KR101462338B1 - 교류 연계형 전력변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 연계형 전력변환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 직류 전압을 제공하는 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하며, 양단이 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와 연결되어 있는 직류 전원부와, 상기 복수의 셀과 연결되어 상기 복수의 셀 간의 직류 전압 또는 충전량을 밸런싱하는 셀 밸런싱 충방전기, 및 상기 셀 밸런싱 충방전기와 상기 인버터 사이에 위치하며 상기 셀 밸런싱 충방전기의 제1 출력단과 제2 출력단에 제1단과 제2단이 각각 연결되어 상기 직류 전압의 리플을 제거하는 리플제거용 커패시터를 포함하는 교류 연계형 전력변환 장치를 제공한다.
상기 교류 연계형 전력변환 장치에 따르면, 직류 전원부 내의 직렬 구조의 복수의 셀에 대하여 셀 밸런싱 충방전기와 리플제거용 커패시터 충방전기를 통합하여 각 셀의 충방전 밸런싱이 가능하면서 전해 커패시터 없이도 리플을 제거할 수 있는 이점이 있다.

Description

교류 연계형 전력변환 장치{AC-connected power conversion circuit}
본 발명은 교류 연계형 전력변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 변환의 비용을 감소하고 효율 및 신뢰성을 증가시킬 수 있는 교류 연계형 전력변환 장치에 관한 것이다.
태양전지를 비롯한 신재생 에너지원은 지구에 한정적으로 존재하는 화석연료를 사용하지 않으며, 환경오염을 최소화한다는 점에서 오늘날 대체 에너지로 주목받고 있다. 그러나, 신재생 에너지원은 전압과 전류가 불안정하므로 부하로 안정된 전력을 공급하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 최근에는 배터리와 같은 에너지 저장장치를 이용하여 시스템의 전력 출력을 안전화시키는 기술이 개발되고 있다.
종래의 신재생 발전 시스템은 복수의 전원으로부터 복수의 전력변환기를 차례로 연결하여 전력을 부하로 공급하는 구조를 가지고 있다. 각 단계 연결부분 중 하나에 삽입되는 배터리 스택(셀 들의 직렬 묶음) 또는 배터리(화학전지)에 상응하는 태양전지모듈의 스택 간에, 각 셀의 용량 차이로 인한 배터리 충전량에 편차가 생길 수 있다. 이러한 배터리 간의 충전량 편차를 방지하기 위해 전력 변환기와 별도로 충전 균형 회로(밸런싱 회로)를 이용하게 된다.
도 1은 기존의 셀 밸런싱 회로를 나타낸다. 도 1의 (a)는 충전을 이용한 방법이고 (b)는 방전을 이용한 방법이다. 기존에는 이러한 구성을 갖는 셀 밸런싱 회로와 리플제거용 충방전 회로(직류단에서 교류전류의 흐름에 의해 발생하는 리플 제거를 위한 회로)가 따로 존재하므로 가격이 상승하는 문제점이 있었으며, 제품의 부피가 상승하고 효율 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있었다.
또한 종래에는 직류링크단 직류 전압의 리플을 제거하기 위하여 고용량의 전해 커패시터를 활용해 왔다. 그러나, 전해 커패시터는 고용량이고 수명이 짧은 단점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 국내공개특허 제2011-0132977호(2011.12.09 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 직류 전원부 내의 직렬 구조의 복수의 셀에 대하여 각 셀의 충방전 밸런스가 가능하고 전해 커패시터 없이 리플을 제거할 수 있는 리플제거 회로가 통합된 교류 연계형 전력변환 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 직류 전압을 제공하는 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하며, 양단이 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와 연결되어 있는 직류 전원부와, 상기 복수의 셀과 연결되어 상기 복수의 셀 간의 직류 전압 또는 충전량을 밸런싱하는 셀 밸런싱 충방전기, 및 상기 셀 밸런싱 충방전기와 상기 인버터 사이에 위치하며 상기 셀 밸런싱 충방전기의 제1 출력단과 제2 출력단에 제1단과 제2단이 각각 연결되어 상기 직류 전압의 리플을 제거하는 리플제거용 커패시터를 포함하는 교류 연계형 전력변환 장치를 제공한다.
여기서, 상기 셀 밸런싱 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 충전 및 방전 동작을 양방향으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 직류 전원부와 상기 인버터 사이에 하나 이상의 전력변환부가 차례로 연결되어 있으며, 상기 리플제거용 커패시터는 상기 셀 밸런싱 충방전기와 상기 하나 이상의 전력변환부 중 어느 하나의 전력변환부의 출력단 사이에 연결되어 있을 수 있다.
또한, 상기 교류 연계형 전력변환 장치는, 상기 리플제거용 커패시터와 상기 인버터의 직류입력 사이에 연결되는 리플제거용 충방전기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 셀 밸런싱 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 충전 또는 방전 동작을 단방향으로 수행하고, 상기 리플제거용 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 방전 또는 충전 동작을 단방향으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 직류 전원부와 상기 인버터 사이에 하나 이상의 전력변환부가 차례로 연결되어 있으며, 상기 리플제거용 충방전기는 상기 리플제거용 커패시터와 상기 하나 이상의 전력변환부 중 어느 하나의 전력변환부의 출력단 사이에 연결되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 교류 연계형 전력변환 장치에 따르면, 직류 전원부 내의 직렬 구조의 복수의 셀에 대하여 셀 밸런싱 충방전기와 리플제거용 커패시터 충방전기를 통합하여 각 셀의 충방전 밸런싱이 가능하면서 전해 커패시터 없이도 리플을 제거할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 기존의 셀 밸런싱 회로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교류 연계형 전력변환 장치의 개념도이다.
도 3은 도 2의 상세 구성도이다.
도 4는 도 3에 따른 직류 전원부의 다른 실시예이다.
도 5는 도 3에 전력변환부가 부가된 예시도이다.
도 6은 도 3의 셀 밸런싱 충방전기 및 리플제거용 충방전기의 회로 예이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 교류 연계형 전력변환 장치의 개념도이다. 도 3은 도 2의 상세 구성도이다. 상기 교류 연계형이란 모터 제어 위한 교류 전류 출력 혹은 계통 연계형 신재생 에너지 분산 발전원 등을 포괄하는 의미이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 교류 연계형 전력변환 장치(100)는 직류 전원부(110), 셀 밸런싱 충방전기(120), 리플제거용 커패시터(130), 리플제거용 충방전기(140)를 포함한다.
상기 직류 전원부(110)는 직류 전압을 제공하는 복수의 셀을 포함한다. 이러한 복수의 셀은 고전압을 만들기 위하여 서로 직렬 연결되어 있다. 상기 직류 전원부(110)의 양단은 인버터(10)와 연결되어 있으며, 인버터(10)는 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다.
직류 전원부(110)는 일반적으로 배터리, 태양전지, 연료전지 등에 해당될 수 있으며, 직류 전원부(110)는 풍력 또는 태양전지를 포함하는 신재생 에너지 전류원이 연결될 수 있다.
상기 셀 밸런싱 충방전기(120)는 상기 복수의 셀과 개별 연결되어 상기 복수의 셀 간의 직류 전압 혹은 충전량을 밸런싱(balancing)하는 역할을 한다. 이러한 셀 밸런싱 충방전기(120)는 각 셀(모듈) 별 충방전 상태가 상이한 문제를 해소하며 상호 간의 편차를 최소화한다.
상기 리플제거용 커패시터(130)는 제1단(131)과 제2단(132)이 셀 밸런싱 충방전기(120)의 제1 출력단(121)과 제2 출력단(122)에 각각 연결되어 상기 직류 전압의 리플을 제거하고 평활화하는 역할을 한다. 이러한 리플제거용 커패시터(130)는 기존에 사용되었던 단수명의 고용량 전해 커패시터와는 달리 장수명의 소용량 커패시터가 사용되므로 수명이 연장되고 단가가 저렴한 이점이 있다.
여기서, 상기 셀 밸런싱 충방전기(120)는 상기 직류 전원부(110)에 대한 충전 및 방전 동작을 동시에 양방향으로 수행하거나, 충전 또는 방전 동작 중 어느 하나를 단방향으로 수행할 수 있다.
만약, 셀 밸런싱 충방전기(120)가 양방향 동작을 수행하는 경우, 상기 리플제거용 충방전기(140)의 구성은 없어도 무관하다. 리플제거용 충방전기(140)가 없는 경우 상기 리플제거용 커패시터(130)는 상기 셀 밸런싱 충방전기(120)를 거쳐서 상기 인버터(10)에 연결되게 된다. 물론, 이때 셀은 인버터(10)의 입력단에 위치하고 있다.
앞서와 같이 셀 밸런싱 충방전기(120)가 충전과 방전이 모두 가능한 양방향인 경우 상기 리플제거용 충방전기(140)는 불필요하나, 충전 또는 방전 동작 중 어느 하나를 단방향만 수행하는 경우 리플제거용 충방전기(140)가 별도로 요구된다.
이때, 리플제거용 충방전기(140)는 상기 리플제거용 커패시터(130)와 상기 인버터(10)의 직류입력 사이에 연결되며, 상기 직류 전원부(110)에 대한 방전 또는 충전 동작을 수행한다. 예를 들어, 셀 밸런싱 충방전기가 충전 동작일 때 리플제거용 충방전기는 방전 동작을 수행하며, 그 반대의 동작도 가능하다. 이렇게 양방향 충방전기 회로를 적용하여 예외적으로(ex, 사고 시에) 양방향으로 동작시킬 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 직류 전원부(110) 내에 포함된 직렬 구조의 복수의 셀에 대하여 셀 밸런싱 충방전기(120)와 리플제거용 커패시터(130)를 연결하여 각 셀에 대한 충방전 밸런싱이 가능하고 기존의 고용량의 전해 커패시터 없이도 용이하게 리플을 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 직류 전원부(110)의 각 셀마다 셀 충전 밸런싱 기능을 가진 충방전기를 연결하고 있으며 리플 제거 기능과 셀 밸런싱 기능이 통합될 수 있어서 가격을 저감시킬 수 있고 크기 및 부피를 감소시키며 전력 변환 효율 및 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 같이, 도 3과 같이 직류 전원부(110)에서 발생하는 전압의 리플을 제거하고자 하는 경우, 리플제거용 충방전기(140)를 양방향 충방전기로 사용하면, 셀 밸런싱 충방전기(120)와 리플제거용 충방전기(140)를 하나로 통합할 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 도 2와 같이 직류 전원부(110) 내에 복수의 셀이 직렬 연결된 형태로 구성될 수 있으나, 복수의 셀 대신에 도 4와 같이 복수의 태양 전지 모듈과 전력 변환기(또는 전력 조절기)가 연결될 수도 있다. 도 4는 도 3에 따른 직류 전원부의 다른 실시예이다. 도 4와 같이 직류 전원부(110)는 n개의 태양전지 모듈과 각각의 태양전지 모듈에 연결되어 있는 n개의 전력 변환기를 포함할 수 있다. 각각의 태양전지 모듈에 연결된 각각의 전력 변환기는 후단이 셀 밸런싱 충방전기(120)의 전단에 연결된다.
그리고 본 실시예에서는 리플 제거 및 충방전 전류 제어를 동시에 수행할 수 있는 전류(혹은 전압) 피드백 제어가 충방전기 내부에 들어갈 수 있으며, 리플 제거를 위한 충방전기 전류 제어를 위해서는 전류 레퍼런스를 (iac-idc)로 하여 제어할 수 있다. 부궤환으로 구성된 제어기는 선형소자 혹은 비선형 소자로 구현될 수 있으며 일반적인 제어기 설계 방법이 적용될 수 있다.
도 5는 도 3에 전력변환부가 부가된 예시도이다. 상기 직류 전원부(110)와 상기 인버터(10) 사이에는 하나 이상의 전력변환부(20)가 차례로(cascade) 연결될 수 있다. 이러한 전력변환부는 직류 전압의 크기 변환이 필요한 경우에 사용된다.
만약, 셀 밸런싱 충방전기(120)가 단방향인 경우에는 리플제거용 충방전기(140)가 필요하며, 이때 리플제거용 충방전기(140)는 상기 리플제거용 커패시터(130)와 상기 하나 이상의 전력변환부 중에서 셀이 위치하는 어느 하나의 전력변환부(20)의 출력단 사이에 직접 연결된다.
물론, 셀 밸런싱 충방전기(120)가 양방형인 경우에는 리플제거용 충방전기(140)가 불필요하므로, 이때에는 리플제거용 커패시터(130)가 직접 상기 셀 밸런싱 충방전기(120)와 상기 하나 이상의 전력변환부 중 어느 하나의 전력변환부(20)의 출력단 사이에 연결된다. 이러한 리플제거용 충방전기(140) 또한 리플제거용 커패시터(130)는 리플 제거 대상 부위에만 연결되면 된다.
도 6은 도 3의 셀 밸런싱 충방전기 및 리플제거용 충방전기의 회로 예이다. 도 6의 셀 밸런싱 충방전기(120)와 리플제거용 충방전기(140)는 기 공지된 구성에 해당되며, 모두 충방전기에 해당되므로 상호 간의 구성이 유사하게 구현될 수도 있다. 또한, 셀 밸런싱 충방전기(120)와 리플제거용 충방전기(140)가 반드시 이에 한정되지 않으며 기 공지된 다양한 회로 예가 적용될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 교류 연계형 전력변환 장치에 따르면, 직류 전원부 내의 복수의 셀에 대하여 셀 밸런싱 충방전기와 리플제거용 커패시터를 연결하여 각 셀의 충방전 밸런싱이 가능하고 전해 커패시터 없이도 리플을 제거할 수 있으며, 리플제거용 커패시터에 연결된 리플제거용 충방전기를 밸런싱 회로와 같이 사용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 인버터 20: 변압기
100: 전력변환 장치 110: 직류 전원부
120: 셀 밸런싱 충방전기 130: 리플제거용 커패시터
140: 리플제거용 충방전기

Claims (6)

  1. 직류 전압을 제공하는 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하며, 양단이 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와 연결되어 있는 직류 전원부;
    상기 복수의 셀과 연결되어 상기 복수의 셀 간의 직류 전압 또는 충전량을 밸런싱하는 셀 밸런싱 충방전기; 및
    상기 셀 밸런싱 충방전기와 상기 인버터 사이에 위치하며 상기 셀 밸런싱 충방전기의 제1 출력단과 제2 출력단에 제1단과 제2단이 각각 연결되어 상기 직류 전압의 리플을 제거하는 리플제거용 커패시터를 포함하며,
    상기 직류 전원부와 상기 인버터 사이에 하나 이상의 전력변환부가 차례로 연결되어 있으며,
    상기 리플제거용 커패시터는,
    상기 셀 밸런싱 충방전기, 그리고 상기 전력변환부와 상기 인버터의 접점 사이에 연결되어 있는 교류 연계형 전력변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 충전 및 방전 동작을 양방향으로 수행하는 교류 연계형 전력변환 장치.
  3. 삭제
  4. 직류 전압을 제공하는 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하며, 양단이 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와 연결되어 있는 직류 전원부;
    상기 복수의 셀과 연결되어 상기 복수의 셀 간의 직류 전압 또는 충전량을 밸런싱하는 셀 밸런싱 충방전기;
    상기 셀 밸런싱 충방전기와 상기 인버터 사이에 위치하며 상기 셀 밸런싱 충방전기의 제1 출력단과 제2 출력단에 제1단과 제2단이 각각 연결되어 상기 직류 전압의 리플을 제거하는 리플제거용 커패시터; 및
    상기 리플제거용 커패시터와 상기 인버터의 직류입력 사이에 연결되는 리플제거용 충방전기를 포함하는 교류 연계형 전력변환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 충전 또는 방전 동작을 단방향으로 수행하고,
    상기 리플제거용 충방전기는 상기 직류 전원부에 대한 방전 또는 충전 동작을 단방향으로 수행하는 교류 연계형 전력변환 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 직류 전원부와 상기 인버터 사이에 하나 이상의 전력변환부가 차례로 연결되어 있으며,
    상기 리플제거용 충방전기는,
    상기 리플제거용 커패시터, 그리고 상기 전력변환부와 상기 인버터의 접점 사이에 연결되어 있는 교류 연계형 전력변환 장치.
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