KR102485021B1 - 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 델타 결선으로 연결된 PCS의 배터리 SoC를 균등 제어하여 특정 배터리의 과방전 및 과충전을 방지하고, 델타 결선의 영상분을 제어하여 상별 배터리 SoC를 균등화하고 또한, 개별 배터리 SoC를 균등 제어함으로써, 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치는 3상 교류전원으로부터 충전 및 방전을 수행하는 PCS가 델타 결선으로 연결된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS 및 PCS의 배터리 SoC가 균등하도록 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 SoC 균등 제어 장치로 이루어진다.
본 발명의 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치는 3상 교류전원으로부터 충전 및 방전을 수행하는 PCS가 델타 결선으로 연결된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS 및 PCS의 배터리 SoC가 균등하도록 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 SoC 균등 제어 장치로 이루어진다.
Description
본 발명은 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC(State of Charge) 균등제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 델타 구조 반도체 변압기 기반의 에너지 저장장치 내부에 있는 배터리 SoC가 균등할 수 있도록 제어하는 것이다.
최근 급격한 전력수요의 증가로 인해 신재생에너지 발전의 보급 및 배터리를 이용한 에너지 저장장치(BESS; Battery Energy Storage System)의 개발이 요구되고 있다.
이러한, BESS용의 PCS(Power Conditioning System)는 기본적으로 계통과 배터리 사이에서 직류전원과 교류전원의 양방향 전력 제어를 수행해야 하며 전력계통의 신뢰도 향상, 전력 수요 피크 시 저장된 에너지를 빠르게 공급할 수 있는 등의 기능도 요구된다.
최근에는 대용량 BESS의 수요가 증가함에 따라 대용량 BESS용 PCS의 구조 및 제어 알고리즘의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 각 모듈에 연계된 배터리의 SoC(State of Charge)의 균형을 유지해주지 않으면 배터리의 에너지 이용효율이 급격히 떨어질 수 있는 단점이 있어 이를 극복하기 위한 연구가 지속되어 왔다.
그 일례로, 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0118395호 에서는 1:2:3:4 의 전압비를 갖는 4개의 H-Bridge 모듈을 직렬로 연결하여 21-레벨 출력전압을 형성하고, 게이트 패턴의 적절한 선택에 따라 각 모듈에 연계된 배터리의 SoC 불균형을 억제시킴으로써, 적은 수의 H-Bridge 모듈을 이용하여 사인(Sine)에 가까운 출력전압을 형성하고, 고조파 저감 알고리즘을 통해서 출력전압과 전류의 고조파를 저감시키며, 각 모듈에 연계된 배터리의 SoC 불균형을 능동적으로 억제하여 배터리의 이용률을 향상시키는 캐스케이드 H-브릿지 멀티레벨(Cascade H-bridge Multi-level) 구조의 배터리 충/방전 시스템에서의 SoC 균형 제어 방법에 대해 개시하고 있다.
그러나, 이 경우 Y 결선으로 연계된 PCS의 배터리 SoC 균형 제어는 가능하나 델타 결선으로 연결된 PCS의 배터리 SoC 균형 제어는 불가능한 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 델타 결선으로 연결된 PCS의 배터리 SoC를 균등 제어하여 특정 배터리의 과방전 및 과충전을 방지하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 델타 결선의 영상분을 제어하여 상별 배터리 SoC를 균등화하고 또한 개별 배터리 SoC를 균등 제어함으로써, 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치는 3상 교류전원으로부터 충전 및 방전을 수행하는 PCS(Power Conditioning System)가 델타 결선으로 연결된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS 및 PCS의 배터리 SoC(State of Charge)가 균등하도록 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 SoC 균등 제어 장치를 포함할 수 있다.
여기서, A상 PCS, B상 PCS, 또는 C상 PCS는 내부에 적어도 두 개 이상의 PCS가 직렬로 연결될 수 있다.
또한, PCS는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하여 커패시터에 전력을 저장하는 AC/DC 변환기 및 커패시터에 저장된 전력을 배터리로 저장하기 위해 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 변환기를 포함할 수 있다.
여기서, SoC 균등 제어 장치는 델타 결선의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 정상분/역상분/영상분 추출부, A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 정상분/역상분/영상분 추출부의 출력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하는 상별 SoC 균등 제어부, A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 개별 SoC 균등 제어부, 정상분/역상분/영상분 추출부 및 상별 SoC 균등 제어부의 출력을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출하는 AC 전압 제어부, 개별 SoC 균등 제어부의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 배터리 전압 제어부, 개별 SoC 균등 제어부 및 AC 전압 제어부의 출력을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기를 제어하는 AC/DC 변환기 제어부, 및 배터리 전압 제어부의 출력을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하는 DC/DC 변환기 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 정상분/역상분/영상분 추출부는 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출할 수 있다.
여기서, 상별 SoC 균등 제어부는 전체 배터리 SoC 대비 A상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 A상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 A상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 A상 영상분 전력 지령값 연산부, 전체 배터리 SoC 대비 B상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 B상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 B상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 B상 영상분 전력 지령값 연산부, 전체 배터리 SoC 대비 C상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 C상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 C상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 C상 영상분 전력 지령값 연산부, A상 영상분 전력 지령값 연산부, B상 영상분 전력 지령값 연산부, 및 C상 영상분 전력 지령값 연산부의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 영상분 전류 지령값 연산부, 및 영상분 전류 지령값 연산부의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 영상분 전압 지령값 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 개별 SoC 균등 제어부는 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고, 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값 및 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출할 수 있다.
여기서, 배터리 전압 제어부는 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이 및 개별 배터리 전압을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출할 수 있다.
또한, AC/DC 변환기 제어부는 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율, 및 상별 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법은 3상 교류전원의 충전 및 방전을 수행하는 PCS가 델타 결선된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 정상분/역상분/영상분 추출 단계, A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하는 상별 SoC 균등 제어 단계, A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 개별 SoC 균등 제어 단계, 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력 및 전체 영상분 AC 전압 지령값을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출하는 AC 전압 제어 단계, 개별 커패시터 전압 지령값의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 배터리 전압 제어 단계, 개별 커패시터 전압 지령값및 상별 AC 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기를 제어하는 AC/DC 변환기 제어 단계, 및 개별 배터리 전압 지령값을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하는 DC/DC 변환기 제어 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 정상분/역상분/영상분 추출 단계는 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출할 수 있다.
또한, 상별 SoC 균등 제어 단계는 A상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 A상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 A상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 A상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, B상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 B상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 B상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 B상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, C상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 C상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 C상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 C상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, 영상분 전류 지령값 연산부에서 A상 영상분 전력 지령값 연산부, B상 영상분 전력 지령값 연산부, 및 C상 영상분 전력 지령값 연산부의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 단계, 및 영상분 전압 지령값 연산부에서 영상분 전류 지령값 연산부의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 개별 SoC 균등 제어 단계는 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값 및 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출할 수 있다.
또한, 배터리 전압 제어 단계는 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이 및 개별 배터리 전압을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출할 수 있다.
여기서, AC/DC 변환기 제어 단계는 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율 및 상별 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기를 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법은 델타 결선으로 연결된 PCS의 배터리 SoC를 균등 제어하여 특정 배터리의 과방전 및 과충전을 방지하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법은 델타 결선의 영상분을 제어하여 상별 배터리 SoC를 균등화하고 또한, 개별 배터리 SoC를 균등 제어함으로써, 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 A상 PCS를 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제 1 PCS를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 SoC 균등 제어 장치를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 상별 SoC 균등 제어부를 상세히 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS에 흐르는 전류를 분석한 그래프이다.
도 7은 도 1의 A상 PCS, B상 PCS, C상 PCS, 및 3상 교류전원에 흐르는 전류를 상세히 나타낸 것으로서, 도 7(a)는 델타 결선의 상전류를 나타내고 도 7(b)는 델타 결선의 입력인 3상 교류전원의 공급 전류를 나타낸 파형도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 A상 PCS를 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제 1 PCS를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 SoC 균등 제어 장치를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 상별 SoC 균등 제어부를 상세히 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS에 흐르는 전류를 분석한 그래프이다.
도 7은 도 1의 A상 PCS, B상 PCS, C상 PCS, 및 3상 교류전원에 흐르는 전류를 상세히 나타낸 것으로서, 도 7(a)는 델타 결선의 상전류를 나타내고 도 7(b)는 델타 결선의 입력인 3상 교류전원의 공급 전류를 나타낸 파형도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치를 나타낸 구성도이며, 도 2 내지 도 7은 도 1을 상세히 설명하기 위한 세부 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치를 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치는 3상 교류전원(500)으로부터 충전 및 방전을 수행하는 PCS(Power Conditioning System)가 델타 결선으로 연결된 A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300) 및 PCS의 배터리 SoC(State of Charge)가 균등하도록 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 SoC 균등 제어 장치(400)로 이루어진다.
여기서, 3상 교류전원(500)은 분산전원이 연결된 전력 계통을 나타낸 것으로서, 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치는 이러한 계통의 전력을 배터리로 저장하거나 배터리에 저장된 전력을 다시 계통으로 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 배터리 간의 특성 차이에 의해 서로 다른 SoC를 보일 수 있으므로 균등 제어가 되지 않을 경우 특정 배터리의 열화가 발생할 수 있는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 PCS 내의 개별 배터리 SoC를 균등 제어하여 배터리 SoC가 불균등함으로 인해 야기될 수 있는 과방전 및 과충전을 방지하고 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용할 수 있으며, 또한 배터리 SoC의 불균등으로 인해 충전 및 방전 시간이 특정 배터리에 의해 한정되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 A상 PCS(100)를 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, A상 PCS(100), B상 PCS(200), 또는 C상 PCS(300)는 내부에 적어도 두 개 이상의 PCS가 직렬로 연결될 수 있다.
즉, 대용량의 전력을 저장하기 위해 제 1 PCS(110), 제 2 PCS(120), 및 제 N PCS(130) 등 PCS 다수 개를 직렬로 연결할 수 있다. 예를 들어 3상 교류전원(500)이 6.6[kV], 60[Hz]일 경우 시스템 정격용량 10[MW]를 달성하기 위해 상별 리액터 5[mH]와 10개의 PCS를 직렬로 연결할 수 있으며, 이때, PCS 당 배터리 팩은 1,155[V], 69[Ah]을 사용할 수도 있다.
도 3은 도 2의 제 1 PCS(110)를 상세히 나타낸 도면이다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, PCS는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하여 커패시터(112)에 전력을 저장하는 AC/DC 변환기(111) 및 커패시터(112)에 저장된 전력을 배터리(114)로 저장하기 위해 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 변환기(113)를 포함할 수 있다.
여기서, 하나의 상에 연결된 PCS는 동일한 전류가 흐르므로 PCS의 입력 AC 전압을 제어함으로써 커패시터(112)에 충전되는 전압이 결정되며, DC/DC 변환기(113)를 제어함으로써, 배터리(114)의 충전 전압이 결정된다.
이때, AC/DC 변환기(111)의 제어는 상별 배터리 SoC와 개별 배터리 SoC에 따라 결정되고, DC/DC 변환기(113)의 제어는 개별 배터리 SoC에 따라 결정되며, 이하 도 4 내지 도 7을 참조하여 해당 동작을 상세히 설명한다.
도 4는 도 1의 SoC 균등 제어 장치(400)를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, SoC 균등 제어 장치(400)는 델타 결선의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 정상분/역상분/영상분 추출부(410), A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 정상분/역상분/영상분 추출부(410)의 출력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하는 상별 SoC 균등 제어부(420), A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 개별 SoC 균등 제어부(430), 정상분/역상분/영상분 추출부(410) 및 상별 SoC 균등 제어부(420)의 출력을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출하는 AC 전압 제어부(440), 개별 SoC 균등 제어부(430)의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 배터리 전압 제어부(450), 개별 SoC 균등 제어부(430) 및 AC 전압 제어부(440)의 출력을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기(111)를 제어하는 AC/DC 변환기 제어부(460), 및 배터리 전압 제어부(450)의 출력을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기(113)를 제어하는 DC/DC 변환기 제어부(470)를 포함할 수 있다.
이때, 정상분/역상분/영상분 추출부(410)는 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출할 수 있다.
상별 SoC 균등 제어부(420)는 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하며, 이에 대해서는 도 5 를 참조하여 후술한다.
또한, 개별 SoC 균등 제어부(430)는 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고, 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값과, 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출한다.
여기서, 배터리 전압 제어부(450)는 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이 및 개별 배터리 전압을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출할 수 있다.
또한, AC/DC 변환기 제어부(460)는 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율, 및 상별 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기(111)를 제어할 수 있다.
즉, 본 발명에서 AC/DC 변환기(111)의 제어는 정상분/역상분/영상분 추출부(410)에서 추출된 영상분을 제어하여 유효전력과 무효전력에는 변화 없이 상별 전류를 달리함으로써 제어할 수 있으며, 각 상에 연결된 AC/DC 변환기(111)를 개별로 제어할 수 있다.
도 5는 도 4의 상별 SoC 균등 제어부(420)를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상별 SoC 균등 제어부(420)는 전체 배터리 SoC 대비 A상 PCS(100)의 평균 배터리 SoC의 차이 및 A상 PCS(100)의 평균 배터리 전압을 토대로 A상 PCS(100)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 A상 영상분 전력 지령값 연산부(421), 전체 배터리 SoC 대비 B상 PCS(200)의 평균 배터리 SoC의 차이 및 B상 PCS(200)의 평균 배터리 전압을 토대로 B상 PCS(200)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 B상 영상분 전력 지령값 연산부(422), 전체 배터리 SoC 대비 C상 PCS(300)의 평균 배터리 SoC의 차이 및 C상 PCS(300)의 평균 배터리 전압을 토대로 C상 PCS(300)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 C상 영상분 전력 지령값 연산부(423), A상 영상분 전력 지령값 연산부(421), B상 영상분 전력 지령값 연산부(422), 및 C상 영상분 전력 지령값 연산부(423)의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 영상분 전류 지령값 연산부(424), 및 영상분 전류 지령값 연산부(424)의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 영상분 전압 지령값 연산부(425)를 포함할 수 있다.
본 발명의 상별 SoC 균등 제어부(420)는, 이와 같이 델타 결선 내에 유효전력과 무효전력에는 변화없이 영상분의 전류만 제어할 수 있는 전류 지령값을 산출함으로써, 영상분 전압 지령값을 산출할 수 있다.
도 6은 도 1의 A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)에 흐르는 전류를 분석한 그래프이다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 A상 정상분 전류(iab1), B상 정상분 전류(ibc1), 및 C상 정상분 전류(ica1)가 서로 동일하나, A상, B상, 및 C상의 상별 배터리 SoC가 상이하여 이를 제어하기 위한 영상 전류로 A상 영상분 전류(iab2), B상 영상분 전류(ibc2), 및 C상 영상분 전류(ica2)를 생성한다.
또한, 이를 토대로 A상 정상분 전류(iab1)와 A상 영상분 전류(iab2)를 통합한 A상 통합 전류(iab3), B상 정상분 전류(ibc1)와 B상 영상분 전류(ibc2)를 통합한 B상 통합 전류(ibc3), 및 C상 정상분 전류(ica1)와 C상 영상분 전류(ica2)를 통합한 C상 통합 전류(ica3)가 흐를 수 있도록 AC/DC 변환기(111)를 제어하게 된다.
도 7은 도 1의 A상 PCS(100), B상 PCS(200), C상 PCS(300), 및 3상 교류전원(500)에 흐르는 전류를 상세히 나타낸 것으로서, 도 7(a)는 델타 결선의 상전류를 나타내고 도 7(b)는 델타 결선의 입력인 3상 교류전원(500)의 공급 전류를 나타낸 파형도이다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 A상 통합 전류(iab3), B상 통합 전류(ibc3), 및 C상 통합 전류(ica3)는 상별 배터리 SoC에 따라 다르게 제어되는 한편, 유효전력이나 무효전력의 변화 없이 영상분만 제어하는 것을 알 수 있으며, 이때 3상 교류전원(500)에서 공급하는 a분기 전류(ia), b분기 전류(ib), 및 c분기 전류(ic)의 유효전력에는 변화가 없는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법은 정상분/역상분/영상분 추출 단계(S100), 상별 SoC 균등 제어 단계(S200), 개별 SoC 균등 제어 단계(S300), AC 전압 제어 단계(S400), 배터리 전압 제어 단계(S500), AC/DC 변환기 제어 단계(S600), 및 DC/DC 변환기 제어 단계(S700)로 이루어진다.
정상분/역상분/영상분 추출 단계(S100)에서는, 3상 교류전원(500)의 충전 및 방전을 수행하는 PCS가 델타 결선된 A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출한다.
상별 SoC 균등 제어 단계(S200)에서는, A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출한다.
개별 SoC 균등 제어 단계(S300)에서는, A상 PCS(100), B상 PCS(200), 및 C상 PCS(300)의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출한다.
이후, AC 전압 제어 단계(S400)에서는, 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력 및 전체 영상분 AC 전압 지령값을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출한다.
배터리 전압 제어 단계(S500)에서는, 개별 커패시터 전압 지령값의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출한다.
AC/DC 변환기 제어 단계(S600)에서는, 개별 커패시터 전압 지령값및 상별 AC 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기(111)를 제어한다.
DC/DC 변환기 제어 단계(S700)에서는, 개별 배터리 전압 지령값을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기(113)를 제어한다.
이하, 상기 단계들을 좀더 상세히 설명하면, 우선 정상분/역상분/영상분 추출 단계(S100)에서는 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출한다.
또한, 상별 SoC 균등 제어 단계(S200)는, A상 영상분 전력 지령값 연산부(421)에서 전체 배터리 SoC 대비 A상 PCS(100)의 평균 배터리 SoC의 차이, 및 A상 PCS(100)의 평균 배터리 전압을 토대로 A상 PCS(100)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, B상 영상분 전력 지령값 연산부(422)에서 전체 배터리 SoC 대비 B상 PCS(200)의 평균 배터리 SoC의 차이 및 B상 PCS(200)의 평균 배터리 전압을 토대로 B상 PCS(200)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, C상 영상분 전력 지령값 연산부(423)에서 전체 배터리 SoC 대비 C상 PCS(300)의 평균 배터리 SoC의 차이 및 C상 PCS(300)의 평균 배터리 전압을 토대로 C상 PCS(300)의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계, 영상분 전류 지령값 연산부(424)에서 A상 영상분 전력 지령값 연산부(421), B상 영상분 전력 지령값 연산부(422), 및 C상 영상분 전력 지령값 연산부(423)의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 단계, 및 영상분 전압 지령값 연산부(425)에서 영상분 전류 지령값 연산부(424)의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 단계로 이루어진다.
여기서, 개별 SoC 균등 제어 단계(S300)에서는 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고, 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값과, 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하게 된다.
또한, 배터리 전압 제어 단계(S500)에서는 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이 및 개별 배터리 전압을 토대로 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출한다.
AC/DC 변환기 제어 단계(S600)에서는 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율, 및 상별 전압 지령값을 토대로 PCS의 AC/DC 변환기(111)를 제어하게 된다.
즉, 본 발명에서 AC/DC 변환기(111)의 제어는 정상분/역상분/영상분 추출부(410)에서 추출된 영상분을 제어하여 유효전력과 무효전력에는 변화 없이 상별 전류를 달리함으로써 제어할 수 있으며, 각 상에 연결된 AC/DC 변환기(111)를 개별로 제어할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 PCS 내의 개별 배터리 SoC를 균등 제어하여 배터리 SoC가 불균등함으로 인해 야기될 수 있는 과방전 및 과충전을 방지하고 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용할 수 있으며, 또한 배터리 SoC의 불균등으로 인해 충전 및 방전 시간이 특정 배터리에 의해 한정되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치 및 방법은 델타 결선으로 연결된 PCS의 배터리 SoC를 균등 제어하여 특정 배터리의 과방전 및 과충전을 방지하는 장점이 있으며, 델타 결선의 영상분을 제어하여 상별 배터리 SoC를 균등화하고 개별 배터리 SoC를 균등 제어함으로써, 시스템의 충전 및 방전 시간을 효과적으로 운용할 수 있는 장점이 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당업자들은 다양한 실시예의 많은 추가 조합 및 치환할 수 있음을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다.
Claims (15)
- 3상 교류전원으로부터 충전 및 방전을 수행하는 PCS(Power Conditioning System)가 델타 결선으로 연결된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS; 및
상기 PCS의 배터리 SoC(State of Charge)가 균등하도록 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 SoC 균등 제어 장치;를 포함하고,
상기 PCS는,
교류(AC)를 직류(DC)로 변환하여 커패시터에 전력을 저장하는 AC/DC 변환기; 및
상기 커패시터에 저장된 전력을 배터리로 저장하기 위해 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 변환기;를 포함하고,
상기 SoC 균등 제어 장치는,
상기 델타 결선의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 정상분/역상분/영상분 추출부;
상기 A상 PCS, 상기 B상 PCS, 및 상기 C상 PCS의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 상기 정상분/역상분/영상분 추출부의 출력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하는 상별 SoC 균등 제어부;
상기 A상 PCS, 상기 B상 PCS, 및 상기 C상 PCS의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 개별 SoC 균등 제어부;
상기 정상분/역상분/영상분 추출부 및 상기 상별 SoC 균등 제어부의 출력을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출하는 AC 전압 제어부;
상기 개별 SoC 균등 제어부의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 배터리 전압 제어부;
상기 개별 SoC 균등 제어부 및 상기 AC 전압 제어부의 출력을 토대로 상기 PCS의 상기 AC/DC 변환기를 제어하는 AC/DC 변환기 제어부; 및
상기 배터리 전압 제어부의 출력을 토대로 상기 PCS의 상기 DC/DC 변환기를 제어하는 DC/DC 변환기 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 A상 PCS, 상기 B상 PCS, 또는 상기 C상 PCS는, 내부에 적어도 두 개 이상의 PCS가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 정상분/역상분/영상분 추출부는, 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 상별 SoC 균등 제어부는,
전체 배터리 SoC 대비 상기 A상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 A상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 A상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 A상 영상분 전력 지령값 연산부;
전체 배터리 SoC 대비 상기 B상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 B상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 B상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 B상 영상분 전력 지령값 연산부;
전체 배터리 SoC 대비 상기 C상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 C상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 C상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 C상 영상분 전력 지령값 연산부;
상기 A상 영상분 전력 지령값 연산부, 상기 B상 영상분 전력 지령값 연산부, 및 상기 C상 영상분 전력 지령값 연산부의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 영상분 전류 지령값 연산부; 및
상기 영상분 전류 지령값 연산부의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 영상분 전압 지령값 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 개별 SoC 균등 제어부는, 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고,
상기 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값과, 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 배터리 전압 제어부는, 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이 및 개별 배터리 전압을 토대로 상기 PCS의 상기 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 AC/DC 변환기 제어부는, 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율 및 상별 전압 지령값을 토대로 상기 PCS의 상기 AC/DC 변환기를 제어하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 장치. - 3상 교류전원의 충전 및 방전을 수행하는 PCS가 델타 결선된 A상 PCS, B상 PCS, 및 C상 PCS의 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 추출하는 정상분/역상분/영상분 추출 단계;
상기 A상 PCS, 상기 B상 PCS, 및 상기 C상 PCS의 상별 배터리 SoC의 균등 제어를 위해 상기 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력을 토대로 전체 영상분 AC 전압 지령값을 산출하는 상별 SoC 균등 제어 단계;
상기 A상 PCS, 상기 B상 PCS, 및 상기 C상 PCS의 개별 배터리 SoC의 균등 제어를 위한 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 개별 SoC 균등 제어 단계;
상기 정상분, 역상분, 및 영상분의 전력 및 상기 전체 영상분 AC 전압 지령값을 토대로 상별 AC 전압 지령값을 산출하는 AC 전압 제어 단계;
상기 개별 커패시터 전압 지령값의 출력을 토대로 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 배터리 전압 제어 단계;
상기 개별 커패시터 전압 지령값및 상기 상별 AC 전압 지령값을 토대로 상기 PCS의 AC/DC 변환기를 제어하는 AC/DC 변환기 제어 단계; 및
상기 개별 배터리 전압 지령값을 토대로 상기 PCS의 DC/DC 변환기를 제어하는 DC/DC 변환기 제어 단계;를 포함하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 정상분/역상분/영상분 추출 단계는, 상별 AC 전압 및 상별 AC 전류를 토대로 상기 정상분, 상기 역상분, 및 상기 영상분의 전력을 추출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 상별 SoC 균등 제어 단계는,
A상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 상기 A상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 A상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 A상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계;
B상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 상기 B상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 B상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 B상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계;
C상 영상분 전력 지령값 연산부에서 전체 배터리 SoC 대비 상기 C상 PCS의 평균 배터리 SoC의 차이 및 상기 C상 PCS의 평균 배터리 전압을 토대로 상기 C상 PCS의 영상분 전력 지령값을 산출하는 단계;
영상분 전류 지령값 연산부에서 상기 A상 영상분 전력 지령값 연산부, 상기 B상 영상분 전력 지령값 연산부, 및 상기 C상 영상분 전력 지령값 연산부의 출력을 토대로 전체 영상분 전류 지령값을 산출하는 단계; 및
영상분 전압 지령값 연산부에서 상기 영상분 전류 지령값 연산부의 출력과 현재 전체 영상분 전류의 차이를 토대로 전체 영상분 전압 지령값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 개별 SoC 균등 제어 단계는, 상별 평균 SoC 대비 개별 SoC의 차이를 토대로 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값을 산출하고, 상기 개별 배터리 충전 및 방전 전압 지령값 및 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값을 토대로 개별 커패시터 전압 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 배터리 전압 제어 단계는, 개별 커패시터 전압과 개별 커패시터 전압 지령값과의 차이, 및 개별 배터리 전압을 토대로 상기 PCS의 상기 DC/DC 변환기를 제어하기 위한 개별 배터리 전압 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 AC/DC 변환기 제어 단계는, 개별 커패시터 전압 지령값과 개별 커패시터 전압 지령값의 평균인 전체 커패시터 전압 지령값의 비율, 및 상별 전압 지령값을 토대로 상기 PCS의 상기 AC/DC 변환기를 제어하는 것을 특징으로 하는 델타구조 반도체변압기 기반 에너지 저장장치의 SoC 균등제어 방법.
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