KR20150039957A - Ｃａｓｃａｄｅ Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ 구조의 배터리 충／방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법에 관한 것으로, 2상한 인터리브방식의 21-레벨 컨버터가 동작하여 각 모듈의 DC link전압비를 1:2:3:4 비로 제어하는 (a) 단계; 21-레벨 컨버터가 전류제어기에 의해 생성된 출력전압 기준값을 round() 함수로 입력받아 제어주기마다 출력해야 하는 전압레벨의 기준값을 출력하는 (b) 단계; 게이트 패턴의 룩업테이블이 21-레벨 컨버터의 기준값 전압레벨 형성을 위한 게이트 패턴을 선정하는 (c) 단계; 및 제어기가 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 주기적으로 측정하여 가장 큰 SOC를 갖는 배터리가 연계된 모듈의 전류 도통시간을 기 설정된 시간 동안 유지시키는 게이트 패턴을 이용해 각 모듈을 동작시켜 출력전압을 형성하는 (d) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 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, 적은수의 H-Bridge 모듈을 이용하여 Sine에 가까운 출력전압을 형성하고, 고조파 저감 알고리즘을 통해서 출력전압과 전류의 고조파를 저감시키며, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 불균형을 능동적으로 억제하여 배터리의 이용률을 향상시키는 효과가 있다.

Description

Ｃａｓｃａｄｅ Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ Ｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌ 구조의 배터리 충／방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법{SOC Balancing Control of a Battery Charge and Discharge System Based on a Cascade H-bridge Multi-level Converter}

본 발명은 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 적은수의 H-bridge 모듈을 이용하여 Sine에 가까운 출력전압을 형성하고, 고조파 저감 알고리즘을 통해 출력전압과 전류의 고조파를 줄이며, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 불균형을 능동적으로 억제하여 배터리의 이용률을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

최근 급격한 전력수요의 증가는 발전설비 및 송배전 설비의 투자확대를 요구하고 있고 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전의 보급은 전력품질을 저하하는 요인으로 작용하여 이에 대한 대안으로 배터리를 이용한 에너지 저장장치(BESS : Battery Energy Storage System)의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허 제2011-0068690호(전원 변환 장치)에는, 재충전 가능한 다수의 배터리; 다수의 배터리에 각각 병렬로 연결된 양방향 컨버터; 양방향 컨버터에 각각 병렬로 연결된 DC 링크; DC 링크에 각각 병렬로 연결된 양방향 인버터; 및, 양방향 인버터에 연결된 전력 계통을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 전원 변환 장치에 대한 기술이 개시된바 있다.

이러한, BESS용 PCS(Power Conversion 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 있다.

Pike Research에 따르면 BESS 시장은 2020년까지 412억달러의 시장이 형성 될 것으로 예측되어 PCS시장 또한 크게 성장할 것으로 보이며 유럽, 미국, 일본 등이 활발한 BESS용 PCS를 개발하고 있다.

일반적으로 BESS용 PCS의 구조는 DC-DC컨버터와 DC-AC인버터가 사용되는 이단구조로 되어 있는 것과 DC-AC인버터 단일로 이루어진 타입이 주를 이루었으며, 스위칭 방식으로는 PWM방식이 적용되었다.

BESS의 적용분야가 다양화되면서 대용량 BESS의 필요성이 대두되고, 이를 계통에 연계하기 위한 대용량 PCS의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 기존에 BESS용 PCS는 컨버터 구조 및 스위칭 방식에 있어서 대용량에 적합하지 않은 특성을 가지고 있는데, 2-레벨 또는 3-레벨 구조의 컨버터는 고전압 적용에 한계가 있고 PWM방식의 고주파 스위칭동작은 배터리의 에너지 이용효율을 저하시키는 가장 큰 요인으로 작용한다.

이와 같은 문제들을 해결하기 위해 멀티레벨 구조의 컨버터를 BESS용 PCS에 적용하는 연구가 최근에 활발하게 이루어지고 있다.

또한, 멀티레벨 컨버터는 기존에 2-레벨 또는 3-레벨 구조의 컨버터에 비해 다양한 장점들이 있지만 출력전압을 Sine에 가까운 파형으로 만들기 위해서는 많은 수의 반도체 스위치가 필요하다.

그리고, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC(State of Charge)의 균형을 유지해주지 않으면 배터리의 에너지 이용효율이 급격히 떨어질 수 있는 단점이 있다.

도 1은 27-레벨 출력전압을 형성할 수 있는 컨버터의 1상(phase)을 나타낸 것이다. 도 1의 컨버터는 3개의 H-Bridge 모듈을 직렬 연결하여 1상을 구성하며, 각 모듈의 커패시터 전압비는 2상 인터리브방식의 DC-DC 컨버터에 의해 1:3:9 의 비로 제어된다.

각 모듈 출력은 양(+)의 커패시터 전압, 영(0)전압, 음(-)의 커패시터 전압이 나타나는데 3개 모듈의 출력전압을 적절하게 조합하면 27-레벨의 출력전압을 형성할 수 있게 된다.

하지만, 출력전압의 각 레벨을 형성하기 위한 각 모듈의 게이트 펄스 패턴은 도 2와 같이 1가지 경우로 고정되어 있어 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 불균형을 발생시킬 뿐만 아니라 이를 적절하게 제어 할 수 없게 된다.

한편, [표 1]은 27-레벨 출력전압을 형성하기 위해 각 전압레벨에서 각 모듈이 출력해야 하는 전압을 표로 나타낸 것이다.

[표 1]

본 발명의 목적은, 대용량 BESS용 PCS에 적합한 멀티레벨 구조의 컨버터를 제공하되, 컨버터의 1상은 H-Bridge 모듈 4개의 직렬연결로 구성하고, 각 모듈의 커패시터 전압비는 2상 인터리브 방식의 DC-DC 컨버터에 의해 1:2:3:4의 비로 제어하며, 각 모듈의 출력전압 조합에 의해 컨버터의 출력전압을 21-레벨로 형성함으로써, 컨버터의 출력전압 각 레벨을 형성하기 위한 각 모듈의 게이트 펄스 패턴이 다양하게 형성 가능하며, 이를 통해 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 균형을 유지하도록 하는데 그 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법은, 2상한 인터리브방식의 21-레벨 컨버터가 동작하여 각 모듈의 DC link전압비를 1:2:3:4 비로 제어하는 (a) 단계; 21-레벨 컨버터가 전류제어기에 의해 생성된 출력전압 기준값을 round() 함수로 입력받아 제어주기마다 출력해야 하는 전압레벨의 기준값을 출력하는 (b) 단계; 게이트 패턴의 룩업테이블이 21-레벨 컨버터의 기준값 전압레벨 형성을 위한 게이트 패턴을 선정하는 (c) 단계; 및 제어기가 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 주기적으로 측정하여 가장 큰 SOC를 갖는 배터리가 연계된 모듈의 전류 도통시간을 기 설정된 시간 동안 유지시키는 게이트 패턴을 이용해 각 모듈을 동작시켜 출력전압을 형성하는 (d) 단계;를 포함한다.

상기 본 발명에 따르면, 1:2:3:4 의 전압비를 갖는 4개의 H-Bridge 모듈을 직렬연결하여 21-레벨 출력전압을 형성하고, 출력전압의 각 레벨을 형성하기 위한 게이트 패턴의 적절한 선택에 따라 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 불균형을 억제시킴으로써, 적은수의 H-Bridge 모듈을 이용하여 Sine에 가까운 출력전압을 형성할 수 있으며, 고조파 저감 알고리즘을 통해서 출력전압과 전류의 고조파를 저감시키고, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 불균형을 능동적으로 억제하여 배터리의 이용률을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 Cascade H-bridge 27-레벨 컨버터의 1상(phase) 구성도(V_DC1:V_DC2:V_DC3 = 1:3:9).
도 2는 종래의 Cascade H-bridge 27-레벨 컨버터의 출력전압과 게이트 펄스를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터의 1상(phase) 구성도(V_DC1:V_DC2:V_DC3:V_DC4 = 1:2:3:4).
도 4a는 본 발명에 따른 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법을 도시한 순서도.
도 4b는 본 발명에 따른 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터 출력전압 형성 Sequence 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터의 부하시험 회로를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 V_DC1에 연계된 배터리의 SOC 감소율이 가장 크게 나타나는 gate pattern을 적용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 V_DC2에 연계된 배터리의 SOC 감소율이 가장 크게 나타나는 gate pattern을 적용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 V_DC3에 연계된 배터리의 SOC 감소율이 가장 크게 나타나는 gate pattern을 적용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 V_DC4에 연계된 배터리의 SOC 감소율이 가장 크게 나타나는 gate pattern을 적용한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 2상한 인터리브방식의 DC-DC 컨버터의 구성도와 전압 제어 블록도.
도 11은 본 발명에 따른 SOC 불균형 억제 알고리즘을 적용한 시스템의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 개별 모듈 SOC 값에 따른 gate pattern 선택 결과를 도시한 도면.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법을 기반으로 하는 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터의 1상(phase) 구성을 살피면 아래와 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터는, 4개의 H-bridge 모듈이 직렬로 연결되어 1상(phase)을 이루며, 각 모듈의 DC link 전압비는 1:2:3:4로 형성되고, 모듈 각각이 양(+)의 커패시터 전압, 영(0)전압, 음(-)의 커패시터 전압을 출력하되, 각 모듈에서 출력하는 전압의 조합을 통해 21-레벨의 출력전압을 형성한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 Cascade H-bridge 21-레벨 컨버터는, 27-레벨 컨버터와 다르게 출력전압의 각 레벨을 형성하기 위한 게이트 펄스 패턴이 여러 가지 존재하므로 각 모듈의 전류 도통률을 조절할 수 있고, 이를 통해 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 감소율 제어가 가능하다.

[표 2]는 21-레벨 출력전압을 형성하기 위해 각 전압레벨에서 각 모듈이 출력해야 하는 전압을 나타낸 것이다.

[표 2]

또한, 4개 모듈의 DC link 커패시터 전압비가 1:2:3:4 이므로 가장 작은 커패시터 전압과 가장 큰 커패시터 전압차가 4배이며, 이는 종래의 27-레벨 컨버터의 경우보다 작은 전압차를 가지게 되어 대용량 시스템 구성 시 유리하게 작용한다.

그리고, 21-레벨 출력전압의 형성은 Staircase 방식으로 이루어지며 고조파 함유량의 최소화를 위해서 등면적법(EAM : Equal Area Method) 또는 NLC(Nearest Level Control) 방식을 적용한다. 아울러, 본 발명에 따른 21-레벨 컨버터는 NLC방식을 적용하여 출력전압의 고조파를 최소화하였고, 1상(phase) 21-레벨 컨버터의 부하시험을 통해서 출력전압 및 부하전류를 토대로 고조파를 분석함으로써 출력전압형성을 위한 제어성능을 확인하였다.

이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법에 대해 살피면 아래와 같다.

먼저, 시스템 운전이 시작되면 2상한 인터리브방식의 21-레벨 컨버터가 동작하여 각 모듈의 DC link전압비를 1:2:3:4 비로 제어한다(S10).

이어서, 21-레벨 컨버터가 전류제어기에 의해 생성된 출력전압 기준값을 round() 함수로 입력받아 제어주기마다 출력해야 하는 전압레벨의 기준값으로 출력한다(S20).

뒤이어, 게이트 패턴의 룩업테이블이 21-레벨 컨버터의 기준값 전압레벨 형성을 위한 게이트 패턴을 선정한다(S30).

전술한바와 같이 본 발명에 따른 21-레벨 컨버터는 출력전압의 각 레벨을 형성하는 복수개의 게이트 패턴을 포함하며 각 게이트 패턴에 따라 각 모듈의 전류 도통률이 상이하게 나타난다.

그리고, 제어기가 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 주기적으로 측정하여 가장 큰 SOC를 갖는 배터리가 연계된 모듈의 전류 도통시간을 기 설정된 시간 동안 유지시키는 게이트 패턴을 이용해 각 모듈을 동작시켜 출력전압을 형성한다(S40).

전술한 바와 같은 과정을 제어주기마다 반복적으로 수행함으로써, 출력전압의 고조파 저감과 각 모듈의 SOC 불균형을 억제할 수 있다.

이때, 게이트 패턴의 룩업테이블은, 각 모듈의 전류 도통률을 가장 크게 할 수 있는 게이트 패턴을 포함하되, 기 설정된 조건에 부합하도록 게이트 패턴을 선정함으로써, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 임의로 조절할 수 있다.

한편, 도 5는 각 gate pattern에 따른 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC 변화율을 확인하기 위해 1상(phase)의 21-레벨 컨버터를 구성하고 부하테스트를 실시한 시스템 구성도이다.

또한, 도 6 내지 도 9는 1:2:3:4의 전압비를 갖는 모듈 중 각각 차례로 1에서 4의 전압비를 갖는 모듈에 연계된 배터리의 SOC 감소율이 가장 크게 동작할 수 있는 gate pattern을 시스템에 적용하였을 때 각 모듈에 연계된 SOC 감소율을 측정한 도면이다.

그리고, 도 10은 2상한 인터리브방식의 DC-DC 컨버터의 출력전압 제어기를 도시한 블록도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 제어기는 출력전압 기준값과 실측 DC link전압의 차를 P/I 제어기를 통해 전류 기준값을 생성하고, 이를 1/2로 나누어 각 반브리지 컨버터를 제어하기 위한 전류 기준값을 생성한다.

또한, 전류 기준값은 실측 전류값과 비교한 후 차를 P/I 제어기를 통해 전압 기준값을 생성하며, 생성된 전압 기준값에 입력전압을 더하고 출력전압으로 나누어 듀티를 생성한다.

그리고, 듀티와 스위칭 캐리어의 비교에 의하여 각 반도체 스위치의 게이트 펄스를 생성한다.

이하, 도 11 및 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 Cascade H-Bridge 21-레벨 컨버터의 제어 및 동작 모의실험 결과에 대해 살피면 아래와 같다.

먼저, 도 11은 본 발명에 따른 21-레벨 컨버터의 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 관찰한 파형을 도시한 도면이다.

상기 도 5의 부하 시험을 통해서 배터리에 저장된 에너지를 소모하도록 구성하였고, 주기적으로 SOC를 측정하여 적절한 gate pattern을 이용해서 컨버터를 동작시켰다. 각 모듈의 SOC 감소율은 균등하게 나타나는 것을 확인하였으며, 이를 통해서 배터리의 에너지 이용효율을 높일 수 있다.

그리고, 도 12는 특정 구간에서 각 모듈의 배터리 SOC 크기에 따른 gate pattern의 선택을 나타낸 것이다. SOC의 변화에 따라 적용되는 gate pattern이 변동하고 있으며, 이에 따라 SOC의 감소율이 균등하게 나타남을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법에 있어서,
   (a) 2상한 인터리브방식의 21-레벨 컨버터가 동작하여 각 모듈의 DC link전압비를 1:2:3:4 비로 제어하는 단계;
   (b) 21-레벨 컨버터가 전류제어기에 의해 생성된 출력전압 기준값을 round() 함수로 입력받아 제어주기마다 출력해야 하는 전압레벨의 기준값을 출력하는 단계;
   (c) 게이트 패턴의 룩업테이블이 21-레벨 컨버터의 기준값 전압레벨 형성을 위한 게이트 패턴을 선정하는 단계; 및
   (d) 제어기가 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 주기적으로 측정하여 가장 큰 SOC를 갖는 배터리가 연계된 모듈의 전류 도통시간을 기 설정된 시간 동안 유지시키는 게이트 패턴을 이용해 각 모듈을 동작시켜 출력전압을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 21-레벨 컨버터는,
   출력전압의 각 레벨을 형성하는 복수개의 게이트 패턴을 구성하며, 각 게이트 패턴에 따라 각 모듈의 전류 도통률이 상이하게 나타내도록 하는 것을 특징으로 하는 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 게이트 패턴의 룩업테이블은,
   각 모듈의 전류 도통률을 가장 크게 할 수 있는 게이트 패턴을 포함하되,
   기 설정된 조건에 부합하도록 게이트 패턴을 선정함으로써, 각 모듈에 연계된 배터리의 SOC를 임의로 조절하는 것을 특징으로 하는 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   출력전압 기준값과 실측 DC link전압의 차를 P/I 제어기를 통해 전류 기준값을 생성하고, 이를 1/2로 나누어 각 반브리지 컨버터를 제어하기 위한 전류 기준값을 생성하는 것을 특징으로 하는 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 전류 기준값은,
   실측 전류값과 비교하여 그 차를 P/I 제어기를 통해 전압 기준값으로 생성하며, 생성된 전압 기준값에 입력전압을 더하고 출력전압으로 나누어 듀티를 생성하고, 듀티와 스위칭 캐리어의 비교에 의하여 각 반도체 스위치의 게이트 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 Cascade H-bridge Multi-level 구조의 배터리 충/방전 시스템의 SOC 균형 제어 방법.

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