KR20110066646A - 전력 저장을 위한 장치 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들은 발전 시스템 또는 전력 계통으로부터 공급된 전력을 저장하고, 정전 시 저장된 전력을 부하로 공급하며, 저장된 전력을 전력 계통으로 공급할 수 있는 전력 저장 장치 및 전력 저장 제어 방법에 관한 것으로서, 전력 저장 시스템에서, 무정전 전원 공급(UPS) 기능을 안정적으로 수행하기 위한 것이다.

Description

전력 저장을 위한 장치 및 제어 방법{An apparatus and a controlling method for storing power}
본 발명의 실시예들은 발전 시스템 또는 전력 계통으로부터 공급된 전력을 저장하고, 정전 시 저장된 전력을 부하로 공급하며, 저장된 전력을 전력 계통으로 공급할 수 있는 전력 저장 장치 및 전력 저장 제어 방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 태양광 발전 등 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 특히 신재생 에너지는 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않아, 그 활용 방안에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 최근에는, 기존의 전력 계통에 정보기술을 접목하여, 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 정보를 교환함으로써, 에너지 효율을 최적화하는 시스템으로서, 스마트 그리드(Smart grid) 시스템이 대두되고 있다.
본 발명의 실시예들은 전력 저장 시스템에서, 무정전 전원 공급(UPS, uninterruptible power supply) 기능을 안정적으로 수행하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치는, 제1 노드와, 전력 계통과 부하에 연결된 제2 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 DC 전압을 DC-AC 변환하여 상기 제2 노드로 출력하고, 상기 전력 계통으로부터의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 상기 제1 노드로 출력하는, 양방향 인버터; 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량을 검출하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부; 상기 배터리 관리부와 상기 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 배터리 관리부를 통하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 출력되는 DC 전압을 DC-DC 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 양방향 인버터로 출력하고, 상기 양방향 인버터로부터 상기 제1 노드를 통해 출력된 DC 전압을 DC-DC 변환하여, 상기 배터리 관리부의 제어에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 충전 전류를 출력하는, 양방향 컨버터; 및 상기 전력 계통으로부터 공급된 전력을 이용하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 전력 계통으로 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어하는 통합 제어기를 포함하고, 상기 통합 제어기는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계통으로의 전력 공급을 차단한다.
상기 통합 제어기는, UPS 기능을 구현하기 위하여, 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 부하로 전력을 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어한다.
또한, 상기 통합 제어기는, 피크 부하에 대응하기 위하여, 상기 부하의 전력 소비량이 기준 소비량 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어한다. 이때, 상기 통합 제어기는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량이 상기 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 부하의 전력 소비량이 상기 기준 소비량 이상이더라도, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하지 않도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 전력 저장 장치는, 전력을 생성하여 출력하는 발전 시스템으로부터 공급된 발전 전력을 상기 제1 노드의 DC 전압으로 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 양방향 컨버터로 출력하는 전력 변환부를 더 포함하고, 상기 양방향 컨버터는 상기 변환된 발전 전력을 DC-DC 변환하여, 상기 배터리 관리부의 제어에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 충전 전류를 출력할 수 있다. 이때, 상기 발전 시스템은, 태양 전지이고, 상기 전력 변환부는, MPPT(Maximum power point tracker) 알고리즘을 이용하여, 상기 태양 전지로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록 발전 전압 레벨을 조절할 수 있다.
또한, 상기 전력 저장 장치는, 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 제1 노드의 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 안정화시키는, 전압 안정화부를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 전력 저장 장치는, 상기 양방향 인버터와 상기 제2 노드 사이에 직렬 연결된 제1 스위치; 및 상기 제2 노드와 상기 전력 계통 사이에 직렬 연결된 제2 스위치를 더 포함하고, 상기 통합 제어기는, 상기 전력 계통이 정상 상태인 경우에는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 턴 온시키고, 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우에는 상기 제1 스위치를 턴 온시키고, 상기 제2 스위치를 턴 오프시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀에 전력 계통으로부터 공급된 전력을 저장하고, 전력을 소비하는 부하를 포함하는 전력 저장 시스템을 제어하는, 전력 저장 제어 방법은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 잔여 전력량을 검출하는 단계; 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 전력 계통으로 공급하는 단계; 및 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계통으로의 전력 공급을 차단하는 단계를 포함한다.
상기 전력 저장 제어 방법은, UPS 기능을 구현하기 위하여, 상기 전력 계통의 상태를 모니터링하는 단계; 및 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 전력 저장 제어 방법은, 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계통으로의 전력 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 피크 부하 대응을 위하여, 상기 전력 저장 제어 방법은, 상기 부하의 전력 소비량을 모니터링하는 단계; 및 상기 부하의 전력 소비량이 기준 소비량 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 전력 저장 제어 방법은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량이 상기 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 부하의 전력 소비량이 상기 기준 소비량 이상이더라도, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하지 않도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 저장 제어 방법은, 전력을 생성하여 출력하는 발전 시스템으로부터 공급된 발전 전력을 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 DC 전압으로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 발전 전력을 이용하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 발전 시스템이 태양 전지인 경우, 상기 전력 저장 제어 방법은, MPPT(Maximum power point tracker) 알고리즘을 이용하여, 상기 태양 전지로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록, 상기 태양 전지의 출력 전압 레벨을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 셀의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨 이하로 떨어지면 매전 또는 피크 부하 대응 기능을 수행하지 않기 때문에, 보다 안정적으로 UPS 기능을 수행할 수 있는 효과가 있다.
하기의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명에 따른 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다.
또한 본 명세서 및 도면은 본 발명을 제한하기 위한 목적으로 제공된 것은 아니고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)은 전기 에너지를 발전하는 발전 시스템(20), 전기 에너지를 전달하는 전력 계통(30), 및 전력을 저장하고, 저장된 전력을 부하(40) 또는 전력 계통(30)에 출력하는 전력 저장 장치(10), 및 전력 저장 장치(10) 또는 전력 계통(30)으로부터 전력을 공급받아 소비하는 부하(40)를 포함한다.
전력 계통(30)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비하고, 전력 계통(30)에 연결된 부하(40)들로 전력을 전달한다. 전력 계통(30)은 정상 상태일 때, 전력 저장 장치(10) 또는 부하(40)로 전력을 공급하고, 전력 저장 장치(10)로부터 공급된 전력을 입력받아 전달한다. 정전, 전기 공사 등으로 인해 전력 계통(30)이 비정상 상태인 경우, 전력 계통(30)으로부터 전력 저장 장치(10) 또는 부하(40)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
발전 시스템(20)은 전기 에너지를 발전하여 전력 저장 장치(10)로 출력한다. 발전 시스템(20)은 예를 들면 태양열, 태양광, 풍력, 조력, 지열과 같은 신재생 에너지(renewable energy)를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 특히, 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 전력 저장 장치(10)에 적용하기에 적합하다.
부하(40)는 전력 저장 장치(10) 또는 전력 계통(30)으로부터 출력된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
전력 저장 장치(10)는 발전 시스템(20) 또는 전력 계통(30)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장된 전력을 전력 계통(30) 또는 부하(40)에 공급한다. 전력 저장 장치(10)는 적어도 하나의 배터리 셀(110), 배터리 관리부(120), 양방향 컨버터(130), 양방향 인버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(160), 전력 변환부(170), 통합 제어기(180), 및 전압 안정화부(190)를 포함한다.
적어도 하나의 배터리 셀(110)은 발전 시스템(20) 또는 전력 계통(30)으로부터 공급된 전력을 저장한다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 동작은 배터리 관리부(120)에 의해서 제어된다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)은 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등일 수 있다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 개수는 전력 저장 장치(10)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 관리부(120)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 연결되어, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 충방전 동작을 제어한다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 양방향 컨버터(130)로의 방전 전류 및 양방향 컨버터(130)로부터 적어도 하나의 배터리 셀(110)로의 충전 전류는 배터리 관리부(120)의 제어에 따라 그 입출력이 제어된다. 또한, 배터리 관리부(120)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)을 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, 배터리 관리부(120)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명 등을 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 관리부(120)는 전력 저장 장치(10)의 동작을 제어하기 위하여, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량을 검출하여 통합 제어기(180)로 잔여 전력량에 관한 정보를 제공한다. 상기 잔여 전력량은, 예를 들면, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 출력 전압 레벨을 측정하여 검출할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 출력된 전력을 양방향 인버터(140)에서 요구되는 전압 레벨, 즉, 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨로 DC-DC 변환하고, 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전 전력을 적어도 하나의 배터 리 셀(110)에서 요구되는 전압 레벨로 DC-DC 변환한다. 상기 충전 전력은 발전 시스템(20)으로부터 공급되어, 전력 변환부(170)에서 변환된 전력이거나, 전력 계통(30)으로부터 양방향 인버터(140)를 통해서 공급된 전력이다. 예를 들면, 제1 노드(N1)의 전압 레벨이 DC 380V이고, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에서 요구되는 전압 레벨이 DC 100V인 경우, 양방향 컨버터(130)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 충전 시에는 제1 노드(N1)로부터의 충전 전력을 DC 380V로부터 DC 100V로 DC-DC 변환하고, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 방전 시에는 방전 전력을 DC 100V로부터 DC 380V로 DC-DC 변환한다.
양방향 인버터(140)는 전력 계통(30)으로부터 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)를 통해 입력되는 AC 전압을, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장하기 위한 DC 전압으로 정류하여 출력하고, 발전 시스템(20) 또는 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 출력된 DC 전압을 전력 계통(30)의 AC 전압으로 변환하여 출력한다. 이때 전력 계통(30)으로 출력되는 AC 전압은 전력 계통(30)의 기준에 부합해야 하며, 이를 위해 양방향 인버터(140)는 전력 계통(30)으로 출력되는 AC 전압의 위상을 전력 계통(30)의 위상과 동기화시켜 무효 전력 발생을 억제하고, AC 전압 레벨을 조절해야 한다. 또한 양방향 인버터(140)는 전력 계통(30)으로 출력되는 AC 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)는 양방향 인버터(140)와 전력 계통(30) 사이에 직렬로 연결되어, 전력 저장 장치(10)와 전력 계통(30) 사이의 전류 흐름을 제어한다. 전력 계통(30)에 이상이 없을 경우, 제1 스위치(150)는 턴 온 되고, 제2 스위치(160)도 턴 온되어, 발전 시스템(20)에서 생성된 전력이 부하(40) 또는 전력 계통(30)으로 공급될 수 있고, 발전 시스템(20)으로부터 전력 저장 장치(10)로의 전력 공급도 가능하다. 경우에 따라서는 제1 스위치(150)는 턴 오프하고, 제2 스위치(160)를 턴 온하여 발전 시스템(20)에서 발전한 전력을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 공급하고, 전력 계통(30)에서 부하(40)로 전력을 공급하는 것도 가능하다. 전력 계통(30)이 비정상 상태인 경우, 제1 스위치(150)는 턴 온되고, 제2 스위치(160)는 턴 오프되어, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로 전력이 공급되는 것을 차단하고, 전력 저장 장치(10) 및/또는 발전 시스템(20)으로부터 부하(40)로 전력을 공급한다. 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)는 다양한 종류의 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 전계 효과 트랜지스터(FET), 접합형 트랜지스터(BJT) 등일 수 있다. 제1 스위치(150)와 제2 스위치(160)의 스위칭 동작은 통합 제어기(180)에 의해 제어될 수 있다.
전력 변환부(170)는 발전 시스템(20)으로부터 발전된 전력을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 전력 변환부(170)의 동작은 발전 시스템(20)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 발전 시스템(20)이 AC 전압을 출력하는 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등인 경우, 전력 변환부(170)는 발전 시스템(20)의 AC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 정류하고, 발전 시스템(20)이 DC 전압을 출력하는 태양 전지 등인 경우, 전력 변환부(170)는 발전 시스템(20)의 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 예를 들어, 발전 시스템(20)이 태양 전지인 경우, 전력 변환부(170)는 태양 전지로부터 출력된 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환하고, 일사량, 온도 등의 변화에 따라 최대 전력 출력 전압을 추종하는 MPPT(Maximum power point tracker) 알고리즘을 이용하는, MPPT 컨버터일 수 있다.
도 9는 일사량에 따른 태양 전지 전압과 태양 전지 출력 전력의 예시적인 관계를 나타낸 그래프이다. 태양 전지의 출력은, 일사량, 표면 온도 등 환경에 따라 태양 전지의 동작 전압과 전류의 상태를 나타내는 I-V 특성이 비선형적으로 변화하는 비선형 특성을 가진다. 태양 전지의 I-V 특성 곡선 상의 전압-전류의 동작점이 결정되면, 이에 따라 태양 전지 출력 전력이 결정되며, 예를 들면 도 9의 그래프와 같이 나타날 수 있다. MPPT 알고리즘은 태양 전지에서 발전된 전력을 최대로 이용할 수 있도록, 최대 전력 출력 전압을 추종하는 알고리즘이다. 또한, MPPT 알고리즘은 순시 전압 강하를 보상하여, 발전 시스템(20)의 전력 품질을 개선하기 위한 Ride-thorough 기법을 포함할 수 있다.
통합 제어기(180)는 전력 저장 장치(10) 내의 각 구성 요소들, 발전 시스템(20), 및 전력 계통(30)의 상태를 모니터링 하여, 배터리 관리부(120), 양방향 컨버터(130), 양방향 인버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(160), 및 전력 변환부(170)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(180)의 동작은 아래에서 상세히 설명한다.
전압 안정화부(190)는 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨을 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨인 DC 링크 레벨로 안정화시킨다. 제1 노드(N1)는 발전 시스템(20) 또는 전 력 계통(30)의 순시 전압 강하, 부하(40)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 컨버터(130) 및 양방향 인버터(140)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. 따라서 제1 노드(N1)의 DC 전압 레벨을 안정화시키기 위하여 전압 안정화부(190)를 구비할 수 있으며, 전압 안정화부(190)는 예를 들면, 축전기 등으로 구현될 수 있다. 도 1은 전압 안정화부(190)가 별도로 구비된 실시예를 도시하였지만, 전압 안정화부(190)가 별도의 구성 요소로 구비되지 않고, 양방향 컨버터(130), 양방향 인버터(140), 또는 전력 변환부(170) 내에서 구현되는 실시예 또한 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어기(180)의 구조를 나타낸 도면이다.
통합 제어기(180)는 전력 저장 장치(10)의 각 구성 요소들, 발전 시스템(20), 및 전력 계통(30)의 상태를 모니터링하기 위한 모니터링부(210), 전력 저장을 제어하는 충전 제어부(220), 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)의로의 전력 공급을 제어하는 매전 제어부(230), 부하(40)에서 피크 부하가 발생한 경우에 대응하는 피크 부하 제어부(240), 및 무정전 제어를 수행하는 UPS 제어부(250)를 포함할 수 있다.
모니터링부(210)는 전력 저장 장치(10)의 각 구성 요소들, 발전 시스템(20), 및/또는 전력 계통(30)의 상태를 모니터링 한다. 구체적으로 설명하면, 모니터링부(210)는 배터리 관리부(120)를 통해서 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량, 전압, 전류, 온도를 모니터링 하고, 양방향 컨버터(130)의 전압, 전류, 온도 를 모니터링 한다. 또한, 모니터링부(210)는 양방향 인버터(140)의 전압, 전류, 온도, AC 위상을 모니터링하고, 전력 변환부(170)의 전력, 전류, 온도를 모니터링 하며, 발전 시스템(20)이 AC 전압을 출력하는 경우, 전력 변환부(170)의 AC 위상을 모니터링할 수 있다. 또한 모니터링부(210)는 전력 계통(30)의 전압, 전류, 온도, AC 위상, 전력 계통(30)이 정상 상태 또는 비정상 상태인지 여부를 모니터링할 수 있다. 모니터링부(210)는 모니터링 결과를 충전 제어부(220), 매전 제어부(230), 피크 부하 제어부(240), 및 UPS 제어부(250)로 출력할 수 있으며, 모니터링 결과를 입력받은 구성 요소들(220, 230, 240, 및 250)은 모니터링 결과에 따라 각각의 제어를 수행한다.
충전 제어부(220)는 발전 시스템(20) 또는 전력 계통(30)으로부터 공급된 전력을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장하기 위하여, 배터리 관리부(120), 양방향 컨버터(130), 양방향 인버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(160), 및 전력 변환부(170)를 제어한다. 전력 계통(30)으로부터 공급된 전력을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 충전하는 경우, 충전 제어부(220)는 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)를 턴 온시키고, 양방향 인버터(140)가 전력 계통(30)으로부터 공급된 AC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 정류하도록 제어하며, 양방향 컨버터(130)가 제1 노드(N1)의 DC 전압을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에서 요구되는 레벨의 DC 전압으로 변환하여, 배터리 관리부(120)가 적어도 하나의 배터리 셀(110)을 충전시키도록 제어한다. 발전 시스템(20)으로부터 공급된 전력을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 충전하는 경우, 충전 제어부(220)는 전력 변환부(170)가 발전 시스 템(20)으로부터 공급된 전력을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환하고, 양방향 컨버터(130)가 제1 노드(N1)의 DC 전압을 적어도 하나의 배터리 셀(110)에서 요구되는 레벨의 DC 전압으로 변환하여, 배터리 관리부(120)가 적어도 하나의 배터리 셀(110)을 충전시키도록 제어한다.
매전 제어부(230)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 전력 계통(30)으로 공급하도록 전력 저장 장치(10)의 각 구성 요소들을 제어한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(10)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 전력 계통(30)으로 공급하여, 전력을 전력 계통(30)으로 무상 공급하거나 판매할 수 있다. 또한, 전력 저장 장치(10)는 발전 시스템(20)으로부터 공급된 전력을 전력 계통(30)으로 매전할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 매전 제어부(230)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 전력 계통(30)에 공급할 때, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮으면, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 차단한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 매전 제어부(230)는 모니터링부(210)에서 감지된 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량에 따라 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 제어한다. 매전 제어부(230)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높고, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 전력을 전력 계통(30)으로 공급하는 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 전력 계통(30)으로 공급하도록 배터리 관리부(120), 양방향 컨버터(130), 양방향 인버터(140), 제1 스위치(150), 및 제2 스위치(160)를 제 어한다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 매전 제어부(230)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 전력 계통(30)으로 전력이 공급되는 것을 차단하도록 배터리 관리부(120) 및 양방향 컨버터(130)를 제어할 수 있다.
피크 부하 제어부(240)는 부하(40)에서 피크 부하가 발생하였을 때, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 부하(40)로 공급한다. 여기서 피크 부하란, 부하(40)에서의 시간당 전력 소비량이 기준 소비량 이상인 경우를 위미한다. 기준 소비량은 전력 계통(30)에서 공급 가능한 시간당 최대 전력량에 따라 결정될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 부하(40)에서 피크 부하가 발생한 경우, 전력 계통(30)이 정상 동작하여 전력 계통(30)으로부터 전력이 정상 공급되고 있다고 하더라도(A), 전력 저장 장치(10)로부터 전력이 부가적으로 공급된다(B). 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 부하 제어부(240)는, 피크 부하가 발생하여 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 부하(40)에 공급할 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮으면, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 부하(40)로의 전력 공급을 차단한다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 피크 부하 제어부(240)는 모니터링부(210)에서 감지된 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량에 따라 부하(40)로의 전력 공급을 제어한다. 피크 부하 제어부(240)는 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높고, 부하(40)에서 피크 부하가 발생한 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력을 부하(40)로 공급하도록 배터리 관리부(120), 양방향 컨버 터(130), 양방향 인버터(140), 제1 스위치(150), 및 제2 스위치(160)를 제어한다. 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 피크 부하 제어부(240)는, 피크 부하가 발생하더라도, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 부하(40)로 전력이 공급되는 것을 차단하도록 배터리 관리부(120) 및 양방향 컨버터(130)를 제어할 수 있다.
UPS 제어부(250)는 전력 계통(30)이 비정상 상태일 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 부하(40)로 적어도 하나의 배터리 셀(110)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(20)에서 발전된 전력을 출력하고, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로 전력을 공급하는 것을 차단한다. 전력 계통(30)이 비정상 상태일 때, 부하로(40) 전력을 공급함으로써, 본 발명의 실시예들은 전력 계통(30)이 정전 등의 비정상 상태에 빠졌을 때에도, 부하(40)에 전력을 정상 공급하도록 할 수 있다.
또한, UPS 제어부(250)는 전력 계통(30) 비정상 상태일 때, 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 차단하는 단독 운전 방지 기술을 구현한다. 배전선의 수리 및 보수 또는 정전과 같은 사고로 인하여 전력 계통(30)이 비정상 상태일 때, UPS 제어부(250)는 전력 저장 장치(10)를 전력 계통(30)과 분리시켜, 전력 계통(30)에서 선로 유지 또는 보수자의 감전과 같은 근거리 접근 사고가 발생하는 것을 방지하고, 전력 계통(30)이 비정상 상태에서 동작하여 전기 설비에 악영향을 주는 것을 방지한다. 나아가, 전력 계통(30)이 비정상 상태일 때의 단독 운전 상황으로부터 전력 계통(30)이 복구된 상황이 되면, 전력 계통(30)의 전압과 단독 운전 상태의 전력 저장 장치(10)의 출력 전압 사이에 위상 오차가 발생하여, 전력 저장 장치(10)나 발전 시스템(20)에 손상이 발생할 수 있는데, UPS 제어부(250)는 전력 계통(30)이 복구될 때의 이러한 문제점을 방지하기 위한 제어를 수행할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮을 때, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 차단하고, 피크 부하가 발생하더라도 부하(40)로 전력을 공급하지 않아, 전력 계통(30)이 정상 상태일 때는 적어도 하나의 배터리 셀(110)이 기준 잔여 레벨 이상으로 유지될 수 있도록 하여, 전력 계통(30)이 비정상 상태로 빠졌을 때 수행되는 UPS 기능을 보다 안정적으로 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 제어하는 과정을 도시한 흐름도이다. 도 7에 도시된 과정은 통합 제어기(180)가 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로 전력을 공급하는 모드에서 동작할 때 수행될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮으면, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 차단한다. 이를 위해, 우선 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량을 검출한다(S702). 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮으면(S704), 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급이 차단된다(S706). 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높으면(S704), 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 전력 계통으로 전력이 공급된다(S708).
도 8은 피크 부하 발생시, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전력 저장 장치(10)로부터 부하(40)로 전력을 공급하는 과정을 도시한 흐름도이다.
우선, 피크 부하를 검출하기 위하여, 부하(40)의 시간당 전력 소비량을 검출한다(S802). 부하(40)의 시간당 전력 소비량이 기준 소비량보다 높으면(S804), 피크 부하가 발생한 것으로 판단하고, 적어도 하나의 배터리 셀(110)의 잔여 전력량을 검출한다(S806). 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮으면(S808), 피크 부하가 발생하더라도, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 부하(40)로의 전력 공급은 차단된다(S810). 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높으면(S808), 피크 부하에 대응하여, 적어도 하나의 배터리 셀(110)로부터 부하(40)로 전력이 공급된다(S812).
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어기(180)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매전 제어 및 피크 부하 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 매전 시, 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 피크 부하 발생 시, 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 UPS 기능 수행 시, 전력 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 전력 저장 장치(10)로부터 전력 계통(30)으로의 전력 공급을 제어하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 8은 피크 부하 발생시, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전력 저장 장치(10)로부터 부하(40)로 전력을 공급하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 9는 일사량에 따른 태양 전지 전압과 태양 전지 출력 전력의 예시적인 관계를 나타낸 그래프이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 전력 저장 시스템
10 전력 저장 장치
20 발전 시스템
30 전력 계통
40 부하
110 적어도 하나의 배터리 셀
120 배터리 관리부
130 양방향 컨버터
140 양방향 인버터
150 제1 스위치
160 제2 스위치
170 전력 변환부
180 통합 제어기
190 전압 안정화부
210 모니터링부
220 충전 제어부
230 매전 제어부
240 피크 부하 제어부
250 UPS 제어부

Claims (15)

  1. 제1 노드와, 전력 계통과 부하에 연결된 제2 노드 사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 DC 전압을 DC-AC 변환하여 상기 제2 노드로 출력하고, 상기 전력 계통으로부터의 AC 전압을 AC-DC 변환하여 상기 제1 노드로 출력하는, 양방향 인버터;
    적어도 하나의 배터리 셀;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량을 검출하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부;
    상기 배터리 관리부와 상기 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 출력되는 DC 전압을 DC-DC 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 양방향 인버터로 출력하고, 상기 양방향 인버터로부터 상기 제1 노드를 통해 출력된 DC 전압을 DC-DC 변환하여, 상기 배터리 관리부의 제어에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 충전 전류를 출력하는, 양방향 컨버터; 및
    상기 전력 계통으로부터 공급된 전력을 이용하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 전력 계통으로 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어하는 통합 제어기를 포함하고,
    상기 통합 제어기는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계 통으로의 전력 공급을 차단하는, 전력 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통합 제어기는, 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 부하로 전력을 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어하는, 전력 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통합 제어기는, 상기 부하의 전력 소비량이 기준 소비량 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어하는, 전력 저장 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 통합 제어기는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량이 상기 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 부하의 전력 소비량이 상기 기준 소비량 이상이더라도, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하지 않도록, 상기 배터리 관리부, 상기 양방향 컨버터, 및 상기 양방향 인버터를 제어하는, 전력 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전력 저장 장치는,
    전력을 생성하여 출력하는 발전 시스템으로부터 공급된 발전 전력을 상기 제 1 노드의 DC 전압으로 변환하여 상기 제1 노드를 통해 상기 양방향 컨버터로 출력하는 전력 변환부를 더 포함하고,
    상기 양방향 컨버터는 상기 변환된 발전 전력을 DC-DC 변환하여, 상기 배터리 관리부의 제어에 따라 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 충전 전류를 출력하는, 전력 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발전 시스템은, 태양 전지이고,
    상기 전력 변환부는, MPPT(Maximum power point tracker) 알고리즘을 이용하여, 상기 태양 전지로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록 발전 전압 레벨을 조절하는, 전력 저장 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 제1 노드의 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 안정화시키는, 전압 안정화부를 더 포함하는, 전력 저장 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전력 저장 장치는,
    상기 양방향 인버터와 상기 제2 노드 사이에 직렬 연결된 제1 스위치; 및
    상기 제2 노드와 상기 전력 계통 사이에 직렬 연결된 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 통합 제어기는, 상기 전력 계통이 정상 상태인 경우에는 상기 제1 스위 치 및 상기 제2 스위치를 턴 온시키고, 상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우에는 상기 제1 스위치를 턴 온시키고, 상기 제2 스위치를 턴 오프시키는, 전력 저장 장치.
  9. 적어도 하나의 배터리 셀에 전력 계통으로부터 공급된 전력을 저장하고, 전력을 소비하는 부하를 포함하는 전력 저장 시스템을 제어하는, 전력 저장 제어 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 잔여 전력량을 검출하는 단계;
    상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 높은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 전력 계통으로 공급하는 단계; 및
    상기 잔여 전력량이 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계통으로의 전력 공급을 차단하는 단계를 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 계통의 상태를 모니터링하는 단계; 및
    상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 계통이 비정상 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 전력 계통으로의 전력 공급를 차단하는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 부하의 전력 소비량을 모니터링하는 단계; 및
    상기 부하의 전력 소비량이 기준 소비량 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 잔여 전력량이 상기 기준 잔여 레벨보다 낮은 경우, 상기 부하의 전력 소비량이 상기 기준 소비량 이상이더라도, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력을 상기 부하로 공급하지 않도록 제어하는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    전력을 생성하여 출력하는 발전 시스템으로부터 공급된 발전 전력을 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 DC 전압으로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 발전 전력을 이용하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하 는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발전 시스템은 태양 전지이고, 상기 전력 저장 제어 방법은,
    MPPT(Maximum power point tracker) 알고리즘을 이용하여, 상기 태양 전지로부터 최대 전력이 공급되는 최대 전력 공급 전압을 추종하도록, 상기 태양 전지의 출력 전압 레벨을 조절하는 단계를 더 포함하는, 전력 저장 제어 방법.
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