KR20120007224A - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 본 발명은 신재생 에너지를 저장하기 위한 커패시터 소자 수량을 줄여서 단가를 낮출 수 있고, 전기적인 안정성을 확보할 수 있는 에너지 저장 시스템이 개시된다.
일 예로, 계통과 신재생 에너지부의 사이에 연결되어 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 신재생 에너지부에 연결되어, 상기 신재생 에너지부에서 생성된 전력을 저장하는 저장 커패시터; 상기 신재생 에너지부에 연결된 배터리; 상기 저장 커패시터 및 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 저장 커패시터 및 배터리의 전력을 컨버팅하는 컨버터; 상기 컨버터에 연결되어 상기 전력을 인버팅하는 인버터; 및 상기 컨버터 및 인버터에 연결되어 제어 신호를 공급하는 제어부를 포함하고, 상기 저장 커패시터 및 배터리는 상기 신재생 에너지부의 출력단에 직렬로 연결된 에너지 저장 시스템이 개시된다.

Description

에너지 저장 시스템{Energy Storage System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
근래 들어, 화석 연료의 고갈 및 환경 문제로 인하여 신재생 에너지가 부각되고 있다. 이러한 신재생 에너지는 자연 에너지로부터 변환된 전기 에너지를 의미한다. 신재생 에너지는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 또는 지열과 같은 자연 에너지를 이용하며, 주로 태양광을 이용한 발전 시스템이 많이 상용화되었다.
태양광 발전 시스템은 태양 전지가 발전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 이것을 계통에 연계하여 부하에 전력을 공급하는 시스템이다. 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비 전력보다 작은 경우 태양 전지의 전력은 부하에서 모두 소비되고, 계통에서는 그 부족분을 공급하게 된다. 그리고 태양 전지의 발전 전력이 부하의 소비 전력보다 큰 경우 태양 전지의 발전 전력 중 부하에서 소비되고 남은 잉여 전력이 계통에 역조류 전력으로 공급된다.
한편, 전력 저장 시스템은 계통으로부터 야간에 발생한 잉여 전력을 에너지 저장 장치에 저장하고, 주간에 이것을 이용하는 시스템이다. 이러한 전력 저장 시스템은 주간의 발전 전력의 피크를 억제하고, 야간 전력을 활용하는 시스템이다. 전력 저장 시스템은 에너지 저장 장치로서 배터리를 사용함으로써 공간을 줄여 일반 수용가 내에 설치할 수 있고, 정전시 배터리로부터 전력 공급이 가능한 장점을 갖는다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이란 태양광으로 대표되는 신재생 에너지 발전 시스템과 전력 저장 시스템을 융화시킨 개념이다. 배터리를 통해 신재생 에너지 및 계통의 잉여 전력을 저장하고 있다가 부하에 공급할 수 있으며, 정전 등의 경우에도 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명은 신재생 에너지를 저장하기 위한 커패시터 소자 수량을 줄여서 단가를 낮출 수 있고, 전기적인 안정성을 확보할 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 계통과 신재생 에너지부의 사이에 연결되어 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 신재생 에너지부에 연결되어, 상기 신재생 에너지부에서 생성된 전력을 저장하는 저장 커패시터; 상기 신재생 에너지부에 연결된 배터리; 상기 저장 커패시터 및 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 저장 커패시터 및 배터리의 전력을 컨버팅하는 컨버터; 상기 컨버터에 연결되어 상기 전력을 인버팅하는 인버터; 및 상기 컨버터 및 인버터에 연결되어 제어 신호를 공급하는 제어부를 포함하고, 상기 저장 커패시터 및 배터리는 상기 신재생 에너지부의 출력단에 직렬로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 컨버터는 상기 저장 커패시터 및 배터리의 양단에 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 상기 저장 커패시터 및 배터리의 접점과 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자의 접점은 상기 인버터에 연결될 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 제어 신호를 인가하여, 상기 저장 커패시터 및 배터리 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 상기 부하에 전력을 공급하는 경로를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자를 상보적으로 구동할 수 있다.
또한, 상기 신재생 에너지부의 출력단에는 최대 전력점 추종부가 더 형성되고, 상기 최대 전력점 추종부의 양단에 상기 저장 커패시터와 배터리가 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 저장 커패시터 및 배터리의 접점과 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자의 접점에 연결된 1차측 권선, 상기 인버터에 연결된 2차측 권선을 갖는 변압기가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 변압기의 2차측 권선과 상기 인버터의 사이에는 상기 변압기의 2차측 권선과 상기 인버터의 사이에는 상기 변압기의 출력 전력을 직류로 변환하여 상기 인버터로 인가하거나, 상기 인버터의 출력을 교류로 변환하여 상기 변압기에 인가하는 변환기가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 변환기 및 인버터의 사이에 상기 전력을 저장하는 링크 커패시터가 상기 정류부에 병렬로 더 연결될 수 있다.
또한, 상기 변환기는 4개의 스위칭 소자로 이루어진 브릿지 트랜지스터 또는 브릿지 다이오드(bridge diode)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 신재생 에너지부는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 및 지열 중 선택된 어느 하나로 발전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는 양방향 컨버터로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 인버터는 양방향 인버터로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 에너지 저장 시스템은 최대 전력점 추종부의 출력단에 저장 커패시터와 배터리를 직렬로 연결하여 저장 커패시터가 전압을 분배하여 인가받도록 함으로써, 저장 커패시터를 구성하는 소자의 수를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 에너지 저장 시스템은 1차측 권선의 일단이 상기 저장 커패시터와 배터리의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자의 접점에 연결되고, 2차측 권선이 정류부에 연결 변압기를 구비하여, 저장 커패시터 및 배터리를 상기 인버터와 절연시킬 수 있게 되어, 전기적인 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어부가 듀티비를 제어하는 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 컨버터의 제 1 스위칭 소자 동작시 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 컨버터의 제 2 스위칭 소자 동작시 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 남는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 부족한 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 생성되지 않는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 연계시 배터리로부터 전력이 공급되는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 연계시 태양 전지의 전력이 부하에 공급되는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1000)은 계통(110), 신재생 에너지부(120), 저장 커패시터(130), 배터리(140), 컨버터(150), 변압기(160), 변환기(170), 링크 커패시터(180), 인버터(190), 제어부(200)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1000)은 최대 전력점 추종부(121)를 더 포함할 수 있다.
상기 계통(110)은 전력 회사로부터 공급받는 전력 라인이다. 상기 계통(110)은 교류 전압의 형태로 발전하고, 이를 변전 및 배전하여 일반 수용가와 같은 부하(10)에 전력을 전달한다. 이 때, 상기 부하(10)는 상기 계통(110)과 인버터(190)의 사이에 연결되어 상기 계통(110) 또는 인버터(190)로부터 전력을 공급받는다.
상기 계통(110)은 상기 부하(10)의 소비 전력 중에서 상기 신재생 에너지부(120)에 의해 공급된 것을 제외한 부족분을 공급한다. 또한, 야간에 상기 배터리(140)는 상기 계통(110)의 전력을 이용하여 충전될 수 있다.
상기 신재생 에너지부(120)는 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하는 구성을 갖는다. 즉, 상기 신재생 에너지부(120)는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 또는 지열과 같은 신재생 에너지를 통해 발전을 수행한다.
그리고 통상적으로 태양 전지가 가장 많이 상용화되어 있는바, 이하에서는 상기 신재생 에너지부(120)의 내용을 태양 전지로서 설명하도록 한다.
태양 전지로서의 상기 신재생 에너지부(120)는 태양광을 이용하여 발전을 수행한다. 따라서, 상기 신재생 에너지부(120)는 주간 시간에 발전을 수행할 수 있다. 상기 신재생 에너지부(120)는 주간에 발전된 전력을 상기 부하(10)에 공급한다. 또한, 상기 신재생 에너지부(120)는 부하(10)가 소비하고 남는 전력을 상기 배터리(140)에 공급하여, 상기 배터리(140)에서 충전이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 신재생 에너지부(120)는 상기 계통(110)에 잉여 전력을 공급할 수도 있다.
또한, 상기 신재생 에너지부(120)는 릴레이(RL)를 통해, 최대 전력점 추종부(121)에 연결될 수 있다. 상기 최대 전력점 추종부(121)는 통상적으로 인덕터, 스위칭 소자, 다이오드를 구비하여 이루어진다. 상기 최대 전력점 추종부(121)는 상기 신재생 에너지부(120)로부터 생성되는 전력이 최대가 되는 지점의 전압 및 전류를 검출한다. 또한, 상기 최대 전력점 추종부(121)는 상기 전압 및 전류의 상태를 유지하여 상기 신재생 에너지부(120)로부터 생성될 수 있는 최대 전력이 전달되도록 할 수 있다.
상기 저장 커패시터(130)는 상기 최대 전력점 추종부(121)에 연결된다. 상기 저장 커패시터(130)는 상기 신재생 에너지부(120)로부터 전달받은 전력을 임시로 저장한다. 또한, 상기 저장 커패시터(130)는 저장한 전력을 상기 변압기(160)를 통해 부하(10)로 전달하거나, 상기 배터리(140)에 전달한다.
상기 저장 커패시터(130)는 상기 최대 전력점 추종부(121)의 출력단에 상기 배터리(140)와 함께 직렬로 연결된다. 즉, 상기 저장 커패시터(130)는 상기 최대 전력점 추종부(121)의 출력 전압을 상기 배터리(140)와 분배하여 인가받는다. 따라서, 상기 저장 커패시터(130)의 양단에 걸리는 전압은 상기 최대 전력점 추종부(121)의 출력 전압에 비해 낮다. 따라서, 상기 저장 커패시터(130)는 상기 최대 전력점 추종부(121)의 출력 전압보다 낮은 전압에 대응되도록, 직렬 연결되는 수를 줄일 수 있다. 또한, 이에 따라 상기 저장 커패시터(130)의 커패시턴스가 증가되므로, 상기 배터리(130)의 병렬 연결되는 수를 줄이는 것이 가능하다. 결과적으로, 상기 저장 커패시터(130)는 상기 배터리(140)와의 직렬 연결 구성을 통해 필요한 소자의 수를 줄일 수 있다.
상기 배터리(140)는 상기 최대 전력점 추종부(121)에 연결된다. 상기 배터리(140)는 상기 최대 전력점 추종부(121)의 출력단에 상기 저장 커패시터(130)와 직렬로 연결된다. 따라서, 상술한 것처럼, 상기 저장 커패시터(130)의 양단에 걸리는 전압을 낮추어서, 상기 저장 커패시터(130)의 소자 감소를 이룰 수 있다.
상기 배터리(140)는 상기 계통(110) 및 신재생 에너지부(120) 중 적어도 어느 하나로부터 전력을 공급받아 충전을 수행한다. 또한, 상기 부하(10)가 추가적인 전력을 필요로 하는 경우 예를 들어, 상기 계통(110)이 정전된 경우, 또는 상기 부하(10)의 전력 소모량이 상기 계통(110) 및 신재생 에너지부(120)의 전력 공급량보다 높은 경우, 상기 배터리(140)가 방전되어 상기 부하(10)에 전력을 공급할 수 있다.
상기 컨버터(150)는 상기 저장 커패시터(130)와 배터리(140)에 연결된다. 상기 컨버터(150)는 상기 저장 커패시터(130)와 배터리(140)의 온오프 동작을 제어하여, 상기 저장 커패시터(130)와 배터리(140)로 하여금 충방전 동작을 수행하도록 한다. 상기 컨버터(150)는 양방향 컨버터로 구성되어, 상기 저장 커패시터(130) 및 배터리(140)의 젼력이 상기 부하로 공급되도록 하거나, 상기 계통(110)의 잉여 전력이 상기 배터리(150)로 공급되도록 할 수 있다.
상기 컨버터(150)는 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)의 접점에는 상기 변압기(160)의 1차 권선의 일단이 연결되고, 상기 저장 커패시터(130)와 배터리(140)의 접점에는 상기 1차 권선의 타단이 연결된다. 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)는 서로 상보적으로 동작한다. 즉, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)이 턴온되는 때 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)는 턴오프되며, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되는 때 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)는 턴온된다. 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)는 턴온되어 상기 저장 커패시터(130)가 상기 제 1 권선에 연결되는 경로를 형성한다. 또한, 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)는 턴온되어 상기 배터리(140)가 상기 제 1 권선에 연결되는 경로를 형성한다. 이러한 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 동작은 후술하기로 한다.
상기 변압기(160)는 1차측 권선의 일단이 상기 저장 커패시터(130)와 배터리(140)의 접점에 연결되고, 타단이 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 접점에 연결된다. 또한, 상기 변압기(160)는 2차측 권선이 상기 정류부(170)에 연결된다. 따라서, 상기 변압기(160)를 통해 상기 저장 커패시터(130) 및 배터리(140)를 상기 인버터(190)와 절연시킬 수 있게 되어, 전기적인 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 변압기(160)는 상기 저장 커패시터(130) 또는 배터리(140)로부터 전압을 인가받고, 권선비에 따라 이를 승압하거나, 상기 계통(110)으로부터 전압을 인가받고 이를 강압하는 동작을 수행한다. 따라서, 상기 저장 커패시터(130) 및 배터리(140)에 대한 부스트 동작 및 벅 동작이 수행할 수 있다.
상기 변환기(170)는 상기 변압기(160)의 2차측 권선에 연결된다. 상기 변환기(170)는 4개의 스위칭 소자를 통해 이루어진 브릿지 트랜지스터(bridge transistor)의 형태로 구성될 수 있다. 또한, 각 스위칭 소자의 제어 전극은 상기 제어부(200)에 연결되어, 상기 제어부(200)의 신호에 의해 턴온 및 턴오프 동작이 제어될 수 있다. 상기 변환기(170)는 상기 변압기(160)의 2차측 권선으로부터 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 그리고 상기 변환기(170)로부터 출력된 직류 전압은 이후 상기 링크 커패시터(180)를 통해 인버터(190)로 인가될 수 있다. 또한, 상기 변환기(170)는 상기 인버터(190)로부터 인가받은 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여, 상기 변압기(160)의 2차측 권선에 인가한다.
또한, 별도로 도시하지는 않았지만, 상기 변환기(170)는 통상적으로 사용되는 4개의 풀 브릿지 다이오드(full bridge diode)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 변환기(170)는 통상의 정류기로 동작하여, 상기 변압기(160)로부터 교류 전압을 인가받아 직류 전압으로 정류한다.
상기 링크 커패시터(180)는 상기 변환기(170)의 출력 전압을 저장한다. 또한, 상기 링크 커패시터(180)는 상기 변환기(170)의 출력 전압을 일정하게 인가받기 위해, 인덕터(171)를 통해 상기 출력 전압을 인가받을 수 있다. 상기 링크 커패시터(180)는 상기 변환기(170)의 출력 전압을 미리 저장하고, 상기 인버터(190)에 저장된 전압을 인가함으로써, 안정적인 전원 공급이 이루어지도록 한다.
상기 인버터(190)는 일단이 상기 링크 커패시터(180)에 연결된다. 상기 인버터(190)는 양방향 인버터로 형성될 수 있다. 상기 인버터(190)는 상기 링크 커패시터(180)의 출력 전압을 인가받아, 상기 부하(10)에 적합한 교류 전압으로 변환한다. 또한, 상기 인버터(190)는 상기 계통(110)의 교류 전압을 인가받아, 정류 동작을 통해 직류 전압으로 변환하고, 이를 상기 변환기(170)에 인가한다. 따라서, 상기 변환기(170)에 의해 변환된 교류 전압은 상기 변압기(160)를 통해 상기 배터리(140)에 전달되어 저장될 수 있다.
또한, 상기 인버터(190)의 타단은 상기 계통(110)에 연결된다. 상기 인버터(190)는 4개의 스위칭 소자로 구성되어 스위칭 소자의 온오프에 따라 전압의 변환을 수행하며, 상기 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면 용이하게 알 수 있는 바, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 제어부(200)는 상기 최대 전력점 추종부(121), 컨버터(150), 변환기(170) 및 인버터(190)에 연결된다. 상기 제어부(200)는 상기 최대 전력점 추종부(121), 컨버터(150), 변환기(170) 및 인버터(190)를 구성하는 스위칭 소자들의 제어 전극에 연결된다. 따라서, 상기 제어부(200)는 제어 신호를 통해 상기 스위칭 소자들의 온오프 동작을 제어한다.
특히, 상기 제어부(200)는 상기 컨버터(150)를 구성하는 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자(Q2)의 온오프 동작을 제어하여, 상기 컨버터(150)를 통한 전력 인가가 이루어지도록 한다. 상기 제어부(200)는 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)를 턴온하여 상기 저장 커패시터(130)의 전력이 상기 부하(10)에 인가되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)를 턴온하여 상기 배터리(140)의 전력이 상기 부하(10)에 인가되도록 하거나, 상기 배터리(140)가 상기 최대 전력점 추종부(121) 또는 계통(110)으로부터 전력을 인가받아 충전되도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어부가 컨버터를 제어하는 동작을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 제어부가 듀티비를 제어하는 구성을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 제어부(200) 중에서 상기 컨버터(150)와 연결된 부분은 3개의 연산 증폭기(AMP1, AMP2, AMP3)와 그 피드백 회로를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 링크 커패시터(180)의 양단에 걸리는 전압(VLink)은 상기 링크 커패시터(180)의 전압을 직렬 연결된 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)에 의해 분배된다. 그리고 상기 제 2 저항(R2)에 걸리는 전압은 제 1 연산 증폭기(AMP1)의 음의 단자(-)에 입력 전압으로 인가되고, 기준 전압(Vref)은 양의 단자(+)에 인가된다. 또한, 상기 제 1 연산 증폭기(AMP1)의 피드백(feed back)을 형성하는 제 3 저항(R3), 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)는 상기 제 1 연산 증폭기(AMP1)의 입력 단자(+,-)에 인가된 전압의 차이를 증폭한다. 따라서, 상기 제 1 연산 증폭기(AMP1)는 상기 링크 커패시터(180)의 전압(VLink)이 기준 전압(Vref)에 대해 갖는 전압값의 차이를 연산하여 출력하게 된다. 따라서, 상기 링크 커패시터의 전압(VLink)이 크면 클수록 작은 값이 출력되며, 상기 링크 커패시터의 전압(VLink)이 작으면 작을수록 큰 값이 출력된다.
다음 단에 위치한 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)는 상기 제 1 연산 증폭기(AMP1)의 출력 전압을 양의 단자(+)로 입력받는다. 또한, 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)는 상기 변압기(160)의 1차 권선을 통과하는 전류(Ip)를 제 4 저항(R4)을 통해 음의 단자(-)로 입력받는다. 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)가 이상적이라고 하면 동작시, 상기 음의 단자(-)의 전압은 양의 단자(+)의 전압과 동일하게 형성된다. 따라서, 상기 1차 권선 전류(Ip)는 이에 비례하는 전압 신호로 변경된 것으로 생각할 수 있으며, 피드백을 구성하는 제 5 저항(R5), 제 3 커패시터(C3) 및 제 4 커패시터(C4)는 상기 전압 신호를 상기 제 1 연산 증폭기(AMP1)의 출력 전압과 비교하여, 차이를 연산하여 출력하게 된다. 따라서, 상기 1차 권선 전류(Ip)가 크면 클수록 작은 값이 출력되며, 상기 1차 권선 전류(Ip)가 작으면 작을수록 큰 값이 출력된다.
한편, 다음 단에 위치한 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)는 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압을 음의 단자(-)로 입력받는다. 또한, 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)는 일정 주파수(예를 들어, 50[kHz])를 갖는 톱니파를 양의 단자(+)로 입력받는다. 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)는 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압을 톱니파와 비교하여 차이를 연산한다. 이 때, 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)는 어떠한 피드백도 형성되어 있지 않으므로, 포화 영역(saturation region)에서 동작하게 된다. 따라서, 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압이 톱니파보다 큰 경우는 양의 포화 전압값, 작은 경우는 음의 포화 전압값이 출력된다.
또한, 상기 제어부(200)는 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)의 출력 전압을 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)의 제어 전압으로 사용하고, 이를 반전하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)의 제어 전압으로 사용하여, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 시비율을 결정한다.
따라서, 상기 제어부(200)는 상기 링크 커패시터의 전압(VLink) 및 상기 1차 권선 전류(Ip)를 이용하여 상기 양방향 컨덕터(150)를 이루는 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자(Q2)의 시비율을 결정할 수 있다.
계통이 연결된 주간의 경우, 상기 신재생 에너지부(120)의 에너지는 모두 상기 링크 커패시터(180)를 통해 부하(10)로 전달된다. 따라서, 상기 변압기(160)의 1차 권선 전류(IL)는 평균 0[A]가 된다. 그리고 이 경우, 상기 제어부(200)는 1차 권선 전류(IL)가 0[A]가 되도록 하는 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압을 얻고, 이를 제 3 연산 증폭기(AMP3)에서 톱니파와 비교하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 시비율을 결정하게 된다.
또한, 상기 계통이 끊어진 경우, 상기 링크 커패시터(180)의 전압은 기설정된 전압(예로 400[V])을 유지하여야 한다. 따라서, 상기 제어부(200)는 상기 링크 커패시터의 전압(VLink)을 기준 전압(Vref)와 비교하여 출력하고, 이와 동일한 전압이 형성되도록 1차 권선 전류(IL)를 흐르게 하는 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압을 얻는다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 제 3 연산 증폭기(AMP3)를 통해, 상기 제 2 연산 증폭기(AMP2)의 출력 전압을 톱니파와 비교하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 시비율을 결정하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 컨버터의 동작에 따른 전력의 흐름을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 컨버터의 제 1 스위칭 소자 동작시 구성을 도시한 것이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 컨버터의 제 2 스위칭 소자 동작시 구성을 도시한 것이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상기 컨버터(150)의 제 1 스위칭 소자(Q1)가 턴온된 경우, 화살표로 표시된 경로를 따라, 상기 저장 커패시터(130)로부터 상기 변압기(160)의 1차 권선을 통과하는 전류 경로가 형성된다. 따라서, 상기 신재생 에너지부(120)의 방전 경로가 형성된다
또한, 도 4를 참조하면, 상기 컨버터(150)의 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴온된 경우, 화살표로 표시된 경로를 따라, 상기 배터리(140)로부터 상기 변압기(160)의 1차 권선을 통과하는 전류 경로가 형성된다. 따라서, 상기 배터리(130)의 방전 경로가 형성된다. 또한, 상기 경로는 전류의 방향에 따라 상기 배터리(130)의 충전 경로로서도 동작할 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 턴온시 상기 1차 권선을 통과하는 전류는 서로 반대 방향을 이룬다. 따라서, 상기 변압기(160)의 1차 권선에 인가되는 전류 및 전압은 교류 형태가 되며, 이에 따라 상기 변압기(160)는 1차 권선으로 인가받은 전압을 승압할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 전력 흐름을 경우를 나누어 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 남는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 5는 링크 커패시터(180)의 전압(VLink)을 400[V], 배터리(140)의 전압을 200[V], 신재생 에너지부(120)의 발전 전력은 1.6[kW], 부하(10)의 소비 전력은 1.2[kW]인 경우의 그래프를 도시한 것이다. 이 때, 상기 인덕터(171)의 전류(IL)의 평균은 약 3[A]이고, 이를 상기 링크 커패시터(180)의 전압(VLink) 400[V]과 곱하면, 상기 부하(10)의 소비 전력이 1.2[kW]임을 확인할 수 있다. 그리고 이 경우, 변압기(160)의 1차측 권선에서의 평균 전류는 약 -2[A]로 나타난다. 또한, 상기 1차 권선 전류(Ip)는 상기 배터리(130)의 방전 전류로서도 해석될 수 있으므로, 상기 배터리(130)가 충전되고 있음을 알 수 있다.
따라서, 도 5의 시뮬레이션을 통해, 계통(110)이 정전인 경우, 신재생 에너지부(120)가 상기 부하(10)에 전달되고 남은 400[W]가 상기 배터리(140)에 공급되어, 상기 배터리(140)를 충전하고 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 부족한 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 6의 시뮬레이션에서는 배터리(140)의 전압은 200[V], 부하(10)의 소비 전력은 1.2[kW]인 반면, 신재생 에너지부(120)의 생성 전력은 800[W]로 설정되어 있다. 그리고 이 경우, 변압기(160)의 1차측 권선에서의 평균 전류는 약 2[A]로 나타난다.
따라서, 도 6의 시뮬레이션을 통해 계통(110)이 정전인 경우, 신재생 에너지부(120)가 상기 부하(10)에 전달되고 부족한 400[W]는 상기 배터리(140)로부터 상기 부하(10)로 공급되어, 상기 배터리(140)가 방전하고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 정전시 태양 전지의 전력이 생성되지 않는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 7의 시뮬레이션은 배터리(140)의 전압은 200[V], 부하(10)의 소비 전력은 1.2[kW]인 반면, 신재생 에너지부(120)의 생성 전력은 0[W](예로, 밤의 경우)로 설정되어 있다. 그리고 이 경우, 변압기(160)의 1차측 권선에서의 평균 전류는 약 6[A]로 나타난다.
따라서, 도 7의 시뮬레이션을 통해 계통(110)이 정전이고 신재생 에너지부(120)의 발전량이 없는 경우, 상기 배터리(140)는 상기 부하(10)가 필요로 하는 1.2[kW]를 상기 부하(10)에 전부 공급하고 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 연계시 배터리로부터 전력이 공급되는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 8의 시뮬레이션은 배터리(140)의 전압은 200[V], 부하(10)는 피크(peak)가 되어 상기 인버터(190)로부터 상기 부하(10)에 전달되는 소비 전력은 2[kW]이고, 신재생 에너지부(120)의 생성 전력은 0[W](예로, 저녁 6시 내지 10시의 경우)로 설정되어 있으며, 계통(110)이 연계되어 있는 경우로 설정되어 있다. 그리고 이 경우, 변압기(160)의 1차측 권선에서의 평균 전류는 약 10[A]로 나타난다.
도 8의 시뮬레이션을 통해 계통(110)이 연계되어 있고, 신재생 에너지부(120)의 발전량이 없는 경우, 상기 배터리(140)가 상기 부하(10)가 필요로 하는 전력 중에서 상기 계통(110)이 공급하는 전력를 제외한 나머지 2[kW]를 상기 부하(10)에 공급하고 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 계통 연계시 태양 전지의 전력이 부하에 공급되는 경우의 전압 및 전류를 도시한 것이다.
도 9의 시뮬레이션은 부하(10)의 소비 전력은 1.2[kW]이고, 신재생 에너지부(120)의 생성 전력은 700[W]로 설정되어 있으며, 계통(110)이 연계되어 있는 경우로 설정되어 있다. 그리고 이 경우, 변압기(160)의 1차측 권선에서의 평균 전류는 약 0[A]로 나타난다. 또한, 인덕터 전류(IL)의 평균 전류는 약 1.75[A]이고, 링크 커패시터(180)의 전압(VLink)이 약 400[V]이므로, 신재생 에너지부(120)의 발전 전력인 700[W]가 모두 부하(10)에 전달되고, 배터리(140)는 충방전을 수행하지 않음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 에너지 저장 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1000; 에너지 저장 시스템 110; 계통
120; 신재생 에너지부 121; 최대 전력점 추종부
130; 저장 커패시터 140; 배터리
150; 컨버터 160; 변압기
170; 변환기 180; 링크 커패시터
190; 인버터 200; 제어부

Claims (12)

  1. 계통과 신재생 에너지부의 사이에 연결되어 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템에 있어서,
    상기 신재생 에너지부에 연결되어, 상기 신재생 에너지부에서 생성된 전력을 저장하는 저장 커패시터;
    상기 신재생 에너지부에 연결된 배터리;
    상기 저장 커패시터 및 배터리와 전기적으로 연결되어 상기 저장 커패시터 및 배터리의 전력을 컨버팅하는 컨버터;
    상기 컨버터에 연결되어 상기 전력을 인버팅하는 인버터; 및
    상기 컨버터 및 인버터에 연결되어 제어 신호를 공급하는 제어부를 포함하고,
    상기 저장 커패시터 및 배터리는 상기 신재생 에너지부의 출력단에 직렬로 연결된 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 저장 커패시터 및 배터리의 양단에 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 저장 커패시터 및 배터리의 접점과 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자의 접점은 상기 인버터에 연결된 에너지 저장 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자에 제어 신호를 인가하여, 상기 저장 커패시터 및 배터리 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 상기 부하에 전력을 공급하는 경로를 형성하는 에너지 저장 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자를 상보적으로 구동하는 에너지 저장 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지부의 출력단에는 최대 전력점 추종부가 더 형성되고, 상기 최대 전력점 추종부의 양단에 상기 저장 커패시터와 배터리가 직렬로 연결된 에너지 저장 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 커패시터 및 배터리의 접점과 상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자의 접점에 연결된 1차측 권선, 상기 인버터에 연결된 2차측 권선을 갖는 변압기가 더 형성된 에너지 저장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변압기의 2차측 권선과 상기 인버터의 사이에는 상기 변압기의 출력 전력을 직류로 변환하여 상기 인버터로 인가하거나, 상기 인버터의 출력을 교류로 변환하여 상기 변압기에 인가하는 변환기가 더 형성된 에너지 저장 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변환기 및 인버터의 사이에 상기 전력을 저장하는 링크 커패시터가 상기 정류부에 병렬로 더 연결된 에너지 저장 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 변환기는 4개의 스위칭 소자로 이루어진 브릿지 트랜지스터 또는 브릿지 다이오드(bridge diode)로 이루어진 에너지 저장 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지부는 태양광, 태양열, 풍력, 조력 및 지열 중 선택된 어느 하나로 발전을 수행하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는 양방향 컨버터로 이루어진 에너지 저장 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터는 양방향 인버터로 이루어진 에너지 저장 시스템.
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