ESS - PCS

2024.08.05 - [배터리/지식] - ESS 배터리

ESS 배터리

 

이전 글에서 ESS에 대해 다루었다.

 

ESS의 구성은 크게 PCS와 EMS로 나뉜다.

 

이 중 PCS에 대해서 상세히 알아보고자 한다.

 

필자가 PCS 설계 직군에 지원해보고자 공부하는 글이니 PCS에 대한 간략한 이해 정도만 해도 좋을 것 같다.

 

해당 내용은 

 

"A Review of Power Conversion Systems and Design Schemes of High-Capacity Battery Energy Storage Systems"

Mingyi Liu, Xi Cao,  Chuanzhao Cao, Pengcheng Wang, Chengrui Wang, Jie Pei, Haodong Lei, Xinyu Jiang, Rui Li, Jianlin Li

 

논문에서 발췌한 내용이다.

 

 

1. PCS

 

PCS Schemes

 

배터리 사용용량이 점차 증가하면서 대용량 ESS의 효율적 관리가 중요해졌다.

 

특히 Circulation Current 최소화와 Efficiency 및 Loss에 대한 대비책이 ESS의 효율성을 향상시키는 중요 Factor이다.

 

PCS는 크게 2분류로 나뉜다.

 

- Centralized

- Distributed

 

각 PCS 방식은 장단점이 명확히 존재하며 고용량 ESS에 적용가능한 PCS 방식에 대한 연구가 지속되고 있다.

 

1) Centralized PCS

 

Centralized PCS는 단일 PCS가 여러 배터리 Cluster를 에너지 변환을 진행하게 된다.

 

시스템의 관리가 단순하기에 설계부분에서 유리하고 공간활용과 비용적인 장점이 있다.

 

유지보수 측면에서 인력 감소를 통한 인건비 절감이 장점이라고 할 수 있다.

 

하지만 단일 PCS인 만큼 고장나면 시스템 전체에 영향이 가게 된다.

 

병렬 연결된 BESS의 경우 전압 차이에 의해 불필요한 Circulation Current가 발생하여 배터리 수명저하를 발생시킨다.

 

 

2) Distributed PCS

 

각 배터리 모듈이 독립적으로 관리되는 Distributed PCS는 단일 PCS문제 시 Chain reaction이 없기에 안전성이 높다.

 

필요한만큼 PCS를 탑재하기 때문에 Step by Step으로 용량 확장이 가능하여 적은 Cost로 Customizing이 용이하다.

 

그만큼 초기 탑재 비용이 높으며 설계가 복잡하다.

 

필요한 만큼의 PCS를 적용시켜야 하다보니 대용량 ESS에 적용시키기에는 조금 부적절하다.

 

Distributed는 1 stage와 2 stages Model이 존재한다.

 

1 stage는 왼쪽 그림과 같이 DC/AC 단일 변환기가 존재하여 각 배터리 모듈에 직접적으로 연결되어 있다.

 

2 stages model은 각 배터리 모듈이 1 stage와 다르게 DC/DC로 연결되어 있어 배터리 전압을 조절한다.

 

그 후 Common DC Bus를 이용하여 개별 배터리 모듈 전력이 모여 DC/AC 변환기로 전달된다.

 

둘의 차이는 최적화된 전압과 전력을 그리드에 전달하는 것에 있다.

 

개별 배터리 모듈에서 전달되어 AC로 변환된 전류의 경우 전압의 불균형으로 인한 Circulating Current가 발생할 수 있다.

 

 

2. PCS 제어

 

PCS의 제어 방법은 주로 Inverter의 동작을 제어에 대한 방법론이다.

 

최종적으로 그리드를 통해 에너지를 흡수 및 방출에 대한 여러 방법론이며 총 5가지의 방식이 존재한다.

 

각 방식과 제어 방법을 간략하게 살펴보자.

 

 

1) Vector Control, PI Control

 

- Vector Control: 3상 전류를 제어하는 고성능 제어 방법으로, PI 제어기를 사용하여 전압과 주파수를 조정한다.

 

- d-q 축 변환: 고정된 주파수의 3상 전류를 회전 좌표계로 변환하여 제어하며, 토크와 자속을 독립적으로 제어한다.

 

 

2) Propotional Resonant Control

 

- PR 제어: 비례 제어 + 공진 제어로, 주파수 응답에서 특정 주파수를 선택적으로 증폭하여 오차를 최소화한다.

 

- 공진 제어: 주파수의 선택적 제어가 가능하다.

 

 

3) Predictive Control

 

- 예측 제어:  미래의 동작을 예측하여 현재의 제어 신호를 결정하는 방법으로, 예측 모델에 기반하여 제어한다.

 

- 모델 기반 제어: 시스템의 동작을 수학적 모델을 사용하여 예측하고 최적화한다.

 

 

4) Direct Power Control

 

- 직접 전력 제어: 전류와 전압의 위상각을 조정하여 인버터의 출력 전력과 전압을 직접 제어한다.

 

-전력 벡터 제어: 전력의 크기와 방향을 제어하여 전력 흐름을 조절한다.

 

 

5) Repetitive Control

 

- 반복 제어: 주기적인 신호 및 위험 요인을 추적하여 제어하는 방식으로 반복적인 신호의 오차를 최소화한다.

 

- 주기적 신호 추적: 반복적으로 발생하는 오차를 학습하여 최적화 하는 메커니즘이다.

 

 

기계 공학 전공 중 자동 제어 쪽과 관련된 제어 방법론인 것 같아 이런 것이 있다 정도만 알아 두면 좋을 것 같다.

 

 

이번 글에서는 PCS가 무엇인지, 종류와 방식에 대해서 간략히 알아보았다.

 

PCS 구조는 이런 Centralized 혹은 Distributed 방식이 있다로 이해하면 될 것 같다.

 

내용이 조금 어렵기에 필자도 공부를 좀 해봐야 할 분야인 것 같다..

 

 

감사합니다 :)