최근 에너지저장시스템, 신재생에너지 및 분산전원 시스템에 적용되는 전력변환장치의 경우 전력품질 및 부하에 따른 응답성 등의 향상을 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 분산전원을 이용한 발전시스템은 불규칙한 발전 및 전력수요에 효율적으로 대응하기 위해서 에너지저장시스템의 필요성이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 그 결과 에너지저장시스템에서는 에너지밀도가 높고 효율이 좋은 리튬이온 배터리가 주목을 받고 있다. 이러한 특징으로 인해 다양한 용량에 대한 대응이 용이하고 친환경 특성이 있어 가정 및 산업용으로 보급이 확대되고 있다[1]. 하지만, 단위 용량당 가격이 높고 폭발 위험 등이 존재하며, 출력단의 부하 급변 시 리튬이온 배터리의 느린 응답성으로 인해 에너지저장시스템을 통한 전력품질 제어 시 문제를 야기할 수 있다.

에너지저장장치의 응답성에 따른 실제 전력과 지령 전력의 오차로 인한 전력 및 전류 제어기의 동작 특성 저하와 더불어 출력 안정화에 영향을 줄 수 있다. 또한, 본 연구의 에너지저장시스템은 병렬로 구성된 슈퍼커패시터를 가지고 있고 이의 초기 동작 시 과도한 돌입전류로 인해 스위칭 소자 소손 및 과전류 현상이 발생할 수 있다. 이러한 출력 안정화 및 돌입 전류 제한을 위해 저역통과필터를 갖는 전력 제어기를 구성하고 실제 전력과 지령 전력과의 오차에 기반한 제어기를 설계하여 리튬이온 배터리의 응답성을 개선함과 동시에 실제 전력과 지령 전력의 전력 차를 슈퍼커패시터의 충/방전 동작에 의해 감소시킬 수 있다[2][3].

Figure 1은 리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터를 갖는 하이브리드 에너지저장시스템을 보여주고 있다[4]. 에너지저장장치는 양방향전력변환장치와 리튬이온 배터리 및 슈퍼커패시터로 구성되어 있고, 개별 에너지저장장치의 출력은 직류단을 기준으로 병렬 연결되어 있다. 이를 통해서 리튬이온 배터리와 출력측 전력의 안정적인 협조 운전을 위해 슈퍼커패시터의 전력을 충/방전 제어함으로써 전체적인 에너지저장시스템의 성능을 개선할 수 있다.

Figure 1: 
Schematic of HESS half-bridge converter

본 논문에서는 리튬이온 배터리와 슈퍼커패시터의 협조 운전을 위해 출력측 전력을 측정 비교하여 제어할 수 있는 전력 제어기를 구성하고 이의 출력측 전류 지령에 저역통과필터를 적용하여 슈퍼커패시터의 전류 제어 특성을 개선하는 기법을 제안하고자 한다.

본 논문에서 제안한 HESS 하프 브리지 컨버터의 출력 특성 개선을 위한 알고리즘을 검증하기 위해 Figure 9와 같이 시스템을 구성하여 실험을 수행하였으며, 기본구성 및 시스템 파라미터는 표 1에 기술하였다. 전력 제어 시 부하변동에 대한 전력 불안정 현상을 살펴보기 위하여 200[W] 및 300[W] 전력을 인가하여 실험을 수행하였다.

Figure 9: 
Experimental setup of HESS

Figure 10은 부하변동에 따른 전력변동 실험에 대한 결과로 200[W] 및 300[W] 지령에 대한 부하변동 결과이다. 전력 제어를 수행하고 있는 동안 부하를 변동하였을 경우, 그림 10에서 볼 수 있듯이 실제 전력이 지령 전력을 바로 추종하지 않고 일정한 전력 오차를 가지고 있음을 알 수 있다. 이러한 실험을 총 3회 반복하여 실제 전력이 지령 전력을 추종하는데 걸리는 시간을 정리하면 Table 2와 같이 나타낼 수 있다. Table 2에서 알 수 있듯이 200[W] 지령 전력의 경우, 0.846[s] 이고 300[W] 지령 전력에서는 0.646[s]의 평균 지연 시간이 나타나는 것을 확인하였다.

Figure 10: 
Output instability of power control of load variation(200[W], 300[W])

Figure 11은 200[W] 지령 전력 조건에서 부하변동에 의한 직류단 전압과 직류단 전류를 보여주고 있다. 부하 변동시 지령 전력을 추종하기 위해서 직류단 전압과 전류가 변동됨을 확인할 수 있고 추종 시간이 약 0.9[s] 동안 나타낸다.

Figure 11: 
Waveform of output instability of power control(200[W])

따라서 이를 저감하기 위해 제안된 알고리즘을 적용한 결과, Figure 12와 같이 출력단의 부하 변동에 따른 전력 오차를 추종하는 시간을 감소시킬 수 있다.

Figure 12: 
Power control after using proposed algorithm(200[W])

Figure 13과 Figure 14는 제안한 각각 알고리즘의 적용 전후에 대한 지령 전력 300[W] 기준 시 부하변동 실험으로 출력단 부하의 전력, 전압 및 전류파형을 나타낸다. 그림 13으로부터 부하변동에 의해 출력단의 전력이 최대 약 400[W] 변동하였고 이후 지령 전력에 도달하는 시간은 약 0.84[s] 동안 나타났다.

Figure 13: 
Output instability of power control(300[W] )

Figure 14: 
Power control after using proposed algorithm(300[W])

이러한 부하변동의 영향을 저감하기 위해서 제안된 알고리즘을 사용한 결과, 출력단의 부하변동에 따른 지령 전력과 실제 전력의 오차가 감소하는 것을 Figure 14의 실험을 통해 확인할 수 있다.

본 논문에서는 BESS 하프 브리지 컨버터의 리튬이온 배터리로 구성된 에너지저장시스템의 부하변동에 따른 출력특성 개선을 위해 하프 브리지 컨버터를 갖는 슈퍼커패시터 에너지저장장치를 병렬로 구성하여 출력 전력을 안정화하는 알고리즘을 제안하였다. 슈퍼커패시터 대비 리튬이온 배터리의 부하 변동에 따른 느린 응답성은 순시적인 부하의 변동에 전력을 제어함에 있어 제한적인 특징을 가지고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 슈퍼커패시터를 이용한 하이브리드 에너지저장시스템이 적용하여 전체 시스템의 응답성을 향상시키고자 한다. 하지만 슈퍼커패시터 충/방전 동작 시 돌입전류에 대한 문제로 인하여 슈퍼커패시터 용량에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 저역통과필터를 적용한 슈퍼커패시터 기반의 HESS 출력특성 개선에 관한 알고리즘을 제안하였다. 리튬이온 배터리의 응답성에 따른 전력 오차를 보상하기 위한 슈퍼커패시터의 충/방전제어를 발생하는 돌입전류를 저감하여 출력특성 개선할 수 있다. 또한, 부하변동 시 발생하는 입/출력 전력 오차에 대하여 슈퍼커패시터의 충/방전 동작을 통해 출력단의 전압을 안정적으로 제어할 수 있다.