KR20210097300A - 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리와, 리튬 배터리에 병렬로 연결되어 단주기 주파수 변동 시 순간 피크를 보상하는 전기 이중층 커패시터를 포함한다.

Description

단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템{Energy Storage System(ESS) with electrical double layer capacitors for Short-Period Frequency Fluctuation Compensation}
본 발명은 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리의 수명을 연장할 수 있는 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대되고 있으며 주야 간, 계절 간, 일별 간의 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다. 이러한 이유로 전력계통의 잉여 전력을 활용하여 피크 부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있다.
이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 전력계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 에너지 저장 시스템(ESS)이다.
이와 같이 에너지 저장 시스템은 신재생 에너지에서 생산되는 전력을 전력계통에 안정적으로 연결해 주기 위해 사용된다. 신재생 에너지는 태양광이나 풍력 발전을 통해 발생하는 전기 에너지로 전력 생산 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 신재생 에너지는 에너지 저장 시스템과 결합되어 사용된다. 에너지 저장 시스템은, 배터리로서 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리를 사용하여, 과잉 생산된 전력을 저장한 후 전력이 부족한 경우에 방전하여 전력 수급을 안정화시킨다. 즉, 에너지 저장 시스템은 전력 수요가 적을 때 미미하게 모이는 신재생 에너지를 리튬 배터리에 축적하여 저장한 후 전력 수요가 많은 피크(peak) 시간 대에 저장된 전력을 사용할 수 있도록 함으로써 전력의 활용 효율을 개선한다.
여기서 리튬 이차 전지를 포함하는 리튬 배터리는 단주기 주파수 변동 시 순간 피크(peak)의 출력 보상을 통해 전력 품질을 안정화시킬 수 있다.
하지만 이러한 순간 피크의 출력 보상은 리튬 배터리의 빈번한 충방전을 통해 이루어지기 때문에, 리튬 이차 전지의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하고 있다.
등록특허공보 제10-1587488호(2016.01.21. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리의 수명을 연장할 수 있는 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리; 및 상기 리튬 배터리에 병렬로 연결되어 단주기 주파수 변동 시 순간 피크를 보상하는 전기 이중층 커패시터;를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
상기 리튬 배터리가 100㎾급인 경우, 상기 전기 이중층 커패시터는 2.7V, 3000F의 용량을 갖는다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 리튬 배터리 및 상기 전기 이중층 커패시터의 충방전을 위해 전력을 직류에서 교류로 변환하거나 교류에서 직류로 변환하는 전력 변환 장치;를 더 포함한다.
상기 리튬 배터리는 사용 전류가 100A이고, 사용 전압 범위가 800 내지 1200V 일 수 있다.
그리고 상기 리튬 배터리는 리튬 이차 전지의 과충전 전압, 리튬 이차 전지의 과방전 전압, 온도 하한, 온도 상한, 리튬 배터리의 과충전 전류, 리튬 배터리의 과방전 전류, 리튬 배터리의 과충전 전압 및 리튬 배터리의 과방전 전압에 대한 알람 기능을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 리튬 배터리와 병렬로 연결해서 사용함으로써, 단주기 주파수 변동 시 순간 피크로 인한 리튬 이차 전지의 수명이 단축되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템을 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 리튬 배터리(10)와 전기 이중층 커패시터(20)를 포함하고, 전력 변환 장치(30)를 더 포함할 수 있다. 리튬 배터리(10)는 리튬 이차 전지들을 포함한다. 그리고 전기 이중층 커패시터(20)는 리튬 배터리(10)에 병렬로 연결되어 단주기 주파수 변동 시 순간 피크를 보상한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터(20)를 리튬 배터리(10)와 병렬로 연결해서 사용함으로써, 단주기 주파수 변동 시 순간 피크로 인한 리튬 이차 전지의 수명이 단축되는 것을 억제할 수 있다.
여기서 전력 변환 장치(30)는 리튬 배터리(10) 및 전기 이중층 커패시터(20)의 충방전을 위해 전력을 직류에서 교류로 변환하거나 교류에서 직류로 변환한다. 즉 리튬 배터리(10)는 충방전을 수행하기 위해서는 적절한 전력의 크기로 변환되어야 하는데, 이를 전력 변환 장치(30)가 수행한다. 전력 변환 장치(30)는 컨버터 또는 인버터를 포함한다. 컨버터는 전압의 크기를 변화시키는 장치이다. 인버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 장치이다.
리튬 배터리(10)는 전력계통에 전기에너지를 공급하는 복수의 리튬 이차 전지들을 포함한다. 리튬 이차 전지(또는 셀)는 외부 충격, 열 또는 진동 등으로 보호하기 위해서 일정한 개수, 예컨대 10개 내외로 묶어 프레임에 넣은 배터리 모듈로 제작된다. 리튬 배터리(10)는 이러한 배터리 모듈을 복수개로 묶어 배터리 팩 형태로 제작된다.
그리고 전기 이중층 커패시터(20)는 리튬 배터리(10)에 병렬로 연결되어 충방전을 수행한다. 전기 이중층 커패시터(20)는, 리튬 배터리(10)가 100㎾급인 경우, 2.7V, 3000F의 용량을 가질 수 있다. 전기 이중층 커패시터(20)는 원통형의 액시얼 타입(axial type)으로 구현될 수 있다. 전기 이중층 커패시터(20)는 복수의 단위 전기 이중층 커패시터(20)가 모듈로 제작될 수 있다.
리튬 배터리(10)는 사용 전류가 100A이고, 사용 전압 범위가 800 내지 1200V 일 수 있다.
리튬 배터리(10)의 충방전 모드는 정전력 충방전으로 100㎾ 수준일 수 있다.
그리고 리튬 배터리(10)는 리튬 이차 전지의 과충전 전압, 리튬 이차 전지의 과방전 전압, 온도 하한, 온도 상한, 리튬 배터리(10)의 과충전 전류, 리튬 배터리(10)의 과방전 전류, 리튬 배터리(10)의 과충전 전압 및 리튬 배터리(10)의 과방전 전압 중에 적어도 하나에 대한 알람 기능을 가질 수 있다. 여기서 알람은 복수의 단계로 출력될 수 있다. 알람은 소리, 빛 및 디스플레이 중에 적어도 하나로 출력할 수 있다. 예컨대 알람은 경고(warning) 및 불량(fault)의 두 단계로 출력될 수 있다. 경고등으로 알람을 출력하는 경우, 정상적인 경우 녹색이 출력되고, 경고인 경우 노란색으로 변경되어 출력되고, 불량인 경우 붉은색이 출력될 수 있다.
그 외 본 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 통신부 또는 표시부를 더 포함할 수 있다.
통신부는 유무선망을 통하여 관리자 단말과 통신을 수행한다. 이러한 통신부는 유선 통신부 또는 무선 통신부를 포함할 수 있다. 무선 통신부는 근거리 통신부 또는 원거리 통신부를 포함한다.
표시부는 에너지 저장 시스템(100)에서 실행되는 각종 기능 메뉴를 비롯하여 에너지 저장 시스템(100)의 상태 정보를 표시할 수 있다. 이러한 표시부로는 LCD, LED, AMOLED 또는 터치스크린이 사용될 수 있다. 터치스크린은 표시장치와 입력장치로서의 역할을 동시에 수행한다.
표시부에 표시되는 기능 메뉴는 제1 메인 페이지(Main Page 1), 제2 메인 페이지(Main Page 2), 랙 페이지(Rack Page), 트레이 페이지(Tray Page), 알람 페이지(Alarm Page), 세팅 페이지(Setting Page) 및 를 포함할 수 있다.
제1 메인 페이지는 리본 바(Ribbon Bar), 상태 바(Status bar), 랙 상태(Rack Status), 트레이 정보(Tray Information)를 포함할 수 있다.
리본 바는 홈, 랙, 트레이, 셀 모니터, 알람, 세팅 버튼을 포함하고, 각 버튼의 클릭 시 각 화면으로 이동한다. 세팅을 클릭하면, 비밀번호를 입력해야 세팅 창으로 들어갈 수 있다.
상태 바는 시스템 메시지, PMS와의 인터넷 통신 상태, CAN 통신 상태, 현재 시각을 나타낸다.
랙 상태는 랙의 전압, 전류, 전력, 릴레이, 랙 팬(rack fan), 랙 온도, 충 방전 상태를 나타낸다. 여기서 릴레이는 선충전(precharge) 릴레이, 충전 릴레이, 방전 릴레이를 포함한다. 상태로서 대기 상태(IDLE), 충전 상태(Charge), 방전 상태(Discharge)를 나타낸다. 상태의 변환 기준은 2A를 기준으로 충전 또는 방전으로 변경된다.
그리고 트레이 정보는 트레이의 전압 및 온도를 표시한다. 트레이의 전압 및 온도는 셀(리튬 이차 전지) 최대 전압 및 최대 온도, 셀 최소 전압 및 최소 온도를 포함한다.
트레이의 전압 및 온도는 색상으로 표시될 수 있다. 예컨대 트레이 중 가상 높은 셀 전압을 가지는 트레이는 글자색이 붉은색으로 표시될 수 있다. 트레이 중 가장 낮은 셀 전압을 가지는 트레이는 글자색이 파란색으로 표시될 수 있다.
제2 메인 페이지는 알람 상태를 표시한다. 알람 상태는 경고(warning) 및 불량(fault)의 두 단계로 표시될 수 있다. 경고등으로 알람을 출력하는 경우, 정상적인 경우 녹색이 출력되고, 경고인 경우 노란색으로 변경되어 출력되고, 불량인 경우 붉은색이 출력된다. 예컨대 제2 메인 페이지를 통해서, 리튬 이차 전지의 과충전 전압, 리튬 이차 전지의 과방전 전압, 온도 하한, 온도 상한, 리튬 배터리(10)의 과충전 전류, 리튬 배터리(10)의 과방전 전류, 리튬 배터리(10)의 과충전 전압 및 리튬 배터리(10)의 과방전 전압을 표시할 수 있다.
랙 페이지는 트레이 정보(Tray Information), 랙 상태(Rack Status), 트레이 최소/최대(Tray Min/Max) 및 셀 최소/최대(Cell Min/Max)를 표시한다.
트레이 정보를 통해서, 트레이들의 각 전압, 밸런스, 셀 최대 전압, 최소 전압, 전압 편차, 최대 온도, 최소 오도, 온도 편차, 팬 동작 상태를 표시한다.
랙 상태는 랙의 전압, 전류, 전류, 릴레이 상태, 온도를 표시한다.
트레이 최소/최대를 통해서, 전력 트레이의 전압, 온도의 최대 및 최소값을 표시하고, 최대 및 최소값을 가지는 트레이 번호를 표시한다.
그리고 셀 최소/최대를 통해서, 전체 셀의 전압, 온도의 최대, 최소, 평균, 편차를 표시하고, 최대 및 최소값을 가지는 트레이 번호와 셀 번호를 표시한다.
트레이 페이지는 트레이 정보(Tray Information)를 표시한다.
즉 트레이 페이지를 통해서, 트레이들의 각 셀의 전압, 온도를 보여주며, 각 트레이에서 최대값과 최소값을 출력한다. 트레이 페이지를 통해서, 최대 5개의 트레이의 상세 데이터가 출력되며, 다른 트레이 정보를 보고 싶을 때 상단의 원하는 트레이의 영역을 클릭하여 확인할 수 있다.
트레이 페이지를 통해서, 밸런싱 중인 셀은 배경색이 노란색으로 표시되고, 트레이의 셀 최대 전압은 글자색이 붉은색으로 표시되고, 트레이의 셀 최소 전압은 글자색이 파란색으로 표시된다.
알람 페이지는 알람 로그(alarm log)를 표시한다. 알람 로그를 통해서, 이전에 발생한 알람 정보를 확인할 수 있다. 알람 로그를 통해서, 기간을 선택 후 검색을 클릭하면 기간 내의 기록을 출력할 수 있다. 알람 로그를 통해서 표시되는 알람 정보는 알람 발생 시간, 알람 종류, 알람 코드, 알람 내용을 포함한다.
그리고 세팅 페이지는 커뮤니케이션(Communication), 시리얼(Serial(CAN/RS232)), Modbus TCP, 비밀번호(Password), 타이머(Timer) 및 SOC R Value를 표시한다.
커뮤니케이션을 통해서, CAN, Modbus TCP 통신의 ON/OFF를 스위치를 통해서 설정하고, 해당 스위치를 클릭 시 ON/OFF 상태가 변경된다.
시리얼을 통해서, 시리얼 통신의 통신 속도, 포트 등의 설정을 수정할 수 있다.
Modbus TCP를 통해서, PMS와 통신하는 Modbus 인터넷 통신의 설정값을 수정할 수 있다.
비밀번호를 통해서, 세팅에 접근하기 위한 비밀번호를 클릭 시 변경할 수 있다.
타이머를 통해서, 랙 데이터와 트레이 데이터의 기록 주기를 변경할 수 있다.
SOC R Value를 통해서, SOC 계산에 영향을 미치는 R값을 설정할 수 있다.
그 외 기능 메뉴는 셀 모니터 페이지를 더 포함할 수 있다. 셀 모니터 페이지는 전체 트레이의 각 셀의 전압, 온도, 팬 동작 상태를 표시한다. 셀 모니터 페이지를 통해서, 최대 셀 전압은 글자색이 붉은색으로 표시되고, 최소 셀 전압은 파란색으로 표시된다. 셀 모니터 페이지를 통해서, 최대 셀 온도는 글자색이 붉은색으로 표시되고, 최소 셀 온도는 글자색이 파란색으로 표시된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 리튬 배터리
20 : 전기 이중층 커패시터
30 : 전력 변환 장치
100 : 에너지 저장 시스템

Claims (5)

  1. 리튬 이차 전지들을 포함하는 리튬 배터리; 및
    상기 리튬 배터리에 병렬로 연결되어 단주기 주파수 변동 시 순간 피크를 보상하는 전기 이중층 커패시터;
    를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 배터리가 100㎾급인 경우, 상기 전기 이중층 커패시터는 2.7V, 3000F의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 배터리 및 상기 전기 이중층 커패시터의 충방전을 위해 전력을 직류에서 교류로 변환하거나 교류에서 직류로 변환하는 전력 변환 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 배터리는 사용 전류가 100A이고, 사용 전압 범위가 800 내지 1200V인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 배터리는 리튬 이차 전지의 과충전 전압, 리튬 이차 전지의 과방전 전압, 온도 하한, 온도 상한, 리튬 배터리의 과충전 전류, 리튬 배터리의 과방전 전류, 리튬 배터리의 과충전 전압 및 리튬 배터리의 과방전 전압에 대한 알람 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
KR1020200010804A 2020-01-30 2020-01-30 단주기 주파수 변동 보상용 전기 이중층 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템 KR20210097300A (ko)

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