KR20220008793A - 에너지 저장시스템(ess),무정전 전원공급 장치(ups) 전환 태양광 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ESS를 사용하는 수용가에서의 충전 부족 예상시 UPS로 전환하여 비상발전기를 대체하는 방법 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로, ESS,UPS 전환, 태양광 발전 및 계통연계, 비상용 발전기 등을 대체하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 태양광 패널으로부터 제공받은 전력을 저장하거나, 저장된 전력을 부하에 제공하는 ESS(EnergyStorage System), 전력 계통과 상기 ESS 사이에 배치되는 차단기, 전력 선로 전환을 위한 무접점 절체 스위치, 상기 계통의 상태 정보를 측정하는 감시부, 및 상기 감시부로부터 측정된 상기 상태 정보를 수신하고, 상기 차단기와 상기 기기의 모드를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 상태 정보를 기초로 상기 계통의 동작 상태를 판단하여, 상기 ESS가 정상 충전 상태인 경우 부하에 전력을 제공하도록 제어하고, 상기 ESS가 전력부족 예상 상태인 경우, UPS모드로 전환 및 상기 계통으로 선로를 전환하여 상기 계통에 사고, 문제가 발생하였을 경우, 상기 ESS에 저장된 전력을 상기 부하에 제공한다.

Description

에너지 저장시스템(ESS),무정전 전원공급 장치(UPS) 전환 태양광 발전 시스템{ESS, UPS conversion solar power generation system}

본 발명은 무정전 전원공급 모드(UPS(Uninterruptible Power Supply) MODE), 에너지 저장 시스템 모드(ESS(Energy Storage System)MODE)를 전환하여 사용 가능한 태양광 발전기 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

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.

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.

한편, 종래의 태양광 발전기에 설치된 에너지 저장 시스템(ESS)의 경우 저장전력 부족이 발생했을 경우 우회선로(Bypass, 계통) 또는 비상 발전기로 전력을 공급하는 방식을 택하고 있다.

즉, 에너지 저장 시스템은 전력 계통의 전력 안정화를 위한 보조적인 역할만을 수행해왔을 뿐이고, 우회선로(Bypass, 계통) 및 비상 발전기를 별도로 운용함으로써 비용과 에너지 효율상에 문제점이 있었다.

에너지 저장 시스템(ESS)에서 충전량 부족이 발생하여 우회선로(Bypass, 계통)로 전환된 상태에서 우회선로(Bypass, 계통)측의 전력공급에도 문제가 발생할 경우 에너지 저장 시스템(ESS)가 설치되어 있음에도 수용가 측에 전력공급 문제가 발생할 수 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 에너지 저장 시스템(ESS)은 계통(300, 상기 우회선로(Bypass)), 비상 발전기(200), 에너지 저장 시스템(ESS)(100) 및 복수의 부하(L1(500), L2(510))에 전기적으로 연결되어 있다.

에너지 저장 시스템(ESS)(100)에서 충전량 부족이 발생한 경우, 제1 차단기(130)는 차단되고, 상기 부족 현상을 감지한 감시부(150)의 신호에 의하여 제2 차단기(230) 또는 제 3차단기(330)를 개방한다.

일반적으로 계통(300, 상기 우회선로(Bypass)), 비상 발전기(200) 중 한가지만 설치되어 있는 경우가 대부분이며 충전량 부족 발생후 계통(300, 상기 우회선로(Bypass))으로 전환하는 경우 계통에서 사고 발생시 정전이 되며, 비상발전기(200)에 기동시간으로 인한 순간적인 정전이 발생할 수 있다.

즉, 에너지 저장 시스템(ESS)(100)에서 충전량 부족이 발생하여 제2 차단기(230) 또는 제 3차단기(330)가 개방된 상태에서 계통(300) 또는 비상발전기(200) 에서 추가적인 사고가 발생한 경우, 계통(300) 및 비상 발전기(200)가 복수의 부하(L1(500), L2(510))에 전력을 공급하게 되는데 이로 인해 비상 발전기(200) 또는 계통(300)에서 전력을 사용하게 되어 추가적인 비용 소모가 발생하고 전력 품질에도 문제가 생길 수 있다.

또한, 에너지 저장 시스템(ESS)(100)을 사용하는 곳에서 계통(300) 및 비상 발전기(200)는 평상시 고장 여부를 수시로 확인하기 어렵기 때문에, 에너지 저장 시스템(ESS)(100)의 충전량 저하로 전력 수급 문제가 발생하였을 때 계통(300) 및 비상 발전기(200)에도 문제가 발생하는 경우 수용가측 부하(L1(500), L2(510))의 전력 수급에 차질이 생기는 문제점이 있다.

이후 에너지 저장 시스템(ESS)(100)에 충전상태가 정상으로 되었을때 자동으로 에너지 저장 시스템(ESS)(100)으로 전환되는 시스템의 경우 전환시 잡음, 출력 불안정 등의 문제가 발생하고 있다..

또한 태양광 발전기에 결합되어 있는 에너지 저장 시스템(ESS)의 경우 태양광 패널 및 교류에서 직류로 변환하는 충전기(AC to DC)를 통한 방식만으로 충전이 가능하다.

상기 교류에서 직류로 변환하는 충전기(AC to DC)의 경우 선로 전환시 발생하는 잡음, 출력 불안정을 줄이기 위하여 사용하며 효율이 좋지 않아 전력손실이 발생하게 된다. 일조량이 좋지않은 겨울, 장마철 등 교류에서 직류로 변환하는 충전기(AC to DC)를 통한 충전량이 많아지는 문제가 발생하며, 그로인한 전력손실 증가 등의 문제가 발생하고 있다.

본 발명은 일조량이 좋지않은 겨울, 장마철 등 충전전력 부족 문제가 예상될 경우 에너지 저장 시스템(ESS)의 연결을 차단하여, ESS가 비상발전기의 역할을 대체, 수용가에서는 계통에 직접연결하는 무정전 전원 공급장치(UPS) 모드 변경하여 전환시 발생하는 잡음, 출력불안정 등의 문제에서 벗어나고, 교류에서 직류로 변환하는 충전기(AC to DC)를 사용함에 따라 발생하는 전력손실을 줄이기 위하는 것을 목적으로 한다,

또한, 본 발명은 평상시에는 에너지 저장 시스템(ESS)이 전류원으로 작동함으로써 부하를 계산 및 예측하여 사용량이 많을 경우 무정전 전원 공급장치(UPS) 모드 변경하여 작동하고, 계통이 단절된 경우, ESS가 비상 발전기를 대체함으로써 전력 공급을 원활하게 유지할 수 있는 비상발전기 대체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 필요에 따라 태양광 패널이 없는 상황에서는 UPS로 단독사용, 계통이 없는 곳에서는 ESS로 단독 사용 하는것을 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.

상기의 목적을 달성하기 위해 무정전 전원공급 장치(UPS), 에너지 저장시스템(ESS)을 일체화 하며, 태양광 패널을 통해 제공받은 전력을 저장하고 저장된 전력을 부하에 제공하는 상기 시스템과 상기 계통 사이에 상기의 목적을 달성하기 위해 무정전 전원공급 장치(UPS), 에너지 저장시스템(ESS)을 일체화 하며, 태양광 패널을 통해 제공받은 전력을 저장하고 저장된 전력을 부하에 제공하는 상기 시스템과 상기 계통 사이에 배치되는 차단기, 상기 계통의 상태 정보를 측정하는 감시부, 및 상기 감시부로부터 측정된 상기 상태 정보를 수신하고, 상기 차단기와 상기 ESS 및 UPS의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 에너지 저장 시스템(ESS)이 정상 충전 상태인 경우 전적으로 상기 부하에 전력을 제공하도록 제어하고, 배터리가 설정된 전력 이하로 감소되어 충전량 부족이 예상되는 경우 ESS를 비상 발전기로 사용하기 위해, 상기 계통에서 부하에 전력을 제공하는 방식인 UPS 모드로 전환 하도록 한다.

상기 상태 정보는, 상기 계통 및 태양광 발전 설비로부터 측정된 전압, 전류를 포함하고, 상기 제어부는 상태 정보를 미리 설정된 기준값(배터리의 전압)과 비교하여 상기 계통의 동작 상태를 판단하여 제어 할 수 있다.

상기 에너지 저장 시스템(ESS)의 충전 상태는, 상기 상태 정보가 미리 설정된 기준 범위 이내인 경우 상기 정상 상태로 판단되고, 상기 상태 정보가 미리 설정된 기준 범위 미만 또는 초과인 경우 충전부족 예상 또는 과충전 상태로 판단될 수 있다.

UPS 모드에서 상기 계통과 수용가측 사이의 연결이 차단되는 경우, 제어부는 상기 계통이 정상 상태로 동작할 때의 동작전압 및 동작 주파수로 상기 ESS가 동작하도록 제어할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 ESS(Energy Storage System)에 전기적으로 연결된 계통의 상태 정보를 측정하는 단계, 상기 측정된 상태 정보를 이용하여 상기 계통과 상기 ESS 사이에 배치된 차단기의 동작을 제어하는 단계, 및 상기 차단기의 동작 상태를 기초로 상기 ESS의 동작 모드를 판단하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 UPS, ESS 전환 시스템에 의하면, 정상 상태시 ESS가 독립적으로 전류원으로 구동되어 부하에 전력을 공급하고, 충전부족 예상 상태일 경우 계통을 통한 전력공급으로 전력 공급을 원활하게 유지하고 ESS를 비상용 발전기로 사용하여 계통 사고시 발생될 수 있는 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 UPS, ESS 전환 시스템은 전력 공급 선로 전환으로, 계통 사고시 수용가측의 전력 공급 안정성 및 전력 품질 또한 향상 시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 UPS, ESS 전환 시스템의 제어부는 지령에 따라 에너지 저장 시스템에(ESS)서 전원을 공급함으로써, 계통 사고 시 빠른 응답 속도를 확보하고 시스템 단위에서 간편하게 전력 흐름을 확인할 수 있다.

또한, 비상용 발전기를 대체함에 따라 설비 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 종래의 ESS 방전 및 계통 전력공급 문제가 발생한 경우 ESS의 동작을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 ESS에 충전전력 부족이 예상될 경우 에너지 저장 시스템 모드(ESS) 및 무정전 전원공급 모드(UPS MODE)의 전환 동작을 나타내는 도면이다.
도 3는 본 발명의 ESS, UPS 전환 태양광 발전 시스템이 구동되는 방식을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 UPS 모드에서 계통 정전이 발생할 경우 ESS로 선로를 전환하는 방식을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 태양광 패널 및 비상충전기를 포함한 ESS, UPS 전환 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

먼저 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ESS, UPS 전환 시스템의 각 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하여 살펴보면 한전계통(300), ESS(100)은 각각의 감시부(150, 350)에 연결되며, 상기 감시부(150, 350)에서 파악한 값을 판독하기 위한 제어부, 상기 제어부에서 판독한 값을 토대로 선로를 제어하기위한 무접점 절체 스위치(130, 330), 회로 보호를 위한 차단부를 포함하여 구성 될 수 있다.

상기 회로 보호를 위한 차단부 중 DC차단부는 ESS 모듈에서 이상이 발생하는 경우 상기 이상이 발생한 UPS 모듈을 부하로부터 차단하여 부하 및 내부 회로를 보호하기 위한 직류 차단기를 적어도 하나 포함할 수 있다.

한편 AC 차단부는 상용 전원으로부터 입력되는 교류(AC : Alternating Current) 전류(단상의 교류 전류)로부터 단락 등의 이상 상태가 발생하는 경우 상기 상용 전원을 차단하여 과전류 또는 아크 등으로부터 내부 회로를 보호하기 위한 교류 차단기를 적어도 하나 포함할 수 있다.

한편 배터리 차단부는 배터리에서 이상 상태가 발생하는 경우 상기 배터리를 차단하여 과전류 또는 아크등으로부터 내부 회로를 보호하기 위한 직류 차단기를 적어도 하나 포함할 수 있다.

한편 상기 DC 차단부, AC 차단부 또는 배터리 차단부에 포함되는 교류 또는 직류 전류의 차단기는, MCCB(Molded CirCuit Breaker) 또는 ACB(Air Circuit Breaker)를 적어도 하나 포함하여 구성될 수 있다.또한 이하의 설명에서 각각의 차단부들은 온(on) 되는 경우 전로를 폐로하여 전로가 연결되도록 하고, 오프(off) 되는 경우 전로를 개로하여 전로를 단락 또는 차단시키는 것으로 설명하기로 한다.

먼저 도 3은 본 발명의 ESS, UPS 전환 태양광 발전 시스템이 구동되는 방식을 설명하는 순서도이다.

도 3의 전력량 25% 부분은 예시를 위한것으로 제어부에서 변경 가능하며 수용가측 부하 상황에 따라 자동적으로 제어 가능한 제어부를 포함하여 구성 할 수 있다.

먼저 도 4는 본 발명의 UPS 모드에서 계통 정전이 발생할 경우 ESS로 선로를 전환하는 방식을 설명하는 순서도이다.

도 4의 알림 발생 부분은 경보음, 경광등, 모바일팝업알림, 문자메시지 등 다양한 방법으로 알림을 발생 하는 방법을 포함한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 ESS, UPS 전환 태양광 발전 시스템의 각 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하여 살펴보면 태양광 패널(400)로 부터 직류(DC : Direct Current)를 입력받아 배터리 충전용 전압으로 전환하는 태양광 패널 컨트롤러(420), 상기 태양광 패널 컨트롤러(420)에서 출력되는 전압 및 전류값을 확인하기 위한 감시부(150), 상기 태양광 패널 컨트롤러(420)을 통해 충전 전압을 받을 배터리(460) 및 교류(AC : Alternating Current)부하를 사용하기위한 인버터(480), 상기 배터리(460) 문제 발생시 비상충전 가능한 배터리 충전기(470), 부하에 전력을 공급하기전 사고파급 및 내부회로 보호를 위해 전술한 AC차단부를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 AC차단부에는 한전계통과 ESS가 동시 투입되지 않도록 제 1차단기(130)와 제 3차단기(330)에는 서로 인터록 장치가 필히 포함 되어야 한다.

제어부 동작을 위한 전원을 확보하기 위해 배터리(460)와 제어부 사이 DC-DC 컨버터를 적어도 하나 포함할 수 있으며, 상기 전로를 개로하기 위한 배터리 차단부를 하나 포함 할 수 있다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고, 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100: ESS 130 : 제 1차단기(무접점 절체 스위치) 150: ESS 감시부
200: 비상발전기 230 : 제 2차단기(무접점 절체 스위치)
250: 비상발전기 감시부
300: 계통 330 : 제 3차단기(무접점 절체 스위치) 350: 계통 감시부
400 : 태양광 패널 420 : 태양광 패널 컨트롤러
460 : 배터리 470 : 배터리 충전기 480 : 인버터
500 : 부하1 510 : 부하2

Claims (4)

1. 계통으로부터 제공받은 전력을 저장하거나, 저장된 전력을 부하에 제공하는 ESS(Energy Storage System);
   상기 계통과 상기 ESS 사이에 배치되는 차단기;
   상기 계통의 상태 정보를 측정하는 감시부; 및
   상기 감시부로부터 측정된 상기 상태 정보를 수신하고, 상기 차단기와 상기 ESS의 동작을 제어하는
   제어부를 포함하되,
   상기 제어부는 상태 정보를 기초로 상기 계통의 동작 상태를 판단하여,
   상기 계통이 정상 충전 상태인 경우, 수용가측에 상기 ESS가 전적으로 상기 부하에 전력을 제공하도록 제어하고,
   상기 계통이 충전 부족 예상 상태인 경우, 상기 계통에서 전력을 공급받고 계통에 문제가 생겼을 경우 ESS에 저장된 전력을 상기 부하에 제공하는 UPS, ESS 전환 시스템
2. 제1항에 있어서,
   상기 상태 정보는,
   상기 계통으로부터 측정된 전압, 전류 정보를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 상태 정보를 미리 설정된 기준값과 비교하여 상기 계통의 동작 상태를 판단하는 UPS, ESS 전환 시스템
3. 제1항에 있어서,
   상기 계통의 동작 상태는,
   상기 상태 정보가 미리 설정된 기준 범위 이내인 경우 상기 정상 상태로 판단되고, 상기 상태 정보가 미리 설정된 기준 범위 미만 또는 초과인 경우 상기 충전 부족 예상 또는 과충전 상태로 판단되는 UPS, ESS 전환 시스템
4. 제1항에 있어서,
   상기 계통과 상기 수용가측 연결이 차단되는 경우, 상기 제어부가 상기 계통이 정상 상태로 동작할 때의 동작전압 및 동작 주파수로 상기 ESS가 동작하도록 제어하는 UPS, ESS 전환 시스템.
   
   
   

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