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KR20160073664A - Bess 제어 장치 - Google Patents

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KR20160073664A
KR20160073664A KR1020140182253A KR20140182253A KR20160073664A KR 20160073664 A KR20160073664 A KR 20160073664A KR 1020140182253 A KR1020140182253 A KR 1020140182253A KR 20140182253 A KR20140182253 A KR 20140182253A KR 20160073664 A KR20160073664 A KR 20160073664A
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KR
South Korea
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power
battery pack
bess
converter
bidirectional
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Application number
KR1020140182253A
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Inventor
윤덕배
조영훈
Original Assignee
블루에스(주)
건국대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 BESS(Battery Energy Storage System) 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단상 전력계통에서 발생하는 120㎐ 전력 맥동을 저감시키고, 병렬로 연결된 배터리팩들의 개별 전력 소모량 조절을 가능하도록 하기 위한 BESS 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치는, 병렬로 연결된 다수의 배터리팩; 상기 다수의 배터리팩과 연결되어 상기 배터리팩의 충방전 운전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 스위치에 PWM 스위칭 신호를 전달하여 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 제어하는 PWM 스위칭 제어부; 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 연결되어 직류 전력을 교류로 전환하거나, 계통의 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 계통 연계형 인버터; 및 상기 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 상위 제어부; 등을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

BESS 제어 장치{Apparatus for controlling BESS}
본 발명은 BESS(Battery Energy Storage System) 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단상 전력계통에서 발생하는 120㎐ 전력 맥동을 저감시키고, 병렬로 연결된 배터리팩들의 개별 전력 소모량 조절을 가능하도록 하기 위한 BESS 제어 장치에 관한 것이다.
산업의 발달과 생활수준의 향상으로 전력수요가 급격히 증대하고 있다. 이러한 갑작스러운 전력수요 급증에 의해 주간과 야간의 부하격차 및 계절간 또는 평일 및 휴일간의 전력 사용량 격차가 증가됨으로써 부하율은 하락하고 있으며, 급격한 첨두부하 증가로 인하여 전력 예비율은 점차 악화되어 전력 수급에 커다란 문제가 되고 있다.
이와 같은 문제들에 대해 현재 가장 현실성 있는 보완책으로 에너지 저장 장치(Energy Storage System; 이하 'ESS'라 함) 기술이 연구되고 있다.
ESS는 전력계통을 단독으로 운전하는 경우보다 안정된 전원을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 개별 ESS의 잉여전력을 전력 계통에 공급함으로써 에너지의 효율적 이용이 가능하고, 비상시 전력수급이 용이하다는 등의 장점으로 인해 부하평준화(Load leveling)는 물론 첨두부하 삭감 등과 같은 다양한 효과를 제공할 수 있다.
이러한 ESS 기술 중 특히 배터리 전력저장장치(BESS)는 높은 에너지 밀도, 기동·정지 및 부하 추종 특성의 우수성, 분산배치의 가능, 무진동 및 무소음, 높은 저장 효율 등과 같은 많은 장점들을 가지고 있어, ESS용 에너지 저장 매체로 활발히 적용되고 있다.
도 1은 통상의 가정용 단상 BESS의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도로써, 여러 배터리팩을 병렬로 연결하여 동작하는 가정용 단상 BESS의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 1에 나타난 것과 같이, 통상의 가정용 단상 BESS는, 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하고, 직류 전력을 받아 교류로 변환하여 계통으로 전달하는 계통 연계형 인버터와, 상기 인버터에 PWM 스위칭 신호를 인가하는 스위칭 제어부, 상기 계통 연계형 인버터에 직류 전력을 공급하는 배터리팩들 및 배터리팩의 전압, 전류, SOC(State of Charge) 검출 등의 기능을 갖는 BMS(Battery Management System) 등으로 구성된다.
즉, 도 1과 같은 가정용 단상 BESS는 계통의 전력이 부하로 전달되는 동안 배터리팩에 에너지를 보관하였다가, 부하로 공급되는 계통의 전력이 차단되면 계통 대신 부하에 전력을 공급하는 역할을 한다. 또한, 경우에 따라서는 계통으로 전력을 공급하여 전력을 판매하는 역할을 할 수도 있다.
이와 같은 통상의 BESS는 하기의 [수학식 1] 및 국내 60㎐ 상용주파수를 사용하여 발생하는 120㎐ 순시 전력 맥동을 포함한다. 국내 60㎐ 상용주파수를 사용하여 발생하는 120㎐ 순시 전력 맥동은 도 2에 도시된 바와 같으며, 여기서 V 및 I 는 각각 전압과 전류의 실효값을 나타낸다.
Figure pat00001
그런데 이러한 저주파 전력 맥동은 BESS의 주요 부품인 캐패시터와 배터리의 수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.
또한 도 1과 같은 통상의 BESS는 여러 배터리팩을 계통 연계형 인버터로만 제어하기 때문에 배터리팩 간의 전압 및 SOC의 차이를 고려하지 않고 모든 배터리팩에서 동일한 양의 전력을 소모하도록 제어할 뿐만 아니라, 단일 배터리팩에서 고장이 검출된 경우 전체 시스템을 정지시키고 보수를 해야 한다는 등의 여러가지 문제점을 갖는다.
따라서 BESS에 관한 연구는, 가정 등에 널리 보급하기 위해 10㎾ 이하 단상 BESS의 개발과 관련한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 배터리의 수명을 연장시키고 BESS의 안정성을 높이기 위한 연구 역시 활발히 추진되고 있다
가령, 대한민국 등록특허 제10-1394712호(발명의 명칭: 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법)의 경우, 부스트 컨버터와 바이패스 스위치를 이용하여 충방전 모드에 따라 전류 패스를 다르게 하는 내용이 기술되어 있다. 즉, 배터리팩 충전시에는 부스트 컨버터를 이용하여 높은 전압으로 배터리팩을 충전하고, 충전 전압/전류의 맥동을 저감하며, 배터리팩 방전시에는 부스트 컨버트를 통하지 않고 바이패스 스위치를 통해 배터리팩과 직류링크를 직접 연결함으로써 컨버터에서의 전력손실을 최소화 하도록 하는 것이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1394712호(발명의 명칭: 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단상 전력계통에서 발생하는 120㎐ 전력 맥동을 저감시키고, 병렬로 연결된 배터리팩들의 개별 전력 소모량 조절을 가능하도록 하기 위한 BESS 제어 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 BESS 제어 장치는, 병렬로 연결된 다수의 배터리팩; 상기 다수의 배터리팩과 연결되어 상기 배터리팩의 충방전 운전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터; 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 스위치에 PWM 스위칭 신호를 전달하여 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 제어하는 PWM 스위칭 제어부; 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 연결되어 직류 전력을 교류로 전환하거나, 계통의 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 계통 연계형 인버터; 및 상기 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 상위 제어부; 등을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 배터리팩 및 양방향 DC/DC 컨버터는, 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 검출하는 검출부를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 PWM 스위칭 제어부는, 상기 배터리팩의 120㎐ 맥동을 저감하도록 PWM 스위칭 신호를 제어하기 위한 노치필터(대역차단필터)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 양방향 DC/DC 컨버터의 스위치를 제어하는 디지털 제어기에 포함된 노치필터(대역차단필터)에 의해 국내 단상 60㎐ 전력 계통을 이용할 때 발생하는 120㎐ 맥동을 저감시킬 수 있게 되어, 결과적으로 전력 맥동으로 인한 전력손실과 온도 상승 등의 문제점을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 양방향 DC/DC 컨버터의 제어를 통해 Hot-swap 기능을 가능하게 하여 BESS 운전 중에도 병렬로 연결된 배터리팩들의 개별 전력 소모량 조절하고, 배터리팩 간의 전압 및 SOC(State of Charge)를 평준화할 수 있다는 등의 부가적인 장점을 제공할 수 있다.
상기 다수의 배터리팩의 각각의 전력소모량 제어를 위한 전류 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.
도 1은 통상의 가정용 단상 BESS의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는 국내 60㎐ 상용주파수를 사용하여 발생하는 120㎐ 순시 전력 맥동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BESS 제어 장치의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 4는 도 3의 양방향 DC/DC 컨버터에 구비되는 검출부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 도 3의 PWM 스위칭 제어부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 6은 도 5에 구비되는 노치필터의 보데선도이다.
도 7은 도 5에 구비되는 전류 제어기의 세부 구성을 나타낸 설명도이다.
도 8은 노치 필터를 통해 120㎐ 맥동이 저감되기 전후의 배터리팩 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 9는 개별 배터리팩의 시뮬레이션 전력 소모량을 나타낸 그래프이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BESS 제어 장치의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 BESS 제어 장치는, 병렬로 연결된 다수의 배터리팩, 상기 다수의 배터리팩과 연결되어 상기 배터리팩의 충방전 운전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터, 상기 양방향 DC/DC 컨버터의 스위치에 PWM 스위칭 신호를 전달하여 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 제어하는 PWM 스위칭 제어부, 상기 양방향 DC/DC 컨버터와 연결되어 직류 전력을 교류로 전환하거나, 계통의 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 계통 연계형 인버터 및 상기 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 상위 제어부 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
이때, 양방향 DC/DC 컨버터에는 배터리의 전압, 전류, 온도 및 SOC 등을 측정하고 배터리팩의 이상을 검출하기 위한 BMS가 연결됨을 확인할 수 있다.
도 4는 도 3의 배터리팩 및 양방향 DC/DC 컨버터에 구비되는 검출부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3의 배터리팩과 양방향 DC/DC 컨버터에는, 도 4와 같은 구성을 갖는, 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 검출하는 검출부가 구비될 수 있으며, 상기 검출부를 통해 검출된 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압 등의 정보는 도 3의 PWM 스위칭 제어부로 보내진다.
도 5는 도 3의 PWM 스위칭 제어부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치에 구비되는 PWM 스위칭 제어부는, 전압 제어기, 전류 제어기 및 노치필터(대역차단필터) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
노치필터(notch folter)는 배터리팩의 120㎐ 맥동을 저감하도록 PWM 스위칭 신호를 제어하는 기능을 수행하게 되는데, 도 5의 노치필터는 도 6의 보데선도에서 나타난 것과 같이 일정 주파수 대역을 저지하는 효과를 갖게 되며, 본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치에 구비되는 노치필터는 120㎐ 전력 맥동을 저감하는 역할을 수행한다.
도 7은 도 5에 구비되는 전류 제어기의 세부 구성을 나타낸 설명도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치는, 병렬로 연결된 배터리팩들 마다 BMS와 양방향 DC/DC 컨버터가 연결되어 개별 전력소모량을 조절할 수 있도록 기능하는데, 개별 배터리팩의 전력소모량 제어는 도 3의 PWM 스위칭 제어부에 포함된 전류 제어기를 통해 이루어지게 되며, 도 7에 이와 같은 전류 제어기의 상세 구성도를 도시하였다.
가령, 직류 링크 전압 변화 및 배터리 특성에 의해 일 배터리팩의 SOC가 다른 배터리팩에 비해 낮아진 경우, 도 3에 도시된 BMS에서 이를 검출함으로써, 양방향 DC/DC 컨버터와 PWM 스위칭 제어부의 스위칭 제어를 통해 SOC가 낮아진 배터리팩의 전력소모량을 감소시키고 다른 배터리팩의 전력소모량을 늘려 전체 배터리팩 간의 SOC를 평준화할 수 있게 된다.
도 8은 노치 필터를 통해 120㎐ 맥동이 저감되기 전후의 배터리팩 전류 파형을 나타낸 그래프이고, 도 9는 개별 배터리팩의 시뮬레이션 전력 소모량을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치는 노치필터의 적용을 통해 60㎐ 전력 계통을 이용할 때 발생하는 120㎐ 전력 맥동을 저감시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 바, 도 8에 노치필터를 통해 120㎐ 맥동을 저감하기 전과 맥동을 저감한 후의 배터리팩의 전류 파형을 비교 도시하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 BESS 제어 장치는, 병렬로 연결된 각각의 배터리팩의 개별 전력 소모량을 조절하여 배터리팩의 전압 및 SOC의 평준화를 가능하도록 기능할 수 있으며, 이를 도 9의 시뮬레이션 파형을 통해 확인할 수 있다.
다시 말해, 배터리팩1이 일정한 전력을 소모하고 있을 때 병렬로 연결된 배터리팩2의 방전 전류를 증가시켜 배터리팩1의 방전 전류를 감소시킬 수 있으며, 이와 같은 원리에 의해, 계통으로 전달되는 전력량을 일정하게 유지함과 동시에 개별 배터리팩들의 전력소모량을 조절할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (4)

  1. 병렬로 연결된 다수의 배터리팩;
    상기 다수의 배터리팩과 연결되어 상기 배터리팩의 충방전 운전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터;
    상기 양방향 DC/DC 컨버터의 스위치에 PWM 스위칭 신호를 전달하여 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 제어하는 PWM 스위칭 제어부;
    상기 양방향 DC/DC 컨버터와 연결되어 직류 전력을 교류로 전환하거나, 계통의 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 계통 연계형 인버터; 및
    상기 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 상위 제어부;를 포함하는 BESS 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리팩 및 양방향 DC/DC 컨버터는 상기 배터리팩의 전압, 전류 및 직류 링크 전압을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BESS 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 PWM 스위칭 제어부는, 상기 배터리팩의 120㎐ 맥동을 저감하도록 PWM 스위칭 신호를 제어하기 위한 노치필터(대역차단필터)를 포함하는 것을 특징으로 하는 BESS 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리팩의 각각의 전력소모량 제어를 위한 전류 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 BESS 제어 장치.
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