JP2011147329A

JP2011147329A - 電力保存装置とその動作方法及び電力保存システム

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Publication number: JP2011147329A
Application number: JP2010205515A
Authority: JP
Inventors: Chong-Sop Moon; 正燮文
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-07-28
Also published as: US8575780B2; CN102130464A; US20110175451A1; EP2346138A2; KR101156535B1; CN102130464B; KR20110084751A

Abstract

【課題】電力保存装置とその動作方法及び電力保存システムを提供する。
【解決手段】発電システムと；電力変換部と；双方向コンバータと；双方向インバータと；系統連係器と；発電システムから電力を充電して、負荷に電力を供給するバッテリーと；電力変換部、双方向コンバータ、双方向インバータ系統連係器及びバッテリーを制御する統合制御器と；を備える電力保存システムにおいて、異常状況でバッテリーが負荷に電力を供給して放電すると同時に、発電システムから生産された電力をバッテリーに充電できる電力保存装置とその動作方法及び電力保存システム。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力系統(power grid)、発電システムと連係して負荷に電力を供給する電力保存装置その動作方法及び電力保存システムに関する。

電力保存システムは、系統（以下の説明では、系統は発電所、変電所及び電力配電網或いは電源回路網を備えるものとして説明する）が連係した電力保存システムと系統が連係していない独立型電力保存システムとがある。系統が連係した電力保存システムは、発電システムを電力系統と連結して使用される。すなわち、発電システムから十分な電力が発生すれば、一部の電力を系統に送電し、発電システムが電力を十分発生しないのであれば、足りない分の電力を系統から受け取る。独立型電力保存システムは、発電システムで生産した電力をバッテリーに保存しておき、必要な時に使う方式である。それ以外にも多様な電力保存システムの開発が必要である。

本発明の実施形態は、電力系統、発電システムと連係して負荷に電力を供給し、電力系統に異常状況が発生しても、電源供給機能を安定して行うための電力保存装置とその動作方法及び電力保存システムを提供する。

本発明の一側面によれば、発電システムと第１ノードとの間に連結されて、発電システムで発電される電力を第１ノードの電圧に変換する電力変換部と、バッテリー管理システム（ＢＭＳ；Battery Management System）と前記第１ノードとの間に連結されて、双方向インバータを通じて出力される電力系統からの電力、及び前記電力変換部から出力される前記発電システムからの電力をＤＣ−ＤＣコンバージョンしてバッテリーに伝達し、ＢＭＳを通じて出力される前記バッテリーからの電力をＤＣ−ＤＣ変換して、負荷または前記電力系統に伝達する双方向コンバータと、前記第１ノードと第２ノードとの間に連結されて、前記第１ノードを通じて入力された電圧をＤＣ−ＡＣ反転して、負荷または電力系統に伝達し、前記電力系統からの電力をＡＣ−ＤＣ反転して、第１ノードに出力する双方向インバータと、前記電力系統と前記双方向インバータとを連係する系統連係器と、前記発電システムから電力を充電し、前記負荷に電力を供給するバッテリーと、異常状況で前記系統連係器を制御して前記電力系統と電力保存装置との連係を遮断し、前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及び前記バッテリーを制御する統合制御器と、を備え、前記統合制御器は、前記異常状況で前記バッテリーの充放電状態を監視し、前記バッテリーが前記負荷に電力を供給すると同時に、前記発電システムから電力を充電するように制御する電力保存装置を提供する。

前記バッテリーは、並列に連結されて個別的に充電及び放電可能な複数のバッテリーユニットと、それぞれの前記バッテリーユニットと充電パスまたは放電パスとを連結する複数のスイッチング素子と、を備える。

前記異常状況で、前記複数のバッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムから電力を供給されて充電され、前記バッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記負荷に電力を供給して放電する。

前記統合制御器は、前記異常状況を感知し、前記系統連係器を制御して前記電力系統と前記電力保存装置との連係を遮断する系統連係制御部と、前記異常状況で前記バッテリーユニットの充放電状態を監視し、前記充放電状態によって前記バッテリーユニットを前記充電パスまたは前記放電パスに連結するかどうかを決定するバッテリー監視部と、前記バッテリー監視部の決定によって前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、を備える。

前記バッテリー監視部は、前記バッテリーユニットが充電完了状態である場合、前記バッテリーユニットを前記放電パスに連結するように決定し、前記バッテリーユニットが充電不足状態である場合、前記バッテリーユニットを前記充電パスに連結するように決定する。

前記統合制御器は、前記異常状況で前記バッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムで発電された電力を前記バッテリーユニットに充電するように前記電力変換部及び前記双方向コンバータを制御する充電制御部と、前記異常状況で前記バッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記バッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するように、前記双方向コンバータ、及び前記双方向インバータを制御する放電制御部と、をさらに備える。

前記発電システムは、太陽発電システム、風力発電システム、地熱発電システム、水力発電システムまたは海洋発電システムなどの新エネルギー発電システムであるか、または、燃料電池、水素、石炭液化ガスまたは中等品質残油ガスを利用した再生可能エネルギー発電システムである。

前記電力保存装置は、前記第１ノードと前記双方向インバータとの間に連結され、前記第１ノードの電圧を安定化するＤＣリンクキャパシタをさらに備える。

前記電力保存装置は、前記バッテリーと前記双方向コンバータとの間に連結され、前記バッテリーの状態を管理するＢＭＳをさらに備える。

本発明の他の側面によれば、電力を伝達する電力系統と、新エネルギーまたは再生エネルギーから電気エネルギーを発電する発電システムと、前記電力系統、前記発電システムまたは電力保存装置から電力を伝達されて消費する負荷と、電力保存装置と、を備え、前記電力保存装置は、発電システムで発電される電力を第１ノードの電圧に変換する電力変換部と、双方向インバータを通じて出力される前記電力系統からの電力、及び前記電力変換部から出力される前記発電システムからの電力を、ＤＣ−ＤＣコンバージョンしてバッテリーに伝達し、ＢＭＳを通じて出力される前記バッテリーからの電力をＤＣ−ＤＣコンバージョンして、負荷または前記電力系統に伝達する双方向コンバータと、前記電力変換部または前記双方向コンバータから出力された電力をＤＣ−ＡＣインバージョンして、前記負荷または前記電力系統に伝達し、前記電力系統からの電力をＡＣ−ＤＣインバージョンして出力する双方向インバータと、前記電力系統と前記双方向インバータとを連係する系統連係器と、前記発電システムから電力を充電し、前記負荷に電力を供給するバッテリーと、異常状況で前記系統連係器を制御して前記電力系統と電力保存装置との連係を遮断し、前記異常状況で前記バッテリーの充放電状態を監視し、前記バッテリーが前記負荷に電力を供給すると同時に前記発電システムから電力を充電するように、前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及び前記バッテリーを制御する統合制御器と、を備える電力保存システムを提供する。

前記バッテリーは、並列に連結されて個別的に充電及び放電可能な複数のバッテリーユニットと、それぞれの前記複数のバッテリーユニットと充電パスまたは放電パスとを連結する複数のスイッチング素子と、を備える。

前記統合制御器は、前記異常状況で前記複数のバッテリーユニットの充放電状態を監視し、前記複数のバッテリーユニットが充電完了状態である場合、前記複数のバッテリーユニットを前記放電パスに連結するように決定し、前記複数のバッテリーユニットが充電不足状態である場合、前記複数のバッテリーユニットを前記充電パスに連結するように決定するバッテリー監視部と、前記バッテリー監視部の決定によって前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、を備える。

前記統合制御部は、前記複数のバッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムで発電された電力を前記複数のバッテリーユニットに充電するように、前記電力変換部、前記双方向コンバータを制御する充電制御部と、前記複数のバッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記複数のバッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するように、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータを制御する放電制御部と、を備える。

本発明のさらに他の側面によれば、電力変換部と；双方向コンバータと；双方向インバータと；系統連係器と；複数のバッテリーユニットを備えるバッテリーと；及び前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及びバッテリーを制御する統合制御器と；を備える電力保存装置の動作方法において、異常状況で前記電力保存装置と前記電力系統との連係を遮断するステップと、複数のバッテリーユニットの充放電状態を監視するステップと、前記複数のバッテリーユニットの充放電状態によって、一部バッテリーユニットは放電されて負荷に電力を供給し、同時に他の一部バッテリーユニットは前記発電システムで発電した電力を充電するステップと、を含む電力保存装置の動作方法を開示する。

ここで、前記複数のバッテリーユニットの充放電状態によって、前記複数のバッテリーユニットの充電または放電が行われるステップは、前記複数のバッテリーユニットの充放電状態を監視するステップと、監視結果、充電完了状態のバッテリーユニットは放電パスに連結して、前記バッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するステップと、監視結果、充電不足状態のバッテリーユニットは充電パスに連結して、前記発電システムから発電された電力を前記バッテリーユニットに充電するステップと、を含む。

前述したもの以外の側面、特徴、利点は、図面、特許請求の範囲及び発明の詳細な説明から明らかになる。

本発明によれば、電力系統が異常状況にあっても、安定的かつ持続的に電力を供給できる。

本発明の一実施形態による電力保存装置を示したブロック図である。前記双方向インバータの機能を示した説明図である。前記双方向コンバータの機能を示した説明図である。本発明によるバッテリーを示した説明図である。本発明の一実施形態による統合制御器を示したブロック図である。本発明の一実施形態による図１の電力保存装置の動作方法を示した説明図である。本発明の一実施形態による図１の電力保存装置の動作方法を示した説明図である。

以下、本発明による実施形態を添付図面を参照して詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当って、同一または対応する構成要素は同じ図面番号を付与し、これについての重なる説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態による電力保存システムを示したブロック図である。各構成モジュールは例示したものに限定されず、当業者が設計変更できる範囲内で多様に示されうる。

図１を参照すれば、本発明の一実施形態による電力保存システムは、電気エネルギーを生成する発電システム３、電力を消費する負荷２、電気エネルギーを伝達する電力系統(power grid)１及び電力保存装置１０００を備える。なお、以下の説明にあって、電力系統は、後述するように、発電所、変電所及び電力配電網或いは電源回路網を含む。

図１に図示された本発明の一実施形態による電力保存システムは、発電システム３で生産された電力が電力保存装置１０００を通じて負荷２または電力系統１に供給されるか、または電力保存装置１０００に保存されうる。また電力保存装置１０００は、電力系統１から電力が供給されて負荷２に伝達するか、または電力系統１から供給された電力を保存することができる。また電力保存装置１０００に保存された電力は負荷２に供給されるか、または電力系統１に供給されて売電が可能である。

本発明による電力保存装置１０００は、キャビネットまたはボックス形態に具現されうる。必要に応じて、前記発電システム３の体積が小さな場合、発電システム３と電力保存装置１０００とが共にキャビネットまたはボックス形態に具現されることもある。

電力系統１は、発電所、変電所及び送電線を備える電気的な連係である。本発明の一実施形態によれば、電力系統１は、正常状況である時、電力保存装置１０００または負荷２に電力を供給する。また、電力系統１は、電力保存装置１０００から電力を供給されて伝達する。電力系統１が異常状況（非正常状況）である時、電力系統１から電力保存装置１０００または負荷２への電力供給が中断され、また電力保存装置１０００から電力系統１への電力供給も中断される。

負荷２は電力保存装置１０００から電力を供給されるか、電力系統１から常用電力を供給される。例えば、負荷２は、電力を供給されて消費する家、建物、工場などの施設でありうる。

発電システム３は、新エネルギーまたは再生利用可能エネルギーを電気エネルギーに変換して電力保存装置１０００に供給する。本発明の一実施形態によれば、前記発電システム３は、太陽光、水、地熱、河川水、生物有機体などを含んで再生可能なエネルギーを利用する新エネルギー及び再生可能エネルギー発電システムでありうる。例えば、発電システム３は、太陽熱及び太陽光熱などの太陽エネルギーを、太陽電池を通じて電気エネルギーに変換する太陽発電システムでありうる。それ以外にも、風力を電気エネルギーに変換する風力発電システム、地熱を電気エネルギーに変換する地熱発電システム、水力発電システム、海洋発電システムでありうる。また燃料電池を利用して電気エネルギーを生産するか、水素、石炭液化ガスまたは中等品質残油ガスを利用して電気エネルギーを生産する新エネルギー発電システムでありうる。

図１を参考にすれば、本発明による電力保存装置１０００は、発電システム３または電力系統１から供給された電力を保存し、保存された電力を電力系統１または負荷２に供給する。本発明の一実施形態による電力保存装置１０００は、電力変換部１０、ＤＣリンクキャパシタ２０、双方向インバータ３０、系統連係器４０、双方向コンバータ５０、ＢＭＳ６０、バッテリー１００及び統合制御器２００を備える。

電力変換部１０は、前記発電システム３と第１ノードＮ１との間に連結される。電力変換部１０は、発電システム３で生産された電力を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換する。電力変換部１０の動作は、発電システム３で発電する電力によって変化する。例えば、発電システム３がＡＣ電圧を発電する場合、電力変換部１０は、前記ＡＣ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換する。また発電システム３でＤＣ電圧を発電する場合、電力変換部１０は、前記ＤＣ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に昇圧または減圧する。

例えば、発電システム３が太陽発電システムである場合に、前記電力変換部１０は、太陽光熱による日射量の変化や太陽熱による温度の変化によって最大電力点を検出し、かつ電力を生産するＭＰＰＴコンバータ（Maximum Power Point Tracking converter）でありうる。それ以外にも、電力変換部１０として多様な種類のコンバータまたは整流器が使われうる。

双方向インバータ３０は、第１ノードＮ１と負荷または系統連係器が連結された第２ノードＮ２との間に連結される。双方向インバータ３０は、ＤＣ−ＡＣ反転またはＡＣ−ＤＣ反転を行う。

図２は、前記双方向インバータ３０の機能を示した説明図である。

図２を参照すれば、双方向インバータ３０は、発電システム３から電力変換部１０を経て出力されるＤＣ電圧、またはバッテリー１００から双方向コンバータ５０を経て出力されるＤＣ電圧を、負荷２または電力系統１に供給するためのＡＣ電圧に変換する。また電力系統１から出力されるＡＣ電圧をバッテリー１００に保存するために、ＤＣ電圧に整流する。本発明の一実施形態による双方向インバータ３０は、フルブリッジインバータと高周波除去のためのフィルタとで構成されうる。その他にも多様な形態の双方向インバータ３０が適用されうる。

双方向コンバータ５０は、ＢＭＳ６０と第１ノードＮ１との間に連結される。双方向コンバータ５０は、前記電力変換部１０または双方向インバータ３０から出力された第１ノードＮ１の電圧を、ＢＭＳを通じてバッテリーに伝達するための電圧でＤＣ−ＤＣコンバージョンする。また、バッテリー１００からＢＭＳ６０を通じて出力される電力を、第１ノードＮ１の電圧でＤＣ−ＤＣコンバージョンする。

図３は、前記双方向コンバータ５０の機能を示した説明図である。

図３を参照すれば、双方向コンバータ５０は、電力系統１から出力されて双方向インバータ３０により変換されたＤＣ電圧や、発電システム３から出力されて電力変換部１０を経たＤＣ電圧を変換してバッテリー１００に供給する。双方向コンバータ５０は、バッテリー１００からＢＭＳ６０を経て出力されたＤＣ電圧を昇圧または減圧して、負荷２または電力系統１に伝達する。例えば、第１ノードＮ１の電圧レベルが３８０Ｖであり、ＢＭＳ６０で要求される電圧レベルが１００Ｖである場合に、３８０ＶのＤＣ電圧を１００ＶのＤＣ電圧に減圧してバッテリー１００を充電し、１００ＶのＤＣ電圧を３８０ＶのＤＣ電圧に昇圧して負荷２または電力系統１に供給する。本発明の一実施形態による双方向コンバータ５０は、バックモード動作スイッチ、同期整流スイッチ及びフィルタの役割を行うインダクターを備えることができる。それ以外にも、多様な形態の双方向コンバータ５０が使われうる。

ＤＣリンクキャパシタ２０は、電力変換部１０または双方向インバータ３０と双方向コンバータ５０との間に連結される。ＤＣリンクキャパシタ２０は、第１ノードＮ１のＤＣ電圧レベルをＤＣリンク電圧レベルに安定化する役割を行う。例えば、発電システム３で生産される電力の急激な変化または電力系統１で発生する瞬時電圧降下によって、第１ノードＮ１の電圧レベルが不安定になりうる。しかし、第１ノードＮ１の電圧は、双方向インバータ３０及び双方向コンバータ５０の安定した動作のために一定に維持されねばならない。そこで、ＤＣリンクキャパシタ２０がこのような、つまり第１ノードＮ１の電圧レベルを安定化する役割を果たす。ＤＣリンクキャパシタ２０はスーパーキャパシタで具現され、２次電池のようなエネルギー保存装置を使用してもよい。

系統連係器４０は、電力系統１と双方向インバータ３０との間に連結される。系統連係器４０は、電力系統１に異常状況が発生した場合、統合制御器２００の制御下で電力保存装置１０００と電力系統１との連係を遮断する。系統連係器４０はスイッチング素子で具現され、接合型トランジスタ（Bipolar Junction Transistor：ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）などでありうる。

図示されていないが、双方向インバータ３０と負荷２との間にスイッチがさらに連結されうる。前記スイッチは、前記系統連係器４０と直列に連結され、統合制御器２００の制御下で負荷２に流れる電力を遮断する。前記スイッチは、ＢＪＴ、ＦＥＴなどで具現されうる。

ＢＭＳ６０は、バッテリー１００と双方向コンバータ５０との間に連結される。ＢＭＳ６０は、バッテリー１００の状態を最適に維持及び管理する。例えば、充電状態（State Of Charge；ＳＯＣ）、電池状態（State Of Health；ＳＯＨ）を反映したバッテリー１００の充放電制御を行える。また、バッテリー１００の温度を制御することによって、急激な温度上昇によりバッテリー１００が過熱される問題を防止できる。それ以外にも過電圧、過電流、過熱による保護回路が含まれている。

バッテリー１００は、ＢＭＳ６０を通じて双方向コンバータ５０と連結される。バッテリー１００は、発電システム３または電力系統１から電力が供給されて充電される。バッテリー１００は負荷２に電力を供給でき、電力系統１に電力を売電することもできる。

バッテリー１００は、図４に示すように、並列に連結されて個別的に充電及び放電可能な複数のバッテリーユニット１１０で構成される。バッテリー１００は、充電及び放電可能な２次電池であり、重大型電池でありうる。例えば、バッテリーはニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム−イオン電池、リチウムポリマー電池などでありうる。

バッテリー１００は、正常状況で統合制御器２００の制御下で、発電システム３または電力系統１から電力が供給されて充電される。電力系統に問題が発生した異常状況で、本発明の一実施形態によるバッテリー１００は、統合制御器２００の制御下で無停電電源供給（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）機能を実行し、充電された電力を負荷２に伝達すると同時に、発電システム３から生産された電力を保存する。本発明の一実施形態によれば、異常状況で統合制御器２００の制御下で、複数のバッテリーユニット１１０が独立して充電及び放電を行うように制御されうる。具体的に、一部のバッテリーユニット１１０が負荷２に電力を供給して放電すると同時に、一部のバッテリーユニット１１０は別個に発電システム３で生産された電力を保存することができる。したがって、異常状況が長く続いても、負荷２に継続的に十分の電力を供給できるという長所がある。

図４は、本発明によるバッテリー１００を示した説明図である。

図４を参照すれば、本発明の一実施形態によるバッテリー１００は並列に連結され、独立して充電及び放電を行える複数のバッテリーユニット１１０で構成され、それぞれのバッテリーユニット１１０は、充電パス１３０と連結された充電スイッチング素子１２１、及び放電パス１４０と連結された放電スイッチング素子１２２を備える。

複数のバッテリーユニット１１０は、正常状況で統合制御器２００の制御によって、充電パス１３０と連結されて発電システム３で発電された電力、及び電力系統１から供給された電力を保存する。異常状況で電力系統１との連係が切れる場合、統合制御器２００の制御によって複数のバッテリーユニット１１０のうち一部は充電パス１３０に連結されて、発電システム３から電力が供給されて充電される。また一部バッテリーユニット１１０は、放電パス１４０と連結されて負荷２に電力を供給する。

スイッチング部１２０を構成するスイッチング素子１２１、１２２は、スイッチ、ＢＪＴ、ＦＥＴなどを使用して具現できる。しかし、これに限定されず、スイッチング機能を行う電気素子を使用できる。スイッチング部１２０のスイッチング素子１２１又はスイッチング素子１２２は、統合制御器２００によって各バッテリーユニット１１０を充電パス１３０または放電パス１４０に連結する。

統合制御器２００は、前述した各構成モジュールを制御する。本発明によれば、統合制御器２００は正常状況または異常状況を感知し、異常状況で電力系統１と電力保存装置１０００との連係を遮断するように、系統連係器４０を制御する。また異常状況でも、発電システム３で発電された電力がバッテリー１００に保存されるように、バッテリー１００、ＢＭＳ６０、バッテリー１００の充電パスに関連する電力変換部１０、双方向コンバータ５０などを制御する。また異常状況で、バッテリー１００に保存された電力を負荷２に供給して無停電電源装置（ＵＰＳ；uninterrupted power supply）の機能を果たせるように、バッテリー１００、ＢＭＳ６０、バッテリー１００の放電パスに関連する双方向コンバータ５０、双方向インバータ３０などを制御する。本発明の一実施形態による異常状況で、バッテリー１００の充放電を制御する統合制御器２００の動作は、図面を参照して以下で詳細に説明する。

図５は、本発明の一実施形態による統合制御器２００を示したブロック図である。

図５を参照すれば、統合制御器２００は異常状況を感知し、電力系統１との連係を遮断する系統連係制御部２１０、複数のバッテリーユニット１１０の充放電状態によって、各バッテリーユニット１１０を充電パス１３０または放電パス１４０に連結するバッテリー監視部２２０及びスイッチング制御部２３０、バッテリーユニット１１０が充電パス１３０に連結された場合に充電パス１３０に関連する各構成要素を制御する充電制御部２４０、及びバッテリーユニット１１０が放電パス１４０に連結された場合に放電パス１４０に関連する各構成要素を制御する放電制御部２５０を備える。

系統連係制御部２１０は電力系統１の異常状況を感知し、系統連係器４０を制御して電力系統１と電力保存装置１０００との連係を遮断する。例えば、異常状況とは、停電、短絡、または地絡などによって電力系統１が非正常状態である場合である。系統連係制御部２１０は、電力系統１の電圧、電流、温度、ＡＣ位相などを感知して電力系統１が異常状況であるか、または正常状況であるかを感知し、異常状況である場合に電力系統１をターンオフする。

バッテリー監視部２２０は、異常状況で複数のバッテリーユニット１１０の充放電状態を監視して、充電パス１３０または放電パス１４０のうち何れか一にバッテリーユニット１１０を連結するかを決定する。しかし、これに限定されず、バッテリー監視部２２０は、ＢＭＳ６０を通じてバッテリーユニット１１０の充放電状態をはじめとして、残余電力量、電圧、電流などを監視することもできる。

バッテリー監視部２２０は、それぞれのバッテリーユニット１１０の充放電状態を監視する。バッテリー監視部２２０は、異常状況で充電不足状態であるバッテリーユニット１１０を充電パス１３０に連結するように決定する。また、充電完了状態のバッテリーユニット１１０を放電パス１４０に連結するように決定する。ここで充電完了状態とは、バッテリーユニット１１０の残余電力量が基準レベルを超過する状態を意味し、充電不足状態とは、バッテリーユニット１１０の残余電力量が基準レベルに達していない場合を意味する。しかし、これに限定されず、充電完了状態とは、バッテリーユニット１１０が満充電状態または一定時間の間に負荷２に安定した電力を供給できる状態を意味するようにしてもよい。また充電不足状態とは、バッテリーユニット１１０が充電下限値に到達した状態、または一定時間の間に負荷２に安定した電力を供給できない状態を意味するようにしてもよい。

スイッチング制御部２３０は、前記バッテリー監視部２２０の決定によって各バッテリーユニット１１０に連結されたスイッチング素子１２０を、充電パス１３０または放電パス１４０に連結するように制御する。

充電制御部２４０は、発電システム３が発電した電力をバッテリー１００に充電する充電パス１３０に関与するあらゆる構成要素を制御する。具体的に、充電制御部２４０は、電力変換部１０を制御して、発電システム３が発電した電力を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換させる。また双方向コンバータ５０を制御して第１ノードＮ１のＤＣ電圧をＤＣ−ＤＣ変換して、ＢＭＳ６０で要求される電圧に変換させる。またＢＭＳ６０を制御して、バッテリーの温度、電流、電圧などの状態によって充電を管理するように制御する。

放電制御部２５０は、バッテリー１００に保存された電力を負荷２に供給する放電パス１４０に関与する構成要素を制御する。具体的に放電制御部２５０はＢＭＳ６０を制御して、バッテリー１００の温度、電流、電圧などの状態によって放電を管理するように制御する。また、放電制御部２５０は、双方向コンバータ５０を制御して、バッテリー１００から出力されてＢＭＳ６０を経て双方向コンバータ５０に入力されるＤＣ電圧を、第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換させる。また双方向インバータ３０を制御して、第１ノードＮ１のＤＣ電圧をＡＣ電圧にインバージョンして負荷２に供給させる。

以下、図６及び図７を参照して、前記統合制御器２００の動作を詳細に説明する。

図６は、本発明の一実施形態による図１の電力保存装置１０００の動作方法を示した説明図である。

図６では、説明の便宜のために５個のバッテリーユニット１１０で構成されたバッテリー１００を例として挙げる。しかし、バッテリーユニット１１０の数及び構成はこれに限定されない。

正常状況で、バッテリー１００は発電システム３または電力系統１から電力が供給されて充電する（Ｓ６０１）。この時、各バッテリーユニット１１０のうち一部は充電完了状態であり、残りの一部のバッテリーユニット１１０は充電不足状態でありうる。充電完了状態または充電不足状態は、バッテリー１００の種類、容量、負荷の種類に依存して決定される値でもあり、各バッテリーユニット１１０同士の充放電状態によって相対的に定められる値でもありうる。

次いで、Ｓ６０２で電力系統１に異常状況が発生した場合、統合制御器２００は、電力系統１と電力保存装置１０００との連係を遮断するように制御する。またバッテリー１００に保存された電力を負荷２に供給するか、場合によっては発電システム３で発電された電力を負荷２に供給可能にすることで、電力保存装置１０００がＵＰＳの役割を行えるように制御することもできる。

異常状況が始まれば、統合制御器２００は、バッテリーユニット１１０及び発電システム３の状態を監視する。例えば、バッテリーユニット１及びバッテリーユニット２は充電完了状態であり、バッテリーユニット３ないしバッテリーユニット５は充電不足状態であると仮定する。統合制御器２００は、バッテリーユニット１及びバッテリーユニット２をスイッチ部１２０の各スイッチ素子１２２を介して放電パス１４０に連結して負荷２に電力を供給する。他方、統合制御器２００は、バッテリーユニット３ないしバッテリーユニット５をスイッチ部１２０の各スイッチ素子１２１を介して充電パス１３０に連結して、発電システム３からの電力を該当のバッテリーユニット３ないし５に供給させて、各バッテリユニットが充電されるように制御する（Ｓ６０３）。

異常状況が続く間に、統合制御器２００はバッテリー１００と発電システム３とを周期的に監視する。バッテリーユニット１またはバッテリーユニット２が充電不足状態になれば、統合制御器２００はバッテリーユニット１またはバッテリーユニット２を前記スイッチ部１２０の各スイッチ素子１２１を介して充電パス１３０に連結して、各バッテリユニット１または２が発電システム３からの電力を受け取り、充電されるように制御する。またバッテリーユニット３ないしバッテリーユニット５のうちいずれか一つ以上のバッテリーユニットが充電完了状態になれば、統合制御器２００は、充電完了したバッテリーユニットを前記スイッチ部１２０の各スイッチ素子１２２を介して放電パス１４０に連結して、各バッテリユニットから負荷２に電力を供給させる（Ｓ６０４）。

図６で例示した過程は一実施形態に過ぎず、図６で説明した処理に限定されず、多様な場合が発生しうる。例えば、５個のバッテリーユニットがいずれも満充電された状態で異常状況が発生した場合を仮定する。この時、バッテリー監視部はバッテリーユニットの充電状態を感知し、スイッチング制御部は５個のバッテリーユニットをいずれも放電パスに連結できる。

図７は、本発明の一実施形態による電力保存装置１０００の動作方法を示したフローチャートである。

図７を参照すれば、配電線のメンテナンス、短絡事故、地絡事故、停電が発生して電力系統１が非正常状態である異常状況が発生した場合（Ｓ７０１）、電力保存装置１０００は、統合制御器２００でこれを感知して、系統連係器４０を制御して、電力保存装置１０００と電力系統１との連係を遮断する（Ｓ７０２）。

次いで、電力保存装置１０００の統合制御器２００は、複数のバッテリーユニット１１０それぞれの充放電状態を監視する（Ｓ７０３）。

次いで、電力保存装置１００の統合制御器２００は、複数のバッテリーユニット１１０が充電完了状態であるか、または充電不足状態であるかを判断する（Ｓ７０４）。複数のバッテリーユニット１１０が充電完了状態であると判断すると、統合制御器２００は、それら充電完了状態のバッテリーユニット１１０を前記スイッチ部１２０の各スイッチ素子１２２を介して放電パス１４０に連結して負荷２に電力を供給させる（Ｓ７０５）。これに対して、複数のバッテリーユニット１１０が充電不足状態であると判断すると、統合制御器２００は、それら充電不足状態のバッテリーユニット１１０を前記スイッチ部１２０の各スイッチ素子１２１を介して充電パス１３０に連結して、発電システム３にて発電された電力を該当のバッテリーユニット１１０に受け取らせて充電させる（Ｓ７０６）。

異常状況が続く場合、図６で説明したように、バッテリーユニットの充放電状態をリアルタイムで監視して、各バッテリーユニットの充電及び放電状態を個別的に制御できる。

以上、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、当業者ならば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させうることを理解できるであろう。

前述した実施形態以外の多くの実施形態が本発明の特許請求の範囲内に存在する。

本発明は、電力保存システム関連の技術分野に好適に用いられる。

１０００電力保存装置
１電力系統
２負荷
３発電システム
１０電力変換部
３０双方向インバータ
４０系統連係器
５０双方向コンバータ
１００バッテリー
２００統合制御器

Claims

発電システムと第１ノードとの間に連結されて、発電システムで発電される電力を第１ノードの電圧に変換する電力変換部と、
バッテリー管理システムと前記第１ノードとの間に連結されて、双方向インバータを通じて出力される電力系統からの電力、及び前記電力変換部から出力される前記発電システムからの電力をＤＣ−ＤＣ変換してバッテリーに伝達し、バッテリー管理システムを通じて出力される前記バッテリーからの電力をＤＣ−ＤＣ変換して、負荷または前記電力系統に伝達する双方向コンバータと、
前記第１ノードと第２ノードとの間に連結されて、前記第１ノードを通じて入力された電圧をＤＣ−ＡＣ反転して、負荷または電力系統に伝達し、前記電力系統からの電力をＡＣ−ＤＣ反転して、第１ノードに出力する双方向インバータと、
前記電力系統と前記双方向インバータとを連係する系統連係器と、
前記発電システムから電力を充電し、前記負荷に電力を供給するバッテリーと、
異常状況で前記系統連係器を制御して前記電力系統と電力保存装置との連係を遮断し、前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及び前記バッテリーを制御する統合制御器と、を備え、
前記統合制御器は、前記異常状況で前記バッテリーの充放電状態を監視し、前記バッテリーが前記負荷に電力を供給すると同時に、前記発電システムから電力を充電するように制御する電力保存装置。
前記バッテリーは、
並列に連結されて個別的に充電及び放電可能な複数のバッテリーユニットと、
それぞれの前記バッテリーユニットと充電パスまたは放電パスとを連結する複数のスイッチング素子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力保存装置。
前記異常状況で、
前記バッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムから電力が供給されて充電され、
前記バッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記負荷に電力を供給して放電することを特徴とする請求項２に記載の電力保存装置。
前記統合制御器は、
前記異常状況を感知し、前記系統連係器を制御して前記電力系統と前記電力保存装置との連係を遮断する系統連係制御部と、
前記異常状況で前記バッテリーユニットの充放電状態を監視し、前記充放電状態によって前記バッテリーユニットを前記充電パスまたは前記放電パスに連結するかどうかを決定するバッテリー監視部と、
前記バッテリー監視部の決定によって前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の電力保存装置。
前記バッテリー監視部は、
前記バッテリーユニットが充電完了状態である場合、前記バッテリーユニットを前記放電パスに連結するように決定し、
前記バッテリーユニットが充電不足状態である場合、前記バッテリーユニットを前記充電パスに連結するように決定することを特徴とする請求項４に記載の電力保存装置。
前記統合制御器は、
前記異常状況で前記バッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムで発電された電力を前記バッテリーユニットに充電するように前記電力変換部及び前記双方向コンバータを制御する充電制御部と、
前記異常状況で前記バッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記バッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するように、前記双方向コンバータ、及び前記双方向インバータを制御する放電制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の電力保存装置。
前記発電システムは、太陽発電システム、風力発電システム、地熱発電システム、水力発電システムまたは海洋発電システムなどの新エネルギー発電システムであるか、
または、燃料電池、水素、石炭液化ガスまたは中等品質残油ガスを利用した再生可能エネルギー発電システムであることを特徴とする請求項１に記載の電力保存装置。
前記第１ノードと前記双方向インバータとの間に連結され、前記第１ノードの電圧を安定化するＤＣリンクキャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力保存装置。
前記バッテリーと前記双方向コンバータとの間に連結され、前記バッテリーの状態を管理するバッテリー管理システムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力保存装置。
電力を伝達する電力系統と、
新エネルギーまたは再生可能エネルギーから電気エネルギーを発電する発電システムと、
前記電力系統、前記発電システムまたは電力保存装置から電力を伝達されて消費する負荷と、
電力保存装置と、を備え、
前記電力保存装置は、
発電システムで発電される電力を第１ノードの電圧に変換する電力変換部と、
双方向インバータを通じて出力される前記電力系統からの電力、及び前記電力変換部から出力される前記発電システムからの電力を、ＤＣ−ＤＣ変換してバッテリーに伝達し、バッテリー管理システムを通じて出力される前記バッテリーからの電力をＤＣ−ＤＣ変換して、負荷または前記電力系統に伝達する双方向コンバータと、
前記電力変換部または前記双方向コンバータから出力された電力をＤＣ−ＡＣ反転して、前記負荷または前記電力系統に伝達し、前記電力系統からの電力をＡＣ−ＤＣ反転して出力する双方向インバータと、
前記電力系統と前記双方向インバータとを連係する系統連係器と、
前記発電システムから電力を充電し、前記負荷に電力を供給するバッテリーと、
異常状況で前記系統連係器を制御して前記電力系統と電力保存装置との連係を遮断し、前記異常状況で前記バッテリーの充放電状態を監視し、前記バッテリーが前記負荷に電力を供給すると同時に前記発電システムから電力を充電するように、前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及び前記バッテリーを制御する統合制御器と、を備えることを特徴とする電力保存システム。
前記バッテリーは、
並列に連結されて個別的に充電及び放電可能な複数のバッテリーユニットと、
それぞれの前記バッテリーユニットと充電パスまたは放電パスとを連結する複数のスイッチング素子と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の電力保存システム。
前記統合制御器は、
前記異常状況で前記バッテリーユニットの充放電状態を監視し、前記バッテリーユニットが充電完了状態である場合、前記バッテリーユニットを前記放電パスに連結するように決定し、前記バッテリーユニットが充電不足状態である場合、前記バッテリーユニットを前記充電パスに連結するように決定するバッテリー監視部と、
前記バッテリー監視部の決定によって前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の電力保存システム。
前記バッテリーユニットが前記充電パスに連結された場合、前記発電システムで発電された電力を前記バッテリーユニットに充電するように、前記電力変換部、前記双方向コンバータを制御する充電制御部と、
前記バッテリーユニットが前記放電パスに連結された場合、前記バッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するように、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータを制御する放電制御部と、を備えることを特徴とする請求項１２に記載の電力保存システム。
電力変換部と；双方向コンバータと；双方向インバータと；系統連係器と；複数のバッテリーユニットを備えるバッテリーと；及び前記電力変換部、前記双方向コンバータ、前記双方向インバータ、前記系統連係器及びバッテリーを制御する統合制御器と；を備える電力保存装置の動作方法において、
異常状況で前記電力保存装置と前記電力系統との連係を遮断するステップと、
前記複数のバッテリーユニットの充放電状態によって、前記複数のバッテリーユニットの充電または放電を行うステップと、
前記複数のバッテリーユニットの充放電状態によって、一部バッテリーユニットは放電されて負荷に電力を供給し、同時に他の一部バッテリーユニットは前記発電システムで発電した電力を充電するステップと、を含むことを特徴とする電力保存装置の動作方法。
前記複数のバッテリーユニットの充放電状態によって、前記複数のバッテリーユニットの充電または放電を行うステップは、
前記複数のバッテリーユニットの充放電状態を監視するステップと、
前記監視するステップの監視結果に応じて、充電完了状態のバッテリーユニットを放電パスに連結して、前記バッテリーユニットに保存された電力を前記負荷に供給するステップと、
前記監視するステップの監視結果に応じて、充電不足状態のバッテリーユニットを充電パスに連結して、前記発電システムからの発電された電力を前記バッテリーユニットに充電するステップと、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の電力保存装置の動作方法。