KR101042746B1 - 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터 - Google Patents

신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 스위치의 개수 및 제어 신호의 개수를 감소시켜, 코스트를 저감하고 회로를 간소화시키는데 있다.
이를 위해 본 발명은 DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 전력 계통의 전원을 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서, PWM 신호를 제공하는 PWM 신호 제공부, PWM 신호 제공부 및 DC 링크에 연결된 푸시 풀 인버터, 푸시 풀 인버터와 전력 계통에 연결된 오프셋 전압 제공부로 이루어진 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 개시한다.
이와 같이 하여, 푸시 풀 인버터는 DC 링크의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하거나, 또는 전력 계통의 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다.

Description

신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터{BIDIRECTIONAL INVERTER OF NEW AND RENEWABLE ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지나 풍력 발전기와 같은 신재생 에너지 저장 시스템은 발전된 에너지를 다양한 레벨의 교류 전원 또는 직류 전원으로 변환하기 위해 다수의 컨버터 및 인버터를 갖는다. 즉, 태양 전지로부터 발전된 전원은 직류이므로, 이를 교류의 전력 계통에 공급하기 위해서는, 직류-교류 인버터가 필요하다. 또한, 태양 전지로부터 발전된 전원은 배터리의 전원 레벨과 다르므로, 이를 배터리에 제공하기 위해서는, 직류-직류 컨버터가 필요하다.
본 발명은 스위치의 개수 및 제어 신호의 개수를 감소시킨 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 제공한다.
본 발명은 DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통 의 전원을 상기 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서, PWM 신호를 제공하는 PWM 신호 제공부; 상기 PWM 신호 제공부 및 상기 DC 링크에 연결된 푸시 풀 인버터; 및, 상기 푸시 풀 인버터와 상기 전력 계통에 연결된 오프셋 전압 제공부를 포함한다.
상기 푸시 풀 인버터는 상기 DC 링크의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 오프셋 전압 제공부에 제공할 수 있다.
상기 PWM 신호 제공부는 상기 전력 계통의 위상과 같은 위상의 PWM 신호를 제공할 수 있다.
상기 푸시 풀 인버터는 상기 오프셋 전압 제공부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 DC 링크에 제공할 수 있다.
상기 PWM 신호 제공부는 상기 전력 계통의 위상과 같은 위상의 PWM 신호를 제공할 수 있다.
상기 오프셋 전압 제공부는 상기 푸시 풀 인버터로부터 제공받은 교류 전압에 음의 오프셋 전압을 더하여 상기 전력 계통에 제공할 수 있다.
상기 음의 오프셋 전압은 상기 푸시 풀 인버터로부터 제공받은 전압을 음의 방향으로 1/2만큼 레벨 쉬프트시킬 수 있다.
상기 오프셋 전압 제공부는 상기 전력 계통으로부터 제공받은 교류 전압에 양의 오프셋 전압을 더하여 상기 푸시 풀 인버터에 제공할 수 있다.
상기 양의 오프셋 전압은 상기 전력 계통으로부터 제공받은 전압을 양의 방향으로 1/2만큼 레벨 쉬프트시킬 수 있다.
상기 전력 계통의 전압을 센싱하는 전력 계통 전압 센싱부; 및, 상기 전력 계통 전압 센싱부로부터 얻은 전압으로부터 위상 정보를 센싱하여 상기 PWM 신호 제공부에 제공하는 위상 정보 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 푸시 풀 인버터는 상기 DC 링크에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 PWM 신호 제공부에 연결되며, 제3전극이 구비된 제1스위치; 상기 제3전극에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 PWM 신호 제공부에 연결되며, 제3전극이 접지된 제2스위치; 상기 제1스위치의 제3전극과 상기 제2스위치의 제1전극 사이에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 오프셋 전압 제공부에 연결된 인덕터; 및, 상기 제2스위치의 제3전극과 상기 인덕터의 제2전극 사이에 연결된 커패시터를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1스위치는 N채널 전계효과트랜지스터이고, 상기 제2스위치는 P채널 전계효과트랜지스터일 수 있다.
상기 오프셋 전압 제공부는 상기 푸시 풀 인버터로부터 상기 전력 계통에 전원을 제공하는 제1오프셋 전압 제공부; 및, 상기 전력 계통으로부터 상기 푸시 풀 인버터에 전원을 제공하는 제2오프셋 전압 제공부를 포함할 수 있다.
상기 제1오프셋 전압 제공부는 상기 푸시 풀 인버터에 연결된 제1오프셋 스위치; 및, 상기 제1오프셋 스위치와 상기 전력 계통 사이에 연결되어, 상기 푸시 풀 인버터로부터 제공된 전압에 음의 오프셋 전압을 더하여 상기 전력 계통에 제공하는 제1가산부를 포함할 수 있다.
상기 제2오프셋 전압 제공부는 상기 전력 계통에 연결된 제2오프셋 스위치; 및, 상기 제2오프셋 스위치와 상기 푸시 풀 인버터 사이에 연결되어, 상기 전력 계통으로부터 제공된 전압에 양의 오프셋 전압을 더하여 상기 푸시 풀 인버터에 제공하는 제2가산부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터는 스위치 개수 및 제어 신호 개수를 감소시킴으로써, 제조 코스트(cost)를 낮출 뿐만 아니라 회로를 간소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템(100)은 신재생 에너지(110), 최대 전력점 추종 컨버터(120), DC(Direct Current) 링크(130), 양방향 인버터(140), 부하(150), 계통 연계기(160), 전력 계통(170), 배 터리(180), 배터리 모니터링 시스템(190), 양방향 컨버터(200) 및 통합 제어기(210)를 포함한다.
상기 신재생 에너지(110)(New Renewable Energy)는 태양, 바람, 물 및 지열등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 의미한다. 좀 더 구체적으로, 상기 신재생 에너지(110)는 태양 전지, 풍력 발전기 및 그 등가물로부터 얻어지는 전기 에너지일 수 있다. 이하의 설명에서는 상기 신재생 에너지(110)로서 태양 전지를 예로 든다.
상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 상기 신재생 에너지(110)로부터 최대 전력을 추출하고, 이를 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 출력한다. 예를 들면, 태양 전지의 출력은 일사량과 표면 온도에 따라 비선형적으로 변한다. 이러한 현상은 태양 전지의 발전 효율을 저하시키는 주요 요인이다. 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)는 일사량과 태양 전지의 표면 온도에 따라 비선형적으로 변하는 태양 전지의 동작점이 항상 최대 전력점에서 동작되도록 한다. 더불어, 이와 같이 최대 전력점에서 추출된 직류 전원은 다른 레벨의 직류 전원으로 변환된 후, DC 링크(130)에 제공된다.
상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 제공된 직류 전압을 일시적으로 저장한다. 이러한 DC 링크(130)는 실질적으로 대용량의 커패시터일 수 있다. 따라서, 상기 DC 링크(130)는 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120)로부터 출력되는 직류 전원으로부터 교류 성분을 제거하여 안정된 직류 전원을 저장한다. 더불어, 상기 DC 링크(130)는 하기할 양방향 인버터(140) 또는 양방향 컨버터(200)로부터 제공되는 직류 전압도 안정화시켜 일시 저장한다.
상기 양방향 인버터(140)는 상기 DC 링크(130)로부터 제공되는 직류 전원을 상용 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 실질적으로, 이러한 양방향 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 가정(home)에서 사용할 수 있는 상용 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 더불어, 상기 양방향 인버터(140)는 상기 신재생 에너지(110) 또는 상기 배터리(180)로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공하기도 한다. 또한, 상기 양방향 인버터(140)는 상기 전력 계통(170)으로부터 제공되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공한다. 물론, DC 링크(130)에 저장된 전원은 양방향 컨버터(200)를 통하여 배터리(180)에 제공된다.
상기 부하(150)는 상용 교류 전압을 사용하는 가정 또는 산업 시설일 수 있다. 이러한 부하(150)는 신재생 에너지(110), 배터리(180) 또는 전력 계통(170)으로부터 상용 교류 전원을 인가받는다.
상기 계통 연계기(160)는 상기 양방향 인버터(140)와 상기 전력 계통(170)을 연결한다. 예를 들면, 상기 계통 연계기(160)는 전압 변동 범위를 조절하고, 고조파를 억제하며, 직류 성분 등을 제거하여 상기 양방향 인버터(140)의 교류 전원을 전력 계통(170)에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통(170)의 교류 전원을 상기 양방향 인버터(140)에 제공한다.
상기 전력 계통(170)(電力系統, electric power system)은 전력 회사 또는 발전 회사에서 제공하는 교류 전원 시스템이다. 예를 들면, 상기 전력 계통(170)은 발전소, 변전소, 송전선을 포함하여 넓은 지역에 형성되어 있는 전기적인 연계(連 繫)이다. 이러한 전력 계통(170)은 통상 그리드(grid)라고도 한다.
상기 배터리(180)는 충전과 방전이 가능한 이차 전지일 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리(180)는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물이 가능하며, 여기서 그 배터리(180)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 상기 배터리(180)의 상태를 최적으로 유지 및 관리한다. 예를 들면, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하고, 이상 발생시 사용자에게 경고를 한다. 더불어, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)은 배터리(180)의 SOC(State Of Charge) 및 SOH(State Of Health)를 계산하고, 각 배터리의 전압 또는 용량이 동일해지도록 하는 셀 밸런싱(cell balancing)을 수행하며, 배터리(180)의 과열 방지를 위해 냉각팬(도시되지 않음)을 제어한다.
상기 양방향 컨버터(200)는 상기 DC 링크(130)로부터의 직류 전원을 배터리(180)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 반대로, 상기 양방향 컨버터(200)는 배터리(180)의 직류 전원을 DC 링크(130)에 적합한 다른 레벨의 직류 전원으로 변환한다. 이러한 양방향 컨버터(200)는 단일 구조로 형성될 수 있으며, 또한 비절연형 또는 절연형일 수 있다.
상기 통합 제어기(210)는 최대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200) 등을 감시 및 제어한다. 또한, 상기 통합 제어기(210)는 배터리 모니터링 시스템(190)과 통신하여, 상기 배터리 모니터링 시스템(190)을 감시하기도 한다. 실질적으로 상기 통합 제어기(210)는 최 대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)로부터 전압, 전류 및 온도를 각각 센싱하고, 상기 최대 전력점 추종 컨버터(120), 양방향 인버터(140), 계통 연계기(160) 및 양방향 컨버터(200)를 각각 제어할 수 있다. 더불어, 상기 통합 제어기(210)는 상기 부하(150)와 계통 연계기(160) 사이에 설치된 차단기(155)를 위급한 상황에서 차단시킬 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터(140)는 PWM 신호 제공부(141), 푸시 풀 인버터(142) 및 오프셋 전압 제공부(143)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 양방향 인버터(140)는 전력 계통 전압 센싱부(146) 및 위상 정보 계산부(147)를 더 포함한다. 이러한 양방향 인버터(140)는 기본적으로 DC 링크(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공하거나, 상기 전력 계통(170)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 DC 링크(130)에 제공하는 역할을 한다. 여기서, 상기 DC 링크(130) 및 상기 전력 계통(170)은 도 1에 도시된 것과 동일한 것이다.
상기 PWM 신호 제공부(141)는 상기 푸시 풀 인버터(142)에 PWM 신호를 제공한다. 이러한 PWM 신호 제공부(141)는 적어도 하나의 파형 발생부(141a), 비교부(141b) 및 전원 공급부(141c)를 갖는 증폭부(141d)를 포함한다. 상기 PWM 신호 제공부(141)는 도면에 도시된 것 외에도 다양한 다른 예가 가능하며, 도면에 도시 된 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 PWM 신호 제공부(141)는 상기 전력 계통(170)에서의 교류 전원과 동일한 위상의 PWM 신호를 제공한다. 이를 위해, 상기 전력 계통 전압 센싱부(146)는 상기 전력 계통(170)의 전압을 센싱한다. 또한, 상기 위상 정보 계산부(147)는 상기 전력 계통 전압 센싱부(146)로부터 얻은 전압으로부터 위상 정보를 계산하여 상기 PWM 신호 제공부(141)에 제공한다. 그러면, 상기 PWM 신호 제공부(141)는 상기 위상 정보 계산부(147)로부터 제공된 위상 정보를 기초로 하여, 상기 전력 계통(170)에서의 교류 전원과 동일한 위상의 PWM 신호를 제공한다. 더불어, 상기 PWM 신호 제공부(141)는 하기할 제1모드 또는 제2모드에서 모두 전력 계통(170)에서의 교류 전원과 동일한 위상의 PWM 신호를 제공한다.
상기 푸시 풀 인버터(142)는 상기 DC 링크(130), 상기 PWM 신호 제공부(141) 및 상기 오프셋 전압 제공부(143) 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 푸시 풀 인버터(142)는, 예를 들면 제1모드에서, 상기 DC 링크(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 오프셋 전압 제공부(143)에 제공한다. 또한, 상기 푸시 풀 인버터(142)는, 예를 들면 제2모드에서, 상기 오프셋 전압 제공부(143)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 DC 링크(130)에 제공한다.
이를 위해 상기 푸시 풀 인버터(142)는 제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함한다.
상기 제1스위치(Q1)는 제1전극(드레인), 제2전극(게이트) 및 제3전극(소스)을 갖는다. 상기 제1전극은 상기 DC 링크(130)에 연결되고, 상기 제2전극은 상기 PWM 신호 제공부(141)에 연결되며, 제3전극은 상기 제2스위치(Q2) 및 상기 인덕터(L)에 연결된다. 여기서, 상기 제1스위치(Q1)는 제3전극에서 제1전극을 향하여 순방향인 기생 다이오드를 가질 수 있다. 더불어 상기 제1스위치(Q1)는 N채널 전계효과트랜지스터, IGBT, NPN형 바이폴라트랜지스터 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 제2스위치(Q2)는 제1전극(드레인), 제2전극(게이트) 및 제3전극(소스)을 갖는다. 상기 제1전극은 상기 제1스위치(Q1)의 제3전극에 연결되고, 상기 제2전극은 상기 PWM 신호 제공부(141)에 연결되며, 상기 제3전극은 접지단에 연결된다. 여기서, 상기 제2스위치(Q2)는 제1전극에서 제3전극을 향하여 순방향인 기생 다이오드를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2스위치(Q2)는 예를 들면 P채널 전계효과트랜지스터, IGBT PNP형 바이폴라 트랜지스터 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
여기서, 상기 제1스위치(Q1)의 제2전극, 상기 제2스위치(Q2)의 제2전극 및 상기 PWM 신호 제공부(141) 사이에는 버퍼(142a)가 더 연결될 수 있다.
상기 인덕터(L)는 제1전극 및 제2전극을 갖는다. 상기 제1전극은 상기 제1스위치(Q1)의 제3전극 및 상기 제2스위치(Q2)의 제1전극 사이에 연결되고, 제2전극은 상기 오프셋 전압 제공부(143)에 연결된다. 이러한 구성에 의해 상기 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)는 하나의 공통된 제어 신호에 의해 턴온 또는 턴오프되고, 이에 따라 제어 신호의 개수가 감소함은 물론, 회로 구성도 간소화된다.
상기 커패시터(C)는 제1전극 및 제2전극을 갖는다. 상기 제1전극은 상기 제2 스위치(Q2)의 제3전극과 접지단 사이에 연결되고, 제2전극은 상기 인덕터(L)의 제2전극과 상기 오프셋 전압 제공부(143)에 연결된다.
상기 오프셋 전압 제공부(143)는 상기 푸시 풀 인버터(142)와 상기 전력 계통(170) 사이에 연결된다. 이러한 오프셋 전압 제공부(143)는, 예를 들면 제1모드에서, 상기 푸시 풀 인버터(142)로부터 제공받은 교류 전압에 음의 오프셋 전압을 더하여 상기 전력 계통(170)에 제공한다. 이때, 상기 음의 오프셋 전압에 의해, 상기 푸시 풀 인버터(142)로부터 제공받은 교류 전압은 음의 방향으로, 예를 들면 대략 1/2만큼 레벨 쉬프트되어 상기 전력 계통(170)에 제공된다. 또한, 상기 오프셋 전압 제공부(143)는, 예를 들면 제2모드에서, 상기 전력 계통(170)으로부터 제공받은 교류 전압에 양의 오프셋 전압을 더하여 상기 푸시 풀 인버터(142)에 제공한다. 이때, 상기 양의 오프셋 전압에 의해, 상기 전력 계통(170)으로부터 제공받은 교류 전압은 양의 방향으로 예를 들면 대략 1/2만큼 레벨 쉬프트되어 상기 푸시 풀 인버터(142)에 제공된다.
이를 위해 상기 오프셋 전압 제공부(143)는 상기 푸시 풀 인버터(142)로부터 상기 전력 계통(170)에 전원을 제공하는 제1오프셋 전압 제공부(144)와, 상기 전력 계통(170)으로부터 상기 푸시 풀 인버터(142)에 전원을 제공하는 제2오프셋 전압 제공부(145)를 포함한다.
상기 제1오프셋 전압 제공부(144)는 제1오프셋 스위치(144a)와, 제1가산부(144c)를 포함한다. 상기 제1오프셋 스위치(144a)는 상기 푸시 풀 인버터(142)와 상기 제1가산부(144c) 사이에 연결된다. 또한, 상기 제1가산부(144c)는 상기 제1오 프셋 스위치(144a)와 상기 전력 계통(170) 사이에 연결된다. 상기 제1오프셋 스위치(144a)는 제1스위치 제어부(144b)의 제어에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 또한, 상기 제1가산부(144c)에는 제1전원 공급부(144d)가 연결되어, 상기 제1가산부(144c)에 음의 오프셋 전압을 제공한다. 일례로, 상기 음의 오프셋 전압은 DC 링크(130)의 전압(Vlink)을 1/2만큼 음의 방향으로 레벨 쉬프트시킨다.
상기 제2오프셋 전압 제공부(145)는 제2오프셋 스위치(145a)와, 제2가산부(145c)를 포함한다. 상기 제2오프셋 스위치(145a)는 상기 전력 계통(170)과 상기 제2가산부(145c) 사이에 연결된다. 또한, 상기 제2가산부(145c)는 상기 제2오프셋 스위치(145a)와 상기 푸시 풀 인버터(142) 사이에 연결된다. 상기 제2오프셋 스위치(145a)는 제2스위치 제어부(145b)의 제어에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 또한, 상기 제2가산부(145c)에는 제2전원 공급부(145d)가 연결되어, 상기 제2가산부(145c)에 양의 오프셋 전압을 제공한다. 일례로, 상기 양의 오프셋 전압은 전력 계통(170)의 전압(Vgrid)을 1/2만큼 양의 방향으로 레벨 쉬프트시킨다.
전력 계통(170)은 상기 오프셋 전압 제공부(143)에 전기적으로 연결된다. 물론, 상기 오프셋 전압 제공부(143)와 전력 계통(170) 사이에는 부하, 차단 스위치 및 계통 연계기 등이 연결되지만, 도면에서는 도시되어 있지 않다. 더불어, 상기 전력 계통에는 추가적으로 저항 및 캐패시터 등이 연결될 수 있으나, 이러한 구성으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 인버터의 제1모드 동작을 도시한 블록도이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 A 노드 및 B 노드의 전압 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 양방향 인버터(140)는, 제1모드에서, DC 링크(130)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전력 계통(170)에 제공한다. 이러한 모드를 인버터 모드라고 하기도 한다. 여기서, 상기 DC 링크(130)는 태양 전지 또는 배터리의 전원에 의해 충전된 상태일 수 있다.
전력 계통 전압 센싱부(146)가 전력 계통(170)의 전압을 센싱하고, 그 값을 위상 정보 계산부(147)에 출력한다. 그러면, 위상 정보 계산부(147)는 상기 전력 계통(170)의 위상 정보를 계산하고, 이러한 위상 정보를 PWM 신호 제공부(141)에 제공한다.
상기 PWM 신호 제공부(141)는 상기 전력 계통(170)의 위상 정보를 기초로 하여, 상기 전력 계통(170)과 동일한 위상을 갖는 PWM 신호를 푸시 풀 인버터(142)에 제공한다.
상기 푸시 풀 인버터(142)는 상기 PWM 신호 제공부(141)로부터 입력되는 PWM 신호에 의해 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)를 교대로 턴온 및 턴오프한다. 그러면, DC 링크(130)의 직류 전원이 인덕터(L)와 커패시터(C)로 이루어진 LC 필터로 전달되어 교류 전원으로 변환된다. 여기서, 상기 제1스위치(Q1)는 예를 들면 N채널 전계효과트랜지스터이고, 제2스위치(Q2)는 P채널 전계효과트랜지스터일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1스위치(Q1) 및 상기 제2스위치(Q2)는 항상 교대로 턴온 및 턴오프되고, 동시에 턴온 또는 턴오프되지 않는다.
이러한 푸시 풀 인버터(142)의 동작에 의해, 노드 A에는 도 4a와 같은 교류 전원이 출력된다. 도 4a에서 X축은 시간이고, Y축은 전압이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 푸시 풀 인버터(142)의 노드 A를 통해서는 대략 0~400V의 교류 전원이 출력된다.
이어서 또는 동시에, 오프셋 전압 제공부(143)가 동작한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1오프셋 전압 제공부(144)가 동작한다. 먼저, 제1스위치 제어부(144b)의 제어에 의해 제1오프셋 스위치(144a)가 턴온된다. 물론, 이때 제2오프셋 스위치(145a)는 턴오프 상태를 유지한다. 여기서, 상기 제1스위치 제어부(144b)는 통합 제어기(210, 도 1 참조)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 통합 제어기(210)가 현재의 모드를 제1모드로 인식한다면, 상기 통합 제어기(210)는 상기 제1스위치 제어부(144b)에 스위치 턴온 명령을 내린다.
그러면, 노드 A와 노드 B가 전기적으로 연결된다. 즉, 푸시 풀 인버터(142)와 전력 계통(170)이 전기적으로 연결된다.
한편, 제1전원 공급부(144d)가 제1가산부(144c)에 음의 오프셋 전압을 제공한다. 따라서, 상기 푸시 풀 인버터(142)로부터 제공된 교류 전압은 음의 방향으로 레벨 쉬프트되어 전력 계통(170)에 제공된다. 예를 들면, 상기 푸시 풀 인버터(142)로부터 제공된 교류 전압은 음의 방향으로 대략 1/2만큼 레벨 쉬프트된 후, 전력 계통(170)에 제공된다. 이와 같이 하여, 도 4b에 도시된 바와 같이, 오프셋 전압 제공부(143)의 노드 B를 통해서는 대략 -200~200V의 교류 전원이 전력 계통(170)에 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 양방향 인버터의 제2모드를 도시한 블록도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 5의 C 노드 및 D 노드의 전압 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명에 따른 양방향 인버터(140)는, 제2모드에서, 전력 계통(170)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공한다. 이러한 모드를 PFC(Power Factor Correction) 모드라고 하기도 한다.
먼저, 오프셋 전압 제공부(143)가 동작한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제2오프셋 전압 제공부(145)가 동작한다. 제2스위치 제어부(145b)의 제어에 의해 제2오프셋 스위치(145a)가 턴온된다. 물론, 이때 제1오프셋 스위치(144a)는 턴오프 상태를 유지한다. 여기서, 상기 제2스위치 제어부(145b)는 통합 제어기(210, 도 1 참조)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 통합 제어기(210)가 현재의 모드를 제2모드로 인식한다면, 상기 통합 제어기(210)는 상기 제2스위치 제어부(145b)에 스위치 턴온 명령을 내린다.
그러면, 전력 계통(170)과 푸시 풀 인버터(142)가 전기적으로 연결된다.
제2전원 공급부(145d)가 제2가산부(145c)에 양의 오프셋 전압을 제공한다. 따라서, 상기 전력 계통(170)으로부터 제공된 교류 전압은 대체로 양의 방향으로 레벨 쉬프트되어 푸시 풀 인버터(142)에 제공된다. 예를 들면, 상기 전력 계통(170)으로부터 제공된 교류 전압은 양의 방향으로 대략 1/2만큼 레벨 쉬프트된 후, 푸시 풀 인버터(142)에 제공된다. 이와 같이 하여, 도 6a에 도시된 바와 같이, 오프셋 전압 제공부(143)의 노드 C를 통해서는 대략 0~400V의 교류 전원이 푸시 풀 인버터(142)에 제공된다. 도 6a에서, X축은 전압이고, Y축은 시간이다.
이어서 또는 동시에, 전력 계통 전압 센싱부(146)가 전력 계통(170)의 전압을 센싱하고, 그 값을 위상 정보 계산부(147)에 출력한다. 그러면, 위상 정보 계산부(147)는 상기 전력 계통(170)의 위상 정보를 계산하고, 이러한 위상 정보를 PWM 신호 제공부(141)에 제공한다.
상기 PWM 신호 제공부(141)는 상기 전력 계통(170)의 위상 정보를 기초로 하여, 상기 전력 계통(170)과 동일한 위상을 갖는 PWM 신호를 푸시 풀 인버터(142)에 제공한다.
상기 푸시 풀 인버터(142)는 상기 PWM 신호 제공부(141)로부터 입력되는 PWM 신호에 의해 제1스위치(Q1) 및 제2스위치(Q2)를 교대로 턴온 및 턴오프한다. 그러면, 인덕터(L)와 커패시터(C)로 이루어진 LC 필터에 저장된 전원이 DC 링크(130)에 제공된다. 여기서, 상기 제1스위치(Q1)는 예를 들면 N채널 전계효과트랜지스터이고, 제2스위치(Q2)는 P채널 전계효과트랜지스터이므로, 상기 제1스위치(Q1) 및 상기 제2스위치(Q2)는 항상 교대로 턴온 및 턴오프되고, 동시에 턴온 또는 턴오프되지 않는다.
이러한 푸시 풀 인버터(142)의 동작에 의해, 노드 D에는 도 6b와 같은 안정적인 직류 전원이 제공된다. 실질적으로, 도 6b에 도시된 전압은 DC 링크(130)에 충전된 전압이다. 도 6b에서 X축은 시간이고, Y축은 전압이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 노드 D를 통해서는 대략 400V 이상의 직류 전원이 제공될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 인버터의 제1모드 동작을 도시한 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 A 노드 및 B 노드의 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 양방향 인버터의 제2모드 동작을 도시한 블록도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 C 노드 및 D 노드의 전압 변화를 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 신재생 에너지 저장 시스템
110; 신재생 에너지 120; 최대 전력점 추종 컨버터
130; DC 링크 140; 양방향 인버터
141; PWM 신호 제공부 141a; 파형 발생부
141b; 비교부 141c; 전원 공급부
141d; 증폭부 142; 푸시 풀 인버터
Q1; 제1스위치 Q2; 제2스위치
L: 인덕터 C: 커패시터
142a; 버퍼 143; 오프셋 전압 제공부
144; 제1오프셋 전압 제공부 144a; 제1오프셋 스위치
144b; 제1스위치 제어부 144c; 제1가산기
144d; 제1전원 공급부 144e; 버퍼
145; 제2오프셋 전압 제공부 145a; 제2오프셋 스위치
145b; 제2스위치 제어부 145c; 제2가산기
145d; 제2전원 공급부 145e; 버퍼
146; 젼력 계통 전압 센싱부 147; 위상 정보 계산부
150; 부하 160; 계통 연계기
170; 전력 계통 180; 배터리
190; 배터리 모니터링 시스템 200; 양방향 컨버터
210; 통합 제어기

Claims (15)

  1. DC 링크의 전원을 전력 계통에 제공하거나, 또는 상기 전력 계통의 전원을 상기 DC 링크에 제공하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터에 있어서,
    PWM 신호를 제공하는 PWM 신호 제공부;
    상기 PWM 신호 제공부 및 상기 DC 링크에 연결된 푸시 풀 인버터; 및,
    상기 푸시 풀 인버터와 상기 전력 계통에 연결된 오프셋 전압 제공부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸시 풀 인버터는
    상기 DC 링크의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 오프셋 전압 제공부에 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 PWM 신호 제공부는
    상기 전력 계통의 위상과 같은 위상의 PWM 신호를 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸시 풀 인버터는
    상기 오프셋 전압 제공부의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 DC 링크에 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 PWM 신호 제공부는
    상기 전력 계통의 위상과 같은 위상의 PWM 신호를 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프셋 전압 제공부는
    상기 푸시 풀 인버터로부터 제공받은 교류 전압에 음의 오프셋 전압을 더하여 상기 전력 계통에 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 음의 오프셋 전압은 상기 푸시 풀 인버터로부터 제공받은 전압을 음의 방향으로 1/2만큼 레벨 쉬프트시킴을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프셋 전압 제공부는
    상기 전력 계통으로부터 제공받은 교류 전압에 양의 오프셋 전압을 더하여 상기 푸시 풀 인버터에 제공함을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 양의 오프셋 전압은 상기 전력 계통으로부터 제공받은 전압을 양의 방향으로 1/2만큼 레벨 쉬프트시킴을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 계통의 전압을 센싱하는 전력 계통 전압 센싱부; 및,
    상기 전력 계통 전압 센싱부로부터 얻은 전압으로부터 위상 정보를 센싱하여 상기 PWM 신호 제공부에 제공하는 위상 정보 계산부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 푸시 풀 인버터는
    상기 DC 링크에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 PWM 신호 제공부에 연 결되며, 제3전극이 구비된 제1스위치;
    상기 제3전극에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 PWM 신호 제공부에 연결되며, 제3전극이 접지된 제2스위치;
    상기 제1스위치의 제3전극과 상기 제2스위치의 제1전극 사이에 제1전극이 연결되고, 제2전극이 상기 오프셋 전압 제공부에 연결된 인덕터; 및,
    상기 제2스위치의 제3전극과 상기 인덕터의 제2전극 사이에 연결된 커패시터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1스위치는 N채널 전계효과트랜지스터이고,
    상기 제2스위치는 P채널 전계효과트랜지스터인 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프셋 전압 제공부는
    상기 푸시 풀 인버터로부터 상기 전력 계통에 전원을 제공하는 제1오프셋 전압 제공부; 및,
    상기 전력 계통으로부터 상기 푸시 풀 인버터에 전원을 제공하는 제2오프셋 전압 제공부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템 의 양방향 인버터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1오프셋 전압 제공부는
    상기 푸시 풀 인버터에 연결된 제1오프셋 스위치; 및,
    상기 제1오프셋 스위치와 상기 전력 계통 사이에 연결되어, 상기 푸시 풀 인버터로부터 제공된 전압에 음의 오프셋 전압을 더하여 상기 전력 계통에 제공하는 제1가산부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2오프셋 전압 제공부는
    상기 전력 계통에 연결된 제2오프셋 스위치; 및,
    상기 제2오프셋 스위치와 상기 푸시 풀 인버터 사이에 연결되어, 상기 전력 계통으로부터 제공된 전압에 양의 오프셋 전압을 더하여 상기 푸시 풀 인버터에 제공하는 제2가산부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 저장 시스템의 양방향 인버터.
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