KR20210133647A - System-linked energy storage system and power control apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하여 계통의 무효 전력을 보상하도록 전력 변환 동작을 제어하는 전력 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a grid-connected energy storage system and a power control device for controlling a power conversion operation to compensate for reactive power of a grid using the same.
계통에 연계된 에너지 저장 시스템은 배터리와 충방전 전력변환기로 구성되어, 계통에 대하여 잉여 전력을 저장하고 부족 전력을 공급하는 방식으로, 부하의 순간적인 증감 및 발전량이 일정치 않은 신재생에너지 발전 수단으로 인한 전력 수요공급 불균형을 완화하며, 특히, 계통의 무효 전력을 보상하는 용도로 사용된다. The energy storage system linked to the grid consists of a battery and a charge/discharge power converter, and stores surplus power and supplies insufficient power to the grid. It alleviates the imbalance of power supply and demand caused by the
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용한 ESS 시스템을 도시한 회로도이다. 1 is a circuit diagram illustrating an ESS system using a bidirectional buck-boost converter according to the prior art.
종래기술의 계통 연계형 에너지 저장 시스템은 충방전 전력변환기로서 Two-stage 형태를 가진 것이 일반적이다. The grid-connected energy storage system of the prior art generally has a two-stage form as a charge/discharge power converter.
기본적인 Two-stage 계통연계 시스템은 도 1 과 같이 비절연형 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용하는 것이다. 양방향 벅-부스트 컨버터를 통해 승압과 강압 동작이 가능하며 ESS의 전류 제어와 전압 제어가 가능하다. 하지만 승압 또는 강압 하나의 동작만 가능하므로 제어할 수 있는 전압의 한계가 존재한다. 또한, 변압기가 없는 회로로 계통과 ESS 단이 절연되어 있지 않아 누설전류 등 안전상 문제가 발생한다. A basic two-stage grid-connected system uses a non-isolated bidirectional buck-boost converter as shown in FIG. 1 . Step-up and step-down operations are possible through a bidirectional buck-boost converter, and current control and voltage control of the ESS are possible. However, since only one step of step-up or step-down is possible, there is a limit to the voltage that can be controlled. In addition, since the system and the ESS stage are not insulated as a circuit without a transformer, safety problems such as leakage current occur.
이러한 단점들로 인해, 최근 절연기능이 있는 토폴로지를 DC 단에 사용하고 있다. 이 경우 변압기를 사용하여 절연기능, 즉 누설전류를 억제하는 기능을 제공하며, 전압의 출력 가능 범위가 넓어진다. 인버터로는 DC-link 전압과 계통의 필요에 따라 계통 전류를 제어하고 절연 기능이 있는 DC-DC 컨버터 통해 ESS의 출력을 제어한다. Due to these shortcomings, a topology with an isolation function is recently used for the DC stage. In this case, a transformer is used to provide an insulating function, that is, a function to suppress leakage current, and the output range of voltage is widened. The inverter controls the grid current according to the DC-link voltage and grid needs, and controls the output of the ESS through a DC-DC converter with an insulation function.
이러한 제어 방식은 DC-link 커패시터가 감당하는 에너지가 높아 용량이 큰 전해 커패시터가 필요하므로 가격, 신뢰성, 크기 면에서 불리한 단점이 있다. This control method has disadvantages in terms of price, reliability, and size because the high energy that the DC-link capacitor can handle requires an electrolytic capacitor with a large capacity.
본 발명은 디씨 링크 커패시터의 용량을 절감하면서도 무효 전력 보상 효율이 우수한 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및 전력 제어 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a grid-connected energy storage system and a power control device having excellent reactive power compensation efficiency while reducing the capacity of a DC link capacitor.
본 발명은 비교적 저렴한 비용으로 절연 기능을 확보하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및 전력 제어 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a grid-connected energy storage system and a power control device that secure an insulation function at a relatively low cost.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 제어 장치는, 전력 계통에 연결되어 계통에 유효전력과 무효전력을 공급해주는 전력 제어 장치로서, 직류 입력단 커패시터의 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크 커패시터의 직류 전력으로 변환하는 양방향 절연형 DC/DC 컨버터; 상기 디씨 링크 커패시터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 브리지형 DC/AC 인버터; 상기 디씨 링크 커패시터의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기; 및 상기 직류 입력단쪽의 전압값으로 상기 DC/AC 인버터의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기를 포함할 수 있다.A power control device according to an aspect of the present invention is a power control device that is connected to a power system and supplies active power and reactive power to the grid, and converts DC power of a DC input terminal capacitor into DC power of a DC link capacitor in an insulated state. bidirectional isolated DC/DC converter that converts; a bridge-type DC/AC inverter converting the DC power of the DC link capacitor into AC power and supplying active power and reactive power to the grid; a DC/DC controller for controlling an operation of the DC/DC converter with the voltage value of the DC link capacitor; and a DC/AC controller for controlling the operation of the DC/AC inverter with the voltage value of the DC input terminal.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터는, 절연 변압기를 구비하며 하프 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터일 수 있다.Here, the DC/DC converter may be a dual-active-bridge (DAB) converter including an isolation transformer and having a half-bridge structure.
여기서, 상기 DC/AC 인버터는, 4개의 스위치 소자들을 구비한 H-bridge 인버터일 수 있다.Here, the DC/AC inverter may be an H-bridge inverter having four switch elements.
여기서, 상기 DC/AC 제어기는, 상기 직류 입력단에 연결된 배터리의 전압값과 기준 전압값의 차이를 비교하는 비교기; 상기 비교기의 비교 결과로 기준 유효 전류값을 출력하는 전압 제어기; 상기 기준 유효 전류값과 기준 무효 전류값으로 출력전압비를 출력하는 전류 제어기; 및 상기 출력전압비에 따라 상기 DC/AC 인버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기를 포함할 수 있다.Here, the DC/AC controller may include: a comparator for comparing a difference between a voltage value of a battery connected to the DC input terminal and a reference voltage value; a voltage controller outputting a reference effective current value as a result of comparison of the comparator; a current controller for outputting an output voltage ratio as the reference effective current value and the reference reactive current value; and a PWM generator for generating a PWM signal for a switch element of the DC/AC inverter according to the output voltage ratio.
여기서, 상기 DC/DC 제어기는, 상기 디씨 링크 커패시터의 전압값과 기준 전압값의 차이를 비교하는 비교기; 상기 비교기의 비교 결과로 위상값을 출력하는 전압 제어기; 및 상기 위상값에 따라 상기 DC/DC 컨버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기를 포함할 수 있다.Here, the DC/DC controller may include: a comparator for comparing a difference between a voltage value of the DC link capacitor and a reference voltage value; a voltage controller outputting a phase value as a result of the comparison of the comparator; and a PWM generator for generating a PWM signal for a switch element of the DC/DC converter according to the phase value.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터는, 하기 수학식에 따른 전달식을 가질 수 있다. Here, the DC/DC converter may have a transfer equation according to the following equation.
(여기서, : 출력 전력, : 입, 출력 전압, N : 변압기 권선비, L : 인덕턴스,f: 스위칭 주파수, : 제어 위상임)(here, : output power, : input and output voltage, N : transformer turns ratio, L : inductance, f: switching frequency, : control phase)
본 발명의 다른 측면에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템은, 계통에 대한 무효전력 보상을 위한 에너지를 저장하는 에너지 저장장치; 계통에 무효전력 보상을 위한 교류 전력을 공급하는 그리드 출력단; 상기 에너지 저장장치와 상기 그리드 출력단 사이의 디씨 링크단; 상기 에너지 저장장치에서 출력되는 직류 전력을 상기 디씨 링크단의 전압값에 따라 변환하여 상기 디씨 링크단으로 공급하는 DC/DC 컨버팅 블록; 및 상기 디씨 링크단으로 공급된 직류 전력을 상기 에너지 저장장치의 전압값에 따라 교류로 변환하여 상기 그리드 출력단으로 제공하는 DC/AC 컨버팅 블록을 포함할 수 있다.A grid-connected energy storage system according to another aspect of the present invention includes: an energy storage device for storing energy for reactive power compensation for a grid; a grid output stage for supplying AC power for reactive power compensation to the grid; a DC link end between the energy storage device and the grid output end; a DC/DC converting block converting the DC power output from the energy storage device according to the voltage value of the DC link terminal and supplying it to the DC link terminal; and a DC/AC converting block that converts the DC power supplied to the DC link terminal into AC according to the voltage value of the energy storage device and provides the converted DC power to the grid output terminal.
여기서, 상기 DC/DC 컨버팅 블록은, 상기 에너지 저장장치에서 출력되는 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크단의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 및 상기 디씨 링크단의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기를 포함할 수 있다.Here, the DC/DC converting block may include a DC/DC converter that converts DC power output from the energy storage device into DC power of a DC link terminal in an insulated state; and a DC/DC controller for controlling the operation of the DC/DC converter with the voltage value of the DC link terminal.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터는, 절연 변압기를 구비하며 하프 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터일 수 있다.Here, the DC/DC converter may be a dual-active-bridge (DAB) converter including an isolation transformer and having a half-bridge structure.
여기서, 상기 DC/AC 컨버팅 블록은, 상기 디씨 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 DC/AC 인버터; 및 상기 에너지 저장장치의 배터리 전압값으로 상기 DC/AC 인버터의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기를 포함할 수 있다.Here, the DC/AC converting block includes: a DC/AC inverter that converts the DC power of the DC link stage into AC power and supplies the active power and reactive power to the grid; and a DC/AC controller for controlling the operation of the DC/AC inverter with the battery voltage value of the energy storage device.
여기서, 입력단 커패시터를 더 포함할 수 있다.Here, it may further include an input terminal capacitor.
여기서, 디씨 링크 커패시터를 더 포함할 수 있다.Here, a DC link capacitor may be further included.
상기 구성을 가진 본 발명의 사상에 따른 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및/또는 전력 제어 장치를 실시하면, 디씨 링크 커패시터의 용량을 절감하면서도 우수한 무효 전력 보상 효율을 달성할 수 있는 이점이 있다.If the grid-connected energy storage system and/or power control device according to the spirit of the present invention having the above configuration is implemented, there is an advantage in that it is possible to achieve excellent reactive power compensation efficiency while reducing the capacity of the DC link capacitor.
본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및/또는 전력 제어 장치는, 비절연형 DC-DC 컨버터를 절연형으로 대체할 수 있는 이점이 있다.The grid-connected energy storage system and/or power control device of the present invention has an advantage in that the non-isolated DC-DC converter can be replaced with an isolated type.
본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및/또는 전력 제어 장치는, 소자수 감소에도 신뢰성을 확보할 수 있는 이점이 있다.The grid-connected energy storage system and/or power control device of the present invention has an advantage in that reliability can be secured even when the number of elements is reduced.
본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및/또는 전력 제어 장치는, 배터리단 커패시터의 증가로 고승압시 유리한 이점이 있다.The grid-connected energy storage system and/or power control device of the present invention has an advantageous advantage when a high voltage is increased due to an increase in a battery stage capacitor.
본 발명의 계통 연계형 에너지 저장 시스템 및/또는 전력 제어 장치는, 절연형 DC-DC 컨버터가 사용되는 대부분의 분야, 예컨대, 계통연계형 태양광, 풍력, 연료전지 시스템 분야 뿐만 아니라 절연을 필요로 하는 모든 일반 가전기기의 AC-DC 전력변환기에 사용 가능한 이점이 있다.The grid-connected energy storage system and/or power control device of the present invention requires insulation as well as most fields in which an insulated DC-DC converter is used, for example, grid-connected solar power, wind power, and fuel cell system fields. It has the advantage that it can be used for AC-DC power converters of all general home appliances.
도 1은 종래 기술에 의한 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용한 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연형 컨버터를 갖는 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도.
도 3은 절연형 양방향 컨버터가 구비된 ESS에 대한 종래기술에 의한 컨버터/인버터 제어기의 블록선도.
도 4는 절연형 양방향 컨버터가 구비된 ESS에 대한 본 발명의 사상에 의한 컨버터/인버터 제어기의 블록선도.
도 5는 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리로 계통에 유효전력을 공급하는 파형을 예시한 파형도.
도 6은 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리 CV 충전 파형을 예시한 파형도.
도 7은 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리 CC 충전 파형을 예시한 파형도.
도 8은 기존 제어를 방식으로 배터리 전력이 계통으로 공급되는 동작 파형을 예시한 파형도.
도 9는 DC-link 커패시터를 추가한 기존 방식의 동작 파형을 예시한 파형도.
도 10은 본 발명에서 제안하는 방식을 이용한 무효전력 공급 파형을 예시한 파형도.
도 11은 본 발명에서 제안하는 방식을 이용한 무효전력 흡수 파형을 예시한 파형도. 1 is a circuit diagram illustrating an energy storage system using a bidirectional buck-boost converter according to the prior art.
2 is a circuit diagram illustrating an energy storage system having an isolated converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a converter/inverter controller according to the prior art for an ESS equipped with an insulated bidirectional converter.
4 is a block diagram of a converter/inverter controller according to the idea of the present invention for an ESS equipped with an insulated bidirectional converter.
5 is a waveform diagram illustrating a waveform for supplying active power to a system with a battery of a control method proposed by the present invention.
6 is a waveform diagram illustrating a battery CV charging waveform of the control method proposed by the present invention.
7 is a waveform diagram illustrating a battery CC charging waveform of the control method proposed by the present invention.
8 is a waveform diagram illustrating an operation waveform in which battery power is supplied to the system through the conventional control method.
9 is a waveform diagram illustrating an operation waveform of the conventional method in which a DC-link capacitor is added.
10 is a waveform diagram illustrating a reactive power supply waveform using the method proposed in the present invention.
11 is a waveform diagram illustrating a reactive power absorption waveform using the method proposed in the present invention.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. In describing the present invention, terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.When a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it can be understood that other components may exist in between. .
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다. In this specification, the terms include or include are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and includes one or more other features or numbers, It may be understood that the existence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.In addition, shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연형 컨버터를 갖는 계통 연계형 에너지 저장 시스템을 도시한 회로도이다. 2 is a circuit diagram illustrating a grid-connected energy storage system having an insulated converter according to an embodiment of the present invention.
도시한 계통 연계형 에너지 저장 시스템은, 계통에 대한 무효전력 보상을 위한 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(100); 계통에 무효전력 보상을 위한 교류 전력을 공급하는 그리드 출력단(700); 상기 에너지 저장장치(100)와 상기 그리드 출력단(700) 사이의 디씨 링크단; 상기 에너지 저장장치(100)에서 출력되는 직류 전력을 상기 디씨 링크단의 전압값에 따라 변환하여 상기 디씨 링크단으로 공급하는 DC/DC 컨버팅 블록(200, 20); 및 상기 디씨 링크단으로 공급된 직류 전력을 상기 에너지 저장장치(100)의 전압값에 따라 교류로 변환하여 상기 그리드 출력단(700)으로 제공하는 DC/AC 컨버팅 블록(500, 50)을 포함할 수 있다.The illustrated grid-connected energy storage system includes an
여기서, 상기 DC/DC 컨버팅 블록(200, 20)은, 상기 에너지 저장장치에서 출력되는 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크단의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터(200); 및 상기 디씨 링크단의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기(20)로 구성될 수 있다.Here, the DC/
마찬가지로, 상기 DC/AC 컨버팅 블록은(500, 50), 상기 디씨 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 DC/AC 인버터(500); 및 상기 에너지 저장장치의 배터리 전압값으로 상기 DC/AC 인버터의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기(50)로 구성될 수 있다.Similarly, the DC/AC converting block (500, 50), a DC/AC inverter (500) for converting the DC power of the DC link stage into AC power and supplying the active power and reactive power to the grid; and a DC/
상기 디씨 링크단은 도시한 바와 같이 디씨 링크 커패시터(301)로 구현될 수 있다. 즉, 상기 디씨 링크 커패시터(301)를 매개하여 상기 DC/DC 컨버터(200)와 상기 DC/AC 인버터(500)가 연결된다.The DC link terminal may be implemented as a
한편, 상기 에너지 저장장치(100)와 상기 DC/DC 컨버터(200)도 입력단 커패시터(199)를 매개하여 연결될 수 있다.Meanwhile, the
한편, 상기 그리드 출력단(700)과 상기 DC/AC 인버터(500) 사이에는 인덕터(601)가 매개될 수 있다.Meanwhile, an
사이트에 ESS와 충방전 전력변환기는 구분되어 설치될 수 있음을 감안하면, 도 2의 구성들 중 상기 DC/DC 컨버팅 블록(200, 20) 및 DC/AC 컨버팅 블록(500, 50)을 충방전 전력변환을 위한 별도의 전력 제어 장치로 구분할 수 있다.Considering that the ESS and the charging/discharging power converter can be installed separately at the site, the DC/
상술한 관점에서 구분된 본 발명의 사상에 따른 전력 제어 장치는, 전력 계통에 연결되어 계통에 유효전력과 무효전력을 공급해주는 전력 제어 장치로서, 직류 입력단 커패시터(199)의 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크 커패시터(301)의 직류 전력으로 변환하는 양방향 절연형 DC/DC 컨버터(200); 상기 디씨 링크 커패시터(301)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 브리지형 DC/AC 인버터(500); 상기 디씨 링크 커패시터(301)의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터(200)의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기(20); 및 상기 직류 입력단쪽의 전압값으로 상기 DC/AC 인버터(500)의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기(50)를 포함할 수 있다.The power control device according to the spirit of the present invention divided from the above point of view is a power control device that is connected to a power system and supplies active power and reactive power to the system, in which the DC power of the DC
구체적으로 살펴보면, 도시한 DC/DC 컨버터(200)는, 절연 변압기를 구비하며 하프 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터이다. 즉, 도시한 DC/DC 컨버터(200)는, 중심에 절연 변압기(220)를 구비하며, 절연 변압기(220)의 1차측에 2개의 스위치 소자(215, 216) 및 2개의 스위치 소자 대체용 커패시터(201, 202)를 구비하며, 절연 변압기(220)의 2차측에 2개의 스위치 소자(217, 218) 및 2개의 스위치 소자 대체용 커패시터(241, 242)를 구비한다. 절연 변압기(220)의 1차측 및/또는 2차측에는 저항(231) 및 인덕터(232)를 구비할 수 있다. 도시한 상세 회로 구성은 예시에 불과하며, 이에 한정하지는 않는다. 예컨대, 풀 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터로 대체될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.Specifically, the illustrated DC/
구체적으로 살펴보면, 상기 DC/AC 인버터(500)는, 4개의 풀 브리지 스위치 소자들(501 ~ 504)을 구비하는 H-bridge 인버터 구성을 가진다. 도시한 상세 회로 구성은 예시에 불과하며, 이에 한정하지는 않는다. Specifically, the DC/
도 2에 도시한 전력 제어 장치는, 절연기능을 가진 DC-DC 스위칭 컨버터 중 최소한의 소자를 사용하는 Dual half bridge(DHB) converter를 DC 단에 적용하며, 위상천이기법(phase-shift)을 통해 전력을 제어한다. 즉, 도시한 전력 제어 장치는, Two-stage 계통연계 시스템으로 DC-AC 인버터로 H-bridge 인버터를 사용하고, 절연형 DC-DC 컨버터로 DHB 컨버터를 사용한다.The power control device shown in FIG. 2 applies a dual half bridge (DHB) converter that uses a minimum element among DC-DC switching converters with an insulation function to the DC stage, and uses a phase-shift method to control the power That is, the illustrated power control device uses an H-bridge inverter as a DC-AC inverter as a two-stage grid-connected system, and uses a DHB converter as an insulated DC-DC converter.
DC/AC 인버터(500) 제어를 통해 디씨 링크 전압이 아닌 ESS의 전압 전류를 제어하여, 디씨 링크가 감당하게 되는 에너지를 감소에 따른 디씨 링크 커패시터(301)의 용량을 감소시킬 수 있다. By controlling the voltage current of the ESS rather than the DC link voltage through the control of the DC/
같은 구조를 사용하는 기존의 회로들은 인버터를 통해 DC-link 전압을 제어하며 DHB 컨버터를 통해 ESS 단의 전압을 제어한다.Existing circuits using the same structure control the DC-link voltage through the inverter and control the voltage at the ESS stage through the DHB converter.
본 발명에서는 에너지저장장치를 배터리로 가정하며, 인버터를 통해 ESS 단인 배터리의 전압과 전류를 제어하여 CC-CV 모드 동작이 가능하다. DHB DC/DC 컨버터(200)는 DC-link 의 전압을 제어한다. 계통에 의한 리플 에너지는 ESS단으로 전달되기 때문에 DC-link 커패시터(301)의 용량 감소가 가능하다.In the present invention, it is assumed that the energy storage device is a battery, and CC-CV mode operation is possible by controlling the voltage and current of the ESS unit battery through an inverter. The DHB DC/
DHB DC/DC 컨버터(200)는 절연 기능을 갖는 다른 양방향 컨버터 중 최소한의 소자를 사용하며, 위상천이를 이용 변압기 인덕터 양단의 전압 차이를 발생시켜 인덕터의 흐르는 전류를 조절한다. 전달식은 하기 수학식 1d과 같고 입력전압과 전달할 전력은 인버터에 의해 결정되므로 위상을 조정하여 출력전압 제어가 가능하다.The DHB DC/
상기 수학식 1에서, : 출력 전력, : 입, 출력 전압, N : 변압기 권선비, L : 인덕턴스,f: 스위칭 주파수, : 제어 위상이다.In Equation 1 above, : output power, : input and output voltage, N : transformer turns ratio, L : inductance, f: switching frequency, : Control phase.
다른 관점으로 정리하면, 도시한 DC/DC 컨버터(200)는 디씨 링크단 전압(Vdc-link)으로 제어되어, 디씨 링크 커패시터(301)로 입력되는 리플을 절감하며, 도시한 DC/AC 인버터(500)는 배터리 전압(Vbatt)으로 제어되어, 그리드(계통 부하)의 수요량과 ESS(100)의 공급량의 상호 조정으로 리플을 절감하는 바, 종래 기술 대비 디씨 링크 커패시터(301)에서 발생되는 리플을 크게 절감할 수 있다. 이는 디씨 링크 커패시터(301)가 불필요한 여유(margin) 용량을 가지지 않게 하여, 디씨 링크 커패시터(301)의 용량 절감을 달성한다.In other words, the illustrated DC/
도 3은 절연형 양방향 컨버터가 구비된 ESS에 대한 종래기술에 의한 컨버터/인버터 제어기의 블록선도이다.3 is a block diagram of a converter/inverter controller according to the prior art for an ESS equipped with an insulated bidirectional converter.
도 4는 절연형 양방향 컨버터가 구비된 ESS에 대한 본 발명의 사상에 의한 컨버터/인버터 제어기의 블록선도이다.4 is a block diagram of a converter/inverter controller according to an idea of the present invention for an ESS equipped with an insulated bidirectional converter.
도 3에 도시한 컨버터 및 인버터 제어기는 일반적인 컨버터/인버터 제어 방법을 따르며, 그에 따라 , 배터리 쪽에 연결된 DC/DC 컨버터는 배터리 전압(Vbatt)으로 제어되며, 그리드(계통) 쪽에 연결된 DC/AC 인버터는 디씨 링크단 전압(Vdc-link)으로 제어된다.The converter and inverter controller shown in FIG. 3 follow a general converter/inverter control method, and accordingly, the DC/DC converter connected to the battery side is controlled by the battery voltage (V batt ), and the DC/AC inverter connected to the grid (grid) side. is controlled by the DC link voltage (V dc-link ).
반면, 본 발명의 사상에 따른 도 4에 도시한 컨버터 제어기 및 인버터 제어기에 의해, 도 2의 DC/DC 컨버터(200)는 디씨 링크단 전압(Vdc-link)으로 제어되며, 도 2의 DC/AC 인버터(500)는 배터리 전압(Vbatt)으로 제어된다. On the other hand, by the converter controller and the inverter controller shown in FIG. 4 according to the spirit of the present invention, the DC/
도 3의 기존 방식의 경우 디씨 링크단의 전압을 인버터로 제어하며, Cdc 가 담당해야 하는 전력 성분은 인버터에 의해 결정되며 전력이 클수록 리플 감쇄를 위해 큰 용량의 커패시터가 필요하다. 배터리 전압은 DHB 컨버터에 의해 제어한다.In the case of the conventional method of FIG. 3 , the voltage of the DC link terminal is controlled by an inverter, and the power component that C dc is responsible for is determined by the inverter, and as the power increases, a large-capacity capacitor is required for ripple attenuation. The battery voltage is controlled by the DHB converter.
도 4의 본 발명이 제안하는 방식의 경우 배터리 전압(Vbatt)을 DC/AC 인버터(500)를 통해 제어하고, DHB가 디씨 링크단 전압(Vdc-link)을 제어하므로 기존의 방식대비 상대적으로 전압 제어기 대역폭을 크게 할 수 있어 빠른 제어가 가능하며 리플 성분을 줄여 디씨 링크(DC-link) 커패시터(301)의 용량을 줄일 수 있다.In the case of the method proposed by the present invention of FIG. 4 , the battery voltage (V batt ) is controlled through the DC/AC inverter ( 500 ), and the DHB controls the DC link terminal voltage (V dc-link ). As a result, the bandwidth of the voltage controller can be increased, so that fast control is possible, and the capacity of the DC-
도 4의 구성에 따른 상기 DC/AC 제어기(50)는, 상기 직류 입력단에 연결된 배터리의 전압값(Vbatt)과 기준 전압값(Vbatt*)의 차이를 비교하는 비교기; 상기 비교기의 비교 결과로 기준 유효 전류값(Id*)을 출력하는 전압 제어기; 상기 기준 유효 전류값(Id*)과 기준 무효 전류값(Iq*)으로 출력전압비(m)를 출력하는 전류 제어기; 및 상기 출력전압비(m)에 따라 상기 DC/AC 인버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기를 포함할 수 있다. 여기서, 출력전압비(m)는 Vo(출력전압) = mVi(입력전압) 식을 구성하기 위한 것이다. The DC/
마찬가지로 도 4의 구성에 따른 상기 DC/DC 제어기(20)는, 상기 디씨 링크 커패시터의 전압값(Vdc-link)과 기준 전압값(Vdc-link*)의 차이를 비교하는 비교기; 상기 비교기의 비교 결과로 위상값(φ)을 출력하는 전압 제어기; 및 상기 위상값에 따라 상기 DC/DC 컨버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기를 포함할 수 있다. 여기서, 소정의 고정된 가중치(D)를 적용할 수 있다. Similarly, the DC/
다음, 시뮬레이션 파형으로 제안하는 제어 방식과 기존 방식의 동작 예시를 살펴보고, 배터리 충전을 위한 CC-CV 모드 동작도 확인하겠다. Next, we will look at the control method proposed by the simulation waveform and the operation example of the existing method, and also confirm the operation of the CC-CV mode for charging the battery.
도 5는 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리로 계통에 유효전력을 공급하는 파형을 예시한다.5 exemplifies a waveform for supplying active power to a system using the battery of the control method proposed in the present invention.
도 5는 제안하는 제어 방식으로 배터리가 계통에 전력을 공급하는 경우의 파형이며 배터리의 전력이 계통으로 잘 전달 되는 것을 확인할 수 있다. 배터리 전압은 5% 미만의 리플이며 별도의 DC-link 커패시터 없이 10%의 리플값을 갖는다. 5 is a waveform when the battery supplies power to the system in the proposed control method, and it can be seen that the power of the battery is well transmitted to the system. The battery voltage has a ripple of less than 5% and a ripple value of 10% without a separate DC-link capacitor.
도 6은 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리 CV 충전 파형을 예시한다.6 illustrates a battery CV charging waveform of the control method proposed by the present invention.
도 7은 본 발명에서 제안하는 제어 방식의 배터리 CC 충전 파형을 예시한다.7 illustrates a battery CC charging waveform of the control method proposed by the present invention.
도 6 및 도 7 은 제안하는 제어 방식으로 CC-CV 모드 충전 동작 파형을 나타낸다. 계통에서의 전력이 배터리에 저장된다. 6 and 7 show waveforms of the CC-CV mode charging operation according to the proposed control method. Power from the grid is stored in the battery.
도 8은 기존 제어를 방식으로 배터리 전력이 계통으로 공급되는 동작 파형을 예시한다.8 illustrates an operation waveform in which battery power is supplied to the system in an existing control manner.
도 8의 경우 기존의 제어 방식을 사용한 동작의 예시이다. 도 5 경우와 같이 배터리에서 계통에 전력을 공급하는 경우이다. 도 5의 예시와 도 8의 예시 모두 배터리단과 DC-link 단에 동일한 커패시터를 사용하였다. 일반적인 전력조절장치에서 DC-link 단의 전압리플은 10% 내외로 유지된다. 하지만 동일 커패시터 용량으로 제안하는 방식의 경우(도 5) DC-link 전압이 10% 내의 전압 리플을 유지하는 반면 기존 방식의 리플은 50% 이상의 리플값을 갖는다. 이로 인해 인버터 출력 전력 또한 영향을 받는 것을 알 수 있다. 8 is an example of an operation using an existing control method. As in the case of FIG. 5 , the battery supplies power to the system. In both the example of FIG. 5 and the example of FIG. 8, the same capacitor is used for the battery terminal and the DC-link terminal. The voltage ripple of the DC-link stage is maintained at around 10% in a general power control device. However, in the case of the proposed method with the same capacitor capacity (FIG. 5), the DC-link voltage maintains a voltage ripple within 10%, whereas the ripple of the conventional method has a ripple value of 50% or more. It can be seen that the inverter output power is also affected by this.
도 9는 DC-link 커패시터를 추가한 기존 방식의 동작 파형을 예시한다.9 illustrates an operation waveform of a conventional method in which a DC-link capacitor is added.
도 9는 DC-link 단에 커패시터를 추가하여 DC-link 단의 리플을 감쇄한 파형을 나타낸다. 이와 같이 기존의 방식은 DC-link 리플 감쇄를 위하여 제안한 방식에 비하여 큰 용량의 커패시터가 DC-link 단에 필요하게 된다. 9 shows a waveform obtained by attenuating the ripple of the DC-link stage by adding a capacitor to the DC-link stage. As described above, the conventional method requires a capacitor with a larger capacity in the DC-link stage than the proposed method for DC-link ripple attenuation.
도 10은 본 발명에서 제안하는 방식을 이용한 무효전력 공급 파형을 예시한다.10 illustrates a reactive power supply waveform using the method proposed in the present invention.
도 11은 본 발명에서 제안하는 방식을 이용한 무효전력 흡수 파형을 예시한다. 11 illustrates a reactive power absorption waveform using the method proposed in the present invention.
도 10 및 도 11은 제안하는 제어 방식을 통한 무효전력 제어 파형이다. 계통에 유효전력이 필요하지 않은 경우 배터리는 일정 전압만을 유지하고, 무효전력을 공급(도 10) 또는 흡수(도 11) 할 수 있다. 즉, 본 발명의 제어 방식을 따르는 에너지 저장장치는 기존의 경우와 같이 유효전력과 무효전력을 제어하여 흡수 또는 공급이 가능하다. 추가로, 본 발명의 사상을 통해 배터리 전압 리플을 일정 수준 이상 유지하면서, DC-link 커패시터의 용량을 감소하는 효과를 달성한다.10 and 11 are reactive power control waveforms through the proposed control method. When the system does not require active power, the battery maintains only a constant voltage and can supply ( FIG. 10 ) or absorb ( FIG. 11 ) reactive power. That is, the energy storage device according to the control method of the present invention can be absorbed or supplied by controlling active power and reactive power as in the conventional case. In addition, while maintaining the battery voltage ripple above a certain level through the spirit of the present invention, the effect of reducing the capacity of the DC-link capacitor is achieved.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art to which the present invention pertains should understand that the present invention can be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof, so the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. only do The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. .
20 : DC/DC 제어기 50 : DC/AC 제어기
100 : 에너지 저장장치 199 : 입력단 커패시터
200 : DC/DC 컨버터 301 : 디씨링크 커패시터
500 : DC/AC 인버터 601 : 인덕터
700 : 그리드 출력단20: DC/DC controller 50: DC/AC controller
100: energy storage device 199: input terminal capacitor
200: DC/DC converter 301: DC link capacitor
500: DC/AC inverter 601: inductor
700: grid output stage
Claims (12)
직류 입력단 커패시터의 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크 커패시터의 직류 전력으로 변환하는 양방향 절연형 DC/DC 컨버터;
상기 디씨 링크 커패시터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 브리지형 DC/AC 인버터;
상기 디씨 링크 커패시터의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기; 및
상기 직류 입력단쪽의 전압값으로 상기 DC/AC 인버터의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기
를 포함하는 전력 제어 장치.
As a power control device that is connected to the power system and supplies active and reactive power to the grid,
a bidirectional insulated DC/DC converter that converts the DC power of the DC input stage capacitor into DC power of the DC link capacitor in an isolated state;
a bridge-type DC/AC inverter that converts the DC power of the DC link capacitor into AC power and supplies active power and reactive power to the grid;
a DC/DC controller for controlling an operation of the DC/DC converter with the voltage value of the DC link capacitor; and
DC/AC controller that controls the operation of the DC/AC inverter with the voltage value of the DC input terminal
A power control device comprising a.
상기 DC/DC 컨버터는,
절연 변압기를 구비하며 하프 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터인 전력 제어 장치.
According to claim 1,
The DC/DC converter is
A power control device that is a dual-active-bridge (DAB) converter with an isolation transformer and a half-bridge structure.
상기 DC/AC 인버터는,
4개의 스위치 소자들을 구비한 H-bridge 인버터인 전력 제어 장치.
According to claim 1,
The DC/AC inverter,
A power control unit that is an H-bridge inverter with 4 switch elements.
상기 DC/AC 제어기는,
상기 직류 입력단에 연결된 배터리의 전압값과 기준 전압값의 차이를 비교하는 비교기;
상기 비교기의 비교 결과로 기준 유효 전류값을 출력하는 전압 제어기;
상기 기준 유효 전류값과 기준 무효 전류값으로 출력전압비를 출력하는 전류 제어기; 및
상기 출력전압비에 따라 상기 DC/AC 인버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기
를 포함하는 전력 제어 장치.
According to claim 1,
The DC / AC controller,
a comparator for comparing a difference between a voltage value of a battery connected to the DC input terminal and a reference voltage value;
a voltage controller outputting a reference effective current value as a result of comparison of the comparator;
a current controller for outputting an output voltage ratio as the reference effective current value and the reference reactive current value; and
A PWM generator that generates a PWM signal for a switch element of the DC/AC inverter according to the output voltage ratio
A power control device comprising a.
상기 DC/DC 제어기는,
상기 디씨 링크 커패시터의 전압값과 기준 전압값의 차이를 비교하는 비교기;
상기 비교기의 비교 결과로 위상값을 출력하는 전압 제어기; 및
상기 위상값에 따라 상기 DC/DC 컨버터의 스위치 소자를 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성기
를 포함하는 전력 제어 장치.
According to claim 1,
The DC / DC controller,
a comparator for comparing a difference between a voltage value of the DC link capacitor and a reference voltage value;
a voltage controller outputting a phase value as a result of the comparison of the comparator; and
A PWM generator that generates a PWM signal for a switch element of the DC/DC converter according to the phase value
A power control device comprising a.
상기 DC/DC 컨버터는,
하기 수학식에 따른 전달식을 가지는 전력 제어 장치.
(여기서, : 출력 전력, : 입, 출력 전압, N : 변압기 권선비, L : 인덕턴스,f: 스위칭 주파수, : 제어 위상임)
According to claim 1,
The DC/DC converter is
A power control device having a transmission formula according to the following equation.
(here, : output power, : input and output voltage, N : transformer turns ratio, L : inductance, f: switching frequency, : control phase)
계통에 무효전력 보상을 위한 교류 전력을 공급하는 그리드 출력단;
상기 에너지 저장장치와 상기 그리드 출력단 사이의 디씨 링크단;
상기 에너지 저장장치에서 출력되는 직류 전력을 상기 디씨 링크단의 전압값에 따라 변환하여 상기 디씨 링크단으로 공급하는 DC/DC 컨버팅 블록; 및
상기 디씨 링크단으로 공급된 직류 전력을 상기 에너지 저장장치의 전압값에 따라 교류로 변환하여 상기 그리드 출력단으로 제공하는 DC/AC 컨버팅 블록
을 포함하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
Energy storage device for storing energy for reactive power compensation for the system;
a grid output stage for supplying AC power for reactive power compensation to the grid;
a DC link end between the energy storage device and the grid output end;
a DC/DC converting block converting the DC power output from the energy storage device according to the voltage value of the DC link terminal and supplying it to the DC link terminal; and
A DC/AC converting block that converts the DC power supplied to the DC link terminal into alternating current according to the voltage value of the energy storage device and provides it to the grid output terminal
A grid-connected energy storage system comprising a.
상기 DC/DC 컨버팅 블록은,
상기 에너지 저장장치에서 출력되는 직류 전력을 절연된 상태로 디씨 링크단의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 및
상기 디씨 링크단의 전압값으로 상기 DC/DC 컨버터의 동작을 제어하는 DC/DC 제어기
를 포함하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
8. The method of claim 7,
The DC/DC converting block is
a DC/DC converter that converts DC power output from the energy storage device into DC power of a DC link terminal in an isolated state; and
DC/DC controller for controlling the operation of the DC/DC converter with the voltage value of the DC link terminal
A grid-connected energy storage system comprising a.
상기 DC/DC 컨버터는,
절연 변압기를 구비하며 하프 브리지 구조를 가진 DAB(Dual-active-bridge) 컨버터인 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
9. The method of claim 8,
The DC/DC converter is
A grid-connected energy storage system that is a dual-active-bridge (DAB) converter with an isolation transformer and a half-bridge structure.
상기 DC/AC 컨버팅 블록은,
상기 디씨 링크단의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통에 유효전력과 무효전력으로 공급하는 DC/AC 인버터; 및
상기 에너지 저장장치의 배터리 전압값으로 상기 DC/AC 인버터의 동작을 제어하는 DC/AC 제어기
를 포함하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
8. The method of claim 7,
The DC/AC converting block is
a DC/AC inverter converting the DC power of the DC link stage into AC power and supplying active power and reactive power to the grid; and
DC/AC controller for controlling the operation of the DC/AC inverter with the battery voltage value of the energy storage device
A grid-connected energy storage system comprising a.
입력단 커패시터를 더 포함하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
8. The method of claim 7,
A grid-tied energy storage system further comprising an input stage capacitor.
디씨 링크 커패시터를 더 포함하는 계통 연계형 에너지 저장 시스템.
8. The method of claim 7,
A grid-connected energy storage system further comprising a DC link capacitor.
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KR1020200052512A KR20210133647A (en) | 2020-04-29 | 2020-04-29 | System-linked energy storage system and power control apparatus |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20150008767A (en) | 2013-07-15 | 2015-01-23 | 엘지이노텍 주식회사 | Energy storage system |
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2020
- 2020-04-29 KR KR1020200052512A patent/KR20210133647A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20150008767A (en) | 2013-07-15 | 2015-01-23 | 엘지이노텍 주식회사 | Energy storage system |
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