KR20150111638A - 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법 - Google Patents

계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 사양에 구속되지 않는 계통 연계형 시스템을 구현하기 위한 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템은 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머; 및 절연 트랜스포머의 제 1 단에 위치하여 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절하는 제 1 양방향 DC/DC컨버터; 제 1 단에 대향되는 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 ESS의 전압과 매칭시키는 제 2 양방향 DC/DC컨버터;를 포함한다.

Description

계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법 {HIGH EFFICIENCY BATTERY CHARGE/DISCHARGE SYSTEM AND METHOD IN GRID-TIED SYSTEM}
본 발명은 태양광 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통 연계형 시스템에서의 배터리 충방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
우리나라에서 설치가 가능한 태양광 시스템은 크게 두가지로 나뉜다. 계통연계형(Grid-Tied) 시스템과 독립형(Off-Grid) 시스템이다.
도 1 은 계통연계형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
계통 연계형(100)은 태양광 패널(110)이 생산한 DC전기를 인버터(120)를 통해 AC 전기로 변환한다. 변환한 전기를 가정용(150)으로 소비하고 동시에 계통(utility grid)(140)에 보내 수익을 얻는 시스템이다.
도 1의 계통 연계형 시스템에서는 전력 생산 부분으로서 태양광 패널(110)즉, 분산 전원(PV array)만을 포함하고 있다.
태양광 패널(110)의 PV(Photovoltaic) array는 셀을 모아 PV 모듈을 만들고, PV 모듈을 모아 PV 어레이가 되는 것이다. PV 어레이는 4개 이상의 모듈을 모아서 하나의 어레이로 구성하는 것이 일반적이다. 하지만 요즈음에는 박막태양전지 같이 소형 셀의 개념을 벗어난 제품들이 등장하고 있어 그 개념도 모호해지고 있다.
DC-AC 인버터(120)는 BOS(balance of system equipment)의 구성요소를 포함시키기도 하고, 태양광으로 만들어진 직류전기를 가정이나 기업에서 사용가능한 교류로 변환해주는 장치이다.
BOS는 시스템을 안정적으로 운영할 수 있도록 하는 장비나 구성의 집합체를 말한다. 여기에는 배터리, 컨트롤 유닛, 전기배선이나 과충전방지, 접지등의 유틸리티 등을 포함한다.
계량기(Metering)(130)은 에너지를 얼마나 생산했는지 또는 사용했는지를 알려주는 장치이다.
도 2 는 독립형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
독립형 시스템의 계통도(200)는 도2와 같다. 독립형 시스템은 도 1의 계통 연계형과 비교하여 볼 때 태양광 패널(210)에서 생산된 전력이 계통(도 1에서의 140)에 공급되지 않는다는 점에서 가장 큰 차이가 있다.
솔라 패널(210)에서 생성한 전기는 충전 컨트롤러(220)에 의해 배터리(250)를 충전하며 인버터(240)는 배터리(250)에서 발생한 DC 전기를 AC 전기로 전환하여 집(260)에 공급한다. 추가로 날씨가 좋지 않아 패널(210)만으로 전기를 생산할 수 없는 경우에는 제너레이터(230)를 추가로 달아 전기를 생산하여 공급할 수 있다.
도 3 은 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
분산전원(320)과 ESS(310)를 갖춘 계통 연계형 시스템(300)을 도 1에서의 계통 연계형 시스템과 비교하여 보면, 에너지 생산 자원으로서 분산전원인 PV 어레이(320)이외에 에너지 저장 자원으로서 ESS(Energy Storage System)(310)을 추가로 포함하고 있다는 점에서 차이가 있다.
도 3 에서의 부하(load)(360)는 도 1 에서의 가정 또는 댁내에서의 전력소비를 나타내는 것이며, 계통(Grid)(370)과 연결되어 있다.
DC_link(380)를 통하여 좌측단과 우측단이 구분되어 있으며, 좌측단에서의 양방향 DC/DC 컨버터(330) 및 solar 컨버터(340)는 생략될 수 도 있는 구성이다.
양방향 DC/DC 컨버터(330) 및 solar 컨버터(340)는 ESS(310) 및 분산전원(320)에서의 생산된 전력 전압의 승압 또는 감압을 위한 것이다.
solar 컨버터(340)도 역시 DC/DC 컨버터로 분산전원을 제어하기 위한 것이나, ESS를 위한 DC/DC(330)와의 구별을 위하여 solar 컨버터로 명명하였을 뿐이다.
양방향 인버터(350)는 도 1에서의 인버터(120)와 동일하게 DC 전기를 계통에 부하 및 계통에 공급할 수 있는 AC 전기로 변환한다.
서킷 브레이크(390)는 계통 전원과 인버터(350)간의 분리를 위한 것이다.
도 3 에 도시된 분산전원(320)과 ESS(310)를 갖춘 계통 연계형 시스템(300)에서의 ESS(310)는 배터리를 지칭하는 것으로, 분산전원(320) 및/또는 계통(370)으로부터 충전될 수 있다.
또한, 분산전원(320)으로부터 생성되는 발전량이 충족하지 못한 경우에는 ESS(310)을 통하여 계통(370) 또는 부하(360)로 전력을 공급하는 방전동작을 수행하게 된다.
도 3의 시스템은 ESS(310) 즉, 배터리의 용량 및 전압, 전류 사양을 고려하여 설계 제작된다. 도 3의 시스템에서는 시스템 설계시 고려된 사양의 배터리이외의 사양을 사용하기 어려워 분산전원(320)과 ESS(310)을 갖춘 계통 연계형 시스템의 자유도가 매우 제한되는 문제점이 있다. 즉, 배터리 제조업체에 따라 배터리 사양이 다르므로 각각의 배터리 즉 ESS의 사양에 맞는 시스템만을 이용하여 제작해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리 사양에 구속되지 않는 계통 연계형 시스템을 구현하기 위한 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템의 일 측면에 따라,
분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머;
상기 절연 트랜스포머의 제 1 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절하는 제 1 양방향 DC/DC컨버터;
상기 제 1 단에 대향되는 상기 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 제 2 양방향 DC/DC컨버터;를 포함한다.
바람직하게는,
계통 또는 상기 분산전원으로부터 입력되거나 상기 계통으로 출력되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter);를 더 포함한다.
바람직하게는,
상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 상기 제 1 양방향 DC/DC컨버터 사이에 위치된 커패시터;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템의 다른 측면에 따라,
분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
계통 또는 상기 분산전원으로부터 입력되거나 상기 계통으로 출력되는 전력을 저장하는 DC 링크;
상기 DC링크로부터 공급되거나 상기 DC링크에 제공되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter);
상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머를 포함하여 상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터의 승압 또는 감압된 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 DC/DC 컨버터;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 DC/DC 컨버터는
상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 상기 절연 트랜스포머;
상기 절연 트랜스포머의 제 1 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절하는 제 1 양방향 DC/DC컨버터;
상기 제 1 단에 대향되는 상기 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 제 2 양방향 DC/DC컨버터;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 상기 DC/DC 컨버터의 사이에 개재되는 커패시터;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법의 일 측면에 따라,
분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
상기 ESS의 전압을 센싱하는 단계;
상기 ESS의 전류 용량을 산출하는 단계;
상기 ESS의 전압 및 상기 전류 용량을 기초로 절연 트랜스포머의 턴비를 산출하는 단계;
상기 산출된 턴비를 갖도록 상기 절연 트랜스포머의 탭을 전환하는 단계; 및
계통 또는 상기 분산전원으로부터 상기 ESS를 충전하거나 상기 계통에 전력을 공급하여 상기 ESS를 방전시키는 단계;를 포함한다.
바람직하게는,
상기 절연 트랜스포머의 탭은 상기 ESS의 최대 전압과 상기 ESS의 최소 전압을 기초로 결정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
적어도 하나이상의 양방향 DC/DC 컨버터를 통하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 단 및 상기 제 1 단과 대향되는 제 2 단에서의 전압을 조절하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템 및 방법에 의하면, 배터리의 사양에 구속되지 않고 계통 연계형 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 계통연계형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
도 2 는 독립형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
도 3 은 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템의 개략적인 계통도를 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 고효율 배터리 충방전 시스템은 분산전원(또는 PV어레이) 및 ESS(또는 배터리)를 갖춘 계통연계형 시스템에서 배터리의 충방전 회로에 있어서 절연 및 전압을 강압 또는 승압을 목적으로 트랜스포머를 사용하는 경우에 배터리의 용량에 맞는 최적의 트랜스포머의 턴비를 자동으로 바꿀 수 있어 배터리 전압 및 전류의 사양에 따라 시스템을 전체를 변경하지 않고 자유롭게 시스템을 구성하여 사용할 수 있는 특징이 있다.
또한 본 발명의 고효율 배터리 충방전 시스템에 의하면 계통연계형 시스템의 용량은 정해져 있으므로 시스템의 용량에 맞는 배터리를 연결시 배터리의 전압 및 전류와 관계 없이 배터리의 용량을 시스템의 용량에 맞추어 손쉽게 배터리를 연결하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 분산전원 및 ESS를 갖춘 계통연계형 시스템은 종래의 계통연계형 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로 자동으로 탭 전환(Tap charge)이 가능한 절연 트랜스포머를 적용하여 구성된다. 탭 전환(Tap charge)이 가능한 절연트랜스포머를 사용함으로써 배터리 용량에 따른 전압 및 전류의 사양이 바뀌어도 배터리 양방향 충전 컨버터는 최적의 효율을 달성할 수 있는 운전 포인트에서 운전하게 됨으로써 시스템의 효율을 향상 시킬 수 있는 특징이 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템은 스위칭 가능한 복수개의 탭을 가지는 절연 트랜스포머(431), 제 1 양방향 DC/DC 컨버터(432) 및 제 2 양방향 DC/DC 컨버터(433)를 포함한다.
절연 트랜스포머(431)는 ESS 즉 배터리(440)의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능하다.
제 1 양방향 DC/DC 컨버터(432)는 절연 트랜스포머(431)의 제 1 단에 위치하여 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절한다.
제 1 전압이라 함은 배터리 또는 ESS의 충전시에는 DC_링크(410)으로부터 절연 트랜스포머(431)로 입력되는 전압이 될 것이다. 반대로 제 1 전압이라 함은 배터리 또는 ESS의 방전시에는 절연 트랜스포머(431)로부터 DC_링크(410)로 출력되는 전압을 지칭하는 것이다.
제 2 양방향 DC/DC 컨버터(433)는 절연 트랜스포머(431)의 제 1 단에 대향되는 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 ESS의 전압과 매칭시킨다.
제 2 전압이라 함은 제 1 전압과 유사하게 충전과정에서는 절연 트랜스포머(431)의 출력 전압을 지칭하는 것일 것이나 방전 과정에서는 배터리(440)로부터 절연 트랜스포머(431)로 입력되는 전압을 지칭하는 것이다.
본원 발명에서 제 1 전압과 제 2 전압을 동일한 지점에서의 전압을 지칭하는 것이나, 충전과정인지 방전과정인지에 따라 입력되는 지점과 출력하는 지점이 달라 질 수 있다.
본원 발명에서의 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템에서의 고효율 충방전 시스템은 계통(도3의 370) 또는 분산전원(도3의 320)으로부터 입력되거나 계통으로 출력되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter)(420)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
추가하여, 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 제 1 양방향 DC/DC컨버터 사이에 위치된 커패시터(450)를 더 포함할 수 있다.
전체적으로 본원 발명의 시스템은 계통 또는 상기 분산전원으로부터 입력되거나 상기 계통으로 출력되는 전력을 저장하는 DC 링크(410), DC링크로부터 공급되거나 DC링크에 제공되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter)(420) 및 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머를 포함하여 벅-부스트 DC/DC 컨버터의 승압 또는 감압된 전압을 ESS의 전압과 매칭시키는 DC/DC 컨버터(430)를 포함하여 구성된다.
DC/DC 컨버터(430)는 상기에서 이미 언급한 바와 같이 절연 트랜스포머(431), 제 1 양방향 DC/DC컨버터(432) 및 제 2 양방향 DC/DC컨버터(433)를 포함하여 구성된다.
도 5 는 본 발명에 따른 분산전원과 ESS를 갖춘 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본원 발명에서의 분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서 고효율 배터리 충방전 방법은 배터리 또는 ESS의 전압을 센싱하는 단계(S510)로 시작된다.
ESS의 전류 용량을 산출한다(S520).
ESS의 전압 및 전류 용량을 기초로 절연 트랜스포머의 턴비를 산출한다(S530).
산출된 턴비를 갖도록 절연 트랜스포머의 탭을 결정한다(S540).
트랜스포머의 자동 탭 전환을 수행한다(S550).
계통 또는 분산전원으로부터 ESS를 충전하거나 계통에 전력을 공급하여 ESS를 방전시키는 시스템 운전을 시작한다(S560).
S540에서의 절연 트랜스포머의 탭을 결정하는 단계에서 절연 트랜스포머의 탭은 ESS의 최대 전압(S541)과 ESS의 최소 전압(S542)을 기초로 결정되는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에서의 고효율 배터리 충방전 방법은 적어도 하나이상의 양방향 DC/DC 컨버터를 통하여 절연 트랜스포머의 제 1 단 및 제 1 단과 대향되는 제 2 단에서의 전압을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
410 : DC_링크
420 : 벅-부스트 DC/DC 컨버터
450 : 커패시터
430 : DC/DC 컨버터
440 : ESS 또는 배터리

Claims (9)

  1. 분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
    상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머;
    상기 절연 트랜스포머의 제 1 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절하는 제 1 양방향 DC/DC컨버터; 및
    상기 제 1 단에 대향되는 상기 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 제 2 양방향 DC/DC컨버터;를 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    계통 또는 상기 분산전원으로부터 입력되거나 상기 계통으로 출력되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter);를 더 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 상기 제 1 양방향 DC/DC컨버터 사이에 위치된 커패시터;를 더 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  4. 분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
    계통 또는 상기 분산전원으로부터 입력되거나 상기 계통으로 출력되는 전력을 저장하는 DC 링크;
    상기 DC링크로부터 공급되거나 상기 DC링크에 제공되는 전압의 승압 또는 감압을 위한 벅-부스트 DC/DC 컨버터(buck-boost DC/DC converter); 및
    상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 절연 트랜스포머를 포함하여 상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터의 승압 또는 감압된 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 DC/DC 컨버터;를 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는
    상기 ESS의 전압 및 전류에 기초하여 산출된 턴비에 따라 가변하여 탭 전환이 가능한 상기 절연 트랜스포머;
    상기 절연 트랜스포머의 제 1 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 전압을 조절하는 제 1 양방향 DC/DC컨버터; 및
    상기 제 1 단에 대향되는 상기 절연 트랜스포머의 제 2 단에 위치하여 상기 절연 트랜스포머의 제 2 전압을 상기 ESS의 전압과 매칭시키는 제 2 양방향 DC/DC컨버터;를 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 상기 DC/DC 컨버터의 사이에 개재되는 커패시터;를 더 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 시스템.
  7. 분산전원과 ESS(Energy Storage System)를 갖춘 계통 연계형 시스템에 있어서,
    상기 ESS의 전압을 센싱하는 단계;
    상기 ESS의 전류 용량을 산출하는 단계;
    상기 ESS의 전압 및 상기 전류 용량을 기초로 절연 트랜스포머의 턴비를 산출하는 단계;
    상기 산출된 턴비를 갖도록 상기 절연 트랜스포머의 탭을 전환하는 단계; 및
    계통 또는 상기 분산전원으로부터 상기 ESS를 충전하거나 상기 계통에 전력을 공급하여 상기 ESS를 방전시키는 단계;를 포함하는 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 절연 트랜스포머의 탭은 상기 ESS의 최대 전압과 상기 ESS의 최소 전압을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    적어도 하나이상의 양방향 DC/DC 컨버터를 통하여 상기 절연 트랜스포머의 제 1 단 및 상기 제 1 단과 대향되는 제 2 단에서의 전압을 조절하는 단계;를 더 포함하는, 계통 연계형 시스템에서의 고효율 배터리 충방전 방법.
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