KR101863138B1 - Power-controlled energy storage device using lithium battery and supercapacitor - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a power control-type energy storage device using a lithium ion battery and a supercapacitor. The power control-type energy storage device comprises: a new renewable energy generation facility (100); a bidirectional power conversion device (Bi-dPCS) (200); a battery management device (BMS) (300); a power storage device (PSS) (400); a system side power conversion device (500); and a DSP controller (600). The present invention enables efficient battery control and stabilization of a storage device.

Description

리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치{Power-controlled energy storage device using lithium battery and supercapacitor}[0001] The present invention relates to a power-controlled energy storage device using a lithium-ion battery and a super capacitor,

본 발명은 전력제어형 에너지저장장치에 관한 것으로서, 특히 일반부하(통상부하)와 급속부하(기동부하)에 적응적으로 대응 가능한 슈퍼캐패시터 융합형 10KW급 에너지저장장치의 구현을 통해 저장장치의 안정화 및 효율적인 배터리제어가 가능하도록 한 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power control type energy storage device and more particularly to a power storage type energy storage device capable of adaptively adapting to a general load (normal load) and a rapid load (starting load) The present invention relates to a power-controlled energy storage device using a lithium-ion battery and a supercapacitor that enables efficient battery control.

최근, 국내외에서는 태양광발전시스템 및 풍력발전시스템 등의 신재생에너지 발전설비에 대한 저장장치의 안정화 및 배터리제어기술인 전력제어형 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)에 관심이 높아지고 있다.In recent years, there has been increasing interest in the stabilization of storage devices for renewable energy generation facilities such as photovoltaic power generation systems and wind power generation systems, and energy-saving energy storage systems (ESS, Energy Storage System) as battery control technology.

국내 ESS의 기술은, 2016.09.19 일자로 산업통상자원부의 신재생에너지 공급 의무화 제도를 변경하면서 한국전력공사와 6개 발전사업소에서 전국 학교옥상에 구축중인 햇빛새싹발전소 사업과 연계하여 적용되었다.The technology of domestic ESS was applied in connection with the sunshine sprout power plant business which is being built on the national school rooftop at KEPCO and six power generation facilities, as the Ministry of Industry and Commerce changed the mandatory system for supplying renewable energy.

국내 태양광발전과 에너지저장장치(ESS)의 역할은 크게 4가지로 분류될 수 있는데, 먼저 태양광발전의 발전량 체크이고 둘째는 태양광 발전량의 충전시간 제어(10~16시)이며, 또한 ESS에 저장된 전력의 송전시간 제어(10~16시 제외한 가장 높은 시간)이고, 그리고 전체 ESS 발전과 충전 및 송전 시스템의 체크 및 수익성 계산이다. 상기 4가지를 충족하고 제품의 기능 및 품질이 우수하다면 국내 태양광발전시장에 가장 최적화된 ESS의 개발이 반드시 필요하다.The role of domestic solar power and energy storage system (ESS) can be divided into four categories: solar power generation check, solar charge control (10 ~ 16), and ESS (The highest time except 10 to 16 o'clock), and the total ESS development and check and profitability calculations of the charging and transmission system. If the above 4 items are satisfied and the function and quality of products are excellent, it is essential to develop ESS that is most optimized for domestic PV market.

ESS는 현재 1MW를 투자하는데 배터리 5억 원에 출력장치 3억 원 등 모두 8억 원 정도 필요하며, 배터리의 소모성을 감안했을 때 배터리의 관리 방법이 매우 중요시 되고 있다. 따라서 배터리의 수명연장을 위하여 충ㆍ방전의 횟수가 최소한으로 다양한 방법들이 개발되고 있으나 하드웨어를 통한 개선방법은 전무하며 주로 제어방법을 통해 개선되고 있다.ESS currently invests 1MW, requires about 500 million won for battery, 300 million won for output device, and 800 million won for all. And considering the battery consumption, battery management method is very important. Therefore, various methods have been developed to minimize the number of times of charge and discharge in order to extend the life of the battery. However, there is no improvement method through hardware, and the improvement is mainly achieved through the control method.

이와 관련하여 국내에서는 다수의 스마트그리드 ESS 실증사업이 진행 중에 있으나, 대부분 사업 개시 1~2년 수준으로 향후 최소 2~3년간 검증 기간이 소요될 것으로 예상되며, 시험 평가 및 안전 인증 등 인프라도 부족한 실정이다. 이는 ESS 설치 유인 부족으로 국내 기술개발 수준이 더디게 진행되어 해외와의 기술격차가 좁혀지기 어렵고, 국내의 안정된 전력망에 비해 신재생에너지 발전비중(2015년 6.61%)이 낮아 원활한 ESS 시장형성이 쉽지 않은 상황이다.In this regard, many Smart Grid ESS demonstration projects are underway in Korea, but it is expected that the verification period will take at least two to three years from the start of the project to the level of one to two years, and the infrastructure such as test evaluation and safety certification is insufficient. to be. This is due to the lack of incentives for installing ESS, which makes it difficult to narrow the technology gap with foreign countries, and it is difficult to form a smooth ESS market due to the low proportion of renewable energy generation (6.61% in 2015) It is a situation.

한편, 미국과 유럽 및 일본 등 주요 선진국들은 ESS 연구개발 및 실증을 활발하게 추진 중이며, 일부 상용화에 성공을 거두는 등 사업화 단계에 진입하고 있다. 먼저, 미국의 경우 공공기관(ARPA-EI 등) 및 대형 전력회사(AES, AEP 등)를 중심으로 연구개발이 진행되고 있으며, ARPA-E(DOE 산하 연구기관)는 리튬 2차 전지와 슈퍼캐패시터, 래독스 흐름전지 등의 에너지 저장 기술에 총 92백만 달러의 자금을 투자하고 있다. 또한, 유럽은 프랑스 경제성과 독일 환경부가 주관하여 공동 지원하는‘Solion Project’를 추진하고 있으며, 특히 프랑스의 Saft와 독일의 Conergy는 양국의 전력회사, 전지 업체, 태양광 발전설비 업체 및 연구소 등을 참여시켜 에너지 저장용 리튬 2차 전지 개발에 박차를 가하고 있다. 그리고 일본은 NEDO 주도로 대용량 전지 개발 로드맵을 추진 중에 있으며, NGK 등이 NaS 전지를 사업화하여 리튬 2차 전지에서 앞선 기술력을 보유하고 있고, GS-Yuasa, 미쯔비시 및 Elly Power 등도 리튬 2차 전지 개발에 역점을 두고 있다.Meanwhile, major developed countries such as the US, Europe, and Japan are actively promoting ESS research and demonstration, and are entering the commercialization stage by successfully commercializing some of them. In the United States, ARPA-E (research institute under the DOE) is conducting research and development on the basis of public institutions (ARPA-EI, etc.) and large power companies (AES, AEP, etc.). Lithium rechargeable batteries and super capacitors , And a redox flow cell. The company is also investing $ 92 million in energy storage technologies. In addition, Europe is promoting the 'Solion Project', which is organized by the French Ministry of Economy and the German Ministry of Environment. In particular, Saft of France and Conergy of Germany participate in the power companies, battery companies, And is accelerating the development of lithium secondary batteries for energy storage. In Japan, NEDO is leading the development of a large-capacity battery roadmap. NGK and others have commercialized NaS batteries and have advanced technology in lithium secondary batteries. GS-Yuasa, Mitsubishi and Elly Power are also developing lithium secondary batteries. It is emphasized.

이러한 글로벌 ESS 증가 전망 및 ESS 활용은 피크수요 저감을 중심으로 지속적으로 증가할 전망이며, 피크수요 저감용 ESS 설비 용량 증가는 2016년 2,247MW에서 오는 2020년이면 16,273MW로 크게 증가할 것으로 예측하고 있다(산업통상자원부 “에너지 신산업 총아, 에너지저장장치”, 2015년 8월 보고서).Such global ESS growth forecasts and ESS utilization are expected to continue to increase mainly due to peak demand reduction and the increase in ESS facility capacity to reduce peak demand will increase from 2,247MW in 2016 to 16,273MW in 2020 (Ministry of Commerce, Industry and Energy "Energy New Industry, Energy Storage Device", August 2015 Report).

따라서 본 발명은 하드웨어와 제어방법을 동시에 추구하여 상기 문제점을 해소하고 빌딩, 공장 등 설비의 기동부하와 다양한 부하에 효과적으로 대응할 수 있도록 하는 전혀 새로운 수요 대응형 에너지저장장치를 제안한다.Accordingly, the present invention proposes a completely new demand-compatible energy storage device that can simultaneously solve the above problems by simultaneously pursuing hardware and control methods, and effectively cope with the starting loads and various loads of facilities such as buildings and factories.

본 발명의 목적은 통상적인 일반부하에는 리튬이온배터리로, 순간 기동을 요구하는 급속부하에는 슈퍼캐패시터로 대응하도록 하는 융합형 10KW급 에너지저장장치를 구현함으로써, 저장장치의 안정화 및 효율적인 배터리제어가 가능하도록 한 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치를 제공한다.The object of the present invention is to realize a fusion type 10KW energy storage device which can cope with a normal capacity load with a lithium ion battery and a super load capacitor with a rapid load requiring instantaneous operation, thereby stabilizing the storage device and controlling the battery efficiently A power control type energy storage device using a lithium ion battery and a super capacitor.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 태양광과 바람의 에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하는 신재생에너지발전설비(100)와; 상기 신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 직접 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와; 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와; 상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와; 상기 신재생에너지발전설비에서 공급되는 DC전력을 부하에 공급하기 위해 AC전력으로 변환하며, 부하측에 대한 일반부하와 급속부하를 감지하여 DSP제어기로 전송하기 위한 센서(IoT)를 갖는 계통측전력변환장치(500)와; 상기 센서(IoT)의 정보를 입력받아 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하되, 상기 부하에 AC전력을 공급하는 계통측전력변환장치(500)와 연결된 전등부하와 같은 일반부하를 감지하는 제1 센서(Iot, 510)와 순간 기동을 요구하는 동력장치와 같은 급속부하를 감지하는 제2 센서(Iot, 520)의 PWM신호를 각각 전송 받아 상기 PSS(400)의 충전전력을 부하로 공급하도록 제어명령을 상기 Bi-dPCS(200)로 하달하며, 상기 제1 센서(510)인 경우, 상기 Bi-dPCS로 하여금 상기 PSS의 리튬이온배터리에 충전된 DC전력을 상기 Bi-dPCS에 내장된 3-레벨 인버터(220)를 통해 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치로 공급하도록 제어하고, 상기 제2 센서(520)인 경우, 상기 Bi-dPCS로 하여금 상기 PSS의 슈퍼캐패시터에 충전된 DC전력을 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치로 공급하도록 제어하기 위한 DSP제어기(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a renewable energy generation facility (100) for generating electric energy using sunlight and wind energy; The method of claim 1, further comprising: charging and power-converting the DC power rectified by the commercial power source (AC) of the new and renewable energy generation facility and the system to a power storage device (PSS) (Bi-dPCS) 200 for controlling the charging / discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) for monitoring and protecting the PSS, A battery management device (BMS) 300 that maintains the balance of the PSS cells through communication control with the Bi-dPCS and serves to stop charging when the input voltage becomes a certain value or less; A lithium ion battery 410 and a plurality of supercapacitor 420 for charging the renewable energy generation facility and the rectified commercial power source by the Bi-dPCS and the BMS are connected in series or in parallel so as to correspond to the system load A power storage device (PSS, 400) having one pack; (IoT) for sensing the general load and rapid load on the load side and for transferring the DC power to the DSP controller to convert the DC power supplied from the renewable energy generation facility into AC power for supplying to the load, Apparatus 500; The Bi-dPCS controls Bi-dPCS that controls the charging / discharging and bi-directional power conversion of the PSS based on the information of the sensor (IoT), and controls the Bi-dPCS And a second sensor (Iot, 520) for sensing a rapid load, such as a power unit requiring instantaneous start, and receives the PWM signal of the PSS 400, To the Bi-dPCS 200 to supply the charging power of the PSS to the load, and in the case of the first sensor 510, instruct the Bi-dPCS to supply the DC power charged in the lithium ion battery of the PSS to the Bi- And controls the power to be directly supplied to the load or to be supplied to the grid side power conversion apparatus through the 3-level inverter 220 built in the Bi-dPCS, and in the case of the second sensor 520, -dPCS directs the DC power charged to the supercapacitor of the PSS directly And a DSP controller (600) for controlling the supply of the AC power to the load or the supply of the AC power to the grid side power conversion apparatus. The power control type energy storage device using the lithium ion battery and the supercapacitor is provided.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 Bi-dPCS(200)는, 계통(상용전원)에서 공급되는 AC전력을 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)로 충전하기 위해 직접 DC전력으로 변환하기 위한 정류기(210)와, 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에서 방전되는 DC전력을 부하로 공급하기 위해 직접 AC전력으로 변환하기 위한 3-레벨 인버터(3-Level Inverter,220)가 상기 Bi-dPCS(200)에 내장되거나 상기 계통측전력변환장치(500)와 연계되는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the Bi-dPCS 200 directly supplies AC power supplied from the grid (commercial power source) to the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS, Level inverter 3 for directly converting DC power discharged from the PSS lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 into AC power for supply to the load, Level inverter 220 is incorporated in the Bi-dPCS 200 or is connected to the grid-side power conversion apparatus 500.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 BMS(300)는, 상기 Bi-dPCS와 통신을 수행하여 상기 PSS의 리튬이온배터리 및 슈퍼캐패시터에 대한 각 셀의 충ㆍ방전 최소, 평균, 최대 전압과 온도, 에너지저장장치의 전체 전압, 동작 상태에 대한 정보 및 충전상태(SOC), 잔존수명(SOH, State of Health)을 취합 및 연산하여 외부 장치(혹은 PC)로 인터페이스 가능한 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the BMS 300 communicates with the Bi-dPCS to calculate the charge / discharge minimum, average, maximum voltage and temperature of each cell of the lithium ion battery and the supercapacitor of the PSS, , The total voltage of the energy storage device, the information on the operating state, the state of charge (SOC), and the state of health (SOH), and can interface with an external device (or PC).

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 PSS(400)는, 독립된 DC-DC 컨버터 구조(Parallel active hybrid topology)를 통해 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 전류와 전압을 병렬로 제어 가능한 CC-CV 제어기를 갖는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the PSS 400 may control the current and voltage of the Li-ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS through an independent DC-DC converter structure (parallel active hybrid topology) And a CC-CV controller which can be controlled in parallel.

본 발명의 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치는 다음과 같은 효과가 있다.The power control type energy storage device using the lithium ion battery and the supercapacitor of the present invention has the following effects.

(1) 본 발명은 센서(IoT)와 DSP제어기를 통한 일반부하(통상부하)와 급속부하(기동부하)에 적응적으로 대응 가능한 전력제어형 에너지저장장치를 구현함으로써, 저장장치의 안정화 및 효율적인 배터리제어가 가능하다.(1) The present invention realizes a power-controlled energy storage device adaptable to a general load (normal load) and a rapid load (startup load) through a sensor (IoT) and a DSP controller, Control is possible.

(2) 본 발명은 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 융합함으로써, 에너지저장시스템(ESS)의 충전 또는 방전 시 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 신재생에너지의 급격한 출력 변동을 완충할 수 있어 전력 품질 개선이 가능하다.(2) According to the present invention, by fusing a lithium ion battery and a super capacitor, it is possible to buffer sudden output fluctuations of renewable energy, which is severely fluctuated in output depending on the external environment such as sunlight and wind power during charging or discharging of an energy storage system It is possible to improve the power quality.

(3) 본 발명은 풍력발전의 경우 풍속에 따라 급격한 출력 변동이 일어나므로, 슈퍼캐패시터를 활용하여 배터리를 보호하게 될 경우 값비싼 리튬배터리의 수명을 연장할 수 있는 독특한 효과가 있다.(3) In the case of wind power generation, the present invention has a unique effect of extending the lifetime of expensive lithium batteries when a super capacitor is used to protect the battery due to abrupt output fluctuation depending on the wind speed.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 전체 기술적 구성을 나타낸 블록도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 양방향전력변환장치를 구체적으로 나타낸 회로도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 DC-DC 컨버터를 종래기술과 비교한 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 3상 3-레벨 인버터를 나타낸 회로도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 3상 3-레벨 인터터와 출력전압을 종래기술과 비교한 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 DSP제어기의 실제 설계도면BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing the entire technical construction of a power control type energy storage device using a lithium ion battery and a super capacitor according to a preferred embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a bidirectional power conversion apparatus for a power-controlled energy storage device using a lithium ion battery and a supercapacitor according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph comparing a DC-DC converter for a power-controlled energy storage device using a lithium ion battery and a super capacitor according to a preferred embodiment of the present invention with a conventional technology.
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a three-phase three-level inverter for a power-controlled energy storage device using a lithium ion battery and a supercapacitor according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating a comparison between a three-phase three-level inverter and an output voltage of a power control type energy storage device using a lithium ion battery and a super capacitor according to a preferred embodiment of the present invention,
6 is an actual design drawing of a DSP controller for a power-controlled energy storage device using a lithium ion battery and a supercapacitor according to a preferred embodiment of the present invention

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements throughout. Although the same reference numerals are used in the different drawings, the same reference numerals are used throughout the drawings. The prior art should be interpreted by itself. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치의 기술적 구성은, 크게 신재생에너지발전설비(100), 양방향전력변환장치(Bi-d PCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200), 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300), 전력저장장치(PSS, Power Storage System, 400), 계통측전력변환장치(500) 및 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)로 구성된다.1 to 6, a technical configuration of a power control type energy storage device using a lithium ion battery and a super capacitor according to a preferred embodiment of the present invention is roughly divided into a renewable energy generation facility 100, a bidirectional power conversion device A Bi-directional Power Conditioning System 200, a BMS (BMS) 300, a Power Storage System (PSS) 400, a grid-side power conversion device 500, And a DSP controller (Digital Signal Processor Controller) 600.

도 1을 참조하여, 상기 신재생에너지발전설비(100)는, 태양광과 바람의 에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하는 수단으로서, 상기 태양광발전설비에서 생산되는 전력은 직류(DC)이므로 배터리와 같은 저장장치로 그대로 충전이 가능하지만, 풍력발전설비에서 생산되는 전기는 직류기보다는 대부분의 교류기이므로 저장장치로 충전하기 위해서는 직류(DC)로 변환시켜야 한다. 그리고 상기 저장장치로 저장된 직류는 직류부하를 제외한 나머지 부하로 공급하기 위해서는 교류(AC)로 변환하는 과정을 거쳐야 한다. 그리고 태양광발전에 반해 풍력발전의 경우 풍속에 따라 급격한 출력변동이 일어나기 때문에 고성능 슈퍼캐패시터를 활용한 저장장치로 충전하게 된다.Referring to FIG. 1, the renewable energy generation facility 100 is a means for generating electric energy using sunlight and wind energy. Since the electric power generated by the solar power generation facility is DC, However, electricity generated from wind turbines is converted to direct current (DC) in order to be charged to a storage device because it is mostly an alternating current rather than a direct current. The DC stored in the storage device must be converted to alternating current (AC) in order to supply the DC load to the remaining loads. In contrast to photovoltaic power generation, in the case of wind power generation, sudden power fluctuations occur due to wind speed, so that the storage device is charged with a high-performance supercapacitor.

도 1 및 도 2를 참조하여, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200)는, 상기 전력저장장치(400)에 저장된 전기 에너지를 상용전력으로 만들기 위하여 전력 변환 효율을 저하시키지 않도록 상기 전력저장장치의 출력(DC전력)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 AC로 변환 또는 계통의 전력(AC)을 상기 Bi-dPCS에서 직접 DC로 정류하는 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 계통의 상용전원(AC)을 정류기(210)로 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS, 400)로 충전하고 직류와 교류간의 전력을 변환시킨다. 이때 DSP제어기(600)의 명령을 받아 상기 PSS(400)의 충전전력을 AC전력으로 직접 변환시켜 부하로 방전시킨다. 또한 상기 PSS(400)를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS, 300)과의 통신제어를 수행하여 상기 BMS에서 제공되는 충전상태(SOC) 및 전압 정보를 이용하여 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 충ㆍ방전을 단속하게 된다.Referring to FIGS. 1 and 2, the Bi-directional Power Conditioning System (Bi-dPCS) 200 converts power stored in the power storage device 400 into electric power conversion efficiency (DC power) of the power storage device directly from the Bi-dPCS to AC or to rectify the system power (AC) from the Bi-dPCS directly to DC so as not to deteriorate the power storage device The rectifier 210 rectifies the commercial power supply AC of the facility 100 and the grid to charge the DC power to the power storage device PSS 400 and convert the power between the DC power and the AC power. At this time, in response to a command from the DSP controller 600, the charging power of the PSS 400 is directly converted into AC power and discharged to a load. Also, the PSS 400 performs communication control with the BMS 300 to monitor and protect the PSS 400, and uses the SOC and the voltage information provided by the BMS to control the lithium ion battery 410 of the PSS ) And the super capacitor (420).

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 계통(상용전원)에서 공급되는 AC전력을 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)로 충전하기 위해 직접 DC전력으로 변환하기 위한 정류기(210)가 구비된다.The bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS) 200 according to the embodiment of the present invention can supply AC power supplied from the system (commercial power supply) to the Li-ion battery 410 of the PSS 400 and the supercapacitor 420 for direct DC power conversion for charging.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 PSS(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에서 방전되는 DC전력을 부하로 공급하기 위해 직접 AC전력으로 변환하기 위한 3-레벨 인버터(3-Level Inverter,220)가 구비되어 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 내장되거나 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 상기 3-레벨 인버터(220)를 내장시키지 않고 상기 계통측전력변환장치(500)와 연계되도록 배선회로를 구성할 수 있다.The Bi-dPCS 200 according to the embodiment of the present invention supplies DC power discharged from the Li-ion battery 410 of the PSS 400 and the supercapacitor 420 to a load A bidirectional power converter (Bi-dPCS 200) or a bidirectional power converter (Bi-dPCS 200) is provided in the bidirectional power converter (Bi-dPCS 200) Level inverter 220, the wiring circuit can be configured to be connected to the system side power conversion apparatus 500 without incorporating the 3-

여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 태양광발전 또는 풍력발전 등의 신재생에너지발전설비(100)로부터 생산된 전력은 직류형태로 띠고 있다. 이 전력을 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)나 슈퍼캐패시터(420)에 저장할 때는 직류로 저장을 해야 하는데, 문제는 직류형태의 전력을 그 상태로 계통부하에 공급하는 것은 불가능하다. 따라서 직류(DC)형태의 전력을 교류(AC) 전력으로 변환시키기 위해서는 전력변환장치(PCS)가 필요하다. 또한, 계통전력(상용전력)을 전력저장장치(PSS, 400)로 저장할 경우에는 직류형태의 전력으로 변환시키는 전력변환장치(PCS)나 정류기가 요구된다.Here, the bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS 200) according to the embodiment of the present invention has a direct current type power generated from a renewable energy generation facility 100 such as solar power generation or wind power generation. When storing this power in the lithium ion battery 410 or the supercapacitor 420 of the power storage device PSS 400, it is necessary to store the power as a direct current. The problem is that the power supply of the direct current type to the system load impossible. Therefore, a power conversion device (PCS) is required to convert direct current (DC) type power to alternating current (AC) power. In addition, when the grid power (commercial power) is stored in the power storage device (PSS) 400, a power conversion device (PCS) or a rectifier for converting the power into DC power is required.

이와 같이 신재생에너지발전설비(100)와 계통(상용전원)이 연계할 경우, 직류(DC)를 교류(AC)로, 교류(AC)를 직류(DC)로 상호 변환이 가능한 전력변환장치(PCS)가 요구되는데, 본 발명의 실시 예에서는 이를 해결하고자 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, Bi-directional Power Conditioning System, 200)를 독창적으로 구현하였다.When the renewable energy generation facility 100 and the grid (commercial power source) are connected to each other as described above, a power conversion device capable of converting the direct current (DC) into the alternating current (AC) and the alternating current (AC) PCS). In an embodiment of the present invention, a Bi-directional Power Conditioning System (Bi-dPCS) 200 is uniquely implemented to solve this problem.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)의 충ㆍ방전에 따른 수명을 연장하기 위해서는, 전력저장장치(PSS, 400)의 충전상태(SOC, State of Charge)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. 또한, 충전상태(SOC)가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)의 열화가 빠르게 진행되는데 적절한 SOC의 범위는 반복 실험을 통해 알 수 있다. 또한, 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)의 셀을 과방전 시켜주면 구성부품이 열화되어 회복 불능상태가 된다. 그리고 충전 전압도 한계치를 넘어 충전하게 되면 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)의 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화되고 만다. 이러한 문제점을 극복시켜 주는 것이 후술되는 배터리관리장치(BMS, 300)가 분담하게 된다(도 1 참조).In order to extend the service life of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS) 400 according to the embodiment of the present invention, the power storage device (PSS) It is important to keep the state of charge (SOC) constant. When the SOC is too low or high, deterioration of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device (PSS) 400 is faster than that of maintaining the SOC at a medium level The range of appropriate SOC to be carried out can be found through repeated experiments. Also, if the cells of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 are overdriven, component parts are deteriorated and can not be recovered. When the charging voltage exceeds the threshold value, the cells of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 are overheated and changed to an irreversible structure. The battery management apparatus (BMS) 300, which will be described later, will overcome these problems (see FIG. 1).

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)의 상위 제어기인 전력관리시스템(PMS, Power Management System)이나 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 중에서 어느 하나가 선택된 전류지령에 의해 양방향전력변환제어가 가능하도록 구성할 수 있다.The bi-directional power conversion apparatus 200 according to an embodiment of the present invention may include a power management system (PMS), which is an upper controller of the DSP controller (Digital Signal Processor Controller) It is possible to configure the bidirectional power conversion control by any one of the management system (EMS, Energy Management System) and the current command selected.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는, 전류제어를 수행하여 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)에 직류 전력을 충ㆍ방전하며, 상위 제어기의 전류지령을 입력받아 정전력으로 충ㆍ방전하는 정전력 제어, 즉 직류 전력을 일정하게 보존하는 전력변환장치의 제어 방식으로 지원이 가능하도록 구성할 수 있다.The Bi-dPCS 200 according to an embodiment of the present invention performs current control to apply a direct current (DC) power to the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device 400, And it can be configured to be able to support the constant power control for charging / discharging with the constant electric power by receiving the current command of the host controller, that is, the control method of the electric power conversion device which keeps the constant DC power constantly.

도 1을 참조하여, 상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는, 전력저장장치(400)와 함께 설치되어 같은 단자 (P+ 및 P-)로 충전 및 방전이 이루어지며, 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 수단으로, 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태를 감시하고, 이를 보호하기 위한 보호회로를 내장하여 상기 전력저장장치를 보호하며, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신을 통해 상기 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 각 셀(Cell)의 상태 및 동작 정보를 PC모니터로 전달하게 된다.1, the battery management system (BMS) 300 is installed together with the power storage device 400 and is charged and discharged by the same terminals P + and P-, and the Bi- (PSS) 400, which is a means for maintaining the balance of the PSS cells through communication control with the dPCS and for protecting the charging when the input voltage becomes a certain value or less, Monitors the state of each cell of the ion battery 410 and the supercapacitor 420 and protects the power storage device by incorporating a protection circuit for protecting the cell. State and operation information of each cell of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device 400 to the PC monitor.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 효율적인 운영을 위해 계측적인 구조로 구성되며, 전체 전력저장장치를 감시ㆍ보호하는 시스템 BMS와 저장장치 모듈 및 개별 저장장치 셀(Cell)을 감시ㆍ보호하는 모듈 BMS 등으로 구성할 수 있다.In addition, the BMS 300 according to the embodiment of the present invention has a metrology structure for efficient operation, and includes a system BMS for monitoring and protecting the entire power storage device, a storage device module and an individual storage device And a module BMS for monitoring and protecting a cell.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 배터리관리장치(BMS, 300)는, 상기 Bi-dPCS(200)와 통신(프로토콜 오픈)을 수행하여 각 셀의 최소, 평균, 최대 전압과 온도, 에너지저장장치의 전체 전압, 동작 상태에 대한 정보 및 충전상태(SOC), 잔존수명(SOH, State of Health)을 취합 및 연산하여 인터페이스를 통한 외부 장치(혹은 PC)로 전달하도록 구성된다.Also, the BMS 300 according to the embodiment of the present invention performs communication (protocol open) with the Bi-dPCS 200 to calculate minimum, average, maximum voltage, temperature, energy storage (SOC) and a remaining lifetime (SOH) of the device, and transmits it to an external device (or PC) via the interface.

다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 배터리관리장치(BMS, Battery Management System, 300)는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 열에 의한 각 셀(Cell)을 균등하게 냉각시켜 동일한 성능 구현이 가능하도록 열관리를 제어하며, 두 번째로 각 셀(Cell)의 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하여주는 충전상태(SOC) 제어로 나눌 수 있다. 이러한 두 가지 제어모드는, 리튬이온배터리(Li-ion Battery)의 단일 셀의 정격 전압은 3.6V, 충전 전압은 4.2V이므로, 리튬이온배터리를 직렬로 접속하여 수백볼트가 넘는 전압을 발생시켜준다. 여러 개의 셀을 직렬로 접속하는 경우 그 중에서 어느 한 개의 셀이라도 고장이 나거나 열화 되면 배터리 팩 전체가 영향을 받는다. 따라서 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 EV(Electric Vehicle)에 적용되는 BMS는 개개의 셀에 대한 과충전, 과방전, 과열을 막고 이들의 수명을 최적화시켜주는 기능을 갖도록 모든 셀은 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스(Cell Balance)가 요구되기 때문이다. 또한, BMS는 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링 하여 최적의 상태로 유지 관리하여 주며, 시스템의 안정화를 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 하여준다. 배터리의 충ㆍ방전 시 과충전 및 과방전을 보호하고, 셀(Cell)간의 전압을 균일하게 하여줌으로써, 에너지 효율 및 배터리의 수명을 연장하여준다. 그리고 데이터의 보전 및 시스템을 진단하여 경보관련 이력상태의 저장 및 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 진단이 가능하다. 이러한 BMS의 기능은 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에 모두 적용되도록 구성된다.In other words, the battery management system (BMS) 300 according to the embodiment of the present invention can be roughly classified into two types. First, the heat management is controlled so that each cell by the heat is uniformly cooled to achieve the same performance. Second, the state of charge of each cell is determined and the charge state SOC) control. These two control modes allow a single cell of a Li-ion battery to have a rated voltage of 3.6 V and a charging voltage of 4.2 V, thus connecting a lithium-ion battery in series to generate voltages of several hundred volts or more . When a plurality of cells are connected in series, if any one cell fails or deteriorates, the entire battery pack is affected. Therefore, BMS applied to HEV (Hybrid Electric Vehicle) or EV (Electric Vehicle) is designed to prevent overcharging, over-discharge, and overheating of individual cells and to optimize their lifetime. This is because cell balancing is required. In addition, the BMS monitors the voltage, current and temperature of the system, maintains it in an optimal condition, and provides alarms and safety precautions to stabilize the system. Protects overcharge and overdischarge during charging and discharging of the battery, and uniformizes the voltage between the cells, thereby extending the energy efficiency and the life of the battery. And it is possible to diagnose the preservation of data and diagnose system through diagnosis and storage system of alarm history status or monitoring PC. The function of the BMS is configured to be applied to both the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 according to the embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하여, 상기 전력저장장치(PSS, Power Storage System, 400)는, 신재생에너지발전설비(100)에서 생산된 직류전력과 계통(상용전원)에서 입력되는 교류전력을 직류(DC)로 변환시킨 DC전력을 충전하는 수단으로, 상기 Bi-dPCS(200) 및 BMS(300)에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(Li-ion Battery, 410)와 슈퍼캐패시터(Super Capacitor, 420) 다수개가 계통부하에 적절하게 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는다.Referring to FIGS. 1 and 2, the power storage system (PSS) 400 is a power storage system in which a DC power generated in a renewable energy generation facility 100 and an AC power input from a grid (commercial power supply) (Li) for charging the DC power of the commercial power source rectified with the renewable energy generation facility by the Bi-dPCS 200 and the BMS 300, -ion battery 410 and a plurality of super capacitors 420 are connected in series and in parallel so as to be able to cope with the system load appropriately.

도 1 및 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전력저장장치(PSS, 400)는, 종래 단일 DC-DC 컨버터(Capacitor semi-active hybrid topology)인 경우, 시스템 설계 및 제작비용은 절감할 수 있는 반면, 전체 시스템에 대한 효율적 운영과 계통연계형 인버터와의 협조운전이 어렵다(도 3의 (가) 참조).Referring to FIGS. 1 and 3, the power storage device (PSS) 400 according to the embodiment of the present invention reduces the cost of system design and manufacture when a conventional DC-DC converter (capacitor semi-active hybrid topology) On the other hand, it is difficult to efficiently operate the entire system and cooperate with the grid-connected inverter (refer to FIG. 3 (a)).

따라서 본 발명의 실시 예에서는 독립된 DC-DC 컨버터 구조(Parallel active hybrid topology)를 갖도록 구조를 개선시켜 전체 시스템의 신뢰성과 유연성을 확보할 수 있도록 하였다(도 3의 (나) 참조).Therefore, in the embodiment of the present invention, the structure is improved to have an independent DC-DC converter structure (Parallel active hybrid topology), thereby ensuring the reliability and flexibility of the entire system (see FIG.

그 결과 전력저장장치(400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 전류와 전압을 병렬로 제어할 수 있는 병렬형 전류조절 및 전압조절이 가능한 CC-CV 제어기 구조 설계가 가능하였다.As a result, it is possible to design a parallel type current control and voltage controllable CC-CV controller structure capable of controlling the current and voltage of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the power storage device 400 in parallel .

도 1 및 도 4를 참조하여, 상기 계통측전력변환장치(500)는, 상기 신재생에너지발전설비(100)와 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410) 및 슈퍼캐패시터(420)에 충전된 DC전력을 부하로 공급하기 위해 AC전력으로 변환하기 위한 수단으로, 상기 신재생에너지발전설비(100)에서 공급되는 DC전력을 부하에 공급하기 위하여 AC전력으로 변환한다. 또한, 부하측에 대한 전등부하 등과 같은 통상의 일반부하와 순간 기동을 요구하는 동력부하 등과 같은 급속부하를 감지하여 DSP제어기(600)로 전송하기 위한 센서(IoT)가 상기 계통측전력변환장치(500)에 연결된다.1 and 4, the grid-side power conversion apparatus 500 includes a lithium ion battery 410 and a supercapacitor 420 of the renewable energy generation facility 100 and a power storage device (PSS) To AC power for supplying the DC power charged in the renewable energy generation facility 100 to AC power for supplying the DC power to the load. In addition, a sensor (IoT) for detecting a rapid load such as a normal load such as a lamp load on the load side or a power load requiring instantaneous start and sending it to the DSP controller 600 is connected to the system side power inverter 500 .

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 계통측전력변환장치(500)는, 3상 3-레벨 인버터(3-Level Inverter)를 적용하고 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 적용하여 종래 2-레벨 인버터(2-Level Inverter)의 문제점인 고조파를 제거하고 출력전압을 증가시켜 인버터의 효율 특성을 크게 개선시켰다.In addition, the system-side power inverter 500 according to the embodiment of the present invention applies a three-level inverter (3-level inverter) and a PWM (Pulse Width Modulation) (2-Level Inverter) and the output voltage is increased to improve the efficiency characteristics of the inverter.

도 5의 (가) 내지 (라)항을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 계통측전력변환장치(500)의 3상 3-레벨 인버터 구조 및 출력전압에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.The three-phase three-level inverter structure and the output voltage of the grid side power inverter 500 according to the embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (D).

먼저, 도 5의 (가) 및 (나)의 종래 3상 2-레벨 인버터의 경우, 간단한 구조와 검증된 PWM 제어방식의 적용으로 인한 시스템에 고조파 발생 증가 및 효율 감소 등의 문제점과 계통연계 시 필터측 사이즈가 증가하였으나, 본 발명의 실시 예에서는 종래 3상 2-레벨 인버터의 문제점을 개선시키고자 3상 3-레벨 인버터와 PWM 제어방식을 적용하여 전체 인버터의 고조파 및 효율 특성을 크게 개선시켰다는 점에서 그 특징이 있다(도 5의 (가) 참조).In the case of the conventional three-phase two-level inverter of FIGS. 5 (a) and 5 (b), problems such as increase in harmonic generation and efficiency decrease due to application of a simple structure and a verified PWM control method, However, in the embodiment of the present invention, the harmonics and efficiency characteristics of the entire inverter are greatly improved by applying the three-phase inverter and the PWM control method to improve the problems of the conventional three-phase two-level inverter (See Fig. 5 (A)).

또한, 도 5의 (나)에서 본 발명의 실시 예에 따른 3상 3-레벨 인버터(3-Level Inverter)의 출력전압을 살펴보면, 3상 3-레벨 인버터의 상 전압 및 선간 출력전압은 종래 3상 2-레벨 인버터에 비해 출력전압의 레벨이 크게 증가한 것을 알 수 있다.The output voltage of the 3-phase inverter (3-level inverter) according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. 5 (B) It can be seen that the level of the output voltage is greatly increased as compared with the upper two-level inverter.

도 1 및 도 6을 참조하여, 상기 DSP제어기(Digital Signal Processor Controller, 600)는, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)의 동작 및 전력변환을 제어하기 위한 수단으로, 상기 DSP제어기(600)는 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 부하측 정보를 감지하는 센서(IoT)의 정보를 입력받아 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 충ㆍ방전 및 직류와 교류 상호간의 양방향 전력을 변환시키도록 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어하게 된다.1 and 6, the DSP controller 600 is a means for controlling operation and power conversion of the bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS 200). The DSP controller (Digital Signal Processor Controller) 600 receives the information of the sensor (IoT) that senses the load side information connected to the grid side power conversion device 500 and outputs the bi-directional power between the charge / discharge and the direct current of the power storage device (PSS) Directional power converter (Bi-dPCS, 200) which controls the bi-directional power conversion device to control the bi-directional power conversion device.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 DSP제어기(600)에 대해 상세하게 설명하면, 먼저 접속반(110)으로 인입되는 신재생에너지발전설비(100)의 직류전원과 계통(상용전원)과 정류기(210)를 통한 직류전원에 대한 신호를 입력받아 상기 접속반(110)과 연결된 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에 충전을 하도록 제어명령을 하달한다. 이때 상기 DSP제어기(600)의 명령을 하달 받은 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)는 접속반(110)과 연결된 직류전원과 정류기를 통과한 직류전원을 상기 전력저장장치의 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터 각각으로 스위칭 연결시켜 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터에서 충전을 하도록 한다.The DC power source and the system (commercial power source) of the renewable energy generation facility 100 that is introduced into the connection panel 110 and the rectifier 210 (210) of the DSP controller 600 according to the embodiment of the present invention will be described in detail. The bidirectional power conversion unit Bi-dPCS 200 connected to the connection unit 110 receives a signal for a DC power supply through the lithium ion battery 410 of the power storage device PSS 400, A control command is issued to charge the capacitor 420. The bidirectional power converter (Bi-dPCS) 200 receiving the command of the DSP controller 600 receives the direct current power connected to the connection board 110 and the direct current power passed through the rectifier to the lithium ion battery Switching to each of the super capacitors to charge the Li-ion battery and super capacitor.

또한, 상기 DSP제어기(600)는, 계통부하에 AC전력을 공급하는 계통측전력변환장치(500)와 연결된 전등부하와 같은 통상의 일반부하를 감지하는 제1 센서(Iot, 510)와 순간 기동을 요구하는 동력장치와 같은 급속부하를 감지하는 제2 센서(Iot, 520)의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 각각 전송 받아 상기 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에 충전된 충전전력을 부하로 공급하도록 제어명령을 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하달한다. 이때 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 제1 센서(510)의 신호가 일반부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 리튬이온배터리(410)에 충전된 DC전력을 상기 Bi-dPCS(200)에 내장된 3-레벨 인버터(220)를 통해 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어한다.The DSP controller 600 also includes a first sensor Iot 510 for sensing a normal load such as a lamp load connected to the grid side power conversion device 500 for supplying AC power to the system load, (PWM) signal of a second sensor (Iot, 520) for sensing a rapid load such as a power unit requiring a power supply (PSS) 400 and a lithium ion battery 410 of the power storage device The bidirectional power converter (Bi-dPCS 200) issues a control command to supply the charging power charged in the capacitor 420 to the load. When the signal of the first sensor 510 connected to the grid side power conversion apparatus 500 is a general load, the bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS 200) The DC power charged in the ion battery 410 is directly converted to AC power through the 3-level inverter 220 built in the Bi-dPCS 200 and supplied to the load or to the grid power converter 500 .

그리고 상기 계통측전력변환장치(500)와 연결된 제2 센서(520)의 신호가 급속부하인 경우, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)로 하여금 전력저장장치(PSS, 400)의 슈퍼캐패시터(420)에 충전된 DC전력을 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치(500)로 공급하도록 제어하게 된다.When the signal of the second sensor 520 connected to the grid side power conversion apparatus 500 is a rapid load, the bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS 200) DC power charged in the capacitor 420 is directly converted to AC power and supplied to the load or to be supplied to the grid side power inverter 500. [

여기서, 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)에 내장된 3-레벨 인버터(220)서 충전된 전력을 AC전력으로 직접 변환하지 않고 계통측전력변환장치(500)로 직접 공급하도록 제어할 경우, 상기 계통측전력변환장치(500)에서 AC전력으로 변환되어 계통부하에 AC전력이 공급되도록 구성된다. 이러한 본 발명의 특징부를 갖는 구성은 사용자에 의한 수동제어가 가능하며, 계통부하에 보다 신속하고 안정적으로 전력을 공급하기 위한 2중 안정장치이다.Here, the power charged in the three-level inverter 220 built in the bidirectional power conversion apparatus (Bi-dPCS 200) is controlled to be directly supplied to the grid-side power conversion apparatus 500 without being directly converted into AC power The system power conversion apparatus 500 is configured to be converted into AC power to be supplied with AC power to the system load. Such a structure having the feature of the present invention is a dual stability device capable of manual control by a user and for supplying power to the system load more quickly and stably.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치에 대한 작용 효과를 상세하게 설명한다.Hereinafter, effects of the lithium ion battery and the super capacitor according to the preferred embodiment of the present invention on the power control type energy storage device will be described in detail with reference to FIG. 1 to FIG.

본 발명은 신재생에너지발전설비(100)와, 상기 신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 전력저장장치(PSS)로 충ㆍ방전하고 직류와 교류 전력을 상호 변환시키는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와, 상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 보호하는 배터리관리장치(BMS, 300)와, 상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420) 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와, DC전력을 부하에 공급하기 위해 AC전력으로 변환하며, 일반부하와 급속부하를 감지하여 DSP제어기로 전송하기 위한 센서(IoT)를 갖는 계통측전력변환장치(500)와, 상기 센서(IoT)의 정보를 입력받아 PSS의 충ㆍ방전과 직류 교류 상호간의 양방향 전력을 변환시키도록 단속하는 상기 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)를 제어하기 위한 DSP제어기(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치를 구현함으로써, 일반부하와 급속부하에 적응적으로 대응 가능한 저장장치의 안정화 및 효율적인 배터리제어가 가능하고, 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터의 결합으로 외부 환경에 따라 급격한 신재생에너지의 출력 변동을 완충할 수 있어 전력 품질 개선이 가능하며, 풍속에 따라 급격한 출력 변동을 갖는 풍력발전에 슈퍼캐패시터를 활용함으로써 값비싼 리튬배터리의 수명을 연장할 수 있는 독특한 특징이 있다.The present invention relates to a new and renewable energy generation facility 100 and a system for charging and discharging the renewable energy generation facility and a commercial power source AC of the system to a power storage device PSS through communication control with a battery management system A Bi-dPCS (Bi-dPCS) 200 for converting a direct current and an AC power to each other, a battery management device (BMS) 300 for protecting the Bi-dPCS through communication control, A power storage device (PSS) 400 having a lithium-ion battery 410 and a supercapacitor 420 for charging the renewable energy generation facility with DC power of rectified commercial power, an AC Side power conversion device 500 having a sensor (IoT) for detecting a normal load and a rapid load and transmitting the same to a DSP controller, and a control unit 500 for receiving the information of the sensor (IoT) And intermittently switching the bidirectional power between the direct current alternating current And a DSP controller 600 for controlling the bidirectional power converter (Bi-dPCS) 200. The power control type energy storage device using the lithium ion battery and the supercapacitor can realize a normal load and a rapid load It is possible to stabilize the storage device adaptively adaptable and to control the battery efficiently, and by combining the lithium ion battery and the super capacitor, it is possible to buffer the output fluctuation of the rapid renewable energy according to the external environment, There is a unique feature that can extend the lifetime of expensive lithium batteries by utilizing super capacitors for wind power generation with abrupt output fluctuation according to the power consumption.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

100 : 신재생에너지발전설비 110 : 접속반
200 : 양방향전력변환장치(Bi-dPCS) 210 : 정류기
220 : 3-레벨 인버터(3-Level Inverter) 300 : 배터리관리장치(BMS)
400 : 전력저장장치(PSS) 410 : 리튬이온배터리
420 : 슈퍼캐패시터 500 : 계통측전력변환장치
510 : 제1 센서(IoT) 520 : 제2 센서(IoT)
600 : DSP제어기100: Renewable energy generation facility 110: Connection class
200 Bi-directional power converter (Bi-dPCS) 210: Rectifier
220: 3-level inverter 300: Battery management device (BMS)
400: Power storage device (PSS) 410: Lithium ion battery
420: super capacitor 500: grid side power converter
510: first sensor (IoT) 520: second sensor (IoT)
600: DSP controller

Claims (5)

태양광과 바람의 에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하는 신재생에너지발전설비(100)와;
상기 신재생에너지발전설비와 계통의 상용전원(AC)을 정류한 DC전력을 전력저장장치(PSS)로 충전 및 전력 변환시키되, DSP제어기의 명령을 받아 상기 PSS의 충전전력을 AC전력으로 직접 변환시켜 부하로 방전시키며, 상기 PSS를 감시 및 보호하는 배터리관리시스템(BMS)과의 통신제어를 통해 상기 PSS의 충ㆍ방전을 단속하는 양방향전력변환장치(Bi-dPCS, 200)와;
상기 Bi-dPCS와 통신제어를 통해 상기 PSS 각 셀(Cell)의 밸런스(Balance) 유지와 입력 전압이 일정 값 이하로 되면 충전을 중지시키는 보호 역할을 하는 배터리관리장치(BMS, 300)와;
상기 Bi-dPCS 및 BMS에 의해 상기 신재생에너지발전설비와 정류된 상용전원의 DC전력을 충전하는 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420) 다수개가 계통부하에 대응 가능하도록 직ㆍ병렬로 연결된 하나의 팩(Pack)을 갖는 전력저장장치(PSS, 400)와;
상기 신재생에너지발전설비에서 공급되는 DC전력을 부하에 공급하기 위해 AC전력으로 변환하며, 부하측에 대한 일반부하와 급속부하를 감지하여 DSP제어기로 전송하기 위한 센서(IoT)를 갖는 계통측전력변환장치(500)와;
상기 센서(IoT)의 정보를 입력받아 상기 PSS의 충ㆍ방전과 양방향전력변환을 단속하는 Bi-dPCS를 제어하되, 상기 부하에 AC전력을 공급하는 계통측전력변환장치(500)와 연결된 전등부하와 같은 일반부하를 감지하는 제1 센서(Iot, 510)와 순간 기동을 요구하는 동력장치와 같은 급속부하를 감지하는 제2 센서(Iot, 520)의 PWM신호를 각각 전송 받아 상기 PSS(400)의 충전전력을 부하로 공급하도록 제어명령을 상기 Bi-dPCS(200)로 하달하며, 상기 제1 센서(510)인 경우, 상기 Bi-dPCS로 하여금 상기 PSS의 리튬이온배터리에 충전된 DC전력을 상기 Bi-dPCS에 내장된 3-레벨 인버터(220)를 통해 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치로 공급하도록 제어하고, 상기 제2 센서(520)인 경우, 상기 Bi-dPCS로 하여금 상기 PSS의 슈퍼캐패시터에 충전된 DC전력을 직접 AC전력으로 변환하여 부하로 공급하거나 상기 계통측전력변환장치로 공급하도록 제어하기 위한 DSP제어기(600)가 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치.
A renewable energy generation facility 100 for generating electric energy using solar energy and wind energy;
The method of claim 1, further comprising: charging and power-converting the DC power rectified by the commercial power source (AC) of the new and renewable energy generation facility and the system to a power storage device (PSS) (Bi-dPCS) 200 for controlling the charging / discharging of the PSS through communication control with a battery management system (BMS) for monitoring and protecting the PSS,
A battery management device (BMS) 300 that maintains the balance of the PSS cells through communication control with the Bi-dPCS and serves to stop charging when the input voltage becomes a certain value or less;
A lithium ion battery 410 and a plurality of supercapacitor 420 for charging the renewable energy generation facility and the rectified commercial power source by the Bi-dPCS and the BMS are connected in series or in parallel so as to correspond to the system load A power storage device (PSS, 400) having one pack;
(IoT) for sensing the general load and rapid load on the load side and for transferring the DC power to the DSP controller to convert the DC power supplied from the renewable energy generation facility into AC power for supplying to the load, Apparatus 500;
The Bi-dPCS controls Bi-dPCS that controls the charging / discharging and bi-directional power conversion of the PSS based on the information of the sensor (IoT), and controls the Bi-dPCS And a second sensor (Iot, 520) for sensing a rapid load, such as a power unit requiring instantaneous start, and receives the PWM signal of the PSS 400, To the Bi-dPCS 200 to supply the charging power of the PSS to the load, and in the case of the first sensor 510, instruct the Bi-dPCS to supply the DC power charged in the lithium ion battery of the PSS to the Bi- And controls the power to be directly supplied to the load or to be supplied to the grid side power conversion apparatus through the 3-level inverter 220 built in the Bi-dPCS, and in the case of the second sensor 520, -dPCS directs the DC power charged to the supercapacitor of the PSS directly And a DSP controller (600) for controlling the supply of the AC power to the load or the supply of the AC power to the load or the grid side power conversion device.
제1 항에 있어서,
상기 Bi-dPCS(200)는, 계통(상용전원)에서 공급되는 AC전력을 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)로 충전하기 위해 직접 DC전력으로 변환하기 위한 정류기(210)와,
상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)에서 방전되는 DC전력을 부하로 공급하기 위해 직접 AC전력으로 변환하기 위한 3-레벨 인버터(3-Level Inverter,220)가 상기 Bi-dPCS(200)에 내장되거나 상기 계통측전력변환장치(500)와 연계되는 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치.
The method according to claim 1,
The Bi-dPCS 200 includes a rectifier 210 for converting AC power supplied from a grid (commercial power source) into direct DC power for charging the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS, Wow,
A 3-level inverter (220) for directly converting DC power discharged from the PSS lithium ion battery (410) and the supercapacitor (420) to AC power for supplying the load to the load is connected to the Bi-dPCS (200) or connected to the grid-side power inverter (500). A power-controlled energy storage device using a lithium-ion battery and a supercapacitor.
제1 항에 있어서,
상기 BMS(300)는, 상기 Bi-dPCS와 통신을 수행하여 상기 PSS의 리튬이온배터리 및 슈퍼캐패시터에 대한 각 셀의 충ㆍ방전 최소, 평균, 최대 전압과 온도, 에너지저장장치의 전체 전압, 동작 상태에 대한 정보 및 충전상태(SOC), 잔존수명(SOH, State of Health)을 취합 및 연산하여 외부 장치(혹은 PC)로 인터페이스 가능한 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치.
The method according to claim 1,
The BMS 300 communicates with the Bi-dPCS to calculate the charge / discharge minimum, average, maximum voltage and temperature of each cell for the lithium ion battery and the supercapacitor of the PSS, the total voltage of the energy storage device, A power control type energy storage using a lithium ion battery and a supercapacitor, which is capable of collecting and calculating information on a state, a state of charge (SOC), and a remaining life (SOH, State of Health) Device.
제1 항에 있어서,
상기 PSS(400)는, 독립된 DC-DC 컨버터 구조(Parallel active hybrid topology)를 통해 상기 PSS의 리튬이온배터리(410)와 슈퍼캐패시터(420)의 전류와 전압을 병렬로 제어 가능한 CC-CV 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 리튬이온배터리와 슈퍼캐패시터를 이용한 전력제어형 에너지저장장치.
The method according to claim 1,
The PSS 400 includes a CC-CV controller capable of controlling the current and voltage of the lithium ion battery 410 and the supercapacitor 420 of the PSS in parallel through an independent DC-DC converter structure (parallel active hybrid topology) Power storage device using a lithium ion battery and a supercapacitor.
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KR20200082293A (en) 2018-12-28 2020-07-08 주식회사 키스톤에너지 Energy storage device using lithium battery and supercapacitor and method of output stabilizing thereof
CN115094433A (en) * 2022-05-31 2022-09-23 同济大学 Hybrid hydrogen production system for coupling electrochemical power supply and super capacitor and control method

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