로 칭하고, 비상 발전기(300)가 부담하는 부하 분담 비율을 제2 부담 비율로 칭하기로 한다.

예를 들어, 계통 정전이 발생한 시점에서는 에너지 저장장치(200)의 분담 비율이 100%일 수 밖에 없다. 그러나, 발전기 스위치(S2)가 온(on) 됨에 따라 제1 부담 비율은 점점 줄어들고, 제2 부담 비율은 점점 늘어나도록 제어할 수 있다.

부하 부담 제어 장치(500)는 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)가 온(on) 상태이며, 상기 제2 스위치(S2)가 오프(off) 상태에서 상기 계통(10)으로부터 전원을 상기 부하(20)로 공급하는 계통 정상 모드에서 계통 정전이 발생한 경우, 무정전 자동절체 장치(100)의 스위칭 시스템을 제어한다. 예를 들어, 상기 게통 정전이 발생한 경우, 부하 분담 제어 장치(100)는 상기 제1 스위치(S1)를 오프시키고, 상기 도기 제어기(400)를 제어하여 상기 비상 발전기(300)에서 공급되는 전압 및 주파수를 일정하게 유지하도록 전압 확립 모드에서 동작하도록 제어할 수 있다.

상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 전압 확립 모드에 진입함에 따라 상기 제2 스위치(S2)를 온(on) 시키고 제3 스위치(S3)를 오프시킨다.

한편, 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 전압 확립 모드에서 상기 계통 전압 및 전압 주파수와 상기 비상 발전기의 전압 및 전압 주파수가 같아지도록 동기화시키고, 상기 동기화가 완료되면, 상기 제3 스위치(S3)를 온(on) 시킨다. 상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 제3 스위치(S3)가 온(on) 됨에 따라, 상기 에너지 저장 장치(200)가 상기 부하(20)로 공급하는 제1 부담 비율을 순차적으로 줄이고, 상기 비상 발전기가 상기 부하로 공급하는 제2 부담 비율을 순차적으로 증가시킬 수 있다.

상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 제2 부담 비율이 100%에 도달하는 것을 감지한 경우, 상기 에너지 저장 장치(200)에 포함된 PCS를 전류제어모드에서 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라 상기 에너지 저장 장치(200)는 더 이상 부하에 전원을 공급하지 않게 된다.

한편, 상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 무정전 전원 공급 시스템이 계통 복전 모드에 진입한 것을 감지할 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)가 오프되도록 제어된다. 또한, 상기 제2 스위치(S2)의 오프가 감지됨에 따라 상기 에너지 저장 장치(200)의 PCS를 전압제어모드에서 동작하도록 제어한다. 계통 복전이 감지되기는 하였지만 제1 스위치(S1)가 아직 온(on) 되기 전에 상기 제2 스위치(S2)가 오프됨에 따라 부하에 공급되는 전원이 일정하게 유지되도록 하기 위해서는 에너지 저장장치(200)의 전원 공급이 일시적으로 필요하기 때문이다. 즉, 복전 모드가 감지된 시점이후 미리 정해진 시간(예를 들어, 2분) 동안은 에너지 저장장치(200)만이 부하로 전원을 공급하게 된다.

여기서 상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 제1 스위치(S1)를 온(on) 하여 상기 PCS의 전압제어 모드를 계통 연계 모드로 전환시킬 수 있다. 계통 연계 모드라 함은 계통이 복전되어 다시 계통으로부터 전원을 공급받을 수 있는 상태를 의미하는데 이 경우 제1 스위치(S1)가 온(on) 된 상태를 의미한다. 다만 상기 계통 연계 모드는, 상기 제1 스위치(S1)가 온(on)되더라도 독립 운전 스위치인 제3 스위치(S3)가 오프인 상태인 바, 계통으로부터 전달되는 전원이 부하로 바로 공급되지는 못하는 상태일 수 있다. 따라서, 계통 연계 모드에서는, 여전히 에너지 저장 장치(200)에서 부하로 전원을 공급하는 상태이다.

상기 부하 부담 제어 장치(500)는 상기 계통 연계 모드에서 미리 정해진 시간이 경과된 후, 제3 스위치(S3)가 온(on) 되도록 제어하게 되면, 이 이후에는 계통(10)과 에너지 저장장치(200) 사이에서 부하 부담 비율을 조율하게 된다. 즉, 그 이후에 상기 에너지 저장장치(200)에서 상기 부하(20)로 공급하는 제1 부담 비율을 순차적으로 줄이고, 계통에서 부하로 공급하는 부담 비율을 점차적으로 증가시킬 수 있다.

부하 부담 제어 장치(500)는 계통(10)과 에너지 저장 장치(200)의 부하 부담 비율이 조정되는 과정에서 에너지 저장장치(200)의 부담 비율이 0%에 도달하는 것을 감지하게 되면, PCS를 전류 제어 모드에서 동작하도록 제어한다. 그 이후부터는 완전히 계통만이 부하에 전원을 공급하게 된다.

이하, 도 2 내지 도 13을 참조하여, 전술한 부하 부담 제어 장치(500)가 무정전 자동 절체 장치(스위칭 시스템, 100)를 제어하여 계통(10), 에너지 저장장치(200), 비상 발전기(300)의 부하 부담 비율을 제어하는 동작을 보다 구체적 설명하기로 한다.

도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 무정전 자동 절체 장치(100)는 복수의 스위치로 구성될 수 있다.

제1 스위치(S1)는 일단이 계통(10)과 연결되고 타단이 제3 스위치(S3)와 연결된다. 계통 정상 모드인 경우, 제1 스위치(S1)과 제3 스위치(S3)가 온 상태로서, 계통 전원은 S1, S3를 거쳐서 부하로 전달된다.

제2 스위치(S2)는 일단이 비상 발전기(300)에 연결되고 타단이 제3 스위치(S3)와 연결된다. 계통 정전 모드인 경우, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 온 상태로서, 비상 발전기 전원은 S2,S3를 거쳐 부하로 전달된다.

그리고 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 오프상태인 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 계통 정전이 발생한 직후 또는 계통 복전이 이루어진 직후에는 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 모두 오프 상태이며, 이 경우 에너지 저장장치(200)의 전원이 부하로 전달된다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면 무정전 전원 장치는 무정전 자동 절체 장치(100)와 PCS(222)와 연계된 에너지 저장장치(210)로 구성될 수 있다.

부하 분담 제어 장치(500)는 도 1에서 구체적으로 설명한 바와 같이, 부정전 자동 절체 장치(100)에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 운영 방법을 설명한다.

도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 운영 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4는 본 명세서 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 운영 과정에서 계통의 상태에 따른 무정전 자동 절체 장치, 에너지 저장장치, 비상발전기의 상태를 설명하기 위한 테이블이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 무정전 전원 공급 시스템은 계통 정상 모드에서 S1, S2가 온 상태이고, 그 상태에서 계통 정전을 감지할 수 있다(S100).

계통 정상 모드에서 PCS는 부하에 전원을 공급하지 않는 상태인 관계로 대기 상태로 정의할 수 있다. 또한, 비상 발전기는 오프 상태이다.

계통 정진이 발생하면, S1,S2,S3 모두 오프 상태인 관계로, 계통(10)과 비상 발전기(300) 모두 부하로 전원을 공급할 수 없는 상태이며, ESS에서 부하에 전원을 공급한다(S110).

즉, ESS의 부하 부담 비율은 100%인 상태이며, ESS의 PCS 상태는 UPS 모드로 정의할 수 있다. 상기 UPS 모드는 에너지 저장장치를 통해 부하에 전원을 공급하는 상태를 의미할 수 잇다.

부하 부담 제어 장치(500)는 비상 발전기(500)를 통해 전원을 공급하기 위해서 비상 발전기(300)의 전압특성(전압 크기, 전압 주파수, 위상 등)을 계통(10)의 전압 특성과 동기화시킬 수 있다(S120).

동기 제어기(400)를 통해 동기화가 이루어질 수 있으며 S1, S3는 오프 상태이며, 동기화가 완료되면 S2는 온 상태로 전환되어 비상 발전기(300)의 전원을 이용할 수 있게된다. 이때 PCS는 UPS 모드에서 비상 발전기 연계 모드로 전환된다. 비상발전기 연계 모드는 비상 발전기와 부하 공급 전원을 분담할 수 있도록 준비하는 모드를 의미할 수 있다. 이때 비상 발전기는 계통 전압 특성과 동기화가 이루어져 CVCF 상태에 있다. 한편, 비상발전기 연계모드에서는 여전히 S3는 오프 상태이다.

부하 부담 제어 장치(500)는 ESS(200)와 비상 발전기(300)의 부하 부담 비율을 제어할 수 있다(S130).

비상 발전기 연계 모드에서 S3가 온(on) 되면서 부하 분담 모드로 전환된다. 부하 분담 모드에서는 S2, S3가 온(on) 상태이며 에너지 저장장치(200)의 부담비율이 100%에서 점차적으로 줄어든다. 또한, 비상 발전기(300)의 부담 비율이 0%에서 점차적으로 증가된다.

여기서 ESS의 부담 비율이 100%에서 0%로 줄어드는 속도와 비상 발전기의 부담 비율이 0%에서 100%로 증가하는 속도가 동일하지 않을 수 있다. 이 경우, 부하 부담 제어 장치(500)는 ESS와 비상 발전기의 부하 부담 비율이 변화하는 속도가 다를 경우, 적어도 어느 하나의 장치의 부담 비율 변화 속도를 제어함으로써, ESS와 비상 발전기의 부담 비율 변화속도가 종국적으로는 일치하도록 제어할 수 있다.

한편, 본 명세서의 일 실시예에 의하면, 상기 부하 분담 비율의 변화과정을 주기적으로 모니터링하여 제어가 필요한 것으로 판단되는 경우 알람 신호를 출력하도록 알람부를 제어할 수도 있다.

또한 일 실시예에 의하면, ESS(200)와 비상 발전기(300) 각각의 부담 비율의 총합이 100%가 되도록 부하 부담 상태를 모니터링할 수 있다. 부하 부담 제어 장치(500)는 부담 비율의 총합이 100%가 되지 않는 경우는 적어도 하나의 부담 비율을 조율하여 100%로 맞출 수 있다.

만약, 부하분담 비율을 제어하는 별도의 제어 모듈(본 명세서에서는 부하 부담 제어 장치(500))이 존재하지 않는 경우, ESS에 저장된 에너지량이 많지 않아서 비상 발전기의 분담비율이 아직 100%에 이르지 않았는데 ESS의 분담비율이 0%가 되는 경우가 있을 수 있다. 이 경우, UPS를 통한 전력공급에 차질이 생기는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 명세서의 일 실시에에 의하면, 부하 분담 비율을 제어하는 별도의 제어 모듈을 구비하여 이를 해결할 수 있다.

또한, 일 실시예에 의하면, 부하 부담 제어 장치(500)는 제3 스위치(S3)의 스위칭을 제어함으로써, 분담 비율을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 비상 발전기와 ESS의 동기화가 종료된 이후에, 부하 부담 제어 장치(500)는 ESS에 저장된 에너지 저장비율을 감지할 수 있다. 그런 후, ESS에 저장된 에너지 비율을 고려하여, S3 를 온(on) 시키는 타이밍을 제어할 수 있다. 예를 들어, ESS에 충분한 에너지가 존재하지 않는 경우에는, 동기화가 종료되는 즉시 S3 스위치를 온(on) 함으로써, 비상 발전기(400)의 분담을 시작할 수 있다. 그러나, ESS에 충분한 에너지가 저장된 것으로로 판단한 경우, 동기화 종료 시점으로부터 미리 정해진 시간 이후에 S3 스위치를 온(on) 함으로써, 비상 발전기(300)의 분담 시작 시간을 늦출 수 있다. 즉, ESS에 저장된 에너지가 충분하지 않는 경우, S3의 스위칭 시작 시간을 늦춤으로써, 실제로 ESS의 총 분담 비율을 낮출 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 부하 부담 제어 장치(500)는 비상 발전기(300)의 부담 비율이 100%에 도달하였는지 여부를 모니터링할 수 있다(S140). 비상 발전기(300)의 부담 비율이 100%에 도달한 경우(S140:Y), ESS의 PCS를 전류 제어 모드로 전환함으로써, ESS은 더 이상 부하에 전원을 공급하지 않는 상태로 전환된다(S150).

부하 부담 제어 장치(500)는 계통 복전을 감지할 수 있다(S160).

계통 복전 상태는 S1, S2, S3 모두 오프인 상태이며, 계통 복전이 완료되기 전까지 에너지 저장장치(200)를 통해 부하에 전원이 공급되는 바 PCS는 UPS 모드 상태로 전환된다. 즉, 부하 부담 제어 장치(500)는 ESS의 PCS를 전압제어 모드로 전환한다(S170). 또한, 계통 복전 상태가 감지되는 경우 S3가 오프되므로 비상 발전기(300) 또한 오프된다.

또한, 부하 부담 제어 장치(500)는 계통 복전이 감지되면 PCS를 계통 연계 모드로 전환시킬 수 있다(S180). PCS가 계통 연계모드에서는 S3가 오프 상태이므로 S1이 온 상태라 하더라도 계통 전원이 부하에 공급될 수 없는 상태이다. 결국, 계통 연계 모드에서도 부하에 공급되는 전원은 에너지 저장장치(200)의 전원이다.

그런 후, 부하 부담 제어 장치(500)는 독립 운전 스위치 즉, S3를 온 시킴으로써 계통과 ESS가 부하 분담을 시작하도록 제어한다(S190).

한편, 계통이 완전하게 복귀되면 계통 정상 모드에서 S1, S3는 온 상태이고, S2는 오프 상태를 유지하게 된다.

이하에서는 도 5 내지 도 13을 참조하여 계통 정전 발생 후 계통 복전이 완료될 때 까지 부하에 공급되는 전원의 흐름 상태를 도식화한 도면을 설명한다.

도 5는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정상인 상태에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 계통 정상 모드에서 계통(10)은 S1, S3 경로를 통해 부하(20)에 전력을 공급한다. 이 때 ESS의 PCS(220)는 계통 연계모드의 상태이며, 전류제어모드로 동작한다. 비상발전기(300)는 동작하지 않는 상태이다.

도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전이 발생한 경우 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 계통 정전이 발생하면 S1이 오프되고 ESS(PCS)는 계통 정전 감지 후 무순단으로 부하에 전력을 공급한다. 이 상태를 계통 정전(UPS 모드)로 정의할 수 있다. 이 때 PCS는 전압제어 모드로 동작한다. 비상 발전기(300)는 계통 정전 감지 후 CVCF 확립을 시작하여 공급되는 전압과 주파수를 항상 일정하게 유지하도록 한다.

도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 에너지 저장장치와 비상발전기가 연계되는 과정에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 계통 정전(UPS 모드)를 거친 후에는 계통 정전 모드 중 비상 발전기 연계 모드에 진입한다. 이 경우 ESS(PCS)는 단주기(예를 들어, 2분) 동안 부하에 전력을 공급할 수 있다. 비상 발전기 연계모드에서는 비상 발전기와 ESS의 동기화가 이루어진다. S2가 온 상태로 전환되어 비상 발전기로부터 전력 공급 준비는 되었지만, ESS와 부하 분담 동작을 위해서는 ESS와 비상 발전기의 동기화가 필요하다.

도 8은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 에너지 저장장치와 비상 발전기의 부하 분담 과정을 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 전술한 비상발전기 연계모드에서 ESS와 비상 발전기의 동기화가 완료되면, S3가 온 상태로 전환되어, ESS와 비상발전기는 부하 분담을 시작할 수 있다. 상기 부하 분담이 시작되면 ESS는 부담비율이 100%에서 0%로 줄어들고, 비상 발전기(300)는 부담비율이 0%에서 100%로 증가하게된다.

도 9는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태에서 부하 분담 과정에서 비상 발전기를 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 비상 발전기(300)의 부담 비율이 100%가 되면, ESS는 전류제어모드로 전환되고 부하 부담 비율은 0%가 된다. 이 경우, 순전히 비상 발전기(300) 체제로 부하에 전원을 공급하게 된다.

도 10은 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 정전 상태 후 계통이 복전되는 과정에서 부하 분담 과정을 통해 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 비상 발전기(300)를 통해 부하 부담이 이루어지는 중 계통 복전이 감지될 수 있다. 계통 복전이 감지되면 S2가 오프된다. 계통 복전 상태라 하더라도 S1이 온 상태는 아니다. 따라서, ESS(PCS)는 S2가 오프됨에 따라 전압 제어 모드로 동작 모드가 전환되고, 무순단으로 부하에 전력을 공급하게 된다.

도 11은 본 명세서의 일 실시에에 따라, 계통 복전 직후 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하면, 계통 복전이 감지된 후 소정 시간이 경과되면 S1이 온(on) 된다. 그리고 ESS(PCS)는 전압 제어 모드에서 계통 연계 모드로 전환된다. 계통 연계 모드에서는 S1이 온 상태라 하더라도 S3가 오프인 상태인 관계로 ESS(PCS)는 여전히 부하에 전원을 공급하는 상태이다.

도 12는 본 명세서의 일 실시예에 따라, 계통 복정 과정 후 계통 정상인 상태에서 부하에 공급되는 전원의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, 계통 복전이 완료되어 계통 정상 모드로 전환되면 S1, S3이 온 상태이고, S2는 오프상태이다. 한편, 계통 연계 모드에서 ESS를 통해 부하 부담이 100% 이루어지고 있었던 상태이므로 계통 정상 모드에서는 S3가 온 되면서 계통과 ESS가 다시 부하 부담을 시작하게 된다.

전술한 본 명세서는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 계통 20: 부하
100: 무정전 자동절체 장치 200: ESS
300: 비상발전기 400: 동기 제어기
500: 부하 분담 제어 장치

Claims (3)

1. 계통에서 전원을 공급받아 부하에 공급하고, 계통 정전이 발생한 경우, 상기 부하에 공급하기 위한 비상 전원을 생산하는 발전기;
   상기 계통 정전이 발생한 경우, 미리 정해진 시간 동안 무정전으로 상기 부하에 전원을 공급하는 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System);
   상기 계통, 부하 및 비상 발전기 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통 및 비상 발전기로부터 상기 부하에 상기 전원을 공급하거나 차단하는 무정전 절체 장치; 및
   상기 계통 정전이 발생한 경우, 상기 에너지 저장장치와 상기 발전기가 각각 상기 부하에 공급하는 전원 공급 비율을 제어하는 부하 분담 제어 장치;를 포함하고,
   상기 부하 분담 제어 장치는,
   제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)는 온(on) 상태이며, 제2 스위치(S2)는 오프(off) 상태에서 상기 계통으로부터의 전원을 상기 부하로 공급하는 계통 정상 모드에서, 상기 계통 정전이 발생한 경우, 상기 제1 스위치(S1)를 오프시키고, 상기 비상 발전기에서 공급되는 전압 및 주파수를 일정하게 유지하도록 전압 확립 모드에서 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 무정전 절체 장치는,
   상기 계통, 비상발전기 및 부하 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통 또는 비상발전기 중 적어도 하나로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 상기 제3 스위치(S3)를 포함하는 독립 운전 스위칭 시스템;
   상기 계통과 상기 제3 스위치(S3) 사이에 전기적으로 연결되어 상기 계통으로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 상기 제1 스위치(S1); 및
   상기 비상 발전기와 상기 부하 사이에 전기적으로 연결되어 상기 비상 발전기로부터 공급되는 상기 전원을 상기 부하로 공급하거나 차단하는 상기 제2 스위치(S2);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 에너지 저장장치는,
   배터리; 및
   상기 계통 또는 비상 발전기로부터 전력을 입력받아 상기 배터리에 저장하거나, 계통 방출을 위해 전기적 특성을 변환하는 PCS;를 더 포함하고,
   계통 정전이 발생한 경우, 상기 PCS가 전압제어 모드에서 동작되도록 제어하고, 상기 비상 발전기와 함께 상기 부하로 공급하는 전원 비율을 미리 정해진 기준에 따라 분담하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 공급 시스템.

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