KR101093574B1 - High efficiency dc power supply system using hybrid distribution method - Google Patents

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KR101093574B1
KR101093574B1 KR1020100035273A KR20100035273A KR101093574B1 KR 101093574 B1 KR101093574 B1 KR 101093574B1 KR 1020100035273 A KR1020100035273 A KR 1020100035273A KR 20100035273 A KR20100035273 A KR 20100035273A KR 101093574 B1 KR101093574 B1 KR 101093574B1
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템에 관한 것으로서, 입력되는 제어신호에 따라 저전압 입력측의 DC전압을 기 설정된 직류 출력전압으로 승압하는 기능을 수행하는 승압형 DC-DC 컨버터부와; DC링크 및 배터리로부터 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통과 교류부하에 공급하는 인버팅 모드와, 계통으로부터 전력을 공급받아 일정한 직류출력 전압을 DC링크 및 배터리에 저장하는 컨버팅 모드의 기능을 수행하는 양방향 PWM 컨버터부와; DC링크 및 배터리에 저장된 에너지를 기 설정된 직류급전전압으로 강압하여 직류부하에 전력을 전달하는 기능을 수행하는 강압용 DC-DC 컨버터부; 및 승압형 DC-DC 컨버터부, 양방향 PWM 컨버터부 및 강압용 DC-DC 컨버터부를 제어함과 아울러 PWM신호를 발생시키는 제어부; 를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 직류 및 교류 하이브리드 배전방식은 향후 가정용 부하의 효율상승 및 입력측 고조파 전류로 인한 계통 측으로 악영향 감소, 배전선의 이용률 및 손실 감소 등의 장점을 예상할 수 있으며, 신재생에너지와 연계시 변환과정을 줄임으로써 변환단계에서 발생하는 손실을 저감하여 신재생에너지의 이용률을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
The present invention relates to a high efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method, comprising: a boost type DC-DC converter for boosting a DC voltage of a low voltage input side to a preset DC output voltage according to an input control signal; Inverting mode that converts DC voltage output from DC link and battery into AC voltage and supplies it to the system and AC load, and converting mode that receives power from the system and stores constant DC output voltage to DC link and battery. A bidirectional PWM converter unit performing; A step-down DC-DC converter unit for stepping down the energy stored in the DC link and the battery to a preset DC feed voltage to transfer power to the DC load; And a control unit configured to control the boost type DC-DC converter unit, the bidirectional PWM converter unit, and the step-down DC-DC converter unit to generate a PWM signal. It includes.
According to the present invention as described above, the DC and AC hybrid power distribution method can be expected to reduce the adverse effects on the system side due to the increase in efficiency of the home load and the input harmonic current in the future, such as reduction of utilization and loss of the distribution line, renewable energy By reducing the conversion process in conjunction with the system, it is possible to reduce the losses generated in the conversion step to increase the utilization of renewable energy.

Figure R1020100035273
Figure R1020100035273

Description

하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템{HIGH EFFICIENCY DC POWER SUPPLY SYSTEM USING HYBRID DISTRIBUTION METHOD}High efficiency DC power supply system using hybrid power feeding system {HIGH EFFICIENCY DC POWER SUPPLY SYSTEM USING HYBRID DISTRIBUTION METHOD}

본 발명은 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가정용 하이브리드 급전 시 개별 부하의 직류급전 여부와 에너지 효율을 검토하기 위해서 AC 220[Vac]에서 사용하던 다양한 부하의 입력전류를 분석하여 전열부하, 디지털부하, 조명부하 및 유도성 부하의 4가지 유형으로 구분하고, 각 경우 직류급전 가능여부와 가장 적합한 직류급전 전압레벨을 찾아 직류와 교류를 동시에 공급 가능하도록 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method, and more particularly, input currents of various loads used in AC 220 [Vac] to examine the DC power supply and energy efficiency of individual loads in a home hybrid power supply Analysis and classify into 4 types of electric heating load, digital load, lighting load and inductive load, and in each case, find out whether DC power supply is possible and DC power supply voltage level that is most suitable to supply DC and AC simultaneously. will be.

저(低)탄소화 및 녹색산업화에 기반을 두고 경제성장력을 배가시키는 새로운 성장 개념인 녹색성장이 전 세계적으로 주목받고 있다. 저탄소화는 경제활동에서 발생하는 CO2 배출량을 감축시켜 기후변화에 대응하는 것이고, 녹색산업화는 녹색기술, 환경친화적 비즈니스 모델을 통해 신시장을 창출함으로써, 경제성장력의 원동력으로 삼는 것을 의미한다.Green growth, a new growth concept based on low carbonization and green industrialization, which doubles economic growth power, is attracting global attention. Low carbonization means coping with climate change by reducing CO 2 emissions from economic activities, and green industrialization means creating new markets through green technologies and eco-friendly business models, thereby driving economic growth.

현재 세계 주요국들은 초기 단계인 녹색시장에서 선도자의 이익을 확보하는데 국력을 집중하고 있으며 에너지 강국으로 불리는 일본과 유럽에서는 "低탄소사회"를 비전으로 제시하고 이를 달성하기 위해 에너지효율 및 신재생에너지 관련 핵심기술 개발에 주력하고 있다. 이러한 나라들의 에너지정책을 살펴보면 에너지효율의 중요성을 크게 강화하고 있다.At present, the major countries of the world are focusing their power on securing the interests of the leaders in the early stages of the green market. In Japan and Europe, which are called energy powerhouses, the vision of the "carbon society" is presented as a vision and related to energy efficiency and renewable energy. We are focusing on core technology development. The energy policies of these countries have greatly strengthened the importance of energy efficiency.

여기서, 에너지 효율을 높인다는 것은 에너지 생산, 전달, 소비 전과정에 걸쳐 에너지 손실을 최소화하는 것을 의미하며 풍력이나 태양광과 같은 신재생에너지가 환경오염을 축소할 수 있다는 취지에서 미래에너지로 각광받을 뿐만 아니라 탄소방출량과 대기오염을 줄이는 가장 쉬운 길은 에너지 효율성을 증대시키는 것으로 받아들여지고 있다.In this regard, increasing energy efficiency means minimizing energy loss throughout the entire process of energy production, transmission, and consumption. Renewable energy, such as wind and solar power, is attracting attention as future energy in order to reduce environmental pollution. But the easiest way to reduce carbon emissions and air pollution is accepted as increasing energy efficiency.

전술한 신재생에너지의 발전 출력전원은 직류로 에너지를 사용하기 위해서는 전력변환장치의 변환과정을 통해 교류로 변환하여 사용해야하며, 직류-교류 전력변환중 열로 발생하는 손실은 총 발전전력의 10[%]이다. 변환된 AC전력은 계통으로 공급되거나 수용가내에 부하에 공급된다. 현재 가정에서 사용하는 전기기기 대부분은 제품내에 부착된 AC-DC컨버터 즉 어댑터를 이용하여 필요한 전압레벨의 직류로 변환하고 있다.In order to use energy as a direct current, the output power of the new renewable energy is converted to alternating current through a conversion process of a power converter, and the loss generated by heat during DC-AC power conversion is 10 [%] of the total generated power. ]to be. The converted AC power is supplied to the system or to the load within the customer. Most of the electrical equipment used in the home is converted to the DC voltage of the required voltage level by using an AC-DC converter or an adapter attached to the product.

이러한 유형의 부하에는 어댑터와 같은 교류-직류변환기가 내장되어 있고 그 효율은 대략 80[%]의 수준이다. 이로 인해 신재생에너지에서 발전된 전력이 부하에 전달되기까지의 총 손실은 발전전력의 28[%]수준이다.This type of load has a built-in AC-DC converter, such as an adapter, and its efficiency is approximately 80 [%]. As a result, the total loss from the renewable energy to the load is 28 [%] of the generated power.

현재 신재생에너지를 전력변환장치를 통해 교류로 변환하여 부하에 공급하는 방식은 전달 및 소비과정 중 필요한 전력으로 전달하는 과정에 발생하는 손실이 많아 요구되는 효율을 만족시킬 수 없으므로 직류전원공급방식이 제시되고 있다. 이러한 직류급전방식은 2008년부터 KT 남수원 데이터센터(IDC)에서 300~400[V]의 직류배전을 적용하여 약13.2[%]의 효율 향상을 실증한 바 있다.At present, the method of converting renewable energy into AC through a power converter and supplying it to the load has a large amount of loss occurring in the process of transferring the power to the required power during the transmission and consumption processes, and thus the DC efficiency supply method cannot be satisfied. Is being presented. This DC power supply method has demonstrated efficiency improvement of about 13.2% by applying DC power distribution of 300 ~ 400 [V] at KT Namsuwon Data Center (IDC) since 2008.

이러한 직류배전의 도입을 시작으로 현재 많이 파급되고 있으며, 태양광발전의 보급 확대와 함께 가정에서도 60[V] 이하의 직류전원이 도입될 가능성이 높을 것으로 예상된다. 더구나 최근 백열등 판매금지안을 일부 국가가 채택하는 등 향후 조명부하가 LED램프로 교체될 수밖에 없는 상황에서 직류로 구동하는 부하의 유형들은 더욱 늘어날 것이며, 직류전원공급의 필요성은 더욱 가속될 것으로 전망된다.Starting with the introduction of such DC distribution, it is spreading a lot now, and it is expected that DC power of 60 [V] or less will be introduced at home with the expansion of solar power generation. In addition, as some countries have recently adopted an incandescent lamp prohibition, the types of loads driven by DC will increase even further, as the lighting load will be replaced by LED lamps, and the need for DC power supply is expected to accelerate.

하지만, 아직까지는 교류전원을 직접 사용하는 전동기부하 및 기존의 교류배전에 적합 배전라인으로 인해 직류급전 방식만으로는 이러한 문제점을 해결하지 못한다. 따라서, 본 발명에서는 가정에 직류와 교류를 동시에 배전하는 하이브리드 급전시스템을 제안하고, 직류급전에 적합한 공급전압을 선정하여, 신재생에너지와 연계가 용이하며, 부하에 직류/교류를 동시에 공급할 수 있는 하이브리드 시스템을 제안하고자한다.However, due to the motor load using the AC power directly and the existing distribution line suitable for conventional AC distribution alone, DC feeding alone does not solve this problem. Therefore, the present invention proposes a hybrid power supply system that simultaneously distributes direct current and alternating current to a home, selects a suitable supply voltage for direct current supply, and is easily linked with renewable energy, and can supply DC / AC to a load simultaneously. We would like to propose a hybrid system.

본 발명의 목적은, 직류 및 교류 하이브리드 급전시스템을 제안하여 직류배전가능 부하 에 적정직류전압을 공급하고 그 외 부하에는 교류를 공급하여 효율을 상승시키는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to propose a direct current and alternating current hybrid power supply system to supply an appropriate DC voltage to a DC distribution load and to supply AC to other loads to increase efficiency.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템은, 입력되는 제어신호에 따라 저전압 입력측의 DC전압을 기 설정된 직류 출력전압으로 승압하는 기능을 수행하는 승압형 DC-DC 컨버터부와; DC링크 및 배터리로부터 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통과 교류부하에 공급하는 인버팅 모드와, 계통으로부터 전력을 공급받아 일정한 직류출력 전압을 DC링크 및 배터리에 저장하는 컨버팅 모드의 기능을 수행하는 양방향 PWM 컨버터부와; DC링크 및 배터리에 저장된 에너지를 기 설정된 직류급전전압으로 강압하여 직류부하에 전력을 전달하는 기능을 수행하는 강압용 DC-DC 컨버터부; 및 승압형 DC-DC 컨버터부, 양방향 PWM 컨버터부 및 강압용 DC-DC 컨버터부를 제어함과 아울러 PWM신호를 발생시키는 제어부; 를 포함한다.High efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method of the present invention for achieving the technical problem, step-up DC-DC to perform the function of boosting the DC voltage of the low voltage input side to a predetermined DC output voltage according to the input control signal A converter unit; Inverting mode that converts DC voltage output from DC link and battery into AC voltage and supplies it to the system and AC load, and converting mode that receives power from the system and stores constant DC output voltage to DC link and battery. A bidirectional PWM converter unit performing; A step-down DC-DC converter unit for stepping down the energy stored in the DC link and the battery to a preset DC feed voltage to transfer power to the DC load; And a control unit configured to control the boost type DC-DC converter unit, the bidirectional PWM converter unit, and the step-down DC-DC converter unit to generate a PWM signal. It includes.

또한, 승압형 DC-DC 컨버터부는, 저전압 입력측의 DC전압을 330V 내지 380V로 승압하는 것을 특징으로 한다.The boost type DC-DC converter may boost the DC voltage on the low voltage input side to 330V to 380V.

또한, 강압용 DC-DC 컨버터부는, DC링크 및 배터리에 저장된 전압을 220V 내지 310V의 직류급전전압으로 강압시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the step-down DC-DC converter is characterized in that the voltage stored in the DC link and the battery step-down to a DC feed voltage of 220V to 310V.

또한, 제어부는, 직류출력전원의 공급전력과 직류부하의 소비전력이 같은 경우, 직류부하의 공급전압을 승압형 DC-DC 컨버터부를 통해 DC링크 전압 360[Vdc]으로 승압시키고, 승압된 DC링크 전압을 강압용 DC-DC 컨버터를 경유하여 직류부하로 전달하도록 제어하는 정격부하모드를 포함한다.In addition, when the supply power of the DC output power is the same as the power consumption of the DC load, the controller boosts the supply voltage of the DC load to the DC link voltage 360 [Vdc] through the boost type DC-DC converter, and boosts the DC link. It includes a rated load mode for controlling the voltage to be transferred to the DC load via the step-down DC-DC converter.

또한, 제어부는, 직류부하의 소비전력이 직류출력전원에서 공급하는 전력 보다 많은 경우, 직류출력전원에서 발전되는 전력이 승압형 DC-DC 컨버터부와 DC링크 및 배터리 및 강압용 DC-DC컨버터부를 경유하여 직류부하로 공급하고, 부족한 전력을 양방향 PWM 컨버터부를 통해 계통으로부터 공급받도록 제어하는 중부하모드를 포함한다.In addition, when the power consumption of the DC load is more than the power supplied by the DC output power, the control unit, the power generated from the DC output power is boosted DC-DC converter unit, DC link and battery and step-down DC-DC converter unit It includes a heavy load mode for supplying a direct current load via, and controlling the insufficient power to be supplied from the system through a bidirectional PWM converter.

그리고, 제어부는, 직류출력전원의 발전전력이 직류부하의 소비전력보다 많은 경우, 직류부하의 소비전력을 직류출력전원 발전전력으로 모두 충당하고 남는 발전전력을 PWM 컨버터부의 인버팅 과정을 통해 교류부하로 공급하고 잉여전력은 계통으로 회생하도록 제어하는 발전모드를 포함한다.If the generated power of the DC output power is greater than the power consumption of the DC load, the control part covers all of the power consumption of the DC load with the DC output power generated power and the remaining power generated through the inverting process of the PWM converter unit. And the surplus power includes a power generation mode that controls the system to regenerate.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 직류 및 교류 하이브리드 배전방식은 향후 가정용 부하의 효율상승 및 입력측 고조파 전류로 인한 계통 측으로 악영향 감소, 배전선의 이용률 및 손실 감소 등의 장점을 예상할 수 있으며, 신재생에너지와 연계시 변환과정을 줄임으로써 변환단계에서 발생하는 손실을 저감하여 신재생에너지의 이용률을 높일 수 있는 효과를 갖는다.According to the present invention as described above, the DC and AC hybrid power distribution method can be expected to reduce the adverse effects on the system side due to the increase in efficiency of the home load and the input harmonic current in the future, such as reduction of utilization and loss of the distribution line, renewable energy By reducing the conversion process in conjunction with the system, it is possible to reduce the losses generated in the conversion step to increase the utilization of renewable energy.

도 1 은 교류전원을 갖는 내장 정류회로를 도시한 구성도.
도 2 는 교류전원을 갖는 내장 정류회로 각부 파형을 도시한 도면.
도 3 은 직류전원을 갖는 내장 정류회로를 도시한 구성도.
도 4 는 직류전원을 갖는 내장 정류회로 각부 파형을 도시한 도면.
도 5 는 배선로의 실험적 구성을 도시한 구성도.
도 6 은 배전전압에 따른 배전선 손실 및 전압강하를 도시한 그래프.
도 7 은 하이브리드 급전계통의 기본 개념을 도시한 도면.
도 8 은 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템을 도시한 구성도.
도 9 는 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템의 정격부하모드에 대한 전력흐름을 도시한 흐름도.
도 10 은 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템의 중부하모드에 대한 전력흐름을 도시한 흐름도.
도 11 은 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템의 발전모드에 대한 전력흐름을 도시한 흐름도.
1 is a block diagram showing a built-in rectifier circuit having an AC power source.
Fig. 2 is a diagram showing waveforms of each part of a built-in rectifier circuit having an AC power supply.
3 is a block diagram showing a built-in rectifier circuit having a DC power supply.
4 is a diagram showing waveforms of each part of a built-in rectifier circuit having a DC power supply;
5 is a configuration diagram showing an experimental configuration of a wiring path.
6 is a graph illustrating distribution line loss and voltage drop according to distribution voltage;
7 is a diagram illustrating a basic concept of a hybrid feed system.
8 is a block diagram showing a high efficiency DC power supply system using a hybrid power supply system according to the present invention.
9 is a flow chart showing a power flow for the rated load mode of the high efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method according to the present invention.
10 is a flow chart illustrating a power flow for the heavy load mode of the high efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method according to the present invention.
11 is a flow chart showing the power flow for the power generation mode of the high efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method according to the present invention.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims are to be interpreted in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted in terms of meaning and concept. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.

도 1 은 일반 가정에서 사용되는 제품 내부의 정류회로가 교류전원에 각각 연결된 것을 도시한 도면이고, 도 2 는 교류전원을 갖는 내장 정류회로 각부 파형을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a view illustrating rectification circuits inside a product used in a general home, respectively, connected to an AC power source, and FIG. 2 illustrates waveforms of respective parts of a built-in rectifier circuit having an AC power source.

도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 먼저, 내장 정류기 다이오드의 전압강하

Figure 112010024365454-pat00001
및 내부 저항
Figure 112010024365454-pat00002
, 커패시터의 내부 직렬저항
Figure 112010024365454-pat00003
및 부하저항
Figure 112010024365454-pat00004
등을 정의한다. 이때, 각 경우의 회로손실은 다이오드 필터 커패시터의 흐르는 전류에 의해 좌우된다.1 and 2, first, the voltage drop of the built-in rectifier diode
Figure 112010024365454-pat00001
And internal resistance
Figure 112010024365454-pat00002
Internal series resistance of the capacitor
Figure 112010024365454-pat00003
And load resistance
Figure 112010024365454-pat00004
And so on. In this case, the circuit loss in each case depends on the current flowing through the diode filter capacitor.

우선, 교류전원(정격실효값

Figure 112010024365454-pat00005
)이 연결된 경우, 정류회로의 모든 다이오드가 모두 작동되며, 커패시터로 전류가 흐르게 된다. 이때, 회로내에 흐르는 각 부의 주요파형은 도 2와 같고 회로의 발생되는 손실을 구해보면 [수학식1]과 같다.First, AC power supply (rated RMS value
Figure 112010024365454-pat00005
), All diodes in the rectifier circuit are activated and current flows to the capacitor. At this time, the main waveform of each part flowing in the circuit is as shown in Figure 2 and when the loss generated in the circuit is obtained as [Equation 1].

[수학식1][Equation 1]

Figure 112010024365454-pat00006
Figure 112010024365454-pat00006

Figure 112010024365454-pat00007
Figure 112010024365454-pat00007

또한, 교류전원 연결시 부하

Figure 112010024365454-pat00008
의 소비전력은 [수학식2]와 같다.Also, load when connecting AC power
Figure 112010024365454-pat00008
The power consumption of is shown in [Equation 2].

[수학식2]&Quot; (2) "

Figure 112010024365454-pat00009
Figure 112010024365454-pat00009

Figure 112010024365454-pat00010
Figure 112010024365454-pat00010

한편, 도 3 은 일반 가정에서 사용되는 제품 내부의 정류회로가 직류전원에 각각 연결된 것을 도시한 도면이고, 도 4 는 직류전원을 갖는 내장 정류회로 각부 파형을 도시한 도면이다.On the other hand, Figure 3 is a diagram showing that the rectifier circuit inside the product used in the general home is connected to the DC power supply, respectively, Figure 4 is a diagram showing the waveform of each part of the built-in rectifier circuit having a DC power supply.

도 3 에서 직류전원(평균전압

Figure 112010024365454-pat00011
)을 내장 정류회로에 공급할 경우, 두 개의 다이오드만이 동작하고, 커패시터전압이 전원전압과 같아지면 더 이상 전류가 흐르지 않게 되어, 도 4 와 같이 회로내 파형이 나타난다. 이때, 직류전압 인가시 회로의 손실은 다이오드의 손실만 나타나므로 [수학식3]으로 표현된다.DC power (average voltage in Figure 3)
Figure 112010024365454-pat00011
) Is supplied to the built-in rectifier circuit, and only two diodes operate, and when the capacitor voltage is equal to the power supply voltage, no current flows any more, and the waveform in the circuit appears as shown in FIG. 4. At this time, the loss of the circuit when applying the DC voltage is represented by the equation (3) because only the loss of the diode appears.

[수학식3]&Quot; (3) "

Figure 112010024365454-pat00012
Figure 112010024365454-pat00012

Figure 112010024365454-pat00013
Figure 112010024365454-pat00013

또한, 직류전원 연결시 부하

Figure 112010024365454-pat00014
의 소비전력은 [수학식4]와 같다.Also, load when connecting DC power
Figure 112010024365454-pat00014
The power consumption of is shown in [Equation 4].

[수학식4]&Quot; (4) "

Figure 112010024365454-pat00015
Figure 112010024365454-pat00015

Figure 112010024365454-pat00016
Figure 112010024365454-pat00016

전원의 유형에 무관하게 도 1 및 도 3 에서 부하저항의 소비전력

Figure 112010024365454-pat00017
Figure 112010024365454-pat00018
는 동일해야 하므로 교류 및 직류에 대한 관계식을 [수학식5]와 같이 도출할 수 있다. Regardless of the type of power supply, the power consumption of the load resistor in FIGS. 1 and 3
Figure 112010024365454-pat00017
and
Figure 112010024365454-pat00018
Since must be the same, the relation for AC and DC can be derived as shown in [Equation 5].

[수학식5][Equation 5]

Figure 112010024365454-pat00019
Figure 112010024365454-pat00019

상기 [수학식1] 내지 [수학식5]에 의하면 직류전원 인가시 전류의 크기

Figure 112010024365454-pat00020
가 교류전원 인가시 전류
Figure 112010024365454-pat00021
보다 작음을 알 수 있다. 즉, 직류급전시 내장 정류회로에서 발생하는 손실이 적음을 알 수 있다. 특히, 직류의 경우 필터 커패시터는 개방되므로 손실이 발생하지 않는데, 이 값은 실제 정류회로에서 발생하는 총 손실의 70[%]를 차지하고 있다.According to Equations 1 to 5, the magnitude of current when DC power is applied.
Figure 112010024365454-pat00020
Current when AC power is applied
Figure 112010024365454-pat00021
It can be seen that less. That is, it can be seen that the loss generated in the built-in rectifier circuit during the DC power supply is small. In particular, in the case of direct current, the filter capacitor is open so that no loss occurs. This value accounts for 70 [%] of the total loss in the actual rectifier circuit.

또한, 수식으로는 표현하지 않았으나 동일 출력의 경우 교류가 직류에 비해 파형율이나 파고율이 나쁘므로 실제 정류소자에서의 손실도 다소간 증가될 것이므로, 교류보다는 직류급전이 내장 정류회로를 갖는 제품에 서 보다 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.Also, although not expressed by the formula, since the AC output has a lower waveform rate or crest factor than DC, the loss in the rectifier device will increase somewhat. Therefore, DC feeding rather than AC has a built-in rectifier circuit. It can be seen that the efficiency can be improved.

궁극적으로 직류급전을 하게 되고 또 전압레벨을 적절히 한다면 정류소자 자체도 불필요하게될 뿐만 아니라 정류소자의 손실까지도 없앨 수 있게 된다. 뿐만 아니라 교류사용시 정류회로의 입력단에 고조파 전류가 발생되고 또 역률도 저하되는 문제점이 직류급전의 경우 해소할 수 있는 것이다.Ultimately, if the DC power supply is made and the voltage level is appropriate, the rectifier element itself becomes unnecessary and the loss of the rectifier element can be eliminated. In addition, the problem that the harmonic current is generated at the input terminal of the rectifier circuit and the power factor is also lowered in the case of DC power supply can be solved.

또한, 옥내의 배선로에서 발생되는 손실은 교류전원의 인가시 내장 정류회로의 입력측 역률은 0.5 ~ 0.6 으로 크게 저하된다. 이처럼, 저역률로 인해 입력전류가 커지게 되며, 이에 따라 배전선 손실과 전압강하도 증가함을 예측할 수 있다.In addition, the loss generated in the indoor wiring path greatly decreases the input power factor of the built-in rectifier circuit when the AC power is applied to 0.5 to 0.6. As such, the low power factor causes the input current to be large, thereby increasing the distribution line loss and the voltage drop.

한편, 도 5 를 참조하여 간단한 배선로 회로를 통해 하이브리드 배전의 특성을 살피면 아래와 같다.Meanwhile, referring to FIG. 5, the characteristics of the hybrid power distribution through the circuit with a simple wiring are as follows.

20m 이상의 옥내배전선에 존재하는 저항 값을 r (교류 배전시 20m 배선로의 리액턴스는 선로저항보다 매우 작으므로 계산의 편의를 위해 선로의 리액턴스 성분은 무시), 부하는 Z, 공급전원은

Figure 112010024365454-pat00022
및 부하 입력단은
Figure 112010024365454-pat00023
로 표기하며 교류급전시
Figure 112010024365454-pat00024
, 직류급전시
Figure 112010024365454-pat00025
를 나타내고, 회로해석을 위해 직류전원은 교류정격전압(실효값 220[V])의 k배로 정의하였으며, 이는 [수학식6]과 같다.The resistance value existing in the indoor distribution line of 20m or more is r (the reactance of the 20m line is much smaller than the line resistance in the alternating current distribution. Therefore, the reactance component of the line is ignored for convenience of calculation.)
Figure 112010024365454-pat00022
And the load input stage
Figure 112010024365454-pat00023
In the form of
Figure 112010024365454-pat00024
, DC feeding
Figure 112010024365454-pat00025
For the circuit analysis, DC power was defined as k times the AC rated voltage (effective value 220 [V]), as shown in [Equation 6].

[수학식6][Equation 6]

Figure 112010024365454-pat00026
Figure 112010024365454-pat00026

또한, 부하소비전력을

Figure 112010024365454-pat00027
, 부하전류를
Figure 112010024365454-pat00028
, 배선로 저항을 2r, 역률을
Figure 112010024365454-pat00029
및 선로손실을
Figure 112010024365454-pat00030
라 할 경우, 교류에 의한 배선로에서 발생하는 손실은 [수학식7]과 같다.In addition, the load power consumption
Figure 112010024365454-pat00027
Load current
Figure 112010024365454-pat00028
, Wiring resistance 2r, power factor
Figure 112010024365454-pat00029
And track losses
Figure 112010024365454-pat00030
In this case, the loss generated in the wiring path by AC is shown in [Equation 7].

[수학식7][Equation 7]

Figure 112010024365454-pat00031
Figure 112010024365454-pat00031

또한, 직류배전전압을

Figure 112010024365454-pat00032
, 부하소비전력을
Figure 112010024365454-pat00033
, 부하전류를
Figure 112010024365454-pat00034
, 배선로 저항을 2r 및 선로손실을
Figure 112010024365454-pat00035
라 할 경우, 직류인가시 배선로의 발생 손실은 [수학식8]과 같다.In addition, the DC distribution voltage
Figure 112010024365454-pat00032
Load power consumption
Figure 112010024365454-pat00033
Load current
Figure 112010024365454-pat00034
2r resistance and wiring loss
Figure 112010024365454-pat00035
In this case, the loss in the wiring path when applying DC is expressed by [Equation 8].

[수학식8][Equation 8]

Figure 112010024365454-pat00036
Figure 112010024365454-pat00036

그리고, 서로 다른 두 급전방식에서 전류 크기와 선로 손실의 관계식을 구하면 [수학식9]와 같다. In addition, the relation between current magnitude and line loss in two different power feeding methods is shown in Equation (9).

[수학식9][Equation 9]

Figure 112010024365454-pat00037
Figure 112010024365454-pat00037

도출된 [수학식9]와 같이,

Figure 112010024365454-pat00038
즉, 직류전압의 크기를 교류의 실효값이상으로 설정하게 되면, 부하의 역률이 낮을수록 배선로에 흐르는 교류전류의 크기가 더 커져 전선의 손실이 증가된다.As shown in [Equation 9],
Figure 112010024365454-pat00038
That is, when the magnitude of the DC voltage is set to be equal to or greater than the effective value of AC, the lower the power factor of the load, the larger the magnitude of the AC current flowing through the wiring line, and the loss of the wire increases.

동일한 부하전력 전송시 DC전압이

Figure 112010024365454-pat00039
일 때 DC배전 전류의 크기와 배전선에서 발생하는 손실은 상기 [수학식8]을 통해 도출할 수 있으며, 직류급전시 역률 1로 유지가능하기 때문에 교류전압의 피크값과 동일한 직류전압(
Figure 112010024365454-pat00040
)을 인가하게 되면 동일 전력 공급시, 도 6 에서 도시된 바와 같이 교류보다 전류 크기가
Figure 112010024365454-pat00041
로 작아져 배전선에 발생하는 손실을 저감 할 수 있을 뿐만 아니라 기존 배선로의 이용률을 높일 수 있다.When the same load power is transmitted, the DC voltage
Figure 112010024365454-pat00039
When the magnitude of the DC distribution current and the loss occurring in the distribution line can be derived through Equation (8) above, and the DC power factor can be maintained at the power factor of 1 during the DC power supply, so that the DC voltage equal to the peak value of the AC voltage (
Figure 112010024365454-pat00040
), When the same power is supplied, as shown in FIG.
Figure 112010024365454-pat00041
As a result, the loss caused by distribution lines can be reduced, and the utilization rate of existing wiring lines can be increased.

또한, 도 7 에 도시된 바와 같이, 하이브리드급전시스템은 교류전원과 직류전원의 두 전원과, 교류 및 직류의 2가지 유형의 부하 즉, 직류부하와 교류부하와, 이들을 상호 연계시켜주는 스위칭매트릭스로 구성될 수 있다.
In addition, as shown in FIG. 7, the hybrid power supply system includes two power supplies, an AC power supply and a DC power supply, and two types of loads, AC loads, AC loads, and a switching matrix that interconnects them. Can be configured.

이하, 도 8 내지 도 11 을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템(S)에 대해 살피면 아래와 같다.Hereinafter, the high efficiency DC power supply system S using the hybrid power feeding method according to the present invention with reference to FIGS. 8 to 11 is as follows.

도 8 은 본 발명에 따른 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템을 도시한 구성도로서, 전체적으로 승압형 DC-DC 컨버터부(100), 양방향 PWM 컨버터부(200), DC링크 및 배터리(300), 강압용 DC-DC 컨버터부(400) 및 제어부(500)를 포함하여 구성된다.8 is a block diagram showing a high-efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method according to the present invention, the boost-type DC-DC converter unit 100, the bidirectional PWM converter unit 200, the DC link and the battery 300 as a whole , The step-down DC-DC converter 400 and the control unit 500 is configured to include.

구체적으로, 승압형 DC-DC 컨버터부(100)는 풀 브리지(Full-Bridge) 컨버터 형태로 구성되어, 입력되는 제어신호에 따라 저전압 입력측의 DC전압을 기 설정된 직류 출력전압(330V 내지 380V)으로 승압하는 기능을 수행하며, 고주파 절연형 변압기로 인해 입력과 출력을 분리함에 따라 입력측의 신재생에너지의 안전성을 확보함과 동시에 변압기의 높은 승압비로 인해 입력측의 넓은 전압범위를 확보할 수 있다.Specifically, the boosted DC-DC converter unit 100 is configured in the form of a full-bridge converter, and the DC voltage of the low voltage input side is set as a preset DC output voltage (330V to 380V) according to the input control signal. It boosts the function, and as the input and output are separated by the high frequency insulation type transformer, the safety of the renewable energy of the input side can be secured and the wide voltage range of the input side can be secured due to the high boost ratio of the transformer.

또한, 양방향 PWM 컨버터부(200)는 인버팅 모드와 컨버팅 모드의 기능을 동시에 수행하는데, 인버팅 모드는 DC링크 및 배터리(300)로부터 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통과 교류부하에 공급하도록 기동하며, 컨버팅 모드는 계통으로부터 전력을 공급받아 일정한 직류출력 전압을 DC링크 및 배터리(300)에 저장하도록 기동한다.In addition, the bidirectional PWM converter 200 performs the function of the inverting mode and the converting mode at the same time, the inverting mode converts the DC voltage output from the DC link and the battery 300 into an AC voltage to the system and the AC load The power supply is started to supply, and the converting mode is supplied to receive power from the system and starts to store a constant DC output voltage in the DC link and the battery 300.

또한, 강압용 DC-DC 컨버터부(400)는 벅 컨버터의 구조를 갖으며, DC링크 및 배터리(300)에 저장된 에너지(전압 360V)를 직류급전전압(220V 내지 310V)의 일정전압으로 강압하여 직류부하에 전력을 전달하는 기능을 수행한다.In addition, the step-down DC-DC converter 400 has a structure of a buck converter, by stepping down the energy (voltage 360V) stored in the DC link and the battery 300 to a constant voltage of the DC feed voltage (220V to 310V) It performs the function of transferring power to DC load.

그리고, 제어부(500)는 상술한 구성요소들인 승압형 DC-DC 컨버터부(100), 양방향 PWM 컨버터부(200), DC링크 및 배터리(300) 및 강압용 DC-DC 컨버터부(400)를 제어함과 아울러 PWM신호를 발생시키고, 하이브리드 배전방식의 직류급전시스템의 동작모드를 제어한다.The control unit 500 controls the step-up type DC-DC converter unit 100, the bidirectional PWM converter unit 200, the DC link and the battery 300, and the step-down DC-DC converter unit 400 which are the above-described components. In addition to controlling, it generates a PWM signal and controls the operation mode of the hybrid power distribution type DC power supply system.

구체적으로, 제어부(500)는 전체 시스템의 동작은 3가지로 모드로 나눌 수 있는데, 각각의 모드는 직류부하의 소비전력에 따라 정격부하모드(모드1), 중부하모드(모드2) 및 발전모드(모드3)로 구분된다.Specifically, the control unit 500 may be divided into three modes of operation of the entire system, each of which is rated load mode (mode 1), heavy load mode (mode 2) and power generation according to the power consumption of the DC load. It is divided into mode (mode 3).

먼저, 제어부(500)의 정격부하모드는, 직류출력전원의 공급전력과 직류부하의 소비전력이 같은 경우로 상정하며, 직류부하의 공급에너지가 승압형 DC-DC 컨버터부(100)를 통해 DC링크 전압 360[Vdc]로 승압된 전력을 강압용 DC-DC 컨버터부(400)를 경유하여 직류부하로 전달한다. 이때, 도 9 에 도시된 바와 같이 직류출력전원의 발전전력만이 모두 DC부하에서 사용됨에 따라 AC부하에 필요한 전력은 계통과 연계되어 직접 공급받게 된다.First, the rated load mode of the controller 500 assumes that the supply power of the DC output power is the same as the power consumption of the DC load, and the supply energy of the DC load is DC through the step-up DC-DC converter unit 100. The power boosted by the link voltage 360 [Vdc] is transferred to the direct current load via the step-down DC-DC converter 400. At this time, as shown in FIG. 9, since only the generated power of the DC output power is used in the DC load, the power required for the AC load is directly supplied in connection with the system.

또한, 제어부(500)의 중부하모드는, 직류부하의 소비전력이 직류출력전원에서 공급하는 에너지 보다 많을 경우에 기동하는 모드인바, 도 10 에 도시된 전력 흐름을 참조하여 살피면, 직류출력전원에서 발전되는 전력이 모두 승압형 DC-DC 컨버터부(100)와 DC링크 및 배터리(300) 그리고 강압용 DC-DC컨버터부(400)를 경유하여 직류부하에 공급하고, 부족한 에너지를 양방향 PWM 컨버터부(200)를 통해 계통으로부터 공급받도록 기동한다. 이때, AC부하에 필요한 에너지 또한 계통과 연계되어 바로 공급받는다.In addition, the heavy load mode of the control unit 500 is a mode that starts when the power consumption of the DC load is greater than the energy supplied by the DC output power source. All of the power supplied is supplied to the DC load via the boost type DC-DC converter unit 100, the DC link and the battery 300, and the step-down DC-DC converter unit 400, and insufficient energy is supplied to the bidirectional PWM converter unit ( Maneuver from the system via 200). At this time, the energy required for the AC load is also directly supplied with the system.

그리고, 제어부(500)의 발전모드는, 직류출력전원의 발전전력이 직류부하의 소비전력보다 많을 경우에 기동하는 모드인바, 도 11 에 도시된 전력 흐름을 참조하여 살피면, DC부하의 소비전력을 직류출력전원 발전전력으로 모두 충당하고 남는 발전전력은 PWM 컨버터부(200)의 인버팅 과정을 통해 AC부하로 공급하고 잉여전력은 계통으로 회생하도록 기동한다.In addition, the power generation mode of the control unit 500 is a mode that starts when the generated power of the DC output power is greater than the power consumption of the DC load. When the power generation mode of the control unit 500 is referred to, the power consumption of the DC load is measured. All of the remaining generated power is supplied to the AC load through the inverting process of the PWM converter unit 200 and the surplus power is started to regenerate to the system.

즉, 전술한 바와 같이 제어부(500)가 정격부하모드, 중부하모드 및 발전모드 각각에 부합하도록 직류 출력전원을 승압 혹은 강압하여 바로 사용할 수 있는 하이브리드 배전시스템을 구현함으로써, AC/DC 또는 DC/AC 변환단계가 축소됨에 따라 직류출력 전원의 효율을 향상시킬 수 있다.That is, as described above, by implementing a hybrid power distribution system in which the control unit 500 directly boosts or lowers the DC output power to correspond to the rated load mode, the heavy load mode, and the power generation mode, thereby providing AC / DC or DC / As the AC conversion step is reduced, the efficiency of the DC output power source can be improved.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

S: 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템
100: 승압형 DC-DC 컨버터부 200: 양방향 PWM 컨버터부
300: DC링크 및 배터리 400: 강압용 DC-DC 컨버터부
500: 제어부
S: High efficiency DC feeding system using hybrid feeding method
100: step-up DC-DC converter unit 200: bidirectional PWM converter unit
300: DC link and battery 400: step-down DC-DC converter unit
500: control unit

Claims (6)

하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템에 있어서,
입력되는 제어신호에 따라 저전압 입력측의 DC전압을 기 설정된 직류 출력전압으로 승압하는 기능을 수행하는 승압형 DC-DC 컨버터부;
DC링크 및 배터리로부터 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통과 교류부하에 공급하는 인버팅 모드와, 계통으로부터 전력을 공급받아 일정한 직류출력 전압을 상기 DC링크 및 배터리에 저장하는 컨버팅 모드의 기능을 수행하는 양방향 PWM 컨버터부;
상기 DC링크 및 배터리에 저장된 에너지를 기 설정된 직류급전전압으로 강압하여 직류부하에 전력을 전달하는 기능을 수행하는 강압용 DC-DC 컨버터부; 및
상기 승압형 DC-DC 컨버터부, 양방향 PWM 컨버터부 및 강압용 DC-DC 컨버터부를 제어함과 아울러 PWM신호를 발생시키는 제어부; 를 포함하되,
상기 제어부는, 직류출력전원의 공급전력과 직류부하의 소비전력이 같은 경우, 직류부하의 공급전압을 상기 승압형 DC-DC 컨버터부를 통해 DC링크 전압 360[Vdc]으로 승압시키고, 승압된 DC링크 전압을 상기 강압용 DC-DC 컨버터를 경유하여 직류부하로 전달하도록 제어하는 정격부하모드와;
직류부하의 소비전력이 직류출력전원에서 공급하는 전력 보다 많은 경우, 직류출력전원에서 발전되는 전력이 상기 승압형 DC-DC 컨버터부와 DC링크 및 배터리 및 강압용 DC-DC컨버터부를 경유하여 직류부하로 공급하고, 부족한 전력을 상기 양방향 PWM 컨버터부를 통해 계통으로부터 공급받도록 제어하는 중부하모드; 및
직류출력전원의 발전전력이 직류부하의 소비전력보다 많은 경우, 직류부하의 소비전력을 직류출력전원 발전전력으로 모두 충당하고 남는 발전전력을 상기 PWM 컨버터부의 인버팅 과정을 통해 교류부하로 공급하고 잉여전력은 계통으로 회생하도록 제어하는 발전모드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템.
In a high efficiency DC feeding system using a hybrid feeding method,
A boost type DC-DC converter configured to boost a DC voltage at a low voltage input side to a preset DC output voltage according to an input control signal;
Inverting mode that converts DC voltage output from DC link and battery into AC voltage and supplies it to system and AC load, and converting mode that receives power from system and stores constant DC output voltage in the DC link and battery Bidirectional PWM converter unit for performing;
A step-down DC-DC converter unit for stepping down the energy stored in the DC link and the battery to a preset DC feed voltage to transfer power to the DC load; And
A controller which controls the boosted DC-DC converter, the bidirectional PWM converter and the step-down DC-DC converter and generates a PWM signal; Including,
When the supply power of the DC output power is the same as the power consumption of the DC load, the control unit boosts the supply voltage of the DC load to the DC link voltage 360 [Vdc] through the step-up DC-DC converter, and boosts the DC link. A rated load mode for controlling a voltage to be transmitted to a DC load via the step-down DC-DC converter;
When the power consumption of the DC load is more than that supplied by the DC output power, the power generated from the DC output power is supplied via the boost type DC-DC converter unit, the DC link, and the battery and step-down DC-DC converter unit. A heavy load mode for supplying power to the system and controlling the insufficient power to be supplied from the system through the bidirectional PWM converter; And
When the generated power of the DC output power is more than the power consumption of the DC load, the power consumption of the DC load is all covered by the DC output power and the remaining power is supplied to the AC load through the inverting process of the PWM converter unit. High power DC power supply system using a hybrid power supply method, characterized in that it comprises a power generation mode to control the power to regenerate the system.
제 1 항에 있어서,
상기 승압형 DC-DC 컨버터부는,
저전압 입력측의 DC전압을 330V 내지 380V로 승압하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템.
The method of claim 1,
The boost type DC-DC converter unit,
A high-efficiency DC power supply system using a hybrid power feeding method, characterized by boosting the DC voltage of the low voltage input side to 330V to 380V.
제 1 항에 있어서,
상기 강압용 DC-DC 컨버터부는,
상기 DC링크 및 배터리에 저장된 전압을 220V 내지 310V의 직류급전전압으로 강압시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 급전방식을 이용한 고효율 직류급전시스템.
The method of claim 1,
The step-down DC-DC converter,
High-efficiency DC power supply system using a hybrid power supply method characterized in that for stepping down the voltage stored in the DC link and the battery to a DC power supply voltage of 220V to 310V.
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