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KR102009919B1 - 이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치 - Google Patents

이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그리드(grid)와 연결된 절연변압기를 통하여 입력된 전력을 복수개의 배터리들에 저장하고, 상기 배터리들에 저장된 에너지를 그리드에 공급하는 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)이고, 본 발명의 특징적인 구성은 화재의 위험성이 있는 장치를 배터리가 설치된 콘테이너와 별도의 콘테이너에 설치하고, SMPS를 이중적으로 각 콘테이너에 설치하도록 하여 안정된 제어전원을 획득하도록 하는 것이다.

Description

이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치{ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 일반 전력계통에 연결되는 에너지 저장장치(ESS:Energy Storage System)에 관한 것이다.
종래의 전력계통(grid)나 태양광 발전과 연계된 ESS에는 콘테이너 내부에 그리드로터 공급되는 그리드 AC전압을 저압 AC전원으로 변환하기 위한 변압기가 설치되며, 변압기로부터의 저압 AC 전원을 직류전원으로 변환하거나, 연결된 배터리 전원을 교류로 역변환하기 위한 PCS(Power Control System)가 설치되며, PCS으로부터 출력되는 직류전원을 충전하기 위한 배터리와, 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System)가 설치되며, 콘테이너에 유입되는 직격뢰 및 유도뢰에 의한 서지로부터 보호하기 위한 보호시설이 설치되고 있다. 이러한 구성은 본 출원인에 의하여 출원된 특허등록 제10-1760858호(발명의 명칭: 하이브리드 구조의 에너지 저장장치의 감시제어서버)(이하, ‘종래기술’이라 함)도 이러한 ESS 장치를 구현하고 있다.
도 1은 종래기술을 설명하기 위한 구성도이다.
종래기술의 전력계통 연계형 에너지 저장장치(1)는 일반 전력계통인 그리드(2)와, 풍력발전소(3) 및 태양광 발전소(4)의 신재생 에너지원들과 연계되어 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 방전시킨다.
또한 에너지 저장장치(1)에는 전력계통으로부터 배터리 에너지 저장장치부(30)에 전기를 공급하거나, 전기를 방전시키기 위하여 AC에서 DC로 변환시키거나, DC에서 AC로 변환시키기 위하여 변환장치(12)와 제어기(11)로 구성되는 전력변환장치부(PCS)(10)가 설치되고, 배터리에너지 저장장치부(30)에 전기를 충전시키거나 방전시키기 위하여 DC 전원을 제어하는 DC 패널(21)과, 함체 내부의 AC부하들에 AC를 전원 공급을 제어하는 하는 AC 패널(22)과, 각각의 장치들을 감시하고, 각 장치들의 상태를 외부로 전송하는 감시제어서버(23)로 이루어지는 서버 및 배전 패널부(20)가 설치되고, 복수개의 배터리들의 집합체와 배터리 관리장치(BMS)들로 이루어진 배터리에너지저장장치모듈(31), (32)들로 이루어진 배터리에너지저장장치부(30)가 설치된다.
또한 에너지 저장장치(1)에 설치되는 다양한 시설물들은 접지되고, 차폐된 함체 내부에 설치되며, 함체 내부에 설치된 각 시설물의 인입부에는 이상상태를 감지하기 위한 서지보호기(Surge Protector Device) SPD1 내지 SPD8이 설치된다.
이러한 종래기술에서는 그리드로부터 계통전압이 절연 변압기를 거쳐 SMPS와, PCS로 분기되게 되며, SMPS는 DC는 후속단에서 사용되는 제어전원을 출력하게 되고, PCS는 계통전압을 직류전압으로 변환하여 배터리에 충전하도록 한다. 또한 PCS는 배터리 전원을 방전시에는 직류를 교류로 역 24V와 12V의 출력전압을 으로 후속되는 제어장치들의 제어전원으로 입력되게 된다.
또한 종래기술에서 절연변압기는 380V 1:1 △-Y 결선으로 이루어지기 때문에 1차측으로 유입되는 서지전압이 2차측으로 유입되는 것이 방지된다고는 하지만 2차측에 잔상전압이 발생되고, 이 잔상전압이 SMPS에 영향을 미치게 되며,SMPS는 잔상전압의 영향으로 정확한 제어전압을 출력시키지 못하게 되며, 이와 같은 이유로 SMPS로부터 제어전원을 인가받아 동작되는 제어장치들이 오동작을 발생시키게 된다.
또한 종래기술에서는 배터리가 수납되는 콘테이너 내부에 직격뢰, 유도뢰 등의 유입으로 고장 빈도가 매우 높은 변압기와, 변압기로부터 전원을 인가받아 동작되는 장치들이 함께 설치되기 때문에 변압기에 화재가 발생되어 소방설비가 작동되는 경우에 변압기뿐만 아니라 콘테이너 내부의 모든 전기설비에 영향을 미치기 때문에 커다란 손실을 발생시킨다.
본 발명은 종래기술의 이러한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결과제는 그리드(grid)에 연결된 변압기 및 변압기와 연결된 1차 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 ESS(Energy Storage System)의 콘테이너와 분리배치시킴으로써 사고빈도가 높은 변압기로부터 ESS 설비를 보호하도록 하고, 변압기로부터 발생되는 잔상전압을 최소화시키기 위하여 ESS 내부에 2차 SMPS를 설치하여 1차 SMPS로부터 유입되는 제어전원을 재차 안정화시킴으로써 보다 정밀하고 안정된 제어전원을 확보할 수 있도록 함으로써 ESS가 정밀제어되도록 하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 그리드(grid)와 연결된 절연변압기를 통하여 입력된 전력을 복수개의 배터리들에 저장하고, 상기 배터리들에 저장된 에너지를 그리드에 공급하는 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)에 있어서: 상기 절연변압기의 출력을 입력받아 DC의 제어전원을 출력하는 1차 SMPS가 수납되는 1차 콘테이너; 상기 절연변압기의 출력을 입력받아 상기 배터리들을 충전시키는 DC 전원으로 변환하거나, 상기 배터리들에 저장된 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 변압기로 공급하는 PCS(Power Control System)와, 상기 1차 SMPS로부터 입력된 전원 안정화시켜 DC 제어전원으로 출력시키는 2차 SMPS와, 상기 2차 SMPS로부터 공급되는 전원에 의하여 상기 배터리들의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Managing System)가 수납되는 2차 콘테이너를 포함하는 것이다.
또한 본 발명에서 상기 1차 SMPS와 상기 2차 SMPS는 차폐케이블로 연결되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 절연변압기는 상기 1차 컨테이너에 수납되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 1차 콘테이너에는 소방설비가 설치되고, 상기 1차 콘테이너 내부에 화재가 발생될 때 상기 소방설비가 동작되는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 화재가 다른 부품들에 비하여 빈번하게 발생되는 변압기를 별도의 콘테이너에 설치함으로써 다른 부품들에 파급되는 손상을 미연에 방지할 수 있으며, 1차 SMPS에서 서지에 의한 이상전압을 1차적으로 감소시키고, 2차 SMPS에서 이상전압을 2차적으로 감소시킴으로써 보다 안정적인 제어전원을 획득할 수 있다.
도 1은 종래기술을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 구체적인 회로도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 ESS 장치는 변압기(101)와, 변압기(101)로부터 교류전압을 입력받아 직류를 출력하는 1차 SMPS(102)와, 미도시된 소방설비 및 차단기 및 SPD 등의 보호설비가 설치되는 1차 콘테이너(100)가 설치된다.
또한 본 발명의 ESS 장치는 1차 SMPS(102)로부터의 출력되는 1차 DC 전압을 입력받아 더욱 안정화된 2차 DC 제어전원으로 변환하는 2차 SMPS(201)와, 변압기(101)로부터 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하거나, DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 변압기에 공급하는 PCS(Power Control System)(202)와, PCS(202)와 연결되어 충방전이 이루어지는 배터리(204)와, 배터리(204)의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Managing System)(203)와, 패널 PC인 HMI(205)가 설치되는 제2 콘테이너(200)로 이루어진다.
이때, 2차 SMPS(201)로부터 출력되는 전원은 BMS(203)와 HMI(205)에 공급되게 된다.
또한 1차 콘테이너(100)와 2차 콘테이너(200)의 내부에는 미도시된 소방설비들이 설치되어 있으며, 소방설비들은 화재가 발생될 때에 이를 감지하여 소화액을 자동분사함으로써 화재를 진압하게 된다.
또한 1차 SMPS(102)는 1차 콘테이너(100)에 설치되고, 2차 SMPS(201)는 2차 콘테이너(200) 내에 설치되고, 이들 1차 SMPS(102)와 2차 SMPS(201)를 연결하는 전선 케이블은 콘테이너 외부를 거쳐서 연결되어야 하기 때문에 유도 서어지등에 의하여 서어지가 유도되지 않도록 외면이 차폐재로 감싸진 차폐케이블(103)인 것이 바람직하다.
SMPS는 입력된 전압을 스위칭 모드에 따라서 변환하여 출력시키는 IC칩으로 칩 내부에는 과도상태를 방지하기 위한 회로 또는 소프트웨어가 설치되어 입력되는 전압의 노이즈 성분 및 이상상태를 감소 및 제거시키도록 설계된다.
변압기(101)는 절연변압기로 △-Y 또는 Y-Y 결선을 이루는 3상 4선식으로 이루어지고, 특히 2차측은 Y결선을 이루며 1차측으로부터 서지가 유입될 때에 중성선에 잔상전압이 높게 유기되고, 이 잔상전압은 1차 SMPS(102)의 과도상태 방지회로에 의하여 잔상전압에 의한 영향을 감소시킨다고는 하지만 정상출력값의 범위를 벗어나는 이상전압을 출력할 수 있다.
그러나 1차 SMPS(102)는 차폐케이블로 2차 콘테이너(200)의 2차 SMPS(201)과 연결되어 있고, 1차 SMPS(102)에서 이상전압이 2차 SMPS(201)에 입력될 때는 입력된 이상전압의 피크값을 감소시켜 정상전압으로 변환시켜 결국 2차 SMPS(201)에서는 정상전압이 출력된다.
도 3은 본 발명의 구체적인 회로도이다.
1차 콘테이너(100)의 내부에 설치되는 변압기(101)는 3상 4선식 380V 절연변압기로 △-Y 결선을 이루고, 입력측은 AISS (Air insulated section switch)(자동구간개폐기)를 거쳐서 한전라인인 그리드에 연결되는 한편, ACB(기중차단기) 및 SPD(서지보호기)를 거쳐 접지된다. 도 3에서 변압기는 △-Y 결선으로 도시되어 있으나, Y-Y 결선으로 구성될 수도 있다.
또한 변압기(101)의 2차측의 출력은 ACB를 거쳐 1차 SMPS(102)에 입력되게 되는 한편, 포화리액터를 거쳐서 PCS(202)에 입력되게 된다.
도 2, 3에서 PCS(202)는 2차 콘테이너(200)에 설치되는 것으로 도시하고 있으나, 이에 국한되지 않고, 변압기(101)의 화재가 배터리들에 연결되지 않도록 변압기와 배터리가 분리된 콘테이너에 설치되는 것이다.
1차 SMPS(102)의 출력은 DC 12V 또는 24V이고, 차폐된 케이블(103)로 연결된 2차 SMPS(201)로 입력된다. 2차 SMPS(201)의 출력은 1차 SMPS(102)과 마찬가지의 레벨의 DC 출력을 갖지만 1차 SMPS(102)에서 한번 서지전압이 감소된 것을 재차 감소시켜 이중적으로 감소시키기 때문에 보다 안정적인 전압을 후속되는 BMS(203)에 공급하게 된다.
또한 PCS(202)에서 출력된 직류전압은 LBS(기중절연부하 개폐기)와, MCCB, 마그네틱 스위치, 홀 센서, 퓨즈를 거쳐 배터리들에 전원을 충전시키도록 한다. 이때 MCCB의 후단은 마그네틱 스위치와 연결될 뿐만 아니라 ACB와 SPD를 거쳐서 접지와 연결됨으로써 서지전압을 방류시킨다.
100: 1차 콘테이너
101: 변압기
102: 1차 SMPS
103: 차폐 케이블
200: 2차 콘테이너
201: 2차 SMPS
202: PCS
203: BMS
204: 배터리

Claims (4)

  1. 그리드(grid)와 연결된 절연변압기를 통하여 입력된 전력을 복수개의 배터리들에 저장하고 상기 배터리들에 저장된 에너지를 그리드에 공급하되 상기 절연변압기와 상기 배터리들을 분리 설치하여 상기 절연변압기에 발생하는 이상상태가 상기 배터리들에 파급되지 않도록 하는 이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)에 있어서:
    상기 절연변압기와 상기 절연변압기의 출력을 입력받아 DC의 제어전원을 출력하며 서지에 의한 이상전압을 1차적으로 감소시키는 1차 SMPS가 수납되는 1차 콘테이너;
    상기 절연변압기의 출력을 입력받아 상기 배터리들을 충전시키는 DC 전원으로 변환하거나, 상기 배터리들에 저장된 전원을 AC 전원으로 변환하여 상기 변압기로 공급하는 PCS(Power Control System)와, 상기 1차 SMPS로부터 입력된 전원의 이상전압을 2차적으로 감소시켜 DC 제어전원으로 출력시키는 2차 SMPS와, 상기 2차 SMPS로부터 공급되는 전원에 의하여 상기 배터리들의 충방전을 제어하는 BMS(Battery Managing System)가 수납되는 2차 콘테이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 SMPS와 상기 2차 SMPS는 차폐케이블로 연결되는 것을 특징으로 하는 이중 보호용 제어전원을 갖는 에너지 저장장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
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