KR20150098120A

KR20150098120A - 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20150098120A
Application number: KR1020140019266A
Authority: KR
Inventors: 현덕수; 심종수; 김대웅; 송리규
Original assignee: 세방전지(주)
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-27
Also published as: KR101605475B1

Abstract

본 발명은 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계통전원의 정전유무에 따라 서로 다른 방전심도로 충전부의 사용량을 설정하기에 정전시 전원공급시간의 증가 및 배터리의 수명을 증대시킬 수 있는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법{Grid-connected large capacity energy storage system with UPS function and control method thereof}

일반적으로, 정전시에는 비상발전기를 구동함으로써 필요한 전원을 공급받는데, 이러한 비상발전기는 연료의 사용에 의해 동력을 발생시키는 엔진을 갖는다.

최근에는 비상발전기를 대체하기 위한 시스템으로서, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 에너지 저장 시스템은 피크 부하의 제어, 비상발전기의 대체 등과 같은 다양한 목적으로 활용할 수 있으며, 그 편리함과 비용 경쟁력으로 인해 비상발전기 등에 비하여 보급면에서 우위를 점할 것으로 예상하고 있다.

종래의 에너지 저장 시스템(예를 들면, 공개특허 제2009-0036751호)은 단지 에너지를 축전지에 저장하고, 저장된 에너지를 단지 수동적으로만 연결된 기기에 공급하는 점에서 재난, 발전이나 송전 시설의 갑작스런 고장으로 인한 정전 또는 계획된 정전 시 가정이나 사무실 또는 산업 현장 등의 여러 장소에서 필요한 장비에 전원을 신속하게 제공하지 못하는 문제점을 갖는다.

따라서 종래에는 특허등록 제1288723호(2013.07.16일 등록)를 통하여 전원의 저장을 위한 다수의 축전지에 AC전원을 DC전원으로 변환하여 상기 축전지에 저장되도록 하고, 전원공급부에서 AC 전원의 공급이 중단되면, 상기 축전지에 저장된 DC 전원을 DC-AC 인버터를 통하여 AC 전원으로 변환시켜 전원사용처에 공급하도록 하였다.

즉, 종래에는 UPS 기능을 갖는 에너지저장시스템을 구비하여 전원이 차단되더라도 전원의 공급이 이루어질 수 있도록 하였다.

그러나 상기와 같은 종래기술은 에너지저장시스템을 통하여 무정전 전원기능을 구현할 수 있으나, 에너지저장시스템의 축전지에서 전원을 공급하던 중에 정전되었을 경우, 상기 축전지의 충전율이 낮은 상태가 될 수 있어 정전시 전원의 공급시간이 짧아짐과 동시에 축전지가 완전 방전될 수 있어 수명이 짧아지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지저장시스템와 무정전전원장치가 결합된 무정전 전원기능을 구비한 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 계통전원의 온 또는 오프에 따라 서로 다른 방전심도로서 에너지저장시스템을 에너지저장모드와 무정전전원모드로 구동시켜 전원공급시간 및 수명을 증대시킬 수 있는 무정전 전원기능을 구비한 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.

본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 바람직한 실시예는 상호간에 전기적으로 통전가능 하도록 연결되는 하나 이상의 배터리팩을 구비하여 외부계통전원에서 공급된 전원을 충전하고, 내부계통전원에 전원을 공급하는 충전부; 상기 외부계통전원의 교류를 직류로 변환시켜 상기 충전부에 인가하고, 상기 충전부에서 출력된 직류를 교류로 변환시켜 상기 내부계통전원에 공급하는 전력변환부(Power Conversion System); 및 상기 전력변환부를 제어하여 상기 충전부를 충전하거나 상기 충전부에 충전된 전원을 상기 내부계통전원으로 공급하는 에너지저장모드와, 정전시에 상기 충전부에 충전된 전원을 내부계통전원으로 공급하는 무정전 전원모드로서 상기 전력변환부를 제어하는 제어패널을 포함하고, 상기 제어패널은 상기 충전부의 정격용량에 따른 사용량을 표시하는 방전심도를 상기 에너지저장모드와 무정전 전원모드별로 설정하되, 상기 무정전 전원모드의 방전심도를 상기 에너지저장모드의 방전심도에 비하여 높게 설정하고, 설정된 방전심도에 따라서 상기 충전부의 전원을 공급 또는 차단하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 전력변환부는 상기 외부계통전원의 정전유무를 감지하여 상기 제어패널에 정전감지신호를 송신하는 모니터링수단; 및 상기 제어패널의 제어에 의하여 상기 외부계통전원과 내부계통전원에서 각각 충전부에 연결되는 전원라인을 스위칭하는 스위칭수단을 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 대용량 에너지저장시스템은 내외부가 절연재와 보온재로 마감되는 컨테이너인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 충전부의 충전율을 감지하여 상기 제어패널에 송신하는 비엠에스(Battery Management System)를 더 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어패널은 상기 모니터링수단의 정전감지신호가 인가되면, 상기 전력변환부를 제어하여 에너지저장모드에서 무정전 전원모드로 구동시키는 제어부; 시간을 카운팅하여 상기 제어부에 인가하는 타이머; 및 상기 제어부의 제어에 의하여 상기 충전부의 충전율, 시간, 에너지저장모드 또는 무정전 전원모드의 구동상태를 표시하는 디스플레이를 포함한다.

본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법은 외부계통전원으로부터 공급된 전원을 하나 이상의 배터리팩을 구비한 충전부에 충전시키거나 내부계통전원으로 공급하는 에너지저장모드와, 상기 외부계통전원의 정전시에 상기 충전부에서 상기 내부계통전원으로 전원을 공급하는 무정전 전원모드에서 전원의 공급을 차단하는 방전오프조건을 설정하는 설정단계; 상기 설정단계 이후에 에너지저장모드로서 구동되는 에너지저장모드 구동단계; 상기 에너지저장모드 구동단계에서 상기 외부계통전원의 정전여부를 판단하는 정전판단단계; 및 상기 정전판단단계에서 외부계통전원의 정전이 감지되면, 상기 충전부의 전원을 상기 내부계통전원에 공급하는 무정전 전원모드 구동단계를 포함하고, 상기 에너지저장모드와 무정전 전원모드의 방전오프조건은 상기 충전부의 정격용량에서 사용량을 설정한 방전심도이며, 상기 방전심도는 에너지저장모드에 비하여 무정전 전원모드에서 더 높은 방전심도로 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 에너지저장모드 구동단계는 시간을 카운팅하는 타이머온단계; 설정된 충전시간에 해당 되면 외부계통전원에서 인가된 전원을 상기 충전부에 충전시키는 충전단계; 상기 충전단계에서 설정된 방전 시간에 해당 되는 지를 판단하는 충전오프 판단단계; 상기 충전오프 판단단계에서 설정된 방전시간에 해당 되면, 상기 외부계통전원을 차단하고, 상기 내부계통전원에 전원을 공급하는 전원공급단계; 상기 전원공급단계에서 상기 충전부이 사용량이 설정된 방전 심도에 해당되는 지를 판단하는 방전오프 판단단계; 상기 방전오프 조건에 해당 되면 상기 내부계통전원의 전원공급을 차단하는 방전오프단계; 및 상기 방전오프단계 이후에 상기 충전부의 전원공급의 차단여부를 디스플레이에 표시하는 디스플레이 출력단계를 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 방전오프조건은 상기 충전부에서 전원 공급을 개시하여 설정된 상기 방전심도까지 도달되기까지의 시간을 설정한 시간조건중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 대용량 에너지저장시스템을 이용하여 계통전원의 정전시에 부하에 전원을 공급할 수 있기에 별도의 무정전 전원장치를 구비할 필요가 없어 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 대용량 에너지저장시스템에서 계통전원의 온오프에 따라서 충전부의 방전심도를 서로 다르게 설정함에 따라 에너지저장모드에서 충전부의 잔여 충전율이 높아지고, 무정전전원모드에서 사용가능한 전력량이 증가될 수 있어 정전시에 전원공급시간이 증대되고, 방전심도에 따른 충전부의 충전율을 조절함에 따라 충전부를 구성하는 이차 전지의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템을 도시한 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법을 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법에서 에너지저장모드를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법에서 무정전 전원모드를 도시한 순서도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지 저장시스템을 도시한 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지 저장시스템을 도시한 블럭도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지 저장시스템은 외부에 위치된 발전시설이나 전력회사로부터 공급되는 고압의 전원을 전달하는 외부계통전원(500)과, 상용전원을 부하에 공급하는 내부계통전원(600)과, 하나 이상의 배터리팩(110)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 외부계통전원(500)에서 공급된 전원을 충전하고 내부계통전원(600)으로 공급하는 충전부(100)와, 상기 충전부(100)가 수용된 내측으로 상기 외부계통전원과 내부계통전원이 연결된 컨테이너(700)와, 상기 외부계통전원(500)과 내부계통전원(600) 및 충전부(100)에 연결되는 전원라인을 스위칭하는 전력변환부(300)와, 상기 충전부(100)의 충전율을 감지하는 비엠에스(200)(BMS : Battery Management System)와, 상기 외부계통전원(500)의 정전유무에 따라서 에너지저장모드와 무정전 전원모드로서 구동되도록 상기 전력변환부(300)를 제어하는 제어패널(400)을 포함한다.

상기 충전부(100)는 하나 이상의 배터리팩(110)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 외부계통전원(500)으로부터 공급된 전원에 의하여 충전되고, 상기 내부계통전원(600)으로 충전된 전원을 공급한다.

상기 비엠에스(200)(BMS:Battery Management System)는 상기 하나 이상의 배터리팩(110)중 하나 이상으로 이루어진 그룹별로 연결된다. 상기 비엠에스(200)는 연결된 배터리팩(110)의 충전율을 감지하여 상기 제어패널(400)에 송신한다.

상기 컨테이너(700)는 박스형의 건축구조물로서 내측에서 상기 전력변환부(300)와 제어패널(400) 및 충전부(100)를 수용할 수 있는 공간을 형성한다. 여기서 상기 컨테이너(700)는 내부의 천정면과 벽면 및 바닥면에 절연재로서 마감되고, 외면에서 보온재로 마감되어 하나 이상의 배터리팩이 직렬 또는 병렬로 연결되는 충전부(100)를 지지하도록 내측에서 하나 이상의 단을 이루도록 설치되는 지지대(730)를 포함하고, 전면에서 회전식으로 입구를 개폐시키는 제1도어(710)와 제2도어(720)를 포함한다.

상기 지지대(730)는 상기 배터리팩(110)이 안착 되도록 평면을 이루는 수평프레임이 상하방향으로 정렬되어 수직프레임에 의하여 각각 고정되도록 형성된다.

상기 제1도어(710)는, 예를 들면, 투명유리로서 상기 컨테이너(700)의 내측을 개폐시키고, 상기 제2도어(720)는, 예를 들면, 금속재질로 이루어진 도어로서 상기 제1도어(710)의 외측에서 입구를 개폐시킨다.

예를 들면, 에너지저장시스템은 외부계통전원(500)이 정전되면, 무정전 전원 모드로서 구동되어 내부계통전원(600)에 전원을 공급한다. 이때, 에너지저장시스템은 내부계통전원(600)에 전원을 공급하던 중이었다면, 상기 충전부(100)의 충전율이 낮은 상태일 수 있다. 따라서 종래에는 에너지 저장모드에서 무정전 전원모드로 변환시에 충전율일 낮다면, 외부계통전원(500)에서 전원이 다시 공급되지 않은 상황인데도 불구하고 내부계통전원에 공급할 수 시간이 짧아질 수 있고, 또한 낮은 충전율에서 내부계통전원(600)에 전원을 공급함에 따라 상기 충전부가 완전 방전될 수 있어 수명이 단축될 수 있다.

하지만, 본 발명은 상술한 바와 같이 컨테이너와 같은 건축용 구조물에 다 수개의 배터리팩으로서 충전부(100)를 구비함에 따라서 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다. 아울러 본 발명은 상기와 같은 배터리 용량의 증대와 함께 상기 충전부(100)의 방전심도를 에너지저장모드와 무정전 전원모드별로 서로 다르게 설정하여 정전시의 전원공급시간 및 배터리팩(110)의 수명을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 특징은 하기의 전력변환부(300)와 제어패널(400)의 작용을 통하여 달성될 수 있다.

상기 전력변환부(300)는 PCS(Power conversion System)으로서 외부계통전원(500)에서 공급된 교류전원을 직류로서 변환하여 상기 충전부(100)에 충전하고, 상기 충전부(100)에서 출력된 직류를 교류로 변환하여 상기 내부계통전원(600)으로 공급한다. 이를 위하여 상기 전력변환부(300)는 상기 외부계통전원(500)과 내부계통전원(600)에서 충전부(100)에 각각 연결되는 전원라인을 스위칭하는 스위칭수단(310)과, 상기 외부계통전원(500)의 교류를 직류로 변환시키는 AD컨버터(320)와, 상기 충전부(100)의 직류를 교류로 변환시키는 DA인버터(330)와, 상기 외부계통전원(500)의 정전을 감지하는 모니터링 수단(340)과, 상기 비엠에스(200)에서 인가되는 충전율 감지신호를 상기 제어패널(400)에 송신하는 비엠에스 통신수단(350)을 포함한다.

상기 스위칭수단(310)은 상기 제어패널(400)의 제어에 의하여 상기 외부계통전원(500)과 AD 컨버터(320)에 연결되는 전원 라인과, 상기 내부계통전원(600)과 DA 인버터(330)에 연결되는 전원 라인을 스위칭한다.

여기서 상기 AD 컨버터(320)는 상기 외부계통전원(500)과 상기 충전부(100) 사이에 설치되고, 상기 DA인버터(330)는 상기 충전부(100)에서 내부계통전원(600)라인 사이에 설치된다.

즉, 상기 스위칭수단(310)은 에너지 저장모드에서 상기 외부계통전원(500)라인에서 인가되는 교류전원을 상기 충전부(100)에 공급하여 충전시키고, 상기 충전부(100)에서 충전된 전원을 내부계통전원(600)으로 공급하도록 각각의 전원라인을 선택적으로 스위칭한다.

또한 상기 스위칭수단(310)은 무정전 전원모드라면, 상기 DA 인버터(330)에서 상기 내부계통전원(600)에 연결되는 전원라인을 스위칭하여 상기 충전부(100)의 전원이 상기 내부계통전원(600)으로 공급되도록 한다.

상기 모니터링수단(340)은 상기 외부계통전원(500)의 정전 또는 전원공급을 감지하여 상기 제어패널(400)에 인가한다. 더욱 바람직하게로는 상기 모니터링수단(340)은 상기 충전부(100)에서 상기 내부계통전원(600)으로 공급되는 전원의 유무 및 그 레벨을 감지하여 상기 충전부(100)의 이상 유무를 감지함도 가능하다.

상기 비엠에스통신수단(350)은 상기 충전부(100)에서 하나 이상의 배터리팩의 충전율을 감지하는 비엠에스(200)의 충전율 감지신호를 수신하여 상기 제어패널(400)에 인가한다.

상기 제어패널(400)은 상기 비엠에스통신수단(350)과 통신을 수행하는 제어통신부(440)와, 충전오프조건과 방전오프조건의 입력신호를 출력하는 입력부(420)와, 상기 충전부(100)의 충전율과 에너지저장모드 및/또는 무정전 전원모드와, 외부계통전원(500)의 정전유무 및 내부계통전원(600)의 전원유무를 출력하는 디스플레이(430)와, 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 에너지저장모드와 무정전 전원모드로서 상기 충전부(100) 및 전력변환부(300)를 구동시키는 제어부(410)를 포함한다.

상기 제어통신부(440)는 상기 전력변환부(300)의 비엠에스통신수단(350)에서 인가된 상기 충전부(100)의 충전율 감지신호를 상기 제어부(410)에 인가한다.

상기 입력부(420)는 다 수개의 키패드를 구비하여, 각각의 키패드의 조합에 의하여 출력된 명령어를 상기 제어부(410)에 인가한다. 여기서 상기 입력부(420)는 관리자가 상기 에너지저장모드와 무정전 전원모드의 구동에 필요한 충전오프조건과 방전오프조건을 각각 입력하면, 이에 해당되는 전기적신호를 상기 제어부(410)에 인가한다.

여기서 상기 충전오프조건과 방전오프조건은 에너지저장모드에서 상기 충전부(100)의 충전율과, 방전심도 및 시간중 선택된 하나 이상과, 상기 외부계통전원(500)의 정전 유무로 설정될 수 있다. 또한 상기 방전오프조건은 상기 무정전 전원모드에서 상기 충전부(100)의 방전심도와 충전율과 시간중 적어도 하나 이상이 선택적으로 설정될 수 있다.

상기 시간조건은 에너지저장모드에서 전력사용량이 많은 시간대와 적은 시간대로서 분할하여 전력사용량이 적은 시간에 외부계통전원(500)으로서 충전부(100)를 충전하도록 충전시간을 설정하고, 전력사용량이 많은 낮시간(오전 09시~오후 9시)을 방전시간으로 설정할 수 있다.

여기서 상기 방전심도는 에너지저장모드에 비하여 무정전 전원모드의 방전심도를 높게 설정하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 방전심도는 상기 배터리팩의 정격용량중에서 사용된 양을 의미한다. 즉, 본 발명은 에너지저장모드에서 정격용량에서 사용가능한 양을 낮게 설정하여 정전시에 공급 가능한 용량을 증가시키고, 무정전 전원모드에서 방전심도를 높게 설정하여 사용가능한 용량이 증대됨에 따라 정전동안 전원공급가능한 시간을 증가시킨다.

또한 상기 시간조건은 무정전 전원모드에서 상기 충전부(100)의 충전율(방전심도)을 산출하여 잔여 충전율에서 전원공급시에 설정된 방전심도에 도달되기까지의 시간을 산출하여 정전 발생시간부터 카운팅하여 산출된 시간 이후에 상기 충전부(100)의 전원공급을 차단함도 가능하다.

상기 제어부(410)는 상기 입력부(420)에서 입력된 충전오프조건과 방전오프조건에 따라서 상기 스위칭수단(310)를 제어한다. 즉, 상기 제어부(410)는 에너지저장모드에서 전력사용량이 적은 심야시간(예를 들면, 오전0시~09시)에 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 외부계통전원(500)과 상기 충전부(100) 사이의 전원라인을 스위칭 온 하여 상기 충전부(100)를 충전시키고, 전력사용량이 많은 낮시간(오전09시~오후09시)에는 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 내부계통전원(600)과 충전부(100) 사이의 전원라인을 스위칭온한다.

상기 제어부(410)는 상기 에너지저장모드에서 외부계통전원에서 인가되는 전원으로 상기 배터리팩(110)을 충전하던 중에 충전율이 100%가 되면, 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 외부계통전원(500)에서 인가되는 전원을 다시 바이패스 시켜 외부계통전원(500)으로 송출하는 것이 바람직하다.

상기 제어부(410)는 에너지 저장모드에서 상기 내부계통전원(600)에 전원을 공급하던중에 상기 배터리팩(110)에서 공급되는 전원이 설정된 충전율, 방전심도 또는 설정 시간에 해당되는 지를 판단하여 상기 스위칭수단(310)을 제어한다. 상기 제어부(410)는 설정된 충전율, 방전심도 또는 시간에 도달되면 상기 충전부(100)의 방전을 오프시키고, 상기 외부계통전원(500)에 연결된 전원라인을 스위칭하여 상기 충전부(100)를 충전시킨다. 아울러 상기 제어부(410)는 내부계통전원(600)의 전원공급이 차단되지 않도록, 외부계통전원(500)에서 인가되는 고압을 상기 충전부(100)를 거치지 않고 직접 내부계통전원(600)으로 공급되도록 특고압을 상용전원으로 변환시키도록 전원 라인을 스위칭한다.

상기와 같은 특고압의 외부계통전원(500)을 상용전원으로 변환시키는 것은 상기 전력변환부(300)(Power Conversion System)를 통하여 이루어지며, 이는 일반적으로 공지된 구성 및 작용임에 따라 그 상세한 설명을 생략하였다.

또한 상기 제어부(410)는 상기 에너지저장모드에서 상기 모니터링수단(340)에서 정전감지신호가 인가되면, 무정전 전원모드로서 구동되도록 상기 스위칭수단을 제어한다. 이때 상기 제어부(410)는 에너지저장모드에서 설정된 방전심도 보다 높은 레벨로서 방전심도를 설정하고, 상기 배터리팩의 충전율에 따라서 전원공급가능한 시간을 산출 및 카운팅하여 방전오프조건에 해당되는 지를 판단한다.

즉, 상기 제어부(410)는 무정전 전원모드에서 상기 에너지저장모드 보다 높은 방전심도와 충전율에 따라서 현재 충전부(100)에서 전원의 공급 가능 시간을 산출하고, 산출된 시간을 카운팅하여 상기 충전부(100)의 완전방전(충전율 0%) 또는 수명을 단축 시킬 수 있을 정도(충전율 5%이하)의 방전이 이루어지지 않도록 내부계통전원(600)의 전원공급을 제한한다.

상기 디스플레이(430)는 상기 제어부(410)의 제어에 의하여 상기 비엠에스(200)에서 측정된 충전부(100)의 충전율과, 설정된 충전시간 또는 전원공급시간을 카운팅하는 타이머(450)를 표시하고, 설정된 방전심도 및 에너지저장모드와 무정전 전원모드, 그리고 충전 또는 방전상태임을 각각 표시한다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 하기에서 상기와 같은 구성을 통하여 달성될 수 있는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지 저장장치의 제어방법을 첨부된 도 3 내지 도 5의 순서도를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 에너지저장모드와 무정전 전원모드에서의 충전오프조건과 방전오프조건을 설정하는 설정단계(S100)와, 외부계통전원(500)을 충전하여 내부계통전원(600)에 연결되는 부하에 전원을 공급하는 에너지저장모드 구동단계(S200)와, 에너지저장모드(ESS) 구동단계(S200)에서 정전 발생여부를 판단하는 정전판단단계(S300)와, 상기 정전판단단계(S300)에서 정전이 감지되면 무정전 전원모드로 구동되는 무정전 전원모드(UPS) 구동단계(S400)를 포함한다.

상기 설정단계(S100)는 상기 제어부(410)가 입력부(420)를 통하여 입력되는 에너지저장모드와 무정전 전원모드의 충전조건과 방전조건, 충전오프조건 및 방전오프조건을 설정등록하는 단계이다. 여기서 작업자는 상기 입력부(420)를 통하여 에너지저장모드의 충전조건, 방전조건, 충전오프 및 방전오프조건을 입력하고, 상기 무정전모드의 방전오프조건을 입력한다.

상기 에너지저장모드의 충전조건과 방전조건은 전력사용량이 적은 심야시간대에 상기 충전부(100)를 충전시키고, 전력사용량이 많은 낮시간대에 충전부(100)에서 전원을 공급하도록 충전시간과 전원공급시간을 설정한다. 또한 상기 충전조건은 상기 충전부(100)의 충전율을 포함한다. 상기 충전율은 상기 충전부(100)에서 구비된 하나 이상의 배터리팩의 충전율로서 완전 방전되기 이전의 충전율(예를 들면, 5%이상)로 설정됨이 바람직하다.

또한 상기 충전오프조건은 외부계통전원(500)의 정전과, 상술한 전원공급시간 이외에 상기 충전부(100)의 충전율을 설정한다. 바람직하게로는 상기 충전부(100)가 100%충전되기 보단 95%~99%로서 설정함이 바람직하다.

상기 에너지저장모드의 방전오프조건은 상기 충전부(100)의 방전 심도와 충전율 및 시간조건을 포함한다. 여기서 상기 방전심도는 에너지저장모드의 구동중에 무정전 전원모드로 변환될 시에 충전전력이 부족한 상태를 방지하기 위하여 무정전 전원모드의 방전심도에 비하여 낮게 설정되는 것이 바람직하다.

상기 무정전 전원모드의 방전오프조건은 상기 충전부(100)의 방전심도와, 충전율 및 상기 충전부(100)의 충전율 대비하여 전원의 공급이 가능한 시간에 해당된다. 여기서 상기 무정전 전원모드의 방전심도는 상기 에너지저장모드에서 설정되는 방전심도에 비하여 높게 설정된다. 상기 방전오프조건에서 시간조건은 상기 충전부(100)의 현재 충전율에서 전원공급시에 설정된 방전심도까지 도달될 수 있는 시간에 해당된다.

상기 에너지저장모드의 구동단계(S200)는 상기 외부계통전원(500)에서 인가되는 교류를 직류로 변환시켜 상기 충전부(100)에 충전하고, 상기 충전부(100)의 직류를 교류로 변환시켜 상기 내부계통전원(600)에 공급하는 단계이다. 이와 같은 에너지저장모드의 구동단계는 도 4의 순서도를 참조하여 후술한다.

상기 정전판단단계(S300)는 상기 제어부(410)가 상기 모니터링수단(340)의 정전감지신호를 확인하여 상기 에너지저장모드에서 상기 무정전 전원모드로 변환시켜 구동하기 위한 단계이다. 상기 모니터링수단(340)은 상기 외부계통전원(500)에 연결되는 전원라인을 모니터링하여 전원의 공급이 차단되면, 상기 제어부(410)에 정전감지신호를 송신한다.

상기 무정전 전원모드 구동단계(S400)는 상기 정전판단단계(S300)에서 정전감지신호가 인가되면, 상기 무정전 전원모드로 구동되어 설정된 방전심도와 상기 충전부(100)의 충전율에 대비하여 산출된 시간 내에 내부계통전원(600)에 전원을 공급하는 단계이다. 상기 무정전 전원모드의 구동단계(S400)는 첨부된 도 5를 참조하여 후술한다.

도 4는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법에서 에너지저장모드를 도시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 상기 에너지저장모드의 구동단계(S200)는 시간을 카운팅하는 타이머 온단계(S201)와, 설정된 충전조건에 해당되면 외부계통전원(500)을 충전부(100)에 충전시키는 충전단계(S202)와, 상기 충전단계(S202)에서 충전오프조건에 해당되는 지를 판단하는 충전오프 판단단계(S203)와, 상기 충전오프 판단단계(S203)에서 충전오프조건에 해당 되면 전원을 공급하는 전원공급단계(S204) 및 대기단계(S208)와, 상기 전원공급단계(S204)에서 방전오프조건에 해당 되는 지를 판단하는 방전오프 판단단계(S205)와, 상기 방전오프 판단단계(S205)에 해당 되면 내부계통전원(600)의 전원공급을 차단하는 방전오프단계(S206)와, 디스플레이(430)에 표시하는 디스플레이출력단계(S207)를 포함한다.

상기 타이머 온단계(S201)는 상기 제어부(410)가 타이머(450)를 온 시키고, 시간의 카운팅 신호를 수신하는 단계이다.

상기 충전단계(S202)는 상기 제어부(410)가 설정된 충전시간 또는 충전율에 해당 되면, 외부계통전원(500)에서 인가되는 교류 전원을 상기 충전부(100)에 충전시키는 단계이다. 여기서 상기 제어부(410)는 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 외부계통전원(500)에서 상기 충전부(100)에 연결된 전원라인을 스위칭온 시켜 상기 외부계통전원(500)에서 공급된 전원이 상기 충전부(100)에 충전되도록 한다. 그러므로 상기 충전부(100)는 상기 외부계통전원(500)에서 인가되는 교류가 상기 AD컨버터(320)에서 직류로 변환되어 공급된다. 이때 비엠에스(200)는 각각 하나 이상의 배터리팩의 충전율을 감지하여 상기 제어부(410)에 인가한다. 상기 제어부(410)는 상기 디스플레이(430)를 제어하여 상기 비엠에스(200)로부터 수신된 상기 충전부(100)의 충전율과 방전심도 및 현재 시간을 출력하도록 제어한다.

상기 충전오프 판단단계(S203)는 상기 충전단계(S202) 중에 상기 제어부(410)가 충전오프조건에 해당되는 지를 판단하는 단계이다. 상기 제어부(410)는 설정된 상기 타이머(450)의 카운팅신호와 상기 비엠에스(200)의 충전율 감지신호를 수신하여 전원공급시간 및 충전율 조건에 해당되는 지를 판단한다. 또한 상기 제어부(410)는 상기 모니터링수단(340)을 통하여 정전감지신호의 수신 여부에 따라서 충전오프를 판단함도 가능하다.

상기 전원공급단계(S204)는 상기 제어부(410)가 상기 충전오프 판단단계(S203)에서 충전오프조건에 해당 되면, 상기 충전부(100)의 충전 전원을 내부계통전원(600)에 전원을 공급하도록 상기 스위칭수단(310)을 제어하는 단계이다. 상기 제어부(410)는 상기 충전오프 판단단계(S203)에서 상기 타이머(450)의 카운팅신호를 수신하여 현재시간이 설정된 전원공급시간에 해당 되거나, 또는 상기 모니터링수단(340)으로부터 정전감지신호가 수신되면, 상기 스위칭수단(310)을 제어한다.

상기 스위칭수단(310)은 상기 내부계통전원(600)과 상기 충전부(100) 사이에 연결되는 전원라인을 스위칭 온한다. 따라서 상기 충전부(100)의 전원은 상기 DA인버터(330)를 통하여 교류로 변환되어 상기 내부계통전원(600)에 출력된다.

아울러 상기 제어부(410)는 상기 디스플레이(430)를 제어하여 상기 전원공급단계(S204)에서 비엠에스(200)로부터 수신되는 충전부(100)의 충전율과 현재 시간 및 현재 구동상태(전원공급)를 표시한다.

상기 대기단계(S208)는 상기 충전오프 판단단계(S203)에서 상기 제어부(410)가 상기 비엠에스(200)로부터 수신된 상기 충전부(100)의 충전율이 설정된 충전오프조건에 해당되면, 상기 충전부(100)의 충전을 오프시키는 단계이다. 여기서 상기 제어부(410)는 상기 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 외부계통전원(500)과 내부계통전원(600)을 직접연결하도록 전원라인을 스위칭시킨다. 마찬가지로 상기 디스플레이(430)는 상기 제어부(410)의 제어에 의하여 상기 대기중임을 표시한다.

이때 바람직하게로는 상기 전력변환부(300)에서 특고압의 외부계통전원(500)을 상용전원으로 변환시켜 상기 내부계통전원(600)으로 출력한다. 상기와 같은 전력변환부(300)의 작용은 일반적으로 공지된 PCS(Power Conversion System)에 해당되는 것으로 이에 대한 구성이나 작용에 대한 설명을 생략하였다.

상기 방전오프 판단단계(S205)는 상기 전원 공급단계(S204)중에 설정된 방전오프조건에 해당되는 지를 판단하는 단계이다. 상기 제어부(410)는 상기 타이머(450)의 카운팅신호를 수신하여 현재 시간과 설정된 방전오프시간과 비교하고, 상기 충전부(100)의 현재 충전율과 설정된 충전율과, 충전부(100)의 전원 사용량과 설정된 방전심도를 비교하여 상기 충전부(100)의 전원공급 여부를 판단한다.

상기 방전오프단계(S206)는 상기 제어부(410)가 상기 방전오프 판단단계(S205)에서 방전오프조건에 해당되면, 상기 스위칭수단(310)를 제어하여 상기 충전부(100)에서 내부계통전원(600)의 전원공급을 차단하는 단계이다.

상기 제어부(410)는 상기 방전오프 판단단계(S205)에서 상기 설정단계(S100)에서 설정된 방전오프조건(충전율, 방전심도, 시간)에 하나라도 해당되면 상기 스위칭수단(310)를 제어하여 상기 내부계통전원(600)과 충전부(100) 사이의 전원라인을 오프시켜 상기 충전부(100)의 전원공급을 차단한다.

즉, 상기 제어부(410)는 상기 비엠에스(200)로부터 감지된 상기 충전부(100)의 충전율이 설정된 충전율에 해당되거나, 상기 충전부(100)의 사용량을 확인하여 설정된 방전심도에 해당되거나, 상기 타이머(450)의 카운팅신호를 수신하여 현재 시간이 설정된 방전오프시간에 해당 되면 상기 스위칭수단(310)를 제어하여 충전부(100)의 전원공급을 차단한다.

상기 디스플레이 출력단계(S207)는 상기 제어부(410)가 상기 디스플레이(430)에 상기 충전부(100)의 방전오프 상태 및 현재 충전율을 표시하도록 제어하는 단계이다. 여기서 상기 디스플레이(430)는 상기 제어부(410)의 제어에 의하여 상기 충전단계와 전원공급단계에서 상기 충전부(100)의 충전율과 현재 상태(예를 들면, 충전중 또는 전원공급중)을 시각적으로 표시하도록 출력함도 가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법에서 무정전 전원모드를 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 상기 무정전 전원모드 구동단계(S400)는 상기 정전판단단계(S300)에서 상기 외부계통전원(500)의 정전이 감지되면 충전부(100)의 충전율 대비하여 전력공급시간을 산출하는 산출단계(S401)와, 상기 산출단계(S401) 이후에 상기 내부계통전원(600)에 전원을 공급하는 전원공급단계(S402)와, 상기 전원공급단계(S402)에서 방전오프조건에 해당되는 지를 판단하는 방전오프조건 판단단계(S403)와, 상기 방전오프조건 판단단계(S403)에서 설정된 방전오프조건에 해당되면, 전원공급을 차단하는 전원공급차단단계(S404)를 포함한다.

상기 산출단계(S401)는 상기 제어부(410)가 상기 모니터링수단(340)에서 정전감지신호가 수신되면, 상기 비엠에스(200)에서 수신된 충전부(100)의 충전율 대비하여 전원의 공급이 가능한 시간을 산출하는 단계이다. 여기서 상기 제어부(410)는 상기 모니터링수단(340)으로 부터 외부계통전원(500)의 정전이 감지되면, 상기 비엠에스(200)에서 수신된 충전부(100)의 충전율과, 무정전 전원모드의 방전심도를 고려하여 현재 충전부(100)에서 설정된 방전심도에 도달되기까지 전원공급이 가능한 시간을 산출한다.

여기서 상기 제어부(410)는 상기 에너지저장모드의 방전심도 보다 무정전 전원모드의 방전심도를 높게 산출함에 따라 상기 충전율이 에너지저장모드의 방전오프조건에 해당된 충전율보다 낮게 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 에너지저장모드의 방전오프조건에서 충전율은 10%라면, 무정전 전원모드의 충전율은 5%로 설정될 수 있다. 그러므로 상기 무정전 전원모드의 방전오프조건에서 시간조건은 현재 충전부(100)에서 충전되는 충전율이 30%이고, 방전오프조건으로 설정된 충전율이 5%에 해당 되면, 상기 제어부(410)는 상기 충전율이 30%에서 5%에 도달되기까지의 시간을 산출한다.

상기 전원공급단계(S402)는 상기 산출단계(S401) 이후에 상기 제어부(410)가 스위칭수단(310)을 제어하여 상기 내부계통전원(600)과 상기 충전부(100) 사이의 전원라인을 스위칭하여 상기 내부계통전원(600)에 전원을 공급하는 단계이다. 상기 스위칭수단(310)은 상기 제어부(410)의 제어에 의하여 상기 내부계통전원(600)과 충전부(100) 사이의 전원 라인을 연결시킨다. 따라서 상기 충전부(100)에서 출력된 직류전원은 상기 DA 인버터(330)를 통하여 교류로 변환되어 상기 내부계통전원(600)에 공급된다. 따라서 상기 내부계통전원(600)에 연결된 부하는 외부계통전원(500)의 정전시에도 정상적으로 동작할 수 있다.

상기 방전오프조건 판단단계(S403)는 상기 전원공급단계(S402)에서 상기 제어부(410)가 방전오프조건에 해당되는 지를 판단하는 단계이다. 상기 제어부(410)는 상기 산출단계에서 산출된 시간과 현재 시간을 비교하여 전원공급의 차단여부를 판단한다. 또한 상기 제어부(410)는 상기 모니터링수단(340)에서 상기 외부계통전원(500)에서 전원감지신호가 수신되는 지를 판단한다.

상기 전원공급차단단계(S404)는 상기 제어부(410)가 상기 방전오프판단단계(S403)에서 상기 타이머(450)의 카운팅신호를 수신하여 현재시간과 상기 산출단계(S401)에서 설정된 시간을 비교한 결과, 현재 시간이 설정된 시간에 해당되면, 상기 스위칭수단(310)를 제어하여 상기 내부계통전원(600)에서 상기 충전부(100)에 연결되는 전원을 차단한다.

또한 상기 제어부(410)는 상기 모니터링수단(340)의 감지신호를 통하여 외부계통전원(500)의 정전이 해소됨이 판단되면, 상기 스위칭수단(310)를 제어하여 상기 충전부(100)의 전원공급을 차단한다.

상기와 같이 본 발명은 컨테이너와 같은 대형건축구조물에 하나 이상의 배터리팩을 구비함에 따라서 종래와 달리 에너지저장시스템에서 사용가능한 용량을 증대시킬 수 있고, 또한 에너지저장모드와 무정전 전원모드에서 각각의 방전심도를 다르게 설정함에 따라 정전시에 전원의 공급가능한 시간 및 용량을 증대시킬 수 있다. 또한 본 발명은 에너지저장모드의 방전심도를 낮게 설정함에 따라 정전시에 사용가능한 전력량을 증대시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 충전부 200 : 비엠에스(BMS)
300 : 전력변환부 310 : 스위칭수단
320 : AD 컨버터 330 : DA인버터
340 : 모니터링수단 350 : 비엠에스통신수단
400 : 제어패널 410 : 제어부
420 : 입력부 430 : 디스플레이
440 : 제어통신부 450 : 타이머
500 : 외부계통전원 600 : 내부계통전원

Claims

상호간에 전기적으로 통전가능 하도록 연결되는 하나 이상의 배터리팩을 구비하여 외부계통전원에서 공급된 전원을 충전하고, 내부계통전원에 전원을 공급하는 충전부;
상기 외부계통전원의 교류를 직류로 변환시켜 상기 충전부에 인가하고, 상기 충전부에서 출력된 직류를 교류로 변환시켜 상기 내부계통전원에 공급하는 전력변환부(Power Conversion System); 및
상기 전력변환부를 제어하여 상기 충전부를 충전 하거나 상기 내부계통전원으로 공급하는 에너지저장모드와, 정전시에 상기 충전부에서 내부계통전원으로 전원을 공급하는 무정전 전원모드로 상기 전력변환부를 제어하는 제어패널을 포함하고,
상기 제어패널은 상기 충전부의 정격용량에 따른 사용량을 표시하는 방전심도를 상기 에너지저장모드와 무정전 전원모드별로 설정하되, 상기 무정전 전원모드의 방전심도를 상기 에너지저장모드의 방전심도에 비하여 높게 설정하고, 설정된 방전심도에 따라서 상기 충전부의 전원을 상기 내부계통전원에 공급 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템.
제1항에 있어서, 상기 전력변환부는
상기 외부계통전원의 정전유무를 감지하여 상기 제어패널에 정전감지신호를 송신하는 모니터링수단; 및
상기 제어패널의 제어에 의하여 상기 외부계통전원과 내부계통전원에서 각각 충전부에 연결되는 전원라인을 스위칭하는 스위칭수단을 포함하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템.
제1항에 있어서, 상기 대용량 에너지저장시스템은
내외부가 절연재와 보온재로 마감되는 컨테이너인 것을 특징으로 하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전부의 충전율을 감지하여 상기 제어패널에 송신하는 비엠에스(Battery Management System)를 더 포함하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템.
제4항에 있어서, 상기 제어패널은
상기 모니터링수단의 정전감지신호가 인가되면, 상기 전력변환부를 제어하여 에너지저장모드에서 무정전 전원모드로 구동시키는 제어부;
시간을 카운팅하여 상기 제어부에 인가하는 타이머; 및
상기 제어부의 제어에 의하여 상기 충전부의 충전율, 시간, 에너지저장모드 또는 무정전 전원모드의 구동상태를 표시하는 디스플레이를 포함하는 무정전 전원기능을 갖는 대용량 에너지저장시스템.
외부계통전원으로부터 공급된 전원을 하나 이상의 배터리팩을 구비한 충전부에 충전시키거나 내부계통전원으로 공급하는 에너지저장모드와, 상기 외부계통전원의 정전시에 상기 충전부에서 상기 내부계통전원으로 전원을 공급하는 무정전 전원모드에서 전원의 공급을 차단하는 방전오프조건을 설정하는 설정단계;
상기 설정단계 이후에 에너지저장모드로서 구동되는 에너지저장모드 구동단계;
상기 에너지저장모드 구동단계에서 상기 외부계통전원의 정전여부를 판단하는 정전판단단계; 및
상기 정전판단단계에서 외부계통전원의 정전이 감지되면, 상기 충전부의 전원을 상기 내부계통전원에 공급하는 무정전 전원모드 구동단계를 포함하고,
상기 에너지저장모드와 무정전 전원모드의 방전오프조건은 상기 충전부의 정격용량에서 사용량을 설정한 방전심도이며, 상기 방전심도는 에너지저장모드에 비하여 무정전 전원모드에서 더 높은 방전심도로 설정되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법.
제6항에 있어서, 상기 에너지저장모드 구동단계는
시간을 카운팅하는 타이머온단계;
설정된 충전시간에 해당 되면 외부계통전원에서 인가된 전원을 상기 충전부에 충전시키는 충전단계;
상기 충전단계에서 설정된 방전 시간에 해당 되는 지를 판단하는 충전오프 판단단계;
상기 충전오프 판단단계에서 설정된 방전시간에 해당 되면, 상기 외부계통전원을 차단하고, 상기 내부계통전원에 전원을 공급하는 전원공급단계;
상기 전원공급단계에서 상기 충전부이 사용량이 설정된 방전 심도에 해당되는 지를 판단하는 방전오프 판단단계;
상기 방전오프 조건에 해당 되면 상기 내부계통전원의 전원공급을 차단하는 방전오프단계; 및
상기 방전오프단계 이후에 상기 충전부의 전원공급의 차단여부를 디스플레이에 표시하는 디스플레이 출력단계를 포함하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템.
제6항에 있어서, 상기 방전오프조건은
상기 충전부에서 전원 공급을 개시하여 설정된 상기 방전심도까지 도달되기까지의 시간을 설정한 시간조건중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 무정전 전원기능을 갖는 계통연계형 대용량 에너지저장시스템의 제어방법.