KR20170026034A - 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템 - Google Patents

에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템 Download PDF

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(주) 이이시스
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Abstract

본 발명은 용량확장을 위한 분산형 ESS 인버터의 병렬 운전 알고리즘에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템은, 배터리 뱅크 및 계통전원과 전기적으로 연결되고, 계통전원을 간접전류 제어를 통해 전압 및 전류를 제어하는 마스터 인버터부; 및 상기 마스터 인버터부와 계통전원에 병렬로 연결되고, 출력전류를 제어하는 하나 이상의 슬레이브 인버터부를 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 작은 단위 모듈로 제작된 대용량 계통연계형 시스템으로 인해 용량이 증대될 수 있으며, 단위 모듈의 사이즈를 최소화함으로써, 효율 및 시스템의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템{DISPERSING INVERTER SYSTEM OF ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용량확장을 위한 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템에 관한 것이다.
가정이나 기타 시설에 설치하는 태양광 발전 시스템은 크게 계통연계 시스템과 독립형 시스템이 있다. 그 중 계통연계 시스템은 태양광 모듈에서 생산된 직류전력을 인버터를 통해 교류전력으로 변환하여 각종 전기장치 등의 부하에 공급하고, 동시에 계통 전원에 공급할 수 있는 시스템이다.
그렇지만 종래의 계통연계 시스템은 대한민국 등록특허 제10-1139476호(태양광 및 배터리 시스템을 이용한 계통연계형 하이브리드발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법, 등록일: 2009.04.06, 이하 선행문헌)와 같이, 에너지 저장장치용 인버터 시스템과 태양광 발전 시스템이 개별 시스템으로 분리되어 있어, 서로 유기적인 동작 수행이 불가능한 문제가 있다.
더욱이, 에너지 저장장치가 대형화되려면 대용량 계통 연계형 시스템에서 단일 모듈로 용량을 증가시키려면 수동부품 등의 크기가 커진다. 그에 따라 전체 시스템의 크기가 커지고 단가가 상승하는 요인이 된다. 또한, 단일 부품으로 제작시 시스템의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1139476호(2009.04.06)
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 큰 수동부품을 사용하지 않으면서 대용량 계통 연계형 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 용량확장을 위한 분산형 ESS 인버터의 병렬 운전 알고리즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템은, 배터리 뱅크 및 계통전원과 전기적으로 연결되고, 계통전원을 간접전류 제어를 통해 전압 및 전류를 제어하는 마스터 인버터부; 및 상기 마스터 인버터부와 계통전원에 병렬로 연결되고, 출력전류를 제어하는 하나 이상의 슬레이브 인버터부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 마스터 인버터부는, 상기 배터리 뱅크와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 뱅크로 직류전력을 공급하거나 상기 배터리 뱅크에서 공급되는 직류전력을 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터에 직류전력을 공급하고 상기 DC/DC 컨버터에서 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터; 및 상기 인버터에서 변환된 교류전력을 필터링하는 필터를 포함할 수 있다.
그리고 상기 슬레이브 인버터부는, 상기 배터리 뱅크와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 뱅크로 직류전력을 공급하거나 상기 배터리 뱅크에서 공급되는 직류전력을 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터에 직류전력을 공급하고 상기 DC/DC 컨버터에서 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터; 및 상기 인버터에서 변환된 교류전력을 필터링하는 필터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인버터는 양방향 3-레벨 NPC(neutral point clamped) 인버터일 수 있다.
그리고 상기 마스터 인버터부는 부하에 정상적으로 전력이 공급되도록 계통전원이 정상적으로 공급되면 출력되는 전류를 제어하고, 상기 계통전원에 이상이 발생하면 출력되는 전압을 제어할 수 있다.
또한, 상기 슬레이브 인버터부는 상기 마스터 인버터부에서 출력전류의 지령정보와 상기 마스터 인버터부에서 출력되는 출력전류의 정보를 수신하여 출력전류를 제어할 수 있다.
그리고 상기 슬레이브 인버터부는, 상기 마스터 인버터부에서 수신된 지령정보와 상기 마스터 인버터부에서 출력되는 출력전류를 비교하여 상기 마스터 인버터부로 상기 지령정보의 보상정보를 전송할 수 있다.
이때, 상기 슬레이브 인버터부는 상기 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부 간의 순환전류를 제거하기 위해 상기 마스터 인버터부와 동일한 위상제어가 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부는 CAN 통신으로 통신할 수 있다.
그리고 상기 인버터는 상위 캐패시터 전압과 하위 캐패시터 전압을 비교하여 PI 제어기를 통해 오차를 검출하여 제어값을 보상할 수 있다.
또한, 상기 마스터 인버터부는 출력전류와 기준 전류를 비교하고, 제1 PI 제어기를 통해 오차를 검출하며, 상기 제1 PI 제어기를 통해 생성된 기준 전압을 간접전류 제어를 통해 얻은 전압과 비교하여 제2 PI 제어기를 통해 오차를 검출하여 계통전원의 전압의 전향을 보상할 수 있다.
본 발명에 의하면, 작은 단위 모듈로 제작된 대용량 계통연계형 시스템으로 인해 용량이 증대될 수 있으며, 단위 모듈의 사이즈를 최소화함으로써, 효율 및 시스템의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부의 제어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 NPC 인버터의 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 마스터 인버터부의 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 슬레이브 인버터의 전류 제어 블록도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부의 제어 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 NPC 인버터의 제어 블록도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 마스터 인버터부의 제어 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템의 슬레이브 인버터의 전류 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템은 마스터 인버터부(110)와 슬레이브 인버터부(120a)를 포함한다. 이때, 슬레이브 인버터부(120a)는 하나 이상 구비될 수 있다.
마스터 인버터부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 양방향 DC/DC 컨버터, 양방향 3-레벨 NPC(neutral point clamped) 인버터 및 LCL 필터를 포함한다. 그리고 마스터 인버터부(110)는 계통전원과 연계되어 동작하는 계통연계모드와 계통전원과 독립된 상태로 동작하는 독립운전모드로 동작할 수 있다. 그에 따라 마스터 인버터부(110)는 계통연계모드와 독립운전모드 사이에 전환 시 과도 상태가 길지 않도록 간접전류 제어를 수행할 수 있다. 즉, 마스터 인버터부(110)는 계통전원을 간접전류 제어하여 출력전압과 출력전류를 제어할 수 있다. 다시 말해, 마스터 인버터부(110)는 계통연계모드에서 간접 전류 제어를 통해 출력 전류를 제어하고, 독립운전모드에서 출력 전압을 제어하여 과도 상태를 최소화할 수 있다.
마스터 인버터부(110)는 출력전압과 출력 전류를 제어하여 계통전원의 상황에 따라 적절하게 운전될 수 있다. 계통전원이 정상적으로 연결되면 출력전류를 제어하고, 계통전원에 이상이 발생하면 출력전압을 제어하여 부하에 정상적으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
그리고 통상적으로 NPC 인버터는 중성점을 가지고 제어가 이루어짐에 따라 상위 캐패시터와 하위 캐패시터의 전압이 균형을 이루지 못하는 문제가 있다. 그렇지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산형 인버터 시스템에서 마스터 인버터부(110)에 포함된 양방향 3-레벨 NPC 인버터는 도 3에 도시된 바와 같이, 전압 불균형을 해소하기 위해 상위 캐패시터 전압과 하위 캐패시터 전압을 비교하여 PI 제어기를 통해 오차를 검출하여 제어값을 보상할 수 있다. 그리고 보상된 제어값을 최종 출력값에 반영하여 3-레벨 NPC 인버터의 전압 불균형을 해소할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 마스터 인버터부(110)는 출력전류와 레퍼런스 전류를 비교하여 PI 제어기(112a)를 통해 생성된 기준 전압을 간접전류 제어를 통해 얻은 전압과 비교하여 다시 PI 제어기(112b)를 통해 오차를 검출한다. 이렇게 검출된 오차는 계통전원의 전압을 전향 보상할 수 있다.
슬레이브 인버터부(120a)는 하나의 마스터 인버터부(110)에 하나 이상이 설치될 수 있다. 하나 이상의 슬레이브 인버터부(120a)는 마스터 인버터부(110)와 병렬로 연결될 수 있고, 필요한 용량에 따라 슬레이브 인버터부(120a)가 추가로 병렬 연결될 수 있다. 이렇게 다수의 슬레이브 인버터부(120a)가 마스터 인버터부(110)와 병렬 연결됨에 따라 마스터 인버터부(110)에 문제가 발생되면, 다수의 슬레이브 인버터부(120a) 중 어느 하나를 마스터 인버터부(110)로 설정하여 사용할 수 있다.
슬레이브 인버터부(120a)는 상기에서 설명한 바와 같이, 마스터 인버터부(110)와 동일한 구성으로 구성될 수 있다. 즉, 슬레이브 인버터부(120a)는 양방향 DC/DC 컨버터, 양방향 3-레벨 NPC(neutral point clamped) 인버터 및 LCL 필터를 포함한다.
이때, 슬레이브 인버터부(120a)는 마스터 인버터부(110)와 달리 출력전류 제어만 수행한다. 도 2에 도시된 바와 같이 슬레이브 인버터부(120a)는 마스터 인버터부(110)로부터 슬레이브 인버터부(120a)의 출력전류 지령치와 마스터 임버터부의 출력전류 값을 통신을 통해 수신한다. 수신된 정보를 이용하여 출력전류를 제어하여 출력한다. 이때, 슬레이브 인버터부(120a)에서는 마스터 인버터부(110)와의 순환전류를 제거하기 위해 마스터 인버터부(110)와 동일한 위상제어가 이루어질 수 있다. 또한, 슬레이브 인버터부(120a)는 마스터 인버터부(110)와 동일한 기준 위사을 얻기 위해 PLL이 수행될 수 있다.
여기서, 슬레이브 인버터부(120a)는 자신의 출력전류와 마스터 인버터부(110)의 출력전류를 비교하여 비교 정보를 마스터 인버터부(110)로 전송하여 마스터 인버터부(110)에서 전송되는 지령치를 보상할 수 있다. 이렇게 마스터 인버터부(110)에서 슬레이브 인버터부(120a)로 통신을 통해 출력전류의 지령치를 전송함으로써, 슬레이브 인버터부(120a)에서 출력되는 출력전류는 마스터 인버터부(110)에서 출력되는 출력전류와 동일하게 제어될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 슬레이브 인버터부(120a)는 마스터 인버터부(110)로부터 슬레이브 인버터부(120a)의 출력전류 지령치와 마스터 인버터의 출력전류 정보를 수신하고, 수신된 정보를 비교하여 발생되는 오차를 슬레이브 인버터부(120a)의 출력전류 지령치에 반영하여 PI 제어기(122)를 통해 오차를 검출할 수 있다.
이때, 마스터 인버터부(110)와 슬레이브 인버터부(120a) 간의 통신은 CAN 통신을 통해 이루어지며, CAN 통신으로 지령치 등을 상수로 진행함으로써, 통신 지연이나 시스템 불안 등을 해소할 수 있다.
110: 마스터 인버터부
120a, 120n: 슬레이브 인버터부

Claims (11)

  1. 배터리 뱅크 및 계통전원과 전기적으로 연결되고, 계통전원을 간접전류 제어를 통해 전압 및 전류를 제어하는 마스터 인버터부; 및
    상기 마스터 인버터부와 계통전원에 병렬로 연결되고, 출력전류를 제어하는 하나 이상의 슬레이브 인버터부를 포함하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 마스터 인버터부는,
    상기 배터리 뱅크와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 뱅크로 직류전력을 공급하거나 상기 배터리 뱅크에서 공급되는 직류전력을 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터에 직류전력을 공급하고 상기 DC/DC 컨버터에서 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터; 및
    상기 인버터에서 변환된 교류전력을 필터링하는 필터를 포함하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬레이브 인버터부는,
    상기 배터리 뱅크와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 뱅크로 직류전력을 공급하거나 상기 배터리 뱅크에서 공급되는 직류전력을 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터에 직류전력을 공급하고 상기 DC/DC 컨버터에서 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터; 및
    상기 인버터에서 변환된 교류전력을 필터링하는 필터를 포함하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 인버터는 양방향 3-레벨 NPC(neutral point clamped) 인버터인 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 인버터부는 부하에 정상적으로 전력이 공급되도록 계통전원이 정상적으로 공급되면 출력되는 전류를 제어하고, 상기 계통전원에 이상이 발생하면 출력되는 전압을 제어하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬레이브 인버터부는 상기 마스터 인버터부에서 출력전류의 지령정보와 상기 마스터 인버터부에서 출력되는 출력전류의 정보를 수신하여 출력전류를 제어하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬레이브 인버터부는, 상기 마스터 인버터부에서 수신된 지령정보와 상기 마스터 인버터부에서 출력되는 출력전류를 비교하여 상기 마스터 인버터부로 상기 지령정보의 보상정보를 전송하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬레이브 인버터부는 상기 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부 간의 순환전류를 제거하기 위해 상기 마스터 인버터부와 동일한 위상제어가 이루어지는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 마스터 인버터부와 슬레이브 인버터부는 CAN 통신으로 통신하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  10. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 인버터는 상위 캐패시터 전압과 하위 캐패시터 전압을 비교하여 PI 제어기를 통해 오차를 검출하여 제어값을 보상하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 인버터부는 출력전류와 기준 전류를 비교하고, 제1 PI 제어기를 통해 오차를 검출하며, 상기 제1 PI 제어기를 통해 생성된 기준 전압을 간접전류 제어를 통해 얻은 전압과 비교하여 제2 PI 제어기를 통해 오차를 검출하여 계통전원의 전압의 전향을 보상하는 에너지 저장시스템의 분산형 인버터 시스템.
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KR101139476B1 (ko) 2011-10-31 2012-05-07 주식회사 동이에코스 태양광 발전과 축전지 및 상용전원을 통합 제어하는 다기능 전력공급 시스템

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