KR20150008767A

KR20150008767A - 에너지 저장 시스템

Info

Publication number: KR20150008767A
Application number: KR1020130083149A
Authority: KR
Inventors: 채형준
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2015-01-23

Abstract

본 발명은 계통의 입력 교류 전원과 부하 사이에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자, 배터리를 포함하며, 상기 계통의 입력 교류 전원과 일단이 연결되어 상기 부하로 상기 입력 교류 전원을 변환하여 공급하거나, 상기 배터리의 충전된 전압을 공급 하여 무정전 전력 공급을 진행하는 전력 변환부, 그리고 상기 전력 변환부의 타단과 상기 제1 스위칭 소자 중 하나를 선택하여 상기 부하에 연결하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다. 따라서, 양방향의 AC-DC 컨버터, 양방향 DC-DC 컨버터 및 인버터를 사용하여, UPS 기능을 탑재하는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템{Energy storage system}

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 무정전 기능을 가지는 에너지 저장 시스템(ESS:energy storage system)의 전력 변환 장치에 관한 것이다.

통상적인 ESS(Energy Storage System) 장치는 계통 측에 전력의 수요가 적을 시 충전을 행하며, 전력의 수요가 많을 시 축전 부 전원을 방전시켜 계통에 전력을 공급하며, 아울러 이와 동시에 무효전력을 계통에 순시로 보정하여 전력을 안정 시키는 역할을 가진다.

이러한 ESS 장치는 계통 측 전력을 제공받아 직류 전원으로 변환하고 수신된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통 측과 부하 측으로 전달하는 컨버터와, 배터리의 직류 전원을 상기 컨버터로 공급하는 축전부를 포함하며, 상기 각 구성 요소들의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

이러한 종래의 양방향 컨버터 장치를 가지는 ESS 장치는 계통에서 배터리로 충전하다가 계통에서 사고 발생시 또는 계통에서 전력을 필요로 하는 경우 에너지를 계통으로 보낸다.

또한, 종래의 UPS(Uninterruptible Power Supply) 장치는 상용 전원에서 일어날 수 있는 전원 장애를 극복하여 좋은 품질의 안정된 교류 전력을 공급하는 장치로, 무정전 기능, 순간전압강하 방지, 순간전압상승 방지, 과전압 방지, 노이즈 방지, 주파수 변화 보상, 고조파 보상 및 역률 보상을 수행한다.

상기 UPS 장치는 계통전원 또는 교류 발전기의 예비 전원을 AC-DC 컨버터를 통하여 직류로 변환 후, 인버터를 통하여 교류전원으로 변환시켜 UPS 출력단에 공급하고, 동시에 충전기를 통하여 배터리를 충전한다.

또한, 상기 UPS 장치는 상용 전원 차단 시 배터리의 전압을 DC-DC 컨버터를 통하여 일정 전압으로 승압하고, 이 직류 전원이 인버터에 공급되어 교류 전원으로 변환하여 UPS 출력단에 공급한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 UPS 기능을 포함하는 통합형 전력 변환 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.

실시예는 계통의 입력 교류 전원과 부하 사이에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자, 배터리를 포함하며, 상기 계통의 입력 교류 전원과 일단이 연결되어 상기 부하로 상기 입력 교류 전원을 변환하여 공급하거나, 상기 배터리의 충전된 전압을 공급 하여 무정전 전력 공급을 진행하는 전력 변환부, 그리고 상기 전력 변환부의 타단과 상기 제1 스위칭 소자 중 하나를 선택하여 상기 부하에 연결하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.

실시예에 따르면, 양방향의 AC-DC 컨버터, 양방향 DC-DC 컨버터 및 인버터를 사용하여, UPS 기능을 탑재하는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

따라서, 전력의 단락 없이 어떠한 상황에서도 부하에 전력을 공급할 수 있으며, 정전 없이 구동할 수 있다.

또한, 동작에 따라 PCS 모드 또는 UPS 모드로 전환이 가능하여 다양하게 동작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 에너지 저장 시스템의 상세 구성도이다.
도 3은 도 2의 전력 변환 장치의 UPS 모드 및 충전 보드의 흐름도이다.
도 4는 도 2의 전력 변환 장치의 UPS 단독 운행 모드의 흐름도이다.
도 5는 도 2의 전력 변환 장치의 UPS 모드 및 방전 보드의 흐름도이다.
도 6은 도 2의 전력 변환 장치의 충전 보드의 흐름도이다.
도 7은 도 2의 전력 변환 장치의 방전 보드의 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예인 전력 변환 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 에너지 저장 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예인 에너지 저장 시스템의 상세 구성도이다.

본 발명에서 에너지 저장 시스템(100)은 전력 변환 장치(110)를 포함하므로, 에너지 저장 시스템(100)의 설명과 함께 전력 변환 장치(110)를 설명한다.

에너지 저장 시스템(100)은 입력 교류 전원과 부하(130) 사이에 전력 변환 장치(110), 복수의 스위칭 소자(S1, S2), 및 제어부(140)를 포함한다.

제1 스위칭 소자(S1)는 입력 교류 전원과 전력 변환 장치(110)의 입력단을 연결 또는 차단한다.

제2 스위칭 소자(S2)는 전력 변환 장치(110)의 출력단과 부하(130) 및 상기 제1 스위칭 소자(S1)의 출력단 사이에서 각 단자 중 2개의 단자를 선택적으로 연결 또는 차단한다.

상기 전력 변환 장치(110)는 배터리(115)를 포함하며, 제어부(140)의 명령에 따라 동작하여 배터리(115)를 충전하거나 방전을 수행한다.

이때, 상기 전력 변환 장치(110)의 방전 방향은 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 동작에 따라 다양하게 변경할 수 있다.

제어부(140)는 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(S2)의 동작을 제어하고, 다양한 모드에 따라 상기 전력 변환 장치(110)의 각 기능단의 구동을 제어한다.

따라서, 상기 에너지 저장 시스템(100)은 계통(120)의 입력 교류 전원과 부하(130) 사이에서 상기 제어부(140)의 제어에 따라 부하(130)에 끊임없이 전력을 공급한다.

상기 전력 변환 장치(110)는 도 2와 같이 양방향 AC-DC 변환기(111), 인버터(112), 양방향 DC-DC 변환기(113) 및 배터리(115)를 포함한다.

상기 양방향 AC-DC 변환기(111)는 제1 스위칭 소자(S1)의 입력단에 입력단이 연결되고, 출력단이 양방향 DC-DC 변환기(113) 및 인버터(112)의 입력단과 동시에 연결되어 있다.

상기 양방향 AC-DC 변환기(111)는 입력 교류 전원을 받아 직류 전원으로 전환하며, 일 예로, 정류 소자, 즉 브릿지 정류기 및 커패시터를 포함할 수 있다.

이러한 양방향 AC-DC 변환기(111)는 제어부(140)의 제어에 따라 양방향으로 동작하여 직류 전원을 교류 전원으로 전환하여 계통(120) 부하(130)로 인가시킬 수 있다.

상기 인버터(112)는 입력단이 상기 양방향 AC-DC 변환기(111)의 출력단 및 상기 양방향 DC-DC 변환기(113)의 출력단에 연결되고, 출력단이 제2 스위칭 소자(S2)와 연결되어 있다.

상기 인버터(112)는 직류 전압을 받아 교류 전압으로 변환하는 통상의 인버터(112)로서, 부하(130)에 교류 전압을 전달하는 출력단의 역할을 수행할 수 있다.

상기 양방향 DC-DC 변환기(113)는 입력단이 배터리(115)와 연결되고, 출력단이 양방향 AC-DC 변환기(111)의 출력단 및 인버터(112)의 입력단과 동시에 연결되어 있다.

상기 양방향 DC-DC 변환기(113)는 상기 양방향 AC-DC 변환기(111)의 출력 전압을 레벨 조절하여 배터리(115)에 충전할 수 있는 레벨로 변환하여 인가하고, 배터리(115)에 충전되어 있는 전압을 레벨을 조절하여 인버터(112) 또는 양방향 AC-DC 변환기(111)에 출력한다.

또한, 상기 배터리(115)는 상기 양방향 DC-DC 변환기(113)의 출력을 저장하였다가, 제어부(140)의 제어에 따라 충전된 전압을 출력한다.

이러한 에너지 저장 시스템(100)은 제어부(140)의 제어에 따라 전력 제어 장치(110) 또는 무정전 전력 공급 장치(110)로 기능할 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 7을 참고하여 상기 에너지 저장 시스템의 각 모드에서의 동작을 설명한다.

도 3은 도 2의 전력 변환 장치(110)의 UPS 모드 및 충전 모드의 흐름도이다.

도 3을 참고하면, 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(115) 충전 모드 및 무정전 전력 공급 모드를 동시에 진행할 수 있다.

구체적으로, 제어부(140)는 제1 스위칭 소자(S1)를 오프하고, 제2 스위칭 소자(S2)를 제어하여 제2 스위칭 소자(S2)가 인버터(112)와 부하(130)를 연결하도록 한다.

상기 제어부(140)의 제어에 따라 상기 계통(120)으로부터 인가되는 입력 교류 전원은 양방향 AC-DC 변환기(111) 및 양방향 DC-DC 변환기(113)를 따라 교류에서 레벨이 조절된 직류 전압으로 변경되어 배터리(115)에 충전된다.

이와 동시에 상기 계통(120)의 입력 교류 전원은 양방향 AC-DC 변환기(111)로부터 인버터(112)를 통해 부하(130)로 전달되어 부하(130)에는 배터리(115)가 충전되는 동안에도 전력이 공급된다.

도 4는 도 2의 전력 변환 장치(110)의 UPS 단독 운행 모드의 흐름도이다.

도 4를 참고하면, 에너지 저장 시스템(100)은 무정전 전력 공급 모드를 단독으로 진행할 수 있다.

즉, 계통(120)의 입력 교류 전원이 차단되는 경우, 배터리(115)로부터 전원을 양방향 DC-DC 변환기(113)를 통하여 일정 전압의 직류로 변환하고 인버터(112)를 통하여 교류전원으로 변환하여 부하(130)에 공급한다. 따라서, 계통(120)으로부터의 입력 교류 전원이 차단되더라도 부하(130)에는 전력이 공급되어 무정전 기능을 유지할 수 있다.

도 5는 도 2의 전력 변환 장치(110)의 UPS 모드 및 방전 모드의 흐름도이다.

도 5를 참고하면, 에너지 저장 시스템은 무정전 전력 공급 모드 및 방전 모드를 동시에 진행할 수 있다.

즉, 제1 스위칭 소자(S1)를 오프하고, 제2 스위칭 소자(S2)를 통하여 인버터(112)와 부하(130)를 연결한 상태에서, 배터리(115) 전원을 양방향 DC-DC 컨버터를 통하여 일정 전압으로 변환하고 인버터(112)를 통하여 교류 전원을 부하(130)에 공급함과 동시에 양방향 AC-DC 컨버터를 통하여 계통(120)에 전력을 공급할 수 있다.

도 6은 도 2의 전력 변환 장치(110)의 충전 모드의 흐름도이다.

도 6을 참고하면, 에너지 저장 시스템(100)은 충전 모드를 단독으로 진행할 수 있다.

즉, 에너지 저장 시스템(100)은 제1 스위칭 소자(S1)를 턴온하고, 제2 스위칭소자에 의해 제1 스위칭 소자(S1)와 부하(130)를 직접 연결할 수 있다.

또한, 계통(120)에 연결된 양방향 AC-DC 및 양방향 DC-DC를 통하여 배터리(115)를 충전할 수 있으며, 이때 인버터(112)는 동작하지 않는다.

도 7은 도 2의 전력 변환 장치(110)의 방전 모드의 흐름도이다.

도 7을 참고하면, 에너지 저장 시스템(100)은 방전 모드를 단독으로 진행할 수 있다.

즉, 에너지 저장 시스템(100)은 필요 시 배터리(115) 전원을 양방향 DC-DC 컨버터를 통하여 일정 전압으로 변환하고 양방향 AC-DC 컨버터를 통하여 계통(120)에 전력을 공급하며, 제1 및 제2 스위칭 소자(S2)를 동시 턴온하여 계통(120)과 부하(130)를 직접 연결한다. 이때, 인버터(112)는 동작하지 않는다.

이와 같이 다양한 모드로 무정전 전력 공급 모드와 전력 공급 모드를 함께 구동하여 부하(130)에 전력이 차단되는 경우 없이 다양한 경우에서 배터리(115)의 충 방전이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 에너지 저장 시스템
110 : 전력 변환 장치
115 : 배터리
112 : 인버터

Claims

계통의 입력 교류 전원과 부하 사이에 연결되어 있는 제1 스위칭 소자,
배터리를 포함하며, 상기 계통의 입력 교류 전원과 일단이 연결되어 상기 부하로 상기 입력 교류 전원을 변환하여 공급하거나, 상기 배터리의 충전된 전압을 공급 하여 무정전 전력 공급을 진행하는 전력 변환부, 그리고
상기 전력 변환부의 타단과 상기 제1 스위칭 소자 중 하나를 선택하여 상기 부하에 연결하는 제2 스위칭 소자
를 포함하는 에너지 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력 변환부는
상기 입력 교류 전원과 연결되어 교류-직류 변환을 수행하는 제1 변환기,
상기 제1 변환기와 상기 제2 스위칭 소자 사이에 연결되어 직류-교류 변환을 수행하는 인버터,
상기 제1 변환기와 상기 인버터와 동시에 연결되어 상기 배터리의 전압 레벨을 변환하는 제2 변환기, 그리고
상기 제2 변환기와 연결되며, 전압을 충전 또는 방전하는 배터리
를 포함하는 에너지 저장 시스템.
제2항에 있어서,
제1 변환기 및 제2 변환기는 양방향 변환을 진행하는 에너지 저장 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 변환기는 직류-직류 변환을 수행하는 에너지 저장 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자가 오프될 때,
상기 배터리에 충전과 동시에 상기 인버터를 통하여 상기 부하에 전력을 공급되하나, 상기 배터리로부터 전압을 변환하여 상기 부하에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템.