KR20180127089A

KR20180127089A - 하이브리드 에너지 저장 시스템

Info

Publication number: KR20180127089A
Application number: KR1020170062452A
Authority: KR
Inventors: 이지헌; 김지홍
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-28
Also published as: EP3627648A4; JP2020520226A; WO2018212404A1; US20210111581A1; CN110637403B; JP6929385B2; EP3627648A1; US11139675B2; KR102074686B1; CN110637403A

Abstract

본 발명은 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은 계통 및 계통에 연계된 DC(Direct Current) 배전망의 전력을 관리하는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 있어서, DC 배전망에 연결된 제1 DC-DC 컨버터, 제1 DC-DC 컨버터에 연결되고, 제1 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 슈퍼 커패시터, DC 배전망에 연결된 제2 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터에 연결되고, 제2 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 배터리를 포함하되, 제1 DC-DC 컨버터는 DC 배전망에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링한 후 댐핑 전류를 생성하여 DC 배전망을 안정화시키는 DC 배전망 안정화 제어기를 포함한다.

Description

하이브리드 에너지 저장 시스템{A HYBRID ENERGY STORAGE SYSTEM}

본 발명은 하이브리드 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

최근 대두되고 있는 DC 배전 시스템은 디지털 부하들에 직접 DC(Direct Current) 전력을 공급할 수 있기에 변환 손실을 현저하게 저감할 수 있고, 신재생 에너지원으로부터 직접 전력을 공급받아 사용할 수 있는바, 경제적 효과도 크다는 장점이 있다.

이러한 DC 배전 시스템의 전력을 관리하기 위해 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이 사용되고 있다.

에너지 저장 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.

에너지 저장 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 에너지 저장 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.

또한 에너지 저장 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.

구체적으로, 도 1에는 종래의 에너지 저장 시스템이 도시되어 있다.

도 1은 종래의 에너지 저장 시스템을 설명하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 에너지 저장 시스템(1)은 배터리(100)를 사용하였으며, 배터리(100)는 DC-DC 컨버터(110)에 의해 DC 배전망(30; 즉, DC 계통)에 설치되고, 배터리(100)의 전력은 연계된 DC-DC 컨버터(110)에 의해 제어된다.

참고로, 계통(10)과 DC 배전망(30) 사이에는 계통(10)의 AC(Alternating Current; 교류) 전압을 DC(Direct Current; 직류) 전압으로 변환하여 DC 배전망(30)에 전달하는 AC-DC 컨버터(20)가 배치되고, DC 배전망(30)은 부하(36)와 분산 전원 시스템(33)을 포함할 수 있다.

물론 AC-DC 컨버터(20)는 DC 배전망(30)의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 계통(10)에 전달할 수도 있다. 또한 DC-DC 컨버터(110)는 배터리(100)의 DC 전압을 DC 전압으로 변환하여 DC 배전망(30)에 전달하거나 DC 배전망(30)의 DC 전압을 DC 전압으로 변환하여 배터리(100)에 전달할 수 있다.

여기에서, 부하(36)와 분산 전원 시스템(33)은 복수개 존재할 수 있다.

종래의 에너지 저장 시스템(1)은 분산 전원 시스템(33)과 연계하여 전력을 운용하는 상위 운용 시스템(60; 예를 들어, EMS(Energy Management System)을 포함하는바, 상위 운용 시스템(60)은 분산 전원 시스템(33)의 출력(DG output) 안정화를 위해 퍼지 로직 방식 또는 필터링 방식을 사용한다.

구체적으로, 상위 운용 시스템(60)은 분산 전원 시스템(33)의 출력(DG output) 안정화를 위해 스무싱 제어를 사용하여 에너지 저장 시스템 지령(Pess ref.)을 생성하고, 분산 전원 시스템(33)의 출력(DG output)을 실시간으로 필터링하여 분산 전원 시스템(33)에서 계통(10)으로 유입되는 전력의 변화를 DC 성분으로 측정하며, 측정한 전력의 변화를 통해 배터리(100)의 충방전을 제어한다.

다만, 종래의 에너지 저장 시스템(1)으로는 배터리(100)로 값 비싼 리튬 계열의 배터리를 사용해야 하고, DC 배전망(30)에 대한 전력 관리와 전력 품질 보상을 동시에 수행할 수 없다는 문제가 있다.

이에 따라, 최근 DC(Direct Current) 배전 시스템을 운용함에 있어 발생될 수 있는 전력 품질 문제를 분석하고 해당 문제를 해결하기 위해 하이브리드 에너지 저장 시스템에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

도 2에는, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 예가 도시되어 있다.

도 2는 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 예를 설명하는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 예(2)는 배터리(100)가 직접 DC 배전망(30)에 연결되고, 슈퍼 커패시터(70)는 DC-DC 컨버터(80)를 통해 DC 배전망(30)에 연결되는 구조를 포함하고 있다.

다만, 도 2의 하이브리드 에너지 저장 시스템(2)에서는 배터리(100)의 전력 관리가 직접적으로 이루어질 수 없고, 분산 전원 시스템(33)의 전력, 계통(10)으로부터 공급되는 전력, 슈퍼 커패시터(70)의 충방전 전력의 합에 의해 자동으로 배터리(100)의 전력이 결정되게 된다.

즉, 배터리(100)를 직접 DC 배전망(30)에 연계하고, 슈퍼 커패시터(70)를 DC-DC 컨버터(80)를 통해 DC 배전망(30)에 연계하는 경우, 상위 운용 시스템(60)은 분산 전원 시스템(33)의 출력(DG output)에 대해 스무싱 제어를 하여 에너지 저장 시스템 지령치를 계산하고, 에너지 저장 시스템 지령을 필터링 하여 계통 전력 지령(Pgrid ref.)을 생성한다.

또한 상위 운용 시스템(60)은 생성된 계통 전력 지령(Pgrid ref.)을 DC 배전망(30)의 전압 제어를 수행하는 AC-DC 컨버터(20)에 전달하고, 에너지 저장 시스템 지령과 계통 전력 지령(Pgrid ref.)의 차이를 토대로 슈퍼 커패시터의 전압 제어를 위한 슈퍼 커패시터 전력 지령(Psc ref.)을 생성하여 DC-DC 컨버터(80)에 전달한다.

여기에서, 슈퍼 커패시터 전력 지령(Psc ref.)은 에너지 저장 시스템 지령과 계통 전력 지령(Pgrid ref.)의 차이만큼의 매우 작은 전력 성분을 제어하기 위한 지령이다.

결과적으로, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 예(2)는 DC-DC 컨버터(80)를 1개만 사용한다는 장점이 있지만, DC 배전망(30)의 전압이 배터리(100) 보호를 위해 일정 범위 안에서 반드시 제어 되어야 하고, DC 배전망(30)의 정격 전압이 높을 경우 배터리(100)의 전압도 높아야 하므로 비용 부담이 있다는 단점이 있다.

이어서, 도 3 및 도 4에는, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4는 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예를 설명하는 개략도들이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예(3)는 슈퍼 커패시터(70)와 배터리(100)를 각각 DC-DC 컨버터(80, 110)를 통해 DC 배전망(30)에 연결하는 구조를 포함하고 있다.

참고로, 이 구조에서는, 슈퍼 커패시터(70)와 배터리(100)의 전력이 서로 독립적으로 제1 DC-DC 컨버터(80) 및 제2 DC-DC 컨버터(110)에 의해 제어될 수 있고, 상위 운용 시스템(60)에 의해 각 전력 지령들(Psc ref., Pbatt ref.)이 제어될 수 있다는 장점이 있으며, 배터리(100)의 SOC(State of Charge) 및 슈퍼 커패시터(70)의 SOC가 개별적으로 관리될 수 있고, 배터리(100)와 슈퍼 커패시터(70)가 서로 다른 전압 레벨을 가질 수 있는바, 원하는 용량과 전압으로 연계 구성이 가능하다는 장점도 있다.

또한 상위 운용 시스템(60)은 분산 전원 시스템(33)의 출력(DG output)에 대해 스무싱 제어를 하여 에너지 저장 시스템 지령치를 계산하고, 에너지 저장 시스템 지령을 필터링 하여 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)을 생성한다.

또한 상위 운용 시스템은 에너지 저장 시스템 지령과 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)의 차이를 토대로 슈퍼 커패시터의 전압 제어를 위한 슈퍼 커패시터 전력 지령(Psc ref.)을 생성한다.

여기에서, 슈퍼 커패시터 전력 지령(Psc ref.)은 에너지 저장 시스템 지령과 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)의 차이만큼의 매우 작은 전력 성분을 제어하기 위한 지령이다.

따라서, DC 배전망(30)의 전력 변화에 있어서, 급격하고 작은 전력의 변화는 슈퍼 커패시터(70)가 감당하고, 장시간 동안의 방대한 전력의 변화는 배터리(100)에서 관리하게 된다.

결과적으로, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예(3)는 DC 배전망(30)의 전력 관리만 수행할 수 있을 뿐 DC 배전망(30)의 전력 품질 보상은 수행할 수 없다는 단점이 있다.

참고로, 전술한 바와 같이, DC 배전망(30)에는 복수개의 분산 전원 시스템 및 부하가 포함될 수 있는바, DC 배전망(30) 내 컨버터(즉, 전력 변환기)들에서 발생되는 스위칭 고조파 성분에 의해 DC 배전망(30)의 전압(즉, DC 계통 전압)이 비선형적 특성을 띄게 될 수 있다.

구체적으로, 도 5를 참조하면, 이 때의 등가 회로 및 유입되는 고조파 성분들로 인해 DC 배전망의 전압(Vc)이 200% 가까운 변동을 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다.

이러한 큰 폭의 전압 변동은 DC 배전망(30)에 연계되는 기기들의 제어 성능을 저감하고 수명을 단축시킬 수 있다는 문제가 있다.

물론, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템에서도 DC 배전망의 선로의 길이가 길어지고, 용량이 증가할수록 선로에 저항을 추가하거나 컨버터의 출력 커패시터 값을 증가시킴으로써 계통의 댐핑(damping)을 증가시킬 수 있으나, 이는 저항의 발열 문제 및 커패시터의 비용 문제로 인해 현실적으로 불가능하다는 문제가 있다.

본 발명은 DC 배전망의 전력을 관리함과 동시에 전력 품질도 안정화시킬 수 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하이브리드 에너지 저장 시스템은 계통 및 계통에 연계된 DC(Direct Current) 배전망의 전력을 관리하는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 있어서, DC 배전망에 연결된 제1 DC-DC 컨버터, 제1 DC-DC 컨버터에 연결되고, 제1 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 슈퍼 커패시터, DC 배전망에 연결된 제2 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터에 연결되고, 제2 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 배터리를 포함하되, 제1 DC-DC 컨버터는 DC 배전망에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링한 후 댐핑 전류를 생성하여 DC 배전망을 안정화시키는 DC 배전망 안정화 제어기를 포함한다.

상기 DC 배전망 안정화 제어기는, DC 배전망에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링하는 필터와, 계통 전압과 노이즈가 필터링된 계통 전압 간 전압 차이 및 댐핑 전류를 토대로 등가 댐핑 저항을 생성하는 등가 댐핑 저항부를 포함한다.

상기 제1 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터를 제어하는 상위 운용 시스템을 더 포함하되, 상위 운용 시스템은, 제1 DC-DC 컨버터에 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공하고, 제2 DC-DC 컨버터에 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공한다.

상기 DC 배전망은 부하와 분산 전원 시스템을 포함하고, 계통과 DC 배전망 사이에는 계통의 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 DC 배전망에 전달하는 AC-DC 컨버터가 배치된다.

상기 상위 운용 시스템은, 분산 전원 시스템의 출력에 대한 스무싱(smoothing) 제어를 통해 에너지 저장 시스템 지령치를 계산하고, 계산된 에너지 저장 시스템의 지령치를 필터링하여 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령치를 산출하고, 에너지 저장 시스템 지령치와 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령치 간 차이를 토대로 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령치를 계산한다.

상기 제1 DC-DC 컨버터는, 계통 분리시 DC 배전망의 전압을 제어하는 DC 배전망 전압 제어기와, 슈퍼 커패시터의 전압을 제어하는 슈퍼 커패시터 전압 제어기와, DC 배전망 안정화 제어기로부터 제공받은 전류 지령을 토대로 제1 게이트 펄스를 생성하는 제1 전류 제어기를 더 포함한다.

상기 제1 DC-DC 컨버터는, 계통과 DC 배전망의 연계 여부를 판별하고, 계통과 DC 배전망의 연계 여부가 판별되면, 슈퍼 커패시터의 전압이 미리 정해진 전압 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별하고, 슈퍼 커패시터의 전압이 미리 정해진 전압 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하게 되면, 슈퍼 커패시터 전압 제어기를 통해 슈퍼 커패시터의 전압 제어를 수행하여 전류 지령을 생성하고, 생성된 전류 지령을 DC 배전망 안정화 제어기에서 생성된 전류 지령과 합하여 최종 전류 지령을 생성하고, 최종 전류 지령을 토대로 제1 전류 제어기를 통해 제1 게이트 펄스를 생성한다.

상기 제1 DC-DC 컨버터는, 계통과 DC 배전망이 연계된 경우, 상위 운용 시스템으로부터 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공받고, 계통과 DC 배전망이 분리된 경우, DC 배전망 전압 제어기를 통해 DC 배전망 전압 제어 모드를 개시한다.

상기 제1 DC-DC 컨버터는, 제1 전류 제어기로부터 제1 게이트 펄스를 제공받는 제1 게이트 드라이버와, 제1 게이트 드라이버에 의해 제어되는 제1 반도체 소자를 더 포함한다.

상기 제2 DC-DC 컨버터는, 상위 운용 시스템으로부터 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공받아 배터리의 전압을 제어하는 배터리 전압 제어기와, 배터리 전압 제어기로부터 제공받은 전류 지령을 토대로 제2 게이트 펄스를 생성하는 제2 전류 제어기와, 제2 전류 제어기로부터 제2 게이트 펄스를 제공받는 제2 게이트 드라이버와, 제2 게이트 드라이버에 의해 제어되는 제2 반도체 소자를 포함한다.

상기 제2 DC-DC 컨버터는, 배터리의 SOC(State of Charge)가 미리 정해진 안정 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별하고, 배터리의 SOC가 미리 정해진 안정 범위를 벗어나게 되면, 배터리 전압 제어기를 통해 배터리의 SOC를 보상하기 위한 수정 요구치를 상위 운용 시스템에 전달한다.

상기 배터리는 납축 전지를 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 값 싼 납축 전지와 슈퍼 커패시터를 이용하여 값 비싼 리튬 계열의 배터리를 대체하는 동시에, DC 배전망의 전력 품질 문제를 해결함으로써 전압 안정도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 에너지 관리도 가능하다는 장점이 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 종래의 에너지 저장 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 2는 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 예를 설명하는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예를 설명하는 개략도들이다.
도 5는 종래의 DC 배전망의 전압 및 전류 변동을 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제1 DC-DC 컨버터의 제어 흐름을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 DC 배전망 안정화 제어기의 제어 흐름을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 6의 제1 전류 제어기의 제어 흐름을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템에 의해 제어된 DC 배전망의 전압 및 전류 변동을 설명하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제2 DC-DC 컨버터의 제어 흐름을 설명하는 도면이다.

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 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템을 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제1 DC-DC 컨버터의 제어 흐름을 설명하는 도면이다. 도 7은 도 6의 DC 배전망 안정화 제어기의 제어 흐름을 설명하는 도면이다. 도 8은 도 6의 제1 전류 제어기의 제어 흐름을 설명하는 도면이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템에 의해 제어된 DC 배전망의 전압 및 전류 변동을 설명하는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제2 DC-DC 컨버터의 제어 흐름을 설명하는 도면이다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은 도 3에 도시된 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 다른 예(3)와 동일한 구조로 이루어져 있다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은 DC 배전망(30)에 연결된 제1 DC-DC 컨버터(80), 제1 DC-DC 컨버터(80)에 연결되고, 제1 DC-DC 컨버터(80)에 의해 충방전이 제어되는 슈퍼 커패시터(70), DC 배전망(30)에 연결된 제2 DC-DC 컨버터(110), 제2 DC-DC 컨버터(110)에 연결되고, 제2 DC-DC 컨버터(110)에 의해 충방전이 제어되는 배터리(100), 제1 DC-DC 컨버터(80) 및 제2 DC-DC 컨버터(110)를 제어하는 상위 운용 시스템(60)을 포함할 수 있다.

여기에서, 배터리(100)는 예를 들어, 납축 전지를 포함할 수 있다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 평상시에 상위 운용 시스템(60)은, 분산 전원 시스템(33)의 출력에 대한 스무싱(smoothing) 제어를 통해 에너지 저장 시스템 지령(Pess ref.)의 값(즉, 에너지 저장 시스템 지령치)을 계산하고, 계산된 에너지 저장 시스템 지령치를 필터링하여 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)의 값(즉, 배터리(100)의 충방전과 관련된 전력 지령치)를 산출하고, 에너지 저장 시스템 지령치와 배터리(100)의 충방전과 관련된 전력 지령치 간 차이를 토대로 슈퍼 커패시터 지령(Psc ref.)의 값(즉, 슈퍼 커패시터(70)의 충방전과 관련된 전력 지령치)를 계산할 수 있다.

또한 상위 운용 시스템(60)은 제1 DC-DC 컨버터(80)에 슈퍼 커패시터(70)의 충방전과 관련된 전력 지령(즉, 슈퍼 커패시터 전력 지령(Psc ref.))을 제공하고, 제2 DC-DC 컨버터(110)에는 배터리(100)의 충방전과 관련된 전력 지령(즉, 배터리 전력 지령(Pbatt ref.))을 제공할 수 있다.

참고로, 상위 운용 시스템(60)은 분산 전원 시스템(33)과 연계하여 전력을 운용할 수 있고, 예를 들어, EMS(Energy Management System)를 포함할 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은 도 3과 달리, 제1 DC-DC 컨버터(80)에 노이즈 필터링 기법 및 등가 포지티브 저항 성분을 생성하고 계통(10)의 댐핑을 증가시키기 위함을 목적으로 하는 안정화 기법이 추가 적용된다는 점에서 차이가 있는바, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.

도 3 및 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제1 DC-DC 컨버터(80)는 DC 배전망 전압 제어기(83), 슈퍼 커패시터 전압 제어기(86), DC 배전망 안정화 제어기(90), 제1 전류 제어기(95), 제1 게이트 드라이버(97), 제1 반도체 소자(98)를 포함할 수 있다.

구체적으로, DC 배전망 전압 제어기(83)는 계통(10) 분리(예를 들어, 계통(10) 사고 또는 정전)시 DC 배전망(30)의 전압을 제어할 수 있고, 슈퍼 커패시터 전압 제어기(86)는 슈퍼 커패시터(70)의 전압을 제어할 수 있다.

또한 DC 배전망 안정화 제어기(90)는 DC 배전망(30)에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링한 후 댐핑 전류를 생성하여 DC 배전망(30)을 안정화시킬 수 있고, 제1 전류 제어기(95)는 DC 배전망 안정화 제어기(90)로부터 제공받은 전류 지령을 토대로 제1 게이트 펄스(S)를 생성할 수 있다.

또한 제1 게이트 드라이버(97)는 제1 전류 제어기(95)로부터 제1 게이트 펄스(S)를 제공받아 제1 반도체 소자(98)를 제어할 수 있다. 즉, 제1 반도체 소자(98)는 제1 게이트 드라이버(97)에 의해 제어될 수 있다.

참고로, 제1 반도체 소자(98)는 예를 들어, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 구성을 포함하는 제1 DC-DC 컨버터(80)는 다음과 같은 제어 흐름을 가질 수 있다.

구체적으로, 제1 DC-DC 컨버터(80)는 먼저 계통(10)과 DC 배전망(30)의 연계 여부를 판별할 수 있다.

즉, 계통 연계 모드(Grid-tied Mode; 즉, 계통(10)이 DC 배전망(30)과 연계)시에는, 기본적으로 상위 운용 시스템(60)으로부터 슈퍼 커패시터(70)의 충방전과 관련된 전력 지령(Psc ref.)을 제공받고, 계통 분리 모드(Islanded Mode; 즉, 계통(10)이 DC 배전망(30)과 분리)시에는, DC 배전망 전압 제어기(83)를 통해 DC 배전망 전압 제어 모드를 개시할 수 있다.

즉, DC 배전망 전압 제어기(83)는 DC 배전망 전압 지령(Vdc ref.)을 토대로 DC 배전망 전압 제어 모드를 개시할 수 있다.

계통(10)과 DC 배전망(30)의 연계 여부가 판별되면, 제1 DC-DC 컨버터(80)는 슈퍼 커패시터(70)의 전압이 미리 정해진 전압 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별할 수 있다.

구체적으로, 슈퍼 커패시터(70)의 전압이 미리 정해진 전압 범위의 상한값(Vhigh) 또는 하한값(Vlow)에 도달하게 되면, 제1 DC-DC 컨버터(80)는 슈퍼 커패시터 전압 제어기(86)를 통해 슈퍼 커패시터(70)의 전압 제어를 수행하여 전류 지령(Isc_ref1; 제1 슈퍼 커패시터 전류 지령)을 생성할 수 있다.

즉, 슈퍼 커패시터 전압 제어기(86)는 슈퍼 커패시터 전압 지령(Vsc ref.)을 토대로 슈퍼 커패시터(70)의 전압 제어를 수행할 수 있다.

슈퍼 커패시터 전압 제어기(86)의 슈퍼 커패시터(70)에 대한 전압 제어 후 현재의 슈퍼 커패시터(70)의 전압(Vsc)이 입력되는 소자(87)를 거쳐 생성된 제1 슈퍼 커패시터 전류 지령(Isc_ref1)과, DC 배전망 안정화 제어기(90)에서 생성된 전류 지령(Isc_ref2; 제2 슈퍼 커패시터 전류 지령)이 합산되어 최종 전류 지령(Isc_ref3; 제3 슈퍼 커패시터 전류 지령)이 생성될 수 있다.

여기에서, 소자(87)는 예를 들어, 나눗셈 연산, 즉, 나누기 기능을 가진 소자일 수 있다.

생성된 제3 슈퍼 커패시터 전류 지령(Isc_ref3)은 제1 전류 제어기(95)로 제공되고, 제1 전류 제어기(95)는 제3 슈퍼 커패시터 전류 지령(Isc_ref3)을 토대로 제1 게이트 펄스(S)를 생성하여 제1 게이트 드라이버(97)에 제공할 수 있다.

제1 게이트 드라이버(97)는 제공받은 제1 게이트 펄스(S)를 토대로 제1 반도체 소자(98)를 제어할 수 있다.

여기에서, 도 7을 참조하면, DC 배전망 안정화 제어기(90)는 DC 배전망(30)에 인가된 계통 전압(Vend)의 노이즈를 필터링하는 필터(91)와, 계통 전압(Vend)과 노이즈가 필터링된 계통 전압 간 전압 차이(Vend_lpf) 및 댐핑 전류를 토대로 등가 댐핑 저항(Rdamp)을 생성하는 등가 댐핑 저항부(92)를 포함한다는 것을 알 수 있다.

즉, DC 배전망 안정화 제어기(90)는 필터(91; 예를 들어, 저역 통과 필터)를 통해 DC 배전망(30)에 인가된 계통 전압(Vend; 즉, DC 배전망(30) 말단 전압)의 노이즈를 필터링할 수 있다.

또한 DC 배전망 안정화 제어기(90)는 계통 전압(Vend)과 노이즈가 필터링된 계통 전압 간 전압 차이(Vend_lpf)를 계산한 후, 등가 댐핑 저항부(92)를 통해 생성된 댐핑 전류 및 상기 전압 차이(Vend_lpf)를 토대로 등가 댐핑 저항(Rdamp)을 생성함으로써, 제2 슈퍼 커패시터 전류 지령(Isc_ref2)을 생성할 수 있다.

이어서, 도 8을 참조하면, 제1 전류 제어기(95)는 PI 제어기(95a), 소자(95b), 리미터(95c), 스위칭 캐리어(95d), 비교기(95e)를 포함할 수 있다.

즉, 제3 슈퍼 커패시터 전류 지령(Isc_ref3)과 슈퍼 커패시터 전류(Isc) 간 차이가 PI 제어기(95a)에 입력으로 제공되고, PI 제어기(95a)의 출력과 슈퍼 커패시터 전압(Vsc)의 합 및 DC 배전망(30)의 말단 전압(Vend)이 소자(95b)에 제공되고, 소자(95b)의 출력이 리미터(95c)에 제공되고, 리미터(95c)의 출력과 스위칭 캐리어(95d)의 출력이 비교기(95e)에 입력으로 제공되면, 비교기(95e)에서 게이트 펄스(S; Sp, Sn(Sp의 반전 신호))를 생성할 수 있다.

결과적으로, 전술한 구조 및 제어 방법을 통해 제1 DC-DC 컨버터(80)는 도 9에 도시된 바와 같이, DC 배전망(30)의 말단 전압(Vend)의 변동을 10% 이내로 저감할 수 있다.

즉, 제1 DC-DC 컨버터(80)가 DC 배전망(30)의 전압 변동을 10% 미만으로 유지시킴으로써 DC 배전망(30)에 다수의 기기들이 연계되고 선로가 길어진다 하더라도 전압 변동을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 3 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 제2 DC-DC 컨버터(110)는 배터리 전압 제어기(115), 제2 전류 제어기(118), 제2 게이트 드라이버(119), 제2 반도체 소자(120)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 배터리 전압 제어기(115)는 상위 운용 시스템(60)으로부터 배터리(100)의 충방전과 관련된 전력 지령(Pbatt ref.)을 제공받아 배터리(100)의 전압을 제어할 수 있고, 제2 전류 제어기(118)는 배터리 전압 제어기(115)로부터 제공받은 전류 지령(Ibatt_ref)을 토대로 제2 게이트 펄스(S')를 생성할 수 있다.

또한 제2 게이트 드라이버(119)는 제2 전류 제어기(118)로부터 제2 게이트 펄스(S')를 제공받아 제2 반도체 소자(120)를 제어할 수 있다. 즉, 제2 반도체 소자(120)는 제2 게이트 드라이버(119)에 의해 제어될 수 있다.

참고로, 제2 반도체 소자(120)는 예를 들어, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 구성을 포함하는 제2 DC-DC 컨버터(110)는 다음과 같은 제어 흐름을 가질 수 있다.

구체적으로, 제2 DC-DC 컨버터(110)는 먼저 배터리(100)의 SOC(State of Charge)가 미리 정해진 안정 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별할 수 있다.

즉, 제2 DC-DC 컨버터(110)는 기본적으로 계통 연계 모드(Grid-tied Mode) 및 계통 분리 모드(Islanded Mode) 둘다에서 상위 운용 시스템(60)으로부터 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)을 제공받으며, 배터리(100)의 SOC가 미리 정해진 안정 범위 내에 있을 때는 상위 운용 시스템(60)으로부터 제공받은 배터리 전력 지령(Pbatt ref.)을 토대로 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있다.

다만, 배터리(100)의 SOC가 미리 정해진 안정 범위를 벗어나면(SOC Limit), 배터리 전압 제어기(115)를 통해 배터리(100)의 SOC를 보상하기 위한 수정 요구치(Adj ref.)를 상위 운용 시스템(60)에 전달할 수 있다.

또한 배터리 전압 제어기(115)로부터 제공된 배터리 전력 지령(Pbatt ref.) 및 현재의 배터리(100)의 전압(Vbatt)이 소자(117)에 입력되면, 배터리 전류 지령(Ibatt_ref.)이 생성될 수 있다.

여기에서, 소자(117)는 예를 들어, 나눗셈 연산, 즉, 나누기 기능을 가진 소자일 수 있다.

생성된 배터리 전류 지령(Ibatt_ref.)은 제2 전류 제어기(118)로 제공되고, 제2 전류 제어기(118)는 배터리 전류 지령(Ibatt_ref.)을 토대로 제2 게이트 펄스(S')를 생성하여 제2 게이트 드라이버(119)에 제공할 수 있다.

제2 게이트 드라이버(119)는 제공받은 제2 게이트 펄스(S')를 토대로 제2 반도체 소자(120)를 제어할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은, 값 싼 납축 전지(즉, 배터리(100))와 슈퍼 커패시터(70)를 이용하여 값 비싼 리튬 계열의 배터리를 대체하는 동시에, DC 배전망(30)의 전력 품질 문제를 해결함으로써 전압 안정도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 에너지 관리도 가능하다는 장점이 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.

10: 계통 30: DC 배전망
33: 분산 전원 시스템 36: 부하
60: 상위 운용 시스템 70: 슈퍼 커패시터
80: 제1 DC-DC 컨버터 100: 배터리
110: 제2 DC-DC 컨버터

Claims

계통 및 상기 계통에 연계된 DC(Direct Current) 배전망의 전력을 관리하는 하이브리드 에너지 저장 시스템에 있어서,
상기 DC 배전망에 연결된 제1 DC-DC 컨버터;
상기 제1 DC-DC 컨버터에 연결되고, 상기 제1 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 슈퍼 커패시터;
상기 DC 배전망에 연결된 제2 DC-DC 컨버터; 및
상기 제2 DC-DC 컨버터에 연결되고, 상기 제2 DC-DC 컨버터에 의해 충방전이 제어되는 배터리를 포함하되,
상기 제1 DC-DC 컨버터는 상기 DC 배전망에 인가된 계통 전압의 노이즈를 필터링한 후 댐핑 전류를 생성하여 상기 DC 배전망을 안정화시키는 DC 배전망 안정화 제어기를 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 DC 배전망 안정화 제어기는,
상기 DC 배전망에 인가된 상기 계통 전압의 노이즈를 필터링하는 필터와,
상기 계통 전압과 상기 노이즈가 필터링된 계통 전압 간 전압 차이 및 상기 댐핑 전류를 토대로 등가 댐핑 저항을 생성하는 등가 댐핑 저항부를 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 컨버터 및 상기 제2 DC-DC 컨버터를 제어하는 상위 운용 시스템을 더 포함하되,
상기 상위 운용 시스템은,
상기 제1 DC-DC 컨버터에 상기 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공하고,
상기 제2 DC-DC 컨버터에 상기 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 DC 배전망은 부하와 분산 전원 시스템을 포함하고,
상기 계통과 상기 DC 배전망 사이에는 상기 계통의 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 배전망에 전달하는 AC-DC 컨버터가 배치되는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제4항에 있어서,
상기 상위 운용 시스템은,
상기 분산 전원 시스템의 출력에 대한 스무싱(smoothing) 제어를 통해 에너지 저장 시스템 지령치를 계산하고,
상기 계산된 에너지 저장 시스템의 지령치를 필터링하여 상기 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령치를 산출하고,
상기 에너지 저장 시스템 지령치와 상기 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령치 간 차이를 토대로 상기 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령치를 계산하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 컨버터는,
상기 계통 분리시 상기 DC 배전망의 전압을 제어하는 DC 배전망 전압 제어기와,
상기 슈퍼 커패시터의 전압을 제어하는 슈퍼 커패시터 전압 제어기와,
상기 DC 배전망 안정화 제어기로부터 제공받은 전류 지령을 토대로 제1 게이트 펄스를 생성하는 제1 전류 제어기를 더 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 컨버터는,
상기 계통과 상기 DC 배전망의 연계 여부를 판별하고,
상기 계통과 상기 DC 배전망의 연계 여부가 판별되면, 상기 슈퍼 커패시터의 전압이 미리 정해진 전압 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별하고,
상기 슈퍼 커패시터의 전압이 상기 미리 정해진 전압 범위의 상한값 또는 하한값에 도달하게 되면, 상기 슈퍼 커패시터 전압 제어기를 통해 상기 슈퍼 커패시터의 전압 제어를 수행하여 전류 지령을 생성하고,
상기 생성된 전류 지령을 상기 DC 배전망 안정화 제어기에서 생성된 전류 지령과 합하여 최종 전류 지령을 생성하고,
상기 최종 전류 지령을 토대로 상기 제1 전류 제어기를 통해 상기 제1 게이트 펄스를 생성하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 컨버터는,
상기 계통과 상기 DC 배전망이 연계된 경우, 상기 상위 운용 시스템으로부터 상기 슈퍼 커패시터의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공받고,
상기 계통과 상기 DC 배전망이 분리된 경우, 상기 DC 배전망 전압 제어기를 통해 DC 배전망 전압 제어 모드를 개시하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 컨버터는,
상기 제1 전류 제어기로부터 상기 제1 게이트 펄스를 제공받는 제1 게이트 드라이버와,
상기 제1 게이트 드라이버에 의해 제어되는 제1 반도체 소자를 더 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2 DC-DC 컨버터는,
상기 상위 운용 시스템으로부터 상기 배터리의 충방전과 관련된 전력 지령을 제공받아 상기 배터리의 전압을 제어하는 배터리 전압 제어기와,
상기 배터리 전압 제어기로부터 제공받은 전류 지령을 토대로 제2 게이트 펄스를 생성하는 제2 전류 제어기와,
상기 제2 전류 제어기로부터 상기 제2 게이트 펄스를 제공받는 제2 게이트 드라이버와,
상기 제2 게이트 드라이버에 의해 제어되는 제2 반도체 소자를 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 DC-DC 컨버터는,
상기 배터리의 SOC(State of Charge)가 미리 정해진 안정 범위 내에서 유지되는지 여부를 판별하고,
상기 배터리의 SOC가 상기 미리 정해진 안정 범위를 벗어나게 되면, 상기 배터리 전압 제어기를 통해 상기 배터리의 SOC를 보상하기 위한 수정 요구치를 상기 상위 운용 시스템에 전달하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리는 납축 전지를 포함하는
하이브리드 에너지 저장 시스템.