KR20150121797A - 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 부족의 대안으로 심야전력을 저장하여 두었다가 첨두부하시에 공급해줌으로서 부하평준화를 해주는 에너지 저장장치에 있어서 계통에 전압강
하나 정전이 발생할 경우에 저장된 에너지를 이용하여 부하단에 안정적인 전력을 공급해주는 정전보상 기능을 갖는 에너지저장시스템 관한 것이다.
본 발명의 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은, 계통전원과 부하단 사이에 바이패스 스위치(17)와 상기 바이패스 스위치와 부하단에 병렬로 연결되어 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리를 충전하거나 방전하는 인버터(13) 및 계통에 정전이 발생시 상기 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 영이 되도록 인버터를 제어해주는 컨트롤러(30)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은 계통에 정전이 발생시에 상기 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 영(zero)이 되도록 상기 인버터를 제어함으로서 상기 바이패스 스위치를 빨리 끊을 수 있고 따라서 부하단에 빠른 전원백업을 해주는 효과가 있다.

Description

정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템 {Energy storage system with power backup function}

본 발명은 전력 부족의 대안으로 심야전력을 저장하여 두었다가 첨두부하시에 공급해줌으로서 부하평준화를 해주는 에너지 저장장치에 있어서 계통에 전압강하나 정전이 발생할 경우에 저장된 에너지를 이용하여 부하단에 안정적인 전력을 공급해주는 정전보상 기능을 갖는 에너지저장시스템 관한 것이다.

전력소비의 증가로 여름철 첨두부하 시간대에는 계통의 용량을 초과할 위험에 있다. 이문제를 해결하기 위하여 전력 소비가 적은 심야시간대에 남는 전력을 저장하였다가 첨두부하 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장시스템(ESS : Energy Storage System)에 대한 필요성이 증가하고 있다.

또한 계통의 정전이나 Sag로 인한 반도체 장비나 정밀 제어 시스템과 같은 산업 설비에 미치는 영향은 대단히 크기 때문에, 기존의 에너지저장시스템에 정전보상기능이 요구되고 있다.

[도 1]은 종래의 에너지저장시스템에 정전보상기능을 추가한 시스템의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 종래의 에너지저장시스템은 바이패스 스위치(11), 인버터(13) 및 배터리(14)로 구성된다. 종래의 에너지저장시스템에 계통의 정전이나 Sag를 보상하는 기능 구현을 위해 인버터에 커패스터(15)와 모드 전환 스위치(16)를 추가하여야 한다.

종래의 정전보상기능을 구비한 에너지저장시스템은 정상 동작모드에서는 바이패스 스위치(11)를 통하여 계통전원이 부하에 공급된다. 또한 에너지저장시스템은 전력소비가 적은구간에서 계통전원에 연결된 인버터(13)를 통하여 배터리를 충전하는 배터리 충전 모드로 동작하게 되며, 계통전원에 순간 정전이 발생시 기계적인 바이패스 스위치(11)를 차단시키고 인버터를 통해 배터리에 저장된 에너지를 배터리 방전 모드로 동작하여 부하에 안정적인 교류 전원을 공급하기 위해 커패시터을 연결하는 모드전환 스위치를 온 시킨다.

종래의 에너지저장시스템은 유효전력의 저장 및 전력 공급이 모두 전류 제어모드로 동작하므로, 계통 전원이 차단되는 정전의 경우에는 에너지저장시스템의 인버터가 전압 제어 모드로 동작되어하기 위해서는 커패시터 필터의 추가가 필요하게 된다.

종래의 에너지저장시스템은 정상 모드에서 정전보상 모드로 전환시 기계적으로 동작하는 바이패스 스위치 동작 및 커패시터 추가로 위한 모드전환 스위치의 동작을 위해서는 절체시간이 수백~ 수초가 요구된다. 이는 안정된 전원을 요구하는 주요 부하에 적용하기에는 문제가 많다.

본 발명의 목적은, 정상적인 계통전원이 공급되는 경우에는 정상 모드로 동작하면서 계통에 병렬로 연결된 인버터를 통하여 배터리에 에너지를 저장하거나 부하에 전력을 공급하고, 정전시에는 계통에 병렬로 연결된 인버터로 배터리 에너지를 부하에 공급하는 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템을 제공하는데 있다.

그리고 본 발명의 목적은, 정전시 정상 모드에서 정전보상을 위한 절체 동작을 신속하게 하면서 안정적으로 제어하는 컨트롤러를 구비하여 부하단에 안정적인 전원을 공급하는 에너지저장시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은, 계통전원과 부하단 사이에 들어가는 바이패스 스위치(17)와 상기 바이패스 스위치와 부하에 병렬로 연결되어 교류 전원을 직류 전압으로 변환하여 배터리를 충전하거나 방전하는 인버터(13) 및 계통 전원이 정전시 상기 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로가 되도록 상기 인버터를 제어하여 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로 근방에서 바이패스 스위치를 절체하는 제어를 실행하는 컨트롤러(30)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서 상기 바이패스 스위치는 고압, 고전류 공급이 가능하며 고속 스위칭이 가능한 기계적인 스위치로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 바이패스 스위치는 고압, 고전류 공급이 가능하며 고속 스위칭이 가능한 양방향 사이리스터로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템에서 상기 컨트롤러(30)는 계통전원 정전시 바이패스 스위치로 흐르는 전류의 방향이 계통에서 부하쪽으로 흐르고 있으면 상기 인버터(13)를 전압 제어모드로 제어하여 바이패스 스위치(17)에 흐르는 전류를 제로로 만들고, 바이패스 스위치를 절체하는 제어를 수행한다.

또한, 본 발명에서 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템에서 상기 컨트롤러(30)는 계통전원 정전시 바이패스 스위치로 흐르는 전류의 방향이 부하쪽에서 계통으로 흐르고 있으면 상기 인버터(13)를 전류 제어모드로 제어하여 바이패스 스위치(17)에 흐르는 전류를 제로로 만들고, 상기 인버터(13)는 전압 제어모드로 제어를 전환하고 바이패스 스위치를 절체 하는 제어를 수행한다.

본 발명의 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은 계통전원이 정전시 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로가 되도록 부하에 병렬로 연결된 인버터를 제어하고 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로 근방에서 바이패스 스위치를 절체하는 제어를 실행하므로 바이패스 스위치의 고속 절체가 가능하고 부하단에는 안정적인 교류 전원을 공급하는 효과가 있다.

[도 1]은 종래의 에너지저장시스템에 정전보상기능을 추가한 시스템 구성도
[도 2]는 종래의 에너지저장시스템에 정전보상기능을 추가한 시스템 동작 모드를 도시한 도면
[도 3]는 본 발명에 따른 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템을 도시한 구성도
[도 4]는 본 발명에 따른 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템의 바이패스 스위치 동작모드를 도시한 도면
[도 5]은 본 발명에 따른 정전보상 기능을 설명하기 위해 구성된 흐름도

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[도 1]은 종래의 에너지저장시스템에 정전보상기능을 추가한 시스템 구성도이다. [도 1]을 참조하면, 에너지저장시스템은 바이패스 스위치(11), 인버터(13), 배터리(14)를 포함한다.

에너지저장시스템은 전력 소비가 적은 야간이나 전력이 남는 경우 인버터(13)을 통하여 계통전원(10)을 이용하여 배터리(14)를 충전하게 된다.

[도 2]는 종래의 에너지저장시스템에 정전보상기능을 추가한 시스템 동작 모드를 도시한 도면이다. [도 2](a)에서는 계통전압(10)이 정상적인 경우 바이패스 스위치가 온이 되어 부하(12)에 전력을 공급하게 된다.

[도 2](b)는 부하의 전력 소비가 작거나 유효 전력을 이용하여 배터리(14)를 충전하는 배터리 충전모드로 부하에 연결된 인버터(13)를 동작하게 된다. 이때 인버터는 계통전류를 배터리로 공급하는 전류 제어 모드로 동작하게 된다. 배터리 충전 모드에서의 전류 흐름은 계통에서 배터리로 흐르게 된다.

[도 2](c)는 계통전원에 정전이나 Sag가 발생시 바이패스 스위치를 오프하여 계통전원과 부하의 연결을 차단하고 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 병렬로 연결된 인버터(13)을 통하여 부하에 교류 전압을 공급하는 배터리 방전 모드로 동작하게 된다. 인버터는 부하에 전원을 공급하는 전압 제어 모드로 동작하게 된다. 배터리 방전 모드에서의 전류 흐름은 배터리에서 부하로 흐르게 된다.

[도 3]은 본 발명에 따른 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템을 도시한 구성도이다. [도 3]을 참조하면, 에너지저장시스템은 계통전원과 부하 사이에 바이패스 스위치(11), 인버터(13), 배터리(14), 컨트롤러(30)를 포함한다.

[도 3]의 컨트롤러는 계통전류(20), 계통 전압(22) 및 부하전류(21)에 따라 부하모드와 회생모드를 구분하여 바이패스 스위치 및 인버터(13)를 제어하게 된다.

[도 4]는 본 발명에 따른 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템의 바이패스 스위치 동작모드를 도시한 도면이다. 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은 바이패스 스위치에 흐르는 전류와 계통 전압의 극성에 따라 부하 모드와 회생 모드로 구분하게 된다. [도 4](a)의 부하모드는 부하에서 에너지를 소비하는 모드로 계통전원에서 부하로 에너지가 공급하게 된다. 회생모드에서는 부하에서 에너지가 계통으로 넘어 오게 되므로 계통전압의 역위상의 계통전류가 흐르게 된다.

[도 4](a)의 부하모드에서는 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 제로가 되도록 부하에 병렬로 연결된 인버터를 전압 제어 모드로 제어하게 되면 자동적으로 바이패스 스위치 양단의 전류가 제로가 되어 자동 절체가 발생한다.

[ 도 4](b) 회생모드에서는 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 제로가 되도록 부하에 병렬로 연결된 인버터를 전류 제어 모드로 제어하여 배터리에 부하에서 공급되는 에너지를 저장하므로 바이패스 스위치에 흐르는 전류를 강제로 제로로 만들고, 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 제로 근방에서 병렬로 연결된 인버터를 전압 제어 모드로 전환하고 바이패스 스위치의 절체 동작을 하게 된다.

[도 5]는 본 발명에 따른 정전보상기능을 설명하기 위해 구성된 흐름도이다. [도 5]는 [도 3]의 컨트롤러가 계통전압, 전류 및 부하전류를 검출하여 바이패스 스위치에 흐르는 전류의 동작 모드를 구분하여 정전보상기능을 수행하는 흐름도이다.

[도 5] S1에서 계통전원의 상태를 검출하게 된다. 계통전원이 정전시 계통전압, 전류 및 부하전류를 감시하고 있던 컨트롤러(30)는 계통전원이 정상이 아니므로 [도 5] S1에서 S2로 이동하게 된다. [도 5] S2에서는 바이패스 스위치에 흐르는 전류의 방향으로 부하의 동작 모드를 판단하여 필요한 제어 모드를 호출한다.

[도 5] P1의 전압 제어는 [도 4](a)를 참조하면, 배터리의 에너지를 부하와 연결된 인버터를 통하여 부하에 교류 전압을 공급하게 된다. 이때 공급된 교류 전압은 바이패스 스위치에 역 전압을 인가하게 되어 자동적으로 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 제로가 바이패스 스위치 절체가 가능하게 된다.

[도 5] S2에서 계통전압과 전류의 방향이 회생 동작시에는 P2 제어 모드로 이동하게 된다. [도 5] P2에서는 부하에 연결된 인버터(13)을 전류 제어 모드에서 배터리 충전 제어하게 되면 바이패스 스위치로 흐르는 전류는 제로가 되면서 바이패스 스위치 절체가 가능하게 된다. 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로가 되면 [도 5] S2에서 컨트롤러는 P1 제어 모드를 실행하여 부하에 교류 전압을 공급하게 된다.

본 발명의 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템은 바이패스 스위칭 동작을 바이패스 스위치에 흐르는 전류를 제로는 만드는 제어를 실시하여 바이패스 스위치에 흐르는 전류가 제로가 되는 순간에 바이패스 스위치를 절체하여 정전이나 순간 정전시에도 부하단에는 안정적인 교류 전원을 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 바이패스 스위치로 흐르는 전류를 제로로 만들기 위해 별도의 회도가 필요하지 않으며 에너지저장시스템의 인버터를 사용하여 기능을 구현하므로 제조 단가 및 제품 신뢰성을 높일 수 있다.

10 : 계통 전원 11 : 바이패스 스위치
12 : 부하 13 : 인버터
14 : 배터리 15 : 커패시터 필터
16 : 모드전환 스위치 17 : 바이패스 스위치
20 : 계통 전류 21 : 부하 전류
22 : 계통 전압 30 : 컨트롤러
40 : 사이리스터

Claims (3)

1. 에너지저장시스템에 있어서,
   계통전원과 부하단 사이에 들어가는 바이패스 스위치(17);
   상기 바이패스 스위치와 부하단 사이에 병렬로 연결되어 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리를 충전하거나 방전하는 인버터(13); 및
   계통전원 정전시 상기 인버터를 상기 바이패스 스위치로 흐르는 전류가 제로가 되도록 제어해주는 컨트롤러(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템
2. 제 1항 있어서,
   상기 바이패스 스위치는 기계적인 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템
3. 제 1항 있어서,
   상기 바이패스 스위치는 고속 스위칭이 가능한 양방향 사이리스터(thyristor)로 구성되되 순방향 사이리스터와 역방향 사이리스터를 전류의 방향에 따라서 따로 따로 제어하는 것을 특징으로 하는 정전보상기능을 갖는 에너지저장시스템

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