KR102480499B1 - 직류직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

직류직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 직류직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
실시예는 전기 에너지를 생성하는 발전 장치; 상기 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터; 상기 전기 에너지를 공급 받아 배터리를 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 상기 인버터에 전기 에너지를 공급하는 에너지 저장 시스템; 및 상기 인버터와 상기 에너지 저장 시스템 사이에 배치되는 직류 링크 캐패시터;를 포함하고, 상기 에너지 저장 시스템은 하나 이상의 스위치를 포함하고 상기 직류 링크 캐패시터와 상기 배터리 사이에 배치되는 직류/직류 컨버터를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 배터리의 방전 동작 시작 전에 상기 직류 링크 캐패시터에 직류 전류를 제공하여 상기 직류 링크 캐패시터의 직류 전압을 상기 인버터의 동작 전압까지 충전시키는 전력 공급 시스템을 제공할 수 있다.

Description

직류직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING DC-DC CONVERTER AND ELECTRICITY PROVIDING SYSTEM INCLUDING THE SAME AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
실시예는 직류직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
전기 에너지는 변환과 전송이 용이하여 널리 사용되고 있다. 이러한, 전기 에너지를 효율적으로 사용하기 위하여 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 사용한다. 에너지 저장 시스템은 전력을 공급 받아 배터리에 충전한다. 또한, 에너지 저장 시스템은 전력이 필요한 경우 배터리에서 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다. 이를 통해 에너지 저장 시스템은 전력을 유동적으로 공급할 수 있도록 한다.
구체적으로 전력 공급 시스템이 에너지 저장 시스템을 포함하는 경우 다음과 같이 동작한다. 에너지 저장 시스템은 부하 또는 계통이 과부하인 경우 배터리에 저장된 전기 에너지를 방전한다. 또한 부하 또는 계통이 경부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 발전 장치 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 배터리에 충전한다.
또한 전력 공급 시스템과 무관하게 에너지 저장 시스템이 독립적으로 존재하는 경우, 에너지 저장 시스템은 외부의 전력 공급원으로부터 유휴 전력을 공급 받아 배터리에 충전한다. 또한 계통 또는 부하가 과부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 배터리에서 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다.
한편, 에너지 저장 시스템은 배터리의 방전 모드 동작시 전력 공급 시스템의 인버터 입력단에 배치된 직류 링크 전압을 초기 충전(또는 프리 차지)하여 배터리 측과 인버터 측의 전압 차를 줄이고 돌입 전류를 차단하여야 한다. 직류 링크 전압을 초기 충전하기 위하여 전력 공급 시스템은 발전 장치 또는 계통으로부터 초기 충전 전력을 공급받았다.
그러나, 생성된 발전 전력이 없어 발전 장치로부터 초기 충전 전력을 공급 받지 못하고 계통에서의 초기 충전 전력 공급이 중단된 경우, 에너지 저장 시스템은 직류 링크 전압을 초기 충전하지 못하는 문제가 발생하였다.
또한, 에너지 저장 시스템은 직류/직류 컨버터가 전력 변환을 할 경우 출력 파워의 비율에 따라 전력 변환 효율이 변한다. 특히, 직류/직류 컨버터는 출력 파워의 소정의 비율 이하에서 전력 변환 효율이 급격히 감소하는 문제가 발생하였고, 결국, 에너지 저장 시스템은 배터리에서의 에너지 공급 또는 수급 효율이 감소하는 문제가 발생하였다.
실시예는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 실시예의 목적은 직류/직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 실시예는 별도의 구성없이 직류 링크 전압을 초기 충전할 수 있는 직류/직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 실시예는 전력 변환 효율이 우수한 직류/직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.실시예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 실시예에 따른 전력 공급 시스템은, 전기 에너지를 생성하는 발전 장치; 상기 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터; 상기 전기 에너지를 공급 받아 배터리를 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 상기 인버터에 전기 에너지를 공급하는 에너지 저장 시스템; 및 상기 인버터와 상기 에너지 저장 시스템 사이에 배치되는 직류 링크 캐패시터;를 포함하고, 상기 에너지 저장 시스템은 스위치를 포함하고 상기 직류 링크 캐패시터와 상기 배터리 사이에 배치되는 직류/직류 컨버터를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 배터리의 방전 동작 시작 전에 상기 직류 링크 캐패시터에 전류를 제공하여 상기 직류 링크 캐패시터의 전압을 상기 인버터의 동작 전압까지 충전시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전력 공급 시스템은, 상기 직류/직류 컨버터는 절현형 컨버터이고, 상기 직류/직류 컨버터는 브릿지 회로부를 포함하고, 상기 브릿지 회로부는, 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 1차측에 배치되는 제1 풀 브릿지 회로; 및 상기 트랜스포머의 2차측에 배치되는 제2 풀 브릿지 회로를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전력 공급 시스템은, 상기 직류/직류 컨버터는 비절현형 컨버터이고, 상기 직류/직류 컨버터는 탑 스위치부 및 브릿지 회로부를 포함하고, 상기 브릿지 회로부는 풀 브릿지 회로를 포함하고, 상기 탑 스위치부는 하나 이상의 스위치를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 탑 스위치부와 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전력 공급 시스템은, 상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터를 제어하는 충전 제어부를 포함하고, 상기 충전 제어부는 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워가 기준 파워 미만이면 상기 직류/직류 컨버터가 소정의 전력 변환 효율을 갖는 전류를 제공하고 상기 직류/직류 컨버터에 제공되는 펄스폭을 제어하여 출력 파워를 제어할 수 있다.
실시예에 따른 직류/직류 컨버터는, 제1 단에 연결되는 과전류 보호 회로부; 제2 단에 연결되는 직류 안정화 회로부; 상기 과전류 보호 회로부와 상기 직류 안정화 회로부 사이에 전기적으로 연결되고, 스위치를 포함하는 브릿지 회로부; 상기 제2 단에 전기적으로 연결된 배터리의 방전 동작 시작 전에 상기 제1 단에 전기적으로 연결된 직류 링크 캐패시터에 전류를 제공하여 상기 직류 링크 캐패시터의 전압을 인버터의 동작 전압까지 충전시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 직류/직류 컨버터는, 상기 직류/직류 컨버터는 절현형 컨버터이고, 상기 브릿지 회로부는, 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 1차측에 배치되는 제1 풀 브릿지 회로; 및 상기 트랜스포머의 2차측에 배치되는 제2 풀 브릿지 회로를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 직류/직류 컨버터는, 상기 직류/직류 컨버터는 비절현형 컨버터이고, 상기 제1 단과 브릿지 회로부 사이에 배치되는 탑 스위치부를 더 포함하고, 상기 브릿지 회로부는 풀 브릿지 회로를 포함하고, 상기 탑 스위치부는 하나 이상의 스위치를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터는 상기 탑 스위치부와 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 직류/직류 컨버터는, 출력 파워가 기준 파워 미만이면 소정의 전력 변환 효율을 갖는 전류를 제공하고, 출력 파워가 상기 직류/직류 컨버터에 제공되는 펄스폭에 의해 제어될 수 있다.
실시예에 따른 전력 공급 방법은, 발전 장치에서 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 인버터에 전기 에너지를 제공하는 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 공급 시스템에 있어서, 배터리 방전 모드를 시작하는 단계; 상기 인버터와 상기 에너지 저장 시스템의 사이에 배치된 직류 링크 캐패시터의 전압이 상기 인버터의 동작 전압 미만이면 초기 충전 모드를 시작하는 단계; 상기 직류/직류 컨버터가 상기 직류 링크 캐패시터에 초기 충전 전류를 제공하는 단계; 상기 전압이 상기 동작 전압 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 배터리의 방전 동작을 하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 전력 공급 방법은, 상기 초기 충전 모드 시작 후 상기 전압이 상기 동작 전압 미만이면 상기 전류가 기준 전류 이상인지 판단하는 단계; 상기 전류가 상기 기준 전류 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 직류 링크 캐패시터에 초기 충전 전류 제공을 중단하는 단계; 상기 초기 충전 전류 제공 중단 후 상기 전류가 설정 전류 이하인지 판단하는 단계; 및 상기 전류가 상기 설정 전류 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 초기 충전 전류를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 전력 공급 방법은, 발전 장치에서 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 인버터에 전기 에너지를 제공하는 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 공급 시스템에 있어서, 상기 에너지 저장 시스템이 충전 모드 또는 방전 모드로 동작하는 단계; 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역인지 판단하는 단계; 상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역이면 상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어를 하는 단계;를 포함하고, 상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역인지 판단하는 단계는 직류/직류 컨버터의 출력 파워가 기준 파워 미만인지 판단할 수 있다.
실시예에 따른 전력 공급 방법은, 상기 컨버터 효율 제어는 상기 출력 파워에 기초하여 펄스폭을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 직류/직류 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이를 포함하는 전력 공급 시스템 및 이의 제어 방법에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
실시예는 별도의 구성없이 직류 링크 전압을 초기 충전할 수 있다.
또한, 실시예는 직류 링크 전압의 초기 충전 속도가 빠르므로 배터리 방전 동작을 신속히 할 수 있다.
또한, 실시예는 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율이 우수할 수 있다.
또한, 실시예는 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율이 우수하여 배터리의 충전 또는 방전시 전달되는 에너지 효율이 높을 수 있다.
실시예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 실시예에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 실시예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시예에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초기 충전시 직류 링크 캐패시터의 직류 전압과 직류 전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이다.
도 5는 도 4의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 6은 도 4의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 7은 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이다.
도 8은 도 7의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 9는 도 7의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템이 직류직류 전력 변환시 출력 파워 비율에 따른 전력 변환 비율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 직류/직류 컨버터의 펄스폭 제어 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 파워에 따른 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 직류 링크 캐패시터의 초기 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 전력 공급 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 에너지 저장 시스템에 적용된 컨버터 효율 제어부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 전력 공급 시스템(1)은 발전 장치(10), 에너지 저장 시스템(20), 인버터(30), 교류 필터(40), 교류/교류 컨버터(50), 계통(60), 시스템 제어부(80), 부하(70)를 포함할 수 있다.
발전 장치(10)는 전기 에너지를 생산할 수 있다. 발전 장치(10)가 태양광 발전 시스템인 경우, 발전 장치(10)는 태양 전지 어레이일 수 있다. 태양 전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 결합한 것이다. 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생시키는 장치일 수 있다. 따라서 태양전지 어레이는 태양 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 또한 발전 장치(10)가 풍력 발전 시스템인 경우, 발전 장치(10)는 풍력 에너지를 전기 에너지를 변환하는 팬일 수 있다.
한편, 상기 발전 장치(10)는 이에 한정되지 않으며, 상기 태양광 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템 이외에도 조력 발전 시스템으로 구성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로, 상기 발전 장치(10)는 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니며, 태양열이나 지열 등, 신재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.
또한, 전력 공급 시스템(1)은 발전 장치(10) 없이 에너지 저장 시스템(20)만을 통하여 전력을 공급할 수 있다. 이 경우 전력 공급 시스템(1)은 발전 장치(10)를 포함하지 않을 수 있다.
인버터(30)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 보다 구체적으로, 발전 장치(10)가 공급한 직류 전력 또는 에너지 저장 시스템(20)이 방전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
교류 필터(40)는 교류 전력으로 변환된 전력의 노이즈를 필터링할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 교류 필터(40)는 생략될 수 있다.
교류/교류 컨버터(50)는 교류 전력을 계통(60) 또는 부하(70)에 공급할 수 있도록 노이즈가 필터링된 교류 전력의 전압의 크기를 변환하고, 변환된 교류 전력을 계통(60) 또는 부하(70)에 공급할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 교류/교류 컨버터(50)는 생략될 수 있다.
계통(60)이란 많은 발전소, 변전소, 송배전선 및 부하가 일체로 되어 전력의 발생 및 이용이 이루어지는 시스템이다.
부하(70)는 발전장치(10) 등 발전 시스템 또는 에너지 저장 시스템(20)으로부터 전기 에너지를 공급받아 전력을 소모할 수 있다.
에너지 저장 시스템(20; ESS; Energy Storage System)은 발전장치(10)로부터 전기에너지를 공급받아 충전하고 계통(60) 또는 부하(70)의 전력 수급상황에 따라 충전된 전기 에너지를 방전할 수 있다. 보다 구체적으로 계통(60) 또는 부하(70)가 경부하인 경우, 에너지 저장 시스템(20)은 발전 장치(10)로부터 유휴 전력을 공급 받아 충전할 수 있다. 계통(60) 또는 부하(70)가 과부하인 경우, 에너지 저장 시스템(20)은 충전된 전력을 방전하여 계통(60) 또는 부하(70)에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(20)은 발전장치(10)와 전기적으로 연결되고 인버터(30)와 전기적으로 연결될 수 있도록 발전장치(10)와 인버터(30) 사이에 연결될 수 있다.
시스템 제어부(80)는 에너지 저장 시스템(20), 인버터(30), 교류/교류 컨버터(50)의 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 시스템 제어부(80)는 에너지 저장 시스템(20)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 계통(60) 또는 부하(70)가 과부하인 경우, 시스템 제어부(80)는 에너지 저장 시스템(20)이 전력을 공급하여 계통(60) 또는 부하(70)에 전력을 전달할 수 있도록 제어할 수 있다. 계통(60) 또는 부하(70)가 경부하인 경우, 시스템 제어부(80)는 외부의 전력 공급원 또는 발전 장치(10)가 전력을 공급하여 에너지 저장 시스템(20)에 전달할 수 있도록 제어할 수 있다.
이하에서는 에너지 저장 시스템에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(20)은 직류/직류 컨버터(100), 배터리(200), 충전 제어부(300를 포함할 수 있다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 에너지 저장 시스템(20)은 직류 링크 캐패시터(90)를 통하여 인버터(30)와 연결될 수 있다. 즉, 직류 링크 캐패시터(90)는 에너지 저장 시스템(20)과 인버터(30) 사이에 배치될 수 있다. 이에, 에너지 저장 시스템(20)은 충전 모드에서 직류 링크 캐패시터(90)의 직류 전압(Vdc)을 입력 받고, 방전 모드에서 직류 링크 캐패시터(90)로 직류 전압(Vdc)을 제공할 수 있다.
배터리(200)는 충전 모드에서 직류/직류 컨버터(100)로부터 충전 전력을 수신하고, 수신한 전력에 의해 충전 동작을 수행할 수 있다. 또한, 배터리(200)는 방전 모드에서 기 저장된 전력을 직류/직류 컨버터(100)로 출력할 수 있다. 또한, 배터리(200)는 충전 동작 및 방전 동작을 수행하기 위해 다수 개의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
충전 제어부(300)는 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)을 포함할 수 있다. 충전 제어부(300)는 배터리(200)의 상태에 대한 배터리 상태 정보를 시스템 제어부(80)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 충전 제어부(300)는 배터리(200)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 충전 상태 중 적어도 하나 이상을 모니터링하고, 모니터링된 배터리(200)의 상태 정보를 시스템 제어부(80)에 전달할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 충전 또는 방전하면서 다수 개의 배터리 셀들이 적절한 전압을 유지할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 시스템 제어부(80)의 제어신호에 기초하여 동작할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 모니터링된 배터리(200)의 상태 정보에 따라 직류/직류 컨버터(100)를 제어할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 충전 모드 또는 방전 모드에 따라 직류/직류 컨버터(100)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 충전 제어부(300)는 직류/직류 컨버터(100)를 제어하기 위한 충전 제어 신호 또는 방전 제어 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부에 제공하고, 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부는 충전 제어 신호 또는 방전 제어 신호에 기초하여 PWM 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 스위치에 제공할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 배터리(200)의 방전 모드에서 직류 링크 캐패시터(90)의 초기 충전을 위하여 직류/직류 컨버터(100)를 제어할 수 있다. 즉, 충전 제어부(300)는 직류/직류 컨버터(100)를 제어하기 위한 초기 충전 제어 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부에 제공하고, 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부는 초기 충전 제어 신호에 기초하여 초기 충전 스위치 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 스위치에 제공할 수 있다. 또한, 충전 제어부(300)는 직류/직류 컨버터(100)의 전력 변환 효율을 증가시키기 위하여 직류/직류 컨버터(100)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 충전 제어부(300)는 직류/직류 컨버터(100)의 전력 변환 효율을 높일 수 있는 전력 변환 효율 제어 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부에 제공하고, 직류/직류 컨버터(100)의 컨버터 제어부는 전력 변환 효율 제어 신호에 기초하여 PWM 신호를 직류/직류 컨버터(100)의 스위치에 제공할 수 있다.
직류/직류 컨버터(100)는 에너지 저장 시스템(20)이 충전 모드에서 공급 받거나 방전모드에서 공급하는 직류 전력의 크기를 변환할 수 있다. 보다 구체적으로, 직류/직류 컨버터(100)는 발전장치(10) 또는 인버터(30)에서 직류 링크 캐패시터(90)로 제공되는 직류 전력을 배터리(200)의 충전을 위한 전압 크기로 변환하여 배터리(200)에 제공할 수 있다. 또한, 직류/직류 컨버터(100)는 배터리(200)에서 제공하는 직류 전력을 인버터(30)가 이용할 수 있는 전압 크기를 변환하여 직류 링크 캐패시터(90)로 제공할 수 있다.
<직류 링크 캐패시터의 초기 충전>
도 3은 일 실시예에 따른 초기 충전시 직류 링크 캐패시터의 직류 전압과 직류 전류를 설명하기 위한 그래프이다.
일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(20)은 방전 모드 동작을 위한 직류 링크 캐패시터(90)의 초기 충전을 위하여 별도의 구성이 필요 없다. 에너지 저장 시스템(20)은 직류/직류 컨버터(100)의 스위칭 동작에 의하여 배터리(200)에 저장된 전기 에너지를 직류 링크 캐패시터(90)에 제공하여 직류 링크 캐패시터(90)의 직류 전압이 인버터(30)의 동작 전압까지 초기 충전 할 수 있다. 보다 구체적으로, 직류/직류 컨버터(100)는 직류 링크 캐패시터(90)에 직류 전류(Idc)를 제공할 수 있다. 직류 링크 캐패시터(90)는 직류 전류(Idc)가 제공되면 전하가 충전되어 직류 전압(Vdc)이 상승할 수 있다. 직류/직류 컨버터(100)는 초기 충전 기간 동안 직류 전압(Vdc)이 인버터(30)가 인버팅 동작할 수 있는 동작 전압까지 초기 충전 할 수 있다. 일 예로, 도 3과 같이, 초기 충전 기간(Ti) 동안 직류/직류 컨버터(100)는 스위치를 온 또는 오프 하여 소정 레벨(I1)의 직류 전류(Idc)를 복수의 기간(T1, T2, T3, T4)에 제공할 수 있다. 초기 충전 기간(Ti)에 연속적으로 직류 전류(Idc)를 제공할 경우, 인버터(30) 측의 전압과 직류/직류 컨버터(100)의 전압 차가 크기 때문에 회로 손상의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 직류/직류 컨버터(100)는 복수의 기간에 직류 전류(Idc)를 직류 링크 캐패시터(90)에 제공할 수 있다. 직류 전류(Idc)가 제공 되는 복수의 기간은 모두 동일한 기간일 수 있다. 이에 제한 되는 것은 아니고, 직류 전압(Vdc)이 증가 할수록 인터버(30) 측의 전압과 직류/직류 컨버터(100)의 전압 차가 감소하므로 직류 전류(Idc)의 제공 기간을 점점 증가시킬 수 있다. 이 경우, 초기 충전 시간을 감소시킬 수 있다. 직류 전류(Idc)가 제공될수록 직류 전압(Vdc)은 증가한다. 직류/직류 컨버터(100)는 직류 전압(Vdc)이 동작 전압(V1)에 도달하면 초기 충전을 종료하고 방전모드의 부스팅 동작을 실시한다. 직류/직류 컨버터(100)가 부스팅 동작을 하면 제2 의 직류 전압 레벨(V2)까지 도달할 수 있다.
또한, 직류/직류 컨버터(100)가 초기 충전하는 방법은 도 14의 직류 링크 캐패시터의 초기 충전 방법을 포함할 수 있다.
이하, 직류/직류 컨버터(100)의 구체적인 실시예에 따라 직류 링크 캐패시터(90)의 초기 충전을 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(100)는 양방향 직류/직류 컨버터이고, 절연형 컨버터일 수 있다.
일 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(100)는 제어부(130)를 포함할 수 있다. 제어부(130)는 충전 제어부(300)에서 제공된 제어 신호에 기초하여 PWM 신호를 생성하여 스위치를 포함하는 브릿지 회로부(120)에 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(100)는 과전류 보호 회로부(110)를 포함할 수 있다. 과전류 보호 회로부(110)는 에너지 저장 시스템(20) 내부로 유입되거나 외부로 유출되는 EOS 또는 과전류를 방지할 수 있다. 과전류 보호 회로부(110)는 직류 링크 캐패시터(90)가 연결된 제1 단과 브릿지 회로부(120) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 과전류 보호 회로부(110)는 차단기(Circuit Breaker)를 포함할 수 있다. 이 경우, 과전류 보호 회로부(110)는 에너지 저장 시스템(20) 내부로 EOS 또는 과전류가 유입되면 제1 단과 브릿지 회로부(120) 사이를 오픈(open)시킬 수 있다. 이에, 과전류 보호 회로부(110)는 에너지 저장 시스템(20)과 외부의 전류의 입출력을 차단할 수 있다.일 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(100)는 브릿지 회로부(120)를 포함할 수 있다. 브릿지 회로부(120)는 트랜스포머(T), 제1 풀 브릿지 회로(121), 제2 풀 브릿지 회로(122)를 포함할 수 있다. 또한, 브릿지 회로부(120)는 제1 및 제2 코일(LP, Ls)로 이루어진 트랜스포머(T)를 기준으로 좌측에 1차 회로와 우측에 2차 회로로 구분되고, 1차 회로는 제1차 풀 브릿지 회로(121)를 구성하는 스위치 소자(Q1~Q4)를 포함할 수 있다. 그리고 2차 회로는 제2 커패시터(C2) 와 제2 인덕터(L2)으로 구성된 직류 안정화 회로부(140), 그리고 스위치 소자(Q5~Q8)로 구성된 제2 풀 브릿지 회로(122)를 포함할 수 있다. 직류 안정화 회로부(140)는 배터리(200)가 연결된 제2 단에 연결될 수 있다.
1차측 회로에서 상기 제1 코일(Lp)은 상기 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된다. 그리고 제1 풀 브릿지 회로(121)는 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이의 제1 레그(leg)와 제2 레그로 이루어져, 상기 제1 레그는 제1 및 제3 노드(N1, N3) 사이에 연결된 제1 스위치 소자(Q1)와 제3 및 제2 노드(N3, N2) 사이에 연결된 제2 스위치 소자(Q2)로 이루어지고, 상기 제2 레그는 제1 및 제4 노드(N1, N4) 사이에 연결된 제3 스위치 소자(Q3)와 제4 및 제2 노드(N4, N2) 사이에 연결된 제4 스위치 소자(Q4)로 이루어 진다.
2차측 회로에서 배터리(200) 및 제2 커패시터(C2)는 제5 및 제6 노드(N5, N6) 사이에 연결되고, 제2 인덕터(L2)는 제5 및 제7 노드(N5, N7) 사이에 연결되고, 제2 코일(Ls)은 상기 제10 및 제9 노드(N10, N9)사이에 연결된다. 그리고 제2 풀 브릿지 회로(122)는 제7 및 제8 노드(N7, N8) 사이의 제3 레그와 제4 레그로 이루어져, 상기 제3 레그는 제7 및 제9 노드(N7, N9) 사이에 연결된 제5 스위치 소자(Q5)와 제9 및 제8 노드(N9, N8) 사이에 연결된 제6 스위치 소자(Q6)로 이루어지고, 상기 제4 레그는 제7 및 제10 노드(N7, N10) 사이에 연결된 제7 스위치 소자(Q7)와 제10 및 제8 노드(N10, N8) 사이에 연결된 제8 스위치 소자(Q8)로 이루어 진다.
일 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(100)는 양방향 컨버터로써, 스텝 다운 모드(Step down mode)에서는 제1 및 제2 노드(N1, N2) 상의 직류 입력 전압을 전압 강하시켜 제5 및 제6 노드(N5, N6)로 직류 출력 전압이 출력되고, 스텝 업 모드(Step up mode)에서는 제5 및 제6 노드(N5, N6) 상의 직류 입력 전압을 전압 상승시켜 제1 및 제2 노드(N1, N2)로 직류 출력 전압이 출력된다.
일 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(100)는 방전 모드를 위한 직류 링크 캐패시터(90)의 초기 충전을 위하여 제1 풀 브릿지 회로(121)와 제2 풀 브릿지 회로(122)의 스위칭 동작을 하여 직류 링크 캐패시터(90)에 직류 전류(Idc)를 제공할 수 있다. 일 예로, 도 5을 참조하면, 초기 충전에 제공되는 복수의 직류 전류(Idc) 중 N번째(N은 자연수) 직류 전류(Idc)는 제2 풀 브릿지 회로(122)의 제7 스위치 소자(Q7) 및 제6 스위치 소자(Q6)가 온되고 제5 스위치 소자(Q5) 및 제8 스위치 소자(Q8)가 오프되고, 제1 풀 브릿지 회로(121)의 제1 스위치 소자(Q1) 및 제4 스위치 소자(Q4)가 온되고 제2 스위치 소자(Q2) 및 제3 스위치 소자(Q3)가 오프 되어 제공될 수 있다. 도 6을 참조하면, 초기 충전에 제공되는 복수의 직류 전류(Idc) 중 N+1번째(N은 자연수) 직류 전류(Idc)는 제2 풀 브릿지 회로(122)의 제5 스위치 소자(Q5) 및 제8 스위치 소자(Q8)가 온되고 제6 스위치 소자(Q6) 및 제8 스위치 소자(Q8)가 오프되고, 제1 풀 브릿지 회로(121)의 제3 스위치 소자(Q3) 및 제2 스위치 소자(Q2)가 온되고 제1 스위치 소자(Q1) 및 제4 스위치 소자(Q4)가 오프 되어 제공될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하기 위한 동작을 설명한다.
도 7을 참조하면, 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 양방향 직류/직류 컨버터이고, 비절연형 컨버터일 수 있다.
다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 제어부(1130)를 포함할 수 있다. 제어부(1130)는 충전 제어부(300)에서 제공된 제어 신호에 기초하여 PWM 신호를 생성하여 스위치를 포함하는 탑 스위치부(1150) 또는 브릿지 회로부(1120)에 제공할 수 있다.
다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 과전류 보호 회로부(1110)를 포함할 수 있다. 과전류 보호 회로부(1110)는 에너지 저장 시스템(20) 내부로 유입되거나 외부로 유출되는 EOS 또는 과전류를 방지할 수 있다. 과전류 보호 회로부(1110)는 직류 링크 캐패시터(90)가 연결된 탑 스위치부(1150) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 과전류 보호 회로부(1110)는 차단기(Circuit Breaker)를 포함할 수 있다. 이 경우, 과전류 보호 회로부(1110)는 에너지 저장 시스템(20) 내부로 EOS 또는 과전류가 유입되면 제1 단과 탑 스위치부(1150) 사이를 오픈(open)시킬 수 있다. 이에, 과전류 보호 회로부(1110)는 에너지 저장 시스템(20)과 외부의 전류의 입출력을 차단할 수 있다.
다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 탑 스위치부(1150)를 포함할 수 있다. 탑 스위치부(1150)는 과전류 보호 회로부(1110)와 브릿지 회로부(1120) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 탑 스위치부(1150)는 제13 스위치 소자(Q13)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 브릿지 회로부(1120)를 포함할 수 있다. 브릿지 회로부(1120)는 탑 스위치부(1150)와 직류 안정화 회로부(1140) 사이에 배치될 수 있다. 브릿지 회로부(1120)는 제9 스위치 소자 내지 제12 스위치 소자(Q9 내지 Q12)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(1100)는 직류 안정화 회로부(1140)를 포함할 수 있다. 상기 직류 안정화 회로부(1140)는 제2-1 인덕터(L21), 제2-2 인덕터(L22) 및 제2 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다. 직류 안정화 회로부(1140)는 배터리(200)가 연결된 제2 단에 연결될 수 있다.
탑 스위치부(1150)는 과전류 보호 회로부(1110) 일측과 제11 노드(N11) 사이에 연결된다. 배터리(200) 및 제2 커패시터(C2)는 제15 및 제16 노드(N15, N16) 사이에 연결되고, 제2-1 인덕터(L2-1)는 제15 및 제13 노드(N15, N13) 사이에 연결되고, 제2-2 인덕터(L2-2)는 제15 노드 및 제14 노드(N15, N14) 사이에 연결된다. 브릿지 회로부(1120)는 제11 및 제12 노드(N11, N12) 사이의 제11 레그(leg)와 제12 레그로 이루어져, 상기 제11 레그는 제11 및 제13 노드(N11, N13) 사이에 연결된 제11 스위치 소자(Q11)와 제13 및 제12 노드(N13, N12) 사이에 연결된 제12 스위치 소자(Q12)로 이루어지고, 상기 제12 레그는 제11 및 제14 노드(N11, N14) 사이에 연결된 제9 스위치 소자(Q9)와 제14 및 제12 노드(N14, N12) 사이에 연결된 제10 스위치 소자(Q10)로 이루어 진다.
다른 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(1100)는 양방향 컨버터로써, 스텝 다운 모드(Step down mode)에서는 직류 링크 캐패시터(90) 상의 직류 입력 전압을 전압 강하시켜 제15 및 제16 노드(N15, N16)로 직류 출력 전압이 출력되고, 스텝 업 모드(Step up mode)에서는 제15 및 제16 노드(N15, N16) 상의 직류 입력 전압을 전압 상승시켜 직류 링크 캐패시터(90)로 직류 출력 전압이 출력된다.
다른 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(1100)는 방전 모드를 위한 직류 링크 캐패시터(90)의 초기 충전을 위하여 탑 스위치부(1150)와 브릿지 회로부(1120)의 스위칭 동작을 하여 직류 링크 캐패시터(90)에 직류 전류(Idc)를 제공할 수 있다. 일 예로, 도 8을 참조하면, 초기 충전에 제공되는 복수의 직류 전류(Idc) 중 N번째(N은 자연수) 직류 전류(Idc)는 브릿지 회로부(1120)의 제11 스위치 소자(Q11)가 온되고 제9 스위치 소자(Q9), 제10 스위치 소자(Q10) 및 제12 스위치 소자(Q12)가 오프되고, 탑 스위치부(1150)의 제13 스위치 소자(Q13)가 온 되어 제공될 수 있다. 도 9를 참조하면, 초기 충전에 제공되는 복수의 직류 전류(Idc) 중 N+1번째(N은 자연수) 직류 전류(Idc)는 브릿지 회로부(1120)의 제9 스위치 소자(Q9)가 온되고 제11 스위치 소자(Q11), 제10 스위치 소자(Q10) 및 제12 스위치 소자(Q12)가 오프되고, 탑 스위치부(1150)의 제13 스위치 소자(Q13)가 온 되어 제공될 수 있다. 또한, 총기 충전을 위한 직류 전류(Idc)가 제공되지 않는 동안 탑 스위치부(1150)의 제13 스위치 소자(Q13)를 오프할 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터의 회로도이다.
도 10을 참조하면, 도 10의 직류/직류 컨버터는 도 7의 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터와 비교하여 탑 스위치부(2150)를 제외하고 동일하다. 따라서, 도 7의 직류/직류 컨버터와 동일한 구성의 설명은 생략한다.
또 다른 실시예에 따른 탑 스위치부(2150)는 메인 스위치부(2151)와 초기 충전 스위치부(2152)를 포함할 수 있다. 메인 스위치부(2151)는 과전류 보호 회로부(2110) 일단과 제11 노드(N11) 사이에 배치된 제13 스위치 소자(Q13)를 포함할 수 있다. 초기 충전 스위치부(2152)는 메인 스위치부(2151)와 병렬 연결될 수 있다. 초기 충전 스위치부(2152)는 제14 스위치 소자(Q14)와 저항(R)을 포함할 수 있다. 제14 스위치 소자(Q14)는 일측이 과전류 보호 회로부(2110)의 일단과 연결되고 타측이 저항(R)의 일측에 연결될 수 있다. 저항(R)은 일측이 제14 스위치 소자(Q14)의 타측에 연결되고 타측이 제11 노드(N11)에 연결될 수 있다.상기 저항(R)은 메인 스위치부(2151)에 흐르는 전류 보다 낮은 레벨의 전류가 초기 충전 스위치부(2152)에 흐를 수 있도록 한다.
또 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(2100)는 충전 모드인 스텝 다운 모드 동작이나 방전 모드인 스템 업 모드 동작을 할 경우 메인 스위치부(2151)가 온/오프되고 초기 충전 스위치부(2152)는 오프 상태를 유지할 수 있다. 또한, 직류/직류 컨버터(1100)는 방전 모드 시작 전 초기 충전 모드에서 메인 스위치부(2151)는 오프 상태를 유지하고 초기 충전 스위치부(2152)가 온/오프될 수 있다. 즉, 또 다른 실시예에 따른 직류/직류 컨버터(2100)는 직류 링크 캐패시터(90)를 초기 충전할 경우 브릿지 회로부(2120)의 동작은 도 7의 직류/직류 컨버터(1100)의 브릿지 회로부(1120)의 동작과 동일할 수 있다.
따라서, 실시예 따른 에너지 저장 시스템은 별도의 구성없이 방전 모드 동작 전 직류 링크 캐패시터를 초기 충전할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 직류 링크 캐패시터에 제공되는 직류 전류를 점진적으로 증가 시켜 초기 충전 속도가 빠르고 배터리 방전 동작을 신속히 할 수 있다.
<컨버터 효율 제어>
도 11은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템이 직류직류 전력 변환시 출력 파워 비율에 따른 전력 변환 비율을 나타낸 그래프이고, 도 12는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 직류/직류 컨버터의 펄스폭 제어 방법을 설명하는 도면이고, 도 13은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 파워에 따른 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 일반적으로 직류/직류 컨버터는 전력 변환시 출력 파워가 소정의 비율(P1) 이하가 되면 전력 변환 효율(점선)이 급격히 낮아진다. 예를 들어, 직류/ 직류 컨버터는 최대 출력 파워의 25%의 미만의 파워로 전력 변환시 전력 변환 효율이 95%이하로 급격히 낮아진다.
일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(20)은 직류/직류 컨버터의 출력 파워가 소정의 비율(P1) 이하가 되더라도 전력 변환 효율(실선)을 소정의 효율로 유지할 수 있다. 예를 들어, 직류/ 직류 컨버터는 최대 출력 파워의 25%의 미만의 파워로 전력 변환시 전력 변환 효율이 95%로 유지시킬 수 있다. 이를 위해, 직류/직류 컨버터(100)는 전력 변환시 최대 출력 파워의 소정의 비율(P1) 이하가 되면 전력 변환 효율이 높은 직류 전류(Idc)를 제공할 수 있다. 이 경우, 출력 파워는 직류/직류 컨버터(100)를 제어하는 PWM 신호의 펄스폭을 제어하여 조절될 수 있다. 또한, 최대 출력 파워의 소정의 비율(P1) 이하에서 제공되는 직류 전류(Idc)는 세기가 증가할수록 전류 리플이 증가하는 문제가 있으므로 소정의 리플 범위를 만족하는 전류 세기로 설정될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 12를 참조하면, 직류/직류 컨버터(100)는 충전 모드 또는 방전 모드 동작시 전력 변환에 이용되는 PWM 신호를 컨버터 제어부로부터 제공 받을 수 있다. PWM 신호는 최대 출력 파워의 소정의 비율(P1) 이상으로 직류/직류 컨버터(100)가 출력 파워를 출력시 한 주기(Tw) 동안 펄스폭이 제1 펄스폭(W1)으로 설정될 수 있다. 이 경우, 출력 파워의 세기는 직류 전류(Idc)의 세기를 조절하여 조절 될 수 있다. 또한, PWM 신호는 최대 출력 파워의 소정의 비율(P1) 미만으로 직류/직류 컨버터(100)가 출력 파워를 출력시 한 주기(Tw) 동안 펄스폭이 제2 펄스폭(W2)으로 조절될 수 있다. 이 경우, 출력 파워의 세기는 전력 변환 효율이 소정의 효율 이상인 직류 전류(Idc)의 세기를 유지하고 PWM 신호의 펄스폭을 조절하여 조절될 수 있다. 일 예로, 도 13을 참조하면, (a)는 직류/직류 컨버터(100)가 300W의 출력 파워를 출력하는 경우이고, (b)는 직류/직류 컨버터(100)가 900W의 출력 파워를 출력하는 경우이다. (a)와 (b)의 직류/직류 컨버터(100)는 전력 변환 효율이 소정의 효율 이상인 직류 전류(Idc)의 세기로 유지되고 PWM 신호의 펄스폭이 서로 차이가 있다. 즉, 직류/직류 컨버터(100)의 PWM 신호는 900W의 파워를 출력하기 위한 펄스폭이 300W의 파워를 출력하기 위한 펄스폭보다 더 크다.
또한, 직류/직류 컨버터(100)가 전력 변환 효율을 제어하는 방법은 도 15 내지 도 17의 컨버터 효율 제어 방법을 포함할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율이 우수할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율이 우수하여 배터리의 충전 또는 방전시 전달되는 에너지 효율이 높을 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 직류 링크 캐패시터의 초기 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 전력 공급 시스템은 에너지 저장 시스템의 배터리 방전 모드를 시작하는 단계(S1410)를 포함할 수 있다. 즉, 시스템 제어부는 에너지 저장 시스템에게 방전 모드 동작을 알리는 명령 신호를 전달할 수 있다.
전력 공급 시스템은 직류 전압이 동작 전압 이상인지 판단하는 단계(S1420)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 에너지 저장 시스템의 충전 제어부는 직류 링크 캐패시터의 직류 전압이 인버터의 인버팅 동작을 수행할 수 있는 동작 전압 이상인지 판단할 수 있다.
전력 공급 시스템은 직류 전압이 동작 전압 이상이면 배터리의 방전 동작을 수행하는 단계(S1430)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 직류/직류 컨버터는 부스팅 동작을 하여 배터리에서 제공된 직류 입력 전압을 상승시켜 직류 링크 캐패시터로 직류 전압을 제공할 수 있다.
전력 공급 시스템은 직류 전압이 동작 전압 미만이면 초기 충전 모드를 시작하는 단계(S1440)를 포함할 수 있다.
전력 공급 시스템은 초기 충전 모드를 시작하면 초기 충전 전류를 직류 링크 캐패시터로 제공하는 단계(S1450)을 포함할 수 있다. 즉, 에너지 저장 시스템의 직류/직류 컨버터는 배터리의 전기 에너지를 이용하여 직류 링크 캐패시터에 직류 전류를 제공할 수 있다. 이 경우, 도 3 내지 도 10의 직류/직류 컨버터가 직류 링크 캐패시터를 초기 충전하는 방식을 이용할 수 있다.
초기 충전 전류가 제공되면서 전력 공급 시스템은 직류 전압이 동작 전압 이상인지 판단하는 단계(S1460)을 포함할 수 있다. 이 경우, 직류 전압이 동작 전압 이상이면 직류/직류 컨버터는 초기 충전 모드를 종료하고 배터리의 방전 동작을 할 수 있다(S1430).
초기 충전 전류가 제공되면서 전력 공급 시스템은 직류 전압이 동작 전압 미만이면 직류 전류가 기준 전류 이상인지 판단하는 단계(S1470)를 포함할 수 있다. 기준 전류는 미리 설정된 전류일 수 있다. 기준 전류는 직류 링크 캐패시터를 충전하기에 충분한 전류 세기일 수 있다. 또한 기준 전류는 인버터 측과 배터리 측의 전압 차이가 크기 때문에 소정의 세기 이상이면 돌입 전류로 인한 회로 손상이 발생될 수 있으므로 소정의 세기 이하로 설정될 수 있다. 전력 공급 시스템은 직류 전류가 기준 전류 이상이면 초기 충전 전류 제공을 중단할 수 있다(S1480). 이 경우, 직류/직류 컨버터의 스위치가 오프되어 직류 링크 캐패시터에 직류 전류가 제공되지 않는다. 이와 반대로, 전력 공급 시스템은 직류 전류가 기준 전류 미만이면 초기 충전 전류를 계속하여 제공할 수 있다.
초기 충전 전류 제공 중단 후, 전력 공급 시스템은 직류 전류가 설정 전류 이하가 되는 지 판단하는 단계(S1490)을 포함할 수 있다. 설정 전류는 미리 설정된 전류일 수 있다. 설정 전류는 기준 전류보다 작을 수 있다. 일 예로, 설정 전류는 0A일 수 있다. 전력 공급 시스템은 직류 전류가 설정 전류 이하가 아니면 초기 충전 전류 제공을 계속하여 중단할 수 있다. 이와 반대로, 전력 공급 시스템은 직류 전류가 설정 전류이하가 되면 초기 충전 전류를 제공할 수 있다. 즉, 전력 공급 시스템은 직류 링크 캐패시터에 제공되는 직류 전류의 크기에 따라 초기 충전하도록 하여 직류 링크 캐패시터의 초기 충전을 안정적으로 할 수 잇다.
도 15는 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 전력 공급 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 일 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 에너지 저장 시스템에 적용된 컨버터 효율 제어부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 공급 방법은 에너지 저장 시스템이 충전 모드 또는 방전 모드로 동작하는 단계(S1510)을 포함할 수 있다.
전력 공급 방법은 컨버터 효율 제어 영역인지 판단하는 단계(S1520)를 포함할 수 있다. 즉, 에너지 저장 시스템은 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율을 제어할 필요가 있는지 판단한 수 있다. 이 경우, 에너지 저장 시스템은 출력 파워가 기준 파워 미만 인지로 판단할 수 있다(S1530). 출력 파워는 직류/직류 컨버터가 현재 출력하는 파워 일 수 있다. 기준 파워는 직류/직류 컨버터의 전력 변환 효율이 소정의 효율이 되는 출력 파워일 수 있다. 기준 파워는 미리 설정될 수 있다. 예를 들어, 기준 파워는 직류/직류 컨버터의 최대 출력 파워에서 소정의 비율이 되는 파워일 수 있다. 일 예로, 기준 파워는 직류/직류 컨버터의 최대 출력 파워에서 25%의 파워일 수 있다.
출력 파워가 기준 파워 미만이 아니면 컨버터 효율 제어 없이 충전 동작 또는 방전 동작을 수행할 수 있다(S1550).
출력 파워가 기준 파워 미만이 되면 에너지 저장 시스템은 컨버터 효율 제어를 하는 단계(S1540)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 16을 참조하면, 컨버터 효율 제어는 출력 파워에 기초하여 펄스폭을 산출하는 단계(S1541)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스폭 산출은 식 1을 이용할 수 있다.
(식 1)
예를 들어, 최대 출력 파워가 5kW인 직류/직류 컨버터의 출력 파워의 25%영역까지 컨버터 효율 제어하고 PWM 신호의 반복 주기를 2ms로 하여 1kW의 펄스폭을 산출할 수 있다. 이 경우, 1kW의 펄스폭은 1kW/(5kW*25%)*2ms인 1.6ms일 수 있다.
또한, 컨버터 효율 제어는 평균 파워 값을 결정할 수 있다(S1542). 평균 파워 값은 충전 제어부가 PWM 신호의 반복 주기를 소정의 회수 동안 출력 파워 값을 측정하여 산출 될 수 있다. 이 후, 컨버터 효율 제어는 출력 파워와 평균 파워 값의 비교 값을 산출할 수 있다(S1543). 즉, 비교 값은 출력 파워에서 평균 파워 값을 뺀 값일 수 있다. 일 예로, 도 17을 참조하면, 에너지 저장 시스템(20)은 컨버터 효율 제어부(500)를 포함할 수 있다. 컨버터 효율 제어부(500)는 충전 제어부(300)에 포함될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 컨버터 효율 제어부(500)는 출력 파워(Pdc)와 평균 파워 값(Pavg)을 비교하여 파워 차이 값(Pd)을 산출할 수 있다. 이 후, 컨버터 효율 제어는 비교 값에 기초하여 파워 보상 값을 산출할 수 있다(S1544). 일 예로, 컨버터 효율 제어부(500)는 보상부(510)를 포함할 수 있다. 보상부(510)는 PI 제어기일 수 있다. 보상부(510)는 입력된 파워 차이 값(Pd)을 파워 보상 값(Pc)으로 제공할 수 있다. 이 후, 컨버터 효율 제어는 기준 파워에 파워 보상 값을 보상하여 보상된 출력 파워를 제공 할 수 있다(S1545). 일 예로, 컨버터 효율 제어부(500)는 기준 파워(Pref)에 파워 보상 값(Pc)을 더하여 보상된 출력 파워(Pdc*)를 제공할 수 있다. 이 경우, S1541에서 펄스폭 산출은 보상된 출력 파워에 기초하여 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전술한 방법은, 프로그램이 기록된 매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 매체의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 시스템 등이 있으며, 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10 발전장치
20 에너지 저장 시스템
30 인버터
40 교류 필터
50 교류/교류 컨버터
60 계통
70 부하
80 시스템 제어부
90 직류 링크 캐패시터
100 직류/직류 컨버터
200 배터리
300 충전 제어부

Claims (12)

  1. 전기 에너지를 생성하는 발전 장치;
    상기 전기 에너지를 교류로 인버팅하는 인버터;
    상기 전기 에너지를 공급 받아 배터리를 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 상기 인버터에 전기 에너지를 공급하는 에너지 저장 시스템; 및
    상기 인버터와 상기 에너지 저장 시스템 사이에 배치되는 직류 링크 캐패시터;를 포함하고,
    상기 에너지 저장 시스템은 스위치를 포함하고 상기 직류 링크 캐패시터와 상기 배터리 사이에 배치되는 직류/직류 컨버터를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는 상기 배터리의 방전 동작 시작 전에 상기 직류 링크 캐패시터에 전류를 제공하여 상기 직류 링크 캐패시터의 전압을 상기 인버터의 동작 전압까지 충전시키며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워와 평균 파워 값을 비교한 값에 기초하여 파워 보상 값을 산출하고 상기 산출된 파워 보상 값이 상기 출력 파워에 보상되도록 하는 전력 공급 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터는 절현형 컨버터이고,
    상기 직류/직류 컨버터는 브릿지 회로부를 포함하고,
    상기 브릿지 회로부는,
    트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 1차측에 배치되는 제1 풀 브릿지 회로; 및
    상기 트랜스포머의 2차측에 배치되는 제2 풀 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공하는 전력 공급 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터는 비절현형 컨버터이고,
    상기 직류/직류 컨버터는 탑 스위치부 및 브릿지 회로부를 포함하고,
    상기 브릿지 회로부는 풀 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 탑 스위치부는 하나 이상의 스위치를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는 상기 탑 스위치부와 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공하는 전력 공급 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터를 제어하는 충전 제어부를 포함하고,
    상기 충전 제어부는 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워가 기준 파워 미만이면 상기 직류/직류 컨버터가 소정의 전력 변환 효율을 갖는 전류를 제공하고 상기 직류/직류 컨버터에 제공되는 펄스폭을 제어하여 출력 파워를 제어하는 전력 공급 시스템.
  5. 인버터로부터 전기 에너지를 공급받아 배터리에 충전하고 충전된 전기 에너지를 상기 인버터에 공급하는 에너지 저장 시스템을 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 인버터에 연결된 직류 링크 캐패시터와 상기 배터리 사이에 연결된 직류/직류 컨버터를 포함하며,
    상기 직류/직류 컨버터는,
    상기 직류 링크 캐패시터가 연결된 제1 단에 연결되는 과전류 보호 회로부;
    상기 배터리가 연결된 제2 단에 연결되는 직류 안정화 회로부; 및
    상기 과전류 보호 회로부와 상기 직류 안정화 회로부 사이에 전기적으로 연결되고, 스위치를 포함하는 브릿지 회로부를 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 제2 단에 전기적으로 연결된 상기 배터리의 방전 동작 시작 전에 상기 제1 단에 전기적으로 연결된 상기 직류 링크 캐패시터에 전류를 제공하여 상기 직류 링크 캐패시터의 전압을 인버터의 동작 전압까지 충전시키며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워와 평균 파워 값을 비교한 값에 기초하여 파워 보상 값을 산출하고 상기 산출된 파워 보상 값이 상기 출력 파워에 보상되도록 하는 에너지 저장 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터는 절현형 컨버터이고,
    상기 브릿지 회로부는,
    트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 1차측에 배치되는 제1 풀 브릿지 회로; 및
    상기 트랜스포머의 2차측에 배치되는 제2 풀 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공하는 에너지 저장 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 직류/직류 컨버터는 비절현형 컨버터이고,
    상기 제1 단과 브릿지 회로부 사이에 배치되는 탑 스위치부를 더 포함하고,
    상기 브릿지 회로부는 풀 브릿지 회로를 포함하고,
    상기 탑 스위치부는 하나 이상의 스위치를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는 상기 탑 스위치부와 상기 브릿지 회로부를 이용하여 상기 전류를 제공하는 에너지 저장 시스템.
  8. 제5 항에 있어서,
    출력 파워가 기준 파워 미만이면 소정의 전력 변환 효율을 갖는 전류를 제공하고, 출력 파워가 상기 직류/직류 컨버터에 제공되는 펄스폭에 의해 제어되는 에너지 저장 시스템.
  9. 발전 장치에서 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 인버터에 전기 에너지를 제공하는 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 공급 시스템에 있어서,
    배터리 방전 모드를 시작하는 단계;
    상기 인버터와 상기 에너지 저장 시스템의 사이에 배치된 직류 링크 캐패시터의 전압이 상기 인버터의 동작 전압 미만이면 초기 충전 모드를 시작하는 단계;
    직류/직류 컨버터가 상기 직류 링크 캐패시터에 초기 충전 전류를 제공하는 단계;
    상기 직류 링크 캐패시터의 전압이 상기 인버터의 동작 전압 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 배터리의 방전 동작을 하는 단계를 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워와 평균 파워 값을 비교한 값에 기초하여 파워 보상 값을 산출하고 상기 산출된 파워 보상 값이 상기 출력 파워에 보상되도록 하는 전력 공급 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 초기 충전 모드 시작 후 상기 전압이 상기 동작 전압 미만이면 상기 전류가 기준 전류 이상인지 판단하는 단계;
    상기 전류가 상기 기준 전류 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 직류 링크 캐패시터에 초기 충전 전류 제공을 중단하는 단계;
    상기 초기 충전 전류 제공 중단 후 상기 전류가 설정 전류 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 전류가 상기 설정 전류 이상이면 상기 직류/직류 컨버터가 상기 초기 충전 전류를 제공하는 단계;를 더 포함하는 전력 공급 방법.
  11. 발전 장치에서 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하고 충전된 전기 에너지를 방전하여 인버터에 전기 에너지를 제공하는 에너지 저장 시스템을 포함하는 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템이 충전 모드 또는 방전 모드로 동작하는 단계;
    직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역인지 판단하는 단계;
    상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역이면 상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어를 하는 단계;를 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터의 컨버터 효율 제어 영역인지 판단하는 단계는 직류/직류 컨버터의 출력 파워가 기준 파워 미만이 되면 에너지 저장 시스템이 컨버터 효율 제어를 수행하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 직류/직류 컨버터의 출력 파워와 평균 파워 값을 비교한 값에 기초하여 파워 보상 값을 산출하고 상기 산출된 파워 보상 값이 상기 출력 파워에 보상되도록 하는 전력 공급 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 컨버터 효율 제어는 상기 출력 파워에 기초하여 펄스폭을 산출하는 단계를 포함하는 전력 공급 방법.
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