KR101224463B1

KR101224463B1 - 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR101224463B1
Application number: KR1020120120986A
Authority: KR
Inventors: 배영상; 오성진
Original assignee: 데스틴파워 주식회사
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-01-21
Also published as: WO2014069736A1; US20140119069A1; US9148070B2

Abstract

본 발명은 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있고, 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있으며, 에너지 원인 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 에너지 원; 상기 에너지 원을 관리하는 에너지 원 관리부; 상기 에너지 원 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330); 상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N); 상기 인버터의 출력단에 결합된 LC필터(351, 352, ... ,35N); 및 상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 LC필터와 부하 사이를 단속하는 복수의 전자접촉기(361, 362, ..., 36N)를 포함한다.

Description

대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법{HIGH POWER CONTROL SYSTEM AND ITS METHOD}

본 발명은 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 배터리의 직류 출력을 교류로 변환하는 전력 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.

화석 연료의 고갈로 인해 대체 에너지인 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 이용하고자 하는 노력이 점자 증대되고 있다. 또한, 발생된 에너지를 바로 이용하는 대신 배터리에 저장해 두었다가 피크 부하시 활용함으로써 발전 설비를 합리적으로 이용하고자 하는 노력도 이어지고 있다.

그리고, 신재생 에너지원이나, 배터리에 저장되는 에너지가 예컨대, 500kW급, 1MW급 등 대용량화됨에 따라 이를 변환하는 인버터도 점차 대용량화되고 있다. 그런데, 대용량 인버터의 구동에는 고려하여야 할 요소들이 많다.

도 1은 종래기술에 따른 1대의 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭 구성도로서, 1대의 제어기가 1대의 인버터를 제어하는 구조이다. 이러한 구조에서는, 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)이 크고, 입력 전류의 리플이 크다. 또한, 인버터가 고장나는 경우 전력 수급이 중단되는 문제가 발생하고, 낮은 평균 고장 간격(MTBF: Mean Time Between Failure)으로 인해 시스템의 신뢰성 저하를 가져오고, 유지 보수의 비용이 증가하는 문제가 있다.

이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 도 2와 같이 복수의 인버터를 병렬 제어하는 방식이 제시되었다.

도 2는 종래기술에 따른 복수대의 병렬 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭 구성도로서, 하나의 제어기가 복수의 병렬 인버터를 제어하는 구조이다. 이러한 구조에서는, 1대의 인버터가 고장되는 경우, 여분의 인버터를 사용하여 구동할 수 있으므로 전력 수급 중단의 문제가 발생하지 않고, 고장난 인버터의 교체가 용이하여 유지 보수가 수월한 장점이 있다. 그러나, 이 경우에는 인버터들 간에 순환 전류가 흐르기 때문에 부하를 분담하여 인버터를 동작시키기 어렵고, 독립적인 제어가 불가능하여 순환기동을 시행할 수 없어 높은 MTBF를 기대하기 어려워 시스템의 신뢰성 저하를 가져온다. 또한, 병렬 인버터가 동시에 운전하므로 저 부하 조건시 배터리에서 요구되는 THD를 만족시킬 수 없고, 낮은 입력 전류 리플을 확보할 수 없는 문제점이 있다.

공고번호 1996-0006853 PWM 인버터의 병렬 운전 제어 장치 공개번호 10-2009-0096841 인버터의 병렬운전에서 전류 균형 제어 장치

본 발명은 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 에너지 원인 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있는 대용량 전력 제어 시스템 및 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 에너지 원; 상기 에너지 원을 관리하는 에너지 원 관리부; 상기 에너지 원 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330); 상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N); 상기 인버터의 출력단에 결합된 필터(351, 352, ... ,35N); 및 상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 필터와 계통에 연결되는 부하 사이를 단속하는 복수의 스위치(361, 362, ..., 36N)를 포함하고, 상기 복수의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가한다.

삭제

또한, 상기 복수의 인버터 중 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프시킨 후 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어한다.

또한, 본 발명의 대용량 전력 제어 방법은, 단일의 에너지 원에 적어도 2 이상의 인버터가 병렬연결되고, 상기 2 이상의 인버터는 2 이상의 스위치와 각각 일대일로 결합되고, 상기 2 이상의 스위치와 부하는 하나의 노드에서 만나는 구조로 된 대용량 전력 제어 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 2 이상의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 인가하는 제1 단계; 제1 단계의 수행 후 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 제2 단계; 상기 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치의 해제를 위한 단속제어신호를 인가하는 제3 단계; 및 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 제4 단계를 포함한다.

삭제

본 발명의 대용량 전력 제어 시스템에 따르면, 계통과의 사이에 변압기를 사용하지 않고도 순환 전류를 제거할 수 있고, 저부하 조건에서 작은 고조파 왜곡을 가질 수 있으며, 에너지 원인 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 1대의 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭도,
도 2는 종래기술에 따른 복수대의 병렬 인버터를 구비한 에너지 저장 장치의 블럭도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템 블럭도, 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템의 시뮬레이션 파형도이다.

본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 다른 실시 예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)" 등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 에너지 원은 배터리 뱅크, 태양광 모듈, 풍력 발전기 등일 수 있다.
이하의 실시예에서는 에너지 원이 배터리 뱅크인 경우에 관하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템 블럭도, 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템의 시뮬레이션 파형도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전력 제어 시스템은, 단일의 배터리 뱅크(310), 배터리 뱅크를 관리하는 배터리 뱅크 관리부(320), 배터리 뱅크 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330), 컨트롤러(330)의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N), 인버터(341, 342, ..., 34N)의 출력단에 결합된 LC필터(351, 352, ... ,35N), 컨트롤러(330)의 단속제어신호에 제어되어 LC필터(351, 352, ... ,35N)와 부하(미도시) 사이를 단속하는 복수의 전자접촉기(361, 362, ..., 36N)를 포함한다.

여기서, 단일의 배터리 뱅크(310)라 함은 병렬연결된 인버터에서 바라보았을 때 하나의 배터리 뱅크로 볼 수 있으면 모두 해당하는 구조로서, 배터리 뱅크가 단지 하나라는 것을 의미하지는 않는다. 예컨대, 에너지 원이 배터리인 경우, 복수의 직병렬로 결합된 배터리 뱅크일 수 있다.

복수의 인버터(341, 342, ..., 34N)는 하나의 배터리 뱅크(310)의 일측과 병렬연결되고, 복수의 전자접촉기(361, 362, ..., 36N)의 타측은 하나의 노드로 묶여 부하에 연결된다. 여기서, 부하는 상용전원의 계통에 연결될 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전자접촉기 대신 IGBT를 사용할 수 있다.

삭제

본 발명의 일실시예에 따르면, 복수의 인버터를 동작시키는 경우, 부하의 크기에 따라 인버터의 동작 개수를 점차 증가시키는 방식으로 운전한다.

예컨대, 4개의 인버터가 구비된 경우, 부하에 따른 인버터 동작 개수는 다음의 표와 같다. 즉, 부하가 정격치의 25%에 도달하기까지 하나의 인버터만 동작시키고, 25%를 초과하여 50%에 도달하기까지 두개의 인버터를 동작시키는 방식이다. 이에 따라, 부하가 작은 경우에 전체 고조파 왜곡(THD)을 저감할 수 있고, 배터리의 리플 전류를 저감할 수 있다. 만일, 병렬운전을 하지 않고, 하나의 대용량 인버터로 운전한다면, 전체 고조파 왜곡이 너무 커서 인버터의 출력이 계통에 연결할 수 없을 정도로 악화된다.

부하	전력(kW)	인버터동작개수	THD(%)
5%	25	1	6.94
10%	50	1	3.93
25%	125	1	1.83
50%	250	2	1.07
75%	375	3	0.94
100%	500	4	0.74

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인버터가 동작하는 경우에만 전자접촉기(MC)를 동작시키는바, 인버터가 동작하지 않는 경우에는 전자접촉기(MC)를 해제상태에 놓이게 한다. 이에 따라 순환전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 컨트롤러는 동작시키고자 하는 인버터에 인가하는 PWM제어신호를 전자접촉기에 인가하는 단속제어신호보다 먼저 인가한다. 이에 따라, 인버터가 배터리 뱅크와 더불어 하나의 에너지 원으로 되어 순환전류의 흐름을 방지할 수 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 인버터(341)가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터(342)를 동작시키고자 하는 경우, 제2 인버터(342)에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 제2 전자접촉기(362)에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하여 온(ON)시킨다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 동작 중인 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 동작 중인 인버터의 출력단에 연결된 전자접촉기에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프(OFF)시킨 후 대응하는 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 인버터를 순환하여 기동함으로써 인버터의 수명을 연장할 수 있다. 예컨대, 오늘은 제1 인버터를 가장 먼저 기동시킨다면, 내일은 제2 인버터를 가장 먼저 기동시키고, 모레는 제3 인버터를 가장 먼저 기동시키는 방식이다.

310: 배터리 뱅크
320: 배터리 뱅크 관리부
330: 컨트롤러
341, 342, ..., 34N: 인버터
351, 352, ... ,35N: LC 필터
361, 362, ..., 36N: 전자접촉기

Claims

단일의 에너지 원;
상기 에너지 원을 관리하는 에너지 원 관리부;
상기 에너지 원 관리부에 제어받아 PWM제어신호를 출력하는 컨트롤러(330);
상기 컨트롤러의 PWM제어신호에 제어받아 직류를 교류로 변환하는 복수의 인버터(341, 342, ..., 34N);
상기 인버터의 출력단에 결합된 필터(351, 352, ... ,35N); 및
상기 컨트롤러의 단속제어신호에 제어되어 필터와 계통에 연결되는 부하 사이를 단속하는 복수의 스위치(361, 362, ..., 36N)를 포함하고,
상기 복수의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 먼저 인가한 후, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 대용량 전력 제어 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 인버터 중 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 해제를 위한 단속제어신호를 인가하여 먼저 오프시킨 후 상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대용량 전력 제어 시스템.
단일의 에너지 원에 적어도 2 이상의 인버터가 병렬연결되고, 상기 2 이상의 인버터는 2 이상의 스위치와 각각 일대일로 결합되고, 상기 2 이상의 스위치와 부하는 하나의 노드에서 만나는 구조로 된 대용량 전력 제어 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 2 이상의 인버터 중 제1 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 추가적으로 제2 인버터를 동작시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터에 PWM제어신호를 인가하는 제1 단계; 및
제1 단계의 수행 후 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치에 동작을 위한 단속제어신호를 인가하는 제2 단계;
상기 제1 및 제2 인버터가 동작하고 있는 상태에서, 상기 제2 인버터를 정지시키고자 하는 경우, 상기 제2 인버터의 출력단에 연결된 제2 스위치의 해제를 위한 단속제어신호를 인가하는 제3 단계; 및
상기 제2 인버터에 PWM제어신호가 인가되지 않도록 제어하는 제4 단계
를 포함하는 대용량 전력 제어 방법.
삭제