KR20180099276A - 에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템 - Google Patents

에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템은, 계통에 연결된 무정전 전원 공급 시스템에 있어서, 상기 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터와 직렬 연결되고, 상기 제1 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 부하에 전달하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터 사이의 노드에 전기적으로 연결되어 충방전을 수행하는 배터리, 및 상기 배터리 및 상기 노드 사이에 연결되고 양단에 걸린 직류 전압의 크기를 변환하는 제3 컨버터를 포함하되, 상기 제3 컨버터는, 상기 노드의 전압이 미리 결정된 한계 전압보다 낮은 경우, 상기 노드에 상기 배터리에 저장된 전력을 제공하는 UPS 모드로 동작한다.

Description

에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템{UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEM INCLUDING ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 사고 시 에너지 저장 장치의 응답 속도를 향상시키고, 지령 간의 관계를 간소화한 무정전 전원 공급 시스템에 관한 것이다.
무정전 전원 공급 시스템(Energy Storage System)은 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장한 후, 전력이 필요한 시기에 선택적, 효율적으로 사용하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.
무정전 전원 공급 시스템은 시간대 및 계절별 변동이 큰 전기부하를 평준화시켜 전반적인 부하율을 향상시킬 경우, 발전 단가를 낮출 수 있으며 전력설비 증설에 필요한 투자비와 운전비 등을 절감할 수 있어서 전기요금을 인하하고 에너지를 절약할 수 있다.
이러한 무정전 전원 공급 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
무정전 전원 공급 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
한편 이러한 무정전 전원 공급 시스템은 각각의 구성요소를 제어하는 상위 제어기를 포함하며, 상위 제어기(Programmable Logic Controller; 이하 PLC)는 각각의 구성요소와 통신하여 현재 동작 상태를 판단한다. PLC는 무정전 전원 공급 시스템의 모든 시퀀스 동작을 관제하며 각각의 상황에 따라 각 구성요소에 지령을 내려 동작을 수행하게 한다. PLC와 각각의 구성요소는 무선 또는 유선 통신방식으로 통신하게 된다.
무정전 전원 공급 시스템은 PLC와 각각의 구성 요소 간의 통신으로 연결되는 방식을 이용하는데, 회로가 복잡해지고 구성요소가 늘어남에 따라 연결의 복잡도가 증가되고 성능이 제한되는 문제점이 있었다.
구체적으로, 무정전 전원 공급 시스템에서 통신으로 연결되는 형태의 복잡성이 증대됨에 따라 통신 신호에 대한 간섭이 발생하고, 이에 따라 동작 중 오류를 발생할 수 있는 확률이 높아지며, 무정전 전원 공급 모드(Uninterruptible Power Supply; 이하 UPS)에 대한 동작이 느려지는 문제점이 있었다.
본 발명은, PLC 로부터 지령을 받기 이전에 에너지 저장 장치의 DC-DC 컨버터에서 능동적으로 UPS 모드의 동작 여부를 판단하여 무정전 전원을 공급함으로써, 사고 시 빠른 응답 속도와 제어 및 지령간의 관계를 간소화할 수 있는 구조 및 동작 방법을 수행하는 무정전 전원 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템은, 계통에 연결된 무정전 전원 공급 시스템에 있어서, 상기 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터와 직렬 연결되고, 상기 제1 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 부하에 전달하는 제2 컨버터, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터 사이의 노드에 전기적으로 연결되어 충방전을 수행하는 배터리, 및 상기 배터리 및 상기 노드 사이에 연결되고 양단에 걸린 직류 전압의 크기를 변환하는 제3 컨버터를 포함하되, 상기 제3 컨버터는, 상기 노드의 전압이 미리 결정된 한계 전압보다 낮은 경우, 상기 노드에 상기 배터리에 저장된 전력을 제공하는 UPS 모드로 동작한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 컨버터로부터 동작 상태에 대한 정보를 수신하고, 상기 제1 및 제2 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 제3 컨버터의 동작 모드에 대한 지령을 생성하여 상기 제3 컨버터에 전달하는 PLC를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터에서 상기 노드의 전압을 센싱하여 이를 기초로 동작 모드를 결정하는 제1 반응 단위 시간은, 상기 PLC에서 상기 제3 컨버터의 동작 모드에 대한 지령을 갱신하는 제2 반응 단위 시간보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터는, 상기 제1 반응 단위 시간을 누적하여 동작 시간을 계산하고, 상기 동작 시간이 상기 제2 반응 단위 시간보다 작은 경우, 상기 제3 컨버터의 동작 모드를 유지할 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터는, 상기 PLC로부터 동작 모드에 대한 지령을 수신하는 경우, 수신된 상기 지령에 따른 동작 모드로 동작할 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터는, 상기 PLC로부터 충전 동작에 대한 지령을 수신하는 경우, 상기 배터리의 전압 레벨에 따라 홀드 모드(Hold mode) 또는 충전 모드(Charge mode)로 동작할 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터는, 상기 노드의 전압이 미리 정해진 한계 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 전압 레벨에 따라 서로 다른 방식으로 동작할 수 있다.
또한, 상기 배터리가 완충 상태인 제1 레벨인 경우, 상기 제3 컨버터는 홀드 모드(Hold mode)로 동작하고, 상기 배터리가 상기 제1 레벨보다 작은 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 충전시키는 충전 모드(Charge mode)로 동작할 수 있다.
또한, 상기 배터리가 상기 제1 레벨과 상기 제1 레벨보다 작은 제2 레벨 사이의 영역인 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 제1 방식으로 충전하고, 상기 배터리가 상기 제2 레벨과 상기 제2 레벨보다 작은 제3 레벨 사이의 영역인 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 상기 제1 방식과 다른 제2 방식으로 충전할 수 있다.
또한, 상기 제3 컨버터는, 상기 배터리의 전압 레벨이 미리 정해진 배터리 최소 전압 레벨보다 큰 경우, 상기 UPS 모드로 동작할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템은, PLC 로부터 지령을 받기 이전에 에너지 저장 장치의 DC-DC 컨버터에서 능동적으로 무정전 전원을 공급함으로써, 사고 시 빠른 응답 속도를 확보하고 제어 및 지령간의 관계를 간소화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템의 에너지 저장 장치에 포함된 Dc-DC 컨버터의 동작 제어 알고리즘을 간소화함에 따라, 사고 시 에너지 저장 장치의 응답 속도를 향상시킬 수 있고, 각 구성 요소 간 통신 연결의 복잡성을 완화시켜 통신 오류 확률을 낮출 수 있으며, 이를 통해 무정전 전원 공급 시스템의 안정성 또한 향상시킬 수 있다. 또한, 무정전 전원 공급 시스템의 유지 보수 및 관리가 용이해지며, 시스템을 관리하는데 필요한 여러 가지 자원 및 비용을 감소시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 나타내는 위한 블록 회로도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 일반 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 충전 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 UPS 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 동작 알고리즘을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 에너지 저장 장치에 포함된 배터리의 충전 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 일단에 연결된 노드에 대한 전압을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 동작 알고리즘을 설명하기 위한 순서도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 포함하는 무정전 전원 공급 시스템에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템을 나타내는 위한 블록 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템은 계통(AC GRID)(110), 제1 컨버터(120), 제2 컨버터(130), 제1 부하(135), 및 에너지 저장 장치(200)를 포함한다. 또한, 무정전 전원 공급 시스템의 각 구성요소를 제어하는 PLC(300)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 계통(AC GRID)(110)은 스위치(AC_CB1)를 통해 제1 컨버터(120)에 교류 전압을 제공한다.
제1 컨버터(120)는 계통(110)에서 제공하는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터를 포함한다. 이때, 제1 컨버터(120)는 AC-DC IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)형 컨버터를 포함하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 컨버터(120)와 계통(110) 사이에는 스위치(AC_CB2)가 배치될 수 있다. 스위치(AC_CB2)는 교류 전압 전송 라인을 전기적으로 연결시키거나 단절시킬 수 있다. 제1 컨버터(120)와 스위치(AC_CB2)는 PLC(300)의 지령에 의해 제어될 수 있다.
제2 컨버터(130)는 제1 컨버터(120)와 직렬로 연결되며 제1 컨버터(120)가 제공하는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 부하(135)에 전달할 수 있다. 이때, 제2 컨버터(130)는 DC-AC IGBT형 컨버터를 포함하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 컨버터(130)와 제1 컨버터(120) 사이에는 복수의 스위치(DC_CB1, DC_CB2)가 배치될 수 있다. 복수의 스위치(DC_CB1, DC_CB2)는 직류 전압 전송 라인을 전기적으로 연결시키거나 단절시킬 수 있다. 마찬가지로, 제2 컨버터(130)와 복수의 스위치(DC_CB1, DC_CB2)는 PLC(300)의 지령에 의해 제어될 수 있다.
제1 부하(135)는 전력을 소모하는 다양한 전자 장치 및 설비가 될 수 있다.
에너지 저장 장치(200)는 제1 컨버터(120)와 제2 컨버터(130) 사이에 직접적으로 연결될 수 있다. 이때, 에너지 저장 장치(200)는 PLC(300)의 지령을 수신하기 전에 제1 컨버터(120)와 제2 컨버터(130) 사이의 노드(N1)의 전압을 측정하여, 노드(N1)의 전압이 기준 전압보다 낮아지는 경우, 자동으로 제2 컨버터(130)에 배터리(220)의 전력을 전달할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 이하에서 후술하도록 한다.
에너지 저장 장치(200)는 제3 컨버터(210)와 배터리(220)를 포함할 수 있다. 이때, 배터리(220)는 도면 상에는 하나만 표시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 배터리 셀을 포함하거나, 병렬, 직렬 또는 직병렬로 연결된 배터리 구조체가 될 수 있다. 배터리(220)는 계통(110)으로부터 전력을 전달받아 충전되거나, 저장된 전력을 제1 부하(135)에 제공할 수 있다.
제3 컨버터(210)는 제1 컨버터(120) 및 제2 컨버터(130) 사이의 노드(N1)와, 배터리(220) 사이에 위치하며, 배터리(220)가 일정한 전력을 출력하거나 입력받도록 양단에 걸린 직류 전압의 크기를 변환할 수 있다. 이때, 제2 컨버터(130)는 DC-DC IGBT형 컨버터를 포함하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제3 컨버터(210)는 양방향 컨버터로 동작할 수 있다. 따라서, 제3 컨버터(210)의 충/방전 회로는 하나로 통합되어 구성될 수 있다. 제3 컨버터(210)는 'UPS 모드'로 동작하지 않는 경우 배터리(220)를 충전시킬 수 있으며, 제3 컨버터(210)는 자체적으로 배터리(220)의 충전률(State of Charge; SOC)을 관리할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서 에너지 저장 장치(200)가 무정전 전원 공급 시스템 내에 하나만 포함되어 있는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 에너지 저장 장치(200)를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 에너지 저장 장치(200)는 동일한 노드에 병렬로 연결되거나, 서로 직렬로 연결될 수 있다.
에너지 저장 장치(200)의 제3 컨버터(210)는, 제1 컨버터(120)가 정상적으로 동작하는 경우, 노드(N1) 사이에 위치한 스위치(DC_CB3)를 오프 시킨다. 이러한 에너지 저장 장치(200)의 상태에는 '정지 모드(Stop mode)' '대기 모드(Standby mode)', '홀드 모드(Hold mode)' 가 있을 수 있다.
구체적으로, '정지 모드(Stop mode)'는 모든 동작을 정지하는 것을 의미한다. '대기 모드(Standby mode)'는 에너지 저장 장치(200)가 노드(N1)에 대한 전압 모니터링 수행 없이 대기중인 상태를 의미한다. '홀드 모드(Hold ode)'는 '대기 모드(Standby mode)'와 반대로 에너지 저장 장치(200)가 노드(N1)에 대한 전압 모니터링을 수행하면서 대기 중인 상태를 의미한다. 이 경우, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)의 전압이 하강되는 경우, 'UPS 모드(UPS mode)'로 전환되어 동작할 수 있다.
또한, 배터리(220)의 충전률(State of Charge; SOC)이 미리 설정된 값보다 낮아지면, 에너지 저장 장치(200)는 스위치(DC_CB3)를 턴온시켜 배터리(220)를 충전한다. 이러한 에너지 저장 장치(200)의 상태를 '충전 모드(Charge Mode)'라 한다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 에너지 저장 장치(200)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)과 무관하게 노드(N1)의 전압(Vdc)에 따라 바로 '충전 모드'로 동작하는 '상시 충전 방식'이 이용될 수 있다.
또한, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)의 전압 레벨을 실시간으로 모니터링함으로써 계통(110) 또는 제1 컨버터(120)의 이상 동작을 검출할 수 있다. 이 경우, 에너지 저장 장치(200)는 스위치(DC_CB3)를 턴온시켜 배터리(220)에 저장된 전력을 제1 부하(135)에 전달한다. 이러한 에너지 저장 장치(200)의 상태를 'UPS 모드(UPS Mode)'라 한다.
이러한 에너지 저장 장치(200)의 동작 알고리즘에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
PLC(300)는 제1 컨버터(120), 제2 컨버터(130) 및 제3 컨버터(210)의 동작 상태를 수신하고, 이를 기초로 무정전 전원 공급 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로, PLC(300)는 수신된 제1 컨버터(120), 제2 컨버터(130) 및 제3 컨버터(210)의 동작 상태를 이용하여 에너지 저장 장치(200)의 동작 모드를 판단하고, 이를 기초로 무정전 전원 공급 시스템의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, PLC(300)는 제1 컨버터(120)의 동작 상태가 고장이라고 판단되는 경우, 에너지 저장 장치(200)의 동작 모드를 UPS 모드로 판단하고, 제1 컨버터(120)를 리셋시킬 수 있다. 또한, PLC(300)는 제2 컨버터(130)이 동작 상태가 고장이라고 판단되는 경우, 안전을 위해 무정전 전원 공급 시스템을 정지시킬 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
PLC(300)는 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 각 구성요소와 무선 또는 유선으로 통신할 수 있다. 예를 들어, PLC(300)는 무정전 전원 공급 시스템의 제1 컨버터(120), 제2 컨버터(130) 및 제3 컨버터(210)와 RS 485, CAN, TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol), UDP(User Datagram Protocol)과 같은 프로토콜 기반의 데이터 통신을 수행할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, PLC(300)는 에너지 저장 장치(200)의 동작 모드를 기초로 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, PLC(300)는 제1 컨버터(120), 제2 컨버터(130) 및 제3 컨버터(210)의 동작을 제어하며, 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 스위치(AC_CB1, AC_CB2, DC_CB1, DC_CB2)의 동작을 제어할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 일반 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 충전 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 UPS 모드에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템이 '일반 모드'로 동작하는 것을 나타낸다. 이러한 '일반 모드'에서 에너지 저장 장치(200)는 앞에서 설명한 '정지 모드(Stop mode)' '대기 모드(Standby mode)', '홀드 모드(Hold mode)로 동작할 수 있다.
이 경우, 계통(110)의 교류 전압은 제1 컨버터(120)에 의해 직류 전압으로 변환된다. 이어서, 제1 컨버터(120)의 출력인 직류 전압은 제2 컨버터(130)에 전달되어 교류 전압으로 변환되어 제1 부하(135)에 전달된다.
이때, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)와 분리된다. 구체적으로, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)의 전압(Vdc)와 미리 정해진 한계 전압(Vdc_limit)을 비교하여, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 한계 전압(Vdc_limit)보다 큰 경우 전기적으로 분리된다. 이 경우, 에너지 저장 장치(200)는 PLC(300)로부터 충전 명령을 받거나, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 완충 상태가 아닌 경우 '충전 모드'로 동작할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템이 '충전 모드'로 동작하는 것을 나타낸다. 에너지 저장 장치(200)는 '일반 모드' 상태에서 PLC(300)로부터 충전 명령을 받거나, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)을 체크하여 배터리(220)가 완충 상태가 아닌 경우, '충전 모드'로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 에너지 저장 장치(200)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 미리 정한 전압 레벨보다 작은 경우, '충전 모드'로 동작할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5 및 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.
에너지 저장 장치(200)가 '충전 모드'로 동작하는 경우, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)와 전기적으로 연결된다. 이때, 제3 컨버터(210)는 노드(N1)의 전원을 변환하여 배터리(220)에 전달함으로써 배터리(220)를 충전시킨다.
이어서, 에너지 저장 장치(200)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 완충 전압 레벨과 같아지는 경우, '충전 모드'를 중단시킨다.
다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 에너지 저장 장치(200)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)과 무관하게 노드(N1)의 전압(Vdc)에 따라 바로 '충전 모드'로 동작하는 '상시 충전 방식'이 이용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템이 'UPS 모드'로 동작하는 것을 나타낸다.
이 경우, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)와 연결되고, 제1 컨버터(120)는 노드(N1)와 분리된다. 구체적으로, 제1 컨버터(120)에 이상이 발생하여 계통(110)의 전원을 제대로 전달하지 못하는 경우, 노드(N1)의 전압(Vdc)은 낮아지게 된다.
이때, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)의 전압(Vdc)을 일정 수준으로 유지시키도록 동작할 수 있으며, 이에 따라 제1 부하(135)에 일정한 전력을 전달할 수 있다.
예를 들어, 에너지 저장 장치(200)는 노드(N1)의 전압(Vdc)와 미리 정해진 한계 전압(Vdc_limit)을 비교하여, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 한계 전압(Vdc_limit)보다 작은 경우, 노드(N1)에 전기적으로 연결된다.
이때, PLC(300)는 에너지 저장 장치(200)의 동작 모드를 확인하여 에너지 저장 장치(200)의 동작 모드가 'UPS 모드'로 동작하는 경우, 제1 컨버터(120)의 양측의 스위치(AC_CB2, DC_CB1)를 턴오프 시킬 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 에너지 저장 장치(200)가 직접 제1 컨버터(120)의 양측의 스위치(AC_CB2, DC_CB1)를 턴오프 시킬 수 있다.
이를 통해, 에너지 저장 장치(200)는 제1 부하(135)에 일정한 크기의 전력을 지속적으로 전달할 수 있다.
이하에서는 에너지 저장 장치(200)에 포함된 DC-DC 컨버터인 제3 컨버터(210)의 동작 알고리즘에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 동작 알고리즘을 설명하기 위한 순서도이다. 도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 에너지 저장 장치에 포함된 배터리의 충전 방식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 에너지 저장 장치(200)의 제3 컨버터(210)는 우선, 에너지 저장 장치(200)는 기본적으로 '홀드 모드'를 기본값으로 동작한다.
이어서, 노드(N1)의 전압(Vdc)과 미리 정한 한계 전압(Vdc_limit)을 비교한다(S110).
이어서, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 미리 정한 한계 전압(Vdc_limit)보다 작은 경우, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 최소 전압 레벨(Vbat_Min)보다 큰지 여부를 판단한다(S120). 노드(N1)의 전압(Vdc)이 낮아지는 원인으로 예를 들어, 제1 컨버터(120)의 고장이나 계통(110) 전압의 불안정 등이 있을 수 있다.
이어서, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 최소 전압 레벨(Vbat_Min)보다 작은 경우, 배터리(220)는 노드(N1) 또는 부하(135)에 전력을 제공하기 충분하지 않은 상태를 의미하므로, 이 경우, S110 단계를 반복 수행한다.
반면, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 최소 전압 레벨(Vbat_Min)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)를 방전(Discharge)시키는 'UPS 모드'로 동작한다(S130). 이때, 제3 컨버터(210)는 PLC(300)에 에너지 저장 장치(200)가 'UPS 모드'로 동작함을 알리는 지령을 전달할 수 있다. 다만, 제3 컨버터(210)에서 PLC(300)로 지령이 전달되는 반응 단위 시간은 제3 컨버터(210)의 동작에 대한 반응 단위 시간보다 길기에 제3 컨버터(210)는 PLC(300)로부터 동작 모드에 대한 지령을 수신하기 전, 능동적으로 먼저 동작할 수 있다.
이어서, 제3 컨버터(210)는 노드의 전압을 센싱하여 이를 기초로 동작 모드를 결정하는 제1 반응 단위 시간을 누적하여 동작 시간(T)을 계산하고, 상기 동작 시간이 PLC(300)에서 제3 컨버터(210)의 동작 모드에 대한 지령을 갱신하는 제2 반응 단위 시간(예를 들어, 딜레이 시간(Delay time))보다 큰지 여부를 판단한다(S140).
만약, 제3 컨버터(210)의 'UPS 모드'에 대한 동작 시간(T)이 제2 반응 단위 시간(예를 들어, 딜레이 시간(Delay time))보다 작은 경우, 제3 컨버터(210)는 S120 단계 내지 S140 단계를 반복 수행한다. 즉, 제3 컨버터(210)는 계속해서 'UPS 모드'로 동작할 수 있다.
반면, 제3 컨버터(210)의 'UPS 모드'에 대한 동작 시간(T)이 제2 반응 단위 시간(예를 들어, 딜레이 시간(Delay time))보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 PLC(300)로부터 'UPS 모드'로 동작하라는 지령이 수신되는 지 여부를 판단한다(S150).
만약, 제3 컨버터(210)가 PLC(300)로부터 'UPS 모드'로 동작하라는 지령을 수신하는 경우, 제3 컨버터(210)는 S120 단계 내지 S150 단계를 반복 수행한다. 이때, 제3 컨버터(210)는 계속해서 'UPS 모드'로 동작할 수 있다.
S150 단계는 노드(N1)의 전압(Vdc)과 미리 정한 한계 전압(Vdc_limit)보다 아래로 떨어졌음에도 불구하고 제3 컨버터(210)가 자체적으로 'UPS 모드'로 동작하지 않는 경우, PLC(300)가 강제로 'UPS 모드'로 동작하라는 지령을 전달하는 것을 의미한다. 이를 통해, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템은 무정전 전원 공급을 위한 2차적인 안전 장치를 구현할 수 있다.
반면, 제3 컨버터(210)가 PLC(300)로부터 'UPS 모드'가 아닌 다른 동작 모드로 동작하라는 지령을 수신하는 경우, 제3 컨버터(210)는 상기 지령의 동작 모드로 동작하거나, 앞에서 설명한 S110 단계로 회귀하게 된다.
이와 반대로, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 한계 전압(Vdc_limit)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)를 충전(Charge)시키는 '충전 모드'로 동작한다.
이어서, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)을 체크하여, 전압 레벨(Vbat)에 따라 서로 다른 방식으로 동작한다(S170).
만약, 도 6을 함께 참조하면, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 완충 전압 레벨(Over Voltage Limit; 이하 OVL)인 경우, 제3 컨버터(210)는 '홀드 모드'로 동작한다(S172).
이와 다르게, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 제2 영역(Region 2)에 있는 경우, 즉, 전압 레벨(Vbat)이 완충 전압 레벨(OVL)보다 작고, 기준 전압 레벨(Voltage max)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 'CV 모드(CV mode)'로 배터리(220)를 충전한다(S174).
반면, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 제1 영역(Region 1)에 있는 경우, 즉, 기준 전압 레벨(Voltage max)보다 작고, 최저 전압 레벨(Under Voltage Limit; 이하 UVL)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 'CV 모드'와 다른 'CC 모드(CC mode)'로 배터리(220)를 충전한다(S176). 여기에서, 'CV 모드'와 'CC 모드'는 종래의 기술에 대한 내용이므로 자세한 내용은 생략하도록 한다.
또한, 도 6에서는, 최저 전압 레벨(UVL)은 최소 전압 레벨(Vbat_Min)과 상이한 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 최저 전압 레벨(UVL)과 최소 전압 레벨(Vbat_Min)은 동일할 수 있다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 일단에 연결된 노드에 대한 전압을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 노드(N1)에서의 전압(Vdc)의 변화를 나타낸다.
본 발명의 제3 컨버터(210)는 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 알고리즘을 통해 동작하며, 노드(N1)의 전압(Vdc)은 정상 상태에서 한계 전압(Vdc_limit)보다 높게 유지된다.
다만, 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 구성요소 중 일부가 고장이 나거나 정상적으로 동작하지 않는 경우, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 낮아질 수 있다.
이때, 노드(N1)의 전압(Vdc)이 미리 정한 한계 전압(Vdc_limit)보다 작아지는 경우, 제3 컨버터(210)는 'UPS 모드'로 동작하게 되며, 배터리(220)에 저장된 전력을 노드(N1)에 제공한다.
이러한 제3 컨버터(210)의 동작 반응 속도는 A 구간에 해당하며 약 5msec 이하의 반응 속도로 동작할 수 있다.
이어서, 제3 컨버터(210)는 노드(N1)의 전압(Vdc)이 한계 전압(Vdc_limit)보다 높아져서 정상 범위로 돌아올 때까지, 'UPS 모드'로 동작하게 되며, 이는 B 구간에 해당한다. B 구간은 약 20msec 이하가 될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이를 통해, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 에너지 저장 장치(200)는 PLC(300)로부터 동작 지령을 받지 않고, 능동적으로 동작 모드를 전환하여 무정전 전원을 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 에너지 저장 장치(200)의 제3 컨버터(210)는 PLC(300)의 지령을 수신하지 않고, 능동적으로 UPS 모드의 동작 여부를 판단하여 무정전 전원을 공급함으로써, 사고시 빠른 응답 속도를 확보하고, PLC(300)로부터 수신하는 데이터 교환을 간소화시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템의 제3 컨버터(210)에 대한 동작 제어 알고리즘은 간소화되며, 이에 따라, 무정전 전원 공급 시스템에 오류가 발생하는 경우 에너지 저장 장치(200)의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 무정전 전원 공급 시스템의 각 구성 요소 간 통신 연결의 복잡성을 완화시켜 통신 오류 확률을 낮출 수 있으며, 무정전 전원 공급 시스템의 안정성 또한 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 동작 알고리즘을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 동일한 사항에 대해서는 중복된 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템에 포함된 DC-DC 컨버터의 동작 알고리즘은 도 5를 참조하여 설명한 알고리즘과 유사하다.
구체적으로, 본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 알고리즘의 S210 내지 S250 단계는, 도 5의 S110 내지 S150 단계와 실질적으로 동일하게 동작한다.
다만, 본 발명의 다른 몇몇 실시예에 따른 무정전 전원 공급 시스템의 알고리즘은, S210 단계에서 노드(N1)의 전압(Vdc)이 한계 전압(Vdc_limit)보다 큰 경우, PLC(300)로부터 '충전 모드'에 대한 지령이 수신되었는지 여부를 판단한다(S260).
만약, PLC(300)로부터 '충전 모드'에 대한 지령이 수신되지 않는 경우, 제3 컨버터(210)는 '홀드 모드'로 동작한다(S272).
반면, PLC(300)로부터 '충전 모드'에 대한 지령이 수신되는 경우, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)를 충전(Charge)시키는 '충전 모드'로 동작한다.
이어서, 제3 컨버터(210)는 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)을 체크하여, 전압 레벨(Vbat)에 따라 서로 다른 방식으로 동작한다(S270).
만약, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 완충 전압 레벨(Over Voltage Limit; 이하 OVL)인 경우, 제3 컨버터(210)는 '홀드 모드'로 동작한다(S272).
이와 다르게, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 제2 영역(Region 2)에 있는 경우, 즉, 전압 레벨(Vbat)이 완충 전압 레벨(OVL)보다 작고, 기준 전압 레벨(Voltage max)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 'CV 모드(CV mode)'로 배터리(220)를 충전한다(S274).
반면, 배터리(220)의 전압 레벨(Vbat)이 제1 영역(Region 1)에 있는 경우, 즉, 기준 전압 레벨(Voltage max)보다 작고, 최저 전압 레벨(Under Voltage Limit; 이하 UVL)보다 큰 경우, 제3 컨버터(210)는 'CV 모드'와 다른 'CC 모드(CC mode)'로 배터리(220)를 충전한다(S276).
이를 통해, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템에서 에너지 저장 장치(200)의 제3 컨버터(210)는 PLC(300)의 지령을 수신하지 않고도, 능동적으로 UPS 모드의 동작 여부를 판단하여 무정전 전원을 공급함으로써, 사고시 빠른 응답 속도를 확보하고, PLC(300)로부터 수신하는 데이터 교환을 간소화시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 무정전 전원 공급 시스템의 제3 컨버터(210)에 대한 동작 제어 알고리즘은 간소화되며, 이에 따라, 무정전 전원 공급 시스템에 오류가 발생하는 경우 에너지 저장 장치(200)의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 무정전 전원 공급 시스템의 각 구성 요소 간 통신 연결의 복잡성을 완화시켜 통신 오류 확률을 낮출 수 있으며, 무정전 전원 공급 시스템의 안정성 또한 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 계통 120: 제1 컨버터
130: 제2 컨버터 135: 제1 부하
200: 에너지 저장 장치 210: 제3 컨버터
220: 배터리 300: PLC

Claims (10)

  1. 계통에 연결된 무정전 전원 공급 시스템에 있어서,
    상기 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터;
    상기 제1 컨버터와 직렬 연결되고, 상기 제1 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 제1 부하에 전달하는 제2 컨버터;
    상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터 사이의 노드에 전기적으로 연결되어 충방전을 수행하는 배터리; 및
    상기 배터리 및 상기 노드 사이에 연결되고 양단에 걸린 직류 전압의 크기를 변환하는 제3 컨버터를 포함하되,
    상기 제3 컨버터는,
    상기 노드의 전압이 미리 결정된 한계 전압보다 낮은 경우, 상기 노드에 상기 배터리에 저장된 전력을 제공하는 UPS 모드로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 컨버터로부터 동작 상태에 대한 정보를 수신하고, 상기 제1 및 제2 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 제3 컨버터의 동작 모드에 대한 지령을 생성하여 상기 제3 컨버터에 전달하는 PLC를 더 포함하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터에서 상기 노드의 전압을 센싱하여 이를 기초로 동작 모드를 결정하는 제1 반응 단위 시간은, 상기 PLC에서 상기 제3 컨버터의 동작 모드에 대한 지령을 갱신하는 제2 반응 단위 시간보다 작은
    무정전 전원 공급 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는, 상기 제1 반응 단위 시간을 누적하여 동작 시간을 계산하고, 상기 동작 시간이 상기 제2 반응 단위 시간보다 작은 경우, 상기 제3 컨버터의 동작 모드를 유지하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는, 상기 PLC로부터 동작 모드에 대한 지령을 수신하는 경우, 수신된 상기 지령에 따른 동작 모드로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는, 상기 PLC로부터 충전 동작에 대한 지령을 수신하는 경우, 상기 배터리의 전압 레벨에 따라 홀드 모드(Hold mode) 또는 충전 모드(Charge mode)로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는, 상기 노드의 전압이 미리 정해진 한계 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 전압 레벨에 따라 서로 다른 방식으로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 배터리가 완충 상태인 제1 레벨인 경우, 상기 제3 컨버터는 홀드 모드(Hold mode)로 동작하고,
    상기 배터리가 상기 제1 레벨보다 작은 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 충전시키는 충전 모드(Charge mode)로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 배터리가 상기 제1 레벨과 상기 제1 레벨보다 작은 제2 레벨 사이의 영역인 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 제1 방식으로 충전하고,
    상기 배터리가 상기 제2 레벨과 상기 제2 레벨보다 작은 제3 레벨 사이의 영역인 경우, 상기 제3 컨버터는 상기 배터리를 상기 제1 방식과 다른 제2 방식으로 충전하는
    무정전 전원 공급 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는, 상기 배터리의 전압 레벨이 미리 정해진 배터리 최소 전압 레벨보다 큰 경우, 상기 UPS 모드로 동작하는
    무정전 전원 공급 시스템.
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