KR20120138466A - 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템 - Google Patents

상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20120138466A
KR20120138466A KR1020110057956A KR20110057956A KR20120138466A KR 20120138466 A KR20120138466 A KR 20120138466A KR 1020110057956 A KR1020110057956 A KR 1020110057956A KR 20110057956 A KR20110057956 A KR 20110057956A KR 20120138466 A KR20120138466 A KR 20120138466A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
input
path
discharge
charge
Prior art date
Application number
KR1020110057956A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101256376B1 (ko
Inventor
박종후
박선재
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교산학협력단 filed Critical 숭실대학교산학협력단
Priority to KR1020110057956A priority Critical patent/KR101256376B1/ko
Publication of KR20120138466A publication Critical patent/KR20120138466A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101256376B1 publication Critical patent/KR101256376B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/007—Arrangements for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources
    • H02J3/0075—Arrangements for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources for providing alternative feeding paths between load and source according to economic or energy efficiency considerations, e.g. economic dispatch
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치는 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하로 전력을 전달하는 변압부와, 상기 변압부와 병렬로 연결되어, 충전 모드인 경우에는 상기 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압부와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 상기 부하로 전달하는 충방전부를 포함한다. 이와 같은 본 발명에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템은 입력 전원으로부터 부하로 전력을 전달시 충전과 방전에 따른 전력 전달 경로를 달리 설정함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE APPARATUS FOR USING DIFFERENT CHARGING/DISCHARGING PATH, AND ENERGY STORAGE SYSTEM THEREOF}
본 발명은 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력 전원으로부터 부하로 전력을 전달시 충전과 방전에 따라 전력 전달 경로를 다르게 설정하는 기술에 관한 것이다.
현재 스마트 그리드가 각광받으면서 신재생 에너지의 필요성이 급부상하고 있다. 스마트 그리드란 기존의 전력망에 정보기술(IT)을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망을 말한다. 신재생 에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로써 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원이다. 신재생 에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지고 있다.
스마트 그리드에서 신재생 에너지를 더욱 효과적으로 사용하기 위해서는 전력 저장수단인 에너지 저장 장치의 필요성이 절실한 상황이다. 따라서, 에너지 저장 장치를 더욱 효율적이고 안정적으로 운영하는 방법이 중요하게 여겨지고 있다. 현재 일반적으로 사용되는 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템은 에너지 저장 장치와 전력 변환기를 직렬로 연결하여 일체형으로 사용하는 시스템이 있다. 그러나 이러한 구조는 신재생 에너지원에서 나오는 출력전력이 에너지 저장 장치를 거쳐서 부하로 연결이 되기 때문에 충전시에는 부하로 전력을 보내지 못한다. 또한, 에너지 저장 장치를 거침으로 인해 에너지 효율이 떨어진다.
한편, 방전시에는 신재생 에너지원에서의 출력전력이 발생될 수 없는 상황에서만 에너지 저장 장치가 사용가능하도록 되어있다. 또한 신재생 에너지원에서 출력된 전력의 전압을 변압하기 위한 부스트 컨버터의 전력용량은 신재생 에너지원에서 발생하는 최대 전력을 넘어야 하므로, 부스트 컨버터의 전력 용량이 신재생 에너지원에서 발생하는 최대 전력보다 크게 설계되어야만 한다. 또한 에너지 저장 장치 교체 및 점검 시에 전력 변환기를 사용할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 입력 전원으로부터 부하로 전력을 전달시 충전과 방전에 따른 전력 전달 경로를 달리 설정하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치는 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하로 전력을 전달하는 변압부와, 상기 변압부와 병렬로 연결되어, 충전 모드인 경우에는 상기 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압부와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 상기 부하로 전달하는 충방전부를 포함한다.
또한, 상기 제1 경로, 제2 경로, 제3 경로는 서로 다른 경로일 수 있다.
또한, 상기 변압부는, 상기 입력 전원으로부터 전력을 입력받는 입력단과, 상기 입력된 전압을 변압하여 상기 부하로 출력하는 출력단과, 상기 입력단의 전압에 따라 상기 입력단과 상기 출력단 사이에 병렬로 연결된 제1 스위치의 듀티비를 제어하여, 상기 입력된 전압을 변압하여 상기 출력단으로 전달하는 제1 보상부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충방전부는, 상기 입력 전원으로부터 전력을 입력받고, 상기 부하로 전력을 전달하는 입출력부와, 상기 전력을 저장하는 전력 저장부와, 상기 전력 저장부로 흐르는 전류를 감지하여, 상기 입출력부를 통해 상기 전력 저장부에 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전하도록 제어하는 제2 보상부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 보상부는, 상기 전력 저장부와 직렬로 연결되는 제2 스위치와 상기 전력 저장부와 병렬로 연결되는 제3 스위치가 서로 상반되는 동작을 하도록 듀티비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 입출력부는, 상기 제2 스위치와 연결되어, 상기 입력 전원으로부터 상기 충방전부로 전류를 흐르게 하는 제1 다이오드와, 상기 제2 스위치와 연결되어, 상기 충방전부로부터 상기 부하로 전류를 흐르게 하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 경로는 상기 입력단에 포함되는 입력 커패시터에서 상기 제1 보상부에 포함되는 제1 인덕터와 변압 다이오드를 거쳐, 상기 출력단에 포함되는 출력 커패시터로 연결되는 변압 경로이고, 상기 제2 경로는 상기 입력 커패시터에서 상기 제1 다이오드 및 제2 스위치를 거쳐, 상기 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터와 배터리로 연결되는 충전 경로이고, 상기 제3 경로는 상기 배터리에서 상기 제2 인턱터, 상기 제2 스위치 및 상기 제2 다이오드, 상기 출력 커패시터를 거쳐 상기 부하로 연결되는 방전 경로일 수 있다.
또한, 상기 충방전부는, 상기 입력 전원으로부터 제2 스위치를 통해 전력을 입력받고, 제3 스위치를 통해 상기 부하로 전력을 전달하는 입출력부와, 상기 전력을 저장하는 전력 저장부와, 상기 전력 저장부로 흐르는 전류를 감지하여, 상기 입출력부를 통해 상기 전력 저장부로 전력을 충전하거나 상기 전력 저장부에 충전된 전력을 방전하도록 제어하는 제2 보상부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 보상부는, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 전력 저장부와 병렬로 연결된 제4 스위치 각각의 듀티비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 경로는 상기 입력단에 포함되는 입력 커패시터에서 상기 제1 보상부에 포함되는 제1 인덕터와 변압 다이오드를 거쳐, 상기 출력단에 포함되는 출력 커패시터로 연결되는 변압 경로이고, 상기 제2 경로는 상기 입력 커패시터에서 상기 제2 스위치를 거쳐, 상기 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터와 배터리로 연결되는 충전 경로이고, 상기 제3 경로는 상기 배터리에서 상기 제2 인턱터, 상기 제3 스위치를 거쳐, 상기 출력 커패시터를 거쳐 상기 부하로 연결되는 방전 경로일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 시스템은 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하로 전력을 전달하는 변압부와, 상기 변압부와 병렬로 연결되어, 충전 모드인 경우에는 상기 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압부와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 상기 부하로 전달하는 충방전부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치와, 상기 입력 전원 및 상기 에너지 저장 장치로부터 출력되는 전력이 전달되는 부하를 포함한다.
또한, 상기 입력 전원은 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지, 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지를 이용한 발전 중 적어도 하나를 통하여 전력을 생산하는 신재생 에너지원일 수 있다.
또한, 상기 입력 전원은 전기자동차의 주전원 또는 무정전 전원장치의 주전원 중 하나일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템은 입력 전원으로부터 부하로 전력을 전달시 충전과 방전에 따른 전력 전달 경로를 달리 설정함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도,
도 2는 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치 중 변압부의 구성도,
도 3은 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치 중 충방전부의 구성도,
도 4a 내지 도 4b는 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치의 회로 구성도,
도 5a 내지 도 5b는 도 4a에 따른 에너지 저장 장치의 충전 모드, 방전 모드에서의 충방전부의 전류 파형을 비교 설명하기 위한 예시도,
도 6a 내지 도 6c는 도 4a에 따른 에너지 저장 장치의 충방전부의 인덕터 전류와 변압부의 입력 전압 파형을 비교 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 시스템은 입력 전원(100), 에너지 저장 장치(200), 부하(300)를 포함한다. 입력 전원(100)은 예를 들어 태양열, 태양광발전, 바이오매스(biomass), 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지와 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지를 이용한 발전 중 적어도 하나를 통하여 전력을 생산하는 에너지원일 수 있다. 또한, 입력 전원(100)은 전기자동차의 주전원 또는 무정전 전원장치(UPS)의 주전원 중 하나일 수 있다.
에너지 저장 장치(200)는 입력 전원(100)으로부터 입력된 전원을 변압하여 부하(300)로 전력을 전달한다. 또한, 에너지 저장 장치(200)는 에너지 저장수단을 포함하며, 충전 모드인 경우에는 입력 전원으로부터 출력되는 전력 중 일부를 에너지 저장수단에 저장하고, 방전 모드인 경우에는 에너지 저장수단에 저장된 전력을 부하(300)로 출력한다. 부하(300)는 입력 전원(100) 및 에너지 저장 장치(200)로부터 출력되는 전력을 전달받아 이를 사용하는 것으로, 계통, 전기자동차, 무정전 전원 장치로부터 전력을 전달받는 장치들을 포함한다.
보다 구체적으로, 에너지 저장 장치(200)는 변압부(210)와 충방전부(220)를 포함한다. 변압부(210)는 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하(300)로 전력을 전달한다. 예를 들어, 변압부(210)가 DC-DC 부스트 컨버터인 경우에는 인덕터와 스위칭 소자를 이용하여 인덕터에 흐르는 전류를 일정한 간격으로 공급/차단을 반복함으로써 역기전력을 유도시켜 입력된 전압을 변압하게 된다. 이 경우 스위칭 소자로는 MOSFET이 사용될 수 있다. 충방전부(220)는 변압부(210)와 병렬로 연결되며, 충전 모드인 경우에는 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 변압부(210)와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 부하(300)로 전달한다. 이 경우, 제1 경로, 제2 경로, 제3 경로는 서로 다른 경로로 설정된다.
즉, 입력 전원의 전력은 변압부(210)와 충방전부(220)에 병렬적으로 공급되므로, 변압부(210)와 충방전부(220)는 독립적으로 입력 전원의 전력을 부하(300)로 전달하게 된다. 변압부(210)는 예를 들어 DC-DC 컨버터로 구성되어 입력 전원의 전압을 변압하고, 변압된 전력을 부하(300)로 전달한다.
한편, 충방전부(220)는 예를 들어 양방향 DC-DC 컨버터로 구성할 수 있으며, 충전/방전 모드에 따라 변압부(210)와는 다른 전력 경로를 통해 입력 전원의 전력을 에너지 저장수단에 저장하고, 저장된 전력을 부하(300)로 출력하게 된다. 따라서, 변압부(210)에서 부하(300)로 전달되는 전력과 충방전부(220)에서 부하(300)로 전달되는 전력이 독립적인 경로를 통해 전달되므로 에너지 효율이 증가된다.
도 2는 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치 중 변압부의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 변압부(210)는 입력단(211), 제1 보상부(213), 출력단(215)을 포함한다. 입력단(211)은 예를 들어 커패시터 소자로 구성되며, 커패시터 소자에는 입력 전원의 전압이 인가된다. 또한, 입력단(211)에는 충방전부(220)가 병렬로 연결되어 미리 설정된 비율로 입력 전원의 전력이 배분된다. 예를 들어, 제1 보상부(213)는 전압 센서, 인덕터, 스위칭 소자, 스위칭 제어 소자를 포함하며, 전압 센서를 이용하여 입력단(211)의 전압을 감지하여 입력단(211)과 출력단(215) 사이에 병렬로 연결된 제1 스위치의 듀티비를 제어한다. 따라서, 입력 전원의 입력된 전압을 승압 또는 감압할 수 있다. 예를 들어, 출력단(215)은 커패시터 소자로 구성되며, 일정한 DC 전압이 인가된다. 부하(300)는 출력단(215)에 인가된 DC 전압을 인버터를 이용하여 필요한 AC 전압으로 사용할 수 있다.
도 3은 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치 중 충방전부의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 충방전부(220)는 입출력부(221), 제2 보상부(223), 전력 저장부(225)를 포함한다. 입출력부(221)는 입력 전원으로부터 전력을 입력받고, 부하(300)로 전력을 전달한다. 이 경우 입출력부(221)는 변압부(210)의 입력단(211)과 출력단(215)에 병렬로 연결되고, 충전 모드인 경우에는 변압부(210)의 입력단(211)과 미리 설정된 비율로 배분된 입력 전원의 전력을 입력받고, 방전 모드에는 변압부(210)의 출력단(215)에 DC 전압을 인가한다. 예를 들어, 입출력부(221)는 두 개의 다이오드로 구성될 수 있다. 제1 다이오드는 입력 전원으로부터 충방전부(220)로의 전류가 흐르도록 하는 순방향 다이오드이고, 제2 다이오드는 충방전부(220)로부터 부하(300)로 전류가 흐르도록 하는 순방향 다이오드이다.
충방전부(220)가 충전 모드인 경우에는 제1 다이오드를 통해 입력 전원으로부터 충방전부(220)로 전류가 흐르며, 이 경우 제2 다이오드는 역방향이 되기 때문에 부하(300)로 전류가 흐르는 것을 막을 수 있다. 충방전부(220)가 방전 모드인 경우에는 제2 다이오드를 통해 충방전부(220)로부터 부하(300)로 전류가 흐르며, 이 경우 제1 다이오드는 역방향이 되기 때문에 입력 전원으로 전류가 흐르는 것을 막을 수 있다. 따라서, 충방전부(220)는 충전/방전 모드의 경우 변압부(210)의 변압과정을 거치지 않고 서로 다른 전력 경로로 전력 저장하거나 방전한다.
제2 보상부(223)는 전력 저장부(225)로 흐르는 전류를 감지하고, 입출력부(221)를 통해 전력 저장부(225)에 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전하도록 제어한다. 예를 들어, 제2 보상부(223)는 전류 센서, 스위칭 소자, 스위칭 제어 소자를 포함하며, 전류 센서를 이용하여 전력 저장부(225)에 흐르는 전류를 감지하여 전력 저장부(225)에 포함되는 인덕터 소자의 전류 또는 스위치의 전류를 감지하여, 전류가 0보다 크면 충방전부(220)는 충전 모드로 동작하고, 전류가 0보다 작으면 방전 모드로 동작한다.
또한, 제2 보상부(223)는 전력 저장부(225)와 직렬로 연결되는 제2 스위치와 전력 저장부(225)와 병렬로 연결되는 제3 스위치의 듀티비를 제어한다. 이 경우 스위칭 제어 소자는 제2 스위치와 제3 스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 온오프 제어를 한다. 또한, 스위칭 소자는 제2 스위치와 제3 스위치가 서로 상반되는 동작을 하도록 어느 하나의 스위치에 인버팅 신호를 출력한다. 이 경우, 제2 스위치의 듀티율에 따라서 충방전부(220)는 충전 모드 또는 방전 모드로 동작하게 된다.
전력 저장부(225)는 에너지 저장수단으로 제2 보상부(223)의 제어에 따라 입력 전원의 전력을 저장하거나, 부하(300)로 저장된 전력을 방전한다. 예를 들어, 전력 저장부(225)는 인덕터와 배터리를 포함한다. 제2 보상부(223)는 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 감지하여 충전/방전 모드를 제어할 수 있다. 배터리에는 입력 전원의 전력이 저장되고, 방전 모드의 경우에는 저장된 전력을 부하(300)로 방전한다.
또한, 충방전부(220)에는 제2 스위치와 제3 스위치의 PWM 제어시 발생하는 노이즈를 제거하기 위해 제2 스위치와 제3 스위치와 병렬로 연결되는 커패시터를 추가할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 충방전부(220)의 입출력부(221)는 2개의 스위치로 구성되며, 제2 스위치를 통해 입력 전원으로부터 전력을 입력받고, 제3 스위치를 통해 부하(300)로 전력을 전달한다. 제2 보상부(223)는 전류 센서를 이용하여 전력 저장부(225)로 흐르는 전류를 감지하여, 입출력부(221)를 통해 전력 저장부(225)로 전력을 충전하거나 전력 저장부(225)에 충전된 전력을 방전하도록 제2 스위치, 제3 스위치 및 전력 저장부(225)와 병렬로 연결된 제4 스위치 각각의 듀티비를 제어한다.
이하, 도 4a 내지 도 4b를 참조하여, 에너지 저장 장치(200)의 구체적인 회로 구성도에 대해 설명하도록 한다.
도 4a 내지 도 4b는 도 1에 따른 에너지 저장 시스템을 구성하는 에너지 저장 장치의 회로 구성도이다.
도 4a를 참조하면, 에너지 저장 장치의 변압부(210)는 입력단의 입력 커패시터(C1)와 출력단의 출력 커패시터(C2)를 포함하고, 입력단의 커패시터(C1)의 양단 전압 Vg를 스위칭 제어 소자인 제1 보상기가 감지하여 제1 스위치(S1)를 실시간으로 PWM 제어를 한다. 이 경우, 제1 스위치(S1)의 온 시간이 길어질수록 Vg가 낮아진다. 또한, 변압부(210)는 입력 커패시터(C1)와 직렬로 연결된 제1 인덕터(L1), 변압 다이오드(Db1)을 포함하고, 제1 스위치(S1)의 온오프 듀티비에 따라 인덕터(L1)에 저장된 전류가 다이오드(Db1)를 통해 출력 커패시터(C2)에 충전된다. 출력 커패시터(C2)의 양단 전압 Vdc는 부하(300)의 인버터와 연결되어 전력을 공급한다.
또한, 변압부(210)는 제1 경로를 통해 전력을 부하(300)로 전달하는데, 제1 경로는 입력 전원(100)으로부터 입력되는 전력을 입력단에 포함되는 입력 커패시터(C1)에서 제1 보상부에 포함되는 제1 인덕터(L1), 변압 다이오드(Db1)를 거쳐, 출력단에 포함되는 출력 커패시터(C2)로 연결되는 변압 경로(①)로 설정된다.
한편, 에너지 저장 장치의 충방전부(220)는 두 개의 다이오드 (Dc1, Dc2), 두 개의 스위치(S2, S3), 인덕터(L2), 배터리(B1), 스위칭 제어 소자인 제2 보상기를 포함한다. 제1 다이오드(Dc1)를 통해 입력 전원(100)으로부터 입력되는 입력 전원은 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3)의 동작에 의해 제2 인덕터(L2) 및 배터리(B1)에 공급된다. 제2 보상기는 인덕터(L2) 또는 제3 스위치(S3)에 흐르는 전류를 감지하여, 전류가 0보다 크면 충방전부(220)는 충전 모드로 동작하고, 전류가 0보다 작으면 방전 모드로 동작하도록 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3)의 듀티비를 PWM으로 제어한다. 충방전부(220)가 방전 모드인 경우에는 배터리(B1)에 저장된 전력은 제2 다이오드(Dc2)를 통해 부하(300)로 출력된다. 따라서, 충방전부(220)의 충전 모드, 방전 모드에서의 전력 전달 경로는 변압부(210)의 변압 경로에 영향을 미치지 않고 입력 전원의 전력을 저장하고, 부하(300)로 전력을 출력할 수 있다. 또한, 충방전부(220)에는 제2 보상기가 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 PWM 제어함에 따라 발생하는 노이즈를 제거하기 위해 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)와 병렬로 연결되는 커패시터를 추가할 수 있다.
구체적으로, 충방전부(220)는 충전 모드인 경우에는 제2 경로를 통해 전력을 저장하는데, 제2 경로는 입력 전원(100)으로부터 입력되는 전력을 입력 커패시터(C1)에서 제1 다이오드(Dc1) 및 제2 스위치(S2)를 거쳐, 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터(L2)와 배터리(B1)에 연결되는 충전 경로(②)로 설정될 수 있다. 한편, 방전 모드인 경우에는 제3 경로를 통해 부하(300)로 전력을 출력할 수 있는데, 제3 경로는 배터리(B1)에서 제2 인턱터(L2), 제2 스위치(S2) 및 제2 다이오드(Dc2)를 거쳐, 출력 커패시터(C2)로 연결되는 방전 경로(③)로 설정될 수 있다. 이에 따라, 제1 경로인 변압 경로(①)와 제2 경로인 충전 경로(②) 및 제3 경로인 방전 경로(③)가 서로 중복되지 않음으로써 전력 효율이 저하되는 것을 막을 수 있다.
도 4b의 에너지 저장 장치의 회로도는 변압부(210)의 구성 및 제1 경로인 변압 경로(①)가 도 4a와 같으며, 충방전부(220)의 구조를 변경한 회로도를 나타낸 것이다. 충방전부(220)는 세 개의 스위치(S2, S3, S4), 인덕터(L2), 배터리(B1), 스위칭 제어 소자인 제2 보상기를 포함한다. 제2 스위치(S2)는 입력 전원으로부터 입력되는 전력을 제4 스위치(S4)와의 온오프 동작에 의해 제2 인덕터(L2) 및 배터리(B1)로 공급하고, 제3 스위치(S3)는 제4 스위치(S4)와의 온오프 동작에 의해 부하(300)로 전력을 출력한다. 제2 보상기는 인덕터(L2) 또는 제4 스위치(S4)에 흐르는 전류를 감지하여, 전류가 0보다 크면 충방전부(220)는 충전 모드로 동작하고, 전류가 0보다 작으면 방전 모드로 동작하도록 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 제4 스위치(S4)의 듀티비를 PWM으로 제어한다.
또한, 충방전부(220)는 충전 모드인 경우에는 제2 경로를 통해 전력을 저장할 수 있는데, 제2 경로는 입력 전원(100)으로부터 입력되는 전력을 입력 커패시터(C1)에서 제2 스위치(S2)를 거쳐, 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터(L2)와 배터리(B1)로 연결되는 충전 경로(②)로 설정할 수 있다. 또한, 방전 모드인 경우에는 제3 경로를 통해 부하(300)로 전력을 출력할 수 있으며, 제3 경로는 배터리(B1)에서 제2 인턱터(L2), 제3 스위치(S3)를 거쳐, 출력 커패시터(C2)로 연결되는 방전 경로(③)로 설정할 수 있다. 이에 따라, 제1 경로인 변압 경로(①)와 제2 경로인 충전 경로(②) 및 제3 경로인 방전 경로(③)가 서로 중복되지 않음으로써 전력 효율이 저하되는 것을 막을 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4a에 따른 에너지 저장 장치의 충전 모드, 방전 모드에서의 충방전부의 전류 파형을 비교 설명하기 위한 예시도이다.
도 5a에서는 충방전기의 인덕터 전류를 2[A]로 충전 제어하는 경우, 제1 다이오드를 통해 흐르는 전류(Dchg)의 파형과 제2 다이오드를 통해 흐르는 전류(Ddchg)의 파형을 나타내고, 도 5b에서는 충방전기의 인덕터 전류를 -2[A]로 방전 제어하는 경우, 제1 다이오드를 통해 흐르는 전류(Dchg)의 파형과 제2 다이오드를 통해 흐르는 전류(Ddchg)의 파형을 나타낸다. 충방전부(220)가 충전 모드인 경우에는 전류가 제1 다이오드를 통해 흐르고, 제2 다이오드를 통해서는 흐르지 않음을 알 수 있으며, 충방전부(220)가 방전 모드인 경우에는 전류가 제2 다이오드를 통해 흐르고, 제1 다이오드를 통해서는 흐르지 않음을 알 수 있다. 또한, 입력 전원의 전력과 충방전부(220)에서 방전되는 전력이 모두 부하(300)로 들어가기 때문에 보다 안정적으로 제어됨을 알 수 있다.
충전 모드시 에너지 저장 장치(200)의 효율은 변압부(210)의 효율과 충방전기의 효율로 나누어 생각할 수 있는데, 충방전기가 충전시에는 입력 전원의 전력이 변압부(210)를 통해 부하(300)로 전달되는 전력과 충방전기를 사용하여 전력 저장부(225)로 전달되는 전력으로 나뉘기 때문에 변압부(100)의 용량을 작게 설계할 수 있다. 또한, 전력 저장부(225)의 상태에 따라서 충방전부(220)의 제어를 통해 충전량을 조절하여 동작시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 하나의 입력 전원으로 전력이 부하(300)로 흐르는 동시에 전력 저장부(225)에 충전을 모두 만족시킬 수 있는 동작을 할 수 있는 에너지 저장 장치(200)를 구성할 수 있다.
또한, 방전시에 입력 전원에서 발생되는 모든 전력은 부스트 컨버터에 의해 모두 부하(300)로 흐르게 되어있고, 전력 저장부(225)에 저장된 전력 또한 부하(300)로 직접 전달하게 된다. 따라서, 방전시에는 입력 전원과 충방전부(220)의 전력 저장부(225)에 의한 전력원이 두 개인 시스템으로 바뀌고 입력 전원의 전력은 변압부(210)를 통해서만 부하(300)로 전달이 이루어지게 된다.
도 6a 내지 도 6c는 도 4a에 따른 에너지 저장 장치의 충방전부의 인덕터 전류와 변압부의 입력 전압 파형을 비교 설명하기 위한 예시도이다.
입력 전원에서 발생하는 출력전력은 종류에 따라서 항상 일정하지 않을 수 있기 때문에 입력 전원에서 인가되는 입력 전압을 변압부(210)에서 전압제어를 통해 용도에 맞게 변경해야 하는 경우가 생긴다. 또한, 충방전부(220)는 부하(300)에서 전력의 필요성에 의해 충전/방전을 해줘야 한다. 이 경우, 충방전부(220)의 인덕터 전류의 값을 변경하더라도 변압부(210)의 제어전압에는 영향을 주어서는 안된다. 따라서 도 6a, 도 6b는 변압부(210)의 제어전압과 충방전부(220)의 인덕터 전류를 스텝동작으로 제어하여 안정적으로 동작하는지를 시뮬레이션한 것을 나타낸 것이다.
도 6a에서는 충방전부(220)의 인덕터 전류의 크기는 1[A]와 10[Hz] 주파수로 변경한 것이다. 또한, 변압부(210)에 입력되는 전압 Vg는 66[V]로 고정을 시킨 후 결과를 나타낸 파형이다. 도 6a에서 출력전압이 인덕터 전류의 변동에 의해 안정으로 유지됨을 볼 수 있고, 인덕터 전류는 제어전류를 잘 따라가고 있음을 볼 수 있다. 즉, 인덕터 전류의 변동에도 변압부(210)가 제어하고 있는 입력 전원에서 입력된 전압 Vg는 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다. 도 6b에서는 충방전부(220)의 인덕터 전류를 일정하게 1[A] 충전상태로 두고, 변압부(210)로 입력되는 전압 Vg를 변경하여 시뮬레이션한 결과이다. 입력되는 전압 Vg는 66[V]와 60[V]의 크기로 3[Hz]의 주파수를 가지는 스텝 동작하여 얻어낸 결과이다. 방전 상태의 경우 변압부(210)에 의해 제어되는 부분과 충돌이 일어나지 않기 때문에 확인하지 않았다.
도 6c에서는 입력되는 전압 Vg와 충방전부(220)의 인덕터 전류를 동시에 스텝 제어 변경한 시뮬레이션 파형을 나타낸 것이다. 스텝 운전으로 도 6a의 충방전부(220) 인버터 전류 스텝과 도 6b의 변압부(210)로 입력되는 전압 Vg의 스텝조건을 동시에 적용하였으며, 이 경우 서로 두 가지 조건이 동시에 발생시에 제어되는 각각의 요소에 영향을 주지 않는 결과를 확인할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c의 결과는 변압부(210)와 충방전부(220)의 제어를 각각 따로 할 수 있고, 서로 영향을 주지 않기 때문에 별개로 설계가 가능하다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템은 입력 전원으로부터 부하로 전력을 전달시 충전과 방전에 따른 전력 전달 경로를 달리 설정함으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.
100 : 입력 전원 200 : 에너지 저장 장치
210 : 변압부 211 : 입력단
213 : 제1 보상부 215 : 출력단
220 : 충방전부 221 : 입출력부
223 : 제2 보상부 225 : 전력 저장부
300 : 부하

Claims (13)

  1. 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하로 전력을 전달하는 변압부; 및
    상기 변압부와 병렬로 연결되어, 충전 모드인 경우에는 상기 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압부와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 상기 부하로 전달하는 충방전부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 경로, 제2 경로, 제3 경로는 서로 다른 경로인 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 변압부는,
    상기 입력 전원으로부터 전력을 입력받는 입력단;
    상기 입력된 전압을 변압하여 상기 부하로 출력하는 출력단; 및
    상기 입력단의 전압에 따라 상기 입력단과 상기 출력단 사이에 병렬로 연결된 제1 스위치의 듀티비를 제어하여, 상기 입력된 전압을 변압하여 상기 출력단으로 전달하는 제1 보상부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 충방전부는,
    상기 입력 전원으로부터 전력을 입력받고, 상기 부하로 전력을 전달하는 입출력부;
    상기 전력을 저장하는 전력 저장부;
    상기 전력 저장부로 흐르는 전류를 감지하여, 상기 입출력부를 통해 상기 전력 저장부에 전력을 충전하거나 충전된 전력을 방전하도록 제어하는 제2 보상부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 보상부는,
    상기 전력 저장부와 직렬로 연결되는 제2 스위치와 상기 전력 저장부와 병렬로 연결되는 제3 스위치가 서로 상반되는 동작을 하도록 듀티비를 제어하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 입출력부는,
    상기 제2 스위치와 연결되어, 상기 입력 전원으로부터 상기 충방전부로 전류를 흐르게 하는 제1 다이오드; 및
    상기 제2 스위치와 연결되어, 상기 충방전부로부터 상기 부하로 전류를 흐르게 하는 제2 다이오드를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 경로는 상기 입력단에 포함되는 입력 커패시터에서 상기 제1 보상부에 포함되는 제1 인덕터와 변압 다이오드를 거쳐, 상기 출력단에 포함되는 출력 커패시터로 연결되는 변압 경로이고,
    상기 제2 경로는 상기 입력 커패시터에서 상기 제1 다이오드 및 제2 스위치를 거쳐, 상기 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터와 배터리로 연결되는 충전 경로이고,
    상기 제3 경로는 상기 배터리에서 상기 제2 인턱터, 상기 제2 스위치 및 상기 제2 다이오드, 상기 출력 커패시터를 거쳐 상기 부하로 연결되는 방전 경로인 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 충방전부는,
    상기 입력 전원으로부터 제2 스위치를 통해 전력을 입력받고, 제3 스위치를 통해 상기 부하로 전력을 전달하는 입출력부;
    상기 전력을 저장하는 전력 저장부;
    상기 전력 저장부로 흐르는 전류를 감지하여, 상기 입출력부를 통해 상기 전력 저장부로 전력을 충전하거나 상기 전력 저장부에 충전된 전력을 방전하도록 제어하는 제2 보상부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 보상부는,
    상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 전력 저장부와 병렬로 연결된 제4 스위치 각각의 듀티비를 제어하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 경로는 상기 입력단에 포함되는 입력 커패시터에서 상기 제1 보상부에 포함되는 제1 인덕터와 변압 다이오드를 거쳐, 상기 출력단에 포함되는 출력 커패시터로 연결되는 변압 경로이고,
    상기 제2 경로는 상기 입력 커패시터에서 상기 제2 스위치를 거쳐, 상기 전력 저장부에 포함되는 제2 인덕터와 배터리로 연결되는 충전 경로이고,
    상기 제3 경로는 상기 배터리에서 상기 제2 인턱터, 상기 제3 스위치를 거쳐, 상기 출력 커패시터를 거쳐 상기 부하로 연결되는 방전 경로인 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치.
  11. 입력 전원으로부터 입력된 전압을 변압하여 제1 경로를 통해 부하로 전력을 전달하는 변압부와, 상기 변압부와 병렬로 연결되어, 충전 모드인 경우에는 상기 입력 전원으로부터 출력되는 전력을 상기 변압부와 배분하여 제2 경로를 통해 저장하고, 방전 모드인 경우에는 저장된 전력을 제3 경로를 통해 상기 부하로 전달하는 충방전부를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치; 및
    상기 입력 전원 및 상기 에너지 저장 장치로부터 출력되는 전력이 전달되는 부하를 포함하는 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 입력 전원은 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지, 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지를 이용한 발전 중 적어도 하나를 통하여 전력을 생산하는 신재생 에너지원인 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 입력 전원은 전기자동차의 주전원 또는 무정전 전원장치의 주전원 중 하나인 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 시스템.
KR1020110057956A 2011-06-15 2011-06-15 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템 KR101256376B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110057956A KR101256376B1 (ko) 2011-06-15 2011-06-15 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110057956A KR101256376B1 (ko) 2011-06-15 2011-06-15 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120138466A true KR20120138466A (ko) 2012-12-26
KR101256376B1 KR101256376B1 (ko) 2013-05-02

Family

ID=47905258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110057956A KR101256376B1 (ko) 2011-06-15 2011-06-15 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101256376B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150041523A (ko) * 2013-10-08 2015-04-16 삼성전기주식회사 태양전지 제어장치 및 제어 방법
WO2018143562A1 (ko) * 2017-02-03 2018-08-09 삼성에스디아이주식회사 배터리 팩 및 배터리 팩의 충전 제어 방법
US11407311B2 (en) 2017-02-09 2022-08-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Dual power supply system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010074997A (ja) * 2008-09-19 2010-04-02 Toyota Motor Corp 建物及び電力供給ルート選択方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150041523A (ko) * 2013-10-08 2015-04-16 삼성전기주식회사 태양전지 제어장치 및 제어 방법
WO2018143562A1 (ko) * 2017-02-03 2018-08-09 삼성에스디아이주식회사 배터리 팩 및 배터리 팩의 충전 제어 방법
US11394228B2 (en) 2017-02-03 2022-07-19 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery packs and methods for controlling charging of battery packs
US11407311B2 (en) 2017-02-09 2022-08-09 Samsung Sdi Co., Ltd. Dual power supply system

Also Published As

Publication number Publication date
KR101256376B1 (ko) 2013-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101093956B1 (ko) 에너지 저장 시스템
US6914418B2 (en) Multi-mode renewable power converter system
EP2793345B1 (en) Electric power supply system
KR101203842B1 (ko) 에너지 관리장치의 제어방법
KR101116428B1 (ko) 에너지 저장 시스템
JP5929258B2 (ja) 電力供給システムおよび電源装置
KR20170036330A (ko) 에너지 저장 시스템
CN102882370A (zh) 双向双输入buck直流变换器及其功率分配方法
JP2013123355A (ja) 電力管理装置およびその制御方法
CN103066677A (zh) 一种自适应性混合供电系统
Debnath et al. Transformer coupled multi-input two stage standalone solar photovoltaic scheme for rural areas
CN1322653C (zh) 具有多功能模式的再生能源变流装置
KR100844401B1 (ko) 태양광 발전장치가 구비된 무정전 전원투입장치
CN103904638A (zh) 一种基于三端口变换器的直流分布式负载系统及其控制方法
Vázquez et al. A different three-port DC/DC converter for standalone PV system
KR20120011363A (ko) 충전 밸런싱 장치와 방법 및 이를 이용한 계통 연계형 배터리 충방전 시스템
KR101256376B1 (ko) 상이한 충방전 경로를 이용한 에너지 저장 장치 및 그 에너지 저장 시스템
KR20150085227A (ko) 에너지 저장 시스템 및 그의 제어 방법
Parsekar et al. A novel strategy for battery placement in standalone solar photovoltaic converter system
Kokilavani et al. Electric Vehicle Charging Station with Effective Energy Management, Integrating Renewable and Grid Power
Vijayakumar et al. Compensation of voltage variations in distribution system by using DVR based separate energy storage devices
Bhunia et al. Voltage regulation of stand-alone photovoltaic system using boost SEPIC converter with battery storage system
CN202134923U (zh) 深度充放电型电池蓄能并网装置
Bhunia et al. Cascaded DC-DC converter for a reliable standalone PV fed DC load
CN202121330U (zh) 一种风电蓄能系统

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170410

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180409

Year of fee payment: 6