KR20200082293A - Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof - Google Patents

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Abstract

Provided are an energy storage system using a lithium ion battery and a supercapacitor that can adaptively respond to a general load and a rapid load and an output stabilization method thereof. The energy storage system using a lithium battery and a supercapacitor includes: a bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) that charges, discharges and converts DC power obtained by rectifying commercial power (AC) of a renewable energy generation facility and a system for a power storage device (PSS), and coverts the charging power of the PSS by receiving a command from a DSP controller to be discharged to a load through a DC capacitor, wherein the Bi-dPCS regulates the charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS; the BMS (300) that serves as protection for maintaining a balance of each PSS cell through communication control with the Bi-dPCS and stops charging when the input voltage is less than a predetermined value; a power storage device (PSS, 400) having one pack in which a number of lithium ion batteries (410) and supercapacitors (420) that charge and discharge DC power of the rectified commercial power are connected in series and parallel to the renewable energy generation facility by the Bi-dPCS and BMS to correspond to a system load; and a DSP controller (600) for controlling the Bi-dPCS that regulates the charging/discharging and bidirectional power conversion of the PSS by sensing the system load, wherein the DSP controller monitors the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS and charges the supercapacitor through the Bi-dPCS when an abnormal voltage occurs.

Description

리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법{Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof}Energy storage system using lithium ion battery and supercapacitor and its output stabilization method{Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof}

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일반 부하(통상부하)와 급속부하(기동부하)에 적응적으로 대응 가능하도록 한 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage system, and more specifically, an energy storage system using a lithium ion battery and a supercapacitor capable of adaptively responding to a general load (normal load) and a rapid load (start load) and an output thereof. It relates to a stabilization method.

리튬 배터리 기반의 에너지 저장 시스템은 높은 에너지 밀도 및 에너지 효율을 가지며, 신재생 에너지 연계, 주파수 조정, PV 연계 등 에너지저장장치로 적용이 확대되고 있다.Lithium battery-based energy storage systems have high energy density and energy efficiency, and are being applied to energy storage devices such as renewable energy linkage, frequency adjustment, and PV linkage.

배터리 기반의 에너지 저장 시스템은 안전성, 수명 및 부하변동에 느린 응답성을 가지며, 부하변동에 느린 응답성을 보완하기 위해 슈퍼커패시터와 함께 사용하는 HESS(hybrid Energy storage system)으로 구현될 수 있다. 여기서, 슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하며, 높은 충방전 효율을 가지고, 반영구적인 사이클 수명 특성을 가진다.The battery-based energy storage system has safety, longevity, and slow response to load fluctuation, and may be implemented as a hybrid energy storage system (HESS) used with a supercapacitor to compensate for slow response to load fluctuation. Here, the supercapacitor is capable of rapid charging and discharging, has high charging and discharging efficiency, and has semi-permanent cycle life characteristics.

한국등록특허 제1,863,138호(2018.05.25.등록) "리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치"Korean Registered Patent No. 1,863,138 (Registration on May 25, 2018) "Power-controlled energy storage device using lithium ion battery and supercapacitor"

에너지 저장 시스템은, 양방향 DC-DC 컨버터와 슈퍼커패시터, 리튬이온 배터리로 구성되고, 리튬이온 배터리 기반의 전력제어시 부하의 변동이 발생하면 DC-커패시터(예를 들어, 정류기)에 이상전압을 야기하며, 이러한 현상은 DC-커패시터에 무리를 줄 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템의 전력품질 및 신뢰성을 떨어뜨린다. The energy storage system is composed of a bi-directional DC-DC converter, a supercapacitor, and a lithium ion battery. When a load fluctuation occurs during power control based on a lithium ion battery, an abnormal voltage is generated in a DC-capacitor (for example, a rectifier). This phenomenon not only overloads the DC-capacitor, but also degrades the power quality and reliability of the energy storage system.

해결하고자 하는 기술적 과제는, 부하의 변동으로 인해 발생하는 이상전압을 슈퍼커패시터의 벅동작을 통하여 에너지를 저장하여 DC-커패시터의 출력을 안정화 시킬 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved is to provide an energy storage system and a method for stabilizing the output of the DC-capacitor by stabilizing the output of the DC-capacitor by storing energy through the buck operation of the supercapacitor to generate an abnormal voltage caused by fluctuation of load .

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템은, 신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충ㆍ방전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 변환시켜 DC-커패시터를 통해 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와; 상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충ㆍ방전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함한다. 여기서, 상기 DSP제어기는 상기 Bi-dPCS의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하여 이상 전압 발생시 상기 Bi-dPCS를 통해 상기 슈퍼커패시터를 충전시킬 수 있다.In order to achieve one object of the present invention, the energy storage system according to embodiments of the present invention charges DC power rectifying commercial power (AC) of a renewable energy generation facility and a system with a power storage device (PSS). ㆍDischarge and power conversion, receive the command of the DSP controller, convert the charging power of the PSS and discharge it to the load through the DC-capacitor, through communication control with the battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS A bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) that controls charging and discharging of the PSS; A battery management device (BMS, 300) that serves to protect the PSS cells through the Bi-dPCS communication control and to stop charging when the input voltage is below a certain value; Direct/parallel so that multiple lithium ion batteries 410 and supercapacitors 420 that charge and discharge DC power of commercial power rectified with the new and renewable energy generation facilities by the Bi-dPCS and BMS can respond to the system load. A power storage device (PSS, 400) having one pack connected to each other; And a DSP controller (600) for controlling Bi-dPCS that detects the load on the system and controls the charging and discharging and bidirectional power conversion of the PSS. Here, the DSP controller may monitor the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS to charge the supercapacitor through the Bi-dPCS when an abnormal voltage occurs.

일 실시예에 의하면, 상기 Bi-dPCS는. 상기 DC-커패시터 및 상기 리튬이온배터리 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리의 충ㆍ방전을 단속하는 배터리 컨버터(210); 및 상기 DC-커패시터 및 상기 슈퍼커패시터 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터의 충ㆍ방전을 단속하는 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 DSP제어기는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 벅 동작시킬 수 있다.According to one embodiment, the Bi-dPCS. A battery converter 210 connected between the DC-capacitor and the lithium-ion battery to regulate charging and discharging of the lithium-ion battery; And a supercapacitor converter 220 connected between the DC-capacitor and the supercapacitor to interrupt charging and discharging of the supercapacitor. Here, the DSP controller may calculate a power error between the reference power (Pref) and the actual power (Pload), and buck operate the supercapacitor converter 220 in response to the power error.

일 실시예에 의하면, 상기 DSP제어기는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하며, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.According to one embodiment, the DSP controller, the supercapacitor to charge the voltage to the supercapacitor in response to the power error, when the overpower is detected that the actual power (Pload) is greater than the reference power (Pref) Control the converter 220, if the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), to compensate for the power error to control the battery converter 210 to maintain the actual power (Pload) constant Can.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법은, 신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충ㆍ방전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 변환시켜 DC-커패시터를 통해 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충ㆍ방전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서 수행될 수 있다. 상기 출력 안정화 방법은, 상기 DSP제어기를 통해 상기 Bi-dPCS의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하는 단계; 상기 DSP제어기를 통해 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)을 기준 전력(Pref)과 비교하는 단계; 및 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 대해 상기 Bi-dPCS를 벅 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.In order to achieve one object of the present invention, the output stabilization method of the energy storage system according to the embodiments of the present invention is a power storage device for rectifying DC power rectifying commercial power (AC) of a renewable energy generation facility and a system ( PSS) to charge/discharge and power, but with the command of the DSP controller, convert the charging power of the PSS and discharge it to the load through the DC-capacitor, and with the battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS. A bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) that controls charging and discharging of the PSS through communication control; A plurality of lithium ion batteries 410 and supercapacitors 420 charging and discharging DC power of commercial power rectified with the new and renewable energy generation facilities by the Bi-dPCS are connected in series and in parallel to be able to cope with the system load. A power storage device (PSS, 400) having one pack; It may be performed in an energy storage system including a DSP controller 600 for controlling a Bi-dPCS that detects a system load and controls the charge/discharge and bidirectional power conversion of the PSS. The output stabilization method includes: monitoring the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS through the DSP controller; Comparing the actual power (Pload) in the DC-capacitor with a reference power (Pref) through the DSP controller; And when an overpower in which the actual power (Pload) in the DC-capacitor is greater than the reference power (Pref) is sensed, the supercapacitor corresponds to a power error between the actual power (Pload) and the reference power (Pref). It may include the step of buck operation for the Bi-dPCS.

본 발명에 따른 에너지 저장 시스템 및 이의 출력 안정화 방법은, DC-커패시터의 상태를 실시간 모니터링하여 이상전압 발생시 슈퍼커패시터 에너지 저장장치의 벅동작을 통한 에너지를 저장을 통해 DC-커패시터의 출력을 안정화시킬 수 있다. 따라서, 에너지 저장 시스템의 신뢰성 및 전력 품질의 향상될 수 있다.The energy storage system and its output stabilization method according to the present invention can stabilize the output of the DC-capacitor through real-time monitoring of the state of the DC-capacitor to store energy through the buck operation of the supercapacitor energy storage device when an abnormal voltage occurs. have. Thus, the reliability and power quality of the energy storage system can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 시스템에 포함된 에너지 저장 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 리튬이온배터리의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 슈퍼커패시터의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법을 나타내는 순서도이다.
1 is a block diagram illustrating a power system according to embodiments of the present invention.
2 is a circuit diagram illustrating an energy storage system included in the power system of FIG. 1.
3 is a view for explaining a process of controlling the operation of the lithium-ion battery included in the energy storage system of FIG.
4 is a view for explaining a process of controlling the operation of the supercapacitor included in the energy storage system of FIG. 2.
5 is a flowchart illustrating an output stabilization method of an energy storage system according to embodiments of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. The present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 따라서 앞서 설명한 참조 부호는 다른 도면에서도 사용할 수 있다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar elements throughout the specification. Therefore, reference numerals described above may be used in other drawings.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 전력 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a power system according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 전력시스템(또는, 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터를 이용한 에너지 저장 시스템)은, 크게 신재생에너지발전설비(100), 양방향전력변환장치(Bi-d PCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200), 배터리관리장치(BMS, BatteryManagement System, 300), 전력저장장치(PSS, Power Storage System, 400), 계통측 전력변환장치(500) 및 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the power system (or an energy storage system using a lithium ion battery and a supercapacitor) is largely a renewable energy generation facility 100, a bi-directional power conversion system (Bi-d PCS, Bidirectional Power Conditioning System), 200), including a battery management device (BMS, Battery Management System, 300), a power storage device (PSS, Power Storage System, 400), a system-side power conversion device 500 and a DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600) Can.

상기 신재생에너지발전설비(100)는, 태양광과 바람의 에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하는 수단으로서, 상기 태양광발전설비에서 생산되는 전력은 직류(DC)이므로 배터리와 같은 저장장치로 그대로 충전이 가능하지만, 풍력발전설비에서 생산되는 전기는 직류기보다는 대부분의 교류기이므로 저장장치로 충전하기 위해서는 직류(DC)로 변환시켜야 한다. 그리고 상기 저장장치로 저장된 직류는 직류부하를 제외한 나머지 부하로 공급하기 위해서는 교류(AC)로 변환하는 과정을 거쳐야 한다. 그리고 태양광발전에 반해 풍력발전의 경우 풍속에 따라 급격한 출력변동이 일어나기 때문에 고성능 슈퍼커패시터를 활용한 저장장치로 충전하게 된다.The renewable energy generation facility 100 is a means for generating electrical energy using energy of sunlight and wind, and the power produced by the solar power generation facility is direct current (DC), so it is a storage device such as a battery. Charging is possible, but the electricity produced by the wind power generation facility is mostly alternating current, rather than direct current, so it must be converted to direct current (DC) to charge it with a storage device. In addition, in order to supply the DC stored in the storage device to a load other than the DC load, a process of converting it to AC is required. And in contrast to photovoltaic power generation, in case of wind power generation, rapid output fluctuation occurs depending on the wind speed, so it is charged with a storage device utilizing a high performance supercapacitor.

상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200)는, 상기 전력저장장치(400)에 저장된 전기 에너지를 상용전력으로 만들기 위하여 전력 변환 효율을 저하시키지 않도록 상기 전력저장장치의 출력(DC전력)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 AC로 변환 또는 계통의 전력(AC)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 DC로 정류하는 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 계통의 상용전원(AC)을 정류기(또는, DC-커패시터)로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS, 400)로 충ㆍ방전하고 직류와 교류간의 전력을 변환시킨다. 이때 DSP제어기(600)의 명령을 받아 상기 PSS(400)의 충전전력을 AC전력으로 직접 변환시켜 부하로 방전시킨다. The bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, Bidirectional Power Conditioning System, 200) outputs the power storage device so as not to lower the power conversion efficiency in order to convert the electrical energy stored in the power storage device 400 into commercial power ( DC power) as a means for converting the Bi-dPCS directly to AC or rectifying the power (AC) of the system directly from the Bi-dPCS to DC, and the commercial power (AC) of the renewable energy generation facility 100 and the system. ) Charges and discharges DC power rectified by a rectifier (or DC-capacitor) with a power storage device (PSS, 400) and converts power between DC and AC. At this time, under the command of the DSP controller 600, the charging power of the PSS 400 is directly converted to AC power and discharged to the load.

또한, 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 PSS(400)를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS, 300)과의 통신제어를 수행하여 상기 BMS에서 제공되는 충전상태(SOC) 및 전압 정보를 이용하여 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전을 단속하게 된다.In addition, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) performs communication control with the battery management system (BMS, 300) that monitors and protects the PSS 400, and the state of charge provided by the BMS (SOC) And the charging and discharging of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS by using voltage information.

실시예들에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 계통(예를 들어, 상용전원)에서 공급되는 AC전력을 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)로 충전하기 위해 직접 DC전력으로 변환하기 위한 정류기(또는, DC-커패시터)를 포함할 수 있다.In embodiments, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the AC power supplied from the system (for example, commercial power), the lithium ion battery 410 and the supercapacitor of the PSS (400) ( 420) may include a rectifier (or DC-capacitor) for direct conversion to DC power.

상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에서 방전되는 DC전력을 부하로 공급하기 위해 직접 AC전력으로 변환하기 위한 3-레벨 인버터(3-Level Inverter)가 구비되어 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 내장되거나 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 상기 3-레벨 인버터를 내장시키지 않고 상기 계통측전력변환장치(500)와 연계되도록 배선회로를 구성할 수 있다.The bi-directional power converter (Bi-dPCS, 200) is to convert the DC power discharged from the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS 400 into AC power directly to supply to the load. A three-level inverter is provided and is built into the bi-directional power converter (Bi-dPCS, 200) or the three-level inverter is not built into the bi-directional power converter (Bi-dPCS, 200). A wiring circuit may be configured to be connected to the system-side power conversion device 500.

참고로, 상기 양방향전력변환장치(BidPCS, 200)는, 태양광발전 또는 풍력발전 등의 신재생에너지발전설비(100)로부터 생산된 전력은 직류형태로 띠고 있다. 이 전력을 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)나 슈퍼커패시터(420)에 저장할 때는 직류로 저장을 해야 하는데, 문제는 직류형태의 전력을 그 상태로 계통부하에 공급하는 것은 불가능하다. 따라서, 직류(DC)형태의 전력을 교류(AC) 전력으로 변환시키기 위해서는 전력변환장치(PCS)가 필요하다. 또한, 계통전력(상용전력)을 전력저장장치(PSS, 400)로 저장할 경우에는 직류형태의 전력으로 변환시키는 전력변환장치(PCS)나 정류기가 요구된다.For reference, the bi-directional power conversion device (BidPCS, 200), the power produced from the renewable energy generation facility 100 such as solar power or wind power is in the form of direct current. When storing this power in the lithium ion battery 410 or supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400), it must be stored in DC, but the problem is that supplying DC power to the system load in that state impossible. Accordingly, a power converter (PCS) is required to convert DC (DC) power to AC (AC) power. In addition, when the system power (commercial power) is stored in the power storage devices (PSS, 400), a power conversion device (PCS) or a rectifier that converts power into DC power is required.

이와 같이 신재생에너지발전설비(100)와 계통(상용전원)이 연계할 경우, 직류(DC)를 교류(AC)로, 교류(AC)를 직류(DC)로 상호 변환이 가능한 전력변환장치(PCS)가 요구되는데, 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200)를 독창적으로 구현하였다.As described above, when the renewable energy generation facility 100 and the system (commercial power supply) are connected, a power conversion device capable of converting DC (DC) to AC (AC) and AC (AC) to DC (DC) mutually ( PCS) is required, and a bi-directional power conversion system (Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200) is implemented in an original manner.

한편, 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전에 따른 수명을 연장하기 위해서는, 전력저장장치(PSS, 400)의 충전상태(SOC, State of Charge)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. 또한, 충전상태(SOC)가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬 이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 열화가 빠르게 진행되는데, 적절한 SOC의 범위는 반복 실험을 통해 알 수 있다. 또한, 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 셀을 과방전 시켜주면 구성부품이 열화되어 회복 불능상태가 된다. 그리고 충전 전압도 한계치를 넘어 충전하게 되면 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)의 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화되고 만다. 이러한 문제점을 극복시켜 주는 것이 후술되는 배터리관리장치(BMS, 300)가 분담하게 된다.On the other hand, in order to prolong the life of charging and discharging of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage devices (PSS, 400), the charging state (SOC, State) of the power storage devices (PSS, 400) of charge) is important to keep constant. In addition, if the state of charge (SOC) is too low or high continues, deterioration of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage devices PSS 400 is faster than when the SOC is maintained at an intermediate level. The range of the appropriate SOC can be determined through repeated experiments. In addition, when the cells of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 are over-discharged, the components deteriorate and become irrecoverable. In addition, when the charging voltage is also charged over the limit, the cells of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 are overheated and changed into an irreversible structure. The battery management device (BMS, 300), which will be described later, overcomes this problem.

일 실시예에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)의 상위 제어기인 전력관리시스템(PMS, Power Management System)이나 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 중에서 어느 하나가 선택된 전류지령에 의해 양방향전력변환제어가 가능하도록 구성할 수 있다.In one embodiment, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the power controller (PMS, Power Management System) or energy management system (EMS) that is the upper controller of the DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600) , Energy Management System) can be configured to enable bi-directional power conversion control by a selected current command.

일 실시예에서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 전류제어를 수행하여 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)에 직류 전력을 충ㆍ방전하며, 상위 제어기의 전류지령을 입력받아 정전력으로 충ㆍ방전하는 정전력 제어, 즉 직류 전력을 일정하게 보존하는 전력변환장치의 제어 방식으로 지원이 가능하도록 구성할 수 있다.In one embodiment, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) charges and discharges DC power to the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device 400 by performing current control. In addition, it can be configured to be supported by a constant power control that receives and receives a current command from a higher-level controller and charges and discharges it with a constant power, that is, a control method of a power conversion device that constantly preserves DC power.

상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는, 전력저장장치(400)와 함께 설치되어 같은 단자 (P+ 및 P-)로 충전 및 방전이 이루어지며, 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 수단으로, 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태를 감시하고, 이를 보호하기 위한 보호회로를 내장하여 상기 전력저장장치를 보호하며, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신을 통해 상기 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태 및 동작 정보를 PC모니터로 전달하게 된다.The battery management device (BMS, Battery Management System, 300) is installed with the power storage device 400 to be charged and discharged to the same terminals (P+ and P-), through communication control with the Bi-dPCS The lithium ion battery 410 of the power storage devices (PSS, 400) and the maintenance of the balance (Balance) of each cell of the PSS and as a means to stop charging when the input voltage becomes below a certain value. Monitors the state of each cell of the supercapacitor 420, and protects the power storage device by incorporating a protection circuit for protecting it, and communicates with the Bi-dPCS 200 through the power storage device ( The state and operation information of each cell of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of 400) are transferred to the PC monitor.

또한, 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 효율적인 운영을 위해 계측적인 구조로 구성되며, 전체 전력저장장치를 감시ㆍ보호하는 시스템 BMS와 저장장치 모듈 및 개별 저장장치 셀(Cell)을 감시ㆍ보호하는 모듈 BMS 등으로 구성할 수 있다.In addition, the battery management device (BMS, 300) is composed of a measurable structure for efficient operation, and monitors and protects the entire power storage device BMS and storage module and individual storage cell (Cell) monitoring and It can be configured with a module BMS to protect.

또한, 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신(프로토콜 오픈)을 수행하여 각 셀의 최소, 평균, 최대 전압과 온도, 에너지 저장 시스템의 전체 전압, 동작 상태에 대한 정보 및 충전상태(SOC), 잔존수명(SOH, State of Health)을 취합 및 연산하여 인터페이스를 통한 외부 장치(혹은 PC)로 전달하도록 구성된다.In addition, the battery management device (BMS, 300), by performing communication (protocol open) with the Bi-dPCS 200, the minimum, average, maximum voltage and temperature of each cell, the total voltage of the energy storage system, the operating state It is configured to collect and calculate information about and the state of charge (SOC) and the remaining life (SOH) and deliver it to an external device (or PC) through the interface.

즉, 상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 열에 의한 각 셀(Cell)을 균등하게 냉각시켜 동일한 성능 구현이 가능하도록 열관리를 제어하며, 두 번째로 각 셀(Cell)의 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하여주는 충전상태(SOC) 제어로 나눌 수 있다. 이러한 두 가지 제어모드는, 리튬이온배터리(Li-ion Battery)의 단일 셀의 정격 전압은 3.6V, 충전 전압은 4.2V이므로, 리튬이온배터리를 직렬로 접속하여 수백볼트가 넘는 전압을 발생시켜 준다. 여러 개의 셀을 직렬로 접속하는 경우 그 중에서 어느 한 개의 셀이라도 고장이 나거나 열화 되면 배터리 팩 전체가 영향을 받는다. 따라서 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 EV(Electric Vehicle)에 적용되는 BMS는 개개의 셀에 대한 과충전, 과방전, 과열을 막고 이들의 수명을 최적화시켜주는 기능을 갖도록 모든 셀 은 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스(Cell Balance)가 요구되기 때문이다. 또한, BMS는 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링 하여 최적의 상태로 유지 관리하여 주며, 시스템의 안정화를 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 하여 준다. 배터리의 충ㆍ방전 시 과충전 및 과방전을 보호하고, 셀(Cell)간의 전압을 균일하게 하여줌으로써, 에너지 효율 및 배터리의 수명을 연장하여준다. 그리고 데이터의 보전 및 시스템을 진단하여 경보관련 이력상태의 저장 및 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 진단이 가능하다. 이러한 BMS의 기능은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 모두 적용되도록 구성된다.That is, the battery management device (BMS, Battery Management System, 300) can be largely divided into two. First, it controls the thermal management to achieve the same performance by uniformly cooling each cell by heat, and second, the charging state that determines the state of each cell and operates at the optimum efficiency point ( SOC) control. In these two control modes, since the rated voltage of a single cell of a lithium-ion battery is 3.6V and the charging voltage is 4.2V, a lithium-ion battery is connected in series to generate a voltage of several hundred volts or more. . When multiple cells are connected in series, if any one of them fails or deteriorates, the entire battery pack is affected. Therefore, BMS applied to HEV (Hybrid Electric Vehicle) or EV (Electric Vehicle) prevents overcharging, overdischarging, and overheating of individual cells and optimizes their lifespan, so that all cells are always in an evenly charged state. This is because cell balance that maintains is required. In addition, BMS monitors the voltage, current and temperature of the system and maintains it in an optimal state, and provides alarms and precautionary safety measures to stabilize the system. It protects overcharge and overdischarge during charging and discharging of the battery, and uniformizes the voltage between cells to extend energy efficiency and battery life. In addition, it is possible to store the alarm-related history by diagnosing data preservation and system and diagnosis through a diagnostic system or monitoring PC. The function of the BMS is configured to be applied to both the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 according to an embodiment of the present invention.

상기 계통측전력변환장치(500)는, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)에 충전된 DC전력을 부하로 공급하기 위해 AC전력으로 변환하기 위한 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)에서 공급되는 DC전력을 부하에 공급하기 위하여 AC전력으로 변환한다. The grid-side power conversion device 500 loads the DC power charged in the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the renewable energy generation facility 100 and the power storage devices PSS 400. As a means for converting to AC power for supply, the DC power supplied from the renewable energy generation facility 100 is converted to AC power to supply to the load.

또한, 계통측전력변환장치(500)는, 3상3-레벨 인버터(3-Level Inverter)를 적용하고 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 적용할 수 있다.In addition, the grid-side power converter 500 may apply a 3-phase inverter (3-Level Inverter) and a PWM (Pulse Width Modulation) control method.

상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)는, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)의 동작 및 전력변환을 제어하기 위한 수단으로, 상기 DSP제어기(600)는 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 부하측 정보를 감지하는 센서(IoT)의 정보를 입력받아 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 충ㆍ방전 및 직류와 교류 상호간의 양방향 전력을 변환시키도록 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어하게 된다.The DSP controller (Digital Signal Processor Controller, 600) is a means for controlling the operation and power conversion of the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the DSP controller 600 is the system side power conversion device A bi-directional power converter that receives and receives information from a sensor (IoT) that senses load-side information connected to the 500 and intermittently charges and discharges the power storage device (PSS, 400) and intermittently converts bidirectional power between DC and AC (Bi-dPCS, 200).

상기 DSP제어기(600)는, 먼저 접속반(110)으로 인입되는 신재생에너지발전설비(100)의 직류전원과 계통(상용전원)과 정류기(또는, DC-커패시터)를 통한 직류전원에 대한 신호를 입력받아 상기 접속반(110)과 연결된 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 충전을 하도록 제어명령을 하달한다. 이때 상기 DSP제어기(600)의 명령을 하달 받은 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는 접속반(110)과 연결된 직류전원과 정류기를 통과한 직류전원을 상기 전력저장장치의 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터 각각으로 스위칭 연결시켜 리튬이온배터리와 슈퍼커패시터에서 충전을 하도록 한다.The DSP controller 600, the signal for the DC power through the DC power and the system (commercial power) and rectifier (or DC-capacitor) of the new and renewable energy generation facility 100 that is first introduced into the connection panel 110 To receive the input and the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) connected to the connection panel 110 to charge the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS, 400). Issue a control command. At this time, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) under the command of the DSP controller 600 receives the DC power connected to the connection panel 110 and the DC power passing through the rectifier with the lithium ion battery of the power storage device. Switch to each of the supercapacitors to charge the lithium-ion battery and the supercapacitor.

또한, 상기 DSP제어기(600)는, 계통부하에 AC전력을 공급하는 계통측전력변환장치(500)와 연결된 전등부하와 같은 통상의 일반부하를 감지하는 센서(Iot)의 신호를 전송 받아 상기 전력 저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420)에 충전된 충전전력을 부하로 공급하도록 제어명령을 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하달한다. 이때 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 센서(Iot)의 신호가 일반부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)에 충전된 DC전력을 상기 Bi-dPCS(200)를 통해 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어한다.In addition, the DSP controller 600 receives the signal of a sensor (Iot) that detects a normal general load, such as a light load connected to the grid-side power converter 500 that supplies AC power to the grid load, and receives the power. Control commands are supplied to the bi-directional power converters (Bi-dPCS, 200) to supply the charging power charged to the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the storage devices PSS 400 as a load. At this time, when the signal of the sensor (Iot) connected to the system-side power conversion device 500 is a general load, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) causes the lithium ion battery of the power storage device (PSS, 400). The DC power charged in 410 is directly converted to AC power through the Bi-dPCS 200 and supplied to a load or controlled to be supplied to the system-side power conversion device 500.

그리고 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 센서(Iot)의 신호가 급속부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 슈퍼커패시터(420)에 충전된 DC전력을 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어하게 된다.And when the signal of the sensor (Iot) connected to the system-side power conversion device 500 is a rapid load, the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200), the super capacitor of the power storage device (PSS, 400) ( The DC power charged in 420) is directly converted to AC power and supplied to a load or controlled to be supplied to the grid-side power conversion device 500.

실시예들에서, 상기 DSP제어기(600)는 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하여 부하 변동에 의한 이상 전압 발생시 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 통해 상기 슈퍼커패시터(420)를 충전시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)(또는, 지령 전력, 목표 전력)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 DSP제어기(600)는 실제 전력(Pload) 및 기준 전력(Pref) 간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터(420)에 전압을 충전하도록 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어할 수 있다. 이를 통해, DC-커패시터의 전압 크기가 일정한 레벨로 유지될 수 있다.In embodiments, the DSP controller 600 monitors the state of the DC-capacitor of the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) to generate the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS) when an abnormal voltage occurs due to load fluctuation. , 200) may charge the supercapacitor 420. For example, when an overpower in which the actual power (Pload) in the DC-capacitor is greater than the reference power (Pref) (or, command power, target power) is detected, the DSP controller 600 displays the actual power (Pload). ) And the bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200) to charge the voltage to the supercapacitor 420 in response to a power error between the reference power (Pref). Through this, the voltage level of the DC-capacitor can be maintained at a constant level.

도 2는 도 1의 전력 시스템에 포함된 에너지 저장 시스템을 나타내는 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an energy storage system included in the power system of FIG. 1.

도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템은 DSP제어기(600), 전력저장장치(400)(즉, 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼커패시터(420)), 및 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)을 포함할 수 있다.2, the energy storage system includes a DSP controller 600, a power storage device 400 (ie, a lithium ion battery 410 and a supercapacitor 420), and a bi-directional power conversion device (Bi-dPCS, 200). ).

양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는 배터리 컨버터(410)(또는, 제1 컨버터) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220)(또는, 제2 컨버터)를 포함할 수 있다. 배터리 컨버터(210)는 DC-커패시터(C) 및 상기 리튬이온배터리(410) 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리(410)의 충ㆍ방전을 단속할 수 있다. 유사하게, 슈퍼커패시터 컨버터(220)는 상기 DC-커패시터(C) 및 상기 슈퍼커패시터(420) 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터(420)의 충ㆍ방전을 단속할 수 있다. 배터리 컨버터(410) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220) 각각은 도 2에 도시된 바와 같이, 하프 브릿지(half-bridge) 컨버터로 구현될 수 있다.The bi-directional power conversion device Bi-dPCS 200 may include a battery converter 410 (or a first converter) and a supercapacitor converter 220 (or a second converter). The battery converter 210 is connected between the DC-capacitor C and the lithium-ion battery 410, and can regulate charging and discharging of the lithium-ion battery 410. Similarly, the supercapacitor converter 220 may be connected between the DC-capacitor C and the supercapacitor 420 to control charging and discharging of the supercapacitor 420. Each of the battery converter 410 and the supercapacitor converter 220 may be implemented as a half-bridge converter, as shown in FIG. 2.

DSP제어기(600)는 복수의 센서들을 통해 감지된 전류/전압 정보들에 기초하여 리튬이온배터리(410)에 대한 전력 지령(Pdc_ref)(또는, 지령 전력, 기준 전력, 목표 전력)과, 슈퍼커패시터(420)에 대한 전류 지령(Isc_ref)(또는, 충전 지령)을 생성할 수 있다. 여기서, 전류/전압 정보들은 배터리 전압(Vdc), 배터리 출력 전류(Idc), DC-커패시터(C)의 전압(Vdc)(즉, 부하측 전압), 슈퍼커패시터 전압(Vsc) 및 슈퍼커패시터 출력 전류(Isc)를 포함할 수 있다.The DSP controller 600 is based on current/voltage information sensed through a plurality of sensors, and a power command (or Pdc_ref) for the lithium ion battery 410 (or command power, reference power, and target power), and a supercapacitor. A current command (Isc_ref) (or charging command) for 420 may be generated. Here, the current/voltage information includes the battery voltage (Vdc), the battery output current (Idc), the voltage (Vdc) of the DC-capacitor (C) (that is, the load-side voltage), the supercapacitor voltage (Vsc), and the supercapacitor output current ( Isc).

실시예들에서, 상기 DSP제어기(600)는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 벅 동작시킬 수 있다.In embodiments, the DSP controller 600 may calculate a power error between the reference power (Pref) and the actual power (Pload), and buck operate the supercapacitor converter 220 in response to the power error.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.For example, the DSP controller 600, the super power to charge the voltage to the supercapacitor in response to the power error when the actual power (Pload) is detected that an overpower greater than the reference power (Pref) Capacitor converter 220 can be controlled. In addition, when the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), the DSP controller (600) compensates for the power error so that the actual power (Pload) is kept constant. Can be controlled.

도 3은 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 리튬이온배터리의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 4는 도 2의 에너지 저장 시스템에 포함된 슈퍼커패시터의 동작을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining a process of controlling the operation of the lithium ion battery included in the energy storage system of FIG. 2. FIG. 4 is a diagram illustrating a process of controlling the operation of the supercapacitor included in the energy storage system of FIG. 2.

먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 DSP제어기(600)는, 부하측의 전력 정보(Pload) 및 전력 지령(Pdc_ref)(또는, 기준 전력)을 비교하여 전력 오차를 산출하고, 전력 오차만큼 PI(비례적분) 제어기를 통해 리튬이온배터리(410)의 출력을 보상 또는 제어할 수 있다.First, referring to FIGS. 2 and 3, the DSP controller 600 compares power information (Pload) and power command (Pdc_ref) (or reference power) on the load side to calculate a power error, and calculates the PI by the power error. (Proportional integration) The output of the lithium ion battery 410 may be compensated or controlled through a controller.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)(또는, 배터리 제어기(610))는, 리튬이온배터리(410)의 전압(Vdc) 및 전류(Idc)에 기초하여 공급 전력(Pdc)(또는, 부하측의 전력 정보(Pload))을 산출하고, 전력 지령(Pdc_ref) 및 공급 전력(Pdc)을 차연산하여 전력 오차를 산출하며, PI 제어기(PI)를 통해 전력 오차에 대응하는 전류 지령(Idc_ref)을 생성하고, 전류 지령(Idc_ref)과 전류 정보(Idc)를 차연산하고 PI 제어기를 통해 전력 오차를 보상하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어신호는 펄스폭변조(PWM)를 통해 배터리 컨버터(410)에 제공되고, 제어신호에 응답한 배터리 컨버터(410)의 동작에 따라, DC-커패시터 단에서의 전력이 일정하게 유지될 수 있다.For example, the DSP controller 600 (or the battery controller 610) is based on the voltage (Vdc) and the current (Idc) of the lithium-ion battery 410, the supply power (Pdc) (or, on the load side) Calculate power information (Pload), calculate the power error by calculating the power command (Pdc_ref) and supply power (Pdc), and generate a current command (Idc_ref) corresponding to the power error through the PI controller (PI) Then, the current command (Idc_ref) and the current information (Idc) can be calculated and the control signal for compensating for the power error through the PI controller. The control signal is provided to the battery converter 410 through pulse width modulation (PWM), and according to the operation of the battery converter 410 in response to the control signal, power at the DC-capacitor stage may be kept constant.

도 4을 참조하면, 상기 DSP제어기(600)는, 지령 전력(Pdc_ref)(또는, 기준 전력, 전력 지령) 및 실제 전력(Pload)을 비교하여 전력 오차를 산출하고, 전력 오차만큼 전류 제어기를 통해 슈퍼커패시터(420)에 전압을 충전할 수 있다.Referring to FIG. 4, the DSP controller 600 calculates a power error by comparing a reference power (Pdc_ref) (or a reference power, a power command) and an actual power (Pload), and through the current controller as much as the power error. The supercapacitor 420 can be charged with a voltage.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)(또는, 슈퍼커패시터 제어기(620))는, 지령 전력(Pdc_ref)(또는, 기준 전력, 전력 지령)으로부터 실제 전력(Pload)을 차연산하여 전력 오차를 산출하고, PI 제어기(PI)를 통해 전력 오차에 대응하는 전류 지령(Idc_ref)을 생성하며, 전류 지령(Idc_ref)과 출력 전류(Isc)를 차연산하고 PI 제어기를 통해 전력 오차를 보상하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어신호는 펄스폭변조(PWM)를 통해 슈퍼커패시터 컨버터(220)에 제공되고, 제어신호에 응답한 슈퍼커패시터 컨버터(220)의 동작(예를 들어, 도 2에 도시된, 슈퍼커패시터 컨버터(220)의 제1 스위치(S1)에 대한 스위칭 동작)에 따라, DC-커패시터 단에서의 전압이 일정 레벨로 유지될 수 있다.For example, the DSP controller 600 (or the supercapacitor controller 620) calculates a power error by differentially calculating the actual power Pload from the command power Pdc_ref (or the reference power and the power command). And generate a current command (Idc_ref) corresponding to the power error through the PI controller (PI), differentially calculate the current command (Idc_ref) and the output current (Isc), and control signals to compensate for the power error through the PI controller Can generate The control signal is provided to the supercapacitor converter 220 through pulse width modulation (PWM), and the operation of the supercapacitor converter 220 in response to the control signal (for example, as illustrated in FIG. 2, supercapacitor converter 220 ), the voltage at the DC-capacitor stage may be maintained at a constant level.

예를 들어, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 DSP제어기(600)는, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다.For example, the DSP controller 600, the super power to charge the voltage to the supercapacitor in response to the power error when the actual power (Pload) is detected that an overpower greater than the reference power (Pref) Capacitor converter 220 can be controlled. In addition, when the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), the DSP controller (600) compensates for the power error so that the actual power (Pload) is kept constant. Can be controlled.

도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템은, 실제 전력(Pload)(또는, DC-커패시터의 상태)를 실시간으로 모니터링하여, 부하의 변동으로 인해 발생하는 이상전압에 대해 슈퍼커패시터(420)의 벅동작을 통해 DC-커패시터의 출력을 안정화시킬 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어함으로써, DC-커패시터의 전압을 일정 레벨로 유지시킬 수 있다.As described with reference to FIGS. 3 and 4, the energy storage system according to embodiments of the present invention monitors real power Pload (or the state of a DC-capacitor) in real time, due to fluctuations in load. The output of the DC-capacitor can be stabilized through the buck operation of the supercapacitor 420 with respect to the generated abnormal voltage. In particular, the energy storage system, the supercapacitor converter 220 to charge the voltage to the supercapacitor in response to the power error when the actual power (Pload) is greater than the reference power (Pref) is detected By controlling, the voltage of the DC-capacitor can be maintained at a constant level.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법을 나타내는 순서도이다.5 is a flowchart illustrating an output stabilization method of an energy storage system according to embodiments of the present invention.

도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 도 5의 방법은 도 1의 전력 시스템(또는, 도 2의 에너지 저장 시스템)에서 수행될 수 있다.1, 2 and 5, the method of FIG. 5 may be performed in the power system of FIG. 1 (or the energy storage system of FIG. 2 ).

도 5의 방법은 DSP제어기(600)를 통해 Bi-dPCS(200)의 DC-커패시터의 상태를 모니터링할 수 있다(S510). 예를 들어, 도 5의 방법은, 별도의 센서를 통해 수신된 전류/전압 정보를 통해 DC-커패시터의 전압 변동을 모니터링하며, 부하 변동에 기인한 이상 전압의 발생을 확인할 수 있다.The method of FIG. 5 may monitor the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS 200 through the DSP controller 600 (S510). For example, the method of FIG. 5 monitors the voltage fluctuation of the DC-capacitor through the current/voltage information received through a separate sensor, and can check the occurrence of an abnormal voltage due to the load fluctuation.

도 5의 방법은, 상기 DSP제어기(600)를 통해 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)과 비교할 수 있다(S520). 예를 들어, 도 5의 방법은, 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰지 여부를 판단할 수 있다.In the method of FIG. 5, the actual power (Pload) in the DC-capacitor may be compared with the reference power (Pref) through the DSP controller (600) (S520 ). For example, the method of FIG. 5 may determine whether the actual power Pload is greater than the reference power Pref.

상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 도 5의 방법은, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터(420)에 대해 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)(또는, 슈퍼커패시터 컨버터(220))를 벅 동작시킬 수 있다(S530).When an overpower in which the actual power (Pload) in the DC-capacitor is greater than the reference power (Pref) is detected, the method of FIG. 5 corresponds to a power error between the actual power (Pload) and the reference power (Pref) By doing so, the two-way power converter (Bi-dPCS, 200) (or the supercapacitor converter 220) can be bucked with respect to the supercapacitor 420 (S530).

이와 달리, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 도 5의 방법은, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다(S540).Alternatively, when the actual power Pload is smaller than the reference power Pref, the method of FIG. 5 controls the battery converter 210 to compensate for the power error so that the actual power Pload is kept constant. It can be done (S540).

배터리 컨버터(210) 및 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하는 과정에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 반복하지 않기로 한다.The process of controlling the battery converter 210 and the supercapacitor converter 220 is substantially the same as that described with reference to FIGS. 2 to 4, so that repeated descriptions will not be repeated.

도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법은, 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하고, 또한, 상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어할 수 있다. 따라서, DC-커패시터의 전압을 일정 레벨로 유지될 수 있다.As described with reference to FIG. 5, in the method of stabilizing the output of the energy storage system according to embodiments of the present invention, when an overpower in which the actual power Pload is greater than the reference power Pref is detected, the power error In response to controlling the supercapacitor converter 220 to charge the voltage to the supercapacitor, and also, if the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), compensate for the power error and the actual power ( Pload) may be controlled so that the battery converter 210 is kept constant. Therefore, the voltage of the DC-capacitor can be maintained at a constant level.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The drawings referenced so far and the detailed description of the described invention are merely exemplary of the present invention, which are used for the purpose of describing the present invention only and are used to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims. It is not. Therefore, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 신재생에너지발전설비
110: 접속반
200: 양방향전력변환장치(Bi-dPCS)
210: 배터리 컨버터
220: 슈퍼커패시터 컨버터
300: 배터리관리장치(BMS)
400: 전력저장장치(PSS)
410: 리튬이온배터리
420: 슈퍼커패시터
500: 계통측전력변환장치
600: DSP제어기
100: renewable energy generation facility
110: access panel
200: bi-directional power converter (Bi-dPCS)
210: battery converter
220: supercapacitor converter
300: battery management device (BMS)
400: power storage device (PSS)
410: lithium ion battery
420: supercapacitor
500: grid-side power converter
600: DSP controller

Claims (4)

신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충ㆍ방전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 변환시켜 DC-커패시터를 통해 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와;
상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와;
상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충ㆍ방전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와;
계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하고,
상기 DSP제어기는 상기 Bi-dPCS의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하여 이상 전압 발생시 상기 Bi-dPCS를 통해 상기 슈퍼커패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
DC power rectifying commercial power (AC) of new and renewable energy generation facilities and systems is charged/discharged and converted to power storage (PSS), but the power of the PSS is converted by converting the charging power of the PSS under the command of a DSP controller. A bi-directional power converter (Bi-dPCS, 200) that discharges to a load through a capacitor and controls charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS;
A battery management device (BMS, 300) that serves to protect the PSS cells through the Bi-dPCS communication control and to stop charging when the input voltage is below a certain value;
Direct/parallel so that multiple lithium ion batteries 410 and supercapacitors 420 that charge and discharge DC power of commercial power rectified with the new and renewable energy generation facilities by the Bi-dPCS and BMS can respond to the system load. A power storage device (PSS, 400) having one pack connected to each other;
It includes a DSP controller (600) for controlling the Bi-dPCS that detects the load of the system and controls the charging and discharging and bidirectional power conversion of the PSS,
The DSP controller monitors the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS and charges the supercapacitor through the Bi-dPCS when an abnormal voltage occurs.
제1 항에 있어서, 상기 Bi-dPCS는.
상기 DC-커패시터 및 상기 리튬이온배터리 사이에 연결되어, 상기 리튬이온배터리의 충ㆍ방전을 단속하는 배터리 컨버터(210); 및
상기 DC-커패시터 및 상기 슈퍼커패시터 사이에 연결되어, 상기 슈퍼커패시터의 충ㆍ방전을 단속하는 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 포함하고,
상기 DSP제어기는, 기준 전력(Pref)과 실제 전력(Pload) 간의 전력 오차를 산출하고, 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 벅 동작시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
According to claim 1, The Bi-dPCS.
A battery converter 210 connected between the DC-capacitor and the lithium-ion battery to regulate charging and discharging of the lithium-ion battery; And
And a supercapacitor converter (220) connected between the DC-capacitor and the supercapacitor to control charging and discharging of the supercapacitor,
The DSP controller calculates a power error between the reference power (Pref) and the actual power (Pload), and the energy storage system, characterized in that the buck operation of the supercapacitor converter 220 in response to the power error.
제2 항에 있어서, 상기 DSP제어기는,
상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 전압을 충전하도록 상기 슈퍼커패시터 컨버터(220)를 제어하며,
상기 실제 전력(Pload)이 상기 기준 전력(Pref)보다 작은 경우, 상기 전력 오차를 보상하여 실제 전력(Pload)이 일정하게 유지되도록 상기 배터리 컨버터(210)를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
According to claim 2, The DSP controller,
When the overpower is detected that the actual power (Pload) is greater than the reference power (Pref), and controls the supercapacitor converter 220 to charge the voltage to the supercapacitor in response to the power error,
When the actual power (Pload) is less than the reference power (Pref), the energy storage system characterized in that to control the battery converter 210 to compensate for the power error to maintain the actual power (Pload) constant.
신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충ㆍ방전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 변환시켜 DC-커패시터를 통해 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충ㆍ방전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼커패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 계통의 부하를 감지하여 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하기 위한 DSP제어기(600)를 포함하는 에너지 저장 시스템에서,
상기 DSP제어기를 통해 상기 Bi-dPCS의 상기 DC-커패시터의 상태를 모니터링하는 단계;
상기 DSP제어기를 통해 상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)을 기준 전력(Pref)과 비교하는 단계; 및
상기 DC-커패시터에서의 실제 전력(Pload)이 기준 전력(Pref)보다 큰 과전력이 감지된 경우, 상기 실제 전력(Pload) 및 상기 기준 전력(Pref)간의 전력 오차에 대응하여 상기 슈퍼커패시터에 대해 상기 Bi-dPCS를 벅 동작시키는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 출력 안정화 방법.
DC power rectifying commercial power (AC) of new and renewable energy generation facilities and systems is charged/discharged and converted to power storage (PSS), but the power of the PSS is converted by converting the charging power of the PSS under the command of a DSP controller. A bi-directional power converter (Bi-dPCS, 200) that discharges to a load through a capacitor and controls charging and discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) that monitors and protects the PSS; A plurality of lithium ion batteries 410 and supercapacitors 420 charging and discharging DC power of commercial power rectified with the new and renewable energy generation facilities by the Bi-dPCS are connected in series and in parallel to be able to cope with the system load. A power storage device (PSS, 400) having one pack; In the energy storage system including a DSP controller (600) for controlling the Bi-dPCS that detects the load on the system and controls the charge/discharge and bidirectional power conversion of the PSS,
Monitoring the state of the DC-capacitor of the Bi-dPCS through the DSP controller;
Comparing the actual power (Pload) in the DC-capacitor with a reference power (Pref) through the DSP controller; And
When an overpower in which the actual power (Pload) in the DC-capacitor is greater than the reference power (Pref) is sensed, for the supercapacitor in response to a power error between the actual power (Pload) and the reference power (Pref) And buck-operating the Bi-dPCS.
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