KR20200025849A - 전력계통의 상태에 따라 운전모드가 제어되는 에너지 저장시스템 및 이의 운전제어방법 - Google Patents

전력계통의 상태에 따라 운전모드가 제어되는 에너지 저장시스템 및 이의 운전제어방법 Download PDF

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Abstract

전력계통의 사고 발생시 운전모드가 제어되어 전력계통을 대신하여 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장시스템이 제공된다. 에너지 저장시스템은, 전력계통에서 사고상황이 발생된 경우에 제1전력변환모듈을 독립운전모드로 동작되도록 하고, 제1전력변환모듈이 제2전력변환모듈을 계통운전모드로 동작되도록 제어하여 내부 배터리모듈의 방전에 따라 생성된 교류전원으로 전력계통을 대신하여 하나 이상의 부하에 안정적인 전력을 제공할 수 있다.

Description

전력계통의 상태에 따라 운전모드가 제어되는 에너지 저장시스템 및 이의 운전제어방법{Energy storage system for controlling drive mode based on the state of power grid and controlling method for drive mode thereof}
본 발명은 에너지 저장시스템에 관한 것으로, 특히 전력계통의 사고 발생시 운전모드가 제어되어 전력계통을 대신하여 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장시스템 및 이의 운전제어방법에 관한 것이다.
에너지 저장시스템(Energy Storage System; ESS)은 생산된 전력 또는 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전력계통(Grid)에 저장하는 기술을 말한다. 다시 말해, ESS는 발전소 등에서 생산된 전력을 가정이나 공장 등에 바로 전달하지 않고, 소정의 충전장치, 예컨대 대형 2차전지에 저장했다가, 전력이 가장 필요한 시기에 기 저장된 전력을 전송하여 에너지 효율을 높이는 시스템으로서, ESS는 전력 수요가 적을 때 잉여에너지를 저장해 과부하 또는 비상시에 전력을 공급함으로써 전력 품질 및 에너지 사용 효율을 제고한다.
이러한 ESS는 분산전원 또는 전력계통에 연결되어 있으며, 잉여에너지를 충전하거나 또는 방전하는 배터리와, 상기 배터리의 동작을 제어하는 전력변환장치(Power Conversion System; PCS), 배터리관리장치(Battery Management System; BMS) 및 전력관리장치(Power Management System; PMS) 등을 포함하여 구성된다. 여기서, PCS는 배터리에 충전되어 저장된 전력을 전력계통 또는 부하에 전달할 수 있고, 또한 전력계통에서 공급되는 전력을 배터리에 충전할 수 있다.
한편, 전력계통에서 정전 등의 사고가 발생되면, ESS의 PCS는 그 동작이 정지된다. 이에, 종래의 ESS에서는 전력계통의 안정을 위하여 내부의 배터리에 저장된 전력을 방전시킴으로써 전력계통에 연결된 부하에 소정의 전력을 공급하게 된다.
그러나, 전력계통의 사고 복구가 지연되거나 또는 전력계통에 연결되어 있는 부하가 증가되는 경우에, 종래의 ESS에서는 배터리로부터 방전되는 전력이 부족해지는 경우가 발생된다. 이를 해결하기 위하여, 종래에는 전력계통에 복수의 ESS를 연결하여 대응하고 있으나, 이들 복수의 ESS의 제어가 어려워 전력계통의 안정성이 저하되는 문제가 발생된다.
본 발명은 전력계통의 사고 발생시 운전모드가 제어되어 전력계통을 대신하여 부하에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장시스템 및 이의 운전제어방법을 제공하고자 하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장시스템은, 전력계통의 상황을 감지하는 전력관리모듈; 각각이 상기 전력계통에 병렬로 연결되고, 상기 전력관리모듈에 의해 계통운전모드 및 독립운전모드 중 하나로 동작되어 배터리모듈을 충전 및 방전시키는 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈; 및 상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈과 상기 전력계통 사이에 연결된 스위치모듈을 포함한다.
상기 전력관리모듈은 상기 전력계통의 사고상황이 감지되면 상기 스위치모듈을 턴-오프하고, 상기 제1전력변환모듈을 상기 독립운전모드로 동작되도록 제어하여 상기 제1전력변환모듈에서 상기 전력계통에 전력이 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장시스템의 운전제어방법은, 전력관리모듈이 상기 전력계통의 상황을 감지하는 단계; 상기 전력계통의 사고상황이 감지되면, 상기 전력관리모듈이 상기 전력계통과 상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈 사이에 배치된 스위치모듈을 턴-오프하는 단계; 상기 전력관리모듈이 상기 제1전력변환모듈이 독립운전모드로 동작되도록 제어하여 상기 제1전력변환모듈에 연결된 제1배터리모듈로부터 상기 전력계통에 연결된 부하에 전력을 제공하는 단계; 및 상기 제1전력변환모듈이 상기 제2전력변환모듈이 동작되도록 제어하여 상기 제2전력변환모듈에 연결된 제2배터리모듈로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 에너지 저장시스템은, 전력계통에서 사고상황이 발생된 경우에 제1전력변환모듈을 독립운전모드로 동작되도록 하고, 제1전력변환모듈이 제2전력변환모듈을 계통운전모드로 동작되도록 제어함으로써, 전력계통의 사고 발생 시에도, 전력계통을 대신하여 내부 배터리모듈의 방전에 따라 생성된 교류전원으로 하나 이상의 부하에 안정적인 전력을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 에너지 저장시스템이 구비된 전력계통의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 제1운전모드제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 제2운전모드제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 에너지 저장시스템의 운전제어방법을 나타내는 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 에너지 저장시스템이 구비된 전력계통의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 에너지 저장시스템(10)은 전력계통(11)에 연결되어 전력계통(11)에서 제공된 교류전원을 직류전원으로 변환하여 내부에 충전하거나 또는 내부에 충전된 직류전원을 교류전원으로 변환하여 전력계통(11)에 방전할 수 있다. 에너지 저장시스템(10)은 스위치모듈(20), 전력관리모듈(30), 전력변환모듈(40_1, 40_2) 및 배터리모듈(50_1, 50_2)을 포함할 수 있다.
여기서, 전력계통(11)에는 외부로부터 인가되는 3상 교류, 예컨대 R, S, T상의 교류전원이 인가된다. 전력계통(11)에는 전술한 에너지 저장시스템(10) 외에 하나 이상의 부하(15), 예컨대 수용가 등이 연결될 수 있다.
에너지 저장시스템(10)의 스위치모듈(20)은 전력계통(11)의 3상 교류전원에 각각 직렬로 연결된 다수의 스위치, 예컨대 제1스위치(S1), 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)를 포함할 수 있다. 스위치모듈(20)은 전력관리모듈(30)의 제어에 따라 제1스위치(S1) 내지 제3스위치(S3)의 스위칭 동작을 제어함으로써 전력계통(11)에 교류전원을 인가하는 외부와 에너지 저장시스템(10) 또는 부하(15) 간의 연결을 도통 또는 차단할 수 있다.
전력관리모듈(30)은 전력계통(11)의 정상 또는 사고상태를 판단하고, 판단 결과에 따라 스위치모듈(20) 및 전력변환모듈(40_1, 40_2)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 전력계통(11)이 정상상태, 즉 외부로부터 전력계통(11)에 교류전원이 인가되는 상태인 경우에, 전력관리모듈(30)은 스위치모듈(20)의 제1스위치(S1) 내지 제3스위치(S3)를 모두 턴-온시킬 수 있다. 그리고, 전력관리모듈(30)은 전력변환모듈(40_1, 40_2)이 계통운전모드, 즉 전력계통(11)에 흐르는 교류전원에 의해 동작되도록 제어할 수 있다. 반면, 전력계통(11)이 사고상태, 즉 정전 등에 의해 외부에서 전력계통(11)에 교류전원이 인가되지 않는 상태인 경우에, 전력관리모듈(30)은 스위치모듈(20)의 제1스위치(S1) 내지 제3스위치(S3)를 모두 턴-오프시킬 수 있다. 그리고, 전력관리모듈(30)은 전력변환모듈(40_1, 40_2)이 독립운전모드, 즉 전력변환모듈(40_1, 40_2)에 충전된 전원을 이용하여 전력계통에 교류전원을 공급하도록 제어할 수 있다. 전력관리모듈(30)에 의한 전력변환모듈(40_1, 40_2)의 동작 제어는 후에 상세하게 설명하도록 한다.
전력변환모듈(40_1, 40_2)은 전력계통(11)과 배터리모듈(50_1, 50_2) 사이에 위치되고, 전력계통(11)의 교류전원을 직류로 변환하여 배터리모듈(50_1, 50_2)에 제공하거나 또는 배터리모듈(50_1, 50_2)의 직류전원을 교류로 변환하여 전력계통(11)에 제공할 수 있다. 이러한 전력변환모듈(40_1, 40_2)은 복수개로 구성될 수 있는데, 본 실시예는 제1전력변환모듈(40_1) 및 제2전력변환모듈(40_2)이 각각 전력계통(11)에 연결된 구조를 예로 설명한다. 여기서, 전력변환모듈(40_1, 40_2)이 복수개이므로, 각 전력변환모듈에 연결되는 배터리모듈 또한 복수개, 즉 제1배터리모듈(50_1) 및 제2배터리모듈(50_2)로 구성될 수 있다.
제1전력변환모듈(40_1)은 전력계통(11)과 제1배터리모듈(50_1) 사이에 배치될 수 있다. 제1전력변환모듈(40_1)은 전력계통(11)의 교류전원을 직류로 변환하여 제1배터리모듈(50_1)에 제공함으로써 제1배터리모듈(50_1)을 충전시키거나 또는 제1배터리모듈(50_1)의 직류전원을 교류로 변환하여 전력계통(11)에 제공함으로써 제1배터리모듈(50_1)을 방전시킬 수 있다.
제2전력변환모듈(40_2)은 전력계통(11)과 제2배터리모듈(50_2) 사이에 배치될 수 있다. 제2전력변환모듈(40_2)은 전력계통(11)의 교류전원을 직류로 변환하여 제2배터리모듈(50_2)에 제공함으로써 제2배터리모듈(50_2)을 충전시키거나 또는 제2배터리모듈(50_2)의 직류전원을 교류로 변환하여 전력계통(11)에 제공함으로써 제2배터리모듈(50_2)을 방전시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1전력변환모듈(40_1) 및 제2전력변환모듈(40_2)은 전력관리모듈(30)에 의해 계통운전모드 및 독립운전모드 중 하나로 동작될 수 있다. 예컨대, 전력관리모듈(30)에 의해 제1전력변환모듈(40_1) 및 제2전력변환모듈(40_2)이 계통운전모드로 동작되도록 제어되면, 제1전력변환모듈(40_1) 및 제2전력변환모듈(40_2)은 각각 제1배터리모듈(50_1) 및 제2배터리모듈(50_2)이 충전 또는 방전되도록 동작할 수 있다. 반면, 전력관리모듈(30)에 의해 제1전력변환모듈(40_1)이 독립운전모드로 동작되도록 제어되면, 제1전력변환모듈(40_1)은 제1배터리모듈(50_1)이 방전되도록 동작할 수 있다. 이때, 제2전력변환모듈(40_2)은 제1전력변환모듈(40_1)의 제어에 따라 제2배터리모듈(50_2)이 방전되도록 동작될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환모듈의 구성을 나타내는 도면이다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 제1전력변환모듈의 구성을 예로 드나, 제2전력변환모듈도 제1전력변환모듈과 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1전력변환모듈(40_1)은 제1컨버터유닛(101), DC링크유닛(102), 제2컨버터유닛(103), 센싱유닛(105), 통신유닛(106) 및 제어유닛(104)을 포함할 수 있다.
제1컨버터유닛(101)은 전력계통(11)의 각 상에 병렬로 연결되는 다수의 스위칭소자, 예컨대 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)를 포함할 수 있다. 제1컨버터유닛(101)은 전력계통(11)에서 다수의 인덕터, 예컨대 R상 인덕터(LR), S상 인덕터(LS) 및 T상 인덕터(LT)를 통해 제공된 교류전원을 직류전원으로 변환하거나 또는 제1배터리모듈(50_1)에서 후술될 제2컨버터유닛(103)을 통해 제공된 직류전원을 교류전원으로 변환하는 양방향 AC/DC 컨버터일 수 있다.
제1컨버터유닛(101)의 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)는 두 개씩 직렬로 연결된 그룹이 서로 병렬로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1스위칭소자(SW1) 및 제2스위칭소자(SW2), 제3스위칭소자(SW3) 및 제4스위칭소자(SW4), 제5스위칭소자(SW5) 및 제6스위칭소자(SW6)는 서로 직렬로 연결되고, 이들의 일측과 타측은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 제1스위칭소자(SW1)와 제2스위칭소자(SW2)의 연결부, 예컨대 제3노드(N3)는 R상 인덕터(LR)의 일측에 연결되고, 제3스위칭소자(SW3)와 제4스위칭소자(SW4)의 연결부는 S상 인덕터(LS)의 일측에 연결되며, 제5스위칭소자(SW5)와 제6스위칭소자(SW6)의 연결부는 T상 인덕터(LT)의 일측에 연결될 수 있다.
상술한 제1컨버터유닛(101)은 제어유닛(104)에서 출력되는 스위칭신호, 예컨대 PWM신호에 따라 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)를 동작시켜 양방향 AC/DC 컨버팅 동작을 수행할 수 있다.
제2컨버터유닛(103)은 제1컨버터유닛(101)과 제1배터리모듈(50_1) 사이에 배치될 수 있다. 제2컨버터유닛(103)은 서로 직렬 연결된 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)와, 이들 소자에 병렬로 연결된 LC필터(L1, C2)를 포함할 수 있다. 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)는 후술될 DC링크유닛(102)에 병렬로 연결될 수 있다.
제2컨버터유닛(103)은 제1컨버터유닛(101)에서 제공된 직류전원을 레벨 증가된 직류전원으로 변환하거나 또는 제1배터리모듈(50_1)에서 제공된 직류전원을 레벨 하강된 직류전원으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터일 수 있다. 이러한 제2컨버터유닛(103)은 제어유닛(104)에서 출력되는 스위칭신호, 예컨대 PWM신호에 따라 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)를 동작시켜 양방향 DC/DC 컨버팅 동작을 수행할 수 있다.
DC링크유닛(102)은 제1컨버터유닛(101)과 제2컨버터유닛(103) 사이에 배치될 수 있다. DC링크유닛(102)은 제1컨버터유닛(101)과 제2컨버터유닛(103) 사이에 병렬로 연결된 대용량의 제1커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 이러한 DC링크유닛(102)은 제1커패시터(C1)에 인가되는 전압, 예컨대 DC링크전압을 일정한 레벨로 유지되도록 함으로써 제1컨버터유닛(101)의 후단 전압과 제2컨버터유닛(103)의 전단 전압 간의 전압 뱅크 역할을 수행하여 동작 안정성을 높일 수 있다.
센싱유닛(105)은 제1전력변환모듈(40_1)의 하나 이상의 노드로부터 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 예컨대, 센싱유닛(105)은 제2컨버터유닛(103)의 제1노드(N1)의 전류, DC링크유닛(102)의 제2노드(N2)의 전압, 제1컨버터유닛(101)의 제3노드(N3)의 전류 및 R상 인덕터(LR)와 전력계통(11)이 연결된 지점의 제4노드(N4)의 전압을 감지할 수 있다. 그리고, 센싱유닛(105)은 감지된 전류 또는 전압을 제어유닛(104)에 제공할 수 있다.
통신유닛(106)은 외부, 예컨대 전력관리모듈(30) 또는 제2전력변환모듈(40_2)과 통신할 수 있다. 통신유닛(106)은 캔(CAN) 통신방식을 통해 외부와 통신할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 통신유닛(106)은 전력관리모듈(30)로부터 소정의 제어신호를 수신하거나 또는 제2전력변환모듈(40_2)로 소정의 제어신호를 출력할 수 있다.
제어유닛(104)은 전력관리모듈(30)의 제어에 기초하여 제1전력변환모듈(40_1)이 제1운전모드, 예컨대 계통운전모드 또는 제2운전모드, 예컨대 독립운전모드로 동작되도록 제어할 수 있다. 제어유닛(104)은 제1운전모드제어부(110) 및 제2운전모드제어부(120)를 포함할 수 있다.
도 3은 도 2의 제1운전모드제어부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2의 제2운전모드제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제어유닛(104)의 제1운전모드제어부(110)는 전력관리모듈(30)에 의해 제1전력변환모듈(40_1)이 계통운전모드로 제어되는 경우에 동작될 수 있다.
제1운전모드제어부(110)는 제1컨버터유닛(101)과 제2컨버터유닛(103) 각각에 소정의 듀티비를 갖는 PWM신호, 예컨대 제1PWM신호(DC_PWM) 및 제2PWM신호(AC_PWM)를 제공함으로써, 이들 컨버터유닛의 동작을 제어할 수 있다. 제1운전모드제어부(110)는 제1PWM제어부(111) 및 제2PWM제어부(115)를 포함할 수 있다.
제1PWM제어부(111)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 기준값과 센싱유닛(105)에서 제공된 센싱값에 기초하여 제2컨버터유닛(103)의 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)의 스위칭 동작을 제어하는 제1PWM신호(DC_PWM)를 출력할 수 있다. 제1PWM제어부(111)는 제1차분기(112) 및 제1제어기(113)로 구성될 수 있다.
제1차분기(112)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 제1기준전류(Idc_R)와 센싱유닛(105)에서 제공된 제1센싱전류(Idc_S)의 차를 산출할 수 있다. 제1제어기(113)는 제1차분기(112)의 출력으로부터 듀티비가 조절된 제1PWM신호(DC_PWM)를 출력할 수 있다. 제1PWM신호(DC_PWM)는 제2컨버터유닛(103)으로 출력되어 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이에, 제2컨버터유닛(103)의 제1노드(N1)에서 제1센싱전류(Idc_S)가 제1기준전류(Idc_R)와 동일한 레벨을 가지도록 제어될 수 있다. 이때, 제2노드(N2)의 전압, 즉 DC링크전압은 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
제1기준전류(Idc_R)는 제1노드(N1)에 대한 설정전류이고, 제1센싱전류(Idc_S)는 제1노드(N1)에 대한 감지전류이다. 또한, 제1기준전류(Idc_R)는 -50~50A 사이의 값을 갖는 직류전류일 수 있다. 이에, 제1기준전류(Idc_R)가 -50A라면, 제1PWM제어부(111)는 제1컨버터유닛(101)에서 제공되는 직류전원이 제1배터리모듈(50_1)에 충전되도록 하는 제1PWM신호(DC_PWM)를 제2컨버터유닛(103)의 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)에 출력할 수 있다. 반면, 제1기준전류(Idc_R)가 50A라면, 제1PWM제어부(111)는 제1배터리모듈(50_1)에서 제공되는 직류전원이 제1컨버터유닛(101)에 인가되도록 하는 제1PWM신호(DC_PWM)를 제2컨버터유닛(103)의 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)에 출력할 수 있다.
제2PWM제어부(115)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 기준값과 센싱유닛(105)에서 제공된 센싱값에 기초하여 제1컨버터유닛(101)의 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)의 스위칭 동작을 제어하는 제2PWM신호(AC_PWM)를 출력할 수 있다. 제2PWM제어부(115)는 제2차분기(116), 제2제어기(117), 제3차분기(118) 및 제3제어기(119)로 구성될 수 있다.
제2차분기(116)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 제1기준전압(Vdc_R)과 센싱유닛(105)에서 제공된 제1센싱전압(Vdc_S)의 차를 산출하고, 제2제어기(117)는 제2차분기(116)의 출력으로부터 제2기준전류(Iac_R)를 생성하여 출력할 수 있다. 이어, 제3차분기(118)는 제2차분기(116)의 출력과 센싱유닛(105)에서 제공된 제2센싱전류(Iac_S)의 차를 산출하고, 제3제어기(119)는 제3차분기(118)의 출력으로부터 듀티비가 조절된 제2PWM신호(AC_PWM)를 출력할 수 있다. 제2PWM신호(AC_PWM)는 제1컨버터유닛(101)으로 출력되어 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이에, 제1컨버터유닛(101)의 제4노드(N4)에서 전력계통(11)의 R상 교류전원과 동상이 되도록 제어될 수 있고, 제2노드(N2)의 전압 또한 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
여기서, 제1기준전압(Vdc_R)은 제1노드(N1)에 대한 설정전압이고, 제1센싱전압(Vdc_S)은 제1노드(N1)에 대한 감지전압이다. 또한, 제2기준전류(Iac_R)는 제3노드(N3)에 대한 설정전류이고, 제2센싱전류(Iac_S)는 제3노드(N3)에 대한 감지전류이다. 또한, 제1기준전압(Vdc_R)은 대략 700V의 직류전압일 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1운전모드제어부(110)는 제1전력변환모듈(40_1)이 계통운전모드로 동작되는 것을 제어할 수 있다. 제1운전모드제어부(110)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 기준전류 및 기준전압에 기초하여 제2노드(N2)의 전압이 일정한 레벨을 갖도록 유지할 수 있다. 그리고, 제1운전모드제어부(110)는 제1컨버터유닛(101) 및 제2컨버터유닛(103)의 동작에 따라 전력계통(11)에서 제공된 교류전원을 직류전원으로 변환하여 제1배터리모듈(50_1)을 충전시키거나 또는 제1배터리모듈(50_1)에서 제공된 직류전원을 교류전원으로 변환하여 전력계통(11)으로 방전할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 제어유닛(104)의 제2운전모드제어부(120)는 전력관리모듈(30)에 의해 제1전력변환모듈(40_1)이 독립운전모드로 제어되는 경우에 동작될 수 있다. 이때, 제1운전모드제어부(110)의 동작을 중단될 수 있다.
제2운전모드제어부(120)는 제1컨버터유닛(101)과 제2컨버터유닛(103) 각각에 소정의 듀티비를 갖는 제3PWM신호(DC_PWM') 및 제4PWM신호(AC_PWM')를 제공하여 이들의 동작을 제어할 수 있다. 제2운전모드제어부(120)는 제3PWM제어부(121) 및 제4PWM제어부(127)를 포함할 수 있다.
제3PWM제어부(121)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 제1기준전압(Vdc_R)에 기초하여 제2컨버터유닛(103)의 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)의 스위칭을 제어하는 제3PWM신호(DC_PWM')를 출력할 수 있다. 제3PWM제어부(121)는 제4차분기(122), 제4제어기(123), 제5차분기(124) 및 제5제어기(125)로 구성될 수 있다.
제4차분기(122)는 제1기준전압(Vdc_R)과 제1센싱전압(Vdc_S)의 차를 산출하고, 제4제어기(123)는 제4차분기(122)의 출력으로부터 제3기준전류(Idc_R')를 생성하여 출력할 수 있다. 제5차분기(124)는 제3기준전류(Idc_R')와 제1센싱전류(Idc_S)의 차를 산출하고, 제5제어기(125)는 제5차분기(124)의 출력으로부터 듀티비가 조절된 제3PWM신호(DC_PWM')를 출력할 수 있다. 제3PWM신호(DC_PWM')는 제2컨버터유닛(103)으로 출력되어 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이에, 제2컨버터유닛(103)의 제1노드(N1)에서 제1센싱전류(Idc_S)가 제1기준전류(Idc_R)와 동일한 레벨을 가지도록 제어될 수 있다. 이때, 제2노드(N2)의 전압, 즉 DC링크전압은 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
여기서, 제4제어기(123)에서 생성되는 제3기준전류(Idc_R')는 0~50A 사이의 값을 갖는 직류전류일 수 있다. 이에, 제2컨버터유닛(103)은 제1노드(N1)에서 감지되는 전류의 크기가 제3기준전류(Idc_R')와 동일한 크기를 갖도록 제1배터리모듈(50_1)로부터 방전되는 직류전원을 변환하여 제1컨버터유닛(101)으로 제공할 수 있다. 이때, 제2노드(N2)의 전압은 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
제4PWM제어부(127)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 제2기준전압(Vac_R)에 기초하여 제1컨버터유닛(101)의 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)의 스위칭 동작을 제어하는 제4PWM신호(AC_PWM')를 출력할 수 있다. 제4PWM제어부(127)는 제6차분기(128) 및 제6제어기(129)로 구성될 수 있다.
제6차분기(128)는 제1기준전압(Vdc_R)과 센싱유닛(105)에서 제공된 제2센싱전압(Vac_S)의 차를 산출하고, 제6제어기(129)는 제6차분기(128)의 출력으로부터 듀티비가 조절된 제4PWM신호(AC_PWM')를 출력할 수 있다. 제4PWM신호(AC_PWM')는 제1컨버터유닛(101)으로 출력되어 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이에, 제1컨버터유닛(101)의 제4노드(N4)에서 전력계통(11)의 R상 교류전원과 동상이 되도록 제어될 수 있고, 제2노드(N2)의 전압 또한 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
한편, 제3PWM제어부(121)는 제4제어기(123)의 출력, 즉 제3기준전류(Idc_R')를 통신유닛(106)을 통해 제2전력변환모듈(40_2)로 제공할 수 있다. 제2전력변환모듈(40_2)은 제3기준전류(Idc_R')에 기초하여 제1컨버터유닛과 제2컨버터유닛의 다수의 스위칭소자의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이때, 제2전력변환모듈(40_2)에서는 제3기준전류(Idc_R')에 따라 제어유닛의 제1운전모드제어부가 동작되어 계통운전모드로 동작될 수 있다. 그리고, 제2배터리모듈(50_2)의 방전을 통해 직류전원으로부터 교류전원을 생성하고, 이를 전력계통(11)에 제공할 수 있다. 여기서, 제2전력변환모듈(40_2)은 교류전류를 전력계통(11)에 제공할 수 있다.
즉, 전력관리모듈(30)은 전력계통(11)의 사고 상황이 감지되면, 제1전력변환모듈(40_1)이 독립운전모드로 동작되도록 제어하고, 제1전력변환모듈(40_1)은 전력관리모듈(30)의 제어에 따라 제1배터리모듈(50_1)에 충전된 직류전원으로부터 전력계통(11)의 R상 교류전원과 동상을 갖는 교류전원을 생성하여 전력계통(11)에 공급할 수 있다. 이에, 전력계통(11)에 연결되어 있는 부하(15)는 제1전력변환모듈(40_1)에서 생성된 교류전원이 제공될 수 있다.
또한, 제1전력변환모듈(40_1)은 통신유닛(106)을 통해 제2전력변환모듈(40_2)에 기준전류를 제공하여 제2전력변환모듈(40_2)이 계통운전모드로 동작되도록 제어할 수 있다. 이에, 제2전력변환모듈(40_2)은 제2배터리모듈(50_2)에 충전된 직류전원으로부터 전력계통(11)의 R상 교류전원과 동상을 갖는 교류전원, 예컨대 교류전류를 생성하여 전력계통(11)에 공급할 수 있다. 따라서, 제1전력변환모듈(40_1)과 제2전력변환모듈(40_2)이 병렬로 동작되어 전력계통(11)에 교류전원을 공급함으로써, 전력계통(11)에 부하(15)가 증가되더라도 안정적인 교류전원을 공급할 수 있다. 여기서, 제1전력변환모듈(40_1)과 제2전력변환모듈(40_2)은 부하(15)에서 요구하는 전원의 1/2씩 교류전원을 생성하여 공급할 수 있다.
도 5는 본 발명의 에너지 저장시스템의 운전제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 전력관리모듈(30)에 의해 전력계통(11)의 정상상황 또는 사고상황이 감지될 수 있다(S10).
전력계통(11)이 정상상황인 것으로 감지되면, 전력관리모듈(30)은 스위치모듈(20)의 제1스위치(S1) 내지 제3스위치(S3)를 턴-온 상태로 유지할 수 있다. 이에, 제1전력변환모듈(40_1) 및 제2전력변환모듈(40_2)은 전력계통(11)에서 제공되는 교류전원을 각각의 배터리, 즉 제1배터리모듈(50_1) 및 제2배터리모듈(50_2)에 직류전원으로 충전하거나 또는 제1배터리모듈(50_1) 및 제2배터리모듈(50_2)에 충전되어 있는 직류전원을 전력계통(11)에 교류전원으로 방전할 수 있다. 또한, 하나 이상의 부하(15)는 전력계통(11)에서 제공되는 교류전원에 의해 동작될 수 있다.
반면, 전력계통(11)이 사고상황인 것으로 감지되면, 전력관리모듈(30)은 스위치모듈(20)의 제1스위치(S1) 내지 제3스위치(S3)를 모두 턴-오프시킬 수 있다(S20). 이로 인해, 전력계통(11)에 연결되어 있던 제1전력변환모듈(40_1). 제2전력변환모듈(40_2) 및 부하(15)의 동작이 중단된다. 이어, 전력관리모듈(30)은 제1전력변환모듈(40_1)에 소정의 제어신호를 출력하여 제1전력변환모듈(40_1)이 독립운전모드로 동작되도록 제어할 수 있다(S30).
계속해서, 제1전력변환모듈(40_1)에서는 제어유닛(104)의 제2운전모드제어부(120)가 동작되어 PWM신호, 즉 제3PWM신호(DC_PWM') 및 제4PWM신호(AC_PWM')를 생성하고, 생성된 PWM신호에 따라 제1컨버터유닛(101) 및 제2컨버터유닛(103)의 동작을 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1전력변환모듈(40_1)은 제1배터리모듈(50_1)에 충전된 직류전원으로부터 교류전원을 생성하고, 이를 전력계통(11)에 공급할 수 있다(S40). 이때, 제1전력변환모듈(40_1)은 외부로부터 전력계통(11)에 공급되던 3상 교류전원과 동상의 교류전원을 생성하여 전력계통(11)으로 제공할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 전력관리모듈(30)에 의해 제1전력변환모듈(40_1)의 제2운전모드제어부(120)가 동작될 수 있다. 제2운전모드제어부(120)의 제3PWM제어부(121)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 기준전압에 기초하여 기준전류를 생성하고, 생성된 기준전류로부터 제2컨버터유닛(103)의 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)를 제어하는 제3PWM신호(DC_PWM')를 출력할 수 있다. 제4PWM제어부(127)는 전력관리모듈(30)에서 제공된 기준전압에 기초하여 제1컨버터유닛(101)의 제1스위칭소자(SW1) 내지 제6스위칭소자(SW6)를 제어하는 제4PWM신호(AC_PWM')를 출력할 수 있다.
이에 따라, 제1전력변환모듈(40_1)의 제2컨버터유닛(103)은 제1배터리모듈(50_1)에 충전되어 있는 직류전원을 변환하여 제1컨버터유닛(101)으로 제공하고, 제1컨버터유닛(101)은 제공된 직류전원을 교류전원으로 변환하여 전력계통(11)에 공급할 수 있다. 따라서, 부하(15)에는 제1전력변환모듈(40_1)로부터 전력계통(11)을 통해 제공된 교류전원이 공급되어 그 동작이 재개될 수 있다.
이어, 제1전력변환모듈(40_1)은 제2노드(N2)의 전압, 즉 DC링크전압의 변화를 모니터링할 수 있다(S50).
예컨대, 제2노드(N2)의 전압이 증가되면 제1배터리모듈(50_1)에서 제2노드(N2)에 인가되는 전류 레벨이 높은 것이므로, 제2운전모드제어부(120)는 제3PWM신호(DC_PWM')의 듀티비를 조절하여 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)를 제어함으로써 제2노드(N2)에 인가되는 전류 레벨이 감소될 수 있다. 또한, 제2노드(N2)의 전압이 감소되면 제1배터리모듈(50_1)에서 제2노드(N2)에 인가되는 전류 레벨이 낮은 것이므로, 제2운전모드제어부(120)는 제3PWM신호(DC_PWM')의 듀티비를 조절하여 제7스위칭소자(SW7) 및 제8스위칭소자(SW8)를 제어함으로써 제2노드(N2)에 인가되는 전류 레벨이 증가될 수 있다.
즉, 제1전력변환모듈(40_1)은 전력관리모듈(30)에 의해 독립운전모드로 동작되어 제1배터리모듈(50_1)에 충전되어 있는 전원으로부터 전력계통(11)에 교류전원을 공급하되, DC링크전압이 일정한 레벨이 되도록 제2운전모드제어부(120)를 통해 제1배터리모듈(50_1)의 방전량, 즉 제1배터리모듈(50_1)로부터 제2컨버터유닛(103)에 인가되는 전류량을 제어할 수 있다.
한편, 전력계통(11)에 연결되어 있는 부하(15) 수가 증가되는 경우에, 제1전력변환모듈(40_1)을 통해 전력계통(11)에 인가되는 교류전원의 전류가 감소될 뿐만 아니라, 제1배터리모듈(50_1)이 방전될 위험이 발생한다. 이에, 제1전력변환모듈(40_1)의 제2운전모드제어부(120)는 기 생성한 기준전류를 제2전력변환모듈(40_2)에 제공하여 제2전력변환모듈(40_2)의 동작을 제어할 수 있다(S60).
구체적으로, 제1전력변환모듈(40_1)의 제2운전모드제어부(120)는 통신유닛(106)을 통해 기 생성한 기준전류를 제2전력변환모듈(40_2)에 제공할 수 있다. 이에, 제2전력변환모듈(40_2)의 제어유닛(104)은 제1전력변환모듈(40_1)에서 제공된 기준전류에 기초하여 제1운전모드제어부(110)를 동작시킴으로써 제2전력변환모듈(40_2)이 계통운전모드로 동작되도록 할 수 있다.
이때, 제2전력변환모듈(40_2)의 제1운전모드제어부(110)는 제1전력변환모듈(40_1)에서 제공된 기준전류에 기초하여 제1PWM신호(DC_PWM) 및 제2PWM신호(AC_PWM)를 생성하고, 이로부터 제1컨버터유닛(101) 및 제2컨버터유닛(103)의 동작을 제어할 수 있다. 이어, 제2전력변환모듈(40_2)은 제2배터리모듈(50_2)을 방전시켜 에 충전되어 있는 직류전원을 교류전원으로 변환하고, 변환된 교류전원을 전력계통(11)으로 공급할 수 있다(S70).
따라서, 전력계통(11)에는 제1전력변환모듈(40_1)로부터 제공된 교류전원과 제2전력변환모듈(40_2)로부터 제공된 교류전원이 함께 공급되므로, 부하(15)의 수가 증가되더라도 안정적인 전력을 공급할 수 있다. 이때, 제1전력변환모듈(40_1)과 제2전력변환모듈(40_2) 각각은 부하(15)에서 요구하는 총 전력의 절반만큼 각각 전력계통(11)에 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 에너지 저장시스템(10)은 전력계통(11)에서 사고상황이 발생된 경우에 제1전력변환모듈(40_1)을 독립운전모드로 동작되도록 하고, 제1전력변환모듈(40_1)이 제2전력변환모듈(40_2)을 계통운전모드로 동작되도록 제어함으로써, 제1배터리모듈(50_1) 및 제2배터리모듈(50_2) 각각의 방전을 통해 전력계통(11)에 전력을 공급할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 정전 등에 의한 전력계통(11)의 사고 발생 시에도, 전력계통(11)을 대신하여 하나 이상의 부하(15)에 안정적인 전력을 제공할 수 있다.
10: 에너지 저장시스템 11: 전력계통
15: 부하 20: 스위칭모듈
30: 전력관리모듈 40_1, 40_2: 전력변환모듈
50_1, 50_2: 배터리모듈 101: 제1컨버터유닛
102: DC링크유닛 103: 제2컨버터유닛
104: 제어유닛 105: 센싱유닛
106: 통신유닛 110: 제1운전모드제어부
120: 제2운전모드제어부

Claims (9)

  1. 전력계통의 상황을 감지하는 전력관리모듈;
    각각이 상기 전력계통에 병렬로 연결되고, 상기 전력관리모듈에 의해 계통운전모드 및 독립운전모드 중 하나로 동작되어 배터리모듈을 충전 및 방전시키는 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈; 및
    상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈과 상기 전력계통 사이에 연결된 스위치모듈을 포함하고,
    상기 전력관리모듈은 상기 전력계통의 사고상황이 감지되면 상기 스위치모듈을 턴-오프하고, 상기 제1전력변환모듈을 상기 독립운전모드로 동작되도록 제어하여 상기 제1전력변환모듈에서 상기 전력계통에 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전력변환모듈은,
    상기 전력계통에서 제공된 교류를 직류로 변환하거나 또는 상기 배터리모듈에서 제공된 직류를 교류로 변환하는 제1컨버터유닛;
    상기 제1컨버터유닛과 상기 배터리모듈 사이에 배치되어 인가되는 직류의 레벨을 변환하는 제2컨버터유닛; 및
    상기 전력관리모듈에서 제공된 제어신호에 따라 상기 제1컨버터유닛 및 상기 제2컨버터유닛 각각의 스위칭 동작을 제어하여 상기 제1전력변환모듈이 상기 계통운전모드와 상기 독립운전모드 중 하나로 동작되도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1컨버터유닛과 상기 제2컨버터유닛 사이에 배치된 DC링크유닛을 더 포함하고,
    상기 DC링크유닛의 DC링크전압은 상기 제어유닛에 의해 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전력변환모듈이 상기 독립운전모드로 동작될 때,
    상기 제1전력변환모듈은 상기 제2전력변환모듈이 상기 계통운전모드로 동작하여 상기 제2전력변환모듈에서 상기 전력계통에 전력이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전력변환모듈은 캔 통신방식을 통해 상기 제2전력변환모듈에 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템.
  6. 전력계통에 각각 연결된 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈에 의해 하나 이상의 배터리모듈을 충전 또는 방전하는 에너지 저장시스템의 운전제어방법에 있어서,
    전력관리모듈이 상기 전력계통의 상황을 감지하는 단계;
    상기 전력계통의 사고상황이 감지되면, 상기 전력관리모듈이 상기 전력계통과 상기 제1전력변환모듈 및 제2전력변환모듈 사이에 배치된 스위치모듈을 턴-오프하는 단계;
    상기 전력관리모듈이 상기 제1전력변환모듈이 독립운전모드로 동작되도록 제어하여 상기 제1전력변환모듈에 연결된 제1배터리모듈로부터 상기 전력계통에 연결된 부하에 전력을 제공하는 단계; 및
    상기 제1전력변환모듈이 상기 제2전력변환모듈이 동작되도록 제어하여 상기 제2전력변환모듈에 연결된 제2배터리모듈로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템의 운전제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1배터리모듈로부터 상기 전력계통에 연결된 부하에 전력을 제공하는 단계는,
    상기 전력관리모듈에서 제공된 기준전압에 기초하여 기준전류를 생성하는 단계;
    상기 기준전류에 기초하여 듀티비가 조절된 PWM신호를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM신호에 의해 상기 제1전력변환모듈의 제1컨버터유닛 및 제2컨버터유닛 각각의 다수의 스위칭소자의 동작을 제어하여 상기 제1배터리모듈로부터 상기 전력계통에 교류전원이 제공되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템의 운전제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2배터리모듈로부터 상기 부하에 전력을 제공하는 단계는,
    상기 제1전력변환모듈이 상기 기준전류를 상기 제2전력변환모듈에 제공하는 단계;
    상기 제2전력변환모듈이 상기 기준전류에 기초하여 PWM신호를 생성하고, 상기 PWM신호에 따라 상기 제2전력변환모듈의 제1컨버터유닛 및 제2컨버터유닛 각각의 다수의 스위칭소자의 동작을 제어하여 계통운전모드로 동작하는 단계; 및
    상기 제2배터리모듈로부터 상기 전력계통에 교류전원이 제공되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템의 운전제어방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1전력변환모듈과 상기 제2전력변환모듈 각각은 상기 부하에서 요구하는 총 전력의 절반씩 상기 전력계통에 상기 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장시스템의 운전제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210122454A (ko) * 2020-04-01 2021-10-12 (주)하나기술 가변적인 출력전압 범위를 가지는 이차전지 충방전 시스템
KR20220097212A (ko) * 2020-12-30 2022-07-07 한국전자기술연구원 저압 직류 분전반을 이용한 전력관리시스템
WO2023239017A1 (ko) * 2022-06-08 2023-12-14 박인석 주차장 내 전기차 충전 시스템

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