KR101533248B1 - 하이브리드 전력변환장치 - Google Patents

Abstract

하이브리드 전력변환장치가 개시된다. 본 발명은 에너지원의 종류에 따라 별도의 전력변환회로를 구비하지 아니하고, 공통의 전력변환회로와 간단한 소자를 구비함으로써 에너지원의 종류에 관계없이 전력을 변환할 수 있도록 함으로써 비용 절감 및 사용자의 편의성을 제고한다.

전력 변환, 태양광, 풍력

Description

하이브리드 전력변환장치{HYBRID POWER CONVERTING APPARATUS}

본 발명은 하이브리드 전력변환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지원의 종류에 따라 별도의 전력변환회로를 구비하지 아니하고, 공통의 전력변환회로와 간단한 소자를 구비함으로써 에너지원의 종류에 관계없이 전력을 변환할 수 있는 하이브리드 전력변환장치에 관한 것이다.

에너지원으로 풍력, 태양광, 연료전지 등을 이용하는 경우에 있어서, 각각의 독립적이고, 전용의 전력변환장치 및 이를 제어하는 장치를 제조 또는 사용한다.

풍력을 이용하는 경우, 교류-직류 변환장치(AC-DC Converter, 컨버터)와 직류-교류 변환장치(DC-AC Converter, Inverter, 인버터)를 직렬로 연결하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 풍속과 터빈의 속도에 의하여 발생하는 최대전력을 추종하도록 하는 최대출력점 추종제어를 사용한다.

한편, 연료전지 또는 태양광을 이용하는 경우, 직류-직류 승압장치(DC-DC Booster)와 직류-교류 변환장치(Inverter)를 이용하여 부하 또는 전력 계통을 연계하는 전력변환장치와 운전조건이나 태양광 일사 조건에 따라 얻을 수 있는 최대전력을 출력하기 위한 제어 알고리즘 및 이를 탑재한 제어장치를 사용한다.

따라서, 전력변환의 측면에서는 컨버터와 인버터를 직렬로 연결하여 입력전원과 부하 또는 전력계통을 연계하는 공통점이 있고, 제어장치의 측면에서는 에너지원의 입력을 받는 부분과 입력 전원의 여러 데이터로부터 연산하여 최대전력을 출력할 수 있도록 최대 출력점을 구하고, 이를 출력 기준 신호로 하여 전압 또는 전류 명령으로 변환한 후에 인버터의 반도체 스위치를 스위칭하는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호를 출력하는 공통점이 있다.

그러나, 종래의 전력변환장치는 에너지원의 종류에 따라 각각 전용의 전력변환장치를 사용하고, 전력변환장치들이 서로 호환되지 않아 공통으로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 에너지원의 종류에 따라 별도의 전력변환회로를 구비하지 아니하고, 공통의 전력변환회로와 간단한 선택유닛을 구비함으로써 에너지원의 종류에 관계없이 전력을 변환할 수 있는 하이브리드 전력변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치는 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 변환유닛과, 선택신호에 따라 상기 입력되는 직류 또는 교류 전원을 상기 변환유닛에 선택적으로 연결하는 선택유닛과, 상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치는 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 복수의 스위칭유닛과, 상기 스위칭유닛과 연결되는 복수의 커패시터와, 선택신호에 따라 상기 스위칭유닛 및 커패시터들로 직류 또는 교류 전원이 공급되도록 연결하는 선택유닛과, 상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛을 포함하여 구성된다.

본 발명은 공통의 전력변환회로와 간단한 선택유닛을 구비하여 에너지원의 종류에 관계없이 전력을 변환할 수 있다.

본 발명은 공통의 전력변환회로를 구비하여 별도의 전력변환회로를 구성함에 따른 비용을 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 간단한 선택유닛을 구비하여 에너지원에 따라 전용의 전력변환유닛을 사용하지 않도록 함으로써 사용자 편의성을 제고할 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 하이브리드(Hybrid) 전력변환장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치를 개략적으로 도시한 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 변환유닛(10)과, 선택신호에 따라 상기 입력되는 직류 또는 교류 전원을 상기 변환유닛에 선택적으로 연결하는 선택유닛(20)과, 상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛(30)을 포함한다. 또한, 상기 에너지원으로부터 전원이 입력되는 입력유닛(40)과, 상기 변환유닛(10)을 통해 변환된 직류 전원을 다른 장치로 전달하는 출력유닛(50)을 더 포함한다. 여기서, 상기 선택유닛(20)은 릴레이이거나, 동일한 기능을 하는 기계적 또는 전기적 소자일 수 있다.

상기 에너지원으로는 풍력, 태양광, 연료전지 등 신재생 에너지 중 하나가 사용된다. 상기 변환유닛(10)은 상기 신재생 에너지 중 하나로부터 직류 또는 교류 전원이 입력되면, 이를 변환하여 직류 전원을 출력한다. 상기 변환유닛(10)은 상기 입력 전원이 직류 전원이면 승압 회로로 동작하고, 상기 입력 전원이 교류 전원이면 정류 회로로 동작한다.

예를 들어, 상기 에너지원이 태양광 또는 연료전지이면 에너지원으로부터의 출력 전원이 직류 전원이 되어 입력 유닛(40)으로부터 직류 전원이 입력된다. 이 경우, 상기 변환유닛(10)은 직류-직류 변환장치(DC-DC Converter), 즉 승압(Boost) 회로로 동작하게 되고, 낮은 전압의 태양광 전압을 계통 연계에 필요한 전압으로 승압한다. 한편, 상기 에너지원이 풍력이면 에너지원으로부터의 출력 전원이 교류 전원이 되어 입력 유닛(40)으로부터 교류 전원이 입력된다. 이 경우, 상기 변환유닛(10)은 교류-직류 변환장치(AC-DC Converter), 즉 정류 회로로 동작하게 되고, 풍력발전기의 출력 전압인 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, VVVF) 교류 전압을 계통 연계를 위해 계통전압의 피크 값보다 큰 직류 전압으로 변환시킨다.
상기 정류 회로는, 풀 브리지(Full Bridge) 회로 또는 하프 브리지(Half Bridge) 회로일 수 있다.

상기 제어유닛(30)은 상기 에너지원이 태양광 또는 연료전지이면 상기 입력 전원을 직류 전원으로 선택하는 선택 신호를 출력하고, 상기 에너지원이 풍력이면 상기 입력 전원을 교류 전원으로 선택하는 선택 신호를 출력한다. 상기 제어유닛(30)은 일정한 명령에 따라 상기 선택유닛(20)에 선택신호를 출력하게 되는데, 상기 명령은 연결되는 에너지원에 따라 사용자로부터 수동으로 입력되거나, 또는 에너지원의 입력 전원을 감지하여 자동으로 입력될 수 있다. 즉, 상기 명령이 사용자 등에 의해 수동으로 입력되는 경우에는 사용자 등이 사용하고자 하는 에너지원을 선별하고, 그 에너지원의 출력 전원이 교류인지 직류인지를 먼저 판단하여 상기 변환유닛(10)에 연결하게 된다. 반면, 상기 명령이 자동인 경우는, 먼저 에너지원이 상기 변환유닛(10)을 포함한 본 발명에 따른 하이브리드 전력변환장치에 연결된 다음, 상기 제어유닛(30)이 상기 에너지원으로부터 입력되는 전원을 감지하고, 감지된 전원이 교류 전원인지 직류 전원인지를 판단한 다음, 상기 판단 결과에 따라 상기 선택유닛(20)에 선택신호를 출력하게 된다.

또한, 상기 변환유닛(10)은 상기 입력 전원에 따라 개폐되고, 상기 입력 전원을 직류 전원으로 변환하는 하나 이상의 스위칭유닛과, 상기 선택유닛(20)의 동작에 따라 상기 스위칭유닛에 병렬 또는 직렬로 연결되고, 상기 스위칭유닛으로부터 출력되는 전압을 평활하는 하나 이상의 커패시터를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 스위칭유닛은 절연 게이트형 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)이거나, 동일한 기능을 갖는 소자일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 태양광 또는 연료전지를 에너지원으로 하는 경우를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 풍력을 에너지원으로 하는 경우를 개략적으로 도시한 회로도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치는 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 제1, 제2 스위칭유닛(11)과, 상기 제1 스위칭유닛(12)과 직렬 연결되는 제1 커패시터(15)와, 상기 제2 스위치유닛(13)에 직렬 또는 병렬 연결되는 제2 커패시터(17)와, 선택신호에 따라 상기 제2 스위칭유닛(13)에 상기 제2 커패시터(17)를 병렬 또 는 직렬로 연결하는 선택유닛(20)과, 상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛(20)을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛(미도시)을 포함한다. 또한, 하이브리드 전력변환장치는 고조파를 상쇄하는 인덕터(61)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 선택유닛(20)은 릴레이이거나, 동일한 기능을 하는 기계적 또는 전기적 소자일 수 있다.

상기 제어유닛(30)은 상기 에너지원이 태양광 또는 연료전지이면 상기 제2 스위칭유닛(13)과 상기 제2 커패시터(17)를 병렬 연결하고, 상기 에너지원이 풍력이면 상기 제2 스위칭유닛(13)과 상기 제2 커패시터(17)를 직렬 연결하는 선택신호를 출력한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 스위칭유닛(11)은 절연 게이트형 양극성 트랜지스터들(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)이거나, 동일한 기능을 갖는 소자일 수 있다.

도 2 및 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치는 제1 및 제2 스위칭 유닛(11)과 제1 및 제2 커패시터(15, 17)로 공통회로를 구성하고, 상기 공통회로가 전력을 변환하는 변환장치(10)가 되며, 상기 공통회로에 선택유닛(20)이 연결된다. 또한, 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛(20)을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛(미도시)이 더 연결된다.

도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 태양광 또는 연료전지를 에너지원으로 하는 경우에 있어서의 등가 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 선택유닛(20)이 단자 2로 연결되면 제1 및 제2 커패시터(15, 17)가 서로 직렬로 연결되어 하나의 커패시터(19)로 동작한다. 또한, 에너지원의 입력 전원이 제2 스위칭 유닛(13)으로 연결된다. 즉, 태양광 또는 연료전지의 직류 전원이 상기 제2 스위칭 유닛(13)을 통해 입력된다. 상기 제2 스위칭 유닛(13)과 상기 제2 커패시터(17)는 병렬 연결의 형태가 된다. 이 경우, 제1 스위칭 유닛(12)은 오프되어 다이오드로만 동작하게 하고, 제2 스위칭 유닛이 온/오프 됨에 따라 직류-직류 변환장치, 즉 승압(Boost) 회로로 동작하게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 풍력을 에너지원으로 하는 경우에 있어서의 등가 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 선택유닛(20)이 단자 1로 연결되면 제1 커패시터(15)와 제2 커패시터(17)의 사이로 연결되고, 에너지원의 입력 전원이 제2 스위칭 유닛(13) 및 제2 커패시터(17)로 연결된다. 즉, 풍력의 교류 전원이 상기 제2 스위칭 유닛(13) 및 제2 커패시터(17)를 통해 입력된다. 상기 제2 스위칭 유닛(13)과 상기 제2 커패시터(17)는 직렬 연결의 형태가 된다. 이 경우, 풍력 입력 전원의 +반주기 동안에는 제1 스위칭 유닛(12)이 온/오프 됨에 따라 Sinusoidal PWM을 발생시킨다. 또한, 풍력 입력 전원의 -반주기 동안에는 제2 스위칭 유닛(13)이 온/오프 됨에 따라 Sinusoidal PWM을 발생시킨다. 이렇게 함으로써, 풍력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 교류-직류 변환장치(AC-DC Converter), 즉 정류 회로로 동작하게 된다.

상기 제어유닛(미도시)은 일정한 명령에 따라 상기 선택유닛(20)에 선택신호를 출력하게 되는데, 상기 명령은 연결되는 에너지원에 따라 사용자로부터 수동으 로 입력되거나, 또는 에너지원의 입력 전원을 감지하여 자동으로 입력될 수 있다. 즉, 상기 명령이 사용자 등에 의해 수동으로 입력되는 경우에는 사용자 등이 사용하고자 하는 에너지원을 선별하고, 그 에너지원의 출력 전원이 교류인지 직류인지를 먼저 판단하여 상기 변환유닛(10)에 연결하게 된다. 반면, 상기 명령이 자동인 경우는, 먼저 에너지원이 상기 변환유닛(10)을 포함한 본 발명에 따른 하이브리드 전력변환장치에 연결된 다음, 상기 제어유닛이 상기 에너지원으로부터 입력되는 전원을 감지하고, 감지된 전원이 교류 전원인지 직류 전원인지를 판단한 다음, 상기 판단 결과에 따라 상기 선택유닛(20)에 선택신호를 출력하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전력변환장치는 변환유닛(10) 및 선택유닛(20)을 이용하거나, 또는 제1 및 제2 스위칭 유닛(11)과 제1 및 제2 커패시터(15, 17)로 공통회로를 구성하고, 상기 공통회로에 선택유닛(20)이 연결함으로써, 회로 구성을 간단히 하고, 제어유닛의 간단한 동작으로 직류-직류 전력변환이나 교류-직류 전력변환이 가능하게 한다. 이에 따라 에너지원의 종류에 관계없이 전력을 변환할 수 있고, 비용 절감의 장점이 있으며, 에너지원에 따라 전용의 전력변환유닛을 사용하지 않도록 함으로써 사용자 편의성을 제고할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치를 개략적으로 도시한 구성도;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 태양광 또는 연료전지를 에너지원으로 하는 경우를 개략적으로 도시한 회로도;

도 3은 도 2에 대한 등가 회로를 개략적으로 도시한 회로도;

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전력변환장치에서 풍력을 에너지원으로 하는 경우를 개략적으로 도시한 회로도;

도 5는 도 4에 대한 등가 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.

Claims (11)

1. 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하되,

   상기 입력 전원에 따라 개폐되고, 상기 입력 전원을 직류 전원으로 변환하는 하나 이상의 스위칭유닛; 및

   선택유닛의 동작에 따라 상기 스위칭유닛에 병렬 또는 직렬로 연결되고, 상기 스위칭유닛으로부터 출력되는 전압을 평활하는 하나 이상의 커패시터;를 포함하는 변환유닛;

   선택신호에 따라 상기 입력 전원을 상기 변환유닛에 선택적으로 연결하여, 상기 스위칭유닛 및 상기 커패시터의 연결이 병렬 또는 직렬로 전환되도록 하는 상기 선택유닛; 및

   상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛;을 포함하는 하이브리드 전력변환장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 변환유닛은,

   상기 입력 전원이 직류 전원이면 직류-직류 승압 회로로 동작하고,

   상기 입력 전원이 교류 전원이면 교류-직류 정류 회로로 동작하는 하이브리드 전력변환장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 선택유닛은,

   상기 입력 전원이 직류전원이면 상기 스위칭유닛 및 상기 커패시터의 연결이 병렬로 연결되도록 전환하고,

   상기 입력 전원이 교류전원이면 상기 스위칭유닛 및 상기 커패시터의 연결이 직렬로 연결되도록 전환하는 하이브리드 전력변환장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 스위칭유닛은,

   절연 게이트형 양극성 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력변환장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,

   상기 에너지원이 태양광 또는 연료전지이면 상기 입력 전원을 직류 전원으로 선택하는 선택 신호를 출력하고,

   상기 에너지원이 풍력이면 상기 입력 전원을 교류 전원으로 선택하는 선택 신호를 출력하는 하이브리드 전력변환장치.
6. 제1 항에 있어서, 상기 제어유닛은,

   상기 에너지원으로부터 입력되는 전원을 감지하고, 감지된 전원의 종류를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 선택신호를 출력하는 하이브리드 전력변환장치.
7. 에너지원으로부터 입력되는 직류 또는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 복수의 스위칭유닛;

   상기 스위칭유닛과 연결되는 복수의 커패시터;

   선택신호에 따라 상기 스위칭유닛 및 커패시터들로 직류 또는 교류 전원이 공급되도록 연결하되, 상기 스위칭유닛 및 상기 커패시터의 연결이 병렬 또는 직렬로 전환되도록 하는 선택유닛; 및

   상기 에너지원의 종류에 따라 상기 선택유닛을 구동하는 상기 선택신호를 출력하는 제어유닛;을 포함하는 하이브리드 전력변환장치.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 스위칭유닛은 제1 및 제2 스위칭유닛으로 구성되고,

   상기 커패시터는 제1 및 제2 커패시터로 구성되며,

   상기 선택유닛은 상기 선택신호에 따라 상기 제2 스위치유닛 및 상기 제2 커패시터의 연결이 병렬 또는 직렬로 전환되도록 하는 하이브리드 전력변환장치.
9. 제8 항에 있어서, 상기 제어유닛은

   상기 에너지원이 태양광 또는 연료전지이면 상기 제2 스위칭유닛을 통해 직류 전원이 입력되도록 하고,

   상기 에너지원이 풍력이면 상기 제2 스위칭유닛 및 상기 제2 커패시터를 통해 교류 전원이 입력되도록 하는 하이브리드 전력변환장치.
10. 제8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위칭유닛은,

    절연 게이트형 양극성 트랜지스터들인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전력변환장치.
11. 제7 항 또는 제8 항에 있어서, 상기 제어유닛은,

    상기 에너지원으로부터 입력되는 전원을 감지하고, 감지된 전원의 종류를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 선택신호를 출력하는 하이브리드 전력변환장치.

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