[논문]비상전원 기능을 갖는 3kW급 하이브리드 ESS 개발

양석현; 김민재; 최세완; 조준석

doi:10.6113/tkpe.2015.20.1.11

비상전원 기능을 갖는 3kW급 하이브리드 ESS 개발
Development of 3kW Hybrid ESS with Function of Emergency Power Supply 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.1, 2015년, pp.11 - 18

양석현 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 김민재 (Dept. of New Energy Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 조준석 (EESYS Co. Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a high-efficiency 3-kW hybrid ESS with emergency power supply. The proposed system enables efficient use of power from photovoltaic (PV) cells and energy storage system (ESS). The proposed system can operate as an uninterruptible power supply (UPS) when grid fault occurs, providing seamless transfer from grid-connected mode to stand-alone mode. The LLC converter for PV achieves ZVS turn-on of switches and ZCS turn-off of diodes, and the isolated bidirectional DC-DC converter for ESS achieves ZCS turn-off regardless of load condition, resulting in high efficiency. The efficiency and performance of the proposed hybrid ESS has been verified by a 3-kW prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3kW급 하이브리드 ESS를 제안하였다. PV+ESS 하이브리드 시스템에 하드웨어의 추가나 교체없이 UPS기능을 더한 제품이다.
본 논문에서는 PV+ESS 하이브리드 시스템에 UPS 기능을 더한 3kW급 하이브리드 ESS를 제안한다. 제안한 UPS기능은 하드웨어의 추가나 교체 없이 무순단 절체 알고리즘을 통하여 계통사고가 발생하더라도 부하에 끊김이 없는 전력 공급이 가능하다.

제안 방법

제안하는 시스템은 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다. 3kW급 시작품의 실험을 통하여 성능 검증을 실시하였다.
. LLC 공진형 컨버터는 특성곡선의 전압범위, ZVS 조건, 스위칭 손실 및 동작범위를 고려하여 설계하였고 전압 이득곡선은 그림 5와 같다.
계통사고가 발생하였을 경우 단독운전 방지 알고리즘을 통해 계통사고를 감지한다. 그리고 계통연계 모드에서 독립운전 모드로 전환 하여 부하전압 제어를 수행한다. 그림 10(a)는 무순단 절체 알고리즘을 적용하지 않았을 때의 시뮬레이션 파형이다.
제안하는 하이브리드 ESS는 4가지 운전모드(심야 배터리 충전, 배터리 방전, 주간 태양광 발전+배터리 충전, 비상발전)와 기능을 갖는다. 또한 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다. 그 결과로 태양광 LLC 컨버터와 AC-DC 컨버터 연계 했을 경우 정격에서 95.
그림 15(b)는 입력전력을 변동하더라도 최대전력점을 추종하는 것을 확인 할 수 있다. 본 논문의 모든 효율은 전력 분석기(YOKOGAWA WT3000)를 이용하여 측정하였다. 그림 16은 절연형 양방향 컨버터의 스위치 전압 및 전류 실험파형이다.
5)와 스위칭 주파수를 고정하며 비절연부 컨버터의 듀티로 출력을 제어한다. 비절연부는 하프브리지 양방향 컨버터를 사용하였으며 절연부는 직렬 공진형 컨버터(SRC)를 사용하였다. SRC는 공진주파수와 스위칭 주파수가 같은 지점에서 사용하여 양방향 동작 모두 전 부하영역에서 ZCS 턴온 및 턴오프가 가능하여 스위치의 스위칭 손실이 거의 없다.
이를 해결하기 위해서는 고주파 절연형 DC-DC 컨버터 또는 선주파수 변압기를 사용해야한다^[10]. 제안하는 시스템에서는 부피와 효율을 고려하여 그림 3과 같이 LLC 공진형 컨버터를 선정하였다. LLC 공진형 컨버터는 전 부하범위에서 소프트 스위칭이 가능하여 높은 전력밀도를 성취할 수 있으며 회로 구성이 간단한 장점이 있다^[11].
제안한 UPS기능은 하드웨어의 추가나 교체 없이 무순단 절체 알고리즘을 통하여 계통사고가 발생하더라도 부하에 끊김이 없는 전력 공급이 가능하다. 제안하는 시스템은 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다. 3kW급 시작품의 실험을 통하여 성능 검증을 실시하였다.
PV+ESS 하이브리드 시스템에 하드웨어의 추가나 교체없이 UPS기능을 더한 제품이다. 제안하는 하이브리드 ESS는 4가지 운전모드(심야 배터리 충전, 배터리 방전, 주간 태양광 발전+배터리 충전, 비상발전)와 기능을 갖는다. 또한 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다.
제안하는 하이브리드 ESS의 성능을 검증하기 위해 표 1의 사양으로 시작품을 제작하여 실험을 하였다. 그림 11은 제안하는 하이브리드 ESS의 시작품 사진이다.

대상 데이터

그림 1과 같이 제안하는 하이브리드 ESS는 Li-Ion 배터리 충·방전용 절연형 양방향 컨버터, 태양광 LLC 컨버터, AC-DC 컨버터로 구성되어 있다.
DAB는 보조회로 없이 ZVS범위가 제한되며 입출력 전압범위가 넓을수록 순환전류가 큰 단점이 있다. 제안하는 시스템에서는 전 부하영역에서 소프트 스위칭이 가능한 공진형 양방향 DC-DC 컨버터를 선정하였다^[13]. 그림 6과 같이 공진형 양방향 DC-DC 컨버터는 2단 구성으로 절연부 컨버터의 듀티(D=0.

성능/효과

또한 계통사고가 발생 하더라도 무순단 절체 알고리즘을 통하여 비상 부하에 끊김없는 전력 공급이 가능하게 하였다. 3kW급 시작품을 통한 실험 결과로 본 논문의 타당성을 입증하였다.
또한 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다. 그 결과로 태양광 LLC 컨버터와 AC-DC 컨버터 연계 했을 경우 정격에서 95.6%의 효율을 달성하였고 정격 운전 상황(162V_Bat)에서 ESS용 절연형 양방향 컨버터와 AC-DC 컨버터 연계 시 충전 및 방전 시 각각 94.6%, 94.1%의 효율을 달성하였다. 또한 계통사고가 발생 하더라도 무순단 절체 알고리즘을 통하여 비상 부하에 끊김없는 전력 공급이 가능하게 하였다.
본 논문에서는 PV+ESS 하이브리드 시스템에 UPS 기능을 더한 3kW급 하이브리드 ESS를 제안한다. 제안한 UPS기능은 하드웨어의 추가나 교체 없이 무순단 절체 알고리즘을 통하여 계통사고가 발생하더라도 부하에 끊김이 없는 전력 공급이 가능하다. 제안하는 시스템은 PV 컨버터로 LLC 컨버터를 사용하여 전 부하에서 ZVS 턴온과 ZCS 턴오프를 실현하고 ESS용 컨버터로 전부하에서 ZCS 턴오프를 성취하는 절연형 양방향 컨버터를 사용하여 고효율을 달성하였다.

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