KR102261258B1 - 양방향 저장 및 재생 가능한 전력 변환기를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

재생 에너지 응용을 위한 에너지 저장 시스템은 재생 에너지원, AC 버스 및 DC 버스에 연결된 양방향 인버터, 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 에너지 저장 유닛, 그리고 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템을 포함한다. 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결된다. 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 용이하게 하도록 구성된다. 상기 에너지 저장 시스템은 상기 재생 에너지원 및 유틸리티 그리드로부터의 에너지를 저장하며, 그리고 또한 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급한다. 에너지 저장 시스템은 유틸리티 그리드의 주파수 조절을 지원하는 방법 및 재생 에너지 저장 시스템에 대한 출력 전력 램프 레이트를 제어하는 방법에 이용된다.

Description

양방향 저장 및 재생 가능한 전력 변환기를 위한 방법 및 장치
본 발명은 일반적으로 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재생 에너지 응용을 위한 제어 모드를 제공하는 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전력 변환 장치들 및 관련 제어 시스템들은 다양한 에너지 자원들을 인터페이싱(interfacing)하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 시스템은 다양한 상호 연결된 분산 에너지 자원들(예를 들어, 발전기들 및 에너지 저장 유닛들) 및 부하들을 포함할 수 있다. 전력 시스템은 마이크로그리드 시스템으로 지칭될 수 있으며, 그리고 유틸리티 그리드 또는 다른 마이크로그리드 시스템에 연결될 수 있다. 전력 시스템은 이러한 에너지 자원들 간의 전력 변환을 위해 전력 변환(예를 들어, AC/DC, DC/DC, AC/AC 및 DC/AC)을 사용한다.
전력 시스템들은 부하에 전력을 제공한다는 목적으로 전력을 공급하고, 전력을 조절하고, 하나의 공급원에서 다른 공급원으로 에너지를 전달하도록 설계될 수 있다. 에너지 발생을 최대화할 수 있는 가장 효율적인 방식으로 전력을 공급하는 것이 바람직하다. 그러나, 토폴로지 제한 사항 및 설계 요구 사항은 에너지 생성 그리고 궁극적으로 사용할 수 있는 전력량에 제한이 될 수 있다.
에너지 저장 시스템은 에너지 자원들 중 적어도 하나가 에너지 저장 유닛(예를 들어, 배터리 에너지 저장소 또는 플라이휠 에너지 저장소)인 전력 시스템이다. 종종, 에너지 저장 시스템에서, 에너지 저장 유닛은 태양열 패널들이나 바람과 같은 재생 가능한 에너지원으로부터의 에너지를 저장한다. 그러나, 유틸리티 그리드 또는 다른 마이크로그리드와 같은 그리드로부터의 에너지는 종종 에너지 저장 유닛들에 보관될 수 있다.
에너지 저장 시스템은 다양한 상호 연결된 에너지 자원들을 포함하는 마이크로그리드일 수 있다. 현재의 에너지 저장 시스템들은 재생 가능한 소스로부터의 전력이 에너지 저장 시스템에 저장되거나 그리드로부터의 전력이 에너지 저장 시스템들에 저장되는 시스템들을 포함하지만, 에너지 저장 시스템들은 에너지가 저장되는 방식 및 방향으로 제한된다.
본 발명의 실시예들은 재생 가능한 에너지 적용들을 위한 에너지 저장 시스템, 유틸리티 그리드의 주파수 조절을 지원하는 방법, 그리고 재생 에너지원의 출력 전력 램프 레이트(ramp rate)를 제어하는 방법을 포함한다.
일 양상에서, 재생 에너지 응용을 위한 에너지 저장 시스템은 재생 에너지원, 그리고 AC 버스 및 DC 버스에 연결된 양방향 인버터를 포함한다. 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결된다. 에너지 저장 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 에너지 저장 유닛 및 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템을 더 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 용이하게 하도록 구성된다.
상기 재생 에너지원은 광전지(photovoltaic; PV) 어레이, 풍력 에너지원 또는 수력 에너지원 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 유틸리티 그리드, 로컬 부하, 또는 마이크로그리드 중 적어도 하나에 연결될 수 있다.
상기 제어 시스템은 하나 이상의 센서들을 더 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 센서들은 전압 크기, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 감지하도록 구성된다.
상기 제어 시스템은 유틸리티 그리드, 로컬 부하 또는 마이크로그리드 중 적어도 하나에 전력을 제공할 때 인버터의 전압 또는 전류의 주파수, 위상 및 크기 중 적어도 하나를 동기화하도록 구성될 수 있다.
상기 에너지 저장 유닛은 배터리, 배터리 뱅크, 또는 플라이휠 에너지 저장 유닛 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제어 시스템은 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드로 동작하도록 상기 양방향 인버터를 제어할 수 있다.
상기 제어 시스템은 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기의 동작을 선택적으로 인에이블링하여, 상기 재생 에너지원에 의해 생성되는 전력을 그리드로 내보내거나, 상기 그리드로부터 상기 에너지 저장 유닛을 충전하거나, 또는 상기 에너지 저장 유닛을 상기 그리드로 방전시킬 수 있다.
상기 재생 에너지원은 광전지(PV) 어레이일 수 있으며, 상기 제어 시스템은 상기 PV 어레이로부터 출력 전력을 샘플링하고 임피던스를 선택적으로 인가하여 최대 전력을 획득하도록 구성될 수 있다.
상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스에서의 단일 AC 출력을 위해 상기 DC 버스에서 다수의 DC 연결들을 포함할 수 있으며, 상기 양방향 인버터는 상기 다수의 DC 연결들 각각에 대한 최대 전력을 최적화하도록 구성될 수 있다.
상기 양방향 인버터는 양방향 PV 인버터일 수 있으며, 그리고 상기 재생 에너지원은 PV 어레이일 수 있다. 상기 양방향 PV 인버터는 하나 이상의 반도체 스위치들을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 스위치들의 게이트들은 상기 PV 어레이로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 또는 상기 AC 버스를 통해 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위해 상기 제어 시스템으로부터 다수의 스위칭 펄스들을 수신한다.
상기 에너지 저장 유닛은 상기 재생 에너지원 및 그리드 모두로부터의 에너지를 저장하도록 구성될 수 있다.
일 양상에서, 에너지 저장 시스템에 의해 의한 유틸리티 그리드 전압의 주파수를 조절하는 방법은 : 전력 명령을 수신하는 단계; 상기 전력 명령이 양의 전력 명령일 때 주파수 조절을 위해 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하는 단계; 상기 전력 명령이 음의 전력 명령일 때 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계; 및 후속 전력 명령을 수신하고, 상기 후속 전력 명령에 따라 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하거나 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계를 포함한다.
상기 에너지 저장 시스템은 : 재생 에너지원; AC 버스 및 DC 버스에 연결되는 양방향 인버터로서, 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결될 수 있으며, 그리고 상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 상기 유틸리티 그리드에 연결될 수 있는, 양방향 인버터; 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결될 수 있는 에너지 저장 유닛; 및 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함할 수 있는 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 용이하게 하도록 구성될 수 있는, 제어 시스템을 포함할 수 있다.
상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하는 단계는, 상기 제어 시스템에 의해 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기의 동작을 선택적으로 인에이블링하여, 상기 재생 에너지원에 의해 생성되는 전력을 상기 유틸리티 그리드에 공급하거나 또는 상기 에너지 저장 유닛을 상기 그리드로 방전시키는 단계를 포함할 수 있으며, 그리고 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계는 상기 그리드로부터 상기 에너지 저장 유닛을 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드로 동작하도록 상기 양방향 인버터를 제어할 수 있다.
일 양상에서, 에너지 저장 시스템을 위한 램프 레이트 제어 방법은 : 그리드로부터의 전력 및 재생 에너지원으로부터의 전력 중 하나 이상을 저장하기 위해 에너지 저장 유닛을 충전할 때 양방향 인버터를 제어하는 단계; 하나 이상의 센서들에 의해, 상기 그리드에 대한 상기 재생 에너지원의 출력 전력을 모니터링하는 단계; 상기 출력 전력의 변화율이 미리 정의된 램프 레이트와 미리 결정된 양만큼 다른지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 에너지 저장 유닛의 충전 또는 방전을 변경하여 상기 출력 전력의 변화율을 상기 미리 정의된 램프 레이트의 상기 미리 결정된 양 내로 복귀시키는 단계를 포함한다.
상기 에너지 저장 시스템은 : 상기 재생 에너지원; AC 버스 및 DC 버스에 연결되는 양방향 인버터로서, 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결되며, 그리고 상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 상기 그리드에 연결되는, 양방향 인버터; 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 에너지 저장 유닛; 및 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 용이하게 하도록 구성되는, 제어 시스템을 포함할 수 있다.
상기 양방향 인버터는 양방향 PV 인버터일 수 있으며, 상기 재생 에너지원은 PV 어레이일 수 있다. 상기 양방향 PV 인버터는 하나 이상의 반도체 스위치들을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 스위치들의 게이트들은 상기 PV 어레이로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 또는 상기 AC 버스를 통해 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위해 상기 제어 시스템으로부터 다수의 스위칭 펄스들을 수신한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전지 에너지 저장 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 양방향 PV 인버터를 도시한다.
도 3은 예시적 PV 셀의 전류-전압 곡선이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 주파수 조절 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 램프 레이트 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조할 것이며, 첨부 도면은 예시적으로 특정 예시적 실시예들을 도시한다. 그러나, 본원에 설명되는 원리들은 많은 다른 형태들로 구체화될 수 있다. 도면들의 구성요소들은 반드시 축척이 맞을 필요는 없으며, 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 것에 중점을 둘 수 있다. 또한, 도면들에서, 상이한 뷰 전반에 걸쳐 대응하는 부품들을 나타내도록 유사한 참조 번호들이 배치될 수 있다.
다음의 본 발명의 설명에서, 특정 용어는 참고용일 뿐이며, 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 요소들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 본 발명의 설명 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "상기"는 문맥상 달리 명시하지 않는 한 복수 형태를 포함하고자 한다. 또한, 본원에 사용된 용어 "및/또는", "그리고/또는"은 관련된 열거된 용어들 중 하나 이상의 가능한 모든 조합들을 지칭하고 포함하는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "포함하다" 그리고/또는 "포함하는"은 언급된 특징들, 정수(integer)들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 더 이해될 것이다.
본 발명의 실시예들은 그리드에 연결되는 광전지(PV) 어레이 및 배터리를 갖는 에너지 저장 시스템이 그리드로부터의 에너지뿐만 아니라 광전지(PV)(예를 들어, PV 어레이) 또는 바람(예를 들어, 풍력 터빈)과 같은 재생 가능한 에너지원으로부터의 에너지를 양방향으로 저장할 수 있는 시스템들 및 방법들을 포함한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 에너지 저장 시스템(100)은 재생 에너지원(2), 양방향 PV 인버터(31), 에너지 저장소(11), 양방향 DC/DC 변환기(3), 제어기(110), DC 버스(130) 및 AC 버스(120)를 포함한다. AC 버스(120)는 유틸리티 그리드, 로컬 부하들 및/또는 다른 마이크로그리드에 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 재생 에너지원(2)은 PV 어레이이다. 그러나, 재생 에너지원(2)은 반드시 PV 어레이에 한정되는 것은 아니며, 풍력 에너지원과 같은 다른 재생 가능한 소스들일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일 실시예에서, 재생 가능 플러스 저장 생성 시스템(100)을 위한 제어 시스템(110)은 에너지 저장 유닛(11), 변환기(3) 및 양방향 인버터(31)의 동작을 조정하는 하나 이상의 제어기를 포함할 수 있다. 또한 제어 시스템은 AC 버스(120)에 연결된 그리드로/로부터의 전력 흐름 그리고 에너지 저장 유닛(11)으로/으로부터의 전력 흐름을 제어하기 위해 그리고 필요한 동기화를 수행하기 위해 필요한 정보를 제어기에 제공하기 위해 제어기와 인터페이스하는 센서들을 포함한다. 센서들은 DC 버스(130), AC 버스(120) 및 에너지 저장 유닛(11)의 입/출력에 위치될 수 있다. 예를 들어 상업적으로 이용 가능한 트랜스듀서들을 포함하는 다양한 유형의 센서들은 전압 크기, 전류 크기, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 감지하는데 사용될 수 있다.
도 1은 제어 시스템(110)이 에너지 저장소(11), 변환기(3) 및 양방향 인버터(31) 각각을 제어하는 단일 제어기를 포함하는 경우를 도시한다. 그러나, 에너지 저장 시스템(100)은 이러한 특정 제어 시스템 레이아웃에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, 재생 가능 플러스 저장 생성 시스템(100)을 위한 제어 시스템(110)은 DC/DC 변환기(3) 및 양방향 인버터(31) 각각에 대한 개별 제어기들을 포함할 수 있다. DC/DC 변환기(3) 및 인버터(31)에 대한 개별 제어기들이 존재하는 경우, 제어 시스템(110)은 변환기(3) 및 인버터(31)의 개별 제어기들과 조정하는 마스터 제어기를 포함할 수 있다.
도 2는 재생 에너지원이 PV 어레이인 실시예에서 사용될 수 있는 예시적인 양방향 PV 인버터(31)를 도시한다. PV 인버터(31)는 도 2에 도시된 특정 토폴로지에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. PV 인버터(31)가 양방향성인 한, PV 인버터(31)는 다른 적절한 토폴로지들일 수 있다. 도 2에 도시된 예시적인 양방향 PV 인버터(31)는 다수의 반도체 스위치들(214) 및 다수의 인덕터들(174)을 포함한다. 반도체 스위치들(214)의 게이트들(212)은 반도체 스위치들(214)을 스위칭하기 위한 다수의 스위칭 펄스들로 이루어진 게이트 신호들을 수신한다. 반도체 스위치들(214)의 연결된 쌍들은 인버터 레그(inverter leg)로서 구성된다. 인덕터들(174)은 반도체 스위치들(214)의 연결된 쌍들 간의 인버터 레그들 각각에 연결된다. 제어 시스템(110)은 반도체 스위치들(214)의 스위칭 패턴을 제어하여 PV 어레이(21)로부터 수신된 DC 전력에서 AC 전력으로, 또는 AC 버스(120)를 통해 그리드로부터 수신된 AC 전력에서 DC 전력으로 전력을 변환한다. 제어 시스템(110)은 또한 AC 버스(120)를 통해 그리드에 전력을 제공할 때 인버터(31)를 그리드와 동기화(즉, 전압/전류의 주파수, 위상 및 크기를 동기화)하기 위해 스위칭을 제어한다.
인버터(31)는 인버터의 AC 측상의 AC 버스(120)에 연결된다. AC 버스(120)는 유틸리티 그리드, 마이크로그리드, 부하들 및/또는 다른 AC 연결들에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 인버터(31)의 DC 측은 DC 버스(130)에서 변환기(3) 및 재생 에너지원(2) 모두에 연결된다. 간결함을 위해, 도 1에 도시된 실시예에서 어레이는 단일 연결로 도시되어 있지만, 본 발명의 실시예들에서, 패널들이 스트링들로 연결될 수 있으며, 상기 스트링들은 인버터 이전에 재조합 상자에서 연결될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 재생 에너지원(2)은 바람과 같은 PV 이외의 전력원일 수 있다.
바람직하게는, 변환기(3)는 DC 버스(130)에서 PC 인버터(31)의 DC 입력에 그리고 또한 에너지 저장소(11)에 연결된다. 에너지 저장 유닛(11)은 예를 들어 배터리, 배터리 뱅크, 플라이휠 에너지 저장소 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템(110)이 양방향 인버터(31)를 제어하여 그리드에 전력을 공급할 때, 제어 시스템(110)은 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드로 동작하도록 인버터(31)를 제어한다. 재생 에너지원(2)이 PV 어레이일 때, MPPT 모드는 PV 어레이에 대한 전력 추출을 최대화하는데 사용된다. PV 어레이에 의해 생성되는 전력량은 어레이가 구동하는 부하의 임피던스뿐만 아니라 입사되는 전자기 에너지(태양광)의 강도에 따라 달라진다. 전자기 세기, 부하 임피던스 및 출력 전력 사이의 관계는 전류-전압 곡선(예를 들어, 도 3 참조)에 기초하여 분석될 수 있다. PV 셀이 최대 전력 포인트에서 동작할 때 효율이 최대화된다. 도 3에서, 곡선(208)은 PV 셀에 대한 최대 전력 포인트를 나타낸다.
제어 시스템(110)은 PV 인버터가 최대 전력 포인트에서 또는 그 근처에서 작동하도록 제어한다. 이 과정에서, 제어 시스템(110)은 PV 어레이(2)로부터의 출력 전력을 샘플링하고 최대 전력을 얻기 위해 적절한 임피던스를 인가한다. 제어 시스템(110)은 PV 어레이(2)의 출력 전압 크기 및 전류 크기를 감지하는 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있다. 그 다음, 이러한 판독값들(readings)은 제어 시스템의 제어기에 제공될 수 있으며, 제어기는 PV 어레이(2)의 출력 전력을 계산할 수 있고 그 다음 PV 인버터(31)가 최대 전력 포인트에서 동작하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템은 MPPT 모드에서 동작할 때 섭동 및 관찰 MPPT 방법(perturb and observe MPPT method)을 구현할 수 있다. 섭동 및 관찰 방법에서, 제어 시스템은 PV 인버터(31)를 제어하여 PV 어레이 전압을 조정하고, 전력 출력을 측정하며, 그리고 그 다음 전력이 증가하는지 여부에 따라 추가 조정을 수행한다. 섭동 및 관찰 방법은 일례로서 주어지며, 그리고 다른 MPPT 방법들 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일 실시예에서, PV 인버터(31)는 하나 이상의 최대 전력 포인트 추적(MPPT) 입력들을 가질 수 있으며, 여기서, PV 인버터(31)는 AC 버스(120)로서 단일 AC 출력을 위해 DC 버스(130)에서 다수의 DC 연결들을 갖는다. 이 경우, 인버터(31)는 각각의 DC 입력의 최대 전력 포인트를 최대화할 수 있다. 이 실시예는 PV 어레이가 예를 들어 제조 허용 오차, 부분 차광 등으로 인해 상이한 전류-전압 곡선들을 갖는 다수의 PV 모듈들을 포함하는 상황들에서, 또는 PV 어레이가 넓은 지리적 영역을 커버하는 대형 PV 시스템들에서 유리할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 제어 시스템(110)은 양방향 인버터(31)와 결합하여 PV 어레이(2)로부터뿐만 아니라 AC 버스(120)를 통해 그리드로부터의 에너지 저장을 허용한다. 즉, 제어 시스템(110)은 배터리가 PV 어레이(2)로부터(예를 들어, 에너지 저장 시스템(110)이 그리드로부터 분리될 때 또는 PV 어레이(2) 및 양방향 인버터(31)가 MPPT 모드에서 작동하고 PV 어레이(2)가 잉여 전력을 생산할 때)뿐만 아니라 그리드로부터(예를 들어, PV 어레이(2)가 충분한 전력을 생산하지 못하거나 유틸리티 그리드로부터 배터리를 충전하기 위한 명령이 보내질 때) 에너지를 저장할 수 있도록 양방향 인버터(31) 및 변환기(3)를 조정한다.
또한, 일 실시예에서, 제어 시스템은 PV 인버터를 제어하여, MPPT 동작 모드를 인에이블링/디스에이블링하고, 그리고 AC 전력 명령들, DC 전류 명령들, 또는 DC 전압 명령들을 인에이블링 또는 디스에이블링하고, 이로써, 사용 사례에 의해 필요에 따라, 인버터(31)는 MPPT를 통해 PV 전력을 그리드로 내보내거나 또는 그리드로/로부터 배터리를 충전 및/또는 방전할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 배터리를 충전 및/또는 방전하고자할 때 MPPT 모드를 디스에이블링하고 그리고 AC 전력 명령들/DC 전류 또는 전압 명령들을 인에이블링할 수 있다. 따라서, 제어 시스템(110)은 양방향 인버터(31)를 제어하여, 앙??항 인버터가 AC 버스(120)를 통해 그리드에 전력을 공급하도록 제어되는 MPPT 모드에서, 양방향 인버터(31)가 그리드로부터의 에너지를 사용하여 에너지 저장 유닛(11)을 충전하도록(즉, 에너지 저장 유닛에 에너지를 저장하도록) 제어되는 그리드 저장 모드로 온-더-플라이(on-the-fly)로 전환할 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 제어 시스템(110)은 PV 인버터(31)가 더 이상 AC 버스(120)를 통해 그리드에 전력을 제공하지 않도록 MPPT 모드를 디스에이블링하며, 그리고 그 다음 PV 변환기가 변환기(3)를 통해 그리드로부터 에너지 저장 유닛(11)으로 전력을 제공하도록 그리드 저장 모드를 인에이블링한다.
MPPT 모드 및 그리드 저장 모드를 인에이블링/디스에이블링하는 기능은 다양한 사용 사례를 허용한다. 일 실시예에서, MPPT 모드에서 그리드 저장 모드로 전환하는 결정은 PV 어레이(2)의 출력 전력에 기초하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, PV 어레이가 전력을 생성하지 않거나 생성된 전력량이 미리 결정된 임계값보다 작은 경우, 그리드로부터의 에너지를 에너지 저장 유닛(11)에 저장하는 것이 바람직하다는 것이 결정될 수 있고, 그리고 제어 시스템(110)은 그 다음 그리드로부터 전력을 공급하도록 PV 인버터(31)를 제어하고, 그리고 PV 인버터(31)로부터 에너지 저장 유닛(11)으로 전력을 공급하도록 변환기(3)에 지시할 수 있다. 이 실시예는 수요가 적은 밤에 도매 전력 가격이 매우 낮다(그리도 때로는 0 이하)는 점에서 유리할 수 있다.
그리드로부터 AC 버스(120)를 통해 에너지 저장 유닛(11)으로 전력을 공급하는 것은 제어 시스템(110)이 PV 인버터(31)와 변환기(3) 사이를 조정할 것을 요구한다. 전술한 바와 같이, 제어 시스템(110)은 PV 인버터(31)와 변환기(3) 모두를 제어하는 단일 제어기, 또는 변환기(3) 및 PV 인버터(31)의 개별 제어기들에 명령들을 전송하는 마스터 제어기를 포함할 수 있다. 제어 시스템(110)은 MPPT 모드를 디스에이블링하고 그리고 그리드로부터의 전력을 흡수하도록 PV 인버터를 제어함으로써 그리고 PV 인버터(31)로부터의 전력 출력을 에너지 저장 유닛(11)에 공급하도록 변환기(3)를 제어함으로써 그리드 저장 모드를 인에이블링한다. 제어기는 또한 MPPT 모드와 그리드 저장 모드를 모두 디스에이블링한 다음, PV 저장 모드를 인에이블링할 수 있다. 이렇게 하여, 제어기는 PV 인버터의 입력 및/또는 출력에 위치한 스위치들을 통해 PV 어레이로부터 PV 인버터(21)를 분리할 수 있다. 그 다음, 제어기는 PV 어레이(2)로부터의 전력을 에너지 저장 유닛(11)에 제공하도록 변환기(3)를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 배터리(11), 변환기(3), 제어 시스템(110) 및 인버터(31)는 케이블 길이를 감소시킴으로써 비용을 최소화하기 위해 서로 근접하게 배치되며, 그리고 어레이의 북쪽과 같은 태양 전지 패널들의 차광을 최소화하는 위치에 배치된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 뿐만 아니라, 저장소(11), 변환기(3) 및 제어기(110)를 포함하는 본 발명의 실시예들은 새로운 구조로 설치되거나 기존의 태양 PV 설비에 새로 장착될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 제어 시스템(110)은 구리 또는 섬유를 통한 Modbus TCP와 같은 통신 수단을 통해 또는 단거리 무선 통신, 무선 로컬 영역 네트워킹 등을 통해 무선으로 변환기, 배터리 및 인버터에 연결될 수 있다. 소유주, 운영자 또는 제3자의 데이터 수집 서비스가 시스템의 동작 및 성능을 모니터링하기 위해 전력 시스템의 자산들 중 임의의 것에 추가 통신 연결을 할 수 있다. 이러한 원격 연결들은 예를 들어 셀룰러, 위성, 하드와이어 연결 등을 통해 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 도 1의 에너지 저장 시스템은 그리드에서 유틸리티 그리드 전압의 주파수 조절을 구현하는데 사용될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템과 같은 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 주파수 조절 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 단계(410)에서, 제어 시스템(110)은 유틸리티로부터 주파수 조절에 참여하라는 요청을 수신한다. 요청은 예를 들어 주파수 조절 디스패치 신호에 응답하여 전력을 공급 또는 흡수하기 위해 네트워크 운영 센터를 통해 라우팅된 지역 배전 기구(regional transmission organization; RTO)로부터의 호출일 수 있다. 주파수 조절 디스패치 신호는 주파수 조절을 위해 그리드에 전력을 공급하도록 제어 시스템(110)에 지시하는 양의 전력 명령, 또는 그리드로부터의 전력을 흡수하도록 제어 시스템(110)에 지시하는 음의 전력 명령을 포함할 수 있다. 양의 전력 명령 또는 음의 전력 명령은 주파수 조절에 참여하라는 요청에 포함되기보다는 별도의 명령일 수 있다.
단계들(420 및 430)은 전력 명령이 양 또는 음인지 여부에 의존한다. 전력 명령이 주파수 조정을 위해 그리드에 전력을 공급하기 위한 양의 전력 명령일 때, 단계(420)가 수행되며, 그리고 제어 시스템(110)은 AC 버스(120)를 통해 그리드에 전력을 공급하도록 PV 인버터를 제어한다. 그리드에 전력을 공급할 때, PV 인버터(31)는 MPPT 모드로 동작할 수 있다. 전력 명령이 그리드로부터의 전력을 흡수하기 위한 음의 전력 명령일 때, 단계(430)가 수행된다. 단계(430)에서, 제어 시스템은 그리드로부터의 전력을 흡수하도록 PV 인버터(31)를 제어하고, 그리고 제어 시스템은 PV 인버터(31)로부터 전력을 공급하여 에너지 저장 유닛(11)에 저장하도록 변환기(3)를 제어한다.
유틸리티로부터의 양 또는 음의 전력 신호는 예를 들어 2초마다 반복되는 주기 신호일 수 있다. 이에 따라, 단계(440)에서, 제어 시스템은 양 또는 음의 전력 신호를 수신한다. 이전 신호가 양의 전력 명령이었고 현재 신호가 음의 전력 명령이면, 제어 시스템(110)은 PV 인버터(31)를 제어하여 MPPT 모드를 디스에이블링하고 그리드 저장 모드를 인에이블링하여, 에너지가 그리드로부터 흡수되어 에너지 저장 유닛에 저장되게 한다. 이전 신호가 음의 전력 명령이었고 현재 신호가 양의 전력 명령인 경우, 제어 시스템(110)은 PV 인버터를 제어하여 그리드 저장 모드를 디스에이블링하고 MPPT 모드를 인에이블링한다. 이전 및 현재 전력 명령들이 양이면, 제어 시스템(110)은 MPPT 모드에서 계속 작동하고 양의 전력 명령에 의해 명령되는 전력의 크기를 공급한다. 이전 및 현재 전력 명령들이 음수이면, 제어 시스템은 그리드 저장 모드에서 계속 작동하고 그리고 음의 전력 명령에 의해 명령되는 전력 크기를 흡수한다.
다른 실시예에서, 도 1의 에너지 저장 시스템은 램프 레이트 제어를 구현하는데 사용될 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 에너지 저장 시스템과 같은 에너지 저장 시스템에 의해 구현되는 램프 레이트 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
PV 생성은 햇빛에 따라 달라지므로, PV 전력 생성은 구름의 통과 또는 다른 차광 이벤트들로 인해 변동될 수 있다. 이러한 차광 이벤트들이 발생하면, 다운-램핑(down ramping)이 발생하고, 그리고 태양광이 돌아오면 업-램핑(up ramping)이 발생한다. 샤프한 업-램핑 또는 다운-램핑이 존재하면, 전력 시스템에 또는 전력 시스템에 연결된 다른 시스템들에 손상이 발생할 수 있다(예를 들어, 높은 램프 레이트로 인해 시스템 오류를 유발할 수 있는 과도/부족 주파수 이벤트들이 발생할 수 있다). 예를 들어, 태양광 발전소가 최대 전력으로 가동되는 동안 상당량의 구름이 덮히면, PV 어레이로부터의 출력 전력은 최대 전력에서 매우 낮은 전력으로 갈 수 있으며, 그리고 그리드 및 부하들은 매우 빠른 전력 변화율을 처리할 수 있도록 잘 갖추어져 있지 않다. 일 실시예에서, 제어 시스템(110) 및 변환기는 미리-정의된 램프 레이트(시간에 대한 전력의 변화율)를 유지하기 위해 업-램핑 이벤트들 동안 부분적으로 충전함으로써 그리고 다운 램핑 이벤트들 동안 부분적으로 방전함으로써 차광에 의해 야기되는 업-램핑 및 다운-램핑 이벤트들 모두를 완화시킨다.
제어 시스템(110)은 변환기(3) 및 인버터(31)의 동작을 제어하여, 시스템(100)이 미리 정의된 램프 레이트를 유지하기 위해 램프 레이트 제어로 동작하게 한다. 도 5를 참조하면, 단계(510)에서, 에너지 저장 유닛(11)이 충전된다. 에너지 저장 유닛(11)을 충전할 때, 제어기(110)는 PV 인버터가 그리드로부터의 전력을 공급하는 그리드 저장 모드로 동작하도록 PV 인버터를 제어할 수 있다. 제어 시스템(110)은 전력 변환기(3)를 제어하여 PV 인버터(21)로부터의 전력을 에너지 저장 유닛(11)에 저장한다. 대안적으로, 제어 시스템(110)은 전력 변환기(3)를 제어하여 그리드로부터의 흡수된 전력에 더하여 또는 그리드로부터의 흡수된 전력 대신에 PV 어레이로부터의 전력을 에너지 저장 유닛(11)에 저장할 수 있다.
단계(520)에서, 램프 제어가 개시되면, 제어 시스템(110)은 그리드에 대한 PV 인버터(310)의 출력 전력을 모니터링한다. 이러한 모니터링은 인버터(31)에 의해 출력된 전압의 크기를 감지하는 센서들의 사용을 통해 일어날 수 있다.
단계(530)에서, 제어기는 전력의 변화율이 미리 정의된 램프 레이트와 설정된 양만큼 다른지 여부를 결정한다. 단계(540)에서, 레이트가 설정된 양만큼 상이하다고 결정되면, 제어 시스템(110)은 변환기(3)를 제어하여 배터리를 방전 또는 충전하여 램프 업 또는 램프 다운을 느리게 한다(예를 들어, 손실된 태양광을 보충하여 출력 전력의 램프 레이트를 늦춘다).
다른 실시예에서, 도 1의 에너지 저장 시스템(100)은 PV 인버터가 그리드를 형성하는 그리드 형성 모드에서 동작할 수 있는 마이크로그리드(100)일 수 있다. PV 인버터는 에너지 저장 시스템이 일반적으로 유틸리티 그리드에 연결될 때 그리드 형성 모드에서 작동할 수 있지만, 그리드 이벤트(예를 들어, 블랙아웃)로 인해 또는 그리드로부터 시스템(100)을 분리하는 것이 바람직하기 때문에 분리될 수 있다. 그리드 형성 모드에서 작동할 때, 제어 시스템(110)은 PV 인버터가 "그리드를 만들도록" 제어한다. PV 어레이는 에너지 저장 유닛과 결합하여 로컬 부하들에 적절한 전력 조건들을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 일 실시예에서, 마이크로그리드(100)는 추가적인 AC 연결된 전력원들을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 재생 전력원(2) 및 임의의 AC 연결된 소스들로부터의 전력 발생의 합이 부하 요구량을 초과하면, 제어 시스템(100)은 초과 전력 발생을 에너지 저장 유닛(11)에 저장하도록 인버터(31) 및 변환기(3)를 제어할 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 개시된 전력 시스템에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서의 고려 및 본 발명의 실시로부터 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 예시적인 것으로 간주되어야하며, 본 발명의 진정한 범위는 다음의 청구범위 및 그 균등물에 의해 표시된다.

Claims (21)

  1. 재생 에너지 응용을 위한 에너지 저장 시스템에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 :
    재생 에너지원;
    AC 버스 및 DC 버스에 연결된 양방향 인버터로서, 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결되며, 상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 유틸리티 그리드에 연결되는, 양방향 인버터;
    상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 에너지 저장 유닛; 및
    상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 제어하도록 구성되는, 제어 시스템을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드, 그리드 저장 모드 또는 재생 에너지 저장 모드로 동작하도록 상기 양방향 인버터를 제어하며,
    상기 제어 시스템은 상기 MPPT 모드 및 상기 그리드 저장 모드 사이의 온-더-플라이(on-the-fly) 전환을 제어하며,
    상기 재생 에너지 저장 모드에서, 상기 제어 시스템은 상기 재생 에너지원으로부터 상기 양방향 인버터를 분리하고, 상기 재생 에너지원으로부터의 전력을 상기 에너지 저장 유닛에 제공하도록 상기 양방향 DC/DC 변환기를 제어하며,
    상기 제어 시스템은 전력 명령을 수신하고, 상기 전력 명령이 양의 전력 명령일 때 주파수 조절을 위해 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하도록 제어하고, 상기 전력 명령이 음의 전력 명령일 때 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하도록 제어하고, 제2 전력 명령을 수신하도록 제어하고, 그리고 상기 제2 전력 명령에 따라 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하거나 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하도록 제어하며,
    상기 전력 명령이 양의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 음의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 MPPT 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 MPPT 모드를 디스에이블링하고 상기 그리드 저장 모드를 인에이블링하며,
    상기 전력 명령이 음의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 양의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 그리드 저장 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 그리드 저장 모드를 디스에이블링하고 상기 MPPT 모드를 인에이블링하며,
    상기 전력 명령이 양의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 양의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 MPPT 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 MPPT 모드에서 계속 작동하며, 그리고
    상기 전력 명령이 음의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 음의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 그리드 저장 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 그리드 저장 모드에서 계속 작동하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 유틸리티 그리드, 로컬 부하, 또는 마이크로그리드 중 적어도 하나에 연결되는, 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 시스템은 하나 이상의 센서들을 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 센서들은 전압 크기, 주파수 및 위상 중 적어도 하나를 감지하도록 구성되는, 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어 시스템은 유틸리티 그리드, 로컬 부하 또는 마이크로그리드 중 적어도 하나에 전력을 제공할 때 상기 인버터의 전압 또는 전류의 주파수, 위상 및 크기 중 적어도 하나를 동기화하도록 구성되는, 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기의 동작을 선택적으로 인에이블링하여, 상기 재생 에너지원에 의해 생성되는 전력을 그리드로 내보내거나, 상기 그리드로부터 상기 에너지 저장 유닛을 충전하거나, 또는 상기 에너지 저장 유닛을 상기 그리드로 방전시키는, 에너지 저장 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 재생 에너지원은 광전지(PV) 어레이이며,
    상기 제어 시스템은 상기 PV 어레이로부터 출력 전력을 샘플링하고 전압을 선택적으로 인가하여 최대 전력을 획득하도록 구성되는, 에너지 저장 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스에서의 단일 AC 출력을 위해 상기 DC 버스에서 다수의 DC 연결들을 포함하며,
    상기 양방향 인버터는 상기 다수의 DC 연결들 각각에 대한 최대 전력을 최적화하도록 구성되는, 에너지 저장 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 인버터는 양방향 PV 인버터이며,
    상기 재생 에너지원은 PV 어레이이며,
    상기 양방향 PV 인버터는 하나 이상의 반도체 스위치들을 포함하며,
    상기 반도체 스위치들의 게이트들은 상기 PV 어레이로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 또는 상기 AC 버스를 통해 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위해 상기 제어 시스템으로부터 다수의 스위칭 펄스들을 수신하는, 에너지 저장 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 유닛은 상기 재생 에너지원 및 그리드 모두로부터의 에너지를 저장하도록 구성되는, 에너지 저장 시스템.
  10. 에너지 저장 시스템에 의해 의한 유틸리티 그리드 전압의 주파수 조절을 지원하는 방법으로서,
    상기 방법은 :
    전력 명령을 수신하는 단계;
    상기 전력 명령이 양의 전력 명령일 때 주파수 조절을 위해 유틸리티 그리드에 전력을 공급하는 단계;
    상기 전력 명령이 음의 전력 명령일 때 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계;
    제2 전력 명령을 수신하고, 상기 제2 전력 명령에 따라 상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하거나 상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계;
    제어 시스템에 의해, 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking; MPPT) 모드 또는 그리드 저장 모드로 동작하도록 양방향 인버터를 제어하는 단계; 및
    상기 제어 시스템에 의해, 주파수 조절 디스패치 신호에 의한 요구에 따라 상기 MPPT 모드 및 상기 그리드 저장 모드 사이의 온-더-플라이(on-the-fly) 전환을 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 :
    재생 에너지원;
    AC 버스 및 DC 버스에 연결된 양방향 인버터로서, 상기 양방향 인버터는 상기 DC 버스를 통해 상기 재생 에너지원 및 양방향 DC/DC 변환기에 연결되고, 상기 양방향 인버터는 상기 AC 버스를 통해 상기 유틸리티 그리드에 연결되는, 양방향 인버터;
    상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 에너지 저장 유닛; 및
    상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기에 연결된 하나 이상의 제어기들을 포함하는 상기 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 상기 양방향 DC/DC 변환기 및 상기 양방향 인버터의 동작을 제어하도록 구성되는, 제어 시스템을 포함하며,
    상기 전력 명령이 양의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 음의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 MPPT 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 MPPT 모드를 디스에이블링하고 상기 그리드 저장 모드를 인에이블링하며,
    상기 전력 명령이 음의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 양의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 그리드 저장 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 그리드 저장 모드를 디스에이블링하고 상기 MPPT 모드를 인에이블링하며,
    상기 전력 명령이 양의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 양의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 MPPT 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 MPPT 모드에서 계속 작동하며, 그리고
    상기 전력 명령이 음의 전력 명령이고 상기 제2 전력 명령이 음의 전력 명령일 때, 상기 양방향 인버터는 초기에 상기 그리드 저장 모드에 있고 상기 제어 시스템은 상기 그리드 저장 모드에서 계속 작동하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 유틸리티 그리드에 전력을 공급하는 단계는, 상기 제어 시스템에 의해 상기 양방향 인버터 및 상기 양방향 DC/DC 변환기의 동작을 선택적으로 인에이블링하여, 상기 재생 에너지원에 의해 생성되는 전력을 상기 유틸리티 그리드에 공급하거나 또는 상기 에너지 저장 유닛을 상기 그리드로 방전시키는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 유틸리티 그리드로부터의 전력을 흡수하는 단계는 상기 그리드로부터 상기 에너지 저장 유닛을 충전하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 양방향 인버터는 양방향 PV 인버터이며,
    상기 재생 에너지원은 PV 어레이이며,
    상기 양방향 PV 인버터는 하나 이상의 반도체 스위치들을 포함하며,
    상기 반도체 스위치들의 게이트들은 상기 PV 어레이로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 또는 상기 AC 버스를 통해 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위해 상기 제어 시스템으로부터 다수의 스위칭 펄스들을 수신하는, 방법.
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