WO2021230414A1 - 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법 - Google Patents

바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법 Download PDF

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WO2021230414A1
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redox flow
vanadium redox
power conversion
flow battery
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PCT/KR2020/007507
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신문수
이은철
김세진
강효철
박지호
홍승표
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주식회사 에코스
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack and a method for implementing the same, and more particularly, to reduce the risk of failure by boosting the energy output from the high output vanadium redox flow battery stack in two steps. It relates to a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack that enables
  • thermal power generation emits a huge amount of CO2 gas due to the use of fossil fuels, and the environmental pollution problem is very serious.
  • solar energy, tidal power, etc. is a situation in which the development of power supply systems is rapidly increasing.
  • Power storage technology is an important technology for efficient use of all energy, such as efficient use of electricity, improvement of power supply system capability and reliability, and expansion of the introduction of new and renewable energy with large fluctuations over time. There is a growing demand for it. In particular, expectations for the utility of secondary batteries in these fields are increasing.
  • Vanadium Radox Flow Battery has the advantage of being able to easily change energy capacity and output by variably changing the tank capacity and the number of battery stacks, and it can be used semi-permanently, so high-capacity and high-efficiency secondary batteries are applied. It is a secondary battery that has been in the spotlight for large-capacity power storage that should be.
  • a vanadium redox flow battery refers to a battery that charges and discharges using a redox reaction of metal ions with a changing oxidation number dissolved in an electrolyte.
  • An object of the present invention is to provide a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack capable of reducing the risk of failure by boosting the energy output from the high output vanadium redox flow battery stack in two stages, and a method for implementing the same do it with
  • the present invention reduces the input current ripple by configuring the converters that perform the primary boosting of the energy output from the vanadium redox flow battery stack in parallel and operating with a phase difference, thereby reducing the current flowing in the vanadium redox flow battery stack.
  • An object of the present invention is to provide a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack capable of stabilizing and a method for implementing the same.
  • the present invention provides a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack capable of increasing the step-up ratio of the converter by serially configuring a converter that performs a secondary voltage with respect to the primary boosted voltage, and a method for implementing the same. intended to provide
  • a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack for achieving this purpose is an electrolyte tank for storing an electrolyte, a pump for pumping the electrolyte stored in the electrolyte tank, and a chemical reaction by receiving the electrolyte from the pump to generate energy
  • a vanadium redox flow battery stack consisting of a stack that is designed to perform a first step-up of a voltage of energy output through the vanadium redox flow battery stack to a specific voltage, and then the first boosted specific voltage is applied to a voltage higher than the specific voltage.
  • a power conversion device consisting of a plurality of converter modules each connected to a plurality of converters for secondary boosting to a voltage, and a plurality of inverter modules for generating the secondary boosted voltage into a system voltage, and the energy output from the power converter energy storage device to store it.
  • the power conversion method using the vanadium redox flow battery stack for achieving this object is a step of generating energy by a chemical reaction to the electrolyte when the vanadium redox flow battery stack is supplied by pumping the electrolyte stored in the electrolyte tank.
  • the first converter group of the plurality of converter modules step-up the voltage of the energy output through the vanadium redox flow battery stack to a specific voltage
  • the second converter group of the plurality of converter modules is the first converter Second step of step-up step of step-up of the specific voltage that is primarily boosted by the group to a voltage higher than the specific voltage
  • the step of the inverter module generating the voltage of the second boosted energy into the voltage of the system
  • the energy storage device is the inverter module and storing the energy output by the
  • the input current ripple is reduced by configuring the converters that perform the primary boosting of the energy output from the vanadium redox flow battery stack in parallel and operating with a phase difference, thereby reducing the flow in the vanadium redox flow battery stack. It has the advantage of stabilizing the current.
  • the step-up ratio of the converter can be increased by configuring the converters that proceed with the secondary voltage to the primary boosted voltage in series.
  • FIG. 1 is a view for explaining a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal structure of a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are circuit diagrams for explaining a plurality of converter modules according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an embodiment of a power conversion method using a vanadium redox flow battery stack according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view for explaining a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack includes a plurality of vanadium redox flow battery stacks 100_1 to 100_N, a plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N, and an energy storage device 300 .
  • the power conversion device 200 includes a plurality of converter modules (210_1 to 210_N) and a plurality of inverter modules (220_1 to 220_N).
  • vanadium redox flow battery stacks 100_1 to 100_N When the vanadium redox flow battery stacks 100_1 to 100_N are supplied by pumping the electrolyte stored in the electrolyte tank, energy is generated by a chemical reaction using the electrolyte. These vanadium redox flow battery stacks 100_1 to 100_N will be described in more detail with reference to FIG. 2 below.
  • Each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N primarily boosts the voltage of energy output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N to a specific voltage, and then sets the first boosted specific voltage to the specific voltage. It consists of a plurality of converters that step-up the secondary voltage to a voltage higher than the voltage.
  • each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N includes a first converter group 211_1 to 211_N and a second converter group 212_1 to 212_N, and the first converter group 211_1 to 211_N is a vanadium redox flow.
  • the voltage of energy output through the battery stacks 100_1 to 100_N is first boosted to a specific voltage, and the second converter group 212_1 to 212_N further increases the specific voltage boosted by the first converter group 211_1 to 211_N. Second step-up with high voltage.
  • the plurality of converters are configured in parallel with each other and operate with a different phase difference to perform primary boosting.
  • the plurality of converters may be implemented as bidirectional converters, and four bidirectional converters are respectively connected in parallel to form the first converter groups 211_1 to 211_N.
  • each of the four bidirectional converters of the first converter group 211_1 to 211_N operates with a phase difference.
  • each of the four bidirectional converters operates with a different phase difference from each other, thereby reducing the input current ripple to stabilize the current flowing in the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N. have.
  • the size of the reactor used can be reduced compared to when using one bidirectional converter, and there is an advantage that the voltage can be boosted higher (eg, 2 to 4 times).
  • the second converter groups 212_1 to 212_N a plurality of converters are configured in series with each other, and a secondary boosting of a specific voltage that is primary boosted by the first converter group is performed.
  • the plurality of converters may be implemented as an LLC topology, and two LLC topologies are respectively connected in series to form the second converter groups 212_1 to 212_N.
  • the plurality of inverter modules 220_1 to 220_N generate energy boosted by the plurality of converter modules 210_1 to 210_N into a system voltage.
  • the plurality of inverter modules 220_1 to 220_N may be implemented with a system three-phase 380Vac.
  • an input of energy of a voltage of 600V or higher is required.
  • the voltage of the energy output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N is boosted to a high voltage of 7 to 8 times and then to be supplied to the plurality of inverter modules 220_1 to 220_N.
  • each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N is a vanadium redox flow battery stack ( By boosting the voltage of energy output through 100_1 to 100_N, a voltage of 700 Vdc may be input to the plurality of inverter modules 220_1 to 220_N.
  • the present invention provides multiple Energy output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N through two steps through the first converter group 211_1 to 211_N and the second converter group 212_1 to 212_N of the converter module 210_1 to 210_N It is possible to increase the voltage of 700Vdc and reduce the risk of failure at the same time.
  • the power conversion system using the vanadium redox flow battery stack may further include a demonstration operation device. That is, the demonstration operation device demonstrates whether the power conversion system using the vanadium redox flow battery stack generates the same effect as the existing energy conversion system.
  • the demonstration operation device repeats charging and discharging of the energy storage device 300 for a predetermined time in a state in which the vanadium redox flow battery stack and the plurality of power conversion devices are connected, and the charging efficiency of the energy storage device 300 and The performance of the plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N is evaluated using the discharge efficiency.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal structure of a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N includes an electrolyte tank 110 , a pump 120 , and a stack 130 .
  • the vanadium redox flow battery system is generally configured with a known vanadium redox flow battery, and a charging device 0 is added to the configuration of the vanadium redox flow battery.
  • the electrolyte tank 110 is configured in plurality and serves to store the electrolyte.
  • the weak electrode and the negative electrolyte are stored in each electrolyte tank 110 and circulated in the vanadium redox flow battery ( ) by a pump 120 to be described later.
  • the electrolyte stored in the electrolyte tank 110 has a vanadium ion active material dissolved therein, and the active material exchanges electrons to be charged or discharged.
  • the pump 120 serves to pump the electrolyte stored in the electrolyte tank 110 .
  • the pump 120 pumps the electrolyte of the weak electrode and the negative electrolyte tank 110 and sends it to the stack 130 to be described later.
  • the pump 120 is provided in plurality to send the electrolyte of the positive electrode and the negative electrode to the stack 130 to repeat the process of circulation.
  • the stack 130 serves to receive the electrolyte from the pump 120 and generate electricity through a chemical reaction.
  • the stack 130 basically has a structure in which a plurality of cells and a separator are disposed between the cells and stacked.
  • the stack 130 receives the electrolyte from the pump 120 to generate electricity while causing a chemical reaction.
  • the electrolyte discharged through the stack 130 is sent back to the electrolyte tank 110 and the electrolyte is circulated.
  • 3 and 4 are circuit diagrams for explaining a plurality of converter modules according to an embodiment of the present invention.
  • each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N primarily boosts the voltage of energy output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N to a specific voltage, and then It consists of a plurality of converters that secondarily boost a specific voltage that has been primarily boosted to a voltage higher than the specific voltage.
  • each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N includes a first converter group 211_1 to 211_N and a second converter group 212_1 to 212_N, and the first converter group 211_1 to 211_N is a vanadium redox flow.
  • the voltage of energy output through the battery stacks 100_1 to 100_N is first boosted to a specific voltage, and the second converter group 212_1 to 212_N further increases the specific voltage boosted by the first converter group 211_1 to 211_N. Second step-up with high voltage.
  • first converter group 211_1 to 211_N a plurality of converters are configured in parallel with each other and operate with a different phase difference to perform primary boosting.
  • the plurality of converters may be implemented as bidirectional converters, and four bidirectional converters are respectively connected in parallel to form first converter groups 211_1 to 211_N.
  • each of the four bidirectional converters of the first converter group 211_1 to 211_N operates with a phase difference.
  • each of the four bidirectional converters operates with a different phase difference from each other, thereby reducing the input current ripple and stabilizing the current flowing in the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N. have.
  • the size of the reactor used can be reduced compared to when using one bidirectional converter, and there is an advantage that the voltage can be boosted higher (eg, 2 to 4 times).
  • the second converter groups 212_1 to 212_N a plurality of converters are configured in series with each other, and a secondary boosting of a specific voltage that is primary boosted by the first converter group is performed.
  • the plurality of converters may be implemented as an LLC topology, and two LLC topologies are respectively connected in series to form the second converter groups 212_1 to 212_N.
  • the two LLC topologies are connected in series, respectively, as the step-up ratio of the converters of the second converter group 212_1 to 212_N increases, the efficiency decrease increases, so that the step-up can be performed through two steps.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack according to an embodiment of the present invention.
  • a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack includes a plurality of vanadium redox flow battery stacks 100_1 to 100_N, a plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N, and an energy storage device 300 .
  • the power conversion device 200 includes a plurality of converter modules (210_1 to 210_N), and a plurality of inverter modules (220_1 to 220_N).
  • Each of the plurality of converter modules 210_1 to 210_N is output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N through two steps through the first converter group 211_1 to 211_N and the second converter group 212_1 to 212_N
  • a voltage of 700Vdc may be input to the plurality of inverter modules 220_1 to 220_N by boosting the voltage of the energy used.
  • the present invention provides multiple Energy output through the vanadium redox flow battery stack 100_1 to 100_N through two steps through the first converter group 211_1 to 211_N and the second converter group 212_1 to 212_N of the converter module 210_1 to 210_N It is possible to increase the voltage of 700Vdc and reduce the risk of failure at the same time.
  • each of the plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N can convert the energy of the vanadium redox flow battery stack corresponding to 25kW class, a plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N as shown in FIG. 5 .
  • a plurality of power conversion devices 200_1 to 200_N as shown in FIG. 5 .
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an embodiment of a power conversion method using a vanadium redox flow battery stack according to the present invention.
  • the power conversion system using the vanadium redox flow battery stack pumps and receives the electrolyte stored in the electrolyte tank through the vanadium redox flow battery stack, and generates energy by a chemical reaction with the electrolyte (step S610).
  • the power conversion system using the vanadium redox flow battery stack primarily boosts the voltage of energy output through the vanadium redox flow battery stack through the first converter group of a plurality of converter modules to a specific voltage (step S620).
  • a power conversion system using a vanadium redox flow battery stack boosts a specific voltage primarily boosted by the first converter group to a voltage higher than the specific voltage through a second converter group of a plurality of converter modules (step S630).
  • the inverter module In the power conversion system using the vanadium redox flow battery stack, the inverter module generates the voltage of the secondary boosted energy into the system voltage (step S640).
  • the energy storage device stores the energy output by the inverter module (step S660).

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 상기 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하는 펌프 및 상기 펌프로부터 전해액을 공급받아 화학반응에 의해 에너지를 발생시키는 스택으로 구성된 바나듐 레독스 흐름 전지 스택, 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한 후, 상기 제1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 복수의 컨버터가 각각 연결되어 있는 복수의 컨버터 모듈 및 상기 2차 승압된 전압을 계통의 전압으로 발전하는 복수의 인버터 모듈로 구성된 전력 변환 장치 및 상기 전력 변환 장치에서 출력된 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치를 포함한다.

Description

바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법
본 발명은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에서 출력된 에너지를 두 단계에 걸쳐 승압함으로써 고장의 위험을 감소시킬 수 있도록 하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법에 관한 것이다
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있으며, 그일환으로 신재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 수급 시스템의 개선을 위한 전력 저장 시스템 개발과 같은 다양한 노력이 시도되고 있다.
대부분의 전력 공급 시스템은 화력 발전이 주를 이루고 있으나 화력 발전은 화석 연료의 사용으로 인하여 엄청난 양의 CO2 가스가 배출되며 이로 인한 환경오염 문제가 매우 심각한 실정으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지(풍력, 태양 에너지, 조력 등)를 이용한 전력 공급 시스템 개발이 급속히 증가하고 있는 실정이다.
대부분의 신재생 에너지는 자연에서 발생하는 청정에너지를 사용하기 때문에 환경오염과 관련된 배기가스의 배출이 없어 매력적이기는 하나 자연환경에 영향을 많이 받기 때문에 시간에 따른 출력 변동폭이 매우 크기 때문에 그 사용에 한계점을 가지고 있는 실정이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따른 변동폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며, 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있는 실정이다. 특히, 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB;Vanadium Radox Flow Battery)는 가변적으로 탱크 용량 및 전지 스택 수를 변화시켜 에너지 용량과 출력을 손쉽게 바꿀 수 있고 반영구적으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있어 고용량 및 고효율 이차 전지가 적용되어야 하는 대용량 전력 저장용으로 각광 받고 있는 이차 전지이다.
바나듐 레독스 흐름전지는 전해액에 용해되어 있는 산화수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전 하는 전지를 말한다.
본 발명은 고출력 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에서 출력된 에너지를 두 단계에 걸쳐 승압함으로써 고장의 위험을 감소시킬 수 있도록 하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에서 출력된 에너지에 대한 1차 승압을 진행하는 컨버터를 병렬로 구성한 후 위상차를 두고 동작하게 함으로써 입력 전류 리플을 저감시켜 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에 흐르는 전류를 안정화시킬 수 있도록 하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 1차 승압된 전압에 대한 2차 전압을 진행하는 컨버터를 직렬로 구성함으로써 컨버터의 승압 비율을 상승시킬 수 있도록 하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템 및 이의 실행 방법을 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.
이러한 목적을 달성하기 위한 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 상기 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하는 펌프 및 상기 펌프로부터 전해액을 공급받아 화학반응에 의해 에너지를 발생시키는 스택으로 구성된 바나듐 레독스 흐름 전지 스택, 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한 후, 상기 제1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 복수의 컨버터가 각각 연결되어 있는 복수의 컨버터 모듈 및 상기 2차 승압된 전압을 계통의 전압으로 발전하는 복수의 인버터 모듈로 구성된 전력 변환 장치 및 상기 전력 변환 장치에서 출력된 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치를 포함한다.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택이 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하여 공급받으면 상기 전해액에 대한 화학반응에 의해 에너지를 발생시키는 단계, 복수의 컨버터 모듈의 제1 컨버터 그룹이 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압하는 단계, 상기 복수의 컨버터 모듈의 제2 컨버터 그룹이 상기 제1 컨버터 그룹에 의해 1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 단계, 인버터 모듈이 상기 2차 승압된 에너지의 전압을 계통의 전압으로 발전하는 단계 및 에너지 저장 장치가 상기 인버터 모듈에 의해 출력된 에너지를 저장하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 고출력 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에서 출력된 에너지를 두 단계에 걸쳐 승압함으로써 고장의 위험을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에서 출력된 에너지에 대한 1차 승압을 진행하는 컨버터를 병렬로 구성한 후 위상차를 두고 동작하게 함으로써 입력 전류 리플을 저감시켜 바나듐 레독스 흐름 전지 스택에 흐르는 전류를 안정화시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 1차 승압된 전압에 대한 2차 전압을 진행하는 컨버터를 직렬로 구성함으로써 컨버터의 승압 비율을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 컨버터 모듈을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 복수의 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N), 복수의 전력 변환 장치(200_1~200_N) 및 에너지 저장 장치(300)를 포함하고, 전력 변환 장치(200)는 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N), 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)을 포함한다.
바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)은 전해액 탱크에 저장되어 있는 전해액을 펌핑하여 공급받으면 전해액을 이용하여 화학반응에 의해 에너지를 발생시킨다. 이러한 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)은 이하의 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한 후, 상기 제1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 복수의 컨버터로 구성된다.
즉, 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)으로 구성되며, 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압하고, 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)에 의해 승압된 특정 전압을 더 높은 전압으로 2차 승압한다.
상기의 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)은 복수의 컨버터가 서로 병렬로 구성되며 서로 다른 위상차를 두고 동작하여 1차 승압을 실행한다. 이때, 복수의 컨버터는 양방향 컨버터로 구현될 수 있으며, 양방향 컨버터 4개가 각각 병렬로 연결되어 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)이 형성된다. 이때, 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)의 4개의 양방향 컨버터 각각은 위상차를 두고 동작한다.
이와 같이, 양방향 컨버터 4개를 병렬로 연결한 후 4개의 양방향 컨버터 각각이 서로 다른 위상차를 두고 동작함으로써 입력 전류 리플을 저감시켜 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)에 흐르는 전류를 안정화시킬 수 있다.
또한, 양방향 컨버터 4개를 사용함으로써 양방향 컨버터 1개를 사용할 때 대비 사용되는 리액터의 크기를 줄일 수 있으며, 더 높게(예를 들어, 2~4배) 전압을 승압할 수 있다는 장점이 있다.
상기의 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)은 복수의 컨버터가 서로 직렬로 구성되며 제1 컨버터 그룹에 의해 1차 승압된 특정 전압에 대한 2차 승압을 실행한다. 이때, 복수의 컨버터는 LLC 토플로지로 구현될 수 있으며, LLC 토플로지 2개가 각각 직렬로 연결되어 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)이 형성된다.
이때, LLC 토플로지 2개가 각각 직렬로 연결되어 있기 때문에, 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)의 컨버터의 승압 비율이 상승할수록 효율 감소폭이 커져 2단계를 통하여 승압을 할 수 있다.
복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)은 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N)에 의해 승압된 에너지를 계통의 전압으로 발전한다. 이때, 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)은 계통 3상 380Vac로 구현될 수 이러한 계통 3상 380Vac를 이용하여 에너지를 계통의 전압으로 발전하기 위해서는 600V 이상의 전압의 에너지의 입력이 요구된다. 이를 위해, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 7~8배의 높은 전압으로 승압시킨 후 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)에 공급되어야 한다.
만일, 종래와 같이 단일 컨버터가 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 7~8배의 높은 전압으로 승압시키는 경우 효율 감소 및 고장의 위험이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)을 통해 2단계에 거쳐 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 승압함으로써 700Vdc의 전압을 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)에 입력할 수 있다.
즉, 단일 컨버터가 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 7~8배의 높은 전압으로 승압시키는 경우 효율 감소 및 고장의 위험이 발생하기 때문에, 본 발명은 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N)의 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)을 통해 2단계에 거쳐 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 700Vdc의 전압으로 승압함과 동시에 고장의 위험을 감소시킬 수 있다.
도 1에는 도시하지 않았지만, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 실증 운전 장치를 더 포함할 수 있다. 즉, 실증 운전 장치는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템이 기존의 에너지 변환 시스템과 동일한 효과를 발생시키는지 실증한다.
이를 위해, 실증 운전 장치는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택과 복수의 전력 변환 장치를 연계한 상태에서 일정 시간동안 에너지 저장 장치(300)의 충전 및 방전을 반복하고, 에너지 저장 장치(300)의 충전 효율 및 방전 효율을 이용하여 복수의 전력 변환 장치(200_1~200_N)의 성능을 평가한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)은 전해액 탱크(110), 펌프(120) 및 스택(130)을 포함한다.
상기 바나듐 레독스 흐름전지 시스템은 일반적으로 공지된 바나듐 레독스 흐름전지의 구성으로 구성되되, 바나듐 레독스 흐름전지 구성에 충전장치(0)를 추가하는 구성으로 이루어진다.
전해액 탱크(110)는 복수개로 구성되어 전해액을 저장하는 역할을 한다.
전해액 탱크(110)에는 약극 및 음극 전해액이 각각의 전해액 탱크(110)에 저장되어 후술하는 펌프(120)에 의해 바나듐 레독스 흐름전지() 내에서 순환하게 된다.
전해액 탱크(110)에 저장된 전해액은 바나듐이온 활성물질이 용해되어 있으며, 활성물질이 전자를 주고 받아 충전 또는 방전된다.
펌프(120)는 상기 전해액 탱크(110)에 저장된 전해액을 펌핑하는 역할을 한다. 펌프(120)는 약극과 음극 전해액 탱크(110)의 전해액을 펌핑하여 후술하는 스택(130)으로 보낸다. 여기서, 상기 펌프(120)는 복수개가 구비되어 양극과 음극의 전해액을 스택(130)으로 보내 순환하는 과정을 반복하도록 한다.
스택(130)은 상기 펌프(120)로부터 전해액을 공급받아 화학반응에 의해 전기를 발생시키는 역할을 한다. 스택(130)은 기본적으로 복수개의 셀과 셀 사이에 분리판이 배치되어 적측되는 구조로 이루어진다.
스택(130)은 펌프(120)로부터 전해액을 공급받아 화학반응을 일으키면서 전기를 발생시킨다. 스택(130)을 거쳐 배출되는 전해액은 다시 전해액 탱크(110)로 보내지면서 전해액이 순환하는 과정을 거치게 된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 컨버터 모듈을 설명하기 위한 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한 후, 상기 제1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 복수의 컨버터로 구성된다.
즉, 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)으로 구성되며, 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압하고, 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)에 의해 승압된 특정 전압을 더 높은 전압으로 2차 승압한다.
상기의 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)은 복수의 컨버터가 서로 병렬로 구성되며 서로 다른 위상차를 두고 동작하여 1차 승압을 실행한다. 이때, 복수의 컨버터는 양방향 컨버터로 구현될 수 있으며, 양방향 컨버터 4개가 각각 병렬로 연결되어 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)이 형성된다. 이때, 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N)의 4개의 양방향 컨버터 각각은 위상차를 두고 동작한다.
이와 같이, 양방향 컨버터 4개를 병렬로 연결한 후 4개의 양방향 컨버터 각각이 서로 다른 위상차를 두고 동작함으로써 입력 전류 리플을 저감시켜 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)에 흐르는 전류를 안정화시킬 수 있다.
또한, 양방향 컨버터 4개를 사용함으로써 양방향 컨버터 1개를 사용할 때 대비 사용되는 리액터의 크기를 줄일 수 있으며, 더 높게(예를 들어, 2~4배) 전압을 승압할 수 있다는 장점이 있다.
상기의 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)은 복수의 컨버터가 서로 직렬로 구성되며 제1 컨버터 그룹에 의해 1차 승압된 특정 전압에 대한 2차 승압을 실행한다. 이때, 복수의 컨버터는 LLC 토플로지로 구현될 수 있으며, LLC 토플로지 2개가 각각 직렬로 연결되어 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)이 형성된다. 이때, LLC 토플로지 2개가 각각 직렬로 연결되어 있기 때문에, 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)의 컨버터의 승압 비율이 상승할수록 효율 감소폭이 커져 2단계를 통하여 승압을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 복수의 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N), 복수의 전력 변환 장치(200_1~200_N) 및 에너지 저장 장치(300)를 포함하고, 전력 변환 장치(200)는 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N), 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)을 포함한다.
복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N) 각각은 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)을 통해 2단계에 거쳐 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 승압함으로써 700Vdc의 전압을 복수의 인버터 모듈(220_1~220_N)에 입력할 수 있다.
즉, 단일 컨버터가 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 7~8배의 높은 전압으로 승압시키는 경우 효율 감소 및 고장의 위험이 발생하기 때문에, 본 발명은 복수의 컨버터 모듈(210_1~210_N)의 제1 컨버터 그룹(211_1~211_N) 및 제2 컨버터 그룹(212_1~212_N)을 통해 2단계에 거쳐 바나듐 레독스 흐름 전지 스택(100_1~100_N)을 통해 출력되는 에너지의 전압을 700Vdc의 전압으로 승압함과 동시에 고장의 위험을 감소시킬 수 있다.
상기의 복수의 전력 변환 장치(200_1~200_N) 각각은 25kW급에 해당하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택의 에너지를 변환할 수 있기 때문에, 도 5와 같이 10개의 복수의 전력 변환 장치(200_1~200_N)를 병렬로 구성함으로써 250kW급에 해당하는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택의 에너지를 변환할 수 있는 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템을 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하여 공급받으면 상기 전해액에 대한 화학반응에 의해 에너지를 발생시킨다(단계 S610).
바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 복수의 컨버터 모듈의 제1 컨버터 그룹을 통해 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한다(단계 S620).
바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 복수의 컨버터 모듈의 제2 컨버터 그룹을 통해 상기 제1 컨버터 그룹에 의해 1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압한다(단계 S630).
바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 인버터 모듈이 상기 2차 승압된 에너지의 전압을 계통의 전압으로 발전한다(단계 S640).
바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템은 에너지 저장 장치가 상기 인버터 모듈에 의해 출력된 에너지를 저장한다(단계 S660).
한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 상기 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하는 펌프 및 상기 펌프로부터 전해액을 공급받아 화학반응에 의해 에너지를 발생시키는 스택으로 구성된 바나듐 레독스 흐름 전지 스택;
    상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압한 후, 상기 제1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 복수의 컨버터가 각각 연결되어 있는 복수의 컨버터 모듈 및 상기 2차 승압된 전압을 계통의 전압으로 발전하는 복수의 인버터 모듈로 구성된 전력 변환 장치; 및
    상기 전력 변환 장치에서 출력된 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 모듈 각각은
    복수의 컨버터가 서로 병렬로 구성되며 상기 복수의 컨버터 각각이 서로 다른 위상차를 두고 동작하여 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압을 실행하는 제1 컨버터 그룹; 및
    상기 제1 컨버터 그룹에 연결되고, 복수의 컨버터가 서로 직렬로 구성되어 상기 제1 컨버터 그룹에 의해 승압된 특정 전압을 더 높은 전압으로 2차 승압을 실행하는 제2 컨버터 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 컨버터 그룹은
    4개의 양방향 컨버터 각각이 병렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 컨버터 그룹은
    2개의 LLC 토플로지 각각이 직렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 모듈 각각은
    상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 상기 전력 변환 시스템에서 요구되는 전압보다 높은 전압으로 승압하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 시스템.
  6. 바나듐 레독스 흐름 전지 스택이 전해액 탱크에 저장된 전해액을 펌핑하여 공급받으면 상기 전해액에 대한 화학반응에 의해 에너지를 발생시키는 단계;
    복수의 컨버터 모듈의 제1 컨버터 그룹이 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압하는 단계;
    상기 복수의 컨버터 모듈의 제2 컨버터 그룹이 상기 제1 컨버터 그룹에 의해 1차 승압된 특정 전압을 상기 특정 전압보다 높은 전압으로 2차 승압하는 단계;
    인버터 모듈이 상기 2차 승압된 에너지의 전압을 계통의 전압으로 발전하는 단계; 및
    에너지 저장 장치가 상기 인버터 모듈에 의해 출력된 에너지를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 모듈 각각은
    복수의 컨버터가 서로 병렬로 구성되며 상기 복수의 컨버터 각각이 서로 다른 위상차를 두고 동작하여 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 특정 전압으로 1차 승압을 실행하는 제1 컨버터 그룹; 및
    상기 제1 컨버터 그룹에 연결되고, 복수의 컨버터가 서로 직렬로 구성되어 상기 제1 컨버터 그룹에 의해 승압된 특정 전압을 더 높은 전압으로 2차 승압을 실행하는 제2 컨버터 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 컨버터 그룹은
    4개의 양방향 컨버터 각각이 병렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 컨버터 그룹은
    상기 복수의 컨버터 모듈 각각에 연결되며 2개의 LLC 토플로지 각각이 직렬로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 모듈이 상기 바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 통해 출력되는 에너지의 전압을 상기 전력 변환 시스템에서 요구되는 전압보다 높은 전압으로 승압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    바나듐 레독스 흐름 전지 스택을 이용한 전력 변환 방법.
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